JP4172057B2

JP4172057B2 - How to make a polarizing diffraction grating

Info

Publication number: JP4172057B2
Application number: JP11834398A
Authority: JP
Inventors: 憲一高木; 健一戒田; 竜一仲神
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: JPH11311709A

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イオン交換領域を光学結晶上に形成した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５（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。
【０００３】
図５（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５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９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６（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。
【０００４】
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。
【０００５】
つぎにエッチングを行いイオン交換領域６に所定深さＬ2の溝を形成し、マスクレジスト５を除去すると、図５（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６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（数１）及び（数２）の条件を満たすように設定する。
【０００６】
【数１】

【０００７】
【数２】

【０００８】
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５（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、入射光は０次光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事になり、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。
【０００９】
【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、装置自体そして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。
【００１０】
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侵漬処理によりイオン交換を行っており、侵漬処理は等方的な浸透となるため、図５（ａ）に示すようにマスクレジスト５の裏側にも浸透してイオン交換が発生する。
【００１１】
このためイオン交換領域６と非イオン交換領域の境界が不鮮明となる。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大きくなり、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。
【００１２】
【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、イオン交換領域を形成する手法として、ニオブ酸リチウム結晶板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、深さ、濃度が均一なイオン交換を行うためにイオン注入法を用いる。
【００１３】
ただし、イオン注入の深さ方向に対する濃度分布は、図２に示すように最大値を持ち、濃度最大となる深さはイオン注入時のイオンエネルギーに依存する。従って、所望する深さまで均一なイオン濃度分布を形成するために、注入するイオンのエネルギーを段階的に変化させ、積分した濃度が均一となるようにイオン交換領域を形成する。
【００１４】
また、この後の工程でイオン交換領域上を所定の深さだけエッチングするか、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。この際、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、あるいは膜の材質、厚さを決定する。
【００１５】
これらにより、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】
更に、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。この場合も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、エッチング深さ、膜厚を決定する必要がある。
【００１７】
また、上記イオン注入、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、さらに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。
【００１８】
【発明の実施形態】
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、前記光学結晶板の表面に、所望の回折格子のパターンを得るため施したマスクレジスト上から、高いイオンエネルギーから低いイオンエネルギーへと複数のイオンエネルギーを順次打ち込んでイオン注入し、そして前記イオン交換領域が所定の深さになるようその表面をエッチングした後、前記マスクレジストを除去することにより、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、もしくは、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したことを特徴とするものである。
【００１９】
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。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、イオン注入した後に、イオン交換領域をエッチングする代わりに、前記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してから、マスクレジストを除去するようにしたことを特徴とするものである。請求項１と同様に、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。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、請求項１、２において、イオン注入およびそれ以降の工程で、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、イオン交換領域の拡散を押え、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界を、請求項1、２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偏光性回折格子作成方法である。
【００２２】
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、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。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、光学結晶板としてニオブ酸リチウム結晶板を用いることを特徴とするものである。ニオブ酸リチウム結晶板は、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ち、汎用的な材質であるため、目的の光学特性を低価格で得ることが可能となる。
【００２４】
（実施の形態１）
本発明の一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。
【００２５】
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はフォトレジスト膜、３はマスク、４はフォトレジストを露光するための光、５はマスクレジスト、６はイオン交換領域、そして７は光学的経路長の調整および回折格子を保護する膜である。
【００２６】
まず図１（ａ）において、偏光性回折光学素子を形成しようとするニオブ酸リチウム結晶板１に、フォトレジスト膜２を塗布する。次に図１（ｂ）フォトレジスト膜２を露光するための光４とマスク３を用いて、フォトレジスト膜２を所望の周期的パターンで露光する。
【００２７】
そして、図１（ｃ）において、フォトレジスト膜２を現像し、マスクレジスト５を形成する。図１（ｄ）において、イオン注入を行い、上記ニオブ酸リチウム結晶板１の表面に水素イオンを注入する。注入された水素イオンは、既存のリチウムイオンと交換され、リチウムは、ニオブ酸リチウム結晶板１の表面から拡散する。またマスクレジスト５は、イオン注入に対してマスク効果があり、イオン交換領域６が形成される。イオン注入に関しては、後で詳述する。
【００２８】
図１（ｅ）において、ニオブ酸リチウム結晶板１のイオン交換領域６の表面をエッチングし溝を形成する。マスクレジスト５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、エッチングにより凹の格子を形成する事ができる。
【００２９】
次にマスクレジスト５を除去することにより、図１（ｆ）の偏光性回折格子が形成される。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、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】
ここでは、イオン注入後、エッチングを行なったが、その逆でも偏光性回折格子を作成することが出来る。またイオン注入時及びそれ以後の工程において、ニオブ酸リチウム結晶板１の温度を所定の温度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とすることができる。
【００３３】
さらに、図１（ｇ）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、反射防止膜、たとえばＭｇＦ２膜、もしくは保護膜たとえばＳｉＯ等の膜、もしくはこれらを併用した多層積層膜を成膜し平坦化することも可能である。
【００３４】
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。
【００３５】
以下計算例として膜７を成膜した場合の条件を示す。この際イオン交換領域の深さＬ3、エッチング深さＬ4は、膜７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、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５）及び（数６）で表される。
【００３６】
【数５】

