專利名稱：衍射元件以及光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)區(qū)域本發(fā)明關(guān)于衍射元件以及光學(xué)裝置、特別是分光裝置，具體為用于光夫復(fù)用通信及分光測(cè)定等的、因波長(zhǎng)的緣故而改變光的出射方向的衍射元件以及使用該元件的分光裝置。
背景技術(shù)：
有一種方法為由于各種波長(zhǎng)的光向不同的方向衍射對(duì)應(yīng)于各種波長(zhǎng)使光分離，并對(duì)分離的測(cè)量各自的強(qiáng)度，通過這樣來測(cè)量入射光中所包含的不同波長(zhǎng)的各種光的強(qiáng)度。這時(shí)，為了高效率地利用分離的光，最好衍射光高效率地集中在特定的衍射級(jí)數(shù)，作為波長(zhǎng)分離的方法。
為了取得較大的入射光和衍射光所成角度，提高光學(xué)配置的自由度，最好使用透射型的衍射光柵。圖7表示以前的用樹脂制成的透射型衍射光柵的一個(gè)例子。關(guān)于該衍射元件，是將精密地形成直線狀的鋸齒狀衍射光柵的未圖示的金屬模，緊壓在透明基板701即玻璃基板的表面形成薄膜的感光性樹脂702上，經(jīng)過紫外光的硬化后，進(jìn)行脫模，就形成了鋸齒狀的衍射光柵703，構(gòu)成了透射型鋸齒狀的衍射元件70。
另外，圖8表示以階梯近似鋸齒形狀近似階梯的透射型類鋸齒狀衍射光柵的一個(gè)例子。在透明基板801即玻璃基板的表面，反復(fù)使用光刻法和刻蝕法，形成類鋸齒狀的衍射光柵802，該衍射光柵作為透射型類鋸齒狀的衍射元件80。
這里，在圖7以及圖8中，實(shí)線的箭頭表示入射光，點(diǎn)劃線表示透射光，虛線表示-1級(jí)衍射光。
上述的以前的例子中，為了使透射型鋸齒狀衍射光柵有高的衍射效率，需要使光柵材料和空氣等出射側(cè)介質(zhì)的折射率差與光柵深度的乘積所定義的相位差為近似波長(zhǎng)程度。另一方面，為了使相應(yīng)于波長(zhǎng)的分離的角度變大，光柵的周期越小越好。因此，需要使鋸齒狀衍射光柵的形狀為光柵的周期小、并且以光柵的深度D相對(duì)應(yīng)于光柵的周期T的比例所定義的縱橫比(D/T)大的形狀。

發(fā)明內(nèi)容
但是，縱橫比大的鋸齒狀的光柵在制作上難度很高，在用樹脂制作的過程中，會(huì)存在金屬模加工上的限制以及樹脂的轉(zhuǎn)印性、起模性等問題。因此，出現(xiàn)的問題是，對(duì)應(yīng)所要求的波長(zhǎng)具有大的分離能力、并對(duì)光有高的利用效率的衍射光柵的生產(chǎn)率低，價(jià)格高等問題。
另外，在使用樹脂材料時(shí)，具有在高溫以及高溫高濕下元件會(huì)出現(xiàn)劣化等可靠性方面的問題，具有只能在限制的環(huán)境中使用元件的問題。
另一方面，關(guān)于類鋸齒狀的衍射光柵，雖能夠大量生產(chǎn)可靠性好以及生產(chǎn)率高的廉價(jià)元件，但需要進(jìn)行將光柵的周期更進(jìn)一步細(xì)分化的加工，作為類鋸齒狀的衍射光柵，具有周期小的元件的制作困難的問題。而且，由于制作時(shí)的誤差導(dǎo)致的形狀變形大，使特性惡化，存在對(duì)光有高利用效率的衍射光柵生產(chǎn)成品率不高的問題。
對(duì)于無論哪個(gè)以前的例子，當(dāng)在0度入射(光垂直元件的表面入射)的時(shí)候，由于已知當(dāng)光柵的周期約為波長(zhǎng)的2倍的時(shí)候衍射效率顯著降低，這樣同時(shí)還存在難以兼顧高衍射效率和利用小周期化(約2倍等)而對(duì)應(yīng)光的波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)大的分離問題。
本發(fā)明鑒于上述的實(shí)際情況，目的在于提供對(duì)光有高的利用效率的、并對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)大的分離、有良好的光學(xué)系統(tǒng)的配置自由度、可大量生產(chǎn)、并且有良好的可靠性以及溫度特性的衍射元件。
本發(fā)明提供一種衍射元件，該衍射元件具有以下特征包含在基板的表面形成的或在基板上形成的薄膜層所形成的光柵，是其截面為凹凸?fàn)畹牟⑶彝共康纳媳砻鎸?shí)質(zhì)上是平坦的、凸部對(duì)稱的光柵，該衍射元件這樣使用，即光柵的一個(gè)周期實(shí)質(zhì)上等于入射光的波長(zhǎng)，并且光斜向入射衍射元件的光柵形成面。
