JPH02205802A - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光フアイバ通信や光デイスク用光ヘッドな
どのアイソレータや光サーキュレータを構成するために
偏光ビームスプリッタとして使われる偏光素子に関する
。

〔従来の技術〕

従来、光アイソレータや光サーキユレータ用の偏光ビー
ムスプリフタとしては、グラントムソンプリズムやロッ
ションプリズムが使われてきた。

これらのプリズムは、水晶や方解石などの複屈折性結晶
の結晶軸の異なる２つの三角プリズムをはり合わせたも
のである。これらのプリズムについては、吉原邦夫著「
物理光学」　（共立出版、昭和４１年発行）の第２１３
〜２１６頁に詳細に説明されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の偏光素子では、複屈折性結晶を用いてい
るので材料が高価なうえ、このような偏光素子は、４面
を研磨して、さらに接着するという工程を必要とするの
で製作工数がかかり高価で量産向きでないという問題が
あった。さらに２つの三角プリズムをはり合わせた構造
のため大型になり、光アイソレータや光サーキュレータ
の小型化の障害になっていた。

本発明の目的は、上記問題点を解消して、小型。

薄型でかつ低価格で、量産性にすぐれた偏光素子を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の偏光素子は、 基板上に、光の波長の１７２よりも小さいピッチを有す
る表面凹凸型の１次元周期構造を有する第１の領域と、
表面酸化層を有する第２の領域とを交互に格子状に配置
したことを特徴とする。

〔作用〕

本発明の作用原理は次の通りである。本発明では、回折
格子を用い、そのＯ次回折効率すなわち透過率が特定の
偏光に対して１００％で、これに直交する偏光に対して
０％となるようにすることで、偏光ビームスプリッタ機
能の偏光素子を構成している。

矩形断面の位相格子のＯ次回折光の回折効率は、ηｏ＝
　　　　　（１＋ｃｏｓｒ）　　　　　　　　（１）で
与えられる。ここにＴは、格子部で光が受ける位相差で
あり、 γ＝２πｔ・Δｎ／λ　　　　　　　　　　（２）で表
される。（２）式で、Ｌは格子の厚さ、Δｎは位相格子
を構成している２つの媒質の屈折率の差、λは光の波長
である。

上述のような０次回折効率の変化を得るためには、格子
の位相差γが偏光によってＴｌ１＝ｏ。

Ｔ□＝π（ここでＩ＋　、　　土は格子溝に平行および
垂直な偏光を各々表す。）の変化をする必要があり、（
２）式でΔｎが偏光によって変化しなければならず、通
常は複屈折性の材料を必要とする。

本発明では、高価な複屈折性結晶を用いることなく、複
屈折性を得るために、稠密な周期構造を利用している。

ピッチが光の波長の１／２より小さい位相格子では、回
折光を生じず複屈折性を示す。

表面凹凸格子の溝に平行な方向の実効屈折率をｎ、、溝
に垂直な方向の実効屈折率をｎよとすると、 ｎ、＝（ｎｔ”ｑ＋ｎｚ”（１−ｑ））””　　　（３
）”Ａ　−（（１／　ｎｌ”）　ｑ ＋　（１／ｎｚ”）　　（１ｑ）　）−””　　（４）
となる、ここで、ｎ、は溝部の屈折率、ｎ２はランド部
の屈折率、ｑは格子ピッチに対する溝部の幅の比である
。この複屈折を利用して、偏光によって回折効率を変化
させる。

第２図は稠密格子を用いた格子型偏光素子を示す。稠密
格子を第１の領域１に用いて、平坦な表面を有する第２
の領域２と交互に配置した格子を基板３上に構成する。

光の進行方向を矢印４の方向とすると、基板屈折率はｎ
２であるから、格子溝に平行な方向の偏光に対する第１
の領域と第２の領域の屈折率差は、（Δｆｉ　）　、　
−ｆｉ、　−ｆｉｌｌ、格子溝に垂直な方向の偏光に対
しては（Δｎ）。

