(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板の面上に、正三角形の各辺方向に同じ高さで同じ大きさの凸状の正三角形領域が各辺の長さの周期で繰り返し配列され、前記凸状の正三角形領域の間に向きを上下逆転させた同じ低さで前記凸状の正三角形領域と同じ大きさの凹状の正三角形領域が正三角形の各辺方向に各辺の長さの周期で繰り返し配列され、前記凸状の正三角形領域と前記凹状の正三角形領域が相互に隣接して前記透明基板の表面を密に覆うように配置され、前記透明基板を透過する基準波長光に対して、前記凸状の正三角形領域とそれに隣接する前記凹状の正三角形領域の間に、前記透明基板に垂直に入射する基準波長光に対して位相差がπ未満であり、前記透明基板に垂直に入射する基準波長光を４方向へ分岐するために用いられる回折光学素子をマスクとして用い、前記回折光学素子にフェムト秒レーザ光を入射させ、前記回折光学素子から生じる＋１次回折光同士のみを透明媒体中で干渉させることにより２次元的又は３次元的な微細な周期構造に対応する露光量分布のアレイを発生させ、前記透明媒体中に屈折率変調として記録することを特徴とするフォトニック結晶作製方法。
【請求項２】
前記回折光学素子の前記位相差が０．８１π〜０．９９πの範囲にあることを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶作製方法。
【請求項３】
前記２次元的な微細な周期構造が、反射防止構造体若しくは２次元フォトニック結晶であることを特徴とする請求項１又は２記載のフォトニック結晶作製方法。
【請求項４】
前記３次元的な微細な周期構造が、六方最密充填結晶格子状の３次元フォトニック結晶であることを特徴とする請求項１又は２記載のフォトニック結晶作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子を用いたフォトニック結晶作製方法に関し、特に、光ビーム分割素子等の光学素子として使用可能な回折光学素子を用いた２次元的、３次元的フォトニック結晶作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本願出願人は、特許文献１にて、正方形領域群が碁盤の目状に配置され、隣り合う正方形領域の基準波長光に対する位相差を略πとし、略垂直に入射する光束を４本又は５本の光束に分割する回折光学素子を提案している。
【０００３】
また、特許文献２においては、透明基板面が同一形状の微細な三角形領域群に分割され、隣り合う三角形領の基準波長光に対する位相差をπとして、略垂直に入射する光束を６本の光束に分割する回折光学素子が提案されている。
【０００４】
一方、非特許文献１において、３つの同じ回折格子を同一マスク面上に相互に１２０°回転配置させて、各回折格子からの回折光を干渉させて六角形アレイを作製している。
【特許文献１】特開２００５−７７９６６号公報
【特許文献２】米国特許第５，２０８，６２９号明細書
【特許文献３】特開２０００−５６１１２号公報
【特許文献３】特開２００４−１２６３１２号公報
【非特許文献１】“Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．”，Ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．２１，ｐｐ．３３９２〜３３９４
【非特許文献２】“ＳＰＩＥ”，Ｖｏｌ．８８３（１９８８），ｐｐ．８〜１１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、入射光を０次透過光１本とそれに対して同じ角度を持ち相互に同じ強さの３本の＋１次光に分割する回折光学素子を用いてフォトニック結晶を作製する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する本発明の回折光学素子を用いたフォトニック結晶作製方法は、透明基板の面上に、正三角形の各辺方向に同じ高さで同じ大きさの凸状の正三角形領域が各辺の長さの周期で繰り返し配列され、前記凸状の正三角形領域の間に向きを上下逆転させた同じ低さで前記凸状の正三角形領域と同じ大きさの凹状の正三角形領域が正三角形の各辺方向に各辺の長さの周期で繰り返し配列され、前記凸状の正三角形領域と前記凹状の正三角形領域が相互に隣接して前記透明基板の表面を密に覆うように配置され、前記透明基板を透過する基準波長光に対して、前記凸状の正三角形領域とそれに隣接する前記凹状の正三角形領域の間に、前記透明基板に垂直に入射する基準波長光に対して位相差がπ未満であり、前記透明基板に垂直に入射する基準波長光を４方向へ分岐するために用いられる回折光学素子をマスクとして用い、前記回折光学素子にフェムト秒レーザ光を入射させ、前記回折光学素子から生じる＋１次回折光同士のみを透明媒体中で干渉させることにより２次元的又は３次元的な微細な周期構造に対応する露光量分布のアレイを発生させ、前記透明媒体中に屈折率変調として記録することを特徴とする方法である。
【０００７】
この場合、前記回折光学素子の前記位相差が０．８１π〜０．９９πの範囲にあることが望ましい。
【０００９】
２次元的な微細な周期構造としては、反射防止構造体若しくは２次元フォトニック結晶がある。
【００１０】
３次元的な微細な周期構造としては、六方最密充填結晶格子状の３次元フォトニック結晶がある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明においては、凸状の正三角形領域と凹状の正三角形領域を２次元的に交互に密に配置するだけの簡単な構成で、入射光を０次透過光１本とそれに対して同じ角度を持ち同じ強さの３本の＋１次光に分割することができ、それにフェムト秒レーザ光を入射させることで２次元的、３次元的なフォトニック結晶を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の回折光学素子とそれを用いたフォトニック結晶作製方法を実施例に基づいて説明する。
【００１４】
本発明の回折光学素子１は、図１に斜視図を示すように、透明基板２の面上に、正三角形の各辺方向に同じ高さで同じ大きさの凸状の正三角形領域３が各辺の長さの周期で繰り返し配列され、その正三角形領域３の間に向きを上下逆転させた同じ低さで正三角形領域３と同じ大きさの凹状の正三角形領域４が同様に正三角形の各辺方向に各辺の長さの周期で繰り返し配列され、凸状の正三角形領域３と凹状の正三角形領域４が相互に隣接して透明基板２の表面を密に覆うようにし、透明基板２を透過する基準波長光に対して、凸状の正三角形領域３とそれに隣接する凹状の正三角形領域４の間に位相差φを与えるように構成されている。
【００１５】
そして、本発明においては、ＲＣＷＡ手法あるいはベクトル回折理論（非特許文献２）を用いて、透明基板２に垂直に基準波長λの光を入射させた場合に、回折光学素子１を透過する０次透過光と、その０次透過光に対して同じ角度を持つ３本の＋１次回折光とに分割するようにするための位相差φを求めた。
【００１６】
図２に、回折光学素子１と回折光の関係を示す。図２（ａ）は斜視図であり、図２（ｂ）は回折光学素子１の回折側から見た正面図である。透明基板２裏面に垂直に基準波長λの入射光１１を入射させた場合、図２（ｂ）に示すように、０次回折光１２が１本、＋１次回折光１３が３本、−１次回折光１４が３本発生するが、＋１次回折光１３と−１次回折光１４は必ずしも同じ強さで出るとは限らない。位相差φによっては、＋１次回折光１３が相対的に強く、−１次回折光１４が無視できる場合がある。すなわち、位相差φに依存して回折光が４本（０次回折光１２と＋１次回折光１３）から７本（０次回折光１２と＋１次回折光１３と−１次回折光１４）に変化する。なお、＋１次回折光１３は、図２（ｂ）に示すように、回折光学素子１の面に投影したとき、凹状の正三角形領域４の辺に直交する外側方向に射出し、−１次回折光１４は凸状の正三角形領域３の辺に直交する外側方向に射出する。したがって、回折光学素子１の面に投影したとき、＋１次回折光１３相互は１２０°をなし、−１次回折光１４は＋１次回折光１３の方向とは反対の方向を向いている。また、図２（ａ）に示すように、＋１次回折光１３は０次回折光１２に対して３本共同じ角度αをなして回折光学素子１から出る。
