(57)【要約】【課題】二次元または三次元の周期構造を有する回折格子素子を容易に製造することができる方法を提供する。【解決手段】感光性材料１の屈折率変化を誘起せしめる屈折率変化誘起光ＵＶを、周期性を有する回折格子が形成された回折格子板２に入射させることで、反射０次光および±１次反射回折光を生じさせ、反射０次光および±１次反射回折光ならびに回折格子板２への入射光を互いに干渉させて干渉縞を形成し、この干渉縞における光強度分布に応じた屈折率分布を感光性材料１に生じさせて、屈折率変調による回折格子が形成された回折格子素子を製造する。【選択図】  図１
2004309516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感光性材料の屈折率変化を誘起せしめる屈折率変化誘起光を、周期性を有する回折格子が形成された回折格子板に入射させることで、反射０次光および±１次反射回折光を生じさせ、
前記反射０次光および前記±１次反射回折光ならびに前記回折格子板への入射光を互いに干渉させて干渉縞を形成し、
この干渉縞における光強度分布に応じた屈折率分布を前記感光性材料に生じさせて、屈折率変調による回折格子が形成された回折格子素子を製造する、
ことを特徴とする回折格子素子製造方法。
【請求項２】
前記±１次反射回折光の回折角がｓｉｎ−１（４／５）±１度の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の回折格子素子製造方法。
【請求項３】
前記入射光および前記反射０次光それぞれの位相が互いにπだけ異なっていることを特徴とする請求項１記載の回折格子素子製造方法。
【請求項４】
前記入射光の振幅Ａ、前記反射０次光の振幅Ａ０および前記±１次反射回折光の振幅Ａ１の間に「｜Ａ１｜＝２（｜Ａ｜−｜Ａ０｜）」なる関係があることを特徴とする請求項３記載の回折格子素子製造方法。
【請求項５】
前記回折格子板に形成された回折格子が一方向のみに周期性を有することを特徴とする請求項１記載の回折格子素子製造方法。
【請求項６】
前記回折格子板に形成された回折格子が二方向それぞれに周期性を有することを特徴とする請求項１記載の回折格子素子製造方法。
【請求項７】
請求項１記載の回折格子素子製造方法により製造された回折格子素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屈折率変調による回折格子が形成された回折格子素子を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回折格子素子は、光を入力すると、その波長に応じた回折角で光を回折して出力することができる。このような回折格子素子は、例えば光分散素子として光通信等の分野で利用される。また、フォトニック結晶構造を有する回折格子素子が提案されている。フォトニック結晶構造を有する回折格子素子は、二次元または三次元の周期構造を有している。
【０００３】
例えば非特許文献１や非特許文献２には、フォトニック結晶構造を有する回折格子素子における屈折現象について記載されている。非特許文献１には、通常のスネルの法則に従わない特殊な回折現象を用いることで多波長一括の光ＡＤＭ（Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）を実現することができる旨が記載されている。また、非特許文献２には、通常の屈折率の定義に従うと屈折率が負または１未満の値となり得ることを利用して結像作用を実現することができる旨が記載されている。このように、フォトニック結晶構造を有する回折格子素子は、種々の分野での適用が期待されている。
【０００４】
【非特許文献１】
小坂英男、「スーパープリズムにはじまるフォトニック結晶光学」、Ｏ  ｐｌｕｓ  Ｅ、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．１２、ｐｐ．１５６０−１５６９  （１９９９）
【非特許文献２】
納富雅也、「フォトニック結晶における『屈折』現象」、Ｏ  ｐｌｕｓ  Ｅ、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．１２、ｐｐ．１５７０−１５７７  （１９９９）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フォトニック結晶構造を有する回折格子素子は、屈折率が異なる材料が積み上げられていて二次元または三次元の周期構造を有しており、しかも、想定される入射光の波長オーダーで高い精度の周期構造を有していることが必要である。一般に、一次元の周期構造であっても高精度の周期構造を実現することは困難であり、設計どおりの光学特性を有する回折格子素子を歩留まりよく製造することは困難である。したがって、二次元または三次元の周期構造を有する回折格子素子を歩留まりよく製造することは、尚更、困難である。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、二次元または三次元の周期構造を有する回折格子素子を容易に製造することができる方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る回折格子素子製造方法は、感光性材料の屈折率変化を誘起せしめる屈折率変化誘起光を、周期性を有する回折格子が形成された回折格子板に入射させることで、反射０次光および±１次反射回折光を生じさせ、反射０次光および±１次反射回折光ならびに回折格子板への入射光を互いに干渉させて干渉縞を形成し、この干渉縞における光強度分布に応じた屈折率分布を感光性材料に生じさせて、屈折率変調による回折格子が形成された回折格子素子を製造する、ことを特徴とする。このようにして製造することにより、二次元または三次元の周期構造を有する回折格子素子を容易に製造することができる。
