(57)【要約】【課題】本発明の目的は、ポリマー系材料で２次元フォトニック結晶構造を有する偏光分離素子を作製することで素子の高選択比、小型化、及び成形性の向上を図り、且つ前記２次元フォトニック結晶構造の量産化も実現可能とした偏光分離素子を提供することである。【解決手段】転写型を用いて、屈折率差が少なくとも０．３以上ある周期構造で形成される２次元フォトニック結晶構造をポリマー系材料に転写成形することで、フォトニックバンドギャップ効果により偏光分離の高選択比と小型化を実現し、且つポリマー系材料を用いることで素子の成形性を向上し、さらに転写成形によりプロセスを簡略化し、量産化を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用波長に対して透明なポリマー系材料に屈折率の周期的構造を有する２次元フォトニック結晶構造が形成されたスラブ型の光学素子において、前記屈折率の周期構造を成す材料間の屈折率差が０．３以上あることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
前記フォトニック結晶構造の一部、もしくは全部が転写型を用いた転写により成形されていることを特徴とする請求項１に記載の偏光分離素子。
【請求項３】
前記ポリマー系材料が使用波長に対して透明なフッ素化ポリイミド樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の偏光分離素子。
【請求項４】
前記転写型がポリイミド樹脂、もしくはそれと同等な熱膨張係数を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の偏光分離素子。
【請求項５】
前記フォトニック結晶構造が三角格子配列で形成されており、各格子柱のアスペクト比が５以上あることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の偏光分離素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システム、光計測機器などに用いられる光学素子、とくに偏光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの急速な普及により、光ファイバー通信網の容量増大が強く求められており、その手段としてＷＤＭ（波長多重）通信の開発が急速に進められている。ＷＤＭ通信においては、わずかな波長差の光が個別の情報を伝達することから、波長選択性の良い光分波器、フィルタ、アイソレータ、サーキュレータといった光学機能素子が必要である。このような光学機能素子中には偏光分離素子が使用されるのが一般的であり、それに対して高選択比、量産性、小型化などが強く求められている。
【０００３】
現在用いられている偏光分離素子は、水晶などの複屈折結晶材料や、４５°の斜め面に多層膜を施した偏光ビームスプリッターなどが一般的である。しかし、複屈折結晶は光ファイバやレンズなど他の光学要素とは異質の材料であり、これを用いて光学部品を構成する場合、小型化、集積化には不適な材料であり、偏光分離の選択比も大きく取れない。また、多層膜を用いる偏光ビームスプリッターも、斜め面を有することから厚みが大きくなり、これを用いた光学装置は大型化するという問題点があった。このような問題点を解決するために、特許文献１（特開２００２−８２２２１）や特許文献２（特開２００１−５１１２２）に記載の偏光分離素子では、その構造にフォトニック結晶構造を用いることを提案している。フォトニック結晶構造を用いるとフォトニックバンドギャップ効果により、偏光分離の選択比が高く取れる上、薄膜化が可能であるため素子の小型化も実現できる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−８２２２１号
【０００５】
【特許文献２】特開２００１−５１１２２号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献１や特許文献２に記載の前記フォトニック結晶構造を用いた偏光分離素子においては、素子作製にプラズマＣＶＤ法や自己クローニング法を用いているため、作製するのに大型な装置が必要となる上に作業時間もかかるため、量産化が難しいといった問題がある。またこれらの偏光分離素子は材料として主にＳｉやＳｉＯ２を用いるために、素子自体が固く成形しにくい上に柔軟性も悪いといった問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、上記の課題を克服するためポリマー系材料で２次元フォトニック結晶構造を有する偏光分離素子を作製することで素子の高選択比、小型化、及び成形性の向上を図り、且つ前記２次元フォトニック結晶構造の量産化も実現可能とした偏光分離素子を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、使用波長に対して透明なポリマー系材料に屈折率の周期的構造を有する２次元フォトニック結晶構造が形成されたスラブ型の光学素子において、前記屈折率の周期構造を成す材料間の屈折率差が少なくとも０．３以上ある偏光分離素子である。本発明に従えば、フォトニックバンドギャップ効果により高選択比な偏光分離と薄膜化による素子の小型化ができる上、ポリマー系材料を用いることで素子の成形性向上と柔軟化もできる。
