JPH1172618A

JPH1172618A - 偏光子

Info

Publication number: JPH1172618A
Application number: JP9233557A
Authority: JP
Inventors: Masato Shintani; 真人新谷
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 1999-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】入射光の広範囲の波長帯域で特性が優れ、信
頼性の良好な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、形状異方性を有する金属粒子４ａが分散された
誘電体層５を多数積層させて成る偏光子１であって、各
誘電体層５は内部に分散される金属粒子４ａの個数密度
が２〜３７個／μｍ²であり、かつ金属粒子４ａの個数
密度もしくは組成が異なる誘電体層５を複数存在せしめ
たことを特徴とする。これにより、誘電体層５の複数層
において光の吸収特性を変えることができ、広い波長帯
域で光吸収が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘電体中に形状異
方性を有する金属粒子が分散された偏光子に関するもの
であり、特に光通信用に使用される光アイソレータに組
み込まれ、一つの偏光子で複数の光信号データ処理を行
うことが可能なものに関する。

【０００２】

【従来技術とその課題】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り、これまでに様々
な構成の偏光子が研究されてきた。この種の偏光子に
は、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，複屈折性の大きいルチル結晶，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），ホウ珪酸ガラス中
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），島状金属粒子を誘電体膜と
を交互に積層し誘電体膜中に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知られている。

【０００３】これら偏光子は、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
などに使用される他に、例えば光ピックアップ，光セン
サー，光アイソレータ等に幅広く使用され、ここ数年で
は特に光記録及び光通信等の各分野において、小型で高
性能且つ安価な偏光子の必要性が高まっている。

【０００４】現在、ホウ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
ラコアが実用化されており、これは光通信分野で最も多
く利用されている偏光子として知られている。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、ガラス素地を加熱下に
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
ことにより、ハロゲン化銀粒子に異方性を付与させてい
る。そして、還元雰囲気下で加熱しハロゲン化銀を金属
銀へ還元するものである（例えば、特公平２―４０６１
９号公報、対応米国特許ＵＳＰ４，４８６，２１３、及
びＵＳＰ４，４７９，８１９を参照）。

【０００５】ところが、この偏光子では銀粒子のアスペ
クト比（粒子の異方性の度合いを示すものであり、通
常、粒子の長軸方向の長さ／短軸方向の長さで示す）が
不均一になりやすい。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、といった問題が生じていた。

【０００６】このような問題点を解決するために、真空
蒸着やスパッタリング法等の薄膜形成プロセスを用いて
偏光子を製造することが提案されている（１９９０年電
子情報通信学会、秋期大会、講演予稿集Ｃ−２１２）。
この島状金属薄膜型偏光子の提案では、ガラス等の誘電
体基板上に島状金属薄膜層を真空蒸着にて設け、ガラス
等の誘電体層をスパッタリング法等でその上に積層す
る。そして、島状金属薄膜層と誘電体層を交互に数層形
成する。次に、加熱下で基板を引き延ばし、島状金属薄
膜層の金属粒子に異方性を持たせる。このようにして、
島状金属薄膜層での各金属粒子は、引き延ばし方向に延
ばされ回転楕円体状になり偏光性能を有することにな
る。

【０００７】しかしながら、上記薄膜形成プロセスを用
いた偏光子は、金属粒子が誘電体中に一様にランダムに
分散されているので、極めて狭い吸収波長特性のもので
あって、光通信デバイス用の偏光子として満足できる品
質、及び信頼性を有するものではなかった。また、一つ
の偏光子で複数の波長を有する光信号を処理することは
不可能であった。

【０００８】そこで、本発明は上述の諸問題に鑑み案出
されたものであり、信頼性且つ波長特性に優れた偏光子
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の偏光子は、透光性を有する基板の少なくと
も一主面上に、形状異方性を有する金属粒子が分散され
た誘電体層を多数積層させて成る偏光子であって、前記
各誘電体層は内部に分散される金属粒子の個数密度が２
〜３７個／μｍ²であり、かつ金属粒子の個数密度もし
くは組成が異なる誘電体層を複数存在せしめたことを特
徴とする。

