JP2803181B2 - 複屈折回折格子型偏光子 - Google Patents

複屈折回折格子型偏光子

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JP2803181B2 JP1167551A JP16755189A JP2803181B2 JP 2803181 B2 JP2803181 B2 JP 2803181B2 JP 1167551 A JP1167551 A JP 1167551A JP 16755189 A JP16755189 A JP 16755189A JP 2803181 B2 JP2803181 B2 JP 2803181B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体レーザを利用した各種光装置に使用
する複屈折偏光板、特に偏光方向によって回折効率の異
なる複屈折回折格子型偏光板に関する。
〔従来の技術〕
偏光素子特に偏光ビームスプリッタは、直交する偏光
間の光の伝搬方向を異ならしめることによって特定の偏
光を得る素子である。このような素子は、光ファイバ通
信用光源モジュールや光ディスク用光ヘッドなどに、光
アイソレータや光サーキュレータを構成する部品として
使われている。
従来、偏光ビームスプリッタとしては、グラントムソ
ンプリズムやロッションプリズムなど、複屈折の大きな
結晶の光反射面における偏光による透過ないしは全反射
の違いを利用して光路を分離するもの、またはガラスな
どの等方性光学媒質でできた全反射プリズム反射面に誘
電体多層膜を設け、この誘電体多層膜の偏光による屈折
率の違いを利用して、光を全反射ないしは透過させるも
のが多く使用されている。しかしながら、これらの素子
は大型であること、生産性が低いこと、値段が高いこと
などの欠点がある。
一方、近年小型で生産性が高いことを特徴とする偏光
素子として、特願昭62−130144号に記載されている複屈
折回折格子型偏光板が知られている。第5図から第7図
は前記明細書に記載されている複屈折回折格子型偏光板
の断面図である。複屈折回折格子型偏光板は、ニオブ酸
リチウム基板1の主面に周期的なイオン交換領域7の光
学的回折格子を設け、かつイオン交換を施した領域と施
していない領域の間で常光線が受ける位相変化を相殺す
る手段を設けたものであり、偏光による回折効率の違い
を利用して光路を分離するものである。前記の常光線が
受ける位相変化を相殺する手段としては、第5図の断面
図に示すようにイオン交換を施した領域7上に誘電体膜
8を形成したもの、第6図の断面図に示すようにイオン
交換を施した領域7上では厚くイオン交換を施していな
い領域上では薄く誘電体膜8を形成したもの、または第
7図の断面図に示すようにイオン交換を施していない領
域の表面を所望の深さだけ削ったもの等がある。例え
ば、ニオブ酸リチウムの主面に周期的にプロトンイオン
交換を施すと、プロトンイオン交換を施した領域では波
長1.3μmの異常光線に対する屈折率が約0.1増加し、常
光線に対する屈折率が約0.04減少する。従って、プロト
ンイオン交換を施した領域の誘電体膜厚を、プロトンイ
オン交換を施していない領域の誘電体膜厚に比べて厚く
し、プロトンイオン交換を施した領域の常光線に対する
屈折率の減少を相殺することによって、常光線の1次以
上の回折効率及び以上光線の0次の回折効率を共に零に
することができ、偏光子になる。
しかしながら、以上述べた構造においては、回折格子
の深さやプロトン交換領域の幅が理想的な値からずれる
と異常光線に対する0次の回折効率が増加し、常光線の
回折効率が減少する。このことは、回折格子を偏光子と
して使う場合には消光比が減少し、損失が増加すること
を意味する。また、使用波長が設計波長から6%程度ず
れると、得られる最大消光比は20dB程度まで劣化してし
まう。そこでこれらの製作上の寸法のずれや波長のずれ
にたいする許容範囲を大きくするために、複屈折回折格
子型偏光子を互いに格子ベクトルが直交するように基板
の両面に形成するか、または光の進行方向に縦続接続し
た構成が提案されている。格子ベクトルを互いに直交さ
せる理由は、格子ベクトルを平行にすると例えば1段目
の回折格子で+1次に回折された回折光が2段目の回折
格子で−1次に回折されて全体としては0次の回折光
(直進光)となることを防止するためである。
〔発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、以上述べた構造においては、偏光子を
三段以上縦続接続することはできないので、コヒーレン
