JPH0296103A

JPH0296103A - 偏光素子および光アイソレータ

Info

Publication number: JPH0296103A
Application number: JP33034588A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Ono; 小野　雄三
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1988-12-26
Publication date: 1990-04-06

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
どの光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、およ
び、光フアイバ通信や光デイスク用光ヘッドなどの光源
である半導体レーザへの戻り光を防止するために用いら
れる光アイソレータに関する。

（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
ムスプリッタとして用いられる偏光素子としては、グラ
ントムソンプリズムやロッ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
結晶の結晶磁区の異なる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］（共立出版、昭和４１年発行）の第２
１３〜２１６頁に詳細に説明されている。第３図は、こ
のような三角プリズムをはり合わせた偏光ビームスプノ
ックを用いた従来の光アイソレータを示す。この従来の
光アイソレータは、ファラデー回転子１と、ファラデー
回転子を磁化するための永久磁石２と、偏光ビームスプ
リッタ（偏光プリズム）３，４で構成されている。偏光
プリズム３へ入射した直線偏光Ａ（例えば、図面の垂直
方向に電気ベクトルの振動方向を持つ光とする。）は、
偏光プリズム３を透過し、ファラデー回転子１で偏光面
を４５°回転され、偏光プリズム４を透過して透過光Ｂ
として出射される。一方、反射戻り光として偏光プリズ
ム４に右から入射する光Ｃのうち、偏光プリズム４の透
過偏光面に一致する成分のみが偏光プリズムを透過し、
ファラデー回転子１で４５°偏光方向を回転される。こ
の回転方向は、光の進行方向によらず一定方向であるか
ら、ファラデー回転を受けた反射戻り光は、偏光プリズ
ム３の透過偏光面を直交する偏光になっており、偏光プ
リズム３を出射できず、左方向には光が出てこない。こ
のようにして、光フアイバ通信や光デイスク用光ヘッド
などの光源である半導体レーザへの戻り光を防止してい
る。

ファラデー回転子としては、通常、Ｂｉ置換ガーネット
がファラデー回転角が大きいので、結晶や膜厚の形で用
いられる。偏光プリズムとしては、前述したようにグラ
ントムソンプリズムやロッションプリズムが使われてい
る。

ファラデー回転子と光アイソレータについては、応用物
理学会光学懇話会微小光学研究グループ発行（７）　”
ＭＩＣＲＯＯＰＴＩＣ８ＮＥＷＳ”第１４巻第４号第１
８〜２３頁所載の石川治男他著の論文「Ｂｉ置換ガーネ
ット膜を用いた光アイソレータの作製］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
るので材料か高価なうえ、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
のため大型になるという欠点もあった。

このような偏光素子を用いた従来の光アイソレータは、
高価で量産向きでないうえ、偏光素子が大型であるので
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、小型かつ薄型で
かつ低価格で、量産性すぐれた偏光素子を提供すること
にある。

本発明の他の目的は、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・ぐれた光アイソレータ
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の領域と周期方向が直交しかつ表面
凹凸深さが異なる、光の波長の壺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２の領域
とを交互に基板上に配置したことを特徴としている。

本発明の光アイソレータは、ファラデー回転子と、この
ファラデー回転子に磁場を印加する磁場印加手段とを備
える光アイソレータにおいて、前記ファラデー回転子の
光入出射面の少なくとも一方の面に、光の波長の１／２
よりも小さいピッチを有する表面凹凸の１次元周期構造
を有する第１の領域と、前記第１の領域と周期方向が直
交しかつ表面凹凸深さが異なる、光の波長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２の領域とを交互に形成したことを特徴としてい
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次元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、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＝　２ｎｔ・Δに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０次回折効率の変化を得るためには、格子
の位相差γが偏光によってγ、７＝０、γ上＝ｎ（ここ
で〃、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）式で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麦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”ＩＩ、溝に垂直な方向の実行屈折率
をｎ土とすると、〜＝　［ｎｔｚｑ　十ｎ２２（１−ｑ
）釦　　　　　　　　　（３）ｎ４＝［（１／ｎｔ２）
ｑ＋（１／ｎ２２Ｘ１−ｑ）−４、（４）となる。ここ
で、ｎｏは溝部の屈折率、ｎ２はランド部の屈折率、ｑ
は格子ピッ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。

