衍射光学器件以及用于制造所述光学器件的方法.pdf

有效地并且以低成本制造成实际可用的衍射光学元件。一种折射率经过调制的衍射光学元件，所述元件包括形成在透明衬底(1)上的透明的DLC(钻石状碳)膜(2)，其中所述DLC膜(2)包括具有较高折射指数的局部区域(2a)和较低折射指数的局部区域(2)的衍射光栅。通过等离子CVD技术可容易地将所述DLC膜(2)沉积在衬底(1)上，并且DLC膜中的高折射指数的局部区域(2a)可通过用诸如离子束的能量束(4)照射而容易地形成。

1.  一种衍射光学元件，其特征在于，所述元件包括形成在透明衬底上的透明的DLC膜，其中所述DLC膜包括包含较高折射指数的局部区域和较低折射指数的局部区域的衍射光栅。

2.  如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述高折射指数区域与所述低折射指数区域之间的边界面垂直于所述DLC膜的表面。

3.  如权利要求2所述的衍射光学元件，其特征在于，沿所述边界面的两侧的折射指数连续地改变。

4.  如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述高折射指数区域与所述低折射指数区域之间的边界面倾斜于所述DLC膜的表面。

5.  如权利要求4所述的衍射光学元件，其特征在于，沿所述边界面的两侧的折射指数连续地改变。

6.  如权利要求1到5中任意一项所述的衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件可将包括多个波长的单一光束根据波长分成为多个光束，并且具有能够将具有不同波长的多个光束合并成统一光束的波长分割多路复用/多路分解功能。

7.  如权利要求1到5中任意一项所述的衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件可将单一波长的光束分成为多个光束，并且具有能够将多个单一波长的光束合并成统一光束的功率分配/合并功能。

8.  如权利要求1到5中任意一项所述的衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件具有能够分离和合并包含在单一波长的光束中的TE波和TM波的偏振-分割多路复用/多路分解功能。

9.  如权利要求1到3中任意一项所述的衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件具有针对包含在单一波长的光束中的TE波和TM波的波片的功能。

10.  一种衍射光学元件，包括分别形成在第一和第二透明衬底的主表面上的第一和第二透明DLC膜，每个所述DLC膜都包括包含较高折射指数的局部区域和较低折射指数的局部区域的衍射光栅，其特征在于：
所述第一DLC膜具有能够偏振分离包含在单一波长光束中的TE波和TM波的偏振多路分解功能；
所述第二DLC膜具有针对包含在单一波长的光束中的TE波和TM波的波片的功能；并且
所述第一和第二DLC膜合作以具有光隔离器功能。

11.  如权利要求10所述的衍射光学元件，其特征在于，所述第一DLC膜中的所述高折射指数区域与所述低折射指数区域之间的边界面相对于所述DLC膜的表面倾斜，并且所述第二DLC膜中的所述高折射指数区域与所述低折射指数区域之间的边界面垂直于所述DLC膜的表面。

12.  如权利要求11所述的衍射光学元件，其特征在于，沿所述边界面的两侧的折射指数连续地改变。

13.  如权利要求1到12中任意一项所述的衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件包括具有针对包含0.8μm到2.0μm范围内波长的光的功能的衍射光栅。

14.  一种用于形成如权利要求1到13中任意一项所述的衍射光学元件的方法，所述形成衍射光学元件的方法的特征在于，通过用能量束以预定的模式照射所述DLC膜以提高所述膜的折射指数，从而产生包含在所述衍射光栅中的所述高折射指数区域。

