(57)【要約】【課題】簡単なプロセスで量産性に優れ、広い波長範囲で高い回折効率と大きな波長分離効果を実現するとともに、信頼性に優れた反射型回折格子を得る。【解決手段】相対的に屈折率の大きな透明誘電体膜と相対的に屈折率の小さな透明誘電体膜とを交互に積層した誘電体多層膜からなる光学反射面が表面に形成された基板上に、断面が凹凸状でかつ凸部上面が実質的に平坦な透光性材料からなる格子を有する反射型回折格子であり、入射光の波長λに対する反射型回折格子の格子間隔Ｐの比率Ｐ／λが０．５５以上かつ１．４５以下である。光学反射面に光が斜めに入射して用いる。【選択図】図１
2008233528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に光学反射面を有する基板上に形成された、断面が凹凸状でかつ凸部上面が実質的
に平坦な透光性材料からなる格子を有する反射型回折格子において、入射光の波長λに対する反射型回折格子の格子間隔Ｐの比率Ｐ／λが０．５５以上かつ１．４５以下である反射型回折格子。
【請求項２】
光学反射面が光学反射面が相対的に屈折率の大きな透明誘電膜と相対的に屈折率の小さな透明誘電膜とを交互に積層してなる誘電体多層膜からなることを特徴とする請求項１記載の反射型回折格子。
【請求項３】
前記光学反射面および前期格子凸部の透光性材料が、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮおよびＳｉからなる群から選ばれた１種以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の反射型回折格子。
【請求項４】
請求項１から３いずれか１項に記載の反射型回折格子を使用する方法であって、光を光学反射面に斜めに入射させて用いることを特徴とする反射型回折格子の使用方法。
【請求項５】
前記反射型回折格子への入射角をｉ、前記格子凸部の透光性材料の平均屈折率をｎ、高さをＴとすると、（式１）を満たすことを特徴とする請求項４に記載の反射型回折格子の使用方法。
０．８０≦ｎ×Ｔ／｛λ×ｃｏｓ（ｉ’）｝≦１．２５            （式１）  
ただし、角度ｉ’は、ｓｉｎ（ｉ）＝ｎ×ｓｉｎ（ｉ’）  を満たす。
【請求項６】
請求項１から３いずれか１項に記載の反射型回折格子を、該反射型回折格子の光反射面に対して斜めに光が入射するような配置で分光素子として用いることを特徴とする分光装置。
【請求項７】
前記反射型回折格子への入射角をｉ、前記格子凸部の透光性材料の平均屈折率をｎ、高さをＴとすると、（式１）を満たすことを特徴とする請求項６に記載の分光装置。
０．８０≦ｎ×Ｔ／｛λ×ｃｏｓ（ｉ’）｝≦１．２５            （式１）  
ただし、角度ｉ’は、ｓｉｎ（ｉ）＝ｎ×ｓｉｎ（ｉ’）  を満たす。
【請求項８】
基板上に誘電体多層膜からなる光学反射面および透光性材料層を成膜し、透光性材料層をその断面が凹凸状でかつ凸部上面が実質的に平坦な格子となるように加工することを特徴とする反射型回折格子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の波長を使用する回折格子および光学装置に関し、詳しくは、波長分割多重光通信や分光測定などに用いられ、入射光の波長の相違に応じて回折作用により光の出射方向を変化させる反射型回折格子およびこれを用いた分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回折格子に代表される回折光学素子は、分光分析機器において光スペクトルの解析のために広く利用されている。分光分析においては広い波長範囲に亘り高い光利用効率が要求される。断面が鋸波形状で奥行き方向に直線状で等間隔の微細な溝からなる反射型ブレーズ回折格子は、特定の波長範囲で特定の回折次数に対して比較的高い回折効率が得られるとともに、波長に対する回折角度の変化割合である波長角度分散が大きいため、分光分析機器に広く用いられている。
