JP4238573B2 - Lamella type diffraction grating and design method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分光器や分波器に使用される波長分散/波長選択素子である回折格子に関し、更に詳しくは、溝断面形状が矩形状であるラメラー型回折格子とその回折格子の設計方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
回折格子(グレーティング)は、分光器や分波器等に使用される波長の分離/選択素子の1つである。回折格子は、格子の材質、格子面の形状、格子溝の形状等によりいくつかに分類される。例えば格子溝の形状に着目した場合、図3(A)に示すように溝断面形状が鋸歯状であるエシェレット型、図3(B)に示すように溝断面形状が矩形状であるラメラー型(ラミナー型と呼ばれることもある)などに分類される。また、こうした回折格子は、反射回折光を利用するか透過回折光を利用するかに応じて、反射型回折格子と透過型回折格子とに分類される。
【0003】
従来一般的には、放射線のような短波長の分光にはラメラー型回折格子がよく使用され、紫外光から近赤外光用の分光器には主としてエシェレット型回折格子が使用されることが多い。しかしながら、ホログラフィック露光や機械刻線などといった比較的製造コストが低廉である製造工程を採用する場合、ラメラー型のほうがエシェレット型よりも製造上の精度誤差を小さくすることが容易である。そのため、従来、あまり使用されることのなかった相対的に長い波長領域においても、ラメラー型回折格子の利用が今後増加するものと予想される。
【0004】
ところで、自由空間では、光は電磁波の横波であり、その方位(波数ベクトル方位)、電場、及び磁場は互いに直交している。自然光はこの電場及び磁場の振動方向が不規則な変化をしているが、全ての平面波は2つの偏光成分で張られる。本来、回折格子の格子溝表面の境界領域での2つの偏光成分の振る舞いは相違するため、習慣上、回折格子に入射する光の電場ベクトルが格子溝方向に平行に振動している成分(TE偏光)と、垂直に振動している成分(TM偏光)とに分け、この偏光成分毎に回折格子溝表面での様相を解析し、例えば回折効率を求めるようにしている。
【0005】
しかしながら、回折格子の溝周期に対して使用波長が充分に小さい場合には、入射光の電場ベクトルを2成分に分けて解析しなくても、光の強度のみ、つまり回折格子溝のフラウンフォーファ回折について全ての回折格子溝からの寄与を積分することにより回折効率を計算するだけで(このような計算理論をスカラー回折理論という)、実際とかなり良く一致する計算結果が得られることが知られている。具体的に言うと、格子周期/波長>10の領域をスカラー領域といい、個々の回折格子溝が寄与するフラウンフォーファ回折を積分することにより回折効率を計算することができる。この領域においては、偏光によるスペクトル形状の差異は小さい。
【0006】
これに対し、格子周期/波長<10の領域は、共鳴領域(Resonance Domain)、サブ波長領域(回折モードが0次光だけとなる領域)及び有効屈折率領域に分類でき、上記のようなスカラー回折理論は成立しない。特に、共鳴領域やサブ波長領域では、偏光成分に依って格子溝表面の境界領域での作用が異なるため、回折格子に入射する光をベクトル量として捉え、回折格子溝表面での様相を厳密に解析して回折効率を求めることが必要であるが、その演算量は非常に厖大なものとなる。
【0007】
【非特許文献1】
トーマス・ゲイロードほか、「アナリシス・アンド・アプリケーション・オブ・オプティカル・ディフラクション・バイ・グレーティングス」、プロシーディングス・オブ・ジ・IEEE、73巻、5号、1985年5月(Thomas K.Gayload etal. "Analysis and Applicationa of Optical Diffraction by Gratings" Proceedings of The IEEE, Vol.73, No.5, May 1985)
【非特許文献2】
佐藤晃、「厳密結合波解析の高速化のための検討」、第29回電磁界理論シンポジウムET-00-69 25(2000年)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
近年、近赤外領域を中心とする波長帯域を利用した通信分野などでの回折格子の使用が圧倒的に増加しており、このような用途では、使用波長と格子周期とがほぼ同程度であるような共鳴領域での使用となる。しかしながら、上述したように、共鳴領域での回折格子の回折効率の算出は非常に複雑であり、高い回折効率を実現できるような溝断面形状を設計する手法は未だ充分に確立されていない。そのため、従来、こうした光学素子の設計では、試行錯誤的に厖大な計算を行って最適又はそれに近い断面形状を探索するという非効率的な作業が行われており、また、そうした作業も設計者の経験や勘に頼ることが多いというのが実状である。
【0009】
また上述した通り、共鳴領域では、偏光成分に依って格子溝表面の境界領域での作用が異なるため、これを利用すれば偏光成分を選択した回折が可能である。すなわち、これが、一方の偏光成分のみを選択的に高い効率で回折する偏光弁別回折格子である。このような素子は過去にも提案されているが、従来の偏光弁別回折格子は微細構造による光学異方性を利用したものであり、複雑な設計手法と高いコストを要する微細加工技術が必要とされ、実用性に乏しいものであった。そのため、従来、偏光を選択した回折を行うには、無偏光回折格子と偏光子とを組み合わせるのが一般的であった。そこで、構造的には一般的なラメラー格子であって、そのパラメータのみを適宜に設定することにより偏光弁別回折格子を実現することができれば、非常に利用価値が高いものと思われる。
【0010】
更にまた、装置の構成等によって反射型回折格子を使用できない場合には、ガラスやMgF2等の誘電体を材料とした透過型回折格子が使用されているが、こうした透過型回折格子においても、上記のように偏光を選択した回折が可能であるような透過型偏光弁別回折格子の溝形状の設計手法は未だ確立されておらず、高い回折効率を安定的に得ることは難しかった。
【0011】
本発明はかかる課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、溝断面形状が矩形状であるラメラー型の回折格子において、設計が容易であって、高い回折効率を達成することができる反射型無偏光回折格子及びその設計方法を提供することにある。
【0012】
また、本発明の他の目的とするところは、溝断面形状が矩形状であるラメラー型の回折格子において、設計が容易であって、偏光に応じた高い回折効率を達成することができる反射型偏光弁別回折格子及びその設計方法を提供することにある。
【0013】
更にまた、本発明の他の目的とするところは、溝断面形状が矩形状であるラメラー型の回折格子において、設計が容易であって、偏光に応じた高い回折効率を達成することができる透過型偏光弁別回折格子及びその設計方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された第1発明に係るラメラー型回折格子は、溝断面形状が矩形状であるラメラー型の反射型回折格子において、
所定波長の光が所定入射角で格子溝面に入射したときに回折波が0次光及び-1次光のみであり、該-1次回折光は入射波と正対する方向に反射されるという条件の下で、
厳密結合波解析(=Rigorous Coupled Wave Analysis 、以下RCWAと略す)における周期構造内部の電磁場の平面波成分の伝播定数に着目し、まずTE偏光に対して前記伝播定数の虚部がゼロ値近傍から非ゼロ値へと転移するような格子周期のデューティ比を探索し、次いで格子周期のデューティ比をその近傍に設定して、TE偏光の回折効率が高くなるような溝深さ範囲内で、TM偏光の回折効率が高くなる溝深さを見い出すことにより、格子周期のデューティ比及び溝深さを決定したこと、を特徴としている。
【0015】
また、第2発明に係るラメラー型回折格子の設計方法は、溝断面形状が矩形状であるラメラー型の反射型回折格子を設計する方法であって、
所定波長の光が所定入射角で格子溝面に入射したときに回折波が0次光及び-1次光のみであり、該-1次回折光は入射波と正対する方向に反射されるという条件の下で、回折格子の格子周期のデューティ比及び溝深さを決定するために、
RCWAにおける周期構造内部の電磁場の平面波成分の伝播定数に着目し、まずTE偏光に対して前記伝播定数の虚部がゼロ値近傍から非ゼロ値へと転移するような格子周期のデューティ比を探索するステップと、
次いで格子周期のデューティ比をその近傍に設定して、TE偏光の回折効率が高くなるような溝深さ範囲内で、TM偏光の回折効率が高くなる溝深さを見い出すステップと、
を有することを特徴としている。
【0016】
上記課題を解決するために成された第3発明に係るラメラー型回折格子は、溝断面形状が矩形状であるラメラー型であって、且つ偏光の選択性を有する反射型の偏光弁別回折格子において、
所定波長の光が所定入射角で格子溝面に入射したときに回折波が0次光及び-1次光のみであり、該-1次回折光は入射波と正対する方向に反射されるという条件の下で、
RCWAにおける周期構造内部の電磁場の平面波成分の伝播定数に着目し、まずTE偏光に対して前記伝播定数の虚部がゼロ値近傍から非ゼロ値へと転移するような格子周期のデューティ比を探索し、次いで格子周期のデューティ比を前記探索されたデューティ比よりも充分に大きな値に設定した上で、TM偏光の回折効率が高くなる溝深さを見い出すことにより、格子周期のデューティ比及び溝深さを決定したこと、を特徴としている。
【0017】
また、第4発明に係るラメラー型回折格子の設計方法は、溝断面形状が矩形状であるラメラー型であって、且つ偏光の選択性を有する反射型の偏光弁別回折格子を設計する方法であって、
所定波長の光が所定入射角で格子溝面に入射したときに回折波が0次光及び-1次光のみであり、該-1次回折光は入射波と正対する方向に反射されるという条件の下で、回折格子の格子周期のデューティ比及び溝深さを決定するために、
RCWAにおける周期構造内部の電磁場の平面波成分の伝播定数に着目し、まずTE偏光に対して前記伝播定数の虚部がゼロ値近傍から非ゼロ値へと転移するような格子周期のデューティ比を探索するステップと、
次いで格子周期のデューティ比を前記探索されたデューティ比よりも充分に大きな値に設定した上で、TM偏光の回折効率が高くなる溝深さを見い出すステップと、
を有することを特徴としている。
【0018】
上記課題を解決するために成された第5発明に係るラメラー型回折格子は、溝溝断面形状が矩形状であるラメラー型であって、且つ偏光の選択性を有する透過型の偏光弁別回折格子において、
所定波長の光が所定入射角で格子溝面に入射したときに回折波が0次光及び-1次光のみであり、該-1次回折光の波数ベクトル接線分は入射波のそれと正負が逆転するような方向に透過されるという条件の下で、
RCWAにおける周期構造内部の電磁場の平面波成分の伝播定数に着目し、まずTM偏光に対して第1順位と第2順位の伝播定数の大小関係が入れ替わるような格子周期のデューティ比を探索し、次いで格子周期のデューティ比をその近傍に設定して、TE偏光の回折効率が高くなる溝深さを見い出すことにより、格子周期のデューティ比及び溝深さを決定したこと、を特徴としている。
【0019】
また、第6発明に係るラメラー型回折格子の設計方法は、溝断面形状が矩形状であるラメラー型であって、且つ偏光の選択性を有する透過型の偏光弁別回折格子を設計する方法であって、
所定波長の光が所定入射角で格子溝面に入射したときに回折波が0次光及び-1次光のみであり、該-1次回折光の波数ベクトル接線分は入射波のそれと正負が逆転するような方向に透過されるという条件の下で、回折格子の格子周期のデューティ比及び溝深さを決定するために、
