(57)【要約】周期的な凹凸形状を有する高屈折率媒質層と低屈折率媒質層の交互多層膜からなり、面に垂直もしくは斜めに入射する光に対し凹凸に平行な偏波成分と垂直な偏波成分とを透過と反射で分離する偏光分離素子において、片方の偏波に対しては共通に伝搬域となり、他方の偏波に対しては少なくとも一部で遮断域となる範囲において積層周期を変化させることで動作帯域を拡大させることによって、薄型で耐パワー性が高く、紫外から近赤外域の間で広い動作波長を設定することができる偏光子および偏光分離素子を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元の直交座標ｘ、ｙ、ｚにおいて、透明で高屈折率の媒質からなる高屈折率媒質層と、透明で低屈折率の媒質からなる低屈折率媒質層がｚ方向に交互に積層された多層構造体であって、
前記各媒質層の形状が、ｘ軸方向には使用される光の波長以下の周期的な凹凸構造を有し、
ｙ軸方向には一様な構造、あるいはｘ軸方向より大きい長さの周期的または非周期的な凹凸構造を有し、
前記交互層のｚ方向の積層周期が積層方向の少なくとも一部において異なり、
ｘｙ面に垂直または斜めに入射する光に対し、電界がｙ軸に直交する偏波あるいはｘ軸と直交する偏波のどちらか一方が、積層方向において周期の異なる全ての領域において共通に伝搬域に含まれ、他方の偏波は積層方向の少なくとも一部の領域では遮断域に含まれるように、ｘ軸方向の周期的凹凸構造の周期およびｚ軸方向の積層周期がそれぞれ選択されたことを特徴とする偏光子または偏光分離素子。
【請求項２】
前記高屈折率媒質層がＳｉまたはＴｉＯ２またはＴａ２Ｏ５またはＮｂ２Ｏ５またはＺｒＯ２またはＨｆＯ２またはＡｌ２Ｏ３もしくはそれらの混合物からなり、前記低屈折率媒質層がＳｉＯ２またはＭｇＦ２からなることを特徴とする請求項１記載の偏光子または偏光分離素子。
【請求項３】
波長２００ｎｍから２０００ｎｍの一部の波長域で動作することを特徴とする請求項１または２記載の偏光子または偏光分離素子。
【請求項４】
波長４３０ｎｍから４９０ｎｍ、波長５１０ｎｍから５７０ｎｍ、波長５９０ｎｍから６５０ｎｍのうちの少なくとも１つの波長域で動作することを特徴とする請求項１、２または３記載の偏光子または偏光分離素子。
【請求項５】
光の入射角がｘｙ面に対して４５度もしくはそれ以下であることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の偏光子または偏光分離素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、光の偏光制御を利用した光学機器に用いられ、入射光の内特定方向の直線偏波成分のみを透過させる機能を与える偏光子、および入射光を２つの直交する直線偏波成分に分離する機能を与える偏光分離素子に関する。
【背景技術】  偏光子は、不特定の方向に電磁界が振動する無偏光または楕円偏光を、ある特定方向の振動成分だけを透過させて直線偏光にするための素子である。これは光素子の中でも最も基本的なものの一つであって、光通信デバイス、光ディスクのピックアップ、液晶プロジェクタ、液晶ディスプレイ、光応用計測などに広く利用されている。偏光子は、動作形態によって、▲１▼不要な偏波を吸収させるもの、▲２▼同一の光路で入射する直交する二つの偏波成分を別々の光路に分けるもの、の二つに大別される。▲２▼は偏光分離素子としても利用される。ここでは両者をまとめて偏光子と呼ぶ。
現在実用に供されている偏光子で、上記▲１▼の動作をするものは高分子フィルムにヨウ素などの二色性分子を入れたもの、針状金属粒子を一方向に配置させたガラスなどがある。
他方、▲２▼の動作をする偏光分離素子としては、プリズムの斜面に多層膜を形成しブリュースター角を使った素子（いわゆるＰＢＳ）、方解石など複屈折結晶で作られた偏光プリズムなどがある。
最近、光記録やディスプレイ分野では、可視域で動作する偏光子が重要視されている。特に液晶プロジェクタではＲＧＢそれぞれの液晶素子に直線偏波を入射するが、高輝度化、小型化のため高いパワー密度の光を扱うことが多く、上記の▲１▼のタイプでは不要偏波成分が吸収されるため、素子の発熱がある。これが信頼性を劣化させる要因となり問題となっている。▲２▼のタイプでは、ＰＢＳは立方体をしているため小型化に適していないこと、複屈折結晶のプリズムは材料が高価であること、から通常用いられていない。
