JPH11248936A

JPH11248936A - 高消光比偏光子

Info

Publication number: JPH11248936A
Application number: JP4702698A
Authority: JP
Inventors: Masato Shintani; 真人新谷
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】消光比が高く、しかも高出力のレーザーに対
する耐久性が高く、長期間安定的に使用可能な信頼性の
非常に優れた高消光比偏光子を提供すること。【解決手段】透光性を有する基板２の少なくとも一主
面上に、誘電体中に光学的異方性を有する金属粒子４ａ
が分散された誘電体層５を複数積層した偏光子１であっ
て、金属粒子４ａの個数密度が２〜３７個／μｍ²であ
り、且つ基板２及び誘電体層５の熱伝導率が１．０Ｗ／
（ｍＫ）以上であるものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘電体中に光学異
方性を有する金属粒子が分散された偏光子に関し、特に
レーザー光に対する耐久性を有し、消光比を４０ｄＢ以
上とすることが可能な高消光比偏光子に関する。

【０００２】

【従来技術とその課題】従来より、偏光子は特定の方向
に偏光した光を取り出すために用いるものであって、現
在、様々な構成の偏光子が研究されている。

【０００３】例えば、・複屈折性の結晶を組み合わせたグラントムソンプリズ
ムや複屈折性の大きいルチル結晶から成る偏光子、・二色性を有する高分子材料を偏光方向に延伸して作ら
れた偏光フィルム、・誘電体層と金属薄膜層とを交互に積層して形成された
積層型偏光子（ラミポール）、・硼珪酸ガラス中に銀コロイドを析出させて偏光方向に
延伸させた金属分散型偏光子（ポーラコア）、・島状金属粒子と誘電体膜とを交互に積層し、誘電体膜
中に島状金属粒子を分散させ偏光方向に延伸させた島状
金属薄膜型偏光子、などが挙げられる。

【０００４】これらの偏光子は、サングラス，液晶表示
用フィルター，写真用フィルター，スキー用ゴーグル，
自動車用ヘッドライトやディスプレ用防眩防止フィルタ
ーなどのほか、光ピックアップ，光センサー，光アイソ
レータに幅広く使用され、ここ数年では光記録および光
通信等の各分野で、小型で高性能および安価な偏光子の
必要性が高まってきている。

【０００５】特に、硼珪酸ガラス中に銀コロイドを析出
させて、偏光方向に延伸させた金属分散型偏光子のポー
ラコア（特公平２―４０６１９号公報，対応米国特許Ｕ
ＳＰ４，４８６，２１３、およびＵＳＰ４，４７９，８
１９等を参照）は、実用化されている偏光子の中では光
通信分野で最も利用されている偏光子の一つである。

【０００６】この偏光子は、銀とハロゲンとを有するガ
ラス素地を熱処理してハロゲン化銀の粒子を析出させ、
加熱下に延伸してハロゲン化銀粒子を回転楕円体状に引
き延ばす。この過程でハロゲン化銀粒子に異方性が生じ
る。次いで、還元雰囲気下で加熱し、ハロゲン化銀を金
属銀へ還元する。

【０００７】ところが、この偏光子では銀粒子のアスペ
クト比（粒子の異方性を表すものであり、粒子の長軸方
向の長さと短軸方向の長さの比）が、熱により変化して
不均一になりやすい。

【０００８】これは短軸方向や長軸方向の長さが均一な
銀粒子を析出させることが困難なためである。さらに、
ガラス内部までハロゲン化銀を還元することは困難なた
め、不透明な未還元のハロゲン化銀が残留する。また、
ハロゲン化銀の還元の過程でガラスが収縮することに伴
い、ガラス表面がポーラス状になりやすく長期安定性が
低下しやすい。

【０００９】そのため、高出力のレーザーに対する耐久
性が低く、長期間安定して使用することが困難であっ
た。従来の偏光子では熱伝導率が非常に低かったため、
光の入射に伴って金属粒子内に発生した熱が誘電体層外
に放出されにくく、透過光に対するレーザー損傷しきい
値は６Ｊ／ｃｍ²以下であり、レーザーに対する耐久性
がきわめて低かった。したがって、上述した製造方法に
よって得られた偏光子においては、光通信デバイス用の
偏光子としても、より満足できるの品質及び信頼性が得
られていなかった。

