JP4164895B2 - 偏光性回折格子の作成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ等を利用した各種光学装置に使用され、偏光方向によって回折効率が異なるようにイオン交換領域を光学結晶上に形成する偏光性回折格子の作成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３（ａ）、（ｂ）は代表的光学結晶であるニオブ酸リチウムを用い、常光光線成分において、πの位相変化が発生する偏光性回折格子の断面を示している。図３（ａ）はその作成過程を示しており、ニオブ酸リチウム結晶板１に、周期を有するマスクレジスト７を形成する。そしてこのニオブ酸リチウム結晶板１を安息香酸溶液２に浸し、図（ｂ）に示す所定の深さＬ1まで、所定の濃度のイオン交換領域３（リチウムイオンと水素イオンを置換した領域）を形成する。
【０００３】
これにより常光光線成分に対するニオブ酸リチウム結晶板１の屈折率Ｎoは、イオン交換部分で△Ｎo、また異常光光線成分に対するニオブ酸リチウム結晶板１の屈折率Ｎeもイオン交換部分で△Ｎe変化する。
【０００４】
次いでエッチングを行い、イオン交換領域３に所定深さＬ2の溝を形成し、マスクレジスト７を除去すると、図３（ｂ）の偏光性回折格子が形成される。この際、イオン交換領域３を透過した光学的経路１４と、他を透過する光学的経路１５との光学的経路長差が、常光光線成分の位相差φoでπ、異常光光線成分の位相差φeで０となるようにイオン交換領域の深さＬ1とエッチング深さＬ2を以下の（数１）及び（数２）で表される各位相差が上記の条件を満たすようにする。
【０００５】
【数１】
【０００６】
【数２】
【０００７】
ここで、１０は入射光、１１は０次回折光、１２は１次回折光、１３は−１次回折光を示す。図３（ｂ）の構造の回折格子に入射光１０が入射すると異常光光線成分に関しては、光学的経路１４と光学的経路１５で位相変化は発生せず、回折格子としては働かない。従って、入射光１０は０次回折光１１としてニオブ酸リチウム結晶板１を直進通過する。一方入射光のうち常光光線成分は、光学的経路１４と光学的経路１５でπの位相変化が発生するため、常光光線成分は光学的回折格子に入射したことになり、１次回折光１２、及び−１次回折光１３となってニオブ酸リチウム結晶板１から出射する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような偏光性回折格子を用いた各種光学装置においては、光学装置及び構成部品を小型化するために、より大きな回折角を有する偏光性回折格子を実現することが求められている。例えば分割された受光素子上に、偏光性回折格子を用いて、光を各々に分割し導く場合に、より大きな回折角を実現することにより、偏光性回折格子と受光素子間の距離を小さくすることが出来る。これにより、光学装置全体を小さくする、あるいは、偏光性回折格子と受光素子を一体で形成することが出来る等のメリットが生じる。
【０００９】
この回折角度を大きくすることは、偏光性回折格子のピッチを小さくすることで達成される。しかし、従来の偏光性回折格子の作成方法では、所望の形状を得るためにマスクレジストを形成した後、安息香酸等を用いた浸漬処理によりイオン交換を行っており、浸漬処理は等方的な浸透となるため、図３（ａ）に示すようにマスクレジスト７の裏側にも浸透してイオン交換が発生する。このためイオン交換領域３と非イオン交換領域の境界が不鮮明となる。
【００１０】
偏光性回折格子に所望される形状寸法が、不鮮明となる境界領域に比して十分に大きい場合には問題とならない。しかし、偏光性回折格子に所望される形状寸法が不鮮明となる境界領域幅と同程度となるピッチの小さな場合では、光学的性能の低下が問題となり、実用的なピッチの小さい偏光性回折格子を作成することは難しかった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の偏光性回折格子の作成方法では、まず、イオン交換領域を光学結晶板の一表面全面に形成する。この手法として、浸漬処理もしくは、イオン注入法を用いる。この際に、光学的経路長を調整するための膜をイオン交換領域上に成膜しても良い。
【００１２】
その後、イオン交換を行った面にファインピッチの周期を有するマスクレジストを形成し、イオン交換層より深くエッチングを行う。この際エッチングは、イオン交換領域を透過する光学的経路長と非イオン交換領域を透過する光学的経路長の差が、常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍となる、あるいは、常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍となるように、イオン交換層、及びエッチングの深さを決定する。これにより、イオン交換層の均一性を良好かつ、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界を明確とすることができ、ピッチの小さな高機能な偏光性回折素子を形成することが可能である。
