KR101162135B1 - 회절 소자 및 광학 장치 - Google Patents

Abstract

간단한 프로세스로 양산성이 우수하면서 높은 회절 효율로 큰 파장 분리 효과를 갖는 회절 소자를 얻는다. 투명 기판 (301) 의 표면에 형성된, 단면이 요철 형상이고, 또한 볼록부가 대칭인 구형 격자 (302) 를 갖는 회절 소자 (30) 에서, 격자의 1 주기가 입사하는 빛의 파장과 같거나 또는 작고, 또한 회절 소자 (30) 의 격자 형상면에 빛이 경사져 입사하여 사용되는 회절 소자로 한다.

회절 격자, 투명 기판, 테이퍼 각 및 애스펙트비

Description

회절 소자 및 광학 장치{DIFFRACTION ELEMENT AND OPTICAL DEVICE}

본 발명은 회절 소자 및 광학 장치, 특히 분광 장치에 관한 것이며, 구체적으로는 광 다중 통신, 분광 측정 등에 사용되는 파장에 의해 빛의 출사 방향을 변화시키는 회절 소자 및 이를 사용한 분광 장치에 관한 것이다.

각종의 파장의 빛을 다른 방향으로 회절함으로써 빛을 파장에 따라 분리하고, 분리된 빛에 대하여 각각의 강도를 측정함으로써 입사광에 포함되는 각종의 파장의 빛의 강도를 측정하는 방법이 있다. 이때, 분리한 빛을 효율적으로 이용하기 위해서는, 회절광이 특정한 회절 차수로 고효율로 집중되는 것이 바람직하고, 파장 분리 방법에서는 단면이 톱니 형상의 격자를 갖는 회절 소자를 사용하는 방법이 알려져 있다.

입사광과 회절광이 이루는 각도를 크게 취하여 광학 배치의 자유도를 높이기 위해서는 투과형 회절 격자를 사용하는 것이 바람직하다. 도 7 에 종래의 수지를 사용한 투과형 회절 격자의 일례를 나타낸다. 이 회절 소자는, 직선상의 톱니 형상 회절 격자를 정밀하게 형성한 도시하지 않은 금형을 투명 기판 (701) 인 유리 기판의 표면에 성막한 감광성 수지 (702) 에 압착하고 UV 광으로 경화 후, 이형함으로써 톱니 형상 회절 격자 (703) 를 형성하여, 투과형 톱니 형상의 회절 소 자 (70) 로 한 것이다.

또한, 도 8 에 톱니 형상이 계단에 근사한 투과형의 유사 톱니 형상 회절 격자의 일례를 나타낸다. 투명 기판 (801) 인 유리 기판의 표면에 포토리소그래피법과 에칭법을 반복하는 것으로 유사 톱니 형상 회절 격자 (802) 를 형성하고, 이 회절 격자를 투과형의 유사 톱니 형상의 회절 소자 (80) 로 한 것이다.

여기서, 도 7 및 도 8 에서 실선의 화살표는 입사광이며, 일점 쇄선은 투과광이며, 파선은 - 1차 회절광을 각각 나타낸다.

상기 기술한 종래예에서는, 투과형 톱니 형상의 회절 격자에서 높은 회절 효율을 얻기 위해서는, 격자 재료와 공기 등의 출사측 매질과의 굴절률 차와 격자의 깊이의 곱한 값으로 정의되는 위상 차를 파장 정도로 할 필요가 있다. 한편으로, 파장에 따른 분리의 각도를 크게 하기 위해서는 격자의 주기는 작을 수록 바람직하다. 이 때문에, 톱니 형상 회절 격자의 형상은 격자의 주기가 작고, 또한 격자의 깊이 (D) 의 격자의 주기 (T) 에 대한 비율로 정의되는 애스펙트비 (aspect ratio) (D/T) 가 큰 것이 필요하다.

발명의 개시

그러나, 애스펙트비가 큰 톱니 형상 회절 격자는 제작상의 곤란도가 높고, 수지를 사용하여 제작하기 위해서는, 금형 가공상의 제약이나 수지의 전사성/이형성 등의 문제를 가지고 있다. 이 때문에, 요구되는 파장에 따른 큰 분리 능력을 가져 높은 빛의 이용 효율을 갖는 회절 격자를 생산성이 좋고 저렴하게 얻을 수 없는 문제를 가지고 있었다.

또한, 수지 재료를 사용하는 경우에는, 고온 하 및 고온 고습 하에서의 소자의 열화 등 신뢰성에서 문제를 가지고 있고, 한정된 환경 조건 하에서 밖에 소자를 사용할 수 없다는 문제를 가지고 있었다.

한편, 유사 톱니 형상 회절 격자에 관해서는, 신뢰성 및 생산성에 뛰어나 저렴한 소자를 대량으로 생산할 수 있으나, 격자의 주기를 더욱 세분화한 가공을 실시하여 유사 톱니 형상 회절 격자로 할 필요가 있어, 주기가 작은 소자는 제작이 곤란하다는 문제를 가지고 있었다. 또한, 제작시의 오차에 의한 형상 변형이 크게 특성을 열화시켜 빛의 이용 효율이 높은 회절 격자를 수율 좋게 생산할 수 없다는 문제를 가지고 있었다.

어느 쪽의 종래 예에 대해서도, O 도 입사 (소자 표면으로의 수직 입사) 로 사용하는 경우에는, 격자의 주기가 파장의 약 2 배로 현저히 회절 효율이 저하하는 것이 알려져 있고, 높은 회절 효율과 소주기화 (약 2 배 등) 에 의한 빛의 파장에 따른 큰 분리의 양립이 곤란하다는 문제도 함께 가지고 있었다.

