JP6455933B2 - 回折光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は光信号をスペクトル分析（分光）する際に用いられる回折光学素子およびその製造方法に関する。

回折光学素子は光信号をその波長に応じてスペクトル分解（分光）するデバイス（波長分散素子）であり、分光計測や光通信など幅広い分野で用いられている。

回折光学素子の性能は波長分解能で与えられ、光信号に含まれる波長成分をいかに精細に分解して計測、制御できるかで表現される。波長分解能は、デバイスの面積の逆数と分散性能の積で与えられることが知られている。

このような回折光学素子の構造としては、光の波長と同程度の周期構造を形成したブレーズドグレーティングやホログラフィックグレーティングが一般的に使用されているが、近年、光導波路をもちいた回折光学素子として、ブラッグ反射鏡導波路（ＢＲＷ：Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）回折光学素子などの導波型の回折光学素子が提案されており、大きな分散性能を得ることができることが示されている。すなわち、ＢＲＷ型の回折光学素子は高い波長分解能を持つ回折光学素子として、その実用化が期待されている。

ＢＲＷ型の回折光学素子は、基板上に形成された光導波路（コア）の上下面に多層構造のブラッグ反射鏡をもつ基本構造を有する。

（ＢＲＷ型回折光学素子の原理）
非特許文献１によれば、ＢＲＷ型の回折光学素子は以下の原理で動作する。

すなわち、ＢＲＷ回折光学素子が形成された基板面に対して、光導波路の一端からある特定の斜めの角度で光信号をＢＲＷに入射すると、光信号は上下面のブラッグ反射鏡により反射を繰り返しつつ光導波路を伝搬する。光信号が光導波路を伝搬するに従って、ブラッグ反射鏡の反射率が小さい光導波路の上面より光信号が漏れて出射されるが、その出力量は上面に設置されたブラッグ反射鏡の透過率に依存し、出射位置は光信号の主光線が上面のブラッグ反射鏡に着弾する位置によって決まる光導波路上の離散的な点列となる。

これらの離散的な複数の出射位置は、光導波路上にリニアアレイを構成する波源となり、全体として出射光のビームを形成する。

ＢＲＷ型の回折光学素子においては、出力される光信号は、その波長によって自由空間における伝搬方向が異なり、波長に応じて形成される出射光ビームの方向が異なることによって波長分散機能を実現する。この際、光導波路から出力される離散的な点光源の列の空間長を長く取ることによって、特定波長で見たときの出射光のビーム形状を絞ることができ、非常に高い分散能を実現できる。

X. Gu，T. Shimada，A. Matsutani，F. Koyama，"Miniature Nonmechanical Beam Deflector Based on Bragg Reflector Waveguide With a Number of Resolution Points Larger Than 1000"，IEEE Photonics Journal，Volume 4，Number 5，pp. 1712-1719，October 2012

しかしながら上述のＢＲＷ型の回折光学素子においては、リニアアレイを構成する複数の波源それぞれから空間に出力される光信号の強度が、光導波路の伝播方向に向かって指数関数的に減少するという問題を生じていた。

すなわち、空間に出力される光信号の強度は、上部ブラッグ反射鏡の透過率と、導波路を伝搬する光信号のその位置における強度の積に比例するため、光信号が導波路を伝搬するに従って上方に出射（漏出）した分だけ光導波路を伝搬する光信号の強度が減衰し、結果として光導波路上の複数の波源それぞれから上方空間に出力される光信号の空間強度分布は、光導波路の伝搬方向に向かって減少する指数関数で重み付けされたものとなる。

このような指数関数状の強度分布は、リニアアレイとしてのビームパターンを変形させるから、回折光学素子としての波長分解能を劣化させる。たとえば、集光レンズを介して角度分散をもつＢＲＷ素子からの出力電界分布を位置分散に変換する際に、ＢＲＷ素子出力直後の電界分布を反映したスペクトル分布となるため、隣接した波長位置に長い裾を引く強度分布となり、波長分解能の劣化のみならず、例えば隣接波長チャネルとの間に漏話を生じるという問題を生じていた。

