JP2004163892A

JP2004163892A - 回折光学素子とその形成方法

Info

Publication number: JP2004163892A
Application number: JP2003197606A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Ushiro; 利彦後; Soichiro Okubo; 総一郎大久保; Takashi Matsuura; 尚松浦
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】実用的な回折光学素子を効率的に低コストで提供する。
【解決手段】屈折率変調型回折光学素子は、透光性基板１上に形成された透光性ＤＬＣ（ダイアモンド状炭素）膜２を含み、このＤＬＣ膜２は相対的に高屈折率の局所的領域２ａと相対的に低屈折率の局所的領域２を含む回折格子を含んでいる。ＤＬＣ膜２は基板１上にプラズマＣＶＤで容易に堆積することができ、ＤＬＣ膜中の高屈折率領域２ａはイオンビームのようなエネルギビーム４を照射することによって容易に形成することができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回折光学素子とその形成方法に関し、より具体的には、波長合分岐、パワー合分岐、偏光合分岐、波長板、または光アイソレータの機能を有する回折光学素子とその形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、光の回折を生じさせる回折光学素子は、種々の用途に利用され得る。たとえば、光通信分野で使用される波長合分波器、光カプラ、光アイソレータなどは、回折光学素子を利用して作製することができる。
【０００３】
一般に、回折光学素子は、透光性基板上に回折格子層を形成することによって作製される。その回折格子層の構造的相違に基づいて、回折光学素子は屈折率変調型とレリーフ型とに大別される。
【０００４】
図１９は、屈折率変調型回折光学素子の一例を模式的な断面図で示している。この屈折率変調型回折光学素子は、透光性基板１１上に形成された回折格子層１２ａを含んでおり、この回折格子層１２ａには屈折率変調構造が形成されている。すなわち、回折格子層１２ａにおいては、相対的に小さな屈折率ｎ₁を有する局所的領域と相対的に大きな屈折率ｎ₂を有する局所的領域とが周期的に交互に形成されている。そして、低屈折率ｎ₁の領域を通過した光と高屈折率ｎ₂の領域を通過した光との間で生じる位相差に起因して回折現象が生じ得る。
【０００５】
屈折率変調構造を有する回折格子層１２ａは、たとえばエネルギビーム照射を受けることによって屈折率が増大する材料を用いて形成することができる。たとえば、Ｇｅがドープされた石英ガラスは、紫外線照射によってその屈折率が増大することが知られている。また、石英ガラスにＸ線を照射することによってもその屈折率が増大することが知られている。すなわち、透光性基板１１上に屈折率ｎ₁の石英系ガラス層を堆積し、そのガラス層にエネルギビームを周期的パターンで照射して局所的に屈折率をｎ₂に高めることによって、図１９に示されているような回折格子層１２ａを形成することができる。
【０００６】
図２０は、レリーフ型回折光学素子の一例を模式的な断面図で示している。このレリーフ型回折光学素子は、透光性基板１１上に形成された回折格子層１２ｂを含んでおり、この回折格子層１２ｂにはレリーフ構造が形成されている。すなわち、回折格子層１２ｂにおいては、相対的に大きな厚さを有する局所的領域と相対的に小さな厚さを有する局所的領域とが周期的に交互に形成されている。そして、大きな厚さの領域を通過した光と小さな厚さの領域を通過した光との間で生じる位相差に起因して回折現象が生じ得る。
【０００７】
レリーフ構造を有する回折格子層１２ｂは、たとえば、透光性基板１１上に石英系ガラス層を堆積し、フォトリソグラフィとエッチングを利用してそのガラス層を加工することによって形成され得る。
【０００８】
図２１は、屈折率変調型回折光学素子のもう１つの例を模式的な断面図で示している。図２１の屈折率変調型回折光学素子は図１９のものに類似しているが、図２１中の回折格子層１２ｃ内には互いに異なる３レベルの屈折率ｎ₁、ｎ₂、ｎ₃を有する局所的領域が周期的に配列されている。このように、回折格子層１２ｃ内において３レベルの屈折率ｎ₁、ｎ₂、ｎ₃を有する局所的領域は、たとえば、基板１１上に屈折率ｎ₁の石英系ガラス層を堆積して、そのガラス層に対して２通りの異なるエネルギレベルのエネルギビームを照射することによって形成され得る。
