JP2001108812A - 光学素子 - Google Patents
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Abstract
積化が可能な、回折効率の高い光学素子を得る。 【解決手段】基板6の表面に2値構造を有し、この2値
構造の分布状態を変化させて、実効的な屈折率を前記表
面内の位置によって変化させ、入射光の波面を変化させ
る光学素子であって、前記2値構造は、1組の前記2値
構造の前記表面の一方向の寸法が前記入射光の波長以下
の微細構造である。
Description
計に係り、例えば、LSIのチップ間、チップを複数搭
載したボード間、あるいはボードを装着した架間や装置
間における光接続や光通信など、光信号を用いるあらゆ
る分野にわたる微小光学素子に関する。
図である。
レンズ71などの屈折型光学素子では、厚さが厚くなり
すぎる等の理由から、使用する光の波長の整数倍の光路
差に相当する厚さ分を取り除き、図7(b)に示すよう
な最大の厚みが光路差一波長分に相当する位相フレネル
レンズ72を用いるのが理想的である。
の距離をrとすると次式で表される。
の整数で、中心から何番目の帯であるかを示す。フレネ
ルレンズは、内側の低周波数領域では屈折、外側の高周
波数領域では回折の効果が大きく寄与して波面を変換す
る集光素子である。設計通りの形状が再現できれば、ほ
ぼ100%に近い効率が得られるが、図7(b)のフレ
ネルレンズ72のような連続的な曲面や、傾斜の異なる
斜面などを忠実に再現するのは困難で、素子の小型化、
微細化が進むなか、焦点距離やレンズ径などの異なる素
子の集積化を考えると、実用的にはほぼ不可能である。
フレネルゾーンプレート(FZP)73は、回折効果の
みで波面変換を行う素子で、(b)のフレネルレンズ7
2を0、πの2値の位相で近似したものと考えることが
できる。この素子では、(c)に示すごとく、深さが一
定の溝を形成すればよいので、微細化、集積化した場合
にも、従来の半導体の大規模集積回路(LSI)におけ
るプロセス技術、リソグラフィ技術を使えば比較的容易
に製作できる。しかし、特に中心部で回折効果が少ない
ため、設計通りに形成できた場合でも、40.5%と効
率が低い。
て少しでも効率の高い素子を作るため、(b)の理想形
状を階段型形状で近似した図7(d)に示すデジタルブ
レーズド素子74が作られるようになった。
合を図示したものである。実際には、8段階、16段階
などが試作されている。これらの素子は、露光によるレ
ジストパターン形成と、それをマスクとしたエッチング
工程をn回繰り返すことにより、2n段階の近似形状を
形成する。4段階、8段階、16段階と上がるにつれ、
理論上の回折効率は、81%、95%、99%と向上す
るが、その分、必要とするマスク数や工程数も2回、3
回、4回と増えていき、それに伴い、マスク精度や、重
ね合わせの精度も要求され、コストの上昇は避けられな
い。
るための位相差を、厚みを変えることで調整する素子に
ついて述べた。しかし、位相差は、素子の厚みと屈折率
によって決まるため、厚みを一定とし、屈折率を変える
ことで位相差を調整する方法も考えられる。
を変化させることで、光路差を変調しようという屈折率
変化素子75を示し、図7(e)はその厚さを、図7
(f)はその屈折率を示す。
率は100%に達すると考えられる。例えば、素子媒質
の屈折率を変化させるのは選択的に拡散するイオン交換
法等により行われる。この方法では屈折率分布を中心部
から周辺部に向かって一様に変化させ、基板表面に単純
な円形のレンズ素子を形成することは可能である。しか
し、屈折率分布の勾配を場所によって任意に制御するこ
とは困難なため、様々な要求に対応するレンズ素子を集
積化して形成することや、図7(f)に示すような局所
的な屈折率分布を実現することは不可能である。
に従来の位相型光学素子では、連続的に位相が変化する
ものは製作が困難である。また、段階的に位相が多値に
変化するものは、位相のレベル数を減らせば、効率が低
くなり、レベル数を増やせば製作工程数が増え、コスト
が上昇し、製作が困難になるという問題点があった。
もので、その目的は、製作工程数が少なく、製作が比較
的容易で、集積化が可能な、回折効率の高い光学素子を
得ることにある。
に、本発明では、使用する光の波長よりも短い周期を持
つ2値構造により、透過または反射する光の位相を制御
して光学素子を形成する。
面に2値構造を有し、前記2値構造の分布状態を変化さ
