JP4162987B2

JP4162987B2 - 反射型回折格子

Info

Publication number: JP4162987B2
Application number: JP2002375994A
Authority: JP
Inventors: 幸成関口; 勝秀新毛; 奈緒子引地; 健一仲間
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: JP2004205880A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学センサ、情報記録装置、光学測定装置等の光学技術分野で幅広く使用される回折を利用した分光光学素子に関し、特に偏光特性を考慮した反射型回折格子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折格子は分光光学素子あるいは光分波素子として広く利用されている。典型的な回折格子は、基板表面に複数の微細な溝が一方向かつ一定周期間隔で形成され、各溝の側面で反射した光が干渉現象を起こすことにより波長分解され分光が可能になる素子である。このような回折格子のうち、反射される光の干渉現象を利用する回折格子を反射型回折格子と呼ぶ。
【０００３】
溝周期が分光する波長域のおよそ０．１〜１０倍の回折格子を反射型で用いる場合、入射した光の偏光に依存して回折光強度が変化することが知られている。この特性は、偏光を分離する素子として積極的に利用できる。
【０００４】
一方で、入射光の偏光状態によらず回折光の強度を一定に保つ必要がある用途もある。例えば、光通信の分野で用いられる光分波装置がこれに相当する。波長多重通信において１本の光ファイバに多数の波長の光を伝搬させ、受信側でこれら多波長の光を個々の波長に分波する場合、光ファイバを伝搬した光は複雑な偏光状態となっているので、光分波器は偏光に依存しないことが望ましい。
【０００５】
従来、回折格子を用いた光分波装置においては、回折格子の溝の方向に平行な偏光成分（ＴＥ偏光）の回折効率が垂直な偏光成分（ＴＭ偏光）の回折効率よりも低いため、光ファイバを出射する光の偏光状態によって回折効率が変化するという問題点があった。
【０００６】
このような回折格子の偏光特性による影響を低減するために、従来、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の回折効率が等しい、いわゆるアノーマリーな波長領域を利用したり（例えば、非特許文献１参照）、反射型でピッチが波長の１０倍程度の回折格子であるエシェレット回折格子を用いて高次の回折光を利用する（例えば、非特許文献２参照）などの手段がとられてきた。
【０００７】
また、ＴＥ偏光の透過率がＴＭ偏光のそれよりも大きくなるように設計されたガラス等の誘電体板を光ファイバと回折格子の間に光軸に対して傾斜させて挿入し、偏光状態によって生じる回折格子の回折効率変化を補償していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【非特許文献１】
鶴田匡夫著、「応用光学Ｉ」、培風館、第３章
【非特許文献２】
久保田広著、「波動光学」、岩波書店、第１０章
【特許文献１】
特開昭５５−５５２４３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術のうち、アノーマリーな波長領域を利用する技術はＴＥ偏光とＴＭ偏光の回折効率が等しい領域が狭いことから使用波長領域が狭くなり特定の波長のみでしか使用できないという問題があった。
【００１０】
また、エシェレット回折格子の高次の回折光を利用する技術は、回折格子の凹凸微細形状のばらつきの影響を受けやすく、所望の特性を得るためには凹凸構造を高い精度で作製しなければならず、コストが高くなってしまう問題があった。
【００１１】
一方、上記のガラス等の誘電体板を利用する技術は、ＴＥ偏光の透過率がＴＭ偏光のそれよりも大きくなるように設計しても、回折格子の偏光依存損失（ＰＤＬ）を補償するためには、光軸に対する角度を大きくする必要があり設置性が悪く、また有効面積を大きくするためにコストが高くなる問題があった。さらに、素子数が増加するため、光学系が煩雑になるうえ、素子による挿入損失があり、光強度が低下する問題があった。
【００１２】
本発明は、このような従来技術の問題に着目してなされたものである。その目的とするところは、回折光学素子を利用する光学系において、偏光特性を低減する特別な光学素子を必要とせず、簡便かつ低コストで光学装置を構成可能な回折格子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の反射型回折格子は、平板状基板表面に複数の平行な直線状溝を一定周期で形成したものであって、この溝の間の凸部は交互に異なる２種類の高さとし、それぞれの高さの凸部を分光対象波長域の平均波長に対して０．１〜１０倍の範囲の周期で配列する。
