(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の波長を有する入射光から任意の単一波長の光を反射させることができ、意図しないサイドバンドの波長の光の反射をほぼ完全に防止した波長分波分光素子を提供する。【解決手段】波長分波光学素子は、導波層２０と、トップ層１０とが積層されてなり、トップ層の表面に複数の凸条を備えた波長分波光学素子であって、上記複数の凸条が、条幅の異なる二種類の凸条パターンＡおよび凸条パターンＢからなり、凸条の離間距離である距離ＰAと距離ＰBとの和が、上記周期Ｐを形成しており、凸状パターンＡの条幅Ａ１と凸状パターンＢの条幅Ｂ１が、次式（Ｉ）を満たし、Ｂ１＝Ｋ１×Ａ１・・・（Ｉ）（０．３＜Ｋ１＜０．９０）；かつ上記距離ＰAおよび距離ＰBが、次式ＰA＝Ｋ２ａ×Ｐ・・・（ＩＩ）およびＰB＝Ｋ２ｂ×Ｐ・・・（ＩＩＩ）を満たす（０．３５＜Ｋ２ａ＜０．６５かつ０．３５＜Ｋ２ｂ＜０．６５であって、Ｋ２ａ≠Ｋ２ｂ）。【選択図】図１
2010139621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、導波層と、該導波層の屈折率よりも０．０３以上高い屈折率を有するトップ層とが積層されてなり、該トップ層の表面にその一辺から対辺に至る平行に形成された複数の凸条を備えた波長分波光学素子であって、
上記複数の凸条が、条幅の異なる二種類の凸条パターンＡおよび凸条パターンＢからなり、上記凸条パターンＡと上記凸条パターンＢとは、交互に隣接するとともに、それぞれ独立に周期Ｐをもって繰り返し配置されており、
上記凸条パターンＡおよび凸条パターンＢが、該凸条パターンＡの縦断面の中心を通って凸条上面から導波層に向かって直角に垂下する仮想中心線aと、これに隣接する該凸条
パターンＢの縦断面の中心を通って凸条上面から導波層に向かって直角に垂下する仮想中心線ｂとが、相互に異なる距離ＰAおよび距離ＰBの幅で離間して繰り返すように形成されているとともに、該凸条の離間距離である距離ＰAと距離ＰBとの和が、上記周期Ｐを形成しており、
そして、
上記凸状パターンＡの条幅Ａ１と上記凸状パターンＢの条幅Ｂ１が、下記式（Ｉ）を満たし、
【数１】
2010139621.tif 000018
（ただし式（Ｉ）において、０．３０＜Ｋ１＜０．９０である。）；
かつ上記距離ＰAおよび距離ＰBが、下記式（ＩＩ）および（ＩＩＩ）を満たすことを特徴とする波長分波光学素子；
【数２】
2010139621.tif 000019
（ただし、式（ＩＩ）および式（ＩＩＩ）において、０．３５＜Ｋ２ａ＜０．６５かつ０．３５＜Ｋ２ｂ＜０．６５であって、Ｋ２ａとＫ２ｂとは同一ではない。）。
【請求項２】
上記トップ層表面からの凸条上面までの高さが、１００〜６００nmの範囲内にあることを特徴とする請求項第１項に記載の波長分波光学素子。
【請求項３】
上記波長分波光学素子を構成するトップ層の屈折率が、導波層の屈折率よりも０．０３〜０．２５高いことを特徴とする請求項第１項記載の波長分波光学素子。
【請求項４】
上記凸条パターンＡの条幅Ａ１が４０nm〜６００nmであることを特徴とする請求項第１項記載の波長分波光学素子。
【請求項５】
上記凸条パターンＢの条幅Ｂ１が２０nm〜４００nmであることを特徴とする請求項第１項記載の波長分波光学素子。
【請求項６】
上記周期Ｐが２５０nm〜１２００nmであることを特徴とする請求項第１項記載の波長分波光学素子。
【請求項７】
請求項１に記載の波長分波光学素子と、該波長分波光学素子への入射光の入射角度を変更自在にする入射光角度変更手段とを備えてなることを特徴とするカプラー。
【請求項８】
上記入射光角度変更手段が、光の入射角を変更する可動性鏡体、波長分波光学素子の入射光に対する角度を変更する可動性ステージよりなる群から選ばれる少なくとも一種類の
入射光角度変更手段であることを特徴とする請求項７に記載のカプラー。
【請求項９】
出力される反射光の波長が４００〜１７００nmの範囲内にあることを特徴とする請求項７に記載のカプラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は入射光角度を変更することで種々の波長の光を単一波長で反射することができ、容易に製造可能な波長分波光学素子およびこの波長分波光学素子を用いたカプラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
通信技術の発達に伴って、情報の伝達媒体が電気から光に変わりつつある。例えばインターネットなどにおいては、ＩＳＤＮのように電話回線を用いた電気信号の代わりに、光ファイバーを用いたネットワークが構築されており、この光ファイバーを通して波長の異なる複数の光からなる光の束として情報を送信することができる。例えば、このような光の束を構成する特定波長の光を画像情報の伝達媒体として使用し、他の特定波長の光を音響情報の伝達媒体とするなど、光通信技術では複数の情報を一本の光ファイバーを用いて同時に送信することができる。
【０００３】
具体的な例を示すと、インターネットの通信に用いられている光ファイバー通信網では、近赤外から中赤外線領域の波長光（波長：７６０ｎｍ〜２．５μｍ、２．５〜４μｍ）を使用して情報の伝達が行われている。この近赤外から中赤外線領域の波長光は、肉眼では見えないが、光としての性質は勿論、可視光に近い性質を有しており、通信伝達媒体としての光として可視光より極めて便利な波長光であることから、近年、急速に普及した携帯電話の光通信網、インタ-ネットの光ファイバー通信網で使用されている。そして、今
