(57)【要約】  本発明によると、回折格子構造の設計方法であって、当該回折格子構造の回折周期(d)は少なくとも2つの回折格子線を有し、各回折格子線は隣接するピラー(2)と溝(3)の対からなる、方法は、回折次数の所望の回折効率ηdを決定する工程、及び、前記ピラー(2)と溝(3)の寸法を設定する工程であって、該寸法の設定により、前記ピラーに沿って伝播する基本波モードの実効屈折率neffに基づいて、当該回折格子構造を伝播する光によって生じる位相シフトΦを各ピラーについて計算するときに、隣接するピラー間での計算した位相シフト差が前記の所望の回折効率によって必要とされる位相プロファイルΦrに対応する、工程、を有する。
2010519588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折周期が少なくとも2つの回折格子線を有し、各回折格子線は隣接するピラーと溝の対からなる、回折格子構造の設計方法であって：
回折次数の所望の回折効率ηdを決定する工程；及び、
前記ピラー及び溝の寸法を設定する工程であって、該寸法の設定により、前記ピラーに沿って伝播する基本波モードの実効屈折率neffに基づいて、当該回折格子構造を伝播する光によって生じる位相シフトΦを各ピラーについて計算するときに、前記隣接するピラー間での計算した位相シフト差が、前記の所望の回折効率によって必要とされる位相プロファイルΦrに対応する、工程；
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記所望の回折効率ηdが、λ1からλ2までの波長範囲において実質的に一定となるように決定され、かつ
前記ピラー及び溝は、前記波長範囲内において、前記隣接ピラー間での計算した位相シフトφの差が実質的に一定となるような寸法に設定される、
ことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記所望の回折効率ηdが一定ではない波長応答を有するように決定され、かつ
前記の計算した位相シフトφと、複数の波長λiでの前記所望の回折効率によって必要とされる位相プロファイルφrとの間で対応が生成されるように、前記ピラー及び溝の寸法が設定される、
ことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記の所望の回折効率ηdの一定ではない波長応答が、光源及び前記回折格子を含む光学系内での前記光源のスペクトルを実質的に補償するように決定されることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
【請求項５】
当該方法はパラメータを最適化する工程をさらに有し、
前記の実効屈折率neffに基づいて計算されるピラー及び溝の寸法は、前記最適化プロセスの開始点として用いられる、
ことを特徴とする、請求項1から4までのいずれかに記載の方法。
【請求項６】
少なくとも2つの回折格子線を有し、各回折格子線は1対の隣接ピラー及び溝からなる、回折格子構造であって、
各ピラーについて、該ピラーに沿って伝播する基本波モードについての実効屈折率neffに基づいて、当該回折格子構造を伝播する光が受ける位相シフトを計算するとき、前記隣接ピラー間での計算した位相シフト差が回折次数の所定の所望回折効率ηdによって必要とされる位相プロファイルφrに対応するように、前記ピラー及び溝の寸法は設定される、
ことを特徴とする回折格子構造。
【請求項７】
前記所定の所望回折効率ηdが、λ1からλ2までの波長範囲において実質的に一定となるように決定され、かつ
前記ピラー及び溝は、前記波長範囲内において、前記隣接ピラー間での計算した位相シフトφの差が実質的に一定となるような寸法に設定される、
ことを特徴とする、請求項6に記載の回折格子構造。
【請求項８】
前記波長λ1がλ2の少なくとも1.5倍で、好適には少なくとも2倍であることを特徴とする、請求項7に記載の回折格子構造。
【請求項９】
前記所定の所望回折効率ηdが一定ではない波長応答を有するように決定され、かつ
前記ピラー及び溝の寸法が設定され、それにより前記ピラー及び溝が、前記の計算した位相シフトφと、複数の波長λiでの前記所望の回折効率によって必要とされる位相プロファイルφrとの間で対応を生成する、
ことを特徴とする、請求項6に記載の回折格子構造。
【請求項１０】
