(57)【要約】【課題】容易に作製でき、特性の劣化を抑えることのできる透過型回折格子を提供する。【解決手段】基板10と、基板10上に互いに平行に一定の周期ｐで設けられた複数のリッジ20とを備えた透過型回折格子100である。リッジ20は、屈折率が不連続な第１層11、第２層12（屈折率ｎ2 ：2.0〜2.5）及び第３層13を含む。基板10に隣接する第１層11は、基板10との屈折率差が0.1以下である。第２層12は、第１層11及び第３層13よりも屈折率が高く、次の条件を満たす。第２層12の、１つのリッジ20当たりの、当該リッジ20の長さ方向に垂直な断面の断面積Ｓが、0.75ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）＜Ｓ＜1.20ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）の範囲にある。但し、θは回折格子面への入射角(単位はラジアン)、定数ｋ1 は1.1である。第２層１２の厚さｄ2 が、0.70ｐｋ2 θｎ2 ／（ｎ2 −１）＜ｄ2 ＜1.30ｐｋ2 θｎ2 ／（ｎ2 −１）の範囲にある。但し、定数ｋ2 は0.69である。【選択図】図１
2008102488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に互いに平行に一定の周期ｐで設けられた複数のリッジとを備えた透過型回折格子であって、
前記リッジは、前記基板側から順に配置された、屈折率が不連続な第１層、第２層及び第３層を含み、
前記基板に隣接する前記第１層は、前記基板との屈折率差が０．１以下であり、
前記第２層は、前記第１層及び前記第３層よりも屈折率が高く、かつ、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の条件を満たすことを特徴とする透過型回折格子。
（Ａ）前記第２層の屈折率ｎ2 は２．０〜２．５である。
（Ｂ）前記第２層の、１つのリッジ当たりの、当該リッジの長さ方向に垂直な断面の断面積Ｓは、
０．７５ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）＜Ｓ＜１．２０ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）
の範囲にある。但し、θは回折格子面への入射角で単位はラジアンであり、定数ｋ1 は１．１である。
（Ｃ）前記第２層の厚さｄ2 は、
０．７０ｐｋ2 θｎ2 ／（ｎ2 −１）＜ｄ2 ＜１．３０ｐｋ2 θｎ2 ／（  ｎ2 −１）
の範囲にある。但し、定数ｋ2 は０．６９である。
【請求項２】
前記リッジの、当該リッジの長さ方向に垂直な断面が、前記基板に隣接する略矩形の第１部分と、前記第１部分に隣接する先細りテーパ状の第２部分とからなり、
前記リッジの、前記基板の表面からの高さをｈとしたとき、前記第１部分の、前記基板の表面からの高さｈ1 が
０．２ｈ＜ｈ1 ＜０．７ｈ
の範囲にあり、
前記基板の表面の法線と前記第１部分の前記リッジの側面とのなす角度φ1 、及び、前記基板の表面の法線と前記第２部分の前記リッジの側面とのなす角度φ2 が
０°＜φ1 ＜５°、
φ1 ＜φ2 ＜１５°
の範囲にある請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項３】
前記基板の、回折格子面と反対側の面に、互いに平行な複数の第２リッジが周期的に設けられた請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項４】
前記第１層の屈折率と前記基板の屈折率とが同じである請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項５】
前記第１層の屈折率と前記第３層の屈折率とが同じである請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項６】
前記第１層が二酸化珪素からなり、前記基板が石英ガラスからなる請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項７】
前記第１層が前記基板の一部からなる請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項８】
前記基板が石英ガラスからなる請求項７に記載の透過型回折格子。
【請求項９】
前記第２層が、Ｔａ2 Ｏ5 、ＴｉＯ2 及びＮｂ2 Ｏ5 からなる群から選ばれる少なくとも一種からなる請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項１０】
前記第２層がＴａ2 Ｏ5 からなる請求項９に記載の透過型回折格子。
【請求項１１】
高屈折率層である前記第２層が、低屈折率層を挟んで二分された状態で構成されている請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項１２】
前記リッジの長さ方向に対して垂直に光を入射させる際の入射角θが、
｜θ−θ0 ｜＜１０°
の条件を満たす請求項１〜１１のいずれか１項に記載の透過型回折格子。
但し、θ0 は、真空中における入射光の波長域の中心値をλ0 、入射側媒体の屈折率をｎi として、次式により定義される。
ｎi ・ｓｉｎθ0 ・（ｐ／λ0 ）＝０．５
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の透過型回折格子を複数個用いた分光素子。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の透過型回折格子又は請求項１３に記載の分光素子を用いた分光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過型回折格子、並びに、それを用いた分光素子及び分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を波長ごとに分ける分光器は、分光計をはじめとする測定器の他、光ディスク記録再生装置の読み取り用及び書き込み用のヘッド部分、光通信などに広く用いられている。そして、この分光器には、分光素子として各種の回折格子が使用されている。
【０００３】
分光用の回折格子は、波長による角度分散が大きい、回折効率（入射光に対する特定次数の回折光の強度比率）が１００％に近い、といった特性を有するのが望ましい。また、入射光の偏光方向を特定しない用途では、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の回折効率の差が小さいこと、すなわち、偏光依存損失（Polarization Dependent Loss （ＰＤＬ））が小さいことも要求される。
【０００４】
上記の諸条件を満たし、かつ、作製しやすい構造の回折格子として、図３６に示すような多層膜構造の回折格子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。図３６に示すように、この回折格子１１０においては、低屈折率の基板１０としてガラス基板が用いられており、基板１０上には、高屈折率層１２と低屈折率層１３とからなるリッジ２１が設けられている。この回折格子１１０に、リッジ２１側から所定の入射角θでリッジ２１の長さ方向に対して垂直に光５０を入射させると、１次回折光５１が基板１０を透過して出射する。そして、この場合、低屈折率層１３を設けることにより、反射率が低減され、その結果として、１次回折光５１の回折効率が改善されている。
【０００５】
図３６に示す回折格子１１０は、一般に、次のようなプロセス（１）〜（４）によって作製される。
【０００６】
（１）まず、基板１０上に、高屈折率層１２の材料と低屈折率層１３の材料とを順に成膜する。
【０００７】
（２）次に、低屈折率層１３の材料の表面に、マスクパターンを形成する。
【０００８】
（３）次に、マスクパターン以外の部分をエッチングする。
【０００９】
（４）最後に、マスクパターンを除去する。
