CN102414585A - 光学元件、偏振滤光器、光学隔离器和光学设备 - Google Patents

Abstract

一种光学元件，该光学元件被构造成主要通过0阶透射来透射具有特定偏振方向的入射光，并且被构造成衍射具有垂直于所述特定偏振方向的偏振方向的入射光，所述光学元件包括：周期性结构，该周期性结构的周期等于或大于入射光的波长，其中，周期性结构包括第一和第二次波长凹凸结构，该第一和第二次波长凹凸结构彼此相邻地垂直形成在周期性结构的每个周期中，第一和第二次波长凹凸结构的周期小于所述入射光的波长，其中，所述第一和第二次波长凹凸结构的占空因数和沟槽深度被确定成使得第一和第二次波长凹凸结构相对于具有特定偏振方向的入射光具有相同的有效折射率，并且相对于具有垂直于所述特定偏振方向的偏振方向的入射光具有相位差π。

Description

光学元件、偏振滤光器、光学隔离器和光学设备

技术领域

本发明总的涉及一种能够根据光的偏振方向来衍射光的光学元件、包括该光学元件的偏振滤光器、包括该偏振滤光器并且能够透射在一个方向上的光而阻挡在相反方向上的光的光学隔离器以及具有该光学隔离器的光学设备。

背景技术

光学隔离器是无源光学器件，具有一对入射和出射终端。典型的，光学隔离器相对于从入射侧向出射侧传播的向前方向光来说具有低损失特性，而对于从出射侧返回到入射侧的向后方向光具有高损失特性，由此，允许光仅在规定的方向上通过。

这种光学隔离器可以包括法拉第旋转器，其构造成旋转偏振平面45度。法拉第旋转器设置在两个偏振器之间，这两个偏振器具有彼此偏移45度的透射轴。在这种情况下，在入射侧上被偏振器提取的向前方向光的偏振分量使其偏振方向被法拉第旋转器旋转+45度，使得对应于出射侧上的偏振器的方向的偏振分量可以从光学隔离器无衰减地出射。另一方面，在向后方向光的情况下，在出射方向上被偏振器提取的偏振分量使得器偏振方向被法拉第旋转器的非互易作用而旋转-45度，使得偏振分量垂直于在入射侧上偏振器的方向。结果，向后方向光被衰减并且不从入射侧射出。这种类型的光学隔离器被称作偏振相关的光学隔离器，其中，入射光的偏振方向事先被形成为对应于在入射侧上偏振器的偏振方向。

在这种类型的光学隔离器中偏振器的材料的实施例包括双折射单晶棱镜、含金属颗粒的玻璃以及介电和金属材料的复合多层膜。例如，日本公开的专利申请公开说明书第2006-113360(专利文件1)公开了一种具有光学隔离器的光学终端。该光学隔离器包括入射侧偏振器、磁性石榴石厚膜和出射侧偏振器，它们层叠。入射侧偏振器可以包括Polarcor^TM玻璃材料，在其两侧上形成有金属颗粒漫射层。出射侧偏振器也可以包括Polarcor^TM玻璃材料，在出射侧上的金属颗粒漫射层被去除(例如，通过抛光标准Polarcor^TM产品的一侧直到0.2mm的深度，该标准Polarcor^TM产品可以具有0.5mm的厚度)。在专利文件1中讨论了永久磁铁4施加磁场，该磁场导致磁性石榴石厚膜12作用为法拉第旋转器，由此，光信号的偏振平面被旋转，由此入射侧偏振器和出射侧偏振器仅穿过特定方向的偏振光。

用于专利文件1中讨论的偏振器中的材料是昂贵的，并且其制造需要各种加工步骤，包括切割和光学抛光，这趋向于使降低制造成本以及光学隔离器自身的成本变得非常困难。实际上，超过传统光学隔离器的制造成本的一半是由于偏振器的成本而造成的。

为了克服上述问题，日本公开的专利申请公开说明书第2000-180789(专利文件2)公开了一种光学隔离器，其中，包括光子晶体的反射型第一偏振器、光透射平行板玻璃、平行板45°法拉第旋转器和光子晶体的反射型第二偏振器平行布置和固定。与这种光学隔离器相关的一个问题是由于在光学隔离器中使用反射型偏振器，整个光学系统需要相对于入射光的光轴设置成一定角度。这种倾斜布置的光学系统造成复杂光学系统布局。

发明内容

本发明克服了现有技术的缺点，本发明在一个方面是一种光学元件，该光学元件被构造成主要通过0阶透射来透射具有特定偏振方向的入射光，并且被构造成衍射具有与所述特定偏振方向垂直的偏振方向的入射光。

光学元件包括周期等于或大于入射光的波长的周期性结构。该周期性结构包括第一和第二次波长凹凸结构，该凹凸结构在周期性结构的每个周期彼此相邻地垂直形成。第一和第二次波长凹凸结构具有小于入射光波长的周期。第一和第二此波长凹凸结构的占空因数(filling factor)和沟槽深度被确定成使得第一和第二次波长凹凸结构相对于具有特定偏振方向的入射光具有相同的有效折射率，并且相对于具有垂直于特定偏振方向的偏振方向的入射光具有相位差π。

