JPH02230203A

JPH02230203A - 偏光子

Info

Publication number: JPH02230203A
Application number: JP5002489A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Uno; 宇野　武彦
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1989-03-03
Filing date: 1989-03-03
Publication date: 1990-09-12

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〕本発明は、常光線と異常光線との分離を行う偏光子に関
し、特に構成が簡易であり、かつ、製作の容易な薄板状
の偏光子に関するものである．［従来の技術］偏光子は、特定の方向に偏光した光を選択的に透過せし
める素子であり、様々な光学機器において数多く使用さ
れている。従来の偏光子としては、ニコルプリズムある
いはグラン・トムソンプリズムのように方解石プリズム
を組み合わせた高品質のものから、複屈折板をガラス板
ないしは透明プラスチック板で挟んだ簡単な構造のもの
まで、各種用いられている．〔発明が解決しようとする課題〕光計測、あるいは光通信機器等のように、高い品質を必
要とする場合には、前者のグラン・トムソンプリズムが
多用されているが、高い加工精度が必要である上に、量
産性に乏しく、さらに、方解石の供給に限度があるので
、きわめて高価であるという問題があった。また、２個
のプリズムを組み合わせた構造であるので、素子寸法が
大きくなるという問題もあった。

これに対し最近では、リチウムナイオベート板（ＬｉＮ
ｂＯｓ）にプロトン交換処理を施し、異常光に対する屈
折率に空間的な変調を施す方法が提案されている．しか
し、この方法は、従来のグラン・トムソンプリズム等の
プリズム形の偏光子に比べて、量産化の可能性があるが
、プロトン交換という一種の熱拡散的な処理に伴う再現
性の限界、あるいは常光に対する補償膜を要する等の原
因により、微細なパターンを形成するのが困難であるの
で細径光ビームに対して用いる偏光子としては十分な特
性ではなく、また量産性の点でも必ずしも十分でなかっ
た．本発明は、上述の問題点に鑑み、細径光ビームに対して
も十分な特性を有し７、かつ製作が比較的容易で量産性
に優れ．また、廉価に供給可能な高品質の偏光子を提供
することを目的とする。

［課題を解決するための手段］かかる目的を達成するために、本発明は、結晶切断方位
がＣ軸に垂直であるように切り出したリチウムテトラボ
レート単結晶板により構成した基板と、基板の表面上に
Ｃ軸に直交する方向、またはＣ軸に平行な方向に沿った
複数の溝を一定間隔をおいて平行に配置した溝部分を有
するグレーティングを具え、グレーティングの溝に、溝
の方向がＣ軸に直交する方向のときは基板の常光線の屈
折率ｎ。に等しい屈折率を有する透明物質を埋め込み、
溝の方向がＣ軸に平行な方向のときは基板の異常光線の
屈折率ｎ．に等しい屈折率を有する透明物質を埋め込ん
で構成したことを特徴とする，また、本発明はその一態様として、グレーティングの溝
部分は溝の深さが互いに相異なる複数の部分から成るこ
とを特徴とする。

さらに、本発明は他の態様として、基板の表面に反射防
止膜を兼ねた保設膜を形成したことを特徴とする。

さらにまた、本発明の好ましい態様として、グレーティ
ングの溝の深さをｄとするときに、基板に入射する入射
光線の波長をλ、△ｎ　＝　Ｉ　ｎｏ−ｎａｌおよび０
次ベッセル関数をＪｏとして、Ｊｏ＝（２π△ｎｄ／λ
）＝０の条件式が成立するように溝の深さｄを定めたこ
とを特徴とする。

