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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023121474
(43)【公開日】2023-08-31
(54)【発明の名称】偏光分離素子及び光受信装置
(51)【国際特許分類】
G02B 5/30 20060101AFI20230824BHJP
H04B 10/67 20130101ALI20230824BHJP
【ＦＩ】
G02B5/30
H04B10/67
【審査請求】未請求
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022024837
(22)【出願日】2022-02-21
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度 国立研究開発法人情報通信研究機構「革新的情報通信技術研究開発委託研究／空間並列チャネル伝送に向けた垂直入射型ナノハイブリッド光変調器・受信器の研究開発」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000236436
【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100140442
【弁理士】
【氏名又は名称】柴山 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100124291
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 悟
(72)【発明者】
【氏名】相馬 豪
(72)【発明者】
【氏名】野本 佳朗
(72)【発明者】
【氏名】中野 義昭
(72)【発明者】
【氏名】種村 拓夫
【テーマコード（参考）】
2H149
5K102
【Ｆターム（参考）】
2H149AA24
2H149AB01
2H149AB03
2H149BA04
2H149BA05
2H149FA41W
2H149FA41Z
2H149FA42W
2H149FA42Z
2H149FA43W
2H149FA43Z
2H149FB08
2H149FD03
2H149FD46
5K102AA15
5K102AH26
5K102PH22
5K102PH31
(57)【要約】
【課題】 対象光の偏光成分の分離、集光を簡易な構成で好適に行うことが可能な偏光分離素子を提供する。
【解決手段】 偏光分離素子１０は、基板１１と、それぞれ２回回転対称の複数の構造体を含む構造体パターン２０を有して基板１１の上面１２上に形成された偏光分離層１５とを備える。偏光分離層１５は、対象光Ｌ０に含まれる第１～第６偏光成分を分離して、集光面３５上において互いに異なる第１～第６集光位置にそれぞれ集光する。構造体パターン２０は、第１、第２偏光成分を集光する第１構造体パターンと、第３、第４偏光成分を集光する第２構造体パターンと、第５、第６偏光成分を集光する第３構造体パターンとを有し、第１構造体、第２構造体、及び第３構造体からなるパターンを単位パターンとし、複数の単位パターンを２次元状に配列して構成されている。
【選択図】 図２
【解決手段】 偏光分離素子１０は、基板１１と、それぞれ２回回転対称の複数の構造体を含む構造体パターン２０を有して基板１１の上面１２上に形成された偏光分離層１５とを備える。偏光分離層１５は、対象光Ｌ０に含まれる第１～第６偏光成分を分離して、集光面３５上において互いに異なる第１～第６集光位置にそれぞれ集光する。構造体パターン２０は、第１、第２偏光成分を集光する第１構造体パターンと、第３、第４偏光成分を集光する第２構造体パターンと、第５、第６偏光成分を集光する第３構造体パターンとを有し、第１構造体、第２構造体、及び第３構造体からなるパターンを単位パターンとし、複数の単位パターンを２次元状に配列して構成されている。
【選択図】 図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
対象光に対して透過性を有する基板と、
前記対象光に対して透過性を有し前記基板よりも屈折率が高い材料からなり、それぞれ２回回転対称の複数の構造体を含む構造体パターンを有して前記基板の上面上に形成された偏光分離層と
を備え、
前記基板の下面及び前記偏光分離層の上面の一方が光入射面、他方が光出射面となる透過型の構成を有し、
前記偏光分離層は、前記光入射面側から入射した前記対象光に含まれる第１～第６偏光成分を分離して、前記光出射面側に設定された集光面上において互いに異なる第１～第６集光位置にそれぞれ集光するとともに、
前記構造体パターンは、
複数の第１構造体を含み、前記第１偏光成分及び前記第２偏光成分をそれぞれ前記第１集光位置及び前記第２集光位置に集光する第１構造体パターンと、
複数の第２構造体を含み、前記第３偏光成分及び前記第４偏光成分をそれぞれ前記第３集光位置及び前記第４集光位置に集光する第２構造体パターンと、
複数の第３構造体を含み、前記第５偏光成分及び前記第６偏光成分をそれぞれ前記第５集光位置及び前記第６集光位置に集光する第３構造体パターンと
を有し、前記第１構造体、前記第２構造体、及び前記第３構造体からなる直線状または三角形状のパターンを単位パターンとし、前記基板の前記上面上に複数の前記単位パターンを２次元状に配列して構成されている、偏光分離素子。
前記対象光に対して透過性を有し前記基板よりも屈折率が高い材料からなり、それぞれ２回回転対称の複数の構造体を含む構造体パターンを有して前記基板の上面上に形成された偏光分離層と
を備え、
前記基板の下面及び前記偏光分離層の上面の一方が光入射面、他方が光出射面となる透過型の構成を有し、
前記偏光分離層は、前記光入射面側から入射した前記対象光に含まれる第１～第６偏光成分を分離して、前記光出射面側に設定された集光面上において互いに異なる第１～第６集光位置にそれぞれ集光するとともに、
前記構造体パターンは、
複数の第１構造体を含み、前記第１偏光成分及び前記第２偏光成分をそれぞれ前記第１集光位置及び前記第２集光位置に集光する第１構造体パターンと、
複数の第２構造体を含み、前記第３偏光成分及び前記第４偏光成分をそれぞれ前記第３集光位置及び前記第４集光位置に集光する第２構造体パターンと、
複数の第３構造体を含み、前記第５偏光成分及び前記第６偏光成分をそれぞれ前記第５集光位置及び前記第６集光位置に集光する第３構造体パターンと
を有し、前記第１構造体、前記第２構造体、及び前記第３構造体からなる直線状または三角形状のパターンを単位パターンとし、前記基板の前記上面上に複数の前記単位パターンを２次元状に配列して構成されている、偏光分離素子。
【請求項2】
前記構造体パターンを構成する前記複数の構造体のそれぞれの前記基板の前記上面上でのサイズ、及び前記基板の前記上面からの高さは、それぞれ前記対象光の波長未満に設定されている、請求項１記載の偏光分離素子。
【請求項3】
前記構造体パターンにおける前記複数の構造体の配置間隔は、前記対象光の波長未満に設定されている、請求項１または２記載の偏光分離素子。
【請求項4】
２回回転対称の前記構造体は、楕円柱である、請求項１～３のいずれか一項記載の偏光分離素子。
【請求項5】
前記第１～第６偏光成分は、それぞれ、ｘ方向直線偏光成分、ｙ方向直線偏光成分、＋４５°直線偏光成分、－４５°直線偏光成分、左回り円偏光成分、及び右回り円偏光成分である、請求項１～４のいずれか一項記載の偏光分離素子。
【請求項6】
前記単位パターンは、正三角形状のパターンであり、前記構造体パターンは、六角格子状に構成されている、請求項１～５のいずれか一項記載の偏光分離素子。
【請求項7】
前記単位パターンは、直角二等辺三角形状のパターンであり、前記構造体パターンは、正方格子状に構成されている、請求項１～５のいずれか一項記載の偏光分離素子。
【請求項8】
前記構造体パターンは、複数の前記単位パターンとして、
前記第１構造体のうちで前記第１偏光成分及び前記第２偏光成分の一方の集光に用いられる構造体、前記第２構造体のうちで前記第３偏光成分及び前記第４偏光成分の一方の集光に用いられる構造体、及び前記第３構造体のうちで前記第５偏光成分及び前記第６偏光成分の一方の集光に用いられる構造体からなる第１単位パターンと、
