(57)【要約】【課題】  回折効率の高い回折格子を、製作しやすい単純な構造で実現する。【解決手段】  回折格子１００には矩形のリッジ部２０が一定の周期ｐで並んでおり、このリッジ部２０は基板１０側から順に、第１低屈折率部１１、高屈折率部１２、第２低屈折率部１３から構成されている。第１低屈折率部１１と基板１０との屈折率差を０．１以下とすることにより、エッチングでリッジ部２０を形成する際にエッチング深さを厳密に制御する必要なしに、回折効率の高い回折格子を作製できる。【選択図】  図１
2007101926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に互いに平行な複数のリッジ部が一定の周期で設けられた透過型回折格子において、
前記リッジ部は、前記基板側から順に、第１低屈折率部、高屈折率部および第２低屈折率部を含んでなり、
前記第１低屈折率部は、前記基板との屈折率差が０．１以下であり、
前記高屈折率部は、前記第１低屈折率部および第２低屈折率部よりも高屈折率であることを特徴とする透過型回折格子。
【請求項２】
前記第１低屈折率部の屈折率と前記基板の屈折率とが、実質的に同じである請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項３】
前記第１低屈折率部が実質的に二酸化珪素からなり、前記基板が実質的に石英ガラスからなる請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項４】
前記第１低屈折率部が前記基板の一部からなる請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項５】
前記基板が実質的に石英ガラスからなる請求項４に記載の透過型回折格子。
【請求項６】
前記第１低屈折率部の屈折率と前記第２低屈折率部の屈折率とが、実質的に同じである請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項７】
前記第２低屈折率部が実質的に二酸化珪素からなる請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項８】
前記高屈折率部の屈折率が、２．０以上で２．５以下である請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項９】
前記高屈折率部が、実質的にＴａ2Ｏ5，ＴｉＯ2およびＮｂ2Ｏ5からなる群から選ばれる少なくとも一種からなる請求項１に記載の透過型回折格子。
【請求項１０】
前記高屈折率部が実質的にＴａ2Ｏ5からなる請求項９に記載の透過型回折格子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の透過型回折格子に、該透過型回折格子の前記基板の法線方向からθの角度で、前記リッジ部の長手方向に対して垂直に光を入射させる際、この入射角度θが、
｜θ−θ0｜＜１０°
の条件を満たす分光素子。
ただし、θ0は、真空中における入射光の波長域の中心値をλ0、入射側媒体の屈折率をｎi、前記リッジ部の周期をｐとして、次式により定義される。
ｎi・sinθ0・(ｐ/λ0)＝０．５
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の透過型回折格子を光学的に多段に配置した分光素子。
【請求項１３】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の透過型回折格子を用いた分光器。
【請求項１４】
請求項１１または１２に記載の分光素子を用いた分光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は透過型回折格子、ならびにそれを用いた分光素子および分光器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光を波長ごとに分ける分光器は、分光計をはじめとする測定器の他に、光通信や、光ディスク記録装置の読み取り、書き込み用ヘッドなどに広く用いられている。この分光器には、分光素子として各種の回折格子が使用されている。
分光用の回折格子としては、
・波長による角度分散が大きい、
・回折効率（入射光強度に対する、特定次数の回折光の強度比率）が１に近い、
といった特性を有することが望ましい。また、入射光の偏光方向を特定しない用途では、
・ＴＥ偏光とＴＭ偏光の効率差が小さい、すなわち、ＰＤＬ（Polarization Dependent Loss）が小さい、
