JP2011128259A - 回折光学素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】プリズムと回折格子を組み合わせた全反射を利用する回折光学素子における偏波依存性損失を低減する。
【解決手段】光出射面111および光出射面111と非平行な光学面112を備える基部101と、基部101の光学面112に設けられた回折格子102と、回折格子102の上に回折格子102の少なくとも一部を覆って形成された液体もしくは固体からなる被覆層103とを備える。ここで、被覆層103は、回折格子102を構成する材料よりも屈折率が大きく、この比が、0.4より大きい。
【選択図】 図1

Description

本発明は、プリズムと回折格子とを組み合わせた全反射型の回折光学素子に関するものである。
回折格子は、波長多重した入射光を波長ごとに異なる方向に分波させ、また、波長ごとに異なる方向からの入射光を合波する回折光学素子である。回折格子は、分光分析デバイス、通信用デバイスなどに用いられている。回折格子を用いて小型で高い波長分解能を必要とするデバイスを実現するためには、高い回折効率と共に角分散能力が高いことが求められる。角分散能力は、回折光学素子の性能として、波長によりどれだけ異なる角度に出射するかを示す値である。
例えば、プリズムと回折格子を貼り合わせた反射型回折光学素子は、回折格子で分散した光をさらにプリズム出射面で分散角を大きくするため、高い角分散能力を得ることができる。この回折光学素子では、プリズムの屈折率を高くするほど角分散能力を高くすることができる。
ところで、反射面を形成するために、回折格子に金属が成膜されている反射型回折光学素子がある(非特許文献1参照)。しかしながら、この場合、回折格子に設けられている金属による吸収のため、高い回折効率を得ることができない。これに対し、空気に対してより大きな屈折率差が得られる誘電体で回折格子を形成し、回折格子の格子界面での全反射を利用する回折光学素子が提案されている(非特許文献2参照)。この回折光学素子では、金属での吸収損失がないため、金属反射型と比較して高い回折効率を得ることができる。また、このような回折光学素子では、組み合わせる回折格子の格子間隔を狭めることで、さらに高い角分散能力を得ることができる。
E. Popov, et al. ,"Low polarization dependent diffraction grating for wavelength demultimlexing.", Optics express, vol.12, No.2, pp.269-275, 2004. John R. Marciante and Daniel H. Raguin, "High-efficiency, high-dispersion diffraction gratings based on total internal reflection.", Optics letters, vol.29, No.6, pp.542-544, 2004.
ところで、光通信において、異なる偏波に各々別々の変調信号を乗せて伝送する偏波多重方式が考えられている。この偏波多重方式では、通信デバイスの偏波依存損失が大きな問題となり、通信デバイスの偏波依存損失が0.5dB程度よりも小さいことが求められる。回折格子が低偏波依存損失であることは、回折格子を実装した通信デバイスに偏波ダイバーシティなどの部品を組み込む必要をなくし、デバイスを簡易なものにすることができる。
しかしながら、上述した非特許文献2の回折光学素子では、格子間隔が波長の3倍から4倍より小さくなると、偏波間の回折効率が大きく異なる状態となり、偏波依存損失が大きくなるという問題が発生する。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、プリズムと回折格子を組み合わせた全反射を利用する回折光学素子における偏波依存性損失の低減を目的とする。
本発明に係る回折光学素子は、光出射面およびこの光出射面と非平行な光学面を備える基部と、基部の光学面に設けられた回折格子と、この回折格子の上に回折格子の少なくとも一部を覆って形成された液体もしくは固体の誘電体からなる被覆層とを少なくとも備え、被覆層は、回折格子を構成する材料よりも屈折率が小さい。
上記回折光学素子において、被覆層の屈折率と回折格子の屈折率との比が、0.4より大きいものであればよい。また、回折格子は、基部の光学面が配置される面を加工することで形成されていればよい。また、回折格子は、基部の光学面に貼り合わされていてもよい。なお、回折格子の格子間隔は、対象とする光の波長の4倍より小さいものとされている。