前記第１構造体のうちで前記第１偏光成分及び前記第２偏光成分の他方の集光に用いられる構造体、前記第２構造体のうちで前記第３偏光成分及び前記第４偏光成分の他方の集光に用いられる構造体、及び前記第３構造体のうちで前記第５偏光成分及び前記第６偏光成分の他方の集光に用いられる構造体からなる第２単位パターンと
を含む、請求項１～７のいずれか一項記載の偏光分離素子。
前記第１構造体のうちで前記第１偏光成分及び前記第２偏光成分の一方の集光に用いられる構造体、前記第２構造体のうちで前記第３偏光成分及び前記第４偏光成分の一方の集光に用いられる構造体、及び前記第３構造体のうちで前記第５偏光成分及び前記第６偏光成分の一方の集光に用いられる構造体からなる第１単位パターンと、
前記第１構造体のうちで前記第１偏光成分及び前記第２偏光成分の他方の集光に用いられる構造体、前記第２構造体のうちで前記第３偏光成分及び前記第４偏光成分の他方の集光に用いられる構造体、及び前記第３構造体のうちで前記第５偏光成分及び前記第６偏光成分の他方の集光に用いられる構造体からなる第２単位パターンと
を含む、請求項１～７のいずれか一項記載の偏光分離素子。
【請求項9】
前記構造体パターンは、複数の前記単位パターンとして、前記第１構造体、前記第２構造体、及び前記第３構造体の配置が互いに異なる複数種類の単位パターンを含む、請求項１～８のいずれか一項記載の偏光分離素子。
【請求項10】
前記基板と、前記複数の構造体の材料との屈折率差は、０．２５以上である、請求項１～９のいずれか一項記載の偏光分離素子。
【請求項11】
前記複数の構造体の材料は、誘電体材料である、請求項１～１０のいずれか一項記載の偏光分離素子。
【請求項12】
前記複数の構造体の材料は、半導体材料または酸化物材料である、請求項１～１０のいずれか一項記載の偏光分離素子。
【請求項13】
前記第１～第６集光位置は、前記集光面上で設定された正六角形の頂点にそれぞれ配置されている、請求項１～１２のいずれか一項記載の偏光分離素子。
【請求項14】
請求項１～１３のいずれか一項記載の偏光分離素子と、
前記集光面上で前記第１～第６集光位置に集光された前記対象光の前記第１～第６偏光成分それぞれを検出する光検出部と
を備える、光受信装置。
前記集光面上で前記第１～第６集光位置に集光された前記対象光の前記第１～第６偏光成分それぞれを検出する光検出部と
を備える、光受信装置。
【請求項15】
前記光検出部は、前記第１～第６集光位置に配置され、それぞれ前記第１～第６偏光成分を検出する第１～第６光検出器を有する、請求項１４記載の光受信装置。
【請求項16】
前記光検出部による前記第１～第６偏光成分の検出結果について解析を行って、前記対象光のストークスパラメータを求める解析部をさらに備える、請求項１４または１５記載の光受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、対象光の偏光成分を分離して、互いに異なる集光位置に集光する偏光分離素子、及びそれを用いた光受信装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
非特許文献１には、対象光のｘ方向直線偏光成分、ｙ方向直線偏光成分、＋４５°直線偏光成分、－４５°直線偏光成分、左回り円偏光成分、及び右回り円偏光成分の６個の偏光成分を測定して、ストークスパラメータのイメージングを行う技術が開示されている。非特許文献１に記載された構成では、サブ波長のメタサーフェス構造を用いて対象光に含まれる各偏光成分の分離、集光を行っている。
【0003】
非特許文献２には、例えば、左回り円偏光及び右回り円偏光の２個の偏光成分を分離、集光する技術が開示されている。非特許文献２に記載された構成では、対象光を反射する金属層上に形成されたメタサーフェス構造によって対象光の偏光成分を分離する反射型の構成が用いられている。また、特許文献１、非特許文献３には、メタサーフェス構造を用いた位相及び偏光の制御について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１６／００７７２６１号公報
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】E. Arbabi et al., "Full-Stokesimaging polarimetry using dielectric metasurfaces", ACS Photonics Vol.5(2018), pp.3132-3140
【非特許文献2】Q. Fan et al., "Visiblelight focusing flat lenses based on hybrid dielectric-metal metasurfacereflector-arrays", Scientific Reports Vol.7, 45044 (2017)
【非特許文献3】A. Arbabi et al.,"Dielectric metasurfaces for complete control of phase and polarizationwith subwavelength spatial resolution and high transmission", NatureNanotechnology Vol.10 (2015), pp.937-943
【非特許文献4】P. Dong et al., "128-Gb/s100-km transmission with direct detection using silicon photonic Stokes vectorreceiver and I/Q modulator", Optics Express Vol.24 (2016), pp.14208-14214
【非特許文献5】K. Kikuchi et al., "Multi-levelsignaling in the Stokes space and its application to large-capacity opticalcommunications", Optics Express Vol.22 (2014), pp.7374-7387
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
近年、クラウドサービスの拡大、ＩｏＴ（Internet of Things）の概念の普及などにより、データセンター間をはじめとする短距離の通信トラフィックが増加している。このような短距離通信では、例えば、通信に用いられる光の強度に情報を載せ、その光強度を受光素子によって直接検出する強度変調・直接検波（ＩＭ－ＤＤ：Intensity Modulation - Direct Detection）方式が用いられている。
【0007】
また、さらなる大容量伝送を可能とするために、スペクトル利用効率が高い光通信システムの開発が進められている（例えば、非特許文献４参照）。そのような光通信システムの１つとして、パルス振幅変調（ＰＡＭ：Pulse Amplitude Modulation）方式が研究されている。しかしながら、ＰＡＭ方式では、光の強度に対する１次元的な変調しか行うことが出来ないため、変調レベルを増加させることが難しいという問題がある。
【0008】
これに対して、直接検波を利用しながらも多次元空間を利用することができる通信方式として、光の偏波状態を利用したストークスベクトル変調・直接検波（ＳＶＭ－ＤＤ：Stokes-Vector Modulation - Direct Detection）方式が注目されている（例えば、非特許文献４、５参照）。ＳＶＭ－ＤＤ方式では、光の偏光成分を変調し、各偏光状態に対応するストークスベクトル（ストークスパラメータ）に値を割り当てることによって、情報の伝送を行う。
【0009】
このようなＳＶＭ－ＤＤ方式によれば、２つの直交する偏波の強度と、その相対的な位相差の３つの自由度を用いることで、３次元ストークス空間を利用した３次元的な光変調が可能になる。また、偏波間の相対位相情報のみを利用するため、直接検波によって信号を受信することができ、コヒーレント系を必要としない。
【0010】