ことも要求される。
【０００３】
上記の諸条件を満たし、かつ製作しやすい構造の回折格子として、図３に示す多層構造の回折格子が提案されている（非特許文献１参照）。この回折格子１１０には、低屈折率の基板１０としてガラス基板が用いられ、このガラス基板上に高屈折率部１２と低屈折率部１３とからなるリッジ部２１が設けられている。この回折格子１１０に、基板１０の法線方向から所定の入射角θで、リッジ部２０の長手方向に対して垂直に光５０を入射させると、１次回折光５１が基板１０を透過して出射する。ここで、低屈折率部１３を設けることにより、反射光が低減できるので、１次光の回折効率が改善されている。
【０００４】
図３に示す回折格子１１０は、一般的に次のようなプロセスで作製されている。
（１）まず、基板１０上に高屈折率層と低屈折率層を順に成膜し、
（２）次に、低屈折率層の表面にマスクパターンを形成し、
（３）マスクパターン以外の部分をエッチングし、
（４）最後に、マスクパターンを除去する。
【非特許文献１】塩崎学、茂原政一、「高角分散を有する多層膜回折格子の偏波無依存設計」、ＳＥＩテクニカルレビュー、２００４年９月、第１６５号、ｐ．３８−４２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図３の回折格子１１０を作製する場合、エッチングの深さがわずかでも不足すると、図４に示すように、高屈折率部１２が溝３０の底に残ってしまう。溝３０の底に残った高屈折率部は、回折格子１２０の特性を著しく悪化させる。したがって、エッチング深さを厳密に制御する必要があった。
【０００６】
また、回折効率を向上させＰＤＬを減らすためには、設計パラメータは多いほど有利である。図３の回折格子１１０では、比較的自由に動かすことができる設計パラメータは、高屈折率部１２の厚さ、低屈折率部１３の厚さ、リッジ部の幅Ｗの３種類であり、最適化のためには充分とはいえない。なお、屈折率は材料に依存するので自由な値とすることは難しい。
【０００７】
本発明は、このような点に着目してなされたものである。その目的は、回折効率の高い回折格子を、製作しやすい単純な構造で実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、基板上に互いに平行な複数のリッジ部が一定の周期で設けられた透過型回折格子において、
前記リッジ部は、前記基板側から順に、第１低屈折率部、高屈折率部および第２低屈折率部を含んでなり、
前記第１低屈折率部は、前記基板との屈折率差が０．１以下であり、
前記高屈折率部は、前記第１低屈折率部および第２低屈折率部よりも高屈折率であることを要旨とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の透過型回折格子において、前記第１低屈折率部の屈折率と前記基板の屈折率とが実質的に同じであることを要旨とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の透過型回折格子において、前記第１低屈折率部が実質的に二酸化珪素からなり、前記基板が実質的に石英ガラスからなることを要旨とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の透過型回折格子において、前記第１低屈折率部が前記基板の一部からなることを要旨とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の透過型回折格子において、前記基板が実質的に石英ガラスからなることを要旨とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の透過型回折格子において、前記第１低屈折率部の屈折率と前記第２低屈折率部の屈折率とが、実質的に同じであることを要旨とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の透過型回折格子において、前記第２低屈折率部が実質的に二酸化珪素からなることを要旨とする。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の透過型回折格子において、前記高屈折率部の屈折率が、２．０以上で２．５以下であることを要旨とする。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項１に記載の透過型回折格子において、前記高屈折率部が、実質的にＴａ2Ｏ5，ＴｉＯ2およびＮｂ2Ｏ5からなる群から選ばれる少なくとも一種からなることを要旨とする。
