(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電率の異なる２種以上の層が積層された誘電体凸部を光の波長程度の格子定数をもつように周期的に配列してなる光学素子の製造方法において、この方法は、基材表面に誘電体多層膜を形成した後に、この誘電体多層膜に対し強度分布を有するレーザ光を照射し、前記誘電体多層膜にレーザ光のエネルギーを吸収させることで溶融・蒸発若しくはアブレーションを起こさせて前記誘電体多層膜の一部をレーザ光の強度に応じて除去し、他の部分を光の波長程度の格子定数をもつ周期的に配列される誘電体凸部として残すようにしたことを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子の製造方法において、前記誘電体多層膜は、酸化珪素、酸化チタン、酸化セリウム、酸化ゲルマニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、酸化タンタルのうちから選択される少なくとも２種以上の膜を積層してなることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の光学素子の製造方法において、前記レーザ光は１方向に周期的な強度分布を有し、この１方向に周期的な強度分布を有するレーザ光は、フェイズマスク若しくは２本のレーザ光を干渉させることによって得ることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の光学素子の製造方法において、前記レーザ光は２方向に周期的な強度分布を有し、この２方向に周期的な強度分布を有するレーザ光は、３本以上のレーザ光を干渉させることによって得ることを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信や光計測の分野において、偏光ビームスプリッタやカップリンググレーティング等として使用される回折格子やホログラムとして用いられる回折型の光学素子、或いは複屈折素子や光散乱体等として使用されるフォトニッククリスタル等の光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８（ａ）に示すような、誘電体多層膜に１方向に周期的な凹凸を形成した回折格子が、偏光ビームスプリッタとして優れた特性を有することが知られている。（Rong-Chungら、OPTICS LETTERS Vol.21, No.10, p761, 1996年）
また、図８（ｂ）に示すような、誘電体多層膜に２方向に周期的な凹凸を形成した回折格子が、３次元のフォトニッククリスタルとして提案されている。（E. Yablonovitch, Journal of Optical Society of America B Vol.10, No.2, p283, 1993年）
【０００３】
誘電体多層膜自体は、ミラーなどとして現在様々な分野で使用されており、製造方法としては、電子ビーム蒸着法や加熱蒸発法あるいはスパッタ法などの技術が既に確立されている。
【０００４】
また、誘電体多層に周期的な凹凸を形成する技術も、超ＬＳＩなどのパターニング技術と類似な技術であることから、このパターニング技術を誘電体多層膜に適用することで誘電体多層膜に周期的な凹凸を形成した回折格子を製造できる。
具体的なパターニング技術としては、フッ酸等のエッチャントを用いたウェットエッチング（化学エッチング）、或いはリアクティブイオンエッチング等のドライエッチング（物理エッチング）が考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の成膜法とエッチング法を適用することで、回折格子等を製造できるが、ウェットエッチングにあっては、エッチャントの管理と処理の問題があり、ドライエッチングにあっては真空容器等の設備が必要になり装置自体が大掛かりとなり、更に複雑なフォトリソグラフィー技術、具体的にはレジスト塗布、乾燥、露光、ベーキング、現像等によってパターンマスクを形成しなければならず効率的でない。