【０００９】
多（マルチ）レベルの屈折率の局所的領域を含む回折格子によれば、単純な２（バイナリ）レベルの屈折率の領域を含む回折格子の場合に比べて、回折効率が向上し得る。また、マルチレベルの屈折率変化を含む回折格子がバイナリレベルの屈折率変化を含む回折格子に比べて高い回折効率を有し得ることから推測されるように、段階的な屈折率変化の代わりに連続的な屈折率変化を含む回折格子もバイナリレベルの屈折率変化を含む回折格子に比べて高い回折効率を有し得る。ここで、回折効率とは、入射光のエネルギに対する回折光エネルギの総和の比率を意味する。すなわち、回折光を利用する観点からは、回折効率の大きい方が好ましい。
【００１０】
図２２は、レリーフ型回折光学素子のもう１つの例を模式的な断面図で示している。図２２のレリーフ型回折光学素子は図２０のものに類似しているが、図２２中の回折格子層１２ｄ内には互いに異なる３レベルの厚さを有する局所的領域が周期的に配列されている。このように、回折格子層１２ｄ内において３レベルの厚さを有する局所的領域は、たとえば、基板１１上に石英系ガラス層を堆積して、そのガラス層に対してフォトリソグラフィとエッチングによる加工を２回繰り返すことによって形成され得る。このように多レベルの厚さを有する局所的領域を含む回折格子によっても、単純な２レベルの厚さを含む回折格子の場合に比べて、回折効率が向上し得る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述の屈折率変調型回折光学素子は原理的には作製可能であるが、実用的な屈折率変調型回折光学素子を得ることは困難である。なぜならば、たとえば石英系ガラスにエネルギビームを照射することによって得られる屈折率変化量はせいぜい０．００２程度であって、効果的な回折格子層を形成することが困難だからである。
【００１２】
したがって、現在では、たとえば特許文献１の特開昭６１−２１３８０２号公報や非特許文献１のApplied Optics, Vol.41, 2002, pp.3558-3566に述べられているように、回折光学素子としてレリーフ型が利用されるのが一般的である。しかし、レリーフ型回折光学素子の作製に必要なフォトリソグラフィやエッチングはかなり複雑な加工工程であり、相当の時間と手間を要する。また、そのエッチング深さを精度よく制御することが容易でない。さらに、レリーフ型回折光学素子においては、その表面に微細な凹凸が形成されているので、埃や汚れが付着しやすいという問題もある。
【００１３】
以上のような先行技術における状況に鑑み、本発明は、実用的な回折光学素子を効率的に低コストで提供することを目的としている。
【００１４】
【特許文献１】
特開昭６１−２１３８０２号公報
【００１５】
【非特許文献１】
Applied Optics, Vol.41, 2002, pp.3558-3566
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、回折光学素子は透光性基板上に形成された透光性ＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン：ダイアモンド状炭素）膜を含み、このＤＬＣ膜は相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域を含む回折格子を含んでいることを特徴としている。
【００１７】
なお、それらの高屈折率領域と低屈折率領域との境界面はＤＬＣ膜の表面に垂直であってもまたは傾斜していてもよく、その境界面の両側において屈折率が連続的に変化していてもよい。
【００１８】
そのような回折光学素子は、複数の波長を含む１つの光ビームを波長に依存して複数の光ビームに分割することができ、かつ異なる波長を有する複数の光ビームを単一の光ビームに合体させことができる波長合分岐の機能を有し得る。
【００１９】
また、そのような回折光学素子は、単一波長の光ビームを複数の光ビームに分割することができ、かつ単一波長の複数の光ビームを単一の光ビームに合体させことができるパワー合分岐の機能を有し得る。
【００２０】
さらに、そのような回折光学素子は、単一波長の光ビームに含まれるＴＥ波とＴＭ波を分離しかつ合体させることができる偏光合分岐の機能を有し得る。
【００２１】
さらに、そのような回折光学素子は、単一波長の光ビームに含まれるＴＥ波またはＴＭ波に対して波長板の機能を有し得る。
【００２２】
