JP3288976B2 - 偏光子とその作製方法 - Google Patents
偏光子とその作製方法Info
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- G02B5/3033—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state in the form of a thin sheet or foil, e.g. Polaroid
Description
【発明の属する技術分野】本発明は、光の特質である偏
光現象を利用した光学機器に用いられ、特定方向の直線
偏光のみを透過させ直交する方向の直線偏波を反射させ
る偏光子およびその作製方法に関する。
光現象を利用した光学機器に用いられ、特定方向の直線
偏光のみを透過させ直交する方向の直線偏波を反射させ
る偏光子およびその作製方法に関する。
【従来の技術】偏光子とは、不特定の方向に電磁界が振
動する無偏光または楕円偏光を、ある特定方向の振動成
分だけを透過させて直線偏光にする素子である。最も基
本的な光素子の一つであり、光通信デバイス、光ディス
クのピックアップ、液晶ディスプレイ、光応用計測など
広く利用されている。動作形態は、（１）不要な偏波を
吸収させるもの、（２）同一の光路で入射する直交する
二つの偏波成分を別々の光路に分けるもの、の二つに大
別される。利用目的により、大きな開口面積、高性能、
薄型などの特性を実現することが望まれており、産業的
には安価に供給できることが重要である。現在、実用的
に使用されている偏光子は、（１）の動作をするもので
は高分子フィルムにヨウ素などの二色性分子を入れたも
のが一般的である。これは安価で大面積のものが得られ
るが、消光比が低く、温度安定性に劣るという欠点があ
る。この問題を解決するため、安定性の高い材料を用い
た偏光子が開発されている。即ち、ガラスなどの透明体
の中に金属や半導体などの吸収体を、細線状あるいは薄
膜状に一方向に配列したものである。細線あるいは薄膜
に平行な偏波成分は吸収あるいは反射され、それに直交
する偏波は透過する。この種の偏光子は消光比が高く取
れるのが特徴であるが、切断・研磨などの工程が必要と
なり、製造コストの低減が困難である。また大面積で且
つ薄型にすることは困難である。一方、（２）に複屈折
単結晶を用いたものは、方解石など複屈折率の大きい材
料からなる三角プリズムを２個貼り付けた構造をしてい
る。代表的なものにはグラントムソンプリズムがある。
この種の偏光子は一般に高い消光比、高い透過率が得ら
れるが、大面積や薄型にすることが困難であり、材料が
高価であるため価格も必然的に高くなる。透明体のブリ
ュースター角を利用したものでは、誘電体多層膜を用い
た偏光ビームスプリッタが挙げられる。これは量産性に
富むため低価格ではあるが、高い偏光度は得られない、
小型化も困難である、使用波長帯域が狭い、などの問題
点があり、限られた用途にした使用されていない。上述
の各偏光子はそれぞれ実用されているが、一方、最近に
なって波長以下の周期をもつ透明体周期構造の伝搬特性
の異方性を利用した偏光子が理論的に提案されている
（浜野哲子，井筒雅之，平山秀樹，”２次元フォトニッ
ク結晶を用いた偏光子の可能性，”第５８回応物秋季予
稿集，ｐａｐｅｒ２ａ−Ｗ−７，１９９７．，佐藤晃，
竹部雅博，”構造性複屈折による光学異方性多層膜，”
Ｏｐｔｉｃｓ Ｊａｐａｎ ’９７，講演予稿集，ｐａ
ｐｅｒ３０ｐＤ０１，１９９７）。これらの構造は、い
ずれも透明母材中に、母材と屈折率の異なる透明体の細
柱を２次元周期的に配列させたものである。周期が例え
ば半波長程度という条件を満たす構造であれば、柱に平
行な偏波と垂直な偏波に対して、一方は内部を伝搬さ
せ、他方は遮断させることができ、従って偏光子として
動作させられる。しかし、実際にはこのような構造を工
業的に作製する方法は見つかっていないし、実験例もな
い。
動する無偏光または楕円偏光を、ある特定方向の振動成
分だけを透過させて直線偏光にする素子である。最も基
本的な光素子の一つであり、光通信デバイス、光ディス
クのピックアップ、液晶ディスプレイ、光応用計測など
広く利用されている。動作形態は、（１）不要な偏波を
吸収させるもの、（２）同一の光路で入射する直交する
二つの偏波成分を別々の光路に分けるもの、の二つに大
別される。利用目的により、大きな開口面積、高性能、
薄型などの特性を実現することが望まれており、産業的
には安価に供給できることが重要である。現在、実用的
に使用されている偏光子は、（１）の動作をするもので
は高分子フィルムにヨウ素などの二色性分子を入れたも
のが一般的である。これは安価で大面積のものが得られ
るが、消光比が低く、温度安定性に劣るという欠点があ
る。この問題を解決するため、安定性の高い材料を用い
た偏光子が開発されている。即ち、ガラスなどの透明体
の中に金属や半導体などの吸収体を、細線状あるいは薄
膜状に一方向に配列したものである。細線あるいは薄膜
に平行な偏波成分は吸収あるいは反射され、それに直交
する偏波は透過する。この種の偏光子は消光比が高く取
れるのが特徴であるが、切断・研磨などの工程が必要と
なり、製造コストの低減が困難である。また大面積で且
つ薄型にすることは困難である。一方、（２）に複屈折
単結晶を用いたものは、方解石など複屈折率の大きい材
料からなる三角プリズムを２個貼り付けた構造をしてい
る。代表的なものにはグラントムソンプリズムがある。
この種の偏光子は一般に高い消光比、高い透過率が得ら
れるが、大面積や薄型にすることが困難であり、材料が
