JP5171227B2

JP5171227B2 - フォトニック結晶を用いた光アイソレータとその製造方法

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Publication number: JP5171227B2
Application number: JP2007307191A
Authority: JP
Inventors: 和憲藤井
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2027-11-28
Also published as: JP2009128879A

Description

本発明は、フォトニック結晶により製作される１枚の光学素子（片側１面）によって、波長板と偏光素子との組合せによってなされるアイソレータ機能を達成するフォトニック結晶を用いた光アイソレータとその製造方法に関するものである。

従来、光通信システム等において、光源として用いられる半導体レーザから出射された光が出射光の光路上に配置された光学部品により反射され、光路上を逆方向に進行する光により戻り光が生じる。この戻り光が半導体レーザに戻って入射すると、出力や周波数変動，変調帯域抑制，ＬＤ破壊といった不安定動作の原因となる。これを防ぐために、光源と光路上の光学部品との間に、光を一方向にだけ通す光素子である光アイソレータが配置され用いられる。特許文献１には、光ストレージや光通信分野等で用いられ、半導体レーザへの戻り光を低減して、半導体レーザのレーザ発振強度を安定化させる光アイソレータが開示さている。

また、光沢性を有する対象物の光沢像を検出する方法として、偏光子および１／４波長板からなる光アイソレータを用いて、照明光を照射した対象物からの反射光像を撮像し、また光アイソレータを介さずに照明光を照射した対象物からの反射光像を撮像し、双方の反射光像間の減算処理により対象物の光沢像を検出することが特許文献２に記載されている。

図８に示すようなＤＶＤやＣＤ、ＢＤ（Blu-ray Disc：登録商標）、ＨＤ−ＤＶＤ（High-Definition DVD）等に用いられるピックアップ光学系は、光源である半導体レーザ２０、偏光ビームスプリッタ２１、１／４波長板２２、偏向プリズム２３、対物レンズ２４の組合せから構成される。

このピックアップ光学系において、半導体レーザ２０からのレーザ光のＰ偏光を偏光ビームスプリッタ２１、１／４波長板２２を通し、対物レンズ２４で媒体２５上に集光させ、媒体２５の溝の有無を捕らえ、反射光として１／４波長板２２、偏光ビームスプリッタ２１を逆行し、Ｓ偏光の信号として取り出すように作用する。この偏光ビームスプリッタと１／４波長板との組合せによって光アイソレータとしての機能が得られ、半導体レーザの安定性に寄与している。
特開２００７−２２５９０５号公報特許第３３０６５１３号公報特開２００１−１０８８３２号公報

前述した波長板において、例えば１／２波長板（位相差１８０ｄｅｇ）は直線偏光を回転させるために用いられ、回転角は入射偏光と遅相軸とのなす角にて調整し、直線偏光に対し遅相軸を４５度に設定することで偏光面が９０度回転し、また１／４波長板（位相差９０ｄｅｇ）においては、直線偏光を円偏光または円偏光を直線偏光に変換するために用いられ、同様に直線偏光に対し遅相軸を４５度に設定することで円偏光が得られる。

このため、光アイソレータとしての機能を得るためには、偏光子や偏光ビームスプリッタと組み合わせる１／４波長板の間に角度（光軸を４５度ずらす）の制約を課さなければならず、これらを組み合わせた光アイソレータをコンパクトに構成することは難しいという問題があった。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、同一基板上の同一面に偏光子と波長板を形成して、従来よりも薄くコンパクトな光アイソレータを実現できるフォトニック結晶を用いた光アイソレータとその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータは、一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる２種類以上の透明体を前記凹凸構造上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第１の周期構造体と、前記屈折率の異なる２種類以上の透明体を、前記第１の周期構造体上に重ねて積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第２の周期構造体とを備え、前記第１および第２の周期構造体は、その一方が偏光子の機能を有するように構成され、他方が波長板の機能を有するように構成されたことを特徴とする。

また、請求項２に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータは、請求項１の光アイソレータにおいて、透明基板が、一方向の周期凹凸構造を表面と裏面のそれぞれに有し、透明基板の一方の面に第１，第２の周期構造体が形成され、他方の面に周期構造体の波長板が形成されたこと、さらに、第１，第２の周期構造体が、一方が偏光子、他方が波長板の機能を有することを特徴とする。

