(57)【要約】  偏光子（１）は、入射光を偏光分離する偏光分離膜（１０）を備えており、偏光分離膜（１０）は、グラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている。
2018062312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を偏光分離する偏光分離膜を備え、
上記偏光分離膜がグラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている、偏光子。
【請求項２】
上記偏光分離膜は、入射光を、ｓ偏光を主成分とする透過光と、反射光と、に分離するか、又は、入射光を、ｓ偏光を主成分とする正常光と、ｐ偏光を主成分とする異常光と、反射光と、に分離する、
請求項１に記載の偏光子。
【請求項３】
等方的な屈折率を有するコアを更に備え、
上記偏光分離膜は、
上記コアの一方の主面に形成された第１偏光分離膜であって、入射光を、ｓ偏光を主成分とする透過光と、反射光と、に分離する第１偏光分離膜と、
上記コアの他方の主面に形成された第２偏光分離膜であって、入射光を、ｓ偏光を主成分とする透過光と、反射光と、に分離する第２偏光分離膜と、を含み、
上記第１偏光分離膜及び上記第２偏光分離膜がグラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている、
請求項１に記載の偏光子。
【請求項４】
上記第１偏光分離膜の上記コアと接触する面と反対側の面を覆う第１散乱層であって、上記第１偏光分離膜を透過した光を散乱する第１散乱層と、
上記第２偏光分離膜の上記コアと接触する面と反対側の面を覆う第２散乱層であって、上記第２偏光分離膜を透過した光を散乱する第２散乱層と、を更に備えている、
請求項３に記載の偏光子。
【請求項５】
上記第１偏光分離膜の上記コアと接触する面と反対側の面を覆う第１高屈折率層であって、屈折率が空気よりも高い第１高屈折率層と、
上記第２偏光分離膜の上記コアと接触する面と反対側の面を覆う第２高屈折率層であって、屈折率が空気よりも高い第２高屈折率層と、を更に備えている、
請求項３に記載の偏光子。
【請求項６】
入射光を、ｓ偏光を主成分とする正常光と、ｐ偏光を主成分とする異常光と、反射光と、に分離する第１偏光分離膜と、
上記第１偏光分離膜を透過した上記正常光及び上記異常光の光路上に配置されたファラデー回転子と、
上記ファラデー回転子を透過した上記正常光及び上記異常光の光路上に配置された１／２波長板と、
上記１／２波長板を透過した上記正常光及び上記異常光の光路上に配置された第２偏光分離膜と、を備え、
上記第１偏光分離膜が、第１グラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されており、上記第２偏光分離膜が、光学軸が上記第１グラファイト状窒化炭素フィルムの光学軸と平行になるように配置された第２グラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている、光アイソレータ。
【請求項７】
偏光分離膜を用いて入射光を偏光分離する工程を含み、
上記偏光分離膜がグラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている、偏光抽出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光分離膜を用いた偏光子、光アイソレータ、及び偏光抽出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信、医療、製造、エネルギー、その他の産業における光技術を支えるキーデバイスのひとつとして、従来、偏光子が広く用いられている。ここで、偏光子とは、特定の偏光を抽出するための光学素子のことを指す。偏光子には、特定の偏光以外の偏光を吸収する吸収型の偏光子と、屈折、反射、又は回折などを利用して特定の偏光を抽出する非吸収型の偏光子とが存在する。非吸収型の偏光子は、抽出されなかった偏光を適宜変調したうえで再利用することが出来るので、光エネルギーの利用率向上の観点において、吸収型の偏光子よりも優れており、例えば、照明光学系において高い実用性を有する。【０００３】
図１１に示す偏光ビームスプリッタ５は、非吸収型の偏光子の一例である。偏光ビームスプリッタ５は、入射光をｐ偏光からなる透過光とｓ偏光からなる反射光とに分離する偏光分離膜５０を２つのガラスブロック５１，５２で挟み込んだものであり、ｐ偏光及びｓ偏光を入射光から抽出するための偏光子として利用される。このような偏光ビームスプリッタを開示した文献としては、例えば、非特許文献１が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０９８２５１号（国際公開日：２０１４年６月２６日）
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Eugene Hecht, Optics (4th Edition), Addison Wesley, pp.348-350, 2001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の非吸収型の偏光子には、低コスト化が困難であるという問題があった。【０００７】
例えば、上述した偏光ビームスプリッタ、あるいは、液晶ディスプレイ等のバックライト（照明光学系）に使用されている偏光リサイクル型の偏光フィルムは、偏光分離膜を構成する誘電体多層膜が高価（特に対応する波長帯域が広いものほど層数が増えるので高価）であるため、低コストが困難である。また、回折型の偏光子においても微細加工にコストがかかる上、広い波長帯域への対応が困難である。また、グラントムソンプリズム、グランテラープリズム、グランレーザプリズムなどの結晶偏光子は、材料となるカルサイト（ＣａＣ０３）やルチル（ＴｉＯ２）などの複屈折結晶が高価であるため、低コスト化が困難である。【０００８】
また、誘電体多層膜や複屈折結晶を構成要素とする光アイソレータにおいても、同様の問題があった。【０００９】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来よりも低コスト化が容易な偏光子、光アイソレータ、及び偏光抽出方法を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明者らは、誘電体多層膜よりも安価に製造可能な特許文献１に記載のグラファイト状窒化炭素フィルムが高い複屈折性（屈折率異方性）を有するという知見を得た。そして、この知見に基づき、グラファイト状窒化炭素フィルムを用いた新規な偏光子を創成するに至った。【００１１】
