(57)【要約】【課題】光通信等の高速変調に対応した高速の光波長検出器を低コストで実現することができる光機能素子を提供する。【解決手段】光機能素子１は、石英基板等からなる透光性基板２と、透光性基板２の一方の面に形成された、直線状の溝３ａと凸状部３ｂとからなる凹凸パターン３と、凹凸パターン３上に形成された金属パターンとを備えている。金属パターン４の各パターンは、透光性基板２の前記一方の面の法線方向から見た場合に、直線状パターンとなっている。そして、金属パターン４の各直線状パターンは、凹凸パターン３の直線状の溝３ａ又は凸状部３ｂに対して略４５度だけずれた状態となっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性基板と、前記透光性基板の一方の面に形成された凹凸パターンと、前記凹凸パターン上に形成され、前記凹凸パターンのパターン形状とは異なるパターン形状を有する金属パターンとを備えた光機能素子。
【請求項２】
前記透光性基板の前記一方の面の法線方向から見た場合に、前記凹凸パターン及び金属パターンは、それぞれ、所定のピッチで形成された複数の直線状パターンからなり、
前記凹凸パターンを構成する前記直線状パターンと前記金属パターンを構成する前記直線状パターンとは、互いに対して所定の角度だけずれた状態で形成されている、請求項１に記載の光機能素子。
【請求項３】
前記凹凸パターン及び金属パターンのピッチは、入射光の設計波長よりも小さい、請求項２に記載の光機能素子。
【請求項４】
前記凹凸パターンの溝深さは、２０ｎｍ以上かつ２７０ｎｍ以下である、請求項２に記載の光機能素子。
【請求項５】
前記凹凸パターン上の前記金属パターンの高さは、１０ｎｍ以上かつ２６０ｎｍ以下である、請求項２に記載の光機能素子。
【請求項６】
前記所定の角度は、略４５度である、請求項２に記載の光機能素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光機能素子と、入射光を互いに直交する偏光成分に分離する偏光分離素子と、前記偏光分離素子によって分離された前記各偏光成分をそれぞれ受光する少なくとも２つの受光素子とを備え、
前記少なくとも２つの受光素子から出力される光強度信号の差信号に基づいて前記入射光の波長が検出される光波長検出器。
【請求項８】
前記偏光分離素子は、ウォラストンプリズム、偏光ビームスプリッタ及び偏光グレーティングからなる群から選ばれるいずれか１つである、請求項７に記載の光波長検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波長の計測に使用される光機能素子、及び、その光機能素子を用いた光波長検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、表示装置等の光源として、従来のハロゲンランプや冷陰極蛍光管（ＣＣＦＴ：Cold Cathode Fluorescent Tube）に代わり、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）やレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）が用いられるようになってきた。そして、これらの素子は、素子個体のばらつきや、駆動電流、環境温度によって発光波長がばらつくため、素子個体の発光波長を管理することは、表示装置の色再現性を確保する上で重要である。従って、これらの素子の発光波長を製造現場で安価に計測できる光波長検出器の出現が望まれる。
【０００３】
また、光通信の分野においては、光変調による波長変動が問題となるため、光変調速度に対応した高速の光波長検出器が必要となる。
【０００４】
従来、光波長の検出手段としては、一般的に、回折格子を用いた分光器が使用されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「光測定器ガイド」田幸敏治・本田辰篤編  オプトロニクス社  平成１０年５月１０日  増補改訂版発行  第８９頁〜第９０頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、光波長の検出手段として、回折格子を用いた分光器を使用する場合には、装置が高価になると共に、光波長を高速に検出することができないという問題がある。なぜなら、高精度の回折格子が必要となり、また、光波長の変化を検出するために、機械的に回折格子後段のスリットをスキャンする必要があるからである。また、光波長の検出速度を改善する手段として、スリットの代わりに、光波長を検出するためのアレイ素子を配置することも考えられるが、装置が高価になることには変わりがない。また、光波長を検出するためには、前記アレイ素子のスキャニングが必須となるので、スリット方式よりは光波長を高速に検出することはできるが、アレイ素子のスキャニングレート以上の高速検出は不可能である。従って、いずれの方式を用いた場合であっても、光通信等の高速変調に対応した高速の光波長検出器を実現することはできない。
【０００７】
