JP2021113898A - 透過型レリーフ回折格子素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 位相制御層を無機材料で形成した構造の信頼性の高い透過型のレリーフ回折格子素子を提供し、さらに回折効率の点でも優れた性能を有する透過型のレリーフ回折格子素子を提供する。【解決手段】 光の回折を利用して光を波長に応じた向きに透過させる透過型レリーフ回折格子素子において、透明な基板１上に形成された格子層２は、酸化シリコン製のグリッド２１が周期的に配設された微細構造を有し、各グリッド２１の間のギャップ２０は材料が充填されていない空洞である。各グリッド２１は、基板１側の辺２１１が長く基板１とは反対側の辺２１２が短い台形状の断面形状を有し、各グリッド２１の基板１側の辺２１１は互いに離間している。【選択図】 図１

Description

この出願の発明は、透過型のレリーフ回折格子の技術に関するものである。

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。

特開昭６３−７４０１４号公報

http://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屈折率変調型が知られている。

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。
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。

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。
また、素子の汎用性のためには、より広い波長範囲に亘って高い回折効率が得られるようにすることが重要である。そして、製造プロセスの観点では、多少の寸法のバラツキがあっても高い回折効率が発揮されることが重要である。
本願の発明は、これらの課題を解決するために為されたものであり、位相制御層を無機材料で形成した構造の信頼性の高い透過型のレリーフ回折格子素子を提供し、さらに回折効率の点でも優れた性能を有する透過型のレリーフ回折格子素子を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、この出願の発明は、光の回折を利用して光を波長に応じた向きに透過させる透過型レリーフ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、酸化シリコン製のグリッドが周期的に配設された微細構造を有しており、各グリッドの間のギャップは材料が充填されていない空洞である。各グリッドは、基板側の辺が長く基板とは反対側の辺が短い台形状の断面形状を有し、各グリッドの基板側の辺は互いに離間している。
また、上記課題を解決するため、透過型レリーフ回折格子素子は、グリッドの基板側の辺の長さをｘ、グリッドの基板とは反対側の辺の長さをｙ、グリッドの配設における周期をｐとしたとき、ｙ／ｘは、−４．２６（ｘ／ｐ）＋３．０６≦ｙ／ｘ≦−２．０８（ｘ／ｐ）＋２．４４を満足するという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、透過型レリーフ回折格子素子は、ｙ／ｘが０．１以上又は０．２以上であり得る。

以下に説明する通り、この出願の発明に係る透過型レリーフ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。そして、各グリッドの断面形状が台形状であるため、より広い波長範囲に亘って高い回折効率が得られ、また製造の際の多少の寸法のバラツキにかかわらず安定して高い回折効率が得られる。
また、グリッドの基板側の辺の長さをｘ、グリッドの基板とは反対側の辺の長さをｙ、グリッドの周期をｐとしたとき、ｙ／ｘは、−４．２６（ｘ／ｐ）＋３．０６≦ｙ／ｘ≦−２．０８（ｘ／ｐ）＋２．４４を満足する構成としておくと、より高い回折効率が得られる。
また、ｙ／ｘが０．１以上又は０．２以上としておくと、上記効果がより確実に得られる。

実施形態の透過型レリーフ回折格子素子の断面概略図である。 実施形態の透過型レリーフ回折格子素子の斜視概略図である。 実施形態の透過型レリーフ回折格子素子の動作原理について示した概略図である。 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。 シミュレーション実験の結果を示した概略図である。 シミュレーション実験の結果を示した概略図である。 実施形態の透過型レリーフ回折格子素子の製造方法を示した概略図である。

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、実施形態の透過型レリーフ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。
実施形態のレリーフ回折格子素子は、光の回折を利用して光を波長に応じた向きに透過さ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。

基板１は、対象波長（回折を利用して所望の向きに進ませる光の波長）について透明な材料で形成されたものである。基板１の材料は無機材料であることが好ましく、例えば石英ガラスが使用される。溶融石英ガラス製の他、合成石英ガラス製の基板１が使用されることもある。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であるレリーフ回折格子であり、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。

