JPH08190008A - Grating element by surface acoustic wave and formation of grating element - Google Patents
Grating element by surface acoustic wave and formation of grating elementInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、基板に一定周期の振
動を加え、該基板表面に成膜した薄膜に定在波を形成さ
せ、該表面が光学的回折特性を有す、弾性表面波による
格子素子および格子素子形成方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface acoustic wave in which a substrate is vibrated at a constant period to form a standing wave in a thin film formed on the surface of the substrate, the surface having an optical diffraction characteristic. The present invention relates to a grid element and a grid element forming method.
【0002】[0002]
【従来技術】液体及び固体中の超音波によって光が回折
する現象はよく知られている。これは、全ての光学材料
は力を加えると物質密度が変化し、光の屈折率が変化す
ることによるものであり、光弾性効果といわれる。超音
波を媒質中に流し込むと、この光弾性効果により光の屈
折率の疎密波が生じ、この疎密波を回折格子として用い
たものが音響光学効果素子といわれるものである。2. Description of the Related Art The phenomenon that light is diffracted by ultrasonic waves in liquids and solids is well known. This is because all optical materials change the material density when a force is applied, and the refractive index of light changes, which is called a photoelastic effect. When an ultrasonic wave is poured into a medium, a compression wave having a refractive index of light is generated by the photoelastic effect, and an element using the compression wave as a diffraction grating is called an acousto-optic effect element.
【0003】一方、媒質の表面付近に集中して伝播する
弾性表面波を用いても同じ効果を得ることができる。特
に、Y.Nakagawa, H.Ito & K.Kato;JJAP,Vol.32,p.4311
(1993)及び郡司、保坂、垣尾、中川;日本音響学会講演
集、2-1-13(1994-3)で示されているように、ニオブ酸リ
チュウム(LiNbO3)基板にTa2O5の薄膜を高周
波スパッタリングによって形成した薄膜素子に、超音波
を作用することにより弾性表面波を発生した場合、屈折
率が1%、光弾性定数が3乃至6倍に向上ことが本発明
者により明らかになっている。On the other hand, the same effect can be obtained by using a surface acoustic wave that propagates concentratedly near the surface of the medium. In particular, Y.Nakagawa, H.Ito &K.Kato; JJAP, Vol.32, p.4311
(1993) and Gunji, Hosaka, Kakio, Nakagawa; Acoustical Society of Japan Proceedings, as shown in 2-1-13 (1994-3), Ta 2 O 5 Lithium niobate (LiNbO 3) substrate It has been revealed by the present inventor that when a surface acoustic wave is generated by applying ultrasonic waves to a thin film element formed by high-frequency sputtering the thin film of 1), the refractive index is improved by 1% and the photoelastic constant is increased by 3 to 6 times. It has become.
【0004】以上の発明においては、該音響光学素子お
よび該弾性表面波素子の外部に設けられた高周波発生電
源によって、回折光の変調をすることができる。すなわ
ち、高周波発生電源によって超音波の強度を変調するこ
とにより、回折光の強度を変調することができ、超音波
の周波数を変化させることにより、回折光の回折する方
向は変化する。In the above invention, the diffracted light can be modulated by the high frequency power source provided outside the acousto-optic element and the surface acoustic wave element. That is, the intensity of the diffracted light can be modulated by modulating the intensity of the ultrasonic wave by the high frequency power source, and the diffracting direction of the diffracted light changes by changing the frequency of the ultrasonic wave.
【0005】一方、変化の無い一定の回折効果を生じる
光学部品には、大きく分けて透過型回折格子と反射型回
折格子がある。透過型回折格子としては、透過型振幅格
子や透過位相格子などがあり、反射型回折格子として
は、反射型振幅格子や反射型位相格子あるいは反射型ブ
レーズド格子などがある。上記回折格子の代表的な構造
を例として説明すると、透過型振幅格子は、透過基板上
に一定のピッチ間隔を持たせた一定パターンの細い金属
等の不透過膜を形成することにより作成される。透過型
位相格子は、透過基板に一定のピッチ間隔の一定パター
ンの細い溝を形成することにより作成される。反射型振
幅格子は、光を反射させない基板上に一定のピッチ間隔
の一定パターンの細い反射金属皮膜を形成することによ
り作成される。また、反射型位相格子は、一定のピッチ
間隔の一定パターンの溝を持った基板上に反射金属板を
形成することにより作成される。On the other hand, optical components which produce a constant diffraction effect without change are roughly classified into a transmission type diffraction grating and a reflection type diffraction grating. The transmission type diffraction grating includes a transmission type amplitude grating and a transmission phase grating, and the reflection type diffraction grating includes a reflection type amplitude grating, a reflection type phase grating and a reflection type blazed grating. Explaining the typical structure of the diffraction grating as an example, the transmission type amplitude grating is formed by forming a thin pattern of thin metal or the like having a certain pattern with a certain pitch interval on the transmission substrate. . The transmissive phase grating is formed by forming thin grooves having a fixed pattern and a fixed pitch on a transmissive substrate. The reflection type amplitude grating is formed by forming a thin reflective metal film having a fixed pattern with a fixed pitch interval on a substrate that does not reflect light. Further, the reflection type phase grating is formed by forming a reflection metal plate on a substrate having grooves having a constant pattern with a constant pitch interval.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】前記音響光学素子及び
弾性表面波素子に関しては、超音波が遮断されたとき
は、なんらの回折効果を生じないことから、高周波発生
電源を絶えず必要とする欠点を持ち合わせている。従っ
て、変化の必要の無い一定の回折効果を得る目的におい
ては、前記素子は非常に高価であるために、一般には使
用されない。With respect to the acousto-optic element and the surface acoustic wave element, when an ultrasonic wave is cut off, no diffraction effect occurs, so that a high frequency power source is constantly required. I have one. Therefore, for the purpose of obtaining a constant diffraction effect which does not need to be changed, the element is not generally used because it is very expensive.
