JP2000056133A - 偏光子とその作製方法 - Google Patents
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Abstract
期構造からなる偏光子と、その作製方法を提供する。 【構成】 1次元的にほぼ周期的な凹凸を持つ2種類以
上の膜状物質をほぼ周期的に順次に積層した構造を持
つ。2次元的にほぼ周期的な構造体から成る。一例とし
て、屈折率の異なる材料1と材料2から構成される。 【効果】 簡単な作製方法により、周期が1μm程度な
いしそれ以下の2次元周期構造体が得られる。この構造
によって、特定の偏波面を持つ入射光を透過させ、それ
に直交する偏波面を持つ入射光を反射させる偏光子とし
て動作させることができる。
Description
光現象を利用した光学機器に用いられ、特定方向の直線
偏光のみを透過させ直交する方向の直線偏波を反射させ
る偏光子およびその作製方法に関する。
動する無偏光または楕円偏光を、ある特定方向の振動成
分だけを透過させて直線偏光にする素子である。最も基
本的な光素子の一つであり、光通信デバイス、光ディス
クのピックアップ、液晶ディスプレイ、光応用計測など
広く利用されている。動作形態は、(1)不要な偏波を
吸収させるもの、(2)同一の光路で入射する直交する
二つの偏波成分を別々の光路に分けるもの、の二つに大
別される。利用目的により、大きな開口面積、高性能、
薄型などの特性を実現することが望まれており、産業的
には安価に供給できることが重要である。現在、実用的
に使用されている偏光子は、(1)の動作をするもので
は高分子フィルムにヨウ素などの二色性分子を入れたも
のが一般的である。これは安価で大面積のものが得られ
るが、消光比が低く、温度安定性に劣るという欠点があ
る。この問題を解決するため、安定性の高い材料を用い
た偏光子が開発されている。即ち、ガラスなどの透明体
の中に金属や半導体などの吸収体を、細線状あるいは薄
膜状に一方向に配列したものである。細線あるいは薄膜
に平行な偏波成分は吸収あるいは反射され、それに直交
する偏波は透過する。この種の偏光子は消光比が高く取
れるのが特徴であるが、切断・研磨などの工程が必要と
なり、製造コストの低減が困難である。また大面積で且
つ薄型にすることは困難である。一方、(2)に複屈折
単結晶を用いたものは、方解石など複屈折率の大きい材
料からなる三角プリズムを2個貼り付けた構造をしてい
る。代表的なものにはグラントムソンプリズムがある。
この種の偏光子は一般に高い消光比、高い透過率が得ら
れるが、大面積や薄型にすることが困難であり、材料が
高価であるため価格も必然的に高くなる。透明体のブリ
ュースター角を利用したものでは、誘電体多層膜を用い
た偏光ビームスプリッタが挙げられる。これは量産性に
富むため低価格ではあるが、高い偏光度は得られない、
小型化も困難である、使用波長帯域が狭い、などの問題
点があり、限られた用途にした使用されていない。上述
の各偏光子はそれぞれ実用されているが、一方、最近に
なって波長以下の周期をもつ透明体周期構造の伝搬特性
の異方性を利用した偏光子が理論的に提案されている
(浜野哲子,井筒雅之,平山秀樹,”2次元フォトニッ
ク結晶を用いた偏光子の可能性,”第58回応物秋季予
稿集,paper2a−W−7,1997.,佐藤晃,
竹部雅博,”構造性複屈折による光学異方性多層膜,”
Optics Japan ’97,講演予稿集,pa
per30pD01,1997)。これらの構造は、い
ずれも透明母材中に、母材と屈折率の異なる透明体の細
柱を2次元周期的に配列させたものである。周期が例え
ば半波長程度という条件を満たす構造であれば、柱に平
行な偏波と垂直な偏波に対して、一方は内部を伝搬さ
