(57)【要約】  偏光分離素子１は、基板２と、基板２上に互いに平行に等間隔で設けられた複数のリッジ状の凸部３とを備え、複数の凸部３に入射される光４を、回折によって偏光分離する。この偏光分離素子１は、入射される光４に対する凸部３の屈折率をｎ、隣接する凸部３間の間隔と凸部３の幅との和である格子周期をＰ、入射される光４の波長をλとしたとき、  １．６≦ｎ≦２．２、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦０．８の条件を満たし、入射される光４を、磁場の振動方向が凸部３の長さ方向と同じであるＴＭ偏光の０次回折光と、電場の振動方向が凸部３の長さ方向と同じであるＴＥ偏光の１次回折光とに分離する。この偏光分離素子１の構成によれば、性能を高く維持しながら、格子高さ及びアスペクト比を低減することのできる偏光分離素子を提供することができる。
2007055245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に互いに平行に等間隔で設けられた複数のリッジ状の凸部とを備え、前記複数の凸部に入射される光を、回折によって偏光分離する偏光分離素子であって、
入射される前記光に対する前記凸部の屈折率をｎ、隣接する前記凸部間の間隔と前記凸部の幅との和である格子周期をＰ、入射される前記光の波長をλとしたとき、
１．６≦ｎ≦２．２、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦０．８
の条件を満たし、
入射される前記光を、磁場の振動方向が前記凸部の長さ方向と同じであるＴＭ偏光の０次回折光と、電場の振動方向が前記凸部の長さ方向と同じであるＴＥ偏光の１次回折光とに分離することを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
１．８≦ｎ≦２．０、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦０．８
の条件を満たす請求項１に記載の偏光分離素子。
【請求項３】
基板と、前記基板上に互いに平行に等間隔で設けられた複数のリッジ状の凸部とを備え、前記複数の凸部に入射される光を、回折によって偏光分離する偏光分離素子であって、
入射される前記光に対する前記凸部の屈折率をｎ、隣接する前記凸部間の間隔と前記凸部の幅との和である格子周期をＰ、入射される前記光の波長をλとしたとき、
１．８≦ｎ≦２．４、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦１．０
の条件を満たし、
入射される前記光を、電場の振動方向が前記凸部の長さ方向と同じであるＴＥ偏光の０次回折光と、磁場の振動方向が前記凸部の長さ方向と同じであるＴＭ偏光の１次回折光とに分離することを特徴とする偏光分離素子。
【請求項４】
１．８≦ｎ≦２．２、かつ、０．７≦Ｐ／λ≦１．０
の条件を満たす請求項３に記載の偏光分離素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の偏光分離素子の製造方法であって、
前記基板上に形成された膜を、周期溝構造を有する金型によってプレス成形することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の偏光分離素子の製造方法であって、
前記基板上に形成された膜に、周期的に溝を形成することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれかに記載の偏光分離素子を備えた光ピックアップ。
【請求項８】
前記偏光分離素子が、異なる波長を有する複数の光に対して偏光分離を行う請求項７に記載の光ピックアップ。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれかに記載の偏光分離素子を備えた光デバイス。
【請求項１０】
請求項１〜４のいずれかに記載の偏光分離素子を備えた光アイソレータ。
【請求項１１】
請求項１〜４のいずれかに記載の偏光分離素子を備えた偏光ホログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折を利用して偏光分離を行う偏光分離素子及びその製造方法、並びに、当該偏光分離素子を備えた光ピックアップ、光デバイス、光アイソレータ及び偏光ホログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、光情報通信装置、ディスプレイ、光ピックアップ、光センサ等には、光を制御する光学素子が多く用いられている。そして、これらの装置の高機能化に伴い、光学素子においても高機能化、高付加価値化又は低コスト化等が求められている。【０００３】
近年、光学機能を有する微細な構造体の開発が行われている。例えば、表面に微細な凹凸が形成されたレンズは、色収差補正機能や二焦点レンズとしての機能等を有している。また、光の波長よりも小さいサイズのコーン形状あるいはピラミッド形状の突起がガラス面上に周期的に配列された、いわゆる「モスアイ（Moth Eye）」構造は、大きな視野角で光の反射率が低いという特性を有している。「モスアイ」構造によれば、例えば、従来技術である誘電体多層膜を用いた反射防止膜よりも大きな視野角で、光の反射率を０．１％以下まで低減することができる。そして、「モスアイ」構造を用いることにより、例えば、レンズ、太陽電池、ディスプレイなどで問題となっている表面反射損失を抑制することができる。また、基板上に形成された、光の波長よりも小さい間隔を有する櫛状の格子構造は、構造性の複屈折を強く示すため、波長板として用いられている。従来の波長板に用いられている複屈折結晶基板は高価であるが、この格子構造は、高価な基板を用いる必要がなく、加工可能な基板を用いればよいので、低コストで製造することができる。このような微細な構造体が複数形成された基板は、複数の機能を有することから、基板の多機能化が期待される。【０００４】
光学素子の１つに偏光素子がある。偏光素子とは、偏光状態に応じて光を制御する光学素子のことである。偏光素子の１つに偏光板がある。偏光板は、特定の偏光しか通さないという特性を有する。光通信の分野においてよく用いられる光アイソレータは、偏光板を備えている。光アイソレータとは、一方向のみに光を伝搬させるための光学部品のことである。例えば、半導体レーザや光ファイバアンプ等において、戻り光による雑音の増加を防止するために光アイソレータが用いられている。光アイソレータは、一対の偏光板と、偏光方向を回転させる非相反素子であるファラデー回転子とを組み合わせて構成されている。【０００５】
また、偏光素子のうち、異なる偏光同士を分岐させる機能を有する光学素子は、偏光分離素子と呼ばれる。例えば、光ディスクのピックアップ光学系には、偏光分離素子の１つである偏光ビームスプリッタや偏光ホログラム等が実装されている。偏光ビームスプリッタ及び偏光ホログラムは、光ピックアップ内において、往路と復路で光路を変えるため等に用いられる。偏光ビームスプリッタとしては、多層膜を挟み込んだプリズムがよく用いられる。また、偏光ホログラムとしては、主に水晶や方解石のような複屈折性を有する結晶基板に微細加工を施したものが用いられる。また、低コスト化のために、偏光ホログラムとして、結晶基板の代わりに二色性を示す高分子が用いられることもある。【０００６】
