JP2000162434A

JP2000162434A - 偏光子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000162434A
Application number: JP33722198A
Authority: JP
Inventors: Mineo Isokami; 峯男磯上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2000-06-16

Abstract

(57)【要約】【課題】金属粒子を分散させることなしに、均質性に
優れ、しかも安定した性能を有する偏光子及びその製造
方法を提供すること。【解決手段】透明基体２中に光吸収異方性を有する多
数の棒状金属体３が二次元規則配列を成す偏光子１と
し、棒状金属体３の短軸長さが５〜５０ｎｍ、長軸長さ
が５００〜５００００ｎｍであり、且つ互いに隣接する
棒状金属体３の間隔が５０〜２００ｎｍであることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信機器，光記
録機器，光センサー等に使用される偏光子に関するもの
であり、特に光通信用機器に用いられる光アイソレータ
に好適に使用される偏光子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の偏光子は、例えばある種の溶液を
セル内に入れたもの、プラスチックに着色剤を入れたも
ののごとく着色イオンを利用した素子、基板上に誘電体
薄膜を多数積層し、多層薄膜の干渉を利用した素子、複
屈折の大きな結晶で構成されたグラントムソンプリズム
に代表される偏光プリズム、ブリュースター条件を利用
して偏光成分を分離するＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ
ー）、あるいは高分子材料を一定方向に配向させ一方向
の偏光成分を吸収する偏光フィルムが主流であった。

【０００３】ところが、上記着色イオンを利用した偏光
子は波長依存性が大きく、波長毎に最適な波長特性を有
するものを選択しなければならなかった。また、屈折率
の大きな結晶で構成された偏光子は、波長依存性は小さ
いが、加工が困難で素子寸法に制限があり、小型化し難
いなど、これまで小型で波長特性に優れたものはなかっ
た。

【０００４】上述した偏光子に対して、最近、光通信用
デバイスとして偏光ガラスが使用されている。この偏光
ガラスは、例えば、透明なガラスを透明固体媒体とし、
この媒体中に楕円状の銀粒子を一定方向に揃えて分散さ
せ異方性を持たせた構造になっている（特公平２−４０
６１９号公報等を参照）。

【０００５】この偏光ガラスの製造方法は、まず銀及び
塩化物、臭化物及びヨウ化物よりなる群から選択された
少なくとも一つのハロゲン化物よりなるガラス用バッチ
を溶融し、必要とされる形状のガラス素地に成型する。
次に、前記ガラス素地を定められた状件にて熱処理を行
い、ガラス中にハロゲン化銀粒子を析出させる。さら
に、前記ガラス素地を定められた温度範囲において張力
を加えて延伸し、前記ハロゲン化銀粒子を伸長させ、張
力方向へ整列させる。最後に、上記伸長されたガラス素
地を定められた温度範囲において還元雰囲気中に暴露
し、ハロゲン化銀の一部を金属銀粒子に還元することに
よって偏光子を得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の製造方法は、前者はハロゲン化銀から金属銀を析出す
るために、還元雰囲気中にて熱処理を行っている。これ
により、ガラス素地内に析出する金属銀の量を制御する
ことは困難であり、安定した光学特性を得ることが出来
なかった。そのため、このガラス素地を加熱延伸して
も、安定して且つ再現性良く偏光特性を得ることが困難
になる。

【０００７】また、ガラス素地内の厚さ方向に温度分布
が存在することにより、中心部に金属銀に還元されなか
ったハロゲン化銀が残留し、これが透過率に悪影響を及
ぼすという問題もあった。

【０００８】さらに、ハロゲン化銀粒子は金属銀に還元
される際、１／３程の体積収縮を伴うため、還元が行わ
れているガラス素地の表面部分はポーラスとなり、長期
信頼性においても問題があった。

【０００９】そこで、ガラス等の誘電体基板上に真空蒸
着等の薄膜製造プロセスを利用して不連続な島状粒子層
と、ガラス等の誘電体層を交互に形成し、加熱延伸によ
って異方性を持たせるようにしたものが提案されている
（１９９０年電子情報通信学会秋季全国大会予稿集Ｃ−
２１２等を参照）。この偏光子は、上記島状の金属粒子
層における各島が金属粒子の役割を果たし、金属粒子を
分散させたものと同じ構造になる。