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、光通信等の高速変調に対応した高速の光波長検出器を低コストで実現することができる光機能素子、及び、当該光機能素子を用いた光波長検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明に係る光機能素子の構成は、透光性基板と、前記透光性基板の一方の面に形成された凹凸パターンと、前記凹凸パターン上に形成され、前記凹凸パターンのパターン形状とは異なるパターン形状を有する金属パターンとを備えたことを特徴とする。
【０００９】
前記本発明の光機能素子の構成においては、前記透光性基板の前記一方の面の法線方向から見た場合に、前記凹凸パターン及び金属パターンは、それぞれ、所定のピッチで形成された複数の直線状パターンからなり、前記凹凸パターンを構成する前記直線状パターンと前記金属パターンを構成する前記直線状パターンとは、互いに対して所定の角度だけずれた状態で形成されているのが好ましい。
【００１０】
前記本発明の光機能素子の構成によれば、直線偏光を入射させた場合に、透過光が楕円偏光となり、その楕円偏光の長軸成分の方位角が入射した光の波長（入射波長）に応じて回転する。その結果、透過光である楕円偏光の長軸成分の方位角によって入射波長を特定することができるので、光波長検出器の構成部品として用いることができる。また、この光機能素子は、既存デバイスの量産工程で用いられるパターニング技術の組み合わせである単純な工程で製造することができるので、低コストで量産することができる。従って、前記本発明の光機能素子の構成によれば、光波長検出器を低コストで実現することができる光機能素子を提供することができる。
【００１１】
また、本発明に係る光波長検出器の構成は、前記本発明の光機能素子と、入射光を互いに直交する偏光成分に分離する偏光分離素子と、前記偏光分離素子によって分離された前記各偏光成分をそれぞれ受光する少なくとも２つの受光素子とを備え、前記少なくとも２つの受光素子から出力される光強度信号の差信号に基づいて前記入射光の波長が検出されることを特徴とする。
【００１２】
前記本発明の光波長検出器の構成によれば、上記のような作用効果を奏する前記本発明の光機能素子を用いていることにより、高精度の回折格子を必要とせず、また、入射波長を検出するためのアレイ素子も必要としないので、光通信等の高速変調に対応した高速の光波長検出器を低コストで提供することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光通信等の高速変調に対応した高速の光波長検出器を低コストで実現することができる光機能素子、及び、当該光機能素子を用いた光波長検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態における光機能素子の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の一実施の形態（実施例１）における光機能素子の概略構成を示す平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施の形態における光機能素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施の形態における光波長検出器の概略構成を示す図である。
【図５】図５は、本発明の一実施の形態（実施例１）における光機能素子の光学特性の計算結果を示すグラフである（入射偏光角度が−１５度の場合）。
【図６】図６は、本発明の一実施の形態（実施例１）における光機能素子を用いた光波長検出器の光波長検出特性を示すグラフである（入射偏光角度が−１５度の場合）。
【図７】図７は、本発明の実施例１における光機能素子の光学特性の計算結果を示すグラフである（入射偏光角度が１８度の場合）。
【図８】図８は、本発明の実施例１における光機能素子を用いた光波長検出器の光波長検出特性を示すグラフである（入射偏光角度が１８度の場合）。
【図９】図９（ａ）は、本発明の実施例２における光機能素子の概略構成を示す平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ´線断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例２における光機能素子の光学特性の計算結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、本発明の実施例２における光機能素子を用いた光波長検出器の光波長検出特性を示すグラフである。
【図１２】図１２（ａ）は、本発明の実施例３における光機能素子の概略構成を示す平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＣ−Ｃ´線断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施例３における光機能素子の光学特性の計算結果を示すグラフである。
【図１４】図１４は、本発明の実施例３における光機能素子を用いた光波長検出器の光波長検出特性を示すグラフである。
