JP2009163114A - Wavelength demultiplexing optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は反射される波長を単一波長にすることができ、容易に製造可能な波長分波光学素子に関する。 The present invention relates to a wavelength demultiplexing optical element that can make a reflected wavelength a single wavelength and can be easily manufactured.
通信技術の発達に伴って、情報の伝達媒体が電気から光に変わりつつある。例えばインターネットなどにおいては、ＩＳＤＮのように電話回線を用いた電気信号の代わりに、光ファイバーを用いたネットワークが構築されており、この光ファイバーを通して波長の異なる複数の光からなる光の束として情報を送信することができる。例えば、このような光の束を構成する特定波長の光を画像情報の伝達媒体として使用し、他の特定波長の光を音響情報の伝達媒体とするなど、光通信技術では複数の情報を一本の光ファイバーを用いて同時に送信することができる。 With the development of communication technology, the information transmission medium is changing from electricity to light. For example, in the Internet and the like, a network using an optical fiber is constructed instead of an electrical signal using a telephone line like ISDN, and information is transmitted as a bundle of light composed of a plurality of lights having different wavelengths through the optical fiber. can do. For example, optical communication technology uses a plurality of pieces of information in such a way that light of a specific wavelength constituting such a bundle of light is used as a transmission medium for image information and light of another specific wavelength is used as a transmission medium for acoustic information. It is possible to transmit simultaneously using a single optical fiber.
具体的な例を示すと、インターネットの通信に用いられている光ファイバー通信網では、近赤外から中赤外線領域の波長光（波長：７６０ｎｍ〜２．５μｍ、２．５〜４μｍ）を使用して情報の伝達が行われている。この近赤外から中赤外線領域の波長光は、肉眼では見えないが、光としての性質は勿論、可視光に近い性質を有しており、通信伝達媒体としての光として可視光より極めて便利な波長光であることから、近年、急速に普及した携帯電話の光通信網、インタ-ネットの光ファイバ通信網で使用されている。そして、今後
その情報伝送量はますます増大すると予測されている。
As a concrete example, in an optical fiber communication network used for Internet communication, wavelength light in the near-infrared to mid-infrared region (wavelength: 760 nm to 2.5 μm, 2.5 to 4 μm) is used. Information is transmitted. Although this near-infrared to mid-infrared wavelength light is invisible to the naked eye, it has properties close to visible light as well as properties as light, and is extremely convenient as visible light as a communication transmission medium. Since it is a wavelength light, it has been used in the optical communication network of cellular phones and the optical fiber communication network of the Internet that have been rapidly spread in recent years. The amount of information transmission is expected to increase in the future.
このように光通信では、例えば、波長分割多重化ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）方式が採用されている。
ここで採用されているＷＤＭ方式とは、波長の異なる複数の光を用いて、例えば、音声、画像、映像などの独立情報を、それぞれの波長の光に割り当て独立情報の数に対応した波長の数の光を多重化して光信号として光束伝送させる光通信システムである。
Thus, in optical communication, for example, a wavelength division multiplexing WDM (Wavelength Division Multiplexing) method is employed.
The WDM system adopted here uses a plurality of lights having different wavelengths, for example, assigns independent information such as voice, image, video, etc. to light of each wavelength and has a wavelength corresponding to the number of independent information. This is an optical communication system that multiplexes a number of lights and transmits a light beam as an optical signal.
従って、ＷＤＭ方式で送られた情報を受ける側では、光の束に含まれる特定波長の光を光の束から個別独立に分離する必要がある。このようなＷＤＭ方式の通信システムで多重化伝送された光信号を分離（又は分波）させるために、波長分波性（又は波長選択性）を有する波長に対して選択のあるフィルターが必要であり、このようなフィルターは、例えば図１０に示すように、表面に凹凸を有する透明部材で形成された構造を有しており、通常は、波長分波光学素子とよばれている。 Therefore, on the side receiving the information transmitted by the WDM system, it is necessary to separate light of a specific wavelength included in the light bundle separately from the light bundle. In order to separate (or demultiplex) an optical signal multiplexed and transmitted in such a WDM communication system, a filter that is selective to a wavelength having wavelength demultiplexing (or wavelength selectivity) is required. For example, as shown in FIG. 10, such a filter has a structure formed of a transparent member having irregularities on its surface, and is usually called a wavelength demultiplexing optical element.
このような波長分波光学素子は、例えば、図１０に示すように、反射型の回折格子１は基板１００上に周期Ｄの格子溝１１０が規則的に配列された光学素子である。この回折格子に対し、格子溝１１０の法線Ｐとの成す角度θ１で以て入射した光が法線Ｐとの成す角度θ２で以て回折したとき、隣り合う格子溝１１０における光束の光路差ΔＬ１０は次の(Ａ)式で与えられる。
For example, as shown in FIG. 10, the reflection type diffraction grating 1 is an optical element in which
と等しくなるとき出射光は強め合うことになる。したがって、次の(Ｂ)式を満足する特定の波長λを持つ光が回折格子から出射（回折）する。
The emitted light will strengthen each other. Therefore, light having a specific wavelength λ that satisfies the following equation (B) is emitted (diffracted) from the diffraction grating.