偏光分離素子も、上述のように、微細な構造体によって実現されており、低コスト化が検討されている。例えば、非特許文献１においては、微細加工技術を駆使した光アイソレータが報告されている。この光アイソレータは、シリカガラスに、使用する光の波長と同程度の周期で矩形の周期溝構造を形成することによって製造された回折型の偏光分離素子を備えている。この偏光分離素子は、実用に十分な特性を有することが報告されている。【０００７】
この偏光分離素子は、具体的には、基板であるシリカガラスに、均等な間隔で互いに平行な複数の溝を形成することによって製造される。この偏光分離素子において、溝と溝との間には凸部が設けられており、これらの凸部も周期的に形成されている。この偏光分離素子は、そのアスペクト比が８以上となっており、その断面は、比較的深い溝を有する櫛状構造である。ここで、アスペクト比は、凸部の幅（以下「格子幅」という）に対する凸部の高さ（以下「格子高さ」という）で表わされる。すなわち、アスペクト比は、格子高さを格子幅で除した値である。【０００８】
この偏光分離素子のような、使用する光の波長と同程度あるいはそれ以下の周期を有する周期溝構造体は、その格子高さや格子幅を制御することにより、偏光を自由に制御することができると共に、さらに高い消光比及び回折効率を実現することができ、高性能である。尚、使用する光の波長よりも大きい周期を有する周期溝構造体の場合には、性能が低くなる。【０００９】
この偏光分離素子は、安価な等方性のガラス基板に矩形の微細加工を施すのみで製造できることから、低コスト化が期待される。例えば、リソグラフィーを用いて、微細加工を施せばよい。【００１０】
また、最近では、高価な半導体プロセスではなく、プレス成形によって周期溝構造を形成する技術開発も盛んになってきている。例えば、非特許文献２においては、ナノインプリント技術と呼ばれるプレス成形による、ポリマーの高アスペクト比構造の製造について報告されている。このナノインプリント技術は、プロセスが簡便な上に、ナノスケールの微細構造を形成できることから、注目されている。【００１１】
また、例えば、非特許文献３においては、このような周期溝構造を有する偏光分離素子の特性の一例が示されている。
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，２００２年，Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ.１８，ｐ．３５５８
【非特許文献２】精密工学会誌，社団法人  精密工学会，２００４年，Ｖｏｌ．７０，Ｎｏ．１０，ｐ．１２２３
【非特許文献３】Ｊ．Ｏｐｔ．Ａ：Ｐｕｒｅ  Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．１，（ＵＫ），１９９９年，ｐ．２１５−２１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した、使用する光の波長と同程度の周期の周期溝構造を有する偏光分離素子は、通常、半導体プロセスによって製造される。具体的には、フォトリソグラフィーや電子線リソグラフィー等を用いて、基板上にレジストをパターニングした後、ドライエッチングによって異方性エッチングを行うことにより、基板に周期溝構造が形成される。しかし、例えば、いわゆる高アスペクト比といわれる７以上のアスペクト比を有する周期溝構造を形成するためには、ＣｒやＮｉのような耐久性に優れた金属からなるメタルマスクにレジストパターンを転写する必要があり、工数が増大するという問題点がある。また、基板の厚み方向に深いエッチングを行う場合、サイドエッチングを防ぐことが困難であり、サイドエッチングを防ぐためには、高価で大規模な加工装置が必要となる。さらに、この周期溝構造を形成し、偏光分離素子を製造しても、この偏光分離素子は、機械的強度が低く、壊れやすい。つまり、使用する光の波長と同程度の周期の周期溝構造を有する偏光分離素子は、生産性が低く、従って、コストが高いという問題点がある。【００１３】
また、プレス成形によってこの偏光分離素子を製造する場合も、高アスペクト比を有する周期溝構造の形成は困難であり、プレス時間の長時間化や離型時の構造の破壊が問題となる。プレス成形を用いる場合には、金型が必要であり、その金型は、高アスペクト比の周期溝構造を有することになる。そして、かかる金型の作製は、半導体プロセスを用いる必要があるために、上述と同様に困難であり、従って、金型のコストも高くなる。また、かかる金型は、耐久性も低く、繰り返し使用することが困難である。【００１４】
また、隣接する凸部間の間隔と格子幅との和である格子周期に対する格子高さが大きい偏光分離素子は、高い回折効率が得られるという長所と、回折効率の入射角依存性が大きくなるという短所とを有している（例えば、西原浩、春名正光、栖原敏明著，「光集積回路」，改訂増補版，株式会社オーム社，平成１４年５月２０日，Ｐ．８３参照）。この偏光分離素子は、回折効率の入射角依存性が大きいため、レンズの収束光のように角度成分を有するビームを入出射させる場合に特性が劣化してしまう。また、光学系のアライメント精度の要求が厳しくなるため、製造工数が増大するという問題点もある。【００１５】
以上のように、ガラスを微細加工した回折格子である偏光分離素子の実用においては、アスペクト比及び格子高さのうち少なくとも１つの増大が生産性及び特性上共に大きな問題となっている。従って、生産性及び特性の良好な偏光分離素子を実現するためには、可能な限りアスペクト比及び格子高さを抑えた構造とすることが要求される。【００１６】
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、生産性が高く、かつ、高性能な偏光分離素子及びその製造方法、並びに、当該偏光分離素子を備えた光ピックアップ、光デバイス、光アイソレータ及び偏光ホログラム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】
【００１７】
前記目的を達成するため、本発明に係る偏光分離素子の第１の構成は、基板と、前記基板上に互いに平行に等間隔で設けられた複数のリッジ状の凸部とを備え、前記複数の凸部に入射される光を、回折によって偏光分離する偏光分離素子であって、入射される前記光に対する前記凸部の屈折率をｎ、隣接する前記凸部間の間隔と前記凸部の幅との和である格子周期をＰ、入射される前記光の波長をλとしたとき、
１．６≦ｎ≦２．２、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦０．８
の条件を満たし、入射される前記光を、磁場の振動方向が前記凸部の長さ方向と同じであるＴＭ偏光の０次回折光と、電場の振動方向が前記凸部の長さ方向と同じであるＴＥ偏光の１次回折光とに分離することを特徴とする。【００１８】
また、前記本発明の偏光分離素子の第１の構成においては、
１．８≦ｎ≦２．０、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦０．８
の条件を満たすのが好ましい。【００１９】