本発明は、ＢＲＷ型回折光学素子における上述の問題を解決するためになされたものであり、高分解能かつ低漏話な回折光学素子を提供するものである。

本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。

（発明の構成１）
被分析対象である光信号が、光ファイバを介して光導波路に対し所定の角度を持って入力される基板上に形成された光導波路型の回折光学素子であって、
光導波路のコア層の上面および下面には上部ブラッグ反射鏡および下部ブラッグ反射鏡が設置され、
前記上部ブラッグ反射鏡は、光信号の伝搬方向に向かって光信号の上方空間への透過率が変化する反射構造部を有し、
前記反射構造部は、光信号の伝搬方向に向かってブラッグ反射鏡の多層構造を構成する層の層数または層のペアのペア数が変化する構造を有する
ことを特徴とする回折光学素子。

（発明の構成２）
前記光導波路の層構造を構成する材料系は、使用波長における屈折率の異なる少なくとも２種類の材料から選択された３つの材料を含み、
第１の材料が前記光導波路の前記コア層に用いられ、
前記上部ブラッグ反射鏡および前記下部ブラッグ反射鏡の多層構造において、
前記コア層に隣接する層を構成する第２の材料は、前記第１の材料と屈折率が異なるものが選択され、
前記コア層に隣接しない層を構成する第３の材料は、前記第１の材料と同じ種類であっても良い前記第２の材料と異なる屈折率を有する材料が選択される
ことを特徴とする発明の構成１記載の回折光学素子。

（発明の構成３）
基板の上に形成された光導波路のコア層の上面および下面に上部ブラッグ反射鏡および下部ブラッグ反射鏡が設置された光導波路型の回折光学素子であり、被分析対象である光信号が、光ファイバを介して前記光導波路に対し所定の角度を持って入力される、所望の透過率分布を有するブラッグ反射鏡光導波路型の回折光学素子の製造方法であって、
前記所望の透過率分布を実現するための前記上部ブラッグ反射鏡の光伝搬方向における層数またはペア数の変化を、
前記回折光学素子の波長範囲、波長分解能および単色光に対するスペクトル形状を決定する第１手順と、
前記第１手順で決定した波長範囲、波長分解能および単色光に対するスペクトル形状から、前記回折光学素子からの出力直後の光電界の分布を決定する第２手順と、
前記回折光学素子の層構造として、前記光導波路の層構造を構成する材料系と使用波長範囲を制約条件として、前記上部ブラッグ反射鏡の層および前記光導波路のコア層の厚みを決める第３手順と、
前記第３手順で決定した層構造に対して、前記上部ブラッグ反射鏡の前記層数またはペア数と透過率の関係を導出する第４手順と、
前記第４手順で導出した前記層数またはペア数と透過率の関係から、前記第２手順で決定した前記光電界の分布を実現する前記上部ブラッグ反射鏡の前記層数またはペア数の伝搬方向に対する分布を決定する第５手順と
で決定し、
前記基板の上に前記下部ブラッグ反射鏡、前記コア層をこの順で形成後、前記上部ブラッグ反射鏡に必要となる最大の均一の層数またはペア数で多層構造を成膜し、
前記多層構造の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりパターン化し、パターン化したレジストをマスクとして前記多層構造を１層分または１ペア分エッチングして除去した後、使用したレジストを除去する工程を、エッチングにより除去する領域を拡大しながら、前記上部ブラッグ反射鏡の所望の前記層数またはペア数の変化パターンが得られるまで繰り返して行い、前記所望の透過率分布を有する上部ブラッグ反射鏡を形成する
ことを特徴とする回折光学素子の製造方法。

本発明によれば、光導波路型の回折光学素子の光導波路コアの上部に、光信号の伝搬方向に向かって光信号の上方空間への透過率が変化する反射構造部を設けることによって、従来の回折光学素子では得られなかった、非常に高い分散を保ちつつ、波長分解能に優れた回折光学素子の実現が可能になる。