前記の所定の所望回折効率ηdの一定ではない波長応答が、光源及び前記回折格子を含む光学系内での前記光源のスペクトルを実質的に補償するように決定されることを特徴とする、請求項9に記載の回折格子構造。
【請求項１１】
前記回折周期が少なくとも2つの異なる溝深さを有することを特徴とする、請求項6から10のいずれかに記載の回折格子構造。
【請求項１２】
前記回折周期が少なくとも3本の回折線を有することを特徴とする、請求項6から11のいずれかに記載の回折格子構造。
【請求項１３】
傾斜型であることを特徴とする、請求項6から12のいずれかに記載の回折格子構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回折格子構造及び該回折格子構造の設計方法に関する。焦点は回折格子の性能の波長依存である。
【背景技術】
【０００２】
回折格子は、非常に様々な用途において実効的な光操作を可能にする微小光学中の重要な部品である。一部の典型的な用途にはたとえば、導波路すなわち導光路に対して光を結合すること、1本の光ビームを広いビーム又は複数のサブビームに変換すること、及び最初最適ではない幾何学形状のレーザービームを整形することが含まれる。
【０００３】
有効な回折格子構造の設計及び製造のいずれにおいても絶えず発展しているにもかかわらず、依然として1つの深刻な問題が存在する。表面レリーフ及び体積回折格子では、回折格子を伝播する光はngh/λに比例する位相シフトを受ける。ここで、ngは回折格子材料の屈折率、hは回折格子構造の厚さ、及びλは波長である。よって回折格子を伝播した後の光電場の位相は入射波長に強く依存する。位相は回折現象において中心的な役割を果たすので、この結果、波長が設計したものから変化するときに、回折効率は急激に変化する。
【０００４】
一部の特殊な場合では、波長依存性は、波長の関数として増大する屈折率を有する回折格子材料によってある程度は緩和することができる。しかし一般的な状況としては、回折格子の波長応答を制御するための普遍的に適用可能な解決法は従来技術においては知られていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】サーリネン(Saarinen)他、応用光学(Applied  Optics)、第34巻、pp.2401-2405、1995年
【非特許文献２】ラッコネン(Laakkonen)他、米国光学会誌（Journal  of  Optical  Society  of  America  A）、第23巻、pp.3156-3161、2006年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、広い波長範囲にわたって波長応答が制御される回折格子構造の設計方法を供することである。他の目的は係る回折格子構造を供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による回折格子構造の設計方法及び該回折格子構造はそれぞれ、請求項1及び6で与えられた事項によって特徴付けられる。
【０００８】
本発明の方法は回折格子構造に焦点を当てている。前記回折格子の周期は2本の回折線を有し、各回折線は1対の隣接するピラー及び溝からなる。これらの種類の多重線周期は基本的には数十年からから知られており、係る回折格子構造の有効性及び多目的性を示す一の研究が非特許文献1に著された。
【０００９】
本発明によると、当該方法は：
回折次数の所望の回折性能、つまり所望の回折効率ηd、を決定する工程；及び、
前記ピラー及び溝の寸法を設定する工程であって、該寸法の設定により、前記ピラーに沿って伝播する基本波モードの実効屈折率neffに基づいて、当該回折格子構造を伝播する光によって生じる位相シフトΦを各ピラーについて計算するときに、隣接するピラー間での計算した位相シフト差が、前記の所望の回折効率によって必要とされる位相プロファイルΦrに対応する、工程；
を有する。
【００１０】
前記所望の回折効率を決定する工程は、どの回折次数で光が回折されるべきか、及びどの程度の相対比率で光が回折されるべきかを選択する工程を有する。最も単純な場合は当然、全ての回折光を第1次の回折次数に集中させることだが、一例に過ぎないが、標的は9つの回折次数に均等な強度であっても良い。よって所望の回折効率から、FFT（高速フーリエ変換）によって、そのような回折性能を実現するのに必要な位相プロファイルφrを計算することは、当業者にとっては標準的な方法である。
