JP3672211B2 - 偏光スイッチング素子及び光シャッタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等の光関連の各種分野に適用可能で光の偏光面を高速で切換え得る偏光スイッチング素子及びこのような偏光スイッチング素子を用いた光シャッタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光の状態を変化させる類似の技術として、例えば、光アイソレータや積層型偏光子やＥＯ（Ｅlectro-Ｏptic Ｄevices）素子がある。
【０００３】
光アイソレータは、各種文献等にも紹介されているように、レーザ光を利用した通信や計測の分野において光源として用いられる半導体レーザに光学系からの戻り光が入射すると発振が不安定になり雑音を発生する等の不都合を回避するために用いられる。即ち、半導体レーザ側からの順方向の光は通過させるが、反射光は通過させない素子である。具体的には、磁気光学ファラデー効果を示すファラデー回転子を備え、直線偏光の振動面が磁化の向きに関して回転することを利用したものである。つまり、透明な結晶（ファラデー回転子…常磁性体）の１方向に磁界を印加して光の偏光面を回転させる。
【０００４】
積層型偏光子は、例えば特許第１３５１１８４号が付与された素子であり、金属膜と誘電体膜とを交互に積層させた構造が、不要偏光成分を吸収するという性質を利用したものである。消光比が高いため、光センシングシステム、光導波路デバイスなどに組み込まれて実用化されている。
【０００５】
ＥＯ素子は、ＫＨ2ＰＯ4（ＫＤＰ）等の結晶に電界を印加すると結晶の屈折率、異方性が変化し、これにより偏光状態が変化することを利用して、光強度を変調する素子であり、レーザ光の高速変調等に利用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例示した光アイソレータや積層型偏光子の場合、光シャッタ（例えば、１入力１出力端子を持つ光をオン・オフする光路の開閉器、光の開閉器等）として利用することはできない。また、ＥＯ素子の場合、高電圧を必要としたり、温度安定性に劣る等の欠点がある上、仮に、光シャッタとして利用した場合には１００％近く遮断又は透過させるのが困難であり、ＥＯ素子の光路上への挿入損失が大きなものとなってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、素子の挿入損失の少ない状態で、光の偏光面を高電圧等を要せず高速で切換えることができ、光シャッタへの利用に適する偏光スイッチング素子及びこの偏光スイッチング素子を用いた光シャッタを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の偏光スイッチング素子は、透明基板上のグレーティング構造の壁部分に等間隔で形成されて、基板面に対して垂直方向の長さが０．１〜５μｍの複数の強磁性体薄膜と、これらの強磁性体薄膜の薄膜面に対して平行な向きの磁界をスイッチング自在に付与する磁界付与手段と、を備え、前記薄膜面に平行な向きの磁界を選択的に印加することにより前記グレーティング構造の空隙部分と透明誘電体部分とが周期的に配設されることによって増大する偏光面の回転角の切換えを行う。
従って、透明性が高くて殆ど光吸収がない上に磁気光学効果の極めて高い複数の強磁性体薄膜を用い、その薄膜面に平行な向きに磁界を選択的に印加することで、入射される光の偏光面を大きく回転させることができる。即ち、磁界を印加することで光の偏光面の切換え（スイッチング）を高速で行なえる。つまり、偏光面をスイッチングするが、光を任意の出力端子方向に切換える光路切換え機能は持たず、この点では、１入力１出力端子を持つ光をオン・オフする光路の開閉器として利用できる。この際、複数の強磁性体薄膜間は、空隙部分と透明誘電体部分とが周期的に配設されており、入射した光のエネルギーが強磁性体薄膜に集中し、より大きな磁気光学効果が生ずるので、安定した偏光面のスイッチングが可能となる。即ち、実質的に誘電体を高低２種の屈折率を有する２層（空隙層と透明誘電体層）に分離した多層膜構造とすることで、偏光面の回転角を増大させることができる。このような構造により効果が向上する理由は定かではないが、光の閉じ込め現象が生じ、全反射によって磁気光学効果が増大するものと思われる。そこで、請求項４記載の発明のように、偏光スイッチング素子の入射側と出射側とに各々偏光機能素子を備えれば、光シャッタとして利用できる。或いは、入射する光の偏光面が保存されている場合であれば、請求項５記載の発明のように、偏光スイッチング素子の入射側と出射側とに各々偏光面保存ファイバを備えても、光シャッタとして利用できる。何れにしても、当該偏光スイッチング素子は光をほぼ１００％遮断又は透過させることができ、本素子による挿入損失は１％程度である。偏光面の回転角は、印加する磁界の強さや強磁性体薄膜の膜厚等によるが、数１０度〜１００度以内で適宜選ぶことができる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の偏光スイッチング素子の強磁性体薄膜が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の微粉末を材料とし、膜厚が５０〜１０００Å、０．３〜１．５μｍなる等間隔で透明基板上に形成されている。従って、強磁性体薄膜の材料としては適宜金属や半導体等を用い得るが、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の微粉末によれば、保磁力の制御のし易さ、磁気光学効果の大きさ、透明性の高さ、化学的安定性等の点で好ましく、安定した偏光面のスイッチングが可能となる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の偏光スイッチング素子における磁界付与手段が、透明基板と同一材質で形成されて前記透明基板が張り合わされる別の基板上に強磁性体薄膜を囲んで渦巻状に形成された磁気誘導コイルである。