(57)【要約】【課題】実用的な回折光学素子を効率的に低コストで提供する。【解決手段】屈折率変調型回折光学素子は、透光性基板（１）上に形成されたシリコンまたはシリコン化合物の透光性膜（２）を含み、この透光性膜（２）は相対的に高屈折率の局所的領域（２ａ）と相対的に低屈折率の局所的領域（２）が交互に配置された回折格子を含んでおり、それらの高屈折率領域（２ａ）と低屈折率領域（２）との間には５％より大きい屈折率差が存在している。そのような屈折率差は、シリコンまたはシリコン化合物の透光性膜（２）にエネルギビーム（４）を照射することによって容易に形成することができる。【選択図】        図２
2004258442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンまたはシリコン化合物からなる透光性の膜または薄板を含み、この透光性の膜または薄板は相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とが交互に配置された回折格子を含み、それらの高屈折率領域と低屈折率領域との間には５％より大きい屈折率差が存在することを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記回折光学素子は、複数の波長を含む１つの光ビームを波長に依存して複数の光ビームに分割することができ、かつ異なる波長を有する複数の光ビームを単一の光ビームに合体させことができる波長合分岐の機能を有することを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記回折光学素子は、単一波長の光ビームを複数の光ビームに分割することができ、かつ単一波長の複数の光ビームを単一の光ビームに合体させことができるパワー合分岐の機能を有することを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記回折光学素子は、単一波長の光ビームに含まれるＴＥ波とＴＭ波を分離できかつ合体させることができる偏光合分岐の機能を有することを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記回折光学素子は、単一波長の光ビームに含まれるＴＥ波またはＴＭ波に対して波長板の機能を有することを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項６】
透光性基板の第１と第２の主面上にそれぞれ形成されたシリコンまたはシリコン化合物からなる第１と第２の透光性膜を含み、前記透光性膜の各々は相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とが交互に配置された回折格子を含んでおり、それらの高屈折率領域と低屈折率領域との間には５％より大きい屈折率差が存在し、
前記第１の透光性膜は単一波長の光ビームに含まれるＴＥ波とＴＭ波を偏光分離することができる偏光分岐の機能を有し、
前記第２の透光性膜は単一波長の光ビームに含まれるＴＥ波またはＴＭ波に対して波長板の機能を有し、
前記第１と第２の透光性膜は協働して光アイソレータの機能を有することを特徴とする回折光学素子。
【請求項７】
前記透光性の膜または薄板は、０．０５μｍ以上で２０μｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記シリコン化合物は水素化シリコン、水素化炭化珪素、窒化珪素、酸化珪素、および水素化酸窒化珪素から選択された化合物であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記回折光学素子は０．８μｍ〜２．０μｍの範囲内の波長を含む光に対して作用し得る前記回折格子を含んでいることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の回折光学素子。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載された回折光学素子を形成するための方法であって、イオンビーム、Ｘ線、電子線、および紫外線から選択されたエネルギビームを前記透光性の膜または薄板に所定のパターンで照射して屈折率を変化させることを特徴とする回折光学素子の形成方法。
【請求項１１】
