JP5668110B2 - Optical element and optical device - Google Patents

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  • Polarising Elements (AREA)

Description

本発明は、サブ波長の金属構造を備え、複屈折を示す反射型の光学素子、およびそれを用いた光学装置に関する。   The present invention relates to a reflective optical element having a sub-wavelength metal structure and exhibiting birefringence, and an optical apparatus using the same.

光学装置は広く一般に普及しており、例えば、光情報通信装置、ディスプレイ、光ピックアップ、光センサ等には、光を制御する光学素子が多く用いられている。そして、これらの装置の高機能化に伴い、光学素子においても高機能化、高付加価値化、低コスト化が求められている。   Optical devices are widely used in general, and for example, optical elements that control light are often used in optical information communication devices, displays, optical pickups, optical sensors, and the like. As these devices have higher functions, optical elements are also required to have higher functions, higher added values, and lower costs.

こうした光学装置の一例として、「特許文献1」では光情報通信の受信装置として位相変調方式の復調時に発生するPDFS(Polarization Dependent Frequency Shift)による信号品質の劣化を位相補償素子で低減する復調器技術が開示されている。「特許文献2」では波長よりも小さな金属構造によってプロジェクタ(ディスプレイ)用の光源の光利用効率を向上する技術が開示されている。「特許文献3」ではホモダイン方式を用いて、参照光と信号光を干渉させることでS/N比を向上する光ピックアップの技術が開示されている。これらの光学装置は、反射ミラー、光の偏光状態に応じて光路を切り替えるビームスプリッタ、光の偏光状態を変換する波長板等を複数組み合わせて所望の機能を実現している。   As an example of such an optical device, “Patent Document 1” describes a demodulator technique that uses a phase compensation element to reduce signal quality degradation due to Polarization Dependent Frequency Shift (PDFS) that occurs during demodulation of a phase modulation method as a receiver for optical information communication. Is disclosed. “Patent Document 2” discloses a technique for improving the light utilization efficiency of a light source for a projector (display) by a metal structure smaller than a wavelength. “Patent Document 3” discloses an optical pickup technique that improves the S / N ratio by causing a reference light and a signal light to interfere with each other using a homodyne system. These optical devices realize a desired function by combining a plurality of reflecting mirrors, a beam splitter that switches an optical path according to the polarization state of light, a wavelength plate that converts the polarization state of light, and the like.

光の偏光状態の差異を利用したビームスプリッタとしては、光学多層膜を利用した偏光ビームスプリッタ、波長より小さな間隔の金属線の櫛状格子構造をもつワイヤグリッド等が知られている。波長板としては、水晶や方解石に代表される光学異方性結晶を用いたものや、「非特許文献1」や「特許文献4」に開示されているような、波長よりも小さい間隔の誘電体の櫛状格子構造によるものがある。「非特許文献2」では、波長よりも小さな主に金属で構成される構造によって、人工的に屈折率を制御したメタマテリアルや負の屈折に関する技術が解説されている。また、「特許文献5」には、主にディスプレイ向けに波長板機能をもたせた高分子フィルムに関する技術が開示されている。また、「特許文献6」には高分子フィルムを用いた位相差板に関する技術が開示されている。   As a beam splitter using the difference in polarization state of light, a polarization beam splitter using an optical multilayer film, a wire grid having a comb-like lattice structure of metal wires with a smaller interval than a wavelength, and the like are known. As the wave plate, those using an optically anisotropic crystal typified by quartz or calcite, or a dielectric having an interval smaller than the wavelength as disclosed in “Non-patent Document 1” and “Patent Document 4” are used. Some have a comb-like lattice structure. “Non-Patent Document 2” describes a metamaterial in which a refractive index is artificially controlled by a structure mainly composed of metal smaller than a wavelength and a technique related to negative refraction. Further, “Patent Document 5” discloses a technique relating to a polymer film having a wavelength plate function mainly for a display. Further, “Patent Document 6” discloses a technique related to a retardation plate using a polymer film.

特開2008−224313号公報(対応US2008/0218836号公報)JP 2008-224313 A (corresponding US 2008/0218836) 特開2008−122618号公報JP 2008-122618 A 特開2008−65961号公報(対応US2008/0067321号公報)JP 2008-65961 A (corresponding US 2008/0067321) 国際公開WO2007−055245号公報(対応US2009/0128908号公報)International Publication WO2007-055245 (corresponding to US2009 / 0128908) 特開2001−215462号公報JP 2001-215462 A 特開2004−170623号公報JP 2004-170623 A

Applied Optics、41、3558(2002)Applied Optics, 41, 3558 (2002) Science、305、 788 (2004)Science, 305, 788 (2004)

「特許文献1」から「特許文献3」では反射ミラー、偏光状態に応じて光路を切り替える偏光ビームスプリッタ機能を有する光学素子、波長板機能を有する光学素子等を複数組み合わせて、各々の光学装置としての機能を実現している。ここで例えば、反射ミラーと波長板機能を統合した小型で安価な新規光学素子が実現されれば、これらの光学装置の小型化・低コスト化が図れることは言うまでもない。   In each of “Patent Document 1” to “Patent Document 3”, a plurality of combinations of a reflecting mirror, an optical element having a polarization beam splitter function that switches an optical path according to a polarization state, an optical element having a wavelength plate function, and the like are used as each optical device. The function is realized. Here, for example, if a small and inexpensive new optical element integrating the reflecting mirror and the wave plate function is realized, it goes without saying that these optical devices can be reduced in size and cost.

上に述べた光学素子の中で、最も高価なものは波長板である。従来の波長板は複屈折性を有する光学異方性結晶を所定の厚さに加工したものを用いていた。光学異方性結晶では、特定の偏光(常光)とそれに垂直な偏光(異常光)とで異なる屈折率を有し、典型的な例として、方解石では波長633nmにおいて屈折率差Δnは0.17である。これに対して、「非特許文献1」および「特許文献4」では、半導体プロセスを用いてガラス等の誘電体材料に微細加工を施すことにより、高価な光学異方性結晶を用いずに波長板(「特許文献4」では偏光分離素子と記載)を実現している。こうした誘電体の微細構造のピッチは回折による入射光の分岐を避けるために、波長よりも小さい必要がある。また、屈折率差Δnが0.2程度であるため、櫛状構造のアスペクト比は、7以上が必要と言われる。櫛状構造のアスペクト比が1以下ならば、大規模な製造装置を必要とする半導体プロセスを用いずに、CDやDVD等で用いられる射出成形プロセスによって安価に製造することが可能となるが、「非特許文献1」および「特許文献4」に開示されている技術だけでは、これを実現することができなかった。これらに比較して、直交する偏光間の屈折率差Δnが大きいとされる液晶材料では0.2〜0.3程度である。   Among the optical elements described above, the most expensive one is a wave plate. A conventional wave plate is obtained by processing an optically anisotropic crystal having birefringence into a predetermined thickness. Optically anisotropic crystals have different refractive indices for specific polarized light (ordinary light) and polarized light perpendicular to it (extraordinary light). As a typical example, calcite has a refractive index difference Δn of 0.17 at a wavelength of 633 nm. . On the other hand, in “Non-patent Document 1” and “Patent Document 4”, a wavelength is obtained without using an expensive optically anisotropic crystal by performing fine processing on a dielectric material such as glass using a semiconductor process. A plate (described as a polarization separation element in “Patent Document 4”) is realized. The pitch of the dielectric microstructure needs to be smaller than the wavelength to avoid branching of incident light due to diffraction. Further, since the refractive index difference Δn is about 0.2, it is said that the aspect ratio of the comb structure needs to be 7 or more. If the comb-like structure has an aspect ratio of 1 or less, it can be manufactured at low cost by an injection molding process used in CDs, DVDs, etc. without using a semiconductor process that requires a large-scale manufacturing apparatus. This cannot be realized only by the techniques disclosed in “Non-patent Document 1” and “Patent Document 4”. Compared to these, the refractive index difference Δn between orthogonally polarized light is about 0.2 to 0.3 for a liquid crystal material.

一方、「特許文献5」および「特許文献6」に記載される高分子材料を用いた波長板は
、大面積の部材を安価に提供可能であることから、主にディスプレイ用途に適する。しか
しながら、これらは高分子材料を用いるが故に、性能や対環境性では無機材料を用いた素
子には及ばず、「特許文献1」や「特許文献3」に記載される光情報通信装置や光ピック
アップの用途には対応が困難であった。
On the other hand, the wave plate using the polymer material described in “Patent Document 5” and “Patent Document 6” is mainly suitable for display applications because it can provide a large-area member at low cost. However, since these use polymer materials, their performance and environmental performance are not as good as those of elements using inorganic materials, and optical information communication devices and optical devices described in "Patent Document 1" and "Patent Document 3" are used. It was difficult to cope with the use of the pickup.

以上の従来の光学素子の課題に鑑みて、本発明の目的は、反射ミラーや波長板機能等を統合した小型で安価な新規光学素子を提供することである。   In view of the problems of the conventional optical elements described above, an object of the present invention is to provide a small and inexpensive new optical element that integrates a reflecting mirror, a wave plate function, and the like.

本発明の課題を解決するためには、直交する偏光間の屈折率差Δnを従来よりも大幅に増大させた新規な光学材料を提供することが前提となる。こうした光学材料は自然界には存在しないが、本発明ではメタマテリアルの概念に基づいて、金属の櫛状構造とミラーを近接して配置した構造(以下、メタルグルーブと呼ぶ)により、人工的に創生した屈折率差Δnが5以上になることを実験とシミュレーションによって示す。この結果に基づいて、光学素子の機能・形状や、これらを用いた光学装置の構成を具体的に示してゆく。   In order to solve the problems of the present invention, it is premised to provide a novel optical material in which the refractive index difference Δn between orthogonally polarized light is greatly increased as compared with the conventional art. Such an optical material does not exist in nature, but in the present invention, based on the concept of metamaterial, it is artificially created by a structure in which a metal comb-like structure and a mirror are arranged close to each other (hereinafter referred to as a metal groove). Experiments and simulations show that the generated refractive index difference Δn is 5 or more. Based on this result, the function and shape of the optical element and the configuration of the optical device using these will be specifically shown.

以下、本発明では紙面内にx軸とz軸をとる座標系に統一して説明を行う。光の偏光方向はTE偏光とTM偏光に統一する。このとき、TE偏光とはx方向に磁場の振動成分を持つ光、TM偏光とはx方向に電場の振動成分を持つ光である。マクスウェル方程式の数値的解法としてはFDTD(Finite Differential Time Domain)法を用いる。金属や半導体材料の屈折率としては、特に断わらない限りPalikのハンドブック(Palik E.D. (ed.) (1991) Handbook of Optical Constants of Solids II. Academic Press、 New York.)を参照する。また、マクスウェル方程式、金属光学、プラズモニクス、アモルファス材料の光・電気物性、および個々の光学装置の動作原理当に関する詳細な説明は本発明の範囲を超えるため割愛させて頂く。   Hereinafter, in the present invention, a coordinate system having an x-axis and a z-axis on the paper surface will be described in a unified manner. The polarization direction of light is unified to TE polarization and TM polarization. At this time, TE polarized light is light having a magnetic field vibration component in the x direction, and TM polarized light is light having an electric field vibration component in the x direction. As a numerical solution of Maxwell's equations, FDTD (Finite Differential Time Domain) method is used. As for the refractive index of metals and semiconductor materials, the Palik handbook (Palik E.D. (ed.) (1991) Handbook of Optical Constants of Solids II. Academic Press, New York.) Is referred to unless otherwise specified. In addition, a detailed description of Maxwell's equations, metal optics, plasmonics, optical and electrical properties of amorphous materials, and operating principles of individual optical devices is beyond the scope of the present invention, and will be omitted.

