JPS63205605A - 位相格子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、位相格子の側壁傾斜率と屈折率を制御する
ことによって、不要な回折光の強度を著しく低減した新
規な位相格子に関する。

（従来の技術） 近年、光デイスクプレーヤやコンパクトディスクプレー
ヤをはじめとするオプトエレクトロニクス製品の急激な
発展に伴なって、レーザビームを所定の割合で分割する
ための位相格子（回折格子）か随所に使用されている。

（発明か解決しようとする問題点） しかし、従来の位相格子では必要な回折光（通常は矩形
波状位相格子を用いて零次と±１次の回折光を使用する
。）以外に不要な高次の回折光か発生し、レーザ光の利
用効率を低下させると同時に迷光の主因となっている。

この発明の目的は、従来の位相格子におけるこのような
問題点を著しく改善し、所望の回折光のみを選択的に増
強することができる位相格子を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 一般に、位相格子は、格子の断面構造によって第２図に
示す矩形波状位相格子と第３図に示す三角波（ブレーズ
）状位相格子とに大別される。従来多用されている位相
格子は形態変ａｌ型のものであり、第２図において凸部
ａの屈折率Ｎａと凹部すの屈折率Ｎｂとは等しく、また
、第３図において傾斜部ｌの屈折率Ｎ８と傾斜部２の屈
折率Ｎ２とか等しいのが通例である。溝の深さｄが０で
ある場合には平板であり、第２図においてＮａ≠Ｎｂ、
第３図においてＮｌ　ｆ−Ｎ２ならば平板状屈折率変調
型の位相格子となる。

さらに、第２図においてＮａ＃Ｎｂ、第３図においてＮ
□≠Ｎ２とすることにより、それぞれ矩形波状屈折率変
調型位相格子と三角波（ブレーズ）状屈折率変調型位相
格子とになる。

ところで、これらの位相格子はいずれも第１図に示す台
形波状位相格子の特殊例とみなされるか、台形波状屈折
率変調型位相格子の公知例は未だ見当らない。本発明者
はこの台形波状屈折率変調型位相格子の傾斜率と屈折率
に着目して、不要な回折光を極小化することによって必
要な回折光を選択的に増強する条件を研究してきた。

（台形波状屈折率変調型位相格子の回折効率）台形波状
屈折率変調型位相格子の格子面に対して垂直に入射する
光波のｍ（＝Ｏ，±１．±２゜・・・・・・）次回折効
率η、は、第１図に示す要素格子の幅ｆＬａ１文ｂ　Ｈ
ｆＬｉ　４文２．格子の厚さＤ、溝の深さｄ、要素格子
の屈折率ｐＪ、、Ｎｂ。

Ｎｌ　、Ｎ２　、周囲（通常は空気）の屈折率Ｎ。およ
び光波の波長入の関数て表わされる。この関数は煩雑で
あるか、第１図においてｌ−”ｌｂ＝交ｔ　＋　１　＋
　＝立２＝文、およびＮ　１１＝　Ｎ　１　＝　Ｎ　２
＝Ｎ”の関係か成立する場合の対称台形波状屈折率変調
型位相格子の０次と±１次の回折効率は、それぞれ次の
（１）式と（２）式によって示すように、比較的簡明な
関数て与えられると共に本発明の本質を損わない。

