JP2006079096A - 改善されたダイナミックレンジを有するアポダイズされた回折格子 - Google Patents

Abstract

【課題】光学装置のダイナミックレンジを改善する。
【解決手段】
光学回折格子（２００）は、基板（２２２）と、例えば回折溝（２１０）を有する回折面（２２５）とを備える。回折格子は、入射光ビーム（２０１）が格子で受け取られる基準位置（２２０）からの距離の関数として増減する、空間的に変化する回折効率を有する。格子の空間的に変化する回折効率は、該格子上の所定位置における回折溝の形状、サイズ、深さ、断面形状、ピットおよび光学特性を選択的に変更ないし修正することにより、達成されることができる。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、改善されたダイナミックレンジを有するアポダイズされた(apodized)回折格子の技術に関する。

最新の研究および技術は、多くの人々の生活を大きく変化させてきた。その顕著な例は、光ファイバ通信である。過去２０年間にわたって、光ファイバ線が優勢になり、長距離電話業界を変貌させてきた。また、光ファイバは、インターネットを世界中で使用可能にする際の主要な役割を果たしている。長距離通話およびインターネットトラフィックに関して光ファイバが銅線に置き換わると、コストが大幅に下がり、情報を伝えることができる速度が早くなる。

帯域幅すなわち情報を伝送できる速度を最大にするには、一般に、複数の情報ストリームを、複数の光信号を使って同じ光ファイバで伝えることが好ましい。各光信号は、光ファイバを共用する光信号間で固有の波長を有する光ビームである。光通信システムは、単一の光信号を含む単波長光ビームと複数の光信号を含む多波長光ビームとで動作する光学装置に依存している。そのような光学装置は、例えば回折格子を含む。

回折格子は、典型的には、多数の回折ライン（線）を含む。そのような回折格子に入射した多波長光ビームは回折され、それにより、該多波長光ビームの単波長成分が、各成分の波長に従って異なる角度で、該格子から出る。回折格子の１つの用途は、多波長光ビームから単波長光ビーム成分を分離することである。

回折格子が、わずかな波長差しかない光ビーム成分を分離することが望ましい。例えば、従来のすなわち「Ｃ」光通信帯域が、増分約２００ギガヘルツ（ＧＨｚ）で波長が分離された最大約４０の独立した光信号しかサポートできないので、光ビーム成分の波長差は小さいことが望ましい。しかしながら、光通信システムが、わずか約２５ＧＨｚしか異ならない波長をサポートすることができれば、「Ｃ」帯域は、１５０を超える独立した信号をサポートすることができるようになる。

小さい波長増分で分離された光ビーム成分を、密に束ねられた多波長光ビームに結合することができる。光通信システムは、そのような光ビームを使用することによって、単一光ファイバで大量の情報を伝えることができる。しかしながら、そのような密な収束は、光ビームの厳密な組み合わせ、分離、および他の操作を必要とする。

図１Ａは、例示的なスペクトルフィルタの透過スペクトル上に重ねた多波長光ビームを示すグラフである。透過スペクトル１１０は、光の波長に対する、回折格子により透過される光の強度の対数としてグラフ化されている。

図１Ａに示した多波長光ビームは、２つの光ビーム成分１２０と１３０を有する。各光ビーム成分１２０と１３０は、単一波長を有し、各成分は、該成分の特定の波長における該成分の強度の対数としてグラフ化されている。明らかに、成分１２０の強度は、実質的に、成分１３０より低い。

透過スペクトル１１０は、１つの主ピーク１１２といくつかのサイドローブ１１４を含む。主ピーク１１２の中心が、回折格子に対応する波長である。光ビーム成分１２０の波長は、回折格子の波長と一致する。主ピーク１１２は、回折格子の波長の光ビームが、強度の実質的な低下なしに、回折格子を通過することを可能にする。

光の波長が変化したときに周期的パターンで生じる透過スペクトル１１０内のサイドローブ１１４が示されている。サイドローブ１１４は、或る特定のサイドローブと主ピーク１１２の間の波長差が大きくなるにつれ、強度が低下する。強い方のサイドローブのうちの１つと一致する成分１３０の波長が示されている。