본 발명은, 상기 기술한 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 높은 빛의 이용 효율을 가지고, 또한 파장에 따른 분리가 크고, 광학계의 배치 자유도가 우수하며, 대량 생산에 알맞고, 또한 신뢰성 및 온도 특성이 우수한 회절 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 기판 표면에 형성된 또는 기판 상에 성막된 층에 형성된 격자이고, 단면이 요철 형상이고 볼록부 상면이 실질적으로 평탄하며 볼록부가 대칭인 격자를 갖는 회절 소자로서, 격자의 1 주기가 입사하는 빛의 파장과 실질적으로 같으며, 회절 소자의 격자 형성면에 빛이 경사져 입사하여 사용되는 것을 특징으로 하는 회절 소자를 제공한다.

또한, 상기 격자의 1 주기를 차지하는 볼록부와 오목부의 비율에서 볼록부의 비율이 오목부의 비율 이상인 상기의 회절 소자를 제공한다.

또한, 상기 격자의 볼록부를 형성하는 벽면이 경사지며, 1 주기를 차지하는 격자 볼록부의 상단의 비율이 격자 볼록부의 바닥부의 비율보다 작은 상기의 회절 소자를 제공한다.

또한, 상기 회절 소자의 적어도 볼록부에, 이 볼록부와는 다른 1 층 이상의 광학 재료가 적층되어 이루어지는 상기의 회절 소자를 제공한다.

상기 광학 재료가 TiO₂, SiO₂, Ta₂O₅, Al₂O₃로부터 선택된 것으로 이루어지는 상기의 회절 소자를 제공한다.

또한, 상기 기판으로서 투명 기판이 사용되고, 투명 기판 상에 성막된 층에 격자의 볼록부가 형성되며 격자의 볼록부는 투명 기판보다 굴절률이 높은 상기의 회절 소자를 제공한다.

투명 기판 상에 성막된 층이 SiO₂, TiO₂, Ta₂O₅, Si₃N₄, Si로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나를 주성분으로 하는 층 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 층인 상기의 회절 소자를 제공한다.

또한, 상기의 회절 소자의 하나의 면에 다른 광학 소자가 적층되어 일체화되어 있는 회절 소자를 제공한다.

또한, 기판 표면에 형성된 또는 기판 상에 성막된 층에 형성된 격자이고, 그 단면이 요철 형상이고 볼록부 상면이 실질적으로 평탄하며 볼록부가 대칭인 격자를 구비하며, 격자의 1 주기가 입사하는 빛의 파장과 실질적으로 같은 회절 소자의 사용 방법으로서, 회절 소자의 격자 형성면에 빛이 경사져 입사하여 사용되는 것을 특징으로 하는 회절 소자의 사용 방법을 제공한다.

또한, 상기 광이 경사져 입사할 때의 입사 각도가 회절 소자의 표면에 세운 법선에 대하여, 15° 내지 80°의 범위에 있는 상기의 회절 소자의 사용 방법을 제공한다.
또한, 상기의 회절 소자가 이용되고 있는 것을 특징으로 하는 광학 장치를 제공한다.

또한, 상기의 광학 장치가 분광 장치이고, 상기 회절 소자의 기판으로서 투명 기판이 사용되고, 상기 회절 소자가 투과형 소자로서 사용되고 있는 것을 특징으로 하는 분광 장치를 제공한다.

도 1 은 본 발명의 회절 소자의 구성의 일례를 나타내는 측면도이다.

도 2 는 본 발명의 회절 소자의 구성의 다른 예를 나타내는 측면도이다.

도 3 은 본 발명의 회절 소자의 구성의 별도의 예를 나타내는 측면도이다.

도 4 는 본 발명의 회절 소자에서의 볼록부에 다층막을 형성한 경우와 이렇게 하지 않은 경우 간의 회절 특성의 차이의 예를 나타내는 그래프이다.

도 5 는 본 발명의 회절 소자에서의 입사 편광 방향의 차이에 의한 회절 특 성의 예를 나타내는 그래프이다.

도 6 은 본 발명의 회절 소자에서의 오목부와 볼록부의 비율의 차이에 의한 회절 특성의 예를 나타내는 그래프이다.

도 7 은 종래의 회절 소자의 구성의 일례를 나타내는 측면도이다.

도 8 은 종래의 회절 소자의 구성의 다른 예를 나타내는 측면도이다.

도 9 는 본 발명의 회절 소자의 구성의 별도의 예를 나타내는 측면도이다.

도 10 은 본 발명의 회절 소자에서의 입사 편광 방향의 차이에 의한 회절 특성의 예를 도시하는 그래프이다.

도 11 은 본 발명의 회절 소자의 구성의 별도의 예를 나타내는 측면도이다.

도 12 는 본 발명의 회절 소자의 구성의 다른 예를 나타내는 측면도이다.

도 13 은 본 발명의 회절 소자에서의 격자 볼록부의 벽면의 테이퍼각의 변화에 의한 회절 특성의 예를 나타내는 그래프이다.

도 14 는 본 발명의 회절 소자에서의 격자 볼록부의 벽면의 테이퍼각의 변화에 의한 회절 특성의 별도의 예를 도시하는 그래프이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명은, 기판의 표면에 형성된 단면이 요철 형상이며 볼록부가 대칭인 격자가 형성된 회절 소자에 관한 것이고, 격자의 주기가 입사하는 빛의 파장과 같거나 또는 작은 것이다. 그리고, 빛이 격자 형성면에 대하여 경사져 입사하도록 하여 사용되는 회절 소자이다.

