(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子面内に２つの等価な共振光の波数ベクトルを生じさせるように、二次元に配列された格子構造を有する格子層を備え、
前記２つの共振光の波数ベクトルは、入射光の入射面に対して対称であることを特徴とする共振モード格子フィルター。
【請求項２】
前記格子層の格子構造は、凹部又は凸部を格子状に複数配列することにより形成され、前記凹部又は凸部は、鏡面対称且つ回転対称な形状を有し、前記凹部又は凸部の二等分線上に前記入射光の入射面が位置することを特徴とする請求項１に記載の共振モード格子フィルター。
【請求項３】
前記凹部又は凸部の形状は、ひし形であることを特徴とする請求項２に記載の共振モード格子フィルター。
【請求項４】
前記格子層の格子構造は、凹部又は凸部を市松模様状に複数配列することにより形成され、前記凹部又は凸部は、鏡面対称且つ回転対称な形状を有し、前記凹部又は凸部の二等分線上に前記入射光の入射面が位置することを特徴とする請求項１に記載の共振モード格子フィルター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振モード格子フィルターに関し、特に、偏光依存性を改善した二次元格子の共振モード格子フィルターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のめざましい加工技術の発展により、光の波長と同程度又はそれ以下の微細加工が可能になり、光の波長と同程度の周期を持つ回折格子を作成することが可能になっている。該回折格子では、格子ピッチがある共振条件を満たすと共振現象が発生し、強い反射が起こる。これは、回折格子におけるアノマリーの現象の一つであるが、この現象を利用することにより、共振モード格子フィルターと呼ばれる非常に帯域の狭い反射型の波長フィルターを作成することができる。
【０００３】
共振モード格子フィルターについての研究は、近年途についたばかりであり、１９８５年にＭａｓｈｅｖとＰｏｐｏｖが初めて、共振モードを用いた反射フィルターを提案し、波長６３３ｎｍの可視光による実験を行っている（Ｌ．Ｍａｓｈｅｖ  ａｎｄ  Ｅ．Ｐｏｐｏｖ，“Ｚｅｒｏ  ｏｒｄｅｒ  ａｎｏｍａｌｙ  ｏｆ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏａｔｅｄ  ｇｒａｔｉｎｇｓ”，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｍｍ．  ５５，６，３７７−３８０（１９８５））。その後、しばらく年をあけて、１９９４年にＷａｎｇとＭａｇｎｕｓｓｏｎが反射防止膜の理論を用いて、共振波長以外の波長での反射率を０％近くに抑えた反射フィルターの数値計算を行っている（Ｓ．Ｓ．Ｗａｎｇ  ａｎｄ  Ｒ．Ｍａｇｎｕｓｓｏｎ，“Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ−ｇｒａｔｉｎｇ  ｆｉｌｔｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ  ｌｉｎｅ  ｓｈａｐｅｓ  ａｎｄ  ｌｏｗ  ｓｉｄｅｂａｎｄｓ”，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔ．  １９，９１９−９２１（１９９４））。また、１９９５年には同じＷａｎｇとＭａｇｎｕｓｓｏｎが透過フィルターの提案を行っている（Ｒ．Ｍａｇｎｕｓｓｏｎ  ａｎｄ  Ｓ．Ｓ．Ｗａｎｇ，“Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｂａｎｄｐａｓｓ  ｇｕｉｄｅｄ−ｍｏｄｅ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｆｉｌｔｅｒｓ”，Ａｐｐｌ．  Ｏｐｔ．  ３４，３５，８１０６−８１０９（１９９５））。さらに、１９９６年には、Ｍｏｒｒｉｓが初めて格子構造を二次元にし、垂直入射での偏光依存性をなくした反射フィルターの数値計算と波長７８０ｎｍの赤外光による実験を行っている（Ｓ．Ｐｅｎｇ  ａｎｄ  Ｇ．Ｍ．Ｍｏｒｒｉｓ，“Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｆｒｏｍ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｇｒａｔｉｎｇｓ”，Ｊ．  Ｏｐｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍ．  