JP2003255113A - 光分離素子およびそれを用いた光学機器 - Google Patents
光分離素子およびそれを用いた光学機器Info
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- JP2003255113A JP2003255113A JP2002052985A JP2002052985A JP2003255113A JP 2003255113 A JP2003255113 A JP 2003255113A JP 2002052985 A JP2002052985 A JP 2002052985A JP 2002052985 A JP2002052985 A JP 2002052985A JP 2003255113 A JP2003255113 A JP 2003255113A
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- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1866—Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 回折格子を用いた光分離素子において、所望
の分離角を実現しつつ、回折効率の低下と偏光依存性と
を改善すること。 【解決手段】 入射する光束を波長に応じて複数の光束
に分離する回折格子により構成された光分離素子１にお
いて、回折格子の格子材料の屈折率をｎ、格子深さを
ｄ、１つの周期の格子部分４の幅をｗ、格子周期をｐと
するとき、 ｎ・ｄ・ｗ／ｐ≧０．６７０ （μm） なる条件を満足する。
の分離角を実現しつつ、回折効率の低下と偏光依存性と
を改善すること。 【解決手段】 入射する光束を波長に応じて複数の光束
に分離する回折格子により構成された光分離素子１にお
いて、回折格子の格子材料の屈折率をｎ、格子深さを
ｄ、１つの周期の格子部分４の幅をｗ、格子周期をｐと
するとき、 ｎ・ｄ・ｗ／ｐ≧０．６７０ （μm） なる条件を満足する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、波長分波装置、分
光測定装置、光学測定装置等に好適な回折格子を利用し
た光分離素子に関するものである。
光測定装置、光学測定装置等に好適な回折格子を利用し
た光分離素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、複数の波長を含む光信号を波長の
異なる複数の光束に分離する光分離素子として、誘電体
多層膜から構成されているバンドパスフィルターや、回
折格子、ホログラムなどの回折素子が知られている。
異なる複数の光束に分離する光分離素子として、誘電体
多層膜から構成されているバンドパスフィルターや、回
折格子、ホログラムなどの回折素子が知られている。
【０００３】このような光分離素子は、例えば、波長多
重通信システムのキーデバイスとして様々な形態で検討
されている。光通信の波長分割多重方式（ＷＤＭ）にお
いては、決められた波長帯域において膨大な情報量を取
り扱う必要性があり使用波長間の波長間隔が非常に狭く
なる。このため、特に回折格子などの回折素子を用いた
光分離素子が有望視されている。
重通信システムのキーデバイスとして様々な形態で検討
されている。光通信の波長分割多重方式（ＷＤＭ）にお
いては、決められた波長帯域において膨大な情報量を取
り扱う必要性があり使用波長間の波長間隔が非常に狭く
なる。このため、特に回折格子などの回折素子を用いた
光分離素子が有望視されている。
【０００４】ここで、回折格子による光分離の原理につ
いて説明する。
いて説明する。
【０００５】回折格子から射出する射出光の回折角θ′
を求める式は、以下の式から算出できることが知られて
いる。
を求める式は、以下の式から算出できることが知られて
いる。
【０００６】
ｎ・ｓｉｎθ−ｎ′・ｓｉｎθ′＝ｍλ／ｐ ・・・（１）
ただし、ｎ ：入射側媒質の屈折率
ｎ′：射出側媒質の屈折率
θ ：入射角
θ′：ｍ次回折光の回折角
ｍ ：回折次数
λ ：入射光の波長（入射波長）
ｐ ：格子周期（ピッチ）
式（１）から分かるように、回折格子において入射角θ
が一定の場合、入射光の波長λによりｍ次回折光の回折
角が異なる。
が一定の場合、入射光の波長λによりｍ次回折光の回折
角が異なる。
【０００７】例えば、ｎ ＝１．５
ｎ′＝１．０
θ ＝０°
ｍ ＝１
ｐ ＝１００μｍ
λ１＝１．５５０μｍ
λ２＝１．６００μｍ
とするとき、波長λ１の光の回折角θ′（λ１）、波長
λ２の光の回折角θ′（λ２）は、それぞれ、 θ′（λ１）＝０．８８８１° θ′（λ２）＝０．９１６８° となる。
λ２の光の回折角θ′（λ２）は、それぞれ、 θ′（λ１）＝０．８８８１° θ′（λ２）＝０．９１６８° となる。
【０００８】このように入射光の波長間隔Δλ（＝λ２
−λ１）が５０ｎｍのときの各入射光の回折角の差（分
離角と呼ぶことにする）Δθ′は、 Δθ′＝θ′（λ２）−θ′（λ１）＝０．０２８７° となる。
−λ１）が５０ｎｍのときの各入射光の回折角の差（分
離角と呼ぶことにする）Δθ′は、 Δθ′＝θ′（λ２）−θ′（λ１）＝０．０２８７° となる。
【０００９】回折格子を用いて良好な光分離を行うため
には、大きな分離角Δθ′を実現するか、回折格子と分
離された光の受光部分との物理的な距離を大きくとるこ
とが必要である。しかしながら、後者の方法は、実装パ
ッケージが大きくなったり、機構が複雑になったりする
などの観点から好ましくない。このため、より大きな分
離角の回折格子が求められている。
には、大きな分離角Δθ′を実現するか、回折格子と分
離された光の受光部分との物理的な距離を大きくとるこ
とが必要である。しかしながら、後者の方法は、実装パ
ッケージが大きくなったり、機構が複雑になったりする
などの観点から好ましくない。このため、より大きな分
離角の回折格子が求められている。
【００１０】一方、光通信の波長分割多重方式（ＷＤ
Ｍ）においては、前述したように、決められた波長帯域
において膨大な情報量を取り扱うため、異なる信号を伝
える複数の光の波長間隔Δλを非常に小さく（狭く）せ
ねばならない。具体的には、波長間隔Δλが１ｎｍより
も小さくなる場合も少なくない。
Ｍ）においては、前述したように、決められた波長帯域
において膨大な情報量を取り扱うため、異なる信号を伝
える複数の光の波長間隔Δλを非常に小さく（狭く）せ
ねばならない。具体的には、波長間隔Δλが１ｎｍより
も小さくなる場合も少なくない。
【００１１】例えば、ｎ ＝１．５
