JPH0375604A - 残留金属型偏波性光導波素子 - 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】 本発明は、光の偏光状態を制御できる残留金属イ０発明
の目的 （産業上の利用分野） 光通信・光学機器等の分野において、光分岐器・光偏波
器・フィルタ・光スィッチ・光アイソレイターなと光回
路部品が必要であるが、これら光デバイスは伝搬光の偏
光状態の違いを利用して機能することが多い。

本発明はこれらに適用することのできる偏波性先導波素
子に関するものである。

特に既に光ファイバが実用化されている現在、光を自由
に制御するために光回路素子の高性能化が要求されてい
るが、消光比が高く、光の偏光状態を制御でき、且つ機
器の小型軽量化、低コスト化、大量生産が不可欠である
。

本発明はこれらの要求を何れも満足するものであり、将
来有望である。

一方、計測の分野においても同様な光の偏光状態の制御
とその処理が必要であるが、赤外の広い波長帯で透明な
アルミナ膜を利用する本素子は、従来の素子の特性を大
きく改善することができる。

（従来の技術） 一般に、光回路部品の光導波素子を製造するとき、ガラ
ス・石英・半導体などの材料からなる基板上に、液相化
学反応法、気相化学反応法、あるいは物理的なデポジシ
ラン手段により、薄膜または厚膜からなるスラブ状導波
路を形威し、必要に応じてリソグラフィなどの二次元パ
ターンを作製している。

その他、基板上にドープ材を付着させてパターンを作製
し、熱拡散する方法とか、不要部分をマスクしてイオン
交換によりパターンを作製する方法なども併用されてい
る。

（発明が解決しよう とする課題） 上述の従来例の場合、高価な基板を用いること、導波膜
の成長速度が遅いこと、製造設備が複雑高価であるなど
に起因し、得られる光導波素子が必然的にコスト高とな
る。

また更に大きな問題点としては、従来例の光導波素子の
特性として、基板に平行な偏光も、基板に垂直な偏光も
、伝送損失に大きな差がないので、偏光モードが規制し
がたい欠点がある。

以上の問題点や欠点を解決するために、本発明者は、陽
極酸化膜の特性に着目し、これを光機能素子として利用
できないかを検討した。

その概要を述べると、陽極酸化法で製作したアルミナ（
Ａ　Ｉ　！　Ｏｆｆ　）膜が、微細なセル・ボア構造に
なっており、膜面と直交する多数のボア（細孔）を含む
多孔質構造を利用し、このボア内に適当な金属や誘電体
を封入することにより、偏光機能や複屈折が生じること
を理論的に解析し、その上で次のような実験を行った。

即ち、アルミニウム基板を硫酸水溶液中で陽極酸化して
表面にアルミナ膜を形威し、発生したボア（細孔）にス
ルファミン酸ニッケルとホウ酸の混合溶液に浸して電圧
を印加し、ボア内にニッケルを析出させた後、光学研磨
を行ってサンプルを製作する。

次に、このサンプルの透過率をレーザーで測定してみる
と、第１図のように、入射光の透過損失は、電界ベクト
ルがニッケル柱に平行な偏光（Ｈ偏光）の方が、ニッケ
ル柱に垂直な偏光（Ｖ偏光）より大きくなっており、偏
光子として機能していることが判った。

従来陽極酸化膜についての研究は、世界各地の機関でな
されてきたが、その内容は膜の構造や組成を調べるため
の手段として光学的方法を用いている傾向が強く、これ
を光機能素子として利用しようとする試みは、我々の提
案が最初である。

この偏波性光導波素子の研究開発の成果をまとめ、昭和
６１年７月３日付けで特許出願（「昭６ｌ−１５７０１
６Ｊ−および「昭６１−１５７０１７」）を行った。

しかしこの新しい方法にも、めっきの際にニッケルがボ
アの底部（アルミニウム基板側）から順に析出するため
に、ボア上部ではニッケルが充分に詰まっていないこと
による為に、アルミニウム基板から遠ざかるにつれて損
失が減少するという問題点がある。

ロー発明の構成 （課題を解決するため の手段） 今回本発明者は、陽極酸化の際に酸化条件を変化させて
、ボアの周辺部はアル健すに酸化させることは前回の特
許出願と同様であるが、ボアから遠く離れセル部分（外
周部）は金属アルミニウムのまま残留させた残留金属型
多孔質酸化膜を作れば、問題の多いボア内にニッケルめ
っき工程を回避でき、且つ従来と同様乃至それ以上の偏
光効果を挙げることが可能と着想した。

また残留金属型多孔質酸化膜の形成の場合に、基板のｌ
方向からだけでなく、基板の表裏２方向からの陽極酸化
を行えばｒ極厚デバイス１の製作も可能となり、残留金
属型偏波性光導波素子の実用化に大きな前進を与えると
考えた。

