JP3348668B2 - ３次元回折格子の製造方法 - Google Patents
３次元回折格子の製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は多次元回折格子に関
し、特に通常（天然）の光学材料を用いるレンズやプリ
ズム等の光学部品では実現不可能な、光の屈折や集光お
よび分光特性を実現するための多次元回折格子に関す
る。
し、特に通常（天然）の光学材料を用いるレンズやプリ
ズム等の光学部品では実現不可能な、光の屈折や集光お
よび分光特性を実現するための多次元回折格子に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】周期的な屈折率変化を有する物質は回折
格子と呼ばれ、光の回折を始め様々な目的で使用されて
いる。通常の回折格子は、ガラス板等の表面に一方向に
等間隔に多くの直線を引いたもので、これはいわば一次
元の回折格子である。
格子と呼ばれ、光の回折を始め様々な目的で使用されて
いる。通常の回折格子は、ガラス板等の表面に一方向に
等間隔に多くの直線を引いたもので、これはいわば一次
元の回折格子である。
【０００３】ところで、一次元の回折格子に対し、更に
2次元3次元の回折格子を実現することにより、1次元の
回折格子では得られないような新しい効果が得られるこ
とが知られている。特に、屈折率差の大きい2つの異な
る光学材料を、光の半波長程度の周期で2次元あるいは3
次元的に積み重ねた構造はフォトニック結晶と呼ばれ、
最近特に注目されている。
2次元3次元の回折格子を実現することにより、1次元の
回折格子では得られないような新しい効果が得られるこ
とが知られている。特に、屈折率差の大きい2つの異な
る光学材料を、光の半波長程度の周期で2次元あるいは3
次元的に積み重ねた構造はフォトニック結晶と呼ばれ、
最近特に注目されている。
【０００４】フォトニック結晶は、屈折率変化が光の半
波長オーダーで周期的に3次元的に繰り返されるような
構造を有し、通常（天然）の光学材料を用いるレンズや
プリズム等の光学部品では実現不可能な光の屈折や分光
特性を実現できる点で、注目されている。このフォトニ
ック結晶においては、2つの異なる光学材料の屈折率差
が特に大きい場合には、光の導波が許されないフォトニ
ックバンドが生じ、発光素子と組み合わせることによ
り、光の出射制御や様々な応用が考えられている。屈折
率差が小さい場合には、フォトニックバンドは生じない
が、3次元での回折格子として、図１（a）に示す通常の
光学材料では得られない光の異常な回折現象や分散効果
を実現できる（同図（b）参照）。
波長オーダーで周期的に3次元的に繰り返されるような
構造を有し、通常（天然）の光学材料を用いるレンズや
プリズム等の光学部品では実現不可能な光の屈折や分光
特性を実現できる点で、注目されている。このフォトニ
ック結晶においては、2つの異なる光学材料の屈折率差
が特に大きい場合には、光の導波が許されないフォトニ
ックバンドが生じ、発光素子と組み合わせることによ
り、光の出射制御や様々な応用が考えられている。屈折
率差が小さい場合には、フォトニックバンドは生じない
が、3次元での回折格子として、図１（a）に示す通常の
光学材料では得られない光の異常な回折現象や分散効果
を実現できる（同図（b）参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際に
フォトニック結晶を造るとなると、光の半波長オーダー
での材料の加工技術や、さらにこれを2次元3次元での周
期構造として実現しなければならない点等、非常に困難
な課題が多く、現在なお実用的なレベルでのフォトニッ
ク結晶は得られていない。
フォトニック結晶を造るとなると、光の半波長オーダー
での材料の加工技術や、さらにこれを2次元3次元での周
期構造として実現しなければならない点等、非常に困難
な課題が多く、現在なお実用的なレベルでのフォトニッ
ク結晶は得られていない。
【０００６】本発明の目的は、上に述べたようなフォト
ニック結晶における作製の難しさに対して、全く新しい
手法で簡単にフォトニック結晶とほぼ同等の効果が得ら
れる多次元回折格子及びこのような多次元回折格子構造
を実現する製造方法を提供することにある。
ニック結晶における作製の難しさに対して、全く新しい
手法で簡単にフォトニック結晶とほぼ同等の効果が得ら
れる多次元回折格子及びこのような多次元回折格子構造
を実現する製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】フォトリフラクティブ材
料やDXセンターを有する化合物半導体材料等は、光（電
