JP2009085974A - Polarizing element and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、偏光分離素子、1/4波長板などを含む偏光素子およびその製造方法に関する。特に、コンパクト・ディスクおよびデジタル・バーサタル・ディスク用の2波長で使用することのできる、量産に適した偏光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a polarization separation element, a polarization element including a quarter-wave plate, and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a polarizing element suitable for mass production that can be used at two wavelengths for a compact disk and a digital versatile disk, and a manufacturing method thereof.
一般に、光ピックアップ装置などに使用される小型の偏光素子には種々の種類がある。(1)キューブ型に代表される、多層膜を含むガラス素子(たとえば、特許文献1)、(2)構造性複屈折を利用したサブ波長格子(光の波長以下の周期を有する格子)素子、(3)有機複屈折材料からなる回折格子を用いた素子(たとえば、特許文献2)、(4)回折格子と液晶高分子材料を用いた素子(たとえば、特許文献3)などである。 In general, there are various types of small polarizing elements used in optical pickup devices and the like. (1) Glass element including multilayer film represented by cube type (for example, Patent Document 1), (2) Sub-wavelength grating (lattice having a period equal to or less than the wavelength of light) element utilizing structural birefringence, (3) an element using a diffraction grating made of an organic birefringent material (for example, Patent Document 2), (4) an element using a diffraction grating and a liquid crystal polymer material (for example, Patent Document 3), and the like.
(1)について、特許文献1の例では、多層膜を用いて光の入射角度をブリュースター角(P波の反射率が0となる入射角度)に近づけることで偏光ビームスプリッタを作成している。このような方法では、多層膜を形成するために複数の蒸着工程が必要となり生産性が悪く、また複数の複雑な機能を持たすことができない。
Regarding (1), in the example of
(2)は、格子周期が波長と同程度かそれ以下の構造を作成することによって偏光依存性を持たせる方法である。この方法では、サブ波長格子によって大きな複屈折を持たすことができるが、ほとんどの場合、高アスペクト比の格子構造が必要となり生産が困難である。 (2) is a method of providing polarization dependence by creating a structure having a grating period that is approximately equal to or less than the wavelength. In this method, a large birefringence can be provided by the sub-wavelength grating, but in most cases, a grating structure with a high aspect ratio is required and the production is difficult.
(3)について、特許文献2の例では、複屈折材料上に構成した格子の凹部に等方性材料を充填するという構成になっている。しかし、いずれの場合も、格子の形成にエッチング工程が必要で量産性が悪く、また両面で構成される回折格子の場合、位置合わせが難しいなど複雑な工程を必要とする。
Regarding (3), in the example of
(4)は、回折格子の凹部に液晶高分子を含んだ材料を充填するか、あるいはこの材料で膜を形成することで偏光素子を作成する方法である。これは、液晶高分子の配向方向によって光学特性に偏光依存性があることを利用している。したがって、所定の性能を得るためには液晶の配向方向をそろえなければならず、個々の素子にラビング処理等の配向処理が必要であり、量産性に優れていない。 (4) is a method of creating a polarizing element by filling a concave portion of a diffraction grating with a material containing a liquid crystal polymer or forming a film with this material. This utilizes the fact that the optical properties have polarization dependence depending on the orientation direction of the liquid crystal polymer. Therefore, in order to obtain a predetermined performance, the alignment direction of the liquid crystal must be aligned, and an alignment process such as a rubbing process is required for each element, and the mass productivity is not excellent.
このように、いずれの種類の偏光素子も製造方法が煩雑であり、量産に適したものではない。 Thus, any type of polarizing element is complicated in manufacturing method and is not suitable for mass production.
ここで、回折格子による偏光素子の原理について説明する。図11は、回折格子による偏光に依存するビーム分離機能の原理について説明する図である。図11において、屈折率がn1の媒質からn2の媒質に光が進む。境界には、周期Λの格子が形成されている。 Here, the principle of a polarizing element using a diffraction grating will be described. FIG. 11 is a diagram for explaining the principle of the beam separation function depending on the polarization by the diffraction grating. In FIG. 11, light travels from a medium having a refractive index of n1 to a medium of n2. A lattice having a period Λ is formed at the boundary.