前記イオンビームは水素、ヘリウム、ホウ素、炭素、窒素、酸素、およびシリコンから選択された一種以上のイオンを含むことを特徴とする請求項１０に記載の回折光学素子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回折光学素子とその形成方法に関し、より具体的には、波長合分岐、パワー合分岐、偏光合分岐、波長板、または光アイソレータの機能を有する回折光学素子とその形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、光の回折を生じさせる回折光学素子は、種々の用途に利用され得る。たとえば、光通信分野で使用される波長合分波器、光カプラ、光アイソレータなどは、回折光学素子を利用して作製することができる。
【０００３】
一般に、回折光学素子は、透光性基板上に回折格子層を形成することによって作製される。その回折格子層の構造的相違に基づいて、回折光学素子は屈折率変調型とレリーフ型とに大別される。
【０００４】
図１３は、屈折率変調型回折光学素子の一例を模式的な断面図で示している。この屈折率変調型回折光学素子は、透光性基板１１上に形成された回折格子層１２ａを含んでおり、この回折格子層１２ａには屈折率変調構造が形成されている。すなわち、回折格子層１２ａにおいては、相対的に小さな屈折率ｎ１を有する局所的領域と相対的に大きな屈折率ｎ２を有する局所的領域とが周期的に交互に形成されている。そして、低屈折率ｎ１の領域を通過した光と高屈折率ｎ２の領域を通過した光との間で生じる位相差に起因して回折現象が生じ得る。
【０００５】
屈折率変調構造を有する回折格子層１２ａは、たとえばエネルギビーム照射を受けることによって屈折率が増大する材料を用いて形成することができる。たとえば、Ｇｅがドープされた石英ガラスは、紫外線照射によってその屈折率が増大することが知られている。すなわち、透光性基板１１上に屈折率ｎ１のＧｅドープ石英ガラス層を堆積し、そのガラス層に紫外線を周期的パターンで照射して局所的に屈折率をｎ２に高めることによって、図１３に示されているような回折格子層１２ａを形成することができる。
【０００６】
図１４は、レリーフ型回折光学素子の一例を模式的な断面図で示している。このレリーフ型回折光学素子は、透光性基板１１上に形成された回折格子層１２ｂを含んでおり、この回折格子層１２ｂにはレリーフ構造が形成されている。すなわち、回折格子層１２ｂにおいては、相対的に大きな厚さを有する局所的領域と相対的に小さな厚さを有する局所的領域とが周期的に交互に形成されている。そして、大きな厚さの領域を通過した光と小さな厚さの領域を通過した光との間で生じる位相差に起因して回折現象が生じ得る。
【０００７】
レリーフ構造を有する回折格子層１２ｂは、たとえば、透光性基板１１上に石英系ガラス層を堆積し、フォトリソグラフィとエッチングを利用してそのガラス層を加工することによって形成され得る。
【０００８】
図１５は、屈折率変調型回折光学素子のもう１つの例を模式的な断面図で示している。図１５の屈折率変調型回折光学素子は図１３のものに類似しているが、図１５中の回折格子層１２ｃ内には互いに異なる３レベルの屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３を有する局所的領域が周期的に配列されている。このように、回折格子層１２ｃ内において３レベルの屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３を有する局所的領域は、たとえば、基板１１上に屈折率ｎ１の石英系ガラス層を堆積して、そのガラス層に対して２通りの異なるエネルギレベルのエネルギビームを照射することによって形成され得る。
【０００９】
多（マルチ）レベルの屈折率の局所的領域を含む回折格子によれば、単純な２（バイナリ）レベルの屈折率の領域を含む回折格子の場合に比べて、回折効率が向上し得る。ここで、回折効率とは、入射光のエネルギに対する回折光エネルギの総和の比率を意味する。すなわち、回折光を利用する観点からは、回折効率の大きい方が好ましい。
【００１０】
