JP2010261999A - 光学素子、偏光フィルタ、光アイソレータ、光学装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】回折を利用した表面構造のみで偏光回折機能を実現することができ、光学的な特性を損うこと無く低価格で製造上において量産可能な光学素子（偏光フィルタ）と、その光学素子（偏光フィルタ）を有する光アイソレータ及び光学装置を提供する。
【解決手段】特定の偏光方向の入射光は０次透過し、特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては回折させる光学素子であり、入射光の波長以上の周期をもつ回折素子１からなり、その１周期は入射光の波長以下の周期をもつ２種類のサブ波長凹凸構造［１］，［２］が隣り合わせに直交するように形成されてなり、２種類のサブ波長凹凸構造の有効屈折率が、特定の偏光方向の入射光に対しては同一となり、特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては位相差がπとなるように２種類のサブ波長凹凸構造のフィリングファクタｌ１／ｑ１，ｌ２／ｑ２および溝深ｄ１，ｄ２さが決定されている。
【選択図】図４
【解決手段】特定の偏光方向の入射光は０次透過し、特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては回折させる光学素子であり、入射光の波長以上の周期をもつ回折素子１からなり、その１周期は入射光の波長以下の周期をもつ２種類のサブ波長凹凸構造［１］，［２］が隣り合わせに直交するように形成されてなり、２種類のサブ波長凹凸構造の有効屈折率が、特定の偏光方向の入射光に対しては同一となり、特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては位相差がπとなるように２種類のサブ波長凹凸構造のフィリングファクタｌ１／ｑ１，ｌ２／ｑ２および溝深ｄ１，ｄ２さが決定されている。
【選択図】図４
Description
本発明は、光を偏光方向に応じて回折し得る光学素子及びその光学素子からなる偏光フィルタと、その偏光フィルタを有し、光を一方向にのみ透過させて逆方向には遮断する機能を有する光アイソレータと、その光アイソレータを有し、主として光通信機器や光情報処理機器等に用いられる光学装置に関する。
光回路素子の一つである光アイソレータは、入射と出射の一対の端子を持ち、入射側から射出側に進む順方向の光は低損失で、出射側から入射側に戻る逆方向の光は高損失の特性を持たせて、光を決められた方向にのみ通過させる光受動部品である。
光アイソレータの構成としては、例えば、偏光面を４５°回転するファラデー回転子を、透過軸が互いに４５°ずれた二つの偏光子で挟んだ光学系などが挙げられる。これは順方向の光については、入射側の偏光子により取り出された偏光成分が、ファラデー回転子によってその偏光方向を＋４５°回転されて、出射側の偏光子の方向と一致して減衰することなく出ていく。しかし、逆方向の光については、出射側の偏光子により取り出された偏光成分が、ファラデー回転子の非可逆的作用によってその偏光方向を−４５°回転されて入射側の偏光子の方向と直交して減衰されて出ていかない。この例のような入射光の偏光方向を予め入射側の偏光子の偏光方向と一致させておく型の光アイソレータを偏光依存型光アイソレータという。
光アイソレータの構成としては、例えば、偏光面を４５°回転するファラデー回転子を、透過軸が互いに４５°ずれた二つの偏光子で挟んだ光学系などが挙げられる。これは順方向の光については、入射側の偏光子により取り出された偏光成分が、ファラデー回転子によってその偏光方向を＋４５°回転されて、出射側の偏光子の方向と一致して減衰することなく出ていく。しかし、逆方向の光については、出射側の偏光子により取り出された偏光成分が、ファラデー回転子の非可逆的作用によってその偏光方向を−４５°回転されて入射側の偏光子の方向と直交して減衰されて出ていかない。この例のような入射光の偏光方向を予め入射側の偏光子の偏光方向と一致させておく型の光アイソレータを偏光依存型光アイソレータという。
従来、この種の光アイソレータの偏光子の材料としては、複屈折単結晶のプリズム、金属粒子を含むガラス、誘電体及び金属の複合多層膜等が挙げられる。例えば特許文献１（特開２００６−１１３３６０号公報）には、両面に金属粒子拡散層が形成されたポーラコア（登録商標）からなる入射側偏光子１１、磁性ガーネット厚膜１２、及び出射側の金属粒子拡散層が研磨により除去されたポーラコア（登録商標）からなる出射側偏光子１３（０．５ｍｍ厚の標準品の片側を研磨して０．２ｍｍとしたもの）がこの順で配置固定されて構成されるもので、永久磁石４から印加される磁界により磁性ガーネット厚膜１２が光信号の偏波面を回転させるファラデー回転子の作用を有し、入射側偏光子１１、出射側偏光子１３が或る一定方向の偏光のみを通過させる作用を有する構成の光アイソレータ付き光端末が記載されている。
一方で、特許文献１で用いられている偏光子は材料自体が高価である上、その製造に際して切断や光学研磨等の加工工程を要することにより製造コストを低減化することが困難となっているため、光アイソレータ全体の価格を高める要因となっている。実際に、既存の光アイソレータでは、製造コストの約５０％以上を偏光子が占めることがある。
そこで、そのような問題点を解決すべくなされたものとして、特許文献２（特開２０００−１８０７８９号公報）に記載の光アイソレータが挙げられる。
特許文献２に記載の光アイソレータは、フォトニック結晶から成る反射型の第１の偏光子、光透過性平行平板、平行平板の４５度ファラデー回転子、フォトニック結晶から成る反射型の第２の偏光子をこの順で平行に並べて固定配備して成るものであるが、課題として、光学系全体を入射光の光軸に対して傾けて設置させる必要がある。これは光アイソレータに反射型の偏光子を用いているためであり、このように光学系を斜めに配置することは、光学系全体としてのレイアウトが煩雑となる。
特許文献２に記載の光アイソレータは、フォトニック結晶から成る反射型の第１の偏光子、光透過性平行平板、平行平板の４５度ファラデー回転子、フォトニック結晶から成る反射型の第２の偏光子をこの順で平行に並べて固定配備して成るものであるが、課題として、光学系全体を入射光の光軸に対して傾けて設置させる必要がある。これは光アイソレータに反射型の偏光子を用いているためであり、このように光学系を斜めに配置することは、光学系全体としてのレイアウトが煩雑となる。
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、回折を利用した表面構造のみで偏光回折機能を実現することができ、光学的な特性を損うこと無く低価格で製造上において量産可能な光学素子と、その光学素子からなる偏光フィルタを提供することを目的とする。
また、本発明は、上記の偏光フィルタを用いることにより、従来の複屈折単結晶のプリズム、金属粒子を含むガラスなどを用いずに実現することができ、また、入射光に対して斜めに配置する必要がなく、略垂直入射するようなレイアウトで実現することができる光アイソレータを提供すること、及び、その光アイソレータを有する光学装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記の偏光フィルタを用いることにより、従来の複屈折単結晶のプリズム、金属粒子を含むガラスなどを用いずに実現することができ、また、入射光に対して斜めに配置する必要がなく、略垂直入射するようなレイアウトで実現することができる光アイソレータを提供すること、及び、その光アイソレータを有する光学装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明では以下のような解決手段を採っている。
本発明の第１の手段は、特定の偏光方向の入射光は主として０次透過し、前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては回折させる光学素子であって、前記入射光の波長以上の周期をもつ回折素子からなり、その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ２種類のサブ波長凹凸構造が隣り合わせに直交するように形成されてなり、前記２種類のサブ波長凹凸構造の有効屈折率が、前記特定の偏光方向の入射光に対しては同一となり、かつ前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては位相差がπとなるように２種類のサブ波長凹凸構造のフィリングファクタおよび溝深さが決定されていることを特徴とする（請求項１）。
また、本発明の第２の手段は、偏光フィルタであって、第１の手段に記載の光学素子からなることを特徴とする（請求項２）。
本発明の第１の手段は、特定の偏光方向の入射光は主として０次透過し、前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては回折させる光学素子であって、前記入射光の波長以上の周期をもつ回折素子からなり、その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ２種類のサブ波長凹凸構造が隣り合わせに直交するように形成されてなり、前記２種類のサブ波長凹凸構造の有効屈折率が、前記特定の偏光方向の入射光に対しては同一となり、かつ前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては位相差がπとなるように２種類のサブ波長凹凸構造のフィリングファクタおよび溝深さが決定されていることを特徴とする（請求項１）。
また、本発明の第２の手段は、偏光フィルタであって、第１の手段に記載の光学素子からなることを特徴とする（請求項２）。