【００１７】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の透過型回折格子において、前記高屈折率部が実質的にＴａ2Ｏ5からなることを要旨とする。
【００１８】
請求項１１に記載の発明は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の透過型回折格子に、該透過型回折格子の前記基板の法線方向からθの角度で、前記リッジ部の長手方向に対して垂直に光を入射させる際、この入射角度θが、
｜θ−θ0｜＜１０°
の条件を満たす分光素子であることを要旨とする。ただし、θ0は、真空中における入射光の波長域の中心値をλ0、入射側媒体の屈折率をｎi、前記リッジ部の周期をｐとして、次式により定義される。
ｎi・sinθ0・(ｐ/λ0)＝０．５
【００１９】
請求項１２に記載の発明は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の透過型回折格子を光学的に多段に配置した分光素子であることを要旨とする。
【００２０】
請求項１３に記載の発明は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の透過型回折格子を用いた分光器であることを要旨とする。
【００２１】
請求項１４に記載の発明は、請求項１１または１２に記載の分光素子を用いた分光器であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、回折効率の高い回折格子を、製作しやすい単純な構造で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は本発明による回折格子１００の断面図を模式的に示したものである。図１に示すように、回折格子１００には矩形のリッジ部２０が一定の周期ｐで並んでいる。リッジ部２０は、基板１０側から順に、第１低屈折率部１１、高屈折率部１２、第２低屈折率部１３から構成されている。高屈折率部１２は、第１低屈折率部１１および第２低屈折率部１３に比べて高屈折率である。ここで、本明細書において、高屈折率部とは屈折率が１．６以上の材料からなっている部分をいい、低屈折率部とは屈折率が１．６未満の材料からなっている部分をいう。
【００２４】
高屈折率部１２は回折格子１００の主体をなすものである。もし、リッジ部２０の全体を低屈折率材料（例えば、二酸化珪素）とすると、周期ｐに対する溝３０の深さの割合が非常に大きくなるので、エッチングによる加工が難しくなる。このため、リッジ部２０の屈折率を大きく（例えば、２．０以上に）することで、リッジ部２０の高さを減少できるので、より製造しやすくなる。
【００２５】
しかし、高屈折率物質は空気界面でのフレネル反射が大きくなるので、回折効率を低下させてしまう。そこで、リッジ部２０の先端に低屈折率層として第２低屈折率部１３を設ける。これにより、一般的によく知られている反射防止膜の効果が発生するので、フレネル反射が小さくなる。ただし、回折格子内での光の反射および屈折は平面多層膜の場合よりも複雑なので、第２低屈折率部１３の厚さの設計は、通常の反射防止膜の設計手法をそのまま適用することはできない。このため、回折格子全体としての最適化を行なう必要がある。
【００２６】
第１低屈折率部１１は基板１０との屈折率差が０．１以下であり、さらには基板１０と実質的に同じ屈折率であることが好ましい。また、基板１０の一部を第１低屈折率部１１としてもよい。この場合には、第１低屈折率部１１を基板上に設ける必要はなく、高屈折率部１２となる高屈折率層と第２低屈折率部１３となる低屈折率層の２層だけを形成し、溝３０を第１低屈折率部１１に相当する深さまで基板１０に形成すればよい。
【００２７】
本発明では、第１低屈折率部１１を設けることにより、エッチング深さの公差を大きくすることができる。エッチング深さが設計値からずれると、第１低屈折率部１１の厚さが変わるが、これによる特性の変化は後述するようにきわめて緩やかである。したがって、エッチング深さの許容範囲を大きくすることができるので、回折格子を容易に作製することができる。また、第１低屈折率部１１の厚さを調整することにより、設計の自由度が大きくなるので、より高い特性の回折格子を作製することができる。
【００２８】
最上層である第２低屈折率部１３は高屈折率部１２よりも低屈折率であり、前述したように、高屈折率部１２の表面におけるフレネル反射を低減する反射防止膜の働きをなす。
【００２９】
