JPH04104103A - 形状複屈折体から成る偏光合離素子及びその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、複屈折性を有し、例えば光波回路素子トシて
用いられる偏光分離素子に関するものであり、特に人工
的に容易に製造可能な偏光分離素子及びその製造方法に
係るものである。

［従来の技術］ 従来、複屈折性を示す材料としては、人造又は天然のル
チルや天然の方解石等の一軸異方性結晶が知られており
、偏光分離素子はこれらの結晶を用いて形成されていた
。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、ルチルは、人工的に製造する場合、均質
な結晶の育成が難しく、また、天然に産出される結晶も
含め、光学的に均一でかつ大きな形状のものを得ること
ができず、その上高価であるから簡単には人手し難い。

一方、方解石は、天然に産出されるものに限られるので
、光学的に良質なものは高価であり、さらには、その組
成上、脆性が大きく、溶解性が高い等、取扱上不便であ
る。

さらに、前記従来の結晶から成る偏光分離素子では、出
射した２木の偏光ビーム（常光線と異常光線）の分離の
程度を表す偏光分離角は、固有のものでしかも小さな値
（約５．７度）のものしが得ることができない。

（混光分離素子が小さな形状のものに限定されたり、そ
の偏光分離角が小なるものに限定されたりすることは、
偏光分離素子を含む光波回路の設計の自由度を制約して
しまう。

例えば、偏光分離素子が小さ過ぎて取扱いに不便であっ
たり、それとは逆に、小型化を図ろうとする場合、前記
２木の偏光ビームを使用に有効な距離だけ分離させるた
めには、その分離間隔の１０倍程度の厚さの結晶を用い
る必要があるので、無闇に大きな取付はスペースを必要
としたり、光路長が増大するので光の回折による損失を
低減させることができず、光学的な不利性に甘んじるの
を余儀なくされる。

本発明は、上記従来技術の課題を解決すべくなされたも
のであり、所望の形状でかつ所望の偏光分離角を得るこ
とができ、光学的に均質であり、構造的に堅固であって
、物性的に安定で、取扱いに便利であり、しかも、安価
である等とした偏光分離素子を提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成すべく、請求項１の発明は、屈折率の異
なる２種の透明体から成り、該両透明体を幾何学的に一
定の方位を有するように一体的に成形し、前記一定の方
位に対して光学的に一義的に決まる方向を光学的主軸と
したことを特徴とする 請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記２種
の透明体は、夫々薄膜により形成されると共に交互に積
層され、その積層面に垂直な方向を光学的主軸とするこ
とを特徴とする 請求項３の発明は、請求項２の発明に係る偏光分離素子
の製造方法であって、２種の透明体から成る薄膜をスパ
ッタリング法、化学的気相成長法、又はプラズマ化学気
相成長法により交互に堆積させ、該堆積されたものを所
定形状に成形することを特徴とする 請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記一方
の透明体は、長さ方向が前記一定の方向に沿い、かつ、
前記他方の透明体内に離散的に配列された多数の長細体
から成り、該８長細体の長さ方向を光学的主軸とするこ
とを特徴とする請求項５の発明は、請求項４の発明にお
いて、前記一方の透明体は気泡又は前記他方の透明体と
は屈折率の異なる透明物質であり、前記他方の透明体は
ガラスまたは透明プラスチックであることを特徴とする 請求項５の発明は、請求項５の発明に係る偏光分離素子
の製造方法であって、透明ガラス又は透明プラスチック
を加熱し、該透明ガラス又は透明プラスチック内に離散
的に混在する各気泡又は該透明ガラス若しくは透明プラ
スチックと屈折率の異なる透明物質が夫々一定の方向に
長くなるように前記ガラス又は透明プラスチックを延伸
して成形することを特徴とする。

［作用コ 請求項１の構成によれは、光学的主軸に対して傾斜した
方向に入射した偏光光は、２種の透明体から成る構造に
起因する複屈折性により、常光と異常光とに分離するが
、両光により形成される偏光分離角は、該２種の透明体
の屈折率の差が犬なる程大ぎくなる。

請求項２の構成によれば、積層された両透明体は積層面
に垂直な方向が光学的主軸となる。

請求項３の構成によれば、スパッタリング法、化学的気
相成長法、プラズマ化学気相成長法等という簡易な手法
を用いることにより、光学的に均質で所望の形状のもの
を容易に製造することができる。