在优选实施方式中，本发明提供了一种偏振滤光器，其包括上述光学元件。

在另一方面，本发明提供了一种光学隔离器，该光学隔离器包括设置在第一偏振滤光器和第二偏振滤光器之间的偏振方向旋转器。第一和第二偏振滤光器被构造成主要通过0阶透射来透射具有特定偏振方向的入射光，并且被构造成衍射具有垂直于所述特定偏振方向的偏振方向的入射光。第一和第二偏振滤光器包括周期性结构，该周期性结构的周期等于或大于入射光的波长。该周期性结构包括第一和第二次波长凹凸结构，该第一和第二次波长凹凸结构在该周期性结构的每个周期内彼此相邻地垂直设置。第一和第二次波长凹凸结构的周期小于入射光的波长。第一和第二次波长凹凸结构的占空因数和沟槽深度被确定成使得第一和第二次波长凹凸结构相对于具有特定偏振方向的入射光具有相同的有效折射率，而相对于具有垂直于所述特定偏振方向的偏振方向的入射光具有相位差π。

在另一方面，本发明提供了一种光学隔离器，其包括：偏振方向旋转器；以及偏振滤光器，该偏振滤光器形成在所述偏振方向旋转器的至少一侧上。该偏振滤光器被构造成主要通过0阶透射来透射具有特定偏振方向的入射光，并且被构造成衍射具有垂直于所述特定偏振方向的偏振方向的入射光。该偏振滤光器包括周期性结构，该周期性结构的周期等于或大于入射光的波长。该周期性结构包括第一和第二次波长凹凸结构，该第一和第二次波长凹凸结构在该周期性结构的每个周期内彼此相邻地垂直设置。第一和第二次波长凹凸结构的周期小于入射光的波长。第一和第二次波长凹凸结构的占空因数和沟槽深度被确定成使得第一和第二次波长凹凸结构相对于具有特定偏振方向的入射光具有相同的有效折射率，而相对于具有垂直于所述特定偏振方向的偏振方向的入射光具有相位差π。

附图说明

本发明的完全理解将通过参照附图、在结合随后的详细描述时获得，附图中：

图1是根据本发明的实施方式的光学隔离器的示意图；

图2是包括图1所示的光学隔离器的光学设备的示意图；

图3A是用于图1所示的光学隔离器中的偏振滤光器的示意性前视图，示出其宏观结构；

图3B是偏振滤光器的示意性截面图，示出偏振滤光器的工作原理；

图4A是图3A所示的偏振滤光器1的主要部分的透视图，示出形成在衍射表面上的栅格结构；

图4B示出形成在图4A的偏振滤光器1上的第一次波长凹凸结构400的尺寸；

图4C示出形成在图4A的偏振滤光器1上的第二次波长凹凸结构401的尺寸；

图5示出根据本发明另一实施方式的光学隔离器；

图6示出根据本发明另一实施方式的光学隔离器；

图7示出根据本发明另一实施方式的光学隔离器；

图8是表示对不同偏振方向根据实施方式4的偏振滤光器的占空因数和折射率之间的关系的曲线图；

图9是表示实施方式4的偏振滤光器的衍射效率相对于沟槽深度的曲线图；

图10是表示根据实施方式4的偏振滤光器的衍射效率与入射光相关的曲线图；

图11是表示根据实施方式4的偏振滤光器的消光比与入射光相关的曲线图；

图12是表示根据实施方式4的偏振滤光器的透射损失与入射光相关的曲线图；

图13是表示根据实施方式4的偏振滤光器的衍射效率与波长相关的曲线图；

图14是表示根据实施方式4的偏振滤光器的消光比与波长相关的曲线图；

图15是表示根据实施方式4的偏振滤光器的透射损失相对于波长的曲线图；

图16是表示包括光子晶体的传统偏振器的透射相对于波长的曲线图；

图17A至17D示出利用石英作为基底材料制造模具的过程；

图18A至18D示出利用硅作为基底材料制造模具的过程；

图19A至19G示出通过在玻璃衬底上形成Ta₂O₅膜制造偏振滤光器的过程；

图20A至20I示出通过在玻璃衬底上形成硅膜来制造偏振滤光器的过程；

图21A至21G示出不利用模具制造偏振滤光器的过程。

具体实施方式

[光学隔离器]

图1是根据本发明实施方式的光学隔离器的示意图。光学隔离器11包括第一偏振滤光器1、第二偏振滤光器2和45°法拉第旋转器3，它们彼此平行布置并且例如利用粘结剂固定于彼此之上。第一和第二偏振滤光器1和2在一个侧面上各自包括衍射表面30(衍射结构)。在下面的描述中，为了方便的缘故，垂直于附图纸面的偏振方向称为P偏振方向，在附图纸面之内的偏振方向称为S偏振方向。第一和第二偏振滤光器1和2是透射衍射型的。光学隔离器11基本上垂直于入射光的光轴设置。

第一和第二偏振滤光器1和2设置成它们的透射偏振方向彼此成45°角。第一和第二偏振滤光器1和2是具有衍射结构的衍射元件，其周期等于或大于入射光的波长。衍射结构的每个周期包括两个次波长凹凸结构的图案，这两个图案彼此相邻垂直地设置，两个不同的图案具有小于入射光波长的周期。如后面将参照实施方式4描述的，两个次波长凹凸结构的图案的占空因数和沟槽深度被确定成使得两个图案相对于S偏振方向的入射光具有相同的有效折射率，而对于P偏振方向的入射光具有相位差π。

具有大面积的第一和第二偏振滤光器1和2可以通过半导体工艺大规模生产，并且不需要光学抛光。制造细节将参照实施方式5来描述。45°法拉第旋转器3包括GdBiFe石榴石厚膜，磁场通过磁场施加单元(未示出)沿着光传播的方向施加到该厚膜上，该磁场施加单元可以包括永久磁铁或者电磁铁。