【００１０】具体的には、例えば誘電体層を積層させる
方向へ金属粒子の個数密度を減少もしくは増大せしめた
領域を有するようにしたり、金属粒子の組成の異なる誘
電体層を複数設けるようにする。

【００１１】また、金属粒子のアスペクト比が３〜３０
であることを特徴とする請求項１に記載の偏光子。

【００１２】ここで、金属粒子は平面状に分布してお
り、個数密度とは多数箇所で測定した平均の個数密度で
ある。また、特に透光性を有する基板はガラス基板が最
適であり、例えば、ホウ珪酸ガラス、珪酸塩ガラス等か
らなるものとする。また、金属粒子はＡｕ，Ａｇ，Ｐｔ
等の貴金属元素や他の金属元素であるＣｕ，Ｆｅ，Ｎ
ｉ，Ｃｒ，Ａｌ及びＷのうち少なくとも一種を主成分と
する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面に基づいて説明する図１に示すように、偏光子１は
透光性を有するガラス等の誘電体基板（以下、単に基板
という）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は基板２上に形状異方性を
有する金属粒子４ａが多数分散され層状をなす島状金属
薄膜層ともいうべき金属粒子層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。

【００１４】この偏光子１は例えば次のようにして作製
する。まず、下記Ａの工程にＢ〜Ｄの一連の工程を１回
以上繰り返し行い、しかる後に下記Ｅの工程を行う。

【００１５】Ａ：ガラスから成る基板２を準備する工程Ｂ：基板２に対し、薄膜形成法により金属微粒子を被着
させる工程Ｃ：金属微粒子を基板２の軟化点より低い温度で加熱し
凝集せしめて、多数の金属粒子４ａを形成する工程Ｄ：多数の金属粒子４ａ上に薄膜形成法によりガラスか
ら成る誘電体層５を被着させる工程Ｅ：基板２を所定方向に熱塑性変形させ、多数の金属粒
子４ａに形状異方性を付与せしめ配向させる工程。

【００１６】ここで、Ｂ〜Ｄの工程を繰り返し行わせる
とき、金属粒子４ａの個数密度を制御するために、例え
ば薄膜形成法としてスパッタリングを適用する場合、Ｃ
の工程で金属粒子４ａを形成した後に、逆スパッタを施
すことにより個数密度を適当に調整する。

【００１７】あるいは、金属粒子４ａの組成が異なる誘
電体層が複数存在させるように、工程Ｂにおいて薄膜形
成法により形成させる金属粒子の組成を変えるようにす
る。上記偏光子１において、各誘電体層５中の金属粒子
４ａの個数密度は２〜３７個／μｍ²であり、かつ誘電
体層を積層させる方向へ金属粒子の個数密度を減少もし
くは増大せしめた領域を有している。これにより、各誘
電体層中の金属粒子の個数密度に対応した吸収波長特性
が複数存在することになり、非常に広い波長域の光を吸
収させることが可能になる。

【００１８】なお、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。

【００１９】基板２は例えば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）やＢＫガラス（ＢＫとは、ホーヤ社の商標名）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やソーダガラス等の低融点ガラス
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。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、熱膨張率等の特性を一致させることが好ましい。

【００２０】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及び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Ａ
ｕ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。

【００２１】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４ａの
長軸方向がＹ方向で、短軸方向がＸ方向である。

【００２２】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。

【００２３】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４ａ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。
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。

【００２４】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０．１
ｄＢとする。

【００２５】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／μm ²とする。この
理由は、個数密度が２個／μm ²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、また、３７個／μm ²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。すなわち、上記範囲を外れると金属
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いのである。

