JP5224027B2 - 回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法に関し、特に、光通信等に用いられる光ファイバー内に回折格子作製用位相マスクと紫外線レーザ光とを用いて回折格子を作製するための方法に関するものである。

光ファイバーは地球規模の通信に大革新をもたらし、高品質、大容量の大洋横断電話通信を可能にしたが、従来より、この光ファイバーに沿ってコア内に周期的に屈折率分布を作り出し、光ファイバー内にブラック回折格子を作り、その回折格子の周期と長さ、屈折率変調の大きさによって回折格子の反射率の高低と波長特性の幅を決めることにより、その回折格子を光通信用の波長多重分割器、レーザやセンサーに使用される狭帯域の高反射ミラー、光ファイバーアンプにおける余分なレーザ波長を取り除く波長選択フィルター等として利用できることが知られている。

しかし、石英光ファイバーの減衰が最小となり、長距離通信システムに適している波長は１．５５μｍであることにより、この波長で光ファイバー回折格子を使用するためには、格子間隔を約５００ｎｍとする必要があり、このような細かい構造をコアの中に作ること自体が当初は難しいとされており、光ファイバーのコア内にブラック回折格子を作るのに、側面研磨、フォトレジストプロセス、ホログラフィー露光、反応性イオンビームエッチング等からなる何段階もの複雑な工程がとられていた。このため、作製時間が長く、歩留まりも低かった。

しかし、最近、紫外線を光ファイバーに照射し、直接コア内に屈折率の変化をもたらし回折格子を作る方法が知られるようになり、この紫外線を照射する方法は複雑なプロセスを必要としないため、周辺技術の進歩と共に次第に実施されるようになってきた。

この紫外光を用いる方法の場合、上記のように格子間隔が約５００ｎｍと細かいため、２本の光束を干渉させる干渉方法、（エキシマレーザからのシングルパルスを集光して回折格子面を１枚ずつ作る）１点毎の書き込みによる方法、グレーティングを持つ位相マスクを使って照射する方法等がとられている。

上記の２光束を干渉させる干渉方法には、横方向のビームの品質、すなわち空間コヒーレンスに問題があり、１点毎の書き込みによる方法には、サブミクロンの大きさの緻密なステップ制御が必要で、かつ光を小さく取り込み多くの面を書き込むことが要求され、作業性にも問題があった。

このため、上記問題に対応できる方法として、位相マスクを用いる照射方法が注目されるようになってきたが、この方法は図１（ａ）に示すように、石英基板の１面に凹溝を所定の繰り返し周期で所定の深さに設けた位相マスク２１を用いて、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）２３をそのマスク２１に照射し、光ファイバー２２のコア２２Ａに直接屈折率の変化をもたらし、グレーティング（格子）を作製するものである。なお、図１（ａ）には、コア２２Ａにおける干渉縞パターン２４を分かりやすく拡大して示してある。図１（ｂ）、図１（ｃ）はそれぞれ位相マスク２１の断面図、それに対応する上面図の一部を示したものである。位相マスク２１は、その１面に繰り返し周期Λで深さｄの凹溝２６を設け、凹溝２６間に略同じ幅の凸条２７を設けてなるバイナリー位相型回折格子状の構造を有するものである。

位相マスク２１の凹溝２６の深さ（凸条２７と凹溝２６との高さの差）ｄは、露光光であるエキシマレーザ光（ビーム）２３の位相をπラジアンだけ変調するように選択されており、０次光（ビーム）２５Ａは位相マスク２１により５％以下に抑えられ、マスク２１から出る主な光（ビーム）は、回折光の３５％以上を含むプラス１次の回折光２５Ｂとマイナス１次の回折光２５Ｃに分割される。このため、このプラス１次の回折光２５Ｂとマイナス１次の回折光２５Ｃによる所定ピッチの干渉縞の照射を行い、このピッチでの屈折率変化を光ファイバー２２内にもたらすものである。
特開２００５−１４１０７５号公報 特開２００６−３７６２号公報 "ＳＰＩＥ"Ｖｏｌ．８８３（１９８８），ｐｐ．８〜１１ 辻内順平著「ホログラフィー」（１９９７年１１月５日発行、（株）裳華房）、ｐ．５５

このような位相マスク２１の断面形状寸法は、凹溝２６の深さｄが上記のように波長λの露光光２３の位相をπラジアンだけずらせ、かつ、凸条２７の幅ｗと繰り返し周期Λの比ｗ／Λで定義される凸条２７のデューティ比ｆが０．５のときに、０次光成分２５Ａの回折効率が最小になるとされている（スカラー回折理論）。

ところが、繰り返し周期Λの微細化によりその周期Λが波長オーダーになると、０次光成分２５Ａが数％以上透過してしまい、そのため、０次光成分２５Ａが転写の際のノイズとなり、転写した光導波路回折格子の反射スペクトル中にノイズが発生してしまう問題があった。