光にはTE偏光(s偏光)、TM偏光(p偏光)と呼ばれる偏光がある。回折格子に光が入射する場合に、格子の溝に対して電界が平行に振動する方向の偏光をTE偏光と呼び、電界が垂直に(磁界が平行に)振動する方向の偏光をTM偏光と呼ぶ。 Light includes polarized light called TE polarized light (s polarized light) and TM polarized light (p polarized light). When light is incident on the diffraction grating, the polarized light in the direction in which the electric field vibrates in parallel with the groove of the grating is called TE polarized light, and the polarized light in the direction in which the electric field vibrates perpendicularly (in parallel with the magnetic field) is called TM polarized light. Call.
回折格子が波長λに対し、 入射角度θ0、周期Λを用いて次式の条件が満たされたとき、
Λcosθ0<λ (1)
その回折格子構造は、光にとって有効屈折率neffで表される薄膜構造内を進行しているように認識される。このとき有効屈折率neffは、入射光の偏光方向によって異なり、第1次近似では次式で書き表される。
When the diffraction grating has the wavelength λ and the incident angle θ 0 and period Λ are satisfied,
Λ cos θ 0 <λ (1)
The diffraction grating structure is recognized as traveling in a thin film structure represented by an effective refractive index n eff for light. At this time, the effective refractive index n eff varies depending on the polarization direction of the incident light, and is expressed by the following equation in the first approximation.
上式からfが0、1以外では、各々の偏光に対する有効屈折率の値が異なっていることがわかる。
From the above equation, it can be seen that when f is other than 0 and 1, the effective refractive index values for the respective polarized light are different.
各々の偏光状態による有効屈折率の違いの物理的意味は、光の波長よりも極めて小さい構造体を光が通過する際、構造体は散乱などを生じさせる遮蔽物として捉えられる。結果として遮蔽物を通過するのにエネルギー損失が生じ、その影響が有効屈折率として現われていると考えることができる。 The physical meaning of the difference in effective refractive index depending on each polarization state is regarded as a shield that causes scattering or the like when light passes through a structure extremely smaller than the wavelength of light. As a result, energy loss occurs when passing through the shield, and it can be considered that the effect appears as an effective refractive index.
この条件の下で各々の偏光成分における有効屈折率neff=nTEまたはneff=nTM (ただしnTE≠nTM)のいずれかが、異なる媒質を進行する光の屈折の関係式(Snellの式)から変形される次式
を満たすと、その偏光方向をもつ入射光は有効屈折率neffのもつ薄膜層を通過できなくなる。この状態は図11において、有効屈折率neffのもつ薄膜層での屈折角度θ1がほぼ90°に達しており、n2側への層に光が移動できない状態に相当する。結果的に、入射したエネルギーの発散先として、反射光が生じることとなる。
Under this condition, the effective refractive index n eff = n TE or n eff = n TM (where n TE ≠ n TM ) for each polarization component is a relational expression for the refraction of light traveling through different media (Snell The following equation transformed from
When the above condition is satisfied, incident light having the polarization direction cannot pass through the thin film layer having the effective refractive index n eff . This state corresponds to a state in FIG. 11 in which the refraction angle θ1 in the thin film layer having the effective refractive index n eff reaches approximately 90 °, and light cannot move to the layer toward the n2 side. As a result, reflected light is generated as a destination of incident energy.
以上、いずれか一方の偏光方向の光が格子構造から認識される有効屈折率neffの効果によって(4)式が成立すると、微小周期による偏光素子が実現することになる。 As described above, when the expression (4) is established by the effect of the effective refractive index n eff in which light in one of the polarization directions is recognized from the grating structure, a polarizing element with a minute period is realized.