RCWAにおける周期構造内部の電磁場の平面波成分の伝播定数に着目し、まずTM偏光に対して第1順位と第2順位の伝播定数の大小関係が入れ替わるような格子周期のデューティ比を探索し、
次いで格子周期のデューティ比をその近傍に設定して、TE偏光の回折効率が高くなる溝深さを見い出すステップと、
を有することを特徴としている。
【0020】
【発明の実施の形態】
従来より、回折格子の光学特性解析手法の1つとして、厳密結合波解析(RCWA)と呼ばれる手法が知られている(例えば、非特許文献1など参照)。このRCWAは、従来、回折格子の構造パラメータや入射条件などから回折効率などを算出するために利用されている。
【0021】
本願発明者は、RCWAを用いた回折格子の光学特性解析の研究を重ねる過程で(例えば、非特許文献2など参照)、RCWAにおいて回折格子の周期構造内部の電磁場を平面波の重畳として表す計算式に含まれる複数の伝播定数が、偏光成分に依って、格子溝のデューティ比に依存した特有の変化を呈することを見い出し、その伝播定数と回折効率との関係のデューティ比依存性、及び溝深さと回折効率との関係から、格子溝のデューティ比及び溝深さを決定することに想到した。特に、TE偏光及びTM偏光の両者に対して回折効率が良好になるようにデューティ比及び溝深さを決定することにより、偏光に依らずに高い回折効率を達成できるような無偏光回折格子を得ることができる。また、一方の偏光に対する回折効率が非常に小さくなるような条件を設定した上で、他方の偏光に対する回折効率が良好になるようにデューティ比及び溝深さを決定することにより、偏光を選択して高い回折効率を達成できるような偏光弁別回折格子を得ることができる。
【0022】
【発明の効果】
第1発明に係るラメラー型回折格子及び第2発明に係るラメラー型回折格子の設計方法によれば、従来のように熟練者の経験や勘に頼った試行錯誤的な手順ではなく、定型的な手順で、回折効率が最良又はそれに近い状態となるような格子溝のデューティ比及び溝深さを決定することができる。従って、回折格子の設計効率の大幅な向上が図れる。
【0023】
また、第3発明に係るラメラー型回折格子及び第4発明に係るラメラー型回折格子の設計方法によれば、従来のように熟練者の経験や勘に頼った試行錯誤的な手順ではなく、定型的な手順で、一方の偏光成分を殆ど回折せず、他方の偏光成分に対する回折効率が最良又はそれに近い状態となるような格子溝のデューティ比及び溝深さを決定することができる。従って、偏光弁別回折格子の設計効率の大幅な向上が図れるとともに、偏光子を用いることなく偏光の弁別が可能となるので、光学系の構成が簡単にコストの削減が図れる。
【0024】
また、第5発明に係るラメラー型回折格子及び第6発明に係るラメラー型回折格子の設計方法によれば、透過型の偏光弁別回折格子においても、従来のように熟練者の経験や勘に頼った試行錯誤的な手順ではなく、定型的な手順で、一方の偏光成分を殆ど透過回折せず、他方の偏光成分に対する透過回折の効率が最良又はそれに近い状態となるような格子溝のデューティ比及び溝深さを決定することができる。従って、透過型の偏光弁別回折格子の設計効率の大幅な向上が図れるとともに、偏光子を用いることなく偏光の弁別が可能となるので、光学系の構成が簡単になりコストの削減が図れる。
【0025】
【実施例】
まず、本発明に係るラメラー型回折格子の設計方法の原理について説明する。ここでは、ラメラー型回折格子に対する光の入射条件として、図1に描くようなリトロー配置を想定する。すなわち、断面形状が矩形状であるラメラー型回折格子1の格子溝表面に対して波長λの光が入射したとき、格子溝表面が鏡面反射となるように0次回折光が発生するとともに、入射光と正対するように-1次回折光が反射するような状態である。この条件の下では、0次光及び-1次光以外の回折光は発生しない。
【0026】
いま、回折格子1の格子溝表面において図2で示すような(x,y,z)座標系を考える。すなわち、ラメラー型回折格子1の溝表面で溝方向に沿った方向をx、溝表面内でxと直交する方向をy、x及びyにともに直交する方向をzとする。また、溝深さはh、格子周期はΛで表す。このような座標系を用いると、RCWAでは回折格子の周期構造内部の電磁場を次の(1)式のように、平面波の重畳として表すことができる。
E(r)=Σexp(-iσ(n)y)・ Σ[e+ (n,n')exp(-iK(n')z)+e- (n,n' )exp(iK(n')z)] …(1)
(なお、(1)式で1番目のΣはnについての総和、2番目のΣはn’についての総和である)
【0027】
(1)式において、e+ (n,n')とe- (n,n')は前進波と後進波の振幅で、K(n) が平面波成分の伝播定数に相当する。また、n、n’はモード指数(回折格子ではnが回折次数に相当する)である。更に、σ(n)はブロッホ(Bloch)波数ky (入射波数の界面射影成分)と逆格子Gy=Λ/2π(Λは格子周期)の一次結合として、次の(2)式で表される。
σ(n)=ky+nGy …(2)
(1)式において、n、n’を(−∞,∞)に亘って総和をとれば、数学的に伝播定数の収束が保証されるが、実際の数値計算では必要な精度が得られる程度でn、n’を打ち切ることができる。
【0028】
回折格子1が金属から成る場合には、全ての伝播定数K(n)は虚部Im{K(n)}が一般に非ゼロ値であり、その値が大きいほど減衰(消衰)が大きく、格子内部での伝播や回折に対する寄与が小さくなる。従って、伝播定数K(n)を虚部Im{K(n)}が小さな順番に並べれば、最初の数個だけが実質的にその回折格子の光学特性に関与し、他は無視することができる。更に、ここでは上述したように、回折波が0次及び-1次の2つだけ存在するような条件を設定しており、この条件の下では、伝播定数K(n)の虚部Im{K(n)}が最も小さい最初の2個の平面波成分みが、回折特性に支配的に寄与すると看做して構わない。
【0029】
さて、図1及び図2に示したようなラメラー型回折格子の溝断面形状は、格子溝のデューティ比Λ1/Λと溝深さhとで規定することができる。そこで、ここでは、上記のようなRCWAによって決定される、平面波モードの回折特性に支配的な2個の伝播定数について、偏光成分毎に異なる、デューティ比に対する依存性に着目する。そして、反射型無偏光回折格子及び反射型偏光弁別回折格子において、それぞれ好ましい要件を考え、その要件を満たすように設計手順を構築する。
【0030】
(1)反射型無偏光回折格子
反射型無偏光回折格子の要件とは、TE偏光、TM偏光ともに反射の回折効率ができるだけ高くなることである。回折格子が金属製である場合、デューティ比が小さいほど空気の割合が大きくなって減衰は小さくなり、逆にデューティ比が大きいほど金属の割合が大きくなって減衰は大きくなることが予想される。実際、後で示すように、TE偏光では、デューティ比を徐々に大きくしてゆくと、全ての伝播定数の虚部が0より遙かに大きくなるように顕著な立ち上がりを示すデューティ比(以下、このデューティ比を「転移点」という」が存在する。転移点の近傍では、TE偏光の回折効率は溝深さに対する依存性が非常に低くなり、溝深さに依らずに高い回折効率が実現できるような溝深さの値域が適度な幅をもって存在する。
【0031】
そこで、設計手順としては、図4に示すように、まず転移点となるデューティ比を探索する(ステップS11)。転移点では、上述したようにTE偏光において高い回折効率が得られ、しかも、溝深さを或る範囲で変化させてもその高効率が維持される。そこで、デューティ比を転移点に固定した上で(ステップS12)、TE偏光に関して高い回折効率が維持される幅広い溝深さの範囲において、TM偏光の回折効率を解析する。TM偏光は転移点にあっても伝搬的なモードが存在するため、その回折効率は溝深さに依存して変動し、TM偏光に対しても高い回折効率を与える溝深さを見い出すことができる筈である。そこで、上記溝深さの範囲内で、TM偏光の回折効率がピーク(極大)となる溝深さを探索する(ステップS13)。これにより、デューティ比と溝深さとが決まり(ステップS14)、両偏光に対して高い回折効率が達成できる。すなわち、無偏光ブレーズ化が実現でき、より高反射域の広い反射型無偏光回折格子となる。
【0032】
(2)反射型偏光弁別回折格子
反射型偏光弁別回折格子の要件とは、一方の偏光の反射の回折効率ができるだけ高くなり、他方の偏光の反射の回折効率ができるだけ低くなることである。そこで、設計手順としては、図5に示すように、まず無偏光ブレーズ化設計時と同様に転移点の探索を行う(ステップS21)。デューティ比が転移点よりも大きくなると、TE偏光では伝播的なモードが消失し、段々と回折効率がゼロに近づく。そこで、転移点を見つけた後、所望の消光比(TE偏光回折効率/TM偏光回折効率)や、製造上の限界を勘案した上で、転移点よりもできるだけ大きなデューティ比を選定する(ステップS22)。デューティ比が1に近いほど大きい場合であっても、TM偏光では伝搬的なモードが存在する。そのため、TM偏光の回折効率は溝深さに依存して変動し、高い回折効率を与える溝深さを見い出すことができる筈である。そこで、TM偏光の回折効率がピークとなる溝深さを探索し(ステップS23)、これによってデューティ比と溝深さとを決定することにより(ステップS24)、TM偏光だけがブレーズ化できる。
【0033】
(3)透過型偏光弁別回折格子
以上の説明は、回折格子が反射型であって金属から成るものを想定していたが透過型である場合には、光の透過率の高い材質としてガラス等の誘電体を考える。回折格子が誘電体から成る場合、上記(1)式における伝播定数K(n)は実数か純虚数かのいずれかであり、実数である場合は伝播可能なモード、虚数である場合は伝播不可能で減衰するモードとなる。減衰するモードはその回折格子の光学特性に殆ど影響を及ぼさず、伝播可能なモードによって光学特性は規定される。波長と格子周期とがほぼ等しく、回折モードが2個のみである場合には、伝播可能なモードも2個存在することが多い。
【0034】
ここで、上記反射型の場合と同様に、RCWAによって決定される、平面波モードの回折特性に支配的な2個の伝播定数について、偏光成分毎に異なる、デューティ比に対する依存性に着目する。この場合、格子溝のデューティ比が小さいほど空気(屈折率=1)の割合が大きくなるので伝播定数は小さくなり、逆にデューティ比が大きいほど誘電体(屈折率>1)の割合が大きくなるので伝播定数は大きくなることが予想される。何故なら、バルクの場合には平面波の伝播定数は屈折率に比例するからである。実際、後で詳しく述べるように、偏光によって伝播定数のデューティ比依存性は大きく様相が異なる。すなわち、TE偏光では、第1順位と第2順位の伝播定数の大小関係はそのまま維持されるが、TM偏光では、或るデューティ比において大小関係が入れ替わる。つまり、縮退する点が存在するという特異な現象が見い出せる。このとき、TM偏光は溝深さに依らず全く回折しない、という特徴的な光学特性を持つ。
【0035】
そこで、設計手順としては、図6に示すように、まずTM偏光で第1順位と第2順位の伝播定数の大小関係が入れ替わるようなデューティ比を探索し(ステップS31)、デューティ比をそこに固定する(ステップS32)。このとき、TM偏光の回折は殆どゼロであるが、一方、TE偏光の回折効率は溝深さに依存して変動する。従って、高い回折効率を与える溝深さを見い出すことができる筈である。そこで、TE偏光の回折効率がピークとなる溝深さを探索し(ステップS33)、これによってデューティ比と溝深さとを決定することにより(ステップS34)、TE偏光だけがブレーズ化できる。
【0036】
次に、本発明に係るラメラー型回折格子のうち、反射型無偏光回折格子及び反射型偏光弁別回折格子に関し、具体的な設計例を挙げて説明する。
金属製の回折格子では、主として複製の容易性などの理由から、アルミニウムを使用したものが一般的である。そこで、ここでは、図7に示す条件の下で、反射型回折格子の伝播定数及び光学特性を算出した。
【0037】