ト光通信用光源モジュールのアイソレータなどのような
高い消光比を必要とする所には、消光比不足のために使
えない。また、格子ベクトルを直交させると回折光は四
方八方に回折されるので、迷光の影響を受け易くなると
いう欠点がある。
本発明の目的は、このような従来の問題点を除去し、
三段以上の回折格子を縦続接続することができ、かつ回
折光が一方向だけに回折される複屈折回折格子型偏光子
を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、光学的異方性を持つ結晶板の主面に、周期
的に並んだ複数の溝を有し、かつこの溝が誘電体で埋め
られている複屈折回折格子、または光学的異方性を持つ
結晶板の主面に、周期的に並んだストライプ状のイオン
交換領域の光学的回折格子を具備し、かつ回折格子を透
過させる常光線成分に対して、前記イオン交換を施した
領域とイオン交換を施さない領域との間の位相変化を相
殺する手段を設けた複屈折回折格子を、光の進行方向に
複数縦続配置して成り、それぞれの複屈折回折格子の横
方向の屈折率分布が方形波状になっており、かつ互いの
複屈折回折格子の周期が他方の複屈折回折格子の周期の
偶数倍になっていることを特徴とする複屈折回折格子型
偏光子である。
〔作用〕
前記のように、複屈折回折格子型偏光板は、ニオブ酸
リチウムなどの光学的異方性を持つ結晶基板に周期的な
イオン交換を行うか、周期的に並んだ複数の溝を形成す
るか、または光学的等方性基板に周期的に並んだ複数の
溝を形成し、その溝に異方性物質を充填することによっ
て製作する。従って、イオン交換のイオン源や溝形成の
エッチング条件などを適当に選べば、屈折率分布が方形
波状の回折格子を作成することができる。方形波状の回
折格子では0次以外の偶数次の回折光は発生しないの
で、互いに回折格子のピッチが偶数倍になっている複数
の方形波状回折格子を縦続接続した場合、たとえ各回折
格子の格子ベクトルが平行であっても、1次以上の回折
光同士の回折角が相殺されて全体として0次回折光(直
進光)となることはない。このため縦続接送した回折格
子全体として0次回折光強度すなわち消光比は、各回折
格子の0次の回折効率の積になり、縦続接続の段数を多
くすれば十分に小さくすることができる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。第1図は本発明の複屈折回折格子型偏光子の一実施
例の斜視図である。1は光学的異方性を持つ結晶基板で
あり、本実施例ではニオブ酸リチウムのY板を用いてい
る。これらの各結晶基板の表面には、第2図から第7図
の断面図に示す様な横方向の屈折率分布が方形波状の回
折格子5が形成されており、この回折格子が光の進行方
向に縦続接続されている。各回折格子の周期は互いに偶
数倍になっている。入射光2は基板1に垂直な方向から
回折格子に入射し、偏光方向によって直進光3または回
折光4となって出射される。
第2図から第4図はニオブ酸リチウム結晶基板1に周
期的な溝9が形成され、さらにこの溝9が誘電体6で埋
められた複屈折回折格子の実施例の断面図である。
第2図から第4図に示された各回折格子の0次の回折
光効率(すなわち直進光強度)は、COS2{π[(n−
nd)t+(n−1)(d−1)]/λ}で与えられる。
但し、λは入射光2の波長、ndは溝9を埋めている誘電
体6の屈折率、tは溝9を埋めている誘電体6の厚さ、
dは溝9の深さである。また、n−ニオブ酸リチウム基
板1の屈折率で入射光2の偏光方向によって、異常光線
の屈折率neまたは常光線の屈折率n0のどちらかをとる。
この回折格子を偏光として動作させるためには、常光線
または異常光線のどちらか一方の0次の回折効率を0に
し、かつ他方の0次の回折効率を1にすればよい。この
ような回折状態は、溝9の深さをd=λ/[2|n0−n
e|]、誘電体3の厚さをt=(n−1)/(nd−1)d
とすることによって得られる。但し、n=n0の場合は常
光線のみを直進させる偏光子として働き、n=neの場合
は異常光線だけを直進させる偏光子として働く。また、
誘電体6の屈折率ndが基板1の屈折率nよりも大きい場
合には第2図に示すように溝9が誘電体6で途中まで埋
められた構成になり、誘電体6の屈折率ndが基板1の屈
折率nと等しい場合には、第3図のように誘電体6が溝
9を完全に埋めた構成になり、逆に誘電体6の屈折率nd
が基板1の屈折率nよりも小さい場合には第4図に示す
ように溝9が誘電体6で完全に埋められさらに誘電体6
の表面が基板1の表面よりも高くなった構成になる。
例えば光の波長をλ=1.3μmとすると、ニオブ酸リ