さらに、上述の偏光合分岐の機能を有する回折格子を含むＤＬＣ膜と波長板の機能を有する回折格子を含むＤＬＣ膜とを組合せて光アイソレータを得ることも可能である。
【００２３】
さらに、そのような回折光学素子は、０．８μｍ〜２．０μｍの範囲内の波長を含む光に対して作用し得る回折格子を含み得る。
【００２４】
上述のような本発明による回折光学素子を形成するための方法においては、ＤＬＣ膜に所定のパターンでエネルギビームを照射して屈折率を高めることによって、回折格子に含まれる高屈折率領域を形成することができる。そのエネルギビームは、Ｘ線、電子線、およびイオンビームから選択され得る。また、ＤＬＣ膜は、プラズマＣＶＤ法によって基板上に堆積され得る。さらに、高屈折率領域と低屈折率領域との境界面をＤＬＣ膜の表面に対して傾斜させる場合には、ＤＬＣ膜の表面に対してエネルギビームを傾斜させて照射すればよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１から図３は、本発明の実施形態１による屈折率変調型回折光学素子の作製過程を図解する模式的な断面図である。なお、本願の図面において、長さや厚さのような寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を反映してはいない。
【００２６】
図１に示されているように、屈折率１．４４を有しかつ５ｍｍ×５ｍｍの主面を有するＳｉＯ₂基板１上に、ＤＬＣ膜２がプラズマＣＶＤによって２μｍの厚さに堆積された。なお、屈折率変調型回折光学素子におけるＤＬＣ膜の厚さに特別な制限はなく、任意の厚さに設定し得る。ただし、ＤＬＣ膜があまりに厚過ぎれば、その膜による光吸収効果が大きくなり過ぎることにおいて好ましくない。また、ＤＬＣ膜があまりに薄過ぎれば、十分な回折効果を得ることが困難になる傾向にあるので好ましくない。現在利用可能なＤＬＣ膜においては、好ましくは０．５〜１０μｍの厚さ範囲内のＤＬＣ膜が屈折率変調型回折光学素子に利用される。しかし、より小さな光吸収係数を有するＤＬＣ膜が得られればより厚いＤＬＣ膜の利用も可能であろうし、屈折率の変化率をより大きくできればより薄いＤＬＣ膜の利用も可能になるであろう。
【００２７】
図２においては、ＤＬＣ膜２上に、リフトオフ法によって金マスク３が形成された。この金マスク３においては、幅０．５μｍで長さ５ｍｍの金ストライプが０．５μｍの間隔を隔てて繰り返し配列されていた。すなわち、この金マスク３は、ライン・アンド・スペースのパターンを有していた。その後、金マスク３の開口部を介して、８００ｋｅＶの加速電圧の下でＨｅイオンビーム４が５×１０¹⁷／ｃｍ²のドース量でＤＬＣ膜２に直交する方向に注入された。
【００２８】
その結果、ＤＬＣ膜２のうちでＨｅイオンが注入されなかった領域は１．５５の屈折率を有していたが、Ｈｅイオンが注入された領域２ａの屈折率は２．０５に高められていた。このようなＤＬＣ膜における屈折率変化は石英系ガラスにおいて得られる屈折率変化に比べてはるかに大きいものであり、十分に回折効率の大きな回折格子層の形成が可能となる。
【００２９】
図３において、金マスク３がエッチングによって除去され、実施形態１の屈折率変調型回折光学素子が得られた。なお、この回折光学素子における回折格子層２は、屈折率１．５５と２．０５との２種類の領域を含んでおり、いわゆるバイナリ・レベルの回折格子層である。
【００３０】
図４は、実施形態１で得られた屈折率変調型回折光学素子を波長合分岐器として使用する場合における波長分岐作用を模式的な断面図で図解している。この断面図において、黒い断面領域は相対的に高い屈折率の領域を表わし、白い断面領域は相対的に低い屈折率の領域を表わしている。図４に表わされているように、たとえば複数の波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄を含む単一の光ビームを回折光学素子に入射させれば、その回折光学素子を通過する光の回折角は波長に依存して互いに異なる。その結果、複数波長を含む単一の入射光ビームが、波長ごとに進行方向の異なる複数の回折光ビームに分離され得るのである。
【００３１】
もちろん、図４中の矢印で示された入射光ビームと回折光ビームとの向きを逆にすれば、図４の回折光学素子が合波器として利用され得ることが明らかであろう。なお、回折光学素子が波長分岐器として使用される場合、光ビームは、一般に回折光学素子の表面の法線に対して０〜７０度程度の範囲内の適切な角度で入射させられる。ただし、この入射角度範囲は高屈折領域と低屈折率領域との境界がＤＬＣ膜の表面となす角度に依存し、たとえばイオンビームをＤＬＣ膜面に対して斜め方向に照射することによって高屈折領域がＤＬＣ膜面に傾斜して形成されている場合には、その傾斜角を考慮して光ビームの入射角が調整される。