【図１５】図１５（ａ）は、本発明の実施例４における光機能素子の概略構成を示す平面図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＤ−Ｄ´線断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施例４における光機能素子の光学特性の計算結果を示すグラフである。
【図１７】図１７は、本発明の実施例４における光機能素子を用いた光波長検出器の光波長検出特性を示すグラフである。
【図１８】図１８は、本発明の実施例５における光機能素子を用いた光波長検出器の光波長検出特性を示すグラフである。
【図１９】図１９は、本発明の実施例６における光機能素子を用いた光波長検出器の光波長検出特性を示すグラフである。
【図２０】図２０（ａ）は、本発明の比較例１における光機能素子の概略構成を示す平面図、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）のＥ−Ｅ´線断面図である。
【図２１】図２１は、本発明の比較例１における光機能素子を用いた光波長検出器の光波長検出特性を示すグラフである。
【図２２】図２２は、本発明の比較例２における光機能素子を用いた光波長検出器の光波長検出特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
前記凹凸パターン及び金属パターンのピッチは、入射光の設計波長よりも小さいのが好ましい。
【００１６】
また、前記凹凸パターンの溝深さは、２０ｎｍ以上かつ２７０ｎｍ以下であるのが好ましい。
【００１７】
また、前記凹凸パターン上の前記金属パターンの高さは、１０ｎｍ以上かつ２６０ｎｍ以下であるのが好ましい。
【００１８】
また、前記所定の角度は、略４５度であるのが好ましい。
【００１９】
また、前記本発明の光波長検出器の構成において、前記偏光分離素子は、ウォラストンプリズム、偏光ビームスプリッタ及び偏光グレーティングからなる群から選ばれるいずれか１つであるのが好ましい。
【００２０】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００２１】
［光機能素子の構成］
まず、本実施の形態における光機能素子の構成について、図１、図２を参照しながら説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施の形態における光機能素子の概略構成を示す斜視図、図２（ａ）は、当該光機能素子の概略構成を示す平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。
【００２３】
図１、図２に示すように、本実施の形態の光機能素子１は、石英基板等からなる透光性基板２を備えている。そして、透光性基板２の一方の面には、所定の溝幅ｗ１を有する溝深さｈの直線状の溝３ａがピッチｐ１で複数形成され、これにより、溝３ａと凸状部３ｂとからなる凹凸パターン３が構成されている。
【００２４】
凹凸パターン３上には、幅ｗ２、高さｔ２、ピッチｐ２の金属パターン４が形成されている。金属パターン４の各パターンは、凹凸パターン３の溝３ａ内に形成された第１のパターン構成体４ａと、凹凸パターン３の凸状部３ｂ上に形成された第２のパターン構成体４ｂとにより構成されている。そして、金属パターン４の各パターンは、透光性基板２の前記一方の面の法線方向から見た場合（図２（ａ）の平面図で見た場合）に、第１のパターン構成体４ａと第２のパターン構成体４ｂとが繋がった直線状パターンとなっている。また、金属パターン４の各直線状パターンは、凹凸パターン３の直線状の溝３ａ又は凸状部３ｂに対して所定の角度θだけずれた状態となっている。
【００２５】
すなわち、金属パターン４は、凹凸パターン３のパターン形状とは異なるパターン形状を有している。
【００２６】
図１、図２に示した光機能素子１に裏面側（凹凸パターン３が形成されていない側）から直線偏光を入射させた場合、透過光は一般的に楕円偏光になるが、本発明者らは、その楕円偏光の長軸成分の方位角が入射した光の波長（入射波長）に応じて回転することをＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）法を用いたシミュレーションによって確認した。その計算結果の具体例を図５に示す。
【００２７】
図５において、黒丸の点（●）は、透過後に楕円偏光になった偏光の長軸成分の強度、菱形の点（◇）は、その短軸成分の強度をそれぞれ表している。また、破線は、透過後に楕円偏光になった偏光の長軸成分の方位角を表している。
【００２８】
図５に示すように、楕円偏光の長軸成分の方位角（破線）は、入射波長に応じて変化しており、このことは、入射波長に応じて楕円偏光の方位角が回転していることと等価である。この楕円偏光の方位角の変化を、検光子を用いて、所定角成分（−２０度）とその直交成分（７０度）とに分離した場合の、透過光偏光成分の光量変化、及び、それぞれの差成分（Sub）を和成分（Sum）で除算して正規化した値（Sub/Sum）である差動検出値を計算した結果を図６に示す。