또한, 단면이 요철 형상인 격자는 기판 상에 성막된 층에 형성해도 된다. 기판 상에 성막하는 재료로서는 에칭 특성이 우수한 것이 바람직하고, SiO₂, TiO₂, Ta₂O₅, Si₃N₄, Si 등을 주성분으로 한 것이나 이들의 혼합막을 적용할 수 있다. 이러한 회절 소자의 구성으로 함으로써, 간이한 프로세스이면서 양산성이 우수하고, 높은 회절 효율이며 더구나 큰 파장 분리 효과를 갖는 회절 소자를 실현할 수 있다. 큰 파장 분리 효과를 갖기 때문에 분광용의 회절 격자로서 사용하는 것이 바람직하다.

여기서, 격자의 주기가 입사하는 빛의 파장과 실질적으로 같다는 것은 주기가 입사하는 파장의 ±45% 이내의 것을 말한다. 즉, 주기가 파장의 0.55～1.45배의 범위에 있다. 이 ±45% 이내이면, 입사 각도를 적절히 선택하는 것으로 특정한 회절광만이 발생한다는 점에서 본 발명의 효과를 손상하지 않는다. 또한, 빛이 격자 형성면에 대하여 경사져 입사한다는 것은, 소자의 표면에 세운 법선에 대하여 15° 내지 80°까지의 각도를 말하고, 특히 25° 내지 65°까지의 경우는 본 발명의 효과를 충분히 달성할 수 있다.

회절 격자의 요철부에서의 대칭인 볼록부의 단면 형상은, 구형 (rectangular), 사다리꼴 등이면 되고, 이 어느 쪽이더라도 본 발명에서의 효과를 갖지만, 구형에 가까운 것이 제작상 바람직하다.

회절 소자에 사용되는 기판은, 투명 기판으로는, 석영 유리, 유리, 규소, 폴리카보네이트 등의 기판을 사용할 수 있다. 이들의 중에서, 석영 유리, 유리의 기판이 내구성 등의 관점에서 바람직하다. 또한, 반사형 회절 소자로 구성하는 경우에는, 회절 격자상에 금속이나 다층막으로 이루어지는 반사코팅을 실시하는 것이 바람직하고, 상기 기술한 투명 기판에 더하여 불투명한 기판인, 예를 들어, 결정화 유리나 세라믹스 등을 사용할 수도 있다.

이하에서는, 볼록부의 형상이 구형이라고 하여, 본 발명을 도면을 참조로 하면서 설명한다.

도 3 은 본 발명의 투과형의 회절 소자의 구성의 일례를 나타내는 측면도이다. 투명 기판 (301) 상에, 격자의 주기가 입사하는 빛의 파장보다도 작은 구형 회절 격자 (302) 가 포토리소그래피 및 건식 에칭의 수법에 의해 형성되어 회절 소자 (30) 를 이루고 있다. 격자의 주기가 P에서 주어지는 회절 격자 (정확히는 그 길이 방향) 에 대하여, 법선 방향과 이루는 각도 (i) 로 입사한 파장 (λ) 의 빛은, (식 1) 에서 정의되는 회절 각도 θ 의 방향에서 m 차 회절광을 발생한다. (식 1) 에서 명백히 한 바와 같이, 회절 격자 (302) 에 대하여 수직으로 입사한 경우에는 파장보다도 작은 주기의 회절 격자의 회절광은 존재할 수 없다. 그러나, 유한한 각도를 가지고, 즉, 경사 방향으로부터 빛을 입사했을 때에는, 파장보다도 주기가 작은 경우에도 차수를 갖는 회절광이 존재할 수 있다. 이 때문에, 구조상 볼록부가 대칭인 형상을 가지고 있더라도, 비대칭인 회절 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.

sin(θ) + sin(i) = m?λ/P … (식 1)

이 경사 입사에 의한 효과를 이용함으로써, 제작이 용이한 대칭으로 구형상의 회절 격자라도, 충분히 높은 회절 효율과 큰 회절 각도를 얻을 수 있다. 일례로서, 격자의 주기가 1000nm (오목부와 볼록부의 폭이 각각 500nm) 이고, 깊이가 약 2300nm 인 회절 격자에 법선에 대하여 약 50 도의 각도로 입사한 경우의 계산에 의한 - 1차 회절 효율의 파장 의존성을 도 4 에서 검은 원을 실선으로 이어서 나타낸다. 격자에 평행하게 편광한 직선 편광의 입사광에 대하여, 격자의 주기보다도 긴 1520nm 에서 1620nm 의 범위에서, - 1차 회절에 광량이 집중하여 높은 회절 효율을 나타내고 있는 것을 알 수 있다.

더욱이, 회절 효율을 향상시켜 파장 의존성을 저감시키기 위해서는 격자의 볼록부상에 적절한 다층 구조를 부여하는 것이 효과가 있다. 일례로서 TiO₂ 를 고굴절률 재료로 하고, SiO₂ 를 저굴절률 재료로서 사용한 4 층막을 격자의 볼록부의 상부에 형성하였을 때의 회절 효율의 파장 의존성을 도 4 에 흰 원을 파선으로 이어서 나타낸다. 도 4 에서 명백히 한 바와 같이, 전파장 영역에서 한결같이 높은 회절 효율이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.

즉, 회절 소자의 볼록부에, 볼록부와는 다른 1 층 이상의 광학 재료가 적층되어 있는 것이 회절 효율을 향상시킬 수 있어 바람직하다. 광학 재료란, 상기 TiO₂, SiO₂ 이외에 Ta₂O₅, Al₂O₃ 등을 들 수 있다.

다른 예로서, 격자의 주기가 1500nm 이고, 깊이가 약 3000nm 인 회절 격자에 약 30 도의 각도로 입사한 경우의 회절 효율의 파장 의존성을 도 5 에 나타낸다. 도 5 의 곡선에서 검은 원을 실선으로 이은 것은 격자에 평행하게 편광한 직선 편광에 대한 회절 효율을 나타내고, 흰 원을 파선으로 이은 것은 격자에 수직으로 편 광한 직선 편광의 회절 효율을 나타낸다. 도 5 에서 명백히 한 바와 같이, 어느쪽의 편광에 대해서도 높은 회절 효율을 나타내고 있다.