にボアの外周部に残留し、この残留アルミニウム或いは
アルミニウム円柱が、ボアに金属を入れたのと同様の現
象を惹起させたものと考える。

この残留金属型のアルミナ膜について効果を測定すると
、下記の実施例のように偏光子として機能が充分に認め
られた。

（作用） （実施例） 第２図（ａ）は、光導波路長が６００μｍとなるように
成形した厚さ５０μｍのアル稟す膜の試料の断面図であ
るが、ボア列に電界ベクトルが垂直な光（Ｖ偏光）と、
平行な光（Ｈ偏光）のいずれかに偏光させた白色光で後
方から照明すると、第２図（ｂ）のように偏光方向がボ
ア軸に対して垂直の場合は透過光が見え、第２図（ｃ）
のように水平の場合は透過光が見えない。

このことは、前述のように金属ワイヤグリッド型の素子
が偏光特性を有する事実から類推して。

金属アルミニウムの若干の部分が陽極酸化されずあらか
じめパフで機械的に研磨し更に硫酸・燐酸・ぶつ化アン
モン溶液により化学的に仕上げ研磨を行った９９．９９
％（４Ｎ）アルミニウム板（厚さ５００μｍ）を、１０
〜３０％の硫酸水溶液を用いて定電流で陽極酸化を行っ
た。

またアルミニウム板の片面にテフロンコーテングを行い
、陽極酸化が一方向のみより進行する場合や、上下両面
よりの陽極酸化を行い、極厚の試料の製作も行った。

陰極には白金板を用い、電流密度は２０〜１５０ｍＡ／
ｃｍ”の範囲で変化させた。

浴温は２０〜２３　°Ｃ程度、生成するアルミナ膜の厚
さは供給電力の総量によって膜厚を５０μｍと戒るよう
に制御し、酸化後は洗浄して沸騰した純水に１時間浸す
ことにより水和封孔を行って試料とした。

この方法で作られた試料（アルミナ膜）には、第３図の
ように、平行に配列された直径１００〜３００人の円柱
状空孔（ボア）が多数音まれている。

このボアに電気めっき法等で金属を入れた場合は、更に
効果が発揮され、可視から赤外にかけての広い波長域で
厚さ１μｍあたり１０〜１０’ｄＢの高い消光比を示し
、アルミナ膜はワイヤグリッド型の偏光子として機能す
る。

一方、上述のようにボアに金属を入れる代わりに、ボア
の外周部に金属アルミニウムを残留させたケースについ
て述べる。

第２図は、アルミニウムサブストレート上に、光導波路
長が６００μｍとなるように成形した厚さ５０μｍのア
ルξす膜の模式図である。

この図のボア列に、第２図（ｂ）のように電界ベクトル
が垂直な光（Ｖ偏光）を後方から照明すると透過光が見
えるが、しかし第２図（ｃ）のように平行な光（Ｈ偏光
）を照明すると透過光は見えなくなる。

即ち、偏光方向がボア軸に対して垂直な場合と水平な場
合に応して、透過光が見えたり見えなかったりすること
が判る。

この現象は、アルミニウムサブストレートが接近して存
在するためにＨ偏光の減衰が大きくなると考える事も出
来るが、サブストレートからアルミナ薄膜を剥離して顕
微鏡観察を行って見ても、このアルミナ膜もＨ偏光に対
して同様に大きな減衰結果が得られることから、他に原
因があると考えられる。

即ち、前述のように金属ワイヤグリッド型の素子が偏光
特性を有する事実から類推して、金属アルミニウムの若
干の部分が陽極酸化されずに残留し、この残留アルミニ
ウム或いは残存したアルミニウム円柱が、ボアに金属を
入れたのと同様の効果を惹起させたものと考えることが
出来る。

この関係を確かめたものが第４図である。

これは波長６３３　ｎｍの光について、陽極酸化アルミ
ナ６００μｍ厚さを透過する場合の、垂直な光（■偏光
）と、平行な光（Ｈ偏光）を入射したときの損失（消光
比）と、硫酸濃度、電流密度の関係を示す。

■偏光が入射した場合の光の散乱・吸収は小さく損失は
あまり変化しないのに対し、Ｈ偏光の損失は散乱と吸収
により大きな減衰を受けて大きく変化し、電流密度の上
昇と共に増大することが判る。

挿入損失の内訳は、試料表面での反射が１ｄＢ程度であ
り、残りがアルミナ膜内での散乱・吸収損失であると推
定される。

電流密度が増加し硫酸濃度が低いと、陽極酸化電圧は増
大し、それがボア間の距離を大きくすることになる。

一方酸化反応は電圧によって決まる成る範囲内で起こる
。従って残留アルミニウム部は、電流密度の増大及び硫
酸濃度の減少につれて増加し、これらよりセルの角の位
置に金属アルミニウムが円柱状に残る可能性がある。