【００１４】
上記溝間凸部の第１の高さは回折格子の分光対象波長域の平均波長の１／５〜１／２の範囲であり、第２の高さが同平均波長の１／１００〜１／１０であることが望ましい。
【００１５】
また、この第１の高さを有する溝間凸部と第２の高さを有する溝間凸部は異なる材料からなるのが望ましく、とくに第２の高さを有する溝間凸部の材料が回折格子の分光対象波長域の光を反射する金属であることが好ましい。この金属はＡｌまたはＡｌを主成分とする合金、ＡｇまたはＡｇを主成分とする合金、ＣｕまたはＣｕを主成分とする合金、ＡｕまたはＡｕを主成分とする合金のいずれかであるのが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明においては平板状基板表面に複数の平行な直線状溝を形成した回折格子を対象に、その凹凸構造に新規な形状を採用することにより、偏光依存性の少ない回折格子を実現することを試みた。検討の結果、本発明者らは溝の間に存在する凸部を交互に２種類の高さで構成した形状の凹凸溝構造が優れた特性を有することを見出した。
【００１７】
図１は本発明の回折格子の溝に垂直な方向の断面を模式的に示した図である。平板状基板３の表面に高さの高い凸部１と低い凸部２が交互に一定間隔で配列されている。凹凸構造を用いた回折格子では、入射光の電界が凹凸構造と相互作用する。入射光の電界振幅が溝の方向と垂直方向にあるＴＭ波は、ＴＥ波と比較して高さの低い凸部の影響を受けやすい。
【００１８】
したがって、本発明の回折格子のように高さの異なる２種類の凸部が存在する回折格子では、ＴＭ波の方が両凸部を合わせた凸部周期が回折格子の周期であるかのように振舞う傾向がＴＥ波よりも強い。例えば、高低両凸部の周期が９００本／ｍｍであれば、ＴＭ波に対しては１８００本／ｍｍの回折格子として振舞う割合が大きくなることになる。
【００１９】
使用波長が１５５０ｎｍである場合、１８００本／ｍｍではほとんど回折現象は生じずに反射光はほとんど０次光（全反射）となることから、ＴＭ波では１次回折光の光量が減少する。一方、凸部の高さが均一な９００本／ｍｍの回折格子ではＴＭ波の方がＴＥ波の回折効率よりも高い。したがって上記のようにＴＭ波の回折効率が減少すれば、ＴＭ波とＴＥ波の回折効率の差を低減することが可能となる。
【００２０】
［計算例］
図１に示した形状に回折格子（以下、複合型という）の回折効率をシミュレーションにより求め、低い方の凸部２がない通常の形状の回折格子（以下、単一型という）と比較した。複合型の高い方の凸部１の高さを５００ｎｍ、低い方の凸部２の高さを７０ｎｍとした。単一型は高さ５００ｎｍの凸部のみとした。複合型の溝周期は１８００本／ｍｍとし、凸部１と凸部２の周期はそれぞれ９００本／ｍｍとした。単一型の溝周期は９００本／ｍｍとした。
【００２１】
結果は図２に示す通りで、波長１５５０ｎｍに対する回折効率は、単一型でＴＥ偏光に対し５７．８％、ＴＭ偏光に対し９０．９％であった。これに対し、複合型は、ＴＥ偏光回折効率４８．２％、ＴＭ偏光回折効率６３．２％であり、偏光方向による回折効率差を抑制できることを確認した。
【００２２】
［実施例］
上記シミュレーションに用いた形状を目標に、実際に回折格子を作製した。
上記の単一型回折格子はゾルゲル材料の成形により作製する。型として使用したレプリカ回折格子は、つぎのような方法で準備した。シリコン基板にフォトレジストを塗布し、９００本／ｍｍ周期のストライプ状開口を形成するようパターニングを施す。このフォトレジストをマスクとしてイオンビームエッチングによりシリコン基板表面に深さ約５００ｎｍの溝を形成する。フォトレジストを剥離し、これをマスター回折格子とする。さらにこのマスター回折格子にエポキシ樹脂を押圧成形し、ガラス基板に接着した後、離型してエポキシ樹脂製レプリカ回折格子を得た。
【００２３】
本実施例の回折格子はつぎの手順で作製した。ガラス基板上にメチルトリエトキシシランを加水分解した液を主成分とするゾル液をスピンコートで塗布する。これを離型処理を施した上記のレプリカ回折格子（９００本／ｍｍ）を押し型としてプレス成形し、離型後、焼成した。
【００２４】
