(57)【要約】【課題】  格子部を含む周期構造体を積層することにより、見掛けのピッチが小さい光学素子を得る。【解決手段】  基板１上に１層目として金属製の格子部２が等間隔に並べられ、格子部２の間に充填材３が充填されている。また、２層目については格子部２のみが充填材３上に同様に等間隔に並べられている。このように、大きいピッチＰの格子部２から成る構造体を積層化することにより、偏光板として機能させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の偏光を変調する素子を周期構造体とし、該周期構造体を周期をずらしながら２層以上に積層したことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記周期構造体は等間隔に配列した格子体を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記格子体は断面矩形状としたことを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記格子体は金属材料としたことを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項５】
前記周期構造体は誘電体と導電体の繰り返しとしたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
前記周期構造体の周期は使用波長よりも小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項７】
光の偏光を変調する素子を誘電体と導電体の繰り返しによる周期構造体とし、該周期構造体を周期をずらしながら２層以上に積層し、前記導電体をマスクとして前記誘電体をエッチングすることを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光、光計測、光通信等の光学装置に使用される光学素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から光の波長よりも小さい構造を造ることにより、例えば特許文献１のように光を変調させる光学素子が一般に知られている。しかし、この光学素子はより波長の小さな可視光領域までの光に対して偏光特性を有するようにすることが難しい。
【０００３】
格子のピッチＰが波長λよりも小さければ小さいほど、偏光板としての特性は向上する。しかし、Ｐ≦λ／１０の関係を満たすと、格子のピッチＰをより小さくしても、偏光板としての性能はほぼ一定になる。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４５１４４７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光通信や光計測等で使用されている波長帯域はサブμｍ〜２μｍである。この大きさの光に対して、格子のピッチＰを１／１０にしようとすると、ピッチＰを０．２μｍよりも小さくしなければならず、それを製作できる装置はＥＢや最新機種のＡｒＦの半導体露光装置に限られてくる。
【０００６】
前者は生産性が良くなく、後者は価格も高く維持費もかかる。また、可視光領域を考慮すると、ピッチＰで４０ｎｍ程度の格子となり、前述のＥＢを使用しても製作は難しい。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題を解消し、パターンピッチが粗い格子をずらしながら積層することにより、見掛け上、格子のピッチを小さくすることができ、ピッチが粗い格子を作製するプロセスを用いても、偏光板の特性を向上できる光学素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る光学素子の技術的特徴は、光の偏光を変調する素子を周期構造体とし、該周期構造体を周期をずらしながら２層以上に積層したことにある。
【０００９】
本発明に係る光学素子の製造方法の技術的特徴は、光の偏光を変調する素子を誘電体と導電体の繰り返しによる周期構造体とし、該周期構造体を周期をずらしながら２層以上に積層し、前記導電体をマスクとして前記誘電体をエッチングすることにある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る光学素子及びその製造方法によれば、格子ピッチが粗くとも、積層することにより見掛けのピッチが小さくなり偏光特性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は実施例１の微細光学素子の構成図を示し、基板１上に１層目として金属製の格子部２が等間隔に並べられ、格子部２の間に充填材３が充填されている。また、２層目については格子部２のみが充填材３上に同様に等間隔に並べられている。
【００１３】
基板１上の高さｄの格子部２のピッチＰを、使用する光の波長λよりも小さく選択すると偏光板として機能する。格子部２のピッチＰが波長λよりも十分に小さい場合に、偏光板としても機能は最良のものとなるが、現実の加工技術ではそこまでは難しい。そこで、大きいピッチＰの格子部２から成る構造体を積層化することにより、近い性能が得られる。
【００１４】
図１では格子部２は積層化され、１層目の格子部２のピッチＰ＝０．２６μｍ、高さｄ＝１５０ｎｍ、２層目の格子部２は１層目の格子部２とピッチ方向にＰ／２ずれて配置されている。格子部２としてＡｌ、充填材３としてＳｉＯ2が使用されていて、基板１には透明な合成石英が用いられている。
【００１５】
図２はシミュレーション結果を示し、ＲＣＷＡを用いて評価した。図２から２層の構造体の方が消光比γが良い偏光板が得られることが分かる。ここで、消光比γとは、ＴＥ波（格子線方向と同方向の偏光を持つ光）の素子透過光強度をＩTE、ＴＭ波（格子配列方向と同方向の偏光を持つ光）の素子透過光強度をＩTMとすると、γ＝１０Ｌｏｇ10（ＩTE／ＩTM）で定義されている。
【００１６】
また、１層目の格子部２間に充填している充填材３の屈折率が小さければ、消光比γが大きくなる。
【００１７】
実施例１においては、充填材３としてＳｉＯ2を例に説明したが、ＭｇＦ2の膜などで代用すれば、より消光比γの大きな偏光板を構成することができる。
【００１８】
この実施例１は極めて簡単な構成であり、パターンも粗いため、最先端レベルの製造装置を用いなくとも製作が可能である。また、半導体プロセス等を用いて製作する場合には、小型化、高精度化、ローコスト化、大量生産が可能となる。