(光学设备)

图2是包括图1所示的光学隔离器11的光学设备200的示意图。光学设备200包括激光二极管9，其发射激光束，该激光束经第一透镜10基本成形为平行光束。平行光束入射到光学隔离器11上，并且已经穿过光学隔离器11的透射光被第二透镜21聚焦在光纤12的端部处。激光二极管9、第一透镜10、光学隔离器11、第二透镜21和光纤12与光的激光束的光轴O对齐。光学设备200可以用在光纤通信的光学通信设备或者光学信息处理设备中。

(光学隔离器的光路)

在图1和2中，入射光入射到光学隔离器11的第一偏振滤光器1上并然后其P偏振分量被第一偏振滤光器1的第一表面(形成衍射结构的表面)衍射。入射光中的大部分S偏振分量通过0阶透射(死区透射(dead-zone transmission)而被透射。0阶透射的S偏振分量垂直的入射到45°法拉第旋转器3上，由此S偏振分量的偏振方向被旋转+45°并且导致朝向在出射侧上的第二偏振滤光器2出射，而无衰减。然后，如在第一偏振滤光器1中的情况那样，第二偏振滤光器2衍射不被使用的偏振方向的光，同时通过死区透射允许要入射到光纤12端部上的偏振方向的光透射。

对于向后方向光，虽然已经通过0阶透射透射通过第二偏振滤光器2的偏振分量经法拉第旋转器3的非互易作用而使其偏振方向旋转-45°，并然后入射到第一偏振滤光器1上，这种光被衍射，这是因为它垂直于通过0阶透射被透射的来自光源的入射光的偏振方向。

第一和第二偏振滤光器1和2被构造成使得各自衍射的光与0阶透射光具有充分的角度，使得可以防止向前方向光入射到光纤12的端部上，并使得可以防止向后方向光入射到激光二极管9上。例如，衍射结构的节距被设定成其±1阶衍射光具有10°或更大的角度。

(偏振滤光器的结构)

第一偏振滤光器1被构造成衍射P偏振分量，同时允许S偏振分量无衍射地透射。参照图3A和3B，描述第一偏振滤光器1的宏观结构。图3A是第一偏振滤光器1的示意性前视图。图3B是第一偏振滤光器1的示意性横截面。第一偏振滤光器1包括栅格形衍射表面(衍射结构)，其被构造成衍射光的P偏振分量，同时允许光的S偏振分量穿过，而不衍射它。

图4A是形成在图3A和3B所示的第一偏振滤光器的衍射表面上的栅格的主要部分的放大透视图。图4A的放大图示出对应于三个周期P的栅格，该周期P等于或大于入射光的波长。如图4A所示，具有周期P的栅格的周期结构包括次波长凹凸结构400和401。如图4B和4C所示，次波长凹凸结构400和401分别具有周期q1和q2，它们比波长短。入射光被周期对应于入射光的波长或比它长的周期性结构衍射，并且次波长凹凸结构400和401在确定光的P偏振分量或S偏振分量被衍射中提供偏振选择性。从而，如图3B所示，第一偏振滤光器1衍射P偏振分量，并且通过死区透射通过S偏振分量。

(消光比)

在特定光学隔离器中使用的反射型偏振器时，可以使用消光比。消光比表示S偏振光的透射率与P偏振光的透射率的比率，其中S偏振光也可以是要被使用的偏振方向，P偏振光也可以是不被使用的偏振方向。根据本发明的本实施方式，消光比表示为在S偏振方向上的0阶光的衍射效率与在P偏振方向上的0阶光的衍射效率的比率。

通常，偏振滤波器理想的具有高消光比。尽管图1所示的第一和第二偏振滤光器1和2各自仅在其一侧上形成有衍射结构，但这仅仅是一个实施例。在图5所示的另一实施方式中，第一和第二偏振滤光器1和2都可以具有在每个光学元件的两个侧面上形成的衍射表面(衍射结构)。这种结构可以将消光比增加两倍。这与专利文件1相反，在专利文件1中，该结构采用双折射材料，需要两个偏振器来增加消光比，导致光学隔离器的厚度增加。根据图5的实施方式，消光比可以通过简单地在偏振滤光器1和2的两个侧面上形成衍射结构来予以增加。

从而，根据本实施方式，偏振滤光器和光学隔离器可以通过使用仅利用衍射的表面结构来实现。从而，本实施方式使具有偏振滤光器的光学隔离器能够以低成本大规模生产，同时保持与传统光学隔离器相当的光学特性。具体地说，根据本发明的光学隔离器11可以在不使用传统的双折射单晶棱镜或者含金属颗粒的玻璃(如专利文件1中讨论的)的情况下实现。此外，与专利文件2中讨论的光子晶体系统相比，本实施方式的光学隔离器11不需要形成包括高折射率介质和低折射率介质的多层膜，从而使其能够以低成本制造。

此外，由于偏振滤光器功能可以单独借助于利用衍射的偏振滤光器的表面结构予以实现，消除了对多种不同材料的需求。另外，由于偏振衍射功能可以通过衍射结构单独呈现，该衍射结构中叠置有次波长凹凸结构，偏振滤光器的材料可以按需要选择。例如，取决于所使用的波长，衍射结构可以形成在具有高透射率的衬底材料上，或者衬底表面可以涂覆有不同材料，然后衍射结构可以形成在其上。对于高功率激光应用等，衍射结构可以形成在具有光阻的材料表面上。

