(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造をλ（入射する電磁波の波長）より小さな周期で繰り返す周期構造を有した基材と、前記周期構造の表面に中間層を介して複数設けられた金属層と、を有し、
前記複数の金属層の厚さは互いに等しく、
前記中間層の屈折率ｎは３．４であり、
（１）前記金属層が２層であり、前記中間層の厚さが、０．０６λ〜０．２４λであるか、
又は、
（２）前記金属層が３層であり、前記周期構造の断面が正弦波形状であって、前記中間層の厚さの合計が０．０８λ〜０．４０λであるか、若しくは、前記金属層が３層であり、前記周期構造の断面が三角波形状であって、前記中間層の厚さの合計が０．１０λ〜０．４８λである、ことを特徴とする偏光子。
【請求項２】
前記金属層が二層であり、前記中間層の厚さが０より大きくλ／ｎ（ｎは前記中間層の屈折率）以下である、請求項１に記載の偏光子。
【請求項３】
基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造をλ（入射する電磁波の波長）より小さな周期で繰り返す周期構造を前記基材面に形成する工程と、
前記周期構造の表面に金属層を形成する工程と、
前記金属層の表面に屈折率ｎが３．４の中間層を形成する工程と、
前記中間層の表面に金属層を形成する工程と、を有し、
前記周期構造の表面の金属層の厚さと前記中間層の表面の金属層の厚さとを互いに等しく形成し、
前記中間層の厚さを０．０６λ〜０．２４λに形成する、ことを特徴とする偏光子の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏光子を用いたことを特徴とする光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光子、その製造方法及び光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光子は、ある特定の偏光のみを透過させる素子である。光通信、光情報処理又は光センシング等の分野では、小型で、消光比が高く、使用波長範囲が広く、耐環境性に優れ、量産性にも優れた偏光子が要求されている。
【０００３】
例えば、テラヘルツ帯及び近赤外領域用偏光子として、特許文献１では、サブ波長格子（Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｇｒａｔｉｎｇ：ＳＷＧ）を用いた偏光子が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２５６８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載の偏光子は、主に、テラヘルツ領域から遠赤外領域を対象としていたが、中赤外及び近赤外領域の特性を向上させる余地がある。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、平易な作製プロセスによりコストが大幅に削減できるとともに、かつ広開口の偏光子を作製することが容易で、中赤外及び近赤外領域における特性を向上させることができる偏光子、その製造方法及び光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）上記課題を解決するための本発明に係る偏光子は、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造をλ（入射する電磁波の波長）より小さな周期で繰り返す周期構造を有した基材と、前記周期構造の表面に中間層を介して複数設けられた金属層と、を有することを特徴とする。
【０００８】
なお、例えば、本発明の偏光子において、前記単位構造の周期が、λ（１μｍ≦λ≦２０μｍ）／ｎ（前記中間層の屈折率）以下である、ことが好ましい。また、前記中間層の厚さが０．０８λ〜０．２５λであること、前記金属層が三層であり、前記周期構造の断面が正弦波形状である場合に、前記中間層の厚さが０．２λ〜０．５８λであることが好ましい。さらに、前記金属層が三層であり、前記周期構造の断面が三角波形状である場合に、前記中間層の厚さが０．２５λ〜０．７λであることが好ましい。
【０００９】
（２）本発明の偏光子において、前記周期構造の断面が三角波形状又は正弦波形状であることが好ましい。
【００１０】
（３）本発明の偏光子において、前記金属層が二層であり、前記中間層の厚さが０より大きくλ／ｎ以下であることが好ましい。
【００１１】
（４）上記課題を解決するための本発明に係る偏光子の製造方法は、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造をλ（入射する電磁波の波長）より小さな周期で繰り返す周期構造を前記基材面に形成する工程と、前記周期構造の表面に金属層を形成する工程と、前記金属層の表面に中間層を形成する工程と、前記中間層の表面に金属層を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
（５）本発明の偏光子の製造方法において、前記周期構造の断面が三角波形状又は正弦波形状であることが好ましい。
【００１３】
（６）上記課題を解決するための本発明に係る光モジュールは、上記本発明に係る偏光子を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の偏光子によれば、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造をλ（入射する電磁波の波長）より小さな周期で繰り返す周期構造を有した基材と、前記周期構造の表面に中間層を介して複数設けられた金属層とを有するので、中赤外領域における特性を向上させることができる。
【００１５】
本発明の偏光子の製造方法によれば、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造をλ（入射する電磁波の波長）より小さな周期で繰り返す周期構造を前記基材面に形成する工程と、前記周期構造の表面に金属層を形成する工程と、前記金属層の表面に中間層を形成する工程と、前記中間層の表面に金属層を形成する工程とを有するので、従来のような多層構造を形成した後に切り出す方法よりも効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る偏光子の一例とその使用態様を示す全体図である。
【図２】三角波形状の断面を有し、その三角波形状の表面に金属層が形成されている偏光子（サブ波長格子）の例を示す拡大図である。
【図３】正弦波形状の断面を有し、その正弦波形状の表面に金属層が形成されている偏光子（サブ波長格子）の例を示す拡大図である。
【図４】周期構造の占有率（充填率）についての説明図である。
【図５】波長λが１μｍ、周期構造の周期Λが２５０ｎｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、金属層Ａｌの厚さの合計が１８ｎｍである場合の、中間層の厚さＤの変化に対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）法を用いた数値解析により求めたグラフである。
【図６】単層格子（金属層が一層の格子）の場合の表面および裏面に励起される表面プラズモンを概念的に示す図である。
【図７】二重格子（金属層が二層の格子）で中間層の厚さＤが小さい場合の表面および裏面に励起される表面プラズモンと、各金属層の中間層側に励起される表面プラズモンを概念的に示す図である。
【図８】一層当りの金属層の膜厚が十分小さい二重格子で、かつ中間層の厚さＤが十分大きい場合の表面および裏面に励起される表面プラズモンと、各金属層の中間層側に励起される表面プラズモンを概念的に示す図である。
