JP3493149B2 - 偏光子とその製造方法及びこれを用いた導波型光デバイス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な偏光子とそ
の製造方法及びこれを用いた導波型光デバイスに関す
る。

【０００２】

【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。また、最も基本的な光
素子のーつであり、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。

【０００３】現在、実用的に使用されている偏光子は、
上記（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。

【０００４】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
積でかつ薄型にすることは困難である。

【０００５】一方、（２）に複屈折結晶を用いたもの
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
はグラム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。

【０００６】透明体のプ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
か使用されていない。

【０００７】上述の各偏光子はそれぞれ実用化されてい
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、ｐａｐｅｒ ２ａ−Ｗ−７、１９９
７、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、ｐａｐｅｒ ３０ｐＤＯ１、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。例えば周期が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
うな構造を作製する方法は見つかっていない。

【０００８】一方、最近の光通信システムの進展により
様々な光学部品が開発され、そこに使用される偏光子に
も様々な要求が課せられている。例えば光路中に微少な
間隙を形成した光学素子に薄い偏光子を挿入した光学部
品が用いられる。この偏光子には偏光子を挿入した時に
生じる過剰損失を低減するために非常に薄く、かつ高消
光比のものが要求される。例えば光路中の微少な間隙を
数十μｍ以下（偏光子はそれ以下の厚さ）にすることに
より、挿入損失を０．５ｄＢ程度に抑えることが可能で
ある。高消光比でかつこの薄さを実現できるのは積層型
偏光子だけである。この積層型偏光子は特開昭５５−１
１７１０８号公報で川上らによって明らかにされてい
る。また特性を改良した積層型偏光子は特開平４−２５
６９０４号公報、特開平６−２６５８３４号公報で公開
されている。この積層型偏光子の基本的構成はガラスな
どの基板上に１μｍ程度の厚さの二酸化ケイ素などの誘
電体と５〜１０ｎｍ程度の厚さの金属あるいは半導体の
薄膜を交互に積層した多層膜とを形成したものである。
実際に積層型偏光子を作製する場合は基板付き多層膜を
ダイシングソーなどにより薄板状に切り出し、例えば３
０μｍの厚さに研磨している。しかし、この工程での取
り扱いが非常に難しく、破損がおきやすく、歩留まりも
悪い。また、この積層型偏光子を光学素子に装着する場
合、先程述べたように数十μｍ以下の微少な間隙に挿入
しなくてはならず、挿入のやり方によっては積層型偏光
子が破損するという問題が起こる。これは従来の積層型
偏光子がガラス基板と多層膜とが一体となった構成で基
板および多層膜とも非常に脆いからである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】したがって、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、高消光比でかつ挿入損失が小さく、しかも取り扱
いが容易な偏光子及びその製造方法、さらにはこの偏光
子を用いた導波型光デバイスを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記の目
的を達成するため、鋭意検討を行い、偏光子の構成を工
夫することにより課題が解決できることを見いだし、本
発明を完成するに至った。

【００１１】請求項１に記載の発明は、３次元の直交座
標系のｘ軸方向，ｙ軸方向，およびｚ軸方向を基準とし
て、屈折率の異なる少なくとも２種類の透明体からなる
複数の層が前記ｚ軸方向に沿って積層された多層構造体
を高分子材料上に設けてなる偏光素子であって、前記多
層構造体は、各透明体ごとに積層の単位となる層の形状
が前記ｘ軸方向に沿って周期的に凹凸を繰り返した凹凸
構造と、前記ｙ軸方向に沿って一様な構造、または前記
ｘ軸方向に沿った前記凹凸構造よりも凹凸を繰り返す周
期が大きい凹凸構造とを有し、さらに、入射方向が前記
ｚ軸方向に零でない成分を持つ光に対して作用する偏光
機能を持つことを特徴とする。