【００１０】
しかし、図３６の回折格子１１０を作製する場合、エッチング深さがわずかでも不足すると、図３７に示すように、高屈折率層１２が溝３０の底に残ってしまう。そして、溝３０の底に残った高屈折率層１２は、回折格子１２０の特性を著しく悪化させる。従って、図３６の回折格子１１０を作製する場合には、エッチング深さを厳密に制御する必要があった。
【００１１】
また、回折効率を向上させＰＤＬを減らすためには、設計パラメータが多いほど有利であるが、図３６の回折格子１１０では、比較的自由に変化させることのできる設計パラメータは、高屈折率層１２の厚さ、低屈折率層１３の厚さ、リッジ２１の幅Ｗの３種類であり、回折効率を向上させＰＤＬを減らすための設計パラメータの数としては十分と言えない。尚、屈折率は、材料に依存するので、自由な値とすることは難しい。
【００１２】
そこで、かかる問題点を解消するために、屈折率が不連続な第１層、第２層及び第３層からなる３層リッジ構造を有する回折格子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【非特許文献１】塩崎学、茂原政一、「高角分散を有する多層膜回折格子の偏波無依存設計」、ＳＥＩテクニカルレビュー、２００４年９月、第１６５号、ｐ．３８−４２
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００４／０７４８８８号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１に開示された回折格子においては、リッジの、その長さ方向に垂直な断面の断面形状が矩形（幅が一定）となっているが、このようにリッジ幅を一定値に保つことは技術的に困難な場合が多い。すなわち、特許文献１に開示された回折格子は、作製が非常に困難である。そして、リッジの形状が設計値からずれると、回折効率、ＰＤＬなどの特性が劣化してしまうおそれがある。
【００１４】
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、容易に作製することができると共に、特性の劣化を抑えることのできる透過型回折格子、並びに、それを用いた分光素子及び分光器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するため、本発明に係る透過型回折格子の構成は、基板と、前記基板上に互いに平行に一定の周期ｐで設けられた複数のリッジとを備えた透過型回折格子であって、前記リッジは、前記基板側から順に配置された、屈折率が不連続な第１層、第２層及び第３層を含み、前記基板に隣接する前記第１層は、前記基板との屈折率差が０．１以下であり、前記第２層は、前記第１層及び前記第３層よりも屈折率が高く、かつ、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の条件を満たすことを特徴とする。
【００１６】
（Ａ）前記第２層の屈折率ｎ2 は２．０〜２．５である。
【００１７】
（Ｂ）前記第２層の、１つのリッジ当たりの、当該リッジの長さ方向に垂直な断面の断面積Ｓは、
０．７５ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）＜Ｓ＜１．２０ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）
の範囲にある。但し、θは回折格子面への入射角で単位はラジアンであり、定数ｋ1 は１．１である。
【００１８】
（Ｃ）前記第２層の厚さｄ2 は、
０．７０ｐｋ2 θｎ2 ／（ｎ2 −１）＜ｄ2 ＜１．３０ｐｋ2 θｎ2 ／（  ｎ2 −１）
の範囲にある。但し、定数ｋ2 は０．６９である。
【００１９】
また、前記本発明の透過型回折格子の構成においては、前記リッジの、当該リッジの長さ方向に垂直な断面が、前記基板に隣接する略矩形の第１部分と、前記第１部分に隣接する先細りテーパ状の第２部分とからなり、前記リッジの、前記基板の表面からの高さをｈとしたとき、前記第１部分の、前記基板の表面からの高さｈ1 が
０．２ｈ＜ｈ1 ＜０．７ｈ
の範囲にあり、前記基板の表面の法線と前記第１部分の前記リッジの側面とのなす角度φ1 、及び、前記基板の表面の法線と前記第２部分の前記リッジの側面とのなす角度φ2 が
０°＜φ1 ＜５°、
φ1 ＜φ2 ＜１５°
の範囲にあるのが好ましい。
【００２０】
また、前記本発明の透過型回折格子の構成においては、前記基板の、回折格子面と反対側の面に、互いに平行な複数の第２のリッジが周期的に設けられているのが好ましい。
【００２１】
また、前記本発明の透過型回折格子の構成においては、前記第１層の屈折率と前記基板の屈折率とが同じであるのが好ましい。
【００２２】
また、前記本発明の透過型回折格子の構成においては、前記第１層の屈折率と前記第３層の屈折率とが同じであるのが好ましい。
【００２３】
また、前記本発明の透過型回折格子の構成においては、前記第１層が二酸化珪素からなり、前記基板が石英ガラスからなるのが好ましい。
【００２４】
また、前記本発明の透過型回折格子の構成においては、前記第１層が前記基板の一部からなるのが好ましく、この場合には、前記基板が石英ガラスからなるのが好ましい。
【００２５】
また、前記本発明の透過型回折格子の構成においては、前記第２層が、Ｔａ2 Ｏ5 、ＴｉＯ2 及びＮｂ2 Ｏ5 からなる群から選ばれる少なくとも一種からなるのが好ましく、Ｔａ2 Ｏ5 からなるのが特に好ましい。
【００２６】
また、前記本発明の透過型回折格子の構成においては、高屈折率層である前記第２層が、低屈折率層を挟んで二分された状態で構成されているのが好ましい。
【００２７】
また、前記本発明の透過型回折格子の構成においては、前記リッジの長さ方向に対して垂直に光を入射させる際の入射角θが、
｜θ−θ0 ｜＜１０°
の条件を満たすのが好ましい。但し、θ0 は、真空中における入射光の波長域の中心値をλ0 、入射側媒体の屈折率をｎi として、次式により定義される。
【００２８】
ｎi ・ｓｉｎθ0 ・（ｐ／λ0 ）＝０．５
また、本発明に係る分光素子の構成は、前記本発明の透過型回折格子を複数個用いたことを特徴とする。
【００２９】
また、本発明に係る分光器の構成は、前記本発明の透過型回折格子又は前記本発明の分光素子を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、容易に作製することができると共に、特性の劣化を抑えることのできる透過型回折格子、並びに、それを用いた分光素子及び分光器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００３２】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態における透過型回折格子を模式的に示す断面図である。
【００３３】
図１に示すように、本実施の形態の透過型回折格子（以下、単に「回折格子」という）１００は、基板１０と、基板１０上に互いに平行に一定の周期ｐで設けられた複数の矩形のリッジ２０とを備えている。ここで、リッジ２０は、基板１０側から順に配置された、第１低屈折率層（第１層）１１、高屈折率層（第２層）１２、第２低屈折率層（第３層）１３の３層により構成されている。高屈折率層１２は、第１低屈折率層１１及び第２低屈折率層１３に比べて高屈折率である。本明細書において、高屈折率層とは、屈折率が１．６以上の材料からなっている層をいい、低屈折率層とは、屈折率が１．６未満の材料からなっている層をいう。
【００３４】
高屈折率層１２は、回折格子１００の主体をなすものである。もし、リッジ２０の全体を低屈折率材料（例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ））とすると、周期ｐに対する溝３０の深さの割合が非常に大きくなるため、エッチングによる加工が困難となる。これに対し、リッジ２０の屈折率を高く（例えば、２．０以上に）すれば、リッジ２０の高さを減少させることができるので、より製造しやすくなる。
