JPH0743530A

JPH0743530A - 偏光素子

Info

Publication number: JPH0743530A
Application number: JP9097794A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Hirose; 友幸広瀬
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1993-05-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1995-02-14
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: JP3472338B2

Abstract

(57)【要約】【目的】安価で、吸収波長の制御性、入出射面の大面積
化が図れる偏光素子の提供を目的にする。【構成】誘電体媒質基板１に長軸方向を一様に揃えて形
成した複数の複素誘電体充填用孔２に、複素誘電体３を
充填し構造の偏光素子である。【効果】所望の波長域での偏光素子を作製できる。入出
射面の大面積化が可能となる。無駄がなく、安価であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバ通信などの光
アイソレータや光スイッチを構成する偏光素子に関し、
特に広い面積で吸収波長の制御性に優れた偏光素子に関
する。

【０００２】

【従来技術】従来の偏光素子としては、誘電体媒質中に
複素誘電体を分散させ、その誘電体媒質基板を加熱しな
がら一方向に引っ張ることにより、複素誘電体の形状を
制御し、所望の波長域での限定された偏光面振動方位の
直線偏光を吸収させる吸収型偏光素子や、誘電体膜と複
素誘電体膜を積層させ複素誘電体膜による損失によって
偏光を得る偏光素子が報告されている。

【０００３】また、光ファイバ間に使用される偏光無依
存タイプの光アイソレータで吸収型偏光素子を用いた光
アイソレータが報告されている。偏光無依存タイプの光
アイソレータは、順方向では複屈折結晶で２つの直交す
る直線偏光に分離した信号光を複屈折結晶で合成してレ
ンズを介して光ファイバへ伝搬する。逆方向では複屈折
結晶により分離された戻り光は複屈折結晶により更に分
離されるため、光ファイバに入射せず光アイソレータの
機能を果たす。吸収型偏光素子を用いた光アイソレータ
は複屈折結晶で分離された２本の戻り光を吸収するよう
に戻り光光路に吸収型複合偏光素子が配置されている。
２本の戻り光は互いに偏光面が直交している直線偏光で
あるために、戻り光光路上に配置される吸収型複合偏光
素子は吸収方位を直交させて２つの偏光素子同士の端縁
を接合して形成している。

【０００４】この光アイソレータを吸収型偏光素子を使
用しない偏光無依存タイプの光アイソレータと比較する
と、戻り光を吸収型偏光素子で吸収し、かつ吸収型偏光
素子を通過した戻り光を入射側レンズに結合しないよう
分離するため、アイソレーション特性が向上している。

【０００５】直交した吸収方位を持つ吸収型複合偏光素
子の作製方法は２枚の四角形の吸収型偏光素子を吸収方
位が直交するように重ね合わせて接合した後に切断す
る。切断後、接合部を取り除き、重ね合わせた２枚の吸
収型偏光素子の切断面（端縁）を互いに貼り合わせるこ
とにより、吸収型複合偏光素子が作製できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、誘電体
媒質中に複素誘電体を分散させ、その誘電体媒質基板を
加熱しながら一方向に引っ張る偏光素子の作製方法で
は、誘電体媒質基板全体に分散している複素誘電体の形
状を均一に制御することは困難であるため、誘電体媒質
基板から取得できる所望の波長域に対応した偏光素子は
少なく高価格となっている。

【０００７】誘電体膜と複素誘電体膜の積層による偏光
素子では、入出射光は積層する厚み方向である平面を通
過することにより偏光機能を果たすが、積層数に限界が
あるため入出射面の大面積化が困難であった。