すなわち、本発明に係る偏光子は、入射光を偏光分離する偏光分離膜を備え、上記偏光分離膜がグラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている。グラファイト状窒化炭素フィルムにより構成された偏光分離膜は、例えば、入射光を、ｓ偏光を主成分とする透過光と、反射光と、に分離するか、又は、入射光を、ｓ偏光を主成分とする正常光と、ｐ偏光を主成分とする異常光と、反射光と、に分離する。入射光は、特定の偏光成分からなる光であってもよいし、自然光のようにあらゆる偏光成分を含む光であってもよい。【００１２】
また、本発明に係る偏光子は、等方的な屈折率を有するコアと、上記コアの一方の主面に形成された第１偏光分離膜であって、入射光を、ｓ偏光を主成分とする透過光と、反射光と、に分離する第１偏光分離膜と、上記コアの他方の主面に形成された第２偏光分離膜であって、入射光を、ｓ偏光を主成分とする透過光と、反射光と、に分離する第２偏光分離膜と、を備え、上記第１偏光分離膜及び上記第２偏光分離膜がグラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている。【００１３】
ここで、コアは、２つの主面を有する形状であればよく、組み込む先のデバイスに応じて種々の形状を取り得る。例えば、コアは、平板状（厚みが入射端面からの距離に依らず一定）であってもよいし、液晶ディスプレイのバックライトの導光板のように、楔状（厚みが入射端面から遠ざかるに従って薄くなる）であってもよい。【００１４】
また、本発明に係る光アイソレータは、入射光を、ｓ偏光を主成分とする正常光と、ｐ偏光を主成分とする異常光と、反射光と、に分離する第１偏光分離膜と、上記第１偏光分離膜を透過した上記正常光及び上記異常光の光路上に配置されたファラデー回転子と、上記ファラデー回転子を透過した上記正常光及び上記異常光の光路上に配置された１／２波長板と、上記１／２波長板を透過した上記正常光及び上記異常光の光路上に配置された第２偏光分離膜と、を備え、上記第１偏光分離膜が、第１グラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されており、上記第２偏光分離膜が、光学軸が上記第１グラファイト状窒化炭素フィルムの光学軸と平行になるように配置された第２グラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている。【００１５】
また、本発明に係る偏光抽出方法は、偏光分離膜を用いて偏光分離する工程を含み、上記偏光分離膜がグラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来よりも低コスト化が容易な偏光子、光アイソレータ、及び偏光抽出方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】グラファイト状窒化炭素フィルムの面内方向及び膜厚方向の屈折率の波長依存性を示すグラフである。
【図２】グラファイト状窒化炭素フィルムの入射角毎の位相差を示すグラフである。
【図３】本発明に係る偏光子の第１の実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明に係る偏光子の第２の実施形態を示す断面図である。
【図５】図４に示す偏光子に関し、コアと偏光分離膜との境界面におけるｐ偏光及びｓ偏光の反射率の入射角依存性を示すグラフである。
【図６】図４に示す偏光子に関し、コアと偏光分離膜との境界面、及び、偏光分離膜と空気との境界面における反射を考慮に入れた、ｐ偏光及びｓ偏光の反射率の入射角依存性を示すグラフである。
【図７】図４に示す偏光子の第１の変形例を示す断面図である。
【図８】図４に示す偏光子の第２の変形例を示す断面図である。
【図９】図８に示す偏光子に関し、コアと偏光分離膜との境界面、及び、偏光分離膜と高屈折率層との境界面における反射を考慮に入れた、ｐ偏光及びｓ偏光の反射率の入射角依存性を示すグラフである。
【図１０】本発明の光アイソレータの実施形態を示す断面図である。
【図１１】従来の偏光子（偏光ビームスプリッタ）を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
〔グラファイト状窒化炭素フィルムの光学特性〕
本発明の実施形態を説明する前に、まず、グラファイト状窒化炭素（ｇ−Ｃ３Ｎ４）フィルムの光学特性の測定結果について、図１〜図３を参照して説明する。
【００１９】
１．グラファイト状窒化炭素フィルムの作製
光学特性を測定するために、以下の方法によりグラファイト状窒化炭素フィルムを作製した。グアニジン炭酸塩（３．０ｇ，１６．７ｍｍｏｌ）をガラス製の試験管（１８ｍｍ径）の底に敷き詰め、この試験管の中間に無アルカリガラス製の基板（具体的には、イーグルＸＧ（登録商標）製の基板）を設置し、穴を開けたアルミホイルでこの試験管に封をした。その後、この試験管を石英管の中に静置した状態で、窒素ガスをフローしながらチューブ型炉を用いてこの試験官を昇温した。具体的には、まず、４３０℃まで１０℃/ｍｉｎで昇温し、更に、５３０℃又は５３５℃まで２℃/ｍｉｎで昇温した。その後、最高温度で３０分間加熱した後、室温まで自然放冷したところ、基板上にグラファイト状窒化炭素フィルムを得た。なお、グラファイト状窒化炭素フィルムの製造方法の原理については、後述する〔製造方法の原理〕を参照されたい。
【００２０】
２．エリプソメーターによる屈折率測定
グラファイト状窒化炭素フィルムは、メレム構造単位が面内方向に２次元的に架橋されたｇ−Ｃ３Ｎ４高分子からなるシート、又は、このシートが膜厚方向に積層された積層体であり、一軸構造を有する。このため、グラファイト状窒化炭素フィルムは、膜厚方向に平行な直線を光学軸とする複屈折性を有し、面内方向の屈折率（面内方向に伝播する光に対する屈折率）と膜厚方向の屈折率（膜厚方向に伝搬する光に対する屈折率）とが互いに異なる。このことは、例えば、偏光顕微鏡やコノスコープを用いた光学観察により容易に確認することができる。
【００２１】
そこで、グラファイト状窒化炭素フィルムの複屈折性を定量的に評価するために、上記のように作製したグラファイト状窒化炭素フィルムを、膜厚方向がｚ軸と平行になるようにｘｙ平面上に配置し、面内方向の屈折率ｎｘｙ及び膜厚方向の屈折率ｎｚを、入射光の波長を変えながら多入射角二重回転補償子型高速分光エリプソメーター（ジェー・エー・ウーラム社製のＲＣ２−ＤＩ）を用いて測定した。なお、解析モデルとしては、ガラス基板上の単層膜モデルを用いた。また、エリプソメーター用のサンプルでは、フィルム作製の前に光を乱反射させるために基板裏面を機械的に荒らした。
【００２２】
図１は、測定により得られた屈折率ｎｘｙ、ｎｚの波長依存性を示すグラフである。この測定の結果から、グラファイト状窒化炭素フィルムの複屈折性を表す屈折率差Δｎ＝ｎｘｙ−ｎｚは、４２０ｎｍ以上１６９０ｎｍ以下の波長帯域において１．２２以下０．７１以上であることが分かった。なお、平均二乗誤差は４.３５９であった。
【００２３】
３．偏光計による位相差測定
次に、上記のように作製したグラファイト状窒化炭素フィルムの入射角毎の位相差を、偏光計（アクソメトリクス社製のＡｘｏＳｃａｎ）を用いて測定した。この際、入射光の波長は、５５０ｎｍとした。
【００２４】