【００２９】
図６に示すように、差動検出値（Sub/Sum）は、入射波長に応じて変化しており、差動検出値によって入射波長を特定可能であることが分かる（より詳細には、後述する実施例１を参照）。
【００３０】
凹凸パターン３のピッチｐ１及び金属パターン４のピッチｐ２は、波長検出範囲の最小波長である入射光の設計波長よりも小さいのが望ましい。
【００３１】
凹凸パターン３の溝３ａの深さ（溝深さ）ｈは、２０ｎｍ以上であるのが望ましい。２０ｎｍ未満の溝深さでは、透過光である楕円偏光の方位角の変化が小さくなり、差動検出値の変化が小さくなるので、入射波長を正確に検出することが困難となる。尚、凹凸パターン３の溝３ａの深さが２７０ｎｍよりも深くなると、溝３ａの形成が困難になるので、凹凸パターン３の溝３ａの深さ（溝深さ）ｈは、２７０ｎｍ以下であるのが望ましい。
【００３２】
また、凹凸パターン３上の金属パターン４の高さｔ２は、１０ｎｍ以上であるのが望ましい。凹凸パターン３上の金属パターン４の高さｔ２が１０ｎｍ未満になると、金属パターン４を再現性良く形成することが困難となる。尚、金属パターン４の高さが２６０ｎｍよりも高くなると、パターンのアスペクト比が高くなり、同様に金属パターン４を再現性良く形成するのが困難となるので、金属パターン４の高さｔ２は、２６０ｎｍ以下であるのが望ましい。
【００３３】
凹凸パターン３の直線状の溝３ａ又は凸状部３ｂと金属パターン４の各直線状パターンとの相対角度（前記所定の角度θ）は、２０度〜７０度の範囲にあるのが望ましく、さらには、概ね４５度近傍であるのが望ましい。前記所定の角度θが２０度未満の場合には、金属パターン４の形成が困難となり、前記所定の角度θが７０度よりも大きくなると、上記特性が出にくくなる。
【００３４】
金属パターン４を形成する材料は、電気伝導度が高く、かつ、使用波長域において反射率の高い材料であるのが望ましい。特に、使用波長域が可視波長域の場合には、アルミニウムや銀であるのが望ましく、また、使用波長域が近赤外域〜赤外域の場合には、金や銅であるのが望ましい。
【００３５】
［光機能素子の製造方法］
次に、本実施の形態における光機能素子の製造方法の一例について、図３をも参照しながら説明する。図３は、本発明の一実施の形態における光機能素子の製造方法を示す工程断面図である。
【００３６】
まず、図３（ａ）に示すように、石英基板５の一方の面にレジストを塗布した後、当該レジストに対して溝幅＝７０ｎｍ、ラインピッチ＝１４０ｎｍでパターニングを行う。これにより、石英基板５の前記一方の面上にレジストパターン６が形成される。パターニングを行う手段しては、既存の公知のパターニング手段である、フォトマスクを用いた光リソグラフィ、２光束干渉露光、電子線描画、ナノインプリント等を用いることができる。
【００３７】
次に、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、レジストパターン６をマスクとして、ドライエッチングにより、石英基板５の前記一方の面に溝幅ｗ１＝７０ｎｍ、溝深さｈ＝９０ｎｍの複数の直線状の溝を形成する。ドライエッチングとしては、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等を用いることができる。
【００３８】
次に、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、酸素プラズマ等を用いたアッシングによって残存レジストを除去する。これにより、一方の面に溝３ａと凸状部３ｂとからなる凹凸パターン３が形成された透光性基板２（図２（ｂ）参照）が得られる。
【００３９】
次に、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、スパッタリング法を用いて、透光性基板２の凹凸パターン３上にアルミニウム膜７を膜厚８０ｎｍで堆積させる。すなわち、溝３ａの底面上と凸状部３ｂ上に、それぞれ、同じ膜厚のアルミニウム膜７を堆積させる。
【００４０】
次に、図３（ｄ）、（ｅ）に示すように、アルミニウム膜７を堆積させた凹凸パターン３（図３（ｃ）参照）上の全面にレジスト８を塗布する。尚、この場合のレジスト８の材料としては、次の図３（ｆ）のパターニング工程に好適な材料が選定される。
【００４１】
次に、図３（ｅ）、（ｆ）に示すように、フォトマスクを用いた光リソグラフィ、２光束干渉露光、電子線描画等を用いて、レジスト８を、凹凸パターン３の直線状の溝３ａ又は凸状部３ｂ（図３（ｃ）参照）との相対角度＝４５度、溝幅＝１２０ｎｍ、ラインピッチ＝２００ｎｍのライン＆スペース・パターンにパターニングし、レジストパターン９を形成する。
【００４２】
次に、図３（ｆ）、（ｇ）に示すように、レジストパターン９をマスクとし、塩素等のガスを用いて、アルミニウム膜７を選択的にドライエッチングする。
【００４３】
最後に、図３（ｇ）、（ｈ）に示すように、酸素プラズマ等を用いたアッシングによって残存レジストを除去する。
【００４４】
以上の工程により、図１、図２に示す光機能素子１が得られる。
【００４５】
