JPH0331803A - 複屈折回折格子型偏光子 - 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〕 本発明は、半導体レーザを利用した各種光装置に使用す
る複屈折偏光板、特に偏光方向によって回折効率の異な
る複屈折回折格子型偏光板に関する。

〔従来の技術〕

偏光素子特に偏光ビームスブリ、りは、直交する偏光間
で光の伝搬方向を異ならしめることによって特定の偏光
を得る素子である。このような素子は、光フアイバ通信
用光源モジュールや光デイスク用光ヘッドなどに、光ア
イソレータや光サーキュレータを構成する部品として使
われている。

従来、偏光ビームスプリッタとしては、グラフトムソン
プリズムやロッションプリズムなど、複屈折の大きな結
晶の光反射面における偏光による透過ないしは全反射の
違いを利用して光路を分離するもの、またはガラスなど
の等方性光学媒質でできた全反射プリズム反射面に誘電
体多層膜を設け、この誘電体多層膜の偏光による屈折率
の違いを利用して、光を全反射ないしは透過させるもの
が多く使用されている。しかしながら、これらの素子は
大型であること、生産性が低いこと、値段が高いことな
どの欠点がある。

一方、近年小型で生産性が高いことを特徴とする偏光素
子として、特願昭６２−１３０１４４号に記載されてい
る複屈折回折格子型偏光板が知られている。第５図から
第７図は前記明細書に記載されている複屈折回折格子型
偏光板の断面図である。複屈折回折格子型偏光板は、ニ
オブ酸リチウム基板１の主面に周期的なイオン交換領域
７の光学的回折格子を設け、かつイオン交換を施した領
域と施していない領域の間で常光線が受ける位相変化を
相殺する手段を設けたものであり、偏光による回折効率
の違いを利用して光路を分離するものである。前記の常
光線が受ける位相変化を相殺する手段としては、第５図
の断面図に示すようにイオン交換を施した領域７上に誘
電体膜８を形成したもの、第６図の断面図に示すように
イオン交換を施した領域７上では厚くイオン交換を施し
ていない領域上では薄く誘電体膜８を形成したもの、ま
たは第７図の断面図に示すようにイオン交換を施してい
ない領域の表面を所望の深さだけ削ったもの等がある。

例えば、ニオブ酸リチウムの主面に周期的にプロトンイ
オン交換を施すと、プロトンイオン交換を施した領域で
は波長１．３μｍの異常光線に対する屈折率が約０．１
増加し、常光線に対する屈折率が約０．０４減少する。

従って、プロトンイオン交換を施した領域の誘電体膜厚
を、プロトンイオン交換を施していない領域の誘電体膜
厚に比べて厚くシ、プロトンイオン交換を施した領域の
常光線に対する屈折率の減少を相殺することによって、
常光線の１次以上の回折効率及び異常光線の０次の回折
効率を共に零にすることができ、偏光子になる。

しかしながら、以上述べた構造においては、回折格子の
深さやプロトン交換領域の幅が理想的な値からずれると
異常光線に対する０次の回折効率が増加し、常光線の回
折効率が減少する。このことは１回折格子を偏光子とし
て使う場合には消光比が減少し、損失が増加することを
意味する。また、使用波長が設計波長から６％程度ずｈ
ると、得られる最大消光比は２０ｄＢ程度まで劣化して
しまう。そこでこれらの製作上の寸法のずれや波長のず
れにたいする許容範囲を大きくするために、複屈折回折
格子型偏光子を互いに格子ベクトルが直交するように基
板の両面に形成するか、または光の進行方向に縦続接続
した構成が提案されている。格子ベクトルを互いに直交
させる理由は、格子ベクトルを平行にすると例えば１段
目の回折格子で＋１次に回折さｈた回折光が２段目の回
折格子で一１次に回折さｈて全体としては０次の回折光
（直進光）となることを防止するためである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、以上述べた構造においては、偏光子を三
段以上縦続接続することはできないので、コヒーレント
光通信用光源モジュールのアイソレータなどのような高
い消光比を必要とする所には、消光比不足のために使え
ない。また、格子ベクトルを直交させると回折光は四方
六方に回折されるので、迷光の影響を受は易くなるとい
う欠点がある。