図２は、測定により得られた入射角毎の位相差を示すグラフである。この測定の結果から、公知の理論式を用いたフィッティングにより、グラファイト状窒化炭素フィルムの膜厚方向の位相差Ｒｔｈ＝｛（ｎｘ＋ｎｙ）／２−ｎｚ｝ｄは、１６６ｎｍであり、複屈折性を表す屈折率差Δｎは、波長５５０ｎｍにおいて１．０であることが分かった。なお、フィッティングに際しては、平均屈折率差（ｎｘ＋ｎｙ）／２＝１．８、膜厚ｄ＝１６０ｎｍと仮定した。この結果は、エリプソメーターによる屈折率測定から得られる屈折率差Δｎと整合する。
【００２５】
なお、位相差Ｒｔｈの符号が正（ｎＣ）であることが知られているトリアセチルセルロースと重ねて測定を行ったところ、Ｒｔｈの絶対値が大きくなった。このことから、グラファイト状窒化炭素フィルムの位相差Ｒｔｈの符号は、正（ｎＣ）であることが確かめられた。
【００２６】
４．小括
以上の測定から、グラファイト状窒化炭素フィルムにおいては、面内方向の屈折率ｎｘｙと膜厚方向の屈折率ｎｚとが互いに異なることが確かめられた。また、グラファイト状窒化炭素フィルムの複屈折性を表す屈折率差Δｎ＝ｎｘｙ−ｎｚは、４２０ｎｍ以上１６９０ｎｍ以下の波長帯域において１．２２以下０．７１以上となることが確かめられた。すなわち、グラファイト状窒化炭素フィルムは、方解石、ルチル、ＰＥＴフィルム、液晶性高分子などの従来材料と比べて格段に高い複屈折性を有することが確かめられた。
【００２７】
なお、グラファイト状窒化炭素フィルムを構成するｇ−Ｃ３Ｎ４高分子は、従来の誘電体多層膜を構成する誘電体層よりも複屈折性が高い。このため、グラファイト状窒化炭素フィルムでは、従来の誘電体多層膜と同程度の偏波消光比を、従来の誘電体多層膜よりも少ない層数で実現できる。このため、従来の誘電体多層膜が抱える問題、すなわち、広帯域で高精度に偏光分離するために、誘電体多層膜の層数を増やすと残留応力差によりクラックや剥離などの脆化や欠損が生じ易くなるという問題に悩まされることなく、高い偏波消光比を有する偏光分離膜を実現することができる。
【００２８】
〔偏光子の第１の実施形態〕
グラファイト状窒化炭素（ｇ−Ｃ３Ｎ４）フィルムは、上述したように、面内方向の屈折率ｎｘｙが膜厚方向の屈折率ｎｚよりも高い媒質である。したがって、グラファイト状窒化炭素フィルムに斜め入射するｓ偏光（電界が入射面と垂直に振動する直線偏光）に対する屈折率ｎｓは、同じ入射角でグラファイト状窒化炭素フィルムに斜め入射するｐ偏光（電界が入射面と平行に振動する直線偏光）に対する屈折率ｎｐよりも高くなる。なぜなら、ｓ偏光に対する屈折率ｎｓは、入射角に依存せず、面内方向の屈折率ｎｘｙ（例えば、２．５程度）と同じ値を取るのに対して、ｐ偏光に対する屈折率ｎｐは、入射角に依存して、膜厚方向の屈折率ｎｚ（例えば、１．５程度）と面内方向の屈折率ｎｘｙ（例えば、２．５程度）との間の値を取るからである。
【００２９】
このため、グラファイト状窒化炭素フィルムは、偏光子が備える偏光分離膜として用いることができる。具体的には、（ａ）入射光を、ｓ偏光を主成分とする透過光と、反射光（ｓ偏光及びｐ偏光の両方を含む）と、に分離する偏光分離膜、又は、（ｂ）入射光を、ｓ偏光を主成分とする正常光と、ｐ偏光を主成分とする異常光と、反射光（ｓ偏光及びｐ偏光の両方を含む、又は、ｓ偏光を主成分とする）と、に分離する偏光分離膜として用いることができる。ここで、正常光とは、屈折率が入射角に依存しない透過光のことを指し、異常光とは、屈折率が入射角に依存する透過光のことを指す。
【００３０】
本発明に係る偏光子の第１の実施形態について、図３を参照して説明する。図３の（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る偏光子１の断面図である。
【００３１】
偏光子１は、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、偏光分離膜１０を備えている。なお、図３においては、偏光分離膜１０のみを備えた偏光子１（すなわち、偏光子１として機能する偏光分離膜１０）を示しているが、偏光子１はこれに限定されない。すなわち、偏光子１は、偏光分離膜１０に加えて、他の光学部品を備えていてもよい。例えば、複数のガラス基板の間に偏光分離膜１０を挟み込んだものは、偏光子１の一例である。
【００３２】
偏光分離膜１０は、グラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている。偏光分離膜１０は、図示した座標系において、グラファイト状窒化炭素フィルムの面内方向がｘｙ平面と平行になり、グラファイト状窒化炭素フィルムの膜厚方向がｚ軸と平行になるように配置されている。偏光分離膜１０の２つの主面のうち、一方の主面は、媒質Ｉと接触しており、他方の主面は、媒質ＩＩと接触している。媒質Ｉは、入射光及び反射光が伝播する媒質であり、媒質ＩＩは、透過光が伝播する媒質である。
【００３３】
図３の（ａ）は、偏光分離膜１０が、入射光を、ｓ偏光を主成分とする透過光と、反射光と、に分離する様子を示す。
【００３４】
上述したように、グラファイト状窒化炭素フィルムにおいて、ｓ偏光に対する屈折率ｎｓは、ｐ偏光に対する屈折率ｎｐよりも高い。したがって、媒質Ｉの屈折率がｐ偏光に対する屈折率ｎｐよりも高く、ｓ偏光に対する屈折率ｎｓよりも低い場合、入射角θｉがΘｐ＜θｉ（Θｐは、ｐ偏光に対する臨界角）であるときに、入射光に含まれるｐ偏光は、媒質Ｉとグラファイト状窒化炭素フィルムとの境界面において全反射され、入射光に含まれるｓ偏光は、一部が媒質Ｉからグラファイト状窒化炭素フィルムに入射し、残りの部分が媒質Ｉとグラファイト状窒化炭素フィルムとの境界面において反射される。また、媒質Ｉの屈折率がｓ偏光に対する屈折率ｎｓよりも高い場合、入射角θｉがΘｐ＜θｉ＜Θｓ（Θｓは、ｓ偏光に対する臨界角）であるときに、入射光に含まれるｐ偏光は、媒質Ｉとグラファイト状窒化炭素フィルムとの境界面において全反射され、入射光に含まれるｓ偏光は、一部が媒質Ｉからグラファイト状窒化炭素フィルムに入射し、残りの部分が媒質Ｉとグラファイト状窒化炭素フィルムとの境界面において反射される。いずれの場合においても、グラファイト状窒化炭素フィルムに入射したｓ偏光は、正常光としてグラファイト状窒化炭素フィルムを透過する。すなわち、入射光は、図３の（ａ）に示すように、ｓ偏光を主成分とする透過光と、反射光と、に分離される。ここで、「ｓ偏光を主成分とする」は、ｓ偏光成分がｐ偏光成分と比べて十分に多いことを意味し、ｐ偏光成分がノイズとして含まれる態様を排除しない。
【００３５】
なお、図３の（ａ）においては、媒質Ｉ及び媒質ＩＩの屈折率が、グラファイト状窒化炭素フィルムの膜厚方向の屈折率ｎｚよりも高く、かつ、グラファイト状窒化炭素フィルムの面内方向の屈折率ｎｘｙよりも低いものと仮定して、各種光線を描いている。しかしながら、この仮定は、各種光線を図示するための便宜的なものに過ぎず、本発明を限定しない。すなわち、媒質Ｉの屈折率は、媒質Ｉと偏光分離膜１０との境界面において、入射光に含まれるｐ偏光が全反射され、かつ、入射光に含まれるｓ偏光が全反射されないように定められていればよい。また、媒質ＩＩの屈折率は、偏光分離膜１０と媒質ＩＩとの境界面において、透過光に含まれるｓ偏光が全反射されないように定められていればよい。