【０００８】また、吸収型複合偏光素子では、吸収方位が一方向の吸収型偏光素子を２枚貼り合わせ
て作製するために作製工数が多くなる。

【０００９】組立時において吸収型偏光素子のアライ
メントずれが生じる。

【００１０】接着剤等で貼り合わせて固定するため、
貼り合わせ部からの剥離が生じる可能性がある。

【００１１】といった問題があった。

【００１２】本発明の目的は上述の点に鑑みてなされた
ものであり、安価で、吸収波長の制御性に優れ、入出射
面の大面積化が図れる偏光素子を提供するものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに本発明は、誘電体媒質基板に、電子ビーム加工法等
により一様な方向でかつ、長方型形状や楕円型形状の所
望の微細孔（長軸の長さＬが数百ナノメートル程度、こ
の長軸に直交する短軸の長さＳが数十ナノメートル程度
で、その比Ｓ／Ｌが一様）を多数稠密状に形成し、その
孔に蒸着、スパッタリング等により複素誘電体を充填し
た偏光素子である。

【００１４】

【作用】複素誘電体球中には伝導電子があり、この伝導
電子が、多数の正イオンを互いに結び付ける役割をす
る。一つの伝導電子を、隣合う二個の正イオンがひっぱ
って、離さなければ、間接的に二個の正イオンが結合し
たことになる。この電子は複素誘電体球中を動きまわっ
ている。電場が作用していないときの複素誘電体球は、
静止したイオンの球と静止した伝導電子の球が重なって
いて電気的に中性な混合物である。このような複素誘電
体球に、どこでも同じ大きさと向きをもつ一様な電場が
加わると、これら静止していた伝導電子は電場から力を
受けて、電場の向きとは反対向きに動き出す。イオンの
方は静止したままと考える。一様な電場のもとでは、複
素誘電体球中どこにいる電子も同じだけ移動するから、
電子は球の形を保ったまま、電場と反対向きに移動す
る。その結果、イオンの作っている球と伝導電子の作っ
ている球とは中心がずれ、伝導電子のみ存在する部分
と、取り残されイオンのみ存在する部分ができる。そう
して、球の表面には負に帯電した部分と正に帯電した部
分が生じ、誘導電荷ができる。ここで今の場合電場は毎
秒１０¹⁵回も向きを変えるから、この電子の球も上へ動
いたり下へ動いたり、１０¹⁵回も上下する。このよう
にして入射光が複素誘電体球の所を通過するとその振動
電場によって伝導電子が揺さぶられる。入射光が複素誘
電体球に当たり続けているとき、伝導電子は一方で振動
電場によって揺さぶられ、他方では電気抵抗によって止
められようとして、最終的に平衡の成り立つ振幅で振動
し続ける。このとき、電気抵抗を受けながら振動する電
子はジュール損失によって熱を放出している。そのまま
では振動のエネルギーは熱に振動が衰えていくが、入射
光の方から絶えず振動のエネルギーが供給されるため、
振動は続く。入射光のエネルギーは一部が伝導電子の振
動エネルギーに変わり、それは次にジュール熱として放
出される。入射光のエネルギーが伝導電子に伝えられる
結果、複素誘電体球を通過した後の入射光のエネルギー
は複素誘電体球に当たる前と比較して減少している。複
素誘電体球の所を通過する事により入射光は弱くなる
が、全ての波長の入射光が同じ割合で弱くなるわけでは
ないため、全ての波長で同じ強さをもつ入射光が複素誘
電体球に当たった場合、伝導電子の振幅を大きくする波
長の入射光ほど多くのエネルギーを失う。つまり、伝導
電子のプラズマ振動と共振を起こす波長をもつ入射光が
いちばんエネルギーを失う。色々な波長の入射光、言い
換えると、色々な振動数の入射光が複素誘電体球に当た
ったとき、プラズマ振動数と等しい振動数の入射光がい
ちばんエネルギーを失い、減衰が激しくなる。また、プ
ラズマ振動数が等しくなくても、振動数がそれに近いと
きは大きなエネルギーの減少が起こる。