従って、全体的に平板構造にて強磁性体薄膜に必要な磁界を印加させることができ、素子構造が簡単となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図１に基づいて説明する。本実施の形態は、偏光スイッチング素子１と偏光機能素子２，３とを組合せた光シャッタ４の原理的構成例を示すものである。偏光スイッチング素子１は透明基板としての石英基板５をベースとするもので、この石英基板５上に等間隔で基板面に対して垂直に配設された複数の強磁性体薄膜６と、これらの強磁性体薄膜６の薄膜面に対して平行な向きの磁界をスイッチング自在に付与する磁界付与手段７とを備えた構成とされている。強磁性体薄膜６は石英基板５の片面に形成された等間隔の櫛歯状のグレーティング構造の壁部分を利用することにより、等間隔かつ基板面に垂直となるように薄膜形成されている。従って、強磁性体薄膜６の積層方向に見ると、石英基板５の凸部による透明誘電体部分８と凹部による空隙部分９（何れも光学的に無損失）とが、光学的損失材料として機能する強磁性体薄膜６を介在させて周期的に配設された構造となっている。
【００１３】
ここで、強磁性体薄膜６の材料としては、金属或いは半導体中から適宜選択し得るが、保磁力の制御のし易さ、磁気光学効果の大きさ、透明性の高さ、化学的安定性等の点を考慮すると、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の超微粉末（平均粒径１００Å以下）を材料とするのが好ましい。また、強磁性体薄膜６の膜厚は５０〜１０００Å程度、長さは０．１〜５μｍ程度がよく、間隔は０．３〜１．５μｍ程度がよい。
【００１４】
一方、磁界付与手段７は一対の電磁石１０ａ，１０ｂよりなり、漏洩磁界φを中心部に配設させた石英基板５の強磁性体薄膜６部分に対して薄膜面に平行な向きで印加し得る構造とされている。１１ａ，１１ｂはこのために適宜形状に形成された鉄芯であり、１２ａ，１２ｂは制御信号に基づき漏洩磁界φを印加する向きをスイッチングさせるためのコイルである。印加する磁界の強さは、用いる強磁性体薄膜６の保磁力にもよるが、１ｋガウス、できれば５００ガウス以下となるように設定するのがよい。
【００１５】
このような偏光スイッチング素子１に対する光の入射側と出射側とに配設された偏光機能素子２，３は、偏光機能を有するものであれば、適宜使用し得る。例えば、偏光プリズム（１軸性結晶から切り出した２つのプリズムを組み合わせて、振動面の異なる光を分離させる偏光子）や、フィルム偏光板（直線偏光の一方をほぼ吸収し、これに直交する他方の直線偏光を殆ど吸収しない分子の配向による複屈折性の材料の性質を利用した偏光子や、偏光ビームスプリッタや、ワイヤーグリッドポラライザ（平面上に針金を平行に並べた金属格子（ワイヤーグリッド）に対して入射した光の偏光面が針金に垂直な場合は透過し、針金に平行な偏光は反射されることを利用した透過型偏光器）等を用い得る。
【００１６】
このような構成において、コイル１２ａ，１２ｂに流す電流の方向を切換えることで、偏光スイッチング素子１に印加する漏洩磁界φの向きをスイッチングすると、強磁性体薄膜６の磁化の向きが反転する。これに対応して偏光スイッチング素子１に入射した光の偏光面も強磁性体薄膜６の磁化の向きに応じて大きく回転される。即ち、磁界を印加することで光の偏光面のスイッチングを高速で行なえる。よって、後は入射側と出射側とに配設させた偏光機能素子２，３の偏光方向を適宜設定しておくことにより、入射した光を透過させたり遮断させることができ、光シャッタ４としての機能が発揮される。
【００１７】
【実施例】
本発明の第一の実施例を図２ないし図４に基づいて説明する。まず、図２（ａ）に示すように、厚さ０．５μｍの石英基板（透明基板）２１の片面に合計で１２０ｎｍ厚さとなるようにＣｒ2Ｏ3層２２とＣｒ層２３とを積層し、さらに、表層にポジ型のレジスト層２４を積層させた。このレジスト層２４上にフォトマスク２５を配設し、ＵＶ光を照射することにより露光した。この際、後述する磁性層付きグレーティングにおける凹凸寸法の繰返しピッチが１．０μｍとなるようなパターンのフォトマスク２５を用いた。次に、ウェットエッチング法を用いて、露光済みのレジスト層２４をエッチングし、さらに、フッ素系ガスを用いて石英基板２１の表面をエッチングして、長さ（奥行）が０．４μｍとなるように加工した。この後、レジスト層２４を剥離した。これにより、石英基板２１の片面には等間隔で櫛歯状（凹凸状）とされたグレーティング面が形成される。
【００１８】
次に、ガス中蒸着法を用いて、基板加熱無しで、このような石英基板２１のグレーティング面上に鉄（Ｆｅ）を蒸着し、図２（ｂ）に示すように、鉄磁性膜（強磁性体薄膜）２６を形成した。使用したガスはＡｒと空気との混合ガスで、Ａｒを５０CCM 、空気を５CCM の流量で流し、全圧力は１．３Ｐａとした。鉄磁性膜２６は平均粒径７ｎｍの鉄粉粒子を含有しており、平均膜厚は７０ｎｍであった。また、平坦部で測定した保磁力は５００Ｏｅで、面内磁気異方性を有する膜として形成されていた。
【００１９】
この後、イオンエッチング装置を用いて、石英基板２１側に−１５０Ｖを印加し、Ａｒガスを導入して逆スパッタ法により、図２（ｃ）に示すように、グレーティング面におけるＡ，Ｂ面（基板面に平行な面）の鉄粉粒子を除去し、Ｃ面（基板面に垂直な面）にのみ鉄磁性膜２６が残るようにした。これにより、等間隔で基板面に対して垂直に配設された鉄磁性膜２６が形成され、磁性層付きグレーティング２７が完成する。
【００２０】
このような磁性層付きグレーティング２７に関して、鉄磁性膜２６の磁気光学効果を、波長５２０ｎｍの光を用い、最大印加磁界を１５ｋガウスとして測定したところ、印加磁界を１５ｋガウスとした場合の偏光面の回転角は２９度、印加磁界を０ガウスとした場合の偏光面の回転角は２６度であった。
【００２１】