【0007】前記一定の回折効果を得るための光学素子
に関しては、一定の間隔で細い皮膜を形成し、あるいは
基板上に溝を形成するには、非常に精度の高い製造工程
が要求されることになる。すなわち、光の波長は数百マ
イクロメートルオーダーであるために、わずかの精度の
狂いにより、光の干渉の位置、方向が変化し、所定の光
学部品の仕様を満たすことができなくなるのである。こ
れは光学部品を使用するシステム全体の仕様を低下させ
ることになるため、高い精度のシステムを達成すること
が困難であり、達成したとしてもコストが非常に高くな
るという欠点があった。さらに、従来の回折格子では空
間高調波が生じてしまい、例えば1例として図11に示
した特定の波長に対して特定の次数の回折光を強くする
為の回折格子でさえ、理論的にはn次の高次回折がIn
/I0=(2/π)(1/n2)で生じてしまい、ノイズ
やスプリアス(不要回折光)の原因となる問題点を有し
ていた。With respect to the optical element for obtaining the above-mentioned constant diffraction effect, a very high precision manufacturing process is required to form a thin film at a constant interval or form a groove on a substrate. become. That is, since the wavelength of light is on the order of hundreds of micrometers, the position and direction of light interference change due to slight deviations in accuracy, making it impossible to satisfy the specifications of predetermined optical components. This lowers the specifications of the entire system that uses optical components, so that it is difficult to achieve a system with high accuracy, and even if it is achieved, there is a drawback that the cost becomes very high. Further, spatial harmonics are generated in the conventional diffraction grating, and even a diffraction grating for strengthening diffracted light of a specific order with respect to a specific wavelength shown in FIG. 11 as an example is theoretically The high-order diffraction of the nth order is I n
This occurs when / I 0 = (2 / π) (1 / n 2 ) and causes a problem of noise and spurious (unnecessary diffracted light).
【0008】前記で示したように、弾性表面波素子は、
外部に設けられた高周波発生電源および振動素子によ
り、媒質に超音波を伝播させ、それにより表面の疎密度
を形成し、光屈折率を変化させ、回折格子として作用さ
せるものである。よって、超音波の入射がないときは媒
質は一様で回折格子として作用しない。As described above, the surface acoustic wave element is
The external high frequency power source and the vibration element propagate ultrasonic waves to the medium, thereby forming a sparse density on the surface, changing the light refractive index, and acting as a diffraction grating. Therefore, when ultrasonic waves are not incident, the medium is uniform and does not act as a diffraction grating.
【0009】よって、本願発明は、前記超音波の入射が
無くなっても、超音波によりもたらされた基板表面の位
相格子の作用を維持、固定化された全く新たな格子素子
およびその形成方法を提供するものである。Accordingly, the present invention provides a completely new grating element in which the action of the phase grating on the surface of the substrate brought about by the ultrasonic waves is maintained and fixed even when the ultrasonic waves are not incident, and a method of forming the same. It is provided.
【0010】また本願発明は、前記弾性表面波を使用
し、超音波入射方向に対して連続して変化する表面屈折
率を固定化させ、全く新たな屈折率変化をもつ格子素子
およびその形成方法を提供することにある。Further, the present invention uses the above-mentioned surface acoustic wave to fix a surface refractive index which continuously changes with respect to the incident direction of ultrasonic waves, and a grating element having a completely new refractive index change, and a method of forming the same. To provide.
【0011】さらに本願発明は、弾性表面波の波長、振
幅等を制御することによって、任意の屈折率やをもつ格
子素子およびその形成方法を提供することである。Further, the present invention is to provide a grating element having an arbitrary refractive index or the like by controlling the wavelength, amplitude and the like of the surface acoustic wave, and a method for forming the same.
【0012】加えて、前記空間高調波が無く、ノイズや
スプリアスを排除して、高精度な光回折を有す格子素子
及びその形成方法を提供することである。In addition, it is another object of the present invention to provide a grating element which does not have the above-mentioned spatial harmonics, eliminates noise and spurious, and has highly accurate light diffraction, and a method for forming the grating element.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】基板にあらかじめ弾性表
面波を励起し定在波を発生させておき、薄膜の高周波ス
パッタリング法による成膜を施すと、生成された薄膜
は、図1に示すような膜厚と屈折率が弾性表面波長の1
/2のパターンで摂動を受け、屈折率格子が形成される
ことが本発明者の研究で明らかとなった。Means for Solving the Problems When a surface acoustic wave is excited on a substrate in advance to generate a standing wave, and a thin film is formed by a high frequency sputtering method, the thin film formed is as shown in FIG. Thickness and refractive index are 1 of elastic surface wavelength
The present inventor's study revealed that a refractive index grating is formed by being perturbed in a pattern of / 2.
【0014】本発明の格子素子は、上記明らかとなった
特性に注目したものであり、基板と、その表面に形成さ
れた薄膜と、該薄膜は一定のパターンの光回折特性を有
する、格子素子である。さらに該薄膜は、表面が連続し
た形状変化を有し、または、該薄膜の内部が連続した密
度変化を有すことにより、連続した屈折率変化を有す、
格子素子である。The grating element of the present invention focuses on the above-identified characteristics. The grating element has a substrate, a thin film formed on the surface thereof, and the thin film has a light diffraction characteristic of a fixed pattern. Is. Further, the thin film has a continuous shape change on the surface, or has a continuous refractive index change due to a continuous density change inside the thin film,
It is a lattice element.
