JP5137084B2 - 偏光子、その製造方法及び光モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、偏光子、その製造方法及び光モジュールに関し、さらに詳しくは、大面積の作製が容易で、偏光分離と反射防止の両方を同時に実現できる偏光子、その製造方法及び光モジュールに関する。
偏光子は、ある特定の偏光のみを透過させる素子である。光通信、光情報処理又は光センシング等の分野では、小型で、消光比が高く、使用波長範囲が広く、耐環境性に優れ、量産性にも優れた偏光子が要求されている。
例えば、近赤外領域用偏光子として、特許文献１では、透明薄膜（石英薄膜）と、複素誘電率を持つ材料薄膜（アルミニウム薄膜）との交互多層膜からなるラミポールと呼ばれる多層構造偏光子が提案されている。しかし、その多層構造偏光子は、波長が短くなるにつれてＴＭ波の損失が大きくなり、同時にＴＥ波の損失が小さくなり、その結果、消光比が低下するという問題があった。この問題に対し、特許文献２では、透明体の薄膜層と、光学アドミッタンスの実部と虚部がともに正の光学特性を持つ半導体薄膜層との多層構造からなる偏光子が提案されている。
一方、遠赤外領域からテラヘルツ領域では、その波長以下の間隔を空けて多数並列に配置した金属細線からなるワイヤーグリッド偏光子が従来用いられている。
上記特許文献２に記載の偏光子は上記特許文献１での問題（可視域から波長１μｍ付近での消光比の低下）は解決しているものの、両文献に記載の偏光子は、金属層又は半導体薄膜と石英薄膜とを交互に１００周期程度堆積させ、その後に薄板状に切り出して製造している。こうした方法は堆積膜の形成に多くの時間がかかって製造コストがかさむという問題があり、さらに大面積の偏光子の製造が困難であるという難点がある。
また、遠赤外領域からテラヘルツ領域では、広開口で機械的に安定なワイヤーグリッド偏光子を作製することが困難であった。また、より高周波領域になるに従い、金属細線をより細く、より密に配列する必要があり、作製がより困難であるという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、平易な作製プロセスによりコストが大幅に削減でき、かつ広開口の偏光子を作製することが容易で、偏光分離と反射防止の両方を同時に実現できる偏光子及びその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するための本発明に係る偏光子は、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造を有した基材と、前記周期構造の全面、又は前記周期構造の尾根部及び谷部の一方若しくは両方を除く面、に設けられた金属層と、を有することを特徴とする。
本発明の偏光子において、前記周期構造の断面が三角波形状又は正弦波形状であることが好ましい。
本発明の偏光子において、前記周期構造のアスペクト比（高さ／周期）が０．５以上であることが好ましい。
本発明の偏光子において、前記金属層の厚さが適用する周波数における表皮深さδの１／２〜１／１０であることが好ましい。
上記課題を解決するための本発明に係る偏光子の製造方法は、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造を前記基材面に形成する工程と、前記周期構造の全面に、又は前記周期構造の尾根部及び谷部の一方若しくは両方を除く面に金属層を形成する工程とを有することを特徴とする。
本発明の偏光子の製造方法において、前記金属層の形成工程後、前記周期構造の尾根部及び谷部の一方又は両方に設けられた金属層を除去する工程を有するように構成してもよい。
本発明の偏光子の製造方法において、前記周期構造の断面が三角波形状又は正弦波形状であることが好ましい。
上記課題を解決するための本発明に係る光モジュールは、上記本発明に係る偏光子を用いたことを特徴とする。
本発明の偏光子によれば、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造を有した基材と、前記周期構造の全面、又は前記周期構造の尾根部及び谷部の一方若しくは両方を除く面、に設けられた金属層とを有するので、前者の周期構造が反射低減効果に寄与し、後者の金属層が偏光特性に寄与するものとなる。したがって、本発明の偏光子は、そうした周期構造と金属層からなる表面構造により、反射低減効果と偏光特性を同時に実現することができる。
本発明の偏光子の製造方法によれば、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造を前記基材面に形成する工程と、その周期構造の全面に、又はその周期構造の尾根部及び谷部の一方若しくは両方を除く面に金属層を形成する工程とを有するので、従来のような多層構造を形成した後に切り出す方法よりも効率的に製造することができる。
次に、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、その技術的思想を含む範囲を包含し、以下に示す説明や図面等に限定されない。
［偏光子］
本発明の偏光子１は、図１、図２、図３及び図４（Ａ）〜（Ｆ）の例に示すように、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造１０を有した基材２と、その周期構造１０の全面、又はその周期構造１０の尾根部４（凸部ともいう。）及び谷部５（凹部ともいう。）の一方若しくは両方を除く面３に設けられた金属層１１と、を有している。
本発明の偏光子１は、図１、図２、図３及び図４（Ａ）〜（Ｆ）の例に示すように、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造１０を有した基材２と、その周期構造１０の全面、又はその周期構造１０の尾根部４（凸部ともいう。）及び谷部５（凹部ともいう。）の一方若しくは両方を除く面３に設けられた金属層１１と、を有している。
その具体例を図４（Ａ）〜（Ｆ）に示しているが、本発明の周期構造１０の形態は、図４（Ａ）〜（Ｆ）の具体例に限定されるものではなく、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造１０である限りにおいて図示しない種々の形態も本発明の範囲に含まれる。なお、図４中、太い線は金属層１１が設けられている部分（面）を表し、細い線は金属層が設けられていない部分（面）を表している。
本発明の偏光子１は、従来のワイヤーグリッド偏光子と同様、図２に示すように、周期構造１０が形成された基材面に所定の角度で電磁波（光）が入射波として入射した場合に、その周期構造１０の尾根部４乃至谷部５に平行な偏波成分を反射し、垂直な偏波成分を透過する性質を持つ。
なお、言うまでもないが、電磁波（光）は進行方向と垂直に振動する横波であり、入射角は入射波の方向と基材面の法線方向とがなす角度であり、入射面は入射波の方向と基材面の法線方向を含む平面である。そして、図２にも示したように、電界が入射面に垂直な成分のみを持つ平面波をＴＥ波（Transverse Electric wave、電気ベクトルの振動方向が入射面に垂直で、磁気ベクトルの振動方向は入射面内にあるような光波）といい、磁界が入射面に垂直な成分のみを持つ平面波をＴＭ波（Transverse Magnetic wave、磁気ベクトルの振動方向が入射面に垂直で、電気ベクトルの振動方向は入射面内にあるような光波）という。本発明で言うＴＥ透過損失とＴＭ透過損失は、そうしたＴＥ波やＴＭ波が偏光子１を透過する際の損失（ｄＢ）で表している。
以下、本発明の構成について詳しく説明する。
（基材）
基材２は、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造１０を有している。
基材２は、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造１０を有している。
周期構造１０は、図１及び図４に示すように、一定の単位構造が周期的に繰り返される構造であり、基材２は、そうした周期構造１０が基材面に形成されている。周期的に繰り返す単位構造は、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化するものである。