図１６は、レリーフ型回折光学素子のもう１つの例を模式的な断面図で示している。図１６のレリーフ型回折光学素子は図１４のものに類似しているが、図１６中の回折格子層１２ｄ内には互いに異なる３レベルの厚さを有する局所的領域が周期的に配列されている。このように、回折格子層１２ｄ内において３レベルの厚さを有する局所的領域は、たとえば、基板１１上に石英系ガラス層を堆積して、そのガラス層に対してフォトリソグラフィとエッチングによる加工を２回繰り返すことによって形成され得る。このように多レベルの厚さを有する局所的領域を含む回折格子によっても、単純な２レベルの厚さを含む回折格子の場合に比べて、回折効率が向上し得る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述の屈折率変調型回折光学素子は原理的には作製可能であるが、実用的な屈折率変調型回折光学素子を得ることは困難である。なぜならば、たとえば石英系ガラスに紫外線を照射することによって得られる屈折率変化量はせいぜい０．００２程度であって、効果的な回折格子層を形成することが困難だからである。なお、最近では非特許文献１のＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．９１，  ２００２，  ｐｐ．６３５０−６３５３において、水素化非晶質酸窒化珪素膜に紫外線を照射することによってその屈折率をかなり高め得ることが報告されている。しかし、この報告における屈折率の変化量も、屈折率変調型回折光学素子の作製のためには十分であるとは言えない。
【００１２】
したがって、現在でも、たとえば特許文献１の特開昭６１−２１３８０２号公報や非特許文献２のＡｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，  Ｖｏｌ．４１，  ２００２，  ｐｐ．３５５８−３５６６に述べられているように、回折光学素子としてレリーフ型が利用されるのが一般的である。しかし、レリーフ型回折光学素子の作製に必要なフォトリソグラフィやエッチングはかなり複雑な加工工程であり、相当の時間と手間を要する。また、そのエッチング深さを精度よく制御することが容易でない。さらに、レリーフ型回折光学素子においては、その表面に微細な凹凸が形成されているので、埃や汚れが付着しやすいという問題もある。
【００１３】
以上のような先行技術における状況に鑑み、本発明は、実用的な回折光学素子を効率的に低コストで提供することを目的としている。
【００１４】
【特許文献１】
特開昭６１−２１３８０２号公報
【００１５】
【非特許文献１】
Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．９１，  ２００２，  ｐｐ．６３５０−６３５３
【００１６】
【非特許文献２】
Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，  Ｖｏｌ．４１，  ２００２，  ｐｐ．３５５８−３５６６
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明による回折光学素子はシリコンまたはシリコン化合物からなる透光性の膜または薄板を含み、この透光性の膜または薄板は相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とが交互に配置された回折格子を含み、それらの高屈折率領域と低屈折率領域との間には５％より大きい屈折率差が存在することを特徴としている。
【００１８】
そのような回折光学素子は、複数の波長を含む１つの光ビームを波長に依存して複数の光ビームに分割することができ、かつ異なる波長を有する複数の光ビームを単一の光ビームに合体させることができる波長合分岐の機能を有し得る。
【００１９】
また、そのような回折光学素子は、単一波長の光ビームを複数の光ビームに分割することができ、かつ単一波長の複数の光ビームを単一の光ビームに合体させることができるパワー合分岐の機能を有し得る。
【００２０】
さらに、そのような回折光学素子は、単一波長の光ビームに含まれるＴＥ波とＴＭ波を分離しかつ合体させることができる偏光合分岐の機能を有し得る。
【００２１】
さらに、そのような回折光学素子は、単一波長の光ビームに含まれるＴＥ波またはＴＭ波に対して波長板の機能を有し得る。
【００２２】
さらに、上述の偏光合分岐の機能を有する回折格子を含む透光性膜と波長板の機能を有する回折格子を含む透光性膜とを組合せて光アイソレータを得ることも可能である。
【００２３】
なお、回折光学素子に含まれる透光性の膜または薄板は、０．０５μｍ以上で２０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。また、透光性の膜または薄板用の材料としてのシリコン化合物は、水素化シリコン、水素化炭化珪素、窒化珪素、酸化珪素、および水素化酸窒化珪素から選択し得る。さらに、そのような回折光学素子は、０．８μｍ〜２．０μｍの範囲内の波長を含む光に対して作用し得る回折格子を含み得る。