【００１７】
図３に、基準波長λ＝８００ｎｍ、正三角形領域３、４の辺に沿う方向の繰り返し周期１．０７μｍの場合の±１次回折光（±１次光）１３、１４と０次回折光（０次光）１２の回折効率（効率）と位相差φとの関係を求めた結果を示す。なお、他の波長、他の繰り返し周期の場合も同様の傾向を示す。
【００１８】
図３の結果から、入射光１１を略同じ強度の０次回折光１２と＋１次回折光１３の４本の光束に分割する用途の場合は、位相差φは、０．７π≦φ＜１．０πの範囲にあることが望ましく、また、後記するように、＋１次回折光１３相互を干渉させてフォトニック結晶構造を作る用途には、０．８π≦φ＜１．０の範囲にあることが望ましく、両者合わせて０．７π≦φ＜１．０、より望ましくは、０．８１π≦φ≦０．９９πの範囲にあることが好ましいことが分かる。
【００１９】
本発明の回折光学素子１からの３本の＋１次回折光１３を相互に干渉させるようにして、２次元的又は３次元的な露光量分布を得ることができる。すなわち、透明媒体に屈折率変調を与えることが可能であるとされているフェムト秒レーザ（特許文献３）と本発明の回折光学素子１を用いれば、透明な媒体（石英、プラスチック等）の内部に一挙に六方最密充填結晶格子状の２次元的又は３次元的フォトニック結晶構造を作製することが可能となる。
【００２０】
以下に、まず、入射光１１としてフェムト秒レーザ光を用いることで、０次回折光１２と＋１次回折光１３を干渉させないで、＋１次回折光１３同士のみを干渉させることができることを説明する。図４に示すように、露光には例えばＴｉサファイア発振器で繰り返し周波数は１ｋＨｚでパルス幅は１５０ｆｓであって、波長は８００ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓ間に進む光の距離（光学距離）４５μｍのフェムト秒レーザ光を入射光１１として回折光学素子１に垂直に入射させると、図４（ａ）に示すように、回折光学素子１から出た直後では回折光学素子１に垂直な方向（Ｚ方向）では０次回折光１２のパルスと３本の＋１次回折光１３のパルスの位置の差はないが、図４（ｂ）に示すように、回折光学素子１から１ｍｍ程度の位置で、すでにＺ方向に５００μｍの位置の差が出てしまい、お互いに干渉しない。したがって、＋１次回折光１３のパルス同士のみが干渉し、後記の実施例から明らかなように、図５に示したような六方最密充填結晶格子状の３次元フォトニック結晶構造が形成されることになる。各格子点は、＋１次回折光１３のパルス同士が干渉して導入された屈折率変調部分である。
【００２１】
このようなフォトニック結晶の用途としては、光導波路があげられる。３次元的な格子点の周期構造中に欠陥に相当するものを導入する必要があるが、このような周期構造さえできれば、後工程でそのような欠陥を導入することが可能である。３次元フォトニック結晶が実現すれば、光回路等、電気回路以上に高速で細密なＬＳＩも実現できる。
【００２２】
従来、３次元的なホログラフィック記録方法としては、特許文献４に示すものがあるが、分割して干渉させるビームは４本であり、本発明の３本とは異なり、かつ、作製されるものは六方最密な３次元的な構造ではない。また、３次元記録を実用化するには、フェムト秒パルスのパルス幅が短いため、４本のパルス光束を１点で干渉露光させるためには複雑な露光系が必要とされていたが、本発明では回折光学素子１だけを用いているので、系が単純化され、容易に３本の光束を干渉させることが可能となる。
【００２３】
以上は、３本の光束の３次元干渉によるものであるが、２次元的な干渉を得ることも可能なことは明らかである。非特許文献１に記載のものと同様に、六角形アレイを作製して、反射防止構造体や２次元的フォトニック結晶を得ることができる。露光波長は、干渉部分を記録できる波長にすればよく、例えば紫外線感光レジストを使用する場合には、紫外線波長に対して位相差φの範囲を設定すればよい。
【００２４】
なお、本願出願人による特許文献１の場合に比較して、本発明の回折光学素子１を用いた場合、露光量強度分布が密になるため、フォトニック結晶構造、反射防止構造体を作製する際も、より優位な設計が可能となる。