以上説明したように、本発明によれば、回折格子を構成する材料よりも屈折率が小さい液体もしくは固体からなる被覆層で回折格子の少なくとも一部を覆うようにしたので、プリズムと回折格子を組み合わせた全反射を利用する回折光学素子における偏波依存性損失が低減できるようになるという優れた効果を奏する。
本発明の実施の形態1における回折光学素子の一部構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態1における回折光学素子の回折格子102の部分を拡大して示す断面図である。 被覆層を備える場合の、TE,TM偏波の回折格子面での1次回折効率を示す特性図である。 被覆層がない場合の、TE,TM偏波の回折格子面での1次回折効率を示す特性図である。 本発明の実施の形態1にかかる回折光学素子における偏波依存損失を示す特性図である。 回折格子102を構成する材料の屈折率(n2)に対する被覆層103を構成する材料の屈折率(n3)を変化させたときの、回折光学素子における偏波依存損失を示した特性図である。 本発明の実施の形態2における回折光学素子の一部構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態3における回折光学素子の一部構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態4における回折光学素子の一部構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態5における回折光学素子の一部構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態6における回折光学素子の一部構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態6における回折光学素子の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態7における回折光学素子の一部構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について説明する。図1は、本発明の実施の形態1における回折光学素子の一部構成を示す断面図である。この回折光学素子は、光出射面111および光出射面111と非平行な光学面112を備える基部101と、基部101の光学面112に設けられた回折格子102と、回折格子102の上に回折格子102の少なくとも一部を覆って形成された液体もしくは固体の誘電体からなる被覆層103とを備える。基部101は、例えば形状が三角柱とされたプリズムであり、この基部101に、オプティカルコンタクトにより回折格子102が接合されていればよい。ここで、被覆層103は、回折格子102を構成する材料よりも屈折率が大きく、また、後述するように、この比が、0.4より大きいことが重要となる。被覆層103が、液体もしくは固体の誘電体であれば、材料を選択することでこの条件を満たすことができる。
回折格子102の格子間隔が、対象とする光(対象光)の波長の3倍から4倍より小さくなると、回折格子102の凹凸が形成されている界面が全反射条件を満たしていても、対象光のTM偏光は、回折格子102の外部に漏れるようになる。このため、被覆層103を設けて、設けた被覆層103の屈折率を制御すれば、TM偏光については回折効率を変化させることができる。これに対し、TE偏光は、外部に漏れないので、被覆層103が存在しても、回折効率は変化しない。
従って、全反射条件が満たされる中で、被覆層103を構成する材料の屈折率と回折格子102を構成する材料の屈折率とを各々適宜に設定することで、TM偏波の回折効率を変化させれば、これをTE偏波の回折効率に近づけることができる。被覆層103を設けない場合、回折格子102の屈折率は変更できるが、これでだけでは、TM偏波の回折効率をTE偏波の回折効率に近づけることが容易ではない。これに対し、被覆層103を設けて両者の屈折率を制御すれば、TM偏波の回折効率をTE偏波の回折効率に近づけることが容易である。また、被覆層103は、誘電体から構成しているので、金属を用いた場合のような吸収による回折効率の低下が発生しない。