另外，上述提供的衍射元件，其特征在于在上述光柵的一個(gè)周期之內(nèi)凸部和凹部所占的比例中，凸部的比例大于等于凹部的比例。
另外，上述提供的衍射元件，其特征在于形成上述光柵的凸部的壁面傾斜，在一個(gè)周期之內(nèi)光柵凸部上端所占的比例小于光柵凸部底部所占的比例。
另外，上述提供的衍射元件，其特征在于在上述衍射元件的至少凸部層疊和凹部不同的一層或一層以上的光學(xué)材料。
上述提供的衍射元件，其特征在于上述光學(xué)材料是從TiO2、SiO2、Ta2O5、Al2O3中選擇的材料。
另外，上述提供的衍射元件，其特征在于使用透明基板作為上述基板，在透明基板上的膜層形成光柵的凸部，并且光柵的凸部的折射率高于透明基板的折射率。。
上述提供的衍射元件，其特征在于在透明基板上形成的薄膜層，是從SiO2、TiO2、Ta2O5、Si3N4、Si這一類材料中選擇一種作為主要成分的膜層，或者是這類物質(zhì)的混合物構(gòu)成的膜層。
提供一種衍射元件，其特征在于在上述的衍射元件的一個(gè)面上與其他的光學(xué)元件，層疊形成一體化。
另外，所提供的衍射元件的使用方法，其特征在于上述衍射元件包含在基板表面上形成的或者基板上形成的薄膜層上所形成的光柵，是其截面呈凹凸?fàn)钋彝共康纳媳砻鎸?shí)質(zhì)上平坦的，凸部對(duì)稱的光柵，使用方法為光柵的一個(gè)周期與入射光的波長(zhǎng)實(shí)質(zhì)上相等，光斜向入射衍射元件的光柵形成面。
另外，所提供的上述衍射元件的使用方法，其特征在于相對(duì)垂直于衍射元件表面的法線，上述光斜向入射時(shí)的入射角度在15～80°的范圍內(nèi)。
另外，所提供的光學(xué)裝置，其特征在于使用了上述衍射元件。
并且，所提供的分光裝置，其特征在于上述光學(xué)裝置是一種分光裝置，用透明基板作為上述衍射元件的基板，上述衍射元件作為透射型元件使用。


圖1表示本發(fā)明的衍射元件的一種構(gòu)造例子的側(cè)視圖。
圖2表示本發(fā)明的衍射元件的另一種構(gòu)造例子的側(cè)視圖。
圖3表示本發(fā)明的衍射元件的另一種構(gòu)造例子的側(cè)視圖。
圖4表示本發(fā)明的衍射元件在凸部形成有多層膜時(shí)和沒有形成多層膜時(shí)的不同衍射特性的圖形。
圖5表示關(guān)于本發(fā)明的衍射元件由于入射光不同的偏振方向而產(chǎn)生的衍射特性的圖形。
圖6表示關(guān)于本發(fā)明的衍射元件由于不同的凹部和凸部的比例而產(chǎn)生的衍射特性的圖形。
圖7表示以前的衍射元件的一種構(gòu)造例子的側(cè)視圖。
圖8表示以前的衍射元件的另一種構(gòu)造例子的側(cè)視圖。
圖9表示本發(fā)明的衍射元件的另一種構(gòu)造例子的側(cè)視圖。
圖10表示關(guān)于本發(fā)明的衍射元件由于入射光不同的偏振方向的衍射特性的圖形。
圖11表示本發(fā)明的衍射元件的另一種構(gòu)造例子的側(cè)視圖。
圖12表示本發(fā)明的衍射元件的另一種構(gòu)造例子的側(cè)視圖。
圖13表示本發(fā)明的衍射元件由于光柵凸部壁面的錐角變化而產(chǎn)生的衍射特性例子的圖形。
圖14表示另本發(fā)明的衍射元件由于光柵凸部壁面的錐角變化而產(chǎn)生的衍射特性其他例子的圖形。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是關(guān)于具有基板的表面形成的截面為凹凸?fàn)?、凸部為?duì)稱的光柵的衍射元件，光柵的周期等于或者小于入射光的波長(zhǎng)。另外，是對(duì)于光柵的形成面光是斜向入射而使用的衍射元件。
另外，截面是凹凸?fàn)畹墓鈻?，也可以形成在基板上的薄膜層上表面。作為基板上的薄膜層的材料，最好要有良好的刻蝕特性，可以采用SiO2、TiO2、Ta2O5、Si3N4、Si等作為主要成分的材料、或它們的混合物。由于衍射元件有這樣的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的工藝以及良好的生產(chǎn)率、具有高的衍射效率且大的波長(zhǎng)分離效果的衍射元件。為了具有大的波長(zhǎng)分離效果，使用作為分光用的衍射光柵較理想。
