JP3898597B2 - 偏光子および偏光子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は偏光子に関し、特に光アイソレータや光サーキュレータ、光アッテネータ、半導体レーザの偏波制御などに用いられる近赤外の透過型偏光子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の発展とともに、例えば半導体レーザの信頼性向上のため、半導体レーザチップへの戻り光を遮断するための光アイソレータが使用される。この光アイソレータは、１つの偏波成分を通過させ、それと直交する偏波成分は遮断する偏光子、偏波を非相反に回転させるファラデー回転子よりなる。
【０００３】
従来、前記偏光子としては、例えばアルミノホウ珪酸ガラス表面層に細長い銀粒子を配向させた偏光ガラス（例えば米国特許第6,221,480号、日本国特許第2,885,655号）が用いられている。これらのものは、光を遮断する消光性能が５０ｄＢ程度と極めて高く、透過方向の光の挿入損失が無反射コートをすると０．１ｄＢ未満と低損失である。しかし、一方でこのような偏光ガラスから成る偏光子は高価であり、このような偏光ガラスを用いる光アイソレータ等の製品も高価となるという問題がある。
【０００４】
また、他の偏光子として金属グリッドを基板上に配列させるグリッド偏光子が有る。例えば、米国特許第4,049,944号、第4,289,381号、第5,748,368号には、半導体パターン形成技術を使用した偏光子が開示されている。
【０００５】
米国特許第4,049,944号では、(i)レジストを塗布、(ii)干渉パターンを露光し選択域のレジストを除去、(iii)イオンビームで部分エッチングする、以上の工程を含むウエーハの表面形状をコントロールするプロセスが開示されている。
米国特許第4,289,381号では(i)金属層を形成し、(ii)フォトリソにより金属グリッドを形成、(iii)その上に絶縁層形成、(iv)第２の金属層形成、(v)無反射コート形成、(vi)フォトリソにより第２の金属グリッドを形成する薄膜偏光子の製造方法が開示されている。
【０００６】
また、米国特許第5,748,368号には、波長０．４〜１．０μｍの光を入射光として、基板上に形成される複数の金属グリッドの断面形状が、０．２＜ｈ／ｄ＜０．９、０．５＜ｂ／ｄ＜０．９、７０°＜ｓ＜１００°（ｈは金属の厚み、ｂは金属グリッド厚みの中点での金属グリッド幅、ｄは金属グリッドの周期、ｓは基板と金属グリッド側面の角度）を満たす偏光光学素子が開示されている。
【０００７】
また、Optics Letters March 15,1997/Vol.22 No.6 pp.416-421（H.Tamada et.al）には石英基板にＥ−Ｂ（電子ビーム）直接描画及びリフトオフ法により形成されたＡｌワイヤーグリッド偏光子が示されている。この公知例には、Ａｌグリッドと空隙の幅の合計が０．３９μｍでＡｌグリッドの高さが２６８．３ｎｍであるＡｌワイヤーグリッド偏光子は、波長０．７８μｍで、一例としてグリッドに対し垂直な偏波を入射した時、すなわちＳ偏光の透過率Ｔｓが８０％（ロス１ｄＢ)、Ｓ偏光とＰ偏光の比Ｔｓ／Ｔｐ＝３０（逆方向ロス１４．８ｄＢ）が得られていることが示されている（同文献ｐ．４２０）。
これらのグリッド偏光子は、偏光機能を有するものの消光性能が上記偏光ガラスにくらべ劣り、光挿入損失がやや大きいという問題がある。
【０００８】
また、米国特許第5,772,905号には２００ｎｍ以下のピッチを持つモールドを基板上のフィルムに押し付けてパターンを転写し、転写後、膜の薄くなった部分を除去するプロセスを含むリソグラフィー法が開示されている。同特許の図７の図説で１００ｎｍ幅で膜厚Ｔｉ５ｎｍ，Ａｕ１５ｎｍがリフトオフにより形成されており、この時基板上に形成された金属グリッドの幅と高さの比（金属幅／高さ）が０．２５である公知例が開示されている。
【０００９】
この技術を用いれば、上記の様なグリッド周期が短く、金属グリッドの幅に比べて高さが高い金属グリッドを作製し、偏光子の消光性能、挿入損失を向上させることができると考えられる。しかし、この方法では、例えば６インチ以上の大面積で金属グリッドを形成することは難しく、偏光子の生産性が低くなる欠点がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、前述した従来技術の問題点を解決して、消光性能が優れ、挿入損失が小さい安価な透過型偏光子を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、透過型偏光子であって、少なくとも、基板上に周期ｐが０．３μｍ以下で溝が線状に形成され、該溝の深さｈは溝の幅ｗに対しｈ＞ｗであり、前記溝にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏから選択される金属もしくはこれらの金属を含む複合金属が埋め込まれているものであることを特徴とする透過型偏光子である。
【００１２】
このような本発明の偏光子は、消光性能が優れ、挿入損失が小さな偏光子となる。さらに、本発明の偏光子は、いわゆるダマシンプロセスを含む製造方法により、簡単かつ低コストで製造することができるため、極めて安価なものとすることができる。
【００１３】
この場合、前記溝の幅ｗが０．１５μｍ以下であることが好ましい。
このように金属が埋め込まれた溝の幅ｗが０．１５μｍ以下であれば、透過する光の損失が小さいものとなる。
【００１４】
また、前記基板上には、前記線状の溝の直交方向にも１μｍ以上の周期で溝が形成されていることが好ましい。
このように前記線状の溝の直交方向にも１μｍ以上の周期で溝があれば、偏光子の消光性能は維持されたままで、透過モードの偏光子のロスが低減されたものとなる。