ここで、「基材面に所定の角度で入射する電磁波」とは、所定の入射角（入射波の方向と基材面の法線方向とがなす角度）で基材面に入射するものであれば、図２及び図３に示すように必ずしも法線方向から入射するものでなくてもよく、「所定の角度（入射角）」で基材面に入射するものであればよい。
また、「電磁波に対して占有率が連続的に変化する」とは、例えば図３に示すように、基材面の法線方向から入射する電磁波が基材面にそのまま直進透過するとした場合に、電磁波が直進透過する長さの割合ということができる。例えば図３では、電磁波Ｅ３が透過する谷部５は透過長さが最も短い部位であり、電磁波Ｅ１が透過する尾根部４は透過長さが最も長い部位である。「電磁波に対する占有率」とは、このように、電磁波の透過長さが最も長い部位を占有率１００％とし、電磁波の透過長さが最も短い部位を占有率０％として表すものということができる。そして、「占有率が連続的に変化する」とは、図３の例のように、尾根部４から谷部５に向かって占有率（単位構造の長さＬ）が連続的に変化することをいう。なお、「連続的」とは、尾根部４から谷部５に向かう面３が、図４（Ａ）の三角波形状のように直線的に変化する場合や図４（Ｆ）の正弦波形状のよう曲線状に変化する場合の他、ガウス形、アークタンジェント形、レイズドコサイン形、等々に連続変化する場合（図示しない）であってもよい。つまり、尾根部４から谷部５に向かって占有率が総じて増加乃至減少する態様のものも含まれてもよい。
また、「一定の単位構造が周期的に繰り返される」とは、上記した「電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造」が一定の周期（ピッチ）で繰り返されているものである。その周期は全て一致していることが好ましいが、必ずしも完全に一致していなくてもよく、周期が不規則であってもある意図を持った設計思想の下で繰り返されているものであればよい。また、構造単位も全て同じ形状であることが好ましいが、完全に一致していなくてもよく、異なる形状の構造単位がある意図を持った設計思想の下で繰り返されているものであればよい。
基材２の材質としては、屈折率の実部ｎ及び虚部κが低い材料を用いることが好ましい。屈折率の実部ｎが低いほど優れた偏光特性を見込むことができるとともに、基材１０によるフレネル反射損失を低減することができる。一方、虚部κが小さいほど吸収損失を低減することができる。
表１は、テラヘルツ帯域と近赤外帯域における基材材料の光学定数（屈折率の実部ｎと虚部κ）を示している。なお、テラヘルツ帯域（およそ０．５〜４ＴＨｚ）はおよそ７５μｍ〜６００μｍの波長範囲であり、対象とする近赤外帯域は１．３μｍ〜１．６μｍの波長範囲であり、可視光帯域は０．４μｍ〜０．７μｍの波長範囲である。表皮深さδとは、金属表面に入射した電磁波の電界の振幅が１／ｅとなる深さである。
テラヘルツ帯域で適用する基材２の材質は、テラヘルツ帯域において低損失材料であるＳｉを好ましく挙げることができるが、屈折率がやや高い。より好ましい材質としては、低屈折率で低損失なＺＥＯＮＥＸ（登録商標）樹脂（日本ゼオン株式会社製）を挙げることができる。
また、近赤外帯域で適用する基材２の材質は、石英（ＳｉＯ２）、単結晶シリコン等を挙げることができる。特に、低屈折率である石英（ＳｉＯ２）が好ましい。
基材面に形成された周期構造１０は、基材２の一方の面の表面に形成されていてもよいし、内部に形成されていてもよい。基材面の表面に形成されている場合は、図１及び図２に示すように、周期構造１０が露出した態様となっている。一方、基材面の内部に形成されている場合は、例えば図１に示す基材面の表面に形成された周期構造１０の上にＺＥＯＮＥＸ（登録商標）樹脂等を被覆した態様を挙げることができる。
周期構造１０は、例えば図４（Ａ）（Ｆ）に示す三角波形状と正弦波形状の例では、その尾根部４と谷部５がサブ波長周期で繰り返す構造となっている。サブ波長周期とは、構造周期が入射電磁波の波長と同程度か、それよりも小さいという意味である。この周期構造１０は、媒体の屈折率境界で生じるフレネル反射を低減するように作用する。このとき、その周期が波長よりも小さい場合には、回折波が生じないので反射波が生じ難く、いわゆる反射低減効果を有する。こうした周期構造１０は、サブ波長格子（Sub-Wavelength Grating：ＳＷＧ）といい、反射防止表面や偏光分離素子として、ディスプレイ、光検出器、発光素子への応用が期待できる。
周期構造１０の格子形状は、適用する波長（テラヘルツ帯域、近赤外帯域等）において、回折散乱を伴わない構造周期Λ（ラムダ）（＜λ／ｎ）であることが好ましい。ここで、λは波長であり、ｎは基材２の屈折率である。上記の式「Λ＜λ／ｎ」を満たす範囲内で、Λをより小さい値とするように組み合わせた場合には、偏光特性を向上させることができる。
テラヘルツ帯域では、基材をＺＥＯＮＥＸ（登録商標）樹脂とした場合、λ／ｎよりも小さいΛの好ましい範囲は２０〜５０μｍとすることが好ましく、近赤外帯域では、基材をＳiＯ２とした場合、構造周期Λを０．１〜１．０μｍの範囲とすることが好ましい。
周期構造１０は、図１及び図４（Ａ）（Ｆ）に示すような三角波形状や正弦波形状等を例示できる。図示しないが、ノコギリ波形状であってもよい。これらの形状は、尾根部４（凸部）と谷部５（凹部）を有し、上記の構造周期Λは、尾根部４，４間、又は谷部５，５間で評価することができる。なお、図４（Ｇ）（Ｈ）に示す矩形波形状は、電磁波に対して占有率が連続的に変化しないので、本発明には含まれない。
周期構造１０を構成する単位構造の尾根部４から谷部５までを高さＬとすると、アスペクト比（Ｌ／Λ）は０．５以上が好ましく、１．０以上がより好ましい。アスペクト比が高いほど高い偏光特性を得ることができる。なお、アスペクト比の上限は特にないが、製造容易の観点から現実的なアスペクト比は３．０程度である。こうしたアスペクト比の範囲内になるように、三角波形状や正弦波形状等からなる単位構造の構造周期Λ（ピッチ）と高さＬを規定する。テラヘルツ帯域で好ましい構造周期Λが上記の２０〜５０μｍの範囲である場合には、その上下限に対応した高さＬは１０〜２５μｍ以上、６０〜１５０μｍ以下の範囲となる。一方、近赤外帯域で好ましい構造周期Λが上記の０．１〜１μｍの範囲である場合には、その上下限に対応した高さＬは０．０５〜０．５μｍ以上、０．３〜３μｍ以下の範囲となる。
こうした周期構造１０を含む基材２の全体の厚さＴは特に限定されないが、テラヘルツ帯域では、５００〜２０００μｍ程度であればよい。周期構造１０の形成は、例えば基材２としてＺＥＯＮＥＸ（登録商標）樹脂を用いた場合、そのＺＥＯＮＥＸ（登録商標）樹脂の表面に、ダイヤモンドブレードによる機械切削を繰り返して形成することができる。なお、ダイヤモンドブレードの歯面の角度は、上記のアスペクト比の範囲内で任意に設定される。また、周期構造１０の形成は、レーザーアブレーションにより表面を走査することによっても可能である他、周期構造を形成した金属或いはセラミックスを型として、樹脂等に周期構造を転写して形成することもできる。
（金属層）
金属層１１は、周期構造１０の全面に設けられていてもよいし、周期構造１０の尾根部４及び谷部５の一方を除く面に設けられていてもよいし、周期構造１０の尾根部４及び谷部５の両方を除く面に設けられていてもよい。
金属層１１は、周期構造１０の全面に設けられていてもよいし、周期構造１０の尾根部４及び谷部５の一方を除く面に設けられていてもよいし、周期構造１０の尾根部４及び谷部５の両方を除く面に設けられていてもよい。
例えば、図１及び図４（Ａ）に示すように、三角波形状で構成された周期構造１０の全表面に金属層１１が設けられていてもよいし、図４（Ｂ）（Ｃ）のように、三角波形状の尾根部４乃至谷部５以外の面３に金属層１１が設けられていてもよい。詳しくは、図４（Ｂ）は、三角波形状を構成する表面３，３と尾根部４には金属層１１があり、谷部５のみに金属層１１が無い場合である。図４（Ｃ）は、三角波形状を構成する表面３，３と谷部５には金属層１１があり、尾根部４のみに金属層１１が無い場合である。また、図示しないが、三角波形状を構成する表面３，３には金属層１１があり、尾根部４と谷部の両方に金属層１１が無い場合であってもよい。一方、図４（Ｄ）は、三角波形状を構成する表面３，３のうち一方の面３のみに金属層１１がある場合であるが、この態様では本発明の効果を奏さないので、本発明の範囲外である。