【００１１】
互いに近接する隣接ピラーからなる構造中を光が伝播するとき、光は高い屈折率の領域に閉じこめられる。従って、ピラー間の領域の効果は無視できて、かつ回折格子の応答は、高い屈折率を有するピラー内部を伝播する光を考慮することによって制御できる。
【００１２】
ピラー及び溝の寸法を設定する工程では、本発明の中心的原理は、回折格子の各ピラーを平面導波路として扱うことである。導波路内部では、光は導波モード-これは異なる横方向分布を有する-で伝播する。各モードはまた異なる伝播速度をも有する。その伝播速度は、高速をそのモードの実効屈折率neffで除することによって計算することができる。つまりc=c0/neffである。導波路の厚さが波長のオーダーである場合、最低次数の導波モード-基本導波モードと呼ばれる-が重要となるので、光がピラーに沿って伝播するときに生じる位相シフトが明らかになる。その結果、最低モードの実効屈折率は、各ピラー内での光の挙動を支配し、かつ構造中での光の挙動を解析するのに用いることが可能となる。本発明は、導波路の実効屈折率が導波路の寸法に依存するという事実に基づいている。よって、ピラーの実効屈折率つまりは回折格子の全体的な性能は、その回折周期のピラー及び溝の寸法を調節することによって制御可能である。
【００１３】
当然実効屈折率も波長であり、またピラーの長さの範囲内で起こる光の全位相シフトも波長依存である。しかし本発明者らは、ピラー及び溝の寸法、つまりは実効屈折率を適切に選ぶことによって、異なるピラー間の位相差を制御することが可能となり、また回折格子の波長応答を制御することも可能となる。この波長応答を制御する能力は、回折格子の全技術分野にとって大きな一歩である。
【００１４】
2つの隣接するピラー間での計算した位相シフトφの差異に対して必要な位相プロファイル曲線φrが対応するとは、前記差異が、前記2つの隣接するピラーが実質的に同一の位置を占める位置での必要な位相プロファイル曲線の2点間での位相差と実質的に等しいことを意味する。
【００１５】
本発明の一の好適実施例では、所望の回折効率ηdを、λ1からλ2までの波長範囲において実質的に一定となるように決定するときに、ピラー及び溝は、その波長範囲内において、隣接ピラー間での計算した位相シフト差が実質的に一定となるような寸法に設定される。実効屈折率neffを有する高さhのピラーの計算した位相シフトはφ=neffh2π/λである。よって高さの等しい2つのピラー間での位相差はΔφ=(Δneff)h2π/λである。実質的に一定の回折効率を探し出すとき、任意の2つの隣接ピラーについての計算した位相シフト差の最小値は好適には最大値の少なくとも80%で、より好適には少なくとも90%である。本発明のこの実施例によって実現可能な実質的に平坦な波長応答は多くの用途において非常に有利である。
【００１６】
本発明の別な好適実施例では、所望の回折効率ηdが一定ではない波長応答を有するように決定され、かつ、隣接ピラーの計算した位相シフトφの差異と複数の波長での所望の回折効率によって要求される位相プロファイルφrとの間で前記対応を生成するように、ピラー及び溝の寸法が設定される。回折次数に係る所望の回折効率ηdが波長に依存するとき、各波長λiについてのこれらの回折効率によって要求される特定の位相プロファイルφrが存在する。複数の波長で前記の差異を生成することによって、回折格子構造は、所望である非一定の回折性能を実現するように作られる。より多種類の波長が処理されることで、実現される回折格子の最終的な性能は、より正確に所望の回折効率となる。本発明のこの実施例の非常に有利な特徴は、原則として任意の回折性能の波長応答が実現可能なことである。
【００１７】
一の好適実施例では、所望の回折効率ηdの一定ではない波長応答が、光源及び回折格子を含む光学系内での光源のスペクトルを実質的に補償するように決定される。たとえばバルブのような熱光源を有する系では、照射強度が波長に対して平坦な応答となるようにするため、光源の固有なプランク強度分布を補償することは有利になりうる。他方、たとえば一部の照射用途においては、回折格子を伝播した後の所望のスペクトルの強度は日光のような波長依存をして良く、よって所望の回折効率はそれに従って選ばれなければならない。
【００１８】