チウムの異常光線及び常光線に対する屈折率はそれぞれ
ne=2.15及びn0=2.23である。従って、溝9の深さdは
約8.1μmとなる。誘電体として屈折率がnd=2.3の酸化
ニオブ(Nb2O5)を用いるとすれば、偏光子の構成は第
2図のようになり、誘電体6の厚さtが約7.2μmのと
き異常光線だけを直進させる偏光子として働き、誘電体
6の厚さtが約7.7μmのとき常光線だけを直進させる
偏光子として働く。また、誘電体6として屈折率がnd
2.0の酸化亜鉛(ZnO)を用いるとすれば、偏光子の構成
は第4図のようになり、誘電体6の厚さtが約9.3μm
のとき異常光線だけを直進させる偏光子として働き、誘
電体6の厚さtが約10.0μmのとき常光線だけを直進さ
せる偏光子として働く。また酸化ニオブ(Nb2O5)は反
応性スパッタリング法によって堆積させる場合、酸素の
分圧等を調整することによって、屈折率を2.1から2.3程
度まで変化させられることが知られている。そこで誘電
体6として酸化ニオブを用い、その屈折率を基板1の常
光線の屈折率(n0=2.23)または異常光線の屈折率(ne
=2.15)に等しくなるようにし、第3図のような構成に
することによっても、常光線または異常光線だけを直進
させる偏光子として働く。
また、第5図から第7図は周期を有するイオン交換領
域7の光学的回折格子を形成し、かつ回折格子を透過さ
せる常光線成分が、前記イオン交換を施した領域とイオ
ン交換を施さない領域との間の位相変化を相殺する手段
を設けた複屈折回折格子である。これらの複屈折回折格
子に関しては、特願昭62−130144に詳しく説明されてい
る。
しかしながら、実際には溝9の深さや幅またはイオン
交換領域7の深さや幅などが理想的な場合からずれるた
め、消光比はある有限値に制限される。この消光比の制
限を補うために、互いに格子の周期が偶数倍の回折格子
を光の進行方向に縦続接続して消光比を増加させるのが
本発明の特徴である。方形波状の回折格子では0次以外
の偶数次の回折光は発生しないので、互いに回折格子の
ピッチが偶数倍になっている複数の方形波状回折格子を
縦続接続した場合、たとえ各回折格子の格子ベクトルが
平行であっても、1次以上の回折光同士の回折角が相殺
されて全体として0次回折光となることはない。このた
め、従属接続した回折格子全体としての0次回折光強度
すなわち消光比は、各回折格子の0次の回折効率の積に
なり、縦続接続の段数を多くすれば十分に小さくするこ
とができる。
本偏光子は薄いニオブ酸リチウム結晶板にバッチプロ
セスによって大量に形成できるため、安価な偏光子を得
ることができる。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明によれば高消光比抵挿入損
失の偏光素子を得ることができ、さらにはバッチ処理に
より大量安価な偏光素子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の複屈折回折格子型偏光子の一実施例を
示す斜視図であり、第2図から第7図はその偏光子を構
成する回折格子の断面図であり、また、第5図から第7
図は従来の複屈折回折格子型偏光子の断面図でもある。
第8図は本発明の他の実施例を示す斜視図である。 1……ニオブ酸リチウム結晶基板、2……入射光、3…
…直進光、4……回折光、5……回折格子、6……誘電
体、7……プロトンイオン交換領域、8……誘電体膜、
9……溝。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 5/18,5/30

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光学的異方性を持つ結晶板の主面に、周期
    的に並んだ複数の溝を有し、かつこの溝が誘電体で埋め
    られている複屈折回折格子、または光学的異方性を持つ
    結晶板の主面に、周期的に並んだストライプ状のイオン
    交換領域の光学的回折格子を具備し、かつ回折格子を透
    過させる常光線成分に対して、前記イオン交換を施した
    領域とイオン交換を施さない領域との間の位相変化を相
    殺する手段を設けた複屈折回折格子を、光の進行方向に
    複数縦続配置して成り、それぞれの複屈折回折格子の横
    方向の屈折率分布が方形波状になっており、かつ互いの
    複屈折回折格子の周期が他方の複屈折回折格子の周期の
    偶数倍になっていることを特徴とする複屈折回折格子型
    偏光子。
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