JPH10274711A

JPH10274711A - 偏光素子及びそれを用いた光アイソレータ

Info

Publication number: JPH10274711A
Application number: JP8066297A
Authority: JP
Inventors: Masato Shintani; 真人新谷; Yasushi Sato; 恭史佐藤; Toru Fukano; 徹深野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 1998-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】消光比が高く、且つ挿入損失が低く、しかも
基板からの剥離が無い信頼性の高い偏光素子を提供する
こと。【解決手段】透光性を有する基板２の少なくとも一方
の主面上に、複数の形状異方性を有する多数の金属粒子
４ａから成る金属粒子層４と誘電体層５とを交互に積層
して成る偏光素子１であって、金属粒子層４中の金属粒
子４ａの個数密度が基板面方向で３７個／μm²以下であ
ることを特徴とする偏光素子１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘電体中に異方性
を有する金属粒子が分散された偏光素子とそれを利用し
た光アイソレータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】偏光素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、光通信，光センサ，光干渉
計等に使用されている。例えば、光通信の場合、偏光素
子は光アイソレータの主要部品である。光アイソレータ
は、例えばホルダ内に第１の偏光素子とファラデー回転
子と第２の偏光素子とを光軸上に配置し、周囲に同軸の
マグネットを配置したものである。

【０００３】ここで、ホルダには例えばＮｉ−Ｆｅ合金
等を用い、偏光素子は低融点ガラスまたは半田でホルダ
に溶着して気密に封止する。偏光性能は光通信に用いる
波長での値が重要であり、光アイソレータはレーザダイ
オード等とを組合わせて用い、第１の偏光素子で特定の
方向に偏光した光を取り出し、ファラデー回転子で偏光
方向を回転させ、第２の偏光素子で偏光方向を回転させ
た光を取り出すようにしたものである。

【０００４】現在、実用化されている偏光素子は、主と
してガラス中に回転楕円体状の銀粒子を分散させたもの
である（特公平２−４０６１９号公報，対応米国特許Ｕ
ＳＰ４，４８６，２１３、及びＵＳＰ４，４７９，８１
９）。この偏光素子は、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、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。この過程でハロゲン化銀粒子に異方性が生じる。
次いで、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。

【０００５】ところが、この偏光素子ではアスペクト比
（長軸長さと短軸長さとの比）が不均一で、短軸や長軸
の長さが均一な銀粒子を析出させることが困難である。
さらに、ガラス内部でのハロゲン化銀の還元が困難で不
透明な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
がポーラスになり長期安定性が低下する。

【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等の薄膜形成プロセスを用いて、
偏光素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，秋季大会，講演予稿集Ｃ−２１
２）。この提案では、ガラス等の誘電体基板上に金属層
を真空蒸着で設け、ガラス等の誘電体層をスパッタリン
グ等でその上に積層する。そして、金属層と誘電体層を
交互に数層形成する。次に加熱下で基板を引き延ばし、
金属層を不連続で島状の金属粒子の層に変形する。金属
粒子層での各金属粒子は延伸方向に引き延ばされて回転
楕円体状になり、偏光性能が発現する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記薄
膜形成プロセスを用いた偏光素子は、次に述べるような
問題点がある。

【０００８】１）金属粒子層と誘電体層とを交互に積層
した後に、加熱工程及び延伸工程を施すので、最終的に
適当な大きさの金属粒子にさせることが困難となり、偏
光方向とそれに垂直な方向との間の消光比が低い。

【０００９】２）消光比が低いため、積層数を増やして
消光比を増加させる必要があるが、積層数を増やすと基
板からの剥離が生ずるなどして積層体が破壊される。

【００１０】３）金属粒子の形状を変えただけでは挿入
損失を低くするのに限界がある。

【００１１】したがって、このような製造方法によって
得られた偏光素子においては、延伸及び還元による製法
で得られた光通信デバイス用の偏光ガラスと対比して
も、それと同程度の特性が得られず、未だ満足できる程
度の品質，特性及び信頼性が得られていなかったのであ
る。

【００１２】そこで、本発明では金属粒子の個数密度に
着目し、これを最適化することで、消光比が高く、しか
も基板からの剥離の心配が不要で、さらに挿入損失の低
い、信頼性且つ特性の非常に優れた偏光素子、及びそれ
を用いた光アイソレータを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する偏光
素子は、透光性を有する基板の少なくとも一方の主面上
に、誘電体層と形状異方性を有する多数の金属粒子から
成る金属粒子層とを交互に積層して成る偏光素子であっ
て、前記金属粒子層中の金属粒子の個数密度が基板面方
向に３７個／μm²以下であることを特徴とする。この個
数密度はより好適には５〜３７個／μm²、最も好適には
５〜３３個／μm²とする。

【００１４】また、金属粒子層中の金属粒子の平均のア
スペクト比（長軸長／短軸長）が３〜３０であることを
特徴とする。

【００１５】また、本発明の光アイソレータは、光を透
過させるファラデー回転子の光入射側及び／又は光出射
側に、上述の偏光素子を設け、該偏光素子の金属粒子層
及び誘電体層中に光を入射させるようにしたことを特徴
とする。