次に、上記の磁性層付きグレーティング２７の場合と同様にして、図３に示すように石英基板３１の表面に形成された櫛歯状（凹凸状）のグレーティング面に対してガス中蒸着法を用いて、基板加熱無しで、ゲルマニウム（Ｇｅ）を蒸着し、ゲルマニウム膜３２を形成した。使用したガスはＡｒで、５０CCM の流量で流し、全圧力は１．３Ｐａとした。ゲルマニウム膜３２の平均膜厚は８ｎｍであった。この後、上記の場合と同様に、イオンエッチング装置を用いてグレーティング面における基板面に平行な面のゲルマニウム膜を除去し、基板面に垂直な面にのみゲルマニウム膜３２が残るようにした。これにより、等間隔で基板面に対して垂直に配設されたゲルマニウム膜３２が形成された偏光子（偏光機能素子）３３が完成する。もっとも、偏光子３３の場合には、スパッタ法を用いてＳｉＯ2 膜３４をグレーティング面の溝が埋まるまで成膜し、研磨によって表面を平坦化したものが用いられる。このような偏光子３３の分光透過率は波長５２０ｎｍに対して９２％であった。ちなみに、磁性層付きグレーティング２７における強磁性体薄膜６の透過率は８８％であった。また、偏光子３３の波長５２０ｎｍの光に対する偏光度は、Ｓ偏光透過率をＴ１、Ｐ偏光透過率をＴ２としたとき、（Ｔ１−Ｔ２）／（Ｔ１＋Ｔ２）により８３％であった。このような偏光子３３を３３ａ，３３ｂとして一対作製した。
【００２２】
さらに、図４に示すように、各々空隙部３５ａ，３５ｂを有する鉄芯３６ａ，３６ｂにコイル３７ａ，３７ｂを巻回してなる２個の電磁石３８ａ，３８ｂを磁界付与手段３９として作製した。これらの電磁石３８ａ，３８ｂを空隙部３５ａ，３５ｂによる漏洩磁界φを中心部に配設させた磁性層付きグレーティング２７に印加できるようにした。即ち、磁性層付きグレーティング２７の強磁性体薄膜６の薄膜面に平行な向きで漏洩磁界φを印加し得る配置構造とした。この状態で、磁気光学効果測定機を用いて偏光面の回転方向を測定したところ、電磁石３８ａ，３８ｂのコイル３７ａ，３７ｂに流す電流の方向によって、強磁性体薄膜６の磁化の向きが反転し、次回の向きと対応して偏光面の回転方向が逆転することが確認された。
【００２３】
次いで、図４に示すように、一対の偏光子３３ａ，３３ｂを磁性層付きグレーティング２７の入出射側に配設した。この場合、偏光子３３ａ，３３ｂのグレーティングの溝は、図示した光の進行方向で観察した光の強度が、電磁石３８ａ，３８ｂの電流の流れる方向によって、最も明るくなる場合と最も暗くなる場合とが生ずるように角度を決めて配設した。この結果、３ｋガウスの磁界方向が反転することにより、分光器より照射した５２０ｎｍの光を透過させたり遮断させたりすることができたものである。即ち、光シャッタとしての機能を確認できたものである。
【００２４】
本発明の第二の実施例を図５に基づいて説明する。前記実施例で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。まず、前記実施例で説明した場合と同様に作製した磁性層付きグレーティング２７を、そのグレーティング面を上にして、同一材質による別の大きめな石英基板４１上の中心位置に張り合わせた。次に、外部磁界を磁性層付きグレーティング２７中の強磁性体薄膜６に対して薄膜面に平行な向き（上下方向）に印加するための磁界付与手段４２の磁気誘導コイル４３を石英基板４１上に作製した。この磁気誘導コイル４３は、磁性層付きグレーティング２７全体を取り巻くように、フォトリソグラフィ法により金（Ａｕ）薄膜を例えば１０ターン分だけ渦巻状に形成することにより作製した。このような磁気誘導コイル４３はポリイミド樹脂からなる絶縁層でコイル間を絶縁した。また、磁気誘導コイル４３の電気抵抗は１．４μΩ・ｃｍ、コイル電流は０．３Ａとした。次に、前記実施例で説明した場合と同様に作製した一対の偏光子３３ａ，３３ｂを石英基板４１の両側に配設し、前記実施例の場合と同様にしてその溝方向を決定して固定した。磁気誘導コイル４３に電流を流して磁界（約３ｋガウス）を強磁性体薄膜６の薄膜面にほぼ平行な向きに発生させたところ、分光器より照射した波長５２０ｎｍの光は遮断されたが、磁気誘導コイル４３の電流を切ると（磁界を印加しないと）、光が透過して明るくなったものである。即ち、光シャッタとしての機能を確認できたものである。
【００２５】
ところで、第一の実施例に対する第一の比較例について説明する。第一の実施例において、磁性層付きグレーティング２７の溝部を埋めるようにスパッタ法を用いてＳｉＯ2 層を成膜し、表面の凹凸は研磨により削り取って平坦面とした（即ち、図３に示した偏光子３３と同様な構造）。第一の比較例では、このように溝部をＳｉＯ2 膜で埋める以外は、第一の実施例の場合と同様にして偏光スイッチング素子を作製した。しかし、このような偏光スイッチング素子の場合、偏光子の角度、印加する磁界強度、波長などの他の条件によらず、偏光面の回転が生ずることがなく、偏光面のスイッチングを行なえなかったものである。
【００２６】
また、第一の実施例に対する第二の比較例について説明する。第二の比較例では、第一の実施例における磁性層付きグレーティング２７に代えて、０．５ｍｍ厚の石英基板上にスパッタ法を用いて希土類鉄ガーネットの薄膜（０．９μｍ）を成膜した。ターゲット組成は、Ｂｉ2Ｄｙ1Ｆｅ3.8Ａｌ1.2Ｏ19であった。また、成膜時の基板温度は３００度で、成膜後６５０度で３時間空気中で加熱した。膜は、保磁力６００Ｏｅの垂直磁化膜であり、光透過率は５５０ｎｍ以上の長波長側では６０％以上であった。希土類鉄ガーネット薄膜層の磁気光学効果を、最も大きな回転角を示す波長５２０ｎｍの光を用いて、最大印加磁界を１５ｋガウスとして測定した。印加磁界を１５ｋガウスとした場合の偏光面の回転角は６度、印加磁界を０ガウスとした場合の偏光面の回転角は５．５度であった。第一の実施例の場合と同様に、図４に示したような形状の２個の電磁石を作製し、漏洩磁界を希土類鉄ガーネット薄膜層が形成された石英基板に印加し得るように配設した。この状態で、磁気光学効果測定機を用いて偏光面の回転方向を測定したところ、電磁石に流す電流の方向によって、希土類鉄ガーネット薄膜層の磁化の向きが反転し、磁界の向きと対応して偏光面の回転方向が逆転したものである。ところが、図４に示した場合と同様に、さらに一対の偏光子を希土類鉄ガーネット薄膜層が形成された石英基板の両側に配設し、かつ、偏光子のグレーティング溝を図４に示すような光の進行方向で観察した光の強度が電磁石の電流の向きによって最も明るくなる場合と最も暗くなる場合とが生ずるように角度を決定しようとしたが、透過光の強度が弱く、かつ、回転角が小さ過ぎるため、光の開閉を行なうことができなかったものである。