しかしながら、上記のような従来の回折格子には、所望の波長の光とともに必要としない高次光も同じ方向に出射してくるという原理的な問題がある。即ち、(Ｂ)式は、波長がλである１次光、波長がλ／２である２次光、波長がλ／３である３次光、・・・が強め合って出て来ることを意味するから、いま入射角θ１、出射角（回折角）θ２の配置で取り出したい１次光の波長をλAとすると、同時に不要であるλA／２、λA／３、・・・の
光も同じ方向に出射する。一般に次数が高くなるに伴って回折光の強度は低下するものの、２次光は無視できない程度に大きな強度を有していることが多い。
However, the conventional diffraction grating as described above has a principle problem that unnecessary high-order light is emitted in the same direction together with light having a desired wavelength. That is, the expression (B) shows that primary light with a wavelength of λ, secondary light with a wavelength of λ / 2, tertiary light with a wavelength of λ / 3, etc. Therefore, if the wavelength of the primary light to be extracted with the arrangement of the incident angle θ1 and the emission angle (diffraction angle) θ2 is λA, the light of λA / 2, λA / 3,. It emits in the same direction. In general, as the order increases, the intensity of the diffracted light decreases, but the secondary light often has an intensity that cannot be ignored.
こうした従来の回折格子（波長分波分光素子）において、必要とされるλＡ以外の波長の光が分波して、所望の波長λＡを高い選択率で分波するために、たとえば特開2006-91204号公報（特許文献１）には、「溝周期がDである第１の格子溝の上に、該格子溝と同一方向に延伸し溝周期がＤ／４である第２の格子溝を重ねて刻して成ることを特徴とする回折格子。」の発明が記載されており、第１の格子溝１１０における回折条件は上記と同様であるが、第２の格子溝１２の回折条件を考えると、第１の格子溝１１０と同様に、法線Ｐとの成す角度θ１で以て入射した光が法線Ｐとの成す角度θ２で以て回折したとき、隣り合う格子溝１２における光束の光路差ΔＬ２は次の(Ｃ)式で与えられる。
In such a conventional diffraction grating (wavelength demultiplexing spectroscopic element), light having a wavelength other than the required λA is demultiplexed, and a desired wavelength λA is demultiplexed with high selectivity. No. 91204 (Patent Document 1) states that “a second grating groove extending in the same direction as the grating groove and having a groove period of D / 4 is formed on the first grating groove having a groove period of D”. The diffraction grating is characterized in that the diffraction grating is characterized by being stacked and engraved. The diffraction conditions in the
第１の格子溝１１０で取り出したい１次光の波長をλAとすると、(Ｂ)式より、
Assuming that the wavelength of the primary light to be extracted by the
光、波長がλA／８である２次光、波長がλA／１２である３次光、・・・を強め合うことが分かる。他方、逆に弱め合う条件は、次の(Ｅ)式を満足するときである。
ある３次光、…が弱め合うことになる。因みに、λA／２よりも長い波長では強め合うこ
とも弱め合うこともない。
即ち、溝周期Ｄである第１の格子溝１１０では波長λA／２である２次光が不所望の回
折光として出て来る筈であるが、溝周期Ｄ／４である第２の格子溝１２０では この波長
λA／２の光は１次光として弱め合うことになるから、結果として、この回折格子からの
波長λA／２の回折光の出射は抑制されることになる。このようにして、所望の波長λAの１次回折光の２次光を軽減することができるとされている。
That is, in the
しかしながら、上記特許文献１においては、二種類のパターンを重ねることで二次光を軽減しているものの、基板の表面に段差を形成し、この段差の表面にさらに微小な凸部を形成する必要があり、たとえばこの回折素子を樹脂で形成する場合には、複数段のレジスト工程が必要となり、また、インプリント法で作成する場合にはモールドの作成が極めて煩雑になるとの問題がある。
However, in
また、特許文献２（特開2002-22918号公報）には、等方性を有するパターンよりなる波長分波フィルターが記載されている、特許文献２では、トップ層を樹脂で形成することにより、波長分波フィルターを安価に製造できることが記載されている。
Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-22918) describes a wavelength demultiplexing filter made of an isotropic pattern. In
しかしながら、パターン形状が単一であるため、出射光にサブピークが生じてしまうという問題があった。
本発明は、複数の波長を有する入射光から単一波長の光を反射させることができ、意図しないサイドバンドの波長の光の反射をほぼ完全に防止した波長分波分光素子を提供することを目的としている。 It is an object of the present invention to provide a wavelength demultiplexing spectrometer capable of reflecting light of a single wavelength from incident light having a plurality of wavelengths and almost completely preventing reflection of light of an unintended sideband wavelength. It is aimed.
さらに、本発明は、偏光に対する依存性のない波長分波分光素子を提供することを目的としている。
また、本発明は、回折素子の設計が容易であり、低コストで供給可能な波長分波分光素子を提供することを目的としている。
Furthermore, an object of the present invention is to provide a wavelength demultiplexing spectroscopic element having no dependency on polarization.
Another object of the present invention is to provide a wavelength demultiplexing spectroscopic element that allows easy design of a diffraction element and can be supplied at low cost.
本発明の波長分波光学素子は、少なくとも、導波層と、該導波層の屈折率よりも０．０３以上高い屈折率を有するトップ層とが積層されてなり、該トップ層の表面に一定の間隔をもって規則的に形成された等方性を有する多数の凸部を備えた波長分波光学素子であって、
該トップ層の表面に、所定の間隙をもってそれぞれ独立に形成された凸部が、面積および／または形状の異なる二種類の凸部パターン（パターンＡ、パターンＢ）からなり、
隣接する凸部パターンが相互に異なる凸部パターンであり、
任意のパターンＡの中心を通ってトップ層表面に対して垂直方向に仮想される仮想中心線ａと、これに隣接するパターンＢの中心部を通ってトップ層表面に対して垂直方向に仮想される仮想中心線bとの距離が一定であることを特徴としている。
The wavelength demultiplexing optical element of the present invention is formed by laminating at least a waveguide layer and a top layer having a refractive index higher by 0.03 or more than the refractive index of the waveguide layer, on the surface of the top layer. A wavelength demultiplexing optical element having a large number of isotropic convex portions regularly formed at regular intervals,
Convex portions independently formed with a predetermined gap on the surface of the top layer are composed of two types of convex portion patterns (pattern A, pattern B) having different areas and / or shapes,
The adjacent convex pattern is a different convex pattern,
A virtual center line a that is assumed to be perpendicular to the top layer surface through the center of an arbitrary pattern A, and a virtual center line a that is assumed to be perpendicular to the top layer surface through the center of the pattern B adjacent thereto. The distance from the virtual center line b is constant.
