JP3602913B2

JP3602913B2 - 偏光素子とそれを用いた光アイソレ−タ及びその製造方法

Info

Publication number: JP3602913B2
Application number: JP12712396A
Authority: JP
Inventors: 徹深野; 恭史佐藤; 真人新谷
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-05-23
Filing date: 1996-05-22
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2016-05-22
Also published as: JPH0943429A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体中に異方性を有する金属粒子が分散された偏光素子とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
偏光素子は特定の方向に偏光した光を取り出すために用いるもので、光通信，光センサ，光干渉計等に使用されている。例えば、光通信の場合、偏光素子は光アイソレータの主要部品である。光アイソレータは、例えばホルダ内に第１の偏光素子とファラデー回転子と第２の偏光素子とを光軸上に配置し、周囲に同軸のマグネットを配置したものである。
【０００３】
ここで、ホルダには例えばＮｉ−Ｆｅ合金等を用い、偏光素子は低融点ガラスまたは半田でホルダに溶着して気密に封止する。偏光性能は光通信に用いる波長での値が重要であり、光アイソレータはレーザダイオード等とを組合わせて用い、第１の偏光素子で特定の方向に偏光した光を取り出し、ファラデー回転子で偏光方向を回転させ、第２の偏光素子で偏光方向を回転させた光を取り出すようにしたものである。
【０００４】
現在、実用化されている偏光素子は、主としてガラス中に回転楕円体状の銀粒子を分散させたものである（特公平２−４０６１９号公報，対応米国特許ＵＳＰ４，４８６，２１３、及びＵＳＰ４，４７９，８１９）。この偏光素子は、銀とハロゲンとを有するガラス素地を熱処理してハロゲン化銀の粒子を析出させ、加熱下に延伸してハロゲン化銀粒子を回転楕円体状に引き延ばす。この過程でハロゲン化銀粒子に異方性が生じる。次いで、還元雰囲気下で加熱し、ハロゲン化銀を金属銀へ還元する。
【０００５】
ところが、この偏光素子ではアスペクト比（長軸長さと短軸長さとの比）が不均一で、短軸や長軸の長さが均一な銀粒子を析出させることが困難である。さらに、ガラス内部でのハロゲン化銀の還元が困難で不透明なハロゲン化銀が残留する。また、ハロゲン化銀の還元の過程でガラスが収縮することに伴い、ガラス表面がポーラスになり長期安定性が低下する。
【０００６】
このような問題点を解決するために、真空蒸着やスパッタリング等の薄膜形成プロセスを用いて、偏光素子を製造することが提案されている（１９９０年電子情報通信学会，秋季大会，講演予稿集Ｃ−２１２）。この提案では、ガラス等の誘電体基板上に金属層を真空蒸着で設け、ガラス等の誘電体層をスパッタリング等でその上に積層する。そして、金属層と誘電体層を交互に数層形成する。次に加熱下で基板を引き延ばし、金属層を不連続で島状の金属粒子の層に変形する。金属粒子層での各金属粒子は延伸方向に引き延ばされて回転楕円体状になり、偏光性能が発現する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記薄膜形成プロセスを用いた偏光素子について、発明者は以下に示す問題点を見出した。
【０００８】
１）金属粒子層と誘電体層とを交互に積層した後に、加熱工程及び延伸工程を施すので、最終的に適当な大きさの金属粒子にさせることが困難となり、偏光方向とそれに垂直な方向との間の消光比が低い。