15.  如权利要求14所述的形成衍射光学元件的方法，其特征在于，所述能量束从X射线、电子束、或离子束中选出。

16.  如权利要求14或15所述的形成衍射光学元件的方法，其特征在于，通过等离子CVD技术将所述DLC膜沉积在衬底上。

17.  如权利要求14到16中任意一项所述的形成衍射光学元件的方法，其特征在于，包括用相对于所述膜表面成角度的所述能量束照射所述DLC膜的步骤。

衍射光学器件以及用于
制造所述光学器件的方法
技术领域
本发明涉及衍射光学元件和它们的形成方法，更具体地，本发明涉及具有波长分割多路复用/多路分解、功率分配/合并、偏振-分割多路复用/多路分解、波片、或光隔离器功能性的衍射光学元件，以及涉及形成所述衍射光学元件的方法。
背景技术
如普遍知道的，产生光衍射的衍射光学元件可用在多种应用中。例如，可使用衍射光学元件制造用作光通信领域中的波长分割多路复用器、光耦合器、光隔离器等器件。
通常，通过在透明衬底上形成衍射-光栅层而制造衍射光学元件。根据衍射-光栅层中的结构差异将所述衍射光学元件大略地分成为折射指数已被调制类型和表面起伏类型的。
图19以示意性截面图的方式示出了衍射光学元件的折射指数已被调制类型的一个示例。该折射指数已被调制类型的衍射光学元件包括形成在透明衬底11上的衍射-光栅层12a，其中在衍射-光栅层12a中已形成了折射指数已被调制的结构。具体地，在衍射-光栅层12a中以交替的方式周期性地形成具有较小折射指数n₁的局部区域和具有较大折射指数n₂的局部区域。这导致源自于相差中的衍射现象的出现，所述相差存在于穿过低折射指数n₁的区域的光线与穿过高折射指数n₂的区域的光线之间。
可使用例如这样一种材料形成具有折射指数已被调制的结构的衍射-光栅层12a，所述材料的折射指数通过经受能量射束照射的材料而增加。例如，通过紫外线照射而增加锗掺杂(Ge-doped)石英玻璃的折射指数是已知的。同样地，使用X-射线照射石英玻璃以增加所述玻璃的折射指数是已知的。因此，可通过将折射指数n₁的石英-玻璃层沉积在透明衬底11上并以周期性的方式使用能量射束照射所述玻璃层以将折射指数局部地升高到n₂而产生如图19中所示的衍射-光栅层12a。
图20以示意性截面图的方式示出了衍射光学元件的表面起伏类型的一个示例。该表面起伏类型的光学元件包括形成在透明衬底11上的衍射-光栅层12b，其中在衍射-光栅层12b中已浮雕出起伏结构。具体地，在衍射-光栅层12b中以交替的方式周期性地形成具有较大厚度的局部区域和具有较小厚度的局部区域。这导致源自于相差中的衍射现象的出现，所述相差存在于穿过大厚度区域的光线与穿过小厚度区域的光线之间。
可通过例如将石英玻璃层沉积在透明衬底11上并使用光刻法和蚀刻法处理所述玻璃层而形成具有表面起伏结构的衍射-光栅层12b。
图21以示意性截面图的方式示出了衍射光学元件的折射指数已被调制类型的另一个示例。图21的折射指数已被调制类型的衍射光学元件与图19中所示的类似，但是在图21的衍射-光栅层12c中周期性地排列有具有彼此不同的三个级别的折射指数n₁、n₂、n₃的局部区域。因此通过例如将折射指数n₁的石英玻璃层沉积在衬底11上并使用具有两种不同能级的能量射束照射所述玻璃层可将具有三个级别的折射指数n₁、n₂、n₃的局部区域形成在衍射-光栅层12c中。