本発明の波長分波光学素子において、上記任意のパターンＡの中心を通ってトップ層表面に対して垂直方向に仮想される仮想中心線ａと、これに隣接するパターンＢの中心部を通ってトップ層表面に対して垂直方向に仮想される仮想中心線bとを含み、且つトップ層
表面と垂直な平面に対して、垂直方向から投影したときのパターンＡの凸部の幅をＡ、パターンＢの凸部の幅をＢ、上記仮想中心線ａと仮想中心線ｂとの距離をＰとしてときに、これらが、下記式（１）および（２）で表わされる関係を有することが好ましい。
In the wavelength demultiplexing optical element of the present invention, it passes through the center of the arbitrary pattern A and the virtual center line a that is assumed to be perpendicular to the top layer surface, and the center of the pattern B adjacent thereto. The width of the convex portion of the pattern A when projected from the vertical direction with respect to a plane perpendicular to the top layer surface, including a virtual center line b that is assumed to be perpendicular to the top layer surface When the width of the convex portion of B is B and the distance between the virtual center line a and the virtual center line b is P, it is preferable that these have a relationship represented by the following formulas (1) and (2).
本発明の波長分波光学素子においては、トップ層の表面に形成されている凸部であるパターンＡの平面形状（トップ層の表面と平行な平面から見た凸部の形状。以下同様）が矩形凸部であり、パターンＢの平面形状が矩形以外の異形凸部であってもよく、パターンＡ，および、パターンＢが共に平面形状が、矩形以外の異形凸部であってもよく、さらに、パターンＡ、および、パターンＢが共に平面形状矩形の凸部であってもよい。 In the wavelength demultiplexing optical element of the present invention, the planar shape of the pattern A, which is a convex portion formed on the surface of the top layer (the shape of the convex portion viewed from a plane parallel to the surface of the top layer, the same applies hereinafter). It is a rectangular convex part, and the planar shape of the pattern B may be an irregularly shaped convex part other than a rectangle, and both the pattern A and the pattern B may be an irregularly shaped convex part other than a rectangular shape. The pattern A and the pattern B may both be convex portions having a planar shape.
そして、このトップ層の表面にそれぞれ独立して形成された形態の異なる二種類の凸部が一定の間隔を形成することにより、これらの二種類の凸部は、周期Ｐで形成されている。そして、隣接するパターンＡとパターンＢとを一つの突起対としてみることができ、この突起対はこのトップ層の表面に一定の間隙を形成して形成されていることになる。従って、この波長分波光学素子は、隣接する凸部との間に周期Ｐという規則性をもって凸部が形成されているとともに、隣接する二個の凸部からなる突起対も、隣接する突起対との間で一定の周期をもって形成されていることになる。 And two types of convex parts which differ in the form formed independently on the surface of this top layer form a fixed interval, respectively, and these two kinds of convex parts are formed with period P. The adjacent pattern A and pattern B can be seen as one pair of protrusions, and this pair of protrusions is formed with a certain gap formed on the surface of the top layer. Therefore, in this wavelength demultiplexing optical element, convex portions are formed with regularity of a period P between adjacent convex portions, and a pair of adjacent convex portions is also an adjacent pair of protrusions. It is formed with a certain period between.
このように二種類の凸部が一定の周期で形成され、こうした二個の凸部によって形成される凸部対もまた一定の周期をもって形成されている。
このように波長分波光学素子を一定の周期をもって形成することにより、入射される光の束から、反射される波長以外の光の出射を抑制でき、入射した光の束から、サイドバンドのない単独波長光を効率的に出射させることができる。また、トップ層表面の形状が複雑ではないので、製造が容易であり、安価に高性能の波長分波光学素子を提供することができる。
In this way, two types of convex portions are formed at a constant cycle, and a convex portion pair formed by these two convex portions is also formed at a constant cycle.
Thus, by forming the wavelength demultiplexing optical element with a constant period, it is possible to suppress the emission of light other than the reflected wavelength from the bundle of incident light, and there is no sideband from the bundle of incident light. Single wavelength light can be emitted efficiently. Further, since the shape of the top layer surface is not complicated, it is easy to manufacture, and a high-performance wavelength demultiplexing optical element can be provided at low cost.
本発明の波長分波光学素子は、面積および／または形状の異なる二種類の凸部パターン（パターンＡ、パターンＢ）を有し、これらを一対の凸部として作用させることにより、入射光の束の中から所望の波長の光を独立して出射（反射）させることができ、このときの出射光の波長は単一であり、サイドバンドはほとんど観察されない。 The wavelength demultiplexing optical element of the present invention has two types of convex patterns (pattern A, pattern B) having different areas and / or shapes, and these act as a pair of convex portions to thereby bundle incident light. The light having a desired wavelength can be independently emitted (reflected) from the light, and the wavelength of the emitted light is single and almost no sideband is observed.
本発明の波長分波光学素子は、モールドを用いたインプリント法等により容易に製造することができ、しかもここで使用するモールドは、通常のモールドと同様に製造することができるので、高性能な波長分波光学素子を安価に供給することができる。 The wavelength demultiplexing optical element of the present invention can be easily manufactured by an imprint method using a mold, and the mold used here can be manufactured in the same manner as a normal mold. A simple wavelength demultiplexing optical element can be supplied at low cost.