サイドローブ１１４は、望ましくない波長の光が回折格子およびその関連するスリット(slit)を通過することを可能にするので、システム性能に影響を及ぼすことがある。例えば、図１Ａに示した透過スペクトルを有する回折格子に送られる成分１２０と１３０で示される、図１Ａに示す多波長光ビームのシナリオを検討してみる。回折格子を使用している光学システムからの望ましい出力は、光ビーム成分１２０のすべてであり、光ビーム成分１３０のすべてが阻止されることである。しかしながら、図１Ｂに示したように、これは必ずしも起こるとは限らない。

図１Ｂは、図１Ａに示した透過スペクトルを有する回折格子を透過した光の強度を示すグラフである。光ビーム成分１２１と１３１の強度は、回折格子によって提供される出力を表す。

回折格子の波長は、特定の波長のすべての入力光を実質的に透過するので、出力成分１２１は、典型的には、入力成分１２０とほぼ同じ強度を有する。しかしながら、出力成分１３１は、入力成分１３０よりもかなり低い強度を有する。これは、回折格子が、出力成分１３１の波長の光を実質的に減衰させるからである。入力成分１３０が入力成分１２０よりも実質的に高い強度を有するので、出力成分１３１は、出力成分１２１よりもある程度高い強度を有する。一般に、成分１３１による妨害のために、入力成分１２１の検出が困難または不可能となるので、図１Ａに示した回折格子は、多波長入力光ビームで容易に使用されることができない。さらに、多くの従来のスペクトルフィルタは、最新の光通信システムの要件を満たさない、限られた透過幅および阻止形状（rejection shape）を有する。

光回折格子は、基板と、例えば回折溝を有する回折面とを備える。回折格子は、格子に入射光ビームを受ける基準位置からの距離の関数として増減する、空間的に変化する回折効率を有する。格子の回折効率を空間的に変化させることは、格子の所定の位置における回折溝の形状、サイズ、深さ、断面形状、ピッチ、および光学特性のような、１つまたは複数の格子設計パラメータを選択的に変更または修正することにより達成されることができる。

本発明の上記および他の態様、特徴および利点は、図面と関連して行われる好ましい実施形態の以下の説明を検討することにより明らかになるであろう。

以下の詳細な説明では、説明の一部を構成しまた本発明の例示的な特定の実施形態として示す図面を参照する。他の実施形態を利用することができ、本発明の範囲を逸脱することなく構造的変更、電気的変更および手順変更を行うことができる。

図２を参照すると、回折格子２００は、広義には、格子の回折効率（すなわち、所与の次数で回折される光の量）が、格子上の基準位置からの変位の関数として変化するように、空間的に変化する回折効率を有する、と説明されることができる。本発明の回折格子の空間的に変化する回折効率は、格子面全体にわたって実質的に同じままである回折効率を有する従来の格子と、対照的である。

一般に、格子の回折効率は、該格子を形成するのに使用される多数の設計パラメータに依存する。したがって、本発明によれば、空間的に変化する回折効率を有する回折格子は、該格子上の異なる位置で、そのような設計パラメータのうちの１つまたは複数を選択的に変化させることによって、得られることができる。変化させることができる回折格子の設計パラメータには、例えば、回折溝の形状、サイズ、深さ、断面形状(profile)、ピッチ、および光学特性が含まれ、さらに、回折溝または格子基板上に形成される材料の光学特性が含まれる。

図２Ａ〜図２Ｃは、回折溝の深さを変化させることにより空間的に変化する回折効率を達成する回折格子の一例を示す。これらの図において、等間隔でかつ実質的に平行な個々の回折溝２１０を有する回折格子２００が示されている。図２Ｂおよび図２Ｃによって示したように、各回折溝２１０は、交差する２つの平面によって画定される。格子の中心のような、基準位置２２０または基準位置２２０の近くに、最大の回折効率について最適な深さを有する回折溝が配置され示されている。基準位置２２０から半径方向に外側に向かうほど、これらの溝の深さが次第に浅くなり、よって溝の入射光の回折効率が次第に低くなることに注目されたい。

１つの例において、基準位置２２０は、光ビームの中心が回折格子２００に入射する場所に置かれる。基準位置２２０は、回折格子２００の回折溝が最適な深さの領域にあるので、光ビームのこの部分の回折が最も大きくなる。光ビームの残りの部分は、基準位置２２０から離れた距離にある次第に浅くなった回折溝に入射する。この回折溝は浅いので、光ビームの残りの部分は、低い効率で回折される。したがって、回折格子２００の様々な深さの回折溝は、格子に入射した光ビームを回折させるときの回折効率を変化させることができる。この回折効率の変化によって、光ビームの空間的アポダイゼーション(spatial apodization)が生じる。

