CN100526919C - 衍射光栅元件及其制造方法和设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种衍射光栅元件及其制造方法和设计方法。在衍射光栅元件(10)中，在第1介质(11)和第4介质(14)之间，交互设置第2介质(12)和第3介质(13)形成衍射光栅。从第1介质(11)入射到衍射光栅的光被衍射光栅部衍射，出射到第4介质(14)。或者，从第4介质(14)入射到衍射光栅的光被衍射光栅部衍射出射到第1介质(11)。各介质的折射率n₁～n₄满足n₃＜n₁＜n₂，n₃≤n₄≤n₂或者n₃≤n₁≤n₂，n₃＜n₄＜n₂这样的关系式。

Description

衍射光栅元件及其制造方法和设计方法

本申请是申请号为200480000120.6、申请日为2004年10月12日、发明名称为“衍射光栅元件及其制造方法和设计方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及透过型衍射光栅元件、衍射光栅元件制造方法及衍射光栅元件的设计方法。

背景技术

衍射光栅元件一般是在具有相互平行的第1面以及第2面的透明平板中在第1面形成了衍射光栅的元件(参照如小馆香椎子“衍射光学的发展和新进展”，日本女子大学纪要、理学部第10号pp7-24(2002))。在该衍射光栅元件中，例如，如果光以一定入射角从与第1面相接的介质入射到该第1面，则该光将被形成在第1面的衍射光栅衍射，通过透明平板的内部出射到与第2面相接的介质。从透明平板的第2面出射时的光的衍射角因波长而异。

这样，该衍射光栅元件可以作为分波入射的光并出射的光分波器使用。此外，该衍射光栅元件在与上述情况相反的方向引导光线时，还可以作为合波入射的光并出射的光合波器使用。进而，通过组合衍射光栅元件和其他的光学元件，也可以构成对应波长调整光的群延迟时间的分散调整器。因而，衍射光栅元件在多重化传送多波长的信号光的波分复用(WDM：Wavelength Division Multiplexing)光通信系统中已成为重要的光学器件之一。

这样的衍射光栅元件要求有高的衍射效率。因而，有人先后提出了若干种用于提高衍射效率的构造上的考虑，报告了95％左右的衍射效率(参照如美国特许公开专利2002/0135876号说明书、或者Hendrick J.Gerritsen，et al.，“Rectangular surface-relief transmissiongeatings with a very large first-order diffraction efficiency(～95％)for unpolarized light”，Applied Optics，Vol.37，No.25，pp.5823-5829(1998))。

但是，入射到衍射光栅元件的入射光的入射角以及被衍射光栅元件衍射出射的衍射光的衍射角并不是0度(垂直于形成了衍射光栅元件的透明平板的第1面以及第2面)，而是产生由反射导致的偏波依存性。另外，由于衍射光栅是只在一个方向周期地变化折射率的构造，故在光栅周期特别短(例如2λ以下)时，如果周期方向和偏波方向的角度变化则衍射效率变化。这样，一般情况下，衍射光栅元件具有偏波依存性，TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率相互不同。特别是衍射角的角分散大(合分波的波长分解能力高)时，因为周期变短，故偏波依存性将变得显著。

为了降低TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率之差，可以通过适当地设计衍射光栅的断面形状(光栅的高度或宽度等)来消除反射导致的偏波依存性和构造造成的偏波依存性。但是，即便是如此进行了设计的场合也不能在宽波长区域实现衍射效率的提高以及衍射效率的偏波依存性的降低。

发明内容

本发明是为解决上述问题点而进行的发明，目的在于提供可以通过个别地消除反射导致的偏波依存性和由构造造成的偏波依存性，实现在宽波长区域提高衍射效率以及降低衍射效率的偏波依存性的衍射光栅元件。此外，提供制造和设计这样的衍射光栅元件的方法也是本发明目的之一。

第1涉及本发明的衍射光栅元件具有：(1)在假定了相互平行的第1平面以及第2平面时，在第1平面的外侧相接第1平面设置的第1介质(折射率n₁)；(2)在第1平面和第2平面之间相接于第1平面以及第2平面并在平行于第1平面的规定方向交互设置形成了衍射光栅的第2介质(折射率n₂)以及第3介质(折射率n₃，且n₃<n₂；(3)在第2平面的外侧相接第2平面设置的第4介质(折射率n4)。并且其以第1介质、第2介质、第3介质以及第4介质各自的折射率n₁～n₄满足“n₃<n₁<n₂、n₃≤n₄≤n₂”以及“n₃≤n₁≤n₂、n₃<n₄<n₂”这样的关系式为特征。进而，第2介质以及第3介质两者是固体，或者第1介质以及第4介质由各向同性材料构成也是特征之一。

在该第1涉及本发明的衍射光栅元件中，在第1介质和第4介质之间，交互设置第2介质和第3介质形成衍射光栅。从第1介质入射到衍射光栅的光在衍射光栅部衍射出射到第4介质。或者从第4介质入射到衍射光栅的光在衍射光栅部衍射出射到第1介质。由于该衍射光栅元件各介质的折射率满足上述关系式，故可以在宽波长区域实现衍射效率的提高以及衍射效率的偏波依存性的降低。

在设第1涉及本发明的衍射光栅元件在第1平面和第2平面之间的平均折射率为n_av时，第1介质的折射率n₁最好满足“n_av-0.2≤n₁≤n_av+0.2”这样的关系式，进而，第4介质的折射率n₄最好满足“n_av-0.2≤n₄≤n_av+0.2”这样的关系式。此外，有关垂直于第1平面的方向的第1介质的厚度最好是5μm以上，有关垂直于第1平面的方向的第4介质的厚度最好是5μm以上。在这些情况下，可以更好地在宽波长区域实现衍射效率的提高以及衍射效率的偏波依存性的降低。

第2涉及本发明的衍射光栅元件具有：(1)在假定了相互平行并顺序地排列了第1平面～第4平面时，在第1平面的外侧相接第1平面设置的第1介质(折射率n₁)；(2)在第2平面和第3平面之间相接于第2平面以及第3平面并在平行于第1平面的规定方向交互设置形成了衍射光栅的第2介质(折射率n₂)以及第3介质(折射率n₃，且n₃<n₂；(3)在第4平面的外侧相接第4平面设置的第4介质(折射率n₄)；(4)在第1平面和第2平面之间相接于第1平面以及第2平面设置的第5介质(平均折射率n₅)；(5)在第3平面和第4平面之间相接于第3平面以及第4平面设置的第6介质(平均折射率n₆)。其特征是：在取在第2平面和第3平面之间的平均折射率为n_av时，第5介质的平均折射率n₅满足“n₁<n₅<n_av”或者“n_av<n₅<n₁”这样的关系式，第6介质的平均折射率n₆满足“n₄<n₆<n_av”或者“n_av<n6<n₄”这样的关系式。

在该第2涉及本发明的衍射光栅元件中，在第5介质和第6介质之间，交互设置第2介质和第3介质形成衍射光栅。从第1介质入射到衍射光栅的光经由第5介质被衍射光栅部衍射，经由第6介质出射到第4介质。或者从第4介质入射到衍射光栅的光经由第6介质被衍射光栅部衍射，经由第5介质出射到第1介质。由于该衍射光栅元件各介质的折射率满足上述关系式，故可以在宽波长区域实现衍射效率的提高以及衍射效率的偏波依存性的降低。