【００１２】好ましくは、前記高分子材料は、ポリイミ
ドである。

【００１３】好ましくは、前記多層構造体を形成する前
記屈折率の異なる少なくとも２種類の透明体は、Ｓｉま
たはＴｉＯ₂ を主成分とする高屈折率媒質と、ＳｉＯ₂
を主成分とする低屈折率媒質とである。

【００１４】 請求項４に記載の発明は、偏光子の製造
方法であって、一方向に沿って周期的に繰り返される凹
凸構造が形成された表面を持つ高分子材料からなる基板
の上に、高屈折率媒質と低屈折率媒質とを、前記基板の
凹凸構造の形状を繰り返しつつ周期的に積層し、３次元
の直交座標系において、ｘ軸方向に沿って周期的な凹凸
構造と、ｙ軸方向に沿って一様な構造または前記ｘ軸方
向に沿った前記凹凸構造よりも大きな周期の凹凸構造と
を有する、屈折率の異なる少なくとも２種類の透明体か
らなる複数の層がｚ軸法に沿って積層された多層構造体
を形成することを特徴とする。

【００１５】 好ましくは、少なくとも一部にスパッタ
リングエッチングを含む膜形成方法によって、前記高屈
折率媒質および低屈折率媒質を前記凹凸構造が形成され
た表面を持つ高分子材料からなる基板上に積層する。

【００１６】好ましくは、前記高分子材料は、ポリイミ
ドである。

【００１７】 好ましくは、金型を用いて、高分子材料
からなる基板表面の前記凹凸構造を形成する工程をさら
に有する。

【００１８】好ましくは、前記高屈折率媒質はＳｉまた
はＴｉＯ₂ を主成分とし、また低屈折率媒質はＳｉＯ₂
を主成分とする。

【００１９】請求項９に記載の発明は、光導波路により
構成される導波型光デバイスであって、請求項１ないし
３のいずれかに記載の偏光子が、光導波路の長手方向に
対して垂直あるいは傾斜した状態で該導波路に挿入され
ていることを特徴とする。

【００２０】請求項１０に記載の発明は、光ファイバに
より構成される導波型光デバイスであって、請求項１な
いし３のいずれかに記載の偏光子が、光ファイバの長手
方向に対して垂直あるいは傾斜した状態で該導波路に挿
入されていることを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下本発明にもとづく偏光子とそ
の製造方法及びこれを用いた導波型光デバイスついてよ
り詳細に説明する。

【００２２】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、消光比も理論的に十分高いものが得られ
る。

【００２３】本発明の偏光機能を生じさせる中心思想
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ｘ，ｙ，ｚ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製造方法により作製
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ささで決まり、
大きくすることは極めて容易である。また光路長は積層
厚さで決まるが、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。

【００２４】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度から６０度の面におい
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わせであると説
明できる（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−１、ｖｏｌ．Ｊ８１−Ｃ
−１、ｎｏ．２、ｐｐ．１０８−１０９、１９９８年２
月）。

【００２５】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の偏光機能を発現
する周期構造体を容易に作製することができる。

【００２６】次にこの周期構造体を形成するための高分
子材料基板に関して述べる。

【００２７】「従来の技術」の項でも述べたように、数
１０μｍ級の高消光比・薄型偏光子としてはガラス、シ
リコンなどの基板上に１μｍ程度の厚さの二酸化ケイ素
などの誘電体と５〜１０ｎｍ程度の厚さの金属あるいは
半導体の薄膜を交互に積層した積層型偏光子が知られて
いるが、基板としてガラス、シリコンを用いているため
１０数μｍ程度に薄くすると破損し易く、歩留まりが悪
くなり、製造コストが非常に高いものとなる。また光部
品実装上の問題も大いに指摘される。すなわち１０数μ
ｍ程度の積層型偏光子を、光導波路に形成した２０μｍ
程度の溝に挿入することは非常に困難な作業を要し、ま
た破損により光導波路の溝に積層型偏光子の破損片が入
り込むなどの不具合も指摘されている。このように基板
がガラス、シリコンなどの固く、脆いものだと製造コス
ト、実装作業性で大いに問題がある。その解決策として
高分子材料基板上に１μｍ程度の厚さの二酸化ケイ素な
どの誘電体と５〜１０ｎｍ程度の厚さの金属あるいは半
導体の薄膜を交互に積層した積層型偏光子を作製するこ
とも考えられるが、５〜１０ｎｍ程度の超薄膜を積層す
るため基板表面の平滑性が非常に重要になってくるが、
高分子材料でサブナノ級の平滑性を出すのは非常に困難
であり、従来の積層型偏光子を高分子材料を基板として
作製することは不可能と言って良い。これに対して本発
明の偏光子に使用する基板は、サブナノ級の平滑性は必
要とせず、サブミクロンの微細構造が作製できれば良
く、現状の加工技術を適用できる。