【0015】さらに、本発明は、基板の一方向または多
方向から1または複数の振動を加え、基板表面に定在波
を発生させた状態で、該基板表面に薄膜を一様に形成
し、該一様に形成された薄膜は、該振動により、弾性表
面波を形成することにより、光回折効果を有する一定パ
ターンの物理的状態に変化し、その変化した状態に維
持、固定化される段階からなる、格子素子形成方法であ
る。Further, according to the present invention, a thin film is uniformly formed on the surface of the substrate in the state where a standing wave is generated on the surface of the substrate by applying one or a plurality of vibrations from one direction or multiple directions of the substrate, The uniformly formed thin film changes into a physical state of a certain pattern having a light diffraction effect by forming a surface acoustic wave by the vibration, and is maintained and fixed in the changed state. It is a method of forming a lattice element.
【0016】さらに加えて、本発明は、前記振動の振
幅、振動周期を任意に変えることにより、所望の光学的
特性を有する格子素子形成方法である。すなわち、本発
明は、ある特定の周波数の弾性表面波波長の1/2の周
期で格子が作れるため、任意形状の格子が作成でき、所
望の特性の回折格子を得ることができるのである。具体
的な方法としては、回折格子の形状からフーリエ解析を
行って、その格子から得られる光の空間周波数成分を決
定、予測し、所望する空間周波数成分を達成するための
回折格子を決め、弾性表面波の周波数と振幅の大きさを
決定し、1又は複数の励起電極を用意し励起を行う。よ
って、空間周波数成分を選択し、1光波から2方向以上
に分光する回折格子素子を形成することも可能である。Furthermore, the present invention is a method for forming a grating element having desired optical characteristics by arbitrarily changing the amplitude and the vibration period of the vibration. That is, according to the present invention, since a grating can be formed with a period of 1/2 of the surface acoustic wave wavelength of a specific frequency, a grating having an arbitrary shape can be created and a diffraction grating having desired characteristics can be obtained. As a specific method, Fourier analysis is performed from the shape of the diffraction grating to determine and predict the spatial frequency component of the light obtained from the diffraction grating, and the diffraction grating to achieve the desired spatial frequency component is determined, and the elasticity is determined. The frequency and amplitude of the surface wave are determined, and one or more excitation electrodes are prepared for excitation. Therefore, it is also possible to form a diffraction grating element that selects a spatial frequency component and disperses a single light wave in two or more directions.
【0017】尚、本明細書で、基板として述べられてい
るものには、薄膜に定在波を形成できるものであればよ
く、フィルム状のものでもよく、例えば、圧電性薄膜を
フィルム状に作成することにより、弾性表面波の励振が
可能となる。In the present specification, what is described as a substrate may be any one capable of forming a standing wave in a thin film, and may be in a film form, for example, a piezoelectric thin film in a film form. By making it, it becomes possible to excite surface acoustic waves.
【0018】又、基板や薄膜は、光を反射するものに限
る必要はなく、透過するものでもよい。よって、その透
過、反射の組み合わせによって位相回折素子又は振幅回
折素子を達成することができる。The substrate and the thin film are not limited to those that reflect light, but may be those that transmit light. Therefore, the phase diffractive element or the amplitude diffractive element can be achieved by the combination of the transmission and the reflection.
【0019】[0019]
【実施例】次に実施例を示し、本発明の構成と効果をさ
らにより詳細に説明するが、これらの実施例は本発明を
限定するものではない。EXAMPLES Next, the constitution and effects of the present invention will be described in more detail with reference to examples, but these examples do not limit the present invention.
【0020】実施例1 弾性表面波(SAW)励起用基板としてニオブ酸リチュ
ウム(LiNbO3)の128゜Y−X結晶を用い、T
a2O5の薄膜を高周波スパッタリングによって薄膜を形
成した。Ta2O5は、高融点な絶縁材料であるため、薄
膜を形成するには高周波スパッタリングが適している。
薄膜作成におけるスパッタリング条件を表1に示す。Example 1 A 128 ° Y-X crystal of lithium niobate (LiNbO 3 ) was used as a substrate for surface acoustic wave (SAW) excitation.
A thin film of a 2 O 5 was formed by high frequency sputtering. Since Ta 2 O 5 is an insulating material having a high melting point, high frequency sputtering is suitable for forming a thin film.
Table 1 shows the sputtering conditions for forming the thin film.
【0021】[0021]
【表1】 薄膜作成におけるスパッタリング条件 図2には実験で用いたスパッタリング装置の概略を示
す。ここでは13.56MHzの高周波で放電している
ArとO2ガス中にTaのターゲットをおき、シャッタ
を隔ててSAW定在波の起きている基板を対向させてい
る。基板は図3で示した基板ホルダーにより固定され、
さらにSAW励起用のすだれ状の電極(IDT)が設け
られている。IDTは波長20um、30対、交差点2
mmである。SAW励起用高周波は表1に示すように2
00MHz、100mWである。[Table 1] Sputtering conditions for thin film formation FIG. 2 shows an outline of the sputtering device used in the experiment. Here, a target of Ta is placed in Ar and O 2 gas discharged at a high frequency of 13.56 MHz, and substrates having SAW standing waves are opposed to each other across a shutter. The board is fixed by the board holder shown in FIG.
Further, a comb-shaped electrode (IDT) for SAW excitation is provided. IDT has wavelength 20um, 30 pairs, intersection 2
mm. The high frequency for SAW excitation is 2 as shown in Table 1.
It is 00 MHz and 100 mW.
【0022】このようにして得られた薄膜を評価するた
め、金属顕微鏡による薄膜表面の観察、さらには薄膜の
状態をモデル(図4)化し、光プロービング法(図5)
による測定から解析を行った。In order to evaluate the thin film thus obtained, the surface of the thin film was observed with a metallurgical microscope, and the state of the thin film was modeled (FIG. 4), followed by an optical probing method (FIG. 5).
The analysis was performed from the measurement by.