【００１６】ここで、特に透光性を有する基板はガラス
基板が最適であり、例えばほう珪酸ガラスから成るもの
とするとよい。また、金属粒子が貴金属元素，銅（Ｃ
ｕ），鉄（Ｆｅ），ニッケル（Ｎｉ），及びクロム（Ｃ
ｒ）のうちの少なくとも一種から成るものとするとよ
い。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態につい
て図面に基づき説明する。図１及び図２に示すように、
偏光素子１は透光性を有する誘電体の基板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は誘電体基板２上に個数密度が基板面方向に３７
個／μm²（平方ミクロン）以下、より好適には５〜３７
個／μm²の形状異方性を有する金属粒子４ａが多数分散
された金属粒子層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成るものである。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の長軸を含む面
（基板面Ｓに平行な面）で切断したときに計測した密度
である。なお、図１及び図２では、金属粒子層４と誘電
体層５との積層状態の一部を省略して図示している。

【００１８】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）やＢＫガラス（ＢＫとは、ＨＯＹＡ社の商品名）
等のほう珪酸ガラスを用い、これ以外にシリカガラス等
の高融点ガラスやソーダガラス等の低融点ガラスを用い
てもよい。また、このようなガラス材料に代えて他の透
明材料を用いても良いが、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。

【００１９】また、ガラス材料の内、特にほう珪酸ガラ
スが基板２に好ましい。なぜなら、ほう珪酸ガラスの体
熱膨張率は、光アイソレータのホルダに使用される金属
材料に近似するからである。例えば、ホルダ材料として
使用されるＮｉ−Ｆｅ合金の体熱膨張率の９０〜９６×
１０^-7／℃に近く、ホルダへの封止が極めて容易である
からである。例えば、ＢＫ−７ガラスの体熱膨張率は７
２〜８９×１０^-7／℃程度で、Ｎｉ−Ｆｅ合金の体熱膨
張率に非常に近似しているので好適に使用可能である。

【００２０】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にパイレックスガラスを用いる場合に
は、誘電体層５にもパイレックスガラスを用い、熱膨張
率等の特性を一致させることが好ましい。

【００２１】金属粒子４ａにはＡｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｒ
ｈ，Ｉｒ等の貴金属や、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ等の遷
移金属から選択される１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Ａｕ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。

【００２２】金属粒子４ａは回転楕円体状で異方性が有
り、図１（ただし、光の進行方向をＺ方向とし、これに
直角な平面をＸ−Ｙ平面とする。）では、金属粒子４ａ
の長軸方向がＸ方向で、短軸方向がＹ方向である。ま
た、金属粒子４ａの長軸長さと短軸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と共に
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、アスペクト比が高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高い領域で
減少するため、アスペクト比は３〜３０が適当であり、
特に好ましくは１５〜２５程度とする。なお、消光比は
所定波長において偏光していない入力光を用いた際に、
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する。

【００２４】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５〜３７個／μm²とする。この理
由は、個数密度が５個／μm²より下回ると偏光素子とし
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／μm²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。

【００２５】また、金属粒子４ａの短軸長さが増加する
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
波長域（１．３μm 程度）に接近する。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、
長軸長さにも制限が生じる。

【００２６】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。

【００２７】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５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。

【００２８】このような偏光素子１の金属粒子の個数密
度と挿入損失との関係についてアスペクト比３〜３０の
金属粒子から成る金属粒子層と誘電体層とを交互にそれ
ぞれ１０層以下に積層して調べたところ、図３における
格子線で示した領域となることが判明した。すなわち、
個数密度が３７個／μm²を越えると挿入損失が１ｄＢ以
上となり損失が急激に増大することが判明した。また、
個数密度が５個／μm²より少なくなると消光比が２０ｄ
Ｂ以下となり所望の偏光特性を示さなくなることが判明
した。また、挿入損失を確実に０．１ｄＢ以下とするに
は、個数密度は３３個／μm²以下とするのが最も望まし
いことも判明した。また、この偏光素子１によれば金属
粒子層４と誘電体層５のそれぞれの積層数を１５以下と
することができ、積層数をそれほど増大させなくとも所
望の消光比が得られしかも剥離の全く生じない優れた偏
光素子を提供することができる。

【００２９】したがって、例えば、上記の偏光素子１を
ファラデー回転子における光入射側及び光出射側の少な
くとも一方側に配設し、偏光素子１の金属粒子層４及び
誘電体層５に光を入射するようにして光アイソレータを
構成すれば、特性及び信頼性の高いものが提供できるこ
とは明らかである。

【００３０】

【実施例】実施例１次に、より具体的で好適な実施例について説明する。ま
ず、基板２としてＢＫ−７ガラス（ＨＯＹＡ社の商品名
であり、その組成は、ＳｉＯ₂：６９％，Ｂ₂Ｏ₃：１
０％，Ｎａ₂Ｏ：８％，Ｋ₂Ｏ：８％，ＢａＯ：３％
（ただし、組成は重量％））を用いた。また、その軟化
点は７２４℃，体熱膨張率は７２〜８９×１０^-7／℃で
ある。基板２のサイズは長さが７６mm，幅が１０mm，厚
さが１mmである。