이 도 5 에 나타내는 예에서는, 직교하는 직선 편광의 어느 것에 대해서도 높은 회절 효율이 얻어지고 있으나, 단파장 영역의 1520nm 및 장파장 영역의 1620nm 에 근접해짐에 따라서 회절 효율의 차가 커지는 경향이 있다. 이 차를 작게 하기 위해서는 격자를 형성하는 볼록부와 오목부의 비율을 조정함으로써 효과가 있다. 도 6 에, 격자의 1 주기를 차지하는 볼록부의 각각의 비율에 대하여 깊이를 최적화시킨 회절 격자의 파장 1520nm 에서 1620nm 까지의 범위에서의 직교하는 두 개의 편광에 의한 회절 효율의 차를 나타낸다. 도 6 에서 명백히 한 바와 같이, 직교하는 두 개의 편광에서의 회절 효율의 차는, 볼록부가 차지하는 비율이 반보다도 커진 경우에 현저히 억제된다. 이와 같이 격자 내의 볼록부의 1 주기를 차지하는 비율을 조정함으로써 입사 편광 의존성이 적은 회절 격자로 할 수도 있다.

직교하는 직선 편광에 대한 회절 효율의 차를 작게 하기 위해서는, 격자 상단의 볼록부와 오목부의 비율을 약 1 로 유지한 뒤에, 격자 볼록부 벽면의 기판 표면의 수직선에 대한 각도 (이하, 테이퍼각이라고 한다) 를 조정함으로써도 효과가 있다. 도 13 에, 도 6 과 같이 석영 유리 기판의 표면에 형성한 격자 주기 1500nm 에서 깊이 3600nm 의 회절 격자의 파장 1520nm 에서 1570nm 까지의 범위에서의 직교하는 두 개의 편광에 대한 회절 효율의 차를 나타낸다.

도 13 에서 명백히 한 바와 같이, 직교하는 두 개의 편광에서의 회절 효율의 차는, 상기 기술한 테이퍼각에 의해 변화하여 3 도 이상의 테이퍼각, 바람직하게는 약 4 도의 테이퍼각으로 함으로써 현저히 개선된다. 이와 같이, 격자 측벽의 테이퍼각을 조정함으로써 입사 편광 의존성이 적은 회절 격자로 할 수도 있다.

이들의 조정으로 편광 의존성을 억제함으로써, 격자 깊이에 의한 회절 특성의 격차도 억제되기 때문에 제작시의 수율이 높아지는 효과도 더불어 갖는다.

즉, 회절 격자의 1 주기를 차지하는 볼록부와 오목부와의 비율에 있어서 볼록부의 비율이 오목부의 비율 이상, 즉 0.5 이상이도록 하면, 직교하는 두 개의 편광에 의한 회절 효율의 차를 작게 할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 회절 격자의 볼록부를 형성하는 벽면이 경사지고, 1 주기를 차지하는 격자 상단의 볼록부의 비율이 격자 바닥부의 볼록부의 비율보다 작도록 하면, 직교하는 두 개의 편광에 의한 회절 효율의 차를 작게 할 수 있기 때문에 바람직하다.

또한, 회절 격자의 주기를 작게 함으로써 파장에 대한 분리 각도의 변화를 크게 하는 것이 파장 분해능을 향상시키기 위해서는 효과가 있지만, 격자의 주기를 상기 기술한 예와 같이 1500nm 에서 1000nm 까지 작게 한 경우에는, 입사하는 편광 방향에 의한 회절 효율의 차는 현저해지는 경향에 있다.

이 때문에, 격자 볼록부의 격자의 주기를 차지하는 비율을 조정하더라도, 일정한 효과는 볼 수 있지만 충분하지 않다. 격자의 주기가 1OOOnm 인 경우에 입사하는 편광 방향에 의한 회절 효율의 차를 저감하기 위해서는, 격자 볼록부를 구성하는 재료로서 투명 기판 상에 성막된 투명 기판보다도 고굴절률의 재료를 사용함으로써 효과가 있다.

도 10 에, 입사하는 각종의 편광 방향에 대한 회절 효율의 파장 의존성을 나타낸다. 석영 유리 기판 상에 격자 볼록부와 오목부의 비율을 같게 가공한 경우의 특성을 흰 원으로 나타낸다. 도 10 의 곡선에서 흰 원을 실선으로 이은 것 및 곡선에서 흰 원을 점선으로 이은 것은, 각각 격자 방향에 대하여, 즉 격자의 길이 방향에 대하여 평행 및 수직으로 편광한 빛에 대한 특성을 나타낸다.

한편, 도 10 에서, 투명 기판 상에 성막된 굴절률이 약 2 인 재료를 갖는 격자 볼록부로 한 경우의 특성을 검은 원으로 나타낸다. 도 10 의 곡선에서 검은 원을 실선으로 이은 것 및 곡선에서 검은 원을 점선으로 이은 것은, 격자 방향에 대하여 각각 평행 및 수직으로 편광한 빛에 대한 특성을 나타낸다. 도 10 에서 명백히 한 바와 같이, 입사하는 편광 방향에 대한 회절 효율의 차가 저감하고 있는 것을 알 수 있다.