【０００９】
本発明において、前記フォトニック結晶構造の一部、もしくは全部が転写型を用いた転写により成形されていることが好ましい。前記フォトニック結晶構造作製に転写型を用いることでプロセスが簡略化され量産化もできる。
【００１０】
さらに本発明は、前記ポリマー系材料が使用波長に対して透明なフッ素化ポリイミド樹脂で形成されていることが好ましい。このように耐熱性の高い透明な材料を用いることで、耐熱性の優れた偏光分離素子を作製でき、多様な環境下で動作する光学機能素子への登載が可能となる。
【００１１】
さらに本発明は、前記転写型がポリイミド樹脂、もしくはそれと同等な熱膨張係数を有する材料で形成されていることが好ましい。このように転写型とそれによって成形されるフッ素化ポリイミド樹脂との間の熱膨張係数差を小さくすることで、熱収縮の際に生じる応力を緩和することができ、クラックが少なく光損失も少ない素子を作製できる。
【００１２】
さらに本発明は、前記フォトニック結晶構造が三角格子配列で形成されており、各格子柱のアスペクト比が少なくとも５以上あることが好ましい。三角格子配列を用い、且つ各格子柱のアスペクト比を５以上とすることで、十分なフォトニックバンドギャップを形成することができ、素子の広帯域動作化が可能となる上に、入射光との結合も効率よく簡単にできる。
【００１３】
また前記転写型を用いてポリマー系材料に転写成形する際に、転写型と成形材料との間に薄い剥離層を形成し、それを溶液処理することで転写型から成形材料を剥がすことが好ましい。このように薄い剥離層を形成することで、転写型と成形材料との剥離性を良くし、無駄な応力がかからずに再現良く転写成形ができる。
【００１４】
【発明の実施形態】
本発明者らは屈折率差が少なくとも０．３以上取れる周期構造を有するスラブ型２次元フォトニック結晶構造をポリマー系材料に適応すれば、フォトニックバンドギャップ効果が発現し、所望の波長帯でＴＥ波とＴＭ波を完全に分離できることを見出した。また前記２次元フォトニック結晶構造を、転写型を用いた転写成形で作製することにより、大型装置などを使わなくても作製できる簡便なプロセスを見出した。周期構造を成す材料としては、例えばポリマー系材料と空気の組合わせで、屈折率差を０．３以上にすることができる。
【００１５】
したがって本発明では、転写型を用いて、屈折率差が少なくとも０．３以上ある周期構造で形成される２次元フォトニック結晶構造をポリマー系材料に転写成形することで、フォトニックバンドギャップ効果により偏光分離の高選択比と小型化を実現し、且つポリマー系材料を用いることで素子の成形性を向上し、さらに転写成形によりプロセスを簡略化し、量産化を実現する。
【００１６】
以下に、実施例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
【００１７】
【実施例】
本発明の一実施例を、図１を用いて説明する。本実施例の構造は、高屈折率２次元フォトニック結晶層１とそれを保持する薄い基板２を挟むように低屈折率空気クラッド層が形成されたスラブ構造をしている。前記２次元フォトニック結晶層１は高屈折率ポリマー系材料の円柱３と低屈折率の空気の周期構造によって構成されており、図２の様な三角格子配列が面内に分布した構造をしている。また、十分なフォトニックバンドギャップを得るために、前記２次元フォトニック結晶層１面内に形成されている各格子柱のアスペクト比（ｂ／ａ）が５以上あるように作製されている。
【００１８】
本実施例では前記２次元フォトニック結晶層１の円柱部分にポリマー系材料を用い、円柱外部は空気で構成したが、図３及び図４のように円柱部分を空気穴５とし円柱外部をポリマー系材料６で構成することもできる。この場合２次元フォトニック結晶層４を保持する薄い基板は無くても良い。
【００１９】
前記２次元フォトニック結晶層の作製方法についてその一例を、図５を用いて説明する。まずポリイミド基板７上に２光束干渉法や電子線描画法などで三角格子配列のレジストパターニング８を施す（図５（ａ））。次にドライエッチングでポリイミド部分をエッチングした後レジストを除去することで、三角格子配列の２次元フォトニック結晶構造のポリイミド転写型が作製できる（図５（ｂ））。このポリイミド転写型に剥離層としてＳｉＯｘ１０もしくは金属材料などを薄く蒸着、もしくはスパッタする（図５（ｃ））。
【００２０】
以上の過程を終えた転写型に、転写成形するフッ素化ポリイミド材料１１の溶液（ポリアミド酸ワニス）をコーティングする（図５（ｄ））。乾燥によりイミド化した後、フッ酸水溶液などの剥離液に浸して、転写型から転写成形されたフッ素化ポリイミド材料部分１１を剥離する（図５（ｅ））ことで、フッ素化ポリイミド材料で作製された２次元フォトニック結晶構造の偏光分離素子を作製することができる（図５（ｆ））。このように作製した前記偏光分離素子は、ポリイミド転写型とそれによって成形されるフッ素化ポリイミドとの間の熱膨張係数差が小さいので、クラックが少なく精度が良い偏光分離素子を作製することが可能となり、光損失を少なくできる。また、前記ポリイミド転写型は再利用することが可能であり且つその再現性も良好なので、ドライエッチングなどの大型装置が必要となるプロセスを通さなくても、転写成形といった簡便なプロセスで精度良く偏光分離素子を作製することができ、量産化ができる。また、上記の転写過程で作製された偏光分離素子はフィルム状であるので、従来の偏光分離素子よりも柔軟性が高く成形性が向上しているので、小型化などもし易いことが分かる。