このような観点から、特許文献１や特許文献２の出願がされているが、位相マスクの屈折率に対する検討は不充分である。

さらに、特に繰り返し周期Λが露光波長λに近付くと、０次光成分２５Ａが０％あるいは数％以下になる解が存在せず、ノイズが多くなって露光ができなくなる問題がある。そこで、特願２００７−８１６５３号では回折格子の屈折率を高屈折率にすることで解の範囲をピッチが小さい方に広げている。

ところが、それでもΛ≦λになると、±１次回折光２５Ｂ、２５Ｃが透過側にあり得ないため、やはり解が存在せず露光ができなくなる問題がある。

その場合、図１４に示すように、位相マスク２１の回折格子と反対側の平坦部を光ファイバー２２に向け、位相マスク２１と光ファイバー２２の間に屈折率マッチング液２８を介在させる液浸配置とし、屈折率マッチング液２８を経て直接に光ファイバー２２に±１次回折光２５Ｂ、２５Ｃを入射させる配置とすることで、繰り返し周期Λを波長λオーダーの微細化をすることが可能になるが、この場合、位相マスク２１の厚みのために透過±1 次回折光２５Ｂ、２５Ｃが離れて、特に回折格子のパターンがある領域の周辺部では干渉が起こらずノイズになる恐れがあったり、位相マスク２１のメリットである位置精度が悪化する問題がある。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、位相マスクの回折格子の繰り返し周期の微細化が可能で、回折されないで透過する０次光成分を極力小さくして、転写した光導波路回折格子の反射スペクトル中にノイズが発生せず高特性のものとする回折格子の作製方法を提供することである。

上記目的を達成する本発明の回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法は、屈折率ｎ₂ の透明基板の１面に格子状の断面略矩形の凹溝と凸条の繰り返しパターンが設けられてなる位相マスクの凹溝と凸条の繰り返しパターン面を感光性材料を対向させて、その間を前記透明基板の屈折率ｎ₂ より小さい屈折率ｎ₁ の液体で充填し、前記位相マスクの前記繰り返しパターン面とは反対側の面から露光光を照射し、前記繰り返しパターン面で回折された±１次回折光の干渉縞を前記感光性材料に露光することで回折格子を作製することを特徴とする方法である。

この場合、前記感光性材料の屈折率をｎ₃ とするとき、ｎ₁ ≦ｎ₃ とすることが望ましい。

そして、前記位相マスクにおいて、ｄ：凹溝の溝深さ、ｗ：凸条の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長とし、ｄ₀ ＝λ／｛２（ｎ₂ −ｎ₁ ）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、
露光光がＳ偏光であり、
0.7518／（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.8432）＋0.2809＜ｎ₁ Λ' ・・・（８）
かつ、
0.3568／｛（ｎ₁ Λ’＋10.41 ）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.068 ）｝＋0.9772≦ｄ／ｄ₀
≦0.09194 ／｛（ｎ₁ Λ' −0.7153）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.045 ）｝＋1.172
・・・（６）
かつ、
−0.1837／｛（ｎ₁ Λ' −0.3755）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.9236）｝＋0.4494≦ｆ
≦−0.1002／｛（ｎ₁ Λ' ＋0.04864 ）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.9982）｝＋0.4908
・・・（７）
の関係を満足すること、あるいは、
露光光がＰ偏光であり、
0.8268／（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.8245）＋0.3412＜ｎ₁ Λ' ・・・（１１）
かつ、
0.8588／｛（ｎ₁ Λ' ＋5.367 ）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.6575）｝＋1.029 ≦ｄ／ｄ₀
≦0.008409／｛（ｎ₁ Λ' −0.8925）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.114 ）｝＋1.265
・・・（９）
かつ、
−0.06819 ／｛（ｎ₁ Λ' −0.8159）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.097 ）｝＋0.4745≦ｆ
≦−0.6729／｛（ｎ₁ Λ' ＋5.405 ）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.8691）｝＋0.5795
・・・（１０）
の関係を満足すること、あるいは、
露光光がランダム偏光であり、
1.0523／（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.7051）＋0.2782＜ｎ₁ Λ' ・・・（１４）
かつ、
0.07986 ／｛（ｎ₁ Λ' ＋0.2861）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.055 ）｝＋1.018 ≦ｄ／ｄ₀
≦0.1272／｛（ｎ₁ Λ' −0.4050）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.4460）｝＋1.145
・・・（１２）
かつ、
−0.09118 ／｛（ｎ₁ Λ' −0.5900）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.8409）｝＋0.4344≦ｆ
≦−0.04597 ／｛（ｎ₁ Λ' −0.5680）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.095 ）｝＋0.5232
・・・（１３）
の関係を満足することが望ましい。

