(57)【要約】【課題】高屈折率の誘電体皮膜と基板系に結合及び解離格子を製造する安価で大量生産に適した方法を提供する。【解決手段】基板上の高屈折率の誘電皮膜に光を結合及び解離するための回折格子構造を製造する方法において、高屈折率の誘電皮膜及び／又は基板に、同時空間的に周期的に強度変調した紫外レーザー光を照射し、しかも強度変調の周期を所望の格子周期に対応して選択する。好ましくは、前記強度変調を少なくとも互いに干渉する２つの紫外レーザー光か、好ましくはマスク構造によって行い、前記紫外レーザー光を１つ以上のエキシマーレーザーによって形成し、紫外レーザー光を所定時間内に、好ましくは１μｓ以下パルス時間で１回以上発振し、高屈折率の皮膜及び／又は少なくとも基板の表面区域の屈折率をレーザー光によって空間的に変調する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の高屈折率の誘電体皮膜に光を結合／解離するための回折格子構造を製造する方法において、高屈折率の誘電体皮膜及び／又は基板に、同時空間的に周期的に強度変調した紫外レーザー光を照射し、しかも強度変調の周期を所望の格子周期に対応して選択することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記強度変調を少なくとも互いに干渉する２つの紫外レーザー光か、好ましくはマスク構造によって行う、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記紫外レーザー光を１つ以上のエキシマーレーザーによって得る、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
紫外レーザー光を所定時間内に、好ましくは１μｓ以下、好ましくは５０ｎｓ以下、好ましくは約２０ｎｓ以下のパルス時間で１回以上発振する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
高屈折率の皮膜及び／又は少なくとも基板の表面区域の屈折率をレーザー光によって空間的に変調する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
レーザー光のアブレーションにより、高屈折率の少なくとも１つの皮膜の膜厚を変調するか、又は基板の表面を変調して、それから高屈折率の皮膜を付着させる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
高屈折率の誘電体皮膜の材料の少なくとも１成分に、ＴｉＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 、Ｙ2 Ｏ3 、ＺｒＯ2 、又はＡｌ、Ｓｉ、Ｈｆの窒化物もしくはそれらのオキシ窒化物、あるいは上記物質の混合物のいずれかを用いる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
高屈折率の皮膜の高屈折率の材料に低屈折率の材料、例えばＳｉＯ2 を添加する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
高屈折率の皮膜と基板及び／又は高屈折率の皮膜と周囲の間に、低屈折率の皮膜、好ましくはＳｉＯ2 皮膜を、好ましくは厚さ２０ｎｍ以下で付着させる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
４００ｎｍ≦λ≦１２００ｎｍ、好ましくはλ≦１０００ｎｍの光を結合／解離するために、前記構造を平面基板において製造する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
高屈折率の皮膜の材料に半導体をドープした、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
高屈折率の皮膜を微孔状に付着させるか、好ましくは密に付着させる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
基板材料にガラス、セラミック又は少なくとも大部分有機材料を用いる、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
公知の膜厚の犠牲皮膜を、基板もしくは高屈折率の皮膜より低いアブレーション限界値で基板又は高屈折率の皮膜に付け、前記犠牲皮膜を基板もしくは高屈折率の皮膜まで光によってアブレーションする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
格子を可変周期で製造するか、又は湾曲して製造する、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
格子面を紫外レーザー光経路内の少なくとも１つの絞りによって指定する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
１つ以上の高屈折率の誘電体皮膜で被覆した基板を有し、基板に付けた皮膜が光を伝送し、さらに回折構造を設けた光導体において、前記回折格子が皮膜の屈折率の周期的変調によって、及び／又は感光性として知られていない基板の屈折率の周期的変調によって形成されていることを特徴とする光導体。
【請求項１８】
光を結合／解離するための回折格子の周期性を波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍ、好ましくは１０００ｎｍで設計する請求項１７に記載の光導体。
【請求項１９】
高屈折率の皮膜が、６３３ｎｍの光に対して屈折率Ｎ≧１．６５を有する、請求項１７又は１８に記載の光導体。
【請求項２０】
高屈折率の皮膜がＴｉＯ2 及び／又はＴａ2 Ｏ5 からなる、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の光導体。