【００２８】本発明の偏光子は基板として高分子材料を
用いているため１０数μｍ程度の薄型化が歩留まりよく
製造でき、製造コストを低減できるという特徴を有す
る。また衝撃による偏光子の破損は生じにくく、溝を形
成した光導波路に答易に挿入でき、実装作業性に優れ
る。さらに光導波路や光ファイバに長手方向に垂直また
は傾斜した溝を形成して、その溝に本発明の偏光子を挿
入して使用する導波型光デバイスも容易に製造でき、偏
光子挿入導波型光デバイスの製造コストを低減できると
いう特徴もある。

【００２９】次に具体的な高分子材料及び基板作製法に
ついて述べる。

【００３０】高分子材料としては種々の高分子材料が使
用でき、例えばポリメチルメタクリレート、ポリカーボ
ネート、ポリスチレン、ポリエーテルスルホン、ポリエ
チテンテレフタレート、エポキシ樹脂、ポリイミドなど
が使用できる。ただ高分子材料の上に周期構造体をスパ
ッタ法などを用いて形成するため耐熱性に優れているこ
とが好ましい。耐熱性としては一般によく用いられる物
性であるガラス転移温度が２００℃以上、好ましくは３
００℃以上の高分子材料が良い。そのような観点からポ
リイミドは最も好適である。さらにこの基板は実際に光
を透過する必要があるため、ポリイミドの中で光透過性
に優れたフッ素化ポリイミドがさらに好適である。

【００３１】次に周期構造体を形成するために必要な基
板の周期的な溝の形成について述べる。ここでは基板材
料としてポリイミドを用いた場合について述べる。ポリ
イミドに周期的な溝を形成する方法としては例えばリア
クティブ イオン エッチング（ＲＩＥ）を用いる方法
がある。最近耐熱性高分子光導波路としてポリイミド光
導波路が検討されており、これはマスクを形成した後Ｒ
ＩＥで導波路のコアを形成している。この方法を用いる
ことによりポリイミドに周期的な溝を形成することがで
きる。

【００３２】さらに簡便な方法としてはあらかじめガラ
ス、シリコンなどの基板上に電子ビームリソグラフィな
どにより周期的な溝を作製し、これを金型として使用す
る方法が考えられる。この金型を加熱・圧力をかけなが
ら高分子材料の基板に押しつけることにより周期的な溝
を形成できる。また金型上に高分子材料を溶解した溶液
または高分子材料の前駆体溶液をキャストすることによ
り周期的な溝を形成できる。この金型を使用する方法
は、一度金型を作製すれば何枚もの周期的な溝を有する
高分子材料基板が形成できるため、本発明の偏光子を非
常に安価に作製できるというメリットがある。

【００３３】

【実施例】まずはじめに、図１を参照しながら本発明の
偏光子の基本的構成を説明し、つぎに図１ないし図５を
参照しながら本発明の偏光子の具体的実施例について説
明する。

【００３４】図１は、本発明の偏光子の一実施例の構造
を示す斜視図である。しかし、ここでは、以下に説明す
る各実施例に共通する基本的構成について、この図を参
照しながら説明する。

