WO2004027464A1

WO2004027464A1 - 回折光学素子とその形成方法

Info

Publication number: WO2004027464A1
Application number: PCT/JP2003/010722
Authority: WO
Inventors: Toshihiko Ushiro; Soichiro Okubo; Takashi Matsuura
Original assignee: Sumitomo Electric Industries, Ltd.
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2004-04-01
Also published as: EP1542043A4; WO2004027464A8; KR20050053522A; CN1606704A; AU2003257697A1; CN1333270C; EP1542043A1; TW200420912A; TWI286222B; CA2465085A1; US7573638B2; US20060146408A1

Abstract

　実用的な回折光学素子を効率的に低コストで提供する。　屈折率変調型回折光学素子は、透光性基板１上に形成された透光性ＤＬＣ（ダイアモンド状炭素）膜２を含み、このＤＬＣ膜２は相対的に高屈折率の局所的領域２ａと相対的に低屈折率の局所的領域２を含む回折格子を含んでいる。ＤＬＣ膜２は基板１上にプラズマＣＶＤで容易に堆積することができ、ＤＬＣ膜中の高屈折率領域２ａはイオンビームのようなエネルギビーム４を照射することによって容易に形成することができる。

Description

明細書 .

回折光学素子とその形成方法技術分野

本発明は回折光学素子とその形成方法に関し、より具体的には、波長合分岐、パワー合分岐、偏光合分岐、波長板、または光アイソレータの機能を有する回折光学素子とその形成方法に関する。背景技術

周知のように、光の回折を生じさせる回折光学素子は、種々の用途に利用され得る。たとえば、光通信分野で使用される波長合分波器、光力ブラ、光アイソレータなどは、回折光学素子を利用して作製することができる。

一般に、回折光学素子は、透光性基板上に回折格子層を形成することによって作製される。その回折格子層の構造的相違に基づいて、回折光学素子は屈折率変調型とレリーフ型とに大別される。

図 1 9は、屈折率変調型回折光学素子の一例を模式的な断面図で示している。この屈折率変調型回折光学素子は、透光性基板 1 1上に形成された回折格子層 1 2 aを含んでおり、この回折格子層 1 2 aには屈折率変調構造が形成されている。すなわち、回折格子層 1 2 aにおいては、相対的に小さな屈折率 _{η ι}を有する局所的領域と相対的に大きな屈折率 n ₂を有する局所的領域とが周期的に交互に形成されている。そして、低屈折率の領域を通過した光と高屈折率 n ₂の領域を通過した光との間で生じる位相差に起因して回折現象が生じ得る。

屈折率変調構造を有する回折格子層 1 2 aは、たとえばエネルギビーム照射を受けることによって屈折率が増大する材料を用いて形成することができる。たとえば、 G eがドープされた石英ガラスは、紫外線照射によってその屈折率が増大することが知られている。また、石英ガラスに X線を照射することによつてもその屈折率が増大することが知られている。すなわち、透光性基板 1 ·1上に屈折率の石英系ガラス層を堆積し、そのガラス層にエネルギビームを周期的パターンで照射して局所的に屈折率を η₂に高めることによって、図 1 9に示されているような回折格子層 1 2 aを形成することができる。

図 2 0は、レリーフ型回折光学素子の一例を模式的な断面図で示している。このレリーフ型回折光学素子は、透光性基板 1 1上に形成された回折格子層 1 2 b を含んでおり、この回折格子層 1 2 bにはレリーフ構造が形成されている。すなわち、回折格子層 1 2 bにおいては、相対的に大きな厚さを有する局所的領域と相対的に小さな厚さを有する局所的領域とが周期的に交互に形成されている。そして、大きな厚さの領域を通過した光と小さな厚さの領域を通過した光との間で生じる位相差に起因して回折現象が生じ得る。

レリーフ構造を有する回折格子層 1 2 bは、たとえば、透光性基板 1 1上に石英系ガラス層を堆積し、フォトリソグラフィとエッチングを利用してそのガラス層を加工することによって形成され得る。

図 2 1は、屈折率変調型回折光学素子のもう 1つの例を模式的な断面図で示している。図 2 1の屈折率変調型回折光学素子は図 1 9のものに類似している力図 2 1中の回折格子層 1 2 c内には互いに異なる 3レベルの屈折率 _{η ι}、 n ₂、 n ₃ を有する局所的領域が周期的に配列されている。このように、回折格子層 1 2 c 内において 3レベルの屈折率 n n ₂、 n ₃を有する局所的領域は、たとえば、基板 1 1上に屈折率 _{η ι}の石英系ガラス層を堆積して、そのガラス層に対して 2通りの異なるエネルギレベルのエネルギビームを照射することによつて形成され得る。