η。＝（（１−α）ｃｏｓδ８）２ ＋（α／δ）（１−α）ｓｉｎδ・ （ｃｏｓ　（２δｂ）＋ｃｏｓδ） ＋（（α／δ）ｓｉｎδ）２・・・・・・（１）η　！
　０　η　−１ ＝　（（２／π）ｃｏｓｙｓ　ｉ　ｎδ６）２＋（２／
π）（α／ξ）ｃｏｓγ・ （ｓｉｎ（２δｂ）＋ｓｉｎδ）・ （ｙｃｏｓｙｓｉｎδ−δｃｏｓδ５ｉｎｙ）＋　（１
／２）（（α／ξ）（γｓｉｎγ・ｃｏｓδ−δｓｉｎ
δｃｏｓｙ））　２・・・・・・・・・・・・　（２） ここでα＝！；Ｌｔ　／　ＣｆＬｒ　＋Ｊｌｔ　）は格
子の側壁傾斜率を示し、γ＝πα／２、ξ＝（γ＋δ）
・（γ−δ）、δ＝π（ｄ／入）（Ｎ′″−終Ｎ０）、
δ８＝π（Ｄ／λ）（（Ｎ’−Ｎｂ＋（ｄ／Ｄ）（Ｎｂ
　　−ＩＬＮｏ　　）＞、　　δ、＝π（Ｄ／入）（１
−ｄ／Ｄ）（Ｎ”　−Ｎｂ　）＋δ／２、ｇ＝（１−（
ｍ入／　（ＮＯｘ））　２）−””、文＝２（交ｆ十文
ｔ）の関係がある。

上記（１）式と（２）式は、α＝０の場合には対称矩形
波状屈折率変調型位相格子の回折効率、α＝１の場合に
は対称三角波状位相格子の回折効率、Ｎ”　＝Ｎｂの場
合には屈折率か変調されていない対称台形波状位相格子
の回折効率、またｄ＝０の場合には平板状屈折率変調型
位相格子の回折効率を与える。

対称台形波状屈折率変調型位相格子において、例えば０
次と±１次の回折光を η０＝φη、 ＝φη−１ すなわち η１／（η。＋ηＩ）＝１／（１＋φ）・・・・・・・
・・・・・（４） の条件で使用する際に、１ｍｌ＞１の高次回折光の総強
度Ση、＝１−η。−２η１は、α＝０の場合には Ση、＝（π２−８）／（πλ　＋４φ）１′″１２”
　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・（５）
また、α＝１の場合にはφ＝（８／π２）（ζ／δ）２
ｔａｎ２δとζ＝π２／４−δ２の関係が成立し、 入ス、＝（ζ２　（δ２−１）ｔａｒｔ２δ−δ４）／
（ζδ２　（ζｔａｎ２δ＋１））　−−−−−−（６
）となる。

従って、いずれの場合にも Ση、はφのみの関数である。０〈α〈ｌの台形＋Ｉ＠
薯〉１ 波状屈折率変調型位相格子ではΣη、を上記１１ｍ１）
１ （Ｓ）式または（６）式で与えられる値よりも小さく、
且つ極小化できるαの最適値が０と１の間に存在するこ
とを、実施例に関する項で具体的に説明する。

（台形波状屈折率変調型位相格子の作製方法）先ず、メ
チルメタクリレート、エチルメタクリレートなどのアル
キルメタクリレート類と、アリルメタクリレート、クロ
チルメタクリレートなどのメタクリル酸の不飽和エステ
ル類から成る共重合体を合成する０次いで、この共重合
体にベンゾフェノン、３−ベンゾイルベンゾフェノンな
どの芳香族ケトン類を加えて所定濃度のベンゼン溶液ま
たはトルエン溶液を調製し、ポリメチルメタクリレート
、ポリカーボネートなどから成る透明なプラスチック基
板上にこの溶液をスピンコードして、感光性透明膜を形
成する０位相格子のパターンを有するフォトマスクを介
して、超高圧水銀灯の紫外線を感光性透明膜に照射する
と、露光量に比例して芳香族ケトン類がメタクリル酸の
不飽和エステル成分と結合する。この時、フォトマスク
を感光性透明膜の表面から所定距離たけ離して装着する
と、フォトマスクの裏面から紫外線が広がりながら出射
するので、感光性透明膜内において紫外線の強度は台形
波状に分布する。このような露光方法はプロキシミティ
露光と呼ばれている。最後に、試料を減圧加熱すると、
未反応の芳香族ケトン類が昇華して遮光部の膜厚が減少
する。その結果、ｌｌｌ郡部台形波状の凸構造が生成す
ると同時に、凸部の屈折率が芳香族ケトン中のπ電子の
効果によって凹部の屈折率より高くなり、台形波状屈折
率変調型位相格子が作製される。プロキシミティ露光の
代りに、紫外線吸収剤と用いて紫外線の透過量に台形波
状の分布を付与したフォトマスクを感光性透明膜上に密
着させて露光することによっても、台形波状屈折率変調
型位相格子を作製できる。