【請求項２１】
高屈折率の皮膜と基板との間及び／又は高屈折率の皮膜の上に、低屈折率の皮膜、好ましくはＳｉＯ2 皮膜を好ましくは厚さ２０ｎｍ以下で付着させた、請求項１７〜２０のいずれか１項に記載の光導体。
【請求項２２】
前記基板がガラス、セラミック又はプラスチックからなる、請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の光導体。
【請求項２３】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法をホログラフィック格子の製造に適用したホログラフィック格子の製造方法。
【請求項２４】
請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の光導体を、好ましくは関連したエバネッセント領域を有するセンサーとして、特に化学分析に応用。
【請求項２５】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の格子製造法を用い、関連したエバネッセント領域を有する光導体を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上の誘導体皮膜に回折格子構造を製造する方法、及び得られる回折構造を有する光導体に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に大要が示されているように、光はガラス繊維と類似に平面基板上の皮膜２内でも伝送される。この場合前提となるのは、皮膜の屈折率は基板１の屈折率及び周囲３の屈折率よりも高く、系全体１、２、３の光学的損失が十分に低いことである。
【０００３】
基板１上に付着した導波性を有する高屈折率の誘電体皮膜は、膜厚と基板１、皮膜２及び周囲３の屈折率を適当に選択すれば、周囲に減衰する強度の大きいエバネッセント領域４を持つ。ここで、エバネッセント領域４とは、伝送されたモードの領域の、周囲媒質中を通る部分を言う。高屈折率の皮膜のエバネッセント領域は、物理学的、化学的分析で多用されている。この場合、周囲媒質３は、原則として被分析物であるか、あるいは被分析物を含んでいる。
【０００４】
これと異なり、通信技術に使用されるガラス繊維や平面導波路では、周囲に減衰するエバネッセント強度は非常に小さい。
伝送された波長を励起するために、光、好ましくはレーザー光１１を皮膜に結合及び／又は解離しなければならない。文献（Ｐ．Ｋ．Ｔｉｅｎ、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．１０、Ｎｏｖ．１９７１、２３９５−２４１３ページ）により、光を導波皮膜に結合する方法として、プリズムによる結合、端面を通した結合及び結合格子６を用いた結合の３通りが知られている。このうち、大量分析に応用するには結合格子を用いた結合が最も好適と思われる。なぜならばこの場合、繁雑な機械的調整を省略できるからである。結合格子(Koppelgitter)の作用は、入射光の一部を回折によって高屈折率の皮膜に結合することである。結合格子の正確な作用方式は、例えばＴ．Ｔａｍｉｒ、Ｓ．Ｔ．Ｐｅｎｇ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１４、２３５−２５４ページ（１９７７）に記載されている。
【０００５】
〔定義〕
高屈折率の誘電体皮膜とは、屈折率が基板の屈折率より１０％以上大きい皮膜を言う。
一般に用いられる屈折率ＮSubstrat≒１．５の基板に対し、皮膜の屈折率はＮ＞１．６５、特にＮ＞１．７５とすべきである。材料にはＴｉＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 、Ｙ2 Ｏ3 、ＺｒＯ2 などの酸化物を用いる。Ａｌ、Ｓｉ及びＨｆの窒化物及びそれらのオキシ窒化物も用いられる。例えば、ＴｉＯ2 とＳｉＯ2 との混合物も、屈折率を混合比に応じて調整する可能性によって用いられる。高屈折率の誘電体皮膜の材料に、それ自体低屈折率の物質、例えばＳｉＯ2 を添加する場合は、必ず上記の皮膜が「高屈折率」であり続ける範囲で行う。
【０００６】
導波路には、上記の高屈折率の材料からなる個別の皮膜だけでなく、上記の高屈折率の皮膜を少なくとも１つ含んだ複数の皮膜からなる系を用いることもできる。例えば特に、基板と高屈折率の皮膜の間及び／又は周囲と高屈折率の皮膜の間に、ＳｉＯ2 からなる薄い中間皮膜を導入することが、例えばＰＣＴ第９２／１９９７６号公開明細書などに従い可能である。
【０００７】
導波路とは、皮膜内で伝送されたモードを損失＜５０ｄＢ／ｃｍ、特に＜１０ｄＢ／ｃｍで励起できる皮膜を言う。
基板材料として、例えばケイ素、種々のガラス、セラミック材料又はプラスチック、例えばポリカーボネート、ＰＭＭＡ、ポリスチロールなどが用いられる。
結合格子に必要であるような空間的周期は、使用する光の波長と同程度であり、特に可視光に対しては３００ｎｍと１０００ｎｍの間であり、赤外領域に対しては対応して大きい（Ｔ．Ｔａｍｉｒ、上掲箇所参照）。
【０００８】
図２ａ、ｂ及びｃには、結合格子として作用する公知の光学配置構成が示されている。
図２ａには、導波皮膜２を付着させた平面基板１が示されている。皮膜２には、表面レリーフがエッチングされている。図２ｂに示すような、構造を付与された基板に導波皮膜２を設けた構造も、やはり結合格子として作用する。
【０００９】
図２ａ及び２ｂは、例えば欧州特許出願第０２２６６０４号公開明細書に従う、工業的仕様を示している。
図２ａに示す配置構成は、最初に基板１に被覆する。それから、例えば写真平版法、次いでエッチングにより、高屈折率の皮膜２の膜厚を変化させる。そうすることによって、「導波路内格子」（ＧＩＷ）が生じる。格子の空間的周期Λは７５０ｎｍ、格子深さｄは約１０ｎｍである。膜厚は、屈折率ＮSubstrat＝１．５３１５のＣ７０５９からなる基板に付着させた屈折率Ｎ＝２．２のＴａ2 Ｏ5 で１５５ｎｍである。
