JP4395721B2

JP4395721B2 - ビームスプリッタ

Info

Publication number: JP4395721B2
Application number: JP2003382348A
Authority: JP
Inventors: 哲門馬; 正之大戸; 一稔瀬戸口
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2023-11-12
Also published as: JP2005148207A

Description

本発明は、光ピックアップ装置等の光学装置に使われるビームスプリッタ、及び光通信の信号分岐に使われるビームスプリッタに関し、特に偏光依存性及び波長依存性を改善したビームスプリッタに関する。

近年、マルチメディアの普及に伴い文字から画像まで各種の情報を大量に、且つ、高速に処理する必要が生じ形状がコンパクトでありながら従来の磁器記録媒体と比較して記憶容量が格段に大きく、且つ、高速の読み書きが可能なＣＤやＤＶＤ等の光ディスクの需要が急速に拡大している。この光ディスクに書き込まれている音声や映像などのデジタル信号を読み取る装置として光ピックアップ装置が使われる。前記光ピックアップ装置の光学部品として用いられるビームスプリッタは入射光を透過光と反射光の２つに分離させる働きを持っている。前記ビームスプリッタは、どんな偏光面をもった光でも所定の比率で光を分離できること、即ち偏光依存性が小さいことが要求されていると共に、近年の大容量化に伴い広い波長帯域で光を分離できること、即ち波長依存性が小さいことが要求されている。また、光通信において経路の中間点にて信号を確認する手段としてビームスプリッタにより信号を分岐しモニタリングを行なうが、波長分割多重方式（ＷＤＭ）のＣバンド、Ｌバンド等の波長が広帯域な方式では広い波長帯域でどんな偏光面を持った光でも所定の比率で光を分離できること、すなわち波長依存性が小さくかつ偏光依存性が小さいことが要求されている。

図６は、従来のビームスプリッタの構造を説明する図であって、ビームスプリッタ６０は三角柱状の光学プリズムを２個貼り合わせたプリズム型ビームスプリッタである。入射光がビームスプリッタ６０のミラー膜６１に入射されると所定の比率にて透過光と反射光に分離される。前記ミラー膜６１は、プリズムの接合面の全面に高屈折率物質の薄膜と低屈折率物質の薄膜を交互に重ね合わせた多層膜となっているのが一般的である。

前述のようなミラー膜を多層膜で構成したビームスプリッタの他に、ミラー膜を成膜領域と非成膜領域で構成したビームスプリッタがある。図７は、該ビームスプリッタの立体図を示している。ビームスプリッタ７０はミラー膜７３を膜を形成しない非成膜領域７１と膜を形成した成膜領域７２で形成し、成膜領域７２に対し非成膜領域７１はドット状にパターニングされている。そして、前記非成膜領域７１に入射した光は透過し、前記成膜領域７２に入射した光は反射する光分離機能を有している。また、前記成膜領域７２は反射率の高いＡｕ等の金属膜で構成され、非成膜領域７１は主にリフトオフ工法にて形成される。前記ビームスプリッタは、非成膜領域７１、即ち入射光を透過させる領域と、成膜領域７２、即ち入射光を反射させる領域の面積比によって透過光と反射光の分離比を定めているので、ミラー膜を多層膜で形成したビームスプリッタと比較して波長依存性が小さく、また、偏光によらず一定の比率で透過光と反射光に分けられるので偏光依存性も小さくできるという特徴がある。

ところで、前述のようなプリズム型ビームスプリッタの場合、光の入射角はミラー膜に対して４５°であることが多いが、前記ミラー膜を金属膜で形成した場合、光が斜入射されると物性的に偏光依存性が生じてしまう問題があった。

この問題を解決すべく、ミラー膜を成膜領域と非成膜領域で構成したビームスプリッタにおいて、前記ミラー膜をＴｉＯ_２膜とＳｉＯ_２膜の多層膜で形成したビームスプリッタが提案されている。しかし、例えば波長分割多重方式（ＷＤＭ）のＣバンド（１５２５〜１５７０ｍｍ）、Ｌバンド（１５７０ｍｍ〜１６３０ｍｍ）等の波長が広帯域な方式だと前記ビームスプリッタでは対応できないという問題があった。また、ビームスプリッタのミラー膜の膜厚ｄはｎ×ｄ＝λ／４×ｃｏｓθ（ｎ：屈折率，λ：光の波長、θ：入射角）により決定されるが、前記ＴｉＯ_２膜の屈折率は２．２５と比較的小さいことから膜厚を大きくする必要がある。従って、ミラー膜の成膜領域と非成膜領域を形成する工程において、膜厚が大きいとリフトオフする際に非成膜領域の膜をうまく取り除くことができず、製造歩留まりが悪化してしまうという問題があった。
特開平７−２１８７２２号

