JP2021113896A - Transmission type diffraction grating element - Google Patents

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大輔 矢島
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聡司 松澤
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Abstract

To provide a transmission type diffraction grating element having a structure in which a phase control layer is formed of inorganic materials while achieving high form accuracy.SOLUTION: A grating layer 2 formed on a substrate 1 transparent to light of wavelength in the range of 790 nm or more and 890 nm or less has a microstructure in which grids 21 having refractive index difference with respect to a gap 20 are periodically disposed. The grid 21 is formed of inorganic materials such as silicon oxide. When a duty ratio, a width ratio of the grid 21 to a grating period p, is denoted by d, height of the grid h satisfies 2.40dp≤h≤3.70dp and duty ratio d satisfied 0.5≤d≤0.7. Light entering the grating layer 2 at an incident angle α is emitted by diffraction at an emission angle β.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この出願の発明は、透過型の回折格子の技術に関するものである。 The invention of this application relates to a technique of a transmission type diffraction grating.

回折格子は典型的な分散素子であり、分光用その他の用途で盛んに使用されている。代表的な回折格子は、刻線型の反射型回折格子である。この種の反射型回折格子は、透過型に比べて一般的に損失が少なく、内部迷光の影響がないといった長所を有する。しかしながら、組み込み先の光学系や装置の小型化という点では透過型の方が優れている。透過型の回折格子は、コリメータや結像光学素子を近傍に配置することができ、全体の小型化に貢献する。 Diffraction gratings are typical dispersion elements and are widely used in spectroscopic and other applications. A typical diffraction grating is an engraved line type reflective diffraction grating. This type of reflective diffraction grating has the advantages that it generally has less loss than the transmissive type and is not affected by internal stray light. However, the transmissive type is superior in terms of miniaturization of the optical system and the device to be incorporated. In the transmission type diffraction grating, a collimator and an imaging optical element can be arranged in the vicinity, which contributes to overall miniaturization.

http://www.hanamuraoptics.com/device/WasatchPhotonics/Wasatch_Photonics_Tranmitting_VPHG.htmhttp://www.hanamuraoptics.com/device/WasatchPhotonics/Wasatch_Photonics_Tranmitting_VPHG.htm

上述した反射型回折格子は、メカニカルな製造方法が採用されており、高い形状精度を得ることが難しい。このため、回折効率の向上に限界がある。透過型の回折格子についても、モールディングのようなメカニカルな製造方法が採用されることが多く、同様の課題がある。
上述した従来の一般的な回折格子は振幅型というべきものであるが、近年、位相型の回折格子が盛んに研究され、一部が実用化されている。位相型回折格子は、伝搬する光の位相を変化させる部位を周期的に配した構造とし、0次光を抑制して回折作用を得る素子である。周期構造としては、素子を構成する基板の表面に微細な凹凸形状を設けた構造のもの(レリーフ型)や、周期的に屈折率が異なる領域を基板内に形成した構造のもの(屈折率変調型)が知られている。
The above-mentioned reflection type diffraction grating employs a mechanical manufacturing method, and it is difficult to obtain high shape accuracy. Therefore, there is a limit to the improvement of diffraction efficiency. As for the transmission type diffraction grating, a mechanical manufacturing method such as molding is often adopted, and there is a similar problem.
The conventional general diffraction grating described above should be called an amplitude type, but in recent years, a phase type diffraction grating has been actively studied and a part of it has been put into practical use. A phase-type diffraction grating is an element that has a structure in which portions that change the phase of propagating light are periodically arranged, and suppresses 0th-order light to obtain a diffraction action. The periodic structure includes a structure in which a fine uneven shape is provided on the surface of the substrate constituting the element (relief type) and a structure in which regions having different refractive indexes are formed in the substrate (refractive index modulation). Type) is known.

また位相型回折格子として、ホログラフィを利用して作製される位相型ホログラフィック回折格子が知られている。位相型ホログラフィック回折格子にもレリーフ型と屈折率変調型とがあるが、屈折率変調型のもの(体積位相型ホログラフィック回折格子、非特許文献1)は、レリーフ型に比べて高い回折効率を発揮することから、天文学やハイパースペクトルイメージング等の用途で使用されている。 Further, as a phase type diffraction grating, a phase type holographic diffraction grating produced by utilizing holography is known. There are two types of phase-type holographic gratings, relief type and refractive index modulation type. The refractive index modulation type (volume phase type holographic diffraction grating, Non-Patent Document 1) has higher diffraction efficiency than the relief type. Because of its effectiveness, it is used in applications such as astronomy and hyperspectral imaging.

体積位相型ホログラフィック回折格子(Volume Phase Holographic Grating, VPHG)は、ガラス基板にサンドイッチされた状態で重クロム酸ゼラチンのような有機感光材料で感光層を設け、感光層に対して二光束干渉法により干渉縞を投影して屈折率変調を施すことで製作される素子である。VPHGは、このような光学的なプロセスで製作される素子であるため、形状精度が高く、回折効率の大幅な向上が可能な素子となっている。 The Volume Phase Holographic Grating (VPHG) is a bi-light beam interferometry method in which a photosensitive layer is provided with an organic photosensitive material such as gelatin dichromate while being sandwiched between glass substrates. This element is manufactured by projecting interferometric fringes and performing refractive index modulation. Since the VPHG is an element manufactured by such an optical process, it has high shape accuracy and can greatly improve the diffraction efficiency.

しかしながら、VPHGのように有機材料で位相制御層(周期的に位相を変化させる層)を形成した構造では、製品の信頼性の点では問題が生じ得る。例えば、湿度の高い環境で使用される場合、吸湿によって特性が変化し得る。また、強い光の照射を長期間受ける結果、劣化する場合もあり得る。したがって、無機材料で位相制御層を形成した構造とすることが望ましい。
本願の発明は、このような課題を解決するために為されたものであり、高い形状精度を実現しつつも位相制御層を無機材料で形成した構造の透過型の回折格子素子を提供することを目的としている。
However, in a structure in which a phase control layer (a layer that changes the phase periodically) is formed of an organic material such as VPHG, a problem may occur in terms of product reliability. For example, when used in a humid environment, the properties may change due to moisture absorption. In addition, it may deteriorate as a result of being irradiated with strong light for a long period of time. Therefore, it is desirable to have a structure in which the phase control layer is formed of an inorganic material.
The present invention has been made to solve such a problem, and provides a transmission type diffraction grating element having a structure in which a phase control layer is formed of an inorganic material while achieving high shape accuracy. It is an object.