次に本発明の波長分波光学素子について、図面を用いて具体的に説明する。
図１、図２は、それぞれ、本発明の波長分波光学素子の断面の一例を示す断面図である。図３は、本発明の波長分波光学素子のトップ層の平面を示す平面図である。図１２は斜視図である。
Next, the wavelength demultiplexing optical element of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
1 and 2 are cross-sectional views showing an example of a cross section of the wavelength demultiplexing optical element of the present invention. FIG. 3 is a plan view showing the plane of the top layer of the wavelength demultiplexing optical element of the present invention. FIG. 12 is a perspective view.
なお、本発明において、同一部材にはできうる限り同一の付番を付して説明する。
図１および図２に示されるように、本発明の波長分波光学素子は、通常は導波層２０と、この導波層２０の表面に積層されたトップ層１０と、このトップ層１０の表面に立設した複数の凸部４０〜４１を有している。
In the present invention, the same members will be described with the same numbering as much as possible.
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the wavelength demultiplexing optical element of the present invention usually has a
トップ層の厚さは、通常は、０．２０〜６．００μm、好ましくは０．６〜１．５μmの範囲内にあり、このトップ層を形成する素材の屈折率は、通常は１．４〜１．８の範囲内、好ましくは１．５６〜１．６３の範囲内にある。 The thickness of the top layer is usually in the range of 0.20 to 6.00 μm, preferably 0.6 to 1.5 μm, and the refractive index of the material forming this top layer is usually 1.4. It is in the range of -1.8, preferably in the range of 1.56-1.63.
本発明において、導波層の厚さは、通常は２．０μm以上、好ましくは１００〜７００
μmの範囲内にある。
この導波層を形成する素材の屈折率は、通常は１．３５〜１．７７の範囲内、好ましくは１．４５〜１．５５の範囲内にある樹脂であり、トップ層を形成する素材よりも低い屈折率の素材を使用して形成されている。
In the present invention, the thickness of the waveguide layer is usually 2.0 μm or more, preferably 100 to 700.
It is in the range of μm.
The refractive index of the material forming the waveguide layer is a resin that is usually in the range of 1.35 to 1.77, preferably in the range of 1.45 to 1.55, and the material forming the top layer. It is formed using a material having a lower refractive index.
本発明の波長分波光学素子を形成する導波層、トップ層および凸部は、いずれも光透過性の素材で形成されている。ここで使用する基板を形成する素材の例としては、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、環状オレフィン系樹脂、（チオ）フェノール誘導体系樹脂、フッ素変性アクリル系樹脂、無機ナノ粒子添加系樹脂および有機−無機ハイブリット系樹脂などの透明性の高い熱可塑性樹脂あるいはガラスなどの無機透明材料が挙げられる。また、導波層２０およびトップ層１０を形成する素材の例としても上記と同様の熱可塑性樹脂あるいは無機透明材料を挙げることができる。
The waveguide layer, the top layer, and the convex portion forming the wavelength demultiplexing optical element of the present invention are all made of a light transmissive material. Examples of materials used to form the substrate used here include acrylic resins, styrene resins, polycarbonate resins, cyclic olefin resins, (thio) phenol derivative resins, fluorine-modified acrylic resins, and inorganic nanoparticle addition systems. Examples thereof include highly transparent thermoplastic resins such as resins and organic-inorganic hybrid resins, and inorganic transparent materials such as glass. Further, examples of the material for forming the
ここで、トップ層と導波層との間に波長分波に影響を及ぼさない範囲でプライマー層を設けてもよい。このプライマー層の厚さは目的とする分波波長よりも充分に小さい厚みであり、通常は数十nm以下、好ましくは２５nm以下である。 Here, a primer layer may be provided between the top layer and the waveguide layer in a range that does not affect wavelength demultiplexing. The thickness of the primer layer is sufficiently smaller than the target demultiplexing wavelength, and is usually several tens nm or less, preferably 25 nm or less.
ただし、本発明の波長分波光学素子において、導波層２０の屈折率を（ｎ1）、トップ
層の屈折率を（ｎ2）としたときに、トップ層３０の屈折率（ｎ2）と導波層２０の屈折率（ｎ1）との差（ｎ2−ｎ1）が０．０３以上、好ましくは０．０６〜０．２５の範囲内に
なるように形成素材を選定する。このようにトップ層３０と導波層２０との屈折率に差を設けることにより、より効率よく波長分波を行うことができる。
However, in the wavelength demultiplexing optical element of the present invention, when the refractive index of the
本発明の波長分波光学素子が導波層の下に基板を有する三層構造を有する場合に、基板と導波層との屈折率差を０．０５〜０．３の範囲内にすることにより、より分波性能の良い波長分波光学素子とすることができる。 When the wavelength demultiplexing optical element of the present invention has a three-layer structure having a substrate under the waveguide layer, the refractive index difference between the substrate and the waveguide layer should be in the range of 0.05 to 0.3. Thus, a wavelength demultiplexing optical element with better demultiplexing performance can be obtained.
なお、本発明の波長分波光学素子において、トップ層１０の表面に形成される凸部４０〜４１は、トップ層１０を形成する素材と同一の素材で一体に形成されていることから、その屈折率もトップ層１０を形成する素材の屈折率と同一である。
In the wavelength demultiplexing optical element of the present invention, since the
本発明の波長分波光学素子を形成する素材としては、透明性の高い素材を使用することができ、全光線透過率が、通常は７０％以上、好ましくは８０％以上である透明性を有する素材を使用する。 As a material for forming the wavelength demultiplexing optical element of the present invention, a highly transparent material can be used, and the total light transmittance is usually 70% or more, preferably 80% or more. Use material.
