JP2007333826A - 反射型回折素子 - Google Patents

Abstract

【課題】分散素子、偏光子及びエッジフィルタの３種の素子の機能を併せもった素子を得る。
【解決手段】少なくとも表面が金属である基板４と、基板表面上に形成されて断面が矩形の誘電体からなる突条６が互いに平行に一定の周期で繰り返すように配置されたラメラー型回折格子層とを備え、回折格子層の格子周期Λは、入射光の入射角θ及び格子素材の条件下において入射光の波長領域で回折効率が０となるカットオフ周波数をもつ大きさに設定され、かつ回折格子層の格子幅Λ１と格子高さｈは、ＴＥ偏光が高反射率、ＴＭ偏光が低反射率となるように設定されていることにより、偏光子とエッジフィルタの機能を備えた複合型の反射型回折格子となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は分光素子として分光器や分波結合器などの光学分野で使用される反射型の回折素子に関するものである。

従来の回折素子は分光を目的として波長分散に使用される単一機能の素子であるため、偏光特性はもつものの、偏光子やエッジフィルタとしての機能を同時に実現する複合的な回折素子はこれまでにない。
従来の偏光子は、誘電体バルク界面の斜入射での偏光特性の差異を利用するものや、微細格子の構造性複屈折を利用するものがあるが、エッジフィルタ機能や分散機能を併せ持つものはない。
また、エッジフィルタは光学多層膜の干渉効果で実現されるが、分散機能を持つものはない。斜入射にすればＴＥ偏光とＴＭ偏光に対する光学特性の差異が大きくなって偏光特性が現われるが、偏光子として用いられるのは一般的ではない。

分光光学系で分散性、偏光特性及びエッジフィルタの機能を実現するためには、分散素子、偏光子及びエッジフィルタの３種の素子を用いるのが従来の方式である。そして、これらの機能を同時に実現する複合的機能をもつ素子は存在しないため、それぞれの素子を独立に用意する必要がある。
本発明は分散素子、偏光子及びエッジフィルタの３種の素子の機能を併せもった素子を提供することを目的とする。

本発明の回折素子は、少なくとも表面が金属である基板と、前記基板表面上に形成されて断面が矩形の誘電体からなる突条が互いに平行に一定の周期で繰り返すように配置されたラメラー型回折格子層とを備え、前記回折格子層の格子周期Λは、入射光の入射角及び格子素材の条件下において入射光の波長領域で回折効率が０となるカットオフ周波数をもつ大きさに設定され、かつ前記回折格子層の格子幅Λ１と格子高さｈは、ＴＥ偏光が高反射率、ＴＭ偏光が低反射率となるように設定されていることにより、偏光子とエッジフィルタの機能を備えた複合型の反射型回折格子となっている。
ＴＥ偏光が高反射率、ＴＭ偏光が低反射率となるようにするための好ましい設定方法は、ＴＥ偏光で格子内部で励起される電磁場強度を記述する平面波成分が２つある場合、そのうちで値が大きい方の伝播定数が四分の波長深さとなり、ＴＭ偏光の効率が小さくなるように回折格子層の格子幅Λ１と格子高さｈを設定することである。

ＴＥ偏光は回折格子の溝方向と電場ベクトルの振動方向が平行である偏光、ＴＭ偏光は回折格子の溝方向と電場ベクトルの振動方向が垂直である偏光である。
基板は少なくとも表面が金属であればよく、基板全体が金属からなるもの、及び他の材質の基材の表面に金属層が形成されたもののいずれであってもよい。

本発明の回折素子は回折格子としての機能のほかに、偏光特性とエッジフィルタとしての機能を兼ね備えており、１つの素子に３つの複合機能を併せてもたせることができるために、１つの素子が、分光素子、偏光子及びエッジフィルタの３つの素子を１つに縮約できる。３個の素子が１個で済むため、コストの削減、アライメント不要、光学系の簡便化による縮約、小型化及び低価格化を実現することができる。

図１に示すような素子構造を考える。
２はラメラー型回折格子であり、金属基板４の表面上に面内方向で屈折率が周期的に変化する誘電体にてなる格子層が形成されている。格子層は基板４の表面で、図では紙面垂直方向に延びる突条のリッジ６が一定間隔で周期的に繰り返すように配置されて形成されている。リッジ６は誘電体からなり、断面形状が矩形である。格子周期をΛ、リッジ６の幅すなわち格子幅をΛ１、そしてリッジ６の高さすなわち溝深さをｈとする。

