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JP2009139669A - Optical device - Google Patents

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JP2009139669A
JP2009139669A JP2007316445A JP2007316445A JP2009139669A JP 2009139669 A JP2009139669 A JP 2009139669A JP 2007316445 A JP2007316445 A JP 2007316445A JP 2007316445 A JP2007316445 A JP 2007316445A JP 2009139669 A JP2009139669 A JP 2009139669A
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JP
Japan
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light
incident
optical
optical device
central axis
Prior art date
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Pending
Application number
JP2007316445A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hidenobu Hamada
英伸 浜田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
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Publication of JP2009139669A publication Critical patent/JP2009139669A/en
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

【課題】作製困難な3次元構造の光学素子でしか実現できなかった光学特性を、簡単な2次元構造の構成で実現する。
【解決手段】入力面22から入射した光6の入射角度8および入射方向に対して、出射位置9が1対1で対応する、入力面22に平行な出力面23を有する第1光変換素子1と、出力面23に近接して配置され、第1光変換素子1の出力面23に垂直な方向に均質であり、出力面23上の出射位置9に対応する入射位置9における光学特性が、入射角度8および入射方向に応じた光学特性に一致している光学素子2と、光学素子2から出射された光が入射するように光学素子2に近接して配置され、光の入射位置21に対して1対1で対応する出射角度20および出射方向で出力する第2光変換素子3とを、光の入射側から順に備えている。
【選択図】図1
An optical characteristic that can only be realized by an optical element having a three-dimensional structure that is difficult to manufacture is realized by a simple two-dimensional structure.
A first light conversion element having an output surface 23 parallel to an input surface 22 in which an exit position 9 corresponds one-to-one with respect to an incident angle 8 and an incident direction of light 6 incident from the input surface 22. 1 is disposed in the vicinity of the output surface 23, is homogeneous in the direction perpendicular to the output surface 23 of the first light conversion element 1, and has optical characteristics at the incident position 9 corresponding to the emission position 9 on the output surface 23. The optical element 2 having the same optical characteristics according to the incident angle 8 and the incident direction, and the optical element 2 are arranged close to the optical element 2 so that the light emitted from the optical element 2 is incident, and the incident position 21 of the light Are provided in order from the incident side of the light.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、高分散特性を有する光デバイスに関する。例えば、3次元構造のフォトニック結晶などによって実現される高分散特性を有する受光デバイスに関する。   The present invention relates to an optical device having high dispersion characteristics. For example, the present invention relates to a light receiving device having high dispersion characteristics realized by a photonic crystal having a three-dimensional structure.

スーパーコリメーターやフォトニックバンドギャップを実現するためには、自然に存在する材料では実現できない光学特性が必要とされるため、従来の光学部品ではこれらを実現できなかった。   In order to realize a super collimator and a photonic band gap, optical characteristics that cannot be realized by a naturally existing material are required, and thus these cannot be realized by conventional optical components.

しかし、高分散特性を有する、人工的に作製したフォトニック結晶などの結晶構造を用いることにより、スーパーコリメーターやフォトニックバンドギャップを実現することがわかってきた。   However, it has been found that a super collimator and a photonic band gap can be realized by using a crystal structure such as an artificially produced photonic crystal having high dispersion characteristics.

そこで、最近では、フォトニック結晶などの人工的な結晶構造の作製技術が開発されている。   Therefore, recently, a technique for producing an artificial crystal structure such as a photonic crystal has been developed.

3次元構造のフォトニック結晶の作製技術として、例えば、1本のレーザー光を複数に分けた光束を互いに角度を持って感光性樹脂層中に照射し、レーザーの3次元干渉により感光性樹脂中にフォトニック結晶構造に対応する像を形成するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。   As a technique for producing a photonic crystal having a three-dimensional structure, for example, a light beam obtained by dividing one laser beam into a plurality of angles is irradiated into the photosensitive resin layer at an angle, and the photosensitive resin layer is irradiated with the laser by three-dimensional interference. A device that forms an image corresponding to a photonic crystal structure has been proposed (for example, see Patent Document 1).

また、2次元の周期パターンを形成した基板上へ2種類以上の屈折率の異なる材料を交互に周期的に積層した後、その周期方向に対して垂直に2次元の垂直周期構造を加工するものも提案されている(例えば、特許文献2参照)。   In addition, two or more kinds of materials having different refractive indexes are alternately and periodically laminated on a substrate on which a two-dimensional periodic pattern is formed, and then a two-dimensional vertical periodic structure is processed perpendicularly to the periodic direction. Has also been proposed (see, for example, Patent Document 2).

また、傾斜した光ファイバー端面に微粒子の積層により周期構造を形成するものも提案されている(例えば、特許文献3参照)。
特開2000−329920号公報(例えば、第1図) 特開2001−74954号公報(例えば、第16図) 特開2004−264872号公報(例えば、第3図)
In addition, a structure in which a periodic structure is formed by laminating fine particles on an inclined end face of an optical fiber has been proposed (see, for example, Patent Document 3).
JP 2000-329920 A (for example, FIG. 1) Japanese Patent Laid-Open No. 2001-74954 (for example, FIG. 16) JP 2004-264872 A (for example, FIG. 3)

しかしながら、従来の3次元構造のフォトニック結晶の作製方法を用いてスーパーコリメーターやフォトニックバンドギャップを実現する場合には、プロセスが複雑で高コストとなっていた。   However, when a super collimator or a photonic band gap is realized using a conventional method for producing a photonic crystal having a three-dimensional structure, the process is complicated and expensive.

すなわち、特許文献1の従来の作製方法は、3次元的に干渉させる必要があるため光学系が複雑である。   In other words, the conventional manufacturing method of Patent Document 1 requires a three-dimensional interference, so that the optical system is complicated.

また、特許文献2の作製方法は、2次元構造にさらに1次元追加する3次元プロセスなのでプロセスが複雑である。   In addition, since the manufacturing method of Patent Document 2 is a three-dimensional process in which one dimension is further added to the two-dimensional structure, the process is complicated.

また、特許文献3の作製方法は、自然に結晶成長させるのでプロセスは簡単であるが、作製可能な構造が最密充填構造に限られるため、所望の光学特性を持つフォトニック液晶を作製することができない。   The manufacturing method of Patent Document 3 is simple because the crystal grows naturally. However, since the structure that can be manufactured is limited to the close-packed structure, a photonic liquid crystal having desired optical characteristics is manufactured. I can't.

このように、スーパーコリメーターやフォトニックバンドギャップを実現できる3次元構造のフォトニック結晶などの結晶構造の作製は、現在の汎用的な2次元構造の積層プロセスでは実現できない場合もあり、また実現できたとしてもプロセスが複雑で高コストとなっていた。   In this way, the fabrication of crystal structures such as supercollimators and photonic crystals with a three-dimensional structure that can realize photonic band gaps may not be possible with the current general-purpose two-dimensional stacking process. Even if it was possible, the process was complicated and expensive.

本発明は、上述した従来の課題を考慮して、簡単な構造で、スーパーコリメート機能を実現可能な高分散特性を有する光デバイスを提供することを目的とする。   In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to provide an optical device having a simple structure and a high dispersion characteristic capable of realizing a super collimating function.

また、別の本発明は、上述した従来の課題を考慮して、簡単な構造で、フォトニックバンドギャップ効果を得られる高分散特性を有する光デバイスを提供することを目的とする。   Another object of the present invention is to provide an optical device having a high dispersion characteristic capable of obtaining a photonic band gap effect with a simple structure in consideration of the above-described conventional problems.

上述した課題を解決するために、第1の本発明は、
入力面から入射した光の入射方向に対して、出射位置が1対1で対応する、前記入力面に平行な出力面を有する第1光変換素子と、
前記出力面に近接して配置され、前記第1光変換素子の前記出力面に垂直な方向に均質であり、前記出射位置に対応する入射位置における光学特性が、前記入射方向に応じた光学特性に一致している光学素子と、
前記光学素子から出射された光が入射するように前記光学素子に近接して配置され、光の入射位置に対して1対1で対応する出射方向で出力する第2光変換素子とを、光の入射側から順に備えた光デバイスである。
In order to solve the above-described problem, the first aspect of the present invention provides:
A first light conversion element having an output surface parallel to the input surface, the output position corresponding to the incident direction of light incident from the input surface in a one-to-one relationship;
The optical characteristic at the incident position corresponding to the exit position is uniform in the direction perpendicular to the output face of the first light conversion element, arranged close to the output face, and according to the incident direction. An optical element corresponding to
A second light conversion element that is arranged in the vicinity of the optical element so that the light emitted from the optical element is incident thereon, and that outputs in the emission direction corresponding to the incident position of the light in a one-to-one relationship; These optical devices are provided in order from the incident side.

また、第2の本発明は、
所定の位置から前記光学素子に入射した光の入射位置と出射位置との関係は、それらの入射位置と出射位置とを結ぶ直線の方向が、前記出力面に垂直な方向と平行な関係である、第1の本発明の光デバイスである。
The second aspect of the present invention provides
The relationship between the incident position and the exit position of light incident on the optical element from a predetermined position is such that the direction of the straight line connecting the incident position and the exit position is parallel to the direction perpendicular to the output surface. The optical device according to the first aspect of the present invention.

また、第3の本発明は、
前記第1光変換素子および前記第2光変換素子は、中心軸上で最大で前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有する屈折率分布型レンズである、第2の本発明の光デバイスである。
The third aspect of the present invention
The first light conversion element and the second light conversion element are a refractive index distribution type lens having a refractive index distribution that decreases in a parabolic manner according to a distance from the central axis at a maximum on a central axis. It is an optical device of the invention.

また、第4の本発明は、
前記光学素子の屈折率を、前記中心軸からの距離に従って低下する屈折率とすることにより、前記第1光変換素子に所定の入射角範囲で入射する入力光に対して拡散する光を前記第2光変換素子から出力させる、第3の本発明の光デバイスである。
The fourth aspect of the present invention is
By setting the refractive index of the optical element to be a refractive index that decreases according to the distance from the central axis, the light diffused with respect to the input light incident on the first light conversion element in a predetermined incident angle range can be obtained. It is the optical device of 3rd this invention output from a 2 light conversion element.

