JPH04256904A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に光通信や光センサ
分野で使用される光波回路素子であり、特に光の波長が
可視領域から近赤外領域で特性が優れた偏光素子に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】偏光素子は、ある特定の偏光のみを透過
させる素子である。光通信、光情報処理、あるいは光セ
ンシングの分野では、小型で、消光比が高く、使用波長
範囲が広く、耐環境性に優れ、量産性にも優れた偏光素
子が要求されている。現在知られている可視あるいは近
赤外領域の偏光素子としては、次に挙げる５種がある。 （１）方解石などの屈折率異方性をもつ結晶をプリズム
状に加工したもの。（２）ＰＢＳと呼ばれる偏光ビーム
スプリッタ。（３）ポラロイド板と呼ばれる樹脂製の偏
光板。（４）ポーラコアと呼ばれるガラス製偏光板。 （５）第１図に示すような、透明体の薄膜１と複素誘電
率をもつ材料の薄膜２との交互多層膜から成るラミポー
ルと呼ばれる多層構造偏光素子（川上、土屋；”光偏光
回路素子”特許公報昭６１−１６９６１）。

【０００３】これら従来の偏光素子には、それぞれ次の
ような問題がある。（１）の偏光素子では、結晶の加工
が難しく量産性に欠け、また方解石は天然のものを利用
するため高価になる。組成に起因して耐環境特性が悪い
。小型化できない。（２）のＰＢＳでは、消光比が３０
ｄＢ程度と低い。小型化できない。（３）の偏光板では
、樹脂を使用しているため、耐環境特性が悪く、また消
光比も２０ｄＢ程度と低い。（４）のポーラコアは、使
用波長範囲が６０ｎｍと狭く、使用波長の僅かな変化に
対応できない。また、波長０．７μｍ以下のものが出来
ていない。また消光比が４０ｄＢ以上のものを作る時の
再現性に乏しく、特性の良いものは高価である。一方、
（５）の多層構造偏光素子は適当な光学材料の組合せに
より、種々の特性をもたせることができる。電界が層に
垂直に偏光した光（以下ＴＭ波と呼ぶ）の透過損失が小
さく、電界が層に平行に偏光した光（以下ＴＥ波と呼ぶ
）の透過損失が大きい特徴を有している。尚、ＴＥ波と
ＴＭ波の透過光強度の比が消光比になる。多層構造偏光
素子は、一般に薄膜層２の光学アドミッタンスの絶対値
は大きいほど特性が良い。ここで光学アドミッタンスＹ
は、ωを光の角周波数、ε０を真空の誘電率、εｒを比
誘電率（複素数）、ｊを虚数単位とすれば数式１によっ
て定義される。

【数１】 現在、光学アドミッタンスの絶対値が大きな材料として
金属のアルミニウム、透明体薄膜として石英を用いたも
のが作製され、その特性は波長が１μｍ以上（以下、長
波長領域と呼ぶ）に限れば、先に挙げた偏光素子に要求
される条件のほぼ全てを満たすことができる。しかし、
１μｍ以下の波長領域（以下、短波長領域と呼ぶ）では
波長が短くなるに従い消光比が劣化する問題があった。 第２図は厚さ６ｎｍのアルミニウム層と厚さ１μｍの石
英層から成る多層構造偏光素子のＴＥ波とＴＭ波に対す
る減衰定数の波長特性である。波長が短くなるにつれて
ＴＭ波の損失が大きく、同時にＴＥ波の損失が小さくな
り、消光比が劣化してくる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】透明体層とアルミウム
などの金属層で構成した多層構造偏光素子では短波長領
域で消光比が劣化する欠点があった。本発明は、短波長
領域で高い消光比を有し、耐環境性に優れ、小型で量産
性に優れた多層構造偏光素子を提供するのが目的である
。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目標を達成するには
複素屈折率をもつ薄膜層２の光学的性質が短波長領域で
も赤外領域と同じように光学アドミッタンスの絶対値が
非常に大きい材料を見い出すか、あるいは光学アドミッ
タンスの絶対値はある程度小さくてもその実部と虚部が
ともに正の特性をもち、短波長領域ほど効率的にＴＥ波
を吸収できる材料を用いることが必要である。