請求項４の構成によれば、一方の透明体である柱状体の
長さ方向に沿う面に垂直な方向が光学的主軸となる。

請求項５の構成によれば、安価な材料により容易に製造
することができる。

請求項６の構成によれば、空気を含む透明体を加熱し、
延伸するという簡易な工程により、所望の形状でかつ光
学的に均質な偏光分離素子を容易に製造することができ
る。

［実施例］ 第１図は本発明に係る偏光分離素子の第１実施例を示す
ものである。

本第１実施例は、全体として薄板状に形成されており、
２種の透明体たる透明薄膜１．２を交互に多数枚積層し
て成る。前記透明薄膜１は、水素入りアモルファスシリ
コンにて形成され、透明薄膜２は、石英にて形成されて
いる。ここで、水素入りアモルファスシリコン及び石英
は、波長１．３μｍの入射光に対して、屈折率が夫々３
．８２３．１．４４６であるものを用いる。また、両薄
膜１．２の各厚みは、入射光の波長に比べて短かくなる
ように設定される。

本実施例の偏光分離素子は、少くともＮ１図に示すＹ方
向については構造的に一様であり、光の入射方向である
Ｘ方向は、光学的主軸、すなわち両薄膜１．２の積層面
に垂直な方向（両薄膜１．２から成る成形体について光
学的に一義的に決まる方向）に対して所定の角度だけ傾
斜させる。

なお、かかる構成のものを作製するには下記のような工
程を踏む。まず、高周波スパッタリング法により、アル
ゴン及び水素の所定混合比の雰囲気中で石英をターゲッ
トとして、水素入りアモルファスシリコンの薄膜を例え
ば５０ｎｍの厚みで石英基板上に形成し、続いて、高周
波スパッタリング法により、シリコンをターゲットとし
てアルゴンと酸素の雰囲気中で石英の薄膜を例えば５０
ｎｍの厚みで形成し、以下両薄膜を交互に堆積（例えば
１０００周期）させる。この堆積により得られた積層体
を積層面に対して４５゛で薄板状に切り出した後、例え
ば１００μｍの厚みに研磨する。

なお、前記薄膜１．２は、前記スパッタリング法により
形成する以外に、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、あるい
はプラズマ化学気相成長法（ＰＣＶＤ）等により形成す
ることができる。

本実施例は上記のように構成されているので、一つの光
学的主軸を有する一軸異方性媒質と同様な性質を示す。

すなわち、第１図の左方から所定の方向、換言すれば前
記Ｘ方向に沿って光が入射すると、該入射光はＹ方向に
偏波した常光線と、Ｘ方向に偏波した異常光線とに所定
の偏光分離角φで分離される。

本実施例の構成では、前記２種の薄膜１．２の屈折折率
の差分が大きくなると、光学的異方性が大きくなり、前
記分離角φは、より大きなものとなる。

第２図は、波長１．３μｍの入射光を用い、常光！ｊＡ
　Ｅ、と異常光線Ｅ２についての夫々の屈折率ｎの変化
を、重縁率（水素入りアモルファスシリコンが石英中に
占める体積の割合）Ｓａに対して示したものである。

同図によれば、常光線ＥＯ％及び異常光線Ｅ８について
の各屈折率の差は最大で１以上になる。

これは従来のルチルや方解石を用いたものが夫々０．２
５８，０．１６０であるのに対し、極めて大きな値とな
フている。

前記両透明体は上記実施例のものに限定されるものでは
なく、例えば一方の透明体として厚さ５０ｎｍのアモル
ファス二酸化チタンの薄膜を、他方の透明体として同じ
厚さの石英の薄膜を用い、これらを交互に積層（例えば
１０００周期）させることによっても上記実施例と同様
な複屈折性を示す。すなわち、波長１，３μｍの光を入
射すると分離角φが５°で常光線と異常光線とは９μｍ
の間隔で分離する。

かかる構成のものを作製するには、上記説明と同様に下
記のような工程を踏む。まず、反応性直流スパッタリン
グ法によりチタンをターゲットとし、酸素とアルゴンの
雰囲気中で反応性直流スパッタリング法によりアモルフ
ァス二酸化チタン薄膜を石英基板上に形成し、続いて、
高周波スパッタリング法により、該アモルファス二酸化
チタン薄膜上に石英の薄膜を形成し、以下両薄膜を交互
に堆積させる。この堆積により得られた積層体を積層面
に対して４５°で薄板状に切り出した後、例えば厚さ１
００μｍに研磨する。