【０００６】
更に、２種以上の層が積層された誘電体多層膜をエッチングする場合には、各層のエッチングレートに差があるので、きれいな断面形状を得にくい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に係る光学素子の製造方法は、ガラス基板等の基材表面に誘電率の異なる２種以上の層からなる誘電体多層膜を形成し、この誘電体多層膜に対し強度分布を有するレーザ光を照射し、誘電体多層膜にレーザ光のエネルギーを吸収させることで溶融・蒸発若しくはアブレーションを起こさせて誘電体多層膜の一部をレーザ光の強度に応じて除去することで、光の波長程度の格子定数をもつ誘電体凸部を周期的に配列して基材表面に残すようにした。
【０００８】
ここで、前記誘電体多層膜を構成する材料としては、レーザ光に対して溶融・蒸発若しくはアブレーションを起こす閾値が基材よりも低く且つ膜の付着力が大きな材料が好ましく、具体的には、酸化珪素、酸化チタン、酸化セリウム、酸化ゲルマニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、酸化タンタル等が適当である。
また誘電体多層膜を構成する各膜の形態は、ガラス（非晶質）、単結晶あるいは多結晶のいずれでもよい。
【０００９】
また、前記レーザ光は例えば１方向に周期的な強度分布を有するものとする。この１方向に周期的な強度分布を有するレーザ光は、フェイズマスク若しくは２本のレーザ光を干渉させることによって得ることができる。
また、前記レーザ光は例えば２方向に周期的な強度分布を有するものとする。この２方向に周期的な強度分布を有するレーザ光は、３本以上のレーザ光を干渉させることによって得ることができる。
【００１０】
レーザ光としては、ＫrＦなどのエキシマレーザあるいはＮd−ＹＡＧレーザ、Ｔi：Ａl2Ｏ3レーザおよびその高調波、色素レーザなどを使用し、好ましくは、加工しようとする誘電体多層膜の反射率が低い領域のレーザ光を使用する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
先ず、基材表面に誘電体多層膜を形成する手順について説明する。
基材としては、ホウ珪酸系ガラス基板（ＢＫ７ガラス基板）を使用し、成膜前に基板のアルコール洗浄を行い、この基材を、蒸着装置内で３００℃に加熱し、図１に示すようなＳiＯ2とＴiＯ2とが交互に９層積層した誘電体多層膜を形成した。
【００１２】
ＳiＯ2の原料としては、直径２インチのＳiＯ2ディスクを使用し、ＳiＯ2の一層あたりの厚さは約１０４ｎｍとした。
また、ＴiＯ2の原料としては、Ｔi2Ｏ3の顆粒を使用し、これを酸素雰囲気下で蒸発させ成膜した。ＴiＯ2の一層あたりの厚さは約５０ｎｍとした。
【００１３】
上記によって作製した誘電体多層膜は、いわゆる誘電体多層膜ミラーと同じ構成であり、約６００ｎｍあたりに反射率のピークを持つミラーとなる。
分光スペクトルを測定した結果、３００〜４００ｎｍの波長の光に対しては、反射率がそれほど大きくなく、レーザ光が十分膜を透過することができることがわかったので、この範囲の波長をもつレーザ光を使用することとした。
【００１４】
具体的には、Ｎd：ＹＡＧレーザの第三高調波（３５５ｎｍ）を使用した。尚、レーザ光のエネルギーは、レーザ光源から出た時点で、３５０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ、パルス幅は５ｎｓｅｃ、繰り返し周波数は５Ｈｚとした。また、ビーム直径は約７ｍｍであった。
【００１５】
このレーザ光を図２に示すように、ビームスプリッターで２本に分け、それぞれ異なる光路を通って基材上で再び重ね合うように調整する。明瞭な干渉縞を基材上に形成するためには、２本のビームの光路長がほとんど等しいこと、ならびにそれぞれのビームのエネルギーがほぼ等しいことが必要である。
【００１６】