【００２４】
上述のような本発明による回折光学素子を形成するための方法においては、イオンビーム、Ｘ線、電子線、および紫外線から選択されたエネルギビームを透光性の膜または薄板に所定のパターンで照射して屈折率を変化させることができる。そのためのイオンビームは、水素、ヘリウム、ホウ素、炭素、窒素、酸素、およびシリコンから選択された一種以上のイオンを含み得る。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１から図３は、本発明の実施形態１による屈折率変調型回折光学素子の作製過程を図解する模式的な断面図である。なお、本願の図面において、長さや厚さのような寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を反映してはいない。
【００２６】
図１に示されているように、例えばＳｉＯ２基板１上に、透光性のシリコンまたはシリコン化合物の膜２が例えばプラズマＣＶＤ（化学気相堆積）によって堆積され得る。なお、シリコンやシリコン化合物中には通常の可視光に対しては透過性のよくないものもあるが、光通信において利用される０．８〜２μｍの波長の光に対しては、良好な透過性を有するものが多い。
【００２７】
膜２の厚さは、０．０５μｍ以上であることが好ましい。なぜならば、膜厚が０．０５μｍ未満であれば、光の波長に対して薄すぎて、実用的な回折効果を生じ得る回折格子を組み込むことが困難になるからである。同様の理由で、エネルギビーム照射によって屈折率の変化する深さは、膜または薄板の表面から少なくとも０．０５μｍの深さに及ぶことが好ましい。換言すれば、膜または薄板の全厚にわたって屈折率を変化させることは必ずしも必要ではなく、表面から所定の深さ範囲内で屈折率を変化させてもよい。
【００２８】
他方、膜または薄板の厚さの上限には特に技術的な観点からの制限はないが、回折光学素子のコストの観点から２ｍｍ以下の厚さであることが好ましい。また、回折光学格子を含む膜の厚さが２０μｍ以下であれば、例えば２つの光ファイバの端面間にその回折光学膜を直接挟みこむことが可能になる点で好ましい。これは、膜厚が２０μｍ以下に薄い場合には、その膜による光散乱などの影響を最小限にして一方の光ファイバ中の光信号を他方の光ファイバに伝達し得るからである。
【００２９】
図２においては、透光性膜２上に、例えばリフトオフ法によって金マスク３が形成され得る。このような金マスク３において、例えば幅０．５μｍの金ストライプが０．５μｍの間隔を隔てて繰り返し配列され得る。すなわち、この金マスク３は、ライン・アンド・スペースのパターンを有している。その後、金マスク３の開口部を介して、例えばイオンビームのようなエネルギビーム４が所定のドース量で透光性膜２に照射される。
【００３０】
その結果、透光性膜２のうちでエネルギビームが照射されなかった領域は屈折率の変化を生じないが、エネルギビーム照射された領域２ａの屈折率は高められる。シリコンまたはシリコン化合物において、このようなエネルギビーム照射による屈折率変化は後述の実施例ように十分に大きくなり得て、十分に回折効率の大きな回折格子層の形成が可能となる。
【００３１】
図３において、金マスク３がエッチングによって除去され、実施形態１の屈折率変調型回折光学素子が得られる。なお、この回折光学素子における回折格子層２は、２種類の屈折率領域を含んでおり、いわゆるバイナリ・レベルの回折格子層である。
【００３２】
図４は、実施形態１で得られる屈折率変調型回折光学素子を波長合分岐器として使用する場合における波長分岐作用を模式的な断面図で図解している。この断面図において、黒い断面領域は相対的に高い屈折率の領域を表わし、白い断面領域は相対的に低い屈折率の領域を表わしている。図４に表わされているように、たとえば複数の波長λ１、λ２、λ３、λ４を含む単一の光ビームを回折光学素子に入射させれば、その回折光学素子を通過する光の回折角は波長に依存して互いに異なる。その結果、複数波長を含む単一の入射光ビームが、波長ごとに進行方向の異なる複数の回折光ビームに分離され得るのである。
【００３３】
