JP3874301B2

JP3874301B2 - 偏光光学素子

Info

Publication number: JP3874301B2
Application number: JP2005121476A
Authority: JP
Inventors: 仁志玉田; 恭司山口; 秀一松本; 徹堂向
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2015-12-26
Also published as: JP2005242379A

Description

本発明は偏光光学素子に関し、特にワイヤーグリツドを用いた偏光子や偏光ビームスプリツタに適用して好適なものである。

従来型のワイヤーグリツド偏光子では、グリツド周期ｄは使用する光の波長λの１／５〜１／10と非常に短周期でなければならないと考えられてきた。従つて可視波長域から近赤外波長域の光でのワイヤーグリツド偏光子は、必要なグリツド周期ｄが例えば波長 800〔nm〕では 160〔nm〕以下と非常に小さくなり、その作製が極めて困難であるという問題があつた。

グリツド周期ｄを大きくして可視光から近赤外光での作製を可能にする手段として共鳴型ワイヤーグリツド偏光子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これによれば、基板の屈折率をｎとした次式

で表されるような大きなグリツド周期での作製ができる。
特開平８−１８４７１１号公報

しかしながら、上述の共鳴型ワイヤーグリツド偏光子は金属グレーテイングが屈折率ｎの媒質中に埋め込まれた場合のみに有効なものであり、それ以外の配置についての方策は示されていない。
また、この共鳴型ワイヤーグリツド偏光子では、Ｐ偏光透過率Ｔｐを小さくするために、デユーテイ（ｂ／ｄ）をｂ／ｄ〜 0.6と大きくしなければならないが、このため、Ｓ偏光透過率Ｔｓが低下する。また、Ｓ偏光反射率Ｒｓの波長依存性が大きくなり、反射消光比（偏光コントラスト）の波長特性が悪化するという問題点があつた。
さらに、共鳴型では共鳴波長を使用波長近傍に合わせるために、金属グレーテイングの厚みや幅をかなり厳しく制御する必要があつた。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、従来に比して大きなグリツド周期で形成し得、波長 800〔nm〕帯で実用上十分な消光比を有する偏光光学素子を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、波長 400〔nm〕から840〔nm〕でなる可視波長域から近赤外波長域の光のうち使用波長λの光において用いられる偏光光学素子において、屈折率ｎ_１の透明基板上に形成されている金属グリツドで、各グリツドの断面形状を略矩形、厚みｈ、厚み 0.5ｈにおける幅ｂ、グリツド周期ｄ、底面と側面のなす角ｓ、金属グリツドのグリツド間の屈折率ｎ_２及び金属グリツド上部の屈折率ｎ_３として、（１）式の条件を満たすようにした。

屈折率ｎ_１の透明基板上に形成されている金属グリツドで、各グリツドの断面形状を略矩形、厚みｈ、厚み 0.5ｈにおける幅ｂ、グリツド周期ｄ、底面と側面のなす角ｓ、金属グリツドのグリツド間の屈折率ｎ_２及び金属グリツド上部の屈折率ｎ_３として、（１）式の条件を満たすことにより、グリツド周期ｄを従来よりも大きいλ／３＜ｄ＜λ／２としながら、波長 400〔nm〕から840〔nm〕でなる可視波長域から近赤外波長域の光のうち使用波長λの光に対して偏光作用し得る。

本発明によれば、屈折率ｎ_１の透明基板上に形成されている金属グリツドで、各グリツドの断面形状を略矩形、厚みｈ、厚み 0.5ｈにおける幅ｂ、グリツド周期ｄ、底面と側面のなす角ｓ、金属グリツドのグリツド間の屈折率ｎ_２及び金属グリツド上部の屈折率ｎ_３として、（１）式の条件を満たすようにしたことにより、波長 400〔nm〕から840〔nm〕でなる可視波長域から近赤外波長域の光のうち使用波長λの光に対して、比較的大きなグリツド周期ｄで偏光作用し得る偏光光学素子を実現できる。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）ワイヤーグリツド偏光子
本発明は、屈折率ｎ_１の基板上に形成された金属グレーテイングにおいて、可視波長域から近赤外波長域（波長 400〔nm〕〜840〔nm〕）で、低損失かつ実用上十分な消光比（例えば10以上）を有する偏光ビームスプリツタ（Ｓ偏光透過率Ｔｓ、Ｐ偏光反射率Ｒｐ：大、Ｐ偏光透過率Ｔｐ、Ｓ偏光反射率Ｒｓ：小）を金属グレーテイングの形状パラメータを選ぶことにより実現する。

