JP4537318B2 - 回折格子およびその製造方法ならびにグリズム - Google Patents
回折格子およびその製造方法ならびにグリズム Download PDFInfo
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Description
本発明は、回折格子およびその製造方法ならびにグリズムに関し、さらに詳細には、天文学、地球惑星科学、気象学、環境衛生学などの各種観測装置、理化学、鉱物、生物、病理学などの各種分光分析装置、食品、医薬品、化学製品の製造装置や品質管理装置、光通信の光多重技術（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）の根幹をなす全光ルーティング装置などの各種装置に用いて好適な回折格子およびその製造方法ならびにグリズムに関する。
従来より、各種装置に回折格子が用いられているが、例えば、天文学分光観測装置などに使用される回折格子としてグリズム（ｇｒｉｓｍ）が知られている。
このグリズムは、任意の次数、任意の波長の光を直進あるいは任意の方向に進ませるように透過型回折格子とプリズムとを組み合わせた透過型分散素子である。
このグリズムは、任意の次数、任意の波長の光を直進あるいは任意の方向に進ませるように透過型回折格子とプリズムとを組み合わせた透過型分散素子である。
そして、天文学用の高分散分光観測装置などは、高次回折光を利用した回折格子やグリズムなどの高分散分散素子（エシェルタイプ）と、同時に広い波長範囲を計測するための垂直分散素子（プリズムや低分散の回折格子など）とを組み合わせて使用している。そのために分散素子は高い回折効率であることが望まれていた。
ここで一般に、グリズムの波長分散は、グリズムのプリズム部分により生ずる光路差に比例する。このため、高い波長分散を得るためには、グリズムを構成するプリズムとして、頂角が大きい高屈折プリズムを使用する必要があった。
しかしながら、階段状の溝形状が表面に微細加工された従来の表面レリーフ（Ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｌｉｅｆ：ＳＲ）型の回折格子とプリズムとを組み合わせたＳＲグリズムにおいては、高い分散を得るためにプリズムの屈折率を高くして頂角を大きくすると、プリズムと回折格子との界面における臨界角により、プリズムの頂角が制限されてしまう。このため、より高い分散を得るためには、ＳＲグリズムの有効径および光学系のサイズを大きくしなければならない。
そこで、上記したようにしてプリズムの頂角が制限されるＳＲグリズムの他に、ＶＰＨグリズムも提案されている。このＶＰＨグリズムは、屈折率が周期的に変調されたＶＨＰ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｐｈａｓｅ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ）格子とプリズムとが組み合わされて構成されたものである。
こうしたＶＰＨグリズムは、従来のＳＲグリズムに比べて上記した臨界角によるプリズムの頂角の制限が緩いので、従来のＳＲグリズムよりプリズムの頂角を大きくすることができ、より高い波長分散を達成できる。
しかしながら、このＶＰＨグリズムは、従来のＳＲ型の回折格子を用いて構成されるＳＲグリズムに比べると、高い次数での回折効率が低くなっていた。
こうしたＶＰＨグリズムは、従来のＳＲグリズムに比べて上記した臨界角によるプリズムの頂角の制限が緩いので、従来のＳＲグリズムよりプリズムの頂角を大きくすることができ、より高い波長分散を達成できる。
しかしながら、このＶＰＨグリズムは、従来のＳＲ型の回折格子を用いて構成されるＳＲグリズムに比べると、高い次数での回折効率が低くなっていた。
また、ＷＤＭにおいて経路切替素子として使用されるアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）のような回折格子も実用化されている。
しかしながら、アレイ導波路回折格子の単価は現状数万円〜数十万円もしており、製造コストを低減させることができず、量産には不向きであるという問題点があった。
しかしながら、アレイ導波路回折格子の単価は現状数万円〜数十万円もしており、製造コストを低減させることができず、量産には不向きであるという問題点があった。
本発明は、上記したような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高分散で高い回折効率を有し、しかも安価な回折格子およびその製造方法ならびにグリズムを提供しようとするものである。
上記目的を達成するために、本発明は、外部からの光が内部に入射する回折格子入射面と、上記回折格子入射面と対向し上記回折格子入射面から内部に入射した光が外部へ出射する回折格子出射面と、上記回折格子入射面と上記回折格子出射面との間に形成され、上記回折格子入射面から内部に入射した光が入射し、該入射した光を反射する複数の反射面とを有する回折格子において、上記回折格子入射面と上記回折格子出射面とはそれぞれ略矩形形状に形成されて、互いに所定の間隔を有し略平行して対向して位置し、上記複数の反射面は、上記回折格子入射面ならびに上記回折格子出射面に対して略垂直に等間隔で位置し、透過型の平面回折格子として構成されたようにしたものである。
また、本発明は、さらに、上記回折格子入射面から内部に入射して上記反射面に入射する光と上記反射面とにより形成される角を「θ２」とし、格子間隔を「ｄ」とし、上記反射面の厚みを「ｗ」とし、上記反射面の高さを「ｔ」とすると、ｔａｎθ２＝（ｄ−ｗ）／ｔを満たすようにして上記反射面が寸法設定されたようにしたものである。
また、本発明は、基台１００の一の断面形状がくし状となっており、
（ａ）平面状で、かつ、略矩形形状の一端面１００ａを有する略板状体の上記基部１００ｂと、
上記基部１００ｂの上記一端面１００ａの背面側に所定間隔で突出して設けられた突部１００ｃと、
上記突部１００ｃの上端面１００ｄの群と、
上記突部１００ｃの上記断面における左側の側面１００ｅの群と、
上記突部１００ｃの上記断面における右側の側面１００ｆの群と、
隣り合う上記突部１００ｃの間に形成された底面１００ｇの群とを有し、かつ、誘電体材料により形成された上記基台１００を準備し、
（ｂ）上記（ａ）の工程の後に、上記上端面１００ｄの群の上、上記左側の側面１００ｅの群の上、上記右側の側面１００ｆの群の上、上記底面１００ｇの群の上に反射膜１０２を製膜し、
（ｃ）上記（ｂ）の工程の後に、垂直入射異方性エッチングにより、それぞれの上記上端面１００ｄの上及びそれぞれの上記底面１００ｇの上に製膜された上記反射膜１０２のみを除去し、
（ｄ）上記（ｃ）の工程の後に、斜入射異方性エッチングのよりそれぞれの上記左側の側面１００ｅに製膜された上記反射膜１０２のみを除去し、
（ｅ）上記（ｄ）の工程の後に、それぞれの上記隣り合う突部１００ｃの間の間隙の部分及び上記基部１００ｂ上であって、かつ、上記間隙の部分の周囲の部分をＰＭＭＡ系樹脂、シリコン系樹脂または低融点ガラスにより充填する
ようにしたものである。
また、本発明は、外部からの光が内部に入射するプリズム入射面を有する屈折率が１．５〜４の第１のプリズムと、上記第１のプリズムの上記プリズム入射面から内部に入射した光が外部へ出射するプリズム出射面を有する屈折率が１．５〜４の第２のプリズムと、上記第１のプリズムの頂角と上記第２のプリズムの頂角との対向させるようにして、上記第１のプリズムと上記第２のプリズムとによって挟み込まれる透過型の平面回折格子として構成され、上記第１のプリズムの上記プリズム入射面から入射して上記第１のプリズムの内部を透過した光が内部に入射する略矩形形状に形成された回折格子入射面と、上記回折格子入射面と所定の間隔を有し略平行して対向し上記回折格子入射面から内部に入射した光が上記第２のプリズムへ出射する略矩形形状に形成された回折格子出射面と、上記回折格子入射面と上記回折格子出射面との間に形成され、上記回折格子入射面ならびに上記回折格子出射面に対して略垂直に等間隔で位置し、上記回折格子入射面から内部に入射した光が入射し、該入射した光を反射する複数の反射面とを有する回折格子領域とを有する直視透過型回折格子として構成されたものである。
また、本発明は、さらに、上記回折格子領域の上記回折格子入射面から内部に入射して上記反射面に入射する光と上記反射面とにより形成される角を「θ２」とし、格子間隔を「ｄ」とし、上記反射面の厚みを「ｗ」とし、上記反射面の高さを「ｔ」とすると、
ｔａｎθ２＝（ｄ−ｗ）／ｔ
を満たすようにして上記回折格子領域の上記反射面が寸法設定されたようにしたものである。
