JPWO2004081620A1 - 回折素子および光学装置 - Google Patents

Abstract

簡単なプロセスで量産性に優れていながら、高い回折効率で大きな波長分離効果を有する回折素子を得る。 透明基板３０１の表面に形成された、断面が凹凸状でかつ凸部が対称な矩形格子３０２を有する回折素子３０において、格子の１周期が入射する光の波長と等しいかまたは小さく、かつ回折素子３０の格子形成面に光が斜めに入射して用いられる回折素子とする。

Description

本発明は、回折素子および光学装置特に分光装置に関し、詳しくは光多重通信、分光測定などに用いられる、波長により光の出射方向を変化させる回折素子およびこれを用いた分光装置に関する。
技術背景
種々の波長の光を異なる方向に回折することで光を波長に応じて分離し、分離された光に対して各々の強度を測定することで入射光に含まれる種々の波長の光の強度を測定する方法がある。このとき、分離した光を効率よく利用するためには、回折光が特定の回折次数に高効率に集中することが好ましく、波長分離の方法としては断面が鋸歯状の格子を有する回折素子を用いる方法が知られている。
入射光と回折光とのなす角度を大きくとり光学配置の自由度を上げるためには透過型の回折格子を用いることが好ましい。図７に従来の樹脂を用いた透過型の回折格子の一例を示す。この回折素子は、直線状の鋸歯状回折格子を精密に形成した図示しない金型を、透明基板７０１であるガラス基板の表面に成膜した感光性樹脂７０２に圧着し、ＵＶ光で硬化後、離型することで鋸歯状回折格子７０３を形成して、透過型鋸歯状の回折素子７０としたものである。
また、図８に鋸歯形状を階段で近似した透過型の擬似鋸歯状回折格子の一例を示す。透明基板８０１であるガラス基板の表面に、フォトリソグラフィー法とエッチング法とを繰り返すことにより擬似鋸歯状回折格子８０２を形成し、この回折格子を透過型で擬似鋸歯状の回折素子８０としたものである。
ここで、図７および図８において、実線の矢印は入射光、一点鎖線は透過光、破線は−１次回折光をそれぞれ表わす。
前述の従来例では、透過型鋸歯状の回折格子で高い回折効率を得るためには、格子材料と空気などの出射側媒質との屈折率差と、格子の深さとの積で定義される位相差を波長程度にする必要がある。一方で、波長に応じた分離の角度を大きくするためには格子の周期は小さいほど好ましい。このため、鋸歯状回折格子の形状は格子の周期が小さく、かつ格子の深さＤの格子の周期Ｔに対する比率で定義するアスペクト比（Ｄ／Ｔ）が大きいものが必要となる。

しかしながら、アスペクト比の大きな鋸歯状回折格子は作製上の困難度が高く、樹脂を用いて作製するには、金型加工上の制約や樹脂の転写性・離型性などの問題を有している。このため、要求される波長に応じた大きな分離能力を持ち高い光の利用効率を有する回折格子が生産性よく、安価に得られない問題を有していた。
また、樹脂材料を用いる場合には、高温下および高温高湿下での素子の劣化など信頼性において問題を有しており、限られた環境条件下でしか素子を使用できない問題を有していた。
一方、擬似鋸歯状回折格子については、信頼性および生産性に優れ安価な素子を大量に生産できるが、格子の周期を更に細分化した加工を実施して擬似鋸歯状の回折格子とする必要があり、周期の小さい素子は作製が困難である問題を有していた。また、作製時の誤差による形状変形が大きく特性を劣化させ、光の利用効率の高い回折格子を歩留まりよく生産できない問題を有していた。
いずれの従来例に対しても、０度入射（素子表面への垂直入射）で用いる場合には、格子の周期が波長の約２倍で著しく回折効率が低下することが知られており、高い回折効率と小周期化（約２倍など）による光の波長に応じた大きな分離との両立が困難である問題もあわせて有していた。
本発明は、上述の実情に鑑みなされたものであり、高い光の利用効率を有し、さらに波長に応じた分離が大きく、光学系の配置自由度に優れ、大量生産に適し、かつ信頼性並びに温度特性に優れた回折素子を提供することを目的とする。