【００３５】
しかし、高屈折率材料は、空気界面でのフレネル反射が大きくなるので、回折効率を低下させてしまう。そこで、本実施の形態においては、リッジ２０の先端に、低屈折率層として第２低屈折率層１３が設けられている。これにより、一般的によく知られている反射防止膜の効果が発生するので、フレネル反射が小さくなる。但し、回折格子内での光の反射及び屈折は平面多層膜の場合よりも複雑になるので、第２低屈折率層１３の厚さの設計に通常の反射防止膜の設計手法をそのまま適用することはできず、回折格子全体としての最適化を行なう必要がある。
【００３６】
第１低屈折率層１１は、基板１０との屈折率差が０．１以下であるのが好ましく、さらには、基板１０と同じ屈折率であるのが好ましい。また、図２に示すように、基板１０の一部を第１低屈折率層１１としてもよい。この場合には、第１低屈折率層１１の材料を基板１０上に別途形成する必要はなく、高屈折率層１２の材料及び第２低屈折率層１３の材料だけを基板１０上に形成し、溝３０を第１低屈折率層１１に相当する深さまで基板１０に形成すればよい。
【００３７】
本実施の形態においては、第１低屈折率層１１を設けることにより、エッチング深さの公差を大きくすることができる。エッチング深さが設計値からずれると、第１低屈折率層１１の厚さが変わるが、これによる特性の変化は後述するように極めて緩やかである。このように、本実施の形態によれば、エッチング深さの許容範囲を大きくすることができるので、回折格子を容易に作製することができる。また、第１低屈折率層１１の厚さを調整することにより、設計の自由度が大きくなるので、より高い特性の回折格子を作製することができる。
【００３８】
最上層である第２低屈折率層１３は、高屈折率層１２よりも低屈折率であり、上述したように、高屈折率層１２の表面におけるフレネル反射を低減する反射防止膜として機能する。
【００３９】
本実施の形態の回折格子１００において、比較的自由に変化させることのできる設計パラメータは、第１低屈折率層１１の厚さ、高屈折率層１２の厚さ、第２低屈折率層１３の厚さ、リッジ２０の幅Ｗの４種類であり、それらを最適化することにより、回折格子１００の特性を高めること、すなわち、回折効率を向上させＰＤＬを減らすことができる。
【００４０】
図１、図２に示すような「膜厚方向（Ｚ軸方向）に厚みのある回折格子」においては、膜厚方向の光の伝播が重要である。膜厚方向に厚みのある回折格子は、１次元フォトニック結晶とみなすことができ、伝播光の波長や伝播方向を表わす波数ベクトルは、フォトニックバンドの形状によって決まる。フォトニックバンドは、ブリルアンゾーン境界線の近傍で急激に曲がる性質があるので、これを利用すると、回折効率の高い波長帯域を広く取ることができる。入射光をブリルアンゾーン境界線上のバンドと結合させるための条件は、
ｎi ・ｓｉｎθ0 ・（ｐ／λ0 ）＝０．５
であり、これが望ましい条件である（例えば、国際公開第ＷＯ２００４／０８１６２５号パンフレット参照）。但し、真空中における入射光の波長（分光素子の場合には、使用する波長域の中央値）をλ0 、入射側媒体の屈折率をｎi 、回折格子の周期（以下「格子周期」ともいう）をｐ、入射角をθ0 とする。尚、入射角とは、屈折率ｎi の媒体における値であり、以下の記述では、ｎi ＝１．０とする。
【００４１】
しかし、フォトニックバンドの形状によっては、入射角の最適値θが上記の式から定まるθ0 と多少ずれる場合もあるので、
｜θ−θ0 ｜＜１０°
の条件を満たすのが望ましい。
【００４２】
本実施の形態の回折格子１００の基板１０の材料は、第１低屈折率層１１の材料との屈折率差が０．１以下のものであれば、特に限定されない。具体的には、基板１０の材料として、使用する波長域に対して透明性が高く、低屈折率である、光学ガラス、石英ガラス、結晶化ガラスなどを使用するのが好ましく、第１低屈折率層１１の材料との屈折率差が０．１以下であれば、他の成分を含んでいてもよい。格子周期の温度による変化を小さくするためには、基板１０の材料として、熱膨張率の小さい石英ガラス、結晶化ガラスを使用するのがより好ましい。特に、石英ガラスは、最も一般的な基板材料であり、そのまま第１低屈折率層１１として用いることもできるので、最も好ましい。
【００４３】
高屈折率層１２の材料は、屈折率が１．６以上、好ましくは屈折率が２．０〜２．５程度のものであれば、特に限定されない。具体的には、高屈折率層１２の材料として、基板１０上に成膜しやすい材料である、Ｔａ2 Ｏ5 、ＴｉＯ2 、Ｎｂ2 Ｏ5 など、あるいは、これらを組み合わせたものを使用するのが好ましく、屈折率が１．６以上であれば、他の成分を含んでいてもよい。その製法としては、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどが挙げられる。
【００４４】
第２低屈折率層１３の材料は、屈折率が１．６未満のものであれば、特に限定されない。具体的には、広い波長域に対して透明性が高い材料である、ＳｉＯ2 などが好ましく、屈折率が１．６未満であれば、他の成分を含んでいてもよい。その製法としては、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどが挙げられる。
【００４５】
図１の回折格子１００は、例えば、次のようなプロセスによって作製することができる。
【００４６】
（１）まず、基板１０上に、第１低屈折率層１１の材料、高屈折率層１２の材料及び第２低屈折率層１３の材料を、この順番で形成し、最上層である第２低屈折率層１３の材料の上にマスクとしての金属膜を成膜する。金属膜の形成には、対向スパッタ、イオンビームスパッタ、真空蒸着、イオンプレーティング等を用いることができる。金属膜の材料としては、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ等のように、ドライエッチング用のマスクとして汎用的なものを用いることができる。また、ＷＳｉ等のように、ドライエッチング用のマスクとして用いられている金属化合物を用いることもできる。
【００４７】
（２）次に、この金属膜の上に樹脂膜をスピンコートによって成膜した後、格子パターンを形成する。格子パターンの形成には、紫外線を用いたフォトリソグラフィー、電子線を用いた電子線リソグラフィー、あるいは金型プレスによるナノインプリント等を用いることができる。樹脂膜の材料としては、各パターン形成手法に応じて適切な感光性樹脂、熱可塑性樹脂、紫外線硬化樹脂等を用いることができる。
【００４８】
（３）次に、この格子パターン（樹脂パターン）をマスクとして、上記（１）で形成した金属膜をドライエッチングし、金属膜のパターンを形成する。続いて、この金属膜のパターンをマスクとして、上記（１）で形成した第１低屈折率層１１の材料／高屈折率層１２の材料／第２低屈折率層１３の材料を所定の深さまでドライエッチングし、第１低屈折率層１１／高屈折率層１２／第２低屈折率層１３からなるリッジ２０を形成する。最後に、残存した金属膜を、ドライエッチングあるいは薬液によるウエットエッチング等によって除去する。ドライエッチングとしては、反応性イオンエッチング、イオンビームエッチング等を用いることができる。また、この場合のエッチングガスとしては、ＳｉＯ2 に対してはフッ素系ガス、Ｃｒに対しては塩素系ガス等というように、各被加工材料に適したガスを用いるとよい。
【００４９】
また、図１の回折格子１００は、マスクの形成にリフトオフ法を用いた以下のプロセスによって作製することもできる。
【００５０】
（１）まず、基板１０上に、第１低屈折率層１１の材料、高屈折率層１２の材料及び第２低屈折率層１３の材料を、この順番で形成し、最上層である第２低屈折率層１３の材料の上に樹脂膜をスピンコートによって成膜した後、格子パターンを形成する。格子パターンの形成には、紫外線を用いたフォトリソグラフィー、電子線を用いた電子線リソグラフィー、あるいは金型プレスによるナノインプリント等を用いることができる。樹脂膜の材料としては、各パターン形成手法に応じて適切な感光性樹脂、熱可塑性樹脂、紫外線硬化樹脂等を用いることができる。