また、本発明は、さらに、上記回折格子入射面から内部に入射して上記反射面に入射する光と上記反射面とにより形成される角を「θ２」とし、格子間隔を「ｄ」とし、上記反射面の厚みを「ｗ」とし、上記反射面の高さを「ｔ」とすると、ｔａｎθ２＝（ｄ−ｗ）／ｔを満たすようにして上記反射面が寸法設定されたようにしたものである。
また、本発明は、基台１００の一の断面形状がくし状となっており、
（ａ）平面状で、かつ、略矩形形状の一端面１００ａを有する略板状体の上記基部１００ｂと、
上記基部１００ｂの上記一端面１００ａの背面側に所定間隔で突出して設けられた突部１００ｃと、
上記突部１００ｃの上端面１００ｄの群と、
上記突部１００ｃの上記断面における左側の側面１００ｅの群と、
上記突部１００ｃの上記断面における右側の側面１００ｆの群と、
隣り合う上記突部１００ｃの間に形成された底面１００ｇの群とを有し、かつ、誘電体材料により形成された上記基台１００を準備し、
（ｂ）上記（ａ）の工程の後に、上記上端面１００ｄの群の上、上記左側の側面１００ｅの群の上、上記右側の側面１００ｆの群の上、上記底面１００ｇの群の上に反射膜１０２を製膜し、
（ｃ）上記（ｂ）の工程の後に、垂直入射異方性エッチングにより、それぞれの上記上端面１００ｄの上及びそれぞれの上記底面１００ｇの上に製膜された上記反射膜１０２のみを除去し、
（ｄ）上記（ｃ）の工程の後に、斜入射異方性エッチングのよりそれぞれの上記左側の側面１００ｅに製膜された上記反射膜１０２のみを除去し、
（ｅ）上記（ｄ）の工程の後に、それぞれの上記隣り合う突部１００ｃの間の間隙の部分及び上記基部１００ｂ上であって、かつ、上記間隙の部分の周囲の部分をＰＭＭＡ系樹脂、シリコン系樹脂または低融点ガラスにより充填する
ようにしたものである。
また、本発明は、外部からの光が内部に入射するプリズム入射面を有する屈折率が１．５〜４の第１のプリズムと、上記第１のプリズムの上記プリズム入射面から内部に入射した光が外部へ出射するプリズム出射面を有する屈折率が１．５〜４の第２のプリズムと、上記第１のプリズムの頂角と上記第２のプリズムの頂角との対向させるようにして、上記第１のプリズムと上記第２のプリズムとによって挟み込まれる透過型の平面回折格子として構成され、上記第１のプリズムの上記プリズム入射面から入射して上記第１のプリズムの内部を透過した光が内部に入射する略矩形形状に形成された回折格子入射面と、上記回折格子入射面と所定の間隔を有し略平行して対向し上記回折格子入射面から内部に入射した光が上記第２のプリズムへ出射する略矩形形状に形成された回折格子出射面と、上記回折格子入射面と上記回折格子出射面との間に形成され、上記回折格子入射面ならびに上記回折格子出射面に対して略垂直に等間隔で位置し、上記回折格子入射面から内部に入射した光が入射し、該入射した光を反射する複数の反射面とを有する回折格子領域とを有する直視透過型回折格子として構成されたものである。
また、本発明は、さらに、上記回折格子領域の上記回折格子入射面から内部に入射して上記反射面に入射する光と上記反射面とにより形成される角を「θ２」とし、格子間隔を「ｄ」とし、上記反射面の厚みを「ｗ」とし、上記反射面の高さを「ｔ」とすると、
ｔａｎθ２＝（ｄ−ｗ）／ｔ
を満たすようにして上記回折格子領域の上記反射面が寸法設定されたようにしたものである。
本発明は、以上説明したように構成されているので、高分散で高い回折効率を有し、しかも安価な回折格子およびその製造方法ならびにグリズムを提供することができるという優れた効果を奏する。
［図１］図１は、本発明による回折格子の第１の実施の形態を示す概念構成説明図である。
［図２］図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。
［図３］図３は、本発明による回折格子の第１の実施の形態の要部を示す説明図である。
［図４］図４は、図１に示す回折格子において、ｔａｎθ２＝（ｄ−ｗ）／ｔの条件を満たす場合を示す説明図である。
［図５］図５は、図１に示す回折格子において、ｔａｎθ２＞（ｄ−ｗ）／ｔの場合を示す説明図である。
［図６］図６は、図１に示す回折格子において、ｔａｎθ２＜（ｄ−ｗ）／ｔの場合を示す説明図である。
［図７］図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、図１に示す回折格子の製造方法の一例を示す説明図である。
［図８］図８は、本発明による回折格子の第２の実施の形態を示す概念構成斜視説明図である。
［図９］図９は、本発明による回折格子の第２の実施の形態を示す概略構成説明図である。
［図１０］図１０（ａ）（ｂ）は、本発明による回折格子の各構成部位の大きさの一例を示す説明図である。
［図１１］図１１（ａ）は、従来のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）の一例を示す概略構成説明図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の回折格子として機能する部分を抜き出した拡大説明図であり、図１１（ｃ）は、本発明による回折格子を用いた導波路型波長弁別光回路であり、図１１（ｄ）は、図１１（ｃ）のＢ−Ｂ線における断面図であり、図１１（ｅ）は、図１１（ｃ）に示された回折格子の製造工程の一例を模式的に示した説明図である。
［図１２］図１２は、本発明による回折格子の実施の形態の他の例を示す概念構成説明図である。
［図１３］図１３（ａ）（ｂ）は、本発明による回折格子の実施の形態の他の例を示す概念構成説明図である。
［図１４］図１４は、図３においてブラッグ角が約２０°の回折効率の例を示すグラフである。
［図２］図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。
［図３］図３は、本発明による回折格子の第１の実施の形態の要部を示す説明図である。
［図４］図４は、図１に示す回折格子において、ｔａｎθ２＝（ｄ−ｗ）／ｔの条件を満たす場合を示す説明図である。
［図５］図５は、図１に示す回折格子において、ｔａｎθ２＞（ｄ−ｗ）／ｔの場合を示す説明図である。
［図６］図６は、図１に示す回折格子において、ｔａｎθ２＜（ｄ−ｗ）／ｔの場合を示す説明図である。
［図７］図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、図１に示す回折格子の製造方法の一例を示す説明図である。
［図８］図８は、本発明による回折格子の第２の実施の形態を示す概念構成斜視説明図である。
［図９］図９は、本発明による回折格子の第２の実施の形態を示す概略構成説明図である。
［図１０］図１０（ａ）（ｂ）は、本発明による回折格子の各構成部位の大きさの一例を示す説明図である。
［図１１］図１１（ａ）は、従来のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）の一例を示す概略構成説明図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の回折格子として機能する部分を抜き出した拡大説明図であり、図１１（ｃ）は、本発明による回折格子を用いた導波路型波長弁別光回路であり、図１１（ｄ）は、図１１（ｃ）のＢ−Ｂ線における断面図であり、図１１（ｅ）は、図１１（ｃ）に示された回折格子の製造工程の一例を模式的に示した説明図である。
［図１２］図１２は、本発明による回折格子の実施の形態の他の例を示す概念構成説明図である。
［図１３］図１３（ａ）（ｂ）は、本発明による回折格子の実施の形態の他の例を示す概念構成説明図である。
［図１４］図１４は、図３においてブラッグ角が約２０°の回折効率の例を示すグラフである。
１０ 回折格子
１０ａ 回折格子入射面
１０ｂ 回折格子出射面
１０ｃ 反射面
２０ グリズム
２２，２４ プリズム
２２ａ プリズム入射面
２４ａ プリズム出射面
１００ 基台
１００ａ 端面
１００ｂ 基部
１００ｃ 突部
１００ｄ 上端面
１００ｅ，１００ｆ 側面
１００ｇ 底面
１０２ 反射膜
１０ａ 回折格子入射面
１０ｂ 回折格子出射面
１０ｃ 反射面
２０ グリズム
２２，２４ プリズム
２２ａ プリズム入射面
２４ａ プリズム出射面
１００ 基台
１００ａ 端面
１００ｂ 基部
１００ｃ 突部
１００ｄ 上端面
１００ｅ，１００ｆ 側面
１００ｇ 底面
１０２ 反射膜
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による回折格子およびその製造方法ならびにグリズムの実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