例えば、基部101および回折格子102をシリコン(屈折率n2=3.5)から構成し、被覆層103を窒化シリコン(SiN:屈折率n3=2.2)から構成すればよい。このようにすることで、回折格子102の格子間隔が小さくなっても、TM偏光の回折効率をTE偏波の回折効率と同様にすることができ、偏波依存性損失が低減できるようになる。
次に、回折格子102について、図2を用いてより詳細に説明する。図2は、本実施の形態における回折光学素子の回折格子102の部分を拡大して示す断面図である。なお、図2においては、説明のため、ハッチングを省略している。
回折格子102は、断面が凸形状の構造のバイナリ回折格子である。バイナリ回折格子とすることにより、公知のリソグラフィーおよびエッチングなどの簡易な加工方法により回折格子102が形成が可能となる。また、回折格子102の上に、化学的気相成長法・蒸着法・スパッタ法などの手法により、被覆層103を容易に形成することができる。回折格子102は、例えば、凹凸の深さdが0.26μm、格子間隔pが0.29μm、凸部の幅wが0.15μmである。
上述した本実施の形態における回折光学素子において、対象とする光は、プリズムを構成している基部101の光出射面111から入射し、回折格子102に対してθ(=50°)で入射する。本実施の形態では、光出射面111が光入射面となっている。回折格子面で全反射を起こす条件はn2sinθ>n3であるから、θ>39°で入射すれば、Si/SiNとなっている回折格子102と被覆層103との界面で全反射し、光が入射した光出射面111から出射される。なお、回折格子102および被覆層103を構成する材料は任意であるが、全反射条件を満たすためには少なくとも、「回折格子102を構成する材料の屈折率n2」>「被覆層103を構成する材料の屈折率n3」である必要がある。
ここで、対象とする光の設計波長(1.548 μm)で、回折格子102に対する入射角と出射角が同じであるリトロー配置となっているため、高い効率が期待できる。なお、光出射面111にARコートを施すことで、反射損を低減することができる。
本実施の形態における回折光学素子は、回折格子面(回折格子102)で分散した光の分散角をプリズム出射面(光出射面111)で増幅することができる。プリズム(基部101)の屈折率が高いと増幅する角分散能力は大きくなる。従って、基部101は、Siなどの高屈折率材料を用いることが有用である。この回折光学素子の角分散能力は、対象とする光が光出射面111に対して垂直に入射する場合で、0.34deg/nmとなり、大きな値となっている。
次に、本実施の形態における回折光学素子の特性について説明する。図3に、TE,TM偏波の回折格子面での1次回折効率を示す。回折効率は,出射光強度を入射光強度で割った値をdB換算したものである。回折効率は,RCWA法(Rigorous coupled wave analysis)により計算する。図3に示すように、Cband(波長1.530〜1.565μm)で、TE偏波の回折効率(実線)が平均−0.24dB、TM偏波の回折効率(破線)が平均−0.26dBとなり、偏波によらず高回折効率が実現できる。
一方、従来の構成である同形状の回折格子を備え、被覆層103がない場合について同様の計算をした結果を図4に示す。回折格子の上には、空気が配置されている状態の場合である。図4に示すように、Cband(波長1.530〜1.565μm)で、TE偏波の回折効率(実線)が平均−0.03dB、TM偏波の回折効率(破線)が平均−24dBと、偏波間での回折効率の差が非常に大きいことがわかる。
図5に偏波依存損失を示す。偏波依存損失は、TE偏波の回折効率とTM偏波の回折効率の比をdB換算し、この絶対値をとったものである。図5において、実線が、本実施の形態における被覆層103を備える回折光学素子の偏波依存損失を示し、破線が、被覆層103を備えていない回折光学素子の偏波依存損失を示している。被覆層103を備えている場合は、平均値0.12dBと良好な値となっている。一方、被覆層103がない場合では、平均値24.15dBと大きな偏波依存損失となる。
以上に説明したように、本実施の形態によれば、高い回折効率、低い偏波依存損失を有する高分散回折光学素子を実現することができる。
次に、回折格子102を構成する材料の屈折率(n2)に対する被覆層103を構成する材料の屈折率(n3)を変化させた場合について説明する。図6は、n2に対するn3の比(n3/n2)を変化させたときの、回折光学素子における偏波依存損失を示した特性図である。ここでは、回折格子102の、凸部幅wと回折格子間隔pとの比を0.5とし、凸部深さdを大きくしていったときに、TE偏光の回折効率が極大値をとる深さで偏波依存損失を計算した。また,リトロー配置で、回折格子単体の角分散能(deg./nm)を変化させた。図6のグラフ中に、数字が角分散能を示している。