せて、前記基板の実効的な屈折率を前記表面内の位置に
よって変化させ、入射光の波面を変化させる光学素子で
あって、前記2値構造は、1組の2値構造の前記表面の
一方向の寸法が前記入射光の波長以下の微細構造である
ことを特徴とする。
能を持たせるための前記実効的な屈折率の値が最大値か
ら最小値まで緩やかに変化する領域が複数同一方向に並
んで存在し、その各領域の中に前記実効的な屈折率の制
御のための前記入射光の波長以下の微細構造の周期的な
繰り返しが組み込まれ、前記微細構造の周期的な繰り返
しの中で前記微細構造のパタン分布に変化があることを
特徴とする。
方向が1次元であることを特徴とする。
しの方向と、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が
平行であることを特徴とする。
しの方向と、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が
垂直であることを特徴とする。
方向が2次元であることを特徴とする。
グにより形成されることを特徴とする。
た薄膜により形成されることを特徴とする。
換や熱拡散などによる屈折率制御を行わず、また中間厚
みも必要としないため、通常のリソグラフィの方法を用
いて比較的容易に、回折効率の高い微細な光学素子を作
製できる。また、集積化も可能である。
の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する
図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その
繰り返しの説明は省略する。
工屈折率制御構造(ARI構造)による光学素子形成の
概念を示す図である。
すると、入射方向からの開き角θの方向に回折光3が出
射される。
の周期pを用いてsinθ=mλ/p …(2)で表さ
れる。mは回折の次数で、m=1の場合の1次回折光が
最も小さい角度方向に伝搬する。
子の周期pが短くなるほど1次回折光の角度θは大きく
なる。
より周期pが短くなると、sinθ>1となり、1次回
折光3が消滅する。1次回折光3がなくなると、この回
折格子1を通過する光は0次光4だけとなる。
分短いとき、この回折格子1は均質な媒質のように振る
舞い、回折格子1を透過した0次光4は、回折格子1を
形成する物質の屈折率よりも小さい(空気の屈折率に近
い)屈折率の媒質を透過したのと同様の位相変調を受け
る。
質の屈折率nmと周囲の屈折率n0との中間値を持つ均質
な媒質のように振る舞う。ここで、回折格子の物質部分
をパタン部と呼ぶことにすると、格子のパタン密度を変
えることで、見かけ上の屈折率を制御することができ
る。この性質を利用して、場所によって実効的な屈折率
を変えることで光学素子を作ることができる。
(f)に示すような屈折率分布を、イオン交換など物質
の組成を変えることで直接屈折率を変化させるのではな
く、使用する光の波長より短い周期を持つ2値の位相格
子により、実効的な屈折率を変化させて、例えば図7
(f)と同等な実効屈折率分布を与え、透過光(または
反射光)の位相を変化させることで、その波面を特定の
方向に向け、あるいは集光させることができる。図1
(c)は、図1(a)、(b)に示した人工屈折率制御
構造を用いてパタン密度を変化させることにより、光学
素子を形成する例を示す図である。
面に2値構造を有し、2値構造の分布状態を変化させ
て、基板の実効的な屈折率を変化させ、入射光の波面を
変化させる光学素子であって、2値構造は、1組の凸と
凹の2値構造の表面方向の一方向の寸法が入射光の波長
以下の微細構造である。
に相当するものや、プリズムに相当するもの、フレネル
レンズに相当するもの等、光の進行方向を変化させる素
子、光を複数方向に分岐させる素子、集光する素子等、
他の方法で作製可能な素子はほとんど全て本発明による
実効屈折率制御構造(人工屈折率制御構造)で実現でき
る。
れた大規模な電気回路を作製するときに利用されるリソ
グラフィとエッチングの技術によって実現できる。例え
ば、光通信に使われる波長1.55μmの光に対する光
学素子を作ろうとするとき、上記式(2)において、1
次回折光が消滅するのは、周期pが波長λと一致する
1.55μmであるので、周期pをこれよりも小さくす
る。周期pの上限が1.55μmであるから、周期pは
1.54μmでも構わないが、より安定した屈折率制御
構造を得るためには、周期pは波長の1/2より小さい