図１には、本発明による回折格子の第１の実施の形態を示す概念構成説明図が示されており、図２には、図１のＡ−Ａ線における断面図が示されている。
この第１の実施の形態の回折格子１０は、全体が板状体に形成されており、略矩形形状の回折格子入射面１０ａと、回折格子入射面１０ａと対向する略矩形形状の回折格子出射面１０ｂと、回折格子入射面１０ａと回折格子出射面１０ｂとの間に形成された複数の反射面１０ｃとを有して構成されている。
そして、回折格子１０は、透過型の回折格子であり平面回折格子として設計されている。
より詳細には、図１ならびに図２に示す座標系を参照して説明すると、回折格子入射面１０ａと回折格子出射面１０ｂとはそれぞれ、Ｚ軸方向の異なる高さに位置するＸＹ平面に沿って延長された平面に略一致し、回折格子入射面１０ａと回折格子出射面１０ｂとは互いに所定の間隔を有し略平行して対向している。
一方、反射面１０ｃは、Ｘ軸方向における所定の間隔毎に形成されており、Ｚ軸方向に沿って延長された平面に略一致するとともに、回折格子入射面１０ａならびに回折格子出射面１０ｂのＹ軸方向における全長にわたって延長されている。つまり、反射面１０ｃの延長方向は、回折格子入射面１０ａならびに回折格子出射面１０ｂの延長方向と略直交している。従って、回折格子１０は、回折格子入射面１０ａならびに回折格子出射面１０ｂに対して略垂直に等間隔で形成された複数の反射面１０ｃを備えているものである。
そして、回折格子１０は、透過型の回折格子であり平面回折格子として設計されている。
より詳細には、図１ならびに図２に示す座標系を参照して説明すると、回折格子入射面１０ａと回折格子出射面１０ｂとはそれぞれ、Ｚ軸方向の異なる高さに位置するＸＹ平面に沿って延長された平面に略一致し、回折格子入射面１０ａと回折格子出射面１０ｂとは互いに所定の間隔を有し略平行して対向している。
一方、反射面１０ｃは、Ｘ軸方向における所定の間隔毎に形成されており、Ｚ軸方向に沿って延長された平面に略一致するとともに、回折格子入射面１０ａならびに回折格子出射面１０ｂのＹ軸方向における全長にわたって延長されている。つまり、反射面１０ｃの延長方向は、回折格子入射面１０ａならびに回折格子出射面１０ｂの延長方向と略直交している。従って、回折格子１０は、回折格子入射面１０ａならびに回折格子出射面１０ｂに対して略垂直に等間隔で形成された複数の反射面１０ｃを備えているものである。
以上の構成において、この回折格子１０においては、回折格子１０の回折格子入射面１０ａから光が入射され、回折格子１０内に入射された光は回折格子１０内を通過して、回折格子出射面１０ｂから出射される。
そして、図３に示すように、回折格子１０の屈折率を「ｎ２」とし、回折次数を「ｍ」とし、波長を「λ」とし、格子間隔を「ｄ」とし、回折格子入射面１０ａからの入射光、即ち、反射面１０ｃに入射する光と反射面１０ｃとにより形成される角を「θ２」とすると、回折格子１０については、下記に示す式（１）の関係が成り立つことになる。
この際、反射面１０ｃに入射する光と反射面１０ｃとにより形成される角θ２の大きさは、反射面１０ｃによって反射された光と反射面１０ｃとにより形成される角の大きさと一致するものである。また、格子間隔ｄは、従来の回折格子においては、回折格子に形成された溝の間隔を示すものであるが、本発明による回折格子１０においては、溝は形成されていないので、回折格子１０に形成された反射面１０ｃの間隔を示すものである。
ｍλ＝２ｎ２ｄｓｉｎθ２ ・・・式（１）
ここで、式（１）は、ブラッグ回折の式と同じ式で表されており、θ２はブラッグ角に対応する。
そして、反射面１０ｃの厚み（反射面１０ｃの図３に示す座標系のＸ軸方向に沿った長さ）を「ｗ」とし、反射面１０ｃの高さ（反射面１０ｃの図３に示す座標系のＺ軸方向に沿った長さ）を「ｔ」とすると、
ｔａｎθ２＝（ｄ−ｗ）／ｔ ・・・式（２）
の条件を満たす場合には、図４に示すように、回折格子入射面１０ａから入射して回折格子１０を通過する光束のほとんどが、反射面１０ｃにより１回反射されて回折に寄与し、回折光として利用することができるので、回折効率が最も高くなる。
また、下記に示す数式（３）を、回折格子１０のアスペクト比と称することとする。
ｔ／（ｄ−ｗ）＝１／ｔａｎθ２ ・・・式（３）
一方、上記した式（２）の条件を満たさない場合、即ち、ｔａｎθ２＞（ｄ−ｗ）／ｔの場合（図５参照）や、ｔａｎθ２＜（ｄ−ｗ）／ｔの場合（図６参照）には、入射光が回折光に寄与する方向以外にも分配されるために、回折効率が低下する。
より詳細には、図５に示すように、ｔａｎθ２＞（ｄ−ｗ）／ｔの場合には、回折格子入射面１０ａから入射して回折格子１０を通過する光束のうち、反射面１０ｃにより２回反射された光束が、回折格子入射面１０ａからの入射光と同じ方向に進むので、ケラレが生じてしまい（図５において網掛けで示した領域参照）、回折効率が低下する。
また、図６に示すように、ｔａｎθ２＜（ｄ−ｗ）／ｔの場合には、回折格子入射面１０ａから入射して回折格子１０を通過する光束のうち、反射面１０ｃに当たらない光速が、直進して回折格子入射面１０ａからの入射光と同じ方向に進むので、ケラレが生じてしまい（図６において網掛けで示した領域参照）、回折効率が低下する。
そして、外部から回折格子１０の回折格子入射面１０ａから入射して、反射面１０ｃにより反射された光束は、波長λと格子間隔ｄとで規定される回折分布で広がる。
特に、高次回折光を利用する場合には、反射面１０ｃに対して正反射の方向に干渉の条件を満足する各次数の波長の光束に対して、最も高い回折効率を有し、その最も高い回折効率の波長の前後の波長の光束は、干渉の条件を満足する方向の回折強度分布に比例した効率を示す。
この際、反射面１０ｃに入射する光と反射面１０ｃとにより形成される角θ２の大きさは、反射面１０ｃによって反射された光と反射面１０ｃとにより形成される角の大きさと一致するものである。また、格子間隔ｄは、従来の回折格子においては、回折格子に形成された溝の間隔を示すものであるが、本発明による回折格子１０においては、溝は形成されていないので、回折格子１０に形成された反射面１０ｃの間隔を示すものである。
ｍλ＝２ｎ２ｄｓｉｎθ２ ・・・式（１）
ここで、式（１）は、ブラッグ回折の式と同じ式で表されており、θ２はブラッグ角に対応する。
そして、反射面１０ｃの厚み（反射面１０ｃの図３に示す座標系のＸ軸方向に沿った長さ）を「ｗ」とし、反射面１０ｃの高さ（反射面１０ｃの図３に示す座標系のＺ軸方向に沿った長さ）を「ｔ」とすると、
ｔａｎθ２＝（ｄ−ｗ）／ｔ ・・・式（２）
の条件を満たす場合には、図４に示すように、回折格子入射面１０ａから入射して回折格子１０を通過する光束のほとんどが、反射面１０ｃにより１回反射されて回折に寄与し、回折光として利用することができるので、回折効率が最も高くなる。
また、下記に示す数式（３）を、回折格子１０のアスペクト比と称することとする。
ｔ／（ｄ−ｗ）＝１／ｔａｎθ２ ・・・式（３）
一方、上記した式（２）の条件を満たさない場合、即ち、ｔａｎθ２＞（ｄ−ｗ）／ｔの場合（図５参照）や、ｔａｎθ２＜（ｄ−ｗ）／ｔの場合（図６参照）には、入射光が回折光に寄与する方向以外にも分配されるために、回折効率が低下する。
より詳細には、図５に示すように、ｔａｎθ２＞（ｄ−ｗ）／ｔの場合には、回折格子入射面１０ａから入射して回折格子１０を通過する光束のうち、反射面１０ｃにより２回反射された光束が、回折格子入射面１０ａからの入射光と同じ方向に進むので、ケラレが生じてしまい（図５において網掛けで示した領域参照）、回折効率が低下する。
また、図６に示すように、ｔａｎθ２＜（ｄ−ｗ）／ｔの場合には、回折格子入射面１０ａから入射して回折格子１０を通過する光束のうち、反射面１０ｃに当たらない光速が、直進して回折格子入射面１０ａからの入射光と同じ方向に進むので、ケラレが生じてしまい（図６において網掛けで示した領域参照）、回折効率が低下する。
そして、外部から回折格子１０の回折格子入射面１０ａから入射して、反射面１０ｃにより反射された光束は、波長λと格子間隔ｄとで規定される回折分布で広がる。
特に、高次回折光を利用する場合には、反射面１０ｃに対して正反射の方向に干渉の条件を満足する各次数の波長の光束に対して、最も高い回折効率を有し、その最も高い回折効率の波長の前後の波長の光束は、干渉の条件を満足する方向の回折強度分布に比例した効率を示す。
従って、本発明による第１の実施の形態の回折格子１０によれば、高分散で高い回折効率を実現することができ、高次回折光のような高い次数であっても回折効率を高くすることができる。