【図９】波長λが１０μｍ、正弦波形状の断面を有し、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、中間層の厚さＤが０（単層格子）と１．５μｍ（二重格子）である場合の、金属層が一層の場合と二層の場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、金属層の厚さに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示すグラフである。
【図１０】波長λが１０μｍ、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、二重格子を構成する金属層の合計の厚さｔが１８ｎｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、中間層の厚さＤに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示すグラフである。
【図１１】波長λが１０μｍ、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、四重格子（金属層が四層）を構成する金属層の合計の厚さｔが１８ｎｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、中間層の厚さＤに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示すグラフである。
【図１２】波長λが１０μｍ、周期構造の周期Λが２．５μｍ、二重格子を構成する金属層の合計の厚さｔが１８ｎｍ、中間層の厚さＤが１．５μｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、アスペクト比ｈ／Λに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示すグラフである。
【図１３】波長λが１０μｍ、三角波形状の断面を有し、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、中間層の厚さＤが０（単層格子）と１．５μｍ（二重格子）である場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、金属層の合計の厚さｔに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示すグラフである。
【図１４】波長λが１０μｍ、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、三重格子を構成する金属層の合計の厚さｔが１８ｎｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、中間層の厚さＤに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示すグラフである。
【図１５】波長λが１０μｍ、周期構造の周期Λが２．５μｍ、三重格子を構成する金属層の合計の厚さｔが１８ｎｍ、中間層の合計の厚さＤが２．５μｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、アスペクト比ｈ／Λに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示すグラフである。
【図１６】波長λが１０μｍ、正弦波形状の断面を有し、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、中間層の合計の厚さＤが２．５μｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、金属層の合計の厚さｔに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示すグラフである。
【図１７】波長λが１０μｍ、三角波形状の断面を有し、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、中間層の合計の厚さＤが２．５μｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、金属層の合計の厚さｔに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示すグラフである。
【図１８】波長λが１０μｍ、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、四重格子を構成する中間層の合計の厚さＤが２．５μｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、金属層Ａｌの合計の厚さｔに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示すグラフである。
【図１９】波長λが１０μｍ、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、四重格子を構成する中間層の合計の厚さＤが３．５μｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、金属層Ａｌの合計の厚さｔに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示すグラフである。
【図２０】周期構造の周期Λ＝２．５μｍ、構造のアスペクト比ｈ／Λ＝１、金属層Ａｌの合計の厚さｔ＝２０ｎｍ、中間層の厚さがＤ＝１．５μｍである二重格子の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、入射波長に対する透過損失特性を示すグラフである。
【図２１】周期構造の周期Λ＝２．５μｍ、構造のアスペクト比ｈ／Λ＝１、金属層Ａｌの合計の厚さｔ＝２０ｎｍ、中間層の合計の厚さがＤ＝２．５μｍである三重格子の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、入射波長に対する透過損失特性を示すグラフである。
【図２２】正弦波形状の断面を有し、その正弦波形状の表面に金属層が形成されている偏光子（サブ波長格子）の例を示す拡大図である。
【図２３】波長λが１０μｍ、周期構造の周期Λが２．５μ、アスペクト比ｈ／Λが１、金属層の合計の厚さｔすなわちｔ１＋ｔ２が２０ｎｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、各金属層の厚さに対する透過損失特性を示すグラフである。
【図２４】波長λが２０μｍ、周期構造の周期Λが５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、金属層の合計の厚さｔが１８ｎｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、中間層の厚さＤに対する透過損失特性を示すグラフである。
【図２５】波長λが１μｍ、周期構造の周期Λが２５０ｎｍ、アスペクトｈ／Λが１、金属層の合計の厚さｔが１８ｎｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、中間層の合計の厚さＤに対する透過損失特性を示すグラフである。
【図２６】波長λが２０μｍ、周期構造の周期Λが５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、金属層の合計の厚さｔが１８ｎｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、中間層の合計の厚さＤに対する透過損失特性を示すグラフである。
【図２７】波長λが１０μｍ、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、金属層の合計の厚さｔが１８ｎｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、中間層の厚さＤに対する透過損失特性を示すグラフである。