도 13 에 나타낸 상기 기술한 예와 같이, 투명 기판 상에 성막된 굴절률이 약 2 의 재료를 갖는 격자 볼록부로 한 경우에도, 격자 상단의 볼록부와 오목부의 비율을 약 1 로 유지한 채로 격자 볼록부의 테이퍼각을 조정함으로써, 편광 방향에 대한 회절 효율의 차를 저감하는 것이 가능하다. 도 14 는, 투명 기판 상에 성막된 굴절률이 약 2 의 재료를 갖는 격자 볼록부로 한 회절 격자의 파장 1520nm 에서 1570nm 까지의 범위에서의 직교하는 편광 방향의 두 개의 편광에 대한 회절 효율의 차를 나타낸다. 도 14 에서 굴절률이 약 2 의 재료를 갖는 격자 볼록부로 한 경우에도, 약 6 도의 테이퍼각으로 함으로써 직교하는 편광 방향의 두 개의 편광에서의 회절 효율의 차는 현저히 개선되는 것이 명백하다.

또한, 상기의 모든 예로부터, 입사광선과 회절광이 투과형의 회절 격자면에 대하여 거의 거울 상(像)의 관계, 즉 입사 각도와 회절 각도가 거의 같은 경우에 높은 회절 효율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 이 배치는 반사형의 회절 격자에서 리트로우 (Littrow) 배치라고 불리우는, 입사광선과 회절광이 겹치는 배치의 투과형의 회절 격자의 경우의 배치라고 할 수 있다.

또한, 일반적으로는 광학 부품에 대하여, 계면 반사를 저감하기 위한 광학 다층막에 의한 코팅이 실시되지만, 상기의 예와 같이 애스펙트비가 큰 회절 격자의 경우에는 오목부와 볼록부에서의 성막 특성이 다르기 때문에 형상이 열화하는 등의 폐해가 많고, 결과적으로는 빛의 이용 효율을 저하시키는 경우가 많다. 미리 저반사 코팅을 실시한 기판 상에 회절 격자를 제작함으로써, 투과율을 향상시킬 수 있다. 이 때는, 격자 측부 및 바닥부에는 저반사 코팅은 실시되어 있지 않지만, 격자 형상의 열화는 없고 격자 상부에만 저반사 코팅이 실시된다.

본 발명의 구성을 사용함으로써, 간편한 가공 프로세스로 큰 파장 분리 효과를 가지고, 또한 높은 빛의 이용 효율을 얻을 수 있는 분광 회절 격자를 입사광과 회절광의 분리를 충분히 취한 투과형의 회절 격자에 의해 실현할 수 있다. 이 구성에 의해, 신뢰성, 양산성 등이 우수한 분광 회절 소자를 실현할 수 있고, 더욱 저렴한 분광 시스템을 실현할 수 있다. 또한, 투과 배치에서 사용할 수 있기 때문에 분광 시스템의 설계에 큰 자유도를 가지고 있다.

본 발명의 회절 소자에서의 회절 격자 패턴은, 포토마스크 등을 사용하여 제작할 수 있기 때문에, 회절 격자 패턴은 직선 형상에 한정되지 않고, 예를 들어 곡선 형상으로 할 수도 있다. 이 곡선 형상으로 하는 것에 의해, 회절광이 광검출기 상에서 집광하도록 렌즈 기능을 부가할 수도 있다. 또한, 대면적의 웨이퍼프로세스를 사용함으로써, 위상판 등 다른 기능을 갖는 광학 소자를 회절 소자에 적층할 수 있어, 한층 더 고기능화, 복합화 등을 실시할 수 있다.

적층하는 다른 광학 소자로서는, 개구 제한, 수차 보정, 렌즈 효과, 빔 정형, 편광 변환, 위상 조정, 강도 조정 등의 기능을 갖는 광학 소자를 들 수 있다. 적층하는 광학 소자는, 회절 소자, 액정 소자, 다층막 소자 등의 대면적의 웨이퍼프로세스를 적용할 수 있는 것이 바람직하다.

즉, 상기의 회절 소자의 하나의 면에, 다른 광학 소자가 적층되어 일체화되어 있는 것이, 회절 소자에 다른 광학적 기능을 부가하여 고기능화할 수 있어 바람직하다.

본 발명에서의 회절 격자는, 기판인, 예를 들어 유리 기판 그 자체 또는 유리 기판 상에 성막된 무기물 재료를 가공하여 제작된다. 특히, 성막의 공정을 생략할 수 있어, 성막과 기판의 계면이 존재하지 않는 점에서 유리 기판에 직접 격자를 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 고속이고 또한 균일한 에칭 특성을 갖는 석영계의 유리 기판을 직접 가공하는 것이 매우 바람직하고, 더욱이 신뢰성, 양산성 등의 점에서도 석영계의 유리 기판이 바람직하다.

또한, 온도 변화에 의한 회절 방향의 변화를 억제하기 위해서는, 사용하는 기판의 선팽창 계수의 제어가 중요하고, 선팽창 계수를 최적화한 투명 기판을 사용하는 것이 온도 특성이 뛰어난 소자를 얻기 위해서 바람직하다. 이 경우, 선팽 창 계수를 최적화한 투명 기판의 표면에 직접 가공을 실시해도 되고, 에칭 특성이 우수한 무기물 재료를 선팽창 계수를 최적화한 투명 기판 상에 성막하여 가공층으로 할 수도 있다.

일례로서 선팽창 계수를 억제한 유리 기판재료로서는, Ti를 도핑한 석영 유리나 Al₂O₃-LiO₃-SiO₂ 등을 주성분으로 하는 유리 등을 사용할 수 있지만, 프로세스 중의 기판 온도 이력에 의한 영향이 적고, 또한 에칭성이 우수한 Ti를 도핑한 석영 유리가 직접 기판 가공하기 위해서는 특히 바람직하다.

또한, 상기의 예와 같은 애스펙트비가 큰 격자의 형성시에는 소자 외주부는 미가공으로 하는 것이, 가공 중의 포토레지스트마스크나 격자 재료의 파손을 막는데에서 바람직하다.