本発明の実施形態１にかかる回折光学素子の側面図と上面図である。 本発明の実施形態１にかかる回折光学素子の光導波路の詳細を説明する図である。 本発明の実施形態１にかかる回折光学素子の光導波路の層構造の例を示す図である。 ブラッグ反射鏡の透過率Ｔとブラッグ反射鏡ペア数の関係を示す図である。 本発明の実施形態２にかかる回折光学素子の設計方法の工程を示す図である。 本発明の実施形態３にかかる回折光学素子の側面図である。 本発明の実施形態３にかかる上部ブラッグ反射鏡の透過率分布を説明する図である。 本発明の実施形態３のブラッグ反射鏡型回折光学素子の製造方法のプロセス工程を示す図である。 本発明の上部ブラッグ反射鏡のペア数（層数）パターンを決定する方法を説明する図である。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１にかかる回折光学素子１０の概略を示す図である。

図１には、回折光学素子１０の側面図１（ａ）と上面図１（ｂ）が示される。

本発明に開示される回折光学素子１０は、光導波路基板１上に設置された光導波路２からなる。光導波路２には、被分析対象である光信号が、光ファイバ３を介して光導波路２に対し所定の角度を持って入力される。光導波路２は、図２に詳述するように光導波路２のコア層１１と、その下面の下部ブラッグ反射鏡１３と、上面の上部ブラッグ反射鏡１２からなる多層構造を有する。

側面図１（ａ）には、本発明の回折光学素子１０に加えてレンズ４とその結像面５を示した。前述のように、左の光ファイバ３より光導波路２に対し所定の角度を持って入力された光信号が、回折光学素子１０の光導波路２内を反射を繰り返しながらｚ軸方向に伝搬するに従って、光導波路面から暫時光信号の一部（６ａ、６ｂ）が出力される。光信号が出力される際に、その出力方向（ｙ−ｚ面内でｚ軸と光信号の伝搬方向がなす角）は、光信号の波長によって変化する。

したがって、光導波路２からｙ方向にｆの距離に設置された焦点距離ｆを有するレンズ４により、光導波路２の上面から出力された光信号６は結像面５に結像され、波長分波機能が実現される。

たとえば、ある波長λを有する光信号は実線６ａの方向に出力され、結像面５上の点７ａに結像され、また、λよりも長波の光信号は点線６ｂの方向に出力され、結像面５上の点７ｂに結像される。

（光導波路の詳細）
図２は、図１における光導波路２の詳細を説明する図である。図２に示されるように、光導波路２は、光信号が伝搬するコア層１１と、その下面に設置された多層構造の下部ブラッグ反射鏡１３と、上面に設置された多層構造の上部ブラッグ反射鏡１２からなる。

図２の左上部からエッチングされた薄い上部ブラッグ反射鏡１２を介してコア層１１に入射された光信号は、ブラッグ反射鏡１２，１３間で反射を繰り返しながらz方向右に伝搬するに伴って、相対的に層数の少ない上部ブラッグ反射鏡１２側から徐々に上方に出力される。この際、コア層１１の下面の下部ブラッグ反射鏡１３の反射率は１００％が設定されるため、光信号は反射されブラッグ反射鏡１３側には出力されない。

一方、上面側の上部ブラッグ反射鏡１２は、図２に示すように光の伝搬方向に向かって層数が変化する構造とすることによって、上方空間への光信号の透過率（ほぼ、１−反射率に等しい）が変化する反射構造部とすることができる。すなわち、図２に示されるように、光の伝搬方向に従って上部ブラッグ反射鏡の層数が変化する。この層数の変化の分布（パターン）を、後述する方法を適用して設計することにより、光導波路２の上面から出力される光信号の強度を光導波路２の伝搬方向に沿って任意に調整することができる。

（光導波路の層構造）
図３の上図は、光導波路２の層構造の一例を示す断面図である。

図３の下表に例示するように、光導波路２のブラッグ反射鏡の層構造を構成する３つの材料は、使用波長における屈折率の異なる少なくとも２種類の材料から選択され、各層の厚みとともに回折光学素子の使用波長帯域によって決定される。

