JPH1123841A

JPH1123841A - 偏光子及び光アイソレータ

Info

Publication number: JPH1123841A
Application number: JP9175860A
Authority: JP
Inventors: Toru Fukano; 徹深野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-07-01
Filing date: 1997-07-01
Publication date: 1999-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】挿入損失等の光学的特性に優れ、また偏光子の
表面に亀裂等が発生しないため信頼性の向上したものと
する。【解決手段】透明基板２の一主面上に、光吸収異方性を
有する金属粒子４ａが複数の層状に分散された透明誘電
体層３を設けてなる偏光子であって、前記金属粒子４ａ
の層間の間隔が５０ｎｍ以上であり、かつ面内における
金属粒子４ａの分布密度が３〜３７個／μｍ²である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システム、
光記録再生装置、光センサー応用装置等に使用される偏
光子及び光アイソレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の偏光子としては以下の（１）〜
（５）のようなものがあった。

【０００３】（１）着色剤を溶かし込んだ溶液をセル内
に入れたもの、あるいは透明なプラスチックに着色剤を
混入させたもので、光吸収性に異方性を持たせたもの。

【０００４】（２）複屈折性の大きい透明な結晶からな
る基板上に誘電体薄膜を多数積層し、誘電体薄膜による
多層干渉効果により、偏光方向がそれぞれ異なる常光線
か異常光線のいずれかを効率良く吸収又は透過させる、
グラントムソンプリズム等の偏光プリズム。

【０００５】（３）複屈折性の大きい透明な結晶からな
る基板表面におけるブリュースター角条件を利用して、
偏光方向が９０°異なる偏光成分を分離する偏光ビーム
スプリッター。

【０００６】（４）透明なフィルム内で高分子材料を一
定方向に配向させ、高分子の光吸収性の異方性、屈折率
異方性等を利用して特定方向の偏光成分を吸収又は透過
させる偏光フィルム。

【０００７】（５）透明なガラスからなる透明固体媒質
中に、回転楕円体状の銀粒子等の金属粒子をその長軸又
は短軸を特定方向に揃えて分散させることにより、光吸
収性に異方性を持たせたもの（特公平２−４０６１９号
公報参照）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、（１）
のような着色イオンを利用したものは波長依存性が大き
く、波長毎に最適な光吸収性を示す着色イオンを選択す
る必要があった。また、（２），（３）のように複屈折
性の大きい結晶を利用したものは波長依存性は小さい
が、結晶の加工が困難であり、そのため偏光子の寸法が
制限され小型化し難いという問題点があった。（４）の
ようなフィルム内の高分子の配向を利用したものは特定
方向への均一な配向が難しく、また配向性が良くても複
屈折性の結晶と比較した場合大きな消光比が得難いとい
う問題がある。

【０００９】また、（５）の回転楕円体状の金属粒子を
透明固体媒質中に分散させたタイプは、波長依存性が小
さく小型化に適しているが、下記の理由で金属粒子の分
散状態の制御が難しいため、偏光子として必要な挿入損
失の０．３ｄＢ以下、更に通信用として十分な挿入損失
０．１ｄＢ以下を実現することができなかった。

【００１０】そして、（５）の偏光子は以下のような工
程（ａ）〜（ｄ）で製造される。

【００１１】（ａ）銀及びハロゲン化物（塩化物，臭化
物，ヨウ化物等）よりなるガラス用バッチを溶融してガ
ラス基板等の形状に成型する。

【００１２】（ｂ）所定の温度等の条件で熱処理を行い
ガラス中にハロゲン化銀粒子を析出させる。

【００１３】（ｃ）ガラス基板を所定の温度に加熱した
状態で張力を加えて延伸し、ハロゲン化銀粒子を伸長さ
せ、かつ張力の方向へ整列させる。

【００１４】（ｄ）ガラス基板を所定の温度に加熱した
状態で還元雰囲気中に暴露し、ハロゲン化銀の一部を金
属銀に還元する。

【００１５】しかしながら、上記製法では、ハロゲン化
銀から金属銀に還元するために、還元雰囲気中で熱処理
を行っているが、この方法でガラス内の金属銀の量を正
確に制御することは困難であり、そのため所望の安定し
た挿入損失等の光学的特性を得ることができなかった。
また、熱処理時にガラスの厚さ方向に温度分布が生じ易
く、厚さ方向の中心部に金属化しなかったハロゲン化銀
が残留し、これが光の透過率を低下させていた。更に、
ハロゲン化銀粒子は還元される際に、１／３程度の体積
収縮を伴うため、還元後のガラス表面がポーラスにな
り、光の透過率低下やクラックの原因となるなど信頼性
の点で問題があった。

