JP2009128879A - Optical isolator using photonic crystal and method of manufacturing the same - Google Patents

Optical isolator using photonic crystal and method of manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
JP2009128879A
JP2009128879A JP2007307191A JP2007307191A JP2009128879A JP 2009128879 A JP2009128879 A JP 2009128879A JP 2007307191 A JP2007307191 A JP 2007307191A JP 2007307191 A JP2007307191 A JP 2007307191A JP 2009128879 A JP2009128879 A JP 2009128879A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
photonic crystal
periodic
transparent substrate
optical isolator
periodic structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2007307191A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5171227B2 (en
Inventor
Kazunori Fujii
和憲 藤井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Optical Industries Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Optical Industries Co Ltd filed Critical Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority to JP2007307191A priority Critical patent/JP5171227B2/en
Publication of JP2009128879A publication Critical patent/JP2009128879A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5171227B2 publication Critical patent/JP5171227B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Polarising Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical isolator which is thinner and more compact than heretofore by forming a polarizer and a wavelength plate on the same substrate surface. <P>SOLUTION: Cyclic trenches are produced on the substrate by electron beam lithography and dry etching (S1). Data for constitution design of the polarizer and the wavelength plate are obtained in order to alternately laminate multilayers on the substrate while maintaining cyclic rugged shapes in an x-axis direction of each layer by combining sputtering deposition and sputtering etching (S2). Based on the data for constitution design obtained at processing S2, an antireflection film is formed on the substrate and film-forming processing of laminating the multilayers which becomes the polarizer of a photonic crystal is performed (S3). Similarly based on the data for constitution design obtained at processing S2, the antireflection film is formed on the multilayers of the polarizer which is film-formed at processing S3 and film-forming processing of laminating the multilayers which become the wavelength plate of the photonic crystal is performed (S4). Thereby the optical isolator is manufactured. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、フォトニック結晶により製作される1枚の光学素子(片側1面)によって、波長板と偏光素子との組合せによってなされるアイソレータ機能を達成するフォトニック結晶を用いた光アイソレータとその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an optical isolator using a photonic crystal that achieves an isolator function by a combination of a wave plate and a polarizing element by one optical element (one surface on one side) manufactured from the photonic crystal, and its manufacture. It is about the method.

従来、光通信システム等において、光源として用いられる半導体レーザから出射された光が出射光の光路上に配置された光学部品により反射され、光路上を逆方向に進行する光により戻り光が生じる。この戻り光が半導体レーザに戻って入射すると、出力や周波数変動,変調帯域抑制,LD破壊といった不安定動作の原因となる。これを防ぐために、光源と光路上の光学部品との間に、光を一方向にだけ通す光素子である光アイソレータが配置され用いられる。特許文献1には、光ストレージや光通信分野等で用いられ、半導体レーザへの戻り光を低減して、半導体レーザのレーザ発振強度を安定化させる光アイソレータが開示さている。   Conventionally, in an optical communication system or the like, light emitted from a semiconductor laser used as a light source is reflected by an optical component arranged on the optical path of the emitted light, and return light is generated by light traveling in the reverse direction on the optical path. When this return light returns to the semiconductor laser and enters, it causes unstable operation such as output, frequency fluctuation, modulation band suppression, and LD breakdown. In order to prevent this, an optical isolator, which is an optical element that allows light to pass only in one direction, is disposed and used between the light source and the optical component on the optical path. Patent Document 1 discloses an optical isolator that is used in the field of optical storage, optical communication, and the like and reduces the return light to the semiconductor laser and stabilizes the laser oscillation intensity of the semiconductor laser.

また、光沢性を有する対象物の光沢像を検出する方法として、偏光子および1/4波長板からなる光アイソレータを用いて、照明光を照射した対象物からの反射光像を撮像し、また光アイソレータを介さずに照明光を照射した対象物からの反射光像を撮像し、双方の反射光像間の減算処理により対象物の光沢像を検出することが特許文献2に記載されている。   In addition, as a method for detecting a glossy image of an object having glossiness, a reflected light image from an object irradiated with illumination light is captured using an optical isolator comprising a polarizer and a quarter-wave plate, and Patent Document 2 describes that a reflected light image from an object irradiated with illumination light without using an optical isolator is captured, and a glossy image of the object is detected by subtraction processing between both reflected light images. .

図8に示すようなDVDやCD、BD(Blu-ray Disc:登録商標)、HD−DVD(High-Definition DVD)等に用いられるピックアップ光学系は、光源である半導体レーザ20、偏光ビームスプリッタ21、1/4波長板22、偏向プリズム23、対物レンズ24の組合せから構成される。   The pickup optical system used for DVD, CD, BD (Blu-ray Disc: registered trademark), HD-DVD (High-Definition DVD) and the like as shown in FIG. 8 includes a semiconductor laser 20 as a light source, a polarization beam splitter 21. , A quarter wavelength plate 22, a deflection prism 23, and an objective lens 24.

このピックアップ光学系において、半導体レーザ20からのレーザ光のP偏光を偏光ビームスプリッタ21、1/4波長板22を通し、対物レンズ24で媒体25上に集光させ、媒体25の溝の有無を捕らえ、反射光として1/4波長板22、偏光ビームスプリッタ21を逆行し、S偏光の信号として取り出すように作用する。この偏光ビームスプリッタと1/4波長板との組合せによって光アイソレータとしての機能が得られ、半導体レーザの安定性に寄与している。
特開2007−225905号公報 特許第3306513号公報 特開2001−108832号公報
In this pickup optical system, the P-polarized light of the laser beam from the semiconductor laser 20 passes through the polarizing beam splitter 21 and the quarter-wave plate 22 and is condensed on the medium 25 by the objective lens 24, and the presence or absence of a groove in the medium 25 is checked. The ¼ wavelength plate 22 and the polarizing beam splitter 21 are reversed as reflected light and act as an S-polarized signal. The combination of the polarization beam splitter and the quarter wavelength plate provides a function as an optical isolator and contributes to the stability of the semiconductor laser.
JP 2007-225905 A Japanese Patent No. 3306513 JP 2001-108832 A

前述した波長板において、例えば1/2波長板(位相差180deg)は直線偏光を回転させるために用いられ、回転角は入射偏光と遅相軸とのなす角にて調整し、直線偏光に対し遅相軸を45度に設定することで偏光面が90度回転し、また1/4波長板(位相差90deg)においては、直線偏光を円偏光または円偏光を直線偏光に変換するために用いられ、同様に直線偏光に対し遅相軸を45度に設定することで円偏光が得られる。   In the wave plate described above, for example, a half-wave plate (phase difference 180 deg) is used to rotate linearly polarized light, and the rotation angle is adjusted by the angle formed between the incident polarized light and the slow axis. By setting the slow axis to 45 degrees, the plane of polarization rotates by 90 degrees, and in the quarter wave plate (phase difference 90 deg), linearly polarized light is used to convert circularly polarized light or circularly polarized light into linearly polarized light. Similarly, circularly polarized light can be obtained by setting the slow axis to 45 degrees with respect to linearly polarized light.

このため、光アイソレータとしての機能を得るためには、偏光子や偏光ビームスプリッタと組み合わせる1/4波長板の間に角度(光軸を45度ずらす)の制約を課さなければならず、これらを組み合わせた光アイソレータをコンパクトに構成することは難しいという問題があった。   For this reason, in order to obtain the function as an optical isolator, it is necessary to impose a restriction on the angle (shifting the optical axis by 45 degrees) between the quarter wavelength plates combined with the polarizer and the polarization beam splitter. There is a problem that it is difficult to make the optical isolator compact.

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、同一基板上の同一面に偏光子と波長板を形成して、従来よりも薄くコンパクトな光アイソレータを実現できるフォトニック結晶を用いた光アイソレータとその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention is directed to solving the problems of the prior art, and a photonic that can realize a thinner and more compact optical isolator than the prior art by forming a polarizer and a wave plate on the same surface on the same substrate. An object is to provide an optical isolator using a crystal and a method for manufacturing the same.