また、図４（Ｆ）は、正弦波形状で構成された周期構造１０の全面に金属層１１が設けられた態様である。この形態においても、上記三角波形状の場合と同様、金属層１１は全面に設けられていてもよいし、尾根部４と谷部５のいずれか一方又は両方に金属層１１が設けられていない態様であってもよい。なお、図４（Ｇ）（Ｈ）に示す矩形波形状の場合は、金属層１１の形成部位にかかわらず本発明の範囲外である。
本発明において、金属層１１は、三角波形状や正弦波形状等の周期構造１０の尾根部４乃至谷部５以外の面３に設けられている態様がより好ましい。すなわち、その尾根部４と谷部５のいずれか一方又は両方に金属層１１が設けられていない態様がより好ましい。
金属層１１の材質は、下記のように、適用する波長帯域に応じた適切な材質のものが選ばれる。
テラヘルツ帯域では、上記表１に示したように、金属は非常に大きい光学特性（屈折率の実部ｎと虚部κ）を持つので、種々の金属を好ましく用いることができる。この帯域で適用する金属層１１の材質としては、薄膜形成可能なあらゆる金属を薄膜材料として用いることができるが、金属層１１は表皮深さδよりも十分に薄いこと（例えば表皮深さδの１／２〜１／１０程度薄いことが好ましい。）が求められる。そのため、例えば表１のＰｔ（白金）のように表皮深さδが１３０ｎｍ（波長１００μｍ）や２４０ｎｍ（波長３００μｍ）の場合には、金属層１１をある程度厚く（例えば１０〜１００ｎｍ）することができ、成膜自体が比較的容易になるので好ましく用いることができる。また、表１に示したＡｕ（金）も白金と同様に好ましく用いることができる。また、Ｐｔ、Ａｕの他にも、Ｎｉ、Ｗ等を用いることができる。
一方、近赤外帯域では、上記表１に示したＰｔ，アルミニウム，Ａｕのように、テラヘルツ帯域の場合と比べて光学特性（屈折率の実部ｎと虚部κ）が大きく異なっているが、表皮深さδはテラヘルツ帯域のものと同程度である。この帯域で適用する金属層１１の材質としては、Ｐｔ，アルミニウム，Ａｕ，Ｎｉ等を用いることができるが、中でも、高い虚部κを持つアルミニウムが好ましく用いられる。そして、この帯域で適用する金属層１１の厚さも、上記テラヘルツ帯域で適用する場合と同様、例えば近赤外帯域での表皮深さδの１／２〜１／１０程度薄いことが好ましく、具体的には５〜２５ｎｍの厚さであることが好ましい。
金属層１１の厚さが適用波長における表皮深さδ以上である場合には、ＴＭ偏光とＴＥ偏光に対して、テラヘルツ帯域では高反射ミラーとなってしまう。ＴＭ偏光を透過して偏光子として動作させるためには、金属層１１の厚さを、上記のように、表皮深さδよりも十分に薄くすることが望ましい。
こうした金属層１１は、スパッタリング法、蒸着法等で周期構造１０上の全面に形成することができる。なお、図４（Ｂ）の谷部５に金属層１１が形成されていない態様は、金属を斜めに蒸着することによる射影効果によって作製することができ、また、図４（Ｃ）の尾根部に金属層１１が形成されていない態様は、周期構造１０上の全面に金属層１１を形成した後に尾根部４の金属層１１のみを研削等によって除去して作製することができる。
以上説明したように、本発明の偏光子１は、図１等に示すように、サブ波長オーダーの周期構造１０の表面に金属層１１が形成されているので、ＴＭ偏光を透過し、ＴＥ偏光を反射又は吸収するという特性、すなわちＴＭ偏光を低損失で透過（ＴＭ透過損失が小さい）しＴＥ偏光を高損失で透過（ＴＥ透過損失が大きい）するという高い偏光特性を持っている。こうした特徴を持つ偏光子１は、分光分析（試薬、セキュリティー）、光通信、テラヘルツ分光、光通信アイソレーター等、偏光分離と反射防止効果に基づいた用途に利用可能である。
［光モジュール］
本発明に係る光モジュールは、上記した本発明の偏光子１を用いて構成されるデバイス又は機器である。近赤外帯域で用いる光モジュールの例としては、通信用光アイソレーターを挙げることができる。通信用光アイソレーターは、互いに透過する偏光の向きが４５度傾いた２枚の偏光子の間に、偏光の回転角が４５度のファラデー回転子を挿入することにより構成したものである。こうした光アイソレーターによれば、ある方向の光はすべて透過し、逆方向の光は透過しないようにできる。光通信では半導体レーザの発信を安定化するのに必要であり、偏光子は必要不可欠なモジュールの一つの構成部品である。その偏光子に本発明の偏光子１を用いれば、安価かつ広開口の光アイソレーターが製造できる。
本発明に係る光モジュールは、上記した本発明の偏光子１を用いて構成されるデバイス又は機器である。近赤外帯域で用いる光モジュールの例としては、通信用光アイソレーターを挙げることができる。通信用光アイソレーターは、互いに透過する偏光の向きが４５度傾いた２枚の偏光子の間に、偏光の回転角が４５度のファラデー回転子を挿入することにより構成したものである。こうした光アイソレーターによれば、ある方向の光はすべて透過し、逆方向の光は透過しないようにできる。光通信では半導体レーザの発信を安定化するのに必要であり、偏光子は必要不可欠なモジュールの一つの構成部品である。その偏光子に本発明の偏光子１を用いれば、安価かつ広開口の光アイソレーターが製造できる。
また、テラヘルツ帯域で用いる光モジュールの例としては、種々のものを構成できるが、例えば各種の物質の光に対する偏光特性（ファラデー回転、カー効果、旋光性、複屈折、等々）を利用して物質の分析を行うとき等に、試料を通過した光の偏光特性を調べる装置を挙げることができる。本発明の偏光子１は、そうした装置を構成する偏光子として利用できる。
以下、解析例と実験例により本発明をさらに具体的に説明する。
［解析例１］
図５は、図４（Ａ）に示す構造をモデリングし、その構造周期を変えた３種の試料について、Ａｕ層の厚さに対する、波長３００μｍのテラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）を厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）法を用いた数値解析により求めたグラフである。評価した試料は、基材２を厚さ０．５ｍｍのＳｉとし、その片面に図４（Ａ）に示す三角波形状を周期構造１０としたものとした。周期構造１０は、アスペクト比を１．０とし、構造周期Λを１０μｍ、３０μｍ及び５０μｍの３種とし、金属層１１をＡｕ層として全面に形成し、その厚さを１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲で変化させて解析した。なお、Ａｕの表皮深さδは９３ｎｍ（波長３００ｎｍ）である。
図５は、図４（Ａ）に示す構造をモデリングし、その構造周期を変えた３種の試料について、Ａｕ層の厚さに対する、波長３００μｍのテラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）を厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）法を用いた数値解析により求めたグラフである。評価した試料は、基材２を厚さ０．５ｍｍのＳｉとし、その片面に図４（Ａ）に示す三角波形状を周期構造１０としたものとした。周期構造１０は、アスペクト比を１．０とし、構造周期Λを１０μｍ、３０μｍ及び５０μｍの３種とし、金属層１１をＡｕ層として全面に形成し、その厚さを１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲で変化させて解析した。なお、Ａｕの表皮深さδは９３ｎｍ（波長３００ｎｍ）である。
図５に示すように、構造周期Λが１０μｍの場合においては、ＴＭ透過損失は、Ａｕ層の厚さが１００ｎｍ付近で急峻に増大した。Ａｕの表皮深さδである９３ｎｍ（波長３００ｎｍ）を超えると、ＴＭ透過損失とＴＥ透過損失が高くなる傾向がある。Ａｕ層の厚さが５０ｎｍ未満であれば、ＴＭ透過損失が低く、ＴＭ偏光に透過が見られるので、偏光子として動作することがわかる。構造周期Λが５０μｍから１０μｍと小さくなるにつれ、ＴＥ透過損失は増加し、ＴＭ透過損失は減少するため、高い偏光特性が得られることがわかる。
［実験例１］
