JP2020091443A

JP2020091443A - 偏光子及び光アイソレータ

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Publication number: JP2020091443A
Application number: JP2018229880A
Authority: JP
Inventors: 義正山口; Yoshimasa Yamaguchi
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-06-11
Anticipated expiration: 2038-12-07
Also published as: JP7259301B2

Abstract

【課題】偏光子の反りを抑制することができ、かつ入射光の反射を抑制することができる、偏光子を提供する。【解決手段】光アイソレータ用の偏光子であって、対向し合う第１の主面６ａ及び第２の主面６ｂを有する偏光ガラス板６と、偏光ガラス板６の第１の主面６ａ上に設けられている第１の光学機能膜７と、偏光ガラス板６の第２の主面６ｂ上に設けられており、かつ偏光ガラス板６の反りを抑制する反り抑制膜８とを備え、反り抑制膜８の屈折率が１．４７以上、１．５５以下であることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、偏光子及び光アイソレータに関する。

光アイソレータは、光を一方向だけに伝搬し、反射して戻る光を阻止する磁気光学素子である。光アイソレータは、例えば、光通信システムやレーザー加工システム等に用いられるレーザー発振器に使用される。

下記の特許文献１に記載のように、光アイソレータは、ファラデー回転子の両面に偏光ガラス板が貼り付けられた構成を有する。偏光ガラス板における入射光の反射の防止等を目的として、偏光ガラス板の表面に反射防止膜のような光学機能膜が形成されることがある。

下記の特許文献２には、このような光学機能膜が設けられた応力調整層が開示されている。特許文献２では、基体の一方側の主面上に第１の誘電体多層膜が設けられており、基体の他方側の主面上に第２の誘電体多層膜が設けられている。また、特許文献２では、第２の誘電体多層膜が応力調整層を含んでいてもよい旨が記載されている。この応力調整層は、例えば、ＳｉＯ_２膜からなるとされている。

特開２０１６−００９１６４号公報国際公開第２０１４／０６５３７３号

ところで、偏光ガラス板の表面に反射防止膜を形成すると、膜応力により偏光ガラス板が反ることがある。そのため、ファラデー回転子から偏光ガラス板が剥離するおそれがある。

また、本願発明者は、特許文献２のようなＳｉＯ_２膜からなる応力調整層を形成しても、なお、偏光ガラス板側からファラデー回転子に入射する入射光の反射を十分に抑制することは困難であることを新たに見出した。

本発明は、偏光子の反りを抑制することができ、かつ入射光の反射を抑制することができる、偏光子及び光アイソレータを提供することを目的とする。

本発明の偏光子は、光アイソレータ用の偏光子であって、対向し合う第１の主面及び第２の主面を有する偏光ガラス板と、偏光ガラス板の第１の主面上に設けられている第１の光学機能膜と、偏光ガラス板の第２の主面上に設けられており、かつ偏光ガラス板の反りを抑制する反り抑制膜とを備え、反り抑制膜の屈折率が１．４７以上、１．５５以下であることを特徴とする。

反り抑制膜の厚みが５０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であることが好ましい。

第１の光学機能膜が第１の反射防止膜であることが好ましい。

反り抑制膜が酸化ケイ素または酸窒化ケイ素からなることが好ましい。また、反り抑制膜がＳｉＯ_ｘにより表される酸化ケイ素からなり、１≦ｘ＜２であることが好ましい。

本発明の光アイソレータは、対向し合う第３の主面及び第４の主面を有するファラデー回転子と、ファラデー回転子の第３の主面上に直接的または間接的に設けられている、第１の偏光子と、ファラデー回転子の第４の主面上に直接的または間接的に設けられている、第２の偏光子とを備え、第１の偏光子及び第２の偏光子のうち少なくとも一方の偏光子が、上記偏光子であることを特徴とする。