第2涉及本发明的衍射光栅元件其第5介质的平均折射率n₅最好满足“(n₁n_av)^1/2-0.2<n₅<(n₁n_av)^1/2+0.2”这样的关系式，进而，第6介质的平均折射率n₆最好满足“(n₄n_av)^1/2-0.2≤n₆≤(n₄n_av)^1/2+0.2”这样的关系式。此外，在设衍射光栅的周期为Λ，有关垂直于第1平面的方向的第5介质的厚度为h₅，波长λ的光入射到衍射光栅时，满足“λΛ/4(4n₅ ²Λ²-λ²)^1/2<h₅<3λΛ/4(4n₅ ²Λ²-λ²)^1/2”这样的关系式的光的波长λ最好存在于波长区域1.26μm～1.675μm内，进而，在设衍射光栅的周期为Λ，有关垂直于第1平面的方向的第6介质的厚度为h₆，波长λ的光入射到衍射光栅时，满足“λΛ/4(4n₆ ²Λ²-λ²)^1/2<h₆<3λΛ/4(4n₆ ²Λ²-λ²)^1/2”这样的关系式的光的波长λ最好存在于波长区域1.26μm～1.675μm内。在这些情况下，可以更好地在宽波长区域实现衍射效率的提高以及衍射效率的偏波依存性的降低。

另外，第5介质最好由在规定方向交互设置的多种介质构成，进而，第6介质最好由在规定方向交互设置的多种介质构成。该情况下，可以在谋求提高衍射特性的同时，为衍射光栅元件制造方面提供方便。

第3涉及本发明的衍射光栅元件具有：(1)在假定了相互平行并顺序地排列了第1平面～第3平面时，在第1平面的外侧相接第1平面设置的第1介质(折射率n₁)；(2)在第2平面和第3平面之间相接于第2平面以及第3平面在平行于第1平面的规定方向交互设置形成了衍射光栅的第2介质(折射率n₂)以及第3介质(折射率n₃，且n₃<n₂；(3)在第3平面的外侧相接第3平面设置的第4介质(折射率n₄)；(4)在第1平面和第2平面之间相接于第1平面以及第2平面设置的第5介质(平均折射率n₅)。其特征是：在取在第2平面和第3平面之间的平均折射率为n_av时，第5介质的平均折射率n₅满足“n₁<n₅<n_av”或者“n_av<n₅<n₁”这样的关系式。

在该第3涉及本发明的衍射光栅元件中，在第4介质和第5介质之间，交互设置第2介质和第3介质形成衍射光栅。从第1介质入射到衍射光栅的光经由第5介质被衍射光栅部衍射，出射到第4介质。或者从第4介质入射到衍射光栅的光被衍射光栅部衍射，经由第5介质出射到第1介质。由于该衍射光栅元件各介质的折射率满足上述关系式，故可以在宽波长区域实现提高衍射效率以及降低衍射效率的偏波依存性。

第3涉及本发明的衍射光栅元件其第5介质的平均折射率n₅最好满足“(n₁n_av)^1/2-0.2<n₅<(n₁n_av)^1/2+0.2”这样的关系式。在设衍射光栅的周期为Λ、有关垂直于第1平面的方向的第5介质的厚度为h₅、波长λ的光入射到衍射光栅时，满足“λΛ/4(4n₅ ²Λ²-λ²)^1/2<h₅<3λΛ/4(4n₅ ²Λ²-λ²)^1/2”这样的关系式的光的波长λ最好存在于波长区域1.26μm～1.675μm内。第2介质、第3介质以及第4介质各自的折射率n₂～n₄最好满足“n₃<n₄<n₂”这样的关系式。第4介质的折射率n₄最好满足“n_av-0.2≤n₄≤n_av+0.2”这样的关系式。此外，有关垂直于第1平面的方向的第4介质的厚度最好是5μm以上。在这些情况下，可以更好地在宽波长区域实现衍射效率的提高以及衍射效率的偏波依存性的降低。

第5介质最好由在规定方向交互设置的多种介质构成。该情况下，可以在谋求提高衍射特性的同时，为衍射光栅元件制造方面提供方便。

第4涉及本发明的衍射光栅元件具有基板、设置在基板上的第1反射抑制部、设置在第1反射抑制部上的衍射光栅部和设置在衍射光栅部上的第2反射抑制部，第2反射抑制部与第1介质相接，在衍射光栅部，通过在平行基板的规定方向交互设置第2介质和第3介质而设置有衍射光栅，在1.26μm～1.675μm的波长区域存在反射率达到10％以下的波长。利用该衍射光栅元件可以在宽波长区域实现衍射效率的提高以及衍射效率的偏波依存性的降低。

在第4涉及本发明的衍射光栅元件中，衍射光栅部的衍射能力大于前述衍射光栅部、前述第1反射抑制部以及第2反射抑制部全体的衍射能力的50％。衍射光栅部的折射率调制最好大于第1反射抑制部以及第2反射抑制部的折射率调制，此外，衍射光栅部的最大折射率最好大于前述基板以及前述第1介质的折射率。进而，衍射光栅的周期最好在1.675μm以下。

第1～第4涉及本发明的衍射光栅元件适合于存在TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率达到90％以上的光的波长，此外，也适合于存在TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率之差为5％以下的光的波长。在这些情况下，可以在多重化传送多波长信号光的光通信系统中较好地适用该衍射光栅元件。

第1～第4涉及本发明的衍射光栅元件其第2介质的折射率n₂和第3介质的折射率n₃之差最好是0.7以上。第2介质最好是TiO₂、Ta₂O₅以及Nb₂O₅之一。在这些情况下，由于可以降低衍射光栅部的高度，故可以容易地进行衍射光栅元件的制造。

第1～第4涉及本发明的衍射光栅元件其第2介质的折射率n₂和第3介质最好由可以通过能量射线照射改变折射率的规定材料构成，规定材料最好是钻石类的碳。在这些情况下，可以容易地制造具有期望特性的衍射光栅元件。

第1涉及本发明的衍射光栅元件其第1介质或第4介质最好由蚀刻率慢于第2介质或第3介质的规定材料构成。第2涉及本发明的衍射光栅元件其第5介质或第6介质最好由蚀刻率慢于第2介质或第3介质的规定材料构成。在第2发明中，在蚀刻第5介质或第6介质时，第1介质或第4介质最好由蚀刻率慢的规定材料构成。此外，第3涉及本发明的衍射光栅元件其第4介质或第5介质最好由蚀刻率慢于第2介质或第3介质的规定材料构成。在第2发明中，在蚀刻第5介质时，第1介质最好由蚀刻率慢的规定材料构成。这样，在与蚀刻层相接的非蚀刻层最好使用蚀刻率慢的材料，例如，蚀刻率之比最好是2以上。这里，上述规定材料最好是Al₂O₃、MgO、Nd₂O₃以及氟系化合物之一，此外，第2介质或第3介质最好是TiO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅、SiN、SiO₂、SiO、ZrO₂、Sb₂O₃之一。在这些情况下，最好利用蚀刻法制造衍射光栅元件。

涉及本发明的衍射光栅元件制造方法是制造上述第1～第4的涉及发明的衍射光栅元件的方法，其特征在于：形成由可以通过能量射线照射改变折射率的规定材料构成的层，以规定的空间强度调制图案对该层照射能量射线，在其层上交互设置折射率相互不同的第2介质以及第3介质形成衍射光栅。或者，形成由规定材料构成的层，以规定的空间图案对该层进行蚀刻，在其层上交互设置折射率相互不同的第2介质以及第3介质形成衍射光栅。

本发明的衍射光栅元件的设计方法是在规定方向周期地变化折射率的衍射光栅部和在该衍射光栅部上下中的至少一方上的反射抑制部的衍射光栅元件的设计方法，将衍射光栅部以及反射抑制部分别做成具有由各自包含的介质形成的平均折射率的膜，且将衍射光栅部中的光的相位变化设定为90度，导出衍射光栅元件的折射率分布，以便能够在期望的波长使反射率达到10％以下。由于利用该衍射光栅元件的设计方法可以得到接近于实际制造的衍射光栅元件特性的解析结果，故可以容易地设计衍射光栅元件。