【００１０】
図２ｂに示す別の構成形態は、最初に基板に構造を付与し（基板内格子、ＧＩＷ）、その後で被覆する。格子深さは５〜１０ｎｍである。
格子結合器を有する統合光学センサーの応用例は、次のとおりである。
・格子結合器を有するセンサー（欧州特許第０２２６６０４号明細書）
・基板に被覆しホログラフィック格子を用いたセンサー（ＰＣＴ第９３／０１４８７号公開明細書、欧州特許出願第０４８２３７７号公開明細書）
・レーザー光をマッハ・ツェンダー干渉計に結合／解離する目的の位相感受性センサー（欧州特許出願第０４８７９９２号公開明細書）
・導波路内を通る絶対的強度を測定するためにモード強度、例えば吸収に比例して信号を発生するセンサーにレーザー光を結合／解離する目的
・結合格子を一般的な回折構造に拡張して可能なセンサー原理を統合する目的（Ｒ．Ｅ．  Ｋｕｎｚ、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．１５８７（１９９２）、ＰＣＴ第９２／１９９７６号公開明細書）
図３ａに断面図、図３ｂに斜視図で図式的に示したように、これらの例では、結合格子６か、解離格子７か、伝送されたモードが通過する面８のいずれかが、センサー面として作用できる。ＰＣＴ第９３／０１４８７号公開明細書に従い、ホログラフィック格子もセンサー面として作用できる。
【００１１】
図４に、結合格子６もしくは解離格子７を有するマッハ・ツェンダー干渉計の例を示す。
このような統合光学センサーの製造プロセスは、次の２つのサブグループに分けることができる。
１．特定の屈折率と特定の膜厚を有する被覆
２．結合格子の製造
被覆には、比較的安価な解決法、例えばＰＶＤ法（蒸着、スパッタリングなど）、ＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法、イオンメッキ法又はゾル・ゲル法を用いることができる。コストの最大部分は、結合格子を製造する間に発生する。これについて以下の方法が知られている。
【００１２】
１）フォトリソグラフ法
鉱物ガラス又はセラミックからなる基板上に、フォトリソグラフ技法により図２ａ、２ｂ、３及び４に従う表面レリーフ構造を作製する。このために、場合によって被覆された基板にラッカーを塗布してから露光し、現像した後にエッチングする。最後の工程で、フォトラッカーを再び取り除く。この技法は、操作及びそれに必要な機器（洗浄、ラッカー遠心分離機、露光装置、エッチング装置など）が多いので高価である。
【００１３】
２）プラスチック上における表面レリーフ構造の複製
Ｒ．Ｋｕｎｚ、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．ｌ５８７（１９９２）では、プラスチックからなる結合格子を製造してから被覆することが提案されている。この方法の長所は、プラスチック基板にとって安価な複製技術、例えばエンボッシング、射出成型又はキャスト法を利用できるという長所がある。
【００１４】
基板材料にプラスチックを使用することは、次のような短所もある。基板の機械的性質は、ガラスの機械的性質ほど正確に知られておらず、ガラスの機械的性質ほど安定ではなく、高屈折率の皮膜の機械的性質とは非常に異なっている。プラスチックの熱膨張率は、ほとんどの高屈折率の誘電体の熱膨張率よりほぼ１等級大きい。
【００１５】
プラスチックに対する種々の構造付与法も短所がある。エンボッシングには製造が高価なラムを用いる。その上、これらの構造付与法は表面粗さを引き起こして、導波性質に不利な影響を与えることがある。また、プラスチック内のサブ・マイクロメーター構造の再現性も明らかになっていない。
３）プラスチックにおける表面レリーフ構造のアブレーション（Ａｂｌａｔｉｏｎ；除去）
さらに、紫外レーザー除去によるポリマーにおける表面レリーフ構造の製造が知られている（ＥＸＩＴＥＣ社カタログ、ハンボロー・パーク、ロング・ハンボロー、ＯＸ８  ８ＬＨ、イギリス）。
【００１６】
しかしながら、これまで製作された格子の深さは約１００ｎｍであり、したがって結合格子として用いるの必要なものより１桁深い。
図２ｃに基板１内の種々の屈折率の区域９及び９ａで示すように屈折率を変調するために、感光性基板材料を紫外光で空間的に変調して露光することも知られている。この目的のために、特殊な感光性ガラス及びポリマーが知られている（フォトラッカー）。
【００１７】
しかし、これらの特殊な材料も高価である。
ガラス繊維については、ガラス繊維の光学的性質が紫外レーザー光の照射によって変化することが、文献から知られている（Ａ．Ｍ．Ｇｌａｓｓ、Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｔｏｄａｙ、１９９３年１０月、３４〜３８ページ、Ｋ．Ｏ．Ｈｉｌｌ  ｅｔ  ａｌ．、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３２（１９７８年５月１０、１５日、６４７ページ））。この場合、変化は概ね、Ｇｅをドープした繊維のＳｉＯ2 核の屈折率（Δｎ≒１０-2）が示す時間的に安定した変化である。繊維に干渉性エキシマーレーザー光を適当に照射することによって、直接ガラス繊維の核に位相格子を作ることができる。１つ以上の位相格子を用いて、反射器、共鳴器、格子結合器、マルチプレクサーなど一連の部材を作ることができる。
【００１８】
このような部材は波長１３３０ｎｍ及び１５５０ｎｍで駆動され、そのように設計されている。
屈折率の変化はＧｅドーピングと関連しており、これなくしてこの方法は機能しない。ガラス繊維の核は、低屈折率のジャケットに埋め込まれている。
このような仕方で製造された部材は通信技術に応用される。
【００１９】
次の著作を参照されたい。