本発明の偏光分離素子の第１の構成によれば、性能を高く維持しながら、格子高さ及びアスペクト比を低減することができる。そして、これにより、容易に製造でき、生産性及び機械的強度の高い小型の偏光分離素子を提供することができる。【００２０】
また、本発明に係る偏光分離素子の第２の構成は、基板と、前記基板上に互いに平行に等間隔で設けられた複数のリッジ状の凸部とを備え、前記複数の凸部に入射される光を、回折によって偏光分離する偏光分離素子であって、入射される前記光に対する前記凸部の屈折率をｎ、隣接する前記凸部間の間隔と前記凸部の幅との和である格子周期をＰ、入射される前記光の波長をλとしたとき、
１．８≦ｎ≦２．４、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦１．０
の条件を満たし、入射される前記光を、電場の振動方向が前記凸部の長さ方向と同じであるＴＥ偏光の０次回折光と、磁場の振動方向が前記凸部の長さ方向と同じであるＴＭ偏光の１次回折光とに分離することを特徴とする。【００２１】
また、前記本発明の偏光分離素子の第２の構成においては、
１．８≦ｎ≦２．２、かつ、０．７≦Ｐ／λ≦１．０
の条件を満たすのが好ましい。【００２２】
本発明の偏光分離素子の第２の構成によれば、性能を高く維持しながら、格子高さ及びアスペクト比を低減することができる。そして、これにより、容易に製造でき、生産性及び機械的強度の高い小型の偏光分離素子を提供することができる。【００２３】
また、本発明に係る偏光分離素子の第１の製造方法は、前記本発明の第１又は第２の構成の偏光分離素子の製造方法であって、前記基板上に形成された膜を、周期溝構造を有する金型によってプレス成形することを特徴とする。【００２４】
本発明の偏光分離素子の第１の製造方法によれば、工程数を削減することができるので、偏光分離素子の低コスト化が可能となる。また、本発明の偏光分離素子は、格子高さ及びアスペクト比が低いので、離型時に破壊が生じることがなく、膜の形成に時間がかかることもない。【００２５】
また、本発明に係る偏光分離素子の第２の製造方法は、前記本発明の第１又は第２の構成の偏光分離素子の製造方法であって、前記基板上に形成された膜に、周期的に溝を形成することを特徴とする。【００２６】
本発明の偏光分離素子の第２の製造方法によれば、本発明の偏光分離素子を容易に製造することができる。また、本発明の偏光分離素子は、格子高さが低いので、膜の形成に時間がかかることもない。【００２７】
また、本発明に係る光ピックアップの構成は、前記本発明の第１又は第２の構成の偏光分離素子を備えたことを特徴とする。【００２８】
本発明の光ピックアップの構成によれば、前記本発明の第１又は第２の構成の偏光分離素子を備えているので、小型かつ高性能な光ピックアップを低コストで提供することができる。【００２９】
また、前記本発明の光ピックアップの構成においては、前記偏光分離素子が、異なる波長を有する複数の光に対して偏光分離を行うのが好ましい。この好ましい例によれば、例えば、ＤＶＤ及びＣＤ等の異なる複数の光記録媒体の記録／再生において、それぞれの光記録媒体に対応した複数の偏光分離素子を搭載する必要がなく、１つの偏光分離素子を複数の光記録媒体に対応させることができる。従って、光ピックアップの部品点数を削減することができる。【００３０】
また、本発明に係る光デバイスの構成は、前記本発明の第１又は第２の構成の偏光分離素子を備えたことを特徴とする。【００３１】
本発明の光デバイスの構成によれば、前記本発明の第１又は第２の構成の偏光分離素子を備えているので、小型かつ高性能な光デバイスを低コストで提供することができる。【００３２】
また、本発明に係る光アイソレータの構成は、前記本発明の第１又は第２の構成の偏光分離素子を備えたことを特徴とする。【００３３】
本発明の光アイソレータの構成によれば、前記本発明の第１又は第２の構成の偏光分離素子を備えているので、小型かつ高性能な光アイソレータを低コストで提供することができる。【００３４】
また、本発明に係る偏光ホログラムの構成は、前記本発明の第１又は第２の構成の偏光分離素子を備えたことを特徴とする。【００３５】
本発明の偏光ホログラムの構成によれば、前記本発明の第１又は第２の構成の偏光分離素子を備えているので、小型かつ高性能な偏光ホログラムを低コストで提供することができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、生産性が高く、かつ、高性能な偏光分離素子及びその製造方法、並びに、当該偏光分離素子を備えた光ピックアップ、光デバイス、光アイソレータ及び偏光ホログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における偏光分離素子の構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における、分離する偏光の違いを説明するための偏光分離素子の側面図であり、図２（ａ）は、入射光を、ＴＭ偏光の０次回折光と、ＴＥ偏光の１次回折光とに分離する偏光分離素子を示し、図２（ｂ）は、入射光を、ＴＥ偏光の０次回折光と、ＴＭ偏光の１次回折光とに分離する偏光分離素子を示している。
【図３】図３は、従来の第１偏光分離素子の、ｎ＝１．４７、Ｐ／λ＝０．７である場合の回折効率を示すグラフであり、図３（ａ）は、ＴＭ偏光の０次回折効率を示し、図３（ｂ）は、ＴＥ偏光の１次回折効率を示している。
【図４】図４は、従来の第１偏光分離素子の、ｎ＝１．４７、Ｐ／λ＝１．０である場合の回折効率を示すグラフであり、図４（ａ）は、ＴＭ偏光の０次回折効率を示し、図４（ｂ）は、ＴＥ偏光の１次回折効率を示している。
【図５】図５は、従来の第１偏光分離素子の、ｎ＝２．２、Ｐ／λ＝１．０である場合の回折効率を示すグラフであり、図５（ａ）は、ＴＭ偏光の０次回折効率を示し、図５（ｂ）は、ＴＥ偏光の１次回折効率を示している。
【図６】図６は、本発明の実施の形態１における第１偏光分離素子の、ｎ＝２．２、Ｐ／λ＝０．７である場合の回折効率を示すグラフであり、図６（ａ）は、ＴＭ偏光の０次回折効率を示し、図６（ｂ）は、ＴＥ偏光の１次回折効率を示している。
【図７】図７は、本発明の実施の形態１における第１偏光分離素子の、アスペクト比と屈折率ｎとの関係を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の実施の形態１における第１偏光分離素子の、規格化格子高さＨ／λと屈折率ｎとの関係を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明の実施の形態１における第１偏光分離素子の、回折効率と屈折率ｎとの関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、従来の第２偏光分離素子の、ｎ＝１．４７、Ｐ／λ＝０．７である場合の回折効率を示すグラフであり、図１０（ａ）は、ＴＥ偏光の０次回折効率を示し、図１０（ｂ）は、ＴＭ偏光の１次回折効率を示している。