本製造方法によれば、透光性基板２の一方の面に溝３ａと凸状部３ｂとからなる凹凸パターン３を形成した後、金属パターン４を形成するに当たって、レジストパターン９を形成する際のライン＆スペース・パターンの、凹凸パターン３の直線状の溝３ａ又は凸状部３ｂとの相対角度を概ね４５度に設定すればよく、両者間での正確なアライメントを必要としない。また、図３（ａ）、（ｆ）の２回のパターニングとも、既存デバイスの量産工程で用いられるパターニング技術の組み合わせであり、かつ、単純な工程であるので、低コストで光機能素子１を量産することができる。
【００４６】
［光波長検出器の構成］
次に、以上説明した光機能素子を用いた光波長検出器の構成について、図４をも参照しながら説明する。図４は、本発明の一実施の形態における光波長検出器の概略構成を示す図である。
【００４７】
図４に示すように、本実施の形態の光波長検出器１０は、光の入射側から順に配置された、入射光を直線偏光に変換する偏光子１１と、上述した光機能素子１と、入射光を規定の偏光方向の偏光成分とその直交方向の偏光成分とに分離する偏光分離素子１２と、偏光分離素子１２によって分離された各偏光成分をそれぞれ受光し、電流信号に変換する少なくとも２つの受光素子を有する光検出器１３と、光検出器１３から出力される電流を信号電圧に変換する２つの電流−電圧変換素子１４ａ、１４ｂと、２つの電圧に変換された信号の差信号を生成する差動増幅器１５と、２つの電圧に変換された信号が入力され、その和信号、及び、和信号で正規化した差信号（差信号／和信号）を演算する演算素子１６とを備えている。
【００４８】
偏光分離素子１２としては、ウォラストンプリズム、偏光ビームスプリッタ及び偏光グレーティング等を用いるのが望ましい。
【００４９】
尚、入射光自体が半導体レーザ光のように直線偏光の場合には、入射光を直線偏光に変換する偏光子１１は省略することができる。
【００５０】
図４に示す構成を採用することにより、図５、図６を用いて説明した上記動作を実デバイスで実現することができる。ここで、電流−電圧変換素子１４ａ、１４ｂや差動増幅器１５に付随するする抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の抵抗値は、光検出器１３から出力される電流の大小、電流−電圧変換素子１４ａ、１４ｂの増幅帯域と系全体に必要とされる信号帯域等との関係から、一般的な電気回路の知見により適切に決めることができる。
【００５１】
尚、演算素子１６は、入射光の光量変動の影響を除くために、除算機能を有することが必要となる。その演算においては、アナログ的な演算も可能であるが、正確な計測結果を得るためには、温度ドリフトの影響や光検出器１３の波長−電流変換効率の影響を容易に補正等できる、ＡＤ変換機能を備えたＤＳＰ（デジタル信号処理装置）等あるいはＡＤ変換器とマイコン等の組み合わせを用いるのが望ましい。
【００５２】
また、図４に示す構成においては、演算素子を用いない差動増幅器１５を用いた差信号のみの検出端子が設けられているので、入射波長の変化が狭い範囲であれば、演算素子の処理速度に左右されない高速の光波長検出が可能となる。
【実施例】
【００５３】
以下、具体的実施例を挙げて、本実施の形態における光機能素子及び光波長検出器について詳細に説明する。
【００５４】
［実施例１］
本実施例１の光機能素子１は、図１、図２に示す構成を備えている。
【００５５】
図１、図２に示すように、本実施例１の光機能素子１は、石英基板からなる透光性基板２を備えている。そして、透光性基板２の一方の面には、溝幅ｗ１＝７０ｎｍ、溝深さｈ＝９０ｎｍの直線状の溝３ａがピッチｐ１＝１４０ｎｍで複数形成され、これにより、溝３ａと凸状部３ｂとからなる凹凸パターン３が構成されている。凹凸パターン３上には、透光性基板２の前記一方の面の法線方向から見た場合（図２（ａ）の平面図で見た場合）に各パターンが直線状となるように、凹凸パターン３の直線状の溝３ａ又は凸状部３ｂとの相対角度θ＝４５度、幅ｗ２＝８０ｎｍ、高さｔ２＝８０ｎｍ、ピッチｐ２＝２００ｎｍのアルミニウム膜からなる金属パターン４が形成されている。
【００５６】
尚、凹凸パターン３の溝３ａ内に形成された第１のパターン構成体４ａの厚み（高さ）は、凹凸パターン３の凸状部３ｂ上に形成された第２のパターン構成体４ｂと同一の厚み（高さ）になっている（ｔ１＝ｔ２＝８０ｎｍ）。
【００５７】
図１、図２に示した光機能素子１に直線偏光を入射させた場合の透過光の偏光状態をＦＤＴＤ法によって計算した結果（光機能素子１の光学特性の計算結果）を図５に示す。光の入射は、光機能素子１の裏面側（凹凸パターン３が形成されていない側）からの垂直入射とし、直線偏光の偏光方位角度（入射偏光角度）は−１５度とした。尚、偏光角度は、図２（ａ）の平面図に対して下側を０度、右側を９０度と定義した。
【００５８】
図５において、黒丸の点（●）は、透過後に楕円偏光になった偏光の長軸成分の強度、菱形の点（◇）は、その短軸成分の強度をそれぞれ表している。また、破線は、透過後に楕円偏光になった偏光の長軸成分の方位角を表している（後述の図７、図１０、図１３、図１６においても同様である）。
【００５９】