また、第5の本発明は、
前記光学素子の屈折率を、前記中心軸からの距離に従って増大する屈折率とすることにより、前記第1光変換素子に所定の入射角範囲で入射する入力光に対して平行光または集光光を前記第2光変換素子から出力させる、第3の本発明の光デバイスである。
The fifth aspect of the present invention provides
By setting the refractive index of the optical element to be a refractive index that increases according to the distance from the central axis, parallel light or condensed light with respect to input light incident on the first light conversion element in a predetermined incident angle range. Is an optical device according to the third aspect of the present invention.

また、第6の本発明は、
前記光学素子は、前記中心軸に垂直な2次元方向に複数の光学物体を配列した構造を有している、第3の本発明の光デバイスである。
The sixth aspect of the present invention provides
The optical element according to the third aspect of the present invention has a structure in which a plurality of optical objects are arranged in a two-dimensional direction perpendicular to the central axis.

また、第7の本発明は、
前記各光学物体の屈折率は異なっている、第6の本発明の光デバイスである。
The seventh aspect of the present invention
In the optical device according to the sixth aspect of the present invention, the refractive indexes of the optical objects are different.

また、第8の本発明は、
前記各光学物体の屈折率は、電気的な制御によって変更可能であり、
前記各光学物体の屈折率、前記各光学物体の前記中心軸からの距離、および前記中心軸周りの回転角の関係を制御することにより前記第2光変換素子からの出力を制御する、第7の本発明の光デバイスである。
In addition, the eighth aspect of the present invention
The refractive index of each optical object can be changed by electrical control,
Controlling an output from the second light conversion element by controlling a relationship between a refractive index of each optical object, a distance of each optical object from the central axis, and a rotation angle around the central axis; This is an optical device of the present invention.

また、第9の本発明は、
前記各光学物体の屈折率と前記中心軸からの距離との関係を、前記中心軸周りの回転角度に応じて異ならせた、第7の本発明の光デバイスである。
The ninth aspect of the present invention provides
In the optical device according to the seventh aspect of the invention, the relationship between the refractive index of each optical object and the distance from the central axis is made different according to the rotation angle around the central axis.

また、第10の本発明は、
前記中心軸周りの回転角度について、前記各光学物体の屈折率と前記中心軸からの距離との関係が、負の相関となる回転角度範囲と、正の相関となる回転角度範囲とがある、第9の本発明の光デバイスである。
The tenth aspect of the present invention is
Regarding the rotation angle around the central axis, the relationship between the refractive index of each optical object and the distance from the central axis has a rotation angle range in which the correlation is negative and a rotation angle range in which the correlation is positive. It is an optical device of the ninth aspect of the present invention.

また、第11の本発明は、
入力面から入射した光の入射方向に対して、出射位置が1対1で対応する前記入力面に平行な出力面を有し、前記入力面から入射した光の、前記入力面に垂直な方向を基準とする入射角度に対して、前記出射面上の出射位置における出射角度を小さくする第1光変換素子と、
前記出力面に近接して配置され、前記第1光変換素子の前記入力面に垂直な方向に周期構造を有するフォトニック結晶とを備えた光デバイスである。
The eleventh aspect of the present invention is
A direction perpendicular to the input surface of the light incident from the input surface, the output surface having an output surface parallel to the input surface corresponding to the incident direction of the light incident from the input surface. A first light conversion element that reduces an exit angle at an exit position on the exit surface with respect to an incident angle with respect to
An optical device comprising: a photonic crystal that is disposed in the vicinity of the output surface and has a periodic structure in a direction perpendicular to the input surface of the first light conversion element.

また、第12の本発明は、
前記フォトニック結晶の前記周期構造の周期は、前記第1光変換素子から入射した所定の光の実質上半波長の整数倍に等しい、第11の本発明の光デバイスである。
The twelfth aspect of the present invention is
The period of the periodic structure of the photonic crystal is the optical device according to the eleventh aspect of the present invention, wherein the period of the predetermined light incident from the first light conversion element is substantially equal to an integral multiple of a half wavelength.

また、第13の本発明は、
前記フォトニック結晶から出射された、前記所定の光の波長以外の波長を有する光が入射するように前記フォトニック結晶に近接して配置され、光の入射位置に対して1対1で対応する出射方向で出力する第2光変換素子を備えた、第12の本発明の光デバイスである。
The thirteenth aspect of the present invention is
It is arranged close to the photonic crystal so that light having a wavelength other than the wavelength of the predetermined light emitted from the photonic crystal is incident, and has a one-to-one correspondence with the incident position of the light. An optical device according to a twelfth aspect of the present invention, comprising the second optical conversion element that outputs in the emission direction.

また、第14の本発明は、
前記第1光変換素子および前記第2光変換素子は、中心軸上で最大で前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有する屈折率分布型レンズである、第13の本発明の光デバイスである。
The fourteenth aspect of the present invention is
The thirteenth book, wherein the first light conversion element and the second light conversion element are refractive index distribution type lenses having a refractive index distribution that decreases in a parabolic manner according to the distance from the central axis at a maximum on the central axis. It is an optical device of the invention.

また、第15の本発明は、
前記第1光変換素子は、0.25+0.5×iピッチ(iは、0以上の整数)の光路長を有する屈折率分布型レンズであり、
前記第2光変換素子は、0.25+0.5×jピッチ(jは、0以上の整数)の光路長を有する屈折率分布型レンズである、第3または第14の本発明の光デバイスである。
The fifteenth aspect of the present invention provides
The first light conversion element is a gradient index lens having an optical path length of 0.25 + 0.5 × i pitch (i is an integer of 0 or more);
In the optical device according to the third or fourteenth aspect of the present invention, the second light conversion element is a gradient index lens having an optical path length of 0.25 + 0.5 × j pitch (j is an integer of 0 or more). is there.

本発明により、簡単な構造で、スーパーコリメート機能を実現可能な高分散特性を有する光デバイスを提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide an optical device having a high dispersion characteristic capable of realizing a super collimating function with a simple structure.

また、別の本発明により、簡単な構造で、フォトニックバンドギャップ効果を得られる高分散特性を有する光デバイスを提供できる。   According to another aspect of the present invention, it is possible to provide an optical device having a high dispersion characteristic capable of obtaining a photonic band gap effect with a simple structure.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1に、本発明の実施の形態1の光デバイスの側断面模式図を示す。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a schematic side sectional view of an optical device according to Embodiment 1 of the present invention.

本実施の形態1の光デバイスは、図1に示すように、光の入射側から順に、入力側0.25ピッチ屈折率分布型(GRIN)レンズ1、2次元配列光学素子2、および出力側0.75ピッチGRINレンズ3で構成されている。   As shown in FIG. 1, the optical device according to the first embodiment includes, in order from the light incident side, an input side 0.25 pitch gradient index (GRIN) lens 1, a two-dimensional array optical element 2, and an output side. It is composed of a 0.75 pitch GRIN lens 3.

なお、入力側0.25ピッチ屈折率分布型(GRIN)レンズ1、2次元配列光学素子2、および出力側0.75ピッチGRINレンズ3が、それぞれ本発明の、第1光変換素子、光学素子、および第2光変換素子の一例にあたる。   The input side 0.25 pitch gradient index (GRIN) lens 1, the two-dimensional array optical element 2, and the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 are the first light conversion element and the optical element of the present invention, respectively. And an example of the second light conversion element.

入力側0.25ピッチGRINレンズ1は、中心軸5で最大で、中心軸5からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有し、0.25ピッチの光路長を有するGRINレンズである。   The input-side 0.25 pitch GRIN lens 1 is a GRIN lens having a refractive index distribution that is maximum at the central axis 5 and decreases in a parabolic manner according to the distance from the central axis 5, and has an optical path length of 0.25 pitch. .

2次元配列光学素子2は、薄い膜状であり、入力側0.25ピッチGRINレンズ1の出力面23に近接して配置されている。そして、2次元配列光学素子2は、中心軸5方向(膜厚方向)に均質であり、中心軸5に垂直な2次元方向に第i材料4(i=1、2、3、・・・、m:mは整数)が配列された構成をしている。   The two-dimensional array optical element 2 has a thin film shape, and is disposed close to the output surface 23 of the input side 0.25 pitch GRIN lens 1. The two-dimensional array optical element 2 is homogeneous in the direction of the central axis 5 (film thickness direction), and the i-th material 4 (i = 1, 2, 3,...) In the two-dimensional direction perpendicular to the central axis 5. , M: m is an integer).

なお、2次元配列光学素子2を構成している複数の第i材料4が、本発明の複数の光学物体の一例にあたる。   The plurality of i-th materials 4 constituting the two-dimensional array optical element 2 correspond to an example of a plurality of optical objects of the present invention.

入力側0.25ピッチGRINレンズ1には、図1を記載している紙面上に沿って進行する向きの光が入射するものとした場合、入力側0.25ピッチGRINレンズ1に入射角θi8(i=1,2,3・・・,m:整数)で入射した光は、入射角θi8と1対1対応する、出力面23上の出射位置から出射する。したがって、2次元配列光学素子2へは、入射角θi8に1対1対応する、出力面23上の出射位置に対応した材料入射位置ri9に入射する。そして、材料入射位置ri9に配列された第i材料4の光学特性(屈折率)が、所望の3次元分散特性(周波数ωi、入射角θiでの屈折率がni)に等しくなるように各第i材料4が配列されている。   When the input side 0.25 pitch GRIN lens 1 is assumed to be incident with light traveling in the direction along the paper surface shown in FIG. 1, the incident angle θi8 is incident on the input side 0.25 pitch GRIN lens 1. The light incident at (i = 1, 2, 3,..., M: integer) is emitted from an emission position on the output surface 23 that has a one-to-one correspondence with the incident angle θi8. Therefore, the light enters the two-dimensional array optical element 2 at the material incident position ri9 corresponding to the emission position on the output surface 23, which corresponds to the incident angle θi8 on a one-to-one basis. The optical characteristics (refractive index) of the i-th material 4 arranged at the material incident position ri9 are equal to the desired three-dimensional dispersion characteristics (frequency ωi, refractive index at the incident angle θi is equal to ni). i materials 4 are arranged.