本発明は、基板表面に形成されたまたは基板上に成膜した層に形成された格子であって、断面が凹凸状でかつ凸部上面が実質的に平坦であり凸部が対称な格子を有する回折素子において、格子の１周期が入射する光の波長と実質的に等しく、かつ回折素子の格子形成面に光が斜めに入射して用いられることを特徴とする回折素子を提供する。
また、前記格子の１周期に占める、凸部と凹部との割合において凸部の割合が凹部の割合以上である上記の回折素子を提供する。
また、前記格子の凸部を形成する壁面が傾斜し、１周期に占める格子凸部の上端の割合が格子凸部の底部の割合以下である上記の回折素子を提供する。
また、前記回折素子の少なくとも凸部に、凸部とは異なる１層以上の光学材料が積層されてなる上記の回折素子を提供する。
前記光学材料が、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３から選ばれたものからなる上記の回折素子を提供する。
また、前記基板として透明基板が用いられ、透明基板上に成膜された層により格子の凸部が形成され、かつ格子の凸部は透明基板よりも屈折率が高い上記の回折素子を提供する。
透明基板上に成膜された層が、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｓｉからなる群より選ばれた１つを主成分とする層またはこれらの混合物からなる層である上記の回折素子を提供する。
また、上記の回折素子の一つの面に、他の光学素子が積層され一体化されている回折素子を提供する。
また、基板表面に形成されたまたは基板上に成膜した層に形成された格子であり、その断面が凹凸状でかつ凸部上面が実質的に平坦であって凸部が対称な格子を有しており、格子の１周期が入射する光の波長と実質的に等しい回折素子の使用方法であって、回折素子の格子形成面に光が斜めに入射して用いられることを特徴とする回折素子の使用方法を提供する。
また、前記光が斜めに入射するときの入射角度が、回折素子の表面に立てた法線に対して、１５〜８０°の範囲にある上記の回折素子の使用方法を提供する。
また、上記の回折素子が用いられていることを特徴とする光学装置を提供する。
さらに、上記の光学装置が分光装置であって、前記回折素子の基板として透明基板が用いられ、前記回折素子が透過型素子として用いられていることを特徴とする分光装置を提供する。

図１は、本発明の回折素子の構成の一例を示す側面図である。
図２は、本発明の回折素子の構成の他の例を示す側面図である。
図３は、本発明の回折素子の構成の別の例を示す側面図である。
図４は、本発明の回折素子における、凸部に多層膜を形成した場合としない場合の回折特性の違いの例を示すグラフである。
図５は、本発明の回折素子における、入射偏光方向の違いによる回折特性の例を示すグラフである。
図６は、本発明の回折素子における、凹部と凸部の比率の違いによる回折特性の例を示すグラフである。
図７は、従来の回折素子の構成の一例を示す側面図である。
図８は、従来の回折素子の構成の他の例を示す側面図である。
図９は、本発明の回折素子の構成の別の例を示す側面図である。
図１０は、本発明の回折素子における、入射偏光方向の違いによる回折特性の例を示すグラフである。
図１１は、本発明の回折素子の構成の別の例を示す側面図である。
図１２は、本発明の回折素子の構成の他の例を示す側面図である。
図１３は、本発明の回折素子における、格子凸部の壁面のテーパー角の変化による回折特性の例を示すグラフである。
図１４は、本発明の回折素子における、格子凸部の壁面のテーパー角の変化による回折特性の別の例を示すグラフである。

本発明は、基板の表面に形成された断面が凹凸状で凸部が対称な格子が形成された回折素子に関するものであり、格子の周期が入射する光の波長と等しいかまたは小さいものである。そして、光が格子形成面に対して斜めに入射するようにして用いられる回折素子である。