また、請求項３に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータは、一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる２種類以上の透明体を凹凸構造上に重ねて積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第１の周期構造体が偏光子であり、屈折率の異なる２種類以上の透明体を第１の周期構造体上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第２の周期構造体が波長板であり、偏光子と波長板は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とする。

また、請求項４に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータは、一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる２種類以上の透明体を凹凸構造上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第１の周期構造体が波長板であり、屈折率の異なる２種類以上の透明体を第１の周期構造体上に重ねて積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第２の周期構造体が偏光子であり、波長板と偏光子は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とする。

また、請求項５〜７に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータは、請求項１〜４の光アイソレータにおいて、透明基板上に積層する第１の周期構造体と第２の周期構造体の間に反射防止膜を配置してなること、さらに、透明基板と周期構造体の間に反射防止膜を配置してなること、さらに、透明基板上に積層した周期構造体の表面に反射防止膜を配置してなることを特徴とする。

また、請求項８、９に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータは、請求項１〜７の光アイソレータにおいて、透明基板の周期構造体を形成した面の裏面に反射防止膜を配置してなること、さらに、周期構造体を形成する多層膜として積層する透明体が、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３およびＴａ_２Ｏ_５およびＮｂ_２Ｏ_５およびＴｉＯ_２のいずれかにより構成されることを特徴とする。

また、請求項１０に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法は、透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程と、第１の周期構造体として凹凸構造上に屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程と、第２の周期構造体として第１の周期構造体上に重ねて、屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程とからなり、前記第１，第２の周期構造体の一方が偏光子、他方が波長板の機能を有するように、前記多層膜を形成する工程を行い、透明基板の同一面上に第１，第２の周期構造体を積層することを特徴とする。

また、請求項１１，１２に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法は、請求項１の光アイソレータの製造方法において、透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程において、透明基板の表面と裏面のそれぞれに周期凹凸構造を形成し、透明基板の一方の面には第１，第２の周期構造体を形成して、他方の面には周期構造体の波長板を形成すること、さらに、第１，第２の周期構造体が、一方が偏光子、他方が波長板の機能を有することを特徴とする。

また、請求項１２に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法は、透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程と、第１の周期構造体の偏光子として凹凸構造上に屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程と、第２の周期構造体の波長板として第１の周期構造体上に屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程とからなり、透明基板の同一面上に積層した偏光子と波長板は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とする。

また、請求項１３に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法は、透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程と、第１の周期構造体の波長板として凹凸構造上に屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程と、第２の周期構造体の偏光子として第１の周期構造体上に屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程とからなり、透明基板の同一面上に積層した波長板と偏光子は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とする。

また、請求項１４〜１６に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法は、請求項１０〜１３の光アイソレータの製造方法において、透明基板上に積層する第１の周期構造体と第２の周期構造体の間に反射防止膜を形成する工程を有したこと、さらに、透明基板と周期構造体の間に反射防止膜を形成する工程を有したこと、さらに、透明基板上に積層した周期構造体の表面に反射防止膜を形成する工程を有したことを特徴とする。

また、請求項１７，１８に記載したフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法は、請求項１０〜１６の光アイソレータの製造方法において、透明基板の周期構造体を形成した面の裏面に反射防止膜を形成する工程を有したこと、さらに、周期構造体を形成する多層膜として積層する透明体が、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３およびＴａ_２Ｏ_５およびＮｂ_２Ｏ_５およびＴｉＯ_２のいずれかにより構成されることを特徴とする。

前記構成および方法によれば、フォトニック結晶を用いて偏光子と波長板の２つの機能を基板の同一面上に形成することができる。

本発明によれば、偏光子と波長板の機能をフォトニック結晶の積層により実施し、基板の同一面上に２つの機能をフォトニック結晶の積層によって構成し、従来よりも薄くコンパクトな光アイソレータを実現でき、また一体的に製作するため、調整，組立て等の必要がなく、この作業に伴う不良の発生や製造歩留まりが低下することを低減できるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態におけるフォトニック結晶の構造を示す図であり、一方向の周期凹凸構造がわかるように連続する周期構造と直行する方向から見た断面図である。図１の構造は横方向（ｘ方向）と縦方向（ｚ方向）に周期性があり、図示されない奥行方向（ｙ方向）では周期性がない。