図６は、図４（Ａ）に示す構造において金属層１１としてＡｕ層を用いて実際に作製した試料について、テラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）を測定した結果を示すグラフである。評価した試料は、基材２を厚さ０．５ｍｍのＳｉとし、その片面に図４（Ａ）に示す三角波形状を周期構造１０として形成した。周期構造１０は、先端角７５°の円形ダイヤモンドブレードで機械的に研削加工して形成し、三角波形状の構造周期Λを２５μｍとし、高さを２２μｍとした。アスペクト比は０．８８である。周期構造１０の全面には、厚さ２０ｎｍのＡｕ層をスパッタリング法で成膜した。なお、Ａｕ層の表皮深さδは９３ｎｍ（波長３００μｍ）である。この試料について、０．５〜３ＴＨｚのテラヘルツ帯域におけるＴＥ透過損失とＴＭ透過損失をテラヘルツ分光器を用いて評価した。
図６は、図４（Ａ）に示す構造において金属層１１としてＡｕ層を用いて実際に作製した試料について、テラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）を測定した結果を示すグラフである。評価した試料は、基材２を厚さ０．５ｍｍのＳｉとし、その片面に図４（Ａ）に示す三角波形状を周期構造１０として形成した。周期構造１０は、先端角７５°の円形ダイヤモンドブレードで機械的に研削加工して形成し、三角波形状の構造周期Λを２５μｍとし、高さを２２μｍとした。アスペクト比は０．８８である。周期構造１０の全面には、厚さ２０ｎｍのＡｕ層をスパッタリング法で成膜した。なお、Ａｕ層の表皮深さδは９３ｎｍ（波長３００μｍ）である。この試料について、０．５〜３ＴＨｚのテラヘルツ帯域におけるＴＥ透過損失とＴＭ透過損失をテラヘルツ分光器を用いて評価した。
図６に示すように、０．５〜３．０ＴＨｚの広域帯において、ＴＥ透過損失は２５ｄＢ以上、ＴＭ透過損失は３．０ｄＢ以下の実測結果が得られており、計算結果と併せて評価しても、高い偏光特性が得られることを確認できた。なお、ＴＥ透過損失における実測結果と計算結果との顕著な差は、入射光の偏光方向と、サンプルの設置角度のずれに基づくものである。
また、図６に示すように、ＴＭ波については、測定結果と計算結果が良く一致していた。一方、ＴＥ波の透過損失は測定値が計算値より大幅に低くなっていた。これは、測定系のダイナミックレンジによるものである（＜３０ｄＢ）。なお、図６には参考のため、表裏面とも鏡面の平板（ブランク）になっているＳｉ基板の透過損失測定値も記した。なお、図６の透過損失の計算値と測定値には、フレネル反射損失約１ｄＢが含まれている。また、ブランクのＳｉ基板の透過損失にはフレネル反射損失約１．５ｄＢが含まれている。ブランクのＳｉ基板の透過損失測定値よりも、表面に偏光子が形成された基板の透過損失の計算値の方が低いのは、表面に形成されているサブ波長格子に反射防止効果があるためである。
［解析例２］
図７は、周期構造を有さない構造をモデリングし、その全面にＡｕ層を設けた試料について、電磁波の３種の入射角度βとＡｕ層の厚さに対する、波長３００μｍのテラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）の関係をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めたグラフである。評価した試料は、基材２を厚さ０．５ｍｍのＳｉとし、その上には周期構造を形成せずにＡｕ層を全面に形成し、その厚さを１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲で変化させて解析した。その試料の法線に対して入射角βが１５°、３０°、６０°の３種の光（波長３００μｍのテラヘルツ帯域の光）を入射した。
図７は、周期構造を有さない構造をモデリングし、その全面にＡｕ層を設けた試料について、電磁波の３種の入射角度βとＡｕ層の厚さに対する、波長３００μｍのテラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）の関係をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めたグラフである。評価した試料は、基材２を厚さ０．５ｍｍのＳｉとし、その上には周期構造を形成せずにＡｕ層を全面に形成し、その厚さを１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲で変化させて解析した。その試料の法線に対して入射角βが１５°、３０°、６０°の３種の光（波長３００μｍのテラヘルツ帯域の光）を入射した。
一方、図８は、図４（Ａ）に示す構造をモデリングした試料について、法線方向から入射した電磁波に対して変化させた周期構造構成面の３種の角度αとＡｕ層の厚さに対する、波長３００μｍのテラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めたグラフである。評価した試料は、基材２を厚さ０．５ｍｍのＳｉとし、その片面に図４（Ａ）に示す三角波形状を周期構造１０としたものとした。周期構造１０は、構造周期Λを２０μｍとし、尾根部４から水平方向に延びる基準線と三角波形状の面３との間の角度α（図８参照）を１５°、３０°、６０°の３種とした周期構造とし、金属層１１をＡｕ層として全面に形成し、その厚さを１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲で変化させて解析した。
図７では、透過損失に対する入射角度依存性は大きくなく、Ａｕ層の厚さを変えても同様であった。また、Ａｕ層が厚いほど、透過損失は大きくなる傾向があった。波長３００μｍにおける表皮深さと同じ厚さ９３ｎｍのＡｕ層でのＴＥ透過損失とＴＭ透過損失との差は１０ｄＢであった。一方、図８では、Ａｕ層の厚さが薄い場合にＴＥ透過損失とＴＭ透過損失との差が大きくなり、例えば角度αが３０°で且つ波長３００μｍにおける表皮深さと同じ厚さ９３ｎｍのＡｕ層でのＴＥ透過損失とＴＭ透過損失との差は６０ｄＢ以上であった。この傾向は、角度αが６０°の場合も同様であったが、角度αが１５°の場合は十分な差が得られないことがわかった。
［解析例３］
図９は、図４（Ａ）に示す構造をモデリングし、その構造周期を変えた３種の試料について、Ａｌ層の厚さに対する、波長１．５５μｍの近赤外帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めたグラフである。評価した試料は、基材２を厚さ０．５ｍｍのＳｉＯ２とし、その片面に図４（Ａ）に示す三角波形状を周期構造１０としたものとした。周期構造１０は、アスペクト比を２．０とし、構造周期Λを３００ｎｍ、５００μｍ及び８００μｍの３種とし、金属層１１をＡｌ層として全面に成膜し、その厚さを１ｎｍ〜３０ｎｍの範囲で変化させて解析した。なお、Ａｌの表皮深さδは５１ｎｍ（波長１．５５μｍ）である。
図９は、図４（Ａ）に示す構造をモデリングし、その構造周期を変えた３種の試料について、Ａｌ層の厚さに対する、波長１．５５μｍの近赤外帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めたグラフである。評価した試料は、基材２を厚さ０．５ｍｍのＳｉＯ２とし、その片面に図４（Ａ）に示す三角波形状を周期構造１０としたものとした。周期構造１０は、アスペクト比を２．０とし、構造周期Λを３００ｎｍ、５００μｍ及び８００μｍの３種とし、金属層１１をＡｌ層として全面に成膜し、その厚さを１ｎｍ〜３０ｎｍの範囲で変化させて解析した。なお、Ａｌの表皮深さδは５１ｎｍ（波長１．５５μｍ）である。
図９に示すように、構造周期Λが狭くなるにつれ、ＴＥ透過損失は増加したが、ＴＭ透過損失には大きな変化は見られなかった。したがって、構造周期Λが狭いほど、ＴＥ透過損失とＴＭ透過損失との差が大きくなるので、高い偏光特性を得ることができる。Ａｌ層の厚さは、ＴＥ透過損失に対してもＴＭ透過損失に対しても影響するが、その最適値は、許容挿入損失、消光比の兼ね合いによって選ぶことができる。例えば、図９の場合、構造周期Λが３００ｎｍのとき、Ａｌ層の厚さとして５ｎｍを挙げることができる。
［解析例４］