上述のように、格子部において周期を波長以下に設定することにより、電磁波として表される光は進行に伴って、回折波が生じないため、波の重ね合わせとして表現される回折効果として認識されなくなる。波の進行に対して格子部は屈折率変化の対象としてみなされ、電磁波に与える効果は仮想的な屈折率をもつ材質内での進行と同等の性質を与える。この結果、特定の波長帯域において薄膜層と同様の効果をもたらす。格子部を仮想的な屈折率をもつ材質と仮定する手法は有効屈折率法と呼ばれている。たとえば、非特許文献1には格子形状から有効屈折率を求めるための式が記述されている。有効屈折率層は格子部の周期に対する山部の比によって有効屈折率の値が決定される。また、入射光に認識される有効屈折率の値はその偏光方向により異なる。したがって、波長以下の周期を持つ格子を利用することにより、回折格子に、偏光に依存する分離機能を持たせることが出来る。
As described above, by setting the period in the grating portion to be equal to or less than the wavelength, the light expressed as an electromagnetic wave is recognized as a diffraction effect expressed as a superposition of waves because no diffracted wave is generated as it progresses. Disappear. The grating portion is regarded as a target of refractive index change with respect to the wave progression, and the effect on the electromagnetic wave gives the same property as the progression in a material having a virtual refractive index. As a result, an effect similar to that of the thin film layer is brought about in a specific wavelength band. A method of assuming that the grating portion is a material having a virtual refractive index is called an effective refractive index method. For example, Non-Patent
このように、サブ波長格子は偏光素子として機能するが、上記のように、製造方法が簡単で量産に適した、偏光素子としてのサブ波長格子は開発されていない。
上記の背景の下で、製造方法が簡単で量産に適した、光ピックアップ装置などに使用される小型の偏光素子に対するニーズがある。 Under the background described above, there is a need for a small polarizing element that is used in an optical pickup device and the like that is simple in manufacturing method and suitable for mass production.
本発明による偏光素子は、所定の周期Λで基板上に配置された格子を備え、光の波長をλ、格子面に対する入射角度をθ0として
Λ(cosθ0)<λ
である。格子の凸部上に凸部の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる層を積層し、格子の凸部以外の部分には当該高い屈折率の材料からなる層を積層していない。
A polarizing element according to the present invention includes a grating arranged on a substrate with a predetermined period Λ, where the wavelength of light is λ and the incident angle with respect to the grating surface is θ 0.
Λ (cos θ 0 ) <λ
It is. A layer made of a material having a refractive index higher than the refractive index of the convex portion is laminated on the convex portion of the lattice, and a layer made of the high refractive index material is not laminated on a portion other than the convex portion of the lattice.
本発明においては、格子の凸部上に凸部の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる層を積層し、格子の凸部以外の部分には当該高い屈折率の材料からなる層を積層していないので、格子深さの、格子凸部の幅に対する比(アスペクト比)を小さくすることができる。 In the present invention, a layer made of a material having a refractive index higher than the refractive index of the convex portion is laminated on the convex portion of the grating, and a layer made of the high refractive index material is laminated on the portion other than the convex portion of the lattice. Therefore, the ratio (aspect ratio) of the grating depth to the width of the grating protrusion can be reduced.
本発明による偏光素子の製造方法は、所定の周期Λで基板上に配置された格子であって、光の波長をλ、格子面に対する入射角度をθ0として
Λ(cosθ0)<λ
である、格子を金型によって成形するステップと、格子の凸部上に、凸部を構成する材料の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる層を積層するステップと、を含む。格子の凸部以外の部分には当該高い屈折率の材料からなる層を積層しない。
The method of manufacturing a polarizing element according to the present invention is a grating arranged on a substrate with a predetermined period Λ, where the wavelength of light is λ and the incident angle with respect to the grating plane is θ 0.
Λ (cos θ 0 ) <λ
Forming a grating with a mold, and laminating a layer made of a material having a refractive index higher than the refractive index of the material constituting the convex part on the convex part of the grating. The layer made of the material having the high refractive index is not laminated on the portion other than the convex portion of the lattice.