這里，所謂光柵的周期與入射光的波長(zhǎng)實(shí)質(zhì)上相等，是指周期在入射波長(zhǎng)的±45％以內(nèi)。也就是說，周期在波長(zhǎng)的0.55～1.45倍的范圍之內(nèi)。如果在這±45％以內(nèi)，則適當(dāng)?shù)剡x擇入射角度就只產(chǎn)生特定的衍射光，不會(huì)有損本發(fā)明的效果。另外，所謂光對(duì)于光柵的形成面斜向入射，是指對(duì)于垂直于元件表面的法線，所成角度在15到80°之間，特別是在25到65°的情況下，可以完全達(dá)到本發(fā)明的效果。
關(guān)于衍射光柵的凹凸部的對(duì)稱的凸部的截面形狀，只要是矩形或梯形等都可以，無論是哪種形狀都雖有本發(fā)明的效果，但近似矩形的在制作上較理想。
關(guān)于衍射元件用的基板，作為透明的基板，可以用石英玻璃、玻璃、硅、聚碳酸酯等制成的基板。這些類型中，石英玻璃、玻璃制成的基板在耐久性這方面上較理想。另外，在作為反射型衍射元件的結(jié)構(gòu)中，在衍射光柵上形成由金屬或多層膜構(gòu)成的反射膜較為理想，除了上述的透明基板以外，也可以用不透明的基板即例如用晶化玻璃、陶瓷等。
以下是參照?qǐng)D面說明凸部的形狀為矩形的本發(fā)明。
圖3表示本發(fā)明的透射型衍射元件的一種結(jié)構(gòu)例子的側(cè)視圖。在透明基板301上面，用光刻法以及干法刻蝕的方法形成的光柵的周期小于入射光波長(zhǎng)的矩形衍射光柵302，構(gòu)成了衍射光柵30。對(duì)于光柵的周期為P的衍射光柵(正確來說是其長(zhǎng)度方向)，以與法線方向成角度為i的波長(zhǎng)為λ的入射光，在由(式1)所定義的衍射角度為θ的方向產(chǎn)生m級(jí)的衍射光。由(式1)可知，當(dāng)光對(duì)應(yīng)衍射光柵302為垂直入射時(shí)，不存在周期小于波長(zhǎng)的衍射光柵的衍射光。但是，在保持有限的角度，也即當(dāng)光從斜的方向入射時(shí)，即使是周期小長(zhǎng)的衍射光柵的情況下，也存在有級(jí)數(shù)的衍射光。因此可知，即使結(jié)構(gòu)上凸部具有對(duì)稱性的形狀，但可表示非對(duì)稱的衍射特性。
sin(θ)+sin(i)＝m·λ/P…(式1)利用該斜向入射的效果，即使是制作上容易的對(duì)稱的矩形衍射光柵，也可以得到足夠高的衍射效率和大的衍射角度。現(xiàn)舉一例對(duì)于光柵的周期為1000nm(凹部和凸部的寬度均為500nm)、光柵的深度為2300nm的衍射光柵，在法線入射角度約為50°時(shí)，根據(jù)計(jì)算，-1級(jí)衍射效率與波長(zhǎng)的相關(guān)性如圖4中用實(shí)線連接的黑圓點(diǎn)所示?？芍獙?duì)與光柵平行偏振的直線偏振的入射光，在大于光柵的周期的1520nm到1620nm的范圍內(nèi)，光強(qiáng)度集中在-1級(jí)衍射光，表示有高衍射效率。
為了進(jìn)一步提高衍射效率，降低波長(zhǎng)的相關(guān)性，在光柵的凸部形成適當(dāng)?shù)亩鄬幽そY(jié)構(gòu)可以達(dá)到該效果。現(xiàn)舉一例用高折射率材料的TiO2和低折射率材料的SiO2在光柵的凸部的上部形成四層膜時(shí)，其衍射效率與波長(zhǎng)的相關(guān)性如圖4中用虛線連接的白圓點(diǎn)所示。由圖4可知在全波段區(qū)域有一樣的高衍射效率。
也就是說，最好在光柵的凸部和凹部層疊不同的一層以上的光學(xué)材料，這可以提高衍射效率。光學(xué)材料除了上述的TiO2、SiO2以外，還可以舉出Ta2O5、Al2O3等。
另外一個(gè)例子對(duì)于光柵的周期為1500nm、深度為3000nm的衍射光柵，在入射角度約為30度時(shí)，衍射效率與波長(zhǎng)的相關(guān)性如圖5所示。圖5中由實(shí)線連接黑圓點(diǎn)所成的曲線，表示了對(duì)與光柵平行偏振的直線偏振光的衍射效率，由虛線連接的白圓點(diǎn)表示與光柵垂直偏振的直線偏振光的衍射效率。由圖5可知，對(duì)于無論哪一種偏振光都有高的衍射效率。