本発明の第３の手段は、第１の偏光フィルタと、偏光方向回転子と、第２の偏光フィルタとをこの順で平行に並べて固定配備して成る光アイソレータにおいて、前記第１、第２の偏光フィルタは、特定の偏光方向の入射光は主として０次透過し、前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては回折させるものであって、前記第１、第２の偏光フィルタは、入射光の波長以上の周期をもつ回折素子であり、その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ２種類のサブ波長凹凸構造が隣り合わせに直交するように形成されてなり、前記２種類のサブ波長凹凸構造の有効屈折率が、前記特定の偏光方向の入射光に対しては同一となり、かつ前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては位相差がπとなるように２種類のサブ波長凹凸構造のフィリングファクタおよび溝深さが決定されていることを特徴とする（請求項３）。
本発明の第４の手段は、偏光方向回転子の少なくとも一方の面に偏光フィルタが形成されてなる光アイソレータにおいて、前記偏光フィルタは、特定の偏光方向の入射光は主として０次透過し、前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては回折させるものであって、前記偏光フィルタは、入射光の波長以上の周期をもつ回折素子であり、その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ２種類のサブ波長凹凸構造が隣り合わせに直交するように形成されてなり、前記２種類のサブ波長凹凸構造の有効屈折率が、前記特定の偏光方向の入射光に対しては同一となり、かつ前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては位相差がπとなるように２種類のサブ波長凹凸構造のフィリングファクタおよび溝深さが決定されていることを特徴とする（請求項４）。
本発明の第５の手段は、光学装置であって、第３または第４の手段の光アイソレータを有することを特徴とする（請求項５）。
本発明の第１、第２の手段によれば、回折を利用した表面構造のみで偏光回折機能を実現することが可能であるので、光学的な特性を損うこと無く低価格で製造上において量産可能な光学素子と、その光学素子からなる偏光フィルタを提供することができる。
本発明の第３の手段では、光学的な特性を損うこと無く低価格で製造上において量産可能な偏光フィルタを備えた光アイソレータを提供することができる。
具体的には、従来の複屈折単結晶のプリズム、特許文献１に記載されているような金属粒子を含むガラスなどを用いずに光アイソレータを実現することができる。また、特許文献２に記載されているようなフォトニック結晶方式に比べ、高屈折率媒質及び低屈折率媒質から成る多層膜を形成する必要もなく、さらに安価に作製できる。
さらには、表面のみで偏光フィルタ機能が得られるため、複数の材料を用いる必要もない。また、サブ波長凹凸構造が重畳された回折構造のみで偏光回折機能が発現するため、材料は任意に選択可能である。そのため、使用する波長に応じて高透過率な基板材料に回折構造を形成してやってもよいし、基板の表面に別の材料を塗布してその表面に回折構造を形成してやってもよい。ハイパワーのレーザなどに対しては耐光性のある材料表面に構造を形成すればよい。
製造方法は大面積で光学研磨を必要としないものであるため、光学的な特性を損うこと無く製造上において低価格で量産可能である
また、不要な偏光方向の光は回折させる方式であるため、アイソレータを斜めに配置する必要がなく、略垂直入射するようなレイアウトで実現することができる。
具体的には、従来の複屈折単結晶のプリズム、特許文献１に記載されているような金属粒子を含むガラスなどを用いずに光アイソレータを実現することができる。また、特許文献２に記載されているようなフォトニック結晶方式に比べ、高屈折率媒質及び低屈折率媒質から成る多層膜を形成する必要もなく、さらに安価に作製できる。
さらには、表面のみで偏光フィルタ機能が得られるため、複数の材料を用いる必要もない。また、サブ波長凹凸構造が重畳された回折構造のみで偏光回折機能が発現するため、材料は任意に選択可能である。そのため、使用する波長に応じて高透過率な基板材料に回折構造を形成してやってもよいし、基板の表面に別の材料を塗布してその表面に回折構造を形成してやってもよい。ハイパワーのレーザなどに対しては耐光性のある材料表面に構造を形成すればよい。
製造方法は大面積で光学研磨を必要としないものであるため、光学的な特性を損うこと無く製造上において低価格で量産可能である
また、不要な偏光方向の光は回折させる方式であるため、アイソレータを斜めに配置する必要がなく、略垂直入射するようなレイアウトで実現することができる。
本発明の第４の手段の光アイソレータによれば、第３の手段と同様の効果に加え、偏光子、ファラデー回転子、偏光子のような構成に比べ、一体化された構成であるため、ハンドリングがしやすく、また光学系としてコンパクト化できる。
サブ波長凹凸構造が重畳された回折構造のみで偏光回折機能が発現するため、材料は任意に選択可能である。そのため、ファラデー回転子に直接回折構造を形成（加工）してやってもよいし、ファラデー回転子の表面に別材料を塗布してその表面に回折構造を形成（加工）してやってもよい。
サブ波長凹凸構造が重畳された回折構造のみで偏光回折機能が発現するため、材料は任意に選択可能である。そのため、ファラデー回転子に直接回折構造を形成（加工）してやってもよいし、ファラデー回転子の表面に別材料を塗布してその表面に回折構造を形成（加工）してやってもよい。
本発明の第５の手段の光学装置によれば、第３または第４の手段の光アイソレータを有するので、光学的な特性を損うこと無く低価格で製造可能な光学装置を提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
［実施例１］
（光アイソレータの構成例）
図１は本発明の第１の実施例の光アイソレータの構成例を示す概略構成図である。同図において、符号１、２は本発明の光学素子からなる第１の偏光フィルタ、第２の偏光フィルタであり、符号３は４５度ファラデー回転子である。図１の例では、第１の偏光フィルタ１、第２の偏光フィルタ２は、片面に回折面（回折構造）が形成されている。
なお、便宜上、紙面垂直方向の偏光方向をＰ偏光、紙面内での偏光方向をＳ偏光と呼ぶこととする。
（光アイソレータの構成例）
図１は本発明の第１の実施例の光アイソレータの構成例を示す概略構成図である。同図において、符号１、２は本発明の光学素子からなる第１の偏光フィルタ、第２の偏光フィルタであり、符号３は４５度ファラデー回転子である。図１の例では、第１の偏光フィルタ１、第２の偏光フィルタ２は、片面に回折面（回折構造）が形成されている。
なお、便宜上、紙面垂直方向の偏光方向をＰ偏光、紙面内での偏光方向をＳ偏光と呼ぶこととする。
図１に示す光アイソレータは、透過回折型の第１の偏光フィルタ１、４５度ファラデー回転子３、透過回折型の第２の偏光フィルタ２をこの順で平行に並べて接着剤等により互いに固定配備して成ると共に、全体が入射光の光軸に対して略垂直入射するように設置されている。
このうち、第１の偏光フィルタ１及び第２の偏光フィルタ２は、それぞれの透過偏光方向が互いに４５度の角度を成すように設定されており、その構造は、入射光の波長以上の周期をもつ回折素子であり、その回折構造の一周期は、入射光の波長以下の周期をもつ２種類のサブ波長凹凸構造が隣り合わせに直交するようなパターンが重畳されてなり、後述するとおり、２種類のサブ波長凹凸構造の有効屈折率が、Ｓ偏光方向の入射光に対しては同一となり、Ｐ偏光方向の入射光に対しては位相差がπとなるように２種類のサブ波長凹凸構造のフィリングファクタおよび溝深さが決定されている（詳細は実施例４で説明する）。
この第１の偏光フィルタ１及び第２の偏光フィルタ２は、半導体プロセスにより大面積一括生産することが可能であり、光学研磨を必要としない（作成方法の詳細は実施例５で説明する）。また、４５度ファラデー回転子３は、ＧｄＢｉＦｅガーネット厚膜から成り、図示しない磁場印加手段（永久磁石、電磁石等）により、光の進行方向に沿った磁場Ｈが印加される。
このうち、第１の偏光フィルタ１及び第２の偏光フィルタ２は、それぞれの透過偏光方向が互いに４５度の角度を成すように設定されており、その構造は、入射光の波長以上の周期をもつ回折素子であり、その回折構造の一周期は、入射光の波長以下の周期をもつ２種類のサブ波長凹凸構造が隣り合わせに直交するようなパターンが重畳されてなり、後述するとおり、２種類のサブ波長凹凸構造の有効屈折率が、Ｓ偏光方向の入射光に対しては同一となり、Ｐ偏光方向の入射光に対しては位相差がπとなるように２種類のサブ波長凹凸構造のフィリングファクタおよび溝深さが決定されている（詳細は実施例４で説明する）。
この第１の偏光フィルタ１及び第２の偏光フィルタ２は、半導体プロセスにより大面積一括生産することが可能であり、光学研磨を必要としない（作成方法の詳細は実施例５で説明する）。また、４５度ファラデー回転子３は、ＧｄＢｉＦｅガーネット厚膜から成り、図示しない磁場印加手段（永久磁石、電磁石等）により、光の進行方向に沿った磁場Ｈが印加される。
（光学装置の構成例）
図２は、図１に示すような構成の光アイソレータを使用した光学装置の構成例を示す概略構成図である。この光学装置は、レーザダイオード９からのレーザ光をレンズ１０を通して略平行光とし、光アイソレータ１１に入射させ、光アイソレータ１１を通過した透過光を、レンズ２１により集光し、光ファイバ端１２に結合させるように各部がレーザ光の光軸Ｏに合わせられて配備されている。このような構成の光学装置は、主として光ファイバー通信用の光通信機器や、光情報処理機器等に用いられる。
