JP5352941B2 - 光処理素子および光処理装置 - Google Patents

Description

この発明は光処理素子および光処理装置に関する。

光通信や光加工等を初めとして光関連技術においては、異なる波長の光の分波・合波やオン・オフ等の光処理が不可欠である。このような光処理を行う各種の光処理素子が提案され、また、求められている。

例えば、光の分波・合波を例に取ると、数十から数百種の波長を分離できる光処理素子の実現が望まれている。
複数波長の光で構成される信号光を分波する光処理素子として、フォトニック結晶を用いた「フォトニック結晶フィルタ」が提案されている（特許文献１）。
フォトニック結晶フィルタは、サブミクロンオーダの凹凸が一方の面に２次元周期的に形成されたフィルタ用基板上に、屈折率が相対的に異なる高屈折率媒質層と低屈折率媒質層とを交互に形成して「１対のミラー部で１つのキャビティ部を挟む」ようにフォトニック結晶を形成したものであり、一方の面から波長多重信号光を垂直に入射させ「特定の波長を有する信号光」がフォトニック結晶フィルタの他方の主面から選択的に射出するように構成したものであるが、膜構造を変化させ多数積層するため多層膜の層厚や屈折率を精密に制御する必要があり、透過波長のシフト量を大きくすることが困難である。

特開２００４−３４１５０６

この発明は、簡単な構成で多波長の光の分離を可能ならしめる新規な光処理素子およびこの光処理素子を用いた光処理装置の実現を課題とする。

この発明の光処理素子は以下の如きものである。
即ち、請求項１記載の光処理素子は「処理すべき光の波長：λ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ、Ｎ≧２、ｉ＝１〜Ｎ−１に対してλ_ｉ＜λ_ｉ＋１）に対し、波長：λ_ｉを略共鳴波長とするサイズ：Ｄ_ｉを持つ微小な金属構造体ＳＴｉを複数個、間隔：ｄ_ｉ（＜Ｄ_ｉ）を隔して所定の配置で配列して単位配列パターンｐｉとし、この単位配列パターンｐｉを、直交するｘ、ｙ方向において、波長：λｉよりも十分に小さい間隔：ｄｘ、ｄｙを隔して２次元的に配列させた単位処理領域Ｓｉが、異なる単位処理領域Ｓｉ、Ｓｊ（ｊ≠ｉ）が互いに分離するようにして、光学基板に形成されてなる。

即ち、処理すべき光は、Ｎ（≧２）種の波長の光であり、これらの光の波長を波長の短い側から順次にλ_１、λ_２、・・λ_ｉ・・・λ_Ｎとすると、上記の如く、λ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ、Ｎ≧２）であり、ｉ＝１〜Ｎ−１に対してλ_ｉ＜λ_ｉ＋１である。

金属構造体は、そのサイズ：Ｄ_ｉによって分類される。サイズ：Ｄ_ｉは、波長：λ_ｉに対してＤ_ｉ＜λ_ｉであるが「λ_ｉを略共鳴波長とするサイズ」である。サイズ：Ｄｉと共鳴波長との関係は比例的でありサイズ：Ｄｉが増大すると共鳴波長も増大する。「共鳴波長」については後述する。
サイズ：Ｄ_１は波長：λ_１を略共鳴波長とするサイズ、サイズ：Ｄ_２は波長：λ_２を略共鳴波長とするサイズ、以下同様であって、サイズ：Ｄ_Ｎは波長：λ_Ｎを略共鳴波長とするサイズである。波長：λ_ｉ相互には上記の大小関係があるから、
Ｄ_１＜Ｄ_２＜・・・＜Ｄ_ｉ＜Ｄ_ｉ＋１＜・・・＜Ｄ_Ｎ
である。

サイズ：Ｄ_ｉを同じくする金属構造体は、間隔：ｄ_ｉを隔して「所定の配列」で配列される。間隔：ｄ_ｉは、隣接する金属構造体の最近接距離であり、サイズ：Ｄ_ｉよりも小さい。このように同じサイズ：Ｄ_ｉの金属構造体が間隔：ｄ_ｉを隔して「所定の配列」で配列されたものが「単位配列パターンｐｉ」を構成する。このような単位配列パターンｐｉの複数個が、上記間隔：ｄｘ、ｄｙを隔して２次元配列されて単位処理領域Ｓｉを構成する。