圖5所示的例子中，雖對(duì)于無論哪一種正交直線偏振光都有高的衍射效率，但越接近在短波長(zhǎng)區(qū)域1520nm附近以及長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域1620nm，則有衍射效率之越增大的趨向。要使該差異減小，調(diào)整形成光柵的凹部和凸部的比例可以達(dá)到該效果。圖6表示的是光柵的一個(gè)周期內(nèi)凸部所占的不同比例而將深度優(yōu)化的衍射光柵在波長(zhǎng)從1520nm到1620nm的范圍內(nèi)的、兩個(gè)正交偏振光的衍射效率的差。由圖6可知，兩個(gè)正交偏振光的衍射效率的差，當(dāng)凸部所占的比例值在一半以上的時(shí)候顯著地受到抑制。這樣也可以通過調(diào)整光柵內(nèi)的凸部在一個(gè)周期中所占的比例，得到入射偏振光的相關(guān)性很小的衍射光柵。
要減小對(duì)于正交直線偏振光的衍射效率的差值，在保持光柵上端的凸部和凹部的比例約為1的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整光柵凸部壁面對(duì)基板表面的垂線所成的角度(以下稱為錐角)也可以達(dá)到該效果。圖13表示的是在與圖6相同的石英玻璃基板的表面形成的光柵周期為1500nm、衍射光柵深度為3600nm的衍射光柵，在波長(zhǎng)從1520nm到1570nm的范圍內(nèi)，兩個(gè)正交偏振光的衍射效率的差。
由圖13可知，兩個(gè)正交偏振光的衍射效率的差值因上述錐角而變化，采用3度以上的錐角，理想約為4度的錐角時(shí)，可以顯著改善。這樣，通過調(diào)整光柵側(cè)壁的錐角，也可以得到與入射偏振光的相關(guān)性很小的衍射光柵。
這樣的調(diào)整抑制了與偏振光的相關(guān)性，也抑制了由于光柵的深度而造成的衍射特性的差異，因而同時(shí)還有在制作過程中提高成品率的效果。
也就是說，對(duì)于衍射光柵的一個(gè)周期內(nèi)的凸部和凹部所占的比例凸部的比例大于等于凹部的比例，也即在0.5及以上，則能夠縮小兩個(gè)正交偏振光的衍射效率的差，所以比較理想。另外，若使形成衍射光柵的凸部的壁面有傾斜，當(dāng)在一個(gè)周期內(nèi)光柵上端的凸部所占的比例小于等于光柵底部的凸部的所占的比例時(shí)，能夠縮小兩個(gè)正交偏振光的衍射效率的差，所以比較理想。
進(jìn)一步減小衍射光柵的周期，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的分離角度的變化變大，雖然有提高波長(zhǎng)分解率的效果，但光柵的周期如上述例子那樣從1500nm減小到1000nm時(shí)，入射偏振光方向而產(chǎn)生的衍射效率的差有更加明顯的傾向。
因此，即使調(diào)整光柵凸部在光柵的周期內(nèi)所占的比例，雖有一定的效果但還不夠。在光柵的周期為1000nm的情況下，要降低入射偏振光方向而產(chǎn)生的衍射效率之差，用比在透明基板上成膜的透明基板的折射率要高的材料作為光柵凸部的構(gòu)成材料，可以達(dá)到該效果。
圖10表示對(duì)應(yīng)各種入射偏振光方向的衍射效率與波長(zhǎng)的相關(guān)性。在石英玻璃基板上光柵的凸部和凹部的比例相等進(jìn)行加工情況下時(shí)的特性如白圓點(diǎn)所示。圖10中用實(shí)線連接白圓點(diǎn)所成的曲線以及用虛線連接白圓點(diǎn)所成的曲線，表示對(duì)應(yīng)各種光柵的方向、也即光柵的長(zhǎng)度方向的對(duì)平行以及垂直的偏振光的特性。
另一方面，圖10中，在透明基板上成膜的具有折射率約為2的材料的光柵凸部的情況下的特性如黑圓點(diǎn)所示，圖10中用實(shí)線連接黑圓點(diǎn)所成的曲線以及用虛線連接黑圓點(diǎn)所成的曲線，表示對(duì)光柵的方向分別平行以及垂直的偏振光的特性。由圖10可知，減少了對(duì)入射偏振光方向的衍射效率的差。
圖13表示的與上述例子相同，在透明基板上成膜的具有折射率約為2的材料的光柵凸部的情況下，光柵上端的凸部和凹部的比例保持在大致為1不變，通過調(diào)整光柵凸部的錐角，可以降低對(duì)偏振光方向的衍射效率的差。圖14表示了在透明基板上成膜的折射率約為2的材料的光柵凸部，在波長(zhǎng)從1520nm到1570nm的范圍內(nèi)，兩個(gè)正交的偏振光方向的衍射效率的差。由圖14可知在具有折射率近似為2的材料的光柵凸部的情況下，在錐角大約為6度時(shí)，也可以顯著地改善兩個(gè)正交偏振光方向的衍射效率的差。
另外，從上述所有的例子可知，入射光線和衍射光對(duì)透射型的衍射光柵平面來說大致呈鏡像的關(guān)系的情況下，也即入射角度和衍射角度大致相等的情況下，就可以得到高的衍射效率。這種配置可以稱為用反射型衍射光柵的所謂利特羅配置、入射光線和衍射光線重疊配置的透射型的衍射光柵的情況下的配置。