また、断面が凹凸状の格子は、基板上に成膜された層に形成してもよい。基板上に成膜する材料としては、エッチング特性に優れたものが好ましく、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｓｉ等を主成分としたものや、これらの混合膜が適用できる。このような回折素子の構成とすることにより、簡易なプロセスでありながら量産性に優れ、高い回折効率でしかも大きな波長分離効果を有する回折素子が実現できる。大きな波長分離効果を有するため、分光用の回折格子として使用することが好ましい。
ここで、格子の周期が入射する光の波長と実質的に等しいとは、周期が入射する波長の±４５％以内のことをいう。すなわち、周期が波長の０．５５〜１．４５倍の範囲にある。この±４５％以内であれば、入射角度を適切に選ぶことで特定の回折光のみが発生することから、本発明の効果を損しない。また、光が格子形成面に対して斜めに入射するとは、素子の表面に立てた法線に対して、１５〜８０°までの角度をいい、特に２５〜６５°までの場合は、本発明の効果を充分に達成できる。
回折格子の凹凸部における対称な凸部の断面形状は、矩形、台形などであればよく、このいずれであっても本発明における効果を有するが、矩形に近いものが作製上好ましい。
回折素子に用いられる基板は、透明基板としては、石英ガラス、ガラス、シリコン、ポリカーボネートなどの基板を用いることができる。これらの中で、石英ガラス、ガラスの基板が耐久性などの観点から好ましい。また、反射型回折素子として構成する場合には、回折格子上に金属や多層膜からなる反射コートを施すことが好ましく、前述の透明基板に加えて不透明な基板である例えば結晶化ガラスやセラミクスなどを用いることもできる。
以下では、凸部の形状が矩形であるとして、本発明を図面を参照にしながら説明する。
図３は、本発明の透過型の回折素子の構成の一例を示す側面図である。透明基板３０１上に、格子の周期が入射する光の波長よりも小さい矩形回折格子３０２がフォトリソグラフィーおよびドライエッチングの手法により形成され回折素子３０をなしている。格子の周期がＰで与えられる回折格子（正確にはその長手方向）に対して、法線方向となす角度ｉで入射した波長λの光は、（式１）で定義される回折角度θの方向にｍ次の回折光を生じる。（式１）から明らかなように、回折格子３０２に対して垂直に入射した場合には、波長よりも小さい周期の回折格子の回折光は存在できない。しかしながら、有限な角度をもって、すなわち斜め方向から、光を入射したときには、波長よりも周期が小さい場合にも次数をもつ回折光が存在できる。このため、構造上凸部が対称な形状を有していても、非対称な回折特性を示すことがわかる。

この斜め入射による効果を利用することで、作製が容易な対称で矩形状の回折格子でも、充分に高い回折効率と大きな回折角度を得ることができる。一例として、格子の周期が１０００ｎｍ（凹部と凸部の幅がそれぞれ５００ｎｍ）であり、深さが約２３００ｎｍの回折格子に、法線に対して約５０度の角度で入射した場合の、計算による−１次回折効率の波長依存性を図４に黒丸を実線で繋げて示す。格子に平行に偏光した直線偏光の入射光に対して、格子の周期よりも長い１５２０ｎｍから１６２０ｎｍの範囲で、−１次の回折に光量が集中し高い回折効率を示していることがわかる。
さらに回折効率を向上させ、波長依存性を低減させるには格子の凸部上に適切な多層構造を付与することが効果がある。一例としてＴｉＯ_２を高屈折率材料とし、ＳｉＯ_２を低屈折率材料として用いた４層膜を格子の凸部の上部に形成したときの回折効率の波長依存性を、図４に白丸を破線で繋げて示す。図４より明らかなように全波長領域で一様に高い回折効率が得られていることがわかる。
すなわち、回折素子の凸部に、凸部とは異なる１層以上の光学材料が積層されていることが、回折効率を向上させることができ好ましい。光学材料とは、上記ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２以外に、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３などを挙げることができる。
他の例として、格子の周期が１５００ｎｍであり、深さが約３０００ｎｍの回折格子に、約３０度の角度で入射した場合の、回折効率の波長依存性を図５に示す。図５中の曲線で黒丸を実線で繋げたものは、格子に平行に偏光した直線偏光に対する回折効率を示し、白丸を破線で繋げたものは、格子に垂直に偏光した直線偏光の回折効率を示す。図５から明らかなように、いずれの偏光に対しても高い回折効率を示している。