（実施例）以下、本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の偏光ビームスプリッタの□一実施例の
断面を示す斜視図である。第１図に示すように稠密格子
を第１の領域５に用いて第１の領域５と直交する周期方
向を持つ稠密格子を第２の領域６に用いて、これらを交
互に配置して格子構造を基板７上に構成し、光進行方向
を矢印８の方向とすると、第１図のＸ方向、Ｘ方向に偏
光面を有する偏光に対する両領域の位相差は、で与えられる。ここに、ｔｌ、ｔ２は各々第１の領域５
の凹凸溝深さおよび第２の領域６の凹凸溝深さである。

このように、両領域の深さを変えることで、γ８＝０．
γ、＝■が満たせる。

深さｔｌ、ｔ２を浅く、すなわち容易に製作する為には
、ｎｔｔ　ｎよ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。

さらに具体的に説明する。基板材料としては屈折率が大
きい方が好ましいので、光波長１．３ｐｍ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ｎ２＝＝　３．５である。

稠密格子のピッチに対する溝幅比をｑ＝０．５とすると
、（３）、（４）式から、ｎｌ、＝２．５７３９．　ｎ
上＝１．３５９８となる。稠密格子のピッチとしては、
Ｍ２より小さければよいので０．６ｐｍとした。また、
第１の領域と第２の領域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５０１１ｍとした。

上述のｎ２＝３．５．ｎ、７＝２．５７３９．ｎ上＝１
．３５９８を用いて（５）、（６）式を解くと、ｔｌ＝
０．１６２ｐｍ、　ｔ２＝０．３７４ｐｍとなるので、
各々ｔｌ＝ｏ、１６２１１ｍ、ｔ２　＝０．３７４ｐｍ
の格子を作製した。第１図では計算のためにｔｉ　＞　
ｔ２の図を示しているが、本実施例ではｔ２＞ｔ□であ
る。０．６ｐｍピッチの稠密格子は、ホログラフィ干渉
でレジストをパターニングし、基板への稠密格子の形成
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、Ｘ方向偏光と直交するの
偏光との間の消光比は２０ｄＢ以上がとれた。

第２図は本発明の光アイソレータの第１の実施例の基本
構成を示す斜視図である。この光アイソレータは、片面
に格子型偏光ビームスプリッタ１゜が形成された円柱上
のファラデー回転子９と、このファラデー回転子を同心
上に取り囲みファラデー回転子９を磁化する永久磁石１
１とから構成されている。

ファラデー回転子９としては、膜厚のＢｉ置換ガーネッ
トを用いた。光の波長λ＝１．３１１ｍで４５°のファ
ラデー回転を得るのに要する膜厚は２５０ｐｍである。

Ｂｉ置換ガーネットのλ＝　１．３１１ｍでの屈折率は
、ｎ２＝２．４３である。

格子型偏光ビームスプリッタ１０は、第１図において説
明した偏光素子の構造を有しており、稠密素子のピッチ
に対する溝幅比をｑ＝０．５とすると、（３）、（４）
式からｎ／／＝１．８５８．ｎ上＝１．３０８となる。

稠密の格子のピッチとしてはＭ２より小さければよいの
で０．６ｐｍとした。また、前述したように第１の領域
と第２の領域とからなる格子構造の周期は、所望の０次
回折光と他人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５０１１ｍとした。ｎ２＝２．４３゜
ｎ／／＝　１．８５８．　ｎ上＝１．３０８を用いて（
５）、（６）式を解き、ｔ１＝０．３９９ｐｍ、　ｔ２
＝０．７８３ｐｍの格子を製作した。

