JPH11248935A

JPH11248935A - 偏光子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11248935A
Application number: JP4650698A
Authority: JP
Inventors: Toru Fukano; 徹深野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】誘電体基板の一主面に光吸収異方性を有する
金属粒子が分散された金属粒子層と誘電体層とが交互に
積層された偏光層を設けて成る偏光子において、金属粒
子層を基板面に均一に成膜することを可能とし、ひいて
は、特性の優れた偏光子を大量且つ安価に提供できるよ
うにすること。【解決手段】透光性を有する誘電体基板２の下面に透
光性を有し、誘電体基板２より熱伝導率が高い熱伝達層
５を設けるとともに、誘電体基板２の上面に光吸収異方
性を有する金属粒子４ａが分散された金属粒子層４と誘
電体層３ａとが交互に多層に積層された偏光層８を配設
してなる偏光子１とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信機器，光記
録機器，光センサー等に使用される偏光子、特に誘電体
中に光吸収異方性を有する金属粒子が分散された偏光子
に関するものであり、例えば光アイソレータに好適に使
用可能なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えばある種の溶液をセル内
に入れて構成された偏光子、プラスチックに着色剤を混
入し着色イオンを利用する偏光子、基板上に誘電体薄膜
を多数積層し多層薄膜の干渉を利用する偏光子、複屈折
性の大きな結晶で構成されたグラントムソンプリズムに
代表される偏光プリズム、ブリュースター条件を利用し
て偏光成分を分離するＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ
ー）、あるいは、高分子材料を一定方向に配向させ一方
向の偏光成分を吸収する偏光フィルムなどが偏光子とし
て一般的に知られている。

【０００３】ところが、例えば上記着色イオンを利用し
た偏光子は、波長依存性が大きいため、波長毎に最適な
波長特性を有するものを選択しなければならなかった。
また、屈折率の大きな結晶で構成された偏光子は、波長
依存性は小さいものの、加工が困難で素子寸法に制限が
あり小型化し難いなど、これまで小型でしかも波長特性
に優れた偏光子はなかった。

【０００４】このような偏光子に対して、最近では、光
通信用デバイスとして偏光ガラスが使用されている。こ
れは例えば透明なガラスを媒体とし、この媒体中に銀粒
子を一定方向に揃えて分散させ光学異方性を持たせた構
造としたものである（特公平２−４０６１９号公報等を
参照）。

【０００５】この偏光ガラスの製造方法は、まず銀およ
び塩化物、臭化物およびヨウ化物より成る群から選択さ
れた少なくとも一つのハロゲン化物より成るガラス用バ
ッチを溶融し、必要とされる形状のガラス素地に成型す
る。次に、前記ガラス素地を定められた条件にて熱処理
を行い、ガラス中にハロゲン化銀粒子を析出させる。さ
らに、前記ガラス素地を定められた温度範囲において張
力を加えて延伸し、前記ハロゲン化銀粒子を伸長させ、
張力方向へ整列させる。最後に上記伸長されたガラス素
地を定められた温度範囲内において還元雰囲気中に暴露
し、ハロゲン化銀の一部を金属銀粒子に還元することに
よって偏光ガラスとしたものである。

【０００６】しかしながら、上記偏光ガラスの製造方法
は、前者はハロゲン化銀から金属銀を析出するために、
還元雰囲気中にて熱処理を行うが、このため、ガラス素
地内に析出する金属銀の量を制御することは困難であ
り、安定した光学特性を得ることができなかった。そし
て、このガラス素地を加熱延伸しても、安定して再現性
よく偏光特性を得ることが困難であった。

【０００７】また、ガラス素地内の厚さ方向に温度分布
が存在することにより、中心部に金属銀が析出しなかっ
たハロゲン化銀が残留し、これが透過率に悪影響を及ぼ
すという問題もあった。

【０００８】さらに、ハロゲン化銀粒子は金属銀に還元
される際、１／３程の体積収縮を伴うため、還元が行わ
れているガラス素地の表面部分はポーラスとなり、長期
信頼性においても問題があった。

【０００９】そこで、このような問題点を解決するため
に、ガラス等の誘電体基板上に真空蒸着等の薄膜製造プ
ロセスを利用して不連続な島状金属粒子層と、ガラス等
の誘電体層を交互に形成し、加熱延伸によって異方性を
持たせるようにしたものも提案されている（例えば、１
９９０年電子情報通信学会秋季全国大会、講演予稿集Ｃ
ー２１２を参照）。この偏光子は、上記島状の金属粒子
層における各島が金属粒子の役割を果たし、金属粒子を
分散させたものと同じ構造になる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記偏
光子の場合、分散させる金属粒子の大きさ、金属粒子の
分布状態を基板面内方向で均一にすることが難しく、工
業的に安定して作製することが難しかった。