本実施例の場合、２本のビームの光路長の差は、２ｃｍ以下であり、これは、レーザ光のパルスの空間的な長さ、１５０ｃｍに比べて十分に小さく、明瞭な干渉縞を形成することができた。また、本実施例の場合、２本のビームのエネルギーは、それぞれの光路のミラー損失の違いなどから、１：２程度の比となったが、この程度のエネルギーの違いがあっても干渉縞の明瞭さは失われない。
なお、エネルギー密度を増大させるため、レーザ光を焦点距離２００ｍｍのレンズで絞り込んで基材上でのビームサイズが約２ｍｍになるようにした。
【００１７】
また、本実施例は、大気中でレーザ照射を行ったので、レンズ焦点位置に空気放電が発生する。この放電の影響を除去するために、ガラス基材の位置は、レンズの焦点位置よりもレンズよりになるように調整した。したがって、図２では、レンズ前の２本のビームを平行に描いてあるが、実際はわずかに角度をもたせてレンズに入射させている。
【００１８】
このように、光学系を調整した後、先に作製した誘電体多層膜をレーザ光の干渉縞が形成された位置にセットし、数パルスレーザ光を照射すると、図３（ａ），（ｂ）及び図４に示すように、レーザ光のエネルギーが誘電体多層膜に吸収され、溶融・蒸発若しくはアブレーションを起こさせる閾値を超えた箇所において、レーザ光の強度に応じて誘電体多層膜が除去され、多数の誘電体凸部が１方向に沿って周期的に配列された回折格子が形成された。
ここで、図３（ａ）はレーザ光照射によって形成された誘電体凸部の光学顕微鏡写真（１０００倍）、（ｂ）は同写真に基づいて作成した図、図４は同誘電体多層膜表面の拡大斜視図である。
【００１９】
ここで、注意しておく必要があるのは、本実施例の場合、誘電体多層膜を構成する層のうち、ＳiＯ2層は３５５ｎｍのレーザ光に対して吸収係数が低く、ＴiＯ2に比べて蒸発しにくいということである。にもかかわらず、本実施例では、ＳiＯ2もＴiＯ2とともに蒸発しているのは、上下のＴiＯ2層が蒸発する際にＳiＯ2も加熱され一緒に蒸発しているためである。
【００２０】
このように、誘電体多層膜の各層のレーザ光に対する溶融・蒸発若しくはアブレーションを起こす閾値が異なる場合でも、本発明の回折格子の製造方法は実施できるが、このような条件下では、膜の損傷を低減するために、膜の付着力が強いことが必要である。この条件を満たす膜構成として、ＳiＯ2やＴiＯ2の他に、酸化セリウム、酸化ゲルマニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、酸化タンタルが考えられる。また、同じ膜構成であっても、たとえばイオンアシスト電子ビーム蒸着のように、製造方法によって膜の付着力を向上させることもできる。
【００２１】
尚、上記実施例では２本のレーザ光による干渉縞を使用したが、これに限ることなく、３本あるいはそれ以上のレーザ光の干渉縞も、本発明の回折格子の製造方法に使用できる。この場合は、作製される回折格子の形状は図５に示すように直交する２方向に沿って周期性をもつ回折格子となる。即ち、一種の３次元フォトニッククリスタルとなる。
【００２２】
また、同じようなフォトニッククリスタルは、図２の光学系を用い基板を９０°回転させ、異なる方向から２度加工を施すことでも実現できる。
【００２３】
（実施例２）
実施例１と同じ方法で誘電体多層膜を形成したホウ珪酸系ガラス基板に対し、図６に示す装置を用いて回折格子を製造した。ここで、図６はフェイズマスク用いた本発明方法で回折格子を製造する装置の概略図、図７（ａ）はフェイズマスクの作用を説明した図、（ｂ）は同フェイズマスクを介してガラス基板にレーザ光を照射している状態を示す図、（ｃ）はレーザ加工されたガラス基板を示す図である。
【００２４】
具体的には、上記のガラス基板の上に誘電体多層膜を成膜した面に、スペーサを介して回折格子を形成したフェイズマスクを備えた基板を配置し、レーザ光を照射した。
【００２５】
フェイズマスクにレーザ光が入射すると、図７（ａ）に示すように、主として＋１次、０次、−１次を含む複数の回折光が出射し、これらの回折光の干渉によりフェイズマスクの出射側の極近傍に周期的な光の強度分布が得られる。