せ、他方は遮断させることができ、従って偏光子として
動作させられる。しかし、実際にはこのような構造を工
業的に作製する方法は見つかっていないし、実験例もな
い。
を解決するためのものであり、本発明の目的は、小さい
光路長で、優れた消光比と挿入損失特性を有し、大きな
開口面積も可能な、低価格の工業的に作製できる偏光子
を提供することにある。
なる技術について説明する。高屈折率媒質と低屈折率媒
質からなる人工的な周期構造において、互いに直交する
二つの偏波成分は、それぞれが独立な分散関係(周波数
と波動ベクトルとの間の関係)を持っている。この二つ
の偏波成分は、本発明に関連の深い2次元周期構造では
電界または磁界のいずれが長さの方向に平行であるかに
よってそれぞれTE波、TM波である。また一般の3次
元周期構造でも固有モードはTE的な波とTM的な波に
通常分類される。故に本発明においては便宜上TE波、
TM波と呼ぶことにする。バンドギャップ、すなわち光
が伝搬しない周波数帯域もTE波とTM波では異なる。
ある周波数帯域において、一方の偏光モードが遮断さ
れ、他方の偏光モードが伝搬波となる場合がある。即
ち、この周波数帯域においては、この周期構造体は一方
の偏光を反射または回折し、他方の偏光を透過させる偏
光子としての動作が可能である。また、消光比も周期数
の増加によって十分高いものが得られる。本発明の中心
思想は、屈折率の異なる2種類以上の透明体からなり、
3次元の直交座標系xyzにおいて、積層の単位となる
層の形状がx軸方向に周期構造を有し、y軸方向には一
様であるか、またはx軸方向より長い周期をもつ構造を
有し、その形状を繰り返しつつz軸方向に層状に積層さ
れている構造、即ち、周期的なひだ(うねり)を有する
二種類以上の薄膜を多層化した構造において面型偏光子
の特性が存在することを発見したこと、およびその構造
を発明者らが開発してきた周期構造作製方法により作製
する方法を発明したことである。光は面に垂直あるいは
斜めに入射される。開口面積は基板の大きさで決まり、
大きくすることは極めて容易である。また光路長は積層
厚さで決るが、波長の数倍程度(数μm)で十分であ
り、従来の偏光子に比べて数桁単位で薄くすることがで
きる。一方、バイアス・スパッタリングに代表される堆
積粒子の拡散入射とスパッタエッチングを併用した成膜
法において、その堆積作用とエッチング作用を相互に制
御することにより、表面の凹凸形状を繰り返しつつ層状
に積層させる方法が可能である。このメカニズムは次の
3つの効果、(1)堆積粒子の拡散入射により影となる
凹部の堆積速度が遅くなる効果、(2)スパッタエッチ
ングによる傾斜角約50゜から60゜の面においてエッ
チング速度が最大になる効果、(3)主にスパッタエッ
チングにより削られた粒子が基板の別の場所に再付着す
る効果、の適切な割合での重ね合せであると説明ができ
る(川上彰二郎,佐藤尚,川嶋貴之,”バイアススパッ
タ法で作製される3D周期ナノ構造の形成機構,”電子
情報通信学会誌C−I,vol.J81−C−I,n
o.2,pp.108−109,1998年2月)。こ
の技術を用いることで、周期的な溝列を形成した基板上
に、二種類の透明材料からなる薄膜を煩雑な位置合わせ
を一切行なわずに位置の等しい凹凸形状を繰り返しつつ
周期的に積層することができる。即ち、この技術を用い
ることで本発明の偏光子を容易に作製することができ
る。以上のことから、本発明の偏光子は、小さい光路長
で、優れた消光比と挿入損失特性を有し、大きな開口面
積も可能で、低価格で提供することができる。
している。以下に図1を用いて本発明の偏光子を説明す
る。周期的な溝あるいは線状突起列に、透明で高屈折率
の媒質と低屈折率の媒質とを界面の形状を保存しなが
