JP5425025B2

JP5425025B2 - 偏波制御素子

Info

Publication number: JP5425025B2
Application number: JP2010200665A
Authority: JP
Inventors: 浩一秋山; 雄次阿部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2030-09-08
Also published as: JP2012058437A

Description

本発明は、電磁波の偏波を制御する偏波制御素子に関し、特に、マイクロ波、赤外光、および可視光の偏波または偏光を制御する偏波制御素子に関する。

偏光または偏波を制御する素子は、特定の偏光方向の電界のみを透過あるいは反射させる偏光子と、特定の偏光方向の電界を特定の位相量だけ変化させる位相子と、特定の偏光状態をランダムな偏光状態に変化させる偏光解消素子とに分類される。

上記の位相子は、従来より、有機や無機の複屈折材料を利用したものや、全反射における位相シフトを利用したものなどが知られている。

また、最近では、光の波長よりも小さい周期構造による位相変調技術が開発されている。例えば、基板上に金属の微小構造の集合である金属微小構造の群が形成されており、基板に対して光を照射すると、各金属微小構造にて生じる近接場光によって複数の金属微小構造間で相互作用が生じる。このとき、入射光の偏光に対して金属微小構造の群が非対称に配列されている場合には、金属微小構造間の近接場光の相互作用によって、各金属微小構造間で位相差が生じる。従って、各金属微小構造から出射された光が重畳された反射光あるいは透過光の偏光成分にも位相差が生じることとなり、出射光における偏光状態が変換される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３３０１０８号公報

有機の複屈折材料を利用した位相子は、高分子材料に特有な分子構造の異方性に伴う屈折率の異方性を利用している。有機材料は安価であるが、耐熱性や耐光性が劣るという問題がある。

また、無機の複屈折材料として水晶や方解石などの結晶を利用した位相子は、耐熱性や耐光性はあるが、複屈折性が小さいため素子のサイズが大きくなるという問題がある。

また、全反射を利用した位相子はフレネルプリズムと呼ばれ、全反射時において、ｓ偏光（電界が全反射面と平行な面内にある偏光）とｐ偏光（ｓ偏光と垂直な偏光）との位相シフト量（位相変化量）が異なることを利用している。このような位相子は、波長分散が小さい位相量を得ることができるが、素子のサイズが大きくなるという問題がある。

また、特許文献１に開示される偏光制御素子は、位相シフト量が小さいため、１／４波長板（９０°）や１／２波長板（１８０°）といった実際のデバイスに利用するために必要な位相シフト量を得ることが難しい。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、大きな位相シフト量を生じることが可能な小型の偏波制御素子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明による偏波制御素子は、電磁波の偏波を制御する偏波制御素子であって、電磁波が透過する基板と、基板上に第１の回折格子を形成すべく配設され、導体または半導体からなる第１の層と、第１の回折格子上に、第２の回折格子を形成すべく誘電体層を介して配設され、導体または半導体からなる第２の層とを備え、第１の層は、第１の方向に並設されかつ第１の方向と直交する第２の方向に延びた複数の第１のスリットと、第２の方向に並設されかつ第１のスリットと直交して第１の方向に延びた複数の第２のスリットとを有し、第２の層は、複数の第１のスリットに重なる複数の第３のスリットと、第２の方向に並設されかつ第３のスリットと直交して第１の方向に延びた複数の第４のスリットとを有し、互いに重なる複数の第１および第３のスリットは、第１の方向に第１の間隔で等間隔に配置され、複数の第４のスリットは、複数の第２のスリットの配置間隔の中心に位置し、かつ、複数の第２のスリットおよび複数の第４のスリットは、それぞれ、第２の方向に第２の間隔で等間隔に配置され、第１の間隔および第２の間隔は、電磁波の波長を基板の屈折率で割った値よりも小さいことを特徴とする。

本発明によると、電磁波の偏波を制御する偏波制御素子であって、電磁波が透過する基板と、基板上に第１の回折格子を形成すべく配設され、導体または半導体からなる第１の層と、第１の回折格子上に、第２の回折格子を形成すべく誘電体層を介して配設され、導体または半導体からなる第２の層とを備え、第１の層は、第１の方向に並設されかつ第１の方向と直交する第２の方向に延びた複数の第１のスリットと、第２の方向に並設されかつ第１のスリットと直交して第１の方向に延びた複数の第２のスリットとを有し、第２の層は、複数の第１のスリットに重なる複数の第３のスリットと、第２の方向に並設されかつ第３のスリットと直交して第１の方向に延びた複数の第４のスリットとを有し、互いに重なる複数の第１および第３のスリットは、第１の方向に第１の間隔で等間隔に配置され、複数の第４のスリットは、複数の第２のスリットの配置間隔の中心に位置し、かつ、複数の第２のスリットおよび複数の第４のスリットは、それぞれ、第２の方向に第２の間隔で等間隔に配置され、第１の間隔および第２の間隔は、電磁波の波長を基板の屈折率で割った値よりも小さいため、大きな位相シフト量を生じることが可能な小型の偏波制御素子を提供することが可能となる。