図３の上図に図示の様に、材料１が光導波路のコア１１として用いられ、上下のブラッグ反射鏡１２，１３では材料２の層と材料３の層の繰り返しにより多層構造が構成されている。コア層１１に隣接しない層を構成する材料３は材料1と同じであっても良く、コア層１１に隣接する層を構成する材料２の屈折率は、材料１の屈折率と異なるものが選択される。

図３の下表に挙げるように、材料１〜３の組み合わせ例としては、
（例１）ＳｉＯ₂，Ｓｉ，ＳｉＯ₂、
（例２）空気（ａｉｒ），Ｓｉ，ＳｉＯ₂、
（例３）Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ，ＧａＡｓ，Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ、
（例４）空気（ａｉｒ），ＧａＡｓ，Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ、
（例５）ＳｉＯ₂，ＧａＡｓ、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ
（例６）ＳｉＯ₂，Ｔａ₂Ｏ₅，ＳｉＯ₂
（例７）ＳｉＯ₂，ＬｉＮｂＯ₃，ＳｉＯ₂
などが挙げられるが、層構造としてはここに挙げたものに限られなく、ブラッグ反射鏡として十分な反射率を得ることができるように、その多層構造が実現されればよい。

図４は、ブラッグ反射鏡の透過率Ｔとブラッグ反射鏡ペア数の関係である。ここでペアとは、図３上図のブラッグ反射鏡１２，１３を構成する多層構造において、屈折率の異なる材料２および３の隣接する２層を１対の組としたペアを意味し、ペア数が多いほどブラッグ反射鏡としての反射率は１に近づき、逆に透過率は低下する。

たとえば、下部ブラッグ反射鏡１３としてペア数を４０とすると、下部ブラッグ反射鏡全体として、透過率を０．０００１以下（この場合、反射率は１００％−０．０１％＝９９．９９％が得られる）と設定することができ、下部ブラッグ反射鏡１３より下側には光を放射させずに、光導波路の伝搬方向斜めに反射を繰り返し回折格子を機能させることが可能になる。

また、上部ブラッグ反射鏡１２は、後述する方法にて、その層数を例えば１０層から２０層程度で光導波路の伝搬方向に変化することで所望の透過率分布を得ることができ、層数の位置分布にパターンを持たせて形成すれば、光導波路の伝搬方向斜めに反射を繰り返すとともに、回折格子上方に所望の出射光のビーム形状を構成する光電界分布を形成することができる。

（実施形態２）
実施形態１で説明した光導波路２から出力される光信号の強度の設定は、図５に示す以下の設計手順に従って上部ブラッグ反射鏡１２のペア数を決定することで実現される。

すなわち、図５の第一の工程Ｓ５０１として、求められる回折光学素子の使用波長範囲および波長分解能を決定する。また、波長分解能が決まれば、回折光学素子の有効素子長が決定される。加えて、単色光を回折光学素子に入力したときの結像面５における光信号強度分布（スペクトル形状）、すなわち波長分解スポット（集光スポット）形状を決定する。

第二の工程Ｓ５０２では、第一の工程で決定した波長範囲、波長分解スポットの大きさ（分解能）および集光スポットの形状（単色光に対するスペクトル形状）から、光導波路２出力直後の光電界分布を決定する。決定にあたっては、集光スポット形状における光電界分布をビーム伝搬法などで逆伝搬させることで求めてもよいし、2f系のレンズ系であれば、集光スポット形状における光電界分布をフーリエ変換することで決定してもかまわない。

第三の工程Ｓ５０３では、第一の工程で決定した使用波長範囲をもとに図３に述べたような導波路の層構造を構成する材料系を決定する。たとえば、１．５ミクロン帯の通信波長帯が使用波長範囲であれば、Ｓｉ／ＳｉＯ₂による多層構造とすることで低損失な導波路が実現できる。使用波長範囲が可視光帯であれば、ニオブ酸リチウム結晶とＳｉＯ₂の多層構造などを用いてもよい。

また、材料系の決定に伴って屈折率が決まり、材料系と使用波長範囲を制約条件として、上部ブラッグ反射鏡の層および前記光導波路コアの厚みも定まり、光導波路の層構造が決定されることとなる。