上記のようにしてトップ層１０の平坦な表面に立設されている凸部４０〜４１のトップ
層３０表面からの高さは、通常は１００〜６００nm、好ましくは３００〜４５０nmであり、全ての凸部の高さは同一である。また、凸部対の幅は、通常は２００〜１６００nm、好ましくは５００〜１０００nmの範囲内にある。
The height from the surface of the
また、任意の凸部の中心から隣接する凸部の中心までの距離（Ｐ）は、通常は４００〜２０００nm、好ましくは９００〜１５００nmの範囲にある。
本発明の波長分波光学素子には、面積および／または形状の異なるパターンＡおよびパターンＢを一対の凸部として、この凸部の対を多数形成することにより、特定の波長の光を増幅させて、効率よく波長の異なる光を出射させることができる。
Moreover, the distance (P) from the center of an arbitrary convex part to the center of an adjacent convex part is 400-2000 nm normally, Preferably it exists in the range of 900-1500 nm.
In the wavelength demultiplexing optical element of the present invention, a pattern A and a pattern B having different areas and / or shapes are used as a pair of convex portions, and a plurality of pairs of the convex portions are formed to amplify light of a specific wavelength. Thus, light with different wavelengths can be efficiently emitted.
本発明において、パターンＡおよびパターンＢは下記式の関係を満たすことが好ましい。
Ａ＝ＫA×Ｐ ・・・・（１）
Ｂ＝ＫB×Ｐ ・・・・（２）
０．５≦ＫA≦０．９５
０．６≦ＫB≦０．８
ＫA≠ＫB
ここで、Ｐは、任意のパターンＡの中心を通ってトップ層表面に対して垂直方向に仮想される仮想中心線ａと、これに隣接するパターンＢの中心部を通ってトップ層表面に対して垂直方向に仮想される仮想中心線bとを含み、且つトップ層表面と垂直な平面に対して
、垂直方向から投影したときのパターンＡの凸部の幅をＡ、パターンＢの凸部の幅をＢ、上記仮想中心線ａと仮想中心線ｂとを結んで仮想される直線の距離である。
In the present invention, the pattern A and the pattern B preferably satisfy the relationship of the following formula.
A = K A × P (1)
B = K B × P (2)
0.5 ≦ K A ≦ 0.95
0.6 ≦ K B ≦ 0.8
K A ≠ K B
Here, P is a virtual center line a that is assumed to be perpendicular to the top layer surface through the center of an arbitrary pattern A, and a center portion of the pattern B adjacent to the top layer surface. The width of the convex portion of the pattern A when projected from the vertical direction with respect to a plane perpendicular to the surface of the top layer, including the virtual center line b hypothesized in the vertical direction. The width is B, and is the distance of a straight line that connects the virtual center line a and the virtual center line b.
ＫA、ＫBの値はパターンＡ，パターンＢの形状によってパターンの占める面積が変わるため、形状によってその値を適宜調整することがこのましい。
たとえば、パターンＡ、パターンＢが共に平面形状が矩形のような場合には０．７５≦ＫA≦０．９、０．５≦ＫB≦０．６５とすることが好ましく、
また、たとえば、パターンＡ、パターンＢが共に平面形状が円の場合には０．８≦ＫA
≦０．９５、０．５≦ＫB≦０．６５とすることが好ましく、
さらに、たとえば、パターンＡが平面形状が矩形でパターンＢが平面形状が十字型の場合や、パターンＡの平面形状が円、パターンＢの平面形状が十字型の場合には、０．８≦ＫA≦０．９５、０．６５≦ＫB≦０．８とすることが好ましい。
Since the area occupied by the pattern varies depending on the shapes of the patterns A and B, the values of K A and K B are preferably adjusted as appropriate depending on the shape.
For example, when both the pattern A and the pattern B are rectangular in shape, it is preferable that 0.75 ≦ K A ≦ 0.9, 0.5 ≦ K B ≦ 0.65,
For example, when both the pattern A and the pattern B have a circular planar shape, 0.8 ≦ K A
≦ 0.95, preferably 0.5 ≦ K B ≦ 0.65,
Further, for example, when the pattern A has a rectangular planar shape and the pattern B has a cross shape, or when the pattern A has a circular shape and the pattern B has a cross shape, 0.8 ≦ K It is preferable to satisfy A ≦ 0.95 and 0.65 ≦ K B ≦ 0.8.
またさらに、パターンＡ、パターンＢの平面形状が、同形の場合には、ＫA−ＫBの値が０．１５以上であることが好ましく、
パターンＡの平面形状が矩形、パターンＢの平面形状が十字型の場合や、パターンＡの平面形状が円、パターンＢの平面形状が十字型の場合には、ＫA−ＫBの値が０．１５以上であることが好ましい。
Furthermore, the pattern A, a plane shape of the pattern B, and when the isomorphic preferably has a value of K A -K B is 0.15 or more,
Planar shape rectangular pattern A, and when the planar shape of the pattern B is cross-shaped, planar shape circle pattern A, when the planar shape of the pattern B is cross-shaped, the value of K A -
本発明の波長分波光学素子に形成されている凸部の平面形状には、特に限定はなく、菱形、多角形、楕円形、円形、十字型などの種々の形態にすることができ、たとえば図４に示すように矩形凸部４７．十字型凸部４８、十字型凸部にさらに横方向に突起を有する変形十字型４９のような平面形状を有する凸部であってもよい。
The planar shape of the convex portion formed in the wavelength demultiplexing optical element of the present invention is not particularly limited, and can be various forms such as a rhombus, polygon, ellipse, circle, and cross, for example, As shown in FIG. It may be a convex part having a planar shape such as a cross-shaped
さらに、本発明の波長分波分光素子は、図３に示す平面図のように、十字型角柱４１と矩形角柱４０のように異なる形状の柱状物を組み合わせて凸部対を形成するすることができる。図３において、角柱はAの長さが３２０〜１９００nm、高さが１００〜６００nmの
断面四角柱であり、十字型角柱は、Bの長さが２６０〜１６００nm、B22がBの０．４〜０
．５倍の長さで高さが１００〜６００nmであり、さらに、十ギガ他の中心部分B22がBの０．３〜０．６倍、好ましくは０．４〜０．５倍であり、B21とB23とが等しい形状を有している。
Furthermore, the wavelength demultiplexing spectroscopic element of the present invention can form a convex pair by combining columnar objects having different shapes such as a
. 5 times longer and 100-600 nm in height, and 10 giga other central portion B22 is 0.3-0.6 times B, preferably 0.4-0.5 times B21 And B23 have the same shape.