ｎ′＝１．０
θ ＝０°
ｍ ＝１
λ１＝１．５５０μｍ
λ２＝１．５５１μｍ
すなわち、Δλ＝０．００１μｍ（＝１ｎｍ）のとき、
Δθ′＝０．０８５°を満足する格子周期ｐは、式
（１）から、 ｐ＝１．６９μｍ となる。このように波長間隔が小さい場合に所望の分離
角を得るためには、入射光の波長程度の非常に小さな周
期の回折格子が必要である。
Δθ′＝０．０８５°を満足する格子周期ｐは、式
（１）から、 ｐ＝１．６９μｍ となる。このように波長間隔が小さい場合に所望の分離
角を得るためには、入射光の波長程度の非常に小さな周
期の回折格子が必要である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】入射波長λに対して格
子周期ｐが十分に大きい領域（λ≪ｐ）においては、回
折格子はスカラー回折理論に従った回折効率が得られる
ことが一般に知られており、例えば、回折光学素子入門
ｐ．６４（オプトロニクス社）に記載されている。これ
によると、スカラー回折理論から算出される回折効率
は、格子形状がマルチレベルの階段形状である場合には
階段数によって回折効率が異なり、階段レベル数が２，
４，８，１６，∞のとき、回折効率の最大値（理論値）
はそれぞれ４０．５％，８１．１％，９５．０％，９
８．７％，１００％である。
子周期ｐが十分に大きい領域（λ≪ｐ）においては、回
折格子はスカラー回折理論に従った回折効率が得られる
ことが一般に知られており、例えば、回折光学素子入門
ｐ．６４（オプトロニクス社）に記載されている。これ
によると、スカラー回折理論から算出される回折効率
は、格子形状がマルチレベルの階段形状である場合には
階段数によって回折効率が異なり、階段レベル数が２，
４，８，１６，∞のとき、回折効率の最大値（理論値）
はそれぞれ４０．５％，８１．１％，９５．０％，９
８．７％，１００％である。
【００１３】ところが入射波長λに対して格子周期ｐが
同程度のスケールを持つ領域（λ〜ｐ）においては、回
折格子はスカラー回折理論から算出される回折効率に比
べ低下してしまう。この領域は一般に共鳴領域と呼ばれ
ており、回折効率の低下や偏光依存性がみられるなどの
現象が起こることが知られている。共鳴領域における回
折格子の回折効率を求めるときには、例えば、厳密結合
波解析（ＲＣＷＡ）などのベクトル解析手法などを用い
て厳密に算出することができる。
同程度のスケールを持つ領域（λ〜ｐ）においては、回
折格子はスカラー回折理論から算出される回折効率に比
べ低下してしまう。この領域は一般に共鳴領域と呼ばれ
ており、回折効率の低下や偏光依存性がみられるなどの
現象が起こることが知られている。共鳴領域における回
折格子の回折効率を求めるときには、例えば、厳密結合
波解析（ＲＣＷＡ）などのベクトル解析手法などを用い
て厳密に算出することができる。
【００１４】具体例を用いて説明する。図１１は従来型
の回折格子（８段マルチレベル回折格子）であり、回折
格子形状として、 格子材料 ：ＳｉＯ２（ｎ＝１．４４） 射出側媒質：空気 （ｎ′＝１．００） 格子周期 ：ｐ＝１．６９μｍ 全格子深さ：ｄ（ｔｏｔａｌ）＝３．０１μｍ 入射角度 ：θ＝０° 設計波長 ：λ０＝１．５５０μｍ と設定している。
の回折格子（８段マルチレベル回折格子）であり、回折
格子形状として、 格子材料 ：ＳｉＯ２（ｎ＝１．４４） 射出側媒質：空気 （ｎ′＝１．００） 格子周期 ：ｐ＝１．６９μｍ 全格子深さ：ｄ（ｔｏｔａｌ）＝３．０１μｍ 入射角度 ：θ＝０° 設計波長 ：λ０＝１．５５０μｍ と設定している。
【００１５】このような８段マルチレベル回折格子にお
いて、スカラー回折理論から算出される回折効率の最大
値（理論値）はおよそ９５％である。ただし、この理論
値には表面反射（フレネル反射）などの損失は含まれて
いない。
いて、スカラー回折理論から算出される回折効率の最大
値（理論値）はおよそ９５％である。ただし、この理論
値には表面反射（フレネル反射）などの損失は含まれて
いない。
【００１６】これに対して、ＲＣＷＡによって算出した
回折効率の波長依存性を図１２に示す。図１２から設計
波長λ０（＝１．５５０μｍ）における＋１次回折光の
回折効率はおよそ４７％であり、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光と
もに回折効率が低くなっていることがわかる（ＴＥ偏
光、ＴＭ偏光の定義については図２に示しているが詳細
は後述する）。また、同様な８段マルチレベル回折格子
において、 格子材料 ：ＳｉＯ２（ｎ＝１．４４） 射出側媒質：空気（ｎ′＝１．００） 格子周期 ：ｐ ＝ １．６９μｍ 全格子深さ：ｄ（ｔｏｔａｌ）＝２．２４μｍ 入射角度 ：θ＝０° 設計波長 ：λ０＝１．５５０μｍ と設定した場合の回折効率を図１３に示す。この場合、
ＴＥ偏光の回折効率が図１１に比べて改善されている一
方で、ＴＥ偏光とＴＭ偏光に対する回折効率が大きく異
なっている。図１３において、設計波長（λ０＝１．５
５μｍ）における＋１次光の回折効率は、ＴＥ偏光に対
しておよそ６５％、ＴＭ偏光に対しておよそ４０％とな
っている。
回折効率の波長依存性を図１２に示す。図１２から設計
波長λ０（＝１．５５０μｍ）における＋１次回折光の
回折効率はおよそ４７％であり、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光と
もに回折効率が低くなっていることがわかる（ＴＥ偏
光、ＴＭ偏光の定義については図２に示しているが詳細
は後述する）。また、同様な８段マルチレベル回折格子
において、 格子材料 ：ＳｉＯ２（ｎ＝１．４４） 射出側媒質：空気（ｎ′＝１．００） 格子周期 ：ｐ ＝ １．６９μｍ 全格子深さ：ｄ（ｔｏｔａｌ）＝２．２４μｍ 入射角度 ：θ＝０° 設計波長 ：λ０＝１．５５０μｍ と設定した場合の回折効率を図１３に示す。この場合、
ＴＥ偏光の回折効率が図１１に比べて改善されている一
方で、ＴＥ偏光とＴＭ偏光に対する回折効率が大きく異
なっている。図１３において、設計波長（λ０＝１．５
５μｍ）における＋１次光の回折効率は、ＴＥ偏光に対
しておよそ６５％、ＴＭ偏光に対しておよそ４０％とな
っている。
【００１７】以上のことから、格子周期を小さくするこ
とで大きな分離角を実現しようとすれば、回折効率の低
下や偏光依存性が発生することが分かる。特に、マルチ
レベル回折格子よりも格子段数が少ない二値バイナリ回
折格子において、高い回折効率を実現しつつ、偏光依存
性を低減することは困難である。
とで大きな分離角を実現しようとすれば、回折効率の低
