JPWO2006104045A1

JPWO2006104045A1 - 波長フィルタ

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Publication number: JPWO2006104045A1
Application number: JP2006522173A
Authority: JP
Inventors: 岡野　正登; 正登岡野
Original assignee: Nalux Co Ltd
Current assignee: Nalux Co Ltd
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: US20080007832A1; US7729053B2; JP4139420B2; WO2006104045A1

Abstract

薄膜の種類および積層回数が少ない簡単な構造を有し、また、製造プロセスが簡単で、性能のばらつきが少ない、波長帯域が広い波長フィルタを提供する。基板面上において、Ｘ方向に延伸する第１の部分（１０３）と第１の部分に沿ってＸ方向に延伸する第２の部分（１０５）とを、基板面上においてＸ方向と垂直なＹ方向に、使用する光の波長よりも短い一定の周期で交互に配置した格子からなる。各第１の部分の、Ｙ方向でかつ基板面に垂直な断面形状は、Ｙ方向の幅が周囲部分の幅よりも広くなるように突起した部分（１０７）を少なくとも１つ備える。当該所定の距離の範囲の、基板面に平行な領域によって分割される、基板面に平行な複数の導波層を形成し、当該複数の導波層の反射する光の波長帯域が重なりながらシフトして単一の導波層の反射する光の波長帯域よりも広い波長帯域の光を反射するように構成されている。

Description

本発明は、波長フィルタに関する。特に、反射スペクトルの帯域幅が広い特性をもった波長フィルタに関する。

光学システムを構成する際、特定の波長の光のみを取り出して光学処理を行いたい場合がある。特定の波長を含む帯域幅の光を取り出すことのできる光学素子は波長フィルタと呼ばれている。波長フィルタは、高屈折率の薄膜材料と低屈折率の薄膜材料をガラスやプラスチック基板上に蒸着させることによって、製造することができる。波長、または帯域幅は、薄膜の蒸着回数と膜の厚さを変えることによって調整することができる。しかし、波長選択性を高めるには、薄膜の蒸着回数や厚さを大きくする必要がある。したがって、製造プロセスが複雑となるのでコストが増大し、また構成が複雑となるので、性能のばらつきを抑えるのが困難となる。

近年、基板表面に微細な周期構造をもつ回折格子を形成し、その上に高屈折率媒質を堆積して製造される、より簡易な構造で、鋭い波長選択性を持った波長フィルタが提案されている。この波長フィルタは、共鳴現象と呼ばれる、周期構造内における光の局在（閉じ込め）および散乱効果を利用して、数ナノメートル以下の非常に狭い波長帯域だけを反射させることができる特性を有する。たとえば、S. S. Wang and R. Magnusson: “Theory and applications of guided-mode resonance filters,” Applied Optics Vol. 32 No. 14 2606-2613 (1993)では、波長よりも短い周期内に低屈折率材料と高屈折率材料が交互に配置された格子構造を配置することで狭帯域な反射スペクトルを有する波長フィルタが開示されている。

図９は、上記の波長フィルタの構成を示す図である。基板７０１の表面に部分７０３および部分７０５からなる、使用される光の波長λよりも短い周期Λの回折格子が形成されている。部分７０３および部分７０５は、屈折率の異なる材料からなる。部分７０３および部分７０５は、層７０７を形成する。

光が入射すると、所定の条件の下に、基板面に水平に近い状態で波が進行する、層７０７にしか存在できない、＋１次および−１次の回折光が発生する。この光の波は、エバネセント波と呼ばれる。また、層７０７は、導波層と呼ばれる。上記の所定の条件は、光の入射角度をθとすると、式

で表せる。ここで、βは伝搬係数であり、導波層７０７の平均屈折率を

とすると、式

で表せる。

ここで、導波層７０７の厚さについては、以下の式が成り立つ。

ここで、平均屈折率を含む式（２）および（３）は、近似的なものであり、実際の解析には、導波層と周囲の層との間の電磁波の振る舞いを考慮して解析する必要がある。

式（１）が満たされる場合に生じたエバネセント波は、導波層とその周辺の層の境界に光が侵入しても透過することができず、全ての光が全反射される。したがって、図９に示した構造は、式（１）によって定まる、非常に狭い波長帯域の光を反射させるフィルタを形成する。