（実施例） 例えば、コンパクトディスクプレーヤの３ビーム型光ピ
ツクアツプでは、単一のレーザ光源を用いて光ディスク
の信号面におけるレーザビームの合焦、ピット信号の読
み取り、トラッキングなどを実施するためのビーム分割
素子が必要である。

この機能を担う素子として、０１次と±１次の回折光の
強度比が約５対ｌになるように格子形態を設計し、真空
蒸着とフォトリソグラフィを併用して作製した無機ガラ
ス系の矩形湾状位相格子（形態変調型）が多用されてい
る。そこで、（３）式においてφ＝５とおくと、（４）
式からηＩ／（η０＋ηＩ）＝Ｏ，１６６７が得られる
と共に、α＝０の場合には（５）式からΣη、＝０゜１
閘１ン１ ０６２６となり、α＝１の場合には（６）式からΣη、
＝０．９８８３となるので、従来の矩形波状位相格子で
は回折光の６．２６％、また三角波状位相格子では回折
光の９８．８３％が迷光となって失なわれることかわか
る。

実用的な条件として、Ｎ　ｏ　＝　ｌ　、　ＯＯ、Ｎ　
ｂ　＝１．５０、Ｄ／入＝１．００およびλ＝０．７８
７ｔｍの場合における回折効率（η、／（η。＋ηＩ）
および入；Ｑ＞７　＝　１−η。−２η、）と側壁傾斜
率（α）の関係を第４図から第８図に示す。

第４図と第５図は、それデれＮ”　＝１．５０ｇよび１
．５５の時の回折効率と側壁傾斜率の関係のｄ／Ｄによ
る変化を示す、これらの図から、ｄ／ＤとＮ８の特定領
域内でのみη１／（η。＋ηＩ）の曲線上にφ＝５を満
足する点が存在し、この点はαが増大すると右方向へ移
動すること、Φ＝５に対応するΣη、の値は、αが０に
近い領域ではαが増大すると減少するのに対してαが１
に近い領域ではαと共に増大し、０くαくｌの領域に極
小値を有すること、従って１ｍｌ＞１の高次回折光の総
強度を極小化するにはｄ／Ｄ、Ｎ’″およびαの全ての
最適化か必要であり、矩形波状位相格子と三角波状位相
格子のいずれよりも台形波状屈折率変調型位相格子が有
利であることなどが示唆される。このような現象を更に
詳しく観測するために、ｄ／Ｄ＝Ｏ，杢０，０．４０お
よび０．５０の時の回折効率と側壁傾斜率の関係のＮ″
による変化を、それぞれ第６図、９７図および第８図に
示す、これらの図から、φ；５である場合にはｄ／Ｄ＝
０．４０．Ｎ”≠１．５３およびα＝０．５０の時に、
１ｍｌ＞１の高次回折光の総強度は極小値Ση、＝０．
０１３を取り、従ｌ謁１）１ 来の矩形波状位相格子の値（Ση、＝０．０６２Ｉ鳳１
＞１ ６）の約１１５まて低下することがわかる。

この台形波状屈折率変調型位相格子を以下の手順で作製
した。

先ず、メチルメタクリレートとクロチルメタクリレート
の等モル共重合体を合成した。この共重合体中のクロチ
ルメタクリレート成分と等モルのベンゾフェノンを加え
て４重量％ベンゼン溶液を調製し、厚さ１ｍｍのポリメ
チルメタクリレート基板上にこの溶液をスピンコードし
て、感光性透明膜を形成した０次いで、出力ｓｏｏｗの
超高圧水銀灯から発生した紫外線を用いて感光性透明膜
を３分間プロキシミティ露光することにより、ベンゾフ
ェノンをクロチルメタクリレート成分に結合させた。最
後に、０．２ｍｍＨ１，１００℃の条件て試料を１時間
減圧加熱して未反応のベンゾフェノンを昇華させ、台形
波状屈折率変調型位相格子を作製した。