由于根据本实施方式的光学元件(偏振滤光器)的制造方法不需要大面积光学抛光，光学元件可以低成本大规模生产，而不会负面影响光学特性。此外，由于在不希望偏振方向上的光被衍射，光学隔离器不需要设置成角度，由此可以实现光束基本垂直入射到光学隔离器上的布局。

实施方式2

(光学隔离器)

接着描述根据本发明另一实施方式的光学隔离器。由于偏振滤光器的功能可以单独通过形成在光学元件上的衍射结构来实现，可以采用图6所示的光学隔离器结构。具体地说，具有第一偏振滤光器的功能的衍射表面(衍射结构)31形成在法拉第旋转器3的入射侧上的表面上，而具有第二偏振滤光器的功能的衍射表面(衍射结构)32形成在法拉第旋转器3的出射侧上的表面上。衍射结构31和32直接形成法拉第旋转器3的表面上，或者法拉第旋转器3的表面可以最初涂覆有单独材料，然后衍射结构31和32可以形成在该涂覆表面上。由此，根据图6所示的的本实施方式，光学隔离器功能可以通过单个光学元件来实现。

在图6所示的根据本实施方式的光学隔离器中，由于偏振滤光器和法拉第旋转器集成在一起，光学隔离器11可以更容易处理，并且在尺寸上与包括设置在偏振器之间的法拉第旋转器的光学系统相比更小。此外，由于偏振-衍射功能可以通过衍射结构单独提供，在该衍射结构中叠置次波长凹凸结构，光学隔离器的材料可以按需要选择。从而，如图6所示，衍射结构31和32可以直接形成在法拉第旋转器3上，或者法拉第旋转器3的表面涂覆有材料，并且衍射结构31和32形成在涂覆的表面上。

实施方式3

图7示出其中组合根据实施方式1和2的结构的光学隔离器11。图7所示的光学隔离器11包括法拉第旋转器3，在其两个侧面上，包括次波长凹凸结构的衍射结构702在用单独材料涂覆该侧面之后形成。包括形成在相应衬底704上的次波长凹凸结构701的第一和第二偏振滤光器1和2然后与相应的衍射结构702相对地设置。间隙保持器703设置在相对的衍射结构701和702之间，由此保持二者之间的间隙。

尽管第一和第二偏振滤光器1和2的衍射结构701可以不设置成彼此相对，但这样作是为了防止衍射结构701暴露到外侧，由此防止衍射结构701被灰尘等损坏或者影响。此外，外部表面可以抛光来减小光学隔离器11的厚度或者调节其光路长度。

虽然根据实施方式1和2的光学隔离器11采用法拉第旋转器3，法拉第旋转器3可以用偏振旋转元件，如波长板来替代。在这种情况下，可以消除施加磁场的需求，使得光学隔离器11的结构被简化。这种波长板可以包括双折射材料，如晶体，或者包括用于前述实施方式中的偏振滤光器1或2的次波长凹凸结构。可替代的是，偏振滤光器可以单独设置在法拉第旋转器的前侧上，在这种情况下，可以实现厚度或成本的进一步减小，但是会增加消光比。

实施方式4

描述实施方式1的光学隔离器11的第一偏振滤光器1的结构。第二偏振滤光器2可以具有相同的结构。对于实施方式2的光学隔离器的偏振滤光器(衍射结构31和32)，虽然其上形成衍射结构的基底材料的折射率可以不同，可以使用相同的设定参数的方法。

(偏振滤光器的宏观结构)

如上所述，偏振滤光器1和2的宏观结构在图3A和3B中示出。第一偏振滤光器1包括栅格形衍射表面(衍射结构)，其被构造成衍射P偏振分量，同时允许S偏振分量透射，而不衍射它。

如图4A所示，偏振滤光器1包括次波长凹凸结构400和401，其形成在周期性结构上，其周期对应于入射光的波长或更长。参照图4B，次波长凹凸结构400包括在对应于P偏振方向的方向上的沟槽，该沟槽具有小于入射光的波长的周期q1。参照图4C，次波长凹凸结构401包括在对应于S偏振方向的方向上的沟槽，该沟槽具有小于入射光的波长的周期q2。

参照图4A，第一偏振滤光器1具有L/P表示的占空比，其中L是其中形成次波长凹凸结构400的区域的宽度。比率L/P用于计算衍射效率，例如，如后面所描述的。参照图4B，l1表示次波长凹凸结构400的凸部分的宽度。l1对q1的比率(l1/q1)被称作占空因数，如后面所描述的它可以用于计算有效折射率。参照图4C，l2表示次波长凹凸结构401的凸部分的宽度，l2对q2的比率(l2/q2)被称作占空因数，如后面所描述的它用于计算有效折射率。d1是次波长凹凸结构400的沟槽深度。d1和d2是次波长凹凸结构400和401的相应沟槽深度。

从而，偏振滤光器1包括周期性结构，其具有等于或大于入射光波长的周期P，其上形成次波长凹凸结构400和401。偏振滤光器1基于对应于波长或更长的周期性结构来衍射入射光，同时次波长凹凸结构400和401提供偏振选择性，确定P偏振分量还是S偏振分量被衍射。从而，如图3B所示，在P偏振分量入射时偏振滤光器1衍射入射光，而通过死区透射来透射S偏振分量。