しかしながら、その反射特性は微小な波長変化に対して反射率が大きく低下するため、所望の半値幅（帯域幅）を実現することができないといった問題がある。

この問題を解決するために、D. K. Jacob, S. C. Dunn and M. G. Moharam: “Flat-top narrow-band spectral response obtained from cascaded resonant grating reflection filters,” Applied Optics Vol. 41 No. 7 1241-1245 (2002)では、４種類の屈折率の材料を使って最大反射率の波長帯域を広げた波長フィルタが開示されている。この波長フィルタは、所定の周期で低屈折率材料と高屈折率材料を交互に配置した、複数の格子構造、および、当該複数の格子構造の間に挟んだ、残り２種類の屈折率の薄膜を、光の入射方向に積層させている。

また、S. T. Thurman and G. M. Morris: “Controlling the spectral response in guided-mode resonance filter design,” Applied Optics Vol. 42 No. 16 3225-3233 (2003)では、低屈折率材料と高屈折率材料の２種類の材料のみを使って、同様に格子構造を積層させることにより、最大反射率の波長帯域を広げた波長フィルタが開示されている。

上記のD. K. Jacob, S. C. Dunn等の文献およびS. T. Thurman等の文献に記載されたいずれの構造においても、複数の格子構造を積層させることによって広い波長帯域が得られる。広い波長帯域が得られるのは、共鳴効果を引き起こす複数の波長が存在することになり、各々のスペクトルが互いに重なり合って、波長帯域が広がるためである。

しかしながら、これらの構造を製造するには、複数の格子構造を製造する工程と、薄膜材料を多数回蒸着する工程が必要であり、各々の工程では格子構造及び薄膜高さを高い精度で制御する必要がある。また、波長帯域が広くなるにつれて積層する格子構造の数が多くなる。結局、従来の薄膜技術によるフィルタと同様に、製造プロセスが複雑となるのでコストが増大し、また構成が複雑となるので、性能のばらつきを抑えるのが困難となる。

さらに、複数の格子構造を積層するので、全体の高さ（厚さ）が高くなる。

上記の背景の下で、薄膜の種類および積層回数が少ない簡単な構造を有し、また、製造プロセスが簡単で、性能のばらつきが少ない、波長帯域が広い波長フィルタに対するニーズがある。

本発明による波長フィルタは、基板面上において、Ｘ方向に延伸する第１の部分と第１の部分の材料の屈折率よりも高い屈折率の材料からなり、第１の部分に沿ってＸ方向に延伸する第２の部分とを、基板面上においてＸ方向と垂直なＹ方向に、使用する光の波長よりも短い一定の周期で交互に配置した格子からなる。本発明による波長フィルタの、各第１の部分の、Ｙ方向でかつ基板面に垂直な断面形状は、基板面からＺ方向に所定の距離を隔てた所定の距離の範囲において、Ｙ方向の幅が周囲部分の幅よりも広くなるように突起した部分を少なくとも１つ備える。本発明による波長フィルタは、当該所定の距離の範囲の、基板面に平行な領域によって分割される、基板面に平行な複数の導波層を形成し、当該複数の導波層の反射する光の波長帯域が重なりながらシフトして単一の導波層の反射する光の波長帯域よりも広い波長帯域の光を反射するように構成されている。

本発明の波長フィルタは、広い波長帯域の光を反射するものでありながら、薄膜の種類および積層回数が少ない簡単な構造を有しており、製造プロセスが簡単で、性能のばらつきが少ない。

本発明の一実施形態によれば、前記所定の距離の範囲を変えることにより、前記複数の導波層の反射する光の波長帯域が重なりながらシフトするように構成されている。

このように、第１の部分の突起部分の、Ｚ方向における位置または幅を変えることにより、単一の導波層の反射する光の波長帯域よりも広い波長帯域の光を反射するようにすることができる。