製作は、次のようにして行った。ファラデー回転子９を
構成する厚膜のＢｉ置換ガーネットを基板にし、０．６
ｐｍヒツチの稠密格子は、ホログラフィ干渉でフォトレ
ジストをパターンニングし、これをマスクにイオンミリ
ングで形成した。

このような格子型偏光ビームスプリッタ１０によれば、
第１図のＸ方向の偏光と直交する偏光との間の消光比は
２０ｄＢ以上がとれた。これより、反射戻り光を防止す
ることができる。

以上の光アイソレータの第１の実施例ではファラデー回
転子の片面のみに格子型偏光素子を形成した例を示した
が、ファラデー回転子の両面に第１領域と第２領域から
成る格子の周期方向が互いに４５°の格子型偏光素子を
形成することで消光比を大きくできる。

また、厚膜のＢｉ置換ガーネットは非磁性のガーネット
（ＧＧＧ）を基板にして製作されているが、本発明の光
アイソレータの格子型偏光素子は、このＧＧＧ基板に形
成しても同じ効果が得られることは言うまでもない。し
たがって、本発明で言うファラデー回転子は基板を含む
ものである。

次に、本発明の光アイソレータの第２の実施例を説明す
る。本実施例では、格子型偏光素子をファラデー回転子
そのものの表面に形成せず、ファラデー回転子表面に屈
折率の高い層を形成し、この高屈折率層に格子型偏光素
子を形成した。高屈折率層としては、アモルファスシリ
コンをＣＶＤで成膜した。屈折率はｎ２＝３．５である
から、ｎ７７＝２．５７４゜ｎ４　＝　１．３６０とな
り、ｔ１＝０．１６２ｐｍ、　ｔ２＝０．３７４１１ｍ
と、第１の実施例に比べ浅い溝を形成した。溝の形成に
は反応性イオンエツチングを用いた。本実施例で示した
ように、本発明で言うファラデー回転子の光入出射面と
は、表面に成膜した高屈折率層を含むものである。

（発明の効果）発明の偏光素子は複屈折性結晶を必要とせず、シリコン
など容易に、しかも安価に入手できる材料で構成させて
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、１１００ｍ程度と極めて薄く軽量な素
子を構成できる。

さらに、本発明の光アイソレータは、偏光素子として複
屈折結晶を必要とせず、しかも偏光素子をフォトリソグ
ラフィの手法により簡単にファラデー回転子と一体にし
て、多数個同時に製作でき、かつ磁石を取り付けるだけ
であるから極めて安価である。また、本発明の光アイソ
レータは、ファラデー回転子の厚さだけであればよいの
で数１１００ｐと極めて薄く、軽量な素子である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の偏光素子の一実施例を示す部分斜視図
、第２図は本発明の光アイソレータの一実施例を示す斜
視図、第３図は従来の光アイソレータを示す断面図であ
る。１．９・・・ファラデー回転子、２，１１・・・永久磁
石、３，４・・・偏光ビームスプリッタ、５・・・第１
の領域、６・・・第２の領域、７・・・基板、８・・・
光の進行方向を・示す矢印、１０・・・格子型偏光ビー
ムスプリッタ。

Claims

【特許請求の範囲】

（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の領域と周期方向が直交しかつ表面凹凸深さが異な
る、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。
（２）ファラデー回転子と、このファラデー回転子に磁
場を印加する磁場印加手段とを備える光アイソレータに
おいて、前記ファラデー回転子の光入出射面の少なくとも一方の
面に、光の波長の１／２よりも小さいピッチを有する表
面凹凸の１次元周期構造を有する第１の領域と、前記第
１の領域と周期方向が直交しかつ表面凹凸深さが異なる
、光の波長１／２よりも小さいピッチで有する表面凹凸
型の１次元周期構造を有する第２の領域とを交互に形成
したことを特徴とする光アイソレータ。