Ａ  １３，５，９９３−１００５（１９９６），“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ａｎｏｍａｌｉｅｓ  ｉｎ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｆｒｏｍ  ｔｗｏ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｇｒａｔｉｎｇｓ”，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔ．  ２１，８，５４９−５５１（１９９６））。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の共振モード格子フィルターの用途として、分光における狭帯域フィルター等があり、この場合、偏光特性を持たないフィルターや、入射角が垂直以外のものが求められる。しかしながら、上記の従来の一次元構造の共振モード格子フィルターは、その反射特性が本質的に偏光に依存するため、上記の用途に用いることができなかった。また、上記の従来の二次元構造の共振モード格子フィルターは、入射光が格子面に垂直に入射するものであり、入射光が格子面に対して斜めから入射する場合に、偏光依存性をなくすことができず、共振モード格子フィルターの用途が制限されていた。
【０００５】
本発明の目的は、入射光が格子面に対して斜めから入射する場合に偏光依存性を改善することができる共振モード格子フィルターを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、格子面内に２つの等価な共振光の波数ベクトルを生じさせるように、二次元に配列された格子構造を有する格子層を備え、前記２つの共振光の波数ベクトルは、入射光の入射面に対して対称であることを特徴とする共振モード格子フィルターを提供するものである。
【０００７】
また、前記格子層の格子構造は、凹部又は凸部を格子状に複数配列することにより形成され、前記凹部又は凸部は、鏡面対称且つ回転対称な形状を有し、前記凹部又は凸部の二等分線上に前記入射光の入射面が位置することが好ましい。また、前記凹部又は凸部の形状は、ひし形であることが好ましい。
【０００８】
また、前記格子層の格子構造は、凹部又は凸部を市松模様状に複数配列することにより形成され、前記凹部又は凸部は、鏡面対称且つ回転対称な形状を有し、前記凹部又は凸部の二等分線上に前記入射光の入射面が位置することが好ましい
。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態の共振モード格子フィルターについて図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第一の実施の形態の共振モード格子フィルターの構成を示す斜視図であり、図２は、図１に示す共振モード格子フィルターと入射光との関係を説明するための説明図であり、図３は、図１に示す共振モード格子フィルターにより偏光依存性を解消する原理を説明するための説明図であり、図４は、図１に示す共振モード格子フィルターの反射光の波長と反射率との関係を示すグラフである。
【０００９】
図１に示すように、本実施の形態の共振モード格子フィルターは、格子層１、導波層２、及び基板３を備える。基板３の上には、導波層２が形成され、導波層２の上には、格子層１が形成される。格子層１には、格子状に所定ピッチで複数の矩形の凹部４が形成され、凹部４、例えば空気と、凹部４以外の部分の低屈折率の媒質とから格子層１が構成され、高屈折率の導波層２が導波路となる。なお、格子層１は、凹部４の代わりに複数の凸部からなる格子層を用いてもよく、凹部部分に屈折率の異なる他の媒質を充填してもよい。また、導波層２は、共振波長以外の反射率を低くするために設けたものであり、省略することも可能である。格子層１に形成される凹部又は凸部の形状は、格子面内に２つの等価な共振波数ベクトルを生じさせるために、鏡面対称且つ回転対称な形状を有し、正方形であることが好ましいが、円形、楕円形、瓢箪形等の他の形状であってもよく、格子層１に形成される格子の数も、特に限定されるものでなく、該フィルターに必要とされる性能等に応じて適時決定される。なお、本明細書において、回転対称な形状とは、該形状を１８０度回転させたときに元の形状に重なる形状をいう。
【００１０】
図２に示すように、格子層１と直交する方向に対して角度θだけ傾けて入射される入射光Ｉの入射面Ｐは、以下に説明する２つの共振光の波数ベクトルが入射光の入射面に対して対称になるように、方位角４５°（入射面が格子の正方形の一辺となす角度）になるように設定される。このとき、入射光Ｉは、格子層１により共振を起こし、特定波長の反射光Ｒが反射される。以下の説明では、入射光がＴＥモード（層に対し電場が平行に振動しながら進むモード）で伝搬する場合について説明するが、ＴＭモード（層に対し磁場が平行に振動しながら進むモード）で伝搬する場合にも本発明を同様に適用することができる。
【００１１】