【００３５】本発明の偏光子は、高分子材料からなる基
板（例えば、ポリイミド基板３）上に周期的な溝あるい
は突起列が形成され、該溝あるいは突起列を覆うように
して、透明で高屈折率の媒質（例えば、ＳｉＯ₂ 層１）
と低屈折率の媒質（例えば、Ｓｉ層２）とを界面の形状
を保存しながら、交互に積層する。図１では、便宜上互
いに直交する３つの方向をそれぞれｘ軸方向、ｙ軸方
向、およびｚ軸方向として図示している。図中、偏光子
に積層された層１，２の構造はｘ軸方向とｚ軸方向に周
期的変化を有し、一方ｙ軸方向には一様な構造が保たれ
ているか、あるいはｘ軸方向およびｚ軸方向よりも顕著
に大きい周期的変化を持つ構造となっている。以下の説
明では、ｘ軸方向に沿う偏波素子の断面形状が呈する該
偏波子の層の周期的凹凸構造によって形成されるＹ軸方
向に延びる複数の溝を溝列と呼ぶ。また、このような溝
列を持つ図１に示すような偏波素子の構造を周期構造体
とも呼ぶ。

【００３６】図１に示す周期構造体にｚ軸方向から無偏
波光または楕円偏光を入射する。溝列と平行な偏波（す
なわち、ｙ偏波）と、それに直交する偏波（すなわち、
ｘ偏波）とに対して、ＴＥモードおよび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存在すること
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
を光は波動スペ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。

【００３７】本発明の偏光子では、溝列の周期（すなわ
ちｘ軸方向に沿う凹凸の周期）Ｌｘとｚ軸に沿う積層方
向の周期Ｌｚとを制御することで、ＴＥモードおよびＴ
Ｍ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滞
域を任意に設定することが可能である。

【００３８】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好ましい。ＳｉＯ₂ は透明波長領域
が広く、化学的、熱的、および機械的にも安定であり、
成膜も容易に行える。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、近赤外領域に限定さ
れるが、屈折率が大きい利点がある。

【００３９】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。

【００４０】以上説明したように、フレキシブルな高分
子材料からなる基板上に偏光機能を持つ周期構造体が形
成されているため、本発明の偏光子は薄型でかつ取り扱
いが極めて容易である。

【００４１】以下、以上説明した基本的構成を有する本
発明の偏光素子の具体的な実施例について説明する。

【００４２】＜実施例１＞この実施例では、図１に示す
構造を有する偏光子について説明する。図中、参照符号
１はアモルファスＳｉＯ₂ の層（ＳｉＯ₂ 層）、２はア
モルファスＳｉの層（Ｓｉ層）、さらに３はポリイミド
基板である。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１およ
ぴＳｉ層２は厚さｔをわずかに変化させながら、周期的
にｘ軸方向に沿って折れ曲がった形状をなしている。

【００４３】次に、この実施例の偏光素子の製造方法を
説明する。まず、石英ガラス基板上に２，２−ビス
（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロ
パン二無水物（以下６ＦＤＡと略記する）と２，２′−
ビス（トリフルオロメチル）−４，４′−ジアミノビフ
ェニル（以下ＴＦＤＢと略記する）を用いて製造した濃
度約１５重量％のポリアミド酸のＮ，Ｎ−ジメチルアセ
トアミド溶液をスピンコートした後オーブン中で７０℃
で２時間、１６０℃で１時間、２５０℃で３０分、３５
０℃で１時間加熱し、イミド化を行い、厚さ５μｍのポ
リイミド膜（以下６ＦＤＡ／ＴＦＤＢと略記する）を得
た。次にこのポリイミド膜上に無反射コーティング層を
形成した後さらに同様にして６ＦＤＡ／ＴＦＤＢのポリ
イミド膜を５μｍ形成した。このポリイミド膜上にフォ
トプロセスでマスクを形成し、そのマスクを通してリア
クティブイオンエッチング（ＲＩＥ）でポリイミド膜を
エッチングし、周期的な溝を作製した。