【００５１】
（２）次に、金属膜を、上記（１）で形成した格子パターン（樹脂パターン）上に成膜した後、有機溶剤等によって格子パターンを剥離する。このとき、樹脂膜上に成膜された金属膜も同時に除去され、最上層である第２低屈折率層１３が露呈していた部分にのみ金属膜がパターンとして残る。金属膜の形成には、対向スパッタ、イオンビームスパッタ、真空蒸着等を用いることができる。
【００５２】
（３）次に、この金属膜のパターンをマスクとして、上記（１）で形成した第１低屈折率層１１の材料／高屈折率層１２の材料／第２低屈折率層１３の材料を所定の深さまでドライエッチングし、第１低屈折率層１１／高屈折率層１２／第２低屈折率層１３からなるリッジ２０を形成する。最後に、残存した金属膜のパターンを、ドライエッチングあるいは薬液によるウエットエッチング等によって除去する。ドライエッチングとしては、反応性イオンエッチング、イオンビームエッチング等を用いることができる。また、この場合のエッチングガスとしては、ＳｉＯ2 に対してはフッ素系ガス、Ｃｒに対しては塩素系ガス等というように、各被加工材料に適したガスを用いるとよい。
【００５３】
以上では、基板１０上に、第１低屈折率層１１、高屈折率層１２及び第２低屈折率層１３を形成する場合について説明したが、上述したように、基板１０の一部を第１低屈折率層１１として用いてもよい（図２参照）。この場合には、例えば、以下のようにして回折格子１００が作製される。すなわち、まず、基板１０上に、高屈折率層１２の材料及び第２低屈折率層１３の材料を、この順番で形成する。次に、第２低屈折率層１３の材料の上に形成した金属膜パターンをマスクとして、ドライエッチングにより高屈折率層１２／第２低屈折率層１３を形成する。次に、基板１０を、第１低屈折率層１１の厚さに相当する深さまでエッチングする。最後に、金属膜パターンを除去する。
【００５４】
以下に、以上説明した透過型回折格子（図１）の設計例を示す。
【００５５】
図１に示すように、回折格子１００の周期（格子周期）をｐ、リッジ２０の幅をＷとし、第１低屈折率層１１、高屈折率層１２、第２低屈折率層１３の厚さをそれぞれｄ1 、ｄ2 、ｄ3 とする。また、第１低屈折率層１１、高屈折率層１２、第２低屈折率層１３及び基板１０の屈折率をそれぞれｎ1 、ｎ2 、ｎ3 及びｎs とする。基板１０及びリッジ２０の他は空気（屈折率１）とする。
【００５６】
図１の回折格子１００に入射角θの平面波（ＴＥ偏光及びＴＭ偏光）（上記光５０）を入射させ、その１次回折光５１が基板１０内にある状態での回折効率を計算した。ＴＥ偏光は、電場の振動方向がＸ軸方向（リッジ２０の長さ方向）であり、ＴＭ偏光は、磁場の振動方向がＸ軸方向である。尚、回折効率の計算には、アメリカ合衆国 RSoft Design Group, Inc. 製のＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）法による計算ソフト“DiffractMOD”を使用した。
【００５７】
（設計例１）
まず、設計例１について説明する。
【００５８】
下記（表１）に、設計例１で得られた結果を示す。設計例１においては、回折格子面への入射角θを４５°、回折格子の周期ｐを１μｍ、高屈折率層１２の屈折率ｎ2 を２．１０、第１低屈折率層１１の屈折率ｎ1 、第２低屈折率層１３の屈折率ｎ3 、基板１０の屈折率ｎs を１．４６に固定し、その他のパラメータである、第１低屈折率層１１の厚さｄ1 、高屈折率層１２の厚さｄ2 、第２低屈折率層１３の厚さｄ3 、リッジ２０の幅Ｗを最適化した。最適化は、回折効率の最大値ができるだけ高くなるようにして行った。
【００５９】
【表１】
2008102488.tif 000003
【００６０】
図３に、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示す。図３に示すように、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光共に回折効率の最大値が９９％を超える非常に良好な値が得られている。
【００６１】
また、図４〜図８に、各パラメータを上記（表１）に記した値から単独に動かした場合の、回折効率の変化を示す。各図において、（ａ）はＴＥ偏光の場合を示し、（ｂ）はＴＭ偏光の場合を示している。これらの図を用いて、波長１．３７０μｍにおける回折効率がＴＥ偏光、ＴＭ偏光共に９５％以上となる範囲を許容範囲として求めた。以下に、得られた結果を示す。
【００６２】
図４：
第１低屈折率層１１の厚さｄ1 を単独に変化させた場合であり、ＴＥ偏光の場合の厚さｄ1 の許容範囲は、０．０２５μｍ〜０．３４０μｍである。ＴＭ偏光の場合の厚さｄ1 の許容範囲は、ＴＥ偏光の場合よりも広い。
【００６３】
図５：
高屈折率層１２の厚さｄ2 を単独に変化させた場合であり、ＴＥ偏光の場合の厚さｄ2 の許容範囲は、０．９６０μｍ〜１．０６５μｍである。ＴＭ偏光の場合の厚さｄ2 の許容範囲は、ＴＥ偏光の場合よりも広い。
【００６４】
図６：
第２低屈折率層１３の厚さｄ3 を単独に変化させた場合であり、ＴＥ偏光の場合の厚さｄ3 の許容範囲は、０．１４μｍ〜０．２７μｍである。ＴＭ偏光の場合の厚さｄ3 の許容範囲は、ＴＥ偏光の場合よりも広い。
【００６５】
図７：
リッジ２０の幅Ｗを単独に変化させた場合であり、ＴＥ偏光の場合の幅Ｗの許容範囲は、０．５０μｍ〜０．５８μｍである。ＴＭ偏光の場合の幅Ｗの許容範囲は、ＴＥ偏光の場合よりも広い。
【００６６】
図８：
高屈折率層１２の屈折率ｎ2 を単独に変化させた場合であり、ＴＭ偏光の場合の屈折率ｎ2 の許容範囲は、１．９８〜２．２１である。ＴＥ偏光の場合の屈折率ｎ2 の許容範囲は、ＴＭ偏光の場合よりも広い。
【００６７】
図４に示すように、第１低屈折率層１１の厚さｄ1 の許容範囲は非常に広い。このため、従来はエッチング深さを厳密に制御する必要があったが、本実施の形態においては、エッチング深さを厳密に制御する必要はなく、エッチング深さの調整を容易に行なうことができる。
【００６８】
（設計例２〜５）
次に、設計例２〜５について説明する。
【００６９】
設計例２〜５の、設定値を上記（表１）に、回折効率の結果を図９〜図１２にそれぞれ示す。設計例２〜５においては、回折格子面への入射角θを５０°、回折格子の周期ｐを１μｍ、第１低屈折率層１１の屈折率ｎ1 、第２低屈折率層１３の屈折率ｎ3 、基板１０の屈折率ｎs を１．４６に固定し、その他のパラメータである、第１低屈折率層１１の厚さｄ1 、高屈折率層１２の厚さｄ2 、第２低屈折率層１３の厚さｄ3 、リッジ２０の幅Ｗを最適化した。また、設計例２〜４においては、高屈折率層１２の屈折率ｎ2 をそれぞれ２．１８、２．１４、２．１０として、波長域１．５００μｍ〜１．６００μｍの範囲でＰＤＬが小さくなるように各パラメータを最適化した。また、設計例５においては、高屈折率層１２の屈折率ｎ2 を２．１０として、回折効率が波長域１．５３０μｍ〜１．５７０μｍの範囲で平均的に高くなるように各パラメータを最適化した。
【００７０】
図９〜図１１においては、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の回折効率がほとんど一致しており、ＰＤＬが非常に小さくなっている。また、図１２においては、回折効率を重視して最適化を行なったため、ＴＥ偏光の回折効率が特に良好で、波長域１．５１μｍ〜１．５９μｍの範囲でＴＥ偏光の回折効率が９９％以上となっている。
【００７１】
尚、上記設計例１〜５においては、回折格子の周期ｐを１μｍとしているが、回折格子の周期ｐを他の値にしても、リッジ２０の幅Ｗ、第１低屈折率層１１の厚さｄ1 、高屈折率層１２の厚さｄ2 、第２低屈折率層１３の厚さｄ3 、真空中における入射光の波長λ0 の値を、比例計算によって変化させれば、同じ回折効率の結果が得られる。
【００７２】
（設計例６）
次に、リッジの、その長さ方向に垂直な断面の断面形状がテーパ状となっている場合の設計例６について説明する。
【００７３】