下や偏光依存性が発生することが分かる。特に、マルチ
レベル回折格子よりも格子段数が少ない二値バイナリ回
折格子において、高い回折効率を実現しつつ、偏光依存
性を低減することは困難である。
【００１８】また、光分離素子として一般的によく知ら
れているものとして、上記回折格子のほかブラッグ回折
を利用したホログラム素子がある。ホログラム素子に関
する詳細な説明は、例えば、The bell system technica
l journal,vol.48,No.9,1969に記載されている。これに
よると、ブラッグ条件がほぼ満たされている場合におい
て設計波長λ０での一次回折光の回折効率は、ホログラ
ム素子の格子ベクトルがホログラムの表面と平行である
場合においては以下の式で近似することができる。
れているものとして、上記回折格子のほかブラッグ回折
を利用したホログラム素子がある。ホログラム素子に関
する詳細な説明は、例えば、The bell system technica
l journal,vol.48,No.9,1969に記載されている。これに
よると、ブラッグ条件がほぼ満たされている場合におい
て設計波長λ０での一次回折光の回折効率は、ホログラ
ム素子の格子ベクトルがホログラムの表面と平行である
場合においては以下の式で近似することができる。
【００１９】
η（１次）＝ｓｉｎ２（πΔｎ１ｄ１／λ０ｃｏｓθ） ・・・（２）
ただし、η（１次）：一次回折効率
Δｎ１ ：ホログラム層の屈折率変調量
ｄ１ ：ホログラム厚み
λ０ ：設計波長
θ ：ホログラム内での入射角度
式（２）によると一次回折効率η（１次）が最大となる
条件は、 πΔｎ１ｄ１／λ０ｃｏｓθ＝π／２ を満たすときであり、このとき理論上回折効率が１００
％となる。
条件は、 πΔｎ１ｄ１／λ０ｃｏｓθ＝π／２ を満たすときであり、このとき理論上回折効率が１００
％となる。
【００２０】しかしながら、一般的なホログラム素子で
は屈折率周期構造をフォトポリマーや重クロム酸ゼラチ
ンなどの材料を用いて実現するため、屈折率差Δｎ１が
０．０２から０．０４程度であり、ホログラム厚みｄ１
を大きく設定しなければ十分な回折効率が得られない。
その結果、素子厚みが非常に厚いホログラム素子となる
ため、回折効率に対する入射波長依存性や入射角度依存
性が大きくなってしまうという弊害があった。
は屈折率周期構造をフォトポリマーや重クロム酸ゼラチ
ンなどの材料を用いて実現するため、屈折率差Δｎ１が
０．０２から０．０４程度であり、ホログラム厚みｄ１
を大きく設定しなければ十分な回折効率が得られない。
その結果、素子厚みが非常に厚いホログラム素子となる
ため、回折効率に対する入射波長依存性や入射角度依存
性が大きくなってしまうという弊害があった。
【００２１】このように、所定の波長帯域において、高
い回折効率と偏光依存性を低減した光分離素子を従来の
回折格子やホログラム素子で実現することは困難であっ
た。特に大きな分離角が必要な場合には深刻な問題であ
った。
い回折効率と偏光依存性を低減した光分離素子を従来の
回折格子やホログラム素子で実現することは困難であっ
た。特に大きな分離角が必要な場合には深刻な問題であ
った。
【００２２】そこで本発明では、所望の分離角を実現し
つつ、回折効率の低下と偏光依存性とを改善した回折格
子を用いた光分離素子を提供することを目的とする。
つつ、回折効率の低下と偏光依存性とを改善した回折格
子を用いた光分離素子を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、ブラッグ条件を略満足し、且つ偏光依
存性を低減した一次元二値バイナリ回折格子を用いた光
分離素子を提案する。この光分離素子の使用方法に特に
制限は無いが、大きな分離角を必要とする場合に従来の
回折格子に比べ回折効率および偏光依存性が大きな改善
が期待され、特に有用である。
め、本発明では、ブラッグ条件を略満足し、且つ偏光依
存性を低減した一次元二値バイナリ回折格子を用いた光
分離素子を提案する。この光分離素子の使用方法に特に
制限は無いが、大きな分離角を必要とする場合に従来の
回折格子に比べ回折効率および偏光依存性が大きな改善
が期待され、特に有用である。
【００２４】具体的には、回折格子に入射する光束を波
長に応じて複数の光束に分離する光分離素子において、
回折格子の格子材料の屈折率をｎ、格子深さをｄ、１つ
の周期の格子部の幅をｗ、格子周期をｐとするとき、 ｎ・ｄ・ｗ／ｐ≧０．６７０ （μm） なる条件を満足することを特徴としている。
長に応じて複数の光束に分離する光分離素子において、
回折格子の格子材料の屈折率をｎ、格子深さをｄ、１つ
の周期の格子部の幅をｗ、格子周期をｐとするとき、 ｎ・ｄ・ｗ／ｐ≧０．６７０ （μm） なる条件を満足することを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下に図面を用いて、本発明の実
施形態について説明する。
施形態について説明する。
【００２６】（実施形態１）図１は第１の実施形態の光
分離素子の説明図である。図中、１は光分離素子であ
り、後に詳細に説明する形状の回折格子により構成され
ている。２は入射光束であり、所定の波長帯域内のλ
ａ，λｂ，λｃの３つの異なる波長を含んでいる。３は
射出光束であり、光分離素子１を構成する回折格子の回
折作用によって波長毎に３つの光束に分離されている。
本実施形態の光分離素子は、後述する他の実施形態で説
明する光分波装置、分光測定装置、光学測定装置などに
好適に用いられる。
分離素子の説明図である。図中、１は光分離素子であ
り、後に詳細に説明する形状の回折格子により構成され
ている。２は入射光束であり、所定の波長帯域内のλ
ａ，λｂ，λｃの３つの異なる波長を含んでいる。３は
射出光束であり、光分離素子１を構成する回折格子の回
折作用によって波長毎に３つの光束に分離されている。
本実施形態の光分離素子は、後述する他の実施形態で説
明する光分波装置、分光測定装置、光学測定装置などに
好適に用いられる。
【００２７】図２は前述したＴＥ偏光、ＴＭ偏光の定義
を説明するための図である。図２に示すように、格子周
期の方向（格子ベクトル）に平行な面を入射面とし、入
射面に対して垂直な偏光方向をＴＥ偏光、入射面内の偏
光方向をＴＭ偏光と定義している。
を説明するための図である。図２に示すように、格子周
期の方向（格子ベクトル）に平行な面を入射面とし、入
射面に対して垂直な偏光方向をＴＥ偏光、入射面内の偏
光方向をＴＭ偏光と定義している。
【００２８】図３は入射角及び回折角の符号の本実施形