另外，一般對(duì)于光學(xué)零件來說，為了減少界面的反射，可以利用光學(xué)多層膜形成包覆層。在如上述例子所示的縱橫比很大的衍射光柵的情況下，由于凹部和凸部的成膜特性不同而導(dǎo)致的形狀惡化等弊端很多，結(jié)果多數(shù)情況下導(dǎo)致光的利用效率降低。通過在預(yù)先加上低反射包覆層的基板上制成的衍射光柵，可以提高透射率。此時(shí)，光柵的側(cè)部以及底部雖沒有加上低反射的包覆層，但光柵的形狀沒有惡化，可僅在光柵的上部加上了低反射的包覆層。
通過采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，可以利用將入射光和衍射光充分分離的透射型衍射光柵可以實(shí)現(xiàn)具有簡(jiǎn)便的加工工藝和大的波長(zhǎng)分離效果、并且對(duì)光有高利用效率的分光衍射光柵。利用這種結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)可靠性好，生產(chǎn)率高的分光衍射元件，而且還可以實(shí)現(xiàn)廉價(jià)的分光系統(tǒng)。另外，由于可以使用透射配置，對(duì)分光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了很大的自由度。
關(guān)于本發(fā)明的衍射元件的衍射光柵圖形，由于可以使用光掩模等來制作，使衍射光柵圖形不僅限于直線形狀還可以是例如曲線形狀。利用這種曲線形狀，還可以附加了在光檢測(cè)器上聚焦衍射光那樣的透鏡功能。另外，通過使用大面積的晶片工藝，可以使相位板等具有其他功能的光學(xué)元件層疊在衍射元件上，可以更進(jìn)一步地提高功能，進(jìn)行復(fù)合化。
作為層疊的其他的光學(xué)元件，可以舉出有具有孔徑限制、像差修正、透鏡效果、光束整形、偏振光變換、相位調(diào)整、強(qiáng)度調(diào)整等功能的光學(xué)元件。層疊的光學(xué)元件，最好能夠適用于衍射元件、液晶元件、多層膜元件等的大面積晶片工藝。
也就是說，最好在上述的衍射元件的一個(gè)面上層疊其它的光學(xué)元件，形成一體化，能夠?qū)⑵渌墓鈱W(xué)功能附加在衍射元件上，以提高功能。
關(guān)于本發(fā)明的衍射光柵，是對(duì)基板例如是玻璃基板本身或者是在玻璃基板上成膜的無機(jī)材料進(jìn)行加工制成。特別是從可以省略成膜工序、以及不存在薄膜和基板之間的界面的觀點(diǎn)來看，最好是在基板上直接形成光柵。也就是說，可以非常理想地在具有高速且均勻刻蝕特性的石英系玻璃基板上直接加工，而且從可靠性以及批量性的觀點(diǎn)來看，最好是石英系的玻璃板。
另外，為了抑制由于溫度的變化而導(dǎo)致的衍射方向的變化，重要的是要對(duì)所使用的基板的線膨脹系數(shù)加以控制。最好使用最適合的線膨脹系數(shù)的透明基板，這樣可以得到具有良好溫度特性的元件。在這種情況下，可以在最適合的線膨脹系數(shù)的透明基板的表面直接加工，還可以在最適合的線膨脹系數(shù)的透明基板上將具有良好刻蝕特性的無機(jī)材料形成膜層。
作為一個(gè)例子就是抑制了線膨脹系數(shù)的玻璃基板材料，它可以使用以參雜了Ti的石英玻璃、Al2O3-LiO3-SiO2等為主要成分的玻璃等，但特別是最好對(duì)工藝流程中的基板溫度變化過程產(chǎn)生的影響很少以及參雜了具有良好刻蝕性的Ti的石英玻璃進(jìn)行直接基板加工。
另外，如上述例子所述的在縱橫比大的光柵形成時(shí)，元件的外圍部還沒有加工，這對(duì)于防止在加工中的光致抗蝕劑掩膜和光柵材料的破損是比較理想的。
關(guān)于本發(fā)明的衍射元件，如果是通過特別增大衍射角度來夠提高波長(zhǎng)分解率的小周期的衍射光柵，可以取得顯著的效果，特別是衍射光柵的周期與中心波長(zhǎng)大致相等的元件，或者是周期(間距)在小于中心波長(zhǎng)的范圍內(nèi)的元件，則有很大的效果。
使用上述本發(fā)明的衍射元件可以構(gòu)成多種不同的光學(xué)裝置。該光學(xué)裝置如果是用到本發(fā)明的衍射元件的分光特性等特性，則無論哪種光學(xué)裝置都可以。
另外，上述衍射元件的基板是采用透明基板，衍射元件是用作透射型元件而構(gòu)成分光裝置，但由于本發(fā)明的衍射元件具有大的波長(zhǎng)分離效果，入射光和透射的衍射光的分離角度很大，因此在配置上沒有制約。
