JP4272659B2 - 偏光子 - Google Patents

Description

本発明は、光通信機器、光記録用機器、光センサー等に使用される偏光子に関し、例えば光通信用機器に用いられる光アイソレータに好適に使用される偏光子に関する。

従来の偏光子Ｐの一例を図３に示す。この偏光子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、入射光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、偏光子Ｐとして動作させるものである。尚、金属粒子１３の長軸と短軸の長さの比をアスペクト比と言う。

このような、光吸収異方性を有する微細な金属粒子１３をガラス１１中に分散させることによって、赤外域の光に対して偏光特性を発揮する偏光子Ｐが知られており、前記偏光子Ｐは高分子フィルムを用いたもの、所謂偏光フィルム等よりも損失が小さく、しかも耐久性が高いため、光通信の分野で活用されている。

また、上記偏光子Ｐは以下のようにして作製される。まず、ハロゲン化銀を含むガラス１１中に、熱処理によりハロゲン化銀を擬集させる。次いで、加熱延伸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への配向を同時に行う。その後、ハロゲン化銀を金属銀に還元して偏光特性が生じるようにし、偏光子を作製する。このような、ガラス１１中にハロゲン化銀を予め溶融させておく方法を溶融法という（特許文献１参照）。

上記溶融法により得られた偏光子Ｐ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必要がある。この還元ガスはハロゲン化銀以外の物質と反応し易いため、取扱いに注意を要するうえ高価であるという問題がある。

また、還元反応はハロゲン化銀の表面から進行するため、内部の大部分の銀はハロゲン化銀のままとなり、更に偏光に関わる部分は表面から数１０μｍ程度の深さの部分であることから、非常に材料の使用効率が悪く、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。

これら諸間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子として、以下のようなものが提案されている。この偏光子は、金属粒子を分散させるために、ガラス等の誘電体等から成る透明基板上に真空蒸着法等の薄膜形成法を利用して金属を島状に成膜した金属粒子層と、ガラス等から成る透明誘電体層とを交互に形成し、加熱延伸によって金属粒子に対して光吸収異方性を付与したものである。このような所謂薄膜法による製法は、上記溶融法と比較すると、還元が不要である、プロセスが容易となる等のメリットを有している（非特許文献１参照）。
特開昭５６−１６９１４０号公報 １９９０年電子情報通信学会秋期全国大会予稿集 Ｃ−２１２

しかしながら、上記薄膜法により作製した偏光子は、薄膜形成プロセスの後に、透明誘電体層中のガスを脱離させ、密度を増加させるためのアニールと呼ばれる熱処理や延伸時の加熱により、内部に分散している金属粒子が凝集、拡散を起こす。特に、ＡｇやＣｕはイオンの形でガラス内に存在しやすいため、イオン化して拡散する場合がある。その結果、金属粒子層において粒子化している成分が減少し、消光比の低下や、ガラス等の透明誘電体層中に金属イオンが拡散したために屈折率の変化、光吸収の増加、粘性の変化が生じる。

そして、屈折率の変化は光の反射を生じ、光吸収の増加とあいまって挿入損失の増加をもたらす。更に、金属イオンが金属酸化物のコロイドを形成し、光吸収を増加する場合もある。図２は、光の波長に対する、Ｃｕコロイド，Ｃｕ_２Ｏコロイドの光の透過率を示すグラフである。光の波長が６００ｎｍを超えるあたりから、Ｃｕ_２Ｏコロイドの方が透過率が低い、すなわちＣｕコロイドが酸化してＣｕ_２Ｏコロイドになった場合、長波長側でより損失が大きいことが判る。一方、金属イオンが拡散し粘性が低下した透明誘電体層は、金属粒子に十分な圧力をかけることができず、所望のアスペクト比に金属粒子が変形せず、消光比等の光学的特性の劣化を生じる場合があった。

従って、本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は金属粒子層から金属イオン成分が透明誘電体層中に拡散、移動して、金属粒子層中の金属粒子成分が減少し、消光比の低下、透明誘電体層の屈折率の変化、光吸収の増加、粘性の変化等が生じるのを抑制、防止することにある。

本発明の偏光子は、透明基板の少なくとも一主面上に、光吸収異方性を有する金属粒子層と透明誘電体層とを設けてなる偏光子であって、前記透明誘電体層中に前記金属粒子層の金属に対する熱的還元材を分散させたことを特徴とし、これにより、金属粒子が透明誘電体層中ヘ金属イオンとして拡散し難くなり、偏光特性を生じさせる金属粒子が減少することなく、また透明誘電体層の屈折率の変化、光吸収の増加が生じず、更に金属酸化物コロイドの形成も防ぐことができる。その結果、消光比が高く、挿入損失の低い高性能の偏光子が実現できる。