上記の場合、図３に示すように、ｐ偏光入射の光は、右上及び右下にそれぞれＴＥモードで伝播し、ｓ偏光入射の光も、同じ方向にＴＥモードで伝播する。本実施の形態では、ｐ偏光入射で伝播する伝播定数をｐ−βとし、ｓ偏光入射で伝播する伝播定数をｓ−βとし、入射光の波数ベクトルの接線成分をｋとし、二つの共振光の波数ベクトルである格子ベクトルをＫとすると、ｋとＫのベクトルの和が、ｐ−β及びｓ−βに等しくなるように格子ピッチΛ（＝２π／Ｋ）が設定されている。従って、入射光の入射面に対して対称な２つの等価な共振波数ベクトルを格子面内を生じさせることができ、ｐ偏光入射及びｓ偏光入射の共振波長を一致させるとともに、共振波長の半値幅を一致させることができる。この結果、入射光が格子面に対して斜めから入射する場合に偏光依存性をなくすことができる。また、本実施の形態では、入射光の入射角度を調整することにより、フィルターに製造誤差があった場合、所望の波長で共振を得ることができ、また、中心波長を移動させることもできる。
【００１２】
次に、具体例として、格子層１と直交する方向に対して１０°傾けた波長λ（例えば６８８ｎｍ）の入射光を用いる場合についてさらに詳細に説明する。共振モード格子フィルターは、基板３として石英（屈折率１．４６７）、導波層２として厚さ２３０ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜（屈折率２．１）、格子層１として厚さ１７６ｎｍの電子線レジスト（屈折率１．５５９）を用い、格子層１に、格子ピッチΛが６０４ｎｍでデューティー比ｆが０．８（正方形の一辺の長さが約４８３ｎｍ）の凹部４を形成する。この場合、図４に示すように（図４中の横軸の波長は入射光の波長λに対して正規化した値を表す）、ｐ偏光入射とｓ偏光入射とで共振波長のピークが一致するとともに、半値幅も、ｐ偏光入射が０．５×１０−３λ（ｍ）、ｓ偏光入射が０．５×１０−３λ（ｍ）と一致している。
【００１３】
なお、上記の共振モード格子フィルターは、例えば、以下のようにして作成することができ、以下の各実施の形態も同様である。まず、ＬＰ−ＣＶＤ（Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて石英基板上にＳｉ３Ｎ４膜を成膜し、その上にポジ型の電子線レジスト（日本ゼノン株式会社製Ｚｅｐ５２０−１２とレジスト用シンナーとを重量比１：０．５の比で混合した混合液）を塗布する。次に、電子ビーム描画装置（日本電子株式会社製ＪＢＸ−５０００ＳＩ）を用い、該レジストに格子パターンを描画面積約３ｍｍ×３ｍｍ、露光量７５（μＣ／ｃｍ２）、ビーム電流７０（ｐＡ）、描画時間約１５時間で描画する。最後に現像を行い、格子パターンを作成する。
【００１４】
次に、本発明の第二の実施の形態の共振モード格子フィルターについて説明する。図５は、本発明の第二の実施の形態の共振モード格子フィルターの構成を示す斜視図であり、図６は、図５に示す共振モード格子フィルターにより偏光依存性を解消する原理を説明するための説明図であり、図７は、図５に示す共振モード格子フィルターの反射光の波長と反射率との関係を示すグラフである。図５に示す共振モード格子フィルターは、正方形の凹部４をひし形の凹部４ａに変更するとともにその格子ピッチを変更した点を除き、その他の点は図１に示す共振モード格子フィルターと同様であるので、以下異なる点のみについて詳細に説明する。
【００１５】
図１に示す共振モード格子フィルターは、入射光の角度θが大きくなると、入射光の波数ベクトルの接線成分ｋが大きくなり、二つの伝播定数ｐ−β（又はｓ−β）の関係が直交関係から離れていく。この結果、デューティー比ｆが大きくなり、凹部間の線幅が狭くなって製造が困難になる場合がある。本実施の形態の共振モード格子フィルターは、この点を改善するものである。
【００１６】
図５に示すように、格子層１ａには、格子状に所定ピッチで複数のひし形の凹部４ａが形成されている。この場合、図６に示すように、格子形状としてひし形を用いて格子構造を上下方向に引き延ばし、ｐ偏光入射の光は、左上及び左下にそれぞれＴＥモードで伝播し、ｓ偏光入射の光も、同じ方向にＴＥモードで伝播する。この結果、入射光の波数ベクトルの接線成分ｋと格子ベクトルＫとの和である二つの伝播定数ｐ−β（又はｓ−β）が直交関係になり、ひし形の凹部４ａ間の線幅を広くすることができる。
【００１７】
具体例として、格子層１ａと直交する方向に対して４５°傾けた波長λ（例えば６８８ｎｍ）の入射光を用いる場合、ｙ方向の格子ピッチΛｙが７８１ｎｍ、ｘ方向の格子ピッチΛｘが５０３ｎｍ、ｙ方向のデューティー比ｆｙが０．７（ひし形の長対角線の長さが約５４７ｎｍ）、ｘ向のデューティー比ｆｘが０．７（ひし形の短対角線の長さが約３５２ｎｍ）となり、ひし形の凹部４ａ間の線幅Ｌは、約２００ｎｍになり、製造が容易となる。この場合も、図７に示すように、ｐ偏光入射とｓ偏光入射とで共振波長のピークが一致するとともに、半値幅もほぼ一致している。
【００１８】