例えば、非特許文献５の図４には、３次元ストークス空間中における２値、４値、８値の場合の信号点の配置の例が示されている。この図から理解されるように、ＳＶＭ－ＤＤ方式では３次元空間を利用することから、簡易な直接検波方式を用いるにもかかわらず、従来の方式に比べてスペクトル効率を向上することができる。
【0011】
ＳＶＭ－ＤＤ方式における光信号の受信器では、例えば非特許文献４の図１に光集積回路の構成例が示されているように、光学系、光回路の構成が複雑になる等の問題がある。これに対して、光信号の受信器において、メタサーフェス構造による偏光制御を利用することが考えられる。しかしながら、例えば非特許文献１に記載の構成では、各偏光成分に対応するメタサーフェス構造体群が別々のセクションに分割配置されている。このような構成では、光通信での応用を考えると、位置で機能が分割されているために対称性が悪いという問題がある。また、非特許文献２に記載の構成では、集光できるのは２個の偏光成分のみであって、全てのストークスパラメータを求めることができない。
【0012】
本発明は、対象光の偏光成分の分離、集光を簡易な構成で好適に行うことが可能な偏光分離素子、及び光受信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明による偏光分離素子は、（１）対象光に対して透過性を有する基板と、（２）対象光に対して透過性を有し基板よりも屈折率が高い材料からなり、それぞれ２回回転対称の複数の構造体を含む構造体パターンを有して基板の上面上に形成された偏光分離層とを備え、基板の下面及び偏光分離層の上面の一方が光入射面、他方が光出射面となる透過型の構成を有し、（３）偏光分離層は、光入射面側から入射した対象光に含まれる第１～第６偏光成分を分離して、光出射面側に設定された集光面上において互いに異なる第１～第６集光位置にそれぞれ集光するとともに、（４）構造体パターンは、複数の第１構造体を含み、第１偏光成分及び第２偏光成分をそれぞれ第１集光位置及び第２集光位置に集光する第１構造体パターンと、複数の第２構造体を含み、第３偏光成分及び第４偏光成分をそれぞれ第３集光位置及び第４集光位置に集光する第２構造体パターンと、複数の第３構造体を含み、第５偏光成分及び第６偏光成分をそれぞれ第５集光位置及び第６集光位置に集光する第３構造体パターンとを有し、第１構造体、第２構造体、及び第３構造体からなる直線状または三角形状のパターンを単位パターンとし、基板の上面上に複数の単位パターンを２次元状に配列して構成されている。
【0014】
上記構成の偏光分離素子では、基板上の偏光分離層において、複数の構造体を含む構造体パターンを形成して、この構造体パターンを用いて、光入射面側から入射した対象光に含まれる第１～第６偏光成分を分離して、集光面上において互いに異なる第１～第６集光位置にそれぞれ集光する。また、構造体パターンを、第１、第２偏光成分を分離、集光する第１構造体パターンと、第３、第４偏光成分を分離、集光する第２構造体パターンと、第５、第６偏光成分を分離、集光する第３構造体パターンとによって構成する。
【0015】
そして、このような構成において、基板の上面（パターン形成面）上における第１～第３構造体を含む複数の構造体の配列について、第１構造体、第２構造体、及び第３構造体の３個の構造体からなるパターンを単位パターンと規定して、基板上に複数の単位パターンを２次元状に配列している。このような構成によれば、基板上において第１～第３構造体を一様に分散配置させて、素子に入射する対象光の第１～第６偏光成分を、簡易な構成で対称性良く分離、集光することができる。
【0016】
上記の偏光分離素子において、構造体パターンを構成する複数の構造体のそれぞれの基板の上面上でのサイズ、及び基板の上面からの高さは、それぞれ、対象光の波長未満に設定されている構成としてもよい。また、構造体パターンにおける複数の構造体の配置間隔は、対象光の波長未満に設定されている構成としてもよい。これにより、複数の構造体を含む構造体パターンによって、対象光の偏光成分を分離、集光するためのサブ波長のメタサーフェス構造を好適に構成することができる。また、構造体パターンにおける２回回転対称の構造体については、具体的には例えば、楕円柱を用いることができる。
【0017】
上記の偏光分離素子において、対象光の第１～第６偏光成分については、具体的には、それぞれ、ｘ方向直線偏光成分、ｙ方向直線偏光成分、＋４５°直線偏光成分、－４５°直線偏光成分、左回り円偏光成分、及び右回り円偏光成分である構成としてもよい。このような構成によれば、分離、集光された各偏光成分を検出することにより、例えば対象光のストークスパラメータを好適に求めることができる。
【0018】
上記の偏光分離素子において、偏光分離層における単位パターン、及び構造体パターンの具体的な構成については、単位パターンは、正三角形状のパターンであり、構造体パターンは、六角格子状に構成されていてもよい。また、単位パターンは、直角二等辺三角形状のパターンであり、構造体パターンは、正方格子状に構成されていてもよい。
【0019】
また、構造体パターンは、複数の単位パターンとして、第１構造体のうちで第１偏光成分及び第２偏光成分の一方の集光に用いられる構造体、第２構造体のうちで第３偏光成分及び第４偏光成分の一方の集光に用いられる構造体、及び第３構造体のうちで第５偏光成分及び第６偏光成分の一方の集光に用いられる構造体からなる第１単位パターンと、第１構造体のうちで第１偏光成分及び第２偏光成分の他方の集光に用いられる構造体、第２構造体のうちで第３偏光成分及び第４偏光成分の他方の集光に用いられる構造体、及び第３構造体のうちで第５偏光成分及び第６偏光成分の他方の集光に用いられる構造体からなる第２単位パターンとを含む構成としてもよい。
【0020】
また、構造体パターンは、複数の単位パターンとして、第１構造体、第２構造体、及び第３構造体の配置（配置順序、パターン形状等）が互いに異なる複数種類の単位パターンを含む構成としても良い。
【0021】
上記の偏光分離素子において、基板と、複数の構造体の材料との屈折率差は、０．２５以上である構成としてもよい。これにより、複数の構造体を含む構造体パターンによる対象光の偏光成分の分離、集光を好適に実現することができる。
【0022】
上記の偏光分離素子において、複数の構造体を構成する材料については、複数の構造体の材料は、誘電体材料である構成としてもよい。また、複数の構造体の材料は、半導体材料または酸化物材料である構成としてもよい。
【0023】
上記の偏光分離素子において、対象光の第１～第６偏光成分がそれぞれ集光される第１～第６集光位置は、集光面上で設定された正六角形の頂点にそれぞれ配置されている構成としてもよい。このような構成によれば、対象光の各偏光成分の集光、及びその光検出器による検出等を好適に行うことができる。
【0024】
本発明による光受信装置は、上記構成の偏光分離素子と、集光面上で第１～第６集光位置に集光された対象光の第１～第６偏光成分それぞれを検出する光検出部とを備える。このような構成によれば、上記の偏光分離素子によって分離、集光された対象光の第１～第６偏光成分のそれぞれの光強度を、光検出部において好適に検出することができる。
【0025】
上記の光受信装置において、光検出部は、第１～第６集光位置に配置され、それぞれ第１～第６偏光成分を検出する第１～第６光検出器を有する構成としてもよい。また、光検出部については、上記のように各偏光成分を個別に検出する光検出器を設ける構成以外にも、例えば、第１～第６偏光成分を検出する撮像装置などの単一の光検出器を設ける構成としてもよい。
【0026】
上記の光受信装置は、光検出部による第１～第６偏光成分の検出結果について解析を行って、対象光のストークスパラメータを求める解析部をさらに備える構成としてもよい。このような構成は、例えば、光受信装置をＳＶＭ－ＤＤ方式を用いた光通信に適用する場合に好適である。
【発明の効果】
【0027】
本発明の偏光分離素子及び光受信装置によれば、対象光の偏光成分の分離、集光を簡易な構成で好適に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】（ａ）ストークス空間中のポアンカレ球、及び各ストークスパラメータに対応する６個の偏光成分、及び（ｂ）ポアンカレ球上の点Ｐに対応する光の偏光状態を模式的に示す図である。