［作　用］本発明の偏光子は、リチウムテトラボレート単結晶板（
基板）に平行溝加工を施してグレーティングを形成し、
このグレーティングの溝部分に、リチウムテトラボレー
トの常光線あるいは異常光線の屈折率に一致する屈折率
を有する透明物質を埋め込んだものである。リチウムテ
トラボレート・における常光線の屈折率ｎｏと異常光線
の屈折率ｎウとの差八〇は、可視光付近で０．０５以上
の大きな値を示すので、効率よく常光と異常光の分離を
行うことができる。また、上記の平行溝加工は、例えば
トライエッヂング法、あるいはウエットエッチング法の
いずれによっても容易に行うことができ、この溝部分に
透明物質を埋め込むことも、半導体等で用いられる平坦
化膜形成技術を用いれば比較的容易にできる。このため
、本発明によれば、量産性に優れた高品質の偏光子を容
易に提供できる。

［実旅例］以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

Δユ』ロ１１１第１図は、本発明の第１の実施例の偏光子の構成を示し
、本図（＾）はその素子の外観を示し、零図（Ｂ）はそ
の縦断面を示す。ここで、１はリチウムテトラボレート
（化学式：　Ｌｉ２Ｂ４０７−以下１４ＢＯと略記する
）単結晶を用いた基板、２はＬＢＯ単結晶基板１の表面
上に形成した一定間隔の複数の平行溝からなるグレーテ
ィング、３はグレーティング２の溝部分に埋め込んだ透
明誘電体膜、４および５は基板１の両面に設けた反射防
止膜を１ｋねた保護膜、６は素子への入射光、７、８お
よび８′は偏光した出射光である。

上記のＬＢＯ基板１は、その面法線（結晶切断方位）を
結晶ａ＠方向に選ぶ．また、グレーティング２の溝はＬ
ＢＯ基板１の表面上に結晶Ｃ軸に直交する結晶ｂ軸に平
行になるよう形成し、結晶Ｃ軸方向に沿って溝部分の凹
凸が繰り返すように設ける。この溝部分、即ち凹部の幅
と凸部の幅は等しいものとし、その幅の寸法をＷとする
と、グレーティング周期ｐは２胃に等しい。上記凹部に
は、透明誘電体膜３をスパッタリング等の製造方法で形
成して、いわゆる埋め込み構造とする．次に、本実施例
の動作を以下に説明する。

基板１のリチウムテトラボレートは、Ｃ軸を光学軸に持
つ１軸異方性の結晶であり、異常光線、即ち、Ｃ軸方向
に振動する光の屈折率（異常光線屈折率）をｎ，、常光
線、即ちＣ軸に垂直な方向に振動する光の屈折率（常光
線屈折率）を００とする。また、グレーティング２の溝
部分に埋め込んだ透明誘電体３の屈折率をｎｄとし記し
、誘電体材料を適当に選んで、ｎｄが上記の常光線屈折
率ｎ。に等しいものとする。

上記のような条件下において，第１図に示した構造の素
子は、常光線、即ちｂ軸方向に偏光した入射光に対して
は、単なる平板状の透明板として作用するのみである。

一方、異常光線、即ちＣ＠方向に偏光した入射光に対し
ては、グレーティング２の凸部分の屈折率と溝加工部分
の屈折率とがＣ軸方向に周期的に変化しており、そのた
めグレーティング２がいわゆる位相格子として作用する
ので、異常光線はＣ軸方向に回折を受ける。

このため、常光線の入射に対しては、第１図中で矢印７
で示したように入射光６と同一方向に出射光７が得られ
る．一方、異常光線は、第１図中で矢印８．８′に示す
ようにＣ軸方向に回折されるから常光線７と分離するこ
とができる。

さらに好ましい態様として、グレーティング２の溝の深
さを入射光６の波長λに対応して後述の条件で設定する
ことにより、実施例の｛ｉ光子を用いて常光線と異常光
線とを完全に分離することができる。次にその完全分離
のための条件について説明する。

位相格子による光回折、即ちラマン・ナス回折の条件下
では、入射光は一般に±ｍ次（ｍは整数）の回折光゜に
分離し、回折角θ，１は、　ｔａｎθ。

＝λ／ｍｐ＝λ／２＋ａｗで与えられる。また、非回折
光（ｍ＝ｏ）の強度１Ｇ’　は、Ｉｏ’　　＝　Ｉｏ、
Ｉｏ　（２ｋｄ）で与えられる。ここで、Ｉ０は入射光
の強度、ｄは溝の深さであり、ＪｏはＯ次ベッセル関数
である。またｋは次式（１）で与えられる．ｋ：π△ｎ／λ　　　　　　　　　　　　（１）ただし △ｎ　＝　ｌ　ｎ．−ｎ．Ｉ　　　　　　　　　　　　
　　　（２）である。