【００１３】
更に、エッチング後の溝に、光学的経路長を調整するための膜を、また回折格子の上に保護膜または反射防止膜を形成する事により、偏光性回折格子を実現することも可能である。
【００１４】
ただし、これら成膜される膜の光学的特性を加味した光学設計を行う必要がある。すなわち、イオン交換領域を透過する光学的経路長と非イオン交換領域を透過する光学的経路長の差が、常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍となる、あるいは、常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍となるように、イオン交換領域深さ、及びエッチング深さ、膜厚を決定する必要がある。
【００１５】
また、上記エッチング、成膜工程において、イオン交換領域が拡散しにくい温度に、光学結晶板を制御することにより、イオン交換領域の拡散を抑え、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界をより明確とすることが出来、ピッチの小さな高機能な偏光性回折素子を形成することが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、光学結晶板に形成したイオン交換領域を透過する光経路と、前記光学結晶板の非イオン交換領域を透過する光経路との間で、異常光光線成分もしくは常光光線成分の一方が位相変化を発生する偏光性回折格子の作成方法において、前記光学結晶板の一表面に均一な深さのイオン交換領域を形成し、所望の回折格子のパターンを有するマスクレジストを用いて、イオン交換領域を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差が、常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍となる、あるいは、常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍となるように、前記イオン交換領域より深くエッチングして凹部を形成したことを特徴とするものである。
【００１７】
これにより、イオン交換層の均一性を良好とし、かつイオン交換領域と非イオン交換領域の境界を明確とすることで、ファインピッチで、高機能な偏光性回折格子を形成することが可能となる。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１のエッチング部分に、光学的経路長を調整するための膜を形成することにより、位相変化の調整を可能とすることを特徴とするものであり、これにより、イオン交換層、またはエッチング深さ、あるいはその両方を浅くすることができ、生産性の良い偏光性回折格子を提供することが出来る。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、イオン交換領域上に光学的経路長を調整するための膜を形成することにより、位相変化の調整を可能とすることを特徴とするものであり、これにより、イオン交換層、及びエッチング深さ、あるいはその両方を浅くすることが出来、生産性の良い光学素子を提供することが出来る。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３に記載の作成方法において、イオン交換領域形成後の工程で、光学結晶板の温度を１５０℃以下に制御することを特徴とするものであり、温度を制御することにより、イオン交換領域の拡散を抑え、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界を、請求項１〜３より明確とすることで、よりファインピッチで、高機能な偏光性回折格子を形成することが可能となる。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４に記載の作成方法において、偏光性回折格子の表面に、保護膜または反射防止膜を形成することを特徴とするものであり、これにより偏光性回折格子を保護したり、光学特性を向上させたりすることができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、光学結晶板としてニオブ酸リチウムを用いることを特徴とするものであり、これは光学結晶の安定性、光学特性、特に非線形光学特性が比較的大きい等の特性を持つ、あるいは汎用的な材質であるため、目的の光学特性、あるいは低価格な素子を得られ易いものである。
【００２３】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、本実施の形態では、従来例と同様に、光学結晶基板としてニオブ酸リチウムを用い常光光線成分にπの奇数倍の位相差を発生させる例で示す。
【００２４】
図１は本発明の一実施の形態において、偏光性回折格子の作成方法を段階的に示したものであって、１はニオブ酸リチウム結晶板、２は安息香酸溶液、３はイオン交換領域、４はフォトレジスト膜、５はマスク、６はフォトレジストを露光するための光、７はマスクレジスト、８は膜である。