【図１１】図１１は、従来の第２偏光分離素子の、ｎ＝１．４７、Ｐ／λ＝１．０である場合の回折効率を示すグラフであり、図１１（ａ）は、ＴＥ偏光の０次回折効率を示し、図１１（ｂ）は、ＴＭ偏光の１次回折効率を示している。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態１における第２偏光分離素子の、ｎ＝２．２、Ｐ／λ＝０．７である場合の回折効率を示すグラフであり、図１２（ａ）は、ＴＥ偏光の０次回折効率を示し、図１２（ｂ）は、ＴＭ偏光の１次回折効率を示している。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態１における第２偏光分離素子の、ｎ＝２．２、Ｐ／λ＝１．０である場合の回折効率を示すグラフであり、図１３（ａ）は、ＴＥ偏光の０次回折効率を示し、図１３（ｂ）は、ＴＭ偏光の１次回折効率を示している。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態１における第２偏光分離素子の、アスペクト比と屈折率ｎとの関係を示すグラフである。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態１における第２偏光分離素子の、規格化格子高さＨ／λと屈折率ｎとの関係を示すグラフである。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態１における第２偏光分離素子の、回折効率と屈折率ｎとの関係を示すグラフである。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態１における偏光分離素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施の形態１における偏光分離素子の、金型を用いた製造方法を示す工程断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施の形態２における光ピックアップの構成を示す模式図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施の形態２の光ピックアップに用いられる偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）における、回折効率の入射角及び波長変化量への依存性を示すグラフであり、図２０（ａ）は、ＴＥ偏光の１次回折効率を示し、図２０（ｂ）は、ＴＭ偏光の０次回折効率を示している。
【図２１】図２１は、光ピックアップに用いられる従来の偏光分離素子における、回折効率の入射角及び波長変化量への依存性を示すグラフであり、図２1（ａ）は、ＴＥ偏光の１次回折効率を示し、図２１（ｂ）は、ＴＭ偏光の０次回折効率を示している。
【図２２】図２２は、本発明の実施の形態３における光アイソレータの構成を示す模式図である。
【図２３】図２３は、本発明の実施の形態３における偏光ホログラムの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
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。【００３９】
［実施の形態１］
まず、本発明の実施の形態１における偏光分離素子について、図面を参照しながら説明する。尚、実施の形態１の偏光分離素子は、入射される光を回折によって偏光分離する。【００４０】
図１は、本発明の実施の形態１における偏光分離素子の構成を示す斜視図である。図１に示すように、実施の形態１の偏光分離素子１は、透過材料からなり、周期的な凹凸構造を有している。ここで、凹凸構造の周期は、使用する光の波長と同程度あるいはそれ以下に設定されている。そして、偏光分離素子１は、偏光を、０次回折光と１次回折光とに分離する機能を有している。【００４１】
より具体的には、実施の形態１の偏光分離素子１は、基板２と、基板２上に当該基板２の表面に対して垂直に形成された複数のリッジ状の凸部３とを備えている。ここで、複数の凸部３は、互いに平行に等間隔で設けられている。つまり、偏光分離素子１は、周期溝構造を有している。【００４２】
偏光分離素子１の各寸法は、図１に示すように表わされる。具体的には、凸部３の幅である格子幅がｗ、凸部３の高さである格子高さがＨ、隣接する凸部３間の間隔と格子幅ｗとの和である格子周期がＰで表わされている。偏光分離素子１は、上記の寸法である格子幅ｗ、格子高さＨ、格子周期Ｐ以外に、複数の凸部３に入射される入射光４の波長λ、波長λの光に対する凸部３の屈折率ｎ、入射光４の入射角θ及び入射光４の偏光状態等をパラメータとして設計されている。ここで、入射角θは、基板２の表面に対して垂直な方向と入射光４の入射方向とのなす角度のことであり、偏光状態とは、ＴＥ偏光あるいはＴＭ偏光のいずれかのことである。実施の形態１の偏光分離素子１において、屈折率ｎは１．６以上である。また、基板２の屈折率は１.４７である。尚、格子周期Ｐに対する格子幅ｗの比率をデューティー比という。【００４３】
偏光分離素子１のような、回折によって偏光を分離する素子は、分離する偏光の違いによって２種類に分類される。図２は、分離する偏光の違いを説明するための偏光分離素子の側面図であり、図２（ａ）は、入射光を、ＴＭ偏光の０次回折光と、ＴＥ偏光の１次回折光とに分離する偏光分離素子を示し、図２（ｂ）は、入射光を、ＴＥ偏光の０次回折光と、ＴＭ偏光の１次回折光とに分離する偏光分離素子を示している。ここで、ＴＥ偏光とは、電場の振動方向が入射平面に対して垂直である偏光のことであり、ＴＭ偏光とは、電場の振動方向が入射平面に対して平行である偏光のことである。尚、入射平面とは、図２において紙面に平行な面のことである。すなわち、ＴＥ偏光とは、電場の振動方向が凸部３の長さ方向と同じである偏光のことであり、ＴＭ偏光とは、磁場の振動方向が凸部３の長さ方向と同じである偏光のことである。【００４４】
以下においては、図２（ａ）に示す偏光分離素子を第１偏光分離素子１ａ、図２（ｂ）に示す偏光分離素子を第２偏光分離素子１ｂとする。第１偏光分離素子１ａ及び第２偏光分離素子１ｂは、図１に示す偏光分離素子１と同様の形状である。そこで、図１の偏光分離素子１の各部材と対応する第１偏光分離素子１ａ及び第２偏光分離素子１ｂの各部材には同一の参照符号を付し、それらの説明は省略する。尚、偏光分離素子１は、その格子高さＨ及びデューティー比を調整することにより、第１偏光分離素子１ａ又は第２偏光分離素子１ｂとして用いることができる。【００４５】
例えば、第１偏光分離素子１ａとして用いる場合には、以下の条件を満たすようにすればよい。ここでは、格子高さＨを入射光の波長λで規格化した規格化格子高さＨ／λと、格子周期Ｐに対する格子幅ｗの比率であるデューティー比ｗ／Ｐとを用いて、満たすべき条件を示している。【００４６】
０．１６＜ｗ／Ｐ＜０．４０
０．５＜Ｈ／λ＜１．１
また、第２偏光分離素子１ｂとして用いる場合には、以下の条件を満たすようにすればよい。【００４７】
０．２８＜ｗ／Ｐ＜０．５０
０．９＜Ｈ／λ＜１．８
このように、第２偏光分離素子１ｂの規格化格子高さＨ／λが第１偏光分離素子１ａの規格化格子高さＨ／λの２倍弱近くとなる点が、第１偏光分離素子１ａと第２偏光分離素子１ｂとの相違点である。尚、デューティー比ｗ／Ｐも、規格化格子高さＨ／λに比例して大きくなるため、第１偏光分離素子１ａのアスペクト比と第２偏光分離素子１ｂのアスペクト比とはあまり変わらない。【００４８】
そして、使用する光の波長と同程度あるいはそれ以下の周期の周期溝構造を有する偏光分離素子１（第１偏光分離素子１ａ又は第２偏光分離素子１ｂ）は、その格子高さや格子幅を制御することにより、偏光を自由に制御することができると共に、さらに高い消光比及び回折効率を実現することができ、高性能である。【００４９】