本発明の目的は、このような従来の問題点を除去し、三
段以上の回折格子を縦続接続することができ、かつ回折
光が一方向だけに回折される複屈折回折格子型偏光子を
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、光学的異方性を持つ結晶板の主面に、周期的
に並んだ複数の溝を有し、かつこの溝が誘電体で埋めら
れている複屈折回折格子、または光学的異方性を持つ結
晶板の主面に、周期的に並んだストライプ状のイオン交
換領域の光学的回折゛格子を具備し、かつ回折格子を透
過させる常光線成分に対して、前記イオン交換を施した
領域とイオン交換を施さない領域との間の位相変化を相
殺する手段を設けた複屈折回折格子を、光の進行方向に
複数縦続配置して成り、それぞれの複屈折回折格子の横
方向の屈折率分布が方形波状になっており、かつ互いの
複屈折回折格子の周期が他方の複屈折回折格子の周期の
偶数倍になっていることを特徴とする複屈折回折格子型
偏光子である。

〔作用〕

前記のように、複屈折回折格子型偏光板は、ニオブ酸リ
チウムなどの光学的異方性を持つ結晶基板に周期的なイ
オン交換を行うか、周期的に並んだ複数の溝を形成する
か、または光学的等方性基板に周期的に並んだ複数の溝
を形成し、その溝に異方性物質を充填することによって
製作する。

従って、イオン交換のイオン源や溝形成のエツチング条
件などを適当に選べば、屈折率分布が方形波状の回折格
子を作成することができる。方形波状の回折格子では０
次以外の偶数次の回折光は発生しないので、互いに回折
格子のピッチが偶数倍になっている複数の方形波状回折
格子を縦続接続した場合、たとえ各回折格子の格子ベク
トルが平行であっ°Ｃも、１次以上の回折光同士の回折
角が相殺されて全体として０次回指光（直進光）となる
ことはない。このため縦続接続した回折格子全体として
のＯ次回折光強度すなわち消光比は、各回折格子００次
の回折効率の積になり、縦続接続の段数を多くすれば十
分に小さくすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。第１図は本発明の複屈折回折格子型偏光子の一実施例
の斜視図である。ｌは光学的異方性を持つ結晶基板であ
り、本実施例ではニオブ酸リチウムのＹ板を用いている
。これらの角結晶基板の表面には、第２図から第７図の
断面図に示す様な横方向の屈折率分布が方形波状の回折
格子５が形成されており、この回折格子が光の進行方向
に縦続接続されている。各回折格子の周期は互いに偶数
倍になっている。入射光２は基板１に垂直な方向から回
折格子に入射し、偏光方向によって直進光３または回折
光４となって出射される。

第２図から第４図はニオブ酸リチウム結晶基板１に周期
的な溝９が形成され、さらにこの溝９が誘電体６で埋め
られた複屈折回折路ｆの実施例の断面図である。

第２図から第４図に示された各回折格子の０次の回折光
効率（すなわち直進光強度）は、ＣＯ８”（π［（ｎ−
ｎａ）　を十（ｎ−１）　（ｄ−ｔ）］／λ）で与えら
れる。但し、λは入射光２０波長、ｎ６は溝９を埋めて
いる誘電体６の屈折率、ｔは溝９を埋めている誘電体６
の厚さ、ｄは溝９の深さである。また、ｎはニオブ酸リ
チウム基板１の屈折率で入射光２の偏光方向によって、
異常光線の屈折率ｎ。

または常光線の屈折率ｎ０のどちらかをとる。この回折
格子を偏光子として動作させるためには、常光線または
異常光線のどちらか一方の０次の回折効率をＯにし、か
つ他方００次の回折効率を１にすればよい。このような
回折状態は、溝９の深さをｄ＝λ／　［２１ｎａ−ｎ、
　ｌコ、誘電体３の厚さをｔ＝　（ｎ、−１）／　（ｎ
ａ−１）　ｄとすることによって得られる。但し、ｎ　
”　ｎ　６の場合は常光線のみを直進させる偏光子とし
て働き、ｎ　”　ｎ　＊の場合は異常光線だけを直進さ
せる偏光子として働く。また、誘電体６の屈折率ｎ４が
基板１の屈折率ｎよりも大きい場合には第２図に示すよ
うに溝９が誘電体６で途中まで埋められた構成になり、
誘電体６の屈折率ｎ、が基板１の屈折率ｎと等しい場合
には、第３図のように誘電体６が溝９を完全に埋めた構
成になり、逆に誘電体６の屈折率ｎ４が基板ｌの屈折率
ｎよりも小さい場合には第４図に示すように溝９が誘電
体６で完全に埋められさらに誘電体６の表面が基板１の
表面よりも高くなった構成になる。