【００２１】
本実施例では転写型としてポリイミド材料、転写成形材料としてフッ素化ポリイミドを適用したが、例えば転写型及び転写成形材料の両方にＰＭＭＡを用いるなどして両者の間の熱膨張係数差を小さくすれば、どのようなポリマー系材料でも適用できる。また本実施例では、転写型を作製するのにドライエッチングを適用しているが、レーザーアブレーション法なども適応可能であり、さらに転写型を無機材料などで構成すればウェットエッチングなどで作製することも可能である。また本実施例では剥離層としてＳｉＯｘもしくは金属材料を適用したが、転写型の表面を疎水処理すれば剥離層が無くても転写型から転写成形部を良好に剥がすことができる。
【００２２】
上記の過程で作製可能な２次元フォトニック結晶構造型偏光分離素子の周期構造を設計するのにあたって、完全フォトニックバンドギャップを発現させるのに必要な屈折率差の値を屈折率差と周波数ギャップの相関図として図６に示す。図から分かるように、完全フォトニックバンドギャップを発現させるにはＴＥ、ＴＭ両偏光の入射光に対して少なくとも屈折率差が０．３以上必要であることがわかる。屈折率差０．３以上の周期構造で構成された２次元フォトニック結晶構造型偏光分離素子のフォトニックバンドギャップ計算結果の一例を図７に示す。例えば半径０．１９ｕｍの円柱内部をフッ素化ポリイミドで作製し円柱外部を空気として、周期０．６６ｕｍの三角格子配列の周期構造を作製すれば、波長１．２５〜１．３７ｕｍのＴＥ波に対して完全なフォトニックバンドギャップを形成できることがわかる。
【００２３】
同様の条件で作製した前記２次元フォトニック結晶構造型偏光分離素子内に、波長１．３１ｕｍのＴＥ波及びＴＭ波を導波させた場合の計算結果を図９、図１０にそれぞれ示し、合わせて図８にその計算モデルを示す。図８で配列している白丸がフォトニック結晶構造の格子柱に相当し、図９、図１０では黒丸が格子柱に相当する。
ＴＥ波は完全に反射されているのに対してＴＭ波は透過しており、ＴＥ波とＴＭ波を完全に分離する偏光分離素子として機能していることがわかる。また図８の計算モデルからわかるように、１０周期程度つまり７ｕｍ×７ｕｍの大きさでも十分に偏光分離素子として機能することがわかる。このように２次元フォトニック結晶構造を偏光分離素子に適応することで、小さい面積でありながら偏光を完全に分離することができ、偏光の高選択比及び素子の小型化が可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の偏光分離素子を用いれば、フォトニックバンドギャップ効果により高選択比と小型化が実現でき、且つポリマー系材料を用いることで素子の成形性を向上し、さらに転写成形によりプロセスが簡略化され、量産化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の偏光分離素子を説明する図である。
【図２】本実施例の２次元フォトニック結晶構造を説明する図である。
【図３】本実施例の偏光分離素子を説明する図である。
【図４】本実施例の２次元フォトニック結晶構造を説明する図である。
【図５】本実施例の２次元フォトニック結晶構造型偏光分離素子の作製プロセスを説明する図である。
【図６】本実施例の２次元フォトニック結晶構造における屈折率差と周波数ギャップの相関を説明する図である。
【図７】本実施例の２次元フォトニック結晶構造のフォトニックバンドギャップ計算結果を示す図である。
【図８】本実施例の２次元フォトニック結晶構造の計算モデルを示す図である。
【図９】本実施例の２次元フォトニック結晶構造に対してＴＥ波を入射した場合の光伝搬過程を説明する図である。
【図１０】本実施例の２次元フォトニック結晶構造に対してＴＭ波を入射した場合の光伝搬過程を説明する図である。
【符号の説明】
１　　２次元フォトニック結晶層
２　　保持基板
３　　高屈折率ポリマー系材料で構成された円柱
４　　２次元フォトニック結晶層
５　　円柱型空気穴
６　　高屈折率ポリマー系材料
７　　ポリイミド基板
８　　レジストパターン
９　　エッチングにより削られた部分
１０　　ＳｉＯｘ剥離層
１１　　転写成形されたフッ素化ポリイミド
【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】
2004125919.tif 000009
【図８】
2004125919.tif 000010
【図９】
2004125919.tif 000011
【図１０】
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