多（マルチ）レベルの屈折率の局所的領域を含む回折格子によれば、単純な 2 (バイナリ）レベルの屈折率の領域を含む回折格子の場合に比べて、回折効率が向上し得る。また、マルチレベルの屈折率変化を含む回折格子がバイナリレベルの屈折率変化を含む回折格子に比べて高い回折効率を有し得ることから推測されるように、段階的な屈折率変化の代わりに連続的な屈折率変化を含む回折格子もバイナリレベルの屈折率変化を含む回折格子に比べて高い回折効率を有し得る。ここで、回折効率とは、入射光のエネルギに対する回折光エネルギの総和の比率を意味する。すなわち、回折光を利用する観点からは、回折効率の大きい方が好ましい。

図 2 2は、レリーフ型回折光学素子のもう 1つの例を模式的な断面図で示している。図 2 2のレリーフ型回折光学素子は図 2 0のものに類似しているが、図 2 2中の回折格子層 1 2 d内には互いに異なる 3レベルの厚さを有する局所的領域が周期的に配列されている。このように、回折格子層 1 2 ;d内において 3レベルの厚さを有する局所的領域は、たとえば、基板 1 1上に石英系ガラス層を堆積して、そのガラス層に対してフォトリソグラフィとエッチングによる加工を 2回繰り返すことによって形成され得る。このように多レベルの厚さを有する局所的領域を含む回折格子によっても、単純な 2レベルの厚さを含む回折格子の場合に比ベて、回折効率が向上し得る。

上述の屈折率変調型回折光学素子は原理的には作製可能であるが、実用的な屈折率変調型回折光学素子を得ることは困難である。なぜならば、たとえば石英系ガラスにエネルギビームを照射することによつて得られる屈折率変化量はせいぜい 0 . 0 0 2程度であって、効果的な回折格子層を形成することが困難だからでめる。

したがって、現在では、たとえば特許文献 1の特開昭 6 1— 2 1 3 8 0 2号公報や非特許文献 1の Applied Optics, Vol. 41, 2002, pp. 3558- 3566に述べられているように、回折光学素子としてレリーフ型が利用されるのが一般的である。しかし、レリーフ型回折光学素子の作製に必要なフォトリソグラフィゃエッチングはかなり複雑な加工工程であり、相当の時間と手間を要する。また、そのエッチング深さを精度よく制御することが容易でない。さらに、レリーフ型回折光学素子においては、その表面に微細な凹凸が形成されているので、埃や汚れが付着しやすいという問題もある。発明の開示

以上のような先行技術における状況に鑑み、本発明は、実用的な回折光学素子を効率的に低コストで提供することを目的としている。

(特許文献 1 )

特開昭 6 1 - 2 1 3 8 0 2号公報

(非特許文献 1 ) ·

Applied Optics, . Vol. 41, 2002, pp. 3558-3566 本発明によれば、回折光学素子は透光性基板上に形成された透光性 D L C (ダィアモンドライクカーボン：ダイアモンド状炭素）膜を含み、この D L C膜は相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域を含む回折格子を含んでいることを特徴としている。

なお、それらの高屈折率領域と低屈折率領域との境界面は D L C膜の表面に垂直であってもまたは傾斜していてもよく、その境界面の両側において屈折率が連続的に変化していてもよい。

そのような回折光学素子は、複数の波長を含む 1つの光ビームを波長に依存して複数の光ビームに分割することができ、かつ異なる波長を有する複数の光ビームを単一の光ビームに合体させことができる波長合分岐の機能を有し得る。

また、。そのような回折光学素子は、単一波長の光ビームを複数の光ビームに分割することができ、かつ単一波長の複数の光ビームを単一の光ビームに合体させことができるパワー合分岐の機能を有し得る。

さらに、そのような回折光学素子は、単一波長の光ビームに含まれる T E波と TM波を分離しかつ合体させることができる偏光合分岐の機能を有し得る。

さらに、そのような回折光学素子は、単一波長の光ビームに含まれる T E波または TM波に対して波長板の機能を有し得る。

さらに、上述の偏光合分岐の機能を有する回折格子を含む D L C膜と波長板の機能を有する回折格子を含む D L C膜とを組合せて光アイソレータを得ることも可能である。