【００１０】そこで、本発明は消光比が高く、しかも高
出力のレーザーに対する耐久性が高く、長期間安定的に
使用可能な信頼性の非常に優れた高消光比偏光子を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述の問題点を解決する
ために、本発明の高消光比偏光子は、透光性を有する基
板の少なくとも一主面上に、誘電体中に光吸収異方性を
有する金属粒子が分散された誘電体層を複数積層した偏
光子であって、前記金属粒子の個数密度が２〜３７個／
μｍ²であり、且つ前記基板及び前記誘電体層の熱伝導
率が１．０Ｗ／（ｍＫ）以上であることを特徴とする。

【００１２】ここで、特に透光性を有する誘電体基板は
ガラス基板が最適であり、熱伝導率を高くすることでレ
ーザー光の入射に伴って金属粒子内に発生した熱を誘電
体層外に速やかに放出させることができ、レーザー光に
対する耐久性を飛躍的に向上させることができる。例え
ば、硼珪酸ガラス、石英ガラス等からなるものとすると
良い。また、金属粒子はＡｕ，Ａｇ，Ｐｔ等の貴金属元
素やＣｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＡｌおよびＷのうち少な
くとも一種からなるものとすると良い。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面に基づき詳細に説明する。図１に示すように、高消
光比偏光子（以下、偏光子ともいう）１は透光性を有す
る誘電体基板２の少なくとも一方の主面上に偏光層３を
設けたものであり、この偏光層３は誘電体基板２上に形
状異方性を有する（すなわち、光吸収異方性を有する）
金属粒子４ａが多数分散された島状金属薄膜層４と透光
性を有する誘電体層５とが交互に複数積層されてなるも
のである。なお、金属粒子４ａ間は誘電体層５の一部が
介在しており、島状金属薄膜層４と誘電体層５は層状を
なすが、誘電体層５中に金属粒子４ａが分散されてい
る。

【００１４】ここで、透光性を有するとは使用波長に対
して透明という意味である。また、金属粒子の個数密度
は基板面Ｓ方向における密度であって、少なくとも１個
の金属粒子４ａの長軸を含み、且つ基板面Ｓに平行な面
で切断した時に計測した密度である。基板２は例えば熱
伝導率が１．０Ｗ／（ｍＫ）以上のＢＫガラス（ＢＫと
は、ホーヤガラス社の商標名）やパイレックスガラス
（パイレックスとはコーニング・ガラス・インダストリ
ーの商標名）等のホウ珪酸ガラスを用い、これ以外にシ
リカガラス等の高融点の珪酸塩ガラスを用いても良い。
また、このようなガラス材料に代えて他の透明材料を用
いてもよいが、ガラス材料は安価で延伸が容易であるの
で好適に使用される。

【００１５】誘電体層５は基板２と同種の材料が好まし
く、例えば基板２にＢＫガラスを用いる場合には、誘電
体層５にもＢＫガラスを用い、熱伝導率が１．０Ｗ／
（ｍＫ）以上等の特性を一致させることが好ましい。

【００１６】金属粒子４ａにはＡｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｒ
ｈ，Ｉｒ等の貴金属元素やＣｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａ
ｌおよびＷ等の遷移金属から選択される一種以上の金属
であることが好ましく、基板２や誘電体層５との濡れ性
が悪く凝集しやすい金属でしかも酸化され難く、誘電体
層５中で金属粒子４ａとして存在し得るものが好まし
い。これらの内、特に好ましいものは、低融点なため凝
集が容易で、ガラスとの濡れが悪く、しかも酸化され難
いＡｕと、安価でガラスとの濡れ性が悪いＣｕである。
なお、金属粒子４ａは金属単体に限定されるものではな
く合金でもよい。金属粒子４ａは回転楕円体状で異方性
があり、図１（但し、光の進行方向をＺ方向とし、これ
に直交する平面をＸ−Ｙ平面とする）では、金属粒子４
ａの長軸方向がＸ方向で、短軸方向がＹ方向である。

【００１７】また、金属粒子４ａの長軸方向の長さと短
軸方向の長さの比をアスペクト比とし、ここでは多数の
金属粒子４ａのアスペクト比の平均値を単にアスペクト
比と呼ぶものとする。金属粒子４ａが回転楕円体状にな
るのは、基板２上に偏光層３の成膜後の延伸時に、基板
２とともに金属粒子４ａが延伸方向に引き延ばされるか
らである。そして、アスペクト比が大きいほど消光比が
増加するが、それと同時に基板２の延伸率が増加して延
伸が困難になり、しかも消光比の増加率がアスペクト比
の大きい領域で減少するため、偏光層３中の金属粒子４
ａのアスペクト比（長軸方向の長さ／短軸方向の長さ）
は３〜３０が適当であり、特に好ましくは１５〜２５で
ある。