【００３７】
【数６】

【００３８】
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。またこの膜形成工程の際にも、上述の説明と同様に、ニオブ酸リチウム結晶板１の温度を所定の温度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とすることができる。
【００３９】
イオン注入は、イオンの注入方向、注入深さ、注入量を、注入イオンの加速方向、加速量、および注入時のイオン電流値を用いて、精度よく任意に制御できるため、マスクレジスト５とあいまって、イオン交換領域６を精度よく形成することができる。
【００４０】
しかし、図２の模式図に示したように、単一のイオンエネルギーで打ち込まれたイオンの濃度は、イオン交換領域６における深さ方向に均一ではなく、最大イオン濃度となる注入深さを持つ。そして、この注入深さは、イオンの打ち込みエネルギーに依存している。従って、深さ方向に均一なイオン濃度を形成するために、イオンエネルギーを多段階で打ち込む。
【００４１】
本実施の形態では、三種類のイオンエネルギーで三段階にイオン注入を行った例を示す。図３は、イオン注入の深さ方向濃度分布を模式的に示す。まず、高いイオンエネルギー（ａ）から低いイオンエネルギー（ｃ）へと順次、段階的に打ち込んでゆく。各イオンエネルギーにおけるイオン濃度分布（ａ〜ｃ）は点線で、全体のイオン濃度分布は実線で示している。イオンの注入深さがイオンエネルギーに依存していることから、イオンエネルギーを段階的に変更し、各イオンエネルギーでの注入時間を制御することでイオン濃度分布を均一とすることが可能である。
【００４２】
（実施の形態２）
本発明の他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。
【００４３】
図４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はフォトレジスト膜、３はマスク、４はフォトレジストを露光するための光、５はマスクレジスト、６はイオン交換領域、７、８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。
【００４４】
まず図４（ａ）において、偏光性回折光学素子を形成しようとするニオブ酸リチウム結晶板１に、フォトレジスト膜２を塗布する。次に図４（ｂ）フォトレジスト膜２を露光するための光４とマスク３を用いて、フォトレジスト膜２を所望の周期的パターンで露光する。
【００４５】
そして、図４（ｃ）において、フォトレジスト膜２を現像し、マスクレジスト５を形成する。図４（ｄ）において、イオン注入を行い、上記ニオブ酸リチウム結晶板１の表面に水素イオンを注入する、注入された水素イオンは、既存のリチウムイオンと交換され、リチウムは、ニオブ酸リチウム結晶板１の表面から拡散する。またマスクレジスト５は、イオン注入に対してマスク効果があり、イオン交換領域６が形成される。イオン注入に関しては、実施の形態１と同様に行なう。
【００４６】
次に図４（ｅ）において、ニオブ酸リチウム結晶板１のイオン交換領域６の上面に膜８を形成する。上記実施の形態１では、イオン交換領域を所定の深さだけエッチングしたが、その代わりにここでは、光学的経路長を調整するために膜８を形成する。この膜８は、空気より屈折率が高いものであれば特に材料は限定されない。
【００４７】
次にマスクレジスト５を除去することにより、図４（ｆ）の偏光性回折格子が形成される。ここでイオン交換領域の深さＬ５、及び膜８の厚さＬ６は、イオン交換領域６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７）及び（数８）で表される。
【００４８】
【数７】

