JP3914598B2

JP3914598B2 - 偏光素子

Info

Publication number: JP3914598B2
Application number: JP28875296A
Authority: JP
Inventors: 恭史佐藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1996-10-30
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2016-10-30
Also published as: JPH10133015A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用機器、光記録用機器、光センサ等に使用される偏光素子に関するものであり、特に光通信用機器に用いられる光アイソレータに好適な偏光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
古くより、材料を延伸することによって得られる光学異方性を利用した部品は存在しており、例えば高分子フィルムを用いた、いわゆる偏光フィルム等が広く知られている。
【０００３】
また、ガラス中に分散させた微細な異方性金属粒子によって、赤外域で偏光特性を発揮する偏光素子も知られており、上記高分子フィルムを用いたものより損失が小さく、しかも耐久性も高いため、光通信の分野で盛んに使用されている。例えば、このような偏光素子は次のようにして作製される。ハロゲン化銀を含むガラス中に熱処理によりハロゲン化銀を凝集させ、次いで加熱押し出し成形により微細なハロゲン化銀粒子の回転楕円体への変形と、該回転楕円体の長軸方向の配向を同時に行なった後に、ハロゲン化銀を金属銀に還元して偏光特性を生じるようにして偏光素子を作製するのである（特開昭５６−１６９１４０号公報等を参照：以下、溶融法という）。
【０００４】
図６に示すように、このような偏光素子Ｐは、ガラス１１中に回転楕円体状を成す金属粒子１３が分散されており、透過入射光線１２に対して金属粒子１３の長軸方向の偏光成分１４を吸収し、短軸方向の偏光成分１５をほとんど透過させることで偏光素子Ｐとして動作させるものである。
【０００５】
ところが、上記溶融法により得られた偏光素子は、ハロゲン化銀を金属銀に還元するための還元ガスを導入する場合がある。この還元ガスは他の物質と反応するので、取扱いに注意を要するうえ高価であるという問題を有している。
【０００６】
また、還元はハロゲン化銀の表面から進行するため、偏光に関わる部分は表面から数１０μｍ程度の深さであることから、大部分の銀はハロゲン化銀のままとなる。このため、材料活用の面からすれば非常に使用効率が悪く、しかも光学特性の面からも、偏光特性に関与しないハロゲン化銀は挿入損失増加の要因にもなるなどの問題も有している。
【０００７】
これら諸問題に対応するために、同じくガラス中に金属微粒子を分散させた偏光素子として、次のようなものが提案されている。この偏光素子は金属粒子を分散させるために、ガラス等の誘電体基板上に真空蒸着等の薄膜作製プロセスを利用して金属を島状に成膜した島状金属粒子の膜と、ガラス等から成る誘電体膜とを交互に形成し、加熱し引き延ばすこと（以下、単に延伸という）によって島状金属粒子に対して異方性をもたせるようにしたものもある（以下、薄膜法という）。このような薄膜法は、上記溶融法と比較すると、還元が不要になる、プロセスが容易になる等の利点を有している。（例えば、１９９０年電子情報通信学会秋期全国大会予稿集Ｃ−２１２を参照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記偏光子はいずれも、金属粒子の形状の異方性により偏光特性を生じるものである。図６に示す偏光成分１５の吸収（透過方向損失）は少ないほど優れた特性となり、一方、偏光成分１４の吸収（遮断方向損失）は多いほど良い（両者の吸収量の差は一般に消光比と称するものである）。ここで、金属粒子１３の長軸方向は、動作波長に応じた長さに制限されるが、波長１３１０ｎｍにて有効な遮断方向損失を得るためには、金属粒子が銅の場合、長軸長さはおよそ２００ｎｍ程度である。また、透過方向損失を少なくするためには、金属粒子１３の短軸は短いほど良い。