本発明においては、格子の凸部上に凸部の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる層を積層し、格子の凸部以外の部分には当該高い屈折率の材料からなる層を積層しないので、格子深さの、格子凸部の幅に対する比(アスペクト比)を小さくすることができる。 In the present invention, a layer made of a material having a refractive index higher than the refractive index of the convex portion is laminated on the convex portion of the grating, and a layer made of the high refractive index material is laminated on the portion other than the convex portion of the lattice. Therefore, the ratio (aspect ratio) of the grating depth to the width of the grating protrusion can be reduced.
図1は、本発明の一実施形態による偏光素子の形状を示す図である。偏光素子は、基板上に配置された格子からなる。格子の凸部111は、平坦な頭部を有し、平坦な頭部上に凸部の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる層113が積層されている。当該格子の当該平坦な頭部以外の部分には当該高い屈折率の材料からなる層が積層されていない。
FIG. 1 is a diagram illustrating a shape of a polarizing element according to an embodiment of the present invention. A polarizing element consists of a grating | lattice arrange | positioned on a board | substrate. The
格子周期、格子凸部の高さ(格子深さ)、高い屈折率の材料からなる層の厚さおよび格子凸部の幅をそれぞれ、a、b、cおよびdであらわす。 The grating period, the height of the grating protrusion (lattice depth), the thickness of the layer made of a material having a high refractive index, and the width of the grating protrusion are represented by a, b, c, and d, respectively.
回折格子に入射する光の入射角度をθ0、波長をλとすると、格子周期aは、以下の条件を満たす必要がある。 When the incident angle of light incident on the diffraction grating is θ 0 and the wavelength is λ, the grating period a needs to satisfy the following conditions.
a(cosθ0)<λ
回折格子に対して光を垂直に入射させる場合は、入射角度は、0度であるので、
a<λ
となる。したがって、可視光に対してaは、ほぼ、0.4マイクロメータ以下である。
a (cos θ 0 ) <λ
When the light is incident perpendicularly to the diffraction grating, the incident angle is 0 degree.
a <λ
It becomes. Therefore, a for visible light is approximately 0.4 micrometers or less.
格子の幅dの、格子周期aに対する比率をデューティ比という。 The ratio of the grating width d to the grating period a is called the duty ratio.
図1において、格子凸部111の断面は矩形としたが、たとえば、台形であってもよい。格子凸部111の断面を台形とした場合に、格子の幅dは、台形の上底の長さと下底の長さの平均値としてもよい。
In FIG. 1, the cross section of the lattice
格子は、アクリルやポリオレフィンなどの合成樹脂で形成してもよい。格子凸部の屈折率は、1.48から1.62の範囲である。 The lattice may be formed of a synthetic resin such as acrylic or polyolefin. The refractive index of the grating protrusion is in the range of 1.48 to 1.62.
凸部の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる層113は、酸化チタン(たとえば、Ti2O5)などで形成してもよい。層113の屈折率は、2.0から2.6の範囲である。格子凸部の頭部上に、凸部の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる層を積層するのは、格子深さbの、格子凸部の幅dに対する比(アスペクト比)をできるだけ小さくするためである。アスペクト比を小さくする理由は、後で説明する。当該高い屈折率と格子凸部の屈折率との差が0.65以上であるのが好ましい。
The
図2は、本発明の一実施形態による、偏光素子の製造方法を示す流れ図である。また、図3は、本発明の一実施形態による、偏光素子の製造方法を説明するための図である。 FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a polarizing element according to an embodiment of the present invention. Moreover, FIG. 3 is a figure for demonstrating the manufacturing method of a polarizing element by one Embodiment of this invention.
図2のステップS010において、格子用金型を加工する。格子用金型は、Ni、NiP、Si、WC、SiC、SiO2 など、金属やガラスなどからなる。加工には、電子描画装置やエッチング装置などの微細加工装置を使用する。図3の(a)は、加工後の金型121の構成を示す図である。 In step S010 in FIG. 2, the lattice mold is processed. The lattice mold is made of metal, glass, or the like, such as Ni, NiP, Si, WC, SiC, and SiO 2 . For processing, a fine processing apparatus such as an electronic drawing apparatus or an etching apparatus is used. (A) of FIG. 3 is a figure which shows the structure of the metal mold | die 121 after a process.