後その情報伝送量はますます増大すると予測されている。
【０００４】
このように光通信では、例えば、波長分割多重化ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）方式が採用されている。
ここで採用されているＷＤＭ方式とは、波長の異なる複数の光を用いて、例えば、音声、画像、映像などの独立情報を、それぞれの波長の光に割り当て独立情報の数に対応した波長の数の光を多重化して光信号として光束伝送させる光通信システムである。
【０００５】
従って、ＷＤＭ方式で送られた情報を受ける側では、光の束に含まれる特定波長の光を光の束から個別独立に分離する必要がある。このようなＷＤＭ方式の通信システムで多重化伝送された光信号を分離（又は分波）させるために、波長分波性（又は波長選択性）を有する波長に対して選択のあるフィルターが必要であり、このようなフィルターは、例えば図１３に示すように、表面に凹凸を有する透明部材で形成された構造を有しており、通常は、波長分波光学素子とよばれている。
【０００６】
このような波長分波光学素子は、例えば、図１３に示すように、反射型の回折格子１は基板１００上に周期Ｄの格子溝１１０が規則的に配列された光学素子である。この回折格子に対し、格子溝１１０の法線Ｐとの成す角度θ１で以て入射した光が法線Ｐとの成す角度θ２で以て回折したとき、隣り合う格子溝１１０における光束の光路差ΔＬ１０は次の(Ａ)式で与えられる。
【０００７】
【数２】
2010139621.tif 000003
この光路差ΔＬ１０が波長λの１／２の偶数倍、即ち、
【０００８】
【数３】
2010139621.tif 000004
但し、Ｍ＝１、２、３の整数を表す。
と等しくなるとき出射光は強め合うことになる。したがって、次の(Ｂ)式を満足する特定の波長λを持つ光が回折格子から出射（回折）する。
【０００９】
【数４】
2010139621.tif 000005
例えば、θ１＋θ２＝αを一定にする条件の下で入射角θ１及び出射角θ２を変化させることにより、回折光の波長λを任意に変化させることができる。また、入射光が白色光である場合にも、出射角θ２を変化させることにより特定波長を持つ光を回折光として取り出すことができるとされている。
【００１０】
しかしながら、上記のような従来の回折格子には、所望の波長の光とともに必要としない高次光も同じ方向に出射してくるという原理的な問題がある。即ち、(Ｂ)式は、波長がλである１次光、波長がλ／２である２次光、波長がλ／３である３次光、・・・が強め合って出て来ることを意味するから、いま入射角θ１、出射角（回折角）θ２の配置で取り出したい１次光の波長をλAとすると、同時に不要であるλA／２、λA／３、・・・の
光も同じ方向に出射する。一般に次数が高くなるに伴って回折光の強度は低下するものの、２次光は無視できない程度に大きな強度を有していることが多い。
【００１１】
こうした従来の回折格子（波長分波分光素子）において、必要とされるλＡ以外の波長の光が分波して、所望の波長λＡを高い選択率で分波するために、たとえば特開2006-91204号公報（特許文献１）には、「溝周期がDである第１の格子溝の上に、該格子溝と同一
方向に延伸し溝周期がＤ／４である第２の格子溝を重ねて刻して成ることを特徴とする回折格子。」の発明（図１４参照）が記載されており、第１の格子溝１１０における回折条件は上記と同様であるが、第２の格子溝１２の回折条件を考えると、第１の格子溝１１０と同様に、法線Ｐとの成す角度θ１で以て入射した光が法線Ｐとの成す角度θ２で以て回折したとき、隣り合う格子溝１２における光束の光路差ΔＬ２は次の(Ｃ)式で与えられる。
【００１２】
【数５】
2010139621.tif 000006
この第２の格子溝１２０によって強め合う条件は、(Ｂ)式と同様に次の(Ｄ)式となる。
【００１３】
【数６】
2010139621.tif 000007
但し、Ｎ＝１、２、３、などの整数である。
第１の格子溝１１０で取り出したい１次光の波長をλAとすると、(Ｂ)式より、
【００１４】
【数７】
2010139621.tif 000008
であるから、溝周期がＤ／４である第２の格子溝１２では、波長がλA／４である１次
光、波長がλA／８である２次光、波長がλA／１２である３次光、・・・を強め合うことが分かる。他方、逆に弱め合う条件は、次の(Ｅ)式を満足するときである。
【００１５】
【数８】
2010139621.tif 000009
即ち、波長がλA／２である１次光、波長がλA／６である２次光、波長がλA／１０で
ある３次光、…が弱め合うことになる。因みに、λA／２よりも長い波長では強め合うこ
とも弱め合うこともない。
【００１６】
即ち、溝周期Ｄである第１の格子溝１１０では波長λA／２である２次光が不所望の回
折光として出て来る筈であるが、溝周期Ｄ／４である第２の格子溝１２０では この波長
λA／２の光は１次光として弱め合うことになるから、結果として、この回折格子からの