ミラー膜を成膜領域と非成膜領域で構成したビームスプリッタにおいて、前記成膜領域を金属膜で形成すると偏光依存性が大きくなってしまい、前記成膜領域をＴｉO_２膜とＳｉＯ_２膜の多層膜で形成すると波長の広帯域化に対応できず、また、膜厚が厚くなってしまうので歩留まりが悪化し製造コストが高くなってしまう点である。

上記目的を達成するために本発明に係るビームスプリッタの請求項１記載の発明は、対角面を基準としてその両側に対称となるように第１のミラー膜及び第２のミラー膜を配置した断面がほぼ正方形のビームスプリッタにおいて、前記第１のミラー膜は成膜領域と非成膜領域とを備え、前記成膜領域は入射光を反射させ、前記非成膜領域は入射光を透過させる機能を有し、前記第２のミラー膜は前記第１のミラー膜からの反射光を反射させる機能を有していることを特徴としたビームスプリッタである。

請求項２に記載の発明は、前記ビームスプリッタの前記第１のミラー膜は、光の入射角が２２．５°になるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のビームスプリッタである。

請求項３に記載の発明は、前記ビームスプリッタの前記第１のミラー膜は、Ａｕ、もしくは相異なる誘電体膜を交互に重ねた積層膜で形成されていることを特徴とした請求項１又は２に記載のビームスプリッタである。

請求項４に記載の発明は、前記ビームスプリッタの前記第１のミラー膜は、前記成膜領域に対し前記非成膜領域がドット状に形成されていることを特徴とした請求項１乃至３のいずれかに記載のビームスプリッタである。

本発明に係るビームスプリッタは、偏光依存性及び波長依存性を従来より大幅に小さくしたので、光ピックアップ装置や光通信系機器に本発明のビームスプリッタを用いれば優れた効果を奏する。

以下、本発明を図面に図示した実施の形態例に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施例に係るビームスプリッタであり、（ａ）は動作原理図、（ｂ）はミラー膜１を光の入射方向から見た平面図を示している。ビームスプリッタ１０は、３つの光学ガラス部材を貼り合わせたものであり、その断面形状はほぼ正方形となっている。対角面１１を基準面とした対称位置に２つのミラー膜１、２をガラスの接合面に配置しており、該ミラー膜１、２は対向するガラス面との間の角度Ａ，Ｂがいずれも２２．５°、即ち、角度Ａ＋Ｂ＝４５°となるように配置されている。前記ミラー膜１は図１（ｂ）に示すように成膜領域５と非成膜領域６から構成されており、前記成膜領域５に対し前記非成膜領域６はドット状にパターニングされている。そして、前記成膜領域５は入射光を反射させ、前記非成膜領域６は入射光を透過させる働きを持っており、前記成膜領域５と前記非成膜領域６の面積比により反射光と透過光の分離比が決定される。また、前記ミラー膜２は、誘電体多層膜ミラーであり前記ミラー膜１からの反射光を反射させる働きを持っている。このようにビームスプリッタ１０にミラー膜１、２を配置することで、入射光はミラー膜１で所定の比率にて透過光と反射光に分離され、透過光はそのまま直線的に透過し、反射光はミラー膜２にて反射され垂直下側へ向けて出射される。

前記ミラー膜１の前記成膜領域５と前記非成膜領域６の形成方法としては、微細パターンを正確に形成できるリフトオフ工法が最適である。図２は前記ミラー膜１の製造フローチャートを示している。まず、ガラス部材２１の表面にレジスト膜２２を蒸着するレジストコート工程を行い（ａ）、フォトマスクを介して露光、現像することで前記レジスト膜２２をパターニングするフォトリソ工程を行う（ｂ）。フォトリソ後、ガラス部材２１及びレジスト膜２２上に金属膜２３を形成し（ｃ）、レジスト膜２２を剥離することにより成膜領域と非成膜領域とを備えたミラー膜が形成される（ｄ）。なお、本実施例においては、金属膜２３に反射率が高い金（Ａｕ）を用いた。