【図２８】波長λが１０μｍ、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、金属層の合計の厚さｔが１８ｎｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、中間層の厚さＤに対する透過損失特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、その技術的思想を含む範囲を包含し、以下に示す説明や図面等に限定されない。
【００１８】
［偏光子］
本発明の偏光子１０は、図１に示すように、入射する電磁波に対する占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造を有する基材１１と、周期構造の表面に設けられた金属層１２と、この金属層１２の上に設けられた中間層１３と、この中間層１３の上に設けられた金属層１４と、を有している。
【００１９】
基材１１の表面に設けられた周期構造は、図２に断面を示すように、断面が三角形の溝（Ｇｒｏｏｖｅ）である単位構造を溝の長手方向に対して垂直な方向に隣接させて繰り返す構造、すなわち三角波形状となっている。なお、この例では、単位構造の断面形状を三角波形状としているが、入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造であれば、例えば図３に示すように、単位構造の断面形状を正弦波形状としてもよい。あるいは、単位構造の断面形状を矩形波形状としてもよい。
【００２０】
この偏光子１０は、図１に示すように、周期構造が形成された面に所定の角度で電磁波（光）が入射波として入射した場合に、その周期構造に平行な偏波成分を反射し、垂直な偏波成分を透過させる。すなわち、電界の偏光方向が図１のｘ方向(周期構造に垂直)であるＴＭ波は、表面プラズマ波を介して金属層を低損失で透過し、電界がｙ方向の偏光方向(周期構造に平行)を持つＴＥ波は、金属層により吸収、反射され、ＴＥ波の透過損失は大きくなる（高透過損失）。
【００２１】
なお、電磁波（光）は進行方向と垂直に振動する横波である。また、入射角は入射波の方向と基材面の法線方向とがなす角度である。さらに、入射面は入射波の方向と基材面の法線方向を含む平面である。また、図１にも示したように、電界の向きが周期構造（格子）の溝方向に平行な電磁波をＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｗａｖｅ）波、格子の溝方向に垂直な電磁波をＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｗａｖｅ）波と呼ぶ。本発明のＴＥ透過損失とＴＭ透過損失とは、上記のＴＥ波やＴＭ波が偏光子１を透過する際の損失（単位「ｄＢ」による表記）である。
【００２２】
以下、本発明の構成について詳しく説明する。
【００２３】
（基材）
基材１１は、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造を繰り返す周期構造を有している。
【００２４】
周期構造は、図１、図２及び図３に示すように、一定の単位構造が周期的に繰り返される構造であり、基材１１は、そうした周期構造が基材面に形成されている。周期的に繰り返す単位構造は、基材面に所定の角度で入射する電磁波に対して占有率が連続的に変化するものである。
【００２５】
また、基材１１の基材面の全面には、図１及び図２に示すように、Ａｌ等からなる金属層１２が形成されており、この金属層１２の上には、Ｓｉや石英等などの透明体からなる中間層１３が形成されており、さらに、この中間層１３の上には、Ａｌ等からなる金属層１４が形成されている。同様に、図３に示す基材２１の基材面の全面には、Ａｌ等からなる金属層２２が形成されており、この金属層２２の上には、Ｓｉや石英等などの透明体等からなる中間層２３が形成されており、さらに、この中間層２３の上には、Ａｌ等からなる金属層２４が形成されている。
【００２６】
ここで、「基材面に所定の角度で入射する電磁波」とは、所定の入射角（入射波の方向と基材面の法線方向とがなす角度）で基材面に入射するものであれば、図１に示すように必ずしも法線方向から入射するものでなくてもよく、「所定の角度（入射角）」で基材面に入射するものであればよい。
【００２７】
また、「電磁波に対して占有率が連続的に変化する」とは、例えば図４に示すように、基材面の法線方向から入射する電磁波が基材面にそのまま直進透過するとした場合に、電磁波が直進透過する長さの割合ということができる。例えば図４では、電磁波Ｅ３が透過する谷部５は透過長さが最も短い部位であり、電磁波Ｅ１が透過する尾根部４は透過長さが最も長い部位である。「電磁波に対する占有率」とは、このように、電磁波の透過長さが最も長い部位を占有率１００％とし、電磁波の透過長さが最も短い部位を占有率０％として表すものということができる。そして、「占有率が連続的に変化する」とは、図４の例のように、尾根部４から谷部５に向かって占有率（単位構造の長さＬ）が連続的に変化することをいう。なお、「連続的」とは、尾根部４から谷部５に向かう面３が、図２の三角波形状のように直線的に変化する場合や図３の正弦波形状のよう曲線状に変化する場合の他、ガウス形、アークタンジェント形、レイズドコサイン形、放物形等々に連続変化する場合（図示しない）であってもよい。つまり、尾根部４から谷部５に向かって占有率が総じて増加乃至減少する態様のものも含まれてもよい。
【００２８】
また、「一定の単位構造が周期的に繰り返される」とは、上記した「電磁波に対して占有率が連続的に変化する単位構造」が一定の周期（ピッチ：図２、図３中のΛ）で繰り返されているものである。その周期は全て一致していることが好ましいが、必ずしも完全に一致していなくてもよい。例えば、周期が不規則であってもある意図を持った設計思想の下で繰り返されているものであればよい。また、構造単位も全て同じ形状であることが好ましいが、完全に一致していなくてもよい。例えば、異なる形状の構造単位がある意図を持った設計思想の下で繰り返されているものであればよい。
【００２９】
基材１１の材質としては、屈折率の実部ｎ及び虚部κが低い材料を用いることが好ましい。屈折率の実部ｎが低いほど優れた偏光特性を見込むことができるとともに、基材１１によるフレネル反射損失を低減することができる。一方、虚部κが小さいほど吸収損失を低減することができる。
【００３０】
本発明の偏光子１０が対象とする帯域は、波長が１μｍ〜２０μｍ程度の赤外帯域である。この帯域では、基材１１の材質は、例えば低損失材料であるＳｉとし、金属層１２及び金属層１４の材質は、Ａｌとする。例えば波長が１０μｍである場合、Ａｌの光学定数（屈折率の実部ｎと虚部κ）のうち虚部κは８９．８である。また、この場合の金属表面に入射した電磁波の電界の振幅が１／ｅとなる深さである表皮深さδは、１７．７ｎｍとなる。なお、金属層１２及び金属層１４の材質は、Ａｌだけに限られず、他に、Ａｇ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ，Ｐｄ，Ｎｉ等も用いることができる。
【００３１】
周期構造は、例えば図２及び図３に示す三角波形状と正弦波形状の場合では、その尾根部４（あるいは谷部５）がサブ波長周期で繰り返す構造となっている。サブ波長周期とは、構造周期が入射電磁波の波長と同程度か、それよりも小さいという意味である。透過あるいは反射する波に高次の回折波が発生せず、０次だけの透過光あるいは反射光になる条件を指す。この周期構造は、媒体の屈折率境界で生じるフレネル反射を低減するように作用し、いわゆる反射低減効果を有する。こうした周期構造は、サブ波長格子（Ｓｕｂ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｇｒａｔｉｎｇ：ＳＷＧ）といい、反射防止表面や偏光分離素子として、ディスプレイ、光検出器、発光素子への応用が期待できる。
【００３２】