態における定義を説明するための図である。入射面（紙
面）内で法線に対して反時計回りの方向を正と定義して
いる。このため、図３における入射角θの符号は正、透
過＋１次回折光の回折角θ′の符号は負となる。
態における定義を説明するための図である。入射面（紙
面）内で法線に対して反時計回りの方向を正と定義して
いる。このため、図３における入射角θの符号は正、透
過＋１次回折光の回折角θ′の符号は負となる。
【００２９】さて、ホログラム素子に比べ回折格子の場
合には、入射側媒質の屈折率ｎと射出側媒質の屈折率
ｎ′との間での屈折率差Δｎを大きくすることが可能で
ある。例えば、入射側媒質として石英基板（ＳｉＯ２：
ｎ＝１．４４４）上に設けた回折格子を想定し、射出側
媒質として空気（ａｉｒ：ｎ′＝１．０００）を想定し
た場合には、Δｎが０．４４４程度となる。その結果、
ホログラム素子を光分離素子に用いる場合に比べ、光分
離素子の厚みを格段に薄くすることが可能となり、入射
波長および入射角度が変動したときの回折効率の変化を
小さくすることができる。
合には、入射側媒質の屈折率ｎと射出側媒質の屈折率
ｎ′との間での屈折率差Δｎを大きくすることが可能で
ある。例えば、入射側媒質として石英基板（ＳｉＯ２：
ｎ＝１．４４４）上に設けた回折格子を想定し、射出側
媒質として空気（ａｉｒ：ｎ′＝１．０００）を想定し
た場合には、Δｎが０．４４４程度となる。その結果、
ホログラム素子を光分離素子に用いる場合に比べ、光分
離素子の厚みを格段に薄くすることが可能となり、入射
波長および入射角度が変動したときの回折効率の変化を
小さくすることができる。
【００３０】更に、このような薄い回折格子において
も、後述するように回折格子の格子深さｄを最適化して
ブラッグ条件を略満足させることにより、高い回折効率
を得ている。
も、後述するように回折格子の格子深さｄを最適化して
ブラッグ条件を略満足させることにより、高い回折効率
を得ている。
【００３１】また、小さな波長間隔Δλにおいて大きな
分離角Δθ′が必要な場合、格子周期を入射波長程度に
小さくせねばならないが、このような微細周期の格子構
造の場合には、回折効率が低下したり、強い偏光依存性
が見られたりする弊害がある。これはマルチレベル回折
格子の階段数を大きくした場合でも起こる現象であり、
従来の格子構造では回避することが困難であった。
分離角Δθ′が必要な場合、格子周期を入射波長程度に
小さくせねばならないが、このような微細周期の格子構
造の場合には、回折効率が低下したり、強い偏光依存性
が見られたりする弊害がある。これはマルチレベル回折
格子の階段数を大きくした場合でも起こる現象であり、
従来の格子構造では回避することが困難であった。
【００３２】これに対し、本実施形態の光分離素子で
は、この懸念事項を格子形状を最適化することによって
低減している。具体的には、回折格子の格子材料の屈折
率ｎ、格子深さｄ、そして格子周期ｐに対する１つの格
子部分ｗの割合ｗ／ｐを以下に示す条件を満足するよう
に最適に設計している。
は、この懸念事項を格子形状を最適化することによって
低減している。具体的には、回折格子の格子材料の屈折
率ｎ、格子深さｄ、そして格子周期ｐに対する１つの格
子部分ｗの割合ｗ／ｐを以下に示す条件を満足するよう
に最適に設計している。
【００３３】
ｎ・ｄ・ｗ／ｐ≧０．６７（μｍ） ・・・（３）
これにより、所望の分離角を得つつも、回折効率の低下
と偏光依存性とを改善した光分離素子を実現している。
仮に条件式（３）を満たさない場合には、設計波長λ０
におけるＴＥ偏光とＴＭ偏光との回折効率差を１０％程
度以下に設計することが困難になる。例えば、 格子材料 ：ＳｉＯ２ （ｎ＝１．４７０） 射出側媒質：空気 （ｎ’＝１．０００） 格子周期 ：ｐ＝０．３１μｍ 全格子深さ：ｄ＝０．６５μｍ 入射角度 ：θ＝２５° 設計波長 ：λ０＝０．４０μｍ 格子周期ｐに対する格子部分ｗの割合 ：ｗ／ｐ＝０．
７ と設定した場合、ｎ・ｄ・ｗ／ｐ＝０．６６９であり、
条件式（３）を満足しない。このときＴＥ偏光の＋１次
回折光の回折効率はおよそ７６％、ＴＭ偏光の＋1次回
折光の回折効率はおよそ６５％となり、ＴＥ偏光とＴＭ
偏光との＋1次回折光の回折効率差がおよそ１１％であ
る。このことから、可視光領域から赤外光領域までの幅
広い波長領域での動作を想定し、偏光に依存した回折効
率差を低減するためには、条件式（３）を満足すること
が好ましいことが分かる。
と偏光依存性とを改善した光分離素子を実現している。
仮に条件式（３）を満たさない場合には、設計波長λ０
におけるＴＥ偏光とＴＭ偏光との回折効率差を１０％程
度以下に設計することが困難になる。例えば、 格子材料 ：ＳｉＯ２ （ｎ＝１．４７０） 射出側媒質：空気 （ｎ’＝１．０００） 格子周期 ：ｐ＝０．３１μｍ 全格子深さ：ｄ＝０．６５μｍ 入射角度 ：θ＝２５° 設計波長 ：λ０＝０．４０μｍ 格子周期ｐに対する格子部分ｗの割合 ：ｗ／ｐ＝０．
７ と設定した場合、ｎ・ｄ・ｗ／ｐ＝０．６６９であり、
条件式（３）を満足しない。このときＴＥ偏光の＋１次
回折光の回折効率はおよそ７６％、ＴＭ偏光の＋1次回
折光の回折効率はおよそ６５％となり、ＴＥ偏光とＴＭ
偏光との＋1次回折光の回折効率差がおよそ１１％であ
る。このことから、可視光領域から赤外光領域までの幅
広い波長領域での動作を想定し、偏光に依存した回折効
率差を低減するためには、条件式（３）を満足すること
が好ましいことが分かる。
【００３４】また、回折格子の設計波長λ０、回折格子
に対する入射角θのとき、以下の条件を満足するように
格子周期を設定している。
に対する入射角θのとき、以下の条件を満足するように
格子周期を設定している。
【００３５】
λ０／（ｎ・ｓｉｎθ＋ｎ′）＜ｐ≦２λ０／（ｎ・ｓｉｎθ＋ｎ′）
・・・・（４）
これにより、１次回折光と０次回折光のみしか存在しな
くなるので、本来必要な１次回折光の回折効率を向上さ
せることができる。
くなるので、本来必要な１次回折光の回折効率を向上さ
せることができる。
【００３６】図４に本実施形態の光分離素子１の回折格
子形状の断面図を示す。本実施形態の回折格子は、一次
元二値バイナリ回折格子構造で、 格子材料 ：ＳｉＯ２（ｎ＝１．４４４） 射出側媒質：空気 （ｎ′＝１．０００） 格子周期 ：ｐ＝１．３６μｍ 全格子深さ：ｄ＝３．３μｍ 入射角度 ：θ＝２２° 設計波長 ：λ０＝１．５５０μｍ と設定し、格子周期ｐに対する１つの格子部分４の幅ｗ
の割合ｗ／ｐ＝０．６としている。したがって、ｎ・ｄ
・ｗ／ｐ＝２．８６であり、条件式（３）を満足してい
る。
子形状の断面図を示す。本実施形態の回折格子は、一次