【００１５】上述の複素誘電体球に生ずる現象は複素誘
電体が特有の形状（例えば楕円体形、円柱体形、直方体
形）をもつ場合でも同様に起こる。そのとき複素誘電体
の形状により独特の分極が生じるため、例えば長軸方向
と短軸方向を有する複素誘電体では長軸方向と短軸方向
でそれぞれ異なる特定の波長をもつ入射光に対して共鳴
振動を起こし、各方向で光の共鳴吸収が生ずる。このと
き、長軸長さと短軸長さを有する複素誘電体に対し、入
射する入射光の長軸方向の偏光成分と短軸方向の偏光成
分の吸収量が異なる事に起因して偏光素子としての機能
を有する事ができる。

【００１６】

【実施例】図１に本発明偏光素子の第１実施例の斜視図
を示す。この偏光素子は誘電体媒質基板１中に作製した
複素誘電体充填用孔２に、複素誘電体３を充填する事に
より作製できる。

【００１７】図２に第１実施例の作製方法例を示す。同
図（ａ）は平行平板状の誘電体媒質基板１で、同図
（ｂ）でこの誘電体媒質基板１に電子ビーム加工法等に
より複素誘電体充填用孔２を作製し、同図（ｃ）でこの
複素誘電体充填用孔２に蒸着、もしくはスパッタリング
によって複素誘電体３を積層充填し、さらに、複素誘電
体充填用孔２からはみ出している積層面をカット・研磨
して、同図（ｄ）のように所望の厚さの偏光素子を作製
する。ここで、偏光素子の入出射端面からの反射光を除
去するための偏光素子の入出射端面に反射防止膜を施す
ことや、カット・研磨の際に入出射面に傾斜角度を施す
ことは当然である。

【００１８】上述のように、吸収する光の偏光特性は複
素誘電体の形状に依存する。

【００１９】ここで、複素誘電体充填用孔２の形状は、
仮に孔の縦横比が同じであると偏光成分の吸収量が縦方
向と横方向で等しくなってしまうために偏光素子として
作用しない。したがって、円や正方形の孔で偏光素子を
構成できない。そのため図３のように、複素誘電体充填
用孔２の形状は長軸（Ｘ軸成分）長さＬ、短軸（Ｙ軸成
分）長さＳを有して、その比０＜（Ｓ／Ｌ）＜１、にな
る形状でなければ偏光特性は得られない。したがって、
複素誘電体充填用孔２の形状は同図のように長方形ある
いは楕円形となる。なお、誘電体媒質基板１に作製する
全ての複素誘電体充填用孔２は上述の比（Ｓ／Ｌ）が等
しくかつ長軸方向が同一方向を向くように作製して、複
素誘電体を介在させたとき各孔の偏光特性が同一になる
ように作製する。また、複素誘電体充填用孔２の配列
は、上述の条件を満たしていれば同図のように一様に整
列させずにランダムに配列しても構わない。

【００２０】このように本偏光素子は複素誘電体充填用
孔２の形状を変化させることにより、所望の波長で吸収
する偏光素子の作製が可能になる。

【００２１】また、図４（ａ）は第１実施例での誘電体
基板１の両面（入出射面）間で複素誘電体充填用孔２の
長軸と短軸の比が等しい場合を示すが、他の実施例で第
２実施例を示す同図（ｂ）のように入出射面間で、長軸
と短軸の比を一様に変化させることにより、吸収波長の
帯域を広げることができる。

【００２２】図５は第１実施例に基づく本発明の偏光素
子の動作原理を示す。本発明偏光素子に２つの直交する
直線偏光が入射すると、複素誘電体２の長軸Ｘ方向の直
線偏光は吸収され、短軸Ｙ方向の直線偏光は通過するこ
とによって偏光方向に吸収量の差が生じる。そのため偏
光素子としての機能を果たす。

【００２３】図６に本発明偏光素子の第３実施例の斜視
図を示す。この実施例は吸収型複合偏光子であって誘電
体媒質基板１中に作製した各領域（第１領域４、第２領
域５）で直交した配向性を持つ複素誘電体充填用孔２
に、複素誘電体３を充填する事により作製できる。