【0023】金属顕微鏡による観察では、基板表面上に
は図6に示すような光の濃淡がみられた。この縞のパタ
ーンは約10umであり、SAWの波長の1/2であっ
た。またこの縞はSAWの伝播していない領域には全く
見られなかった。このことからこの縞は薄膜表面の凹凸
と薄膜内部の屈折率の影響による干渉と考えることがで
きる。When observed with a metallurgical microscope, light and shade of light as shown in FIG. 6 was observed on the surface of the substrate. The pattern of this stripe was about 10 μm, which was ½ of the wavelength of SAW. Further, this fringe was not found at all in the area where SAW did not propagate. From this, it can be considered that these fringes are interference due to the influence of the unevenness of the thin film surface and the refractive index inside the thin film.
【0024】解析モデルとして、前記観測に基づき、図
4に示したような膜厚の変化と屈折率の変化のモデルと
し、光プロービング法の測定から、前記モデル化した膜
厚の変化および屈折率の変化を求めた。As an analytical model, based on the above observation, a model of the change of the film thickness and the change of the refractive index as shown in FIG. 4 was used. From the measurement of the optical probing method, the modeled change of the film thickness and the refractive index were obtained. Sought change.
【0025】図4において、 A1:入射光 A2:薄膜表面で反射され、表面のリップルのみから位
相変化を受ける反射光 A5:薄膜を透過し、基板表面で反射し再び薄膜の外に
出てくる反射光であり、薄膜表面のリップルと内部の屈
折率変動から位相変化を受ける反射光、とし、A1の入
射角φ=45゜、空気の屈折率na=1、Ta2O5の屈
折率nO=2.11、Nb2O5の屈折率ns=2.23と
すると、 |A2|/|A1|=0.2279 |A5|/|A1|=0.0275 であり、膜内の多重反射は無視される。In FIG. 4, A 1 is the incident light A 2 is the reflected light that is reflected by the surface of the thin film and undergoes a phase change only from the ripples on the surface A 5 : It is transmitted through the thin film, reflected by the surface of the substrate, and again outside the thin film come out a reflected light, the ripple with the interior of the refractive index reflected light undergoes a phase change from changes in the thin film surface, and then, the incidence angle phi = 45 DEG of a 1, the refractive index of air n a = 1, Ta 2 O Assuming that the refractive index of 5 is n O = 2.11, and the refractive index of Nb 2 O 5 is n s = 2.23, then | A 2 | / | A 1 | = 0.2279 | A 5 | / | A 1 | = 0.0275, and multiple reflections in the film are neglected.
【0026】図5のように配置された薄膜表面にレーザ
ー光を照射すると、膜厚の周期性からラマン・ナス散乱
が発生する。図4のモデルより回折強度を計算するとn
次の回折光強度をInとして、 I1/I0={A2(W1/2)+A5(W2/2)}2/
(A2+A5)2 が得られる(ただし、A1、A2、A5を各光の最大振幅
とする)。ここで、 W2=(2π/λ)・2Δh・cosφ W5=(2π/λ)・2hΔn/cosθ+(2π/
λ)・2Δh(nO/cosφO−cosφ)である。When the surface of the thin film arranged as shown in FIG. 5 is irradiated with laser light, Raman-Nass scattering occurs due to the periodicity of the film thickness. When the diffraction intensity is calculated from the model of FIG.
The order diffracted light intensity as I n, I 1 / I 0 = {A 2 (W 1/2) + A 5 (W 2/2)} 2 /
(A 2 + A 5 ) 2 is obtained (provided that A 1 , A 2 , and A 5 are the maximum amplitudes of the respective lights). Here, W 2 = (2π / λ) · 2Δh · cosφ W 5 = (2π / λ) · 2hΔn / cos θ + (2π /
λ) · 2Δh (n O / cosφ O −cosφ).
【0027】さらに、薄膜表面にアルミニュームを蒸着
し、薄膜表面で全反射させると、相対的な振幅はA1=
1、A2=1、A5=0であり、表面のリップルのみの効
果がわかる。Further, when aluminum is vapor-deposited on the surface of the thin film and totally reflected on the surface of the thin film, the relative amplitude is A 1 =
Since 1, A 2 = 1 and A 5 = 0, the effect of only the ripple on the surface can be seen.
【0028】図7に回折光強度の測定結果を示す。薄膜
は表1の条件で20分間スパッタリングを行い、膜厚は
約20nmである。図7の横軸はIDTの中心からの距
離であり、IDTの幅をはずれるとほとんど回折が起き
ていないことがわかる。この結果より、Δh/h=1.
78%である。表面にアルミニューム膜を設けないとき
の回折強度はアルミニュームがあるときの216倍であ
る。上記のΔh/hの値を用い、上記式からΔn/nO
=5.89%である。FIG. 7 shows the measurement result of the diffracted light intensity. The thin film was sputtered for 20 minutes under the conditions shown in Table 1, and the film thickness was about 20 nm. The horizontal axis of FIG. 7 is the distance from the center of the IDT, and it can be seen that when the width of the IDT deviates, almost no diffraction occurs. From this result, Δh / h = 1.
78%. The diffraction intensity when the aluminum film is not provided on the surface is 216 times that when there is aluminum. Using the value of Δh / h above, from the above equation, Δn / n O
= 5.89%.
【0029】このように、上記の成膜法により、弾性表
面波の定在波に応じ、膜厚、屈折率が一定パターンの構
造を持つ薄膜を作成できることが確認された。As described above, it was confirmed that a thin film having a structure in which the film thickness and the refractive index are constant can be formed by the above film forming method according to the standing wave of the surface acoustic wave.