図１０は、図４（Ａ）に示す構造をモデリングし、そのＡｌ層厚さを変えた３種の試料について、アスペクト比に対する、波長１．５５μｍの近赤外帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めたグラフである。評価した試料は、基材２を厚さ０．５ｍｍのＳｉＯ２とし、その片面に図４（Ａ）に示す三角波形状を周期構造１０としたものとした。周期構造１０は、三角波形状の構造周期Λを３００ｎｍとし、金属層をＡｌ層として５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍの４種を各試料の全面に形成した。そして、アスペクト比を０．５〜２．０の範囲で変化させて解析した。なお、Ａｌの表皮深さδは５１ｎｍ（波長１．５５μｍ）である。
図１０は、図４（Ａ）に示す構造をモデリングし、そのＡｌ層厚さを変えた３種の試料について、アスペクト比に対する、波長１．５５μｍの近赤外帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めたグラフである。評価した試料は、基材２を厚さ０．５ｍｍのＳｉＯ２とし、その片面に図４（Ａ）に示す三角波形状を周期構造１０としたものとした。周期構造１０は、三角波形状の構造周期Λを３００ｎｍとし、金属層をＡｌ層として５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍの４種を各試料の全面に形成した。そして、アスペクト比を０．５〜２．０の範囲で変化させて解析した。なお、Ａｌの表皮深さδは５１ｎｍ（波長１．５５μｍ）である。
図１０に示すように、ＴＥ透過損失は、アスペクト比が増し且つＡｌ層の厚さが２０ｎｍ、３０ｎｍに増すほど増加する傾向が見られた。一方、ＴＭ透過損失は、アスペクト比が増し且つＡｌ層の厚さが薄いほど低下する傾向がある。また、ＴＥ透過損失とＴＭ透過損失との差（偏光特性）は、アスペクト比が大きく且つＡｌ層の厚さが２０ｎｍと３０ｎｍの場合に大きくなっている。したがって、より高いアスペクト比の構造が高消光比、低挿入損失を実現に適しているということがわかった。
［解析例５］
図１１は、図４に示す構造をモデリングし、その三角波形状の周期構造上に形成した金属層の被覆形態に対する、波長３００μｍのテラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により評価したグラフである。図１１中の符号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ図４中の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に示す周期構造に対応するものである。また、符号Ｓは三角波形状を有さない金属平板を試料としたものである。各試料は、構造周期Λを３０μｍ、アスペクト比を１．０、金属層をＡｌ層として１０〜５００ｎｍの範囲で変化させて解析した。
図１１は、図４に示す構造をモデリングし、その三角波形状の周期構造上に形成した金属層の被覆形態に対する、波長３００μｍのテラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により評価したグラフである。図１１中の符号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ図４中の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に示す周期構造に対応するものである。また、符号Ｓは三角波形状を有さない金属平板を試料としたものである。各試料は、構造周期Λを３０μｍ、アスペクト比を１．０、金属層をＡｌ層として１０〜５００ｎｍの範囲で変化させて解析した。
図１１に示すように、ＴＥ透過損失では、Ａ、Ｂ、Ｃのいずれも大きな違いが見られなかったが、三角波形状の片面にしかＡｌ層が形成されてないＤは、ＴＥ透過損失が低下した。一方、ＴＭ透過損失では、Ａのみが厚さ１００ｎｍを超えたあたりから増加が見られたが、Ｂ，Ｃ，Ｄでは顕著な増加が見られなかった。このことは、ＴＭ偏光については、Ａｌ層の一部に不連続の部分（例えば尾根部４や谷部５にＡｌ層が形成されていない部分）があると、ＴＭ透過損失が小さく、大幅に改善されることを示している。なお、この図には示さないが、Ａにおいても、Ａｌ層は十分に薄い場合（例えば１０〜５０ｎｍ程度）には、ＴＭ透過損失が小さくなる。
［解析例６］
図１２は、図４に示す周期構造の形態をモデリングし、波長３００μｍのテラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により評価したグラフである。図１２中の符号Ａ、Ｆ、Ｇはそれぞれ図４中の（Ａ）（Ｆ）（Ｇ）に示す周期構造に対応するものである。また、符号Ｓは三角波形状を有さない金属平板を試料としたものである。各試料は、構造周期Λを３０μｍ、アスペクト比を１．０、金属層をＡｌ層として１０〜５００ｎｍの範囲で変化させて解析した。なお、各試料において、Ａｌ層はいずれも全面に形成している。
図１２は、図４に示す周期構造の形態をモデリングし、波長３００μｍのテラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により評価したグラフである。図１２中の符号Ａ、Ｆ、Ｇはそれぞれ図４中の（Ａ）（Ｆ）（Ｇ）に示す周期構造に対応するものである。また、符号Ｓは三角波形状を有さない金属平板を試料としたものである。各試料は、構造周期Λを３０μｍ、アスペクト比を１．０、金属層をＡｌ層として１０〜５００ｎｍの範囲で変化させて解析した。なお、各試料において、Ａｌ層はいずれも全面に形成している。
図１２に示すように、ＴＥ透過損失では、Ｇ（矩形波形状）が特に優れていたが、Ａ（三角波形状）とＦ（正弦波形状）は同程度であった、一方、ＴＭ透過損失では、Ｇが特に大きく、唯一反射低減効果が得られず、干渉による影響が大きく出ていると考えられる。これらの中では、Ｆ（正弦波形状）が最も優れた特性となっている。
［解析例７］
図１３は、図４（Ａ）に示す構造をモデリングし、そのアスペクト比を変えた４種の試料について、金属層の厚さに対する、波長３００μｍのテラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により評価したグラフである。各試料は、三角波形状の構造周期Λを３０μｍ、アスペクト比を０．０５、０．１、０．５、１．０の４種とし、金属層をＡｕ層として１０〜５００ｎｍの範囲で変化させて解析した。なお、各試料において、Ａｕ層はいずれも全面に形成している。また、符号Ｓは三角波形状を有さない金属平板を試料としたものである。
図１３は、図４（Ａ）に示す構造をモデリングし、そのアスペクト比を変えた４種の試料について、金属層の厚さに対する、波長３００μｍのテラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により評価したグラフである。各試料は、三角波形状の構造周期Λを３０μｍ、アスペクト比を０．０５、０．１、０．５、１．０の４種とし、金属層をＡｕ層として１０〜５００ｎｍの範囲で変化させて解析した。なお、各試料において、Ａｕ層はいずれも全面に形成している。また、符号Ｓは三角波形状を有さない金属平板を試料としたものである。
図１３に示すように、ＴＥ透過損失では、アスペクト比が小さくなるほど金属平板Ｓの結果に近くなった。一方、ＴＭ透過損失では、アスペクト比が小さくなるほど透過損失に対するＡｕ層の厚さの要件が厳しくなる。つまり、厚さを薄くしなければ、所望のＴＭ透過損失とすることができない。したがって、十分な偏光特性を得るためには、アスペクト比が０．５以上であることが好ましい。
［解析例８］
図１４は、図４（Ａ）に示す構造をモデリングし、その金属層の厚さを変えた４種の試料について、アスペクト比に対する、波長３００μｍのテラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により評価したグラフである。各試料は、三角波形状の構造周期Λを３０μｍとし、金属層をＡｕ層として１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍの４種とし、いずれも全面に形成した。そして、アスペクト比を０．０１〜１．０の範囲で変化させて解析した。