【００３６】
図３の（ｂ）は、偏光分離膜１０が、入射光を、ｓ偏光を主成分とする正常光と、ｐ偏光を主成分とする異常光と、反射光と、に分離する様子を示す。
【００３７】
上述したように、グラファイト状窒化炭素フィルムにおいて、ｓ偏光に対する屈折率ｎｓは、入射角に依存せず、ｐ偏光に対する屈折率ｎｐは、入射角に依存する。また、ｓ偏光に対する屈折率ｎｓは、入射角θｉが０°となる場合を除き、ｐ偏光に対する屈折率ｎｐよりも高い。このため、入射角θｉが０°＜θｉ＜Θｐ（Θｐは、ｐ偏光に対する臨界角）である場合、入射光に含まれるｓ偏光及びｐ偏光は、一部が媒質Ｉからグラファイト状窒化炭素フィルムに入射し、残りの部分が媒質Ｉとグラファイト状窒化炭素フィルムとの境界面において反射される。また、ｓ偏光の屈折角θｔｓは、ｐ偏光の屈折角θｔｐよりも小さくなる。すなわち、入射光は、図３の（ｂ）に示すように、ｓ偏光を主成分とする正常光と、ｐ偏光を主成分とする異常光と、反射光と、に分離される。ここで、「ｓ偏光を主成分とする」は、ｓ偏光成分がｐ偏光成分と比べて十分に多いことを意味し、ｐ偏光がノイズとして含まれる態様を排除しない。また、「ｐ偏光を主成分とする」は、ｐ偏光成分がｓ偏光成分と比べて十分に多いことを意味し、ｓ偏光成分がノイズとして含まれる態様を排除しない。
【００３８】
なお、入射角θｉがブリュースター角に相当する特定の角度θＢに一致する場合、ｐ偏光に対する反射率がゼロになる。このため、反射光がｐ偏光成分を含まなくなる。すなわち、入射光は、ｓ偏光を主成分とする正常光と、ｐ偏光を主成分とする異常光と、ｓ偏光を主成分とする反射光と、に分離される。このため、偏光分離膜１０を備えた偏光子１は、ｓ偏光を反射光として抽出する偏光子として利用することもできる。例えば、ｎｘｙ＝２．５、ｎｚ＝１．５の偏光分離膜１０を屈折率が１．８のガラス基板で挟み込んだ偏光子１は、屈折率が２．５の等方性媒質を屈折率が１．８のガラス基板で挟み込んだ偏光子よりも高い偏波消光比でｓ偏光を抽出することが可能である。
【００３９】
なお、図３の（ｂ）においては、媒質Ｉ及び媒質ＩＩの屈折率が、グラファイト状窒化炭素フィルムの膜厚方向の屈折率ｎｚよりも高く、かつ、グラファイト状窒化炭素フィルムの面内方向の屈折率ｎｘｙよりも低いものと仮定して、各種光線を描いている。しかしながら、この仮定は、各種光線を図示するための便宜的なものに過ぎず、本発明を限定しない。すなわち、媒質Ｉの屈折率は、媒質Ｉと偏光分離膜１０との境界面において、入射光に含まれるｐ偏光及びｓ偏光が全反射されないように定められていればよい。また、媒質ＩＩの屈折率は、偏光分離膜１０と媒質ＩＩとの境界面において、正常光及び異常光が全反射されないように定められていればよい。
【００４０】
〔偏光子の第２の実施形態〕
本発明に係る偏光子の第２の実施形態について、図４を参照して説明する。図４は、本実施形態に係る偏光子２の断面図である。
【００４１】
偏光子２は、図４に示すように、コア２０と、第１偏光分離膜２１と、第２偏光分離膜２２とを備えた光導波路型の偏光子である。
【００４２】
コア２０は、等方的な屈折率を有する平板状の透明部材である。本実施形態においては、コア２０として、ガラス基板を用いている。コア２０は、図示した座標系において、２つの主面がｘｙ面と平行になるように配置されている。以下、これら２つの主面のうち、ｚ軸正方向側の主面を「上面」と呼び、ｚ軸負方向側の主面を「下面」と呼ぶ。
【００４３】
なお、本実施形態においては、平板状の透明部材をコア２０として用いているが、本発明はこれに限定されない。例えば、平板状の透明部材の代わりに、液晶ディスプレイのバックライト導光板のように、楔状の透明部材（厚みが入射端面から遠ざかるに従って薄くなる）をコア２０として用いてもよい。また、偏光子全体の構造として、スラブ型導波路構造又はリッジ型導波路構造を採用してもよい。
【００４４】
また、本実施形態においては、ガラスをコア２０の材料として用いているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、偏光分離する目的波長帯域で透明度が高く、かつ、光学的にほぼ等方的な物質であれば、コア２０の材料として利用することができる。コア２０の材料として利用可能な物質としては、各種ガラスの他に、直鎖型若しくは架橋型のアクリル樹脂又はメタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非晶質ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂などの透明ポリマー材料が挙げられる。
【００４５】
また、コア２０の屈折率は、グラファイト状窒化炭素フィルムの面内方向の屈折率ｎｘｙ（遅相軸方向屈折率）よりも低く、膜厚方向の屈折率ｎｚ（進相軸方向屈折率）よりも高いことが好ましい。具体的には、波長５５０ｎｍにおいて１．７以上２．２以下であることが好ましく、１．８以上２．０以下であることが更に好ましい。
【００４６】
コア２０の上面には、第１偏光分離膜２１が形成されている。第１偏光分離膜２１は、グラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されており、図示した座標系において、該グラファイト状窒化炭素フィルムの面内方向がｘｙ平面と平行になり、該グラファイト状窒化炭素フィルムの膜厚方向がｚ軸と平行になるように配置されている。第１偏光分離膜２１は、図４に示すように、入射光をｓ偏光を主成分とする透過光とｐ偏光及びｓ偏光の両方を含む反射光とに分離する。
【００４７】
コア２０の下面には、第２偏光分離膜２２が形成されている。第２偏光分離膜２２は、グラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されており、図示した座標系において、該グラファイト状窒化炭素フィルムの面内方向がｘｙ平面と平行になり、該グラファイト状窒化炭素フィルムの膜厚方向がｚ軸と平行になるように配置されている。第２偏光分離膜２２は、図４に示すように、入射光をｓ偏光を主成分とする透過光とｐ偏光及びｓ偏光の両方を含む反射光とに分離する。
【００４８】
コア２０の屈折率を１．８、第１偏光分離膜２１の面内方向の屈折率ｎｘｙを２．５、第１偏光分離膜２１の膜厚方向の屈折率ｎｚを１．５と仮定した場合、コア２０と第１偏光分離膜２１との境界面におけるｐ偏光及びｓ偏光の反射率（１回の反射における反射率）Ｒｐ，Ｒｓの入射角依存性は、図５に示すグラフのようになる。図５に示すグラフによれば、例えば、第１偏光分離膜２１に対する入射角θｉが６０°となる入射光に関して、ｐ偏光は上記境界面において全反射され、ｓ偏光は上記境界面において１４％が反射される（残り８６％が上記境界面を透過する）ことが分かる。すなわち、第１偏光分離膜２１に対する入射角θｉが６０°となる入射光は、上述したとおり、ｓ偏光を主成分とする透過光とｐ偏光及びｓ偏光の両方を含む反射光とに分離される。第２偏光分離膜２２についても、全く同様のことが言える。