・”Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ”，Ｂｄ．６３，Ｎｒ．１３，２７．  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  １９９３，Ｐ１７２７−１７２９，ＸＰ  ０００３９７７７４，Ｍｉｚｒａｈｉ  Ｖ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｌａｓｅｒ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｕｌｔｒａｓｔｒｏｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ  ｇｒａｔｉｎｇｓ  ａｎｄ  ｏｆ  ｇｅｒｍａｎｉａ−ｄｏｐｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ  ｗａｖｅ−ｇｕｉｄｅｓ
・Ｐａｔｅｎｔ  Ａｂｓｔｒａｃｔｓ  ｏｆ  Ｊａｐａｎ，  Ｖｏｌ．００９，ｎｏ．０２４（Ｐ−３３１），１９８５年１月３１日、＆  ＪＰ，Ａ，５９  １６８４０３（住友電工社），１９８４年９月２２日
・欧州特許出願第５６９１８２号公開明細書（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ  ＆  Ｔｅｌｅｇｒａｐｈ），１９９３年１１月１０日
・米国特許第５１７８９７８号明細書（Ｚａｎｏｎｉ  Ｒａｙｍｏｎｄ  ｅｔ  ａｌ．），１９９３年１月１２日」
・Ｄａｔａｂａｓｅ  ＷＰＩ，Ｓｅｃｔｉｏｎ  Ｃｈ，Ｗｅｅｋ  ９３０５，Ｄｅｒｗｅｎｔ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｌｔｄ．，Ｌｏｎｄｏｎ，ＧＢ；  Ｃｌａｓｓ  Ａ８９，ＡＮ  ９３−０４０９２０，＆  ＪＰ−Ａ−０４  ３６６  ６３７（Ｋｏｍａｔｓｕ  Ｓｅｉｒｅｎ  ＫＫ），１９９２年１２月１８日
・”Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ”，Ｂｄ．５９，Ｎｒ．１６，１９９１年１０月１４日、Ｐ１９２９〜１９３１，ＸＰ  ０００２５７４０７，  Ｙｏｕｄｅｎ  Ｋ  Ｅ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ＢＩ１２ＧＥＧＥ０２０  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅ−ｇｕｉｄｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｅｘｃｉｍｅｒ  ｌａｓｅｒ  ａｂｌａｔｉｏｎ”．
本発明の課題は、高屈折率の誘電体皮膜／皮膜系（つまりフォトラッカーのような有機皮膜ではなく）に、下記の特質を持った結合／解離格子を製造する、安価で大量生産に適した方法を提供することである。
【００２０】
形態は任意の立体面であることができるが、好ましくは平面でなければならない。
ガラス繊維におけるように、高屈折率の導波皮膜のＧｅドーピングは必要ない。種々の高屈折率の誘電体皮膜材料は、ドーピングなしでも直接構造を付与できる。
【００２１】
４００ｎｍから１２００ｎｍの光、例えば６３３ｎｍのＨｅＮｅ光でも作業できるように格子を形成することが可能でなければならない。
この方法は、できるだけ基板の材料に依存すべきではない。無機ガラス、セラミック又はプラスチックを使用できなければならない。
感光性として知られていない基板材料を使用できなければならない。
【００２２】
この方法により基板に格子を作ってから被覆するか、又は既に被覆した基板に構造を付与できなければならない。
表面除去によって結合格子を製造する際に、格子深さは２０ｎｍ以下、特に１０ｎｍ以下に選択できるなければならない。
格子面積は自由に、好ましくは１×１ｍｍ2 から８×８ｍｍ2 の範囲で選択できなければならない。
【００２３】
本発明の光導体は主としてセンサー技術に適していなければならない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記課題は、基板上の高屈折率の誘電体皮膜に光を結合／解離するための回折格子構造を製造する方法において、高屈折率の誘電体皮膜及び／又は基板に、同時空間的に周期的に強度変調した紫外レーザー光を照射し、しかも強度変調の周期を所望の格子周期に対応して選択することを特徴とする方法、及び１つ以上の高屈折率の誘電体皮膜で被覆した基板を有し、基板に付けた皮膜が光を伝送し、さらに回折構造を設けた光導体において、前記回折格子が皮膜の屈折率の周期的変調によって、及び／又は感光性として知られていない基板の屈折率の周期的変調によって形成されていることを特徴とする光導体によって達成される。
【００２５】
上記方法において、好ましくは、前記強度変調を少なくとも互いに干渉する２つの紫外レーザー光か、好ましくはマスク構造によって行い、前記紫外レーザー光を１つ以上のエキシマーレーザーによって形成し、紫外レーザー光を所定時間内に、好ましくは１μｓ以下、より好ましくは５０ｎｓ以下、さらに好ましくは約２０ｎｓ以下のパルス時間で１回以上発振し、高屈折率の皮膜及び／又は少なくとも基板の表面区域の屈折率をレーザー光によって空間的に変調し、レーザー光のアブレーション（除去）により、高屈折率の少なくとも１つの皮膜の膜厚を変調するか、又は基板の表面を変調して、それから高屈折率の皮膜を付着させ、高屈折率の誘電体皮膜の材料の少なくとも１成分に、ＴｉＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 、Ｙ2 Ｏ3 、ＺｒＯ2 、又はＡｌ、Ｓｉ、Ｈｆの窒化物もしくはそれらのオキシ窒化物、あるいは上記物質の混合物のいずれかを用い、高屈折率の皮膜の高屈折率の材料に低屈折率の材料、例えばＳｉＯ2 