【図2】偏光分離素子を含む光受信装置の一実施形態の構成を示す模式図である。
【図3】光検出部における光検出器の配置構成を示す平面図である。
【図4】偏光分離素子における構造体パターンの構成を模式的に示す平面図である。
【図5】構造体パターンにおける複数の構造体の配列について示す図である。
【図6】構造体パターンにおける複数の構造体の配列について示す図である。
【図7】偏光分離素子の全体構成を示す光学顕微鏡画像である。
【図8】偏光分離素子における構造体パターンの構成を一部拡大して示す電子顕微鏡画像である。
【図9】（ａ）、（ｂ）構造体パターンにおける各構造体の形状の設定について示す図である。
【図10】構造体パターンにおける各構造体の形状の設定について示す図である。
【図11】（ａ）、（ｂ）構造体パターンにおける光の透過位相、及び楕円柱の長さの関係について示す図である。
【図12】（ａ）～（ｆ）構造体パターンにおける各偏光成分に対応する位相分布を示す図である。
【図13】偏光分離素子の特性を評価するための測定系の構成を示す図である。
【図14】（ａ）～（ｆ）撮像装置において取得された対象光の強度分布を示す図である。
【図16】撮像装置で取得された対象光の強度分布から再生されたストークスベクトルについて示す図である。
【図17】偏光分離素子における構造体パターンの構成の変形例を示す図である。
【図18】偏光分離素子における構造体パターンの構成の変形例を示す図である。
【図19】偏光分離素子における構造体パターンの構成の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下、図面とともに、偏光分離素子、及び光受信装置の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【0030】
最初に、偏光分離素子による偏光分離の対象となる光の偏光成分、及びストークスパラメータ等について、簡単に説明する。以下では、対象光の伝搬方向をｚ軸、ｚ軸に直交する２軸をｘ軸、ｙ軸とする。光の偏光状態は、下記の式（１）で定義されるストークスパラメータＳ１、Ｓ２、Ｓ３によるストークスベクトルＳによって表すことができる。
ここで、Ｅｘはｘ軸方向の偏光成分の振幅、Ｅｙはｙ軸方向の偏光成分の振幅、δは偏光成分間の相対位相（位相差）である。
【数1】
ここで、Ｅｘはｘ軸方向の偏光成分の振幅、Ｅｙはｙ軸方向の偏光成分の振幅、δは偏光成分間の相対位相（位相差）である。
【0031】
また、上記のストークスパラメータによって規定される３次元空間を、ストークス空間という。ストークスベクトルＳ＝（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）をストークス空間中にプロットすると、任意の偏光状態を空間中の点に対応させることができる。特に、各ストークスパラメータを光強度で規格化した場合、光の偏光状態に対応する点は、ストークス空間中の単位球面上に分布する。この単位球面は、ポアンカレ球と呼ばれる。
【0032】
ストークスベクトルＳにおいて、パラメータＳ１は、ｘ方向直線偏光成分とｙ方向直線偏光成分との強度差に対応し、パラメータＳ２は、＋４５°直線偏光成分と－４５°直線偏光成分との強度差に対応し、パラメータＳ３は、左回り円偏光成分と右回り円偏光成分との強度差に対応している。図１（ａ）は、ストークス空間中のポアンカレ球、及び各ストークスパラメータに対応する上記の６個の偏光成分を示し、図１（ｂ）は、ポアンカレ球上の点Ｐに対応する光の偏光状態を示している。
【0033】
上記から理解されるように、対象光について、例えばｘ方向直線偏光成分、ｙ方向直線偏光成分、＋４５°直線偏光成分、－４５°直線偏光成分、左回り円偏光成分、及び右回り円偏光成分の６個の偏光成分の光強度を検出し、その差分を求めることにより、対象光のストークスパラメータＳ１、Ｓ２、Ｓ３を求めることができる。以下に説明する偏光分離素子は、そのような対象光の偏光成分の分離、集光を可能とするものである。
【0034】
図２は、偏光分離素子を含む光受信装置の一実施形態の構成を示す模式図である。ここで、以下の各図においては、説明の容易のため、必要に応じてｘｙｚ直交座標系を合わせて図示している。この座標系において、ｚ軸は、上述したように偏光分離の対象となる対象光Ｌ０の伝搬方向を示し、ｘ軸、ｙ軸は、ｚ軸に直交する２軸を示している。
【0035】
本実施形態による光受信装置１Ａは、偏光分離素子１０と、光検出部３０と、解析部５０とを備えている。また、偏光分離素子１０は、対象光Ｌ０に含まれる偏光成分を分離して、それぞれ所定の集光位置に集光するものであり、基板１１と、偏光分離層１５とを備えて構成されている。なお、図２においては、対象光Ｌ０の例として、光ファイバ６０の出力端面から出力された所定波長の光を示している。対象光Ｌ０の波長λは、例えば通信波長帯で使用される１．５５μｍである。
【0036】
基板１１は、波長λの対象光Ｌ０に対して透過性を有する材料からなる。図２に示す偏光分離素子１０は、透過型に構成されており、基板１１の下面１３は、対象光Ｌ０が入射する光入射面、上面１２は、後述する偏光分離層１５の構造体パターン２０が形成されるパターン形成面となっている。
【0037】
基板１１を構成する材料としては、偏光分離層１５を形成、支持することが可能であって対象光Ｌ０に対して透過性を有するものであれば、任意の材料を用いてよい。そのような基板１１の材料としては、例えば、酸化物材料、フッ化物材料を用いることができる。酸化物材料としては、具体的には、石英（ＳｉＯ２）、ＢＫ７、Ａｌ２Ｏ３等を用いることができる。また、フッ化物材料としては、具体的には、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＬｉＦ等を用いることができる。
【0038】
偏光分離層１５は、対象光Ｌ０に対して透過性を有するとともに、基板１１よりも屈折率が高い材料からなり、基板１１の上面１２上に形成されている。また、偏光分離層１５は、それぞれ２回回転対称性を有する複数の構造体を含む構造体パターン２０を有し、基板１１の下面１３側から入射した対象光Ｌ０に含まれる第１～第６偏光成分を分離して、基板１１とは反対側に設定された集光面３５上において互いに異なる第１～第６集光位置にそれぞれ集光するように形成される。このような構成において、偏光分離層１５の上面（基板１１とは反対側の面）は、対象光Ｌ０が出射する光出射面となっている。
【0039】
偏光分離層１５における複数の構造体を構成する材料としては、対象光Ｌ０に対して透過性を有し基板１１よりも屈折率が高いものであれば、任意の材料を用いてよいが、誘電体材料を用いることが好ましく、また、半導体材料または酸化物材料を用いることが好ましい。半導体材料としては、具体的には、IV族半導体材料であるＳｉ、III－Ｖ族半導体材料であるＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＡｓ等を用いることができる。また、酸化物材料としては、具体的には、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３等を用いることができる。また、偏光分離層１５の材料として、窒化物であるＳｉ３Ｎ４等を用いてもよい。
【0040】
また、偏光分離層１５の構造体パターン２０によって分離される対象光Ｌ０の第１～第６偏光成分については、以下においては具体例として、第１偏光成分をｘ方向直線偏光成分Ｌ１１とし、第２偏光成分をｙ方向直線偏光成分Ｌ１２とし、第３偏光成分を＋４５°直線偏光成分Ｌ２１とし、第４偏光成分を－４５°直線偏光成分Ｌ２２とし、第５偏光成分を左回り円偏光成分Ｌ３１とし、第６偏光成分を右回り円偏光成分Ｌ３２とする。第１～第６偏光成分を上記のように設定することにより、それらの測定結果から、対象光Ｌ０のストークスパラメータＳ１、Ｓ２、Ｓ３を好適に求めることができる。なお、対象光Ｌ０の偏光成分を分離する構造体パターン２０の構成については、具体的には後述する。
【0041】