さらに、そのような回折光学素子は、 0 . 8 i m〜2 . O ju mの範囲内の波長を含む光に対して作用し得る回折格子を含み得る。

上述のような本発明による回折光学素子を形成するための方法においては、 D L C膜に所定のパターンでエネルギビームを照射して屈折率を高めることによつて、回折格子に含まれる高屈折率領域を形成することができる。そのエネルギビームは、 X線、電子線、およびイオンビームから選択され得る。また、 D L C膜は、プラズマ. C V D法によって基板上に堆積され得る。さらに、高屈折率領域と低屈折率領域との境界面を D L C膜の表面に対して傾斜させる場合には、 D L C 膜の表面に対してエネルギビームを傾斜させて照射すればよ、。図面の簡単な説明

図 1は、本発明による回折光学素子を作製する過程を図解する模式的な断面図である。

図 2は、本発明による回折光学素子を作製する過程を図解する模式的な断面図である。

図 3は、本発明による回折光学素子を作製する過程を図解する模式的な断面図である。

図 4は、本発明による波長合分岐器の波長分岐作用を図解する模式的な断面図である。

図 5は、本発明による波長合分岐器によって分岐された光の波長と強度分布との関係の一例を示すグラフである。

図 6は、本発明による光パワー分岐器における回折格子パターンの一例を示す模式的な平面図である。

図 7は、本発明による光パヮ一分岐器におけるパヮ一分岐作用を図解する模式的な断面図である。

図 8は、図 6の光パワー分岐器によってパワー分岐された回折ビームに直交する面内におけるビーム分布を示す平面図である。

図 9は、本発明による偏光分岐器における偏向分岐作用を図解する模式的な断面図である。

図 1 0は、本発明による波長板における偏光変換作用を図解する模式的な斜視図である。

図 1 1は、図 1 0の光学系における光アイソレータとしての作用を図解する模式的な斜視図である。

図 1 2は、本発明において光アイソレータとして作用し得る回折光学素子を図解する模式的な斜視図である。

図 1 3は、本発明による波長合分岐器の波長分岐作用の他の例を図解する模式的な断面図である。 . '

図 1 4は、本発明による光パワー分岐器におけるパワー分岐作用の他の例を図解する模式的な断面図である。図 1 5は、本発明による偏光分岐器における偏向分岐作用の他の例を図解する '模式的な断面図である。

図 1 6は、本発明において光アイソレータとして作用し得る回折光学素子の他の例を図解する模式的な断面図である。

図 1 7は、本発明による回折光学素子を作製する方法の他の例を図解する模式的な断面図である。

図 1 8は、本発明による回折光学素子を作製する方法のさらに他の例を図解する模式的な断面図である。

図 1 9は、従来の屈折率変調型回折光学素子の一例を示す模式的な断面図である。

図 2 0は、従来のレリーフ型回折光学素子の一例を示す模式的な断面図である。

図 2 1は、従来の屈折率変調型回折光学素子のもう 1つの例を示す模式的な断面図である。

図 2 2は、従来のレリーフ型回折光学素子のもう 1つの例を示す模式的な断面図である。発明を実施するための最良の形態

(実施形態 1 )

図 1から図 3は、本発明の実施形態 1による屈折率変調型回折光学素子の作製過程を図解する模式的な断面図である。なお、本願の図面において、長さや厚さのような寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を反映してはいない。

図 1に示されているように、屈折率 1 , 4 4を有しかつ 5 mm X 5 mmの主面を有する S i O₂基板 1上に、 D L C膜 2がプラズマ C V Dによって 2 i mの厚さに堆積された。なお、屈折率変調型回折光学素子における D L C膜の厚さに特別な制限はなく、任意の厚さに設定し得る。ただし、， D L C膜があまりに厚過ぎれば、その膜による光吸収効果が大きくなり過ぎることにおいて好ましくない。また、 D L C膜があまりに薄過ぎれば、十分な回折効果を得ることが困難になる傾向にあるので好ましくない。現在利用可能な D LC膜においては、好ましくは 0. 5〜 10 μ mの厚さ範囲内の D L C膜が屈折率変調型回折光学素子に利用される。しかし、より小さな光吸収係数を有する DLC膜が得られればより厚い D LC膜の利用も可能であろうし、屈折率の変化率をより大きくできればより薄い DLC膜の利用も可能になるであろう。