【００４４】図２は、そのような溝が形成されたポリイ
ミド膜／無反射コーティング層／ポリイミド膜積層構造
体の模式斜視図である。図中、参照符号４はポリイミド
膜、５は無反射コーティング層、および６は周期的に形
成された凹凸からなる複数の溝である。各溝（すなわち
凹部）の幅は０．２μｍ、深さは０．２μｍ、横方向の
周期（すなわち、互いに隣接する溝間の距離）は０．４
μｍである。このような基板に、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層とを交互に積層した。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
ら成膜を行うことが肝要である。その条件は次のとおり
であった。すなわち、（１）ＳｉＯ₂ の成膜に対して
は、Ａｒガス圧が１．９ｍＴｏｒｒ、ターゲット高周波
電力４００ｗ、基板高周波電力６０ｗ、また（２）Ｓｉ
の成膜に対しては、Ａｒガス圧３．６ｍＴｏｒｒ、ター
ゲット高周波電力４００ｗとした。ＳｉＯ₂ 層およびＳ
ｉ層を、各々１０層ずつ堆積した。最後に石英ガラス基
板４からポリイミド層５を含む積層体を剥離し、ポリイ
ミド基板を持つ偏光子を得た。この偏光子の厚さはポリ
イミド層が１０μｍ、ＳｉＯ₂ 層およびＳｉ層からなる
多層構造体層が３．２μｍである。このような構成から
なる偏光子は折り曲げても破損せず、また２×５ｍｍの
短冊への切り出しが容易にできた。

【００４５】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。すなわち、（１）ターゲットか
ら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、および（３）堆積
粒子の再付着である。

【００４６】図３ａおよび図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。横軸は基板ウエハー上の位置を示す。中央部分が
偏光子部分であって、その両側は、基板ウェハー上の偏
光子部分以外の各点における透過光強度である。偏光子
部分はＴＥ波をほとんど遮断していることが分かる。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。

【００４７】図４に、この周期構造体における周波数と
波動ベクトルとの関係を周期的境界条件を用いたＦＤＴ
Ｄ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、Ｐｈｙｓｉｃ
ａｌ ＲｅｖｉｅｗＢ，ｖｏｌ．５４，ｎｏ．１６，ｐ
ｐ．１１２４５−１１２５１（１９９６年）において報
告されているとおりである。

【００４８】図４において、横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波は透通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７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。

【００４９】＜実施例２＞本実施例では、ポリイミド基
板上の各誘電体の層の厚さの面内均一性や溝の形状、Ｌ
ｚ／Ｌｘの比の値などのパラメータを実施例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。

【００５０】図５は、本発明にもとづく偏光子の第２の
実施例の構造を示す斜視図であり、多層構造体部分のみ
を示している。参照符号８はアモルファスＳｉＯ₂ の層
（ＳｉＯ₂ ）であり、９はアモルファスのＳｉ層（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８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９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、ＳｉＯ₂ 層８およびＳｉ層９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。

【００５１】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。
この図から分かるように、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方向の周波数が増大するからであ
る。

【００５２】第１および第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を選択すると良いことが分かっている。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
軸方向の溝と幅と間隔に対して、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、分かっ
ている。

【００５３】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、Ｓｉ以外に
もＴｉＯ₂ 、Ｔａ₂ Ｏ₅などを用いることができる。基
板の溝の断面形状は、今回、矩形であったが、ｖ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。

【００５４】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、必要であれば無反射コーティン
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、基板をのぞ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、小形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。