図２（ａ）に示す第１偏光分離素子１ａにおいて、第１偏光分離素子１ａの凸部３側から入射した、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光が混在された入射光４ａは、回折格子である第１偏光分離素子１ａにより、０次回折光であるＴＭ偏光４ｂと、１次回折光であるＴＥ偏光４ｃとに分離される。ＴＥ偏光４ｃの電場は、図２（ａ）において、紙面（入射平面）に垂直な方向に振動している。また、ＴＭ偏光４ｂの電場は、図２（ａ）において、紙面（入射平面）に平行であり、光の進行方向に垂直な方向に振動している。尚、第１偏光分離素子１ａからは、０次回折光であるＴＭ偏光４ｂ及び１次回折光であるＴＥ偏光４ｃ以外に、ＴＥ偏光の０次回折光及びＴＭ偏光の１次回折光も僅かではあるが出射される。【００５０】
また、この第１偏光分離素子１ａは、以下の条件を満たしている。【００５１】
１．６≦ｎ≦２．２、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦０．８
さらには、この第１偏光分離素子１ａは、以下の条件を満たしているのが好ましい。【００５２】
１．８≦ｎ≦２．０、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦０．８
この第１偏光分離素子１ａの構成によれば、性能を高く維持しながら、格子高さ及びアスペクト比を低減することができる。そして、これにより、容易に製造でき、生産性及び機械的強度の高い小型の偏光分離素子を低コストで提供することができる。また、格子高さＨの値を小さくすることができるので、回折効率の入射角依存性を小さくすることもできる。【００５３】
また、図２（ｂ）に示す第２偏光分離素子１ｂにおいて、第２偏光分離素子１ｂの凸部３側から入射した、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光が混在された入射光４ａは、回折格子である第２偏光分離素子１ｂにより、０次回折光であるＴＥ偏光４ｄと、１次回折光であるＴＭ偏光４ｅとに分離される。ＴＥ偏光４ｄの電場は、図２（ｂ）において、紙面（入射平面）に垂直な方向に振動している。また、ＴＭ偏光４ｅの電場は、図２（ｂ）において、紙面（入射平面）に平行であり、光の進行方向に垂直な方向に振動している。尚、第２偏光分離素子１ｂからは、０次回折光であるＴＥ偏光４ｄ及び１次回折光であるＴＭ偏光４ｅ以外に、ＴＭ偏光の０次回折光及びＴＥ偏光の１次回折光も僅かではあるが出射される。【００５４】
また、この第２偏光分離素子１ｂは、以下の条件を満たしている。【００５５】
１．８≦ｎ≦２．４、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦１．０
さらには、この第２偏光分離素子１ｂは、以下の条件を満たしているのが好ましい。【００５６】
１．８≦ｎ≦２．２、かつ、０．７≦Ｐ／λ≦１．０
この第２偏光分離素子１ｂの構成によれば、性能を高く維持しながら、格子高さ及びアスペクト比を低減することができる。そして、これにより、容易に製造でき、生産性及び機械的強度の高い小型の偏光分離素子を低コストで提供することができる。また、格子高さＨの値を小さくできるので、回折効率の入射角依存性を小さくすることもできる。【００５７】
図２（ａ）の第１偏光分離素子１ａは、入射光４ａを、０次回折光であるＴＭ偏光４ｂと、１次回折光であるＴＥ偏光４ｃとに分離するため、ＴＥ偏光の１次回折効率及びＴＭ偏光の０次回折効率が大きくなるように設計するのが望ましい。また、図２（ｂ）の第２偏光分離素子１ｂは、入射光４ａを、０次回折光であるＴＥ偏光４ｄと、１次回折光であるＴＭ偏光４ｅとに分離するため、ＴＥ偏光の０次回折効率及びＴＭ偏光の１次回折効率が大きくなるように設計するのが望ましい。これにより、第１偏光分離素子１ａと第２偏光分離素子１ｂの性能を向上させることができる。【００５８】
次に、図２に示す実施の形態１における第１偏光分離素子１ａ及び第２偏光分離素子１ｂの特性を、計算によって評価した。尚、偏光分離素子の特性の計算には、アメリカ合衆国 Grating Solver Development Company 製のＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）法による計算ソフト“GSOLVER”を使用した。本発明の偏光分離素子のような、使用する光の波長と同程度あるいはそれ以下の周期を有する周期溝構造体における光の伝搬解析には、従来のスカラー領域の光線追跡のような解析ではなく、数値的に解析を行う計算手法が適用される。ＲＣＷＡ法は、そのような数値解を求める代表的な計算手法である。【００５９】
まず、図２（ａ）に示す第１偏光分離素子１ａの特性を、計算によって求めた。【００６０】
ここで、比較のために、構造は実施の形態１の第１偏光分離素子１ａと同様であるが、
１．６≦ｎ≦２．２、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦０．８
の条件を満たさない従来の偏光分離素子（以下「従来の第１偏光分離素子」という）の特性の計算結果を示す。従来の第１偏光分離素子は、その形状が図２（ａ）に示す第１偏光分離素子１ａと同様であるが、凸部が低屈折率材料であるシリカからなるため、上記の条件に合わず、第１偏光分離素子１ａとは異なっている。尚、一般に、低屈折率材料は、屈折率が１．６未満の材料を指す。可視光を用いる場合を想定して、シリカの屈折率を１．４７とし、入射角θが３０°の場合と４５°の場合について計算した。格子周期Ｐは、それぞれの場合で、ほぼブラッグ条件と合うように、使用する光の波長λで規格化した。具体的には、入射角θが３０°の場合は規格化格子周期Ｐ／λ＝１．０であり、入射角θが４５°の場合は規格化格子周期Ｐ／λ＝０．７である。【００６１】
光の入射は屈折率が１である空気側からとし、基板２の裏面のフレネル反射を考慮せずに基板２の内部での回折効率を計算した。図３は、従来の第１偏光分離素子の、ｎ＝１．４７、Ｐ／λ＝０．７である場合の回折効率を示すグラフであり、図３（ａ）は、ＴＭ偏光の０次回折効率を示し、図３（ｂ）は、ＴＥ偏光の１次回折効率を示している。【００６２】
図３（ａ）及び図３（ｂ）においては、格子高さＨを、使用する光の波長λで規格化した規格化格子高さＨ／λを横軸、格子周期Ｐに対する格子幅ｗの比率であるデューティー比ｗ／Ｐを縦軸とし、これらを連続的に変化させた場合の回折効率が等高線によってマッピングされている。図中、回折効率は、黒から白にかけて０％から１００％となるようなグレースケールで示されている。つまり、白っぽい箇所ほど回折効率が高い。【００６３】
図３から分かるように、各回折効率（ＴＭ偏光の０次回折効率及びＴＥ偏光の１次回折効率）は、規格化格子高さＨ／λとデューティー比ｗ／Ｐに依存し、周期的に変動する。従来の第１偏光分離素子は、ＴＭ偏光の０次回折効率及びＴＥ偏光の１次回折効率が共に高い構造であればよい。また、製造が容易である構造とするには、規格化格子高さＨ／λを小さく、デューティー比ｗ／Ｐを大きくするのが望ましい。【００６４】