ここで、前記ビームスプリッタの偏光依存性について調査した。図３（ａ）は入射角に対するＰ偏光成分反射率ＲｐとＳ偏光成分反射率Ｒsの関係を示しており、図３（ｂ）は入射角に対する偏光依存損失（ＰＤＬ）の関係を示している。図３（ａ）から分かるように、入射角が大きくなるとＰ偏光成分は反射しやすくＳ偏光成分は反射し難くなる。即ち、入射角が大きくなると偏光依存性が大きくなることを表している。ここで、本発明の入射角を２２．５°とした場合と従来の入射角を４５°とした場合を比較すると、入射角を４５°とした場合はＰ偏光成分とＳ偏光成分の反射率の差｜Ｒp−Ｒｓ｜は１．３７（％）であるのに対し、入射角を２２．５°とした場合は｜Ｒｐ−Ｒｓ｜は０．３１（％）と約１／４に小さくなることが分かる。即ち、偏光依存性が従来の約１／４に小さくなる。また、図３（ｂ）に示すように、ＰＤＬに関しても従来の入射角を４５°とした場合は約０．０６（ｄＢ）であるのに対し、入射角を２２．５°とした場合は約０．０１５（ｄＢ）と従来の約１／４に小さくなることが分かる。

以上のように、本発明の第１の実施例によれば、立方体状のビームスプリッタにおいて光の入射角が２２．５°となるように成膜領域と非成膜領域とを備えたミラー膜を配置したので、偏光依存性を従来より大幅に小さくしたビームスプリッタを提供することができる。

次に、本発明の第２の実施例に相当するビームスプリッタについて説明する。図４（ａ）は本実施例のビームスプリッタを説明する図であって、ビームスプリッタ３０は角度Ｃが４５°である三角柱状の光学プリズム３１、３２を貼り合わせ、その接合面にミラー膜３３を形成している。前記ミラー膜３３は成膜領域３５と非成膜領域３６から構成されており、前記成膜領域３５に対し前記非成膜領域３６はドット状にパターニングされている。そして、前記成膜領域３５は入射光を反射させ、前記非成膜領域３６は入射光を透過させる働きを持っており、前記成膜領域３５と前記非成膜領域３６の面積比により反射光と透過光の分離比が決定される。図４（ｂ）はミラー膜３３の横断面図を示しており、該ミラー膜３３はガラス部材上にＳｉO_２膜５１とＳｉ膜５２とを交互に重ねた多層膜を形成している。本実施例においては、Ｓｉ膜を１２８Å、ＳｉＯ２膜を４００Åとして順次２０層積層し、第一の実施例と同様にリフトオフ工法にて成膜領域３５と非成膜領域３６とを形成した。

ここで、前記ビームスプリッタの波長依存性について調査した。図５は、波長に対するＰ偏光成分反射率ＲｐとS偏光成分反射率Ｒｓの関係を示しており、（ａ）は本実施例に係るミラー膜をＳｉ／ＳｉＯ_２多層膜で形成したビームスプリッタの特性、（ｂ）は従来のミラー膜をＡｕで形成したビームスプリッタの特性を示している。同図より、ミラー膜をＡｕで形成するとＰ偏光成分反射率は約９８．６（％）、Ｓ偏光成分反射率は約９７．２（％）と大きく反射損失が生じてしまうが、ミラー膜をＳｉ／ＳｉＯ_２多層膜で形成することにより、広帯域に渡ってＰ偏光成分及びＳ偏光成分の反射率がほぼ１００％まで達していて反射損失がほとんど無いことが分かる。従って、ミラー膜をＳｉ／ＳｉＯ_２多層膜で形成することにより、Ａｕ膜と比較して波長依存性が小さくできることが判明した。

更に、前記Ｓｉ／ＳｉＯ２多層膜のＳｉ膜の屈折率が３．２、ＳｉＯ_２膜の屈折率が１．４４と両者の屈折率の差が大きいので、入射角によらず偏光依存性を小さくできる。

また、ビームスプリッタのミラー膜の膜厚ｄはｎ×ｄ＝λ／４×ｃｏｓθ（ｎ：屈折率，λ：光の波長、θ：入射角）により決定されるが、前記Ｓｉ膜は屈折率が３．２と比較的大きいので膜を薄くすることができる。ミラー膜のコーティング設計においては、総膜厚をできるだけ小さくして膜内の機械的応力を小さくすることが必要であるので膜を薄くできるメリットは大きい。それに加えて、ミラー膜に成膜領域と非成膜領域を形成する工程においても、膜厚が小さい方が非成膜領域の膜をリフトオフし易いので、製造歩留まりの改善に大きく寄与できる。