周期構造の格子形状は、適用する波長（テラヘルツ帯域、近赤外帯域等）において、回折散乱を伴わない構造周期Λ（ラムダ）（＜λ／ｎ）であることが好ましい。ここで、λは波長であり、ｎは基材１１の屈折率である。上記の式「Λ＜λ／ｎ」を満たす範囲内で、金属薄膜のサブ波長格子の周期Λを設定すれば、大きな偏光特性をもたせることができる。
【００３３】
赤外帯域では、基材１１をＳｉとした場合、ｎは３．４なので、λ／ｎよりも小さいΛの好ましい範囲は１０〜１００μｍ（遠赤外）、１．５〜１０μｍ（中赤外）、０．２〜１．５μｍ（近赤外）の範囲とすることが好ましい。
【００３４】
周期構造は、図１、図２及び図３に示すような三角波形状や正弦波形状等を例示できる。図示しないが、ノコギリ波形状であってもよい。これらの形状は、尾根部４（凸部）と谷部５（凹部）を有し、上記の構造周期Λは、尾根部４，４間、又は谷部５，５間で評価することができる。
【００３５】
周期構造を構成する単位構造の尾根部４から谷部５までを高さＬとすると、アスペクト比（Ｌ／Λ［図２、図３では、ｈ／Λ］）は０．５以上が好ましく、１．０以上がより好ましい。アスペクト比が高いほど高い偏光特性を得ることができる。なお、アスペクト比の上限は特にないが、製造容易の観点から現実的なアスペクト比は３．０程度である。こうしたアスペクト比の範囲内になるように、三角波形状や正弦波形状等からなる単位構造の構造周期Λ（ピッチ）と高さＬを規定する。中赤外帯域で好ましい構造周期Λが上記の（１．５〜１０μｍ）の範囲である場合には、その上下限に対応した高さＬは（０．７５〜５μｍ）以上、（４．５〜３０μｍ）以下の範囲となる。
【００３６】
こうした周期構造を含む基材１１の全体の厚さＴは特に限定されないが、例えば５００〜２０００μｍ程度であればよい。周期構造の形成は、基材１１の表面に、干渉露光法や電子ビーム露光法によりレジストの周期構造を作製してそれをそのまま利用するか、あるいはさらにそのレジストの厚み形状をリアクティブイオンエッチングなどにより基材に転写するなどして実現することができる。また、レーザーアブレーションにより表面を走査することによっても周期構造の形成が可能である他、周期構造を形成した金属或いはセラミックスを型として、樹脂等に周期構造を転写して形成することもできる。
【００３７】
（金属層）
金属層１２及び金属層１４の材質は、下記のように、適用する波長帯域に応じた適切な材質のものが選ばれる。なお、図１、図２及び図３では、金属層を二層として示しているが、複数の金属層を有していればよく、三層、四層あるいはそれ以上の数の金属層を設けても良い。
【００３８】
赤外帯域では、金属層１２及び金属層１４の材質としては、Ｐｔ，アルミニウム，Ａｕ，Ｎｉ等を用いることができるが、中でも、高い虚部κを持つアルミニウムが好ましく用いられる。そして、この帯域で適用する金属層１２及び金属層１４の合計の厚さは、例えば赤外帯域での表皮深さδ程度が好ましく、具体的には例えば波長が１０μｍ（表皮深さδが１７．７ｎｍ）の場合では合計で１８ｎｍの厚さであることが好ましい。
【００３９】
金属層１２及び金属層１４の合計の厚さが適用波長における表皮深さδ以上である場合には、ＴＭ偏光とＴＥ偏光に対して、高反射ミラーとなってしまう。ＴＭ偏光を透過して偏光子として動作させるためには、金属層１２及び金属層１４の合計の厚さを、上記のように、表皮深さδ程度に薄くすることが望ましい。
【００４０】
こうした金属層１２は、スパッタリング法、蒸着法等で周期構造上の全面に形成することができる。また、金属層１４は、金属層１２の形成後、中間層１３を形成した後、同様の方法で形成することができる。
【００４１】
（中間層）
中間層１３は、金属層１２を形成した後、高周波スパッタリング法や電子ビーム蒸着法によりアモルファスシリコン膜を成膜することによって形成することができる。
【００４２】
以上説明したように、本発明の偏光子１０は、図１、図２及び図３等に示すように、サブ波長オーダーの周期構造の表面に金属層１２及び金属層１４が形成されているので、ＴＭ偏光を透過し、ＴＥ偏光を反射又は吸収するという特性、すなわちＴＭ偏光を低損失で透過（ＴＭ透過損失が小さい）しＴＥ偏光を高損失で透過（ＴＥ透過損失が大きい）するという高い偏光特性を持っている。こうした特徴を持つ偏光子１０は、分光分析（試薬、セキュリティー）、光通信、光通信アイソレーター等、偏波選択が必要な用途に利用可能である。
【００４３】
（複数の金属層１２、金属層１４）
さらに、本発明の偏光子１０は、図１、図２及び図３等に示すように、複数の金属層１２及び金属層１４を有しているため、単一の金属層の場合に比較して、ＴＭ透過損失を小さく、ＴＥ透過損失を大きくすることができる。
【００４４】
以下、ＴＥ偏光（ＴＥ波）とＴＭ偏光（ＴＭ派）各々について特性を検討する。
１．ＴＥ波
金属層１４に入射し、金属層１４、中間層１３、金属層１２を透過するＴＥ波については、単純な平板金属膜の透過の場合と同等に考えることができる。透過率は金属中での吸収と金属表面での反射で決まる。
【００４５】
（１）吸収
金属層における吸収は、（吸収係数×金属層の厚さ）で決まる。このため、単層格子（金属層が１層）でも多層格子（金属層が複数層）でも合計の金属厚さ（金属層１２と金属層１４の合計の厚さ）が同じならば吸収による透過損失はほぼ等しい。ただし、多層構造では多重反射が存在するので、厳密には全ての多重反射光成分を加えて減衰量を求める必要がある。
【００４６】
（２）反射
金属層における反射は、境界数が多いほど反射の効果は大きくなる。このため、多層にしたほうが単層の時より損失を大きくできる。ただし、多層構造では層間の多重反射による干渉効果が存在するため、Ｄの値に依存する。
【００４７】
図５は、入射光の波長λが１μｍ、周期構造の周期Λが２５０ｎｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、基材１１の材質がＴｓｕｒｕｐｉｃａ（登録商標）であり、金属層１２と金属層１４の厚さの合計が１８μｍ、中間層１３の材質がＳｉＯ２である場合の、中間層１３の厚さＤの変化に対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ））法を用いた数値解析により求めたグラフである。この図５中において、実線は周期構造の断面が正弦波形状の場合の特性を示しており、破線は周期構造の断面が三角波形状の場合の特性を示している。
【００４８】
この図５に示すように、ＴＥ波が中間層１３の厚さＤに対して周期的な変動が生じているのはこの多重反射による干渉である。例えば同図において隣り合うピークが生じるＤの差は、０．３５μｍ（９００−５５０＝３５０ｎｍ）である。即ち、０．３５μｍ（金属膜間隔）×２（往復分）×１．４５（屈折率）が、第１の格子と第２の格子の間を往復する光路長になる。この値は１．０１５となり、波長とほぼ同じになることから多重反射に起因した干渉現象であることがわかる。
【００４９】
２．ＴＭ波
金属層１４に入射し、金属層１４、中間層１３、金属層１２を透過するＴＭ波の透過は、入射光が金属格子の表面（入射側）および裏面（出射側）に励起される表面プラズモンを介して行われる。このため、透過率は金属境界面の数にはほとんど依存しない。ここで、図６〜図８にモデルを示す。なお、金属膜の厚さは表皮深さδより小さいことが必要であり、δは金属の複素屈折率の虚部をκとするとδ＝λ／（２πκ）である。
【００５０】
（ａ）図６は、単層の格子（金属層が一層の格子）の場合の表面（入射側）および裏面（出射側）に励起される表面プラズモン（Ａ１、Ａ２）を概念的に示す図である。このような場合では、多層の格子の場合に比べて１層当りの金属層の膜厚が厚いため、金属層の裏面（出射側）に励起される表面プラズモンＡ２の振幅が小さく、透過損失が大きくなる。
【００５１】
（ｂ）図７は、二重格子（金属層が二層の格子）で中間層１３の厚さＤが小さい場合の表面（入射側）および裏面（出射側）に励起される表面プラズモン（Ａ１、Ａ４）と、各金属層１２、金属層１４の中間層１３側に励起される表面プラズモン（Ａ２、Ａ３）を概念的に示す図である。このような場合では、２つの金属層の間における表面プラズモン（Ａ２とＡ３）が十分大きな振幅をもたない。この結果、出射側の表面プラズモンＡ４の振幅も入射側の表面プラズモンＡ１と比べて大きくないために透過損失の低減効果は小さい。
【００５２】
（ｃ）図８は、一層当りの金属層の膜厚が十分小さい二重格子で、かつ中間層１３の厚さＤが十分大きい場合の表面（入射側）および裏面（出射側）に励起される表面プラズモン（Ａ１、Ａ４）と、各金属層１２、金属層１４の中間層１３側に励起される表面プラズモン（Ａ２、Ａ３）を概念的に示す図である。このような場合では、入射光は第１の金属膜（金属層１４）の表面プラズモン（Ａ１とＡ２）を介して中間層１３の光に結合される。さらに第２の金属膜（金属層１２）の表面プラズモン（Ａ３とＡ４）を介して出射光に高効率で結合する。
【００５３】
以上の図６〜図８のモデルから以下のことを説明できる。
図５（波長λ＝１μｍの場合）に示すように、中間層１３の厚さＤが大きくなるにつれてＴＭ波の損失が単調に小さくなり、ある程度以上（１００ｎｍ以上）になれば、ほぼ一定になる。
【００５４】
図９は、入射光の波長λが１０μｍ、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１である場合の、金属層が一層の場合と二層の場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、金属層の厚さに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示している。この図９中において、実線は中間層１３の厚さＤが１．５μｍの二層の場合の（金属層の厚さの合計に対する）特性を示しており、破線はＤ＝０すなわち一層の場合の特性を示している。この図９に示すように、金属層の厚さが厚くなるとある厚さ以上で急激にＴＭ波の損失が大きくなる。また、金属層を２分割して二層にしたほうがＴＭ波の損失を大幅に低減することができる。
【００５５】
図１０は、入射光の波長λが１０μｍ、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、基材１１及び中間層１３の材質がＳｉであり、二重格子（金属層が二層）を構成する金属層の合計の厚さｔが１８μｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、中間層１３の厚さＤに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示している。この図１０中において、実線は周期構造の断面が正弦波形状の場合の特性を示しており、破線は周期構造の断面が三角波形状の場合の特性を示している。横軸のＤ＝０の点は、単層の金属の場合の特性に該当する。
【００５６】
図１１は、入射光の波長λが１０μｍ、周期構造の周期Λが２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λが１、基材１１及び中間層１３の材質がＳｉであり、四重格子（金属層が四層）を構成する金属層の合計の厚さｔが１８μｍである場合の、ＲＣＷＡ法を用いた数値解析により求めた、中間層１３の厚さＤに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示している。この図１１中において、実線は周期構造の断面が正弦波形状の場合の特性を示しており、破線は周期構造の断面が三角波形状の場合の特性を示している。横軸のＤ＝０の点は、単層の金属の場合の特性に該当する。
【００５７】
図１０と図１１を比較すると明らかなように金属層の分割数を大きくする（一層あたりの金属層厚は単層の場合に対して分割数で除した値）方が特性は向上する。周期構造の断面が三角波形状の場合については、二重格子、四重格子の場合とも、中間層１３の厚さに対してＴＭ波の損失が急激に減少し（四重格子のほうが顕著）、その後Ｄによらず小さい値を保持する。一方ＴＥ波の損失はＤが２〜２．５μｍ程度までＤに比例して大きくなり、２重格子で６０ｄＢ程度、四重格子で８５ｄＢ以上に達する。すなわち、分割数を多くしたほうが特性は向上する。周期構造の断面が正弦波形状の場合についても、中間層１３の厚さＤに対して二重格子、四重格子の場合とも損失が減少し、Ｄが一定の値（３μｍ）以上で四重格子のほうがより損失が小さくなる。ＴＥ波の損失はＤが２〜２．５μｍ程度までＤに比例して大きくなり、２重格子で６０ｄＢ程度、四重格子で７０ｄＢ以上に達する。すなわち、分割数を多くしたほうが特性は向上している。
【００５８】
以上説明したように、この偏光子１０では、金属層の数を複数とすることにより、ＴＭ偏光を透過し、ＴＥ偏光を反射又は吸収するという特性、すなわちＴＭ偏光を低損失で透過（ＴＭ透過損失が小さい）させ、ＴＥ偏光を高損失で透過（ＴＥ透過損失が大きい）させる偏光特性を向上させることができる。
【００５９】
［光モジュール］
本発明に係る光モジュールは、上記した本発明の偏光子１０を用いて構成されるデバイス又は機器である。赤外帯域で用いる光モジュールの例としては、通信用光アイソレーターを挙げることができる。通信用光アイソレーターは、互いに透過する偏光の向きが４５度傾いた２枚の偏光子の間に、偏光の回転角が４５度のファラデー回転子を挿入することにより構成したものである。こうした光アイソレーターによれば、ある方向の光はすべて透過し、逆方向の光は透過しないようにできる。光通信では半導体レーザの発信を安定化するのに必要であり、偏光子は必要不可欠なモジュールの一つの構成部品である。その偏光子に本発明の偏光子１０を用いれば、安価かつ広開口の光アイソレーターが製造できる。
【実施例】
【００６０】
以下、解析例により本発明をさらに具体的に説明する。
【００６１】
［解析例１］
上述の図２及び図３に示す構造をモデリングし、二重格子構造（金属層が二層）について、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）法を用いた数値解析によって、（Ａ）中間層厚依存性、（Ｂ）アスペクト比依存性、（Ｃ）金属層厚依存性を解析した。
【００６２】
これらの数値解析では、入射光の波長λを１０μｍ、周期構造の周期Λを２．５μｍ、基材１１及び中間層１３の材質をＳｉ（ｎ＝３．４、κ＝０）、金属層をＡｌ（屈折率ｎ＝２５．３、消衰係数κ＝８９．８）と仮定している。
【００６３】
（Ａ）中間層厚依存性
上述の図１０は、中間層１３の厚さＤに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示している。この数値解析では、アスペクト比ｈ／Λを１、二重格子（金属層が二層）を構成する金属層の合計の厚さｔを１８μｍ（金属層１２及び金属層１４の厚さは各々９μｍ）としている。上述の図１０中において、実線は周期構造の断面が正弦波形状の場合の特性を示しており、破線は周期構造の断面が三角波形状の場合の特性を示している。
【００６４】
周期構造の断面が正弦波形状及び三角波形状のいずれも、中間層の厚さＤが厚くなるに伴い、ＴＭ波の透過損失は減少する。中間層の厚さＤが０〜１．５μｍのとき、ＴＥ波の透過損失は、Ｄが厚くなるに伴い増加し、Ｄ＞１．５μｍでは減少していく。Ｄ＝１．５μｍ付近でＴＥ波の透過損失が最大となり、Ｄ＝０（単層膜）のときに比べ、消光比が２０ｄＢ以上向上する。以上より、上述のような構成の二重格子構造の場合は、中間層１３（Ｓｉ）の厚さをＤを１．５μｍとすることが望ましい。
【００６５】
なお、上述の図５に示す波長λが１μｍである場合には、中間層の厚さＤが０．１５μｍのときにＴＥ波の透過損失が最大となる。また、後述の図２４に示す波長λが２０μｍである場合には、中間層の厚さＤが３μのときにＴＥ波の透過損失が最大となる。従って、上述のような構成の二重格子構造の場合で、波長λが１μｍ〜２０μｍの範囲では、Ｄを０．１５λとすることが望ましい。
【００６６】
（Ｂ）アスペクト比依存性