先ず、「非特許文献1」および「特許文献4」に開示されている誘電体の櫛上構造によって得られる屈折率差について、その起源をシミュレーション結果を用いて説明する。図2はSiO(シリカガラス)を用いた櫛上構造の光学異方性に関する計算結果である。ここでは、入射光の波長を700nm、櫛のピッチを200nm、櫛の幅を100nm、櫛の高さを4000nmとし、z方向上側の空気領域から光が入射した場合について計算した。SiOの屈折率は1.47とした。x方向の周期境界条件によって、櫛構造の1周期だけの計算すれば、無限に広がった構造体と平面波の相互作用を計算することができる。図では、電場振幅の大きさの絶対値を濃淡で表しており、隣接する明るい縞の間隔が1/2波長に対応する。入射光が櫛状構造の下端に到達したときに、TM偏光とTE偏光の位相差が調度1/2波長だけずれており、この素子が1/2波長板として機能することが判る。また、TE偏光の場合の方が電場強度の縞の数が1つ多いことからTE偏光の屈折率が大きく、屈折率差Δnは電場強度の縞の数の比率から0.0875(1/15)であることが判る。両者の差異は櫛の側面における境界条件の差異、すなわち電束密度Dと電場強度Eの連続条件の差異によってもたらされる。TM偏光の場合に櫛の内部(SiO)と外部(空気)とで縞の明るさが異なるのは、電束密度D=εEx(εは誘電率、Exはx方向の電場成分)が一定であるという境界条件を反映している。一方、TE偏光の場合に櫛の内部と外部で電場強度が一様であるのは、櫛の側壁での電場強度Ey(Eyは紙面に垂直な方向の電場成分)が一定であるという境界条件を反映している。光のエネルギー(光子密度)はεE/2であるため、TM偏光の場合の方が、屈折率の大きな櫛の内部に光子が多く存在していることが判る。こうした光子密度分布の差異が屈折率差Δnの起源であることが判る。従って、櫛状構造を形成する誘電体物質の屈折率と周辺(空気)の屈折率差の増大に従って、得られるΔnも大きくなる。屈折率の大きな誘電体にはSiNやダイヤモンド等々があるが、上限が約2.5であるから、大幅なΔnの増加は期待できない。また、屈折率の大きな誘電体を用いると、空気との界面での反射による損失も無視できなくなる。 First, the origin of the refractive index difference obtained by the dielectric comb structure disclosed in “Non-patent Document 1” and “Patent Document 4” will be described using simulation results. FIG. 2 is a calculation result regarding optical anisotropy of a comb structure using SiO 2 (silica glass). Here, the calculation was performed for the case where the wavelength of incident light is 700 nm, the pitch of the comb is 200 nm, the width of the comb is 100 nm, the height of the comb is 4000 nm, and light is incident from the air region on the upper side in the z direction. The refractive index of SiO 2 was 1.47. If only one period of the comb structure is calculated according to the periodic boundary condition in the x direction, the interaction between the infinitely spread structure and the plane wave can be calculated. In the figure, the absolute value of the magnitude of the electric field amplitude is represented by shading, and the interval between adjacent bright stripes corresponds to ½ wavelength. When the incident light reaches the lower end of the comb-like structure, the phase difference between the TM polarized light and the TE polarized light is shifted by an adjustment of ½ wavelength, and it can be seen that this element functions as a ½ wavelength plate. In the case of TE polarized light, the number of fringes of electric field strength is one, so the refractive index of TE polarized light is larger, and the refractive index difference Δn is 0.0875 (1/15) from the ratio of the number of fringes of electric field strength. I know that there is. The difference between the two is caused by the difference in the boundary conditions on the side of the comb, that is, the difference in the continuous conditions of the electric flux density D and the electric field strength E. In the case of TM polarized light, the brightness of the stripes is different between the inside (SiO 2 ) and the outside (air) of the comb because the electric flux density D = εEx (ε is a dielectric constant and Ex is an electric field component in the x direction) is constant. This reflects the boundary condition of On the other hand, in the case of TE polarization, the electric field strength is uniform inside and outside the comb because the electric field strength Ey (Ey is the electric field component in the direction perpendicular to the paper surface) on the side wall of the comb is constant. Is reflected. Since the light energy (photon density) is εE 2/2, towards the case of TM polarized light, it can be seen that the photons are abundant in the interior of large comb refractive index. It can be seen that such a difference in the photon density distribution is the origin of the refractive index difference Δn. Therefore, as the difference between the refractive index of the dielectric material forming the comb structure and the refractive index between the surroundings (air) increases, Δn obtained also increases. Dielectrics having a large refractive index include SiN and diamond, but since the upper limit is about 2.5, a large increase in Δn cannot be expected. Further, when a dielectric having a large refractive index is used, loss due to reflection at the interface with air cannot be ignored.

次に、ワイヤグリッドの動作原理について説明する。図3に摸式的に示すようにワイヤグリッドは、波長より小さな周期をもつ櫛状構造と考えることができる。図3(a)に示すように、TM偏光に対しては、電場の振動方向に応じて金属内の自由電子が櫛の片側に集まり分極が生じるだけなので、光は櫛状構造を透過することができる。一方、図3(b)に示すように、TE偏光に対しては、金属内の自由電子は櫛の側壁による制限を受けずに振動するため、連続した金属膜と同様に光は反射される。光が金属内に進入できる厚さ(Skin Depth)よりも櫛の高さが高い場合、ワイヤグリッドはTM偏光を透過し、TE偏光を反射する分離性能(消光比)の高い偏光分離機能を有する素子となる。TM偏光における金属内の自由電子の振る舞いは広義にはプラズモンと等価であり、周辺の誘電体との整合条件(誘電率の大きさが同じで符号が逆)が整えば、光はわずかな減衰を伴いつつ、非常に長い距離(最大で数mm程度)を伝搬光することができる。また、「非特許文献2」にも解説されているように、このときに生じる分極の大きさは非常に大きいため、この空間の分極率χは誘電体のそれに比較して遥かに大きくなる。すなわち、金属の微細構造によって、人工的に大きな屈折率を得ることができる。   Next, the operation principle of the wire grid will be described. As schematically shown in FIG. 3, the wire grid can be considered as a comb-like structure having a period smaller than the wavelength. As shown in Fig. 3 (a), for TM polarized light, the free electrons in the metal gather only on one side of the comb in accordance with the direction of vibration of the electric field and polarization occurs, so that light passes through the comb structure. Can do. On the other hand, as shown in FIG. 3B, for TE-polarized light, free electrons in the metal vibrate without being restricted by the side walls of the comb, so that the light is reflected in the same manner as a continuous metal film. . When the comb height is higher than the thickness that allows light to penetrate into the metal (Skin Depth), the wire grid transmits TM polarized light and has a high polarization separation function (extinction ratio) that reflects TE polarized light It becomes an element. The behavior of free electrons in metals in TM polarization is equivalent to plasmons in a broad sense, and light is attenuated slightly if the matching conditions with the surrounding dielectric (same dielectric constant and opposite sign) are prepared. In addition, it is possible to propagate light over a very long distance (a few millimeters at the maximum). Further, as described in “Non-patent Document 2”, the magnitude of the polarization generated at this time is very large, so the polarizability χ of this space is much larger than that of the dielectric. That is, a large refractive index can be artificially obtained by the metal microstructure.

図4はワイヤグリッドのシミュレーション結果の一例である。ここでは、入射光の波長を700nm、金属材料をAg、ワイヤのピッチを200nm、ワイヤの幅を100nm、ワイヤの高さを100nmとした。図に見られるように、ワイヤグリッドはTM偏光のみを透過する優れた偏光フィルター機能を有することが判る。   FIG. 4 is an example of a wire grid simulation result. Here, the wavelength of incident light was 700 nm, the metal material was Ag, the wire pitch was 200 nm, the wire width was 100 nm, and the wire height was 100 nm. As can be seen from the figure, the wire grid has an excellent polarizing filter function that transmits only TM polarized light.

以上のように、誘電体の櫛状構造から得られる屈折率差Δnを大きくすることが困難なこと、ワイヤグリッドは巨大屈折率を内在し、偏光フィルター機能を提供するが、波長板としての機能を持たないことが判った。   As described above, it is difficult to increase the refractive index difference Δn obtained from the dielectric comb-like structure, and the wire grid has a large refractive index and provides a polarizing filter function, but functions as a wave plate. It turns out that it does not have.

ここで、ワイヤグリッドのもつ巨大屈折率を直交する偏光間の屈折率差Δnとして利用できれば、優れた波長板を創生することができるはずである。図5はその素子(メタルグルーブ)の基本的な構造を示す摸式図である。メタルグルーブはワイヤグリッドと金属ミラーを一体化したものである。図において、TE偏光はメタルグルーブの表面の金属の櫛状構造の表面で反射され、TM偏光は櫛状構造を透過した後にミラー部でまで到達した後に反射される。両者はメタルグルーブを反射した後に干渉して、入射光とは異なる偏光状態に変換される。TM偏光は、金属櫛構造の巨大屈折率空間を往復するので、大きな位相差を得ることができる。すなわち、メタルグルーブは低アスペクト比で良好な性能の反射型の波長板の機能を有することができる。本発明では以下、説明の簡略化のために金属の櫛状構造の断面形状は矩形に限定して説明を進めるが、上の説明のように、金属に代表される良導体がワイヤ状であれば同様の効果を得られる。従って、断面形状は矩形に限らず台形や三角形等でもよい。また、櫛状構造の凸部分は、図5の例ではy軸方向に延伸して設けられているが、3次元的に剣山状にしても良い。また、本発明の光学素子の大きさは、回折や散乱の影響を小さくして所望の反射光を得るためにx軸方向、y軸方向共に、媒質中の光の波長の少なくとも数倍以上あればよい。素子の大きさと回折、散乱の大きさの関係については、マクスウェル方程式を解いて得られているが、具体的な内容は割愛させて頂く。結果は上のように光の波動性に沿った常識的なものとなった。これらの構造を含めて、本願では、櫛状構造と呼ぶ。また、使用する光(電磁波、電波も可)の波長に対して十分な導電性を有していれば、櫛状構造の材質は金属に限らず、金属・有機物のコンポジット材料、グラファイト、カーボンナノチューブ等を用いることができる。   Here, if the giant refractive index of the wire grid can be used as the refractive index difference Δn between orthogonal polarized lights, an excellent wave plate should be able to be created. FIG. 5 is a schematic diagram showing a basic structure of the element (metal groove). A metal groove is an integrated wire grid and metal mirror. In the figure, TE polarized light is reflected by the surface of the metal comb-like structure on the surface of the metal groove, and TM polarized light is reflected after reaching the mirror part after passing through the comb-like structure. Both of them interfere after being reflected by the metal groove, and are converted into a polarization state different from the incident light. Since TM polarized light reciprocates in the giant refractive index space of the metal comb structure, a large phase difference can be obtained. That is, the metal groove can have a function of a reflective wave plate having a low aspect ratio and good performance. In the present invention, for the sake of simplification of description, the cross-sectional shape of the metal comb-like structure is limited to a rectangular shape. However, as described above, if a good conductor typified by metal is a wire shape, Similar effects can be obtained. Therefore, the cross-sectional shape is not limited to a rectangle, but may be a trapezoid or a triangle. Further, the convex portion of the comb-like structure is provided to extend in the y-axis direction in the example of FIG. 5, but it may be three-dimensionally shaped like a sword mountain. The size of the optical element of the present invention should be at least several times the wavelength of light in the medium in both the x-axis direction and the y-axis direction in order to obtain the desired reflected light by reducing the influence of diffraction and scattering. That's fine. The relationship between the size of the element and the size of diffraction and scattering is obtained by solving the Maxwell equation, but the specific content will be omitted. As a result, the result became common sense in line with the wave nature of light. Including this structure, it is called a comb structure in the present application. In addition, the material of the comb-like structure is not limited to metal as long as it has sufficient conductivity for the wavelength of the light used (electromagnetic waves and radio waves are acceptable), composite materials of metal / organic matter, graphite, carbon nanotubes Etc. can be used.