【０００６】現在、その光学定数が知られている単体金
属では短波長領域で光学アドミッタンスの絶対値が小さ
くなる。第３図はアルミニウムの光学アドミッタンスで
ある。同図中の数値は波長をμｍ単位で表している。波
長が短くなるにつれ、光学アドミッタンスの絶対値が小
さくなってくる。このため、第２図に示したように短波
長領域で多層構造偏光素子の消光比が劣化してくる。し
たがって、短波長領域では薄膜層２として金属を用いる
のは望ましくない。半導体など、光学アドミッタンスの
実部と虚部がともに正の特性をもつ材料を用いるのが有
効である。本発明の構成例を、第４図に示す。透明体層
１とゲルマニウムやシリコンなど光学アドミッタンスの
実部と虚部がともに正の薄膜層３との交互多層膜より成
る。第５図に示すように、ゲルマニウムの光学アドミッ
タンスの実部と虚部はともに正の性質がある。同図中の
数値は波長をμｍ単位で表している。アルミニウムなど
の金属の場合と異なり、波長が短くなるにつれて光学ア
ドミッタンスの絶対値が大きくなる性質もある。第６図
は薄膜層３に厚さ１０ｎｍのゲルマニウム、透明体層１
に厚さ０．５μｍの石英を用いた多層構造偏光素子の波
長０．８μｍにおけるＴＥ波の電界強度分布を示してい
る。薄膜層３すなわちゲルマニウム層で電界強度が大き
く、この層が高効率でＴＥ波を吸収する。これに対し、
第１図の薄膜層２に厚さ１０ｎｍのアルミニウム、透明
体層１に厚さ０．５μｍの石英を用いた多層構造偏光素
子の波長０．８μｍにおけるＴＥ波の電界強度分布を示
したのが第７図である。薄膜層２すなわちアルミニウム
層での電界強度が小さく、また光学アドミッタンスの絶
対値が長波長領域ほど大きくないため、ＴＥ波の吸収効
率が低い。以上のように、薄膜層３に半導体など、光学
アドミッタンスの実部と虚部がともに正の特性をもつ材
料を用いることによって、短波長領域でもＴＥ波に対し
て大きな透過損失を有することができる。

【０００７】

【作用】前項の手段によって多層構造偏光素子を構成す
れば、短波長領域で消光比が大きい偏光素子になる。第
８図に厚さ６ｎｍのゲルマニウム層と厚さ１μｍの石英
層から成る多層構造偏光素子のＴＥ波、ＴＭ波の波長特
性を示す。波長が短くなるにつれて消光比が向上してく
る。

【０００８】

【実施例】本発明の偏光子の基本的な実施例は第４図で
あり、光学アドミッタンスの実部と虚部が共に正の薄膜
層３として半導体薄膜を用いたものである。全体として
薄板状に形成されており、２種の材料の薄膜１、３を交
互に多数積層して成る。前記薄膜１は石英で形成され、
前記薄膜３はゲルマニウムあるいはシリコンなどの半導
体で形成されている。ここで、半導体は単体あるいは水
素化物やさらに複数の物質の混合体でよく、またその状
態は結晶や非晶質体が考えられる。前記薄膜３の厚みは
使用する光の波長に比べて薄くなるように設定されてい
る。本実施例の偏光素子は第４図に示すｘ方向について
は構造的に一様であり、光の入射方向はｚ方向である。

【０００９】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
石英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０．１μｍ以上のある厚さ、例えば１μｍの
厚みで石英基板上に形成し、続いて、高周波スパッタリ
ング法によりゲルマニウムをターゲットとしてアルゴン
の雰囲気中でゲルマニウムの薄膜を石英層より十分小さ
な厚さ、例えば８ｎｍの厚みで形成し、以下両薄膜を交
互に堆積（例えば１００周期）させる。この堆積により
得られた積層体を薄板状に切り出したのち、たとえば１
０μｍの厚みに研磨する。

【００１０】第９図は本発明の他の実施例である。石英
などの透明基板４の表面に細長状の微小な凹凸が形成さ
れており、その凹凸の側面にゲルマニウム又はシリコン
の薄膜３が形成されている。光はｚ方向に入射する。こ
の周期構造部分は、光学的には第４図の多層構造偏光素
子と同じ偏光特性をもつ。かかる構成のものを作製する
には第１０図に示すような工程を踏む。まず、石英基板
の表面に微細加工技術により、細長状の微小な凹凸を形
成する。つぎに、高周波スパッタリングにより凹凸の全
面にゲルマニウムあるいはシリコンの薄膜３を堆積させ
る。しかるのち、イオンビームエッチングにより凹凸の
側面に堆積しているゲルマニウムあるいはシリコンの薄
膜３を残して上面と底面のゲルマニウムあるいはシリコ
ンを除去する。必要により、回折の効果を抑えるため、
基板４とほぼ同じ屈折率を有する透明体５を凹凸表面に
固着させれば出来上がる。これにより偏光子の製造に要
する時間が大幅に短縮されるほか、広い開口面をもつ多
層構造偏光素子を容易に製造することができる。