図１に本発明による非共鳴型のワイヤーグリツド偏光ビームスプリツタの断面の概略図を示す。金属グリツド１は、Ａｌ、Ａｕ等の高反射率金属又はそれらの組み合わせで形成されている。その厚みをｈ、幅（ｈ／２での値）をｂ、またグリツド断面を台形で近似したときの底面と側面のなす角度をｓ、グレーテイング周期をｄ、そして基板２の屈折率をｎ_１、グリツド間の屈折率をｎ_２、上部の屈折率をｎ_３、使用波長をλとすると、これらは次式

の関係を満たすようになされている。

以下に実施の形態における実験結果に基づいて、これを説明する。なお、ワイヤーグリツド偏光子への入射角は図２に示すように法線方向からグレーテイングの波数ベクトル方向Ｖ_１に測つた角度をα、グレーテイングの波数ベクトルと垂直方向Ｖ_２に測つた角度をθとする。

（２）第１の実施の形態
以上の構成において、第１の実施の形態として、電子線描画装置を用いて屈折率ｎ＝1.46の基板上に、グレーテイング周期ｄ＝ 300〔nm〕のレジストパターンを形成した。その上にＡｌを 182〔nm〕蒸着し、リフトオフ法によりＡｌからなるグレーテイングを作製した（ｈ／ｄ〜0.61）。このグレーテイング断面をＳＥＭ観察したところ、断面形状は略矩形（ｓ〜75〔°〕）で、ｂ／ｄは約0.40であつた。

ここで図３（Ａ）には波長 720〜840 〔nm〕で測定したＳ偏光透過率Ｔｓ、Ｓ偏光反射率Ｒｓ、Ｐ偏光透過率Ｔｐ、Ｐ偏光反射率Ｒｐ及びＴｓ／Ｔｐ、Ｒｐ／Ｒｓの波長依存性を示す。また図３（Ｂ）には比較するために屈折率ｎ_２＝ｎ_３＝1.46の場合の結果を示す。このときの試料への入射角はθ＝５〔°〕である。

屈折率ｎ_２＝ｎ_３＝１（以下、ｎ＝１配置と呼ぶ）とすることにより、Ｐ偏光透過率Ｔｐが大幅に減少し、透過光消光比（Ｔｓ／Ｔｐ）約10が得られた。この場合、ｄ／λは0.36〜0.42（λ＝ 840〜720 〔nm〕）である。
一方、図３（Ａ）、（Ｂ）共にＳ偏光反射率Ｒｓは小さく反射光消光比（Ｒｐ／Ｒｓ）は10以上となつているが、図３（Ａ）の方がＰ偏光反射率Ｒｐが大きく低損失である。

屈折率ｎ_２＝ｎ_３＝１の場合、グレーテイング周期ｄ＝ 300〔nm〕、ｓ〜75〔°〕、ｈ／ｄ〜0.61、ｂ／ｄ〜0.40では良好な偏光ビームスプリツタ特性が得られたが、ｓ〜75〔°〕、ｂ／ｄ〜0.40とし、様々な厚みｈについて調べた結果、ｈ／ｄ＞ 0.5でありさえすれば常に良好な偏光ビームスプリツタ特性が得られた。これは作製時の厚み制御が極めて緩和されるということで実用的に大きな利点がある。

（３）第２の実施の形態
第２の実施の形態では、前述した第１の実施の形態における試料について、入射角度保存性を測定した結果、α、θ共に−40〔°〕〜＋40〔°〕の範囲でλ＝ 720〜840 〔nm〕でのＳ偏光透過率Ｔｓ、Ｓ偏光反射率Ｒｓ、Ｐ偏光透過率Ｔｐ、Ｐ偏光反射率Ｒｐの波長特性はほとんど変化せず、非常に広い入射角度範囲で良好な偏光ビームスプリツタ特性が得られる。

（４）第３の実施の形態
また第３の実施の形態では、まず第１の実施の形態と同様な方法でグレーテイング周期ｄ＝ 300〔nm〕のＡｌでなるグレーテイングを作製し、偏光特性を測定した。この結果、ｓ＜70〔°〕又はｓ＞110 〔°〕ではＳ偏光透過率Ｔｓが小さくなり損失が増大する。また、ｈ／ｄ＜ 0.5では、Ｐ偏光透過率Ｔｐが大きくて、良好な偏光ビームスプリツタは得られない。