図 2においては、 DLC膜 2上に、リフトオフ法によって金マスク 3が形成された。この金マスク 3においては、幅 0. 5 μπιで長さ 5 mmの金ストライプが 0. 5 mの間隔を隔てて繰り返し配列されていた。すなわち、この金マスク 3 は、ライン .アンド 'スペースのパターンを有していた。その後、金マスク 3の開口部を介して、 800 k e Vの加速電圧の下で Heイオンビーム 4が 5 X 10¹⁷ / c m²のドース量で D L C膜 2に直交する方向に注入された。

その結果、 DLC膜 2のうちで Heイオンが注入されなかった領域は 1. 55 の屈折率を有していたが、 Heイオンが注入された領域 2 aの屈折率は 2. 05 に高められていた。このような DLC膜における屈折率変化は石英系ガラスにおいて得られる屈折率変化に比べてはるかに大きいものであり、十分に回折効率の大きな回折格子層の形成が可能となる。

図 3において、金マスク 3がエッチングによって除去され、実施形態 1の屈折率変調型回折光学素子が得られた。なお、この回折光学素子における回折格子層 2は、屈折率 1. 55と 2. 05との 2種類の領域を含んでおり、いわゆるバイナリ · レベルの回折格子層である。

図 4は、実施形態 1で得られた屈折率変調型回折光学素子を波長合分岐器として使用する場合における波長分岐作用を模式的な断面図で図解している。この断面図において、黒い断面領域は相対的に高い屈折率の領域を表わし、白い断面領域は相対的に低い屈折率の領域を表わしている。図 4に表わされているように、たとえば複数の波長; Iい λ₂、 λ₃、 λ₄を含む単一の光ビームを回折光学素子に入射させれば、その回折光学素子を通過する光の回折角は波長に依存して互いに異なる。その結果、複数波長を含む単一の入射光ビームが、波長ごとに進行方向の異なる複数の回折光ビームに分離され得るのである。

もちろん、図 4中の矢印で示された入射光ビームと回折光ビームとの向きを逆にすれば、図 4の回折光学素子が合波器として利用され得ることが明らかであろう。なお、回折光学素子が波長分岐器として使用される場合、光ビームは、一般に回折光学素子の表面の法線に対して 0〜 7 0度程度の範囲内の適切な角度で入射させられる。ただし、この入射角度範囲は高屈折領域と低屈折率領域との境界が D L C膜の表面となす角度に依存し、たとえばイオンビームを D L C膜面に対して斜め方向に照射することによって高屈折領域が D L C膜面に傾斜して形成されている場合には、その傾斜角を考慮して光ビームの入射角が調整される。

図 5は、実施形態 1の回折光学素子による波長分岐結果の一例を模式的に示すグラフである。このグラフの横軸は回折光の波長（n m) を表し、縦軸は回折光の強度を任意単位で表わしている。この場合において、 1 . 5〜1 . 6 i mの波長範囲と 3 5 0 /i mのビーム径を有する光が、光ファイバとコリメータを利用して、実施形態 1の回折光学素子に入射させられた。その結果、図 5に示されているように、 1 . 5 μ mから 1 . 6 μ mの間で 2 0 n m間隔で分布した波長を有する 5本の回折光ビームが得られ、それら 5本の回折光ビームはほぼ等しい強度を有していた。そして、このときの回折効率は約 9 9 %であり、十分に優れた波長分岐特性が得られた。

なお、実施形態 1においてはライン状の 1次元的回折格子パターンが用いられているので、回折光ビームは入射光ビームを含む 1つの平面に沿って存在する。しかし、次に述べる'実施形態 2におけるように 2次元的回折格子パターンを用いることによって、回折光ビームを 2次元的に分布させ得ることは言うまでもなレ、。

(実施形態 2 )

図 6は、実施形態 2による回折光学素子における 2次元的回折格子パターンを模式的な平面図で表わしている。実施形態 2の回折光学素子も、実施形態 1の場合と同様の工程で作製することができる。すなわち、図 6において、黒色の領域は D L C膜のうちで H eィオシビームが照射されて屈折率が高められた領域を表わし、白色の領域は H eイオンビームが照射されなかった領域を表わしている。黒色のパターンは、 4 μ m X 4 mの最小セルの組合せで形成されており、 1 3 2 / mの周期性を有している。すなわち、図 6の回折格子パターンにおいて、最小 f泉幅は 4 μιηである。

図 7は、実施形態 2で得られた屈折率変調型回折光学素子を光力ブラ（パワー分岐装置）として使用する場合におけるパワー分岐作用を模式的な断面図で図解している。すなわち、単一波長の光ビームを回折光学素子に入射させれば、その回折光学素子を通過する光の回折角は回折次数に依存して互いに異なる。その結果、単一波長の入射光ビームが、複数の光回折光ビームに分離され得るのである。 .