本発明において、前記金属がＣｕ，Ａｇ又はＡｕであり、Ｃｕ，Ａｇに対する熱的還元材がＳｎ、Ａｕに対する熱的還元材がＳｂである。この場合、前記熱的還元材はガラスの溶融温度よりもはるかに低い温度域（４００℃〜６００℃程度）で次式に示す反応を生じ、金属イオンを還元する。

２Ａｕ^＋ ＋Ｓｂ^３＋→２Ａｕ＋Ｓｂ^５＋
２Ａｇ^＋＋Ｓｎ^２＋→２Ａｇ＋Ｓｎ^４＋
２Ｃｕ^＋＋Ｓｎ^２＋→２Ｃｕ＋Ｓｎ^４＋
これらＳｎ等の熱的還元材を含有させる方法としては、以下のようなものがある。

（１）金属粒子層を成膜した後に熱的還元材をスパッタ法等で付着させる方法。

（２）透明誘電体層を成膜するときに、透明誘電体層用のターゲット上にＳｎ等のチップを置き、透明誘電体層と同時にその成分の一部として成膜する方法。

（３）透明誘電体層用のターゲットと別に熱的還元材のターゲットを用意し、透明基板を回転させながら２元蒸着あるいは２元スパッタを行うといった方法。

また、本発明において好ましくは、透明誘電体層は、透明基板と同一材料からなることが好ましい。

本発明の偏光子は、透明誘電体層中に金属粒子層の金属に対する熱的還元材を含ませることにより、金属の酸化、拡散を防ぐことができ、その結果、以下に示すような優れた効果を奏する。

（１）偏光特性に寄与する金属粒子が金属イオンとなって酸化、拡散により減少せず、消光比の劣化を抑制、防止できる。

（２）金属の減少がないため、材料を効率的に活用できる。

（３）透明誘電体層に金属イオンが拡散するために生じる光吸収の増大、酸化された金属が金属酸化物コロイドとなって赤外域の光の吸収を増大させることが無く、挿入損失の低いものとなる。

（４）透明誘電体層中への金属イオンの拡散による、透明誘電体層の屈折率変化が生じず、反射の少ない偏光子を実現できる。

（５）透明誘電体層中の金属イオンの拡散による、透明誘電体層の粘性の低下で生じる加熱延伸時の応力低下を防ぐことで、金属粒子に大きなアスペクト比を付与することが可能で、その結果消光比が高くなる。

（６）金属粒子が酸化し難いため、経時変化せず長期に渡って信頼性の高い偏光子を提供できる。

このような金属としてＣｕ，Ａｇ，Ａｕは、酸化しにくい上に粒子化し易い。

また、透明誘電体層が透明基板と同一材料からなるときには、偏光子の屈折率，熱膨張の点から好ましい。

本発明の偏光子Ｐ１を図１に示す。図１は偏光子Ｐ１の基本構成の斜視図であり、偏光子Ｐ１は直方体等の４角柱状のものである。同図に示すように、偏光子Ｐ１は、ガラス等から成る透明基板１の一主面上に、後述する熱塑性変形により光吸収異方性と配向性が付与された金属粒子２ａが透明誘電体層３中に分散された状態となっている金属粒子層２と、金属粒子２ａに対する熱的還元材が分散した透明誘電体層３とが、交互に積層された偏光層４から成る。前記透明誘電体層３は、透明基板１と同一材料のガラス等からなるのが、屈折率、熱膨張等の点でよい。

本発明の偏光子Ｐ１は、透明基板１上の偏光層４中の金属粒子２ａが、形状異方性、即ち光吸収異方性、及び配向性を有することによって偏光子として機能する。例えば、図１に示すように、ｘ方向（金属粒子２ａの長軸方向）とｙ方向（金属粒子２ａの短軸方向）に偏光した入射光Ｌ１は、偏光子Ｐ１を通過するとｘ方向の成分が大部分吸収され、出射光Ｌ２はほとんどｙ方向に偏光した光となる。