を添加し、高屈折率の皮膜と基板及び／又は高屈折率の皮膜と周囲の間に、低屈折率の皮膜、好ましくはＳｉＯ2 皮膜を、好ましくは厚さ２０ｎｍ以下で付着させ、４００ｎｍ≦λ≦１２００ｎｍ、好ましくはλ≦１０００ｎｍの光を結合／解離するために、前記構造を平面基板において製造し、高屈折率の皮膜の材料に半導体をドープし、高屈折率の皮膜を微孔状に付着させるか、好ましくは密に付着させ、基板材料にガラス、セラミック又は少なくとも大部分有機材料を用い、公知の膜厚の犠牲皮膜を、基板もしくは高屈折率の皮膜より低いアブレーション限界値で基板又は高屈折率の皮膜に付け、前記犠牲皮膜を基板もしくは高屈折率の皮膜まで光によってアブレーションし、格子を可変周期で製造するか、又は湾曲して製造し、格子面を紫外レーザー光経路内の絞りによって指定する。
【００２６】
また、上記光導体おいて、好ましくは、光を結合／解離するための回折格子の周期性を波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍ、好ましくは１０００ｎｍで設計し、高屈折率の皮膜が、６３３ｎｍの光に対して屈折率Ｎ≧１．６５を有し、高屈折率の皮膜がＴｉＯ2 及び／又はＴａ2 Ｏ5 からなり、高屈折率の皮膜と基板との間及び／又は高屈折率の皮膜の上に、低屈折率の皮膜、好ましくはＳｉＯ2 皮膜を好ましくは厚さ２０ｎｍ以下で付着させ、前記基板がガラス、セラミック又はプラスチックからなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の方法に従い、同時空間的に周期的に強度変調した紫外レーザー光、好ましくはエキシマーレーザー光により、皮膜内の、及び／又は皮膜表面の即ち基板表面の複合屈折率、及び／又は膜厚を空間的に周期的に変える。図２ｄに従い、本発明の光導体は、高屈折率の誘電体皮膜及び／又は感光性として知られていない基板の屈折率の周期的変化によって形成される回折格子構造を有する。
【００２８】
「同時空間的に変調する」とは、面を「走査する」ことなく同時に加工する面状変調を意味する。したがって、１つ以上のパルスによる順次加工も、その意味で同時空間的加工である。
図５に従い、紫外光の同時空間的変調は、図示のように皮膜２で被覆した基板１の区域１０で、又は皮膜２を被覆する前に基板１の表面で、２つ以上のコヒーレントなレーザー光１２ａ、１２ｂを用いたホログラフィック露光によって達成される。鏡１４ａ及び１４ｂもしくは光線部分１６に図式的に示されているような、２つのコヒーレント光の分離と、それに続く重ね合わせは、文献、例えばＭ．Ｂｏｒｎ、Ｅ．Ｗｏｌｆ”Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ”６ｔｈ  ｅｄｉｔｉｏｎ、Ｐｅｒｇａｍｏｎ  Ｐｒｅｓｓ、２６０ページ以下に詳細に記載されている。
【００２９】
これによると、図６にも示すように、基板及び／又は皮膜の所望の区域で格子構造を形成するために、フレネルの複プリズム１８を用いて光線分割と、それに続く重ね合わせが行われる。
もう１つの好適な可能性を図７に示す。ここでは被覆した（図示）及び／又は被覆しない（図示せず）基板１に、同時空間的に変調した紫外光を当てるが、その照射はマスク２０を通して行う。同時に衝突し空間的に変調された紫外光を皮膜及び／又は基板に照射することによって、皮膜及び／又は基板で残りの屈折率の空間的変調が達成され、その代替又は補完として、被覆していない基板１の皮膜及び／又は表面の材料除去（アブレーション）が行われる。上述したように、これは好都合な仕方である。
【００３０】
さらに、紫外光、特にエキシマーレーザー光を使用し、他の強力な光源を使用しないので、基板と皮膜材料の熱負荷は非常に小さく押さえられる。そうすることによって、基板の機械的性質及び熱可塑性に対する非依存性が実現される。これについては、「Ｇｅｒｈａｒｄｔ、Ｌａｍｂｄａ  Ｐｈｙｓｉｋ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｒｅｐｏｒｔ，１９９１年６月」、「Ｍ．Ｃ．Ｇｏｗｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．１８３５，１９９２，１３２ページ」を参照されたい。
【００３１】
本発明の仕方により、空間的に変化した周期で格子を製造すること、及び種々の格子を重ね合わせることが可能となる。例えば、第１周期を有する基板表面区域内の格子と、第２周期を有する格子とを、皮膜内で、又は皮膜表面で重ね合わせたり、湾曲した格子を重ね合わせることが可能となる。
この場合、構造付与によって結合格子を製造する際、図２ａ及び２ｂに従う格子深さｄは一般に臨界的である。なぜならば、結合効率はそれに大きく依存しているからである。結合格子に対する典型的な格子深さは、１０ｎｍより小さい。このことにより、基板、例えばＣ７０５９ガラスとその上に付着させたＴｉＯ2 からなる皮膜が異なるアブレーション限界値を有する場合は、「犠牲皮膜(Opferschichten)」を用いることによって正確な調整が可能となる。最初に、犠牲皮膜を所望の格子深さの厚さで基板に付着させる。このとき、被覆時の膜厚は非常に正確に、例えば０．５ｎｍの精度で調整できる。
【００３２】
次に、この薄膜を基板まではアブレーション（除去）するが、基板のアブレーション限界値がより高いのでそれ以上深く除去しないで、それからこのようにして作られた格子に、図８に示すように、さらに所望の膜厚で光学的導波体、すなわち、基板１上の除去された犠牲皮膜２２と、場合によって、破線で示した皮膜２を被覆できる。
これと類似に、皮膜２の材料が犠牲皮膜２２より高いアブレーション限界値を有する場合は、図９に示すように、導波皮膜２上に犠牲皮膜２２を付着させることができる。
【実施例】
【００３３】
例１