波長λA／２の回折光の出射は抑制されることになる。このようにして、所望の波長λAの１次回折光の２次光を軽減することができるとされている。
【００１７】
しかしながら、特許文献１および２はともに、目的とする反射波長を得るために、パターン形状をその都度変更する必要があり、複数の波長を含む光を分波するためには、波長に対応する素子をそれぞれ製造する必要があった。
【特許文献１】特開2006-91204号公報
【特許文献２】特開2002-22918号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、複数の波長を有する入射光から任意の単一波長の光を反射させることができ、意図しないサイドバンドの波長の光の反射をほぼ完全に防止した波長分波分光素子を提供することを目的としている。
【００１９】
さらに、本発明は、回折素子の設計が容易であり、低コストで供給可能な波長分波分光素子を提供することを目的としている。また、本発明は、種々の光を選択的に反射可能なカプラーを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の波長分波光学素子は、少なくとも、導波層と、該導波層の屈折率よりも０．０３以上高い屈折率を有するトップ層とが積層されてなり、該トップ層の表面にその一辺から対辺に至る平行に形成された複数の凸条を備えた波長分波光学素子であって、
上記複数の凸条が、条幅の異なる二種類の凸条パターンＡおよび凸条パターンＢからなり、上記凸条パターンＡと上記凸条パターンＢとは、交互に隣接するとともに、それぞれ独立に周期Ｐをもって繰り返し配置されており、
上記凸条パターンＡおよび凸条パターンＢが、該凸条パターンＡの縦断面の中心を通って凸条上面から導波層に向かって直角に垂下する仮想中心線aと、これに隣接する該凸条
パターンＢの縦断面の中心を通って凸条上面から導波層に向かって直角に垂下する仮想中心線ｂとが、相互に異なる距離ＰAおよび距離ＰBの幅で離間して繰り返すように形成されているとともに、該凸条の離間距離である距離ＰAと距離ＰBとの和が、上記周期Ｐを形成しており、
そして、
上記凸状パターンＡの条幅Ａ１と上記凸状パターンＢの条幅Ｂ１が、下記式（Ｉ）を満たし、
【００２１】
【数９】
2010139621.tif 000010
（ただし式（Ｉ）において、０．３０＜Ｋ１＜０．９０である。）；
かつ上記距離ＰAおよび距離ＰBが、下記式（ＩＩ）および（ＩＩＩ）を満たすことを特徴としている。
【００２２】
【数１０】
2010139621.tif 000011
ただし、式（ＩＩ）および式（ＩＩI）において、０．３５＜Ｋ２ａ＜０．６５かつ０
．３５＜Ｋ２ｂ＜０．６５であって、Ｋ２ａとＫ２ｂとは同一ではない。
【００２３】
さらに上記凸条の高さが、トップ層表面から１００〜６００nmの範囲内にあることが好ましい。
またさらに、上記波長分波光学素子を構成するトップ層の屈折率が、導波層の屈折率よりも０．０３〜０．２５高いことが好ましい。
【００２４】
このような凸条パターンＡの条幅Ａ１は、４０nm〜６００nmであることが好ましい。
さらに、上記凸条パターンＢの条幅Ｂ１は、２０nm〜４００nmであることが好ましい。
また、上記の周期Ｐは、２５０nm〜１２００nmであることが好ましい。
【００２５】
また、本発明のカプラーは、上記のような波長分波光学素子と、該波長分波光学素子への入射光の入射角度を変更自在にする入射光角度変更手段とを備えてなることを特徴としている。
【００２６】
このカプラーにおいて、入射光角度変更手段として、光の入射角を変更する可動性鏡体、波長分波光学素子の入射光に対する角度を変更する可動性ステージよりなる群から選ばれる少なくとも一種類の入射光角度変更手段が組み込まれていることが好ましい。
【００２７】
本発明のカプラーにおける出力される反射光の波長が、４００〜１７００nmであることが好ましい。
本発明の波長分波光学素子は、概略トップ層の表面に周期が同一であって位相の異なる二条の凸条が形成されている。すなわち、本発明の波長分波光学素子の表面には、位相の異なる二条の凸条が、それぞれ独立に、周期Ｐで繰り返し形成されている。換言すれば、周期Ｐの一条の凸条ピークの間に、もう一つの凸条ピークが同一の周期Ｐで立設されており、しかもこの二条の凸条ピークは、近接して形成されている。しかも、これらの凸条ピークは等間隔に設けられているのではなく、所定の規則性をもってトップ層表面に配置されているので、入射光角度を変えることでより高い精度で入射光から任意の光を分波することができ、特に本発明の波長分波光学素子によれば、サイドバンドの発生が少なくなる。また共鳴に起因する意図しない波長の分波も極めて少なくすることができる。
【００２８】
本発明の波長分波光学素子は、見方を変えてみると、隣接するパターンＡとパターンＢとを一つの突起対としてみることができ、この突起対はこのトップ層の表面に一定の間隙を形成して形成されていることになる。
【００２９】
このように波長分波光学素子を一定の周期を持つ二条の凸条パターンにより形成し、この二条のパターンの間隙を所定の範囲内にすることにより、入射される光の角度を変えることで、種々の波長の光を選択的に反射することができ、さらに、反射される波長以外の光の出射を抑制でき、入射した光の束から、サイドバンドのない単独波長光を効率的に出射させることができる。
【００３０】