【００１５】
また、前記基板はＳｉＯ２から成るものとすることが好ましい。
ＳｉＯ２は光学的特性、および物理的・化学的安定性に優れているため、偏光子の基板材料として好ましいからである。
【００１６】
そして、本発明の偏光子は、近赤外用の透過形偏光子とすることができる。
本発明の偏光子は、容易にグリッドの周期を短くすることができるため、例えば波長の短い近赤外用の透過形偏光子として特に適したものとなる。
【００１７】
さらに本発明は、光アイソレータであって、本発明の偏光子を少なくとも１つ用いて成ることを特徴とする光アイソレータである。
前述のように、本発明の偏光子は消光性能に優れ、挿入損失が小さいため、これを用いて成る光アイソレータも高性能のものとすることができる。さらに、本発明の偏光子は安価なものであるため、それを用いて成る光アイソレータも安価なものとすることができる。
【００１８】
また本発明は、透過型偏光子の製造方法であって、少なくとも、基板上に周期ｐが０．３μｍ以下で溝を線状に形成し、この時該溝の深さｈを溝の幅ｗに対しｈ＞ｗとし、前記基板上にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏから選択される金属もしくはこれらの金属を含む複合金属を形成して前記溝に金属を埋め込み、前記溝よりはみ出した金属を除去することを特徴とする透過型偏光子の製造方法である。
【００１９】
このように本発明の製造方法は、いわゆるダマシンプロセスを含む工程により偏光子を製造する。そのため、従来のリフトオフ法等に比べて、幅が狭く、金属グリッドの幅と高さの比が小さい金属グリッドを簡単に作製することができ、消光性能、挿入損失に優れた偏光子を低コストで製造することができる。さらに、この方法によれば、例えば６インチ以上の大面積基板を用いて一度に大量の偏光子の作製ができるため、偏光子製造の生産性を向上させることができる。
【００２０】
この場合、前記基板に形成する溝は、溝の幅ｗを０．１５μｍ以下とすることが好ましい。
このような溝の幅ｗとすることにより、透過する光の損失を小さくすることができる。
【００２１】
この場合、前記基板上に溝を形成する際に、前記線状の溝の直交方向にも１μｍ以上の周期で溝を形成することが好ましい。
このように、線状の溝の直交方向にも１μｍ以上の周期で溝を形成することにより、消光性能を維持したまま偏光子のロスを低減することができる。
【００２２】
また、前記基板にはＳｉＯ２から成る基板を用いることが好ましい。
このように基板としてＳｉＯ２から成る基板を用いれば、ＳｉＯ２は光学特性、および物理的・化学的安定性にすぐれているため、高品質の偏光子を簡単に製造することができる。
【００２３】
また、前記溝よりはみ出した金属の除去は研磨により行うことが好ましい。
研磨であれば、溝からはみ出した金属を容易に除去できるし、除去後の形状もきわめて高精度のものとすることができる。
【００２４】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明者らは、ダマシンプロセスを含む工程により作製された偏光子が、消光性能が優れ、挿入損失が小さい安価な近赤外用の偏光子を実現できることを見出し、本発明を完成させた。
【００２５】
前述したように、従来は、リソグラフィ法によりパターンを形成した後、リフトオフ法により金属グリッドを形成する方法等により、透過型グリッド偏光子は製造されていた。しかし、このような方法は、グリッド幅を狭くし、グリッド幅に比べてグリッドの高さを高くして、消光性能に優れた偏光子を低コストで生産することが難しかった。
【００２６】
そこで、本発明者は、偏光子の金属グリッドの形成にダマシンプロセスを応用することを発想した。ダマシンプロセスは、基板上に作られた溝や穿孔等の凹部を金属で埋め、次に、溝や穿孔からはみ出した余分な金属を研磨等により除去する方法である。余分な金属を除去した後には、基板上に金属配線が、基板上に作られた型と同じ形のまま残ることになる。このような方法であれば、ＡｕやＣｕのような軟らかい金属であっても、簡単にグリッド幅が狭く、グリッド幅に比べてグリッドの高さが高い（溝が深い）グリッド構造を形成することができる。
本発明はこのような基本思想に基づき、諸条件を検討の結果、完成したものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明に関わる偏光子の製造方法のフローを図２に示す。まず、例えばＳｉＯ２基板１上にＸ線リソグラフィー法及び反応性イオンビームエッチング等により線状に周期ｐが０．０８μｍ〜０．３μｍの溝２を形成する（ａ）。
【００２８】
溝２の周期ｐを０．３μｍ以下とするのは、周期ｐを近赤外域の波長よりも短くして光の回折効果を抑え、消光性能を向上させるためである。この場合、周期ｐが０．３μｍより長いと偏光性能が劣化する。そのため、周期ｐはできるだけ短くすることが望ましいが、周期ｐを０．０８μｍより短くすることは、溝の加工が現段階では難しい。さらに、この溝２の深さｈは、溝の幅ｗより大きく設定する。このようにすることにより消光性能が優れた偏光子となる。
【００２９】
また、この溝２の幅ｗは０．０３〜０．１５μｍとする。溝の幅ｗを０．１５μｍ以下とすることにより、透過する光の損失を小さくできる。そのため、溝の幅ｗもできるだけ狭くすることが望ましいが、溝の幅ｗを０．０３μｍより短くすることは現段階では加工が難しい。
【００３０】
次に溝加工した基板１上にスパッタ、もしくは蒸着法等によりＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏから選択される金属もしくはこれらの金属を含む複合金属を形成して、溝２に前記金属３を埋め込む（ｂ）。次いで該溝２よりはみ出した金属３を研磨等により除去する（ｃ）。
【００３１】
