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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-27
(45)【発行日】2024-03-06
(54)【発明の名称】透過型回折格子素子及び光を波長に応じた向きに進ませる方法
(51)【国際特許分類】
G02B 5/18 20060101AFI20240228BHJP
【ＦＩ】
G02B5/18
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020006448
(22)【出願日】2020-01-18
(65)【公開番号】P2021113897
(43)【公開日】2021-08-05
【審査請求日】2022-09-15
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】000102212
【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100097548
【弁理士】
【氏名又は名称】保立 浩一
(72)【発明者】
【氏名】矢島 大輔
(72)【発明者】
【氏名】松澤 聡司
【審査官】小久保 州洋
(56)【参考文献】
【文献】特開平０９－２９７２０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－３１５５１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００５－５１７９７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０２５７４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／１０５５８６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００５－０９９１７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０３３７６４８６（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ５／１８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光の回折を利用して光を波長に応じた向きに進ませる透過型回折格子素子であって、透明な基板と、前記基板上に形成された格子層とを備えており、前記格子層は、ギャップに対して屈折率差を持つグリッドを周期的に配して光の位相を周期的に変化させる微細構造を有しており、
前記格子層において、１個の前記グリッドの幅と１個の前記ギャップの幅とから成る格子周期は、目的とする波長の回折光の次数が１次以下となる長さとなっており、
前記グリッドは無機材料で形成されており、
前記グリッドの前記基板とは反対側には前記グリッドを保護する透光性の保護層が設けられており、
前記ギャップには材料が充填されておらず、
前記保護層は、前記グリッドの前記基板とは反対側において側方に膨らんで形成されており、隣り合う前記グリッドを覆う前記保護層は連続していて連続している部分の前記基板側に空洞が前記ギャップとして形成されているか、又は隣り合う前記グリッドを覆う前記保護層は接近していてその接近距離よりも広い幅の空間が接近部分の前記基板側に前記ギャップとして形成されており、
前記保護層の一部は、前記グリッドの側面を覆っており、
前記グリッドの側面を覆っている保護層の前記一部は、前記ギャップに対して屈折率差を有しており、前記グリッドとともに前記格子層を形成しており、
前記グリッド及び前記グリッドの側面を覆っている保護層の前記一部で形成された前記ギャップである空洞は、前記基板から遠ざかる向きにおいて幅が一定であるか又は前記基板から遠ざかるに従って幅が広くなる漸増状態が前記グリッドの前記基板とは反対側の端部まで続いていることを特徴とする透過型回折格子素子。
【請求項2】
前記グリッドは、前記基板から遠ざかるに従って幅が狭くなる断面形状を有しており、前記グリッドの側面を覆っている保護層の前記一部は、前記基板から遠ざかるに従って幅が広くなる断面形状を有していることを特徴とする請求項１記載の透過型回折格子素子。
【請求項3】
前記保護層のうち、少なくとも前記グリッドの側面を覆っている前記一部は前記グリッドと同一の材料であることを特徴とする請求項１又は２記載の透過型回折格子素子。
【請求項4】
請求項１乃至３いずれかに記載の透過型回折格子素子を使用して光を波長に応じた向きに進ませる方法であって、前記ギャップに材料を充填しない状態で光を前記透過型回折格子素子に入射させることを特徴とする、光を波長に応じた向きに進ませる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この出願の発明は、透過型の回折格子の技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
回折格子は典型的な分散素子であり、分光用その他の用途で盛んに使用されている。代表的な回折格子は、刻線型の反射型回折格子である。この種の反射型回折格子は、透過型に比べて一般的に損失が少なく、内部迷光の影響がないといった長所を有する。しかしながら、組み込み先の光学系や装置の小型化という点では透過型の方が優れている。透過型の回折格子は、コリメータや結像光学素子を近傍に配置することができ、全体の小型化に貢献する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】http://www.hanamuraoptics.com/device/WasatchPhotonics/Wasatch_Photonics_Tranmitting_VPHG.htm
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述した反射型回折格子は、メカニカルな製造方法が採用されており、高い形状精度を得ることが難しい。このため、回折効率の向上に限界がある。透過型の回折格子についても、モールディングのようなメカニカルな製造方法が採用されることが多く、同様の課題がある。