【００１１】

【発明の効果】以上のように、本発明によればこれまで
消光比が大きい偏光素子が入手できなかった短波長領域
において、消光比が大きく、小型、安定で量産性にすぐ
れた偏光素子の多層構造偏光素子が提供できる。

【００１２】また、本発明によれば透明体層１を厚くし
ても消光比が劣化しないという大きな効果がある。第１
１図は石英とアルミニウム（一層あたり６ｎｍ厚）を用
いた多層構造偏光素子および石英とゲルマニウム（一層
あたり８ｎｍ厚）を用いた多層構造偏光素子の石英層一
層あたりの厚さに対する性能指数を、それぞれＳａおよ
びＳｇで示している。ここで性能指数とは、ＴＥ波の減
衰定数をＴＭ波の減衰定数で除したもので定義しており
、この値が大きいほど偏光子としての特性が良い。石英
とアルミニウムを用いた多層構造偏光素子では石英層を
厚くするにしたがい性能指数が低下するため石英層をあ
まり厚くできない。このため、例えば、石英とアルミニ
ウムを一層一層交互に積層しながら多層構造偏光素子を
製造する場合には極めて多数回の繰り返しが必要になり
、製造に時間がかかる。一方、石英とゲルマニウムを用
いた多層構造偏光素子では石英層を厚くしても性能指数
が低下しないため、石英層厚を厚くして積層の繰り返し
数を減らすことが可能となり、製造が高効率的になる。

【００１３】さらに、本発明は次の効果もある。アルミ
ニウムを用いた多層構造偏光素子を作製する際には、ア
ルミニウムが非常に酸化し易い金属であるため、製造装
置は大がかりで高価なものが必要になる。しかし、本発
明で使用する、たとえばゲルマニウムはアルミニウムと
比較して酸化しにくいため、製造装置が簡単になり、よ
り安価な偏光子が提供できる。

【００１４】このようにして、本発明のラミポールは、
透明体と金属から成る多層構造偏光素子と同様な形状で
はあるが、その構成材料に起因した大きな違いがある。 重要な点は、短波長領域での特性が優れていることに加
え、実施例で示したように、広い開口面をもつ偏光子を
容易に製造できるという大きな効果が生じることである
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を使用しない多層構造偏光素子を示す斜
視図である。

【図２】本発明を使用しない多層構造偏光素子の性能を
示す説明図である。

【図３】アルミニウムの光学特性を示す説明図である。

【図４】本発明を使用した多層構造偏光素子を示す斜視
図である。

【図５】本発明で使用するゲルマニウムの光学特性を示
す説明図である。

【図６】本発明を使用した多層構造偏光素子のＴＥ波の
電界強度分布を示す説明図である。

【図７】本発明を使用しない多層構造偏光素子のＴＥ波
の電界強度分布を示す説明図である。

【図８】本発明の効果を示した説明図である。

【図９】本発明のひとつの実施例を示す斜視図。

【図１０】本発明のひとつの実施例の製造過程を示した
説明図。

【図１１】本発明のひとつの効果を示した説明図である
。

【符号の説明】

１　　　　透明薄膜 ２　　　　光学アドミッタンスの絶対値が大きな材料の
薄膜３　　　　光学アドミッタンスの実部と虚部がとも
に正の材料の薄膜 ４　　　　透明基板 ５　　　　透明体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　透明体の薄膜層と、光学アドミッタン
   スの実部と虚部がともに正の光学特性をもつ材料の薄膜
   層との多層構造から成ることを特徴とする偏光素子。
2. 【請求項２】　　光学アドミッタンスの実部と虚部がと
   もに正の光学特性をもつ材料として半導体を用いること
   を特徴とする請求項１の偏光素子。
3. 【請求項３】　　半導体としてゲルマニウムまたはシリ
   コンを用いた請求項２の偏光素子。
4. 【請求項４】　　基板上に、スパッタリング法により透
   明体の薄膜と光学アドミッタンスの実部と虚部がともに
   正の光学特性をもつ材料の薄膜を交互に堆積して積層体
   とする請求項１の偏光素子の製造方法。
5. 【請求項５】　　透明基板表面に形成した細長状の微小
   な凹凸の側面に、光学アドミッタンスの実部と虚部がと
   もに正の光学特性をもつ薄膜を堆積して多層構造とする
   請求項１の偏光素子の製造方法。