また、図３から分かるように、規格化格子周期Ｐ／λ＝０．７の場合は、Ｈ／λ＝１．３〜２．０付近、ｗ／Ｐ＝０．２〜０．３付近で、ＴＭ偏光の０次回折効率及びＴＥ偏光の１次回折効率が共に高効率となる。具体的には、図３（ａ）及び図３（ｂ）において、ＴＭ偏光の０次回折効率及びＴＥ偏光の１次回折効率が共に高効率（８０％以上）となる範囲が丸印で示されている。規格化格子高さＨ／λ及びデューティー比ｗ／Ｐがこの範囲となるように、従来の第１偏光分離素子を製造すればよい。【００６５】
この範囲での従来の第１偏光分離素子の構造と特性の一例を、以下に示す。【００６６】
屈折率ｎ：１．４７
規格化格子周期Ｐ／λ：０．７
入射角θ：４５°
規格化格子高さＨ／λ：１．４６
デューティー比ｗ／Ｐ：０．２７
アスペクト比：７．７
ＴＥ偏光の１次回折効率：９２．０％
ＴＭ偏光の０次回折効率：９６．４％
ＴＥ偏光の０次回折効率：０．１９％
ＴＭ偏光の１次回折効率：０．６６％
１次側の消光比：２１ｄＢ
０次側の消光比：２７ｄＢ
尚、消光比は、下記式よって算出される。ここで、消光比とは、必要である偏光の強度と、不要である偏光の強度との比であり、デシベル（ｄＢ）で表される。【００６７】
１次側の消光比＝１０×ｌｏｇ１０（ＴＥ偏光１次回折効率／ＴＭ偏光１次回折効率）
０次側の消光比＝１０×ｌｏｇ１０（ＴＭ偏光０次回折効率／ＴＥ偏光０次回折効率）
以上の結果から分かるように、シリカのような低屈折率材料を用いて偏光分離素子を製造する場合に、十分な偏光特性を示すための回折効率と消光比を得ようとすると、格子高さＨ及びアスペクト比が非常に大きくなってしまう。従って、かかる偏光分離素子は、機械的強度が低く、製造も困難である。【００６８】
また、図４は、従来の第１偏光分離素子の、ｎ＝１．４７、Ｐ／λ＝１．０である場合の回折効率を示すグラフであり、図４（ａ）は、ＴＭ偏光の０次回折効率を示し、図４（ｂ）は、ＴＥ偏光の１次回折効率を示している。つまり、図４は、規格化格子周期Ｐ／λが図３とは異なる場合の、各回折効率（ＴＭ偏光の０次回折効率及びＴＥ偏光の１次回折効率）を示すグラフである。【００６９】
図４では、ＴＭ偏光の０次回折効率及びＴＥ偏光の１次回折効率が共に８０％以上となる範囲は存在しなかった。格子高さＨをさらに大きくすればそのような特性が得られる可能性はあるが、その場合のアスペクト比は、偏光分離素子を製造する上で現実的でない値となる。従って、Ｐ／λ＝１．０の場合には、実際に使用できる偏光分離素子を製造することはできない。【００７０】
また、図５は、従来の第１偏光分離素子の、ｎ＝２．２、Ｐ／λ＝１．０である場合の回折効率を示すグラフであり、図５（ａ）は、ＴＭ偏光の０次回折効率を示し、図５（ｂ）は、ＴＥ偏光の１次回折効率を示している。【００７１】
図５と図４とを比較すると、回折効率のデューティー比ｗ／Ｐ及び規格化格子高さＨ／λへの依存性が異なっている。【００７２】
また、図５から分かるように、規格化格子周期Ｐ／λ＝１．０の場合は、Ｈ／λ＝０．８付近及びｗ／Ｐ＝０．１付近で、ＴＭ偏光の０次回折効率及びＴＥ偏光の１次回折効率が共に高効率となる。具体的には、図５（ａ）及び図５（ｂ）において、ＴＭ偏光の０次回折効率及びＴＥ偏光の１次回折効率が共に高効率となる範囲が丸印で示されている。規格化格子周期Ｐ／λ＝１．０の場合は、規格化格子高さＨ／λ及びデューティー比ｗ／Ｐがこの範囲となるように、従来の第１偏光分離素子を製造すればよい。【００７３】
この範囲での従来の第１偏光分離素子の構造と特性の一例を、以下に示す。【００７４】
屈折率ｎ：２．２
規格化格子周期Ｐ／λ：１．０
入射角θ：３０°
規格化格子高さＨ／λ：０．８８
デューティー比ｗ／Ｐ：０．１０
アスペクト比：８．８
ＴＥ偏光の１次回折効率：９４．２％
ＴＭ偏光の０次回折効率：９６．２％
ＴＥ偏光の０次回折効率：０．７３％
ＴＭ偏光の１次回折効率：０．７８％
１次側の消光比：２１ｄＢ
０次側の消光比：２１ｄＢ
以上の結果から分かるように、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａの条件の１つである、１．６≦ｎ≦２．２を満たす場合であっても、０．６≦Ｐ／λ≦０．８を満たさない場合には、十分な偏光特性を示すための回折効率と消光比を得ようとすると、格子高さＨ及びアスペクト比が非常に大きくなってしまう。そして、かかる偏光分離素子は、機械的強度が低く、製造も困難である。従って、Ｐ／λ＝１．０の場合、ｎ＝１．４７では実際に使用できる偏光分離素子を製造することはできない。また、ｎ＝２．２であっても、アスペクト比が高くなりすぎるため、実際に使用できる偏光分離素子を製造することはできない。【００７５】
次に、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａの特性の計算結果を示す。実施の形態１の第１偏光分離素子１ａは、具体的には、図２（ａ）に示す構造であり、屈折率ｎが２．２、規格化格子周期Ｐ／λが０．７に設定されている。図６は、本発明の実施の形態１における第１偏光分離素子の、ｎ＝２．２、Ｐ／λ＝０．７である場合の回折効率を示すグラフであり、図６（ａ）は、ＴＭ偏光の０次回折効率を示し、図６（ｂ）は、ＴＥ偏光の１次回折効率を示している。【００７６】
図６（ａ）及び図６（ｂ）においては、格子高さＨを、使用する光の波長λで規格化した規格化格子高さＨ／λを横軸、格子周期Ｐに対する格子幅ｗの比率であるデューティー比ｗ／Ｐを縦軸とし、これらを連続的に変化させた場合の回折効率が等高線によってマッピングされている。図中、回折効率は、黒から白にかけて０％から１００％となるようなグレースケールで示されている。つまり、白っぽい箇所ほど回折効率が高い。【００７７】
図６と図３とを比較すると、回折効率のデューティー比ｗ／Ｐ及び規格化格子高さＨ／λへの依存性が異なっている。従来の第１偏光分離素子に比べて、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａの方が、デューティー比ｗ／Ｐ及び規格化格子高さＨ／λの変化に対する回折効率の変化の周期が短い。つまり、従来の第１偏光分離素子に比べて、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａは、より小さい格子高さＨで高い回折効率を実現することができる。【００７８】
図６から分かるように、第１偏光分離素子１ａにおいて、規格化格子周期Ｐ／λ＝０．７の場合は、Ｈ／λ＝０．６付近及びｗ／Ｐ＝０．２付近で、ＴＭ偏光の０次回折効率及びＴＥ偏光の１次回折効率が共に高効率となる。具体的には、図６（ａ）及び図６（ｂ）において、ＴＭ偏光の０次回折効率及びＴＥ偏光の１次回折効率が共に高効率となる範囲が丸印で示されている。規格化格子周期Ｐ／λ＝０．７の場合は、規格化格子高さＨ／λ及びデューティー比ｗ／Ｐがこの範囲となるように、第１偏光分離素子１ａを製造すればよい。【００７９】
この範囲での実施の形態１の第１偏光分離素子１ａの構造と特性の一例を、以下に示す。【００８０】
屈折率ｎ：２．２
規格化格子周期Ｐ／λ：０．７
入射角θ：４５°
規格化格子高さＨ／λ：０．６
デューティー比ｗ／Ｐ：０．２１
アスペクト比：４．１
ＴＥ偏光の１次回折効率：８９．６％
ＴＭ偏光の０次回折効率：９７．９％
ＴＥ偏光の０次回折効率：０．０４％
ＴＭ偏光の１次回折効率：０．７０％