【００１０】しかしながら、この方法では積層中に金属
粒子が誘電体層中へ拡散してしまい、安定した偏光特性
を得ることが難しく、特に、所望の波長において、十分
な消光比を得ることが難しかった。以上のように、これ
までの金属粒子分散によるガラス偏光子はガラス中への
金属粒子の分散の不均質、分散金属粒子の力学的な伸長
の不均質、金属粒子のガラス中への拡散と固溶による局
所的な不均質など均質性に問題があり、また積層タイプ
では工程が多くなり、歩留りにも問題があった。

【００１１】そこで、本発明は金属粒子を分散させるこ
となしに、均質性に優れ、しかも安定した優れた性能を
有する偏光子及びその製造方法を提供することを目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明の偏光子は、透明基体中に光吸収異方性を有
する多数の棒状金属体が二次元規則配列を成しており、
ほぼ等間隔で配列している。ここで、二次元規則配列と
は棒状金属体を横切るようにして切った切断面におい
て、棒状金属体が規則配列した様子を示すものであり、
ばらつきが２％以内の等間隔で棒状金属体が並んでいる
ものとする。また、棒状金属体の短軸長さが５〜５０ｎ
ｍ、長軸長さが５００〜５００００ｎｍであり、且つ互
いに隣接する棒状金属体の間隔が５０〜２００ｎｍであ
ることを特徴とする。上記棒状金属体の数値範囲は、消
光比を４０ｄＢ以上得ることができ、かつ光の散乱が生
じにくい好適範囲である。

【００１３】なお、棒状金属体は単に柱状であればよ
く、端部において先細状になっていてもよい。

【００１４】また、本発明の偏光子の製造方法は、透明
基体中に光吸収異方性を有する多数の棒状金属体を配列
させて成る偏光子の製造方法であって、多数の細孔が
（二次元）規則配列を成すポーラス体を形成する工程
と、前記細孔に金属を装填し棒状金属体を形成する工程
と、前記ポーラス体の一部を除去し棒状金属体を露出す
る工程と、前記棒状金属体を透明基体で包囲する工程と
を含むことを特徴とする。

【００１５】ここで、透明基体としては、各種無機材料
及び有機材料が使用可能である。また、光吸収異方性を
有する棒状金属体は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｆｅ，
Ｓｎ，Ａｇ等の金属元素から１種以上が適宜選択され、
そのアスペクト比は特に１０以上であって、幾何学的な
規則正しい二次元配列を成すものとする。

【００１６】これらの構成により、当該基板は偏光子と
して機能し、良好な偏光特性を得ることが可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基づき詳細に説明する。

【００１８】図１に示すように、偏光子１は、ガラス，
結晶，プラスチックのうち一種以上から成る板状の透明
基体２に偏光部を設けたものである。この偏光部は基板
２の基体中に５〜２００ｎｍの等間隔をおいて多数形成
された、その直径が５〜５０ｎｍ深さ５００〜５０００
０ｎｍの細孔２ｃに、充填された棒状金属体３から構成
される。また、棒状金属体３の長軸方向は透明基体２の
両主面２ａ、２ｂに向いている。

【００１９】ここで、上記透明基体２の透明とは偏光子
１の使用波長の光に対して透明という意味であり、透明
基体２には、シリカガラス、ＳｒＯ−ＳｉＯ₂系ガラ
ス、ＴｉＯ₂−Ｂｉ₂Ｏ₃系ガラス、Ｔａ₂Ｏ₅等の薄
膜誘電体、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）やポ
リカーボネート（ＰＣ）等から１種以上が適宜選定され
る。また、光吸収異方性を有する棒状金属体３は、Ｃ
ｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｓｎ，Ａｇ等の金属元素
から１種以上が適宜選択される。

【００２０】このように構成された偏光子１は、基板２
の側面側から入射された光Ｌ１が、棒状金属体５の長軸
方向で光が吸収されるため、この長軸方向成分が除去さ
れた偏光光Ｌ２となって出射される。このような偏光特
性を有する偏光子１は、特に光アイソレータとして好適
に使用可能である。