【００４９】
【数８】

【００５０】
更に、図４（ｇ）に示すように、ニオブ酸リチウム結晶板１表面を、反射防止膜、たとえばＭｇＦ２膜、もしくは保護膜たとえばＳｉＯ等の膜、もしくはこれらを併用した多層積層膜を成膜し平坦化することも可能である。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、予め膜厚、イオン交換領域の深さを調整する必要がある。
【００５１】
以下計算例として膜７を付けた場合の条件を示す。ここでイオン交換領域の深さＬ5、膜厚さＬ6は、膜７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、イオン交換領域６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９）及び（数１０）で表される。
【００５２】
【数９】

【００５３】
【数１０】

【００５４】
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。またこの膜形成工程の際にも、前記と同様に、ニオブ酸リチウム結晶板１の温度を所定の温度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とすることができる。
【００５５】
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しても同様の偏光性回折格子が得られる。
【００５６】
【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る。そのためファインピッチで、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】従来のイオン注入を行った場合の深さ方向のイオン注入濃度の模式図
【図３】本発明の実施の形態において、イオン注入を行った場合の深さ方向のイオン注入濃度の模式図
【図４】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５】従来の形態における偏光性回折格子の断面図
【符号の説明】
１ニオブ酸リチウム結晶板
２フォトレジスト膜
３マスク
４フォトレジストを露光するための光
５マスクレジスト
６イオン交換領域
７，８膜
９安息香酸溶液
１０光の入射
１１０次回折光
１２１次回折光
１３ −１次回折光
１４，１５光学的経路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a polarizing diffraction grating, which is used in various optical devices using a laser or the like, and in which an ion exchange region having a diffraction efficiency different depending on the polarization direction is formed on an optical crystal.
[0002]
[Prior art]
FIGS. 5A and 5B show cross sections of a polarizing diffraction grating using a typical optical crystal, lithium niobate, in which a phase change of π occurs in the ordinary light component.
[0003]
FIG. 5A shows the preparation process, and a mask resist 5 having a period is formed on the lithium niobate crystal plate 1. Then, the lithium niobate crystal plate 1 is immersed in a benzoic acid solution 9 to form an ion exchange region 6 (region where lithium ions and hydrogen ions are replaced) having a predetermined concentration up to a predetermined depth L1 shown in FIG. To do.
[0004]
As a result, the refractive index No of the lithium niobate crystal plate 1 with respect to the ordinary light component changes by ΔN o at the ion exchange portion, and the refractive index Ne of the lithium niobate crystal plate 1 with respect to the extraordinary light component also changes by ΔN e at the ion exchange portion. To do.
[0005]
Next, etching is performed to form a groove having a predetermined depth L2 in the ion exchange region 6, and when the mask resist 5 is removed, the polarizing diffraction grating shown in FIG. 5B is formed. At this time, the optical path length difference between the optical path 14 transmitted through the ion exchange region 6 and the optical path 15 transmitted through the other is π as the phase difference φo of the ordinary light ray component, and the phase difference φe of the extraordinary light ray component. The depth L1 and the etching depth L2 of the ion exchange region are set so as to satisfy the conditions of (Equation 1) and (Equation 2) so as to be zero.
[0006]
[Expression 1]