附图说明

图1是涉及第1实施形态的衍射光栅元件10的说明图；

图2所示是实施例1的衍射光栅元件10的衍射特性曲线；

图3所示是比较例的衍射光栅元件的衍射特性曲线；

图4所示是实施例1的衍射光栅元件10的衍射效率和第4介质14的折射率n₄的关系；

图5是变形例1的衍射光栅元件10A的说明图；

图6是变形例2的衍射光栅元件10B的说明图；

图7是涉及第2实施形态的衍射光栅元件20的说明图；

图8所示是实施例2的衍射光栅元件20的衍射特性曲线；

图9是变形例的衍射光栅元件20A的说明图；

图10是实施例3的衍射光栅元件20B的说明图；

图11所示是实施例3的衍射光栅元件20B的衍射特性曲线；

图12是涉及第3实施形态的衍射光栅元件30的说明图；

图13是实施例4的衍射光栅元件30A的说明图；

图14所示是实施例4的衍射光栅元件30A的衍射特性曲线；

图15是涉及第4实施形态的衍射光栅元件40的说明图；

图16所示是涉及第4实施形态的衍射光栅元件的反射0次衍射效率和等价模型的反射0次衍射效率的特性曲线；

图17是涉及实施例5的衍射光栅元件40A的说明图；

图18是涉及实施例6的衍射光栅元件40B的说明图；

图19所示是涉及第4实施形态的衍射光栅元件的衍射效率曲线；

图20所示是涉及第4实施形态的衍射光栅元件的沟槽的宽高比曲线；

图21所示是涉及第4实施形态的衍射光栅元件的沟槽深度容差曲线；

图22是涉及变形样态的衍射光栅元件30B的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施形态。图面的说明中，同一要素附加同一符号并省略其说明。

(第1实施形态)

首先，对涉及本发明的衍射光栅元件的第1实施形态进行说明。图1是涉及第1实施形态的衍射光栅元件10的说明图。该图给出光栅在垂直的面切断了时的衍射光栅元件10的断面。该图所示的衍射光栅元件10由第1介质11、第2介质12、第3介质13以及第4介质14构成。

在该衍射光栅元件10中，假想了相互平行的第1平面P1以及第2平面P2。此时，第1介质11自第1平面P1外侧(图中在上侧)与第1平面P1相接设置。在第1平面P1和第2平面P2之间相接于第1平面P1以及第2平面P2在平行于第1平面P1的规定方向交互设置第2介质12以及第3介质13从而形成了衍射光栅。此外，在第2平面P2外侧相接第2平面P2设置了第4介质14(图中为下侧)。第2介质12以及第3介质13两者都是固体，或者第1介质11以及第4介质14由各向同性材料构成。

在该衍射光栅元件10中，在第1介质11和第4介质14之间，交互设置第2介质12和第3介质13形成衍射光栅。从第1介质11入射到衍射光栅的光Li(入射角为θ)被衍射光栅部衍射出射到第4介质14(图1中给出了0次光Ld、1次衍射光Ld1)。或者从第4介质14入射到衍射光栅的光被衍射光栅部衍射出射到第1介质11。

第2介质12的各个区域以及第3介质13的各个区域的断面均为长方形。通过在规定方向交互设置第2介质12以及第3介质13形成了衍射光栅的衍射光栅部，并取其衍射光栅的周期为Λ，其周期Λ的第2介质12所占的比例(占空比)为f。取第1平面P1和第2平面P2之间的距离(即衍射光栅的高度)为H。取第1介质11的折射率为n₁，第2介质12的折射率为n₂，第3介质13的折射率为n₃(但n₃<n₂)，第4介质的折射率为n₄。

此时，第1平面P1和第2平面P2之间的衍射光栅部的平均折射率n_av可用下式表示

$n_{\mathrm{av}}=\sqrt{{\mathrm{fn}}_2^2+(1-f)n_3^2}---\left(1\right)$

。此外，该平均折射率n_av介于第2介质12的折射率n₂以及第3介质的折射率n₃之间，满足

n₃<n_av<n₂(2)

这样的关系式。

进而，如果衍射光栅的周期Λ为入射光的波长λ数量级以下(例如2λ)，则在考虑在第1平面P1以及第2平面P2各自的光反射时，可以用折射率n_av的均匀介质置换第1平面P1和第2平面P2之间。此时，第1介质11的折射率n₁以及第4介质14的折射率n₄越接近衍射光栅部的平均折射率n_av则越可以降低第1平面P1以及第2平面P2处的反射，提高衍射特性。

因此，在本实施形态中，认为各介质的折射率n₁～n₄满足

n₃<n₁<n₂，n₃≤n₄≤n₂(3a)

或者

n₃≤n₁≤n₂，n₃<n₄<n₂(3b)

这样的关系式。进而，各介质的折射率n₁～n₄最好满足

n_av-0.2≤n₁≤n_av+0.2(4a)

或者

n_av-0.2≤n₄≤n_av+0.2(4b)

这样的关系式。

根据上述(3)式或者(4)式确定各介质的折射率n₁～n₄，此后，通过严密耦合波解析法(RCWA：Rigorous Coupled-Wave Analysis)进行衍射光栅元件10的衍射特性的解析。进而，通过利用最佳化手法(例如，非线性规划法、模拟行为退火法、遗传算法等)最佳化占空比f、光栅周期Λ以及光栅高度H，设计衍射特性优异的衍射光栅元件10。

下面，与比较例一起对涉及第1实施形态的衍射光栅元件10的实施例进行说明。实施例1的衍射光栅元件10其第1介质11以及第4介质14分别采用石英玻璃(n₁＝n₄＝1.45)，第2介质12的折射率n₂为1.75，第3介质13为空气(n₃＝1)，占空比f为0.70，光栅周期Λ为1.01μm，光栅高度H为2.26μm。比较例1的衍射光栅元件其第1介质11以及第3介质13分别采用空气(n₁＝n₃＝1)，第2介质12以及第4介质14分别采用石英玻璃(n₂＝n₄＝1.45)，占空比f为0.84，光栅周期Λ为1.01μm，光栅高度H为6.02μm。

图2所示是实施例1的衍射光栅元件10的衍射特性曲线。图3所示是比较例1的衍射光栅元件的衍射特性曲线。在这些图中，分别对TE偏波光以及TM偏波光给出了光的入射角θ为波长1.55μm处的布喇格入射角时的衍射效率的波长依存性。这里，布喇格入射角指的是0次光以及1次光各自的角度达到相等时的入射角。此外，在这些实施例1以及比较例1各自当中，在波长区域1.52μm～1.57μm应设计各个参数使衍射效率的偏波依存性以及波长依存性尽可能地小，衍射效率尽可能地大。

如对比这些图判断的那样，与比较例1的情况(图3)相比，在实施例1的情况(图2)中，在宽波长区域，TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率高达95％以上，TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率之差为2％以下。这样，涉及本实施形态的衍射光栅元件10可以在宽波长区域实现衍射效率的提高以及衍射效率的偏波依存性的降低。

图4所示是实施例1的衍射光栅元件10的衍射效率与第4介质14的折射率n₄的关系曲线。这里，波长λ被固定在1.55μm。如由该图可以判定的那样，在第4介质14的折射率n₄满足上述关系式(4b)时，衍射效率大，偏波依存性小。

下面，对制造涉及第1实施形态的衍射光栅元件10的方法进行若干说明。

在第1制造方法中，在第4介质14的面上形成由第2介质12构成的层，按规定的空间图案通过蚀刻对该层形成沟槽并在其上贴合第1介质11。此时，通过蚀刻形成了沟槽的区域为由空气构成的第3介质13。或者，也可以在通过蚀刻形成了沟槽的区域利用CVD(ChemicalVapor Deposition)法等埋入应该构成第3区域的其他材料，并通过研磨等统一第2区域12以及第3区域13各自的高度，在其上设置第1介质11。这里，如果第2区域12以及第3区域13双方都是固体的话则可以抑制由贴合到第1介质11上时的压力造成的沟槽形状的变形，此外，在用CVD法等设置第1介质11时还可以抑制第1介质11的对沟槽的进入，比较合适。这里，也可以不在第4介质14的面上形成由第2介质12构成的层，而是形成由第3介质13构成的层。