【００２１】以下、この偏光子１の製造方法の一例を、
図２（ａ）〜（ｆ）に基づき説明する。

【００２２】まず、図２（ａ）に示すように、例えばア
ルミニウムの基体１３の陽極酸化によりポーラス状の酸
化皮膜（ポーラス体）１１を形成する。このように形成
した皮膜（陽極酸化ポーラスアルミナ）１１は、その膜
面にほぼ垂直に細孔１１ａが二次元規則配列したハニカ
ム構造をとる。このハニカム構造における孔の間隔、大
きさ、深さは陽極酸化の条件、例えば電解液の種類、濃
度、温度、印加電圧などのパラメータを適当に調節する
ことで制御可能である。なお、１２は緻密なアルミナか
ら成るバリア層である。

【００２３】次に、金属シリンンダ３の充填サイズに応
じて、図２（ｂ）に示すようなポアーワイドニングを行
う。すなわち、図２（ａ）の細孔１１ａを適当な酸溶液
中に浸漬することによりその内径を広げ１１ｂとする。

【００２４】次いで、ポアーワイドニングを施したポー
ラスアルミナの細孔１１ｂ内に金属を充填する。これに
より、図２（ｃ）に示すような細孔１１ｂを鋳型とする
棒状金属体３の二次元規則配列が形成される。ここで、
金属の充填は電気めっき法や薄膜形成法等が利用できる
が、確実に金属を充填するためには電気めっき法が好適
である。

【００２５】次に、アルミナ皮膜１１の一部をエッチン
グにより除去し、図２（ｄ）に示すような適当なアスペ
クト比になる長さに棒状金属体３のテクスチャリングを
行う。このテクスチャリング後、図２（ｅ）に示すよう
に透明基体材料のオーバーコートを行い、棒状金属体３
を透明基体２で包囲する。このようなオーバーコートは
薄膜形成法を主に使用するが、ゾル−ゲル法等の比較的
低温なプロセスを行うとよい。

【００２６】最後に、不要部分の除去と表面処理加工を
行なうことで、図２（ｆ）に示すような所望の偏光子１
を得ることができる。

【００２７】なお、アルミニウムを陽極酸化する例につ
いて説明したが、これに限定されるものではなく、例え
ばチタン、タンタル、ニオブ等の陽極酸化が好適に行え
る材料を用いてもよい。

【００２８】また、透明基体中への棒状金属体の二次元
規則配列は、特に陽極酸化法によるハニカム構造の形
成、次に細孔中への金属微粒子の充填そしてエッチング
による酸化皮膜の除去、最後に透明基体材料のオーバー
コートと後処理工程により形成するのが、棒状金属体の
配列を精度良く形成する上で好適であるが、陽極酸化法
以外にＬＩＧＡ（Lithographic Galvanoformung Abform
ung ）などのリソグラフィ技術を用いて二次元配列を成
す細孔を形成してもよい。

【００２９】また、金属微粒子の充填は電解めっき法が
好適であるが、スパッタ法や蒸着法等の各種薄膜形成法
でもよい。また、透明基体材料のオーバーコートは各種
薄膜形成法、例えばゾルゲル法やスパッター法、ＭＯＣ
ＶＤ法等を用いる。また、後処理は表面処理とそれに引
き続く熱処理や加圧処理等を適宜用いてもよい。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００３１】〔例１〕３０ｍｍ角で厚み１．０ｍｍの板
状の金属アルミニウム（９９．９９％）を用意し、アセ
トンで脱脂後、３Ｎの水酸化ナトリウム溶液中で電解研
磨（温度１５℃、電流密度４０Ａ／ｄｍ²、電圧３Ｖ、
時間３０秒、添加剤として酒石酸少量）を施し、ミラー
表面を形成した。

【００３２】アルミニウムの陽極酸化は１．０２ｍｏｌ
／ｌの硫酸溶液を用い、温度２０℃、電圧１７Ｖ、処理
時間１０時間の条件で行った。この結果、細孔径が約６
ｎｍ、細孔間の間隔が約１００ｎｍで、上から観察する
と規則正しく蜂の巣状に配列したポーラス皮膜が生成さ
れていた。