上記課題を解決するため、この出願の発明に係る透過型回折格子素子は、790nm以上890nm以下の範囲内の波長の光について光の回折を利用して光を波長に応じた向きに進ませる透過型回折格子素子であって、透明な基板と、基板上に形成された格子層とを備えている。格子層は、ギャップに対して屈折率差を持つグリッドを周期的に配した微細構造を有している。グリッドは無機材料で形成されており、一つのグリッドと一つのギャップの合計の幅である格子周期をp、pに対する一つのグリッドの幅の比であるデューティ比をdとしたとき、ある透過型回折格子素子では、グリッドの高さhは2.40dp≦h≦3.70dpであり、デューティ比dは0.5≦d≦0.8となっている。また、別の透過型回折格子素子では、グリッドの高さhは2.74dp≦h≦3.70dpであり、デューティ比dは0.5≦d≦0.7となっている。また別の透過型回折格子素子では、グリッドの高さhは3.09dp≦h≦3.70dpであり、デューティ比dは0.6≦d≦0.7となっている。 In order to solve the above problems, the transmission type diffraction grating element according to the invention of the present application is a transmission that uses light diffraction to advance light in a direction corresponding to a wavelength for light having a wavelength in the range of 790 nm or more and 890 nm or less. It is a type diffraction grating element, and includes a transparent substrate and a grating layer formed on the substrate. The lattice layer has a fine structure in which grids having a difference in refractive index with respect to the gap are periodically arranged. The grid is made of an inorganic material, and when the lattice period, which is the total width of one grid and one gap, is p, and the duty ratio, which is the ratio of the width of one grid to p, is d, it is a transmission type. In the diffraction grating element, the height h of the grid is 2.40 dp ≦ h ≦ 3.70 dp, and the duty ratio d is 0.5 ≦ d ≦ 0.8. Further, in another transmission type diffraction grating element, the height h of the grid is 2.74 dp ≦ h ≦ 3.70 dp, and the duty ratio d is 0.5 ≦ d ≦ 0.7. In another transmission type diffraction grating element, the height h of the grid is 3.09 dp ≦ h ≦ 3.70 dp, and the duty ratio d is 0.6 ≦ d ≦ 0.7.

以下に説明する通り、この出願の透過型回折格子素子によれば、格子層に有機材料を使用していないので、製品の高信頼性化に貢献する。即ち、湿度や温度等の点で厳しい環境下で使用されたり、強い光の照射を長期間受ける条件で使用されたりした場合でも劣化が少なく、品質の良い回折光を長期間得ることができる。このため、組み込み先の製品の信頼性を高く維持することができる。
また、格子周期p、デューティ比dにおいて、グリッドの高さhを2.40dp≦h≦3.70dpとし、デューティ比dを0.5≦d≦0.7としておくと、790nm〜890nmの波長の光の回折を利用して方向制御をする用途において好ましいものとなる。また、グリッドの高さhを2.74dp≦h≦3.70dpとし、デューティ比dを0.5≦d≦0.7としておくと、790nm〜890nmの波長の光の回折を利用して方向制御をする用途においてより好ましいものとなる。また、グリッドの高さhを3.09dp≦h≦3.70dpとし、デューティ比dを0.6≦d≦0.7としておくと、790nm〜890nmの波長の光の回折を利用して方向制御をする用途においてさらに好ましいものとなる。
As described below, according to the transmissive diffraction grating element of this application, since no organic material is used for the grating layer, it contributes to high reliability of the product. That is, even if it is used in a harsh environment in terms of humidity, temperature, etc., or under conditions where it is exposed to strong light for a long period of time, there is little deterioration and good quality diffracted light can be obtained for a long period of time. Therefore, the reliability of the embedded product can be maintained high.
Further, when the grid height h is 2.40 dp ≦ h ≦ 3.70 dp and the duty ratio d is 0.5 ≦ d ≦ 0.7 in the lattice period p and the duty ratio d, the wavelength is 790 nm to 890 nm. It is preferable in the application of controlling the direction by utilizing the diffraction of the light of. If the height h of the grid is 2.74 dp ≦ h ≦ 3.70 dp and the duty ratio d is 0.5 ≦ d ≦ 0.7, the direction is determined by utilizing the diffraction of light having a wavelength of 790 nm to 890 nm. It becomes more preferable in the application for controlling. Further, if the height h of the grid is 3.09 dp ≦ h ≦ 3.70 dp and the duty ratio d is 0.6 ≦ d ≦ 0.7, the direction is determined by utilizing the diffraction of light having a wavelength of 790 nm to 890 nm. It becomes even more preferable in the application for controlling.

実施形態の透過型回折格子素子の断面概略図である。It is sectional drawing of the transmission type diffraction grating element of embodiment. 実施形態の透過型回折格子素子の斜視概略図である。It is a perspective schematic view of the transmission type diffraction grating element of an embodiment. 実施形態の透過型回折格子素子の動作原理について示した概略図である。It is the schematic which showed the operation principle of the transmission type diffraction grating element of embodiment. シミュレーション実験において前提条件とした酸化シリコンの屈折率を示した図である。It is a figure which showed the refractive index of silicon oxide which was a precondition in a simulation experiment. シミュレーション実験の結果について示した概略図である。It is the schematic which showed the result of the simulation experiment. シミュレーション実験の結果について示した概略図である。It is the schematic which showed the result of the simulation experiment. シミュレーション実験の結果について示した概略図である。It is the schematic which showed the result of the simulation experiment. シミュレーション実験の結果について示した概略図である。It is the schematic which showed the result of the simulation experiment. 実施形態の透過型回折格子素子の製造方法を示した概略図である。It is the schematic which showed the manufacturing method of the transmission type diffraction grating element of embodiment.