【０００３】
従来の反射型回折格子の断面図の一例を図９に示す。断面が鋸波形状で奥行き方向に直線状で等間隔の微細な溝からなるブレーズ格子が形成された金型を用い、基板４１の表面に塗布された樹脂層にブレーズ格子形状を転写してレプリカ格子４２を作製し、その表面に金属反射膜４３を成膜して反射型ブレーズ回折格子２００としている。
【０００４】
ここで、溝の傾きθＢをブレーズ角と呼び、１ｍｍ当たりの溝本数をＮとすると、ブレーズ波長λＢ＝２×ｓｉｎ（θＢ）／Ｎの波長近傍で高い＋１次回折効率が得られる。このときの入射角ｉおよび＋１次回折角θはブレーズ角θＢとほぼ等しく、リトロー配置と呼ばれる。
【０００５】
しかし、従来の反射型ブレーズ回折格子では、回折格子の溝方向と入射光の電場振動方向が平行であるＳ偏光（ＴＥ波）に対してはブレーズ波長λＢ近傍の波長域で高い＋１次回折効率が得られるが、回折格子の溝方向と入射光の電場振動方向が垂直であるＰ偏光（ＴＭ波）に対しては＋１次回折効率の波長依存性が大きく波長損失特性が安定しない問題があった。その結果、偏光依存損失（ＰＤＬ）が少ない高い＋１次回折効率を実現できる反射型回折格子が得られていない。
【０００６】
Ｎ＝１０００本（すなわち、格子間隔１／Ｎ＝１μｍ）で、ブレーズ角θＢ＝５０°のレプリカ格子４２の表面に、光学反射面として屈折率ｎ＝０．１８８、減衰係数ｋ＝１１．２１８で表記される金（Ａｕ）反射膜４３が形成された反射型ブレーズ回折格子２００について、波長１４６０〜１６２０ｎｍにおける＋１次回折効率の計算結果を図１０に示す。格子間隔が波長以下となる領域の回折効率は、偏光方向である電磁界ベクトル成分を考慮してマクスウェル方程式を厳密に解く必用があり、例えば非特許文献１に記載された厳密結合波理論（ＲＣＷＡ）を用いて計算する。
【０００７】
Ｓ偏光に対しては広い波長範囲に渡り高い＋１次回折効率となっているが、Ｐ偏光に対しては２０％以下の低い回折効率に留まっている。
【０００８】
また、図９に示すブレーズ格子が形成された金型を正確に作製することは難しく、鋸波断面の凸部および凹部の形状ダレが生じやすく、＋１次回折効率の低下および迷光発生の原因となりやすい。
【０００９】
さらに、樹脂からなるレプリカ格子４２および金属反射膜４３は高温および高温・高湿度下で特性経時変化を招きやすく、信頼性上問題があるため、限られた環境でしか使用できなかった。
【００１０】
また、ブレーズ格子形状を転写して作製されたレプリカ格子表面に金属反射膜を形成する場合、使用波長範囲で金属反射膜の高い反射率を確保するために、膜厚０．１μｍ以上となるように金属反射膜を成膜することが好ましい。しかし、ブレーズ形状の傾斜面に均一に成膜することは難しいため、金属反射膜の膜厚分布が生じやすく、精密に成形されたレプリカ格子が最適形状から逸脱し、回折効率性能の劣化を招くおそれがあった。
【００１１】