磁波）や電子線を照射することにより屈折率変化を起こ
すことで知られている。例えば、光ファイバーグレーテ
ィングにも用いられる石英ガラスは、紫外線を照射する
ことにより、フォトリフラクティブ効果によって大きな
屈折率変化が得られる。また、ＡｌＧａＡｓやＣｄＦ2
等の化合物半導体材料でも、これらの材料中にドーピン
グされたＳｉやＧｅあるいはＧａやＩｎ等の不純物が深
い準位（DXセンター）を形成し、このようにして形成さ
れたDXセンターの振る舞いにより、光を照射することに
よって比較的大きな屈折率変化が得られることも知られ
ている。この屈折率変化は、μｍオーダーの非常に小さ
い領域に局在して起こすことも可能である。
料やDXセンターを有する化合物半導体材料等は、光（電
磁波）や電子線を照射することにより屈折率変化を起こ
すことで知られている。例えば、光ファイバーグレーテ
ィングにも用いられる石英ガラスは、紫外線を照射する
ことにより、フォトリフラクティブ効果によって大きな
屈折率変化が得られる。また、ＡｌＧａＡｓやＣｄＦ2
等の化合物半導体材料でも、これらの材料中にドーピン
グされたＳｉやＧｅあるいはＧａやＩｎ等の不純物が深
い準位（DXセンター）を形成し、このようにして形成さ
れたDXセンターの振る舞いにより、光を照射することに
よって比較的大きな屈折率変化が得られることも知られ
ている。この屈折率変化は、μｍオーダーの非常に小さ
い領域に局在して起こすことも可能である。
【０００８】本発明は、屈折率の異なる２つの光学材料
を積み重ねることなく、前記のようなフォトリフラクテ
ィブ媒質やDX材料の性質を用いて、屈折率の異なる領域
からなる多次元の周期構造を実現するものである。これ
らの材料は、電磁波または電子線を照射することによ
り、その強度に応じた屈折率変化を生じさせることがで
きるため、例えば、レーザ光線の様な干渉性の良い光を
照射することにより干渉縞を生じさせ、その干渉縞に応
じて屈折率の異なる領域を周期的に形成することができ
る。本発明の特徴は、3次元回折格子の書き込みを、こ
のような干渉縞による多重露光を駆使して行うものであ
る。
を積み重ねることなく、前記のようなフォトリフラクテ
ィブ媒質やDX材料の性質を用いて、屈折率の異なる領域
からなる多次元の周期構造を実現するものである。これ
らの材料は、電磁波または電子線を照射することによ
り、その強度に応じた屈折率変化を生じさせることがで
きるため、例えば、レーザ光線の様な干渉性の良い光を
照射することにより干渉縞を生じさせ、その干渉縞に応
じて屈折率の異なる領域を周期的に形成することができ
る。本発明の特徴は、3次元回折格子の書き込みを、こ
のような干渉縞による多重露光を駆使して行うものであ
る。
【０００９】すなわち、請求項１記載の多次元回折格子
は、電磁波または電子線の照射によってその屈折率が変
化する物質により構成され、屈折率の異なる領域が多次
元周期的に内部に形成されていることを特徴とする。
は、電磁波または電子線の照射によってその屈折率が変
化する物質により構成され、屈折率の異なる領域が多次
元周期的に内部に形成されていることを特徴とする。
【００１０】請求項２記載の多次元回折格子は、請求項
１記載の多次元回折格子において、前記作用物質は、フ
ォトリフラクティブ効果を有する材料であることを特徴
とする。
１記載の多次元回折格子において、前記作用物質は、フ
ォトリフラクティブ効果を有する材料であることを特徴
とする。
【００１１】請求項３記載の多次元回折格子は、請求項
１記載の多次元回折格子において、前記作用物質は、DX
センターを有する化合物半導体材料であることを特徴と
する。
１記載の多次元回折格子において、前記作用物質は、DX
センターを有する化合物半導体材料であることを特徴と
する。
【００１２】請求項４記載の多次元回折格子は、請求項
２記載の多次元回折格子において、前記作用物質は、紫
外線照射によって屈折率変化を生じる石英ガラス材料で
あることを特徴とする。
２記載の多次元回折格子において、前記作用物質は、紫
外線照射によって屈折率変化を生じる石英ガラス材料で
あることを特徴とする。
【００１３】請求項５記載の多次元回折格子は、請求項
３記載の多次元回折格子において、前記作用物質は、Ｃ
ｄＦ2：Ｇａであることを特徴とする。
３記載の多次元回折格子において、前記作用物質は、Ｃ
ｄＦ2：Ｇａであることを特徴とする。
【００１４】また、上記多次元回折格子の製造は、以下
の方法により実現される。すなわち、請求項６記載の多
次元回折格子の製造方法は、電磁波または電子線の照射
によってその屈折率が変化する作用物質に電磁波または
電子線を照射することにより、前記作用物質の内部に屈