【０００９】
２）消光比が低いため、積層数を増やして消光比を増加させる必要があるが、積層数を増やすと基板からの剥離が生じる。
【００１０】
したがって、このような製造方法によって得られた偏光素子においては、延伸及び還元による製法で得られた光通信デバイス用の偏光ガラスと対比しても、それと同程度の特性が得られず、未だ満足できる程度の品質及び信頼性が得られていなかったのである。
【００１１】
そこで、本発明は消光比が高く、しかも基板からの剥離が無い信頼性の高い偏光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記問題点に鑑みて本発明は、透光性を有するほう珪酸ガラスから成る誘電体基板の少なくとも一方の主面上に、ほう珪酸ガラスから成る誘電体中にＡｕ，Ｃｕの少なくとも１種からなる異方性を有する金属粒子が５〜１５容積％分散された偏光層を設けたことを特徴とするものである。
また、前記金属粒子が１０〜３０の平均アスペクト比を有することを特徴とするものである。
前記金属粒子が１０〜３００nmの平均長軸長さと１〜１０nmの平均短軸長さを有することを特徴とするものである。
また、前記誘電体基板の両主面に偏光層を設けることにより誘電体基板の反りを抑えることを特徴としたものである。
また、上記偏光素子をホルダ内に配してなる光アイソレータであって、前記偏光素子を成す前記誘電体基板の体積熱膨張率が、前記ホルダを成す金属材料の体積熱膨張率と同一であることを特徴とするものである。
また、上記透光性を有する誘電体基板の少なくとも一方の主面上に、誘電体と金属微粒子との混合物薄膜を形成し、次いで前記混合物薄膜を加熱することにより混合物薄膜中に金属微粒子の凝集による多数の金属粒子を形成し、しかる後に前記基板と混合物薄膜とを加熱下で５０〜４００％まで延伸し前記金属粒子を回転楕円体状に引き延ばすことを特徴とするものである。
また、上記偏光素子をホルダ内に配する光アイソレータの製造方法であって、前記誘電体基板がほう珪酸ガラスからなり、その両主面上に、ほう珪酸ガラスから成る誘電体中にＡｕ，Ｃｕの少なくともいずれか１種からなる金属粒子が５〜１５容積％分散された混合物薄膜を形成して、前記誘電体基板の体積熱膨張率を、前記ホルダを成す金属材料の体積熱膨張率と同一としたことを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について図面に基づき説明する。
図１に示すように、偏光素子１は透光性を有する誘電体基板２の少なくとも一方の主面上に偏光層３を設けたものであり、この偏光層３は誘電体４中に異方性を有する金属粒子５が実質的に均一に分散されている。ここで、透光性を有するとは使用波長に対して透明という意味である。
【００２２】
誘電体基板２は例えばパイレックスガラス（パイレックスとは、コーニング・ガラス・インダストリーの商標）やＢＫガラス（ＢＫとは、ＨＯＹＡ社の商品名）等のほう珪酸ガラスを用い、これ以外にシリカガラス等の高融点ガラスやソーダガラス等の低融点ガラスを用いてもよい。また、このようなガラス材料に代えて他の透明材料を用いても良いが、ガラス材料は安価で延伸が容易であるので好適に使用される。
【００２３】
また、ガラス材料の内、特にほう珪酸ガラスが基板に好ましい。なぜなら、ほう珪酸ガラスの体熱膨張率は、光アイソレータのホルダに使用される金属材料に近似するからである。例えば、ホルダ材料として使用されるＮｉ−Ｆｅ合金の体熱膨張率の９０〜９６×１０^−７／℃に近く、ホルダへの封止が極めて容易であるからである。例えば、ＢＫ−７ガラスの体熱膨張率は７２〜８９×１０^−７／℃程度で、Ｎｉ−Ｆｅ合金の体熱膨張率に非常に近似しているので好適に使用可能である。
【００２４】