上記では、説明をわかり易くするために、入力側0.25ピッチGRINレンズ1には、図1を記載している紙面上に沿って進行する向きの光が入射するものとして説明したが、それ以外の方向(紙面の左前方や、紙面の左後方など)からも入力面22に入射光6が入射する。これらの入射光6は、それぞれ入射方向と1対1対応する、出力面23上の出射位置から出射する。すなわち、入力面22への入射方向に1対1対応する、出力面23上の出射位置に対応した2次元配列光学素子2の材料入射位置ri9に入射する。材料入射位置ri9に配列された第i材料4の光学特性(屈折率)が、所望の3次元分散特性(周波数ωi、入力面22への入射方向での屈折率がni)に等しくなるように各第i材料4が、中心軸5から垂直な2次元方向に配列されている。   In the above description, in order to make the explanation easy to understand, the input side 0.25 pitch GRIN lens 1 has been described as being incident with light traveling in the direction along the paper surface illustrated in FIG. The incident light 6 also enters the input surface 22 from the direction (left front of the paper, left rear of the paper, etc.). These incident lights 6 are emitted from the emission positions on the output surface 23 corresponding to the incident direction on a one-to-one basis. That is, the light enters the material incident position ri9 of the two-dimensional array optical element 2 corresponding to the output position on the output surface 23, which corresponds to the incident direction on the input surface 22 on a one-to-one basis. The optical characteristic (refractive index) of the i-th material 4 arranged at the material incident position ri9 is equal to a desired three-dimensional dispersion characteristic (frequency ωi, refractive index in the direction of incidence on the input surface 22 is ni). The i-th materials 4 are arranged in a two-dimensional direction perpendicular to the central axis 5.

なお、本明細書における「所望の3次元分散特性」とは、例えば、図2(c)や図4(c)に示すような入射方向に関連する分散面を有する特性などである。これらの分散面の詳細については後述する。   The “desired three-dimensional dispersion characteristic” in this specification is, for example, a characteristic having a dispersion surface related to the incident direction as shown in FIG. 2C or FIG. 4C. Details of these dispersion surfaces will be described later.

そして、中心軸5で最大で、中心軸5からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有し、0.75ピッチの光路長を有する出力側0.75ピッチGRINレンズ3が、その中心軸が入力側0.25ピッチ屈折率分布型(GRIN)レンズ1の中心軸5に一致するように2次元配列光学素子2に近接して配置されている。   The output side 0.75 pitch GRIN lens 3 having a refractive index distribution which is maximum at the central axis 5 and decreases in a parabolic manner according to the distance from the central axis 5 and which has an optical path length of 0.75 pitch, It is arranged close to the two-dimensional array optical element 2 so that the axis coincides with the central axis 5 of the input side 0.25 pitch gradient index (GRIN) lens 1.

なお、入力側0.25ピッチGRINレンズ1と2次元配列光学素子2、2次元配列光学素子2と出力側0.75ピッチGRINレンズ3は、それぞれ接していてもよいし、離れて配置されていてもよい。   Note that the input side 0.25 pitch GRIN lens 1 and the two-dimensional array optical element 2, the two-dimensional array optical element 2 and the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 may be in contact with each other, or may be disposed apart from each other. May be.

なお、本明細書における入射角とは、光デバイスの中心軸5に平行な入射位置を通る直線と、入射光の光線経路とで形成される平面上における、前記中心軸5に平行な直線と入射光の光線経路とがなす角度を言う。同様に、本明細書における出射角とは、光デバイスの中心軸5に平行な出射位置を通る直線と、出射光の光線経路とで形成される平面上における、前記中心軸5に平行な直線と出射光の光線経路とがなす角度を言う。したがって、図1に示した入射角θi8および出射角θo20が、本明細書で言う入射角および出射角である。   The incident angle in this specification refers to a straight line parallel to the central axis 5 on a plane formed by a straight line passing through an incident position parallel to the central axis 5 of the optical device and a light path of incident light. The angle formed by the ray path of incident light. Similarly, the exit angle in this specification refers to a straight line parallel to the central axis 5 on a plane formed by a straight line passing through an output position parallel to the central axis 5 of the optical device and a light beam path of the emitted light. And the angle formed by the beam path of the emitted light. Therefore, the incident angle θi8 and the outgoing angle θo20 shown in FIG. 1 are the incident angle and the outgoing angle referred to in this specification.

図1では、本実施の形態1の光デバイスに入射する光の経路を、異なる入射角θi8で入射する光ごとに、実線、点線、破線、長破線で模式的に示している。なお、2次元配列光学素子2を通過した後は、位相速度と群速度とが異なるため、出力側0.75ピッチGRINレンズ3内では波数の軌跡を示し、出力側0.75ピッチGRINレンズ3の出力面25から出射された出射光7については、直感的な光線(群速度)で示している。光の経路をこのように示している理由については、後述する。   In FIG. 1, the path of light incident on the optical device according to the first embodiment is schematically shown by a solid line, a dotted line, a broken line, and a long broken line for each light incident at a different incident angle θi8. Since the phase velocity and the group velocity are different after passing through the two-dimensional array optical element 2, the wave number locus is shown in the output side 0.75 pitch GRIN lens 3, and the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 is shown. The outgoing light 7 emitted from the output surface 25 is indicated by an intuitive light beam (group velocity). The reason for indicating the light path in this way will be described later.

次に、図1〜図5を用いて、2次元構造を使用して光学的な3次元特性が得られるメカニズムを説明する。   Next, a mechanism for obtaining optical three-dimensional characteristics using a two-dimensional structure will be described with reference to FIGS.

図2(a)は、2次元配列光学素子2の各第i材料4の分散特性を示し、図2(b)は、2次元配列光学素子2の各第i材料4の分散面を示している。図2(c)は、2次元配列光学素子2の各第i材料4の数mを大きくした場合の分散面を示している。   2A shows the dispersion characteristics of each i-th material 4 of the two-dimensional array optical element 2, and FIG. 2B shows the dispersion surface of each i-th material 4 of the two-dimensional array optical element 2. FIG. Yes. FIG. 2C shows a dispersion surface when the number m of each i-th material 4 of the two-dimensional array optical element 2 is increased.

図3は、入射光6として、平行光を図1に示した本実施の形態1の光デバイスに入射させたときの光の経路を模式的に示している。図3(a)は、入射光6が入射角θi=0°で入射した場合の模式図を、図3(b)は、入射光6が入射角θi>0°で入射した場合の模式図を、それぞれ示している。   FIG. 3 schematically shows a light path when collimated light is incident on the optical device of the first embodiment shown in FIG. 1 as incident light 6. 3A is a schematic diagram when incident light 6 is incident at an incident angle θi = 0 °, and FIG. 3B is a schematic diagram when incident light 6 is incident at an incident angle θi> 0 °. Respectively.

まず、図3(a)および(b)に示すように、入射側0.25ピッチGRINレンズ1の入力面22上に入射角θiで入射する入射光6は、入力面22上の入射位置に関わらず出力面23上の同じ出射位置に集光する。   First, as shown in FIGS. 3A and 3B, incident light 6 incident on the input surface 22 of the incident side 0.25 pitch GRIN lens 1 at an incident angle θi is at an incident position on the input surface 22. Regardless, the light is condensed at the same emission position on the output surface 23.

出力面23上で集光した入射側0.25ピッチGRINレンズ1からの出射光は、出力面23に近接して配置された2次元配列光学素子2を構成する中心軸5方向に均質な屈折率niの第i材料4と相互作用した後、出力側0.75ピッチGRINレンズ3の入力面24上の入射位置に入射し、出力面25から出射角θoで出射する。   The light emitted from the incident side 0.25 pitch GRIN lens 1 collected on the output surface 23 is uniformly refracted in the direction of the central axis 5 constituting the two-dimensional array optical element 2 arranged close to the output surface 23. After interacting with the i-th material 4 having the rate ni, the light enters the incident position on the input surface 24 of the output-side 0.75 pitch GRIN lens 3 and exits from the output surface 25 at the exit angle θo.

ただし、2次元配列光学素子2の光路長は0.25ピッチGRINレンズ1の焦点範囲以下にし、近似的に、中心軸5を基準とした2次元配列光学素子2への入射位置が、2次元配列光学素子2の出射位置と等しくなるように設計する。すなわち、2次元配列光学素子2への入射位置と出射位置とを結ぶ直線が中心軸5に平行と見なせるようにし、2次元配列光学素子2への入射角度が、2次元配列光学素子2からの出射角度と等しくなるように設計する。具体的には、本実施の形態1の光デバイスの光路長Lに対して、2次元配列光学素子2の膜厚tが非常に薄くなるように設計することにより、これらの条件を満たすことができる。   However, the optical path length of the two-dimensional array optical element 2 is less than or equal to the focal range of the 0.25 pitch GRIN lens 1, and the incident position on the two-dimensional array optical element 2 with reference to the central axis 5 is approximately two-dimensional. It is designed to be equal to the emission position of the array optical element 2. That is, the straight line connecting the incident position and the emitting position on the two-dimensional array optical element 2 can be regarded as being parallel to the central axis 5, and the incident angle on the two-dimensional array optical element 2 is determined from the two-dimensional array optical element 2. It is designed to be equal to the emission angle. Specifically, these conditions are satisfied by designing the film thickness t of the two-dimensional array optical element 2 to be very thin with respect to the optical path length L of the optical device of the first embodiment. it can.

図2(a)では、2次元配列光学素子2を構成する各第i材料4の分散特性を、図1において各第i材料4に入射する光の経路を示した線の形状に合わせて示している。すなわち、図1において、実線、点線、破線、長破線で示したそれぞれの光が入射している各第i材料4の分散特性を、図2(a)では、実線、点線、破線、長破線でそれぞれ示している。   In FIG. 2A, the dispersion characteristics of each i-th material 4 constituting the two-dimensional array optical element 2 are shown in accordance with the shape of a line indicating the path of light incident on each i-th material 4 in FIG. ing. That is, in FIG. 1, the dispersion characteristics of each i-th material 4 on which the respective light beams indicated by the solid line, the dotted line, the broken line, and the long broken line are incident are shown in FIG. Respectively.

2次元配列光学素子2を構成する第i材料4の屈折率(分散関係の傾きの逆数)を、図2(a)に示すように中心軸5からの距離に従って小さくすると、周波数ω1における分散面は、図2(b)のように中心軸5方向(伝搬方向kz)から中心軸5に垂直な方向(kx)に向かって(入射角θiが大きくなるに従って)波数がステップ状に小さくなる。   When the refractive index (the reciprocal of the gradient of the dispersion relationship) of the i-th material 4 constituting the two-dimensional array optical element 2 is decreased according to the distance from the central axis 5 as shown in FIG. 2A, the dispersion surface at the frequency ω1. As shown in FIG. 2B, the wave number decreases stepwise from the direction of the central axis 5 (propagation direction kz) to the direction (kx) perpendicular to the central axis 5 (as the incident angle θi increases).