【００１６】そこで、ガラス等の基板上に真空蒸着法等
により不連続な島状の金属層と、ガラス等の誘電体層を
交互に積層し、加熱延伸によって金属層に光吸収性の異
方性を付与したものが提案されている（電子情報通信学
会誌１９９０年秋季全国大会Ｃ−２１２参照）。この
偏光子では、金属層の各島が金属粒子の役割を果たし、
金属粒子を分散させたのと同様の構成となる。しかしな
がら、上記の製法では、金属層の各島の分散状態の制御
が難しいという問題がある。

【００１７】また、分散金属粒子の面内における金属粒
子の分布密度、及び特に分散金属粒子の厚さ方向での間
隔が挿入損失に大きな影響を及ぼしていると考えられる
が、従来このような分布に関し言及した例はなかった。

【００１８】従って、本発明は上記事情に鑑みて完成さ
れたものであり、その目的は波長依存性が小さく小型化
に適しており、また挿入損失等の光学的特性に優れた偏
光子とすることにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の偏光子は、透明
基板の少なくとも一主面上に、光吸収異方性を有する金
属粒子が複数の層状に分散された透明誘電体層を設けて
なる偏光子であって、前記金属粒子の層間の間隔が５０
ｎｍ以上であり、かつ同一の層状に存在する金属粒子の
分布密度が３〜３７個／μｍ²であることを特徴とし、
透明誘電体層の厚さ、即ち分散金属粒子の厚さ方向の間
隔、及び金属粒子の分布密度を特定することにより、挿
入損失等の光学的特性に優れたものとなる。

【００２０】好ましくは、前記透明誘電体層の厚さは１
００ｎｍ以上であり、前記分布密度は５〜３３個／μｍ
²である。

【００２１】また、本発明の光アイソレータは、ファラ
デー回転子の光入射側及び／又は光出射側に、本発明の
偏光子を配設したことを特徴とし、挿入損失及び消光比
等において優れたものとなる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の偏光子１の斜視図を図１
に示す。同図において、２はガラス等の透明材料からな
る透明基板、３は金属粒子４ａを複数の層状に分散させ
た、ガラス等の透明材料からなる透明誘電体層（偏光
層）、３ａは一層の透明誘電体層、４は回転楕円体状の
１個の金属粒子４ａを分散させた分散金属粒子部で、換
言すれば金属粒子４ａが面内方向に断続的に形成された
一つの層状の部分である。

【００２３】前記金属粒子４ａは、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，
Ｐｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ等が好ましく、こ
れらは光吸収性が良好である。そして、これらの分散金
属粒子部４と透明誘電体層３ａはスパッタリング法等の
薄膜形成法によって成膜される。また、透明誘電体層３
上に更に誘電体多層干渉膜からなる反射防止膜等を形成
してもよく、更には透明誘電体層３を透明基板２の両面
に設けても構わない。

【００２４】本発明において、前記透明基板２は具体的
にはＳｉＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏ，ＢａＯ，
Ａｓ₂Ｏ₃等を主成分とするＢＫ７ガラス（ホーヤガラ
ス（株）製商品名）やパイレックスガラス（コーニング
グラスワークス社製商品名）、石英ガラス等が好適であ
る。また、透明誘電体層３ａは透明基板２と同じ材質の
ものとするのが良く、材質が異なると熱膨張係数の違い
から膜応力が発生し、その結果、透明基板２と透明誘電
体層３間で剥離が生じ、金属粒子４ａに光吸収異方性を
付与することができなくなる。

【００２５】前記金属粒子４ａの層間の間隔、即ち一層
の透明誘電体層３ａの厚さは５０ｎｍ以上であり、好ま
しくは１００ｎｍ以上とするが、これは以下の理由によ
る。尚、前記の厚さは延伸後のものであり、延伸前はそ
の３倍程度の厚さである。