本発明の回折格子において、比較的自由に動かすことのできる設計パラメータは、第１低屈折率部１１の厚さ、高屈折率部１２の厚さ、第２低屈折率部１３の厚さ、リッジ部２０の幅Ｗの４種類であり、最適化により回折格子の特性、すなわち、回折効率とＰＤＬを高くすることができる。
【００３０】
図１および図３に示すような膜厚方向に厚みのある回折格子では、膜厚方向の光の伝播が重要である。厚みのある回折格子は１次元フォトニック結晶とみなすことができ、伝播光の周期や方向を表す波数ベクトルはフォトニックバンドの形状によって決まる。フォトニックバンドは、ブリルアンゾーン境界線の近傍で急激に曲がる性質があるので、これを利用すると回折効率の高い波長帯域を広く取ることができる。入射光をブリルアンゾーン境界線上のバンドと結合させる条件は、
ｎi・sinθ0・(ｐ/λ0)＝０．５
であるので、これが望ましい条件である（例えば、国際公開第ＷＯ２００４／０８１６２５号パンフレットを参照）。ただし、真空中における入射光の波長（分光素子の場合は、使用する波長域の中央値）をλ0、入射側媒体の屈折率をｎi、回折格子の周期をｐ、入射角をθ0とする。
【００３１】
しかし、フォトニックバンドの形状によっては、入射角の最適値θが上記の式から定まるθ0と多少ずれる場合もあるので、
｜θ−θ0｜＜１０°
の条件を満たすことが望ましい。
【００３２】
本発明に用いられる基板の材料としては、第１低屈折率部の材料との屈折率差が０．１以下であればよく、特に限定されない。具体的には、透明性が高く、低屈折率である石英ガラスや結晶化ガラス、光学ガラスが好ましく、実質的に石英ガラス、結晶化ガラスまたは光学ガラスからなっているとよい。さらに、第１低屈折率部の材料との屈折率差が０．１以下であれば、他の成分を含んでいてもよい。格子周期の温度による変化を小さくするためには熱膨張率の小さい石英ガラス、結晶化ガラスがより好ましい。特に、石英ガラスは最も一般的な基板材料であり、そのまま第１低屈折率部としても用いることができるので、最も好ましい。
【００３３】
第１および第２低屈折率部の材料としては、屈折率１．６未満であればよく、特に限定されない。具体的には、透明性が高く、低屈折率材料である二酸化珪素（ＳｉＯ2）が好ましく、実質的にＳｉＯ2からなっているとよい。さらに、屈折率１．６未満であれば、二酸化珪素を主成分とし、他の成分を含んでもよい。その製法としては、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどが挙げられる。
【００３４】
高屈折率部の材料としては、屈折率１．６以上、好ましくは屈折率２．０〜２．５であればよく、特に限定されない。具体的には、高屈折率材料であるＴａ2Ｏ5，ＴｉＯ2，Ｎｂ2Ｏ5などが好ましく、実質的にＴａ2Ｏ5，ＴｉＯ2またはＮｂ2Ｏ5からなっているとよい。さらに、これらを組合せてもよく、屈折率１．６以上であれば他の成分を含んでもよい。その製法としては、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどが挙げられる。 
【００３５】
図１の回折格子１００は、例えば次のようなプロセスで作製することができる。
（１）まず、基板１０上に、第１低屈折率部１１となる低屈折率層、高屈折率部１２となる高屈折率層および、第２低屈折率部１３となる低屈折率層をこの順で形成し、最上層の低屈折率層にマスクとしての金属膜を成膜する。金属膜の形成には、対向スパッタや、イオンビームスパッタ、真空蒸着、イオンプレーティングなどを用いることができる。金属材料としては、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌなどのように、ドライエッチング用マスクとして汎用的なものを用いることができる。また、ＷＳｉなどのように、ドライエッチング用マスクとして用いられている金属化合物を用いてもよい。
【００３６】
（２）次に、この金属膜上に樹脂膜をスピンコートで形成した後、格子パターンを作製する。格子パターンの作製には紫外線を用いたフォトリソグラフィーや、電子線を用いた電子線リソグラフィー、あるいは金型プレスによるナノインプリントなどを用いることができる。樹脂材料は、各パターン形成手法に応じて適切な感光性樹脂や熱可塑性樹脂、紫外線硬化樹脂などを用いる。
【００３７】
（３）この樹脂パターンをマスクとして、上記（１）で形成した金属膜をドライエッチングし、金属膜のパターンを形成する。続いて、この金属膜パターンをマスクとして、上記（１）で形成した低屈折率層／高屈折率層／低屈折率層を所定の深さまでドライエッチングし、第２低屈折率部１３、高屈折率部１２および第１低屈折率部１１を形成する。最後に、残存した金属膜をドライエッチングあるいは薬液によるウエットエッチングなどにより除去する。ドライエッチングには、反応性イオンエッチング、イオンビームエッチングなどを用いることができる。このエッチングガスには、ＳｉＯ2にはフッ素系ガス、Ｃｒには塩素系ガスなどというように、各被加工材料に適したガスを用いるとよい。