【００２６】例えば、図２に示すように、金属粒子層４
及び誘電体層５の積層方向の個数密度は各層毎に漸減さ
せるように作製することで、吸収する光の波長が各々の
層毎に異なり、結果として波長帯域が広い特性が得られ
る。例えば、誘電体層５を１０層積層させる場合には、
最初に積層させる層を最大の個数密度（例えば、３５個
／μm ²）とし、この層から３〜５個／μm ²ずつ減ら
すように誘電体層５を積層させていくのである。このよ
うにして、誘電体層５の内部に分散された金属粒子４ａ
の個数密度が異なる層を複数存在させるようにする。

【００２７】また、例えば各誘電体層５中の個数密度が
同一でも金属粒子４ａの組成を変えるようにして吸収す
る光の波長を複数の誘電体層５で変えるようにしてもよ
い。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（１３００ｎｍ程度）
に接近する。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】図３に金属粒子４ａの代表的なアスペクト
比（：４．１，：７．０，：１１．４）における
個数密度と吸収波長との関係について示す。なお、図３
の結果は、図１に示す偏光子１において、誘電体層の積
層数は１０とし、各層の個数密度は一定として測定した
ものである。この図から明らかなように、個数密度が一
定であれば非常に狭い吸収波長となるが、本発明によれ
ば、各層毎に個数密度を変えることで、例えば１２００
〜１６５０ｎｍといった非常に広い帯域の吸収波長を有
する偏光子を提供できる。

【００３１】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。

【００３２】なお、図２において、金属粒子層４及び誘
電体層５の積層方向において、金属粒子４ａの個数密度
を減少させるように構成したが、これとは逆に増大させ
るようにしてもよい。また、このような個数密度の減少
領域もしくは増大領域が存在していればよく、必ずしも
全ての層において一様に減少傾向や増大傾向を示すよう
に構成しなくともよいが、製造の容易さ等の点で、少な
くともある領域において個数密度を漸減させたり、漸増
させるようにするのが望ましい。なおまた、金属粒子４
ａ及び誘電体層５は基板２の両主面に積層するようにし
てもよい。

【００３３】

【実施例】次に、より具体的で好適な実施例について説
明する。

【００３４】（実施例１）まず、基板２としてＢＫ７ガ
ラス（ＨＯＹＡ社の商標名、その組成は、ＳｉＯ２：６
９％，Ｂ２Ｏ３：１０％，Ｎａ２Ｏ：８％，Ｋ２Ｏ：８
％，ＢａＯ：３％（但し，組成は重量％））を用いた。
また、その軟化点は７２４℃、熱膨張率は７２〜８９×
１０^-7／℃である。また、基板２のサイズは長さを７６
ｍｍ，幅を１０ｍｍ，厚さを１ｍｍとした。

【００３５】次に、ＢＫ７ガラス（基板２と同一のＢＫ
７）とＣｕをターゲットとしたスパッタ成膜装置（例：
島津製作所ＨＳ―５５２Ｓ）にて、基板上にＣｕ層を形
成した。

【００３６】そして、Ｃｕ層の形成後、真空中でＣｕ層
をヒーター加熱法で５００℃前後でアニールして凝集さ
せ、さらに島状のＣｕ粒子の形状を球状に整えた。この
後、逆スパッタを施すことによりＣｕ粒子の基板面方向
の個数密度を制御した。このときのＣｕ粒子の個数密度
は３５個／μm ²とした。

【００３７】さらに、ＢＫ７ガラス層をスパッタリング
により成膜した。但し、ＢＫ７ガラス層の加熱は行わな
かった。

【００３８】上記一連の工程を５回繰り返す際に、逆ス
パッタ後のＣｕ粒子個数密度を７個／μm ²ずつ異なる
ように減少させて、Ｃｕ層とＢＫ７ガラス層との交互層
からなる積層体を作製した。