[0007]
[Expression 2]

[0008]
Here, 10 indicates incident light, 11 indicates 0th-order diffracted light, 12 indicates first-order diffracted light, and 13 indicates −1st-order diffracted light. When the incident light 10 is incident on the diffraction grating having the structure shown in FIG. 5B, no phase change occurs in the optical path 14 and the optical path 15 with respect to the extraordinary light beam component, and it does not work as a diffraction grating. Therefore, incident light passes straight through the lithium niobate crystal plate 1 as zero-order light 11. On the other hand, since the ordinary light component of the incident light undergoes a phase change of π in the optical path 14 and the optical path 15, the ordinary light component is incident on the optical diffraction grating, and the first-order diffracted light 12 and The first-order diffracted light 13 is emitted from the lithium niobate crystal plate 1.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In various optical apparatuses using such a polarizing diffraction grating, it is required to realize a polarizing diffraction grating having a larger diffraction angle in order to reduce the size of the apparatus itself and its components. For example, when a polarizing diffraction grating is used on a divided light receiving element to divide and guide light, the distance between the polarizing diffraction grating and the light receiving element is reduced by realizing a larger diffraction angle. I can do it. As a result, there are merits such as making the entire optical device small or forming the polarizing diffraction grating and the light receiving element integrally.
[0010]
Increasing the diffraction angle can be achieved by reducing the pitch of the polarizing diffraction grating. However, in the conventional method for producing a polarizing diffraction grating, after forming a mask resist to obtain a desired shape, ion exchange is performed by immersion treatment using benzoic acid or the like, and the immersion treatment is isotropic. Therefore, as shown in FIG. 5 (a), the back side of the mask resist 5 penetrates and ion exchange occurs.
[0011]
For this reason, the boundary between the ion exchange region 6 and the non-ion exchange region becomes unclear. This is not a problem when the shape and dimension desired for the polarizing diffraction grating is sufficiently larger than the boundary region that is blurred. However, when the desired size of the polarizing diffraction grating is unclear, and the pitch is small enough to be the same as the width of the boundary region, the optical performance is greatly reduced. It was difficult to create.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the method for producing a polarizing diffraction grating of the present invention, as a method of forming an ion exchange region, a mask resist having a fine pitch period is formed on a lithium niobate crystal plate, the depth, An ion implantation method is used to perform ion exchange with a uniform concentration.
[0013]
However, the concentration distribution in the depth direction of ion implantation has a maximum value as shown in FIG. 2, and the depth at which the concentration is maximum depends on ion energy at the time of ion implantation. Therefore, in order to form a uniform ion concentration distribution to a desired depth, the energy of ions to be implanted is changed stepwise to form an ion exchange region so that the integrated concentration is uniform.
[0014]
In the subsequent process, the ion exchange region is etched by a predetermined depth, or a film for adjusting the optical path length is formed on the ion exchange region. At this time, the difference between the optical path length that passes through the ion exchange region and the optical path length that passes through the non-ion exchange region is an odd multiple of the half wavelength of the monochromatic light to be used and an extraordinary light component. Then, it is an integral multiple of the wavelength of the monochromatic light used, or it is an integral multiple of the wavelength of the monochromatic light used for the ordinary light component, and an odd multiple of the half wavelength of the monochromatic light used for the extraordinary light component. The ion exchange layer and the etching depth, or the material and thickness of the film are determined.
[0015]
As a result, the uniformity of the ion exchange layer is good, the boundary between the ion exchange region and the non-ion exchange region can be clarified, and a highly functional polarizing diffraction element with a small pitch can be formed.
[0016]
Further, a polarizing diffraction grating can be realized by forming a protective film or an antireflection film on the diffraction grating. Also in this case, the difference between the optical path length that passes through the ion exchange region and the optical path length that passes through the non-ion exchange region is an odd multiple of the half wavelength of the monochromatic light used and the extraordinary light component. Then, it is an integral multiple of the wavelength of the monochromatic light used, or it is an integral multiple of the wavelength of the monochromatic light used for the ordinary light component, and an odd multiple of the half wavelength of the monochromatic light used for the extraordinary light component. It is necessary to determine the ion exchange region depth, etching depth, and film thickness.
[0017]