次に、メタルグルーブのシミュレーションと試作・実験結果について説明する。   Next, the simulation of metal grooves and the results of trial manufacture / experiment will be described.

図6はメタルグルーブの特性を定めるパラメータをまとめた断面図である。図に示すように、メタルグルーブは基板材料と金属材料で基本的に構成され、櫛状構造部のピッチp、幅w、高さh、及びミラー部の厚さdが主な構造パラメータである。   FIG. 6 is a sectional view summarizing parameters for determining the characteristics of the metal groove. As shown in the figure, the metal groove is basically composed of a substrate material and a metal material, and the pitch p, the width w, the height h, and the thickness d of the mirror portion are the main structural parameters. .

図7はシミュレーション結果の一例である。ここでは、基板材料をSiO、金属材料をAg、ピッチp=200nm、幅w=100nm、高さh=100nm、ミラー部の厚さd=300nmとし、入射光の波長を633nmとした。櫛状構造のアスペクト比(h/w)は1である。図に見られるように、TM偏光とTE偏光では、入射光と反射光が干渉した電場強度の縞の間隔の約1/2だけずれており、これが1/4波長板としての機能を有することが判る。以下、本発明においては、特に断わらない限り基板材料をSiOとしたシミュレーション結果を示す。 FIG. 7 is an example of a simulation result. Here, the substrate material is SiO 2 , the metal material is Ag, the pitch is p = 200 nm, the width is w = 100 nm, the height is h = 100 nm, the thickness of the mirror part is d = 300 nm, and the wavelength of incident light is 633 nm. The comb structure has an aspect ratio (h / w) of 1. As shown in the figure, TM polarized light and TE polarized light are shifted by about 1/2 of the interval between the fringes of the electric field intensity where the incident light and reflected light interfere, and this has a function as a quarter wavelength plate. I understand. Hereinafter, in the present invention, a simulation result in which the substrate material is SiO 2 unless otherwise specified is shown.

図8はメタルグルーブの波長依存性を示すシミュレーション結果の一例である。ここでは、金属材料をAg、ピッチp=200nm、幅w=80nm、高さh=40nm、ミラー部の厚さd=300nmとした。櫛状構造のアスペクト比(h/w)は0.5である。またメタルグルーブの方位はx-y平面内で45度回転した配置とし、TE偏光の入射光に対して、反射光に含まれる各偏光成分の強度を示した。図において、TM偏光成分の強度が最大の波長(以下ピーク波長)において、TE偏光成分の強度が十分に小さければ、メタルグルーブが良好な1/2波長板として機能することが示される。なお、図中、TEを実線、TMを点線で示す。以下、本発明においては、特に断わらない限りメタルグルーブの方位はx-y平面内で45度回転した配置とし、TE偏光を入射した場合をシミュレーションおよび実験の標準条件とする。図8(a)に見られるように、ここに示したパラメータのメタルグルーブが波長約580nmにおいて、良好な1/2波長板として機能することが判る。比較のために、光学異方性結晶(誘電体櫛状構造の場合も同じ)により作製した1/2波長板の場合の計算結果を図8(b)に示す。ここでは、光学異方性結晶の分散は十分に小さいとした。両者を比較すれば差異が明らかなように、メタルグルーブでは波長板としての機能する波長範囲が狭くすることができる。光学異方性結晶では原理的にピーク波長の整数倍の波長でも波長板として機能してしまうことが避けられない。複数の波長の光から特定の波長に対して選択的に偏光状態を操作したい場合、例えば、CD/DVD/BDに対応する光ピックアップにおける部品点数の削減用途などの場合、従来の波長板に比較して、メタルグルーブは優れた特性をもつ。これは、金属材料の複素屈折率の虚数部が特に波長に対して大きく変化する、すなわち波長分散が大きいことによってもたらされる効果である。こうした金属の複素屈折率、もしくは複素誘電率はDrudeモデルに代表されるような、金属の屈折率を原子核に弱く束縛された自由電子の運動として近似するモデルによって説明されている。金属はそれぞれ色が異なるように、加視光領域における分散特性は金属材料ごとに異なっており、これを利用することで、メタルグルーブでは、波長依存性が異なる様々な設計が可能である。具体的な例については実施例に示す。   FIG. 8 is an example of a simulation result showing the wavelength dependence of the metal groove. Here, the metal material is Ag, pitch p = 200 nm, width w = 80 nm, height h = 40 nm, and mirror part thickness d = 300 nm. The comb-like structure has an aspect ratio (h / w) of 0.5. Further, the orientation of the metal groove was arranged to be rotated by 45 degrees in the xy plane, and the intensity of each polarization component contained in the reflected light was shown with respect to the incident light of TE polarized light. In the figure, it is shown that if the intensity of the TE polarization component is sufficiently small at the wavelength where the intensity of the TM polarization component is maximum (hereinafter referred to as peak wavelength), the metal groove functions as a good half-wave plate. In the figure, TE is indicated by a solid line and TM is indicated by a dotted line. Hereinafter, in the present invention, unless otherwise specified, the orientation of the metal groove is an arrangement rotated by 45 degrees in the xy plane, and the case where TE polarized light is incident is the standard condition for simulation and experiment. As seen in FIG. 8A, it can be seen that the metal groove having the parameters shown here functions as a good half-wave plate at a wavelength of about 580 nm. For comparison, FIG. 8B shows a calculation result in the case of a half-wave plate made of an optically anisotropic crystal (the same applies to a dielectric comb-like structure). Here, the dispersion of the optically anisotropic crystal is sufficiently small. As the difference is clear when the two are compared, the wavelength range in which the metal groove functions as a wave plate can be narrowed. In principle, an optically anisotropic crystal inevitably functions as a wave plate even at a wavelength that is an integral multiple of the peak wavelength. Compared to conventional wave plates when you want to selectively control the polarization state for a specific wavelength from multiple wavelengths of light, for example, when reducing the number of parts in an optical pickup that supports CD / DVD / BD. Metal grooves have excellent characteristics. This is an effect brought about by the fact that the imaginary part of the complex refractive index of the metal material changes greatly with respect to the wavelength, that is, the wavelength dispersion is large. The complex refractive index or complex dielectric constant of these metals is explained by a model that approximates the refractive index of metals as the motion of free electrons that are weakly bound to the nucleus, as represented by the Drude model. As each metal has a different color, the dispersion characteristics in the visible light region are different for each metal material. By utilizing this, various designs with different wavelength dependence are possible for the metal groove. Specific examples are shown in the examples.

ここで、FDTDシミュレーションの制約について付記しておく。FDTDシミュレーションでは使用メモリの制約等により基板の表面での反射を扱うことができないため、4%程度、実測に比較して光強度が大きくなることが避けられない。   Here, I will add the restrictions of FDTD simulation. In the FDTD simulation, reflection on the surface of the substrate cannot be handled due to restrictions on the memory used, etc., so that the light intensity is inevitably increased by about 4% compared to the actual measurement.

ピーク波長の設計方法の一例を図9に示す。これは、櫛状構造の高さhとピーク波長の関係に着目したシミュレーション結果である。ここでは、金属材料をAg、ピッチp=200nm、幅w=80nm、ミラー部の厚さd=300nmとし、高さh=20、60、100nmの3つの場合について計算した。図に見られるように、櫛状構造の高さhを大きくするほどピーク波長が大きくなることが判る。また、TM偏光に変換される光の割合の最大値と変換効率と呼ぶことにすると、変換効率は高さh=20nmの場合に約60%、高さh=60、100nmではほぼ100%となる。従来の1/2波長板では変換効率が100%に固定されるのに対して、メタルグルーブでは、アスペクト比(h/w)によって変換効率を可変であることが特長の1つである。この特長を活用した光学素子の実施例については後述する。メタルグルーブのアスペクト比の下限について説明する。メタルグルーブでは図9(a)に示した条件、h/w=20nm/80nm=0.25付近で変換効率の大きな変化が得られ、アスペクト比がゼロでは機能しない。従って、メタルグルーブが光学素子として有効に機能するアスペクト比の下限は概ね0.1程度である。   An example of the peak wavelength design method is shown in FIG. This is a simulation result focusing on the relationship between the height h of the comb structure and the peak wavelength. Here, the calculation was performed for three cases where the metal material is Ag, the pitch p = 200 nm, the width w = 80 nm, the thickness d = 300 nm of the mirror portion, and the height h = 20, 60, 100 nm. As can be seen from the figure, the peak wavelength increases as the height h of the comb structure increases. Also, if we call the maximum value of the ratio of light converted to TM polarized light and the conversion efficiency, the conversion efficiency is about 60% when the height h = 20 nm, and almost 100% when the height h = 60 and 100 nm. Become. In contrast to the conventional half-wave plate, the conversion efficiency is fixed at 100%, whereas in the metal groove, the conversion efficiency is variable depending on the aspect ratio (h / w). Examples of the optical element utilizing this feature will be described later. The lower limit of the metal groove aspect ratio will be described. In the metal groove, a large change in conversion efficiency is obtained near the condition shown in FIG. 9 (a), h / w = 20 nm / 80 nm = 0.25, and it does not function at an aspect ratio of zero. Therefore, the lower limit of the aspect ratio at which the metal groove functions effectively as an optical element is about 0.1.

次に、メタルグルーブの試作と評価の結果について示す。図10は試作した素子を評価するための実験装置の構成を示す摸式図である。前述の標準条件での測定を行うため、分光光度計(日立製、U4100)を用いた。素子サイズが4mm x 3mmであることから、分光光度計に測定領域2mmφ、5°正反射測定治具を使用し、ランバート社製Gran-Taylarプリズムを2個取り付け、それぞれを検光子、および偏光子とした。   Next, the results of trial manufacture and evaluation of metal grooves are shown. FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of an experimental apparatus for evaluating a prototype device. A spectrophotometer (Hitachi, U4100) was used to perform the measurement under the standard conditions described above. Since the element size is 4mm x 3mm, use a spectrophotometer with a measuring area of 2mmφ, 5 ° specular reflection measuring jig, and attach two Lambert Gran-Taylar prisms, respectively, an analyzer and a polarizer. It was.

図11は試作素子の評価結果を示す。ここでは、電子線描画装置を用いてガラス基板上に作製したピッチp=200nmの素子パターンを作製し、インプリント法とスパッタリング法を用いて櫛状構造の高さhの異なるメタルグルーブを試作した。図中にはガラス基板の電子顕微鏡写真を示した。金属材料にはAgPdCu合金を選択した。図に見られるように、シミュレーション結果と同様に、hが60nm、100nm、180nmと増加するに従って、ピーク波長が長波長側にシフトしてゆくことが確認できた。また、ピーク波長における光強度の最大値は何れも80%以上という良好な結果が得られた。   FIG. 11 shows the evaluation results of the prototype device. Here, an element pattern with a pitch of p = 200 nm fabricated on a glass substrate using an electron beam drawing apparatus was fabricated, and a metal groove having a comb-shaped structure with a different height h was fabricated using an imprint method and a sputtering method. . In the figure, an electron micrograph of the glass substrate is shown. AgPdCu alloy was selected as the metal material. As can be seen from the figure, it was confirmed that the peak wavelength shifted to the longer wavelength side as h increased to 60 nm, 100 nm, and 180 nm, as in the simulation results. Further, good results were obtained in which the maximum value of the light intensity at the peak wavelength was 80% or more.

図12は試作素子の評価結果とシミュレーションの結果を比較したものである。メタルグルーブの性能制御パラメータの1つである櫛状構造の高さhとピーク波長の関係は、実験とシミュレーションとで、良好な一致が見られることが判る。この結果から、メタルグルーブによって得られる直行する偏光間の屈折率差Δnは約6であり、従来のものに比較して20倍程度大きな値であることが判った。   FIG. 12 compares the evaluation results of the prototype device with the simulation results. It can be seen that the relationship between the height h of the comb-like structure, which is one of the performance control parameters of the metal groove, and the peak wavelength shows good agreement between the experiment and the simulation. From this result, it was found that the refractive index difference Δn between the orthogonally polarized light obtained by the metal groove is about 6, which is about 20 times larger than the conventional one.

ここでは、メタルグルーブの構成例として、ワイヤグリッドと金属ミラーを一体化した構成について述べた。しかしながら、これらは必ずしも一体化されている必要はなく、使用する光のコヒーレンス長さ(波長スペクトルの広がりの逆数と等価)以内であれば、分離してもよい。もし、両者の距離が光のコヒーレンス長さ以上に離れている場合、TE偏光成分とTM偏光成分が干渉せず、結果としてメタルグルーブが波長板として、偏光状態の操作を行えなくなってしまうからである。一般に、水銀ランプや冷陰極管、太陽光のような無偏光の光源の場合のコヒーレンス長さは数波長程度、光ピックアップに用いられるような半導体レーザの場合で数10波長程度、通信用レーザやガスレーザの場合は100波長以上である。従って、ワイヤグリッド素子とミラーを厚さ1mm程度のガラス基板の両面にそれぞれ形成した素子では、水銀ランプや光ピックアップ用半導体レーザに対しては干渉性の観点から波長板としては機能しない。また、こうした素子ではガラス基板の厚さの精度と屈折率の温度変化等の影響を考えた場合、安定性と信頼性の観点から本発明に劣るものとなってしまう。以上のように、本発明は従来技術の単純な組み合わせでは実現し得ない進歩性を備えている。   Here, as a configuration example of the metal groove, a configuration in which a wire grid and a metal mirror are integrated has been described. However, they are not necessarily integrated, and may be separated as long as they are within the coherence length of the light used (equivalent to the reciprocal of the spread of the wavelength spectrum). If the distance between the two is longer than the coherence length of the light, the TE polarization component and the TM polarization component do not interfere with each other. As a result, the metal groove becomes a wave plate and the polarization state cannot be manipulated. is there. In general, the coherence length in the case of a non-polarized light source such as a mercury lamp, a cold cathode tube, or sunlight is about several wavelengths, and in the case of a semiconductor laser used for an optical pickup, about several tens of wavelengths, In the case of a gas laser, the wavelength is 100 or more. Therefore, an element in which a wire grid element and a mirror are formed on both sides of a glass substrate having a thickness of about 1 mm does not function as a wave plate from the viewpoint of coherence with a mercury lamp or an optical pickup semiconductor laser. In addition, such an element is inferior to the present invention from the viewpoint of stability and reliability when the influence of the accuracy of the thickness of the glass substrate and the temperature change of the refractive index is considered. As described above, the present invention has an inventive step that cannot be realized by a simple combination of conventional techniques.

以上に述べたように、本発明のメタルグルーブによって、反射ミラーと波長板の機能を複合し、アスペクト比が小さく加工性優れた新規光学素子を提供できた。以下、本発明では、メタルグルーブを応用して、光(電磁波、電波)の導波、変調、もしくは検出の何れかを行う機能を有する光学素子、および光学装置に関する技術内容を開示する。   As described above, the metal groove of the present invention can provide a novel optical element that combines the functions of a reflecting mirror and a wave plate, has a small aspect ratio, and excellent workability. Hereinafter, in the present invention, the technical contents relating to an optical element and an optical device having a function of performing any one of waveguide, modulation, or detection of light (electromagnetic wave, radio wave) by applying a metal groove will be disclosed.

本発明よれば、少なくとも反射ミラーと波長板の機能を複合し、構造で光学特性を設定可能で、加工性が良好で、低コスト化が可能な新規光学素子が提供できる。本素子を用いた光学装置については実施例で述べる。   According to the present invention, it is possible to provide a novel optical element that combines at least the functions of a reflecting mirror and a wave plate, can set optical characteristics with a structure, has good workability, and can be reduced in cost. An optical device using this element will be described in Examples.

本発明の光学素子の構成を示す図。The figure which shows the structure of the optical element of this invention. 櫛上構造の光学異方性に関するシミュレーション結果。Simulation results on optical anisotropy of the comb structure. ワイヤグリッドの動作を説明する摸式図。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the operation of a wire grid. ワイヤグリッドのシミュレーション結果。Wire grid simulation results. 本発明の光学素子の基本的な構成を示す図。The figure which shows the basic composition of the optical element of this invention. 本発明の光学素子の特性を定める主要パラメータを示す図。The figure which shows the main parameters which determine the characteristic of the optical element of this invention. 本発明の光学素子のシミュレーション結果の例。The example of the simulation result of the optical element of this invention. 本発明の光学素子の波長依存性に関するシミュレーション結果の例。The example of the simulation result regarding the wavelength dependence of the optical element of this invention. 本発明の光学素子の波長依存性に関するシミュレーション結果の例。The example of the simulation result regarding the wavelength dependence of the optical element of this invention. 本発明の光学素子の評価するための実験装置の構成を示す摸式図。The schematic diagram which shows the structure of the experimental apparatus for evaluating the optical element of this invention. 本発明の光学素子の試作と評価の結果を示す図。The figure which shows the result of trial manufacture and evaluation of the optical element of this invention. 本発明の光学素子の実験とシミュレーションの比較結果を示す図。The figure which shows the comparison result of experiment and simulation of the optical element of this invention. 本発明の光学素子の作成方法を示す摸式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing a method for producing an optical element of the present invention. 本発明の光学素子の層間誘電体の厚さと波長依存性の関係を示すシミュレーション結果の例。The example of the simulation result which shows the thickness of the interlayer dielectric of the optical element of this invention, and the relationship of wavelength dependence. 本発明の光学素子の波長依存性を示すシミュレーション結果の例。The example of the simulation result which shows the wavelength dependence of the optical element of this invention. 本発明の光学素子の波長依存性の金属材料による差異を示すシミュレーション結果の例。The example of the simulation result which shows the difference by the wavelength-dependent metal material of the optical element of this invention. 本発明の光学素子に金属材料としてAlを用いた場合のシミュレーション結果の例。The example of the simulation result at the time of using Al as a metal material for the optical element of this invention. 本発明の光学素子を用いた光源光学系の実施例。The Example of the light source optical system using the optical element of this invention. 本発明の光学素子を用いた光源光学系の別の実施例。6 is another example of a light source optical system using the optical element of the present invention. 本発明の光学素子を用いたホモダイン検出系を有する光ピックアップの実施例。An example of an optical pickup having a homodyne detection system using the optical element of the present invention. 本発明の光学素子を用いた光通信向け検出器モデュールの光学系の構成を示す実施例。The Example which shows the structure of the optical system of the detector module for optical communications using the optical element of this invention. 種々のカルコゲナイド薄膜の抵抗率の変化の測定結果。Measurement results of changes in resistivity of various chalcogenide thin films. 本発明の能動型光学素子の構成を示す摸式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of an active optical element of the present invention. 本発明の能動型光学素子の構成を示す摸式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of an active optical element of the present invention. 本発明の能動型光学素子の電極構造を示す摸式図。The schematic diagram which shows the electrode structure of the active type optical element of this invention. 光の位相に関するシミュレーション結果。Simulation results on the phase of light. 本発明の位相制御素子による3波長互換光ピックアップの構成を示す実施例。FIG. 4 is an embodiment showing a configuration of a three-wavelength compatible optical pickup using the phase control element of the present invention. 本発明の位相制御素子によるミリ波用マイクロストリップアンテナの構成を示す実施例。FIG. 4 is an embodiment showing the configuration of a millimeter-wave microstrip antenna using the phase control element of the present invention. メタルグルーブによるアンテナ検出の向上を示すシミュレーション結果。Simulation results showing improved antenna detection with metal grooves.

以下、図を用いて本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<作成方法>
図13にメタルグルーブも最も安価な製造方法を示す。前述のように、CDやDVDに適用される射出成形法によって、所定の凹凸パターンをもつ透明なプラスチック基板ができることは周知のことである。メタルグルーブではアスペクトが小さいため、こうした製造方法を利用することができる。CDやDVDでは情報ピットや案内溝が同心円上に形成されるが、メタルグルーブでは基本的に直線状の溝パターンがあればよい。このプラスチック基板上にスパッタリング法で金属層を形成するが、図13(a)から図13(c)に示すように、製膜する金属層の膜厚が厚くなると表面の凹凸が次第に平滑化されてゆく。このとき、プラスチック基板と金属層の密着性の向上のために、図に示すような接着層を間に形成してもよい。接着層の材料としてはMo、Cr、Ta等の金属およびその酸化物等が有効である。これらの材料を用いる場合、接着層の膜厚は0.5から2nm程度が標準的な値である。図13(c)に示した形状は、上下と反対にすれば図5に示した素子構造と同じものである。実際には、用途に応じて、高性能が要求される場合には、プラスチック基板の複屈折率を低減するため、前述のようにリソグラフィープロセスを応用してガラス基板上に作製することも、UV硬化樹脂を用いたナノインプリント法などを使い分けることがよい。また、金属材料としては、前述のAg、Ag合金の他にも、Au、Cu、Pt、Fe、Cr、Mo、Wなどの金属やそれらの合金等を用いることができる。また、ガラスやプラスチックなどの透明な基板を用いずに、Si基板上にメタルグルーブを形成することもできる。この場合は、予め厚く成膜した金属をエッチングして櫛状構造を残すことにことが工程数が少ない方法の1つである。
<How to create>
FIG. 13 shows the most inexpensive manufacturing method for metal grooves. As described above, it is well known that a transparent plastic substrate having a predetermined uneven pattern can be formed by an injection molding method applied to a CD or DVD. Since metal grooves have a small aspect, this manufacturing method can be used. Information pits and guide grooves are formed concentrically on CDs and DVDs. However, metal grooves need only have a linear groove pattern. A metal layer is formed on this plastic substrate by sputtering. As shown in FIGS. 13 (a) to 13 (c), the surface irregularities are gradually smoothed as the thickness of the metal layer to be formed increases. Go. At this time, in order to improve the adhesion between the plastic substrate and the metal layer, an adhesive layer as shown in the figure may be formed therebetween. As the material for the adhesive layer, metals such as Mo, Cr and Ta and oxides thereof are effective. When these materials are used, the standard value of the thickness of the adhesive layer is about 0.5 to 2 nm. The shape shown in FIG. 13C is the same as the element structure shown in FIG. In practice, when high performance is required depending on the application, in order to reduce the birefringence of the plastic substrate, it can be produced on a glass substrate by applying a lithography process as described above. It is better to use a nanoimprint method using a cured resin. Further, as the metal material, in addition to the aforementioned Ag and Ag alloy, metals such as Au, Cu, Pt, Fe, Cr, Mo, and W, alloys thereof, and the like can be used. In addition, a metal groove can be formed on the Si substrate without using a transparent substrate such as glass or plastic. In this case, one method with a small number of steps is to leave a comb-like structure by etching a metal that has been formed thick in advance.

<光学素子>
図1はメタルグルーブの別の構成を示す摸式図である。これは、櫛状構造のワイヤグリッドとミラーの間に誘電体を有する構造であって、メタルグルーブの最も一般的な構造である。ここで、ワイヤグリッド部とミラー1部の間の層間誘電体の厚さをsとする。図14は層間誘電体の厚さsとメタルグルーブの波長依存性の関係を示すシミュレーション結果である。ここでは、金属材料をAg、層間誘電体材料をSiO2、櫛状構造のピッチp=200nm、幅w=80nm、高さh=80nm、ミラー部の厚さd=300nmとし、層間誘電体の厚さs=20、50、100nmの3つの場合について計算した。図に見られるように、層間誘電体の厚さsを変化させることによっても、ピーク波長を調整可能であることが判る。これは、誘電体を厚くするほどTM偏光の光路長を増大できるからである。前述の説明では、櫛状構造の高さ、すなわちアスペクト比によってピーク波長を変化させた。一方、櫛状構造の高さを変化させると、TE偏光の反射率や消去比、およびジュール熱による損失も同時に変化してしまうが、ワイヤグリッド部とミラー部を一体化できるので、低コストで素子を作製できる。一方、ここに示した方法は、光学異方性結晶の厚さによってピーク波長を変更するのと同様な方法である。構造は複雑になるが、より緻密に、線形にピーク波長の調整ができるので、高い性能が要求される用途に適する調整方法と素子構造である。なお、ここでは、層間誘電体材料としてSiO2を用いる例を示したが、これは使用する光(電磁波)の波長に対して必要十分な透過率が得られれば、誘電体に限らず半導体や樹脂材料等を用いることができる。例えば、赤外光に対しては結晶Siは十分な透過性を有するし、ミリ波帯の光を使用するのであれば、ポリイミド樹脂、発泡スチロール、ゴムなどを使うことも可能である。
<Optical element>
FIG. 1 is a schematic diagram showing another configuration of the metal groove. This is a structure having a dielectric between a comb-shaped wire grid and a mirror, and is the most common structure of a metal groove. Here, s is the thickness of the interlayer dielectric between the wire grid portion and the mirror 1 portion. FIG. 14 is a simulation result showing the relationship between the thickness s of the interlayer dielectric and the wavelength dependence of the metal groove. Here, the metal material is Ag, the interlayer dielectric material is SiO 2 , the pitch p = 200 nm of the comb-like structure, the width w = 80 nm, the height h = 80 nm, and the thickness d = 300 nm of the mirror part. Calculations were made for three cases of thickness s = 20, 50, and 100 nm. As can be seen from the figure, the peak wavelength can also be adjusted by changing the thickness s of the interlayer dielectric. This is because the optical path length of TM polarized light can be increased as the dielectric becomes thicker. In the above description, the peak wavelength is changed depending on the height of the comb structure, that is, the aspect ratio. On the other hand, if the height of the comb-like structure is changed, the TE polarized light reflectance and erasure ratio and Joule heat loss also change at the same time, but the wire grid part and mirror part can be integrated, so the cost is low. An element can be manufactured. On the other hand, the method shown here is the same method as changing the peak wavelength depending on the thickness of the optically anisotropic crystal. Although the structure is complicated, the peak wavelength can be adjusted more precisely and linearly. Therefore, the adjustment method and the device structure are suitable for applications requiring high performance. Here, an example in which SiO 2 is used as an interlayer dielectric material has been shown, but this is not limited to a dielectric material, as long as a necessary and sufficient transmittance is obtained with respect to the wavelength of light (electromagnetic waves) to be used. A resin material or the like can be used. For example, crystalline Si is sufficiently transmissive to infrared light, and polyimide resin, polystyrene foam, rubber, etc. can be used if millimeter wave band light is used.

図15は層間誘電体の厚さs=150nmの場合のシミュレーション結果である。図に見られるように、概ねR、G、Bに相当する波長に高次の干渉ピークが存在することが判る。これは、sの変化が、従来の素子の厚さの変化と同様な作用であるため、高次の干渉ピークが現れたのである。こうした素子を用いれば、ディスプレイ用途等、複数の波長でメタルグルーブを動作させることができる。   FIG. 15 shows a simulation result when the thickness of the interlayer dielectric is s = 150 nm. As can be seen from the figure, there are high-order interference peaks at wavelengths substantially corresponding to R, G, and B. This is because a change in s has the same effect as a change in the thickness of a conventional element, and thus a high-order interference peak appeared. If such an element is used, the metal groove can be operated at a plurality of wavelengths for display applications and the like.

次に、金属材料を変更した場合の効果について述べる。図16は図5の一体型の素子構造の場合に、金属材料をAgとAlで比較した場合のシミュレーション結果である。ここでは、櫛状構造のピッチp=200nm、幅w=60nm、高さh=80nm、ミラー部の厚さd=300nmとした。図16(a)に見られるように、金属材料がAgの場合には、波長500から700nmの領域でTM光の強度が大きな領域がある。一方、図16(b)に見られるように、金属材料がAlの場合には、波長350から500nmの領域でTM光の強度が大きな領域がある。前述のように、金属材料の複素屈折率の波長依存性に応じて、形状が同じでも、異なる波長依存性を得ることができることが判る。これは、適当な合金材料の組成を変化させる等によって、同じ金型を用いて波長依存性の異なる素子を作製できることを示す。また、一様なパターンの素子であっても、場所によって製膜する金属材料の種類を変更することにより、所望の波長依存性が得られることを示すものでもある。   Next, the effect when the metal material is changed will be described. FIG. 16 shows a simulation result when the metal material is compared between Ag and Al in the case of the integrated element structure of FIG. Here, the pitch p of the comb structure is 200 nm, the width is w = 60 nm, the height is h = 80 nm, and the thickness d of the mirror portion is d = 300 nm. As seen in FIG. 16A, when the metal material is Ag, there is a region where the intensity of TM light is large in a wavelength region of 500 to 700 nm. On the other hand, as shown in FIG. 16B, when the metal material is Al, there is a region where the intensity of TM light is large in a wavelength region of 350 to 500 nm. As described above, it can be seen that, depending on the wavelength dependency of the complex refractive index of the metal material, different wavelength dependency can be obtained even if the shape is the same. This indicates that elements having different wavelength dependencies can be manufactured using the same mold by changing the composition of an appropriate alloy material. Moreover, even if it is an element of a uniform pattern, it shows that desired wavelength dependence is acquired by changing the kind of metal material formed into a film according to a place.

図17は金属材料としてAlを用いた場合のシミュレーション結果を示す。ここでは、櫛状構造のピッチp=200nmとし、幅w=80、60、40nmの場合について、それぞれ高さh=60、80、120nmとした。図に見られるように、幅wを小さくし、同時に高さhを大きくすると、良好な1/2波長板性能を得られる波長範囲が広がることが判る。特に、図17(c)の場合では、可視光のほぼ全領域に亘って、1/2波長板性能を得られる。前述の例では、高次の干渉によって、複数の波長にピークをもつ素子を実現できることを示したが、この例では、ブロードな波長特性を得る素子を実現できる。これらも用途に応じて適宜選択するとよい。   FIG. 17 shows a simulation result when Al is used as the metal material. Here, in the case where the pitch p of the comb structure is 200 nm and the width is 80, 60, and 40 nm, the height h is 60, 80, and 120 nm, respectively. As can be seen from the figure, when the width w is reduced and the height h is increased at the same time, the wavelength range in which good half-wave plate performance can be obtained is widened. In particular, in the case of FIG. 17C, a half-wave plate performance can be obtained over almost the entire visible light region. In the above example, it has been shown that an element having peaks at a plurality of wavelengths can be realized by high-order interference, but in this example, an element that obtains broad wavelength characteristics can be realized. These may be appropriately selected depending on the application.

なお、図1の例では、ミラー部すべてを金属で形成したが、反射面のみを金属とし、その他の部分を他の材料で構成しても良い。   In the example of FIG. 1, all the mirror portions are made of metal, but only the reflection surface may be made of metal, and other portions may be made of other materials.

<光学装置>
以下、本発明の光学素子を適用した光学装置について、図面を用いて説明する。
<Optical device>
Hereinafter, an optical device to which the optical element of the present invention is applied will be described with reference to the drawings.

図18は本発明の光学素子を用いた光源光学系の構成を示す摸式図である。これはメタルグルーブを応用して高効率に光を導波する光学装置に一例である。図中、光源10から出射した無偏光の光線は、入射窓から導光板110に入射する。導光板110の光入射側には、本発明のメタルグルーブが形成されており、光出射側には、TM偏光を透過し、TE偏光を反射するワイヤグリッド等の偏光フィルター120が形成される。こうした構成において、光源から出射した光のうち、TM偏光成分は透過し、TE偏光成分は偏光フィルター120で反射され、メタルグルーブ100により反射されると同時にTM偏光に変換され、偏光フィルターを透過して出射する。こうした構成によって、図示していない液晶素子を用いたプロジェクタやディスプレイ光学系での光利用効率が向上する。この理由は、よく知られているように、液晶素子が特定の方向の偏光のみに対して強度変調機能を有するからである。ここで、光源としては、LED、冷陰極管、高圧水銀ランプ等の無偏光光源を用いる。また、導波板120の両面に射出成型によって、所定のパターンを作成し、金属薄膜をスパッタリング法等により形成することで、光学系を一体形成が可能である。偏光フィルターとしてワイヤグリッドを用いる場合には、前述と同様な方法でワイヤグリッドとミラーを形成した後、CMP法等による研磨によって、ミラー部を除去すればよい。   FIG. 18 is a schematic diagram showing the configuration of a light source optical system using the optical element of the present invention. This is an example of an optical device that guides light with high efficiency by applying a metal groove. In the figure, a non-polarized light beam emitted from the light source 10 enters the light guide plate 110 from the incident window. A metal groove of the present invention is formed on the light incident side of the light guide plate 110, and a polarization filter 120 such as a wire grid that transmits TM polarized light and reflects TE polarized light is formed on the light emitting side. In such a configuration, the TM polarization component of the light emitted from the light source is transmitted, the TE polarization component is reflected by the polarization filter 120, is reflected by the metal groove 100 and is simultaneously converted to TM polarization, and is transmitted through the polarization filter. And exit. With such a configuration, light use efficiency in a projector or a display optical system using a liquid crystal element (not shown) is improved. This is because, as is well known, the liquid crystal element has an intensity modulation function only for polarized light in a specific direction. Here, as the light source, a non-polarized light source such as an LED, a cold cathode tube, a high-pressure mercury lamp or the like is used. Further, the optical system can be integrally formed by creating a predetermined pattern on both surfaces of the waveguide plate 120 by injection molding and forming a metal thin film by sputtering or the like. When a wire grid is used as the polarizing filter, the mirror portion may be removed by polishing using a CMP method or the like after forming the wire grid and mirror by the same method as described above.

図19は本発明の光学素子を用いた光源光学系の別の実施例である。この例では光源がメタルグルーブを含む素子の側面から入射する場合に対応し、携帯電話用等の小型液晶ディスプレイの照明光学系への応用を想定したものである。この場合、図中の上方へ均一な強度の光を取り出すことが必要となる。これを実現するため、本実施例ではメタルグルーブ100をエリア1からエリア3のように分割し、それぞれピッチ、幅、高さの異なる櫛状構造を形成した。例えば図9に示したように、メタルグルーブでは櫛状構造のパラメータを変化させることによって、ピーク波長や変換効率を設定することが可能である。また、図14から図17に示したように、櫛状構造のパラメータや金属材料を選択することによって、ピーク波長や波長板として機能する波長範囲を設計することも可能である。光源として、白色LED等を用いる場合や、RGB独立のLEDを用いる場合等、光源の種類や要求性に応じて、こうした領域分割が有効な手段の1つとなる。領域分割を行っても、基板のパターンが変化するだけであるので、低コストに製造できるというメタルグルーブのメリットは失われない。   FIG. 19 shows another embodiment of a light source optical system using the optical element of the present invention. In this example, it corresponds to the case where the light source is incident from the side surface of the element including the metal groove, and is assumed to be applied to an illumination optical system of a small liquid crystal display for a mobile phone or the like. In this case, it is necessary to extract light with uniform intensity upward in the figure. In order to realize this, in this embodiment, the metal groove 100 is divided into areas 1 to 3 to form comb-like structures having different pitches, widths, and heights. For example, as shown in FIG. 9, in the metal groove, the peak wavelength and the conversion efficiency can be set by changing the parameters of the comb-like structure. Further, as shown in FIGS. 14 to 17, it is possible to design a peak wavelength and a wavelength range that functions as a wavelength plate by selecting a comb-like parameter or a metal material. Depending on the type and requirements of the light source, such as when a white LED or the like is used as the light source, or when an RGB independent LED is used, such area division is one of the effective means. Even if the area is divided, only the pattern of the substrate changes, so the merit of the metal groove that it can be manufactured at a low cost is not lost.

図20は本発明の光学素子を用いたホモダイン検出系を有する光ピックアップの構成を示す摸式図である。「特許文献3」に記載されるホモダイン検出系を有する光ピックアップでは、光ディスク媒体から反射された信号光と参照光を干渉させることによって、信号振幅を増幅し再生信号の品質を向上する。図において動作原理を簡単に説明する。半導体レーザ301から出射した光は、1/2波長板321を透過することによって、偏光方向が45度回転させられる。偏光の回転した光は偏光ビームスプリッタ341によって直交する2つの直線偏光に分離され、一方の偏光の光(再生光)は反射されて1/4波長板322を透過することによって円偏光に変換された後、対物レンズ311で集光され光ディスク4に照射される。スピンドルモータ77によって回転させられている光ディスク4からの反射光(信号光)は、対物レンズ311で再び平行光に戻され、1/4波長板322で偏光方向が元の光と直交する直線偏光に変換される。このため、信号光は偏光ビームスプリッタ341を透過し、ビームスプリッタ342の方向に向かう。最初に偏光ビームスプリッタ341を透過した参照光と呼ぶ成分(参照光)は本発明のメタルグルーブ100で偏光状態が直交する偏光に変換されて反射され、偏光ビームスプリッタ341で反射され、信号光と合成されてビームスプリッタ342の方向に向かう。このとき、信号光と参照光は、互いに偏光方向が直交した状態で合成されている。   FIG. 20 is a schematic diagram showing the configuration of an optical pickup having a homodyne detection system using the optical element of the present invention. In the optical pickup having the homodyne detection system described in “Patent Document 3”, the signal light reflected from the optical disk medium and the reference light are made to interfere with each other, thereby amplifying the signal amplitude and improving the quality of the reproduced signal. The operation principle will be briefly described with reference to the drawings. The light emitted from the semiconductor laser 301 is transmitted through the half-wave plate 321 so that the polarization direction is rotated by 45 degrees. The polarized light is separated into two linearly polarized light beams orthogonal to each other by the polarization beam splitter 341, and one polarized light beam (reproduction light) is reflected and converted to circularly polarized light by passing through the quarter-wave plate 322. After that, the light is condensed by the objective lens 311 and irradiated onto the optical disk 4. Reflected light (signal light) from the optical disk 4 rotated by the spindle motor 77 is returned to parallel light again by the objective lens 311, and linearly polarized light whose polarization direction is orthogonal to the original light by the quarter wavelength plate 322. Is converted to For this reason, the signal light passes through the polarization beam splitter 341 and travels in the direction of the beam splitter 342. The component called reference light (reference light) that first passes through the polarizing beam splitter 341 is reflected by the metal groove 100 of the present invention after being converted into polarized light whose polarization state is orthogonal, reflected by the polarizing beam splitter 341, and reflected by the signal light. It is combined and headed in the direction of the beam splitter 342. At this time, the signal light and the reference light are combined with their polarization directions orthogonal to each other.

合成光の一方はハーフミラーであるビームスプリッタ342を透過し、1/2波長板324によって、偏光方向を45度回転させられた後、偏光ビームスプリッタ343によって直交する直線偏光に分離され、検出器361(PD1)と光検出器362(PD2)によって検出される。同様にして、合成光のもう一方は、ハーフミラーであるビームスプリッタ342で反射され、1/4波長板325によって信号光と参照光の間にπ/2の位相差を与えられた後、の1/2波長板326によって、偏光方向を45度回転させられ、ビームスプリッタ344によって直交する直線偏光に分離され、検出器363(PD3)と光検出器364(PD4)によって検出される。PD1からPD4の4つの光検出器によって位相ダイバーシティ検出を行うことによって、光路差の変動の影響を相殺して、良好な再生信号を得ることができる。ここで、「特許文献3」ではメタルグルーブ素子の代わりに1/4波長板とミラーが実装される。本発明のメタルグルーブを用いれば、部品点数を削減し、光ピックアップの小型・低コスト化を図ることが可能になる。この例に限らず、一般に1/4波長板とミラーの組み合わせによって、反射光の偏光方向を90度回転するユニットを備えた光学系、もしくは1/2波長板を備えた光学系に対して、これらを本発明のメタルグルーブで置き換えることによって、同様に部品点数の削減や低コスト化を図ることが可能である。   One of the combined lights is transmitted through the beam splitter 342 which is a half mirror, the polarization direction is rotated 45 degrees by the half-wave plate 324, and then separated into orthogonal linearly polarized light by the polarization beam splitter 343, and the detector 361 (PD1) and photodetector 362 (PD2). Similarly, the other of the combined light is reflected by the beam splitter 342 which is a half mirror, and after a phase difference of π / 2 is given between the signal light and the reference light by the quarter wavelength plate 325, The polarization direction is rotated by 45 degrees by the half-wave plate 326, and the linearly polarized light is orthogonally separated by the beam splitter 344 and detected by the detector 363 (PD3) and the photodetector 364 (PD4). By performing phase diversity detection using the four photodetectors PD1 to PD4, it is possible to cancel out the influence of fluctuations in the optical path difference and obtain a good reproduction signal. Here, in “Patent Document 3”, a quarter wavelength plate and a mirror are mounted instead of the metal groove element. By using the metal groove of the present invention, the number of parts can be reduced, and the optical pickup can be reduced in size and cost. Not limited to this example, in general, an optical system including a unit that rotates a polarization direction of reflected light by 90 degrees by a combination of a 1/4 wavelength plate and a mirror, or an optical system including a 1/2 wavelength plate, By replacing these with the metal groove of the present invention, it is possible to reduce the number of parts and reduce the cost.

図21は、本発明の光学素子を用いた光通信向け検出器モデュールの光学系の構成を示している。これは、差動位相偏移変調信号の復調器の構成である。光ファイバ801から送られてきた差動位相偏移変調された信号光はコリメータ802によって平行光となり、ハーフビームスプリッタ402に入射し、第一の分岐光403と第二の分岐光404に強度比1対1で分離される。第一の分岐光403はメタルグルーブ素子101に垂直に近い角度で入射することにより、反射光の偏光方向が90度回転して再びビームスプリッタ402に入射する。その結果、第一の分岐光403の偏光成分のうちTE偏光成分は再びハーフビームスプリッタ402に入射する時点でTM偏光に変換され、同様にTM偏光成分はTE偏光成分に変換される。同様にして第二の分岐光404はメタルグルーブ素子102に垂直に近い角度で入射することにより、反射光の偏光方向が90度回転して再びビームスプリッタ402に入射する。第一の分岐光403と第二の分岐光404は、ハーフビームスプリッタ402に再び入射する際に合波され、第一の干渉光409と第二の干渉光410が生成される。ここで第一の分岐光403と第二の分岐光404の光路長の差が、被変調光の1ビット分に相当するようにメタルグルーブ素子101、102を配置しておく。例えば変調周波数が40Gb/sの場合、光路長の差は約7.5mmとなる。このため、第一の干渉光409と第二の干渉光410は、被測定光の隣接ビット間の位相偏移量が0かπかによって、建設的干渉もしくは破壊的干渉の状態になり、結果的に位相変調信号が光強度信号に変換される。これらの干渉光は集光レンズ803、804によって平衡型光検出器805の二つの受光部にそれぞれ集光される。並行型光検出器805はこれらの干渉光の強度差に相当する電流信号を出力し、この出力はトランスインピーダンスアンプ806によって電圧信号に変換され、最終的な出力807を得る。こうした構成において、第一の分岐光403と第二の分岐光404が、ハーフビームスプリッタ402で分岐、合波される時点で生ずる相対的な位相差PDFSが、本発明のメタルグルーブ素子の作用によって、偏光成分が入れ替わることによって互いに相殺し合い、結果的にPDFSの影響を受けないため、信号光の偏光状態状態によらない情報の復調が可能となる。   FIG. 21 shows a configuration of an optical system of a detector module for optical communication using the optical element of the present invention. This is a configuration of a demodulator of a differential phase shift keying signal. The differential phase shift keyed signal light transmitted from the optical fiber 801 is converted into parallel light by the collimator 802, enters the half beam splitter 402, and the intensity ratio between the first branched light 403 and the second branched light 404 Separate one-on-one. The first branched light 403 is incident on the metal groove element 101 at an angle close to vertical, so that the polarization direction of the reflected light is rotated by 90 degrees and is incident on the beam splitter 402 again. As a result, among the polarization components of the first branched light 403, the TE polarization component is converted to TM polarization at the time when it again enters the half beam splitter 402, and similarly, the TM polarization component is converted to the TE polarization component. Similarly, the second branched light 404 is incident on the metal groove element 102 at an angle close to vertical, whereby the polarization direction of the reflected light is rotated by 90 degrees and is incident on the beam splitter 402 again. The first branched light 403 and the second branched light 404 are combined when entering the half beam splitter 402 again, and the first interference light 409 and the second interference light 410 are generated. Here, the metal groove elements 101 and 102 are arranged so that the difference in optical path length between the first branched light 403 and the second branched light 404 corresponds to one bit of the modulated light. For example, when the modulation frequency is 40 Gb / s, the difference in optical path length is about 7.5 mm. For this reason, the first interference light 409 and the second interference light 410 are in a state of constructive interference or destructive interference depending on whether the phase shift amount between adjacent bits of the light to be measured is 0 or π. Thus, the phase modulation signal is converted into a light intensity signal. These interference lights are condensed by the condenser lenses 803 and 804 on the two light receiving portions of the balanced photodetector 805, respectively. The parallel photodetector 805 outputs a current signal corresponding to the intensity difference between these interference lights, and this output is converted into a voltage signal by the transimpedance amplifier 806 to obtain a final output 807. In such a configuration, the relative phase difference PDFS generated when the first branched light 403 and the second branched light 404 are branched and combined by the half beam splitter 402 is caused by the action of the metal groove element of the present invention. Since the polarization components are exchanged, they cancel each other, and as a result, they are not affected by PDFS, so that it is possible to demodulate information regardless of the polarization state of the signal light.

