(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板の少なくとも一主面上に、金属粒子が分散された誘電体層を一層以上積層して偏光体を形成する工程と、前記偏光体上に前記誘電体層と同一材質であり、前記誘電体層より密度の高い高密度誘電体層を積層する工程と、前記誘電体基板、前記偏光体および前記高密度誘電体層に対する熱塑性加工により前記金属粒子に光吸収異方性を付与せしめる工程とを含むことを特徴とする偏光子の作製方法。
【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、光記録用機器、センサー等に使用される偏光子に関するものであり、特に光通信用機器に用いられる光アイソレータに好適に使用される偏光子の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の偏光子Ｐの一例を図３に示す。この偏光子Ｐは、ガラス１１中に回転楕円体状を成す金属粒子１３が分散されており、入射光Ｌ１に対して金属粒子１３の長軸方向の偏光成分１４を吸収し、短軸方向の偏光成分１５をほとんど透過させることで、偏光子として動作させるものである。なお、金属粒子１３の長軸と短軸の長さの比をアスペクト比という。
【０００３】
このような、光吸収異方性を有する微細な金属粒子１３をガラス１１中に分散させることで偏光特性を得る偏光子Ｐは高分子フィルムを用いたもの、所謂偏光フィルム等よりも損失が小さく、しかも耐久性が高いため、光通信の分野で活用されている。
【０００４】
上記偏光子Ｐは例えば、次のようにして作製される。ハロゲン化銀を含むガラス中に熱処理によりハロゲン化銀を凝集させ、次いで熱塑性加工により微細なハロゲン化銀粒子の回転楕円体への変形と、該回転楕円体の長軸方向の配向を同時に行なった後に、ハロゲン化銀を金属銀に還元して偏光特性を生じるようにして偏光子を作製するものである（特開昭５６−１６９１４０号公報等を参照、以下、溶融法という）。溶融法の場合、熱塑性加工は型を通して押し出すことで母材を変形させる、所謂押し出し成形が多く用いられる。
【０００５】
ところが、上記溶融法により得られた偏光子は、ハロゲン化銀を金属銀に還元するための還元ガスを導入する必要がある。この還元ガスは他の物質と反応するので、取扱いに注意を要するうえ高価であるという問題を有している。
【０００６】
また、還元はハロゲン化銀の表面から進行するため、偏光に関わる部分は表面から数１０μｍ程度の深さであることから、大部分の銀はハロゲン化銀のままとなる。このため、材料活用の面からすれば非常に使用効率が悪く、しかも光学特性の面からも、偏光特性に関与しないハロゲン化銀は挿入損失増加の要因にもなるなどの問題も有している。
【０００７】
これら諸問題に対応するために、同じくガラス中に金属微粒子を分散させた偏光子として、次のようなものが提案されている。この偏光子は金属粒子を分散させるために、ガラス等の誘電体基板上に真空蒸着等の薄膜作製法を利用して金属を島状に成膜した島状金属粒子の膜と、ガラス等から成る誘電体膜とを交互に形成し、熱塑性加工によって島状金属粒子に対して異方性を付与したものである（以下、薄膜法という）。このような薄膜法は、上記溶融法と比較すると、還元が不要となる、プロセスが容易となる等のメリットを有している（例えば、１９９０年電子情報通信学会秋期全国大会予稿集Ｃ−２１２を参照）。なお、前記薄膜法の場合の熱塑性加工は母材の両端に逆方向の張力を与え引き伸ばす、所謂延伸法が多く用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記溶融法では押し出し成形時に成形体表面が型と摩擦するため表面平滑性が著しく損なわれることがあり、特開平２−４０６１９号公報に示すように表面に粘性の低いガラス層を設け表面平滑性を改善する方法が示されている。なお、ガラスにおいては、ＳｉＯ２の基本組成に対し、カリウムやナトリウム、ホウ素、鉛等の修飾イオン比率が高いほど一般に熱膨張係数が大きい傾向があり、ＳｉＯ２単独の石英ガラスがもっとも熱膨張係数が小さく、さらに、修飾イオン比率の大きなガラスは粘性が低い傾向がある。また、前記特開平２−４０６１９号公報には、表面ガラス層を低膨張性にしても有用な記載がある。表面層に低熱膨張率の層が存在する場合は、常温では表面に圧縮応力が存在し機械的強度を向上させることができるが、昇温時には逆に引っ張り応力が表面に発生する。また、表面層と内部の境界で反射が生じないように内部のガラスに対し屈折率が非常に近く、かつ粘性が低く、かつ熱膨張係数が低い材料は選択が困難であるか、あるいは極度に限定されてしまうといった問題点があった。