図２Ｂおよび図２Ｃは、基板２２２と回折溝２１０を備える回折格子２００を示す。基板は、該基板の上または中に適切な溝を形成することができる、任意の適切な剛性材料から形成されることができる。適切な材料には、アルミニウム、シリコン、シリカ、ガラス、プラスチックなどが含まれる。基板２２２に使用することができるガラス製品の特定の例は、ニューヨーク州コーニングのＣｏｒｎｉｎｇ， Ｉｎｃ．，製の極低膨脹（ＵＬＥ(ultra low expansion)）ガラスである。

図２Ａ〜図２Ｃは、基準位置２２０から遠くなるほど回折溝の深さを小さくすることによって、回折格子２００の回折効率を空間的に変化させた実施形態を示すことに注意されたい。代替形態は、回折効率を必要なだけ減らすために、回折溝の深さを大きくすることである。このような実施形態はやはり、格子の中心などの基準位置またはその基準位置近くに最適な深さの回折溝が配置された回折格子２００を含む。しかしながら、この実施形態では、回折溝の深さは、基準位置２２０からの半径方向の距離が大きくなるほど、小さくならずに大きくなる。

図２Ａ〜図２Ｃは、実質的に平面の回折面を有する回折格子を示すが、他の構成も可能である。例えば、回折格子を、入射光ビームに対して凹状または凸状の回折面を有するよう形成することができる。このようなタイプの平面でない回折格子の特定の例については、後の図と関連して詳細に説明される。

図３は、回折格子２００の回折面２２５の拡大部分断面図である。回折面の基本的形状は実質的に平面であり、一連の回折溝２１０によって画定される。

図示したように、各回折溝２１０は、一般に、合わさって対称的な「Ｖ」形状を形成する、実質的に等しいサイズのほぼ平面の２つの面によって規定される断面を有するくぼみを画定する。溝の深さ２２８は、溝の底と、溝の隣り合った頂上によって画定される平面との間の距離である。溝ピッチ２３０は、隣り合った溝の底の間の距離、すなわち等価的には隣り合った頂上の間の距離である。溝ピッチは、典型的には、回折格子全体にわたって均一であるが、これは必要条件ではなく、異なるピッチの溝を有し、その結果回折効率が変化する回折格子も使用することができる。例えば、回折溝のピッチを大きくすると回折効率が下がる。したがって、回折溝が置かれる格子上の基準点からの距離の関数として、回折溝のピッチを大きくすることによって、変化する回折効率を達成することができる。

図２Ａ〜図２Ｃおよび図３に、Ｖ字形の溝断面を有する回折格子の特定の例を示したが、他の多くの溝断面形状も可能である。例えば、図４Ａは、回折面３５５が正弦波形の回折溝３５０を有する、回折格子の部分断面図を示す。図４Ｂにおいて、回折面３６５は、矩形の回折溝３６０を有し、それぞれの溝は、急に上昇する面、それに続く頂上面、それに続く急に下降する面、それに続く底面、を有する。図４Ｃは、回折面の平面に対して鋭角に上昇する面、それに続く頂上面、それに続く回折面の平面に対して鋭角に下降する面、それに続く底面、によってそれぞれが画定された回折溝３７０を有する回折面３７５を示す。図４Ｄは、頂上を切り詰めた正弦波形の回折溝３８０を有する回折面３８５を示す。

他の可能な断面形状には、正弦波型の格子面の断面を傾けるもの、溝の面に沿った角度を変化させるもの、溝の面のサイズを変化させるもの、溝の曲率パラメータを変化させるもの、単一格子内に異なるタイプの溝形状を実現するもの、が含まれる。

それぞれの回折溝の断面は、特定の回折効率を示す。したがって、回折効率を空間的に変化させるための他の技術は、溝が置かれる格子の所定のポイントからの距離の関数として、溝断面形状を変化させることである。

回折面の溝は、任意の適切な技術を使用して形成されることができる。例えば、角度のついた溝は、回折格子の表面にわたって、先端がダイヤモンドのスクライブ(scribe)を通過させるか、または従来のイオンビームのミリング(milling)技術を使用することによって、形成されることができる。回折格子の溝を形成するのに使用することのできる他の周知の技術は、フォトリソグラフィである。