【0030】すなわち、格子素子の形成方法に関して
は、加えた振動により、基板に弾性表面波の定在波を励
起すると、スパッタリング等により照射され形成された
薄膜、あるいは、あらかじめ形成し、まだ固定化されな
い薄膜のうち、定在波の筋の部分の薄膜は、振幅がない
ことからその部分に留まったまま何等振幅エネルギーを
受けることがないが、一方定在波の腹の部分の成膜は、
振幅エネルギーが大きくエネルギーを受けることにな
り、腹と筋の部分での成膜の条件が変わり、一定パター
ンの光回折特性の変化、すなわち、媒質の屈折率の変化
や、表面膜厚の変化となる。その結果として、一定パタ
ーンの格子素子を得ることができるのである。That is, regarding the method of forming the lattice element, when a standing wave of a surface acoustic wave is excited on the substrate by the applied vibration, a thin film formed by irradiation by sputtering or the like, or a thin film formed in advance and still fixed. Among the thin films that are not formed, the thin film in the streak part of the standing wave does not receive any amplitude energy while remaining in that part because there is no amplitude, whereas the film formation in the antinode part of the standing wave is
The amplitude energy receives a large amount of energy, and the conditions for film formation on the abdomen and muscles change, causing changes in the light diffraction characteristics of a certain pattern, that is, changes in the refractive index of the medium and changes in the surface film thickness. Become. As a result, it is possible to obtain a lattice element having a fixed pattern.
【0031】前記測定で示した例は、薄膜表面上で反射
した場合の反射型回折格子について述べているが、薄膜
材料を光透過可能なものとした場合には、透過型の回折
格子となりうるとともに、本願発明は、振幅回折格子又
は位相回折格子として機能することは明かである。この
ことは、以下に示す実施例についても同様である。Although the example shown in the above measurement describes a reflection type diffraction grating when it is reflected on the surface of a thin film, it can be a transmission type diffraction grating when the material of the thin film is light transmissive. At the same time, it is clear that the present invention functions as an amplitude diffraction grating or a phase diffraction grating. This also applies to the examples described below.
【0032】以下、さらに本願発明により実現されるで
あろう具体的実施例を述べる。Specific examples that will be realized by the present invention will be described below.
【0033】実施例1として、一方向から振動を加え、
弾性表面波を励振伝播させ、その反対方向(端面)から
の反射波と一次元状の定在波を生じさせ、一次元格子形
成方法を達成することができる。As Example 1, vibration is applied from one direction,
It is possible to achieve the one-dimensional lattice formation method by exciting and propagating the surface acoustic wave to generate a reflected wave from the opposite direction (end face) and a one-dimensional standing wave.
【0034】実施例2として、対向する両方向から振動
を加え、両方向から弾性表面波を励起伝播させ、それに
よって一次元状の定在波を生じさせ、一次元格子形成方
法を達成することができる。これにより、実施例1と比
べ、より大きく理想的な定在波を作成することができ
る。実施例3として、2方向から振動を加え、各端面か
らの反射波により2次元状の定在波を生じさせることが
でき、2次元格子形成方法を達成することができる。さ
らには、2方向の交わる角度を任意に変えることによ
り、種々の2次元格子を作成できる。As a second embodiment, vibration can be applied from both opposite directions, and surface acoustic waves can be excited and propagated from both directions to generate a one-dimensional standing wave, thereby achieving a one-dimensional lattice formation method. . As a result, a larger and ideal standing wave can be created as compared with the first embodiment. As Example 3, vibration is applied from two directions, and a two-dimensional standing wave can be generated by a reflected wave from each end face, and a two-dimensional lattice forming method can be achieved. Further, various two-dimensional lattices can be created by arbitrarily changing the intersecting angles of the two directions.
【0035】実施例4として、各々対向した4方向から
の振動を加え、2次元状の定在波を生じさせることがで
き(図8)、2次元格子形成方法を達成することができ
る。図8では90゜の角度で進行する振動波であるが、
この角度を任意に変えることにより、種々の2次元格子
を作成できる。As a fourth embodiment, it is possible to generate a two-dimensional standing wave by applying vibrations from four opposite directions (FIG. 8), and to achieve a two-dimensional lattice forming method. In Figure 8, it is an oscillating wave traveling at an angle of 90 °,
By changing this angle arbitrarily, various two-dimensional lattices can be created.
【0036】実施例5として、リング状の振動子から振
動を加えて、リング状の定在波を形成し(図9)、2次
元格子形成方法のうちのリング状の格子を形成すること
ができる。As a fifth embodiment, it is possible to apply a vibration from a ring-shaped oscillator to form a ring-shaped standing wave (FIG. 9) and form a ring-shaped grating in the two-dimensional grating forming method. it can.
【0037】実施例6として、加えるべき音響的振動
を、振幅または周期、さらには振幅と周期を同時に変化
させることにより、所望の光学特性をもつ格子素子を形
成することができる。As a sixth embodiment, a lattice element having desired optical characteristics can be formed by changing the amplitude or period of the acoustic vibration to be applied, or the amplitude and the period at the same time.
【0038】実施例7として、音響的振動を加え基板に
定在波を発生させながら、金属又は誘電性材料等をスパ
ッタリング照射または蒸着し、任意の厚さの薄膜を形成
する。薄膜は弾性表面波により、所定の光学特性を有す
る物理的、形状的薄膜に変化をする。音響的振動を停止
しても、誘電性材料等は、光学特性を維持した状態の物
理的、形状的薄膜のままに固定されているため、所定の
格子素子を形成することができる。As a seventh embodiment, a metal or a dielectric material or the like is sputter-irradiated or vapor-deposited while acoustic waves are applied to generate a standing wave on the substrate to form a thin film having an arbitrary thickness. The thin film changes into a physical and shape thin film having predetermined optical characteristics by the surface acoustic wave. Even when the acoustic vibration is stopped, the dielectric material or the like is fixed as a physical or shape thin film in a state where the optical characteristics are maintained, so that a predetermined lattice element can be formed.