高価であるため価格も必然的に高くなる。透明体のブリ
ュースター角を利用したものでは、誘電体多層膜を用い
た偏光ビームスプリッタが挙げられる。これは量産性に
富むため低価格ではあるが、高い偏光度は得られない、
小型化も困難である、使用波長帯域が狭い、などの問題
点があり、限られた用途にした使用されていない。上述
の各偏光子はそれぞれ実用されているが、一方、最近に
なって波長以下の周期をもつ透明体周期構造の伝搬特性
の異方性を利用した偏光子が理論的に提案されている
（浜野哲子，井筒雅之，平山秀樹，”２次元フォトニッ
ク結晶を用いた偏光子の可能性，”第５８回応物秋季予
稿集，ｐａｐｅｒ２ａ−Ｗ−７，１９９７．，佐藤晃，
竹部雅博，”構造性複屈折による光学異方性多層膜，”
Ｏｐｔｉｃｓ Ｊａｐａｎ ’９７，講演予稿集，ｐａ
ｐｅｒ３０ｐＤ０１，１９９７）。これらの構造は、い
ずれも透明母材中に、母材と屈折率の異なる透明体の細
柱を２次元周期的に配列させたものである。周期が例え
ば半波長程度という条件を満たす構造であれば、柱に平
行な偏波と垂直な偏波に対して、一方は内部を伝搬さ
せ、他方は遮断させることができ、従って偏光子として
動作させられる。しかし、実際にはこのような構造を工
業的に作製する方法は見つかっていないし、実験例もな
い。
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
を解決するためのものであり、本発明の目的は、小さい
光路長で、優れた消光比と挿入損失特性を有し、大きな
開口面積も可能な、低価格の工業的に作製できる偏光子
を提供することにある。
を解決するためのものであり、本発明の目的は、小さい
光路長で、優れた消光比と挿入損失特性を有し、大きな
開口面積も可能な、低価格の工業的に作製できる偏光子
を提供することにある。
【課題を解決するための手段】本発明の偏光子の背景と
なる技術について説明する。高屈折率媒質と低屈折率媒
質からなる人工的な周期構造において、互いに直交する
二つの偏波成分は、それぞれが独立な分散関係（周波数
と波動ベクトルとの間の関係）を持っている。この二つ
の偏波成分は、本発明に関連の深い２次元周期構造では
電界または磁界のいずれが長さの方向に平行であるかに
よってそれぞれＴＥ波、ＴＭ波である。また一般の３次
元周期構造でも固有モードはＴＥ的な波とＴＭ的な波に
通常分類される。故に本発明においては便宜上ＴＥ波、
ＴＭ波と呼ぶことにする。バンドギャップ、すなわち光
が伝搬しない周波数帯域もＴＥ波とＴＭ波では異なる。
ある周波数帯域において、一方の偏光モードが遮断さ
れ、他方の偏光モードが伝搬波となる場合がある。即
ち、この周波数帯域においては、この周期構造体は一方
の偏光を反射または回折し、他方の偏光を透過させる偏
光子としての動作が可能である。また、消光比も周期数
の増加によって十分高いものが得られる。本発明の中心
思想は、屈折率の異なる２種類以上の透明体からなり、
３次元の直交座標系ｘｙｚにおいて、積層の単位となる
層の形状がｘ軸方向に周期構造を有し、ｙ軸方向には一
様であるか、またはｘ軸方向より長い周期をもつ構造を
有し、その形状を繰り返しつつｚ軸方向に層状に積層さ
れている構造、即ち、周期的なひだ（うねり）を有する
二種類以上の薄膜を多層化した構造において面型偏光子
の特性が存在することを発見したこと、およびその構造
を発明者らが開発してきた周期構造作製方法により作製
する方法を発明したことである。光は面に垂直あるいは
斜めに入射される。開口面積は基板の大きさで決まり、
大きくすることは極めて容易である。また光路長は積層
厚さで決るが、波長の数倍程度（数μｍ）で十分であ
り、従来の偏光子に比べて数桁単位で薄くすることがで
きる。一方、バイアス・スパッタリングに代表される堆
積粒子の拡散入射とスパッタエッチングを併用した成膜
法において、その堆積作用とエッチング作用を相互に制
御することにより、表面の凹凸形状を繰り返しつつ層状
に積層させる方法が可能である。このメカニズムは次の
３つの効果、（１）堆積粒子の拡散入射により影となる
凹部の堆積速度が遅くなる効果、（２）スパッタエッチ
ングによる傾斜角約５０゜から６０゜の面においてエッ
チング速度が最大になる効果、（３）主にスパッタエッ
チングにより削られた粒子が基板の別の場所に再付着す
る効果、の適切な割合での重ね合せであると説明ができ
る（川上彰二郎，佐藤尚，川嶋貴之，”バイアススパッ
タ法で作製される３Ｄ周期ナノ構造の形成機構，”電子
情報通信学会誌Ｃ−Ｉ，ｖｏｌ．Ｊ８１−Ｃ−Ｉ，ｎ
ｏ．２，ｐｐ．１０８−１０９，１９９８年２月）。こ
の技術を用いることで、周期的な溝列を形成した基板上
に、二種類の透明材料からなる薄膜を煩雑な位置合わせ
を一切行なわずに位置の等しい凹凸形状を繰り返しつつ
周期的に積層することができる。即ち、この技術を用い
ることで本発明の偏光子を容易に作製することができ
る。以上のことから、本発明の偏光子は、小さい光路長
で、優れた消光比と挿入損失特性を有し、大きな開口面
積も可能で、低価格で提供することができる。
なる技術について説明する。高屈折率媒質と低屈折率媒
質からなる人工的な周期構造において、互いに直交する
二つの偏波成分は、それぞれが独立な分散関係（周波数
と波動ベクトルとの間の関係）を持っている。この二つ
の偏波成分は、本発明に関連の深い２次元周期構造では
電界または磁界のいずれが長さの方向に平行であるかに
よってそれぞれＴＥ波、ＴＭ波である。また一般の３次
元周期構造でも固有モードはＴＥ的な波とＴＭ的な波に
通常分類される。故に本発明においては便宜上ＴＥ波、