本発明の実施形態による偏波制御素子の構成を示す斜視図である。本発明の実施形態による偏波制御素子の上面図である。本発明の実施形態による偏波制御素子の側面図である。本発明の実施形態による偏波制御素子の動作を説明するための図である。一般的な偏光子の構成を示す斜視図である。本発明の実施形態による偏波制御素子による位相シフトの数値計算結果の一例を示すグラフである。

本発明の実施形態について、図面に基づいて以下に説明する。

本実施形態による偏波制御素子は、マイクロ波、赤外光、可視光などの電磁波に対して適用可能である。以下、本実施形態中において、「電磁波」および「偏波」という用語を用いるが、対象とする電磁波の波長が光の領域である場合には、「電磁波」および「偏波」を「光」および「偏光」と読み替えることができるものとする。

図１は、本発明の実施形態による偏波制御素子１０の構成を示す斜視図である。また、図２は偏波制御素子１０の上面図であり、図３は偏波制御素子１０の側面図である。図１に示すように、本実施形態による偏波制御素子１０は、石英ガラスなどからなる基板１と、基板１の主面上に形成された金属層２とを備えている。

なお、基板１は、偏波制御素子１０に入射された電磁波が透過するために透明であることが望ましい。

次に、偏波制御素子１０の構造の詳細について説明する。

金属層２は、基板１上に同一の金属の回折格子２１および回折格子２２を２層積層して形成されている。すなわち、金属層２は、基板１上に回折格子２２（第１の回折格子）を形成すべく配設された第１の層（回折格子２２を形成する層）と、回折格子２２上に、回折格子２１（第２の回折格子）を形成すべく誘電体４１（誘電体層）を介して配設された第２の層（回折格子２１を形成する層）とから構成される。

図２に示すように、金属層２を構成する回折格子２１（図中の実線）および回折格子２２（図中の破線）は、ｘ方向に周期Ｌｘで間隔Ｗｘのスリット３１が形成され、ｙ方向に周期Ｌｙで間隔Ｗｙのスリット３２が形成されている。すなわち、回折格子２２を形成する第１の層は、ｘ方向（第１の方向）に並設されかつｘ方向と直交するｙ方向（第２の方向）に延びた複数のスリット３１（第１のスリット）と、ｙ方向に並設されかつスリット３１（第１のスリット）と直交してｘ方向に延びた複数のスリット３２とを有しており、回折格子２１を形成する第２の層は、回折格子２２の複数のスリット３１（第１のスリット）に重なる複数のスリット３１（第３のスリット）と、ｙ方向に並設されかつスリット３１（第３のスリット）と直交してｘ方向に延びた複数のスリット３２（第４のスリット）を有している。

また、互いに重なる回折格子２２，２１の複数のスリット３１（第１および第３のスリット）は、ｘ方向に電磁波の波長よりも小さい周期Ｌｘ（第１の間隔）で等間隔に配置され、回折格子２１の複数のスリット３２（第４のスリット）は、回折格子２２の複数のスリット３２（第２のスリット）の配置間隔の中心（０．５Ｌｙ）に位置し、かつ、複数のスリット（第２および第４のスリット）は、それぞれ、ｙ方向に電磁波の波長よりも小さい周期Ｌｙ（第２の間隔）で等間隔に配置されている。

また、図３に示すように、回折格子２１と回折格子２２との間には誘電体４１（誘電体層）が設けられており、回折格子２１と回折格子２２とのｚ方向の間隔はＬｚとなっている。

次に、偏波制御素子１０の動作について説明する。

偏波（偏光）とは、電磁波の電界（あるいは電界と直交する磁界）の振動方向が空間的に偏った状態のことをいう。電界が振動する方向には、電磁波の進行方向に対して垂直であり、かつ互いに直交する独立な２つの方向がある。電磁波の偏波状態は、このような２つの方向の電界の重ねあわせとして示すことができる。従って、任意の偏波状態は、互いに独立する２つの方向の振幅の比と位相差とによって決定される。例えば、直線偏波は、２つの方向の振動の位相差が０の状態である。また、円偏波は、２つの方向の振幅が等しく位相差が９０°の状態となっている。