偏光層３は誘電体４中に回転楕円体状の金属粒子５をほぼ一様に分散させたものである。誘電体４には基板２と同種の材料が好ましく、例えば基板２にパイレックスガラスを用いる場合には、誘電体４にもパイレックスガラスを用い、熱膨張率等の特性を一致させることが好ましい。
【００２５】
金属粒子５にはＡｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｉｒ等の貴金属や、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ等の遷移金属から選択される１種以上の金属であることが好ましく、誘電体４との濡れが悪く凝集しやすい金属でしかも酸化され難く、誘電体４中で金属粒子５として存在し得るものが好ましい。これらの内、特に好ましいものは、低融点なため凝集が容易で、ガラスとの濡れが悪く、しかも酸化され難いＡｕと、安価でガラスとの濡れが悪いＣｕである。なお、金属粒子５は金属単体に限定されるものではなく合金でもよい。
【００２６】
偏光層３での金属粒子５の含有量は体積％単位で５〜１５％が好ましい。ここで、金属粒子５の含有量が高いほど消光比が増加するが、含有量が１５％を越えると、成膜時に誘電体と金属への分相（金属粒子径が０．６μｍ程度）が生じ、偏光素子とすることができない。
【００２７】
また、偏光層３の厚さには特に制限はなく、例えば延伸前の膜厚で０．５μｍ厚程度とした。これに対して金属層と誘電体層とを多数層積層するものでは、これらの合計厚さに制限があり、延伸前の合計厚さが０．５μｍを越えると基板２からの剥離が生じた。これは、偏光性能を向上させようとすると層数を増加させる必要があり、これに伴って合計膜厚が増加すると剥離が生じるからである。このような偏光層の剥離は延伸前の熱処理時に発生し、基板と金属層との界面や偏光層中の金属層と誘電体層との界面にバブル状の膨らみが一面に発生する。そして、発明者の実験によれば、偏光層の剥離は偏光層を多数層の積層で形成することと関係し、本発明のように誘電体と金属との混合物膜を設けて、偏光層を１層で形成すれば剥離が生じないことを見出した。
【００２８】
金属粒子５は回転楕円体状で異方性が有り、図１（ただし、光の進行方向をＺ方向とし、これに直角な平面をＸ−Ｙ平面とする。）では、金属粒子５の長軸方向がＹ方向で、短軸方向がＸ方向である。また、金属粒子５の長軸長さと短軸長さの比をアスペクト比とし、ここでは多数の金属粒子５のアスペクト比の平均値を単にアスペクト比と呼ぶものとする。
【００２９】
金属粒子５が回転楕円体状になるのは、偏光層３の成膜後の延伸時に、基板２と共に金属粒子５が延伸方向に引き延ばされるからである。そして、アスペクト比が高いほど消光比が増加するが、それと同時に基板２の延伸率が増加して延伸が困難になり、しかも消光比の増加率がアスペクト比の高い領域で減少するため、アスペクト比は１０〜３０が適当であり、特に好ましくは１５〜２５程度とする。なお、消光比は所定波長において偏光していない入力光を用いた際に、Ｘ方向の透過光とＹ方向の透過光のエネルギーの比をデシベル単位で示したものとし、エネルギーの比が１０の時に１０ｄＢとする。
【００３０】
金属粒子５の短軸長さが増加すると、透過すべきＸ方向の偏光に対する挿入損失が増加し、このことからもアスペクト比が１０以上、より好ましくは１５以上で短軸長さが短く挿入損失を小さくすることが好ましい。金属粒子５の長軸平均長さが増加すると、Ｙ方向の吸収ピーク波長が増加し、光通信で用いる波長域（１．３μｍ程度）に接近する。しかしながら、金属粒子５のアスペクト比に製造上の制限があり、短軸長さの増加が挿入損失をもたらすことを加味すると、長軸長さにも制限が生じる。
【００３１】