【００１８】なお、消光比は所定波長において偏光して
いない入射光を用いた場合に、Ｘ方向の透過光とＹ方向
の透過光のエネルギーの比をデシベル単位で示したもの
とし、エネルギーの比が１０の時に１０ｄＢとする。一
方、挿入損失は所定波長において偏光していない入射光
を用いた場合に、入射光の全エネルギーとＹ方向の透過
光のエネルギーの比をデシベル単位で示したものとし、
エネルギーの比が０．１の時に０．１ｄＢとする。ま
た、金属粒子層４中の金属粒子４ａの個数密度は基板面
方向に２〜３７個／μｍ²とする。この理由は、個数密
度が２個／μｍ²より下回ると偏光子としての特性が出
にくくなり、例えば消光比が２０ｄＢより低くなるから
であり、特に消光比を４０ｄＢとする場合は２５〜３５
個／μｍ²とするのが最も好ましい。また、３７個／μ
ｍ²より上回ると金属粒子での吸収が大きく挿入損失が
１ｄＢより増大するからである。また、金属粒子同士が
近づき過ぎて挿入損失が増大したり、離れすぎて消光比
が得られなかったりしていた。各層に対して、ある層の
延伸後の金属粒子が同一の異方性を有し、かつ金属粒子
の間隔が短いと、粒子間相互作用により生じる吸収ピー
ク波長は間隔が長い場合より短波長側に生じる。また、
金属粒子４ａの短軸方向の長さが増加すると、透過すべ
きＹ方向の偏光に対する挿入損失が増加し、このことか
らもアスペクト比が３以上、より好ましくは１５以上で
短軸方向の長さが短く挿入損失を小さくすることが好ま
しい。金属粒子４ａの長軸方向の平均長さが増加する
と、Ｘ方向の吸収ピーク波長が増加し、光通信で用いる
波長（１．３μm 程度）に接近する。しかしながら、金
属粒子４ａのアスペクト比に製造上の制限があり、短軸
方向の長さの増加が挿入損失をもたらすことを加味する
と、長軸方向の長さにも制限が生じる。

【００１９】そこで、金属粒子４ａについての好ましい
条件は、アスペクト比が３〜３０、長軸方向の長さの平
均値が１００〜３００ｎｍ、短軸方向の長さの平均値が
１０〜５０ｎｍであり、より好ましくはアスペクト比が
１０〜３０、最も好ましくはアスペクト比が１５〜２５
である。図１の場合、Ｚ方向に入射した入射光Ｌ１は、
Ｘ方向の偏光成分が金属粒子４ａの自由電子との共鳴で
吸収され、Ｙ方向の偏光成分は透過率が高く、偏光した
出射光Ｌ２となる。また、Ｘ方向とＹ方向とでは吸収の
ピーク波長に差があり、Ｘ方向ではＹ方向よりも長波長
側に吸収のピークがある。そして、特に指摘しない場
合、消光比はＸ方向の吸収のピークが生じる波長で定め
る。

【００２０】上記偏光子１は例えば下記Ａの工程にＢ〜
Ｄの工程を複数回（高消光比を得る上で１０回以上が好
ましい）繰り返し行い、しかる後にガラス基板を加熱し
ながら延伸せしめ、金属粒子に光吸収異方性を具備させ
るようにしている。

【００２１】Ａ：熱伝導率が１．０Ｗ／（ｍＫ）以上の
ガラス基板を用意する工程、Ｂ：ガラス基板の上面に金属微粒子をスパッタリング等
の薄膜形成法により被着形成する工程、Ｃ：前記ガラス基板を軟化点より低い温度で加熱して、
金属微粒子を成長させて金属粒子層を形成させる工程、Ｄ：前記金属粒子層上にスパッタリング等の薄膜形成法
によりガラス基板と同一材質の誘電体層を形成させる工
程。

【００２２】このようにして得た偏光子は、光通信分野
で使用される光アイソレータ用として、高消光比（４０
ｄＢ以上）を実現しレーザー光に対する耐久性の優れた
ものとして好適に使用が可能である。