図１２は、アスペクト比ｈ／Λに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示している。この数値解析では、中間層１３の厚さＤを１．５μｍ（二重格子構造であって（Ａ）で仮定した条件において消光比が最大となるＤの値）、二重格子（金属層が二層）を構成する金属層の合計の厚さｔを１８μｍ（金属層１２及び金属層１４の厚さは各々９μｍ）としている。この図１２中において、実線は周期構造の断面が正弦波形状の場合の特性を示しており、破線は周期構造の断面が三角波形状の場合の特性を示している。
【００６７】
この図１２より、アスペクト比ｈ／Λの増加に伴い、ＴＥ波とＴＭ波の透過損失差が大きくなり、高い消光比を得られることがわかる。断面形状ごとの特性を比較すると、正弦波形状の断面を持つ構造では三角波形状に比べ、アスペクト比が小さく（ｈ／Λ＜０．５）なった場合、ＴＭ波の透過損失を抑えることができる。ＴＭ波の透過損失について、ＴＥ波の透過損失を上回る場所が存在しているのは、アスペクト比の変化に伴い電界の振動方向に平行な金属層の厚さも変化することから、特定のアスペクト比（電界の振動方向と平行な厚さと同義）において、金属層で共鳴吸収が起きているためと考えられる。以上より、アスペクト比ｈ／Λの増加によって良好な偏光特性が得られ、挿入損失は、正弦波形状の方が三角波形状に比べ構造のアスペクト比による依存が少ない。また、構造のアスペクト比アスペクト比は、正弦波形状では０．５以上、三角波形状では０．６以上であることが望ましい。
【００６８】
（Ｃ）金属層厚依存性
上述の図９は、周期構造の断面が正弦波形状となっている偏光子の、金属層の合計の厚さｔに対する透過損失特性の計算結果を示している。上述の図９中において、実線は中間層１３の厚さＤが１．５μｍである二重格子構造（金属層が二層）の場合の特性を示しており、破線は中間層１３の厚さＤが０すなわち金属層が一層の場合の特性を示している。なお、二重格子構造の場合は各々の金属層の厚さはｔの半分（ｔ／２）である。
【００６９】
また、図１３は、周期構造の断面が三角波形状となっている偏光子の、金属層の合計の厚さｔに対する透過損失特性の計算結果を示している。図１３中において、実線は中間層１３の厚さＤが１．５μｍである二重格子構造（金属層が二層）の場合の特性を示しており、破線は中間層１３の厚さＤが０すなわち金属層が一層の場合の特性を示している。なお、二重格子構造の場合は各々の金属層の厚さはｔの半分（ｔ／２）である。
【００７０】
上述の図９、図１３のいずれの場合も、金属層の合計の厚さｔの増加に伴い、ＴＥ波、ＴＭ波ともに透過損失が増加する。どちらの断面形状においてもｔ＞１５ｎｍとなると、Ｄ＝１．５μｍの場合では、Ｄ＝０の場合と比較し、ＴＭ波の透過損失（偏光子としての挿入損失）の増加を大きく低減することができる。従って、金属層の合計の厚さｔは、上述の表皮深さ程度にするのが望ましい。
【００７１】
また、Ｄ＝１．５μｍの場合において、断面形状による特性を比較すると、ＴＥ波の透過損失に大きな差は見られない。しかしながら、三角波形状の断面では、正弦波形状と比較し、膜厚が厚くなったときの挿入損失増加を低減できる。以上より、二重格子構造の偏光子を製造する場合、三角波形状の方が金属層の作製トレランスが高いことがわかる。
【００７２】
［解析例２］
三重格子構造（金属層が三層）について、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）法を用いた数値解析によって、（Ａ）中間層厚依存性、（Ｂ）アスペクト比依存性、（Ｃ）金属層厚依存性を解析した。これらの数値解析では、入射光の波長λを１０μｍ、周期構造の周期Λを２．５μｍ、基材１１及び中間層の材質をＳｉ（ｎ＝３．４、κ＝０）、金属層をＡｌ（屈折率ｎ＝２５．３、消衰係数κ＝８９．８）と仮定している。
【００７３】
（Ａ）中間層厚依存性
図１４は、中間層の合計の厚さＤに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示している。この数値解析では、アスペクト比ｈ／Λを１、三重格子（金属層が三層）を構成する金属層の合計の厚さｔを１８μｍ（各金属層の厚さは各々６μｍ）としている。この図１４中において、実線は周期構造の断面が正弦波形状の場合の特性を示しており、破線は周期構造の断面が三角波形状の場合の特性を示している。
【００７４】
周期構造の断面が正弦波形状及び三角波形状のいずれも、中間層の合計の厚さＤが厚くなるに伴い、ＴＭ波の透過損失は減少する。中間層の合計の厚さＤ＝０〜２．５μｍのとき、ＴＥ波の透過損失は、中間層の合計の厚さＤが厚くなるに伴い増加する。Ｄ＝２．５μｍ付近でＴＥ波の透過損失は最大となり、Ｄ＝０（単層膜）のときに比べ、消光比が３０ｄＢ以上向上する。三角波形状の断面では、正弦波形状と比較し、ＴＥ波の透過損失が高い。以上より、三重格子構造の場合、周期構造の断面は三角波形状、中間層の合計の厚さＤを２．５μｍ（各中間層の厚さがＤ／２＝１．２５μｍ）とすることが望ましい。
【００７５】
また、後述の図２５は、同様な条件下で、波長λを１μｍとした場合のシミュレーション結果である。また、後述の図２６は、同様な条件下で、波長λを２０μｍとした場合のシミュレーション結果である。後述の図２５に示す結果では、Ｄ＝０．２μｍ（正弦状格子）、０．２５μｍ（三角状格子）でＴＥの損失が最大になる。また、後述の図２６に示す結果では、Ｄ＝５μｍ（正弦状格子）、６μｍ（三角状格子）でＴＥの損失が最大になる。従って、波長に比例したＤの値で最大になることがわかる。
【００７６】
（Ｂ）アスペクト比依存性
図１５は、アスペクト比ｈ／Λに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示している。この数値解析では、中間層の合計の厚さＤを２．５μｍ（三重格子構造であって（Ａ）で仮定した条件において消光比が最大となるＤの値）、三重格子（金属層が三層）を構成する金属層の合計の厚さｔを１８μｍ（各金属層の厚さは各々６μｍ）としている。この図１５中において、実線は周期構造の断面が正弦波形状の場合の特性を示しており、破線は周期構造の断面が三角波形状の場合の特性を示している。
【００７７】
この図１５より、アスペクト比ｈ／Λの増加に伴い、ＴＥ波とＴＭ波の透過損失差が大きくなり、高い消光比を得られることがわかる。断面形状ごとの特性を比較すると、正弦波形状の断面を持つ構造では三角波形状に比べ、アスペクト比が小さく（ｈ／Λ＜０．５）なった場合、ＴＭ波の透過損失を抑えることができる。以上より、アスペクト比ｈ／Λの増加によって良好な偏光特性が得られ、挿入損失は、正弦波形状の方が三角波形状に比べ構造のアスペクト比による依存が少ない。また、構造のアスペクト比アスペクト比は、正弦波形状では０．３以上、三角波形状では０．５以上であることが望ましい。
【００７８】
（Ｃ）金属層厚依存性
図１６は、周期構造の断面が正弦波形状の三重格子構造となっている偏光子の、金属層の合計の厚さｔに対する透過損失特性の計算結果を示している。図１６中において、実線は中間層の合計の厚さＤが２．５μｍである三重格子構造（金属層が三層）の場合の特性を示しており、破線は中間層の厚さＤが０すなわち金属層が一層の場合の特性を示している。なお、三重格子構造の場合は各々の金属層の厚さはｔの３分の１（ｔ／３）であり、各々の中間層の厚さはＤの半分（Ｄ／２）である。
【００７９】
また、図１７は、周期構造の断面が三角波形状の三重格子構造となっている偏光子の、金属層の合計の厚さｔに対する透過損失特性の計算結果を示している。図１７中において、実線は中間層の合計の厚さＤが２．５μｍである三重格子構造（金属層が三層）の場合の特性を示しており、破線は中間層の厚さＤが０すなわち金属層が一層の場合の特性を示している。なお、三重格子構造の場合は各々の金属層の厚さはｔの３分の１（ｔ／３）であり、各々の中間層の厚さはＤの半分（Ｄ／２）である。
【００８０】
図１６、図１７のいずれの場合も、金属層の合計の厚さｔの増加に伴い、ＴＥ波、ＴＭ波ともに透過損失が増加する。どちらの断面形状においてもｔ＞１５ｎｍとなると、Ｄ＝２．５μｍの場合では、Ｄ＝０の場合と比較し、ＴＭ波の透過損失（偏光子としての挿入損失）の増加を大きく低減できる。従って、金属層の合計の厚さｔは、上述の表皮深さ程度にするのが望ましい。