前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項1に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータは、一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる2種類以上の透明体を凹凸構造上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第1の周期構造体と、屈折率の異なる2種類以上の透明体を第1の周期構造体上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第2の周期構造体とを備えたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, an optical isolator using a photonic crystal according to claim 1 according to the present invention includes a transparent substrate having a periodic concavo-convex structure in one direction and two or more types of transparent having different refractive indexes. A first periodic structure made of a multi-layer photonic crystal having a body laminated on an uneven structure, and a multi-layer photonic made by laminating two or more types of transparent bodies having different refractive indexes on the first periodic structure And a second periodic structure made of a crystal.

また、請求項2,3に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータは、請求項1の光アイソレータにおいて、透明基板が、一方向の周期凹凸構造を表面と裏面のそれぞれに有し、透明基板の一方の面に第1,第2の周期構造体が形成され、他方の面に周期構造体の波長板が形成されたこと、さらに、第1,第2の周期構造体が、一方が偏光子、他方が波長板の機能を有することを特徴とする。   An optical isolator using a photonic crystal according to claims 2 and 3 is the optical isolator according to claim 1, wherein the transparent substrate has a unidirectional periodic concavo-convex structure on each of the front surface and the back surface. The first and second periodic structures are formed on one surface of the substrate, the wave plate of the periodic structure is formed on the other surface, and the first and second periodic structures are polarized. The element and the other have the function of a wave plate.

また、請求項4に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータは、一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる2種類以上の透明体を凹凸構造上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第1の周期構造体が偏光子であり、屈折率の異なる2種類以上の透明体を第1の周期構造体上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第2の周期構造体が波長板であり、偏光子と波長板は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とする。   The optical isolator using the photonic crystal according to claim 4 is a multilayer film in which a transparent substrate having a periodic concavo-convex structure in one direction and two or more types of transparent bodies having different refractive indexes are laminated on the concavo-convex structure. A first periodic structure made of a photonic crystal is a polarizer, and a second period made of a multi-layer photonic crystal in which two or more types of transparent bodies having different refractive indexes are stacked on the first periodic structure. The structure is a wave plate, and the polarizer and the wave plate function as an isolator corresponding to the same wavelength.

また、請求項5に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータは、一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる2種類以上の透明体を凹凸構造上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第1の周期構造体が波長板であり、屈折率の異なる2種類以上の透明体を第1の周期構造体上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第2の周期構造体が偏光子であり、波長板と偏光子は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とする。   An optical isolator using a photonic crystal according to claim 5 is a multilayer film in which a transparent substrate having a periodic concavo-convex structure in one direction and two or more types of transparent bodies having different refractive indexes are laminated on the concavo-convex structure. A first periodic structure made of a photonic crystal is a wave plate, and a second period made of a multi-layer photonic crystal in which two or more types of transparent bodies having different refractive indexes are stacked on the first periodic structure. The structure is a polarizer, and the wave plate and the polarizer function as an isolator corresponding to the same wavelength.

また、請求項6〜8に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータは、請求項1〜5の光アイソレータにおいて、透明基板上に積層する第1の周期構造体と第2の周期構造体の間に反射防止膜を配置してなること、さらに、透明基板と周期構造体の間に反射防止膜を配置してなること、さらに、透明基板上に積層した周期構造体の表面に反射防止膜を配置してなることを特徴とする。   The optical isolator using the photonic crystal according to any one of claims 6 to 8 is the optical isolator according to any one of claims 1 to 5, wherein the first periodic structure and the second periodic structure are stacked on the transparent substrate. An antireflection film is disposed between the transparent substrate and the periodic structure, and an antireflection film is formed on the surface of the periodic structure laminated on the transparent substrate. It is characterized by arranging.

また、請求項9,10に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータは、請求項1〜8の光アイソレータにおいて、透明基板の周期構造体を形成した面の裏面に反射防止膜を配置してなること、さらに、周期構造体を形成する多層膜として積層する透明体が、SiOおよびAlおよびTaおよびNbおよびTiOのいずれかにより構成されることを特徴とする。 The optical isolator using the photonic crystal according to claim 9 or 10 is the optical isolator according to claims 1 to 8, wherein an antireflection film is disposed on the back surface of the surface on which the periodic structure of the transparent substrate is formed. Further, the transparent body laminated as a multilayer film forming the periodic structure is composed of any one of SiO 2, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, Nb 2 O 5 and TiO 2. And

また、請求項11に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法は、透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程と、第1の周期構造体として凹凸構造上に屈折率の異なる2種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程と、第2の周期構造体として第1の周期構造体上に屈折率の異なる2種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程とからなり、透明基板の同一面上に第1,第2の周期構造体を積層することを特徴とする。   The method for manufacturing an optical isolator using a photonic crystal according to claim 11 includes a step of forming a periodic concavo-convex structure in one direction of the transparent substrate, and a refractive index of the refractive index on the concavo-convex structure as a first periodic structure. A step of forming a multilayer film made of a photonic crystal by laminating two or more different types of transparent bodies, and two or more types of transparent bodies having different refractive indexes on the first periodic structure as a second periodic structure. A step of forming a multilayer film made of a photonic crystal by laminating the first and second periodic structures on the same surface of the transparent substrate.

また、請求項12,13に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法は、請求項1の光アイソレータの製造方法において、透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程において、透明基板の表面と裏面のそれぞれに周期凹凸構造を形成し、透明基板の一方の面には第1,第2の周期構造体を形成して、他方の面には周期構造体の波長板を形成すること、さらに、第1,第2の周期構造体が、一方が偏光子、他方が波長板の機能を有することを特徴とする。   The method for manufacturing an optical isolator using a photonic crystal according to claims 12 and 13 is the method for manufacturing an optical isolator according to claim 1, wherein in the step of forming the periodic uneven structure in one direction of the transparent substrate, A periodic uneven structure is formed on each of the front and back surfaces of the substrate, the first and second periodic structures are formed on one surface of the transparent substrate, and the wavelength plate of the periodic structure is formed on the other surface. Further, the first and second periodic structures are characterized in that one has a function of a polarizer and the other has a function of a wave plate.

また、請求項14に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法は、透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程と、第1の周期構造体の偏光子として凹凸構造上に屈折率の異なる2種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程と、第2の周期構造体の波長板として第1の周期構造体上に屈折率の異なる2種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程とからなり、透明基板の同一面上に積層した偏光子と波長板は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とする。   The method for manufacturing an optical isolator using a photonic crystal according to claim 14 includes a step of forming a periodic concavo-convex structure in one direction of a transparent substrate, and a concavo-convex structure as a polarizer of the first periodic structure. A step of forming a multilayer film made of a photonic crystal by laminating two or more types of transparent bodies having different refractive indexes, and 2 having different refractive indexes on the first periodic structure as a wavelength plate of the second periodic structure. It consists of a process of forming a multilayer film made of photonic crystals by laminating more than one type of transparent body, and the polarizer and wave plate laminated on the same surface of the transparent substrate function as an isolator corresponding to the same wavelength. Features.

また、請求項15に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法は、透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程と、第1の周期構造体の波長板として凹凸構造上に屈折率の異なる2種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程と、第2の周期構造体の偏光子として第1の周期構造体上に屈折率の異なる2種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程とからなり、透明基板の同一面上に積層した波長板と偏光子は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とする。   The method for manufacturing an optical isolator using a photonic crystal according to claim 15 includes a step of forming a periodic concavo-convex structure in one direction of a transparent substrate, and a wave plate of the first periodic structure on the concavo-convex structure. A step of forming a multilayer film made of a photonic crystal by laminating two or more types of transparent bodies having different refractive indexes, and 2 having different refractive indexes on the first periodic structure as a polarizer of the second periodic structure. It consists of a step of forming a multilayer film made of photonic crystals by laminating more than one type of transparent body, and the wave plate and the polarizer laminated on the same surface of the transparent substrate function as an isolator corresponding to the same wavelength. Features.

また、請求項16〜18に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法は、請求項11〜15の光アイソレータの製造方法において、透明基板上に積層する第1の周期構造体と第2の周期構造体の間に反射防止膜を形成する工程を有したこと、さらに、透明基板と周期構造体の間に反射防止膜を形成する工程を有したこと、さらに、透明基板上に積層した周期構造体の表面に反射防止膜を形成する工程を有したことを特徴とする。   The method for manufacturing an optical isolator using a photonic crystal according to any one of claims 16 to 18 is the method for manufacturing an optical isolator according to any one of claims 11 to 15, wherein the first periodic structure laminated on a transparent substrate and Having a step of forming an antireflection film between the two periodic structures, further having a step of forming an antireflection film between the transparent substrate and the periodic structure, and laminating on the transparent substrate And a step of forming an antireflection film on the surface of the periodic structure.