【００４９】
以上のように構成された偏光子２は、ｐ偏光を抽出するための偏光子として機能する。より具体的に言うと、コア２０の一方の端面（図４におけるｙ軸負方向側の端面）から入力された自然光からｓ偏光を除去し、残ったｐ偏光をコア２０の他方の端面（図４におけるｙ軸正方向側の端面）から出力する。
【００５０】
実際、コア２０に入力された自然光に含まれるｐ偏光は、第１偏光分離膜２１と第２偏光分離膜２２とで交互に全反射されながら、他方の端面に向かってコア２０を伝播する。一方、コア２０に入力された自然光に含まれるｓ偏光は、第１偏光分離膜２１（第２偏光分離膜２２）に反射される度に、コア２０から第１偏光分離膜２１（第２偏光分離膜２２）へと漏出する。このため、コア２０の一方の端面に入力された自然光に含まれるｓ偏光は、コア２０を伝播する過程で除去され、残ったｐ偏光がコア２０の他方の端面から出力される。
【００５１】
なお、偏光子２は、グラファイト状窒化炭素フィルムの面内屈折率ｎｘｙ（ｓ偏光に対する屈折率ｎｓに一致）よりも高い屈折率を有する環境媒質中での使用を想定したものである。なぜなら、偏光子２をグラファイト状窒化炭素フィルムの面内屈折率ｎｘｙよりも低い屈折率を有する空気その他の環境媒質中で使用した場合、コア２０から各偏光分離膜２１，２２に入射したｓ偏光が低屈折率媒質との境界面において全反射され、ｓ偏光を除去する機能が損なわれる可能性があるからである。
【００５２】
偏光子２を空気（屈折率１．０）中で使用する場合、コア２０と第１偏光分離膜２１との境界面、及び、第１偏光分離膜２１と空気との境界面における反射を考慮に入れた、ｐ偏光及びｓ偏光の反射率（１回の反射における反射率）Ｒｐ，Ｒｓの入射角依存性は、図６に示すようになる。ここでは、コア２０の屈折率を１．８とし、第１偏光分離膜２１の面内方向の屈折率ｎｘｙを２．５とし、第１偏光分離膜２１の膜厚方向の屈折率ｎｚを１．５とし、第１偏光分離膜２１の膜厚を５５０ｎｍとしている。図６に示すグラフによれば、ｐ偏光に対する反射率Ｒｐが１００％になるとき、ｓ偏光に対する反射率Ｒｓもまた１００％になることが分かる。これは、偏光子２を空気中で使用した場合、ｓ偏光を除去する機能が損なわれることを意味する。
【００５３】
偏光子２を空気中でも使用できるようにするためには、図７に示すように、偏光子２に第１散乱層２３及び第２散乱層２４を付加する構成、又は、図８に示すように、偏光子２に第１高屈折率層２５及び第２高屈折率層２６を付加する構成を採用すればよい。
【００５４】
図７に示す構成において、第１散乱層２３は、第１偏光分離膜２１の上面（コア２０に接触する面と反対側の面）を覆い、コア２０から第１偏光分離膜２１に入射したｓ偏光を散乱する。同様に、第２散乱層２４は、第２偏光分離膜２２の下面（コア２０に接触する面と反対側の面）を覆い、コア２０から第２偏光分離膜２２に入射したｓ偏光を散乱する。これにより、コア２０から各偏光分離膜２１，２２に入射したｓ偏光が空気との境界面において全反射され、コア２０に再入射する事態を回避することができる。なお、コア２０から各偏光分離膜２１，２２に入射したｓ偏光の一部は、各散乱層２３，２４において散乱され、コア２０に再入射し得る。ただし、このようにしてコア２０に再入射するｓ偏光の光量は、各偏光分離膜２１，２２と空気との境界面における全反射によりコア２０に再入射するｓ偏光の光量よりも少ない。したがって、ｓ偏光を除去する機能を喪失するには至らない。
【００５５】
なお、各散乱層２３、２４については、凹凸表面、粒子分散層、フォトニクス結晶構造などが好適に用いられるが、前方散乱率が大きいものが好ましい。また、光線の入射角度範囲が狭い場合には、空気中へ出射し易いような角度を有する凹凸が形成された表面を採用することも有効である。
【００５６】
図８に示す構成において、第１高屈折率層２５は、空気よりも高い屈折率を有する透明材料により構成されており、第１偏光分離膜２１の上面（コア２０に接触する面と反対側の面）を覆う。同様に、第２高屈折率層２６は、空気よりも高い屈折率を有する透明材料により構成されており、第２偏光分離膜２２の下面（コア２０に接触する面と反対側の面）を覆う。これにより、コア２０から各偏光分離膜２１，２２に入射したｓ偏光が空気との境界面において全反射され、コア２０に再入射する事態を回避することができる。なお、コア２０から各偏光分離膜２１，２２に入射したｓ偏光の一部は、各偏光分離膜２１，２２と各高屈折率層２５，２６との境界面、及び、各高屈折率層２５，２６と空気との境界面において反射され、コア２０に再入射し得る。ただし、このようにしてコア２０に再入射するｓ偏光の光量は、各偏光分離膜２１，２２と空気との境界面における全反射によりコア２０に再入射するｓ偏光の光量よりも少ないので、ｓ偏光を除去する機能を喪失するには至らない。
【００５７】
なお、各高屈折率層２５、２６を構成する透明材料の屈折率は、各偏光分離膜２１、２２の面内方向の屈折率ｎｘｙ（遅相軸方向屈折率）以下であることが好ましい。各高屈折率層２５、２６の両側の界面には反射防止膜を設置したり、屈折率が連続的に変化する傾斜屈折率構造にしたりすることが好ましい。このような構成により、部分反射を低減することができる。また、各高屈折率層２５、２６の空気層との界面もしくは内部に、目的に応じて異方性散乱層を導入することも有効である。
【００５８】
また、偏光分離する目的波長帯域で透明度が高く、かつ、光学的にほぼ等方的な物質であれば、各高屈折率層２５、２６の材料として利用することができる。各高屈折率層２５、２６の材料として利用可能な物質としては、各種ガラスの他に、直鎖型若しくは架橋型アクリル樹脂又はメタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非晶質ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂などの透明ポリマー材料、又は、環状ポリテトラフルオロエチレン樹脂などのフッ素樹脂が挙げられる。
【００５９】
第１高屈折率層２５及び第２高屈折率層２６としては、例えば、ガラス層を用いることができる。第１高屈折率層２５として屈折率が１．８の十分に厚いガラス層を用いた場合、コア２０と第１偏光分離膜２１との境界面、及び、第１偏光分離膜２１と第１高屈折率層２５との境界面における反射を考慮に入れた、ｐ偏光及びｓ偏光の反射率（１回の反射における反射率）Ｒｐ，Ｒｓの入射角依存性は、図９に示すようになる。ここでは、コア２０の屈折率を１．８とし、第１偏光分離膜２１の面内方向の屈折率ｎｘｙを２．５とし、第１偏光分離膜２１の膜厚方向の屈折率ｎｚを１．５とし、第１偏光分離膜２１の膜厚を５５０ｎｍとしている。図９に示すグラフによれば、例えば、第１偏光分離膜２１に対する入射角θｉが６０°となる入射光に関して、ｐ偏光は全反射されるのに対して、ｓ偏光は５％が反射される（残り９５％が透過する）ことが分かる。これは、偏光子２を空気中で使用した場合でも、ｓ偏光を除去する機能が保たれることを意味する。