【００３１】次に、ＢＫ−７ガラス（基板２と同一のＢ
Ｋ−７）とＣｕをターゲットとしたスパッタ成膜装置
（例：島津製ＨＳ−５２２Ｓ）にて、基板２上にＣｕ層
（複素誘電率４９．５−７．２ｊ）とＢＫ−７ガラス層
（誘電率２．２５）を交互に積層することで積層体を構
成した。

【００３２】すなわち、真空度１．０×１０^-3Ｔｏｒｒ
のＡｒ（アルゴン）ガス雰囲気、成膜速度０．０２ｎｍ
／ｓｅｃで膜厚４ｎｍのＣｕ層を成膜し、成膜後の真空
中にてＣｕ膜をヒーター加熱法により５００℃前後に加
熱して凝集させ、さらに島状のＣｕ粒子の形状を球状に
整えた。その後、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。さらに、真空度
１．０×１０^-3ＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気、成膜速度
０．２ｎｍ／ｓｅｃで膜厚１５０ｎｍのＢＫ−７ガラス
層をスパッタリングにより成膜した。ただし、ＢＫ−７
ガラス層の加熱は行わなかった。この工程を１０回繰り
返し、Ｃｕ層とＢＫ−７ガラス層との交互層からなる積
層体を作製した。

【００３３】次に、ＢＫ−７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
異方性を持たせ、同時に粒子の配向化も行わせた。この
結果、図１に示すように、基板２上に、ＢＫ−７ガラス
層（誘電体層）５間に平面状に島状化した多数のＣｕ粒
子（金属粒子）４ａ（個数密度：２０個／μｍ²、アス
ペクト比：５．１）を設けた偏光素子１が完成した。

【００３４】この偏光素子１について、波長１．３１μ
ｍの光を用いて消光比及び挿入損失を測定したところ、
消光比が４０ｄＢ以上で、挿入損失が０．１ｄＢ以下の
非常に優れた特性を示した。

【００３５】また、得られた偏光素子１をファラデー回
転子の光入射面及び光出射面のそれぞれに配置し、その
周囲に同軸のマグネットを配置して、Ｎｉ−Ｆｅ合金の
ホルダに収容して光アイソレータとした。ここで、偏光
素子１，１とホルダとの気密封止には低融点ガラスを用
い封着を行った。なお、封着温度は約５００℃で、基板
２の熱膨張率とホルダの熱膨張率とが近似するため、気
密に封止することができた。

【００３６】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Ａｕ（金）及び実施例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素子を
得た場合について説明する。実施例１と同様な基板２上
に、真空度１．０×１０−３Ｔｏｒｒ、成膜速度０．０
１５ｎｍ／ｓｅｃでスパッタ成膜により、膜厚５ｎｍの
Ａｕ層を成膜した。さらに、Ａｕ層を輻射熱加熱法によ
り６００℃前後に加熱し島状にＡｕ粒子を凝集させると
ともにその形状を球状に整えた。次に、実施例１と同様
にして誘電体層を積層して、この一連の工程を実施例１
と同様に１０回繰り返し、Ａｕ層とＢＫ−７ガラス層の
交互層からなる積層体を得、しかる後にこの積層体を加
熱延伸して、偏光素子を作製した。

【００３７】すなわち、図１に示すように、基板２上
に、ＢＫ−７ガラス層（誘電体層）５間に平面状に島状
化した多数のＡｕ粒子（金属粒子）４ａ（個数密度：１
０個／μｍ²、アスペクト比：２０）を設けた偏光素子
１が完成した。

【００３８】この偏光素子１について、波長１．３１μ
ｍの光を用いて消光比及び挿入損失を測定したところ、
消光比が４０ｄＢ以上で、挿入損失が０．１ｄＢ以下の
非常に優れた特性を示した。また、得られた偏光素子１
を実施例１と同様にして優れた光アイソレータを作製す
ることができた。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
誘電体層間の金属粒子の個数密度を最適化したので、偏
光素子の消光比を高めることができるだけでなく、挿入
損失を低減させた偏光素子や光アイソレータを提供する
ことができる。

【００４０】さらに、金属粒子層や誘電体層の積層数を
それほど増大させなくとも所望の特性が得られるので、
積層部分が剥離することもなく、特性及び信頼性の非常
に優れた偏光素子及び光アイソレータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る偏光素子を説明するための模式的
な斜視図である。

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

【図３】金属粒子の個数密度と挿入損失との関係を示す
特性図である。

【符号の説明】

１・・・偏光素子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方の
主面上に、形状異方性を有する多数個の金属粒子から成
る金属粒子層と誘電体層とを交互に積層して成る偏光素
子であって、前記金属粒子層中の金属粒子の個数密度が
基板面方向で３７個／μm²以下であることを特徴とする
偏光素子。
【請求項２】前記金属粒子層中の金属粒子の平均のア
スペクト比（長軸長／短軸長）が３〜３０であることを
特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
【請求項３】請求項１に記載の偏光素子をファラデー
回転子の光入射側及び／又は光出射側に配設して成る光
アイソレータ。