【００３２】
図５は、実施形態１の回折光学素子による波長分岐結果の一例を模式的に示すグラフである。このグラフの横軸は回折光の波長（ｎｍ）を表し、縦軸は回折光の強度を任意単位で表わしている。この場合において、１．５〜１．６μｍの波長範囲と３５０μｍのビーム径を有する光が、光ファイバとコリメータを利用して、実施形態１の回折光学素子に入射させられた。その結果、図５に示されているように、１．５μｍから１．６μｍの間で２０ｎｍ間隔で分布した波長を有する５本の回折光ビームが得られ、それら５本の回折光ビームはほぼ等しい強度を有していた。そして、このときの回折効率は約９９％であり、十分に優れた波長分岐特性が得られた。
【００３３】
なお、実施形態１においてはライン状の１次元的回折格子パターンが用いられているので、回折光ビームは入射光ビームを含む１つの平面に沿って存在する。しかし、次に述べる実施形態２におけるように２次元的回折格子パターンを用いることによって、回折光ビームを２次元的に分布させ得ることは言うまでもない。
【００３４】
（実施形態２）
図６は、実施形態２による回折光学素子における２次元的回折格子パターンを模式的な平面図で表わしている。実施形態２の回折光学素子も、実施形態１の場合と同様の工程で作製することができる。すなわち、図６において、黒色の領域はＤＬＣ膜のうちでＨｅイオンビームが照射されて屈折率が高められた領域を表わし、白色の領域はＨｅイオンビームが照射されなかった領域を表わしている。黒色のパターンは、４μｍ×４μｍの最小セルの組合せで形成されており、１３２μｍの周期性を有している。すなわち、図６の回折格子パターンにおいて、最小線幅は４μｍである。
【００３５】
図７は、実施形態２で得られた屈折率変調型回折光学素子を光カプラ（パワー分岐装置）として使用する場合におけるパワー分岐作用を模式的な断面図で図解している。すなわち、単一波長の光ビームを回折光学素子に入射させれば、その回折光学素子を通過する光の回折角は回折次数に依存して互いに異なる。その結果、単一波長の入射光ビームが、複数の光回折光ビームに分離され得るのである。
【００３６】
図８は、図６の光カプラによって図７のようにパワー分岐された回折ビームに直交する面内におけるビーム分布を示す平面図である。すなわち、パワーＰを有する入射光ビームは、それぞれＰ／１６のパワーを有する１６本の回折光ビームに分岐され得る。実際に、１．５５μｍの波長を有するビーム径３５０μｍの光を実施形態２の回折光学素子の表面に垂直に入射させたところ、４回対称に分布した１６分岐の回折光ビームが得られた。
【００３７】
なお、図８に示されているような回折光ビームの分布パターンを実現し得る図６の回折格子パターンは、周知のようにフーリエ変換を利用して求めることができる。
【００３８】
（実施形態３）
実施形態３においては、偏光合分岐の機能を有する回折光学素子が作製された。この実施形態３の回折光学素子においても、実施形態１の場合と同様の工程で、ライン・アンド・スペースのパターンを有するＤＬＣの回折格子層が形成された。ただし、実施形態３においては、幅０．４μｍで長さ５ｍｍの高屈折率領域が０．４μｍの間隔を隔てて繰り返し配列させられた。
【００３９】
図９は、実施形態３で得られた屈折率変調型回折光学素子を偏光合分岐器として使用する場合における偏光分岐作用を模式的な断面図で図解している。すなわち、ＴＥ成分とＴＭ成分とを含むＴＥＭ波を実施形態３の回折光学素子に入射させれば、ＴＥ波とＴＭ波とはその偏光の相違に依存して互いに異なる回折角で回折される。たとえば、図９に示されているように、０次回折光としてＴＥ波が得られ、−１次回折光としてＴＭ波が得られる。こうして、ＴＥ波とＴＭ波との分岐が可能になる。実際に、１．５５μｍの波長を有するビーム径１００μｍの光を実施形態３の回折光学素子に入射させたところ、ＴＥ波とＴＭ波とを分岐することができた。
【００４０】
（実施形態４）
実施形態４においては、波長板の機能を有する回折光学素子が作製された。この実施形態４の回折光学素子においても、実施形態１の場合と同様の工程で、ライン・アンド・スペースのパターンを有するＤＬＣの回折格子層が形成された。ただし、実施形態４においては、幅０．２μｍで長さ５ｍｍの高屈折率領域が０．２μｍの間隔を隔てて繰り返し配列させられた。