さらに、第１の実施の形態と同様な方法でグレーテイング周期ｄ＝ 400〔nm〕のＡｌでなるグレーテイングを作製し、偏光特性を測定した。この場合、ｂ／ｄ≦ 0.4ではＰ偏光透過率Ｔｐが大きくなり透過光消光比が低下、偏光ビームスプリツタ特性は得られない。また、ｂ／ｄを大きくしてＰ偏光透過率Ｔｐを小さくすると、偏光ビームスプリツタ特性を得るためには厚みを制御し、Ｓ偏光の共鳴現象を利用することが必要である。共鳴現象を用いずに良好な偏光ビームスプリツタ特性を得るには、ｄ＜λ／２が必要である。

以上の構成によれば、（３）式の条件を満たすワイヤーグリツド偏光子にすることにより、従来のワイヤーグリツド偏光子で要求されたグリツド周期よりも大きな周期で実用上十分な特性を有する非共鳴型偏光ビームスプリツタが作製できる。また、従来では作製困難であつた可視光から近赤外光用ワイヤーグリツド偏光子又は偏光ビームスプリツタの作製が容易になる。さらに、λ／３＜ｄ＜λ／２、ｎ＝１配置とすることで、低デユーテイ比（ｂ／ｄ≦ 0.4）とすることができ、これにより厚み許容度が大きく作製し易い、良好なワイヤーグリツド偏光ビームスプリツタが得られる。

（５）他のワイヤーグリツド偏光子
次に、本発明に関連する他のワイヤーグリツド偏光子について説明する。当該他のワイヤーグリツド偏光子では、屈折率ｎ_１の基板上に形成された金属グレーテイングにおいて、可視波長域から近赤外波長域（波長 400〔nm〕〜840〔nm〕）で、低損失かつ実用上十分な消光比（例えば10以上）を有する透過型ワイヤーグリツド偏光子（Ｓ偏光透過率Ｔｓ：大、Ｐ偏光透過率Ｔｐ：小）、又は、反射型ワイヤーグリツド偏光子（Ｐ偏光反射率Ｒｐ：大、Ｓ偏光反射率Ｒｓ：小）、さらに、偏光ビームスプリツタ（Ｓ偏光透過率Ｔｓ、Ｐ偏光反射率Ｒｐ：大、Ｐ偏光透過率Ｔｐ、Ｓ偏光反射率Ｒｓ：小）を金属グレーテイングの形状パラメータを選ぶことにより、そしてまた、屈折率ｎ＝１でのＳ偏光共鳴現象を利用することにより実現する。

この共鳴型のワイヤーグリツド偏光子（偏光ビームスプリツタ）の断面（図示せず）は、図１に示した断面の概略図と同形状であり、以下に述べる条件を満たすものである。金属グリツドは、Ａｌ、Ａｕ等の高反射率金属又はそれらの組み合わせで形成されている。金属グリツドの厚みをｈ、幅（ｈ／２での値）をｂ、またグリツド断面を台形で近似したときの底面と側面のなす角度をｓ、グレーテイング周期をｄ、基板屈折率をｎ、グリツド間の屈折率をｎ_２、上部の屈折率をｎ_３、使用波長をλ、また、屈折率１でのＳ偏光共鳴波長をλ_ｒｅｓとすると、これらは次式

の関係を満足するようになされている。

以下にいくつかの実施の形態に基づいて、これを説明する。なお、ワイヤーグリツド偏光子への入射角は、法線方向からグレーテイングの波数ベクトル方向Ｖ_１に測つた角度をα、グレーテイングの波数ベクトルと垂直方向Ｖ_２に測つた角度をθとする（図２）。

（６）第４の実施の形態
まず第４の実施の形態として、電子線描画装置を用いてｎ＝1.46の基板上にｄ＝ 400〔nm〕のレジストパターンを形成し、その上にＡｌを 150〔nm〕蒸着し、リフトオフ法によりＡｌからなるグレーテイングを作製した（ｈ／ｄ〜0.38）。このグレーテイング断面をＳＥＭ観察したところ、断面形状はほぼ矩形（ｓ〜75〔°〕）で、ｂ／ｄは約0.46であつた。波長 720〜840 〔nm〕で測定したＳ偏光透過率Ｔｓ、Ｓ偏光反射率Ｒｓ、Ｐ偏光透過率Ｔｐ、Ｐ偏光反射率Ｒｐ及びＴｓ／Ｔｐ、Ｒｐ／Ｒｓの波長依存性を図４（Ａ）に示す。図４（Ｂ）には比較のため屈折率ｎ_２＝ｎ_３＝1.46の場合の結果を示した。試料への入射角はθ＝５〔°〕である。