본 발명의 회절 소자가 회절 각도를 특히 크게 함으로써 파장 분해능을 향상시키는 주기가 작은 회절 격자이면 그 효과가 현저하고, 특히 회절 격자의 주기가 중심 파장과 거의 같은 것, 또는 주기 (피치) 가 중심 파장에 비해 작은 범위에 있는 것에서는 효과가 크다.

상기의 본 발명의 회절 소자를 사용하여 각종의 광학 장치가 구성된다. 이 광학 장치는 본 발명의 회절 소자의 분광 특성 등의 특성을 사용한 것이면, 어느 광학 장치여도 된다.

또한, 상기의 회절 소자의 기판으로서 투명 기판이 사용되고, 회절 소자가 투과형 소자로서 사용되어 분광 장치가 구성되는 것이, 본 발명의 회절 소자는 큰 파장 분리 효과를 가지며, 입사광과 투과 회절광의 분리 각도를 크게 얻을 수 있기 때문에, 배치 상의 제약이 없어 바람직하다.

본 발명의 분광 장치란, 예를 들어 광통신으로 사용되는 파장 다중 통신의 검출기가 있다. 1520nm 에서 1620nm 까지의 다른 파장의 신호광이 동일한 전송 화이버에 의해 전파해 온 경우에, 각 파장에 분파하여 각각의 신호 강도를 측정할 필요가 있다. 전송 화이버로부터 출사한 빛은, 본 발명의 회절 소자에 의해 파장에 따라 다른 방향으로 회절?전파하고, 다른 수광 소자에 입사함으로써 각 파장의 신호 강도를 측정할 수 있다. 게다가, 파장에 따라 전파 경로가 다르기 때문에 각각의 파장에 대하여 다른 강도나 위상의 조정을 실시하는 것도 가능하다. 반사형의 소자를 사용하는 경우에는 높은 빛의 이용 효율을 얻기 위해서는, 입사광과 반사 회절광이 가까운 리트로우 배치라고 불리우는 배치가 일반적이고, 입사 화이버와 검출기의 배치에 제약이 생기지만, 본 발명의 투과형의 회절 소자는 반사 리트로우 배치와 동등한, 높은 빛의 이용 효율을 실현하면서도 입사광과 회절광이 이루는 각도가 크고 배치상의 제약이 적은 점에서 우수하다.

이하에, 실시예를 나타낸다.

[예 1]

도 1 은, 본 예의 분광 회절 소자의 구성을 나타내는 측면도이다. 본 예에서는, 두께 2.0mm 의 석영 유리 기판을 투명 기판 (101) 으로 하고, 투명 기판의 한 면에 TiO₂ 및 SiO₂ 를 사용한 5O 도의 입사 각도에 대하여 가장 반사율이 낮은 4 층의 반사 방지막 (102) 을 사용하였다. 그 후, 포토리소그래피 및 건식 에칭의 기술을 사용하여 구형상의 회절 격자를 형성하였다. 즉, 먼저, 격자의 오목부에 대응하는 반사 방지막 부분을 에칭에 의해 제거한 후에, 석영 유리의 가공 깊이가 900nm 인 에칭을 실시하고, 석영 유리의 볼록부의 위에 다층막이 형성된 격자의 주기가 1000nm 인 구형 회절 격자 (103) 를 형성하였다. 오목부와 볼록부의 폭의 비는 1:1 이었다.

다음으로, 투명 기판 (101) 의 구형 회절 격자 (103) 를 형성한 면과는 반대측의 면에 상기와 같이 50 도의 입사광에 대한 4 층의 반사 방지막 (104) 을 사용하였다. 그 후, 다이싱소 (dicing saw) 에 의해 투명 기판 (101) 을 15mm × 10mm 의 장방형으로 절단하여 회절 소자 (10) 로 하였다.

회절 소자 (10) 의 구형 회절 격자 (103) 측에서, 격자에 대하여 평행하게 편광한 파장 1520nm, 1570nm 및 1620nm 의 빛을 외부 입사각 50°로 입사한 바, 각 파장에 대하여 각각 92%, 93% 및 91% 의 높은 회절 효율을 나타내었다. 또한, 입사하는 빛의 파장에 의해 회절광의 출사 방향은 각각 49 도, 54 도 및 59 도로 변화하여, 3 개의 파장의 빛을 충분히 분리할 수 있었다. 도 1 에서, 실선의 화살표는 입사광, 일점 쇄선은 투과광, 파선은 - 1차 회절광을 각각 나타낸다.

[예 2]

도 2 는, 본 예의 분광 회절 소자의 구성을 나타내는 측면도이다. 본 예에서는, 두께 2.0mm 의 석영 유리 기판을 투명 기판 (201) 으로 하였다. 투명 기판 (201) 상에 포토레지스트를 도포하고, 개구부가 격자의 주기의 1/3 이 되는 도시하지 않은 포토마스크를 사용하여 포토리소그래피법을 사용하여, 볼록부와 오목부의 폭의 비율이 2:1 인 포토레지스트마스크를 형성하였다. 그 후, 건식 에칭의 기술을 사용하여 깊이 3400nm 의 구형 회절 격자를 형성하였다. 즉, 격자의 주기가 1500nm 이고, 격자는 1000nm 폭의 볼록부와 500nm 폭의 오목부로 이루어지며, 석영 유리의 가공 깊이가 3600nm 인 구형 회절 격자 (202) 를 형성하였다.

다음으로, 투명 기판 (201) 의 구형 회절 격자 (202) 를 형성한 면과는 반대측의 면에 30 도의 입사광에 대한 반사 방지막 (203) 을 시설하였다. 그 후, 다이싱소에 의해 투명 기판 (201) 을 10mm × 6mm 의 장방향으로 절단하여 회절 소자 (20) 로 하였다.