この図５に示す例では、直交する直線偏光のいずれに対しても高い回折効率が得られているが、短波長域の１５２０ｎｍおよび長波長域の１６２０ｎｍに近づくにつれて回折効率の差が大きくなる傾向がある。この差を小さくするには、格子を形成する凸部と凹部の割合を調整することで効果がある。図６に、格子の１周期内に占める凸部のそれぞれの割合に対して深さを最適化された回折格子の波長１５２０ｎｍから１６２０ｎｍまでの範囲における、直交する２つの偏光による回折効率の差を示す。図６より明らかなように、直交する２つの偏光における回折効率の差は、凸部の占める割合が半分よりも大きくなった場合に顕著に抑制される。このように格子内の凸部の１周期内に占める割合を調整することで入射偏光依存性の少ない回折格子とすることもできる。
直交する直線偏光に対する回折効率の差を小さくするには、格子上端の凸部と凹部の比率を略１に保持した上で、格子凸部壁面の基板表面の垂線に対する角度（以下テーパー角という。）を調整することでも効果がある。図１３に、図６と同様に石英ガラス基板の表面に形成した格子周期１５００ｎｍで深さ３６００ｎｍの回折格子の波長１５２０ｎｍから１５７０ｎｍまでの範囲における、直交する２つの偏光に対する回折効率の差を示す。
図１３より明らかなように、直交する２つの偏光における回折効率の差は、前述のテーパー角により変化し３度以上のテーパー角、好ましくは約４度のテーパー角とすることで、顕著に改善される。このように、格子側壁のテーパー角を調整することで入射偏光依存性の少ない回折格子とすることもできる。
これらの調整で偏光依存性を抑制することで、格子深さによる回折特性のばらつきも抑制されるため作製時の歩留まりが高くなる効果も併せて有する。
すなわち、回折格子の１周期に占める、凸部と凹部との割合において凸部の割合が凹部の割合以上、すなわち０．５以上であるようにすると、直交する２つの偏光による回折効率の差を小さくできるために好ましい。また、回折格子の凸部を形成する壁面が傾斜し、１周期に占める格子上端の凸部の割合が格子底部の凸部の割合以下であるようにすると直交する２つの偏光による回折効率の差を小さくできるために好ましい。
さらに回折格子の周期を小さくすることで波長に対する分離角度の変化を大きくすることが波長分解能を向上させるためには効果があるが、格子の周期を前述の例のように１５００ｎｍから１０００ｎｍまで小さくした場合には、入射する偏光方向による回折効率の差は顕著になる傾向にある。
このため、格子凸部の格子の周期に占める割合を調整しても、一定の効果はみられるが充分ではない。格子の周期が１０００ｎｍの場合に、入射する偏光方向による回折効率の差を低減するには、格子凸部を構成する材料として、透明基板上に成膜した透明基板よりも高屈折率の材料を用いることにより効果がある。
図１０に、入射する種々の偏光方向に対する回折効率の波長依存性を示す。石英ガラス基板上に格子凸部と凹部の割合を等しく加工した場合の特性を白丸で示す。図１０中の曲線で白丸を実線で繋げたものおよび曲線で白丸を点線で繋げたものは、おのおの格子方向に対して、すなわち格子の長手方向に対して、平行および垂直に偏光した光に対する特性を示す。
一方図１０中に、透明基板上に成膜した屈折率が約２の材料を有する格子凸部とした場合の特性を黒丸で示す。図１０中の曲線で黒丸を実線で繋げたものおよび曲線で黒丸を点線で繋げたものは、格子方向に対しておのおの平行および垂直に偏光した光に対する特性を示す。図１０より明らかなように、入射する偏光方向に対する回折効率の差が低減していることがわかる。