図8(A)及び(B)には、それぞれTE偏光及びTM偏光の伝播定数のデューティ比依存性を示す。伝播定数は、その虚部が小さいほど優先順位が高いものとしその上位2個に着目している。従って、図8中のK1、K2はそれぞれ1番目、2番目の伝播定数(固有値)であり、Re{Kn}、Im{Kn}(但し、ここではn=1又は2)はそれぞれ実部、虚部を表す。虚部が大きいモードはエバネッセント的であり、格子と自由空間との界面から離れるに従い急激に消衰してゆくため、光学特性に殆ど影響を及ぼさない。従って、ここでは考慮対象から外しても問題がない。
【0038】
図9、図10及び図11は、デューティ比がそれぞれ0.1、0.27及び0.8のときの回折効率の溝深さ依存性を示すグラフである。図9〜図11中のR(-1)、R(0)はそれぞれ-1次、0次の回折効率を意味している。
【0039】
デューティ比が0.1であるとき(図9参照)、TE偏光に関しては、最高順位の伝播定数の虚部がゼロに近く1波的(以下、本明細書中では、減衰せずに充分長い距離を伝播できる平面波成分がn個あるときにn波的であるという)であるため、溝深さに対して正弦波的な変調を示している。これに対し、TM偏光に関しては、最高順位及び第2順位の伝播定数の虚部がゼロに近く2波的であるため、溝深さに対して単調な正弦波的な変調ではなく、2個のモードが合成されたような曲線(例えばコブとかショルダと呼ばれるもの)を示している。
【0040】
デューティ比が0.27程度まで大きくなると(図10参照)、TE偏光は0波的であって溝深さに対し段々と鈍感になり、飽和現象と思われる状態が見られる。一方、TM偏光は1波的となり、溝深さに対し、全体的なうねりはあるものの正弦波的な変調に変化している。
【0041】
デューティ比が更に大きくなり0.8になると(図11参照)、TE偏光は溝深さに依らず殆ど回折しない。つまり、格子溝の存在が回折に反映されず、鏡面反射とほぼ等価な振舞いを示している。一方、TM偏光は1波的な状態を維持し、溝深さに対して正弦波的な変調を示している。
【0042】
このように光学特性が相転移するようなデューティ比が明確に存在し、これを境にして回折光の振舞いが分かれることがわかる。これを総括的に表したのが図12である。図12はデューティ比と溝深さとを互いに直交する軸とした平面上に、回折効率の極大点をプロットした図である。この結果から、次のように回折格子を設計する際に指針となる重要な結論が得られる。
【0043】
(1)反射型無偏光回折格子
図12でわかるように、転移点となるデューティ比(ここでは0.27)付近では、TE偏光の極大点をつないだ曲線が縦軸(溝深さ)に平行となるほどに立ち上がっている。すなわち、これは、高い回折効率を呈するような溝深さ依存性をとったときに高効率反射帯域が形成できることを意味する。一方、この反射帯域中にはTM偏光のピークが存在する。従って、この条件を満足する溝深さを探索することで、両偏光をともに高効率化することができる。
【0044】
(2)反射型偏光弁別回折格子
転移点よりも充分大きなデューティ比(ここでは0.8)では、TE偏光は殆ど反射しない。一方、TM偏光では溝深さに対して正弦波状に変調するため、最も効率が高い極大点が存在する。この条件を探索することで、TM偏光だけが回折する反射型の偏光弁別格子を得ることができる。
【0045】
なお、上記条件を満足する解は一意ではなく複数存在する。しかし、その近傍で波長や入射角を変動させることを考えると、溝深さが浅いほどその反射帯域が広いため、できるだけ浅い溝深さを選択することが望ましい。また、溝深さが浅いほど回折格子の作製も容易になるという利点がある。
【0046】
図13及び図14に、デューティ比が0.27で溝深さがそれぞれ2.5[μm]及び1.1[μm]である場合の回折効率の波長依存性を示す。これらからわかるように、溝深さが浅いほど反射帯域は拡大する。こうした現象は全ての場合に当てはまる。
【0047】
次に、本発明に係るラメラー型回折格子のうち、透過型偏光弁別回折格子に関し、具体的な設計例を挙げて説明する。
透過型の回折格子に使用される誘電体としては、ガラスや近赤外領域の半導体などが代表的な素材である。ここではガラスを例に挙げ、図15に示す回折条件の下で、伝播定数及び光学特性を算出した。
【0048】
図16には、TE偏光及びTM偏光の伝播定数のデューティ比依存性を示す。ガラスの場合は誘電率が実数なので、伝播定数は実数か純虚数に分かれる。この条件では、実数となる伝播定数は2つのみ存在し、これらをプロットしている。この場合の特徴的な現象として、TM偏光に対してデューティ比が0.282のとき、第1モードと第2モードの固有値が縮退(同じ値を持つこと)している。
【0049】
図17は、このとき(デューティ比=0.282)の溝深さと回折効率との関係を示す図である。図17中のT(-1)、T(0)はそれぞれ-1次、0次の回折効率(透過率)を意味する(以下も同様)。このとき、TM偏光は全く回折しないことがわかる。このような現象は、溝深さに依らず、2つの平面波成分が干渉効果によって互いに打ち消し合い回折振幅がゼロになるためであると推測される。一方、TE偏光は溝深さに対して正弦波的な変調を示しており、溝深さが1.8[μm]及び6.0[μm]程度で回折効率の極大を持つ。このとき、TE偏光は高効率回折、TM偏光は回折せず、偏光を選択する回折格子として機能することがわかる。このようにして、適切なデューティ比及び溝深さを決めることができる。
【0050】
なお、上記条件を満足するTE偏光の極大点は、一意ではなく複数存在する。しかし、その近傍で波長や入射角を変動させることを考えると、溝深さが浅いほどその反射帯域が広いため、できるだけ浅い溝深さを選択することが望ましい。また、溝深さが浅いほど回折格子の製造も容易になるという利点がある。
【0051】
図18及び図19に、デューティ比が0.282で溝深さがそれぞれ1.8[μm]及び6.0[μm]である場合の回折効率の波長依存性を示す。これらからわかるように、溝深さが浅いほど反射帯域は拡大する。こうした現象は全ての場合に当てはまる。
【0052】
なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、又は追加を行っても、本発明に包含されることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るラメラー型回折格子で想定するリトロー配置を示す概念図。
【図2】 ラメラー型回折格子の格子溝表面における(x,y,z)座標系を示す図。
【図3】 回折格子の溝断面図。
【図4】 反射型無偏光回折格子の設計手順を示すフローチャート。
【図5】 反射型偏光弁別回折格子の設計手順を示すフローチャート。
【図6】 透過型偏光弁別回折格子の設計手順を示すフローチャート。
【図7】 反射型回折格子の回折条件の一例を示す図。
【図8】 反射型回折格子におけるTE偏光及びTM偏光の伝播定数のデューティ比依存性を示す図。
【図9】 デューティ比が0.1のときの回折効率の溝深さ依存性を示す図。
【図10】 デューティ比が0.27のときの回折効率の溝深さ依存性を示す図。
【図11】 デューティ比が0.8のときの回折効率の溝深さ依存性を示す図。
【図12】 デューティ比と溝深さとを互いに直交する軸とした平面上に、回折効率の極大点をプロットした図。
【図13】 デューティ比が0.27で溝深さが2.5[μm]である場合の回折効率の波長依存性を示す図。
【図14】 デューティ比が0.27で溝深さが1.1[μm]である場合の回折効率の波長依存性を示す図。
【図15】 透過型回折格子の回折条件の一例を示す図。
【図16】 透過型回折格子におけるTE偏光及びTM偏光の伝播定数のデューティ比依存性を示す図。
【図17】 デューティ比が0.282のときの溝深さと回折効率との関係を示す図。
【図18】 デューティ比が0.282で溝深さが1.8[μm]である場合の回折効率の波長依存性を示す図。
【図19】 デューティ比が0.282で溝深さが6.0[μm]である場合の回折効率の波長依存性を示す図。
【符号の説明】
1…ラメラー型回折格子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a diffraction grating that is a wavelength dispersion / wavelength selection element used in a spectroscope or a demultiplexer, and more particularly to a lamellar diffraction grating having a rectangular groove cross-sectional shape and a method for designing the diffraction grating. .
[0002]
[Prior art]
A diffraction grating (grating) is one of wavelength separation / selection elements used in spectroscopes, duplexers, and the like. Diffraction gratings are classified into several types according to the material of the grating, the shape of the grating surface, the shape of the grating grooves, and the like. For example, when attention is paid to the shape of the lattice grooves, as shown in FIG. 3 (A), the groove cross-sectional shape is an sawet type, and as shown in FIG. 3 (B), the groove cross-sectional shape is a rectangular shape ( It may be called a laminar type). Such diffraction gratings are classified into reflection diffraction gratings and transmission diffraction gratings depending on whether reflection diffraction light or transmission diffraction light is used.
[0003]
Conventionally, lamellar diffraction gratings are often used for short-wavelength spectroscopy such as radiation, and Escheret diffraction gratings are often used for spectrometers for ultraviolet to near infrared light. . However, when a manufacturing process such as holographic exposure or mechanical engraving, which has a relatively low manufacturing cost, is employed, it is easier for the lamellar type to reduce the manufacturing accuracy error than the echelette type. For this reason, it is expected that the use of lamellar diffraction gratings will increase in the future even in a relatively long wavelength region that has been rarely used.