ら、交互に積層する。x方向とz方向に周期性があり、
y方向には本実施例では一様な構造である。あるいは、
x軸方向より大きい長さの周期的または非周期的な構造
に変更しても動作機構は類似している。このようにして
得られた周期構造体にz方向から無偏波光または楕円偏
光を入射する。溝列と平行な偏波即ちy偏波と、それに
直交する偏波即ちx偏波とに対して、TEモード、TM
モードの光が周期構造体の内部に誘起される。しかし、
光の周波数が、TEモードまたはTMモードのバンドギ
ャップの中にあれば、そのモードは周期構造体の中で伝
搬することができず、入射光は反射または回折される。
一方、光の周波数がエネルギーバンド内にあれば、周期
構造体の中を光は波動ベクトルを保存しながら透過す
る。従って面型の偏光子として動作する。本発明の偏光
子では、溝列の周期Lx、積層方向の周期Lzを制御す
ることで、TEモード、TMモードのバンドギャップが
生じる波長帯域を任意に変えることができる。即ち偏光
子として動作させる波長帯域を任意に設定することが可
能である。また低屈折率媒質としてはSiO2を主成分
とする材料が最も一般的である。SiO2は透明波長領
域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成膜
も容易に行なえる。高屈折率材料としては、TiO2な
どの酸化物や、Si、GaAsなどの半導体が使用でき
る。TiO2などは透明波長範囲が広く、可視光領域で
も使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定される
が、屈折率が大きい利点がある。ところで、多目的の偏
光子としては、広い周波数帯域で、使用することが望ま
しい。高屈折率媒質層と低屈折率媒質層の形状を適切に
決定することにより、偏光子としての使用周波数帯域を
広くとることができる。逆に、特定のレーザ光のような
単色の光に対しては、高屈折率媒質と低屈折率媒質の形
状に対する自由度は大きく、成膜において、繰り返しが
容易な形状を選択することができる。以下、実施例にお
いて、層の形状と繰り返し構造および、その作製方法を
示す。
を示す図である。この図において、符号1はア モルフ
ァスSiO2の層であり、符号2はアモルファスSiの
層である。x軸方向の周期Lxは0.4μm、z軸方向
の周期Lzは0.32μmである。SiO2層およびS
i層は厚さtをわずかに変化させながら、周期的に折れ
曲がった形状をなしている。次に、その作製方法を説明
する。まず、基板上に電子ビームリソグラフィとドライ
エッチングにより周期的な溝を作製した。図2が、その
模式図である。符号3は石英ガラス基板、符号4は無反
射コーティング層、符号5は周期的な溝の部分である。
一般には周期構造の寸法の選択により、4,5は基板と
異なる材料から選定するが、基板と同一の材料のままそ
の上に溝を形成することもできる。ここでは後者の例を
示す。溝の幅は0.4μm、深さは0.2μm、横方向
の周期は0.4μmである。この基板上に、SiO2お
よびSiのターゲットを用い、バイアス・スパッタリン
グ法により、SiO2層とSi層を交互に積層した。そ
のとき、各層のx軸方向に周期的な凹凸の形状を保存し
ながら成膜を行なうことが肝要である。その条件は次の
とおりであった:SiO2の成膜に対しては、Arガス
圧1.9mTorr、ターゲット高周波電力400W、
基板高周波電力60W;Siの成膜に対し、Arガス圧
3.6mTorr、ターゲット高周波電力400Wであ
った。SiO2とSiの層を、10層ずつ堆積した。こ
の条件において、図2に示された矩形の溝を有する基板
の上に、図1に示された積層構造が生成される理由は、