この十字型角柱４１と矩形角柱４０の中心間距離（P）は４００〜２０００nmになるよ
うに配置して凸部対とすることができる。。
また、上記図３に示す波長分波光学素子において、十字型角柱４１および／または矩形角柱４０は、図４に示すようなひし形角柱４４、多角形角柱、好ましくは6角形角柱４５
、円形円柱４６、楕円円柱、方形柱４７、付番４８で示す十文字型角柱が回転した形状の十字型柱、付番４９で示しように十字型角柱に突起が形成された突起付き十字型角柱などにすることができる。特に本発明においては十字型角柱４１に代えて、たとえば上記図４に示すような異型柱状物を使用することもできる。
A center-to-center distance (P) between the
Further, in the wavelength demultiplexing optical element shown in FIG. 3, the
A
上記のような特性を有する本発明の波長分波光学素子は、種々の方法により製造することができるが、特にモールドを用いて熱インプリント法により製造するのが有利である。
この方法は、金属、ガラス、シリコンなどの硬質部材で形成されたモールドを用いて、加熱下にトップ層の表面にこのモールドを押圧してモールドに形成されたパターンをトップ層の表面に転写する方法である。
The wavelength demultiplexing optical element of the present invention having the above-mentioned characteristics can be manufactured by various methods, but it is particularly advantageous to manufacture by a thermal imprint method using a mold.
This method uses a mold formed of a hard member such as metal, glass, or silicon, and presses the mold against the surface of the top layer under heating to transfer the pattern formed on the mold to the surface of the top layer. Is the method.
この方法では、トップ層としてガラス転移温度(Tｇ)が好ましくは４０〜２９０℃、特
に好ましくは６０〜２１０℃のの熱可塑性透明樹脂、たとえば、アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、あるいは、ポリカーボネート樹脂などから選択される樹脂をトップ層形成樹脂として用いて５０〜３４０℃、好ましくは７０〜２６０℃に加熱されたモールドと、このトップ層とを圧接して、トップ層形成樹脂のガラス転移温度（Tg）以下の温度にまで冷却した後、モールドから樹脂を脱型して、積層樹脂のトップ層の表面にモールドの表面に形成されたパターンと逆のパターンを積層樹脂のトップ層の表面に形成する。
In this method, the top layer is preferably selected from thermoplastic transparent resins having a glass transition temperature (Tg) of preferably 40 to 290 ° C., particularly preferably 60 to 210 ° C., such as acrylic resin, polystyrene resin, or polycarbonate resin. The mold heated to 50 to 340 ° C., preferably 70 to 260 ° C., using the resin to be formed as the top layer forming resin, and the top layer are pressed against each other to obtain a glass transition temperature (Tg) or less of the top layer forming resin. Then, the resin is removed from the mold, and a pattern opposite to the pattern formed on the surface of the mold is formed on the surface of the top layer of the laminated resin.
なお、ここで使用するモールドには、樹脂のトップ層とモールドとが接触した際に空気が抜け出し易いように空気排気手段を形成することもできる。
本発明の波長分波分光装置には、上記のように分光手段である凸部が二個対になって規則的に配置された複数の突起対が形成している。
In the mold used here, an air exhaust means can be formed so that air easily escapes when the resin top layer comes into contact with the mold.
In the wavelength demultiplexing spectrometer of the present invention, as described above, a plurality of pairs of protrusions are formed which are regularly arranged in a pair of convex portions which are spectroscopic means.
そして、このように本発明の波長分波光学素子が、異なる二つの凸部を有することにより、取り出そうとする波長の光以外の波長の光を抑制して所望の波長の光を高い選択率で取り出すことができる。しかも、本発明の波長分波光学素子によれば、取り出される光が単波長であり、サイドバンドが極めて少ないとの特性を有する。 Thus, the wavelength demultiplexing optical element of the present invention has two different convex portions, thereby suppressing light of a wavelength other than the light of the wavelength to be extracted with high selectivity. It can be taken out. Moreover, the wavelength demultiplexing optical element of the present invention has the characteristics that the extracted light has a single wavelength and the sideband is extremely small.
従って、本発明の波長分波光学素子は、光通信などにおいて特定の波長の光を取り出すための分光素子として極めて重要性が高い。 Therefore, the wavelength demultiplexing optical element of the present invention is extremely important as a spectroscopic element for extracting light of a specific wavelength in optical communication or the like.