基板Ｃ７０５９
被覆                          膜厚１５５ｎｍのＴａ2 Ｏ5 皮膜
照射源                        エキシマーレーザー、２４８ｎｍ
変調技術                      図６に従うフレネルの複プリズム
基板におけるエネルギー密度    ５０ｍＪ／ｃｍ２
Ｔａ2 Ｏ5 皮膜のアブレーションにより、３７５ｎｍの周期Λと格子深さ５ｎｍの回折格子が生じた。格子構造の断面は三角形である。
【００３４】
波長６３３ｎｍの光による回折効率は０．１％より大きく、約２％であった。
例２
基板Ｃ７０５９ガラス
被覆                          ＴｉＯ2 、１２５ｎｍ
照射源                        エキシマーレーザー２４８ｎｍ
変調技術                      図６に従うフレネルの複プリズム
基板におけるエネルギー密度    ５０ｍＪ／ｃｍ２
アブレーションにより、格子面積８×８ｍｍ2 及び格子周期４４０ｎｍの回折格子が、格子深さ１ｎｍで得られた。λ＝６３３ｎｍの光に対する回折効率は、例１と同様であった。
例３
例２に従う基板Ｃ７０５９の代わりに石英ガラスを使用して、例２の上記の回折格子が面積８ｍｍ2 で作られた。この場合、格子は長面側と平行に延びている。
【００３５】
ここでも、例１と同じ回折効率を示した。
例１、２及び３の比較から、次のことが明らかとなる。
１．皮膜のアブレーションによる本発明の回折格子の製造は、使用する基板にほぼ依存しない（例、１、２：ガラス；例３：石英、例６以下：プラスチックも参照）。
２．空間的に変調されたレーザー光の衝突面積を限定することにより、好ましくは変調レーザー光の経路に絞り構成を設けるだけで、かなり大きい、すなわち結合したレーザー光（Ф通常約０．８ｍｍ）の衝突面積よりはるかに大きい格子面積（例２）が得られる同時に、唯一基準となる延長方向、すなわち格子縞に対して横断方向で光線直径の延長にほぼ対応した格子面積を得ることにも成功する（例３）。格子構造に対して横断方向の延長が結合すべきレーザー光の延長に概ね対応している格子面の場合は、結合した光は導波皮膜内で、例えば所定の解離点まで伝播する。
【００３６】
ＰＣＴ第９３／０１４８７号公開明細書により周知のように、大きい格子面は、センサー面として作用できる。この場合、結合すべきレーザー光の機械的位置決めは非臨界的であり、同じ格子において再び結合した光の一部が再び解離する。
いずれの仕方も、所期の技術に応じて分析に応用できる。
例４
例３と同じ基板、同じ皮膜及び同じ照射源を使用して、やはりフレネルの複プリズムを用い、基板におけるエネルギー密度を４０ｍＪ／ｃｍ2 としたら、表面を目に見えるほどアブレーションすることなく、被覆した基板で格子面積８×８ｍｍ2 の回折格子が得られた。
【００３７】
回折効率は例３におけるより少し小さかったが、それでも依然として０．１％を上回り、約１％であった。
この例から分かるように、延長した光線のエネルギー密度が皮膜材料のアブレーション限界値を下回ると（５０ｍＪ／ｃｍ2 →４０ｍＪ／ｃｍ2 ）、それにもかかわらず効率的な回折格子が得られる。この場合、石英ガラスもＣ７０５９も、特に感光性として知られていない材料である。
【００３８】
この考察に基づく唯一可能な結論は、皮膜及び／又は特に感光性として知られていない基板もしくは基板と皮膜の界面における屈折率は、変調光線によって空間的に変調されるということである。
例５
基板                          石英ガラス
犠牲皮膜                      基板上の３ｎｍのＴｉＯ2
照射源及び変調技術            例３に同じ
この例では犠牲皮膜のアブレーションにより、格子深さ３ｎｍの回折格子をが格子周期４４０ｎｍで得ることができた。
例６
基板        ポリカーボネート
被覆        基板上に最初に１０ｎｍのＳｉＯ2 、次に１０ｎｍのＴｉＯ2
照射源      エキシマーレーザー、２４８ｎｍ
変調技術    図６に従う複プリズム
ＴｉＯ2 皮膜のアブレーションにより、深さ５ｎｍの回折格子が生じた。回折効率は、例２と同様であった。
【００３９】
ここではＴｉＯ2 からなる導波皮膜を、ポリカーボネート基板上に付着させることができるためにＳｉＯ2 中間皮膜を設けた。
その他の例
変調レーザー光でＴｉＯ2 のアブレーション限界値を下回り、そして屈折率変調により例４に従う回折格子が得られた。
【００４０】
さらに、例６のＳｉＯ2 被覆の前に、ポリカーボネート表面のアブレーションにより、格子深さ５ｎｍの格子構造及び上記の格子周期３７５ｎｍの格子構造が得られ、その後で初めてＳｉＯ2 皮膜、次にＴｉＯ2 皮膜を付着させた。その結果得られた格子の回折効率は、例２に示すのと同様であった。ポリカーボネート表面の構造付与は、ＳｉＯ2 皮膜及びＴｉＯ2 皮膜を通して、ＴｉＯ2 皮膜に複製されるのが確認できた。
【００４１】
本発明の仕方により、ポリカーボネートというプラスチックで格子深さ５ｎｍ及び上記の周期の格子を製造することが可能になったことは、それ自体驚くべきである。それ以上に驚くべきは、この極めて微細な構造付与が、その上に被覆しても前述の意味で模写されることである。
上掲の例に従うすべての回折格子において、回折格子の回折効率の影響を考慮することなく、導波皮膜を通してＳｉＯ2 皮膜を付着させることができた。
【００４２】
そうすることによって、本発明に従って製造した回折格子においても、例えば化学分析に対して、その都度信頼されたセンサー表面材料を提供する可能性が維持されている。好ましくはＳｉＯ2 からなる低屈折率の皮膜を設ける場合、その厚さは２０ｎｍ以下に選択することが好ましい。