[0004]
By the way, in free space, light is a transverse wave of an electromagnetic wave, and its orientation (wave number vector orientation), electric field, and magnetic field are orthogonal to each other. In natural light, the vibration direction of the electric and magnetic fields changes irregularly, but all plane waves are stretched by two polarization components. Originally, the behavior of the two polarization components in the boundary region of the grating groove surface of the diffraction grating is different. Therefore, it is customary that the electric field vector of light incident on the diffraction grating oscillates parallel to the grating groove direction (TE (Polarized light) and vertically oscillating component (TM polarized light), and the appearance on the surface of the diffraction grating groove is analyzed for each polarized component to obtain, for example, diffraction efficiency.
[0005]
However, when the wavelength used is sufficiently small with respect to the groove period of the diffraction grating, only the intensity of the light, that is, the diffraction groove's frown foreground, is analyzed without dividing the electric field vector of the incident light into two components. It is known that just by calculating the diffraction efficiency by integrating the contributions from all diffraction grating grooves for the fa diffraction (such a calculation theory is called scalar diffraction theory), a calculation result that is quite in agreement with the actual one can be obtained. It has been. More specifically, a region where the grating period / wavelength> 10 is called a scalar region, and the diffraction efficiency can be calculated by integrating Fraunhofer diffraction contributed by individual diffraction grating grooves. In this region, the difference in spectral shape due to polarized light is small.
[0006]
On the other hand, the region of the grating period / wavelength <10 can be classified into a resonance region (Resonance Domain), a sub-wavelength region (a region where the diffraction mode is only 0th order light), and an effective refractive index region. Diffraction theory does not hold. In particular, in the resonance region and sub-wavelength region, the action at the boundary region of the grating groove surface differs depending on the polarization component, so the light incident on the diffraction grating is regarded as a vector quantity and the appearance on the diffraction grating groove surface is strictly determined. Although it is necessary to obtain the diffraction efficiency by analysis, the amount of calculation is very large.
[0007]
[Non-Patent Document 1]
Thomas Gaylord et al., “Analysis and Application of Optical Diffraction by Gratings”, Proceedings of the IEEE, Vol. 73, No. 5, May 1985 (Thomas K. Gayload etal "Analysis and Applicationa of Optical Diffraction by Gratings" Proceedings of The IEEE, Vol.73, No.5, May 1985)
[Non-Patent Document 2]
Satoshi Sato, “Examination for speeding up exact coupled wave analysis”, 29th Electromagnetic Theory Symposium ET-00-69 25 (2000)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, the use of diffraction gratings in the field of communication using a wavelength band centered on the near infrared region has increased overwhelmingly. In such applications, the wavelength used and the grating period are almost the same. Use in a certain resonance region. However, as described above, the calculation of the diffraction efficiency of the diffraction grating in the resonance region is very complicated, and a method for designing a groove cross-sectional shape that can realize high diffraction efficiency has not yet been established. For this reason, in the past, in designing such optical elements, an inefficient work of searching for an optimal or close cross-sectional shape by performing extensive calculations by trial and error has been performed, and such work is also performed by the designer. The reality is that we often rely on experience and intuition.
[0009]
Further, as described above, in the resonance region, the action in the boundary region of the grating groove surface differs depending on the polarization component. Therefore, if this is used, diffraction with the polarization component selected can be performed. That is, this is a polarization discrimination diffraction grating that selectively diffracts only one polarization component with high efficiency. Although such elements have been proposed in the past, the conventional polarization discriminating diffraction grating utilizes optical anisotropy due to a fine structure, and requires a complicated design technique and high-cost fine processing technology. It was poor in practicality. Therefore, conventionally, in order to perform diffraction with polarization selected, it has been common to combine a non-polarization diffraction grating and a polarizer. Therefore, it is structurally a general lamellar grating, and if the polarization discriminating diffraction grating can be realized by setting only the parameters appropriately, it is considered that the utility value is very high.