回折効率を空間的に変化させる他の技術は、格子の反射率を変化させることである。これを達成する１つの方法は、例えば、回折溝上に形成される反射金属層の厚さを変化させることである。この実施形態において、入射光を完全に反射させるため、金属層は、十分な表皮効果(skin effect)に対応するよう、基準位置２２０で十分厚くされる。金属層の厚さは、基準位置からの半径方向の距離に基づいて小さくされる。したがって、光学格子のいくつかの位置において、入射光の一部が金属層を通過し、低い効率で反射される。こうして、格子の基準位置からの半径方向の距離の関数として、回折溝の反射率を小さくすることにより、回折効率を変化させることができる。

もう１つの選択肢は、格子の様々な場所で回折溝の表面の品質を空間的に変化させることである。例えば、回折効率を高める必要がある領域では、光学的に滑らかな面を有する回折溝を使用することができる。回折効率を低くするためには、引っ掻き傷、掘削穴、起伏、他の散乱部分などの表面欠陥を有する回折溝を実現することができる。

基板の表面の上または中に物理的溝のような回折溝を実現することは一般に使用される技術であるが、他の方法を使用することもできる。代替として、例えば、回折溝を、特定の屈折率の差（コントラスト）を有する、溝ではない回折領域として形成することができる。回折領域の屈折率の差は、格子の回折効率を空間的に変化させるよう、本発明に従って基板全体にわたって変化する。例えば、或る回折領域の屈折率を隣りの回折領域の屈折率に対して大きくすることによって、回折効率を高めることができる。これと反対に、或る回折領域の屈折率を隣りの回折領域の屈折率に対して小さくすると、回折効率が下がる。

回折溝の回折効率は、波長に依存する。すなわち、例えば特定の深さを有する回折溝は、ある波長で最大回折効率を提供するが、その溝は、他の波長ではそれよりも低い回折効率を示す。

多くの場合、格子の回折溝の深さを変化させることにより、回折効率の所望の増減が提供される。しかしながら、広い範囲の波長を有する光の場合は、波長範囲全体にわたって回折効率の所望の低下（または上昇）を達成することができないことがある。これは、回折溝の深さに対する様々な波長の回折効率の違いのためである。したがって、広帯域の光において回折効率の所望の変化を実現するには、波長範囲全体にわたって所望の回折効率の変化を達成するために、溝の形状、ピッチ、反射率などの他の格子設計パラメータについても変化させることが有益な場合がある。

図５は、図１Ａの透過スペクトルを、回折格子２００の例示的な実施形態の透過スペクトルと比較したグラフである。それぞれの透過スペクトルは、入力光ビームの波長に対する、格子の透過の相対強度の対数としてグラフ化されている。

図１Ａを参照して前述したように、例示的な従来技術の回折格子の透過スペクトル１１０は、１つの主ピーク１１２といくつかのサイドローブ１１４とを含む。従来技術の回折格子は、主ピーク１１２と、最も強いサイドローブ１１４との間の透過強度の差である強度差３２０を有する。同様に、回折格子２００の透過スペクトル３１０は、１つの主ピーク３１２といくつかのサイドローブ３１４を含む。回折格子２００は、主ピーク３１２と、最も強いサイドローブ３１４との間の透過強度の差である強度差３３０を有する。強度差３２０および３３０は、対応する回折格子の最大ダイナミックレンジを示す。

２つの透過スペクトルを比較すると、回折格子２００の最も強いサイドローブ３１４は、従来技術の格子の最も強いサイドローブ１１４よりも透過強度がかなり低い。回折格子２００の強度差３３０は、図１Ａに透過スペクトルが示された従来技術の回折格子の強度差３２０よりも実質的に大きい。このように、回折格子２００の最大ダイナミックレンジは、図１Ａの従来技術の回折格子よりも実質的に大きい。

さらに、回折格子２００のそれぞれのサイドローブ３１４は、従来技術の格子の対応するサイドローブ１１４よりも、かなり狭い波長範囲とかなり小さい最大透過強度を有する。透過スペクトル１１０と比べて、透過スペクトル３１０は、回折格子の出力において、望ましくない波長の入力光ビーム成分が無視できない強度を有する可能性を小さくする。

さらに、主ピーク３１２は、主ピーク１１２よりも波長範囲がかなり広い。これにより、回折格子によって、多少広い範囲の所望の波長を選択することができる。波長範囲が広いと、光通信システムにおいて多波長光ビームの成分として使用される波長の許容範囲を広くすることができる。