ファラデー回転子の第３の主面及び第４の主面のうち少なくとも一方の主面上に設けられている第２の光学機能膜がさらに備えられていることが好ましい。

本発明によれば、偏光子の反りを抑制することができ、かつ入射光の反射を抑制することができる、偏光子及び光アイソレータを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る光アイソレータの正面断面図である。図１に示す実施形態に係る光アイソレータに用いられる第１の偏光子の正面断面図である。ＳｉＯ_ｘにおけるｘの値と屈折率との関係を示す図である。ＳｉＯ_ｘにおけるｘの値と屈折率との関係を、１．８≦ｘ≦２の範囲において示す図である。図１に示す実施形態に係る光アイソレータの一部を示す正面断面図である。反り抑制膜の屈折率と、反り抑制膜及びファラデー回転子の界面における反射率との関係を示す図である。反り抑制膜の屈折率と、反り抑制膜及びファラデー回転子の界面における反射率との関係を、屈折率が１．４６以上の場合において示す図である。反り抑制膜の厚みと第１の偏光子の反り量との関係を示す図である。図９（ａ）〜図９（ｃ）は、図１に示す実施形態に係る光アイソレータの製造方法の一例を説明するための正面断面図である。偏光ガラス板の母材に反り抑制膜を形成しない場合の例を示す図である。本発明の図１に示す実施形態の変形例に係る光アイソレータの正面断面図である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

（光アイソレータ）
図１は、本発明の一実施形態に係る光アイソレータの正面断面図である。図１に示すように、光アイソレータ１は、ファラデー回転子２と、第１の偏光子３と、第２の偏光子４とを備える。ファラデー回転子２は、第１の偏光子３と第２の偏光子４との間に設けられている。第１の偏光子３は、本発明の一実施形態に係る偏光子である。

図２は、図１に示す実施形態に係る光アイソレータに用いられる第１の偏光子の正面断面図である。図２に示すように、第１の偏光子３は、偏光ガラス板６と、第１の光学機能膜７と、反り抑制膜８とを備える。

偏光ガラス板６は、対向し合う第１の主面６ａ及び第２の主面６ｂを有する。第１の主面６ａ上に第１の光学機能膜７が設けられている。本実施形態においては、第１の光学機能膜７は反射防止膜である。反射防止膜は、例えば、相対的に屈折率が低い低屈折率膜と、相対的に屈折率が高い高屈折率膜とが交互に積層された多層膜により構成することができる。なお、第１の光学機能膜７は、例えば、ＩＲカットフィルタ等であってもよく、特に限定されない。

偏光ガラス板６の第２の主面６ｂ上には、反り抑制膜８が設けられている。本実施形態の反り抑制膜８は、ＳｉＯ_ｘにより表される酸化ケイ素からなり、１≦ｘ＜２である。反り抑制膜８の波長１５５０ｎｍにおける光の屈折率は、１．４７以上、１．５５以下である。なお、反り抑制膜８の材料は酸化ケイ素には限定されず、例えば、酸窒化ケイ素であってもよい。反り抑制膜８の屈折率が上記範囲内であればよい。

なお、反り抑制膜８のＳｉＯ_ｘにおけるｘの範囲は、１．９１≦ｘ≦１．９９であることが好ましい。それによって、反り抑制膜８の波長１５５０ｎｍにおける光の屈折率をより確実に１．４７以上、１．５５以下とすることができる。

第２の偏光子４の構成は特に限定されないが、本実施形態においては、第１の偏光子３と同様の構成を有する。もっとも、第１の偏光子３及び第２の偏光子４のうち少なくとも一方の偏光子が本発明に係る偏光子であればよい。後述する光Ａの入射側の第１の偏光子３が本発明に係る偏光子であることが好ましい。

図１に戻り、ファラデー回転子２は、対向し合う第３の主面２ａと第４の主面２ｂとを有する。ファラデー回転子２の第３の主面２ａ上に直接的に、第１の偏光子３が設けられている。第４の主面２ｂ上に直接的に第２の偏光子４が設けられている。なお、第１の偏光子３の第１の光学機能膜７は光アイソレータ１における外側に位置し、反り抑制膜８はファラデー回転子２側に位置する。第２の偏光子４においても同様である。