[0010]
Furthermore, when a reflection type diffraction grating cannot be used due to the configuration of the apparatus, etc., glass or MgF2The transmission type diffraction grating made of a dielectric material such as the above is used, but also in such a transmission type diffraction grating, the groove of the transmission type polarization discrimination diffraction grating that enables the diffraction with the polarization selected as described above is possible. The shape design method has not been established yet, and it has been difficult to stably obtain high diffraction efficiency.
[0011]
The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to achieve a high diffraction efficiency in a lamellar diffraction grating having a rectangular groove cross-sectional shape that is easy to design. It is an object of the present invention to provide a reflection type non-polarization diffraction grating and a design method thereof.
[0012]
In addition, another object of the present invention is a reflection type that is easy to design and can achieve high diffraction efficiency according to polarization in a lamellar diffraction grating having a rectangular groove cross-sectional shape. It is an object to provide a polarization discrimination diffraction grating and a design method thereof.
[0013]
Furthermore, another object of the present invention is a lamellar diffraction grating having a rectangular groove cross-sectional shape, which is easy to design and can achieve high diffraction efficiency according to polarization. It is an object of the present invention to provide a type polarizing diffraction grating and a design method thereof.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The lamellar diffraction grating according to the first invention made to solve the above problems is a lamellar reflection diffraction grating having a rectangular groove cross-sectional shape.
The condition that when the light of a predetermined wavelength is incident on the grating groove surface at a predetermined incident angle, the diffracted wave is only the 0th order light and the −1st order light, and the −1st order diffracted light is reflected in the direction facing the incident wave. Under
Focusing on the propagation constant of the plane wave component of the electromagnetic field inside the periodic structure in rigorous coupled wave analysis (= RCWA), first, the imaginary part of the propagation constant is non-zero from near zero for TE polarized light. Search for the duty ratio of the grating period that shifts to a zero value, and then set the duty ratio of the grating period to the vicinity thereof, and within the groove depth range that increases the diffraction efficiency of TE-polarized light, TM polarization By determining the groove depth at which the diffraction efficiency increases, the duty ratio of the grating period and the groove depth are determined.
[0015]
Further, the design method of the lamellar diffraction grating according to the second invention is a method of designing a lamellar reflection diffraction grating whose groove cross-sectional shape is rectangular,
The condition that when the light of a predetermined wavelength is incident on the grating groove surface at a predetermined incident angle, the diffracted wave is only the 0th order light and the −1st order light, and the −1st order diffracted light is reflected in the direction facing the incident wave. To determine the grating period duty ratio and groove depth of the diffraction grating,
Focusing on the propagation constant of the plane wave component of the electromagnetic field inside the periodic structure in RCWA, first search for the duty ratio of the grating period such that the imaginary part of the propagation constant changes from near zero to non-zero for TE polarized light And steps to
Next, by setting the duty ratio of the grating period in the vicinity thereof, and finding the groove depth at which the diffraction efficiency of the TM polarized light becomes high within the groove depth range where the diffraction efficiency of the TE polarized light becomes high;
It is characterized by having.
[0016]
A lamellar diffraction grating according to a third aspect of the present invention for solving the above-described problems is a lamellar diffraction grating having a rectangular groove cross-sectional shape and having a polarization selectivity. ,
The condition that when the light of a predetermined wavelength is incident on the grating groove surface at a predetermined incident angle, the diffracted wave is only the 0th order light and the −1st order light, and the −1st order diffracted light is reflected in the direction facing the incident wave. Under
Focusing on the propagation constant of the plane wave component of the electromagnetic field inside the periodic structure in RCWA, first search for the duty ratio of the grating period such that the imaginary part of the propagation constant changes from near zero to non-zero for TE polarized light Then, after setting the duty ratio of the grating period to a value sufficiently larger than the searched duty ratio, and finding the groove depth at which the diffraction efficiency of TM polarized light becomes higher, the duty ratio of the grating period and the groove It is characterized by having determined the depth.
[0017]
The method for designing a lamellar diffraction grating according to the fourth aspect of the invention is a method for designing a reflection type polarization discriminating diffraction grating that is a lamellar type having a rectangular groove cross section and has polarization selectivity. And
The condition that when the light of a predetermined wavelength is incident on the grating groove surface at a predetermined incident angle, the diffracted wave is only the 0th order light and the −1st order light, and the −1st order diffracted light is reflected in the direction facing the incident wave. To determine the grating period duty ratio and groove depth of the diffraction grating,
Focusing on the propagation constant of the plane wave component of the electromagnetic field inside the periodic structure in RCWA, first search for the duty ratio of the grating period such that the imaginary part of the propagation constant changes from near zero to non-zero for TE polarized light And steps to
Next, after setting the duty ratio of the grating period to a value sufficiently larger than the searched duty ratio, finding the groove depth at which the diffraction efficiency of TM polarized light is increased;
It is characterized by having.
[0018]
A lamellar diffraction grating according to a fifth aspect of the present invention to solve the above problems is a lamellar diffraction grating having a rectangular groove cross-sectional shape and having a polarization selectivity. In
When light of a predetermined wavelength is incident on the grating groove surface at a predetermined incident angle, the diffracted wave is only 0th-order light and -1st-order light, and the wave vector tangent of the -1st-order diffracted light is opposite in polarity to that of the incident wave. Under the condition that it is transmitted in the direction
Paying attention to the propagation constant of the plane wave component of the electromagnetic field inside the periodic structure in RCWA, first search for the duty ratio of the grating period so that the magnitude relationship between the first and second order propagation constants is reversed for TM polarization, The duty ratio of the grating period and the groove depth are determined by setting the duty ratio of the grating period in the vicinity thereof and finding the groove depth at which the diffraction efficiency of TE-polarized light is increased.
[0019]
The method for designing a lamellar diffraction grating according to the sixth aspect of the invention is a method for designing a transmission type polarization discrimination diffraction grating that is a lamellar type having a rectangular groove cross section and that has polarization selectivity. And
When light of a predetermined wavelength is incident on the grating groove surface at a predetermined incident angle, the diffracted wave is only 0th-order light and -1st-order light, and the wave vector tangent of the -1st-order diffracted light is opposite in polarity to that of the incident wave. In order to determine the duty ratio and groove depth of the grating period of the diffraction grating under the condition that the light is transmitted in such a direction,
Focusing on the propagation constant of the plane wave component of the electromagnetic field inside the periodic structure in RCWA, first search for the duty ratio of the grating period so that the magnitude relationship between the first and second order propagation constants is reversed for TM polarization,
Next, setting the grating period duty ratio in the vicinity thereof to find the groove depth at which the diffraction efficiency of TE-polarized light is increased;
It is characterized by having.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Conventionally, a technique called rigorous coupling wave analysis (RCWA) is known as one of optical characteristic analysis techniques for diffraction gratings (see, for example, Non-Patent Document 1). This RCWA is conventionally used to calculate diffraction efficiency from the structural parameters of the diffraction grating and the incident conditions.
[0021]
The inventor of the present application, in the process of repeatedly studying the optical characteristics analysis of a diffraction grating using RCWA (for example, see Non-Patent Document 2), a calculation formula that expresses the electromagnetic field inside the periodic structure of the diffraction grating as superposition of plane waves in RCWA It is found that a plurality of propagation constants included in the crystal exhibit a specific change depending on the duty ratio of the grating groove depending on the polarization component, the duty ratio dependence of the relationship between the propagation constant and the diffraction efficiency, and the groove depth. From the relationship between the diffraction efficiency and the diffraction efficiency, the inventors decided to determine the duty ratio and groove depth of the grating grooves. In particular, by determining the duty ratio and groove depth so that the diffraction efficiency is good for both TE-polarized light and TM-polarized light, an unpolarized diffraction grating that can achieve high diffraction efficiency regardless of polarization. Obtainable. In addition, after setting the conditions so that the diffraction efficiency for one polarization becomes very small, the polarization ratio is selected by determining the duty ratio and groove depth so that the diffraction efficiency for the other polarization is good. Thus, it is possible to obtain a polarization discrimination diffraction grating that can achieve high diffraction efficiency.
[0022]
【The invention's effect】
According to the design method of the lamellar diffraction grating according to the first invention and the lamellar diffraction grating according to the second invention, it is not a trial-and-error procedure that relies on the experience and intuition of a skilled person as in the prior art, but is a typical one. In the procedure, it is possible to determine the grating groove duty ratio and the groove depth so that the diffraction efficiency becomes the best or close to that. Therefore, the design efficiency of the diffraction grating can be greatly improved.