図１において、１は透明基板であり一方向の周期凹凸構造が形成されている。２は積層周期構造の多層膜４の一部分にあたる低屈折率層である。３は積層周期構造の多層膜４の一部分にあたる高屈折率層である。このような周期構造は軸方向への周期性の違いにより１軸方向への周期性を持つ構造体であれば一次元フォトニック結晶となり、光学薄膜を多層に積層して作られるダイクロイックフィルターやＰＢＳフィルター等が古くから知られている。２軸方向への周期性を持つ構造体であれば二次元フォトニック結晶となり、図１の構造はこの二次元フォトニック結晶である。３軸方向への周期性を持つ構造体であれば三次元フォトニック結晶となり、光学軸が複数方向へ立体的に存在する構造体である。

本発明のフォトニック結晶は偏光子または波長板としての機能を有するが、二次元フォトニック結晶の場合は主に次に述べるパラメータにより光学特性が決定される。
図１において、
１．透明基板１の屈折率
２．低屈折率層２の屈折率
３．低屈折率層２の膜厚ｄＬ
４．高屈折率層３の屈折率
５．高屈折率層３の膜厚ｄＨ
６．周期凹凸構造の周期Ｐ
７．周期凹凸構造（Ｖ字状）の傾斜θｖ
を基本として、さらには
８．高屈折率層３と低屈折率層２の積層する層数もしくは周期数
９．積層周期毎の膜厚ｄＬおよび膜厚ｄＨ
以上により構成されるパラメータを所望の特性が得られる値に整合させる。

また、本実施形態では、積層する透明薄膜は低屈折率材と高屈折率材の組み合わせを基本としているが、例えば、ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２とＮｂ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３とＴａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３とＮｂ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３とＴｉＯ_２等の組み合わせであっても良い。

本発明のフォトニック結晶は周期凹凸構造が形成された透明基板１を、例えばエッチング源を有する図２に示す成膜装置に導入する。この成膜装置は、図２の概略図に示すようにターゲットをスパッタリングして、基板にターゲットの材料の薄膜を形成する成膜装置であって、真空槽１０、真空槽１０内に設けられた円筒形の基板ホルダー１１、エッチング源１２、および真空槽１０の内部に設けられ遮蔽板で区画された第１のターゲット１３、第２のターゲット１４、反応源１５を有する。真空槽１０の内部は、図示していない排気系で排気されて、高真空状態に保たれている。円筒形の基板ホルダー１１は、所定の回転速度で回転可能であり、基板ホルダー１１の外周には、単数または複数の透明基板１を保持することができる（特許文献３：図３参照）。

この成膜装置に導入した、透明基板１上の矩形形状の周期凹凸構造にエッチング加工を行いＶ字状の周期凹凸構造とする。さらに高屈折率材の原材料（第１のターゲット）をスパッタリング（成膜）し前述の透明基板１上に所望の膜厚となるよう高屈折率層３を形成する。このとき、同時にエッチング源を作動させてプラズマによるエッチング効果を作用させ基板に形成させたＶ字状の周期凹凸構造と同一の形状に整形する。

続けて低屈折率材の原材料（第２のターゲット）をスパッタリング（成膜）し前述の透明基板１上に所望の膜厚となるよう低屈折率層２を形成する。このとき、前述のエッチング源を同時に作動させてプラズマによるエッチング効果を作用し基板に形成させたＶ字状の周期凹凸構造と同一の形状に整形する。以降、目的の積層数に達するまで前述の高屈折率材と低屈折率材の成膜を繰り返すが、各層の膜厚は設計値に基づいた膜厚に制御しフォトニック結晶を製作する。