また入射条件として、入射光の波長をλ、入射角をθとおく。この図では、回折格子の溝方向が紙面に垂直な方向であるので、電場ベクトルの振動方向が紙面に垂直な方向にある偏光がＴＥ偏光、電場ベクトルの振動方向が紙面に平行な方向にある偏光がＴＭ偏光となる。

入射空間の屈折率を１、格子層６を構成する誘電体の屈折率を１．５（ガラスや高分子材料に相当）とする。基板４の素材はアルミニウムとする。アルミニウムには屈折率分散があるが、例えば波長０．５μｍでは、屈折率の実部と嘘部はそれぞれ、０．７６９、６．０８である。「屈折率分散がある」とは「屈折率が波長に依存する」ということである。ここでは、一例として上記構造を挙げたが、格子層６を構成する素材が誘電体であり、基板の少なくとも表面の素材が金属であれば、格子層６を構成する素材はガラスやアルミニウムに限定されない。

本発明の回折素子は下記に手順に従って設計することができる。
（１）入射条件（波長λと入射角θ）を適当に決める。
（２）上の入射条件下で回折光が消滅するカットオフ周波数をもつ格子周期Λを決める。格子周期Λが入射光波長λに対して小さくなると、あるところで０次光以外の回折モードが外部に発生しない。
（３）上の（１），（２）の条件下で、ＴＥ偏光が高反射率、ＴＭ偏光が低反射率となるような格子幅Λ1と格子高さｈを探索する。具体的には、格子内部の深さ方向の無数にある伝播モードのうち、伝播定数が実数となるモード、つまり減衰しないで伝播できるモードが２つあるような条件での基で、ＴＥ偏光の効率の２つのうちの大なる伝播定数が四分の波長深さ近傍で、ＴＭ偏光の効率が小さくなるような格子幅Λ1と格子高さｈを探索する。

上の手順（３）を具体的な条件についてシミュレーションを行なった結果に基づいて説明する。
いま、例えば、入射光波長λを０．５２４μｍ、入射角を４８．５９°とする。このとき、カットオフ格子周期Λ０は０．３μｍになる。

その条件で、所望の特性、すなわちＴＥ偏光が高反射率、ＴＭ偏光が低反射率となるような特性を満たすための、格子幅Λ１と格子高さｈには図２に示される関係が得られる。
図２の結果は次のようにして求めた。
（１）波長、入射角を決める。
（２）格子間隔を決める。
（３）デューティ比を離散的に変動させる。
（４）上記の条件、即ち波長、入射角、格子間隔、及ぶデューティ比の値を固定した条件下で、回折効率の溝深さ依存性を計算して、ＴＥ偏光回折効率の極大となる溝深さ（格子高さ）ｈを求める。

図２では、横軸は格子幅Λ１自体ではなく、格子周期Λとの比、すなわちデューティ比（Λ１／Λ）として表現し、縦軸は格子高さｈとした。この結果によれば、入射光の入射角及び波長並びに格子素材の条件下において、回折格子がエッジフィルタの機能を備えるための格子周期Λにおいて、さらに偏光子となるための最適な格子高さｈが１つ又は２つ存在することがわかる。
図２では単純に条件が２つ（溝深さをもっと深くすると第三の解、第四の解、も存在する）あることを示している。製作上、溝深さは低い方が容易となるので、最初の解を基に設計するのが最も合理的である。

入射光の波長と入射角の関係は、
定数Ｃ＝ｓｉｎ（４８．５９°）／０．５２４［μｍ］
＝ｓｉｎ（θ）／λ
を満足すれば、４８．５９°とは別の入射角θ、０．５２４μｍとは別の波長λでも図２の関係は成立する。そして他の定数Ｃに対しては別の図２のような関係が成立する。回折格子を構成する誘電体の屈折率が異なっても図２の関係は変化する。

この構造では格子内部を伝播できる平面波モードが２つある。格子内部の電磁場は個々のモードの一次結合で表わすことができるので、
内部の電場の深さ方向ｚ依存性
＝A1{exp(-2πi/λ)e1・z}+ A2{exp(-2πi/λ)e2・z}
と精度良く記述することができる。ここで、Ａ１はｚに依存しない量、ｅ１，ｅ２はそれぞれのモードの伝播定数で、
（２πｉ／λ）ｅ１・ｈ＝π／２、
（２πｉ／λ）ｅ２・ｈ＝π／２
となるｈがそれぞれのモードでの四分の波長の深さとなる。ｅ１＝ｅ２となるとき、すなわち、それぞれのモードでの四分の波長の深さｈが等しくなるときに光学厚さが定義できる。