【００３３】次に、硫酸銅を主体とする電気めっき（硫
酸銅２００ｇ／ｌ、硫酸５０ｇ／ｌ、温度２０℃、陽極
−含リン銅、陰極電流密度５Ａ／ｄｍ²、陽極電流密度
２Ａ／ｄｍ²、空気かくはん）を行った。その結果、細
孔は金属Ｃｕの析出により、完全に充填され、棒状金属
体が形成された。

【００３４】その後、アルマイト部分をりん酸クロム酸
混液でエッチングして、深さ３００００ｎｍのテクスチ
ャリングを施した。このようにして得られたサンプルを
ゾル−ゲル法を用いて、テクスチャリング部をオーバー
コートした。

【００３５】ここで、その詳細を説明する。まず、ＴＥ
ＯＳ（エチルシリケート）を塩酸で加水分解してゾルと
した。このゾルにコロイダルシリカを混合した。続い
て、アンモニア水を添加し、混合ゾルのｐＨを４〜５に
調整したところで、当該サンプルを浸漬しゲル化させ
た。このようにして得られたウエットゲルを２〜３日間
熟成した後、６０℃で７日間乾燥しドライゾルとした。

【００３６】最後に、ドライゾルを８００〜１０００℃
で真空熱処理を行うことでガラス化を行った。その結
果、テクスチャリング部分は完全に透明ガラスでコート
されていた。

【００３７】このようにして得られたサンプル基板から
不要部分を削除し、成形加工を行い３×３ｍｍサイズの
偏光子を製作し、その偏光特性を測定したところ、消光
比５０ｄＢ、挿入損失０．０４ｄＢと優れた特性値を示
した。

【００３８】〔例２〕例１と同様な陽極酸化方法で、平
均約１００nmの間隔で、径約６nmの孔を有するポーラス
アルミナを形成した。このポーラスアルミナを硫酸水溶
液中に浸漬し、ポアーワイドニングを行い、孔径を１２
ｎｍまで拡大した。

【００３９】次に、拡大した孔中へ、例１と同様な電気
めっき法によりＮｉを析出させ、棒状金属体の形成を行
った。テクスチャリングは約５０μｍ行った後、例１と
同様なガラスコートを施した。

【００４０】このようにして作製した３×３ｍｍの偏光
子の特性は、消光比５１ｄＢ、挿入損失０．０５ｄＢと
優れた特性を示した。

【００４１】〔例３〕陽極酸化用の電解液として濃度
０．７５ｍｏｌ／ｌのシュウ酸を用い、温度２０℃，電
圧５０Ｖ，電流密度３００Ａ／ｍ²、処理時間１５時間
の条件で陽極酸化を行った。この結果、細孔径が約３０
ｎｍ、細孔間の間隔が約１２０ｎｍで、最も規則正しい
２次元配列構造を有するポーラス皮膜が形成された。

【００４２】次に、孔中へ例１と同様の電気めっき法を
用いてＣｏを析出させ、棒状金属体を形成した。テクス
チャリングは１００００ｎｍ程度行った後、例１と同様
なガラスコートを施した。

【００４３】このようにして作製した同サイズの偏光子
の偏光特性は、消光比５５ｄＢ、挿入損失０．０３ｄＢ
と優れた特性を有していた。

【００４４】〔例４〕陽極酸化用の電解液として濃度
０．４８ｍｏｌ／ｌのリン酸を用い、温度２０℃，電圧
１２０Ｖ，処理時間１時間の条件で陽極酸化を行った。
この結果、細孔径が４０ｎｍ程度、細孔間隔が約１８０
ｎｍの蜂の巣状規則配列したポーラス皮膜が形成され
た。

【００４５】次に、孔中に例１と同様な電気めっき法を
用いてＭｎを析出させ、棒状金属体を形成した。テクス
チャリングは約８００ｎｍ程度行った後、ＴＭＯＳ（シ
リコンテトラメトキシド）のメタノール溶液に、硝酸ス
トロンチウムの水溶液を添加して調製した５ＳｒＯ・９
５ＳｉＯ₂（ｗｔ％）組成の溶液中に、当該サンプルを
浸漬しゲル化した。その後、約６０℃で約１週間程度乾
燥した後、約４５０℃までは酸素中で、４５０〜９００
℃まではＨｅ中で熱処理を行うことでガラスコートを施
した。