ＴＭ波と呼ぶことにする。バンドギャップ、すなわち光
が伝搬しない周波数帯域もＴＥ波とＴＭ波では異なる。
ある周波数帯域において、一方の偏光モードが遮断さ
れ、他方の偏光モードが伝搬波となる場合がある。即
ち、この周波数帯域においては、この周期構造体は一方
の偏光を反射または回折し、他方の偏光を透過させる偏
光子としての動作が可能である。また、消光比も周期数
の増加によって十分高いものが得られる。本発明の中心
思想は、屈折率の異なる２種類以上の透明体からなり、
３次元の直交座標系ｘｙｚにおいて、積層の単位となる
層の形状がｘ軸方向に周期構造を有し、ｙ軸方向には一
様であるか、またはｘ軸方向より長い周期をもつ構造を
有し、その形状を繰り返しつつｚ軸方向に層状に積層さ
れている構造、即ち、周期的なひだ（うねり）を有する
二種類以上の薄膜を多層化した構造において面型偏光子
の特性が存在することを発見したこと、およびその構造
を発明者らが開発してきた周期構造作製方法により作製
する方法を発明したことである。光は面に垂直あるいは
斜めに入射される。開口面積は基板の大きさで決まり、
大きくすることは極めて容易である。また光路長は積層
厚さで決るが、波長の数倍程度（数μｍ）で十分であ
り、従来の偏光子に比べて数桁単位で薄くすることがで
きる。一方、バイアス・スパッタリングに代表される堆
積粒子の拡散入射とスパッタエッチングを併用した成膜
法において、その堆積作用とエッチング作用を相互に制
御することにより、表面の凹凸形状を繰り返しつつ層状
に積層させる方法が可能である。このメカニズムは次の
３つの効果、（１）堆積粒子の拡散入射により影となる
凹部の堆積速度が遅くなる効果、（２）スパッタエッチ
ングによる傾斜角約５０゜から６０゜の面においてエッ
チング速度が最大になる効果、（３）主にスパッタエッ
チングにより削られた粒子が基板の別の場所に再付着す
る効果、の適切な割合での重ね合せであると説明ができ
る（川上彰二郎，佐藤尚，川嶋貴之，”バイアススパッ
タ法で作製される３Ｄ周期ナノ構造の形成機構，”電子
情報通信学会誌Ｃ−Ｉ，ｖｏｌ．Ｊ８１−Ｃ−Ｉ，ｎ
ｏ．２，ｐｐ．１０８−１０９，１９９８年２月）。こ
の技術を用いることで、周期的な溝列を形成した基板上
に、二種類の透明材料からなる薄膜を煩雑な位置合わせ
を一切行なわずに位置の等しい凹凸形状を繰り返しつつ
周期的に積層することができる。即ち、この技術を用い
ることで本発明の偏光子を容易に作製することができ
る。以上のことから、本発明の偏光子は、小さい光路長
で、優れた消光比と挿入損失特性を有し、大きな開口面
積も可能で、低価格で提供することができる。
【発明の実施形態】図１は、本発明の偏光子の構造を示
している。以下に図１を用いて本発明の偏光子を説明す
る。周期的な溝あるいは線状突起列に、透明で高屈折率
の媒質と低屈折率の媒質とを界面の形状を保存しなが
ら、交互に積層する。ｘ方向とｚ方向に周期性があり、
ｙ方向には本実施例では一様な構造である。あるいは、
ｘ軸方向より大きい長さの周期的または非周期的な構造
に変更しても動作機構は類似している。このようにして
得られた周期構造体にｚ方向から無偏波光または楕円偏
光を入射する。溝列と平行な偏波即ちｙ偏波と、それに
直交する偏波即ちｘ偏波とに対して、ＴＥモード、ＴＭ
モードの光が周期構造体の内部に誘起される。しかし、
光の周波数が、ＴＥモードまたはＴＭモードのバンドギ
ャップの中にあれば、そのモードは周期構造体の中で伝
搬することができず、入射光は反射または回折される。
一方、光の周波数がエネルギーバンド内にあれば、周期
構造体の中を光は波動ベクトルを保存しながら透過す
る。従って面型の偏光子として動作する。本発明の偏光
子では、溝列の周期Ｌｘ、積層方向の周期Ｌｚを制御す
ることで、ＴＥモード、ＴＭモードのバンドギャップが
生じる波長帯域を任意に変えることができる。即ち偏光
子として動作させる波長帯域を任意に設定することが可
能である。また低屈折率媒質としてはＳｉＯ２を主成分
とする材料が最も一般的である。ＳｉＯ２は透明波長領
域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成膜
も容易に行なえる。高屈折率材料としては、ＴｉＯ２な
どの酸化物や、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの半導体が使用でき
る。ＴｉＯ２などは透明波長範囲が広く、可視光領域で
も使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定される
が、屈折率が大きい利点がある。ところで、多目的の偏
光子としては、広い周波数帯域で、使用することが望ま
しい。高屈折率媒質層と低屈折率媒質層の形状を適切に
決定することにより、偏光子としての使用周波数帯域を
広くとることができる。逆に、特定のレーザ光のような
単色の光に対しては、高屈折率媒質と低屈折率媒質の形
状に対する自由度は大きく、成膜において、繰り返しが
容易な形状を選択することができる。以下、実施例にお
いて、層の形状と繰り返し構造および、その作製方法を
示す。
している。以下に図１を用いて本発明の偏光子を説明す
る。周期的な溝あるいは線状突起列に、透明で高屈折率
の媒質と低屈折率の媒質とを界面の形状を保存しなが
ら、交互に積層する。ｘ方向とｚ方向に周期性があり、
ｙ方向には本実施例では一様な構造である。あるいは、
ｘ軸方向より大きい長さの周期的または非周期的な構造
に変更しても動作機構は類似している。このようにして
得られた周期構造体にｚ方向から無偏波光または楕円偏