図１３に示す回折格子１０５は、リッジ２５の高さがｈであり、基板１０の表面から高さｈ1 まではリッジ２５の幅が一定値Ｗであるが、基板１０の表面からの高さがｈ1 よりも高くなると、リッジ２５の幅がテーパ状に狭くなり、リッジ２５の先端では幅がＷ1 となっている。設計例６において、回折格子面への入射角θ、回折格子の周期ｐ、各屈折率の条件は設計例２と同一であるが、リッジ２５の断面形状は、ｈ1 ＝ｈ／２、Ｗ1 ＝０．８Ｗを満たす形状となっている。
【００７４】
第１低屈折率層１１の厚さｄ1 、高屈折率層１２の厚さｄ2 、第２低屈折率層１３の厚さｄ3 、リッジ２５の幅Ｗをパラメータとして、波長域１．５００μｍ〜１．６００μｍの範囲でＰＤＬが小さくなるように最適化した。設計例６の、設定値を上記（表１）に、回折効率の結果を図１４にそれぞれ示す。設計例６において、回折効率とＰＤＬは共に設計例２とほぼ同じになっている。
【００７５】
尚、本設計例６においては、基板１０の表面から高さｈ1 （＝ｈ／２）までの部分（第１部分）のリッジ２５の幅を一定値Ｗとし、基板１０の表面からの高さがｈ1 よりも高くなる部分（第２部分）のリッジ２５の先端の幅をＷ1 （＝０．８Ｗ）としているが、リッジ２５の断面形状を以下のように設定しても（図１５参照）、同様の効果を得ることができる。図１５において、φ1 は、基板１０の表面の法線と第１部分のリッジ２５の側面とのなす角度、φ2 は、基板１０の表面の法線と第２部分のリッジ２５の側面とのなす角度であり、ｈ1 、φ1 、φ2 は、下記式の範囲にある。
【００７６】
０．２ｈ＜ｈ1 ＜０．７ｈ、
０°＜φ1 ＜５°、
φ1 ＜φ2 ＜１５°
（参考例１）
次に、参考例１について説明する。参考例１は、各パラメータを設計例２と同じにして、設計例６と同じテーパ状の断面形状を与えたものである。
【００７７】
参考例１の、設定値を上記（表１）に、回折効率の結果を図１６にそれぞれ示す。図１６に示すように、参考例１において、ＴＥ偏光の回折効率は設計例２と比べて大幅に低下している。
【００７８】
以上のように、設計例２、設計例６及び参考例１から、回折格子のリッジの断面形状がテーパ状となることが予想される場合であっても、テーパ状断面のリッジを前提とした最適化により、矩形断面のリッジと同等の特性を得ることができることが分かる。
【００７９】
（比較例１、２）
次に、比較例１、２について説明する。
【００８０】
比較例１、２は、設計例４、５でそれぞれ第１低屈折率層１１の厚さを０として最適化したものであり、図３６に示す従来の回折格子を用いた例である。
【００８１】
比較例１、２の、設定値を上記（表１）に、回折効率の結果を図１７、図１８にそれぞれ示す。比較例１、２においては、第１低屈折率層１１を設けなかったために、各パラメータを最適化しても、回折効率及びＰＤＬ特性は、設計例４、５に比べて劣っている。
【００８２】
［第２の実施の形態］
上述したプロセスによってリッジ２０をエッチング加工する場合、図１に示すように、リッジ２０の幅Ｗを一定値に保つことが望ましいが、技術的に困難な場合がある。すなわち、エッチング処理が容易に行なえる条件を設定すると、リッジ２０の幅Ｗが基板１０に近くなるほど大きくなり、リッジ２０の、その長さ方向に垂直な断面の断面形状が「台形」もしくは「釣鐘状」となってしまうことが多い。そして、この場合には、リッジ２０の形状が設計値からずれるので、回折効率、ＰＤＬなどの特性が変化する。
【００８３】
ところで、本発明者らの研究によれば、回折格子の特性に大きな影響を与えるのは、高屈折率層１２の厚さｄ2 、及び、高屈折率層１２の断面積Ｓである。ここで、高屈折率層１２の断面積Ｓとは、１つのリッジ２０当たりの、当該リッジ２０の長さ方向に垂直な断面の断面積のことである。後述するように、高屈折率層１２の断面積Ｓは、
０．７５ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）＜Ｓ＜１．２０ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）
の範囲にあるのが好ましい。但し、θは回折格子面への入射角で単位はラジアンであり、定数ｋ1 は１．１である。
【００８４】
また、高屈折率層１２の厚さｄ2 は、
０．７０ｐｋ2 θｎ2 ／（ｎ2 −１）＜ｄ2 ＜１．３０ｐｋ2 θｎ2 ／（  ｎ2 −１）
の範囲にあるのが好ましい。但し、定数ｋ2 は０．６９である。
【００８５】
リッジ２０の断面形状（矩形、テーパ状、釣鐘状など）による特性の変化は小さく、高屈折率層１２の厚さｄ2 及び断面積Ｓが同じであれば、類似の特性となる。従って、形成しやすい断面形状を前提とした設計を行なうことができる。
【００８６】
（設計例７）
設計例７は、リッジ２２の断面全体がテーパ状となっている場合（図１９（ａ）、（ｂ）参照）の設計例である。
【００８７】
設計例７においては、回折格子面への入射角θを４９．８５°、回折格子の周期ｐを１μｍ、第１低屈折率層１１の屈折率ｎ1 、第２低屈折率層１３の屈折率ｎ3 を１．４５８４、基板１０の屈折率ｎs を１．４５、高屈折率層１２の屈折率ｎ2 を２．２２６３に固定し、その他のパラメータである、第１低屈折率層１１の厚さｄ1 、高屈折率層１２の厚さｄ2 、第２低屈折率層１３の厚さｄ3 、リッジ２２の平均幅Ｗを最適化した。各パラメータの最適化は、回折効率が波長域１．５００μｍ〜１．６００μｍの範囲で平均的に高くなるようにして行なった。
【００８８】
図１９に示すように、リッジ２２の断面形状は、基板１０の表面からリッジ２２の先端まで幅が直線的に変化するテーパ状である。基板１０の表面でのリッジ２２の幅をＷB 、先端でのリッジ２２の幅をＷT として最適化した結果を、下記（表２）に示す。リッジ２２の平均幅Ｗは、ＷB とＷT の平均値となる。尚、下記（表２）における「回折効率の平均値」とは、波長１．５００μｍ、１．５１０μｍ、１．５２０μｍ、・・・、１．５９０μｍ、１．６００μｍでの１次回折効率（ＴＥ偏光、ＴＭ偏光の両方）の平均値のことである。
【００８９】
【表２】
2008102488.tif 000004
【００９０】
上記（表２）から、回折効率が最も大きくなるのは、リッジ２２の断面形状が矩形状（ＷB ＝１．０Ｗ、ＷT ＝１．０Ｗ）の場合（設計例７−３）ではなく、先細りテーパ状（ＷB ＝１．３Ｗ、ＷT ＝０．７Ｗ）の場合（設計例７−６）であることが分かる。その場合の特性を、図２０に示す。
【００９１】
（設計例８）
設計例８は、リッジ２３の断面形状が樽状（図２１（ａ）参照）もしくは糸巻き状（図２１（ｂ）参照）となっている場合の設計例である。
【００９２】
設計例８においては、回折格子面への入射角θを４９．８５°、回折格子の周期ｐを１μｍ、第１低屈折率層１１の屈折率ｎ1 、第２低屈折率層１３の屈折率ｎ3 を１．４５８４、基板１０の屈折率ｎs を１．４５、高屈折率層１２の屈折率ｎ2 を２．２２６３に固定し、その他のパラメータである、第１低屈折率層１１の厚さｄ1 、高屈折率層１２の厚さｄ2 、第２低屈折率層１３の厚さｄ3 、リッジ２３の平均幅Ｗを最適化した。各パラメータの最適化は、回折効率が波長域１．５００μｍ〜１．６００μｍの範囲で平均的に高くなるようにして行なった。
【００９３】
図２１に示すように、リッジ２３の断面形状は、リッジ２３の中央での幅がＷM で、基板１０の表面でのリッジ２３の幅ＷB とリッジ２３の先端の幅ＷT が同じ値の樽状あるいは糸巻き状である。リッジ２３の平均幅Ｗは、ＷB とＷM の平均値となる。最適化した結果を、下記（表３）に示す。尚、下記（表３）における「回折効率の平均値」とは、波長１．５００μｍ、１．５１０μｍ、１．５２０μｍ、・・・、１．５９０μｍ、１．６００μｍでの１次回折効率（ＴＥ偏光、ＴＭ偏光の両方）の平均値のことである。また、下記（表３）中の設計例８−３は、上記（表２）中の設計例７−３と同一である。
【００９４】
【表３】
2008102488.tif 000005
【００９５】
上記（表３）から、回折効率が最も大きくなるのは、リッジ２３の断面形状が弱い樽状（ＷB ＝０．９Ｗ、ＷM ＝１．１Ｗ）の場合（設計例８−４）であることが分かる。その場合の特性を、図２２に示す。
