JP2004191716A - 光射出面上に回折光学膜を有する発光素子とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】実用的で小さな回折光学膜を光射出面上に有する発光素子を効率的に低コストで提供する。
【解決手段】発光素子（ＬＤ）はその光射出面上に形成された回折光学膜（ＤＦ）を含み、この回折光学膜は透光性ＤＬＣ（ダイアモンド状炭素）層を含み、このＤＬＣ層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屈折率変調型回折格子を含んでいる。
【選択図】 図１
【解決手段】発光素子（ＬＤ）はその光射出面上に形成された回折光学膜（ＤＦ）を含み、この回折光学膜は透光性ＤＬＣ（ダイアモンド状炭素）層を含み、このＤＬＣ層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屈折率変調型回折格子を含んでいる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光射出面上に回折光学膜を有する発光素子とその製造方法に関し、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膜を光射出面上に有する発光素子とその製造方法に関する。
【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１３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。なお、本願の図面において、幅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。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１３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１４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１５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１５の屈折率変調型回折光学素子は図１３のものに類似しているが、図１５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。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１６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１６レリーフ型回折光学素子は図１４のものに類似しているが、図１６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】
なお、図１３と図１５においては回折格子層中の屈折率がステップ状に変化させられた屈折率変調型回折格子が示されたが、屈折率が連続的に変化させられた屈折率変調型回折格子も形成可能である。その場合には、屈折率を高めるために照射されるエネルギビームのエネルギ量を連続的に変化させればよい。
【００１２】
図１７は、光通信分野における回折光学素子の利用の一例を模式的に示してる。この図において、光ファイバＦ１、Ｆ２の端面にはそれぞれコリメータＣ１、Ｃ２が接合されている。連続波長の光ビームを射出し得る半導体レーザ素子ＬＤの光射出面から射出された光ビームＬは、回折光学素子ＤＥによって、例えば波長λ１の光ビームと波長λ２の光ビームとに分割され得る。これは、光の回折角が波長λに依存して異なるからである。そして、λ１の波長を有する光ビームをコリメータＣ１から光ファイバＦ１内に入力し、λ２の波長を有する光ビームをコリメータＣ２から光ファイバＦ２内に入力することが可能である。すなわち、この場合には、回折光学素子ＤＥの波長分岐機能が利用されている。
【００１３】
もちろん、図１７に示されているような回折光学素子ＤＥにおいては、波長λ１の光ビームと波長λ２の光ビームとを逆方向に入射させれば、単一の光ビームＬに合体させることも可能である。すなわち、図１７における回折光学素子ＤＥは波長合分岐機能を発揮し得る。そして、このような波長合分岐機能を有する回折光学素子は、波長分割多重（ＷＤＭ）光通信において重要な役割を果たし得る。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような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。
【００１５】
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。
【００１６】
他方、例えば図１７に示されているような光分波回路においては、支持ベース（図示せず）上において半導体レーザＬＤと光ファイバＦ１、Ｆ２に関して約数ｍｍ径の回折光学素子ＤＥを調芯して配置固定しなければならない。すなわち、従来の回折光学素子は半導体レーザや光ファイバとは別個の光学部品であり、取り扱いの手間が掛かると共に、光回路の小型化を困難にさせている。
【００１７】
以上のような先行技術における状況に鑑み、本発明は、実用的で小さな回折光学膜を光射出面上に有する発光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。
【００１８】
【特許文献１】
特開昭６１−２１３８０２号公報
【００１９】
【非特許文献１】
Applied Optics, Vol.41, 2002, pp.3558-3566
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、発光素子はその光射出面上に形成された回折光学膜を含み、この回折光学膜は透光性ＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン：ダイアモンド状炭素）層を含み、このＤＬＣ層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。
【００２１】
そのような回折光学膜は、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。
【００２２】
また、そのような回折光学膜は、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。
【００２３】