金属構造体はサイズ：Ｄ_ｉの異なるものがＮ種あるから、単位処理領域Ｓ_ｉもＮ種あることになり、これらＮ種の単位処理領域Ｓ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）は、光学基板に形成されるが、異なる単位処理領域は「光学基板上で互いに異なる部位に分離」して形成される。従って、サイズ：Ｄ_ｉの異なる金属構造体が、光学基板上の同じ領域に「入り混じって」形成されることはない。

即ち、光学基板上には、Ｎ種の単位処理領域Ｓ_ｉが、互いに異なる面積領域に形成されるのである。これら、Ｎ種の単位処理領域は単一の光学基板上に形成されることが好ましいが、これに限らず、複数の基板のそれぞれに、１つもしくは複数の単位処理領域を形成し、このように単位処理領域を形成された複数の基板を合わせて「単一の光学基板」をなすように、接着あるいは固定手段による固定により一体化してもよい。また「各単位処理領域の形成される面積領域の形状」も任意であり、これらは互いに同一形状でもよいし異なっていてもよい。

請求項１記載の光処理素子は、単位処理領域Ｓｉ（ｉ＝１〜Ｎ）が、波長：λ_ｉの光の「偏光状態を選択的に変化」させるものである。

単位処理領域を構成する金属構造体を形成される光学基板は、透光性でも反射性でもよい。即ち、前述の「光の単位処理領域の通過」は、透過の場合と反射の場合とを含む。

光学基板の材料としては「石英ガラス」や、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）等の「硼珪酸ガラス」、ＣａＦ_２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ_２Ｏ_３等の「光学結晶材料」等を用いることができる。反射光に対して光処理を行う場合、反射性の光学基板は「反射率の高い材料」が好ましく、上記光学ガラスや光学結晶材料に「ＡｌやＡｕなどの金属膜」を蒸着したものや、シリコン基板等を好適に用いることができる。また、部分反射膜としてＣｒコーティング等を利用して「透過光と反射光の双方を光処理するハーフミラー」とすることもできる。

請求項１記載の光処理素子は、単位処理領域Ｓｉ（ｉ＝１〜Ｎ）が形成される光学基板を透光性とする場合には、各単位処理領域Ｓｉを形成される基板領域Ｚｉをレンズ面Ｌｉ（ｉ＝１〜Ｎ）として構成とすることもできるし、各単位処理領域Ｓｉに「２次元的に配列される単位配列パターン」の個々が形成される基板部分を、マイクロレンズＭｉｋ（ｉ＝１〜Ｎ、ｋ＝１〜ｎ、ｎは２次元的に配列される単位配列パターンの数）として構成することもできる。

即ち、１つのレンズ面に「単位処理領域を構成する単位配列パターンの２次元配列」を形成することも、「１つのマイクロレンズに１つの単位配列パターン」を形成することもできる。

請求項１記載の光処理素子における「微小な金属構造体ＳＴｉ」の形状には種々の形態が許容されるが、金属構造体の作製の容易さの点からして、半球形状、円柱形状、半回転楕円体形状、楕円柱形状、多角柱形状、錐体形状の何れかであることが好ましい。錐体形状は円錐形状や三角錐形状、多角錐形状が含まれるが、これらは切頭形状（切頭円錐等）であることが好ましい（請求項２）。

上記請求項１または２記載の光処理素子の単位配列パターンＰｉにおける金属構造体ＳＴｉの配置には種々の配置が許容されるが、２個の金属構造体ＳＴｉの近接配置、３個以上の金属構造体ＳＴｉによるＶ字型配置もしくはＬ字型配置、４個以上の金属構造体ＳＴｉによるＴ字型配置、５個以上の金属構造体ＳＴｉによる十字型配置の何れかであることが好ましい（請求項３）。このほかにも、例えば「卍形状」等も可能である。

金属構造体ＳＴｉの形状が、半回転楕円体形状、楕円柱形状、多角柱形状、錐体形状等の場合、上記サイズ：Ｄ_ｉは、金属構造体ＳＴｉにより単位配列パターンＰｉを構成する場合において、金属構造体相互の隣接方向における「平面形状の径」を謂うものとする。従って、金属構造体相互の隣接方向が２以上あるときには、各隣接方向に付いてサイズ：Ｄ_ｉが定まることになる。このような場合、同一種の金属構造体につき、全てのサイズ：Ｄ_ｉにつき、Ｄ_ｉ＜λ_ｉ、かつ、ｄ_ｉ＜Ｄ_ｉであり、全てのサイズのうち１以上は、λ_ｉを略共鳴波長とするものである。