形成在偏振滤光器1的衍射表面上的次波长凹凸结构400和401呈现出公知的结构性双折射特性。结构性双折射特性是指这样一种现象，其中，当具有不同折射率的两种介质以短于入射光波长的周期设置成条带形时，平行于条带的偏振分量(TE波)和垂直于条带的偏振分量(TM波)以不同折射率(有效折射率)产生，从而提供双折射功能。

现在假设空气和具有折射率n的介质被认为是两种具有不同折射率的介质，并且波长为次波长凹凸结构的周期的两倍或更长的光垂直入射，在这种情况下，取决于入射光的偏振方向是否与次波长凹凸结构的沟槽平行(TE方向)或垂直(TM方向)，次波长凹凸结构的有效折射率n由下面的表达式给出：

$n\left(\mathrm{TE}\right)=\sqrt{((t\·n^2)+(1-t))}---\left(1\right)$

$n\left(\mathrm{TM}\right)=\sqrt{((t/n^2)+(1-t))}---\left(2\right)$

其中，t是前述占空因数。

图8是表示对于不同的偏振方向折射率相对于占空因数的曲线。所示的折射率值是利用Ta₂O₅的波长1550nm的折射率n＝2.086来计算的。

图4中所示的次波长凹凸结构400和401的占空因数t如下：

t1＝l1/q1    (3)

t2＝l2/q2    (4)

其中t1是次波长凹凸结构2400的占空因数，t2是次波长凹凸结构401的占空因数。

从而，在TE和TM方向上次波长凹凸结构400和401的有效折射率如下：

$n(\mathrm{TE},101)=\sqrt{((t1\·n^2)+(1-t1))}---\left(7\right)$

$n(\mathrm{TM},101)=\sqrt{(\left(t1{/n}^2\right)+(1-t1))}---\left(8\right)$

$n(\mathrm{TE},102)=\sqrt{(\left(t2{\·n}^2\right)+(1-t2))}---\left(9\right)$

$n(\mathrm{TM},102)=\sqrt{(\left(t2{/n}^2\right)+(1-t2))}---\left(10\right)$

其中，n(TE，101)是次波长凹凸结构400在TE方向上的有效折射率；n(TM，101)是次波长凹凸结构400在TM方向上的有效折射率；n(TE，102)是次波长凹凸结构401在TE方向上的有效折射率；而n(TM，102)是次波长凹凸结构401在TM方向上的有效折射率。

相位差如下计算：

ψ(P偏振)＝|(2π/1570nm)(n(TM，101)·d1-n(TE，102)·d2)|    (11)

ψ(S偏振)＝|(2π/1570nm)(n(TE，101)·d1-n(TM，102)·d2)|    (12)

其中，ψ(P偏振)是当P偏振方向光入射时，次波长凹凸结构400和401之间的相位差，而ψ(S偏振)是当S偏振方向光入射时，次波长凹凸结构400和401之间的相位差；且d1和d2分别是次波长凹凸结构400和401的沟槽深度。从而，相位差ψ(P偏振)和ψ(S偏振)可以通过适当选择占空因数t1和t2以及沟槽深度d1和d2来调整。

根据本发明的实施方式，次波长凹凸结构400和401的占空因数t1和t2以及沟槽深度d1和d2确定成使得次波长凹凸结构400和401相对于具有特定偏振方向的入射光(如S偏振光)具有相同的有效折射率，并且相对于具有与特定偏振方向垂直的偏振方向的入射光(如P偏振光)具有相位差π。

(衍射结构的特定值和衍射效率特性)

偏振滤光器1的周期P可以大于所使用的波长。衍射光栅的占空比(duty ratio)(L/P)可以是0.5。次波长凹凸结构400和401的周期q1和q2可以充分小于使用的波长。优选的是，周期q1和q2可以等于或小于光源波长的一半。例如，当光源波长是1570nm时，周期q1和q2可以小于785nm。

偏振滤光器1包括栅格形衍射表面，该衍射表面被构造成衍射P偏振分量并且允许S偏振分量通过，而不衍射它。为了通过死区透射来穿过S偏振分量，相位差需要为0或者2nπ(n＝整数)。特定值借助于示例表示如下：

当n＝2.086，t1＝0.35且t2＝0.70时，

n(TE，101)＝1.474

n(TM，101)＝1.170

n(TE，102)＝1.829

n(TM，102)＝1.473

当次波长凹凸结构400和401具有相同的沟槽深度d时：

ψ(P偏振)＝(2πd/1550nm)(1.829-1.170)

ψ(S偏振)≈0

图9是表示在波长1550nm的光入射在偏振滤光器1上的情况下，在前述条件下偏振滤光器1的衍射效率相对于沟槽深度的曲线。在图9中，A表示在S偏振方向上的0阶效率，B表示在P偏振方向上的1阶效率；而C表示在P偏振方向上的0阶效率。垂直轴表示衍射效率，而水平轴表示次波长凹凸结构的沟槽深度。对于S偏振分量，发生死区透射，使得0阶光是1.0，并且不产生±1阶衍射光。另一方面，由于P偏振分量被衍射，沟槽深度被选择成使得0阶光分量最小。

例如，如图9中线X所示，沟槽深度d＝1.255μm是理想的。当次波长凹凸结构400和401具有相同的沟槽深度d＝1.255μm时，当P偏振光入射时的次波长凹凸结构400和401之间的相位差如下：

ψ(P偏振)＝(2π×1.255μm/1550nm)(1.829-1.170)