ことが望ましい。したがって、周期pは0.775μm
以下が望ましい。さらに具体的な数値を挙げると、波長
λ=1.55μmに対して、周期p=0.7μmとし
て、位相制御のためのパタン部を場所により0.05μ
m〜0.65μmの範囲で変化させる。ここで、現状の
LSI製造のためのリソグラフィでは、X線露光や電子
ビーム露光法などにより0.1μmよりさらに微細なパ
タンを形成できるようになっているため、リソグラフィ
により形成可能な微細パタンを0.05μmとして考え
た。さらに微細なパタンが形成できれば、周期0.7μ
mの人工屈折率制御のための周期構造のパタン部を、可
能な限り幅広く例えば0.01μm〜0.69μmなど
の範囲で変化させてもよい。
板の表面に一体に形成するか、基板表面に設けた薄膜に
より形成する。以下に示す実施例や図において、基板お
よびパタン部を形成する部材は、例えば普通のガラス材
料、石英(SiO2)、GaAs等が適用できる。He
Neレーザー(波長632.8nm)等の可視光光源を
用いる場合は、ガラス、石英、SiC、GaN等の材料
が、透過率の面から適している。また、面発光レーザー
等、波長が800〜1000nmの範囲の光に対して
は、やはりこれらの光に対して透明な部材としてガラ
ス、石英の他に、SiC、SiN、GaAs、GaN等
が適用できる。さらに長波長側の1μmを超える波長帯
(通信波長1.3μm、1.55μmなど)では、上述
の材料に加えて、SiやInP等を用いることができ
る。以上具体的な材料の例を示したが、実際には基板と
なる部材は、透過光学系においては、入射させる波長の
光を一部でも透過するものであれば何でもよく、反射光
学系においては、後で、表面に反射膜をコートすること
ができるので材質を選ばない。また、人工屈折率制御構
造のためのパタン部(格子部)は、上記基板を彫り込ん
で形成するために基板部と同じ材質でもよく、また、基
板部に他の材質を貼り付けたり、塗布するなどの方法で
形成するために基板部と異なる材質でも構わない。
を補充すると、エッチング、感光材の露光現像、モール
ド(型押し)等が挙げられる。さらに、貼り付け、塗布
して形成する場合の材料としては、フッ素化ポリイミド
等のポリイミド、BCB(ベンゾシクロブテン:感光性
有り)、光硬化性樹脂、UVエポキシ樹脂、PMMA
(紫外線にも電子ビームにも感度有り、レジストとして
使用可能)等のアクリル樹脂、レジスト全般などのポリ
マーが挙げられ、また、塗布可能なガラス材としてSO
G(スピン オン グラス)等が挙げられる。
構造による光学素子について説明する。
期方向」、「構造周期方向」について説明する。
能を持たせるために位相変調させる方向、すなわち、屈
折率勾配の方向、実効的な屈折率の変化の繰り返し方向
のことである。1次元回折格子(グレーティング)など
位相変調が周期的である場合は、素子周期方向という言
葉が当てはまるが、フレネルレンズなどのように位相変
調が周期的でない場合についても便宜的にこの言葉を使
うことにする。
微細構造の周期方向、すなわち、パタン分割方向、微細
構造のパタン分布の変化の方向のことである。
造) 人工屈折率制御の構造周期方向が、光学素子形成のため
の素子周期方向(屈折率勾配の方向)に一致する例を図
2に示す。図2(a)、(b)はそれぞれ、レンズ機能
のない1次元等間隔回折格子(グレーティング)を人工
屈折率制御構造で形成した2例であり、素子周期は一定
である。5は1次元回折格子、6は基板である。
(a)、(b)は素子の一部分を上から見た図、(c)
は(a)の断面図である。
勾配が線形の回折格子では、図2(a)〜(c)に示す
ように、一素子周期内を波長以下の人工屈折率制御構造
周期に分割し、分割された各々の構造周期内に順次要求
される位相差を与えるような線幅の線パタンを形成する
ことで、図2(d)にその断面図を示すような位相回折
格子7と同等の機能を持つ光学素子ができる。
ある。(a)では一構造周期内での線パタンを必ず構造
周期内の位相差の大きい方の端に接するという規則を設
けて線パタンを配置しているため、付与すべき位相差が
決まればそれ以外の自由度はなく一意的に線パタン配置
が決まる。一方、(b)では(a)のような規則を設け
ず、一構造周期内での線パタンの配置位置を自由度とし
て残したため、例えば光学素子としての回折効率を最大
にするような配置位置の最適化をすることができる。
この他にも直角座標での1次元素子で1方向にのみ集光