Ｊｏ（２ｋｄ）　＝Ｏのとき非回折光の強度！。′は零
になる。即ち、等の値をとるとき０次のヘツセル関数，１ｏは÷どなる
ので、このときの出射光の常光線と異常光線は完全に分
離でき、最良の偏光子特性が得られる。

また、基板１のＬＢＯの屈折率は、波長０．６μｍ帯で
、ｎｏ＝　１．６０８ｎ，＝　１．５５２ △ロー０．０５６である．偏光子の具体的数値例を以下に示す．ｗ　＝　１０／７ｔｓ λ＝　０．６３μｍとすると、異常光の非回折光が消滅する条件として、上
式（３）に代入すると、ｄ＝４．３μｓ，または９．９μｍ，あるいは１５．５
μｗ等の値が得られる。これらの溝の深さｄの値は、い
ずれも化学エッチングあるいはスバツタエッチング等に
より比較的容易に実現可能である。

一方、ラマン・ナス回折の条件トシテＱ＝ｙｒ　・λ−ｄ　／２−Ｗ２（４）？定義されるＱ
の値が１に比べて十分小さいことが必要である。上記の
ｄの値に対しては、ｄ＝１５．５μｌの場合でもＱ　＝
　０．１５４であるから、ラマン・ナス回折の条件を満
たしている。

基板１のグレーティング２の凹部に埋め込む透明誘電体
膜３は、例えば石英（ＳｉＯ■）と五酸化タンタル（Ｔ
ａＪｓ）を混合してスパッタ形成すれば得られる。この
混合比を適当に選べばｎｄ−００とすることができる．
また、透明透電体膜３の埋め込み形成は、半導体等で用
いられる平坦化膜形成技術を用いて実現可能である。

保護膜４，５は基板１のＬＢＯが極めてわずかながら水
溶性であるので、その耐湿性確保のために設けているが
、偏光子の動作を得るためには必ずしも必要ではない．
保護膜４．５の材料としては、透明材料で安定なもので
あれば特に制約はないが、基板１の常光線屈折率ｎｏと
異なる屈折率の材料を用いれば、適当な厚さに設定する
ことにより、反射防止膜を兼ねることもできる。

以上の説明では、基板１のｂ軸に平行な溝を設ける場合
について述べたが、基板１のＣ軸に平行に周期溝を設け
、埋め込み透明誘電体膜３の屈折率ｎ，を異常光の屈折
率ｎ６に等しくしても、上述と同様の作用を行う偏光子
が得られることは明かである。また、リチウムテトラボ
レート結晶では、ａ軸とｂ＠は光学的に同等であるから
、Ｃ軸に垂直な結晶切断方位の基板であればよく、従っ
て結晶切断方位がａ軸に限らず、ｂ軸でも、またａ＠と
ｂ軸の間にある基板を用いてもよい。

Ｂ．実施例２第２図に本発明の第２の実施例の構成を示す．本実施例
では、グレーティング２を複数のグループに分割し、各
グループにおける溝の深さｄを相互に異ならせてある。

上式（３）から明らかなように、非回折光が消滅する溝
の深さｄは波長依存性をもつので、溝の深さｄが全て等
しい第１図の構成では、特定の波長付近でのみ良好な偏
光子として動作するのに対し、溝の深さｄがグループ毎
に異なる本実施例。では、以下に述べるように広範囲の
波長領域において使用可能な偏光子が実現できる。