また、前記位相マスクの繰り返し周期をΛ、露光波長をλとするとき、
λ／ｎ₁ ≦Λ ・・・（３）
の関係を満足することが望ましい。

また、前記位相マスクの繰り返し周期をΛ、露光波長をλとするとき、Λ≦λの関係を満足することができる。

また、前記位相マスクにおいて、ｄ：凹溝の溝深さ、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長とし、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、
２πｄ／λ＞｛ｆｎ₂ ＋（１−ｆ）ｎ₁ ｝Λ'² ・・・（５）
の関係を満足することが望ましい。

また、前記透明基板の凹溝と凸条の繰り返しパターン部が酸化金属からなることが望ましい。

その場合に、前記透明基板の凹溝と凸条の繰り返しパターン部がＴｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｌｕ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂の何れかからなることが望ましい。

また、前記透明基板の凹溝と凸条の繰り返しパターン部がＺｎＳ、ＳｉＮ、ＬｕＡＧ、ｃｕｂｉｃ ｃａｒｂｏｎの何れかからなることが望ましい。

本発明は、以上のような回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法により作製されてなる回折格子及び光ファイバーグレーティングを含むものである。

本発明の回折格子作製用位相マスクによると、位相マスクに高屈折率材料を用いて、凹溝と凸条の繰り返しパターンの断面形状が略矩形状で、凹溝と凸条の繰り返しパターンの断面形状寸法が、透過０次光回折効率が最小になるように最適化されてなるので、この回折格子作製用位相マスクに紫外線露光光を照射してその±１次の回折光相互の干渉により光ファイバー等の感光性材料中に所定ピッチの干渉縞の露光を行い、その干渉縞のピッチの屈折率変化を光導波路中に発生させて回折格子を作製することにより、反射スペクトル中にノイズが発生しない高特性の回折格子を作製することができる。そして、凹溝と凸条の繰り返しパターン面と感光性材料の間を透明基板の屈折率より小さい屈折率の液体で充填することで、露光波長以下の微細な周期構造を作製することができ、その際、位相マスクの厚みの影響でノイズが発生したり、位置精度が悪化することがなくなる。

以下、本発明の回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法を説明する。

図２は、本発明の回折格子作製方法の基本配置を示す断面図である。本発明において用いる位相マスク２１は、干渉縞パターン２４（図１）を露光する光ファイバー２２等の感光性材料に対して、相互に平行で断面略矩形の凹溝２６と凸条２７の繰り返しパターン面２９を向けて配置されるものであり、干渉縞パターン２４が露光される光ファイバー２２等の感光性材料と位相マスク２１の繰り返しパターン面２９の間に位相マスク２１の透明基板の屈折率と異なり、感光性材料（図２では光ファイバー２２）の屈折率に近い液体３０で充填し、この状態で位相マスク２１の繰り返しパターン面２９とは反対側の面からＫｒＦエキシマレーザ光等の露光光２３を照射し、凹溝２６と凸条２７の繰り返しパターン面２９を回折されないで透過する０次光２５Ａを５％（繰り返しパターン面２９での０次光の回折効率Ｔ₀ 。位相マスク２１の透明基板の繰り返しパターン面２９とは反対の面での減衰、透明基板内での減衰は含まない。）以下に抑え、繰り返しパターン面２９でプラス１次の回折光２５Ｂとマイナス１次の回折光２５Ｃに分割し、このプラス１次の回折光２５Ｂとマイナス１次の回折光２５Ｃによる所定ピッチの干渉縞の照射を感光性材料（図２では光ファイバー２２）に行い、その中に回折格子を露光して屈折率変化等により回折格子を作製する方法である。

なお、感光性材料（図２では光ファイバー２２）の屈折率ｎ₃ は、±１次回折光２５Ｂ、２５Ｃの回折角が大きい場合に、液体３０と感光性材料２２との界面で全反射しないようにするために、ｎ₁ ≦ｎ₃ とすることが望ましい。その界面から迷光となる反射を防止するには、ｎ₁ ＝ｎ₃ とすることが望ましい。

このように、位相マスク２１の凹溝２６と凸条２７の繰り返しパターン面２９と感光性材料（光ファイバー２２）の間に位相マスク２１の透明基板の屈折率と異なり、感光性材料（光ファイバー２２）の屈折率に近い液体３０を充填することで、位相マスク２１の回折格子（凹溝２６と凸条２７の繰り返しパターン）の繰り返し周期の微細化が可能なことを以下に説明する。

図３は露光光２３が位相マスク２１から液体３０に至る間にプラス１次の回折光２５Ｂとマイナス１次の回折光２５Ｃに回折される様子を示す図であり、液体３０の屈折率をｎ₁ 、位相マスク２１の透明基板の屈折率をｎ₂ 、位相マスク２１の繰り返しパターン面（回折格子）２９の繰り返し周期をΛ、露光光２３の波長をλとするとき、回折の式は次のように表される。