そこで、金属粒子５についての好ましい条件は、アスペクト比が１０〜３０，長軸長さの平均値が１０〜３００ｎｍ，短軸長さの平均値が１〜１０ｎｍであり、より好ましくはアスペクト比が１０〜３０，長軸長さの平均値が３０〜２００ｎｍ，短軸長さの平均値が２〜１０ｎｍであり、最も好ましくはアスペクト比が１５〜２５，長軸長さの平均値が４０〜２００ｎｍ，短軸長さの平均値が２〜１０ｎｍである。
【００３２】
図１の場合、Ｚ方向に入射した入射光６は、Ｙ方向の偏光成分が金属粒子５の自由電子との共鳴で吸収され、Ｘ方向の偏光成分は透過率が高く、偏光した出射光７となる。また、Ｙ方向とＸ方向とでは吸収のピーク波長に差があり、Ｙ方向ではＸ方向よりも長波長側に吸収のピークがある。そして、特に指摘しない場合、消光比はＹ方向の吸収のピークが生じる波長で定める。
【００３３】
【実施例】
実施例１
次に、より具体的な実施例について説明する。まず、基板２としてＢＫ−７ガラス（ＨＯＹＡ社の商品名であり、その組成は、ＳｉＯ_２：６９％，Ｂ_２Ｏ_３：１０％，Ｎａ_２Ｏ：８％，Ｋ_２Ｏ：８％，ＢａＯ：３％（ただし、組成は重量％））を用いた。また、その軟化点は７２４℃，体熱膨張率は７２〜８９×１０^−７／℃である。基板２のサイズは長さが７６ｍｍ，幅が１０ｍｍ，厚さが１ｍｍである。
【００３４】
次に、偏光層３中の金属含有量が１０体積％となるように、ＢＫ−７ガラス（基板２と同一のＢＫ−７）とＡｕとをターゲットとし、２元マグネトロンスパッタリングにより、金属材料としてのＡｕと誘電体材料としてのＢＫ−７ガラスを同時に基板２にスパッタ成膜した。このスパッタ条件は、ＲＦ電力が２０Ｗ，スパッタガスがＡｒで圧力は２．０×１０^−２Ｔｏｒｒ，Ａｒ流量が１０ｃｃ／ｍであった。
【００３５】
偏光層３は１層の膜として成膜し、その膜厚は延伸前の値で、０．５ｍｍとした。成膜後の基板２を大気中にて６００℃で１時間程度熱処理を施し、金属微粒子を凝集させて金属粒子５とした。ここで、生成した金属粒子は延伸前の状態で、平均粒径（直径）が約１２０ｎｍで、粒径はほぼ１００〜１５０ｎｍの範囲で分布していた。
【００３６】
また、この状態での分光透過特性（消光特性）を図２に示す。ここで、縦軸は消光比であり、入射光６と出射光７との割合をｄＢ単位で示し、横軸は使用した光の波長である。図２から明らかなように、波長が０．５μｍ付近に２０ｄＢ程度の吸収のピークがある。
【００３７】
次に、基板２の両端に各々４５ｋｇ／ｍｍ^２の力を互いに反対向きに加えて基板２を延伸させた。ここで、延伸の好ましい条件は、加える力が１０〜１００ｋｇ／ｍｍ^２，延伸時の温度が４００〜７００℃（より好ましくは６００〜６５０℃）である。また、好ましい延伸量の範囲は、７６ｍｍ長さの基板２に対して延伸長さで４０〜３００ｍｍであり、これは延伸率として５０〜４００％を意味する。そして、実施例では大気中６２５℃において、基板２の両端に各々４５ｋｇ／ｍｍ^２の力を加えることにより５０ｍｍ延伸した。
【００３８】
この結果、偏光層３の膜厚は約０．３μｍとなった。このようにして得られた偏光素子では、金属粒子５のアスペクト比は平均値で２０であり、その長軸長さは８０ｎｍ±１０ｎｍ程度、短軸長さは４ｎｍ±２ｎｍ程度であった。
【００３９】
得られた偏光素子の消光特性を図３に示す。図２と同様に縦軸は消光比を示し、横軸は波長を示す。図中、８は図１のＸ方向に偏光した光に対する消光比を示し、９は図１のＹ方向に偏光した光に対する消光比を示す。図３から明らかなように、波長０．５５μｍで消光比２０ｄＢを得ることができた。
【００４０】
次に、得られた偏光素子１をファラデー回転子を挟むように配置し、その周囲に同軸のマグネットを配置して、Ｎｉ−Ｆｅ合金のホルダに収容して光アイソレータとした。偏光素子１，１とホルダとの気密封止には低融点ガラスを用い、封着を行った。封着温度は約５００℃で、基板２の熱膨張率とホルダの熱膨張率とが近似するため、気密に封止することができた。