ところで▲２▼に属する新しい偏光分離素子として、特許文献１（特開２００１−８３３２１号公報）によるフォトニック結晶偏光分離素子が提案されている。これは波状の薄膜を多層堆積した構造からなり、溝方向に平行な偏波成分と垂直な偏波成分とに分離することができる。無損失の材料を用いるため、内部における吸収はなく、高い光密度の光に対しても発熱の問題はない。
光通信波長域では、ＳｉとＳｉＯ２とを用いて構造を構成することにより実現できる。例えば、非特許文献１（Ｔ．Ｋａｗａｓｈｉｍａ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｂｅａｍ  ｓｐｌｉｔｔｅｒｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，”Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＯＦＣ２００３），Ａｔｌａｎｔａ，ＵＳＡ，Ｍａｒｃｈ  ２００３，ｐａｐｅｒ  ＴｈＩ２．）によると、波長１．５μｍ付近において、透過損失０．２ｄＢ以下、透過消光非４０ｄＢ以上が得られている。
一方、Ｓｉは波長１μｍ程度より短波長では吸収があり、使用するには適さない。このような波長域にはＳｉの代わりに、屈折率が高くて透明な誘電体材料Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２などを用いると良い。但し、これらの材料の屈折率は２から２．４であり、Ｓｉの３．５ほど大きくない。従って低屈折率材料と組み合わせた多層膜における遮断波長域が狭くなり、偏光子の動作帯域は狭くなってしまうことが問題となる。例えば、表示デバイスでは良く使われるＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）それぞれの波長帯（例えば４００ｎｍから５００ｎｍ、５００ｎｍから６００ｎｍ、６００ｎｍから７００ｎｍ）をカバーすることは難しい。また偏光子の面に斜めに光を入射にする場合には、さらに帯域は狭くなるため実用には適しているといえない。
【発明の開示】
本発明は上記の広帯域化の問題点を解決するためのものであり、本発明の目的は、積層膜厚を変化させる、あるいは周期の異なる複数の領域を設けることにより帯域を拡大させることにある。同時に、膜厚の変動による帯域ずれを抑えて製造トレランスを高くすること、入射角許容度を高くすることを目的とする。
はじめにフォトニック結晶偏光子について概略を説明する。図１のような周期的な溝列を形成した透明材料基板１０１上に、透明で高屈折率の媒質１０２と低屈折率の媒質１０３とを界面の形状を保存しながら、交互に積層する。各層はｘ方向に周期性があるが、ｙ方向は一様であってもよいし、ｘ軸方向より十分大きい長さの周期的または非周期的な構造を有していてもよい。ｚ軸方向には周期的であってもよいが、本特許の思想のように図１に示されるように積層周期が徐々に変化あるいは、ステップ状に変化する複数の周期の組み合わせでもよい。
このような周期構造の形成技術は、特許文献２（特開平１０−３３５７５８号公報）記載にある自己クローニング技術と呼ばれており、再現性、均一性が高く、工業的に微細な周期構造（フォトニック結晶）を作製する優れた手法である。
このようにして得られた周期構造体にｘｙ面に垂直あるいは斜め方向から無偏波光または楕円偏光を入射すると、溝列と平行な偏波即ちｙ偏波と、それに直交するｘ偏波とに対して、それぞれＴＥモードとＴＭモードの光が周期構造体の内部に励起される。通常、多層膜では光が伝搬できる波長領域と、光が反射されて遮断される波長領域とをもつ。図１のような面内に凹凸周期を有する場合、その遮断領域に偏波依存性をもたせることができる。例えば、ＴＭ波が透過し、ＴＥ波が反射されるように設計することができる。