図6に示すように、本実施の形態によれば、どの角分散能でも屈折率の比が大きくなるにつれ偏波依存損失が小さくなることがわかる。いずれの角分散能でも、本実施の形態における回折光学素子における偏波依存性の抑制効果は期待できるが、角分散能が0.01deg./nm以上では効果が大きい。また、屈折率の比は、大きくすることで偏波依存損失が小さくなるが、屈折率比の関係がn3/n2>0.4となる場合、良好な結果が得られる。つまり,全反射条件と組み合わせて、sinθ14>n3/n2>0.4となる条件で偏波依存損失を小さくすることができるようになる。
[実施の形態2]
次に、本発明における実施の形態2について説明する。本実施の形態における回折光学素子は、図7の断面図に示すように、光出射面711および光出射面711と非平行な光学面712を備える基部701と、基部701の光学面712に設けられた回折格子702と、回折格子702の上に回折格子702の少なくとも一部を覆って形成された被覆層703とを備える。本実施の形態においては、光出射面711が光入射面となる。
本実施の形態では、回折格子702が、接着層704により光学面712に接着固定(接合)されている。また、回折格子702は、接着層704の側の基部層721と基部層721の上に形成された複数の凸部722とから構成されている。例えば、基部701は、BK7などのガラスから構成され、基部層721は、SiO2から構成され、凸部722は、Ta25から構成され、被覆層703は、旭硝子株式会社製のサイトップ(登録商標)から構成されていればよい。また、接着層704は、基部701と同程度の屈折率を有する接着材から構成されている。
本実施の形態では、基部層721の上にTa25の膜を形成し、この膜を、ナノインプリントにより作製したパターン層をマスクとしてエッチングすることで、凸部722を形成すればよい。従って、加工しにくい基板の上に加工しやすい材料で複数の凸部を形成することで、回折格子が形成できる。このように回折格子702を作製した後、接着層704により、基部701に接着すればよい。また、被覆層703は、サイトップ(登録商標)などの樹脂材料を、ディッピングもしくはスピンコーティングなどのよく知られた塗布法により塗布することで形成すればよい。また、このように、本実施の形態によれば、回折光学素子を容易に作製することができる。
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態における回折光学素子は、図8の断面図に示すように、光出射面811および光出射面811と非平行な光学面812を備える基部801と、基部801の光学面812に設けられたブレーズ形状の回折格子802と、回折格子802の上に回折格子802の少なくとも一部を覆って形成された被覆層803とを備える。本実施の形態では、回折格子802を、ブレーズ形状としているところに特徴がある。ここで、例えば、基部801および回折格子802は、SiCから構成され、被覆層803は、SiO2から構成されている。なお、本実施の形態においても、光出射面811が光入射面となる。
本実施の形態における回折光学素子は、基部801の光学面812を構成する面を、公知のリソグラフィーおよびエッチング技術により加工することで、回折格子802を形成している。この場合、光学面812は、形成した回折格子802と基部801との境界に配置される仮想的な面とすることができる。従って、光出射面811を備える基部801に、接合の必要なく回折格子802を形成することができる。また、本実施の形態では、回折格子802の形状をブレーズ形状としているため、回折格子802に対する光の入射角、出射角が自由に設計可能であり、回折光学素子に対する入射光と出射光を分離しやすい。また、回折格子802を構成する凸部に傾斜があるため、被覆層803を形成(成膜)する際に、空間ができにくく、偏波無依存化が容易に実現できる。
[実施の形態4]
次に、本発明の実施の形態4について説明する。本実施の形態における回折光学素子は、図9の断面図に示すように、光出射面911および光出射面911と非平行な光学面912を備える基部901と、基部901の光学面912に設けられた回折格子902と、回折格子902の上に回折格子902の少なくとも一部を覆って形成された被覆層903とを備える。また、回折格子902を構成している凸部間の被覆層903内に、空間904が形成されている。なお、本実施の形態においても、光出射面911が光入射面となる。