また、請求項19,20に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法は、請求項1〜18の光アイソレータの製造方法において、透明基板の周期構造体を形成した面の裏面に反射防止膜を形成する工程を有したこと、さらに、周期構造体を形成する多層膜として積層する透明体が、SiOおよびAlおよびTaおよびNbおよびTiOのいずれかにより構成されることを特徴とする。 The method for manufacturing an optical isolator using a photonic crystal according to claims 19 and 20 is the optical isolator manufacturing method according to claims 1 to 18, wherein the optical isolator is reflected on the back surface of the surface on which the periodic structure of the transparent substrate is formed. The transparent body to be laminated as a multilayer film for forming the periodic structure has any of SiO 2, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, Nb 2 O 5, and TiO 2 . It is characterized by comprising.

前記構成および方法によれば、フォトニック結晶を用いて偏光子と波長板の2つの機能を基板の同一面上に形成することができる。   According to the above configuration and method, two functions of a polarizer and a wave plate can be formed on the same surface of the substrate using a photonic crystal.

本発明によれば、偏光子と波長板の機能をフォトニック結晶の積層により実施し、基板の同一面上に2つの機能をフォトニック結晶の積層によって構成し、従来よりも薄くコンパクトな光アイソレータを実現でき、また一体的に製作するため、調整,組立て等の必要がなく、この作業に伴う不良の発生や製造歩留まりが低下することを低減できるという効果を奏する。   According to the present invention, the functions of the polarizer and the wave plate are implemented by stacking photonic crystals, and the two functions are configured by stacking photonic crystals on the same surface of the substrate. In addition, since it is manufactured integrally, there is no need for adjustment, assembly, etc., and it is possible to reduce the occurrence of defects associated with this work and the reduction in manufacturing yield.

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の実施形態におけるフォトニック結晶の構造を示す図であり、一方向の周期凹凸構造がわかるように連続する周期構造と直行する方向から見た断面図である。図1の構造は横方向(x方向)と縦方向(z方向)に周期性があり、図示されない奥行方向(y方向)では周期性がない。   FIG. 1 is a view showing a structure of a photonic crystal in an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view seen from a direction orthogonal to a continuous periodic structure so that a periodic uneven structure in one direction can be seen. The structure of FIG. 1 has periodicity in the horizontal direction (x direction) and vertical direction (z direction), and no periodicity in the depth direction (y direction) not shown.

図1において、1は透明基板であり一方向の周期凹凸構造が形成されている。2は積層周期構造の多層膜4の一部分にあたる低屈折率層である。3は積層周期構造の多層膜4の一部分にあたる高屈折率層である。このような周期構造は軸方向への周期性の違いにより1軸方向への周期性を持つ構造体であれば一次元フォトニック結晶となり、光学薄膜を多層に積層して作られるダイクロイックフィルターやPBSフィルター等が古くから知られている。2軸方向への周期性を持つ構造体であれば二次元フォトニック結晶となり、図1の構造はこの二次元フォトニック結晶である。3軸方向への周期性を持つ構造体であれば三次元フォトニック結晶となり、光学軸が複数方向へ立体的に存在する構造体である。   In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a transparent substrate, which has a periodic uneven structure in one direction. Reference numeral 2 denotes a low refractive index layer corresponding to a part of the multilayer film 4 having a laminated periodic structure. Reference numeral 3 denotes a high refractive index layer corresponding to a part of the multilayer film 4 having a laminated periodic structure. Such a periodic structure is a one-dimensional photonic crystal if it is a structure having periodicity in one axial direction due to a difference in periodicity in the axial direction, and a dichroic filter or PBS made by laminating optical thin films in multiple layers. Filters have been known for a long time. A structure having periodicity in the biaxial direction becomes a two-dimensional photonic crystal, and the structure in FIG. 1 is this two-dimensional photonic crystal. A structure having periodicity in the three-axis direction is a three-dimensional photonic crystal, and has a three-dimensional optical axis in a plurality of directions.

本発明のフォトニック結晶は波長板としての機能を有するが、二次元フォトニック結晶の場合は主に次に述べるパラメータにより光学特性が決定される。図1において、
1.透明基板1の屈折率
2.低屈折率層2の屈折率
3.低屈折率層2の膜厚dL
4.高屈折率層3の屈折率
5.高屈折率層3の膜厚dH
6.周期凹凸構造の周期P
7.周期凹凸構造(V字状)の傾斜θv
を基本として、さらには
8.高屈折率層3と低屈折率層2の積層する層数もしくは周期数
9.積層周期毎の膜厚dLおよび膜厚dH
以上により構成されるパラメータを所望の特性が得られる値に整合させる。
The photonic crystal of the present invention has a function as a wave plate. In the case of a two-dimensional photonic crystal, the optical characteristics are mainly determined by the parameters described below. In FIG.
1. 1. Refractive index of the transparent substrate 1 2. Refractive index of the low refractive index layer 2 Film thickness dL of the low refractive index layer 2
4). 4. Refractive index of the high refractive index layer 3 Film thickness dH of high refractive index layer 3
6). Period P of periodic uneven structure
7). Inclination θv of periodic uneven structure (V-shaped)
And 8. 8. Number of layers or period of lamination of the high refractive index layer 3 and the low refractive index layer 2 Film thickness dL and film thickness dH for every lamination period
The parameters configured as described above are matched with values that provide desired characteristics.

また、本実施形態では、積層する透明薄膜は低屈折率材と高屈折率材の組み合わせを基本としているが、例えば、SiOとTa、SiOとNb、SiOとTiO、SiOとAl、AlとTa、AlとNb、AlとTiO等の組み合わせであっても良い。 In the present embodiment, the transparent thin film to be laminated is based on a combination of a low refractive index material and a high refractive index material. For example, SiO 2 and Ta 2 O 5 , SiO 2 and Nb 2 O 5 , SiO 2 A combination of TiO 2 , SiO 2 and Al 2 O 3 , Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 and Nb 2 O 5 , Al 2 O 3 and TiO 2, or the like may be used.

本発明のフォトニック結晶は周期凹凸構造が形成された透明基板1を、例えばエッチング源を有する図2に示す成膜装置に導入する。この成膜装置は、図2の概略図に示すようにターゲットをスパッタリングして、基板にターゲットの材料の薄膜を形成する成膜装置であって、真空槽10、真空槽10内に設けられた円筒形の基板ホルダー11、エッチング源12、および真空槽10の内部に設けられ遮蔽板で区画された第1のターゲット13、第2のターゲット14、反応源15を有する。真空槽10の内部は、図示していない排気系で排気されて、高真空状態に保たれている。円筒形の基板ホルダー11は、所定の回転速度で回転可能であり、基板ホルダー11の外周には、単数または複数の透明基板1を保持することができる(特許文献3:図3参照)。   In the photonic crystal of the present invention, the transparent substrate 1 on which the periodic concavo-convex structure is formed is introduced into a film forming apparatus shown in FIG. 2 having an etching source, for example. This film forming apparatus is a film forming apparatus that forms a thin film of a target material on a substrate by sputtering a target as shown in the schematic diagram of FIG. 2, and is provided in the vacuum chamber 10 and the vacuum chamber 10. A cylindrical substrate holder 11, an etching source 12, and a first target 13, a second target 14, and a reaction source 15 that are provided inside the vacuum chamber 10 and are partitioned by a shielding plate. The inside of the vacuum chamber 10 is evacuated by an exhaust system (not shown) and kept in a high vacuum state. The cylindrical substrate holder 11 can be rotated at a predetermined rotational speed, and one or a plurality of transparent substrates 1 can be held on the outer periphery of the substrate holder 11 (see Patent Document 3: FIG. 3).