【００４１】
図１０は、実施形態４で得られた屈折率変調型回折光学素子を波長板として使用する場合における偏光変換作用を模式的な斜視図で図解している。この図において、光の進行方向に沿って、直線偏光フィルタ２１と本実施形態４において１／４波長板として作用する回折光学素子２２とが配列されている。偏光フィルタ２１は、１．５５μｍの波長と３５０μｍの断面径を有する入射光ビーム２３のうちで垂直直線偏光２４のみを通過させる。回折光学素子２２に含まれる高屈折率領域のライン・アンド・スペースの方向は、直線偏光２４の偏光方向に対して４５度回転させられていた。このような状態において、回折光学素子２２を通過した光２５は、進行方向に向いて反時計方向に回転する円偏光になった。
【００４２】
図１１は、図１０に示された偏光フィルタ２１と１／４波長板２２が光アイソレータとして作用する状態を図解している。すなわち、図１０の円偏光２５が或る物体に反射されて戻ってくるとき、その円偏光の回転方向が反射によって逆回転にされた戻り光２６になっている。そして、その戻り光２６は、１／４波長板２２を逆方向に通過することによって、水平直線偏光２７に変換される。そして、偏光フィルタ２１は垂直直線偏光のみを通過させるので、水平直線偏光の戻り光２７は偏光フィルタ２１によって阻止され、光入射側に戻ることができない。こうして、光アイソレータとしての作用が発揮され得る。
【００４３】
（実施形態５）
実施形態５においては、図１２の模式的な斜視図に示されているように、光アイソレータの機能を有する回折光学素子が作製された。この回折光学素子においては、石英ガラス基板３１の第１主面上に第１のＤＬＣ膜３１が形成され、第２主面上に第２のＤＬＣ膜３３が形成された。そして、第１のＤＬＣ膜３２には、実施形態３と同様な回折格子が形成され、第２のＤＬＣ膜３３には実施形態４と同様な回折格子が形成された。
【００４４】
波長１．５５で断面径３５０μｍの光ビーム３４を図１２の回折光学素子に入射させたところ、偏光分岐器として作用する第１の回折格子層３２と１／４波長板として作用する第２の回折光学層３３を通過した光３５は、或る物体に反射されて戻ってきても、光アイソレータとして協働する１／４波長板３３と偏光分岐器３２を通過して戻ることができなかった。このとき、第１の回折格子層３２を通過する戻り光の強度に対する入射光の強度の比率である消光比として、４０ｄＢ以上の値が得られた。
【００４５】
（実施形態６）
図１３に示された実施形態６における波長合分岐格子層は、図４に示されたものに類似しているが、高屈折率領域と低屈折率領域との界面がＤＬＣ膜の表面に対して傾斜していることにおいて異なっている。図１３の屈折率変調型回折光学層の作製においては、実施形態１の場合に類似して、屈折率１．４４を有しかつ５ｍｍ×５ｍｍの主面を有するＳｉＯ₂基板上に、ＤＬＣ膜がプラズマＣＶＤによって５μｍの厚さに堆積された。
【００４６】
そのＤＬＣ膜上には、幅０．５μｍで長さ５ｍｍの金ストライプが周期１μｍで繰り返し配列されたライン・アンド・スペースのパターンを有する金マスクが形成された。その後、金マスクの開口部を介して、８００ｋｅＶの加速電圧の下でＨｅイオンビーム４が５×１０¹⁷／ｃｍ²のドース量でＤＬＣ膜の表面に対して４０度の傾斜角でかつ金ストライプの長さ方向に直交する方向に注入された。その結果、ＤＬＣ膜のうちでＨｅイオンが注入されなかった領域は１．５５の屈折率を有していたが、Ｈｅイオンが注入された領域の屈折率は２．０５に高められていた。
【００４７】
図４に類似した図１３は、実施形態６で得られた屈折率変調型回折光学層を波長合分岐器として使用する場合における波長分岐作用を模式的な断面図で図解している。図１３に表わされているように、たとえば複数の波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄を含む単一の光ビームを回折光学素子に入射させれば、その回折光学素子を通過する光の回折角は波長に依存して互いに異なる。その結果、複数波長を含む単一の入射光ビームが、波長ごとに進行方向の異なる複数の回折光ビームに分離され得るのである。
【００４８】
この実施形態６の場合において、１．５〜１．６μｍの波長範囲と３５０μｍのビーム径を有する光が、光ファイバとコリメータを利用して、図１３の回折光学素子の表面に直交する方向に入射させられた。その結果、本実施形態６においても、実施形態１の場合と同様に、１．５μｍから１．６μｍの間で２０ｎｍ間隔で分布した波長を有する５本の回折光ビームが得られ、それら５本の回折光ビームはほぼ等しい強度を有していた。そして、このときの回折効率は約９９％であり、十分に優れた波長分岐特性が得られた。