図 8は、図 6の光力プラによって図 7のようにパワー分岐された回折ビームに直交する面内におけるビーム分布を示す平面図である。すなわち、パワー Ρを有する入射光ビームは、それぞれ P/16のパワーを有する 16本の回折光ビームに分岐され得る。実際に、 1. 55 μιηの波長を有するビーム径 350 /zmの光を実施形態 2の回折光学素子の表面に垂直に入射させたところ、 4回対称に分布した 16分岐の回折光ビームが得られた。

なお、図 8に示されているような回折光ビームの分布パターンを実現し得る図 6の回折格子パターンは、周知のようにフーリエ変換を利用して求めることがでさる。 '

(実施形態 3 )

実施形態 3においては、偏光合分岐の機能を有する回折光学素子が作製された。この実施形態 3の回折光学素子においても、実施形態 1の場合と同様の工程で、ライン 'アンド 'スペースのパターンを有する DLCの回折格子層が形成された。ただし、実施形態 3においては、幅 0. 4 zmで長さ 5 mmの高屈折率領域が 0. 4 μπιの間隔を隔てて繰り返し配列させられた。

図 9は、実施形態 3で得られた屈折率変調型回折光学素子を偏光合分岐器として使用する場合における偏光分岐作用を模式的な断面図で図解している。すなわち、 ΤΕ成分と ΤΜ成分とを含む ΤΕΜ波を実施形態 3の回折光学素子に入射させれば、 ΤΕ波と ΤΜ波とはその偏光の相違に依存して互いに異なる回折角で回折される。たとえば、図 9に示されているように、 0次回折光として ΤΕ波が得られ、一 1次回折光として ΤΜ波が得られる。こうして、 ΤΕ波と ΤΜ波との分岐が可能になる。実際に、 1. 55 xmの波長を有するビーム径 100 μπιの光を実施形態 3の回折光学素子に入射させたところ、 T E波と TM波とを分岐することができた。。

(実施形態 4 )

実施形態 4においては、波長板の機能を有する回折光学素子が作製された。この実施形態 4の回折光学素子においても、実施形態 1の場合と同様の工程で、ライン 'アンド 'スペースのパターンを有する D L Cの回折格子層が形成された。ただし、実施形態 4においては、幅◦. 2 μ πιで長さ 5 mmの高屈折率領域が 0 . 2 μ πιの間隔を隔てて繰り返し配列させられた。

図 1 0は、実施形態 4で得られた屈折率変調型回折光学素子を波長板として使用する場合における偏光変換作用を模式的な斜視図で図解している。この図において、光め進行方向に沿って、直線偏光フィルタ 2 1と本実施形態 4において 1 / 4波長板として作用する回折光学素子 2 2とが配列されている。偏光フィルタ 2 1は、 1 . 5 5 μ ΐηの波長と 3 5 0 μ πιの断面径を有する入射光ビーム 2 3のうちで垂直直線偏光 2 4のみを通過させる。回折光学素子 2 2に含まれる高屈折率領域のライン ·アンド 'スペースの方向は、直線偏光 2 4の偏光方向に対して 4 5度回転させられていた。このような状態において、回折光学素子 2 2を通過した光 2 5は、進行方向に向いて反時計方向に回転する円偏光になった。

図 1 1は、図 1 0に示された偏光フィルタ 2 1と 1 Z 4波長板 2 2が光ァイソレータとして作用する状態を図解している。すなわち、図 1 0の円偏光 2 5が或る物体に反射されて戻ってくるとき、その円偏光の回転方向が反射によって逆回転にされた戻り光 2 6になっている。そして、その戻り光 2 6は、 1 / 4波長板 2 2を逆方向に通過することによって、水平直線偏光 2 7に変換される。そして、偏光フィルタ 2 1は垂直直線偏光のみを通過させるので、水平直線偏光の戻り光 2 7は偏光フィルタ 2 1によって阻止され、光入射側に戻ることができなレ、。こうして、光アイソレータとしての作用が発揮され得る。

(実施形態 5 ) ' 実施形態 5においては、図 1 2の模式的な斜視図に示されているように、光ァイソレータの機能を有する回折光学素子が作製された。この回折光学素子においては、石英ガラス基板 3 1の第 1主面 ±に第 1の D L C膜 3 1が形成され、第 2 主面上に第 2の DLC膜 33が形成された。そして、第1の0 〇膜32には、実施形態 3と同様な回折格子が形成され、第 2の DLC膜 33には実施形態 4と同様な回折格子が形成された。