図１に示すように、光Ａは、第１の偏光子３を通りファラデー回転子２に入射する。ファラデー回転子２に入射し、ファラデー回転子２を通った光の偏光面が回転する。ファラデー回転子２から出射された光は第２の偏光子４に入射する。第２の偏光子４を通った光Ｂが光アイソレータ１から出射される。

本実施形態の光アイソレータ１の大きさは、特に限定されないが、例えば、第１の偏光子３側から見て１ｍｍ角である。

本実施形態の特徴は、偏光ガラス板６の第１の主面６ａ上及び第２の主面６ｂ上にそれぞれ第１の光学機能膜７及び反り抑制膜８が設けられており、かつ反り抑制膜８の屈折率が１．４７以上、１．５５以下とされていることにある。偏光ガラス板６の第２の主面６ｂに反り抑制膜８が設けられていることにより、第１の偏光子３が第１の光学機能膜７の膜応力によって反ることを抑制することができる。よって、第１の光学機能膜７の効果を得ることができ、かつ第１の偏光子３がファラデー回転子２から剥離し難い。さらに、反り抑制膜８の屈折率が１．４７以上、１．５５以下とされていることにより、ファラデー回転子２に入射する入射光の反射を抑制することができる。以下において、入射光の反射を抑制することができる効果の詳細を説明する。

複数の反り抑制膜８を、ＳｉＯ_ｘにおけるｘの値を変化させて作製した。次に、上記複数の反り抑制膜８の屈折率を測定し、ＳｉＯ_ｘにおけるｘの値と屈折率との関係を求めた。なお、屈折率の測定は１５５０ｎｍの光により行った。

図３は、ＳｉＯ_ｘにおけるｘの値と屈折率との関係を示す図である。図４は、ＳｉＯ_ｘにおけるｘの値と屈折率との関係を、１．８≦ｘ≦２の範囲において示す図である。図３に示すように、ｘの値が大きくなるほど、屈折率が低くなっていることがわかる。具体的には、図４に示すように、例えばｘ＝２であり、反り抑制膜がＳｉＯ_２膜であるときは屈折率１．４６である。ｘ＝１．９８のときは屈折率１．４８であり、ｘ＝１．９２のときは屈折率１．５４であり、ｘ＝１．９のときは屈折率１．５６である。

さらに、上記において作製した各屈折率の反り抑制膜を用いて、それぞれ光アイソレータを作製した。反り抑制膜の厚みは２００ｎｍとした。用いた反り抑制膜の屈折率は、それぞれ、１．４０、１．４２、１．４４、１．４６、１．４８、１．５０、１．５２、１．５４、１．５６、１．５８、１．６０、１．６２、１．６４、１．６６、１．６８である。

第１の光学機能膜としては、ＳｉＯ_２層とＴａ_２Ｏ_５層とを交互に積層した積層膜を用いた。ＳｉＯ_２層及びＴａ_２Ｏ_５層の合計の総数は４層とした。ＳｉＯ_２層の厚みは７０ｎｍ、２４５ｎｍとし、Ｔａ_２Ｏ_５層の厚みは６６ｎｍ、１８５ｎｍとした。一方で、偏光ガラス板の厚みは０．２ｍｍとした。ファラデー回転子には、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いた。ファラデー回転子の１５５０ｎｍにおける屈折率は２．３４である。ファラデー回転子の厚みは０．３ｍｍとした。

図５に示すように、第１の偏光子３側からの入射光の一部は、反り抑制膜８及びファラデー回転子２の界面において反射する。各光アイソレータの上記界面における反射率を測定した。

図６は、反り抑制膜の屈折率と、反り抑制膜及びファラデー回転子の界面における反射率との関係を示す図である。図７は、反り抑制膜の屈折率と、反り抑制膜及びファラデー回転子の界面における反射率との関係を、屈折率が１．４６以上の場合において示す図である。なお、図６及び図７における横軸は、反射率を測定した光の波長を示す。