また、本発明の波長分波光学素子は、トップ層表面の形状が複雑ではないので、製造が容易であり、安価に高性能の波長分波光学素子を提供することができる。また、本発明の波長分波光学素子と入射光角度変更手段を有するカプラーは、一種類の光学素子で種々の波長を分波可能であり汎用性が高い。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の波長分波光学素子は、二条の凸条パターン（パターンＡ、パターンＢ）を有し、これらを一対の凸条として作用させることにより、入射光角度を変えることで所望の波長の光を独立して出射（反射）させることができ、このときの出射光の波長は単一であり、サイドバンドはほとんど観察されない。
【００３２】
本発明の波長分波光学素子は、モールドを用いたインプリント法等により容易に製造することができ、しかもここで使用するモールドは、通常のモールドと同様に製造することができるので、高性能な波長分波光学素子を安価に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
次に本発明の波長分波光学素子について、図面を用いて具体的に説明する。
図１は、図２に示す本発明の波長分波光学素子の一例におけるＹ-Ｙ断面を示す断面図
である。図２は、本発明の波長分波光学素子のトップ層の平面を示す平面図である。
【００３４】
本発明の波長分波分光素子は、表面に複数の凸条４０が形成されたトップ層１０と、このトップ層１０の下層である導波層２０とを有しており、この導波層２０は、通常は基板３０の上に形成されている。
【００３５】
本発明の波長分波分光素子において、凸条４０の高さを含めたトップ層１０の厚さは、通常は、０．２０〜６．００μm、好ましくは０．６〜１．５μmの範囲内にあり、このトップ層１０を形成する素材の屈折率は、通常は１．４０〜１．８０の範囲内、好ましくは１．５６〜１．６３の範囲内にある。
【００３６】
本発明において、導波層２０の厚さは、通常は０．５〜２０μm、好ましくは０．７〜
２．０μmの範囲内にある。基板３０の厚さは、通常は８０〜１２００μm、好ましくは５００〜１０００μmの範囲内にある。
【００３７】
この導波層２０を形成する素材の屈折率は、通常は１．４０〜１．７７の範囲内、好ましくは１．４５〜１．５５の範囲内にある樹脂であり、トップ層１０を形成する素材よりも低い屈折率の素材を使用して形成されている。
【００３８】
本発明の波長分波光学素子を形成する導波層２０、トップ層１０およびトップ層１０の表面に形成された凸条４０は、いずれも光透過性の素材で形成されている。ここで使用するトップ層１０を形成する素材の例としては、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、環状オレフィン系樹脂、（チオ）フェノール誘導体系樹脂、フッ素変性アクリル系樹脂、ナフタレン系樹脂、無機ナノ粒子添加系樹脂および有機−無機ハイブリット系樹脂などの透明性の高い熱可塑性樹脂あるいはＵＶ硬化樹脂が挙げられる。また、導波層２０を形成する素材の例としても上記と同様の熱可塑性樹脂を挙げることができる。また、基板３０を形成する素材の例としては、上記と同様の熱可塑性樹脂およびＵＶ硬化樹脂に加えて、ガラスなどの無機透明材料を挙げることができる。
【００３９】
ここで、導波層２０と基板３０との間に波長分波に影響を及ぼさない範囲でプライマー層（図示なし）を設けてもよい。このプライマー層の厚さは目的とする分波波長よりも充
分に小さい厚みであり、通常は数十nm以下、好ましくは２５nm以下である。
【００４０】
本発明の波長分波光学素子において、導波層２０の屈折率を（ｎ1）、トップ層１０の
屈折率を（ｎ2）としたときに、トップ層１０の屈折率（ｎ2）と導波層２０の屈折率（ｎ1）との差（ｎ2−ｎ1）が、０．０３以上になり、好ましくは０．０６〜０．２５の範囲
内になるように形成素材を選定する。このようにトップ層１０と導波層２０との屈折率に差を設けることにより、より効率よく波長分波を行うことができる。
【００４１】
本発明の波長分波光学素子が導波層２０の下に基板３０を有する三層構造を有する場合に、基板３０と導波層２０との屈折率差を０〜０．３の範囲内にすることにより、より分波性能の良い波長分波光学素子とすることができる。
【００４２】
なお、本発明の波長分波光学素子において、トップ層１０の表面に形成される凸条４０は、トップ層１０を形成する素材と同一の素材で一体に形成されていることから、その屈折率もトップ層１０を形成する素材の屈折率と同一である。
【００４３】
本発明の波長分波光学素子を形成する素材としては、透明性の高い素材を使用することができ、全光線透過率が、通常は７０％以上、好ましくは８０％以上である透明性を有する素材を使用する。
【００４４】
本発明の波長分波光学素子のトップ層の表面には、凸条パターンＡと凸条パターンＢとは交互に隣接し、それぞれの凸条パターンは、それぞれ独立に、周期Ｐで繰り返し形成されている。各凸条はトップ表面の1辺から対辺に至り、互いに平行である。
【００４５】
上記のようにしてトップ層１０の平坦な表面に立設されている凸条４０の上面からトップ層１０表面までの高さは、通常は１００〜６００nm、好ましくは３００〜４５０nmである。
【００４６】
上述のように、本発明において、このようなトップ層１０の表面に形成される凸条４０には、条幅の異なる２種の凸条パターンＡと凸条パターンＢとがある。