第四の工程Ｓ５０４では、第三の工程で決定した層構造に対して、図４に示したようなブラッグ反射鏡ペア数と透過率（反射率）の関係を求める。

第五の工程Ｓ５０５では、第四の工程で決定した、ブラッグ反射鏡ペア数と透過率の関係と、第二の工程で決定した光電界分布を対照して、光導波路層２の光の伝搬方向の上部ブラッグ反射鏡の層数またはペア数の位置分布（パターン）を決定する。

連続的な光電界分布を実現するための透過率分布も連続的なものとなるから、これを実現するための理想的なブラッグ反射鏡ペア分布も連続的な曲線となるが、実現可能な上部ブラッグ反射鏡の層数またはペア数それ自体は整数値であるから、後述（図９）の手法により量子化してパターン化し、後述（図８）のような製造プロセスで製造する。

図５に示した工程はこの順に限るものではなく、たとえば各種材料系に対して第三の工程から第四の工程を予め実施しておき、その後、第一の工程から第二の工程で回折光学素子の仕様（波長範囲、分解能）が決定されるに応じて、第五の工程をおこなってもよい。

以下の実施形態３では、光導波路２から出力される光電界の決定の詳細について説明する。

（実施形態３）
本実施形態３では、一般的な回折光学素子に要求される波長分解スポットの形状であるガウス関数形状を実現する例について説明する。図６は本実施形態３にかかる回折光学素子の側面図である。

たとえば、図６に示すように、結像面５における集光スポットの形状をガウス分布２２とする場合には、ガウス分布のフーリエ変換もまたガウス分布であることより、回折光学素子から出力される光信号の強度分布もガウス分布２１とするのが適切である。

図７は、回折光学素子から出力される光信号の伝搬方向に渡る強度分布をガウス分布２３（図６の２１に対応）とする際に必要となる、上部ブラッグ反射鏡１２の光信号の透過率分布２４を示す図である。またその際にコア層１１に閉じ込められる光信号強度の伝搬方向に渡る分布２５も同時に示した。

図７において、左端より回折光学素子に入力された光は、光導波路２を右方向へ伝搬するにつれて上方へ漏出、出力され、光導波路２を伝播する光信号強度は減衰して分布２５を形成する。

したがって、回折光学素子から出力される光信号の強度分布をガウス分布２３とするためには、光信号強度２５が減衰した図７の右側の部分において上部ブラッグ反射鏡１２の透過率を高めた、透過率分布２４のような形状とする必要がある。

すなわち、分布２４となる透過率を実現する上部ブラッグ反射鏡１２をコア層１１上に装荷することで、出力光信号の強度分布を分布２３に示される所望のガウス状の分布とすることができる。

なお、図７において、ガウス分布２３、透過率分布２４はそのピークを１に、伝搬方向に渡る光信号強度の分布２５は左端の伝搬距離０の入力点を１となるように正規化して表現してある。

上部ブラッグ反射鏡１２の層数（ペア数）は、図７の透過率分布２４をもとに、図４の透過率とペア数の関係を参照して決定すればよい。

（実施形態３のブラッグ反射鏡型回折光学素子の製造方法）
図７の分布２４のような透過率分布を有するブラッグ反射鏡型回折光学素子を得るためには、実施形態２で示した図４をもとに、図８に示すような製造方法のプロセス工程で上部ブラッグ反射鏡１２のペア数（層数）を透過率分布にあわせて変えるようにパターン形成すればよい。

すなわち、まず、図８（ａ）に示す第一の工程において、基板１４上に下部ブラッグ反射鏡１３、コア層１１をこの順で形成した後、その上に上部ブラッグ反射鏡１２を必要となる最大の均一のペア数（層数）で成膜する。たとえば、図３の例１に示したＳｉＯ₂／Ｓｉ／ＳｉＯ₂を材料系とする場合は、スパッタリングで成膜すればよい。