【００９６】
（設計例９〜１８）
設計例９〜１８は、リッジ２４の断面形状が樽状（図２３（ａ）参照）、糸巻き状（図２３（ｂ）参照）、中折れ状（図２３（ｃ）参照）、テーパ状（図２３（ｄ）参照）もしくは矩形状（図２３（ｅ）参照）となっている場合の設計例である。
【００９７】
図２３（ｄ）に示すテーパ状の断面形状について、回折格子面への入射角θを５０°、回折格子の周期ｐを１μｍ、第１低屈折率層１１の屈折率ｎ1 、第２低屈折率層１３の屈折率ｎ3 、基板１０の屈折率ｎs を１．４５、高屈折率層１２の屈折率ｎ2 を２．２０に固定し、その他のパラメータである、第１低屈折率層１１の厚さｄ1 、高屈折率層１２の厚さｄ2 、第２低屈折率層１３の厚さｄ3 、高屈折率層１２の、第２低屈折率層１３との境界部での幅Ｂ、第１低屈折率層１１との境界部での幅Ｃを最適化した。最適化した結果を、下記（表４）の設計例１１に示す。基板１０の表面でのリッジ２４の幅Ｅ、先端でのリッジ２４の幅Ａの値は、従属的に決定される。各パラメータの最適化は、波長域１．５００μｍ〜１．６００μｍの範囲にある１１波長（間隔０．０１μｍ）での１次回折効率（ＴＥ偏光、ＴＭ偏光の両方）を求め、その平均値（以下「平均回折効率」という）ができるだけ大きくなるようにして行なった。
【００９８】
【表４】
2008102488.tif 000006
【００９９】
設計例１１の設計値を基準とし、第１低屈折率層１１の厚さｄ1 、高屈折率層１２の厚さｄ2 、第２低屈折率層１３の厚さｄ3 を変えることなく、図２３に示すパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆによってリッジ２４の断面形状を変化させたものが上記（表４）に示す設計例９、設計例１０、設計例１２〜設計例１８である。リッジ２４の形状は変わっても、高屈折率層１２の断面積Ｓは設計例１１の場合と同じである。尚、図２３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の場合には、パラメータＢ、Ｃ、Ｄ、Ｆが決まれば、パラメータＡ、Ｅの値は一意的に決まる。
【０１００】
設計例９は、リッジ２４の断面形状が矩形状となっている場合の設計例である。
【０１０１】
設計例１０は、リッジ２４の断面形状が先細りテーパ状となっている場合の設計例であり、テーパ角は設計例１１の場合よりも急である。
【０１０２】
設計例１１は、リッジ２４の断面形状が先細りテーパ状となっている場合の最適化による基本設計例である。
【０１０３】
設計例１２は、リッジ２４の断面形状が先太りテーパ状となっている場合の設計例であり、テーパ角は設計例１１の場合の逆である。
【０１０４】
設計例１３は、リッジ２４の断面形状が先太りテーパ状となっている場合の設計例であり、テーパ角は設計例１２の場合よりも急である。
【０１０５】
設計例１４は、リッジ２４の断面形状が中央の膨らんだ樽状となっている場合の設計例である。
【０１０６】
設計例１５は、リッジ２４の断面形状が中央の細くなった糸巻き状となっている場合の設計例である。
【０１０７】
設計例１６は、リッジ２４の断面形状が、先端部分が先細りテーパ状となっており、基板１０側が矩形状となっている場合の設計例である。
【０１０８】
設計例１７は、リッジ２４の断面形状が、先端部分が矩形状となっており、基板１０側が先細りテーパ状となっている場合の設計例である。
【０１０９】
設計例１８は、リッジ２４の断面形状が、途中でテーパ角が変わる先細りのテーパ状となっている場合の設計例である。
【０１１０】
上記（表４）には、それぞれの設計例における平均回折効率も記されている。平均回折効率は、設計例１８で最高値（０．９８５１）、基本設計例である設計例１１では最高値に近い値（０．９８５０）となるが、リッジ２４の断面形状が他の形状であってもそれほど低下していない。よって、高屈折率層１２の断面積Ｓが一定値であれば、リッジ２４の形状の回折効率に及ぼす影響は小さいことが明らかとなった。
【０１１１】
（比較例３〜１６）
設計例１１の設計値を基準として、リッジ幅を変えたものが比較例３〜１６である。リッジの断面形状は先細りテーパ状であり、テーパ角は設計例１１の場合と同じである。設計例１１とのリッジ幅の違いは、全幅でΔＷである。比較例３〜１６の設定値を下記（表５）に示す。
【０１１２】
【表５】
2008102488.tif 000007
【０１１３】
上記（表５）には、それぞれの比較例における平均回折効率も記されている。また、図２４に、リッジ幅の変化量ΔＷと平均回折効率との関係を示す。図２４に示すように、リッジ幅が変化すると、高屈折率層１２の断面積も変化するので、平均回折効率が急速に低下している。
【０１１４】
（設計例１９〜３０）
設計例１９〜３０は、リッジの断面形状を単純な矩形として、最適化を行なった設計例である。入射角θを３５°、４５°、５５°の３通り、高屈折率層の屈折率を２．００、２．１０、２．２５、２．５０の４通りとして、第１低屈折率層の厚さｄ1 、高屈折率層の厚さｄ2 、第２低屈折率層の厚さｄ3 、リッジの幅Ｗを最適化した結果を、下記（表６）に示す。最適化は、波長域（入射角θにより異なる）の範囲にある１１波長（間隔０．０１μｍ）での１次回折効率（ＴＥ偏光、ＴＭ偏光の両方）を求め、その平均値（以下「平均回折効率」という）ができるだけ大きくなるようにして行なった。
【０１１５】
【表６】
2008102488.tif 000008
【０１１６】
上述した設計例１〜３０について本発明者らが解析した結果、重要なパラメータである
入射角θ、
高屈折率層の屈折率ｎ2 、
高屈折率層の断面積Ｓ、
高屈折率層の厚さｄ2
の間には、回折格子の周期ｐを基準として、概略
Ｓ＝ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）、
ｄ2 ＝ｐｋ2 θｎ2 ／（ｎ2 −１）
の関係があることが明らかとなった。但し、θの単位はラジアンであり、定数ｋ1 、ｋ2 はそれぞれ
ｋ1 ＝１．１
ｋ2 ＝０．６９
である。
【０１１７】
図２５は、設計例１〜３０について、ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）の値をｘ軸、高屈折率層の断面積Ｓの値をｙ軸にプロットしたグラフである。図２５から、両者には非常に強い相関関係があることが分かる。尚、図２５に併記した２本の直線は、
Ｓ＝０．７５ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）、
Ｓ＝１．２０ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）
の関係を満たしている。すべての点がこの２本の直線で挟まれた範囲にあることから、高屈折率層の断面積Ｓは、
０．７５ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）＜Ｓ＜１．２０ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）
の範囲にあるのが好ましい。
【０１１８】
また、図２６は、設計例１〜３０について、ｐｋ2 θｎ2 ／（ｎ2 −１）の値をｘ軸、高屈折率層の厚さｄ2 の値をｙ軸にプロットしたグラフである。図２６から、両者には非常に強い相関関係があることが分かる。尚、図２６に併記した２本の直線は、
ｄ2  ＝０．７０ｐｋ2 θｎ2 ／（ｎ2 −１）、
ｄ2  ＝１．３０ｐｋ2 θｎ2 ／（ｎ2 −１）
の関係を満たしている。すべての点がこの２本の直線で挟まれた範囲にあることから、高屈折率層の厚さｄ2 は、
０．７０ｐｋ2 θｎ2 ／（ｎ2 −１）＜ｄ2 ＜１．３０ｐｋ2 θｎ2 ／（ｎ2 −１）
の範囲にあるのが好ましい。
【０１１９】
［第３の実施の形態］
