JP5970660B2 - 光取り込みシートおよび光取り込みロッド、ならびにそれらを用いた受光装置、発光装置および光ファイバー用増幅器 - Google Patents

光取り込みシートおよび光取り込みロッド、ならびにそれらを用いた受光装置、発光装置および光ファイバー用増幅器 Download PDF

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Description

本願は、回折を利用して光の取り込みを行う光取り込みシートおよび光取り込みロッド、ならびにそれらを用いた受光装置、発光装置および光ファイバー用増幅器に関する。
屈折率の異なる２つの光伝搬媒質の間で光を伝搬させる場合、界面において光の透過および反射が存在するため、高効率で一方の光伝播媒質から他方の光伝搬媒質に光を移し、この状態を保持することは、一般に難しい。空気などの環境媒質から、透明なシートに光を取り込む技術として、例えば、非特許文献１に示される従来のグレーティング結合法が挙げられる。図２３（ａ）および（ｂ）はグレーティング結合法の原理を示す説明図であって、表面にピッチΛの直線グレーティングが設けられた透光層２０の断面図および平面図を示している。図２３（ａ）に示すように、グレーティングに特定の入射角θで波長λの光２３ａを入射させると透光層２０伝搬する導波光２３Ｂに結合させることができる。
西原浩ほか著、「光集積回路」、オーム社、１９８５年２月２５日、ｐ９４，ｐ２４３
本願発明者の検討によれば、従来のグレーティング結合法では、広い面積から、広い波長範囲の光を、広い入射角度で光を透明なシートに取り込むことが困難である。本開示の限定的ではない一態様は、広い面積から、広い波長範囲の光を、広い入射角度で取り込むことが可能な光取り込みシート、および光取り込みロッドを提供する。また、それらを用いた受光装置、発光装置および光ファイバー用増幅器を提供する。
本開示の一態様に係る光取り込みシートは、第１および第２の主面を有する透光シートと、前記透光シート内であって、前記第１および第２の主面からそれぞれ第１および第２の距離以上隔てた内部に配置された複数の光結合構造とを備え、前記複数の光結合構造のそれぞれは、第１の透光層と、第２の透光層と、前記第１の透光層および前記第２の透光層に挟まれた第３の透光層とを含み、前記第１および第２の透光層の屈折率は前記透光シートの屈折率よりも小さく、前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の屈折率よりも大きく、前記複数の光結合構造のそれぞれは、前記透光シートの前記第１および第２の主面と平行な回折格子を有し、前記複数の光結合構造は、前記透光シート内において、前記第１および第２の主面と平行な平面上の互いに異なる第１および第２の方向と、前記第１および第２の方向に非平行な第３の方向とにおいて３次元に配置されており、前記平面上において前記第１および第２の方向に配置された複数の前記光結合構造により一群の光結合構造が構成され、前記平面と平行な他の平面上において前記第１および第２の方向に配置された複数の前記光結合構造により他の一群の光結合構造が構成され、前記一群の光結合構造と前記他の一群の光結合構造とは、前記第３の方向に隣接しており、前記一群の光結合構造を構成する各光結合構造と、前記他の一群の光結合構造を構成する各光結合構造とは、前記第３の方向に重なっておらず、前記一群の光結合構造に含まれる第１の光結合構造における前記第３の透光層と、前記他の一群の光結合構造に含まれ、前記第１の光結合構造に隣接する第２の光結合構造における前記第３の透光層とは、前記第３の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続されている。
本開示の一態様に係る光取り込みロッドは、主面、および円または楕円の断面を有する透光ロッドと、前記透光ロッド内であって、前記主面から第１の距離以上隔てた内部に配置された複数の光結合構造とを備え、前記複数の光結合構造のそれぞれは、第１の透光層と、第２の透光層と、前記第１の透光層および前記第２の透光層に挟まれた第３の透光層とを含み、前記第１および第２の透光層の屈折率は前記透光ロッドの屈折率よりも小さく、前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の屈折率よりも大きく、前記複数の光結合構造のそれぞれは、前記透光ロッドの中心軸と平行な回折格子を有し、前記複数の光結合構造は、前記透光ロッド内において、前記ロッドの中心軸から所定の距離にある円柱側面上の互いに異なる第１および第２の方向と、前記円柱側面から中心軸へ向かう第３の方向とにおいて３次元に配置されており、前記円柱側面上において前記第１および第２の方向に配置された複数の前記光結合構造により一群の光結合構造が構成され、前記ロッドの中心軸からの距離が前記円柱側面と異なる他の円柱側面上において前記第１および第２の方向に配置された複数の前記光結合構造により他の一群の光結合構造が構成され、前記一群の光結合構造と前記他の一群の光結合構造とは、前記第３の方向に隣接しており、前記一群の光結合構造を構成する各光結合構造と、前記他の一群の光結合構造を構成する各光結合構造とは、前記第３の方向に重なっておらず、前記一群の光結合構造に含まれる第１の光結合構造における前記第３の透光層と、前記他の一群の光結合構造に含まれ、前記第１の光結合構造に隣接する第２の光結合構造における前記第３の透光層とは、前記第３の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続されている。
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システムまたは方法で実現されてもよく、システム、装置および方法の任意な組み合わせで実現されてもよい。
本開示に係る光取り込みシートまたは光取り込みロッドは、広い面積から、広い波長範囲の光を、広い入射角度で取り込むことができる。
（ａ）は、本開示による光取り込みシートの第１の実施形態を示す模式的な断面図であり、（ｂ）は透光シート内の光結合構造の一部を拡大して示す図であり、（ｃ）は、第１の実施形態における第４の領域の位置を示す平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、第１の実施形態の光結合構造を示す模式的な断面図および平面図であり、（ｃ）は、光結合構造の端面に入射する光の様子を示す断面図であり、（ｄ）は、第３の透光層３ｃを抜き取った光結合構造に入射する光の様子を示す断面図であり、（ｅ）、（ｆ）は、光結合構造の他の構成例を示す断面図である。 隣接する複数の光結合構造の配置を示す図である。 第１の実施形態の光取り込みシートの解析に用いた構造を示す断面図である。 図３に示す構造を用いて行った解析結果を示すグラフであって、（ａ）から（ｃ）は、光の入射角とシート外への透過率との関係を示し、（ｄ）は、回折格子の溝深さとシート外への光取り出し効率との関係を示すグラフである。 （ａ）から（ｅ）は、図４（ａ）から（ｃ）の矢印で示す位置の条件におけるシート断面の光強度分布を示す図である。 図３に示す構造において、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率を透光シートの屈折率に一致させ、第３の透光層３ｃの屈折率を２．０にした場合における解析結果を示すグラフであって、（ａ）から（ｃ）は、入射角とシート外への透過率との関係を示し、（ｄ）は、回折格子の溝深さとシート外への光取り出し効率との関係を示すグラフである。 （ａ）から（ｉ）は、第１の実施形態の光取り込みシートの製造手順を示す模式的な断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、第１の実施形態の光取り込みシートの、他の製造手順を示す模式的な断面図である。 （ａ）から（ｄ）は、ｘｙ平面における光結合構造の形状および配置を示す図である。 本開示による受光装置の実施形態を示す模式的な断面図である。 本開示による受光装置の他の実施形態を示す模式的な断面図である。 本開示による受光装置の他の実施形態を示す模式的な断面図である。 本開示による受光装置の他の実施形態を示す模式的な断面図である。 本開示による受光装置の他の実施形態を示す模式的な断面図である。 本開示による採光板の実施形態を示す模式的な断面図である。 本開示による発光装置の実施形態を示す模式的な断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本開示による光取り込みロッドの実施形態を示す中心軸に平行および垂直な模式的断面図である。 図１６に示す光取り込みロッドの製造手順を示す模式的な図である。 （ａ）から（ｄ）は、図１６に示す光取り込みロッドの、他の製造手順を示す模式的な図である。 図１６に示す光取り込みロッドの製造に用いるマスクパターンを示す模式的な平面図である。 本開示による発光装置の実施形態を示す模式的な断面図である。 図１９に示す発光装置の光取り込みロッドの断面における光の入射の様子を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、光ファイバー用増幅器の実施形態を示す模式的な構成図である。 本開示による発光装置の他の実施形態を示す模式的な断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、グレーティング結合法により、光を取り込むための直線グレーティングの断面図および平面図であり、（ｃ）および（ｄ）は、グレーティング結合法の原理を示す図である。
（本開示の基礎となった知見）
本願発明者は、非特許文献１に開示された方法を詳細に検討した。検討結果によれば、透光層２０には、決められた条件を満たす光のみを取り込むことができ、条件からずれた光は取り込まれない。図２３（ｃ）は、透光層２０に設けられたグレーティングに入射する光のベクトルダイアグラムを示している。図２３（ｃ）において、円２１、２２は点Ｏを中心とし、円２１の半径は透光層２０を取り巻く環境媒質１の屈折率ｎ０に等しく、円２２の半径は導波光２３Ｂの等価屈折率ｎｅｆｆに等しい。等価屈折率ｎｅｆｆは透光層２０の膜厚に依存し、導波モードに応じて環境媒質１の屈折率ｎ０から透光層２０の屈折率ｎ１までの間の特定の値をとる。図２３（ｄ）は、透光層２０をＴＥモードで光が伝搬する場合における実効的な膜厚ｔｅｆｆと等価屈折率ｎｅｆｆとの関係を示す。実効的な膜厚とは、グレーティングがない場合には透光層２０の膜厚そのものであり、グレーティングがある場合には、透光層２０の膜厚にグレーティングの平均高さを加えたものである。励起される導波光には、０次、１次、２次などのモードが存在し、図２３（ｄ）に示すように、それぞれ特性カーブが異なる。図２３（ｃ）において、点Ｐは点Ｏから入射角θに沿って線を引き、円２１と交わる点であり、点Ｐ’は点Ｐのｘ軸への垂線の足、点Ｑ、Ｑ’は円２２とｘ軸との交点である。ｘ軸正方向への光の結合条件はＰ’Ｑの長さがλ／Λの整数倍に等しいこと、負方向への光の結合条件はＰ’Ｑ’の長さがλ／Λの整数倍に等しいことで表される。ただし、λは光の波長、Λはグレーティングのピッチである。すなわち、光の結合条件は式（１）で表される。
Figure 0005970660
ここで、ｑは整数で表わされる回折次数である。式（１）で定まるθ以外の入射角では、光は透光層２０内に結合しない。また同じ入射角θであっても、波長が異なれば、やはり光は結合しない。
なお、図２３（ｂ）に示すように、光２３ａの入射方向から角度φだけシフトした方位角φで透光層２０に入射する光２３ａａに対する、透光層２０のグレーティングの実質的なピッチはΛ／ｃｏｓφとなる。このため、異なる方位で入射する光２３ａは、式（１）で規定される条件とは異なる入射角θおよび波長でも光の結合条件を満たし得る。つまり、透光層２０に入射する光の方位の変化を許容する場合には、式（１）で示される光の結合条件は、ある程度広くなる。しかし、広い波長範囲および全ての入射角で入射光を導波光２３Ｂに結合させることはできない。
また導波光２３Ｂはグレーティングの領域を伝搬する間に、入射する光２３ａに対する反射光と同じ方向に光２３ｂ’を放射する。このため、グレーティングの端部２０ａから遠い位置で入射し、導波光２３Ｂとして透光層２０を伝搬することができても、グレーティングの端部２０ａに至る時には減衰してしまう。したがって、グレーティングの端部２０ａに近い位置で入射する光２３ａのみが放射による減衰を受けることなく、導波光２３Ｂとして透光層２０内を伝搬することができる。つまり、多くの光を結合させるため、グレーティングの面積を大きくしても、グレーティングに入射する光の全てを導波光２３Ｂとして伝搬させることはできない。このような課題に鑑み、本願発明者は新規な光取り込みシートを想到した。本願の光取り込みシート、光取り込みロッド、受光装置、発光装置および光ファイバー用増幅器の一態様は以下の通りである。
本開示の一態様に係る光取り込みシートは、第１および第２の主面を有する透光シートと、前記透光シート内であって、前記第１および第２の主面からそれぞれ第１および第２の距離以上隔てた内部に配置された複数の光結合構造とを備え、前記複数の光結合構造のそれぞれは、第１の透光層と、第２の透光層と、前記第１の透光層および前記第２の透光層に挟まれた第３の透光層とを含み、前記第１および第２の透光層の屈折率は前記透光シートの屈折率よりも小さく、前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の屈折率よりも大きく、前記複数の光結合構造のそれぞれは、前記透光シートの前記第１および第２の主面と平行な回折格子を有し、前記複数の光結合構造は、前記透光シート内において、前記第１および第２の主面と平行な平面上の互いに異なる第１および第２の方向と、前記第１および第２の方向に非平行な第３の方向とにおいて３次元に配置されており、前記平面上において前記第１および第２の方向に配置された複数の前記光結合構造により一群の光結合構造が構成され、前記平面と平行な他の平面上において前記第１および第２の方向に配置された複数の前記光結合構造により他の一群の光結合構造が構成され、前記一群の光結合構造と前記他の一群の光結合構造とは、前記第３の方向に隣接しており、前記一群の光結合構造を構成する各光結合構造と、前記他の一群の光結合構造を構成する各光結合構造とは、前記第３の方向に重なっておらず、前記一群の光結合構造に含まれる第１の光結合構造における前記第３の透光層と、前記他の一群の光結合構造に含まれ、前記第１の光結合構造に隣接する第２の光結合構造における前記第３の透光層とは、前記第３の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続されている。