ここで、本実施例のフェイズマスクは回折格子周期：１０５５ｎｍ、回折格子深さ：約２５０ｎｍ、サイズ：１０ｍｍ×５ｍｍ（ＱＰＳ  Technology Inc.製 Canada）を使用した。
そして、この周期的な強度分布が形成された領域に、図７（ｂ）に示すように、薄膜を成膜したガラス基板をセットした。その結果、図７（ｃ）に示すように、当該周期的な光強度に応じて薄膜が蒸発或いはアブレーションし、光強度の周期と同一の周期をもつ回折格子がガラス基板上に薄膜を加工した形で形成された。
【００２６】
尚、使用したレーザ光は、実施例１と同様にＮd：ＹＡＧレーザの第３高調波である３５５ｎｍの光とした。パルス幅は約１０ｎｓｅｃ、繰り返し周波数は５Ｈzであった。またレーザ光の１パルスあたりのエネルギーは、レーザのＱスイッチのタイミングを変えることで調整が可能であり、１１０ｍＪ／ｐｕｌｓｅのエネルギーで、ビーム直径は約５ｍｍであった。加工に適するように、レーザのエネルギー密度を増大させるため、レーザ光を焦点距離２５０ｎｍのレンズで絞り込んでガラス基板上でのビームサイズが約２ｍｍになるようにした。
【００２７】
また、本実施例にあってはスペーサによってフェイズマスクとガラス基板との間隔が約５０μｍとなるようにしている。これは、ガラス基板表面からの蒸発物がフェイズマスクに付着するのを極力防ぐためであり、この間隔自体は任意である。例えば＋１次光と−１次光とが重なっている範囲内ならば、フェイズマスクとガラス基板を密着させても回折格子は作製できるし、フェイズマスクとガラス基板との間に１５０μｍ程度の厚さの石英板を挟み密着させてレーザ照射を行った場合も、本実施例と同様に回折格子が作製できた。フェイズマスクは繰り返し使用されるものであり、その汚れを防ぐことは重要であり、したがってスペーサを介在させることは有効な手段である。
【００２８】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、基材表面に誘電体多層膜を形成した後に、この誘電体多層膜に対し強度分布を有するレーザ光を照射し、前記誘電体多層膜の一部をレーザ光の強度に応じて除去し、他の部分を光の波長程度の格子定数をもつ周期的に配列される誘電体凸部として残すことで、回折格子やフォトニッククリスタルを製造するようにしたので、フォトリソグラフィやエッチングなどの複雑な工程を経ることなく、簡便に回折格子等を製造することができる。
【００２９】
誘電体多層膜のレーザによる蒸発過程においては、各層の溶融・蒸発若しくはアブレーションを起こす閾値が異なっていても、上下の層が蒸発する際に、中間の層の蒸発が起きるので、通常のエッチングに比べ、各層の違いが現れにくく、誘電体凸部側面に段差が生じにくい。
【図面の簡単な説明】
【図１】基材表面に誘電体多層膜を形成した状態を示す拡大斜視図
【図２】レーザ干渉を利用した本発明方法で回折格子を製造する装置の概略図
【図３】（ａ）はレーザ光照射によって形成された誘電体凸部の光学顕微鏡写真（１０００倍）、（ｂ）は同写真に基づいて作成した図
【図４】本発明方法にて作製した１方向に周期的な凹凸を形成した回折格子の斜視図
【図５】本発明方法にて作製した２方向に周期的な凹凸を形成した回折格子の斜視図
【図６】フェイズマスク用いた本発明方法で回折格子を製造する装置の概略図
【図７】（ａ）はフェイズマスクの作用を説明した図、（ｂ）は同フェイズマスクを介してガラス基板にレーザ光を照射している状態を示す図、（ｃ）はレーザ加工されたガラス基板を示す図
【図８】（ａ）先行技術文献中に示されている１方向に周期的な凹凸を形成した回折格子の斜視図、（ｂ）は先行技術文献中に示されている２方向に周期的な凹凸を形成した回折格子の斜視図
【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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