溝２に前記金属３を埋め込む他の方法としては、例えば前記金属の微粒子を分散させたペーストを溝加工した基板１に塗布し、熱処理して有機物成分を揮発させるなどの方法でも良い。あるいは、スパッタ等により金属３を堆積させた基板１を４００℃程度の温度に加熱し、金属付き基板１の上面を均一にプレスして、溝２に金属３を埋め込んでもよい。
【００３２】
以上のようなダマシンプロセスにより金属を埋め込んだ基板の両面に無反射コート４を例えば蒸着法により形成し（ｄ）、基板をチップに切断して本発明による近赤外用の偏光子１０を得ることが出来る（ｅ）。上記ダマシンプロセスでは、６インチ以上の大面積の基板であっても容易に金属グリッドを形成することができるため、１枚の基板当りに製造できる偏光子は多く、偏光子を高生産性、低コストで製造することができる。
【００３３】
図１（ａ）に示すように、このようにして製造された本発明の偏光子１０は、基板１上の線状の溝２に金属グリッドが形成されたものとなる。この本発明の偏光子１０は、基本的にはグリッド偏光子として機能するが、波長に対して溝２の周期を短くしたため光の回折効果を抑えることができ、この溝２の深さｈは、幅ｗより大きく設定したことで消光性能が優れた透過型の偏光子を簡便に構成できる。さらにこの場合、金属を埋め込む溝２の幅ｗが０．１５μｍ以下であることより透過する光の損失を小さくすることが出来る。
【００３４】
また、図１（ｂ）に示す偏光子１００のように、前記基板上に溝を線状に形成する際には、前記線状の溝２の直交方向にも１μｍ以上の周期で溝２０をもたせることで消光性能を維持したまま偏光子の透過モードのロスを低減することができる。ここで、前記溝２０の周期が１μｍより小さい場合、消光性能が急激に劣化するため好ましくなく、この溝２０の周期は１μｍ以上とする。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
６インチのＳｉＯ２基板の表面にＸ線リソグラフィーによりレジストパターンを形成し、反応性イオンビームエッチングにより線状に周期ｐが０．２μｍの溝加工を施した。この溝は幅ｗが０．１μｍ、深さｈが０．２μｍとなるよう加工した。
【００３６】
次にスパッタ法により下地としてＣｒを１００Å堆積させ、その後Ａｕを１μｍ堆積させ、溝内部にＡｕを埋め込んだ。次に基板の溝上部にはみ出している金属を研磨により除去し、光学面を形成した。
【００３７】
次に、Ｔｉ３Ｏ５及びＳｉＯ２からなる５層の無反射コーティングを前記基板の両面に施した。次に、この６インチ基板を前記線状の溝と平行及び垂直な方向に切断して６０枚の１５ｍｍ角形状の偏光子を得た。この基板の前記溝の断面を電子顕微鏡で観察したところ前記溝にＡｕが均等に埋め込まれていた。
【００３８】
この偏光子の消光比と挿入損失を測定したところ、例えば波長１５５０ｎｍで減衰モードの挿入損失は４３ｄＢと大きく、これと直交する偏波を偏光子に入射したときの透過モードの挿入損失は０．１ｄＢ以下と小さかった。また、この偏光子の消光性能の波長依存性を測定したところ、図３に示すように、波長１３００ｎｍ〜１６５０ｎｍの広い波長域において消光比約４０ｄＢ，ロス０．１ｄＢと高消光比でロスが小さな透過型の偏光子が作製できた。
【００３９】
（実施例２）
６インチのＳｉＯ２基板の表面にＸ線リソグラフィーによりレジストパターンを形成し、反応性イオンビームエッチングにより線状に周期ｐが０．２μｍの溝加工を施した。この溝は幅ｗが０．１μｍ、深さｈが０．２μｍとなるよう加工した。
【００４０】
次に、基板上にスパッタ法により下地としてＣｒを１００Å堆積させ、その後Ａｕを1μｍ堆積させ、前記Ａｕを堆積させた基板を４００℃に加熱してＡｕ付き基板の上面を均一に機械的にプレスし、溝内部にＡｕを埋め込んだ。次に基板の溝上部にはみ出している金属を研磨により除去し、光学面を形成した。
【００４１】
次に、実施例１と同様にしてＴｉ３Ｏ５及びＳｉＯ２からなる５層の無反射コーティングを前記基板の両面に施した。次に、この６インチ基板を前記の線状の溝と平行及び垂直な方向に切断して６０枚の１５ｍｍ角形状の偏光子を得た。この基板の前記溝の断面を電子顕微鏡で観察したところ前記溝にＡｕが均等に埋め込まれていた。
【００４２】
この偏光子の消光比と挿入損失を測定したところ、例えば波長１５５０ｎｍで減衰モードの挿入損失は４４ｄＢと大きく、これと直交する偏波を偏光子に入射したときの透過モードの挿入損失は０．１ｄＢ以下と小さかった。
【００４３】
（実施例３）
６インチのＳｉＯ２基板の表面にＸ線リソグラフィーおよび反応性イオンビームエッチングにより線状に周期ｐが０．２μｍの溝加工を施した。この溝は幅ｗが０．１μｍ、深さｈが０．２μｍとなるよう加工した。この実施例３では、上記周期ｐが０．２μｍである線状の溝の直交方向にも２．５μｍの周期で０．５μｍの幅の溝を形成した。すなわち、上記周期ｐが０．２μｍである線状の溝の間にある凸部は、長手方向に周期２．５μｍ毎に、２μｍの長さは凸で残りの０．５μｍは溝と同様の深さにした形状とした。それ以外は実施例１と同様に偏光子を作製した。この偏光子の特性を評価したところ消光比は実施例１と同様で、透過モードのロスは０．０８ｄＢと実施例１に比べ低減されていた。
【００４４】
（実施例４）
６インチのＳｉＯ２基板の表面にＸ線リソグラフィーおよび反応性イオンビームエッチングにより線状に周期ｐが０．２μｍの溝加工を施した。この溝は幅ｗが０．１μｍ、深さｈが０．２μｍとなるよう加工した。
【００４５】
次に基板上にスパッタ法によりＴａを１μｍ堆積させた。前記Ｔａを堆積させた基板を４００℃に加熱してＴａ付き基板の上面を均一に機械的にプレスし、溝内部にＴａを埋め込んだ。次に基板の溝上部にはみ出している金属を研磨により除去し、光学面を形成した。
【００４６】