与包含其折射指数为二进制的区域的衍射光栅的情况相比，借助于包含其折射指数为多级的局部区域的衍射光栅，可提高衍射效率。另外，如可从与包含折射指数以二进制变化的衍射光栅相比较包含折射指数以多级变化的衍射光栅可具有高衍射效率这个事实中推测出来的，与包含折射指数以二进制变化的衍射光栅相比较包含折射指数连续性变化(而不是折射指数多级式变化)的衍射光栅也可具有高衍射效率。在文中“衍射效率”是指衍射光能量的总和与入射光能量地比率。这意味着，从利用衍射光的观点来看，较大的衍射效率是优选的。
图22以示意性截面图的方式示出了衍射光学元件的表面起伏类型的另一个示例。图22的表面起伏类型的衍射光学元件与图20中所示的类似，但是在图22的衍射-光栅层12d中周期性地排列有具有彼此不同的三个级别的厚度的局部区域。因此通过例如将石英玻璃层沉积在衬底11上并在所述玻璃层上重复两次光刻法和蚀刻法处理可将具有三个级别折射厚度的局部区域形成在衍射-光栅层12d中。因此，与包含简单二进制厚度的衍射光栅的情况相比，借助于包含具有多级厚度的局部区域的衍射光栅，可提高衍射效率。
尽管如上所述的折射指数已被调制类型的衍射光学元件在原理上是可制造的，但是实际上制造折射指数已被调制类型的衍射光学元件是很成问题的。这是由于在通过例如用能量射束照射石英玻璃而获得的变化量为大约0.002的情况下产生有效的衍射光栅层是困难的。
因此，目前的通例是-如例如专利参考1(日本未审定专利申请公开号No.S61-213802)和非专利参考1(应用光学，2002年卷41，3558-3566页)中所阐述的-使用表面起伏类型作为衍射光学元件。尽管如此，制造表面起伏类型的衍射光学元件所需的光刻法和蚀刻法是需要大量时间并且麻烦的相当复杂的制造工艺，除此之外精确地控制蚀刻深度亦非易事。更有甚者，与表面起伏类型的衍射光学元件相关的一个问题是，由于在元件表面中形成有精微皱纹，因此灰尘污垢易于粘附。
发明内容
考虑到前述中现有技术中出现的情况，本发明的一个目的是，有效地低成本地制造实践中可利用的衍射光学元件。
专利参考1
日本未审定专利申请公开号No.S61-213802。
非专利参考1
应用光学，2002年卷41，3558-3566页。
本发明所涉及的衍射光学元件的特征在于包括形成在透明衬底上的透明的DLC(钻石状碳)膜，其中所述DLC膜包括包含较高折射指数的局部区域和较低折射指数的局部区域的衍射-光栅。
这里这些高折射指数区域与低折射指数区域之间的边界面可垂直于所述DLC膜的表面或倾斜于所述DLC膜的表面，并且沿边界面的任一侧的折射指数都可连续地改变。
这种衍射光学元件使得可将包括多个波长的单一光束根据波长分成为多个光束，并且可用作波长分割多路复用器/多路分解器，所述波长分割多路复用器/多路分解器可将具有不同波长的多个光束合并成统一光束。
如上所述衍射光学元件还可将包括单一波长的光束分成为多个光束，并且可用作功率分配器/合并器，所述功率分配器/合并器可将多个单一波长的光束合并成统一光束。
而且，这种衍射光学元件可用作偏振-分割多路复用器/多路分解器，所述偏振-分割多路复用器/多路分解器可用于分离和合并包含在单一波长的光束中的TE波和TM波。
如上所述衍射光学元件还用作针对包含在单一波长的光束中的TE波和TM波的波片。
另外，将包括用作上述偏振-分割多路复用器/多路分解器的衍射-光栅的DLC膜与包括用作波片的衍射-光栅的DLC膜相组合可制造光隔离器。
而且，如上所述衍射光学元件可包括具有针对包含0.8μm到2.0μm范围内波长的光的功能的衍射-光栅。
在本发明所涉及的用于形成如上所述的衍射光学元件的方法中，可通过用能量束以预定的方式照射DLC膜以提高所述膜的折射指数可产生包含在衍射-光栅中的高折射指数区域。所述能量束可从X射线、电子束、或离子束中选择，并且可通过等离子CVD技术将所述DLC膜沉积在衬底上。而且，在高折射指数区域与低折射指数区域之间的边界面相对于所述DLC膜的表面倾斜的情况中，可用相对于所述膜表面成角度的能量束照射所述DLC膜。