さらに、そのような回折光学膜は、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。さらに、そのような回折光学膜は、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得る。
【００２４】
さらに、上述の偏光分岐の機能を有する回折格子を含む第１のＤＬＣ層と波長板の機能を有する回折格子を含む第２のＤＬＣ層とを組合せて光アイソレータの機能を生じさせることも可能である。そのような光アイソレータの機能を有する回折光学膜の厚さが２０μｍ以下の場合、コリメータや集光レンズを要することなくその回折光学膜を介して光ファイバ端面を発光素子の光射出部に当接接続することが可能である。なぜならば、２０μｍ以下の小さな距離における光の発散はわずかだからである。なお、光アイソレータの機能を有する回折光学膜において、第１のＤＬＣ層と第２のＤＬＣ層との間に透光性の中間層が挿入されてもよい。
【００２５】
さらに、そのような回折光学膜は、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。
【００２６】
上述のような本発明による発光素子を製造するための方法においては、ＤＬＣ層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。
【００２７】
光アイソレータの機能を生じさせるための第１のＤＬＣ層と第２のＤＬＣ層との間に透光性の中間層が挿入される場合には、発光素子の光射出面上に第１のＤＬＣ層を堆積し、その第１のＤＬＣ層に第１の所定のパターンでエネルギビームを照射して高屈折率領域を形成し、透光性中間層と第２のＤＬＣ層を順次堆積し、その第２のＤＬＣ層に第２の所定のパターンでエネルギビームを照射して高屈折率領域を形成し、透光性中間層は第２の所定のパターンでエネルギビームを第２のＤＬＣ層に照射するときにそのエネルギビームが第１のＤＬＣ層に影響を及ぼすことを防止するように作用し得る。
【００２８】
屈折率を高めるため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層は、プラズマＣＶＤ法によって堆積され得る。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による発光素子の一例を模式的に図解している。この発光素子ＬＤにおいては、その光射出面上に透光性ＤＬＣ（ダイアモンド状炭素）層を含む回折光学膜ＤＦが形成されている。そのＤＬＣ層は、イオンビームのようなエネルギビーム照射によって局所的に屈折率が高められて形成された屈折率変調型回折格子を含んでいる。したがって、発光素子ＬＤから射出される光ビームは、回折光学膜ＤＦによって回折され、その回折角に依存して例えば複数の光ビームＬ１、Ｌ２、Ｌ３などに分離される。
【００３０】
（実施形態１）
図２から図４は、本発明の実施形態１における屈折率変調型回折光学膜の作製方法の一例を図解する模式的な断面図である。
【００３１】
図２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層２がプラズマＣＶＤによって２μｍの厚さに堆積された。
【００３２】
図３においては、ＤＬＣ層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層２に直交する方向に注入された。
【００３３】
その結果、ＤＬＣ層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層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。
【００３４】
図４において、金マスク３がエッチングによって除去され、屈折率変調型回折光学膜ＤＦが得られた。なお、この回折光学膜ＤＦ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。
【００３５】
図５は、得られた屈折率変調型回折光学膜ＤＦ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５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膜ＤＦに入射させれば、その回折光学膜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。
【００３６】
もちろん、図５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５の回折光学膜ＤＦ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、回折光学膜が波長分岐器として使用される場合、光ビームは、一般に回折光学膜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、この角度範囲は高屈折領域がＤＬＣ層面に直交する方向に形成されている場合に関するものであり、たとえばイオンビームをＤＬＣ層面に対して斜め方向に照射して高屈折領域がＤＬＣ層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。
【００３７】
本実施形態１において、イオンビームの斜め照射によって幅０．５μｍの金ストライプが０．５μｍの間隔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回折光学膜ＤＦが、図１に示されているように、ＡＳＥ（増幅自然放出）レーザ素子ＬＤの光射出面上に形成された。なお、ＡＳＥレーザ素子は、連続的な波長を含むレーザ光を射出し得るレーザ素子である。
【００３８】
図６は、そのようなＡＳＥレーザ素子ＬＤの光射出面上形成された回折光学膜ＤＦにおけ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、ＡＳＥレーザ素子ＬＤから回折光学膜ＤＦを介して射出された光ビームとして、図６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。
【００３９】
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、複数の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、複数の回折光ビームの直交断面を２次元的に分布させ得ることは言うまでもない。
【００４０】
（実施形態２）