請求項１〜３の任意の１に記載の光処理素子における「微小な金属構造体」の材料構成は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、クローム（Ｃｒ）、もしくは銅（Ｃｕ）の何れか、または、これらの組合せであることが好ましい（請求項４）。

請求項５記載の光処理装置は「請求項１〜４の任意の１に記載の光処理素子の光入射側に配置され、直線偏光のみを通過させる偏光子を有し、この偏光子を通過した直線偏光の偏光方向が、金属構造体の単位配列パターンに対して非対称になる偏光成分となるように、偏光子と光処理素子の相対的な関係を定めた」ことを特徴とする。

以下、単位配列パターンｐｉの果たす光学作用を、単位配列パターンの最も基本的な構成である「２個の金属構造体ＳＴｉの近接配置」の場合を例にとって簡単に説明する。

図２（ａ）は、この場合の「数値計算を行うためのモデル」を示す。
図２（ａ）で、符号１０、１１は金（Ａｕ）による直径：４０ｎｍの球（以下「Ａｕ微小球」という。）であり、ｘ方向において最近接距離：ｄを隔して空気中に存在するものとしている。
このモデルで、図２（ａ）の如く、ｘｙ面内においてｘ軸に対してθ＝４５度をなす面内に電界の振動方向をもつ直線偏光状態の平面波を、図面に直交する方向から照射する場合に付いて数値計算を行った。即ち、入射光の偏光状態が、どのように変化するかを「電磁界の様子を記述するマクスウェル方程式」を時空間の差分方程式に近似して解く、有限時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を利用して調べた。

計算は、Ａｕ微小球１０、１１の間隔：ｄをパラメータとして０〜８０ｎｍまで変化させた場合の、ファーフィールド（遠方場）における偏光状態を求めるため、電界分布のフーリエ変換により角度θ＝０度及び９０度の成分を抽出し、ｘ方向の振幅：Ａｘとｙ方向の振幅：Ａｙの「振幅比と位相差」を算出した。

なお、Ａｕ微小球１０、１１の材料である金の光学定数として、屈折率：ｎ（Ａｕ）＝０．０７２、ｋ＝１．４９６を用いた。「ｋ」は複素屈折率における吸収係数である。この値は、金属球が５０ｎｍ以下程度に小さくなった場合に、金属球のサイズに依存した光学定数の変化を考慮した値である。また、入射光（ｘ軸に対してθ＝４５度をなす面内に電界の振動方向をもつ直線偏光状態の平面波、ｘｙ面に直交する方向から入射する。）の波長として「直径：４０ｎｍのＡｕ微小球のプラズモン共鳴波長近傍である波長：５４４ｎｍ」を用いた。

計算結果を図２（ｂ）、（ｃ）に示す。図２（ｂ）は「振幅比：Ａｙ／Ａｘ」の間隔：ｄによる変化、図２（ｃ）は「ｘ方向とｙ方向の偏光成分の位相差」の間隔：ｄによる変化を示している。

図２（ｂ）に示すように、振幅比：Ａｙ／Ａｘは、間隔：ｄが大きな領域では「１」に近づき、偏光面（電界の振動方向）は「入射光の偏光方向と略一致」する。これに対し、間隔：ｄ＝０近傍に近づくにつれて、振幅比：Ａｙ／Ａｘは増加し、ｙ方向の偏光成分が相対的に増大する。
また、図２（ｃ）に示すように「ｘ方向とｙ方向の偏光成分の位相差」は、間隔：ｄが０に近づくにつれて大きくなり、間隔：ｄ＝０では「位相差：４５度程度」となる。

このような数値計算によるシミュレーションの結果から、Ａｕ微小球１０、１１の間隔：ｄを制御することにより「楕円偏光の軸を旋回」させたり、偏光状態を「例えば直線偏光から楕円偏光に変換」したりできることが分かる。微小球の金属材料として銀（Ａｇ）を用いた「Ａｇ微小球」の場合も、同様の計算結果が得られるが、この場合「偏光状態に変化の生じる波長領域」はＡｇ微小球のプラズモン共鳴波長近傍である波長：４００ｎｍ近傍であった。