前記金属粒子２ａは、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ等が好ましく、これらは光吸収性が良好である。特に、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕは酸化しにくいうえ粒子化し易いため好ましい。そして、Ｐｔ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒに対する熱的還元材は、Ｓｎ，Ｓｂ等である。また、熱的還元材の透明誘電体層３中における含有率は０．１〜３．０重量％が好ましく、０．１重量％未満では還元反応が不十分であり、３．０重量％を超えると熱的還元材自体による光学的な損失が増大する。より好ましくは、０．１〜１．０重量％である。

前記金属粒子層２の層間の間隔、即ち一層の透明誘電体層３の厚さは５０ｎｍ以上がよく、より好ましくは１００ｎｍ以上である。５０ｎｍ未満では挿入損失が０．３ｄＢ以上となり、偏光子として実用性がなくなる。また、２００ｎｍを超えると加熱による脱ガス処理に時間がかかり、挿入損失の改善効果も頭打ちになることから、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下がよい。

また、同一の金属粒子層２に存在する金属粒子２ａの分布密度（個数密度）は、３〜３７個／μｍ^２がよく、３個／μｍ^２未満では消光比が一層当たり２ｄＢ未満と劣化し、３７個／μｍ^２を超えると挿入損失が一層当たり０．０３ｄＢを超える。より好ましくは、５〜３３個／μｍ^２である。ここで、前記分布密度は、少なくとも１個の金属粒子２ａの長軸を含む平面であって金属粒子層２に平行な面でもって金属粒子層２を切断し、その面内の金属粒子２ａの個数を計数することにより、測定できる。

前記金属粒子２ａのアスペクト比（長軸／短軸比）は３〜３０がよく、その場合所望の消光比、例えば分布密度５個／μｍ^２程度では１３１０ｎｍ，１５５０ｎｍで一層当たり２ｄＢ以上が得られ、より好ましくはアスペクト比は１５〜２０である。

また、本発明の偏光層４は、偏光子として必要な消光比を得るため金属粒子層２と透明誘電体層３を交互に所望の数だけ積層する。即ち、例えば消光比４０ｄＢの偏光子を得る場合、積層数１（交互層が１組）のときに消光比４ｄＢならば積層数を１０とすればよい。

更に本発明において、上記偏光層４を透明基板１の表裏面に設けても構わない。

上記の偏光子Ｐ１の作製方法を、以下の工程（１）〜（５）により説明する。

（１）透明基板１上に島状の金属粒子２ａを分散させて成る金属粒子層２をスパッタ法により被着形成させる工程。

（２）透明基板１全体を、その構成材料のガラスの徐冷点より低い温度（約５００℃）で加熱して、島状の金属粒子２ａを擬集させて、所望の寸法の金属粒子２ａに成長させる工程。

（３）多数の金属粒子２ａから成る金属粒子層２上に、スパッタ法により透明誘電体層３を形成させる工程。尚、透明誘電体層３に金属粒子２ａに対する熱的還元材を加えるために、透明誘電体層３用のターゲット上に熱的還元材のチップを置き、同時スパッタ法により熱的還元材を含む透明誘電体層３を形成する。

上記（１）〜（３）の工程を複数回繰り返し行うことにより、偏光層４が形成される。

（４）次に、３００℃〜ガラス軟化点と徐冷点の間の温度（約６３０℃）に加熱し、積層方向に垂直な一定方向、即ち金属粒子層２の面内の一定方向に、引っ張り応力を加えることで延伸させて熱塑性変形させ、偏光層４中に分散した金属粒子２ａに光吸収異方性と配向性を付与する。

（５）最後に、偏光子Ｐ１の光入出射面である両主面（表裏面）を研磨し、両主面に、ＴｉＯ_２，ＳｉＯ_２，ＭｇＯ等の誘電体材料から成る単層もしくは多層膜から成る誘電体干渉膜等の反射防止膜を形成する。

本発明の透明基板１としては、ホウ珪酸ガラスの一種であるＢＫ−７ガラス（ホーヤ（株）製、ＳｉＯ_２の含有量約６９重量％、Ｂ_２Ｏ_３の含有量約１０重量％）、パイレックスガラス（コーニンググラスワークス社製商品番号＃７７４０、ＳｉＯ_２の含有量約８３重量％、Ｂ_２Ｏ_３の含有量約１３重量％）、石英ガラス等が好適である。

かくして、本発明の偏光子Ｐ１は、金属粒子層２から金属イオン成分が透明誘電体層３中に拡散、移動して、金属粒子層２中の金属粒子２ａ成分が減少し、消光比の低下、透明誘電体層３の屈折率の変化、光吸収の増加、粘性の変化等が生じるのを抑制、防止するという作用効果を有する。

尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更は何等差し支えない。

本発明の実施例を以下に説明する。

（実施例）図１の偏光子Ｐ１を以下のようにして構成した。透明基板１及び透明誘電体層３をホウ珪酸ガラスの一種であるＢＫ−７とし、金属粒子２ａがＣｕである。

また、この偏光子Ｐ１は以下の工程（１）〜（３）により作製した。

（１）まず、各透明誘電体層３の厚さは２００ｎｍ程度、各金属粒子層２の厚さは２４ｎｍ程度となるようにして、両層を交互に７層ずつ成膜し、透明基板１上に偏光層４を形成した。但し、透明誘電体層３は、ＢＫ−７ターゲット上にＳｎのチップを置き、ＢＫ−７とＳｎを同時スパッタして成膜し、ＢＫ−７中にＳｎが０．２重量％含まれるようにした。また、この場合、透明誘電体層３は金属粒子２ａを完全に覆うように成膜され、その結果透明誘電体層３の内部に金属粒子２ａが分散された状態となる。

（２）次に、透明基板１上に偏光層４を形成した積層体に対して、ＢＫ−７の軟化点と徐冷点の間の約６２０℃で延伸を行い、全体の厚みを約１／３とした。

（３）光入出射面の各々に、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の多層干渉膜からなる反射防止膜を成膜した。

次に、従来品として、金属粒子層２と熱的還元材を含まない透明誘電体層３を交互に１０層ずつ成膜したものを作製し、これらを比較した。

測定光波長１３１０ｎｍで、本発明品は消光比４２ｄＢ，挿入損失０．０５ｄＢとなり、一層当たりでは消光比６ｄＢ，挿入損失約０．００７ｄＢであった。一方、従来品は消光比４０ｄＢ，挿入損失０．１ｄＢとなり、一層当たりでは消光比４ｄＢ，挿入損失約０．０１ｄＢであった。

このように、本発明品は、消光比が劣化しないため一層当たりの消光比が高く、また光吸収が少ないため一層当たりの挿入損失を小さくすることができ、その結果、上記の通り従来品に比べ金属粒子層２と透明誘電体層３の層数を少なくできた。更に、偏光子Ｐ１全体としても、高消光比と低挿入損失を両立する優れたものとなった。

また、低挿入損失が求められる光通信用の光アイソレータは、挿入損失０．５ｄＢ以下、特に高性能のものは０．２５〜０．３ｄＢ以下が一般的であるが、本発明品の偏光子Ｐ１を使用した場合、挿入損失約０．０８ｄＢの磁性ガーネットからなるファラデー回転子と２個の偏光子Ｐ１とから構成されるので、挿入損失０．２５ｄＢ程度の光アイソレータを安定的に量産できた。

一方、従来品の偏光子を使用した場合、挿入損失０．２５ｄＢを達成できず、０．３ｄＢレベルに対しても特性のバラツキで簡単に０．３ｄＢを超えてしまい、スペックアウト品が増加し高コスト化し、実用品として不向きであった。

更に、金属粒子２ａとしてＡｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒを用い、熱的還元材としてＳｎ，Ｓｂを用いて、本実施例と同様に偏光子Ｐ１を作製したが、上記と同様の効果が得られた。

本発明の偏光子Ｐ１の斜視図である。 光の波長に対する、金属ＣｕコロイドとＣｕ_２Ｏコロイドの光透過率の差を示すグラフである。 従来の偏光子Ｐの動作原理を説明するための斜視図である。

符号の説明

１：透明基板
２：金属粒子層
２ａ：金属粒子
３：透明誘電体層
４：偏光層
１１：ガラス
１２：入射光
１３：金属粒子
１４：長軸方向の偏光成分
１５：短軸方向の偏光成分

Claims (3)

1. 透明基板の少なくとも一主面上に、光吸収異方性を有する金属粒子層と透明誘電体層とを設けてなる偏光子であって、
   前記金属粒子層の金属がＣｕ又はＡｇであり、前記Ｃｕ又はＡｇに対する熱的還元材であるＳｎを前記透明誘電体層中に分散させたことを特徴とする偏光子。
2. 前記Ｓｎの前記透明誘電体層中における含有率が０．１〜３．０重量％である、請求項１に記載の偏光子。
3. 前記透明誘電体層は、前記透明基板と同一材料からなる、請求項１または２に記載の偏光子。
   

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