図７は、実施形態２における回折光学膜の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における回折光学膜も、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７において、黒色の領域はＤＬＣ層のうちで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７の回折格子パターンにおいて、最小線幅は４μｍである。
【００４１】
図８は、実施形態２における屈折率変調型回折光学膜を光カプラ（パワー分岐装置）として使用する場合の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膜ＤＦに入射させれば、その回折光学膜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、複数の回折光ビームに分離され得るのである。
【００４２】
図９は、図７の光カプラによって図８のようにパワー分岐された複数の回折光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。
【００４３】
本実施形態２において、図７に示されているような回折格子パターンを有する回折光学膜ＤＦが、１．５５μｍの波長の光を射出するＤＦＢ（分布帰還型）レーザ素子の光射出面上に形成された（図１参照）。なお、ＤＦＢレーザ素子は、半値幅の非常に狭い単波長のレーザ光を射出し得るものである。この場合、そのＤＦＢレーザ素子ＬＤから回折光学膜ＤＦを介して射出された光ビームとして、図９に示されているように４回対称に分布した１６分岐の回折光ビームが得られた。
【００４４】
なお、図９に示されているような複数の回折光ビームの分布パターンを実現し得る図７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。
【００４５】
（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膜を含む発光素子が作製された。この実施形態３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。
【００４６】
図１０は、実施形態３における屈折率変調型回折光学膜ＤＦを偏光合分岐器として使用する場合の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における回折光学膜ＤＦ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１０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。
【００４７】
実施形態３において、イオンビームの斜め照射によって幅０．４μｍ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回折格子パターンを有する回折光学膜ＤＦが、１．５５μｍの波長の光を射出するＤＦＢレーザ素子ＬＤの光射出面上に形成された（図１参照）。この場合、そのＤＦＢレーザ素子ＬＤから回折光学膜ＤＦを介して射出された光ビームとして、ＴＥ波ビームとＴＭ波ビームとに分岐することができた。
【００４８】
（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膜ＤＦが、波長１．５５μｍの光を射出するＤＦＢレーザ素子ＬＤの光射出面上に形成された（図１参照）。この実施形態４における回折光学膜においても、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。
【００４９】
ＤＦＢレーザ素子から射出されるレーザ光は通常は直線偏光であるが、本実施形態４におけるように光射出面上に回折光学膜ＤＦ形成されたＤＦＢレーザ素子から射出された光は、波長１．５５μｍの円偏光に変換されていた。すなわち、実施形態４における回折光学膜ＤＦは１／４波長板として機能し、偏光変換作用を生じている。
【００５０】
（実施形態５）
図１１の模式的な斜視図は、実施形態５の発光素子に応用され得る回折光学素子の光アイソレータとしての機能を模式的に図解している。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３２が形成され、第２主面上に第２のＤＬＣ膜３３が形成されている。そして、第１のＤＬＣ膜３２には、実施例３と同様な回折格子が形成され、第２のＤＬＣ膜３３には実施例４と同様な回折格子が形成されている。
【００５１】
波長１．５５μｍのレーザビーム３４を図１１の回折光学素子に入射させれば、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い。
【００５２】
実施形態５において、図１２の模式図に示されているように、ＤＦＢレーザ素子ＬＤの光射出面上に光アイソレータの機能を有する回折光学膜ＤＦが形成された。その回折光学膜においては、レーザ素子ＬＤの光射出面上に第１のＤＬＣ層Ｄ１が形成され、この第１のＤＬＣ層Ｄ１には実施形態３と同様な偏光分岐機能を有する回折格子が形成された。その後、第１のＤＬＣ層Ｄ１上に、ＳｉＯ2の中間層Ｍと第２のＤＬＣ層Ｄ２が順次形成された。なお、ＳｉＯ2の中間層Ｍは、ＣＶＤ方やＥＢ（電子ビーム）蒸着法によって形成され得る。そして、第２のＤＬＣ層Ｄ２には実施形態４と同様な１／４波長板の機能を有する回折格子が形成された。このとき、中間層Ｍは、第２のＤＬＣ層Ｄ２にイオンビームが照射されるときに、そのイオンビームが第１のＤＬＣ層Ｄ１に入射することを確実に防止し得る。
【００５３】
なお、図１２において、回折光学膜ＤＦは２０μｍ以下の全厚を有している。このように回折光学膜ＤＦが２０μｍ以下の厚さを有する場合、光ファイバＦの端面は、コリメータレンズや集光レンズを必要とすることなく、その回折光学膜を介して発光素子ＬＤの光射出領域に当接させ得る。なぜならば、２０μｍ以下の小さな距離では、光ビームの発散の影響を考慮する必要がないからである。
【００５４】
参考のために、図１８は、光通信において用いられる従来のアイソレータを模式的に示している。この図において、発光素子ＬＤから射出された光ビームは、コリメータレンズＣＬ１によって平行光にされる。その平行光は、アイソレータＩＬに含まれる第１の偏光子Ｐ１、ファラデー回転子ＦＲ、および第２の偏光子Ｐ２を通過した後に、集光レンズＣＬ２を介して光ファイバＦ内に導入される。
【００５５】