また、上記「従来の技術」の項に記載した従来のＳＲ型の回折格子においては、表面に溝形状が形成されているので、当該溝形状に傷が付いてしまって破損し易いが、本発明による回折格子１０の反射面１０ｃは回折格子の内部に形成されているので、反射面１０ｃが傷付いて破損する恐れがなく、良好な動作状態を維持することができる。
また、上記「従来の技術」の項に記載した従来のＳＲ型の回折格子においては、表面に溝形状が形成されているので、当該溝形状に傷が付いてしまって破損し易いが、本発明による回折格子１０の反射面１０ｃは回折格子の内部に形成されているので、反射面１０ｃが傷付いて破損する恐れがなく、良好な動作状態を維持することができる。
ここで、図７を参照しながら、回折格子１０の製造方法について説明することとする。
まず、回折格子１０の製造に際しては、全体がくし状に形成された基台１００（図７（ａ）参照）を用いる。より詳細には、基台１００は、平面状で略矩形形状の端面１００ａを有する略板状体の基部１００ｂと、基部１００ｂの端面１００ａの背面側に所定の間隔で突出形成された突部１００ｃとを有して構成されている。
この基台１００の端面１００ａにより、回折格子１０の回折格子出射面１０ｂが形成されるものである。そして、基台１００の端面１００ａの背面側は、突部１００ｃの上端面１００ｄと、突部１００ｃの側面１００ｅ，１００ｆと、隣り合う突部１００ｃ間に形成された底面１００ｇとから構成される。
この基台１００は、誘電体材料により形成されており、回折格子１０全体の大きさや格子間隔ｄ、反射膜１０ｃの高さｔなどに応じて寸法設定されている。基台１００を形成する誘電体材料としては、例えば、石英、ＢＫ−７などの硝子素材、ＰＭＭＡやポリイミドなどの樹脂、水晶やフッ化マグネシウム、あるいは各種結晶材料を用いることができる。
そして、基台１００の端面１００ａの背面側に、イオンスパッタリングなどによって反射膜１０２を製膜する（図７（ｂ）参照）。つまり、基台１００の突部１００ｃの上端面１００ｄ、側面１００ｅ、側面１００ｆならびに底面１００ｇには、所定の膜厚で反射膜１０２が形成される。この反射膜１０２の材料としては、例えば、アルミニウム、金、銀、シリコン、ゲルマニウムなどを用いることができる。
こうして反射膜１０２が形成された後、垂直入射異方性エッチングにより（図７（ｂ）に示す矢印参照）、基台１００の突部１００ｃの上端面１００ｄならびに底面１００ｇに形成されている反射膜１０２のみを除去する（図７（ｃ）参照）。
その後、斜入射異方性エッチングにより（図７（ｃ）に示す矢印参照）、基台１００の突部１００ｃの側面１００ｅに形成されている反射膜１０２のみを除去する。
こうして突部１００ｃの側面１００ｆにのみ反射膜１０２が残された基台１００（図７（ｄ）参照）に、ＰＭＭＡ系樹脂あるいはシリコン系樹脂を充填すると、回折格子１０が形成される（図７（ｅ）参照）。つまり、充填されたＰＭＭＡ系樹脂あるいはシリコン系樹脂により、回折格子１０の回折格子入射面１０ａが形成されるものである。
まず、回折格子１０の製造に際しては、全体がくし状に形成された基台１００（図７（ａ）参照）を用いる。より詳細には、基台１００は、平面状で略矩形形状の端面１００ａを有する略板状体の基部１００ｂと、基部１００ｂの端面１００ａの背面側に所定の間隔で突出形成された突部１００ｃとを有して構成されている。
この基台１００の端面１００ａにより、回折格子１０の回折格子出射面１０ｂが形成されるものである。そして、基台１００の端面１００ａの背面側は、突部１００ｃの上端面１００ｄと、突部１００ｃの側面１００ｅ，１００ｆと、隣り合う突部１００ｃ間に形成された底面１００ｇとから構成される。
この基台１００は、誘電体材料により形成されており、回折格子１０全体の大きさや格子間隔ｄ、反射膜１０ｃの高さｔなどに応じて寸法設定されている。基台１００を形成する誘電体材料としては、例えば、石英、ＢＫ−７などの硝子素材、ＰＭＭＡやポリイミドなどの樹脂、水晶やフッ化マグネシウム、あるいは各種結晶材料を用いることができる。
そして、基台１００の端面１００ａの背面側に、イオンスパッタリングなどによって反射膜１０２を製膜する（図７（ｂ）参照）。つまり、基台１００の突部１００ｃの上端面１００ｄ、側面１００ｅ、側面１００ｆならびに底面１００ｇには、所定の膜厚で反射膜１０２が形成される。この反射膜１０２の材料としては、例えば、アルミニウム、金、銀、シリコン、ゲルマニウムなどを用いることができる。
こうして反射膜１０２が形成された後、垂直入射異方性エッチングにより（図７（ｂ）に示す矢印参照）、基台１００の突部１００ｃの上端面１００ｄならびに底面１００ｇに形成されている反射膜１０２のみを除去する（図７（ｃ）参照）。
その後、斜入射異方性エッチングにより（図７（ｃ）に示す矢印参照）、基台１００の突部１００ｃの側面１００ｅに形成されている反射膜１０２のみを除去する。
こうして突部１００ｃの側面１００ｆにのみ反射膜１０２が残された基台１００（図７（ｄ）参照）に、ＰＭＭＡ系樹脂あるいはシリコン系樹脂を充填すると、回折格子１０が形成される（図７（ｅ）参照）。つまり、充填されたＰＭＭＡ系樹脂あるいはシリコン系樹脂により、回折格子１０の回折格子入射面１０ａが形成されるものである。
なお、こうして突部１００ｃの側面１００ｆにのみ反射膜１０２が残された基台１００（図７（ｄ）参照）に充填する材料は樹脂に限られるものではなく、例えば、使用波長で透明であればＳｉＯ２、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ、ＩＴＯ（透明電極）などの蒸着物質を用いたり、あるいは低融点ガラスなどを用いてもよい。この際、突部１００ｃの側面１００ｆにのみ反射膜１０２が残された基台１００に充填する材料としては、基台１００を形成する材料の屈折率と同じ屈折率を有するようなものを用いることが望ましい。
さらに、突部１００ｃの側面１００ｆにのみ反射膜１０２が残された基台１００に、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ、ＩＴＯ（透明電極）などの蒸着物質を充填するのに代えて、ゾルゲル法やＣＶＤ法などにより成長させるようにしてもよい。
つまり、上記したようにして回折格子１０を製造することができるが、これに限られるものではないことは勿論であり、用途により必要とされる回折格子１０全体の大きさなどに応じて、フォトリソグラフィのような光を使った半導体プロセスやレーザーアブレーション、Ｘ線アブレーション、イオンエッチングあるいはプラズマエッチングなどの各種方法を用いることができる。
さらに、突部１００ｃの側面１００ｆにのみ反射膜１０２が残された基台１００に、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ、ＩＴＯ（透明電極）などの蒸着物質を充填するのに代えて、ゾルゲル法やＣＶＤ法などにより成長させるようにしてもよい。
つまり、上記したようにして回折格子１０を製造することができるが、これに限られるものではないことは勿論であり、用途により必要とされる回折格子１０全体の大きさなどに応じて、フォトリソグラフィのような光を使った半導体プロセスやレーザーアブレーション、Ｘ線アブレーション、イオンエッチングあるいはプラズマエッチングなどの各種方法を用いることができる。
次ぎに、図８ならびに図９を参照しながら、本発明による回折格子の第２の実施の形態について説明することとする。
図８には、本発明による回折格子の第２の実施を示す概念構成斜視説明図が示されている。ここで、本発明による回折格子の第２の実施の形態は、直視透過型回折格子として構成されており、所謂、グリズムである。
図８に示すグリズム２０は、プリズム２２とプリズム２４とによって、回折格子１０を挟み込むようにして構成されている。
ここで、図８に示すグリズム２０の回折格子１０は、図１乃至図３に示した第１の実施の形態の回折格子１０と同一の構成を有するものであるので、上記した説明を援用し、その詳細な構成ならびに作用の説明は省略する。この回折格子１０により、グリズム２０の回折格子領域が構成されるものである。
一方、プリズム２２ならびにプリズム２４はいずれも、共通な材料により形成され、同一の屈折率を有するものである。具体的には、プリズム２２とプリズム２４とは高屈折率のプリズムであり、例えば、１．５〜４の屈折率を有するものである。これらプリズム２２，２４を構成する材料としては、例えば、硫化亜鉛（ＺｎＳ）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの誘電体または半導体を用いることができ、屈折率はいずれも２．３程度の高屈折率である。