図２は、図１に示すような構成の光アイソレータを使用した光学装置の構成例を示す概略構成図である。この光学装置は、レーザダイオード９からのレーザ光をレンズ１０を通して略平行光とし、光アイソレータ１１に入射させ、光アイソレータ１１を通過した透過光を、レンズ２１により集光し、光ファイバ端１２に結合させるように各部がレーザ光の光軸Ｏに合わせられて配備されている。このような構成の光学装置は、主として光ファイバー通信用の光通信機器や、光情報処理機器等に用いられる。
（光アイソレータの光路）
図１、図２において、入射光は、光アイソレータ１１の第１の偏光フィルタ１に入射した後、第１の偏光フィルタ１の第１面（回折構造が形成された面）においてＰ偏光成分は回折され、Ｓ偏光成分についてはその殆どが０次透過（不感帯透過）する。この０次透過したＳ偏光成分の光が４５度ファラデー回転子３に垂直入射し、ファラデー回転子３によってその偏光方向を＋４５°回転されて、出射側に配置された第２の偏光フィルタ２の方向へ減衰することなく出射される。そして第一の偏光フィルタと同様に、使用しない一方の偏光方向の光は回折され、後続の光ファイバ端１２に入射させる偏光方向の光は回折されずに不感帯透過する。
図１、図２において、入射光は、光アイソレータ１１の第１の偏光フィルタ１に入射した後、第１の偏光フィルタ１の第１面（回折構造が形成された面）においてＰ偏光成分は回折され、Ｓ偏光成分についてはその殆どが０次透過（不感帯透過）する。この０次透過したＳ偏光成分の光が４５度ファラデー回転子３に垂直入射し、ファラデー回転子３によってその偏光方向を＋４５°回転されて、出射側に配置された第２の偏光フィルタ２の方向へ減衰することなく出射される。そして第一の偏光フィルタと同様に、使用しない一方の偏光方向の光は回折され、後続の光ファイバ端１２に入射させる偏光方向の光は回折されずに不感帯透過する。
また、逆方向の光については、出射側の第２の偏光フィルタ２を０次透過した偏光成分が、ファラデー回転子３の非可逆的作用によってその偏光方向を−４５°回転されて入射側の第１の偏光フィルタ１に入射するが、光源からの０次透過する入射時の偏光方向と直交するため回折される。
第１、第２の偏光フィルタ１，２で回折される回折光は０次透過光に対して十分な角度、すなわち順方向の光については光ファイバ端１２、逆方向の光についてはレーザダイオード９へ入射しないような角度に設定されてなる。例えば±１次の回折光の角度が１０度以上となるように回折構造のピッチが設定されている。
（偏光フィルタの構造）
偏光フィルタ１は、Ｐ偏光成分の光を回折し、Ｓ偏光成分の光を回折せずにそのまま透過させる。
図３（ａ）、（ｂ）は偏光フィルタ１、２のマクロ構造を示す図である。同図（ａ）は偏光フィルタ１の正面図、（ｂ）は断面図であり、この偏光フィルタ１は、Ｐ偏光成分の光を回折し、Ｓ偏光成分の光を回折せずにそのまま透過させる格子形状の回折面（回折構造）を有する。
偏光フィルタ１は、Ｐ偏光成分の光を回折し、Ｓ偏光成分の光を回折せずにそのまま透過させる。
図３（ａ）、（ｂ）は偏光フィルタ１、２のマクロ構造を示す図である。同図（ａ）は偏光フィルタ１の正面図、（ｂ）は断面図であり、この偏光フィルタ１は、Ｐ偏光成分の光を回折し、Ｓ偏光成分の光を回折せずにそのまま透過させる格子形状の回折面（回折構造）を有する。
図４は、図３に示す偏光フィルタ１を構成する光学素子の回折面に形成されている格子形状の要部を拡大して示す図であり、光学素子（偏光フィルタ）１の回折面に形成されている波長以上の周期のうちの３周期分を示している。同図に示すように、この格子形状は、波長以上の周期Ｐを有する周期構造に、さらに波長よりも短い周期ｑ１、ｑ２を有するサブ波長凹凸構造［１］，［２］が形成されてなる。波長以上の周期構造に応じて入射光は回折し、サブ波長凹凸構造によってＰ偏光、Ｓ偏光のいずれの偏光成分で回折するかの偏光選択性を出している。これにより、図３（ｂ）に示すように偏光フィルタ１はＰ偏光成分の光が入射したときは回折し、Ｓ偏光成分の光に対しては不感帯透過する。
（偏光フィルタについての補足：消光比の定義）
なお、一般に光アイソレータに用いられる反射型偏光子の仕様としては消光比が使用される。この消光比は、使用する偏光方向であるＳ偏光の透過率、使用しない偏光方向であるＰ偏光方向の透過率の比で表される。本発明においてはＳ偏光方向の０次光の回折効率と、Ｐ偏光方向の０次光の回折効率の比で表現される。
なお、一般に光アイソレータに用いられる反射型偏光子の仕様としては消光比が使用される。この消光比は、使用する偏光方向であるＳ偏光の透過率、使用しない偏光方向であるＰ偏光方向の透過率の比で表される。本発明においてはＳ偏光方向の０次光の回折効率と、Ｐ偏光方向の０次光の回折効率の比で表現される。
（偏光フィルタについての別の実施例：両面化）
一般に偏光フィルタの消光比は高いことが望まれる。本発明の偏光フィルタとしては図１に示したような光学素子の片面にのみ回折構造が形成されたものに限定されるものではなく、図５に示すように第１、第２の偏光フィルタ１，２を構成する光学素子の両面に回折面（回折構造）が形成されたものであってもよい。このような構造とすることにより、消光比は２乗倍大きくできる。なお、特許文献１に記載のような複屈折材料を用いた構造では、消光比を上げるには偏光子を２枚にする必要があり、光アイソレータとしての厚みが増してしまうが、本発明においては偏光フィルタの両面に回折構造を形成するだけで消光比を上げることが可能である。
一般に偏光フィルタの消光比は高いことが望まれる。本発明の偏光フィルタとしては図１に示したような光学素子の片面にのみ回折構造が形成されたものに限定されるものではなく、図５に示すように第１、第２の偏光フィルタ１，２を構成する光学素子の両面に回折面（回折構造）が形成されたものであってもよい。このような構造とすることにより、消光比は２乗倍大きくできる。なお、特許文献１に記載のような複屈折材料を用いた構造では、消光比を上げるには偏光子を２枚にする必要があり、光アイソレータとしての厚みが増してしまうが、本発明においては偏光フィルタの両面に回折構造を形成するだけで消光比を上げることが可能である。
（本実施例の光アイソレータの効果）
以上のように、本実施例では回折を利用した表面構造のみで偏光フィルタや光アイソレータを実現することが可能である。従って、従来の光アイソレータに対して光学的な特性を損うこと無く低価格で製造上において量産可能な偏光フィルタを備えた光アイソレータを提供することができる。
具体的には、従来の複屈折単結晶のプリズムや、特許文献１に記載されているような金属粒子を含むガラスなどを用いずに実現することができる。また、特許文献２に記載されているようなフォトニック結晶方式に比べ、高屈折率媒質及び低屈折率媒質から成る多層膜を形成する必要もなく、さらに安価に作製できる。
また、光学素子の回折を利用した表面構造のみで偏光フィルタ機能が得られるため、複数の材料を用いる必要もない。
さらには、サブ波長凹凸構造が重畳された回折構造のみで偏光回折機能が発現するため、材料は任意に選択可能である。そのため、使用する波長に応じて高透過率な基板材料に回折構造を形成してやってもよいし、基板の表面に別の材料を塗布してその表面に回折構造を形成してやってもよい。また、ハイパワーのレーザなどに対しては耐光性のある材料表面に構造を形成すればよい。
このような光学素子（偏光フィルタ）の製造方法は大面積で光学研磨を必要としないものであるため、光学的な特性を損うこと無く製造上において低価格で量産可能である。
また、不要な偏光方向の光は回折させる方式であるため、光アイソレータを斜めに配置する必要がなく、略垂直入射するようなレイアウトで実現することができる。
以上のように、本実施例では回折を利用した表面構造のみで偏光フィルタや光アイソレータを実現することが可能である。従って、従来の光アイソレータに対して光学的な特性を損うこと無く低価格で製造上において量産可能な偏光フィルタを備えた光アイソレータを提供することができる。
具体的には、従来の複屈折単結晶のプリズムや、特許文献１に記載されているような金属粒子を含むガラスなどを用いずに実現することができる。また、特許文献２に記載されているようなフォトニック結晶方式に比べ、高屈折率媒質及び低屈折率媒質から成る多層膜を形成する必要もなく、さらに安価に作製できる。
また、光学素子の回折を利用した表面構造のみで偏光フィルタ機能が得られるため、複数の材料を用いる必要もない。
さらには、サブ波長凹凸構造が重畳された回折構造のみで偏光回折機能が発現するため、材料は任意に選択可能である。そのため、使用する波長に応じて高透過率な基板材料に回折構造を形成してやってもよいし、基板の表面に別の材料を塗布してその表面に回折構造を形成してやってもよい。また、ハイパワーのレーザなどに対しては耐光性のある材料表面に構造を形成すればよい。
このような光学素子（偏光フィルタ）の製造方法は大面積で光学研磨を必要としないものであるため、光学的な特性を損うこと無く製造上において低価格で量産可能である。
また、不要な偏光方向の光は回折させる方式であるため、光アイソレータを斜めに配置する必要がなく、略垂直入射するようなレイアウトで実現することができる。
［実施例２］
（光アイソレータの構成）
次に本発明の第２の実施例を説明する。本発明では光学素子表面の回折構造のみで偏光フィルタ機能を実現できるため、図６のような光アイソレータ構造であってもよい。すなわち、ファラデー回転子３の入射側の表面に偏光フィルタ１の機能を有する回折面（回折構造）３１が形成されたものや、出射側の表面に偏光フィルタ２の機能を有する回折面（回折構造）３２が形成されたものであってもよい。回折構造はファラデー回転子３の表面に直接加工されたものでもよいし、ファラデー回転子３の表面に別材料を塗布した後にその表面に回折構造が形成されたものであってもよい。なお、本発明に係る光学素子は図６に示すような構造をも含むものであり、この場合には、一つの光学素子のみで光アイソレータとして機能させることができる。