【非特許文献１】M.G.Moharam, D.A.Pommet, E.B.Grann, and T.K.Gayload, “Stable implementation of the rigorous coupled-wave analysis for surface relief gratings: enhanced transmittance matrix approach” Journal of the Optical Society of America A, vol.12, no.5, PP.1077-1086 (May 1995)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、簡単なプロセスで量産性に優れ、光学特性の安定した反射型回折格子を提供することも目的とする。さらに、広い波長範囲で高い回折効率と大きな波長角度分離効果を実現するとともに、信頼性に優れた反射型回折格子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】
【００１３】
本発明は、表面に光学反射面を有する基板上に形成された、断面が凹凸状でかつ凸部上面が実質的に平坦な透光性材料からなる格子を有する反射型回折格子において、多層膜からなり、入射光の波長λに対する反射型回折格子の格子間隔Ｐの比率Ｐ／λが０．５５以上かつ１．４５以下であることを特徴とする反射型回折格子を提供する。
【００１４】
本発明では、光学反射面上に形成される断面が凹凸状でかつ凸部上面が実質的に平坦であり凸部が対称な透光性材料からなる格子としているため、平面微細加工技術として汎用的なフォトリソグラフィと等方性ドライエッチング法を用いて、安定した格子形状作製が可能であり、安定した光学特性が得られやすい。表面に格子形状が加工された金型を用いて、レプリカ格子を転写する場合でも、精密な金型の加工が可能となり、安定した光学特性が得られやすい。
【００１５】
また、光学反射面が光学反射面が相対的に屈折率の大きな透明誘電膜と相対的に屈折率の小さな透明誘電膜とを交互に積層した誘電体多層膜からなることを特徴とする上記の反射型回折格子を提供する。このような構成の反射型回折格子は、従来の反射型ブレーズ回折格子に比べ、広い波長範囲で高い＋１次回折効率および大きな波長角度分離効果を有する反射型回折格子として用いることができる。
【００１６】
また、前記光学反射面および前期格子凸部の透光性材料が、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮおよびＳｉからなる群から選ばれた1種以上であることを特徴とする上記反射型回折格子を提供する。
【００１７】
このような構成とすることにより、環境変化に対して光学特性の経時変化が生じることなく、高温および高温・高湿度下での信頼性および安定性の高い反射型回折格子が得られる。
【００１８】
また、上記反射型回折格子を使用する方法において、光を光学反射面に斜めに入射させて用いること、特に反射型回折格子への入射光の波長をλ、入射角をｉ、格子の凸部の透光性材料の平均屈折率をｎ、高さをＴとすると、（式１）を満たすことを特徴とする反射型回折格子の使用方法を提供する。
【００１９】
０．８０≦ｎ×Ｔ／｛λ×ｃｏｓ（ｉ’）｝≦１．２５            （式１）  
ただし、角度ｉ’は、ｓｉｎ（ｉ）＝ｎ×ｓｉｎ（ｉ’）  を満たす。
【００２０】
このような構成とすることにより、さらに広い波長範囲で高い＋１次回折効率を有する反射型回折格子が得られる。
【００２１】
また、基板上に誘電体多層膜からなる光学反射面および格子の凸部となる透光性材料層を成膜し、透光性材料層をその断面が凹凸状でかつ凸部上面が実質的に平坦な格子となるように加工することを特徴とする反射型回折格子の製造方法を提供する。
【００２２】
このような製造方法とすることにより、光学反射面および格子凸部を成膜プロセスおよび微細加工プロセスにより精度良く形成できるため、安定した光学特性が得られる。
【００２３】
さらに、誘電体多層膜からなる光学反射面と透光性材料からなる格子凸部を同じ成膜プロセスにて作製することにより、反射型回折格子を形成するプロセスが簡素化され量産性が優れるとともに、安定した光学特性が得られる。
