(57)【要約】  【課題】従来と比較し、部品点数は２点減り、また反射防止膜も６面から２面となり、２回の蒸着にて加工が済み、更に偏光子と検光子の角度調整もする必要が無くなり大幅な低価格化が実現でき、更に小型となる光アイソレータを得る。  【解決手段】本発明の光学素子は、誘電体材料の光入射面及び／または光出射面の上に、吸収する偏光方向に長い島状の金属が内部に複数配列された誘電体層が被着されていることを特徴とする。  【選択図】図１
2006064991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体材料の光入射面及び／または光出射面の上に、吸収する偏光方向に長い島状の金属が内部に複数配列された誘電体層が被着されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
上記誘電体膜は反射防止機能を有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
島状の金属の幅が５０ｎｍ以下、長さが２０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
島状の金属がＡｇあるいはＣｕからなることを特徴とする請求項１〜３記載の光学素子。
【請求項５】
誘電体層がＳｉＯ２とＴｉＯ２の組み合わせ、あるいはＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５の組み合わせからなることを特徴とする請求項１〜４記載の光学素子。
【請求項６】
上記島状の金属は斜め蒸着を用いて形成されたものであることを特徴とする請求項１〜３記載の光学素子。
【請求項７】
上記誘電体材料を蒸着装置内で回転させ、所定の回転位置で上記島状の金属を斜め蒸着するとともに、該蒸着位置以外で誘電体膜を蒸着させることによって形成されたものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子。
【請求項８】
上記誘電体材料は、ファラデー効果を有する磁気光学結晶であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の光学素子を気密封止窓として用いた光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信・光計測等において、戻り光を防止するために用いられる光アイソレータ等に用いられる磁気光学結晶と偏光子を一体化した光学素子とこれを用いた光モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光アイソレータは、偏光子、磁性ガーネット等を用いたファラデー回転子、検光子、ファラデー回転子に光軸と平行な磁界を印加する磁石等によって構成されている。図６は従来の光アイソレータを示す図である。
【０００３】
図６（ａ）に示すように、従来の光アイソレータは、偏光子２１とファラデー回転子２２と検光子２３を、光軸上に直列に配置して構成されている。
【０００４】
そして、偏光子２１に入射した入射光２４は、特定の直線偏光２５のみを通過し、磁石（図示せず）によって光軸方向に磁界２４を印加されているファラデー回転子２２に入射する。ここで、ファラデー回転子２２は、その光軸方向の厚みを、入射直線偏光の偏波面が光軸回りに４５°回転するように調整されている。
【０００５】
そして、ファラデー回転子２２に入射し、偏波面を４５°回転させられた光は、検光子２３に入射する。この検光子２３は、予め前記偏光子２１と、その透過する光の偏光方向が光軸回りに４５°の角度をなすように配置されている。従ってファラデー回転子２２を通過してきた光はこの検光子２３をそのまま通過する。
【０００６】
一方、図６（ｂ）に示すように、逆方向から進行してきた光（戻り光）は、まず検光子２３でその直線偏光２７のみを通過してファラデー回転子２２に入射する。そしてファラデー回転子２２に入射した光は、その偏波面を光軸回りに４５°回転させられる。しかし、ファラデー回転子２２は非相反であるため、その回転は光軸の向きによらず磁界の向きで決まる。従ってファラデー回転子を通過した光は、偏光子２１の偏光方向と９０°を成す直線偏光となり、偏光子２１を通過できず、この戻り光は遮断される。
【０００７】
しかしながら、上述のような従来の光アイソレータは、偏光子２１と検光子２３とファラデー回転子２２が別部品として必要であり、更にそれらを保持するための金具等も必要となり、部品数が多くなり、光アイソレータとして大きくなりかつ量産性が悪く高価なものとなっていた。
【０００８】
これを解決するために、図７に示すように光アイソレータ（特許文献１）は、磁気光学素子３１の入射面と出射面に偏光機能を付けた偏光膜３２を有している。