波長 1. 55で断面径 350 ιηの光ビーム 34を図 1 2の回折光学素子に入射させたところ、偏光分岐器として作用する第 1の回折格子層 32と 1/4波長板として作用する第 2の回折光学層 33を通過した光 35は、或る物体に反射されて戻ってきても、光アイソレータとして協働する 1Z4波長板 33と偏光分岐器 32を通過して戻ることができなかった。このとき、第 1の回折格子層 32を通過する戻り光の強度に対する入射光の強度の比率である消光比として、 40 d B以上の値が得られた。

(実施形態 6 )

図 13に示された実施形態 6における波長合分岐格子層は、図 4に示されたものに類似しているが、高屈折率領域と低屈折率領域との界面が DLC膜の表面に対して傾斜していることにおいて異なっている。図 1 3の屈折率変調型回折光学層の作製においては、実施形態 1の場合に類似して、屈折率 1. 44を有しかつ 5 mm X 5 mmの主面を有する S i 0₂基板上に、 D L C膜がプラズマ C VDによつて 5 μπιの厚さに堆積された。

その DLC膜上には、幅 0. 5 μπιで長さ 5 mmの金ストライプが周期 1 μπι で繰り返し配列されたライン 'アンド 'スペースのパターンを有する金マスクが形成された。その後、金マスクの開口部を介して、 800 k e Vの加速電圧:の下で Heイオンビーム 4が 5 X 10¹⁷Zcm²のドース量で D L C膜の表面に対して 40度の傾斜角でかつ金ストライプの長さ方向に直交する方向に注入された。その結果、 DLC膜のうちで Heイオンが注入されなかった領域は 1. 55の屈折率を有していたが、 Heイオンが注入された領域の屈折率は 2. 05に高められていた。

図 4に類似した図 1 3は、実施形態 6で得られた屈折率変調型回折光学層を波長合分岐器として使用する場合における波長分岐作用を模式的な断面図で図解している。図 13に表わされているように、たとえば複数の波長い λ₂、； L₃、 λ₄ を含む単一の光ビームを回折光学素子に入射させれば、その回折光学素子を通過する光の回折角は波長に依存して互いに異なる。その結果、複数波長を含む単一の入射光ビームが、波長ごとに進行方向の異なる複数の回折光ビームに分離され得るのである。 .

この実施形態 6の場合において、 1 . 5 ~ 1 . 6 μ πιの波長範囲と 3 5 0 /i m のビーム径を有する光が、光ファイバとコリメータを利用して、図 1 3の回折光学素子の表面に直交する方向に入射させられた。その結果、本実施形態 6においても、実施形態.1の場合と同様に、 1 . 5 ^ πιから 1 . 6 ^u mの間で 2 0 n m間隔で分布した波長を有する 5本の回折光ビームが得られ、それら 5本の回折光ビームはほぼ等しい強度を有していた。そして、このときの回折効率は約 9 9 %であり、十分に優れた波長分岐特性が得られた。

なお、本実施形態 6におけるように回折光学層の表面に直行する方向に入射光を導入できれば、そのような回折光学層を含む光学部品のコンパクト化ゃ低コスト化をより促進することができ、光部品としてパッケージする際の調芯工程が簡略化され得る。

(実施形態 7 )

図 1 4に示された実施形態 7におけるパワー分岐格子層は、図 7に示されたものに類似しているが、高屈折率領域と低屈折率領域との界面が D L C膜の表面に対して例えば 4 5度だけ傾斜していることにおいて異なっている。また、図 7のパワー分岐格子層は図 6に示されているような 2次元的回折格子パターンを有しているが、図 1 4のパワー分岐格子層では D L C膜の表面において例えば 9 0 m幅の高屈折率領域が 1 8 0 μ πιの周期性でライン 'アンド'スペースのパターンで形成される。

すなわち、高屈折率領域と低屈折率領域との界面を D L C膜の表面に対して傾斜させる場合には、図 8に示されているように入射パワーを 2次元的に分岐することはできないが、 D L C膜の表面に直交する入射光ビームを含みかつ高屈折率領域と低屈折率領域との界面に直交する面内においてその入射光ビームを複数のビームにパワー分岐することができる。

(実施形態 8 )