（光アイソレータの構成）
次に本発明の第２の実施例を説明する。本発明では光学素子表面の回折構造のみで偏光フィルタ機能を実現できるため、図６のような光アイソレータ構造であってもよい。すなわち、ファラデー回転子３の入射側の表面に偏光フィルタ１の機能を有する回折面（回折構造）３１が形成されたものや、出射側の表面に偏光フィルタ２の機能を有する回折面（回折構造）３２が形成されたものであってもよい。回折構造はファラデー回転子３の表面に直接加工されたものでもよいし、ファラデー回転子３の表面に別材料を塗布した後にその表面に回折構造が形成されたものであってもよい。なお、本発明に係る光学素子は図６に示すような構造をも含むものであり、この場合には、一つの光学素子のみで光アイソレータとして機能させることができる。
（本実施例の光アイソレータの効果）
図６に示すような本実施例の光アイソレータでは、偏光子、ファラデー回転子、偏光子のような構成に比べ、偏光フィルタとファラデー回転子が一体化された構成であるため、ハンドリングがしやすく、また光学系としてコンパクト化できる。
また、サブ波長凹凸構造が重畳された回折構造のみで偏光回折機能が発現するため、材料は任意に選択可能である。そのため、図６に示すように、ファラデー回転子３に直接回折構造３１，３２を形成（加工）してやってもよいし、ファラデー回転子３の表面に別材料を塗布してその表面に回折構造を形成（加工）してやってもよい。
図６に示すような本実施例の光アイソレータでは、偏光子、ファラデー回転子、偏光子のような構成に比べ、偏光フィルタとファラデー回転子が一体化された構成であるため、ハンドリングがしやすく、また光学系としてコンパクト化できる。
また、サブ波長凹凸構造が重畳された回折構造のみで偏光回折機能が発現するため、材料は任意に選択可能である。そのため、図６に示すように、ファラデー回転子３に直接回折構造３１，３２を形成（加工）してやってもよいし、ファラデー回転子３の表面に別材料を塗布してその表面に回折構造を形成（加工）してやってもよい。
［実施例３］
（光アイソレータの他の構成例）
次に本発明の第３の実施例として、光アイソレータは、図７に示すように実施例１と実施例２を組み合わせたような構成であってもよい。
図７に示す構成の光アイソレータは、ファラデー回転子３の両面に別材料を塗布してその表面にサブ波長凹凸構造を重畳した回折構造を形成するとともに、各々の回折構造に対向するようにサブ波長凹凸構造が形成された偏光フィルタ１，２を配置したものである。また、対向する回折構造の隙間にはギャップを一定に保持する保持材を設ければよい。
なお、外側の偏光フィルタ１，２の回折構造を対向させずに配置してもよいが、対向させると光アイソレータとしては回折構造が外に露出しない構成となるため、緩衝による破損や、ゴミなどの影響を受けないという効果がある。さらに外側の表面を研磨することにより任意の薄型化や任意の光路長調整が可能である。
（光アイソレータの他の構成例）
次に本発明の第３の実施例として、光アイソレータは、図７に示すように実施例１と実施例２を組み合わせたような構成であってもよい。
図７に示す構成の光アイソレータは、ファラデー回転子３の両面に別材料を塗布してその表面にサブ波長凹凸構造を重畳した回折構造を形成するとともに、各々の回折構造に対向するようにサブ波長凹凸構造が形成された偏光フィルタ１，２を配置したものである。また、対向する回折構造の隙間にはギャップを一定に保持する保持材を設ければよい。
なお、外側の偏光フィルタ１，２の回折構造を対向させずに配置してもよいが、対向させると光アイソレータとしては回折構造が外に露出しない構成となるため、緩衝による破損や、ゴミなどの影響を受けないという効果がある。さらに外側の表面を研磨することにより任意の薄型化や任意の光路長調整が可能である。
（光アイソレータについての補足）
実施例１，２の光アイソレータではファラデー回転子３を用いているが、ファラデー回転子３の代わりに波長板のような偏光回転素子を用いてもよく、この場合には磁場印加などが不要なため構造をシンプルにできる。なお、波長板としては、水晶などの複屈折材料を用いてもよいし、本実施例の偏光フィルタで用いているサブ波長凹凸構造によっても実現することが可能である。
また、偏光フィルタとしてはファラデー回転子の手前側だけに設けたものであってもよい。消光比は落ちるが薄型化、低コスト化といった目的には有効である。
実施例１，２の光アイソレータではファラデー回転子３を用いているが、ファラデー回転子３の代わりに波長板のような偏光回転素子を用いてもよく、この場合には磁場印加などが不要なため構造をシンプルにできる。なお、波長板としては、水晶などの複屈折材料を用いてもよいし、本実施例の偏光フィルタで用いているサブ波長凹凸構造によっても実現することが可能である。
また、偏光フィルタとしてはファラデー回転子の手前側だけに設けたものであってもよい。消光比は落ちるが薄型化、低コスト化といった目的には有効である。
［実施例４］
（光学素子（偏光フィルタ）に関する実施例）
ここでは、本発明に係る光学素子の実施例として、実施例１の光アイソレータに搭載されてなる第１の偏光フィルタ１の構成について詳述する。なお、第２の偏光フィルタ２についても同じ構成の光学素子でよい。また、実施例２の光アイソレータの偏光フィルタ（回折構造３１，３２）に関しては、回折構造を形成する基材の屈折率が異なるが、パラメータの設定方法は同様である。
（光学素子（偏光フィルタ）に関する実施例）
ここでは、本発明に係る光学素子の実施例として、実施例１の光アイソレータに搭載されてなる第１の偏光フィルタ１の構成について詳述する。なお、第２の偏光フィルタ２についても同じ構成の光学素子でよい。また、実施例２の光アイソレータの偏光フィルタ（回折構造３１，３２）に関しては、回折構造を形成する基材の屈折率が異なるが、パラメータの設定方法は同様である。
（偏光フィルタのマクロ構造）
前述したように、図３（ａ）、（ｂ）は偏光フィルタ１、２のマクロ構造を示す図であり、同図（ａ）は偏光フィルタ１の正面図、（ｂ）は断面図である。この偏光フィルタ１は、Ｐ偏光成分の光を回折し、Ｓ偏光成分の光を回折せずにそのまま透過させる格子形状の回折面（回折構造）を有する。
前述したように、図３（ａ）、（ｂ）は偏光フィルタ１、２のマクロ構造を示す図であり、同図（ａ）は偏光フィルタ１の正面図、（ｂ）は断面図である。この偏光フィルタ１は、Ｐ偏光成分の光を回折し、Ｓ偏光成分の光を回折せずにそのまま透過させる格子形状の回折面（回折構造）を有する。
（符号についての説明）
図４は、図３に示す偏光フィルタ１に形成されている格子形状の要部を拡大して示す図であり、偏光フィルタ１に形成されている波長以上の周期のうちの３周期分を示している。ここでは、図４に記載されている符号について説明する。
図４に示す偏光フィルタ１では、波長以上の周期構造に、サブ波長凹凸構造［１］、［２］が重畳された構造となっている。サブ波長凹凸構造［１］はＰ偏光方向に溝方向をもつ波長以下の周期を有する。また、サブ波長凹凸構造［２］はＳ偏光方向に溝方向をもつ波長以下の周期を有する。
図４中の、Ｐは、偏光フィルタ１に形成されている波長以上の周期構造の周期を表す。
Ｌは、後述するサブ波長凹凸構造［１］が形成されている領域の幅である。
Ｌ／Ｐは、偏光フィルタ１のＤｕｔｙと呼んでおり、後述する回折効率の計算などに用いる。
ｑ１は、サブ波長凹凸構造［１］の周期を表す。
ｌ１は、サブ波長凹凸構造［１］の凸部の幅である。
ｌ１／ｑ１は、フィリングファクタと呼んでおり、後述する有効屈折率の計算に用いる。
ｑ２は、サブ波長凹凸構造［２］の周期を表す。
ｌ２は、サブ波長凹凸構造［２］の凸部の幅である。
ｌ２／ｑ２は、フィリングファクタと呼んでおり、後述する有効屈折率の計算に用いる。
ｄ１は、サブ波長凹凸構造［１］の溝深さを表す。
ｄ２は、サブ波長凹凸構造［２］の溝深さを表す。
図４は、図３に示す偏光フィルタ１に形成されている格子形状の要部を拡大して示す図であり、偏光フィルタ１に形成されている波長以上の周期のうちの３周期分を示している。ここでは、図４に記載されている符号について説明する。
図４に示す偏光フィルタ１では、波長以上の周期構造に、サブ波長凹凸構造［１］、［２］が重畳された構造となっている。サブ波長凹凸構造［１］はＰ偏光方向に溝方向をもつ波長以下の周期を有する。また、サブ波長凹凸構造［２］はＳ偏光方向に溝方向をもつ波長以下の周期を有する。
図４中の、Ｐは、偏光フィルタ１に形成されている波長以上の周期構造の周期を表す。
Ｌは、後述するサブ波長凹凸構造［１］が形成されている領域の幅である。
Ｌ／Ｐは、偏光フィルタ１のＤｕｔｙと呼んでおり、後述する回折効率の計算などに用いる。
ｑ１は、サブ波長凹凸構造［１］の周期を表す。
ｌ１は、サブ波長凹凸構造［１］の凸部の幅である。
ｌ１／ｑ１は、フィリングファクタと呼んでおり、後述する有効屈折率の計算に用いる。
ｑ２は、サブ波長凹凸構造［２］の周期を表す。
ｌ２は、サブ波長凹凸構造［２］の凸部の幅である。
ｌ２／ｑ２は、フィリングファクタと呼んでおり、後述する有効屈折率の計算に用いる。
ｄ１は、サブ波長凹凸構造［１］の溝深さを表す。
ｄ２は、サブ波長凹凸構造［２］の溝深さを表す。
（機能について）
偏光フィルタ１は、図４に示すように、波長以上の周期Ｐを有する周期構造に、さらに波長よりも短い周期ｑ１、ｑ２を有するサブ波長凹凸構造［１］，［２］が形成されてなる。波長以上の周期構造に応じて入射光は回折し、サブ波長凹凸構造［１］，［２］によってＰ偏光、Ｓ偏光のいずれの偏光成分で回折するかの偏光選択性を出している。これにより、図３（ｂ）に示すように偏光フィルタ１はＰ偏光成分の光が入射したときは回折し、Ｓ偏光成分の光に対しては不感帯透過する。