折率の異なる領域を多次元周期的に形成して回折格子を
得ることを特徴とする。
の方法により実現される。すなわち、請求項６記載の多
次元回折格子の製造方法は、電磁波または電子線の照射
によってその屈折率が変化する作用物質に電磁波または
電子線を照射することにより、前記作用物質の内部に屈
折率の異なる領域を多次元周期的に形成して回折格子を
得ることを特徴とする。
【００１５】請求項７記載の多次元回折格子の製造方法
は、請求項６に記載の多次元回折格子の製造方法におい
て、前記作用物質に、対向する2本のレーザ光線を入射
させて1次元回折格子を書き込み、次に、先にレーザ光
線を入射させた方向と直交する方向から、対向する2本
のレーザ光線を入射させて回折格子を書き込むことで2
次元回折格子を得、さらに、今までに入射させたレーザ
光線の入射方向と各々直交する方向から、対向する2本
のレーザ光線を入射させて回折格子を書き込むことによ
り3次元回折格子を得ることを特徴とする。
は、請求項６に記載の多次元回折格子の製造方法におい
て、前記作用物質に、対向する2本のレーザ光線を入射
させて1次元回折格子を書き込み、次に、先にレーザ光
線を入射させた方向と直交する方向から、対向する2本
のレーザ光線を入射させて回折格子を書き込むことで2
次元回折格子を得、さらに、今までに入射させたレーザ
光線の入射方向と各々直交する方向から、対向する2本
のレーザ光線を入射させて回折格子を書き込むことによ
り3次元回折格子を得ることを特徴とする。
【００１６】この多次元回折格子の製造方法において
は、1次元回折格子を書き込んだあと、作用物質を90°
回転させて再び同じレーザ光線を入射させ、更に90°回
転させて同様にレーザ光線を入射して3次元回折格子を
得ることとしてもよいし、作用物質を固定しておき、レ
ーザ光源を変えて（移動させて）3次元回折格子を得る
こととしてもよい。
は、1次元回折格子を書き込んだあと、作用物質を90°
回転させて再び同じレーザ光線を入射させ、更に90°回
転させて同様にレーザ光線を入射して3次元回折格子を
得ることとしてもよいし、作用物質を固定しておき、レ
ーザ光源を変えて（移動させて）3次元回折格子を得る
こととしてもよい。
【００１７】請求項８記載の多次元回折格子の製造法方
法は、請求項６に記載の多次元回折格子の製造方法にお
いて、互いに直交する３本のレーザ光線と、該レーザ光
線に各々対向する３本のレーザ光線とを同時に前記作用
物質に入射させ、一度に3次元回折格子を書き込むこと
を特徴とする。
法は、請求項６に記載の多次元回折格子の製造方法にお
いて、互いに直交する３本のレーザ光線と、該レーザ光
線に各々対向する３本のレーザ光線とを同時に前記作用
物質に入射させ、一度に3次元回折格子を書き込むこと
を特徴とする。
【００１８】請求項９記載の多次元回折格子の製造方法
は、請求項６に記載の多次元回折格子の製造方法におい
て、各々の光線の成す角度が全て等しい4本のレーザ光
線を前記作用物質に入射させ、三角格子からなる3次元
回折格子を書き込むことを特徴とする。
は、請求項６に記載の多次元回折格子の製造方法におい
て、各々の光線の成す角度が全て等しい4本のレーザ光
線を前記作用物質に入射させ、三角格子からなる3次元
回折格子を書き込むことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】次に本発明の一実施形態にかかる
多次元回折格子および多次元回折格子の製造方法につい
て図面を参照して説明する。ここでは、屈折率変化を起
こさせる物質としてDXセンターを有する光学材料であ
る、ＧａドープのＣｄＦ2結晶（作用物質）を用いる。
この物質に書き込まれた回折格子は、室温では数秒間で
消えてしまうが、約150Kの低温では1年間以上持続する
性質がある。そこで、Thermoelectric Cooler（熱電冷
却器）を用いて約150Kの低温まで冷やし、回折格子を書
き込む。
多次元回折格子および多次元回折格子の製造方法につい
て図面を参照して説明する。ここでは、屈折率変化を起
こさせる物質としてDXセンターを有する光学材料であ
る、ＧａドープのＣｄＦ2結晶（作用物質）を用いる。
この物質に書き込まれた回折格子は、室温では数秒間で
消えてしまうが、約150Kの低温では1年間以上持続する
性質がある。そこで、Thermoelectric Cooler（熱電冷
却器）を用いて約150Kの低温まで冷やし、回折格子を書
き込む。
【００２０】回折格子の書き込み方法としてここでまず
最初に紹介する方法は、図２（a）に示す様に、まず、
レーザ光１による2光束を対向して結晶２に入射させ、