図１２と図１８との比較から明らかなように、実施形態５においては、従来に比べて非常にコンパクトに、光アイソレータを介して光ファイバを発光素子ＬＤに当接接続することができる。
【００５６】
図１２に示されているように、発光素子ＬＤから回折光学膜ＤＦを介して波長１．５５μｍの光ビームが光ファイバＦ内に導入された。この場合に、偏光分岐器として作用する第１の回折格子層Ｄ１と１／４波長板として作用する第２の回折光学層Ｄ２を通過した光Ｌ０は、光ファイバＦ内に導入された後に或る界面などで反射されて戻り光Ｌｂ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Ｄ２と偏光分岐器Ｄ１を通過して発光素子Ｆ内に戻ることができなかった。このとき、第１の回折格子層Ｄ１への戻り光の通過光強度に対する入射光強度の比率である消光比として、４０ｄＢ以上の値が得られた。
【００５７】
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、他の種類のイオン照射、Ｘ線照射、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膜を有する発光素子を作製することができる。
【００５８】
さらに、上述の実施形態ではバイナリレベルの回折格子層を含む回折光学膜を有する発光素子について説明されたが、ＤＬＣ層中にマルチレベルや連続変調型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／およびドース量を変化させたエネルギビームをＤＬＣ層に照射すればよい。
【００５９】
さらに、上述の実施形態ではＤＦＢレーザ素子とＡＳＥレーザ素子が例示されたが、本発明は例えばファブリ・ペロー型などの他の型式のレーザ素子にも適用し得ることは言うまでもない。また、本発明は、レーザ素子に限られず、発光ダイオードのような他の発光素子にも適用しうることも言うまでもない。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、実用的な屈折率変調型回折光学膜を光射出面上に有する発光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層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膜においては、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層は高い耐磨耗を有するので、本発明の発光素子の光射出面上に形成された回折光学膜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】本発明において光射出面上に回折光学膜を有する発光素子を示す模式図である。
【図２】本発明における回折光学膜の作製法の一例の過程を図解する模式的な断面図である。
【図３】本発明における回折光学膜の作製法の一例の過程を図解する模式的な断面図である。
【図４】本発明における回折光学膜の作製法の一例の過程を図解する模式的な断面図である。
【図５】本発明におけ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６】本発明におけ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７】本発明におけ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８】本発明におけ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９】図７の光パワー分岐器によってパワー分岐された複数の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１０】本発明における偏光分岐器における偏光分岐作用を図解する模式的な断面図である。
【図１１】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膜の機能を図解する模式的な斜視図である。
【図１２】本発明による光アイソレータを端部に有する発光素子を図解する模式図である。
【図１３】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１４】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１５】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１６】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。
【図１７】光通信における従来の波長分岐回路を示す模式図である。
【図１８】光通信において用いられる従来のアイソレータを示す模式図である。
【符号の説明】
１ 石英ガラス基板、２ ＤＬＣ層、２ａ ＤＬＣ層２中の高屈折率領域、３金マスク、４ Ｈｅイオンビーム、３１ 石英ガラス中間層、３２ 第１の回折格子層、３３ 第２の回折格子層、３４ 入射光、３５出射光、ＬＤ 発光素子、ＤＦ 回折光学膜、Ｄ１ 第１のＤＬＣ層、Ｄ２ 第２のＤＬＣ層、Ｍ 石英ガラス中間層。
【発明の属する技術分野】
本発明は光射出面上に回折光学膜を有する発光素子とその製造方法に関し、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膜を光射出面上に有する発光素子とその製造方法に関する。
【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１３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。なお、本願の図面において、幅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。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１３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１４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１５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１５の屈折率変調型回折光学素子は図１３のものに類似しているが、図１５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。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１６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１６レリーフ型回折光学素子は図１４のものに類似しているが、図１６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】