もちろん、図４中の矢印で示された入射光ビームと回折光ビームとの向きを逆にすれば、図４の回折光学素子が合波器として利用され得ることが明らかであろう。なお、回折光学素子が波長分岐器として使用される場合、光ビームは、一般に回折光学素子の表面の法線に対して０〜７０度程度の範囲内の適切な角度で入射させられる。ただし、この角度範囲は高屈折領域が透光性膜面に直交する方向に形成されている場合に関するものであり、たとえばイオンビームを透光性膜面に対して斜め方向に照射して高屈折領域が透光性膜面に傾斜して形成されている場合には、その傾斜角を考慮して光ビームの入射角が調整される。
【００３４】
図５は、実施形態１の回折光学素子による波長分岐結果の一例を模式的に示すグラフである。このグラフの横軸は回折光の波長（ｎｍ）を表し、縦軸は回折光の強度を任意単位で表わしている。この場合において、例えば１．５〜１．６μｍの波長範囲と３５０μｍのビーム径を有する光が、光ファイバとコリメータを利用して、実施形態１の回折光学素子に入射させられる。その結果、図５に示されているように、１．５μｍから１．６μｍの間で２０ｎｍ間隔で分布した波長を有する５本の回折光ビームが得られ、それら５本の回折光ビームはほぼ等しい強度を有し得る。
【００３５】
なお、実施形態１においてはライン状の１次元的回折格子パターンが用いられているので、回折光ビームは入射光ビームを含む１つの平面に沿って存在する。しかし、次に述べる実施形態２におけるように２次元的回折格子パターンを用いることによって、回折光ビームを２次元的に分布させ得ることは言うまでもない。
【００３６】
（実施形態２）
図６は、実施形態２による回折光学素子における２次元的回折格子パターンを模式的な平面図で表わしている。実施形態２の回折光学素子も、実施形態１の場合と同様の工程で作製することができる。すなわち、図６において、黒色の領域は透光性膜のうちでエネルギビームが照射されて屈折率が高められた領域を表わし、白色の領域はエネルギビームが照射されなかった領域を表わしている。黒色のパターンは、例えば４μｍ×４μｍの最小セルの組合せで形成されており、１３２μｍの周期性を有している。すなわち、図６の回折格子パターンにおいて、最小線幅は４μｍである。
【００３７】
図７は、実施形態２で得られた屈折率変調型回折光学素子を光カプラ（パワー分岐装置）として使用する場合におけるパワー分岐作用を模式的な断面図で図解している。すなわち、単一波長の光ビームを回折光学素子に入射させれば、その回折光学素子を通過する光の回折角は回折次数に依存して互いに異なる。その結果、単一波長の入射光ビームが、複数の光回折光ビームに分離され得るのである。
【００３８】
図８は、図６の光カプラによって図７のようにパワー分岐された回折ビームに直交する面内におけるビーム分布を示す平面図である。すなわち、パワーＰを有する入射光ビームは、例えばそれぞれＰ／１６のパワーを有する１６本の回折光ビームに分岐され得る。なお、図８に示されているような回折光ビームの分布パターンを実現し得る図６の回折格子パターンは、周知のようにフーリエ変換を利用して求めることができる。
【００３９】
（実施形態３）
実施形態３においては、偏光合分岐の機能を有する回折光学素子が作製される。この実施形態３の回折光学素子においても、実施形態１の場合と同様の工程で、ライン・アンド・スペースのパターンを有する回折格子層が形成される。ただし、実施形態３においては、例えば幅０．４μｍ高屈折率領域が０．４μｍの間隔を隔てて繰り返し配列させられる。
【００４０】
図９は、実施形態３で得られた屈折率変調型回折光学素子を偏光合分岐器として使用する場合における偏光分岐作用を模式的な断面図で図解している。すなわち、ＴＥ成分とＴＭ成分とを含むＴＥＭ波を実施形態３の回折光学素子に入射させれば、ＴＥ波とＴＭ波とはその偏光の相違に依存して互いに異なる回折角で回折される。たとえば、図９に示されているように、０次回折光としてＴＥ波が得られ、−１次回折光としてＴＭ波が得られる。こうして、ＴＥ波とＴＭ波との分岐が可能になる。
【００４１】
（実施形態４）
実施形態４においては、波長板の機能を有する回折光学素子が作製される。この実施形態４の回折光学素子においても、実施形態１の場合と同様の工程で、ライン・アンド・スペースのパターンを有する回折格子層が形成される。ただし、実施形態４においては、例えば幅０．２μｍの高屈折率領域が０．２μｍの間隔を隔てて繰り返し配列させられる。
【００４２】