元二値バイナリ回折格子構造で、 格子材料 ：ＳｉＯ２（ｎ＝１．４４４） 射出側媒質：空気 （ｎ′＝１．０００） 格子周期 ：ｐ＝１．３６μｍ 全格子深さ：ｄ＝３．３μｍ 入射角度 ：θ＝２２° 設計波長 ：λ０＝１．５５０μｍ と設定し、格子周期ｐに対する１つの格子部分４の幅ｗ
の割合ｗ／ｐ＝０．６としている。したがって、ｎ・ｄ
・ｗ／ｐ＝２．８６であり、条件式（３）を満足してい
る。
【００３７】このときの＋１次回折光の回折角は、式
（１）よりθ′＝−３６．８°である。また入射波長が
１ｎｍ変化したときの分離角Δθは、Δθ＝０．０５５
°である。
（１）よりθ′＝−３６．８°である。また入射波長が
１ｎｍ変化したときの分離角Δθは、Δθ＝０．０５５
°である。
【００３８】また、格子周期ｐに対する格子部分ｗの割
合ｗ／ｐについては、従来は０．５程度に設定するのが
一般的ではあるが、条件式（３）を満足するようにｗ／
ｐを設計パラメータに導入することによって、ＴＥ偏光
およびＴＭ偏光に対する偏光依存を一層低減している。
ｗ／ｐの値に対して特に制限は設けないが、作製可能な
形状として０．２≦ｗ／ｐ≦０．８を満たすことが好ま
しい。
合ｗ／ｐについては、従来は０．５程度に設定するのが
一般的ではあるが、条件式（３）を満足するようにｗ／
ｐを設計パラメータに導入することによって、ＴＥ偏光
およびＴＭ偏光に対する偏光依存を一層低減している。
ｗ／ｐの値に対して特に制限は設けないが、作製可能な
形状として０．２≦ｗ／ｐ≦０．８を満たすことが好ま
しい。
【００３９】以上説明した構成のときの透過＋１次回折
光の回折効率を図５に示す。波長帯域１．４７μｍ〜
１．６３μｍにおいて＋１次回折光の回折効率がＴＥ偏
光、ＴＭ偏光共におよそ８５％以上を実現しており、設
計波長λ０＝１．５５μｍにおいては、およそ９２％と
優れた回折効率になっている。ちなみに、透過＋１次回
折光のほかにも透過０次回折光や反射回折光が微小量生
じており、これら全ての回折効率の合計は当然のことな
がら１００％となる。また、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との回
折効率の差は最大でおよそ７％程度に抑制されており、
使用波長全領域を見ても偏光依存性は低減されている。
偏光を平均した回折効率は最低でもおよそ８５％以上を
実現している。
光の回折効率を図５に示す。波長帯域１．４７μｍ〜
１．６３μｍにおいて＋１次回折光の回折効率がＴＥ偏
光、ＴＭ偏光共におよそ８５％以上を実現しており、設
計波長λ０＝１．５５μｍにおいては、およそ９２％と
優れた回折効率になっている。ちなみに、透過＋１次回
折光のほかにも透過０次回折光や反射回折光が微小量生
じており、これら全ての回折効率の合計は当然のことな
がら１００％となる。また、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との回
折効率の差は最大でおよそ７％程度に抑制されており、
使用波長全領域を見ても偏光依存性は低減されている。
偏光を平均した回折効率は最低でもおよそ８５％以上を
実現している。
【００４０】実際には、素子表面にてフレネル反射が生
じ数％の光量損失が生じる可能性があるため、入射側の
素子基板表面や格子表面に反射防止膜などフレネル反射
を抑制する対策を施すことが好ましい。
じ数％の光量損失が生じる可能性があるため、入射側の
素子基板表面や格子表面に反射防止膜などフレネル反射
を抑制する対策を施すことが好ましい。
【００４１】また、本実施形態の回折格子を作製する際
には、従来の半導体プロセスにおけるリソグラフィー技
術などを用いることができるので、容易に作成可能であ
る。しかも一次元二値バイナリ回折格子形状であるため
作製しやすく、少ない工程数で作製可能であるため低コ
ストで実現することが可能である。
には、従来の半導体プロセスにおけるリソグラフィー技
術などを用いることができるので、容易に作成可能であ
る。しかも一次元二値バイナリ回折格子形状であるため
作製しやすく、少ない工程数で作製可能であるため低コ
ストで実現することが可能である。
【００４２】（実施形態２）第２の実施形態の光分離素
子について説明する。
子について説明する。
【００４３】本実施形態の光分離素子は、第１の実施形
態に比べ分離角を大きくした場合の設計例であり、用途
については実施形態１と同様なので説明を省略する。本
実施形態の光分離素子も一次元二値バイナリ回折格子構
造で、 格子材料 ：ＳｉＯ２（ｎ＝１．４４４） 射出側媒質：空気 （ｎ′＝１．０００） 格子周期 ：ｐ＝１．１０μｍ 全格子深さ：ｄ＝４．００μｍ 入射角度 ：θ＝３０° 設計波長 ：λ０＝１．５５０μｍ と設定し、格子周期ｐに対する１つの格子部分の幅ｗの
割合ｗ／ｐ＝０．７としている。したがって、ｎ・ｄ・
ｗ／ｐ＝４．０４であり、条件式（３）を満足してい
る。
態に比べ分離角を大きくした場合の設計例であり、用途
については実施形態１と同様なので説明を省略する。本
実施形態の光分離素子も一次元二値バイナリ回折格子構
造で、 格子材料 ：ＳｉＯ２（ｎ＝１．４４４） 射出側媒質：空気 （ｎ′＝１．０００） 格子周期 ：ｐ＝１．１０μｍ 全格子深さ：ｄ＝４．００μｍ 入射角度 ：θ＝３０° 設計波長 ：λ０＝１．５５０μｍ と設定し、格子周期ｐに対する１つの格子部分の幅ｗの
割合ｗ／ｐ＝０．７としている。したがって、ｎ・ｄ・
ｗ／ｐ＝４．０４であり、条件式（３）を満足してい
る。
【００４４】このときの透過＋１次回折光の回折角θ′
は、θ′＝−４３．６°である。また入射波長が１ｎｍ
変化したときの分離角Δθは、Δθ＝０．０７２°であ
る。
は、θ′＝−４３．６°である。また入射波長が１ｎｍ
変化したときの分離角Δθは、Δθ＝０．０７２°であ
る。
【００４５】上記構成のときの透過＋１次回折光の回折
効率を図６に示す。波長帯域１．４７μｍ〜１．６３μ
ｍにおいて、＋１次回折効率がＴＥ偏光、ＴＭ偏光とも
におよそ７８％以上を実現しており、設計波長λ０＝
１．５５μｍにおいては、およそ９０％と優れた回折効
率になっている。また、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との回折効
率の差は最大でおよそ７％程度に抑制されており、使用
波長全領域を見ても偏光依存性は低減されている。偏光
を平均した回折効率は最低でもおよそ８３％以上を実現
している。
効率を図６に示す。波長帯域１．４７μｍ〜１．６３μ
ｍにおいて、＋１次回折効率がＴＥ偏光、ＴＭ偏光とも
におよそ７８％以上を実現しており、設計波長λ０＝