【００２４】
また、上記の反射型回折格子を該反射型回折格子の光反射面に対して斜めに光が入射するような配置で分光素子として用いることを特徴とする分光装置を提供する。
【００２５】
このような分光装置とすることにより、波長分解能に相当する波長角度分離効果および光利用効率の高い分光装置が得られる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の構成とすることにより、光学反射面は基板平坦面に均一膜厚で安定して形成することができるとともに、膜厚に制約は無く、使用波長範囲で充分高い反射率を確保できる膜厚で成膜することができる。
【００２７】
また、簡単なプロセスで量産性に優れ、広い波長範囲で高い回折効率と大きな波長角度分離効果を実現するとともに、信頼性に優れた反射型回折格子を提供できる。
【００２８】
また、光学反射面の誘電体多層膜と格子凸部の構成を最適化することにより、偏光依存損失（ＰＤＬ）の少ない反射型回折格子を提供できる。
【００２９】
また、金属反射膜はレプリカ格子との密着性が悪く剥がれやすいとともに、材料自体が柔らかいため表面に傷が生じやすく、金属反射膜表面にゴミが汚れが付着した場合に、光学性能を劣化させることなく洗浄することが難しいといった問題があったが、光学反射面に誘電体多層膜を使用する態様においては、かかる問題も解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の反射型回折格子の構成の一例の断面図を図１に、斜視図を図２に示す。
【００３１】
基板１１上に光学反射面１２を成膜し、さらにその上に透光性材料層を形成する。次に、透光性材料層を断面が凹凸状でかつ凸部上面が実質的に平坦であり、基板に垂直な直線に対して線対称性を有する凸部を、格子間隔Ｐの格子１３に加工し、反射型回折格子１００とする。格子間隔Ｐに対する凸部の幅Ｄの比率Ｄ／Ｐをデューティ比という。
【００３２】
ここで、光学反射面１２が形成される基板１１は、石英ガラスや白板ガラス、シリコーン、ポリカーボネートなど使用波長域で透明な材料でもよいし、セラミクスや金属などの不透明な材料を用いてもよい。光学反射面１２上に形成される格子１３の格子間隔Ｐは、環境温度変化に応じて基板の熱膨張により変化する。したがって、温度変化に伴う格子間隔Ｐの変動を抑制するために、熱膨張率の小さな石英ガラスや結晶化ガラスなどの低膨張基板を用いることが好ましい。
【００３３】
また、光学反射面１２は、使用波長範囲で安定して高い反射率を得るために、相対的に屈折率の大きな透明誘電体膜と相対的に屈折率の小さな透明誘電体膜とを交互に積層した誘電体多層膜を用いることが好ましい。具体的には、高屈折率透明誘電体膜としてＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、Ｓｉなどが用いられ、低屈折率透明誘電体膜としてＳｉＯ２、ＳｉＯＮなどが用いられる。ここで、ＳｉＯＮはＳｉＯ２とＳｉ３Ｎ４の混合組成からなる膜を示し、ＯとＮに比率を調整することによりＳｉＯＮ膜の屈折率を調整することができる。所定の入射角ｉおよび波長λの入射光の波長範囲に対し、高い反射率を得るために必用な各誘電体膜の膜厚構成は公知の多層膜設計技術を用いて実現できるため説明を省略する。
【００３４】
なお、誘電体多層膜に比べ反射率の経時変化や機械的強度の点で信頼性は劣るが、光学反射面１２としてＡｕ、Ａｇ、Ａｌなどの金属反射膜を基板上に形成して用いてもよい。この場合、基板１１と金属反射膜との密着性を向上するためＣｒやＮｉなどの金属膜を基板上にあらかじめ成膜することが好ましい。