【００２７】
なお、本実施の形態や実施例では、偏光機能素子（偏光子）を用いて光シャッタを構成したので、入射光が自然光や直線偏光になっていない光の場合にもそのスイッチングを行なえるが、偏波面保存光ファイバを用いることにより入射光の偏光面が保存されている場合には、偏光子は用いる必要がない。一般に、光ファイバ中を伝播する光の偏波状態は、直接偏波光を入射させても受光側での光の偏波面は光ファイバの曲がり等に起因して乱れを生じてその偏波面は保存されない。そこで、偏波面保存光ファイバは、光の偏波面を保存したまま光を伝播させ得る光ファイバであり、光ファイバの幾何学的形状の非対称性による屈折率変化や、円形コアに応力を与えることによる内部応力の複屈折率性を利用したものが知られている。即ち、入射光の性質によっては、偏光子に代えて偏波面保存光ファイバを用いた構成でも構わない。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１記載の偏光スイッチング素子によれば、透明基板上のグレーティング構造の壁部分に等間隔で形成されて、基板面に対して垂直方向の長さが０．１〜５μｍの複数の強磁性体薄膜と、これらの強磁性体薄膜の薄膜面に対して平行な向きの磁界をスイッチング自在に付与する磁界付与手段と、を備え、前記薄膜面に平行な向きの磁界を選択的に印加することにより前記グレーティング構造の空隙部分と透明誘電体部分とが周期的に配設されることによって増大する偏光面の回転角の切換えを行うようにしたので、透明性が高くて殆ど光吸収がない上に磁気光学効果の極めて高い複数の強磁性体薄膜を用い、その薄膜面に平行な向きに磁界を選択的に印加し、入射される光の偏光面を大きく回転させることで光の偏光面の切換えを高速で行なうことができ、かつ、入射した光のエネルギーを強磁性体薄膜に集中させ、より大きな磁気光学効果を生じさせることができ、安定した偏光面のスイッチングを行なわせることができる。このように偏光面をスイッチングすることで、１入力１出力端子を持つ光をオン・オフする光路の開閉器として利用することができる。
【００２９】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の偏光スイッチング素子の強磁性体薄膜が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の微粉末を材料とし、膜厚が５０〜１０００Å、０．３〜１．５μｍなる等間隔で透明基板上に形成されているので、保磁力の制御のし易さ、磁気光学効果の大きさ、透明性の高さ、化学的安定性等の点で優れており、安定した偏光面のスイッチングを行なわせることができる。
【００３１】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の偏光スイッチング素子における磁界付与手段が、透明基板と同一材質で形成されて前記透明基板が張り合わされる別の基板上に強磁性体薄膜を囲んで渦巻状に形成された磁気誘導コイルにより構成されているので、全体的に平板構造にて強磁性体薄膜に必要な磁界を印加させることができ、素子構造を簡単なものとすることができる。
【００３２】
請求項４記載の発明の光シャッタによれば、請求項１，２又は３記載の偏光スイッチング素子と、偏光スイッチング素子に対する光の入射側と出射側とに配設された偏光機能素子とを備えたので、自然光や直線偏光になっていない入射光に対しても、そのスイッチングを確実に行なわせることができる。
【００３３】
請求項５記載の発明の光シャッタによれば、請求項１，２又は３記載の偏光スイッチング素子と、偏光スイッチング素子に対する光の入射側と出射側とに配設された偏波面保存光ファイバとを備えたので、偏波面保存光ファイバにより入射光の偏波面が保存されている場合には、そのスイッチングを確実に行なわせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第一の実施例の磁性層付きグレーティングの作製工程を工程順に示す断面図である。
【図３】偏光子を示す断面図である。
【図４】光シャッタとして構成例を示す概略構成図である。
【図５】本発明の第二の実施例の光シャッタとしての構成例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 偏光スイッチング素子
２，３ 偏光機能素子
５ 透明基板
６ 強磁性体薄膜
７ 磁界付与手段
８ 透明誘電体部分
９ 空隙部分
２１ 透明基板
２６ 強磁性体薄膜
３３ａ，３３ｂ 偏光機能素子
３９ 磁界付与手段
４１ 別の基板
４２ 磁界付与手段
４３ 磁気誘導コイル
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等の光関連の各種分野に適用可能で光の偏光面を高速で切換え得る偏光スイッチング素子及びこのような偏光スイッチング素子を用いた光シャッタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光の状態を変化させる類似の技術として、例えば、光アイソレータや積層型偏光子やＥＯ（Ｅlectro-Ｏptic Ｄevices）素子がある。
【０００３】