In the ion implantation, etching, and film formation processes, the boundary between the ion exchange region and the non-ion exchange region can be further clarified by controlling the optical crystal plate at a temperature at which the ion exchange region is difficult to diffuse. It is possible to form a highly functional polarizing diffraction element with a small pitch.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention according to claim 1 of the present invention provides an extraordinary light beam between an optical path that passes through an ion exchange region formed in an optical crystal plate and an optical path that passes through a non-ion exchange region of the optical crystal plate. In the method of producing a polarizing diffraction grating in which one of the components or the ordinary light component generates a phase change, a high ion energy is applied from the mask resist applied to obtain a desired diffraction grating pattern on the surface of the optical crystal plate. A plurality of ion energies are sequentially implanted from a low ion energy to an ion implantation, and after the surface is etched so that the ion exchange region has a predetermined depth, the mask resist is removed to remove the ion exchange region. The difference between the optical path length that passes through the optical path and the optical path length that passes through the non-ion exchange region is the half wavelength of the monochromatic light used in the ordinary light component. An odd number of times and an extraordinary light beam component are an integral multiple of the wavelength of the monochromatic light used, or an ordinary light ray component is an integer multiple of the wavelength of the monochromatic light used and an extraordinary light beam component of the monochromatic light used. It is characterized by being an odd multiple of a half wavelength.
[0019]
This makes it possible to form a highly functional polarizing diffraction grating at a fine pitch by improving the uniformity of the ion exchange layer and clarifying the boundary between the ion exchange region and the non-ion exchange region. .
[0020]
In the second aspect of the invention, after ion implantation, instead of etching the ion exchange region, a film for adjusting the optical path length is formed on the ion exchange region, and then the mask resist is removed. It is characterized by doing so. As in claim 1, a highly functional polarizing diffraction grating is formed with a fine pitch by making the ion exchange layer uniform and clarifying the boundary between the ion exchange region and the non-ion exchange region. Is possible.
[0021]
The invention according to claim 3 is characterized in that, in the first and second embodiments, the temperature of the optical crystal plate is controlled to 150 ° C. or lower in the ion implantation and subsequent steps. Polarization that makes it possible to form a highly functional polarizing diffraction grating at a finer pitch by suppressing the diffusion and clarifying the boundary between the ion exchange region and the non-ion exchange region from claims 1 and 2. This is a diffraction grating creation method.
[0022]
According to a fourth aspect of the present invention, in the preparation method according to the first to third aspects, a protective film or an antireflection film is formed on the surface of the polarizing diffraction grating. The optical diffraction grating can be protected and the optical characteristics can be improved.
[0023]
The invention according to claim 5 is characterized in that a lithium niobate crystal plate is used as the optical crystal plate. Lithium niobate crystal plate is a general-purpose material with characteristics such as optical crystal stability and optical characteristics, especially non-linear optical characteristics, and it is possible to obtain the desired optical characteristics at low cost. It becomes.
[0024]
(Embodiment 1)
An embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, in the present embodiment, as in the conventional example, lithium niobate is used as the optical crystal substrate and a phase difference of an odd multiple of π is generated in the ordinary light component.
[0025]
FIG. 1 shows a step-by-step method for producing a polarizing diffraction grating in one embodiment of the present invention, wherein 1 is a lithium niobate crystal plate, 2 is a photoresist film, 3 is a mask, 4 is Light for exposing the photoresist, 5 is a mask resist, 6 is an ion exchange region, and 7 is a film that adjusts the optical path length and protects the diffraction grating.
[0026]
First, in FIG. 1A, a photoresist film 2 is applied to a lithium niobate crystal plate 1 on which a polarizing diffractive optical element is to be formed. Next, the photoresist film 2 is exposed in a desired periodic pattern using the light 4 and the mask 3 for exposing the photoresist film 2 in FIG.
[0027]
Then, in FIG. 1C, the photoresist film 2 is developed to form a mask resist 5. In FIG. 1D, ion implantation is performed, and hydrogen ions are implanted into the surface of the lithium niobate crystal plate 1. The implanted hydrogen ions are exchanged with existing lithium ions, and lithium diffuses from the surface of the lithium niobate crystal plate 1. Further, the mask resist 5 has a mask effect for ion implantation, and an ion exchange region 6 is formed. The ion implantation will be described in detail later.
[0028]
In FIG. 1E, the surface of the ion exchange region 6 of the lithium niobate crystal plate 1 is etched to form a groove. Since the mask resist 5 has a masking effect on etching, a concave lattice can be formed on the surface of the lithium niobate crystal plate 1 by etching.
[0029]
Next, by removing the mask resist 5, the polarizing diffraction grating of FIG. 1 (f) is formed. Here, the depth L3 of the ion exchange region and the etching depth L4 are such that the phase difference resulting from the difference between the optical path length passing through the ion exchange region 3 and the optical path length passing through the non-ion exchange region is The phase difference φo of the ordinary light beam component is determined to be an odd multiple of π, and the phase difference φe of the extraordinary light beam component is determined to be an integer multiple of 2π. Each phase difference is expressed by the following (Equation 3) and (Equation 4). expressed.
[0030]
[Equation 3]