屈折率の異なる領域を周期的に形成し、1次元の回折格
子３を書き込む。書き込まれる回折格子３の周期は、レ
ーザ光１の波長により決まり、例えばアルゴンレーザの
514.5nmの波長の光を用いる場合約164nmとなる。次に
同図（b）に示す様に結晶２を90°回転させて、（c）に
示す様に先に書き込んだ回折格子３に対して直交方向に
も回折格子３を書き込み、2次元回折格子を得る。次に
（d）に示す様に結晶２をさらに90°回転させて、（e）
に示す様に今までに書き込まれた回折格子３に対して直
交方向にも回折格子３を書き込み、3次元回折格子を得
る。このような方法で、DX結晶に3次元の周期的干渉縞
が書き込まれた多次元回折格子を得ることができる。
最初に紹介する方法は、図２（a）に示す様に、まず、
レーザ光１による2光束を対向して結晶２に入射させ、
屈折率の異なる領域を周期的に形成し、1次元の回折格
子３を書き込む。書き込まれる回折格子３の周期は、レ
ーザ光１の波長により決まり、例えばアルゴンレーザの
514.5nmの波長の光を用いる場合約164nmとなる。次に
同図（b）に示す様に結晶２を90°回転させて、（c）に
示す様に先に書き込んだ回折格子３に対して直交方向に
も回折格子３を書き込み、2次元回折格子を得る。次に
（d）に示す様に結晶２をさらに90°回転させて、（e）
に示す様に今までに書き込まれた回折格子３に対して直
交方向にも回折格子３を書き込み、3次元回折格子を得
る。このような方法で、DX結晶に3次元の周期的干渉縞
が書き込まれた多次元回折格子を得ることができる。
【００２１】また別の方法としては図３に示す様に、互
いに直交する３本のレーザ光線と、該レーザ光線に各々
対向するレーザ光線の、計６本のレーザ光線１を同時に
結晶２に入射させ、一度に3次元回折格子３を書き込む
ような方法も考えられる。
いに直交する３本のレーザ光線と、該レーザ光線に各々
対向するレーザ光線の、計６本のレーザ光線１を同時に
結晶２に入射させ、一度に3次元回折格子３を書き込む
ような方法も考えられる。
【００２２】あるいはまた別の方法としては、図４に示
す様に回折格子３を書き込む材料に対して入射する各々
の光線の成す角度が全て等しい4本のレーザ光線１によ
り、三角格子からなる3次元回折格子３を書き込むよう
な方法も考えられる。上記何れの方法を用いる場合にお
いても、書き込む光の強度と露光時間（露光量）を適切
に調整することにより、結晶内部に3次元的な回折格子
を得ることができる。
す様に回折格子３を書き込む材料に対して入射する各々
の光線の成す角度が全て等しい4本のレーザ光線１によ
り、三角格子からなる3次元回折格子３を書き込むよう
な方法も考えられる。上記何れの方法を用いる場合にお
いても、書き込む光の強度と露光時間（露光量）を適切
に調整することにより、結晶内部に3次元的な回折格子
を得ることができる。
【００２３】以上本実施形態にかかる多次元回折格子お
よび多次元回折格子の製造方法を用いれば、特に通常
（天然）の光学材料を用いるレンズやプリズム等の光学
部品では得られない光の屈折や分散特性を実現できるた
め、これによりレンズやプリズム等の光学部品を作れ
ば、大幅な小型化が可能であり、波長多重光通信方式等
で用いることができる。
よび多次元回折格子の製造方法を用いれば、特に通常
（天然）の光学材料を用いるレンズやプリズム等の光学
部品では得られない光の屈折や分散特性を実現できるた
め、これによりレンズやプリズム等の光学部品を作れ
ば、大幅な小型化が可能であり、波長多重光通信方式等
で用いることができる。
【００２４】
【発明の効果】本発明の多次元回折格子および多次元回
折格子の製造方法を用いれば、特に通常（天然）の光学
材料を用いるレンズやプリズム等の光学部品では得られ
ない光の屈折や分散特性を実現できるため、これにより
レンズやプリズム等の光学部品を作れば、大幅な小型化
が可能であり、波長多重光通信方式等で用いることがで
きる。
折格子の製造方法を用いれば、特に通常（天然）の光学
材料を用いるレンズやプリズム等の光学部品では得られ
ない光の屈折や分散特性を実現できるため、これにより
レンズやプリズム等の光学部品を作れば、大幅な小型化
が可能であり、波長多重光通信方式等で用いることがで
きる。
【図１】 プリズムによる光の屈折を示した図であり、
（a）は通常の光学材料による光の屈折を示した図、
（b）はフォトニック結晶による光の屈折を示した図で
ある。
（a）は通常の光学材料による光の屈折を示した図、
（b）はフォトニック結晶による光の屈折を示した図で
ある。
【図２】 本発明の一実施形態に係る多次元回折格子の
製造方法を示した図である。
製造方法を示した図である。