上述した従来の一般的な回折格子は振幅型というべきものであるが、近年、位相型の回折格子が盛んに研究され、一部が実用化されている。位相型回折格子は、伝搬する光の位相を変化させる部位を周期的に配した構造とし、０次光を抑制して回折作用を得る素子である。周期構造としては、素子を構成する基板の表面に微細な凹凸形状を設けた構造のもの（レリーフ型）や、周期的に屈折率が異なる領域を基板内に形成した構造のもの（屈折率変調型）が知られている。
上述した従来の一般的な回折格子は振幅型というべきものであるが、近年、位相型の回折格子が盛んに研究され、一部が実用化されている。位相型回折格子は、伝搬する光の位相を変化させる部位を周期的に配した構造とし、０次光を抑制して回折作用を得る素子である。周期構造としては、素子を構成する基板の表面に微細な凹凸形状を設けた構造のもの（レリーフ型）や、周期的に屈折率が異なる領域を基板内に形成した構造のもの（屈折率変調型）が知られている。
【0005】
また位相型回折格子として、ホログラフィを利用して作製される位相型ホログラフィック回折格子が知られている。位相型ホログラフィック回折格子にもレリーフ型と屈折率変調型とがあるが、屈折率変調型のもの（体積位相型ホログラフィック回折格子、非特許文献１）は、レリーフ型に比べて高い回折効率を発揮することから、天文学やハイパースペクトルイメージング等の用途で使用されている。
【0006】
体積位相型ホログラフィック回折格子（Volume Phase Holographic Grating, VPHG）は、ガラス基板にサンドイッチされた状態で重クロム酸ゼラチンのような有機感光材料で感光層を設け、感光層に対して二光束干渉法により干渉縞を投影して屈折率変調を施すことで製作される素子である。ＶＰＨＧは、このような光学的なプロセスで製作される素子であるため、形状精度が高く、回折効率の大幅な向上が可能な素子となっている。
【0007】
しかしながら、ＶＰＨＧのように有機材料で位相制御層（周期的に位相を変化させる層）を形成した構造では、製品の信頼性の点では問題が生じ得る。例えば、湿度の高い環境で使用される場合、吸湿によって特性が変化し得る。また、強い光の照射を長期間受ける結果、劣化する場合もあり得る。したがって、無機材料で位相制御層を形成した構造とすることが望ましい。
本願の発明は、このような課題を解決するために為されたものであり、高い形状精度を実現しつつも位相制御層を無機材料で形成した構造の信頼性の高い透過型の回折格子素子を提供することを目的としている。
本願の発明は、このような課題を解決するために為されたものであり、高い形状精度を実現しつつも位相制御層を無機材料で形成した構造の信頼性の高い透過型の回折格子素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するため、この出願の発明に係る透過型回折格子素子は、光の回折を利用して光を波長に応じた向きに進ませる透過型回折格子素子であって、透明な基板と、基板上に形成された格子層とを備えている。格子層は、ギャップに対して屈折率差を持つグリッドを周期的に配して光の位相を周期的に変化させる微細構造を有しており、グリッドは無機材料で形成されている。
格子層において、１個のグリッドの幅と１個のギャップの幅とから成る格子周期は、目的とする波長の回折光の次数が１次以下となる長さとなっている。
グリッドの基板とは反対側にはグリッドを保護する透光性の保護層が設けられており、ギャップには材料が充填されていない。
保護層は、グリッドの基板とは反対側において側方に膨らんで形成されており、隣り合う前記グリッドを覆う保護層は連続していて連続している部分の基板側に空洞がギャップとして形成されているか、又は隣り合う前記グリッドを覆う保護層は接近していてその接近距離よりも広い幅の空間が接近部分の基板側に前記ギャップとして形成されている。
保護層の一部は、グリッドの側面を覆っている。
また、グリッドの側面を覆っている保護層の一部は、ギャップに対して屈折率差を有しており、グリッドとともに格子層を形成している。
そして、グリッド及びグリッドの側面を覆っている保護層の一部で形成されたギャップである空洞は、基板から遠ざかる向きにおいて幅が一定であるか又は基板から遠ざかるに従って幅が広くなる漸増状態がグリッドの基板とは反対側の端部まで続いている。
また、上記課題を解決するため、透過型回折格子素子は、グリッドが、基板から遠ざかるに従って幅が狭くなる断面形状を有しており、グリッドの側面を覆っている保護層の一部は、基板から遠ざかるに従って幅が広くなる断面形状を有しているという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、透過型回折格子素子は、保護層のうち、少なくともグリッドの側面を覆っている一部がグリッドと同一の材料であるという構成を持ち得る。
格子層において、１個のグリッドの幅と１個のギャップの幅とから成る格子周期は、目的とする波長の回折光の次数が１次以下となる長さとなっている。
グリッドの基板とは反対側にはグリッドを保護する透光性の保護層が設けられており、ギャップには材料が充填されていない。
保護層は、グリッドの基板とは反対側において側方に膨らんで形成されており、隣り合う前記グリッドを覆う保護層は連続していて連続している部分の基板側に空洞がギャップとして形成されているか、又は隣り合う前記グリッドを覆う保護層は接近していてその接近距離よりも広い幅の空間が接近部分の基板側に前記ギャップとして形成されている。
保護層の一部は、グリッドの側面を覆っている。
また、グリッドの側面を覆っている保護層の一部は、ギャップに対して屈折率差を有しており、グリッドとともに格子層を形成している。
そして、グリッド及びグリッドの側面を覆っている保護層の一部で形成されたギャップである空洞は、基板から遠ざかる向きにおいて幅が一定であるか又は基板から遠ざかるに従って幅が広くなる漸増状態がグリッドの基板とは反対側の端部まで続いている。