低屈折率媒質としてはＳｉＯ２を主成分とする材料が最も一般的であり、透明波長領域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成膜も容易に行なえる。しかしながらその他の光学ガラスでもよく、ＭｇＦ２のようにより屈折率の低い材料を用いてもよい。高屈折率材料としては、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体や、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４などの酸化物や窒化物、あるいはそれらの混合物が使用でき、透明波長範囲が広く、可視光領域でも使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定されるが、屈折率が大きい利点がある。
図２（ａ）は偏光子の設計で用いられる分散曲線の例である。縦軸は波長の逆数を積層周期で規格化した値、横軸は１周期を伝搬したときの位相変化量をπで規格化した値である。白丸がＴＥ波、黒丸がＴＭ波を示す。ここで面内の周期をＬｘ、積層周期をＬｚとすると、（ａ）ではＬｚ／Ｌｘ＝１である。斜線の帯域では、ＴＥ波はバンドギャップとなり反射され、ＴＭ波は伝搬域であるため透過され、従って偏光分離素子として動作する。
この動作波長域を制御するパラメータは、構成する材料の屈折率、充填率、溝列の周期Ｌｘ、積層方向の周期Ｌｚなどである。この内、Ｌｚは積層中に任意に変化させることができる。例えばＬｚを厚くすると、ＴＥ波を遮断する波長帯は長波長側にシフトする。図３はその概念を示している。実線３０１はＬｚが小さい周期構造のＴＥ波の透過率であり、Ａで示す波長域では透過が遮断されている。一方、破線３０２はＬｚが大きい周期構造のＴＥ波の透過率であり、やや長波長側のＢの領域で遮断されている。実線３０３は両方の構造のＴＭ波の透過率を示している。従ってＣで示す波長域では、ＴＭ波は積層方向の全てで伝搬域になり、ＴＥ波は少なくとも一部で遮断域に含まれていることになる。このように積層周期を変化させることにより、偏光子として動作する波長領域を拡大させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】図１は、偏光分離素子の構造を示す図である。
図２は、周期構造を伝搬する光の分散関係を示す図である。
図３は、積層周期の多重化により遮断域の拡大の概念を示す図である。
図４は、偏光分離素子の断面構造を示す図である。
図５は、偏光子の透過スペクトルを示す図である。
図６は、偏光分離素子の断面構造を示す図である。
図７は、実施例の１つを示す図である。
図８は、実施例の１つを示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  図４は、本発明の実施例の構造を示す図である。この図において、符号４０１はアモルファスＴａ２Ｏ５の層であり、符号４０２はＳｉＯ２の層である。各層は波状の形をなしており、ｘ軸方向の周期Ｌｘは０．２０μｍである。ｚ軸方向には交互に積層されている。基板直後には、周期０．２０μｍで積層し、その後、周期を徐々に増やし、多層膜の後半では周期０．２２μｍとする。周期の異なる多層膜を合わせることで、一つの周期でカバーする波長域を少しずつずらしながら合成できるため、素子全体の動作波長域を広げることができる。
作製方法を次に示す。まず、基板上に電子ビームリソグラフィとドライエッチングにより、図４に示すような周期的な溝を基板１０１上に作製する。その他のフォトリソグラフィや干渉露光、金型によるスタンピング技術を用いても良い。溝の断面形状は矩形であるが、三角形など他の形でも良い。ここでは基板には石英ガラスを用いた。溝の幅は０．１μｍ、溝の深さは０．１μｍである。境界面での反射を防ぐために、反射防止膜４０３を付ける。この基板上に、Ｔａ２Ｏ５およびＳｉＯ２ターゲットを用い、スパッタデポジションとバイアススパッタリングを組み合わせて交互多層膜を積層する。このとき、各層のｘ軸方向に周期的な凹凸形状が保存されるように、バイアス条件を適切に設定することが肝要である。その条件は次の通りであった。Ｔａ２Ｏ５層の成膜では、ガス圧２ｍＴｏｒｒ、ターゲット印加高周波電力３００Ｗ、ＳｉＯ２層の成膜では、ガス圧６ｍＴｏｒｒ、ターゲット印加高周波電力３００Ｗ、スパッタエッチングはＳｉＯ２層成膜後行ない、ガス圧２ｍＴｏｒｒ、基板印加高周波電力９０Ｗである。Ｔａ２Ｏ５層とＳｉＯ２層の厚さの比率は４３：５７とした。