光を入射する。溝列と平行な偏波即ちｙ偏波と、それに
直交する偏波即ちｘ偏波とに対して、ＴＥモード、ＴＭ
モードの光が周期構造体の内部に誘起される。しかし、
光の周波数が、ＴＥモードまたはＴＭモードのバンドギ
ャップの中にあれば、そのモードは周期構造体の中で伝
搬することができず、入射光は反射または回折される。
一方、光の周波数がエネルギーバンド内にあれば、周期
構造体の中を光は波動ベクトルを保存しながら透過す
る。従って面型の偏光子として動作する。本発明の偏光
子では、溝列の周期Ｌｘ、積層方向の周期Ｌｚを制御す
ることで、ＴＥモード、ＴＭモードのバンドギャップが
生じる波長帯域を任意に変えることができる。即ち偏光
子として動作させる波長帯域を任意に設定することが可
能である。また低屈折率媒質としてはＳｉＯ２を主成分
とする材料が最も一般的である。ＳｉＯ２は透明波長領
域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成膜
も容易に行なえる。高屈折率材料としては、ＴｉＯ２な
どの酸化物や、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの半導体が使用でき
る。ＴｉＯ２などは透明波長範囲が広く、可視光領域で
も使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定される
が、屈折率が大きい利点がある。ところで、多目的の偏
光子としては、広い周波数帯域で、使用することが望ま
しい。高屈折率媒質層と低屈折率媒質層の形状を適切に
決定することにより、偏光子としての使用周波数帯域を
広くとることができる。逆に、特定のレーザ光のような
単色の光に対しては、高屈折率媒質と低屈折率媒質の形
状に対する自由度は大きく、成膜において、繰り返しが
容易な形状を選択することができる。以下、実施例にお
いて、層の形状と繰り返し構造および、その作製方法を
示す。
【実施例】（実施例１）図１は、本発明の実施例の構造
を示す図である。この図において、符号１はア モルフ
ァスＳｉＯ２の層であり、符号２はアモルファスＳｉの
層である。ｘ軸方向の周期Ｌｘは０．４μｍ、ｚ軸方向
の周期Ｌｚは０．３２μｍである。ＳｉＯ２層およびＳ
ｉ層は厚さｔをわずかに変化させながら、周期的に折れ
曲がった形状をなしている。次に、その作製方法を説明
する。まず、基板上に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作製した。図２が、その
模式図である。符号３は石英ガラス基板、符号４は無反
射コーティング層、符号５は周期的な溝の部分である。
一般には周期構造の寸法の選択により、４，５は基板と
異なる材料から選定するが、基板と同一の材料のままそ
の上に溝を形成することもできる。ここでは後者の例を
示す。溝の幅は０．４μｍ、深さは０．２μｍ、横方向
の周期は０．４μｍである。この基板上に、ＳｉＯ２お
よびＳｉのターゲットを用い、バイアス・スパッタリン
グ法により、ＳｉＯ２層とＳｉ層を交互に積層した。そ
のとき、各層のｘ軸方向に周期的な凹凸の形状を保存し
ながら成膜を行なうことが肝要である。その条件は次の
とおりであった：ＳｉＯ２の成膜に対しては、Ａｒガス
圧１．９ｍＴｏｒｒ、ターゲット高周波電力４００Ｗ、
基板高周波電力６０Ｗ；Ｓｉの成膜に対し、Ａｒガス圧
３．６ｍＴｏｒｒ、ターゲット高周波電力４００Ｗであ
った。ＳｉＯ２とＳｉの層を、１０層ずつ堆積した。こ
の条件において、図２に示された矩形の溝を有する基板
の上に、図１に示された積層構造が生成される理由は、
次に述べる３要素の重ね合わせによって説明することが
できる：（１）ターゲットからの中性粒子の分散入射に
よる堆積；（２）Ａｒイオンの垂直入射によるスパッタ
エッチング；（３）堆積粒子の再付着である。図３ａと
図３ｂは、このようにして得られた周期構造体におけ
る、波長１．０μｍでのＴＥ波とＴＭ波に対する透過光
の近視野での強度分布を示す図である。横軸は基板ウエ
ハ上の位置を示す。中央部分が偏光子部分であって、そ
の両側は、基板ウエハーが溝を持たず、ＳｉとＳｉＯ２
の平行層が堆積された部分である。縦軸は、基板ウエハ
ー上の各点における透過光強度である。偏光子部分はＴ
Ｅ波をほとんど遮断していることがわかる。一方、ＴＭ
波に対しては、両側の溝がない基板上に堆積された膜の
部分と偏光子部分において、透過光強度の差は微小であ
る。言い換えると、偏光子部分に無反射コーティングを
施せば、微小な損失で、ＴＭ波を透過させることができ
る。図４に、この周期構造体における周波数と波動ベク
トルの関係を周期的境界条件を用いたＦＤＴＤ法（有限
差分時間領域法）により計算した結果を示す。ＦＤＴＤ
法によるフォトニック結晶のバンド構造と光透過特性の
解析はＳ．Ｆａｎらにより、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖ
ｉｅｗ Ｂ，ｖｏｌ．５４，ｎｏ．１６，ｐｐ．１１２
４５−１１２５１（１９９６年）において報告されてい
るとおりである。図４において、横軸は相対値で表した
波動ベクトルの大きさであり、縦軸は相対値で表した周
波数Ｌｘ／λである。ここで、λは入射光の波長、ｋｚ
は波動ベクトルのｚ成分である。実線と破線は、それぞ
れＴＥ波とＴＭ波における分散曲線を示す。ここでＬｘ
＝０．４μｍ、波長１μｍより、周波数Ｌｘ／λ＝０．
４となる。この図からわかるように、Ｌｘ／λ＝０．４
の直線はＴＥ波の分散曲線（実線）とは交わらず、ＴＭ
波の分散曲線（破線）とは交わる。これはＴＥ波は遮断