本実施の形態では、Geから構成された基部901の光学面912を構成する面を加工することで、回折格子902を形成している。例えば、ルーリングエンジンなどの機械により加工することで回折格子902が形成できる。この場合、光学面912は、形成した回折格子902と基部901との境界に配置される仮想的な面とすることができる。このようにして形成した回折格子902の上に、被覆層903を形成する。回折格子902の格子間隔が数μm以下と狭間隔の場合、被覆層903を形成するときに、空間904が乗じる場合がある。
前述した実施の形態では、回折格子を構成する凸部の間を全て充填するように被覆層を形成した場合について説明したが、本実施の形態のように、空間904が形成されてもよい。このように、空間904が形成された本実施の形態においても、偏波間の回折効率を近づけ偏波依存損失を低減することができる。このような構成にすることにより、被覆層903の形成(成膜)条件は大幅に緩和され、作製が容易になると共に歩留まりも向上させることができる。
[実施の形態5]
次に、本発明の実施の形態5について説明する。本実施の形態における回折光学素子は、図10の断面図に示すように、光出射面1011および光出射面1011と非平行な光学面1012を備える基部1001と、基部1001の光学面1012に設けられた回折格子1002と、回折格子1002の上に回折格子1002の少なくとも一部を覆って形成された被覆層1003とを備える。本実施の形態では、基部1001に、光入射面1013を備える。
本実施の形態では、被覆層1003が、複数の微粒子1031(粉体)より構成されているところに特徴がある。回折格子1002を構成している各凸部の間が、微粒子1031で充填されている。従って、被覆層1003は、各々の微粒子1031の間に形成される複数の空間を備えていることになる。また、本実施の形態では、回折格子1002を、マルチレベル形状としている。なお、本実施の形態では、接着層1004により、回折格子1002が光学面1012に接着固定されている。
ここで、回折格子1002は、例えば、GaAsから構成されている。また、微粒子1031は、PMMA(ポリメタクリル酸メチル樹脂)などの高分子材料から構成している。また、プリズムとなる基部1001は、例えば、株式会社 住田光学ガラス製の「K−PSFn214」から構成されている。なお、接着層1004は、基部1001と同程度の屈折率を有する接着剤から構成する。
本実施の形態によれば、回折格子1002の形状がマルチレベル形状であるため、回折格子1002に対する光の入射角および出射角が自由に設計できる。このため、対象とする光が入射する光出射面1011と、回折格子1002で反射して出射する光入射面1013とをこと面とすることができる。また、本実施の形態によれば、対象とする光の入射面および出射面を異なる面としており、入射光および出射光を分離しやすい。
次に、被覆層1003について説明する。被覆層1003は、複数の微粒子1031が混合・分散した液体を、回折格子1002の上に塗布し、これを乾燥することで形成すればよい。塗布をスピンコートで行うことで、乾燥を簡略化することができる。複数の微粒子1031の間に空間が残るが、前述した実施の形態4と同様に、偏波依存性の抑制(低偏波依存損失)が実現できる。また、微粒子1031は、加熱により溶解させて一体化してもよい。本実施の形態では、回折格子の形状をマルチレベル形状としたが、これに限るものではなく、バイナリ回折格子やブレーズ形状の回折格子においても同様に、複数の微粒子から被覆層を構成してもよい。
[実施の形態6]
次に、本発明の実施の形態6について説明する。図11の断面図に示すように、光出射面1111および光出射面1111と非平行な光学面1112を備える基部1101と、基部1101の光学面1112に設けられた回折格子1102と、回折格子1102の上に回折格子1102の少なくとも一部を覆って形成された液体からなる被覆層1103とを備える。本実施の形態においても、光出射面1111が光入射面となる。
本実施の形態では、基部1101の光学面1112を構成する面を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により加工することで、回折格子1102が形成されている。この場合、光学面1112は、形成した回折格子1102と基部1101との境界に配置される仮想的な面とすることができる。基部1101は、例えばYAG(Y3Al512)から構成され、被覆層1103は、例えば、水(純水)から構成されている。被覆層1103の一部に気泡が内在していてもよい。