反り抑制膜がＳｉＯ_２膜である場合、上述したように、波長１５５０ｎｍにおける屈折率は１．４６である。図６に示すように、屈折率が１．４６である場合には、反射率は０．０７％である。さらに、屈折率が１．４６未満である場合においても、反射率は０．０５％を超えていることがわかる。同様に、屈折率が１．５６以上の場合にも、反射率は０．０５％を超えていることがわかる。なお、屈折率が１．４６以下である場合には、屈折率が低くなるほど反射率が大きくなっている。図７に示すように、屈折率が１．５６以上の場合においては、屈折率が高くなるほど反射率が大きくなっている。

これに対して、図６に示すように、屈折率が１．４６より高く、かつ１．５６より低い場合においては、反射率が０．０５％未満となっており、反り抑制膜及びファラデー回転子の界面における反射を効果的に抑制できることがわかる。これにより、ファラデー回転子への入射光の反射を効果的に抑制することができる。さらに、本実施形態においては、反り抑制膜の屈折率は１．４７以上、１．５５以下である。それによって、ファラデー回転子への入射光の反射を、より確実に、かつより一層抑制することができる。

図６及び図７において示した反射率は、図１に示す反り抑制膜８及びファラデー回転子２の界面における反射率であるが、光アイソレータ１においては、ファラデー回転子２及び第２の偏光子４の界面においても反射が生じる。例えば、反り抑制膜８がＳｉＯ_２である場合には、反り抑制膜８及びファラデー回転子２の界面における反射率と、ファラデー回転子２及び第２の偏光子４の界面における反射率の合計は０．１％を超えることとなる。これに対して、本実施形態においては、反り抑制膜８の屈折率が１．４７以上、１．５５以下とされていることにより、上記反射率の合計をも小さくすることができる。さらに本実施形態では、第２の偏光子４も第１の偏光子３と同様の反り抑制膜を有する。よって、第１の偏光子３の反り抑制膜８及びファラデー回転子２の界面における反射率と、ファラデー回転子２及び第２の偏光子４の反り抑制膜の界面における反射率の合計をより一層小さくすることができる。

本実施形態では、反り抑制膜８はＳｉＯ_ｘで表される酸化ケイ素からなるが、反り抑制膜８には酸化ケイ素以外の材料を用いることもできる。例えば、反り抑制膜８には、ＳｉＯ_ｙＮ_ｚで表される酸窒化ケイ素を用いてもよい。酸窒化ケイ素においてｙは１．８≦ｙ≦１．９５の範囲内であり、ｚは０．０５≦ｚ≦０．２の範囲内であることが好ましい。この場合においても、第１の偏光子３の反りを抑制することができ、かつファラデー回転子２への入射光の反射を抑制することができる。

ここで、反り抑制膜８の厚みは５０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であることが好ましく、１００ｎｍ以上、４００ｎｍ以下であることがより好ましい。それによって、第１の偏光子３の反りをより一層効果的に抑制することができる。これを以下において説明する。

反り抑制膜の厚みと第１の偏光子の反り量との関係を求めた。なお、第１の偏光子における第１の光学機能膜としては、ＳｉＯ_２層とＴａ_２Ｏ_５層とを交互に積層した積層膜を用いた。ＳｉＯ_２層及びＴａ_２Ｏ_５層の合計の総数は４層とした。ＳｉＯ_２層の厚みは７０ｎｍ、２４５ｎｍとし、Ｔａ_２Ｏ_５層の厚みは６６ｎｍ、１８５ｎｍとした。偏光ガラス板の厚みは０．３ｍｍとした。反り抑制膜には、ｘ＝１．９５であるＳｉＯ_ｘを用いた。