ここで、本実施形態について、具体的な実施例を挙げ説明する。まず、実施例において使用する透明基板は、石英基板に電子線レジストを塗布し電子線描画にて微細なラインを描画し、レジストを現像した後にドライエッチングを実施した微細加工において、一方向の周期凹凸構造を形成した透明基板を製作する。この透明基板の溝の幅は２００ｎｍ、溝の深さは１００ｎｍである。図２に示す成膜装置にて前述の透明基板１を基板ホルダー１１に保持し、装置内の真空槽１０を１×１０^−４Ｐａ以下に排気した。エッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１に照射し、透明基板１の矩形形状をＶ字状の周期凹凸構造に加工する（図１参照）。このときＡｒガスを１００ｓｃｃｍ導入しエッチング源１２には２．５ｋｗの電力を供給した。

続いて、第１のターゲット１３（Ｓｉターゲット）近傍からＡｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、第１のターゲット１３のカソードに７ｋｗの電力を導入し、Ｓｉ膜を極薄く透明基板１上に成膜する。このときＳｉの成膜と同時に、反応源１５（酸化源）に酸素１００ｓｃｃｍを導入し、さらに５ｋｗの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板１上に照射して、透明基板１上のＳｉを酸素化反応させてＳｉＯ_２の薄膜を形成する。その後、エッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１上に形成されたＳｉＯ_２薄膜に照射して、Ｖ字状の周期凹凸構造に成型する。このときのＳｉＯ_２薄膜の膜厚は５０ｎｍとなるように調整し成膜を実施した。

また、第２のターゲット１４（Ｎｂターゲット）近傍からＡｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、第２のターゲット１４のカソードに５ｋｗの電力を導入し、Ｎｂ膜を極薄く透明基板１上に成膜する。このときＮｂの成膜と同時に、反応源１５（酸化源）に酸素１００ｓｃｃｍを導入し、さらに５ｋｗの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板１上に照射して、透明基板１上のＮｂを酸素化反応させてＮｂ_２Ｏ_５の薄膜を形成する。その後、エッチング源にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを基板上に形成されたＮｂ_２Ｏ_５薄膜に照射して、Ｖ字状の周期凹凸構造に成型する。このときのＮｂ_２Ｏ_５薄膜の膜厚は５０ｎｍとなるように調整し成膜を実施した。

上記ＳｉＯ_２薄膜およびＮｂ_２Ｏ_５薄膜を成型する工程を交互に２６回繰り返し、最後にＳｉＯ_２薄膜の成型工程を行って、合計５３層の多層の成膜を実施した。

上記のように透明基板１上に多層膜を成膜したフォトニック結晶波長板を位相差測定器で、測定したところ波長４０５ｎｍでの位相差は１３５ｄｅｇであった。

続けて、フォトニック結晶波長板の上に、多層膜を成膜しフォトニック結晶偏光子を形成した。多層膜の成膜は前出の波長板と同じ装置で連続して製作可能である。

波長板を形成した後、第２のターゲット１４（Ｎｂターゲット）近傍からＡｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、第２のターゲット１４のカソードに５ｋｗの電力を導入し、Ｎｂ膜を極薄く透明基板１上に成膜する。このときＮｂの成膜と同時に、反応源１５（酸化源）に酸素１００ｓｃｃｍを導入し、さらに５ｋｗの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板１上に照射して、透明基板１上のＮｂを酸素化反応させてＮｂ_２Ｏ_５の薄膜を形成する。その後、エッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１上に形成されたＮｂ_２Ｏ_５膜に照射して、Ｖ字状の周期凹凸構造に成型する。このときのＮｂ_２Ｏ_５薄膜の膜厚は２００ｎｍとなるように調整し成膜を実施した。

続いて、第１のターゲット１３（Ｓｉターゲット）近傍からＡｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、第１のターゲット１３のカソードに７ｋｗの電力を導入し、Ｓｉ膜を極薄く透明基板１上に成膜する。このときＳｉの成膜と同時に、反応源１５（酸化源）に酸素１００ｓｃｃｍを導入し、さらに５ｋｗの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板１上に照射して、透明基板１上のＳｉを酸素化反応させてＳｉＯ_２の薄膜を形成する。その後、エッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１上に形成されたＳｉＯ２薄膜に照射して、Ｖ字状の周期凹凸構造に成型する。このときのＳｉＯ_２薄膜の膜厚は２４０ｎｍとなるように調整し成膜を実施した。