第２図は一例として３波長領域に分割した場合の構成例
である。第２図のように基板ｌのＣ軸に沿って領域■、
ＩＩ、ＩＩＩの３部分に分割し、各部分の溝の深さを互
いに異なった値に設定し、それぞれｄ，，　ｄ，、ｄ，
とする。この結果、各領域において非回折光が消滅する
波長λ１、λ２、λ３は相互に異なってくる．いま、例
えばλ，　＝０．６３μｍ、λ２＝０．８５μｍ　，λ
ｓ　＝１．１５μｍの３波長帯において最通な溝の深さ
を求めると、０次ベッセル間数Ｊｏの１番目の零点、即
ち、上式（３）の右辺が２．４０５の値に対して、それ
ぞれ次の値が得られる．ｄｌ　　＝４．３　　μｍｄ，＝５．８　　μｍｄ３　　＝７．９　　μｍ上述の構成により、波長λ１、λ２およびλ３の入射光
に対し、その入射位置をそれぞれ領域Ｉ，Ｉ１および■
に合わせることにより各波長域において常光線と異常光
線を完全に分陣する動作を行う偏光子が得られる．グレーティング２の溝の深さを異ならせるグループ分割
は、第３図に示すように、基板１のｂ軸方向、即ちグレ
ーティグ２の溝に平行な方向に沿って行っても良く、こ
の場合も第２図と同様の多波長に適用可能な偏光子を実
現できる。また、第２図のようなＣ軸方向に沿ってグル
ープ分割する構成と第３図のようなｂ軸方向に沿ってグ
ループ分割する構成とを組み合わせて、ｂ軸とＣ軸の両
方向に２次元的に領域を分割して配置する構成も可能で
ある。

このように構成した偏光子を実際に使用するには、例え
ば、スライド機構の付いたホルダにその偏光子を実装し
、入射光の波長に応じてホルダを動かすことにより、そ
の波長に最適な偏光子として動作させることができる。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、構成が簡単で製
作が容易、かつ大量生産に適しており、さらに所定の条
件式に基いてグレーティングの溝の深さを設定すること
により常光線と異常光線とを完全に分離することができ
、また、その深さをグループ毎に異ならせることにより
広い波長範囲にわたって動作可能な偏光子を提供するこ
とができるという顕著な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明の第１の実施例の構成を示す斜視
図、第１図（Ｂ）はその縦断面図、第２図は本発明の第２の実施例の構成を示す縦断面図、第３図は本発明の第２の実施例の変形例を示す斜視図で
ある．１・・・リチウムテトラボレート単結晶基板、２・・・
基板に形成したグレーティング、３・・・透明誘電体膜
、４．５・・・反射防止膜兼用保護膜、６・・・入射光、７・・・偏光出射光（常光線）、８．８′・・・偏光出射光（異常光線）。Ｌ．

Claims

【特許請求の範囲】１）結晶切断方位がｃ軸に垂直であるように切り出した
リチウムテトラボレート単結晶板により構成した基板と
、該基板の表面上にｃ軸に直交する方向またはｃ軸に平行
な方向に沿った複数の溝を一定間隔をおいて平行に配置
した溝部分を有するグレーティングとを具え、前記グレーティングの前記溝に、該溝の方向がｃ軸に直
交する方向のときは前記基板の常光線の屈折率ｎ＿ｏに
等しい屈折率を有する透明物質を埋め込み、前記溝の方
向がｃ軸に平行な方向のときは前記基板の異常光線の屈
折率ｎ＿ｅに等しい屈折率を有する透明物質を埋め込ん
で構成したことを特徴とする偏光子。２）前記グレーティングの溝部分は、溝の深さが互いに
相異なる複数の部分から成ることを特徴とする請求項１
に記載の偏光子。３）前記基板の表面に反射防止膜を兼ねた保護膜を形成
したことを特徴とする請求項１または２に記載の偏光子
。４）前記グレーティングの溝の深さをｄとするときに、
前記基板に入射する入射光線の波長をλ、△ｎ＝｜ｎ＿
ｏ−ｎ＿ｅ｜および０次ベッセル関数をＪ＿ｏとして、Ｊｏ＝（２π△ｎｄ／λ）＝０の条件式が成立するように前記溝の深さｄを定めたこと
を特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の偏光
子。