図８は、反り抑制膜の厚みと第１の偏光子の反り量との関係を示す図である。下記の表１に、図８と同様の、反り抑制膜の厚みと第１の偏光子の反り量との関係を示す。

表１及び図８に示すように、反り抑制膜の厚みが１００ｎｍ以上、４００ｎｍ以下である場合には、反り量が０ｍｍに近く、効果的に反りを抑制できることがわかる。反り抑制膜の厚みが１５０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下である場合には、より一層効果的に反りを抑制できることがわかる。

（製造方法）
以下において、本実施形態の光アイソレータ１の製造方法の一例を説明する。

図９（ａ）〜図９（ｃ）は、図１に示す実施形態に係る光アイソレータの製造方法の一例を説明するための正面断面図である。まず、図９（ａ）に示す偏光ガラス板の母材１６を用意する。偏光ガラス板の母材１６は、後述する工程において分割されることにより、光アイソレータ１の偏光ガラス板６となる。

次に、図９（ａ）に示すように、偏光ガラス板の母材１６の第１の主面１６ａ上に、第１の光学機能膜７としての反射防止膜を形成する。反射防止膜の形成に際しては、例えば、低屈折率膜及び高屈折率膜を交互に積層すればよい。低屈折率膜及び高屈折率膜は、それぞれ、真空蒸着法またはスパッタリング法等により形成することができる。

次に、図９（ｂ）に示すように、偏光ガラス板の母材１６の第２の主面１６ｂ上に反り抑制膜８を形成する。反り抑制膜８は、真空蒸着法またはスパッタリング法等により形成することができる。これにより、第１の偏光子の母材１３を得る。本実施形態の光アイソレータ１の製造に用いられる第１の偏光子の母材１３においては、反り抑制膜８が形成されているため、第１の偏光子の母材１３の反りを抑制することができる。

第１の偏光子の母材１３の反り量は、例えば、反り抑制膜８の厚みによって調整することができる。なお、真空蒸着法やスパッタリング法等における、反り抑制膜８を構成する物質を偏光ガラス板の母材１６に打ち付ける力の条件により、偏光ガラス板の母材１６に加わる応力を制御することができ、それによって反り量を調整することもできる。

第１の偏光子の母材１３と同様にして、図９（ｃ）に示す第２の偏光子の母材１４を得ることができる。一方で、ファラデー回転子の母材１２を用意する。次に、図９（ｃ）に示すように、ファラデー回転子の母材１２の第３の主面１２ａに第１の偏光子の母材１３を貼り付け、ファラデー回転子の母材１２の第４の主面１２ｂに第２の偏光子の母材１４を貼り付ける。これにより、光アイソレータの母材１１を得る。

光アイソレータの母材１１の大きさは、例えば、第１の偏光子の母材１３側から見て１０ｍｍ角としてもよい。もっとも、光アイソレータの母材１１の大きさは上記に限定されない。

次に、図９（ｃ）中のＩ−Ｉ線に沿い光アイソレータの母材１１を分割し、個片化する。これにより、複数の光アイソレータ１を得ることができる。光アイソレータ１の分割は、例えば、ダイシング等により行うことができる。

ところで、図１０において示す例のように、偏光ガラス板の母材１６の第２の主面１６ｂに反り抑制膜８を形成しない場合には、第１の偏光子の母材１０３が反るおそれがある。このような第１の偏光子の母材１０３を用いる場合には、第１の偏光子の母材１０３とファラデー回転子の母材１２との密着性が不十分となるおそれがある。そのため、第１の偏光子の母材１０３とファラデー回転子の母材１２とが十分に接合されない部分が生じるおそれがある。

これに対して、本実施形態の光アイソレータ１の製造に用いる、図９（ｃ）に示す第１の偏光子の母材１３においては反りが生じ難い。よって、第１の偏光子の母材１３とファラデー回転子の母材１２との密着性をより確実に高めることができる。従って、第１の偏光子の母材１３とファラデー回転子の母材１２とが接触する全面をより確実に、かつ効果的に接合することができる。光アイソレータの母材１１においては、第１の偏光子の母材１３とファラデー回転子の母材１２とが接触する全面において接合力を高めることができるため、個片化して得られた各光アイソレータ１において、第１の偏光子３がファラデー回転子２から剥離し難い。従って、不良率を低減することができ、生産性を効果的に高めることができる。