本開示の他の態様に係る光取り込みシートにおいて、前記第１の透光層および第２の透光層のそれぞれは、前記透光シートの前記第１および第２の主面と平行な方向に沿って交互に配置された複数の高屈折率部および複数の低屈折率部を有し、前記第１および第２の透光層の前記複数の高屈折率部および複数の低屈折率部の屈折率は、それぞれ前記透光シートの屈折率よりも小さく、前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の前記複数の高屈折率部および複数の低屈折率部の屈折率よりも大きく、前記複数の高屈折率部の屈折率は前記複数の低屈折率部の屈折率よりも大きくてもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みシートにおいて、前記第１の光結合構造における前記第１の透光層と、前記第２の光結合構造における前記第１の透光層とは、前記第１の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続され、前記第１の光結合構造における前記第２の透光層と、前記第２の光結合構造における前記第２の透光層とは、前記第２の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続されていてもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みシートにおいて、前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれは、前記第１および第２の主面と平行な平面において、方形形状を有し、前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれは、前記第１および第２の主面に対して垂直な方向からみて互いに重ならないように、チェッカーパターン状に配置されていてもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みシートにおいて、前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれは、前記第１および第２の主面と平行な平面において、六角形形状を有し、前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれの少なくとも２つの隣接する光結合構造において、第１の透光層、第２の透光層および第３の透光層は互いにそれぞれ接続されていてもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みシートにおける、前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれの、前記六角形形状の１辺と垂直な方向に位置する２以上の光結合構造において、第１の透光層、第２の透光層および第３の透光層は互いにそれぞれ接続されていてもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みシートにおいて、前記回折格子のピッチが０．１μｍ以上３μｍ以下であり、前記光結合構造における前記第１および第２の透光層の表面は、１００μｍ以下の直径の円に外接する大きさを有し、前記複数の光結合構造のそれぞれの厚さは３μｍ以下であってもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みシートにおける、前記複数の光結合構造のうち少なくとも２つにおいて、前記回折格子の伸びる方向は互いに異なっているか、または前記回折格子のピッチは互いに異なっていてもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みシートにおける、前記複数の光結合構造の少なくとも１つにおいて、前記第１および第２の透光層の、前記透光シートと接する面、及び前記第１の主面、前記第２の主面のいずれかには、ピッチ及び高さが前記光結合構造に入射する光の中心波長の１／３以下の凹凸構造が配置されていてもよい。
本開示の一態様に係る光取り込みロッドは、主面、および円または楕円の断面を有する透光ロッドと、前記透光ロッド内であって、前記主面から第１の距離以上隔てた内部に配置された複数の光結合構造とを備え、前記複数の光結合構造のそれぞれは、第１の透光層と、第２の透光層と、前記第１の透光層および前記第２の透光層に挟まれた第３の透光層とを含み、前記第１および第２の透光層の屈折率は前記透光ロッドの屈折率よりも小さく、前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の屈折率よりも大きく、前記複数の光結合構造のそれぞれは、前記透光ロッドの中心軸と平行な回折格子を有し、前記複数の光結合構造は、前記透光ロッド内において、前記ロッドの中心軸から所定の距離にある円柱側面上の互いに異なる第１および第２の方向と、前記円柱側面から中心軸へ向かう第３の方向とにおいて３次元に配置されており、前記円柱側面上において前記第１および第２の方向に配置された複数の前記光結合構造により一群の光結合構造が構成され、前記ロッドの中心軸からの距離が前記円柱側面と異なる他の円柱側面上において前記第１および第２の方向に配置された複数の前記光結合構造により他の一群の光結合構造が構成され、前記一群の光結合構造と前記他の一群の光結合構造とは、前記第３の方向に隣接しており、前記一群の光結合構造を構成する各光結合構造と、前記他の一群の光結合構造を構成する各光結合構造とは、前記第３の方向に重なっておらず、前記一群の光結合構造に含まれる第１の光結合構造における前記第３の透光層と、前記他の一群の光結合構造に含まれ、前記第１の光結合構造に隣接する第２の光結合構造における前記第３の透光層とは、前記第３の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続されている。
本開示の他の態様に係る光取り込みロッドにおいて、前記第１の透光層および第２の透光層のそれぞれは、前記透光ロッドの前記主面と平行な方向に沿って交互に配置された複数の高屈折率部および複数の低屈折率部を有し、前記第１および第２の透光層の前記複数の高屈折率部および複数の低屈折率部の屈折率は、それぞれ前記透光ロッドの屈折率よりも小さく、前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の前記複数の高屈折率部および複数の低屈折率部の屈折率よりも大きく、前記複数の高屈折率部の屈折率は前記複数の低屈折率部の屈折率よりも大きくてもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みロッドにおいて、前記第１の光結合構造における前記第１の透光層と、前記第２の光結合構造における前記第１の透光層とは、前記第１の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続され、前記第１の光結合構造における前記第２の透光層と、前記第２の光結合構造における前記第２の透光層とは、前記第２の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続されていてもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みロッドにおいて、前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれは、前記主面と平行な面において、方形形状を有し、前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれは、前記主面に対して垂直な方向からみて互いに重ならないように、チェッカーパターン状に配置されていてもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みロッドにおいて、前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれは、前記主面と平行な面において、六角形形状を有し、前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれの少なくとも２つの隣接する光結合構造において、第１の透光層、第２の透光層および第３の透光層は互いにそれぞれ接続されていてもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みロッドにおける、前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれの、前記六角形形状の１辺と垂直な方向に位置する２以上の光結合構造において、第１の透光層、第２の透光層および第３の透光層は互いにそれぞれ接続されていてもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みロッドにおいて、前記回折格子のピッチが０．１μｍ以上３μｍ以下であってもよく、前記光結合構造における前記第１および第２の透光層の表面は、１００μｍ以下の直径の円に外接する大きさを有し、前記光結合構造のそれぞれの厚さは３μｍ以下であってもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みロッドにおける、前記複数の光結合構造のうち少なくとも２つにおいて、前記回折格子の伸びる方向は互いに異なっているか、または前記回折格子のピッチは互いに異なっていてもよい。
本開示の他の態様に係る光取り込みロッドにおける、前記複数の光結合構造の少なくとも１つにおいて、前記第１および第２の透光層の、前記透光ロッドと接する面、および、前記主面のいずれかには、ピッチおよび高さが前記光結合構造に入射する光の中心波長の１／３以下の凹凸構造が配置されていてもよい。
本開示の一態様に係る受光装置は、上記いずれかに記載の光取り込みシートと、前記光取り込みシートの前記第１の主面、前記第２の主面および前記第１の主面と前記第２の主面とに隣接する端面のいずれかに設けられた光電変換部とを備える。
本開示の他の態様に係る受光装置において、上記いずれかに記載の他の光取り込みシートをさらに備え、前記光取り込みシートの前記第１の主面に前記光電変換部が設けられ、前記光取り込みシートの前記第２の主面に前記他の光取り込みシートの端面が接続されていてもよい。
本開示の他の態様に係る受光装置は、上記いずれかに記載の光取り込みシートと、前記光取り込みシートの前記第１の主面または前記第２の主面に設けられた凹凸構造またはプリズムシート、前記凹凸構造または前記プリズムシートから出射する光を受光する光電変換部とを備える。
本開示の他の態様に係る受光装置は、上記いずれかに記載の光取り込みシートと、前記光取り込みシートの前記第１の主面または前記第２の主面の一部に設けられた凹凸構造とを備える。
本開示の一態様に係る発光装置は、上記いずれかに記載の光取り込みシートと、前記光取り込みシートの前記第１の主面または前記第２の主面の一方に近接して設けられた光源と、前記光取り込みシートの前記第１の主面または前記第２の主面の他方に設けられた凹凸構造と、前記凹凸構造から出射する光が入射するように配置されたプリズムシートとを備える。
本開示の他の態様に係る発光装置は、上記いずれかに記載の光取り込みロッドと、前記透光ロッドの第１の主面に近接して配設された少なくとも１つの光源とを備える。
本開示の他の態様に係る発光装置において、前記光源を複数備え、前記光源は可視光または赤外光を出射してもよい。
本開示の他の態様に係る発光装置は、前記透光ロッドの第１の主面の一部に設けられたプリズムシートまたは凹凸構造をさらに備えていてもよい。
本開示の一態様に係る光ファイバー用増幅器は、上記いずれかに記載の光取り込みロッド、および前記透光ロッドの主面に近接して配設された少なくとも１つの赤外光源を含む励起光源と、前記励起光源からの光および信号光を合成する合波器と、前記合波器と光学的に結合され、コアにエルビウムが添加された光ファイバーとを備える。
本開示に係る光取り込みシートまたは光取り込みロッドによれば、透光シートまたは透光ロッドに入射した光は内部に配置された光結合構造に入射し、光結合構造内の回折格子により、第３の透光層に沿った方向に伝搬する光に変換され、光結合構造の端面から放射される。光結合構造は透光シート表面またはロッド中心軸と平行な位置関係にあり、光結合構造の表面は空気などの低屈折率の環境媒質に覆われている。そのため、一度放射された光は透光シートの表面、透光ロッドの表面、および他の光結合構造の表面の間で全反射を繰り返し、透光シート内または透光ロッド内に閉じ込められる。回折格子に様々なピッチ、方位が含まれるので、広い領域、広い波長範囲、例えば可視光全域に渡って、広い入射角、例えば全ての入射角で光を取り込むことが可能になる。
（第１の実施形態）
本開示による光取り込みシートの第１の実施形態を説明する。図１（ａ）は、光取り込みシート５１の模式的な断面図である。光取り込みシート５１は、第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑを有する透光シート２と透光シート２内に配設された少なくとも１つの光結合構造３を備える。
透光シート２は、用途に応じた所望の波長、あるいは、所望の波長域内の光を透過する透明な材料によって構成されている。例えば、可視光（波長０．４μｍ以上０．７μｍ以下）を透過する材料によって構成されている。透光シート２の厚さは例えば０．０３ｍｍ〜１ｍｍ程度である。第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑの大きさに特に制限はなく、用途に応じた面積を有している。この透光シート２の上にはスペーサ２ｄを挟んで、カバーシート２ｅが接着されている。従って、透光シート２の第１の主面２ｐのほとんどはバッファー層２ｆに接している。スペーサ２ｄはエアロゲルのような屈折率が低い材料から構成されている。なお、カバーシート２ｅは透光シート２の第２の主面２ｑに形成してもよく、両面に形成してもよい。