上述した導波路のアナロジー及び前記計算の結果は全ての場合において完全に正確というわけではないことに留意することは重要である。実際、たとえばピラーが狭くなればなるほど、推定は厳密なものでなくなり、さらには計算結果も厳密ではなくなる。回折性能は、信頼性のある結果を得るための電磁波回折理論によって、より厳密に計算することができる。しかし電磁波理論を用いることによって、閉じた状態での結果を実現することは不可能となり、かつ回折格子構造プロファイルは回折格子の必要とされる位相曲線から直接解くことができなくなる。この問題を解決するため、本発明の一の実施例では、当該方法はパラメータを最適化する工程をさらに有する。ここで実効屈折率neffに基づいて計算されるピラー及び溝の寸法は、最適化プロセスの開始点として用いられる。最適化の開始点を供する際には、導波路アナロジー法が、大抵の場合において、所望の回折格子性能を満たすのに必要な構造を表すのに十分正確な方法である。最後の最適化工程では、製造プロセスによって設定される回折格子の幾何学形状の考えられ得る制約が考慮されて良い。
【００１９】
本発明の方法の回折格子構造は少なくとも2つの回折格子線を有し、各回折格子線は1対の隣接ピラー及び溝からなる。本発明によると、各ピラーについて、そのピラーに沿って伝播する基本波モードについての実効屈折率neffに基づいて、回折格子構造を伝播する光が受ける位相シフトを計算するとき、隣接ピラー間での計算した位相シフト差が回折次数の所定の所望回折効率ηdによって要求される位相プロファイルφrに対応するように、ピラー及び溝の寸法は設定される。換言すると、2つの隣接ピラー間の計算した位相シフト差は要求される位相プロファイルの2点間での位相差と実質的に同一であり、前記2点は前記ピラーの位置に相当する位置で選ばれる。実効屈折率法の原理は、上で本発明の方法に関連して説明した。
【００２０】
本発明の一の好適実施例では、所定の所望回折効率ηdはλ1からλ2までの波長範囲において実質的に一定であり、かつ、それに対応してピラーと溝の寸法は、その波長範囲において実質的に一定な隣接ピラー間での計算した位相シフト差を生成するように調節される。より厳密には、波長範囲は、λ1から少なくともλ2=1.5λ1にまで及ぶことが好ましく、λ1から少なくともλ2=2λ1にまで及ぶことがより好ましい。実質的に平坦な回折効率を有するこのような広い波長帯は従来技術に係る解決法では実現されてこなかった。
【００２１】
他の好適実施例では、所定の所望回折効率ηdは一定ではない波長応答を有し、かつ、ピラー及び溝の寸法は、計算した位相シフトφと複数の波長λiでの所望の回折効率によって要求される位相プロファイルφrとの対応を生成するようなものである。たとえば所定の所望回折効率ηdの一定ではない波長応答は、光源及び回折格子を含む光学系内での光源スペクトルを実質的に補償できる。このようにして、その種の光学系の出力の波長応答を一定に設定することができる。これにより、比類なき利点が-たとえば多くの照射用途において-供される。
【００２２】
回折格子構造の回折周期は少なくとも2つの異なる溝深さを有することが好ましい。この実施例において溝深さとは、ピラー上部から隣接する溝底部までの垂直距離を意味する。当業者に知られているように、回折格子の全体効率は、設計段階での自由度が増大するときに改善可能となる。2つの回折線及び2つの溝深さを有する回折格子構造の効率は、たとえば非特許文献2によって明らかにされた。
【００２３】
溝深さに加えて、自由度もまた一周期内での回折線の数を増大させることによって増大させることができる。従って一の好適実施例では、回折格子構造の回折周期は少なくとも3本の回折線を有する。この好適実施例が有する他の利点は、回折線が増大することで、別個の独立したピラーによって生成される位相プロファイルが必然的に必要とされる位相プロファイルφrの連続曲線に接近することである。
【００２４】
回折格子構造は傾斜型であることが好ましい。傾斜型回折格子構造は、特に様々な結合用途-たとえば導波路又は導光路へ入り込む光及び/又は導波路又は導光路から外へ飛び出す光の結合-において有用かつ有効であることを発見した。
【００２５】
本発明の利点をまとめると、本発明の方法及び回折格子構造は、広い波長範囲にわたって、回折格子の波長依存性を有効に制御する方法を初めて供するものである。このことは、回折光学を利用による大きな利点を供し、かつ全体として新たな用途の分野を切り開くものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一の実施例による設計方法を表す。