[0031]
[Expression 4]

[0032]
Here, etching is performed after ion implantation, but a polarizing diffraction grating can be formed by the reverse. In addition, by controlling the temperature of the lithium niobate crystal plate 1 to a predetermined temperature of 150 ° C. or lower during ion implantation and subsequent steps, diffusion of hydrogen ions is suppressed, and the boundary between the ion exchange region and the non-ion exchange region Can be made clearer.
[0033]
Further, as shown in FIG. 1 (g), an uneven lattice on the surface of the lithium niobate crystal plate 1 is formed with an antireflection film such as a MgF2 film, a protective film such as SiO, or a multilayer laminated film using these in combination. It is also possible to form a film and planarize it.
[0034]
At this time, in consideration of the refractive index of the material used for planarization, it is necessary to adjust the etching depth and the depth of the ion exchange region in advance so that the optical characteristics after planarization become desired.
[0035]
Hereinafter, conditions when the film 7 is formed are shown as calculation examples. At this time, the depth L3 of the ion exchange region and the etching depth L4 are the optical path lengths that pass through the ion exchange region 3 when the refractive indexes for the ordinary light component and the extraordinary light component of the film 7 are Noc1 and Nec1, respectively. The phase difference resulting from the difference between the optical path length passing through the non-ion exchange region is an odd multiple of π for the ordinary light beam component phase difference φo, and an integer multiple of 2π for the abnormal light beam component phase difference φe. Each phase difference is expressed by the following (Equation 5) and (Equation 6).
[0036]
[Equation 5]

[0037]
[Formula 6]