【００２４】図７に電子ビーム加工等を用いた第３実施
例の作製方法を示す。同図（ａ）は平行平板状の誘電体
媒質基板１で、同図（ｂ）でこの誘電体基板１に電子ビ
ーム加工等により各領域（第１領域４、第２領域５）で
直交した配向性を持つ複素誘電体充填用孔２を作製し、
同図（ｃ）でこの複素誘電体充填用孔２を蒸着、もしく
はスパッタリングによって複素誘電体充填用孔２に積層
充填し、さらに、複素誘電体充填用孔２からはみ出して
いる積層面をカット・研磨して同図（ｄ）ように所望の
厚さの偏光素子を作製する。ここで、偏光素子の入出射
端面からの反射光を除去するために偏光素子の入出射端
面に反射防止膜を施す事や、カット・研磨の際に入出射
面に傾角を施す事は当然である。同図（ｂ）では、一方
の領域に複素誘電体充填用孔２を作製した後、誘電体媒
質基板１を９０°回転させて他方の領域に同様の複素誘
電体充填用孔２を作製している。

【００２５】上述のように吸収する光の偏光特性は複素
誘電体の形状に依存する。ここで、複素誘電体充填用孔
２の形状は、仮に孔の縦横比が同じであると偏光成分の
吸収量が縦方向と横方向とで等しくなってしまうために
偏光素子として作用しない。したがって、円や正方形の
孔では偏光素子を構成できない。そのため、第３実施例
に基づく図８の第１領域４において長軸（Ｙ成分）長さ
をＬ、短軸（Ｘ軸成分）長さをＳを有して、その比０＜
（Ｓ／Ｌ）＜１、になる形状でなければ偏光特性は得ら
れない。したがって、複素誘電体充填用孔２の形状は同
図のように、楕円形あるいは長方型となる。なお、誘電
体基板１に作製する全ての複素誘電体充填用孔２は上述
の比（Ｓ／Ｌ）が等しくかつ長軸方向が同一方向を向く
ように作製して、複素誘電体を介在させたとき各孔の偏
光特性が同一になるように作製する。また、複素誘電体
充填用孔２の配列は上述の条件を満たしていれば同図の
ように一様に整列させずにランダムに配列しても構わな
い。

【００２６】このように本偏光素子は複素誘電体充填用
孔の形状を変化させる事により、所望の波長で吸収する
偏光素子の作製が可能となる。

【００２７】図９はフォトリソグラフィの手法を用いた
本発明偏光素子の第４実施例の作製方法を示す。本実施
例は吸収型複合偏光素子に関する。同図（ａ）は平行平
板状の誘電体媒質基板１で、同図（ｂ）でこの誘電体基
板１にホログラム干渉でフォトレジストをパターニング
し、これをマスクにイオンミリングを行い、両領域（第
１領域４、第２領域５）で直交した配向性を持つ稠密状
の長方型の複素誘電体充填用孔２を作製し、同図（ｃ）
でこの複素誘電体充填用孔２を蒸着、もしくはスパッタ
リングによって複素誘電体充填用孔２に積層充填し、さ
らに、複素誘電体充填用孔２からはみ出している積層面
をカット・研磨して同図（ｄ）ように所望の厚さの偏光
素子を作製する。ここで、偏光素子の入出射端面からの
反射光を除去するために偏光素子の入出射端面に反射防
止膜を施す事や、カット・研磨の際に入出射面に傾角を
施すことは当然である。

【００２８】図１０は複素誘電体充填用孔が４つの領域
で直交した配向性を有するときの吸収型複合偏光素子の
応用例である。同図（ａ）は第３実施例の応用例を示す
第５実施例で電子ビーム加工等で作製した吸収型複合偏
光素子、同図（ｂ）は第１実施例、第２実施例、第４実
施例それぞれの応用例を示す第６実施例で、フォトリソ
グラフィで作製した吸収型複合偏光素子である。