そして、屈折率が異なる第i材料4で構成された2次元配列光学素子2の、中心軸5に垂直な2次元方向の屈折率の変化が滑らかになるように第i材料4の数mを大きくすると、図2(c)のように分散面26が滑らかになるので、入射側0.25ピッチGRINレンズ1の入射角θi8(入射方向)と、入射側0.25ピッチGRINレンズ1の出射位置ri9に位置する2次元配列光学素子2を構成する第i材料4の屈折率niとの関係を、所望の入射角θ(入射方向)と屈折率n(θ)の関係に等しくすれば、所望の3次元構造の分散特性(入射角度(入射方向)と屈折関係)と等価な分散特性を2次元構造で得ることができる。   Then, the number m of the i-th material 4 is set so that the change in the refractive index in the two-dimensional direction perpendicular to the central axis 5 of the two-dimensional array optical element 2 composed of the i-th material 4 having a different refractive index becomes smooth. When the value is increased, the dispersion surface 26 becomes smooth as shown in FIG. 2C. Therefore, the incident angle θi8 (incident direction) of the incident side 0.25 pitch GRIN lens 1 and the output of the incident side 0.25 pitch GRIN lens 1 are obtained. If the relationship between the refractive index ni of the i-th material 4 constituting the two-dimensional array optical element 2 positioned at the position ri9 is equal to the relationship between the desired incident angle θ (incident direction) and the refractive index n (θ), Dispersion characteristics equivalent to the desired three-dimensional structure dispersion characteristics (incident angle (incident direction) and refractive relationship) can be obtained with the two-dimensional structure.

このように、角度情報を位置情報に変換するビーム変換部(入射側0.25ピッチGRINレンズ1および出力側0.75ピッチGRINレンズ3)と所望の3次元の角度特性(分散関係)を有する材料(第i材料4)を光軸に垂直な2次元方向に配置することで、2次元構造を使用して光学的な3次元特性を実現することができる。   In this way, the beam conversion unit (incident side 0.25 pitch GRIN lens 1 and output side 0.75 pitch GRIN lens 3) that converts angle information into position information and a desired three-dimensional angular characteristic (dispersion relationship) are provided. By arranging the material (i-th material 4) in a two-dimensional direction perpendicular to the optical axis, an optical three-dimensional characteristic can be realized using a two-dimensional structure.

なお、出力側0.75ピッチGRINレンズ3のピッチも0.25にすれば、入射光θi8に対して中心軸5に対称な向きの出射光が得られるので、入射角θi8に対して屈折率−niと等価となり、所望材料の負屈折特性を示す。   If the pitch of the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 is also set to 0.25, outgoing light having a direction symmetrical to the central axis 5 with respect to the incident light θi8 can be obtained, so that the refractive index with respect to the incident angle θi8. It is equivalent to -ni and shows the negative refraction characteristics of the desired material.

図4(a)は、各第i材料4を中心軸からの距離に従って屈折率が大きくなるように配列した場合の2次元配列光学素子2の分散特性を示している。図4(b)は、各第i材料4を図4(a)の分散特性となるように配列した場合の2次元配列光学素子2の分散面を示している。図4(c)は、各第i材料4を中心軸からの距離に従って屈折率が大きくなるような配列で各第i材料4の数mを大きくした場合の、フラットになる分散面および負曲率半径の分散面の例を示している。   FIG. 4A shows the dispersion characteristics of the two-dimensional array optical element 2 when the i-th materials 4 are arranged so that the refractive index increases according to the distance from the central axis. FIG. 4B shows a dispersion surface of the two-dimensional array optical element 2 when the i-th materials 4 are arranged so as to have the dispersion characteristics shown in FIG. FIG. 4C shows a flat dispersion surface and negative curvature when the number i of each i-th material 4 is increased in an arrangement in which each i-th material 4 increases in refractive index according to the distance from the central axis. The example of the dispersion surface of a radius is shown.

2次元配列光学素子2を構成する第i材料4の屈折率(分散関係の傾きの逆数)を、図2(a)に示す関係とは逆に、図4(a)のように、中心軸5からの距離に従って大きくすると、周波数ω1における分散面は、図4(b)のように中心軸5方向(伝搬方向kz)から中心軸5に垂直な方向(kx)に向かって(入射角θiが大きくなるに従って)波数がステップ状に大きくなる。   Contrary to the relationship shown in FIG. 2 (a), the refractive index of the i-th material 4 constituting the two-dimensional array optical element 2 (reciprocal of the slope of the dispersion relationship) is the central axis as shown in FIG. 4 (a). When the distance is increased according to the distance from 5, the dispersion surface at the frequency ω1 is changed from the direction of the central axis 5 (propagation direction kz) to the direction (kx) perpendicular to the central axis 5 (incident angle θi) as shown in FIG. The wave number increases stepwise as the value increases.

そして、屈折率が異なる第i材料4で構成された2次元配列光学素子2の、中心軸5に垂直な2次元方向の屈折率の変化が滑らかになるように第i材料4の数mを大きくすると、図4(c)に示すように、2次元配列光学素子2の分散面を、kz方向にフラットな平行光分散面27、あるいは、曲率半径が負の弧を描く集光分散面28にできる。   Then, the number m of the i-th material 4 is set so that the change in the refractive index in the two-dimensional direction perpendicular to the central axis 5 of the two-dimensional array optical element 2 composed of the i-th material 4 having a different refractive index becomes smooth. 4C, the dispersive surface of the two-dimensional array optical element 2 is changed to a parallel light dispersive surface 27 that is flat in the kz direction, or a condensing dispersive surface 28 that draws an arc having a negative curvature radius. Can be.

分散面が図2(c)のように、曲率半径が正の場合は自然材料のように光は拡散するが、図4(c)のように、フラット(平行光分散面27)の場合は入射状態に依らず平行光(スーパーコリメーター)になったり、あるいは、曲率半径が負(集光分散面28)の場合は集光光になる。   When the dispersion surface is a positive curvature radius as shown in FIG. 2 (c), light diffuses like a natural material, but in the case of a flat surface (parallel light dispersion surface 27) as shown in FIG. 4 (c). Regardless of the incident state, it becomes parallel light (super collimator), or when the radius of curvature is negative (condensation dispersion surface 28), it becomes condensed light.

さらに、図5を用いて、本実施の形態1の構成の光デバイスにより、高分散特性を得られるメカニズムについて詳細に説明する。   Furthermore, the mechanism by which high dispersion characteristics can be obtained by the optical device having the configuration of the first embodiment will be described in detail with reference to FIG.

図5(a)は、本実施の形態1の光デバイスで拡散光を出力させる場合の分散面について説明する図である。図5(b)および(c)は、それぞれ、本実施の形態1の光デバイスで平行光および集光光を出力させる場合の図を示しており、いずれの図も、本実施の形態1の光デバイスを構成しているGRINレンズおよび2次元配列光学素子の分散面を示している。   FIG. 5A is a diagram for explaining a dispersion surface when diffuse light is output by the optical device according to the first embodiment. FIGS. 5B and 5C show diagrams in the case where parallel light and condensed light are output by the optical device according to the first embodiment, respectively. The dispersion surface of the GRIN lens which comprises the optical device, and a two-dimensional arrangement | sequence optical element is shown.

図5(a)に示すGRINレンズの分散面とは、図1に示した入力側0.25ピッチGRINレンズ1および出力側0.75ピッチGRINレンズ3の分散面であり、同心円状の点線で示しており、中心軸から離れるに従って半径が小さくなる。また、GRINレンズの分散面の外側の実線で示した曲線が、2次元配列光学素子の分散面を示している。   The dispersion surface of the GRIN lens shown in FIG. 5A is the dispersion surface of the input side 0.25 pitch GRIN lens 1 and the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 shown in FIG. 1, and is a concentric dotted line. The radius decreases as the distance from the central axis increases. Further, the curve indicated by the solid line outside the dispersion surface of the GRIN lens represents the dispersion surface of the two-dimensional array optical element.

まず、伝搬光の空間的な振動状態(波数k)を拡散光について説明する。   First, the spatial vibration state (wave number k) of propagating light will be described for diffused light.

図5(a)では、入射角の異なる3種類の入射光を、点線、破線および長破線で示している。   In FIG. 5A, three types of incident light having different incident angles are indicated by a dotted line, a broken line, and a long broken line.

これらの入射角の異なる入射光は、異なる伝搬定数(kz軸の余弦)で伝搬する。図5(a)では、長破線の入射光の伝搬定数を太点線(kz軸上)で示している。そして、長破線で示した入射光の場合は、その光線軌跡は、図5(a)に示す一点鎖線上をGRINレンズ内を通過するピッチに応じて移動する。   These incident lights having different incident angles propagate with different propagation constants (cosine of the kz axis). In FIG. 5A, the propagation constant of the incident light with a long broken line is indicated by a thick dotted line (on the kz axis). In the case of incident light indicated by a long broken line, the ray trajectory moves on the alternate long and short dash line shown in FIG. 5A according to the pitch passing through the GRIN lens.

このとき、伝搬定数kzは一定(z方向の運動量保存則)であるが、kxのみ変動し、1ピッチで元に戻る。ここで、0.25ピッチ(kx=0)のところに2次元配列光学素子を配置した場合、入出力側の境界面ではx方向の運動量保存則によりkx=0が保存されるので、2次元配列光学素子はkz方向に一定の位相差を付加する役目をするだけとなり、その後の0.75ピッチのGRINレンズでの波数kの変化は、2次元配列光学素子が無い場合と同様に変化する。したがって、0.75ピッチのGRINレンズの出射端での波数kは、0.25ピッチのGRINレンズの入射端での波数kと同じになる。   At this time, the propagation constant kz is constant (the momentum conservation law in the z direction), but only kx varies and returns to the original with one pitch. Here, when a two-dimensional array optical element is disposed at a pitch of 0.25 (kx = 0), kx = 0 is stored on the input / output side boundary surface by the momentum conservation law in the x direction. The array optical element only serves to add a constant phase difference in the kz direction, and the subsequent change in the wave number k in the 0.75 pitch GRIN lens changes in the same manner as when there is no two-dimensional array optical element. . Therefore, the wave number k at the exit end of the 0.75 pitch GRIN lens is the same as the wave number k at the entrance end of the 0.25 pitch GRIN lens.