【００３５】
光学反射面１２上の格子１３は、光学反射面上に形成された透光性材料層を加工することにより得られる。
【００３６】
高い信頼性を実現するためには、格子材料である透光性材料層としてＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、Ｓｉ等を主成分としたものや、これらの混合膜や多層膜を用いることが好ましい。フォトリソグラフィーおよびドライエッチングにより透光性材料層を断面が凹凸形状の格子１３に加工するため、エッチング特性に優れた透光性材料を用いることが好ましい。
【００３７】
なお、無機材料からなる格子１３に比べて信頼性は劣るが、断面が凹凸形状で奥行き方向に直線状で等間隔の微細な溝からなる直線状の格子が表面に形成された金型を用いて、光学反射面上に塗布された樹脂層を加熱あるいは紫外線照射により硬化後に離形し、樹脂からなる凸状格子１３を形成してもよい。
【００３８】
前述の透明誘電体多層膜からなる光学反射面１２と同じ材料あるいはその一部を用い、同じ成膜装置にて基板上に光学反射面用の多層膜と格子形成用の透光性材料層を連続して成膜することにより、光学反射面１２と格子１３との界面が汚染されることなく、反射型回折格子を効率よく作製することができる。その結果、光学特性の安定化および信頼性が向上する。
【００３９】
例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法などを用い、光学反射面の誘電体多層膜と格子形成用の透光性材料層を連続成膜する。さらに、光学反射面上に成膜された格子形成用の透光性材料層の上に塗布された感光性レジストを格子パターンに対応したフォトマスクを用いたフォトリソグラフィーによりパターニングした後、反応性イオンエッチングにより透光性材料層を断面が凹凸状の格子形状に加工する。
【００４０】
格子間隔がＰで与えられる格子１３の光学反射面１２に対する法線方向となす角度ｉで入射した波長λの光は、（式２）で定義される回折角度θの方向にｍ次の回折光（ｍ＝±１、±２、・・・）を生じる。
【００４１】
ｓｉｎ（θ）＋ｓｉｎ（ｉ）＝ｍ×λ／Ｐ                （式２）
（式２）から、反射型回折格子１００の光学反射面に対して垂直に入射した場合（ｉ＝０°）、波長λよりも小さな格子間隔Ｐの反射型回折格子の回折光は存在しない。しかし、斜め方向から光を入射した場合、すなわち０°＜ｉ＜９０°では、波長λよりも格子間隔Ｐが小さい場合でも次数ｍをもつ回折光が存在できる。このため、格子凸部の断面が対称な形状を有していても、非対称な回折特性を示すことがわかる。
【００４２】
この斜め入射による効果を利用することで、作製が容易である断面形状が対称な回折格子でも、充分に高い回折効率と大きな波長角度分離効果を得ることができる。また、＋１次回折効率が最大となる反射型回折格子とすることにより、格子凸部の高さを低減できるため、作製が容易となるので好ましい。
【００４３】
このような反射型回折格子１００の構成とすることにより、簡単なプロセスでありながら量産性に優れ、高い回折効率でしかも大きな波長角度分離効果を有する反射型回折格子が実現できる。大きな波長角度分離効果を有するため、分光用の回折格子として使用することができる。
【００４４】
ここで、入射光の波長λに対する反射型回折格子の格子間隔Ｐの比率Ｐ／λを０．５５以上かつ１．４５以下の範囲とし、光学反射面に対する入射角度ｉを適切に選ぶことで＋１次回折光のみが発生するため、高い＋１次回折効率を実現できる。
【００４５】