図１（ａ）に示すように、透光シート２内において、光結合構造３は、第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑからそれぞれ第１の距離ｄ１および第２の距離ｄ２以上隔てた内部に配置されている。このため、透光シート２において、第１の主面２ｐと接し、第１の距離ｄ１を厚さに有する第１の領域２ａおよび第２の主面２ｑと接し、第２の距離ｄ２を厚さに有する第２の領域２ｂには光結合構造３は配設されておらず、第１の領域２ａおよび第２の領域２ｂに挟まれた第３の領域２ｃに光結合構造３は配設されている。
光結合構造３は、透光シート２の第３の領域２ｃにおいて、３次元に配列されている。具体的には、光結合構造３は、第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑに平行な面上において、第１および第２の方向に２次元に配列され、かつ、２次元に配列された一群の光結合構造３が、透光シート２の第１および第２の方向に非平行な第３の方向である厚さ方向に複数積層されている。
光結合構造３はｘ、ｙ軸方向（第１および第２の方向）およびｚ軸方向（第３の方向）に所定の密度で配置されている。例えば、その密度は例えばｘ軸方向に１ｍｍ当たり１０〜１０３個、ｙ軸方向に１ｍｍ当たり１０〜１０３個、ｚ軸方向に１ｍｍ当たり１０〜１０３個程度である。透光シート２の第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑ全体に照射される光を効率よく取り込むためには、透光シート２のｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向における光結合構造３の配置密度はそれぞれ独立して均一であってもよい。ただし、用途、または透光シート２の第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑに照射する光の分布によっては、透光シート２中の光結合構造３の配置は均一でなくてもよく、所定の分布を有していてもよい。
図１（ｂ）は透光シート２内の光結合構造３の一部を拡大して示している。図１（ｂ）に示すように、ｘおよびｙ方向に配置された一群の光結合構造３Ｇと、ｚ方向に隣接する他の一群の光結合構造３Ｇ’とにおいて、各光結合構造３は、ｚ方向に重なっていない。
図２Ａ（ａ）および（ｂ）は、光結合構造３の厚さ方向に沿った断面図およびそれに直交する平面図である。光結合構造３は、第１の透光層３ａと第２の透光層３ｂとこれらに挟まれた第３の透光層３ｃとを含む。第３の透光層３ｃは、基準平面に配設されたピッチΛの直線格子を有する回折格子３ｄを含む。回折格子３ｄの直線格子は、第３の透光層３ｃと第１の透光層３ａまたは第２の透光層３ｂとの界面に設けられた凹凸によって構成されていてもよいし、図２Ａ（ｅ）に示すように、第３の透光層３ｃ内部に設けられていてもよい。また、凹凸による格子ではなく、屈折率差による格子であってもよい。この場合、回折格子は、第３の透光層３ｃに設けられていてもよいし、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂに設けられていてもよい。たとえば、図２Ａ（ｆ）に示すように、第１の透光層３ａ’は、透光シート２の第１および第２の主面２ｐ、２ｑと平行な方向に沿って交互に配置された複数の高屈折率部３ａＨおよび複数の低屈折率部３ａＬを有する回折格子を含む。同様に、第２の透光層３ｂ’は、透光シート２の第１および第２の主面２ｐ、２ｑと平行な方向に沿って交互に配置された複数の高屈折率部３ｂＨおよび複数の低屈折率部３ｂＬを有する回折格子を含む。高屈折率部３ａＨの屈折率は、低屈折率部３ａＬの屈折率よりも大きく、高屈折率部３ｂＨの屈折率は、低屈折率部ｂａＬの屈折率よりも大きい。
図２Ｂは、ｚｙ平面における一群３Ｇの光結合構造３およびｚ方向に隣接する他の一群３Ｇ’の光結合構造３における各光結合構造３を示している。図２Ｂに示すように、一群３Ｇの光結合構造３を構成する各光結合構造の第３の透光層３ｃと、他の一群３Ｇ’の光結合構造３を構成する各光結合構造の第３の透光層３ｃとは第３の透光層３ｃと同じ材料によって構成される接続部３ｃｃによって接続されている。同様に一群３Ｇの光結合構造３を構成する各光結合構造の第１の透光層３ａと、他の一群３Ｇ’の光結合構造３を構成する各光結合構造の第１の透光層３ａとは第１の透光層３ａと同じ材料によって構成される接続部３ａｃによって接続されている。また、同様に一群３Ｇの光結合構造３を構成する各光結合構造の第２の透光層３ｂと、他の一群３Ｇ’の光結合構造３を構成する各光結合構造の第２の透光層３ｂとは第２の透光層３ｂと同じ材料によって構成される接続部３ｂｃによって接続されている。
図２Ｂは、ｙ方向の断面を示しているが、Ｘ方向においても、一群３Ｇの光結合構造３を構成する各光結合構造の第１の透光層３ａ、第２の透光層３ｂおよび第３の透光層３ｃは、他の一群３Ｇ’の光結合構造３を構成する各光結合構造の第１の透光層３ａ、第２の透光層３ｂおよび第３の透光層３ｃと接続部３ａｃ、３ｂｃ、３ｃｃによって、接続されている。
図８（ａ）は、一群３Ｇの光結合構造３および他の一群３Ｇ’の光結合構造３のｘｙ平面における配置を示している。たとえば、一群３Ｇの光結合構造３を構成する各光結合構造は、領域３５Ａに配置され、他の一群３Ｇ’の光結合構造３を構成する各光結合構造は、領域３５Ｂに配置される。一群３Ｇの光結合構造３を構成する各光結合構造３の第３の透光層３ｃは、接続部３ｃｃを介して、ｚ方向に隣接する他の一群３Ｇ’の光結合構造３のうちの、ｘ方向およびｙ方向において、隣接する４つの光結合構造３の第３の透光層３ｃと接続されている。他の一群３Ｇ’の光結合構造３を構成する各光結合構造の第３の透光層３ｃも同様である。しかし、第３の透光層３ｃはｙ方向に伸びているのに対し、接続部３ｃｃはｚ方向に伸びており、第３の透光層３ｃを導波路として見た場合、接続部３ｃｃにおいて、光の伝搬し得る方向が９０度折れ曲がる。このため、以下において説明するように、光結合構造３の第３の透光層３ｃを透過する光は、接続部３ｃｃを介して、他の光結合構造３には透過せず、各光結合構造３は独立した光学素子として扱うことができる。したがって、以降の説明では、各光結合構造３を独立した光学要素であるとして説明する。
光結合構造３は、第３の透光層３ｃの回折格子３ｄが光取り込みシート５１の第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑと平行になるように、透光シート２内に配置されている。ここで、回折格子が第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑと平行であるとは、格子が配設されている基準平面が第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑと平行であることを意味する。
第１の透光層３ａ、第２の透光層３ｂおよび第３の透光層３ｃの厚さはそれぞれａ、ｂ、ｔであり、第３の透光層３ｃの直線回折格子の段差（深さ）はｄである。第３の透光層３ｃの表面は透光シート２の第１の主面２ｐ、第２の主面２ｑと平行であり、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの、第３の透光層３ｃと反対側に位置する表面３ｐ、３ｑも透光シート２の第１の主面２ｐ、第２の主面２ｑと平行である。
以下において説明するように、光取り込みシートに入射する異なる波長の光を取り込むことができるように、光取り込みシート５１は複数の光結合構造３を備え、複数の光結合構造のうち少なくとも２つにおいて、回折格子３ｄの伸びる方向が互いに異なっていてもよい。あるいは、複数の光結合構造３のうち少なくとも２つにおいて、回折格子３ｄのピッチΛが互いに異なっていてもよい。あるいは、これらの組み合わせであっても良い。
第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率は透光シート２の屈折率よりも小さく、第３の透光層３ｃの屈折率は第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率よりも大きい。以下では、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂは空気であり、屈折率が１であるとする。また、第３の透光層３ｃは透光シート２と同じ媒質から構成されており、屈折率は互いに等しいとする。
光結合構造３が、図２Ａ（ｆ）に示す構造を備えている場合には、高屈折率部３ａＨおよび低屈折率部３ａＬの屈折率は、透光シート２の屈折率および第３の透光層３ｃの屈折率よりも小さい。同様に、高屈折率部３ｂＨおよび低屈折率部３ｂＬの屈折率は、透光シート２の屈折率および第３の透光層３ｃの屈折率よりも小さい。
光結合構造３の第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの表面３ｐ、３ｑは、例えば、長さＷおよびＬを２辺とする矩形であり、ＷおよびＬは３μｍ以上１００μｍ以下である。つまり、光結合構造３の第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの表面は３μｍ以上、１００μｍ以下の直径の円に外接する大きさを有している。また、光結合構造３の厚さ（ａ＋ｔ＋ｄ＋ｂ）は３μｍ以下である。図２Ａ（ｂ）に示すように、本実施形態では光結合構造３は、ｘｙ平面において方形形状を有しているが、他の形状、例えば、多角形、円または楕円形状を有していてもよい。
光取り込みシート５１は、環境媒質に囲まれて使用される。例えば、光取り込みシート５１は空気中で使用される。この場合環境媒質の屈折率は１である。以下、透光シート２の屈折率をｎｓとする。環境媒質からの光４はカバーシート２ｅとバッファー層２ｆを透過し、透光シート２の第１の主面２ｐまたは第２の主面２ｑから透光シート２の内部に入射する。バッファー層２ｆは環境媒質と同じ媒質で構成され、その屈折率は１である。また、スペーサ２ｄの屈折率もほとんど１に等しい。カバーシート２ｅの両面、第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑには入射した光４の透過率を高めるため、ＡＲコートまたは無反射ナノ構造が形成されていてもよい。無反射ナノ構造には、モスアイ構造等、ピッチおよび高さが設計波長の１／３以下の微細な凹凸構造が含まれる。設計波長は、光取り込みシート５１が所定の機能を発揮するように各要素を設計する際に用いる光の波長である。なお、無反射ナノ構造では、フレネル反射は低減するが、全反射は存在する。
以下、透光シート２の内部に存在する光のうち、その伝搬方位と透光シート２の法線（第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑに垂直な線）とのなす角θ（以下、伝搬角と呼ぶ）がｓｉｎθ＜１／ｎｓを満たす光を臨界角内の光、ｓｉｎθ≧１／ｎｓを満たす光を臨界角外の光と呼ぶ。図１（ａ）において透光シート２の内部に臨界角内の光５ａがある場合、その一部は光結合構造３により、臨界角外の光５ｂに変換され、この光は第１の主面２ｐを全反射して、シート内部にとどまる臨界角外の光５ｃとなる。また、臨界角内の光５ａの残りの臨界角内の光５ａ’のうちの一部は別の光結合構造３により臨界角外の光５ｂ’に変換され、この光は第２の主面２ｑを全反射して、シート内部にとどまる臨界角外の光５ｃ’となる。このようにして臨界角内の光５ａの全てが、光結合構造３が配置された第３の領域２ｃ内で臨界角外の光５ｂまたは光５ｂ’に変換される。
一方、透光シート２に臨界角外の光６ａがある場合、その一部は光結合構造３の表面を全反射して臨界角外の光６ｂとなり、この光は第１の主面２ｐを全反射して、シート内部にとどまる臨界角外の光６ｃとなる。また、光６ａの残りの光の一部は光結合構造３が設けられた第３の領域２ｃを透過する臨界角外の光６ｂ’となり、この光は第２の主面２ｑにおいて全反射し、透光シート２内部にとどまる臨界角外の光６ｃ’となる。また図に示していないが、異なる光結合構造３の間と第１の主面２ｐ、第２の主面２ｑの間を全反射しながらシート内部にとどまる臨界角外の光、つまり、第１の領域２ａ、第２の領域２ｂ、あるいは第３の領域２ｃに止まって伝搬する光も存在する。この場合、第１の領域２ａ、および第２の領域２ｂを伝搬する光の分布に偏りが生じる可能性がある。透光シート２における光の分布の偏りが問題となる場合には、図１（ａ）に示すように、透光シート２内の第３の領域２ｃにおいて、光結合構造３が配設されていない第４の領域２ｈを１つ以上設けてもよい。つまり、光結合構造３は、第４の領域２ｈを除く第３の領域２ｃ内にのみ配置されている。透光シート２において、第４の領域２ｈは第１の領域２ａと第２の領域２ｂとを接続している。第４の領域２ｈは、第１の領域２ａから第２の領域２ｂへまたは逆の方向に沿って伸びており、第４の領域２ｈを貫通する任意の直線の方位は透光シートの屈折率と透光シートの周囲の環境媒質の屈折率とで規定される臨界角よりも大きな角度に沿っている。すなわち、環境媒質の屈折率が１であり、透光シート２の屈折率をｎｅとすれば、第４の領域２ｈを貫く任意の直線の延びる方向２ｈｘが透光シート２の法線となす角度θ’は、ｓｉｎθ’≧１／ｎｓを満たしている。ここで、直線が第４の領域２ｈを貫通するとは、第４の領域２ｈの第１の領域２ａと接する面と、第４の領域２ｈの第２の領域２ｂとを直線が貫くことを言う。
光結合構造３が図２Ａ（ｆ）に示す構造を有する場合も同様に機能する。臨界角内の光５ａは第１の透光層３ａ’または第２の透光層３ｂ’の内部に入ることができ、第１の透光層３ａ’または第２の透光層３ｂ’に設けられた低屈折率部および高屈折率部によって構成される回折格子により、導波光５Ｂを励起できる。一方、臨界角外の光６ａは第１の透光層３ａ’または第２の透光層３ｂ’の表面でほとんど全反射し、第１の透光層３ａ’または第２の透光層３ｂ’の内部に滲み込める深さは極めて小さくなるので、第１の透光層３ａ’または第２の透光層３ｂ’の内部に形成された回折格子の影響をうけることはない。