偏光フィルタ１は、図４に示すように、波長以上の周期Ｐを有する周期構造に、さらに波長よりも短い周期ｑ１、ｑ２を有するサブ波長凹凸構造［１］，［２］が形成されてなる。波長以上の周期構造に応じて入射光は回折し、サブ波長凹凸構造［１］，［２］によってＰ偏光、Ｓ偏光のいずれの偏光成分で回折するかの偏光選択性を出している。これにより、図３（ｂ）に示すように偏光フィルタ１はＰ偏光成分の光が入射したときは回折し、Ｓ偏光成分の光に対しては不感帯透過する。
（サブ波長凹凸構造が呈する構造複屈折特性について）
偏光フィルタ１の回折面に形成されているサブ波長凹凸構造は、一般に知られている構造性複屈折を呈する（発現する）。
構造性複屈折とは、屈折率の異なる２種類の媒質を光の波長よりも短い周期でストライプ状に配置したとき、ストライプに平行な偏光成分（ＴＥ波）とストライプに垂直な偏光成分（ＴＭ波）とで屈折率（有効屈折率と呼ぶ）が異なり、複屈折作用が生じることをいう。
偏光フィルタ１の回折面に形成されているサブ波長凹凸構造は、一般に知られている構造性複屈折を呈する（発現する）。
構造性複屈折とは、屈折率の異なる２種類の媒質を光の波長よりも短い周期でストライプ状に配置したとき、ストライプに平行な偏光成分（ＴＥ波）とストライプに垂直な偏光成分（ＴＭ波）とで屈折率（有効屈折率と呼ぶ）が異なり、複屈折作用が生じることをいう。
ここで、屈折率の異なる２種類の媒質として、空気と屈折率ｎの媒質を想定して、サブ波長凹凸構造の周期よりも２倍以上の波長をもつ光が垂直入射したと仮定する。このときの入射光の偏光方向がサブ波長凹凸構造の溝に平行（ＴＥ方向）であるか垂直（ＴＭ方向）であるかによってサブ波長凹凸構造の有効屈折率は各々次式で与えられる。ここでは、入射光の偏光方向がサブ波長凹凸構造の溝に平行である場合をｎ（ＴＥ）、垂直である場合をｎ（ＴＭ）と表す。下記の［数１］の左辺の符号はｎ（ＴＥ）を表し、［数２］の左辺の符号はｎ（ＴＭ）を表す。また、式中の符号ｔは前述のフィリングファクタを表す。
［数１］ｎ（ＴＥ）＝√（（ｔ・ｎ＾２）＋（１-ｔ））
［数２］ｎ（ＴＭ）＝√（（ｔ／ｎ＾２）＋（１-ｔ））
［数１］ｎ（ＴＥ）＝√（（ｔ・ｎ＾２）＋（１-ｔ））
［数２］ｎ（ＴＭ）＝√（（ｔ／ｎ＾２）＋（１-ｔ））
図８はフィリングファクタに対する偏光方向別の屈折率を示す図である。同図はそれぞれの屈折率の計算結果の例を示している。計算にはＴａ２Ｏ５の波長１５５０ｎｍの屈折率ｎ＝２．０８６を用いた。
図４のサブ波長凹凸構造［１］、［２］のフィリングファクタｔは、それぞれ次のとおりとなる。下記の［数３］はサブ波長凹凸構造［１］のフィリングファクタ：ｔ１、［数４］はサブ波長凹凸構造［２］のフィリングファクタ：ｔ２である。
［数３］ｔ１＝ｌ１／ｑ１
［数４］ｔ２＝ｌ２／ｑ２
図４のサブ波長凹凸構造［１］、［２］のフィリングファクタｔは、それぞれ次のとおりとなる。下記の［数３］はサブ波長凹凸構造［１］のフィリングファクタ：ｔ１、［数４］はサブ波長凹凸構造［２］のフィリングファクタ：ｔ２である。
［数３］ｔ１＝ｌ１／ｑ１
［数４］ｔ２＝ｌ２／ｑ２
よって、各サブ波長凹凸構造［１］、［２］の有効屈折率は以下のとおりであり、［数７］はサブ波長凹凸構造［１］のＴＥ方向の有効屈折率：ｎ（ＴＥ、１）、［数８］はサブ波長凹凸構造［１］のＴＭ方向の有効屈折率：ｎ（ＴＭ、１）、［数９］はサブ波長凹凸構造［２］のＴＥ方向の有効屈折率：ｎ（ＴＥ、２）、［数１０］はサブ波長凹凸構造［２］のＴＭ方向の有効屈折率：ｎ（ＴＭ、２）である。
［数７］ｎ（ＴＥ、１）＝√（（ｔ１・ｎ＾２）＋（１-ｔ１））
［数８］ｎ（ＴＭ、１）＝√（（ｔ１／ｎ＾２）＋（１-ｔ１））
［数９］ｎ（ＴＥ、２）＝√（（ｔ２・ｎ＾２）＋（１-ｔ２））
［数１０］ｎ（ＴＭ、２）＝√（（ｔ２／ｎ＾２）＋（１-ｔ２））
［数７］ｎ（ＴＥ、１）＝√（（ｔ１・ｎ＾２）＋（１-ｔ１））
［数８］ｎ（ＴＭ、１）＝√（（ｔ１／ｎ＾２）＋（１-ｔ１））
［数９］ｎ（ＴＥ、２）＝√（（ｔ２・ｎ＾２）＋（１-ｔ２））
［数１０］ｎ（ＴＭ、２）＝√（（ｔ２／ｎ＾２）＋（１-ｔ２））
また位相差は、以下のようになり、下記の［数１５］はＰ偏光方向の光が入射したときのサブ波長凹凸構造［１］と［２］の位相差ψ（Ｐ偏光）、［数１６］はＳ偏光方向の光が入射したときのサブ波長凹凸構造［１］と［２］の位相差ψ（Ｓ偏光）である。
［数１５］
ψ（Ｐ偏光）＝｜(２π／１５７０ｎｍ)(ｎ(ＴＭ、１)・ｄ１−ｎ(ＴＥ、２)・ｄ２)｜
［数１６］
ψ（Ｓ偏光）＝｜(２π／１５７０ｎｍ)(ｎ(ＴＥ、１)・ｄ１−ｎ(ＴＭ、２)・ｄ２)｜
［数１５］
ψ（Ｐ偏光）＝｜(２π／１５７０ｎｍ)(ｎ(ＴＭ、１)・ｄ１−ｎ(ＴＥ、２)・ｄ２)｜
［数１６］
ψ（Ｓ偏光）＝｜(２π／１５７０ｎｍ)(ｎ(ＴＥ、１)・ｄ１−ｎ(ＴＭ、２)・ｄ２)｜
ここで、ｄ１、ｄ２はサブ波長凹凸構造［１］，［２］の溝深さである。これからフィリングファクタｔ１、ｔ２、および溝深さｄ１、ｄ２を適当に選択することで位相差ψ（Ｐ偏光）、ψ（Ｓ偏光）を任意に調整可能である。
本発明では、２種類のサブ波長凹凸構造［１］と［２］の有効屈折率が、特定の偏光方向（例えばＳ偏光）の入射光に対しては同一となり、かつ特定の偏光方向とは直交する偏光方向（例えばＰ偏光）の入射光に対しては位相差がπとなるように２種類のサブ波長凹凸構造［１］，［２］のフィリングファクタｔ１、ｔ２および溝深さｄ１、ｄ２が決定されている。
（回折構造の具体的数値と、回折効率特性）
偏光フィルタ１の回折機能を担う、波長以上の周期Ｐは、使用波長よりも大きい。また、回折格子のＤｕｔｙであるＬ／Ｐは０．５を設定する。
そして、波長よりも短い周期のサブ波長凹凸構造の周期ｑは、使用波長よりも十分に小さい。具体的には、光源波長の１５７０ｎｍよりも小さい、半波長の７８５ｎｍ以下であることが望ましい。
偏光フィルタ１は、Ｐ偏光成分の光を回折し、Ｓ偏光成分の光を回折せずにそのまま透過させる格子形状の回折面を有する。Ｓ偏光成分の光を不感帯透過させるには、位相差が０あるいは２ｎπ（ｎは整数）である必要がある。以下に具体的数値の一例を示す。
偏光フィルタ１の回折機能を担う、波長以上の周期Ｐは、使用波長よりも大きい。また、回折格子のＤｕｔｙであるＬ／Ｐは０．５を設定する。
そして、波長よりも短い周期のサブ波長凹凸構造の周期ｑは、使用波長よりも十分に小さい。具体的には、光源波長の１５７０ｎｍよりも小さい、半波長の７８５ｎｍ以下であることが望ましい。
偏光フィルタ１は、Ｐ偏光成分の光を回折し、Ｓ偏光成分の光を回折せずにそのまま透過させる格子形状の回折面を有する。Ｓ偏光成分の光を不感帯透過させるには、位相差が０あるいは２ｎπ（ｎは整数）である必要がある。以下に具体的数値の一例を示す。
屈折率ｎ＝２．０８６の媒質に、
サブ波長凹凸構造［１］のフィリングファクタ：ｔ１＝０．３５
サブ波長凹凸構造［２］のフィリングファクタ：ｔ２＝０．７０
とした場合、
サブ波長凹凸構造［１］のＴＥ方向の有効屈折率：ｎ（ＴＥ、１）＝１．４７４
サブ波長凹凸構造［１］のＴＭ方向の有効屈折率：ｎ（ＴＭ、１）＝１．１７０
サブ波長凹凸構造［２］のＴＥ方向の有効屈折率：ｎ（ＴＥ、２）＝１．８２９
サブ波長凹凸構造［２］のＴＭ方向の有効屈折率：ｎ（ＴＭ、２）＝１．４７３
である。
サブ波長凹凸構造［１］のフィリングファクタ：ｔ１＝０．３５
サブ波長凹凸構造［２］のフィリングファクタ：ｔ２＝０．７０
とした場合、
サブ波長凹凸構造［１］のＴＥ方向の有効屈折率：ｎ（ＴＥ、１）＝１．４７４
サブ波長凹凸構造［１］のＴＭ方向の有効屈折率：ｎ（ＴＭ、１）＝１．１７０
サブ波長凹凸構造［２］のＴＥ方向の有効屈折率：ｎ（ＴＥ、２）＝１．８２９
サブ波長凹凸構造［２］のＴＭ方向の有効屈折率：ｎ（ＴＭ、２）＝１．４７３
である。
サブ波長凹凸構造［１］、［２］において溝深さを同一のｄとした場合、
Ｐ偏光方向の光が入射したときのサブ波長凹凸構造［１］と［２］の位相差は、
ψ（Ｐ偏光）＝（２πｄ/１５５０ｎｍ）（１．８２９−１．１７０）
であり、
Ｓ偏光方向の光が入射したときのサブ波長凹凸構造［１］と［２］の位相差は、
ψ（Ｓ偏光）≒０
である。
Ｐ偏光方向の光が入射したときのサブ波長凹凸構造［１］と［２］の位相差は、
ψ（Ｐ偏光）＝（２πｄ/１５５０ｎｍ）（１．８２９−１．１７０）
であり、
Ｓ偏光方向の光が入射したときのサブ波長凹凸構造［１］と［２］の位相差は、
ψ（Ｓ偏光）≒０
である。
図９は、以上のような条件において、偏光フィルタ１に波長１５５０ｎｍの光を入射させた場合の０次透過率および１次回折効率を示す図である。縦軸は回折効率、横軸はサブ波長凹凸構造の溝深さｄを振っている。Ｓ偏光成分については、不感帯透過するため０次光が１．０で±１次回折光は発生しない。一方、Ｐ偏光成分については回折して、０次光成分をなるべく小さくしたいので、そのような溝深さを選定すればよい。
例えば、図９中のような溝深さｄ＝１．２５５μｍの目印線の位置が望ましく、サブ波長凹凸構造［１］、［２］において溝深さを同一のｄ＝１．２５５μｍとした場合、Ｐ偏光方向の光が入射したときのサブ波長凹凸構造［１］と［２］の位相差は、
ψ（Ｐ偏光）＝（２π×１．２５５μｍ/１５５０ｎｍ）（１．８２９−１．１７０）
＝（１．６１９π）（０．６５９）
≒π
であり、Ｐ偏光成分の光を効率よく回折することができる。
例えば、図９中のような溝深さｄ＝１．２５５μｍの目印線の位置が望ましく、サブ波長凹凸構造［１］、［２］において溝深さを同一のｄ＝１．２５５μｍとした場合、Ｐ偏光方向の光が入射したときのサブ波長凹凸構造［１］と［２］の位相差は、
ψ（Ｐ偏光）＝（２π×１．２５５μｍ/１５５０ｎｍ）（１．８２９−１．１７０）
＝（１．６１９π）（０．６５９）
≒π
であり、Ｐ偏光成分の光を効率よく回折することができる。