光検出部３０は、偏光分離素子１０によって集光面３５上で第１～第６集光位置に集光された対象光Ｌ０の偏光成分Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ３１、Ｌ３２をそれぞれ検出する。本実施形態の光受信装置１Ａにおいては、光検出部３０は、集光面３５上で第１～第６集光位置に対応して配置され、それぞれ上記の偏光成分を検出する第１～第６光検出器３１１、３１２、３２１、３２２、３３１、３３２を有して構成されている。なお、図２においては、説明の便宜のため、上記の光検出器を１次元状に配列して示しているが、光検出部３０における実際の光検出器の配置は、例えば図３に示すようになる。
【0042】
図３は、集光面３５上における第１～第６集光位置の設定、及び光検出部３０における光検出器の配置構成について示す平面図である。本実施形態においては、図３に示すように、対象光Ｌ０の偏光成分Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ３１、Ｌ３２がそれぞれ集光される集光位置は、集光面３５上において設定された正六角形の頂点にそれぞれ配置されており、光検出部３０を構成する光検出器３１１、３１２、３２１、３２２、３３１、３３２は、それぞれ対応する集光位置に配置されている。
【0043】
図３に示す構成では、具体的には、ｘ方向直線偏光成分Ｌ１１に対応する光検出器３１１は、集光面３５上において上方に配置されている。ｙ方向直線偏光成分Ｌ１２に対応する光検出器３１２は、右上に配置されている。＋４５°直線偏光成分Ｌ２１に対応する光検出器３２１は、右下に配置されている。－４５°直線偏光成分Ｌ２２に対応する光検出器３２２は、下方に配置されている。左回り円偏光成分Ｌ３１に対応する光検出器３３１は、左下に配置されている。右回り円偏光成分Ｌ３２に対応する光検出器３３２は、左上に配置されている。
【0044】
このように、光検出部３０において、対象光Ｌ０の各偏光成分に対して個別に光検出器を設ける構成では、光検出器として、高速で動作する０次元光検出器等の光検出器を用いることができる。そのような光検出器としては、例えば、フォトダイオード（例えばｐｉｎフォトダイオード）、光電子増倍管等を用いることができる。光検出部３０の各光検出器は、対応する偏光成分を検出して、検出した光強度を示す検出信号を出力する。
【0045】
なお、上記構成では、対象光Ｌ０の各偏光成分の集光位置、及びそれに対応する光検出部３０の各光検出器を、集光面３５上の正六角形の頂点に配置しているが、集光面３５における集光位置及び光検出器の配置については、このような構成に限らず、具体的には様々な配置構成を用いることができる。
【0046】
再び図２を参照する。解析部５０は、光検出部３０の各光検出器からの検出信号を入力し、光検出部３０による対象光Ｌ０の各偏光成分の検出結果について必要な解析を行う。解析部５０は、具体的には例えば、光検出部３０による検出結果に基づいて、対象光Ｌ０のストークスパラメータを求める。
【0047】
図２に示す構成では、解析部５０において、光検出器３１１によるｘ方向直線偏光成分Ｌ１１の検出結果、及び光検出器３１２によるｙ方向直線偏光成分Ｌ１２の検出結果に基づいて、ストークスパラメータＳ１が求められる。また、光検出器３２１による＋４５°直線偏光成分Ｌ２１の検出結果、及び光検出器３２２による－４５°直線偏光成分Ｌ２２の検出結果に基づいて、ストークスパラメータＳ２が求められる。また、光検出器３３１による左回り円偏光成分Ｌ３１の検出結果、及び光検出器３３２による右回り円偏光成分Ｌ３２の検出結果に基づいて、ストークスパラメータＳ３が求められる。
【0048】
このような解析部５０を備える構成は、例えば、光受信装置１Ａを、ＳＶＭ－ＤＤ方式を用いた光通信に適用する場合に好適である。なお、このような解析部５０については、不要であれば設けない構成としてもよい。
【0049】
【0050】
構造体パターン２０を構成する複数の構造体のそれぞれは、基板１１の上面１２上において２回回転対称の形状を有する。図４においては、そのような形状の構造体の好適な例として、楕円柱を示している。各楕円柱の形状を規定する長軸方向の長さ、短軸方向の長さ、及びｘ軸に対する傾き角度は、構造体パターン２０の機能に対応して個別かつ適切に設定されている。
【0051】
また、構造体パターン２０において、複数の構造体のそれぞれの基板１１の上面１２上でのサイズ、及び上面１２からの高さは、好ましくはそれぞれ対象光Ｌ０の波長λ未満に設定される。ここで、構造体のサイズについては、例えば構造体が楕円柱の場合には、その長軸方向の長さを対象光Ｌ０の波長λ未満に設定するのが好ましい。また、構造体パターン２０において、複数の構造体の配置間隔は、好ましくは対象光Ｌ０の波長λ未満に設定される。構造体パターン２０における複数の構造体のサイズ、高さ、及び配置間隔を、波長λに対して上記のように設定することにより、この構造体パターン２０は、サブ波長のメタサーフェス構造として機能する。
【0052】
偏光分離層１５は、上述したように対象光Ｌ０に含まれる各偏光成分を分離して、集光面３５上においてそれぞれ対応する集光位置に集光する。このような偏光成分の分離、集光の機能を実現するために、複数の構造体を含むサブ波長の構造体パターン２０は、図４に示すように、第１構造体パターン２１、第２構造体パターン２２、及び第３構造体パターン２３の３種類の構造体パターンによって構成されている。
【0053】
第１構造体パターン２１は、複数の第１構造体２６によって構成され、ｘ方向直線偏光成分Ｌ１１及びｙ方向直線偏光成分Ｌ１２を、それぞれ光検出器３１１、３１２が配置されている第１、第２集光位置に集光する。
【0054】
第２構造体パターン２２は、複数の第２構造体２７によって構成され、＋４５°直線偏光成分Ｌ２１及び－４５°直線偏光成分Ｌ２２を、それぞれ光検出器３２１、３２２が配置されている第３、第４集光位置に集光する。
【0055】
第３構造体パターン２３は、複数の第３構造体２８によって構成され、左回り円偏光成分Ｌ３１及び右回り円偏光成分Ｌ３２を、それぞれ光検出器３３１、３３２が配置されている第５、第６集光位置に集光する。
【0056】
また、第１～第３構造体パターン２１～２３を構成する第１～第３構造体２６～２８の基板１１上での配列については、図４において構造体を結ぶ実線によって示すように、構造体パターン２０は、第１構造体２６、第２構造体２７、及び第３構造体２８からなる直線状または三角形状パターンを単位パターン２５とし、基板１１の上面１２上に複数の単位パターン２５を２次元状に配列して構成されている。
【0057】
図４に示す構成では、単位パターン２５は正三角形状のパターンとなっており、その上方の頂点に第１構造体２６が配置され、左下の頂点に第２構造体２７が配置され、右下の頂点に第３構造体２８が配置されている。また、図４に示す構造体パターン２０は、図５において六角格子Ａとともに第１～第３構造体２６～２８の配列を示すように、六角格子状（正三角格子状）に構成されている。
【0058】
また、図４、図５に示す第１～第３構造体２６～２８の配列は、図５においてｙ軸方向に延びる直線Ｂ１～Ｂ３を示すように、第２構造体２７が等間隔に配列された直線Ｂ２、第１構造体２６が等間隔に配列された直線Ｂ１、及び第３構造体２８が等間隔に配列された直線Ｂ３を、ｘ軸方向に等間隔、かつ構造体の配置が交互になるように配列した構成となっている。
【0059】
構造体パターン２０による各偏光成分の分離及び集光については、第１構造体パターン２１の複数の第１構造体２６は、具体的には、ｘ方向直線偏光成分Ｌ１１の集光に用いられる構造体と、ｙ方向直線偏光成分Ｌ１２の集光に用いられる構造体とを含んでいる。第２構造体パターン２２の複数の第２構造体２７は、＋４５°直線偏光成分Ｌ２１の集光に用いられる構造体と、－４５°直線偏光成分Ｌ２２の集光に用いられる構造体とを含んでいる。第３構造体パターン２３の複数の第３構造体２８は、左回り円偏光成分Ｌ３１の集光に用いられる構造体と、右回り円偏光成分Ｌ３２の集光に用いられる構造体とを含んでいる。
【0060】