2次元配列光学素子の無いGRINレンズのみの構成の場合は、分散面が全て同心円であり、位相速度と群速度が同じなので、波数kの軌跡と光線の軌跡は同じである。   In the case of a configuration with only a GRIN lens without a two-dimensional array optical element, the dispersion planes are all concentric circles, and the phase velocity and group velocity are the same, so the trajectory of wave number k and the ray trajectory are the same.

これに対し、同心円と異なる分散面を有する2次元配列光学素子が加わった場合には、位相速度の変化は同じであるが、入射角度でz方向に付加される位相変化が異なる。すなわち、この場合、波数kの軌跡は2次元配列光学素子の有無に依らず同じであるが、光線(群速度)の軌跡は異なる。   On the other hand, when a two-dimensional array optical element having a dispersive surface different from the concentric circle is added, the change in phase velocity is the same, but the change in phase applied in the z direction is different at the incident angle. That is, in this case, the trajectory of the wave number k is the same regardless of the presence or absence of the two-dimensional array optical element, but the trajectory of the light beam (group velocity) is different.

したがって、図1に示した本実施の形態1の光デバイスの出力側0.75ピッチGRINレンズ3内では、波数kの軌跡と光線(群速度)の軌跡が異なる。そのため、図1においては、出力側0.75ピッチGRINレンズ3内は波数kの軌跡を描き、出力側0.75ピッチGRINレンズ3の出力面25から出射された出射光7は、直感的な光線(群速度)を描いている。   Therefore, in the output-side 0.75 pitch GRIN lens 3 of the optical device according to the first embodiment shown in FIG. 1, the trajectory of wave number k and the trajectory of light rays (group velocity) are different. Therefore, in FIG. 1, a locus of wave number k is drawn in the output side 0.75 pitch GRIN lens 3, and the emitted light 7 emitted from the output surface 25 of the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 is intuitive. Draws a ray (group velocity).

伝搬定数kxは1ピッチで元に戻るので、入力側0.25ピッチGRINレンズ1の入力面22と出力側0.75ピッチGRINレンズ3の出力面25における位相変化は、実質的に2次元配列光学素子2の寄与のみとなる。したがって、出力側0.75ピッチGRINレンズ3の出力面25での状態は、入射角度θi8に対応する2次元配列光学素子2の材料入射位置ri9に配列されている、屈折率niを有する第i材料4と等価となる。   Since the propagation constant kx returns to the original at one pitch, the phase change on the input surface 22 of the input side 0.25 pitch GRIN lens 1 and the output surface 25 of the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 is substantially two-dimensionally arranged. This is only the contribution of the optical element 2. Therefore, the state of the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 on the output surface 25 is the i-th refractive index ni arranged at the material incident position ri9 of the two-dimensional array optical element 2 corresponding to the incident angle θi8. Equivalent to material 4.

したがって、図1に示した本実施の形態1の光デバイスにおいて、図5(a)に示すような分散面を持つ2次元配列光学素子2を用いると、図2(c)のような分散面26を形成でき、拡散光を出射させることができる。   Therefore, in the optical device according to the first embodiment shown in FIG. 1, when the two-dimensional array optical element 2 having the dispersion surface as shown in FIG. 5A is used, the dispersion surface as shown in FIG. 26 can be formed, and diffused light can be emitted.

同様に、図5(b)に示すような分散面を持つ2次元配列光学素子2を用いると、図4(c)の平行光分散面27を形成でき、入射角度に関わらず平行光を出射させることができる。   Similarly, when the two-dimensional array optical element 2 having a dispersion surface as shown in FIG. 5B is used, the parallel light dispersion surface 27 shown in FIG. 4C can be formed, and the parallel light is emitted regardless of the incident angle. Can be made.

同様に、図5(c)に示すような分散面を持つ2次元配列光学素子2を用いると、図4(c)の集光分散面28を形成でき、光デバイスを出射した後に集光する集光光を出射させることができる。   Similarly, when the two-dimensional array optical element 2 having a dispersion surface as shown in FIG. 5C is used, the light collection and dispersion surface 28 shown in FIG. 4C can be formed, and the light is collected after being emitted from the optical device. Condensed light can be emitted.

2次元配列光学素子2として、平行光分散面27に近似する分散面を有する2次元配列光学素子を用いた本実施の形態1の光デバイスの模式的な光の経路を図6(a)に示し、集光分散面28に近似する分散面を有する2次元配列光学素子を用いた本実施の形態1の光デバイスの模式的な光の経路を図6(b)に示す。   FIG. 6A shows a schematic light path of the optical device according to the first embodiment using a two-dimensional array optical element having a dispersion surface approximate to the parallel light dispersion surface 27 as the two-dimensional array optical element 2. FIG. 6B shows a schematic light path of the optical device of the first embodiment using a two-dimensional array optical element having a dispersion surface that approximates the condensing dispersion surface 28.

図6(a)および(b)では、図1と同様に、出力側0.75ピッチGRINレンズ3内は波数kの軌跡を描き、出力側0.75ピッチGRINレンズ3の出力面25から出射された出射光7は、直感的な光線(群速度)を描いている。上述したように、2次元配列光学素子2の分散面が異なっても波数kは変化しないので、図6(a)および(b)における出力側0.75ピッチGRINレンズ3内の波数kの軌跡は、図1に示した光デバイスの出力側0.75ピッチGRINレンズ3内の波数kの軌跡と同様の軌跡である。   6A and 6B, similarly to FIG. 1, a locus of the wave number k is drawn in the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 and is emitted from the output surface 25 of the output side 0.75 pitch GRIN lens 3. The emitted light 7 thus drawn depicts an intuitive light beam (group velocity). As described above, since the wave number k does not change even if the dispersion surfaces of the two-dimensional array optical element 2 are different, the locus of the wave number k in the output-side 0.75 pitch GRIN lens 3 in FIGS. 6 (a) and 6 (b). Is a locus similar to the locus of the wave number k in the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 of the optical device shown in FIG.

図6(a)の場合、2次元配列光学素子2が平行光分散面27に近似する分散面を有するので、入力側0.25ピッチGRINレンズ1の入力面22上の中心軸5の位置に入射した入射光6は、それらの入射角度に関わらず、出射光7として中心軸5に沿った光線が出射される。同様に、入力面22上の別の位置に入射した光も、それらの入射角度に関わらず、出力面25の別の位置から、中心軸5と平行に出射される。したがって、入力面22上にさまざまな角度で入射する入射光6は、出力面25から中心軸5に平行な平行光となって出射される。   In the case of FIG. 6A, since the two-dimensional array optical element 2 has a dispersion surface that approximates the parallel light dispersion surface 27, it is positioned at the position of the central axis 5 on the input surface 22 of the input side 0.25 pitch GRIN lens 1. Regardless of the incident angle, the incident light 6 that has entered is emitted as the outgoing light 7 along the central axis 5. Similarly, light incident on another position on the input surface 22 is emitted in parallel with the central axis 5 from another position on the output surface 25 regardless of the incident angle. Therefore, incident light 6 incident on the input surface 22 at various angles is emitted as parallel light parallel to the central axis 5 from the output surface 25.

従来のように複雑な3次元構造のフォトニック結晶を作製しなくても、本実施の形態1の光デバイスのような2次元構造の作製でスーパーコリメーターを実現できる。   Even if a photonic crystal having a complicated three-dimensional structure is not produced as in the prior art, a super collimator can be realized by producing a two-dimensional structure like the optical device of the first embodiment.

図6(b)の場合、2次元配列光学素子2が集光分散面28に近似する分散面を有するので、入力側0.25ピッチGRINレンズ1の入力面22上の中心軸5の位置に入射した入射光6は、それらの入射角度に対し、それぞれ入射角度とは異なった出射角度で出射光7として中心軸5の位置から出射される。図6(b)では、入力面22上の中心軸5の位置に異なる入射角度で入射する光の軌跡を示しているが、入力面22に平行光を入射させた場合には、入力面22上の入射位置によって出力面25から出射される光の出射角度が異なり、出力面25から出射した後に光デバイスの外部で集光するような出射光7となる。   In the case of FIG. 6B, since the two-dimensional array optical element 2 has a dispersion surface that approximates the condensing dispersion surface 28, it is positioned at the position of the central axis 5 on the input surface 22 of the input side 0.25 pitch GRIN lens 1. Incident incident light 6 is emitted from the position of the central axis 5 as outgoing light 7 at an outgoing angle different from the incident angle with respect to the incident angle. FIG. 6B shows a locus of light incident at a different incident angle on the position of the central axis 5 on the input surface 22. However, when parallel light is incident on the input surface 22, the input surface 22 is input. The emission angle of the light emitted from the output surface 25 differs depending on the upper incident position, and becomes the emitted light 7 that is collected from the optical device after being emitted from the output surface 25.

また、図6(b)では2次元配列光学素子2が集光分散面28に近似する分散面を有しているので、図5(c)に示したように、入射光6が入射する入射角に対して逆の向き、すなわち負の屈折率となる向きに出射光7が出射される。   In FIG. 6B, since the two-dimensional array optical element 2 has a dispersion surface that approximates the condensing dispersion surface 28, the incident light 6 is incident as shown in FIG. Outgoing light 7 is emitted in a direction opposite to the corner, that is, in a direction having a negative refractive index.

以上は、わかり易く説明するために、2次元配列光学素子2の屈折率変化を同心円状、すなわち、1次元状にして説明したが、中心軸5の回転方向にも屈折率変化をもたせるようにしてもよい。   In the above, for the sake of easy understanding, the refractive index change of the two-dimensional array optical element 2 has been described as being concentric, ie, one-dimensional, but the refractive index change is also provided in the rotational direction of the central axis 5. Also good.

図7(a)に、中心軸5の回転方向にも屈折率変化をもたせた2次元配列光学素子2の断面構成図を示す。図7(b)は、図7(a)のような屈折率変化をもつ2次元配列光学素子2の分散特性を示している。   FIG. 7A shows a cross-sectional configuration diagram of the two-dimensional array optical element 2 in which the refractive index is changed in the rotation direction of the central axis 5. FIG. 7B shows the dispersion characteristics of the two-dimensional array optical element 2 having a refractive index change as shown in FIG.