＝(1.619π)(0.659)≈π

从而，P偏振分量被有效衍射。

从而，根据本实施方式，由于偏振滤光器可以仅通过利用衍射的表面结构来实现，具有光学滤光器的光学隔离器可以低成本大规模生产，同时保持与传统光学隔离器相当的光学特性。具体地说，偏振滤光器可以不利用传统的双折射单晶棱镜或者包含金属颗粒的玻璃(如在专利文件1中所讨论的)来实现。此外，根据本实施方式的偏振滤光器不需要如在专利文件2中所讨论的在光子晶体系统中具有高折射率介质和低折射率介质的多层膜。从而，可以更低成本制造偏振滤光器。

此外，由于偏振-衍射功能可以单独利用其中叠置次波长凹凸结构的衍射结构来获得，偏振滤光器的材料可以按需要选择。例如，衍射结构可以形成在具有高透射率的衬底材料上，或者衍射结构可以形成在涂覆有单独材料的衬底的表面上，这取决于所使用的波长。可替代的是，衍射结构可以直接形成在法拉第旋转器的表面上，如在实施方式2的光学隔离器中的情况。此外，由于根据本发明实施方式的偏振滤光器的制造方法不需要大面积的光学抛光，因此，可以低成本制造偏振滤光器，而不会不利地影响其光学特性。

由于在根据本实施方式的偏振滤光器中，不期望方向上的光被衍射，可以消除将光学隔离器设置以一定角度设置的需求，使得可以实现光基本垂直入射到光学隔离器上的布局。图10至12是表示偏振滤光器1的衍射效率(图10)、消光比(图11)和透射损失(图12)相对于入射角的曲线，它们是利用前述示例值来计算的。在图10中，A表示S偏振光的0阶透射；B表示P偏振光的1阶衍射；C表示P偏振光的0阶透射；而D表示S偏振光的1阶衍射。

根据本实施方式，偏振滤光器在入射角±10度的范围内具有平坦特性。例如，可以采用45°入射布局，在这种情况下，次波长结构可以相应地设计。从而，本实施方式的偏振滤光器可以在入射角θ±10°范围内使用。

图13至15是表示偏振滤光器的衍射效率(图13)、消光比(图14)和透射损失(图15)相对于波长的曲线，它是利用前述示例值来计算的。在图13中，A表示S偏振光的0阶透射；B表示P偏振光的1阶衍射；C表示P偏振光的1阶透射；而D表示S偏振光的1阶衍射。如从这些曲线可以看出的，偏振滤光器1在偏振滤光器1所使用的波长1480nm到波长1640nm的范围内具有平坦特性。该范围与传统示例相比充分宽。例如，虽然在专利文件2中没有描述，在包括光子晶体元件的偏振器的情况下，如在Photonic Lattice公司的网站(http://www.photonic-lattice.com/jp/PhC04.html)中描述的，在波长范围1020nm到1080nm外侧的波长处观察到特性退化，如图16所示。

实施方式5

接着，描述制造实施方式1至4的偏振滤光器1的方法，偏振滤光器2可以通过相同的方法来制造。

(利用石英作为基础材料制造模具的方法)

图17A至17D示出利用石英作为基础材料制造模具的方法。首先，参照图17A，准备石英材料的衬底100，并然后衬底100的表面被涂覆有抗蚀剂101到预定厚度并然后预烘烤。然后，根据偏振滤光器1所需的规格，具有预定节距和线宽的图案利用电子束在抗蚀剂101上绘制。绘制步骤可以包括使用预定软件程序。

参照图17B，抗蚀剂101被显影并然后清洗，从而在衬底100上形成用于次波长凹凸结构103的沟槽。如图17B中所示，石英材料衬底100被暴露于沟槽的底部。

参照图17C，石英材料衬底100利用次波长凹凸结构103的抗蚀剂图案作为掩膜被干蚀刻。蚀刻可以包括例如，利用CF4(四氟化碳)或CF3(三氟化碳)气体，RIE(反应离子蚀刻)、NLD(中性环路放电)或TCP(变压器耦合等离子体)。衬底100被偏压，使得蚀刻在垂直于衬底100的平面的方向上进行。

参照图17D，抗蚀剂101被去除。抗蚀剂101的去除可以通过包括将氧气引入到干蚀刻设备中的方法来执行，其中抗蚀剂101在氧气等离子体中去除；或者可以通过包括将衬底100从设备中取出并且利用CAROS(硫酸和过氧化氢溶液的混合物)清洗衬底100的方法来执行。所形成的衬底100具有节距P、台地宽度(land)a、空间宽度b和深度d，其被用作石英模具。

(利用硅作为基础材料制造模具的方法)

参照图18A至18D描述制造模具的另一种方法，其中硅用作基础材料。

参照图18A，准备硅衬底110，并且硅衬底110的表面被涂覆抗蚀剂111到预定厚度并且预烘烤。然后，根据偏振滤光器1的规格，在衬底110上利用电子束112绘制具有预定节距和线宽的图案。绘制操作可以利用软件程序来执行。

参照图18B，抗蚀剂111被显影并且被清洗，由此，在衬底110上形成用于次波长凹凸结构113的沟槽，衬底暴露在沟槽的底部。

参照图18C，利用次波长凹凸结构113的抗蚀剂图案作为掩膜，硅衬底110经历碱性湿蚀刻(利用KOH溶液)。优选的是，硅衬底110在深度方向上被蚀刻，形成在{111}平面内的壁，同时，保持抗蚀剂图案的节距。通过包括Bosch过程的干蚀刻也可以形成类似的结构。