次に、本発明の第三の実施の形態の共振モード格子フィルターについて説明する。図８は、本発明の第三の実施の形態の共振モード格子フィルターの構成を示す斜視図であり、図９は、図８に示す共振モード格子フィルターにより偏光依存性を解消する原理を説明するための説明図であり、図１０は、図８に示す共振モード格子フィルターの反射光の波長と反射率との関係を示すグラフである。図８に示す共振モード格子フィルターは、正方形の凹部４が格子状に配列され、正方形の対角線上に入射光の入射面が位置するかわりに、長方形の凸部４ｂが市松模様状に配列されるとともにその格子ピッチが変更され、長方形の二等分線上に入射光の入射面が位置する点を除き、その他の点は図１に示す共振モード格子フィルターと同様であるので、以下異なる点のみについて詳細に説明する。
【００１９】
通常の描画装置は、ｘ方向及びｙ方向のみの矩形パターンを描画するのは得意であるが、図５に示す共振モード格子フィルターに用いられるひし形のような傾斜線を持つパターンを描画しようとすると、長時間を要し、製造効率がよくない。本実施の形態の共振モード格子フィルターは、この点を改善するものである。
【００２０】
図８に示すように、格子層１ｂには、市松模様状に所定ピッチで複数の矩形の凸部４ｂが形成されている。この場合も、図９に示すように、入射光の波数ベクトルの接線成分ｋと格子ベクトルＫとの和である二つの伝播定数ｐ−β（又はｓ−β）が直交関係になり、凸部４ｂ間の線幅を広くすることができる。
【００２１】
具体例として、格子層１ｂと直交する方向に対して４５°傾けた波長λ（例えば６８８ｎｍ）の入射光を用いる場合、ｙ方向の格子ピッチΛｙが８７０ｎｍ、ｘ方向の格子ピッチΛｘが５３９ｎｍ、ｙ方向のデューティー比ｆｙ（＝ｄ／ｃ）が０．９２、ｘ向のデューティー比ｆｘ（＝ｂ／ａ）が０．９２となり、凸部４ｂ間の線幅Ｌを約２００ｎｍすることができる。従って、製造が容易となるとともに、矩形パターンで描画できるので、描画時間も短縮することができる。この場合も、図１０に示すように、ｐ偏光入射とｓ偏光入射とで共振波長のピークが一致するとともに、半値幅もほぼ一致している。
【００２２】
上記のように、本発明の共振モード格子フィルターは偏光依存性を改善することができ、例えば、波長分割多重化（ＷＤＭ）伝送システム、ノイズ・フィルタリング用光通信システム等に好適に用いることができる。なお、上記では、本発明を反射型波長フィルターに応用する場合について説明したが、本発明は、これに特に限定されず、屈折率センサー、透過型波長フィルター等にも同様に適用することができ、同様の効果を得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上から明らかな通り、本発明によれば、入射光の入射面に対して対称な２つの等価な共振光の波数ベクトルを格子面内に生じさせることにより、入射光が格子面に対して斜めから入射する場合に偏光依存性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の共振モード格子フィルターの構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す共振モード格子フィルターと入射光との関係を説明するための説明図である。
【図３】図１に示す共振モード格子フィルターにより偏光依存性を解消する原理を説明するための説明図である。
【図４】図１に示す共振モード格子フィルターの反射光の波長と反射率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第二の実施の形態の共振モード格子フィルターの構成を示す斜視図である。
【図６】図５に示す共振モード格子フィルターにより偏光依存性を解消する原理を説明するための説明図である。
【図７】図５に示す共振モード格子フィルターの反射光の波長と反射率との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第三の実施の形態の共振モード格子フィルターの構成を示す斜視図である。
【図９】図８に示す共振モード格子フィルターにより偏光依存性を解消する原理を説明するための説明図である。
【図１０】図８に示す共振モード格子フィルターの反射光の波長と反射率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ  格子層
２  導波層
３  基板
４、４ａ  凹部
４ｂ  凸部
【図１】
0003627093.tif 000002
【図２】
0003627093.tif 000003
【図３】
0003627093.tif 000004
【図４】
0003627093.tif 000005
【図５】
0003627093.tif 000006
【図６】
0003627093.tif 000007
【図７】
0003627093.tif 000008
【図８】
0003627093.tif 000009
【図９】
0003627093.tif 000010
【図１０】
0003627093.tif 000011