次に、Ｔｉ３Ｏ５及びＳｉＯ２からなる５層の無反射コーティングを前記基板の両面に施した。次に、この６インチ基板を１５ｍｍ角に切断して、１５ｍｍ角の偏光子を６０枚得た。この基板の前記溝の断面を電子顕微鏡で観察したところ前記溝にＴａが均等に埋め込まれていた。
【００４７】
この偏光子の消光比と挿入損失を測定したところ、例えば波長１５５０ｎｍで減衰モードの挿入損失は４０ｄＢと大きく、これと直交する偏波を偏光子に入射したときの透過モードの挿入損失は０．１５ｄＢ以下と小さかった。
【００４８】
（実施例５）
６インチのＳｉＯ２基板の表面にＸ線リソグラフィーおよび反応性イオンビームエッチングにより線状に周期ｐが０．２μｍの溝加工を施した。この溝は幅ｗが０．１μｍ、深さｈが０．２μｍとなるよう加工した。
【００４９】
次に蒸着法によりＡｌを1μｍ堆積させた。前記Ａｌを堆積させた基板を４００℃に加熱してＡｌ付き基板の上面を均一に機械的にプレスし、溝内部にＡｌを埋め込んだ。次に基板の溝上部にはみ出している金属を研磨により除去し、光学面を形成した。
【００５０】
次に、Ｔｉ３Ｏ５及びＳｉＯ２からなる５層の無反射コーティングを前記基板の両面に施した。次に、この６インチ基板を１５ｍｍ角に切断して、１５ｍｍ角の偏光子を６０枚得た。この基板の前記溝の断面を電子顕微鏡で観察したところ前記溝にＡｌが均等に埋め込まれていた。
【００５１】
この偏光子の消光比と挿入損失を測定したところ、例えば波長１５５０ｎｍで減衰モードの挿入損失は４５ｄＢと大きく、これと直交する偏波を偏光子に入射したときの透過モードの挿入損失は０．１５ｄＢ以下と小さかった。
【００５２】
（実施例６）
実施例１で作製した１５ｍｍ角の第１の偏光子、及び実施例１と同じ方法で作製した６インチ偏光子基板の線状の溝に対して±４５°ずれた方向に切断して得た１５ｍｍ角形状の第２の偏光子、及び波長１５５０ｎｍでファラデー回転角が４５ｄｅｇとなるよう膜厚が調整された１５ｍｍ角のファラデー回転子を各々切り出した面を揃える様にして貼り合わせた。貼り合わせにはシリコーン製接着剤を用いた。次に、第１の偏光子、ファラデー回転子及び第２の偏光子を貼り合わせた１５ｍｍ角の光学素子を０．６ｍｍ角に切断し４４０ヶの光学素子チップを得た。この光学素子チップを円筒型のマグネット内に入れ光アイソレータを構成した。この光アイソレータ全てについて波長１５５０ｎｍにおいて順方向の挿入損失と逆方向の挿入損失を評価したところ、それぞれ０．２５ｄＢ、及び４０ｄＢであり、良好な値が得られた。
【００５３】
（比較例）
従来法である、リフトオフ法により基板上に金属グリッドを形成し、偏光子を作製した。まず、６インチのＳｉＯ２基板の表面にレジストを塗布した。次にＥ−Ｂ（電子ビーム）直接描画法により、線状に周期が０．６μｍ、グリッド幅が０．３μｍのレジストパターンを形成した。その上に電子ビーム蒸着機によりＣｒを１０ｎｍ蒸着し、その後Ａｕを９０ｎｍ蒸着して合計で高さが０．１μｍのグリッドを形成した。その後、基板をレジスト剥離液中に漬してレジスト及びレジスト上の金属を除去した。
【００５４】
次に、Ｔｉ３Ｏ５及びＳｉＯ２からなる５層の無反射コーティングを前記基板の両面に施した。次に、この６インチ基板を１５ｍｍ角に切断して、１５ｍｍ角の偏光子を６０枚得た。
【００５５】
この偏光子の消光比と挿入損失を測定したところ、例えば波長１５５０ｎｍで減衰モードの挿入損失は１５ｄＢと小さく、これと直交する偏波を偏光子に入射したときの透過モードの挿入損失は０．３ｄＢと大きかった。
【００５６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明による偏光子は特に近赤外の透過型偏光子として、光アイソレータ等の光学部品で必要とされる３０ｄＢ以上の消光性能が得られ、かつ挿入損失が０．１５ｄＢ以下と光学部品として充分小さく、なおかつ例えば６インチ（１５０ｍｍ）以上の大面積基板を用いて一括して偏光子を作製出来ることから安価な偏光子が得られる。また、この偏光子を用いた光アイソレータは、従来と同等以上の特性を示したことより、この偏光子を用いる光アイソレータ等の光学部品を高品質かつ低価格で提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏光子の概略図であり、（ａ）は本発明の偏光子の一例を示す概略図であり、（ｂ）は本発明の偏光子の別の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の偏光子の製造方法の一例を示すフロー図である。
【図３】本発明の偏光子の特性を示す図である。
【符号の説明】
１…基板、 ２…溝、 ３…金属、 ４…無反射コート、
２０…溝、
１０，１００…偏光子。
【発明の属する技術分野】
本発明は偏光子に関し、特に光アイソレータや光サーキュレータ、光アッテネータ、半導体レーザの偏波制御などに用いられる近赤外の透過型偏光子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の発展とともに、例えば半導体レーザの信頼性向上のため、半導体レーザチップへの戻り光を遮断するための光アイソレータが使用される。この光アイソレータは、１つの偏波成分を通過させ、それと直交する偏波成分は遮断する偏光子、偏波を非相反に回転させるファラデー回転子よりなる。
【０００３】
従来、前記偏光子としては、例えばアルミノホウ珪酸ガラス表面層に細長い銀粒子を配向させた偏光ガラス（例えば米国特許第6,221,480号、日本国特許第2,885,655号）が用いられている。これらのものは、光を遮断する消光性能が５０ｄＢ程度と極めて高く、透過方向の光の挿入損失が無反射コートをすると０．１ｄＢ未満と低損失である。しかし、一方でこのような偏光ガラスから成る偏光子は高価であり、このような偏光ガラスを用いる光アイソレータ等の製品も高価となるという問題がある。