触針式表面粗さ計、干渉顕微鏡、レーザダイオード、フ
ォトダイオードなどを用いて、格子の断面形態、屈折率
、回折効率などを測定し、いずれも設計値とよく一致す
ることを確認した。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明による台形波状屈折率変調
型位相格子では回折光の強度を回折次数によって選択的
に制御できるため、不要光が少なく光の利用効率が高い
光学系の構成に役立つ０例えば、従来の矩形波状位相格
子に比べて、高次の回折光に由来する迷光が著しく少な
い状態で０次と±１の次の回折光を活用できるので、高
品位の３ビーム型光ピツクアツプを作製できる。このよ
うな台形波状屈折事変ｍ型位相格子は、ＣＣＤカメラの
光学的ローパスフィルタのように、特定次数の回折光の
みを使用するための光学素子としても有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、こり発明の実施例を示す台形波状屈折率変調
層相格子の断面図、 第２図は、矩形波状屈折率変調型相格子の断面図、 第３図は、三角波状屈折率変調層相格子の断面図、 第４図は、第１図に示す台形波状変調型位相格子におい
て、見ａ＝ｌｂ＋１ｒ＝ １、、ＮＯ＝１．００．Ｎ’″＝Ｎ、＝Ｎ、＝Ｎ。 ＝１．　５０．　　Ｎｂ　　＝　１．　５０゜Ｄ／λ＝
１．００．入＝０．’１８ｇｍのときの回折効率と側壁
率αの関係のｄ／Ｄの変化を示すグラフ、 第５図は、第１図に示す台形波状変調型位相格子におい
て、１．＝ｌｂ　、ｉｓ　＝ｌｔ　、Ｎｏ　＝１．００
．Ｎ”　＝Ｎ、＝Ｎｌ　＝Ｎ２　＝１．５５゜Ｎｂ　　
＝１．５０．Ｄ／入＝ｉ、ｏｏ、入＝０、’１８ｇｍの
ときの回折効率と側壁率αの関係のｄ／Ｄの変化を示す
グラフ。 第６図は、第１図に示す台形波状屈折率変調層相格子に
おいて、ｆＬ−＝ｌｂ、ｌ□＝　ｌ　２１Ｎｏ　＝　１
−００．Ｎｂ　＝　１．５０．ｄ／Ｄ＝０．３０．Ｄ／
λ＝１．００．λ＝０．７８４ｍのときの回折効率と側
壁傾斜率αの関係のＮ８　（＝Ｎ、＝ＮＩ　＝Ｎｔ　）
による変化を示すグラフ、 第７図は、第１図に示す台形波状屈折率変調層相格子に
おいて、ｌ−＝ｌｂ　、交１　＝ｆＬｔ　ＩＮｏ　＝１
．００．Ｎｂ　＝１．５０．ｄ／Ｄ＝０．４０．Ｄ／λ
＝１．００．入＝０．７８ｐｍのときの回折効率と側壁
傾斜率αの関係のＮ”　　（＝Ｎ、七Ｎ１鴛Ｎ２）によ
る変化を示すグラフ、 第８図は、第１図に示す台形波状屈折率変調層相格子に
おいて、１．＝立ｂ　＋　ｌ　ｔ　＝見、。 Ｎｏ　＝１．００．Ｎｂ　＝ｌ、５０．ｄ／Ｄ＝０．５
０．Ｄ／λ＝ｉ、ｏｏ、入＝０．７８１Ｌｍのときの回
折効率と側壁傾斜率αの関係のＮ１（＝Ｎ、＝Ｎ、＝Ｎ
２）による変化を示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）周期的に厚さが変化している凹凸構造をもつ薄膜
   層の凸部および凹部からなる格子要素の各々を屈折率の
   異なる材料で構成し、かつ格子要素の凸部を形成する側
   壁が傾斜していることを特徴とする位相格子。
2. （２）格子要素の凸部を形成する材料の屈折率が凹部を
   形成する材料の屈折率よりも高いことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の位相格子。