[0023]
In addition, according to the design method of the lamellar diffraction grating according to the third invention and the lamellar diffraction grating according to the fourth invention, it is not a trial and error procedure that relies on the experience and intuition of a skilled person as in the prior art, but a fixed pattern. With a typical procedure, it is possible to determine the grating groove duty ratio and groove depth so that one polarization component is hardly diffracted and the diffraction efficiency for the other polarization component is at or near the best. Therefore, the design efficiency of the polarization discriminating diffraction grating can be greatly improved, and polarization discrimination can be performed without using a polarizer, so that the configuration of the optical system can be easily reduced in cost.
[0024]
Further, according to the design method of the lamellar diffraction grating according to the fifth invention and the lamellar diffraction grating according to the sixth invention, the transmission polarization discriminating diffraction grating also relies on the experience and intuition of a skilled person as in the past. The grating groove duty ratio is such that it is not a trial-and-error procedure but a standard procedure that hardly diffracts one polarization component and the transmission diffraction efficiency for the other polarization component is at or near the best. And the groove depth can be determined. Accordingly, the design efficiency of the transmission type polarization discriminating diffraction grating can be greatly improved, and polarization discrimination can be performed without using a polarizer, so that the configuration of the optical system is simplified and the cost can be reduced.
[0025]
【Example】
First, the principle of the method for designing a lamellar diffraction grating according to the present invention will be described. Here, a Littrow arrangement as depicted in FIG. 1 is assumed as a light incident condition on the lamellar diffraction grating. That is, when light of wavelength λ is incident on the grating groove surface of the
[0026]
Now, consider the (x, y, z) coordinate system as shown in FIG. That is, the direction along the groove direction on the groove surface of the
E (r) = Σexp (-iσ(n)y) ・ Σ [e+ (n, n ')exp (-iK(n ')z) + e- (n, n ' )exp (iK(n ')z)]… (1)
(In Equation (1), the first Σ is the sum for n, and the second Σ is the sum for n ′)
[0027]
In equation (1), e+ (n, n ')And e- (n, n ')Is the amplitude of the forward and backward waves, K(n) Corresponds to the propagation constant of the plane wave component. N and n 'are mode indexes (in the diffraction grating, n corresponds to the diffraction order). Furthermore, σ(n)Is Bloch wave number ky (Interface projection component of incident wave number) and reciprocal lattice Gy= [Lambda] / 2 [pi] ([Lambda] is a lattice period) is expressed by the following equation (2) as a linear combination.
σ(n)= Ky+ NGy … (2)
In equation (1), if n and n ′ are summed over (−∞, ∞), the convergence of the propagation constant is guaranteed mathematically, but the required accuracy can be obtained in actual numerical calculations. N can be cut off.
[0028]
When the
[0029]
The groove sectional shape of the lamellar diffraction grating as shown in FIGS. 1 and 2 can be defined by the grating groove duty ratio Λ1 / Λ and the groove depth h. Therefore, here, attention is paid to the dependency on the duty ratio, which differs for each polarization component, for the two propagation constants determined by the RCWA as described above, which are dominant in the diffraction characteristics of the plane wave mode. Then, in the reflection-type non-polarization diffraction grating and the reflection-type polarization discrimination diffraction grating, the preferable requirements are considered, and the design procedure is constructed so as to satisfy the requirements.
[0030]
(1) Reflective non-polarized diffraction grating
The requirement of the reflection-type non-polarization diffraction grating is that the diffraction efficiency of reflection is as high as possible for both TE-polarized light and TM-polarized light. When the diffraction grating is made of metal, it is expected that the smaller the duty ratio, the larger the proportion of air and the smaller the attenuation, and conversely, the larger the duty ratio, the larger the proportion of the metal and the larger the attenuation. In fact, as will be described later, in the TE polarization, when the duty ratio is gradually increased, the duty ratio (hereinafter, referred to as the duty ratio) showing a remarkable rise so that the imaginary part of all the propagation constants becomes much larger than 0. This duty ratio is called “transition point.” Near the transition point, the diffraction efficiency of TE-polarized light has a very low dependence on the groove depth, and a high diffraction efficiency is achieved regardless of the groove depth. A range of groove depths that can be formed exists with an appropriate width.
[0031]
Therefore, as a design procedure, as shown in FIG. 4, first, a duty ratio that becomes a transition point is searched (step S11). At the transition point, as described above, high diffraction efficiency is obtained in TE polarization, and the high efficiency is maintained even if the groove depth is changed within a certain range. Therefore, after fixing the duty ratio at the transition point (step S12), the TM polarized light diffraction efficiency is analyzed in a wide groove depth range in which high diffraction efficiency is maintained for the TE polarized light. Since TM polarized light has a propagating mode even at the transition point, its diffraction efficiency varies depending on the groove depth, and it is possible to find a groove depth that gives high diffraction efficiency to TM polarized light. I can do it. Therefore, the groove depth at which the diffraction efficiency of TM polarized light reaches a peak (maximum) within the range of the groove depth is searched (step S13). Thereby, the duty ratio and the groove depth are determined (step S14), and high diffraction efficiency can be achieved for both polarized lights. That is, non-polarization blazing can be realized, and a reflection-type non-polarization diffraction grating with a wider high reflection range can be obtained.
[0032]
(2) Reflective polarization discriminating diffraction grating
The requirement of the reflective polarization discriminating grating is that the diffraction efficiency of reflection of one polarization is as high as possible and the diffraction efficiency of reflection of the other polarization is as low as possible. Therefore, as a design procedure, as shown in FIG. 5, first, a transition point is searched for in the same manner as in the case of designing non-polarized blazed (step S21). When the duty ratio becomes larger than the transition point, the propagating mode disappears in TE polarized light, and the diffraction efficiency gradually approaches zero. Therefore, after finding the transition point, a duty ratio as large as possible is selected from the transition point in consideration of a desired extinction ratio (TE polarization diffraction efficiency / TM polarization diffraction efficiency) and manufacturing limitations (step S22). ). Even when the duty ratio is close to 1, the TM polarized light has a propagation mode. Therefore, the diffraction efficiency of TM polarized light varies depending on the groove depth, and a groove depth that gives high diffraction efficiency should be found. Therefore, by searching for the groove depth at which the diffraction efficiency of TM polarized light reaches a peak (step S23), and determining the duty ratio and groove depth (step S24), only the TM polarized light can be blazed.
[0033]
(3) Transmission type polarization discriminating diffraction grating
In the above description, the diffraction grating is assumed to be a reflection type and made of metal. However, when the diffraction grating is a transmission type, a dielectric such as glass is considered as a material having a high light transmittance. When the diffraction grating is made of a dielectric, the propagation constant K in the above equation (1)(n)Is either a real number or a pure imaginary number. When it is a real number, it is a mode capable of propagating, and when it is an imaginary number, it is a non-propagating mode and decays. The decaying mode has little effect on the optical characteristics of the diffraction grating, and the optical characteristics are defined by the modes that can be propagated. When the wavelength and the grating period are substantially equal and there are only two diffraction modes, there are often two modes that can be propagated.
[0034]
Here, as in the case of the reflection type, attention is paid to the dependency on the duty ratio, which differs for each polarization component, with respect to two propagation constants determined by RCWA, which are dominant in the diffraction characteristics of the plane wave mode. In this case, the proportion of air (refractive index = 1) increases as the duty ratio of the grating grooves decreases, so the propagation constant decreases. Conversely, the proportion of dielectric (refractive index> 1) increases as the duty ratio increases. Therefore, the propagation constant is expected to increase. This is because the propagation constant of the plane wave is proportional to the refractive index in the case of the bulk. Actually, as will be described in detail later, the dependency of the propagation constant on the duty ratio varies greatly depending on the polarization. That is, in the TE polarization, the magnitude relationship between the first and second propagation constants is maintained as it is, but in the TM polarization, the magnitude relationship is switched at a certain duty ratio. In other words, a peculiar phenomenon that there is a degenerate point can be found. At this time, TM polarized light has a characteristic optical characteristic that it does not diffract at all regardless of the groove depth.
[0035]
Therefore, as a design procedure, as shown in FIG. 6, first, a duty ratio in which the magnitude relationship between the propagation constants of the first order and the second order is switched in TM polarization is searched (step S31), and the duty ratio is set there. It is fixed (step S32). At this time, the diffraction of TM polarized light is almost zero, while the diffraction efficiency of TE polarized light varies depending on the groove depth. Therefore, the groove depth that gives high diffraction efficiency should be found. Therefore, by searching for the groove depth at which the diffraction efficiency of TE-polarized light reaches its peak (step S33) and determining the duty ratio and groove depth (step S34), only the TE-polarized light can be blazed.
[0036]
Next, among the lamellar diffraction gratings according to the present invention, the reflection-type non-polarization diffraction grating and the reflection-type polarization discrimination diffraction grating will be described with specific design examples.
A metal diffraction grating generally uses aluminum mainly for the reason of easy replication. Therefore, here, the propagation constant and the optical characteristics of the reflective diffraction grating were calculated under the conditions shown in FIG.
[0037]
8A and 8B show the duty ratio dependence of the propagation constants of TE polarized light and TM polarized light, respectively. The propagation constant has a higher priority as the imaginary part is smaller, and focuses on the top two. Therefore, K1 and K2 in FIG. 8 are the first and second propagation constants (eigenvalues), respectively, and Re {Kn} and Im {Kn} (where n = 1 or 2) are the real parts, respectively. Represents the imaginary part. A mode with a large imaginary part is evanescent and extinguishes rapidly as the distance from the interface between the lattice and the free space increases, so that optical characteristics are hardly affected. Therefore, there is no problem even if it is excluded from consideration here.