【００５５】実施例３ 図２に示すポリイミドの周期構造を、金型を用いて作製
する方法を述べる。

【００５６】石英ガラス基板の上に実施例１と同様にし
て無反射コーティング層を内蔵する厚さ１０μｍの６Ｆ
ＤＡ／ＴＦＤＢポリイミドフィルムを得る。次にあらか
じめ図２と同様の周期構造を有するガラス製金型及び厚
さ１０μｍの６ＦＤＡ／ＴＦＤＢポリイミドフィルムを
加熱プレス機に装着し、徐々にプレス温度、プレス圧力
をあげていき、最終的に３８０℃、６０ｋｇ／ｍ₂ とす
る。その後加熱プレス機を冷やし、金型を取り去り、周
期構造を有する厚さ１０μｍの無反射コーティング内蔵
ポリイミドフィルムを得た。これ以降は実施例１と同様
に多層構造体を形成し、最終的に厚さ約１３μｍのポリ
イミド基板偏光子を得た。

【００５７】さらにこの金型を用いて同様の繰作を繰り
返し、１０枚の偏光子を得た。

【００５８】実施例４ 金型を用いてキャスト法によりポリイミドの周期構造を
作製する方法を述べる。

【００５９】図２と同様の周期構造を有するガラス製金
型上に実施例１で示したポリアミド酸溶液をキャスト
し、実施例１と同様の条件で加熱し、厚さ５μｍの６Ｆ
ＤＡ／ＴＦＤＢポリイミドフィルムを得る。この上に無
反射コーティングを行った後、６ＦＤＡ／ＴＦＤＢポリ
イミド膜を５μｍ形成し、無反射コーティングを内蔵す
る厚さ１０μｍの６ＦＤＡ／ＴＦＤＢポリイミドフィル
ムを得る。金型からポリイミドフィルムを剥離すること
により、周期構造を有する厚さ１０μｍの無反射コーテ
ィングを内蔵ポリイミドフィルムを得た。これ以降は実
施例１と同様に多層構造体を形成し、最終的に厚さ約１
３μｍのポリイミド基板偏光子を得た。

【００６０】さらにこの金型を用いて同様の操作を繰り
返し、１０枚の偏光子を得た。

【００６１】実施例５ 実施例１で作製した厚さがポリイミド層１０μｍ、多層
構造体層３．２μｍの偏光子から２×５ｍｍの短冊を切
り出した。一方石英系光導波路に幅２０μｍ、深さ１５
０μｍの溝を長手方向に対して直角に切っておき、厚さ
約１３μｍ、２×５ｍｍのポリイミド基板偏光子を挿入
したところ破損することなく挿入できた。これを接着剤
で固定し、偏光子入り導波型光デバイスを得た。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にもとづく
偏光子とその製造方法及びこれを用いた導波型光デバイ
スは上記のように構成されるので、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、
切断が簡易であるという特徴を備えた偏光子の提供が可
能となり、また該偏光子を具備した導波型デバイスの提
供も可能となる。また、上記の構成によれば、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も可能
である。したがって、本発明の偏光子は、光アイソレー
タ用の偏光子として最適であるのみならず、光サーキュ
レータ、光スイッチ等、その工業的用途は広く、従来の
偏光子に取って代わることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にもとづく偏光子の第１の実施例の構造
を示す斜視図である。

【図２】本発明にもとづく偏光子に適用される表面に溝
を有する基板を示す斜視図である。

【図３】本発明にもとづく偏光子に対して、透過光の近
視野における強度分布を調べた結果を示すもので、
（ａ）はＴＥ波に対する強度分布図、（ｂ）はＴＭ波に
対する強度分布図である。

【図４】第１の実施例における周波数と波動ベクトルの
関係を示すグラフである。

【図５】本発明にもとづく偏光子の第２の実施例の構造
を示す斜視図である。

【図６】第２の実施例における周波数と波動ベクトルの
関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ ＳｉＯ₂ 層 ２ Ｓｉ層 ３ ポリイミド基板 ４ ポリイミド膜 ５ 無反射コーティング層 ６ 周期的な溝 ７ 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 ８ ＳｉＯ₂ 層 ９ Ｓｉ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 重邦 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 澤田 孝 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 玉村 敏昭 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 山本 二三男 東京都武蔵野市御殿山一丁目１番３号 エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロ ジ株式会社内 (72)発明者 川上 彰二郎 宮城県仙台市若林区土樋236番地 (72)発明者 大寺 康夫 宮城県仙台市青葉区土樋１丁目６番15号 コーポ金子201号 (72)発明者 川嶋 貴之 宮城県仙台市青葉区川内三十人町45番５ 号 ル・ヴィラージュ203号 (56)参考文献 特開 平11−316154（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−118803（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−213785（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−96808（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−297218（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−297221（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−304611（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 5/30