この成膜装置に導入した、透明基板1上の矩形形状の周期凹凸構造にエッチング加工を行いV字状の周期凹凸構造とする。さらに高屈折率材の原材料(第1のターゲット)をスパッタリング(成膜)し前述の透明基板1上に所望の膜厚となるよう高屈折率層3を形成する。このとき、同時にエッチング源を作動させてプラズマによるエッチング効果を作用させ基板に形成させたV字状の周期凹凸構造と同一の形状に整形する。   Etching is performed on the rectangular periodic concavo-convex structure on the transparent substrate 1 introduced into the film forming apparatus to form a V-shaped periodic concavo-convex structure. Further, a raw material (first target) of a high refractive index material is sputtered (deposited) to form the high refractive index layer 3 on the transparent substrate 1 so as to have a desired film thickness. At this time, the etching source is operated at the same time, and the etching effect by plasma is applied to shape the same shape as the V-shaped periodic uneven structure formed on the substrate.

続けて低屈折率材の原材料(第2のターゲット)をスパッタリング(成膜)し前述の透明基板1上に所望の膜厚となるよう低屈折率層2を形成する。このとき、前述のエッチング源を同時に作動させてプラズマによるエッチング効果を作用し基板に形成させたV字状の周期凹凸構造と同一の形状に整形する。以降、目的の積層数に達するまで前述の高屈折率材と低屈折率材の成膜を繰り返すが、各層の膜厚は設計値に基づいた膜厚に制御しフォトニック結晶を製作する。   Subsequently, the raw material (second target) of the low refractive index material is sputtered (deposited) to form the low refractive index layer 2 on the transparent substrate 1 so as to have a desired film thickness. At this time, the above-described etching source is operated at the same time, and an etching effect by plasma acts to shape the same shape as the V-shaped periodic uneven structure formed on the substrate. Thereafter, the above-described film formation of the high-refractive index material and the low-refractive index material is repeated until the desired number of layers is reached, but the film thickness of each layer is controlled to a film thickness based on the design value to produce a photonic crystal.

ここで、本実施形態について、具体的な実施例を挙げ説明する。まず、実施例において使用する透明基板は、石英基板に電子線レジストを塗布し電子線描画にて微細なラインを描画し、レジストを現像した後にドライエッチングを実施した微細加工において、一方向の周期凹凸構造を形成した透明基板を製作する。この透明基板の溝の幅は200nm、溝の深さは100nmである。図2に示す成膜装置にて前述の透明基板1を基板ホルダー11に保持し、装置内の真空槽10を1×10−4Pa以下に排気した。エッチング源12にArガスを導入し、イオンビームソースを作動させてArのイオンビームを透明基板1に照射し、透明基板1の矩形形状をV字状の周期凹凸構造に加工する(図1参照)。このときArガスを100sccm導入しエッチング源12には2.5kwの電力を供給した。 Here, a specific example is given and demonstrated about this embodiment. First, the transparent substrate used in the embodiment is a cycle in one direction in a fine processing in which an electron beam resist is applied to a quartz substrate, a fine line is drawn by electron beam drawing, and the resist is developed and then dry etching is performed. A transparent substrate with a concavo-convex structure is produced. The transparent substrate has a groove width of 200 nm and a groove depth of 100 nm. The above-mentioned transparent substrate 1 was held on the substrate holder 11 by the film forming apparatus shown in FIG. 2, and the vacuum chamber 10 in the apparatus was evacuated to 1 × 10 −4 Pa or less. Ar gas is introduced into the etching source 12, the ion beam source is activated to irradiate the transparent substrate 1 with the Ar ion beam, and the rectangular shape of the transparent substrate 1 is processed into a V-shaped periodic uneven structure (see FIG. 1). ). At this time, Ar gas was introduced at 100 sccm, and an electric power of 2.5 kw was supplied to the etching source 12.

続いて、第1のターゲット13(Siターゲット)近傍からArガスを200sccm導入し、第1のターゲット13のカソードに7kwの電力を導入し、Si膜を極薄く透明基板1上に成膜する。このときSiの成膜と同時に、反応源15(酸化源)に酸素100sccmを導入し、さらに5kwの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板1上に照射して、透明基板1上のSiを酸素化反応させてSiOの薄膜を形成する。その後、エッチング源12にArガスを導入し、イオンビームソースを作動させてArのイオンビームを透明基板1上に形成されたSiO薄膜に照射して、V字状の周期凹凸構造に成型する。このときのSiO薄膜の膜厚は50nmとなるように調整し成膜を実施した。 Subsequently, 200 sccm of Ar gas is introduced from the vicinity of the first target 13 (Si target), 7 kW of power is introduced to the cathode of the first target 13, and an Si film is formed on the transparent substrate 1 very thinly. At this time, simultaneously with the film formation of Si, 100 sccm of oxygen is introduced into the reaction source 15 (oxidation source), and further 5 kw of electric power is supplied to irradiate oxygen plasma and radicals onto the transparent substrate 1. Si is oxygenated to form a SiO 2 thin film. Thereafter, Ar gas is introduced into the etching source 12, the ion beam source is activated, and the SiO 2 thin film formed on the transparent substrate 1 is irradiated with the Ar ion beam to form a V-shaped periodic concavo-convex structure. . At this time, the film thickness of the SiO 2 thin film was adjusted to 50 nm to form a film.

また、第2のターゲット14(Nbターゲット)近傍からArガスを200sccm導入し、第2のターゲット14のカソードに5kwの電力を導入し、Nb膜を極薄く透明基板1上に成膜する。このときNbの成膜と同時に、反応源15(酸化源)に酸素100sccmを導入し、さらに5kwの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板1上に照射して、透明基板1上のNbを酸素化反応させてNbの薄膜を形成する。その後、エッチング源にArガスを導入し、イオンビームソースを作動させてArのイオンビームを基板上に形成されたNb薄膜に照射して、V字状の周期凹凸構造に成型する。このときのNb薄膜の膜厚は50nmとなるように調整し成膜を実施した。 Further, Ar gas is introduced at 200 sccm from the vicinity of the second target 14 (Nb target), 5 kW of electric power is introduced into the cathode of the second target 14, and an Nb film is formed on the transparent substrate 1 very thinly. At this time, simultaneously with the Nb film formation, oxygen 100 sccm is introduced into the reaction source 15 (oxidation source), and further 5 kw of electric power is supplied to irradiate oxygen plasma and radicals onto the transparent substrate 1. Nb is oxygenated to form a thin film of Nb 2 O 5 . Thereafter, Ar gas is introduced into the etching source, the ion beam source is activated, and the Nb 2 O 5 thin film formed on the substrate is irradiated with the Ar ion beam to form a V-shaped periodic uneven structure. At this time, the Nb 2 O 5 thin film was adjusted to have a film thickness of 50 nm, and the film was formed.

上記SiO薄膜およびNb薄膜を成型する工程を交互に26回繰り返し、最後にSiO薄膜の成型工程を行って、合計53層の多層の成膜を実施した。 The process of molding the SiO 2 thin film and the Nb 2 O 5 thin film was alternately repeated 26 times, and finally the SiO 2 thin film molding process was performed to form a total of 53 layers.

上記のように透明基板1上に多層膜を成膜したフォトニック結晶波長板を位相差測定器で、測定したところ波長405nmでの位相差は135degであった。   As described above, the photonic crystal wave plate in which the multilayer film was formed on the transparent substrate 1 was measured with a phase difference measuring device. As a result, the phase difference at a wavelength of 405 nm was 135 deg.

続けて、フォトニック結晶波長板の上に、多層膜を成膜しフォトニック結晶偏光子を形成した。多層膜の成膜は前出の波長板と同じ装置で連続して製作可能である。   Subsequently, a multilayer film was formed on the photonic crystal wave plate to form a photonic crystal polarizer. The multilayer film can be continuously produced by the same apparatus as the wave plate described above.