【0039】実施例8として、あらかじめ基板上に露光
現像剤を塗布し、あるいは、露光している過程で基板表
面上に露光現像剤を塗布し、任意の厚さの薄膜を形成す
る。薄膜は弾性表面波により、所定の光学特性を有する
物理的、形状的薄膜に変化をする。その後、薄膜硬化手
段により硬化(ただし、ソフトな硬化であってもハード
な硬化であっても良い)させることにより、音響的振動
を停止しても、光学特性を維持した状態の物理的、形状
的薄膜のままに固定されているため、所定の格子素子を
形成することができる。その後に薄膜を完全に固定する
か否かは、工程と材料によって左右されるが、本発明に
本質的なことではない。As Example 8, the exposure developer is applied on the substrate in advance, or the exposure developer is applied on the surface of the substrate during the exposure to form a thin film having an arbitrary thickness. The thin film changes into a physical and shape thin film having predetermined optical characteristics by the surface acoustic wave. After that, by curing with a thin film curing means (however, it may be soft curing or hard curing), the physical and shape of the state where the optical characteristics are maintained even if the acoustic vibration is stopped. Since the thin film is fixed as it is, a predetermined lattice element can be formed. Whether or not the film is completely fixed thereafter depends on the process and the material, but is not essential to the present invention.
【0040】実施例9として、前記実施例7において、
スパッタリング照射部または蒸着発生部と照射対象の基
板の間にマスクを配置する。前記マスクはパターンが形
成されているため、スパッタリング照射または蒸着によ
り、前記基板表面には前記マスクの前記パターンに対応
したパターンを有する薄膜を成膜される。これにより、
前記成膜された部分のみ、回折効果を有する格子素子を
形成することができる。As a ninth embodiment, in the above-mentioned seventh embodiment,
A mask is arranged between the sputtering irradiation unit or the vapor deposition generation unit and the substrate to be irradiated. Since the mask has a pattern, a thin film having a pattern corresponding to the pattern of the mask is formed on the surface of the substrate by sputtering irradiation or vapor deposition. This allows
A grating element having a diffraction effect can be formed only on the formed portion.
【0041】実施例10として、前記実施例8におい
て、蒸着源部と蒸着対象の基板の間にマスクを配置す
る。前記マスクはパターンが形成されているため、露光
により、前記基板表面には前記マスクの前記パターンに
対応して、その露光された部分は露光されなかった部分
と現像特性が異なる薄膜となる。これにより、その後に
現像を行い、パターン化された部分のみ、回折効果を有
する格子素子を形成することができる。As a tenth embodiment, in the eighth embodiment, a mask is arranged between the vapor deposition source part and the substrate to be vapor deposited. Since the mask has a pattern formed thereon, the exposed portion becomes a thin film having different developing characteristics from the unexposed portion on the surface of the substrate, corresponding to the pattern of the mask. As a result, it is possible to form the grating element having the diffraction effect only in the patterned portion by performing the development thereafter.
【0042】尚、前記露光工程は、ネガ型でもポジ型で
も、両方達成できることはあきらかであろう。さらに露
光が硬化前に行われるか、硬化後に行われるかについて
も、本質的な差ではない。It will be apparent that the exposure step can be accomplished both in the negative type and the positive type. Further, there is no essential difference in whether the exposure is performed before curing or after curing.
【0043】実施例11として、本願発明の格子素子を
導波路として使用した場合の例としてブラッグ回折型光
変調素子構造の斜視図を図10で示す。As Example 11, a perspective view of a Bragg diffraction type optical modulator device structure is shown in FIG. 10 as an example of using the grating device of the present invention as a waveguide.
【0044】図10の左側からプリズムに入射した入射
光は、プリズムを介してTa205の薄膜の中に入り、該
薄膜を導波路として右のプリズム方向に進む。このと
き、該薄膜は、本願発明の格子素子であるため、導波路
中に進む光は該薄膜中の格子密度の変化の影響を受け
て、いわゆるブラッグ回折を起こし入射した方向とある
偏角を有して進むこととなる。偏角を有した光は、導波
路を通過し右端のプリズムを介して回折光として出射す
る。右側の出射光と示した光は、導波路が本願発明の格
子素子ではなく単なる導波路とした場合の出射光であ
り、該出射光と回折光が分光角度を有していることを明
らかにするために参考として表したものである。よっ
て、本願発明の格子素子は、導波路として使用した光学
素子としても使用できることが明らかであるとともに、
ブラッグ回折型素子として使用することにより、反射効
率を容易に100%にすることができる。The incident light entering the prism from the left side of FIG. 10, enters the thin Ta 2 0 5 through the prism, the process proceeds to the right of the prism direction the thin film as a waveguide. At this time, since the thin film is the grating element of the present invention, the light propagating in the waveguide is affected by the change in the lattice density in the thin film to cause so-called Bragg diffraction and has a certain deviation angle with the incident direction. I will have it. The light having a declination passes through the waveguide and exits as diffracted light via the prism at the right end. The light shown as the emitted light on the right side is the emitted light when the waveguide is not the grating element of the present invention but a simple waveguide, and it is clear that the emitted light and the diffracted light have a spectral angle. This is for reference only. Therefore, it is clear that the grating element of the present invention can be used as an optical element used as a waveguide,
By using it as a Bragg diffraction element, the reflection efficiency can be easily made 100%.
【0045】[0045]
【発明の効果】本発明では、加える振動の周波数と振幅
によって、回折格子の光学的特性を制御することができ
るため、要求に柔軟に対応した光学素子を提供すること
ができる。According to the present invention, since the optical characteristics of the diffraction grating can be controlled by the frequency and the amplitude of the applied vibration, it is possible to provide an optical element that flexibly meets the requirements.
【0046】前記光学的特性は、物理的な定在波による
ものであり、定在波は、媒質の弾性係数等の物理的な特
性に依存するため、非常に安定した定在波を形成するこ
とが可能である。よって、従来の精密工学によりきわめ
て慎重に製造された光学素子に比べ、簡易でかつ安定し
た精密光学素子を提供することができる。The optical characteristics are due to a physical standing wave. Since the standing wave depends on physical characteristics such as the elastic coefficient of the medium, a very stable standing wave is formed. It is possible. Therefore, it is possible to provide a simple and stable precision optical element as compared with an optical element which is extremely carefully manufactured by conventional precision engineering.