図7(a)の2次元配列光学素子2は、同じ模様で示した部分でも、拡散光部分11、平行光部分12、および集光光部分13のそれぞれで屈折率が異なるようにしている。このように、2次元配列光学素子2に、中心軸回転方向(入射角方位βi10)にも屈折率変化をもたせると、入射角方位βiで異なる分散面を実現でき、拡散光部分11や集光光部分13や平行光部分12などを組み合わせたハイブリッドな光学特性も実現できる。   In the two-dimensional array optical element 2 shown in FIG. 7A, the diffused light portion 11, the parallel light portion 12, and the condensed light portion 13 have different refractive indexes even in the portion indicated by the same pattern. As described above, when the refractive index is changed in the central axis rotation direction (incident angle azimuth βi10) in the two-dimensional array optical element 2, a different dispersion surface can be realized in the incident angle azimuth βi. Hybrid optical characteristics combining the light portion 13 and the parallel light portion 12 can also be realized.

すなわち、拡散光部分11の分散面が図7(b)の拡散分散面29となるように、平行光部分12の分散面が平行光分散面30となるように、集光光部分13の分散面が集光分散面31となるように、2次元配列光学素子2の第i材料4を配列させることにより、材料入射位置ri9によって、曲率半径が正(拡散分散面)や負(集光分散面)やフラット(平行光分散面)などの異なった光学特性を持たせることができる。   That is, the dispersion of the condensed light portion 13 so that the dispersion surface of the diffusion light portion 11 becomes the diffusion dispersion surface 29 of FIG. 7B and the dispersion surface of the parallel light portion 12 becomes the parallel light dispersion surface 30. By arranging the i-th material 4 of the two-dimensional array optical element 2 so that the surface becomes the condensing dispersion surface 31, the radius of curvature is positive (diffuse dispersion surface) or negative (condensation dispersion surface) depending on the material incident position ri9. Surface) and flat (parallel light dispersion surface) can be provided with different optical characteristics.

なお、図7(a)の入射角方位βi10が拡散光部分11となる角度範囲が、本発明の、各光学物体の屈折率と中心軸からの距離との関係が負の相関となる回転角度範囲の一例にあたり、入射角方位βi10が平行光部分12および集光光部分13となる角度範囲が、本発明の、各光学物体の屈折率と中心軸からの距離との関係が正の相関となる回転角度範囲の一例にあたる。   Note that the angle range in which the incident angle azimuth βi10 of FIG. 7A becomes the diffused light portion 11 is a rotation angle in which the relationship between the refractive index of each optical object and the distance from the central axis has a negative correlation in the present invention. As an example of the range, the angle range in which the incident angle direction βi10 becomes the parallel light portion 12 and the condensed light portion 13 indicates that the relationship between the refractive index of each optical object and the distance from the central axis of the present invention is a positive correlation. This is an example of the rotation angle range.

このようなハイブリッドな光学特性を持つ本実施の形態1の光デバイスを用いると、ビーム形状を任意に制御できる。例えば、x方向に「平行光部分」、y方向に「集光光部分」となるように直交配置させれば、x方向は平行光でy方向には集光するライン状のビーム形状を実現できる。   When the optical device of the first embodiment having such hybrid optical characteristics is used, the beam shape can be arbitrarily controlled. For example, by arranging them so that they are “parallel light parts” in the x direction and “condensed light parts” in the y direction, a linear beam shape that collects parallel light in the x direction and in the y direction is realized. it can.

なお、本実施の形態1では、入力側0.25ピッチGRINレンズ1の光路長を0.25ピッチとしたが、0.25+0.5×iピッチ(iは、0以上の整数)の光路長としても同様の効果が得られる。同様に、出力側0.75ピッチGRINレンズ3の光路長を0.75ピッチとしたが、0.25+0.5×jピッチ(jは、0以上の整数)の光路長としてもよい。   In the first embodiment, the optical path length of the input side 0.25 pitch GRIN lens 1 is 0.25 pitch, but the optical path length is 0.25 + 0.5 × i pitch (i is an integer of 0 or more). The same effect can be obtained. Similarly, although the optical path length of the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 is 0.75 pitch, the optical path length may be 0.25 + 0.5 × j pitch (j is an integer of 0 or more).

また、本実施の形態1では、2次元配列光学素子2の第i材料4の屈折率が正の場合について説明したが、屈折率は負でも良い。   In the first embodiment, the case where the refractive index of the i-th material 4 of the two-dimensional array optical element 2 is positive has been described, but the refractive index may be negative.

なお、本実施の形態1の2次元配列光学素子2を構成している第i材料4として、i種類の屈折率を有する物質であれば、何を用いてもよい。   Any material may be used as the i-th material 4 constituting the two-dimensional array optical element 2 of Embodiment 1 as long as it is a substance having i types of refractive indexes.

各第i材料4におけるi種類の屈折率の変化のさせ方として、例えば、2,2−ビ(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン二無水物とピロメリット酸二無水物との重合生成物、および2,2'−ビス(トリフルオロメチル)−4,4'−ジアミノビフェニルを混合し、この混合物中のフッ素の含有量を変化させることにより、i種類の屈折率を実現できる。   For example, polymerization of 2,2-bi (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride and pyromellitic dianhydride can be used as a method for changing the refractive index of i types in each i-th material 4. By mixing the product and 2,2′-bis (trifluoromethyl) -4,4′-diaminobiphenyl and changing the fluorine content in the mixture, i types of refractive indices can be realized.

また、化合物半導体の組成比を変化させても、i種類の屈折率を実現できる。   Further, i types of refractive indexes can be realized even if the composition ratio of the compound semiconductor is changed.

また、第i材料4として、液晶などの電気的に屈折率が変化する物質を用い、電気的に屈折率を変化させるように制御して、1つの光デバイスで光学特性を変化させるようにしてもよい。   Further, as the i-th material 4, a substance such as liquid crystal that has an electrically changing refractive index is used, and the optical characteristics are changed by one optical device by controlling the electrically changing refractive index. Also good.

(実施の形態2)
図8に、本発明の実施の形態2の光デバイスの側断面模式図を示す。なお、図1と同じ構成部分には、同じ符号を用いている。
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a schematic side sectional view of the optical device according to the second embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is used for the same component as FIG.

本実施の形態2の光デバイスは、図8に示すように、光の入射側から順に、入力側0.25ピッチ屈折率分布型(GRIN)レンズ1、1次元フォトニック結晶14、および出力側0.75ピッチGRINレンズ3で構成されている。   As shown in FIG. 8, the optical device according to the second embodiment includes an input side 0.25 pitch gradient index (GRIN) lens 1, a one-dimensional photonic crystal 14, and an output side in order from the light incident side. It is composed of a 0.75 pitch GRIN lens 3.

なお、入力側0.25ピッチ屈折率分布型(GRIN)レンズ1および出力側0.75ピッチGRINレンズ3が、それぞれ本発明の、第1光変換素子および第2光変換素子の一例にあたる。また、1次元フォトニック結晶14が、本発明の、第1光変換素子の入力面に垂直な方向に周期構造を有するフォトニック結晶の一例にあたる。   The input side 0.25 pitch gradient index (GRIN) lens 1 and the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 are examples of the first light conversion element and the second light conversion element of the present invention, respectively. The one-dimensional photonic crystal 14 corresponds to an example of a photonic crystal having a periodic structure in a direction perpendicular to the input surface of the first light conversion element of the present invention.

入力側0.25ピッチGRINレンズ1は、中心軸5で最大で、中心軸5からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有し、0.25ピッチの光路長を有するGRINレンズである。   The input-side 0.25 pitch GRIN lens 1 is a GRIN lens having a refractive index distribution that is maximum at the central axis 5 and decreases in a parabolic manner according to the distance from the central axis 5, and has an optical path length of 0.25 pitch. .

また、中心軸5で最大で、中心軸5からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有し、0.75ピッチの光路長を有する出力側0.75ピッチGRINレンズ3が、その中心軸が入力側0.25ピッチ屈折率分布型(GRIN)レンズ1の中心軸5に一致するように1次元フォトニック結晶14に近接して配置されている。   Further, the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 having a refractive index distribution which is maximum at the central axis 5 and decreases in a parabolic manner according to the distance from the central axis 5 and which has an optical path length of 0.75 pitch is provided at the center. The optical axis is arranged close to the one-dimensional photonic crystal 14 so as to coincide with the central axis 5 of the input side 0.25 pitch gradient index (GRIN) lens 1.

これらの、入力側0.25ピッチGRINレンズ1および出力側0.75ピッチGRINレンズ3の構成は、図1に示した実施の形態1の光デバイスの各GRINレンズと同様の構成である。   The configurations of the input side 0.25 pitch GRIN lens 1 and the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 are the same as the configurations of the GRIN lenses of the optical device according to the first embodiment shown in FIG.

また、1次元フォトニック結晶14の厚さは、その光路長が、フォトニックバンドギャップを得るための光の半波長の実質上整数倍となる厚さである。ここで、「実質上」半波長の整数倍とは、厳密に半波長の整数倍の厚さに限らず、フォトニックバンドギャップの効果が得られる範囲まで含んだ、社会通念上半波長の整数倍と同視し得る厚さを言う。   The thickness of the one-dimensional photonic crystal 14 is such that the optical path length is substantially an integral multiple of a half wavelength of light for obtaining a photonic band gap. Here, “substantially” an integral multiple of a half wavelength is not limited to an integral multiple of a half wavelength, but includes a range where the effect of a photonic bandgap can be obtained. Thickness that can be equated with double.

すなわち、本実施の形態2の光デバイスの構成は、図1に示した実施の形態1の光デバイスの2次元配列光学素子2を構成する中心軸5方向に均質な材料を、全て中心軸5方向に1次元の屈折率周期を有する1次元フォトニック結晶14に置換した構成である。   In other words, the configuration of the optical device according to the second embodiment is such that all the homogeneous materials in the direction of the central axis 5 constituting the two-dimensional array optical element 2 of the optical device according to the first embodiment shown in FIG. In this configuration, a one-dimensional photonic crystal 14 having a one-dimensional refractive index period in the direction is replaced.

なお、入力側0.25ピッチGRINレンズ1と1次元フォトニック結晶14、1次元フォトニック結晶14と出力側0.75ピッチGRINレンズ3は、それぞれ接していてもよいし、離れて配置されていてもよい。   The input-side 0.25 pitch GRIN lens 1 and the one-dimensional photonic crystal 14, and the one-dimensional photonic crystal 14 and the output-side 0.75 pitch GRIN lens 3 may be in contact with each other or arranged separately. May be.