附图说明
图1是示出了制造本发明所涉及的衍射光学元件中一个阶段的示意性截面图。
图1是示出了制造本发明所涉及的衍射光学元件中一个阶段的示意性截面图。
图2是示出了制造本发明所涉及的衍射光学元件中一个阶段的示意性截面图。
图3是示出了制造本发明所涉及的衍射光学元件中一个阶段的示意性截面图。
图4是示出了本发明所涉及的波长分割多路复用器/多路分解器的波长-多路分解作用的示意性截面图。
图5是示出了波长与由本发明所涉及的波长分割多路复用器/多路分解器所多路分解的光线的强度分布之间的关系的图表。
图6是示出了本发明所涉及的光学功率分配器中的衍射光栅图案的一个示例的示意性平面图。
图7是示出了本发明所涉及的光学功率分配器中的功率分配作用的示意性截面图。
图8是示出了在与已由图6的光学功率分配器进行了功率分配的衍射射束交叉的平面中的射束分布的平面图。
图9是示出了本发明所涉及的偏振多路分解器的偏振-多路分解作用的示意性截面图。
图10是示出了本发明所涉及的薄板中的偏振变换作用的示意性斜视图。
图11是示出了图10的光学系统中光隔离器的作用的示意性斜视图。
图12是示出了在本发明中可用作光隔离器的衍射光学元件的示意性斜视图。
图13是示出了本发明所涉及的波长分割多路复用器/多路分解器的波长-多路分解作用的另一个示例的示意性截面图。
图14是示出了本发明所涉及的光学功率分配器中的功率分配的另一个示例的示意性平面图。
图15是示出了本发明所涉及的偏振多路分解器的偏振-多路分解作用的另一个示例的示意性截面图。
图16是示出了在本发明中可用作光隔离器的衍射光学元件的另一个示例的示意性截面图。
图17是示出了制造本发明所涉及的衍射光学元件的方法的另一个示例的示意性截面图。
图18是示出了制造本发明所涉及的衍射光学元件的方法的另一个示例的示意性截面图。
图19是示出了衍射光学元件的传统折射指数已被调制类型的一个示例的示意性截面图。
图20是示出了衍射光学元件的传统表面起伏类型的一个示例的示意性截面图。
图21是示出了衍射光学元件的传统折射指数已被调制类型的另一个示例的示意性截面图。
图22是示出了衍射光学元件的传统表面起伏类型的另一个示例的示意性截面图。
具体实施方式
实施例1
图1到图3是示出了制造本发明实施例中所涉及的折射指数已被调制类型的衍射光学元件中一个阶段的示意性截面图。应该理解的是，在本申请的附图中，为了解释和简化附图，诸如长度和厚度的尺寸比例已被适当地改变，并且不反映它们实际关系中的比例。
如图1中所示的，在具有1.44折射指数并具有5mm×5mm主表面的SiO₂衬底1上，通过等离子CVD沉积有厚度为2μm的DLC膜2。应该理解的是，折射指数已被调制类型的衍射光学元件中DLC膜的厚度没有具体的限制，并且可设定为选择的厚度。然而，如果DLC膜过厚的话是不利的，这是因为通过该膜的光吸收效力将极大地增长。出于同样原因，如果DLC膜过薄的话也是不利的，这是因为已证明在赢得足够的衍射效力方面将成问题。在当前可使用的DLC膜的情况中，用在折射指数已被调制类型的衍射光学元件中DLC膜最好在0.5到10μm的厚度范围内。尽管如此，如果要制造具有较小光吸收系数的DLC膜的话，可使用较厚的DLC膜；并且如果使得折射指数中的变化率较大的话，可使用较薄的DLC膜。