【００２６】分散金属粒子部４の同一層状部での金属粒
子４ａの分布を制御するには、透明誘電体層３ａの膜厚
を厚くすることが必要であるが、厚膜化すると加熱延伸
時に、透明誘電体層３ａ中に含まれるＡｒ等のスパッタ
ガスが膨張し、積層界面において気泡が発生する。更に
延伸を行うと気泡が引き裂かれ、最外層の透明誘電体層
３ａ表面に亀裂が生じる。従来このような現象に対処す
るために、３００℃以上ガラス転移点（約５８０℃）以
下の温度範囲で熱処理を施すことにより脱ガスを行い、
亀裂の発生を抑制していたが、透明誘電体層３ａの厚さ
が延伸前に１５０ｎｍ以上では脱ガスが不可能であっ
た。

【００２７】そこで、スパッタリング装置内で、透明誘
電体層３ａの成膜毎に熱処理を行うことにより、透明誘
電体層３ａを延伸前に１５０ｎｍ以上に厚膜化すること
が可能となり、延伸前に１５０ｎｍ以上とすると延伸後
に５０ｎｍ程度となり、脱ガスが可能なうえ挿入損失が
０．３ｄＢ以下、更に厚膜化すると０．１ｄＢ以下とな
ることが判明した。また、本発明の偏光子１は、上記の
通り、その製造工程で３００℃以上ガラス転移点（約５
８０℃）以下の温度範囲で脱ガス処理するのが良いが、
それは、スパッタガスは３００℃付近から放出され始
め、４００℃以上で多く放出され、ガラス転移点付近に
なるとガラスの粘性が高くなり通気性が悪くなるからで
ある。

【００２８】前記透明誘電体層３ａの厚さの上限は特に
限定するものではないが、あまり厚すぎると加熱による
脱ガス処理に時間がかかることと、挿入損失の改善効果
が頭打ちになることから、好ましくは２００ｎｍ以下と
する。

【００２９】また、本発明は、分散金属粒子部４におい
て、同一の層状に存在する金属粒子４ａの分布密度を３
〜３７個／μｍ²とするものであり、３個／μｍ²未満
では消光比が２０ｄＢ未満と劣化し、３７個／μｍ²超
では挿入損失が０．３ｄＢを超える。より好ましくは、
５〜３３個／μｍ²とする。ここで、前記分布密度は、
少なくとも１個の金属粒子４ａの長軸を含む平面であっ
て分散金属粒子部４に平行な面でもって分散金属粒子部
４を切断し、その面内の金属粒子４ａの個数を計数する
ことにより、測定できる。

【００３０】更に、回転楕円体状の金属粒子４ａのアス
ペクト比（長軸／短軸比）は３〜３０がよく、その場合
所望の消光比（光波長１３１０ｎｍ，１５５０ｎｍで２
０ｄＢ以上）が得られ、より好ましくは１５〜２０とす
る。

【００３１】また、本発明の透明誘電体層３において、
分散金属粒子部４と透明誘電体層３ａとの組を５組〜２
０組積層するのがよく、５組未満では消光比が２０ｄＢ
未満となり、２０組を超えると挿入損失が増加し易い。
光アイソレータに用いる場合は、消光比４０ｄＢ以上が
好適であり、その場合１０組〜２０組がよい。

【００３２】このような本発明の偏光子１は、図１に示
すように機能する。回転楕円体状の金属粒子４ａの長軸
方向を仮にｘ方向、金属粒子４ａの短軸方向を仮にｙ方
向、光の入射方向をｚ方向にとり、ｘｙの直交する２方
向に偏光成分を有する入射光Ｌ１を偏光子１に入射する
と、金属粒子４ａの長軸方向（ｘ方向）に平行な偏光を
多くしかも長波長帯にて吸収するため、出射光Ｌ２はあ
る波長帯域でｙ方向に平行な偏光のみとなり、偏光子と
して作用する。

【００３３】また、本発明の偏光子１はファラデー回転
子と共に用いて光アイソレータに応用できる。この場
合、Ｎｉ−Ｆｅ合金等からなる円筒状のホルダ内に、Ｙ
ＩＧ（イットリウム鉄ガーネット：３Ｙ₂Ｏ₃・５Ｆｅ
₂Ｏ₃）等からなる円板状のファラデー回転子を設置
し、そのファラデー回転子の光入射側及び／又は光出射
側に、本発明の偏光子１を配置する。前記ホルダ内のフ
ァラデー回転子の周囲には、その偏光方向を磁場により
回転させるための永久磁石、電磁石等が設けられる。