機能を持った1次元レンズ(またはシリンドリカルレン
ズ)に相当するような光学素子を、上述のような人工屈
折率制御の構造周期方向が素子周期方向に一致する構造
で形成する例も同様に考えられる。
おいて、各素子周期が一定でなく、集光機能を持つよう
に、直角座標での1方向の端点の座標値が上述の式
(1)で与えられるようなマクロ構造とし、その各帯内
は、図2(a)、(b)と同様のARI構造とする例も
考えられる。
造) 人工屈折率制御の構造周期方向が、光学素子形成のため
の素子周期方向(屈折率勾配の方向)に一致する他の例
を図3に示す。
ンズを人工屈折率制御構造で形成した例である。8はフ
レネルレンズである。
座標)とは、座標系の異なる極座標での1次元素子と考
えることができる。
く、その輪帯の端点の位置は、上述の式(1)で決ま
る。
方向なので、人工屈折率制御の構造周期の方向も動径方
向となり、一素子周期内を動径方向に波長以下の周期に
分割し、分割された各々の構造周期内に順次要求される
位相差を与えるような線幅の円周パタンを形成すること
で、図3(b)に上から見た図、(c)にその断面図を
示すような厚みにより位相を制御した通常のフレネルレ
ンズ9と同等の機能を持つ光学素子ができる。なお、図
3(b)における濃淡は、フレネルレンズ9の厚みの大
小を表す。
め、一構造周期内での円周パタンを、必ず一構造周期内
の位相差の大きい方の端に接するという規則を設けて、
円周パタンを配置した例のみを挙げたが、実施例1の場
合と同様、一構造周期内のどの部分に円周パタンを配置
するかをあらかじめ決めずに自由度として残す素子も考
えられる。
同様な円周パタンの繰り返しをさらに有する場合がある
ことは言うまでもない。
ための素子周期方向(屈折率勾配の方向)と直交するよ
うな素子の例を図4に示す。
を人工屈折率制御構造により実現した例を示す上面図で
ある。11は1次元回折格子である。
直方向に人工屈折率制御構造の周期を設定しているの
で、各構造周期内の屈折率勾配は、全て等しく、図のよ
うに素子周期内の屈折率勾配をそのままパタン率に変換
したような形になる。
の拡大図であり、どちらか決められた一端からパタンを
配置するという配置規則を課したものである。
2の拡大図であるが、こちらは、パタンを中心部に寄せ
るという規則で配置している。このように、屈折率勾配
をパタン面積率に置き換えた配置であれば、これら2種
類にこだわらず自由な配置が可能である。
他にも直角座標での1次元素子で1方向にのみ集光機能
を持った1次元レンズ(またはシリンドリカルレンズ)
に相当するような光学素子を、上述のような人工屈折率
制御の構造周期方向が素子周期方向と直交する構造で形
成する例も同様に考えられる。これを図4(d)に示す
(上面図)。13は1次元レンズである。この例におい
ても、内部のパタン12の形状は、図4(b)や(C)
に示すような構造や、それ以外でも屈折率勾配をパタン
面積率に置き換えた配置であれば、これら2種類にこだ
わらず自由な配置が可能である。
光学素子形成のための素子周期方向(屈折率勾配の方
向)と直交するような素子の他の例を図5に示す。
能を持つフレネルレンズを、ARI構造周期方向が素子
周期方向と直交するような構造で形成した例である。1
4はフレネルレンズ、15は厚みにより位相を制御した
通常のフレネルレンズである。図5(b)に上から見た
図、(c)にその断面図を示すような位相フレネルレン
ズ15と同等の機能を持つ光学素子ができる。なお、図
5(b)における濃淡は、フレネルレンズ15の厚みの
大小を表す。
(c)のような構造や、他にも屈折率勾配をパタン面積
率に置き換えた配置であれば、これら2種類にこだわら
ず自由な配置が可能である。
ネルレンズ14の中心部にしか、図示しなかったが、そ
の外側の円周部にも同様のパタンが形成されることは言
うまでもない。さらに、図3(a)に示した構造の外側
にも同様なパタンの繰り返しをさらに有する場合がある
ことは言うまでもない。
ついて記載する。これまでに挙げた実施例は人工屈折率
制御の構造周期方向(A)が、光学素子形成のための素
子周期方向(屈折率勾配の方向)(B)と、一致する
(すなわち、平行である:A‖B)かあるいは直交する
(A⊥B)かどちらかの例であったが、本実施例では、
A方向が、B方向に一致する方向と、それに直交する方
向との2つの方向を持つ2次元的な構造を有する例であ
る。
元回折格子の例のみを挙げる。16、17はそれぞれ1
次元回折格子である。これまでに挙げた1次元レンズや