通过发射技术将图2中的金掩模3形成在DLC膜2上。在金掩模3中，宽度为0.5μm并且长度为5mm的金条纹以0.5μm的节距重复地排列。也就是说，金掩模3具有“线和空间”的图案。之后通过剂量为5×10¹⁷/cm²的He离子束4在800-keV加速电压下沿垂直方向通过金掩模3中的孔嵌入DLC膜2。
因此，DLC膜中没有嵌有He离子的区域具有1.55的折射指数，而嵌有He离子的区域2a的折射指数升高到2.05。与石英玻璃中可产生的折射指数变化相比较，DLC膜中的所述折射指数变化更大，使得可形成具有足够大衍射效率的衍射光栅层。
在图3中，蚀刻去除金掩模3已产生出实施例1的折射指数已被调制类型的衍射光学元件。应该理解的是，该衍射光学元件中的衍射光栅层2包含两种类型的区域-折射指数1.55和2.05-即，所谓的二进制级衍射光栅层。
图4以示意性截面图的方式示出了其中实施例1中所制造的折射指数已被调制类型的衍射光学元件用作波长分割多路复用器/多路分解器的情况下的波长-多路分解作用。在该截面图中，黑色的截面区域表示较高折射指数的区域，而白色的截面区域表示较低折射指数的区域。如图4中所示的，如果使得包含例如多个波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的单一光束入射到衍射光学元件上的话，穿过衍射光学元件的所述射束的衍射角会根据其波长彼此不同。这意味着包含多个波长的单一入射光束可被分成为沿前进方向波长与波长不同的多个衍射光束。
当然，应该明白的是，如果图4中箭头所指示的入射光束和衍射光束的方向是相反的话，图4中的衍射光学元件可用作波长多路复用器。应该注意的是，在衍射光学元件用作波长多路分解器的情况下中，通常使得光束在大约0-70度范围内的适合角度下或相对于垂直于元件表面的线入射在衍射光学元件上。然而，入射角范围取决于高折射指数区域与低折射指数区域之间的边界面与DLC膜的表面形成的角度；在其中例如通过对角地将离子束对准在DLC膜表面上而使得高折射指数区域在一定的倾斜度下形成在DLC的表面中的情况中，通过考虑倾斜角将可调节光束的入射角。
图5是示意性地示出了通过实施例1的折射指数已被调制类型的衍射光学元件进行波长多路分解的结果的示例的图表。图表中的横轴表示衍射光线波长(nm)，而竖轴表示任意单位的衍射光线强度。在该情况中，使用光纤和准直器将具有1.5到1.6μm波长范围和350μm射束直径的光线指引到实施例1的衍射光学元件上。因此，如图5中所示的在1.5到1.6μm波谱中产生了具有以20nm的间隔分布的波长的五个衍射光束，其中这五个衍射光束具有近乎相等的强度。并且在衍射效率接近于99％的那个情况下，获得了相当突出的波长多路分解特性。
应该理解的是，在实施例1中，由于利用线性的、一维的衍射光栅图案，衍射光束存在于包含入射光束的单一平面中。尽管如此，通过使用二维的衍射光栅图案(如接下来将描述的实施例2中所示的)衍射光束当然可以二维的方式被分布。
实施例2
图6是以示意性平面图的方式示出了实施例2所涉及的衍射光学元件中的二维衍射光栅图案。实施例2的衍射光学元件可通过与实施例1中相似的制造工艺制造。具体地，图6中的黑色区域表示在DLC膜中通过用He离子束照射所述区域而使得折射指数升高的区域，而白色区域表示没有通过He离子束照射的区域。黑色图案是通过组合4μm×4μm微单元而构成的，并且其中具有132μm的周期性。这意味着图6中所示的衍射光栅图案中的最小线宽为4μm。
图7是以示意性截面图的方式示出了在实施例2中所制造的折射指数已被调制类型的衍射光学元件用作光耦合器(功率分配装置)的情况中的功率分配作用。具体地，如果使得单一波长的光束入射在衍射光学元件上的话，穿过衍射光学元件的射束的衍射角将根据衍射级而彼此不同。因此，单一波长的入射光束可被分离成多个光衍射射束。