波長板を形成した後、第2のターゲット14(Nbターゲット)近傍からArガスを200sccm導入し、第2のターゲット14のカソードに5kwの電力を導入し、Nb膜を極薄く透明基板1上に成膜する。このときNbの成膜と同時に、反応源15(酸化源)に酸素100sccmを導入し、さらに5kwの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板1上に照射して、透明基板1上のNbを酸素化反応させてNbの薄膜を形成する。その後、エッチング源12にArガスを導入し、イオンビームソースを作動させてArのイオンビームを透明基板1上に形成されたNb膜に照射して、V字状の周期凹凸構造に成型する。このときのNb薄膜の膜厚は200nmとなるように調整し成膜を実施した。 After forming the wave plate, 200 sccm of Ar gas is introduced from the vicinity of the second target 14 (Nb target), 5 kw of power is introduced to the cathode of the second target 14, and the Nb film is extremely thin on the transparent substrate 1. Form a film. At this time, simultaneously with the Nb film formation, oxygen 100 sccm is introduced into the reaction source 15 (oxidation source), and further 5 kw of electric power is supplied to irradiate oxygen plasma and radicals onto the transparent substrate 1. Nb is oxygenated to form a thin film of Nb 2 O 5 . Thereafter, Ar gas is introduced into the etching source 12, the ion beam source is activated, and the Nb 2 O 5 film formed on the transparent substrate 1 is irradiated with the Ar ion beam to form a V-shaped periodic uneven structure. Mold. At this time, the Nb 2 O 5 thin film was adjusted to have a thickness of 200 nm, and the film was formed.

続いて、第1のターゲット13(Siターゲット)近傍からArガスを200sccm導入し、第1のターゲット13のカソードに7kwの電力を導入し、Si膜を極薄く透明基板1上に成膜する。このときSiの成膜と同時に、反応源15(酸化源)に酸素100sccmを導入し、さらに5kwの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板1上に照射して、透明基板1上のSiを酸素化反応させてSiOの薄膜を形成する。その後、エッチング源12にArガスを導入し、イオンビームソースを作動させてArのイオンビームを透明基板1上に形成されたSiO2薄膜に照射して、V字状の周期凹凸構造に成型する。このときのSiO薄膜の膜厚は240nmとなるように調整し成膜を実施した。 Subsequently, 200 sccm of Ar gas is introduced from the vicinity of the first target 13 (Si target), 7 kW of power is introduced to the cathode of the first target 13, and an Si film is formed on the transparent substrate 1 very thinly. At this time, simultaneously with the film formation of Si, 100 sccm of oxygen is introduced into the reaction source 15 (oxidation source), and further 5 kw of electric power is supplied to irradiate oxygen plasma and radicals onto the transparent substrate 1. Si is oxygenated to form a SiO 2 thin film. Thereafter, Ar gas is introduced into the etching source 12 and the ion beam source is operated to irradiate the SiO 2 thin film formed on the transparent substrate 1 with the Ar ion beam to form a V-shaped periodic uneven structure. At this time, the film thickness of the SiO 2 thin film was adjusted to 240 nm to form a film.

上記Nb薄膜およびSiO薄膜を形成する工程を交互に25回繰り返し、合計50層の多層膜の成膜を実施した。 The process of forming the Nb 2 O 5 thin film and the SiO 2 thin film was repeated 25 times alternately to form a total of 50 multilayer films.

このフォトニック結晶層を図3に示す光学系を使用して機能を確認したところ、媒体25の反射面からの戻り光がフォトニック結晶面で反射され、図4に示すものと同じ機能を有することが確認された。このフォトニック結晶層は偏光子と波長板の機能を持つ光アイソレータとして機能する。   When the function of this photonic crystal layer is confirmed using the optical system shown in FIG. 3, the return light from the reflection surface of the medium 25 is reflected by the photonic crystal surface and has the same function as that shown in FIG. It was confirmed. This photonic crystal layer functions as an optical isolator having functions of a polarizer and a wave plate.

図5は本実施形態の光アイソレータの構成を示す断面図である。図5に示すように、透明基板1上で反射防止膜(第1,第2,第3反射防止層5a,5b,5c)を介して、例えば第1フォトニック結晶層6aが1/4波長板、第2フォトニック結晶層6bが偏光子として機能するように配置した構成を示す図である。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical isolator of this embodiment. As shown in FIG. 5, for example, the first photonic crystal layer 6a has a quarter wavelength via the antireflection film (first, second, and third antireflection layers 5a, 5b, and 5c) on the transparent substrate 1. It is a figure which shows the structure arrange | positioned so that a board and the 2nd photonic crystal layer 6b may function as a polarizer.

また、前述した構成に限らず第1フォトニック結晶層6aが偏光子、第2フォトニック結晶層6bが波長板であっても良く、さらに、本実施形態によれば、基板の両面にL/S形状が同一方向に形成されたような場合であっても光アイソレータを製作することが可能であり、同様の効果が得られる。   In addition, the first photonic crystal layer 6a may be a polarizer and the second photonic crystal layer 6b may be a wave plate, not limited to the configuration described above. Even if the S shape is formed in the same direction, an optical isolator can be manufactured, and the same effect can be obtained.

図6は本実施形態におけるフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製作工程を説明するフローチャートである。図1に示すように、素材加工として、透明基板1上に図2の成膜装置による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製作する(S1)。   FIG. 6 is a flowchart for explaining a manufacturing process of an optical isolator using a photonic crystal in the present embodiment. As shown in FIG. 1, as the material processing, periodic grooves are manufactured on the transparent substrate 1 by electron beam lithography and dry etching using the film forming apparatus of FIG. 2 (S1).

この透明基板1上に例えばSiOおよびSiターゲットを用い、スパッタデポジションとスパッタエッチングを組み合わせて、各層のx軸方向に周期的な凹凸形状を保存しながら交互に多層膜を積層するための、偏光子,波長板の構成設計のデータを取得する(S2)。 For example, using a SiO 2 and Si target on this transparent substrate 1, combining sputter deposition and sputter etching, and laminating multilayer films alternately while preserving the periodic uneven shape in the x-axis direction of each layer, Data on the design of the polarizer and wave plate is acquired (S2).

処理S2で取得した構成設計のデータに基づき、基板上に反射防止膜を形成し、フォトニック結晶の偏光子となる多層膜を積層する成膜加工を行う(S3)。   Based on the data of the structural design acquired in the process S2, an antireflection film is formed on the substrate, and a film forming process for stacking a multilayer film to be a polarizer of the photonic crystal is performed (S3).

同様に、処理S2で取得した構成設計のデータに基づき、処理S3で成膜した偏光子の多層膜上に、反射防止膜を形成し、フォトニック結晶の波長板となる多層膜を積層する成膜加工を行う(S4)。これにより、光アイソレータを製作する。   Similarly, based on the structural design data obtained in process S2, an antireflection film is formed on the polarizer multilayer film formed in process S3, and a multilayer film serving as a photonic crystal wave plate is laminated. Film processing is performed (S4). Thereby, an optical isolator is manufactured.

また、図7は前述の処理S2において偏光子、波長板の構成設計をするデータ取得する処理を示すフローチャートである。図7において、まず、構成設計に用いるデータ取得するためのパラメータを入力する(S11)。このパラメータとして、フォトニック結晶を形成する各層の使用材料における屈折率,膜厚,形状の間隔(ピッチ)、また図1に示すような角度,高さ,幅等を用いる。   FIG. 7 is a flowchart showing a process for acquiring data for designing the configuration of the polarizer and the wave plate in the above-described process S2. In FIG. 7, first, parameters for acquiring data used for configuration design are input (S11). As this parameter, the refractive index, film thickness, shape interval (pitch) in the materials used for each layer forming the photonic crystal, and the angle, height, width, etc. as shown in FIG. 1 are used.

入力されたパラメータを用いて、光の散乱、回折等を計算機上でシミュレーションする。例えば、FD−TD法(Finite Difference Time-Domain Method)などの有限差分時間領域法により計算し構成設計するデータを取得する(S12)。計算結果からデータ取得して偏光子の構成設計をする(S13)。例えば、構成設計から導き出される波長毎の位相情報から構成されるバンド図に従って、バンドギャップの発生する構成を組み合わせて偏光子の構成設計をする。   Using the input parameters, light scattering, diffraction, etc. are simulated on a computer. For example, data to be calculated and configured by a finite difference time domain method such as the FD-TD method (Finite Difference Time-Domain Method) is acquired (S12). Data is obtained from the calculation result and the configuration of the polarizer is designed (S13). For example, according to a band diagram composed of phase information for each wavelength derived from the structural design, the structural design of the polarizer is performed by combining the configurations in which the band gap is generated.