在蚀刻由第2介质12或者第3介质13构成的层时，第4介质14最好是比第2介质12或者第3介质13蚀刻率慢的规定材料构成的介质，在该情况下，可以在第4介质14的上面(第2平面P2)结束蚀刻。从这样的观点看，第4介质14最好是例如Al₂O₃、MgO、Nd₂O₃以及氟系列化合物(AlF₃、MgF、CaF、NdF₃等)之一。此外，第2介质12或者第3介质13最好是TiO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅、SiN、SiO₂、SiO、ZrO₂、Sb₂O₃之一。

这里，也可以替代上述的蚀刻通过镂空等交互形成第2介质12以及第3介质13。

无论是蚀刻以及镂空的哪一种情况，都是光栅高度H越低越容易形成沟槽。在第1实施形态中，由于可以独立地分别设定各介质的折射率n₁～n₄，故可以加大第2介质12的折射率n₂和第3介质13的折射率n₃之差(n₂-n₃)，因而，可以降低光栅高度H。从这样的观点看，第2介质12的折射率n₂和第3介质13的折射率n₃之差(n₂-n₃)如果是0.7以上则光栅高度H可以取在3μm以下，制造变得容易而较为合适。此外，由此缘故，第2介质12最好是TiO₂、Ta₂O₅以及Nb₂O₅之一，第3介质13最好是气体。另外，在第2介质。第3介质均为固体时，作为第3介质使用MgF₂(折射率1.35)这样的低折射率材料、作为第2介质使用半导体，例如Si(折射率3.5)这样的高折射率材料则更好。

在第2制造方法中，在第4介质14的面上形成可以由通过照射能量射线(例如X射线或粒子射线等)改变折射率的规定材料构成的层，通过用规定的空间强度调制图案对该层照射能量射线，可以在该层上形成交互地设置了折射率相互不同的第2介质12以及第3介质13的衍射光栅，并在其上设置第1介质11。或者，也可以在由规定材料构成的层上设置第1介质11，此后，通过用规定的空间强度调制图案对该层照射能量射线，在其层上形成交互地设置了折射率相互不同的第2介质12以及第3介质13的衍射光栅。

作为可以通过照射能量射线改变折射率的规定材料最好使用钻石这样的碳(DLC：Diamond-Like Carbon)。此时，作为为使该钻石这样的碳的折射率变化照射的能量射线，可以使用同步加速器辐射光(SR光：Synchrotron Radiation)或氢离子束，能量射线照射过的钻石这样的碳的区域的折射率将变大。即，能量射线没有照射的区域为第3介质13(折射率n₃)，能量射线照射过的区域为第2介质12(折射率n₂)。

与第1制造方法比较可知，该第2制造方法以衍射光栅元件10的制造简单而较好。此外，在第1制造方法中，将通过蚀刻形成的沟槽的断面形状做成完全的长方形较为困难，但与之相反，在第2制造方法中，第2介质12以及第3介质13各自的各个区域的断面形状可以得到更完全的长方形，因而更为合适。

下面，对涉及第1实施形态的衍射光栅元件10的变形例进行说明。图5是变形例1的衍射光栅元件10A的说明图。该图所示的变形例1的衍射光栅元件10A相对于上述的衍射光栅元件10的构成，在第1介质11(折射率n₁)的外侧(图中为上侧)形成降反射膜11a，进而在降反射膜11a的外侧存在有介质11b(折射率n₀)，此外，在第4介质14(折射率n₄)的外侧(图中为下侧)形成降反射膜14a，进而在降反射膜14a的外侧存在有介质14b(折射率n₅)。例如，外侧的介质11b以及介质14b是空气，或者是用于调整衍射光栅元件10A整体的线膨胀系数以降低光学特性的温度依存性的光学玻璃。

在该变形例1的衍射光栅元件10A中，如充分衰减在衍射光栅中产生的エバネセント波那样，第1介质11以及第4介质14各自的厚度(有关垂直于第1平面P1的方向的厚度)最好较波长λ相比足够地厚。例如，如果波长λ是1.55μm，则第1介质11以及第4介质14各自的厚度最好为5μm以上。此外，可以通过在第1介质11与外侧的介质11b之间设置降反射膜11a，或者在第4介质14与外侧的介质14b之间设置降反射膜14a，减低在这些界面的反射，抑制衍射特性的低下。

这里，在第1介质11以及第4介质14由各向异性材料构成时，由于产生偏波模式分散或者偏波状态发生变化，故会对光通信产生影响。但是，通过对第1介质11以及第4介质14采用各向同性材料的介质，可以抑制这些影响，此外，也可以使用于降低降反射膜11a或降反射膜14a处的反射的设计变得容易。

图6是变形例2的衍射光栅元件10B的说明图。图6中，分别例示出了入射光Li、来自第4介质14和介质14b的边界的反射光Lr、衍射光Ld各自的轨迹。该图中所示的变形例2的衍射光栅元件10B相对于上述的衍射光栅元件10的构成，其第1介质11(折射率n₁)的外侧(图中为上侧)存在介质11b(折射率n₀)，此外，其第4介质14(折射率n₄)的外侧(图中为下侧)存在介质14b(折射率n₅)。例如，外侧的介质11b以及介质14b是空气，或者是用于调整衍射光栅元件10A整体的线膨胀系数以降低光学特性的温度依存性的光学玻璃。特别地，在该变形例2的衍射光栅元件10B中，第1介质11以及第4介质14各自具有足够的厚度，以变不使在衍射光栅部的反射光·透过光·衍射光再次入射到衍射光栅部。由此，可以抑制衍射效率的降低。

(第2实施形态)

下面，对涉及本发明的衍射光栅元件的第2实施形态进行说明。图7是涉及第2实施形态的衍射光栅元件20的说明图。该图所示是在垂直于光栅的面进行了切断时的衍射光栅元件20的断面。该图所示的衍射光栅元件20由第1介质21、第2介质22、第3介质23、第4介质24、第5介质25以及第6介质26构成。

在该衍射光栅元件20中，假定相互平行并顺序地排列了第1平面P1、第2平面P2、第3平面P3以及第4平面P4。此时，在第1平面P1的外侧(图中为上侧)相接第1平面P1设置了第1介质21。在第2平面P2和第3平面P3之间相接于第2平面P2以及第3平面P3在平行于第1平面的规定方向交互设置第2介质22以及第3介质23形成了衍射光栅。在第4平面P4的外侧(图中为下侧)相接第4平面P4设置了第4介质24。在第1平面P1和第2平面P2之间相接于第1平面P1以及第2平面P2设置了第5介质25。在第3平面P3和第4平面P4之间相接于第3平面P3以及第4平面P4设置了第6介质26。

在该衍射光栅元件20中，在第5介质25和第6介质26之间，交互设置第2介质22和第3介质23形成了衍射光栅。从第1介质21入射到衍射光栅的光经由第5介质25被衍射光栅部衍射，经由第6介质26出射到第4介质24。或者，从第4介质24入射到衍射光栅的光经由第6介质26被衍射光栅部衍射，经由第5介质25出射到第1介质21。

第2介质22的各区域以及第3介质23的各区域其断面均为长方形。在通过在规定方向交互设置第1介质22以及第3介质23形成了衍射光栅的衍射光栅部，取其衍射光栅的周期为Λ，其周期Λ处的第2介质22所占的比例(占空比)为f。取第1平面P1和第2平面P2之间的距离(即第5介质25的厚度)为h₅。取第2平面P2和第3平面P3之间的距离(即光栅的高度)为H。取第3平面P3和第4平面P4之间的距离(即第5介质26的厚度)为h₆。取第1介质21的折射率为n₁、第2介质22的折射率为n₂、第3介质23的折射率为n₃(但n₃<n₂、第4介质24的折射率为n₄、第5介质25的折射率为n₅、第6介质26的折射率为n₆。