【００１１】この製造プロセスについて、発明者らが鋭
意検討した結果、金属粒子の成長には、基板温度が重要
なパラメータとなることが確認された。また、金属粒子
は、真空蒸着装置等で成膜された場合、基板面のエネル
ギー状態で存在箇所を変化させるため、基板面に温度分
布が存在すると、金属粒子の面内分布が生じることにな
る。

【００１２】また、上記基板温度は通常３００℃以上の
高温となるので、基板面を均一な面とするとともに、成
膜中、同一基板面内を均一な温度にする必要がある。

【００１３】従来、基板を加熱させる場合、基板を保持
している基板保持体を介して、ヒータに取り付ける方法
や、また、白熱電球を使用する方法では、誘電体である
基板を加熱することが難しいため、一度、基板保持体を
加熱し、基板保持体からの熱伝導により基板を加熱する
方法が取られていた。このため、このような高温下で
は、ガラスの熱伝導率が低いことにより、同一基板面内
を均一な温度にすることが難しく、金属粒子が基板面に
不均一に分布し、基板一枚から特性の優れた偏光子を多
数得られない。

【００１４】そこで本発明は、誘電体基板の一主面に光
吸収異方性を有する金属粒子が分散された金属粒子層と
誘電体層とが交互に積層された偏光層を設けて成る偏光
子において、金属粒子層を基板面に均一に成膜すること
を可能とし、ひいては、特性の優れた偏光子を大量且つ
安価に提供できるようにすることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明の偏光子は、透光性を有する誘電体基板の下
面に透光性を有し、前記誘電体基板より熱伝導率が高い
熱伝達層を設けるとともに、前記誘電体基板の上面に光
吸収異方性を有する金属粒子が分散された金属粒子層と
誘電体層とが交互に多層に積層された偏光層を配設して
なる。

【００１６】また、特に、透光性を有するガラス基板の
下面に透光性を有するシリコン酸化物層を形成するとと
もに、前記ガラス基板の上面に光吸収異方性を有する金
属粒子が分散された金属粒子層と誘電体層とが交互に多
層に積層された偏光層を配設してなる偏光子とする。こ
こで、特にシリコン酸化物層の厚さは１〜４０００Åと
し、より好適には５００〜２０００Åとする。

【００１７】また、透光性を有するガラス基板の上面
に、光吸収異方性を有する金属粒子が分散された金属粒
子層とガラスから成る誘電体層とを交互に積層させて成
る偏光層を配設してなる偏光子の製造方法において、前
記偏光層は下記Ａの工程にＢ〜Ｄの工程を複数回繰り返
し行い、しかる後にガラス基板を加熱しながら延伸せし
め、前記金属粒子層内に分散された金属粒子に光吸収異
方性を具備させることを特徴とする。Ａ：ガラス基板の
下面にシリコン層を薄膜形成法により形成する工程。
Ｂ：ガラス基板の上面に金属微粒子を薄膜形成法により
被着形成する工程。Ｃ：前記ガラス基板を軟化点より低
い温度で加熱して、前記金属微粒子を成長させて金属粒
子層を形成させる工程。Ｄ：前記金属粒子層上に薄膜形
成法により誘電体層を形成させる工程。

【００１８】また、上記製造方法において特に、シリコ
ン層を加熱して透光性を有したシリコン酸化物層を生ぜ
しめる工程を含むことを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基づき詳細に説明する。図１及び図１のＡ−Ａ
線断面図である図２（ｇ）に示すように、本発明の偏光
子１は透光性を有する誘電体基板であるガラス基板２の
下面には、ガラス基板２より熱伝導率が高い熱伝達層で
ある例えばシリコン（Ｓｉ）が、後記する熱酸化処理に
より酸化形成された透光性を有する酸化シリコン（Ｓｉ
Ｏ₂）層７が設けられ、ガラス基板２の上面には、光学
異方性を有する金属粒子３ａが多数分散された（個数密
度：２〜３７個／μｍ²）金属粒子層４と誘電体層３ａ
とが交互に多層に積層されて成る偏光層８を配設したも
のである。なお、金属粒子層４において金属粒子４ａと
金属粒子４ａとの間は誘電体層３ａの一部になってい
る。