ここでワイヤーグリツド偏光子をｎ＝１配置（ｎ_２＝ｎ_３＝１）とすることにより、Ｐ偏光透過率Ｔｐが大幅に減少し、透過光消光比（Ｔｓ／Ｔｐ）が約10となり、良好な透過型偏光子が得られた。この場合、ｄ／λは0.48〜0.56（λ＝ 837〜720 〔nm〕）であり、特に、１／１０＜ｄ／λ＜１／５という従来のワイヤーグリツド偏光子と比較して大きな周期ｄで良好な透過光消光比が得られている点が特徴である。本試料の形状パラメータは、ｓ〜75〔°〕、ｈ／ｄ〜0.38、ｂ／ｄ〜0.46であるが、ｓ＜70〔°〕又はｓ＞ 110〔°〕では、Ｓ偏光透過率Ｔｓが低下し損失が大きくなる。また、ｈ／ｄ＜0.25又はｂ／ｄ＜0.3 ではＰ偏光透過率Ｔｐが増大し、透過光消光比が低下する。ワイヤーグリツド偏光子の作製上、ｈ／ｄ＞１、ｂ／ｄ＞0.7 は困難であるので、従つて、70〔°〕＜ｓ＜ 110〔°〕、0.25＜ｈ／ｄ＜１、 0.3＜ｂ／ｄ＜ 0.7であることが必要である。
しかし、図４（Ａ）ではＳ偏光反射率Ｒｓが大きく反射光消光比（Ｒｐ／Ｒｓ）が低い。これは厚みｈ（〜 150〔nm〕）とデユーテイｂ／ｄ（〜0.46）によつて決まるＳ偏光共鳴波長λ_ｒｅｓが 720〔nm〕よりもはるかに短波長にずれてしまつているからである。

（７）第５の実施の形態
第５の実施の形態では、第４の実施の形態と同様な方法でグリツド周期ｄ＝ 400〔nm〕、厚みｈ〜 220〔nm〕、ｂ／ｄ〜0.46のＡｌからなるグレーテイングを作製した。これをＳＥＭ観察すると、ほぼ矩形（ｓ〜75°）の断面形状であつた。この試料における偏光特性測定結果を図５に示す。
透過光消光比が約15と良好であるのは、第４の実施の形態と同じであるが、第５の実施の形態では反射光消光比（Ｒｐ／Ｒｓ）も10以上と良好な偏光ビームスプリツタ特性が得られている。これは、厚みｈを 220〔nm〕と厚くすることにより共鳴波長λ_ｒｅｓを 700〔nm〕近傍まで長波長化したためである。共鳴波長λ_ｒｅｓは、実験的にはｈとｂ／ｄが大きくなるにつれて単調に大きくなる。λ＞ 837〔nm〕ではＲｐ／Ｒｓ＜10と小さくなるので、Ｒｐ／Ｒｓ＞10とするためには、使用波長λは共鳴波長λ_ｒｅｓ（〜 700〔nm〕）に対してλ＜λ_ｒｅｓ／ 0.8でなければならない。また、短波長側でも同様にＲｐ／Ｒｓが低下するので、λ_ｒｅｓ／ 1.2＜λと制限される。つまり、共鳴波長λ_ｒｅｓは、 0.8λ＜λ_ｒｅｓ＜1.2 λを満たさなければならない。