次に、この出願の発明を実施するための形態(実施形態)について説明する。
図1及び図2は、実施形態の透過型回折格子素子の概略図であり、図1は断面概略図、図2は斜視概略図である。
実施形態の回折格子素子は、光の回折を利用して光を波長に応じた向きに進ませる透過型の回折格子素子である。この回折格子素子は、透明な基板1と、基板1上に形成された格子層2とを備えている。尚、「回折格子素子」という用語は、一般的に使われている「回折格子」という用語と同様の意味であるが、格子層という部分を備えているので、混乱を避けるために「回折格子素子」と言い換えている。
Next, an embodiment (embodiment) for carrying out the invention of this application will be described.
1 and 2 are schematic views of the transmission type diffraction grating element of the embodiment, FIG. 1 is a schematic cross-sectional view, and FIG. 2 is a schematic perspective view.
The diffraction grating element of the embodiment is a transmission type diffraction grating element that advances light in a direction corresponding to a wavelength by utilizing diffraction of light. This diffraction grating element includes a transparent substrate 1 and a grating layer 2 formed on the substrate 1. The term "diffraction grating element" has the same meaning as the commonly used term "diffraction grating", but since it has a part called a lattice layer, "diffraction grating" is used to avoid confusion. In other words, "element".

基板1は無機材料で形成されていることが好ましく、典型的には石英ガラスやホウケイ酸ガラスのようなガラス製である。この他、サファイア製の基板が使用されることもある。「透明」とは、回折を利用して方向制御を行う波長において透明であれば良く、必要でない波長域においては透明でない場合もあり得る。尚、基板1の厚さはmmオーダーである場合が多く、図1等はこの厚さを忠実に表したものではない。
この回折格子素子は位相型の一種であり、格子層2は、基板1の面内の方向において周期的に位相を変化させて0次光を抑制しつつ回折作用を得るための層である。格子層2は、ギャップ20に対して屈折率差を持つグリッド21を周期的に配した微細構造とすることで形成されている。
The substrate 1 is preferably made of an inorganic material and is typically made of glass such as quartz glass or borosilicate glass. In addition, a sapphire substrate may be used. The term "transparent" may be used as long as it is transparent at a wavelength for which direction control is performed by utilizing diffraction, and may not be transparent at a wavelength region where it is not necessary. The thickness of the substrate 1 is often on the order of mm, and FIGS. 1 and the like do not faithfully represent this thickness.
This diffraction grating element is a kind of phase type, and the lattice layer 2 is a layer for obtaining a diffraction action while suppressing 0th-order light by periodically changing the phase in the in-plane direction of the substrate 1. The lattice layer 2 is formed by forming a fine structure in which grids 21 having a refractive index difference with respect to the gap 20 are periodically arranged.

ギャップ20には材料は充填されておらず、空気又は真空の屈折率である。グリッド21については、ギャップ20に対して屈折率差を有する材料が適宜選定される。この実施形態では、グリッド21の材料は酸化シリコンとなっている。グリッド21は、後述するように堆積膜をエッチングすることで形成されており、アモルファスの状態である。 The gap 20 is not filled with material and has a refractive index of air or vacuum. For the grid 21, a material having a refractive index difference with respect to the gap 20 is appropriately selected. In this embodiment, the material of the grid 21 is silicon oxide. The grid 21 is formed by etching the sedimentary film as described later, and is in an amorphous state.

この実施形態では、対象波長(回折作用により所望の方向制御を行う波長)は、790〜890nmの波長域となっている。酸化シリコンの屈折率(屈折率の実部)は1.4程度であり、空気又は真空であるギャップ20に対して屈折率差が存在する。
尚、図2に示すように、基板1に対して平行な面内では、格子層2は、いわゆるラインアンドスペース(L&S,Line and Space)の構造となっている。グリッド21は、互いに平行に延びる線状であり、ギャップ20は等間隔となっている。
In this embodiment, the target wavelength (wavelength for controlling the desired direction by diffraction action) is in the wavelength range of 790 to 890 nm. The refractive index of silicon oxide (the real part of the refractive index) is about 1.4, and there is a difference in the refractive index with respect to the gap 20 which is air or vacuum.
As shown in FIG. 2, the lattice layer 2 has a so-called line and space (L & S, Line and Space) structure in a plane parallel to the substrate 1. The grid 21 has a linear shape extending parallel to each other, and the gaps 20 are evenly spaced.

このような実施形態の透過型回折格子素子の動作原理について、図3を参照して説明する。図3は、実施形態の透過型回折格子素子の動作原理について示した概略図である。
図3に示すように、回折格子素子に対して入射角度αで光L1が入射する。このとき、高い効率で出射回折光を得るためには、入射角度αに対して以下の式1を満たす必要がある。式1において、nは雰囲気の屈折率、pは格子周期、λは光の波長である。

Figure 2021113896
一方、回折格子素子において、以下に式2として示す回折格子方程式が成立する。式2において、βは出射回折光の角度、mは回折光の次数(整数)である。
Figure 2021113896
式1と式2から、出射回折光の角度βについて、以下の式3が成り立つ。
Figure 2021113896
|sinβ|≦1であるから、式3より、次数mは以下の式4の条件を満たす整数となる。
Figure 2021113896
The operating principle of the transmission type diffraction grating element of such an embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic view showing the operating principle of the transmission type diffraction grating element of the embodiment.
As shown in FIG. 3, light L1 is incident on the diffraction grating element at an incident angle α. At this time, in order to obtain the emitted diffracted light with high efficiency, it is necessary to satisfy the following equation 1 with respect to the incident angle α. In Equation 1, n is the refractive index of the atmosphere, p is the lattice period, and λ is the wavelength of light.
Figure 2021113896
On the other hand, in the diffraction grating element, the diffraction grating equation shown in Equation 2 below is established. In Equation 2, β is the angle of the emitted diffracted light, and m is the order (integer) of the diffracted light.
Figure 2021113896
From Equations 1 and 2, the following Equation 3 holds for the angle β of the emitted diffracted light.
Figure 2021113896
Since | sinβ | ≦ 1, from Equation 3, the degree m is an integer satisfying the condition of Equation 4 below.
Figure 2021113896

式4において、ある条件ではαが存在し得ない場合がある。例えば、例えばn=1(空気)、p=0.1λとすると、αはsinα=5を満たさなければならないが、そのようなαは存在しない。また、n=1、p=0.5λとすると、α=90°という解になるが、これは光が水平に入射する状態を表しており、光学配置としては実現できない。逆に言えば、式4が成立するαが存在していれば、回折格子として機能することになる。例えば、n=1、p=λとすると、αはsinα=1/2を満たしていればよい。即ち、α=30°が入射光の条件となる。 In Equation 4, α may not exist under certain conditions. For example, if n = 1 (air) and p = 0.1λ, α must satisfy sinα = 5, but such α does not exist. Further, if n = 1 and p = 0.5λ, the solution is α = 90 °, but this represents a state in which light is horizontally incident and cannot be realized as an optical arrangement. Conversely, if α for which Equation 4 holds exists, it functions as a diffraction grating. For example, if n = 1 and p = λ, α may satisfy sin α = 1/2. That is, α = 30 ° is a condition for incident light.