図３は、Ａｕ微小球１０、１１の直径を１０ｎｍから５０ｎｍまで変化させた場合における「Ａｕ微小球内部の電界強度と共鳴波長との関係」に関する計算結果を示している。Ａｕ微小球の間隔：ｄは５ｎｍとしている。ここに言う「共鳴波長」が、請求項１に記載された共鳴波長であり、微小構造体の大きさ：Ｄ_ｉは、波長：λｉを「略共鳴波長」とする大きさである。「略共鳴波長」とは、例えば、共鳴波長のピーク値に対し±７５％以上となる波長領域内の波長を謂うものとする。

図３から明らかなように、「共鳴波長」は、Ａｕ微小球の直径：１０ｎｍの場合「４２０ｎｍ近傍」であるが、直径：５０ｎｍでは４５０ｎｍ近傍であり「Ａｕ微小球の直径の増加とともに長波長側へシフト」する。

即ち、一般に、金属構造体のサイズを変化させることで共鳴波長を選択でき、金属構造体の間隔：ｄを調整することにより、入射光のうち共鳴波長の成分のみに上記の如き「偏光状態の変化」の作用を及ぼすことができる。

以上に説明したように、この発明によれば新規な光処理素子を実現できる。この光処理素子は、製造の困難な多層膜を必要とせず、処理を行う光の波長成分ごとに、偏光状態の変化等の光処理を行うことができる。

以下、実施の形態を説明する。
図１は、光処理素子の実施の１形態を「説明図的」に示している。
図の如く「ｘ、ｙ、ｚ方向」を定めると、ｚ方向は図面に直交する方向であり、処理すべき光Ｌの入射方向である。

図１において、符号２１は光学基板を示す。光学基板２１は平行平板状であって「透光性」であり、その両面はｘｙ面に平行で、光の入射する側の面に、この例では４つの領域Ａ〜Ｄが設定されている。

光学基板２１の領域Ａには単位処理領域Ｓ１が形成され、領域Ｂには単位処理領域Ｓ２が、領域Ｃには単位処理領域Ｓ３が、領域Ｄには単位処理領域Ｓ４がそれぞれ形成されている。

単位処理領域Ｓ１は「単位配列パターンＰ１を２次元的に配列」してなり、単位処理領域Ｓ２は「単位配列パターンＰ２を２次元的に配列」してなり、単位処理領域Ｓ３は「単位配列パターンＰ３を２次元的に配列」してなり、単位処理領域Ｓ４は「単位配列パターンＰ４を２次元的に配列」してなる。単位処理領域Ｓ１〜Ｓ４は、光学基板２１上の互いに異なる領域に形成されている。

単位配列パターンＰ１は微小な金属構造体ＳＴ１が２個、ｘ方向へ微小距離（ｄ_１とする。）を隔して配列された配列パターンである。単位配列パターンＰ２は微小な金属構造体ＳＴ２が２個、ｘ方向へ微小距離（ｄ_２とする。）を隔して配列された配列パターンである。単位配列パターンＰ３は微小な金属構造体ＳＴ３が２個、ｘ方向へ微小間隔（ｄ_３とする。）を隔して配列された配列パターンである。単位配列パターンＰ４は微小な金属構造体ＳＴ４が２個、ｘ方向へ微小間隔（ｄ_４とする。）を隔して配列された配列パターンである。

ここで、処理されるべき光Ｌが波長：λ_１、λ_２、λ_３、λ_４を含み、これらの大小関係が、λ_１＜λ_２＜λ_３＜λ_４であるとし、これらは何れも、電界の振動方向がｘ方向に対して４５度傾いた直線偏光であるとする。

金属構造体ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４は、その形状が「半球状」であり、材質的には金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、クローム（Ｃｒ）、もしくは銅（Ｃｕ）の何れか、または、これらの組合せにより形成することができるが、この例では金（Ａｕ）により形成されているものとする。

金属構造体ＳＴ１〜ＳＴ４は半球状であるので、そのサイズ：Ｄ_１〜Ｄ_４は半球形状の直径である。金属構造体ＳＴ１〜ＳＴ４のサイズ：Ｄ_１〜Ｄ_４の大きさは、上記波長：λ_１〜λ_４を略共鳴波長とするサイズであり、また、上記微小間隔：ｄ_１〜ｄ_４に対して、ｄ_１＜Ｄ_１、ｄ_２＜Ｄ_２、ｄ_３＜Ｄ_３、ｄ_４＜Ｄ_４である。