図１３に示した前述の例と同様に、透明基板上に成膜した屈折率が約２の材料を有する格子凸部とした場合にも、格子上端の凸部と凹部の比率を略１に保持したままで、格子凸部のテーパー角を調整することで、偏光方向に対する回折効率の差を低減することが可能である。図１４は、透明基板上に成膜した屈折率が約２の材料を有する格子凸部とした回折格子の波長１５２０ｎｍから１５７０ｎｍまでの範囲における、直交する偏光方向の２つの偏光に対する回折効率の差を示す。図１４より屈折率が略２の材料を有する格子凸部とした場合にも、約６度のテーパー角とすることで直交する偏光方向の２つの偏光における回折効率の差は顕著に改善されることが明らかである。
また、上記のすべての例から、入射光線と回折光とが透過型の回折格子面に対してほぼ鏡像の関係、すなわち入射角度と回折角度がほぼ等しい場合に、高い回折効率が得られることがわかる。この配置は反射型の回折格子でリトロー配置といわれる、入射光線と回折光とが重なる配置の透過型の回折格子の場合の配置ということができる。
また、一般的には光学部品に対して、界面反射を低減するための光学多層膜によるコーティングが施されるが、上記の例のようにアスペクト比の大きい回折格子の場合には、凹部と凸部とでの成膜特性が異なるため形状が劣化するなどの弊害が多く、結果的には光の利用効率を低下させることが多い。予め低反射コーティングを施した基板上に回折格子を作製することで、透過率を向上させることができる。この際には、格子側部および底部には低反射コーティングは施されていないが、格子形状の劣化はなく格子上部にのみ低反射コートが施される。
本発明の構成を用いることで、簡便な加工プロセスで大きな波長分離効果を有し、かつ高い光の利用効率を得ることができる分光回折格子を、入射光と回折光との分離を充分にとった透過型の回折格子により実現できる。この構成により、信頼性、量産性などに優れた分光回折素子を実現でき、さらに安価な分光システムを実現できる。また、透過配置で使用できるため分光システムの設計に大きな自由度を有している。
本発明の回折素子における回折格子パターンは、フォトマスクなどを用いて作製できるため、回折格子パターンは直線形状に限定されず例えば曲線形状にすることもできる。この曲線形状とすることにより、回折光が光検出器上で集光するようにレンズ機能を付加することもできる。また、大面積のウエハプロセスを用いることで、位相板など他の機能を有する光学素子を回折素子に積層でき、さらなる高機能化、複合化などを行うことができる。
積層する他の光学素子としては、開口制限、収差補正、レンズ効果、ビーム整形、偏光変換、位相調整、強度調整などの機能を有する光学素子が挙げられる。積層する光学素子は、回折素子、液晶素子、多層膜素子などの大面積のウエハプロセスが適用できるものが好ましい。
すなわち、上記の回折素子の一つの面に、他の光学素子が積層され一体化されていることが、回折素子に他の光学的機能を付加して高機能化できて好ましい。
本発明における回折格子は、基板である例えばガラス基板そのものまたはガラス基板上に成膜された無機物材料を加工して作製される。特に、成膜の工程を省略でき、成膜と基板との界面が存在しない点から、ガラス基板に直接格子を形成することが好ましい。すなわち、高速かつ均一なエッチング特性を有する石英系のガラス基板を直接加工することが極めて好ましく、さらに信頼性、量産性などの点からも石英系のガラス基板が好ましい。
また、温度変化による回折方向の変化を抑制するためには、使用する基板の線膨張係数の制御が重要であり、線膨張係数を最適化した透明基板を用いることが温度特性の優れた素子を得るために好ましい。この場合、線膨張係数を最適化した透明基板の表面に直接加工を施してもよいし、エッチング特性に優れた無機物材料を線膨張係数を最適化した透明基板上に成膜して加工層とすることもできる。
一例として線膨張係数を抑制したガラス基板材料としては、Ｔｉをドープした石英ガラスや、Ａｌ_２Ｏ_３−ＬｉＯ_３−ＳｉＯ_２などを主成分とするガラスなどが使用できるが、プロセス中の基板温度履歴による影響が少なくかつエッチング性に優れたＴｉをドープした石英ガラスが直接基板加工するには特に好ましい。
また、上記の例のようなアスペクト比の大きい格子の形成時には素子外周部は未加工とすることが、加工中のフォトレジストマスクや格子材料の破損を防ぐ上で好ましい。