このようにある範囲内の角度αで入射光が入射すると、式2の関係を満たす角度βで回折光L2が出射する。つまり、透過した光L2は、波長λに応じた向き(出射角度β)で進んでいく。この際、格子周期pを光の波長程度まで小さくすればm=0,1となり、m=0の光(0次光)を抑制すれば、効率良く1次回折光を取り出すことができるようになる。
尚、ギャップに対する屈折率差は、概ね0.3以上あると好ましく、ギャップが空気である場合、グリッド21の屈折率は1.3以上ということになる。
When the incident light is incident at an angle α within a certain range in this way, the diffracted light L2 is emitted at an angle β that satisfies the relationship of Equation 2. That is, the transmitted light L2 travels in the direction (emission angle β) according to the wavelength λ. At this time, if the lattice period p is reduced to about the wavelength of light, m = 0.1, and if the light with m = 0 (0th-order light) is suppressed, the first-order diffracted light can be efficiently extracted. ..
The difference in refractive index with respect to the gap is preferably about 0.3 or more, and when the gap is air, the refractive index of the grid 21 is 1.3 or more.

0次光を抑制して回折効率を高くするため、実施形態の透過型回折格子素子は、格子層2の断面形状を最適化している。より具体的には、グリッド21とギャップ20の全体の幅(格子周期p)に対するグリッド21の幅の比(この明細書においてデューティ比という。)dに対してグリッド21の高さを最適化している。発明者は、回折効率を向上させるには、グリッド21のアスペクト比(グリッドの幅に対するグリッドの高さの比)を高くすれば良いのではないかと考え、シミュレーション実験を含めた種々の検討を行った。その結果、アスペクト比を高くすると逆に回折効率が低下してしまう場合もあり、ある最適なアスペクト比があることが判ってきた。 In order to suppress the 0th order light and increase the diffraction efficiency, the transmission type diffraction grating element of the embodiment optimizes the cross-sectional shape of the lattice layer 2. More specifically, the height of the grid 21 is optimized with respect to the ratio of the width of the grid 21 to the total width of the grid 21 and the gap 20 (lattice period p) (referred to as the duty ratio in this specification) d. There is. The inventor thought that in order to improve the diffraction efficiency, the aspect ratio of the grid 21 (the ratio of the height of the grid to the width of the grid) should be increased, and various studies including simulation experiments were conducted. rice field. As a result, it has been found that when the aspect ratio is increased, the diffraction efficiency may decrease, and there is a certain optimum aspect ratio.

図4〜図8は、グリッド21のアスペクト比に関するシミュレーション実験について示した図である。このうち、図4は、シミュレーション実験において前提条件とした酸化シリコンの屈折率について示した図、図5〜図8はシミュレーション実験の結果について示した概略図である。 4 to 8 are diagrams showing a simulation experiment regarding the aspect ratio of the grid 21. Of these, FIG. 4 is a diagram showing the refractive index of silicon oxide as a precondition in the simulation experiment, and FIGS. 5 to 8 are schematic views showing the results of the simulation experiment.

このシミュレーション実験では、上記のように790〜890nmの範囲内の波長の光について用いる回折格子素子を想定した。「790〜890nmの範囲内の波長の光」とは、790〜890nmの範囲内の全ての波長の場合もあるし、範囲内のいずれかの波長のみを対象とする場合もある。格子周期pは、対象波長に一致又は近いことが好ましく、この例では833nmとしている。基板1及びグリッド21の材料は、酸化シリコンであるとした。酸化シリコンについての屈折率が、図4に示されている。図4において、nは屈折率の実部、kは虚部(消衰係数)である。 In this simulation experiment, a diffraction grating element used for light having a wavelength in the range of 790 to 890 nm was assumed as described above. The “light having a wavelength in the range of 790 to 890 nm” may be all wavelengths in the range of 790 to 890 nm, or may target only any wavelength in the range. The lattice period p is preferably equal to or close to the target wavelength, and is 833 nm in this example. The material of the substrate 1 and the grid 21 is assumed to be silicon oxide. The refractive index for silicon oxide is shown in FIG. In FIG. 4, n is the real part of the refractive index and k is the imaginary part (extinction coefficient).

シミュレーション実験では、図4に示す屈折率を前提とし、グリッド21の寸法を種々に変えながら、RCWA法により各波長の回折効率を計算した。具体的には、デューティ比dを0.4〜0.8の間で0.1ずつ変化させ、さらにグリッド21の高さを1200〜2600nmの間で100nmずつ変化させた。この結果が、図5〜図8に示されている。 In the simulation experiment, the diffraction efficiency of each wavelength was calculated by the RCWA method while changing the dimensions of the grid 21 on the premise of the refractive index shown in FIG. Specifically, the duty ratio d was changed by 0.1 between 0.4 and 0.8, and the height of the grid 21 was changed by 100 nm between 1200 and 2600 nm. The results are shown in FIGS. 5-8.