１．５５μｍにおいては、およそ９０％と優れた回折効
率になっている。また、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との回折効
率の差は最大でおよそ７％程度に抑制されており、使用
波長全領域を見ても偏光依存性は低減されている。偏光
を平均した回折効率は最低でもおよそ８３％以上を実現
している。
【００４６】（実施形態３）第３の実施形態では、実施
形態１，２で説明したような光分離素子を用いた光分波
装置について説明する。
形態１，２で説明したような光分離素子を用いた光分波
装置について説明する。
【００４７】図７は本実施形態の光分波装置の概略図で
ある。図７において、１は実施形態１や実施形態２で説
明したような光分離素子、５は光ファイバ、６はコリメ
ータレンズ、７は集光レンズ、８は光ファイバアレイで
ある。
ある。図７において、１は実施形態１や実施形態２で説
明したような光分離素子、５は光ファイバ、６はコリメ
ータレンズ、７は集光レンズ、８は光ファイバアレイで
ある。
【００４８】複数の波長λ１，λ２，λ３・・・λｎの光
を含んだ入射光は光ファイバ５から射出し、コリメータ
レンズ６にて平行光に変換された後、入射角度θにて光
分離素子１に入射する。光分離素子１に入射した光は波
長に依存して異なる回折角θ′（λｎ）にて射出された
後、集光レンズ７にて集光し、その焦点近傍に配置した
光ファイバアレイ８に空間的に分離して入射する。
を含んだ入射光は光ファイバ５から射出し、コリメータ
レンズ６にて平行光に変換された後、入射角度θにて光
分離素子１に入射する。光分離素子１に入射した光は波
長に依存して異なる回折角θ′（λｎ）にて射出された
後、集光レンズ７にて集光し、その焦点近傍に配置した
光ファイバアレイ８に空間的に分離して入射する。
【００４９】本実施形態の光分波装置は、光分離素子の
射出側に配置した光ファイバをアレイ化することによっ
て、たくさんの波長を同時に空間的に分離することが可
能であり、光多重波通信などへ応用することができる。
射出側に配置した光ファイバをアレイ化することによっ
て、たくさんの波長を同時に空間的に分離することが可
能であり、光多重波通信などへ応用することができる。
【００５０】（実施形態４）第４の実施形態では、実施
形態１，２で説明したような光分離素子を用いた分光測
定装置について説明する。
形態１，２で説明したような光分離素子を用いた分光測
定装置について説明する。
【００５１】図８は本実施形態の分光測定装置の概略図
である。図８において、１は実施形態１や実施形態２で
説明したような光分離素子、５は光ファイバ、６はコリ
メータレンズ、７は集光レンズ、９はスリット、１０は
光検出器である。本実施形態の光分光装置は、光ファイ
バ５の光学特性を測定するための装置である。
である。図８において、１は実施形態１や実施形態２で
説明したような光分離素子、５は光ファイバ、６はコリ
メータレンズ、７は集光レンズ、９はスリット、１０は
光検出器である。本実施形態の光分光装置は、光ファイ
バ５の光学特性を測定するための装置である。
【００５２】複数の波長λ１，λ２，λ３・・・λｎを含
んだ入射光は光ファイバ５から射出し、コリメータレン
ズ６にて平行光に変換された後、入射角度θにて光分離
素子１に入射する。光分離素子１に入射した光は波長に
依存して異なる回折角θ′（λｎ）にて射出された後、
集光レンズ７にて集光される。種々の波長光のうち検出
したい波長以外の迷光はスリット９により遮光され、検
出したい波長の光のみがスリット９の開口を通過して光
検出器１０へ入射する。スリット９と光検出器１０の位
置を一体的に移動させることによって光ファイバ５の光
学特性を測定することができる。
んだ入射光は光ファイバ５から射出し、コリメータレン
ズ６にて平行光に変換された後、入射角度θにて光分離
素子１に入射する。光分離素子１に入射した光は波長に
依存して異なる回折角θ′（λｎ）にて射出された後、
集光レンズ７にて集光される。種々の波長光のうち検出
したい波長以外の迷光はスリット９により遮光され、検
出したい波長の光のみがスリット９の開口を通過して光
検出器１０へ入射する。スリット９と光検出器１０の位
置を一体的に移動させることによって光ファイバ５の光
学特性を測定することができる。
【００５３】図８ではスリット９と光検出器１０を移動
させる説明図となっているが、これに限定するものでは
なく、例えば、光検出器１０を固定したまま、光分離素
子１を回転させることによって光分離することも可能で
ある。
させる説明図となっているが、これに限定するものでは
なく、例えば、光検出器１０を固定したまま、光分離素
子１を回転させることによって光分離することも可能で
ある。
【００５４】最近の光ファイバにおいては、シングルモ
ードファイバ、マルチモードファイバ、偏波面保存ファ
イバなど様々な種類があるが、本発明の光分離素子を用
いることによって、高分解能で光分離が可能でなおかつ
偏光方向によって回折効率の依存が無い高効率な分光測
定装置を提供することが可能となる。ここでは、光ファ
イバの光学測定を例にあげたがこれに限定されるもので
はなく、様々な光学素子の光学測定に有用であり応用す
ることが可能である。
ードファイバ、マルチモードファイバ、偏波面保存ファ
イバなど様々な種類があるが、本発明の光分離素子を用
いることによって、高分解能で光分離が可能でなおかつ
偏光方向によって回折効率の依存が無い高効率な分光測
定装置を提供することが可能となる。ここでは、光ファ
イバの光学測定を例にあげたがこれに限定されるもので
はなく、様々な光学素子の光学測定に有用であり応用す
ることが可能である。
【００５５】（実施形態５）第５の実施形態では、実施
形態１，２で説明したような光分離素子を用いた光学測
定装置について説明する。
形態１，２で説明したような光分離素子を用いた光学測
定装置について説明する。
【００５６】光計測分野において高精度の計測装置に光
分離素子の一つとして回折格子が使用されている。高精
度の計測機器の一つであるエンコーダを例に取ると、計
測の基準となるスケールに回折格子が使用されている。
分離素子の一つとして回折格子が使用されている。高精
度の計測機器の一つであるエンコーダを例に取ると、計
測の基準となるスケールに回折格子が使用されている。
【００５７】エンコーダに用いられる回折格子は、要求
される精度が高くなるにつれて使用波長λが格子の周期
ｐに近づく。このとき格子に入る偏光により回折光の強
度が異なり光の利用効率が悪くなる。このようにエンコ
ーダ等の光計測装置が高精度化するに連れ偏光による回