图8是示出了通过图6的光耦合器在垂直于衍射射束的平面中已被功率分配的射束分布(如图7中所示的)的平面图。实际上，具有功率P的入射束可被分成16个分别具有P/16的功率的衍射射束。在一个实际情况中，具有1.55μm波长的350μm射束直径的光线被垂直地指引到实施例2的衍射光学元件的表面上，其中产生了以四折对称分布的16个分裂部分中的衍射射束。
应该理解的是，如广泛知道的，使用傅里叶变换可发现，可获得图8中所示的衍射射束分布图案的图6的衍射光栅图案。
实施例3
在实施例3中，制造了具有偏振-多路复用/多路分解功能的衍射光学元件。使用实施例3的衍射光学元件，通过与实施例1中相似的制造工艺形成具有“线和空间”图案的DLC衍射-光栅层。然而，在实施例3中，宽度为0.4μm长度为5mm的高折射指数区域以0.4μm的节距被重复地布置。
图9是以示意性截面图的方式示出了在实施例3中制造的折射指数已被调制类型的衍射光学元件用作偏振-分割多路复用器/多路分解器的情况下的偏振-多路分解作用。具体地，如果使得包括TE分量和TM分量的TEM波入射在实施例3的衍射光学元件上的话，取决于它们之间在偏振方面的差异，TE波和TM波将在相互不同的衍射角下被衍射。例如，如图9中所示的，以0级(order)衍射射束的方式获得TE波，而以a-1级(order)衍射射束的方式获得TM波。以这种方式分裂TE波和TM波是可行的。在一种实际情况中，具有1.55μm波长的100μm射束直径的光线入射到实施例3的衍射光学元件上，其中TE波和TM波可被分裂开。
实施例4
在实施例4中，制造了具有波片功能的衍射光学元件。使用实施例4的衍射光学元件，通过与实施例1中相似的制造工艺形成具有“线和空间”图案的DLC衍射-光栅层。然而，在实施例4中，宽度为0.2μm长度为5mm的高折射指数区域以0.2μm的节距被重复地布置。
图10是以示意性斜视图的方式示出了在实施例4中制造的折射指数已被调制类型的衍射光学元件用作波片的情况下的偏振变换作用。在该图中，线性偏振滤波器21和用作四分之一波片的实施例4中的衍射光学元件22沿射束前进方向被布置。偏振滤波器21只允许具有350μm截面直径和1.55μm波长的入射束23中的垂直线性偏振光24通过。包含在衍射光学元件22中的高折射指数区域的“线和空间”定向已相对于线性偏振光24的偏振方向在45度角下被转动。在这种布置中，已穿过衍射光学元件22的光线25变成为首先在前进方向上沿逆时针方向转动的圆偏振光。
图11示出了其中偏振滤波器21和四分之一波片22用作光隔离器的情况。更具体地，在图10中圆偏振光25已反射掉某些目标并复原时，它变成为回光26，其中，由于反射，圆偏振光的转动方向已为反向转动。接着，通过沿相反方向穿过四分之一波片22，回光26被转化成水平线性偏振光27。这样，由于偏振滤波器21只允许垂直线性偏振光通过，因此水平线性偏振光27被偏振滤波器21阻滞，并且不能返回到隔离器的入射光端。以这种方式证明了用作光隔离器的操作。
实施例5
在实施例5中，如图12的示意性斜视图中所示的，制造了具有光隔离器功能的衍射光学元件。在该衍射光学元件中，第一DLC膜32被形成在石英衬底31的第一主表面上，第二DLC膜33被形成在第二主表面上。然后与实施例3中相同的衍射光栅被形成在第一DLC膜32上，而与实施例4中相同的衍射光栅被形成在第二DLC膜33上。