図４は、本発明の実施形態による偏波制御素子１０の動作を説明するための図であり、基板１に対して垂直方向１１（金属層２が形成された基板１の主面側から裏面側の方向）に電磁波が入射する場合を示している。図４に示すように、入射する電磁波は、電界１２が電磁波の進行方向ｋ（ｋは波数ベクトルの方向を示す）に対して垂直方向に振動する直線偏波である。このとき、電磁波の電界１２は、ｘ方向に電界が振動する偏波成分Ｅｘと、ｙ方向に電界が振動する偏波成分Ｅｙとの和で表される。なお、直線偏波は、偏波成分Ｅｘと偏波成分Ｅｙとの位相差は０である。

入射した電磁波は、偏波制御素子１０によって偏波成分が制御される。図４の場合では、偏波制御素子１０を透過して出射された電磁波は、電界１３が電磁波の進行方向に対して右回りに旋回する右旋偏波となる。このように、入射した電磁波の偏波成分を制御する偏波制御素子１０の特性は、金属層２を構成する回折格子２１および回折格子２２における電磁波の伝播特性に基づいている。

説明容易のために、まず、一方向にスリットが形成されている偏光子における電磁波の伝播特性について説明する。

図５は、一般的な偏光子５０の構成を示す斜視図である。図５に示す偏光子５０は、ワイヤグリッド偏光子（ｗｉｒｅｇｒｉｄｐｏｌａｒｉｚｅｒ）と呼ばれる偏光子である。図５に示すように、偏光子５０は、透光性の基板１の主面上に金属層２Ａを形成している。金属層２Ａは、ｙ方向に形成された複数のスリット１５と交互にｘ方向に複数並設されている。

偏光子５０の特性は、入射される電磁波の波長λとスリット１５が形成される周期Ｌｘとの関係によって異なる。なお、基板１中では、電磁波の波長が基板１の屈折率分だけ短くなるため、正確には、電磁波の波長λを基板１の屈折率で割った値と周期Ｌｘとを対比する必要がある。すなわち、図２に示す周期Ｌｘ，Ｌｙ（第１および第２の間隔）は、電磁波の波長を基板１の屈折率で割った値よりも小さい。以下、簡単のために基板１の屈折率を１として説明する。

周期Ｌｘが電磁波の波長λよりも長い場合では、偏光子５０は回折格子として機能する。一方、周期Ｌｘが電磁波の波長λよりも短い場合では、λ＝Ｌｘ×ｓｉｎθを満足するθが存在しないため偏光子５０は分光作用を持たなくなり、偏光作用が顕著に現れる。

スリット１５に電磁波が入射する場合において、スリット１５に平行な方向に電界成分Ｅｙを有する偏波は、その波長がスリット１５の幅Ｗｘの２倍より短くないとスリット１５内を伝播することができない。従って、スリット１５に平行な電界成分Ｅｙを有する偏波は、その波長がスリット幅Ｗｘより長くなるにつれて、ほとんど全てが反射されてしまう（すなわち、スリット１５を通過しない）。一方、スリット１５に垂直な方向に電界成分Ｅｘを有する偏波は、その波長がスリット１５の幅Ｗｘより長くなったとしてもスリット１５内の伝播が制限されない。スリット１５内を伝播可能な偏波であっても、スリット１５が単一の場合では大部分の偏波が金属層２Ａの表面で反射されてしまうが、多数のスリット１５を周期的に配列（並設）することによって電磁波を効率的にスリット１５内に導くことが可能となる。図５では、電磁波の進行方向ｋに垂直に振動する電界１２のうち、スリット１５に垂直な方向の偏波成分１４（偏波成分Ｅｘ）がスリット１５を通過する。

また、偏光子５０の特性は、金属層２Ａ中に存在する自由電子の動作によっても説明することができる。導体である金属層２Ａ中の自由電子は、電磁波を受けると当該電磁波に同期して振動する。従って、スリット１５に平行な方向に電界を有する直線偏波は、各金属層２Ａ中の自由電子の振動によって遮蔽され、ほとんどが反射される。一方、スリット１５に垂直な方向に電界を有する直線偏波では、金属層２中の自由電子の動きがスリット１５によって阻止される。従って、スリット１５に垂直な方向に電界を有する直線偏波の多くはスリット１５を通過する。図５では、ｙ方向に沿って形成されたスリット１５がｘ方向に並設されている場合について説明したが、ｘ方向に沿って形成したスリット１５をｙ方向に並設した場合であっても上記と同様である。すなわち、スリット１５に平行な方向の偏波成分は反射され、スリット１５に垂直な方向の偏波成分は透過することができる。