図5〜図7には、シミュレーション実験の結果について異なる基準で評価をした結果が示されている。図5〜図7において、各方形の枠内のグラフの横軸は波長、縦軸は回折効率であり、TE波の回折効率、TM波の回折効率、両者平均の回折効率がそれぞれ示されている。図8には、図5〜図7の各グラフにおける各アスペクト比が参考のために示されている。尚、計算された回折効率はいわゆる絶対回折効率であり、入射光強度に対する回折光強度の比である。また、TE波とTM波の二つの偏光光について回折効率が計算され、さらにその平均値が計算された。 FIGS. 5 to 7 show the results of evaluating the results of the simulation experiment according to different criteria. In FIGS. 5 to 7, the horizontal axis of the graph in the frame of each square is the wavelength and the vertical axis is the diffraction efficiency, and the diffraction efficiency of the TE wave, the diffraction efficiency of the TM wave, and the average diffraction efficiency of both are shown. There is. FIG. 8 shows each aspect ratio in each graph of FIGS. 5 to 7 for reference. The calculated diffraction efficiency is the so-called absolute diffraction efficiency, which is the ratio of the diffracted light intensity to the incident light intensity. In addition, the diffraction efficiency was calculated for the two polarized lights, the TE wave and the TM wave, and the average value was calculated.

図5では、60%以上の回折効率が得られた好ましい条件が太枠で示されている。図6では、70%以上の回折効率が得られたより好ましい条件が太枠で示されている。図7では、80%以上の回折効率が得られたさらに好ましい条件が太枠で示されている。60%以上、70%以上、80%以上とは、波長についての平均の値であり且つTE波とTM波との平均の値である。また、「回折光を得る」というのは、回折作用により光を波長に応じた方向に進ませるという意味である。上記の例では、例えば格子周期に一致した833nmの光の場合、原理的には30°の角度(基板1に垂直な方向に対する角度)で出射する。尚、図5〜図8において、図示の都合上、グリッド高さが2000nm超の場合の結果については、図示が省略されている。 In FIG. 5, preferable conditions in which a diffraction efficiency of 60% or more is obtained are shown in a thick frame. In FIG. 6, more preferable conditions in which a diffraction efficiency of 70% or more is obtained are shown in a thick frame. In FIG. 7, more preferable conditions in which a diffraction efficiency of 80% or more is obtained are shown in a thick frame. 60% or more, 70% or more, and 80% or more are average values for wavelengths and average values for TE waves and TM waves. Further, "obtaining diffracted light" means that the light is advanced in a direction corresponding to a wavelength by a diffracting action. In the above example, for example, in the case of light of 833 nm that matches the lattice period, in principle, it is emitted at an angle of 30 ° (an angle with respect to the direction perpendicular to the substrate 1). In FIGS. 5 to 8, for convenience of illustration, the results when the grid height exceeds 2000 nm are not shown.

図5において太枠で示した条件は、デューティ比0.5〜0.7、アスペクト比2.40〜3.60の条件である。この条件では、790〜890nmの波長範囲内において平均して60%程度以上の回折効率が得られ、且つTE波とTM波の回折効率の差が0.22以下となり、且つ790〜890nmの波長範囲におけるTE・TM平均の回折効率のバラツキ(最大値と最小値の差)が0.1以下となる。太枠以外でも平均60%以上の回折効率が達成されているものもあるが、TE波とTM波の回折効率の差が0.22を超えていたり、回折効率の波長間のバラツキが0.1を超えていたりする。つまり、デューティ比0.5〜0.7、アスペクト比2.40〜3.60としておくと、TE波とTM波の回折効率の差を0.22以下とし回折効率の波長間のバラツキを0.1以下としつつ平均60%以上の回折効率が得られるということになる。 The conditions shown in thick frames in FIG. 5 are conditions with a duty ratio of 0.5 to 0.7 and an aspect ratio of 2.40 to 3.60. Under this condition, an average diffraction efficiency of about 60% or more can be obtained in the wavelength range of 790 to 890 nm, the difference between the diffraction efficiencies of the TE wave and the TM wave is 0.22 or less, and the wavelength of 790 to 890 nm. The variation (difference between the maximum value and the minimum value) of the diffraction efficiency of the TE / TM average in the range is 0.1 or less. Diffraction efficiency of 60% or more is achieved on average other than the thick frame, but the difference in diffraction efficiency between TE wave and TM wave exceeds 0.22, and the variation between wavelengths of diffraction efficiency is 0. It may exceed 1. That is, when the duty ratio is 0.5 to 0.7 and the aspect ratio is 2.40 to 3.60, the difference between the diffraction efficiencies of the TE wave and the TM wave is 0.22 or less, and the variation between the wavelengths of the diffraction efficiency is 0. This means that an average diffraction efficiency of 60% or more can be obtained while keeping the value at 1.1 or less.

図6において太枠で示した条件は、デューティ比0.5〜0.7、アスペクト比2.74〜3.60の条件である。この条件では、790〜890nmの波長範囲内において平均して70%程度以上の回折効率が得られ、且つTE波とTM波の回折効率の差が0.22以下となり、且つTE・TM平均の回折効率の波長間のバラツキが0.1以下なった。太枠以外でも平均70%以上の回折効率が達成されているものもあるが、TE波とTM波の回折効率の差が0.22を超えていたり、波長間のバラツキが0.1を超えていたりする。つまり、デューティ比0.5〜0.7、アスペクト比2.74〜3.60としておくと、TE波とTM波の回折効率の差を0.22以下とし回折効率の波長間のバラツキを0.1以下としつつ平均70%以上の回折効率が得られるということになる。 The conditions shown in thick frames in FIG. 6 are conditions with a duty ratio of 0.5 to 0.7 and an aspect ratio of 2.74 to 3.60. Under this condition, an average diffraction efficiency of about 70% or more can be obtained in the wavelength range of 790 to 890 nm, the difference between the diffraction efficiencies of the TE wave and the TM wave is 0.22 or less, and the TE / TM average. The variation in diffraction efficiency between wavelengths was 0.1 or less. Diffraction efficiency of 70% or more is achieved on average other than the thick frame, but the difference in diffraction efficiency between TE wave and TM wave exceeds 0.22, and the variation between wavelengths exceeds 0.1. Or something. That is, when the duty ratio is 0.5 to 0.7 and the aspect ratio is 2.74 to 3.60, the difference between the diffraction efficiencies of the TE wave and the TM wave is 0.22 or less, and the variation between the wavelengths of the diffraction efficiency is 0. This means that an average diffraction efficiency of 70% or more can be obtained while keeping the value at 1.1 or less.