本発明の他の実施形態によれば、前記複数の導波層の平均屈折率を変えることにより、前記複数の導波層の反射する光の波長帯域が重なりながらシフトするように構成されている。

このように、第１の部分の突起していない複数の部分の、Ｙ方向における幅を互いに異なったものとすることにより、単一の導波層の反射する光の波長帯域よりも広い波長帯域の光を反射するようにすることができる。

本発明の他の実施形態によれば、前記第１の部分の材料が、ガラス、プラスチックまたはケイ素のいずれかである。

本発明の他の実施形態によれば、前記第２の部分の材料が、酸化チタン、フッ化マグネシウムまたは酸化ケイ素のいずれかである。

本発明の他の実施形態によれば、前記第２の部分の材料が、ゲルマニウムまたはセレン化亜鉛のいずれかである。

本発明による波長フィルタの製造方法は、前記Ｘ方向からビームを照射して前記断面形状を描画する。

したがって、突起部を有する格子であっても、通常の格子を製造する場合と同様に製造することができる。

本発明の１実施形態による波長フィルタの構成を示す断面図である。本発明の１実施形態による波長フィルタの部分Ａの詳細な構成を示す断面図である。本発明の波長フィルタの原理を説明する図である。本発明による波長フィルタの製造プロセスを模式的に表した図である。ＴＥ偏光の光が、基板に対して斜め45度で入射したときに、中心波長1550nmで強い反射特性をもつ波長フィルタの断面図である。図５の波長フィルタでの反射スペクトルの計算結果を示す図である。ＴＥ偏光の光が、基板に対して斜め45度で入射したときに、中心波長1550nmで強い反射特性をもつ、第２の数値実施例の波長フィルタの断面図である。図７の波長フィルタでの反射スペクトルの計算結果を示す図である。従来技術の波長フィルタの構成を示す図である。

図１は、本発明の１実施形態による波長フィルタの構成を示す断面図である。図１の断面は、基板１０１の面に垂直であり、かつ、格子の延伸方向に垂直な方向の面である。格子は、使用される光よりも短い周期Λを備え、符号１０３で示される部分Ａおよび符号１０５で示される部分Ｂから成る。部分Ａおよび部分Ｂは、屈折率の異なる材料からなる。部分Ａは、高さ（基板面からの距離）が所定の範囲において、周辺よりも幅の広くなるように突起した部分１０７を備える。図１において、部分Ａは、２つの高さ範囲に突起した部分を備える。

図２は、本発明の１実施形態による波長フィルタの部分Ａの詳細な構成を示す断面図である。図２の断面は、図１の断面と同じである。図２において、基板面内において格子の延伸方向に垂直な方向をＹ、格子の高さ方向をＺで表す。基板面からの距離である格子高さをｈとして、格子高さｈにおける部分Ａの幅をｆ（ｈ）で表す。また、格子高さｈにおける部分Ａおよび部分Ｂの屈折率をｎ_１（ｈ）およびｎ_２（ｈ）で表す。

この場合に、格子高さｈの周辺の、基板面に平行な層のＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対する平均屈折率ｎ_ＴＥ（ｈ）およびｎ_ＴＭ（ｈ）は、以下の式で表せる。

ここで、θは、基板面に対する光の入射角度である。また、Ｆ（ｈ）は、部分Ａのデューティ比であり、
F(h)=f(h)/Λ
で表せる。

ここで、部分Ｂの屈折率ｎ_２（ｈ）が部分Ａの屈折率をｎ_１（ｈ）よりも高いとし、格子高さｈの、基板面に平行な薄い層の平均屈折率をｎ（ｈ）とすると、式（４）および（５）から、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光について、以下の式が成り立つ。

n_in≦n_s＜n(h=h₂〜h₃)＜n(h=h₁〜h₂) （６）

n_in≦n_s＜n(h=h₂〜h₃)＜n(h=h₃〜h₄) （７）

ここで、ｈ=ｈ_１〜ｈ_２は、格子高さｈがｈ_１とｈ_２の範囲の任意の高さｈを表し、ｎ(ｈ=ｈ_１〜ｈ_２)は、当該任意の高さの平均屈折率を示す。また、ｎ_ｉｎは、入射側媒体の屈折率、ｎ_ｓは、基板の屈折率を表す。