此时，可以用上述(1)式表示第2平面P2和第3平面P3之间的衍射光栅部的平均折射率n_av。此外，在第2介质22的折射率n₂以及第3介质23的折射率n₃之间，该平均折射率n_av满足上述关系式(2)。

第5介质25以及第6介质26可以各为用于降低反射的多层膜，也可以各为单层膜。在为单层膜时，第5介质25的折射率n₅满足

n₁<n₅<n_av或者n_av<n₅<n₁       (5)

这样的关系式，第6介质26的折射率n₆满足

n₄<n₆<n_av或者n_av<n₆<n₄       (6)

这样的关系式。通过这样地进行设定，涉及本实施形态的衍射光栅元件20可以降低在各界面的反射，抑制衍射特性的低下。

进而，第5介质25的折射率n₅最好满足

$\sqrt{n_1{n}_{\mathrm{av}}}-0.2<n_5<\sqrt{n_1{n}_{\mathrm{av}}}+0.2---\left(7\right)$

这样的关系式。此外，第6介质26的折射率n₆最好满足

$\sqrt{n_4{n}_{\mathrm{av}}}-0.2<n_6<\sqrt{n_4{n}_{\mathrm{av}}}+0.2---\left(8\right)$

这样的关系式。

另外，为了在宽波长区域降低界面处的反射，第5介质25的高度h₅以及第6介质26的高度h₆最好分别是波长级以下，例如，最好是5μm以下。

特别地，如果设第5介质25中的波长λ的光的角度为θ₅，则第5介质25的厚度h₅最好满足

$\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{{4n}_5\cos {\mathrm{\&theta;}}_5}<h_5<\frac{3}{2}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{{4n}_5\cos {\mathrm{\&theta;}}_5}---\left(9\right)$

这样的关系式。此外，如果设第6介质26中的波长λ的光的角度为θ₆，则第6介质26的厚度h₆最好满足

$\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{{4n}_6\cos {\mathrm{\&theta;}}_6}<h_6<\frac{3}{2}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{{4n}_6\cos {\mathrm{\&theta;}}_6}---\left(10\right)$

这样的关系式。

另外，如果光是以布喇格角入射，则在上述(9)式可以用

$\frac{\mathrm{\&lambda;\&Lambda;}}{4\sqrt{{4n}_5^2{\mathrm{\&Lambda;}}^2-{\mathrm{\&lambda;}}_2}}<h_5<\frac{3\mathrm{\&lambda;\&Lambda;}}{4\sqrt{{4n}_5^2{\mathrm{\&Lambda;}}^2-{\mathrm{\&lambda;}}_2}}---\left(11\right)$

这样的关系式表示，上述(10)式可以用

$\frac{\mathrm{\&lambda;\&Lambda;}}{4\sqrt{{4n}_6^2{\mathrm{\&Lambda;}}^2-{\mathrm{\&lambda;}}_2}}<h_6<\frac{3\mathrm{\&lambda;\&Lambda;}}{4\sqrt{{4n}_6^2{\mathrm{\&Lambda;}}^2-{\mathrm{\&lambda;}}_2}}---\left(12\right)$

这样的关系式表示。这里，虽然上述(11)式以及(12)式分别是在假定了布喇格入射角时导出的公式，但在不是布喇格入射角时也相当地近似。

根据上述(5)式～(12)式之一确定各介质的折射率n₁～n₆以及厚度h₅、h₆，然后，利用RCWA法进行衍射光栅元件20的衍射特性的解析。进而，通过利用最佳化手法最佳化占空比f、光栅周期Λ以及光栅高度H，可以设计衍射特性优异的衍射光栅元件20。

这里，以上分别是以第5介质25以及第6介质26是均匀的单层膜进行说明的，但第5介质25以及第6介质26也可以是用于降低反射的多层膜。对后者的情况，可以抑制TE偏波光以及TM偏波光各自的反射提高衍射效率，通过利用多层膜的偏波依存性降低衍射效率的偏波依存性，此外，对高次衍射光或エバネセント波也可以期待降低反射效果。

下面，对涉及第2实施形态的衍射光栅元件20的实施例进行说明。实施例2的衍射光栅元件20其第1介质21是空气(n₁＝1)，第2介质22是DLC的SR光照射部(n₂＝2.15)，第3介质23是DLC的SR光非照射部(n₃＝1.55)，第4介质24是石英玻璃(n₄＝1.45)，第5介质25是石英玻璃(n₅＝1.45)，第6介质26是MgO(n₆＝1.70)。其占空比f是0.74，光栅周期Λ是1.01μm，光栅高度H是3.35μm，第5介质25的厚度h₅是0.30μm，第6介质26的厚度h₆是0.23μm。

图8所示是实施例2的衍射光栅元件20的衍射特性曲线。在该图中，分别对TE偏波光以及TM偏波光给出光的入射角θ为波长1.55μm的布喇格入射角时的衍射效率的波长依存性。在波长区域1.52μm～1.57μm，可设计各个参数使衍射效率的偏波依存性以及波长依存性尽可能地小，衍射效率尽可能地大。如由该图可判定的那样，在实施例2的情况，在宽波长区域，TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率也是高达95％以上，TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率之差也是2％以下。这样，涉及本实施形态的衍射光栅元件20可以在宽波长区域实现衍射效率的提高以及衍射效率的偏波依存性的降低。

下面，对制造涉及第2实施形态的衍射光栅元件20的方法进行说明。与第1实施形态的情况近似相同，涉及第2实施形态的衍射光栅元件20可以通过使用蚀刻法或镂空法的第1制造方法或使用可以通过照射能量射线改变折射率的规定材料的第2制造方法进行制造。但在第2实施形态中，第6介质26最好是由蚀刻率较第2介质22以及第3介质23慢的规定材料构成的介质，最好是Al₂O₃、MgO、Nd₂O₃以及氟系列化合物(AlF₃、MgF、CaF、NdF₃等)之一。

下面，对涉及第2实施形态的衍射光栅元件20的变形例进行说明。在衍射光栅元件20的变形例中，第5介质25以及第6介质26两者或者其中之一由在规定方向交互设置了的多种介质构成。

图9是变形例的衍射光栅元件20A的说明图。该图所示的变形例的衍射光栅元件20A相对于上述的衍射光栅元件20的构成，是由在规定方向交互设置了第5介质25以及第6介质26两者的多种介质构成的光栅。这里，规定方向与交互设置了第2介质22以及第3介质23的方向相同。

第5介质25按Λ₅交互设置了介质25a(折射率n_5a)和介质25b(折射率n_5b)。第6介质26按Λ₆交互设置了介质26a(折射率n_6a)和介质26b(折射率n_6b)。取第5介质25的周期Λ₅的介质25a所占的比例(占空比)为f5，第6介质26的周期Λ₆的介质26a所占的比例(占空比)为f6。这里，第5介质25的周期Λ₅以及第6介质26的周期Λ₆最好分别等于由第2介质22以及第3介质23构成的衍射光栅部的周期Λ，或者最好是周期Λ的整数分之一。此外，第5介质25的周期Λ₅以及第6介质26的周期Λ₆与入射光的波长λ相比各自最好足够地小，例如，最好是波长λ的五分之一以下。