屈折率ｎ_２＝ｎ_３＝1.46の場合に得られた偏光ビームスプリツタ特性を比較のために図６に示す。厚みｈ＝ 188〔nm〕、ｂ／ｄ＝0.57である。屈折率ｎ_２＝ｎ_３＝1.46ではＰ偏光透過率Ｔｐを小さくするためにデユーテイｂ／ｄを大きくしなければならない。このため、Ｓ偏光反射率Ｒｓの波長変化が大きくなり、反射消光比の波長特性が悪化し、使用できる波長範囲が狭くなる。また、Ｓ偏光透過率Ｔｓも低くなり損失が大きい。一方、屈折率ｎ_２＝ｎ_３＝１では、ｂ／ｄ〜0.46と低デユーテイでもＰ偏光透過率Ｔｐが十分小さくなるため、図５のように反射消光比の波長特性は平坦化し使用波長範囲も広がり、また、Ｓ偏光透過率Ｔｓも高くなり、明らかに偏光ビームスプリツタ特性が改善した。従つて、ｂ／ｄはｂ／ｄ＜ 0.5であることが望ましい。

（８）第６の実施の形態
さらに第６の実施の形態では、第４の実施の形態と同様な方法でグリツド周期ｄ＝ 400〔nm〕、ｈ〜 312〔nm〕、ｂ／ｄ〜0.46のＡｌでなるグレーテイングを作製した。ＳＥＭ観察ではほぼ矩形（ｓ〜75°）の断面形状であつた。図７に入射角α＝5,10,20,30,40 〔°〕に対してＳ偏光透過率Ｔｓ、Ｓ偏光反射率Ｒｓの波長依存性を測定した結果を示す。Ｔｓ、Ｒｓはα＝30〔°〕ではλ〜 770〔nm〕の、α＝40〔°〕ではλ〜 830〔nm〕でそれぞれ極小、極大を示している。この現象はレーリーアノマリーと呼ばれ、これにより入射角度の範囲が限定される。レーリーアノマリー波長λＲ．Ａ．はλＲ．Ａ．＝nd（１＋ sinα／ｎ）で与えられ、垂直入射（α＝０〔°〕）ではλＲ．Ａ．＝ndとなる。使用波長λはλＲ．Ａ．よりも長いことが必要で、少なくともλ＞ndでなければならない。従つて、第４実施例とからグリツド周期ｄとしてはλ／２＜ｄ＜λ／ｎとなる。

このように共鳴型のワイヤーグリツド偏光子では、（４）式の条件を満たすワイヤーグリツド偏光子とすることにより、従来のワイヤーグリツド偏光子で要求されたグリツド周期よりも大きな周期で実用上十分な特性を有する偏光子又は偏光ビームスプリツタが作製できる。また、従来は作製困難であつた可視光から近赤外光用ワイヤーグリツド偏光子又は偏光ビームスプリツタの作製が容易になる。さらに、ｎ＝１配置することで、低デユーテイでもＰ偏光透過率Ｔｐを小さくでき、これにより波長特性の良好なワイヤーグリツド偏光子又は偏光ビームスプリツタが得られる。

なお上述の実施の形態においては、屈折率ｎの透明基板上に形成したワイヤーグリツド偏光子について述べたが、本発明はこれに限らず、この基板表面に無反射コートを施しても良い。この場合、特性を改善することができる。さらに、光検出器の形成された基板上に屈折率ｎのコーテイングを行い、その上に本発明によるワイヤーグリツド偏光子を作製することも可能である。

本発明によるワイヤーグリツド偏光子を示す略線的断面図である。図１のワイヤーグリツド偏光子に対する入射角の説明に供する略線図である。ワイヤーグリツド偏光子の波長依存性の説明に供する特性曲線図である。ワイヤーグリツド偏光子の波長依存性の説明に供する特性曲線図である。屈折率ｎ_２＝ｎ_３＝１のときの偏光ビームスプリツタ特性を示す特性曲線図である。屈折率ｎ_２＝ｎ_３＝1.46のときの偏光ビームスプリツタ特性を示す特性曲線図である。ワイヤーグリツド偏光子の波長依存性の説明に供する特性曲線図である。

符号の説明

１……グリツド、２……基板。

Claims

波長 400〔nm〕から840〔nm〕でなる可視波長域から近赤外波長域の光のうち使用波長λの光において用いられる偏光光学素子において、
屈折率ｎ_１の透明基板上に形成されている金属グリツドで、各グリツドの断面形状を略矩形、厚みｈ、厚み 0.5ｈにおける幅ｂ、グリツド周期ｄ、底面と側面のなす角ｓ、上記金属グリツドのグリツド間の屈折率ｎ_２及び上記金属グリツド上部の屈折率ｎ_３として

の条件を満たす
ことを特徴とする偏光光学素子。
上記金属グリツドは、
高反射率金属でなる
ことを特徴とする請求項１に記載の偏光光学素子。