図２の２つのモードに対して、それぞれ四分の波長の深さとなるｈを追加したのが図３の結果である。図３の結果によれば、最適な高さｈとなるのは、
１） ｅ１とｅ２の値が近いときはその「四分の波長深さ」の平均
２） ｅ１＞ｅ２となるときはｅ１の「四分の波長深さ」
とよく一致している。２）は１）の場合を含むので、結局、格子幅Λ１に対して、格子高さｈは伝播定数ｅ１の「四分の波長深さ」近傍で最適値を探せばいいということになる。

次に、具体的な例によって本発明を検証する。
図４に、素子構造がΛ＝０．３μｍ、Λ１＝０．０８４μｍ、入射条件をλ＝０．５２４μｍ、θ＝４８．５９°とした場合の回折効率（以下回折効率とはすべて−１次のそれを表す）の溝深さｈ依存性を示す。

この条件では波長０．５２５μｍが−１次光のカットオフ波長となるので、λ＝０．５２４μｍの入射光では回折光は生じない。つまり回折効率はゼロとなる。そこから僅か１ｎｍ短波長側で回折効率が大きくなるということは急峻な効率変化を示すことになる。図４を見ると、溝深さｈが０．３μｍ付近でＴＥ偏光の回折効率は極大を持ち、ＴＭ偏光の回折効率はほとんどゼロとなることが判る。すなわち、この素子は、回折素子であるとともに、偏光子としての機能もエッジフィルタとしての機能も備えていることがわかる。

図５に溝深さｈを０．３０６μｍとした場合の、回折効率波長依存性を示す。素子構造及び入射条件は図４の場合と同じである。目論見通りカットオフ波長以下では、ＴＥ偏光では急激な立ち上がりを示し、ＴＥ偏光では回折効率はほぼゼロとなっている。これは分解能を有する−１次回折効率の曲線なので、波長分散のみならず偏光子、エッジフィルタの特性を併せて持っていることが分かる。０次光はどの波長でも鏡面反射するのみであるが、０次以外の回折光は波長によって回折角度が異なる（波長に対する角度分散がある）ので色を分けることができる。このことを「分解能を有する」と表現している。

同一の素子構造（Λ＝０．３μｍ、Λ１＝０．０８４μｍ、ｈ＝０．３０６μｍ）で、入射角θを３０°、４０°、６０°、及び７０°と異ならせ、それぞれの入射角θでの波長依存性を計算したものをそれぞれ、図６、図７、図８及び図９に示す。

図６に示される入射角θが３０°の場合は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の両者とも効率が悪く、所望の特性を全く満たしていない。
図７に示される入射角θが４０°の場合は、ＴＥ偏光の回折効率が５０％程度の立ち上がりではあるが、偏光子及びエッジフィルタとしても機能している。

図８に示される入射角θが６０°の場合及び図９に示される入射角θが７０°の場合は、立ち上がりは鋭くないもののエッジフィルタとしての消光比は大きい。
また、それぞれのカットオフ波長は、入射角θが３０°、４０°、６０°、及び７０°のときに、それぞれ０．４５０、０．４９３、０．５６０、及び０．５８２μｍとなっている。

最適化を図った入射角θ＝４８．５９°の近辺ならば、入射角を変動させることで、カットオフ波長を制御することができる。つまりある程度の入射条件の範囲に限定すれば波長可変性がある。
しかし、入射角θが３０°の場合では目論見と大きくはずれている。入射角θが７０°の場合ではエッジが切れていない。これは格子の形状を最適化することで、光学特性を向上させることができる。例えば、入射角θが３０°の場合で、格子幅をΛ１＝０．０８４μｍと保ち、溝深さをｈ＝０．２２μｍとして回折効率を計算したのが図１０である。また入射角θが７０°の場合で、格子幅をΛ１＝０．０８４μｍと保ち、溝深さをｈ＝０．１７７μｍとして回折効率を計算したのが図１１である。両者とも光学特性が大きく向上している。

以上の計算はすべて格子幅をΛ１＝０．０８４μｍと固定していた。格子幅は、ある程度の幅があった方が製造上容易となるので、自由に選択できることが好ましい。入射条件をλ＝０．５２４μｍ、θ＝４８．５９°とし、Λは０．３μｍのままで、格子幅をΛ１＝０．２μｍとした場合の溝深さ依存性を図１２に示す。ｈ＝０．１３５μｍのときにＴＥ偏光の効率の極大（回折効率＝０．８１２）があることが分かる。一方ＴＭ偏光の回折効率は０．０１８１で、かなり小さい。