此时，第5介质25的平均折射率n₅可以用

$n_5=\sqrt{f_5{n}_{5a}^2+(1-f_5){n^2}_{5b}}---\left(13\right)$

这样的关系式表示，第6介质26的平均折射率n₆可以用

$n_6=\sqrt{f_6{n}_{6a}^2+(1-f_6){n^2}_{6b}}---\left(14\right)$

这样的关系式表示。通过使用由上述(13)式、(14)式表示的平均折射率n₅、n₆，可以得到与已经叙述过的衍射光栅元件20(图7)同样的讨论。

下面，对该变形例的衍射光栅元件20的实施例进行说明。图10是实施例3的衍射光栅元件20的说明图。在该实施例3的衍射光栅元件20B中，第5介质25由在规定方向交互设置的2种介质25a、25b构成，第6介质26则是均匀的。实施例3的衍射光栅元件20B，其第1介质21是空气(n₁＝1)，第2介质22是Ta₂O₅(n₂＝2.0)，第3介质23是空气(n₃＝1)，第4介质24是石英玻璃(n₄＝1.45)，第5介质25中的介质25a是石英玻璃(n_5a＝1.45)而介质25b是空气(n_5b＝1)，第6介质26是Al₂O₃(n₆＝1.60)。其占空比f₅是0.66，光栅周期Λ是1.01μm，光栅高度H是1.49μm，第5介质25的厚度h₅是0.36μm，第6介质26的厚度h₆是0.34μm。

图11所示是实施例3的衍射光栅元件20B的衍射特性曲线。在该图中，分别对TE偏波光以及TM偏波光给出光的入射角θ(参照图10)为波长1.55μm的布喇格入射角时的衍射效率的波长依存性。在波长区域1.52μm～1.57μm，可设计各个参数使衍射效率的偏波依存性以及波长依存性尽可能地小，衍射效率尽可能地大。如由该图可判定的那样，在实施例3的情况，在宽波长区域，TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率也高达95％以上，TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率之差也是2％以下。这样，涉及本实施形态的衍射光栅元件20可以在宽波长区域实现衍射效率的提高以及衍射效率的偏波依存性的降低。

此外，在实施例3中，因为是同时蚀刻第2介质22以及第5介质25，故容易进行制造。此时，作为第6介质26，通过使用蚀刻率较第2介质22以及第5介质25慢的规定材料，可以在制造上使之更为合适。另外，也可以同时蚀刻第2介质22、第5介质25以及第6介质26，此时，第4介质24最好是蚀刻率慢的材料。

(第3实施形态)

下面，对涉及本发明的衍射光栅元件的第3实施形态进行说明。图12是涉及第3实施形态的衍射光栅元件30的说明图。该图所示是在垂直于光栅的面进行了切断时的衍射光栅元件30的断面。该图所示的衍射光栅元件30由第1介质31、第2介质32、第3介质33、第4介质34以及第5介质35构成。

在该衍射光栅元件30中，假定相互平行并顺序地排列了第1平面P1、第2平面P2以及第3平面P3。此时，在第1平面P1的外侧(图中为上侧)相接第1平面P1设置了第1介质31。在第2平面P2和第3平面P3之间相接于第2平面P2以及第3平面P3在平行于第1平面的规定方向交互设置第2介质32以及第3介质33形成了衍射光栅。在第3平面P3的外侧(图中为下侧)相接第3平面P4设置了第4介质34。在第1平面P1和第2平面P2之间相接于第1平面P1以及第2平面P2设置了第5介质25。

在该衍射光栅元件30中，在第4介质34和第5介质35之间，交互设置第2介质32和第3介质33形成了衍射光栅。从第1介质31入射到衍射光栅的光经由第5介质35被衍射光栅部衍射，出射到第4介质34。或者，从第4介质34入射到衍射光栅的光被衍射光栅部衍射，经由第5介质35出射到第1介质31。

第2介质32的各区域以及第3介质33的各区域断面均为长方形。在通过在规定方向交互设置第1介质32以及第3介质33形成了衍射光栅的衍射光栅部，取其衍射光栅的周期为Λ，其周期Λ处的第2介质32所占的比例(占空比)为f。取第1平面P1和第2平面P2之间的距离(即第5介质35的厚度)为h₅。取第2平面P2和第3平面P3之间的距离(即光栅的高度)为H。取第1介质31的折射率为n₁、第2介质32的折射率为n₂、第3介质33的折射率为n₃(但n₃<n₂、第4介质34的折射率为n₄、第5介质35的折射率为n₅。

此时，可以用上述(1)式表示第2平面P2和第3平面P3之间的衍射光栅部的平均折射率n_av。此外，在第2介质32的折射率n₂以及第3介质33的折射率n₃之间，该平均折射率n_av满足上述关系式(2)。

第5介质35与第2实施形态的情况同样，既可以是用于降低反射的多层膜，也可以各是单层的膜。在为单层膜时，第5介质35的折射率n5满足上述(5)式的关系式。通过这样地进行设定，涉及本实施形态的衍射光栅元件30可以降低在该界面的反射，抑制衍射特性的低下。进而，第5介质35的折射率n₅最好满足上述(7)式的关系式。

另外，为了在宽波长区域降低界面处的反射，第5介质35的高度h₅最好是波长级以下，例如，最好是5μm以下。特别地，如果设第5介质35中的波长λ的光的角度为θ₅，则第5介质35的厚度h₅最好满足上述的(9)式。另外，如果设光是以布喇格角入射，则上述的(9)式可以用上述的(11)式表示。这里，虽然上述的(11)式是在假定了布喇格入射角时导出的关系式，但在不是布喇格入射角时也相当地近似。

另一方面，与第1实施形态的情况同样地，关于第4介质34的折射率n₄，最好满足上述(3)式或者(4)式。通过这样地进行设定，涉及本实施形态的衍射光栅元件30可以降低在该界面的反射，抑制衍射特性的低下。

按照上述各式确定各介质的折射率n₁～n₃以及厚度h₅，然后，利用RCWA法进行衍射光栅元件30的衍射特性的解析。进而，通过利用最佳化手法最佳化占空比f、光栅周期Λ以及光栅高度H，可以设计衍射特性优异的衍射光栅元件30。

这里，以上是以第5介质35为均匀的单层膜进行的说明，但第5介质35也可以是用于降低反射的多层膜。对后者的情况，可以抑制TE偏波光以及TM偏波光各自的反射并提高衍射效率，通过利用多层膜的偏波依存性降低衍射效率的偏波依存性，此外，对高次衍射光或エバネセント波也可以期待降低反射效果。

此外，与第2实施形态的变形例同样地，在本实施形态中，第5介质35也可以是由在规定方向交互设置了的多种的介质构成的。此时，第5介质35的平均折射率n₅可以用上述(13)式表示。通过使用由上述(13)式表示的平均折射率n₅，可以得到与已经叙述过的衍射光栅元件30同样的讨论。

下面，对制造涉及第3实施形态的衍射光栅元件30的方法进行说明。与第1实施形态的情况同样地，涉及第3实施形态的衍射光栅元件30可以通过使用蚀刻法或镂空法的第1制造方法或使用可以通过照射能量射线改变折射率的规定材料的第2制造方法进行制造。第4介质34最好是蚀刻率较由第2介质32以及第3介质33慢的规定材料构成的介质，最好是Al₂O₃、MgO、Nd₂O₃以及氟系化合物(AlF₃、MgF、CaF、NdF₃等)之一。

下面，对第3实施形态的衍射光栅元件30的实施例进行说明。图13是实施例4的衍射光栅元件30A的说明图。在该实施例4的衍射光栅元件30A中，第5介质35由在规定方向交互设置的2种介质35a、35b构成。实施例4的衍射光栅元件30A，其第1介质31是空气(n₁＝1)，第2介质32是Ta₂O₅(n₂＝1.98)，第3介质33是空气(n₃＝1)，第4介质34是石英玻璃(n₄＝1.45)，第5介质35中的介质35a是石英玻璃(n_5a＝1.45)而介质35b是空气(n_5b＝1)。其占空比f以及f₅是0.60，光栅周期Λ是1.01μm，光栅高度H是1.45μm，第5介质35的厚度h₅是0.33μm。