本実施の形態における回折光学素子において、図12の斜視図に示すように、回折格子1102の格子が配列されている方向に垂直な面内で、回折格子1102の面の法線から角度φだけオフセットさせて光を入射することで、光出射面1111より入射する入射光と、回折格子1102に反射する出射光とを分離することができる。
[実施の形態7]
次に、本発明の実施の形態7について説明する。本実施の形態における回折光学素子は、図13の断面図に示すように、光出射面1311および光出射面1311と非平行な光学面1312を備える基部1301と、基部1301の光学面1312に設けられた回折格子1302と、回折格子1302の上に回折格子1302の少なくとも一部を覆って形成された被覆層1303とを備える。本実施の形態では、基部1301に、光出射面1311および光入射面1311に対して非平行な光反射面1313を備える。本実施の形態では、光出射面1311が光入射面となる。
本実施の形態において、基部1301は、例えば、GaAsから構成され、回折格子1302は、例えば、InPから構成され、被覆層1303は、例えばAl23から構成されている。回折格子1302は、インジウム基板を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により作製されている。この回折格子1302は、融着により基部1301の光学面1312に接合されている。
図13に示すように、回折格子1302の凸部の断面形状は、台形であってもよく、また、擬似サイン曲線などの周期的な任意の形状であっても、高効率に低偏波依存損失を実現できる。このような周期的な任意の格子形状は、干渉リソグラフィー技術が適用でき、また、エッチングによる垂直加工のオーバーエッチングあるいはアンダーエッチングを許容することができ、加工が非常に容易になる。また、本実施の形態では、光出射面1311より入射して回折格子1302で反射した光を、光反射面1313で反射させ、再度回折格子1302に光を入射させるようにしている。この結果、本実施の形態では、角分散能力を向上させることができる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述では、基部および回折格子を、SiO2,SiC,Ta25,Ge,TiO2,GaAs,YAG(Y3Al512),およびInPなどの誘電体から構成したが、これに限るものではなく、他の誘電体材料から構成してもよい。
また、上述した実施の形態では、光出射面が光学面に近づく方向に対して垂直な方向に、回折格子の格子が延在している場合を例に説明している。これは、言い換えると、出射面が光学面に近づく方向に、回折格子の格子が配列している状態である。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、回折格子の格子は、いずれの方向に配列されていてもよい。
101…基部、102…回折格子、103…被覆層、111…光出射面、112…光学面。

Claims (5)

  1. 光出射面およびこの光出射面と非平行な光学面を備える基部と、
    前記基部の前記光学面に設けられた回折格子と、
    この回折格子の上に前記回折格子の少なくとも一部を覆って形成された液体もしくは固体の誘電体からなる被覆層と
    を少なくとも備え、
    前記被覆層は、前記回折格子を構成する材料よりも屈折率が小さい
    ことを特徴とする回折光学素子。
  2. 請求項1記載の回折光学素子において、
    前記被覆層の屈折率と前記回折格子の屈折率との比が、0.4より大きいことを特徴とする回折光学素子。
  3. 請求項1または2記載の回折光学素子において、
    前記回折格子は、前記基部の前記光学面が配置される面を加工することで形成されていることを特徴とする回折光学素子。
  4. 請求項1または2記載の回折光学素子において、
    前記回折格子は、前記基部の前記光学面に貼り合わされていることを特徴とする回折光学素子。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の回折光学素子において、
    前記回折格子の格子間隔は、対象とする光の波長の4倍より小さいことを特徴とする回折光学素子。
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