회절 소자 (20) 의 구형 회절 격자 (202) 측에서, 파장 1520nm, 1570nm 및 1620nm 의 빛을 외부 입사각 30°로 입사한 바, 각 파장에서의 회절 효율은 격자에 평행한 편광에 대하여는 각각 92%, 92% 및 92% 를 나타내었다. 한쪽의 격자에 대하여 수직한 편광에 대하여는, 각각 95%, 92% 및 89% 가 되어, 입사광의 파장의 변화 및 입사광의 편광 방향의 변화의 어느 것에 대해서도 높은 회절 효율을 나타내었다. 또한, 입사광의 파장에 의해 회절광의 출사 방향은, 각각 약 31 도, 33 도 및 35 도로 변화하여, 3 개의 파장의 빛을 충분히 분리할 수 있었다. 도 2 에서, 실선의 화살표는 입사광, 일점 쇄선은 투과광, 파선은 1차 회절광을 각각 나타낸다.

[예3]

도 9 는, 본 예의 분광 회절 소자의 구성을 나타내는 측면도이다. 본 예에서는, 두께 2.0mm 의 백판 유리 기판을 투명 기판 (901) 으로 하여, 투명 기판의 한쪽 면에, 스퍼터법에 의해 Ta₂O₅ 를 두께 1.3㎛ 및 SiO₂ 를 0.35㎛ 성막하였다. 그 후, 포토리소그래피 및 건식 에칭의 기술을 사용하여 막을 선택적으로 제거하여, Ta₂O₅ 층 (903) 과 SiO₂ 층 (902) 으로 이루어지는 구형상의 회절 격자 (904) 를 형성하였다. 이 때, 노광에 사용하는 도시하지 않은 포토마스크의 개구의 최적화에 의해 노광부와 미노광부의 비율을 조정하여, 격자 요철부의 격자 주기에 대한 비율을 6:4, 즉, 600nm 의 볼록부에 대하여 400nm 의 오목부가 되도록 하였다.

다음으로, 투명 기판 (901) 의 구형 회절 격자 (904) 를 형성한 면과 반대측의 면에 상기와 같이 50 도의 입사광에 대한 반사 방지막 (905) 을 시설하였다. 그 후, 다이싱소에 의해 투명 기판 (901) 을 15mm × 10mm 의 장방향으로 절단하여 회절 소자 (90) 로 하였다.

회절 소자 (90) 의 구형 회절 격자 (904) 측에서, 격자에 대하여 평행하게 편광한 파장 1520nm, 1570nm 및 1620nm 의 빛을 외부 입사각 50°로 입사한 바, 각 파장에 대하여 각각 93%, 94% 및 92% 의 높은 회절 효율을 나타내었다. 또한, 격자에 대하여 수직으로 편광한 것과 같이 1520nm, 1570nm 및 1620nm 의 빛에 대해서도, 각각 91%, 92% 및 91% 의 높은 회절 효율을 나타낸다.

또한, 입사하는 빛의 파장에 의해 회절광의 출사 방향은, 각각 49 도, 54 도 및 59 도로 변화하고, 3 개의 파장의 빛을 충분히 분리할 수 있었다. 도 9 에서, 실선의 화살표는 입사광, 일점 쇄선은 투과광, 파선은 - 1차 회절광을 각각 나타낸다.

[예 4]

도 11 은, 본 예의 분광 회절 소자의 구성을 나타내는 측면도이다. 본 예에서는, 두께 2.Omm 의 석영 유리 기판을 투명 기판 (11O1) 으로 하여, 투명 기판의 일방의 면에, 스퍼터법에 의해 Ta₂O₅를 두께 1300nm 및 SiO₂를 450nm 성막했다. 그 후, 포토리소그래피 및 건식 에칭의 기술을 사용하여 막을 선택적으로 제거하고, Ta₂O₅ 층 (1103) 과 SiO₂ 층 (1102) 으로 이루어지는 회절 격자 (1104) 를 형성하였다. 이때, 노광에 사용하는 도시하지 않은 포토마스크의 개구 및 에칭 조건의 최적화에 의해 회절 격자의 볼록부의 벽면을 경사시키는 것으로 주기가 1000nm 인, 테이퍼링된 격자 (1104) 로 하였다. 제작한 회절 격자의 격자 상단에서의 볼록부와 오목부의 폭의 비율은 거의 1:1 이고, 격자 볼록부의 벽면의 테이퍼각은 약 6 도였다.

다음으로, 투명 기판 (1101) 의 회절 격자 (11O4) 를 형성하는 면과는 반대측의 면에 상기와 같이 50 도의 입사광에 대한 반사 방지막 (1105) 을 시설하였다. 그 후, 다이싱소에 의해 투명 기판 (1101) 을 15mm × 10mm 의 장방형으로 절단하여 회절 소자 (110) 로 하였다.

회절 소자 (110) 의 구형 회절 격자 (1104) 측에서, 격자에 대하여 평행하게 편광한 파장 1520nm, 1545nm 및 1570nm 의 빛을 외부 입사각 50°로 입사한 바, 각 파장에 대하여 각각 94%, 95% 및 95% 의 높은 회절 효율을 나타내었다. 또한, 격자에 대하여 수직으로 편광한 것과 같이 1520nm, 1545nm 및 1570nm 의 빛에 대해서도, 각각 95%, 95% 및 95% 의 높은 회절 효율을 나타내었다.

[예 5]

도 12 는, 본 예의 분광 회절 소자의 구성을 나타내는 측면도이다. 본 예에서는, 두께 2.0mm 의 석영 유리 기판을 투명 기판 (1201) 으로 하였다. 투명 기판 (1201) 상에 포토레지스트를 도포하고, 도시하지 않은 포토마스크를 사용하여 포토리소그래피법을 사용하여 포토레지스트마스크를 형성하였다. 그 후, 건식 에칭의 기술을 사용하여 깊이 3600nm, 격자 주기 1500nm 의 회절 격자 (1202) 를 형성하였다. 이 때, 노광에 사용하는 도시하지 않은 포토마스크의 개구 및 에칭 조건의 최적화에 의해 회절 격자의 볼록부의 벽면을 경사시킴으로써, 테이퍼링된 격자 (1202) 로 하였다. 제작한 회절 격자의 격자 상단에서의 볼록부와 오목부의 폭의 비율은 거의 1:1 이고, 격자 볼록부의 벽면의 테이퍼각 θ 은 약 4 도였다.