そして、プリズム２２の頂角α（図９参照）とプリズム２４の頂角とを対向させるようにして、回折格子１０を挟み込んでいる。この際、プリズム２２の頂角αを含む側面（図９において略直角三角形形状の領域を示すプリズム２２の面に対応する。）ならびにプリズム２４の頂角を含む側面（図９において略直角三角形形状の領域を示すプリズム２４の面に対応する。）と略直交して、回折格子１０は配設される。
図８に示すグリズム２０は、プリズム２２とプリズム２４とによって、回折格子１０を挟み込むようにして構成されている。
ここで、図８に示すグリズム２０の回折格子１０は、図１乃至図３に示した第１の実施の形態の回折格子１０と同一の構成を有するものであるので、上記した説明を援用し、その詳細な構成ならびに作用の説明は省略する。この回折格子１０により、グリズム２０の回折格子領域が構成されるものである。
一方、プリズム２２ならびにプリズム２４はいずれも、共通な材料により形成され、同一の屈折率を有するものである。具体的には、プリズム２２とプリズム２４とは高屈折率のプリズムであり、例えば、１．５〜４の屈折率を有するものである。これらプリズム２２，２４を構成する材料としては、例えば、硫化亜鉛（ＺｎＳ）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの誘電体または半導体を用いることができ、屈折率はいずれも２．３程度の高屈折率である。
そして、プリズム２２の頂角α（図９参照）とプリズム２４の頂角とを対向させるようにして、回折格子１０を挟み込んでいる。この際、プリズム２２の頂角αを含む側面（図９において略直角三角形形状の領域を示すプリズム２２の面に対応する。）ならびにプリズム２４の頂角を含む側面（図９において略直角三角形形状の領域を示すプリズム２４の面に対応する。）と略直交して、回折格子１０は配設される。
以上の構成において、このグリズム２０においては、外部からプリズム２２の表面を介して、即ち、プリズム２２のプリズム入射面２２ａから光が入射され、プリズム２２内に入射された光はプリズム２２内を透過して、回折格子入射面１０ａから回折格子１０に入射される。そして、回折格子１０内を透過した光は回折格子出射面１０ｂから出射してプリズム２４内に入射される。このプリズム２４内に入射された光は、プリズム２４内を透過しプリズム２４の表面を介して、即ち、プリズム２４のプリズム出射面２４ａから外部へ出射されることになる。
ここで、グリズム２０のプリズム２２における光の入射面たるプリズム入射面２２ａにおける屈折の式は、グリズム２０の外部媒質の屈折率を「ｎ０」とし、プリズム２２の屈折率を「ｎ１」とすると、次の式（４）である。
ｎ０ｓｉｎα＝ｎ１ｓｉｎθ１ ・・・式（４）
また、プリズム２２と回折格子１０との界面における屈折の式は、
ｎ１ｓｉｎ（α−θ１）＝ｎ２ｓｉｎθ２ ・・・式（５）
である。ここで、上記した式（１）に式（５）を代入すると、
ｍλ＝２ｎ１ｄｓｉｎ（α−θ１） ・・・式（６）
が得られる。
ここで、グリズム２０のプリズム２２における光の入射面たるプリズム入射面２２ａにおける屈折の式は、グリズム２０の外部媒質の屈折率を「ｎ０」とし、プリズム２２の屈折率を「ｎ１」とすると、次の式（４）である。
ｎ０ｓｉｎα＝ｎ１ｓｉｎθ１ ・・・式（４）
また、プリズム２２と回折格子１０との界面における屈折の式は、
ｎ１ｓｉｎ（α−θ１）＝ｎ２ｓｉｎθ２ ・・・式（５）
である。ここで、上記した式（１）に式（５）を代入すると、
ｍλ＝２ｎ１ｄｓｉｎ（α−θ１） ・・・式（６）
が得られる。
そして、例えば、外部媒質の屈折率ｎ０＝１．０、プリズム２２の頂角α＝２０°、プリズム２２の屈折率ｎ１＝２．３、回折次数ｍ＝１０、波長λ＝６００ｎｍとすると、式（４）ならびに式（６）により、格子間隔ｄ＝１１．０μｍが得られる。
さらに、回折格子１０の屈折率ｎ２＝１．５とすると、式（４）ならびに式（５）により、回折格子１０の反射面１０ｃに入射する光と反射面１０ｃとにより形成される角θ２＝１０．５となる。従って、回折格子１０の格子間隔ｄに対して、反射面１０ｃの厚さｗが十分小さい場合に、上記した式（２）より、反射面１０ｃの高さｔ＝１１／ｔａｎ１０．５＝５９．４μｍが得られ、ケラレが生じない格子のアスペクト比は、式（３）より、ｔ／ｄ＝５．４である。
つまり、外部媒質の屈折率ｎ０＝１．０、回折次数ｍ＝１０、波長λ＝６００ｎｍのとき、プリズム２２の頂角α＝２０°ならびにプリズム２２の屈折率ｎ１＝２．３のプリズム２２と、屈折率ｎ２＝１．５を有し、反射面１０ｃの厚さｗを格子間隔ｄ＝１１．０μｍに対して十分小さくし、反射面１０ｃの高さｔ＝５９．４μｍとして、アスペクト比５．４を満たすような回折格子１０とを用いて構成されたグリズム２０において、回折格子１０の反射面１０ｃに入射する光と反射面１０ｃとにより形成される角θ２＝１０．５とすると、上記した式（２）の条件が満たされる（図４参照）。
その結果、グリズム２０において、プリズム２２のプリズム入射面２２ａを介して外部から入射し、プリズム２２内を透過して回折格子入射面１０ａから回折格子１０に入射して回折格子１０を通過する光束のほとんどが、反射面１０ｃにより１回反射されて回折に寄与し、回折光として利用することができるので、回折効率は最も高くなる。
さらに、回折格子１０の屈折率ｎ２＝１．５とすると、式（４）ならびに式（５）により、回折格子１０の反射面１０ｃに入射する光と反射面１０ｃとにより形成される角θ２＝１０．５となる。従って、回折格子１０の格子間隔ｄに対して、反射面１０ｃの厚さｗが十分小さい場合に、上記した式（２）より、反射面１０ｃの高さｔ＝１１／ｔａｎ１０．５＝５９．４μｍが得られ、ケラレが生じない格子のアスペクト比は、式（３）より、ｔ／ｄ＝５．４である。
つまり、外部媒質の屈折率ｎ０＝１．０、回折次数ｍ＝１０、波長λ＝６００ｎｍのとき、プリズム２２の頂角α＝２０°ならびにプリズム２２の屈折率ｎ１＝２．３のプリズム２２と、屈折率ｎ２＝１．５を有し、反射面１０ｃの厚さｗを格子間隔ｄ＝１１．０μｍに対して十分小さくし、反射面１０ｃの高さｔ＝５９．４μｍとして、アスペクト比５．４を満たすような回折格子１０とを用いて構成されたグリズム２０において、回折格子１０の反射面１０ｃに入射する光と反射面１０ｃとにより形成される角θ２＝１０．５とすると、上記した式（２）の条件が満たされる（図４参照）。
その結果、グリズム２０において、プリズム２２のプリズム入射面２２ａを介して外部から入射し、プリズム２２内を透過して回折格子入射面１０ａから回折格子１０に入射して回折格子１０を通過する光束のほとんどが、反射面１０ｃにより１回反射されて回折に寄与し、回折光として利用することができるので、回折効率は最も高くなる。
ここで、本発明による回折格子１０を用いたグリズム２０の効果について、上記「従来の技術」の項に記載した従来のＳＲグリズムやＶＨＰグリズムと比較して説明することとする。
ＶＰＨグリズムのＶＨＰ格子は、ブラッグの条件を満足するように入出射角を調整することにより、広い波長において高い回折効率を得ることが可能である。このため、ＶＨＰグリズムの場合、プリズムの頂角およびＶＨＰ格子の角度をブラッグの条件を満たすように可変にすることにより、高い効率を保ったまま広い波長の高分散分光測定を行うことができる。
そして、本発明による回折格子１０を用いたグリズム２０（図８ならびに図９参照）は、回折格子１０が２つのプリズム２２，２４で挟み込まれて構成されているので、ＶＰＨ格子を２つのプリズムで挟み込むようにして構成される従来のＶＰＨグリズムと共通の構成を有している。このため、本発明による回折格子１０を用いたグリズム２０は、ＶＰＨグリズムと同様に、従来のＳＲグリズムに比べて臨界角によるプリズム頂角の制限が緩く、従来のＳＲグリズムよりプリズムの頂角を大きくすることができ、より高い波長分散を実現できる（例えば、本願出願人による特許出願「特開２００２−１４２０９」および「特開２００４−１３０８０」参照）。
さらに、本発明による回折格子１０を用いたグリズム２０は、回折格子１０が高分散で高い回折効率を有する回折格子であるので、従来のＳＲグリズムと同様に、高次回折光においても高回折効率を実現できる。
このように、本発明による回折格子１０を用いたグリズム２０は、ＳＲグリズムとＶＨＰグリズムとの両者の利点を有するものであり、特に、回折格子１０の屈折率ｎ２に対してプリズム２２の屈折率ｎ１が高くなおかつ、回折次数ｍが高いような場合に非常に有効なものである。
ＶＰＨグリズムのＶＨＰ格子は、ブラッグの条件を満足するように入出射角を調整することにより、広い波長において高い回折効率を得ることが可能である。このため、ＶＨＰグリズムの場合、プリズムの頂角およびＶＨＰ格子の角度をブラッグの条件を満たすように可変にすることにより、高い効率を保ったまま広い波長の高分散分光測定を行うことができる。