・反射され、ＴＭ波は透過することを意味する。すなわ
ち、この周期構造体は周波数Ｌｘ／λが０．３９から
０．４３の間に位置する符号６の周波数帯でＴＭ波を透
過させる偏光子として作用している。 （実施例２）本実施例では、各誘電帯の層の厚さの面内
均一性や溝の形状、Ｌｚ／Ｌｘの比の値などのパラメー
タが実施例１に示すものから変化しても優れた偏光子特
性が得られることを例示する。図５は、本発明の他の実
施例の構成を示す図である。符号７はアモルファスＳｉ
Ｏ２層であり、符号８はアモルファスＳｉ層である。ｘ
軸方向の周期Ｌｘは０．４μｍ、ｚ軸方向の周期Ｌｚは
０．３２μｍである。ＳｉＯ２層は厚さｔを０．９Ｌｚ
と０．３Ｌｚの間で変化させながら、そして、Ｓｉ層は
厚さを０．１Ｌｚと０．７Ｌｚの間で変化させながら、
周期的に折れ曲がった形状をなしている。積層膜の作製
において、基板は実施例１の場合と同じであるが、Ｓｉ
Ｏ２層およびＳｉ層を生成するバイアス・スパ ッタリ
ングの条件が異なっている。この周期構造体における周
波数と波動ベクトルの関係をＦＤＴＤ法により、計算し
た結果を図６に示す。横軸は相対値で表した波動ベクト
ルの大きさであり、縦軸は相対値で表した周波数であ
る。実線と破線は、それぞれＴＥ波とＴＭ波における分
散曲線である。この図からわかるように、第１の実施例
の場合よりも、偏光子として作用する周波数帯が広くな
っている。ところで、ひとつのバンドギャップに着目し
たとき、単一の光周波数で使用する偏光子に対しても、
その周波数幅は広いことが望ましい。なぜなら、バンド
ギャップの端から充分に離れていない周波数において
は、消光比を大きくとるために必要なｚ方向の周期数が
増大するからである。第１と第２の実施例において、ｚ
軸方向とｘ軸方向の繰り返し周期の比Ｌｚ／Ｌｘは０．
８であったが、ＦＤＴＤ法による他の計算結果から０．
２程度であっても、偏光子としての作用が可能であるこ
とがわかっている。またｘ方向の周期Ｌｘは、通常の偏
光子として使用する場合には、光の波長以下程度に選ば
れるが、一方の偏光をまっすぐに透過させ、他方の偏光
を回折させるための偏光素子においては、光の波長より
も長い周期Ｌｘを選択するとよいことがわかっている。
さらに、溝はｙ軸方向に必ずしも一様である必要はな
く、ｘ軸方向の溝の幅と間隔に対して、異なる周期構造
を持っていてもよく、あるいはｙ方向に充分長いランダ
ムな長さの溝であってもよいことが、他の計算の結果、
わかっている。ところで、今回は、単位となる層の形状
を繰り返しつつ積層する手段として、バイアス・スパッ
タリング法を用いたが、堆積プロセスとスパッタリング
エッチングのプロセスを同時でなく時間的に分離した方
法を加えることにより、積層の単位となる層の形状の設
計自由度を大きくとることができる。さらに、低屈折率
媒質としては、アモルファスＳｉＯ２以外にも、パイレ
ックスなどの光学ガラスを用いることができる。一方、
高屈折率媒質としてはＳｉ以外にも、ＴｉＯ２、Ｔａ２
Ｏ５などを用いることもできる。基板の溝の断面形状
は、今回、Ｖ形であったが、矩形の溝であってもよいこ
とは明らかである。また、バイアス・スパッタリングの
条件を適切に選択すれば、多様な溝の断面形状が可能で
ある。このようにして作製した積層膜を偏光子として使
用するためには、表面と基板の反対側の面に無反射コー
ティングを施した後、切断すればよい。多数の素子を一
括して作製できるだけでなく、研磨が不要であり、切断
工程が簡易である。その結果、低価格の偏光子を提供す
ることができる。また、基板を除く積層膜の厚さは数ミ
クロンであり、垂直入射または小さい入射角での使用が
可能である。それゆえ、小型の光通信用アイソレータな
どへの、広範な応用が可能である。また、光サーキュレ
ータなどに用いる偏光分離素子として使用するときに
は、入射光に対して大きく傾けて使用する場合がある
が、この場合も切断面を光が透過することはないので、
研磨が不要である。
を示す図である。この図において、符号１はア モルフ
ァスＳｉＯ２の層であり、符号２はアモルファスＳｉの
層である。ｘ軸方向の周期Ｌｘは０．４μｍ、ｚ軸方向
の周期Ｌｚは０．３２μｍである。ＳｉＯ２層およびＳ
ｉ層は厚さｔをわずかに変化させながら、周期的に折れ
曲がった形状をなしている。次に、その作製方法を説明
する。まず、基板上に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作製した。図２が、その
模式図である。符号３は石英ガラス基板、符号４は無反
射コーティング層、符号５は周期的な溝の部分である。
一般には周期構造の寸法の選択により、４，５は基板と
異なる材料から選定するが、基板と同一の材料のままそ
の上に溝を形成することもできる。ここでは後者の例を
示す。溝の幅は０．４μｍ、深さは０．２μｍ、横方向
の周期は０．４μｍである。この基板上に、ＳｉＯ２お
よびＳｉのターゲットを用い、バイアス・スパッタリン
グ法により、ＳｉＯ２層とＳｉ層を交互に積層した。そ
のとき、各層のｘ軸方向に周期的な凹凸の形状を保存し
ながら成膜を行なうことが肝要である。その条件は次の
とおりであった：ＳｉＯ２の成膜に対しては、Ａｒガス
圧１．９ｍＴｏｒｒ、ターゲット高周波電力４００Ｗ、
基板高周波電力６０Ｗ；Ｓｉの成膜に対し、Ａｒガス圧
３．６ｍＴｏｒｒ、ターゲット高周波電力４００Ｗであ
った。ＳｉＯ２とＳｉの層を、１０層ずつ堆積した。こ
の条件において、図２に示された矩形の溝を有する基板
の上に、図１に示された積層構造が生成される理由は、
次に述べる３要素の重ね合わせによって説明することが