上記Ｎｂ_２Ｏ_５薄膜およびＳｉＯ_２薄膜を形成する工程を交互に２５回繰り返し、合計５０層の多層膜の成膜を実施した。

このフォトニック結晶層を図３に示す光学系を使用して機能を確認したところ、媒体１５の反射面からの戻り光がフォトニック結晶面で反射され、図４に示すものと同じ機能を有することが確認された。このフォトニック結晶層は偏光子と波長板の機能を持つ光アイソレータとして機能する。

図５は本実施形態の光アイソレータの構成を示す断面図である。図５に示すように、透明基板１上で反射防止膜（第１，第２，第３反射防止層５ａ，５ｂ，５ｃ）を介して、例えば第１フォトニック結晶層６ａが１／４波長板、第２フォトニック結晶層６ｂが偏光子として機能するように配置した構成を示す図である。

また、前述した構成に限らず第１フォトニック結晶層６ａが偏光子、第２フォトニック結晶層６ｂが波長板であっても良く、さらに、本実施形態によれば、基板の両面にＬ／Ｓ形状が同一方向に形成されたような場合であっても光アイソレータを製作することが可能であり、同様の効果が得られる。

図６は本実施形態におけるフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製作工程を説明するフローチャートである。図１に示すように、素材加工として、透明基板１上に図２の成膜装置による電子ビームリソグラフィとドライエッチングにより周期的な溝を製作する（Ｓ１）。

この透明基板１上に例えばＳｉＯ_２およびＳｉターゲットを用い、スパッタデポジションとスパッタエッチングを組み合わせて、各層のｘ軸方向に周期的な凹凸形状を保存しながら交互に多層膜を積層するための、偏光子，波長板の構成設計のデータを取得する（Ｓ２）。

処理Ｓ２で取得した構成設計のデータに基づき、基板上に反射防止膜を形成し、フォトニック結晶の偏光子となる多層膜を積層する成膜加工を行う（Ｓ３）。

同様に、処理Ｓ２で取得した構成設計のデータに基づき、処理Ｓ３で成膜した偏光子の多層膜上に、反射防止膜を形成し、フォトニック結晶の波長板となる多層膜を積層する成膜加工を行う（Ｓ４）。これにより、光アイソレータを製作する。

また、図７は前述の処理Ｓ２において偏光子、波長板の構成設計をするデータ取得する処理を示すフローチャートである。図７において、まず、構成設計に用いるデータ取得するためのパラメータを入力する（Ｓ１１）。このパラメータとして、フォトニック結晶を形成する各層の使用材料における屈折率，膜厚，形状の間隔（ピッチ）、また図１に示すような角度，高さ，幅等を用いる。

入力されたパラメータを用いて、光の散乱、回折等を計算機上でシミュレーションする。例えば、ＦＤ−ＴＤ法（Finite Difference Time-Domain Method）などの有限差分時間領域法により計算し構成設計するデータを取得する（Ｓ１２）。計算結果からデータ取得して偏光子の構成設計をする（Ｓ１３）。例えば、構成設計から導き出される波長毎の位相情報から構成されるバンド図に従って、バンドギャップの発生する構成を組み合わせて偏光子の構成設計をする。

構成設計した偏光子の偏光分離特性を確認する（Ｓ１４）。この場合の偏光分離特性とは、直線偏光光を偏光子の光学軸と平行に揃えて入射したときと、直交状態で入射したときの透過率を示している。平行状態とはＴＭ（Ｐ波）の透過率、直交状態とはＴＥ（Ｓ波）の透過率である。また、確認方法としては、予め構成設計した偏光子の複数のデータとして、例えば複数のパラメータ毎に試作し特性を計測したものを予め取得しておき、構成設計により取得したデータとの比較を行うことにより確認する。ここで、ＯＫの場合は、「ＴＭの透過率≧仕様値の透過率、ＴＥの透過率≦仕様値の透過率」、ＮＧの場合は「ＴＭの透過率≦仕様値の透過率、ＴＥの透過率≧仕様値の透過率」である。この処理Ｓ１４において、ＮＧと判断したときは、処理Ｓ１に戻り別のパラメータにより再処理を行う。