式（６）および（７）から、格子高さｈがｈ_１とｈ_２の範囲の層およびｈ_３とｈ_４の範囲の層は、ｈ_２とｈ_３の範囲の層よりも屈折率が高く、二つの導波層を形成する。

図３は、本発明の波長フィルタの原理を説明する図である。図３（ａ）は、格子の部分Ａの構成を示す断面図である。図３（ｂ）は、格子の高さ方向（Ｚ方向）の屈折率の分布を示す図である。図２に関連して説明したように、部分Ａの幅の狭い部分の高さ範囲に二つの導波層ＡおよびＢが形成される。入射した光の大部分は、透過光３０５として、導波層ＡおよびＢを透過する。導波層ＡおよびＢのそれぞれに対して、式（１）が満たされる場合には、エバネセント波３０１および３０２が生じ、全反射による反射波３０３および３０４が生じる。したがって、導波層Ａにおいて反射波が生じる波長と、導波層Ｂにおいて反射波が生じる波長とがわずかに異なるように導波層ＡおよびＢの構成を定めれば、導波層Ａによる反射波長の帯域と導波層Ｂによる反射波長の帯域とが、それぞれ、図３（ｃ）の、波長に対する反射率のグラフの実線と点線で示すように、わずかにずれて重なり合う。この結果、反射波長の帯域を広げることができる。

部分Ａおよび部分Ｂの材料について説明する。部分Ａの材料としてガラス、プラスチックおよびケイ素などを使用することができる。部分Ｂの材料の屈折率との差をできるだけ大きくするように、屈折率はできるだけ低くすることが望ましい。したがって、ガラスやプラスチックが好ましい。

部分Ｂの材料は、通常の薄膜形成用材料を使用することができる。薄膜材料としては、酸化チタン（TiO₂）、フッ化マグネシウム（MgF₂）または酸化ケイ素（SiO₂）などが挙げられるが、特に高い屈折率を有する酸化チタン（TiO₂）またはフッ化マグネシウム（MgF₂）が好ましい。また、入射光の波長が赤外領域にわたっている場合は、たとえば、ゲルマニウム（Ge）またはセレン化亜鉛（ZnSe）などを利用することができる。

つぎに、本発明の波長フィルタの製造方法について説明する。

図４（ａ）は、一般的なリソグラフィー技術による描画からエッチングまでの製造プロセスを模式的に表した図である。描画するための手段はここでは電子ビームを用いている。製造プロセスの詳細は、以下のとおりである。

はじめに、基板上にレジストを堆積し、その上に所望のパターンが得られるように、電子ビームを照射する。使用するレジストはポジ型であってもネガ型であってもいずれでもよく、描画面積が少なくなるほうを選択する。電子ビームによって描画されたレジストを現像処理によって除去する。次にエッチングの際の最終的な高さをできる限り深くするために、CrやAlなどといった金属をレジスト上に蒸着し、リフトオフを行うと、レジストの部分が除去されて、金属膜が堆積された微細構造が形成される。この状態でエッチングを行うと、金属膜の効果によってエッチングの進行がゆっくり進み、最終的に深い溝を持つ断面形状を得ることができる。

図４（ｂ）は、本発明による波長フィルタの製造プロセスを模式的に表した図である。描画からエッチングまでの製造プロセスは、図４（ａ）と同様である。ただし、電子ビームの照射方向は、図４（ｂ）の紙面に対して垂直とする。エッチングによって部分Ａを形成した後、部分Ａと部分Ａとの間に高屈折率の材料からなる部分Ｂを形成するように、たとえば金属などのマスクを配置した後、蒸着を行う。蒸着の終了後、前述のマスクを除去すると、本発明による、部分Ａおよび部分Ｂが交互に配置された波長フィルタが得られる。