そして、本発明による回折格子１０を用いたグリズム２０（図８ならびに図９参照）は、回折格子１０が２つのプリズム２２，２４で挟み込まれて構成されているので、ＶＰＨ格子を２つのプリズムで挟み込むようにして構成される従来のＶＰＨグリズムと共通の構成を有している。このため、本発明による回折格子１０を用いたグリズム２０は、ＶＰＨグリズムと同様に、従来のＳＲグリズムに比べて臨界角によるプリズム頂角の制限が緩く、従来のＳＲグリズムよりプリズムの頂角を大きくすることができ、より高い波長分散を実現できる（例えば、本願出願人による特許出願「特開２００２−１４２０９」および「特開２００４−１３０８０」参照）。
さらに、本発明による回折格子１０を用いたグリズム２０は、回折格子１０が高分散で高い回折効率を有する回折格子であるので、従来のＳＲグリズムと同様に、高次回折光においても高回折効率を実現できる。
このように、本発明による回折格子１０を用いたグリズム２０は、ＳＲグリズムとＶＨＰグリズムとの両者の利点を有するものであり、特に、回折格子１０の屈折率ｎ２に対してプリズム２２の屈折率ｎ１が高くなおかつ、回折次数ｍが高いような場合に非常に有効なものである。
例えば、具体的に図３において、回折格子１０の反射面１０ｃをアルミニウムにより形成し、反射面１０ｃの高さｔ＝１５．３μｍ、格子間隔ｄ＝５．７μｍ、反射面１０ｃの厚みｗ＝０．０３μｍ、回折格子１０の屈折率ｎ２＝１．５０、ブラッグ角θ２＝２０．５°の場合、各次数の最大効率波長は図１４に明示されているように、６次回折光は１０００ｎｍであり、７次回折光は８７５ｎｍであり、８次回折光は７５０ｎｍであり、９次回折光は６６７ｎｍであり、１０次回折光は６００ｎｍであり、１１次回折光は５４５ｎｍであり、１２次回折光は５００ｎｍであり、１３次回折光は４６２ｎｍであり、１４次回折光は４２８ｎｍであり、１５次回折光は４００ｎｍとなる。
また、具体的には、上記したように外部媒質の屈折率ｎ０＝１．０、プリズム２２の頂角α＝２０°、プリズム２２の屈折率ｎ１＝２．３、回折次数ｍ＝１０、波長λ＝６００ｎｍ、格子間隔ｄ＝１１．０μｍ、回折格子１０の屈折率ｎ２＝１．５、回折格子１０の反射面１０ｃに入射する光と反射面１０ｃとにより形成される角θ２＝１０．５であって、回折格子１０の格子間隔ｄに対して反射面１０ｃの厚さｗが十分小さい場合に、反射面１０ｃの高さｔ＝５９．４μｍ、ケラレが生じない格子のアスペクト比ｔ／ｄ＝５．４のときに、本発明による回折格子１０を用いたグリズム２０によれば、１０次回折光についておよそ８０％以上の回折効率を達成できる。
この１０次回折光について回折効率は、ＶＨＰグリズムの場合ではおよそ２０％以下となり、本発明のグリズム２０によって実現されるおよそ８０％以上の回折効率は非常に高いものである。また、ＳＲグリズムであれば、１０次回折光についておよそ８０％以上の回折効率を達成することは可能であるが、ＳＲグリズムでは、本発明のグリズム２０のようにプリズムの頂角を大きくすることができず、高い波長分散が得られないという問題点が招来されてしまう。
また、ＳＲグリズムでは、ＳＲ型の回折格子がプリズムの表面に配設されているので、ＳＲ型の回折格子の溝形状に傷が付いてしまって破損し易く、グリズムとしての安定した動作状態を維持できない恐れがある。これに対して、本発明によるグリズム２０においては、回折格子１０が２つのプリズム２２，２４で挟み込まれて構成されているので、回折格子の反射面１０ｃが傷付いて破損する恐れがなく、良好な動作状態を維持することができる。
さらに、ＳＲグリズムを構成するＳＲ型の透過型回折格子は、階段状の溝形状の出射面における屈折および回折により光の進行方向が変換される。また、ＶＰＨグリズムを構成するＶＨＰ格子は、屈折率が周期的に変調され、ブラッグ回折により光の進行方向が変換される。一方、本発明のグリズム２０を構成する回折格子１０が反射面１０ｃおよび回折を利用したものであり、出射面（入射面）における屈折および回折を用いたＳＲ型と物理的に近く、ブラッグ回折とは物理的には異なるものである。
また、具体的には、上記したように外部媒質の屈折率ｎ０＝１．０、プリズム２２の頂角α＝２０°、プリズム２２の屈折率ｎ１＝２．３、回折次数ｍ＝１０、波長λ＝６００ｎｍ、格子間隔ｄ＝１１．０μｍ、回折格子１０の屈折率ｎ２＝１．５、回折格子１０の反射面１０ｃに入射する光と反射面１０ｃとにより形成される角θ２＝１０．５であって、回折格子１０の格子間隔ｄに対して反射面１０ｃの厚さｗが十分小さい場合に、反射面１０ｃの高さｔ＝５９．４μｍ、ケラレが生じない格子のアスペクト比ｔ／ｄ＝５．４のときに、本発明による回折格子１０を用いたグリズム２０によれば、１０次回折光についておよそ８０％以上の回折効率を達成できる。
この１０次回折光について回折効率は、ＶＨＰグリズムの場合ではおよそ２０％以下となり、本発明のグリズム２０によって実現されるおよそ８０％以上の回折効率は非常に高いものである。また、ＳＲグリズムであれば、１０次回折光についておよそ８０％以上の回折効率を達成することは可能であるが、ＳＲグリズムでは、本発明のグリズム２０のようにプリズムの頂角を大きくすることができず、高い波長分散が得られないという問題点が招来されてしまう。
また、ＳＲグリズムでは、ＳＲ型の回折格子がプリズムの表面に配設されているので、ＳＲ型の回折格子の溝形状に傷が付いてしまって破損し易く、グリズムとしての安定した動作状態を維持できない恐れがある。これに対して、本発明によるグリズム２０においては、回折格子１０が２つのプリズム２２，２４で挟み込まれて構成されているので、回折格子の反射面１０ｃが傷付いて破損する恐れがなく、良好な動作状態を維持することができる。
さらに、ＳＲグリズムを構成するＳＲ型の透過型回折格子は、階段状の溝形状の出射面における屈折および回折により光の進行方向が変換される。また、ＶＰＨグリズムを構成するＶＨＰ格子は、屈折率が周期的に変調され、ブラッグ回折により光の進行方向が変換される。一方、本発明のグリズム２０を構成する回折格子１０が反射面１０ｃおよび回折を利用したものであり、出射面（入射面）における屈折および回折を用いたＳＲ型と物理的に近く、ブラッグ回折とは物理的には異なるものである。
ここで、本発明による第１の実施の形態の回折格子１０においては、上記した式（２）の条件を満たすようにして反射面１０ｃの高さｔなどを寸法設定することにより、ケラレを生じさせずに、回折格子入射面１０ａから入射して回折格子１０を通過する光束のほとんどを回折光として回折格子出射面１０ｂから出射させることができるので（図４参照）、所謂、導波路として機能することも可能であり、光導波路の間に本発明による回折格子１０を配設して光通信に利用するなど、各種分野における高い汎用性を有するものである。
例えば、本発明による第１の実施の形態の回折格子１０（図１参照）は、図１０（ａ）ならびに図１０（ｂ）に示すようにしてその大きさを寸法設定することができる。このため、図１０（ｂ）に示すようなサイズで本発明による第１の実施の形態の回折格子を形成し（図１１（ｅ）参照）、導波路中に回折格子として使用すると（図１１（ｃ）（ｄ）参照）、従来のように導波路中に空気層などを設けて表面レリーフ（ＳＲ）型の回折格子を使用した場合に比べて、損失を小さくすることができる。
また、上記「従来の技術」の項に記載したように、ＷＤＭに使用されるアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）は数万円〜数十万円もし、製造コストがかかって高価なものである（図１１（ａ）（ｂ）参照）。これに対して、本発明による回折格子１０は、図７に示すようにして製造されるので低コストであり、例えば、数百円〜数千円で製造することができるので、非常に安価であって、量産に適したものである。
ＡＷＧは、１つ１つ、時間がかかるイオン交換、あるいは、エッチングにより、広い面積の導波路に直接加工を行わなければならないが、本発明の回折格子は、図１１（ｃ）（ｄ）（ｅ）のように、レプリカ格子の側面に簡単な半導体プロセスにより、金属反射面の格子を形成し、それを切断したものを、予めダイシングソー等で導波路に掘られた溝に埋め込む等のプロセスにより、大幅にコストを削減することが可能になる。
例えば、本発明による第１の実施の形態の回折格子１０（図１参照）は、図１０（ａ）ならびに図１０（ｂ）に示すようにしてその大きさを寸法設定することができる。このため、図１０（ｂ）に示すようなサイズで本発明による第１の実施の形態の回折格子を形成し（図１１（ｅ）参照）、導波路中に回折格子として使用すると（図１１（ｃ）（ｄ）参照）、従来のように導波路中に空気層などを設けて表面レリーフ（ＳＲ）型の回折格子を使用した場合に比べて、損失を小さくすることができる。