【００３８】
また、別のプロセスとして、マスク形成にリフトオフ法を用いることもできる。この場合、回折格子１００は次のようにして作製する。
【００３９】
（１）まず、基板１０上に、第１低屈折率部１１となる低屈折率層、高屈折率部１２となる高屈折率層および、第２低屈折率部１３となる低屈折率層をこの順で形成し、最上層の低屈折率層に樹脂膜をスピンコートで形成した後、格子パターンを作製する。格子パターンの作製には、紫外線を用いたフォトリソグラフィー、電子線を用いた電子線リソグラフィー、あるいは金型プレスによるナノインプリントなどを用いることができる。樹脂材料は、各パターン形成手法に応じて適切な感光性樹脂や熱可塑性樹脂、紫外線硬化樹脂などを用いる。
【００４０】
（２）次に、金属膜を上記（１）で形成した樹脂パターン上に成膜した後、有機溶剤などにより樹脂パターンを剥離する。このとき樹脂上に成膜された金属膜も同時に除去され、最上層の低屈折率層が露呈していた部分にのみ金属膜がパターンとして残る。金属膜の形成には真空蒸着や対向スパッタ、イオンビームスパッタなどを用いることができる。
【００４１】
（３）ドライエッチングにより、この金属膜パターンをマスクとして、上記（１）で形成した低屈折率層／高屈折率層／低屈折率層を所定の深さまでドライエッチングし、第２低屈折率部１３、高屈折率部１２および第１低屈折率部１１を形成する。最後に、残存した金属膜パターンをドライエッチングあるいは薬液によるウエットエッチングなどにより除去する。ドライエッチングには反応性イオンエッチングや、イオンビームエッチングなどを用いることができ、エッチングガスにはＳｉＯ2にはフッ素系ガス、Ｃｒには塩素系ガスなどというように、各被加工材料に適したガスを用いるとよい。
【００４２】
以上では、基板１０上に、第１低屈折率部１１、高屈折率部１２および第２低屈折率部１３を形成した場合について説明したが、前述したように、基板１０の一部を第１低屈折率部１１として用いてもよい。まず、基板１０上に高屈折率部１２となる高屈折率層と第２低屈折率部１３となる低屈折率層の２層だけを形成し、低屈折率層上に形成した金属膜パターンで、この低屈折率層／高屈折率層をドライエッチングで加工して、第２低屈折率部１３と高屈折率部１２を形成する。次に、基板１０を第１低屈折率部１１に相当する深さまでエッチングし、最後に金属膜パターンを除去して、回折格子を作製してもよい。
【００４３】
上述したプロセスによりリッジ部２０をドライエッチングで形成する場合、図１に示すようにリッジ部２０の幅Ｗを一定値に保つことが望ましいが、技術的には困難な場合がある。すなわち、ドライエッチングが容易に行える条件を設定すると、リッジ部２０の幅が基板１０に近くなるほど大きくなり、リッジ部２０の断面が「台形」もしくは「釣鐘状」となってしまうことが多い。リッジ部２０の形状が設計値からずれるので、回折効率、ＰＤＬなどの特性が悪化する。  
【００４４】
しかし、後述するように、本発明におけるリッジ部２０の断面形状を最初から台形、釣鐘状などに設定し最適な膜厚などを用いれば、そのような特性の悪化を防ぐことが可能である。
【００４５】
［実施例］
本発明による回折格子の実施例を以下に詳しく説明する。
図２は、この実施例で用いる数値を説明するための図である。回折格子１００の周期をｐ、リッジ部２０の幅をＷとし、第１低屈折率部１１、高屈折率部１２、第２低屈折率部１３の厚さをそれぞれｄ1、ｄ2、ｄ3とする。また、第１低屈折率部１１、高屈折率部１２、第２低屈折率部１３および基板１０の屈折率を、それぞれｎ1、ｎ2、ｎ3およびｎsとする。基板１０とリッジ部２０との他は、空気（屈折率１）とする。
【００４６】
図２の回折格子１００に入射角θの平面波（ＴＥおよびＴＭ偏光）を入射させ、その１次回折光が基板内にある状態での回折効率を計算した。ＴＥ偏光は電場の方向が図示した面に対して垂直であり、ＴＭ偏光は磁場の方向が図示した面に対して垂直である。また、この計算には、RSoft Design Group, Inc.製のRCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)法による計算ソフトであるDiffractMODを使用した。
【００４７】
（実施例１）
まず、実施例１について説明する。