ｎ₁ ｓｉｎθ₁ −ｎ₂ ｓｉｎθ₂ ＝λ／Λ ・・・（１）
ここで、θ₂ は露光光２３の入射角、θ₁ は±１次回折光２５Ｂ、２５Ｃの回折角（何れの位相マスク２１の透明基板の法線が０°）である。θ₂ ＝０の場合、
ｓｉｎθ₁ ＝λ／（ｎ₁ Λ） ・・・（２）
となる。ｓｉｎθ₁ ≦１であるので、
λ／ｎ₁ ≦Λ ・・・（３）
となる。ｎ₁ ≧１であるので、式（３）より、位相マスク２１の回折格子の繰り返し周期Λは液体３０の代わりに空気（ｎ₁ ＝１）も用いるときより１／ｎ₁ だけ小さいものが可能であり、したがって、位相マスク２１を用いて作製可能な回折格子のピッチもその分小さくできる。また、このことからΛ≦λを満足する回折格子を作製することができる。

ところで、±１次回折光２５Ｂ、２５Ｃが回折するためには、位相マスク２１の透明基板の屈折率ｎ₂ と液体３０の屈折率ｎ₁ の間には屈折率差がなければならないが、使用可能な液体３０の屈折率ｎ₁ は実際上あまり大きくないので、
ｎ₂ ＞ｎ₁ ・・・（４）
を満たす高屈折率の透明基板を用いることで、±１次回折光２５Ｂ、２５Ｃの干渉縞を感光性材料（図２では光ファイバー２２）に露光して回折格子を作製することができる。

ところで、図１〜図３に示したようなバイナリー位相型回折格子（位相マスク）２１の各回折次数の回折効率は、ベクトル回折理論（非特許文献１）により厳密に求めることができる。

そこで、露光光２３を位相マスク２１に垂直に入射する場合に０次回折光２５Ａが最小となる位相マスク２１の断面形状を、このベクトル回折理論により求めた。ここで、ｄ：凹溝２６の溝深さ、ｗ：凸条２７の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長、ｎ₂ ：透明基板の屈折率、ｎ₁ ：液体３０の屈折率、ｄ₀ ＝λ／｛２（ｎ₂ −ｎ₁ ）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとする。

バイナリー位相型回折格子には、Ｑ値が定まり、Ｑ＝２πλｄ／（ｎΛ² ）で定義される（非特許文献２）。図１〜図３のような位相マスク２１の場合、平均屈折率ｎ＝ｆｎ₂ ＋（１−ｆ）ｎ₁ となり、Λ’＝Λ／λを代入すると、Ｑ＝（２πｄ／λ）／｛ｆｎ₂ ＋（１−ｆ）ｎ₁ ｝Λ'²と書ける。ここで、Ｑ≦１であると、その回折格子はスカラー回折理論で精度良い回折格子を得ることができるので、本発明ではスカラー回折理論で精度良く対応できないＱ＞１、すなわち、
２πｄ／λ＞｛ｆｎ₂ ＋（１−ｆ）ｎ₁ ｝Λ'² ・・・（５）
を満たすバイナリー位相型回折格子（位相マスク）２１を対象とする。

さて、図４の「元データ」として示したグラフは、露光光２３がＳ偏光の場合の０次回折光２５Ａが最小となるｄ／ｄ₀ をｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’を変数としてとった図であり、また、「最小側包絡面」、「最大側包絡面」として示したグラフは、「元データ」の曲面をそれぞれｄ／ｄ₀ の下側、上側から接して誤差が小さくなるように近似曲面を定めた図である。図４においては、縦軸にｄ／ｄ₀ を、横軸の一方にｎ₂ ／ｎ₁ を、他方にｎ₁ Λ’をとって３次元的に図示してある。

この図４の場合の最小側包絡面と最大側包絡面の間に挟まれるｄ／ｄ₀ の範囲は次の通りである。

0.3568／｛（ｎ₁ Λ’＋10.41 ）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.068 ）｝＋0.9772≦ｄ／ｄ₀
≦0.09194 ／｛（ｎ₁ Λ' −0.7153）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.045 ）｝＋1.172
・・・（６）
となる。

また、図５の「元データ」として示したグラフは、露光光２３がＳ偏光の場合の０次回折光２５Ａが最小となるｆをｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’を変数としてとった図であり、また、「最小側包絡面」、「最大側包絡面」として示したグラフは、「元データ」の曲面をそれぞれｆの下側、上側から接して誤差が小さくなるように近似曲面を定めた図である。図５においては、縦軸にｆを、横軸の一方にｎ₂ ／ｎ₁ を、他方にｎ₁ Λ’をとって３次元的に図示してある。