図６Ａは、回折格子２００を使用して得ることができる、変化する回折効率の一例を示す。図示したように、回折格子は、該格子の中心近くにおける最大回折効率と該格子の縁における最小回折効率との間で回折効率が変化する一連の個別の領域を有する。

最大回折効率領域３４０は、一般に入力光ビームの軸を中心とする（しかし、必ずしもそうでなくてもよい）円領域として示されている。領域３４０に入射した入力光ビームの部分は、格子２００によって完全に回折される。第１の中間回折効率領域３４２は、領域３４０で内側が規定され、第２の中間回折効率領域３４４で外側が規定された環状領域である。領域３４４は、第３の回折効率領域３４６によって規定されている。領域３４６は、最小回折効率領域である最後の回折効率領域３４７によって規定されるよう示されている。該領域３４７に入射した光のすべてまたは実質的にすべてが、回折されない。

図６Ｂは、図６Ａの回折格子の回折効率関数のグラフである。この図において、回折効率関数３４８は、格子の基準位置からの半径方向の距離に対する、該格子の回折効率として、グラフ化されている。回折効率関数３４８は、基準位置２２０またはその基準位置２２０近くに入射する光の最大回折効率から対称的に変化し、該基準位置からの半径方向の距離が大きくなるほど、回折効率が低くなる。

回折効率関数３４８は、回折効率領域の数およびそれらの領域の回折効率に依存する。図６Ａに示した格子は、回折効率が徐々に低くなる一連の環状回折効率領域を有し、それにより、実質的に対称的な回折効率関数３４８が提供される。図６Ａに示した回折効率関数は、本明細書に示したような格子設計パラメータのいずれかを変化させることによって実現されることができる。一般に、回折溝または領域のそれぞれの回折効率は、基準位置からの距離が大きくなるほど、小さくなる。

図６Ｂは、段階的な回折効率関数３４８を示す。該効率関数の各段階は、図６Ａの格子の特定の回折効率領域と関連付けられている。効率関数の各段階間の差は、格子２００の隣り合った回折効率領域間の回折効率の差に依存する。隣り合った回折効率領域間の回折効率の差を大きくすると、効率関数の各段階の高さが大きくなる。これと反対に、隣り合った回折効率領域間の回折効率の差を小さくすると、効率関数の各段階の高さが小さくなる。

回折格子２００は、それぞれが異なる回折効率を有する５つの回折効率領域を含む。しかしながら、特定の数の領域および特定の回折効率は、必要ではなく、また望ましくもない。回折効率領域の数を増やすと、回折効率関数は滑らかになる。１つの例は、それぞれの領域の回折効率が１パーセントだけ異なる１００個の回折効率領域を有する回折格子である。そのような格子は、図６Ｂの段階的効率関数と対照的に、比較的滑らかな回折効率関数を有する。

さらに、隣り合った回折効率領域の回折効率の差は、回折格子全体にわたって同じでなくてもよい。例えば、基準位置２２０に最も近い隣り合った回折効率領域は、０．５〜１パーセント異なる回折効率を有することができる。基準位置からの半径方向の距離が大きくなるほど、隣り合った回折効率領域間の回折効率の差も大きくなり、その結果、外側の隣り合った回折効率領域には、例えば２０〜３５パーセント異なる回折効率があってもよい。したがって、基準位置２２０からの半径方向の距離に基づいて回折効率の差を変化させると、回折効率関数は、ガウス関数(Gaussian function)または高次のガウス関数と似たものになる。

回折格子は、典型的には、回折すべき光ビームのサイズおよび幾何学形状に基づいて選択される。例えば、円形光ビームを回折させるためには、典型的には、図６Ａに示した格子のような異なる回折効率の一連の環状領域を有する格子が実現される。同様に、長方形または楕円の光ビームを回折させるためには、それぞれ、例えば異なる回折効率の一連の長方形または楕円形領域を有する格子を利用することができる。

回折格子２００はまた、非対称光ビームに対応するために、変化する幾何学形状の異なる回折効率領域を有することができる。例えば、入力光ビームは、完全な球状の波面および円形光ビームを有しないという点で、非対称であってもよい。