第１～第３構造体パターン２１～２３における上記した６種類の構造体の配列については、例えば、図６に示すような配列とすることができる。図６に示す構造体パターン２０は、複数の単位パターン２５として、実線で示す第１単位パターン２５１と、破線で示す第２単位パターン２５２とを含んで構成されている。
【0061】
第１単位パターン２５１は、第１構造体２６のうちでｘ方向直線偏光成分Ｌ１１の集光に用いられる構造体２６１、第２構造体２７のうちで＋４５°直線偏光成分Ｌ２１の集光に用いられる構造体２７１、及び第３構造体２８のうちで左回り円偏光成分Ｌ３１の集光に用いられる構造体２８１を含む。第２単位パターン２５２は、第１構造体２６のうちでｙ方向直線偏光成分Ｌ１２の集光に用いられる構造体２６２、第２構造体２７のうちで－４５°直線偏光成分Ｌ２２の集光に用いられる構造体２７２、及び第３構造体２８のうちで右回り円偏光成分Ｌ３２の集光に用いられる構造体２８２を含む。
【0062】
また、上記の６種類の構造体の配列については、図６に示した構成以外にも、具体的には様々な構成を用いることができる。一般には、構造体パターン２０は、複数の単位パターン２５として、第１構造体２６のうちでｘ方向直線偏光成分Ｌ１１及びｙ方向直線偏光成分Ｌ１２の一方の集光に用いられる構造体、第２構造体２７のうちで＋４５°直線偏光成分Ｌ２１及び－４５°直線偏光成分Ｌ２２の一方の集光に用いられる構造体、及び第３構造体２８のうちで左回り円偏光成分Ｌ３１及び右回り円偏光成分Ｌ３２の一方の集光に用いられる構造体からなる第１単位パターンと、第１構造体２６のうちでｘ方向直線偏光成分Ｌ１１及びｙ方向直線偏光成分Ｌ１２の他方の集光に用いられる構造体、第２構造体２７のうちで＋４５°直線偏光成分Ｌ２１及び－４５°直線偏光成分Ｌ２２の他方の集光に用いられる構造体、及び第３構造体２８のうちで左回り円偏光成分Ｌ３１及び右回り円偏光成分Ｌ３２の他方の集光に用いられる構造体からなる第２単位パターンと、を含んで構成されることが好ましい。
【0063】
図７は、偏光分離素子１０の具体的な構成例の全体構成を示す光学顕微鏡画像である。また、図８は、偏光分離素子１０における構造体パターン２０の構成を一部拡大して示す電子顕微鏡画像である。この偏光分離素子１０は、直径５００μｍの円形状に形成されている。なお、図７、図８に示した偏光分離素子の構成例の具体的な構造、材料等については、詳しくは後述する。
【0064】
上記実施形態による偏光分離素子１０、及び偏光分離素子１０を用いた光受信装置１Ａの効果について説明する。
【0065】
図２、図４に示した偏光分離素子１０では、基板１１上の偏光分離層１５において、複数の構造体を含む構造体パターン２０を形成し、この構造体パターン２０を用いて、基板１１の下面１３側から入射した対象光Ｌ０に含まれる第１～第６偏光成分を分離して、集光面３５上において互いに異なる第１～第６集光位置にそれぞれ集光する。また、基板１１上の構造体パターン２０を、第１、第２偏光成分を分離、集光する第１構造体パターン２１と、第３、第４偏光成分を分離、集光する第２構造体パターン２２と、第５、第６偏光成分を分離、集光する第３構造体パターン２３とによって構成する。
【0066】
そして、このような構成において、基板１１の上面１２上における複数の構造体の配列について、第１構造体２６、第２構造体２７、及び第３構造体２８の３個の構造体からなるパターンを単位パターン２５と規定して、基板１１上に複数の単位パターン２５を所定の配列パターンで２次元状に配列している。このような構成によれば、図４に示したように、基板１１上において第１～第３構造体２６～２８を一様に分散配置させて、偏光分離素子１０に入射する対象光Ｌ０の第１～第６偏光成分を、簡易な構成で対称性良く分離、集光することができる。
【0067】
また、図２に示した光受信装置１Ａは、上記構成の偏光分離素子１０と、集光面３５上で第１～第６集光位置に集光された対象光Ｌ０の第１～第６偏光成分それぞれを検出する光検出部３０とを備える構成としている。このような構成によれば、偏光分離素子１０によって分離、集光された対象光Ｌ０の各偏光成分の光強度を、光検出部３０において好適に検出することができる。
【0068】
上記構成の偏光分離素子１０では、上述したように、構造体パターン２０を構成する複数の構造体のそれぞれのサイズ、高さ、及び構造体の配置間隔を、対象光Ｌ０の波長未満に設定することが好ましい。これにより、基板１１上の複数の構造体を含む構造体パターン２０によって、対象光Ｌ０の偏光成分を分離、集光するためのサブ波長のメタサーフェス構造を好適に実現することができる。
【0069】
偏光分離層１５における複数の構造体の材料については、上記したように基板１１よりも屈折率が高い材料が用いられるが、具体的には、基板１１の材料と、偏光分離層１５の複数の構造体の材料との屈折率差を、０．２５以上に設定することが好ましい。これにより、複数の構造体を含む構造体パターン２０による対象光Ｌ０の偏光成分の分離、集光を好適に実現することができる。
【0070】
参考として、基板１１及び偏光分離層１５に関して上述した材料について、波長１．５５μｍの光に対する屈折率値を挙げておくと、基板１１に関して、石英（ＳｉＯ２）が１．４４、ＢＫ７が１．５０、Ａｌ２Ｏ３が１．７５、ＭｇＦ２が１．３６、ＣａＦ２が１．４２、ＬｉＦが１．３８である。
【0071】
また、偏光分離層１５に関して、Ｓｉが３．４７８、ＧａＡｓが３．３７４、ＩｎＰが３．１６７、ＧａＮが２．３、ＴｉＯ２が２．４、Ｔａ２Ｏ５が２．０９、Ｎｂ２Ｏ５が２．１７、ＨｆＯ２が１．８２、ＺｒＯ２が２．０７、Ｙ２Ｏ３が１．９０、Ｇｄ２Ｏ３が１．７、ＣｅＯ２が１．７、Ａｌ２Ｏ３が１．７５、Ｓｉ３Ｎ４が１．９８９である。
【0072】
偏光分離素子１０における構造体パターン２０の具体的な構成、及び構造体パターン２０を構成する構造体（楕円柱）の設計方法等について説明する。基板１１及び偏光分離層１５からなる偏光分離素子１０は、例えば、石英（ＳｉＯ２）基板上にシリコン（Ｓｉ）層が形成されたＳＯＱ（Silicon on Quartz）基板を用い、Ｓｉ層を微細加工技術によってメタサーフェス構造化することで、作製することができる。また、以下においては、構造体パターン２０を構成する構造体は、楕円柱であるとする。
【0073】
第１構造体パターン２１は、それによる光の透過位相分布φ（ｘ，ｙ）が、ｘ方向直線偏光成分Ｌ１１及びｙ方向直線偏光成分Ｌ１２を第１、第２集光位置に集光するように設計される。すなわち、第１構造体パターン２１は、ポアンカレ球のＳ１軸を基底とした偏光分離及び集光レンズとして動作するように設計される。
【0074】
第２構造体パターン２２は、それによる光の透過位相分布φ（ｘ，ｙ）が、＋４５°直線偏光成分Ｌ２１及び－４５°直線偏光成分Ｌ２２を第３、第４集光位置に集光するように設計される。この第２構造体パターン２２による位相分布は、例えば、上記の第１構造体パターン２１の位相分布をｘ軸から４５°回転させることで得られる。
【0075】
第３構造体パターン２３は、それによる光の透過位相分布φ（ｘ，ｙ）が、左回り円偏光成分Ｌ３１及び右回り円偏光成分Ｌ３２を第５、第６集光位置に集光するように設計される。この第３構造体パターン２３による位相分布は、例えば、ｘ方向とｙ方向との位相差がπになる構造を作成し、それをｘ軸に対して角度θだけ傾けることで得られる。
【0076】
図９、図１０は、構造体パターン２０における各構造体の形状の設定について示す図である。図９（ａ）、（ｂ）に示すように、構造体の楕円柱の形状は、ｘ方向の楕円軸の長さを示すＤｕ、ｙ方向の楕円軸の長さを示すＤｖ、及び楕円柱のｘ軸からの回転角度θによって決定される。また、図９（ａ）において、ｄは構造体である楕円柱の配置間隔を示している。例えば、図４に示したような六角格子状の構成の場合、配置間隔ｄは、全ての楕円柱間で一定である。
【0077】
また、図１０に示すように、偏光分離素子１０による偏光分離の対象となる対象光Ｌ０について、ｘ方向に偏光した光の等価振幅を｜ｔｕ｜とし、その透過位相をφｕとし、ｙ方向に偏光した光の等価振幅を｜ｔｖ｜とし、その透過位相をφｖとする。また、図１０において、ｔは基板１１の厚さを示し、ｈは構造体パターン２０を含む偏光分離層１５の高さを示している。一例では、ＳｉＯ２基板１１の厚さはｔ＝６２５μｍ、Ｓｉ偏光分離層１５の高さはｈ＝１０５０ｎｍ、楕円柱の配置間隔はｄ＝７００ｎｍである。