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。各グリッド２１の材料には、ギャップ２０に対して屈折率差を有する材料として酸化シリコンが使用されている。各グリッド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。
この実施形態では、対象波長は７９０〜８９０ｎｍの波長域となっている。この波長域において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。

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。そして、図１及び図２に示すように、各グリッド２１は、長手方向に垂直な面の断面の形状が台形となっている。より具体的には、各グリッド２１は、基板１側の辺が長く、基板１とは反対側の辺が短い台形状の断面形状となっている。以下、基板１側の辺２１１を底辺と呼び、反対側の辺２１２を上辺と呼ぶ。図１及び図２に示すように、この実施形態では、各グリッド２１は、両側の側辺（斜辺）２１３は基板１に垂直な中心線に対して線対称となっており、同様の傾斜角度となっている。尚、「底辺」、」「上辺」は、説明の便宜上であり、製品の使用状態において下側、上側に位置することを限定する趣旨ではない。

このような実施形態の透過型レリーフ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、実施形態の透過型レリーフ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。

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。

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。

|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。

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。

このようにある角度αで光Ｌ１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２０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２０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。

実施形態の透過型レリーフ回折格子素子が前述したように各グリッド２１の断面形状を台形状とすることは、発明者が行った研究の結果に基づいている。以下、この点について説明する。
特許文献１に開示されているように、従来知られているレリーフ回折格子は、グリッドの断面形状が長方形であるか又は三角形であるかのいずれかである。断面三角形状のグリッドである場合、振幅型の刻線回折格子（ブレーズド回折格子）と同様、各三角形状は底辺においてつながっており、離間していない。

このようなレリーフ回折格子は、各グリッドの配設周期（格子周期、図１にｐで示す）を対象波長に対して適宜選定することで０次回折光が抑制され、所望の回折効率が得られる。この際、特許文献１に示されたように、グリッドの断面形状は方形（方形型）か又は三角形（三角形型）であるが、発明者が行ったシミュレーション実験によると、各グリッド２１の断面形状を台形とし、且つ底辺２１１を互いに離間させた構造とすると、より広い範囲に亘って高い回折効率が得られることが判ってきた。

図４〜図６は、このシミュレーション実験に示す図である。シミュレーション実験では、上記のように基板１は石英ガラス製、各グリッド２１は酸化シリコン（アモルファス）製とし、固定された格子周期ｐに対してグリッド２１の底辺２１１と上辺２１２の幅を順次変更した条件にて回折効率をシミュレーションにより計算した。シミュレーションにはＲＣＷＡ法が使用され、市販のソフトウェアにより回折効率が計算された。尚、ここでの回折効率は、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。このシミュレーション実験では、ＴＥ波とＴＭ波の二つの偏光光について回折効率を計算し、さらにその平均値を計算した。
図４は、回折効率をシミュレーションする上で前提とした酸化シリコンの屈折率を示した図である。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。

また、このシミュレーション実験では、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。

図５には、一例としてグリッド２１の高さ（図１にｈで示す）を１４００ｎｍとし、光を８４０ｎｍの単一波長とした場合のシミュレーション実験の結果が示されている。入射角αは、基板１に垂直でグリッド２１の長さ方向に沿った面に対して３０°であるとした。図５において、横軸は、格子周期ｐに対するグリッド２１の底辺２１１の長さｘの比（ｘ／ｐ）である。縦軸は、底辺２１１の長さｘに対する上辺２１２の長さｙの比（ｙ／ｘ）である。ｐは一定であるが、ｘ，ｙを順次変更し、回折効率が計算された。