また、これまでプリズム型ビームスプリッタについてのみ言及してきたが、プレート型ビームスプリッタにおいても同様に本実施例が適用できることは言うまでもない。

以上、本実施例のビームスプリッタによれば、ミラー膜をＳｉ／ＳｉＯ_２多層膜で形成したので、従来と比較して波長依存性及び偏光依存性を大幅に小さくでき、且つ、膜厚を薄くすることができるので良好な製造歩留まりが得られるという効果を奏する。

前述したようなミラー膜に成膜領域と非成膜領域とを構成したビームスプリッタにおいて、前記成膜領域と前記非成膜領域の面積比によって透過光と反射光の分離比を決定することができる。ここで、入射光の照射面積をＳ_Ｌ、非成膜領域の面積をＳ_Ｎ、ミラー膜に入射する光量をＰとした時、ビームスプリッタを透過する光量Ｔと反射する光量Ｒは次式のように表すことができる。
Ｔ＝Ｐ×（Ｓ_Ｎ／Ｓ_Ｌ） …（１）
Ｒ＝Ｐ×（１−Ｓ_Ｎ／Ｓ_Ｌ） …（２）
上式によれば、入射光の照射面積Ｓ_Ｌが決まれば、非成膜面積Ｓ_Ｎを調整することで透過光及び反射光の分離比を任意に設定することが可能である。このように面積比で透過光と反射光の分離比を決定した構造にすれば、波長が変化したときに分離比の変動が生じることはない。また、前記の方法で透過光と反射光の分離比を設定した場合、プリズム型ビームスプリッタにおいては偏光依存性を持たないが、プレート型ビームスプリッタだと入射媒質の屈折率が異なるため偏光依存性が生じてしまう。従って、プレート型ビームスプリッタに適用する場合はミラー膜の下地にＡＲコート（反射防止膜）を成膜することで偏光依存性を抑える必要がある。

本発明の第１の実施例に係るビームスプリッタを説明する図であって、（ａ）に動作原理図、（ｂ）に光の入射方向から見たミラー膜の拡大図を示す。本発明に係るビームスプリッタの成膜領域と非成膜領域とを備えたミラー膜の形成方法を示す。本発明の第１の実施例に係るビームスプリッタの偏光依存性を示す図であって、（ａ）に入射角に対するＰ偏光成分とＳ偏光成分の反射率の関係、（ｂ）に入射角に対するＰＤＬ（偏光依存損失）の関係を示す。本発明の第２の実施例に係るビームスプリッタを説明する図であって、（ａ）に動作原理図、（ｂ）にミラー膜の断面図を示す。本発明の第２の実施例に係るビームスプリッタの波長依存性を示す図であって、（ａ）にミラー膜をＳｉ／ＳｉＯ_２多層膜で形成した場合の特性、（ｂ）にミラー膜をＡｕ膜で形成した場合の特性を示す。従来のプリズム型ビームスプリッタを説明する図である。従来のミラー膜に成膜領域と非成膜領域を構成したビームスプリッタを説明する図である。

符号の説明

１、２：ミラー膜
５：成膜領域
６：非成膜領域
１０：ビームスプリッタ
２１：ガラス部材
２２：レジスト膜
２３：金属膜
３０：ビームスプリッタ
３１、３２：三角柱プリズム
３３：ミラー膜
３５：成膜領域
３６：非成膜領域
５１：ＳｉO_２膜
５２：Ｓｉ膜

Claims

対角面を基準としてその両側に対称となるように第１のミラー膜及び第２のミラー膜を配置した断面がほぼ正方形のビームスプリッタにおいて、前記第１のミラー膜は成膜領域と非成膜領域とを備え、前記成膜領域は入射光を反射させ、前記非成膜領域は入射光を透過させる機能を有し、前記第２のミラー膜は前記第１のミラー膜からの反射光を反射させる機能を有していることを特徴としたビームスプリッタ。
前記ビームスプリッタの前記第１のミラー膜は、光の入射角が２２．５°になるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のビームスプリッタ。
前記ビームスプリッタの前記第１のミラー膜は、Ａｕ、もしくは相異なる誘電体膜を交互に重ねた多層膜で形成されていることを特徴とした請求項１又は２に記載のビームスプリッタ。
前記ビームスプリッタの前記第１のミラー膜は、前記成膜領域に対し前記非成膜領域がドット状に形成されていることを特徴とした請求項１乃至３のいずれかに記載のビームスプリッタ。