【０００９】
上記２つの製造方法による偏光子の金属粒子の形態を示したのが図７（ａ）〜（ｃ）である。いずれの方法であっても、金属粒子１３は延伸方向（図７のＹ方向）に長い回転楕円体状になっている。すなわち、図７（ｂ）に示すようにＸＺ平面に対する断面は円形になっている。熱塑性変形（以下、基板の変形により金属粒子に異方性と配向性が付与される工程を総称して、単に熱塑性変形という）において、延伸の場合は、延伸と垂直な方向（図７のＸＺ方向）には金属粒子に対して等しい圧力が加わるためである。また、押し出し成形の場合も図７のＹ方向に材料を押し出すが、その際の金型のＸＺ方向の絞り込みが同じであるため、延伸と同様にＸＺ方向には等しい圧力が加わるためである。
【００１０】
このように、金属粒子が回転楕円体の場合、延伸前の粒子径と延伸後の長軸長さが決まれば、短軸長さが一意的に定まってしまう。長軸長さは動作波長で限定されるので、短軸長さを短くするには、延伸前の粒子径を小さくする必要があるが、溶融法では、拡散凝集課程で凝集する粒子径が決まるので、誘電体と金属、あるいは誘電体と金属化合物との組み合わせでほぼ粒子径は定まる。また、薄膜法では、島状金属形成は連続膜形成過程で生じるため任意の粒子径を得るのは制限がある。
【００１１】
このように、延伸前の金属粒子径を制御するのはどちらの方法も困難である。さらに、偏光子に要求される動作波長は、可視域から１．６μｍ程度までと様々だが、その度に異なる長軸長さを持つ金属粒子が必要で、延伸前の金属粒子径と熱塑性変形後の長軸長さを制御しなければならない。そのため、必要な波長で十分低い透過方向損失にならなかったり（延伸前の粒子径の制限から短軸長さを十分制御できないため）、延伸前の粒子径を変えるために、材料を変更しなければならなかったり、粒子を誘電体中に分散する方法（溶融法や薄膜法）の制限があった。
【００１２】
そこで、本発明は上記諸問題を解消し、熱塑性変形前の金属粒子の寸法制御の許容範囲が広く、熱塑性変形においても光の透過方向（入射光線）に垂直な面内での金属粒子のアスペクト比の制御が容易で、さらに、高消光比で且つ高信頼性を有する優れた偏光素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
それぞれが互いに直交するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸で規定された３次元空間において、誘電体基板と、前記誘電体基板上に設けられ、誘電体中に形状異方性を有する多数の金属粒子が配向して成る金属粒子層と、前記誘電体基板と同一材料からなる誘電体層と、がＺ軸方向に複数層、交互に積層された偏光層と、を含む偏光素子であって、金属粒子は、Ｚ軸方向（ただし、Ｚ軸に対して±１５°の許容範囲があるものとする。）へ進行する入射光線に対してＸＹ平面、ＸＺ平面、及びＹＺ平面で切られた各断面において、それぞれ異なったアスペクト比（長軸長さ／短軸長さ）を有する偏平形状を成し、前記金属粒子の長さの最も短い方向がＸＹ平面内にあることを特徴とする。
【００１５】
また、特に金属粒子が均一に誘電体中に分散しているとよく、また、例えば、誘電体基板上に金属粒子の層と誘電体層とが交互に積層されていてもよい。
【００１６】
また、金属粒子に異方性及び配向性を与えるための熱塑性変形を圧延もしくは押し出しよって行うことが可能である。
【００１７】
【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詳細に説明する。
図１に示すように、偏光素子Ｐ１は、透光性を有するガラスから成る誘電体基板１の主面上に、誘電体層２中に後記する熱塑性変形により異方性と配向性が付与された金属粒子３ａが分散された金属粒子層３と、誘電体基板１と同一材料の誘電体層２とが、交互に積層された偏光層Ｈを設けたものであり、多数の金属粒子３ａでもって偏光作用を成すことができる。