具有350μm截面直径和1.55μm波长的光束被入射在图12的衍射光学元件上，其中尽管已穿过用作偏振多路分解器的第一衍射-光栅层32和用作四分之一波片的第二衍射-光栅层33的光线35反射掉某些目标并复原，但是它也不能穿过合作为光隔离器的四分之一波片33和偏振多路分解器32，并且返回。作为那种情况中的消光比-即，入射光强度相对于穿过第一衍射-光栅层32的回光强度的比率-获得了超过40dB的数值。
实施例6
图13中所示出的实施例6中的波长分割多路复用/多路分解光栅层与图4中所示的相似，但是不同之处在于，高折射指数区域与低折射指数区域之间的边界面相对于DLC膜的表面倾斜。与实施例1中的情况相似，在将图13的折射指数已被调制类型的衍射的光学层制造在具有1.44折射指数和5mm×5mm主表面的SiO₂衬底上的情况中，通过等离子CVD将DLC膜2沉积为5μm的厚度。
具有其中0.5μm宽和5mm长的金条纹以1μm的节距重复地排列的“线和条纹”图案的金掩模被形成在DLC膜上。之后通过剂量为5×10¹⁷/cm²的He离子束4在800-keV加速电压下在相对于膜表面40度的倾斜角下沿垂直于金条纹长度方向的方向通过金掩模中的孔嵌入DLC膜。因此，DLC膜中没有嵌有He离子的区域具有1.55的折射指数，而嵌有He离子的区域2a的折射指数升高到2.05。
与图4相似的图13以示意性截面图的方式示出了其中实施例6中所制造的折射指数已被调制类型的衍射光学元件用作波长分割多路复用器/多路分解器的情况下的波长-多路分解作用。如图13中所示的，如果使得包含例如多个波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的单一光束入射到衍射光学元件上的话，取决于其波长，穿过衍射光学元件的所述射束的衍射角彼此不同。这意味着包含多个波长的单一入射光束可被分成为沿前进方向波长与波长不同的多个衍射光束。
在实施例6的情况中，使用光纤和准直器将具有1.5到1.6μm波长范围和350μm射束直径的光线沿垂直于表面的方向指引到图13的衍射光学元件上。因此，与实施例中的情况相似，如图5中所示的在1.5到1.6μm波谱中产生了具有以20-nm的间隔分布的波长的五个衍射光束，其中这五个衍射光束具有近乎相等的强度。并且在衍射效率接近于99％的那个情况下，获得了相当突出的波长多路分解特性。
应该理解的是，在本实施例6中，沿直线行进的方向通过衍射光学层的表面引入入射光有助于进一步降低包括衍射光学层的光学组件的尺寸和成本，并且能够简化将衍射光学元件包装为光学组件的对准过程。
实施例7
在图14中所示的实施例7中，功率分配光栅层与图7中所示的相似，但是不同之处在于，高折射指数区域与低折射指数区域之间的边界面相对于DLC膜的表面例如以45度的角度倾斜。另外，虽然图7的功率分配光栅层具有如图6中所示的二维衍射光栅图案，在图14的功率分配光栅层下，例如具有90μm宽度的高折射指数区域以具有180μm周期性的“线和空间”图案被形成在DLC膜的表面中。
这意味着在高折射指数区域与低折射指数区域之间的边界面相对于DLC膜表面倾斜的情况中，虽然入射功率不能如图8中所示的被二维地发射到包含垂直于DLC表面并垂直于高折射指数区域与低折射指数区域之间的边界面入射的光束的平面中，但是入射光束也可被功率分配为多个光束。
实施例8
在图15中所示的实施例8中，偏振-分离光栅层与图9中所示的相似，但是不同之处在于，高折射指数区域与低折射指数区域之间的边界面相对于DLC膜的表面倾斜。在该实施例8中，与实施例6中的情况相似，通过等离子CVD将DLC膜2沉积到SiO₂衬底上到4μm的厚度。具有其中0.4μm宽和5mm长的金条纹以1μm的节距重复地排列的“线和条纹”图案的金掩模被形成在DLC膜上。之后通过He离子在相对于膜表面40度的倾斜角下并且沿垂直于金条纹长度方向的方向嵌入DLC膜。