また、上記「従来の技術」の項に記載したように、ＷＤＭに使用されるアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）は数万円〜数十万円もし、製造コストがかかって高価なものである（図１１（ａ）（ｂ）参照）。これに対して、本発明による回折格子１０は、図７に示すようにして製造されるので低コストであり、例えば、数百円〜数千円で製造することができるので、非常に安価であって、量産に適したものである。
ＡＷＧは、１つ１つ、時間がかかるイオン交換、あるいは、エッチングにより、広い面積の導波路に直接加工を行わなければならないが、本発明の回折格子は、図１１（ｃ）（ｄ）（ｅ）のように、レプリカ格子の側面に簡単な半導体プロセスにより、金属反射面の格子を形成し、それを切断したものを、予めダイシングソー等で導波路に掘られた溝に埋め込む等のプロセスにより、大幅にコストを削減することが可能になる。
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）〜（６）に示すように変形することができるものである。
（１）上記した第１ならびに第２の実施の形態においては、回折格子１０やグリズム２０のプリズム２２，２４を構成する材料をいくつか例示したが、これに限られるものではないことは勿論であり、製造方法や用途に応じて材料を適宜変更するようにしてもよい。
例えば、図７に示す回折格子１０の製造方法においてに、反射膜１０２の材料としては、例えば、アルミニウム、金、銀、シリコン、ゲルマニウムなどを用いることができるとしたが、基台１００に比べて屈折率の小さい物質を用いたり、あるいは、空隙を形成するようにして、全反射の条件で使用することにより、反射膜１０２を構成するようにしてもよい。
また、回折格子１０の大きさも、その配設場所のスペースやグリズム２０全体の大きさなどに応じて、例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍや１００ｍｍ×１００ｍｍなど各種寸法に設定すればよい。
（２）上記した第２の実施の形態においては、グリズム２０が２つのプリズム２２，２４により構成されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、本発明による回折格子１０と１つのプリズムとを用いてグリズムを構成するようにしたり、使用するプリズムの種類を変更するようにしてもよい。
（３）上記した実施の形態においては、回折格子１０を製造する際に（図７参照）、垂直入射異方性エッチングにより、基台１００の突部１００ｃの上端面１００ｄならびに底面１００ｇに形成されている反射膜１０２を除去した後に、斜入射異方性エッチングにより、基台１００の突部１００ｃの側面１００ｅに形成されている反射膜１０２を除去するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、斜入射異方性エッチングにより、基台１００の突部１００ｃの側面１００ｅに形成されている反射膜１０２を除去した後に、垂直入射異方性エッチングにより、基台１００の突部１００ｃの上端面１００ｄならびに底面１００ｇに形成されている反射膜１０２を除去するようにしてもよい。
また、斜入射異方性エッチングにより、基台１００の突部１００ｃの側面１００ｅに形成されている反射膜１０２を除去するようにしたが、この斜入射異方性エッチングを行なわずに、図７（ｃ）に示す状態のように、突部１００ｃの側面１００ｅと側面１００ｆとに反射膜１０２が残された基台１００に、ＰＭＭＡ系樹脂あるいはシリコン系樹脂等を充填してもよい。これにより、一度に多くの反射面１０ｃを形成することができ、この際、反射膜１０ｃの間隔などの各種寸法設定を適宜変更するとよい。
さらに、突部１００ｃの間隔の誤差を波長より十分小さな値で制御して基台１００を形成したり、あるいは、金属製膜のプロセスを等方性の手法から、異方性で斜入射の手法に変更することによって、斜入射異方性エッチングの工程を省略することもできる。
（４）上記した第１の実施の形態においては、回折格子１０の反射面１０ｃのＺ軸方向における両端が、回折格子入射面１０ａならびに回折格子出射面１０ｂと所定の間隔を有しているが（図２参照）、これに限られるものではないことは勿論であり、図１２に示すように、反射面が回折格子のＺ軸方向における全長にわたって延長されるようにしてもよい。
（５）上記した第１の実施の形態においては、回折格子１０は、透過型の回折格子であり平面回折格子として設計するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、本発明による第１の実施の形態の回折格子を凹面回折格子あるいは凸面回折格子や、ホログラフィック光学素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ：ＨＯＥ）などの回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ：ＤＯＥ）として設計するようにしてもよい。
例えば、図１３（ａ）（ｂ）には、凹面回折格子として設計した本発明による回折格子の一例の説明図が示されている。図１３（ａ）は、平行光束を収束光に変換するタイプの凹面回折格子の一例であって、反射面は回折格子入射面に対して垂直に位置せず、反射面の間隔はフレネルゾーンプレートのように外周側ほど狭くなっているとともに、反射面は外周側ほど傾いている。一方、図１３（ｂ）は、１：１結像（物体側と像側との距離が同じ）のタイプの凹面回折格子の一例であって、反射面は回折格子入射面に対して垂直に位置し、反射面の間隔はフレネルゾーンプレートのように外周側ほど狭くなっている。また、図１３（ａ）（ｂ）のいずれにおいても、回折格子入射面ならびに回折格子出射面は、平面に限られず、適宜、球面、非球面とすることも可能である。
こうして本発明による回折格子を凹面回折格子やホログラフィック素子として設計する場合には、反射面を回折格子入射面ならびに回折格子出射面に対して垂直に等間隔で形成する必要はない。つまり、複数の反射面を不等間隔に形成し、回折格子入射面ならびに回折格子出射面に対して垂直にならず所定の角度で傾斜するようにしてもよい。
さらに、こうした変更などにより、本発明による回折格子は、計測・分析などに用いられる不等間隔回折格子、光通信やレーザー関連機器などに使用されるビーム分配・混合器、波長弁別器、レンズなどの各種回折光学素子などとしても有効である。
なお、本発明による回折格子をホログラフィック光学素子として製造する場合には、ＣＧＨ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）などの手法によりパターンを形成するとよい。
（６）上記した実施の形態ならびに上記した（１）〜（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
（１）上記した第１ならびに第２の実施の形態においては、回折格子１０やグリズム２０のプリズム２２，２４を構成する材料をいくつか例示したが、これに限られるものではないことは勿論であり、製造方法や用途に応じて材料を適宜変更するようにしてもよい。
例えば、図７に示す回折格子１０の製造方法においてに、反射膜１０２の材料としては、例えば、アルミニウム、金、銀、シリコン、ゲルマニウムなどを用いることができるとしたが、基台１００に比べて屈折率の小さい物質を用いたり、あるいは、空隙を形成するようにして、全反射の条件で使用することにより、反射膜１０２を構成するようにしてもよい。
また、回折格子１０の大きさも、その配設場所のスペースやグリズム２０全体の大きさなどに応じて、例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍや１００ｍｍ×１００ｍｍなど各種寸法に設定すればよい。
（２）上記した第２の実施の形態においては、グリズム２０が２つのプリズム２２，２４により構成されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、本発明による回折格子１０と１つのプリズムとを用いてグリズムを構成するようにしたり、使用するプリズムの種類を変更するようにしてもよい。