【特許文献１】特開２００２−９０５４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、金属格子３３と誘電体３４を用いた偏光膜３２を使用しており、具体的な作製方法は明記されていない。ただし、磁気光学素子３１にマスキングを行う方法や金属格子３３のための溝を切削加工することも考えられるが、前者ではマスキングの塗布、除去のため１面の偏光膜３２を作製するためには２回以上の蒸着が必要で、後者は溝を切削加工するため加工精度が厳しく加工時間も長くかかり、いずれも量産性が悪い。また、多層膜にすることも可能であるが、その場合は更に加工時間を要する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の光学素子は、誘電体材料の光入射面及び／または光出射面の上に、吸収する偏光方向に長い島状の金属が内部に複数配列された誘電体層が被着されていることを特徴とする。
【００１１】
上記誘電体膜は反射防止機能を有することを特徴とする。
【００１２】
島状の金属の幅が５０ｎｍ以下、長さが２０００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
島状の金属がＡｇあるいはＣｕからなることを特徴とする。
【００１４】
誘電体層がＳｉＯ２とＴｉＯ２の組み合わせ、あるいはＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５の組み合わせからなることを特徴とする。
【００１５】
上記島状の金属は斜め蒸着を用いて形成されたものであることを特徴とする。
【００１６】
上記誘電体材料を蒸着装置内で回転させ、所定の回転位置で上記島状の金属を斜め蒸着するとともに、該蒸着位置以外で誘電体膜を蒸着させることによって形成されたものであることを特徴とする。
【００１７】
上記誘電体材料は、ファラデー効果を有する磁気光学結晶であることを特徴とする。
【００１８】
また、光学素子を気密封止窓として用いた光モジュールである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、誘電体材料の光入射面及び／または光出射面の上に、吸収する偏光方向に長い島状の金属が内部に複数配列された誘電体層が被着されていることにより、従来のものに比べて部品点数は２点減り、また反射防止膜の必要な面も６面から２面となり、更に偏光子と検光子の角度調整もする必要が無くなり大幅な低価格化が実現でき、更に小型となる。
【００２０】
また、１回の蒸着あるいはスパッタリングにて磁気光学結晶の片面の偏光機能と反射防止用膜が同時に加工でき、更にもう１回磁気光学素子の反対側の面に蒸着あるいはスパッタリングを行えば、偏光子一体型ファラデー回転子を作製することができ、更なる低価格化が実現できる。
【００２１】
さらに、多層の島状の金属膜層が容易に作製でき、これにより偏光子の消光比特性が向上し、偏光子一体型ファラデー回転子としてアイソレーション特性が大幅に向上する。
【００２２】
また、レーザダイオードモジュールの気密封止窓に上記光学素子を用いることにより、従来と比較し余分なスペース無く、光アイソレータ機能を追加したモジュールを構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明の光学素子の実施形態について図を用いて説明する。
【００２４】
図１に示すように光学素子は、誘電体材料１を具備し、誘電体材料１の表面と裏面には誘電体膜３、４が形成され、それらの誘電体膜内には島状の金属２を形成して構成されている。
【００２５】
誘電体材料１としては、石英やＢＫ７等の光学材料が一般的であるが、アイソレータへの応用を考えた場合にはこの誘電体材料１としてファラデー効果を有する磁気光学結晶を用い、具体的には希土類鉄ガーネット単結晶、例えば（ＨｏＴｂＢｉ）3Ｆｅ5Ｏ12や（ＬｕＴｂＢｉ）３（ＦｅＡｌ）５Ｏ１２、（ＢｉＹｂＴｂ）３Ｆｅ５Ｏ１２、（ＴｂＢｉ）３（ＦｅＡｌＧａ）５Ｏ１２等があるが、磁石が無くても使用できる（ＴｂＢｉ）３（ＦｅＡｌＧａ）５Ｏ１２が望ましい。
【００２６】
また、島状の金属２の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ等がある。
【００２７】