【００２５】
まず図１（ａ）において、偏光性回折格子を形成しようとするニオブ酸リチウム結晶板１を安息香酸溶液２中に浸し、その片面全体に所望の深さまで均一な厚みのイオン交換領域３を形成する。
【００２６】
また、本実施の形態では、イオン交換に安息香酸溶液を用いた浸漬処理としたが、他のピロ燐酸等の浸漬溶液もしくは、イオン注入によるイオン交換でも良い。なおイオン注入の際には、結晶板温度は所定の温度に制御することで、イオンの深さ方向の均一な拡散を促すようにする。ニオブ酸リチウム結晶板の場合は、１５０℃以上の温度に維持して行うとよい。
【００２７】
次に図１（ｂ）において、フォトレジスト膜４をニオブ酸リチウム結晶板１のイオン交換を行った面に塗布し、フォトレジスト膜４を露光するための光６とマスク５を用いて、フォトレジスト膜４を所望の周期的パターンで露光する。
【００２８】
そして、図１（ｃ）において、フォトレジスト膜４を現像し、マスクレジスト７を形成する。図１（ｄ）において、エッチングを行い、偏光性回折格子の周期的パターンのイオン交換領域３を形成する。この際、イオン交換領域３の深さＬ３より深くエッチングを行う。マスクレジスト７は、エッチングに対してもマスク効果があるため、ニオブ酸リチウム結晶板１の表面に凹凸格子を形成することができ、エッチング終了後、マスクレジスト７を除去することにより、図１（ｅ）の偏光性回折格子が形成される。
【００２９】
ここでイオン交換領域の深さＬ3、及びエッチング深さＬ4は、凸部のイオン交換領域３を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差から生じる位相差が、常光光線成分の位相差φoでπの奇数倍かつ、異常光光線成分の位相差φeで２πの整数倍となるように決定し、各位相差は以下の（数３）及び（数４）で表される。
【００３０】
【数３】
【００３１】
【数４】
【００３２】
さらに、図１（ｆ）に示すように、ニオブ酸リチウム結晶板１表面の凹凸格子を、光学的経路長を調整するための膜、例えばＮｂ2Ｏ3、あるいは反射防止膜、たとえばＭｇＦ2膜、または保護膜たとえばＳｉＯ等の膜、もしくはこれらを併用した多層積層膜により被覆し平坦化することも可能である。しかしこのとき、平坦化に用いる素材の屈折率を考慮して、平坦化後の光学特性が所望のものになるように、予めエッチング深さ、イオン交換領域の深さを調整する必要がある。
【００３３】
以下計算例として膜８を付けた場合の条件を示す。膜８の常光光線成分及び異常光光線成分に対する屈折率をそれぞれＮoc1、Ｎec1とすると、凸部のイオン交換領域３を透過する光学的経路長とエッチングで形成する凹部底面を透過する光学的経路長の差から生じる常光光線、及び異常光光線それぞれの位相差φo、φeが、常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍となるようにイオン交換領域の深さＬ3、エッチング深さＬ4を決定する。各位相差は以下の（数５）及び（数６）で表すことができる。
【００３４】
【数５】
【００３５】
【数６】
【００３６】
そして、最終的な表面平坦化として、成膜後に研磨する工程を加えても良い。また、イオン交換領域形成後の工程（エッチング、膜形成）において、ニオブ酸リチウム結晶板１を所定の温度１５０℃以下に制御することで、水素イオンの拡散を抑制し、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界をより明確にすることが出来る。
【００３７】
（実施の形態２）
図２は本発明の他の実施の形態において、偏光性回折格子の作成方法を段階的に示したものであって、１はニオブ酸リチウム結晶板、３はイオン交換領域、４はフォトレジスト膜、５はマスク、６はフォトレジストを露光するための光、７はマスクレジスト、８，９は膜である。本実施の形態では、実施の形態１と同様に光学結晶板としてニオブ酸リチウムを用い、常光光線成分にπの奇数倍の位相差を発生させる例で示す。
【００３８】
まず図２（ａ）において、偏光性回折格子を形成しようとするニオブ酸リチウム結晶板１を安息香酸溶液中に浸し、片面にイオン交換領域３を形成する。本実施の形態では、イオン交換に安息香酸溶液を用いた浸漬処理としたが、他のピロ燐酸等の浸漬溶液もしくは、イオン注入によるイオン交換でも良い。なおイオン注入の際には、結晶板温度は所定の温度に制御することで、イオンの深さ方向の均一な拡散を促すようにする。ニオブ酸リチウム結晶板の場合は、１５０℃以上の温度に維持して行うとよい。
【００３９】
次に図２（ｂ）において、光学的経路長を調整するための膜９を成膜する。光学的経路長を調整するための膜としては、例えばＮｂ2Ｏ3等が用いられる。膜９を成膜することで、イオン交換領域３を透過する光は膜９も透過することとなり、その膜厚を調整することでイオン交換領域３を透過する光学的経路長を調整することが可能となる。
【００４０】