このように、層厚（膜厚）をパラメータとして設計を行い、１周期（積層）あたりの位相差を算出し、「（仕様値（目標値）の位相差）／（１周期あたりの位相差）＝（必要周期（層数））」を求める。したがって、積層数と膜厚を調整（パラメータとして設計）することで、所望の位相差が得られる。

次に、偏光子の処理後、波長板も同様に、計算結果からデータ取得して波長板の構成設計をする（Ｓ１５）。構成設計から導き出される波長毎の位相情報から構成されるバンド図に従って、バンドギャップの発生がなくかつ位相差がある構成を組み合わせて波長板の構成設計をする。

ここで、波長板の位相差として、多層に薄膜を周期的に成膜するフォトニック結晶の波長板においては、その構造異方性により、溝の長手方向に光学軸を持つ複屈折性が生じることから、面垂直方向から光を入射して、入射光の偏光が、溝に対して４５度の直線偏光のとき、出射光の偏光は入射偏光に対して９０度回転して、周期構造体が半波長の位相差が与えられ、同様に、４周期の多層膜を積層した場合には、位相差は４分の１波長となり、直線偏光が円偏光に変換される。このように、フォトニック結晶の積層数により位相差が変化する。

また、構成設計した波長板の偏光分離特性を確認する（Ｓ１６）。確認方法としては、処理Ｓ１４の偏光子と同様の方法により行い、ＮＧと判断したときは、処理Ｓ１に戻り別のパラメータにより再処理を行う。

基板と偏光子と波長板のそれぞれの間に配置される反射防止層の最適化設計が行わる（Ｓ１７）。この最適化設計として、例えば偏光子と波長板のモデルをシミュレータで形成し所望の光学特性（透過率）が得られるように、図５に示す反射防止膜（第１，第２，第３反射防止層５ａ，５ｂ，５ｃ）を透明基板１と第１フォトニック結晶層６ａと第２フォトニック結晶層６ｂと空気の各中間に形成する材料と膜厚を選定し構成設計を終了する。

以上のように、フォトニック結晶板を用いた偏光子と波長板を積層した光アイソレータにおいて、基板の同一面上に２つの機能を構成して、従来よりも薄くコンパクトな光アイソレータを実現でき、また一体的に製作するため、偏光子と波長板の位置調整や組立て等の必要がなく、この作業に伴う不良の発生や製造歩留まりが低下することを低減できる。

本発明に係るフォトニック結晶を用いた光アイソレータとその製造方法は、偏光子と波長板の機能をフォトニック結晶の積層により実施し、基板の同一面上に２つの機能をフォトニック結晶の積層によって構成し、従来よりも薄くコンパクトな光アイソレータを実現でき、また一体的に製作するため、偏光子と波長板の調整，組立て等の必要がなく、この作業に伴う不良の発生や製造歩留まりが低下することを低減でき、１枚の光学素子（片側１面）に、波長板と偏光素子との組合せによってなされるアイソレータに有用である。

本発明の実施形態における周期構造体の概略を示す図成膜装置の概略構成を示す図フォトニック結晶層の機能を確認する光学系を示す図偏光子と波長板を一体に形成した光学系を示す図光アイソレータの構成を示す断面図光アイソレータの製作工程のフローチャート偏光子、波長板の構成設計をするデータ取得処理を示すフローチャートピックアップ光学系の概略構成を示す図

符号の説明

１透明基板
２低屈折率層
３高屈折率層
４多層膜
５ａ第１反射防止層
５ｂ第２反射防止層
５ｃ第３反射防止層
６ａ第１フォトニック結晶層
６ｂ第２フォトニック結晶層
７波長板
８フォトニック結晶層
１０真空槽
１１基板ホルダー
１２エッチング源
１３第１のターゲット
１４第２のターゲット
１５反応源
２０半導体レーザ
２１偏光ビームスプリッタ
２２１／４波長板
２３偏向プリズム
２４対物レンズ
２５媒体