[0038]
Then, as a final surface planarization, a polishing step after film formation may be added. Also during this film formation step, similarly to the above description, by controlling the temperature of the lithium niobate crystal plate 1 to a predetermined temperature of 150 ° C. or less, diffusion of hydrogen ions is suppressed, and the ion exchange region and The boundary of the non-ion exchange region can be made clearer.
[0039]
In the ion implantation, the ion implantation direction, implantation depth, and implantation amount can be arbitrarily controlled with high precision using the acceleration direction, acceleration amount, and ion current value during implantation. Thus, the ion exchange region 6 can be formed with high accuracy.
[0040]
However, as shown in the schematic diagram of FIG. 2, the concentration of ions implanted with a single ion energy is not uniform in the depth direction in the ion exchange region 6, but has an implantation depth that gives the maximum ion concentration. . The implantation depth depends on the ion implantation energy. Therefore, in order to form a uniform ion concentration in the depth direction, ion energy is implanted in multiple stages.
[0041]
In this embodiment, an example is shown in which ion implantation is performed in three stages with three types of ion energy. FIG. 3 schematically shows a concentration distribution in the depth direction of ion implantation. First, steps are sequentially performed from high ion energy (a) to low ion energy (c). The ion concentration distribution (ac) at each ion energy is indicated by a dotted line, and the entire ion concentration distribution is indicated by a solid line. Since the ion implantation depth depends on the ion energy, the ion concentration distribution can be made uniform by changing the ion energy stepwise and controlling the implantation time at each ion energy.
[0042]
(Embodiment 2)
Another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, in the present embodiment, as in the conventional example, lithium niobate is used as the optical crystal substrate and a phase difference of an odd multiple of π is generated in the ordinary light component.
[0043]
FIG. 4 shows, step by step, a method for producing a polarizing diffraction grating in another embodiment of the present invention, wherein 1 is a lithium niobate crystal plate, 2 is a photoresist film, 3 is a mask, Light for exposing the photoresist, 5 is a mask resist, 6 is an ion exchange region, and 7 and 8 are films. In this embodiment, as in Embodiment 1, lithium niobate is used as an optical crystal, and an example in which a phase difference that is an odd multiple of π is generated in the ordinary light component is shown.
[0044]
First, in FIG. 4A, a photoresist film 2 is applied to a lithium niobate crystal plate 1 on which a polarizing diffractive optical element is to be formed. Next, the photoresist film 2 is exposed in a desired periodic pattern using the light 4 and the mask 3 for exposing the photoresist film 2 in FIG.
[0045]
In FIG. 4C, the photoresist film 2 is developed to form a mask resist 5. In FIG. 4 (d), ion implantation is performed and hydrogen ions are implanted into the surface of the lithium niobate crystal plate 1. The implanted hydrogen ions are exchanged with existing lithium ions, and lithium is a lithium niobate crystal. Diffuse from the surface of the plate 1. Further, the mask resist 5 has a mask effect for ion implantation, and an ion exchange region 6 is formed. Ion implantation is performed in the same manner as in the first embodiment.
[0046]
Next, in FIG. 4E, a film 8 is formed on the upper surface of the ion exchange region 6 of the lithium niobate crystal plate 1. In the first embodiment, the ion exchange region is etched by a predetermined depth. Instead, the film 8 is formed here in order to adjust the optical path length. The material of the film 8 is not particularly limited as long as it has a higher refractive index than air.
[0047]
Next, by removing the mask resist 5, the polarizing diffraction grating shown in FIG. 4 (f) is formed. Here, the depth L5 of the ion exchange region and the thickness L6 of the film 8 are the phase difference resulting from the difference between the optical path length that passes through the ion exchange region 6 and the optical path length that passes through the non-ion exchange region. Is determined to be an odd multiple of π with the phase difference φo of the ordinary light beam component and an integer multiple of 2π with the phase difference φe of the extraordinary light beam component, and each phase difference is expressed by the following (Equation 7) and (Equation 8). ).
[0048]
[Expression 7]

[0049]
[Equation 8]

[0050]
Further, as shown in FIG. 4 (g), the surface of the lithium niobate crystal plate 1 is formed with an antireflection film such as an MgF2 film, a protective film such as SiO, or a multilayer laminated film using these together. It is also possible to planarize. At this time, in consideration of the refractive index of the material used for planarization, it is necessary to adjust the film thickness and the depth of the ion exchange region in advance so that the optical characteristics after planarization become desired.
[0051]
Hereinafter, conditions when the film 7 is attached will be shown as a calculation example. Here, the depth L5 and the film thickness L6 of the ion exchange region are the optical path lengths that pass through the ion exchange region 6 when the refractive indexes of the film 7 with respect to the ordinary light component and the extraordinary light component are Noc2 and Nec2, respectively. The phase difference resulting from the difference in optical path length that passes through the non-ion exchange region is an odd multiple of π for the phase difference φo of the ordinary light component and an integer multiple of 2π for the phase difference φe of the extraordinary light component. Each phase difference is expressed by the following (Equation 9) and (Equation 10).
[0052]
[Equation 9]