つぎに作製された９００本／ｍｍ周期の高さ約５００ｎｍの凸部の中間にこれより高さの低い凸部を形成する。まず全面にフォトレジストを塗布し、９００本／ｍｍ周期のストライプ状開口を、形成した凸部間の中央に形成するようパターニングを施す。フォトレジストを現像して開口を形成した後、全面にＡｕ薄膜を７０ｎｍスパッタリングにより成膜する。次いでフォトレジストを除去するのと同時にフォトレジスト上のＡｕ薄膜も除去すること（いわゆるリフトオフ法）により、高さ約５００ｎｍの凸部の中間に高さ約７０ｎｍの第２の凸部が形成される。
【００２５】
得られた回折格子の全面にさらにＡｕ薄膜を７０ｎｍスパッタリングにより成膜して反射型回折格子を得た。
【００２６】
作製した回折格子の断面形状写真を図３に示す。溝間の高い凸部の間にそれより低い凸部が存在する形状となっていることがわかる。これら凸部の高さは高い方が約５００ｎｍ、低い方が約７０ｎｍである。両凸部の間隔周期はそれぞれ９００本／ｍｍである。
【００２７】
上記は型成形と成膜を組み合わせた作製方法の一例を示したが、すべてを型成形で作製することもできる。この場合の型の作製方法としては、ガラスやシリコン、Ｎｉ、Ｃｕ等の金属基板に浅い溝をイオンビームエッチングにより作製した後、再度パターニングしてより深い溝を上記の浅い溝の間に形成する方法が考えられる。エッチングに限らず機械的な切削によってもよい。この型を用いて樹脂またはゾルゲル材料を成形することにより、本発明の形状を有する回折格子が得られる。
【００２８】
作製した回折格子の回折効率の評価は以下のように行った。使用した評価装置を図４に示す。光ファイバ４はコリメータレンズ５の光軸１３上に配置した。光ファイバ４の出射光（波長：１５５０ｎｍ）は光ファイバの開口数に応じて広がるので、コリメータレンズ５で光束径７ｍｍの平行光に変換し、回折格子７に入射した。回折格子は回転ステージ６上に固定し、入射角が約４２°になるように調整した。回折格子７に入射した光は所望の角度で回折され、コリメータレンズ８により収束され受光素子９に入射する。
【００２９】
図４の評価装置では、偏光状態を偏光子１０および、波長板１１，１２により制御している。つまり、偏光子１０により光ファイバからのランダムな偏光状態の光から直線偏光成分のみを取り出し、１／２波長板１２で偏光方向を制御し、１／４波長板１１で直線、楕円、円偏光を必要に応じて作り出す。受光素子９に入射した光から生じた電流より回折光量を評価し、これをＡｌミラーの反射光量と比較することでＴＥ偏光、ＴＭ偏光別回折効率を算出した。その結果、ＴＥ偏光回折効率６４．８％、ＴＭ偏光回折効率６５．９％となり、偏光特性が充分低減された回折格子であることが確認された。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、偏光依存性の小さい反射型回折格子を提供でき、回折光学素子を利用する光学系において、偏光特性を低減する特別な光学素子を必要とせず、簡便かつ低コストで光学装置が構成可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回折格子の断面形状を示す模式図である。
【図２】本発明の回折格子と従来の回折格子の回折効率の差を計算により求めた結果を示す図である。
【図３】本発明の回折格子の断面形状の電子顕微鏡写真である。
【図４】回折効率の評価装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１、２凸部
３基板
４光ファイバ
５、８コリメータレンズ
６回転ステージ
７回折格子
９受光素子
１０偏光子
１１１／２波長板
１２１／４波長板
１３、１４光軸

Claims

平板状基板表面に複数の平行な直線状溝を一定周期で形成した反射型回折格子において、前記溝の間の凸部は交互に異なる２種類の高さを有し、それぞれの高さの凸部が分光対象波長域の平均波長に対して０．１〜１０倍の範囲の周期で配列されていることを特徴とする反射型回折格子。
前記溝間凸部の第１の高さが回折格子の分光対象波長域の平均波長の１／５〜１／２の範囲であり、第２の高さが同平均波長の１／１００〜１／１０であることを特徴とする請求項１に記載の反射型回折格子。
前記第１の高さを有する溝間凸部と第２の高さを有する溝間凸部は異なる材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の反射型回折格子。
前記第２の高さを有する溝間凸部の材料が回折格子の分光対象波長域の光を反射する金属であることを特徴とする請求項３に記載の反射型回折格子。
前記金属がＡｌまたはＡｌを主成分とする合金、ＡｇまたはＡｇを主成分とする合金、ＣｕまたはＣｕを主成分とする合金、ＡｕまたはＡｕを主成分とする合金のいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の反射型回折格子。