なお、図１３と図１５においては回折格子層中の屈折率がステップ状に変化させられた屈折率変調型回折格子が示されたが、屈折率が連続的に変化させられた屈折率変調型回折格子も形成可能である。その場合には、屈折率を高めるために照射されるエネルギビームのエネルギ量を連続的に変化させればよい。
【００１２】
図１７は、光通信分野における回折光学素子の利用の一例を模式的に示してる。この図において、光ファイバＦ１、Ｆ２の端面にはそれぞれコリメータＣ１、Ｃ２が接合されている。連続波長の光ビームを射出し得る半導体レーザ素子ＬＤの光射出面から射出された光ビームＬは、回折光学素子ＤＥによって、例えば波長λ１の光ビームと波長λ２の光ビームとに分割され得る。これは、光の回折角が波長λに依存して異なるからである。そして、λ１の波長を有する光ビームをコリメータＣ１から光ファイバＦ１内に入力し、λ２の波長を有する光ビームをコリメータＣ２から光ファイバＦ２内に入力することが可能である。すなわち、この場合には、回折光学素子ＤＥの波長分岐機能が利用されている。
【００１３】
もちろん、図１７に示されているような回折光学素子ＤＥにおいては、波長λ１の光ビームと波長λ２の光ビームとを逆方向に入射させれば、単一の光ビームＬに合体させることも可能である。すなわち、図１７における回折光学素子ＤＥは波長合分岐機能を発揮し得る。そして、このような波長合分岐機能を有する回折光学素子は、波長分割多重（ＷＤＭ）光通信において重要な役割を果たし得る。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような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。
【００１５】
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。
【００１６】
他方、例えば図１７に示されているような光分波回路においては、支持ベース（図示せず）上において半導体レーザＬＤと光ファイバＦ１、Ｆ２に関して約数ｍｍ径の回折光学素子ＤＥを調芯して配置固定しなければならない。すなわち、従来の回折光学素子は半導体レーザや光ファイバとは別個の光学部品であり、取り扱いの手間が掛かると共に、光回路の小型化を困難にさせている。
【００１７】
以上のような先行技術における状況に鑑み、本発明は、実用的で小さな回折光学膜を光射出面上に有する発光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。
【００１８】
【特許文献１】
特開昭６１−２１３８０２号公報
【００１９】
【非特許文献１】
Applied Optics, Vol.41, 2002, pp.3558-3566
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、発光素子はその光射出面上に形成された回折光学膜を含み、この回折光学膜は透光性ＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン：ダイアモンド状炭素）層を含み、このＤＬＣ層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。
【００２１】
そのような回折光学膜は、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。
【００２２】
また、そのような回折光学膜は、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。
【００２３】
さらに、そのような回折光学膜は、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。さらに、そのような回折光学膜は、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得る。
【００２４】
さらに、上述の偏光分岐の機能を有する回折格子を含む第１のＤＬＣ層と波長板の機能を有する回折格子を含む第２のＤＬＣ層とを組合せて光アイソレータの機能を生じさせることも可能である。そのような光アイソレータの機能を有する回折光学膜の厚さが２０μｍ以下の場合、コリメータや集光レンズを要することなくその回折光学膜を介して光ファイバ端面を発光素子の光射出部に当接接続することが可能である。なぜならば、２０μｍ以下の小さな距離における光の発散はわずかだからである。なお、光アイソレータの機能を有する回折光学膜において、第１のＤＬＣ層と第２のＤＬＣ層との間に透光性の中間層が挿入されてもよい。
【００２５】
さらに、そのような回折光学膜は、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。
【００２６】
上述のような本発明による発光素子を製造するための方法においては、ＤＬＣ層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。
【００２７】
光アイソレータの機能を生じさせるための第１のＤＬＣ層と第２のＤＬＣ層との間に透光性の中間層が挿入される場合には、発光素子の光射出面上に第１のＤＬＣ層を堆積し、その第１のＤＬＣ層に第１の所定のパターンでエネルギビームを照射して高屈折率領域を形成し、透光性中間層と第２のＤＬＣ層を順次堆積し、その第２のＤＬＣ層に第２の所定のパターンでエネルギビームを照射して高屈折率領域を形成し、透光性中間層は第２の所定のパターンでエネルギビームを第２のＤＬＣ層に照射するときにそのエネルギビームが第１のＤＬＣ層に影響を及ぼすことを防止するように作用し得る。
【００２８】
屈折率を高めるため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層は、プラズマＣＶＤ法によって堆積され得る。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による発光素子の一例を模式的に図解している。この発光素子ＬＤにおいては、その光射出面上に透光性ＤＬＣ（ダイアモンド状炭素）層を含む回折光学膜ＤＦが形成されている。そのＤＬＣ層は、イオンビームのようなエネルギビーム照射によって局所的に屈折率が高められて形成された屈折率変調型回折格子を含んでいる。したがって、発光素子ＬＤから射出される光ビームは、回折光学膜ＤＦによって回折され、その回折角に依存して例えば複数の光ビームＬ１、Ｌ２、Ｌ３などに分離される。