本発明による波長フィルタの製造方法として、ここでは電子ビームによるリソグラフィー技術を例として説明した。本発明による波長フィルタは、この方法以外の、他の方法によっても製造することができる。たとえば、描画の際の線源を電子ビームとする代わりに、同様に広く知られるLIGAプロセスと呼ばれる、Ｘ線を線源とした照射による製造方法を使用してもよい。

本発明による波長フィルタの数値実施例を示す。格子構造から反射特性を算出するのに、厳密結合波解析(Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA)と呼ばれる計算手法を用いた。本手法は電磁波を算出するための厳密計算法であり、共鳴効果を正確に算出するのに広く利用されている方法である。

図５は、ＴＥ偏光の光が、基板に対して斜め45度で入射したときに、中心波長1550nmで強い反射特性をもつ、第１の数値実施例の波長フィルタの断面図である。ここで、部分Ａおよび部分Ｂからなる格子の周期は0.7um、格子高さは4.57umである。基板および部分Ａの材料はSiO₂（屈折率1.44）、部分Ｂの材料はTiO₂（屈折率2.0）である。部分Ａは、格子の高さの２つの範囲(0.672-1.437um および3.64-4.104um)に幅の広い部分を備えている。したがって、上記の２つの高さ範囲によって分離される、３つの高さ範囲の領域は、導波層ＷＧ１、ＷＧ２およびＷＧ３を形成する。導波層ＷＧ１、ＷＧ２およびＷＧ３の厚さは、それぞれ、0.464um、2.203umおよび0.672umである。

部分Ａの断面における幅は、入射光の側から、基板の側に順に以下のとおりである。

（入射光側）
幅 0.487um (WG1)
幅 0.626um
幅 0.487um (WG2)
幅 0.626um
幅 0.487um (WG3)
（基板側）

導波層ＷＧ１乃至ＷＧ３の平均屈折率は、式（４）から、約1.86である。反射波長を1.55 umとすると、式（３）から予想される導波層の厚さは、約0.417umとなり、導波層ＷＧ１の厚さに近い値となる。導波層ＷＧ３の厚さは、反射波長をずらせたことによって、導波層ＷＧ１の厚さよりも厚くなっている。導波層ＷＧ２の厚さは、上記の予想される導波層の厚さよりも大幅に大きい。これは、導波層ＷＧ１および導波層ＷＧ３の相互の影響をできるだけ小さくするためである。

このように、図５に示した数値実施例１の波長フィルタにおいては、部分Ａの突起部分の、Ｚ方向における位置または幅を変えることにより、複数の導波層の厚さを変え、その結果、反射する波長の帯域を広げている。

図６は、図５の波長フィルタでの反射スペクトルの計算結果を示す図である。横軸は、波長、縦軸は、反射率を表す。波長1550nmを中心に97％以上の反射率を有する帯域幅は8.3nmである。このように、本発明による波長フィルタは、所定の波長を中心とした、比較的広い帯域幅を備えることがわかる。

図７は、ＴＥ偏光の光が、基板に対して斜め45度で入射したときに、中心波長1550nmで強い反射特性をもつ、第２の数値実施例の波長フィルタの断面図である。ここで、部分Ａおよび部分Ｂからなる格子の周期は0.7um、格子高さは2.087umである。基板および部分Ａの材料はSiO₂（屈折率1.44）、部分Ｂの材料はTiO₂（屈折率2.0）である。部分Ａは、格子の高さの１つの範囲(0.417-1.668um)に幅の広い部分を備えている。したがって、上記の１つの高さ範囲によって分離される、２つの高さ範囲の領域は、導波層ＷＧ１およびＷＧ２を形成する。導波層ＷＧ１およびＷＧ２の厚さは、それぞれ、0.417umである。