【００２０】上記のように誘電体基板の下面にシリコン
層を設ける場合には、シリコン層が残留すると挿入損失
が増大するので、後記する熱処理工程により熱酸化せし
め透明な酸化シリコンとするとよい。また、熱伝達層が
不透明で熱処理等の工程においても透明化することがで
きない場合は、このような熱伝達層を研磨等により除去
してもよい。また、熱伝達層が例えば金や白金等の光を
透過する金属等の薄膜で構成した場合には、そのような
透光性を有する熱伝達層を設けたままの状態にしておい
てもよい。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の長軸を含み、且つ基板面Ｓに平行な面で切
断した時に計測した密度である。

【００２１】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
標名）や、ＢＫガラス（ＢＫとは、ホーヤガラス社の商
標名）等のホウ珪酸ガラスを用い、これ以外にシリカガ
ラス等の高融点の珪酸塩ガラスやソーダガラス等の低融
点ガラスを用いても良い。また、このようなガラス材料
に代えて他の透明な誘電体材料を用いてもよいが、ガラ
ス材料は安価で延伸が容易であるので好適に使用でき
る。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ＢＫガラスを用いる場合には、誘電体層５に
もＢＫ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。

【００２２】金属粒子４ａには、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｒ
ｈ，Ｉｒ等の貴金属元素やＣｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａ
ｌ及びＷ等の遷移金属から選択される一種以上の金属で
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、ガラスとの濡れ性が悪く、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
合金であってもよい。

【００２３】また、金属粒子４ａはほぼ回転楕円体状で
形状異方性があり、図１（但し、光の進行方向をＺ方向
とし、これに直交する平面を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。

【００２４】また、金属粒子４ａの長軸方向の長さと短
軸方向の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。

【００２５】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ととも
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、アスペクト比が大き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大き
い領域で減少するため、偏光層３中の金属粒子４ａのア
スペクト比（長軸方向の長さ／短軸方向の長さ）は３〜
３０が適当であり、特に好ましくは１５〜２５である。
なお、消光比は、所定波長において偏光していない入射
光を用いた場合に、Ｙ方向の偏光成分とＸ方向の偏光成
分のエネルギーの比をデシベル単位で示したものとし、
エネルギーの比が１０の時に１０ｄＢとする。後記する
挿入損失は、所定波長において偏光していない入射光を
用いた場合に、入射光の全エネルギーとＸ方向の偏光成
分のエネルギーの比をデシベル単位で示したものとし、
エネルギーの比が０．１の時に０．１ｄＢとする。

【００２６】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２〜３７個／μｍ²とする。この
理由は、個数密度が２個／μｍ²より下回ると偏光子と
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。すなわち、上記範囲を外れると金属
粒子同士が近づき過ぎて挿入損失が増大したり、離れす
ぎて消光比が得られないのである。

【００２７】次に、本発明に係る偏光子１の製造方法に
ついて説明する。まず、図２（ａ）に示すように、透光
性を有する硼珪酸ガラス等のガラス基板２の下面に、シ
リコン等のガラス基板２より熱伝導率が高い熱伝達層５
を例えばスパッタリング等の薄膜形成法により形成する
（工程ａ）。

【００２８】次に、図２（ｂ）に示すように、ガラス基
板２の上面に銅などの金属微粒子６をスパッリングによ
り薄膜形成法により被着形成する（工程ｂ）。その後、
このガラス基板２をガラス軟化点より低い温度で加熱し
て、金属微粒子６を成長させた金属粒子４ａから成る金
属粒子層４を形成させる（工程ｃ）。

【００２９】そして、上記金属粒子層４上にスパッタリ
ング等の薄膜形成法により誘電体層３ａを形成させる
（工程ｄ）。

【００３０】このようにして、上記工程ｂ〜工程ｄを複
数回、繰り返し行うことにより、金属粒子層４と誘電体
層３ａとが交互に積層された積層体３がガラス基板２上
に形成される（工程ｅ，ｆ）。

【００３１】そして、上記スパッタリング等の薄膜形成
法に使用したアルゴンガスを除去するために、ガラス軟
化点以下の温度で加熱処理を行い、誘電体層３ａ中のア
ルゴン量を１．０×１０¹⁹molecules ／cm³以下にする
ように脱ガスする。その後、ガラス基板７を軟化点付近
で加熱しながらＸ−Ｘ′方向へ応力を加えて延伸等の熱
塑性変形を行わせ、金属粒子層４内に分散された金属粒
子４ａに光吸収異方性を具備させる（工程ｆ，ｅ）。