所謂本發(fā)明的分光裝置，例如有用在光通信上作為波分復(fù)用通信的檢測(cè)器。在1520nm到1620nm的不同波長(zhǎng)的信號(hào)光通過同一根傳送光纖的情況下，就必須分離為各波長(zhǎng)并測(cè)定每個(gè)不同波長(zhǎng)光的信號(hào)強(qiáng)度。從傳送光纖出射的光利用本發(fā)明的衍射元件的作用，對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)向不同的方向衍射傳送，向不同的接收光的元件入射，就可以測(cè)定各波長(zhǎng)的信號(hào)強(qiáng)度。而且，由于對(duì)應(yīng)各波長(zhǎng)有不同的傳送途徑，因此可以對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)的不同的強(qiáng)度和相位進(jìn)行調(diào)整。在使用反射型的元件的情況下，為了得到高的光的利用效率，一般的是采用入射光和反射衍射光接近的稱為利特羅配置。對(duì)入射光纖和檢測(cè)器的配置的制約，而本發(fā)明的透射型的衍射元件，不僅可以實(shí)現(xiàn)與反射利特羅配置相同的對(duì)光有高的利用效率，而且還具有使入射光和衍射光所成角度較大、配置上的制約較少等優(yōu)點(diǎn)。
以下是具體的實(shí)施例。
實(shí)施例1圖1表示本實(shí)施例的分光衍射光柵結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。在本實(shí)施例中，將厚度為2.0mm的石英玻璃基板作為透明基板101，透明基板的一面用TiO2以及SiO2制成對(duì)入射角度為50度的光的反射率最低的四層反射防止膜102。然后用光刻蝕以及干法刻蝕技術(shù)將其形成矩形狀的衍射光柵。也就是說，首先在對(duì)應(yīng)于光柵凹部的反射防止膜的部分由刻蝕去除以后，實(shí)施石英玻璃的加工深度為900nm的刻蝕，形成了在石英玻璃的凸部上面有多層膜的光柵周期為1000nm的矩形的衍射光柵103。凹部和凸部的寬度比為1∶1。
另外，在透明基板101的與形成矩形衍射光柵103的面相反的一面，形成與上述同樣的對(duì)50度的入射光的四層反射防止膜104。然后，用切割鋸將透明基板101切成15mm×10mm的長(zhǎng)方形，即是衍射元件10。
從衍射元件10的矩形衍射光柵103的一側(cè)，相對(duì)光柵為平行偏振光，波長(zhǎng)為1520、1570以及1620nm的光以外部入射角為50°入射時(shí)，分別對(duì)應(yīng)各個(gè)波長(zhǎng)有92、93以及91％的高的衍射效率。另外，由于入射光的波長(zhǎng)不同，衍射光的出射方向分別變?yōu)?9、54以及59度，三種波長(zhǎng)的光就可以充分地分離。圖1中分別用實(shí)線箭頭表示入射光，點(diǎn)劃線表示透射光，虛線表示-1級(jí)衍射光。
實(shí)施例2圖2表示本實(shí)施例的分光衍射元件結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。在本實(shí)施例中，將厚度為2.0mm的石英玻璃基板作為透明基板201。透明基板201上涂有光致抗蝕劑，采用開口部為光柵周期的1/3圖中未表示的光掩膜的光刻法，形成了凸部和凹部寬度比為2∶1的光致抗蝕劑掩膜。然后，用干法刻蝕技術(shù)形成深度為3400nm的矩形衍射光柵。也就是說，形成了光柵的周期為1500nm、凸部寬度為1000nm、凹部寬度為500nm、石英玻璃的加工深度為3600m的矩形衍射光柵202。
其次，在與透明基板201的與矩形衍射光柵202的形成面相反的另一面，形成對(duì)30度的入射光的反射防止膜203。然后，用切割鋸將透明基板201切成10mm×6mm的長(zhǎng)方形，即是衍射元件20。
從衍射元件20的矩形衍射光柵202的一側(cè)面，波長(zhǎng)為1520、1570以及1620nm的光以外部入射角為30°入射時(shí)，相對(duì)光柵為平行偏振光，對(duì)各波長(zhǎng)的衍射效率分別為92、92以及92％。另一方面對(duì)于相對(duì)光柵為垂直偏振光，分別為95、92以及89％，對(duì)無論是入射光波長(zhǎng)的變化還是入射光的偏振方向的變化均有高的衍射效率。而且，由于入射光波長(zhǎng)不同，衍射光的出射方向分別變?yōu)?1、33、35度，三種波長(zhǎng)的光就可以充分地分離。圖2中分別用實(shí)線箭頭表示入射光，點(diǎn)劃線表示透射光，虛線表示1級(jí)衍射光。