（入射光側）
幅 0.441um (WG1)
幅 0.630um
幅 0.693um
幅 0.630um
幅 0.490um (WG2)
（基板側）

導波層ＷＧ１およびＷＧ２の平均屈折率は、式（４）から、それぞれ、約1.81および約1.85である。

このように、図７に示した数値実施例２の波長フィルタにおいては、部分Ａの突起していない複数の部分の、Ｙ方向における幅を互いに異なったものとすることにより、複数の導波層の屈折率を変え、その結果、反射する波長の帯域を広げている。

図８は、図７の波長フィルタでの反射スペクトルの計算結果を示す図である。横軸は、波長、縦軸は、反射率を表す。波長1550nmを中心に97％以上の反射率を有する帯域幅は12nmである。このように、本発明による波長フィルタは、所定の波長を中心とした、比較的広い帯域幅を備えることがわかる。

反射スペクトルの帯域幅を調整するには、導波層の厚さや導波層の総数を変えることによって行う。通常、導波層の厚さが大きくなるにつれて、帯域幅が広くなり、また厚さを小さくするによって、帯域幅を狭くすることができる。また、部分Ａの突起部分の数を変化させて、導波層の数を変えることによっても実現できる。この場合において、通常、部分Ａの突起部分の数を減らすことにより、帯域幅が狭くなり、また部分Ａの突起部分の数を増やすにつれて、帯域幅を広げることができる。帯域幅の調整においては、部分Ａの屈折率と部分Ｂの屈折率の差は大きくする方が、好ましい。

さらに、数値実施例２に示したように、導波層の屈折率を変えることにより帯域幅を広げてもよい。

反射スペクトルの中心波長を変えるには、周期や格子高さなど長さに関する寸法を変えることによって実現できる。通常、短波長側では、周期や格子高さなどの各々の寸法を短くし、また長波長側では、寸法を長くすることによって行える。

上述の具体例は、格子構造に対して斜め方向に光が入射したときの条件を設定したが、格子構造に垂直に入射した場合においても、同様の働きを行わせることが可能である。また、ＴＥ偏光について説明したが、ＴＭ偏光についても同様である。

Claims

基板面上において、Ｘ方向に延伸する第１の部分と第１の部分の材料の屈折率よりも高い屈折率の材料からなり、第１の部分に沿ってＸ方向に延伸する第２の部分とを、基板面上においてＸ方向と垂直なＹ方向に、使用する光の波長よりも短い一定の周期で交互に配置した格子からなる波長フィルタであって、各第１の部分の、Ｙ方向でかつ基板面に垂直な断面形状は、基板面からＺ方向に所定の距離を隔てた所定の距離の範囲において、Ｙ方向の幅が周囲部分の幅よりも広くなるように突起した部分を少なくとも１つ備え、当該所定の距離の範囲の、基板面に平行な領域によって分割される、基板面に平行な複数の導波層を形成し、当該複数の導波層の反射する光の波長帯域が重なりながらシフトして単一の導波層の反射する光の波長帯域よりも広い波長帯域の光を反射するように構成された波長フィルタ。
前記所定の距離の範囲を変えることにより、前記複数の導波層の反射する光の波長帯域が重なりながらシフトするように構成された請求項１に記載の波長フィルタ。
前記複数の導波層の平均屈折率を変えることにより、前記複数の導波層の反射する光の波長帯域が重なりながらシフトするように構成された請求項１に記載の波長フィルタ。
前記第１の部分の材料が、ガラス、プラスチックまたはケイ素のいずれかである請求項１から３のいずれかに記載の波長フィルタ。
前記第２の部分の材料が、酸化チタン、フッ化マグネシウムまたは酸化ケイ素のいずれかである請求項１から４のいずれかに記載の波長フィルタ。
前記第２の部分の材料が、ゲルマニウムまたはセレン化亜鉛のいずれかである請求項１から４のいずれかに記載の波長フィルタ。
請求項１から６のいずれかに記載の波長フィルタの製造方法であって、前記Ｘ方向からビームを照射して前記断面形状を描画するステップを含む方法。