【００６０】
〔光アイソレータの実施形態〕
本発明に係る光アイソレータの実施形態について、図１０を参照して説明する。図１０は、本実施形態に係る光アイソレータ３の断面図である。
【００６１】
光アイソレータ３は、第１光ファイバＯＦ１から出力された前進光を第２光ファイバＯＦ２に導くと共に、第２光ファイバＯＦ２から出力された後進光を遮断する偏波無依存型の光アイソレータであり、図１０に示すように、第１偏光分離膜３１と、第２偏光分離膜３２と、第１偏光分離膜３１と第２偏光分離膜３２との間に配置されたファラデー回転子３３及び１／２波長板３４と、を備えている。第１偏光分離膜３１及び第２偏光分離膜３２は、光学軸が互いに平行になるように配置されたグラファイト状窒化炭素フィルムに構成されている。
【００６２】
光アイソレータ３は、前進光を出力する第１光ファイバＯＦ１と後進光を出力する第２光ファイバＯＦ２との間に、第１偏光分離膜３１を構成するグラファイト状窒化炭素フィルムに対する前進光の入射角θｉ、すなわち、第２偏光分離膜３２を構成するグラファイト状窒化炭素フィルムに対する後進光の入射角θｉが０°＜θｉ＜Θｐ（Θｐは、ｐ偏光に対する臨界角）となるように、挿入される。
【００６３】
このとき、光アイソレータ３を構成する各光学素子は、図１０の（ａ）に示すように、第１光ファイバＯＦ１から出力された前進光に対して、以下のように作用する。
【００６４】
すなわち、第１光ファイバＯＦ１から出力された前進光は、まず、第１偏光分離膜３１に入射する。第１偏光分離膜３１は、第１光ファイバＯＦ１から出力された前進光を、ｓ偏光を主成分とする前進正常光と、ｐ偏光を主成分とする前進異常光とに分離する。
【００６５】
第１偏光分離膜３１を透過した前進正常光及び前進異常光は、次に、ファラデー回転子３３に入射する。ファラデー回転子３３は、第１偏光分離膜３１を透過した前進正常透及び前進異常光の偏光方向を４５°回転させる。
【００６６】
ファラデー回転子３３を透過した前進正常光及び前進異常光は、次に、１／２波長板３４に入射する。１／２波長板３４は、ファラデー回転子３３を透過した前進正常光及び前進異常光の偏光方向を４５°回転させる。
【００６７】
ここで、１／２波長板３４が前進正常光及び前進異常光の偏光方向を回転させる際の回転の向きは、ファラデー回転子３３が前進正常光及び前進異常光の偏光方向を回転させる際の回転の向きと同一である。このため、１／２波長板３４を透過した前進正常光は、ｐ偏光として第２偏光分離膜３２に入射し、１／２波長板３４を透過した前進異常光は、ｓ偏光として第２偏光分離膜３２に入射する。
【００６８】
第２偏光分離膜３２は、１／２波長板３４を透過した前進正常光（ｐ偏光）を、第１偏光分離膜３１が前進異常光（ｐ偏光）を屈折させたのと同じように屈折させ、１／２波長板３４を透過した前進異常光（ｓ偏光）を、第１偏光分離膜３１が前進正常光（ｓ偏光）を屈折させたのと同じように屈折させる。このため、第１偏光分離膜３１を透過する際に生じた前進正常光と前進異常光との光軸のずれが、第２偏光分離膜３２を透過する解消される。すなわち、１／２波長板３４を透過した前進正常光と前進異常光とは、第２偏光分離膜３２によって合成され、第２光ファイバＯＦ２に入力される。
【００６９】
一方、光アイソレータ３を構成する各光学素子は、図１０の（ｂ）に示すように、第２光ファイバＯＦ２から出力された後進光に対して、以下のように作用する。
【００７０】
すなわち、第２光ファイバＯＦ２から出力された後進光は、まず、第２偏光分離膜３２に入射する。第２偏光分離膜３２は、第２光ファイバＯＦ２から出力された後進光を、ｓ偏光を主成分とする後進正常光と、ｐ偏光を主成分とする後進異常光とに分離する。
【００７１】
第２偏光分離膜３２を透過した後進正常光及び後進異常光は、次に、１／２波長板３４に入射する。１／２波長板３４は、第２偏光分離膜３２を透過した後進正常透及び後進異常光の偏光方向を４５°回転させる。
【００７２】
１／２波長板３４を透過した後進正常光及び後進異常光は、次に、ファラデー回転子３３に入射する。ファラデー回転子３３は、１／２波長板３４を透過した後進正常光及び後進異常光の偏光方向を４５°回転させる。
【００７３】
ここで、ファラデー回転子３３が後進正常光及び後進異常光の偏光方向を回転させる際の回転の向きは、１／２波長板３４が後進正常光及び後進異常光の偏光方向を回転させる際の回転の向きと反対である。このため、ファラデー回転子３３を透過した後進正常光は、ｓ偏光として第１偏光分離膜３１に入射し、ファラデー回転子３３を透過した後進異常光は、ｐ偏光として第１偏光分離膜３１に入射する。
【００７４】
第１偏光分離膜３１は、ファラデー回転子３３を透過した後進正常光（ｓ偏光）を、第２偏光分離膜３２が前進正常光（ｓ偏光）を屈折させたのと同じように屈折させ、ファラデー回転子３３を透過した前進異常光（ｐ偏光）を、第２偏光分離膜３２が前進異常光（ｐ偏光）を屈折させたのと同じように屈折させる。このため、第２偏光分離膜３２を透過する際に生じた後進正常光と後進異常光との光軸のずれが、第１偏光分離膜３１を透過する際に拡大される。そして、ファラデー回転子３３を透過した後進正常光と後進異常光とは、第１偏光分離膜３１によって合成されることも、第１光ファイバＯＦ１に入力されることもない。
【００７５】
本実施形態に係る光アイソレータ３においては、第１偏光分離膜３１及び第２偏光分離膜３２としてグラファイト状窒化炭素フィルムを用いている。このため、第１偏光分離膜３１及び第２偏光分離膜３２として層数の多い誘電体多層膜を用いた従来の光アイソレータと比べて、コスト及び欠陥発生率を低く抑えることができる。異なる波長帯域に対応した複数の偏光分離膜を積層することなく、可視光帯域から近赤外光帯域までの幅広い波長帯域で光アイソレーションを実現できる点においても有用である。
【００７６】
〔製造方法の原理〕
グラファイト状窒化炭素フィルム（以下、「ｇ−Ｃ３Ｎ４フィルム」とも記載）は、Ｘ＋ｍＹｍ−で表される化合物（Ｘ＋は、グアニジニウムイオン（「グアニジウムイオン」ともいう）、メラミニウムイオン、メラミウムイオン、メレミウムイオン、下記式（Ｉ）で示されるグアニジン誘導体イオン、または下記式（ＩＩ）で示されるグアニジン誘導体イオンであり、Ｙｍ−は陰イオンであり、ｍはＹの価数である）を原料として加熱し、当該化合物またはその反応物を気化させて、表面が負電荷を帯びているまたは表面にπ電子を有している加熱した基材の表面に付着させ、当該基材上で当該化合物またはその反応物を重合させて生成したものである。
【００７７】
・原料
原料として用いられる化合物は、Ｘ＋ｍＹｍ−で表される化合物（「化合物Ｘ＋ｍＹｍ−」と称する）である。Ｘ＋ｍＹｍ−におけるＸ＋は、グアニジニウムイオン、メラミニウムイオン、メラミウムイオン、メレミウムイオン、下記式（Ｉ）で示されるグアニジン誘導体イオン、または下記式（ＩＩ）で示されるグアニジン誘導体イオンである。
【化１】