【００３９】次に、ＢＫ７ガラス基板の軟化点近傍の温
度６００℃で加熱し、延伸を行い、Ｃｕ粒子の形状に異
方性をもたせ、同時に粒子の配向化も行わせた。

【００４０】この結果、図１に示すように、基板上に、
ＢＫ７ガラス層（誘電体層）間に積層方向に位置が異な
る回転楕円体状の島状化した多数のＣｕ粒子（金属粒
子）（アスペクト比：６〜１５）を有する偏光子１が完
成した。

【００４１】この偏光子１について、波長１１００〜１
６００ｎｍの光を用いて消光比及び挿入損失を測定した
ところ、１２５０〜１６００ｎｍの広い波長帯域で消光
比が２０ｄＢ、挿入損失が０．１５ｄＢ程度のの優れた
特性を示した。

【００４２】（実施例２）次に、実施例１と同一の基板
材料を用い、実施例１におけるＣｕの代わりにＡｇよび
実施例１と同一材料で構成された誘電体層とを交互に積
層させて偏光子を得た場合について説明する。

【００４３】ＢＫ７ガラス（基板と同一のＢＫ７）とＡ
ｇターゲットとし、実施例１と同一のスパッタ装置に
て、基板上にＡｇを形成した。

【００４４】そして、Ａｇ層を形成した後、真空中でＡ
ｇ層をヒーター加熱法で５００℃前後でアニールして凝
集させ、さらに島状のＡｇ粒子の形状を球状に整えた。

【００４５】さらに、ＢＫ７ガラス層をスパッタリング
により成膜した。但し、ＢＫ７ガラス層の加熱は行わな
かった。

【００４６】上記一連の工程を５回繰り返す際に、Ａｇ
粒子の個数密度を５個／μm ²減らし、積層方向にてＡ
ｇ粒子の存在する領域が異なるようにして、Ａｇ層とＢ
Ｋ７ガラス層との交互層からなる積層体を作製した。

【００４７】次に、ＢＫ７ガラス基板の軟化点近傍の温
度６１０℃で加熱し、延伸を行い、Ａｇ粒子の形状に異
方性をもたせ、同時に粒子の配向化も行わせた。

【００４８】この結果、基板上に，ＢＫ７ガラス層（誘
電体層）間に積層方向に位置が異なる回転楕円体状の島
状化した多数のＡｇ粒子（金属粒子）（アスペクト比：
５〜１０）を有する偏光子が完成した。

【００４９】この偏光子１について、波長９００〜１３
５０ｎｍの光を用いて消光比及び挿入損失を測定したと
ころ、１１００〜１３５０ｎｍの広い波長帯域で消光比
が２０ｄＢ以上、挿入損失が０．２ｄＢ以下のの優れた
特性を示した。

【００５０】

【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、誘電体層間の金属粒子の個数密度を積層方向で
異ならせたため、入射光の広波長帯域において、消光比
及び挿入損失の優れた画期的な偏光子を提供することが
でき、一つの偏光子で複数の光信号データ処理を行える
光通信用機器に好適に使用することができる。

【００５１】さらに、誘電体層の積層数が増えた場合で
も金属粒子の存在領域が異なるため、密着性が非常によ
くなり剥離の心配もなくなるので、信頼性に優れた偏光
子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る偏光子を説明するための模式的な
斜視図である。

【図２】本発明に係る偏光子を説明するための断面図で
あり、図１におけるＡ−Ａ線の断面図である。

【図３】アスペクト比が異なる金属粒子を有する偏光子
の個数密度と吸収波長との関係を説明するグラフであ
る。

【符号の説明】

１：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、形状異方性を有する金属粒子が分散された誘電体
層を多数積層させて成る偏光子であって、前記各誘電体
層は内部に分散される金属粒子の個数密度が２〜３７個
／μｍ²であり、かつ金属粒子の個数密度もしくは組成
が異なる誘電体層を複数存在せしめたことを特徴とする
偏光子。
【請求項２】前記金属粒子のアスペクト比が３〜３０
であることを特徴とする請求項１に記載の偏光子。