次に図２（ｃ）において、フォトレジスト膜４を膜９上に塗布し、フォトレジスト膜４を露光するための光６とマスク５を用いて、フォトレジスト膜４を所望の周期的パターンで露光する。図２（ｄ）において、フォトレジスト膜４を現像し、マスクレジスト７を形成する。
【００４１】
次に図２（ｅ）において、エッチングを行い、偏光性回折格子の周期的パターンのイオン交換領域３を形成する。この際、イオン交換領域３の深さＬ3より深くエッチングを行う。マスクレジスト７は、エッチングに対してもマスク効果があるため、ニオブ酸リチウム結晶板１の表面に凹凸格子を形成することができ、エッチング終了後、マスクレジスト７を除去することにより、図２（ｆ）の偏光性回折格子が形成される。
【００４２】
ここでイオン交換層の深さＬ3、膜９の厚さＬ5、及びイオン交換層からのエッチングの深さＬ4は、膜９の常光光線成分及び異常光光線成分に対する屈折率をそれぞれＮoc2、Ｎec2とすると、凸部のイオン交換領域３を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差から生じる位相差が、異常光光線成分の位相差φeで２πの整数倍、かつ常光光線成分の位相差φoでπの奇数倍となるように決定し、各位相差は以下の（数７）及び（数８）で表される。ここで膜９の膜厚を調整することで、エッチング深さ、あるいはイオン交換層の深さ、あるいはその両方を小さくすることが可能である。
【００４３】
【数７】
【００４４】
【数８】
【００４５】
更に、図２（ｇ）で示した様に、ニオブ酸リチウム結晶板１表面に反射防止膜、保護膜もしくはこれらを併用した膜により被覆することで平坦化することも可能である。ただし、この場合は、平坦化に用いる素材の屈折率を考慮して、平坦化後の光学特性が所望のものとなるように、予めエッチング深さ、イオン交換領域３の深さ、膜９の厚さを算出しておく必要がある。
【００４６】
以下計算例として膜８を付けた場合の条件を示す。膜８の常光光線成分及び異常光光線成分に対する屈折率を、それぞれＮoc1、Ｎec1とすると、凸部のイオン交換領域３を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差から生じる位相差が、異常光光線成分の位相差φeで２πの整数倍、かつ、常光光線成分の位相差φoでπの奇数倍となるように決定し、各位相差は以下の（数９）及び（数１０）で表わされる。
【００４７】
【数９】
【００４８】
【数１０】
【００４９】
更に、最終的な表面の平坦化として、成膜後に研磨する工程を加えても良い。また、イオン交換領域形成後の工程（エッチング、膜形成）において、ニオブ酸リチウム結晶板１を所定の温度１５０℃以下に制御することで、水素イオンの拡散を抑制し、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界をより明確にすることが出来る。
【００５０】
本発明の以上の実施形態では、結晶板としてニオブ酸リチウムを用いて示した。しかし他の好適な光学結晶に対しても、上記の作成方法が適用可能であることは言うまでもない。また、実施の形態１，２では常光光線成分の位相差がπの奇数倍となる例を示したが、常光光線成分と異常光光線成分のどちらかの位相差がπの奇数倍、かつ、他の光線成分の位相差が２πの整数倍となる条件を満たしても同様の偏光性回折格子が得られる。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界領域を明確とし、イオン交換領域を精度よく、所定の形状に形成することができ、ファインピッチで、高機能な偏光性回折格子を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における偏光性回折格子の作成方法を示す断面図
【図２】本発明の他の実施の形態における偏光性回折格子の作成方法を示す断面図
【図３】従来の回折格子型偏光素子の断面図
【符号の説明】
１ ニオブ酸リチウム結晶板
２ 安息香酸溶液
３ イオン交換領域
４ フォトレジスト膜
５ マスク
６ フォトレジストを露光するための光
７ マスクレジスト
８，９ 膜
１０ 入射光
１１ ０次回折光
１２ １次回折光
１３ −１次回折光
１４，１５ 光学的経路
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ等を利用した各種光学装置に使用され、偏光方向によって回折効率が異なるようにイオン交換領域を光学結晶上に形成する偏光性回折格子の作成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３（ａ）、（ｂ）は代表的光学結晶であるニオブ酸リチウムを用い、常光光線成分において、πの位相変化が発生する偏光性回折格子の断面を示している。図３（ａ）はその作成過程を示しており、ニオブ酸リチウム結晶板１に、周期を有するマスクレジスト７を形成する。そしてこのニオブ酸リチウム結晶板１を安息香酸溶液２に浸し、図（ｂ）に示す所定の深さＬ1まで、所定の濃度のイオン交換領域３（リチウムイオンと水素イオンを置換した領域）を形成する。