また、上記課題を解決するため、透過型回折格子素子は、グリッドが、基板から遠ざかるに従って幅が狭くなる断面形状を有しており、グリッドの側面を覆っている保護層の一部は、基板から遠ざかるに従って幅が広くなる断面形状を有しているという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、透過型回折格子素子は、保護層のうち、少なくともグリッドの側面を覆っている一部がグリッドと同一の材料であるという構成を持ち得る。
【発明の効果】
【0009】
以下に説明する通り、この出願の発明に係る透過型回折格子素子によれば、格子層に有機材料を使用していないので、製品の高信頼性化に貢献する。即ち、湿度や温度等の点で厳しい環境下で使用されたり、強い光の照射を長期間受ける条件で使用されたりした場合でも劣化が少なく、品質の良い回折光を長期間得ることができる。このため、組み込み先の製品の信頼性を高く維持することができる。
また、グリッドを保護する保護層が設けられているので、欠けや倒壊といったグリッドの破損が防止される。このため、高い形状精度が安定して維持され、高い回折効率を安定して得ることができる。このため、高信頼性の回折格子素子となる。
また、保護層の一部がグリッドの側面を覆っていると、グリッドを保護する効果が高められるため、素子の信頼性がさらに高くなる。
また、グリッドの側面を覆っている保護層の一部がグリッドとともに格子層を形成していると、グリッドを補完する作用を保護層に持たせることができるので、この点で好適となる。
また、グリッドが基板から遠ざかるに従って幅が狭くなる断面形状を有しており、グリッドを覆っている保護層の一部が基板から遠ざかるに従って幅が広くなる断面形状を有していると、格子層における全体の形状精度が高くなる。このため、より高い回折効率が得られる回折格子素子となる。
上記課題を解決するため、透過型回折格子素子は、保護層のうち、少なくともグリッドを覆っている一部がグリッドと同じ材料であるので、波面の乱れが生じにくく、この点で高い回折効率が得られる素子となる。
また、グリッドを保護する保護層が設けられているので、欠けや倒壊といったグリッドの破損が防止される。このため、高い形状精度が安定して維持され、高い回折効率を安定して得ることができる。このため、高信頼性の回折格子素子となる。
また、保護層の一部がグリッドの側面を覆っていると、グリッドを保護する効果が高められるため、素子の信頼性がさらに高くなる。
また、グリッドの側面を覆っている保護層の一部がグリッドとともに格子層を形成していると、グリッドを補完する作用を保護層に持たせることができるので、この点で好適となる。
また、グリッドが基板から遠ざかるに従って幅が狭くなる断面形状を有しており、グリッドを覆っている保護層の一部が基板から遠ざかるに従って幅が広くなる断面形状を有していると、格子層における全体の形状精度が高くなる。このため、より高い回折効率が得られる回折格子素子となる。
上記課題を解決するため、透過型回折格子素子は、保護層のうち、少なくともグリッドを覆っている一部がグリッドと同じ材料であるので、波面の乱れが生じにくく、この点で高い回折効率が得られる素子となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】実施形態の透過型回折格子素子の断面概略図である。
【図2】実施形態の透過型回折格子素子の斜視概略図である。
【図3】実施形態の透過型回折格子素子の動作原理について示した概略図である。
【図4】シミュレーション実験において前提条件とした酸化シリコンの屈折率を示した図である。
【図5】シミュレーション実験の結果について示した概略図である。
【図6】シミュレーション実験の結果について示した概略図である。
【図7】シミュレーション実験の結果について示した概略図である。
【図8】シミュレーション実験の結果について示した概略図である。
【図9】格子層の形状精度向上について示した断面概略図である。
【図10】入り込み部による形状精度低下補償のパターンについて示した断面概略図である。
【図11】入り込み部の効果について確認したシミュレーション実験の結果について示した概略図である。
【図12】実施形態の透過型回折格子素子の製造方法を示した概略図である。
【図13】保護層の形成工程について示した概略図である。
【図14】保護層の構造の他の例について示した断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
次に、この出願の発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
図１及び図２は、実施形態の透過型回折格子素子の概略図であり、図１は断面概略図、図２は斜視概略図である。
実施形態の回折格子素子は、光の回折を利用して光を波長に応じた向きに進ませる透過型の回折格子素子である。この回折格子素子は、透明な基板１と、基板１上に形成された格子層２とを備えている。尚、「回折格子素子」という用語は、一般的に使われている「回折格子」という用語と同様の意味であるが、格子層という部分を備えているので、混乱を避けるために「回折格子素子」と言い換えている。
図１及び図２は、実施形態の透過型回折格子素子の概略図であり、図１は断面概略図、図２は斜視概略図である。
実施形態の回折格子素子は、光の回折を利用して光を波長に応じた向きに進ませる透過型の回折格子素子である。この回折格子素子は、透明な基板１と、基板１上に形成された格子層２とを備えている。尚、「回折格子素子」という用語は、一般的に使われている「回折格子」という用語と同様の意味であるが、格子層という部分を備えているので、混乱を避けるために「回折格子素子」と言い換えている。
【0012】
基板１は無機材料で形成されていることが好ましく、典型的には石英ガラスやホウケイ酸ガラスのようなガラス製である。この他、サファイア製の基板が使用されることもある。「透明」とは、回折を利用して方向制御を行う波長において透明であれば良く、必要でない波長域においては透明でない場合もあり得る。尚、基板１の厚さはｍｍオーダーである場合が多く、図１等はこの厚さを忠実に表したものではない。
この回折格子素子は位相型の一種であり、格子層２は、基板１の面内の方向において周期的に位相を変化させて０次光を抑制しつつ回折作用を得るための層である。格子層２は、ギャップ２０に対して屈折率差を持つグリッド２１を周期的に配した微細構造とすることで形成されている。