光アイソレータは、各種文献等にも紹介されているように、レーザ光を利用した通信や計測の分野において光源として用いられる半導体レーザに光学系からの戻り光が入射すると発振が不安定になり雑音を発生する等の不都合を回避するために用いられる。即ち、半導体レーザ側からの順方向の光は通過させるが、反射光は通過させない素子である。具体的には、磁気光学ファラデー効果を示すファラデー回転子を備え、直線偏光の振動面が磁化の向きに関して回転することを利用したものである。つまり、透明な結晶（ファラデー回転子…常磁性体）の１方向に磁界を印加して光の偏光面を回転させる。
【０００４】
積層型偏光子は、例えば特許第１３５１１８４号が付与された素子であり、金属膜と誘電体膜とを交互に積層させた構造が、不要偏光成分を吸収するという性質を利用したものである。消光比が高いため、光センシングシステム、光導波路デバイスなどに組み込まれて実用化されている。
【０００５】
ＥＯ素子は、ＫＨ2ＰＯ4（ＫＤＰ）等の結晶に電界を印加すると結晶の屈折率、異方性が変化し、これにより偏光状態が変化することを利用して、光強度を変調する素子であり、レーザ光の高速変調等に利用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例示した光アイソレータや積層型偏光子の場合、光シャッタ（例えば、１入力１出力端子を持つ光をオン・オフする光路の開閉器、光の開閉器等）として利用することはできない。また、ＥＯ素子の場合、高電圧を必要としたり、温度安定性に劣る等の欠点がある上、仮に、光シャッタとして利用した場合には１００％近く遮断又は透過させるのが困難であり、ＥＯ素子の光路上への挿入損失が大きなものとなってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、素子の挿入損失の少ない状態で、光の偏光面を高電圧等を要せず高速で切換えることができ、光シャッタへの利用に適する偏光スイッチング素子及びこの偏光スイッチング素子を用いた光シャッタを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の偏光スイッチング素子は、透明基板上のグレーティング構造の壁部分に等間隔で形成されて、基板面に対して垂直方向の長さが０．１〜５μｍの複数の強磁性体薄膜と、これらの強磁性体薄膜の薄膜面に対して平行な向きの磁界をスイッチング自在に付与する磁界付与手段と、を備え、前記薄膜面に平行な向きの磁界を選択的に印加することにより前記グレーティング構造の空隙部分と透明誘電体部分とが周期的に配設されることによって増大する偏光面の回転角の切換えを行う。
従って、透明性が高くて殆ど光吸収がない上に磁気光学効果の極めて高い複数の強磁性体薄膜を用い、その薄膜面に平行な向きに磁界を選択的に印加することで、入射される光の偏光面を大きく回転させることができる。即ち、磁界を印加することで光の偏光面の切換え（スイッチング）を高速で行なえる。つまり、偏光面をスイッチングするが、光を任意の出力端子方向に切換える光路切換え機能は持たず、この点では、１入力１出力端子を持つ光をオン・オフする光路の開閉器として利用できる。この際、複数の強磁性体薄膜間は、空隙部分と透明誘電体部分とが周期的に配設されており、入射した光のエネルギーが強磁性体薄膜に集中し、より大きな磁気光学効果が生ずるので、安定した偏光面のスイッチングが可能となる。即ち、実質的に誘電体を高低２種の屈折率を有する２層（空隙層と透明誘電体層）に分離した多層膜構造とすることで、偏光面の回転角を増大させることができる。このような構造により効果が向上する理由は定かではないが、光の閉じ込め現象が生じ、全反射によって磁気光学効果が増大するものと思われる。そこで、請求項４記載の発明のように、偏光スイッチング素子の入射側と出射側とに各々偏光機能素子を備えれば、光シャッタとして利用できる。或いは、入射する光の偏光面が保存されている場合であれば、請求項５記載の発明のように、偏光スイッチング素子の入射側と出射側とに各々偏光面保存ファイバを備えても、光シャッタとして利用できる。何れにしても、当該偏光スイッチング素子は光をほぼ１００％遮断又は透過させることができ、本素子による挿入損失は１％程度である。偏光面の回転角は、印加する磁界の強さや強磁性体薄膜の膜厚等によるが、数１０度〜１００度以内で適宜選ぶことができる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の偏光スイッチング素子の強磁性体薄膜が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の微粉末を材料とし、膜厚が５０〜１０００Å、０．３〜１．５μｍなる等間隔で透明基板上に形成されている。従って、強磁性体薄膜の材料としては適宜金属や半導体等を用い得るが、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の微粉末によれば、保磁力の制御のし易さ、磁気光学効果の大きさ、透明性の高さ、化学的安定性等の点で好ましく、安定した偏光面のスイッチングが可能となる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の偏光スイッチング素子における磁界付与手段が、透明基板と同一材質で形成されて前記透明基板が張り合わされる別の基板上に強磁性体薄膜を囲んで渦巻状に形成された磁気誘導コイルである。従って、全体的に平板構造にて強磁性体薄膜に必要な磁界を印加させることができ、素子構造が簡単となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図１に基づいて説明する。本実施の形態は、偏光スイッチング素子１と偏光機能素子２，３とを組合せた光シャッタ４の原理的構成例を示すものである。偏光スイッチング素子１は透明基板としての石英基板５をベースとするもので、この石英基板５上に等間隔で基板面に対して垂直に配設された複数の強磁性体薄膜６と、これらの強磁性体薄膜６の薄膜面に対して平行な向きの磁界をスイッチング自在に付与する磁界付与手段７とを備えた構成とされている。強磁性体薄膜６は石英基板５の片面に形成された等間隔の櫛歯状のグレーティング構造の壁部分を利用することにより、等間隔かつ基板面に垂直となるように薄膜形成されている。従って、強磁性体薄膜６の積層方向に見ると、石英基板５の凸部による透明誘電体部分８と凹部による空隙部分９（何れも光学的に無損失）とが、光学的損失材料として機能する強磁性体薄膜６を介在させて周期的に配設された構造となっている。