【００８１】
Ｄ＝２．５μｍの場合において、断面形状による特性を比較すると、三角波形状の断面では、正弦波形状と比較し、膜厚が厚くなったときの挿入損失増加を低減でき、ＴＥ波の透過損失は、ｔ＝１０〜５０ｎｍの全域で約５ｄＢ高い。以上より、三重格子構造偏光子の場合、三角波形状の方が良好な偏光特性を得られ、加えて金属層の作製トレランスが高いことがわかる。
【００８２】
［解析例３］
四重格子構造（金属層が四層）について、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）法を用いた数値解析によって、（Ａ）中間層厚依存性、（Ｂ）金属層厚依存性を解析した。
これらの数値解析では、入射光の波長λを１０μｍ、周期構造の周期Λを２．５μｍ、基材１１及び中間層の材質をＳｉ（ｎ＝３．４、κ＝０）、金属層をＡｌ（屈折率ｎ＝２５．３、消衰係数κ＝８９．８）と仮定している。
【００８３】
（Ａ）中間層厚依存性
上述の図１１は、中間層の合計の厚さＤに対するＴＥ波とＴＭ波の透過損失特性を示している。この数値解析では、アスペクト比ｈ／Λを１、四重格子（金属層が四層）を構成する金属層の合計の厚さｔを１８μｍ（各金属層の厚さは各々４．５μｍ）としている。上述の図１１中において、実線は周期構造の断面が正弦波形状の場合の特性を示しており、破線は周期構造の断面が三角波形状の場合の特性を示している。
【００８４】
周期構造の断面が正弦波形状及び三角波形状のいずれも、中間層の合計の厚さＤが厚くなるに伴い、ＴＭ波の透過損失は減少する。一方、ＴＥ波の透過損失は、周期構造の断面が正弦波形状の場合にはＤ＝２．５μｍ付近で最大となる。周期構造の断面が三角波形状の場合には、Ｄ＝３．５μｍ付近でＴＥ波の透過損失が最大となる。三角波形状の断面では、正弦波形状と比較し、ＴＥ波の透過損失が高く、Ｄ＝０（単層膜）のときに比べ、消光比が５０ｄＢ以上向上する。以上より、四重格子構造の場合、周期構造の断面は三角波形状、中間層の合計の厚さＤを３．５μｍ（各中間層の厚さがＤ／３＝１．１６７μｍ）とすることが望ましい。
【００８５】
（Ｂ）金属層厚依存性
図１８及び図１９は、周期構造の断面が正弦波形状及び三角波形状の四重格子構造となっている偏光子の、金属層の合計の厚さｔに対する透過損失特性の計算結果を示している。図１８は、中間層の合計の厚さが２．５μｍ（正弦波形状で消光比最大）である場合の特性を示しており、図１９は、中間層の合計の厚さが３．５μｍ（三角波形状で消光比最大）である場合の特性を示している。また、図１８及び図１９において、実線は正弦波形状の場合の特性を示しており、破線は三角波形状の場合の特性を示している。なお、四重格子構造の場合は各々の金属層の厚さはｔの４分の１（ｔ／４）であり、各々の中間層の厚さはＤの３分の１（Ｄ／３）である。
【００８６】
図１８、図１９から、金属層厚の増加に伴い、ＴＥ波、ＴＭ波ともに透過損失が増加する。断面形状による特性を比較すると、Ｄ＝２．５μｍの場合、三角波形状の断面では正弦波形状に比べ、膜厚が厚くなったときの挿入損失増加を低減でき、ＴＥ波の透過損失は高くなっている。Ｄ＝３．５μｍの場合、挿入損失はｔ＝１０〜５０ｎｍにおいて断面形状による違いは見られないが、三角波形状の方が正弦波形状に比べ、ＴＥ波の透過損失が非常に高い。以上より、四重格子構造偏光子の場合、三角波形状の方が良好な偏光特性を得られ、加えてＤが薄いとき、金属層の作製トレランスが高いことがわかる。
【００８７】
［解析例４］
（光学特性の波長依存性）
上述の図９及び図１４に示す構造パラメータの中間層厚依存性により得られた、消光比が最大となる中間層Ｓｉの合計の厚さを用い、二重及び三重格子構造の偏光子について、パラメータを入射波長λとしてＲＣＷＡ法により数値解析を行った。この解析では、周期構造の周期（格子周期）Λ＝２．５μｍ、構造のアスペクト比ｈ／Λ＝１、金属層Ａｌの合計の厚さｔ＝２０ｎｍと仮定する。
【００８８】
（Ａ）二重格子構造
図２０に、正弦波形状及び三角波形状の断面を持ち、二重格子構造となっている偏光子の、入射波長に対する透過損失特性の計算結果を示す。この図２０中において、実線は周期構造の断面が正弦波形状の場合の特性を示しており、破線は周期構造の断面が三角波形状の場合の特性を示している。
【００８９】
中間層Ｓｉの厚さをＤ＝１．５μｍと仮定する。断面形状による特性を比較すると、今回用いたパラメータでは、λ＝１０μｍにおいて、三角波形状の方が正弦波形状に比べ低挿入損失であるが、特性の違いは僅かといえる。λ＝１０〜３０μｍにおいて、消光比６０ｄＢ以上が得られる。
【００９０】
（Ｂ）三重格子構造
図２１に、正弦波形状及び三角波形状の断面を持ち、二重格子構造となっている偏光子の、入射波長に対する透過損失特性の計算結果を示す。この図２１中において、実線は周期構造の断面が正弦波形状の場合の特性を示しており、破線は周期構造の断面が三角波形状の場合の特性を示している。
【００９１】
中間層Ｓｉの厚さをＤ＝２．５μｍと仮定する。断面形状による特性を比較すると、今回用いたパラメータでは、三角波形状の方が正弦波形状に比べ高消光比である。λ＝１０〜３０μｍにおいて、消光比７０ｄＢ以上が得られる。
【００９２】
［解析例５］
（金属層厚の割合が変化した場合の透過損失特性）
図２２に示すように、二重格子構造の偏光子２０において、金属層２２と金属層２４の厚さをそれぞれｔ１、ｔ２とする。また、入射波長λを１０μｍ、周期構造の周期Λを２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λを１、中間層２３の厚さＤを１．５μｍとし、金属層２２及び金属層２４をＡｌ、基材１１及び中間層１３をＳｉと仮定する。
【００９３】
このような条件で、周期構造の断面が正弦波形状及び三角波形状である二重格子構造となっている偏光子の、金属層の合計の厚さｔを２０ｎｍとし、各金属層の厚さｔ１、ｔ２に対する透過損失特性を求めると、図２３に示すようになる。この図２３において、実線は周期構造の断面が正弦波形状の場合の特性を示しており、破線は周期構造の断面が三角波形状の場合の特性を示している。
【００９４】
周期構造の断面が正弦波形状及び三角波形状のいずれの断面形状においても、ｔ１及びｔ２が１０ｎｍ付近のときに、ＴＥ波の透過損失が最も高くなり、ＴＭ波の透過損失が最も低くなる。以上より，金属層厚の割合は二重格子構造の場合、ｔ１＝ｔ２＝ｔ／２となるように、同様の厚さとすることが望ましい。
【００９５】
［解析例６］
（波長に対する中間層厚依存性）
二重及び三重格子構造の偏光子において、波長に応じて構造を変え、構造パラメータを中間層の合計の厚さＤとして数値解析を行った。
【００９６】
（Ａ）二重格子構造
上述の図５は、正弦波形状及び三角波形状の断面を持ち、二重格子構造となっている偏光子の、波長λが１μｍの場合での中間層の厚さに対する透過損失特性の計算結果を示す。周期構造の周期Λを２５０ｎｍ、アスペクト比ｈ／Λを１、金属層の合計の厚さｔ＝１８ｎｍ（ｔ／２＝９ｎｍ）、金属層をＡｌ（ｎ＝１．３５、κ＝９．５８）、基材をＴｓｕｒｕｐｉｃａ（登録商標）（ｎ＝１．５３、κ＝０）、中間層をＳｉＯ２（ｎ＝１．４５、κ＝０）と仮定する。
【００９７】
中間層の厚さＤの増加に伴い、ＴＭ波の透過損失は減少し、Ｄ＞２００ｎｍでは一定となる。一方、ＴＥ波の透過損失は、Ｄの増加に伴い、中間層厚による干渉を繰り返し波打った特性となる。Ｄ＝１５０ｎｍ付近でＴＥ波の透過損失は最大となり、Ｄ＝０（単層膜）のときに比べ、消光比が約５ｄＢ向上する。
【００９８】
図２４に、正弦波形状及び三角波形状の断面を持ち、二重格子構造となっている偏光子の、波長λが２０μｍの場合での中間層の厚さに対する透過損失特性の計算結果を示す。周期構造の周期Λを５μｍ、アスペクト比ｈ／Λを１、金属層の合計の厚さｔ＝１８ｎｍ（ｔ／２＝９ｎｍ）、金属層をＡｌ（ｎ＝６０．７、κ＝１４７）、基材及び中間層をＳｉ（ｎ＝３．４、κ＝０）と仮定する。
【００９９】