【０００４】
また、他の偏光子として金属グリッドを基板上に配列させるグリッド偏光子が有る。例えば、米国特許第4,049,944号、第4,289,381号、第5,748,368号には、半導体パターン形成技術を使用した偏光子が開示されている。
【０００５】
米国特許第4,049,944号では、(i)レジストを塗布、(ii)干渉パターンを露光し選択域のレジストを除去、(iii)イオンビームで部分エッチングする、以上の工程を含むウエーハの表面形状をコントロールするプロセスが開示されている。
米国特許第4,289,381号では(i)金属層を形成し、(ii)フォトリソにより金属グリッドを形成、(iii)その上に絶縁層形成、(iv)第２の金属層形成、(v)無反射コート形成、(vi)フォトリソにより第２の金属グリッドを形成する薄膜偏光子の製造方法が開示されている。
【０００６】
また、米国特許第5,748,368号には、波長０．４〜１．０μｍの光を入射光として、基板上に形成される複数の金属グリッドの断面形状が、０．２＜ｈ／ｄ＜０．９、０．５＜ｂ／ｄ＜０．９、７０°＜ｓ＜１００°（ｈは金属の厚み、ｂは金属グリッド厚みの中点での金属グリッド幅、ｄは金属グリッドの周期、ｓは基板と金属グリッド側面の角度）を満たす偏光光学素子が開示されている。
【０００７】
また、Optics Letters March 15,1997/Vol.22 No.6 pp.416-421（H.Tamada et.al）には石英基板にＥ−Ｂ（電子ビーム）直接描画及びリフトオフ法により形成されたＡｌワイヤーグリッド偏光子が示されている。この公知例には、Ａｌグリッドと空隙の幅の合計が０．３９μｍでＡｌグリッドの高さが２６８．３ｎｍであるＡｌワイヤーグリッド偏光子は、波長０．７８μｍで、一例としてグリッドに対し垂直な偏波を入射した時、すなわちＳ偏光の透過率Ｔｓが８０％（ロス１ｄＢ)、Ｓ偏光とＰ偏光の比Ｔｓ／Ｔｐ＝３０（逆方向ロス１４．８ｄＢ）が得られていることが示されている（同文献ｐ．４２０）。
これらのグリッド偏光子は、偏光機能を有するものの消光性能が上記偏光ガラスにくらべ劣り、光挿入損失がやや大きいという問題がある。
【０００８】
また、米国特許第5,772,905号には２００ｎｍ以下のピッチを持つモールドを基板上のフィルムに押し付けてパターンを転写し、転写後、膜の薄くなった部分を除去するプロセスを含むリソグラフィー法が開示されている。同特許の図７の図説で１００ｎｍ幅で膜厚Ｔｉ５ｎｍ，Ａｕ１５ｎｍがリフトオフにより形成されており、この時基板上に形成された金属グリッドの幅と高さの比（金属幅／高さ）が０．２５である公知例が開示されている。
【０００９】
この技術を用いれば、上記の様なグリッド周期が短く、金属グリッドの幅に比べて高さが高い金属グリッドを作製し、偏光子の消光性能、挿入損失を向上させることができると考えられる。しかし、この方法では、例えば６インチ以上の大面積で金属グリッドを形成することは難しく、偏光子の生産性が低くなる欠点がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、前述した従来技術の問題点を解決して、消光性能が優れ、挿入損失が小さい安価な透過型偏光子を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、透過型偏光子であって、少なくとも、基板上に周期ｐが０．３μｍ以下で溝が線状に形成され、該溝の深さｈは溝の幅ｗに対しｈ＞ｗであり、前記溝にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏから選択される金属もしくはこれらの金属を含む複合金属が埋め込まれているものであることを特徴とする透過型偏光子である。
【００１２】
このような本発明の偏光子は、消光性能が優れ、挿入損失が小さな偏光子となる。さらに、本発明の偏光子は、いわゆるダマシンプロセスを含む製造方法により、簡単かつ低コストで製造することができるため、極めて安価なものとすることができる。
【００１３】
この場合、前記溝の幅ｗが０．１５μｍ以下であることが好ましい。
このように金属が埋め込まれた溝の幅ｗが０．１５μｍ以下であれば、透過する光の損失が小さいものとなる。
【００１４】
また、前記基板上には、前記線状の溝の直交方向にも１μｍ以上の周期で溝が形成されていることが好ましい。
このように前記線状の溝の直交方向にも１μｍ以上の周期で溝があれば、偏光子の消光性能は維持されたままで、透過モードの偏光子のロスが低減されたものとなる。
【００１５】
また、前記基板はＳｉＯ２から成るものとすることが好ましい。
ＳｉＯ２は光学的特性、および物理的・化学的安定性に優れているため、偏光子の基板材料として好ましいからである。
【００１６】
そして、本発明の偏光子は、近赤外用の透過形偏光子とすることができる。
本発明の偏光子は、容易にグリッドの周期を短くすることができるため、例えば波長の短い近赤外用の透過形偏光子として特に適したものとなる。
【００１７】
さらに本発明は、光アイソレータであって、本発明の偏光子を少なくとも１つ用いて成ることを特徴とする光アイソレータである。
前述のように、本発明の偏光子は消光性能に優れ、挿入損失が小さいため、これを用いて成る光アイソレータも高性能のものとすることができる。さらに、本発明の偏光子は安価なものであるため、それを用いて成る光アイソレータも安価なものとすることができる。
【００１８】
また本発明は、透過型偏光子の製造方法であって、少なくとも、基板上に周期ｐが０．３μｍ以下で溝を線状に形成し、この時該溝の深さｈを溝の幅ｗに対しｈ＞ｗとし、前記基板上にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏから選択される金属もしくはこれらの金属を含む複合金属を形成して前記溝に金属を埋め込み、前記溝よりはみ出した金属を除去することを特徴とする透過型偏光子の製造方法である。