図2のステップS020において、金型によって格子を成形する。図3の(b)は、金型121の形状を格子の材料に転写して格子を成形する際の、金型121と格子の材料との関係を示す図である。転写方法としては、射出成形法、溶融再転写技術、インプリント法などがある。上記の方法で転写を行うには、格子深さbの、格子凸部の幅dに対する比(アスペクト比)が、3.0以下であるの好ましい。アスペクト比が3より大きい場合には、上記の方法で適切に転写を行うのが困難である。
In step S020 in FIG. 2, a lattice is formed by a mold. FIG. 3B is a diagram showing the relationship between the
図2のステップS030において、格子を金型から離型する。図3の(c)は、離型後の格子111の形状を示す図である。 In step S030 in FIG. 2, the grid is released from the mold. FIG. 3C is a diagram showing the shape of the grating 111 after release.
図2のステップS040において、格子の凸部の頭部上に、格子を形成する材料の屈折率よりも高い屈折率の材料を蒸着させる。格子の谷部には、材料が蒸着しないようにする。格子の谷部の幅は、(a−d)である。格子深さbの、谷部の幅(a−d)に対する比が、1.0以上であると、格子の谷部に材料が蒸着しない。蒸着方法としては、スパッタ蒸着法、真空蒸着法などがある。図3の(d)は、蒸着後の格子の形状を示す図である。 In step S040 of FIG. 2, a material having a refractive index higher than the refractive index of the material forming the grating is deposited on the heads of the convex portions of the grating. The material should not be deposited in the valleys of the grid. The width of the valley of the lattice is (ad). If the ratio of the lattice depth b to the valley width (ad) is 1.0 or more, no material is deposited on the valley of the lattice. Examples of the vapor deposition method include a sputtering vapor deposition method and a vacuum vapor deposition method. (D) of FIG. 3 is a figure which shows the shape of the grating | lattice after vapor deposition.
図4は、本発明の一実施形態による偏光分離素子の構成を示す図である。偏光分離素子においては、2種類の格子群101および103が交互に配置されている。2種類の格子群101および103におけるTE波、TM波に対する有効屈折率は一般に異なるので、2種類の格子群101および103は複屈折をもつ物質とみなせる。また、格子形状により有効屈折率が変化する。そこで、2種類の格子群101および103の格子形状を変化させ、ある偏光状態に対しては、2種類の格子群101および103の有効屈折率がほぼ等しくなるようにする。
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a polarization beam splitter according to an embodiment of the present invention. In the polarization separation element, two types of grating
たとえば、2種類の格子群101および103の配列をひとつの仮想格子とみなし、当該仮想格子に対するTM波を考える。この偏光状態に対して、2種類の格子群101および103の有効屈折率がほぼ等しくなるようにする。この場合に、TM波にとって、偏光分離素子は、一様な材質からなるのと等しく、TM波は偏光分離素子を透過する。TE波にとって、2種類の格子群101および103の有効屈折率は異なるので、偏光分離素子は、格子と等しく、TE波は偏光分離素子によって回折する。このとき、回折格子の深さbと蒸着膜厚cを、0次光の透過光がなくなるように設計すれば、TM偏光は透過させ、TE偏光は回折する偏光分離素子を構成することができる。
For example, an array of two types of
図4にしたがって、本実施形態の偏光分離素子の構成を説明する。 The configuration of the polarization separation element of this embodiment will be described with reference to FIG.