この回折格子素子は位相型の一種であり、格子層２は、基板１の面内の方向において周期的に位相を変化させて０次光を抑制しつつ回折作用を得るための層である。格子層２は、ギャップ２０に対して屈折率差を持つグリッド２１を周期的に配した微細構造とすることで形成されている。
【0013】
ギャップ２０には材料は充填されておらず、空気又は真空の屈折率である。グリッド２１については、ギャップ２０に対して屈折率差を有する材料が適宜選定される。この実施形態では、グリッド２１の材料は酸化シリコンとなっている。グリッド２１は、後述するように堆積膜をエッチングすることで形成されており、アモルファスの状態である。
【0014】
この実施形態では、対象波長（回折作用により所望の方向制御を行う波長）は、７９０～８９０ｎｍの波長域となっている。この波長域において酸化シリコンの屈折率は（屈折率の実部）１．４程度であり、空気又は真空であるギャップ２０に対して屈折率差が存在する。
尚、図２に示すように、基板１に対して平行な面内では、格子層２は、いわゆるラインアンドスペース（Ｌ＆Ｓ，Line and Space）の構造となっている。グリッド２１は、互いに平行に延びる線状であり、ギャップ２０は等間隔となっている。
尚、図２に示すように、基板１に対して平行な面内では、格子層２は、いわゆるラインアンドスペース（Ｌ＆Ｓ，Line and Space）の構造となっている。グリッド２１は、互いに平行に延びる線状であり、ギャップ２０は等間隔となっている。
【0015】
このような実施形態の透過型回折格子素子の動作原理について、図３を参照して説明する。図３は、実施形態の透過型回折格子素子の動作原理について示した概略図である。
図３に示すように、回折格子素子に対して入射角度αで光Ｌ１が入射する。このとき、高い効率で出射回折光を得るためには、入射角度αに対して以下の式１を満たす必要がある。式１において、ｎは雰囲気の屈折率、ｐは格子周期、λは光の波長である。
一方、回折格子素子において、以下に式２として示す回折格子方程式が成立する。式２において、βは出射回折光の角度、ｍは回折光の次数（整数）である。
式１と式２から、出射回折光の角度βについて、以下の式３が成り立つ。
|sinβ|≦１であるから、式３より、次数ｍは以下の式４の条件を満たす整数となる。
図３に示すように、回折格子素子に対して入射角度αで光Ｌ１が入射する。このとき、高い効率で出射回折光を得るためには、入射角度αに対して以下の式１を満たす必要がある。式１において、ｎは雰囲気の屈折率、ｐは格子周期、λは光の波長である。
【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
【0016】
式４において、ある条件ではαが存在し得ない場合がある。例えば、例えばｎ＝１(空気)、ｐ＝０．１λとすると、αはｓｉｎα＝５を満たさなければならないが、そのようなαは存在しない。また、ｎ＝１、ｐ＝０．５λとすると、α＝９０°という解になるが、これは光が水平に入射する状態を表しており、光学配置としては実現できない。逆に言えば、式４が成立するαが存在していれば、回折格子として機能することになる。例えば、ｎ＝１、ｐ＝λとすると、αはｓｉｎα＝１／２を満たしていればよい。即ち、α＝３０°が入射光の条件となる。
【0017】
このようにある角度αで光Ｌ１が入射すると、式２の関係を満たす角度βで回折光Ｌ２が出射する。つまり、透過した光Ｌ２は、波長λに応じた向き（出射角度β）で進んでいく。この際、格子周期ｐを光の波長程度まで小さくすればｍ＝０，１となり、ｍ＝０の光（０次光）を抑制すれば、効率良く１次回折光を取り出すことができるようになる。
尚、ギャップ２０に対する屈折率差は、概ね０．３以上あると好ましく、ギャップ２０が空気である場合、グリッド２１の屈折率は１．３以上ということになる。
尚、ギャップ２０に対する屈折率差は、概ね０．３以上あると好ましく、ギャップ２０が空気である場合、グリッド２１の屈折率は１．３以上ということになる。
【0018】
０次光を抑制して回折効率を高くするため、実施形態の透過型回折格子素子は、格子層２の断面形状を最適化している。より具体的には、グリッド２１とギャップ２０の全体の幅（格子周期ｐ）に対するグリッド２１の幅の比（この明細書においてデューティ比という。）ｄに対してグリッド２１の高さを最適化している。発明者は、回折効率を向上させるには、グリッド２１のアスペクト比（グリッドの幅に対するグリッドの高さの比）を高くすれば良いのではないかと考え、シミュレーション実験を含めた種々の検討を行った。その結果、アスペクト比を高くすると逆に回折効率が低下してしまう場合もあり、ある最適なアスペクト比があることが判ってきた。
【0019】
図４～図８は、グリッド２１のアスペクト比に関するシミュレーション実験について示した図である。このうち、図４は、シミュレーション実験において前提条件とした酸化シリコンの屈折率について示した図、図５～図８はシミュレーション実験の結果について示した概略図である。
【0020】
このシミュレーション実験では、上記のように７９０～８９０ｎｍの範囲内の波長の光について用いる回折格子素子を想定した。「７９０～８９０ｎｍの範囲内の波長の光」とは、７９０～８９０ｎｍの範囲内の全ての波長の場合もあるし、範囲内のいずれかの波長のみを対象とする場合もある。格子周期ｐは、対象波長に一致又は近いことが好ましく、この例では８３３ｎｍとしている。基板１及びグリッド２１の材料は、酸化シリコンであるとした。酸化シリコンについての屈折率が、図４に示されている。図４において、ｎは屈折率の実部、ｋは虚部（消衰係数）である。
【0021】
シミュレーション実験では、図４に示す屈折率を前提とし、グリッド２１の寸法を種々に変えながら、ＲＣＷＡ法により各波長の回折効率を計算した。具体的には、デューティ比ｄを０．４～０．８の間で０．１ずつ変化させ、さらにグリッド２１の高さを１２００～２６００ｎｍの間で１００ｎｍずつ変化させた。この結果が、図５～図８に示されている。
【0022】