図7において太枠で示した条件は、デューティ比0.6〜0.7、アスペクト比3.09〜3.60の条件である。この条件では、790〜890nmの波長範囲内において平均して80%程度以上の回折効率が得られ、且つTE波とTM波の回折効率の差が0.12以下で、且つTE・TM平均の回折効率の波長間のバラツキが0.1以下なったとなった。つまり、デューティ比0.6〜0.7、アスペクト比3.09〜3.60としておくと、TE波とTM波の回折効率の差を0.12以下とし回折効率の波長間のバラツキを0.2以下としつつ平均80%以上の回折効率が得られるということになる。 The conditions shown in thick frames in FIG. 7 are conditions with a duty ratio of 0.6 to 0.7 and an aspect ratio of 3.09 to 3.60. Under this condition, an average diffraction efficiency of about 80% or more can be obtained in the wavelength range of 790 to 890 nm, the difference in diffraction efficiency between the TE wave and the TM wave is 0.12 or less, and the TE / TM average. The variation in diffraction efficiency between wavelengths was 0.1 or less. That is, when the duty ratio is 0.6 to 0.7 and the aspect ratio is 3.09 to 3.60, the difference between the diffraction efficiencies of the TE wave and the TM wave is 0.12 or less, and the variation between the wavelengths of the diffraction efficiency is 0. It means that the diffraction efficiency of 80% or more can be obtained on average while keeping the diffraction efficiency at .2 or less.

以上の各好ましい結果において、アスペクト比の上限は3.60であったが、より詳細なシミュレーション実験の結果、3.70までのアスペクト比であれば、同様の結果が得られることが確認されている。即ち、以上の結果を踏まえると、デューティ比0.5〜0.7でアスペクト比2.40〜3.70が好ましく、デューティ比0.5〜0.7でアスペクト比2.74〜3.70がより好ましく、デューティ比0.6〜0.7でアスペクト比3.09〜3.70がさらに好ましいという結論になる。 In each of the above preferable results, the upper limit of the aspect ratio was 3.60, but as a result of a more detailed simulation experiment, it was confirmed that the same result can be obtained if the aspect ratio is up to 3.70. There is. That is, based on the above results, a duty ratio of 0.5 to 0.7 and an aspect ratio of 2.40 to 3.70 are preferable, and a duty ratio of 0.5 to 0.7 and an aspect ratio of 2.74 to 3.70. Is more preferable, and it is concluded that a duty ratio of 0.6 to 0.7 and an aspect ratio of 3.09 to 3.70 are even more preferable.

尚、アスペクト比が高くなると一般的に形状精度を得るのが難しくなること、また高アスペクト比の場合にはグリッド高さhも高くしなければならないこと(これは、より狭く深いギャップを形成することを意味する。)から、アスペクト比は3.70以下とすることが好ましい。
また、デューティ比dが0.7を超えると、より狭い溝(ギャップ20)を形成しなければならないことになり、加工が難しくなる。このため、必要な形状精度を確保するのが困難になる。この問題は、アスペクト比が高くなるとより顕著である。したがって、この意味でもデューティ比dは0.7以下とすることが好ましい。
好ましい寸法の一例を示すと、デューティ比0.6でアスペクト比3.60(グリッド高さ1800nm)とすることができる。
It should be noted that the higher the aspect ratio, the more difficult it is to obtain shape accuracy, and the higher the aspect ratio, the higher the grid height h must be (this forms a narrower and deeper gap). Therefore, the aspect ratio is preferably 3.70 or less.
Further, when the duty ratio d exceeds 0.7, a narrower groove (gap 20) must be formed, which makes processing difficult. Therefore, it becomes difficult to secure the required shape accuracy. This problem becomes more pronounced at higher aspect ratios. Therefore, in this sense as well, the duty ratio d is preferably 0.7 or less.
As an example of preferable dimensions, the duty ratio can be 0.6 and the aspect ratio can be 3.60 (grid height 1800 nm).

このような実施形態の透過型回折格子素子は、機械的な耐久性についても考慮が払われている。即ち、図1に示すように、格子層2の基板1とは反対側には保護層3が設けられている(図2では図示略)。
保護層3は、この実施形態では基板1やグリッド21と同じ材料となっており、酸化シリコンで形成されている。保護層3は、ギャップ20を塞いだ状態となっており、各グリッド21の上面を含む格子層2全体を覆っている。但し、保護層3は、ギャップ20に一部が入り込み得るものの、ギャップ20内に充填された状態にはなっていない。即ち、空洞としてギャップ20が形成されており、この部分は、空気又は真空の屈折率となっている。保護層3は、各グリッド21が倒壊したり欠けたりするのを保護する作用がある。
In the transmission type diffraction grating element of such an embodiment, consideration is also given to mechanical durability. That is, as shown in FIG. 1, a protective layer 3 is provided on the side of the lattice layer 2 opposite to the substrate 1 (not shown in FIG. 2).
In this embodiment, the protective layer 3 is made of the same material as the substrate 1 and the grid 21, and is made of silicon oxide. The protective layer 3 is in a state of closing the gap 20 and covers the entire lattice layer 2 including the upper surface of each grid 21. However, although a part of the protective layer 3 can enter the gap 20, the protective layer 3 is not in a state of being filled in the gap 20. That is, a gap 20 is formed as a cavity, and this portion has a refractive index of air or vacuum. The protective layer 3 has an effect of protecting each grid 21 from collapsing or chipping.

このような実施形態の透過型回折格子素子の製造方法について、以下に説明する。図8は、実施形態の透過型回折格子素子の製造方法を示した概略図である。
図8(1)に示すように、基板1上にグリッド21の材料で格子層用膜4を作成する。作成方法は、スパッタリング、ALD(原子層堆積法)、ゾルゲル法、CVD、メッキ等、任意のものを採用し得る。また、別の基板を貼り合わせ、研磨して所定の厚さとする方法でも良い。いずれにしても、格子層用膜4の厚さは、作成する透過型回折格子素子のグリッド21の高さに一致しているか、又はそれより少し厚い厚さである。
A method for manufacturing the transmission type diffraction grating element of such an embodiment will be described below. FIG. 8 is a schematic view showing a method of manufacturing the transmission type diffraction grating element of the embodiment.
As shown in FIG. 8 (1), the lattice layer film 4 is formed on the substrate 1 with the material of the grid 21. Any method can be adopted as the production method, such as sputtering, ALD (atomic layer deposition method), sol-gel method, CVD, and plating. Alternatively, a method of laminating another substrate and polishing it to a predetermined thickness may be used. In any case, the thickness of the lattice layer film 4 is equal to or slightly thicker than the height of the grid 21 of the transmission type diffraction grating element to be produced.