【００１９】
なお、周期構造部材だけの膜の構成のみ、又は薄い膜の上に設けることにより、従来よりも極めて効率の良い光学素子が得ることもできる。
【実施例２】
【００２０】
図３は実施例２の光学素子の構成図であり、格子部２を等間隔に固定した２つの透明基板１を、格子部２同士を向き合わせて固定した構成とされている。
【００２１】
この実施例２の原理は、実施例１と基本的に同じである。また、１層目の格子部２間は実施例１とは異なって屈折率が小さい空気としていることにより、消光比γを向上させている。
【００２２】
ここで、格子部２のピッチＰを０．２６μｍ、格子部２の高さｄを０．１５μｍ、フィィーリングファクタｆを０．１５とすると、ＲＣＷＡのシミュレーションの結果、図４に示すような消光比γの特性が得られる。
【００２３】
図４において、三角で示す点は従来のグリッドワイヤ偏光板（ピッチＰ＝０．２６μｍ、格子の高さｄ＝０．１５μｍ、フィーリングファクタｆ＝０．３）で一層の格子部２を有する場合の波長に対する消光比γの特性を表している。また、○で示す点は実施例１の消光比γの特性を表し、□で表す点は、実施例２の場合の消光比γの特性を示している。
【００２４】
１層目の格子部２間に充填材３を充填しないと、その上部に構造体を造り込むことが難しくなるが、図３に示すように１層の格子部２のみの素子を２個製作し、それらを格子部同士を向き合わせて互いに重ね合わせることにより、この構造体の製作が可能となる。
【００２５】
この実施例２は実施例１に追加して、次のような効果を有する。
【００２６】
（１）１層目にある格子部２間の物質が屈折率が低い空気等であるため、消光比γが良い。
【００２７】
（２）構造体を製作し、張り合わせることにより、簡単に積層構造体を作製することができる。
【実施例３】
【００２８】
図５は実施例３の光学素子の構成図を示し、基板１上には、最上部に格子部２を設けた３種類の高さの壁部４が等間隔に配列されており、格子部２を支える支持部５はＳｉＯ2により製作されている。また、３つの高さの異なる壁部４はその高さ順に並べられ、これらが繰り返して配列されている。
【００２９】
この実施例３の原理も実施例１と基本的に同じであり、上部層の格子部２の下部に支持部５となるＳｉＯ2層が設けられている以外は、空気であるので、実際の平均屈折率はＳｉＯ2の屈折率よりも小さくなる。このため、積層体の消光比γが向上している。
【００３０】
ここで、格子部２のピッチＰを０．２６μｍ、格子部２の高さｄを０．１８μｍ、フィーリングファクタｆを０．１５とし、図５に示すように３層とすると、ＲＣＷＡのシミュレーションの結果、図６に示すような消光比γの特性を得る。図６の△は従来あったグリッドワイヤ偏光板（ピッチＰ＝０．２６μｍ、格子の高さｄ＝０．１８μｍ、フィーリングファクタｆ＝０．３）の波長に対する消光比γの特性を表しており、○で示した線は本実施例３の消光比γの特性を表している。
【００３１】
１層目の格子部２間に充填材を充填しないと、その上部に構造体を造り込むことが難しくなるが、３層の格子部２と充填材３から成る周期構造体を積層し、この積層構造体を基部１が表れるまで充填材３をエッチングすることにより、容易にこの構造体を製作することができる。
【００３２】
また、ＡｌとＳｉＯ2はエッチングする場合のエッチャントが異なるため、Ａｌ部分の格子部２は支持部５のＳｉＯ2をエッチングする場合のマスクとして作用させることができる。
【００３３】
図７はこのプロセスを示し、（ａ）基板１上にＡｌによる格子部２のパターンを製作し、これらの格子部２間をＳｉＯ2による充填材３で埋める。（ｂ）その上に再び格子部２のパターンを製作し、この格子部２間を充填材３で埋める。（ｃ）（ｂ）と同じプロセスを繰り返し３層の積層体を製作する。（ｄ）〜（ｆ）でフッ素系のエッチャントを使用し、格子部２をマスクとして充填材３に対してドライエッチングを行うと、最終的に（ｆ）の形状、つまり図５の形状の光学素子を得ることができる。
【００３４】
この実施例３は先の実施例１、２に追加して、次のような効果を有している。
【００３５】
（１）実施例３は簡単な構成であり、ドライエッチング等を使用すれば最終形状を容易に作製することができる。
【００３６】
（２）実施例３は例えば３層になっているため、見掛け上のピッチが細かくなり、消光比γの良い偏光板が得られる。
【実施例４】
【００３７】
図８は実施例４の光学素子の構成図である。この実施例４の構造体は５層構造であるが、その製造工程は実施例３のプロセスを発展させて製造している。
【００３８】
ここで、格子部２のピッチＰを０．６μｍ、格子部２の高さｄを０．１８μｍ、フィーリングファクタｆを０．１として、５層にすると、ＲＣＷＡのシミュレーションの結果、図９に示すような消光比の特性が得られる。図９中で○で示した線が実施例４の構造体の消光比γの特性を示し、△で示した線は単層のピッチ０．６μｍの格子の消光比γの特性である。
【００３９】
本実施例４によれば、波長が０．９μｍ程度から消光比γが向上し、１．１μｍ帯域では−２０ｄＢ以上の効率で使用可能な特性を示している。
【００４０】
この実施例４は先の実施例１、２、３に追加して、次のような効果がある。
【００４１】
（１）実施例４は簡単な構成であり、ドライエッチング等を使用すれば最終形状を簡単に作製することができる。
【００４２】
（２）実施例４は５層になっているため、１層のピッチが波長よりも大きいにも拘らず、見かけ上のピッチが細かくなり、容易に消光比γの良い偏光板を製作することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施例１の構成図である。
【図２】消光比の特性図である。
【図３】実施例２の構成図である。
【図４】消光比の特性図である。
【図５】実施例３の構成図である。
【図６】消光比の特性図である。
【図７】製造プロセス工程図である。
【図８】実施例４の構成図である。
【図９】消光比の特性図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  基板
２  格子部
３  充填材
４  壁部
５  支持部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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