【図２】本発明による回折格子構造の例を表す。
【図３】本発明による回折格子構造の例を表す。
【図４】本発明の様々な実施例による回折格子構造のシミュレーション結果を表す。
【図５】本発明の様々な実施例による回折格子構造のシミュレーション結果を表す。
【図６】本発明の様々な実施例による回折格子構造のシミュレーション結果を表す。
【図７】本発明の様々な実施例による回折格子構造のシミュレーション結果を表す。
【図８】本発明の様々な実施例による回折格子構造のシミュレーション結果を表す。
【図９】本発明の様々な実施例による回折格子構造のシミュレーション結果を表す。
【図１０】本発明の様々な実施例による回折格子構造のシミュレーション結果を表す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明をさらに理解してもらうために含まれ、かつ本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の実施例を表し、かつ明細書と共に本発明の原理の説明を助ける。
【００２８】
図1のグラフによって示された設計プロセスは、様々な回折次数kの所望の回折効率及び回折性能の波長依存性を決定することによって開始される。所望の回折効率は、全回折効率ηtotalの相対比率ηrel-つまり図1に図示されているようにゼロ次を除く全回折次数の回折効率の合計-として決定されて良いし、又は絶対効率-たとえば透過率の2乗-によって決定されても良い。図1の手順では、ゼロ次以外の回折次数の相互の比率は一定のままであり、かつ波長応答は全回折効率ηtotalの波長応答として取り扱われる近似がなされる。所望の回折効率が如何にして決定されようとも、各波長λiについて様々な回折次数の所望の回折効率ηdからなる特定の組が原則的には存在する。よってηdから、フーリエ変換によって、各波長λiについての電場Er及び位相φrの必要なプロファイルを回折格子構造表面での位置xの関数として計算することができる。これらのプロファイルのいずれも周期的であって、その周期はdである。
【００２９】
当該プロセスの重要な工程は、必要とされる位相プロファイルを回折格子構造に変換する工程である。図1の最も下に描かれているグラフは、回折格子構造表面での位置xの関数として、2つのピラー2及び2つの溝3を備えた2本線の回折周期を有する回折格子構造の表面プロファイル1を図示している。前記ピラーは、必要な位相プロファイル曲線φrの最大及び最小に実質的に位置している。設計手順では、各ピラーは、x方向に厚さwiを有し、かつ前記ピラーの長手方向-つまりz方向-とy軸方向の両方において不変な導波路として取り扱われる。この種の導波路については、前記ピラーに沿って伝播する最低導波モードの実効屈折率neff,iを計算することができる。各ピラーの実効屈折率は当然のこととして回折格子材料の屈折率ngに依存し、それだけなくピラーの幅wi及び周囲の屈折率naにも依存する。各ピラーは計算した位相シフトがφi=hneff,i2π/λである回折格子構造を伝播する光を生成する。ここでhは回折格子構造の厚さを表す。簡明を期すため、この方程式では、問題となっているピラーの高さと回折格子構造全体の厚さとの間で生じうる差異の効果は無視されている。厳密に述べると、実際のピラーの幾何学形状の下で起こる位相シフトはneff,iではなく回折格子材料の屈折率nBに依存する。事実このことを考慮すると、各ピラーによって生成される位相は、各溝深さhiを調節することによって各別個に調節することができる。回折格子構造全体の性能に影響する一のパラメータは隣接ピラーiとjの中心線間の間隔sijである。
【００３０】
ピラー及び溝の寸法、つまりはピラーの実効屈折率、が設定される。その設定により、隣接ピラーの計算した位相シフト差は必要とされる位相プロファイルの最大と最小の間の位相差Δφrと実質的に等しくなる。つまりΔφi=φ2-φ1=h(neff,2-neff,1)2π/λ≒Δφrである。
【００３１】
単一の回折周期内に3つ以上の回折線が存在する場合、それに対応して隣接ピラーからなる各対間での位相シフト差を調節しなければならない。よってたとえば3本の回折線を有する場合、解析され、かつ必要とされる位相プロファイルと比較される隣接ピラーの対は2対存在する。