中間層の厚さＤの増加に伴い、ＴＭ波の透過損失は減少する。一方、ＴＥ波の透過損失はＤの増加とともに増加し、Ｄ＝３μｍ付近で最大となり、Ｄ＝０（単層膜）のときに比べ、消光比が２０ｄＢ以上向上する。
【０１００】
以上より、二重格子構造の場合、中間層厚を波長λが１μｍの場合で中間層の厚さＤを１５０ｎｍとし、λ＝２０μｍでＤ＝３μｍとすることが望ましく、上述の解析例１（Ａ）の結果からλ＝１０μｍにおいてはＤ＝１．５μｍとすることで最良となるため、波長に対して中間層厚をＤ＝０．１５λと設定したときに、ＴＥ波の透過損失が最大になると考えられる。また、これらの上述の図５、図２４から、中間層の厚さＤを０．０８λ〜０．２５λ程度にすれば、良好な特性を得ることができる。
【０１０１】
（Ｂ）三重格子構造
図２５に、正弦波形状及び三角波形状の断面を持ち、三重格子構造となっている偏光子の、波長λが１μｍでの中間層の厚さに対する透過損失特性の計算結果を示す。周期構造の周期Λを２５０ｎｍ、アスペクトｈ／Λを１、金属層の合計の厚さｔ＝１８ｎｍ（ｔ／３＝６ｎｍ）、金属層をＡｌ、基材をＴｓｕｒｕｐｉｃａ（登録商標）、中間層をＳｉＯ２と仮定する。
【０１０２】
中間層の合計の厚さＤの増加に伴い、ＴＭ波の透過損失は減少する。周期構造の断面の形状が正弦波形状の場合、Ｄ＝４００ｎｍ付近でＴＭ波の透過損失が増加しているのは、特定の中間層厚において干渉が起きているためと考えられる。一方、ＴＥ波の透過損失はＤの増加とともに増加し、正弦波形状の場合には、Ｄ＝２００ｎｍ付近で最大となる。三角波形状の場合には、Ｄ＝２５０ｎｍ付近で最大となる。三角波状の断面形状では正弦波状に比べ、ＴＥ波の透過損失が高くなっている。Ｄ＝０（単層膜）のときに比べ、正弦波形状で消光比が約５ｄＢ向上、三角波形状で約７ｄＢ向上する。
【０１０３】
図２６に、正弦波形状及び三角波形状の断面を持ち、三重格子構造となっている偏光子の、波長λが２０μｍでの中間層の厚さに対する透過損失特性の計算結果を示す。周期構造の周期Λを５μｍ、アスペクト比ｈ／Λを１、金属層の合計の厚さｔ＝１８ｎｍ（ｔ／３＝６ｎｍ）、金属層をＡｌ、基材及び中間層をＳｉと仮定する。
【０１０４】
中間層の合計の厚さＤの増加に伴い、ＴＭ波の透過損失は減少する。一方、ＴＥ波の透過損失はＤの増加とともに増加し、正弦波形状の場合にはＤ＝５μｍ付近で最大となる。三角波形状の場合にはＤ＝６μｍ付近で最大となり、Ｄ＝０（単層膜）のときに比べ、消光比が４０ｄＢ以上向上する。三角波状の断面形状では正弦波状に比べ、ＴＥ波の透過損失が高く、Ｄ＜６μｍのときＴＭ波の透過損失が低くなっている。
【０１０５】
以上より、三重格子構造の場合、正弦波形状では中間層厚を波長λ＝１μｍでＤ＝２００ｎｍ、波長λ＝２０μｍでＤ＝５μｍとすることが望ましい。また、三角波形状では波長λ＝１μｍでＤ＝２５０ｎｍ、波長λ＝２０μｍでＤ＝６μｍとすることが望ましい。上述の解析例２（Ａ）の結果からλ＝１０μｍにおいてはＤ＝２．５μｍとすることで最良となるため、波長に対して中間層の合計の厚さＤを、正弦波形状の場合ではＤ＝０．２０λ〜０．２５λ、三角波形状の場合ではＤ＝０．２５λ〜０．３０λと設定したときに、ＴＥ波の透過損失が最大になると考えられる。
【０１０６】
［解析例７］
（中間層を厚くした場合）
多重格子構造において、中間層が非常に厚くなったとき、一層当たりの金属層厚とした金属単層膜の偏光子における透過損失を倍とした値に漸近するかを確認する。上述の図１０、図２７及びこれらをまとめた図２８に、正弦波状及び三角波状の断面形状を持ち、二重格子構造となっている偏光子の、中間層の厚さ（Ｄ＝０〜３μｍ［上述の図１０］、Ｄ＝３５〜５０μｍ［図２７］）に対する透過損失特性の計算結果を示す。
【０１０７】
ここで、波長λを１０μｍ、周期構造の周期Λを２．５μｍ、アスペクト比ｈ／Λ＝１、金属層の合計の厚さｔ＝１８ｎｍ（ｔ／２＝９ｎｍ）とし、金属層をＡｌ、基材及び中間層をＳｉと仮定する。
【０１０８】
中間層の厚さＤが増加すると、ＴＭ波の透過損失は、どちらの断面形状においても０．５ｄＢ以下で安定しているが、ＴＥの透過損失は、Ｄとともに増加し３０〜４０ｄＢとなっている。ここで、ｔ＝９ｎｍである金属単層膜の偏光子の損失を２倍すると、正弦波形状では、ＴＥ波の透過損失４７．３ｄＢ、ＴＭ波の透過損失０．５０４ｄＢ、三角波形状では、ＴＥ波の透過損失４９．２ｄＢ、ＴＭ波の透過損失０．２２０ｄＢである。以上より、Ｄが増加したとき、ＴＭ波の透過損失は、金属単層膜の特性の２倍に漸近しているといえる。ＴＥ波の透過損失は、Ｄ＝５０μｍではまだ十分に漸近していないが、さらにＤが増加した場合、漸近していくと考えられる。
【０１０９】
（結論）
以上説明したように、金属薄膜サブ波長多重格子構造偏光子を提案した。中赤外域における偏光特性の数値解析結果について報告した。数値解析により、λ＝１０μｍにおいて、中間層Ｓｉ（屈折率３．４）の厚さを二重格子構造の場合Ｄ＝１．５μｍ（図１０より、Ｄ＝波長λ／（２×屈折率）、三重格子構造の場合Ｄ＝２．５μｍ（図１６より）とすることで消光比が最大となる。すなわち、中間層の素材をＳｉとした場合には、波長に対する中間層厚依存性により、二重格子の場合Ｄ＝０．１５λ、三重格子の場合Ｄ＝０．２０λ〜０．２５λ（正弦波状）、Ｄ＝０．２５λ〜０．３０λ（三角波状）とすることで高い偏光特性が得られる。これらのシミュレーション結果より、中間層の合計の厚さＤは、これらの値の±６０％程度の値が妥当であると考えられる。
【０１１０】
なお、この値は、中間層の屈折率に応じて変わるため、中間層の材質をＳｉＯ２をとした場合には、三重格子の場合には、中間層の合計の厚さの上限をＤ＝０．５８λ（正弦波状）程度、Ｄ＝０．７λ（三角波状）とすることが望ましい。
【０１１１】
また、これらのシミュレーション結果により、λ＝１０〜３０μｍにおいて、二重格子構造で消光比理論値６０ｄＢ以上、三重格子構造で７０ｄＢ以上が得られ、金属薄膜サブ波長格子を多重化することで、中赤外域において良好な偏光特性が得られることが分かる。
【符号の説明】
【０１１２】
３  表面
４  尾根部
５  谷部
１０  偏光子
１１  基材
１２  金属層
１３  中間層
１４  金属層
２０  偏光子
２１  基材
２２  金属層
２３  中間層
２４  金属層
【０１１３】
Λ  構造周期のピッチ
ｈ  周期構造（三角波形状又は正弦波形状）の高さ
Ｄ  中間層
ｔ  金属層の合計の厚さ
【図１】
0005837310.tif 000002
【図２】
0005837310.tif 000003
【図３】
0005837310.tif 000004
【図４】
0005837310.tif 000005
【図５】
0005837310.tif 000006
【図６】
0005837310.tif 000007
【図７】
0005837310.tif 000008
【図８】
0005837310.tif 000009
【図９】
0005837310.tif 000010
【図１０】
0005837310.tif 000011
【図１１】
0005837310.tif 000012
【図１２】
0005837310.tif 000013
【図１３】
0005837310.tif 000014
【図１４】
0005837310.tif 000015
【図１５】
0005837310.tif 000016
【図１６】
0005837310.tif 000017
【図１７】
0005837310.tif 000018
【図１８】
0005837310.tif 000019
【図１９】
0005837310.tif 000020
【図２０】
0005837310.tif 000021
【図２１】
0005837310.tif 000022
【図２２】
0005837310.tif 000023
【図２３】
0005837310.tif 000024
【図２４】
0005837310.tif 000025
【図２５】
0005837310.tif 000026
【図２６】
0005837310.tif 000027
【図２７】
0005837310.tif 000028
【図２８】
0005837310.tif 000029