【０００９】
一方、前記薄膜法により作製した偏光子は、延伸した後表面に細かいクラックが発生する場合がある。延伸法の場合は押し出し法と異なり、母材が型と接することがないため、摩擦による表面平滑性の劣化とは異なる原因による。
【００１０】
表面のクラックは、光の乱反射等を生じ、光学特性、特に挿入損失を劣化させる。更に薄膜法による偏光子は表面近傍にのみ偏光層が存在するため、表面の劣化は深刻な問題で研磨により削除することも困難である。
【００１１】
薄膜法におけるクラック発生の原因は、次のようなものである。同一組成であっても薄膜はバルクに比較して、密度が低い。従って、誘電体基板と誘電体薄膜層が同一組成の場合は、誘電体薄膜形成直後は表面に引っ張り応力が働くことになる。また、疎な膜は昇温と共に緻密化しようとするため、熱塑性加工のために加熱すると誘電体基板の膨張とあいまって更に表面に引っ張り応力が働くことになる。
【００１２】
これにより、わずかな傷、へこみ等を発生原として多数のクラックが発生する場合があることがわかった。図３は発生したクラックの金属顕微鏡写真に基づいて図示したものであるが、すべて延伸方向と平行に走っていてクラック自体も延伸されて引き伸ばされている。これは延伸開始前、即ち加熱中か、もしくは延伸のごく初期段階で発生していることを示している。従って、加熱中に表面に発生する応力を緩和する必要がある。
【００１３】
また、図３のクラックは誘電体薄膜層を貫通して誘電体基板表面下にまで達しており、一方、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）での断面観察でも誘電体基板と誘電体薄膜層での剥離は確認されていないこと等から、誘電体基板と誘電体薄膜層の密着性は基本的にクラックに無関係である。
【００１４】
ところで、例えば特開平０７−３０１７１０号公報ではクラック発生を防止する提案がされているが、誘電体薄膜層と誘電体基板との密着性のみに言及されているにすぎない。
本発明の目的は、熱塑性加工時に発生するクラックを防止し、表面平滑性の優れ、信頼性に優れた偏光子の作製方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の偏光子の作製方法は、誘電体基板の少なくとも一主面上に、金属粒子が分散された誘電体層を一層以上積層して偏光体を形成する工程と、前記偏光体上に前記誘電体層と同一材質であり、前記誘電体層より密度の高い高密度誘電体層を積層する工程と、前記誘電体基板、前記偏光体および前記高密度誘電体層に対する熱塑性加工により前記金属粒子に光吸収異方性を付与せしめる工程とを含むことを特徴とする。
【００１６】
このようにして、薄膜表面に密度の高い層を設けて圧縮応力を付与し、これにより加熱時の薄膜の収縮による引っ張り応力を緩和することができる。また、常温に降下させても、表面の圧縮応力のため破断等に強いガラスとすることができる。なお、ガラス薄膜の密度を上げる方法としては、成膜温度を上げる方法や、スパッタ中にＯ２ガスをアシストする方法等がある。
【００１７】
さらに、誘電体層が誘電体基板より熱膨張係数の小さい材質からなることで、熱塑性変形後における温度降下の際に収縮しにくい構造にすることができ、これによりクラックの発生を防止できる。
【００１８】
【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詳細に説明する。
【００１９】
本発明の偏光子Ｐ１の基本構成の模式的な斜視図を図１に示す。同図に示すように偏光子Ｐ１は、ガラス等からなる透明な誘電体基板１の一主面上に、後述する熱塑性加工により光吸収異方性と配向性が付与された金属粒子２ａが誘電体中に分散された状態になっている金属粒子層２と誘電体基板と同一材質の誘電体層３とが交互に積層された偏光体４と前記誘電体３と同一材質もしくは熱膨張係数の小さい材料で密度の大きい高密度誘電体層である表面圧縮応力層５から成る。なお、図では理解しやすいように、金属粒子２ａを断面的に表現し、金属粒子層２は平面的に示しているが、実際の金属粒子２ａは径が大きく、金属粒子と金属粒子との間に誘電体層３が介在している。