【００１８】
ここで、金属粒子３ａは図２のように偏平形状を成すものである。すなわち、金属粒子３ａは、図２（ａ），（ｃ）に示すように、入射光線の進行方向をＺ軸方向（ただし、Ｚ軸に対して±１５°の許容範囲があるものとする。）としたときに、ＸＹ平面及びＹＺ平面においてだけでなく、図２（ｂ）に示すように、ＸＺ平面においても楕円状になった偏平形状を成している。また、金属粒子３ａの長さの最も短い方向がＸＹ平面にある。そして、各断面におけるアスペクト比（長軸の長さ／短軸の長さ）は使用する偏光素子の種類によって適宜決められるが、少なくともＸＹ平面におけるアスペクト比は１．２以上としなければ所望の特性が得られない。
【００１９】
このように、光は金属粒子３ａにおける楕円の長軸と短軸の比が最も大きいＸＹ平面に対してＺ軸方向に入射する。このことは光の進行方向に対する金属粒子の長さ（Ｚ軸方向の長さ）は、同一の動作波長に対し大きな許容範囲を持つことを意味する。
【００２０】
例えば、金属粒子に銅を適用した場合、図２におけるＸ軸方向、及びＹ軸方向は、それぞれ２００ｎｍ、３０ｎｍ程度の寸法に対し、Ｚ軸方向は１０ｎｍから数十μｍが許容される。
【００２１】
金属粒子の熱塑性変形に際し、許容範囲の大きな１軸を持つことにより、同一の粒子寸法であっても、延伸後の寸法の制御が容易になる。逆に、延伸前の粒子寸法の許容範囲を大きく広げることが可能になる。これは、熱塑性変形後の金属粒子の長軸と短軸を別個に加減できるからである。
【００２２】
かくして、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸のそれぞれが異なる比の楕円体となり、これにより延伸前の金属粒子の寸法制御範囲を広げ、熱塑性変形による長軸、短軸比の制御を容易にし、優れた偏光特性を得ることができる。
【００２３】
【実施例】
〔例１〕
まず、ホウケイ酸ガラスの一種であるＢＫ- ７からなる誘電体基板を用意し、図３に示すように、この誘電体基板３１上に、銅をスパッタすることによりほぼ球形を成す金属微粒子３２ａから成る島状金属層３２を形成した。また、この島状金属層３２上に誘電体基板３１と同じ材料の誘電体薄膜３３を形成し金属微粒子３２ａを覆った。この工程を１０回繰り返し１０周期からなる交互多層膜Ｋを形成した。ここで、誘電体薄膜３３は中間層３３ａを２００ｎｍ、最上層３３ｂは１０００ｎｍとなるように厚さを制御した。また、熱塑性変形前の銅粒子径は約１００ｎｍとした。
【００２４】
その後、この成膜された誘電体基板（以下、積層体という）を、図４に示すように、約６２０℃にて加熱ローラー１０による圧延を行った。このとき、圧延前の積層体５に対して厚み方向に配置した加熱ローラー１０と横方向に配置した加熱ローラー１１による圧下率をそれぞれ０．８４と０．２８とした。そして、圧延後の積層体６における粒子形状は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向のそれぞれにおいて、約２８ｎｍ、２００ｎｍ、８４ｎｍであった。なお、光はＺ軸方向に透過することになる。また本実施例では、圧延後、最上層表面を化学研磨して反射防止膜を成膜した。
【００２５】
この時の光学特性を測定したところ、波長１３１０ｎｍにて遮断方向の透過率は−４２ｄＢ、透過方向は０．１ｄＢ以下の優れた特性を示した。なお、圧下率を変えない場合、または延伸で長軸長さ２００ｎｍとする場合は、金属粒子はＹ軸に回転対称な回転楕円体になりＸＹＺ軸でそれぞれ約５０ｎｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍとなった。すなわち、金属粒子はＸ方向の光の偏光に対し本発明に比べ約２倍の長さを有し、２倍の透過損失となった。
【００２６】
〔例２〕
島状金属及び誘電体薄膜は例１と同一のものを用い、これらを交互に１０層成膜後、成膜された誘電体基板を、図５に示す加熱押し出し成型機にて熱塑性変形させた。図中７は金型、８はシリンダー、９はプランジャーである。この時、金型７はＸ方向Ｚ方向で絞り込み率をそれぞれ０．２８、０．８４としており、熱塑性変形して得られた偏光素子６は例１と同等の特性を示した。