図５を再び参照すると、主ピーク３１２の両側に２つのサイドローブ３１４を有する回折格子２００の透過スペクトル３１０が示されている。この図に示した透過スペクトルは、対称的な光ビームについてのものなので、スペクトル３１０の右側と左側のサイドローブ３１４も対称的である。一方、非対称光ビームは、サイドローブ３１４において対応する非対称を有する。具体的には、非対称光ビームの場合、主ピーク３１２の一方の側にあるサイドローブは、主ピーク３１２の反対の側にある対応するサイドローブと、異なる透過強度を有する。所望の強度差を提供しつつ、非対称光ビームに対処するため、回折格子は、入力光ビームの非対称性に対応する非対称回折効率領域を有することができる。

図７Ａは、回折格子製作システム４００を示すブロック図である。該システムは、一般に、レーザ４１０、ビーム拡大器（beam expander）４２０、空間フィルタ４３０、およびビームスプリッタ４４０を含む。ミラー４５０および４５２は、それぞれ、結像要素４６０および４６２に関連付けられている。このシステムについて、例えば回折格子２００の形成に関連して説明する。

動作中、レーザ４１０は、ビーム拡大器によって拡大され、空間フィルタ４３０によって空間的にフィルタリングされた、露光ビーム(exposure beam)を生成する。露光ビームは、ビームスプリッタ４４０に入り、そこで、該ビームは、２つの露光ビーム４７０および４７２に分かれる。露光ビーム４７０および４７２は、それぞれ、ミラー４５０および４５２によって反射される。結像要素４６０は、露光ビーム４７０をアポダイゼーションフィルタ(apodization filter)４８０上に導き、結像要素４６２は、露光ビーム４７２をアポダイゼーションフィルタ４８２上に導く。アポダイゼーションフィルタ４８０および４８２は、個々に、それぞれの露光ビームの強度を、空間的に依存したやり方で変化させる。露光ビーム４７０および４７２は、それぞれのアポダイゼーションフィルタ４８０および４８２を通過した後、基板２２２の表面２２５に導かれる。この光学的構成により、光波干渉およびホログラフィ(holography)の周知の原理に従って、露光ビーム４７０および４７２は、互いに重なりあって、干渉する。

表面２２５は、適切なポジまたはネガのフォトレジストで被覆される。フォトレジストは、露光ビーム４７０および４７２によって生成された干渉縞にさらされたときに、該干渉縞を記録する。例えば、適切なネガフォトレジストの現像プロセスによって、干渉縞にさらされていないフォトレジストの部分が除去され、干渉縞にさらされたフォトレジストの部分が残る。該表面は、さらにエッチングによって処理され、例えば図２Ａに示したような一連の回折溝を形成することができる。残りのフォトレジストは、使用の前に除去されてもよいが、これは必要条件ではない。反射型回折格子を形成するためには、例えば、既知の堆積技術を使用して、パターン形成面上に反射金属層を形成する。

露光ビーム４７０および４７２によって形成される干渉縞は、格子の設計パターンを決定する。干渉縞を修正することによって変更することのできる格子設計パラメータには、回折溝の形状、サイズ、深さ、断面形状、およびピッチがある。後で説明するような、空間的に変化する深さを有する回折溝を作成するのに使用される様々な技術のいずれかを使用して、他の格子設計パラメータを変更してもよい。

第１の例として、基板２２２に形成される回折溝の深さは、露光ビーム４７０および４７２の強度を変化させることによって、変更させることができる。したがって、空間に依存した(spatially dependent)強度プロファイルを示す露光ビーム４７０および４７２をそれぞれ使用して、溝の深さの、空間に依存した変化を実現することができる。空間に依存した強度プロファイルは、例えばアポダイゼーションフィルタ４８０および４８２を使用して実現されることができる。

代替の実施形態によれば、空間に依存した強度プロファイルは、単一のアポダイゼーションフィルタを使用して実現されることができる。例えば、図７Ｂは、基板２２２と結像要素４６０および４６２との間にアポダイゼーションフィルタ４９１が配置された回折格子製作システム４９０を示す。この実施形態において、アポダイゼーションフィルタ４９１は、露光ビーム４７０および４７２の両方をフィルタリングする。図７Ｃは、回折格子製作システム４９２が、レーザ４１０およびビーム拡大器４２０の間に配置された単一のアポダイゼーションフィルタ４９３を含む、さらにもう１つの実施形態を示す。代替として、必要に応じて、アポダイゼーションフィルタ４９３は、ビーム拡大器４２０および空間フィルタ４３０の間に配置されてもよく、または、空間フィルタ４３０およびビームスプリッタ４４０の間に配置されてもよい。