図１４は、図４（Ａ）に示す構造をモデリングし、その金属層の厚さを変えた４種の試料について、アスペクト比に対する、波長３００μｍのテラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により評価したグラフである。各試料は、三角波形状の構造周期Λを３０μｍとし、金属層をＡｕ層として１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍの４種とし、いずれも全面に形成した。そして、アスペクト比を０．０１〜１．０の範囲で変化させて解析した。
図１４に示すように、ＴＥ透過損失では、Ａｕ層の厚さが増すにつれ、単調増加の傾向が見られた。一方、ＴＭ透過損失では、Ａｕ層の厚さが増すにつれ、アスペクト比の制限が厳しくなる傾向がある。つまり、アスペクト比が大きくてある程度の高さＬを持つ三角波形状においては、Ａｕ層の厚さが厚い場合にＴＭ透過損失を生じる傾向がある。これらの結果から、ＴＥ透過損失とＴＭ透過損失との差（偏光特性）は、アスペクト比が大きくなるに従い、大きくなっている。アスペクト比が０．０１の場合には、その構造が平板に近づくため、ＴＥ透過損失とＴＭ透過損失との差がなく、一致していることがわかる。
［解析例９］
図１５は、テラヘルツ帯域での各金属の表皮深さδについてのグラフである。表皮深さδは、周波数が高くなるほど低下し、金属種に関しては、アルミニウム、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕの順で小さかった。
図１５は、テラヘルツ帯域での各金属の表皮深さδについてのグラフである。表皮深さδは、周波数が高くなるほど低下し、金属種に関しては、アルミニウム、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕの順で小さかった。
図１６は、周期構造上に設けられた金属層について、ｄと表皮深さδについての説明図である。図１６中、ｄは［金属層の厚さ／（２×アスペクト比）］である。すなわち、ｄは、基材の面方向Ｘと平行方向における金属層１１の厚さを表しており、Ｄは、基材の面方向Ｘと直交方向における金属層１１の厚さを表している。ｄ＞δの場合は、ＴＭ偏光の電磁波においても金属層内で大きく減衰するため、挿入損失が高くなり、ｄ＜＜δの場合は、ＴＭ偏光の電磁波が金属層内を透過する際に減衰を殆ど受けないため、挿入損失が低くなる。このことから、ＴＭ偏光の電磁波において高い透過率を得るためには、金属層の厚さはδより十分小さい値であることを要するということが言える。
［実験例２］
図１７は、図６に示す実験例１の結果について、テラヘルツ帯域でのＴＥ偏光とＴＭ偏光についての透過率及び反射率を示したグラフである。１ＴＨｚ〜３ＴＨｚの帯域で、ＴＭ偏光の透過率５０％以上、即ち挿入損失３ｄＢ以下が得られている。ＴＥ偏光の透過率はほとんど零であり、ｄＢで表すと３０ｄＢ以上の透過損失が得られており、高い消光比をもつ偏光子になっている。ＴＥ偏光の反射率が高いことから、ＴＥ偏光の大部分は金属層において反射されているということがわかった。なお、テラヘルツ帯での測定器の構造上、反射光を全て受光することが難しいために、ＴＥ偏光の反射率が１００％近くになっていない。
図１７は、図６に示す実験例１の結果について、テラヘルツ帯域でのＴＥ偏光とＴＭ偏光についての透過率及び反射率を示したグラフである。１ＴＨｚ〜３ＴＨｚの帯域で、ＴＭ偏光の透過率５０％以上、即ち挿入損失３ｄＢ以下が得られている。ＴＥ偏光の透過率はほとんど零であり、ｄＢで表すと３０ｄＢ以上の透過損失が得られており、高い消光比をもつ偏光子になっている。ＴＥ偏光の反射率が高いことから、ＴＥ偏光の大部分は金属層において反射されているということがわかった。なお、テラヘルツ帯での測定器の構造上、反射光を全て受光することが難しいために、ＴＥ偏光の反射率が１００％近くになっていない。
［実験例３］
図１８は、図４（Ａ）に示す構造において金属層としてＰｔ層を用いて実際に作製した試料について、周期構造の表面形状を示す電子顕微鏡写真（Ａ）と断面の光学顕微鏡写真（Ｂ）である。評価した試料は、基材２を厚さ２ｍｍのＺＥＯＮＥＸ（登録商標）（日本ゼオン株式会社製）とし、その片面に所定のアスペクト比と構造周期Λからなる図４（Ａ）に示す三角波形状の周期構造１０を形成した。周期構造１０は、先端角７５°の円形ダイヤモンドブレードで機械的に研削加工して形成し、三角波形状の構造周期Λを３５μｍとし、高さを５２μｍとした。アスペクト比は１．５である。周期構造１０の全面には、厚さ２０ｎｍのＰｔ層をスパッタリング法で成膜した。なお、Ｐｔの表皮深さδは１３０ｎｍ（波長１００ｎｍ）、２４０ｎｍ（波長３００ｎｍ）である。この試料について、テラヘルツ帯域におけるＴＥ透過損失とＴＭ透過損失をテラヘルツ分光器で評価した。
図１８は、図４（Ａ）に示す構造において金属層としてＰｔ層を用いて実際に作製した試料について、周期構造の表面形状を示す電子顕微鏡写真（Ａ）と断面の光学顕微鏡写真（Ｂ）である。評価した試料は、基材２を厚さ２ｍｍのＺＥＯＮＥＸ（登録商標）（日本ゼオン株式会社製）とし、その片面に所定のアスペクト比と構造周期Λからなる図４（Ａ）に示す三角波形状の周期構造１０を形成した。周期構造１０は、先端角７５°の円形ダイヤモンドブレードで機械的に研削加工して形成し、三角波形状の構造周期Λを３５μｍとし、高さを５２μｍとした。アスペクト比は１．５である。周期構造１０の全面には、厚さ２０ｎｍのＰｔ層をスパッタリング法で成膜した。なお、Ｐｔの表皮深さδは１３０ｎｍ（波長１００ｎｍ）、２４０ｎｍ（波長３００ｎｍ）である。この試料について、テラヘルツ帯域におけるＴＥ透過損失とＴＭ透過損失をテラヘルツ分光器で評価した。
図１９は、実験例３で得られた図１８に示す試料について、テラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）を示すグラフである。縦軸は透過率及び反射率のパーセンテージ表示とした。図１９に示すように、１ＴＨｚ〜３ＴＨｚの帯域で、挿入損失１ｄＢ以下、消光比７ｄＢ程度が得られており、基材をＺＥＯＮＥＸ（登録商標）とすることで挿入損失の大幅な改善を見込むことができる。一方、Ｐｔ層を金属層に用いる場合、厚さ２０ｎｍでは十分な消光比を得ることができないということがわかった。
［解析例１０］
図２０は、図４（Ａ）に示す構造をモデリングし、その金属層の種類を変えた３種の試料について、金属層の厚さに対する、波長１．５５μｍの近赤外帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めたグラフである。評価した試料は、基材２を厚さ０．５ｍｍのＳｉＯ２とし、その片面に図４（Ａ）に示す三角波形状を周期構造１０としたものとした。周期構造１０は、三角波形状の構造周期Λを３００μｍとし、アスペクト比を１．０とした。その周期構造１０の表面に、金属層としてＡｌ層、Ａｕ層、Ｐｔ層をそれぞれ全面に形成した３種の試料を準備し、その厚さを１〜３０ｎｍの範囲で変化させて解析した。
図２０は、図４（Ａ）に示す構造をモデリングし、その金属層の種類を変えた３種の試料について、金属層の厚さに対する、波長１．５５μｍの近赤外帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）をＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めたグラフである。評価した試料は、基材２を厚さ０．５ｍｍのＳｉＯ２とし、その片面に図４（Ａ）に示す三角波形状を周期構造１０としたものとした。周期構造１０は、三角波形状の構造周期Λを３００μｍとし、アスペクト比を１．０とした。その周期構造１０の表面に、金属層としてＡｌ層、Ａｕ層、Ｐｔ層をそれぞれ全面に形成した３種の試料を準備し、その厚さを１〜３０ｎｍの範囲で変化させて解析した。
図２０に示すように、ＴＥ透過損失では、金属層が厚くなるほど高くなり、材料としてはＡｌ層が最も高い結果となった。一方、ＴＭ透過損失では、金属層が厚くなるほど高くなり、特にＡｌ層は急激にＴＭ透過損失が増加する結果となった。したがって、高消光比、低挿入損失を実現するためには、Ａｌ層を２０ｎｍの厚さで形成することが好ましいということがわかった。
［正弦波形状のサブ波長格子］