【００４９】
なお、本実施形態６におけるように回折光学層の表面に直行する方向に入射光を導入できれば、そのような回折光学層を含む光学部品のコンパクト化や低コスト化をより促進することができ、光部品としてパッケージする際の調芯工程が簡略化され得る。
【００５０】
（実施形態７）
図１４に示された実施形態７におけるパワー分岐格子層は、図７に示されたものに類似しているが、高屈折率領域と低屈折率領域との界面がＤＬＣ膜の表面に対して例えば４５度だけ傾斜していることにおいて異なっている。また、図７のパワー分岐格子層は図６に示されているような２次元的回折格子パターンを有しているが、図１４のパワー分岐格子層ではＤＬＣ膜の表面において例えば９０μｍ幅の高屈折率領域が１８０μｍの周期性でライン・アンド・スペースのパターンで形成される。
【００５１】
すなわち、高屈折率領域と低屈折率領域との界面をＤＬＣ膜の表面に対して傾斜させる場合には、図８に示されているように入射パワーを２次元的に分岐することはできないが、ＤＬＣ膜の表面に直交する入射光ビームを含みかつ高屈折率領域と低屈折率領域との界面に直交する面内においてその入射光ビームを複数のビームにパワー分岐することができる。
【００５２】
（実施形態８）
図１５に示された実施形態８における偏光分離格子層は、図９に示されたものに類似しているが、高屈折率領域と低屈折率領域との界面がＤＬＣ膜の表面に対して傾斜していることにおいて異なっている。この実施形態８においては、実施形態６の場合に類似して、ＳｉＯ₂基板上にＤＬＣ膜がプラズマＣＶＤによって４μｍの厚さに堆積された。そのＤＬＣ膜上には、幅０．４μｍで長さ５ｍｍの金ストライプが周期１μｍで繰り返し配列されたライン・アンド・スペースのパターンを有する金マスクが形成された。その後、ＤＬＣ膜の表面に対して４０度の傾斜角でかつ金ストライプの長さ方向に直交するの方向にＨｅイオンが注入された。
【００５３】
ＴＥ成分とＴＭ成分とを含むＴＥＭ波のビームを図１５の回折光学層の表面に直行する方向に入射させれば、ＴＥ波とＴＭ波とはその偏光の相違に依存して互いに異なる回折角で回折される。実際に、１．５５μｍの波長を有するビーム径１００μｍの光を本実施形態８の回折光学素子に入射させたところ、ＴＥ波とＴＭ波とを分岐することができた。
【００５４】
（実施形態９）
図１６の模式的断面図に示された実施形態９における光アイソレータは、図１２のものに類似しているが、それに含まれる第１のＤＬＣ膜３２ａおいて実施形態８と同様な回折格子が形成されていることにおいて異なっている。
【００５５】
波長１．５５で断面径３５０μｍの光ビーム３４ａを図１６の回折光学素子の表面に垂直に入射させたところ、偏光分岐器として作用する第１の回折格子層３２ａと１／４波長板として作用する第２の回折光学層３３を通過した光３５ａは、或る物体に反射されて反射光３５ｂとして戻ってきても、光アイソレータとして協働する１／４波長板３３と偏光分岐器３２ａを通過して戻ることができなかった。
【００５６】
（実施形態１０）
実施形態１０においては、本発明による回折光学素子の形成法の他の例が示される。図１７の模式的な断面図においては、ＤＬＣ膜２上に複数のライン状の金マスク３ａが形成される。このライン状の金マスク３ａは、その長さ方向に直交する断面において、半円状の上面を有している。このようなマスクパターンの上方から、ＤＬＣ膜２の上面に直交する方向にＨｅイオン４が照射される。そして、ＤＬＣ膜２内に高屈折率領域２ｂが形成される。
【００５７】
そのとき、各ライン状マスクが半円状の上面を有しているので、各マスクの側面近傍では一部のＨｅイオンがそのマスクを透過することができ、その透過ＨｅイオンがＤＬＣ膜２内に侵入し得る。したがって、図１７のＤＬＣ膜２中においては、高屈折率領域と低屈折率領域との界面近傍において、屈折率が連続的に変化することになる。そして、このような連続的な屈折率変化を含む屈折率変調型回折光学素子においては、前述のように、バイナリレベルの屈折率変化を含む回折光学素子に比べて改善された回折効率を得ることができる。
【００５８】
他方、図１８の模式的な断面図においては、ＤＬＣ膜２上に複数のライン状の金マスク３ｂが形成される。このライン状の金マスク３ｂは、その長さ方向に直交する断面において矩形状であり、かなりの厚さを有している。このようなマスクパターンの斜め上方から、ＤＬＣ膜２の上面に傾斜する方向にＨｅイオン４が照射される。そして、ＤＬＣ膜２内に高屈折率領域２ｃが形成される。