【００２３】

【実施例】以下発明の好ましい実施例についての詳細な
説明を行うことにする。

【００２４】〔実施例１〕支持体として熱伝導率が１．
２Ｗ／（ｍＫ）のＢＫ７ガラス基板を用い、基板上に誘
電体層として熱伝導率が１．２Ｗ／（ｍＫ）のＢＫ７ガ
ラス薄膜層を、金属層として銅（Ｃｕ）薄膜層を交互に
積層することでＣｕ−ＢＫ７ガラスの積層体を構成し
た。まずＢＫ７ガラス基板上にマグネトロンスパッタ成
膜法により真空度２．０×１０^-3ｔｏｒｒ、成膜速度１
０．６ｎｍ／ｓｅｃで膜厚３０ｎｍの第一層目の金属薄
膜層であるＣｕ薄膜層を形成し、そのＣｕ層の上部に真
空度２．０×１０^-3Ｔｏｒｒ、成膜速度０．２ｎｍ／ｓ
ｅｃで膜厚１５０ｎｍの第一層目の誘電体薄膜層である
ＢＫ７ガラス薄膜層を形成した。そのあと第二層目の金
属薄膜層であるＣｕ薄膜層を形成し、そのＣｕ層の上部
に第二層目のＢＫ７ガラス薄膜層を形成した。この一連
の工程を繰り返し、Ｃｕ層とＢＫ７ガラス層との交互層
（各１０層）からなる積層体を作製した。これをＢＫ７
ガラス基板の軟化点近傍の温度６３０℃で加熱し、延伸
を行い、島状金属粒子の形状に異方性を持たせ、同時に
粒子の配向化も行わせる（個数密度：約３０個／μ
ｍ²、平均アスペクト比約１６）。この結果、各Ｃｕ層
の島粒子が異方性をもち、その偏光特性が１３００ｎｍ
近傍の波長領域で得られ、消光比は４０ｄＢ以上であっ
た。レーザー耐久性を調べると、レーザー損傷しきい値
が７Ｊ／ｃｍ²以上で十分な耐久性を有していることが
判明した。

【００２５】〔実施例２〕支持体として熱伝導率が１．
４４Ｗ／（ｍＫ）の石英ガラス基板を用いた。基板上に
誘電体層として熱伝導率が１．４４Ｗ／（ｍＫ）の石英
ガラス薄膜層を、金属層として金（Ａｕ）薄膜層を交互
に積層することでＡｕ−石英ガラスの積層体を構成す
る。まず石英ガラス基板上にマグネトロンスパッタ成膜
法により真空度２．０×１０^-3Ｔｏｒｒ、成膜速度１
０．６ｎｍ／ｓｅｃで膜厚２０ｎｍの第一層目の金属薄
膜層であるＡｕ薄膜層を形成した。そのＡｕ層の上部に
真空度２．０×１０^-3Ｔｏｒｒ、成膜速度０．２ｎｍ／
ｓｅｃで膜厚１５０ｎｍの第一層目の誘電体薄膜層であ
る石英ガラス薄膜層を形成した。その後第二層目の金属
薄膜層であるＡｕ薄膜層を形成し、そのＡｕ層の上部に
第二層目の石英ガラス薄膜層を形成した。この一連の工
程を繰り返し、Ａｕ層と石英ガラス層との交互層（各１
０層）からなる積層体を作製する。これを石英ガラス基
板の軟化点近傍の温度１２００℃で加熱し延伸を行い、
島状金属粒子の形状に異方性を持たせ（個数密度：約３
０個／μｍ²、アスペクト比：約２０）、同時に粒子の
配向化も行わせる。この結果、各Ａｕ層の島粒子の異方
性をもち、偏光特性が１３００ｎｍ近傍の波長領域で得
られ、消光比４０ｄＢ以上を達成できた。レーザー耐久
性を調べたところ、レーザー損傷しきい値が１０Ｊ／ｃ
ｍ²以上で十分な耐久性を有していることが判明した。

【００２６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の偏光子に
よれば、誘電体層中に分散させる金属粒子の個数密度を
２〜３７個／μｍ²とし、基板及び誘電体層の熱伝導率
を１．０Ｗ／（ｍＫ）以上としたので、消光比を所定値
以上に維持することが可能となり、これにより透過させ
るレーザー光に対する耐久性を向上させることができ、
信頼性の優れた高消光比偏光子を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る高消光比偏光子の一実施形態を示
す斜視図である。

【符号の説明】

１：偏光子（高消光比偏光子）２：基板３：偏光層４：金属粒子層４ａ：金属粒子５：誘電体層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透光性を有する基板の少なくとも一主面
上に、誘電体中に光吸収異方性を有する金属粒子が分散
された誘電体層を複数積層した高消光比偏光子であっ
て、前記金属粒子の個数密度が２〜３７個／μｍ²であ
り、且つ前記基板及び前記誘電体層の熱伝導率が１．０
Ｗ／（ｍＫ）以上であることを特徴とする高消光比偏光
子。