【００２０】
本発明の偏光子Ｐ１は、誘電体基板１上の偏光体４の金属粒子２ａが、形状異方性、即ち光吸収異方性、及び配向性を有することによって偏光子として機能する。例えば図１に示すように、Ｘ方向（金属粒子２ａの長軸方向）とＹ方向（金属粒子２ａの短軸方向）の偏光成分を持つ入射光Ｌ１は、偏光子Ｐ１を通過することでＸ方向の偏光成分がほとんど吸収され、出射光Ｌ２はＹ方向に偏光した光になる。
【００２１】
上記のような偏光子の作製方法の一例について、以下の工程（１）〜（６）に基づいて説明する。
【００２２】
（１）透光性を有する誘電体基板１上に島状微粒子から成る金属粒子層２をスパッタ法により被着形成させる工程、（２）誘電体基板１全体を誘電体基板１を構成する誘電体材料のガラス徐冷点より低い温度で加熱して、島状微粒子を凝集させて所望の寸法の金属粒子２ａに成長させる工程、（３）多数の金属粒子２ａから成る金属粒子層２上にスパッタ法により誘電体層３を膜状に形成させる工程を行なう。
【００２３】
所望の消光比を得るために上記（１）から（３）を数回繰り返すことにより、偏光体４が形成される。
【００２４】
（４）後に最上層に前記誘電体層３と同一材質でしかも密度の高い表面圧縮応力層５を成膜する。
【００２５】
（５）次にガラス軟化点と徐冷点の間の温度で加熱し一定方向に張力を加えることで延伸せしめ（熱塑性加工）、偏光体４中に分散した金属粒子２ａに異方性と配向性を付与する。
【００２６】
（６） 最後に、偏光子Ｐ１の両主面（表裏面）に研磨、洗浄等を施し、さらに両主面に、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＭｇＯ等の誘電体材料からなる単層もしくは多層膜からなる反射防止膜を形成する。
【００２７】
なお、誘電体基板１にはホウ珪酸ガラスの一種である、ＢＫ−７ガラス（ホーヤ社製、ＳｉＯ２が約６９重量％、Ｂ２Ｏ３が約１０重量％）、パイレックスガラス（コーニング社製＃７７４０、ＳｉＯ２が約８３重量％、Ｂ２Ｏ３が約１３重量％）、石英ガラス等が好適である。
【００２８】
また、前記金属粒子２ａは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｒ等が光吸収性が高いため好ましい。特にＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔは酸化しにくい上に粒子化し易いのでいっそう良好である。
【００２９】
かくして、本発明の偏光子Ｐ１によれば、薄膜表面に密度の高い層を設けて圧縮応力を付与し、これにより加熱時の薄膜の収縮による引っ張り応力を緩和することができる。常温に降下させても、表面の圧縮応力のため破断等に強いものとすることができる。さらに、誘電体層が誘電体基板より熱膨張係数の小さい材質からなることで、熱塑性変形後における温度降下の際に収縮しにくい構造とすることでクラックの発生を極力防止できる。
【００３０】
【実施例】
次に具体的な実施例について説明する。
【００３１】
〔例１〕本発明の偏光子Ｐ１を図１に示す。誘電体基板１、誘電体薄膜層３、表面圧縮応力層５にそれぞれホウ珪酸ガラスの一種であるＢＫ−７、金属粒子２ａにＣｕを用いた。ここで、誘電体基板１の密度は約２．５１ｇ／cm３、誘電体薄膜層３の密度は２．１３ｇ／cm３、表面圧縮応力層５の密度は２．３２ｇ／cm３以上であった。
【００３２】
この偏光子Ｐ１は以下のようにして作製した。まず、各金属粒子層２の厚さは約２４ｎｍ、誘電体薄膜層３の厚さは約２００ｎｍとし、交互に１０層ずつ成膜し誘電体基板１上に偏光体４を形成した。なお誘電体薄膜層３は２００℃で成膜した。この温度は図４に示すように１５０℃以下だと、密度が低すぎ金属粒子に変形を与えるための応力が生じないため消光比が劣化し、また密着性が劣るため膜の剥離が生じる。また、温度が２００℃を超えるようになると、後述のように誘電体薄膜３を成膜中に金属粒子２ａが酸化し消光比が劣化する。ここで、誘電体薄膜層３は金属粒子２ａを完全に覆うよう成膜され、その結果誘電体薄膜層３の内部に金属粒子２ａが分散された状態となる。