图14所示是实施例4的衍射光栅元件30A的衍射特性曲线。在该图中，分别对TE偏波光以及TM偏波光给出光的入射角θ(参照图13)为波长1.55μm的布喇格入射角时的衍射效率的波长依存性。在波长区域1.52μm～1.57μm，可设计各个参数使衍射效率的偏波依存性以及波长依存性尽可能地小，衍射效率尽可能地大。如由该图可判定的那样，在实施例4的情况，在宽波长区域，TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率也高达95％以上，TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率之差也是2％以下。这样，涉及本实施形态的衍射光栅元件30可以在宽波长区域实现衍射效率的提高以及衍射效率的偏波依存性的降低。此外，在实施例4中，由于可以同时蚀刻第2介质32以及第5介质35，故可以容易地进行制造。

(第4实施形态)

下面，对涉及本发明的衍射光栅元件的第4实施形态进行说明。图15是涉及第4实施形态的衍射光栅元件40的说明图。该图所示是在垂直于光栅的面进行了切断时的衍射光栅元件40的断面。该图所示的衍射光栅元件40由基板41、第1反射抑制部42、衍射光栅部43以及第2反射抑制部44构成。

在该衍射光栅元件40中，基板41上设置有第1反射抑制部42，在第1反射抑制部42上设置有衍射光栅部43，在衍射光栅部43上设置了第2反射抑制部44。第2反射抑制部44相接于第1介质45。在衍射光栅部43中，通过实质地在与基板41平行的规定方向交互设置第2介质43a和第3介质43b形成了衍射光栅。在第2反射抑制部44中，在第2介质43a上设置了介质44a，在第3介质43b上设置了介质44b。该衍射光栅元件40设计的是可以使反射率达到10％以下。

在该衍射光栅元件40中，自第1介质45入射到衍射光栅的光经由第2反射抑制部44被衍射光栅部43衍射，再经由第1反射抑制部42出射到基板41。或者，自基板41经由第1反射抑制部42入射到衍射光栅的光在衍射光栅部43被反射，经由第2反射抑制部44出射到第1介质45。

这里，衍射光栅部43如下这样定义。即，设交互设置了第2介质43a以及第3介质43b的方向为x方向，顺序地并列第1反射抑制部42、衍射光栅部43以及第2反射抑制部44的方向为z方向，衍射光栅的周期为Λ，周期Λ的第2介质43a所占的比例(占空比)为f，z方向的第1反射抑制部42的长度(即、第1反射抑制部42的高度)为h_ar1，z方向的第2反射抑制部44的长度(即、第2反射抑制部42的高度)为h_ar2，z方向的衍射光栅部43的长度(即、光栅的高度)为H。

进而，在取平均折射率n_av为

$n_{\mathrm{av}}\left(z\right)=\sqrt{\frac{{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&Lambda;}}{n}^2(x,z)\mathrm{dx}}{\mathrm{\&Lambda;}}}---\left(15\right)$

，折射率调制Δn(z)为

$\mathrm{\&Delta;n}\left(z\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{\&Lambda;}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&Lambda;}}{\{n^2(x,z)-n_{\mathrm{av}}^2\left(z\right)\}}^2\mathrm{dx}}{{\left\{{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&Lambda;}}n(x,z)\mathrm{dx}\right\}}^2}}---\left(16\right)$

，自z方向的位置z1到位置z2的衍射能力P(z1，z2)为

$P(z1,z2)={\&Integral;}_{z1}^{z2}\mathrm{\&Delta;n}\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(17\right)$

时，衍射光栅部43其衍射能力被定义为大于第1反射抑制部42、衍射光栅部43、以及第2反射抑制部44的整体的衍射能力的50％的衍射能力。此外，由于在反射抑制部的由衍射造成的特性恶化变小，故衍射光栅部43的折射率调制最好大于第1反射抑制部42以及上述第2反射抑制部44的折射率调制。进而，由于可以容易地加大衍射光栅部的折射率调制，故衍射光栅部43的最大折射率最好大于基板41以及第1介质45的折射率。另外，如果衍射光栅部43的衍射光栅的周期Λ是光的波长以下，则由于不但降低反射，而且也不产生高次的衍射，故最好为1.675μm以下。

在衍射光栅元件40中，作为基板41采用石英玻璃(折射率：1.444)、衍射光栅部43的第2介质43a取Ta₂O₅(折射率：2.107)、第2反射抑制部44的介质44a取SiO₂、第1介质45、第3介质43b以及介质44取空气(折射率：1)的情况，可以利用RCWA法设计衍射光栅部43的f、H，通过利用下面将要叙述的等价模型的解析法设计反射抑制部的h_ar1、h_ar2。

所谓的利用等价模型的解析法是指假定第1反射抑制部42、衍射光栅部43、第2反射抑制部44分别具有为它们所包含的介质的平均折射率的单层膜，伴随在衍射光栅部43的衍射的光的相位变化是90度，并将衍射光栅元件40置换成多层膜来解析1次透过的衍射效率以及0次反射的衍射效率的方法。该多层膜的透过率、反射率分别相当于衍射光栅元件40的1次透过的衍射效率以及0次反射的衍射效率。因而，通过使用该等价模型，可以适用由光学滤波器代表的多层膜的设计理论，容易地进行衍射光栅元件40的0次反射衍射效率的抑制设计。最终使用高解析精度的RCWA法，可以较好地在衍射光栅元件40整体进行f、H、h_ar1、h_ar2的设计的微调整。

图16所示是涉及第4实施形态的衍射光栅元件的0次反射衍射效率和等价模型的0次反射衍射效率的特性曲线。该曲线所示是在周期Λ＝1.0μm、f＝0.579、H＝1.164μm、h_ar2＝0.252μm、h_ar1＝-0.2μm、光的波长区域为1550nm带(C波段)、光的入射角θ＝50.58度的条件下，实际制造的衍射光栅元件40和上述等价模型两者的0次反射衍射效率的特性。这里，虽然h_ar1是负值，但其绝对值表示第1反射抑制部的厚度，符号如后述的那样，表示反射抑制部的构造。图16中，虚线表示的特性是实际制造的衍射光栅元件40的特性，实线表示的特性是根据使用了上述等价模型的解析结果的特性。如由该曲线可知的那样，尽管中心波长存在微小的差别，但通过使用了该等价模型的设计方法，可以准确地得到本实施形态的衍射光栅元件40的特性。

衍射光栅元件40可以通过使用采用了上述等价模型的设计方法，进行f、H、h_ar1、h_ar2的最佳化来进行设计。该设计中，在光的波长区域为1550nm带(C波段)、光的入射角θ＝50.58度的条件下，在h_ar1为-0.5μm～0.3μm的范围(0.1μm间隔)进行了最佳化。

这里，h_ar1是正的情况表示第1反射抑制部42是由与衍射光栅部43的介质43a相同的介质构成的。而h_ar1是负的情况则表示第1反射抑制部42是由与基板41的介质相同的介质构成的。图17是实施例5的衍射光栅元件40A的说明图，图18是实施例6的衍射光栅元件40B的说明图。图17以及图18都给出了在垂直光栅的面进行了切断时的衍射光栅元件的断面。

衍射光栅元件40A是h_ar1为正时的第4实施形态的衍射光栅元件40的例子。衍射光栅元件40B是h_ar1为负时的第4实施形态的衍射光栅元件40的例子。衍射光栅元件40A是在例如蚀刻在基板41上的一面设置了的第2介质43a，并在该蚀刻到达基板41之前使之停止的情况下制造的。因而，与第2介质43a相同的介质构成了第1反射抑制部42。