偏光分離素子は、基板上に2種類の格子群101および103を設けたものである。基板面上に任意のXY直交座標を定める。第1の格子群101は、基板上に、Y方向に伸びる格子凸部をX方向に周期0.25マイクロメータで配置したものである。第2の格子群103は、基板上に、X方向に伸びる格子凸部をY方向に周期0.4マイクロメータで配置したものである。第1の格子群101と第2の格子群103とは、X方向に交互に周期3.7マイクロメータで配置される。第1の格子群101と第2の格子群103との周期的な配置は、第1の格子群101をY方向に伸びる格子凸部とし、第2の格子群103を格子凸部以外の部分とする仮想格子とみなすことができる。
The polarization separation element is provided with two types of grating
入射する光の波長をλ、格子面に対する入射角度をθ0として、第1の格子群101の格子周期および第2の格子群103の格子周期は、
λ/cosθ0
よりも小さくなるようにする。たとえば、入射する光の波長λは、デジタル・バーサタル・ディスク用波長0.66マイクロメータまたは、コンパクト・ディスク用波長0.785マイクロメータとする。格子面に対する入射角度θ0を、0度とすると
λ/cosθ0
は、0.66マイクロメータまたは、0.785マイクロメータとなる。第1の格子群101の格子周期0.25マイクロメータおよび第2の格子群103の格子周期0.4マイクロメータは、0.66マイクロメータまたは、0.785マイクロメータよりも小さくなる。
Assuming that the wavelength of the incident light is λ and the incident angle with respect to the grating plane is θ 0 , the grating period of the first
λ / cos θ 0
To be smaller. For example, the wavelength λ of the incident light is assumed to be a wavelength of 0.66 micrometers for a digital versatile disk or a wavelength of 0.785 micrometers for a compact disk. If the incident angle θ 0 with respect to the lattice plane is 0 degree,
λ / cos θ 0
Becomes 0.66 micrometers or 0.785 micrometers. The grating period 0.25 micrometers of the first
表1は、本実施形態の偏光分離素子のパラメータを示す表である。右側4列は各格子郡における蒸着層の有効屈折率を示す。表1において、TE偏光およびTM偏光は、周期3.7マイクロメータの仮想格子に関する偏光方向である。また、TM偏光の光は、基板の格子を備える面から入射され、TE偏光の光は基板の格子のない面から入射されるものとした。 Table 1 is a table | surface which shows the parameter of the polarization splitting element of this embodiment. The right four columns show the effective refractive index of the deposited layer in each lattice group. In Table 1, TE polarization and TM polarization are the polarization directions for a virtual grating with a period of 3.7 micrometers. In addition, the TM polarized light is incident from the surface of the substrate having the grating, and the TE polarized light is incident from the surface of the substrate having no grating.
本実施形態の偏光分離素子において、格子深さ(格子高さ)aは、0.46マイクロメータ、高い屈折率の材料からなる層(蒸着膜層)の厚さbは、0.51マイクロメータとした。ここで、格子エッジ角度とは、図1のαで示す角度である。 In the polarization separation element of this embodiment, the grating depth (lattice height) a is 0.46 micrometers, and the thickness b of the layer (deposition film layer) made of a material having a high refractive index is 0.51 micrometers. It was. Here, the lattice edge angle is an angle indicated by α in FIG.
第1の格子群において、格子深さbの、格子凸部の幅dに対する比(アスペクト比)は、2.3である。第2の格子群においても、アスペクト比は、2.3である。このように、格子凸部のアスペクト比が3以下であるので、格子の製造が比較的容易である。これに対して、蒸着膜層を設けない場合は、格子凸部のアスペクト比が9以上となり、格子の製造が困難となる。 In the first lattice group, the ratio (aspect ratio) of the lattice depth b to the width d of the lattice convex portion is 2.3. Even in the second lattice group, the aspect ratio is 2.3. Thus, since the aspect ratio of the lattice convex portion is 3 or less, the production of the lattice is relatively easy. On the other hand, when the vapor deposition film layer is not provided, the aspect ratio of the lattice convex portion is 9 or more, and it becomes difficult to manufacture the lattice.
デジタル・バーサタル・ディスク用波長0.66マイクロメータ、およびコンパクト・ディスク用波長0.785マイクロメータの光のTM波に対して、第1の格子群と第2の格子群とはほぼ等しい屈折率を示す。したがって、TM波は偏光分離素子を透過する。 The refractive index of the first grating group and that of the second grating group are substantially equal to the TM wave of light having a wavelength of 0.66 micrometers for a digital versatile disk and 0.785 micrometers for a compact disk. Indicates. Therefore, the TM wave passes through the polarization separation element.