（本実施例の偏光フィルタを使用した光アイソレータの効果）
以上のように、本実施例では回折を利用した表面構造のみで偏光フィルタを実現することが可能であるので、この偏光フィルタを使用することにより、従来の光アイソレータに対して光学的な特性を損うこと無く低価格で製造上において量産可能な偏光フィルタを備えた光アイソレータを提供することができる。
具体的には、従来の複屈折単結晶のプリズム、特許文献１に記載されているような金属粒子を含むガラスなどを用いずに実現することができる。また、特許文献２に記載されているようなフォトニック結晶方式に比べ、高屈折率媒質及び低屈折率媒質から成る多層膜を形成する必要もなく、さらに安価に作製できる。
さらには、サブ波長凹凸構造が重畳された回折構造のみで偏光回折機能が発現するため、材料は任意に選択可能である。そのため、使用する波長に応じて高透過率な基板材料に回折構造を形成してやってもよいし、基板の表面に別の材料を塗布してその表面に回折構造を形成してやってもよい。よって実施例２の光アイソレータのように、ファラデー回転子の表面に回折構造を直接加工してやってもよい。
また、本実施例の偏光フィルタの製造方法は大面積で光学研磨を必要としないものであるため、光学的な特性を損うこと無く製造上において低価格で量産可能である。
以上のように、本実施例では回折を利用した表面構造のみで偏光フィルタを実現することが可能であるので、この偏光フィルタを使用することにより、従来の光アイソレータに対して光学的な特性を損うこと無く低価格で製造上において量産可能な偏光フィルタを備えた光アイソレータを提供することができる。
具体的には、従来の複屈折単結晶のプリズム、特許文献１に記載されているような金属粒子を含むガラスなどを用いずに実現することができる。また、特許文献２に記載されているようなフォトニック結晶方式に比べ、高屈折率媒質及び低屈折率媒質から成る多層膜を形成する必要もなく、さらに安価に作製できる。
さらには、サブ波長凹凸構造が重畳された回折構造のみで偏光回折機能が発現するため、材料は任意に選択可能である。そのため、使用する波長に応じて高透過率な基板材料に回折構造を形成してやってもよいし、基板の表面に別の材料を塗布してその表面に回折構造を形成してやってもよい。よって実施例２の光アイソレータのように、ファラデー回転子の表面に回折構造を直接加工してやってもよい。
また、本実施例の偏光フィルタの製造方法は大面積で光学研磨を必要としないものであるため、光学的な特性を損うこと無く製造上において低価格で量産可能である。
本実施例の偏光フィルタでは、不要な偏光方向の光は回折させる方式であるため、光アイソレータを斜めに配置する必要がなく、略垂直入射するようなレイアウトで実現することができる。また、図１０〜１２は、上記の数値事例を用いて算出した偏光フィルタ１の回折効率の入射角特性（図１０）、消光比の入射角特性（図１１）、透過率ロスの入射角特性（図１２）を示している。
本実施例の偏光フィルタは入射角±１０°の範囲でフラットな特性であり、この範囲で使用可能な偏光フィルタといえる。また、例えば４５度入射のような配置も可能であり、その場合は４５度入射の構成でサブ波長構造の設計を行えばよい。すなわち、本実施例の偏光フィルタは入射角θとして、θ±１０°の範囲で適用できる偏光フィルタである。
本実施例の偏光フィルタは入射角±１０°の範囲でフラットな特性であり、この範囲で使用可能な偏光フィルタといえる。また、例えば４５度入射のような配置も可能であり、その場合は４５度入射の構成でサブ波長構造の設計を行えばよい。すなわち、本実施例の偏光フィルタは入射角θとして、θ±１０°の範囲で適用できる偏光フィルタである。
また、図１３〜１５は、上記の数値事例を用いて算出した偏光フィルタ１の回折効率の波長特性（図１３）、消光比の波長特性（図１４）、透過率ロスの波長特性（図１５）を示している。
本実施例の偏光フィルタは波長１４８０〜１６４０ｎｍの範囲でフラットな特性であり、この範囲で使用可能な偏光フィルタといえる。これは従来例に比べ、十分に広い波長範囲を有する。
また、特許文献２には記載されていないが、例えば（株）フォトニックラティスのホームページ（製品紹介ページ（http://www.photonic-lattice.com/jp/PhC04.html））などに記載されているフォトニック結晶素子から成る偏光子は、図１６に示すように１０２０〜１０８０ｎｍの波長範囲を超えると特性劣化が生じている。
本実施例の偏光フィルタは波長１４８０〜１６４０ｎｍの範囲でフラットな特性であり、この範囲で使用可能な偏光フィルタといえる。これは従来例に比べ、十分に広い波長範囲を有する。
また、特許文献２には記載されていないが、例えば（株）フォトニックラティスのホームページ（製品紹介ページ（http://www.photonic-lattice.com/jp/PhC04.html））などに記載されているフォトニック結晶素子から成る偏光子は、図１６に示すように１０２０〜１０８０ｎｍの波長範囲を超えると特性劣化が生じている。
［実施例５］
（光学素子の作製方法に関する実施例）
ここでは、本発明に係る光学素子の作製方法の実施例として、実施例１及び実施例４で説明した偏光フィルタ１の作製手順を説明する。なお、偏光フィルタ２の作製手順も同様である。
まず、素子の作製方法の説明に先立って、型の作製方法を説明する。
（光学素子の作製方法に関する実施例）
ここでは、本発明に係る光学素子の作製方法の実施例として、実施例１及び実施例４で説明した偏光フィルタ１の作製手順を説明する。なお、偏光フィルタ２の作製手順も同様である。
まず、素子の作製方法の説明に先立って、型の作製方法を説明する。
（石英を基材とした型の作製方法）
図１７（ａ）〜（ｄ）は、石英を基材とした型の作製方法を説明するための工程図である。
まず同図（ａ）において、石英材料を基板１００とし、その表面に電子線１０２の描画用のレジスト１０１を所定の厚さに塗布し、プリベークする。予め設計されたプログラムにより、偏光フィルタ１の諸元に対応したピッチ・線幅に描画する。
次に同図（ｂ）において、レジスト１０１に対し、現像およびリンスを行うことにより、レジスト上にサブ波長凹凸構造１０３が形成される。溝の底には石英材料基板１００が露出している。
図１７（ａ）〜（ｄ）は、石英を基材とした型の作製方法を説明するための工程図である。
まず同図（ａ）において、石英材料を基板１００とし、その表面に電子線１０２の描画用のレジスト１０１を所定の厚さに塗布し、プリベークする。予め設計されたプログラムにより、偏光フィルタ１の諸元に対応したピッチ・線幅に描画する。
次に同図（ｂ）において、レジスト１０１に対し、現像およびリンスを行うことにより、レジスト上にサブ波長凹凸構造１０３が形成される。溝の底には石英材料基板１００が露出している。
次に同図（ｃ）において、サブ波長凹凸構造１０３のレジストパターンをマスクとして石英材料基板１００のドライエッチングを行う。エッチングには、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）、ＮＬＤ（Magnetic Neutral Loop Discharge：磁気中性線放電）、ＴＣＰ（Transformer Coupled Plasma：電磁結合型プラズマ）等のエッチング装置にて、ＣＦ４（四フッ化メタン）、ＣＦ３（トリフルオロメチル）ガスを用いる。基板にバイアスをかけることで、面に垂直にエッチングを進行させる。
次に同図（ｄ）において、レジストを剥離する。剥離の方法はドライエッチング装置内で、酸素ガスを導入し、酸素ガスプラズマ中でレジスト除去を行う方法と、基板を装置から取り出してＣＡＲＯＳ（硫酸と過酸化水素水の混合液）を用いた洗浄で除去する方法とがある。完成したものを石英型として用いる。
（シリコンを基材とした型の作製方法）
型の作製方法の別の例として、図１８（ａ）〜（ｄ）は、シリコンを基材とした型の作製方法を説明するための工程図である。
同図（ａ）において、シリコンを基板１１０とし、その表面に電子線１１２の描画用のレジスト１１１を所定の厚さに塗布し、プリベークする。予め設計されたプログラムにより、偏光フィルタ１の諸元に対応したピッチ・線幅に描画する。
次に同図（ｂ）において、レジスト１１１に対し、現像およびリンスを行うことにより、レジスト上にサブ波長凹凸構造１１３が形成される。溝の底にはシリコン基板１１０が露出している。
型の作製方法の別の例として、図１８（ａ）〜（ｄ）は、シリコンを基材とした型の作製方法を説明するための工程図である。
同図（ａ）において、シリコンを基板１１０とし、その表面に電子線１１２の描画用のレジスト１１１を所定の厚さに塗布し、プリベークする。予め設計されたプログラムにより、偏光フィルタ１の諸元に対応したピッチ・線幅に描画する。
次に同図（ｂ）において、レジスト１１１に対し、現像およびリンスを行うことにより、レジスト上にサブ波長凹凸構造１１３が形成される。溝の底にはシリコン基板１１０が露出している。
次に同図（ｃ）において、サブ波長凹凸構造１１３のレジストパターンをマスクとしてシリコン基板１１０のアルカリウェットエッチング（ＫＯＨ溶液使用）を行う。シリコン基板１１０は｛１１１｝面の壁として、ピッチを維持したまま深さ方向にエッチングされる。なお、ボッシュプロセス用いたドライエッチングでも同様の構造を制作できる。
次に同図（ｄ）において、レジストを剥離する。完成したものをシリコン型として用いる。
次に同図（ｄ）において、レジストを剥離する。完成したものをシリコン型として用いる。
以上のようにして作られた石英型、あるいはシリコン型を便宜上、金型と呼ぶことがある。
（偏光フィルタの作製手順１：ガラス基板にＴａ２Ｏ５を成膜し、Ｔａ２Ｏ５に偏光フィルタ１を形成する手順）
図１９（ａ）〜（ｇ）は、ガラス基板にＴａ２Ｏ５を成膜し、Ｔａ２Ｏ５に偏光フィルタ１を形成する手順を示す工程図である。