本発明の回折素子が、回折角度を特に大きくすることで波長分解能を向上させる周期の小さい回折格子であれば、その効果が顕著であり、特に回折格子の周期が中心波長とほぼ等しいもの、または周期（ピッチ）が中心波長に比べ小さい範囲にあるものでは効果が大きい。
上記の本発明の回折素子を用いて、種々の光学装置が構成される。この光学装置は本発明の回折素子の分光特性などの特性を用いたものであれば、いずれの光学装置であってもよい。
また、上記の回折素子の基板として透明基板が用いられ、回折素子が透過型素子として用いられて分光装置が構成されることが、本発明の回折素子は大きな波長分離効果を有し、入射光と透過回折光の分離角度が大きくとれるため、配置上の制約が無く好ましい。
本発明の分光装置とは、例えば光通信で用いられる波長多重通信の検出器がある。１５２０ｎｍから１６２０ｎｍまでの異なった波長の信号光が同一の伝送ファイバにより伝搬してきた場合に、各波長に分波し各々の信号強度を測定する必要がある。伝送ファイバから出射した光は、本発明の回折素子により波長に応じて異なった方向に回折・伝搬し、異なった受光素子に入射することで各波長の信号強度が測定できる。加えて、波長に応じて伝搬経路が異なるためそれぞれの波長に対して異なる強度や位相の調整を行うことも可能である。反射型の素子を用いる場合には高い光の利用効率を得るには、入射光と反射回折光が近いリトロー配置と呼ばれる配置が一般的であり、入射ファイバと検出器の配置に制約が生じるが、本発明の透過型の回折素子は、反射リトロー配置と同等の高い光の利用効率を実現しながらも入射光と回折光のなす角度が大きく配置上の制約が少ない点で優れている。
以下に、実施例を示す。
［例１］
図１は、本例の分光回折素子の構成を示す側面図である。本例では、厚さ２．０ｍｍの石英ガラス基板を透明基板１０１とし、透明基板の一方の面に、ＴｉＯ_２およびＳｉＯ_２を用いた５０度の入射角度に対して最も反射率が低くなる４層の反射防止膜１０２を施した。その後、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングの技術を用いて矩形状の回折格子を形成した。すなわち、まず、格子の凹部に対応する反射防止膜の部分をエッチングにより除去した後に、石英ガラスの加工深さが９００ｎｍのエッチングを実施し、石英ガラスの凸部の上に多層膜が形成された格子の周期が１０００ｎｍの矩形回折格子１０３を形成した。凹部と凸部の幅の比は１：１であった。
次に、透明基板１０１の矩形回折格子１０３を形成した面とは反対側の面に、上記と同様に５０度の入射光に対する４層の反射防止膜１０４を施した。その後、ダイシングソーにより透明基板１０１を１５ｍｍ×１０ｍｍの長方形に切断し、回折素子１０とした。
回折素子１０の矩形回折格子１０３側より、格子に対して平行に偏光した波長１５２０、１５７０および１６２０ｎｍの光を外部入射角５０°で入射したところ、各波長に対しておのおの、９２、９３よび９１％の高い回折効率を示した。また、入射する光の波長により回折光の出射方向はおのおの、４９、５４および５９度と変化し、３つの波長の光を充分に分離することができた。図１において、実線の矢印は入射光、一点鎖線は透過光、破線は−１次回折光をそれぞれ表わす。
［例２］
図２は、本例の分光回折素子の構成を示す側面図である。本例では、厚さ２．０ｍｍの石英ガラス基板を透明基板２０１とした。透明基板２０１上にフォトレジストを塗布し、開口部が格子の周期の１／３となる図示しないフォトマスクを用いてフォトリソグラフィー法を用い、凸部と凹部の幅の比率が２：１のフォトレジストマスクを形成した。その後、ドライエッチングの技術を用いて深さ３４００ｎｍの矩形回折格子を形成した。すなわち、格子の周期が１５００ｎｍであり、格子は１０００ｎｍ幅の凸部と５００ｎｍ幅の凹部からなり、石英ガラスの加工深さが３６００ｍの矩形回折格子２０２を形成した。
次に、透明基板２０１の矩形回折格子２０２を形成した面とは反対側の面に、３０度の入射光に対する反射防止膜２０３を施した。その後、ダイシングソーにより透明基板２０１を１０ｍｍ×６ｍｍの長方形に切断し、回折素子２０とした。