【００５９】
そのとき、各ライン状マスクの矩形状断面のコーナ近傍では一部のＨｅイオンがそのマスクを透過することができ、その透過ＨｅイオンがＤＬＣ膜２内に侵入し得る。したがって、図１８のＤＬＣ膜２中においては、高屈折率領域と低屈折率領域との界面がその膜面に対して傾斜し得るとともに、その界面近傍において屈折率が連続的に変化することになる。
【００６０】
なお、以上の実施形態ではＤＬＣ膜の屈折率を高めるためにＨｅイオン照射を利用する例について説明されたが、ＤＬＣ膜の屈折率を高めるためにはＸ線照射や電子線照射などをも利用することができる。また、上述の実施形態では１．５μｍから１．６μｍまでの波長範囲内の入射光に関して説明されたが、本発明においては、光通信分野において利用される可能性のある０．８μｍ〜２．０μｍの範囲内のどのような波長を有する光に対しても使用し得る回折光学素子を作製することができる。
【００６１】
さらに、ＤＬＣ膜中にマルチレベルの回折格子をも形成し得ることは言うまでもない。その場合には、たとえばエネルギレベルまたは／およびドース量の異なるエネルギビームをＤＬＣ膜に照射すればよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、実用的な回折光学素子を効率的に低コストで提供することができる。また、ＤＬＣ膜を利用することによって実現可能になった屈折率変調型回折光学素子においては、レリーフ型回折光学素子のように表面に微細な凹凸が存在しないので、その表面が汚染されにくくかつ汚染されてもその浄化が容易である。さらに、ＤＬＣ膜は高い耐磨耗を有するので、本発明の回折光学素子はその表面が破損されにくい観点からも好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回折光学素子を作製する過程を図解する模式的な断面図である。
【図２】本発明による回折光学素子を作製する過程を図解する模式的な断面図である。
【図３】本発明による回折光学素子を作製する過程を図解する模式的な断面図である。
【図４】本発明による波長合分岐器の波長分岐作用を図解する模式的な断面図である。
【図５】本発明による波長合分岐器によって分岐された光の波長と強度分布との関係の一例を示すグラフである。
【図６】本発明による光パワー分岐器における回折格子パターンの一例を示す模式的な平面図である。
【図７】本発明による光パワー分岐器におけるパワー分岐作用を図解する模式的な断面図である。
【図８】図６の光パワー分岐器によってパワー分岐された回折ビームに直交する面内におけるビーム分布を示す平面図である。
【図９】本発明による偏光分岐器における偏向分岐作用を図解する模式的な断面図である。
【図１０】本発明による波長板における偏光変換作用を図解する模式的な斜視図である。
【図１１】図１０の光学系における光アイソレータとしての作用を図解する模式的な斜視図である。
【図１２】本発明において光アイソレータとして作用し得る回折光学素子を図解する模式的な斜視図である。
【図１３】本発明による波長合分岐器の波長分岐作用の他の例を図解する模式的な断面図である。
【図１４】本発明による光パワー分岐器におけるパワー分岐作用の他の例を図解する模式的な断面図である。
【図１５】本発明による偏光分岐器における偏向分岐作用の他の例を図解する模式的な断面図である。
【図１６】本発明において光アイソレータとして作用し得る回折光学素子の他の例を図解する模式的な断面図である。
【図１７】本発明による回折光学素子を作製する方法の他の例を図解する模式的な断面図である。
【図１８】本発明による回折光学素子を作製する方法のさらに他の例を図解する模式的な断面図である。
【図１９】従来の屈折率変調型回折光学素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図２０】従来のレリーフ型回折光学素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図２１】従来の屈折率変調型回折光学素子のもう１つの例を示す模式的な断面図である。
【図２２】従来のレリーフ型回折光学素子のもう１つの例を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１石英ガラス基板、２ＤＬＣ膜、２ａ、２ｂ、２ｃＤＬＣ膜２中の高屈折率領域、３、３ａ、３ｂ金マスク、４、４ａＨｅイオンビーム、２１偏光板、２２１／４波長板、２３入射光、２４垂直直線偏光、２５円偏光、２６反射戻り円偏光、２７水平直線偏光、３１石英ガラス基板、３２、３２ａ第１の回折格子層、３３第２の回折格子層、３４、３４ａ入射光、３５、３５ａ出射光、３５ｂ戻り光。