【００１３】
ここで、強磁性体薄膜６の材料としては、金属或いは半導体中から適宜選択し得るが、保磁力の制御のし易さ、磁気光学効果の大きさ、透明性の高さ、化学的安定性等の点を考慮すると、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の超微粉末（平均粒径１００Å以下）を材料とするのが好ましい。また、強磁性体薄膜６の膜厚は５０〜１０００Å程度、長さは０．１〜５μｍ程度がよく、間隔は０．３〜１．５μｍ程度がよい。
【００１４】
一方、磁界付与手段７は一対の電磁石１０ａ，１０ｂよりなり、漏洩磁界φを中心部に配設させた石英基板５の強磁性体薄膜６部分に対して薄膜面に平行な向きで印加し得る構造とされている。１１ａ，１１ｂはこのために適宜形状に形成された鉄芯であり、１２ａ，１２ｂは制御信号に基づき漏洩磁界φを印加する向きをスイッチングさせるためのコイルである。印加する磁界の強さは、用いる強磁性体薄膜６の保磁力にもよるが、１ｋガウス、できれば５００ガウス以下となるように設定するのがよい。
【００１５】
このような偏光スイッチング素子１に対する光の入射側と出射側とに配設された偏光機能素子２，３は、偏光機能を有するものであれば、適宜使用し得る。例えば、偏光プリズム（１軸性結晶から切り出した２つのプリズムを組み合わせて、振動面の異なる光を分離させる偏光子）や、フィルム偏光板（直線偏光の一方をほぼ吸収し、これに直交する他方の直線偏光を殆ど吸収しない分子の配向による複屈折性の材料の性質を利用した偏光子や、偏光ビームスプリッタや、ワイヤーグリッドポラライザ（平面上に針金を平行に並べた金属格子（ワイヤーグリッド）に対して入射した光の偏光面が針金に垂直な場合は透過し、針金に平行な偏光は反射されることを利用した透過型偏光器）等を用い得る。
【００１６】
このような構成において、コイル１２ａ，１２ｂに流す電流の方向を切換えることで、偏光スイッチング素子１に印加する漏洩磁界φの向きをスイッチングすると、強磁性体薄膜６の磁化の向きが反転する。これに対応して偏光スイッチング素子１に入射した光の偏光面も強磁性体薄膜６の磁化の向きに応じて大きく回転される。即ち、磁界を印加することで光の偏光面のスイッチングを高速で行なえる。よって、後は入射側と出射側とに配設させた偏光機能素子２，３の偏光方向を適宜設定しておくことにより、入射した光を透過させたり遮断させることができ、光シャッタ４としての機能が発揮される。
【００１７】
【実施例】
本発明の第一の実施例を図２ないし図４に基づいて説明する。まず、図２（ａ）に示すように、厚さ０．５μｍの石英基板（透明基板）２１の片面に合計で１２０ｎｍ厚さとなるようにＣｒ2Ｏ3層２２とＣｒ層２３とを積層し、さらに、表層にポジ型のレジスト層２４を積層させた。このレジスト層２４上にフォトマスク２５を配設し、ＵＶ光を照射することにより露光した。この際、後述する磁性層付きグレーティングにおける凹凸寸法の繰返しピッチが１．０μｍとなるようなパターンのフォトマスク２５を用いた。次に、ウェットエッチング法を用いて、露光済みのレジスト層２４をエッチングし、さらに、フッ素系ガスを用いて石英基板２１の表面をエッチングして、長さ（奥行）が０．４μｍとなるように加工した。この後、レジスト層２４を剥離した。これにより、石英基板２１の片面には等間隔で櫛歯状（凹凸状）とされたグレーティング面が形成される。
【００１８】
次に、ガス中蒸着法を用いて、基板加熱無しで、このような石英基板２１のグレーティング面上に鉄（Ｆｅ）を蒸着し、図２（ｂ）に示すように、鉄磁性膜（強磁性体薄膜）２６を形成した。使用したガスはＡｒと空気との混合ガスで、Ａｒを５０CCM 、空気を５CCM の流量で流し、全圧力は１．３Ｐａとした。鉄磁性膜２６は平均粒径７ｎｍの鉄粉粒子を含有しており、平均膜厚は７０ｎｍであった。また、平坦部で測定した保磁力は５００Ｏｅで、面内磁気異方性を有する膜として形成されていた。
【００１９】
この後、イオンエッチング装置を用いて、石英基板２１側に−１５０Ｖを印加し、Ａｒガスを導入して逆スパッタ法により、図２（ｃ）に示すように、グレーティング面におけるＡ，Ｂ面（基板面に平行な面）の鉄粉粒子を除去し、Ｃ面（基板面に垂直な面）にのみ鉄磁性膜２６が残るようにした。これにより、等間隔で基板面に対して垂直に配設された鉄磁性膜２６が形成され、磁性層付きグレーティング２７が完成する。
【００２０】
このような磁性層付きグレーティング２７に関して、鉄磁性膜２６の磁気光学効果を、波長５２０ｎｍの光を用い、最大印加磁界を１５ｋガウスとして測定したところ、印加磁界を１５ｋガウスとした場合の偏光面の回転角は２９度、印加磁界を０ガウスとした場合の偏光面の回転角は２６度であった。
【００２１】
次に、上記の磁性層付きグレーティング２７の場合と同様にして、図３に示すように石英基板３１の表面に形成された櫛歯状（凹凸状）のグレーティング面に対してガス中蒸着法を用いて、基板加熱無しで、ゲルマニウム（Ｇｅ）を蒸着し、ゲルマニウム膜３２を形成した。使用したガスはＡｒで、５０CCM の流量で流し、全圧力は１．３Ｐａとした。ゲルマニウム膜３２の平均膜厚は８ｎｍであった。この後、上記の場合と同様に、イオンエッチング装置を用いてグレーティング面における基板面に平行な面のゲルマニウム膜を除去し、基板面に垂直な面にのみゲルマニウム膜３２が残るようにした。これにより、等間隔で基板面に対して垂直に配設されたゲルマニウム膜３２が形成された偏光子（偏光機能素子）３３が完成する。もっとも、偏光子３３の場合には、スパッタ法を用いてＳｉＯ2 膜３４をグレーティング面の溝が埋まるまで成膜し、研磨によって表面を平坦化したものが用いられる。このような偏光子３３の分光透過率は波長５２０ｎｍに対して９２％であった。ちなみに、磁性層付きグレーティング２７における強磁性体薄膜６の透過率は８８％であった。また、偏光子３３の波長５２０ｎｍの光に対する偏光度は、Ｓ偏光透過率をＴ１、Ｐ偏光透過率をＴ２としたとき、（Ｔ１−Ｔ２）／（Ｔ１＋Ｔ２）により８３％であった。このような偏光子３３を３３ａ，３３ｂとして一対作製した。