図9(a)は、1次元フォトニック結晶14の分散特性を、図9(b)は、1次元フォトニック結晶14の周波数ω1における分散面を、それぞれ示している。   9A shows the dispersion characteristics of the one-dimensional photonic crystal 14, and FIG. 9B shows the dispersion surface of the one-dimensional photonic crystal 14 at the frequency ω1.

図9(a)に示すように、1次元フォトニック結晶14の分散特性32が、光源周波数ω1でフォトニックバンドギャップ15を有する場合、周波数ω1の分散面は、図9(b)のように、分散曲線が存在しない。すなわち、入射角度に依らずブラグ反射されるのでフルバンドギャップが実現できる。ただし、正確には入力側0.25ピッチGRINレンズ1の受光角度に制限があるので、入力側0.25ピッチGRINレンズ1の受光角度範囲においてバンドギャップが得られる。   As shown in FIG. 9A, when the dispersion characteristic 32 of the one-dimensional photonic crystal 14 has the photonic band gap 15 at the light source frequency ω1, the dispersion surface of the frequency ω1 is as shown in FIG. 9B. There is no dispersion curve. That is, since the Bragg reflection is performed regardless of the incident angle, a full band gap can be realized. However, precisely, since the light receiving angle of the input side 0.25 pitch GRIN lens 1 is limited, a band gap can be obtained in the light receiving angle range of the input side 0.25 pitch GRIN lens 1.

1次元フォトニック結晶14単体でフォトニックバンドギャップの効果を得るためには、1次元フォトニック結晶14の入力面に垂直に、すなわち限られた狭い角度範囲で光を入射させなければならない。本実施の形態2の光デバイスは、入力側0.25ピッチGRINレンズ1によって入力面22に対して広い角度範囲で入射してきた入射光6を1次元フォトニック結晶14の入射面に垂直に入射するように入射光6の方向を制御するので、広い角度範囲から入射した光に対してフォトニックバンドギャップの効果を得ることができる。また、出力側0.75ピッチGRINレンズ3によって、1次元フォトニック結晶14から出射される光の方向を、本実施の形態2の光デバイスの出射方向に変換して出射する。   In order to obtain the effect of the photonic band gap with the one-dimensional photonic crystal 14 alone, light must be incident perpendicularly to the input surface of the one-dimensional photonic crystal 14, that is, within a limited narrow angle range. In the optical device of the second embodiment, incident light 6 incident on the input surface 22 by the input side 0.25 pitch GRIN lens 1 in a wide angle range is incident on the incident surface of the one-dimensional photonic crystal 14 perpendicularly. Thus, since the direction of the incident light 6 is controlled, the effect of the photonic band gap can be obtained for light incident from a wide angle range. Further, the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 converts the direction of the light emitted from the one-dimensional photonic crystal 14 into the emission direction of the optical device of the second embodiment, and emits it.

すなわち、本実施の形態2の光デバイスの構成にすることにより、1次元フォトニック結晶14を用いて、2次元または3次元のフォトニック結晶でしか得られない、フルバンドギャップなどの光学特性を実現できる。   That is, by using the configuration of the optical device according to the second embodiment, the one-dimensional photonic crystal 14 is used to obtain optical characteristics such as a full band gap that can be obtained only with a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal. realizable.

このように、バンドギャップのように所望の特性が入射角で変化しない場合は、1次元構成で3次元の特性を実現することができる。   As described above, when a desired characteristic does not change with an incident angle like a band gap, a three-dimensional characteristic can be realized with a one-dimensional configuration.

本実施の形態2の光デバイスを利用して、例えば、ある特定の周波数の光のみを遮断するような光フィルタを実現できる。   For example, an optical filter that blocks only light of a specific frequency can be realized by using the optical device according to the second embodiment.

なお、所望の分散特性がフルバンドギャップでなく、入射角度でバンドギャップや屈折率変化させたい場合は、1次元フォトニック結晶14の代わりに、中心軸5に垂直な2次元方向に周期の異なるフォトニック結晶を使用すればよい。   When the desired dispersion characteristic is not a full band gap but the band gap and the refractive index are changed at the incident angle, the period is different in a two-dimensional direction perpendicular to the central axis 5 instead of the one-dimensional photonic crystal 14. A photonic crystal may be used.

なお、本実施の形態2では、入力側0.25ピッチGRINレンズ1の光路長を0.25ピッチとしたが、0.25+0.5×iピッチ(iは、0以上の整数)の光路長としても同様の効果が得られる。同様に、出力側0.75ピッチGRINレンズ3の光路長を0.75ピッチとしたが、0.25+0.5×jピッチ(jは、0以上の整数)の光路長としてもよい。   In the second embodiment, the optical path length of the input side 0.25 pitch GRIN lens 1 is 0.25 pitch, but the optical path length is 0.25 + 0.5 × i pitch (i is an integer of 0 or more). The same effect can be obtained. Similarly, although the optical path length of the output side 0.75 pitch GRIN lens 3 is 0.75 pitch, the optical path length may be 0.25 + 0.5 × j pitch (j is an integer of 0 or more).

以上に説明したように、本発明の光デバイスは、作製困難な3次元構造において、より低い次元の構造で等価的に3次元構造の分散特性を得ることができる。   As described above, the optical device of the present invention can obtain the dispersion characteristics of a three-dimensional structure equivalently with a lower-dimensional structure in a three-dimensional structure that is difficult to manufacture.

つまり、本発明により、次元の一つ低い構造を使用して所望の次元、例えば、所望の構造が3次元構造の場合は2次元構造を使用して光学的に3次元構造と等価な特性を有する光デバイスを作製できる。   That is, according to the present invention, a structure having one dimension lower than the desired dimension, for example, when the desired structure is a three-dimensional structure, optically equivalent characteristics to the three-dimensional structure are obtained using the two-dimensional structure. The optical device which has can be produced.

本発明に係る光デバイスは、簡単な構造で、スーパーコリメート機能を実現可能な高分散特性を有し、3次元構造のフォトニック結晶などによって実現される高分散特性を有する受光デバイス等として有用である。   The optical device according to the present invention has a simple structure, a high dispersion characteristic capable of realizing a super collimating function, and is useful as a light receiving device having a high dispersion characteristic realized by a photonic crystal having a three-dimensional structure. is there.

また、別の発明に係る光デバイスは、簡単な構造で、フォトニックバンドギャップ効果を得られる高分散特性を有し、3次元構造のフォトニック結晶などによって実現される高分散特性を有する受光デバイス等として有用である。   An optical device according to another invention has a simple structure, a high dispersion characteristic capable of obtaining a photonic band gap effect, and a light receiving device having a high dispersion characteristic realized by a photonic crystal having a three-dimensional structure. Useful as such.

本発明の実施の形態1の光デバイスの側断面模式図1 is a schematic side sectional view of an optical device according to a first embodiment of the present invention. (a)本発明の実施の形態1の光デバイスの2次元配列光学素子の各第i材料の分散特性を示す図、(b)本発明の実施の形態1の光デバイスの2次元配列光学素子の各第i材料の分散面を示す図、(c)本発明の実施の形態1の光デバイスの2次元配列光学素子の各第i材料の数mを大きくした場合の分散面を示す図(A) The figure which shows the dispersion characteristic of each i-th material of the two-dimensional array optical element of the optical device of Embodiment 1 of this invention, (b) Two-dimensional array optical element of the optical device of Embodiment 1 of this invention The figure which shows the dispersion surface of each i-th material of this, (c) The figure which shows the dispersion surface when the number m of each i-th material of the two-dimensional arrangement | sequence optical element of the optical device of Embodiment 1 of this invention is enlarged. (a)本発明の実施の形態1の光デバイスに、入射角=0°で入射光を入射した場合の光線軌跡を示す模式図、(b)本発明の実施の形態1の光デバイスに、入射角>0°で入射光を入射した場合の光線軌跡を示す模式図(A) Schematic diagram showing a ray trajectory when incident light is incident on the optical device according to the first embodiment of the present invention at an incident angle = 0 °. (B) In the optical device according to the first embodiment of the present invention, Schematic diagram showing the ray trajectory when incident light is incident at an incident angle> 0 ° (a)本発明の実施の形態1の光デバイスの各第i材料を中心軸からの距離に従って屈折率が大きくなるように配列した場合の2次元配列光学素子の分散特性を示す図、(b)本発明の実施の形態1の光デバイスの各第i材料を(a)の分散特性となるように配列した場合の2次元配列光学素子の分散面を示す図、(c)本発明の実施の形態1の光デバイスの各第i材料を中心軸からの距離に従って屈折率が大きくなるような配列で各第i材料4の数mを大きくした場合の、フラットになる分散面および負曲率半径の分散面の例を示す図(A) The figure which shows the dispersion characteristic of the two-dimensional arrangement | sequence optical element at the time of arranging each i-th material of the optical device of Embodiment 1 of this invention so that a refractive index may become large according to the distance from a central axis, (b) FIG. 4 is a diagram showing a dispersion surface of a two-dimensional array optical element when the i-th materials of the optical device according to the first embodiment of the invention are arranged so as to have the dispersion characteristics shown in FIG. When the number m of each i-th material 4 is increased in an arrangement in which the refractive index of each i-th material of the optical device of form 1 increases according to the distance from the central axis, the flat dispersion surface and the negative curvature radius Diagram showing an example of the dispersion surface 本発明の実施の形態1の光デバイスで拡散光を出力させる場合の分散面について説明する図The figure explaining the dispersion surface in the case of outputting diffused light with the optical device of Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1の光デバイスで平行光を出力させる場合の分散面について説明する図The figure explaining the dispersion surface in the case of outputting parallel light with the optical device of Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1の光デバイスで集光光を出力させる場合の分散面について説明する図The figure explaining the dispersion surface in the case of outputting condensed light with the optical device of Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1の光デバイスの2次元配列光学素子として、平行光分散面に近似する分散面を有する2次元配列光学素子を用いた場合の光線軌跡を示す模式図FIG. 4 is a schematic diagram showing a ray locus when a two-dimensional array optical element having a dispersion surface that approximates a parallel light dispersion surface is used as the two-dimensional array optical element of the optical device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1の光デバイスの2次元配列光学素子として、集光分散面に近似する分散面を有する2次元配列光学素子を用いた場合の光線軌跡を示す模式図FIG. 3 is a schematic diagram showing a ray locus when a two-dimensional array optical element having a dispersion surface that approximates a light collection and dispersion surface is used as the two-dimensional array optical element of the optical device according to the first embodiment of the present invention. (a)本発明の実施の形態1の光デバイスの、中心軸の回転方向にも屈折率変化をもたせた2次元配列光学素子の断面構成図、(b)本発明の実施の形態1の光デバイスの、中心軸の回転方向にも屈折率変化をもたせた2次元配列光学素子の分散特性を示す図(A) Cross-sectional configuration diagram of a two-dimensional array optical element having a refractive index change in the rotation direction of the central axis of the optical device according to the first embodiment of the present invention, (b) the light according to the first embodiment of the present invention. The figure which shows the dispersion characteristic of the two-dimensional arrangement optical element which gives the refractive index change also to the rotation direction of the central axis of the device 本発明の実施の形態2の光デバイスの側断面模式図Side cross-sectional schematic diagram of the optical device of Embodiment 2 of this invention (a)本発明の実施の形態2の光デバイスの1次元フォトニック結晶の分散特性を示す図、(b)本発明の実施の形態2の光デバイスの1次元フォトニック結晶の周波数ω1における分散面を示す図(A) The figure which shows the dispersion characteristic of the one-dimensional photonic crystal of the optical device of Embodiment 2 of this invention, (b) The dispersion | distribution in frequency (omega) 1 of the one-dimensional photonic crystal of the optical device of Embodiment 2 of this invention. Figure showing a face