まず同図（ａ）において、ガラス基板表面にＴａ２Ｏ５膜（５酸化タンタル膜）を形成する。形成方法としては、スパッタリング法を次の１〜４のような条件で用いる。
１．基板温度 ：７０〜１００℃
２．製膜時圧力：５〜８×１０−４Ｔｏｒｒ
３．成膜速度 ：０．７〜１．０Å／ｓｅｃ
４．ＲＦパワー：３００〜５００Ｗ
図１９（ａ）〜（ｇ）は、ガラス基板にＴａ２Ｏ５を成膜し、Ｔａ２Ｏ５に偏光フィルタ１を形成する手順を示す工程図である。
まず同図（ａ）において、ガラス基板表面にＴａ２Ｏ５膜（５酸化タンタル膜）を形成する。形成方法としては、スパッタリング法を次の１〜４のような条件で用いる。
１．基板温度 ：７０〜１００℃
２．製膜時圧力：５〜８×１０−４Ｔｏｒｒ
３．成膜速度 ：０．７〜１．０Å／ｓｅｃ
４．ＲＦパワー：３００〜５００Ｗ
次に同図（ｂ）において、Ｔａ２Ｏ５膜上にＵＶ硬化樹脂を塗布し、上からモールド型で押圧する。モールド型としてはシリコン型、石英型ともに使用しうるが、微細構造を形成するナノインプリントにおいては、石英金型の方が光透過性なので適している。ＵＶ硬化樹脂はグランディックＲＣ８７９０（大日本インキ製）を用いる。
次に同図（ｃ）において、モールド背面からＵＶ（紫外線）を照射し、樹脂を固める。モールド型としてシリコン金型を用いる場合は、ＵＶをガラス基板側から与える。
次に同図（ｄ）において、モールド型を離型する。ＵＶ硬化樹脂に凸状の微細構造が形成されている。
次に同図（ｃ）において、モールド背面からＵＶ（紫外線）を照射し、樹脂を固める。モールド型としてシリコン金型を用いる場合は、ＵＶをガラス基板側から与える。
次に同図（ｄ）において、モールド型を離型する。ＵＶ硬化樹脂に凸状の微細構造が形成されている。
次に同図（ｅ）において、Ｔａ２Ｏ５が露出するまで樹脂をドライエッチングする。ドライエッチングは以下の１〜６の条件で行う。
１．ガス種 ：酸素ガス（Ｏ２）
２．ガス流入量 ：２０ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．４Ｐａ
４．樹脂エッチング速度：３０ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：６０Ｗ
１．ガス種 ：酸素ガス（Ｏ２）
２．ガス流入量 ：２０ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．４Ｐａ
４．樹脂エッチング速度：３０ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：６０Ｗ
次に同図（ｆ）において、Ｔａ２Ｏ５溝が所望の深さになるまでドライエッチングする。ドライエッチングは以下の１〜６の条件で行う。
１．ガス種 ：ＣＨＦ３（トリフルオロメタン）、Ａｒ（アルゴン）
２．ガス流入量
Ａｒ ：５ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３ ：２０ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．３Ｐａ
４．Ｔａ２Ｏ５エッチング速度：８ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：４００Ｗ
１．ガス種 ：ＣＨＦ３（トリフルオロメタン）、Ａｒ（アルゴン）
２．ガス流入量
Ａｒ ：５ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３ ：２０ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．３Ｐａ
４．Ｔａ２Ｏ５エッチング速度：８ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：４００Ｗ
最後に、最上部に残った樹脂マスクを酸素ガス（プラズマ）中でドライエッチングによる剥離処理により除去する。
同図（ｇ）の状態になって偏光フィルタ１が完成する。ガラス基板上の５酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）が偏光フィルタ１を形成している。
同図（ｇ）の状態になって偏光フィルタ１が完成する。ガラス基板上の５酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）が偏光フィルタ１を形成している。
（偏光フィルタの作製手順２：ガラス基板に直接、偏光フィルタ１を形成する方法）
図２０（ａ）〜（ｉ）は、シリコン膜とモールド型を利用してガラス基板に偏光フィルタ１を形成する手順を示す工程図である。
まず同図（ａ）において、ガラス基板表面にシリコン膜（Ｓｉ膜）を形成する。形成方法としては、スパッタリング法を次の１〜４のような条件で用いる。
１．基板温度 ：７０〜１００℃
２．製膜時圧力：７〜８×１０−４Ｔｏｒｒ
３．成膜速度 ：０．５〜１．０Å／ｓｅｃ
４．ＲＦパワー：１００〜２００Ｗ
図２０（ａ）〜（ｉ）は、シリコン膜とモールド型を利用してガラス基板に偏光フィルタ１を形成する手順を示す工程図である。
まず同図（ａ）において、ガラス基板表面にシリコン膜（Ｓｉ膜）を形成する。形成方法としては、スパッタリング法を次の１〜４のような条件で用いる。
１．基板温度 ：７０〜１００℃
２．製膜時圧力：７〜８×１０−４Ｔｏｒｒ
３．成膜速度 ：０．５〜１．０Å／ｓｅｃ
４．ＲＦパワー：１００〜２００Ｗ
次に同図（ｂ）において、Ｓｉ膜上にＵＶ硬化樹脂を塗布し、上からモールドで押圧する。モールド型としてはシリコン型、石英型ともに使用しうるが、微細構造を形成するナノインプリントにおいては、石英金型の方が光透過性なので適している。ＵＶ硬化樹脂はグランディックＲＣ８７９０（大日本インキ製）を用いる。
次に同図（ｃ）において、モールド背面からＵＶ（紫外線）を照射し、樹脂を固める。モールド型としてシリコン金型を用いる場合は、ＵＶをガラス基板側から与える。
次に同図（ｄ）において、モールド型を離型する。ＵＶ硬化樹脂に凸状の微細構造が形成されている。
次に同図（ｃ）において、モールド背面からＵＶ（紫外線）を照射し、樹脂を固める。モールド型としてシリコン金型を用いる場合は、ＵＶをガラス基板側から与える。
次に同図（ｄ）において、モールド型を離型する。ＵＶ硬化樹脂に凸状の微細構造が形成されている。
次に同図（ｅ）において、ドライエッチングで、Ｓｉが露出するまで樹脂を除去する。ドライエッチングは以下の１〜６の条件で行う。
１．ガス種 ：酸素ガス（Ｏ２）
２．ガス流入量 ：２０ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．４Ｐａ
４．樹脂エッチング速度：３０ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：６０Ｗ
１．ガス種 ：酸素ガス（Ｏ２）
２．ガス流入量 ：２０ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．４Ｐａ
４．樹脂エッチング速度：３０ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：６０Ｗ
次に同図（ｆ）において、ガラスが露出するまでＳｉと樹脂をドライエッチングする。ドライエッチングは以下の１〜６の条件で行う。
１．ガス種 ：ＳＦ６（六フッ化硫黄）、ＣＨＦ３
２．ガス流入量
ＳＦ６ ：２０ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３：５ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．３Ｐａ
４．樹脂エッチング速度：５ｎｍ／ｓｅｃ
Ｓｉエッチング速度：３０ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：５０Ｗ
１．ガス種 ：ＳＦ６（六フッ化硫黄）、ＣＨＦ３
２．ガス流入量
ＳＦ６ ：２０ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３：５ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．３Ｐａ
４．樹脂エッチング速度：５ｎｍ／ｓｅｃ
Ｓｉエッチング速度：３０ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：５０Ｗ
次に同図（ｇ）において、ガラス溝が所望の深さになるまでドライエッチングする。ドライエッチングは以下の１〜６の条件で行う。
１．ガス種 ：ＣＨＦ３、Ａｒ
２．ガス流入量
Ａｒ ：５ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３ ：２０ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．３Ｐａ
４．Ｓｉエッチング速度：４ｎｍ／ｓｅｃ
ガラスエッチング速度：１２ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：４００Ｗ
１．ガス種 ：ＣＨＦ３、Ａｒ
２．ガス流入量
Ａｒ ：５ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３ ：２０ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．３Ｐａ
４．Ｓｉエッチング速度：４ｎｍ／ｓｅｃ
ガラスエッチング速度：１２ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：４００Ｗ
次に同図（ｈ）において、最上部に残ったＳｉ膜を剥離処理により除去する。シリコンマスクはアルカリ（ＫＯＨ）液でウェット剥離する。