図５に示すように、楕円偏光の長軸成分の方位角（破線）は、光機能素子１に入射した光の波長（入射波長）に応じて変化しており、このことは、入射波長に応じて楕円偏光の方位角が回転していることと等価である。この楕円偏光の方位角の変化を、検光子を用いて、所定角成分（−２０度）とその直交成分（７０度）とに分離した場合の、透過光偏光成分の光量変化、及び、それぞれの差成分（Sub）を和成分（Sum）で除算して正規化した値（Sub/Sum）（以下「差動検出値」という）を計算した結果（光機能素子１を用いた光波長検出器１０の光波長検出特性の計算結果）を図６に示す。
【００６０】
図６に示すように、差動検出値（Sub/Sum）は、波長５７０ｎｍで略“０”になり、それよりも短波長側で負、長波長側で正の値になる。その変化の傾向は、波長５７０ｎｍ±３０ｎｍ近傍で略直線となることから、差動検出値（Sub/Sum）によって入射波長を特定可能であることが分かる。また、補正テーブルを用いる等の手段により、波長４５０ｎｍ〜７００ｎｍの大部分の可視光エリアにおいて、差動検出値（Sub/Sum）によって入射波長を特定することが可能になる。
【００６１】
次に、図１、図２に示した同一の光機能素子１に、入射偏光角度が１８度の直線偏光を裏面側から垂直入射させた場合の透過光の偏光状態をＦＤＴＤ法によって計算した結果（光機能素子１の光学特性の計算結果）を図７に示す。この入射偏光角度を採用することにより、前述の、入射偏光角度が−１５度の場合では、透過光である楕円偏光の長軸成分の方位角の変化が小さかった、波長４３０ｎｍ以下の波長域及び波長６５０ｎｍ以上の波長域での長軸成分の方位角の変化が大きくなる。
【００６２】
楕円偏光の方位角の変化を、検光子を用いて、所定角成分（２０度）とその直交成分（１１０度）とに分離した場合の、透過光偏光成分の光量変化、及び、差動検出値（Sub/Sum）を計算した結果（光機能素子１を用いた光波長検出器１０の光波長検出特性の計算結果）を図８に示す。
【００６３】
図８に示すように、差動検出値（Sub/Sum）は、波長４３０ｎｍの近傍と波長６７０ｎｍの近傍で大きく変化しており、それぞれの波長変化に対する差動検出値（Sub/Sum）の変化は、逆極性になるが、差動検出値（Sub/Sum）によって波長４３０ｎｍの近傍と波長６７０ｎｍの近傍の入射波長を特定することが可能になる。
【００６４】
以上説明したように、同一の光機能素子１を用いた場合であっても、入射偏光角度を変えることにより、最適となる検出波長を変えることが可能となる。
【００６５】
［実施例２］
図９（ａ）は、本発明の実施例２における光機能素子の概略構成を示す平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ´線断面図である。
【００６６】
図９に示すように、本実施例２の光機能素子１７は、石英基板からなる透光性基板１８を備えている。そして、透光性基板１８の一方の面には、溝幅ｗ１＝１００ｎｍ、溝深さｈ＝９０ｎｍの直線状の溝１９ａがピッチｐ１＝１４０ｎｍで複数形成され、これにより、溝１９ａと凸状部１９ｂとからなる凹凸パターン１９が構成されている。凹凸パターン１９上には、透光性基板１８の前記一方の面の法線方向から見た場合（図９（ａ）の平面図で見た場合）に各パターンが直線状となるように、凹凸パターン１９の直線状の溝１９ａ又は凸状部１９ｂとの相対角度θ＝４５度、幅ｗ２＝８０ｎｍ、高さｔ２＝８０ｎｍ、ピッチｐ２＝２００ｎｍのアルミニウム膜からなる金属パターン２０が形成されている。
【００６７】
尚、凹凸パターン１９の溝１９ａ内に形成された第１のパターン構成体２０ａの厚み（高さ）は、凹凸パターン１９の凸状部１９ｂ上に形成された第２のパターン構成体２０ｂと同一の厚み（高さ）になっている（ｔ１＝ｔ２＝８０ｎｍ）。
【００６８】
すなわち、本実施例２の光機能素子１７の構成は、凹凸パターン１９の溝幅ｗ１を１００ｎｍとした以外は、上記実施例１の光機能素子１の構成と同じである。
【００６９】
図９に示した光機能素子１７に、入射偏光角度が−１０度の直線偏光を裏面側から垂直入射させた場合の透過光の偏光状態をＦＤＴＤ法によって計算した結果（光機能素子１７の光学特性の計算結果）を図１０に示す。また、楕円偏光の方位角の変化を、検光子を用いて、所定角成分（０度）とその直交成分（９０度）とに分離した場合の、透過光偏光成分の光量変化、及び、差動検出値（Sub/Sum）を計算した結果（光機能素子１７を用いた光波長検出器の光波長検出特性の計算結果）を図１１に示す。
【００７０】
図１１に示すように、差動検出値（Sub/Sum）が“０”となる波長が６５０ｎｍとなっており、図６に比べると、波長検出範囲がより長波長側にシフトしていることが分かる。
【００７１】
［実施例３］
図１２（ａ）は、本発明の実施例３における光機能素子の概略構成を示す平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＣ−Ｃ´線断面図である。
【００７２】