図２７は、本発明の第３の実施の形態における回折格子を示す断面図である。図２７に示すように、本実施の形態の回折格子は、高屈折率層の中間に低屈折率層を挟み込んだ、５層リッジ構造を有している。より具体的には、本実施の形態の回折格子は、基板１０と、基板１０上に互いに平行に一定の周期ｐで設けられた複数の矩形のリッジ２６とを備えている。ここで、リッジ２６は、基板１０側から順に配置された、第１低屈折率層（第１層）１１、第１高屈折率層（第２層）１２ａ、第３低屈折率層（第３層）１５、第２高屈折率層（第４層）１２ｂ、第２低屈折率層（第５層）１３の５層により構成されている。第１高屈折率層１２ａ及び第２高屈折率層１２ｂは、第１低屈折率層１１、第３低屈折率層１５及び第２低屈折率層１３に比べて高屈折率である。
【０１２０】
本実施の形態によれば、高屈折率層の分割により、第１高屈折率層１２ａ、第３低屈折率層１５、第２高屈折率層１２ｂのそれぞれの厚さを設計パラメータとして用いることができるので、設計の自由度が大きくなり、上記第１の実施の形態（図１）の場合よりも特性の向上した回折格子を作製することができる。具体的には、後述する設計例で示すように、高い回折効率の得られる帯域幅を広くすることができる。
【０１２１】
以下に、以上説明した回折格子（図２７）の設計例を示す。
【０１２２】
（設計例３１）
設計例３１は、５層リッジ構造の場合である。図２８に示すように、回折格子の周期をｐ、リッジ２６の幅をＷとし、第１低屈折率層１１、第１高屈折率層１２ａ、第３低屈折率層１５、第２高屈折率層１２ｂ、第２低屈折率層１３の厚さをそれぞれｄ1 、ｄ21、ｄ4 、ｄ22、ｄ3 とする。また、第１低屈折率層１１、第１高屈折率層１２ａ、第３低屈折率層１５、第２高屈折率層１２ｂ、第２低屈折率層１３及び基板１０の屈折率をそれぞれｎ1 、ｎ21、ｎ4 、ｎ22、ｎ3 、ｎs とする。基板１０及びリッジ２６の他は空気（屈折率１）とする。
【０１２３】
設計例３１においては、回折格子面への入射角θを５０°、回折格子の周期ｐを１μｍ、第１低屈折率層１１、第１高屈折率層１２ａ、第３低屈折率層１５、第２高屈折率層１２ｂ、第２低屈折率層１３及び基板１０の屈折率をそれぞれ
ｎ1 ＝１．４５
ｎ21＝２．１０
ｎ4 ＝１．４５
ｎ22＝２．１０
ｎ3 ＝１．４５
ｎs ＝１．４５
に固定し、その他のパラメータである、第１低屈折率層１１の厚さｄ1 、第１高屈折率層１２ａの厚さｄ21、第３低屈折率層１５の厚さｄ4 、第２高屈折率層１２ｂの厚さｄ22、第２低屈折率層１３の厚さｄ3 、リッジ２６の幅Ｗを最適化した。この最適化は、回折効率が波長域１．４００μｍ〜１．６００μｍの範囲で平均的に高くなるようにして行なった。得られた結果を、以下に示す。
【０１２４】
ｄ1 ＝０．００２２μｍ
ｄ21＝０．４８７８μｍ
ｄ4 ＝０．０５２０μｍ
ｄ22＝０．６６０３μｍ
ｄ3 ＝０．３０００μｍ
Ｗ＝０．５７５１μｍ
図２９に、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示す。図２９に示すように、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光共に回折効率は波長域内でそれぞれ９２％を超える非常に良好な値が得られており、３層リッジ構造の場合（後述する設計例３２）に比べて、高い回折効率の得られる帯域幅が広くなっている。
【０１２５】
（設計例３２）
設計例３２は、設計例３１と比較するために、５層リッジ構造を３層リッジ構造に変えた以外は条件を同じにして同様の最適化を行ったものである。第１低屈折率層、高屈折率層、第２低屈折率層の厚さをそれぞれｄ1 、ｄ2 、ｄ3 とする。また、第１低屈折率層、高屈折率層、第２低屈折率層及び基板の屈折率をそれぞれｎ1 、ｎ2 、ｎ3 、ｎs とする。基板及びリッジの他は空気（屈折率１）とする。
【０１２６】
設計例３２においては、回折格子面への入射角θを５０°、回折格子の周期ｐを１μｍ、第１低屈折率層、高屈折率層、第２低屈折率層及び基板の屈折率をそれぞれ
ｎ1 ＝１．４５
ｎ2 ＝２．１０
ｎ3 ＝１．４５
ｎs ＝１．４５
に固定し、その他のパラメータである、第１低屈折率層の厚さｄ1 、高屈折率層の厚さｄ2 、第２低屈折率層の厚さｄ3 、リッジの幅Ｗを最適化した。この最適化は、回折効率が波長域１．４００μｍ〜１．６００μｍの範囲で平均的に高くなるようにして行なった。得られた結果を、以下に示す。
【０１２７】
ｄ1 ＝０．０９７９μｍ
ｄ2 ＝１．１４７８μｍ
ｄ3 ＝０．２６１１μｍ
Ｗ＝０．５６８２μｍ
図３０に、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示す。図３０に示すように、波長域の両端でのＴＥ偏光の回折効率が設計例３１の場合よりも落ち込んでいることが分かる。
【０１２８】
［第４の実施の形態］
図３１は、本発明の第４の実施の形態における回折格子を模式的に示す断面図である。
【０１２９】
基板１０の裏面でのフレネル反射光は損失となるので、基板１０の裏面に何らかの反射防止手段を設けるのが望ましい。
【０１３０】
反射防止手段としては、単層膜もしくは多層膜によるコーテイング（反射防止膜）が一般的に用いられている。ところが、本発明の回折格子においては、出射角が入射角とほぼ等しいため、出射角は３５°〜５５°といった大きい値となる。そして、上述した反射防止膜においては、角度による反射率の変化が大きいので、広い角度範囲にわたって低反射率とするためには層数を多くする必要があり、これがコストアップの原因となる。
【０１３１】
角度依存性の小さい反射防止手段として、モスアイ（Moth-eye）構造が知られている。図３１は、反射防止手段としてのモスアイ構造を有する回折格子を模式的に示したものである。図３１に示すように、基板１０の、回折格子面（第１低屈折率層１１／高屈折率層１２／第２低屈折率層１３が形成された面）と反対側の面（裏面）に、互いに平行な複数の微細な第２リッジ２７が周期的に設けられている。第２リッジ２７は、Ｘ軸方向に延び、Ｙ軸方向に周期を有している。第２リッジ２７の周期を光の波長よりも十分小さくすれば、回折光は発生せず、第２リッジ部分の平均屈折率は基板と空気の中間となるので、反射を低減する効果が得られる。また、モスアイ構造は、基板の表面に樹脂層あるいはゾルゲルガラス層を形成してからモールドの型押しを行なう、いわゆるナノインプリンティングにより、多層膜を用いた反射防止膜よりも安価に作製することが可能である。
【０１３２】
従って、本発明の場合、基板の一方の面を回折格子面とし、他方の面を反射防止手段としてのモスアイ構造とするのが好ましい。
【０１３３】
（モスアイ構造の設計例）
図３２は、本発明の第４の実施の形態における透過型回折格子の、計算で用いる数値を説明するための図である。本設計例においては、第２リッジ２７の周期ｐm を１μｍ、第２リッジ２７の基板１０の表面での幅ＷB を０．４０８８μｍ、第２リッジ２７の先端での幅ＷT を０．８ＷB 、第２リッジ２７の高さｄm を０．８５６７μｍ、基板１０と第２リッジ２７の屈折率を１．４５とした。空気側から入射角θm ＝４５°の平面波（ＴＥ偏光及びＴＭ偏光）を入射させた場合の、それぞれの透過率を計算した結果を、図３３に示す。
【０１３４】
図３３に示すように、波長域３．０μｍ〜３．５μｍにおいて、ＴＥ偏光の透過率は、９９．８％以上と非常に良好な値となっている。ＴＭ偏光の透過率は、９９．０％〜９９．２％であって、ＴＥ偏光の透過率よりも幾分劣っているので、僅かなＰＤＬが発生している。
【０１３５】
［第５の実施の形態］
上記第１〜第４の実施の形態においては、回折格子について説明したが、ここでは、この回折格子を多段化して角度分散を大きくした分光素子、及び、それを分光器に応用した例について説明する。
【０１３６】
図３４は、本発明の第５の実施の形態における分光素子を示す断面図であり、この分光素子においては、回折格子を２段にして角度分散が大きくなるようにされている。図３４に示すように、本実施の形態の分光素子２００においては、ガラスなどの透明体からなるプリズム６０の２面に、本発明による第１及び第２の回折格子１０１、１０２が互いにほぼ垂直となるように貼り合わされている。入射光５０は、第１の回折格子１０１によって回折されて、回折光５１となる。この回折光５１は、プリズム６０の面６０ａで全反射されて、反射光５２となる。そして、この反射光５２は、第２の回折格子１０２によって回折され、プリズム６０の外部に出射されて、出射光５３となる。このように、回折による分光が２回起こるので、角度分散もほぼ２倍となる。