次に述べる3要素の重ね合わせによって説明することが
できる:(1)ターゲットからの中性粒子の分散入射に
よる堆積;(2)Arイオンの垂直入射によるスパッタ
エッチング;(3)堆積粒子の再付着である。図3aと
図3bは、このようにして得られた周期構造体におけ
る、波長1.0μmでのTE波とTM波に対する透過光
の近視野での強度分布を示す図である。横軸は基板ウエ
ハ上の位置を示す。中央部分が偏光子部分であって、そ
の両側は、基板ウエハーが溝を持たず、SiとSiO2
の平行層が堆積された部分である。縦軸は、基板ウエハ
ー上の各点における透過光強度である。偏光子部分はT
E波をほとんど遮断していることがわかる。一方、TM
波に対しては、両側の溝がない基板上に堆積された膜の
部分と偏光子部分において、透過光強度の差は微小であ
る。言い換えると、偏光子部分に無反射コーティングを
施せば、微小な損失で、TM波を透過させることができ
る。図4に、この周期構造体における周波数と波動ベク
トルの関係を周期的境界条件を用いたFDTD法(有限
差分時間領域法)により計算した結果を示す。FDTD
法によるフォトニック結晶のバンド構造と光透過特性の
解析はS.Fanらにより、Physical Rev
iew B,vol.54,no.16,pp.112
45−11251(1996年)において報告されてい
るとおりである。図4において、横軸は相対値で表した
波動ベクトルの大きさであり、縦軸は相対値で表した周
波数Lx/λである。ここで、λは入射光の波長、kz
は波動ベクトルのz成分である。実線と破線は、それぞ
れTE波とTM波における分散曲線を示す。ここでLx
=0.4μm、波長1μmより、周波数Lx/λ=0.
4となる。この図からわかるように、Lx/λ=0.4
の直線はTE波の分散曲線(実線)とは交わらず、TM
波の分散曲線(破線)とは交わる。これはTE波は遮断
・反射され、TM波は透過することを意味する。すなわ
ち、この周期構造体は周波数Lx/λが0.39から
0.43の間に位置する符号6の周波数帯でTM波を透
過させる偏光子として作用している。 (実施例2)本実施例では、各誘電帯の層の厚さの面内
均一性や溝の形状、Lz/Lxの比の値などのパラメー
タが実施例1に示すものから変化しても優れた偏光子特
性が得られることを例示する。図5は、本発明の他の実
施例の構成を示す図である。符号7はアモルファスSi
O2層であり、符号8はアモルファスSi層である。x
軸方向の周期Lxは0.4μm、z軸方向の周期Lzは
0.32μmである。SiO2層は厚さtを0.9Lz
と0.3Lzの間で変化させながら、そして、Si層は
厚さを0.1Lzと0.7Lzの間で変化させながら、
周期的に折れ曲がった形状をなしている。積層膜の作製
において、基板は実施例1の場合と同じであるが、Si
O2層およびSi層を生成するバイアス・スパ ッタリ
ングの条件が異なっている。この周期構造体における周
波数と波動ベクトルの関係をFDTD法により、計算し
た結果を図6に示す。横軸は相対値で表した波動ベクト
ルの大きさであり、縦軸は相対値で表した周波数であ
る。実線と破線は、それぞれTE波とTM波における分
散曲線である。この図からわかるように、第1の実施例
の場合よりも、偏光子として作用する周波数帯が広くな
っている。ところで、ひとつのバンドギャップに着目し
たとき、単一の光周波数で使用する偏光子に対しても、
その周波数幅は広いことが望ましい。なぜなら、バンド
ギャップの端から充分に離れていない周波数において
は、消光比を大きくとるために必要なz方向の周期数が
増大するからである。第1と第2の実施例において、z
軸方向とx軸方向の繰り返し周期の比Lz/Lxは0.
8であったが、FDTD法による他の計算結果から0.