【０００３】
これにより常光光線成分に対するニオブ酸リチウム結晶板１の屈折率Ｎoは、イオン交換部分で△Ｎo、また異常光光線成分に対するニオブ酸リチウム結晶板１の屈折率Ｎeもイオン交換部分で△Ｎe変化する。
【０００４】
次いでエッチングを行い、イオン交換領域３に所定深さＬ2の溝を形成し、マスクレジスト７を除去すると、図３（ｂ）の偏光性回折格子が形成される。この際、イオン交換領域３を透過した光学的経路１４と、他を透過する光学的経路１５との光学的経路長差が、常光光線成分の位相差φoでπ、異常光光線成分の位相差φeで０となるようにイオン交換領域の深さＬ1とエッチング深さＬ2を以下の（数１）及び（数２）で表される各位相差が上記の条件を満たすようにする。
【０００５】
【数１】
【数２】
ここで、１０は入射光、１１は０次回折光、１２は１次回折光、１３は−１次回折光を示す。図３（ｂ）の構造の回折格子に入射光１０が入射すると異常光光線成分に関しては、光学的経路１４と光学的経路１５で位相変化は発生せず、回折格子としては働かない。従って、入射光１０は０次回折光１１としてニオブ酸リチウム結晶板１を直進通過する。一方入射光のうち常光光線成分は、光学的経路１４と光学的経路１５でπの位相変化が発生するため、常光光線成分は光学的回折格子に入射したことになり、１次回折光１２、及び−１次回折光１３となってニオブ酸リチウム結晶板１から出射する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような偏光性回折格子を用いた各種光学装置においては、光学装置及び構成部品を小型化するために、より大きな回折角を有する偏光性回折格子を実現することが求められている。例えば分割された受光素子上に、偏光性回折格子を用いて、光を各々に分割し導く場合に、より大きな回折角を実現することにより、偏光性回折格子と受光素子間の距離を小さくすることが出来る。これにより、光学装置全体を小さくする、あるいは、偏光性回折格子と受光素子を一体で形成することが出来る等のメリットが生じる。
【０００９】
この回折角度を大きくすることは、偏光性回折格子のピッチを小さくすることで達成される。しかし、従来の偏光性回折格子の作成方法では、所望の形状を得るためにマスクレジストを形成した後、安息香酸等を用いた浸漬処理によりイオン交換を行っており、浸漬処理は等方的な浸透となるため、図３（ａ）に示すようにマスクレジスト７の裏側にも浸透してイオン交換が発生する。このためイオン交換領域３と非イオン交換領域の境界が不鮮明となる。
【００１０】
偏光性回折格子に所望される形状寸法が、不鮮明となる境界領域に比して十分に大きい場合には問題とならない。しかし、偏光性回折格子に所望される形状寸法が不鮮明となる境界領域幅と同程度となるピッチの小さな場合では、光学的性能の低下が問題となり、実用的なピッチの小さい偏光性回折格子を作成することは難しかった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の偏光性回折格子の作成方法では、まず、イオン交換領域を光学結晶板の一表面全面に形成する。この手法として、浸漬処理もしくは、イオン注入法を用いる。この際に、光学的経路長を調整するための膜をイオン交換領域上に成膜しても良い。
【００１２】
その後、イオン交換を行った面にファインピッチの周期を有するマスクレジストを形成し、イオン交換層より深くエッチングを行う。この際エッチングは、イオン交換領域を透過する光学的経路長と非イオン交換領域を透過する光学的経路長の差が、常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍となる、あるいは、常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍となるように、イオン交換層、及びエッチングの深さを決定する。これにより、イオン交換層の均一性を良好かつ、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界を明確とすることができ、ピッチの小さな高機能な偏光性回折素子を形成することが可能である。
【００１３】
更に、エッチング後の溝に、光学的経路長を調整するための膜を、また回折格子の上に保護膜または反射防止膜を形成する事により、偏光性回折格子を実現することも可能である。
【００１４】
ただし、これら成膜される膜の光学的特性を加味した光学設計を行う必要がある。すなわち、イオン交換領域を透過する光学的経路長と非イオン交換領域を透過する光学的経路長の差が、常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍となる、あるいは、常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍となるように、イオン交換領域深さ、及びエッチング深さ、膜厚を決定する必要がある。
【００１５】