【０１３７】
図３５は、本発明の第５の実施の形態における分光器を示す斜視図である。図３５に示すように、本実施の形態の分光器３００においては、分光素子２００がその内部に設けられた筐体６２の２面に、光ファイバ７０を備えたコリメータ８０と対物レンズ８１とが設けられている。光ファイバ７０を伝播してきた光は、コリメータ８０によって平行光束となって、分光素子２００に入射される。分光素子２００に入射された光は、上述したように、２回の回折によって角度分散がほぼ２倍となった回折光となる。そして、この回折光は、対物レンズ８１によって集光されて、分光器３００から出射される。さらに、この分光器３００は、対物レンズ８１の焦点位置にラインセンサ９０を配置すれば、波長ごとの光強度を一度に測定することができるので、化学分析用の分光センサなどに用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明の透過型回折格子は、分光計などの測定器、光ディスク記録再生装置の読み取り用及び書き込み用のヘッド部分、光通信などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態における透過型回折格子を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における透過型回折格子の他の例を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の設計例１における、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施の形態の設計例１における、第１低屈折率層の厚さに対する回折光の回折効率を示すグラフであり、（ａ）はＴＥ偏光の場合を示し、（ｂ）はＴＭ偏光の場合を示している。
【図５】本発明の第１の実施の形態の設計例１における、高屈折率層の厚さに対する回折光の回折効率を示すグラフであり、（ａ）はＴＥ偏光の場合を示し、（ｂ）はＴＭ偏光の場合を示している。
【図６】本発明の第１の実施の形態の設計例１における、第２低屈折率層の厚さに対する回折光の回折効率を示すグラフであり、（ａ）はＴＥ偏光の場合を示し、（ｂ）はＴＭ偏光の場合を示している。
【図７】本発明の第１の実施の形態の設計例１における、リッジの幅に対する回折光の回折効率を示すグラフであり、（ａ）はＴＥ偏光の場合を示し、（ｂ）はＴＭ偏光の場合を示している。
【図８】本発明の第１の実施の形態の設計例１における、高屈折率層の屈折率に対する回折光の回折効率を示すグラフであり、（ａ）はＴＥ偏光の場合を示し、（ｂ）はＴＭ偏光の場合を示している。
【図９】本発明の第１の実施の形態の設計例２における、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１の実施の形態の設計例３における、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１の実施の形態の設計例４における、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示すグラフである。
【図１２】本発明の第１の実施の形態の設計例５における、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示すグラフである。
【図１３】本発明の第１の実施の形態の設計例６における透過型回折格子を模式的に示す断面図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態の設計例６における、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示すグラフである。
【図１５】本発明の第１の実施の形態の設計例６における透過型回折格子の他の例を模式的に示す断面図である。
【図１６】本発明の第１の実施の形態の参考例１における、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示すグラフである。
【図１７】本発明の第１の実施の形態の比較例１における、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示すグラフである。
【図１８】本発明の第１の実施の形態の比較例２における、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示すグラフである。
【図１９】本発明の第２の実施の形態の設計例７における透過型回折格子を模式的に示す断面図である。
【図２０】本発明の第２の実施の形態の設計例７−６における、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示すグラフである。
【図２１】本発明の第２の実施の形態の設計例８における透過型回折格子を模式的に示す断面図である。
【図２２】本発明の第２の実施の形態の設計例８−４における、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示すグラフである。
【図２３】本発明の第２の実施の形態の設計例９〜１８における透過型回折格子を模式的に示す断面図である。
【図２４】本発明の第２の実施の形態の比較例３〜１６における、リッジ幅の変化量と平均回折効率との関係を示すグラフである。
【図２５】本発明の設計例１〜３０について、ｐ2 ｋ1 θ2 ／（ｎ2 −１）の値をｘ軸、高屈折率層の断面積Ｓの値をｙ軸にプロットしたグラフである。
【図２６】本発明の設計例１〜３０について、ｐｋ2 θｎ2 ／（ｎ2 −１）の値をｘ軸、高屈折率層の厚さｄ2 の値をｙ軸にプロットしたグラフである。
【図２７】本発明の第３の実施の形態における透過型回折格子を示す断面図である。
【図２８】本発明の第３の実施の形態の設計例３１における、計算で用いる数値を説明するための図である。
【図２９】本発明の第３の実施の形態の設計例３１における、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示すグラフである。
【図３０】本発明の第３の実施の形態の設計例３２における、入射光の波長に対する１次回折光の回折効率を示すグラフである。
【図３１】本発明の第４の実施の形態における透過型回折格子を模式的に示す断面図である。
【図３２】本発明の第４の実施の形態における透過型回折格子の、計算で用いる数値を説明するための図である。
【図３３】本発明の第４の実施の形態における、入射光の波長に対する透過光の透過率を示すグラフである。
【図３４】本発明の第５の実施の形態における分光素子を示す断面図である。
【図３５】本発明の第５の実施の形態における分光器を示す斜視図である。
【図３６】従来技術における透過型回折格子を模式的に示す断面図である。
【図３７】従来技術における透過型回折格子の他の例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１４０】
１０  基板
１１  第１低屈折率層（第１層）
１２  高屈折率層（第２層）
１２ａ  第１高屈折率層（第２層）
１２ｂ  第２高屈折率層（第４層）
１３  第２低屈折率層（第３層又は第５層）
１５  第３低屈折率層（第３層）
２０、２２、２３、２４、２５、２６  回折格子を構成するリッジ
２７  モスアイ構造を構成する微細な第２リッジ
３０  溝
５０  入射光
５１  １次回折光
１００、１０５  透過型回折格子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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