另一方面，衍射光栅元件40B是h_ar1为负时的第4实施形态的衍射光栅元件40的例子。衍射光栅元件40B是在例如蚀刻在基板41上的一面设置了的第2介质43a，并在进行该蚀刻直到削除了基板41之一部分的情况下制造的。因而，衍射光栅元件40B由交互设置的介质42a和介质42b构成，介质42a是与基板41相同的介质，而介质42b则为空气。

上述最佳化的结果示于表1以及图19～图21。

表1

 

	h<sub>ar1</sub>(μm)	f	H(μm)	h<sub>ar2</sub>(μm)	宽高比	最小衍射效率(％)	最大衍射效率(％
								1	-0.500	0.580	1.119	0.241	4.43	95.4	96.6
2	-0.400	0.587	1.115	0.267	4.31	96.7	97.7
								3	-0.300	0.581	1.141	0.256	4.05	97.6	98.6
4	-0.200	0.579	1.164	0.252	3.84	98.0	99.2
								5	-0.100	0.649	1.293	0.423	5.17	96.7	97.4
6	0.000	0.656	1.308	0.408	4.99	96.5	97.2
								7	0.100	0.576	1.213	0.412	3.84	93.1	93.7
8	0.200	0.644	1.256	0.288	4.34	90.3	91.5
								9	0.300	0.590	1.238	0.316	3.79	94.9	95.6

图19所示是涉及第4实施形态的衍射光栅元件的衍射效率曲线。图19是分别描绘了表1所示的最小衍射效率以及最大衍射效率率的图。这里，所谓的最大衍射效率、最小衍射效率给出的是包含TE偏波光以及TM偏波光在C波段带最大的衍射效率和最小的衍射效率。由表1以及图19可知，衍射光栅元件40具有90％以上的衍射效率且偏波依存性小。这里，在第1～第3实施形态中，通过在由第2介质以及第3介质构成的衍射光栅部的上下设置AR层，即吸收衍射光栅部外侧的介质和衍射光栅部的折射率之差的层，可以抑制反射返回光。与此相对应，衍射光栅元件40的反射抑制部具有与第1～第3实施形态的AR层不同的条件的平均折射率。但是，通过利用第1反射抑制部42、衍射光栅部43、第2反射抑制部44的多层膜构成基板41和第1介质45间的AR层，可以抑制作为衍射光栅元件40整体的反射。

图20所示是涉及第4实施形态的衍射光栅元件的宽高比曲线。由图20可知，由于在h_ar1为-0.2μm或者0.1μm时宽高比特别的小，故容易进行衍射光栅部43的制造。

图21所示是涉及第4实施形态的衍射光栅元件的沟槽深度容差曲线。这里，所谓沟槽深度容差表示的是在容许衍射效率的变化为1％时的h_ar1的变化允许值，即沟槽深度误差。由图21可知，在h_ar1约为-0.2μm时，沟槽深度误差的允许值变大，容易进行衍射光栅元件40的制造。

(变形例)

本发明并非仅限于上述实施形态，可以进行种种的变形。例如，虽然形成衍射光栅部的第2介质以及第3介质的各区域的断面形状在上述的各实施形态中采用了长方形，但并非一定要采用长方形，例如，也可以是梯形。占空比f、f5以及f6在上述的各实施形态中均为相等，但也可以相互不同，通过采用后者这样的做法，可以进一步提高衍射特性。此外，在各实施形态的衍射光栅元件中，光既可以从第1介质侧入射，也可以从第4介质侧入射。

另外，在上述实施形态中，通过相互连接且交互设置第2介质和第3介质，形成了衍射光栅部，但也可以在第2介质和第3介质之间设置不同的介质。取所涉及的样态作为涉及第3实施形态的实施例的衍射光栅元件30A的变形样态例进行说明。图22是涉及变形样态的衍射光栅元件的说明图。图22所示是在垂直于光栅的面进行了切断时的衍射光栅元件的断面。图22所示的衍射光栅元件30B具有与衍射光栅元件30A同样的构成，在第2介质32和第3介质33之间设置了介质36。例如，利用SiO₂构成介质35a，为了弥补蚀刻时介质35a的侧面的削除，在蚀刻第2介质32时导入了粘附SiO₂的处理的情况下，可以制造利用SiO₂构成介质36的衍射光栅元件30B。

各实施例是在波长区域1.5μm～1.6μm进行了设计的情况，但本发明并非仅限定于此。由于在衍射光栅的设计中相似法则成立，故在如将中心波长从1.55μm变更到1.3μm时，也可以使具有长度单位的设计参数(周期或厚度)全部变为1.3/1.55倍。采用这样的做法，可以容易地设计在以光通信中使用的波长区域1.26μm～1.675μm内的某一个波长为中心波长的衍射光栅。

如以上详细地说明过的那样，根据本发明，可以在宽波长区域实现衍射效率的提高以及衍射效率的偏波依存性的降低。

Claims (11)

1.一种衍射光栅元件，其特征在于具有：

基板；

设置在上述基板上的第1反射抑制部；

设置在上述第1反射抑制部上的衍射光栅部；和

设置在上述衍射光栅部上的第2反射抑制部，

上述第2反射抑制部与第1介质相接，

在上述衍射光栅部上通过在平行于上述基板的预定方向上交互设置第2介质和第3介质而设置有衍射光栅，

在1.26μm～1.675μm的波长区域存在反射率达到10％以下的波长，

当顺序地排列上述基板、上述第1反射抑制部、上述衍射光栅部以及上述第2反射抑制部的方向为z方向，上述预定方向为x方向，折射率分布为n(x，z)，上述衍射光栅的周期为Λ，平均折射率n_av(z)为

$n_{\mathrm{av}}\left(z\right)=\sqrt{\frac{{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&Lambda;}}{n}^2(x,z)\mathrm{dx}}{\mathrm{\&Lambda;}}}$

，折射率调制Δn(z)为

$\mathrm{\&Delta;n}\left(z\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{\&Lambda;}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&Lambda;}}{\{n^2(x,z)-n_{\mathrm{av}}^2\left(z\right)\}}^2\mathrm{dx}}{{\left\{{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&Lambda;}}n(x,z)\mathrm{dx}\right\}}^2}}$

，自z方向的位置z1到位置z2的衍射能力P(z1，z2)为

$P(z1,z2)={\&Integral;}_{z1}^{z2}\mathrm{\&Delta;n}\left(z\right)\mathrm{dz}$

时，

上述衍射光栅部的衍射能力大于上述衍射光栅部、上述第1反射抑制部以及上述第2反射抑制部的整体的衍射能力的50％。

2.根据权利要求1所述的衍射光栅元件，其特征在于：

上述衍射光栅部的折射率调制大于上述第1反射抑制部以及上述第2反射抑制部的折射率调制。

3.根据权利要求1所述的衍射光栅元件，其特征在于：

上述衍射光栅部的最大折射率大于上述基板以及上述第1介质的折射率。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的衍射光栅元件，其特征在于：

上述衍射光栅的周期为1.675μm以下。

5.根据权利要求1所述的衍射光栅元件，其特征在于：

存在TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率达到90％以上的光波长。

6.根据权利要求1所述的衍射光栅元件，其特征在于：

存在TE偏波光以及TM偏波光各自的衍射效率之差为5％以下的光波长。

7.根据权利要求1所述的衍射光栅元件，其特征在于：

上述第2介质的折射率n₂与上述第3介质的折射率n₃之差为0.7以上。

8.根据权利要求7所述的衍射光栅元件，其特征在于：

上述第2介质是TiO₂、Ta₂O₅以及Nb₂O₅之一，上述第3介质是气体。

9.根据权利要求1所述的衍射光栅元件，其特征在于：

上述第2介质或上述第3介质由可以通过照射能量射线改变折射率的预定材料构成。

10.根据权利要求9所述的衍射光栅元件，其特征在于：

上述预定材料为钻石类的碳。

11.根据权利要求1所述的衍射光栅元件，其特征在于：

上述第2介质与上述第3介质相接。

Images