例えば光の波長をλ＝１．３μｍとすると、ニオブ酸リ
チウムの異常光線及び常光線に対する屈折率はそれぞれ
ｎ、＝２．１５及びｎ。−２，２３である。従って、溝
９の深さｄは約８．１μｍとなる。

誘電体として屈折率がｎａ＝２．３の酸化ニオブ（Ｎｂ
ｘＯｓ）を用いるとすれば、偏光子の構成は第２図のよ
うになり、誘電体６の厚さｔが約７，２μｍのとき異常
光線だけを直進させる偏光子として働き、誘電体６の厚
さｔが約７．７μｍのとき常光線だけを直進させる偏光
子として働く。また、誘電体６として屈折率がｎｎ＝２
．０の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いるとすれば、偏光子の
構成は第４図のようになり、誘電体６の厚さｔが約９．
３μｍのとき異常光線だけを直進させる偏光子として働
き、誘電体６の厚さｔが約１０．０μｍのとき常光線だ
けを直進させる偏光子として働く。また酸化ニオブ（Ｎ
　ｂ　！　０５）は反応性スパッタリング法によって堆
積させる場合、酸素の分圧等を調整することによって、
屈折率を２．１から２．３程度まで変化させられること
が知られている。そこで誘電体６として酸化ニオブを用
い、その屈折率を基板ｌの常光線の屈折率（ｎｏ＝２．
２３）または異常光線の屈折率（ｎ、＝２．１５）に等
しくなるようにし、第３図のような構成にすることによ
っても、常光線または異常光線だけを直進させる偏光子
として働く。

また、第５図から第７図は周期を有するイオン交換領域
７の光学的回折格子を形成し、かつ回折格子を透過させ
る常光線成分が、前記イオン交換を施した領域とイオン
交換を施さない領域との間の位相変化を相殺する手段を
設けた複屈折回折格子である。これらの複屈折回折格子
に関しては、特願昭６２−１３０１４４に詳しく説明さ
れている。

しかしながら、実際には溝９の深さや幅またはイオン交
換領域７の深さや幅などが理想的な場合からずれるため
、消光比はある有限値に制限さｈる。この消光比の制限
を補うために、互いに格子の周期が偶数倍の回折格子を
光の進行方向に縦続接続して消光比を増加させるのが本
発明の特徴である。方形波状の回折格子では０次以外の
偶数次の回折光は発生しないので、互いに回折格子のピ
ッチが偶数倍になっている複数の方形波状回折格子を縦
続接続した場合、たとえ各回折格子の格子ベクトルが平
行であっても、１次以上の回折光同士の回折角が相殺さ
れて全体として０次回指光強度すなわち消光比は、各回
折格子の０次の回折効率の積になり、縦続接続の段数を
多くすれば十分に小さくすることができる。

なお、回折格子を縦続接続する場合、第８図のように基
板の表裏両面に回折格子を形成しても良いし、第９図の
ように各回折格子の格子ベクトルが平行でなくてもよい
。

本偏光子は薄いニオブ酸リチウム結晶板にバ。

チプロセスによって大量に形成できるため、安価な偏光
子を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば高消光比低挿入損失
の偏光素子を得ることができ、さらにはバッチ処理によ
り大量安価な偏光素子とすることができる。

域％　８・・・・・・誘電体膜、９・・・・・・溝。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光学的異方性を持つ結晶板の主面に、周期的に並んだ複
   数の溝を有し、かつこの溝が誘電体で埋められている複
   屈折回折格子、または光学的異方性を持つ結晶板の主面
   に、周期的に並んだストライプ状のイオン交換領域の光
   学的回折格子を具備し、かつ回折格子を透過させる常光
   線成分に対して、前記イオン交換を施した領域とイオン
   交換を施さない領域との間の位相変化を相殺する手段を
   設けた複屈折回折格子を、光の進行方向に複数縦続配置
   して成り、それぞれの複屈折回折格子の横方向の屈折率
   分布が方形波状になっており、かつ互いの複屈折回折格
   子の周期が他方の複屈折回折格子の周期の偶数倍になっ
   ていることを特徴とする複屈折回折格子型偏光子。