構成設計した偏光子の偏光分離特性を確認する(S14)。この場合の偏光分離特性とは、直線偏光光を偏光子の光学軸と平行に揃えて入射したときと、直交状態で入射したときの透過率を示している。平行状態とはTM(P波)の透過率、直交状態とはTE(S波)の透過率である。また、確認方法としては、予め構成設計した偏光子の複数のデータとして、例えば複数のパラメータ毎に試作し特性を計測したものを予め取得しておき、構成設計により取得したデータとの比較を行うことにより確認する。ここで、OKの場合は、「TMの透過率≧仕様値の透過率、TEの透過率≦仕様値の透過率」、NGの場合は「TMの透過率≦仕様値の透過率、TEの透過率≧仕様値の透過率」である。この処理S14において、NGと判断したときは、処理S1に戻り別のパラメータにより再処理を行う。   The polarization separation characteristics of the designed polarizer are confirmed (S14). The polarization separation characteristic in this case indicates the transmittance when linearly polarized light is incident in parallel with the optical axis of the polarizer and when incident in an orthogonal state. The parallel state is the transmittance of TM (P wave), and the orthogonal state is the transmittance of TE (S wave). As a confirmation method, for example, a plurality of data of polarizers that have been configured and designed in advance are obtained in advance by experimentally measuring and measuring characteristics for each of a plurality of parameters, and compared with data acquired by configuration design. To confirm. Here, in the case of OK, “TM transmittance ≧ specific value transmittance, TE transmittance ≦ specific value transmittance”, and in the case of NG, “TM transmittance ≦ specific value transmittance, TE Transmittance ≧ transmittance of specification value ”. In this process S14, when it is determined as NG, the process returns to process S1 and reprocesses with another parameter.

このように、層厚(膜厚)をパラメータとして設計を行い、1周期(積層)あたりの位相差を算出し、「(仕様値(目標値)の位相差)/(1周期あたりの位相差)=(必要周期(層数))」を求める。したがって、積層数と膜厚を調整(パラメータとして設計)することで、所望の位相差が得られる。   In this way, the design is performed using the layer thickness (film thickness) as a parameter, and the phase difference per cycle (lamination) is calculated, and “(phase difference of specification value (target value)) / (phase difference per cycle) is calculated. ) = (Required period (number of layers)) ”. Therefore, a desired phase difference can be obtained by adjusting the number of layers and the film thickness (designed as parameters).

次に、偏光子の処理後、波長板も同様に、計算結果からデータ取得して波長板の構成設計をする(S15)。構成設計から導き出される波長毎の位相情報から構成されるバンド図に従って、バンドギャップの発生がなくかつ位相差がある構成を組み合わせて波長板の構成設計をする。   Next, after processing the polarizer, the wave plate is similarly obtained from the calculation result and the wave plate is designed (S15). In accordance with a band diagram composed of phase information for each wavelength derived from the configuration design, the configuration of the wave plate is designed by combining configurations that do not generate a band gap and have a phase difference.

ここで、波長板の位相差として、多層に薄膜を周期的に成膜するフォトニック結晶の波長板においては、その構造異方性により、溝の長手方向に光学軸を持つ複屈折性が生じることから、面垂直方向から光を入射して、入射光の偏光が、溝に対して45度の直線偏光のとき、出射光の偏光は入射偏光に対して90度回転して、周期構造体が半波長の位相差が与えられ、同様に、4周期の多層膜を積層した場合には、位相差は4分の1波長となり、直線偏光が円偏光に変換される。このように、フォトニック結晶の積層数により位相差が変化する。   Here, as the phase difference of the wave plate, in the photonic crystal wave plate in which thin films are periodically formed in multiple layers, the birefringence having the optical axis in the longitudinal direction of the groove is generated due to the structural anisotropy. Therefore, when light is incident from the direction perpendicular to the plane and the polarization of the incident light is linearly polarized at 45 degrees with respect to the groove, the polarization of the emitted light is rotated by 90 degrees with respect to the incident polarized light. Is given a half-wave phase difference. Similarly, when a multilayer film having four periods is laminated, the phase difference becomes a quarter wavelength, and linearly polarized light is converted into circularly polarized light. Thus, the phase difference changes depending on the number of stacked photonic crystals.

また、構成設計した波長板の偏光分離特性を確認する(S16)。確認方法としては、処理S14の偏光子と同様の方法により行い、NGと判断したときは、処理S1に戻り別のパラメータにより再処理を行う。   Further, the polarization separation characteristics of the structurally designed wave plate are confirmed (S16). As a confirmation method, the same method as that of the polarizer in step S14 is performed. When it is determined as NG, the process returns to step S1 and re-processing is performed using another parameter.

基板と偏光子と波長板のそれぞれの間に配置される反射防止層の最適化設計が行わる(S17)。この最適化設計として、例えば偏光子と波長板のモデルをシミュレータで形成し所望の光学特性(透過率)が得られるように、図5に示す反射防止膜(第1,第2,第3反射防止層5a,5b,5c)を透明基板1と第1フォトニック結晶層6aと第2フォトニック結晶層6bと空気の各中間に形成する材料と膜厚を選定し構成設計を終了する。   The optimization design of the antireflection layer arranged between the substrate, the polarizer and the wave plate is performed (S17). As this optimization design, for example, a model of a polarizer and a wave plate is formed with a simulator, and an antireflection film (first, second, and third reflections) shown in FIG. The material and film thickness for forming the prevention layers 5a, 5b, 5c) in the middle of the transparent substrate 1, the first photonic crystal layer 6a, the second photonic crystal layer 6b, and air are selected, and the structural design is completed.

以上のように、フォトニック結晶板を用いた偏光子と波長板を積層した光アイソレータにおいて、基板の同一面上に2つの機能を構成して、従来よりも薄くコンパクトな光アイソレータを実現でき、また一体的に製作するため、偏光子と波長板の位置調整や組立て等の必要がなく、この作業に伴う不良の発生や製造歩留まりが低下することを低減できる。   As described above, in an optical isolator in which a polarizer using a photonic crystal plate and a wave plate are stacked, two functions are formed on the same surface of the substrate, and a thin and compact optical isolator can be realized. In addition, since it is manufactured integrally, it is not necessary to adjust the position of the polarizer and the wave plate, or to assemble, and it is possible to reduce the occurrence of defects associated with this work and the reduction in manufacturing yield.

本発明に係るフォトニック結晶を用いた光アイソレータとその製造方法は、偏光子と波長板の機能をフォトニック結晶の積層により実施し、基板の同一面上に2つの機能をフォトニック結晶の積層によって構成し、従来よりも薄くコンパクトな光アイソレータを実現でき、また一体的に製作するため、偏光子と波長板の調整,組立て等の必要がなく、この作業に伴う不良の発生や製造歩留まりが低下することを低減でき、1枚の光学素子(片側1面)に、波長板と偏光素子との組合せによってなされるアイソレータに有用である。   In the optical isolator using the photonic crystal and the manufacturing method thereof according to the present invention, the functions of the polarizer and the wave plate are performed by stacking photonic crystals, and the two functions are stacked on the same surface of the substrate. The optical isolator can be made thinner and more compact than before, and because it is manufactured in one piece, there is no need to adjust and assemble the polarizer and wave plate. This can be reduced, and is useful for an isolator formed by combining a wave plate and a polarizing element on one optical element (one surface on one side).