図１０は、実施形態４で得られた屈折率変調型回折光学素子を波長板として使用する場合における偏光変換作用を模式的な斜視図で図解している。この図において、光の進行方向に沿って、直線偏光フィルタ２１と本実施形態４において１／４波長板として作用する回折光学素子２２とが配列されている。偏光フィルタ２１は、例えば１．５５μｍの波長と３５０μｍの断面径を有する入射光ビーム２３のうちで垂直直線偏光２４のみを通過させる。回折光学素子２２に含まれる高屈折率領域のライン・アンド・スペースの方向は、直線偏光２４の偏光方向に対して４５度回転させられている。このような状態において、回折光学素子２２を通過した光２５は、進行方向に向いて反時計に回転する円偏光になる。
【００４３】
図１１は、図１０に示された偏光フィルタ２１と１／４波長板が光アイソレータとして作用する状態を図解している。すなわち、図１０の円偏光２５が或る物体に反射されて戻ってくるとき、その円偏光の回転方向が反射によって逆回転にされた戻り光２６になっている。そして、その戻り光２６は、１／４波長板を逆方向に通過することによって、水平直線偏光２７に変換される。そして、偏光フィルタ２１は垂直直線偏光のみを通過させるので、水平直線偏光の戻り光２７は偏光フィルタ２１によって阻止され、光入射側に戻ることができない。こうして、光アイソレータとしての作用が発揮され得る。
【００４４】
（実施形態５）
実施形態５においては、図１２の模式的な斜視図に示されているように、光アイソレータの機能を有する回折光学素子が作製される。この回折光学素子においては、石英ガラス基板３１の第１主面上に第１の透光性膜３１が形成され、第２主面上に第２の透光性膜３３が形成される。そして、第１の透光性膜３２には、実施形態３と同様な回折格子が形成され、第２の透光性膜３３には実施形態４と同様な回折格子が形成される。
【００４５】
例えば波長１．５５で断面径３５０μｍの光ビーム３４を図１２の回折光学素子に入射させる場合、偏光分岐器として作用する第１の回折格子層３２と１／４波長板として作用する第２の回折光学層３３を通過した光３５は、或る物体に反射されて戻ってきても、光アイソレータとして協働する１／４波長板３３と偏光分岐器３２を通過して戻ることができない。
【００４６】
なお、以上の実施形態では透光性膜の屈折率を高めるためには、イオン照射以外にＸ線、電子線、紫外線などの他のエネルギビーム照射をも利用することができる。そして、エネルギビームとして収束イオンビームや収束電子線を用いる場合には、マスクを用いることなく、直接描画によって回折格子を形成することも可能である。
【００４７】
また、上述の実施形態では１．５μｍから１．６μｍまでの波長範囲内の入射光に関して説明されたが、本発明においては、光通信分野において利用される可能性のある０．８μｍ〜２．０μｍの範囲内のどのような波長を有する光に対しても使用し得る回折光学素子を作製することができる。
【００４８】
さらに、上述の実施形態ではバイナリレベルの回折格子層を含む回折光学素子について説明されたが、透光性膜中にマルチレベルの回折格子をも形成し得ることは言うまでもない。その場合には、たとえばエネルギレベルまたは／およびドース量の異なるエネルギビームを透光性膜に照射すればよい。
【００４９】
（実施例１）
【００５０】
【表１】
2004258442.tif 000003
【００５１】
【表２】
2004258442.tif 000004
【００５２】
表１と表２は、シリコンを主成分とする透光性の種々の膜または薄板に種々のエネルギビームを照射したことによる（波長１．５５μｍの光に関する）屈折率変化を示している。これらの表において、シリコンウエハは、（１１１）主面を有する市販の単結晶ウエハを両面研磨して厚さ０．４ｍｍの薄板にされたものである。ただし、シリコンウエハとして（１１１）以外の主面方位を有するウエハも同様に用い得ることは言うまでもない。多結晶シリコンは、シランガスを原料とする高周波プラズマＣＶＤ法によって、８００℃の石英基板上に厚さ４μｍの膜として形成された。
【００５３】
非晶質シリコンは、真空蒸着法とマグネトロンスパッタ法を用いて、いずれの場合も厚さ３μｍの膜に形成された。真空蒸着法では、５×１０−４Ｐａの真空中で固体シリコンに電子ビームを照射し、３００℃のシリコン基板上に蒸着された。マグネトロンスパッタ法では、Ａｒガスを用いて固体シリコンターゲット表面で高周波放電を誘起させ、２００℃の石英基板上に成膜された。
【００５４】