<能動型光学素子>
本発明の光学素子では、金属を用いた櫛状構造とミラーを備えることができる。これらの間に電圧を印加し、両者の間に印加電圧に応じて光学特性の変化する材料を配置することによって、電圧制御によって特性を能動的に変えることができる光学素子を実現することができる。印加電圧、もしくは印加電場強度に応じて特性の変化する光学材料として、例えばアモルファス・カルコゲナイド薄膜がある。光ディスクの記録材料として用いられるGe−Sb−Te等のアモルファス薄膜は、レーザ光の照射条件に応じて、アモルファス状態と結晶状態との間で可逆的に相変化する。一方、こうしたアモルファス薄膜は、印加される電場強度が小さい場合には、高抵抗を示すが、印加される電場強度が0.01V/nmのオーダになると抵抗率が小さくなりはじめ、0.1V/nm程度で結晶状態とほぼ同じ抵抗率を示す。このときの抵抗率の変化は100万倍程度である。図22は、種々のカルコゲナイド薄膜の製膜したての状態(アモルファス)と約300℃で30分アニールした状態(結晶)での抵抗率の変化を測定した結果を示している。大きな抵抗率の変化を示すものが見られる。Ge1Sb2Te4およびInSb薄膜において、抵抗率の変化が小さいのは製膜条件やアニール条件が適正でなかったものと考えられる。電圧印加によって、抵抗率がアモルファス状態から結晶状態まで変化するということ、および複素屈折率の虚数部(消衰係数)が抵抗率と光の振動数によって表されること、を合わせればこれらの材料は電圧印加によって、屈折率も変化するはずである。ここでは電圧を印加させながら薄膜材料の屈折率の変化を測定することができなかったが、アモルファス状態と結晶状態での屈折率は、分光光度計やエリプソを用いて測定することができる。ここでは、アモルファス薄膜に電圧を印加することによって、屈折率が結晶状態と同じになると仮定して、シミュレーションを行う。
<Active optical element>
The optical element of the present invention can have a comb-like structure using metal and a mirror. By applying a voltage between them and disposing a material whose optical characteristics change according to the applied voltage between them, an optical element whose characteristics can be actively changed by voltage control can be realized. . As an optical material whose characteristics change depending on an applied voltage or an applied electric field strength, for example, there is an amorphous chalcogenide thin film. An amorphous thin film such as Ge—Sb—Te used as a recording material for an optical disk reversibly changes between an amorphous state and a crystalline state depending on the irradiation condition of the laser beam. On the other hand, such an amorphous thin film exhibits high resistance when the applied electric field strength is small, but the resistivity starts to decrease when the applied electric field strength is on the order of 0.01 V / nm, and is about 0.1 V / nm. Shows almost the same resistivity as the crystalline state. The change in resistivity at this time is about one million times. FIG. 22 shows the results of measuring the change in resistivity in a state in which various chalcogenide thin films are formed (amorphous) and in a state in which annealing is performed at about 300 ° C. for 30 minutes (crystal). Some show a large change in resistivity. In the Ge 1 Sb 2 Te 4 and InSb thin films, the change in resistivity is small because the film forming conditions and annealing conditions are not appropriate. These materials include the fact that the resistivity changes from an amorphous state to a crystalline state by applying a voltage, and that the imaginary part (extinction coefficient) of the complex refractive index is expressed by the resistivity and the frequency of light. The refractive index should change with voltage application. Here, a change in the refractive index of the thin film material could not be measured while applying a voltage, but the refractive index in the amorphous state and the crystalline state can be measured using a spectrophotometer or an ellipso. Here, the simulation is performed assuming that the refractive index becomes the same as the crystalline state by applying a voltage to the amorphous thin film.

図23は本発明の能動型光学素子の構成を示す実施例である。この例では、メタルグルーブの下部に、アモルファス薄膜/誘電体/金属カソードを構成している。こうした構成によって、メタルグルーブと金属カソードによってエタロン構造を構成し、アモルファス材料の屈折率変化によって、大きな反射率や位相の変化を得ることができる。例えば、金属材料をAl、アモルファス材料としてBi(4at%)-Ge2Sb2Te5、誘電体材料としてSiO2を選択し、ピッチp=200nm、幅w=40nm、高さh=120nm、ミラー部の厚さd=20nm、アモルファス層の厚さd1=15nm、誘電体層の厚さd2=120nmとした場合、波長405nmのTM偏光に対して、電圧印加の前後で反射率が2%から45%に変化することがシミュレーションの結果から分かった。 FIG. 23 is an example showing the configuration of the active optical element of the present invention. In this example, an amorphous thin film / dielectric / metal cathode is formed below the metal groove. With such a configuration, an etalon structure is formed by the metal groove and the metal cathode, and a large change in reflectance and phase can be obtained by changing the refractive index of the amorphous material. For example, Al is selected as the metal material, Bi (4at%)-Ge 2 Sb 2 Te 5 as the amorphous material, and SiO 2 as the dielectric material, the pitch p = 200 nm, the width w = 40 nm, the height h = 120 nm, the mirror When the thickness of the part d = 20 nm, the thickness of the amorphous layer d1 = 15 nm, and the thickness of the dielectric layer d2 = 120 nm, the reflectance from 2% before and after the voltage application is applied to the TM polarized light having a wavelength of 405 nm. It was found from the simulation results that it changed to 45%.

図24は本発明の能動型光学素子の構成を示す別の実施例である。この例では、メタルグルーブの櫛状構造の間にアモルファス材料を配置し、隣接する櫛状構造の間に電圧を印加できる構成である。この場合、櫛状構造の側壁に沿って発生する強いエバネッセント場を利用することによって、光学的に透明に近いアモルファス材料に対しても、大きな相互作用を得ることができる。この場合、図25に示すように櫛状構造を形成すれば、メタルグルーブとしての機能と電極としての機能を共存した光学素子を構成できる。本構成では、電圧を印加した場合にアモルファス材料に直接電流が流れる構成となっている。これによって、消費電力は増加するが、ジュール発熱による温度変化と電場強度変化を併用して大きな屈折率差を得ることができる。消費電力を小さくするためには、MOSトランジスタのゲート絶縁膜と同様にSiO2等の誘電体絶縁材料で櫛状構造を覆い、アモルファス材料に流れる電流を小さくすることで実現できる。 FIG. 24 shows another embodiment showing the configuration of the active optical element of the present invention. In this example, an amorphous material is arranged between metal groove comb structures, and a voltage can be applied between adjacent comb structures. In this case, by using a strong evanescent field generated along the side wall of the comb structure, a large interaction can be obtained even for an amorphous material that is optically nearly transparent. In this case, if a comb-like structure is formed as shown in FIG. 25, an optical element in which the function as a metal groove and the function as an electrode coexist can be configured. In this configuration, when a voltage is applied, a current flows directly through the amorphous material. As a result, the power consumption increases, but a large refractive index difference can be obtained by using both the temperature change and the electric field intensity change due to Joule heat generation. The power consumption can be reduced by covering the comb structure with a dielectric insulating material such as SiO 2 as in the case of the gate insulating film of the MOS transistor and reducing the current flowing through the amorphous material.

ここに示した能動型光学素子では、電源の他、電圧制御スイッチやクロック源等を必要とするため、Si基板上に半導体プロセスを利用してこれらの回路要素とメタルグルーブ素子をチップ上に一体形成することが、製造方法として適している。   The active optical element shown here requires a voltage control switch, a clock source, etc. in addition to a power supply, so these circuit elements and metal groove elements are integrated on a chip using a semiconductor process on a Si substrate. Forming is suitable as a manufacturing method.

また、カルコゲナイド・アモルファス薄膜を使用する場合について説明したが、アモルファス材料として、アモルファス半導体を用いることもできる。アモルファス・シリコンは結晶シリコンと異なる屈折率を有することが知られており、400から450nmの波長帯で特に大きな屈折率変化を示すことから、青色光源を用いる場合に優れた材料である。同様に、電圧の印加によって屈折率が変化する材料であれば、本発明の能動型光学素子に用いることができる。こうした材料として、無機材料を用いれば、液晶材料に比較して応答速度の速い光スイッチや位相変調器を実現することができる。また、チタン酸バリウムのようにキュリー点付近の温度変化によって大きな誘電率変化(屈折率変化)が得られる材料を用い、電極間に発熱源となるヒータ機構を設ければ、温度制御によって、光の位相や強度を制御することも可能である。   Moreover, although the case where a chalcogenide amorphous thin film was used was demonstrated, an amorphous semiconductor can also be used as an amorphous material. Amorphous silicon is known to have a refractive index different from that of crystalline silicon, and exhibits a particularly large refractive index change in the wavelength band of 400 to 450 nm. Therefore, it is an excellent material when using a blue light source. Similarly, any material whose refractive index changes with application of voltage can be used for the active optical element of the present invention. If an inorganic material is used as such a material, an optical switch or a phase modulator having a faster response speed than a liquid crystal material can be realized. In addition, if a heater mechanism serving as a heat source is provided between the electrodes using a material that can obtain a large change in dielectric constant (refractive index change) due to a temperature change near the Curie point, such as barium titanate, It is also possible to control the phase and intensity.

本発明の能動型光学素子の用途としては、(1)ホログラム記録の光学系における空間位相変調器の置き換え、(2)前述のホモダイン方式を用いた光ピックアップや光通信用検出モデュールにおける2つの光の干渉距離の調整器、(3)光通信の送信機における位相変調器の置き換え、(4)多層光ディスクに対応した光ピックアップにおける相関クロストークの削減用素子、(5)レーザプロジェクタにおけるスペックルパターンの抑圧用素子、等として利用することができる。(1)から(3)は容易に理解可能であろう。(4)、(5)については、光源からの出射光に、検出系の帯域を超えた周波数(数10MHzから数GHz)で高周波位相変調を施すことによって、複数の光束間の干渉を平均化することにより実現される。   Applications of the active optical element of the present invention include (1) replacement of a spatial phase modulator in an optical system for hologram recording, and (2) two lights in an optical pickup using the aforementioned homodyne method and a detection module for optical communication. (3) Replacement of phase modulator in transmitter for optical communication, (4) Correlation crosstalk reduction element in optical pickup corresponding to multilayer optical disk, (5) Speckle pattern in laser projector It can be used as an element for suppressing the above. (1) to (3) can be easily understood. For (4) and (5), interference between multiple light beams is averaged by applying high-frequency phase modulation to the light emitted from the light source at a frequency (several tens of MHz to several GHz) that exceeds the band of the detection system. It is realized by doing.

<位相制御素子>
ここでは、メタルグルーブによって得られる光の位相差を利用する光学素子の実施例を示す。
<Phase control element>
Here, an embodiment of an optical element using the phase difference of light obtained by a metal groove will be shown.

図26はメタルグルーブによって得られる光の位相差に関するシミュレーション結果である。ここでは、図5に示す構造について、基板材料をSiO、金属材料をAl、ピッチpと幅wの比w/p=0.4、高さh=300nmとして、ピッチpを変化させたときの光の位相を計算した。光源の波長は780nmである。図に見られるように、ピッチを変化させることによって、反射光の位相を制御できることが判る。ピッチ約520nm以上の領域では、1次回折光が発生する条件となり、ピッチ約400から500nmの範囲にピッチに対する位相の変化率が大きい領域があることが判る。例えばTM偏光の場合、ピッチ400nm以下の領域で0.3λから0.4λの位相の制御が可能である。 FIG. 26 shows a simulation result regarding the phase difference of light obtained by the metal groove. Here, in the structure shown in FIG. 5, the light when the pitch p is changed with the substrate material SiO 2 , the metal material Al, the ratio of pitch p to width w w / p = 0.4, and the height h = 300 nm. The phase of was calculated. The wavelength of the light source is 780 nm. As can be seen from the figure, the phase of the reflected light can be controlled by changing the pitch. In the region where the pitch is about 520 nm or more, it is a condition that the first-order diffracted light is generated. For example, in the case of TM polarized light, it is possible to control the phase from 0.3λ to 0.4λ in a region where the pitch is 400 nm or less.