本発明の波長分波光学素子のトップ層１０の表面に立設されている凸条パターンＡの条幅Ａ１は、通常は４０〜６００nm、好ましくは４５〜５００nmの範囲内にある。また、もう一方の凸条パターンＢの条幅Ｂ１は、通常は２０〜４００nm、好ましくは２０〜３３０nmの範囲内にある。本発明において、凸条パターンＡの条幅Ａ１と凸条パターンＢの条幅Ｂ１との比（（Ｂ１/Ａ１＝Ｋ１））が、０．３より大きく、０．９０未満の範囲内にあ
り、さらに０．３５〜０．６５の範囲内にあることが好ましい。凸条パターンＡの条幅Ａ１と、凸条パターンＢの条幅Ｂ１との比率を上記のように設定することにより、サイドバンドが形成されにくくなる。つまり、本発明においてはこれらの条幅は、同一でなく、図１に示すように、凸条パターンＡの条幅Ａ１が凸条パターンＢの条幅Ｂ１よりも太く形成されている。
【００４７】
本発明の波長分波光学素子においては、上記のように条幅の異なる二条の凸条パターンＡおよびＢを隣接して配置するとともに、凸条パターンＡをＰの周期で形成し、凸条パターンＢをＰの周期で形成する。
【００４８】
さらに、トップ層１０の表面には、凸条パターンＡと凸条パターンＢとが交互に配置されている。
このときの凸条パターンＡおよび凸条パターンＢの配置位置を表すために、本発明では、図２に示されるような波長分波分光素子におけるＹ−Ｙ線における縦断面を切り出し、この縦断面における仮想線を想定して凸条パターンＡおよび凸条パターンＢの位置を特定
する。
【００４９】
図１に示すように、本発明の波長分波光学素子の縦断面には、導波層２０の上面にはトップ層１０が配置されており、このトップ層１０の表面から太く形成された凸条パターンＡと、細く形成された凸条パターンＢとが配置されている。
【００５０】
この凸条パターンＡの上面から導波層２０方向に、この凸条パターンＡの縦断面の中心を通る仮想線を仮想線aとし、凸条パターンＢの上面から導波層２０方向に、凸条パター
ンＢの縦断面の中心を通る仮想線を仮想線ｂとする。
【００５１】
本発明の波長分波光学素子において、図１において、左側から表すと、凸条パターンＡと凸条パターンＢとは隣接しており、仮想線aと仮想線ｂとの距離で表わすと、凸条パタ
ーンＡと凸条パターンＢとの距離は、距離ＰAである。また、この凸条パターンＢの右側
には上記距離ＰAと異なる間隙を形成して凸条パターンＡが配置されている。この凸条パ
ターンＢと凸条パターンＡとの距離は、仮想線ｂと仮想線ａとの距離として、距離ＰBで
表わされている。このように、凸条パターンＡと凸条パターンＢとは、距離ＰA、距離ＰBの間隔を形成して繰り返し配置されている。
【００５２】
他方、凸条パターンＡに着目してみると、本発明の波長分波光学素子において、凸条パターンＡの形成周期は、周期Ｐで表わされている。さらに、凸条パターンＢに着目してみても、本発明の波長分波光学素子において、凸条パターンＢの形成周期は、周期Ｐであり、凸条パターンＡの形成周期と、凸条パターンＢの形成周期とは同一周期Ｐである。ここで、周期Ｐは、凸条パターンにおける上記仮想中心線aと仮想中心線ｂとの距離ＰAと、仮想中心線ｂと仮想中心線ａとの距離ＰBとの和であるから、本発明の波長分波光学素子に
おいては、周期Ｐで形成された多数の凸条パターンＡに対して、位相をＰAだけずらして
周期Ｐで多数の凸条パターンＢが形成されているとみることができる。ここで、周期Ｐは、通常は２５０nm〜１２００nmである。
【００５３】
本発明においては、上記のような関係にある凸状パターンＡの条幅Ａ１と凸状パターンＢの条幅Ｂ１は、下記式（Ｉ）を満たす。
【００５４】
【数１１】
2010139621.tif 000012
ただし、上記式（Ｉ）において、０．３０＜Ｋ１＜０．９０であり、好ましくは０．３５＜Ｋ１＜０．６５である。
【００５５】
上記凸条パターンＡの条幅Ａ１と凸条パターンＢの条幅Ｂ１との関係を上記式（Ｉ）で表わされるように調整することにより、サイドバンドが発生しにくい波長分波光学素子とすることができる。
【００５６】
さらに、図１に示すように、本発明の波長分波光学素子において、上記の凸条パターンＡの縦断面の縦方向の中心に仮想される仮想中心線aと、凸条パターンＢの縦断面の縦方
向の中心に仮想される仮想中心線ｂとしたときの、仮想中心線aから仮想中心線ｂまでの
距離ＰAおよび仮想中心線ｂから仮想中心線ａまでの距離ＰBが、下記式（ＩＩ）および（ＩＩＩ）を満たす。
【００５７】
【数１２】
2010139621.tif 000013
ただし、上記式において、Ｋ２ａおよびＫ２ｂは定数であり、０．３５＜Ｋ２ａ＜０．６５かつ０．３５＜Ｋ２ｂ＜０．６５であり、好ましくは０．４＜Ｋ２ａ＜０．６かつ０．４＜Ｋ２ｂ＜０．６である。そしてＫ２ａとＫ２ｂは同一でない。上記式において（ＰA＋ＰB）＝周期Ｐであるから、上記式（ＩＩ）および（ＩＩＩ）におけるＫ２ａおよびＫ２ｂは、周期Ｐ内において、凸条パターンＡおよび凸条パターンＢの配置位置を示すものであり、上記に示すように凸条パターンＡと凸条パターンＢとを形成することにより、種々の波長の光を選択的に反射可能で、サイドバンドのない波長分波分光を行うことができる。
【００５８】