2018062312.tif 000003
上記式（Ｉ）におけるＲ１は、アミノ基、ニトロ基、炭素数１〜１０、好ましくは１〜５、より好ましくは１〜３のアルキル基、−（Ｃ２Ｈ４Ｏ）ｎ−Ｒ４、ハロゲン、または一級アミド基である。−（Ｃ２Ｈ４Ｏ）ｎ−Ｒ４におけるｎは１〜１０、好ましくは１〜５、より好ましくは１〜３であり、Ｒ４は炭素数１〜４のアルキル基である。また、−（Ｃ２Ｈ４Ｏ）ｎの部分は、エチレンオキシド基であり、Ｃ原子がグアニジンのＮ原子に結合するものが意図される。炭素数１〜１０のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、およびイソブチル基等が挙げられる。ハロゲンとしては、フッ素、塩素、臭素、およびヨウ素が挙げられる。Ｒ１として好ましくは、アミノ基およびニトロ基である。
【００７８】
上記式（ＩＩ）におけるＲ２およびＲ３は、互いに独立して、アミノ基、ニトロ基、炭素数１〜１０、好ましくは１〜５、より好ましくは１〜３のアルキル基、−（Ｃ２Ｈ４Ｏ）ｎ−Ｒ４、ハロゲン、または一級アミド基である。−（Ｃ２Ｈ４Ｏ）ｎ−Ｒ４およびハロゲンについての説明は、上記式（Ｉ）における説明とそれぞれ同じである。Ｒ２およびＲ３として好ましくは、互いに独立して、アミノ基およびニトロ基である。
【００７９】
グアニジニウムイオン、メラミニウムイオン、メラミウムイオンおよびメレミウムイオンの構造は、それぞれ以下に示すとおりである。
【化２】
2018062312.tif 000004
Ｘ＋ｍは、グアニジニウムイオン、メラミニウムイオン、メラミウムイオンまたはメレミウムイオンであることが好ましく、グアニジニウムイオンであることがより好ましい。
【００８０】
Ｘ＋ｍＹｍ−におけるＹｍ−は陰イオンであり、ｍはＹの価数である。陰イオンとしては、例えば、ＣＯ３２−、ＳＯ４２−、Ｃｌ−、ＨＰＯ４２−、ＮＯ３−、ＳＣＮ−、ＳＯ３ＮＨ３−、ＣｒＯ４２−、p-toluenesulfonate、ＲｅＯ４−、およびＲ５ＣＯＯ−等が挙げられる。Ｒ５ＣＯＯ−におけるＲ５は特に限定されないが、低分子量の基であることが好ましく、例えば、炭素数１〜１０、好ましくは炭素数１〜５、より好ましくは炭素数１〜３の、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、ハロゲン化アルキル基、カルボキシ基、カルボキシアルキル基（−（ＣＨ２）ｎＣＯＯＨ）、および置換基を有してもよいフェニル基等が挙げられる。フェニル基が有する置換基としては、炭素数１〜５のアルキル基、およびカルボキシ基等が挙げられる。Ｒ５としては、具体的には、以下のものが挙げられる。
【化３】
2018062312.tif 000005
Ｙｍ−は、ＣＯ３２−、ＳＯ４２−、Ｃｌ−、またはＲ５ＣＯＯ−であることが好ましく、ＣＯ３２−またはＲ５ＣＯＯ−であること、すなわち下記式（ＩＩＩ）で示される陰イオン（下記式（ＩＩＩ）において、Ｒ６は、Ｏ−またはＲ５である）であることがより好ましい。Ｙｍ−は、ＣＯ３２−またはＣＨ３ＣＯＯ−であることがさらに好ましく、ＣＯ３２−であることが特に好ましい。
【化４】
2018062312.tif 000006
Ｙｍ−がＣＯ３２−である場合、化合物Ｘ＋ｍＹｍ−には融点が存在しないため、化合物Ｘ＋ｍＹｍ−またはその反応物が気化する前にＣＯ３２−が系から抜け出しにくいと考えられる。そのため、Ｙｍ−がＣＯ３２−である場合、Ｙｍ−が他の場合と比較して、気化する化合物Ｘ＋ｍＹｍ−またはその反応物の量が多くなり、より効率的にフィルムを製造することができると考えられる。
【００８１】
Ｘ＋ｍＹｍ−で表される化合物としては、入手の容易さの観点から、グアニジンの酸塩が好ましい場合があり、ｇ−Ｃ３Ｎ４フィルムの製造効率の観点から、グアニジン炭酸塩、グアニジン硫酸塩、グアニジン塩酸塩、およびグアニジン酢酸塩がより好ましく、グアニジン炭酸塩およびグアニジン酢酸塩がさらに好ましく、グアニジン炭酸塩が特に好ましい。
【００８２】
化合物Ｘ＋ｍＹｍ−は、市販されているものでもよいし、公知の方法で合成してもよい。また、複数種の化合物を混合してもよいし、ｇ−Ｃ３Ｎ４を形成し得る他の化合物と混合してもよい。
【００８３】
・ｇ−Ｃ３Ｎ４フィルムの製造方法
上述の原料となる化合物を加熱して、当該化合物またはその反応物を気化させる。「その反応物」とは、原料の化合物が、加熱によって互いに反応し、別の構造の化合物に変化したものを指す。例えば原料としてグアニジン炭酸塩を用いた場合、加熱することにより、下記のスキームに従って変化することが予想される。
【化５】
2018062312.tif 000007
また、上記のスキームにおいて、メレミウムイオンに変化すると気化（昇華）することが予想される。したがって、Ｘ＋がグアニジニウムイオン、メラミニウムイオン、メラミウムイオン、式（Ｉ）で示されるグアニジン誘導体イオン、または式（ＩＩ）で示されるグアニジン誘導体イオンである場合、気化して基材（この項目における「基材」は、表面に負電荷を有している基板を指す）に付着するのは、加熱によって生じたメレミウムイオン（塩の形態）であると考えられる。
【００８４】
なお、「気化」とは、液体が気体に変わること、および固体が直接気体に変わること（昇華）の両方を包含している。
【００８５】
用いる原料の量は、製造したいｇ−Ｃ３Ｎ４フィルムの膜厚および面積に応じて適宜決定すればよい。加熱する温度は、用いる原料の種類に応じて適宜決定すればよいが、例えば、３００〜７００℃であり、３８０〜５５０℃であることが好ましい。加熱時間は、製造したいｇ−Ｃ３Ｎ４フィルムの膜厚に応じて適宜設定し得るが、例えば、１分〜４時間とすることができる。
【００８６】
上述の気化した原料またはその反応物（「気化物質」と称する）を、表面が負電荷を帯びているまたは表面にπ電子を有している基材の表面に付着させる。気化物質は上述のように正電荷を有しているため、表面が負電荷を帯びている基材と電荷相互作用する。そのため、気化物質は表面が負電荷を帯びている基材の表面に付着する。また、気化物質はπ電子を有しているため、表面にπ電子を有している基材と相互作用する。そのため、気化物質は表面にπ電子を有している基材の表面に付着する。
【００８７】
このとき、基材は加熱されている。これにより、気化物質が基材の表面に付着すると、基材上で気化物質が次々に重合し、ｇ−Ｃ３Ｎ４が生成する。ｇ−Ｃ３Ｎ４を構成するのは、Ｘ＋ｍＹｍ−のＸ＋に由来する部分である。陰イオン（Ｙｍ−）は、基材上におけるｇ−Ｃ３Ｎ４への重合反応と同時に、気化物質のプロトン（Ｈ＋）と反応して脱離すると考えられる（後述の参考例を参照）。例えば、Ｙｍ−がＣＯ３２−の場合、プロトンとＣＯ３２−とが反応して、ＣＯ２およびＨ２Ｏとなって脱離する。さらに、基材上にｇ−Ｃ３Ｎ４の層が形成されると、その後に気化した気化物質は、既に形成されているｇ−Ｃ３Ｎ４のπ電子との相互作用によって、ｇ−Ｃ３Ｎ４の表面に付着（吸着）する。そして、ｇ−Ｃ３Ｎ４上でさらなるｇ−Ｃ３Ｎ４への重合反応が進行する。このようにして、基材上でｇ−Ｃ３Ｎ４のフィルムを製造することができる。