第３図は、前記偏光分離角φの変化を光学的主軸に対す
る入射光の傾斜角θに対して示したものである。すなわ
ち、曲線Ｐａは、上記第１図に示す構成の場合（すなわ
ち、水素入りアモルファスシリコンの薄膜と石英の薄膜
を積層した多層膜構造のもの）、曲線ｐｔはアモルファ
ス二酸化チタンの薄膜と石英の薄膜を積層した多層膜構
造の場合を示している。

なお、曲線Ｐｃ、Ｐｒは従来構造のもの、すなわち方解
石、ルチルを用いて構成した場合の結果について示して
いる。

前記曲線Ｐａから、傾斜角θが約５７°付近て約２３°
という最大の偏光分離角φが得られることが理解できる
。この値は曲線Ｐｃ、Ｐｒて示す従来構造の場合に比べ
約４倍の大きさである。

次に、第４図は本発明の第２実施例を示すものであり、
全体として薄板状に形成されており、異なる屈折率をも
つ２種の透明体は、夫々多数の長細体３、及び該８長細
体３を離散的に埋設した母体４である。前記各長細体３
は、母体４内で一定の方位に揃うように配列されている
。ここで、前記長細体３は、例えは気泡から成り、前記
母体４はガラス又は透明プラスチックから成る。

なお、前記長細体３が一定の方位に揃うということは、
各長細体３の長手方向（長細体３、母体４から成る成形
体について光学的に一義的に決まる方向）が光学的主軸
であることを意味する。

本第２実施例は上記のように構成されているので、一つ
の光学的主軸を有する一軸異方性媒質と同様な複屈折性
を示す。すなわち、長細体３の長手方向に対して傾斜し
た方向、換言すれば第４図の左方の方向（Ｚ方向に沿う
方向）から光が入射すると、該入射光はＹ方向に偏波し
た常光線と、Ｘ方向に偏波した異常光線とに所定の分離
角φで分離される。

第５図は、上記′ｔＳ２実施例において、波長１．３μ
ｍの入射光を使用すると共に、多数の気泡を配した母体
４として屈折率１．５のガラスを用い、常光線Ｅ０と異
常光線Ｅ、についての夫々の屈折率ｎの変化を、６績率
（空気がガラス中に占める体積の割合）Ｓｈに対して示
したものであるが、両光線Ｅ。％Ｅｓの屈折率の差は最
大で０．０４である。すなわち、′ｆＳｉ図に示すよう
に、そのときの各屈折率をｎ　＠　ｓ　ｎ　ｏとすると
、ｎ、−ｎ、＝１．２７−１．２３＝０．０４となる。

第６図は、本第２実施例の場合における前記偏光分離角
φの変化を光学的主軸に対する入射光の傾斜角θに対し
て示したもので、傾斜角θが約４５°付近で偏光分離角
φが最大になることが理解できる。

なお、上記説明では一方の透明体である長細体３として
気泡を用いた場合につき説明したが、これに限定される
ものではなく、例えばカルコゲンガラス等の透明物質を
用いてもよい。また、長細体３と母体４の屈折率の各屈
折率の差の異なるものを用いれば上記第１の実施例のよ
うに、屈折率の差に応じて所望の偏光分離角を有する偏
光分離素子を得ることができる。

［発明の効果］ 以上のように、請求項１の構成によれば、屈折率の異な
る２種！の透明体から成り、該両透明体を幾何学的に一
定の方位を有するよう一体的に成形し、前記一定の方位
に対して一義的に決まる方向を光学的主軸としたことを
特徴とするので、天然では得られない所望形状のものが
作製でき、しかも両透明体の屈折率を夫々適当な値に選
ぶことにより所望の偏光分離角を有するものを得ること
が可能となり、光波回路等の設計の自由度を増大させる
ことができる。

請求項２の構成によれば、２種の透明体は、夫々薄膜に
より形成されると共に交互に積層され、その積層面に垂
直な方向を光学的主軸とすることを特徴とするので、請
求項１の効果に加え、構成が簡単であり、構造的に堅固
で物性的にも安定しており、取扱いに便利である。