【図３】 本発明の他の実施形態に係る多次元回折格子
の製造方法を示した図である。
の製造方法を示した図である。
【図４】 本発明の他の実施形態に係る多次元回折格子
の製造方法を示した図である。
の製造方法を示した図である。
１ レーザ光線 ２ ＣｄＦ2：Ｇａ結晶（作用物質） ３ 回折格子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 5/18 G02B 5/32 G03H 1/02
Claims (3)
- 【請求項１】電磁波または電子線の照射によってその屈
折率が変化する作用物質に電磁波または電子線を照射す
ることにより、前記作用物質の内部に屈折率の異なる領
域を３次元周期的に形成して回折格子を得ることを特徴
とする３次元回折格子の製造方法において、 前記作用物質に、対向する2本のレーザ光線を入射させ
て1次元回折格子を書き 込み、次に、先にレーザ光線を入射させた方向と直交す
る方向から、対向する2本のレーザ光線を入射させて回
折格子を書き込むことで2次元回折格子を得、 さらに、今までに入射させたレーザ光線の入射方向と各
々直交する方向から、対向する2本のレーザ光線を入射
させて回折格子を書き込むことを特徴とす３多次元回折
格子の製造方法。 - 【請求項２】請求項１に記載の３次元回折格子の製造方
法において、 互いに直交する３本のレーザ光線と、該レーザ光線に各
々対向する３本のレーザ光線とを同時に前記作用物質に
入射させ、一度に3次元回折格子を書き込むことを特徴
とする３次元回折格子の製造方法。 - 【請求項３】請求項１に記載の多次元回折格子の製造方
法において、 各々の光線の成す角度が全て等しい4本のレーザ光線を
前記作用物質に入射させ、三角格子からなる3次元回折
格子を書き込むことを特徴とする多次元回折格子の製造
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36818198A JP3348668B2 (ja) | 1998-12-24 | 1998-12-24 | ３次元回折格子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36818198A JP3348668B2 (ja) | 1998-12-24 | 1998-12-24 | ３次元回折格子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000193811A JP2000193811A (ja) | 2000-07-14 |
| JP3348668B2 true JP3348668B2 (ja) | 2002-11-20 |
Family
ID=18491160
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP36818198A Expired - Fee Related JP3348668B2 (ja) | 1998-12-24 | 1998-12-24 | ３次元回折格子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3348668B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AUPR523501A0 (en) * | 2001-05-24 | 2001-06-21 | University Of Sydney, The | Optical lattice structure |
| JP4226985B2 (ja) | 2003-10-06 | 2009-02-18 | 日本航空電子工業株式会社 | 光学センサの製造方法 |
| CN100337145C (zh) * | 2004-06-22 | 2007-09-12 | 天津大学 | 一种产生三维光子晶体结构的方法和装置 |
| JP4956805B2 (ja) * | 2006-08-09 | 2012-06-20 | 学校法人立命館 | ３次元フォトニック結晶の製造方法及びそれに使用する３次元フォトニック結晶製造装置 |
-
1998
- 1998-12-24 JP JP36818198A patent/JP3348668B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2000193811A (ja) | 2000-07-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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