【００８８】
基材を加熱する温度は、用いる原料の種類に応じて適宜決定すればよいが、例えば、３００〜７００℃であり、３８０〜５５０℃であることが好ましい。加熱時間は、製造したいｇ−Ｃ３Ｎ４フィルムの膜厚に応じて適宜設定し得るが、例えば、１分〜４時間とすることができる。
【００８９】
原料と基材とは、それぞれ別個に加熱してもよいし、一緒に加熱してもよい。簡便性の観点からは、原料と基材とを一つの加熱手段（例えば、加熱炉）内で一緒に加熱することが好ましい。また、原料および基材ならびに原料と基材との間の空間を一体的に加熱することによって、原料からｇ−Ｃ３Ｎ４への重合反応（原料から気化物質への反応、気化、および気化物質からｇ−Ｃ３Ｎ４への重合）が逐次的に起こるため、より良質なｇ−Ｃ３Ｎ４フィルムを製造することができる。
【００９０】
原料からｇ−Ｃ３Ｎ４への重合反応（原料から気化物質への反応、気化、および気化物質からｇ−Ｃ３Ｎ４への重合）を行う雰囲気としては、例えば、空気、窒素、アルゴン、およびヘリウム等が挙げられる。
【００９１】
また、例えば既存の有機ＥＬ用蒸着装置を転用することによって、大面積のｇ−Ｃ３Ｎ４フィルムを製造することも可能である。
【００９２】
以上のように、基材（基板）上にｇ−Ｃ３Ｎ４フィルムが形成されている光学素子を製造可能である。
【００９３】
ここで、さらに、基材上に形成されているｇ−Ｃ３Ｎ４フィルムの、基材との接触面と反対側の面に、光透過性の樹脂の層を形成し、それから、純水に浸すことによって、基材を剥離することができる。また、基材として例えばグラッシーカーボンを用いた場合、純水に浸すことなく、ｇ−Ｃ３Ｎ４フィルムおよび樹脂の積層構造を、基材から剥離させ得る。この操作を行った場合の光学素子において、樹脂の層が基板として機能する。なお、樹脂の層の形成は、ｇ−Ｃ３Ｎ４フィルムに対して樹脂材料を塗布（例えば、スピンコートなどによって）し、従来の方法（例えば、熱重合および光硬化）にしたがって樹脂の層を形成することによって、実施され得る。
【００９４】
〔総括〕
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る偏光子は、入射光を偏光分離する偏光分離膜を備え、上記偏光分離膜がグラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている。また、本発明の各実施形態に係る偏光抽出方法は、偏光分離膜を用いて入射光を偏光分離する工程を含み、上記偏光分離膜がグラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている。
【００９５】
グラファイト状窒化炭素フィルムにより構成された偏光分離膜は、入射光を、ｓ偏光を主成分とする透過光と、反射光と、に分離するか、又は、入射光を、ｓ偏光を主成分とする正常光と、ｐ偏光を主成分とする異常光と、反射光と、に分離する機能を有している。また、グラファイト状窒化炭素フィルムにより構成された偏光分離膜は、誘電体多層膜よりも安価に製造することが可能である。したがって、上記の構成によれば、誘電体多層膜を偏光分離膜として用いた従来の偏光子と比べて、低コスト化が容易な偏光子及び偏光抽出方法を実現することができる。
【００９６】
本発明の第２の実施形態に係る偏光子は、等方的な屈折率を有するコアと、上記コアの一方の主面に形成された第１偏光分離膜であって、入射光を、ｓ偏光を主成分とする透過光と、反射光と、に分離する第１偏光分離膜と、上記コアの他方の主面に形成された第２偏光分離膜であって、入射光を、ｓ偏光を主成分とする透過光と、反射光と、に分離する第２偏光分離膜と、を備え、上記第１偏光分離膜及び上記第２偏光分離膜がグラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている。
【００９７】
上記の構成によれば、ｐ偏光を抽出する偏光子を、従来よりも低コストに実現することができる。
【００９８】
本発明の第２の実施形態に係る偏光子は、上記第１偏光分離膜の上記コアと接触する面と反対側の面を覆う第１散乱層であって、上記第１偏光分離膜を透過した光を散乱する第１散乱層と、上記第２偏光分離膜の上記コアと接触する面と反対側の面を覆う第２散乱層であって、上記第２偏光分離膜を透過した光を散乱する第２散乱層と、を更に備えている、ことが好ましい。
【００９９】
上記の構成によれば、空気中でもｐ偏光を抽出することが可能な偏光子を、従来よりも低コストに実現することができる。
【０１００】
本発明の第２の実施形態に係る偏光子は、上記第１偏光分離膜の上記コアと接触する面と反対側の面を覆う第１高屈折率層であって、屈折率が空気よりも高い第１高屈折率層と、上記第２偏光分離膜の上記コアと接触する面と反対側の面を覆う第２高屈折率層であって、屈折率が空気よりも高い第２高屈折率層と、を更に備えている。
【０１０１】
上記の構成によれば、空気中でもｐ偏光を抽出することが可能な偏光子を、従来よりも低コストに実現することができる。
【０１０２】
本発明の実施形態に係る光アイソレータは、入射光を、ｓ偏光を主成分とする正常光と、ｐ偏光を主成分とする異常光と、反射光と、に分離する第１偏光分離膜と、上記第１偏光分離膜を透過した上記正常光及び上記異常光の光路上に配置されたファラデー回転子と、上記ファラデー回転子を透過した上記正常光及び上記異常光の光路上に配置された１／２波長板と、上記１／２波長板を透過した上記正常光及び上記異常光の光路上に配置された第２偏光分離膜と、を備え、上記第１偏光分離膜が、第１グラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されており、上記第２偏光分離膜が、光学軸が上記第１グラファイト状窒化炭素フィルムの光学軸と平行になるように配置された第２グラファイト状窒化炭素フィルムにより構成されている。
【０１０３】
上記の構成によれば、カルサイトやルチルなどの複屈折結晶を構成要素として含む従来の光アイソレータと比べて、低コスト化が容易な光アイソレータを実現することができる。
【０１０４】
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０５】
１          偏光子（第１の実施形態）
１０        偏光分離膜
２          偏光子（第２の実施形態）
２０        コア
２１        第１偏光分離膜
２２        第２偏光分離膜
２３        第１散乱層
２４        第２散乱層
２５        第１高屈折率層
２６        第２高屈折率層
３          アイソレータ
３１        第１偏光分離膜
３２        第２偏光分離膜
３３        ファラデー回転子
３４        １／２波長板
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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