図 1 5に示された実施形態 8における偏光分離格子層は、図 9に示されたものに類似しているが、高屈折率領域と低屈折率領域との界面が DLC膜の表面に対して傾斜していることにおいて異なっている。この実施形態 8においては、実施形態 6の場合に類似して、 S i〇₂基板上に DLC膜がプラズマ CVDによって 4 μπιの厚さに堆積された。その DLC膜上には、幅 0. 4 mで長さ 5 mmの金ストライプが周期 1 μπιで繰り返し配列されたライン 'アンド .スペースのパターンを有する金マスクが形成された。その後、 DLC膜の表面に対して 40度の傾斜角でかつ金ストライプの長さ方向に直交するの方向に H eィオンが注入された。

TE成分と TM成分とを含む TEM波のビームを図 1 5の回折光学層の表面に直行する方向に入射させれば、 TE波と TM波とはその偏光の相違に依存して互いに異なる回折角で回折される。実際に、 .1. 55 μπιの波長を有するビーム径 100 μπιの光を本実施形態 8の回折光学素子に入射させたところ、 ΤΕ波と Τ Μ波とを分岐することができた。

(実施形態 9)

図 16の模式的断面図に示された実施形態 9における光アイソレータは、図 1 2のものに類似しているが、それに含まれる第 1の DLC膜 32 aおいて実施形態 8と同様な回折格子が形成されていることにおいて異なっている。

波長 1. 55で断面径 350 μ mの光ビーム 34 aを図 16の回折光学素子の表面に垂直に入射させたところ、偏光分岐器として作用する第 1の回折格子層 3 2 aと 1Z4波長板として作用する第 2の回折光学層 33を通過した光 35 a は、或る物体に反射されて反射光 35 bとして戻ってきても、光アイソレータとして協働する 1Z4波長板 33と偏光分岐器 32 aを通過して戻ることができなかった。

(実施形態 10)

実施形態 10においては、本発明による回折光学素子の形成法の他の例が示される。図 17の模式的な断面図においては、 DLC膜 2上に複数のライン状の金マスク 3 aが形成される。このライン状の金マスク 3 aは、その長さ方向に直交する断面において、半円状の上面を有している。このようなマスクパターンの上方から、 DL.C膜 2の上面に直交する方向に Heイオン 4が照射される。そし .

14 て、 DLC膜 2内に高屈折率領域 2 bが形成される。

そのとき、各ライン状マスクが半円状の上面を有しているので、各マスクの側面近傍では一部の H eイオンがそのマスクを透過することができ、その透過 H e イオンが DLC膜 2内に侵入し得る。したがって、図 17の DLC膜 2中においては、高屈折率領域と低屈折率領域との界面近傍において、屈折率が連続的に変化することになる。そして、このような連続的な屈折率変化を含む屈折率変調型回折光学素子においては、前述のように、バイナリレベルの屈折率変化を含む回折光学素子に比べて改善された回折効率を得ることができる。

他方、図 1 8の模式的な断面図においては、 DLC膜 2上に複数のライン状の金マスク 3 bが形成される。このライン状の金マスク 3 bは、その長さ方向に直交する断面において矩形状であり、かなりの厚さを有している。このようなマスクパターンの斜め上方から、 D L C膜 2の上面に傾斜する方向に H eイオン 4が照射される。そして、 DLC膜 2内に高屈折率領域 2 cが形成される。

そのとき、各ライン状マスクの矩形状断面のコーナ近傍では一部の H eイオンがそのマスクを透過することができ、その透過 Heイオンが DLC膜 2内に侵入し得る。したがって、図 18の DLC膜 2中においては、高屈折率領域と低屈折率領域との界面がその膜面に対して傾斜し得るとともに、その界面近傍において屈折率が連続的に変化することになる。

なお、以上の実施形態では D L C膜の屈折率を高めるために H eイオン照射を利用する例について説明されたが、 DLC膜の屈折率を高めるためには X線照射や電子線照射などをも利用することができる。また、上述の実施形態では 1. 5 μπιから 1. 6 μπιまでの波長範囲内の入射光に関して説明されたが、本発明においては、光通信分野において利用される可能性のある 0. 8 μπ！〜 2. 0 Ai m の範囲内のどのような波長を有する光に対しても使用し得る回折光学素子を作製することができる。

さらに、 DLC膜中にマルチレベルの回折格子をも形成し得ることは言ゔまでもない。その場合には、たとえばエネルギレベルまたは Zおよびドース量の異なるエネルギビームを D L C膜に照射すればよい。産業上の利用可能性