【００３０】
（実施形態１）
図２から図４は、本発明の実施形態１における屈折率変調型回折光学膜の作製方法の一例を図解する模式的な断面図である。
【００３１】
図２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層２がプラズマＣＶＤによって２μｍの厚さに堆積された。
【００３２】
図３においては、ＤＬＣ層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層２に直交する方向に注入された。
【００３３】
その結果、ＤＬＣ層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層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。
【００３４】
図４において、金マスク３がエッチングによって除去され、屈折率変調型回折光学膜ＤＦが得られた。なお、この回折光学膜ＤＦ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。
【００３５】
図５は、得られた屈折率変調型回折光学膜ＤＦ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５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膜ＤＦに入射させれば、その回折光学膜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。
【００３６】
もちろん、図５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５の回折光学膜ＤＦ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、回折光学膜が波長分岐器として使用される場合、光ビームは、一般に回折光学膜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、この角度範囲は高屈折領域がＤＬＣ層面に直交する方向に形成されている場合に関するものであり、たとえばイオンビームをＤＬＣ層面に対して斜め方向に照射して高屈折領域がＤＬＣ層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。
【００３７】
本実施形態１において、イオンビームの斜め照射によって幅０．５μｍの金ストライプが０．５μｍの間隔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回折光学膜ＤＦが、図１に示されているように、ＡＳＥ（増幅自然放出）レーザ素子ＬＤの光射出面上に形成された。なお、ＡＳＥレーザ素子は、連続的な波長を含むレーザ光を射出し得るレーザ素子である。
【００３８】
図６は、そのようなＡＳＥレーザ素子ＬＤの光射出面上形成された回折光学膜ＤＦにおけ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、ＡＳＥレーザ素子ＬＤから回折光学膜ＤＦを介して射出された光ビームとして、図６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。
【００３９】
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、複数の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、複数の回折光ビームの直交断面を２次元的に分布させ得ることは言うまでもない。
【００４０】
（実施形態２）
図７は、実施形態２における回折光学膜の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における回折光学膜も、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７において、黒色の領域はＤＬＣ層のうちで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７の回折格子パターンにおいて、最小線幅は４μｍである。
【００４１】
図８は、実施形態２における屈折率変調型回折光学膜を光カプラ（パワー分岐装置）として使用する場合の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膜ＤＦに入射させれば、その回折光学膜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、複数の回折光ビームに分離され得るのである。
【００４２】
図９は、図７の光カプラによって図８のようにパワー分岐された複数の回折光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。
【００４３】
本実施形態２において、図７に示されているような回折格子パターンを有する回折光学膜ＤＦが、１．５５μｍの波長の光を射出するＤＦＢ（分布帰還型）レーザ素子の光射出面上に形成された（図１参照）。なお、ＤＦＢレーザ素子は、半値幅の非常に狭い単波長のレーザ光を射出し得るものである。この場合、そのＤＦＢレーザ素子ＬＤから回折光学膜ＤＦを介して射出された光ビームとして、図９に示されているように４回対称に分布した１６分岐の回折光ビームが得られた。
【００４４】
なお、図９に示されているような複数の回折光ビームの分布パターンを実現し得る図７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。
【００４５】
（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膜を含む発光素子が作製された。この実施形態３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。
【００４６】
図１０は、実施形態３における屈折率変調型回折光学膜ＤＦを偏光合分岐器として使用する場合の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における回折光学膜ＤＦ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１０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。