また、図１に示すように、周期Ｐは、凸条パターンＡの条幅Ａ１と凸条パターンＢの条幅Ｂ１を用いて表すと、下記のように表される。ここで、Ｅ１およびＥ２は、凸条パターンＡと凸条パターンＢ間の２種の異なる間隙を示す。
【００５９】
【数１３】
2010139621.tif 000014
上記のような特性を有する本発明の波長分波光学素子は、種々の方法により製造することができるが、特にモールドを用いて熱インプリント法により製造するのが有利である。
【００６０】
この方法は、金属、ガラス、シリコンなどの硬質部材で形成されたモールドを用いて、加熱下にトップ層１０の表面にこのモールドを押圧してモールドに形成されたパターンをトップ層の表面に転写する方法である。
【００６１】
この方法では、トップ層１０としてガラス転移温度(Ｔｇ)が好ましくは６０〜１９０℃、特に好ましくは９０〜１５０℃の熱可塑性透明樹脂、たとえば、アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、あるいは、ポリカーボネート樹脂などから選択される樹脂をトップ層形成樹脂として用いて６０〜２２０℃、好ましくは７０〜２００℃に加熱されたモールドと、このトップ層１０とを圧接して、トップ層形成樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）以下の温度にまで冷却した後、モールドから樹脂を脱型して、積層樹脂のトップ層の表面にモールドの表面に形成されたパターンと逆のパターンを積層樹脂のトップ層１０の表面に形成する。
【００６２】
なお、ここで使用するモールドには、樹脂のトップ層とモールドとが接触した際に空気が抜け出し易いように空気排気手段を形成することもできる。
本発明の波長分波光学素子には、上記のように分光手段である凸条パターンが二個対になって規則的に配置された複数の突起対が形成している。
【００６３】
そして、このように本発明の波長分波光学素子が、二つの凸条パターンを有することにより、取り出そうとする波長の光以外の波長の光を抑制して所望の波長の光を高い選択率で取り出すことができる。しかも、本発明の波長分波光学素子によれば、取り出される光が単波長であり、サイドバンドが極めて少ないとの特性を有する。
【００６４】
従って、本発明の波長分波光学素子は、光通信などにおいて特定の波長の光を取り出すための分光素子として極めて重要性が高い。
例えば、本発明の波長分波光学素子は、所望の波長の光を高い選択率で取り出すことができるため、カプラーとして使用することができる。本発明のカプラーは、上記のような波長分波光学素子と、該波長分波光学素子への入射光の入射角度を変更自在にする入射光
角度変更手段とを備えている。このカプラーにおいて、入射光角度変更手段として、光の入射角を変更する可動性鏡体、波長分波光学素子の入射光に対する角度を変更する可動性ステージよりなる群から選ばれるいずれかの入射光角度変更手段を単独であるいは組み合わせて組み込まれていることが好ましい。
【００６５】
反射光の波長は、通常は４００〜１７００nmの範囲内である。
本発明の波長分波光学素子を有するカプラーは、本発明の波長分波光学素子が入射光の角度を変更することにより異なる波長の光を選択的に取り出すことができ、しかもこの取り出された光がサイドバンドを伴うことがないことから、より高い精度で単独波長の光を取り出すことができる。汎用性の高い光学部材となる。
【実施例】
【００６６】
次に本発明の波長分波分光素子について実施例を示して詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
【００６７】
〔実施例１〕
＜トップ層の製造方法＞
温度計と窒素導入管とを装着した容量１リットルの四つ口フラスコに、スチレン（Sｔ
）１００重量部と、ブチルパーオキサイド０．４５重量部と、水１３０重量部と、ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウム０．００４重量部と、第三リン酸カルシウム１０重量部とを添加し、１０００ｒｐｍ攪拌下に乳化させた後、充分に窒素パージさせて、７７〜８０℃で３．５時間反応させ、次いで８９〜９１℃で１．５時間反応させ、さらに９６〜９７℃で１時間反応させた。
【００６８】
重合したエマルジョンを３５％塩酸および水で洗浄し、乾燥させ粉体とした。
このようにして調製されたエマルジョンの重合率は約１００％であり、ＧＰＣ法で用いて測定したポリスチレン換算重量平均分子量（Ｍｗ）は２０万で、分子量分布係数は２．３であった。また、このように調製されたＰSt樹脂（Ｌ１−１）の１５４０nmにおける屈折率（ｎ２）は１．５６５であった。
【００６９】
＜導波層の製造方法＞
温度計と窒素導入管とを装着した、容量１リットルの四つ口フラスコに、ｔ−ブチルメチルメタクリレート（ｔＢＭＡ）１００重量部、ブチルパーオキサイド０．５重量部、ポリビニルアルコール(ＰＶＡ)１重量部、水道水２００重量部を添加し、回転３０００ｒｐｍで３分間よく乳化したのち、窒素パージを３０分間行った。その後７２℃まで昇温し１．５時間保持したのち、９０℃で１時間保持し、エマルションを調製した。
【００７０】
このようにして調製したエマルションの重合率は約１００%であり、ＧＰＣ測定の結果
、重量平均分子量は１０８万であった。その後、重合したエマルションをイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で洗浄し、９０℃乾燥させ、粉体化した。