図５～図７には、シミュレーション実験の結果について異なる基準で評価をした結果が示されている。図５～図７において、各方形の枠内のグラフの横軸は波長、縦軸は回折効率であり、ＴＥ波の回折効率、ＴＭ波の回折効率、両者平均の回折効率がそれぞれ示されている。図８には、図５～図７の各グラフにおける各アスペクト比が参考のために示されている。尚、計算された回折効率はいわゆる絶対回折効率であり、入射光強度に対する回折光強度の比である。また、ＴＥ波とＴＭ波の二つの偏光光について回折効率が計算され、さらにその平均値が計算された。
【0023】
図５では、６０％以上の回折効率が得られた好ましい条件が太枠で示されている。図６では、７０％以上の回折効率が得られたより好ましい条件が太枠で示されている。図７では、８０％以上の回折効率が得られたさらに好ましい条件が太枠で示されている。６０％以上、７０％以上、８０％以上とは、波長についての平均の値であり且つＴＥ波とＴＭ波との平均の値である。また、「回折光を得る」というのは、回折作用により光を波長に応じた方向に進ませるという意味である。上記の例では、例えば格子周期に一致した８３３ｎｍの光の場合、原理的には３０°の角度（基板１に垂直な方向に対する角度）で出射する。尚、図５～図８において、図示の都合上、グリッド高さが２０００ｎｍ超の場合の結果については、図示が省略されている。
【0024】
図５において太枠で示した条件は、デューティ比０．５～０．７、アスペクト比２．４０～３．６０の条件である。この条件では、７９０～８９０ｎｍの波長範囲内において平均して６０％程度以上の回折効率が得られ、且つＴＥ波とＴＭ波の回折効率の差が０．２２以下となり、且つ７９０～８９０ｎｍの波長範囲におけるＴＥ・ＴＭ平均の回折効率のバラツキ（最大値と最小値の差）が０．１以下となる。太枠以外でも平均６０％以上の回折効率が達成されているものもあるが、ＴＥ波とＴＭ波の回折効率の差が０．２２を超えていたり、回折効率の波長間のバラツキが０．１を超えていたりする。つまり、デューティ比０．５～０．７、アスペクト比２．４０～３．６０としておくと、ＴＥ波とＴＭ波の回折効率の差を０．２２以下とし回折効率の波長間のバラツキを０．１以下としつつ平均６０％以上の回折効率が得られるということになる。
【0025】
図６において太枠で示した条件は、デューティ比０．５～０．７、アスペクト比２．７４～３．６０の条件である。この条件では、７９０～８９０ｎｍの波長範囲内において平均して７０％程度以上の回折効率が得られ、且つＴＥ波とＴＭ波の回折効率の差が０．２２以下となり、且つＴＥ・ＴＭ平均の回折効率の波長間のバラツキが０．１以下なった。太枠以外でも平均７０％以上の回折効率が達成されているものもあるが、ＴＥ波とＴＭ波の回折効率の差が０．２２を超えていたり、波長間のバラツキが０．１を超えていたりする。つまり、デューティ比０．５～０．７、アスペクト比２．７４～３．６０としておくと、ＴＥ波とＴＭ波の回折効率の差を０．２２以下とし回折効率の波長間のバラツキを０．１以下としつつ平均７０％以上の回折効率が得られるということになる。
【0026】
図７において太枠で示した条件は、デューティ比０．６～０．７、アスペクト比３．０９～３．６０の条件である。この条件では、７９０～８９０ｎｍの波長範囲内において平均して８０％程度以上の回折効率が得られ、且つＴＥ波とＴＭ波の回折効率の差が０．１２以下で、且つＴＥ・ＴＭ平均の回折効率の波長間のバラツキが０．１以下なったとなった。つまり、デューティ比０．６～０．７、アスペクト比３．０９～３．６０としておくと、ＴＥ波とＴＭ波の回折効率の差を０．１２以下とし回折効率の波長間のバラツキを０．２以下としつつ平均８０％以上の回折効率が得られるということになる。
【0027】
以上の各好ましい結果において、アスペクト比の上限は３．６０であったが、より詳細なシミュレーション実験の結果、３．７０までのアスペクト比であれば、同様の結果が得られることが確認されている。即ち、以上の結果を踏まえると、デューティ比０．５～０．７でアスペクト比２．４０～３．７０が好ましく、デューティ比０．５～０．７でアスペクト比２．７４～３．７０がより好ましく、デューティ比０．６～０．７でアスペクト比３．０９～３．７０がさらに好ましいという結論になる。
【0028】
尚、アスペクト比が高くなると一般的に形状精度を得るのが難しくなること、また高アスペクト比の場合にはグリッド高さｈも高くしなければならないこと（これは、より狭く深いギャップを形成することを意味する。）から、アスペクト比は３．７０以下とすることが好ましい。
また、デューティ比ｄが０．７を超えると、より狭い溝（ギャップ２０）を形成しなければならないことになり、加工が難しくなる。このため、必要な形状精度を確保するのが困難になる。この問題は、アスペクト比が高くなるとより顕著である。したがって、この意味でもデューティ比ｄは０．７以下とすることが好ましい。
好ましい寸法の一例を示すと、デューティ比０．６でアスペクト比３．６０（グリッド高さ１８００ｎｍ）とすることができる。
また、デューティ比ｄが０．７を超えると、より狭い溝（ギャップ２０）を形成しなければならないことになり、加工が難しくなる。このため、必要な形状精度を確保するのが困難になる。この問題は、アスペクト比が高くなるとより顕著である。したがって、この意味でもデューティ比ｄは０．７以下とすることが好ましい。
好ましい寸法の一例を示すと、デューティ比０．６でアスペクト比３．６０（グリッド高さ１８００ｎｍ）とすることができる。
【0029】
このような実施形態の透過型回折格子素子は、機械的な耐久性についても考慮が払われている。即ち、図１に示すように、格子層２の基板１とは反対側には保護層３が設けられている。
保護層３は、この実施形態では基板１やグリッド２１と同じ材料となっており、酸化シリコンで形成されている。保護層３は、ギャップ２０を塞いだ状態となっており、各グリッド２１の上面を含む格子層２全体を覆っている。但し、保護層３は、ギャップ２０内に充填された状態にはなっていない。即ち、空洞としてギャップ２０が形成されており、この部分は、空気又は真空の屈折率となっている。このような保護層３は、各グリッド２１が倒壊したり欠けたりするのを保護する作用を有している。