図８（ｂ）の第二の工程では、第一の工程で成膜した上部ブラッグ反射鏡１２上にレジスト３１を塗布する。

図８（ｃ）の第三の工程では、第二の工程で塗布したレジスト３１をフォトリソグラフィによりパターン化する。この際、最終的に上部ブラッグ反射鏡の層数が最も少なくなる領域を、次の工程で１層分（１ペア分）除去できるようにパターン化するのが好ましい。

図８（ｄ）の第四の工程では、第三の工程でパターン化したレジスト層３１をマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）もしくはイオンミリング等で、上部ブラッグ反射鏡１２をエッチングして、層数（ペア数）が最も少なくなる領域の最上層を１層分（１ペア分）除去する。

ＳｉＯ₂／Ｓｉ／ＳｉＯ₂の材料系において、ＲＩＥを用いてパターン形成する場合は、ＳｉＯ₂のエッチングにはＣＦ系のガスを、ＳｉのエッチングにはＳＦ系のガスを用いればよい。

図８（ｅ）の第五の工程では、第四の工程で使用したレジスト層３１を除去したのちに、あらたにレジスト層３２を塗布し、フォトリソグラフィによりパターン化する。この際、エッチングにより除去する領域を、前工程で除去した層数（ペア数）が最も少なくなる領域に加えて最終的に上部ブラッグ反射鏡の層数（ペア数）が２番目に少なくなる領域を含めて拡大して、次の工程で１層分（１ペア分）除去できるようにパターン化するのが好ましい。

図８（ｆ）の第六の工程では、第四の工程と同じく、ＲＩＥ法、イオンミリング法等を用いて上部ブラッグ反射鏡１２をエッチングして、層数が２番目に少なくなる領域の最上層および層数が最も少なくなる領域の第２層を１層分（１ペア分）除去する。

以下同様に上記の工程（ｅ）および（ｆ）を、エッチングにより除去する領域を拡大しながら、所望の上部ブラッグ反射鏡のペア数（層数）パターンが得られるまで繰り返して行い、１層分（１ペア分）づつ除去を繰り返し、所望の透過率分布パターンを有する上部ブラッグ反射鏡１２を形成する。（図８（ｇ）、図８（ｈ））

（上部ブラッグ反射鏡のペア数のパターン化）
上述の工程において、上部ブラッグ反射鏡のペア数（層数）のパターン化（量子化）は、理想的なペア数（層数）の分布をもっともよく近似できるように決定するのが好ましい。たとえば、ブラッグ反射鏡ペアを単位として層分布を決定するのであれば、図９に示す方式でパターンを決定するのが良い。

すなわち、図４を参照して必要とされる透過率からペア数をもとめ、図９に示すような、所望の透過率（反射率）分布を得るための理想的なブラッグ反射鏡ペア分布の曲線４１を決定する。

この理想的なブラッグ反射鏡ペア分布の曲線４１に対して、ブラッグ反射鏡各ペアを構成する材料３と材料２の層間境界線をなす複数の平行線との交点を、ペア数を変化させる階段の段差部分とする。

例えば、図９において、曲線４１と、最上部のペアを構成する材料３と材料２の層間境界線との交点を４２とすれば、第一の交点４２と次の第二の交点４３を両端の段差とする階段の段差レベル４４として、パターンを決定する。

同様に、第二の交点４３と第三の交点４５を両端とする階段を次の段差レベル４６としてペア数のパターンを決定する。

上記の方法では段差の高さはペア単位（２層分）となるが、パターンの決定方法は、上述の方法に限らず、ブラッグ反射鏡を構成する各層のすべての境界線（各層の厚み中心線でも良い）と理想的なブラッグ反射鏡ペア分布の曲線４１の交点を基準として決定しても構わない。

また、図８で述べた上部ブラッグ反射鏡のパターンの形成プロセスは、上記方法を用いずとも、ペア数を削減する領域以外の部分において、基板１４の上方に設置したシャドウマスクを用いても構わない。