図５において、６０％以上の回折効率が得られた条件がグレースケール（白黒の濃淡）で表されている。より濃い色はより高い回折効率を意味する。
図５において、縦軸の値が１のところは、ｙ／ｘ＝１であるから、従来の方形型の格子層の場合である（右端のｘ／ｐ＝０を除く）。また、ｙ／ｘ＝０でｘ／ｐ＝１の条件は、上辺の長さｙがゼロで底辺の長さｘが格子周期ｐに一致しているから、従来の三角形型の格子層の場合である。

レリーフ回折格子素子では、対象波長に対して格子周期ｐを適宜選択することで所望の回折効率が得られる。図５に示す例では、方形型の格子層の場合（ｙ／ｘ＝１の場合）、ｘ／ｐが０．３〜０．７５の範囲で６０％超の回折効率が得られている。したがって、この程度の範囲内で格子周期ｐが選択される。
ここで興味深いことは、それより下側のｙ／ｘ＜１の範囲でも６０％以上の高い回折効率が得られることが示されており、且つその範囲が横軸方向でより広くなっていることである。即ち、６０％以上の回折効率が得られるｘ／ｐの範囲が従来の方形型の格子層の場合より広くなっている。

格子周期ｐは対象波長に応じて選択されるから、高い回折効率が得られる範囲が広がるということは、逆に言えば、高い回折効率が得られる波長範囲が広がることを意味する。つまり、広い波長範囲に亘って高い回折効率が得られる回折格子素子が提供されるということである。また、高い回折効率が得られるｘ／ｐの範囲が広がるということは、製造の際にｘやｐが多少ばらついたとしても性能には影響が出ないことを意味し、性能の安定性、再現性という意味でも大きな意義がある。実施形態のレリーフ回折格子素子が台形型の各グリッド２１を採用しているのは、上記のような知見、意義に基づいている。

図６には、同一の条件でグリッド高さｈを変えた場合の各結果が示されている。「ｈ＝」で示された数値がグリッド高さである。
図６の（１）〜（３）にそれぞれ示されているように、グリッド高さｈを変えたシミュレーシ実験においても、６０％以上の回折効率が得られる範囲は上端の方形型の格子層より下側において広がっており、台形型の格子層の方が汎用性の点で優れていることを示している。

各グリッド２１を断面台形としておくことで高回折効率の条件が広がる理由としては、レリーフ回折格子の作用がグリッド２１の高さ方向で分布することによると推測できる。つまり、ギャップ２０の幅ないしグリッド２１の幅がグリッド２１の高さ方向で異なることになるので、期待される回折作用が高さ方向のいずれかの位置で生じることになり、このために高回折効率のｘ／ｐの範囲が広がるものと推測できる。

尚、グリッド高さｈ＝２０００ｎｍを超える条件については、図示を省略するが、同様の結果が得られている。但し、ｈが２０００ｎｍを超える場合、各グリッド２１はより高アスペクト比の断面構造となるので、製造上の困難性が増したり、機械的強度が低下したりする欠点がある。したがって、ｈは２０００ｎｍ以下とすることが好ましい。尚、アスペクト比は、グリッド２１の幅に対する高さｈの比である。

図５及び図６において、６０％以上の回折効率が得られる範囲は概ね共通している。数式で示すと、図５に示すように、 −４．２６（ｘ／ｐ）＋３．０６≦ｙ／ｘ≦−２．０８（ｘ／ｐ）＋２．４４の範囲となる。また、図示は省略するが、７０％以上の回折効率が得られる範囲は、−３．５２（ｘ／ｐ）＋２．８３≦ｙ／ｘ≦−２．１６（ｘ／ｐ）＋２．４０、８０％以上の回折効率が得られる範囲は、−３．１５（ｘ／ｐ）＋２．７９≦ｙ／ｘ≦−２．６１（ｘ／ｐ）＋２．５８となる。