【0078】
構造体パターン２０を構成する複数の構造体の設計においては、まず、上記した楕円柱の長さＤｕ、Ｄｖを変化させたときに得られる位相φｕ、φｖの変化量を、電磁界計算手法である厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Rigorous Coupled Wave Analysis）によって求める。具体的な計算手法は、例えば非特許文献１に記載されているものと同様である。
【0079】
図１１は、構造体パターン２０における光の透過位相φｕ、φｖ、及び楕円柱の形状パラメータである長さＤｕ、Ｄｖの関係について示す図であり、図１１（ａ）は、位相φｕ、φｖの各値に対応する長さＤｕを示し、図１１（ｂ）は、位相φｕ、φｖの各値に対応する長さＤｖを示している。ここでは、対象光Ｌ０の波長λを１．５５μｍとし、六角格子状の構造体パターン２０における楕円柱の配置間隔（格子定数）ｄを７００ｎｍとし、ｘ軸に対する回転角度θを０°として計算を行った。図１１（ａ）、（ｂ）に示す計算結果を用いることにより、必要とされる透過位相φｕ、φｖを得るための楕円柱の長さＤｕ、Ｄｖを求めることができる。
【0080】
上記では、楕円柱の回転角度をθ＝０°として計算したが、±４５°直線偏光成分については、上記の楕円柱をｘ軸から±４５°回転すればよい。また、左回り円偏光成分については、必要な透過位相はφＬ＝φｕ＋２θとなり、右回り円偏光成分については、必要な透過位相はφＲ＝φｕ－２θとなる。また、このときに必要な条件は、φｖ＝φｕ＋πとなるようにＤｕ、Ｄｖを決定することである。
【0081】
構造体パターン２０による対象光Ｌ０の各偏光成分の集光については、偏光成分を集光面３５上の集光位置に集光させるメタレンズとしての機能を実現するために、第１～第３構造体パターン２１～２３におけるメタサーフェス構造に、下記の式（２）で表される位相分布を持たせる。
ここで、（ｘ０、ｙ０）は集光面３５における各偏光成分の集光位置の座標であり、ｆは集光距離である。
【数2】
ここで、（ｘ０、ｙ０）は集光面３５における各偏光成分の集光位置の座標であり、ｆは集光距離である。
【0082】
具体的には、集光距離ｆを２．５ｍｍ（ＮＡ～０．１０）とし、集光面３５における各集光位置間の距離（六角形の頂点間の距離、図３参照）を５０μｍとした。この場合、例えば、偏光分離素子１０の中心位置を原点とし、μｍを単位として、ｘ方向直線偏光成分Ｌ１１を集光する第１構造体パターン２１の中心座標は（０，５０）、ｙ方向直線偏光成分Ｌ１２を集光する第１構造体パターン２１の中心座標は（４３．３，２５）である。
【0083】
＋４５°直線偏光成分Ｌ２１を集光する第２構造体パターン２２の中心座標は（４３．３，－２５）、－４５°直線偏光成分Ｌ２２を集光する第２構造体パターン２２の中心座標は（０，－５０）である。左回り円偏光成分Ｌ３１を集光する第３構造体パターン２３の中心座標は（－４３．３，－２５）、右回り円偏光成分Ｌ３２を集光する第３構造体パターン２３の中心座標は（－４３．３，２５）である。
【0084】
図１２は、構造体パターン２０における各偏光成分（波長１．５５μｍ）に対応する位相分布を示す図である。図１２（ａ）、（ｂ）は、第１構造体パターン２１（ＭＳ１）における位相分布を示し、図１２（ｃ）、（ｄ）は、第２構造体パターン２２（ＭＳ２）における位相分布を示し、図１２（ｅ）、（ｆ）は、第３構造体パターン２３（ＭＳ３）における位相分布を示している。なお、偏光分離素子１０の形状及びサイズについては、光ファイバとの結合を考慮して、直径φ５００μｍの円形としている。以上のようにして、偏光分離素子１０における複数の構造体を含む構造体パターン２０の構成を決定することができる。
【0085】
上記実施形態による偏光分離素子１０の製造方法の一例について、簡単に説明する。まず、基板１１となるＳｉＯ２層、及び偏光分離層１５となるＳｉ層を有するＳＯＱ基板を用意し、一般的な有機洗浄によって、ＳＯＱ基板を洗浄する。ここでは、例えば、アセトン、ＩＰＡ、またはエタノール中にて、ＳＯＱ基板の超音波洗浄を行う。また、ＳＯＱ基板において、ＳｉＯ２層の厚さｔは例えば６２５μｍ、Ｓｉ層の高さｈは例えば１０５０ｎｍである。
【0086】
続いて、Ｓｉ層とレジストとの濡れ性及び密着性向上を目的に、表面活性剤（例えば、東京応化ＯＡＰ）を塗布し、例えば３０００ｒｐｍ、３０ｓｅｃでスピンコーティングを行った後、１２０℃で１分間のベーキングを行う。そして、Ｓｉ層上にＥＢレジスト（例えば、ＺＥＰ５２０Ａ）を塗布し、スピンコーティングによって、約２００ｎｍの厚さとする。
【0087】
その後、電子線描画装置を使用して描画し、現像を行うことにより、構造体パターン２０に対応するメタサーフェス構造のレジストパターンを形成する。次に、レジストパターンを保護膜にしてＳｉ層のドライエッチングを行うことにより、構造体パターン２０となるＳｉ層のメタサーフェス構造を形成する。ドライエッチング用のガスとしては、例えばＳＦ６、Ｃ４Ｆ８、Ａｒを用いることができる。その後、Ｓｉ層をエッチングする際にマスクとして使用したＥＢレジストをＯ２アッシングにより除去することにより、上記構成を有する偏光分離素子１０を作製することができる。
【0088】
上記した構成例による偏光分離素子１０の特性について、具体的な測定データとともに説明する。図１３は、偏光分離素子１０の特性を評価するための測定系２Ａの構成を示す図である。図１３に示す測定系２Ａは、レーザ光源１０１、偏光コントローラ１０２、ファイバコリメータ１０３、偏光子１０４、１／２波長板１０５、１／４波長板１０６、絞り１０７、対物レンズ１０８、チューブレンズ１０９、及び撮像装置１１０によって構成されている。
【0089】
上記の測定系２Ａにおいて、評価対象となる偏光分離素子１０は、絞り１０７と対物レンズ１０８との間に配置されている。レーザ光源１０１としては、例えば波長可変レーザを用いることができる。また、撮像装置１１０としては、例えばＩｎＧａＡｓカメラ（浜松ホトニクス製Ｃ１２７４１－０３、受光面サイズ：１２．８ｍｍ（Ｈ）×１０．２４ｍｍ（Ｖ））を用いることができる。
【0090】
レーザ光源１０１から出力された波長λ＝１．５５μｍの対象光Ｌ０は、偏光コントローラ１０２、ファイバコリメータ１０３、偏光子１０４、１／２波長板１０５、１／４波長板１０６、及び絞り１０７を経て、偏光分離素子１０に到達する。このとき、偏光子１０４、１／２波長板１０５、及び１／４波長板１０６を回転することにより、対象光Ｌ０を所望の偏光状態に設定することができる。
【0091】
偏光分離素子１０で分離、集光された各偏光成分は、倍率５０倍の対物レンズ１０８によって平行光とされ、チューブレンズ１０９によって撮像装置１１０の受光面上に結像される。撮像装置１１０で取得された２次元画像における各偏光成分の光強度によって、偏光分離素子１０の特性を評価することができる。
【0092】
図１４は、撮像装置１１０において取得された対象光Ｌ０の強度分布を示す図である。図１４（ａ）は、偏光分離される対象光Ｌ０のストークスベクトル（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）を（＋１，０，０）としたときの測定結果を示し、図１４（ｂ）は、（－１，０，０）としたときの測定結果を示し、図１４（ｃ）は、（０，＋１，０）としたときの測定結果を示し、図１４（ｄ）は、（０，－１，０）としたときの測定結果を示し、図１４（ｅ）は、（０，０，＋１）としたときの測定結果を示し、図１４（ｆ）は、（０，０，－１）としたときの測定結果を示している。
【0093】
また、図１５（ａ）～（ｆ）は、図１４（ａ）～（ｆ）の測定結果からそれぞれ求められた対象光Ｌ０のストークスパラメータＳ１、Ｓ２、Ｓ３について示すグラフである。これらの図１４、図１５に示すように、上記構成の偏光分離素子１０によれば、対象光Ｌ０に含まれる各偏光成分を好適に分離、集光して、そのストークスパラメータを精度良く測定することが可能である。
【0094】