Claims

一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、
屈折率の異なる２種類以上の透明体を前記凹凸構造上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第１の周期構造体と、
前記屈折率の異なる２種類以上の透明体を、前記第１の周期構造体上に重ねて積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第２の周期構造体とを備え、
前記第１および第２の周期構造体は、その一方が偏光子の機能を有するように構成され、他方が波長板の機能を有するように構成されたことを特徴とするフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。
前記透明基板が、一方向の周期凹凸構造を表面と裏面のそれぞれに有し、前記透明基板の一方の面に第１，第２の周期構造体が形成され、他方の面に周期構造体の波長板が形成されたことを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。
一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる２種類以上の透明体を前記凹凸構造上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第１の周期構造体が偏光子であり、前記屈折率の異なる２種類以上の透明体を前記第１の周期構造体上に重ねて積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第２の周期構造体が波長板であり、前記偏光子と前記波長板は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とするフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。
一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる２種類以上の透明体を前記凹凸構造上に積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第１の周期構造体が波長板であり、前記屈折率の異なる２種類以上の透明体を前記第１の周期構造体上に重ねて積層した多層膜のフォトニック結晶よりなる第２の周期構造体が偏光子であり、前記波長板と前記偏光子は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とするフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。
前記透明基板上に積層する前記第１の周期構造体と前記第２の周期構造体の間に反射防止膜を配置してなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。
前記透明基板と周期構造体の間に反射防止膜を配置してなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。
前記透明基板上に積層した周期構造体の表面に反射防止膜を配置してなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。
前記透明基板の周期構造体を形成した面の裏面に反射防止膜を配置してなることを特徴とする請求項１，２〜７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。
前記周期構造体を形成する多層膜として積層する透明体が、ＳｉＯ _２およびＡｌ _２Ｏ _３およびＴａ _２Ｏ _５およびＮｂ _２Ｏ _５およびＴｉＯ _２のいずれかにより構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの１項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータ。
透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程と、
第１の周期構造体として前記凹凸構造上に屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程と、
第２の周期構造体として前記第１の周期構造体上に重ねて、前記屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程とからなり、
前記第１，第２の周期構造体の一方が偏光子、他方が波長板の機能を有するように、前記多層膜を形成する工程を行い、
前記透明基板の同一面上に前記第１，第２の周期構造体を積層することを特徴とするフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。
前記透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程において、前記透明基板の表面と裏面のそれぞれに前記周期凹凸構造を形成し、前記透明基板の一方の面には第１，第２の周期構造体を形成して、他方の面には周期構造体の波長板を形成することを特徴とする請求項１０記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。
透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程と、
第１の周期構造体の偏光子として前記凹凸構造上に屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程と、
第２の周期構造体の波長板として前記第１の周期構造体上に前記屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程とからなり、
前記透明基板の同一面上に積層した前記偏光子と前記波長板は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とするフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。
透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程と、第１の周期構造体の波長板として前記凹凸構造上に屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程と、第２の周期構造体の偏光子として前記第１の周期構造体上に前記屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層してフォトニック結晶よりなる多層膜を形成する工程とからなり、前記透明基板の同一面上に積層した前記波長板と前記偏光子は同じ波長に対応するアイソレータとして機能することを特徴とするフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。
前記透明基板上に積層する前記第１の周期構造体と前記第２の周期構造体の間に反射防止膜を形成する工程を有したことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。
前記透明基板と周期構造体の間に反射防止膜を形成する工程を有したことを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。
前記透明基板上に積層した周期構造体の表面に反射防止膜を形成する工程を有したことを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。
前記透明基板の周期構造体を形成した面の裏面に反射防止膜を形成する工程を有したことを特徴とする請求項１０、１２〜１６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。
前記周期構造体を形成する多層膜として積層する透明体が、ＳｉＯ _２およびＡｌ _２Ｏ _３およびＴａ _２Ｏ _５およびＮｂ _２Ｏ _５およびＴｉＯ _２のいずれかにより構成されることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかの１項に記載のフォトニック結晶を用いた光アイソレータの製造方法。