【００２５】
以下に、具体的な回折光学素子１の実施例を説明する。この実施例の回折光学素子１は、凸状の正三角形領域３、凹状の正三角形領域４の１辺が１．０７μｍの正三角形からなる三角格子について、ＲＣＷＡ手法による電磁場解析を行った。出射する光は、略０次回折光１２と＋１次回折光１３との４本であり、これによる干渉計算も行った。
【００２６】
入射光１１の波長は０．８μｍのランダム偏光であり、回折光学素子１の背面（正三角形領域３、４が配置された面とは反対側の面）から垂直に入射させた。
【００２７】
回折光学素子１の屈折率は１．４６０、位相差φは０．９８７πである。
【００２８】
図２のように、入射光１１がそのまま回折光学素子１を通過して０次回折光１２となる光が存在するが、上記の３方向に分岐する＋１次回折光１３は、この０次回折光１２とα＝５９．７°の等しい角度をなし、それぞれ同じ強度である。それらの強度は以下のようになった。
【００２９】
０次回折光１２      ：４３．５％
＋１次回折光１３合計：４３．６％
この＋１次回折光１３の３本の光束の干渉で、図５のような３次元フォトニック結晶構造を作ることができた。図５のａ面、ｂ面、ｃ面、ｄ面（ａ面）の露光量強度分布を図６（ａ）から（ｄ）に示した。結像位置によって、強度分布が交互に現れ、六方最密充填格子ができていることが観察できる。なお、図６（ａ）はＺ＝９０．３５μｍの面、図６（ｂ）はＺ＝９０．６２μｍの面、図６（ｃ）はＺ＝９０．８９μｍの面、図６（ｄ）はＺ＝９１．１６μｍの面である。
【００３０】
次に、比較例を説明する。この比較例の回折光学素子は上記実施例のような構成をしており、位相差φのみが異なり１．５０７πである。そのため、その回折光学素子の背面から垂直に入射させた波長０．８μｍのランダム偏光の入射光は、そのまま通過する０次回折光と、６方向に分岐する＋１次回折光、−１次回折光の７本に分岐する。
【００３１】
０次回折光          ：５７．１％
＋１次回折光合計    ：２１．２％
−１次回折光合計    ：２１．７％
±１次回折光６本が干渉することにより、図７（ａ）から（ｄ）に示した強度分布が得られる。図７（ａ）はＺ＝９０．３５μｍの面、図７（ｂ）はＺ＝９０．６２μｍの面、図７（ｃ）はＺ＝９０．８９μｍの面、図７（ｄ）はＺ＝９１．１６μｍの面である。図７から明らかなように、干渉位置によって干渉縞は周期的に現れず、六方最密充填格子作製用位相マスクとして機能しないことが分かる。
【００３２】
以上、本発明の回折光学素子とそれを用いたフォトニック結晶作製方法をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による回折光学素子の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明による回折光学素子と回折光の関係を示す斜視図と正面図である。
【図３】図１の回折光学素子の±１次回折光と０次回折光の回折効率と位相差との関係を求めた結果を示す図である。
【図４】フェムト秒レーザ光を用いる場合に本発明による回折光学素子による＋１次回折光同士のみを干渉させることができることを説明するための図である。
【図５】本発明の方法により形成可能な六方最密充填結晶格子状の３次元フォトニック結晶構造を示す斜視図である。
【図６】本発明の１実施例の回折光学素子を用いて得られる図５のａ面、ｂ面、ｃ面、ｄ面に対応する位置での露光量強度分布を示す図である。
【図７】本発明の比較例の回折光学素子を用いて得られる図６と対応する位置での露光量強度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…回折光学素子
２…透明基板
３…凸状の正三角形領域
４…凹状の正三角形領域
１１…入射光
１２…０次回折光
１３…＋１次回折光
１４…−１次回折光
【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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