本発明の実施形態における周期構造体の概略を示す図The figure which shows the outline of the periodic structure in embodiment of this invention 成膜装置の概略構成を示す図Diagram showing schematic configuration of film deposition system フォトニック結晶層の機能を確認する光学系を示す図Diagram showing the optical system for confirming the function of the photonic crystal layer 偏光子と波長板を一体に形成した光学系を示す図The figure which shows the optical system which formed the polarizer and the waveplate in one 光アイソレータの構成を示す断面図Sectional view showing configuration of optical isolator 光アイソレータの製作工程のフローチャートFlow chart of optical isolator manufacturing process 偏光子、波長板の構成設計をするデータ取得処理を示すフローチャートFlow chart showing data acquisition process for designing the configuration of polarizer and wave plate ピックアップ光学系の概略構成を示す図Diagram showing schematic configuration of pickup optical system

符号の説明Explanation of symbols

1 透明基板
2 低屈折率層
3 高屈折率層
4 多層膜
5a 第1反射防止層
5b 第2反射防止層
5c 第3反射防止層
6a 第1フォトニック結晶層
6b 第2フォトニック結晶層
7 波長板
8 フォトニック結晶層
10 真空槽
11 基板ホルダー
12 エッチング源
13 第1のターゲット
14 第2のターゲット
15 反応源
20 半導体レーザ
21 偏光ビームスプリッタ
22 1/4波長板
23 偏向プリズム
24 対物レンズ
25 媒体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent substrate 2 Low refractive index layer 3 High refractive index layer 4 Multilayer film 5a First antireflection layer 5b Second antireflection layer 5c Third antireflection layer 6a First photonic crystal layer 6b Second photonic crystal layer 7 Wavelength Plate 8 Photonic crystal layer 10 Vacuum chamber 11 Substrate holder 12 Etching source 13 First target 14 Second target 15 Reaction source 20 Semiconductor laser 21 Polarizing beam splitter 22 1/4 wavelength plate 23 Deflection prism 24 Objective lens 25 Medium

Claims (20)

一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる2種類以上の透明体を前記凹凸構造上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第1の周期構造体と、前記屈折率の異なる2種類以上の透明体を前記第1の周期構造体上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第2の周期構造体とを備えたことを特徴とするフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。   A transparent substrate having a periodic concavo-convex structure in one direction, a first periodic structure formed of a multi-layer photonic crystal in which two or more types of transparent bodies having different refractive indexes are laminated on the concavo-convex structure, and the refractive index An optical isolator using a photonic crystal comprising: a second periodic structure made of a multi-layer photonic crystal in which two or more different types of transparent bodies are stacked on the first periodic structure . 前記透明基板が、一方向の周期凹凸構造を表面と裏面のそれぞれに有し、前記透明基板の一方の面に第1,第2の周期構造体が形成され、他方の面に周期構造体の波長板が形成されたことを特徴とする請求項1記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。   The transparent substrate has a unidirectional periodic concavo-convex structure on each of the front and back surfaces, the first and second periodic structures are formed on one surface of the transparent substrate, and the periodic structure is formed on the other surface. 2. An optical isolator using a photonic crystal according to claim 1, wherein a wave plate is formed. 前記第1,第2の周期構造体が、一方が偏光子、他方が波長板の機能を有することを特徴とする請求項1または2記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。   3. The optical isolator using a photonic crystal according to claim 1, wherein one of the first and second periodic structures has a function of a polarizer and the other has a function of a wave plate. 一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる2種類以上の透明体を前記凹凸構造上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第1の周期構造体が偏光子であり、前記屈折率の異なる2種類以上の透明体を前記第1の周期構造体上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第2の周期構造体が波長板であり、前記偏光子と前記波長板は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とするフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。   A first periodic structure made of a multi-layer photonic crystal in which a transparent substrate having a periodic uneven structure in one direction and two or more kinds of transparent bodies having different refractive indexes are laminated on the uneven structure is a polarizer, A second periodic structure made of a multi-layer photonic crystal in which two or more types of transparent bodies having different refractive indexes are laminated on the first periodic structure is a wave plate, and the polarizer and the wave plate Is an optical isolator using a photonic crystal, which functions as an isolator corresponding to the same wavelength. 一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる2種類以上の透明体を前記凹凸構造上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第1の周期構造体が波長板であり、前記屈折率の異なる2種類以上の透明体を前記第1の周期構造体上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第2の周期構造体が偏光子であり、前記波長板と前記偏光子は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とするフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。   The wavelength plate is a first periodic structure made of a multi-layer photonic crystal in which a transparent substrate having a periodic uneven structure in one direction and two or more types of transparent bodies having different refractive indexes are laminated on the uneven structure, A second periodic structure made of a multi-layer photonic crystal in which two or more types of transparent bodies having different refractive indexes are laminated on the first periodic structure is a polarizer, and the wavelength plate and the polarizer Is an optical isolator using a photonic crystal, which functions as an isolator corresponding to the same wavelength. 前記透明基板上に積層する前記第1の周期構造体と前記第2の周期構造体の間に反射防止膜を配置してなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。   6. The antireflection film is disposed between the first periodic structure and the second periodic structure laminated on the transparent substrate. 6. Optical isolator using photonic crystal. 前記透明基板と周期構造体の間に反射防止膜を配置してなることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。   The optical isolator using a photonic crystal according to claim 1, wherein an antireflection film is disposed between the transparent substrate and the periodic structure. 前記透明基板上に積層した周期構造体の表面に反射防止膜を配置してなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。   The optical isolator using a photonic crystal according to any one of claims 1 to 7, wherein an antireflection film is disposed on a surface of the periodic structure laminated on the transparent substrate. 前記透明基板の周期構造体を形成した面の裏面に反射防止膜を配置してなることを特徴とする請求項1,3〜8のいずれか1項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。   9. An optical isolator using a photonic crystal according to claim 1, wherein an antireflection film is disposed on the back surface of the surface on which the periodic structure of the transparent substrate is formed. . 前記周期構造体を形成する多層膜として積層する透明体が、SiOおよびAlおよびTaおよびNbおよびTiOのいずれかにより構成されることを特徴とする請求項1〜9のいずれかの1項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。 The transparent body laminated as a multilayer film forming the periodic structure is composed of any one of SiO 2, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, Nb 2 O 5 and TiO 2. An optical isolator using the photonic crystal according to any one of 1 to 9. 透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程と、第1の周期構造体として前記凹凸構造上に屈折率の異なる2種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程と、第2の周期構造体として前記第1の周期構造体上に前記屈折率の異なる2種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程とからなり、前記透明基板の同一面上に前記第1,第2の周期構造体を積層することを特徴とするフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。   A step of forming a periodic concavo-convex structure in one direction of a transparent substrate and a multilayer film made of a photonic crystal by laminating two or more kinds of transparent bodies having different refractive indexes on the concavo-convex structure as a first periodic structure And a step of forming a multilayer film made of a photonic crystal by laminating two or more types of transparent bodies having different refractive indexes on the first periodic structure as the second periodic structure, A method of manufacturing an optical isolator using a photonic crystal, wherein the first and second periodic structures are stacked on the same surface of the transparent substrate. 前記透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程において、前記透明基板の表面と裏面のそれぞれに前記周期凹凸構造を形成し、前記透明基板の一方の面には第1,第2の周期構造体を形成して、他方の面には周期構造体の波長板を形成することを特徴とする請求項11記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。   In the step of forming the periodic concavo-convex structure in one direction of the transparent substrate, the periodic concavo-convex structure is formed on each of the front surface and the back surface of the transparent substrate, and the first and second periods are formed on one surface of the transparent substrate. 12. The method of manufacturing an optical isolator using a photonic crystal according to claim 11, wherein the structure is formed, and the wave plate of the periodic structure is formed on the other surface. 前記第1,第2の周期構造体が、一方が偏光子、他方が波長板の機能を有することを特徴とする請求項11または12記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。   13. The method of manufacturing an optical isolator using a photonic crystal according to claim 11, wherein one of the first and second periodic structures has a function of a polarizer and the other has a function of a wave plate. 透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程と、第1の周期構造体の偏光子として前記凹凸構造上に屈折率の異なる2種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程と、第2の周期構造体の波長板として前記第1の周期構造体上に前記屈折率の異なる2種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程とからなり、前記透明基板の同一面上に積層した前記偏光子と前記波長板は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とするフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。   A step of forming a periodic concavo-convex structure in one direction of the transparent substrate, and a multilayer made of a photonic crystal by laminating two or more kinds of transparent bodies having different refractive indexes on the concavo-convex structure as a polarizer of the first periodic structure Forming a film, and forming a multilayer film made of a photonic crystal by laminating two or more kinds of transparent bodies having different refractive indexes on the first periodic structure as a wave plate of the second periodic structure A method of manufacturing an optical isolator using a photonic crystal, wherein the polarizer and the wave plate stacked on the same surface of the transparent substrate function as an isolator corresponding to the same wavelength. 透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程と、第1の周期構造体の波長板として前記凹凸構造上に屈折率の異なる2種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程と、第2の周期構造体の偏光子として前記第1の周期構造体上に前記屈折率の異なる2種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程とからなり、前記透明基板の同一面上に積層した前記波長板と前記偏光子は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とするフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。   A step of forming a periodic concavo-convex structure in one direction of a transparent substrate, and a multilayer made of a photonic crystal by laminating two or more transparent bodies having different refractive indexes on the concavo-convex structure as a wavelength plate of the first periodic structure Forming a film, and forming a multilayer film made of a photonic crystal by laminating two or more kinds of transparent bodies having different refractive indexes on the first periodic structure as a polarizer of the second periodic structure A method of manufacturing an optical isolator using a photonic crystal, wherein the wave plate and the polarizer laminated on the same surface of the transparent substrate function as an isolator corresponding to the same wavelength. 前記透明基板上に積層する前記第1の周期構造体と前記第2の周期構造体の間に反射防止膜を形成する工程を有したことを特徴とする請求項11〜15のいずれか1項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。   16. The method according to claim 11, further comprising a step of forming an antireflection film between the first periodic structure and the second periodic structure laminated on the transparent substrate. A method of manufacturing an optical isolator using the photonic crystal described in 1. 前記透明基板と周期構造体の間に反射防止膜を形成する工程を有したことを特徴とする請求項11〜16のいずれか1項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。   The method of manufacturing an optical isolator using a photonic crystal according to any one of claims 11 to 16, further comprising a step of forming an antireflection film between the transparent substrate and the periodic structure. 前記透明基板上に積層した周期構造体の表面に反射防止膜を形成する工程を有したことを特徴とする請求項11〜17のいずれか1項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。   The optical isolator using a photonic crystal according to any one of claims 11 to 17, further comprising a step of forming an antireflection film on a surface of the periodic structure laminated on the transparent substrate. Production method. 前記透明基板の周期構造体を形成した面の裏面に反射防止膜を形成する工程を有したことを特徴とする請求項11,13〜18のいずれか1項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。   19. The photonic crystal according to claim 11, further comprising a step of forming an antireflection film on a back surface of the surface on which the periodic structure of the transparent substrate is formed. Manufacturing method of optical isolator. 前記周期構造体を形成する多層膜として積層する透明体が、SiOおよびAlおよびTaおよびNbおよびTiOのいずれかにより構成されることを特徴とする請求項11〜19のいずれかの1項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。 The transparent body laminated as a multilayer film forming the periodic structure is composed of any one of SiO 2, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, Nb 2 O 5 and TiO 2. 20. A method for manufacturing an optical isolator using the photonic crystal according to any one of 11 to 19.
JP2007307191A 2007-11-28 2007-11-28 Optical isolator using photonic crystal and manufacturing method thereof Expired - Fee Related JP5171227B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007307191A JP5171227B2 (en) 2007-11-28 2007-11-28 Optical isolator using photonic crystal and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007307191A JP5171227B2 (en) 2007-11-28 2007-11-28 Optical isolator using photonic crystal and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009128879A true JP2009128879A (en) 2009-06-11
JP5171227B2 JP5171227B2 (en) 2013-03-27