図１（ｃ）は、光取り込みシート５１の平面図であって、第４の領域２ｈの配置を示している。図１（ｃ）に示すように、第４の領域２ｈは、例えば、透光シート２内に複数設けられている。第４の領域２ｈは、臨界角よりも大きな角度で第１の領域２ａから第２の領域２ｂへまたは逆の方向に伸びているため、透光シート２の第１の領域２ａおよび第２の領域２ｂを伝搬する光のうち、臨界角外の光のみが、第４の領域２ｈを透過し、第１の領域２ａから第２の領域２ｂへまたは逆に透過し得る。このため、光取り込みシート５１内での光分布の偏りを防ぐことができる。
図２Ａ（ａ）に示すように、臨界角内の光５ａは、第２の透光層３ｂの表面３ｑを透過し、その一部は回折格子３ｄの作用で第３の透光層３ｃ内を伝搬する導波光５Ｂに変換される。残りは透過光または回折光として、主に臨界角内の光５ａ’となって光結合構造３を透過するか、または、反射光として、臨界角内の光５ｒとなり、光結合構造３を通過する。第２の透光層３ｂへの入射の際、表面３ｑを反射する臨界角外の光６ｂもあるが、表面３ｑ、３ｐに無反射ナノ構造を形成しておけば、ほとんどの光を透過させることができる。
導波光５Ｂへの結合は、従来のグレーティング結合法の原理と同じである。導波光５Ｂは第３の透光層３ｃの端面３Ｓに至るまでにその一部が臨界角内の光５ｒと同じ方向に放射されて臨界角内の光５ｒ’となり、残りは導波して第３の透光層３ｃの端面３Ｓから放射され、臨界角外の光５ｃとなる。一方、臨界角外の光６ａは、第２の透光層３ｂの表面３ｑにおいて全反射し、その全てが臨界角外の光６ｂとなる。このように、光結合構造３の表面（第１の透光層３ａの表面３ｐおよび第２の透光層３ｂの表面３ｑ）に入射する臨界角外の光は臨界角外の光としてそのまま反射され、臨界角内の光はその一部が臨界角外の光に変換される。
なお、第３の透光層３ｃの回折格子３ｄの長さが長すぎると、導波光５Ｂはその端面３Ｓに到達する前に全て放射される。また短すぎると導波光５Ｂへの結合効率が十分でない。導波光５Ｂの放射しやすさは放射損失係数αで表され、伝搬距離Ｌで導波光５Ｂの強度はｅｘｐ（−２αＬ）倍になる。仮にαの値を１０（１／ｍｍ）とすると、１０μｍの伝搬で０．８倍の光強度となる。放射損失係数αは回折格子３ｄの深さｄに関係し、ｄ≦ｄｃの範囲では単調増加し、ｄ＞ｄｃの範囲では飽和する。光の波長をλ、導波光５Ｂの等価屈折率ｎｅｆｆ、第３の透光層３ｃの屈折率をｎ１、回折格子３ｄのデューティ（凸部の幅のピッチに対する比）を０．５とするとｄｃは以下の式（２）で与えられる。
Figure 0005970660
例えば、λ＝０．５５μｍ、ｎｅｆｆ＝１．２５、ｎ１＝１．５とすると、ｄｃ＝０．１０７μｍとなる。単調増加領域では放射損失係数αはｄの２乗に比例する。したがって、回折格子３ｄの長さ、すなわち第３の透光層３ｃの長さ（寸法ＷとＬ）は、放射損失係数αにより決まり、回折格子３ｄの深さｄに依存する。仮に、深さｄを調整してαの値を２〜１００（１／ｍｍ）の範囲に設定し、減衰比を０．５とすると、ＷおよびＬは３μｍから１７０μｍ程度となる。このため、上述したようにＷおよびＬが３μｍ以上１００μｍ以下であれば、深さｄの調整で放射損失を抑制し、高い結合効率を得ることができる。
導波光５Ｂの等価屈折率ｎｅｆｆを１．２５とした場合において、式（１）よりピッチΛ、入射角θに対して、どの可視光の波長（λ＝０．４〜０．７μｍ）の光が結合するかを（表１）に示す。点線の区間が結合の範囲である。例えば、ピッチ０．４μｍの場合、θ＝−１４度で波長０．４μｍの光、θ＝３０度で波長０．７μｍの光が結合し、θ＝−１４度からθ＝３０度までが可視光の結合範囲となる。
Figure 0005970660
入射角θの極性は光の結合方向に関係する。したがって、光の結合方向を無視して結合の有無のみに注目すると、入射角の範囲が０から９０度、または、−９０から０度のいずれかをカバーできれば、全ての入射角度に対する結合がなされたことになる。したがって、表１から、全ての可視光波長、全ての入射角度に対し、光が結合するためには、例えば、０．１８μｍから０．５６μｍ（０度から９０度）、または、０．３０μｍから２．８０μｍ（−９０度から０度）までのピッチΛの回折格子３ｄを有する光結合構造３を組み合わせて用いればよいことが分かる。等価屈折率の変化、または導波層もしくは回折格子を形成する際に生じ得る製造誤差を考慮すると、回折格子３ｄのピッチは概ね０．１μｍ以上３μｍ以下であればよい。
また、図２Ａ（ｂ）に示すように、例えば、回折格子３ｄが伸びる方向と垂直な方向に入射する臨界角内の光５ａに対する回折格子３ｄのピッチはΛであるが、方位角φで入射する光５ａａに対する回折格子３ｄの実効的なピッチはΛ／ｃｏｓφとなる。例えば、光５ａａの入射方位角φが０〜８７度である場合、実効的なピッチはΛ〜１９Λとなる。このため、Λ＝０．１８μｍに設定すると、同一の回折格子３ｄでも入射する光の方位によって０．１８から２．８０μｍまでの実効的なピッチΛが実現でき、Λ＝０．３０μｍに設定すると、０．３０から２．８０μｍまでのピッチΛが実現できる。したがって、異なるピッチの回折格子３ｄを有する光結合構造３を組み合わせる以外に、単一のピッチの光結合構造３を、回折格子の伸びる方向（回折格子の方位）が０度から１８０度まで変わるように回転させて透光シート２内に配置することによっても、全ての可視光波長の光を全ての入射角度で取り込むことできることが分かる。さらに、複数の光結合構造３において、回折格子３ｄのピッチおよび回折格子３ｄの伸びる方向の両方を異ならせてもよい。
次に、光結合構造３の表面３ｐ、３ｑと垂直な端面３ｒ、３ｓ（第２の透光層３ｂの法線方向に沿った面）における光を検討する。図２Ａ（ｃ）に示すように、光結合構造３の端面３ｒに入射する光は、端面３ｒで反射する場合、端面３ｒを回折する場合、端面３ｒを透過して屈折する場合、端面３ｒを経て第３の透光層３ｃを導波する場合が考えられる。例えば、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの端面に入射しこれを透過する臨界角外の光６ａは屈折して、臨界角内の光６ａ’となる。また、第３の透光層３ｃの端面に入射しこれを透過する光６Ａの一部は、第３の透光層３ｃ内を伝搬する導波光６Ｂに変換される。
参考として、図２Ａ（ｄ）は光結合構造３から第３の透光層３ｃを抜き取り、抜き取った後の空間を第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂと同じ空気で埋めた場合の光路を示している。臨界角内の光５ａが光結合構造３の表面３ｑに入射する場合、その入射位置が端面３ｓに近ければ、屈折の結果、端面３ｓで臨界角外の光５ａ’として出射する。また、臨界角内の光５ａが光結合構造３の端面３ｒに入射する場合、端面３ｒで全反射する。臨界角外の光６ａが光結合構造３の端面３ｒに入射する場合、その入射位置に寄らず、屈折の結果、表面３ｐから臨界角内の光６ａ’として出射する。また、臨界角外の光６ａが光結合構造３の表面３ｑに入射する場合、表面３ｑで全反射する。
このように、光結合構造３の端面３ｒ、３ｓに入射する光の場合は振る舞いが複雑で、臨界角外の光が端面に入射しても臨界角外の光として出射するとは限らない。しかし、表面の大きさを端面の大きさよりも十分大きくしておけば、端面での影響は十分小さくなり、表面３ｐ、３ｑにおける光の透過あるいは反射が光結合構造３全体における光の透過または反射の振る舞いとみなることができる。具体的には、第１の透光層３ａの表面３ｐおよび第２の透光層３ｂの表面３ｑの幅Ｗまたは長さＬが、光結合構造３の厚さの４倍以上であれば、十分に光結合構造３の端面３ｒ、３ｓにおける光の影響を無視することができる。したがって、光結合構造３は臨界角外の光を臨界角外の光として保持する一方、臨界角内の光を非可逆的に臨界角外の光に変換する機能を発揮し、光結合構造３の密度を十分に設定しておけば、光取り込みシート５１に入射した全ての光を臨界角外の光、すなわちシート内に閉じ込められた光に変換できる。
図３は光取り込みシート５１における光閉じ込めの効果を確認するための解析に用いた光取り込みシートの断面構造を示している。解析には、光結合構造を１つ含む光取り込みシートを用いた。図３に示すように、透光シート２の第２の主面２ｑから１．７μｍの位置に平行に幅５μｍの光源Ｓ（破線で表示）を設定し、その上方に０．５μｍの距離をおいて幅６μｍの第２の透光層３ｂを平行に配置し、この上に同じ幅の第３の透光層３ｃおよび第１の透光層３ａを配置した。透光シート２の第１の主面２ｐは第１の透光層３ａの表面から２．５μｍの位置にある。光源Ｓから、第２の主面２ｑの法線に対しθの角をなす方位に、紙面に対し４５度の角度をなす偏光の平面波が出射し、入射光の中心が第２の透光層３ｂの表面の中心を透過するように、角θに応じて第１の透光層３ａ、第２の透光層３ｂおよび第３の透光層３ｃの位置を横にシフトさせた。また、第１の透光層３ａの厚さａを０．３μｍ、第２の透光層３ｂの厚さｃを０．３μｍ、第３の透光層３ｃの厚さｔを０．４μｍ、回折格子の深さｄを０．１８μｍ、回折格子のピッチΛを０．３６μｍとした。透光シート２および第３の透光層３ｃの屈折率を１．５とし、環境媒質、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率を１．０とした。
図４（ａ）から（ｃ）は図３に示す構造の光取り込みシートにおいて、光源Ｓから光結合構造３へ入射した光の入射角θと、光取り込みシート外へ出射した光の透過率との関係を示す解析結果である。解析に用いた構造は上述したとおりである。解析には２次元の時間領域差分法（ＦＤＴＤ）を用いた。したがって、図３に示す断面が紙面垂直方向に無限に続いている構造による解析結果である。透過率は安定時での計測であり、光源を取り巻く閉曲面を通過するＰｏｙｎｔｉｎｇ Ｖｅｃｔｏｒの積分値に対する、解析領域最下面（ｚ＝０μｍ）、および最上面（ｚ≒８μｍ）を通過するＰｏｙｎｔｉｎｇ Ｖｅｃｔｏｒの積分値の比で定義した。一部に１００％を超える計算結果があるが、これは光源のＰｏｙｎｔｉｎｇ Ｖｅｃｔｏｒの計測に若干の誤差があるためである。図４（ａ）は光源の波長λが０．４５μｍの場合、図４（ｂ）は波長λが０．５５μｍの場合、図４（ｃ）は波長λが０．６５μｍの場合の計算結果を示している。それぞれ回折格子の深さｄをパラメータにするとともに、光結合構造３がない条件（透光シート２と光源Ｓだけの構成）での結果もプロットしている。
光結合構造３はあるが回折格子の深さｄ＝０の場合の結果を、光結合構造がない場合の結果（Ｎｏｔｈｉｎｇ）と比較すると、前者は後者より臨界角（４１．８度）以内の範囲で透過率が小さくなり、それ以上の角度ではどちらもほぼゼロになる。臨界角以内で前者における透過率が小さくなるのは、図２Ａ（ｄ）を参照して説明したように、第２の透光層３ｂの表面３ｑに入射する光が屈折し、その一部が臨界角外の光として端面３ｓから出射するためである。ただし、前者の場合、同じく図２Ａ（ｃ）、（ｄ）を参照して説明したように、光結合構造３の端面３ｒから入射する臨界角外の光はこの面を屈折した後、第１の透光層３ａの表面３ｐを屈折して、透光シート２内で臨界角内の光になる。したがって、ｄ＝０の場合の構造には、臨界角外の光への変換がある一方、臨界角内の光への変換もあり、全体として光を閉じ込める効果は小さいといえる。
一方、グレーティングの深さｄ＝０．１８μｍの場合の結果をｄ＝０の場合の結果と比較すると、前者の透過率は後者のそれにほぼ近接しているが、矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの位置で透過率が落ち込んでいる。図４（ｄ）は、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の曲線を入射角θに関して積分した値の規格値（９０で割った値）を、回折格子の深さｄをパラメータにして示している。解析モデルが２次元であるため、この積分値は光取り込みシート内の光がシート外に取り出される効率に等しい。いずれの波長でも、ｄの増大に伴い（少なくともｄ＝０、ｄ＝０．１８の比較では）、取り出し効率は低減する。これは、単一の光結合構造による光閉じ込めの効果を現している。この効果は累積でき、光結合構造の数を増やせば、最終的に全ての光を閉じ込めることができる。なお、本解析は２次元のモデルであったが、実際のモデル（３次元モデル）では図２Ａ（ａ）の平面図に示した任意の方位角φに対して結合条件である式（１）を満たす入射光が必ず存在するので、図４で示した透過率の曲線は矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ等の局所的な範囲でなく全ての入射角θの範囲に関して落ち込むことになり、光結合構造による光閉じ込めの効果はより大きくなる。
図５は、図４の矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅに示す条件における光取り込みシート内での光強度分布図を示している。具体的には、図５（ａ）は波長λ＝０．４５μｍ、θ＝５度における結果、図５（ｂ）は波長λ＝０．５５μｍ、θ＝０度における結果、図５（ｃ）は波長λ＝０．５５μｍ、θ＝１０度における結果、図５（ｄ）は波長λ＝０．６５μｍ、θ＝１０度における結果、図５（ｅ）は波長λ＝０．６５μｍ、θ＝２０度における結果を示している。
図５（ａ）、（ｂ）に示す条件および入射角の場合、第３の透光層３ｃの屈折率がそれを取り巻く第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率よりも高いため、第３の透光層３ｃは導波層として機能し、入射光が回折格子の作用で第３の透光層３ｃ内を伝搬する導波光に結合し、この光が第３の透光層３ｃの端面３ｒ、３ｓから透光シート２内に放射されている。この放射光は臨界角外の光であり、透光シート２の第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑで全反射し、透光シート２内に閉じ込められている。図５（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示す条件および入射角の場合も、入射光が回折格子の作用で第３の透光層３ｃ内を伝搬する導波光に結合し、この光が第３の透光層３ｃの端面３ｒからシート内に放射されている。この放射光は臨界角外の光であり、透光シート２の第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑで全反射し、透光シート２内に閉じ込められている。なお、図５（ａ）、（ｃ）、（ｅ）では、放射光が二股に分かれており、結合した光は導波層断面の上下で位相が反転する１次モードの導波光である。一方、図５（ｂ）、（ｄ）では放射光がひとまとまりの状態にあり、結合した光は０次モードの導波光である。