【００１９】
このように本発明の製造方法は、いわゆるダマシンプロセスを含む工程により偏光子を製造する。そのため、従来のリフトオフ法等に比べて、幅が狭く、金属グリッドの幅と高さの比が小さい金属グリッドを簡単に作製することができ、消光性能、挿入損失に優れた偏光子を低コストで製造することができる。さらに、この方法によれば、例えば６インチ以上の大面積基板を用いて一度に大量の偏光子の作製ができるため、偏光子製造の生産性を向上させることができる。
【００２０】
この場合、前記基板に形成する溝は、溝の幅ｗを０．１５μｍ以下とすることが好ましい。
このような溝の幅ｗとすることにより、透過する光の損失を小さくすることができる。
【００２１】
この場合、前記基板上に溝を形成する際に、前記線状の溝の直交方向にも１μｍ以上の周期で溝を形成することが好ましい。
このように、線状の溝の直交方向にも１μｍ以上の周期で溝を形成することにより、消光性能を維持したまま偏光子のロスを低減することができる。
【００２２】
また、前記基板にはＳｉＯ２から成る基板を用いることが好ましい。
このように基板としてＳｉＯ２から成る基板を用いれば、ＳｉＯ２は光学特性、および物理的・化学的安定性にすぐれているため、高品質の偏光子を簡単に製造することができる。
【００２３】
また、前記溝よりはみ出した金属の除去は研磨により行うことが好ましい。
研磨であれば、溝からはみ出した金属を容易に除去できるし、除去後の形状もきわめて高精度のものとすることができる。
【００２４】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明者らは、ダマシンプロセスを含む工程により作製された偏光子が、消光性能が優れ、挿入損失が小さい安価な近赤外用の偏光子を実現できることを見出し、本発明を完成させた。
【００２５】
前述したように、従来は、リソグラフィ法によりパターンを形成した後、リフトオフ法により金属グリッドを形成する方法等により、透過型グリッド偏光子は製造されていた。しかし、このような方法は、グリッド幅を狭くし、グリッド幅に比べてグリッドの高さを高くして、消光性能に優れた偏光子を低コストで生産することが難しかった。
【００２６】
そこで、本発明者は、偏光子の金属グリッドの形成にダマシンプロセスを応用することを発想した。ダマシンプロセスは、基板上に作られた溝や穿孔等の凹部を金属で埋め、次に、溝や穿孔からはみ出した余分な金属を研磨等により除去する方法である。余分な金属を除去した後には、基板上に金属配線が、基板上に作られた型と同じ形のまま残ることになる。このような方法であれば、ＡｕやＣｕのような軟らかい金属であっても、簡単にグリッド幅が狭く、グリッド幅に比べてグリッドの高さが高い（溝が深い）グリッド構造を形成することができる。
本発明はこのような基本思想に基づき、諸条件を検討の結果、完成したものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明に関わる偏光子の製造方法のフローを図２に示す。まず、例えばＳｉＯ２基板１上にＸ線リソグラフィー法及び反応性イオンビームエッチング等により線状に周期ｐが０．０８μｍ〜０．３μｍの溝２を形成する（ａ）。
【００２８】
溝２の周期ｐを０．３μｍ以下とするのは、周期ｐを近赤外域の波長よりも短くして光の回折効果を抑え、消光性能を向上させるためである。この場合、周期ｐが０．３μｍより長いと偏光性能が劣化する。そのため、周期ｐはできるだけ短くすることが望ましいが、周期ｐを０．０８μｍより短くすることは、溝の加工が現段階では難しい。さらに、この溝２の深さｈは、溝の幅ｗより大きく設定する。このようにすることにより消光性能が優れた偏光子となる。
【００２９】
また、この溝２の幅ｗは０．０３〜０．１５μｍとする。溝の幅ｗを０．１５μｍ以下とすることにより、透過する光の損失を小さくできる。そのため、溝の幅ｗもできるだけ狭くすることが望ましいが、溝の幅ｗを０．０３μｍより短くすることは現段階では加工が難しい。
【００３０】
次に溝加工した基板１上にスパッタ、もしくは蒸着法等によりＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏから選択される金属もしくはこれらの金属を含む複合金属を形成して、溝２に前記金属３を埋め込む（ｂ）。次いで該溝２よりはみ出した金属３を研磨等により除去する（ｃ）。
【００３１】
溝２に前記金属３を埋め込む他の方法としては、例えば前記金属の微粒子を分散させたペーストを溝加工した基板１に塗布し、熱処理して有機物成分を揮発させるなどの方法でも良い。あるいは、スパッタ等により金属３を堆積させた基板１を４００℃程度の温度に加熱し、金属付き基板１の上面を均一にプレスして、溝２に金属３を埋め込んでもよい。
【００３２】
以上のようなダマシンプロセスにより金属を埋め込んだ基板の両面に無反射コート４を例えば蒸着法により形成し（ｄ）、基板をチップに切断して本発明による近赤外用の偏光子１０を得ることが出来る（ｅ）。上記ダマシンプロセスでは、６インチ以上の大面積の基板であっても容易に金属グリッドを形成することができるため、１枚の基板当りに製造できる偏光子は多く、偏光子を高生産性、低コストで製造することができる。
【００３３】
図１（ａ）に示すように、このようにして製造された本発明の偏光子１０は、基板１上の線状の溝２に金属グリッドが形成されたものとなる。この本発明の偏光子１０は、基本的にはグリッド偏光子として機能するが、波長に対して溝２の周期を短くしたため光の回折効果を抑えることができ、この溝２の深さｈは、幅ｗより大きく設定したことで消光性能が優れた透過型の偏光子を簡便に構成できる。さらにこの場合、金属を埋め込む溝２の幅ｗが０．１５μｍ以下であることより透過する光の損失を小さくすることが出来る。
