JP2001083321A - Polarizer and method for its production - Google Patents

Polarizer and method for its production

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JP2001083321A
JP2001083321A JP2000216152A JP2000216152A JP2001083321A JP 2001083321 A JP2001083321 A JP 2001083321A JP 2000216152 A JP2000216152 A JP 2000216152A JP 2000216152 A JP2000216152 A JP 2000216152A JP 2001083321 A JP2001083321 A JP 2001083321A
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Shojiro Kawakami
彰二郎 川上
Yasuo Odera
康夫 大寺
Takayuki Kawashima
貴之 川嶋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a polarizer comprising a two-dimensionally periodic struc ture whose period is about 1 μm or below. SOLUTION: The polarizer comprises a two-dimensionally nearly periodic structure obtained by nearly periodically and alternately laminating two or more filmlike materials each having one-dimensionally nearly periodic ruggedness. For example, the polarizer comprises materials 1 and 2 different from each other in refractive index. The two-dimensionally periodic structure whose period is about 1 μm or below is obtained by such an easy production method. The polarizer transmits incident light having a specified polarization plane and reflects the incident light having the polarization plane perpendicular to the specified plane.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光の特質である偏
光現象を利用した光学機器に用いられ、特定方向の直線
偏光のみを透過させ直交する方向の直線偏波を反射させ
る偏光子およびその作製方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polarizer used for an optical device utilizing a polarization phenomenon, which is a characteristic of light, and which transmits only linearly polarized light in a specific direction and reflects linearly polarized light in an orthogonal direction. It relates to a manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】偏光子とは、不特定の方向に電磁界が振
動する無偏光または楕円偏光を、ある特定方向の振動成
分だけを透過させて直線偏光にする素子である。最も基
本的な光素子の一つであり、光通信デバイス、光ディス
タのピックアップ、液晶ディスプレイ、光応用計測など
広く利用されている。動作形態は、(1)不要な偏波を
吸収させるもの、(2)同一の光路で入射する直交する
二つの偏波成分を別々の光路に分けるもの、の二つに大
別される。利用目的により、大きな開口面積、高性能、
薄型などの特性を実現することが望まれており、産業的
には安価に供給できることが重要である。
2. Description of the Related Art A polarizer is an element that converts unpolarized or elliptically polarized light whose electromagnetic field vibrates in an unspecified direction into linearly polarized light by transmitting only a vibration component in a certain direction. It is one of the most basic optical elements, and is widely used in optical communication devices, optical disc pickups, liquid crystal displays, optical applied measurement, and the like. The operation modes are roughly classified into two types: (1) a type that absorbs unnecessary polarized waves, and (2) a type that separates two orthogonal polarization components incident on the same optical path into separate optical paths. Large opening area, high performance,
It is desired to realize characteristics such as thinness, and it is important to be able to supply at low cost industrially.

【0003】現在、実用的に使用されている偏光子は、
(1)の動作をするものでは高分子フィルムにヨウ素な
どの二色性分子を入れたものが一般的である。これは安
価で大面積のものが得られるが、消光比が低く、温度安
定性に劣るという欠点がある。
[0003] Polarizers currently in practical use include:
In the operation of (1), a polymer film containing dichroic molecules such as iodine is generally used. This is inexpensive and has a large area, but has the disadvantage that the extinction ratio is low and the temperature stability is poor.

【0004】この問題を解決するため、安定性の高い材
料を用いた偏光子が開発されている。即ち、ガラスなど
の透明体の中に金属や半導体などの吸収体を、細線状あ
るいは薄膜状に一方向に配列したものである。細線ある
いは薄膜に平行な偏波成分は吸収あるいは反射され、そ
れに直交する偏波は透過する。この種の偏光子は消光比
が高く取れるのが特徴であるが、切断・研磨などの工程
が必要となり、製造コストの低減が困難である。また大
面積で且つ薄型にすることは困難である。
To solve this problem, a polarizer using a highly stable material has been developed. That is, absorbers such as metals and semiconductors are arranged in a thin line or thin film in one direction in a transparent body such as glass. A polarized component parallel to the thin wire or the thin film is absorbed or reflected, and a polarized beam orthogonal to the transmitted component is transmitted. This type of polarizer is characterized by having a high extinction ratio, but requires steps such as cutting and polishing, and it is difficult to reduce the manufacturing cost. Also, it is difficult to make the device large and thin.

【0005】一方、(2)に複屈折単結晶を用いたもの
は、方解石など複屈折率の大きい材料からなる三角プリ
ズムを2個貼り付けた構造をしている。代表的なものに
はグラントムソンプリズムがある。この種の偏光子は一
般に高い消光比、高い透過率が得られるが、大面積や薄
型にすることが困難であり、材料が高価であるため価格
も必然的に高くなる。
On the other hand, the structure using a birefringent single crystal in (2) has a structure in which two triangular prisms made of a material having a large birefringence such as calcite are bonded. A typical example is a Glan-Thompson prism. This type of polarizer generally has a high extinction ratio and a high transmittance, but it is difficult to reduce the area and thickness, and the price is inevitably high because the material is expensive.

【0006】透明体のブリュースター角を利用したもの
では、誘電体多層膜を用いた偏光ビームスプリッタが挙
げられる。これは量産性に富むため低価格ではあるが、
高い偏光度は得られない、小型化も困難である、使用波
長帯域が狭い、などの問題点があり、限られた用途にし
た使用されていない。
In the case of utilizing the Brewster angle of a transparent body, a polarizing beam splitter using a dielectric multilayer film can be cited. This is a low price due to its high productivity,
There are problems that a high degree of polarization cannot be obtained, miniaturization is difficult, and a wavelength band to be used is narrow.

【0007】上述の各偏光子はそれぞれ実用されている
が、一方、最近になって波長以下の周期をもつ透明体周
期構造の伝搬特性の異方性を利用した偏光子が理論的に
提案されている(浜野哲子,井筒雅之,平山秀樹,”2
次元フォトニック結晶を用いた偏光子の可能性,”第5
8回応物秋季予稿集,paper2a‐W-7,1997.,佐藤晃,竹部
雅博,”構造性複屈折による光学異方性多層膜,”Optics
Japan‘97,講演予稿集,paper3OpDO1,1997)。これらの
構造は、いずれも透明母材中に、母材と屈折率の異なる
透明体の細柱を2次元周期的に配列させたものである。
周期が例えば半波長程度という条件を満たす構造であれ
ば、柱に平行な偏波と垂直な偏波に対して、一方は内部
を伝搬させ、他方は遮断させることができ、従って偏光
子として動作させられる。しかし、実際にはこのような
構造を工業的に作製する方法は見つかっていないし、実
験例もない。
[0007] Each of the above-mentioned polarizers has been put to practical use. On the other hand, recently, a polarizer utilizing the anisotropy of the propagation characteristics of a transparent periodic structure having a period of less than the wavelength has been theoretically proposed. (Tetsuko Hamano, Masayuki Izutsu, Hideki Hirayama, "2
Possibility of Polarizer Using 3D Photonic Crystal, "
Proceedings of the 8th Autumn Meeting, paper2a-W-7, 1997., Akira Sato, Masahiro Takebe, "Optical Anisotropic Multilayer Film by Structural Birefringence," Optics
Japan'97, Proceedings of papers, paper3OpDO1,1997). In each of these structures, transparent columns having a refractive index different from that of the base material are two-dimensionally and periodically arranged in a transparent base material.
If the structure satisfies the condition that the period is, for example, about half a wavelength, for polarized light parallel to the pillar and polarized light perpendicular to the pillar, one can propagate inside and the other can be blocked, and thus operates as a polarizer. Let me do. However, in practice, no method for industrially producing such a structure has been found, and there is no experimental example.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
を解決するためのものであり、本発明の目的は、小さい
光路長で、優れた消光比と挿入損失特性を有し、大きな
開口面積も可能な、低価格の工業的に作製できる偏光子
を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a small optical path length, an excellent extinction ratio and an insertion loss characteristic, and a large aperture. An object of the present invention is to provide a low-cost, industrially-manufacturable polarizer having a large area.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の偏光子の背景と
なる技術について説明する。高屈折率媒質と低屈折率媒
質からなる人工的な周期構造において、互いに直交する
二つの偏波成分は、それぞれが独立な分散関係(周波数
と波動ベクトルとの間の関係)を持っている。この二つ
の偏波成分は、本発明に関連の深い2次元周期構造では
電界または磁界のいずれが長さの方向に平行であるかに
よってそれぞれTE波、TM波である。また一般の3次
元周期構造でも固有モードはTE的な波とTM的な波に
通常分類される。故に本発明においては便宜上TE波、
TM波と呼ぶことにする。バンドギャップ、すなわち光
が伝搬しない周波数帯域もTE波とTM波では異なる。
ある周波数帯域において、一方の偏光モードが遮断さ
れ、他方の偏光モードが伝搬波となる場合がある。即
ち、この周波数帯域においては、この周期構造体は一方
の偏光を反射または回折し、他方の偏光を透過させる偏
光子としての動作が可能である。また、消光比も周期数
の増加によって十分高いものが得られる。
Means for Solving the Problems The background art of the polarizer of the present invention will be described. In an artificial periodic structure composed of a high-refractive index medium and a low-refractive index medium, two polarization components orthogonal to each other have independent dispersion relations (relationship between frequency and wave vector). In the two-dimensional periodic structure deeply related to the present invention, these two polarization components are a TE wave and a TM wave, respectively, depending on whether an electric field or a magnetic field is parallel to the length direction. Eigenmodes are also generally classified into TE-like waves and TM-like waves in a general three-dimensional periodic structure. Therefore, in the present invention, for convenience, TE wave,
It is called a TM wave. The band gap, that is, the frequency band in which light does not propagate is also different between the TE wave and the TM wave.
In a certain frequency band, one polarization mode may be cut off and the other polarization mode may become a propagation wave. That is, in this frequency band, the periodic structure can operate as a polarizer that reflects or diffracts one polarized light and transmits the other polarized light. Also, a sufficiently high extinction ratio can be obtained by increasing the number of periods.

【0010】本発明の中心思想は、屈折率の異なる2種
類以上の透明体からなり、3次元の直交座標系 xyz
において、積層の単位となる層の形状がx軸方向に周期
構造を有し、y軸方向には一様であるか、またはx軸方
向より長い周期をもつ構造を有し、その形状を繰り返し
つつz軸方向に層状に積層されている構造、即ち、周期
的なひだ(うねり)を有する二種類以上の薄膜を多層化
した構造において面型偏光子の特性が存在することを発
見したこと、およびその構造を発明者らが開発してきた
周期構造作製方法により作製する方法を発明したことで
ある。光は面に垂直あるいは斜めに入射される。開口面
積は基板の大きさで決まり、大きくすることは極めて容
易である。また光路長は積層厚さで決るが、波長の数倍
程度(数μm)で十分であり、従来の偏光子に比べて数
桁単位で薄くすることができる。
[0010] The central idea of the present invention is a three-dimensional rectangular coordinate system xyz composed of two or more kinds of transparent materials having different refractive indices.
In the above, the shape of a layer serving as a unit of lamination has a periodic structure in the x-axis direction, and has a structure that is uniform in the y-axis direction or has a period longer than the x-axis direction, and the shape is repeated. And that the structure of a planar polarizer exists in a structure laminated in layers in the z-axis direction, that is, a structure in which two or more types of thin films having periodic folds (undulations) are multilayered. And a method of manufacturing the structure by the periodic structure manufacturing method developed by the inventors. Light is incident on the surface perpendicularly or obliquely. The opening area is determined by the size of the substrate, and it is extremely easy to increase the size. Although the optical path length is determined by the thickness of the laminated layers, it is sufficient that the optical path length is several times as large as the wavelength (several μm), and can be made thinner by several digits than the conventional polarizer.

【0011】一方、バイアス・スパッタリングに代表さ
れる堆積粒子の拡散人射とスパッタエッチングを併用し
た成膜法において、その堆積作用とエッチング作用を相
互に制御することにより、表面の凹凸形状を繰り返しつ
つ層状に積層させる方法が可能である。このメカニズム
は次の3つの効果、(1)堆積粒子の拡散入射により影
となる凹部の堆積速度が遅くなる効果、(2)スパッタ
エッチングによる傾斜角約50°から60°の面におい
てエッチング速度が最大になる効果、(3)主にスパッ
タエッチングにより削られた粒子が基板の別の場所に再
付着する効果、の適切な割合での重ね合せであると説明
ができる(川上彰二郎,佐藤尚,川嶋貴之,”バイアス
スパッタ法で作製される3D周期ナノ構造の形成機
構,”電子情報通信学会誌C-I,vol.J81-C-I,no.2,pp.108
‐109,1998年2月)。
On the other hand, in a film forming method using both diffused irradiation of deposited particles represented by bias sputtering and sputter etching, the deposition and etching operations are controlled mutually so that the unevenness of the surface is repeated. A method of laminating in layers is possible. This mechanism has the following three effects: (1) the effect of slowing down the deposition rate of the concave portion that becomes a shadow due to the diffusion and incidence of deposited particles; and (2) the etching rate at a tilt angle of about 50 ° to 60 ° by sputter etching. It can be explained that the effect of maximization, (3) the effect of particles attached mainly by sputter etching re-adhering to another part of the substrate at an appropriate ratio (Shojiro Kawakami, Hisashi Sato) , Takayuki Kawashima, "Formation mechanism of 3D periodic nanostructures fabricated by bias sputtering," IEICE CI, vol.J81-CI, no.2, pp.108
-109, February 1998).

【0012】この技術を用いることで、周期的な溝列を
形成した基板上に、二種類の透明材料からなる薄膜を煩
雑な位置合わせを一切行なわずに位置の等しい凹凸形状
を繰り返しつつ周期的に積層することができる。即ち、
この技術を用いることで本発明の偏光子を容易に作製す
ることができる。
By using this technique, a thin film made of two types of transparent materials is periodically formed on a substrate on which a periodic groove array is formed while repeating uneven shapes at the same position without any complicated alignment. Can be laminated. That is,
By using this technique, the polarizer of the present invention can be easily manufactured.

【0013】以上のことから、本発明の偏光子は、小さ
い光路長で、優れた消光比と挿入損失特性を有し、大き
な開口面積も可能で、低価格で提供することができる。
As described above, the polarizer of the present invention has a small optical path length, has excellent extinction ratio and insertion loss characteristics, can have a large aperture area, and can be provided at a low cost.

【0014】[0014]

【発明の実施形態】図1は、本発明の偏光子の構造を示
している。以下に図1を用いて本発明の偏光子を説明す
る。
FIG. 1 shows the structure of a polarizer of the present invention. Hereinafter, the polarizer of the present invention will be described with reference to FIG.

【0015】周期的な溝あるいは線状突起列に、透明で
高屈折率の媒質と低屈折率の媒質とを界面の形状を保存
しながら、交互に積層する。x方向とz方向に周期性が
あり、y方向には本実施例では一様な構造である。ある
いは、x軸方向より大きい長さの周期的または非周期的
な構造に変更しても動作機構は類似している。このよう
にして得られた周期構造体にz方向から無偏波光または
楕円偏光を入射する。溝列と平行な偏波即ちy偏波と、
それに直交する偏波即ちx偏波とに対して、TEモー
ド、TMモードの光が周期構造体の内部に誘起される。
しかし、光の周波数が、TEモードまたはTMモードの
バンドギャップの中にあれば、そのモードは周期構造体
の中で伝搬することができず、入射光は反射または回折
される。一方、光の周波数がエネルギーバンド内にあれ
ば、周期構造体の中を光は波動べクトルを保存しながら
透過する。従って面型の偏光子として動作する。
A transparent medium having a high refractive index and a medium having a low refractive index are alternately laminated on the periodic groove or linear projection row while preserving the shape of the interface. This embodiment has a periodic structure in the x direction and the z direction, and has a uniform structure in the present embodiment in the y direction. Alternatively, the operation mechanism is similar even if the structure is changed to a periodic or aperiodic structure having a length larger than the x-axis direction. Non-polarized light or elliptically polarized light is incident on the periodic structure thus obtained from the z direction. Polarization parallel to the groove array, i.e., y-polarization;
Light of the TE mode and the TM mode is induced inside the periodic structure with respect to the polarization orthogonal to it, that is, the x polarization.
However, if the frequency of the light is in the band gap of the TE mode or TM mode, the mode cannot propagate in the periodic structure and the incident light will be reflected or diffracted. On the other hand, if the frequency of the light is within the energy band, the light passes through the periodic structure while preserving the wave vector. Therefore, it operates as a planar polarizer.

【0016】本発明の偏光子では、溝列の周期Lx、積
層方向の周期Lzを制御することで、TEモード、TM
モードのバンドギャップが生じる波長帯域を任意に変え
ることができる。即ち偏光子として動作させる波長帯域
を任意に設定することが可能である。
In the polarizer of the present invention, the TE mode and the TM mode are controlled by controlling the period Lx of the groove row and the period Lz in the stacking direction.
The wavelength band in which the mode band gap occurs can be changed arbitrarily. That is, it is possible to arbitrarily set a wavelength band operated as a polarizer.

【0017】また低屈折率媒質としてはSiO2を主成
分とする材料が最も一般的である。SiO2は透明波長
領域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成
膜も容易に行なえる。高屈折率材料としては、TiO2
などの酸化物や、Si、GaAsなどの半導体が使用で
きる。TiO2などは透明波長範囲が広く、可視光領域
でも使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定され
るが、屈折率が大きい利点がある。
As the low refractive index medium, a material containing SiO 2 as a main component is most common. SiO 2 has a wide transparent wavelength range, is chemically, thermally, and mechanically stable, and can be easily formed into a film. As the high refractive index material, TiO 2
Oxide or a semiconductor such as Si or GaAs can be used. TiO 2 and the like have a wide transparent wavelength range and can be used in the visible light region. On the other hand, semiconductors are limited to the near infrared region, but have the advantage of a large refractive index.

【0018】ところで、多目的の偏光子としては、広い
周波数帯域で、使用することが望ましい。高屈折率媒質
層と低屈折率媒質層の形状を適切に決定することによ
り、偏光子としての使用周波数帯域を広くとることがで
きる。逆に、特定のレーザ光のような単色の光に対して
は、高屈折率媒質と低屈折率媒質の形状に対する自由度
は大きく、成膜において、繰り返しが容易な形状を選択
することができる。
Incidentally, it is desirable to use a multipurpose polarizer in a wide frequency band. By appropriately determining the shapes of the high-refractive-index medium layer and the low-refractive-index medium layer, the frequency band used as a polarizer can be widened. Conversely, for monochromatic light such as a specific laser beam, the degree of freedom with respect to the shapes of the high-refractive index medium and the low-refractive index medium is large, and it is possible to select a shape that can be easily repeated in film formation. .

【0019】以下、実施例において、層の形状と繰り返
し構造および、その作製方法を示す。
In the following, in the examples, the shape of the layer, the repeating structure, and the manufacturing method thereof will be described.

【0020】[0020]

【実施例】(実施例1)図1は、本発明の実施例の構造
を示す図である。この図において、符号1はアモルファ
スSiO2の層であり、符号2はアモルファスSiの層
である。x軸方向の周期Lxは0.4μm、z軸方向の
周期Lzは0.32μmである。SiO 2層およびSi
層は厚さtをわずかに変化させながら、周期的に折れ曲
がった形状をなしている。次に、その作製方法を説明す
る。まず、基板上に電子ビームリソグラフィとドライエ
ッチングにより周期的な溝を作製した。図2が、その模
式図である。符号3は石英ガラス基板、符号4は無反射
コーティング層、符号5は周期的な溝の部分である。一
般には周期構造の寸法の選択により、4,5は基板と異
なる材料から選定するが、基板と同一の材料のままその
上に溝を形成することもできる。ここでは後者の例を示
す。溝の幅は0.4μm、深さは0.2μm、横方向の
周期は0.4μmである。この基板上に、SiO2およ
びSiのターゲットを用い、バイアス・スパッタリング
法により、SiO2層とSi層を交互に積層した。その
とき、各層のx軸方向に周期的な凹凸の形状を保存しな
がら成膜を行なうことが肝要である。その条件は次のと
おりであった:SiO2の成膜に対しては、Arガス圧
1.9mTorr、ターゲット高周波電カ400W、基
板高周波電カ60W; Siの成膜に対し、Arガス圧
3.6mTorr.ターゲット高周波電カ400Wであ
った。SiO2とSiの層を、10層ずつ堆積した。
(Embodiment 1) FIG. 1 shows the structure of an embodiment of the present invention.
FIG. In this figure, reference numeral 1 denotes an amorphous
SiOTwoReference numeral 2 denotes an amorphous Si layer.
It is. The period Lx in the x-axis direction is 0.4 μm,
The period Lz is 0.32 μm. SiO TwoLayer and Si
The layer bends periodically with a slight change in thickness t
It has a sharp shape. Next, the manufacturing method will be described.
You. First, electron beam lithography and dry etching
A periodic groove was formed by the etching. Figure 2 shows the model.
FIG. Reference numeral 3 is a quartz glass substrate, reference numeral 4 is non-reflective
The coating layer 5 is a periodic groove portion. one
Generally, 4 and 5 are different from the substrate depending on the size of the periodic structure.
Material, but keep the same material as the substrate.
Grooves can also be formed thereon. Here is an example of the latter
You. The width of the groove is 0.4 μm, the depth is 0.2 μm,
The period is 0.4 μm. On this substrate, SiOTwoAnd
Bias sputtering using Si and Si targets
By the methodTwoLayers and Si layers were alternately stacked. That
When saving the shape of the periodic irregularities in the x-axis direction of each layer,
It is important to carry out film formation. The conditions are as follows
It was cage: SiOTwoAr film pressure
1.9mTorr, target high-frequency power 400W, base
Plate high frequency power 60W; Ar gas pressure for Si film formation
3.6 mTorr. Target high-frequency power 400W
Was. SiOTwoAnd Si layers were deposited by 10 layers.

【0021】この条件において、図2に示された矩形の
溝を有する基板の上に、図1に示された積層構造が生成
される理由は、次に述べる3要素の重ね合わせによって
説明することができる:(1)ターゲットからの中性粒
子の分散入射による堆積;(2)Arイオンの垂直入射
によるスパッタエッチング;(3)堆積粒子の再付着で
ある。
Under these conditions, the reason why the laminated structure shown in FIG. 1 is formed on the substrate having the rectangular groove shown in FIG. 2 will be explained by the following three superpositions. (1) Deposition of neutral particles from the target by dispersed incidence; (2) Sputter etching by perpendicular incidence of Ar ions; (3) Reattachment of deposited particles.

【0022】図3aと図3bは、このようにして得られ
た周期構造体における、波長1.0μmでのTE波とT
M波に対する透過光の近視野での強度分布を示す図であ
る。横軸は基板ウエハ上の位置を示す。中央部分が偏光
子部分であって、その両側は、基板ウエハーが溝を持た
ず、SiとSiO2の平行層が堆積された部分である。
縦軸は、基板ウエハー上の各点における透過光強度であ
る。偏光子部分はTE波をほとんど遮断していることが
わかる。一方、TM波に対しては、両側の溝がない基板
上に堆積された膜の部分と偏光子部分において、透過光
強度の差は微小である。言い換えると、偏光子部分に無
反射コーティングを施せば、微小な損失で、TM波を透
過させることができる。
FIGS. 3A and 3B show the TE wave at a wavelength of 1.0 μm and the T wave in the periodic structure thus obtained.
It is a figure which shows the intensity distribution in near field of the transmitted light with respect to M wave. The horizontal axis indicates the position on the substrate wafer. The central portion is the polarizer portion, and on both sides thereof are portions where the substrate wafer has no grooves and parallel layers of Si and SiO 2 are deposited.
The vertical axis represents the transmitted light intensity at each point on the substrate wafer. It can be seen that the polarizer almost blocks the TE wave. On the other hand, for the TM wave, the difference in transmitted light intensity between the portion of the film deposited on the substrate having no grooves on both sides and the polarizer is small. In other words, if the antireflection coating is applied to the polarizer, the TM wave can be transmitted with a small loss.

【0023】図4に、この周期構造体における周波数と
肢動べクトルの関係を周期的境界条件を用いたFDTD
法(有限差分時間領域法)により計算した結果を示す。
FDTD法によるフォトニック結晶のバンド構造と光透
過特性の解析はS.Fanらにより、Physical Review B, vo
l.54,no.16,pp.11245-11251(1996年)において報告され
ているとおりである。図4において、横軸は相対値で表
した波動べクトルの大きさであり、縦軸は相対値で表し
た周波数Lx/λである。ここで、λは入射光の波長、
kzは波動ベクトルのz成分である。実線と破線は、そ
れぞれTE波とTM波における分散曲線を示す。ここで
Lx=0.4μm、波長1μmより、周波数Lx/λ=
0.4となる。この図からわかるように、Lx/λ=
0.4の直線はTE波の分散曲線(実線)とは交わら
ず、TM波の分散曲線(破線)とは交わる。これはTE
波は遮断・反射され、TM波は透過することを意味す
る。すなわち、この周期構造体は周波数Lx/λが0.
39から0.43の間に位置する符号6の周波数帯でT
M波を透過させる偏光子として作用している。
FIG. 4 shows the relationship between the frequency and the limb movement vector in this periodic structure by the FDTD using the periodic boundary condition.
The result calculated by the method (finite difference time domain method) is shown.
Analysis of the band structure and light transmission characteristics of a photonic crystal by the FDTD method is described by S. Fan et al. In Physical Review B, vo.
l.54, no.16, pp.11245-11251 (1996). In FIG. 4, the horizontal axis represents the magnitude of the wave vector represented by a relative value, and the vertical axis represents the frequency Lx / λ represented by a relative value. Where λ is the wavelength of the incident light,
kz is the z component of the wave vector. Solid lines and broken lines show dispersion curves for TE waves and TM waves, respectively. Here, from Lx = 0.4 μm and wavelength 1 μm, the frequency Lx / λ =
0.4. As can be seen from this figure, Lx / λ =
The straight line of 0.4 does not intersect with the dispersion curve of the TE wave (solid line) but intersects with the dispersion curve of the TM wave (dashed line). This is TE
The wave is cut off and reflected, and the TM wave is transmitted. That is, this periodic structure has a frequency Lx / λ of 0.5.
T in the frequency band of code 6 located between 39 and 0.43
It acts as a polarizer that transmits M waves.

【0024】(実施例2)本実施例では、各誘電帯の層
の厚さの面内均一性や溝の形状、Lz/Lxの比の値な
どのパラメータが実施例1に示すものから変化しても優
れた偏光子特性が得られることを例示する。
(Embodiment 2) In this embodiment, parameters such as the in-plane uniformity of the thickness of each dielectric layer, the shape of the groove, and the value of the Lz / Lx ratio are changed from those shown in the first embodiment. It is illustrated that excellent polarizer characteristics can be obtained even when the above method is used.

【0025】図5は、本発明の他の実施例の構成を示す
図である。符号7はアモルファスSi02層であり、符
号8はアモルファスSi層である。x軸方向の周期Lx
は0.4はμm、z軸方向の周期Lzは0.32μmで
ある。SiO2層は厚さtをO.9Lzと0.3Lzの
間で変化させながら、そして、Si層は厚さを0.1L
zと0.7Lzの間で変化させながら、周期的に折れ曲
がった形状をなしている。積層膜の作製において、基板
は実施例1の場合と同じであるが、Si02層およびS
i層を生成するバイアス・スパッタリングの条件が異な
っている。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention. Reference numeral 7 is amorphous Si0 2 layer, reference numeral 8 is an amorphous Si layer. Period Lx in x-axis direction
Is 0.4 μm, and the period Lz in the z-axis direction is 0.32 μm. The SiO 2 layer has a thickness t of O.D. While varying between 9 Lz and 0.3 Lz, the Si layer has a thickness of 0.1 Lz.
While changing between z and 0.7 Lz, it has a periodically bent shape. In the production of the laminated film, the substrate was the same as in Example 1, except that the SiO 2 layer and the S
The bias sputtering conditions for forming the i-layer are different.

【0026】この周期構造体における周波数と波動べク
トルの関係をFDTD法により、計算した結果を図6に
示す。横軸は相対値で表した波動べクトルの大きさであ
り、縦軸は相対値で表した周波数である。実線と破線
は、それぞれTE波とTM波における分散曲線である。
この図からわかるように、第1の実施例の場合よりも、
偏光子として作用する周波数帯が広くなっている。とこ
ろで、ひとつのバンドギャップに着目したとき、単一の
光周波数で使用する偏光子に対しても、その周波数幅は
広いことが望ましい。なぜなら、バンドギャップの端か
ら充分に離れていない周波数においては、消光比を大き
くとるために必要なz方向の周期数が増大するからであ
る。
FIG. 6 shows the result of calculating the relationship between the frequency and the wave vector in the periodic structure by the FDTD method. The horizontal axis represents the magnitude of the wave vector represented by a relative value, and the vertical axis represents the frequency represented by a relative value. The solid line and the broken line are dispersion curves for the TE wave and the TM wave, respectively.
As can be seen from this figure, compared to the case of the first embodiment,
The frequency band acting as a polarizer is widened. By the way, when focusing on one band gap, it is desirable that the frequency width of a polarizer used at a single optical frequency is also wide. This is because at a frequency not sufficiently distant from the end of the band gap, the number of periods in the z direction required to increase the extinction ratio increases.

【0027】第1と第2の実施例において、z軸方向と
x軸方向の繰り返し周期の比Lz/Lxは0.8であっ
たが、FDTD法による他の計算結果から0.2程度で
あっても、偏光子としての作用が可能であることがわか
っている。またx方向の周期Lxは、通常の偏光子とし
て使用する場合には、光の波長以下程度に選ばれるが、
一方の偏光をまっすぐに透過させ、他方の偏光を回折さ
せるための偏光素子においては、光の波長よりも長い周
期Lxを選択するとよいことがわかっている。さらに、
溝はy軸方向に必ずしも一様である必要はなく、x軸方
向の溝の幅と間隔に対して、異なる周期構造を持ってい
てもよく、あるいはy方向に充分長いランダムな長さの
溝であってもよいことが、他の計算の結果、わかってい
る。
In the first and second embodiments, the ratio Lz / Lx of the repetition period in the z-axis direction and the x-axis direction is 0.8, but from other calculation results by the FDTD method, it is about 0.2. Even so, it has been found that it can function as a polarizer. When used as a normal polarizer, the period Lx in the x direction is selected to be about the wavelength of light or less,
It has been found that in a polarizing element for transmitting one polarized light straight and diffracting the other polarized light, it is preferable to select a period Lx longer than the wavelength of light. further,
The grooves need not necessarily be uniform in the y-axis direction, and may have a different periodic structure with respect to the width and spacing of the grooves in the x-axis direction, or grooves of a random length sufficiently long in the y-direction. It is known from other calculations that this may be the case.

【0028】ところで、今回は、単位となる層の形状を
繰り返しつつ積層する手段として、バイアス・スパッタ
リング法を用いたが、堆積プロセスとスパッタリングエ
ッチングのプロセスを同時でなく時間的に分離した方法
を加えることにより、積層の単位となる層の形状の設計
自由度を大きくとることができる。さらに、低屈折率媒
質としては、アモルファスSiO2以外にも、パイレッ
クス(登録商標)などの光学ガラスを用いることができ
る。一方、高屈折率媒質としてはSi以外にも、TiO
2、Ta25などを用いることもできる。基板の溝の断
面形状は、今回、V形であったが、矩形の溝であっても
よいことは明らかである。また、バイアス・スパッタリ
ングの条件を適切に選択すれば、多様な溝の断面形状が
可能である。
In this case, the bias sputtering method is used as a means for laminating while repeating the shape of the unit layer. However, a method in which the deposition process and the sputtering etching process are separated at the same time but not simultaneously is added. Thereby, the degree of freedom in designing the shape of the layer serving as the unit of lamination can be increased. Further, as the low refractive index medium, optical glass such as Pyrex (registered trademark) can be used other than amorphous SiO 2 . On the other hand, as the high refractive index medium, in addition to Si, TiO
2 , Ta 2 O 5 or the like can also be used. Although the cross-sectional shape of the groove of the substrate is V-shaped this time, it is apparent that a rectangular groove may be used. Also, by appropriately selecting the conditions of bias sputtering, various cross-sectional shapes of the groove can be obtained.

【0029】このようにして作製した積層膜を偏光子と
して使用するためには、表面と基板の反対側の面に無反
射コーティングを施した後、切断すればよい。多数の素
子を一括して作製できるだけでなく、研磨が不要であ
り、切断工程が簡易である。その結果、低価格の偏光子
を提供することができる。また、基板を除く積層膜の厚
さは数ミクロンであり、垂直入射または小さい入射角で
の使用が可能である。それゆえ、小型の光通信用アイソ
レータなどへの、広範な応用が可能である。また、光サ
ーキュレータなどに用いる偏光分離素子として使用する
ときには、入射光に対して大きく傾けて使用する場合が
あるが、この場合も切断面を光が透過することはないの
で、研磨が不要である。
In order to use the thus-produced laminated film as a polarizer, it is only necessary to apply an anti-reflection coating on the surface opposite to the surface of the substrate and then cut it. Not only can a large number of devices be manufactured at once, but also no polishing is required, and the cutting process is simple. As a result, a low-cost polarizer can be provided. The thickness of the laminated film excluding the substrate is several microns, and can be used at normal incidence or at a small incident angle. Therefore, it can be widely applied to small optical communication isolators and the like. In addition, when used as a polarization splitting element used in an optical circulator or the like, the light may be used with a large inclination with respect to incident light, but in this case, no light is transmitted through the cut surface, and therefore, polishing is unnecessary. .

【0030】[0030]

【発明の効果】本発明のスパッタリングエッチング作用
を含む成膜方法によって作製した偏光子は、光透過方向
の厚さが微小で、1回の成膜プロセスで大面積の積層膜
が得られ、個々の素子を作製するときに、研磨が不要で
あり、切断が容易であるという特徴を備えている。他
方、使用する波長域に応じて、優れた偏光特性を持たせ
る設計が可能である。このような偏光子は、光アイソレ
ータ用の偏光子として最適である。他にも光サーキュレ
ータ、光スイッチなど工業的用途は広く、従来の偏光子
を置き換えることが可能である。
The polarizer manufactured by the film forming method including the sputtering etching action of the present invention has a small thickness in the light transmission direction, and a large-area laminated film can be obtained by one film forming process. When the device is manufactured, polishing is not required and cutting is easy. On the other hand, it is possible to design to have excellent polarization characteristics according to the wavelength range to be used. Such a polarizer is most suitable as a polarizer for an optical isolator. Other industrial applications such as optical circulators and optical switches are also wide and can replace conventional polarizers.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施例の構造を示す図FIG. 1 is a diagram showing a structure of a first embodiment.

【図2】表面に溝を有する基板を示す図FIG. 2 is a diagram showing a substrate having a groove on a surface.

【図3】図3aは、TE波に対する透過光の近視野にお
ける強度分布を示す図図3bは、TM波に対する透過光
の近視野における強度分布を示す図
3A is a diagram showing a near-field intensity distribution of transmitted light with respect to a TE wave; FIG. 3B is a diagram showing a near-field intensity distribution of transmitted light with respect to a TM wave;

【図4】第1の実施例における周波数と波動ぺクトルの
関係を示す図
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a frequency and a wave vector in the first embodiment.

【図5】第2の実施例の構造を示す図FIG. 5 is a diagram showing a structure of a second embodiment.

【図6】第2の実施例における周波数と波動ベクトルの
関係を示す図
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a frequency and a wave vector in the second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 SiO2層 2 Si層 3 基板 4 無反射コーティング層 5 周期的な溝 6 TM波を透過させる偏光子として作用する周波
数帯のひとつ 7 SiO2層 8 Si層
1 SiO 2 layer 2 Si layer 3 substrate 4 one 7 SiO 2 layer 8 Si layer of the band acting as a polarizer for transmitting non-reflective coating layer 5 periodic grooves 6 TM wave

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川嶋 貴之 宮城県仙台市青葉区川内三十人町45番5号 ル・ヴィラージュ203号 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Takayuki Kawashima No.45, Village No. 203, Kawachi-Sannincho 45-5 Kawauchi, Aoba-ku, Sendai, Miyagi Prefecture

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 3次元の直交座標x,y,zにおいて、
屈折率の高いアモルファス透明材料と屈折率の低いアモ
ルファス透明材料よりなるz軸方向の多層周期的構造体
であって、各透明材料ごとに積層の単位となる層の形状
がx軸方向にv字形または方形または波形の周期構造
で、周期が使用される光の波長以下の周期的凹凸構造を
有し、y軸方向には一様な構造、あるいはx軸方向より
大きい長さの周期的または非周期的な凹凸構造を有し、
xy面に垂直または斜めに入射し、電界がy軸に直交す
る偏波あるいはx軸と直交する偏波のどちらかが遮断域
に含まれるような波長および入射方向の光に対して作用
することを特徴とする偏光子。
1. In three-dimensional rectangular coordinates x, y, z,
A multilayer periodic structure in the z-axis direction composed of a high-refractive-index amorphous transparent material and a low-refractive-index amorphous transparent material, and the shape of a layer serving as a unit of lamination for each transparent material is v-shaped in the x-axis direction. Or a periodic structure of a square or waveform, having a periodic uneven structure whose wavelength is equal to or less than the wavelength of the light used, a uniform structure in the y-axis direction, or a periodic or non-uniform structure having a length greater than the x-axis direction. Has a periodic uneven structure,
It is incident perpendicularly or obliquely to the xy plane, and the electric field acts on light having a wavelength and an incident direction in which either the polarization orthogonal to the y-axis or the polarization orthogonal to the x-axis is included in the cutoff band. The polarizer characterized by the above-mentioned.
【請求項2】 請求項1記載の偏光子であって、Siま
たはTiO2を主成分とする高屈折率媒質とSiO2を主
成分とする低屈折率媒質層を有する偏光素子。
2. The polarizer according to claim 1, comprising a high refractive index medium mainly composed of Si or TiO 2 and a low refractive index medium layer mainly composed of SiO 2 .
【請求項3】 3次元の直交座標x,y,zにおいて、
屈折率の高い材料と屈折率の低い材料よりなるz軸方向
の多層周期的構造体であって、それらの材料はスパッタ
リングにより形成され、周期の少なくとも一部分にはス
パッタエッチングが行われ、各透明材料ごとに積層の単
位となる層の形状がx軸方向にv字形または方形または
波形の周期構造で周期が使用される光の波長以下の周期
的凹凸構造を有し、y軸方向には一様な構造、あるいは
x軸方向より大きい長さの周期的または非周期的な凹凸
構造を有し、xy面に垂直または斜めに入射し、電界が
y軸に直交する偏波あるいはx軸と直交する偏波のどち
らかが遮断域に含まれるような波長および入射方向の光
に対して作用することを特徴とする偏光子。
3. In three-dimensional rectangular coordinates x, y, z,
A multilayer periodic structure in the z-axis direction comprising a material having a high refractive index and a material having a low refractive index, wherein the materials are formed by sputtering, and at least a part of the period is sputter-etched, and each transparent material is formed. Each of the layers serving as a unit of lamination has a periodic uneven structure whose wavelength is equal to or less than the wavelength of light whose period is a v-shaped or square or a wave-shaped periodic structure in the x-axis direction, and is uniform in the y-axis direction. Structure or a periodic or aperiodic uneven structure with a length greater than the x-axis direction, perpendicularly or obliquely incident on the xy plane, and an electric field orthogonal to the y-axis or orthogonal to the x-axis. A polarizer characterized by acting on light having a wavelength and an incident direction in which one of polarized waves is included in a cutoff band.
【請求項4】 周期的な溝または周期的な線状突起また
は細長い突起または細長い凹みを有する基板の上に、S
iまたはTiO2を主成分とする高屈折率媒質とSiO2
を主成分とする低屈折率媒質とを、少なくとも一部にド
ライエッチングを含む膜形成方法により周期ごとに形状
を繰り返しつつ積層することで作製された偏光子。
4. On a substrate having periodic grooves or periodic linear projections or elongated projections or elongated depressions,
high refractive index medium containing i or TiO 2 as a main component and SiO 2
A polarizer produced by laminating a low-refractive-index medium having as a main component a film by a film forming method including dry etching at least in part while repeating the shape in each cycle.
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