できる：（１）ターゲットからの中性粒子の分散入射に
よる堆積；（２）Ａｒイオンの垂直入射によるスパッタ
エッチング；（３）堆積粒子の再付着である。図３ａと
図３ｂは、このようにして得られた周期構造体におけ
る、波長１．０μｍでのＴＥ波とＴＭ波に対する透過光
の近視野での強度分布を示す図である。横軸は基板ウエ
ハ上の位置を示す。中央部分が偏光子部分であって、そ
の両側は、基板ウエハーが溝を持たず、ＳｉとＳｉＯ２
の平行層が堆積された部分である。縦軸は、基板ウエハ
ー上の各点における透過光強度である。偏光子部分はＴ
Ｅ波をほとんど遮断していることがわかる。一方、ＴＭ
波に対しては、両側の溝がない基板上に堆積された膜の
部分と偏光子部分において、透過光強度の差は微小であ
る。言い換えると、偏光子部分に無反射コーティングを
施せば、微小な損失で、ＴＭ波を透過させることができ
る。図４に、この周期構造体における周波数と波動ベク
トルの関係を周期的境界条件を用いたＦＤＴＤ法（有限
差分時間領域法）により計算した結果を示す。ＦＤＴＤ
法によるフォトニック結晶のバンド構造と光透過特性の
解析はＳ．Ｆａｎらにより、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖ
ｉｅｗ Ｂ，ｖｏｌ．５４，ｎｏ．１６，ｐｐ．１１２
４５−１１２５１（１９９６年）において報告されてい
るとおりである。図４において、横軸は相対値で表した
波動ベクトルの大きさであり、縦軸は相対値で表した周
波数Ｌｘ／λである。ここで、λは入射光の波長、ｋｚ
は波動ベクトルのｚ成分である。実線と破線は、それぞ
れＴＥ波とＴＭ波における分散曲線を示す。ここでＬｘ
＝０．４μｍ、波長１μｍより、周波数Ｌｘ／λ＝０．
４となる。この図からわかるように、Ｌｘ／λ＝０．４
の直線はＴＥ波の分散曲線（実線）とは交わらず、ＴＭ
波の分散曲線（破線）とは交わる。これはＴＥ波は遮断
・反射され、ＴＭ波は透過することを意味する。すなわ
ち、この周期構造体は周波数Ｌｘ／λが０．３９から
０．４３の間に位置する符号６の周波数帯でＴＭ波を透
過させる偏光子として作用している。 （実施例２）本実施例では、各誘電帯の層の厚さの面内
均一性や溝の形状、Ｌｚ／Ｌｘの比の値などのパラメー
タが実施例１に示すものから変化しても優れた偏光子特
性が得られることを例示する。図５は、本発明の他の実
施例の構成を示す図である。符号７はアモルファスＳｉ
Ｏ２層であり、符号８はアモルファスＳｉ層である。ｘ
軸方向の周期Ｌｘは０．４μｍ、ｚ軸方向の周期Ｌｚは
０．３２μｍである。ＳｉＯ２層は厚さｔを０．９Ｌｚ
と０．３Ｌｚの間で変化させながら、そして、Ｓｉ層は
厚さを０．１Ｌｚと０．７Ｌｚの間で変化させながら、
周期的に折れ曲がった形状をなしている。積層膜の作製
において、基板は実施例１の場合と同じであるが、Ｓｉ
Ｏ２層およびＳｉ層を生成するバイアス・スパ ッタリ
ングの条件が異なっている。この周期構造体における周
波数と波動ベクトルの関係をＦＤＴＤ法により、計算し
た結果を図６に示す。横軸は相対値で表した波動ベクト
ルの大きさであり、縦軸は相対値で表した周波数であ
る。実線と破線は、それぞれＴＥ波とＴＭ波における分
散曲線である。この図からわかるように、第１の実施例
の場合よりも、偏光子として作用する周波数帯が広くな
っている。ところで、ひとつのバンドギャップに着目し
たとき、単一の光周波数で使用する偏光子に対しても、
その周波数幅は広いことが望ましい。なぜなら、バンド
ギャップの端から充分に離れていない周波数において
は、消光比を大きくとるために必要なｚ方向の周期数が
増大するからである。第１と第２の実施例において、ｚ
軸方向とｘ軸方向の繰り返し周期の比Ｌｚ／Ｌｘは０．
８であったが、ＦＤＴＤ法による他の計算結果から０．
２程度であっても、偏光子としての作用が可能であるこ
とがわかっている。またｘ方向の周期Ｌｘは、通常の偏
光子として使用する場合には、光の波長以下程度に選ば
れるが、一方の偏光をまっすぐに透過させ、他方の偏光
を回折させるための偏光素子においては、光の波長より
も長い周期Ｌｘを選択するとよいことがわかっている。
さらに、溝はｙ軸方向に必ずしも一様である必要はな
く、ｘ軸方向の溝の幅と間隔に対して、異なる周期構造
を持っていてもよく、あるいはｙ方向に充分長いランダ
ムな長さの溝であってもよいことが、他の計算の結果、
わかっている。ところで、今回は、単位となる層の形状
を繰り返しつつ積層する手段として、バイアス・スパッ
タリング法を用いたが、堆積プロセスとスパッタリング
エッチングのプロセスを同時でなく時間的に分離した方
法を加えることにより、積層の単位となる層の形状の設
計自由度を大きくとることができる。さらに、低屈折率
媒質としては、アモルファスＳｉＯ２以外にも、パイレ
ックスなどの光学ガラスを用いることができる。一方、
高屈折率媒質としてはＳｉ以外にも、ＴｉＯ２、Ｔａ２
Ｏ５などを用いることもできる。基板の溝の断面形状
は、今回、Ｖ形であったが、矩形の溝であってもよいこ
とは明らかである。また、バイアス・スパッタリングの
条件を適切に選択すれば、多様な溝の断面形状が可能で
ある。このようにして作製した積層膜を偏光子として使
用するためには、表面と基板の反対側の面に無反射コー
ティングを施した後、切断すればよい。多数の素子を一
括して作製できるだけでなく、研磨が不要であり、切断
工程が簡易である。その結果、低価格の偏光子を提供す
ることができる。また、基板を除く積層膜の厚さは数ミ
クロンであり、垂直入射または小さい入射角での使用が
可能である。それゆえ、小型の光通信用アイソレータな