一方柱状の金属列は偏光特性をもつので、酸化電圧が高
いアルごす膜は高い消光比を持つことになる。これがＨ
偏光に対する大きな消光比が出現する理由である。

なお電流密度を過度に大きくすると、酸化の発熱のため
にアル〔す膜にひび割れが生ずるので、酸化する電流密
度に上限がある。

アルミニウム板が１５０ｍＡ／ｃｍ”の電流密度で１２
分間陽極酸化されると、６００μｍの光路長の素子で約
３０ｄＢの減衰が遠戚される。

今のところ、■偏光の挿入損失はアルミナ−空気界面に
おける反射損失を含めて２ｄＢである。

この損失は封孔時間を増加すれば減少することができる
。

今後更に減衰比ガ大きく且つ■偏光に対する挿入損失の
より小さい偏光素子が長波長域において実現することが
可能となろう。

以上の実施例は、アルミニウム板に対する１方向からの
陽極酸化による残留金属型多孔質酸化膜の形成の場合で
ある。

そこでアルミニウム板の表裏両方向からの陽極酸化を行
えば、極厚の残留金属型多孔質酸化膜を作れことができ
るので、実用に充分に耐える残存金属型偏波性光導波素
子の製作が可能となる。

へ−発明の効果 っき工程を省略しても偏波性も劣らないことが判明した
。

また本発明の特徴は、従来の真空、微細加工技術を必要
とする高度な加工方法をもちいず、平易な電気的／化学
的方法を用いた点にあり、その上で偏光性が優れ且つ極
厚な素子を、安定的に製作することが出来ることを立証
するものである。

この結果、本発明によって光通信、光学機器等の光回路
部品の分野で不可欠な光導波素子が、低コスト・高生産
性で製造することが可能となり、光デバイスの工業化が
一層促進されることが期待される。

本発明の残留金属型偏波性光導波素子は、陽極酸化法に
よる電気的／化学的手段を介して、アルミニウムのよう
な安価な金属の基板上に、透明な多孔質酸化膜を高速成
膜させる事によって製作されるが、この過程で無数のボ
アの外周部に金属を（円柱状に）残留させる事によって
、今までの偏光素子の形成に不可欠である金属にニッケ
ル）め

【図面の簡単な説明】

第１図は、陽極酸化法で製作したアルミナ（ＡｌｚＯｉ
）膜が、微細なセル・ボア構造になっており、膜面と直
交する多数のボア（細孔）を含む多孔質構造を利用して
このボア内にニッケル等の金属や、誘電体を封入し、或
いは本発明のようにボア外周部に金属アルミニウムを残
留させたアルミナ膜である。 このアルミナ膜へ入射光を透過した場合に、その透過損
失は、電界ベクトルがボア柱に平行な偏光（Ｈ偏光）の
方が、ボア柱に垂直な偏光（■偏光）より大きくなって
おり、偏光子として機能していることを示している。 第２図は、残留金属型陽極酸化アル稟す膜断面の顕微鏡
観察結果と偏光作用を、図式的に表示したものである。 第２図（ａ）は、アルミナ膜には平行に配列された直径
１００〜３００人の円柱状空孔（ボア）の断面であり、
外周部に円柱状のアルミニウム金属が残存していること
を表している。 第２図（ｂ）は、第２図（ａ）に対して、後方から垂直
な光（Ｖ偏光）を照明すると、透過光が通過していて、
光が見える場合を表している。 第２図（ｃ）は、同様に平行な光（Ｈ偏光）を照明する
と、透過光は通過せず見えなくなることを表している。 ［１１ち、（ｂ）、（Ｃ）によって、偏光方向がボア軸
に対して垂直な場合水平な場合もこ応じ７、透過光が見
えたり見えなかったりし、偏光子の機能を果たしてるこ
とを示している。 第３図は、アルミニウム・サブストレート上に陽極酸化
法で製作したアルミナ（Ａ１，０３）膜が、微細なセル
・ボア構造になっていることを図示してい、る。 この膜面と直交する多数のボア（細孔）の外周部に、（
円柱状の）アルミニウム金属を残留させた場合に、第２
図のように偏光機能を発揮する。 第４図は、■偏光と、Ｈ偏光を入射したとき、減衰！（
ｄＢ）と、電流密度（ｍＡ／ｃｍ”）及び硫酸濃度との
関係を示す。 Ｈ偏光の減衰量ガ大きく且つ■偏光に対する挿入損失の
より小さい偏光素子が好ましい。 本図では、Ｈ偏光の損失は減衰を受けて大きく変化し、
電流密度の上昇と共に増大する（２０〜３０ｄＢ程度）
が、■偏光が入射した場合の損失はあまり変化しない（
２ｄＢ程度）ので、偏光特性をもつことが判る。 電流密度が増加し硫酸濃度が低いと、陽極酸化電圧は増
大し、残留アル名ニウム部はセルの角の位置に金属アル
ミニウムが円柱状に残るために、高い減衰量（消光比）
を持ち偏光特性が著しく発揮される。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 金属基板の上に形成された光導波路が、透明な多孔質酸
   化膜からなり、この膜に直交する多数の細孔と、細孔の
   外周部に酸化されないままで残留する金属によって、光
   の偏光状態を制御できる残留金属型偏波性光導波素子。