次に、レジストを塗布してフォトリソグラフィによりパターニングし、図8(2)に示すようにレジストパターン層5を形成する。レジストパターン層5は、形成する格子層2のラインアンドスペースと同様の縞状である。フォトリソグラフィにおいては、必要な微細構造が得られる限り、種々の露光方法を採用することができる。例えば、g線、i線、エキシマ光による露光、電子ビーム又はレーザーによる直接描画露光、二光束干渉露光、タルボ干渉露光等を採用することができる。 Next, a resist is applied and patterned by photolithography to form a resist pattern layer 5 as shown in FIG. 8 (2). The resist pattern layer 5 has a striped shape similar to the line and space of the lattice layer 2 to be formed. In photolithography, various exposure methods can be adopted as long as the required fine structure can be obtained. For example, g-line, i-line, excimer light exposure, direct drawing exposure with an electron beam or laser, two-luminous flux interference exposure, Talbot interference exposure and the like can be adopted.

次に、レジストパターン層5をマスクにしてドライエッチングを行い、格子層2を形成する。ドライエッチングは、反応性イオンビーム法のような異方性エッチングである。その後、図8(3)に示すように、レジストパターン層5をアッシング等により除去する。尚、マスクには、レジストの他、格子層用膜4の材料に対して十分なエッチングレートの差が得られるものであれば、他の任意の材料を使用することができる。
そして、図8(4)に示すように、格子層2の上に保護層3を形成することで実施形態の透過型回折格子素子が完成する。保護層3の形成は、スパッタリングやCVD等の成膜による場合が多いが、ギャップ20内に材料が充填されないよう等方的な成膜とすることが望ましい。
Next, dry etching is performed using the resist pattern layer 5 as a mask to form the lattice layer 2. Dry etching is anisotropic etching such as the reactive ion beam method. Then, as shown in FIG. 8 (3), the resist pattern layer 5 is removed by ashing or the like. In addition to the resist, any other material can be used for the mask as long as a sufficient difference in etching rate with respect to the material of the lattice layer film 4 can be obtained.
Then, as shown in FIG. 8 (4), the transmission type diffraction grating element of the embodiment is completed by forming the protective layer 3 on the lattice layer 2. The protective layer 3 is often formed by film formation such as sputtering or CVD, but it is desirable to form an isotropic film formation so that the material is not filled in the gap 20.

このようにして製造される実施形態の透過型回折格子素子は、光が所定の角度で入射する姿勢で配置される。そして、所定の角度で出射する回折光が利用される。実施形態の透過型回折格子素子は、種々の用途、機器に利用できるが、例えば、OCT(光コヒーレンストモグラフィ)機器に利用することができる。具体的には、FD(Fourier Domain)−OCTにおいて、参照光と対象物からの光との干渉光が入射する位置に透過型回折格子素子を配置し、出射する回折光が入射する位置にラインセンサを配置する。回折光は波長に応じて異なる向きに進むので、ラインセンサの各ピクセルには波長毎の光が入射し、干渉光のスペクトルが得られる。 The transmissive diffraction grating element of the embodiment manufactured in this manner is arranged in a posture in which light is incident at a predetermined angle. Then, the diffracted light emitted at a predetermined angle is used. The transmission type diffraction grating element of the embodiment can be used for various purposes and devices, and can be used, for example, for an OCT (optical coherence tomography) device. Specifically, in the FD (Fourier Domain) -OCT, a transmission diffraction grating element is placed at a position where the interference light between the reference light and the light from the object is incident, and a line is placed at the position where the emitted diffracted light is incident. Place the sensor. Since the diffracted light travels in different directions depending on the wavelength, light for each wavelength is incident on each pixel of the line sensor, and a spectrum of interference light is obtained.

また、別の用途として、実施形態の透過型回折格子素子は、レーザーの波長を可変(チューナブルレーザー)にしたり、安定化(波長安定化レーザー)させたりする目的で使用することができる。例えば、実施形態の透過型回折格子素子を外部共振器に組み込み、出射する回折光を共振させる構成としておき、回折格子素子の姿勢を変化させることで出射波長を可変とすることができる。 Further, as another application, the transmission type diffraction grating element of the embodiment can be used for the purpose of making the wavelength of the laser variable (tunable laser) or stabilizing (wavelength stabilizing laser). For example, the transmissive diffraction grating element of the embodiment is incorporated in an external resonator to resonate the emitted diffracted light, and the emission wavelength can be made variable by changing the posture of the diffraction grating element.

いずれの利用例においても、実施形態の透過型回折格子素子は、格子層2に有機材料を使用していないので、製品の高信頼性化に貢献する。即ち、湿度や温度等の点で厳しい環境下で使用されたり、強い光の照射を長期間受ける条件で使用されたりした場合も劣化が少なく、品質の良い回折光を長期間得ることができる。このため、組み込み先の製品の信頼性を高く維持することができる。また、実施形態の透過型回折格子素子は、上記のように光学的なプロセスにより格子層2がパターン化されているので、形状精度が高く、この点でも高い回折効率を有するものとなる。 In any of the application examples, since the transmission type diffraction grating element of the embodiment does not use an organic material for the lattice layer 2, it contributes to high reliability of the product. That is, even when it is used in a harsh environment in terms of humidity, temperature, etc., or when it is used under conditions where it is exposed to strong light for a long period of time, there is little deterioration and good quality diffracted light can be obtained for a long period of time. Therefore, the reliability of the embedded product can be maintained high. Further, in the transmission type diffraction grating element of the embodiment, since the lattice layer 2 is patterned by the optical process as described above, the shape accuracy is high and the diffraction efficiency is also high in this respect as well.