＝ｎｚ、−ｎ、となる。しかし、このΔｎの変化だけで
は、格子厚さｔを選んでも（２）式のＴを両偏光に対し
てγｍ＝０＝ｒｈ”πの両方を満たせない。

そこで、本発明では第２図に示す格子の第２の領域の表
面屈折率を位相調整用に変えた第１図の構造をとってい
る。第１図において、第１の領域１の凹凸溝深さをＬｌ
、第２の領域２の異なる屈折率ｎ、を有する表面層の厚
さをｔ２とすると、各偏光に対する両頭域の位相差は、 ル ＋ｎ３ｔｚ　　　ｎ、、ｊ＋　） ＋　ｎｓ　ｔ　ｚ　　　ｎ、ｔ　ｒ＞　　　　　　　　
　　（６）で与えられる。（５）、　（６）式で、γ、
＝０．ｒ、＝πの両条件を満たすｔ＋、Ｌｘが存在する
。

以上が本発明の原理である。溝深さｔ、および表面層厚
さｔ２を浅く、すなわち容易に製作するためには、ｎ、
ｌ−ｎ、が大きいことが必要であり、そのためには屈折
率ｎ２の大きい材料を用いることが得策である。

そこで、本発明では基板材料としてたとえばシリコン（
Ｓｉ）を用い、表面層として酸化層、たとえばシリコン
を熱酸化したＳｉｎ、を用いている。

〔実施例〕 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の実施例の基本構成を示す部分斜視図で
ある。上述したように基板３の材料としては屈折率が大
きい方が好ましいので、光波長１．３μｍの長波光通信
用にシリコン（Ｓｉ）結晶を用いた。この波長ではシリ
コンは透明で、屈折率はｎ、＝３．５である。稠密格子
のピッチに対する溝幅比ｑ＝０．５とすると、（３）、
　（４）式からｎ１Ｉ＝２．５７３９゜ｎ　　＝１．３
５９８となる。稠密格子のピッチとしては、λ／２より
小さければよいので０．６μｍとした。

また、第１の領域１と第２の領域２とからなる格子構造
の周期は、所望の０次回折光と他次回折光の分離がとれ
ることが設計条件となり、本実施例では５０ａｍとした
。

上述のｎ　ｚ　＝３−５　、ｎ　３　＝１．４４６　＋
　Ｉ’ｌ　ｍ　”　２．５７３９　。

ｎ　　＝１．３５９８を用いて（５）、　（６）式を解
くと、ｔ、−〇、５３５μｍ、ｔｚ　＝０．２４１μｍ
となるので、各々ｔ＋　＝０．５４μｍ、ｔｚ　＝０．
２１μｍの格子を製作した。

まず、基板３の第１の領域１になる部分にマスキングし
て、第２の領域２を熱酸化して、厚さｔｚ＝０．２１μ
ｍのＳｉＯ□層を形成した。次にマスキングを除去した
後、ホログラフィ−干渉で第１の領域のレジストをパタ
ーニングし、反応性イオンエツチングにより基板３へ０
．６μｍの稠密格子を形成した。

本実施例の偏光素子によれば、格子溝に平行な偏光と直
交する偏光との間の消光比は２０ｄＢがとれた。

なお、本実施例では格子型偏光素子の第１の領域と第２
の領域の境界面に対して、第１の領域内の稠密格子の周
期方向が垂直な場合を示したが、第１の領域内の稠密格
子の周期方向は第１の領域と第２の領域の境界面に対し
て任意の角度で良いことは上述の作用の項での説明から
明らかである。

〔発明の効果〕

本発明の偏光素子は複屈折性結晶を必要とせず、シリコ
ンなどの容易に、しかも安価に入手できる材料で構成さ
れているうえに、フォトリングラフィの手法で簡単に多
数個同時に製作でき、しかも組立てを必要としないので
極めて安価である。

また、本発明の偏光素子は、第１の領域、第２の領域と
もに表面層の屈折率が基板屈折率よりも小さくなってお
り、反射防止膜の作用をしているため、シリコンのよう
な高屈折率材料を用いているにもかかわらず、コーティ
ング無しでも反射損が小さいという効果もある。

また、本発明の偏光素子は、本質的に薄膜素子であり、
素子の強度を持たせるだけの基板厚さがあればよいので
、１００μｍ程度と極めて薄く、軽量な素子を構成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の部分斜視図、第２図は本発明
の詳細な説明するための格子の部分斜視図である。 １・・・・・第１の領域 ２・・・・・第２の領域 ３・・・・・基板 ４・・・・・光の進行方向を示す矢印 第１図 代理人　弁理士　　岩　佐　　義　幸 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に、光の波長の１／２よりも小さいピッチ
   を有する表面凹凸型の１次元周期構造を有する第１の領
   域と、表面酸化層を有する第２の領域とを交互に格子状
   に配置したことを特徴とする偏光素子。