図６は、図３に示す構造において第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率を透光シート２の屈折率と一致させ、第３の透光層３ｃの屈折率を２．０に変更した場合における解析結果を示している。他の条件は図４に示す解析結果が得られた場合の条件と同じである。図６（ａ）は光源の波長λ＝０．４５μｍの場合、図６（ｂ）は波長λ＝０．５５μｍの場合、図６（ｃ）は波長λ＝０．６５μｍの場合の結果を示している。グレーティングの深さｄ＝０．１８μｍの場合の結果をｄ＝０の場合の結果と比較すると、前者の透過率は後者のそれに比べ、矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆの位置で落ち込んでいる。これは、図４を参照して説明したのと同じ理由による。しかし臨界角以上の領域において、後者がゼロ近傍になるのに比べ、前者は大きく浮き上がってしまう。これは臨界角以上の入射角の光が光結合構造３の回折格子により回折し、その一部がシート内で臨界角内の光に変換されるためである。図６（ｄ）は、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の曲線を入射角θに関して積分した値の規格値（９０で割った値）を、溝深さｄをパラメータにして示している。いくつかの条件で、ｄの増大に伴い取り出し効率はかえって増大しており、光閉じ込めの効果が得られない。これは臨界角以上の領域での特性が矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆの位置における効果を打ち消していることを示す。
図４および図６に示す解析結果を比較してみると、図４では臨界角以上で、透過率をゼロにできている。グレーティングの深さｄ＝０．１８μｍの場合の結果をｄ＝０の場合の結果と比較しても、臨界角以上での領域で差はなく、どちらもほぼゼロである。これは、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率を透光シート２の屈折率よりも小さくしたため、第２の透光層３ｂと透光シート２との界面である表面３ｑで全反射が発生し、入射角の大きい光が光結合構造３内の回折格子に入射できず、回折格子による回折光が発生しないためである。このように、光結合構造３として、第３の透光層３ｃが導光層となるためにはその屈折率が第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率よりも大きく、臨界角外の光が第３の透光層３ｃに入射しないためには、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率が透光シート２の屈折率より小さいことが好ましいことが分かる。また、透光シート２と光結合構造との間の全反射に対する臨界角を小さくするためには、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率と透光シートの屈折率の差が大きいことが好ましく、例えば、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率が１であることが好ましいことが分かる。
このように本実施形態の光取り込みシートによれば、透光シートの第１の主面および第２の主面に種々の角度で入射する光は、臨界角内の光となって透光シートの内部に配置された光結合構造に入射し、光結合構造内の回折格子によって、その一部が、第３の透光層内を伝搬する導波光に変換され、光結合構造の端面から放射されて、臨界角外の光となる。光結合構造によってその回折格子のピッチが異なっていたり、回折格子の方位が異なっているため、この変換は全ての方位、広い波長範囲、例えば可視光全域に渡って行われる。また回折格子の長さが短いため、導波光の放射損失を少なくできる。したがって、透光シート内に存在する臨界角内の光は、複数の光結合構造によって全て臨界角外の光に変換される。光結合構造の第１および第２の透過層の屈折率は透光シートの屈折率より小さいため、臨界角外の光は光結合構造の表面を全反射し、この光は他の光結合構造の表面または透光シートの表面の間で全反射を繰り返し、透光シート内に閉じ込められる。このように、光結合構造は臨界角内の光を非可逆的に臨界角外の光に変換する一方、臨界角外の光を臨界角外の状態のまま保持する。したがって、光結合構造の密度を十分に設定しておけば、光取り込みシートに入射した全ての光を臨界角外の光、すなわちシート内に閉じ込められた光に変換できる。
なお図１（ａ）に於いて、透光シート２の第１の主面２ｐはバッファー層２ｆを介してカバーシート２ｅで覆われている。従って、水滴などの異物２ｇはカバーシート２ｅの表面に付着し、第１の主面２ｐに接触するのを防いでいる。もし、異物２ｇが第１の主面２ｐと接触すれば、その接触面で全反射の関係が崩れ、透光シート２内に閉じ込められた臨界角外の光が異物２ｇを介して外部に漏れ出ることになる。スペーサ２ｄも第１の主面２ｐと接するが、その屈折率が環境媒質の屈折率とほとんど変わらないので、その接触面で全反射の関係は維持され、臨界角外の光がスペーサ２ｄを介して外部に漏れ出ることはない。また、透光シートの表面積が小さい場合は、スペーサ２ｄを挟まずにカバーシート２ｅと第１の主面２ｐの間にバッファー層２ｆを形成する構成も考えられる。
光取り込みシート５１は例えば、以下の方法によって製造することができる。図７Ａの（ａ）から（ｉ）は、光取り込みシート５１の製造手順を示す模式的な断面構成図である。
図７Ａ（ａ）に示すように、ＳｉＮ等の高屈折率膜２４の表面にＳｉＯ２等の低屈折率膜２５ａを成膜する。この上にレジストを塗布し、図８（ａ）で示すマスクパターンで露光し、感光部のレジストを除去したあと、高屈折率膜２４をストッパーとして用いて低屈折率膜をエッチングし、残りのレジストを除去することによって、図７Ａ（ｂ）に示す断面図の構造を得る。低屈折率膜２５ａはエッチングされて高屈折率膜２４がむき出しになっている領域２５Ａと、エッチングされずに残っている領域２５Ｂとを含むパターンを有する。これらの２つの領域の段差は、例えば１μｍから３μｍである。
次に、領域２５Ａおよび領域２５Ｂを覆うように、再度ＳｉＯ２等の低屈折率膜２５ａを堆積し、図７Ａ（ｃ）に示すように、領域２５Ａの底部に低屈折率膜２５ａを設ける。領域２５Ａにおける低屈折率膜２５ａの厚さはたとえば、０．４μｍ以上である。
あるいは、低屈折率膜２５ａをエッチングする際、領域２５Ａにおいて０．４μｍ以上の低屈折率膜２５ａが残るように、低屈折率膜２５ａのエッチング量を調整してもよい。この場合、１回のエッチングによって、直接、図７Ａ（ｃ）に示す構造を得ることができる。
次に、図７Ａ（ｄ）に示す様に、低屈折率膜２５ａの全面に０．４μｍ以上の厚さを有する高屈折率膜２４ａを形成する。さらに高屈折率膜２４ａの表面にレジスト塗布し、２光束干渉露光法による感光によって、レジストを露光する。２光束干渉露光法によれば、２つのレーザービームを互いに交差および干渉させることによって、マスクを用いることなくストライプ状の露光領域を形成することができる。また、レーザービームの入射方位または入射角を調整することで、ストライプの向きまたはピッチを変えることができるため、複数の領域２５Ａ、２５Ｂのそれぞれにおいて、一方向に伸びるストライプ状の露光領域を形成することができる。
露光後、レジストの露光領域（または非露光領域）を除去し、残ったレジストパターンを用いて、高屈折率膜２４ａをエッチングし、レジストパターンを除去することにより、図７Ａ（ｅ）に示すように、高屈折率膜２４ａの表面に深さ０．１μｍ以上のグレーティング２４ａＧを形成する。
この後、低屈折率膜２５ｂの成膜（図７Ａ（ｆ））、高屈折率膜２４ｂの成膜とグレーティング２４ｂＧの形成（図７Ａ（ｇ））を繰り返す。この際、グレーティング２４ａＧ、２４ｂＧ等の方位またはピッチを変えることができる。低屈折率膜２５ｂおよび高屈折率膜２４ｂの厚さは、それぞれ０．４μｍ以上であり、グレーティング２４ａＧ，２４ｂＧの深さは０．１μｍ以上である。最後の低屈折率膜２５ｃの成膜の後、図７Ａ（ｈ）に示すように、最表面に平滑化処理を施す。
表面が平坦になった低屈折率膜２５ｃの上に、高屈折率膜２４ｃを成膜し、図７Ａ（ｉ）に示す光取り込みシート５１が完成する。高屈折率膜２４はあらかじめ透明な平面基板上に形成されていてもよく、完成品を平面基板と一体で使用しても、平面基板から引きはがして使用してもよい。
上述したように、高屈折率膜は、切れ目なく連続しているが、領域２５Ａと領域２５Ｂの境目で屈曲しているので、この屈曲部を境にして各光結合構造３は分断されている。また、高屈折率膜２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃは全ての領域で、互いに低屈折率膜２５ａ、２５ｂ、２５ｃを挟んだ構造になっているので、周りの高屈折率膜２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃとも完全に分離できている。従って各光結合構造３は、光学素子として独立して機能し、光は高屈折率膜（第３の透光層３ｃ）に入射して導波光に変換され、この導波光は屈曲部でシート内に臨界角外の光として放射される。本実施形態の製造方法によれば、マスクパターンによる露光が必要なのは最初の低屈折率膜２５ａのパターニングだけであり、後のプロセスは、全面を成膜、全面を干渉露光する工程を繰り返すだけでよく、極めて単純である。
次に、図２Ａ（ｆ）に示す光結合構造３を備えた光取り込みシートの製造方法を説明する。図７Ａを参照した方法と同様、低屈折率膜２５ａ、２５ｂ、２５ｃの材料としてＧｅＯ２を添加したＳｉＯ２を用い、２光束干渉露光法による回折格子の形成プロセスを省き、図７Ｂ（ａ）に示すように、回折格子が形成されていない光取り込みシートを完成させる。この後、紫外レーザー光線を用いた２光束干渉露光法により、図７Ｂ（ｂ）に示すように、低屈折率膜２５ａ、２５ｂ、２５ｃに光誘起屈折率変化を発生させ、周囲に比べ屈折率が高屈折率部（２５ａＧ、２５ｂＧ、２５ｃＧ等）を干渉パターンの光強度分布に合わせて周期的に形成する。図７Ｂ（ｂ）では、これにより、図２Ａ（ｆ）に示す光結合構造３を備えた光取り込みシートが完成する。本実施形態の製造方法によれば、回折格子の高屈折率部をまとめて形成でき、製造途中に回折格子を形成しなくてもよいため、上述の製造方法のよりも製造工程が少なくなり、より効率的に光取り込みシートを製造することができる。
なお、本実施形態において、光結合構造３はｘｙ平面において方形形状を有していた。この場合、図８（ａ）に示すように、ｚ方向において同じ高さ位置にある一群３Ｇの光結合構造３は、例えば、領域３５Ａで示す位置に配置されている。つまり、一群３Ｇの光結合構造３は、チェッカーパターンに配置され、隣接する、他の一群３Ｇ’の光結合構造３は、領域３５Ｂで示すチェッカーパターンに配置される。
これに対し、光結合構造３がｘｙ平面において六角形形状を有する場合、図８（ｂ）から（ｄ）に示すように一群３Ｇの光結合構造３および他の一群３Ｇ’の光結合構造３を配置することができる。
具体的には、図８（ｂ）に示すように、ｚ方向において同じ高さ位置にある一群３Ｇの光結合構造３は、例えば、領域３５Ａで示すように六角形の１辺と垂直な５Ｂ’方向において、連続して形成されていてもよい。この場合、一群３Ｇの光結合構造３のうち、５Ｂ’方向において、各光結合構造３は、分離しておらず、第３の透光層３ｃが連続する。このため、種々の方向から光取り込みシートへ入射する光のうち、光結合構造３に取り込まれ、５Ｂ’方向に進む光は、第３の透光層３ｃを長く伝搬する。このため、５Ｂ’方向に光が伝搬するうちに、いったん第３の透光層３ｃに取り込まれた光が、回折格子３ｄによって、光結合構造３の外部へ臨界角内の光として放射する場合がある。しかし、このように、長く第３の透光層３ｃを伝搬するのは、５Ｂ’方向に進む光だけであり、第３の透光層３ｃにおいて、他の方向に進む光は、上述したように、臨界角外の光として放射され、光取り込みシート内に閉じ込められる。したがって、光取り込みシート全体における光取り込み効率の低下はあまり大きくはならない。
このような光取り込み効率の低下を抑制するには、一群３Ｇの光結合構造３において、光結合構造３を一方向に連続しないようにすればよい。たとえば図８（ｃ）は、六角形の１辺と垂直な５Ｂ’方向において、連続する光結合構造３の数を２にした場合の配置を示している。この場合、５Ｂ’方向と３０度の角度をなす６角形の１辺と平行な５Ｂ’’方向では、光結合構造３は連続する。しかし５Ｂ’’方向に伝搬できる光の出現確率は、図８（ｂ）に示す配置に比べて小さくなる。よって、取り込みシート全体における光取り込み効率の低下が抑制される。
また図８（ｄ）は、六角形の１辺と垂直な５Ｂ’方向において、連続する光結合構造３の数を３にした場合の配置を示している。この場合、５Ｂ’’方向において、光結合構造３が５つ連続しているが、これ以上光結合構造３が連続する方向はない。よって、取り込みシート全体における光取り込み効率の低下がさらに抑制される。
また、以降、第２から第８までの実施形態を取り上げるが、カバーシート２ｅに関する説明は第１の実施形態と同じであり、重複するので省略する。
（第２の実施形態）
本開示による受光装置の実施形態を説明する。図９は、本実施形態の受光装置５４の断面構造を模式的に示している。受光装置５４は、第１の実施形態の光取り込みシート５１と光電変換部７とを備える。
光取り込みシート５１の端面２ｓ、２ｒには、例えば、反射膜１１が設けられている。光取り込みシート５１の第２の主面２ｑに隣接して光電変換部７が設けられている。透光シート２に端面が複数ある場合には、全ての端面に反射膜１１が設けられていてもよい。本実施形態では、第２の主面２ｑの一部と光電変換部７の受光部とが接している。光電変換部７は光取り込みシート５１の第１の主面２ｐの一部に設けられてもよい。