導波皮膜又はその上に付着させた低屈折率の材料の皮膜、特にＳｉＯ2 の皮膜を公知の仕方で微孔状に、又は好ましくは密に付着させる。こうすることにより、分析で知られているように、第１の場合には好感度の非選択的なセンサーを実現でき、第２の場合は高選択的で低感度のセンサーを実現できる。これについては、「Ｒ．Ｅ．Ｋｕｎｚ，Ｃ．Ｌ．Ｄｕ  ｅｔ  ａｌ．，Ｅｕｒｏｓｅｎｓｏｒｓ  ４，Ｐａｐｅｒ  Ｂ６．１；１．−３．１０．１９９０，Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ」を参照されたい。
【００４３】
さらに、上記の格子を作るためには、例えば２０ｎｓの変調レーザー光の短いパルスで十分であった。このことの本質的な長所は、製造工程における機械的振動など、どのような外乱も、格子を取り付ける工作物及び変調レーザー光の相対的位置に機械的に影響を与えることができない点である。もちろん、機械的に十分安定した光学系では一連の連続パルスも使用できる。
【００４４】
本発明の枠内で、波長４００ｎｍから１２００ｎｍ、好ましくは１０００ｎｍ以下の波長の光を結合もしくは解離するために、平面基板上に格子を作り、そして導波皮膜に例えばＧｅをドープすることが完全に可能である。
変調レーザー光の空間的に可変な周期を実現したことにより、空間的に可変な周期を有する格子を問題なく製作できる。さらに、変調レーザー光の変調パターンを計画的に湾曲して設計することにより、本発明に従う湾曲した格子を、場合によって空間的に可変な格子周期と結合して製作できる。
【００４５】
材料要素としての高屈折率の誘電体皮膜に、低屈折率として知られている材料を添加するときは、必ず皮膜が所定の高屈折率を維持する範囲で行う。
必要ではないが、紫外区域の感度を増すために皮膜材料に半導体をドープできる。
皮膜材料要素として、次の物質を用いることが好ましい。ＴｉＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 、Ｙ2 Ｏ3 、ＺｒＯ2 、又はＡｌ、Ｓｉ、Ｈｆの窒化物もしくはそれらのオキシ窒化物、あるいは上記物質の混合物。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】光伝送に際に生じる状況を説明するために、回折格子を有する光導体の構造を図式的に示した断面図である。
【図２】図２のａからｃは、図１に従う光導体における公知の回折格子構造を示す図である。図２のｄは、本発明の第１の回折格子構造である。
【図３】図３のａとｂは、公知の光導体構造の断面図と斜視図である。
【図４】公知の干渉計構造の平面図である。
【図５】第１の構成例における本発明の態様の説明図である。
【図６】第２の構成例における本発明の態様の説明図である。
【図７】第３の構成例における本発明の態様の説明図である。
【図８】犠牲皮膜を使用した本発明の変形例の説明図である。
【図９】犠牲皮膜を使用した本発明の第２の変形例の説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    基板
２    皮膜
１２ａ    レーザー光
１２ｂ    レーザー光
１４ａ    鏡
１４ｂ    鏡
２２    犠牲皮膜
【図１】
2006251827.tif 000003
【図２】
2006251827.tif 000004
【図３】
2006251827.tif 000005
【図４】
2006251827.tif 000006
【図５】
2006251827.tif 000007
【図６】
2006251827.tif 000008
【図７】
2006251827.tif 000009
【図８】
2006251827.tif 000010
【図９】
2006251827.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成18年6月30日(2006.6.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドーパントフリーの基板上の少なくとも１層のドーパントフリーの高屈折率誘電体皮膜に光を結合／分離するためのする方法であって、該少なくとも１層の高屈折率誘電体皮膜及び基板の少なくとも１方に、同時空間的に周期的に強度変調した紫外レーザー光を照射すること、該高屈折率誘電体皮膜の材料の少なくとも１成分にＴｉＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 、Ｙ2 Ｏ3 、ＺｒＯ2 、又はＡｌ、Ｓｉ、Ｈｆの窒化物もしくはそれらのオキシ窒化物、あるいは上記物質の混合物のいずれかを用いることを特徴とする回折格子構造の製造方法。
【請求項２】
前記強度変調を少なくとも２つの互いに干渉する紫外レーザー光によって形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記紫外レーザー光の前記強度変調をマスク構造を用いて形成する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記紫外レーザー光を１つ以上のエキシマーレーザーによって得る、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
紫外レーザー光が少なくとも１回パルスされる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つのパルスの期間が１μｓ以下である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
少なくとも１つのパルスの期間が約２０ｎｓである、請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
高屈折率の皮膜及び基板の表面区域の少なくとも１方の屈折率をレーザー光によって空間的に変調する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