誘電体膜３、４として所定の材質と膜厚とすれば反射防止膜として機能する。材料としては、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＦ２等がある。特に膜密着強度からＳｉＯ２／ＴｉＯ２あるいはＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５の組み合わせが望ましい。ＭｇＦ２の場合は１層、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２あるいはＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５の組み合わせの場合は４層以上が一般的である。また、反射防止膜３、４の各層の厚さは波長の１／４程度が一般的である。反射防止膜の膜厚は、ＭｇＦ２の場合で０．１５〜０．３μｍ、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の場合は０．４〜０．８５μｍ、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５の場合は０．５５〜０．９５μｍが一般的である。
【００２８】
次に図２を用いて製造方法について説明する。
【００２９】
まず、図２（ａ）のように誘電体材料５の表面あるいはその表面に付いている誘電体膜上にＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ等の島状の金属６を蒸着あるいはスパッタリングによって形成する。
【００３０】
島状の金属６にするためには、誘電体材料５にその金属の蒸着材料が斜め方向から付着するように、この蒸着時間を短時間にすることによって、面全体に金属は蒸着されず、島状に金属がある部分と蒸着されない部分ができる。また、この斜め方向が傾いている程、島状の金属が斜め方向に長い楕円に近いものが得られる。具体的には幅２０〜５０ｎｍ、長さ１００〜２０００ｎｍ、厚さ２０〜５０ｎｍ程度が望ましい。
【００３１】
この蒸着材料を斜め方向から付着させ、かつ蒸着時間を短くするため、蒸着槽１０内に図４（ａ）に示すような金属蒸着部１１を設ける。この金属蒸着部１１は、図４（ｂ）に示す蒸着材料の金属を熱する部分１２とそれを覆うカバー１５とスリット１４からなる。この金属を熱する部分１２で気化した金属はスリット１４のみから出て、それ以外はカバー１５の内壁に付着する。誘電体材料５を保持する傘１５の部分は回転軸１６を中心に一定の速度で回転するため、そのスリット１４部を通過したときのみ金属が蒸着される。また、誘電体材料５に対して金属を熱する部分１２は斜め方向となるように配置される。金属の蒸着時間はこのスリット１４の幅と傘１５の回転速度によって調整される。この傘１５の下方には誘電体膜用の蒸着材料を熱する部分１７があり、傘１５が回転し、金属蒸着部１２以外の位置に誘電体材料５がある場合にこの誘電体が蒸着される。この誘電体は金属に比べ長時間蒸着されるので、島状となることはなく膜状に付着する。よって、図２（ｂ）のように、この傘１５を回転した回数分の島状の金属を含んだ誘電体膜の層が形成される。
【００３２】
誘電体膜に反射防止用膜の機能を持たせるためには、ある誘電体（例えばＳｉＯ２）誘電体膜が所定の膜厚まで蒸着したら、別の誘電体（例えばＴｉＯ２）の蒸着するようにし、その時も島状の金属を同時に蒸着することが可能である。ただし、島状の金属層があまりにも多いと光の透過損失が大きくなる場合もあるので、必要な層数で金属の蒸着を止めるようにする。
【００３３】
以上により、島状の金属の長さ方向の偏光成分を吸収する偏光機能を持った光学素子が作製できる。
【００３４】
なお、蒸着による作製法を示したがスパッタリングでも同様に可能である。
【００３５】
さらに、アイソレータとして用いる場合には、誘電体材料５をファラデー効果を有する磁気光学結晶とし、図２（ｃ）のように誘電体材料５の裏面に島状の金属８と誘電体膜を表面と同様に作製する。ただし、表面の島状金属の長さ方向（楕円の長軸方向）が約４５°回転した方向となるように蒸着槽の傘に保持する。その際の４５°の回転方向は、誘電体材料１に磁界を印可した際、順方向では光を透過し、逆方向では光を遮断する方向とする。
【００３６】
表面と裏面に島状の金属と誘電体膜を形成した後、必要な大きさにカットする。
【００３７】
以上により、従来は偏光子とファラデー回転子と検光子の部品が必要でかつそれぞれの表面と裏面に反射防止膜が必要であったが、ファラデー効果を有する磁気光学結晶からなる誘電体材料１の表面と裏面に偏光子を形成し一体化することにより、部品点数は２点減り、また反射防止膜の必要な面も６面から２面となり、更に偏光子と検光子の角度調整もする必要が無くなり大幅な低価格化が実現でき、更に小型となる。
【００３８】
また、１回の蒸着あるいはスパッタリングにて磁気光学素子の片面の偏光機能と反射防止用膜が同時に加工でき、更にもう１回磁気光学素子の反対側の面に蒸着あるいはスパッタリングを行えば、偏光子一体型ファラデー回転子を作製することができ、更なる低価格化が実現できる。