表１に実施例１で得られた結果を示す。この実施例では、回折格子の周期ｐを１μｍとし、回折格子への入射角θ、基板１０の屈折率ｎs、第１低屈折率部１１の屈折率ｎ1、高屈折率部１２の屈折率ｎ2、第２低屈折率部１３の屈折率ｎ3を表１に示した値に固定して、その他のパラメータとして、第１低屈折率部１１の厚さｄ1、高屈折率部１２の厚さｄ2、第２低屈折率部１３の厚さｄ3およびリッジ部の幅Ｗを最適化した。この最適化は、波長域１３２０〜１４２０ｎｍの範囲において、回折効率の平均値ができるだけ高くなるようにして行った。
【００４８】
【表１】
2007101926.tif 000003
【００４９】
入射光の波長に対する１次回折光の効率を図５に示す。ＴＥ，ＴＭ偏光共に回折効率の最大値はそれぞれ９９％を超える非常に良い値が得られている。
【００５０】
また、図６〜図１０は、各パラメータを表１に記した値から単独に動かした場合の、回折効率の変化を表す図である。波長は１３７０ｎｍとした。これらの図を用いて、回折効率がＴＥ，ＴＭ偏光共に９５％以上となる範囲を許容範囲として求めた。得られた結果を次に示す。
【００５１】
図６：
第１低屈折率部１１の厚さｄ1を単独に変化させた場合であり、ＴＥ偏光の許容範囲は０．０２５〜０．３４０μｍである。ＴＭ偏光の許容範囲はＴＥ偏光よりも広い。
【００５２】
図７：
高屈折率部１２の厚さｄ2を単独に変化させた場合であり、ＴＥ偏光の許容範囲は０．９６０〜１．０６５μｍである。ＴＭ偏光の許容範囲はＴＥ偏光よりも広い。
【００５３】
図８：
第２低屈折率部１３の厚さｄ3を単独に変化させた場合であり、ＴＥ偏光の許容範囲は０．１４〜０．２７μｍである。ＴＭ偏光の許容範囲はＴＥ偏光よりも広い。
【００５４】
図９：
リッジ部２０の幅Ｗを単独に変化させた場合であり、ＴＥ偏光の許容範囲は０．５０〜０．５８μｍである。ＴＭ偏光の許容範囲はＴＥ偏光よりも広い。
【００５５】
図１０：
高屈折率部１２の屈折率ｎ2を単独に変化させた場合であり、ＴＭ偏光の許容範囲は１．９８〜２．２１である。ＴＥ偏光の許容範囲はＴＥ偏光よりも広い。
【００５６】
図６に示すように、第１低屈折率部１１の厚さｄ1の許容範囲は非常に広い。このため、従来はエッチング深さを厳密に制御する必要があったが、本発明ではエッチング深さを厳密に制御する必要はないことが分かる。
【００５７】
（実施例２〜５）
実施例２〜５の設定値を表１に、回折効率の結果を図１１〜図１４にそれぞれ示す。この実施例では、回折格子の周期ｐを１μｍとし、回折格子への入射角θ、基板１０の屈折率ｎs、第１低屈折率部１１の屈折率ｎ1、高屈折率部１２の屈折率ｎ2、第２低屈折率部１３の屈折率ｎ3を表１に示した値に固定して、その他のパラメータとして、第１低屈折率部１１の厚さｄ1、高屈折率部１２の厚さｄ2、第２低屈折率部１３の厚さｄ3およびリッジ部２０の幅Ｗを最適化した。実施例２、３、４は、波長１５００〜１６００ｎｍの範囲でＰＤＬが小さくなるように各パラメータを最適化した。また、実施例５では、回折効率が１５２０〜１５７０ｎｍの波長域で平均的に高くなるように各パラメータを最適化した。
【００５８】
図１１〜図１３ではＴＥとＴＭの回折効率がほとんど一致しており、ＰＤＬが非常に小さくなっていることが分かる。また、図１４では回折効率を重視して最適化を行なったので、ＴＥの回折効率が特に良く、１．５１から１．５９μｍの波長域でＴＥの回折効率が９９％以上となっている。
【００５９】
上記実施例ではいずれも回折格子の周期ｐを１μｍとしているが、周期ｐを他の値としても、リッジ部の幅Ｗ、第１低屈折率部１１、高屈折率部１２、第２低屈折率部１３の厚さｄ1、ｄ2、ｄ3、波長λ0の値を比例計算により変化させれば同じ回折効率の結果が得られる。
【００６０】
（実施例６）
次に、リッジ部の断面がテーパ状となっている場合の実施例を示す。
図１５に示す回折格子１０５は、リッジ部２５の高さがｈであり、基板からｈ1まではリッジ部の幅が一定値Ｗであるが、それより上ではテーパ状に幅が狭くなり、リッジ部の先端では幅がＷ1となっている。実施例６では、入射角θ、回折格子の周期、各屈折率の条件は実施例２と同一であるが、リッジ部の形状はｈ1＝ｈ／２、Ｗ1＝０．８Ｗとした。
第１低屈折率部１１の厚さｄ1、高屈折率部１２の厚さｄ2、第２低屈折率部１３の厚さｄ3およびリッジ部の幅Ｗをパラメータとして、波長１５００〜１６００ｎｍの範囲でＰＤＬが小さくなるように最適化した結果を表１および図１６に示す。回折効率とＰＤＬは共に実施例２とほぼ同じとなっている。
【００６１】
（参考例１）