【０００８】
本発明に係る回折格子素子製造方法では、±１次反射回折光の回折角がｓｉｎ−１（４／５）±１度の範囲にあるのが好適である。この場合には、各方向の周期性は実質的に互いに等しくなる。
【０００９】
本発明に係る回折格子素子製造方法では、入射光および反射０次光それぞれの位相が互いにπだけ異なっているのが好適であり、入射光の振幅Ａ、反射０次光の振幅Ａ０および±１次反射回折光の振幅Ａ１の間に「｜Ａ１｜＝２（｜Ａ｜−｜Ａ０｜）」なる関係があるのが好適である。この場合には、各方向の周期構造のコントラストは互いに等しくなる。
【００１０】
本発明に係る回折格子素子製造方法では、回折格子板に形成された回折格子が一方向のみに周期性を有するのが好適であり、また、回折格子板に形成された回折格子が二方向それぞれに周期性を有するのも好適である。前者の場合には、二次元の周期構造を有する回折格子素子を容易に製造することができ、後者の場合には、三次元の周期構造を有する回折格子素子を容易に製造することができる。
【００１１】
本発明に係る回折格子素子は、上記の本発明に係る回折格子素子製造方法により製造されたものである。この回折格子素子は、設計どおりの光学特性を有するものであり、製造が容易である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る回折格子素子製造方法の説明図である。本実施形態に係る回折格子素子製造方法は、感光性材料１の屈折率変化を誘起せしめる屈折率変化誘起光ＵＶを感光性材料１に照射し、屈折率変化誘起光ＵＶの光強度分布に応じた屈折率分布を感光性材料１に生じさせて、屈折率変調による回折格子が形成された回折格子素子を製造する方法である。
【００１４】
例えば、感光性材料１は、ＧｅＯ２が添加された石英ガラスであり、そのときの屈折率変化誘起光ＵＶは、紫外光（例えばＫｒＦエキシマレーザ光源から出力される波長２４８ｎｍの紫外レーザ光）である。感光性材料１は、コア領域にＧｅＯ２が添加された石英系の光ファイバであってもよいし、バルク状のものであってもよい。
【００１５】
本実施形態に係る回折格子素子製造方法では、一方向のみに周期性を有する回折格子が形成された回折格子板２が用いられる。この回折格子板２は、反射型の回折格子素子であって、屈折率変化誘起光ＵＶが入射すると、反射０次光および±１次反射回折光を生じさせる。この回折格子板２の回折格子面の側に感光性材料１が配置される。屈折率変化誘起光ＵＶは、先ず感光性材料１に入射して透過し、その透過光が回折格子板２に入射する。そして、その透過光の入射に伴い回折格子板２で発生した反射０次光および±１次反射回折光は感光性材料１に入射する。
【００１６】
ここで、図示のとおりｘｙｚ直交座標系を想定する。回折格子板２は、回折格子面がｙｚ平面に平行であるとし、その回折格子がｙ軸方向に周期性を有し、格子がｚ軸方向に延びているとする。感光性材料１はｙｚ平面に平行に配置される。感光性材料１に入射する屈折率変化誘起光ＵＶ（以下「入射光」という。）はｘ軸方向に入射する。反射０次光もｘ軸方向に進む。また、＋１次反射回折光および−１次反射回折光それぞれはｘｙ平面に平行に進む。
【００１７】
また、入射光の振幅をＡとし、反射０次光の振幅をＡ０とし、＋１次反射回折光の振幅をＡ＋１とし、−１次反射回折光の振幅をＡ−１とし、＋１次反射回折光の回折角をθ＋１とし、−１次反射回折光の回折角をθ−１とする。また、屈折率変化誘起光ＵＶの波数をｋとし、屈折率変化誘起光ＵＶの角周波数をωとし、時刻変数をｔとする。
【００１８】
このとき、入射光の電界Ψ（ｘ，ｙ）、反射０次光の電界Ψ０（ｘ，ｙ）、＋１次反射回折光の電界Ψ＋１（ｘ，ｙ）、および、−１次反射回折光の電界Ψ−１（ｘ，ｙ）それぞれは、以下の式で表される。
【００１９】
【数１】
2004309516.tif 000003
本実施形態では、入射光Ａ、反射０次光Ａ０、＋１次反射回折光Ａ＋１および−１次反射回折光Ａ−１を干渉させて干渉縞を形成し、この干渉縞における光強度分布に応じた屈折率分布を感光性材料２に生じさせて、これにより回折格子素子を製造する。これらの４波が干渉して形成される干渉縞における光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）は、以下の式で表される。
【００２０】
【数２】
2004309516.tif 000004
ここでは、＋１次反射回折光の振幅Ａ＋１と−１次反射回折光の振幅Ａ−１とが互いに等しいとして、これらをＡ１と記した。また、＋１次反射回折光の回折角θ＋１と−１次反射回折光の回折角θ−１とが互いに等しいとして、これらをθ１と記した。
【００２１】
【数３】
2004309516.tif 000005
上記（２）式の最右辺の第１項は定数Ｃである。第２項は、ｙ軸方向に２ｋｓｉｎθ１で特徴付けられる周期性を有する。第３項は、ｘ軸方向にｋ（１−ｃｏｓθ１）で特徴付けられる周期性を有し、また、ｙ軸方向にｋｓｉｎθ１で特徴付けられる周期性をも有する。したがって、本実施形態に係る回折格子素子製造方法により感光性材料１から製造される回折格子素子は、このようなｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて周期構造を有する屈折率変調による回折格子が形成されたものとなる。
【００２２】
製造される回折格子素子におけるｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれの周期構造の周期を互いに等しくするための条件は、