【００３４】
また、図１（ｂ）に示す偏光子１００のように、前記基板上に溝を線状に形成する際には、前記線状の溝２の直交方向にも１μｍ以上の周期で溝２０をもたせることで消光性能を維持したまま偏光子の透過モードのロスを低減することができる。ここで、前記溝２０の周期が１μｍより小さい場合、消光性能が急激に劣化するため好ましくなく、この溝２０の周期は１μｍ以上とする。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
６インチのＳｉＯ２基板の表面にＸ線リソグラフィーによりレジストパターンを形成し、反応性イオンビームエッチングにより線状に周期ｐが０．２μｍの溝加工を施した。この溝は幅ｗが０．１μｍ、深さｈが０．２μｍとなるよう加工した。
【００３６】
次にスパッタ法により下地としてＣｒを１００Å堆積させ、その後Ａｕを１μｍ堆積させ、溝内部にＡｕを埋め込んだ。次に基板の溝上部にはみ出している金属を研磨により除去し、光学面を形成した。
【００３７】
次に、Ｔｉ３Ｏ５及びＳｉＯ２からなる５層の無反射コーティングを前記基板の両面に施した。次に、この６インチ基板を前記線状の溝と平行及び垂直な方向に切断して６０枚の１５ｍｍ角形状の偏光子を得た。この基板の前記溝の断面を電子顕微鏡で観察したところ前記溝にＡｕが均等に埋め込まれていた。
【００３８】
この偏光子の消光比と挿入損失を測定したところ、例えば波長１５５０ｎｍで減衰モードの挿入損失は４３ｄＢと大きく、これと直交する偏波を偏光子に入射したときの透過モードの挿入損失は０．１ｄＢ以下と小さかった。また、この偏光子の消光性能の波長依存性を測定したところ、図３に示すように、波長１３００ｎｍ〜１６５０ｎｍの広い波長域において消光比約４０ｄＢ，ロス０．１ｄＢと高消光比でロスが小さな透過型の偏光子が作製できた。
【００３９】
（実施例２）
６インチのＳｉＯ２基板の表面にＸ線リソグラフィーによりレジストパターンを形成し、反応性イオンビームエッチングにより線状に周期ｐが０．２μｍの溝加工を施した。この溝は幅ｗが０．１μｍ、深さｈが０．２μｍとなるよう加工した。
【００４０】
次に、基板上にスパッタ法により下地としてＣｒを１００Å堆積させ、その後Ａｕを1μｍ堆積させ、前記Ａｕを堆積させた基板を４００℃に加熱してＡｕ付き基板の上面を均一に機械的にプレスし、溝内部にＡｕを埋め込んだ。次に基板の溝上部にはみ出している金属を研磨により除去し、光学面を形成した。
【００４１】
次に、実施例１と同様にしてＴｉ３Ｏ５及びＳｉＯ２からなる５層の無反射コーティングを前記基板の両面に施した。次に、この６インチ基板を前記の線状の溝と平行及び垂直な方向に切断して６０枚の１５ｍｍ角形状の偏光子を得た。この基板の前記溝の断面を電子顕微鏡で観察したところ前記溝にＡｕが均等に埋め込まれていた。
【００４２】
この偏光子の消光比と挿入損失を測定したところ、例えば波長１５５０ｎｍで減衰モードの挿入損失は４４ｄＢと大きく、これと直交する偏波を偏光子に入射したときの透過モードの挿入損失は０．１ｄＢ以下と小さかった。
【００４３】
（実施例３）
６インチのＳｉＯ２基板の表面にＸ線リソグラフィーおよび反応性イオンビームエッチングにより線状に周期ｐが０．２μｍの溝加工を施した。この溝は幅ｗが０．１μｍ、深さｈが０．２μｍとなるよう加工した。この実施例３では、上記周期ｐが０．２μｍである線状の溝の直交方向にも２．５μｍの周期で０．５μｍの幅の溝を形成した。すなわち、上記周期ｐが０．２μｍである線状の溝の間にある凸部は、長手方向に周期２．５μｍ毎に、２μｍの長さは凸で残りの０．５μｍは溝と同様の深さにした形状とした。それ以外は実施例１と同様に偏光子を作製した。この偏光子の特性を評価したところ消光比は実施例１と同様で、透過モードのロスは０．０８ｄＢと実施例１に比べ低減されていた。
【００４４】
（実施例４）
６インチのＳｉＯ２基板の表面にＸ線リソグラフィーおよび反応性イオンビームエッチングにより線状に周期ｐが０．２μｍの溝加工を施した。この溝は幅ｗが０．１μｍ、深さｈが０．２μｍとなるよう加工した。
【００４５】
次に基板上にスパッタ法によりＴａを１μｍ堆積させた。前記Ｔａを堆積させた基板を４００℃に加熱してＴａ付き基板の上面を均一に機械的にプレスし、溝内部にＴａを埋め込んだ。次に基板の溝上部にはみ出している金属を研磨により除去し、光学面を形成した。
【００４６】
次に、Ｔｉ３Ｏ５及びＳｉＯ２からなる５層の無反射コーティングを前記基板の両面に施した。次に、この６インチ基板を１５ｍｍ角に切断して、１５ｍｍ角の偏光子を６０枚得た。この基板の前記溝の断面を電子顕微鏡で観察したところ前記溝にＴａが均等に埋め込まれていた。
【００４７】
この偏光子の消光比と挿入損失を測定したところ、例えば波長１５５０ｎｍで減衰モードの挿入損失は４０ｄＢと大きく、これと直交する偏波を偏光子に入射したときの透過モードの挿入損失は０．１５ｄＢ以下と小さかった。
【００４８】
（実施例５）
６インチのＳｉＯ２基板の表面にＸ線リソグラフィーおよび反応性イオンビームエッチングにより線状に周期ｐが０．２μｍの溝加工を施した。この溝は幅ｗが０．１μｍ、深さｈが０．２μｍとなるよう加工した。
【００４９】
次に蒸着法によりＡｌを1μｍ堆積させた。前記Ａｌを堆積させた基板を４００℃に加熱してＡｌ付き基板の上面を均一に機械的にプレスし、溝内部にＡｌを埋め込んだ。次に基板の溝上部にはみ出している金属を研磨により除去し、光学面を形成した。
【００５０】
次に、Ｔｉ３Ｏ５及びＳｉＯ２からなる５層の無反射コーティングを前記基板の両面に施した。次に、この６インチ基板を１５ｍｍ角に切断して、１５ｍｍ角の偏光子を６０枚得た。この基板の前記溝の断面を電子顕微鏡で観察したところ前記溝にＡｌが均等に埋め込まれていた。