フレネルレンズ(円形)に対しても同様の規則でARI
構造を実現できる。
造内での高屈折率材料パタンの配置自由度を平行方向と
直角方向の2つの自由度とし、優先順位を付けた例であ
り、図6(b)は、パタンの配置自由度を正方形の面積
とすることで一自由度とした例である。
周期方向」について説明を補充すると、図2(a)、図
4(a)を対比すると分かりやすい。これら2つの図面
は、どちらも同じ機能を有する1次元回折格子を実現す
るための構造である。両構造の素子周期方向は同一であ
るが、構造周期方向が異なる。すなわち、図2(a)の
方は、素子周期方向と構造周期方向とが一致(平行)、
図4(a)の方は、素子周期方向と構造周期方向とが垂
直である。
に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変
更可能であることは勿論である。例えば、図2(a)、
(b)、図3(a)、図4(a)、(d)、図5
(a)、図6(a)、(b)はすべて光学素子の一部を
例示したものであり、これらの繰り返しがその周囲に縦
方向、横方向に続いていることは言うまでもない。ま
た、これらのパターンは複数組み合わせて形成してもよ
い。
イオン交換や熱拡散などによる屈折率制御を行わず、ま
た中間厚みも必要としないため、通常のリソグラフィの
方法を用いて比較的容易に、回折効率の高い微細な光学
素子を作製できると共に、これを集積化することも可能
であるという効果がある。
構造による光学素子形成の概念を示す図である。
回折格子)を示す図である。
ルレンズ)を示す図である。
回折格子、1次元レンズ)を示す図である。
ルレンズ)を示す図である。
回折格子)を示す図である。
ための図である。
5…1次元回折格子、6…基板、7…回折格子、8…フ
レネルレンズ、9…フレネルレンズ、10…回折格子、
11…1次元回折格子、12…パタン、13…1次元レ
ンズ、14…フレネルレンズ、15…フレネルレンズ、
16、17…1次元回折格子、71…レンズ、72…フ
レネルレンズ、73…位相型フレネルゾーンプレート
(FZP)、74…デジタルブレーズド素子、75…屈
折率変化素子。
Claims (8)
- 【請求項1】基板の表面に2値構造を有し、前記2値構
造の分布状態を変化させて、前記基板の実効的な屈折率
を前記表面内の位置によって変化させ、入射光の波面を
変化させる光学素子であって、前記2値構造は、1組の
2値構造の前記表面の一方向の寸法が前記入射光の波長
以下の微細構造であることを特徴とする光学素子。 - 【請求項2】前記表面には、光学素子としての機能を持
たせるための前記実効的な屈折率の値が最大値から最小
値まで緩やかに変化する領域が複数同一方向に並んで存
在し、その各領域の中に前記実効的な屈折率の制御のた
めの前記入射光の波長以下の微細構造の周期的な繰り返
しが組み込まれ、前記微細構造の周期的な繰り返しの中
で前記微細構造のパタン分布に変化があることを特徴と
する請求項1記載の光学素子。 - 【請求項3】前記微細構造のパタン分布の変化の方向が
1次元であることを特徴とする請求項2記載の光学素
子。 - 【請求項4】前記実効的な屈折率の変化の繰り返しの方
向と、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が平行で
あることを特徴とする請求項3記載の光学素子。 - 【請求項5】前記実効的な屈折率の変化の繰り返しの方
向と、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が垂直で
あることを特徴とする請求項3記載の光学素子。 - 【請求項6】前記微細構造のパタン分布の変化の方向が
2次元であることを特徴とする請求項2記載の光学素
子。 - 【請求項7】前記2値構造は前記表面のエッチングによ
り形成されることを特徴とする請求項1、2、3、4、
5または6記載の光学素子。 - 【請求項8】前記2値構造は前記表面上に設けた薄膜に
より形成されることを特徴とする請求項1、2、3、
4、5または6記載の光学素子。
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JP29087599A JP3547665B2 (ja) | 1999-10-13 | 1999-10-13 | 光学素子 |
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