[0038]
9, 10 and 11 are graphs showing the dependency of the diffraction efficiency on the groove depth when the duty ratio is 0.1, 0.27 and 0.8, respectively. R (-1) and R (0) in FIGS. 9 to 11 mean -1st order and 0th order diffraction efficiencies, respectively.
[0039]
When the duty ratio is 0.1 (see FIG. 9), for TE polarized light, the imaginary part of the highest-order propagation constant is close to zero and is one wave (hereinafter referred to as a sufficiently long distance without attenuation). Since there are n plane wave components that can be propagated, it is said to be n-wave), and therefore, sinusoidal modulation is shown with respect to the groove depth. On the other hand, with respect to TM polarization, since the imaginary part of the highest order and second order propagation constants is close to zero and has two waves, it is not a monotone sinusoidal modulation with respect to the groove depth. It shows a curve (for example, what is called a bump or a shoulder) as if these modes were synthesized.
[0040]
When the duty ratio increases to about 0.27 (see FIG. 10), TE polarized light is zero-wave and gradually becomes insensitive to the groove depth, and a state that seems to be a saturation phenomenon is observed. On the other hand, the TM polarized light has a single wave shape, and changes to a sinusoidal modulation with respect to the groove depth although there is an overall undulation.
[0041]
When the duty ratio is further increased to 0.8 (see FIG. 11), TE polarized light hardly diffracts regardless of the groove depth. In other words, the presence of the grating grooves is not reflected in the diffraction, and the behavior is almost equivalent to the specular reflection. On the other hand, TM polarized light maintains a one-wave state and exhibits sinusoidal modulation with respect to the groove depth.
[0042]
Thus, it can be seen that there is a clear duty ratio that causes a phase transition of the optical characteristics, and the behavior of the diffracted light is divided at this boundary. FIG. 12 shows this comprehensively. FIG. 12 is a diagram in which the maximum points of diffraction efficiency are plotted on a plane having the duty ratio and groove depth as axes orthogonal to each other. From this result, an important conclusion can be obtained as a guideline in designing the diffraction grating as follows.
[0043]
(1) Reflective non-polarized diffraction grating
As can be seen from FIG. 12, in the vicinity of the duty ratio (0.27 here) as the transition point, the curve connecting the maximum points of TE polarized light rises so as to be parallel to the vertical axis (groove depth). That is, this means that a high-efficiency reflection band can be formed when the groove depth dependency that exhibits high diffraction efficiency is taken. On the other hand, a TM polarized peak exists in this reflection band. Therefore, by searching for a groove depth that satisfies this condition, both polarizations can be made highly efficient.
[0044]
(2) Reflective polarization discriminating diffraction grating
At a duty ratio sufficiently larger than the transition point (here, 0.8), TE polarized light is hardly reflected. On the other hand, TM polarized light modulates in a sinusoidal shape with respect to the groove depth, and therefore has a maximum point with the highest efficiency. By searching for this condition, it is possible to obtain a reflective polarization discrimination grating in which only TM polarized light is diffracted.
[0045]
It should be noted that there are a plurality of solutions that satisfy the above conditions, not unique. However, considering that the wavelength and incident angle are fluctuated in the vicinity, it is desirable to select a groove depth that is as shallow as possible because the reflection band is wider as the groove depth is shallower. In addition, the shallower the groove depth, the easier the production of the diffraction grating.
[0046]
FIGS. 13 and 14 show the wavelength dependence of diffraction efficiency when the duty ratio is 0.27 and the groove depth is 2.5 [μm] and 1.1 [μm], respectively. As can be seen from these, the reflection band increases as the groove depth decreases. These phenomena are true in all cases.
[0047]
Next, among the lamellar diffraction gratings according to the present invention, a transmission type polarization discrimination diffraction grating will be described with a specific design example.
Typical materials for the dielectric used in the transmissive diffraction grating include glass and semiconductors in the near infrared region. Here, glass is taken as an example, and propagation constants and optical characteristics were calculated under the diffraction conditions shown in FIG.
[0048]
FIG. 16 shows the duty ratio dependency of the propagation constants of TE polarized light and TM polarized light. In the case of glass, since the dielectric constant is a real number, the propagation constant is divided into a real number and a pure imaginary number. Under this condition, there are only two propagation constants that are real numbers, and these are plotted. As a characteristic phenomenon in this case, when the duty ratio is 0.282 for TM polarized light, the eigenvalues of the first mode and the second mode are degenerated (have the same value).
[0049]
FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the groove depth and the diffraction efficiency at this time (duty ratio = 0.282). T (-1) and T (0) in FIG. 17 mean -1st order and 0th order diffraction efficiency (transmittance), respectively (the same applies to the following). At this time, it is understood that TM polarized light is not diffracted at all. Such a phenomenon is presumed to be because the two plane wave components cancel each other out due to the interference effect and the diffraction amplitude becomes zero regardless of the groove depth. On the other hand, TE polarized light shows sinusoidal modulation with respect to the groove depth, and has a maximum diffraction efficiency when the groove depth is about 1.8 [μm] and 6.0 [μm]. At this time, it is understood that TE polarized light functions as a diffraction grating for selecting polarized light without diffracting high-efficiency diffraction and TM polarized light. In this way, an appropriate duty ratio and groove depth can be determined.
[0050]
Note that the maximum point of TE polarized light that satisfies the above conditions is not unique and there are a plurality of local maximum points. However, considering that the wavelength and incident angle are fluctuated in the vicinity, it is desirable to select a groove depth that is as shallow as possible because the reflection band is wider as the groove depth is shallower. In addition, the shallower the groove depth, the easier it is to manufacture the diffraction grating.
[0051]
18 and 19 show the wavelength dependence of diffraction efficiency when the duty ratio is 0.282 and the groove depth is 1.8 [μm] and 6.0 [μm], respectively. As can be seen from these, the reflection band increases as the groove depth decreases. These phenomena are true in all cases.
[0052]
It should be noted that the above embodiment is merely an example of the present invention, and it is obvious that the present invention is encompassed by the present invention even if appropriate modifications, corrections, or additions are made within the scope of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a Littrow arrangement assumed in a lamellar diffraction grating according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an (x, y, z) coordinate system on a grating groove surface of a lamellar diffraction grating.
FIG. 3 is a sectional view of a groove of a diffraction grating.
FIG. 4 is a flowchart showing a design procedure for a reflective non-polarized diffraction grating.
FIG. 5 is a flowchart showing a design procedure for a reflective polarization discrimination diffraction grating.
FIG. 6 is a flowchart showing a design procedure of a transmission type polarization discrimination diffraction grating.
FIG. 7 is a diagram showing an example of diffraction conditions of a reflective diffraction grating.
FIG. 8 is a diagram showing duty ratio dependency of propagation constants of TE-polarized light and TM-polarized light in a reflective diffraction grating.
FIG. 9 is a diagram showing the groove depth dependence of diffraction efficiency when the duty ratio is 0.1.
FIG. 10 is a diagram showing the groove depth dependence of diffraction efficiency when the duty ratio is 0.27.
FIG. 11 is a diagram showing the groove depth dependence of diffraction efficiency when the duty ratio is 0.8.
FIG. 12 is a diagram in which the maximum point of diffraction efficiency is plotted on a plane with the duty ratio and groove depth as axes orthogonal to each other.
FIG. 13 is a diagram showing the wavelength dependence of diffraction efficiency when the duty ratio is 0.27 and the groove depth is 2.5 [μm].
FIG. 14 is a diagram showing the wavelength dependence of diffraction efficiency when the duty ratio is 0.27 and the groove depth is 1.1 [μm].
FIG. 15 is a diagram showing an example of diffraction conditions of a transmission diffraction grating.
FIG. 16 is a diagram showing the duty ratio dependency of propagation constants of TE-polarized light and TM-polarized light in a transmissive diffraction grating.
FIG. 17 is a graph showing the relationship between the groove depth and the diffraction efficiency when the duty ratio is 0.282.
FIG. 18 is a diagram showing the wavelength dependence of diffraction efficiency when the duty ratio is 0.282 and the groove depth is 1.8 [μm].
FIG. 19 is a diagram showing the wavelength dependence of diffraction efficiency when the duty ratio is 0.282 and the groove depth is 6.0 [μm].