図１２に示すように、本実施例３の光機能素子２１は、石英基板からなる透光性基板２２を備えている。そして、透光性基板２２の一方の面には、溝幅ｗ１＝４０ｎｍ、溝深さｈ＝９０ｎｍの直線状の溝２３ａがピッチｐ１＝１４０ｎｍで複数形成され、これにより、溝２３ａと凸状部２３ｂとからなる凹凸パターン２３が構成されている。凹凸パターン２３上には、透光性基板２２の前記一方の面の法線方向から見た場合（図１２（ａ）の平面図で見た場合）に各パターンが直線状となるように、凹凸パターン２３の直線状の溝２３ａ又は凸状部２３ｂとの相対角度θ＝４５度、幅ｗ２＝８０ｎｍ、高さｔ２＝８０ｎｍ、ピッチｐ２＝２００ｎｍのアルミニウム膜からなる金属パターン２４が形成されている。
【００７３】
尚、凹凸パターン２３の溝２３ａ内に形成された第１のパターン構成体２４ａの厚み（高さ）は、凹凸パターン２３の凸状部２３ｂ上に形成された第２のパターン構成体２４ｂと同一の厚み（高さ）になっている（ｔ１＝ｔ２＝８０ｎｍ）。
【００７４】
すなわち、本実施例３の光機能素子２１の構成は、凹凸パターン２３の溝幅ｗ１を４０ｎｍとした以外は、上記実施例１の光機能素子１の構成と同じである。
【００７５】
図１２に示した光機能素子２１に、入射偏光角度が−１０度の直線偏光を裏面側から垂直入射させた場合の透過光の偏光状態をＦＤＴＤ法によって計算した結果（光機能素子２１の光学特性の計算結果）を図１３に示す。また、楕円偏光の方位角の変化を、検光子を用いて、所定角成分（−３０度）とその直交成分（６０度）とに分離した場合の、透過光偏光成分の光量変化、及び、差動検出値（Sub/Sum）を計算した結果（光機能素子２１を用いた光波長検出器の光波長検出特性の計算結果）を図１４に示す。
【００７６】
図１４に示すように、差動検出値（Sub/Sum）が“０”となる波長が５５０ｎｍとなっており、図６に比べると、波長検出範囲がより短波長側にシフトしていることが分かる。
【００７７】
［実施例４］
図１５（ａ）は、本発明の実施例４における光機能素子の概略構成を示す平面図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＤ−Ｄ´線断面図である。
【００７８】
図１５に示すように、本実施例４の光機能素子２５は、石英基板からなる透光性基板２６を備えている。そして、透光性基板２６の一方の面には、溝幅ｗ１＝７０ｎｍ、溝深さｈ＝９０ｎｍの直線状の溝２７ａがピッチｐ１＝１４０ｎｍで複数形成され、これにより、溝２７ａと凸状部２７ｂとからなる凹凸パターン２７が構成されている。凹凸パターン２７上には、透光性基板２６の前記一方の面の法線方向から見た場合（図１５（ａ）の平面図で見た場合）に各パターンが直線状となるように、凹凸パターン２７の直線状の溝２７ａ又は凸状部２７ｂとの相対角度θ＝４５度、幅ｗ２＝８０ｎｍ、高さｔ２＝１５０ｎｍ、ピッチｐ２＝２００ｎｍのアルミニウム膜からなる金属パターン２８が形成されている。
【００７９】
そして、本実施例４の光機能素子２５が上記実施例１〜３の光機能素子１、１７、２１と構造上大きく異なる点は、金属パターン２８の高さｔ１、ｔ２（＝ｔ１）が凹凸パターン２７の溝深さｈに対して大きくなっており、その結果、図１５（ｂ）の断面図から分かるように、隣接する金属パターン２８が連接した形態になっている点である。
【００８０】
すなわち、本実施例４の光機能素子２５の構成は、かかる点以外は、上記実施例１の光機能素子１の構成と同じである。
【００８１】
図１５に示した光機能素子２５に、入射偏光角度が−１０度の直線偏光を裏面側から垂直入射させた場合の透過光の偏光状態をＦＤＴＤ法によって計算した結果（光機能素子２５の光学特性の計算結果）を図１６に示す。また、楕円偏光の方位角の変化を、検光子を用いて、所定角成分（０度）とその直交成分（９０度）とに分離した場合の、透過光偏光成分の光量変化、及び、差動検出値（Sub/Sum）を計算した結果（光機能素子２５を用いた光波長検出器の光波長検出特性の計算結果）を図１７に示す。
【００８２】
図１７に示すように、差動検出値（Sub/Sum）が“０”となる波長が４８０ｎｍとなっており、図６に比べると、波長検出範囲が大幅に短波長側にシフトしていることが分かる。
【００８３】
［実施例５］
本実施例５の光機能素子の構成（図示せず）は、凹凸パターンの溝深さｈを２０ｎｍ、金属パターンの高さｔ１、ｔ２を１０ｎｍとした以外は、上記実施例１の光機能素子１の構成と同じである。尚、本実施例５における入射偏光角度は−１０度である。
【００８４】
楕円偏光の方位角の変化を、検光子を用いて、所定角成分（４５度）とその直交成分（１３５度）とに分離した場合の、透過光偏光成分の光量変化、及び、差動検出値（Sub/Sum）を計算した結果（本実施例５の光機能素子を用いた光波長検出器の光波長検出特性の計算結果）を図１８に示す。
【００８５】
図１８に示すように、差動検出値（Sub/Sum）が“０”となる波長が５２０ｎｍとなっており、図６に比べると、波長検出範囲が多少短波長側にシフトしていることが分かる。
【００８６】
［実施例６］
本実施例６の光機能素子の構成（図示せず）は、凹凸パターンの溝深さｈを２７０ｎｍ、金属パターンの高さｔ１、ｔ２を２６０ｎｍとした以外は、上記実施例１の光機能素子１の構成と同じである。尚、本実施例６における入射偏光角度は−１０度である。