次に本発明の波長分波分光素子について実施例を示して詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
〔実施例１〜３〕
温度計と窒素導入管とを装着した容量１リットルの四つ口フラスコに、スチレン（Sｔ
）１００重量部と、ブチルパーオキサイド０．４５重量部と、水１３０重量部と、ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウム０．００４重量部と、第三リン酸カルシウム１０重量部とを添加し、１０００ｒｐｍ攪拌下に乳化させた後、充分に窒素パージさせて、７７〜８０℃で３．５時間反応させ、次いで８９〜９１℃で１．５時間反応させ、さらに９６〜９７℃で１時間反応させた。
Next, the wavelength demultiplexing spectroscopic element of the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
[Examples 1-3]
Into a 1-liter four-necked flask equipped with a thermometer and a nitrogen inlet tube, styrene (St
) 100 parts by weight, 0.45 part by weight of butyl peroxide, 130 parts by weight of water, 0.004 part by weight of ammonium dodecylbenzenesulfonate and 10 parts by weight of tribasic calcium phosphate were added and emulsified with stirring at 1000 rpm. Then, it was sufficiently purged with nitrogen, reacted at 77-80 ° C. for 3.5 hours, then reacted at 89-91 ° C. for 1.5 hours, and further reacted at 96-97 ° C. for 1 hour.
重合したエマルジョンを３５％塩酸および水で洗浄し、乾燥させ粉体とした。
このようにして調製されたエマルジョンの重合率は約１００％であり、ＧＰＣ法で用いて測定したポリスチレン換算重量平均分子量（Ｍｗ）は２０万で、分子量分布係数は２．３であった。また、このように調製されたＰSt樹脂（Ｌ１−１）の１５４０nmにおける屈折率（ｎ１）は１．５６５であった。
The polymerized emulsion was washed with 35% hydrochloric acid and water and dried to obtain a powder.
The polymerization rate of the emulsion thus prepared was about 100%, the polystyrene equivalent weight average molecular weight (Mw) measured by GPC method was 200,000, and the molecular weight distribution coefficient was 2.3. Moreover, the refractive index (n1) in 1540 nm of PSt resin (L1-1) prepared in this way was 1.565.
上記のようにして製造したＰSt系樹脂（Ｌ１−１）を、固形分１３％のトルエン溶液に調製し、膜厚（ｍ０）＝７００μｍのガラス（日本電気硝子(株)製：OA-10F）上にスピンコーターを用いて塗工（塗工条件：スピンコーター１HD ×２、ミカサ（株）製を用いて
、回転数１５００〜２０００ｒｐｍで２０秒スピンコート）し、次いで、４０℃×１０分で、更に９０℃×３０分で乾燥し、膜厚約１．３μmの硬化ＰSt層を成膜させた。なお、
このガラスの屈折率（ｎ１）は、１．５２であり、トップ層３０の屈折率（ｎ2）と導波
層２０の屈折率（ｎ1）との差（ｎ2−ｎ1）は、０．０４５であった。
A PSt resin (L1-1) produced as described above was prepared in a toluene solution having a solid content of 13%, and glass having a film thickness (m0) = 700 μm (manufactured by Nippon Electric Glass Co., Ltd .: OA-10F) Coating is performed on the top using a spin coater (coating conditions: spin coater 1HD × 2, manufactured by Mikasa Co., Ltd., spin coating at a rotation speed of 1500 to 2000 rpm for 20 seconds), and then at 40 ° C. × 10 minutes. Further, the film was dried at 90 ° C. for 30 minutes to form a cured PSt layer having a thickness of about 1.3 μm. In addition,
The refractive index (n1) of this glass is 1.52, and the difference (n2−n1) between the refractive index (n2) of the
上記のようにして塗工したＰSt樹脂（Ｌ１-1）の表面に、予め矩形―異形、異形−異形、矩形−矩形の形状の凸部を形成可能なモールドを形成して加熱下に押し当ててトップ層表面に表１に記載の凸部対を転写した。 On the surface of the PSt resin (L1-1) coated as described above, a mold capable of forming a convex portion of a rectangle-an irregular shape, an irregular shape-an irregular shape, or a rectangular-rectangular shape is formed in advance and pressed under heating. Then, the convex portion pair described in Table 1 was transferred to the top layer surface.
すなわち、１３０℃に加熱下にＰSt樹脂（Ｌ１-1）の表面に、上記のようにして形成されたモールドを圧接して、モールドに形成されたパターンをＰSt樹脂（Ｌ１-1）の表面に転写し、６０℃まで冷却した後、脱型を行って、本発明の波長分波光学素子を得た。 That is, the mold formed as described above is pressed against the surface of the PSt resin (L1-1) while being heated to 130 ° C., and the pattern formed on the mold is applied to the surface of the PSt resin (L1-1). After transferring and cooling to 60 ° C., demolding was performed to obtain the wavelength demultiplexing optical element of the present invention.
得られた波長分波光学素子の凸部の高さは３００nm、トップ層の厚さは１０００nmである。
上記のようにして製造した波長分波光学素子に対して垂直方向から、アジレント株式会社製波長可変レーザー光源８１６４Ａを用いて、波長１４６０〜１５８０nmのレーザー光を照射し、反射される光をアジレント株式会社製波長可変レーザー光源８１６４Ａ上の光パワーセンサーユニットにより検出した。
The height of the convex part of the obtained wavelength demultiplexing optical element is 300 nm, and the thickness of the top layer is 1000 nm.
Using a wavelength tunable laser light source 8164A manufactured by Agilent Corporation from a direction perpendicular to the wavelength demultiplexing optical element manufactured as described above, laser light having a wavelength of 1460 to 1580 nm is irradiated, and the reflected light is converted to Agilent stock. Detection was performed by an optical power sensor unit on a wavelength tunable laser light source 8164A manufactured by company.
結果を表１に示す。また反射光の強度を図５に示す。
こうして製造した波長分波光学素子に光を入射させたところ、図５〜７に示すように、実施例で得られた波長分波分光素子では、サブピークが観察されなかった。
The results are shown in Table 1. The intensity of the reflected light is shown in FIG.