デジタル・バーサタル・ディスク用波長0.66マイクロメータ、およびコンパクト・ディスク用波長0.785マイクロメータの光のTE波に対して、第1の格子群と第2の格子群とは異なる屈折率を示す。したがって、TE波は仮想格子によって回折される。 The first and second grating groups have different refractive indexes for the TE wave of light having a wavelength of 0.66 micrometers for digital versatile disks and 0.785 micrometers for compact disks. Show. Therefore, the TE wave is diffracted by the virtual grating.
図5は、格子深さaを基準値から約10パーセント変化させた場合の、TM波およびTE波の透過効率の変化を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing a change in transmission efficiency of the TM wave and the TE wave when the grating depth a is changed by about 10% from the reference value.
図6は、高い屈折率の材料からなる層の厚さbを基準値から約10パーセント変化させた場合の、TM波およびTE波の透過効率の変化を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing a change in transmission efficiency of the TM wave and the TE wave when the thickness b of the layer made of a material having a high refractive index is changed by about 10 percent from the reference value.
図7は、入射角を0度から7度まで変化させた場合の、TM波およびTE波の透過効率の変化を示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing a change in transmission efficiency of the TM wave and the TE wave when the incident angle is changed from 0 degree to 7 degrees.
図5乃至図7から、デジタル・バーサタル・ディスク用波長0.66マイクロメータ、およびコンパクト・ディスク用波長0.785マイクロメータの光のTM波は、ほぼ90パーセント透過し、デジタル・バーサタル・ディスク用波長0.66マイクロメータ、およびコンパクト・ディスク用波長0.785マイクロメータの光のTE波は、ほぼ90乃至95パーセント透過しない。また、入射角が0度から7度までの範囲で、透過率の入射角依存性はほとんど見られない。 From FIG. 5 to FIG. 7, the TM wave of light having a wavelength of 0.66 micrometers for a digital versatile disk and a wavelength of 0.785 micrometers for a compact disk transmits almost 90%, and is used for a digital versatile disk. The TE wave of light having a wavelength of 0.66 micrometers and a compact disk wavelength of 0.785 micrometers does not transmit approximately 90 to 95 percent. In addition, when the incident angle is in the range from 0 degree to 7 degrees, the incident angle dependency of the transmittance is hardly seen.
図8は、本発明の一実施形態による1/4波長板の構成を示す図である。1/4波長板は、表2に示すパラメータを有する格子からなる。表2の右側4列は格子の各部分における有効屈折率を示す。図8に示すように、入射光の偏光方向に対して、格子の向きを45度傾ける。 FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a quarter-wave plate according to an embodiment of the present invention. The quarter-wave plate is composed of a grating having the parameters shown in Table 2. The right four columns of Table 2 show the effective refractive index in each part of the grating. As shown in FIG. 8, the direction of the grating is inclined 45 degrees with respect to the polarization direction of the incident light.
格子深さbの、格子凸部の幅dに対する比(アスペクト比)は、1.0である。このように、格子凸部のアスペクト比が3以下であるので、格子の製造が比較的容易である。これに対して、蒸着膜層を設けない場合は、格子凸部のアスペクト比が8以上となり、格子の製造が困難となる。 The ratio (aspect ratio) of the grating depth b to the width d of the grating protrusions is 1.0. Thus, since the aspect ratio of the lattice convex portion is 3 or less, the production of the lattice is relatively easy. On the other hand, when the vapor deposition film layer is not provided, the aspect ratio of the lattice convex portion is 8 or more, and it becomes difficult to manufacture the lattice.
図9は、高い屈折率の材料からなる層(蒸着膜)の厚さcに対して、入射した光の位相変化を示す図である。cを0.375マイクロメータとすれば、デジタル・バーサタル・ディスク用波長0.66マイクロメータ、およびコンパクト・ディスク用波長0.785マイクロメータの光に対して、位相変化はほぼ90度となる。 FIG. 9 is a diagram illustrating a phase change of incident light with respect to a thickness c of a layer (deposition film) made of a material having a high refractive index. If c is 0.375 micrometers, the phase change is almost 90 degrees with respect to light having a wavelength of 0.66 micrometers for a digital versatile disk and 0.785 micrometers for a compact disk.