【００５１】
この偏光子の消光比と挿入損失を測定したところ、例えば波長１５５０ｎｍで減衰モードの挿入損失は４５ｄＢと大きく、これと直交する偏波を偏光子に入射したときの透過モードの挿入損失は０．１５ｄＢ以下と小さかった。
【００５２】
（実施例６）
実施例１で作製した１５ｍｍ角の第１の偏光子、及び実施例１と同じ方法で作製した６インチ偏光子基板の線状の溝に対して±４５°ずれた方向に切断して得た１５ｍｍ角形状の第２の偏光子、及び波長１５５０ｎｍでファラデー回転角が４５ｄｅｇとなるよう膜厚が調整された１５ｍｍ角のファラデー回転子を各々切り出した面を揃える様にして貼り合わせた。貼り合わせにはシリコーン製接着剤を用いた。次に、第１の偏光子、ファラデー回転子及び第２の偏光子を貼り合わせた１５ｍｍ角の光学素子を０．６ｍｍ角に切断し４４０ヶの光学素子チップを得た。この光学素子チップを円筒型のマグネット内に入れ光アイソレータを構成した。この光アイソレータ全てについて波長１５５０ｎｍにおいて順方向の挿入損失と逆方向の挿入損失を評価したところ、それぞれ０．２５ｄＢ、及び４０ｄＢであり、良好な値が得られた。
【００５３】
（比較例）
従来法である、リフトオフ法により基板上に金属グリッドを形成し、偏光子を作製した。まず、６インチのＳｉＯ２基板の表面にレジストを塗布した。次にＥ−Ｂ（電子ビーム）直接描画法により、線状に周期が０．６μｍ、グリッド幅が０．３μｍのレジストパターンを形成した。その上に電子ビーム蒸着機によりＣｒを１０ｎｍ蒸着し、その後Ａｕを９０ｎｍ蒸着して合計で高さが０．１μｍのグリッドを形成した。その後、基板をレジスト剥離液中に漬してレジスト及びレジスト上の金属を除去した。
【００５４】
次に、Ｔｉ３Ｏ５及びＳｉＯ２からなる５層の無反射コーティングを前記基板の両面に施した。次に、この６インチ基板を１５ｍｍ角に切断して、１５ｍｍ角の偏光子を６０枚得た。
【００５５】
この偏光子の消光比と挿入損失を測定したところ、例えば波長１５５０ｎｍで減衰モードの挿入損失は１５ｄＢと小さく、これと直交する偏波を偏光子に入射したときの透過モードの挿入損失は０．３ｄＢと大きかった。
【００５６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明による偏光子は特に近赤外の透過型偏光子として、光アイソレータ等の光学部品で必要とされる３０ｄＢ以上の消光性能が得られ、かつ挿入損失が０．１５ｄＢ以下と光学部品として充分小さく、なおかつ例えば６インチ（１５０ｍｍ）以上の大面積基板を用いて一括して偏光子を作製出来ることから安価な偏光子が得られる。また、この偏光子を用いた光アイソレータは、従来と同等以上の特性を示したことより、この偏光子を用いる光アイソレータ等の光学部品を高品質かつ低価格で提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏光子の概略図であり、（ａ）は本発明の偏光子の一例を示す概略図であり、（ｂ）は本発明の偏光子の別の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の偏光子の製造方法の一例を示すフロー図である。
【図３】本発明の偏光子の特性を示す図である。
【符号の説明】
１…基板、 ２…溝、 ３…金属、 ４…無反射コート、
２０…溝、
１０，１００…偏光子。
Claims (9)
- 透過型偏光子であって、少なくとも、基板上に周期ｐが０．３μｍ以下で溝が線状に形成され、該溝の深さｈは溝の幅ｗに対しｈ＞ｗであり、前記線状の溝の直交方向にも１μｍ以上の周期で溝が形成され、前記溝にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏから選択される金属もしくはこれらの金属を含む複合金属が埋め込まれているものであることを特徴とする透過型偏光子。
- 請求項１に記載の偏光子であって、前記溝の幅ｗが０．１５μｍ以下であることを特徴とする偏光子。
- 請求項１または請求項２に記載の偏光子であって、前記基板はＳｉＯ２から成ることを特徴とする偏光子。
- 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の偏光子であって、近赤外用の透過形偏光子であることを特徴とする偏光子。
- 光アイソレータであって、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の偏光子を少なくとも１つ用いて成ることを特徴とする光アイソレータ。
- 透過型偏光子の製造方法であって、少なくとも、基板上に周期ｐが０．３μｍ以下で溝を線状に形成し、この時該溝の深さｈを溝の幅ｗに対しｈ＞ｗとし、また、前記線状の溝の直交方向にも１μｍ以上の周期で溝を形成し、前記基板上にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏから選択される金属もしくはこれらの金属を含む複合金属を形成して前記溝に金属を埋め込み、前記溝よりはみ出した金属を除去することを特徴とする透過型偏光子の製造方法。
- 請求項６に記載の偏光子の製造方法であって、前記基板に形成する溝は、溝の幅ｗを０．１５μｍ以下とすることを特徴とする偏光子の製造方法。
- 請求項６または請求項７に記載の偏光子の製造方法であって、前記基板にはＳｉＯ２から成る基板を用いることを特徴とする偏光子の製造方法。
- 請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の偏光子の製造方法であって、前記溝よりはみ出した金属の除去は研磨により行うことを特徴とする偏光子の製造方法。
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