もっとも、本実施形態の光アイソレータ１の製造方法は上記の方法に限定されない。

（変形例）
図１に示す第１の実施形態においては、ファラデー回転子２の第３の主面２ａ上に直接的に第１の偏光子３が設けられている。なお、ファラデー回転子２の第３の主面２ａ上に、第１の偏光子３が間接的に設けられていてもよい。この例を以下において示す。

図１１は、図１に示す実施形態の変形例に係る光アイソレータの正面断面図である。本変形例においては、ファラデー回転子２の第３の主面２ａ上には第２の光学機能膜２７が設けられている。第２の光学機能膜２７上に第１の偏光子３が設けられている。このように、本変形例においては、第１の偏光子３は、ファラデー回転子２の第３の主面２ａ上に、第２の光学機能膜２７を介して間接的に設けられている。同様に、ファラデー回転子２の第４の主面２ｂ上には第３の光学機能膜２８が設けられており、第３の光学機能膜２８上に第２の偏光子４が設けられている。第２の偏光子４は、ファラデー回転子２の第４の主面２ｂ上に、第３の光学機能膜２８を介して間接的に設けられている。

第２の光学機能膜２７及び第３の光学機能膜２８は、例えば、反射防止膜またはＩＲカットフィルタ等である。なお、第２の光学機能膜２７及び第３の光学機能膜２８のうち第２の光学機能膜２７のみが設けられていてもよい。

本変形例においても、図１に示す実施形態と同様に、第１の偏光子３の反りを抑制することができ、かつファラデー回転子２への入射光の反射を抑制することができる。

１…光アイソレータ
２…ファラデー回転子
２ａ…第３の主面
２ｂ…第４の主面
３…第１の偏光子
４…第２の偏光子
６…偏光ガラス板
６ａ…第１の主面
６ｂ…第２の主面
７…第１の光学機能膜
８…反り抑制膜
１１…光アイソレータの母材
１２…ファラデー回転子の母材
１２ａ…第３の主面
１２ｂ…第４の主面
１３…第１の偏光子の母材
１４…第２の偏光子の母材
１６…偏光ガラス板の母材
１６ａ…第１の主面
１６ｂ…第２の主面
２７…第２の光学機能膜
２８…第３の光学機能膜
１０３…第１の偏光子の母材

Claims

光アイソレータ用の偏光子であって、
対向し合う第１の主面及び第２の主面を有する偏光ガラス板と、
前記偏光ガラス板の前記第１の主面上に設けられている第１の光学機能膜と、
前記偏光ガラス板の前記第２の主面上に設けられており、かつ前記偏光ガラス板の反りを抑制する反り抑制膜と、
を備え、
前記反り抑制膜の屈折率が１．４７以上、１．５５以下である、偏光子。
前記反り抑制膜の厚みが５０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下である、請求項１に記載の偏光子。
前記第１の光学機能膜が反射防止膜である、請求項１または２に記載の偏光子。
前記反り抑制膜が酸化ケイ素または酸窒化ケイ素からなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の偏光子。
前記反り抑制膜がＳｉＯ_ｘにより表される酸化ケイ素からなり、１≦ｘ＜２である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の偏光子。
対向し合う第３の主面及び第４の主面を有するファラデー回転子と、
前記ファラデー回転子の前記第３の主面上に直接的または間接的に設けられている、第１の偏光子と、
前記ファラデー回転子の前記第４の主面上に直接的または間接的に設けられている、第２の偏光子と、
を備え、
前記第１の偏光子及び前記第２の偏光子のうち少なくとも一方の偏光子が、請求項１〜５のいずれか一項に記載の偏光子である、光アイソレータ。
前記ファラデー回転子の前記第３の主面及び前記第４の主面のうち少なくとも一方の主面上に設けられている第２の光学機能膜をさらに備える、請求項６に記載の光アイソレータ。