【００３９】
この偏光子一体型ファラデー回転子は、表面だけに島状の金属を作製し、裏面は必ずしも島状の金属が無くても良い。
【００４０】
図５は、光モジュールへの応用例であり、レーザダイオードを備えた光モジュールの気密封止窓として本発明の光学素子を用いている。レーザダイオード１８は直線偏光性を有しているため、磁気光学結晶５の入射側１９には偏光子を形成せず、出射側２０に検光子となる島状の金属２を形成すれば、光アイソレータの機能を実現できる。
【００４１】
その際、レーザダイオード１８のパッケージに通常は気密封止窓を用いているが、この気密封止窓の代わりにこの偏光子一体型の磁気光学結晶からなる誘電体材料１を用いれば、従来と比較し余分なスペース無く、光アイソレータ機能を追加したモジュールを構成できる。更に、磁気光学結晶からなる誘電体材料１に磁気ヒステリシスが非常に大きく、磁石が無くても自磁力を保持する磁力保持型の材料、例えば（ＴｂＢｉ）３（ＦｅＡｌＧａ）５Ｏ１２等を用いれば、磁界を印加する磁石も必要なくなるので、更に部品点数が少なくなり、小型化が可能となる。
【実施例】
【００４２】
ここで、以下に示す方法で実験を行った。
【００４３】
本発明の図１に示すファラデー回転子としてφ３ｍｍの（ＢｉＹｂＴｂ）３Ｆｅ５Ｏ１２を用い、島状の金属２としてＡｇを選び、その金属は楕円の長軸方向の長さが約１５０ｎｍ、短軸方向の長さ約５０ｎｍ、厚さ約２０ｎｍとなるよう表面と裏面に蒸着にて作製を行い、誘電体としてＳｉＯ２とＴｉＯ２を選び反射防止膜の機能を持たせる膜厚にて作製した。また、島状の金属の層数は１０層とした。その後カットし、サンプルを１０個作製し、磁石により磁界を印加して挿入損失とアイソレーションの光学特性を確認した。また、従来のアイソレータとしてファラデー回転子は（ＢｉＹｂＴｂ）３Ｆｅ５Ｏ１２を用い、偏光子と検光子にはコーニング製のポーラコアを用いたサンプルにて光学特性の比較を行った。
【００４４】
その測定結果を表１に示す。
【表１】
2006064991.tif 000003
【００４５】
以上の結果より、従来の光アイソレータは挿入損失の平均値は０．１５２ｄＢ、アイソレーションは平均３９．９０ｄＢであったのに対し本発明の光アイソレータでは挿入損失の平均値は０．１０８ｄＢ、アイソレーションは平均３９．９８ｄＢとなり、アイソレーションは従来の光アイソレータとほぼ同等、挿入損失は従来の光アイソレータより０．０４４ｄＢ小さいことを確認した。この挿入損失の改善は、従来は反射面が偏光子の表裏、ファラデー回転子の表裏、検光子の表裏の６面ありそれぞれに反射防止用のコートを行ったのに対し、本発明ではファラデー回転子の表裏の２面だけになったことによる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の光学素子の実施形態を示す斜視図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の光学素子の作製方法を示す斜視図である。
【図３】本発明の光学素子の作製方法を示す斜視図である。
【図４】（ａ）は本発明の光学素子の作製装置を示す断面図、（ｂ）はその一部の斜視図である。
【図５】（ａ）は本発明の光学素子の別の実施形態を示す断面図であり、（ｂ）はその斜視図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は従来の光アイソレータを示す斜視図である。
【図７】従来の別の光アイソレータを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
１、５、１２  ：誘電体材料
２、６、８  ：島状の金属
３、４、７、９  ：誘電体膜
１０  ：蒸着槽
１１  ：金属蒸着部
１２  ：金属を熱する部分
１３  ：カバー
１４  ：スリット
１５  ：傘
１６  ：回転軸
１７  ：誘電体膜用の蒸着材料を熱する部分
１８  ：レーザダイオード
１９  ：入射側
２０  ：出射側
２１  ：偏光子
２２  ：ファラデー回転子
２３  ：検光子
２４  ：入射光
２５、２７：直線偏光
２６  ：磁界
３１  ：磁気光学素子
３２  ：偏光膜
３３  ：金属格子
３４  ：誘電体
３５  ：誘電体膜
【図１】
2006064991.tif 000004
【図２】
2006064991.tif 000005
【図３】
2006064991.tif 000006
【図４】
2006064991.tif 000007
【図５】
2006064991.tif 000008
【図６】
2006064991.tif 000009
【図７】
2006064991.tif 000010