【００３２】なお、工程ａ以外において、ガラス基板２
は例えばＳＵＳ等で作製した基板保持体に密着させて取
り付け、この基板保持体をヒータ等の加熱源に接触させ
てガラス基板全体が均一温度になるようにし、金属微粒
子６及び誘電体層４ａをそれぞれ成膜する。

【００３３】いま、ＸＹ方向の偏光成分をもつ入射光Ｌ
１を偏光子１に入射させると、金属粒子の短軸方向（Ｙ
方向）に平行な偏光に比べ、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はある波長帯においてＹ方向に平行な偏光のみとな
り、偏光子として作用する。このような製造方法によっ
て得られた偏光子は、光アイソレータや干渉計等の各種
光学部品に用いることが可能となり、光通信の分野で広
く使用することができる。

【００３４】以上のように、金属粒子層の形成前に、ガ
ラス基板の下面にシリコン（Ｓｉ）等の熱伝達層を形成
することで、金属粒子層の形成時に、シリコンの熱伝導
性により、ガラス基板の熱を均一化させ、ガラス基板表
面に著しい温度分布が生じることが極力防止され、ガラ
ス基板面内の金属粒子の分散を均一にさせることがで
き、さらに、金属粒子の大きさも均一にすることができ
る。なお、この方法では、従来不可能であった、白熱電
球等の輻射によるガラス基板加熱も可能とすることがで
きるが、より温度を均一にするためには、輻射熱を基板
保持体で受け、基板に伝える方法が好ましい。

【００３５】また、形成したシリコンは、そのままの状
態ではガラス基板との屈折率の相違から損失を発生さ
せ、偏光子として機能させるには問題となることが考え
られるが、本発明のように透光性を有するガラス基板の
一面側に異方性を有する金属粒子が分散された金属粒子
層と誘電体層とが交互に多層に積層された偏光層を設け
てなる偏光子では、例えばスパッタリング等の薄膜形成
法による成膜中にトラップされたアルゴン（Ａｒ）ガス
を脱離するために行っている熱処理過程において酸化さ
れ透明な例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）となるため、
偏光子として全く問題とならない。しかしながら、その
Ａｒを脱離するために実施している熱処理温度は６００
℃程度であり、熱酸化を可能とし、しかも熱伝達に寄与
するＳｉの厚さに限界がある。発明者らが、鋭意研究を
重ねた結果、この最適膜厚が１〜４０００Å（ただし、
基板として後記するＢＫ７ガラスを用いた場合は２００
０Åが上限であった）であることを見いだし、偏光特性
を全く損なわない膜厚は５００〜２０００Åであること
を見出した。

【００３６】

【実施例】まず、誘電体基板として、７６ｍｍ×１０ｍ
ｍ×１ｍｍの大きさのＢＫ７ガラス（ＳｉＯ₂：６９
％，Ｂ₂Ｏ₃：１０％，Ｎａ₂Ｏ：８％，Ｋ₂Ｏ：８
％，ＢａＯ：３％（但し，組成は重量％）、軟化点は７
２４℃）を多数用意した。

【００３７】また、これらガラス基板の下面（裏面）に
は、Ｓｉ（熱伝導率１６８Ｗ／ｍＫ）が５００Å，１０
００Å，１５００Å，２０００Å，２５００Åの膜厚と
なるように、５種類のものをそれぞれ１０枚ずつ形成し
た。次に、これらガラス基板の上面に金属粒子層と誘電
体層とが交互に複数層積層した。すなわち、図２（ｂ）
〜（ｄ）の工程を５回繰り返し行い、Ｃｕから成る金属
粒子層とＢＫ７ガラスから成る誘電体層とが交互にそれ
ぞれ５層ずつとなるように成膜した。

【００３８】スパッタリングガスには、Ａｒを利用し、
金属粒子のスパッタ条件は、ＲＦパワー２０Ｗ、スパッ
タ圧２．０×１０^-3Torr、Ａｒガスの流量１０ｃｃｍ、
銅の膜厚２４ｎｍに設定し、銅粒子を成長させるため、
成膜直後に５００℃, ６０分間の熱処理を行った。ここ
で、銅の膜厚は上記スパッタ条件にて、２０分間成膜し
たものの膜厚を測定し、成膜速度を算出し、この値から
導きだしたものである。次に金属粒子を誘電体層内に埋
め込むため、誘電体層を１５０ｎｍの膜厚で成膜した。