図１３は、ｈ＝０．１３５μｍとして回折効率の波長依存を計算したものである。カットオフ波長以下の領域でのＴＭとＴＥの効率の比を表わす消光比は１／１０程度ではあるが、エッジフィルタとしての特性が発現している。
入射条件と格子周期を固定し、カットオフ波長の間近の波長で、溝深さ又は格子幅依存性を計算する。そして、ＴＥ偏光の効率が１にできるだけ近く、ＴＭ偏光の効率ができるだけ０に近い条件を探索することで、幅広い入射条件に対して、所望の偏光特性とエッジフィルタの特性を併せ持つ反射型回折格子を設計できることが示された。

素子の作製は以下に示すような微細加工の工程により遂行できる。
基板自体はガラス等の誘電体の方が平滑面の研磨が容易なため、ガラスやプラスティックの基板に波長の進入長以上の厚さ（波長／１０以上）の金属膜を均一に堆積する。そして、誘電体薄膜を所望の厚さに堆積する。金属膜や誘電体薄膜の堆積には蒸着法やスパッタリング法などを用いることができる。

誘電体薄膜上にレジスト層を形成し、電子ビームによる直接描画やフォトマスクを介した紫外線照射により露光し、その後現像してレジストパターンを形成する。
そのレジストパターンをマスクにして、誘電体薄膜のみを選択的にエッチングする。このエッチングは金属膜をエッチングせず誘電体薄膜を選択的にエッチングする反応ガスを用いたドライエッチング、又は金属は腐食させずに誘電体のみを腐食させるエッチャントを用いたウエットエッチングにより実行することができる。このような微細加工技術は、半導体製造プロセスやＭＥＭＳ(Micro electro mechanical system)技術の分野では周知であり、そのまま適用できるので、ここでは詳しい説明は省略する。

このようにして製作それる素子構造は、ガラス又はプラスティックの基板上の金属膜上に誘電体格子が形成されたものとなる。この構造は、金属基板上の誘電体格子と等価な構造である。

本発明の回折格子を概略的に示す断面図である。 ＴＥ偏光が高反射率、ＴＭ偏光が低反射率となるようなデューティ比（Λ１／Λ）と格子高さｈの関係を示すグラフである。 図２の結果に対して、２つのモードの四分の波長の深さとなるｈを追加したグラフである。 所定の条件における回折効率の溝深さ依存性を示すグラフである。 所定の条件における回折効率の入射光波長依存性を示すグラフである。 所定の条件において入射角を３０°としたときの回折効率の入射光波長依存性を示すグラフである。 所定の条件において入射角を４０°としたときの回折効率の入射光波長依存性を示すグラフである。 所定の条件において入射角を６０°としたときの回折効率の入射光波長依存性を示すグラフである。 所定の条件において入射角を７０°としたときの回折効率の入射光波長依存性を示すグラフである。 入射角を３０°で最適化を図ったときの回折効率の入射光波長依存性を示すグラフである。 入射角を７０°で最適化を図ったときの回折効率の入射光波長依存性を示すグラフである。 図４の結果を得たときの条件に対して格子幅を広げたときの回折効率の溝深さ依存性を示すグラフである。 図１２の結果における回折効率がピーク値をとる溝深さのときの回折効率の入射光波長依存性を示すグラフである。

符号の説明

２ ラメラー型回折格子
４ 基板
６ リッジ

Claims (2)

1. 少なくとも表面が金属である基板と、前記基板表面上に形成されて断面が矩形の誘電体からなる突条が互いに平行に一定の周期で繰り返すように配置されたラメラー型回折格子層とを備え、
   前記回折格子層の格子周期Λは、入射光の入射角及び格子素材の条件下において入射光の波長領域で回折効率が０となるカットオフ周波数をもつ大きさに設定され、かつ
   前記回折格子層の格子幅Λ１と格子高さｈは、ＴＥ偏光が高反射率、ＴＭ偏光が低反射率となるように設定されている複合型の反射型回折格子。
2. 前記回折格子層の格子幅Λ１と格子高さｈは、ＴＥ偏光で格子内部で励起される電磁場強度を記述する平面波成分が２つある場合、そのうちで値が大きい方の伝播定数が四分の波長深さとなり、ＴＭ偏光の効率が小さくなるように設定されている請求項１に記載の反射型回折格子。