即ち、図１に示す光処理素子は、処理すべき光の波長：λ_ｉ（ｉ＝１〜４、ｉ＝１〜３に対しλ_ｉ＜λ_ｉ＋１）に対し、波長：λ_ｉを略共鳴波長とするサイズ：Ｄ_ｉ（ｉ＝１〜４）を持つ微小な金属構造体ＳＴｉ（ｉ＝１〜４）を２個、間隔：ｄ_ｉ（＜Ｄ_ｉ）を隔して所定の配置で配列して単位配列パターンＰｉ（ｉ＝１〜４）とし、この単位配列パターンＰｉを２次元的に配列させた単位処理領域Ｓｉ（ｉ＝１〜４）が、異なる単位処理領域Ｓｉ、Ｓｊが互いに分離するようにして、光学基板２１に形成されてなる（請求項１）。

ここで、各単位処理領域Ｓｉ（ｉ＝１〜４）における金属構造体ＳＴｉ（ｉ＝１〜４）のサイズ：Ｄ_ｉを、単位配列パターン：Ｐ_ｉの共鳴波長が対応する波長：λ_ｉに略等しくなるように設定する。このようにすると、光処理素子２０に処理すべき光ＬをＺ方向に入射させた場合、単位処理領域Ｓ１では、入射する光Ｌのうちで、波長：λ_１の成分のみが共鳴する。

同様に、単位処理領域Ｓ２を形成された光学基板領域Ｂからは波長：λ_２の成分光のみが共鳴し、単位処理領域Ｓ３を形成された光学基板領域Ｃからは波長：λ_３の成分のみが共鳴し、単位処理領域Ｓ４を形成された光学基板領域Ｄからは波長：λ_４の成分のみが共鳴する。

このようにして、波長：λ_１〜λ_４を含む入射光Ｌが、単位処理領域Ｓ_ｉごとに分離して共鳴する。

上記の如く、各金属構造体ＳＴｉ（ｉ＝１〜４）のサイズＤ_ｉを、単位配列パターン：Ｐ_ｉの共鳴波長が対応する波長：λ_ｉに略等しくなるように設定することに加えて、金属構造体ＳＴｉ相互の間隔：ｄ_ｉを適宜に調整することによって、各光学基板領域Ａ〜Ｄから射出する波長成分の光の偏光状態を入射光Ｌにおける偏光状態から変化させる。

即ち、入射光Ｌの偏光状態（ｘ方向に対して４５度傾いた方向に電場が振動する直線偏光状態）に対して金属構造体ＳＴｉが非対称に配置されているので、各金属構造体ＳＴｉに生じる「局在表面プラズモンの共鳴周波数」に依存して、金属構造体間に生じる「近接場相互作用」により、各金属構造体間で位相差が生じ、各金属構造体からの光が重畳された透過光の偏光成分にも位相差が生まれ、射出光における偏光状態が変換される。

上記の如く、入射光Ｌの偏光方向をｘ方向に対して４５度傾いた直線偏光とすると、光学基板を透過した光は各単位処理領域における金属構造体の間隔に応じた「楕円偏光」となる。

図１の光処理素子はまた、金属構造体ＳＴｉ（ｉ＝１〜４）の形状が半球形状で（請求項２）、単位配列パターンＰｉ（ｉ＝１〜４）における金属構造体ＳＴｉ（ｉ＝１〜４）の配置が「２個の金属構造体ＳＴｉ（ｉ＝１〜４）の近接配置」であり（請求項３）、金属構造体ＳＴｉ（ｉ＝１〜４）が金（Ａｕ）で構成されている（請求項４）。

ここで、図１の実施の形態を例にとり「単位配列パターンの２次元配列」につき説明する。
図４を参照すると、図４は、図１における単位処理領域Ｓ１における「２個の金属構造体ＳＴ１（半球状であってサイズ（直径：Ｄ_１とする。）のｘ方向における近接配列（間隔：ｄ_１）による単位配列パターンＰ１の配列状況）を示している。
図４において、符号Ａ１、Ａ２、Ａ３は「ｘ方向およびｙ方向において隣接して配列された３つの単位配列パターン」を示している。単位配列パターンＡ３により例示するように、金属構造体ＳＴ１はｘ方向に間隔：ｄ_１を隔して配置されて「１つの単位配列パターン」をなしている。