【００８７】
楕円偏光の方位角の変化を、検光子を用いて、所定角成分（４０度）とその直交成分（１３０度）とに分離した場合の、透過光偏光成分の光量変化、及び、差動検出値（Sub/Sum）を計算した結果（本実施例６の光機能素子を用いた光波長検出器の光波長検出特性の計算結果）を図１９に示す。
【００８８】
図１９に示すように、差動検出値（Sub/Sum）が“０”となる波長は、上記実施例５と同じ５２０ｎｍになっているが、検出極性（波長変化に対する差動検出値（Sub/Sum）の変化の極性）が上記実施例５の場合とは逆転している。
【００８９】
［比較例１］
図２０（ａ）は、本発明の比較例１における光機能素子の概略構成を示す平面図、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）のＥ−Ｅ´線断面図である。
【００９０】
図２０に示すように、本比較例１の光機能素子２９は、石英基板からなる透光性基板３０を備えている。そして、透光性基板２６の一方の面には、幅ｗ２＝８０ｎｍ、高さｔ２＝８０ｎｍ、ピッチｐ２＝２００ｎｍのアルミニウム膜からなる金属パターン３１が形成されている。
【００９１】
すなわち、本比較例１の光機能素子２９の構成は、透光性基板２６の一方の面に凹凸パターンが形成されていない以外は、上記実施例１の光機能素子１の構成と同じである。
【００９２】
楕円偏光の方位角の変化を、検光子を用いて、所定角成分（０度）とその直交成分（９０度）とに分離した場合の、透過光偏光成分の光量変化、及び、差動検出値（Sub/Sum）を計算した結果（光機能素子２９を用いた光波長検出器の光波長検出特性の計算結果）を図２１に示す。
【００９３】
透光性基板２６の前記一方の面に凹凸パターンが形成されていない場合には、透過光の偏光が回転する現象は発生しないので、図２１に示すように、入射波長の変化による差動検出値（Sub/Sum）の変化は無い。その結果、本比較例１の光機能素子２９を用いて上記光波長検出器を組み立てたとしても、当該光波長検出器を使用して入射波長を特定することはできない。
【００９４】
［比較例２］
本比較例２の光機能素子の構成（図示せず）は、凹凸パターンの溝深さｈを１０ｎｍ、金属パターンの高さｔ１、ｔ２を１０ｎｍとした以外は、上記実施例１の光機能素子１の構成と同じである。尚、金属パターンの高さｔ１、ｔ２が１０ｎｍ未満になると、アルミニウム膜等の金属膜の膜生成を安定して行うことが困難となるため、金属パターンの高さｔ１、ｔ２が１０ｎｍ未満の場合については検討の範囲から除外した。
【００９５】
楕円偏光の方位角の変化を、検光子を用いて、所定角成分（１６０度）とその直交成分（２５０度）とに分離した場合の、透過光偏光成分の光量変化、及び、差動検出値（Sub/Sum）を計算した結果（本比較例２の光機能素子を用いた光波長検出器の光波長検出特性の計算結果）を図２２に示す。
【００９６】
図２２に示すように、凹凸パターンの溝深さｈが２０ｎｍ未満の場合、透過光の偏光は僅かに回転し、入射波長の変化による差動検出値（Sub/Sum）の変化は僅かにあるが、その変化の度合いは小さい。その結果、本比較例２の光機能素子を用いて上記光波長検出器を組み立てたとしても、当該光波長検出器を使用して入射波長を正確に特定することは困難である。従って、凹凸パターンの溝深さｈは２０ｎｍ以上であるのが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明によれば、透過光である楕円偏光の長軸成分の方位角によって入射波長を特定することができる、低コストで量産可能な光機能素子を、光波長検出器の構成部品として用いることにより、発光ダイオードやレーザダイオードの発光波長を製造現場で安価に計測することができる。また、検出波長範囲を光通信の波長となるように適応させることにより、光変調速度に対応した高速の光波長検出器を低コストで提供することができる。このように、本発明の産業上の利用可能性は高い。
【符号の説明】
【００９８】
１、１７、２１、２５  光機能素子
２、１８、２２、２６  透光性基板
３、１９、２３、２７  凹凸パターン
３ａ、１９ａ、２３ａ、２７ａ  溝
３ｂ、１９ｂ、２３ｂ、２７ｂ  凸状部
４、２０、２４、２８  金属パターン
４ａ、２０ａ、２４ａ  第１のパターン構成体
４ｂ、２０ｂ、２４ｂ  第２のパターン構成体
５  石英基板
６、９  レジストパターン
７  アルミニウム膜
８  レジスト
１０  光波長検出器
１１  偏光子
１２  偏光分離素子
１３  光検出器
１４ａ、１４ｂ  電流−電圧変換素子
１５  差動増幅器
１６  演算素子
【図１】
2011247990.tif 000003
【図２】
2011247990.tif 000004
【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】
2011247990.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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