尚、図５及び図６の各グラフにおいて、下端付近の領域では、高い回折効率が得られる領域が狭くなる傾向があり、これは図５の例（ｈ＝１４００ｎｍ）において顕著である。図６の各例でも、下端付近では９０％以上の高い回折効率が得られる領域が狭くなっている。したがって、下端付近の領域の条件は回避することが望ましい。具体的には、ｙ／ｘが０．１未満又は０．２未満の条件は回避することが望ましい。

このように、実施形態の透過型レリーフ回折格子素子によれば、各グリッド２１が無機材料である酸化シリコンで形成されているので、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で劣化が少なく、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。そして、各グリッド２１の断面形状が台形状であるので、より広い波長範囲において高い回折効率を得られたり、製造上の寸法のバラツキにかかわらず高い回折効率が得られたりする優れた素子が提供される。
尚、基板１が石英ガラス製である点は、酸化シリコンである各グリッド２１との密着性を高くする効果を有し、製品の機械的安定性を高める意義を有する。

次に、このような実施形態の透過型レリーフ回折格子素子の製造方法について説明する。図７は実施形態の透過型レリーフ回折格子素子の製造方法を示した概略図である。
図７（１）に示すように、基板１上にグリッド２１の材料（酸化シリコン）で格子層用膜３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３の厚さは、作成する回折格子素子の各グリッド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。

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７（２）に示すようにレジストパターン層４を形成する。レジストパターン層４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。

次に、図７（３）に示すように、レジストパターン層４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７（４）に示すように、レジストパターン層４をアッシング等により除去する。これにより、実施形態の透過型レリーフ回折格子素子が得られる。尚、マスクには、レジストの他、格子層用膜３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。
図７（３）のエッチングの際、エッチャントを引き込む電界の強度を調節したり、圧力を調節したりすることで、エッチング終了後の各グリッド２１の各側辺２１３を任意の角度にすることができる。これは、各グリッド２１の底辺２１１の長さｘ、上辺２１２の長さｙを任意に調整できることを意味する。

このようにして製造される実施形態の透過型レリーフ回折格子素子は、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。尚、図３では、光が基板１とは反対側から格子層２に入射する状態が描かれているが、基板１の側から入射して格子層２を透過するよう配置される場合もあり得る。
いずれにしても、実施形態の透過型レリーフ回折格子素子は、上記のように光学的なプロセスにより格子層２をパターン化するので、高い形状精度が実現でき、この点でも高い回折効率が期待される。

このような実施形態の透過型レリーフ回折格子素子は、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レリーフ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。

また、別の用途として、実施形態の透過型レリーフ回折格子素子は、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、実施形態の透過型レリーフ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。

いずれの利用例においても、実施形態の透過型レリーフ回折格子素子は、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で劣化が少なく、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。

上記実施形態の透過型レリーフ回折格子素子において、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。

１ 基板
２ 格子層
２０ ギャップ
２１ グリッド
２１１ 底辺
２１２ 上辺
２１３ 側辺
３ 格子層用膜
４ レジストパターン層
ｐ 格子周期

Claims (3)

1. 光の回折を利用して光を波長に応じた向きに透過させる透過型レリーフ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、酸化シリコン製のグリッドが周期的に配設された微細構造を有しており、
   各グリッドの間のギャップは材料が充填されていない空洞であり、
   各グリッドは、基板側の辺が長く基板とは反対側の辺が短い台形状の断面形状を有し、各グリッドの基板側の辺は互いに離間していることを特徴とする透過型レリーフ回折格子素子。
2. 前記グリッドの前記基板側の辺の長さをｘ、前記グリッドの前記基板とは反対側の辺の長さをｙ、前記グリッドの配設における周期をｐとしたとき、ｙ／ｘは、
   −４．２６（ｘ／ｐ）＋３．０６≦ｙ／ｘ≦−２．０８（ｘ／ｐ）＋２．４４
   を満足していることを特徴とする請求項１記載の透過型レリーフ回折格子素子。
3. 前記ｙ／ｘは０．１以上又は０．２以上であることを特徴とする請求項２記載の透過型レリーフ回折格子素子。

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