When light was incident on the wavelength demultiplexing optical element thus manufactured, no sub-peak was observed in the wavelength demultiplexing spectroscopic element obtained in the example, as shown in FIGS.
実施例１において、周期（P）を１０６６nmに変えるとともに、ＫAの値を０．８１に変え、ＫBの値を０．８１に変えた以外は同様にして波長分波光学素子を製造した。
In Example 1, a wavelength demultiplexing optical element was manufactured in the same manner except that the period (P) was changed to 1066 nm, the value of K A was changed to 0.81, and the value of K B was changed to 0.81. .
得られた波長分波光学素子について、実施例１と同様に光学的特性を測定した。
結果を表２に示す。
また、こうして得られた波長分波光学素子を用いた分波では、図８に示すように、相当強度のサイドバンドが観察された。
About the obtained wavelength demultiplexing optical element, the optical characteristics were measured in the same manner as in Example 1.
The results are shown in Table 2.
In addition, in the demultiplexing using the wavelength demultiplexing optical element thus obtained, as shown in FIG. 8, a side band with a considerable intensity was observed.
〔比較例２〕
実施例２において、周期（P）を１０６６nmにかえるとともに、ＫAの値を０．９０に変えた以外は同様にして波長分波光学素子を製造した。
得られた波長分波光学素子について、実施例１と同様に光学的特性を測定した。
結果を表２に示す。
[Comparative Example 2]
In Example 2, the wavelength demultiplexing optical element was manufactured in the same manner except that the period (P) was changed to 1066 nm and the value of K A was changed to 0.90.
About the obtained wavelength demultiplexing optical element, the optical characteristics were measured in the same manner as in Example 1.
The results are shown in Table 2.
また、こうして得られた波長分波光学素子を用いた分波では、図９に示すように、相当強度のサイドバンドが観察された。
また、反射率が低く、波長分波光学素子としての特性が低いことがわかる。
In addition, in the demultiplexing using the wavelength demultiplexing optical element thus obtained, as shown in FIG. 9, a side band with a considerable intensity was observed.
It can also be seen that the reflectance is low and the characteristics as a wavelength demultiplexing optical element are low.
本発明の波長分波分光素子は、トップ層表面に二種類の凸部が、一定のピッチで形成されていることにより、サイドバンドの発生がなく、反射率の高い、非常に高性能の波長分波分光素子である。また、本発明の波長分波分光素子は、たとえば、形成しようとするパターンとは逆のパターンをモールドに形成し、このモールドを用いて、トップ層の表面にパターンを転写することにより製造することができ、その製造が極めて容易である大量生産に適していることから、高性能の波長分波分光素子を安価に供給することができる。 The wavelength demultiplexing spectroscopic element of the present invention has an extremely high-performance wavelength that has no reflection of sidebands and high reflectivity because two types of convex portions are formed at a constant pitch on the top layer surface. It is a demultiplexing spectroscopic element. The wavelength demultiplexing spectrometer of the present invention is manufactured by, for example, forming a pattern opposite to the pattern to be formed in a mold and transferring the pattern to the surface of the top layer using this mold. Since it is suitable for mass production that is extremely easy to manufacture, a high-performance wavelength demultiplexing spectrometer can be supplied at low cost.
１０・・・トップ層
２０・・・導波層
３０・・・基板
４０・・・面矩形角柱
４１・・・面十文字型角柱
４４・・・面ひし形角柱
４５・・・面多角形角柱（横断面6角形角柱）
４６・・・面円形円柱
DESCRIPTION OF
46 ... round circular cylinder
Claims (8)
該トップ層の表面に、所定の間隙をもってそれぞれ独立に形成された凸部が、面積および／または形状の異なる二種類の凸部パターン（パターンＡ、パターンＢ）からなり、
隣接する凸部パターンが相互に異なる凸部パターンであり、
任意のパターンＡの中心を通ってトップ層表面に対して垂直方向に仮想される仮想中心線ａと、これに隣接するパターンＢの中心部を通ってトップ層表面に対して垂直方向に仮想される仮想中心線bとの距離が一定であることを特徴とする波長分波光学素子。 At least a waveguide layer and a top layer having a refractive index higher by 0.03 or more than the refractive index of the waveguide layer are laminated, and regularly formed on the surface of the top layer with a certain interval. A wavelength demultiplexing optical element having a large number of isotropic convex portions,
Convex portions independently formed with a predetermined gap on the surface of the top layer are composed of two types of convex portion patterns (pattern A, pattern B) having different areas and / or shapes,
The adjacent convex pattern is a different convex pattern,
A virtual center line a that is assumed to be perpendicular to the top layer surface through the center of an arbitrary pattern A, and a virtual center line a that is assumed to be perpendicular to the top layer surface through the center of the pattern B adjacent thereto. A wavelength demultiplexing optical element having a constant distance from the virtual center line b.
から投影したときのパターンＡの凸部の幅をＡ、パターンＢの凸部の幅をＢ、上記仮想中心線ａと仮想中心線ｂとの距離をＰとしてときに、これらが、下記式（１）および（２）で表わされる関係を有することを特徴とする請求項第1項記載の波長分波光学素子：
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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|---|---|---|---|---|
| JP2010139621A (en) * | 2008-12-10 | 2010-06-24 | Soken Chem & Eng Co Ltd | Wavelength demultiplexing optical element and coupler |
| US11953685B2 (en) | 2019-03-19 | 2024-04-09 | Snap Inc. | Angular uniformity waveguide for augmented or virtual reality |
-
2008
- 2008-01-09 JP JP2008002227A patent/JP2009163114A/en active Pending
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