折効率に差が生じるようになり、エンコーダより得られ
る信号のＳ／Ｎが悪化する事が問題であった。本実施形
態の光学測定装置は、本発明の光分離素子を用いること
によって、このような課題を解決するものである。
される精度が高くなるにつれて使用波長λが格子の周期
ｐに近づく。このとき格子に入る偏光により回折光の強
度が異なり光の利用効率が悪くなる。このようにエンコ
ーダ等の光計測装置が高精度化するに連れ偏光による回
折効率に差が生じるようになり、エンコーダより得られ
る信号のＳ／Ｎが悪化する事が問題であった。本実施形
態の光学測定装置は、本発明の光分離素子を用いること
によって、このような課題を解決するものである。
【００５８】図９は本実施形態の光学測定装置の概略図
である。図９において、９１は偏光ビームスプリッタ、
９２はλ／４板、９３は光を入射方向に反射する光学素
子であるキャッツアイ、９４は本発明の光分離素子で構
成されるスケール、９５は偏光板、９６は受光素子であ
る。
である。図９において、９１は偏光ビームスプリッタ、
９２はλ／４板、９３は光を入射方向に反射する光学素
子であるキャッツアイ、９４は本発明の光分離素子で構
成されるスケール、９５は偏光板、９６は受光素子であ
る。
【００５９】直線偏光である入射光λは、偏光ビームス
プリッタ９１に入射してＰ波とＳ波に分離される。偏光
ビームスプリッタ９１を反射したＰ波はスケール９４の
Ａ点に角度θで入射し、偏光ビームスプリッタ９１を透
過したＳ波はスケール９４のＢ点に角度θで入射する。
ここでスケール９４を構成する回折格子は、式（４）を
満足するように、１次回折光と０次回折光のみしか存在
しないような格子ピッチに設定されている。
プリッタ９１に入射してＰ波とＳ波に分離される。偏光
ビームスプリッタ９１を反射したＰ波はスケール９４の
Ａ点に角度θで入射し、偏光ビームスプリッタ９１を透
過したＳ波はスケール９４のＢ点に角度θで入射する。
ここでスケール９４を構成する回折格子は、式（４）を
満足するように、１次回折光と０次回折光のみしか存在
しないような格子ピッチに設定されている。
【００６０】Ａ，Ｂ点にて回折された１次回折光は、ス
ケール９４の後方のλ／４板９２に入射して円偏光とな
り、キャッツアイ９３にて反射され、再びλ／４板９２
に入射して円偏光が直線偏光に変わる。このとき、スケ
ール９４へ入射する際にＰ波であった光はＳ波に、Ｓ波
であった光はＰ波へと変わる。
ケール９４の後方のλ／４板９２に入射して円偏光とな
り、キャッツアイ９３にて反射され、再びλ／４板９２
に入射して円偏光が直線偏光に変わる。このとき、スケ
ール９４へ入射する際にＰ波であった光はＳ波に、Ｓ波
であった光はＰ波へと変わる。
【００６１】Ｐ波からＳ波へと変わった光は、再びスケ
ール９４のＡ点にて回折され偏光ビームスプリッタ９１
に入射する。またＳ波からＰ波へと変わった光は、再び
スケール９４のＢ点にて回折され偏光ビームスプリッタ
９１に入射する。偏光ビームスプリッタ９１において、
Ａ点で回折したＳ波は透過し、Ｂ点で回折したＰ波は反
射され、干渉信号光となってλ／４板９２に入射する。
ール９４のＡ点にて回折され偏光ビームスプリッタ９１
に入射する。またＳ波からＰ波へと変わった光は、再び
スケール９４のＢ点にて回折され偏光ビームスプリッタ
９１に入射する。偏光ビームスプリッタ９１において、
Ａ点で回折したＳ波は透過し、Ｂ点で回折したＰ波は反
射され、干渉信号光となってλ／４板９２に入射する。
【００６２】ここで、スケール９４が１ピッチ＋Ｙ方向
にずれたときのことを考える。スケール９４が１ピッチ
＋Ｙ方向にずれると、Ａ点にて回折された光束は位相が
１周期進み、Ｂ点にて回折された光束は位相が１周期遅
れる。キャッツアイ９３にて反射された光は再びスケー
ル９４のＡ，Ｂ点に戻され、さらに位相が１周期づつ遅
れたり進んだりする。合計でＡ点で回折された光束は位
相が２周期進み、Ｂ点にて回折された光束は位相が２周
期遅れることになる。この２つのＰ波とＳ波の位相が各
々逆方向に変動する干渉信号光がλ／４板９２に入射す
ると回転する直線偏光となって偏光板９５に入射する。
この回転する直線偏光はスケールが１ピッチ動くと２回
転する偏光光となり、偏光板９５を通してみると４周期
の光の明暗信号となる。この明暗信号を受光素子９５に
よって検出することにより、スケール９４の変位量、ひ
いては測定対象の変位量が測定できる。
にずれたときのことを考える。スケール９４が１ピッチ
＋Ｙ方向にずれると、Ａ点にて回折された光束は位相が
１周期進み、Ｂ点にて回折された光束は位相が１周期遅
れる。キャッツアイ９３にて反射された光は再びスケー
ル９４のＡ，Ｂ点に戻され、さらに位相が１周期づつ遅
れたり進んだりする。合計でＡ点で回折された光束は位
相が２周期進み、Ｂ点にて回折された光束は位相が２周
期遅れることになる。この２つのＰ波とＳ波の位相が各
々逆方向に変動する干渉信号光がλ／４板９２に入射す
ると回転する直線偏光となって偏光板９５に入射する。
この回転する直線偏光はスケールが１ピッチ動くと２回
転する偏光光となり、偏光板９５を通してみると４周期
の光の明暗信号となる。この明暗信号を受光素子９５に
よって検出することにより、スケール９４の変位量、ひ
いては測定対象の変位量が測定できる。
【００６３】本実施形態では、入射光の波長（使用波
長）を７８５ｎｍとし、スケール９４を構成する回折格
子の周期ｐを０．６μｍ、スケール９４に入射する入射
角度θを４０．８５７°とし、スケール９４には屈折率
ｎ＝１．４５３５８の石英ガラスを使用している。
長）を７８５ｎｍとし、スケール９４を構成する回折格
子の周期ｐを０．６μｍ、スケール９４に入射する入射
角度θを４０．８５７°とし、スケール９４には屈折率
ｎ＝１．４５３５８の石英ガラスを使用している。
【００６４】一般に光のスカラー理論において、二値バ
イナリ回折格子（矩形形状格子）の１次回折光の回折効
率はｗ／ｐ＝０．５のときに最大で、その回折効率は４
０％程度であることが知られている。そのときの格子深
さ（段差）ｄは石英ガラスを使用すると８６５ｎｍ程度
である。これよりも１次回折光を大きくするためにはブ
レーズド格子等の構成としなければならないが、本実施
形態の光学系においては、±１次の回折光を使用するた
め、所定の次数の回折光のみの回折効率を高めるブレー
ズド形状とすることはできない。
イナリ回折格子（矩形形状格子）の１次回折光の回折効
率はｗ／ｐ＝０．５のときに最大で、その回折効率は４
０％程度であることが知られている。そのときの格子深
さ（段差）ｄは石英ガラスを使用すると８６５ｎｍ程度