また、上記エッチング、成膜工程において、イオン交換領域が拡散しにくい温度に、光学結晶板を制御することにより、イオン交換領域の拡散を抑え、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界をより明確とすることが出来、ピッチの小さな高機能な偏光性回折素子を形成することが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、光学結晶板に形成したイオン交換領域を透過する光経路と、前記光学結晶板の非イオン交換領域を透過する光経路との間で、異常光光線成分もしくは常光光線成分の一方が位相変化を発生する偏光性回折格子の作成方法において、前記光学結晶板の一表面に均一な深さのイオン交換領域を形成し、所望の回折格子のパターンを有するマスクレジストを用いて、イオン交換領域を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差が、常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍となる、あるいは、常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍となるように、前記イオン交換領域より深くエッチングして凹部を形成したことを特徴とするものである。
【００１７】
これにより、イオン交換層の均一性を良好とし、かつイオン交換領域と非イオン交換領域の境界を明確とすることで、ファインピッチで、高機能な偏光性回折格子を形成することが可能となる。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１のエッチング部分に、光学的経路長を調整するための膜を形成することにより、位相変化の調整を可能とすることを特徴とするものであり、これにより、イオン交換層、またはエッチング深さ、あるいはその両方を浅くすることができ、生産性の良い偏光性回折格子を提供することが出来る。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、イオン交換領域上に光学的経路長を調整するための膜を形成することにより、位相変化の調整を可能とすることを特徴とするものであり、これにより、イオン交換層、及びエッチング深さ、あるいはその両方を浅くすることが出来、生産性の良い光学素子を提供することが出来る。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３に記載の作成方法において、イオン交換領域形成後の工程で、光学結晶板の温度を１５０℃以下に制御することを特徴とするものであり、温度を制御することにより、イオン交換領域の拡散を抑え、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界を、請求項１〜３より明確とすることで、よりファインピッチで、高機能な偏光性回折格子を形成することが可能となる。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４に記載の作成方法において、偏光性回折格子の表面に、保護膜または反射防止膜を形成することを特徴とするものであり、これにより偏光性回折格子を保護したり、光学特性を向上させたりすることができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、光学結晶板としてニオブ酸リチウムを用いることを特徴とするものであり、これは光学結晶の安定性、光学特性、特に非線形光学特性が比較的大きい等の特性を持つ、あるいは汎用的な材質であるため、目的の光学特性、あるいは低価格な素子を得られ易いものである。
【００２３】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、本実施の形態では、従来例と同様に、光学結晶基板としてニオブ酸リチウムを用い常光光線成分にπの奇数倍の位相差を発生させる例で示す。
【００２４】
図１は本発明の一実施の形態において、偏光性回折格子の作成方法を段階的に示したものであって、１はニオブ酸リチウム結晶板、２は安息香酸溶液、３はイオン交換領域、４はフォトレジスト膜、５はマスク、６はフォトレジストを露光するための光、７はマスクレジスト、８は膜である。
【００２５】
まず図１（ａ）において、偏光性回折格子を形成しようとするニオブ酸リチウム結晶板１を安息香酸溶液２中に浸し、その片面全体に所望の深さまで均一な厚みのイオン交換領域３を形成する。
【００２６】
また、本実施の形態では、イオン交換に安息香酸溶液を用いた浸漬処理としたが、他のピロ燐酸等の浸漬溶液もしくは、イオン注入によるイオン交換でも良い。なおイオン注入の際には、結晶板温度は所定の温度に制御することで、イオンの深さ方向の均一な拡散を促すようにする。ニオブ酸リチウム結晶板の場合は、１５０℃以上の温度に維持して行うとよい。
【００２７】