保護層３は、この実施形態では基板１やグリッド２１と同じ材料となっており、酸化シリコンで形成されている。保護層３は、ギャップ２０を塞いだ状態となっており、各グリッド２１の上面を含む格子層２全体を覆っている。但し、保護層３は、ギャップ２０内に充填された状態にはなっていない。即ち、空洞としてギャップ２０が形成されており、この部分は、空気又は真空の屈折率となっている。このような保護層３は、各グリッド２１が倒壊したり欠けたりするのを保護する作用を有している。
【0030】
さらに、この実施形態では、形状精度をより高くするための特別な構造を有している。以下、この点について説明する。
図９は、格子層の形状精度向上について示した断面概略図である。
実施形態の透過型回折格子素子は、位相型の透過型回折格子の中でもレリーフ型のものということができる。レリーフ型の回折格子は、周期的な凹凸形状により所望の回折作用を得るため、一般的に高アスペクト比となり易い。前述した実施形態における最適範囲は、この一例である。
図９は、格子層の形状精度向上について示した断面概略図である。
実施形態の透過型回折格子素子は、位相型の透過型回折格子の中でもレリーフ型のものということができる。レリーフ型の回折格子は、周期的な凹凸形状により所望の回折作用を得るため、一般的に高アスペクト比となり易い。前述した実施形態における最適範囲は、この一例である。
【0031】
光の波長程度まで微細化させた凹凸形状を高アスペクト比で形成することは、一般的に困難である。高アスペクト比の凹凸形状を得る製造プロセスとしては、ＬＩＧＡプロセスが知られており、Ｘ線用の回折格子の製法として用いられているが、製作した金型を利用して最終的には樹脂のホットエンボスや射出成型によって製品を得るので、グリッド２１は樹脂材料ということになる。このため、前述した問題を有している。また、抜き取りの際に型に樹脂が残留し、このために形状の転写精度が低下してしまう問題もある。この種の問題は、有機材料を使用するインプリンティング等の他の製造プロセスでも生じ得る。
【0032】
一方、フォトリソグラフィによる場合、このような問題はないが、サイドエッチによる再現性低下の問題がある。図９はこの問題を示している。即ち、フォトリソグラフィにより形状精度の高い凹凸構造を得るには、ウェットエッチングではなくドライエッチングが必要になる。この場合、反応性イオンエッチングにより異方的にエッチングを行っても、サイドエッチが不回避的に生じ、グリッド２１の幅方向にシュリンクしてしまう。このため、図９に示すように、エッチング後のグリッド２１の断面形状は、図９に示すように側面がテーパー状となり易い。
この場合に問題なのは、シュリンクの量が当初の予定と異なった場合、グリッド２１の形状の再現性が低下し、このため形状精度が低下してしまうことである。この問題は、高アスペクト比とすべくより深いエッチングを行った場合に特に顕著である。
このようにグリッド２１の断面形状の再現性が低下すると、設計時に予定されていた回折作用が得られなくなり、回折効率が低下してしまうこともあり得る。
この場合に問題なのは、シュリンクの量が当初の予定と異なった場合、グリッド２１の形状の再現性が低下し、このため形状精度が低下してしまうことである。この問題は、高アスペクト比とすべくより深いエッチングを行った場合に特に顕著である。
このようにグリッド２１の断面形状の再現性が低下すると、設計時に予定されていた回折作用が得られなくなり、回折効率が低下してしまうこともあり得る。
【0033】
実施形態の透過型回折格子素子は、フォトリソグラフィ法を製造方法として採用した場合のこの問題を考慮し、保護層３の断面形状に工夫を加えている。即ち、図１に示すように、保護層３の一部がギャップ２０内に入り込むようにし、グリッド２１の側面を覆った構造としている。そして、グリッド２１の側面を覆った保護層３の一部がグリッド２１と同様の作用を有するよう、ギャップ２０に対して屈折率差を有する材料としている。この実施形態では、保護層３はグリッド２１と同一の材料であり、ギャップ２０に対して同一の屈折率差を有する。以下、この入り込んでいる部分３１を、入り込み部という。
【0034】
このように、ギャップ２０に対して屈折率差を有する材料で形成された保護層３の一部を入り込み部３１としてグリッド２１の側面を覆うと、グリッド２１の形状精度低下の補償とすることができる。つまり、入り込み部３１によりグリッド２１の一部を追加して形成し、設計時の断面形状に近づけるようにすることができる。この点を図１０を参照してさらに詳しく説明する。図１０は、入り込み部３１による形状精度低下補償のパターンについて示した断面概略図である。
【0035】
まず、図１０（Ａ）に示すように、入り込み部３１によってグリッド２１のテーパーが緩和される補償のパターンである。これは、サイドエッチによるシュリンクが多すぎたために、テーパーの角度を少し緩和する形状精度低下補償で３ある。
また、図１０（Ｂ）に示すように、入り込み部３１によってグリッド２１のテーパーがより緩和され、ギャップ２０の幅が均一になる補償のパターンがあり得る。この例は、断面方形がグリッド２１の設計時の形状である場合の補償のパターンである。
また、図１０（Ｃ）に示すように、入り込み部３１によってグリッド２１の側面が逆テーパー状に補償されるパターンがあり得る。このパターンは、逆テーパー状が設計時の形状である場合の補償パターンである。この例のメリットは、入り込み部３１がグリッド２１の上部を補強する形となり、保護の効果がより高くなる点である。
また、図１０（Ｂ）に示すように、入り込み部３１によってグリッド２１のテーパーがより緩和され、ギャップ２０の幅が均一になる補償のパターンがあり得る。この例は、断面方形がグリッド２１の設計時の形状である場合の補償のパターンである。
また、図１０（Ｃ）に示すように、入り込み部３１によってグリッド２１の側面が逆テーパー状に補償されるパターンがあり得る。このパターンは、逆テーパー状が設計時の形状である場合の補償パターンである。この例のメリットは、入り込み部３１がグリッド２１の上部を補強する形となり、保護の効果がより高くなる点である。
【0036】
いずれにしても、実施形態の透過型回折格子素子によれば、入り込み部３１によってグリッド２１の形状精度低下が補償されるので、フォトリソグラフィ法を製造プロセスとして採用しつつもより回折効率の高い素子となる。尚、入り込み部３１の入り込み深さ（グリッド２１の高さ方向での被覆長さ）は、グリッド２１の高さ全体の場合もあるし、それより短い場合もある。