このように、本発明によれば、従来の回折光学素子では得られなかった、非常に高い分散を保ちつつ、波長分解能に優れた回折光学素子の実現が可能になる。

１、１４ 光導波路基板
２ 光導波路
３ 光ファイバ
４ レンズ
５ 結像面
６ａ、６ｂ 出射光信号
７ａ，７ｂ 出射光信号の像
１０ 回折光学素子
１１ コア層
１２ 上部ブラッグ反射鏡（層）
１３ 下部ブラッグ反射鏡（層）
２１、２３ 出力される光信号の強度分布
２２ 集光スポットの形状
２４ 上部ブラッグ反射鏡の透過率分布
２５ 光導波路を伝搬する光信号の強度分布
３１，３２，３３ レジスト
４１ 理想的なブラッグ反射鏡ペア分布の曲線
４２、４３、４５ 交点
４４、４６ 段差レベル

Claims (3)

1. 被分析対象である光信号が、光ファイバを介して光導波路に対し所定の角度を持って入力される基板上に形成された光導波路型の回折光学素子であって、
   光導波路のコア層の上面および下面には上部ブラッグ反射鏡および下部ブラッグ反射鏡が設置され、
   前記上部ブラッグ反射鏡は、光信号の伝搬方向に向かって光信号の上方空間への透過率が変化する反射構造部を有し、
   前記反射構造部は、光信号の伝搬方向に向かってブラッグ反射鏡の多層構造を構成する層の層数または層のペアのペア数が変化する構造を有する
   ことを特徴とする回折光学素子。
2. 前記光導波路の層構造を構成する材料系は、使用波長における屈折率の異なる少なくとも２種類の材料から選択された３つの材料を含み、
   第１の材料が前記光導波路の前記コア層に用いられ、
   前記上部ブラッグ反射鏡および前記下部ブラッグ反射鏡の多層構造において、
   前記コア層に隣接する層を構成する第２の材料は、前記第１の材料と屈折率が異なるものが選択され、
   前記コア層に隣接しない層を構成する第３の材料は、前記第１の材料と同じ種類であっても良い前記第２の材料と異なる屈折率を有する材料が選択される
   ことを特徴とする請求項１記載の回折光学素子。
3. 基板の上に形成された光導波路のコア層の上面および下面に上部ブラッグ反射鏡および下部ブラッグ反射鏡が設置された光導波路型の回折光学素子であり、被分析対象である光信号が、光ファイバを介して前記光導波路に対し所定の角度を持って入力される、所望の透過率分布を有するブラッグ反射鏡光導波路型の回折光学素子の製造方法であって、
   前記所望の透過率分布を実現するための前記上部ブラッグ反射鏡の光伝搬方向における層数またはペア数の変化を、
   前記回折光学素子の波長範囲、波長分解能および単色光に対するスペクトル形状を決定する第１手順と、
   前記第１手順で決定した波長範囲、波長分解能および単色光に対するスペクトル形状から、前記回折光学素子からの出力直後の光電界の分布を決定する第２手順と、
   前記回折光学素子の層構造として、前記光導波路の層構造を構成する材料系と使用波長範囲を制約条件として、前記上部ブラッグ反射鏡の層および前記光導波路のコア層の厚みを決める第３手順と、
   前記第３手順で決定した層構造に対して、前記上部ブラッグ反射鏡の前記層数またはペア数と透過率の関係を導出する第４手順と、
   前記第４手順で導出した前記層数またはペア数と透過率の関係から、前記第２手順で決定した前記光電界の分布を実現する前記上部ブラッグ反射鏡の前記層数またはペア数の伝搬方向に対する分布を決定する第５手順と
   で決定し、
   前記基板の上に前記下部ブラッグ反射鏡、前記コア層をこの順で形成後、前記上部ブラッグ反射鏡に必要となる最大の均一の層数またはペア数で多層構造を成膜し、
   前記多層構造の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりパターン化し、パターン化したレジストをマスクとして前記多層構造を１層分または１ペア分エッチングして除去した後、使用したレジストを除去する工程を、エッチングにより除去する領域を拡大しながら、前記上部ブラッグ反射鏡の所望の前記層数またはペア数の変化パターンが得られるまで繰り返して行い、前記所望の透過率分布を有する上部ブラッグ反射鏡を形成する
   ことを特徴とする回折光学素子の製造方法。