다음으로, 투명 기판 (1201) 의 구형 회절 격자 (1202) 를 형성한 면과는 반대측의 면에 약 30 도의 입사광에 대한 반사 방지막 (1203) 을 시설하였다. 그 후, 다이싱소에 의해 투명 기판 (1201) 을 10mm × 6mm 의 장방형으로 절단하여 회절 소자 (120) 로 하였다.

회절 소자 (120) 의 구형 회절 격자 (1202) 측에서, 격자에 대하여 평행하게 편광한 파장 1520nm, 1545nm 및 1570nm 의 빛을 외부 입사각 30°로 입사한 바, 각 파장에 대하여 각각 95%, 96% 및 95% 의 높은 회절 효율을 나타내었다. 또한, 격자에 대하여 수직으로 편광한 것과 같이 1520nm, 1545nm 및 1570nm 의 빛에 대해서도, 각각 95%, 95% 및 94% 의 높은 회절 효율을 나타내었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 회절 소자는, 간이한 프로세스로 양산성이 우수하면서, 높은 회절 효율로 큰 파장 분리 효과를 갖는 분광 회절 소자가 된다. 또한, 본 발명의 회절 소자는 신뢰성, 편광 특성 등이 우수한 회절 소자를 실현할 수 있다.

Claims (14)

1. 기판 표면에 형성된 또는 기판 상에 성막된 층에 형성된 격자로서, 단면이 요철 형상이고 볼록부 상면이 평탄하며 볼록부가 대칭인 격자를 갖는 투과형 회절 소자로서,

   상기 회절 소자의 볼록부는,

   상기 기판 상에 적층된 1층 이상의 광학 재료의 층을 갖고,

   상기 회절 소자의 상기 격자의 1 주기는 입사하는 빛의 파장의 0.55~1.45배의 범위이며,

   상기 회절 소자의 격자 형성면에 빛이 경사져 입사하여 사용되는 것을 특징으로 하는 회절 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 격자의 1 주기를 차지하는 볼록부와 오목부의 비율에 있어서 상기 볼록부의 비율이 상기 오목부의 비율 이상인, 회절 소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 격자의 볼록부를 형성하는 벽면이 경사지며,

   상기 격자의 1 주기를 차지하는 격자 볼록부의 상단의 비율이 격자 볼록부의 바닥부의 비율보다 작은, 회절 소자.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 격자의 볼록부를 형성하는 벽면이 경사지며,

   상기 격자 볼록부의 벽면의 테이퍼각은 3 ° 내지 6 ° 인 회절 소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 광학 재료가 TiO₂, SiO₂, Ta₂O₅, Al₂O₃로부터 선택된 것으로 이루어지는, 회절 소자.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 기판으로서 투명 기판이 사용되고,

   상기 투명 기판 상에 성막된 층에 격자의 볼록부가 형성되며,

   상기 격자의 볼록부는 상기 투명 기판보다 굴절률이 높은, 회절 소자.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 투명 기판 상에 성막된 층이 SiO₂, TiO₂, Ta₂O₅, Si₃N₄, Si로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나를 함유하는 층 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 층인, 회절 소자.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 회절 소자의 하나의 면에 다른 광학 소자가 적층되어 일체화되어 있는, 광학 소자.
9. 기판 표면에 형성된 또는 기판 상에 성막된 층에 형성된 격자로서, 그 단면이 요철 형상이고 볼록부 상면이 평탄하며 볼록부가 대칭인 격자를 구비하며, 상기 격자의 1 주기는 입사하는 빛의 파장의 0.55~1.45배의 범위인, 투과형 회절 소자의 사용 방법으로서,

   상기 회절 소자의 볼록부는,

   상기 기판 상에 적층된 1 층 이상의 광학 재료의 층을 갖고,

   상기 회절 소자의 격자 형성면에 빛이 경사져 입사하여 사용되는 것을 특징으로 하는 회절 소자의 사용 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 빛이 경사져 입사할 때의 입사 각도가 상기 회절 소자의 표면에 세운 법선에 대하여 15°내지 80°의 범위에 있는, 회절 소자의 사용 방법.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 회절 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
12. 제 11 항에 기재된 광학 장치는 분광 장치이며,

    상기 회절 소자의 기판으로서 투명 기판이 사용되고,

    상기 회절 소자가 투과형 소자로서 사용되는 것을 특징으로 하는 분광 장치.
13. 제 1 항에 있어서,

    상기 회절 소자의 볼록부는,

    기판의 볼록부, 및

    상기 기판의 볼록부상에 적층된 1층 이상의 광학 재료의 층으로 이루어지는 회절소자.
14. 기판 표면에 형성된 또는 기판 상에 성막된 층에 형성된 격자로서, 단면이 요철 형상이고 또한 볼록부 상면이 평탄하며 볼록부가 대칭인 격자를 갖는 회절 소자에 있어서,

    상기 격자의 볼록부를 형성하는 벽면이 경사지며,

    상기 격자 볼록부의 벽면의 테이퍼각은 3 ° 내지 6 ° 이고,

    회절 소자의 격자의 1 주기는 입사하는 빛의 파장의 0.55 ~ 1.45 배의 범위이고, 또한 회절 소자의 격자 형성면에 빛이 경사져 입사하여 사용되는 것을 특징으로 하는 회절 소자.

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