[Explanation of symbols]
1 ... Lamellar diffraction grating
Claims (6)
所定波長の光が所定入射角で格子溝面に入射したときに回折波が0次光及び-1次光のみであり、該-1次回折光は入射波と正対する方向に反射されるという条件の下で、
厳密結合波解析における周期構造内部の電磁場の平面波成分の伝播定数に着目し、まずTE偏光に対して前記伝播定数の虚部がゼロ値近傍から非ゼロ値へと転移するような格子周期のデューティ比を探索し、次いで格子周期のデューティ比をその近傍に設定して、TE偏光の回折効率が高くなるような溝深さ範囲内で、TM偏光の回折効率が高くなる溝深さを見い出すことにより、格子周期のデューティ比及び溝深さを決定したこと、を特徴とするラメラー型回折格子。In the lamellar reflective diffraction grating where the groove cross-sectional shape is rectangular,
The condition that when the light of a predetermined wavelength is incident on the grating groove surface at a predetermined incident angle, the diffracted wave is only the 0th order light and the −1st order light, and the −1st order diffracted light is reflected in the direction facing the incident wave. Under
Paying attention to the propagation constant of the plane wave component of the electromagnetic field inside the periodic structure in the rigorous coupled wave analysis, first the duty of the grating period such that the imaginary part of the propagation constant changes from near zero value to non-zero value for TE polarized light Search for the ratio, and then set the grating period duty ratio in the vicinity to find the groove depth that increases the TM polarized light diffraction efficiency within the groove depth range where the TE polarized light diffraction efficiency increases. A lamellar diffraction grating characterized in that the duty ratio of the grating period and the groove depth are determined by
所定波長の光が所定入射角で格子溝面に入射したときに回折波が0次光及び-1次光のみであり、該-1次回折光は入射波と正対する方向に反射されるという条件の下で、反射型ラメラー型回折格子の格子周期のデューティ比及び溝深さを決定するために、
厳密結合波解析における周期構造内部の電磁場の平面波成分の伝播定数に着目し、まずTE偏光に対して前記伝播定数の虚部がゼロ値近傍から非ゼロ値へと転移するような格子周期のデューティ比を探索するステップと、
次いで格子周期のデューティ比をその近傍に設定して、TE偏光の回折効率が高くなるような溝深さ範囲内で、TM偏光の回折効率が高くなる溝深さを見い出すステップと、
を有することを特徴とするラメラー型回折格子の設計方法。A method of designing a lamellar reflective diffraction grating having a rectangular groove cross-sectional shape,
The condition that when the light of a predetermined wavelength is incident on the grating groove surface at a predetermined incident angle, the diffracted wave is only the 0th order light and the −1st order light, and the −1st order diffracted light is reflected in the direction facing the incident wave. In order to determine the duty cycle of the grating period and the groove depth of the reflective lamellar diffraction grating,
Paying attention to the propagation constant of the plane wave component of the electromagnetic field inside the periodic structure in the rigorous coupled wave analysis, first the duty of the grating period such that the imaginary part of the propagation constant changes from near zero value to non-zero value for TE polarized light Searching for a ratio;
Next, by setting the duty ratio of the grating period in the vicinity thereof, and finding the groove depth at which the diffraction efficiency of the TM polarized light becomes high within the groove depth range where the diffraction efficiency of the TE polarized light becomes high;
A method for designing a lamellar diffraction grating, comprising:
所定波長の光が所定入射角で格子溝面に入射したときに回折波が0次光及び-1次光のみであり、該-1次回折光は入射波と正対する方向に反射されるという条件の下で、
厳密結合波解析における周期構造内部の電磁場の平面波成分の伝播定数に着目し、まずTE偏光に対して前記伝播定数の虚部がゼロ値近傍から非ゼロ値へと転移するような格子周期のデューティ比を探索し、次いで格子周期のデューティ比を前記探索されたデューティ比よりも充分に大きな値に設定した上で、TM偏光の回折効率が高くなる溝深さを見い出すことにより、格子周期のデューティ比及び溝深さを決定したこと、を特徴とするラメラー型回折格子。In the reflection type polarization discriminating diffraction grating having a lamellar type in which the groove cross-sectional shape is rectangular and having polarization selectivity,
The condition that when the light of a predetermined wavelength is incident on the grating groove surface at a predetermined incident angle, the diffracted wave is only the 0th order light and the −1st order light, and the −1st order diffracted light is reflected in the direction facing the incident wave. Under
Paying attention to the propagation constant of the plane wave component of the electromagnetic field inside the periodic structure in the rigorous coupled wave analysis, first the duty of the grating period such that the imaginary part of the propagation constant changes from near zero value to non-zero value for TE polarized light By searching for the ratio, and then setting the grating period duty ratio to a value sufficiently larger than the searched duty ratio, and finding the groove depth at which the diffraction efficiency of TM polarized light is increased, the grating period duty is determined. A lamellar diffraction grating characterized in that the ratio and groove depth are determined.
所定波長の光が所定入射角で格子溝面に入射したときに回折波が0次光及び-1次光のみであり、該-1次回折光は入射波と正対する方向に反射されるという条件の下で、回折格子の格子周期のデューティ比及び溝深さを決定するために、
厳密結合波解析における周期構造内部の電磁場の平面波成分の伝播定数に着目し、まずTE偏光に対して前記伝播定数の虚部がゼロ値近傍から非ゼロ値へと転移するような格子周期のデューティ比を探索するステップと、
次いで格子周期のデューティ比を前記探索されたデューティ比よりも充分に大きな値に設定した上で、TM偏光の回折効率が高くなる溝深さを見い出すステップと、
を有することを特徴とするラメラー型回折格子の設計方法。A method of designing a reflection type polarization discriminating diffraction grating having a lamellar type whose groove cross-sectional shape is rectangular and having polarization selectivity,
The condition that when the light of a predetermined wavelength is incident on the grating groove surface at a predetermined incident angle, the diffracted wave is only the 0th order light and the −1st order light, and the −1st order diffracted light is reflected in the direction facing the incident wave. To determine the grating period duty ratio and groove depth of the diffraction grating,
Paying attention to the propagation constant of the plane wave component of the electromagnetic field inside the periodic structure in the rigorous coupled wave analysis, first the duty of the grating period such that the imaginary part of the propagation constant changes from near zero value to non-zero value for TE polarized light Searching for a ratio;
Next, after setting the duty ratio of the grating period to a value sufficiently larger than the searched duty ratio, finding the groove depth at which the diffraction efficiency of TM polarized light is increased;
A method for designing a lamellar diffraction grating, comprising:
所定波長の光が所定入射角で格子溝面に入射したときに回折波が0次光及び-1次光のみであり、該-1次回折光の波数ベクトル接線分は入射波のそれと正負が逆転するような方向に透過されるという条件の下で、
厳密結合波解析における周期構造内部の電磁場の平面波成分の伝播定数に着目し、まずTM偏光に対して第1順位と第2順位の伝播定数の大小関係が入れ替わるような格子周期のデューティ比を探索し、次いで格子周期のデューティ比をその近傍に設定して、TE偏光の回折効率が高くなる溝深さを見い出すことにより、格子周期のデューティ比及び溝深さを決定したこと、を特徴とするラメラー型回折格子。In the transmission type polarization discriminating diffraction grating which is a lamellar type whose groove cross-sectional shape is rectangular and has polarization selectivity,
When light of a predetermined wavelength is incident on the grating groove surface at a predetermined incident angle, the diffracted wave is only 0th-order light and -1st-order light, and the wave vector tangent of the -1st-order diffracted light is opposite in polarity to that of the incident wave. Under the condition that it is transmitted in the direction
Focusing on the propagation constant of the plane wave component of the electromagnetic field inside the periodic structure in rigorous coupled wave analysis, first search for the duty ratio of the grating period so that the magnitude relationship between the first and second order propagation constants is reversed for TM polarized light Then, the duty ratio of the grating period and the groove depth are determined by setting the duty ratio of the grating period in the vicinity thereof and finding the groove depth at which the diffraction efficiency of TE-polarized light is increased. Lamella type diffraction grating.
所定波長の光が所定入射角で格子溝面に入射したときに回折波が0次光及び-1次光のみであり、該-1次回折光の波数ベクトル接線分は入射波のそれと正負が逆転するような方向に透過されるという条件の下で、回折格子の格子周期のデューティ比及び溝深さを決定するために、
厳密結合波解析における周期構造内部の電磁場の平面波成分の伝播定数に着目し、まずTM偏光に対して第1順位と第2順位の伝播定数の大小関係が入れ替わるような格子周期のデューティ比を探索し、
次いで格子周期のデューティ比をその近傍に設定して、TE偏光の回折効率が高くなる溝深さを見い出すステップと、
を有することを特徴とするラメラー型回折格子の設計方法。A method of designing a transmission type polarization discriminating diffraction grating having a rectangular lamellar cross-sectional shape and having a polarization selectivity,
When light of a predetermined wavelength is incident on the grating groove surface at a predetermined incident angle, the diffracted wave is only 0th-order light and -1st-order light, and the wave vector tangent of the -1st-order diffracted light is opposite in polarity to that of the incident wave. In order to determine the duty ratio and groove depth of the grating period of the diffraction grating under the condition that the light is transmitted in such a direction,
Focusing on the propagation constant of the plane wave component of the electromagnetic field inside the periodic structure in the rigorous coupled wave analysis, first search for the duty ratio of the grating period so that the magnitude relationship between the first and second order propagation constants is reversed for TM polarization. And
Next, setting the grating period duty ratio in the vicinity thereof to find the groove depth at which the diffraction efficiency of TE-polarized light is increased;
A method for designing a lamellar diffraction grating, comprising:
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