【００２３】
【数４】
2004309516.tif 000006
なる条件式を満たすことである。この式を解くと、回折角θ１が
【００２４】
【数５】
2004309516.tif 000007
なる式で表される値であれば、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれの周期性が互いに等しくなることが判る。また、回折角θ１（単位はｄｅｇ）が
【００２５】
【数６】
2004309516.tif 000008
なる式で表される範囲にあれば、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれの周期性は実質的に互いに等しくなる。
【００２６】
このときのｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれの周期をΛとすると、
【００２７】
【数７】
2004309516.tif 000009
なる式が成り立ち、これを解くと、周期Λは、
【００２８】
【数８】
2004309516.tif 000010
なる式で表される。ここで、λは屈折率変化誘起光ＵＶの波長である。ＫｒＦエキシマレーザ光源から出力される波長２４８ｎｍの紫外レーザ光を屈折率変化誘起光ＵＶとして用いる場合、上記の周期Λは１５５ｎｍ（＝２４８ｎｍ×５／８）である。このような周期Λを有する回折格子素子は、真空紫外域の光を分光する分光器の構成要素として用いられ得る。
【００２９】
製造される回折格子素子におけるｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれの周期構造のコントラストを互いに等しくするための条件は、
【００３０】
【数９】
2004309516.tif 000011
なる条件式を満たすことである。この式から
【００３１】
【数１０】
2004309516.tif 000012
なる式が得られる。ここで、入射光および反射０次光それぞれの位相が互いにπだけ異なるように回折格子板２を設計すると、上記（１０）式は、
【００３２】
【数１１】
2004309516.tif 000013
なる式で表される。そして、入射光の振幅Ａと±１次反射回折光の振幅Ａ１とを、
【００３３】
【数１２】
2004309516.tif 000014
なる式で表される関係を満たすようにすることができる。このようにすることにより、製造される回折格子素子におけるｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれの周期構造のコントラストは互いに等しくなる。
【００３４】
以上に説明した回折格子素子製造方法では、一方向のみに周期性を有する回折格子が形成された回折格子板２が用いられた。しかし、回折格子板２は、二方向それぞれに周期性を有する回折格子が形成されたものであってもよい。このような回折格子板２が用いられる場合にも、図１に示された配置が採用されて、入射光が感光性材料１に入射するとともに、回折格子板２で発生した反射０次光および±１次反射回折光が感光性材料１に入射する。
【００３５】
ただし、二方向それぞれに周期性を有する回折格子が形成された回折格子板２が用いられる場合には、回折格子板２で発生する±１次反射回折光は、下記の式で電界が表されるものを含む。これらのうち、（１３ａ）式および（１３ｂ）式それぞれで表される±１次反射回折光は、回折格子板におけるｙ軸方向の周期性に起因するものであり、ｘｙ平面に平行に進み、上記（１ｃ）式および（１ｄ）式と同様のものである。また、（１３ｃ）式および（１３ｄ）式それぞれで表される±１次反射回折光は、回折格子板におけるｚ軸方向の周期性に起因するものであり、ｘｚ平面に平行に進む。
【００３６】
【数１３】
2004309516.tif 000015
そして、（１３ａ）式および（１３ｂ）式それぞれで表される±１次反射回折光からは、上記と同様にして、感光性材料１においてｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて周期構造を有する屈折率変調による回折格子が形成される。一方、（１３ｃ）式および（１３ｄ）式それぞれで表される±１次反射回折光からは、感光性材料１においてｘ軸方向およびｚ軸方向それぞれについて周期構造を有する屈折率変調による回折格子が形成される。結局、この場合には、感光性材料１から三次元の周期構造を有する回折格子素子が製造される。
【００３７】
以上のように、本実施形態に係る回折格子素子製造方法では、位相格子板２を用いて二次元または三次元の干渉縞を形成し、この干渉縞における光強度分布に応じた屈折率分布を感光性材料１に生じざせることで、設計どおりの光学特性を有する二次元または三次元の周期構造を有する回折格子素子を容易に製造することができる。
【００３８】
なお、上記では、ＧｅＯ２が添加された石英ガラスからなる光導波路に対して波長２４８ｎｍの紫外レーザ光を照射して回折格子素子を製造する方法について説明したが、本発明に係る二次元または三次元の周期構造を有する回折格子素子の製造方法は屈折率変化誘起光の波長を問わない。
【００３９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、二次元または三次元の周期構造を有する回折格子素子を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る回折格子素子製造方法の説明図である。
【符号の説明】
１…感光性材料、２…回折格子板。
【図１】
2004309516.tif 000016