【0037】
上述した入り込み部３１については、シミュレーション実験によりその効果が確認されているので、以下に説明する。図１１は、入り込み部の効果について確認したシミュレーション実験の結果について示した概略図である。
図１１に結果を示すシミュレーション実験においては、図５～図８と同様、格子周期ｐは８３３ｎｍとし、デューティ比ｄは０．６、グリッド高さｈは１８００ｎｍ（アスペクト比３．６）としてシミュレーションを行った。同様に、グリッドの材料は酸化シリコンである。
図１１に結果を示すシミュレーション実験においては、図５～図８と同様、格子周期ｐは８３３ｎｍとし、デューティ比ｄは０．６、グリッド高さｈは１８００ｎｍ（アスペクト比３．６）としてシミュレーションを行った。同様に、グリッドの材料は酸化シリコンである。
【0038】
図１１（１）は、保護層がない状態のある最適設計例での回折効率を示す。同様に、ＴＥ波での回折効率、ＴＭ波での回折効率及び平均の回折効率がそれぞれグラフ化されている。また、図１１（２）は、エッチング時のシュリンクによってテーパー化した場合の各回折効率を示している。この例では、最適設計例の形状から、グリッド２１の上端が下端に対して６０％程度の幅に狭まったテーパー形状であるとしてシミュレーションを行った。テーパー化以外の条件は同一である。
また、図１１（３）は、入り込み部付きの保護層を形成して形状精度低下補償を行った場合の各回折効率を示している。この例では、図１０（Ｂ）に示す理想的なパターンで補償が行われた場合を想定している。
また、図１１（３）は、入り込み部付きの保護層を形成して形状精度低下補償を行った場合の各回折効率を示している。この例では、図１０（Ｂ）に示す理想的なパターンで補償が行われた場合を想定している。
【0039】
図１１（１）と図１１（２）とを比べると判るように、最適設計に対してグリッド２１の上端が６０％にシュリンクしてテーパー化が生じると、ＴＥ波とＴＭ波の間の回折効率のバラツキが大きくなり、特にＴＥ波の回折効率の低下が顕著である。このため、平均の回折効率も低下する。
一方、図１１（３）に示すように、入り込み部付きの保護層で形状精度低下補償を行った場合、回折効率の低下は顕著に改善され、図１１（１）に示す最適設計のグリッド２１の場合と遜色ない回折効率が実現されている。
このシミュレーション実験では、図１０（Ｂ）の補償パターンを前提としたが、図１０（Ａ）や図１０（Ｃ）の補償パターンでも改善される点が確認されている。
一方、図１１（３）に示すように、入り込み部付きの保護層で形状精度低下補償を行った場合、回折効率の低下は顕著に改善され、図１１（１）に示す最適設計のグリッド２１の場合と遜色ない回折効率が実現されている。
このシミュレーション実験では、図１０（Ｂ）の補償パターンを前提としたが、図１０（Ａ）や図１０（Ｃ）の補償パターンでも改善される点が確認されている。
【0040】
このような実施形態の透過型回折格子素子の製造方法について、以下に説明する。図１２は実施形態の透過型回折格子素子の製造方法を示した概略図、図１３は保護層３の形成工程について示した概略図である。
図１２（１）に示すように、基板１上にグリッド２１の材料で格子層用膜４を作成する。作成方法は、スパッタリング、ＡＬＤ（原子層堆積法）、ゾルゲル法、ＣＶＤ、メッキ等、任意のものを採用し得る。また、別の基板１を貼り合わせ、研磨して所定の厚さとする方法でも良い。いずれにしても、格子層用膜４の厚さは、作成する透過型回折格子素子のグリッド２１の高さに一致しているか、又はそれより少し厚い厚さである。
図１２（１）に示すように、基板１上にグリッド２１の材料で格子層用膜４を作成する。作成方法は、スパッタリング、ＡＬＤ（原子層堆積法）、ゾルゲル法、ＣＶＤ、メッキ等、任意のものを採用し得る。また、別の基板１を貼り合わせ、研磨して所定の厚さとする方法でも良い。いずれにしても、格子層用膜４の厚さは、作成する透過型回折格子素子のグリッド２１の高さに一致しているか、又はそれより少し厚い厚さである。
【0041】
次に、レジストを塗布してフォトリソグラフィによりパターニングし、図１２（２）に示すようにレジストパターン層５を形成する。レジストパターン層５は、形成する格子層２のラインアンドスペースと同様の縞状である。フォトリソグラフィにおいては、必要な微細構造が得られる限り、種々の露光方法を採用することができる。例えば、ｇ線、ｉ線、エキシマ光による露光、電子ビーム又はレーザーによる直接描画露光、二光束干渉露光、タルボ干渉露光等を採用することができる。
【0042】
次に、レジストパターン層５をマスクにしてドライエッチングを行い、格子層２を形成する。ドライエッチングは、反応性イオンビーム法のような異方性エッチングである。その後、図１２（３）に示すように、レジストパターン層５をアッシング等により除去する。尚、マスクには、レジストの他、格子層用膜４の材料に対して十分なエッチングレートの差が得られるものであれば、他の任意の材料を使用することができる。
そして、図１２（４）に示すように、格子層２の上に保護層３を形成することで実施形態の透過型回折格子素子が完成する。この際、入り込み部３１を含んで保護層３が形成されるよう、適宜の形成方法を採用する。この一例を示したのが、図１３である。
そして、図１２（４）に示すように、格子層２の上に保護層３を形成することで実施形態の透過型回折格子素子が完成する。この際、入り込み部３１を含んで保護層３が形成されるよう、適宜の形成方法を採用する。この一例を示したのが、図１３である。
【0043】
図１３の例では、スパッタリングにより保護層３を形成している。スパッタリングの際、図１３に示すように斜めスパッタの構成を採用する。即ち、ステージ６上に載置、吸着された基板１に対してターゲット７を斜めに配置し、不図示の回転機構によりステージ６を回転させながらスパッタリングを行う。ターゲット７の角度を適宜設定することで、図１３中に拡大して示すように、多くのスパッタ粒子Ｓが斜めに入射してグリッド２１の側面に達する。この状態を所定時間維持することで、図１に示すように入り込み部３１が形成された状態で保護層３が格子層２を覆った状態となる。尚、このように入り込み部３１を形成しつつも、ギャップ２０内に材料が充填されないように成膜時間等を制御する。