實(shí)施例3圖9表示本實(shí)施例的分光衍射元件結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。在本實(shí)施例中，將厚度為2.0mm的無色透明平板玻璃基板作為透明基板901。透明基板的一面用濺射法形成厚度為1.3μm的Ta2O5膜層以及0.35μm的SiO2膜層5然后用光刻以及干法刻蝕技術(shù)選擇性地將膜層除去，形成由Ta2O2膜層903和SiO2膜層902構(gòu)成的矩形狀的衍射光柵904。此時(shí)，通過優(yōu)化曝光用的圖未表示的光掩膜開口，來調(diào)整透光部分和不透光部分的比例，使光柵凹凸部相對(duì)于的光柵周期的比例為6∶4，也即形成600nm的凸部對(duì)應(yīng)400nm的凹部的情況下。
其次，在透明基板901的與矩形衍射光柵904的形成面相反的另一面，與上述例子同樣地形成對(duì)50度的入射光的反射防止膜905。然后，用切割鋸將透明基板901切成5mm×10mm的長(zhǎng)方形，即是衍射元件90。
從衍射元件90的矩形衍射光柵904的一側(cè)，相對(duì)光柵為平行偏振光的波長(zhǎng)為1520、1570以及1620nm的光以外部入射角為50°入射時(shí)，對(duì)應(yīng)各波長(zhǎng)分別有93、94以及92％的高衍射效率。另外，對(duì)于相對(duì)光柵為垂直偏振的同樣1520、1570以及1620nm的光，也分別有91、92以及91％的高衍射效率。
另外，由于入射光波長(zhǎng)不同，衍射光的出射方向分別變?yōu)?9、54以及59度，三種波長(zhǎng)的光就可以充分地分離。圖9中分別用實(shí)線箭頭表示入射光，點(diǎn)劃線表示透射光，虛線表示-1級(jí)衍射光。
實(shí)施例4圖11表示本實(shí)施例的分光衍射元件結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。在本實(shí)施例中，將厚度為2.0mm的石英玻璃基板作為透明基板1101。透明基板的一面用濺射法形成厚度為1300nm的Ta2O5膜層以及450nm的SiO2膜層。然后用光刻以及干法刻蝕技術(shù)選擇性地將膜層除去，形成由Ta2O5膜層1103和SiO2膜層1102構(gòu)成的矩形狀的衍射光柵110。此時(shí)，通過優(yōu)化透光用的圖未表示的光掩膜開口以及刻蝕條件，使衍射光柵凸部的壁面傾斜，從而形成周期為1000nm的有錐角的光柵1104。制作的衍射光柵的光柵上端的凸部和凹部的寬度比例大約為1∶1，光柵凸部的壁面錐角約為6度。
其次，在透明基板1101的與矩形衍射光柵1104的形成面相反的另一面，與上述例子同樣地形成對(duì)50度的入射光的反射防止膜1105。然后，用切割鋸將透明基板1101切成15mm×10mm的長(zhǎng)方形，即是衍射元件110。
從衍射元件110的矩形衍射光柵1104的一側(cè)，相對(duì)光柵為平行偏振光的波長(zhǎng)為1520、1545以及1570nm的光以外部入射角為50°入射時(shí)，對(duì)應(yīng)各波長(zhǎng)分別有94、95以及94％的高衍射效率。另外，對(duì)于相對(duì)光柵為垂直偏振光的同樣1520、1545以及1570nm的光，也分別有95、95以及95％的高衍射效率。
實(shí)施例5圖12表示本實(shí)施例的分光衍射元件結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。在本實(shí)施例中，將厚度為2.0mm的石英玻璃基板作為透明基板1201。透明基板1201上涂布光致抗蝕劑，使用了圖中未表示的光掩膜，采用光刻法，形成了光致抗蝕劑掩膜。然后，用干法刻蝕技術(shù)形成深度為3600nm、光柵的周期為1500nm的衍射光柵1202。此時(shí)，通過優(yōu)化透光用的圖未表示的光掩膜開口以及刻蝕條件，為衍射光柵凸部的壁面有傾斜、有錐角的光柵1202。制作的衍射光柵的光柵上端的凸部和凹部的寬度比例大約為1∶1，光柵凸部的壁面錐角θ約為4度。
其次，在透明基板1201的與矩形衍射光柵1202的形成面相反的另一面，形成對(duì)30度的入射光的反射防止膜1203。然后，用切割鋸將透明基板1201切成10mm×6mm的長(zhǎng)方形，即是衍射元件120。