比率Ｐ／λが０．５以下の場合、（式２）より回折光の発生する回折角度が存在しないため回折現象は発現せず、正規反射光のみ生じる。比率Ｐ／λが０．５より大きな値であれば、回折光は発生するが、０．５５より小さな場合は高い回折効率が得られる波長範囲が限定されるおそれがある。比率Ｐ／λが１．４５から１．５０の場合は＋１次回折光のみ発生する波長範囲が限定されるおそれがあり、特に、比率Ｐ／λが１．５０以上の場合、＋１次回折光以外の回折光が発生し、＋１次回折光率の低下を招くとともに、迷光発生の原因となる。
【００４６】
また、光学反射面に対して斜めに入射するとは、反射型回折格子１００の光学反射面１２の法線に対し、図１に示す格子断面における入射角ｉが１５〜８０°までの角度で入射することを示し、特に２５〜６５°までの入射角度範囲において、本発明の効果を充分に達成できる。
【００４７】
反射型回折格子１００の格子１３の断面が凹凸状でかつ凸部上面が実質的に平坦であれば、断面形状が矩形以外に台形などでも本発明における効果を有するが、凸部が基板に垂直な直線に対して線対称を有するものが、さらには、矩形に近いものが作製上好ましい。
【００４８】
図３に格子凸部の断面形状が台形の反射型回折格子１１０の断面図を示す。光学反射面１２の法線に対する格子凸部２３の壁面の角度α（以下テーパー角という）を調整することにより、＋１次回折効率の波長依存性および偏光依存性を調整できる。ここで、テーパー角αは１０度以下が好ましい。この場合の凸部の幅Ｄは高さが凸部の高さの半分となる点での凸部の幅として定義でき、回折格子のピッチＰは高さが各凸部の高さの半分となる点の各凸部間の間隔として定義できる。
【００４９】
このような反射型回折格子１００の構成とすることにより、簡単なプロセスでありながら量産性に優れ、高い回折効率でしかも大きな波長角度分離効果を有する反射型回折格子が実現できる。大きな波長角度分離効果を有するため、分光用の回折格子として使用することが好ましい。
【実施例】
【００５０】
以下に、凸部の形状が矩形であるとして、反射型回折格子１００の断面図を示す図１を参照しながら、本発明を具体的な設計結果に基づく実施例について説明する。
【００５１】
［実施例１］
図１の反射型回折格子１００において、石英ガラス基板１１の表面に屈折率ｎＨ＝２．１１のＴａ２Ｏ５と屈折率ｎＬ＝１．４４のＳｉＯ２を交互に積層し、波長１５２５〜１５６５ｎｍおよび入射角度ｉ＝５０°の入射光に対して反射率が９９％以上となる誘電体多層膜からなる光学反射面１２を形成する。なお、ｎＨは相対的に屈折率の大きな透明誘電膜の屈折率を、ｎＬは相対的に屈折率の小さな透明誘電膜の屈折率を示す。
【００５２】
少ない層数および総膜厚で高い反射率を得るためには、Ｔａ２Ｏ５の膜厚ｄＨとＳｉＯ２の膜厚ｄＬを以下の条件とすることが望ましい。
【００５３】
ｎＨ×ｄＨ×ｃｏｓ（ｉＨ）＝ｎＬ×ｄＬ×ｃｏｓ（ｉＬ）＝λ／４    （式３）
ただし、ｉＨおよびｉＬは（式４）のスネル則を満たす膜中の屈折角とする。
【００５４】
ｎＨ×ｓｉｎ（ｉＨ）＝ｎＬ×ｓｉｎ（ｉＬ）＝ｓｉｎ（ｉ）      （式４）
具体的には、ｉ＝５０°の場合、ｉＨ＝２１．３°、ｉＬ＝３２．１°となり、λ＝１５４５ｎｍとすると、ｄＨ＝１９５ｎｍ、ｄＬ＝３１７ｎｍとなる。石英ガラス基板側よりＴａ２Ｏ５、ＳｉＯ２の順番で交互に２６層積層すると、１４６０〜１６３０ｎｍの波長域で９９％以上の反射率を有する光学反射面１２となる。
【００５５】
さらにその光学反射面１２の表面層であるＳｉＯ２膜上に、高屈折率材料であるＴａ２Ｏ５を膜厚Ｔとなるよう成膜し、凸部の断面形状が高さＴの矩形となるよう格子１３に加工する。
【００５６】