【００７１】
その後、トルエンに溶解させ固形分１５％の液状樹脂とし、ミカサ工業製スピンコーター1H-DX2用いて、回転数１０００ｒｐｍで５秒、回転数２０００ｒｐｍで１０秒スピンコートし、次いで、１３０℃で１５分乾燥し、膜厚約４．５〜５．０μmのポリブチルメチ
ルメタクリレート（ＰＢＭＡ）層を成膜した。膜厚計測は、FILMETRICS製薄膜測定装置 F20を用いて行った。
【００７２】
なお、この樹脂の屈折率（ｎ１）は、１．４５７であり、トップ層３０の屈折率（ｎ２）と導波層２０の屈折率（ｎ１）との差（ｎ２−ｎ１）は、０．１０８であった。
上記のようにして塗工したＰSt樹脂（Ｌ１-1）の表面に、予め矩形の２種類の凸条を形
成可能なモールドを形成して加熱下に押し当ててトップ層表面に表１に記載の凸条パターンＡおよび凸条パターンＢの凸条対を転写した。ここで、表に示す通り、凸条パターンＡの条幅Ａ１は、３６０ｎｍ、凸条パターンＢの条幅Ｂ１は、１８０ｎｍであり、次式（Ｉ）で表わされるＫ１は０．５である。
【００７３】
【数１４】
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矩形間の距離は、ＰA＝４３０ｎｍ，ＰB＝４５０ｎｍである。従って、この波長分波分光素子に形成されている凸条パターンＡおよび凸条パターンＢのピッチは、８８０nmであり、次式（ＩＩ）および（ＩＩＩ）で表わされるＫ２ａは０．４８９、Ｋ２ｂは０．５１１である。
【００７４】
【数１５】
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すなわち、１３０℃に加熱下にＰSt樹脂（Ｌ１-1）の表面に、上記のようにして形成されたモールドを圧接して、モールドに形成されたパターンをＰＳt樹脂（Ｌ１-1）の表面
に転写し、６０℃まで冷却した後、脱型を行って、本発明の波長分波光学素子を得た。
【００７５】
得られた波長分波光学素子の凸条の高さは３００nm、凸条も含めたトップ層の厚さは１０００nmである。
上記のようにして製造した波長分波光学素子を用いて、入射光角度変更手段を有するカプラーを作成した。アジレント株式会社製８６１４３Ｂ−００２を用いて、波長１０００〜１６００nmのレーザー光をトップ層表面に対し、入射光の角度が１１．５３°および１５．７２°となるようにカプラーをそれぞれ調整し、光を照射し、反射される光をアジレント株式会社製８６１４３Ｂ上の光パワーセンサーユニットにより検出した。
【００７６】
結果を表１に示す。また反射光の強度を図３および図４に示す。
反射光は、角度１１．５３°の入射光に対し１４９０ｎｍおよび角度１５．７２°の入射光に対し１５５０ｎｍの２種類の波長で、それぞれの反射率がいずれも９９％で検出され、それぞれの反射光のサイドバンド反射率がいずれも５％未満だった。
【００７７】
〔実施例２〕
実施例１において、周期Ｐを８７０ｎｍ、凸状パターンＡの条幅を３００ｎｍ、凸状パターンＢの条幅を１５０ｎｍに変え、Ｋ２ａ＝０．４８３、Ｋ２ｂ＝０．５１７となるように凸条の間隔を変えた以外は実施例１と同様にして波長分波光学素子を製造した。
【００７８】
得られた波長分波光学素子について、実施例１と同様に光学的特性を測定した。
結果を表１に示す。また反射光の強度を図５および図６に示す。
反射光は、角度１２．７８°の入射光に対し１４９０ｎｍおよび角度１７．０４°の入射光に対し１５５０ｎｍの２種類の波長で、それぞれの反射率がいすれも９９％で検出され、それぞれの反射光のサイドバンド反射率がいずれも５％未満だった。
【００７９】
〔比較例１〕
実施例１において、周期Ｐを９７０ｎｍ、Ｋ１＝０．９２となるように凸状パターンＢの条幅を３３０ｎｍに変え、Ｋ２ａ＝０．４４３、Ｋ２ｂ＝０．５５６となるように凸条の間隔を変えた以外は、実施例１と同様にして波長分波光学素子を製造した。
【００８０】
得られた波長分波光学素子について、実施例１と同様に光学的特性を測定した。
結果を表１に示す。また反射光の強度を図７および図８に示す。
反射光は、角度１１．５３°の入射光に対し１４９０ｎｍおよび角度１５．７２°の入射光に対し１５５０ｎｍの２種類の波長で、１４９０ｎｍの反射光の反射率は５５％、１５５０ｎｍの反射光の反射率は２５％で検出され、それぞれの反射光のサイドバンド反射率はいずれも７％だった。
【００８１】
〔比較例２〕
実施例１において、周期Ｐを７９０ｎｍに変え、Ｋ２ａ＝０．５４５、Ｋ２ｂ＝０．４５５となるように凸条の間隔を変えた以外は、さらに凸条Ｂの条幅を９０ｎｍに変えた以外は、実施例１と同様にして波長分波光学素子を製造した。
【００８２】
得られた波長分波光学素子について、実施例１と同様に光学的特性を測定した。
結果を表１に示す。また反射光の強度を図９および図１０に示す。
反射光は、角度１１．５３°の入射光に対し１４９０ｎｍおよび角度１５．７２°の入射光に対し１５５０ｎｍの２種類の波長で、それぞれ反射率がいずれも９９％で検出され、１４９０ｎｍの反射光のサイドバンド反射率は１５％、１５５０ｎｍの反射光のサイドバンド反射率は２５％だった。
【００８３】
〔比較例３〕
実施例１において、Ｋａ＝０．６８２、Ｋｂ＝０．３１８となるように凸条の間隔を変えた以外は実施例１と同様にして波長分波光学素子を製造した。
【００８４】