偏光子の動作帯域を拡大させるために、積層方向の周期を変化させる。具体的には、基板の直後は周期０．２０μｍの周期で３周期積層し、その後２％づつ徐々に周期を増加させ、多層膜の中心部分では０．２２μｍとする。この周期で３周期を積層する。
図２（ａ）と（ｂ）は積層方向に単純な繰り返し周期をもつ構造のバンド構造を示す（Ｌｘ＝０．２μｍ、Ｌｚ＝０．２２μｍ）。計算はＦＤＴＤ法を用いた。ＴＥ波（溝に平行な偏波）がストップバンドとなり、ＴＭ波（溝に垂直な偏波）がパスバンドとなる動作域は（ａ）では３８４ｎｍ〜４０８ｎｍ（Ｌｘ／λ＝０．５２〜０．４９）、（ｂ）では３９３〜４３３ｎｍとなる（Ｌｘ／λ＝０．５１〜０．４６２）である。これらをあわせることで、波長３８３ｎｍから４３３ｎｍまでを偏光子の動作域とすることができる。今回の設計では動作波長域を広げることを目的とし、図４に示すように、積層周期を２００ｎｍから２２０ｎｍまで線形的なチャーピングを持たせた。図５はＦＤＴＤ法で計算したＴＥ波、ＴＭ波それぞれの透過スペクトルである。波長３９０ｎｍ付近の伝搬モードが低減され実質的な帯域が広がっている。
構成する材料の屈折率、動作帯域、入射角などのパラメータにより、積層周期の変化の割合や変化の幅は上記以外の値も可能である。たとえば積層にしたがって膜厚を徐々に薄くすることでも同様の効果が実現できる。また、図６のように積層周期を厚くして、途中から薄くしても良い。また図７（ａ）のように厚く−薄く−厚くと変化させてもよく、図７（ｂ）のようにステップ的に周期を変えてもよい。
積層周期を２３周期として作製を行った（４ｍｍ角、積層厚５μｍ以下）。分光光度計で測定した偏光子の透過スペクトルは、波長３５０ｎｍから４１８ｎｍまでＴＥ波が遮断されており偏光子として動作する。基板境界におけるフレネル反射を除いた透過帯域平坦部での挿入損失は約０．１ｄＢであり、また波長４００ｎｍのレーザ光で測定したＴＥ波の消光比は４０ｄＢ以上であった。
【実施例】  本発明の上記の他の実施例を図８に示す。斜め入射で動作する偏光子の一例として、光の入射角を基板平面に対し４５度とした場合を示す。基板１０１上に形成する溝の方向は、紙面に対して垂直方向である。この場合、反射光はＳ波、透過光はＰ波となる。このような基板上に自己クローニング法で多層膜からなるフォトニック結晶偏光子８０１を形成する。成膜の方法は前記実施例と共通である。
積層膜の厚さは入射角に応じて設計が必要である。本構造では動作帯域は垂直入射の場合に比べ、長波長側にシフトする。例えば、波長４９０ｎｍから５２０ｎｍで動作するためには、基板の凹凸のピッチを０．２μｍに、積層周期を０．２０μｍから０．２２μｍまでチャーピングする必要がある。上記の例の他、動作する波長域は材料が透明な範囲で任意に選ぶことができる。動作させたい波長に併せて、基板の凹凸のピッチと積層周期を設定する。例えば、波長１０６４ｎｍに対して、基板の凹凸ピッチを５６０ｎｍ、積層周期を０．３０μｍから０．３４μｍに変調するものが設計の一例となる。
また、溝の方向を紙面に平行にする設計も可能である。この場合、反射光はＰ波、透過光はＳ波となる。その場合は入射角を変えたとき、帯域が狭くなるが、中心波長のシフトは小さいことが計算から分っている。
本実施例のように斜入射にすることにより、反射成分を入射光の軸から大きくずらすことができる。したがって、不要偏波成分を分離して別途設置した吸収体で除去することができる。あるいは２偏波に分離して両方の偏波成分を利用することも可能である。
【産業上の利用可能性】  本発明の構造からなる偏光分離素子は、熱的にまた化学的に安定な無機材料薄膜からなり、可視紫外域から近赤外域に対応することができるものである。特に可視域で動作するため、高出力光を扱う液晶プロジェクタ、光ピックアップ、レーザプリンタなどの光学部分には有用である。また、本構造は自己クローニング法と呼ばれるバイアススパッタリング法を基盤とする技術により、量産にも適しており、従来の素子を置き換えることが可能である。
【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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【国際調査報告】
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