Family

ID=40819815

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007307191A Expired - Fee Related JP5171227B2 (en) 2007-11-28 2007-11-28 Optical isolator using photonic crystal and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5171227B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011111788A1 (en) * 2010-03-11 2011-09-15 日本電気株式会社 Light-emitting element and image display device using said light-emitting element
WO2011125350A1 (en) * 2010-04-06 2011-10-13 日本電気株式会社 Wavelength plate, light emitting element and image display device using this light emitting element
JP2012142057A (en) * 2011-01-04 2012-07-26 Nippon Sheet Glass Co Ltd Quarter-wave plate for optical pickup
JP2012177797A (en) * 2011-02-25 2012-09-13 Utsunomiya Univ Polarizer

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5979220A (en) * 1982-10-29 1984-05-08 Toyo Commun Equip Co Ltd Optical isolator using superposed phase plate
JPS6188113U (en) * 1984-11-14 1986-06-09
JP2002372620A (en) * 2001-06-13 2002-12-26 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Polarization control element and method for manufacturing the same
JP2006058506A (en) * 2004-08-19 2006-03-02 Ricoh Opt Ind Co Ltd Laminated structure and its manufacturing method, optical element, and optical product

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5979220A (en) * 1982-10-29 1984-05-08 Toyo Commun Equip Co Ltd Optical isolator using superposed phase plate
JPS6188113U (en) * 1984-11-14 1986-06-09
JP2002372620A (en) * 2001-06-13 2002-12-26 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Polarization control element and method for manufacturing the same
JP2006058506A (en) * 2004-08-19 2006-03-02 Ricoh Opt Ind Co Ltd Laminated structure and its manufacturing method, optical element, and optical product

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6012034018; M. Thiel, M. Wegener, S. Wong and G. von Freymann: 'Chiral 3D Photonic Crystals as Compact Optical Isolators' Lasers and Electro-Optics, 2007. CLEO 2007. Conference on , 20070506, pp. 1 - 2 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011111788A1 (en) * 2010-03-11 2011-09-15 日本電気株式会社 Light-emitting element and image display device using said light-emitting element
CN102792468A (en) * 2010-03-11 2012-11-21 日本电气株式会社 Light-emitting element and image display device using said light-emitting element
JPWO2011111788A1 (en) * 2010-03-11 2013-06-27 日本電気株式会社 LIGHT EMITTING ELEMENT AND IMAGE DISPLAY DEVICE USING THE LIGHT EMITTING ELEMENT
US9016883B2 (en) 2010-03-11 2015-04-28 Nec Corporation Polarized light emitting element for display apparatus
JP5713002B2 (en) * 2010-03-11 2015-05-07 日本電気株式会社 LIGHT EMITTING ELEMENT AND IMAGE DISPLAY DEVICE USING THE LIGHT EMITTING ELEMENT
WO2011125350A1 (en) * 2010-04-06 2011-10-13 日本電気株式会社 Wavelength plate, light emitting element and image display device using this light emitting element
US8807769B2 (en) 2010-04-06 2014-08-19 Nec Corporation Wavelength plate, light emitting element, and image display device using the light emitting element
JP5741575B2 (en) * 2010-04-06 2015-07-01 日本電気株式会社 Wave plate, light emitting element, and image display apparatus using the light emitting element
JP2012142057A (en) * 2011-01-04 2012-07-26 Nippon Sheet Glass Co Ltd Quarter-wave plate for optical pickup
JP2012177797A (en) * 2011-02-25 2012-09-13 Utsunomiya Univ Polarizer

Also Published As

Publication number Publication date
JP5171227B2 (en) 2013-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20200408976A1 (en) Optical filter
JP2012008363A (en) Method for manufacturing wavelength plate
JP2007323073A (en) Thin-film design for positive and/or negative c-plate
JP5171227B2 (en) Optical isolator using photonic crystal and manufacturing method thereof
JP2001051122A (en) Double refraction periodic structure, phase plate, diffraction grating type polarizing beam splitter and their manufacture
WO2011049144A1 (en) Reflection type wavelength plate and optical head device
JP2011187139A (en) Grating element and method for manufacturing the same, and optical pickup device using the grating element
JP5490891B2 (en) Wave plate and method for manufacturing the wave plate
JP2009132989A (en) Method for forming optical thin film, and optical element provided with the optical thin film
JP5574602B2 (en) Multi-value wave plate
WO2004113974A1 (en) Polarizer and polarization separation element
JP2012159802A (en) Optical element, optical pickup, optical information processor, optical attenuator, polarization conversion element, projector optical system, isolator and optical instrument
WO2007142179A1 (en) Quarter-wave plate, and optical pickup device
CN105988158B (en) Wavelength plate and optical device
JPWO2008117528A1 (en) Laser resonator and laser device with non-uniform polarization distribution
US20060181795A1 (en) Numerical aperture controlling filter and a method for manufacturing the same
WO2019102902A1 (en) Optical element and projection-type image display apparatus
JP5171214B2 (en) Method for producing wave plate using photonic crystal
JP6122045B2 (en) Waveplate manufacturing method
JP2006209891A (en) Optical element for optical pickup
JP2010153025A (en) Aperture filter, and aperture filter with wavelength plate function
JP4975162B2 (en) Self-cloning photonic crystal for ultraviolet light
CN111913247A (en) Wave plate, method for manufacturing wave plate, and optical device
JP2019095776A (en) Optical element and projection type image display device
JP2006134535A (en) Beam splitter and optical pickup device

Legal Events

Date Code Title Description
RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20100806

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20100809

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20101007

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120213

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120703

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120831

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120918

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20121204

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20121225

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5171227

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees