JPH028802A - 偏光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光フアイバ通信や光デイスク用光ヘッドな
どのアイソレータや光サーキュレータを構成するために
偏光ビームスプリッタとして使われる偏光素子に関する
。

〔従来の技術〕

従来、光アイソレータや光サーキユレータ用の偏光ビー
ムスプリフタとしては、グラントムソンプリズムやロソ
ションプリズムが使われてきた。

これらのプリズムは、水晶や方解石などの複屈折性結晶
の結晶軸の異なる２つの三角プリズムをはり合わせたも
のである。これらのプリズムについては、吉原邦夫著「
物理光学」　（井守出版、昭和４１年発行）の第２１３
〜２１６頁に詳細に説明されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の偏光素子では、複屈折性結晶を用いてい
るので材料が高価なうえ、このような偏光素子は、４面
を研磨して、さらに接着するという工程を必要とするの
で製作工数がかかり高価で量産向きでないという問題が
あった。さらに２つの三角プリズムをはり合わせた構造
のため大型になり、光アイソレータや光サーキュレータ
の小型化の障害になっていた。

本発明の目的は、上記問題点を解消して、小型。

薄型でかつ低価格で、量産性にすぐれた偏光素子を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の偏光素子は、 光の波長の１７２よりも小さいピンチを有する表面間凸
型の１次元周期構造を存する第１の領域と、前記第１の
領域と厚さの異なる平坦な表面を有する第２の領域とを
交互に基板上に配置したことを特徴とする。

〔作用〕

本発明の作用原理は次の通りである。本発明では、回折
格子を用い、その０次回折効率すなわち透過率が特定の
偏光に対して１００％で、これに直交する偏光に対して
０％となるようにすることで、偏光ビームスプリッタ機
能の偏光素子を構成している。

矩形断面の位相格子の０次回折光の回折効率は、ηｏ　
　＝　　　　　　（１＋　ｃ　ｏ　ｓ　γ）（１）で与
えられる。ここにγは、格子部で光が受ける位相差であ
り、 γ＝２πｔ・Δｎ／λ　　　　　　　　　　（２）で表
される。（２）式で、ｔは格子の厚さ、Δｎは位相格子
を構成している２つの媒質の屈折率の差、λは光の波長
である。

上述のようなＯ次回折効率の変化を得るためには、格子
の位相差Ｔが偏光によって乙、＝０゜γ、＝π（ここで
１１．土は格子溝に平行および垂直な偏光を各々表す。

）の変化をする必要があり、（２）弐でΔｎが偏光によ
って変化しなければならず、通常は複屈折性の材料を必
要とする。

本発明では、高価な複屈折性結晶を用いることなく、複
屈折性を得るために、稠密な周期構造を利用している。

ピッチが光の波長の１／２より小さい位相格子では、回
折光を生じず複屈折性を示す。

表面凹凸格子の溝に平行な方向の実行屈折率をｎ、、溝
に垂直な方向の実効屈折率をｎ、とすると、 ｎ、　　＝　　（ｎ＋”ｑ　＋ｎｚ”　（１ｑ）　〕”
２（３１ｎ、＝　　（（１／　ｎ＋”）　　ｑ ＋　（１／ｎｚ”）　　（１ｑ）　）−””　　（４）
となる。ここで、ｎ、は溝部の屈折率、ｎ２はランド部
の屈折率、ｑは格子ピンチに対する溝部の幅の比である
。この複屈折を利用して、偏光によって回折効率を変化
させる。

第２図は稠密格子を用いた格子型偏光素子を示す。稠密
格子を第１の領域１に用いて、平坦な表面を有する第２
の領域２と交互に配置した格子を基板３上に構成する。

光の進行方向を矢印４の方向とすると、基板屈折率はｎ
２であるから、格子溝に平行な方向の偏光に対する第１
領域と第２領域の屈折率差は、（Δｎ）　ＩＩ　＝ｊ１
２ｎ、、　、格子溝に垂直な方向の偏光に対しては（Δ
ｎ）よ−ｎ２−ｎよとなる。しかし、このΔｎの変化だ
けでは、格子厚さｔを選んでも（２）式のＴを両部光に
対してγ、、＝０．　　γニーπの両方を満たせない。

そこで、本発明では第２図に示す格子の第２の領域を位
相調整用に厚さを変えた第１図の構造をとっている。第
１図において、第１の領域１の凹凸溝深さを＋５、第２
の領域２の深さを＋２とすると、各偏光に対する両頭域
の位相差は、＋ｔ　　２−ｎ　　　　　む　、　　〕＋
ｔ２　　ｎ、ｔ＋　　）　　　　　　　　　　　　（６
）で与えられる。＋５）　、　（６１式で、γ、、＝Ｑ
、　　γよ＝πの両条件を満たすｔ、、＋２が存在する
。

以上が本発明の原理である。溝深さ１．．１２を浅く、
すなわち容易に製作するためには、ｎｌＩｎ、が大きい
ことが必要であり、そのためには屈折率ｎ２の大きい材
料を用いることが得策である。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の実施例の基本構成を示す部分斜視図で
ある。上述したように基板３の材料としては屈折率が大
きい方が好ましいので、光波長１．３μｍの長波光通信
用にシリコン（Ｓｉ）結晶を用いた。この波長ではシリ
コンは透明で、屈折率はｎｚ＝３．５である。稠密格子
のピッチに対する溝幅比ｑ＝０．５とすると、（３１，
＋４１式からｎ、　＝２．５７３９゜ｎ　、＝　１．３
５９８となる。稠密格子のピンチとしては、λ／２より
小さければよいので０．６μｍとした。

また、第１の領域１と第２の領域２とからなる格子構造
の周期は、所望の０次回折光と他次回折光の分離がとれ
ることが設計条件となり、本実施例では５０μｍとした
。

上述のｎｇ　−３，ｓ、　　ｎ、、　＝２．５７３９．
　　ｎ、　＝１．３５９８を用いてｆ５）、　＋６１弐
を解くと、Ｌ　＋　＝０．５３５μｍ。

ｔ２＝０．１９８μｍとなるので、各々ｔ＋＝０．５４
μｍ。

ｔ２＝０．２μｍの格子を製作した。０．６μｍの稠密
格子は、ホログラフィ−干渉でレジストをバターニング
し、基板３への稠密格子及び第２の領域２の形成には反
応性イオンエツチングを用いた。

本実施例の偏光素子によれば、格子溝に平行な偏光と直
交する偏光との間の消光比は２０ｄＢがとれた。

なお、本実施例では格子型偏光素子の第１の領域と第２
の領域の境界面に対して、第１の領域内の稠密格子の周
期方向が垂直な場合を示したが、第１の領域内の稠密格
子の周期方向は第１の領域と第２の領域の境界面に対し
て任意の角度で良いことは上述の作用の項での説明から
明らかである。

〔発明の効果〕

本発明の偏光素子は複屈折性結晶を必要とせず、シリコ
ンなどの容易に、しかも安価に入手できる材料で構成さ
れているうえに、フォトリソグラフィの手法で簡単に多
数個同時に製作でき、しかも組立てを必要としないので
極めて安価である。

また、本発明の偏光素子は、本質的に薄膜素子であり、
素子の強度を持たせるだけの基板厚さがあればよいので
、１００μｍ程度と極めて薄く、軽量な素子を構成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の部分斜視図、第２図は本発明
の詳細な説明するための格子の部分斜視図である。 ■・・・・・第１の領域 ２・・・・・第２の領域 ３・・・・・基板 ４・・・・・光の進行方向を示す矢印

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光の波長の１／２よりも小さいピッチを有する表
   面凹凸型の１次元周期構造を有する第１の領域と、前記
   第１の領域と厚さの異なる平坦な表面を有する第２の領
   域とを交互に基板上に配置したことを特徴とする偏光素
   子。