Ｐ＝１μｍ、Ｄ＝０．５μｍ（デューティ比Ｄ／Ｐ＝０．５）、Ｔ＝７８０ｎｍで断面形状が矩形の反射型回折格子について、入射角ｉ＝５０°の場合の＋１次回折光率の波長依存性計算結果を図４に示す。
【００５７】
１４９５〜１５８５ｎｍの広い波長範囲において、Ｐ偏光およびＳ偏光の入射光に対して９５％以上の高い＋１次回折効率が実現する。また、Ｐ偏光とＳ偏光の入射光に対する＋１次回折光率の差で定義される偏光依存損失（ＰＤＬ）は３％以下になっている。
【００５８】
横軸をｎＨ×Ｔ／｛λ×ｃｏｓ（ｉ’）｝、縦軸を波長分割多重光通信におけるＣバンド波長帯１５２５〜１５６５ｎｍの＋１次回折効率平均として、計算した結果を図５に示す。ｎＨ×Ｔ／｛λ×ｃｏｓ（ｉ’）｝が、（式１）に示す０．８０から１．２５の範囲では少なくともＰ偏光の＋１次回折効率平均値が９０％以上となり、０．９７から１．２１の範囲ではＳ偏光およびＰ偏光の＋１次回折効率が９０％以上となる。すなわち、格子凸部のＴａ２Ｏ５の膜厚Ｔを６６０から８２０ｎｍとすることで、高効率かつ低ＰＤＬの反射型回折格子が実現する。
【００５９】
［実施例２］
実施例１と同じ誘電体多層膜からなる光学反射面１２の表面層であるＳｉＯ２膜上に、低屈折率材料であるＳｉＯ２を膜厚Ｔとなるよう成膜し、凸部の断面形状が矩形となるようよう格子１３に加工する。ここで、高い＋１次回折効率を有する反射型回折格子を得るために、膜厚Ｔは、ｎＬ×Ｔ／｛λ×ｃｏｓ（ｉ’）｝が略１になるよう、Ｔ＝１２００ｎｍとする。この場合の＋１次回折光率の波長依存性計算結果を図６に示す。
【００６０】
１４９５〜１５９５ｎｍの広い波長範囲において、Ｓ偏光の入射光に対して９５％以上の高い＋１次回折効率が実現する。一方、Ｐ偏光に対しては＋１次回折光率は３５％以下の低い効率でＰＤＬは大きな値となっている。すなわち、光学反射面１２の表面層材料の屈折率と回折格子の凸部材料の屈折率の相違により、＋１次回折光率の波長依存性および偏光依存性が変化する。
【００６１】
格子凸部１３はＴａ２Ｏ５やＳｉＯ２以外の屈折率を有する材料、あるいは、屈折率の異なる膜材料を積層した構成としてもよい。光学反射面１２および格子１３の構成によって、広い波長範囲において高い＋１次回折効率を得ることができる。また、ＰＤＬを調整することができる。
【００６２】
［実施例３］
図７に格子凸部が屈折率の異なる２層膜からなる反射型回折格子１２０の断面図を示す。
【００６３】
実施例１と同じ誘電体多層膜からなる光学反射面１２の表面層であるＳｉＯ２膜上に、高屈折率材料であるＴａ２Ｏ５３３ａを膜厚５３０ｎｍ、さらにその上に低屈折率材料であるＳｉＯ２３３ｂを膜厚７６０ｎｍとなるよう成膜し、凸部の断面形状が矩形となるようＴａ２Ｏ５とＳｉＯ２の表面の２層部分を格子３３に加工する。
【００６４】
この場合の＋１次回折光率の波長依存性計算結果を図８に示す。１４９５〜１６２５ｎｍの広い波長範囲において、Ｐ偏光の入射光に対して５％以下の低い＋１次回折効率となり、１４７０〜１５７０ｎｍの広い波長範囲において、Ｓ偏光の入射光に対して９５％以上の高い＋１次回折効率となる。すなわち、偏光依存性の大きな反射型回折格子となる。
【００６５】
また、格子の１周期内に占める凸部の割合であるデューティ比Ｄ／Ｐを０．５以外の値とすることにより、＋１次回折効率の波長依存性および偏光依存性を調整できる。デューティ比Ｄ／Ｐは０．４５から０．５５の範囲とすることが好ましい。
【００６６】
［実施例４］
図１１に光学反射膜が金属膜からなる反射型回折格子３００の断面図を示す。
【００６７】
屈折率０．１８８を有するＡｕ膜からなる光学反射面４２の表面上に、高屈折率材料であるＴａ２Ｏ５４３を膜厚６０４ｎｍ成膜し、凸部の断面形状が矩形となるようＴａ２Ｏ５の表面を格子４３に加工する。Ａｕ膜は０．１μｍ以上成膜することにより反射率は９９％以上になる。この場合の＋１次回折光率の波長依存性計算結果を図１２に示す。