【００３９】金属粒子層の形成後、真空中で金属粒子層
をヒーター加熱法で５００℃前後でアニールして凝集さ
せ、さらに島状の金属粒子の形状をほぼ球状に整えた。
このときの金属粒子の個数密度は５〜１０個／μｍ²と
した。なお、誘電体層の加熱は行わなかった。

【００４０】その後、スパッタ時に誘電体層内にトラッ
プされたＡｒガスを脱離するため、６００℃, ５０時間
の熱処理を行った。このとき、ガラス基板の下面に成膜
されたＳｉは２０００Å以下のサンプルでは全て熱酸化
され透光性を有するＳｉＯ₂となった。しかしながら、
２５００ÅのサンプルはＢＫ７基板とＳｉＯ₂の界面に
Ｓｉが残った。

【００４１】上記Ｓｉが２０００Å以下のサンプルを６
２５℃にて４５ｋｇ／mm²の応力で延伸を行った。消光
比２０ｄＢ、挿入損失０．０５ｄＢの歩留まりとして
は、５００Åの場合２０％、１０００Åの場合３０％、
１５００Åの場合６０％、２０００Åの場合９０％とな
り、Ｓｉの厚さが厚くなれば、歩留まりが向上する結果
が得られた。

【００４２】しかしながら、Ｓｉが２５００Å成膜した
サンプルは、ＳｉＯ₂とＳｉの界面、ＢＫ７とＳｉの界
面にて反射が発生し、消光比２０ｄＢ，挿入損失１０ｄ
Ｂとなった。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の偏光子及
びその製造方法によれば、ガラス基板の下面に熱伝達層
を形成することにより、ガラス基板の上面側に金属粒子
層を形成する場合のガラス基板の表面温度を均一化し、
これにより、ガラス基板面内の金属粒子の分布をなくす
ことが可能となり、特性の優れた偏光素子を歩留り良く
提供することができる。

【００４４】また、特にガラス基板の下面にシリコンか
ら成る熱伝達層を設ける場合には、ガラス基板の熱処理
工程により容易に酸化させることができ、透光性の有す
るシリコン酸化物とすることができ、このシリコン酸化
物を除去しなくとも特性の損なわない優れた偏光子を非
常に簡便に提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る偏光子の一実施形態を説明するた
めの斜視図である。

【図２】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ本発明に係る偏光
子の製造工程を説明する概略断面図である。

【符号の説明】

１：偏光子２：ガラス基板（誘電体基板）３：偏光層３ａ：誘電体層４：金属粒子層４ａ：金属粒子５：熱伝達層６：金属微粒子７：酸化シリコン層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透光性を有する誘電体基板の下面に、透
光性を有し前記誘電体基板より熱伝導率が高い熱伝達層
を設けるとともに、前記誘電体基板の上面に光吸収異方
性を有する金属粒子が分散された金属粒子層と誘電体層
とが交互に多層に積層された偏光層を配設してなる偏光
子。
【請求項２】ガラス基板の下面に透光性を有するシリ
コン酸化物層を形成するとともに、前記ガラス基板の上
面に光吸収異方性を有する金属粒子が分散された金属粒
子層と誘電体層とが交互に多層に積層された偏光層を配
設してなる偏光子。
【請求項３】ガラス基板の上面に、光吸収異方性を有
する金属粒子が分散された金属粒子層とガラスから成る
誘電体層とが交互に積層された偏光層を配設してなる偏
光子の製造方法であって、前記偏光層は下記Ａの工程にＢ〜Ｄの工程を複数回繰り
返し行い、しかる後にガラス基板を加熱しながら塑性変
形せしめ、前記金属粒子に光吸収異方性を具備させるこ
とを特徴とする偏光子の製造方法。Ａ：ガラス基板の下面にシリコン層を薄膜形成法により
形成する工程。Ｂ：ガラス基板の上面に金属微粒子を薄膜形成法により
被着形成する工程。Ｃ：前記ガラス基板を軟化点より低い温度で加熱し、前
記金属微粒子を成長させて金属粒子層を形成させる工
程。Ｄ：前記金属粒子層上に薄膜形成法により誘電体層を形
成させる工程。
【請求項４】前記シリコン層を加熱して透光性を有す
るシリコン酸化物層を形成せしめる工程を含むことを特
徴とする請求項３に記載の偏光子の製造方法。