参照图18D，抗蚀剂111被去除。所形成的衬底110具有节距P、台地宽度a、空间宽度b，且深度d，用作硅模具。

石英模具或者硅模具简称为模具。

(用于制造偏振滤光器的工艺1)

参照图19A至19G描述通过在玻璃衬底300上形成Ta₂O₅膜来制造偏振滤光器1的工艺1。Ta₂O₅膜(钽(V)氧化物膜)通过在如下条件下溅射形成在玻璃衬底300上：

1.衬底温度：70℃到100℃

2.膜形成压力：5到8×10^-4Torr

3.膜形成速率：0.7到

4.RF功率：300W到500W

参照图19B，Ta₂O₅膜330涂覆有UV可固化树脂320，并然后用模具310从上面压。模具310可以包括前述硅模具或石英模具。对于形成精细结构的纳米印刻过程(imprint process)，石英模具因为它的光透射特性是优选的。UV可固化树脂320可以包括Grandic RC8790树脂(Dai-NipponInk)。

参照图19C，模具310用UV(紫外线)光从上面照射，由此，固化UV可固化树脂320。当模具310是硅衬底时，UV照射可以在玻璃衬底300的一侧上进行。

参照图19D，模具310被脱开，露出UV可固化树脂320上形成的凸精细结构。

参照图19E，树脂被干蚀刻，直到Ta₂O₅膜330露出为止。优选的是，干蚀刻是在如下的条件下进行的：

1.气体种类：氧气(O₂)

2.气体流入：20sccm

3.压力：0.4Pa

4.树脂蚀刻速率：30nm/s

5.上偏压功率：1KW

6.下偏压功率：60W

此后，如图19F所示，执行干蚀刻，直到获得Ta₂O₅膜330的理想深度为止。优选的是，干蚀刻是在如下条件下进行的：

1.气体种类：CHF₃(三氟甲烷)、Ar(氩)

2.气体流入：Ar：5sccm

CHF₃：20sccm

3压力：03Pa

4.Ta₂O₅蚀刻速率：8nm/s

5.上偏压功率：1KW

6.下偏压功率：400W

最后，保留在顶部的树脂掩膜350通过在氧气(等离子体)气氛中的干蚀刻而去除，由此，获得图19G所示的偏振滤光器1，其中，在玻璃衬底300上的钽(V)氧化物(Ta₂O₅)330提供偏振滤光器功能。

(用于制造偏振滤光器的工艺2)

参照图20A至20I描述用于利用硅膜和模具在玻璃衬底上制造偏振滤光器1的工艺2。

参照图20A，硅膜(Si膜)360形成在玻璃衬底300上。优选的是，Si膜360可以通过在如下条件下溅射而形成：

1.衬底温度：70℃到100℃

2.膜形成压力：7至8×10^-4Torr

3.膜形成速率：0.5至

4.RF功率：100至200W

参照图20B，Si膜360涂覆有UV可固化树脂320，并然后用模具310加压。模具310可以包括前述硅模具或石英模具。优选的是，在用于形成精细结构的纳米印刻操作的情况下，石英由于其透光特性而更优选。UV可固化树脂可以包括Grandic RC8790树脂(Dai-Nippon Ink)。

参照图20C，模具310用UV(紫外线)光从上面照射，以固化树脂320。当模具310是硅模具时，UV照射可以从玻璃衬底300一侧执行。

参照图20D，模具310被脱离，由此获得形成在UV可固化树脂320中的凸精细结构。

参照图20E，树脂通过干蚀刻去除，直到露出Si膜360为止。干蚀刻可以在如下条件下进行：

1.气体种类：氧气(O₂)

2.气体流入：20sccm

3.压力：0.4Pa

4.树脂蚀刻速率：30nm/s

5.上偏压功率：1KW

6.下偏压功率：60W

此后，树脂和Si膜360被干蚀刻，直到玻璃衬底300露出为止，如图20F所示。干蚀刻可以在如下条件下进行：

1.气体种类：SF₆(六氟化硫)、CHF₃

2.气体流入：SF₆：20sccm

CHF₃：5sccm

3.压力：0.3Pa

4.树脂蚀刻速率：5nm/s

5.硅蚀刻速率：30nm/s

6.上偏压功率：1KW

7.下偏压功率：50W

此后，进行干蚀刻，直到获得玻璃沟槽的理想深度为止，如图20G所示。干蚀刻可以在如下的条件下进行：

1.气体种类：CHF₃、Ar

2.气体流入：Ar：5sccm

CHF₃：20sccm

3.压力：0.3Pa

4.Si蚀刻速率：4nm/s

5.玻璃蚀刻速率：12nm/s

6.上偏压功率：1KW

7.下偏压功率：400W

此后，如图20H所示，在顶部剩余的Si膜370被去除。剩余的Si膜370的去除可以包括利用碱(KOH)溶液的湿式去除过程。

如图20I所示，完成了偏振滤光器1，在偏振滤光器1的一侧上提供了偏振滤光器功能。

(用于制造偏振滤光器的工艺3)