【００２２】
さらに、図４に示すように、各々空隙部３５ａ，３５ｂを有する鉄芯３６ａ，３６ｂにコイル３７ａ，３７ｂを巻回してなる２個の電磁石３８ａ，３８ｂを磁界付与手段３９として作製した。これらの電磁石３８ａ，３８ｂを空隙部３５ａ，３５ｂによる漏洩磁界φを中心部に配設させた磁性層付きグレーティング２７に印加できるようにした。即ち、磁性層付きグレーティング２７の強磁性体薄膜６の薄膜面に平行な向きで漏洩磁界φを印加し得る配置構造とした。この状態で、磁気光学効果測定機を用いて偏光面の回転方向を測定したところ、電磁石３８ａ，３８ｂのコイル３７ａ，３７ｂに流す電流の方向によって、強磁性体薄膜６の磁化の向きが反転し、次回の向きと対応して偏光面の回転方向が逆転することが確認された。
【００２３】
次いで、図４に示すように、一対の偏光子３３ａ，３３ｂを磁性層付きグレーティング２７の入出射側に配設した。この場合、偏光子３３ａ，３３ｂのグレーティングの溝は、図示した光の進行方向で観察した光の強度が、電磁石３８ａ，３８ｂの電流の流れる方向によって、最も明るくなる場合と最も暗くなる場合とが生ずるように角度を決めて配設した。この結果、３ｋガウスの磁界方向が反転することにより、分光器より照射した５２０ｎｍの光を透過させたり遮断させたりすることができたものである。即ち、光シャッタとしての機能を確認できたものである。
【００２４】
本発明の第二の実施例を図５に基づいて説明する。前記実施例で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。まず、前記実施例で説明した場合と同様に作製した磁性層付きグレーティング２７を、そのグレーティング面を上にして、同一材質による別の大きめな石英基板４１上の中心位置に張り合わせた。次に、外部磁界を磁性層付きグレーティング２７中の強磁性体薄膜６に対して薄膜面に平行な向き（上下方向）に印加するための磁界付与手段４２の磁気誘導コイル４３を石英基板４１上に作製した。この磁気誘導コイル４３は、磁性層付きグレーティング２７全体を取り巻くように、フォトリソグラフィ法により金（Ａｕ）薄膜を例えば１０ターン分だけ渦巻状に形成することにより作製した。このような磁気誘導コイル４３はポリイミド樹脂からなる絶縁層でコイル間を絶縁した。また、磁気誘導コイル４３の電気抵抗は１．４μΩ・ｃｍ、コイル電流は０．３Ａとした。次に、前記実施例で説明した場合と同様に作製した一対の偏光子３３ａ，３３ｂを石英基板４１の両側に配設し、前記実施例の場合と同様にしてその溝方向を決定して固定した。磁気誘導コイル４３に電流を流して磁界（約３ｋガウス）を強磁性体薄膜６の薄膜面にほぼ平行な向きに発生させたところ、分光器より照射した波長５２０ｎｍの光は遮断されたが、磁気誘導コイル４３の電流を切ると（磁界を印加しないと）、光が透過して明るくなったものである。即ち、光シャッタとしての機能を確認できたものである。
【００２５】
ところで、第一の実施例に対する第一の比較例について説明する。第一の実施例において、磁性層付きグレーティング２７の溝部を埋めるようにスパッタ法を用いてＳｉＯ2 層を成膜し、表面の凹凸は研磨により削り取って平坦面とした（即ち、図３に示した偏光子３３と同様な構造）。第一の比較例では、このように溝部をＳｉＯ2 膜で埋める以外は、第一の実施例の場合と同様にして偏光スイッチング素子を作製した。しかし、このような偏光スイッチング素子の場合、偏光子の角度、印加する磁界強度、波長などの他の条件によらず、偏光面の回転が生ずることがなく、偏光面のスイッチングを行なえなかったものである。
【００２６】
また、第一の実施例に対する第二の比較例について説明する。第二の比較例では、第一の実施例における磁性層付きグレーティング２７に代えて、０．５ｍｍ厚の石英基板上にスパッタ法を用いて希土類鉄ガーネットの薄膜（０．９μｍ）を成膜した。ターゲット組成は、Ｂｉ2Ｄｙ1Ｆｅ3.8Ａｌ1.2Ｏ19であった。また、成膜時の基板温度は３００度で、成膜後６５０度で３時間空気中で加熱した。膜は、保磁力６００Ｏｅの垂直磁化膜であり、光透過率は５５０ｎｍ以上の長波長側では６０％以上であった。希土類鉄ガーネット薄膜層の磁気光学効果を、最も大きな回転角を示す波長５２０ｎｍの光を用いて、最大印加磁界を１５ｋガウスとして測定した。印加磁界を１５ｋガウスとした場合の偏光面の回転角は６度、印加磁界を０ガウスとした場合の偏光面の回転角は５．５度であった。第一の実施例の場合と同様に、図４に示したような形状の２個の電磁石を作製し、漏洩磁界を希土類鉄ガーネット薄膜層が形成された石英基板に印加し得るように配設した。この状態で、磁気光学効果測定機を用いて偏光面の回転方向を測定したところ、電磁石に流す電流の方向によって、希土類鉄ガーネット薄膜層の磁化の向きが反転し、磁界の向きと対応して偏光面の回転方向が逆転したものである。ところが、図４に示した場合と同様に、さらに一対の偏光子を希土類鉄ガーネット薄膜層が形成された石英基板の両側に配設し、かつ、偏光子のグレーティング溝を図４に示すような光の進行方向で観察した光の強度が電磁石の電流の向きによって最も明るくなる場合と最も暗くなる場合とが生ずるように角度を決定しようとしたが、透過光の強度が弱く、かつ、回転角が小さ過ぎるため、光の開閉を行なうことができなかったものである。
【００２７】