非晶質水素化シリコンは、マグネトロンスパッタ法と高周波プラズマＣＶＤ法によって、いずれの場合も厚さ４μｍの膜に形成された。マグネトロンスパッタ法では、８０％Ａｒと２０％水素を含む混合ガスを用いて固体シリコンターゲット表面で高周波放電を誘起させ、２００℃の石英基板上に成膜された。プラズマＣＶＤ法では、８０％シランと２０％水素を含む混合ガスを原料として、２００℃の石英基板上に成膜された。
【００５５】
また、表１と表２において、イオン注入の場合には、２００ｋｅＶから１ＭｅＶの範囲内の加速エネルギが用いられ、透光性の膜または薄板中のイオンの飛程が０．５μｍから２μｍの範囲内になるように設定された。イオン注入量は、３×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２から１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２の範囲内で設定された。電子線照射の場合には、１４０Ｗ・ｓｅｃ／ｃｍ２のパワー密度で照射された。
【００５６】
シンクロトン放射光照射の場合は、中心波長が１．５ｎｍの白色Ｘ線が真空中で照射された。その照射量は、電子ビーム電流換算で５０ｍＡ・ｍｉｎ／ｃｍ２に対応している。紫外線照射の場合は、波長３６５ｎｍの紫外線を放射し得る２００ＷのＨｇ−Ｘｅ光源を含む紫外線照射装置を用いて、大気中において４００Ｗ・ｓｅｃ／ｃｍ２のパワー密度で照射された。
【００５７】
表１と表２においては、いずれの透光性の膜および薄板に対するいずれのエネルギビーム照射によっても、絶対値で５％より大きい屈折率変化が生じている。このようなエネルギビーム照射によって５％より大きい屈折率差を生じさせることができれば、前述の実施形態における種々の回折光学素子を形成することができる。なお、屈折率変化量は大きいほど好ましいことは言うまでもなく、特にその変化量が１５％以上の場合には、より効率的な回折光学素子を作製することが可能となる。
【００５８】
エネルギビーム照射によって屈折率が変化する理由は必ずしも明らかではないが、いくつかの要因が考えられる。例えば、エネルギビーム照射によって、結晶中に欠陥が導入されることが重要な要因となり得ると考えられる。非晶質膜にエネルギビーム照射する場合でも、その非晶質中の不規則性が増大することが要因になると考えられる。また、イオン照射の場合には、注入されるイオンによる組成変化が屈折率を変化させると考えられる。さらに、透光性の膜または薄板中のシリコンの不対結合手（ダングリングボンド）や密度がエネルギビーム照射によって変化する場合には、それらも屈折率に影響すると考えられる。
【００５９】
例えば、表１において単結晶シリコンウエハにＢイオンを照射した場合、その注入量の増大に伴って屈折率が増大している。これは、イオン注入量の増大に伴ってシリコン結晶中に導入される欠陥密度が増大したことによると考えられる。また、多結晶シリコンにＨｅイオンとＳｉイオンを同量だけ注入した場合に、Ｓｉイオンを注入した場合のほうが屈折率の変化が大きくなっている。これは、Ｈｅイオンより重いＳｉイオンのほうがＳｉ結晶中に高い欠陥密度を生じ、部分的には非晶質化をも生じているからであると考えられる。同様な傾向は、非晶質シリコンにおけるイオン照射においても生じている。非晶質シリコンにおいては、原子が規則的に配列していないが、エネルギビーム照射によってその不規則性がさらに増大し、それが屈折率を変化させると考えられる。
【００６０】
また、注入されるイオンによる組成変化が屈折率に大きな影響を及ぼす最も顕著な例としては、Ｃイオンを注入した場合が相当すると考えられる。
【００６１】
なお、表２において、非晶質シリコンに電子線を照射した場合に、屈折率が低下している。これは、電子線照射で生じる熱によって非晶質シリコン中の不規則性がむしろ規則化し、部分的に結晶化をも生じているからであると考えられる。ところが、水素化非晶質シリコンに電子線照射した場合には、屈折率が顕著に大きくなっている。これは、水素化非晶質シリコン中の水素が電子線照射によって離脱することによって、シリコンの不対結合手が増大したり密度が増大することが要因であると考えられる。
【００６２】
（実施例２）
【００６３】
【表３】
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【００６４】
【表４】
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【００６５】