【００３４】そして、例えばファラデー回転子の光入射
側及び光出射側に、本発明の偏光子１を配置した場合に
ついて、その機能を説明する。光入射側の偏光子Ａと光
出射側の偏光子Ｂとでは偏光方向が４５°異なるように
し、またファラデー回転子による偏光方向の変化の方向
を、偏光子Ａの偏光方向Ａから偏光子Ｂの偏光方向Ｂへ
向かって４５°変化するように構成すると、光アイソレ
ータとなる。

【００３５】光アイソレータに入射したランダム偏光の
光は、偏光子Ａによって一方向の偏光方向Ａの光とな
り、ファラデー回転子によって偏光方向が４５°変化
し、偏光方向Ｂの光となり、その結果偏光子Ｂをそのま
ま通過し出射する。出射側から戻ってきたランダム偏光
の光は、偏光子Ｂによって偏光方向Ａと偏光方向が４５
°異なる偏光方向Ｂの光となり、更にファラデー回転子
によって偏光方向が４５°変化し、偏光方向Ａと偏光方
向が９０°異なる光となり、偏光子Ａを通過することが
できない。従って、光アイソレータとして機能すること
になる。

【００３６】このような光アイソレータは、本発明の偏
光子１が内蔵されているため、挿入損失及び消光比等の
光学的特性において優れたものとなる。

【００３７】かくして、本発明は、波長依存性が小さ
く、即ち比較的広帯域で偏光子として使用でき、小型化
に適しており、また挿入損失、消光比等の光学的特性に
優れるという作用効果を有する。

【００３８】更に、下記の工程（１）〜（６）による本
発明の偏光子１の製法を、以下に説明する。

【００３９】（１）ＢＫ７ガラス等の透明基板２を用意
し、その一主面上に島状に金属粒子４ａが分布する分散
金属粒子部４をスパッタリング法、多元スパッタリング
法により形成する。このとき、成膜時間は完全な膜がで
きる前に成膜を止めるために約５分程度と短時間に設定
し、透明基板２を約５００℃に加熱した状態で成膜する
と、金属粒子４ａが島状に分布するものとなり、そして
島状の金属粒子４ａの平面形状はほぼ円形である。

【００４０】（２）分散金属粒子部４において金属粒子
４ａを所望の大きさに成長させるために、透明基板２を
ガラス転移点以下の温度で熱処理を行う。

【００４１】（３）多元スパッタリング法により、透明
基板２と同じ材質の透明誘電体層３ａを成膜する。

【００４２】（４）３００℃〜ガラス転移点以下の温度
に加熱し、透明誘電体層３ａに混入したＡｒ等のスパッ
タガスの脱ガス処理を行う。

【００４３】（５）所望の消光比及び挿入損失が得られ
るまで、分散金属粒子部４と透明誘電体層３ａの成膜及
び（２），（４）の熱処理を複数回繰返し、透明誘電体
層３を形成する。

【００４４】（６）透明基板２全体を加熱した状態で特
定方向に延伸し、島状の金属粒子４ａを回転楕円体状と
なし、偏光子１を完成する。

【００４５】尚、本発明は上記の実施形態に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の変更は何等差し支えない。

【００４６】

【実施例】本発明の実施例を以下に説明する。

【００４７】（実施例）図１の偏光子１を以下の工程
（１）〜（６）により作製した。

【００４８】（１）透明基板２には７６ｍｍ×１０ｍｍ
×１ｍｍのＢＫ７ガラス、成膜装置として多元マグネト
ロンスパッタ装置、スパッタリングガスにはＡｒ、ター
ゲットには分散金属粒子部４をなす銅と透明誘電体層３
ａをなすＢＫ７ガラスをそれぞれ使用した。スパッタ条
件はＲＦパワー２０Ｗ、スパッタ圧２．０×１０^-3ｔｏ
ｒｒ、Ａｒガスの流量１０ｃｃｍ、成膜時間約５分と
し、透明基板２を約５００℃に加熱した状態で、分散金
属粒子部４の厚さが２４ｎｍになるように設定しスパッ
タリングを行った。

【００４９】ここで、分散金属粒子部４の厚さは上記ス
パッタ条件にて別途２０分間成膜したものの膜厚を測定
し、その成膜速度を算出し、それを基準にして導きだし
た。

【００５０】（２）銅からなる金属粒子４ａを成長させ
るために、分散金属粒子部４の形成直後に５００℃、６
０分の熱処理を行った。

【００５１】（３）金属粒子４ａを透明誘電体層３ａ中
に埋め込むために、分散金属粒子部４上に透明基板２材
料と同じＢＫ７ガラスをスパッタリング法により、各々
９０ｎｍ，１２０ｎｍ，１５０ｎｍ，３００ｎｍ，４５
０ｎｍ，６００ｎｍ，７５０ｎｍ成膜した７つのサンプ
ルを作製した。