【００２９】図１１は図６の第３実施例に基づく吸収型
複合偏光素子の動作原理を示す。本発明偏光素子の第１
領域４、第２領域５に２つの直交する直線偏光が入射す
ると、第１領域４では複素誘電体３の長軸Ｙ方向の直線
偏光は吸収され、短軸方向Ｘの直線偏光は通過し、第２
領域５では複素誘電体３の長軸Ｘ方向の直線偏光は吸収
され、短軸Ｙ方向の直線偏光は通過することによって、
偏光方向に吸収量の差が生じる。そのため偏光素子とし
ての機能を果たす。複屈折結晶で直交する偏光成分を分
離して合成する偏光無依存タイプの光アイソレータに本
発明の吸収型複合偏光素子を用いることにより、アイソ
レーション特性の優れた光アイソレータを安価に実現す
ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、誘電体媒
質基板に施す複素誘電体充填用孔の形状を制御すること
で、容易に所望の波長域での偏光素子を作製できる。

【００３１】複素誘電体が充填している面に光が入出射
するため、入出射面の大面積化が可能となる。

【００３２】誘電体基板全てが偏光素子としての機能を
有するため、無駄がなく、安価である。

【００３３】吸収方位が１方向の吸収型偏光子を２枚貼
り合わせて作製した吸収型複合偏光素子と比較して、直
交する２つの吸収方位を誘電体媒質基板１枚の相対する
一対の端面領域に各々設けることにより、作製工数が少
なく、組立時のアライメントずれを低減でき、また、接
着剤等を用いない一体成形であるために信頼性に優れて
いる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明偏光素子の第１実施例を示す斜視図。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は電子ビーム加工法を用いた第
１実施例の作製方法例を示す工程図。

【図３】第１実施例に基づく複素誘電体充填用孔の長軸
方向、短軸方向の設定原理図。

【図４】本発明偏光素子の複素誘電体充填用孔の形状を
示す斜視図で、（ａ）は第１実施例に基づく長軸と短軸
の比が両端面で等しい複素誘電体充填用孔の形状を示す
斜視図、（ｂ）は第２実施例を示し長軸と短軸の比が両
端面で異なり吸収波長の広帯域化を図る場合の複素誘電
体充填用孔の形状を示す斜視図。

【図５】本発明偏光素子の第１実施例に基づく動作原理
図。

【図６】本発明偏光素子の第３実施例を示す斜視図。

【図７】（ａ）〜（ｄ）は電子ビーム加工法を用いた第
３実施例の作製方法例を示す工程図。

【図８】第３実施例に基づく複素誘電体充填用孔の長軸
方向、短軸方向の設定原理図。

【図９】（ａ）〜（ｄ）はフォトリアソグラフィの手法
を用いた本発明偏光素子の第４実施例を示す作製方法例
の工程図。

【図１０】（ａ）は第３実施例の応用例を示す第５実施
例の斜視図、（ｂ）はは第１、第３、第４実施例の応用
例を示す第６実施例の斜視図。

【図１１】本発明偏光素子の第３実施例に基づく動作原
理図。

【符号の説明】

１：誘電体媒質基板２：複素誘電体充填用孔３：複素誘電体４：第１領域５：第２領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体媒質基板の全面あるいは所定領域に
稠密状に形成された、長軸の長さＬと該長軸に直交する
短軸の長さＳの比Ｓ／Ｌ（＜１）が等しく、かつ長軸方
向を一様にされた長方型形状あるいは楕円型形状を有す
る多数の微細孔に、複素誘電体が充填されて成ることを
特徴とする偏光素子。
【請求項２】前記微細孔は、前記比Ｓ／Ｌ（＜１）が誘
電体媒質基板内部で一様に変化するように形成されたこ
とを特徴とする請求項１記載の偏光素子。
【請求項３】前記誘電体媒質基板が所定領域を複数有
し、隣合う領域同士で前記微細孔の向きを直交させて成
ることを特徴とする請求項１記載の偏光素子。