１次側の消光比：２１ｄＢ
０次側の消光比：３４ｄＢ
以上の結果から分かるように、Ｐ／λ＝０．７の場合、ｎ＝１．４７である従来の第１偏光分離素子（図３参照）に比べて、ｎ＝２．２である実施の形態１の第１偏光分離素子１ａは、格子高さＨが約５９％低減し、アスペクト比が約４７％低減している。【００８１】
以上のように、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａは、良好な特性を有している。また、上述のように、良好な特性を有する第１偏光分離素子において、格子高さＨとアスペクト比は、屈折率ｎに依存している。また、良好な特性を有する第１偏光分離素子１ａにおいて、格子高さＨとアスペクト比は、格子周期Ｐにも大きく依存しているため、格子周期Ｐも最適な値とする必要がある。【００８２】
ここで、図２（ａ）に示す構造の第１偏光分離素子１ａにおいて、規格化格子周期Ｐ／λを０．６、０．７、０．８、１．０の４通りとし、それぞれにおいて屈折率ｎを１．５から２．６までの範囲で変動させて、アスペクト比、規格化格子高さＨ／λ及びＴＥ偏光の１次回折効率を測定した。尚、入射角θは、高い回折効率が得られるブラッグ角（θ＝ｓｉｎ-1（λ／２Ｐ））とした。また、０次のＴＭ偏光の回折効率に対する０次のＴＥ偏光の回折効率がおよそ１％以下（消光比にして約２０ｄＢ前後）、１次のＴＥ偏光の回折効率に対する１次のＴＭ偏光の回折効率がおよそ１％以下となるように設計した。Ｐ／λ＝０．６では入射角がかなり大きくなる（ブラッグ角＝５６．４°）ため、反射損失が発生し、ＴＥ偏光の回折効率の低下を招く。従って、これ以下の格子周期は望ましくない。【００８３】
これらの測定結果を、図７、図８及び図９に示す。図７は、第１偏光分離素子１ａのアスペクト比と屈折率ｎとの関係を示すグラフ、図８は、第１偏光分離素子１ａの規格化格子高さＨ／λと屈折率ｎとの関係を示すグラフ、図９は、第１偏光分離素子１ａの回折効率（ＴＥ偏光の１次回折効率）と屈折率ｎとの関係を示すグラフである。尚、それぞれの図において、Ｐ／λ＝０．６の場合は「×」で、Ｐ／λ＝０．７の場合は「□」で、Ｐ／λ＝０．８の場合は「△」で、Ｐ／λ＝１．０の場合は「○」で示されている。【００８４】
図７から、以下のことが分かる。まず、規格化格子周期Ｐ／λの値によらず、屈折率ｎの増加とともにアスペクト比が低下している。また、Ｐ／λ≧０．８ではアスペクト比の屈折率依存性が高く、屈折率ｎの低下とともにアスペクト比が急激に増大する。また、Ｐ／λ＜０．８、かつ、ｎ≧１．８において、アスペクト比はおよそ５以下となる。また、規格化格子周期Ｐ／λの減少とともにアスペクト比の屈折率依存性は小さくなり、Ｐ／λ＝０．６では、屈折率ｎにかかわらず、アスペクト比はほぼ一定となる。【００８５】
また、図８から、以下のことが分かる。まず、規格化格子周期Ｐ／λの値によらず、屈折率ｎの増加とともに規格化格子高さＨ／λが低下している。また、規格化格子周期Ｐ／λの減少とともに規格化格子高さＨ／λが低下する。また、Ｐ／λ＝１．０においては、ｎ≦２．０の場合、屈折率ｎの低下とともに規格化格子高さＨ／λが急激に増大する。また、Ｐ／λ≦０．８では、規格化格子高さＨ／λの規格化格子周期Ｐ／λ依存性は比較的小さく、ｎ≧１．８の場合、規格化格子高さＨ／λはおよそ１以下となる。【００８６】
また、図９から、以下のことが分かる。まず、ｎ≦２．０では回折効率はおよそ横ばいで高効率を維持するが、屈折率ｎが２．０よりも大きくなると回折効率は低下し始める。また、Ｐ／λ＝０．６では回折効率が低い傾向にある。【００８７】
以上のことから、屈折率ｎを大きくすることにより、規格化格子高さＨ／λ及びアスペクト比を大幅に低減できることが分かる。【００８８】
実施の形態１の第１偏光分離素子１ａにおける、屈折率ｎ及び規格化格子周期Ｐ／λの範囲は、上述したように、
１．６≦ｎ≦２．２、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦０．８
である。図７、図８及び図９から、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａは、高い回折効率を維持したまま、アスペクト比をおよそ６以下、格子高さを１λ以下程度に抑えることができることが分かる。従って、第１偏光分離素子１ａは、性能を高く維持しながら、容易に製造することができる。【００８９】
さらに、上述したように、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａにおける、屈折率ｎ及び規格化格子周期Ｐ／λは、以下の範囲にあるのが特に好ましい。【００９０】
１．８≦ｎ≦２．０、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦０．８
屈折率ｎ及び規格化格子周期Ｐ／λをこの範囲に設定することにより、さらに高い回折効率を維持したまま、アスペクト比をおよそ４程度にまで抑えることができる。【００９１】
以上のように、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａの構成によれば、性能を高く維持しながら、格子高さ及びアスペクト比を低減することができるので、容易に製造でき、生産性及び機械的強度の高い小型の偏光分離素子を提供することができる。【００９２】
次に、図２（ｂ）に示す第２偏光分離素子１ｂについて、上述の第１偏光分離素子１ａと同様に、その特性を計算によって求めた。【００９３】
ここで、比較のために、構造は実施の形態１の第２偏光分離素子１ｂと同様であるが、
１．８≦ｎ≦２．４、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦１．０
の条件を満たさない従来の偏光分離素子（以下「従来の第２偏光分離素子」という）の特性の計算結果を示す。従来の第２偏光分離素子は、その形状が図２（ｂ）に示す第２偏光分離素子１ｂと同様であるが、凸部が低屈折率材料であるシリカからなるため、上記の条件に合わず、第２偏光分離素子１ｂとは異なっている。可視光を用いる場合を想定して、シリカの屈折率を１．４７とし、入射角θが３０°の場合と４５°の場合について計算した。格子周期Ｐは、それぞれの場合で、ほぼブラッグ条件と合うように、使用する光の波長λで規格化した。具体的には、入射角θが３０°の場合は規格化格子周期Ｐ／λ＝１．０であり、入射角θが４５°の場合は規格化格子周期Ｐ／λ＝０．７である。【００９４】
光の入射は屈折率が１である空気側からとし、基板２裏面のフレネル反射を考慮せずに基板２内部での回折効率を計算した。図１０は、従来の第２偏光分離素子の、ｎ＝１．４７、Ｐ／λ＝０．７である場合の回折効率を示すグラフであり、図１０（ａ）は、ＴＥ偏光の０次回折効率を示し、図１０（ｂ）は、ＴＭ偏光の１次回折効率を示している。【００９５】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）においては、格子高さＨを、使用する光の波長λで規格化した規格化格子高さＨ／λを横軸、格子周期Ｐに対する格子幅ｗの比率であるデューティー比ｗ／Ｐを縦軸とし、これらを連続的に変化させた場合の回折効率が等高線によってマッピングされている。図中、回折効率は、黒から白にかけて０％から１００％となるようなグレースケールで示されている。つまり、白っぽい箇所ほど回折効率が高い。【００９６】