【００５２】（４）５８０℃、１時間の熱処理をし、Ａ
ｒの脱ガス処理を行った。

【００５３】（５）（１）〜（４）の工程を５回繰返
し、分散金属粒子部４と透明誘電体層３ａの組を５組積
層した透明誘電体層３を形成した。

【００５４】（６）そして、各サンプルを６２５℃にて
４５ｋｇ／ｍｍ²の応力で一方向に５０ｍｍ延伸を行
い、金属粒子４ａをアスペクト比が約２０の回転楕円体
状となし、延伸後の透明誘電体層３ａの膜厚が３０ｎ
ｍ，４０ｎｍ，５０ｎｍ，１００ｎｍ，１５０ｎｍ，２
００ｎｍ，２５０ｎｍである、７つの偏光子１を作製し
た。尚、これらの偏光子１はいずれも金属粒子４ａの分
布密度が２０個／μｍ²であった。

【００５５】作製した７つの偏光子１の表面には亀裂が
発生せず、光学的特性はいずれも消光比約２２ｄＢで、
挿入損失は図２に示すように、一層の透明誘電体層３ａ
が５０ｎｍ以上で挿入損失が際立って改善された。

【００５６】また、製造工程による違いを評価するため
に、以下の製法により偏光子を作製した。工程（１）、
（２）は本実施例と同様とし、以下工程（３ａ）〜（６
ａ）により作製した。

【００５７】（３ａ）金属粒子４ａを透明誘電体層３ａ
中に埋め込むために、分散金属粒子部４上に透明基板２
材料と同じＢＫ７ガラスをスパッタリング法により、３
００ｎｍ成膜した。

【００５８】（４ａ）（１），（２），（３ａ）の工程
を５回繰返し、分散金属粒子部４と透明誘電体層３ａの
組を５組積層した透明誘電体層３を有するサンプルを３
個作製した。

【００５９】（５ａ）３個のサンプルに対して、それぞ
れ５８０℃にて１２時間、１８時間、２４時間の３通り
の熱処理を施し、Ａｒの脱ガス処理を行った。

【００６０】（６ａ）そして、各サンプルを６２５℃に
て４５ｋｇ／ｍｍ²の応力で一方向に５０ｍｍ延伸を行
い、金属粒子４ａをアスペクト比が約２０の回転楕円体
状となし、延伸後の透明誘電体層３ａの膜厚が１００ｎ
ｍである偏光子１を作製した。

【００６１】その結果、作製した３つの偏光子１は、熱
処理時間に関係なくいずれのサンプルもその表面に亀裂
が発生し、光学的特性は消光比約２２ｄＢ、挿入損失
１．０ｄＢと劣化した。

【００６２】更に、金属粒子４ａの金属としてＡｕ，Ａ
ｇ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｉｒを用いて、上
記と同様にして偏光子１を作製したが、本実施例と同様
の効果が得られた。

【００６３】

【発明の効果】本発明の偏光子は、一層の透明誘電体層
の厚さが５０ｎｍ以上であり、かつ分散金属粒子部の同
一層に存在する金属粒子の分布密度が３〜３７個／μｍ
²であることにより、小型化に適しており、挿入損失等
の光学的特性に優れ、また偏光子の表面に亀裂等が発生
しないという作用効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の偏光子の基本構成の斜視図である。

【図２】本発明の偏光子の一層の透明誘電体層の膜厚と
挿入損失との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１：偏光子２：透明基板３：透明誘電体層３ａ：一層の透明誘電体層４：分散金属粒子部４ａ：金属粒子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板の少なくとも一主面上に、光吸収
異方性を有する金属粒子が複数の層状に分散された透明
誘電体層を設けてなる偏光子であって、前記金属粒子の
層間の間隔が５０ｎｍ以上であり、かつ同一の層状に存
在する金属粒子の分布密度が３〜３７個／μｍ²である
ことを特徴とする偏光子。
【請求項２】ファラデー回転子の光入射側及び／又は光
出射側に、請求項１の偏光子を配設したことを特徴とす
る光アイソレータ。