回折素子２０の矩形回折格子２０２側より、波長１５２０、１５７０および１６２０ｎｍの光を外部入射角３０°で入射したところ、各波長での回折効率は、格子に平行な偏光に対しては、おのおの、９２、９２および９２％を示した。一方の格子に対して垂直な偏光に対しては、おのおの、９５、９２および８９％となり、入射光の波長の変化および入射光の偏光方向の変化のいずれに対しても高い回折効率を示した。また、入射光の波長により回折光の出射方向は、おのおの約３１、３３および３５度と変化し、３つの波長の光を充分に分離することができた。図２において、実線の矢印は入射光、一点鎖線は透過光、破線は１次回折光をそれぞれ表わす。
［例３］
図９は、本例の分光回折素子の構成を示す側面図である。本例では、厚さ２．０ｍｍの白板ガラス基板を透明基板９０１とし、透明基板の一方の面に、スパッタ法によりＴａ_２Ｏ_５を厚さ１．３μｍおよびＳｉＯ_２を０．３５μｍ成膜した。その後、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングの技術を用いて膜を選択的に除去し、Ｔａ_２Ｏ_５層９０３とＳｉＯ_２層９０２からなる矩形状の回折格子９０４を形成した。このとき、露光に用いる図示しないフォトマスクの開口の最適化により露光部と未露光部の割合を調整し、格子凹凸部の格子周期に対する割合を６：４すなわち６００ｎｍの凸部に対して４００ｎｍの凹部となるようにした。
次に、透明基板９０１の矩形回折格子９０４を形成した面とは反対側の面に、上記と同様に５０度の入射光に対する反射防止膜９０５を施した。その後、ダイシングソーにより透明基板９０１を１５ｍｍ×１０ｍｍの長方形に切断し、回折素子９０とした。
回折素子９０の矩形回折格子９０４側より、格子に対して平行に偏光した波長１５２０、１５７０および１６２０ｎｍの光を外部入射角５０°で入射したところ、各波長に対しておのおの、９３、９４および９２％の高い回折効率を示した。また、格子に対して垂直に偏光した同じく１５２０、１５７０および１６２０ｎｍの光に対しても、おのおの９１、９２および９１％の高い回折効率を示した。
また、入射する光の波長により回折光の出射方向は、おのおの４９、５４および５９度と変化し、３つの波長の光を充分に分離できた。図９において、実線の矢印は入射光、一点鎖線は透過光、破線は−１次回折光をそれぞれ表わす。
［例４］
図１１は、本例の分光回折素子の構成を示す側面図である。本例では、厚さ２．０ｍｍの石英ガラス基板を透明基板１１０１とし、透明基板の一方の面に、スパッタ法によりＴａ_２Ｏ_５を厚さ１３００ｎｍおよびＳｉＯ_２を４５０ｎｍ成膜した。その後、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングの技術を用いて膜を選択的に除去し、Ｔａ_２Ｏ_５層１１０３とＳｉＯ_２層１１０２からなる回折格子１１０を形成した。このとき、露光に用いる図示しないフォトマスクの開口およびエッチング条件の最適化により回折格子の凸部の壁面を傾斜させることで周期が１０００ｎｍであり、テーパー付き格子１１０４とした。作製した回折格子の格子上端での、凸部と凹部の幅の割合はほぼ１：１であり、格子凸部の壁面のテーパー角は、約６度であった。
次に、透明基板１１０１の回折格子１１０４を形成する面とは反対側の面に、上記と同様に５０度の入射光に対する反射防止膜１１０５を施した。その後、ダイシングソーにより透明基板１１０１を１５ｍｍ×１０ｍｍの長方形に切断し、回折素子１１０とした。
回折素子１１０の矩形回折格子１１０４側より、格子に対して平行に偏光した波長１５２０、１５４５および１５７０ｎｍの光を外部入射角５０°で入射したところ、各波長に対しておのおの、９４、９５および９５％の高い回折効率を示した。また、格子に対して垂直に偏光した同じく１５２０、１５４５および１５７０ｎｍの光に対しても、おのおの９５、９５および９５％の高い回折効率を示した。
［例５］