【００４１】
なお、上記実施例では基板２の一主面側に偏光層を設けた場合について説明したが、図４に示すように、基板２の両主面に偏光層１３，１３を設けるようにしてもよい。このようにすることにより基板２の反り等を抑えることができ、信頼性の高い偏光素子を提供できる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、金属と誘電体との混合物薄膜を成膜し、これを加熱して金属を凝集させる。これにより金属は互いに凝集して比較的大きな金属粒子となる。そして、この金属粒子は延伸方向に引き延ばされて、異方性が発生し、金属粒子は回転楕円体状となる。これにより、従来の偏光素子のように金属薄膜と誘電体薄膜とを交互に多数積層する必要がなく、１層で充分な消光比の大きなものが得られ、しかも剥離の無い信頼性の非常に優れた偏光素子を提供できる。
【００４３】
また、酸素の影響を受けずに金属粒子を誘電体中に分散できるので、還元雰囲気中にて熱処理を行う工程を省略することができ、偏光に寄与しないハロゲン化金属等を誘電体中に存在しないようにすることができ、これにより容易に安定した特性の偏光素子を提供できる。
【００４４】
さらに、従来のように積層構造を採用しないので、熱等の応力に起因する剥離の問題を解消することができ、信頼性の非常に高い偏光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る偏光素子の概略斜視図である。
【図２】本発明に係る偏光素子の延伸前の消光特性を示す特性図である。
【図３】本発明に係る偏光素子の延伸後の消光特性を示す特性図である。
【図４】偏光素子の変形例の概略斜視図である。
【符合の説明】
１，１１・・・偏光素子
２・・・ガラス基板
３，１３・・・偏光層
４・・・誘電体
５・・・金属粒子

Claims

透光性を有するほう珪酸ガラスから成る誘電体基板の少なくとも一方の主面上に、ほう珪酸ガラスから成る誘電体中にＡｕ，Ｃｕの少なくとも１種からなる異方性を有する金属粒子が５〜１５容積％分散された偏光層を設けたことを特徴とする偏光素子。
前記金属粒子が１０〜３０の平均アスペクト比を有することを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
前記金属粒子が１０〜３００nmの平均長軸長さと１〜１０nmの平均短軸長さを有することを特徴とする請求項２に記載の偏光素子。
前記誘電体基板の両主面に偏光層を設けることにより誘電体基板の反りを抑えることを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載の偏光素子。
請求項１〜４のいずれかに記載の偏光素子をホルダ内に配してなる光アイソレータであって、前記偏光素子を成す前記誘電体基板の体積熱膨張率が、前記ホルダを成す金属材料の体積熱膨張率と同一であることを特徴とする光アイソレータ。
透光性を有する誘電体基板の少なくとも一方の主面上に、誘電体と金属微粒子との混合物薄膜を形成し、次いで前記混合物薄膜を加熱することにより混合物薄膜中に金属微粒子の凝集による多数の金属粒子を形成し、しかる後に前記基板と混合物薄膜とを加熱下で５０〜４００％まで延伸し前記金属粒子を回転楕円体状に引き延ばすことを特徴とする偏光素子の製造方法。
請求項６に記載の製造方法で製造された偏光素子をホルダ内に配する光アイソレータの製造方法であって、前記誘電体基板がほう珪酸ガラスからなり、その両主面上に、ほう珪酸ガラスから成る誘電体中にＡｕ，Ｃｕの少なくともいずれか１種からなる金属粒子が５〜１５容積％分散された混合物薄膜を形成して、前記誘電体基板の体積熱膨張率を、前記ホルダを成す金属材料の体積熱膨張率と同一としたことを特徴とする光アイソレータの製造方法。