請求項３の構成によれば、２種の透明体から成る薄膜を
スパッタリング法により交互に堆積させ、該堆積された
ものを所定形状に成形することを特徴とするので、請求
項２の偏光分離素子を通常の手法を用いて安価に製造で
きる。

請求項４の構成によれば、一方の透明体は、長さ方向が
一定の方向に揃い、かつ、前記他方の透明体内に離散的
に配列された多数の柱状体から成り、該多柱状体の長さ
方向を光学的主軸とすることを特徴とするので、請求項
１の効果に加え、構成が簡単であり、構造的に堅固で物
性的にも安定したものとなり、取扱いに便利である。

請求項５の構成によれば、一方の透明体は気泡又は前記
他方の透明体とは屈折率の異なる透明物質であり、前記
他方の透明体はガラス又は透明プラスチックであること
を特徴とするので、請求項４の安価な材料により容易に
製造できる。

請求項６の構成によれば、多数の気泡又は透明ガラス若
しくは透明プラスチックと屈折率の異なる透明物質が離
散的に混在されたガラス又は透明プラスチックを加熱し
、各気泡又は該透明ガラス若しくは透明プラスチックと
屈折率の異なる透明物質が一定の方向に長く形成される
ように前記ガラスまたは透明プラスチックを延伸して成
形することを特徴とするので、請求項５の偏光分離素子
を通常の手法を用いて容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る偏光分離素子の第１実施例の外
観構成を示す斜視図、第２図は、常光線と異常光線につ
いての夫々の屈折率の変化を、占積率（水素入りアモル
ファスシリコンが石英中に占める割合）に対して示した
グラフ。第３図は、第１実施例に係る偏光分離素子及び
従来の偏光分離素子の各偏光分離角の変化を光学的主軸
に対する入射光の傾斜角に対して示したグラフ、第４図
は、本発明に係る偏光分離素子の第２実施例の外観構成
を示す斜視図、第５図は、常光線と異常光線についての
夫々の屈折率の変化を、占積率（空気がガラス中に占め
る割合）に対して示したグラフ、第６図は、第２実施例
に係る偏光分離素子の偏光分離角の変化を光学的主軸に
対する入射光の傾斜角に対して示したグラフである。 （符号の説明） １・・・透明薄膜（一方の透明体）、２・・・透明薄膜
（他方の透明体）、３・・・長細体（一方の透明体）４
・・・母体（他方の透明体）。 第１図 第２図 −一會Ｓａ ｗＫ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　転０（超
）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）屈折率の異なる２種の透明体から成り、該両透明
   体を幾何学的に一定の方位を有するよう一体的に成形し
   、前記一定の方位に対して光学的に一義的に決まる方向
   を光学的主軸としたことを特徴とする偏光分離素子。
2. （２）前記２種の透明体は、夫々薄膜により形成される
   と共に交互に積層され、その積層面に垂直な方向を光学
   的主軸とすることを特徴とする請求項１記載の偏光分離
   素子。
3. （３）２種の透明体から成る薄膜をスパッタリング法、
   化学的気相成長法、又はプラズマ化学気相成長法により
   交互に堆積させ、該堆積されたものを所定形状に成形す
   ることを特徴とする請求項２の偏光分離素子の製造方法
   。
4. （４）前記一方の透明体は、長さ方向が一定の方向に揃
   い、かつ、前記他方の透明体内に離散的に配列された多
   数の長細体であり、各長細体の長手方向を光学的主軸と
   することを特徴とする請求項１記載の偏光分離素子。
5. （５）前記一方の透明体は気泡又は前記他方の透明体と
   は屈折率の異なる透明物質であり、前記他方の透明体は
   透明ガラス又は透明プラスチックであることを特徴とす
   る請求項４記載の偏光分離素子。
6. （６）透明ガラス又は透明プラスチックを加熱し、該透
   明ガラス又は透明プラスチック内に離散的に混在する各
   気泡又は該透明ガラス若しくは透明プラスチックと屈折
   率の異なる透明物質が夫々一定の方向に長く延在するよ
   うに前記透明ガラス又は透明プラスチックを延伸して成
   形することを特徴とする請求項５の偏光分離素子の製造
   方法。