この図５の場合の最小側包絡面と最大側包絡面の間に挟まれるｆの範囲は次の通りである。

−0.1837／｛（ｎ₁ Λ' −0.3755）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.9236）｝＋0.4494≦ｆ
≦−0.1002／｛（ｎ₁ Λ' ＋0.04864 ）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.9982）｝＋0.4908
・・・（７）
そして、露光光２３がＳ偏光の場合に、０次光２５Ａの強度をｄとｆをパラメータとしてｄ／ｄ₀ ＝１、ｆ＝０．５付近で極小化したＴ₀ が５％以下になるｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’の範囲は、図６に示した曲線の上側になり、その範囲は次の通りである。

0.7518／（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.8432）＋0.2809＜ｎ₁ Λ' ・・・（８）
そして、このＴ₀ ＝０．０５の曲線が横軸ｎ₂ ／ｎ₁ であるｎ₁ Λ’との交点のｎ₂ ／ｎ₁ 座標はｎ₂ ／ｎ₁ ＝１．９となり、液体の屈折率ｎ₁ に対する透明基板の屈折率ｎ₂ の相対屈折率ｎ₂ ／ｎ₁ が１．９より大きいｎ₂ の範囲では、確実に０次光２５Ａの強度Ｔ₀ が５％以下となる。

次に、図７の「元データ」として示したグラフは、露光光２３がＰ偏光の場合の０次回折光２５Ａが最小となるｄ／ｄ₀ をｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’を変数としてとった図であり、また、「最小側包絡面」、「最大側包絡面」として示したグラフは、「元データ」の曲面をそれぞれｄ／ｄ₀ の下側、上側から接して誤差が小さくなるように近似曲面を定めた図である。図７においては、縦軸にｄ／ｄ₀ を、横軸の一方にｎ₂ ／ｎ₁ を、他方にｎ₁ Λ’をとって３次元的に図示してある。

この図７の場合の最小側包絡面と最大側包絡面の間に挟まれるｄ／ｄ₀ の範囲は次の通りである。

0.8588／｛（ｎ₁ Λ' ＋5.367 ）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.6575）｝＋1.029 ≦ｄ／ｄ₀
≦0.008409／｛（ｎ₁ Λ' −0.8925）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.114 ）｝＋1.265
・・・（９）
となる。

また、図８の「元データ」として示したグラフは、露光光２３がＰ偏光の場合の０次回折光２５Ａが最小となるｆをｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’を変数としてとった図であり、また、「最小側包絡面」、「最大側包絡面」として示したグラフは、「元データ」の曲面をそれぞれｆの下側、上側から接して誤差が小さくなるように近似曲面を定めた図である。図８においては、縦軸にｆを、横軸の一方にｎ₂ ／ｎ₁ を、他方にｎ₁ Λ’をとって３次元的に図示してある。

この図８の場合の最小側包絡面と最大側包絡面の間に挟まれるｆの範囲は次の通りである。

−0.06819 ／｛（ｎ₁ Λ' −0.8159）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.097 ）｝＋0.4745≦ｆ
≦−0.6729／｛（ｎ₁ Λ' ＋5.405 ）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.8691）｝＋0.5795
・・・（１０）
そして、露光光２３がＰ偏光の場合に、０次光２５Ａの強度をｄとｆをパラメータとしてｄ／ｄ₀ ＝１、ｆ＝０．５付近で極小化したＴ₀ が５％以下になるｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’の範囲は、図９に示した曲線の上側になり、その範囲は次の通りである。

0.8268／（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.8245）＋0.3412＜ｎ₁ Λ' ・・・（１１）
そして、このＴ₀ ＝０．０５の曲線が横軸ｎ₂ ／ｎ₁ であるｎ₁ Λ’との交点のｎ₂ ／ｎ₁ 座標はｎ₂ ／ｎ₁ ＝２．１となり、液体の屈折率ｎ₁ に対する透明基板の屈折率ｎ₂ の相対屈折率ｎ₂ ／ｎ₁ が２．１より大きいｎ₂ の範囲では、確実に０次光２５Ａの強度Ｔ₀ が５％以下となる。

さらに、図１０の「元データ」として示したグラフは、露光光２３がランダム偏光の場合の０次回折光２５Ａが最小となるｄ／ｄ₀ をｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’を変数としてとった図であり、また、「最小側包絡面」、「最大側包絡面」として示したグラフは、「元データ」の曲面をそれぞれｄ／ｄ₀ の下側、上側から接して誤差が小さくなるように近似曲面を定めた図である。図１０においては、縦軸にｄ／ｄ₀ を、横軸の一方にｎ₂ ／ｎ₁ を、他方にｎ₁ Λ’をとって３次元的に図示してある。

この図１０の場合の最小側包絡面と最大側包絡面の間に挟まれるｄ／ｄ₀ の範囲は次の通りである。

0.07986 ／｛（ｎ₁ Λ' ＋0.2861）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.055 ）｝＋1.018 ≦ｄ／ｄ₀
≦0.1272／｛（ｎ₁ Λ' −0.4050）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.4460）｝＋1.145
・・・（１２）
となる。