符号の説明Explanation of symbols

1 入力側0.25ピッチGRINレンズ
2 2次元配列光学素子
3 出力側0.75ピッチGRINレンズ
4 第i材料
5 中心軸
6 入射光
7 出射光
8 入射角θi
9 材料入射位置ri
10 入射方位角βi
11 拡散光部分
12 平行光部分
13 集光光部分
14 1次元フォトニック結晶
15 フォトニックバンドギャップ
20 出射角θo
21 材料出射位置ro
22 入力面
23 出力面
24 入力面
25 出力面
26 分散面
27 平行光分散面
28 集光分散面
29 拡散分散面
30 平行光分散面
31 集光分散面
32 フォトニック結晶の分散特性
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Input side 0.25 pitch GRIN lens 2 Two-dimensional array optical element 3 Output side 0.75 pitch GRIN lens 4 i-th material 5 Center axis 6 Incident light 7 Output light 8 Incident angle (theta) i
9 Material incident position ri
10 Incident azimuth angle βi
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Diffused light part 12 Parallel light part 13 Condensed light part 14 One-dimensional photonic crystal 15 Photonic band gap 20 Output angle (theta) o
21 Material output position ro
22 Input surface 23 Output surface 24 Input surface 25 Output surface 26 Dispersion surface 27 Parallel light dispersion surface 28 Concentration dispersion surface 29 Diffuse dispersion surface 30 Parallel light dispersion surface 31 Condensation dispersion surface 32 Dispersion characteristics of photonic crystal

Claims (15)

入力面から入射した光の入射方向に対して、出射位置が1対1で対応する、前記入力面に平行な出力面を有する第1光変換素子と、
前記出力面に近接して配置され、前記第1光変換素子の前記出力面に垂直な方向に均質であり、前記出射位置に対応する入射位置における光学特性が、前記入射方向に応じた光学特性に一致している光学素子と、
前記光学素子から出射された光が入射するように前記光学素子に近接して配置され、光の入射位置に対して1対1で対応する出射方向で出力する第2光変換素子とを、光の入射側から順に備えた光デバイス。
A first light conversion element having an output surface parallel to the input surface, the output position corresponding to the incident direction of light incident from the input surface in a one-to-one relationship;
The optical characteristic at the incident position corresponding to the exit position is uniform in the direction perpendicular to the output face of the first light conversion element, arranged close to the output face, and according to the incident direction. An optical element corresponding to
A second light conversion element that is arranged in the vicinity of the optical element so that the light emitted from the optical element is incident thereon, and that outputs in the emission direction corresponding to the incident position of the light in a one-to-one relationship; Optical device provided in order from the incident side.
所定の位置から前記光学素子に入射した光の入射位置と出射位置との関係は、それらの入射位置と出射位置とを結ぶ直線の方向が、前記出力面に垂直な方向と平行な関係である、請求項1に記載の光デバイス。   The relationship between the incident position and the exit position of light incident on the optical element from a predetermined position is such that the direction of a straight line connecting the incident position and the exit position is parallel to the direction perpendicular to the output surface. The optical device according to claim 1. 前記第1光変換素子および前記第2光変換素子は、中心軸上で最大で前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有する屈折率分布型レンズである、請求項2に記載の光デバイス。   3. The refractive index distribution type lens according to claim 2, wherein each of the first light conversion element and the second light conversion element is a refractive index distribution type lens having a refractive index distribution that decreases in a parabolic manner according to a distance from the central axis at a maximum on a central axis. The optical device described. 前記光学素子の屈折率を、前記中心軸からの距離に従って低下する屈折率とすることにより、前記第1光変換素子に所定の入射角範囲で入射する入力光に対して拡散する光を前記第2光変換素子から出力させる、請求項3に記載の光デバイス。   By setting the refractive index of the optical element to be a refractive index that decreases according to the distance from the central axis, light diffused with respect to input light incident on the first light conversion element in a predetermined incident angle range is provided. The optical device according to claim 3, wherein the optical device outputs from the two-light conversion element. 前記光学素子の屈折率を、前記中心軸からの距離に従って増大する屈折率とすることにより、前記第1光変換素子に所定の入射角範囲で入射する入力光に対して平行光または集光光を前記第2光変換素子から出力させる、請求項3に記載の光デバイス。   By setting the refractive index of the optical element to be a refractive index that increases according to the distance from the central axis, parallel light or condensed light with respect to input light incident on the first light conversion element in a predetermined incident angle range. The optical device according to claim 3, wherein the light is output from the second light conversion element. 前記光学素子は、前記中心軸に垂直な2次元方向に複数の光学物体を配列した構造を有している、請求項3に記載の光デバイス。   The optical device according to claim 3, wherein the optical element has a structure in which a plurality of optical objects are arranged in a two-dimensional direction perpendicular to the central axis. 前記各光学物体の屈折率は異なっている、請求項6に記載の光デバイス。   The optical device according to claim 6, wherein the refractive indexes of the optical objects are different. 前記各光学物体の屈折率は、電気的な制御によって変更可能であり、
前記各光学物体の屈折率、前記各光学物体の前記中心軸からの距離、および前記中心軸周りの回転角の関係を制御することにより前記第2光変換素子からの出力を制御する、請求項7に記載の光デバイス。
The refractive index of each optical object can be changed by electrical control,
The output from the second light conversion element is controlled by controlling the relationship between the refractive index of each optical object, the distance of each optical object from the central axis, and the rotation angle around the central axis. 8. The optical device according to 7.
前記各光学物体の屈折率と前記中心軸からの距離との関係を、前記中心軸周りの回転角度に応じて異ならせた、請求項7に記載の光デバイス。   The optical device according to claim 7, wherein a relationship between a refractive index of each optical object and a distance from the central axis is varied according to a rotation angle around the central axis. 前記中心軸周りの回転角度について、前記各光学物体の屈折率と前記中心軸からの距離との関係が、負の相関となる回転角度範囲と、正の相関となる回転角度範囲とがある、請求項9に記載の光デバイス。   Regarding the rotation angle around the central axis, the relationship between the refractive index of each optical object and the distance from the central axis has a rotation angle range in which the correlation is negative and a rotation angle range in which the correlation is positive. The optical device according to claim 9. 入力面から入射した光の入射方向に対して、出射位置が1対1で対応する前記入力面に平行な出力面を有し、前記入力面から入射した光の、前記入力面に垂直な方向を基準とする入射角度に対して、前記出射面上の出射位置における出射角度を小さくする第1光変換素子と、
前記出力面に近接して配置され、前記第1光変換素子の前記入力面に垂直な方向に周期構造を有するフォトニック結晶とを備えた光デバイス。
A direction perpendicular to the input surface of the light incident from the input surface, the output surface having an output surface parallel to the input surface corresponding to the incident direction of the light incident from the input surface. A first light conversion element that reduces an exit angle at an exit position on the exit surface with respect to an incident angle with respect to
An optical device comprising: a photonic crystal disposed in the vicinity of the output surface and having a periodic structure in a direction perpendicular to the input surface of the first light conversion element.
前記フォトニック結晶の前記周期構造の周期は、前記第1光変換素子から入射した所定の光の実質上半波長の整数倍に等しい、請求項11に記載の光デバイス。   The optical device according to claim 11, wherein a period of the periodic structure of the photonic crystal is substantially equal to an integral multiple of a half wavelength of predetermined light incident from the first light conversion element. 前記フォトニック結晶から出射された、前記所定の光の波長以外の波長を有する光が入射するように前記フォトニック結晶に近接して配置され、光の入射位置に対して1対1で対応する出射方向で出力する第2光変換素子を備えた、請求項12に記載の光デバイス。   It is arranged close to the photonic crystal so that light having a wavelength other than the wavelength of the predetermined light emitted from the photonic crystal is incident, and has a one-to-one correspondence with the incident position of the light. The optical device according to claim 12, comprising a second light conversion element that outputs in the emission direction. 前記第1光変換素子および前記第2光変換素子は、中心軸上で最大で前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有する屈折率分布型レンズである、請求項13に記載の光デバイス。   14. The refractive index distribution type lens according to claim 13, wherein the first light conversion element and the second light conversion element are refractive index distribution type lenses having a refractive index distribution that decreases in a parabolic manner according to a distance from the central axis at a maximum on a central axis. The optical device described. 前記第1光変換素子は、0.25+0.5×iピッチ(iは、0以上の整数)の光路長を有する屈折率分布型レンズであり、
前記第2光変換素子は、0.25+0.5×jピッチ(jは、0以上の整数)の光路長を有する屈折率分布型レンズである、請求項3または14に記載の光デバイス。
The first light conversion element is a gradient index lens having an optical path length of 0.25 + 0.5 × i pitch (i is an integer of 0 or more);
The optical device according to claim 3 or 14, wherein the second light conversion element is a gradient index lens having an optical path length of 0.25 + 0.5 × j pitch (j is an integer of 0 or more).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111566881A (en) * 2018-02-20 2020-08-21 株式会社村田制作所 Light emitting module

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