図１６は、撮像装置１１０で取得された対象光Ｌ０の強度分布から再生されたストークスベクトルについて示す図である。図１６において、ストークス空間に図示した球はポアンカレ球を示し、実線で示したデータは理論的に得られる偏光状態を示し、プロット点で示したデータは実際に対象光の偏光状態を測定した結果を示している。
【0095】
また、図１６において、データＣ１は、１／２波長板（ＨＷＰ）１０５及び１／４波長板（ＱＷＰ）１０６をθＱＷＰ＝２θＨＷＰの関係を保った状態で回転させたときのデータを示し、データＣ２は、１／２波長板１０５をθＨＷＰ＝０°に固定した状態で１／４波長板１０６のθＱＷＰを回転させたときのデータを示し、データＣ３は、１／２波長板１０５をθＨＷＰ＝４５°に固定した状態で１／４波長板１０６のθＱＷＰを回転させたときのデータを示している。これらのデータＣ１～Ｃ３に示すように、理論的に求めた偏光状態と、測定結果の偏光状態とは良く一致している。
【0096】
図４、図５に示した構造体パターン２０の他の構成例について説明する。上記実施形態では、構造体パターン２０について、単位パターン２５を正三角形状のパターンとし、構造体パターン２０を六角格子状に構成している。対象光Ｌ０の各偏光成分の分離、集光に用いられる構造体パターン２０については、具体的には上記した構成以外にも、様々な構成を用いることができる。なお、以下の図１７～図１９においては、各構造体を円形によって図示し、複数の構造体の配置パターンを模式的に示している。
【0097】
図１７は、偏光分離素子１０における構造体パターン２０の構成の第１変形例を示す図である。図１７に示す構成では、第１構造体２６、第２構造体２７、及び第３構造体２８からなる二等辺三角形状のパターンを単位パターン２５ａとしている。また、複数の単位パターン２５ａから構成される構造体パターン２０の全体構成については、図５の構成と同様に、六角格子状に構成されている。
【0098】
図１８は、偏光分離素子１０における構造体パターン２０の構成の第２変形例を示す図である。図１８に示す構成では、複数の単位パターンとして、第１構造体２６、第２構造体２７、及び第３構造体２８の配置が互いに異なる複数種類（図１８の例では２種類）の単位パターン２５ｂ、２５ｃを含んでいる。単位パターン２５ｂ、２５ｃは、いずれも正三角形状のパターンとなっている。
【0099】
単位パターン２５ｂでは、図４の単位パターン２５と同様に、正三角形状パターンの上方の頂点に第１構造体２６が配置され、左下の頂点に第２構造体２７が配置され、右下の頂点に第３構造体２８が配置されている。一方、単位パターン２５ｃでは、正三角形状パターンの上方の頂点に第１構造体２６が配置され、左下の頂点に第３構造体２８が配置され、右下の頂点に第２構造体２７が配置されており、単位パターン２５ｂとは第２構造体２７及び第３構造体２８の配置が入れ替わっている。
【0100】
なお、構造体パターン２０において、複数の単位パターンとして複数種類の単位パターンを設ける構成では、一般には、第１構造体２６、第２構造体２７、及び第３構造体２８の配置順序またはパターン形状等が互いに異なる単位パターンを用いることが好ましい。また、単位パターンの種類の個数については、上記構成では２種類としているが、３種類以上としてもよい。
【0101】
図１９は、偏光分離素子１０における構造体パターン２０の構成の第３変形例を示す図である。図１９に示す構成では、第１構造体２６、第２構造体２７、及び第３構造体２８からなる直角二等辺三角形状のパターンを単位パターン２５ｄとしている。また、複数の単位パターン２５ｄから構成される構造体パターン２０の全体構成については、図５の構成とは異なり、正方格子状に構成されている。
【0102】
このように、基板１１上に形成される偏光分離層１５における構造体パターン２０については、具体的には様々なパターン構成を用いることが可能である。なお、構造体パターン２０の全体構成については、図５、図１７、図１８の構成では六角格子状のパターンとし、図１９の構成では正方格子状のパターンとしている。これらのパターンについては、図１９の正方格子状のパターンでは、第２構造体２７と第３構造体２８との配置間隔が、第１構造体２６と第２構造体２７または第３構造体２８との配置間隔よりも長くなっている。このような点を考慮すると、構造体パターン２０の全体構成については、全ての構造体の配置間隔が等しくなる六角格子状のパターンとすることがより好ましい。
【0103】
偏光分離素子、及び光受信装置は、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、偏光分離素子による分離、集光の対象となる対象光の第１～第６偏光成分について、上記実施形態では、ｘ方向直線偏光成分、ｙ方向直線偏光成分、＋４５°直線偏光成分、－４５°直線偏光成分、左回り円偏光成分、及び右回り円偏光成分としているが、このような構成に限定されず、具体的には様々な偏光成分の組合せを用いてよい。また、構造体パターンを構成する２回回転対称の構造体の形状については、上記した楕円柱に限らず、具体的には様々な形状の構造体を用いてよい。
【0104】
また、透過型の偏光分離素子の構成について、上記実施形態では、基板の下面を光入射面、偏光分離層の上面を光出射面としているが、このような構成に限定されず、偏光分離層の上面を光入射面、基板の下面を光出射面としてもよい。一般には、偏光分離素子は、基板の下面及び偏光分離層の上面の一方が光入射面、他方が光出射面となる透過型の構成を有し、偏光分離層は、光入射面側から入射した対象光に含まれる第１～第６偏光成分を分離して、光出射面側に設定された集光面上において互いに異なる第１～第６集光位置にそれぞれ集光する構成であればよい。また、基板の下面を光出射面とする構成では、例えば、光検出部となるフォトダイオードなどの光検出器を、基板の下面に直接貼り合わせるような構成とすることも可能である。
【0105】
また、偏光分離素子を備える光受信装置において、対象光の各偏光成分を検出する光検出部の構成については、上記実施形態では、それぞれ第１～第６偏光成分を検出する第１～第６光検出器を設ける構成としているが、このような構成に限定されず、例えば図１３の評価測定系において示したように、光検出部として、単一の撮像装置を用いる構成としてもよい。そのような撮像装置としては、例えば、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【0106】
本発明は、対象光の偏光成分の分離、集光を簡易な構成で好適に行うことが可能な偏光分離素子、及び光受信装置として利用可能である。
【符号の説明】
【0107】
１Ａ…光受信装置、１０…偏光分離素子、１１…基板、１２…上面、１３…下面、１５…偏光分離層、２０…構造体パターン、２１…第１構造体パターン、２２…第２構造体パターン、２３…第３構造体パターン、２５、２５１、２５２、２５ａ～２５ｄ…単位パターン、２６、２６１、２６２…第１構造体、２７、２７１、２７２…第２構造体、２８、２８１、２８２…第３構造体、
３０…光検出部、３１１、３１２、３２１、３２２、３３１、３３２…光検出器、３５…集光面、５０…解析部、６０…光ファイバ、
２Ａ…測定系、１０１…レーザ光源、１０２…偏光コントローラ、１０３…ファイバコリメータ、１０４…偏光子、１０５…１／２波長板、１０６…１／４波長板、１０７…絞り、１０８…対物レンズ、１０９…チューブレンズ、１１０…撮像装置、
Ｌ０…対象光、Ｌ１１…ｘ方向直線偏光成分、Ｌ１２…ｙ方向直線偏光成分、Ｌ２１…＋４５°直線偏光成分、Ｌ２２…－４５°直線偏光成分、Ｌ３１…左回り円偏光成分、Ｌ３２…右回り円偏光成分。
３０…光検出部、３１１、３１２、３２１、３２２、３３１、３３２…光検出器、３５…集光面、５０…解析部、６０…光ファイバ、
２Ａ…測定系、１０１…レーザ光源、１０２…偏光コントローラ、１０３…ファイバコリメータ、１０４…偏光子、１０５…１／２波長板、１０６…１／４波長板、１０７…絞り、１０８…対物レンズ、１０９…チューブレンズ、１１０…撮像装置、
Ｌ０…対象光、Ｌ１１…ｘ方向直線偏光成分、Ｌ１２…ｙ方向直線偏光成分、Ｌ２１…＋４５°直線偏光成分、Ｌ２２…－４５°直線偏光成分、Ｌ３１…左回り円偏光成分、Ｌ３２…右回り円偏光成分。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】