2程度であっても、偏光子としての作用が可能であるこ
とがわかっている。またx方向の周期Lxは、通常の偏
光子として使用する場合には、光の波長以下程度に選ば
れるが、一方の偏光をまっすぐに透過させ、他方の偏光
を回折させるための偏光素子においては、光の波長より
も長い周期Lxを選択するとよいことがわかっている。
さらに、溝はy軸方向に必ずしも一様である必要はな
く、x軸方向の溝の幅と間隔に対して、異なる周期構造
を持っていてもよく、あるいはy方向に充分長いランダ
ムな長さの溝であってもよいことが、他の計算の結果、
わかっている。ところで、今回は、単位となる層の形状
を繰り返しつつ積層する手段として、バイアス・スパッ
タリング法を用いたが、堆積プロセスとスパッタリング
エッチングのプロセスを同時でなく時間的に分離した方
法を加えることにより、積層の単位となる層の形状の設
計自由度を大きくとることができる。さらに、低屈折率
媒質としては、アモルファスSiO2以外にも、パイレ
ックスなどの光学ガラスを用いることができる。一方、
高屈折率媒質としてはSi以外にも、TiO2、Ta2
O5などを用いることもできる。基板の溝の断面形状
は、今回、V形であったが、矩形の溝であってもよいこ
とは明らかである。また、バイアス・スパッタリングの
条件を適切に選択すれば、多様な溝の断面形状が可能で
ある。このようにして作製した積層膜を偏光子として使
用するためには、表面と基板の反対側の面に無反射コー
ティングを施した後、切断すればよい。多数の素子を一
括して作製できるだけでなく、研磨が不要であり、切断
工程が簡易である。その結果、低価格の偏光子を提供す
ることができる。また、基板を除く積層膜の厚さは数ミ
クロンであり、垂直入射または小さい入射角での使用が
可能である。それゆえ、小型の光通信用アイソレータな
どへの、広範な応用が可能である。また、光サーキュレ
ータなどに用いる偏光分離素子として使用するときに
は、入射光に対して大きく傾けて使用する場合がある
が、この場合も切断面を光が透過することはないので、
研磨が不要である。
を含む成膜方法によって作製した偏光子は、光透過方向
の厚さが微小で、1回の成膜プロセスで大面積の積層膜
が得られ、個々の素子を作製するときに、研磨が不要で
あり、切断が容易であるという特徴を備えている。他
方、使用する波長域に応じて、優れた偏光特性を持たせ
る設計が可能である。このような偏光子は、光アイソレ
ータ用の偏光子として最適である。他にも光サーキュレ
ータ、光スイッチなど工業的用途は広く、従来の偏光子
を置き換えることが可能である。
強度分布を示す図
強度分布を示す図
トルの関係を示す図
トルの関係を示す図
数帯のひとつ 7 SiO2層 8 Si層
9)
Claims (4)
- 【請求項1】3次元の直交座標x,y,zにおいて、屈
折率の異なる2種類以上の透明体よりなるz軸方向の多
層構造体であって、各透明体ごとに積層の単位となる層
の形状がx軸方向に周期凹凸構造を有し、y軸方向には
一様であるか、またはx軸方向より大きい長さの周期的
または非周期的な凹凸構造を有し、その形状を周期ごと
に繰り返しつつz軸方向に層状に積層されていて、入射
方向がz軸方向に零でない成分を持つ光に対して作用す
ることを特徴とする偏光子 - 【請求項2】請求項1記載の偏光子であって、Siまた
はTiO2を主成分とする高屈折率媒質とSiO2を主
成分とする低屈折率媒質層を有するもの - 【請求項3】周期的な溝または周期的な線状突起または
細長い突起または細長い凹みを有する基板の上に、高屈
折率媒質と低屈折率媒質とを、少なくとも一部にドライ
エッチングを含む膜形成方法により周期ごとに形状を繰
り返しつつ積層することを特徴とする偏光子の作製方法 - 【請求項4】周期的な溝または周期的な線状突起または
細長い突起または細長い凹みを有する基板の上に、Si
またはTiO2を主成分とする高屈折率媒質とSiO2
を主成分とする低屈折率媒質とを、少なくとも一部にド
ライエッチングを含む膜形成方法により周期ごとに形状
を繰り返しつつ積層することを特徴とする偏光子の作製
方法
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