図４に示す偏波制御素子１０では、金属層２を構成する回折格子２１，２２の各々に形成されたスリット３１，３２の周期Ｌｘ，Ｌｙは、偏波制御素子１０に入射する電磁波の波長λより短い。以下、図４では、進行方向ｋに対して垂直な方向に電界が振動する直線偏波が、基板１の主面側から垂直方向１１で入射するものとして説明する。なお、電磁波が２次元面（ｘｙ平面）に対して傾いて入射しても同様の動作を行う。

図５にて説明した偏光子５０のスリット１５における伝播特性と同様に、図４に示す偏波制御素子１０において、ｘ方向に平行な偏波成分Ｅｘは、回折格子２１，２２のｙ方向に平行なスリット３１を通過して基板１に到達する。一方、ｙ方向に平行な偏波成分Ｅｙは、図３に示すように、回折格子２１のスリット３２を通過した後、回折格子２２の金属部にて伝播方向がｚ方向からｙ方向に変換され、回折格子２１と回折格子２２との間（すなわち、誘電体４１）を伝播する。その後、回折格子２２のスリット３２にて伝播方向がｙ方向からｚ方向に変換されて基板１に到達する。

このとき、回折格子２１，２２の厚み（ｚ方向の幅）、スリット幅Ｗｘ，Ｗｙ、回折格子２１と回折格子２２とのｚ方向の間隔Ｌｚが、それぞれ周期Ｌｘ，Ｌｙより十分に小さい場合において、誘電体４１の屈折率をｎ、電磁波の波長をλとすると、ｘ方向に平行な偏光成分Ｅｘが回折格子２１，２２のスリット３１を通過して基板１に到達するまでの伝播に伴う位相シフト量φｘは、

となる。式（１）において、πは円周率である。

一方、ｙ方向に平行な偏波成分Ｅｙが回折格子２１のスリット３２を通過し、回折格子２１，２２の間隙を伝播した後に回折格子２２のスリット３２を通過して基板１に到達するまでの伝播に伴う位相シフト量φｙは、

となる。

従って、ｘ方向に平行な偏波成分Ｅｘとｙ方向に平行な偏波成分Ｅｙとの位相差Δφ（＝φｙ−φｘ）は、上記の式（１）および式（２）より、

となる。

上記の式（３）より、例えば、図４に示すように直線偏波の電磁波が入射した場合には、位相差Δφ＝０．５πとなるように周期Ｌｙ（第２の間隔）および誘電体４１の屈折率ｎを調整して偏波制御素子１９を作製すれば、当該偏波制御素子１０から出射される電波は電界１３を有する円偏波となる。すなわち、電磁波は、ｘ方向（第１の方向）およびｙ方向（第２の方向）の各々で電界が振動する互いに同位相である波長λの２つの直線偏波が基板１に入射した場合において、偏波制御素子１０を通過した２つの直線偏波間の位相差Δφは、上記の式（３）を満足する。

上記の式（３）は、スリット３１，３２の幅Ｗｘ，Ｗｙが、周期Ｌｘ，Ｌｙに比べて十分に小さい場合に成り立つ。より正確な位相差Δφの関係式を導くためには、スリット３１，３２の光路長を考慮する必要がある。

なお、スリット３１，３２の周期Ｌｘ，Ｌｙは、それぞれ一定ではなくとも偏波（偏光）作用は生じるが、一定の方が電磁波の透過率が大きくなり、また、電磁波の透過率も空間的に一様となるため、好ましい位相子の特性を得ることができる。

また、回折格子２１，２２の厚みＬｚは、電磁波が透過しない程度の厚みが最低限必要となる。

次に、偏波制御素子１０の具体的な数値計算例について説明する。

図６は、本発明の実施形態による偏波制御素子１０による位相シフトの数値計算結果の一例を示すグラフである。図６に示すように、縦軸の左側はｘ方向に平行な偏波成分とｙ方向に平行な偏波成分とを有する電磁波の位相シフトの差（位相差）Δφを示し、縦軸の右側は透過振幅比を示す。また、横軸は電磁波の周波数を示す。

上記の式（３）に示されるように、誘電体４１の屈折率ｎ、または周期Ｌｙを変えることによって、偏波制御素子１０に入射された電磁波の偏波状態の制御が可能となる。図６にて示される結果に用いられたデータは、テラヘルツ波領域の電磁波を用いた場合において有限差分時間領域法によって計算したものである。