（３）上記した実施の形態においては、回折格子１０を製造する際に（図７参照）、垂直入射異方性エッチングにより、基台１００の突部１００ｃの上端面１００ｄならびに底面１００ｇに形成されている反射膜１０２を除去した後に、斜入射異方性エッチングにより、基台１００の突部１００ｃの側面１００ｅに形成されている反射膜１０２を除去するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、斜入射異方性エッチングにより、基台１００の突部１００ｃの側面１００ｅに形成されている反射膜１０２を除去した後に、垂直入射異方性エッチングにより、基台１００の突部１００ｃの上端面１００ｄならびに底面１００ｇに形成されている反射膜１０２を除去するようにしてもよい。
また、斜入射異方性エッチングにより、基台１００の突部１００ｃの側面１００ｅに形成されている反射膜１０２を除去するようにしたが、この斜入射異方性エッチングを行なわずに、図７（ｃ）に示す状態のように、突部１００ｃの側面１００ｅと側面１００ｆとに反射膜１０２が残された基台１００に、ＰＭＭＡ系樹脂あるいはシリコン系樹脂等を充填してもよい。これにより、一度に多くの反射面１０ｃを形成することができ、この際、反射膜１０ｃの間隔などの各種寸法設定を適宜変更するとよい。
さらに、突部１００ｃの間隔の誤差を波長より十分小さな値で制御して基台１００を形成したり、あるいは、金属製膜のプロセスを等方性の手法から、異方性で斜入射の手法に変更することによって、斜入射異方性エッチングの工程を省略することもできる。
（４）上記した第１の実施の形態においては、回折格子１０の反射面１０ｃのＺ軸方向における両端が、回折格子入射面１０ａならびに回折格子出射面１０ｂと所定の間隔を有しているが（図２参照）、これに限られるものではないことは勿論であり、図１２に示すように、反射面が回折格子のＺ軸方向における全長にわたって延長されるようにしてもよい。
（５）上記した第１の実施の形態においては、回折格子１０は、透過型の回折格子であり平面回折格子として設計するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、本発明による第１の実施の形態の回折格子を凹面回折格子あるいは凸面回折格子や、ホログラフィック光学素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ：ＨＯＥ）などの回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ：ＤＯＥ）として設計するようにしてもよい。
例えば、図１３（ａ）（ｂ）には、凹面回折格子として設計した本発明による回折格子の一例の説明図が示されている。図１３（ａ）は、平行光束を収束光に変換するタイプの凹面回折格子の一例であって、反射面は回折格子入射面に対して垂直に位置せず、反射面の間隔はフレネルゾーンプレートのように外周側ほど狭くなっているとともに、反射面は外周側ほど傾いている。一方、図１３（ｂ）は、１：１結像（物体側と像側との距離が同じ）のタイプの凹面回折格子の一例であって、反射面は回折格子入射面に対して垂直に位置し、反射面の間隔はフレネルゾーンプレートのように外周側ほど狭くなっている。また、図１３（ａ）（ｂ）のいずれにおいても、回折格子入射面ならびに回折格子出射面は、平面に限られず、適宜、球面、非球面とすることも可能である。
こうして本発明による回折格子を凹面回折格子やホログラフィック素子として設計する場合には、反射面を回折格子入射面ならびに回折格子出射面に対して垂直に等間隔で形成する必要はない。つまり、複数の反射面を不等間隔に形成し、回折格子入射面ならびに回折格子出射面に対して垂直にならず所定の角度で傾斜するようにしてもよい。
さらに、こうした変更などにより、本発明による回折格子は、計測・分析などに用いられる不等間隔回折格子、光通信やレーザー関連機器などに使用されるビーム分配・混合器、波長弁別器、レンズなどの各種回折光学素子などとしても有効である。
なお、本発明による回折格子をホログラフィック光学素子として製造する場合には、ＣＧＨ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）などの手法によりパターンを形成するとよい。
（６）上記した実施の形態ならびに上記した（１）〜（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
高分散で高い回折効率を有し、しかも安価な回折格子が得られるので、各種観測装置、各種分光分析装置、化学製品などの製造装置や品質管理装置、全光ルーティング装置などの多種多様な装置に利用することができる。
Claims (5)
- 外部からの光が内部に入射する回折格子入射面と、
前記回折格子入射面と対向し前記回折格子入射面から内部に入射した光が外部へ出射する回折格子出射面と、
前記回折格子入射面と前記回折格子出射面との間に形成され、前記回折格子入射面から内部に入射した光が入射し、該入射した光を反射する複数の反射面と
を有する回折格子において、
前記回折格子入射面と前記回折格子出射面とはそれぞれ略矩形形状に形成されて、互いに所定の間隔を有し略平行して対向して位置し、
前記複数の反射面は、前記回折格子入射面ならびに前記回折格子出射面に対して略垂直に等間隔で位置し、
透過型の平面回折格子として構成された
ものである回折格子。 - 請求項１に記載の回折格子において、さらに、
前記回折格子入射面から内部に入射して前記反射面に入射する光と前記反射面とにより形成される角を「θ２」とし、格子間隔を「ｄ」とし、前記反射面の厚みを「ｗ」とし、前記反射面の高さを「ｔ」とすると、
ｔａｎθ２＝（ｄ−ｗ）／ｔ
を満たすようにして前記反射面が寸法設定された
ものである回折格子。 - 基台１００の一の断面形状がくし状となっており、
（ａ）平面状で、かつ、略矩形形状の一端面１００ａを有する略板状体の前記基部１００ｂと、
前記基部１００ｂの前記一端面１００ａの背面側に所定間隔で突出して設けられた突部１００ｃと、
前記突部１００ｃの上端面１００ｄの群と、
前記突部１００ｃの前記断面における左側の側面１００ｅの群と、
前記突部１００ｃの前記断面における右側の側面１００ｆの群と、
隣り合う前記突部１００ｃの間に形成された底面１００ｇの群とを有し、かつ、誘電体材料により形成された前記基台１００を準備し、
（ｂ）前記（ａ）の工程の後に、前記上端面１００ｄの群の上、前記左側の側面１００ｅの群の上、前記右側の側面１００ｆの群の上、前記底面１００ｇの群の上に反射膜１０２を製膜し、
（ｃ）前記（ｂ）の工程の後に、垂直入射異方性エッチングにより、それぞれの前記上端面１００ｄの上及びそれぞれの前記底面１００ｇの上に製膜された前記反射膜１０２のみを除去し、
（ｄ）前記（ｃ）の工程の後に、斜入射異方性エッチングのよりそれぞれの前記左側の側面１００ｅに製膜された前記反射膜１０２のみを除去し、
（ｅ）前記（ｄ）の工程の後に、それぞれの前記隣り合う突部１００ｃの間の間隙の部分及び前記基部１００ｂ上であって、かつ、前記間隙の部分の周囲の部分をＰＭＭＡ系樹脂、シリコン系樹脂または低融点ガラスにより充填する
ことを特徴とする回折格子の製造方法。 - 外部からの光が内部に入射するプリズム入射面を有する屈折率が１．５〜４の第１のプリズムと、
前記第１のプリズムの前記プリズム入射面から内部に入射した光が外部へ出射するプリズム出射面を有する屈折率が１．５〜４の第２のプリズムと、
前記第１のプリズムの頂角と前記第２のプリズムの頂角との対向させるようにして、前記第１のプリズムと前記第２のプリズムとによって挟み込まれる透過型の平面回折格子として構成され、前記第１のプリズムの前記プリズム入射面から入射して前記第１のプリズムの内部を透過した光が内部に入射する略矩形形状に形成された回折格子入射面と、前記回折格子入射面と所定の間隔を有し略平行して対向し前記回折格子入射面から内部に入射した光が前記第２のプリズムへ出射する略矩形形状に形成された回折格子出射面と、前記回折格子入射面と前記回折格子出射面との間に形成され、前記回折格子入射面ならびに前記回折格子出射面に対して略垂直に等間隔で位置し、前記回折格子入射面から内部に入射した光が入射し、該入射した光を反射する複数の反射面とを有する回折格子領域と
を有する直視透過型回折格子として構成された
グリズム。 - 請求項４に記載のグリズムにおいて、さらに、
前記回折格子領域の前記回折格子入射面から内部に入射して前記反射面に入射する光と前記反射面とにより形成される角を「θ２」とし、格子間隔を「ｄ」とし、前記反射面の厚みを「ｗ」とし、前記反射面の高さを「ｔ」とすると、
ｔａｎθ２＝（ｄ−ｗ）／ｔ
を満たすようにして前記回折格子領域の前記反射面が寸法設定された
ものであるグリズム。
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