である。これよりも１次回折光を大きくするためにはブ
レーズド格子等の構成としなければならないが、本実施
形態の光学系においては、±１次の回折光を使用するた
め、所定の次数の回折光のみの回折効率を高めるブレー
ズド形状とすることはできない。
【００６５】図１０は、本実施形態の二値バイナリ回折
格子の各偏光とｗ／ｐ（＝ｆ）の数値による回折効率特
性を示す図である。スカラー理論で格子形状を最適化し
たｗ／ｐ＝０．５，ｄ＝８６５ｎｍでは、回折効率の偏
光依存性が大きくなり、ＴＥ波で回折効率７５％程度、
ＴＭ波で回折効率４５％となる。一方、本発明の考え方
に基づいてｗ／ｐ＝０．７，ｄ＝１．８７３μｍとする
と、ＴＥ（Ｐ波）波、ＴＭ（Ｓ波）波の回折効率の差が
ほとんどなくなり、しかも９２．８％と高い回折効率が
得られる。このときｎ・ｄ・ｗ／ｐ＝１．９１であり、
条件式（３）を満足している。
格子の各偏光とｗ／ｐ（＝ｆ）の数値による回折効率特
性を示す図である。スカラー理論で格子形状を最適化し
たｗ／ｐ＝０．５，ｄ＝８６５ｎｍでは、回折効率の偏
光依存性が大きくなり、ＴＥ波で回折効率７５％程度、
ＴＭ波で回折効率４５％となる。一方、本発明の考え方
に基づいてｗ／ｐ＝０．７，ｄ＝１．８７３μｍとする
と、ＴＥ（Ｐ波）波、ＴＭ（Ｓ波）波の回折効率の差が
ほとんどなくなり、しかも９２．８％と高い回折効率が
得られる。このときｎ・ｄ・ｗ／ｐ＝１．９１であり、
条件式（３）を満足している。
【００６６】これにより、光の利用効率が高く、Ｓ／Ｎ
比が良く、しかも偏光特性に依存しないエンコーダを実
現することが可能となる。また二値バイナリ回折格子に
よりスケールを構成すれば、製造が簡単になり、安価に
精度良く製作することが可能となる。
比が良く、しかも偏光特性に依存しないエンコーダを実
現することが可能となる。また二値バイナリ回折格子に
よりスケールを構成すれば、製造が簡単になり、安価に
精度良く製作することが可能となる。
【００６７】
【発明の効果】以上説明したのように、本発明によれ
ば、従来の回折格子やホログラムに比べて、高い回折効
率と低い偏光依存性とを兼ね備えた光分離素子を実現す
ることができる。
ば、従来の回折格子やホログラムに比べて、高い回折効
率と低い偏光依存性とを兼ね備えた光分離素子を実現す
ることができる。
【図１】光分離素子の作用の説明図である。
【図２】ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の定義の説明図であ
る。
る。
【図３】入射角及び回折角の定義の説明図である。
【図４】第１の実施形態の光分離素子の回折格子形状の
断面図である。
断面図である。
【図５】実施形態１の光分離素子の＋１次回折光の回折
効率の波長特性を示す図である。
効率の波長特性を示す図である。
【図６】実施形態２の光分離素子の＋１次回折光の回折
効率の波長特性を示す図である。
効率の波長特性を示す図である。
【図７】光分離素子を用いた光分波装置の概略図であ
る。
る。
【図８】光分離素子を用いた分光測定装置の概略図であ
る。
る。
【図９】光分離素子を用いた光学測定装置の概略図であ
る。
る。
【図１０】実施形態５の光学測定装置で用いた光分離素
子の回折効率の特性を示す図である。
子の回折効率の特性を示す図である。
【図１１】従来型の回折格子（８段マルチレベル）の断
面図である。
面図である。
【図１２】従来型の回折格子の＋１次回折光の回折効率
の波長特性の一例を示す図である。
の波長特性の一例を示す図である。
【図１３】従来型の回折格子の＋１次回折光の回折効率
の波長特性の他の例を示す図である。
の波長特性の他の例を示す図である。
１ 光分離素子
２ 入射光
３ 射出光
４ 格子部分
５ 光ファイバ
６ コリメータレンズ
７ 集光レンズ
８ 光ファイバアレイ
９ スリット
１０ 光検出器
─────────────────────────────────────────────────────
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Ｆターム(参考） 2F103 BA37 CA02 CA04 CA08 DA01
DA12 EA15 EB32 EC11 EC13
EC14 EC15
2H049 AA03 AA45 AA59 AA62 AA63
BA02 BA05 BA07 BB03 BB61
BC23
Claims (10)
- 【請求項１】 回折格子に入射する光束を複数の光束に
分離する光分離素子において、前記回折格子の格子材料
の屈折率をｎ、格子深さをｄ、格子周期をｐ、１つの周
期の格子部分の幅をｗとするとき、 ｎ・ｄ・ｗ／ｐ≧０．６７０ （μm） なる条件を満足することを特徴とする光分離素子。 - 【請求項２】 前記回折格子は、設計波長をλ０、入射
角をθ、媒質の屈折率をｎ′とするとき、 λ０／（ｎ・ｓｉｎθ＋ｎ′）＜ｐ≦２λ０／（ｎ・ｓ
ｉｎθ＋ｎ′） なる条件を満足することを特徴とする請求項１記載の光
分離素子。 - 【請求項３】 前記回折格子の断面は略矩形形状をして
おり、格子周期ｐに対する１つの格子部分ｗの比率ｗ／
ｐが、 ０．２≦ｗ／ｐ≦０．８ なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記
載の光分離素子。 - 【請求項４】 入射する光束を波長の異なる複数の光束
に分離することを特徴とする請求項１乃至３いずれか１
項に記載の光分離素子。 - 【請求項５】 一次元二値バイナリ回折格子によって構
成されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか
１項記載の光分離素子。 - 【請求項６】 格子周期の方向に平行な面内の偏光方向
とそれと垂直な偏光方向の入射光に対する回折効率の差
が設計波長λ０において１０％以内であることを特徴と
する請求項５記載の光分離素子。 - 【請求項７】 請求項１乃至６いずれか１項記載の光分
離素子を有することを特徴とする光学機器。 - 【請求項８】 入射する光束を異なる波長の複数の光束
に分波する光分波装置であることを特徴とする請求項７
記載の光学機器。 - 【請求項９】 入射する光束を異なる波長の複数の光束
に分離して検知することにより光学部材の光学特性を測
定する分光測定装置であることを特徴とする請求項７記
載の光学機器。 - 【請求項１０】 前記光分離素子をスケールとして用い
たエンコーダであることを特徴とする請求項７記載の光
学機器。
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