どへの、広範な応用が可能である。また、光サーキュレ
ータなどに用いる偏光分離素子として使用するときに
は、入射光に対して大きく傾けて使用する場合がある
が、この場合も切断面を光が透過することはないので、
研磨が不要である。
【発明の効果】本発明のスパッタリングエッチング作用
を含む成膜方法によって作製した偏光子は、光透過方向
の厚さが微小で、１回の成膜プロセスで大面積の積層膜
が得られ、個々の素子を作製するときに、研磨が不要で
あり、切断が容易であるという特徴を備えている。他
方、使用する波長域に応じて、優れた偏光特性を持たせ
る設計が可能である。このような偏光子は、光アイソレ
ータ用の偏光子として最適である。他にも光サーキュレ
ータ、光スイッチなど工業的用途は広く、従来の偏光子
を置き換えることが可能である。
を含む成膜方法によって作製した偏光子は、光透過方向
の厚さが微小で、１回の成膜プロセスで大面積の積層膜
が得られ、個々の素子を作製するときに、研磨が不要で
あり、切断が容易であるという特徴を備えている。他
方、使用する波長域に応じて、優れた偏光特性を持たせ
る設計が可能である。このような偏光子は、光アイソレ
ータ用の偏光子として最適である。他にも光サーキュレ
ータ、光スイッチなど工業的用途は広く、従来の偏光子
を置き換えることが可能である。
【図１】 第１の実施例の構造を示す図
【図２】 表面に溝を有する基板を示す図
【図３ａ】 ＴＥ波に対する透過光の近視野における
強度分布を示す図
強度分布を示す図
【図３ｂ】 ＴＭ波に対する透過光の近視野における
強度分布を示す図
強度分布を示す図
【図４】 第１の実施例における周波数と波動ベク
トルの関係を示す図
トルの関係を示す図
【図５】 第２の実施例の構造を示す図
【図６】 第２の実施例における周波数と波動ベク
トルの関係を示す図
トルの関係を示す図
１ ＳｉＯ２層 ２ Ｓｉ層 ３ 基板 ４ 無反射コーティング層 ５ 周期的な溝 ６ ＴＭ波を透過させる偏光子として作用する周波
数帯のひとつ ７ ＳｉＯ２層 ８ Ｓｉ層
数帯のひとつ ７ ＳｉＯ２層 ８ Ｓｉ層
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−304611（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−36703（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−17103（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−215919（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−262705（ＪＰ，Ａ) 浜野 哲子、井筒 雅之、平山 秀 樹，「２次元フォトニック結晶を用いた 偏光子の可能性」，第58回応用物理学会 学術講演会予稿集，日本，２ａ−Ｗ−７ 川上 彰二郎、花泉 修、佐藤 尚、 大寺 康夫、川嶋 貴之，「Ｓｉ／Ｓｉ Ｏ２系サブミクロン周期３Ｄフォトニッ ク結晶の作製と観察，電子情報通信学会 論文誌 Ｃ−ＩＩ，日本，Ｖｏｌ．Ｊ80 −Ｃ−ＩＩ，ｐ．222−223 Ｃｈｕａｎ Ｃ．Ｃｈｅｎｇ，Ａｘｅ ｌ Ｓｃｈｅｒｅｒ，Ｒｏｎ−Ｃｈｕｎ ｇ Ｔｙａｎ，Ｙｅｓｈａｙａｈｕ Ｆ ａｉｎｍａｎ，Ｇｅｏｒｇｅ Ｗｉｔｚ ｇａｌｌ，Ｅｌｉ Ｙａｂｌｏｎｏｖｉ ｔｃｈ，”Ｎｅｗ ｆａｂｒｉｃａｔｉ ｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｐｈｏｔｏ ｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ”，Ｊｏｕｒ ｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅ ｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂ．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ Ｓｔ ｒｕｃｔｕｒｅｓ，米国，Ｖｏｌ．15, Ｎｏ．６，ｐ．2764−2767 川上彰二郎 外２名，「バイアススパ ッタ法で作成された３Ｄ周期ナノ構造の 形成機構」，電子情報通信学会論文誌, Ｃ−Ｉ，日本，Ｖｏｌ．Ｊ81−Ｃ−Ｉ Ｎｏ．２，ｐ．108−109 花泉修／川上彰二郎，「フォトニック 結晶とその応用」，化学工業，日本, ｐ．47−52 Ｓｈａｎｈｕｉ Ｆａｎ，Ｐｉｅｒｒ ｅ Ｒ．Ｖｉｌｌｅｎｅｕｖｅ，ａｎｄ Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏ ｓ，”Ｌａｒｇｅ ｏｍｎｉｄｉｒｅｃ ｔｉｏｎａｌ ｂａｎｄ ｇａｐｓ ｉ ｎ ｍｅｔａｌｌｏｄｉｅｌｅｃｔｒｉ ｃ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｓ”，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ，Ｖｏｌ．54，Ｎｏ．16，ｐ. 11245−11251 Ｄ．Ｃａｓｓｇｎｅ，Ｃ．Ｊｏｕａｎ ｉｎ ａｎｄ Ｄ．Ｂｅｒｔｈｏ，”Ｈ ａＸａｇｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓ ｆｏｒ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏ ｎａｌ ｐｈｏｔｎｉｃ ｃｒｙｓｔａ ｌｓ”，Ｓｅｍｉｃｏｎｄ Ｉｎｓｕｌ Ｍａｔｏｒ，ｐ．341−344 Ｄ. Ｃａｓｓｇｎｅ，Ｃ．Ｊｏｕａｎｉｎ ａｎｄ Ｄ．Ｂｅｒｔｈｏ，”ＴＷＯ− ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬ ＰＨＯＴＯＮ ＩＣ ＢＡＮＤ ＧＡＰＳ：ＮＥＷ Ｈ ＥＸＡＧＯＮＡＬ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ Ｓ”，ＮＡＴＯ ＡＳＩ ＳＥＲ Ｅ, ｐ．497−505 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 5/18 G02B 5/30 - 5/32