また、図１１の「元データ」として示したグラフは、露光光２３がランダム偏光の場合の０次回折光２５Ａが最小となるｆをｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’を変数としてとった図であり、また、「最小側包絡面」、「最大側包絡面」として示したグラフは、「元データ」の曲面をそれぞれｆの下側、上側から接して誤差が小さくなるように近似曲面を定めた図である。図１１においては、縦軸にｆを、横軸の一方にｎ₂ ／ｎ₁ を、他方にｎ₁ Λ’をとって３次元的に図示してある。

この図１１の場合の最小側包絡面と最大側包絡面の間に挟まれるｆの範囲は次の通りである。

−0.09118 ／｛（ｎ₁ Λ' −0.5900）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.8409）｝＋0.4344≦ｆ
≦−0.04597 ／｛（ｎ₁ Λ' −0.5680）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.095 ）｝＋0.5232
・・・（１３）
そして、露光光２３がランダム偏光の場合に、０次光２５Ａの強度をｄとｆをパラメータとしてｄ／ｄ₀ ＝１、ｆ＝０．５付近で極小化したＴ₀ が５％以下になるｎ₂ とΛ’の範囲は、図１２に示した曲線の上側になり、その範囲は次の通りである。

1.0523／（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.7051）＋0.2782＜ｎ₁ Λ' ・・・（１４）
そして、このＴ₀ ＝０．０５の曲線が横軸ｎ₂ ／ｎ₁ であるｎ₁ Λ’との交点のｎ₂ ／ｎ₁ 座標はｎ₂ ／ｎ₁ ＝２．１５となり、液体の屈折率ｎ₁ に対する透明基板の屈折率ｎ₂ の相対屈折率ｎ₂ ／ｎ₁ が２．１５より大きいｎ₂ の範囲では、確実に０次光２５Ａの強度Ｔ₀ が５％以下となる。

なお、以上の式（６）、（７）、（９）、（１０）、（１２）、（１３）の最小側包絡面と最大側包絡面について、ｄ／ｄ₀ やｆはデータからｎ₁ Λ' が大きいときや、ｎ₂ ／ｎ₁ が大きいときにスカラー理論のｄ／ｄ₀ ＝１あるいはｆ＝０．５に近づくことから、ｎ₁ Λ' −ｄ／ｄ₀ 及びｎ₂ ／ｎ₁ −ｄ／ｄ₀ 面に平行な断面、あるいは、ｎ₁ Λ' −ｆ及びｎ₂ ／ｎ₁ −ｆ面に平行な断面が双曲線である以下の関数形を用いた。ここで、ｆ₀ は０．５付近、Ｄ₀ は１付近（何れもスカラー理論に漸近するため）、Λ'₀は１付近（回折１次光が生じなくなるため）、ｎ₂₀は１付近（屈折率差がなくなり回折しなくなるため）で最適化した。

ｄ／ｄ₀ ＝Ｃ／｛（ｎ₁ Λ' −Λ'₀）（ｎ₂ ／ｎ₁ −ｎ₂₀）｝＋Ｄ₀
ｆ＝ｆ₀ −Ｃ／｛（ｎ₁ Λ' −Λ'₀）（ｎ₂ ／ｎ₁ −ｎ₂₀）｝
なお、以上の式（６）、（７）、（９）、（１０）、（１２）、（１３）においては、「元データ」の曲面は多少のうねりがあるため、ｄ／ｄ₀ 及びｆの最大側及び最小側の包絡曲面で範囲を持たせて決定している。

なお、位相マスク２１の以上の屈折率ｎ₂ の条件を満たす材料については、露光波長に対して吸収があまりないことが必要で、その屈折率は波長にもよるが、可視光に対しては〜２．６付近以上、紫外線に対しては〜６．３付近もある。そして、例えば酸化金属（ＴｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｌｕ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂等）やＺｎＳ、ＳｉＮ、ＬｕＡＧ、ｃｕｂｉｃ ｃａｒｂｏｎ等が高い側になり、本発明による位相マスク２１の透明基板として使用できる。

ちなみに、屈折率は、例えばλ＝２００ｎｍ付近においてＴｉＯ₂ は６．３６、ＺｎＳは５．６０、ｃｕｂｉｃ ｃａｒｂｏｎは２．９４（ただし、消衰係数ｋ＝０．０１）、ＳｉＮは２．５３（ただし、消衰係数ｋ＝０．０９３）、ＬｕＡＧは２．１、Ｌｕ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂は２．０４、Ａｌ₂ Ｏ₃ は１．８３、λ＝３２０ｎｍ付近においてＩＴＯは２．３２、λ＞７００ｎｍの赤外においてＳｉは約３．６等である。