如果使得包括TE分量和TM分量的TEM波沿沿通过其表面直线行进的方向入射在图15的衍射的光学层上的话，取决于它们之间在偏振方面的差异，TE波和TM波将在相互不同的衍射角下被衍射。在一种实际情况中，具有1.55μm波长的100μm射束直径的光线入射到本实施例8的衍射光学元件上，其中TE波和TM波可被分裂开。
实施例9
在图16的示意性截面图中所示的实施9中，光隔离器与图12中所示的相似，但是不同之处在于，与图8中相同的衍射光栅被形成在包含于隔离器中的第一DLC膜32a中。
具有350μm截面直径和1.55μm波长的光束34a被垂直地入射在图16的衍射光学元件的表面上，其中尽管已穿过用作偏振多路分解器的第一衍射-光栅层32a和用作四分之一波片的第二衍射-光栅层33的光线35a反射掉某些目标并复原为反射束35b，但是它也不能穿过合作为光隔离器的四分之一波片33和偏振多路分解器32a，并且返回。
实施例10
在实施例10中，介绍了形成本发明所涉及的衍射光学元件的方法的另一个示例。在图17的示意性截面图中，多个线性金掩模3a被形成在DLC膜2上。线性金掩模3a在垂直于长度方向上的截面中具有半圆形的上表面。从所述掩模的上方照射He离子4，从而沿垂直于DLC膜2上表面的方向形成图案，从而在DLC膜2中形成高折射指数区域2b。
由于在该情况中每个线性掩模都具有半圆形的上表面，在每个掩模的侧面附近一些He离子可透过掩模，这使得渗透的He离子侵入DLC膜2的内部。因此，这意味着在图17中在DLC膜2内，在高折射指数区域与低折射指数区域之间的边界面的侧面折射指数连续地改变。接着在具有连续折射指数改变的折射指数已被调制类型的衍射光学元件中，如在其可制造出的具有二进制式折射指数改变的衍射光学元件相比较，衍射效率可更好。
同时，在图18的示意性截面图中，多个线性金掩模3b被形成在DLC膜2上。线性金掩模3b在垂直于长度方向的截面为矩形并且具有较大的厚度。从所述掩模的对角线上方照射He离子4，从而沿相对于DLC膜2上表面倾斜的方向形成图案，从而在DLC膜2中形成高折射指数区域2c。
在该情况中，在矩形截面的线性掩模的角附近，一些He离子可透过掩模，这使得渗透的He离子侵入DLC膜2的内部。因此，这可使得图18中在DLC膜2内高折射指数区域与低折射指数区域之间的边界面倾斜，这意味着在边界面的侧面折射指数连续地改变。
虽然在前述实施例中，描述了其中使用He离子照射以增加DLC膜的折射指数的示例，但是应该理解的是，也可使用例如X-射线照射或电子束照射以增加DLC膜的折射指数。同样地，在上述实施例中，作出了关于在1.5μm到1.6μm波长范围内的入射光的描述，但是在本发明中，可制造出用于具有0.8μm到2.0μm范围内任何波长的光线(可用在光通信领域中)的衍射光学元件。
当然，多级衍射光栅还可被形成在DLC膜中。在那种情况下，可用能量级和/或剂量不同的能量束照射DLC膜。
工业实用性
如前面所述的，本发明可有效地并且以低成本制造成实际可用的衍射光学元件。而且，由于在利用DLC膜可制造的折射指数已被调制类型的衍射光学元件中，在元件表面中没有如表面起伏衍射光学元件那样具有精微皱纹，因此表面不易被污染，并且即使它被污染了，也可容易地使其清洁。而且，从由于DLC膜具有高耐磨性因而元件表面不易被损坏的观点来看，本发明的衍射光学元件是有利的。