次に、周期構造の断面が正弦波形状である場合について、構造パラメータを変化させたときの光学特性を詳しく解析する。なお、以下では、これまでの三角波形状との違いを強調する目的から、便宜上、断面形状の高さをＬからｈに、また金属層の厚さをＤからｔに変更しているが、物理量は同一である。
次に、周期構造の断面が正弦波形状である場合について、構造パラメータを変化させたときの光学特性を詳しく解析する。なお、以下では、これまでの三角波形状との違いを強調する目的から、便宜上、断面形状の高さをＬからｈに、また金属層の厚さをＤからｔに変更しているが、物理量は同一である。
図２１は、図４（Ｆ）に示す正弦波形状の断面を有し、その正弦波形状の表面に金属層が形成されている偏光子（サブ波長格子）である。この偏光子は、格子に入射した光波の電界が周期構造と直交（Ｅx）するＴＭ波は金属層があるにもかかわらず低損失で透過し、周期構造と平行な電界（Ｅy）を持つＴＥ波は金属層により吸収・反射されることで高透過損失となる。
以下の解析では、特に断らない限り、金属層をＡｕ（屈折率ｎ＝２２４．５、消衰係数ｋ＝３１８．６）、基板をＺＥＯＮＥＸ（登録商標）樹脂の一種であるTsurupica（登録商標）（ｎ＝１．５３、ｋ＝０）として計算した。なお、主要な構造パラメータは，周期構造のアスペクト比（ｈ／Λ）、金属層の厚さ（ｔ）とした。また、本願において「消光比(extinction ratio)」とは、偏光軸がビームの面に平行である光路内に置いた偏光子を通る平面偏光ビームのパワーと、偏光軸がビームの面に垂直に置いた時の透過パワーとの比のことである。
［解析例１１］
アスペクト比依存性を解析した、図２２は、図２１に示す構造をモデリングし、正弦波形状の断面を持つ偏光子のアスペクト比ｈ／Λに対する透過損失特性の計算結果を示すグラフである。アスペクト比の増加に伴い、ＴＥ波とＴＭ波の透過損失曲線が分離し、高い消光比が得られることがわかった。また、ＴＭ波の透過損失は、ｈ／Λ＝０．１付近を境に急峻に減少した。同等のアスペクト比を持つ構造では、金属層の厚さが大きいほど両偏波とも透過損失が増加したが、アスペクト比がｈ／Λ＞０．５ではいずれの厚さ（厚さ１００ｎｍ以下）の場合もＴＭ波に対しほぼ無損失となった。以上より、周期構造のアスペクト比は０．５以上であることが望ましい。なお、三角波形状における図１４の結果では、ＴＭ波に対しほぼ無損失となるアスペクト比は０．７以上であり、両者の違いがわかる。
アスペクト比依存性を解析した、図２２は、図２１に示す構造をモデリングし、正弦波形状の断面を持つ偏光子のアスペクト比ｈ／Λに対する透過損失特性の計算結果を示すグラフである。アスペクト比の増加に伴い、ＴＥ波とＴＭ波の透過損失曲線が分離し、高い消光比が得られることがわかった。また、ＴＭ波の透過損失は、ｈ／Λ＝０．１付近を境に急峻に減少した。同等のアスペクト比を持つ構造では、金属層の厚さが大きいほど両偏波とも透過損失が増加したが、アスペクト比がｈ／Λ＞０．５ではいずれの厚さ（厚さ１００ｎｍ以下）の場合もＴＭ波に対しほぼ無損失となった。以上より、周期構造のアスペクト比は０．５以上であることが望ましい。なお、三角波形状における図１４の結果では、ＴＭ波に対しほぼ無損失となるアスペクト比は０．７以上であり、両者の違いがわかる。
［解析例１２］
格子周期依存性を解析した。図２３は、正弦波形状の断面を持つサブ波長格子の、格子周期に対する透過損失特性の計算結果を示すグラフであり、図２４は、三角波形状の断面を持つサブ波長格子の、格子周期に対する透過損失特性の計算結果を示すグラフである。ＴＥ波の透過損失は、断面形状によらず、格子周期が長くなるにつれ低下した。しかし、その透過損失値は３０ｄＢ以上であり、実用的には問題にならない。一方、ＴＭ波の透過損失は、格子周期が３０μｍ以上ではいずれも低い透過損失であったが、格子周期が２５μｍ以下に短くなるにつれ、特に三角波形状では急激に増加した。この点から、三角波形状よりも正弦波形状がより望ましいといえる。格子周期が短くなったときの正弦波形状と三角波形状のＴＭ波の透過損失の差は、金属格子におけるプラズモンポラリトンモードの励振効率の違いに起因する。すなわち、三角波形状が高い空間周波数成分を有するのに対し、正弦波形状は格子周期に相当する空間周波数成分付近のみを有するため、その空間周波数に対応するプラズモンポラリトンモードを効率よく励振できる。このプラズモンポラリトンモードが透過側のＴＭ偏光を励振して透過率を高くしており、電子の移動度だけの定性的な解釈では説明できない。
格子周期依存性を解析した。図２３は、正弦波形状の断面を持つサブ波長格子の、格子周期に対する透過損失特性の計算結果を示すグラフであり、図２４は、三角波形状の断面を持つサブ波長格子の、格子周期に対する透過損失特性の計算結果を示すグラフである。ＴＥ波の透過損失は、断面形状によらず、格子周期が長くなるにつれ低下した。しかし、その透過損失値は３０ｄＢ以上であり、実用的には問題にならない。一方、ＴＭ波の透過損失は、格子周期が３０μｍ以上ではいずれも低い透過損失であったが、格子周期が２５μｍ以下に短くなるにつれ、特に三角波形状では急激に増加した。この点から、三角波形状よりも正弦波形状がより望ましいといえる。格子周期が短くなったときの正弦波形状と三角波形状のＴＭ波の透過損失の差は、金属格子におけるプラズモンポラリトンモードの励振効率の違いに起因する。すなわち、三角波形状が高い空間周波数成分を有するのに対し、正弦波形状は格子周期に相当する空間周波数成分付近のみを有するため、その空間周波数に対応するプラズモンポラリトンモードを効率よく励振できる。このプラズモンポラリトンモードが透過側のＴＭ偏光を励振して透過率を高くしており、電子の移動度だけの定性的な解釈では説明できない。
［解析例１３］
金属層厚依存性を解析した。図２５は、金属層の厚さに対する透過損失特性の計算結果を示すグラフである。金属層の厚さの増加に伴い、両偏波ともに透過損失が増加した。断面が正弦波形状の場合は、金属層の膜厚が厚く（ｔ≧２００ｎｍ）なってもＴＭ波の透過損失（すなわち偏光子としての挿入損失）が充分低いことがわかった。一方、断面が三角波形状の場合には、金属層の膜厚が厚く（ｔ≧２００ｎｍ）なったときにＴＭ波の透過損失が急増した。また、他の種々の金属（Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｌ）についても、同様の結果が得られた。
金属層厚依存性を解析した。図２５は、金属層の厚さに対する透過損失特性の計算結果を示すグラフである。金属層の厚さの増加に伴い、両偏波ともに透過損失が増加した。断面が正弦波形状の場合は、金属層の膜厚が厚く（ｔ≧２００ｎｍ）なってもＴＭ波の透過損失（すなわち偏光子としての挿入損失）が充分低いことがわかった。一方、断面が三角波形状の場合には、金属層の膜厚が厚く（ｔ≧２００ｎｍ）なったときにＴＭ波の透過損失が急増した。また、他の種々の金属（Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｌ）についても、同様の結果が得られた。
［解析例１４］
周波数依存性を解析した。図２６は、断面が正弦波形状で、ｈ／Λ＝１．０、Λ＝３０μｍの構造パラメータの偏光子における、周波数特性に対する透過損失特性の計算結果を示すグラフである。この偏光子は、広い周波数帯において安定した特性を持ち、消光比６０ｄＢ以上が得られることがわかった。この結果は、この偏光子の動作メカニズムが、周波数に対して偏光特性の変化が急峻である表面波プラズモンによる共鳴トンネリングを利用したものとは異なることを示している。なお、三角波形状の断面を持つ構造においても、同様の結果が得られた。
周波数依存性を解析した。図２６は、断面が正弦波形状で、ｈ／Λ＝１．０、Λ＝３０μｍの構造パラメータの偏光子における、周波数特性に対する透過損失特性の計算結果を示すグラフである。この偏光子は、広い周波数帯において安定した特性を持ち、消光比６０ｄＢ以上が得られることがわかった。この結果は、この偏光子の動作メカニズムが、周波数に対して偏光特性の変化が急峻である表面波プラズモンによる共鳴トンネリングを利用したものとは異なることを示している。なお、三角波形状の断面を持つ構造においても、同様の結果が得られた。
［解析例１５］