なお、本実施の形態や実施例では、偏光機能素子（偏光子）を用いて光シャッタを構成したので、入射光が自然光や直線偏光になっていない光の場合にもそのスイッチングを行なえるが、偏波面保存光ファイバを用いることにより入射光の偏光面が保存されている場合には、偏光子は用いる必要がない。一般に、光ファイバ中を伝播する光の偏波状態は、直接偏波光を入射させても受光側での光の偏波面は光ファイバの曲がり等に起因して乱れを生じてその偏波面は保存されない。そこで、偏波面保存光ファイバは、光の偏波面を保存したまま光を伝播させ得る光ファイバであり、光ファイバの幾何学的形状の非対称性による屈折率変化や、円形コアに応力を与えることによる内部応力の複屈折率性を利用したものが知られている。即ち、入射光の性質によっては、偏光子に代えて偏波面保存光ファイバを用いた構成でも構わない。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１記載の偏光スイッチング素子によれば、透明基板上のグレーティング構造の壁部分に等間隔で形成されて、基板面に対して垂直方向の長さが０．１〜５μｍの複数の強磁性体薄膜と、これらの強磁性体薄膜の薄膜面に対して平行な向きの磁界をスイッチング自在に付与する磁界付与手段と、を備え、前記薄膜面に平行な向きの磁界を選択的に印加することにより前記グレーティング構造の空隙部分と透明誘電体部分とが周期的に配設されることによって増大する偏光面の回転角の切換えを行うようにしたので、透明性が高くて殆ど光吸収がない上に磁気光学効果の極めて高い複数の強磁性体薄膜を用い、その薄膜面に平行な向きに磁界を選択的に印加し、入射される光の偏光面を大きく回転させることで光の偏光面の切換えを高速で行なうことができ、かつ、入射した光のエネルギーを強磁性体薄膜に集中させ、より大きな磁気光学効果を生じさせることができ、安定した偏光面のスイッチングを行なわせることができる。このように偏光面をスイッチングすることで、１入力１出力端子を持つ光をオン・オフする光路の開閉器として利用することができる。
【００２９】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の偏光スイッチング素子の強磁性体薄膜が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の微粉末を材料とし、膜厚が５０〜１０００Å、０．３〜１．５μｍなる等間隔で透明基板上に形成されているので、保磁力の制御のし易さ、磁気光学効果の大きさ、透明性の高さ、化学的安定性等の点で優れており、安定した偏光面のスイッチングを行なわせることができる。
【００３１】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の偏光スイッチング素子における磁界付与手段が、透明基板と同一材質で形成されて前記透明基板が張り合わされる別の基板上に強磁性体薄膜を囲んで渦巻状に形成された磁気誘導コイルにより構成されているので、全体的に平板構造にて強磁性体薄膜に必要な磁界を印加させることができ、素子構造を簡単なものとすることができる。
【００３２】
請求項４記載の発明の光シャッタによれば、請求項１，２又は３記載の偏光スイッチング素子と、偏光スイッチング素子に対する光の入射側と出射側とに配設された偏光機能素子とを備えたので、自然光や直線偏光になっていない入射光に対しても、そのスイッチングを確実に行なわせることができる。
【００３３】
請求項５記載の発明の光シャッタによれば、請求項１，２又は３記載の偏光スイッチング素子と、偏光スイッチング素子に対する光の入射側と出射側とに配設された偏波面保存光ファイバとを備えたので、偏波面保存光ファイバにより入射光の偏波面が保存されている場合には、そのスイッチングを確実に行なわせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第一の実施例の磁性層付きグレーティングの作製工程を工程順に示す断面図である。
【図３】偏光子を示す断面図である。
【図４】光シャッタとして構成例を示す概略構成図である。
【図５】本発明の第二の実施例の光シャッタとしての構成例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 偏光スイッチング素子
２，３ 偏光機能素子
５ 透明基板
６ 強磁性体薄膜
７ 磁界付与手段
８ 透明誘電体部分
９ 空隙部分
２１ 透明基板
２６ 強磁性体薄膜
３３ａ，３３ｂ 偏光機能素子
３９ 磁界付与手段
４１ 別の基板
４２ 磁界付与手段
４３ 磁気誘導コイル
Claims (5)
- 透明基板上のグレーティング構造の壁部分に等間隔で形成されて、基板面に対して垂直方向の長さが０．１〜５μｍの複数の強磁性体薄膜と、
これらの強磁性体薄膜の薄膜面に対して平行な向きの磁界をスイッチング自在に付与する磁界付与手段と、を備え、
前記薄膜面に平行な向きの磁界を選択的に印加することにより前記グレーティング構造の空隙部分と透明誘電体部分とが周期的に配設されることによって増大する偏光面の回転角の切換えを行うことを特徴とする偏光スイッチング素子。 - 強磁性体薄膜は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の微粉末を材料とし、膜厚が５０〜１０００Å、０．３〜１．５μｍなる等間隔で透明基板上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の偏光スイッチング素子。
- 磁界付与手段は、透明基板と同一材質で形成されて前記透明基板が張り合わされる別の基板上に強磁性体薄膜を囲んで渦巻状に形成された磁気誘導コイルであることを特徴とする請求項１又は２記載の偏光スイッチング素子。
- 請求項１，２又は３記載の偏光スイッチング素子と、
偏光スイッチング素子に対する光の入射側と出射側とに配設された偏光機能素子と、
を備えることを特徴とする光シャッタ。 - 請求項１，２又は３記載の偏光スイッチング素子と、
偏光スイッチング素子に対する光の入射側と出射側とに配設された偏波面保存光ファイバと、
を備えることを特徴とする光シャッタ。
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