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３次元の直交座標系のｘ軸方向，ｙ軸方
   向，およびｚ軸方向を基準として、屈折率の異なる少な
   くとも２種類の透明体からなる複数の層が前記ｚ軸方向
   に沿って積層された多層構造体を高分子材料上に設けて
   なる偏光子であって、 前記多層構造体は、 各透明体ごとに積層の単位となる層の形状が前記ｘ軸方
   向に沿って周期的に凹凸を繰り返した凹凸構造と、前記
   ｙ軸方向に沿って一様な構造、または前記ｘ軸方向に沿
   った前記凹凸構造よりも凹凸を繰り返す周期が大きい凹
   凸構造とを有し、さらに、 入射方向が前記ｚ軸方向に零でない成分を持つ光に対し
   て作用する偏光機能を持つことを特徴とする偏光子。
2. 【請求項２】 前記高分子材料は、ポリイミドであるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の偏光子。
3. 【請求項３】 前記多層構造体を形成する前記屈折率の
   異なる少なくとも２種類の透明体は、ＳｉまたはＴｉＯ
   ₂ を主成分とする高屈折率媒質と、ＳｉＯ₂を主成分と
   する低屈折率媒質とであることを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載の偏光子。
4. 【請求項４】 一方向に沿って周期的に繰り返される凹
   凸構造が形成された表面を持つ高分子材料からなる基板
   の上に、高屈折率媒質と低屈折率媒質とを、前記基板の
   凹凸構造の形状を繰り返しつつ周期的に積層し、３次元
   の直交座標系において、ｘ軸方向に沿って周期的な凹凸
   構造と、ｙ軸方向に沿って一様な構造または前記ｘ軸方
   向に沿った前記凹凸構造よりも大きな周期の凹凸構造と
   を有する、屈折率の異なる少なくとも２種類の透明体か
   らなる複数の層がｚ軸法に沿って積層された多層構造体
   を形成することを特徴とする偏光子の製造方法。
5. 【請求項５】 少なくとも一部にスパッタリングエチン
   グを含む膜形成方法によって、前記高屈折率媒質および
   前記低屈折率媒質を前記凹凸構造が形成された表面を持
   つ高分子材料からなる基板上に積層することを特徴とす
   る請求項４に記載の偏光子の製造方法。
6. 【請求項６】 前記高分子材料は、ポリイミドであるこ
   とを特徴とする請求項４または５に記載の偏光子の製造
   方法。
7. 【請求項７】 金型を用いて、高分子材料からなる基板
   表面の前記凹凸構造を形成することを特徴とする請求項
   ４または５に記載の偏光子の製造方法。
8. 【請求項８】 前記高屈折率媒質はＳｉまたはＴｉＯ_２
   を主成分とし、また前記低屈折率媒質はＳｉＯ_２を主成
   分とすることを特徴とする請求項４に記載の偏光子の製
   造方法。
9. 【請求項９】 光導波路により構成される導波型光デバ
   イスであって、請求項１ないし３のいずれかに記載の偏
   光子が、光導波路の長手方向に対して垂直あるいは傾斜
   した状態で該導波路に挿入されていることを特徴とする
   導波型光デバイス。
10. 【請求項１０】 光ファイバにより構成される導波型光
    デバイスであって、請求項１ないし３のいずれかに記載
    の偏光子が、光ファイバの長手方向に対して垂直あるい
    は傾斜した状態で該導波路に挿入されていることを特徴
    とする導波型光デバイス。