【0047】さらに、本願発明の薄膜表面の変化は、非
常にきれいな正弦波状にすることができることから、空
間高調波を無くすることができ、ノイズや、スプリアス
が生じることがない。Further, since the change of the thin film surface of the present invention can be made into a very clean sine wave shape, spatial harmonics can be eliminated, and noise and spurious are not generated.
【0048】また、前記実施例で示したように、この発
明によれば、任意のパターンの1次元、2次元およびリ
ング状の位相格子を得ることができ、任意波長の光分波
器が構成できる。また、本発明の方法によれば、半導体
薄膜の超格子結晶も作成可能である。従って、本発明に
よる回折格子薄膜を用いれば、光通信機器の機能を高め
ることができる。さらには、前記薄膜を型として使用す
ることにより、薄膜のパターン構造を、任意の数だけ転
写することも可能である。その結果、上記光通信機器の
量産化だけでなく、特殊な反射特性をもつフィルム(ホ
ログラム紙と呼ばれている)など、装飾効果をもつフィ
ルムの製造も可能である。Further, as shown in the above embodiment, according to the present invention, it is possible to obtain a one-dimensional, two-dimensional and ring-shaped phase grating having an arbitrary pattern, and an optical demultiplexer having an arbitrary wavelength is constructed. it can. Further, according to the method of the present invention, a superlattice crystal of a semiconductor thin film can be prepared. Therefore, the function of the optical communication device can be enhanced by using the diffraction grating thin film according to the present invention. Furthermore, by using the thin film as a mold, it is possible to transfer an arbitrary number of pattern structures of the thin film. As a result, not only the mass production of the above optical communication device but also the production of a film having a decorative effect such as a film having a special reflection characteristic (called a hologram paper) is possible.
【図1】弾性表面波による格子素子の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of a grating element using surface acoustic waves.
【図2】高周波スパッタリング装置(日電アネルバ製、
SPF−210Aスパッタ装置)の概略図である。FIG. 2 High-frequency sputtering device (manufactured by Nichiden Anelva,
It is a schematic diagram of a SPF-210A sputtering device).
【図3】一次元の薄膜格子を作成するための基板ホルダ
ーの例である。FIG. 3 is an example of a substrate holder for making a one-dimensional thin film grating.
【図4】1次元格子の薄膜をモデル化した概略平面図で
ある。FIG. 4 is a schematic plan view in which a thin film of a one-dimensional lattice is modeled.
【図5】薄膜の膜厚変化および屈折率変化を測定するの
に用いられた光プロービング法の概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram of an optical probing method used to measure a change in film thickness and a change in refractive index of a thin film.
【図6】本願発明で得られた薄膜の表面の金属顕微鏡観
察結果である。FIG. 6 is a metallographic observation result of the surface of the thin film obtained in the present invention.
【図7】本願発明で得られた薄膜の回折光強度の測定結
果の一例である。FIG. 7 is an example of the measurement result of the diffracted light intensity of the thin film obtained in the present invention.
【図8】実施例4で示した格子状の2次元格子形成方法
を達成するための概略図である。FIG. 8 is a schematic diagram for achieving the grid-shaped two-dimensional grid forming method shown in the fourth embodiment.
【図9】実施例5で示した円形状の2次元格子形成方法
を達成するための概略図である。FIG. 9 is a schematic diagram for achieving the circular two-dimensional lattice forming method shown in the fifth embodiment.
【図10】実施例11で示した導波路タイプのブラッグ
回折型光変調素子構造の斜視図である。FIG. 10 is a perspective view of the waveguide type Bragg diffraction type optical modulator device structure shown in Example 11;
【図11】従来技術の不連続な表面をもつ反射型回折格
子の断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of a prior art reflective diffraction grating with a discontinuous surface.
Claims (14)
変化する光学回折特性を有する、弾性表面波による格子
素子。1. A lattice element using surface acoustic waves, comprising a substrate and a thin film formed on the substrate, the thin film having an optical diffraction characteristic that changes in a fixed pattern in the plane direction of the thin film.
の表面上形状が一定パターンで変化することによっても
たらされる、請求項1記載の弾性表面波による格子素
子。2. The surface acoustic wave grating element according to claim 1, wherein the constant-period optical diffraction characteristics are provided by changing the shape of the thin film on the surface in a constant pattern.
内部の屈折率変化が一定パターンで変化することによっ
てもたらされる、請求項1記載の弾性表面波による格子
素子。3. The surface acoustic wave grating element according to claim 1, wherein the constant-period optical diffraction characteristic is brought about by a change in the refractive index inside the thin film in a constant pattern.
の表面上形状と前記薄膜の内部が一定のパターンで変化
することによってもたらされる、請求項1記載の弾性表
面波による格子素子。4. The lattice element according to claim 1, wherein the optical diffraction characteristic of the constant period is brought about by changing the shape on the surface of the thin film and the inside of the thin film in a constant pattern.
方または多方向から1または複数の振動を加え、 該基板表面に薄膜を形成し、 該振動により、該薄膜が弾性表面波による定在波を形成
し、 該薄膜は、該定在波により一定の物理的特性パターンを
有すとともに、該特性に固定化する、段階からなる、弾
性表面波による格子素子形成方法。5. To apply a standing wave to the surface of the substrate, one or more vibrations are applied from one or multiple directions of the substrate to form a thin film on the surface of the substrate, and the vibration causes the thin film to generate a surface acoustic wave. A method of forming a grating element by a surface acoustic wave, comprising forming a standing wave, the thin film having a constant physical characteristic pattern by the standing wave, and fixing the pattern to the characteristic.
には振幅と周期を同時に変化させることにより、任意の
光学特性をもつ格子素子を形成する、請求項5記載の弾
性表面波による格子素子形成方法。6. A lattice element formation by a surface acoustic wave according to claim 5, wherein a lattice element having arbitrary optical characteristics is formed by simultaneously changing the amplitude or the period of the applied vibration, or the amplitude and the period at the same time. Method.