【0044】
尚、格子層２の断面において、グリッド２１の部分と入り込み部３１の部分とは、電子顕微鏡その他の解析手段により特定が可能である。入り込み部３１は、後から堆積させた部位であるため、グリッド２１とは粒子構造が異なっていたり、不純物の状態が異なっていたりし得るからである。例えば、上記の例では斜めスパッタにより入り込み部３１が形成されているので、アモルファス状態ではあっても斜めに膜が成長した状態が確認される。一方、グリッド２１についてはこのような状態は確認されない。また、グリッド２１をエッチングにより形成した際、エッチャントの一部が不純物としてグリッド２１に混入することがあり得るが、入り込み部３１についてはそのような不純物はないので、両者の境界が確認できる。
【0045】
このようにして製造される実施形態の透過型回折格子素子は、光が所定の角度で入射する姿勢で配置される。そして、所定の角度で出射する回折光が利用される。実施形態の透過型回折格子素子は、種々の用途、機器に利用できるが、例えば、ＯＣＴ（光コヒーレンストモグラフィ）機器に利用することができる。具体的には、ＦＤ（Fourier Domain）－ＯＣＴにおいて、参照光と対象物からの光との干渉光が入射する位置に透過型回折格子素子を配置し、出射する回折光が入射する位置にラインセンサを配置する。回折光は波長に応じて異なる向きに進むので、ラインセンサの各ピクセルには波長毎の光が入射し、干渉光のスペクトルが得られる。
【0046】
また、別の用途として、実施形態の透過型回折格子素子は、レーザーの波長を可変（チューナブルレーザー）にしたり、安定化（波長安定化レーザー）させたりする目的で使用することができる。例えば、実施形態の透過型回折格子素子を外部共振器に組み込み、出射する回折光を共振させる構成としておき、回折格子素子の姿勢を変化させることで出射波長を可変とすることができる。
【0047】
いずれの利用例においても、実施形態の透過型回折格子素子は、格子層２に有機材料を使用していないので、製品の高信頼性化に貢献する。即ち、湿度や温度等の点で厳しい環境下で使用されたり、強い光の照射を長期間受ける条件で使用されたりした場合もで劣化が少なく、品質の良い回折光を長期間得ることができる。このため、組み込み先の製品の信頼性を高く維持することができる。また、実施形態の透過型回折格子素子は、上記のように光学的なプロセスにより格子層２がパターン化されているので、形状精度が高く、この点でも高い回折効率を有するものとなる。
【0048】
尚、上述した入り込み部３１を有する保護層３の形成において、保護層３がギャップ２０を完全に塞ぐ状態としない場合があり得る。この点について、図１４を参照して説明する。図１４は、保護層３の構造の他の例について示した断面概略図である。
保護層３については、図１４に示すように、各グリッド２１の上部に堆積した膜（以下、上部堆積膜という。）がつながっておらず、分離した状態で形成されている構造とする場合もあり得る。この場合でも、各上部堆積膜の離間間隔Ｄが広くなければ、保護機能としては十分である。離間間隔Ｄは、格子周期ｐの１０％以下とすることが好ましく、格子周期ｐの５％以下とすることがより好ましい。
尚、離間間隔Ｄがゼロの場合、完全に一つの層として保護層３が形成されている場合もあるが、上部堆積膜同士が接触していて界面が形成されている場合もあり得る。
保護層３については、図１４に示すように、各グリッド２１の上部に堆積した膜（以下、上部堆積膜という。）がつながっておらず、分離した状態で形成されている構造とする場合もあり得る。この場合でも、各上部堆積膜の離間間隔Ｄが広くなければ、保護機能としては十分である。離間間隔Ｄは、格子周期ｐの１０％以下とすることが好ましく、格子周期ｐの５％以下とすることがより好ましい。
尚、離間間隔Ｄがゼロの場合、完全に一つの層として保護層３が形成されている場合もあるが、上部堆積膜同士が接触していて界面が形成されている場合もあり得る。
【0049】
上記実施形態の透過型回折格子素子において、入射側や出射側に任意の機能を有する層が形成されることがあり得る。例えば、入射面（保護層３の上面又は基板１の下面）に反射防止膜を設けたり、入射面又は出射面に偏光ビームスプリッター膜を設けたりすることがあり得る。
【0050】
また、上記実施形態では、グリッド２１の材料は酸化シリコンであったが、微細加工が可能で常温で固相の無機材料であれば、任意の材料を使用することができる。それらは、空気又は真空に対して十分な屈折率差を有するからである。
但し、上述した酸化シリコンのような材料は、微細加工用の材料として半導体プロセス等で多用されており、種々の加工技術が開発されているので好適である。また特に、基板１とグリッド２１の材料を同じ材料としておくと、界面での剥離破壊も生じにくいため、好適である。
また、保護層３についても、回折させる光の波長において透光性であれば酸化シリコン以外の材料を採用することができる。この際、グリッド２１と同じ材料を使用すると、同様に界面での剥離破壊が生じにくいので好適である。
但し、上述した酸化シリコンのような材料は、微細加工用の材料として半導体プロセス等で多用されており、種々の加工技術が開発されているので好適である。また特に、基板１とグリッド２１の材料を同じ材料としておくと、界面での剥離破壊も生じにくいため、好適である。
また、保護層３についても、回折させる光の波長において透光性であれば酸化シリコン以外の材料を採用することができる。この際、グリッド２１と同じ材料を使用すると、同様に界面での剥離破壊が生じにくいので好適である。
【符号の説明】
【0051】
１ 基板
２ 格子層
２０ ギャップ
２１ グリッド
３ 保護層
３１ 入り込み部
４ 格子層用膜
５ レジストパターン層
ｐ 格子周期
ｄ デューティ比
２ 格子層
２０ ギャップ
２１ グリッド
３ 保護層
３１ 入り込み部
４ 格子層用膜
５ レジストパターン層
ｐ 格子周期
ｄ デューティ比
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】