図の如く、ｘ方向に隣接する単位配列パターンＡ１、Ａ２の間隔（最近接間隔）をｄｘ、ｙ方向に隣接する単位配列パターンＡ１、Ａ３の間隔（最近接間隔）をｄｙとすると、隣接した金属構造体間に生じる近接場相互作用を利用するため、少なくともλ_１＞Ｄ_１＞ｄ_１であるが、サイズ：Ｄ_１、間隔：ｄ_１、ｄｘ、ｄｙともに入射光の最小波長（図１の実施の形態で波長：λ_１）よりも十分小さいことが好ましい。間隔：ｄｘとｄｙとは隣接する単位配列パターン間の相互作用の影響を少なくするためｄ_１よりも大きい必要がある。

単位配列パターンはこのような一般的なルールに従って２次元配列することができる。

単位配列パターンをなす「金属構造体の配列パターン」の他の例をいくつか示す。
図５は、同一サイズの金属構造体を３個、Ｌ字型に配列して単位配列パターンとした例を示している。符号７１は光学基板を示す。光学基板７１は４個の基板領域Ａ〜Ｄに分けられて「単位処理領域をなす単位配列パターンの２次元配列」が上記「一般的なルール」に従って形成されている。基板領域Ａには、金属構造体ＳＴ１による単位配列パターンＰ１が形成され、基板領域Ｂ〜Ｄには、それぞれ、金属構造体ＳＴ２〜ＳＴ４による単位配列パターンＰ２〜Ｐ４が形成されている。

図５の例では、３個の金属構造体はＬ字状に配列しているが、３個の金属構造体を「Ｖ字状」に配列して単位配列パターンとしてもよい。上記一般的な配列ルールに従い、各単位処理領域において、単位配列パターン内で隣接する金属構造体の最近接間隔は処理すべき光の波長よりも小さく、隣接する単位配列パターンの間隔は、上記最近接間隔よりも十分に大きく、かつ、上記波長よりも十分に小さい。

入射する光の偏光方向を、例えば、ｘ方向に対して４５度傾いた方向とすると、各単位配列パターンを構成する金属構造体の配列が非対称となり、透過もしくは反射した光の位相差が生じるので、各単位処理領域を形成された基板領域Ａ〜Ｄにおいて、対応する波長の光の偏光状態を選択的に変化させることができる。

図６は、単位配列パターンの別の例を示す。繁雑をさけるため、混同の恐れが無いと思われるものに付いては図５におけると同一の符号を付する。以下の各図においても同様である。
図６において、光学基板８１は４つの基板領域Ａ〜Ｄに分けられ、これら基板領域に単位配列パターンＰ１〜Ｐ４が２次元的に配列されている。単位配列パターンＰ１は４個の金属構造体ＳＴ１をＬ字型に配してなり、単位配列パターンＰ２〜Ｐ４はそれぞれ４個の金属構造体ＳＴ２〜ＳＴ４をＬ字型に配してなる。
配列のルールは前記一般的ルールに従う。

図７に示す例は「４個の金属構造体ＳＴ１をＴ字型に組合せて単位配列パターンＰ１を構成した」例であり、図８に示す例は、１３個の金属構造体ＳＴ１を「卍型」に組合せて単位配列パターンＰ１とした例である。配列のルールは前記一般的ルールに従う。
Ｔ字型の配列は５個以上の金属構造体の配列でもよいし、卍型の配列は「逆周り」の配列でもよい。

図５、図６に示した例では、各単位処理領域における単位配列パターンは、パターンを構成する金属構造体のサイズが、各単位処理領域における単位配列パターンごとに異なるが、単位配列パターンをなすＬ字型の配列は全ての単位処理領域で同じである。しかし、これは光処理素子の必要条件ではない。

図９に示す例のように、例えば基板領域Ａ、Ｂ、Ｃにおける単位配列パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３が「３個の金属構造体によるＬ字型の配列」でありながらも、その向きが互いに異なるものであってもよい。即ち、光処理素子をなすＮ個の単位処理領域における単位配列パターンの「パターンの向きや形状（Ｌ字型、Ｖ字型、卍型、十字型等）」は、単位処理領域ごとに適宜に選択することができる。