【００３２】
所望の回折性能の波長応答が一定である最も単純な場合、必要とされる位相プロファイルφrは波長とは独立している。よって上述の手順は1回だけ行われれば良く、かつ隣接ピラーの計算した位相シフト差Δφiは問題となっている波長範囲にわたって実質的に一定のままであることを保証する必要があるだけである。
【００３３】
設計プロセスは、回折効率の波長に対する依存性が一定でないことが望ましいときにはある程度複雑になる。よって、2つのピラー間の計算した位相シフト差と必要とされる位相プロファイルとの比較が複数の波長λiで行われる必要があり、かつ各波長で上述した位相差の対応に係る要件を満たす幾何学形状を見つける必要がある。当然のこととして、回折効率の所望の波長応答をより正確に実施しようとすると、より多くの種類の波長を検討する必要がある。
【００３４】
図1に図示されている手順の後、回折格子の幾何学形状設計の最終調節が、寸法が設定されたピラー及び溝を開始地点として用いた後続のパラメータ最適化工程によって実行されて良い。
【００３５】
図2は図1と比較してより洗練された回折格子構造の一例を図示している。回折周期は3対のピラー2及び溝3から構成される。2本の代わりである3本の回折線に加えて、図2に図示された回折格子構造のプロファイルは、回折格子が傾斜型であるという点においても、図1の回折格子構造のプロファイルと異なる。このことは、ピラー及び溝が、回折格子面の法線に対して角度Φだけ傾いていることを意味する。傾斜回折格子形状は、多くの用途において非常に有効であることが分かった。その構造の詳細な寸法設定に加えて、回折格子の設計プロセス及び動作に関連する一の重要なパラメータは、その回折格子と相互作用する光の入射角である。図2に図示されているように、光は、回折格子基板面から回折格子構造へ入り込む。当然のこととして、設計された入射方向は、反対側であっても良い。
【００３６】
図1及び図2の回折格子構造表面プロファイルとは対照的に、図3に図示された回折格子の溝3の底部は同一レベルだが、ピラー2の上部はそれぞれ異なる高さに位置している。この種の構造は、回折格子が複製法によって-つまり最終的な回折格子構造の反転プロファイルを有するマスターツールによって回折格子プロファイルを回折格子の主材料へ刻印することによって-作成されるときに特に有利である。マスターツールは、溝深さが一定で高さが変化するピラーを作製するよりも、高さが等しくて溝深さが変化するピラーをより容易に製造する。実効屈折率及び位相シフトの原則はこの構造でも有効である。また構造パラメータは上述の原則に従って選ばれて良い。
【００３７】
本発明の性能を確認するため、複数の実験が行われた。たとえば図4は、1000nm〜2000nmの波長範囲にわたって回折効率が実質的に一定である1次の回折次数にて高い回折効率を生成するように設計されたTM偏光についての2本線回折格子構造内のピラーについての実効屈折率を図示している。光の入射角は垂直に設定された。回折格子材料の屈折率ngは1.5に設定され、かつ出力材料はna=1.0に設定された。必要とされる位相プロファイルによると、2つのピラー間での位相シフト差はπであった。これでは、入射角の偏向が最大となる。図4に図示されているように、設計された構造の両ピラーについての最低モードの実効屈折率neff,1及びneff,2は波長の関数として減少する。しかしピラーの寸法が設定され、それによりピラーの実効屈折率差Δneff,iは、方程式Δφ=hΔneff2π/Λにおける1/λでの減少を実質的に補償するような割合で増大する。よって図5に図示されているように、ピラーの位相シフト差Δφ-回折格子の特性において主要な役割を果たす-は実質的に一定である。
【００３８】
さらなるパラメータ最適化工程後、計算した回折格子構造の高さが本来h=4100nmである構造は以下のパラメータによって定義された。そのパラメータとはd=3252nm、h1=3153nm、h2=3802nm、θ=0°、φ=5.4°、w1=555nm、w2=1406nm、及びs12=1556nmである。当該構造のシミュレーションによる回折効率は図6に図示されている。その効率は80%に集中し、ばらつきは顕著に小さくなっている。そのため従来の回折格子よりも明らかに優れている。たとえ波長が2倍になったとしても、効率は大幅には変化しない。設計はTM偏光についてされているが、対応する構造はTE偏光に対しても設計されて良い（電場がy成分しか有していない場合、その状態はTE偏光と呼ばれる。磁場がy成分しか有していない場合、その状態はTM偏光と呼ばれる）。この例はまた、傾斜型構造が、法線入射された際に、広帯域の挙動で高効率を可能にすることを証明している。