高屈折率皮膜の膜厚をレーザー光によりアブレーション変調する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
基板の表面をレーザー光によりアブレーションして変調した後、高屈折率の皮膜を付着させる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
高屈折率皮膜の高屈折率材料に低屈折率材料を混合する工程をさらに有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
低屈折率の材料がＳｉＯ2 である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
高屈折率の皮膜と基板の間及び／又は高屈折率の皮膜と周囲の間に、低屈折率の皮膜を厚さ２０ｎｍ以下で付着させる工程をさらに有する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
低屈折率の皮膜がＳｉＯ2 皮膜である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記格子構造が４００ｎｍ≦λ≦１２００ｎｍの光を結合／分離するために略平面基板に製造される、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
基板材料にガラス、セラミック、又は、少なくとも大部分有機材料を用いる、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
基板に基板のアブレーション限界値より低いアブレーション限界値を持つ所定の膜厚の犠牲皮膜を付け、基板に光照射して前記犠牲皮膜をアブレーションする工程をさらに有する請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
高屈折率皮膜に高屈折率皮膜のアブレーション限界値より低いアブレーション限界値を持つ所定の膜厚の犠牲皮膜を付け、基板に光照射して前記犠牲皮膜をアブレーションする工程をさらに有する請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
格子を可変周期で製造するか、又は湾曲格子として製造する、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
格子面を紫外レーザー光経路内の少なくとも１つの絞りによって指定する、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
導波路部分と少なくとも１つの光入力及び／又は出力領域を有し、該導波路部分及び該光入力及び／又は出力領域が非感光性である第１の材料の基板とその上の第２の材料の高屈折率誘電体導波路層を含み、該第１及び第２の材料はドーパントフリーであるように前記導波路部分のための所定の要件に専ら従って選択され、高屈折率誘電体の少なくとも１成分にＴｉＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 、Ｙ2 Ｏ3 、ＺｒＯ2 、又はＡｌ、Ｓｉ、Ｈｆの窒化物もしくはそれらのオキシ窒化物、あるいは上記物質の混合物のいずれかを用い、前記入力及び／又は出力領域は前記第１の材料の屈折率または前記第１の材料及び第２の材料の両方の屈折率の周期的変調によって形成された回折格子構造を含むことを特徴とする、導波路構成体。
【請求項２２】
少なくとも１層のドーパントフリーの高屈折率誘電体導波路層で被覆された非感光性であるドーパントフリーの基板を有し、高屈折率誘電体の少なくとも１成分にＴｉＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 、Ｙ2 Ｏ3 、ＺｒＯ2 、又はＡｌ、Ｓｉ、Ｈｆの窒化物もしくはそれらのオキシ窒化物、あるいは上記物質の混合物のいずれかを用い、基板の屈折率または導波路層と基板の両方の屈折率の周期的変調によって形成された回折格子構造を有することを特徴とする、導波路部材。
【請求項２３】
回折格子の周期が、４００ｎｍ≦λ≦１２００ｎｍの波長を持つ光を少なくとも導入及び導出導波路層と結合する寸法にされている、請求項２１又は２２記載の導波路部材。
【請求項２４】
高屈折率の皮膜が、６３３ｎｍの光に対して屈折率Ｎ≧１．６５を有する、請求項２２または２３に記載の導波路部材。
【請求項２５】
高屈折率の皮膜と基板との間及び／又は高屈折率の皮膜と周囲の間に、低屈折率の皮膜を付着させた、請求項２２〜２４のいずれか１項に記載の導波路部材。
【請求項２６】
低屈折率の皮膜がＳｉＯ2 皮膜であり、厚さ２０ｎｍ以下である、請求項２５に記載の導波路部材。
【請求項２７】
前記基板がガラス、セラミック又はプラスチックからなる、請求項２２〜２６のいずれか１項に記載の導波路部材。
【請求項２８】
導波路部分と少なくとも１つの光導入及び／又は導出領域を有する導波路構成体を製造する方法であり、
前記導波路部分及び前記光導入及び／又は導出領域のための第１のアンドープ材料の基板を提供し、
前記基板上に前記導波路部分及び前記光導入及び／又は導出領域に沿ってアンドープ高屈折率誘電体第２材料の層を付着し、前記高屈折率誘電体の少なくとも１成分にＴｉＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 、Ｙ2 Ｏ3 、ＺｒＯ2 、又はＡｌ、Ｓｉ、Ｈｆの窒化物もしくはそれらのオキシ窒化物、あるいは上記物質の混合物のいずれかを用い、
前記第１及び第２のアンドープ材料を専ら前記導波路部分の所定要件に従って選択し、
前記光導入及び／又は導出領域に同時空間的に周期的に強度変調された紫外レーザ光を照射して回折格子構造を形成する工程を含むことを特徴とする、導波路構造体の製造方法。