図７Ａに戻ると、もう１つの代替は、アポダイゼーションフィルタ４８０および４８２を除去することである。そのような実施形態では、基板２２２の法線に対する露光ビーム４７０および４７２の入射角を変化させることによって、露光ビーム４７０および４７２によって形成される干渉縞を変更することができる。この入射角の変更によって、基板２２２から形成される回折格子の溝の深さが変化する。

アポダイゼーションフィルタを有しない実施形態のもう１つの例は、レーザ４１０によって生成される露光ビームに固有のガウス強度プロファイルを利用する。この実施形態にでは、干渉露光ビーム４７０および４７２によって、空間に依存した強度パターンが直接生成され、これにより、所望の、空間に依存した深さを有する回折溝が得られる。同様に、露光ビーム４７０および４７２を空間的に歪ませることによって、干渉縞の周波数、すなわちピッチの空間に依存した効果的な角度または変化が得られる。この結果、空間に依存したピッチを有する回折溝が得られる。

図８Ａは、回折格子２００の光学機構の一般化した例を示す図である。この例において、回折格子２００は、実質的に平坦な透過回折格子として構成される。この図において、入力光ビーム２０１は、回折格子の回折面２２５に入射する。入力光ビームの少なくとも一部が、格子によって回折されて通過し、出力ビーム２０２が提供される。入力光ビームは、格子内で使用される、空間的に変化する回折効率に従って回折される。

入力光ビーム２０１は、ピンホールまたはスリットを有する装置、光導波路、シングルモードまたはマルチモード光ファイバなどの入力ソースによって、回折格子に提供されることができる。回折格子は、例えばスペクトルフィルタおよび光スペクトル分析器などの装置の一部を構成することができる。

図８Ｂは、実質的に平面の反射格子として構成された回折格子５００を示す図である。他の実施形態と同様、回折格子５００も、前述の技術のいずれかを使用して実現されることができる、空間的に変化する回折効率を有する。格子５００が反射格子なので、格子５００は、該格子に入射する光の一部または全てを反射する材料を含む。動作中、入力光ビーム２０１は回折面５０５に導かれ、そこで、該ビームは、回折され反射されて、出力ビーム２０２を生成する。

図８Ａおよび図８Ｂは、実質的に平面の回折格子を示すが、他の設計も可能である。例えば、図９Ａは、入力光ビーム２０１に対して凹状の回折面５２５を有する回折格子の一例を示す。この格子の実施形態は、入力光ビームを、集束され回折された出力ビーム２０２として反射する。

図９Ｂに、もう１つの代替を示す。この図において、回折格子５３０は、入力光ビーム２０１に対して凸状の回折面５３５を含む。この凸状格子の実施形態において、格子５３０は、空間的に変化する回折効率に基づいて入力光ビームを回折させ、それにより、集束され回折された出力ビーム２０２を生成する、透過回折格子である。

発散入力光ビームを回折させる回折格子５１０および５３０を示したが、これらの格子は、収束され平行にされた入力光ビームを回折させるのに使用されることもできる。他の実施形態と同様に、回折格子５１０および５３０は、空間的に変化する回折効率を有する。

図１０は、本発明のいくつかの実施形態に従って光ビームを回折させる例示的な操作を示すフローチャートである。ブロック６００で、空間的に変化する回折効率を有する光学格子が設けられる。ブロック６１０で、光ビームが格子によって受け取られる。ブロック６２０で、該光が、該光学格子によって回折される。一実施形態によれば、光ビームが回折される回折効率は、上がるにしても下がるにしても、該光学格子に光ビームを受ける基準位置からの距離の関数として変化する。

本発明を、開示した実施形態を参照して詳細に説明したが、本発明の範囲内の様々な変更が可能なことは明らかであろう。一実施形態に関して説明した特徴は、一般に他の実施形態にも適用できることを理解されたい。したがって、本発明は、特許請求の範囲を参照して適切に解釈されるべきである。