図６〜図９に示した単位配列パターンの２次元配列の何れにおいても「入射光の偏光方向を金属構造体の配列に対して非対称な偏光成分を有するような角度」として入射することにより、透過もしくは反射した光に位相差を生じさせて、偏光状態を変化させることができる。

ここで、上に説明した光処理素子の製造につき説明する。
光学処理素子における金属構造体の配列による各「単位処理領域」は、電子ビームリソグラフィ、ＤＵＶ・ＥＵＶリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどの微細加工技術を利用して作製することが可能である。

例えば、光学基板として平行平板状の光学ガラスを用い、その平坦な面に金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料を用い「ＣＶＤ等の化学蒸着法」や物理蒸着をもちいた成膜法あるいは「鍍金等の堆積法」で薄膜状の金属層を形成する。この金属層上にフォトレジスト層を形成し、フォトレジスト層に電子線描画やＸ線描画などの手法により「単位処理領域ごとの金属構造物配列パターン（例えば、図１に示すような金属構造物ＳＴ１〜ＳＴ４の配列パターンに対応するパターン）」を残すようにレジストパターンを形成する。その後、不要な金属層部分を例えばＲＩＥなどによりエッチングして、単位処理領域をなす金属構造体の配列を形成することができる。

あるいはまた、光学ガラスによる光学基板上に「単位処理領域ごとの金属構造物配列パターンのネガパターン」をなすレジストパターンを形成したのち、金、銀、アルミニウムなどの金属材料をＣＶＤ等の化学蒸着法や物理蒸着を用いた成膜法や「鍍金等の堆積法」でレジストパターン上に薄膜状に形成し、その後、レジストパターンとともに「レジストパターン上に形成された不要金属膜」を除去することで、所望の単位処理領域をなす金属構造体パターンを形成できる。

図１０は、光処理装置の１形態を参考例として説明するための図である。
図１０に示す光処理装置は、図１に即して説明したような光処理素子１２１、１２２、１２３を「入射光Ｌの光路上に直列的に配置」したものである。図１０においては、光処理素子１２１、１２２、１２３を同一構造のものとして描いてあるが、これらは必ずしも同一構造のものである必要はない。

例えば、図１に示す単位配列ユニットＰ１〜Ｐ４を各単位処理領域に２次元的に配列するのに、単位配列ユニットの配列は、前記配列ルールにおける「隣接する単位配列パターン間の距離：ｄｘ、ｄｙを、単位配列ユニット内における隣接金属構造体間の間隔：ｄよりも大きくする」必要のため、配列密度をある程度以上高くすることは難しい。

このような場合、光処理素子１２１、１２２、１２３における各単位処理領域における単位配列ユニットの配列密度を低くすると共に、配列状態を異ならせ「光処理素子１２１、１２２、１２３を重ねて光路方向から見た」ときに、各単位処理領域における単位配列パターンの２次元配列が「高密度の配列」となるようにでき、このようにすると、光処理の効率を容易に高めることができる。

前述の如く、図１の光処理素子２０に対し、ｘ方向に対して４５度傾いた直線偏光Ｌを入射させた場合、透過光の偏光状態を「もっとも効率よく」楕円偏光に変換できる。
従って、図１１に実施の形態を示す光処理装置のように「光処理素子１３２の入射面側に、±４５度傾いた偏光のみを通過させる偏光板１３１を配置」することにより、各単位処理領域を形成された基板領域Ａ〜Ｄから「単位処理領域に応じた波長で効率よく楕円偏光化された光」を選択的に射出させることができる。なお、偏光板１３１は光制御素子１３２と一体に形成されていても良い。

即ち、図１１は、光処理素子１３２の光入射側に配置されて直線偏光のみを通過させる偏光子１３１を有し、偏光子１３１を通過した直線偏光の偏光方向が「金属構造体の単位配列パターンに対して非対称になる偏光成分（上の例でｘ方向に対して４５度傾く成分）となるように偏光子１３１と光処理素子１３２の相対的な関係を定めた光処理装置（請求項５）の実施の１形態である。

図１２は、光処理素子の１形態を参考例として説明するための図である。
図１２において、符号１４０は光学基板の「１個の単位処理領域を形成される部分」であり、この部分はレンズ面をなし、このレンズ面上に単位配列ユニットＰｉが２次元的に配列されている。このようにすると、光処理素子の機能とレンズ面の機能とを１つの光処理素子で実現することができ、省スペース化を図れると共に、光学調整などの簡便化も可能となる。