同図（ｉ）の状態になって偏光フィルタ１が完成する。ガラス基板自身の片面が偏光フィルタ１になっている。
同図（ｉ）の状態になって偏光フィルタ１が完成する。ガラス基板自身の片面が偏光フィルタ１になっている。
（偏光フィルタの作製手順３：金型を使用しない偏光フィルタ１の製法）
図２１（ａ）〜（ｇ）は、金型を使用しない偏光フィルタ１の製法を説明するための工程図である。
まず同図（ａ）において、ガラス基板表面にシリコン膜（Ｓｉ膜）を形成する。形成方法としては、スパッタリング法を次の１〜４のような条件で用いる。
１．基板温度 ：７０〜１００℃
２．製膜時圧力：７〜８×１０−４Ｔｏｒｒ
３．成膜速度 ：０．５〜１．０Å／ｓｅｃ
４．ＲＦパワー：１００〜２００Ｗ
図２１（ａ）〜（ｇ）は、金型を使用しない偏光フィルタ１の製法を説明するための工程図である。
まず同図（ａ）において、ガラス基板表面にシリコン膜（Ｓｉ膜）を形成する。形成方法としては、スパッタリング法を次の１〜４のような条件で用いる。
１．基板温度 ：７０〜１００℃
２．製膜時圧力：７〜８×１０−４Ｔｏｒｒ
３．成膜速度 ：０．５〜１．０Å／ｓｅｃ
４．ＲＦパワー：１００〜２００Ｗ
次に同図（ｂ）において、Ｓｉ膜上に電子線用レジストを塗布する。
次に同図（ｃ）において、「高精度微細幅露光装置」によって、Ｉ線ステッパを使用する。露光後、現像工程を経て部分的にレジストを除去し、Ｓｉを露出させる。残っているレジストは、以後のエッチング用マスクパターンとなる。
次に同図（ｃ）において、「高精度微細幅露光装置」によって、Ｉ線ステッパを使用する。露光後、現像工程を経て部分的にレジストを除去し、Ｓｉを露出させる。残っているレジストは、以後のエッチング用マスクパターンとなる。
次に同図（ｄ）において、ガラスが露出するまでＳｉをドライエッチングする。ドライエッチングは以下の１〜６の条件で行う。
１．ガス種 ：ＳＦ６、ＣＨＦ３
２．ガス流入量
ＳＦ６ ：２０ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３ ：５ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．４Ｐａ
４．Ｓｉエッチング速度：３０ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：５０Ｗ
１．ガス種 ：ＳＦ６、ＣＨＦ３
２．ガス流入量
ＳＦ６ ：２０ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３ ：５ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．４Ｐａ
４．Ｓｉエッチング速度：３０ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：５０Ｗ
次に同図（ｅ）において、ガラス溝が所望の深さになるまでドライエッチングする。ドライエッチングは以下の１〜６の条件で行う。
１．ガス種 ：ＣＨＦ３、Ａｒ
２．ガス流入量
Ａｒ ： ５ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３ ：２０ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．３Ｐａ
４．ガラスエッチング速度：１２ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：４００Ｗ
１．ガス種 ：ＣＨＦ３、Ａｒ
２．ガス流入量
Ａｒ ： ５ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３ ：２０ｓｃｃｍ
３．圧力 ：０．３Ｐａ
４．ガラスエッチング速度：１２ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力 ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力 ：４００Ｗ
次に同図（ｆ）において、最上部に残ったＳｉ膜を剥離処理により除去する。シリコンマスクはアルカリ（ＫＯＨ）液でウェット剥離する。
同図（ｇ）の状態になって偏光フィルタ１が完成する。ガラス基板自身の片面が偏光フィルタ１になっている。
同図（ｇ）の状態になって偏光フィルタ１が完成する。ガラス基板自身の片面が偏光フィルタ１になっている。
以上、片面に格子形状（回折構造）を有する偏光フィルタの作成方法（作成手順１〜３）について説明したが、図５に示すような両面に格子形状（回折構造）を有する偏光フィルタを作成する場合にも、同様の作成方法により作成することができる。すなわち上記で説明した偏光フィルタの作成手順１〜３のいずれかをガラス基板の両面に順次実施することにより、両面に回折構造を有する偏光フィルタを作成することができる。
また、実施例２の光アイソレータのように、ファラデー回転子の両面に格子形状（回折構造）を直接加工する場合にも、同様の作成方法により作成することができる。
また、実施例２の光アイソレータのように、ファラデー回転子の両面に格子形状（回折構造）を直接加工する場合にも、同様の作成方法により作成することができる。
本発明に係る光学素子は、光を一方向にのみ透過させて逆方向には遮断する機能を有する光アイソレータに用いるのに好適であり、その光アイソレータを有し、主として光通信機器や光情報処理機器等に用いられる光学装置に用いるのに好適であるが、その他、光ディスク装置の光ピックアップや、プロジェクタの光学系等の種々の光学機器に利用することができる。
１：第１の偏光フィルタ（光学素子）
２：第２の偏光フィルタ（光学素子）
３：４５度ファラデー回転子
９：レーザダイオード
１０：レンズ
１１：光アイソレータ
１２：光ファイバ端
２１：レンズ
３１，３２：偏光フィルタとしての機能を有する回折面（回折構造）
１００：石英材料基板
１０１：電子線描画用レジスト
１０２：電子線
１０３：サブ波長凹凸構造
１１０：シリコン基板
１１１：電子線描画用レジスト
１１２：電子線
１１３：サブ波長凹凸構造
２：第２の偏光フィルタ（光学素子）
３：４５度ファラデー回転子
９：レーザダイオード
１０：レンズ
１１：光アイソレータ
１２：光ファイバ端
２１：レンズ
３１，３２：偏光フィルタとしての機能を有する回折面（回折構造）
１００：石英材料基板
１０１：電子線描画用レジスト
１０２：電子線
１０３：サブ波長凹凸構造
１１０：シリコン基板
１１１：電子線描画用レジスト
１１２：電子線
１１３：サブ波長凹凸構造
Claims (5)
- 特定の偏光方向の入射光は主として０次透過し、前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては回折させる光学素子であって、
前記入射光の波長以上の周期をもつ回折素子からなり、
その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ２種類のサブ波長凹凸構造が隣り合わせに直交するように形成されてなり、
前記２種類のサブ波長凹凸構造の有効屈折率が、前記特定の偏光方向の入射光に対しては同一となり、
かつ前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては位相差がπとなるように２種類のサブ波長凹凸構造のフィリングファクタおよび溝深さが決定されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項１に記載の光学素子からなることを特徴とする偏光フィルタ。
- 第１の偏光フィルタと、偏光方向回転子と、第２の偏光フィルタとをこの順で平行に並べて固定配備して成る光アイソレータにおいて、
前記第１、第２の偏光フィルタは、特定の偏光方向の入射光は主として０次透過し、前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては回折させるものであって、
前記第１、第２の偏光フィルタは、入射光の波長以上の周期をもつ回折素子であり、
その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ２種類のサブ波長凹凸構造が隣り合わせに直交するように形成されてなり、
前記２種類のサブ波長凹凸構造の有効屈折率が、前記特定の偏光方向の入射光に対しては同一となり、
かつ前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては位相差がπとなるように２種類のサブ波長凹凸構造のフィリングファクタおよび溝深さが決定されていることを特徴とする光アイソレータ。 - 偏光方向回転子の少なくとも一方の面に偏光フィルタが形成されてなる光アイソレータにおいて、
前記偏光フィルタは、特定の偏光方向の入射光は主として０次透過し、前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては回折させるものであって、
前記偏光フィルタは、入射光の波長以上の周期をもつ回折素子であり、
その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ２種類のサブ波長凹凸構造が隣り合わせに直交するように形成されてなり、
前記２種類のサブ波長凹凸構造の有効屈折率が、前記特定の偏光方向の入射光に対しては同一となり、
かつ前記特定の偏光方向とは直交する偏光方向の入射光に対しては位相差がπとなるように２種類のサブ波長凹凸構造のフィリングファクタおよび溝深さが決定されていることを特徴とする光アイソレータ。 - 請求項３または４に記載の光アイソレータを有することを特徴とする光学装置。
Priority Applications (6)
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