図10は、本発明の偏光素子を使用した光ピックアップシステムの構成を示す図である。図10において、レーザ光源201から発したビームは、0次回折光として偏光分離素子203を透過し、1/4波長板205および対物レンズ207を経てディスク(DVDまたはCD)209に至る。ディスク209で反射されたビームは、対物レンズ207および1/4波長板205を経由して偏光分離素子203に戻る。ビームは、偏光分離素子203によって1次回折光として回折され、フォトダイオード211および213によって検出される。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of an optical pickup system using the polarizing element of the present invention. In FIG. 10, the beam emitted from the
レーザ光源201の発する光は、TM偏光(p偏光)されたものであり、ほぼ90%の効率で0次回折光として偏光分離素子203を透過する。この光は、1/4波長板205によって円偏光に変換される。この光がディスク209で反射されて、1/4波長板205を逆方向に通過すると、TE偏光(s偏光)された光となる。偏光分離素子203は、このTE偏光は、1次回折光が約30%、−1次回折光が約30%、0次回折光が10%以下で、残りはより高次の回折光となる。
The light emitted from the
ここで、レーザ光源201は、二波長半導体レーザユニットであってもよい。本発明の実施形態による偏光分離素子203および1/4波長板205は、デジタル・バーサタル・ディスク用波長0.66マイクロメータおよびコンパクト・ディスク用波長0.785マイクロメータに対して、ほぼ同様の特性を示すので、両方の波長に使用することができる。
Here, the
101…第1の格子群、103…第2の格子群、111…格子の凸部、113…凸部の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる層
DESCRIPTION OF
Claims (16)
Λ(cosθ0)<λ
であり、格子の凸部上に凸部の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる層を積層し、格子の凸部以外の部分には当該高い屈折率の材料からなる層を積層していない偏光素子。 Provided with a grating arranged on the substrate with a predetermined period Λ, the wavelength of light is λ, and the incident angle to the grating surface is θ 0
Λ (cos θ 0 ) <λ
A layer made of a material having a refractive index higher than the refractive index of the convex portion is laminated on the convex portion of the grating, and a layer made of the material having a high refractive index is laminated on a portion other than the convex portion of the lattice. No polarizing element.
Λ(cosθ0)<λ
である、格子を金型によって成形するステップと、
格子の凸部上に、凸部を構成する材料の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる層を積層するステップと、を含み、格子の凸部以外の部分には当該高い屈折率の材料からなる層を積層しない偏光素子の製造方法。 A grating arranged on a substrate with a predetermined period Λ, where the wavelength of light is λ and the incident angle with respect to the grating surface is θ 0
Λ (cos θ 0 ) <λ
A step of forming a lattice with a mold,
Laminating a layer made of a material having a refractive index higher than the refractive index of the material constituting the convex portion on the convex portion of the lattice, and the material other than the convex portion of the lattice has the high refractive index material The manufacturing method of the polarizing element which does not laminate | stack the layer which consists of.
λ/cosθ0
よりも大きい偏光分離素子。 When arbitrary XY orthogonal coordinates are defined on the substrate surface, a first lattice group in which lattice convex portions extending in the Y direction are arranged in the X direction with a first period Λ 1 on the substrate, and extending in the X direction. A polarization separation element in which a second grating group in which grating convex portions are arranged in the Y direction with a second period Λ 2 and alternately arranged in a third period Λ 3 in the X direction, the first grating group And the second grating group comprises the polarizing element according to claim 1, and the first grating group with respect to a predetermined polarized wave of light whose traveling direction is in a plane including the X axis. And the effective refractive index of the second grating group are substantially equal, and the effective refractive indexes of the first and second grating groups are different for different polarized waves. 1 of grating group and the second grating group is configured to function as a virtual grid, as 0 the incident angle θ with respect to the virtual lattice plane, the third period lambda 3
λ / cos θ 0
Larger polarization separation element.
The polarization separating element according to claim 15, which can be used at two wavelengths for a compact disk and a digital versatile disk.
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