参考例１は、各パラメータを実施例２と同じにして、実施例６と同じ形状のテーパを与えたものである。その回折効率は、図１７に示すように、実施例２と比べてＴＥの効率が大幅に低下している。
【００６２】
以上のように、実施例２、実施例６および参考例１から、回折格子のリッジ部がテーパ形状となることが予想される場合であっても、テーパ形状を前提とした最適化によって矩形のリッジと同等の特性を得ることができることが分かる。
【００６３】
（比較例１〜２）
次に、比較例について説明する。
比較例１と比較例２は、上記実施例４と実施例５で第１低屈折率部１１の厚さを０として最適化したものであり、図３に示す従来の回折格子を用いた例である。比較例１、２の設定値を表１に、回折効率の結果を図１８、図１９にそれぞれ示す。第１低屈折率部１１を設けなかったため、各パラメータを最適化しても、回折効率およびＰＤＬ特性は、実施例４および実施例５に比べて劣っている。
【００６４】
［多段化した回折格子の例］
以上では回折格子について説明したが、本発明による回折格子を多段化して角度分散を大きくした分光素子と、それを分光器に応用した例について説明する。
【００６５】
図２０は、本発明による分光素子の一例を示したものであり、回折格子を２段にして角度分散を大きくしている。この分光素子２００には、ガラスなどの透明体によるプリズム６０の２面に、本発明による回折格子１０１，１０２が互いにほぼ垂直となるように貼り合せてある。第１の回折格子１０１で入射光５０が回折され、回折光５１となる。この回折光５１はプリズム６０の面６０ａで全反射されて反射光５２となり、第２の回折格子１０２でもう一度回折されてプリズム６０の外部に出射され、出射光５３となる。このように、回折による分光が２回起こるので、角度分散もほぼ２倍となる。
【００６６】
図２１は、上述した分光素子２００を分光器に応用した例を示したものである。この分光器３００には、分光素子２００を内部に設けた筐体６２の２面に、光ファイバ７０を具えたコリメータ８０と対物レンズ８１とが設けられている。光ファイバ７０から入射された光はコリメータ８０により平行光束として分光素子２００に入射されると、上述したように２回の回折により角度分散がほぼ２倍となった回折光となる。この回折光が対物レンズ８１で集光されて分光器３００から出射する。さらに、この分光器３００は、対物レンズ８１の焦点位置にラインセンサ９０を設置すれば、波長ごとの光強度を一度に測定することができるので、化学分析用の分光センサなどに用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の透過型回折格子は、分光計などの測定器や、光通信、光ディスク記録装置の読み取りおよび書き込み用ヘッドなどに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明による回折格子の断面図。
【図２】本発明による回折格子の断面図。
【図３】従来の回折格子の断面図。
【図４】従来の回折格子の断面図。
【図５】実施例１の回折格子による回折効率の図。
【図６】実施例１の回折格子による回折効率の図。
【図７】実施例１の回折格子による回折効率の図。
【図８】実施例１の回折格子による回折効率の図。
【図９】実施例１の回折格子による回折効率の図。
【図１０】実施例１の回折格子による回折効率の図。
【図１１】実施例２の回折格子による回折効率の図。
【図１２】実施例３の回折格子による回折効率の図。
【図１３】実施例４の回折格子による回折効率の図。
【図１４】実施例５の回折格子による回折効率の図。
【図１５】本発明による回折格子の断面図。
【図１６】実施例６の回折格子による回折効率の図。
【図１７】参考例１の回折格子による回折効率の図。
【図１８】比較例１の回折格子による回折効率の図。
【図１９】比較例２の回折格子による回折効率の図
【図２０】本発明による分光素子の図。
【図２１】本発明による分光器の図。
【符号の説明】
【００６９】
１０  基板
１１  第１低屈折率部
１２  高屈折率部
１３  第２低屈折率部
２０，２１，２５  リッジ部
３０  溝
５０  入射光
５１  回折光
６０  プリズム
６２  筐体
７０  光ファイバ
８０  コリメータ
８１  対物レンズ
９０  ラインセンサ
１００，１０１，１０２，１０５，１１０，１２０  回折格子
２００  分光素子
３００  分光器
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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