光取り込みシート５１の端面２ｒ、２ｓを反射膜１１で覆うことで、光取り込みシート５１内に取り込まれ、封止された光は光取り込みシート５１内を循環することになる。
光電変換部７は、シリコンによって構成される太陽電池である。１枚の光取り込みシート５１に複数の光電変換部７を取り付けても良い。シリコンの屈折率は５程度であるため、通常、太陽電池の受光面に垂直に光を入射させた場合でも、入射の光のうち、４０％前後の光が光電変換部７に取り込まれずに反射で失われる。斜めに光が入射する場合、さらにこの反射損失は増大する。この反射量を小さくするために、市販の太陽電池の表面にはＡＲコートまたは無反射ナノ構造が形成されているが、十分な性能が得られていない。さらに、太陽電池内部には金属層が存在し、これを反射する光のかなりの部分が、外部に放出される。ＡＲコートまたは無反射ナノ構造があると、反射光は高効率で外部に放出される。
これに対し、本開示の光取り込みシートは全ての可視光波長の光を、全ての入射角度で光取り込みシート内に取り込み、封止する。このため、受光装置５４において、光取り込みシート５１の第１の主面２ｐから入射する光は、光取り込みシート５１に取り込まれ、光取り込みシート５１内を循環する。シリコンの屈折率は透光シート２の屈折率より大きいので、第２の主面２ｑに入射する臨界角外の光５ｂ’、６ｂ’は全反射せず、その一部が屈折光５ｄ’、６ｄ’として光電変換部７へ透過し、光電変換部において電流に変換される。反射した臨界角外の光５ｃ’、６ｃ’はシート内を伝搬したあと、再び光電変換部７に入射し、全ての封止光がなくなるまで、光電変換に利用される。透光シート２の屈折率を１．５とすると、第１の主面２ｐに垂直に入射する光の反射率は４％程度であるが、この面にはＡＲコートまたは無反射ナノ構造が形成されていれば、波長依存性または角度依存性を含めて、反射率を１〜２％以下に抑制できる。これ以外の光は光取り込みシート５１に入射して閉じ込められ、光電変換に利用される。
本実施形態の受光装置によれば、入射光のほとんどをシート内に閉じ込め、そのほとんどを光電変換に利用することができる。したがって、光電変換部のエネルギー変換効率を大幅に改善できる。また、受光面積は第１の主面２ｐの面積で決まり、この面で受光された光は全て光電変換部７へ入射する。このため、光電変換部７の面積を小さくしたり、光電変換部７の数を少なくでき、受光装置の大幅な低コスト化が実現できる。
（第３の実施形態）
本開示による受光装置の他の実施形態を説明する。図１０は、本実施形態の受光装置５５の断面構造を模式的に示している。受光装置５５は、第１の実施形態の光取り込みシート５１と光電変換部７とを備える。
受光装置５５は、第２の主面２ｑに凹凸構造を８が設けられ、光電変換部７との間に隙間が設けられている点で第２の実施形態の受光装置５４と異なる。第２の主面２ｑに設けられた凹凸構造８は凹部および凸部の幅が０．１μｍ以上あり、周期パターンであってもランダムパターンであってもよい。この凹凸構造８により、第２の主面２ｑへ入射する臨界角外の光５ｂ’、６ｂ’は全反射せず、その一部が出射光５ｄ’、６ｄ’として光電変換部７に向かう光となり、光電変換される。光電変換部７の表面を反射する光は、光取り込みシート５１の第２の主面２ｑから内部に取り込まれ、光取り込みシート５１内を伝搬したあと、再び出射光５ｄ’、６ｄ’として光電変換部７に向かう光となる。したがって、本実施形態の受光装置においても、入射光のほとんどを光取り込みシート内に閉じ込め、そのほとんどを光電変換に利用することができる。また、第２の実施形態と同様に、光電変換部７の面積を小さくしたり、光電変換部７の数を少なくできる。したがって、エネルギー変換効率が大幅に改善された、低コスト化の受光装置を実現できる。
（第４の実施形態）
本開示による受光装置の他の実施形態を説明する。図１１は、本実施形態の受光装置５６の断面構造を模式的に示している。受光装置５６は、第１の実施形態の光取り込みシート５１と光電変換部７とプリズムシート９とを備える。
受光装置５６は、第２の主面２ｑと光電変換部７との間にプリズムシート９が設けられている点で第２の実施形態の受光装置５４と異なる。プリズムシート９の内部には４面体状のプリズム１０が互いに隣接して配置されている。２枚の３角柱プリズム列のシートを直交して積層することで、プリズムシート９を構成してもよい。プリズム１０の屈折率はプリズムシート９の屈折率より大きく設定されているため、プリズムシート９の表面に入射する臨界角外光５ｂ’、６ｂ’はプリズム表面で屈折して５ｄ’、６ｄ’となり、光電変換部７に向かう。光電変換部７への光の入射角が垂直に近くなるので、光電変換部７の受光面での反射を小さくでき、第２の実施形態に比べ光取り込みシート５１内における光の循環数を少なくできる。
本実施形態の受光装置においても、入射光のほとんどを光取り込みシート内に閉じ込め、そのほとんどを光電変換に利用することができる。また、第２の実施形態と同様に、光電変換部７の面積を小さくしたり、光電変換部７の数を少なくできる。したがって、エネルギー変換効率が大幅に改善された、低コスト化の受光装置を実現できる。また、第２の実施形態に比べ、シート内の光の循環数が少ないので、光取り込みシートの光封止性能の影響を受けにくい。
（第５の実施形態）
本開示による受光装置の他の実施形態を説明する。図１２は、本実施形態の受光装置５７の断面構造を模式的に示している。受光装置５７は、第１の実施形態の光取り込みシート５１と光電変換部７とを備える。
受光装置５７は、反射膜１１に替えて光電変換部７が端面２ｓ、２ｒを覆っている点で第２の実施形態の受光装置５４と異なる。透光シート２の端面が複数ある場合には、全ての端面に光電変換部７を設けてもよい。本実施形態の場合、光取り込みシート５１には第４の領域２ｈを設けなくてもよい。
端面２ｓ、２ｒに光電変換部７を設ける場合、第２の実施形態とは異なり、臨界角外の光５ｃ、６ｃ、５ｃ’、６ｃ’は光電変換部７の受光面の法線に沿って光電変換部７に入射する。このため光電変換部７の表面での反射が小さく、光取り込みシート５１内における光の循環数を少なくできる。
本実施形態の受光装置においても、入射光のほとんどを光取り込みシート内に閉じ込め、そのほとんどを光電変換に利用することができる。したがって、エネルギー変換効率が大幅に改善された受光装置を実現できる。また、第２の実施形態に比べ、光電変換部７の面積を小さくできるため大幅な低コスト化が実現できる。また、第２の実施形態に比べ、シート内の光の循環数が少ないので、光取り込みシートの光封止性能の影響を受けにくい。
（第６の実施形態）
本開示による受光装置の他の実施形態を説明する。図１３は、本実施形態の受光装置５８の断面構造を模式的に示している。受光装置５８は、光取り込みシート５１、５１’’と光電変換部７とを備える。本実施形態の場合、光取り込みシート５１’’には第４の領域２ｈを設けなくてもよい。
受光装置５８は、第２の実施形態の受光装置５４の第１の主面２ｐに光取り込みシート５１の端面２ｓが接するように接合されている点で、第２の実施形態と異なる。光取り込みシート５１’’は光取り込みシート５１と直交に接合されていてもよい。また、光取り込みシート５１’’において、端面２ｒには反射膜１１が設けられ、光取り込みシート５１と接合された端面２ｓ近傍の第１の主面２ｐ’および第２の主面２ｑ’には反射膜１１’が設けられていてもよい。反射膜１１’は、光取り込みシート５１からの臨界角外の光６ｂが光取り込みシート５１’’外に漏れ出さないよう光６ｂを反射する働きがある。
光取り込みシート５１の第１の主面２ｐに入射する光４は光取り込みシート５１内に取り込まれる。一方、光取り込みシート５１’’の第１の主面２ｐ’および第２の主面２ｑ’に入射する光４’は光取り込みシート５１’’内に取り込まれる。光取り込みシート５１’’内に取り込まれた光は、端面２ｒが反射膜１１で覆われているため、端面２ｓ側に伝搬する導波光１２となり、光取り込みシート５１内の光に合流する。光取り込みシート５１内の第２の主面２ｑの一部は光電変換部７の表面と接触しており、シリコンの屈折率が透光シート２の屈折率より大きいため、第２の主面２ｑに入射する臨界角外の光５ｂ’、６ｂ’は全反射せず、その一部が屈折光５ｄ’、６ｄ’として光電変換部７へ入射し、光電変換部７において電流に変換される。反射した臨界角外の光５ｃ’、６ｃ’は光取り込みシート５１内を伝搬し、再び光電変換部７の受光面に入射し、ほとんどの封止光がなくなるまで、光電変換に利用され続ける。
本実施形態の受光装置は光電変換部７の受光面に対して垂直な光取り込みシート５１’’を備えているため、光取り込みシート５１の第１の主面２ｐに対し斜めに入射する光であっても、光取り込みシート５１’’の第１の主面２ｐ’および第２の主面２ｑ’には、垂直に近い角度で入射する。このため、全ての方位の光をより取り込みやすくなっている。
本実施形態の受光装置においても、入射光のほとんどを光取り込みシート内に閉じ込め、そのほとんどを光電変換に利用することができる。また、第２の実施形態と同様に、光電変換部７の面積を小さくしたり、光電変換部７の数を少なくできる。したがって、エネルギー変換効率が大幅に改善された、低コスト化の受光装置を実現できる。
（第７の実施形態）
本開示による採光板の実施形態を説明する。図１４は、本実施形態の採光板５９の断面構造を模式的に示している。採光板５９は、第１の実施形態の光取り込みシート５１と、光取り込みシート５１の第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑの一部に設けられた凹凸構造８とを備える。光取り込みシート５１において、端面２ｒ、２ｓには反射膜１１が設けられている。
凹凸構造８は第１の主面２ｐの一部に形成され、その凹部および凸部の幅が０．１μｍ以上あるランダムパターンをなす。光取り込みシート５１に取り込まれた光は光取り込みシート５１の内部を伝搬し、この凹凸構造８により、伝搬光の一部が出射光５ｄ’、６ｄ’として、外部に放射される。
採光板５９は、住宅などの建物の採光用窓に、凹凸構造８が設けられた第１の主面２ｐが室内側に位置するように設けられる。昼間、採光板５９は、太陽１３ａの光を第２の主面２ｑから取り込み、この光を凹凸構造８から室内に放射する。これにより凹凸構造８から光が放射する室内照明として用いることができる。また、夜間、採光板５９は、室内照明１３ｂの光を第１の主面２ｐから取り込み、この光を凹凸構造８から放射する。これにより、採光板５９を室内照明の補助にすることができる。このように本実施形態による採光板によれば、入射光のほとんどをシート内に閉じ込め、これを照明として再利用でき、エネルギーの有効利用を実現できる。
（第８の実施形態）
本開示による発光装置の実施形態を説明する。図１５は、本実施形態の発光装置６０の断面構造を模式的に示している。発光装置６０は、光取り込みシート５１と、光源１４と、プリズムシート９とを備える。
ＬＥＤなどの光源１４は、光取り込みシート５１の第１の主面２ｐまたは第２の主面２ｑの一方に隣接して設けられ、他方には凹凸構造８が設けられている。本実施形態では、光源１４が第１の主面２ｐに隣接して配置されて、第２の主面２ｑに凹凸構造８が設けられている。また、光取り込みシート５１の端面２ｓ、２ｒには反射膜１１が設けられている。凹凸構造８は凹部および凸部の幅が０．１μｍ以上あり、周期パターンであってもランダムパターンであってもよい。
プリズムシート９は、第２の主面２ｑに凹凸構造８に対向するように間隙を隔てて配置されている。プリズムシート９の内部には４面体状のプリズム１０が互いに隣接して配置されている。２枚の３角柱プリズム列のシートを直交して積層することで、プリズムシート９を構成してもよい。
光源１４から出射する光４は光取り込みシート５１の第１の主面２ｐから取り込まれ、光取り込みシート５１内を伝搬する光１２となる。この光は凹凸構造８により、その一部が出射光５ｄ’、６ｄ’として、外部に放射される。放射された光はプリズムシート９内のプリズム１０により集光され、ほぼ平行な波面の光４ａとなる。
本実施形態の発光素子によれば、簡単で薄い構成で、点光源から出射する光を光取り込みシート内に閉じ込め、その光を面光源として取り出すことができる。
（第９の実施形態）
本開示による光取り込みロッドの実施形態を説明する。図１６（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の光取り込みロッド６１の中心軸に平行な断面構造および中心軸に垂直な断面構造を模式的に示している。光取り込みロッド６１は、透光ロッド２’と透光ロッド２’の内部に配置された少なくとも１つの光結合構造３を備える。
透光ロッド２’は、中心軸Ｃに垂直な面において円または楕円の断面形状を有している。透光ロッド２’は第１の実施形態と同様、用途に応じた所望の波長、あるいは、所望の波長域内の光を透過する透明な材料によって構成されている。
この透光ロッド２’の外側にはスペーサ２ｄを挟んで、カバーシート２ｅが接着されている。従って、透光ロッド２’の表面である主面２ｕのほとんどはバッファー層２ｆに接している。スペーサ２ｄはエアロゲルのような屈折率が低い材料から構成されている。
透光ロッド２’の断面が円形状である場合、透光ロッド２’の中心軸Ｃに垂直な断面における直径Ｄは例えば０．０５ｍｍ〜２ｍｍ程度である。透光ロッド２’の主面２ｕから、中心軸Ｃに向かう方向に距離ｄ３以上隔てて１つ以上の光結合構造３が設けられている。光取り込みロッド６１は、複数の結合構造３を備えてもよい。透光ロッド２’は円または楕円の断面形状を有しており、光結合構造３は、透光ロッド２’の中心軸Ｃに垂直な面において、中心軸Ｃを中心とした直径ｄ＝Ｄ−２×ｄ３の円形状を有し、中心軸Ｃ方向に添って伸びるコア領域２Ａ内に配置される。
光結合構造３は、コア領域２Ａ内において、軸方向、径方向、および周方向のそれぞれに所定の密度で配置されている。例えば、光結合構造３の配置の密度は、軸方向に１ｍｍ当たり１０〜１０３個、径方向に１ｍｍ当たり１０〜１０３個、周方向に１ｍｍ当たり１０〜１０３個程度である。コア領域の断面形状は円形または楕円であり、２つ以上の輪帯形状であってもよい。
光結合構造３は、第１の実施形態の光結合構造３と同じ構造を備える。