Claims

透光性基板上に形成された透光性ＤＬＣ膜を含み、このＤＬＣ膜は相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とを含む回折格子を含んでいることを特徴とする回折光学素子。
前記高屈折率領域と前記低屈折率領域との境界面は前記ＤＬＣ膜の表面に垂直であることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
前記境界面の両側において屈折率が連続的に変化していることを特徴とする請求項２に記載の回折光学素子。
前記高屈折率領域と前記低屈折率領域との境界面は前記ＤＬＣ膜の表面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
前記境界面の両側において屈折率が連続的に変化していることを特徴とする請求項４に記載の回折光学素子。
前記回折光学素子は、複数の波長を含む１つの光ビームを波長に依存して複数の光ビームに分割することができ、かつ異なる波長を有する複数の光ビームを単一の光ビームに合体させることができる波長合分岐の機能を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかの項に記載の回折光学素子。
前記回折光学素子は、単一波長の光ビームを複数の光ビームに分割することができ、かつ単一波長の複数の光ビームを単一の光ビームに合体させことができるパワー合分岐の機能を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかの項に記載の回折光学素子。
前記回折光学素子は、単一波長の光ビームに含まれるＴＥ波とＴＭ波を分離できかつ合体させることができる偏光合分岐の機能を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかの項に記載の回折光学素子。
前記回折光学素子は、単一波長の光ビームに含まれるＴＥ波またはＴＭ波に対して波長板の機能を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の回折光学素子。
透光性基板の第１と第２の主面上にそれぞれ形成された第１と第２の透光性ＤＬＣ膜を含み、前記ＤＬＣ膜の各々は相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とを含む回折格子を含んでおり、
前記第１のＤＬＣ膜は単一波長の光ビームに含まれるＴＥ波とＴＭ波を偏光分離することができる偏光分岐の機能を有し、
前記第２のＤＬＣ膜は単一波長の光ビームに含まれるＴＥ波またはＴＭ波に対して波長板の機能を有し、
前記第１と第２のＤＬＣ膜は協働して光アイソレータの機能を有することを特徴とする回折光学素子。
前記第１のＤＬＣ膜における前記高屈折率領域と前記低屈折率領域との境界面はそのＤＬＣ膜の表面に対して傾斜しており、前記第２のＤＬＣ膜における前記高屈折率領域と前記低屈折率領域との境界面はそのＤＬＣ膜の表面に垂直であることを特徴とする請求項１０に記載の回折光学素子。
前記境界面の両側において屈折率が連続的に変化していることを特徴とする請求項１１に記載の回折光学素子。
前記回折光学素子は０．８μｍ〜２．０μｍの範囲内の波長を含む光に対して作用し得る前記回折格子を含んでいることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の回折光学素子。
請求項１から１３のいずれかに記載された回折光学素子を形成するための方法であって、前記ＤＬＣ膜に所定のパターンでエネルギビームを照射して屈折率を高めることによって、前記回折格子に含まれる前記高屈折率領域を形成することを特徴とする回折光学素子の形成方法。
前記エネルギビームは、Ｘ線、電子線、およびイオンビームから選択されることを特徴とする請求項１４に記載の回折光学素子の形成方法。
前記基板上において、前記ＤＬＣ膜はプラズマＣＶＤ法によって堆積されることを特徴とする請求項１４または１５に記載の回折光学素子の形成方法。
前記エネルギビームが前記ＤＬＣ膜の表面に対して傾斜して照射される工程を含むことを特徴とする請求項１４から１６のいずれかの項に記載の回折光学素子の形成方法。