図１２は、本例の分光回折素子の構成を示す側面図である。本例では、厚さ２．０ｍｍの石英ガラス基板を透明基板１２０１とした。透明基板１２０１上にフォトレジストを塗布し、図示しないフォトマスクを用いてフォトリソグラフィー法を用い、フォトレジストマスクを形成した。その後、ドライエッチングの技術を用いて深さ３６００ｎｍ、格子周期１５００ｎｍの回折格子１２０２を形成した。このとき、露光に用いる図示しないフォトマスクの開口およびエッチング条件の最適化により回折格子の凸部の壁面を傾斜させることで、テーパー付き格子１２０２とした。作製した回折格子の格子上端での、凸部と凹部の幅の割合はほぼ１：１であり、格子凸部の壁面のテーパー角θは、約４度であった。
次に、透明基板１２０１の矩形回折格子１２０２を形成した面とは反対側の面に、約３０度の入射光に対する反射防止膜１２０３を施した。その後、ダイシングソーにより透明基板１２０１を１０ｍｍ×６ｍｍの長方形に切断し、回折素子１２０とした。
回折素子１２０の矩形回折格子１２０２側より、格子に対して平行に偏光した波長１５２０、１５４５および１５７０ｎｍの光を外部入射角３０°で入射したところ、各波長に対しておのおの、９５、９６および９５％の高い回折効率を示した。また、格子に対して垂直に偏光した同じく１５２０、１５４５および１５７０ｎｍの光に対しても、おのおの９５、９５および９４％の高い回折効率を示した。
産業上の利用可能生
以上説明したように、本発明の回折素子は、簡易なプロセスで量産性に優れていながら、高い回折効率で大きな波長分離効果を有する分光回折素子となる。また、本発明の回折素子は信頼性、偏光特性などに優れた回折素子が実現できる。

Claims (12)

1. 基板表面に形成されたまたは基板上に成膜した層に形成された格子であって、断面が凹凸状でかつ凸部上面が実質的に平坦であり凸部が対称な格子を有する回折素子において、回折素子の格子の１周期が入射する光の波長と実質的に等しく、かつ回折素子の格子形成面に光が斜めに入射して用いられることを特徴とする回折素子。
2. 前記格子の１周期に占める、凸部と凹部との割合において凸部の割合が凹部の割合以上である請求の範囲１に記載の回折素子。
3. 前記格子の凸部を形成する壁面が傾斜し、１周期に占める格子凸部の上端の割合が格子凸部の底部の割合以下である請求の範囲１または２に記載の回折素子。
4. 前記回折素子の少なくとも凸部に、凸部とは異なる１層以上の光学材料が積層されてなる請求の範囲１、２または３に記載の回折素子。
5. 前記光学材料が、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３から選ばれたものからなる請求の範囲４に記載の回折素子。
6. 前記基板として透明基板が用いられ、透明基板上に成膜した層に格子の凸部が形成され、かつ格子の凸部は透明基板よりも屈折率が高い請求の範囲１から５のいずれか１つに記載の回折素子。
7. 透明基板上に成膜された層が、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｓｉからなる群より選ばれた１つを主成分とする層またはこれらの混合物からなる層である請求の範囲６に記載の回折素子。
8. 請求の範囲１から７のいずれか１つに記載の回折素子の一つの面に、他の光学素子が積層され一体化されている回折素子。
9. 基板表面に形成されたまたは基板上に成膜した層に形成された格子であり、その断面が凹凸状でかつ凸部上面が実質的に平坦であって凸部が対称な格子を有しており、格子の１周期が入射する光の波長と実質的に等しい回折素子の使用方法であって、回折素子の格子形成面に光が斜めに入射して用いられることを特徴とする回折素子の使用方法。
10. 前記光が斜めに入射するときの入射角度が、回折素子の表面に立てた法線に対して、１５〜８０°の範囲にある請求の範囲９に記載の回折素子の使用方法。
11. 請求の範囲１から８のいずれか一つに記載の回折素子が用いられていることを特徴とする光学装置。
12. 請求の範囲１１に記載の光学装置が分光装置であって、前記回折素子の基板として透明基板が用いられ、前記回折素子が透過型素子として用いられていることを特徴とする分光装置。

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