[0053]
[Expression 10]

[0054]
Then, as a final surface planarization, a polishing step after film formation may be added. Also during this film formation step, similarly to the above, by controlling the temperature of the lithium niobate crystal plate 1 to a predetermined temperature of 150 ° C. or less, diffusion of hydrogen ions is suppressed, and the ion exchange region and non-ion The boundary of the exchange area can be made clearer.
[0055]
In the above embodiments of the present invention, lithium niobate is used as the crystal plate. However, it goes without saying that the above production method can be applied to other suitable optical crystals. In the first and second embodiments, an example in which the phase difference of the ordinary light component is an odd multiple of π is shown, but the phase difference of either the ordinary light component or the extraordinary light component is an odd multiple of π, and A similar polarizing diffraction grating can be obtained even if the condition that the phase difference of other light components is an integral multiple of 2π is satisfied.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the boundary region between the ion exchange region and the non-ion exchange region can be clarified, and the ion exchange region can be formed in a predetermined shape with high accuracy. Therefore, a highly functional polarizing diffraction grating can be formed with a fine pitch.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a method for producing a polarizing diffraction grating in one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram of ion implantation concentration in a depth direction when conventional ion implantation is performed. FIG. 4 is a schematic diagram of ion implantation concentration in the depth direction when ion implantation is performed in the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method for producing a polarizing diffraction grating in another embodiment of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional polarizing diffraction grating.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium niobate crystal plate 2 Photoresist film 3 Mask 4 Light for exposing photoresist 5 Mask resist 6 Ion exchange region 7 and 8 Film 9 Benzoic acid solution 10 Light incident 11 0th order diffracted light 12 1st order diffracted light 13 − First order diffracted light 14, 15 Optical path

Claims

Between the light path that passes through the ion exchange region formed in the optical crystal plate and the light path that passes through the non-ion exchange region of the optical crystal plate, either the extraordinary ray component or the ordinary ray component changes phase. In the method for producing the generated polarizing diffraction grating,
A plurality of ion energies are sequentially implanted from a high ion energy to a low ion energy from a mask resist applied to obtain a desired diffraction grating pattern on the surface of the optical crystal plate , and the ion exchange region After etching the surface so that becomes a predetermined depth, by removing the mask resist,
The difference between the optical path length that passes through the ion exchange region and the optical path length that passes through the non-ion exchange region is an odd multiple of the half wavelength of the monochromatic light used in the ordinary light component, and an extraordinary light component. , It is an integral multiple of the wavelength of the monochromatic light used, or it is an integer multiple of the wavelength of the monochromatic light used for the ordinary light component, and an odd multiple of the half wavelength of the monochromatic light used for the extraordinary light component. A method for producing a polarizing diffraction grating.

Instead of etching the ion exchange region after ion implantation, a film for adjusting the optical path length is formed on the ion exchange region, and then the mask resist is removed. The method for producing a polarizing diffraction grating according to claim 1.

3. The method for producing a polarizing diffraction grating according to claim 1, wherein the temperature of the optical crystal plate is controlled to 150 ° C. or lower in the ion implantation and subsequent steps.

4. The method for producing a polarizing diffraction grating according to claim 1, wherein after the mask resist is removed, a protective film or an antireflection film is formed on the surface of the optical crystal plate.

The method for producing a polarizing diffraction grating according to claim 1, wherein a lithium niobate crystal plate is used as the optical crystal plate.