また、液浸用の高屈折率液体の例としては、λ＝１９３ｎｍにおいて１．６４（ＪＳＲ社；http://www.jsr.co.jp/rd/pdf/tec113-1.pdf）のものがある。

以下に、本発明の条件（式（５）〜（１４））を満足する液体の屈折率ｎ₁ に対する位相マスクの屈折率ｎ₂ 、デューティ比ｆ、規格化周期Λ’、規格化深さｄ／ｄ₀ 、０次光の回折効率Ｔ₀ の組の実施例と、本発明の範囲に含まれない（液体を用いない）比較例を、露光光がＳ偏光の場合、Ｐ偏光の場合、ランダム偏光の場合について、それぞれ以下の表１、表２、表３に示す。

ところで、本発明の回折格子作製方法において用いる位相マスク２１は、図１３（ａ）に断面を示すように、単一の高屈折率透明材料１１を用いたバイナリー位相型回折格子状の構造をものであってもよく、あるいは、図１３（ｂ）に断面を示すように、透明基板１２の一方の表面にそのような単一の高屈折率透明材料１１を用いたバイナリー位相型回折格子状の構造を構成したものでもよく、さらには、図１３（ｃ）に断面を示すように、図１３（ａ）のような単一の高屈折率透明材料１１を用いたバイナリー位相型回折格子状の構造の凹溝２６と凸条２７の繰り返しパターン面２９に基板と異なる屈折率の被覆層１３を設けた構成のものでもよい。

なお、本発明における回折格子作製用位相マスクは、例えば特許文献１に開示された方法と同様の方法で作製することができる。

以上、本発明の回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。

位相マスクを用いて光ファイバーに回折格子を作製する方法を説明するための図である。 本発明の回折格子作製方法の基本配置を示す断面図である。 露光光が位相マスクから液体に至る間に±１次回折光に回折される様子を示す図である。 露光光がＳ偏光の場合の０次回折光が最小となるｄ／ｄ₀ をｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’を変数としてとった図である。 露光光がＳ偏光の場合の０次回折光が最小となるｆをｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’を変数としてとった図である。 露光光がＳ偏光の場合に０次回折光の強度が５％以下になるｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’の範囲を示す図である。 露光光がＰ偏光の場合の０次回折光が最小となるｄ／ｄ₀ をｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’を変数としてとった図である。 露光光がＰ偏光の場合の０次回折光が最小となるｆをｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’を変数としてとった図である。 露光光がＰ偏光の場合に０次回折光の強度が５％以下になるｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’の範囲を示す図である。 露光光がランダム偏光の場合の０次回折光が最小となるｄ／ｄ₀ をｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’を変数としてとった図である。 露光光がランダム偏光の場合の０次回折光が最小となるｆをｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’を変数としてとった図である。 露光光がランダム偏光の場合に０次回折光の強度が５％以下になるｎ₂ ／ｎ₁ とｎ₁ Λ’の範囲を示す図である。 本発明の回折格子作製方法において利用可能な位相マスクの断面構造を示す図である。 位相マスクと光ファイバーの間に屈折率マッチング液を介在させる液浸配置を説明するための図である。

符号の説明

１１…高屈折率透明材料
１２…透明基板
１３…被覆層
２１…位相マスク
２３…エキシマレーザ光（露光光）
２２…光ファイバー（感光性材料）
２２Ａ…コア
２４…干渉縞パターン
２５Ａ…０次光
２５Ｂ…プラス１次回折光
２５Ｃ…マイナス１次回折光
２６…凹溝
２７…凸条
２８…屈折率マッチング液
２９…繰り返しパターン面
３０…液体

Claims (12)