図１３は、光処理素子の１形態を他の参考例として説明するための図である。
図１３において、符号１５０は光学基板の「１個の単位処理領域を形成される部分」であり、この部分はマイクロレンズ面アレイをなし、各マイクロレンズ面上に単位配列ユニットＰｉが１ユニットずつ形成配列されている。このような構成によっても、光処理素子の機能とレンズ面の機能とを１つの光処理素子で実現することができ、省スペース化を図れると共に、光学調整などの簡便化も可能となる。

なお、上に図１等を参照して説明した実施の形態では、光学基板に４つの単位処理領域が形成されているが、これは説明の簡単のためと図示の簡単のためであり、例えば分波を行うためのものであれば前述の如く数十〜数百の波長を分波する必要があり、これら分波すべき波長の数に等しい単位処理領域が形成されることは言うまでもない。

光処理素子の実施の１形態を説明するための図である。 光処理の原理を説明するための図である。 光処理の原理を説明するための図である。 単位配列ユニットの２次元的な配列を説明するための図である。 単位配列ユニットにおける金属構造体の配列形態を説明するための図である。 単位配列ユニットにおける金属構造体の配列形態を説明するための図である。 単位配列ユニットにおける金属構造体の配列形態を説明するための図である。 単位配列ユニットにおける金属構造体の配列形態を説明するための図である。 単位配列ユニットにおける金属構造体の配列形態を説明するための図である。 光処理装置の１形態を参考例として説明するための図である。 請求項５記載の光処理装置の実施の１形態を説明するための図である。 光処理素子の参考例の特徴部分を説明するための図である。 光処理素子の他の参考例の特徴部分を説明するための図である。

符号の説明

Ｓ１ 単位処理領域
Ａ 単位処理領域Ｓ１を形成された基板領域
ＳＴ１ 金属構造体
Ｐ１ 金属構造体Ｐ１による単位配列ユニット
Ｌ 入射光

Claims (5)

1. 処理すべき光の波長：λ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ、Ｎ≧２、ｉ＝１〜Ｎ−１に対してλ_ｉ＜λ_ｉ＋１）に対し、波長：λ_ｉを略共鳴波長とするサイズ：Ｄ_ｉを持つ微小な金属構造体ＳＴｉを複数個、間隔：ｄ_ｉ（＜Ｄ_ｉ）を隔して所定の配置で配列して単位配列パターンｐｉとし、この単位配列パターンｐｉを、直交するｘ、ｙ方向において、波長：λｉよりも十分に小さい間隔：ｄｘ、ｄｙを隔して２次元的に配列させた単位処理領域Ｓｉが、異なる単位処理領域Ｓｉ、Ｓｊ（ｊ≠ｉ）が互いに分離するようにして、光学基板に形成されてなり、
   上記単位処理領域Ｓｉ（ｉ＝１〜Ｎ）が、波長：λ _ｉ の光の偏光状態を選択的に変化させることを特徴とする光処理素子。
2. 請求項１記載の光処理素子において、
   金属構造体ＳＴｉの形状が、半球形状、円柱形状、半回転楕円体形状、楕円柱形状、多角柱形状、錐体形状の何れかであることを特徴とする光処理素子。
3. 請求項１または２記載の光処理素子において、
   単位配列パターンＰｉにおける金属構造体ＳＴｉの配置が、
   ２個の金属構造体ＳＴｉの近接配置、または、
   ３個以上の金属構造体ＳＴｉによるＶ字型配置もしくはＬ字型配置、または、
   ４個以上の金属構造体ＳＴｉによるＴ字型配置、または、
   ５個以上の金属構造体ＳＴｉによる十字型配置の何れかであることを特徴とする光処理素子。
4. 請求項１〜３の任意の１に記載の光処理素子において、
   微小な金属構造体が、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、クローム（Ｃｒ）、もしくは銅（Ｃｕ）の何れか、または、これらの組合せで構成されていることを特徴とする光処理素子。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載の光処理素子の光入射側に配置され、直線偏光のみを通過させる偏光子を有し、
   上記偏光子を通過した直線偏光の偏光方向が、金属構造体の単位配列パターンに対して非対称になる偏光成分となるように上記偏光子と光処理素子の相対的な関係を定めたことを特徴とする光処理装置。

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