【００２７】
なお、島状金属と誘電体薄膜の交互多層膜を形成した誘電体基板は、最上層を厚く成膜するほかに、同様の誘電体基板同士を成膜した面が内側になるよう面接合して作製してもよい。また、金属と誘電体を同時に蒸着し、熱処理により所望の寸法の金属粒子を誘電体中に凝集させて、金属粒子の分散体を形成してもよい。さらに熱塑性変形の他の方法として、金型による引き出し法も使用可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明による偏光素子によれば、金属粒子の熱塑性変形に際し、許容範囲の大きな１軸を持つことにより、同一の粒子寸法であっても、延伸後の寸法の制御が容易である。
【００２９】
また、熱塑性変形（例えば延伸）前の粒子寸法の許容範囲を大きく広げることが可能になり、特性の優れた偏光素子の作製をきわめて容易に行える。
【００３０】
また、単に作製工程が簡略化するばかりでなく、入射光の透過偏光方向、遮断偏光方向のそれぞれに対する異方性金属粒子の各軸の寸法が別個に制御可能になり、低挿入損失化が容易で優れた偏光素子を提供することができる。
【００３１】
さらに、材料を何ら変更することなく広い波長範囲に対応し得る優れた偏光素子を容易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る偏光素子の断面図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ各平面における本発明に係る金属粒子の形状を示す断面図。
【図３】本発明に係る熱塑性変形前の偏光素子の断面図。
【図４】本発明の実施例における加熱ローラーを示す斜視図。
【図５】本発明の他の実施例で熱塑性加工に用いる押し出し成型機を示す断面図。
【図６】偏光子の動作を説明する模式図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ各平面における従来の金属粒子の形状を示す断面図。
【符号の説明】
１，３１・・・誘電体基板
２・・・誘電体層
３・・・金属粒子層
７・・・金型
８・・・シリンダー
９・・・プランジャー
１０，１１・・・加熱ローラー
１２・・・入射光
１３・・・金属粒子
１４・・・遮断偏光方向
１５・・・透過偏光方向
Ｈ・・・偏光層
Ｐ１・・・偏光素子

Claims

それぞれが互いに直交するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸で規定された３次元空間において、
誘電体基板と、
前記誘電体基板上に設けられ、誘電体中に形状異方性を有する多数の金属粒子を配向して成る金属粒子層と、前記誘電体基板と同一材料からなる誘電体層と、がＺ軸方向に複数層、交互に積層された偏光層と、
を含む偏光素子であって、
前記金属粒子は、Ｚ軸方向へ進行する入射光線に対して、ＸＹ平面、ＸＺ平面、及びＹＺ平面で切られた各断面において、それぞれ異なったアスペクト比を有する偏平形状を成し、前記金属粒子の長さの最も短い方向がＸＹ平面内にあることを特徴とする偏光素子。
（Ａ）誘電体基板上に、多数の金属粒子からなる島状金属層と、前記誘電体基板と同一材料の誘電体薄膜とを複数層、交互に積層して積層体を形成する工程と、
（Ｂ）前記積層体の厚み方向に設けられた第１加熱ローラーおよび前記積層体の横方向に設けられた第２加熱ローラーを用い、前記第１加熱ローラーの圧下率が前記第２加熱ローラーの圧下率よりも大きくなるようにして前記積層体を圧延して熱塑性変形させる工程と、
を含む偏光素子の製造方法。
（Ａ）誘電体基板上に、多数の金属粒子からなる島状金属層と、前記誘電体基板と同一材料の誘電体薄膜とを複数層、交互に積層して積層体を形成する工程と、
（Ｂ）加熱押し出し成型機を用い、前記加熱押し出し成型機における前記積層体の厚み方向の絞込み率が、前記積層体の横方向の絞込み率よりも大きくなるようにして前記積層体を押し出し成型して熱塑性変形させる工程と、
を含む偏光素子の製造方法。