参照图21A至21G，描述在不使用模具情况下制造偏振滤光器的过程。

参照图21A，硅膜(Si膜)360形成在玻璃衬底300上。Si膜360的形成可以包括在如下条件下的溅射：

1.衬底温度：70℃到100℃

2.膜形成压力：7至8×10^-4Torr

3.膜形成速率：0.5至

4.RF功率：100至200W

参照图20B，Si膜360被涂覆抗蚀剂370。

然后，利用高精度精细宽度曝光设备，如i-line stepper曝光抗蚀剂370。在曝光之后，抗蚀剂370被显影以局部去除抗蚀剂370，由此暴露Si膜360，如图21C所示。剩余的抗蚀剂用作掩膜图案，用于后面的蚀刻。

参照图21D，Si膜360被干蚀刻，直到露出玻璃衬底300。干蚀刻可以在如下的条件下进行：

1.气体种类：SF₆、CHF₃

2.气体流入：SF₆：20sccm

CHF₃：5sccm

3.压力：0.4Pa

4.硅蚀刻速率：30nm/s

5.上偏压功率：1KW

6.下偏压功率：50W

此后，如图21E所示，进行干蚀刻，直到在玻璃衬底300中获得沟槽的理想深度。干蚀刻可以在如下条件下进行：

1.气体种类：CHF₃、Ar

2.气体流入：Ar：5sccm

CHF₃：20sccm

3.压力：0.3Pa

4.玻璃蚀刻速率：12nm/s

5.上偏压功率：1KW

6.下偏压功率：400W

然后，如图21F所示，剩余在顶部的Si膜370被去除。Si膜370的去除可以包括利用碱(KOH)溶液的湿式处理。从而，如图21G所示，完成偏振滤光器1，其中玻璃衬底的一侧上提供偏振滤光器的功能。

由此，根据工艺1至3，可以制造在其一侧上具有格栅形状(衍射结构)的偏振滤光器。但是，类似的方法可以用于制造在偏振滤光器两侧上具有格栅结构(衍射结构)的偏振滤光器，如图5所示。

此外，与上述相类似的方法也可以用于在根据实施方式2的光学隔离器11的法拉第旋转器3的两侧上直接形成栅格形状(衍射结构)，如图6所示。

从而，根据本发明的实施方式，提供了适用于光学隔离器的光学元件，该光学隔离器被构造成允许在向前方向的光通过，但是阻挡在向后方向的光。这种光学隔离器例如可以用于光通信装置、光学信息处理设备、光盘设备的光学拾取器或者投影仪光学设备。

虽然已经参照特定实施方式详细描述了本发明，但是在本发明的精髓和范围内存在各种变型和改进，如所附权利要求中描述和限定的。

本申请基于2009年4月30日提交的日本优先权申请2009-110415，该优先权申请的全部内容通过引用结合于此。

Claims (6)

1.一种光学元件，该光学元件被构造成主要通过0阶透射来透射具有特定偏振方向的入射光，并且被构造成衍射具有垂直于所述特定偏振方向的偏振方向的入射光，

所述光学元件包括：

周期性结构，该周期性结构的周期等于或大于入射光的波长，其中，周期性结构包括第一和第二次波长凹凸结构，该第一和第二次波长凹凸结构彼此相邻地垂直形成在周期性结构的每个周期中，第一和第二次波长凹凸结构的周期小于所述入射光的波长，

其中，所述第一和第二次波长凹凸结构的占空因数和沟槽深度被确定成使得第一和第二次波长凹凸结构相对于具有特定偏振方向的入射光具有相同的有效折射率，并且相对于具有垂直于所述特定偏振方向的偏振方向的入射光具有相位差π。

2.一种偏振滤光器，包括如权利要求1所述的光学元件。

3.一种光学隔离器，包括设置在第一偏振滤光器和第二偏振滤光器之间的偏振方向旋转器，

所述第一和第二偏振滤光器被构造成主要通过0阶透射来透射具有特定偏振方向的入射光，并且被构造成衍射具有垂直于所述特定偏振方向的偏振方向的入射光，

其中，所述第一和第二偏振滤光器包括周期性结构，该周期性结构的周期等于或大于入射光的波长；

其中，周期性结构包括第一和第二次波长凹凸结构，该第一和第二次波长凹凸结构彼此相邻地垂直形成在周期性结构的每个周期中；

第一和第二次波长凹凸结构的周期小于所述入射光的波长；

其中，所述第一和第二次波长凹凸结构的占空因数和沟槽深度被确定成使得第一和第二次波长凹凸结构相对于具有特定偏振方向的入射光具有相同的有效折射率，并且相对于具有垂直于所述特定偏振方向的偏振方向的入射光具有相位差π。

4.一种光学隔离器，包括：

偏振方向旋转器；以及

形成在该偏振方向旋转器的至少一侧上的偏振滤光器，该偏振滤光器被构造成主要通过0阶透射来透射具有特定偏振方向的入射光，并且被构造成衍射具有垂直于所述特定偏振方向的偏振方向的入射光，

其中，所述偏振滤光器包括周期性结构，该周期性结构的周期等于或大于入射光的波长；

其中，周期性结构包括第一和第二次波长凹凸结构，该第一和第二次波长凹凸结构彼此相邻地垂直形成在周期性结构的每个周期中，第一和第二次波长凹凸结构的周期小于所述入射光的波长；

其中，所述第一和第二次波长凹凸结构的占空因数和沟槽深度被确定成使得第一和第二次波长凹凸结构相对于具有特定偏振方向的入射光具有相同的有效折射率，并且相对于具有垂直于所述特定偏振方向的偏振方向的入射光具有相位差π。

5.一种光学设备，包括如权利要求3所述的光学隔离器。

6.一种光学设备，包括如权利要求4所述的光学隔离器。

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