なお、数値計算に用いた各パラメータは、Ｌｘ＝６０μｍ、Ｗｘ＝３０μｍ、Ｌｙ＝３００μｍ、Ｗｙ＝１０μｍ、Ｌｚ＝１０μｍである。また、回折格子２１，２２を構成する金属層の厚みは１μｍである。また、誘電体４１は真空でｎ＝１であり、電磁波は基板１に対して垂直に入射されるものとする。

上記のパラメータを用いて数値計算を行った結果を図６に示す。図６では、ｘ方向に平行な偏波成分とｙ方向に平行な偏波成分との位相差および透過振幅比を示しており、それぞれに該当するグラフを楕円と矢印で指示している。０．６ＴＨｚ付近で、ｘ方向に平行な偏波成分とｙ方向に平行な偏波成分との透過振幅比が略１となり、位相差が１８０°となる。

以上のことから、本実施形態による偏波制御素子１０によれば、大きな位相シフト量を生じることが可能な小型の偏波制御素子を得ることが可能となる。

なお、本実施形態では、金属層２は回折格子２１，２２の２層で構成されている場合について説明したが、金属層２が３層以上で構成される場合であっても同様の効果を得ることができる。すなわち、回折格子２１を形成する層（第２の層）上に、それぞれ誘電体層を介して、回折格子２２を形成する層（第１の層）と同一構成の層および回折格子２１を形成する層（第２の層）と同一構成の層の少なくとも１層をこの順に交互に所定の層分さらに積層することができる。

また、基板１は、使用する電磁波の波長に対して透明かつ複屈折性のないものが望ましい。例えば、マイクロ波ではプラスティックやセラミクス、赤外領域ではシリコン、可視光領域では石英ガラスなどが、基板として利用することができる。

また、誘電体４１は、基板１と同様、使用する電磁波の波長に対して透明であるものが望ましい。例えば、マイクロ波では低温で焼結可能なセラミクス、赤外・可視領域ではゾルゲルガラスやナノ粒子を分散した高分子材料などが、屈折率の調整可能な透明な誘電体として利用することができる。

また、金属層２は、金属材料を基板１の主面側に真空蒸着法などによって形成することができる。金属層の金属材料としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、白金、およびこれらの材料からなる合金など、導電率の大きい材料（導体）であればよい。また、電磁波の波長がマイクロ波領域であれば、キャリア密度の大きい半導体も利用可能である。すなわち、金属層２として示した層２１，２２の材質は、導体または半導体から選択することができる。

今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１基板、２，２Ａ金属層、１０偏波制御素子、１１垂直方向、１２，１３電界、１４偏波成分、１５スリット、２１，２２回折格子、３１，３２スリット、４１誘電体、５０偏光子。

Claims

電磁波の偏波を制御する偏波制御素子であって、
前記電磁波が透過する基板と、
前記基板上に第１の回折格子を形成すべく配設され、導体または半導体からなる第１の層と、
前記第１の回折格子上に、第２の回折格子を形成すべく誘電体層を介して配設され、導体または半導体からなる第２の層と、
を備え、
前記第１の層は、第１の方向に並設されかつ前記第１の方向と直交する第２の方向に延びた複数の第１のスリットと、前記第２の方向に並設されかつ前記第１のスリットと直交して前記第１の方向に延びた複数の第２のスリットとを有し、
前記第２の層は、前記複数の第１のスリットに重なる複数の第３のスリットと、前記第２の方向に並設されかつ前記第３のスリットと直交して前記第１の方向に延びた複数の第４のスリットとを有し、
互いに重なる前記複数の第１および第３のスリットは、前記第１の方向に第１の間隔で等間隔に配置され、
前記複数の第４のスリットは、前記複数の第２のスリットの配置間隔の中心に位置し、かつ、前記複数の第２のスリットおよび前記複数の第４のスリットは、それぞれ、前記第２の方向に第２の間隔で等間隔に配置され、
前記第１の間隔および前記第２の間隔は、前記電磁波の波長を前記基板の屈折率で割った値よりも小さいことを特徴とする、偏波制御素子。
前記第２の層上に、それぞれ誘電体層を介して、前記第１の層と同一構成の層および前記第２の層と同一構成の層の少なくとも１層をこの順に交互に所定の層分さらに積層することを特徴とする、請求項１に記載の偏波制御素子。
前記電磁波は、前記第１の方向および前記第２の方向の各々で電界が振動する互いに同位相である波長λの２つの直線偏波が前記基板に入射した場合において、前記偏波制御素子を通過した前記２つの直線偏波間の位相差Δφは、前記誘電体の屈折率をｎ、前記第２の間隔をＬｙとすると、

の関係を満足することを特徴とする、請求項１または２に記載の偏波制御素子。