【００３３】
次に、前記偏光体４の上に成膜温度( 基板温度)４００℃にてＯ２をアシストガスとしてスパッタリングを行なう。これにより、誘電体薄膜層３より高密度の表面圧縮応力層５を誘電体薄膜層３と同様な厚みで形成した。
【００３４】
次に、偏光体４、表面圧縮応力層５を含む誘電体基板１全体を、材料であるＢＫ−７の軟化点と徐冷点の間の温度である約６２０℃に加熱し延伸を行ない全体の厚さを約１／３とした。ここで、金属粒子２ａの短軸は平均約３０ｎｍ、長軸は平均２００〜３００ｎｍでアスペクト比の平均は約１０であった。
【００３５】
最後に、偏光子Ｐ１の両主面（表裏面）に研磨、洗浄等を施し、さらに両主面に、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２の計５層からなる反射防止膜を形成した。
【００３６】
次に、この交互積層膜を形成した誘電体基板に対して、約６２０℃（軟化点と徐冷点の間）にて延伸を行ない、ＴｉＯ２とＳｉＯ２の多層薄膜からなる反射防止膜を成膜した。
【００３７】
また、薄膜の密度はエリプソメトリー等の方法で簡単に評価が可能であり、常温〜１５０℃では空孔率が１０％より多く例えば２０％程度まであるのに対し、上記方法で、加熱しＯ２ガスをアシストすると空孔率は１０％以下、好適な高密度層とする場合、８％以下となる。
【００３８】
ところで、最上層部に高密度の圧縮応力層５を設けず、偏光層中の誘電体薄膜層３自体の密度を高める場合以下の点で不適当である。薄膜型偏光子の場合、いったん誘電体薄膜層に覆われた金属粒子は高温でも酸化しにくく安定しているが、製造プロセス途中の誘電体薄膜層を形成する工程では金属粒子２ａが露出しており、誘電体薄膜層の材質（多くはガラス）に酸素が含まれているため、条件によっては酸化してしまう。
【００３９】
図４は誘電体薄膜（ここではＢＫ−７ガラス）成膜温度と消光比の劣化の関係を示す図である。おおよそ２００℃程度が消光比劣化の限界であり、密度を高めるために成膜温度を上げる場合は限度がある。Ｏ２ガスのアシストも同様に、金属粒子を酸化させるため適当でない。したがって、現実問題として上部に圧縮応力層５を形成する方法が優れているといえる。
【００４０】
なお、上記実施例の他に、誘電体基板としてＢＫ−７ガラス（熱膨張係数：８．３×１０−６／Ｋ）を用い、誘電体層として誘電体基板より熱膨張係数の小さなパイレックスガラス（熱膨張係数：３．０〜３．６×１０−６／Ｋ）を用いて、他の条件は上記実施例と同様にして偏光子を作製した場合も同様な効果が得られた。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の偏光子の作製方法によれば、薄膜表面に密度の高い層を設けて圧縮応力を付与するので、加熱延伸の昇温時に発生する表面の引っ張り応力が緩和され、クラックの発生、表面平滑性の劣化を極力防止することができ、ひいては歩留りの向上した低コストの偏光子を提供できる。
【００４２】
また、表面の高密度層のため、常温でも機械的強度が向上し、湿度や大気の変化に影響を受け難い信頼性の優れた偏光子を簡便に提供できる。
【００４３】
さらに、誘電体層が誘電体基板より熱膨張係数の小さい材質とすることで、熱塑性変形後における温度降下の際に収縮しにくい構造とし、クラックの発生を極力防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の偏光子Ｐ１の模式的な斜視図である。
【図２】  従来の偏光子Ｐの動作原理を説明するための斜視図である。
【図３】  クラックが発生している偏光子表面の金属顕微鏡写真に基づいて描いた図である。
【図４】  ＢＫ７ガラスの成膜温度と消光比の劣化との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１：誘電体基板
２：金属粒子層
３：誘電体薄膜層（誘電体層）
４：偏光体
５：表面圧縮応力層（高密度誘電体層）
１１：ガラス
１２：入射光線
１３：金属粒子
１４：長軸方向の偏光成分
１５：短軸方向の偏光成分
Ｐ１：偏光子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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