入射角依存性を解析した。図２７は、入射光を基板に対してｘ−ｚ平面内でθだけ傾けた場合の透過損失特性計算結果を示すグラフである。正弦波形状及び三角波形状の構造とも、入射角に対する偏光特性変化がほとんど無く、偏光子として使用しやすい特長を有していることがわかった。
入射角依存性を解析した。図２７は、入射光を基板に対してｘ−ｚ平面内でθだけ傾けた場合の透過損失特性計算結果を示すグラフである。正弦波形状及び三角波形状の構造とも、入射角に対する偏光特性変化がほとんど無く、偏光子として使用しやすい特長を有していることがわかった。
［解析例１６］
金属の種類に対する依存性を解析した。図２８は、断面が正弦波形状で、種々の材料からなる金属層に対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性の計算結果を示すグラフである。図２８に示すように、多くの金属に対して高い偏光特性が得られることがわかった。４種の金属の中では、Ａｕの場合にＴＥ波とＴＭ波の透過損失がそれぞれ最も高い値となった。これは、これらの金属の中でＡｕが最も大きな複素誘電率の虚部をもつことに起因している。この偏光子では、赤外からテラヘルツの周波数帯にわたり、非常に大きな複素誘電率の虚部を持つ金属の材料特性が利用できる。多くは薄膜として形成可能な金属である。なお、金属層の厚さ（ｔ）は、複素誘電率と周波数から得られる表皮深さ（δ）を目安に決定した（テラヘルツ帯での金属の表皮深さは図１５を参照）。ＴＭ波に対して金属層による損失を抑えるためには、ｔ≦δであることが望ましい。Ａｕの場合、図１５からｔ≦６０ｎｍとなる。
金属の種類に対する依存性を解析した。図２８は、断面が正弦波形状で、種々の材料からなる金属層に対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性の計算結果を示すグラフである。図２８に示すように、多くの金属に対して高い偏光特性が得られることがわかった。４種の金属の中では、Ａｕの場合にＴＥ波とＴＭ波の透過損失がそれぞれ最も高い値となった。これは、これらの金属の中でＡｕが最も大きな複素誘電率の虚部をもつことに起因している。この偏光子では、赤外からテラヘルツの周波数帯にわたり、非常に大きな複素誘電率の虚部を持つ金属の材料特性が利用できる。多くは薄膜として形成可能な金属である。なお、金属層の厚さ（ｔ）は、複素誘電率と周波数から得られる表皮深さ（δ）を目安に決定した（テラヘルツ帯での金属の表皮深さは図１５を参照）。ＴＭ波に対して金属層による損失を抑えるためには、ｔ≦δであることが望ましい。Ａｕの場合、図１５からｔ≦６０ｎｍとなる。
［解析例１７］
赤外からテラヘルツ帯での特性を解析した。図２９は、波長５μｍ〜３００μｍの周波数帯における透過損失特性の計算結果を示すグラフである。構造パラメータは波長λで正規化しており、Λ＝λ／２、ｈ／Λ＝０．５、ｔ＝λ／２０００とした。また、金属層はＡｕ（ｎ＝ｎ(λ)）、基板はｎ＝１とした。この結果から、λ≧１０μｍにおいて、挿入損失は無視できるほど小さく、消光比が２０ｄＢ以上の特性が得られた。λ＜１０μｍではＡｕの複素誘電率の虚部が小さくなるため、消光比が低下するが、金属層の厚さｔを大きくすることにより消光比２０ｄＢ以上を得ることが可能であった。これらの結果から、この偏光子は、近赤外からテラヘルツの周波数帯において適用可能であることがわかった。
赤外からテラヘルツ帯での特性を解析した。図２９は、波長５μｍ〜３００μｍの周波数帯における透過損失特性の計算結果を示すグラフである。構造パラメータは波長λで正規化しており、Λ＝λ／２、ｈ／Λ＝０．５、ｔ＝λ／２０００とした。また、金属層はＡｕ（ｎ＝ｎ(λ)）、基板はｎ＝１とした。この結果から、λ≧１０μｍにおいて、挿入損失は無視できるほど小さく、消光比が２０ｄＢ以上の特性が得られた。λ＜１０μｍではＡｕの複素誘電率の虚部が小さくなるため、消光比が低下するが、金属層の厚さｔを大きくすることにより消光比２０ｄＢ以上を得ることが可能であった。これらの結果から、この偏光子は、近赤外からテラヘルツの周波数帯において適用可能であることがわかった。
［実験例４］
図３０は、先端角７５°の円形ダイヤモンドブレードで機械的に研削加工して基板表面に構造周期を形成し、その上にＡｕ層を形成した試料について、テラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）を示すグラフである。基板は、テラヘルツ帯において比較的透明で加工が容易な厚さ２５μｍのＴｓｕｒｕｐｉｃａ（登録商標）樹脂基板とし、構造パラメータは、Λ＝３５μｍ、ｈ＝５０μｍ、ｈ／Λ＝１．４とし、Ａｕ層はスパッタリング法により格子全面に形成した。図３１に示すように、図６に示すＳｉ基板の場合と同様、優れた偏光特性が得られている。樹脂基板の試料では、１〜３ＴＨｚの周波数帯において、消光比３０ｄＢ以上、挿入損失５ｄＢ以下が得られた。これらの値には樹脂基板の吸収損失（３ＴＨｚにおいて２．５ｄＢ）が含まれている。この吸収損失を差し引くと、偏光子自体の挿入損失は、２．５ｄＢ以下である。
図３０は、先端角７５°の円形ダイヤモンドブレードで機械的に研削加工して基板表面に構造周期を形成し、その上にＡｕ層を形成した試料について、テラヘルツ帯域での透過損失（ＴＥ、ＴＭ）を示すグラフである。基板は、テラヘルツ帯において比較的透明で加工が容易な厚さ２５μｍのＴｓｕｒｕｐｉｃａ（登録商標）樹脂基板とし、構造パラメータは、Λ＝３５μｍ、ｈ＝５０μｍ、ｈ／Λ＝１．４とし、Ａｕ層はスパッタリング法により格子全面に形成した。図３１に示すように、図６に示すＳｉ基板の場合と同様、優れた偏光特性が得られている。樹脂基板の試料では、１〜３ＴＨｚの周波数帯において、消光比３０ｄＢ以上、挿入損失５ｄＢ以下が得られた。これらの値には樹脂基板の吸収損失（３ＴＨｚにおいて２．５ｄＢ）が含まれている。この吸収損失を差し引くと、偏光子自体の挿入損失は、２．５ｄＢ以下である。
以上のように、数値計算による偏光特性の解析と実験的検証を行った。数値解析により、テラヘルツ帯において消光比６０ｄＢ以上が得られることを示した。基板にＳｉ、金属層に厚さ２０ｎｍのＡｕを用いた偏光子を作製し、１〜３ＴＨｚの周波数帯で消光比３０ｄＢ以上、挿入損失３ｄＢ以下の特性を得、偏光子としての動作を実証した。基板にＴｓｕｒｕｐｉｃａ（登録商標）樹脂を用いた偏光子も作製し、消光比３０ｄＢ以上、挿入損失２．５ｄＢ以下（基板の吸収損失を除く）が得られ、樹脂を用いて広開口かつ量産性に優れた偏光子が実現可能であることを明らかにすることができた。
１ 偏光子
２ 基材
３ 表面
４ 尾根部
５ 谷部
１０ 周期構造
１１ 金属層
２ 基材
３ 表面
４ 尾根部
５ 谷部
１０ 周期構造
１１ 金属層
Λ 構造周期（ピッチ）
Ｌ，ｈ 三角波形状又は正弦波形状の高さ
Ｔ 偏光子の厚さ
Ｄ，ｔ 金属層の厚さ
Ｌ，ｈ 三角波形状又は正弦波形状の高さ
Ｔ 偏光子の厚さ
Ｄ，ｔ 金属層の厚さ
Claims (6)
- 基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造を有した基材と、前記周期構造の全面、又は前記周期構造の尾根部及び谷部の一方若しくは両方を除く面に設けられ、厚さが適用する周波数における表皮深さδの１／２〜１／１０である金属層と、を有することを特徴とする偏光子。
- 前記周期構造の断面が三角波形状又は正弦波形状である、請求項１に記載の偏光子。
- 前記周期構造のアスペクト比（高さ／周期）が０．５以上である、請求項１又は２に記載の偏光子。
- 基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造を前記基材面に形成する工程と、
前記周期構造の全面に、又は前記周期構造の尾根部及び谷部の一方若しくは両方を除く面に、厚さが適用する周波数における表皮深さδの１／２〜１／１０である金属層を形成する工程と、を有することを特徴とする偏光子の製造方法。 - 前記周期構造の断面が三角波形状又は正弦波形状である、請求項４に記載の偏光子の製造方法。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏光子を用いたことを特徴とする光モジュール。
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