次に図１（ｂ）において、フォトレジスト膜４をニオブ酸リチウム結晶板１のイオン交換を行った面に塗布し、フォトレジスト膜４を露光するための光６とマスク５を用いて、フォトレジスト膜４を所望の周期的パターンで露光する。
【００２８】
そして、図１（ｃ）において、フォトレジスト膜４を現像し、マスクレジスト７を形成する。図１（ｄ）において、エッチングを行い、偏光性回折格子の周期的パターンのイオン交換領域３を形成する。この際、イオン交換領域３の深さＬ３より深くエッチングを行う。マスクレジスト７は、エッチングに対してもマスク効果があるため、ニオブ酸リチウム結晶板１の表面に凹凸格子を形成することができ、エッチング終了後、マスクレジスト７を除去することにより、図１（ｅ）の偏光性回折格子が形成される。
【００２９】
ここでイオン交換領域の深さＬ3、及びエッチング深さＬ4は、凸部のイオン交換領域３を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差から生じる位相差が、常光光線成分の位相差φoでπの奇数倍かつ、異常光光線成分の位相差φeで２πの整数倍となるように決定し、各位相差は以下の（数３）及び（数４）で表される。
【００３０】
【数３】
【数４】
さらに、図１（ｆ）に示すように、ニオブ酸リチウム結晶板１表面の凹凸格子を、光学的経路長を調整するための膜、例えばＮｂ2Ｏ3、あるいは反射防止膜、たとえばＭｇＦ2膜、または保護膜たとえばＳｉＯ等の膜、もしくはこれらを併用した多層積層膜により被覆し平坦化することも可能である。しかしこのとき、平坦化に用いる素材の屈折率を考慮して、平坦化後の光学特性が所望のものになるように、予めエッチング深さ、イオン交換領域の深さを調整する必要がある。
【００３３】
以下計算例として膜８を付けた場合の条件を示す。膜８の常光光線成分及び異常光光線成分に対する屈折率をそれぞれＮoc1、Ｎec1とすると、凸部のイオン交換領域３を透過する光学的経路長とエッチングで形成する凹部底面を透過する光学的経路長の差から生じる常光光線、及び異常光光線それぞれの位相差φo、φeが、常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍となるようにイオン交換領域の深さＬ3、エッチング深さＬ4を決定する。各位相差は以下の（数５）及び（数６）で表すことができる。
【００３４】
【数５】
【数６】
そして、最終的な表面平坦化として、成膜後に研磨する工程を加えても良い。また、イオン交換領域形成後の工程（エッチング、膜形成）において、ニオブ酸リチウム結晶板１を所定の温度１５０℃以下に制御することで、水素イオンの拡散を抑制し、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界をより明確にすることが出来る。
【００３７】
（実施の形態２）
図２は本発明の他の実施の形態において、偏光性回折格子の作成方法を段階的に示したものであって、１はニオブ酸リチウム結晶板、３はイオン交換領域、４はフォトレジスト膜、５はマスク、６はフォトレジストを露光するための光、７はマスクレジスト、８，９は膜である。本実施の形態では、実施の形態１と同様に光学結晶板としてニオブ酸リチウムを用い、常光光線成分にπの奇数倍の位相差を発生させる例で示す。
【００３８】
まず図２（ａ）において、偏光性回折格子を形成しようとするニオブ酸リチウム結晶板１を安息香酸溶液中に浸し、片面にイオン交換領域３を形成する。本実施の形態では、イオン交換に安息香酸溶液を用いた浸漬処理としたが、他のピロ燐酸等の浸漬溶液もしくは、イオン注入によるイオン交換でも良い。なおイオン注入の際には、結晶板温度は所定の温度に制御することで、イオンの深さ方向の均一な拡散を促すようにする。ニオブ酸リチウム結晶板の場合は、１５０℃以上の温度に維持して行うとよい。
【００３９】
次に図２（ｂ）において、光学的経路長を調整するための膜９を成膜する。光学的経路長を調整するための膜としては、例えばＮｂ2Ｏ3等が用いられる。膜９を成膜することで、イオン交換領域３を透過する光は膜９も透過することとなり、その膜厚を調整することでイオン交換領域３を透過する光学的経路長を調整することが可能となる。
【００４０】
次に図２（ｃ）において、フォトレジスト膜４を膜９上に塗布し、フォトレジスト膜４を露光するための光６とマスク５を用いて、フォトレジスト膜４を所望の周期的パターンで露光する。図２（ｄ）において、フォトレジスト膜４を現像し、マスクレジスト７を形成する。
【００４１】
次に図２（ｅ）において、エッチングを行い、偏光性回折格子の周期的パターンのイオン交換領域３を形成する。この際、イオン交換領域３の深さＬ3より深くエッチングを行う。マスクレジスト７は、エッチングに対してもマスク効果があるため、ニオブ酸リチウム結晶板１の表面に凹凸格子を形成することができ、エッチング終了後、マスクレジスト７を除去することにより、図２（ｆ）の偏光性回折格子が形成される。
【００４２】