Claims (4)
- 【請求項１】 ３次元の直交座標 ｘ，ｙ，ｚ におい
て，透明で高屈折率の媒質からなる高屈折率媒質層と透
明低屈折率の媒質からなる低屈折率媒質層が交互に積層
された交互層をｚ軸方向の周期的な繰り返し構造の単位
として、前記各媒質層をｚ軸方向に前記周期的な繰り返
し構造を有するように積層したｚ軸方向の多層構造体で
あって、 前記各媒質層の形状が、ｘ軸方向には使用される光波長
以下の周期的な凹凸構造を有し、ｙ軸方向には一様な構
造あるいはｘ軸方向より大きい長さの周期的または非周
期的な凹凸構造を有し、 ｘｙ平面に垂直または斜めに入射する光に対して、電界
がｙ軸方向に直交する偏波あるいはｘ軸方向に直交する
偏波のどちから―方が光波のバンドギャップに入るよう
に．ｘ軸方向の周期的凹凸構造の周期およびｚ軸方向の
周期的な繰り返し構造の周期がそれぞれ選択されたこど
を特徴とする偏光子。 - 【請求項２】 前記高屈折率媒質層がＳｉまたはＴｉＯ
２またはＴａ２Ｏ５からなり、前記低屈折率媒質層がＳ
ｉＯ２からなることを特徴とする請求項１記載の偏光
子。 - 【請求項３】 ３次元の直交座標 ｘ，ｙ，ｚ におい
て、透明で高屈折率の媒質からなる高屈折率媒質層と透
明低屈折率の媒質からなる低屈折率媒質層が交互に積層
きれた交互層をｚ軸方向の周期的な繰り返し構造の単位
として、前記各媒質層をｚ軸方向に前記周期的な繰り返
し構造を有するように積層したｚ軸方向の多層構造体で
あって、 前記各媒質層の形状が、ｘ軸方向には使用される光波長
以下の周期的な凹凸構造を有し、ｙ軸方向には一様な構
造あるいはｘ軸方向より大きい長さの周期的または非周
期的な凹凸構造を有した偏光子の製造方法であって、 周期的な溝または周期的な線状突起を有する基板の上
に、高屈折率媒質と低屈折率媒質とを交互にスパッタリ
ングにて高屈折率層と低屈折率層とを順次積層し、かつ
前記高屈折率媒質層と低屈折率媒質層との少なくとー部
はスパッタエッチングにより形成することを特徴とする
偏光子の製造方法。 - 【請求項４】 前記高屈折率媒質層がＳｉまたはＴｉＯ
２またはＴａ２Ｏ５からなり、前記低屈折率媒質層がＳ
ｉＯ２からなることを特徴とする請求項３記載の偏光子
の製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25742698A JP3288976B2 (ja) | 1998-08-07 | 1998-08-07 | 偏光子とその作製方法 |
| US09/762,497 US6977774B1 (en) | 1998-08-07 | 1999-08-09 | Polarizer |
| PCT/JP1999/004297 WO2000008496A1 (fr) | 1998-08-07 | 1999-08-09 | Polariseur |
| EP99935110A EP1103829A4 (en) | 1998-08-07 | 1999-08-09 | POLARIZER |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25742698A JP3288976B2 (ja) | 1998-08-07 | 1998-08-07 | 偏光子とその作製方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000216152A Division JP2001083321A (ja) | 2000-07-17 | 2000-07-17 | 偏光子とその作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000056133A JP2000056133A (ja) | 2000-02-25 |
| JP3288976B2 true JP3288976B2 (ja) | 2002-06-04 |
Family
ID=17306213
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25742698A Expired - Lifetime JP3288976B2 (ja) | 1998-08-07 | 1998-08-07 | 偏光子とその作製方法 |
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| Country | Link |
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| EP (1) | EP1103829A4 (ja) |
| JP (1) | JP3288976B2 (ja) |
| WO (1) | WO2000008496A1 (ja) |
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