得られた波長分波光学素子について、実施例１と同様に光学的特性を測定した。
結果を表１に示す。また反射光の強度を図１１および図１２に示す。
反射光は、角度１１．５３°の入射光に対し１４９０ｎｍおよび角度１５．７２°の入射光に対し１５５０ｎｍの２種類の波長で、それぞれ反射率９９％で検出され、１４９０ｎｍの反射光のサイドバンド反射率は３０％、１５５０ｎｍの反射光のサイドバンド反射率は４５％だった。
【００８５】
【表１】
2010139621.tif 000017
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明の波長分波分光素子は、トップ層表面に二種類の凸条パターンが、一定のピッチ
で形成されていることにより、サイドバンドの発生がなく、反射率の高い、非常に高性能の波長分波分光素子である。また、本発明の波長分波分光素子は、たとえば、形成しようとするパターンとは逆のパターンをモールドに形成し、このモールドを用いて、トップ層の表面にパターンを転写することにより製造することができ、その製造が極めて容易である大量生産に適していることから、高性能の波長分波分光素子を安価に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】図１は、本発明の波長分波光学素子の断面の一例を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の波長分波光学素子をトップ層の上方から見た図である。
【図３】図３は、本発明の実施例１で製造した波長分波光学素子における波長１４９０ｎｍ、入射角１１．５３°の光に対する光学特性を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の実施例１で製造した波長分波光学素子における波長１５５０ｎｍ、入射角１５．７２°の光に対する光学特性を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の実施例２で製造した波長分波光学素子における波長１４９０ｎｍ、入射角１２．７８°の光に対する光学特性を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の実施例２で製造した波長分波光学素子における波長１５５０ｎｍ、入射角１７．０４°の光に対する光学特性を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の比較例１で製造した波長分波光学素子における波長１４９０ｎｍ、入射角１１．５３°の光に対する光学特性を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の比較例１で製造した波長分波光学素子における波長１５５０ｎｍ、入射角１５．７２°の光に対する光学特性を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明の比較例２で製造した波長分波光学素子における波長１４９０ｎｍ、入射角１１．５３°の光に対する光学特性を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本発明の比較例２で製造した波長分波光学素子における波長１５５０ｎｍ、入射角１５．７２°の光に対する光学特性を示すグラフである。
【図１１】図１１は、本発明の比較例３で製造した波長分波光学素子における波長１４９０ｎｍ、入射角１１．５３°の光に対する光学特性を示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明の比較例３で製造した波長分波光学素子における波長１５５０ｎｍ、入射角１５．７２°の光に対する光学特性を示すグラフである。
【図１３】図１３は、従来の回折素子の断面を示す断面図である。
【図１４】図１４は、従来技術で採用されている回折素子の断面図である。
【図１５】図１５は、カプラーの模式図である。
【図１６】図１６は、カプラーに用いられる入射光角度変更手段の例である。
【符号の説明】
【００８８】
１０・・・トップ層
２０・・・導波層
３０・・・基板
４０・・・面矩形角柱
【図１】
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【図２】
2010139621.tif 000021
【図３】
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【図４】
2010139621.tif 000023
【図５】
2010139621.tif 000024
【図６】
2010139621.tif 000025
【図７】
2010139621.tif 000026
【図８】
2010139621.tif 000027
【図９】
2010139621.tif 000028
【図１０】
2010139621.tif 000029
【図１１】
2010139621.tif 000030
【図１２】
2010139621.tif 000031
【図１３】
2010139621.tif 000032
【図１４】
2010139621.tif 000033
【図１５】
2010139621.tif 000034
【図１６】
2010139621.tif 000035