ここでイオン交換層の深さＬ3、膜９の厚さＬ5、及びイオン交換層からのエッチングの深さＬ4は、膜９の常光光線成分及び異常光光線成分に対する屈折率をそれぞれＮoc2、Ｎec2とすると、凸部のイオン交換領域３を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差から生じる位相差が、異常光光線成分の位相差φeで２πの整数倍、かつ常光光線成分の位相差φoでπの奇数倍となるように決定し、各位相差は以下の（数７）及び（数８）で表される。ここで膜９の膜厚を調整することで、エッチング深さ、あるいはイオン交換層の深さ、あるいはその両方を小さくすることが可能である。
【００４３】
【数７】
【数８】
更に、図２（ｇ）で示した様に、ニオブ酸リチウム結晶板１表面に反射防止膜、保護膜もしくはこれらを併用した膜により被覆することで平坦化することも可能である。ただし、この場合は、平坦化に用いる素材の屈折率を考慮して、平坦化後の光学特性が所望のものとなるように、予めエッチング深さ、イオン交換領域３の深さ、膜９の厚さを算出しておく必要がある。
【００４６】
以下計算例として膜８を付けた場合の条件を示す。膜８の常光光線成分及び異常光光線成分に対する屈折率を、それぞれＮoc1、Ｎec1とすると、凸部のイオン交換領域３を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差から生じる位相差が、異常光光線成分の位相差φeで２πの整数倍、かつ、常光光線成分の位相差φoでπの奇数倍となるように決定し、各位相差は以下の（数９）及び（数１０）で表わされる。
【００４７】
【数９】
【数１０】
更に、最終的な表面の平坦化として、成膜後に研磨する工程を加えても良い。また、イオン交換領域形成後の工程（エッチング、膜形成）において、ニオブ酸リチウム結晶板１を所定の温度１５０℃以下に制御することで、水素イオンの拡散を抑制し、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界をより明確にすることが出来る。
【００５０】
本発明の以上の実施形態では、結晶板としてニオブ酸リチウムを用いて示した。しかし他の好適な光学結晶に対しても、上記の作成方法が適用可能であることは言うまでもない。また、実施の形態１，２では常光光線成分の位相差がπの奇数倍となる例を示したが、常光光線成分と異常光光線成分のどちらかの位相差がπの奇数倍、かつ、他の光線成分の位相差が２πの整数倍となる条件を満たしても同様の偏光性回折格子が得られる。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界領域を明確とし、イオン交換領域を精度よく、所定の形状に形成することができ、ファインピッチで、高機能な偏光性回折格子を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における偏光性回折格子の作成方法を示す断面図
【図２】本発明の他の実施の形態における偏光性回折格子の作成方法を示す断面図
【図３】従来の回折格子型偏光素子の断面図
【符号の説明】
１ ニオブ酸リチウム結晶板
２ 安息香酸溶液
３ イオン交換領域
４ フォトレジスト膜
５ マスク
６ フォトレジストを露光するための光
７ マスクレジスト
８，９ 膜
１０ 入射光
１１ ０次回折光
１２ １次回折光
１３ −１次回折光
１４，１５ 光学的経路
Claims (6)
- 光学結晶板に形成したイオン交換領域を透過する光経路と、前記光学結晶板の非イオン交換領域を透過する光経路との間で、異常光光線成分もしくは常光光線成分の一方が、位相変化を発生する偏光性回折格子の作成方法において、前記光学結晶板の一表面に均一な深さのイオン交換領域を形成し、所望の回折格子のパターンを有するマスクレジストを用いて、イオン交換領域を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差が、常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍となる、あるいは、常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍となるように、前記イオン交換領域より深くエッチングして凹部を形成したことを特徴とする偏光性回折格子の作成方法。
- エッチングにより形成された凹部分に、光学的経路長を調整するための膜を形成することを特徴とする請求項１記載の偏光性回折格子の作成方法。
- イオン交換領域上に光学的経路長を調整するための膜を形成することを特徴とする請求項１または２記載の偏光性回折格子の作成方法。
- イオン交換領域形成後の工程で、光学結晶板の温度を１５０℃以下に制御することを特徴とした請求項１〜３に記載の偏光性回折格子の作成方法。
- 偏光性回折格子の表面に、保護膜または反射防止膜を形成することを特徴とする請求項１〜４記載の偏光性回折格子の作成方法。
- 光学結晶板として、ニオブ酸リチウムを用いることを特徴とする請求項１〜５記載の偏光性回折格子の作成方法。
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