1. 屈折率ｎ ₂ の透明基板の１面に格子状の断面略矩形の凹溝と凸条の繰り返しパターンが設けられてなる位相マスクの凹溝と凸条の繰り返しパターン面を感光性材料を対向させて、その間を前記透明基板の屈折率ｎ ₂ より小さい屈折率ｎ ₁ の液体で充填し、前記位相マスクの前記繰り返しパターン面とは反対側の面から露光光を照射し、前記繰り返しパターン面で回折された±１次回折光の干渉縞を前記感光性材料に露光することで回折格子を作製する回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法において、
   前記位相マスクが、ｄ：凹溝の溝深さ、ｗ：凸条の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長とし、ｄ₀ ＝λ／｛２（ｎ₂ −ｎ₁ ）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、
   露光光がＳ偏光であり、
   0.7518／（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.8432）＋0.2809＜ｎ₁ Λ' ・・・（８）
   かつ、
   0.3568／｛（ｎ₁ Λ’＋10.41 ）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.068 ）｝＋0.9772≦ｄ／ｄ₀
   ≦0.09194 ／｛（ｎ₁ Λ' −0.7153）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.045 ）｝＋1.172
   ・・・（６）
   かつ、
   −0.1837／｛（ｎ₁ Λ' −0.3755）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.9236）｝＋0.4494≦ｆ
   ≦−0.1002／｛（ｎ₁ Λ' ＋0.04864 ）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.9982）｝＋0.4908
   ・・・（７）
   の関係を満足することを特徴とする回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法。
2. 屈折率ｎ ₂ の透明基板の１面に格子状の断面略矩形の凹溝と凸条の繰り返しパターンが設けられてなる位相マスクの凹溝と凸条の繰り返しパターン面を感光性材料を対向させて、その間を前記透明基板の屈折率ｎ ₂ より小さい屈折率ｎ ₁ の液体で充填し、前記位相マスクの前記繰り返しパターン面とは反対側の面から露光光を照射し、前記繰り返しパターン面で回折された±１次回折光の干渉縞を前記感光性材料に露光することで回折格子を作製する回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法において、
   前記位相マスクが、ｄ：凹溝の溝深さ、ｗ：凸条の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長とし、ｄ₀ ＝λ／｛２（ｎ₂ −ｎ₁ ）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、
   露光光がＰ偏光であり、
   0.8268／（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.8245）＋0.3412＜ｎ₁ Λ' ・・・（１１）
   かつ、
   0.8588／｛（ｎ₁ Λ' ＋5.367 ）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.6575）｝＋1.029 ≦ｄ／ｄ₀
   ≦0.008409／｛（ｎ₁ Λ' −0.8925）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.114 ）｝＋1.265
   ・・・（９）
   かつ、
   −0.06819 ／｛（ｎ₁ Λ' −0.8159）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.097 ）｝＋0.4745≦ｆ
   ≦−0.6729／｛（ｎ₁ Λ' ＋5.405 ）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.8691）｝＋0.5795
   ・・・（１０）
   の関係を満足することを特徴とする回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法。
3. 屈折率ｎ ₂ の透明基板の１面に格子状の断面略矩形の凹溝と凸条の繰り返しパターンが設けられてなる位相マスクの凹溝と凸条の繰り返しパターン面を感光性材料を対向させて、その間を前記透明基板の屈折率ｎ ₂ より小さい屈折率ｎ ₁ の液体で充填し、前記位相マスクの前記繰り返しパターン面とは反対側の面から露光光を照射し、前記繰り返しパターン面で回折された±１次回折光の干渉縞を前記感光性材料に露光することで回折格子を作製する回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法において、
   前記位相マスクが、ｄ：凹溝の溝深さ、ｗ：凸条の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長とし、ｄ₀ ＝λ／｛２（ｎ₂ −ｎ₁ ）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、
   露光光がランダム偏光であり、
   1.0523／（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.7051）＋0.2782＜ｎ₁ Λ' ・・・（１４）
   かつ、
   0.07986 ／｛（ｎ₁ Λ' ＋0.2861）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.055 ）｝＋1.018 ≦ｄ／ｄ₀
   ≦0.1272／｛（ｎ₁ Λ' −0.4050）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.4460）｝＋1.145
   ・・・（１２）
   かつ、
   −0.09118 ／｛（ｎ₁ Λ' −0.5900）（ｎ₂ ／ｎ₁ −0.8409）｝＋0.4344≦ｆ
   ≦−0.04597 ／｛（ｎ₁ Λ' −0.5680）（ｎ₂ ／ｎ₁ −1.095 ）｝＋0.5232
   ・・・（１３）
   の関係を満足することを特徴とする回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法。
4. 前記感光性材料の屈折率をｎ₃ とするとき、ｎ₁ ≦ｎ₃ とすることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法。
   
5. 前記位相マスクの繰り返し周期をΛ、露光波長をλとするとき、
   λ／ｎ₁ ≦Λ ・・・（３）
   の関係を満足することを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法。
6. 前記位相マスクの繰り返し周期をΛ、露光波長をλとするとき、Λ≦λの関係を満足することを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法。
7. 前記位相マスクにおいて、ｄ：凹溝の溝深さ、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長とし、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、
   ２πｄ／λ＞｛ｆｎ₂ ＋（１−ｆ）ｎ₁ ｝Λ'² ・・・（５）
   の関係を満足することを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法。
8. 前記透明基板の凹溝と凸条の繰り返しパターン部が酸化金属からなることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法。
9. 前記透明基板の凹溝と凸条の繰り返しパターン部がＴｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｌｕ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂の何れかからなることを特徴とする請求項８記載の回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法。
10. 前記透明基板の凹溝と凸条の繰り返しパターン部がＺｎＳ、ＳｉＮ、ＬｕＡＧ、ｃｕｂｉｃ ｃａｒｂｏｎの何れかからなることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法。
11. 請求項１から１０の何れか１項記載の回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法により作製されてなることを特徴とする回折格子。
12. 請求項１から１０の何れか１項記載の回折格子作製用位相マスクを用いた回折格子作製方法により作製されてなることを特徴とする光ファイバーグレーティング。

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