光結合構造３は、第３の透光層３ｃの回折格子が、透光ロッド２’の中心軸Ｃに平行になるようにコア領域２Ａ内配置されている。光結合構造３の中心軸Ｃ方向の長さＬは３μｍ〜１００μｍであり、それに直交する方向の長さＷはＬの１／３〜１／１０程度である。
図１６（ａ）および（ｂ）において、光取り込みロッド６１を囲む環境媒質の屈折率を１．０とし、透光ロッド２’の屈折率をｎｓとする。環境媒質からの光４はカバーシート２ｅとバッファー層２ｆを透過し、透光ロッド２’の主面２ｕから透光ロッド２’の内部に入射する。バッファー層２ｆは環境媒質と同じ媒質で構成され、その屈折率は１である。また、スペーサ２ｄの屈折率もほとんど１に等しい。カバーシート２ｅの両面または主面２ｕには入射した光４の透過率を高めるため、ＡＲコートまたは無反射ナノ構造（モスアイ構造等）が形成されていてもよい。ここで透光ロッド２’内部の光のうち、その伝搬方位とロッド表面の法線とのなす角θ（伝搬角）がｓｉｎθ＜１／ｎｓを満たす光を臨界角内の光、ｓｉｎθ≧１／ｎｓを満たす光を臨界角外の光と呼ぶことにする。
まず、透光ロッド２’の中心軸Ｃに平行な断面での、光のベクトルを見てみる。この断面で、透光ロッド２’内部の臨界角内の光５ａの一部は光結合構造３により臨界角外の光５ｂに変換され、この光は主面２ｕで全反射して、透光ロッド２’内部にとどまる臨界角外の光５ｃとなる。また、臨界角内光５ａの残りの臨界角内の光５ａ’の内の一部は別の光結合構造３により臨界角外の光５ｂ’に変換され、この光は主面２ｕで全反射して、ロッド内部にとどまる臨界角外の光５ｃ’となる。このようにして臨界角内の光５ａの全てが、光結合構造３が設けられたコア領域２Ａ内で臨界角外の光５ｂまたは光５ｂ’に変換される。一方、透光ロッド２’内部の臨界角外の光６ａは、その一部は光結合構造３の表面で全反射して臨界角外の光６ｂとなり、この光は主面２ｕで全反射して、ロッド内部にとどまる臨界角外の光６ｃとなる。また、臨界角外の光６ａの残りの光の一部は光結合構造３が設けられたコア領域２Ａを透過し、この臨界角外の光６ｂ’は主面２ｕを全反射して、透光ロッド２’内部にとどまる臨界角外の光６ｃ’となる。また、図には示していないが、異なる光結合構造３の間と主面２ｕの間を全反射しながらシート内部にとどまる臨界角外の光も存在する。
図２Ａ（ａ）を参照して説明したように、臨界角内の光５ａは、第２の透光層３ｂの表面３ｑを透過し、その一部は回折格子の作用で第３の透光層３ｃ内を伝搬する導波光５Ｂに変換される。残りは透過光または回折光となって、主に臨界角内の光５ａ’となって光結合構造３を透過するか、または、反射光として臨界角内の光５ｒとなり、光結合構造３を通過する。導波光５Ｂは第３の透光層３ｃの端面３Ｓに至るまでにその一部が臨界角内の光５ｒと同じ方向に放射されて臨界角内の光５ｒ’となり、残りは導波して第３の透光層３ｃの端面３Ｓから放射され、臨界角外の光５ｃとなる。一方、臨界角外の光６ａは、第２の透光層３ｂの表面３ｑを全反射し、その全てが臨界角外の光６ｂとなる。このように、光結合構造３の表面（第１の透光層３ａの表面３ｐおよび第２の透光層３ｂの表面３ｑ）に入射する臨界角外の光は臨界角外のままであり、臨界角内の光はその一部が臨界角外の光に変換される。
次に、ロッドの中心軸と直交する断面での、光のベクトルを見てみる。この断面ではロッド内部に入った光が３種類に分類される。コア領域２Ａを通過する光１５ａ、コア領域２Ａの外縁を通過する光１５ｂ、そしてコア領域２Ａの外を通過する光１５ｃである。光１５ａは、前述したようにロッドの中心軸に沿った断面内でロッド内部にとどまる臨界角外の光に変換される。一方、光１５ｂは、ロッドの主面２ｕに角度ψで入射する光であり、ψは式（３）を満たす。
Figure 0005970660
当然、光１５ｃの主面２ｕへの入射角はψよりも大きくなる。したがって、式（４）が成り立てば、光１５ｂはロッドの第１の主面２ｐで全反射し、光１５ｂ、１５ｃは中心軸と直交する断面内で透光ロッド２’内部にとどまる臨界角外の光になる。
Figure 0005970660
したがって、透光ロッド２’の中心軸Ｃに対して平行な断面と透光ロッド２’の中心軸Ｃに対して直交する断面とを合わせて、式（４）を満足することが透光ロッド２’内部の全ての光が透光ロッド２’内部にとどまるための条件となる。
なお図１６に於いて、透光ロッド２’の主面２ｕはバッファー層２ｆを介してカバーシート２ｅで覆われている。従って、水滴などの異物２ｇはカバーシート２ｅの表面に付着し、主面２ｕに接触するのを防いでいる。もし、異物２ｇが主面２ｕと接触すれば、その接触面で全反射の関係が崩れ、透光ロッド２’内に閉じ込められた臨界角外の光が異物２ｇを介して外部に漏れ出ることになる。スペーサ２ｄも主面２ｕと接するが、その屈折率が環境媒質の屈折率とほとんど変わらないので、その接触面で全反射の関係は維持され、臨界角外の光がスペーサ２ｄを介して外部に漏れ出ることはない。また、透光ロッドの表面積が小さい場合は、スペーサ２ｄを挟まずにカバーシート２ｅと主面２ｕの間にバッファー層２ｆを形成する構成も考えられる。
図１７は光取り込みロッド６１の作製手順を示す模式的な断面構成図である。図１７に示すように第１の実施形態と同じ方法で、図７Ａ（ｅ）に示す構造まで作製した高屈折率膜２４、２４ａおよび低屈折率膜２５ａを用意する。これらの積層膜上で光結合構造３を形成する回折格子の格子ベクトルは、ｚ軸に沿って測ったピッチが０．３０μｍから２．８０μｍとなるように、様々なピッチの回折格子を組み合わせても良い。光結合構造３の大きさは、結合した導波光をできるだけロッドの中心軸にそって放射できるよう、ｚ軸方向の長さＬが３μｍ〜１００μｍ、それに直交する方向の長さＷがＬの１／２〜１／１０程度となるように設定する。この積層膜を表面に接着剤を塗布して、ｚ軸の周りに回転しながら巻き込んでいくことにより、光取り込みロッド６１のコア領域２Ａが作製できる。その周りをさらに、無反射ナノ構造の形成された透明な保護層で包むことで、光取り込みロッド６１が完成する。
図１８Ａは光取り込みロッド６１の、他の作製手順を示す模式的な断面構成図、図１８Ｂはロッドを作成するためのマスクパターンを示す模式的な平面図である。
図１８Ａに示すように、透明な棒状の軸３６の表面にＳｉＮ等の高屈折率膜２４を成膜し、その表面にＳｉＯ２等の低屈折率膜２５ａを成膜する。この上にレジストを塗布し、図１８Ｂで示すマスクパターンを、ｚ軸を揃えた状態で露光し、感光部のレジストを除去したあと、高屈折率膜２４をストッパーとして用いて低屈折率膜をエッチングし、残りのレジストを除去し、図１８Ａ（ｂ）に示す構造を得る。図１８Ｂにおいて、マスク表面は透過部３５Ａと遮光部３５Ｂの２領域に分けられ、図１８Ａ（ｂ）で形成される領域２５Ａ、２５Ｂはマスクパターンの領域３５Ａ、３５Ｂにそれぞれ対応する。成膜、露光、エッチングの工程は、必要に応じて軸３６を中心軸周りに回転しながら行う。低屈折率膜２５ａはエッチングされて高屈折率膜２４がむき出しになっている領域２５Ａと、エッチングされずに残っている領域２５Ｂとを含むパターンを有する。これらの２つの領域の段差は、例えば１μｍから３μｍである。
その後、図７Ａを参照して説明した第１の実施形態の製造方法と同様の工程を行い、表面が平坦になった低屈折率膜２５ｃの上に、高屈折率膜２４ｃを成膜し、図１８Ａ（ｃ）に示すような、光取り込みロッドのコア領域が完成する。さらに、その周りを低屈折率の透明膜でシールドすることで、図１８Ａ（ｄ）に示すような光取り込みロッドが完成する。第１の実施形態で説明したように、高屈折率膜は、図１６での説明とは違い、切れ目なく連続しているが、領域２５Ａと領域２５Ｂの境目で屈曲しているので、この屈曲部を境にして導波層としては分断されている。また、高屈折率膜は全ての領域で、互いに低屈折率膜を挟んだ構造になっているので、周りの高屈折率膜とも完全に分離できている。従って図１６での説明と同様に、光は高屈折率膜（第３の透光層３ｃ）に入射して導波光に変換され、この導波光は屈曲部でロッド内に臨界角外の光として放射される。
第１の実施形態で説明したように、回折格子の形成には２光束干渉露光法を用いることができる。また、光ロッドの光結合構造３が図２Ａ（ｆ）に示す構造を有する場合には、図７Ｂを参照して説明した製造方法によって、同様に製造することができる。
（第１０の実施形態）
以降、第１０から第１１までの実施形態を取り上げるが、カバーシート２ｅに関する説明は第９の実施形態と同じであり、重複するので省略する。
本開示による発光装置の実施形態を説明する。図１９は、本実施形態の発光装置６２の断面構造を模式的に示している。発光装置６２は、光取り込みロッド６１と、光源１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂとを備える。光取り込みロッド６１は第９の実施形態で説明した通りの構造を備える。
光取り込みロッド６１の端面２ｒには、反射膜１１が設けられている。光取り込みロッド６１の端面２ｓ側の主面２ｕには、テーパ２ｖが設けられ、透光ロッド２’よりも小さい直径の導波路１８が接続されていてもよい。
光源１４Ｒ、１４Ｇ、１４ＢはレーザーまたはＬＥＤなどによって構成されており、例えば、それぞれ赤、緑、青の光を発光する。これらの光源を出射する光をレンズにより集光し、透光ロッド２’の主面２ｕへ向けて光４Ｒ、４Ｇ、４Ｂを照射する。これらの光はコア領域２Ａ内の光結合構造３により、透光ロッド２’内部に閉じ込められ、一方の端面２ｒが反射膜１１で覆われていることから、全体としてロッド内部を一方向に伝搬する導波光１２となる。この導波光１２は、透光ロッド２’の径が徐々に小さくなっているテーパ２ｖにより損失なく絞られ、細い径を持つ導波路１８内部を伝搬する導波光となる。これより、導波路１８の端面から点光源に近い光１９が出射する。光源がレーザーの場合、光４Ｒ、４Ｇ、４Ｂはコヒーレントな光であるが、個々の光結合構造３からの光放射がばらばらな位相で行われるので、それらが合成された導波光１２はインコヒーレントな光となる。したがって、出射光１９もインコヒーレントな光である。光４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの光量を調整すれば、出射光１９を白色光とすることができる。現在、赤、青の半導体レーザーは実現されており、ＳＨＧを使えば、緑のレーザーも利用できる。これらの光源から白色光を合成する場合、一般には複雑な光学構成が必要なうえ、レーザー光特有の可干渉性によりぎらついた光となる。しかし、本実施形態の発光装置６２によれば、極めて簡単な構成で、ぎらつきのない、より自然な白色光の点光源を提供できる。
本実施の形態の場合、調整の必要な個所は、入射した光４Ｒ、４Ｇ、４Ｂによる収束光と透光ロッド２’との位置調整である。図２０は光取り込みロッド６１への光の入射の様子を示す断面説明図であり、点Ｃはロッドの中心である。透光ロッド２’の屈折率を１．５とすると、直線ＡＣＢと平行な光１６ａは、屈折して近似的に点Ａに集光する光１６ｂとなる。コア領域２Ａの直径が透光ロッド２’の直径の１／１．５よりも大きいとすると、式（４）より光１６ｂは確実にコア領域２Ａを通過し、透光ロッド２’内に閉じ込められる。反対に、コア領域２Ａを通過しない光線を描くのは困難である。例えば、点Ｂに入射してコア領域を通過しない光１７ｂを考えると、そのための入射光線１７ａは入射角が９０度に近い光となってしまう。このとき、入射光線１７ａは、高い開口数による集光の最外縁の光に相当する。いいかえると、一般的な入射角の光線、即ち一般的な開口数での集光による光であれば、それらは全てコア領域２Ａを通過し、透光ロッド２’内に閉じ込められる。このことは、入射した光４Ｒ、４Ｇ、４Ｂと透光ロッド２’との位置調整は非常にラフでよく、調整の容易性を示している。
なお、本実施形態において、光源１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂは０．９８μｍまたは１．４８μｍ等の、光通信用に用いられる赤外波長であってもいい。この場合、本実施形態は、光ファイバー用増幅器として実現し得る。
図２１（ａ）は、本実施形態の光通信における増幅器の構成を示す。光ファイバー用増幅器は、励起光源２８ａ、２８ｂと、合波器２９ａ、２９ｂとアイソレーター３０ａ、３０ｂと、光ファイバー３１とを含む。励起光源２８ａ、２８ｂには、上述の発光装置６２を用いる。また、発光装置６２の光源１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂには０．９８μｍまたは１．４８μｍの赤外光源を用いる。
信号光２６ａと０．９８μｍの励起光源２８ａからの励起光２７ａとは合波器２９ａで合成され、アイソレーター３０ａで整流されて、ファイバー３１を伝搬する。一方、０．９８μｍまたは１．４８μｍの励起光源２８ｂからの励起光２７ｂは合波器２９ｂで合成され、ファイバー３１を逆方向に伝搬する。
光ファイバー３１のコアにはエルビウムが添加されている。図２１（ｂ）は光通信における、信号光を増幅させる原理を示す説明図である。図２１（ｂ）に示すように、Ｅｒ３＋イオンは波長０．９８μｍの励起光を吸収してエネルギー準位が基底準位３２から励起準位３３に遷移し、非放射緩和により励起準位３４に戻り、誘導放出して信号光２６ａを増幅させる（増幅後の信号２６ｂ）。同様に、Ｅｒ３＋イオンは波長１．４８μｍの励起光を吸収してエネルギー準位が基底準位３２から励起準位３４に遷移し、誘導放出して信号光２６ａを増幅させる（増幅後の信号２６ｂ）。
したがって、ファイバー３１内で信号光は増幅され、アイソレーター３０ｂで整流されて増幅信号２６ｂとして取り出される。励起光は、コヒーレントである必要はないが、０．９８μｍまたは１．４８μｍの赤外光を光ファイバー内に入力する必要があり、ファイバー内の光強度が強いほど、信号光の増幅率を高められる。本実施形態によれば、簡単に高密度、高強度の励起光を光ファイバー内に入力することができる。よって、増幅率の高い増幅器を簡単に提供できる。
（第１１の実施形態）
本開示による発光装置の他の実施形態を説明する。図２２は、本実施形態の発光装置６３の断面構造を模式的に示している。発光装置６３は、光取り込みロッド６１と、光源１４と、プリズムシート９とを備える。光取り込みロッド６１は第９の実施形態で説明した通りの構造を備える。
光取り込みロッド６１の端面２ｒには、反射膜１１が設けられている。また、光取り込みロッド６１は光結合構造３が設けられていない部分が導波路１８として機能する。導波路１８の主面２ｕにはプリズムシート９が設けられている。