【００６８】
本発明の回折格子における光学反射面上の格子パターンは、フォトマスクなどを用いて作製できるため、直線形状に限定されず例えば曲線形状に格子パターンを加工することもできる。この曲線形状とすることにより、回折光が光検出器上で集光するようにレンズ機能を付加することもできる。
【００６９】
上記の本発明の反射型回折格子を用いて、種々の光学装置が構成できる。この光学装置は本発明の反射型回折格子の分光回折などの特性を用いたものであれば、いずれの光学装置であってもよい。
【００７０】
本発明の分光装置としては、例えば波長多重光通信用の合分波器がある。１５２０ｎｍから１６２０ｎｍまでの異なる波長の信号光が単一の光ファイバ中を伝搬する場合、各波長チャネルに分波して信号光を検知あるいは他の光ファイバーに切替て伝搬する必要がある。光ファイバから出射した光は、本発明の反射型回折格子により波長に応じて異なった方向に回折・伝搬し、複数の光検出部からなる受光素子あるいは複数の光ファイバーに入射することで、各波長チャネルの信号検出あるいは光路切替伝送が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の反射型回折格子は、複数の波長を使用する回折格子および光学装置特に分光装置に利用される。特にＰＤＬの小さな回折格子であれば、波長分割多重光通信などにおいて、複数の波長チャネルからなる入射光を反射回折により出射方向を変化させるよう分光して波長チャネル毎に光を分岐する分波器や、入射角度の異なる各波長チャネルの光を反射回折により出射方向を同一角度に揃える合波器に利用できる。また、ＰＤＬの大きな回折格子の場合は、レーザ媒質を回折格子と出力ミラーからなる共振器中に配置し、回折格子の入射角度の設定で、共振光路に戻る波長光が規定することにより、発振波長可変レーザが構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の反射型回折格子の構成の一例を示す断面図
【図２】本発明の反射型回折格子の構成の一例を示す斜視図
【図３】本発明の反射型回折格子の他の構成の一例を示す断面図
【図４】本発明の反射型回折格子の実施例１における＋１次回折光率の波長依存性計算結果を示すグラフ
【図５】本発明の反射型回折格子の実施例１における、格子凸部膜厚と＋１次回折光率の関係の計算結果を示すグラフ
【図６】本発明の反射型回折格子の実施例２における＋１次回折光率の波長依存性計算結果を示すグラフ
【図７】本発明の反射型回折格子の他の構成の一例を示す断面図
【図８】本発明の反射型回折格子の実施例３における＋１次回折光率の波長依存性計算結果を示すグラフ
【図９】従来の反射型回折格子の構成の一例を示す断面図
【図１０】従来の反射型回折格子の一例における＋１次回折光率の波長依存性計算結果を示すグラフ
【図１１】本発明の反射型回折格子の他の構成の一例を示す断面図
【図１２】本発明の反射型回折格子の実施例４における＋１次回折光率の波長依存性計算結果を示すグラフ
【符号の説明】
【００７３】
１１、４１：基板
１２：光学反射面
１３、２３、３３：格子凸部
３３ａ：Ｔａ２Ｏ５
３３ｂ：ＳｉＯ２
４２：レプリカ格子
４３：金属反射膜
１００、１１０、１２０、３００：反射型回折格子
２００：反射型ブレーズ回折格子
【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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