表３と表４は、種々のシリコン化合物からなる透光性の膜または薄板に種々のエネルギビームを照射したことによる（波長１．５５μｍの光に関する）屈折率変化を示している。これらの表において、水素化炭化珪素膜は、９０％シランと１０％メタンを含む混合ガスを原料とする高周波プラズマＣＶＤ法によって、２５０℃の石英基板上に厚さ４μｍの膜として形成された。
【００６６】
窒化珪素膜は、マグネトロンスパッタ法によって形成された。すなわち、８０％Ａｒと２０％窒素の混合ガスを用いて固体シリコンターゲット表面で高周波放電を誘起させ、２５０℃の石英基板上に厚さ３μｍの窒化珪素膜が形成された。
【００６７】
透光性薄板の石英板としては、市販のものが利用された。その石英板の厚さは１ｍｍであった。
【００６８】
水素化酸窒化珪素膜は、レーザ蒸着方で形成された。すなわち、７０％シラン、１５％酸素、および１５％窒素を含む混合ガス雰囲気中で、レーザをシリコンターゲットに照射し、そのターゲットに対向する１５０℃の石英基板上に厚さ４μｍの水素化酸窒化珪素膜が形成された。
【００６９】
表３および表４におけるエネルギビーム照射方法は、表１および表２における場合と同様である。表３と表４においても、いずれのシリコン化合物の透光性の膜および薄板に対するいずれのエネルギビーム照射によっても、絶対値で５％より大きい屈折率変化が生じている。すなわち、種々のシリコン化合物にエネルギビーム照射することによっても、前述の実施形態における種々の回折光学素子を形成することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、実用的な回折光学素子を効率的に低コストで提供することができる。また、シリコンまたはシリコン化合物の膜または薄板にエネルギビームを照射することによって実現可能になる屈折率変調型回折光学素子においては、レリーフ型回折光学素子のように表面に微細な凹凸が存在しないので、その表面が汚染されにくくかつ汚染されてもその浄化が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回折光学素子を作製する過程を図解する模式的な断面図である。
【図２】本発明による回折光学素子を作製する過程を図解する模式的な断面図である。
【図３】本発明による回折光学素子を作製する過程を図解する模式的な断面図である。
【図４】本発明による波長合分岐器の波長分岐作用を図解する模式的な断面図である。
【図５】本発明による波長合分岐器によって分岐された光の波長と強度分布との関係の一例を示すグラフである。
【図６】本発明による光パワー分岐器における回折格子パターンの一例を示す模式的な平面図である。
【図７】本発明による光パワー分岐器におけるパワー分岐作用を図解する模式的な断面図である。
【図８】図６の光パワー分岐器によってパワー分岐された回折ビームに直交する面内におけるビーム分布を示す平面図である。
【図９】本発明による偏光分岐器における偏向分岐作用を図解する模式的な断面図である。
【図１０】本発明による波長板における偏光変換作用を図解する模式的な斜視図である。
【図１１】図１０の光学系における光アイソレータとしての作用を図解する模式的な斜視図である。
【図１２】本発明において光アイソレータとして作用し得る回折光学素子を図解する模式的な斜視図である。
【図１３】従来の屈折率変調型回折光学素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図１４】従来のレリーフ型回折光学素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図１５】従来の屈折率変調型回折光学素子のもう１つの例を示す模式的な断面図である。
【図１６】従来のレリーフ型回折光学素子のもう１つの例を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１  石英ガラス基板、２  シリコンまたはシリコン化合物の透光性膜、２ａ  透光性膜２中の高屈折率領域、３  金マスク、４  イオンビーム、２１  偏光板、２２  １／４波長板、２３  入射光、２４  垂直直線偏光、２５  円偏光、２６  反射戻り円偏光、２７  水平直線偏光、３１  石英ガラス基板、３２  第１の回折格子層、３３  第２の回折格子層、３４  入射光、３５  出射光。
【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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