以上のように、本努明によれば、実用的な回折光学素子を効率的に低コストで提供することができる。また、 D L C膜を利用することによって実現可能になつた屈折率変調型回折光学素子においては、レリーフ型回折光学素子のように表面に微細な囬凸が存在しないので、その表面が汚染されにくくかつ汚染されてもその浄化が容易である。さらに、 D L C膜は高い耐磨耗を有するので、本発明の回折光学素子はその表面が破損されにくい観点からも好ましい。

Claims

請求の範囲

1 . 透光性基板上に形成された透光性 D L C膜を含み、この D L C膜は相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とを含む回折格子を含んでいることを特徴とする回折光学素子。

2 . 前記高屈折率領域と前記低屈折率領域との境界面は前記 D L C膜の表面に垂直であることを特徴とする請求項 1に記載の回折光学素子。

3 . 前記境界面の両側において屈折率が連続的に変化していることを特徴とする請求項 2に記載の回折光学素子。

4 . 前記高屈折率領域と前記低屈折率領域との境界面は前記 D L C膜の表面に対して傾斜していることを特徴とする請求項 1に記載の回折光学素子。

5 . 前記境界面の両側において屈折率が連続的に変化していることを特徴とする請求項 4に記載の回折光学素子。

6 . 前記回折光学素子は、複数の波長を含む 1つの光ビームを波長に依存して複数の光ビームに分割することができ、かつ異なる波長を有する複数の光ビームを単一の光ビームに合体させることができる波長合分岐の機能を有することを特徴とする請求項 1カゝら 5のいずれかの項に記載の回折光学素子。

7 . 前記回折光学素子は、単一波長の光ビームを複数の光ビームに分割することができ、かつ単一波長の複数の光ビームを単一の光ビームに合体させことができるパヮ一合分岐の機能を有することを特徴とする請求項 1から 5のいずれかの項に記載の回折光学素子。

8 . 前記回折光学素子は、単一波長の光ビームに含まれる T E波と TM波を分離できかつ合体させることができる偏光合分岐の機能を有することを特徴とする請求項 1から 5のいずれかの項に記載の回折光学素子。

9 . 前記回折光学素子は、単一波長の光ビームに含まれる T E波または TM 波に対して波長板の機能を有することを特徴とする請求項 1から 3のいずれかの項に記載の回折光学素子。

1 0 . 透光性基板の第 1と第 2の主面上にそれぞれ形成された第 1と第 2の透光性 D L C膜を含み、前記 D L C膜の各々は相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とを含む回折格子を含んでおり、前記第 1の D L C膜は単一波長の光ビームに含まれる T E波と TM波を偏光分離することができる偏光分岐の機能を有し、

前記第 2の D L C膜は単一波長の光ビームに含まれる T E波または TM波に対して波長板の機能を有し、

前記第 1と第 2の D L C膜は協働して光アイソレータの機能を有することを特徴とする回折光学素子。 .

1 1. 前記第 1の D L C膜における前記高屈折率領域と前記低屈折率領域との境界面はその D L C膜の表面に対して傾斜しており、前記第 2の D L C膜における前記高屈折率領域と前記低屈折率領域との境界面はその DLC膜の表面に垂直であることを特徴とする請求項 10に記載の回折光学素子。

12. 前記境界面の両側において屈折率が連続的に変化していることを特徴とする請求項 1 1に記載の回折光学素子。

1 3 前記回折光学素子は 0. 8 / m〜2. 0 μπιの範囲内の波長を含む光に対して作用し得る前記回折格子を含んでいることを特徴とする請求項 1から 1

2のいずれかに記載の回折光学素子。

14. 請求項 1から 1 3のいずれかに記載された回折光学素子を形成するための方法であって、前記 D L C膜に所定のパターンでエネルギビームを照射して屈折率を高めることによって、前記回折格子に含まれる前記高屈折率領域を形成することを特徴とする回折光学素子の形成方法。

1 5. 前記エネルギビームは、 X線、電子線、およびイオンビームから選択されることを特徴とする請求項 14に記載の回折光学素子の形成方法。

16. 前記基板上において、前記 DLC膜はプラズマ CVD法によって堆積されることを特徴とする請求項 14または 1 5に記載の回折光学素子の形成方法。

1 7. 前記エネルギビームが前記 DLC膜の表面に対して傾斜して照射される工程を含むことを特徴とする請求項 1.4から 16のいずれかの項に記載の回折光学素子の形成方法。 -