図27は、メタルグルーブによって得られる位相差を応用した3波長互換光ピックアップの構成を示す実施例である。図において、BD(Blu−ray(登録商標) Disc)用レーザ301(λ=405nm)、DVD用レーザ302(λ=660nm)、CD用レーザ303(λ=780nm)から出射したレーザ光は、波長選択ビームスプリッタ346,347によって同一光路を進行し、メタルグルーブ100で反射して、対物レンズ311によって光ディスク4に集光される。ここで、1つ対物レンズで3つの異なる波長の光をそれぞれ対応するディスクに集光する場合、球面収差の残留が問題になることは周知のことである。このとき、BDの波長とDVDの波長はおおよそ1.5倍異なるので、これを利用した波長分離型の回折格子によって球面収差補正をする技術についてもよく知れらている。ところが、BDの波長とCDの波長はほぼ2倍の関係にあるため、波長分離型の回折格子が有効に作用しないという問題がある。一般には、記録密度の高いBDに合わせた光学設計が行われるため、CDについては光利用効率の低下や球面収差の残留が技術課題となる。一方、メタルグルーブでは、図9等に示したように動作波長の選択と図27に示した位相差の制御が、櫛状構造の材質と形状パラメータによって制御可能である。図中では、メタルグルーブの中心部分を拡大して図示したが、これは輪帯状にピッチのことなるメタルグルーブを形成していることを示す。こうした構造のメタルグルーブ素子によって生ずる光学位相差を利用して、CDレーザ光に残留する球面収差を補正することができる。前述の波長選択性によって、BD,DVDではメタルグルーブを反射板として機能させることが可能である。こうした構成によって、3波長互換光ピックアップの性能を向上することが可能である。   FIG. 27 shows an example of a configuration of a three-wavelength compatible optical pickup that applies a phase difference obtained by a metal groove. In the figure, laser light emitted from a BD (Blu-ray (registered trademark) Disc) laser 301 (λ = 405 nm), a DVD laser 302 (λ = 660 nm), and a CD laser 303 (λ = 780 nm) has a wavelength of The selection beam splitters 346 and 347 travel on the same optical path, are reflected by the metal groove 100, and are collected on the optical disk 4 by the objective lens 311. Here, when light of three different wavelengths is condensed on the corresponding disks by one objective lens, it is well known that residual spherical aberration becomes a problem. At this time, the wavelength of the BD and the wavelength of the DVD are approximately 1.5 times different from each other. Therefore, a technique for correcting spherical aberration by using a wavelength separation type diffraction grating using this is well known. However, since the wavelength of BD and the wavelength of CD are almost doubled, there is a problem that the wavelength separation type diffraction grating does not work effectively. In general, since optical design is performed in accordance with a BD having a high recording density, a decrease in light utilization efficiency and residual spherical aberration become technical problems for a CD. On the other hand, in the metal groove, the selection of the operating wavelength and the control of the phase difference shown in FIG. 27 can be controlled by the material of the comb-like structure and the shape parameters as shown in FIG. In the drawing, the central portion of the metal groove is shown in an enlarged manner, but this indicates that a metal groove having a ring-like shape is formed. Using the optical phase difference generated by the metal groove element having such a structure, spherical aberration remaining in the CD laser light can be corrected. Due to the wavelength selectivity described above, in BD and DVD, the metal groove can function as a reflector. With such a configuration, it is possible to improve the performance of the three-wavelength compatible optical pickup.

ここに示した光学素子は、一種の回折格子とメタルグルーブを組み合わせたものと考えることができる。光ピックアップに利用される回折格子の格子ピッチは一般的10μm以上であるから、回折格子の凸部をメタルグルーブで形成し、偏光依存性能、波長選択性能、位相制御性能を向上したハイブリッドな回折格子を提供することも可能である。   The optical element shown here can be considered as a combination of a kind of diffraction grating and a metal groove. Since the grating pitch of diffraction gratings used for optical pickups is generally 10 μm or more, a hybrid diffraction grating in which the convex part of the diffraction grating is formed by a metal groove to improve polarization-dependent performance, wavelength selection performance, and phase control performance. Can also be provided.

上記は、主に可視光から近赤外光の対応素子として説明したが、光の一種である電波でも適用可能であるので、引き続き説明する。図28は本発明の位相制御素子を応用したミリ波用マイクロストリップアンテナの構成を示す実施例である。マイクロストリップアンテナ(microstrip antenna)はアンテナの一種であり、パッチアンテナとも呼ばれる。帯域が狭く、広い指向性を持つとい特徴があり、アンテナのエレメントを金属のエッチング加工で安価に作製できる。マイクロストリップアンテナは共振周波数における波長によって大きさが決まるため、通常は極超短波(UHF)あるいはマイクロ波、ミリ波の周波数で用いられ、航空機や宇宙船の外側、あるいは自動車内に取り付けられた無線通信機器、車載用ミリ波レーダ等に用いられる。図28(a)に従来のマイクロストリップアンテナの構成を摸式的に示す。この場合、アンテナから出力される電波(=光)は、対称性によってアンテナ面に対して上下方向に分布する。一方、図28(b)に示すように、アンテナの下部にメタルグルーブを配置すると、下方向きに出射された電波がメタルグルーブによって反射され、上方に出射される電波と干渉加算されて、上方に2倍の出力として取り出すことができる。これによってアンテナの指向性と出力を改善することができる。この特性は、車載用のミリ波アンテナ等で有効である。図29はメタルグルーブによるアンテナの出力の向上を示すシミュレーション結果である。ここでは図28(b)に示した構成において、波長4mm(77GH)、櫛状構造の幅0.05mm、ピッチ0.5mmとして、高さhと出力される電波の強度の関係を計算した。金属材料は一般の計算手法に従って、完全導体として扱った。図にみられるように、メタルグルーブの櫛状構造の高さを約1mmとすれば、感度が約2倍に向上することが判る。同時に、出力する偏波の向き(=電場の振動方向)と垂直な偏波については、図5に示した原理によって、図29における高さゼロの条件となり、反射波との干渉によって電波が打ち消される。これによって得られる効果は、(1)アンテナ上方向への利得が2倍、(2)直交する偏波をほぼゼロに抑圧、である。これらの効果を活用すれば、車載用ミリ波レーザの出力向上と高S/N化を図ることができる。これは、送受信アンテナ、どちらにでも用いることができる。   Although the above has been described mainly as a corresponding element from visible light to near infrared light, it can also be applied to radio waves which are a kind of light, and will be described subsequently. FIG. 28 shows an example of the configuration of a millimeter-wave microstrip antenna to which the phase control element of the present invention is applied. A microstrip antenna is a type of antenna and is also called a patch antenna. The band is narrow and has a wide directivity, and the antenna element can be manufactured at low cost by metal etching. Microstrip antennas are sized by the wavelength at the resonant frequency, so they are typically used at ultra-high frequency (UHF), microwave, and millimeter-wave frequencies, and are wireless communications that are installed outside an aircraft or spacecraft or inside an automobile. Used in equipment, in-vehicle millimeter wave radar, and the like. FIG. 28A schematically shows the configuration of a conventional microstrip antenna. In this case, the radio wave (= light) output from the antenna is distributed vertically with respect to the antenna surface due to symmetry. On the other hand, as shown in FIG. 28 (b), when a metal groove is disposed at the lower part of the antenna, the radio wave emitted downward is reflected by the metal groove and interfered and added to the radio wave emitted upward. It can be taken out as a double output. As a result, the directivity and output of the antenna can be improved. This characteristic is effective for an in-vehicle millimeter wave antenna or the like. FIG. 29 is a simulation result showing the improvement of the antenna output by the metal groove. Here, in the configuration shown in FIG. 28B, assuming that the wavelength is 4 mm (77 GH), the width of the comb structure is 0.05 mm, and the pitch is 0.5 mm, the relationship between the height h and the intensity of the output radio wave is calculated. The metal material was treated as a perfect conductor according to a general calculation method. As shown in the figure, it can be seen that if the height of the metal groove comb-like structure is about 1 mm, the sensitivity is improved about twice. At the same time, the polarization perpendicular to the direction of the output polarization (= vibration direction of the electric field) becomes the condition of zero height in FIG. 29 according to the principle shown in FIG. 5, and the radio wave is canceled by interference with the reflected wave. It is. The effects obtained by this are (1) the gain in the antenna upward direction is doubled, and (2) the orthogonal polarization is suppressed to almost zero. By utilizing these effects, it is possible to improve the output of the in-vehicle millimeter wave laser and increase the S / N ratio. This can be used for both transmitting and receiving antennas.

ここに述べたアンテナの構成は、ミリ波だけに限らずマイクロ波でも同様にして用いることができる。ミリ波やマイクロ波に対応するメタルグルーブの製造方法としては、プレス加工、研削加工、エッチング、めっき等が好ましい。   The configuration of the antenna described here is not limited to millimeter waves but can be similarly used for microwaves. As a metal groove manufacturing method corresponding to millimeter waves and microwaves, press working, grinding, etching, plating and the like are preferable.

本発明により、光通信向け光学装置、光記録向け光学装置、ディスプレイ装置、無線通信向け装置、等を小型・低コストに構成することができる。   According to the present invention, an optical device for optical communication, an optical device for optical recording, a display device, a device for wireless communication, and the like can be configured in a small size and at low cost.

100、101、102:メタルグルーブ素子、
10:光源、
110:導光板、
120:偏光フィルタ
130:入射窓。
100, 101, 102: Metal groove element,
10: Light source
110: Light guide plate,
120: Polarizing filter
130: Entrance window.

Claims (5)

断面が櫛状構造で、金属材料からなる櫛状構造部と、
前記櫛状構造から制御対象の光のコヒーレンス長以内に配置され、入射光を反射させるミラー構造部と
を有し、
前記櫛状構造の周期は前記制御対象の光の波長より小さく、
前記櫛状構造は前記断面に交わる方向に延伸していることを特徴とする光学素子。
A cross-sectional comb-like structure , a comb-like structure portion made of a metal material ,
A mirror structure part that is disposed within the coherence length of the light to be controlled from the comb structure and reflects incident light ;
The period of the comb-like structure is smaller than the wavelength of the light to be controlled,
The optical element characterized in that the comb-like structure extends in a direction crossing the cross section.
請求項1に記載の光学素子において、
前記櫛状構造の櫛が導電性を有し、前記櫛状構造の櫛と櫛の間は誘電体であることを特
徴とする光学素子。
The optical element according to claim 1,
An optical element, wherein the comb-shaped comb has conductivity, and a dielectric is provided between the comb-shaped combs.
請求項1に記載の光学素子において、
前記櫛状構造部と前記ミラー構造部は一体であることを特徴とする光学素子。
The optical element according to claim 1,
The optical element, wherein the comb-shaped structure portion and the mirror structure portion are integrated.
請求項1に記載の光学素子において、
前記光は電波であることを特徴とする光学素子。
The optical element according to claim 1,
The optical element, wherein the light is a radio wave.
請求項1に記載の光学素子を備える光学装置。   An optical device comprising the optical element according to claim 1.
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