【００４６】このようにして作製した同サイズの偏光子
の偏光特性は、消光比５３ｄＢ、挿入損失０．０６ｄＢ
と優れた特性を有していた。

【００４７】〔例５〕陽極酸化条件を例４と同様とし、
孔の拡大をシュウ酸水溶液中行い、孔径を約５０ｎｍと
した。次に、孔中に例１と同様な電気めっき法を用いて
Ｆｅを析出させ、棒状金属体を形成した。テクスチャリ
ングは約５００ｎｍ程度行い、ガラスコートはチタニウ
ムテトライソプロポキシドのプロパノール溶液にアセチ
ルアセトンを加えたものに硝酸ビスマスの酢酸溶液を混
合して得たＴｉＯ₂−Ｂｉ₂Ｏ₃系ゾルを用いて、デッ
プ・コーティング法により行った。デッピングは１５回
繰り返して、熱処理は５００〜８００℃で行い、厚み約
１μｍのガラスコートを施した。

【００４８】このようにして作製した同サイズの偏光子
の偏光特性は、消光比５０ｄＢ、挿入損失０．０８ｄＢ
と優れた特性を有していた。

【００４９】〔例６〕例３と同様な陽極酸化条件でポー
ラス皮膜を生成し、ついで孔中へＳｎを例１と同様な電
気めっき法を用いて析出させ、棒状金属体を形成した。
テクスチャリン⁰¹は２００００ｎｍ程度行い、トルエン
中に１０ｗｔ％溶解したＰＭＭＡをデップコートした。

【００５０】このようにして作製した同サイズの偏光子
の偏光特性は、消光比４０ｄＢ、挿入損失０．１ｄＢと
実用レベルの特性を示した。

【００５１】〔例７〕例３と同様な陽極酸化条件でポー
ラス皮膜を形成し、ついで孔中へＡｇを例１と同様な電
気めっき法で析出させ、棒状金属体を形成した。テクス
チャリングは約３０００ｎｍ程度行い、これを基板とし
て平行マグネトロン型反応性ＤＣダイオードスパッター
装置を用い、ターゲットはＴａ（５０ｍｍφ、９９．９
９％）で、雰囲気Ａｒ（６．０cc/min）＋Ｏ₂（２．０
/min) 、ガス圧１．０Ｐａ，電圧４２５Ｖ，電流密度
４．６３ｍＡ／cm²，基板温度４５０℃，ターゲット−
基板間距離２５ｍｍ，成長速度１．１０μｍ／ｈの条件
で３時間スパッターを行った。

【００５２】その結果、テクスチャリング部はＴａ₂Ｏ
₅の薄膜でコートされた。このようにして作製した同サ
イズの偏光子の偏光特性を評価したところ、消光比４５
ｄＢ、挿入損失０．０９ｄＢと実用レベルの特性を示し
た。

【００５３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明による偏光
子及びその製造方法によれば、透明基体中に規則配列さ
れた棒状金属体により、従来方法では得難い、バラツキ
のほとんどない高い均質性を有する偏光子を提供するこ
とができる。

【００５４】また、従来のような延伸工程や積層工程な
ど後工程での偏光特性に大きな影響を与える工程が全く
不要となることから、安定した品質と高い歩留まりが得
られ、ひいては低コストな優れた偏光子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる偏光子の一部破断斜視図であ
る。

【図２】（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ本発明に係わる偏
光子の製造工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１：偏光子２：透明基体３：棒状金属体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基体中に光吸収異方性を有する多数
の棒状金属体がほぼ等間隔に配列されて成る偏光子であ
って、前記棒状金属体の短軸長さが５〜５０ｎｍ、長軸
長さが５００〜５００００ｎｍであり、且つ互いに隣接
する棒状金属体の間隔が５０〜２００ｎｍであることを
特徴とする偏光子。
【請求項２】透明基体中に光吸収異方性を有する多数
の棒状金属体を配列させて成る偏光子の製造方法であっ
て、多数の細孔が配列したポーラス体を形成する工程
と、前記細孔に金属を充填し棒状金属体を形成する工程
と、前記ポーラス体の一部を除去し前記棒状金属体を露
出させる工程と、前記棒状金属体を透明基体で包囲する
工程とを含むことを特徴とする偏光子の製造方法。