從衍射元件120的矩形衍射光柵1202一側(cè)，相對(duì)光柵為平行偏振光的波長(zhǎng)為1520、1545以及1570nm的光以外部入射角為30°入射時(shí)，對(duì)應(yīng)各波長(zhǎng)分別有95、96以及95％的高衍射效率。另外，對(duì)于相對(duì)光柵為垂直偏振光的同樣1520、1545以及1570nm的光，也分別有95、95以及94％的高衍射效率。
工業(yè)上的實(shí)用性如以上說明，本發(fā)明的衍射元件是具有簡(jiǎn)單的工藝、良好的批量性同時(shí)具有高的衍射效率和大的波長(zhǎng)分離效果的分光衍射元件。而且，本發(fā)明的衍射元件可實(shí)現(xiàn)具有良好的可靠性、偏振光特性等的衍射元件。
權(quán)利要求
1.一種衍射元件，其特征在于包含在基板的表面形成的或者是在基板上形成的膜層所形成的光柵，是其截面為凹凸?fàn)?，并且凸部的上表面?shí)質(zhì)上是平坦的、凸部對(duì)稱的光柵，所述衍射元件這樣使用，即衍射元件的光柵的一個(gè)周期實(shí)質(zhì)上等于入射光的波長(zhǎng)，并且光斜向入射衍射元件的光柵形成面。
2.如權(quán)利要求1所述的衍射元件，其特征在于在一個(gè)周期之內(nèi)凸部和凹部所占的比例中，凸部的比例大于等于凹部的比例。
3.如權(quán)利要求1或2所述的衍射元件，其特征在于形成所述光柵的凸部的壁面傾斜，在一個(gè)周期之內(nèi)光柵凸部上端所占的比例小于等于光柵凸部底部所占的比例。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的衍射元件，其特征在于所述的衍射元件至少在凸部和凹部層疊凸部不同的一層及一層以上的光學(xué)材料。
5.如權(quán)利要求4所述的衍射元件，其特征在于所述光學(xué)材料是從TiO2、SiO2、Ta2O5、Al2O3中選擇的材料。
6.如權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的衍射元件，其特征在于使用透明基板作為所述基板，在透明基板上的成膜層形成光柵的凸部，并且光柵的凸部的折射率高于透明基板的折射率。
7.如權(quán)利要求6所述的衍射元件，其特征在于在透明基板上形成的膜層，是從SiO2、TiO2、Ta2O5、Si3O4、Si這一類材料中選擇一種作為主要成分的膜層或者是這些物質(zhì)的混合物構(gòu)成的膜層。
8.一種衍射元件，其特征在于是在權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的衍射元件的一個(gè)面上與其他光學(xué)元件層疊，形成一體化。
9.一種衍射元件的使用方法，其特征在于所述的衍射元件包含在基板的表面形成的或者是在基板上形成的膜層所形成的光柵，是其截面為凹凸?fàn)畈⑶彝共康纳厦鎸?shí)質(zhì)上是平坦的、凸部對(duì)稱的光柵，衍射元件的使用方法為光柵的一個(gè)周期實(shí)質(zhì)上等于入射光的波長(zhǎng)，光斜向入射衍射元件的光柵形成面。
10.如權(quán)利要求9所述的衍射元件的使用方法，其特征在于相對(duì)衍射元件表面垂直的法線，所述光在斜向入射時(shí)的入射角度在15～80°的范圍內(nèi)。
11.一種光學(xué)裝置，其特征在于使用了如權(quán)利要求1至8的任意一項(xiàng)所述的衍射元件。
12.一種分光裝置，其特征在于如權(quán)利要求11所述的光學(xué)裝置是分光裝置，用透明基板作為所述衍射元件的基板，所述衍射元件用作為透射型元件。
全文摘要
本發(fā)明目的在于得到具有簡(jiǎn)單的工藝、良好的批量性同時(shí)具有高的衍射效率和大的波長(zhǎng)分離效果的衍射元件。對(duì)于具有在透明基板301的表面形成的截面呈凹凸?fàn)钋彝共繛閷?duì)稱的矩形光柵302的衍射元件30，其光柵的一個(gè)周期小于或等于入射光的波長(zhǎng)，并且光斜向入射衍射元件30的光柵形成面。
文檔編號(hào)G01J3/18GK1756972SQ20048000569
公開日2006年4月5日 申請(qǐng)日期2004年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月13日
發(fā)明者佐藤弘昌, 梨子公貴 申請(qǐng)人:旭硝子株式會(huì)社