【００３９】
他の検証された回折格子構造は2つの代わりに3つのピラーで構成される。最終的なパラメータ最適化によって以下のパラメータが得られた。そのパラメータとはd=3656nm、h1=3441nm、h2=3859nm、h3=3863nm、θ=-5°、φ=0°、w1=134nm、w2=589nm、w3=1421nm、s12=1012nm及びs23=1695nmである。単一回折周期中により多くの回折線が存在するとき、より大きな周期が用いられて良いので、より小さな回折角が得られる。この構造についてのシミュレーションによる回折効率が図7に図示されている。繰り返しになるが、その挙動はほとんど波長に対して独立していて、かつその効率は1000nm〜2000nmの全波長範囲にわたって高い。
【００４０】
上述の例はTM偏光にしか関係していない。回折格子は無偏光用にも設計されている。無偏光用に設計された2本線の回折周期の一例は以下のパラメータによって決定された。そのパラメータとは、d=3605nm、h1=3033nm、h2=3129nm、θ=-6.3°、φ=0°、w1=479nm、w2=1265nm、及びs12=1456nmである。その回折格子の応答が図8に図示されている。ここでは効率は低いが、依然として曲線は波長に対して顕著には依存していない。その構造はいずれの偏光に対しても最適というわけではないが、いずれの偏光に対しても十分機能する。
【００４１】
平坦な波長応答に加えて、ただ平坦な波長応答ではなくある特別な波長応答を有するように回折効率が設計されるような用途が数多く存在する。たとえば回折格子のスペクトル応答による光源の固有スペクトルの補償は、多くの用途において利点を供する。本発明の自由自在性を際立たせる一の試験構造が、ほとんどの熱光源の基本スペクトル応答を構成するプランク強度分布を打ち消すように設計された。2本線の回折周期の最適化された回折格子は以下のパラメータを有する。そのパラメータとは、d=1621nm、h1=2278nm、h2=2600nm、θ=-9.5°、φ=0°、w1=352nm、w2=790nm、及びs12=648nmである。この場合、波長範囲は、スペクトルの可視部分及び近赤外-つまり400-1000nm-に制限される。シミュレーションによる回折効率4及びプランク曲線5、並びに全出力を表すシミュレーションによる回折効率4とプランク曲線5の積6が図9に表されている。図9から分かるように、本発明は、たとえ入射強度が大きなばらつきを含んでいても、回折格子を介することで出力をほとんど一定にすることを可能にする。
【００４２】
最後に、図10はより大きな屈折率n=1.7を有する設計構造のTM偏光及び可視光についてのシミュレーションによる効率曲線を図示している。その構造は以下のパラメータを有する。そのパラメータとは、d=1058nm、h1=72nm、h2=843nm、θ=-6.4°、φ=0°、w1=186nm、w2=439nm、及びs12=483nmである。このとき、効率の最小値は77.5%であり、屈折率が大きくなっているので、その構造はかなり浅くなっている。最も狭い溝のアスペクト比はここでは5.3である。この値は製造限界の範囲内である。
【００４３】
当業者にとって明らかなように、本発明の基本的な考え方は様々な方法で実施可能である。よって本発明及びその実施例は上述の例に全く限定されるものではない。しかし本発明及びその実施例は「特許請求の範囲」の請求項の技術的範囲内で変化して良い。特に回折効率の波長応答は原則として如何なる所望の型であっても良いことに留意して欲しい。本発明はスペクトルの赤外、紫外、及び可視領域に適用可能である。また設計された光の入射角は大きく変化して良く、かつ傾斜角によって制御可能である。
【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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【国際調査報告】
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