従来技術による例示的な回折格子の透過スペクトルに重ねた多波長光ビームを示すグラフ。 図１Ａに示した透過スペクトルの回折格子によって回折された後の、図１Ａの多波長光ビームのスペクトルを示すグラフ。 本発明の一実施形態に従う回折格子の正面図。 本発明の一実施形態に従う回折格子の、図２Ａに示した切断線２Ｂ−２Ｂに沿って切断した側面図。 本発明の一実施形態に従う回折格子の、図２Ａに示した切断線２Ｃ−２Ｃに沿って切断した側面図。 図２Ｂに示した回折格子の回折面の拡大部分断面図。 図２Ａ〜図２Ｃの回折格子に使用することができる溝断面形状の様々な拡大断面図である。 図２Ａ〜図２Ｃの回折格子に使用することができる溝断面形状の様々な拡大断面図である。 図２Ａ〜図２Ｃの回折格子に使用することができる溝断面形状の様々な拡大断面図である。 図２Ａ〜図２Ｃの回折格子に使用することができる溝断面形状の様々な拡大断面図である。 図１Ａの透過スペクトルを、図２Ａの回折格子から得た透過スペクトルと比較したグラフ。 図２Ａの回折格子を使用して得ることができる様々な回折効率の一例を示す図である。 図６Ａの回折格子の回折効率関数のグラフ。 本発明に従う、入力光ビームを回折させアポダイズする光学格子を製作するための構成要素を示すブロック図。 本発明の代替の実施形態に従う、入力光ビームを回折させアポダイズする光学格子を製作するための構成要素を示すブロック図。 本発明のもう１つの代替実施形態に従う、入力光ビームを回折させアポダイズする光学格子を製作するための構成要素を示すブロック図。 図２Ａの回折格子の光学機構を示す図。 本発明に従う、反射回折格子の光学機構を示す図。 本発明に従う、入射入力光ビームに対して凹状の回折面を有する反射回折格子の光学機構を示す図。 本発明に従う、入射入力光ビームに対して凸状の回折面を有する透過回折格子の光学機構のブロック図。 本発明の実施形態に従う、光ビームを回折させる例示的な操作を示すフローチャート。

符号の説明

２００ 回折格子
２１０ 回折溝
２２０ 基準位置
２２２ 基材
２２５ 回折面
２２８ 溝深さ
２３０ 溝ピッチ

Claims (13)

1. 光学格子（２００）であって、
   基板（２２２）と、
   前記基板上に配置された回折面（２２５）であって、該回折面の回折効率が、該基板上の基準位置（２２０）からの距離の関数として変化する、回折面と、
   を備える、光学格子。
2. 前記回折面の前記回折効率は、前記基準位置からの前記距離が大きくなるほど低くなる、
   請求項１に記載の光学格子。
3. 前記回折面の前記回折効率は、前記基準位置からの前記距離が大きくなるほど高くなる、
   請求項１に記載の光学格子。
4. 前記回折面は、回折溝（２１０）を有しており、
   該回折溝の深さ（２２８）は、前記基準位置からの前記距離が大きくなるほど小さくなる、
   請求項１に記載の光学格子。
5. 前記回折面は、回折溝（２１０）を有しており、
   該回折溝のピッチ（２３０）は、前記基準位置からの前記距離が大きくなるほど大きくなる、
   請求項１に記載の光学格子。
6. 前記回折面は、回折溝（２１０）を有しており、
   該回折溝の断面形状は、前記基準位置からの前記距離が大きくなるにつれて変化する、
   請求項１に記載の光学格子。
7. 前記回折面は、回折溝を有しており、
   該回折溝の反射率は、前記基準位置からの前記距離が大きくなるにつれて低下する、
   請求項１に記載の光学格子。
8. 前記回折面は、入射光ビームに対して凹状である、
   請求項１に記載の光学格子。
9. 前記回折面は、回折効率領域を含んでおり、該回折効率領域のそれぞれは、前記基準位置からの前記距離が大きくなるにつれて漸進的に高くなる回折効率を有する、
   請求項１に記載の光学格子。
10. 光学格子（２００）であって、
    基板（２２２）と、
    前記基板上に配置された回折手段（２２５）であって、該回折手段の回折効率が、前記基板上の基準位置（２２０）からの距離の関数として変化する、回折手段と、
    を備える、光学格子。
11. 前記回折手段は、回折溝（２１０）を有しており、
    該回折溝の深さ（２２８）は、前記基準位置からの前記距離が大きくなるほど小さくなる、
    請求項１０に記載の光学格子。
12. 前記回折手段は、回折溝（２１０）を有しており、
    該回折溝のピッチ（２３０）は、前記基準位置からの前記距離が大きくなるほど大きくなる、
    請求項１０に記載の光学格子。
13. 前記回折手段は、回折溝（２１０）を有しており、
    該回折溝の断面形状は、前記基準位置からの前記距離が大きくなるにつれて変化する、
    請求項１０に記載の光学格子。
    

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