【００４７】
実施形態３において、イオンビームの斜め照射によって幅０．４μｍ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回折格子パターンを有する回折光学膜ＤＦが、１．５５μｍの波長の光を射出するＤＦＢレーザ素子ＬＤの光射出面上に形成された（図１参照）。この場合、そのＤＦＢレーザ素子ＬＤから回折光学膜ＤＦを介して射出された光ビームとして、ＴＥ波ビームとＴＭ波ビームとに分岐することができた。
【００４８】
（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膜ＤＦが、波長１．５５μｍの光を射出するＤＦＢレーザ素子ＬＤの光射出面上に形成された（図１参照）。この実施形態４における回折光学膜においても、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。
【００４９】
ＤＦＢレーザ素子から射出されるレーザ光は通常は直線偏光であるが、本実施形態４におけるように光射出面上に回折光学膜ＤＦ形成されたＤＦＢレーザ素子から射出された光は、波長１．５５μｍの円偏光に変換されていた。すなわち、実施形態４における回折光学膜ＤＦは１／４波長板として機能し、偏光変換作用を生じている。
【００５０】
（実施形態５）
図１１の模式的な斜視図は、実施形態５の発光素子に応用され得る回折光学素子の光アイソレータとしての機能を模式的に図解している。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３２が形成され、第２主面上に第２のＤＬＣ膜３３が形成されている。そして、第１のＤＬＣ膜３２には、実施例３と同様な回折格子が形成され、第２のＤＬＣ膜３３には実施例４と同様な回折格子が形成されている。
【００５１】
波長１．５５μｍのレーザビーム３４を図１１の回折光学素子に入射させれば、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い。
【００５２】
実施形態５において、図１２の模式図に示されているように、ＤＦＢレーザ素子ＬＤの光射出面上に光アイソレータの機能を有する回折光学膜ＤＦが形成された。その回折光学膜においては、レーザ素子ＬＤの光射出面上に第１のＤＬＣ層Ｄ１が形成され、この第１のＤＬＣ層Ｄ１には実施形態３と同様な偏光分岐機能を有する回折格子が形成された。その後、第１のＤＬＣ層Ｄ１上に、ＳｉＯ2の中間層Ｍと第２のＤＬＣ層Ｄ２が順次形成された。なお、ＳｉＯ2の中間層Ｍは、ＣＶＤ方やＥＢ（電子ビーム）蒸着法によって形成され得る。そして、第２のＤＬＣ層Ｄ２には実施形態４と同様な１／４波長板の機能を有する回折格子が形成された。このとき、中間層Ｍは、第２のＤＬＣ層Ｄ２にイオンビームが照射されるときに、そのイオンビームが第１のＤＬＣ層Ｄ１に入射することを確実に防止し得る。
【００５３】
なお、図１２において、回折光学膜ＤＦは２０μｍ以下の全厚を有している。このように回折光学膜ＤＦが２０μｍ以下の厚さを有する場合、光ファイバＦの端面は、コリメータレンズや集光レンズを必要とすることなく、その回折光学膜を介して発光素子ＬＤの光射出領域に当接させ得る。なぜならば、２０μｍ以下の小さな距離では、光ビームの発散の影響を考慮する必要がないからである。
【００５４】
参考のために、図１８は、光通信において用いられる従来のアイソレータを模式的に示している。この図において、発光素子ＬＤから射出された光ビームは、コリメータレンズＣＬ１によって平行光にされる。その平行光は、アイソレータＩＬに含まれる第１の偏光子Ｐ１、ファラデー回転子ＦＲ、および第２の偏光子Ｐ２を通過した後に、集光レンズＣＬ２を介して光ファイバＦ内に導入される。
【００５５】
図１２と図１８との比較から明らかなように、実施形態５においては、従来に比べて非常にコンパクトに、光アイソレータを介して光ファイバを発光素子ＬＤに当接接続することができる。
【００５６】
図１２に示されているように、発光素子ＬＤから回折光学膜ＤＦを介して波長１．５５μｍの光ビームが光ファイバＦ内に導入された。この場合に、偏光分岐器として作用する第１の回折格子層Ｄ１と１／４波長板として作用する第２の回折光学層Ｄ２を通過した光Ｌ０は、光ファイバＦ内に導入された後に或る界面などで反射されて戻り光Ｌｂ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Ｄ２と偏光分岐器Ｄ１を通過して発光素子Ｆ内に戻ることができなかった。このとき、第１の回折格子層Ｄ１への戻り光の通過光強度に対する入射光強度の比率である消光比として、４０ｄＢ以上の値が得られた。
【００５７】
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、他の種類のイオン照射、Ｘ線照射、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膜を有する発光素子を作製することができる。
【００５８】
さらに、上述の実施形態ではバイナリレベルの回折格子層を含む回折光学膜を有する発光素子について説明されたが、ＤＬＣ層中にマルチレベルや連続変調型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／およびドース量を変化させたエネルギビームをＤＬＣ層に照射すればよい。
【００５９】
さらに、上述の実施形態ではＤＦＢレーザ素子とＡＳＥレーザ素子が例示されたが、本発明は例えばファブリ・ペロー型などの他の型式のレーザ素子にも適用し得ることは言うまでもない。また、本発明は、レーザ素子に限られず、発光ダイオードのような他の発光素子にも適用しうることも言うまでもない。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、実用的な屈折率変調型回折光学膜を光射出面上に有する発光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層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膜においては、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層は高い耐磨耗を有するので、本発明の発光素子の光射出面上に形成された回折光学膜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】本発明において光射出面上に回折光学膜を有する発光素子を示す模式図である。