尚、上記透過型回折格子素子は、入射側や出射側に任意の機能を有する層が形成されることがあり得る。例えば、入射面(保護層3の上面又は基板1の下面)に反射防止膜を設けたり、入射面又は出射面に偏光ビームスプリッター膜を設けたりすることがあり得る。 In the transmission type diffraction grating element, a layer having an arbitrary function may be formed on the incident side or the outgoing side. For example, an antireflection film may be provided on the entrance surface (upper surface of the protective layer 3 or the lower surface of the substrate 1), or a polarizing beam splitter film may be provided on the entrance surface or the exit surface.

上記実施形態では、グリッド21の材料は酸化シリコンであったが、微細加工が可能で常温で固相の無機材料であれば任意の材料を使用することができる。それらは、空気又は真空に対して十分な屈折率差を有するからである。
但し、上述した酸化シリコンのような材料は、微細加工用の材料として半導体プロセス等で多用されており、種々の加工技術が開発されているので、好適である。また特に、基板1とグリッド21の材料を同じ材料としておくと、界面での剥離破壊も生じにくいため、好適である。
また、保護層3についても、回折させる光の波長において透光性であれば酸化シリコン以外の材料を採用することができる。この際、グリッド21と同じ材料を使用すると、同様に界面での剥離破壊が生じにくいので好適である。
In the above embodiment, the material of the grid 21 is silicon oxide, but any material can be used as long as it is an inorganic material that can be microfabricated and has a solid phase at room temperature. This is because they have a sufficient refractive index difference with respect to air or vacuum.
However, the above-mentioned materials such as silicon oxide are often used as materials for microfabrication in semiconductor processes and the like, and various processing techniques have been developed, which are suitable. Further, it is particularly preferable to use the same material for the substrate 1 and the grid 21 because peeling fracture at the interface is unlikely to occur.
Further, as the protective layer 3, a material other than silicon oxide can be used as long as it is translucent at the wavelength of the light to be diffracted. At this time, it is preferable to use the same material as the grid 21 because peeling fracture at the interface is unlikely to occur.

1 基板
2 格子層
20 ギャップ
21 グリッド
3 保護層
4 格子層用膜
5 レジストパターン層
p 格子周期
d デューティ比
1 Substrate 2 Lattice layer 20 Gap 21 Grid 3 Protective layer 4 Lattice layer film 5 Resist pattern layer p Lattice period d Duty ratio

Claims (3)

790nm以上890nm以下の範囲内の波長の光について光の回折を利用して光を波長に応じた向きに進ませる透過型回折格子素子であって、透明な基板と、基板上に形成された格子層とを備えており、
格子層は、ギャップに対して屈折率差を持つグリッドを周期的に配した微細構造を有しており、
グリッドは無機材料で形成されており、
一つのグリッドと一つのギャップの合計の幅である格子周期をp、pに対する一つのグリッドの幅の比であるデューティ比をdとしたとき、グリッドの高さhは2.40dp≦h≦3.70dpであり、デューティ比dは0.5≦d≦0.7であることを特徴とする透過型回折格子素子。
A transmissive diffraction grating element that uses light diffraction to direct light in a direction corresponding to a wavelength for light having a wavelength in the range of 790 nm or more and 890 nm, and is a transparent substrate and a grating formed on the substrate. It has layers and
The lattice layer has a fine structure in which grids having a difference in refractive index with respect to the gap are periodically arranged.
The grid is made of inorganic material and
When the lattice period, which is the total width of one grid and one gap, is p, and the duty ratio, which is the ratio of the width of one grid to p, is d, the height h of the grid is 2.40 dp ≦ h ≦ 3. A transmission type diffraction grating element having a duty ratio of .70 dp and a duty ratio d of 0.5 ≦ d ≦ 0.7.
790nm以上890nm以下の範囲内の波長の光について光の回折を利用して光を波長に応じた向きに進ませる透過型回折格子素子であって、透明な基板と、基板上に形成された格子層とを備えており、
格子層は、ギャップに対して屈折率差を持つグリッドを周期的に配した微細構造を有しており、
グリッドは無機材料で形成されており、
一つのグリッドと一つのギャップの合計の幅である格子周期をp、pに対する一つのグリッドの幅の比であるデューティ比をdとしたとき、グリッドの高さhは2.74dp≦h≦3.70dpであり、デューティ比dは0.5≦d≦0.7であることを特徴とする透過型回折格子素子。
A transmissive diffraction grating element that uses light diffraction to direct light in a direction corresponding to a wavelength for light having a wavelength in the range of 790 nm or more and 890 nm, and is a transparent substrate and a grating formed on the substrate. It has layers and
The lattice layer has a fine structure in which grids having a difference in refractive index with respect to the gap are periodically arranged.
The grid is made of inorganic material and
When the lattice period, which is the total width of one grid and one gap, is p, and the duty ratio, which is the ratio of the width of one grid to p, is d, the height h of the grid is 2.74 dp ≦ h ≦ 3. A transmission type diffraction grating element having a duty ratio of .70 dp and a duty ratio d of 0.5 ≦ d ≦ 0.7.
790nm以上890nm以下の範囲内の波長の光について光の回折を利用して光を波長に応じた向きに進ませる透過型回折格子素子であって、透明な基板と、基板上に形成された格子層とを備えており、
格子層は、ギャップに対して屈折率差を持つグリッドを周期的に配した微細構造を有しており、
グリッドは無機材料で形成されており、
一つのグリッドと一つのギャップの合計の幅である格子周期をp、pに対する一つのグリッドの幅の比であるデューティ比をdとしたとき、グリッドの高さhは3.09dp≦h≦3.70dpであり、デューティ比dは0.6≦d≦0.7であることを特徴とする透過型回折格子素子。
A transmissive diffraction grating element that uses light diffraction to direct light in a direction corresponding to a wavelength for light having a wavelength in the range of 790 nm or more and 890 nm, and is a transparent substrate and a grating formed on the substrate. It has layers and
The lattice layer has a fine structure in which grids having a difference in refractive index with respect to the gap are periodically arranged.
The grid is made of inorganic material and
When the lattice period, which is the total width of one grid and one gap, is p, and the duty ratio, which is the ratio of the width of one grid to p, is d, the height h of the grid is 3.09 dp ≦ h ≦ 3. A transmission type diffraction grating element having a duty ratio of .70 dp and a duty ratio d of 0.6 ≦ d ≦ 0.7.
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