された前記薄膜である、請求項5記載の弾性表面波によ
る格子素子形成方法。7. The method of forming a lattice element by surface acoustic wave according to claim 5, wherein the thin film is formed on the surface of the substrate by sputtering irradiation.
前記薄膜である、請求項5記載の弾性表面波による格子
素子形成方法。8. The method for forming a lattice element by surface acoustic wave according to claim 5, wherein the thin film is formed on the surface of the substrate by vapor deposition.
面に成膜された前記薄膜である、請求項5記載の弾性表
面波による格子素子形成方法。9. The method of forming a lattice element by surface acoustic wave according to claim 5, wherein the thin film is formed on the surface of the substrate by applying an exposure developer.
一方または多方向から1または複数の振動を加え、 スパッタリング照射部又は蒸着源部と照射対象又は蒸着
対象の基板の間にマスクを配置し、 前記マスクはパターンが形成されており、 スパッタリング照射又は蒸着により、前記基板表面には
前記マスクの前記パターンに対応したパターンを有する
薄膜を成膜し、 該振動により、該薄膜が弾性表面波による定在波を形成
し、 該薄膜は、該定在波により一定の物理的特性パターンを
有すとともに、該特性に固定化し、 前記成膜された部分のみ、回折効果を有する、段階から
なる、弾性表面波による格子素子形成方法。10. In order to apply a standing wave to the surface of the substrate, one or a plurality of vibrations are applied from one or multiple directions of the substrate, and a mask is provided between the sputtering irradiation unit or the evaporation source unit and the irradiation target or the evaporation target substrate. The mask is patterned, and a thin film having a pattern corresponding to the pattern of the mask is formed on the substrate surface by sputtering irradiation or vapor deposition, and the vibration causes the thin film to have an elastic surface. A standing wave by a wave is formed, the thin film has a certain physical characteristic pattern by the standing wave, and is fixed to the characteristic, and only the deposited portion has a diffraction effect. A method for forming a grating element by using a surface acoustic wave.
らには振幅と周期を同時に変化させることにより、任意
の光学特性をもつ格子素子を形成する、請求項10記載
の弾性表面波による格子素子形成方法。11. A grating element formation by a surface acoustic wave according to claim 10, wherein a grating element having arbitrary optical characteristics is formed by simultaneously changing the amplitude or the cycle, or the amplitude and the cycle of the applied vibration. Method.
一方または多方向から1または複数の振動を加え、 前記基板に露光感光剤を塗布し、 露光照射部と照射対象の基板の間にマスクを配置し、 前記マスクはパターンが形成されており、 前記薄膜を前記マスクの前記パターンに対応したパター
ンで露光し、 上記振動により、該薄膜が弾性表面波による定在波を形
成し、 該薄膜は、該定在波により一定の物理的特性パターンを
有すとともに、該特性に固定化され、 該薄膜を有した基板表面を現像し、 前記薄膜が残った部分のみ、回折効果を有する、 段階からなる、弾性表面波による格子素子形成方法。12. In order to apply a standing wave to the surface of the substrate, one or a plurality of vibrations are applied from one or multiple directions of the substrate, an exposure photosensitizer is applied to the substrate, and the exposure irradiation unit and the substrate to be irradiated are exposed. A mask is arranged, a pattern is formed on the mask, the thin film is exposed by a pattern corresponding to the pattern of the mask, the vibration causes the thin film to form a standing wave by a surface acoustic wave, The thin film has a fixed physical characteristic pattern by the standing wave and is fixed to the characteristic, and the substrate surface having the thin film is developed, and only the portion where the thin film remains has a diffraction effect. A method of forming a lattice element using surface acoustic waves, the method comprising:
らには振幅と周期を同時に変化させることにより、任意
の光学特性をもつ格子素子を形成する、請求項12記載
の弾性表面波による格子素子形成方法。13. A lattice element formation by a surface acoustic wave according to claim 12, wherein a lattice element having arbitrary optical characteristics is formed by simultaneously changing the amplitude or the period of the applied vibration, or the amplitude and the period at the same time. Method.
導波路である光学素子。14. An optical element in which the thin film of the grating element according to claim 1 is a light waveguide.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP252995A JPH08190008A (en) | 1995-01-11 | 1995-01-11 | Grating element by surface acoustic wave and formation of grating element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP252995A JPH08190008A (en) | 1995-01-11 | 1995-01-11 | Grating element by surface acoustic wave and formation of grating element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08190008A true JPH08190008A (en) | 1996-07-23 |
Family
ID=11531915
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP252995A Pending JPH08190008A (en) | 1995-01-11 | 1995-01-11 | Grating element by surface acoustic wave and formation of grating element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH08190008A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012507880A (en) * | 2008-11-04 | 2012-03-29 | コリア・インスティテュート・オブ・マシナリー・アンド・マテリアルズ | Apparatus for forming surface pattern of fluid and method for forming the same |
EP3626174A1 (en) * | 2018-09-20 | 2020-03-25 | Koninklijke Philips N.V. | Switchable grating |
-
1995
- 1995-01-11 JP JP252995A patent/JPH08190008A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2012507880A (en) * | 2008-11-04 | 2012-03-29 | コリア・インスティテュート・オブ・マシナリー・アンド・マテリアルズ | Apparatus for forming surface pattern of fluid and method for forming the same |
EP3626174A1 (en) * | 2018-09-20 | 2020-03-25 | Koninklijke Philips N.V. | Switchable grating |
WO2020058302A1 (en) * | 2018-09-20 | 2020-03-26 | Koninklijke Philips N.V. | Switchable grating |
CN112702951A (en) * | 2018-09-20 | 2021-04-23 | 皇家飞利浦有限公司 | Switchable grating |
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