光源１４はレーザーまたはＬＥＤなどからできており、可視光を発光する。この光源を出射する光をレンズにより集光し、透光ロッド２’内を透過する光４とする。これらの光はコア領域２Ａ内の光結合構造３により、透光ロッド２’内部に閉じ込められ、一方の端面が反射膜１１で覆われていることから、全体として透光ロッド２’内部を一方向に伝搬する光１２となり、導波路１８内部を伝搬する導波光となる。導波路１８にはプリズムシート９が接触して配置されている。プリズムシート９の内部には４面体状のプリズム１０が互いに隣接して配置されている。３角柱プリズム列のシートを直交して貼り合わせても良い。このプリズム１０の屈折率はプリズムシート９の屈折率より大きいので、導波路１８から漏れ出てプリズムシート９に入射する光は屈折してプリズムシート９から出射し、平行な出射光１９となる。なお、プリズムシート９を導波路１８から離してもよく、この場合には導波路１８の表面のプリズムシート９に面している側に凹凸構造を形成して光を出射させる。
光源がレーザーの場合、光４はコヒーレントな光であるが、個々の光結合構造３からの光放射がばらばらな位相で行われるので、それらが合成された導波光１２はインコヒーレントな光となる。したがって、出射光１９もインコヒーレントな光である。現在、赤、青の半導体レーザーは実現されており、ＳＨＧを使えば、緑のレーザーも利用できる。これらの光源を用いると、赤、緑、青の線光源が得られる。例えば、これらの線光源を束ねることで、液晶ディスプレイ用のカラーバックライトを極めて簡単な構成で提供できる。
本開示の光取り込みシートおよび光取り込みロッドは、水滴、埃、汚れ等の影響を受けず、広い領域、広い波長範囲（例えば可視光全域）に渡って、全ての入射角で光の取り込むことが可能であり、それらを用いた受光装置は高変換効率の太陽電池等に有用である。一方、本開示の光取り込みシートおよび光取り込みロッドを用いた受光および発光装置は、新たな照明または光源の形態を提供し、太陽光または照明光を利用したリサイクル照明、高効率のバックライト、インコヒーレントな白色光源、さらには光通信に於ける信号増幅器として有用である。
２ 透光シート
２’ 透光ロッド
２ｐ 第１の主面
２ｑ 第２の主面
２ｕ 主面
３，３’ 光結合構造
３ａ 第１の透光層
３ｂ 第２の透光層
３ｃ 第３の透光層
３ｄ 回折格子
３ｐ，３ｑ 表面
５ａ，５ａ’ 臨界角内の光
５ｂ，５ｃ，５ｂ’，５ｃ’ 臨界角外の光
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｂ’，６ｃ’ 臨界角外の光
９ プリズムシート
１０ プリズム
１１ 反射膜
１４，１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂ 光源

Claims (20)

  1. 第１および第２の主面を有する透光シートと、
    前記透光シート内であって、前記第１および第２の主面からそれぞれ第１および第２の距離以上隔てた内部に配置された複数の光結合構造と
    を備え、
    前記複数の光結合構造のそれぞれは、第１の透光層と、第２の透光層と、前記第１の透光層および前記第２の透光層に挟まれた第３の透光層とを含み、
    前記第１および第２の透光層の屈折率は前記透光シートの屈折率よりも小さく、
    前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の屈折率よりも大きく、
    前記複数の光結合構造のそれぞれは、前記透光シートの前記第１および第２の主面と平行な回折格子を有し、
    前記複数の光結合構造は、前記透光シート内において、前記第１および第２の主面と平行な平面上の互いに異なる第１および第２の方向と、前記透光シートの厚さ方向である第３の方向とにおいて３次元に配置されており、
    前記平面上において前記第１および第２の方向に配置された複数の前記光結合構造により一群の光結合構造が構成され、
    前記平面と平行な他の平面上において前記第１および第２の方向に配置された複数の前記光結合構造により他の一群の光結合構造が構成され、
    前記一群の光結合構造と前記他の一群の光結合構造とは、前記第３の方向に隣接しており、
    前記一群の光結合構造を構成する各光結合構造と、前記他の一群の光結合構造を構成する各光結合構造とは、前記第３の方向に重なっておらず、
    前記一群の光結合構造に含まれる第１の光結合構造における前記第３の透光層と、前記他の一群の光結合構造に含まれ、前記第１の光結合構造に隣接する第２の光結合構造における前記第３の透光層とは、前記第３の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続されている、光取り込みシート。
  2. 前記第１の透光層および第２の透光層のそれぞれは、前記透光シートの前記第１および第２の主面と平行な方向に沿って交互に配置された複数の高屈折率部および複数の低屈折率部を有し、
    前記第１および第２の透光層の前記複数の高屈折率部および複数の低屈折率部の屈折率は、それぞれ前記透光シートの屈折率よりも小さく、
    前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の前記複数の高屈折率部および複数の低屈折率部の屈折率よりも大きく、
    前記複数の高屈折率部の屈折率は前記複数の低屈折率部の屈折率よりも大きい、請求項１記載の光取り込みシート。
  3. 前記第１の光結合構造における前記第１の透光層と、前記第２の光結合構造における前記第１の透光層とは、前記第１の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続され、
    前記第１の光結合構造における前記第２の透光層と、前記第２の光結合構造における前記第２の透光層とは、前記第２の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続されている、請求項１または２に記載の光取り込みシート。
  4. 前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれは、前記第１および第２の主面と平行な平面において、方形形状を有し、
    前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれは、前記第１および第２の主面に対して垂直な方向からみて互いに重ならないように、チェッカーパターン状に配置されている、請求項１から３のいずれかに記載の光取り込みシート。
  5. 前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれは、前記第１および第２の主面と平行な平面において、六角形形状を有し、
    前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれの少なくとも２つの隣接する光結合構造において、第１の透光層、第２の透光層および第３の透光層は互いにそれぞれ接続されている、請求項１から３のいずれかに記載の光取り込みシート。
  6. 前記複数の光結合構造のうち少なくとも２つにおいて、前記回折格子の伸びる方向は互いに異なっているか、または前記回折格子のピッチは互いに異なっている、請求項１から５のいずれかに記載の光取り込みシート。
  7. 前記複数の光結合構造の少なくとも１つにおける前記第１の透光層の、前記透光シートと接する面、前記複数の光結合構造の少なくとも１つにおける前記第２の透光層の、前記透光シートと接する面、前記第１の主面、および前記第２の主面のいずれかには、ピッチ及び高さが前記光結合構造に入射する光の中心波長の１／３以下の凹凸構造が配置されている、請求項１から６のいずれかに記載の光取り込みシート。
  8. 主面、および円または楕円の断面を有する透光ロッドと、
    前記透光ロッド内であって、前記主面から第１の距離以上隔てた内部に配置された複数の光結合構造と
    を備え、
    前記複数の光結合構造のそれぞれは、第１の透光層と、第２の透光層と、前記第１の透光層および前記第２の透光層に挟まれた第３の透光層とを含み、
    前記第１および第２の透光層の屈折率は前記透光ロッドの屈折率よりも小さく、
    前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の屈折率よりも大きく、
    前記複数の光結合構造のそれぞれは、前記透光ロッドの中心軸と平行な回折格子を有し、
    前記複数の光結合構造は、前記透光ロッド内において、前記透光ロッドの中心軸から所定の距離にある円柱側面上の互いに異なる第１および第２の方向と、前記円柱側面から中心軸へ向かう第３の方向とにおいて３次元に配置されており、
    前記円柱側面上において前記第１および第２の方向に配置された複数の前記光結合構造により一群の光結合構造が構成され、
    前記透光ロッドの中心軸からの距離が前記円柱側面と異なる他の円柱側面上において前記第１および第２の方向に配置された複数の前記光結合構造により他の一群の光結合構造が構成され、
    前記一群の光結合構造と前記他の一群の光結合構造とは、前記第３の方向に隣接しており、
    前記一群の光結合構造を構成する各光結合構造と、前記他の一群の光結合構造を構成する各光結合構造とは、前記第３の方向に重なっておらず、
    前記一群の光結合構造に含まれる第１の光結合構造における前記第３の透光層と、前記他の一群の光結合構造に含まれ、前記第１の光結合構造に隣接する第２の光結合構造における前記第３の透光層とは、前記第３の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続されている、光取り込みロッド。
  9. 前記第１の透光層および第２の透光層のそれぞれは、前記透光ロッドの前記主面と平行な方向に沿って交互に配置された複数の高屈折率部および複数の低屈折率部を有し、
    前記第１および第２の透光層の前記複数の高屈折率部および複数の低屈折率部の屈折率は、それぞれ前記透光ロッドの屈折率よりも小さく、
    前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の前記複数の高屈折率部および複数の低屈折率部の屈折率よりも大きく、
    前記複数の高屈折率部の屈折率は前記複数の低屈折率部の屈折率よりも大きい、請求項８に記載の光取り込みロッド。
  10. 前記第１の光結合構造における前記第１の透光層と、前記第２の光結合構造における前記第１の透光層とは、前記第１の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続され、
    前記第１の光結合構造における前記第２の透光層と、前記第２の光結合構造における前記第２の透光層とは、前記第２の透光層と同じ材料によって構成される接続部によって互いに接続されている、請求項８または９に記載の光取り込みロッド。
  11. 前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれは、前記主面と平行な面において、方形形状を有し、
    前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれは、前記主面に対して垂直な方向からみて互いに重ならないように、チェッカーパターン状に配置されている、請求項８から１０のいずれかに記載の光取り込みロッド。
  12. 前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれは、前記主面と平行な面において、六角形形状を有し、
    前記一群の光結合構造および前記他の一群の光結合構造のそれぞれの少なくとも２つの隣接する光結合構造において、第１の透光層、第２の透光層および第３の透光層は互いにそれぞれ接続されている、請求項８から１０のいずれかに記載の光取り込みロッド。
  13. 前記複数の光結合構造のうち少なくとも２つにおいて、前記回折格子の伸びる方向は互いに異なっているか、または前記回折格子のピッチは互いに異なっている、請求項８から１２のいずれかに記載の光取り込みロッド。
  14. 前記複数の光結合構造の少なくとも１つにおける前記第１の透光層の、前記透光ロッドと接する面、前記複数の光結合構造の少なくとも１つにおける前記第２の透光層の、前記透光ロッドと接する面、および前記主面のいずれかには、ピッチおよび高さが前記光結合構造に入射する光の中心波長の１／３以下の凹凸構造が配置されている、請求項８から１３のいずれかに記載の光取り込みロッド。
  15. 請求項１から７のいずれかに記載の光取り込みシートと、
    前記光取り込みシートの前記第１の主面、前記第２の主面および前記第１の主面と前記第２の主面とに隣接する端面のいずれかに設けられた光電変換部と
    を備える受光装置。
  16. 請求項１から７のいずれかに記載の他の光取り込みシートをさらに備え、
    前記光取り込みシートの前記第１の主面に前記光電変換部が設けられ、
    前記光取り込みシートの前記第２の主面に前記他の光取り込みシートの端面が接続された、請求項１５に記載の受光装置。
  17. 請求項１から７のいずれかに記載の光取り込みシートと、
    前記光取り込みシートの前記第１の主面または前記第２の主面の一部に設けられた凹凸構造と
    を備える受光装置。
  18. 請求項８から１４のいずれかに記載の光取り込みロッドと、
    前記透光ロッドの主面に近接して配設された少なくとも１つの光源と
    を備える発光装置。
  19. 前記透光ロッドの主面の一部に設けられたプリズムシート、または凹凸構造をさらに備える、請求項１８に記載の発光装置。
  20. 請求項８から１４のいずれかに記載の光取り込みロッド、および前記透光ロッドの主面に近接して配設された少なくとも１つの赤外光源を含む励起光源と、
    前記励起光源からの光および信号光を合成する合波器と、
    前記合波器と光学的に結合され、コアにエルビウムが添加された光ファイバーと
    を備える光ファイバー用増幅器。
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