【図２】本発明における回折光学膜の作製法の一例の過程を図解する模式的な断面図である。
【図３】本発明における回折光学膜の作製法の一例の過程を図解する模式的な断面図である。
【図４】本発明における回折光学膜の作製法の一例の過程を図解する模式的な断面図である。
【図５】本発明におけ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６】本発明におけ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７】本発明におけ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８】本発明におけ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９】図７の光パワー分岐器によってパワー分岐された複数の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１０】本発明における偏光分岐器における偏光分岐作用を図解する模式的な断面図である。
【図１１】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膜の機能を図解する模式的な斜視図である。
【図１２】本発明による光アイソレータを端部に有する発光素子を図解する模式図である。
【図１３】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１４】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１５】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１６】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。
【図１７】光通信における従来の波長分岐回路を示す模式図である。
【図１８】光通信において用いられる従来のアイソレータを示す模式図である。
【符号の説明】
１ 石英ガラス基板、２ ＤＬＣ層、２ａ ＤＬＣ層２中の高屈折率領域、３金マスク、４ Ｈｅイオンビーム、３１ 石英ガラス中間層、３２ 第１の回折格子層、３３ 第２の回折格子層、３４ 入射光、３５出射光、ＬＤ 発光素子、ＤＦ 回折光学膜、Ｄ１ 第１のＤＬＣ層、Ｄ２ 第２のＤＬＣ層、Ｍ 石英ガラス中間層。
Claims (13)
- 光射出面上に回折光学膜を有する発光素子であって、
前記回折光学膜は透光性ＤＬＣ層を含み、
このＤＬＣ層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発光素子。 - 前記回折光学膜は、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することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記回折光学膜は、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に記載の発光素子。
- 前記回折光学膜は、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に記載の発光素子。
- 前記回折光学膜は、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することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 光射出面上に回折光学膜を有する発光素子であって、
前記回折光学膜は前記光射出面上に順次積層された第１の透光性ＤＬＣ層と第２の透光性ＤＬＣ層を含み、
前記第１と第２のＤＬＣ層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層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層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層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発光素子。 - 前記回折光学膜は２０μｍ以下の全厚を有していることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記第１のＤＬＣ層と前記第２のＤＬＣ層との間に透光性中間層が挿入されていることを特徴とする請求項６または７に記載の発光素子。
- 前記回折光学膜は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８のいずれかに記載の発光素子。
- 請求項１から９のいずれかに記載された発光素子を製造する方法あって、前記ＤＬＣ層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発光素子の製造方法。
- 請求項８に記載された発光素子を製造する方法あって、
前記前記発光素子の光射出面上に前記第１のＤＬＣ層を堆積し、
その第１のＤＬＣ層に第１の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高屈折率領域を形成し、
前記透光性中間層と前記第２のＤＬＣ層を順次堆積し、
その第２のＤＬＣ層に第２の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高屈折率領域を形成し、
前記透光性中間層は前記第２の所定のパターンでエネルギビームを前記第２のＤＬＣ層に照射するときにそのエネルギビームが前記第１のＤＬＣ層に影響を及ぼすことを防止するように作用することを特徴とする発光素子の製造方法。 - 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１０または１１に記載の発光素子の製造方法。
- 前記ＤＬＣ層はプラズマＣＶＤ法によって堆積されることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の発光素子の製造方法。
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