図１０から分かるように、図３〜図６と同様に、各回折効率（ＴＥ偏光の０次回折効率及びＴＭ偏光の１次回折効率）は、規格化格子高さＨ／λとデューティー比ｗ／Ｐに依存し、周期的に変動する。偏光分離機能を得るには、ＴＥ偏光の０次回折効率及びＴＭ偏光の１次回折効率が共に高い構造であればよい。また、製造が容易である構造とするには、規格化格子高さＨ／λを小さく、デューティー比ｗ／Ｐを大きくするのが望ましい。【００９７】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）において、ＴＥ偏光の０次回折効率及びＴＭ偏光の１次回折効率が共に高効率となる範囲が丸印で示されている。【００９８】
この範囲での従来の第２偏光分離素子の構造と特性の一例を、以下に示す。【００９９】
屈折率ｎ：１．４７
規格化格子周期Ｐ／λ：０．７
入射角θ：４５°
規格化格子高さＨ／λ：３．１
デューティー比ｗ／Ｐ：０．５７
アスペクト比：７．８
ＴＥ偏光の０次回折効率：９４．７％
ＴＭ偏光の１次回折効率：９８．８％
ＴＥ偏光の１次回折効率：０．２０％
ＴＭ偏光の０次回折効率：０．３９％
１次側の消光比：２７ｄＢ
０次側の消光比：２７ｄＢ
尚、消光比は、下記式よって算出される。【０１００】
１次側の消光比＝１０×ｌｏｇ１０（ＴＭ偏光１次回折効率／ＴＥ偏光１次回折効率）
０次側の消光比＝１０×ｌｏｇ１０（ＴＥ偏光０次回折効率／ＴＭ偏光０次回折効率）
以上の結果から分かるように、シリカのような低屈折率材料を用いて偏光分離素子を製造する場合に、十分な偏光特性を示すための回折効率と消光比を得ようとすると、格子高さＨ及びアスペクト比が非常に大きくなってしまう。従って、かかる偏光分離素子は、機械的強度が低く、製造も困難である。【０１０１】
また、図１１は、従来の第２偏光分離素子の、ｎ＝１．４７、Ｐ／λ＝１．０である場合の回折効率を示すグラフであり、図１１（ａ）は、ＴＥ偏光の０次回折効率を示し、図１１（ｂ）は、ＴＭ偏光の１次回折効率を示している。つまり、図１１は、規格化格子周期Ｐ／λが図１０とは異なる場合の、各回折効率（ＴＥ偏光の０次回折効率及びＴＭ偏光の１次回折効率）を示すグラフである。【０１０２】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）において、ＴＥ偏光の０次回折効率及びＴＭ偏光の１次回折効率が共に高効率となる範囲が丸印で示されている。【０１０３】
この範囲での従来の第２偏光分離素子の構造と特性の一例を、以下に示す。【０１０４】
屈折率ｎ：１．４７
規格化格子周期Ｐ／λ：１．０
入射角θ：３０°
規格化格子高さＨ／λ：２．９
デューティー比ｗ／Ｐ：０．３４
アスペクト比：８．５
ＴＥ偏光の０次回折効率：９５．９％
ＴＭ偏光の１次回折効率：９７．４％
ＴＥ偏光の１次回折効率：０．９８％
ＴＭ偏光の０次回折効率：０．３２％
１次側の消光比：２０ｄＢ
０次側の消光比：２５ｄＢ
以上の結果から分かるように、シリカのような低屈折率材料を用いて偏光分離素子を製造する場合に、十分な偏光特性を示すための回折効率と消光比を得ようとすると、格子高さＨ及びアスペクト比が非常に大きくなってしまう。従って、かかる偏光分離素子は、機械的強度が低く、製造も困難である。【０１０５】
次に、実施の形態１の第２偏光分離素子１ｂの特性の計算結果を示す。実施の形態１の第２偏光分離素子１ｂは、具体的には、図２（ｂ）に示す構造であり、屈折率ｎが２．２、規格化格子周期Ｐ／λが０．７に設定されている。図１２は、本発明の実施の形態１における第２偏光分離素子の、ｎ＝２．２、Ｐ／λ＝０．７である場合の回折効率を示すグラフであり、図１２（ａ）は、ＴＥ偏光の０次回折効率を示し、図１２（ｂ）は、ＴＭ偏光の１次回折効率を示している。【０１０６】
また、別に、屈折率ｎが２．２、規格化格子周期Ｐ／λが１．０である実施の形態１の他の第２偏光分離素子１ｂの特性の計算結果も示す。図１３は、本発明の実施の形態１における第２偏光分離素子の、ｎ＝２．２、Ｐ／λ＝１．０である場合の回折効率を示すグラフであり、図１３（ａ）は、ＴＥ偏光の０次回折効率を示し、図１３（ｂ）は、ＴＭ偏光の１次回折効率を示している。【０１０７】
図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）においては、格子高さＨを使用する光の波長λで規格化した規格化格子高さＨ／λを横軸、格子周期Ｐに対する格子幅ｗの比率であるデューティー比ｗ／Ｐを縦軸とし、これらを連続的に変化させた場合の回折効率が等高線によってマッピングされている。図中、回折効率は、黒から白にかけて０％から１００％となるようなグレースケールで示されている。つまり、白っぽい箇所ほど回折効率が高い。【０１０８】
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）において、ＴＥ偏光の０次回折効率及びＴＭ偏光の１次回折効率が共に高効率となる範囲が丸印で示されている。また、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）において、ＴＥ偏光の０次回折効率及びＴＭ偏光の１次回折効率が共に高効率となる範囲が丸印で示されている。【０１０９】
この範囲での実施の形態１の第２偏光分離素子１ｂの構造と特性の一例を、それぞれ以下に示す。【０１１０】
まず、規格化格子周期Ｐ／λが０．７の場合について示す。【０１１１】
屈折率ｎ：２．２
規格化格子周期Ｐ／λ：０．７
入射角θ：４５°
規格化格子高さＨ／λ：１．１２
デューティー比ｗ／Ｐ：０．３７
アスペクト比：４．３
ＴＥ偏光の０次回折効率：９０．３％
ＴＭ偏光の１次回折効率：９１．５％
ＴＥ偏光の１次回折効率：０．５８％
ＴＭ偏光の０次回折効率：０．６４％
１次側の消光比：２１ｄＢ
０次側の消光比：２２ｄＢ
次に、規格化格子周期Ｐ／λが１．０の場合について示す。【０１１２】
偏光分離素子１ａの屈折率ｎ：２．２
規格化格子周期Ｐ／λ：１．０
入射角θ：３０°
規格化格子高さＨ／λ：１．１
デューティー比ｗ／Ｐ：０．２５
アスペクト比：４．４
ＴＥ偏光の０次回折効率：９５．２％
ＴＭ偏光の１次回折効率：９４．３％
ＴＥ偏光の１次回折効率：０．７４％
ＴＭ偏光の０次回折効率：０．０４％
１次側の消光比：３４ｄＢ
０次側の消光比：２１ｄＢ
以上の結果から分かるように、Ｐ／λ＝０．７の場合、ｎ＝１．４７である従来の第２偏光分離素子に比べて、ｎ＝２．２である実施の形態１の第２偏光分離素子１ｂは、格子高さＨが約６４％低減し、アスペクト比が約４５％低減している。【０１１３】
また、Ｐ／λ＝１．０の場合、ｎ＝１．４７である従来の第２偏光分離素子に比べて、ｎ＝２．２である実施の形態１の第２偏光分離素子１ｂは、格子高さＨが約６２％低減し、アスペクト比が約４８％低減している。【０１１４】
以上のように、実施の形態１の第２偏光分離素子１ｂは、良好な特性を有している。また、上述のように、良好な特性を有する第２偏光分離素子において、格子高さＨとアスペクト比は、屈折率ｎに依存している。また、良好な特性を有する第２偏光分離素子において、格子高さＨとアスペクト比は、格子周期Ｐにも大きく依存しているため、格子周期Ｐも最適な値とする必要がある。【０１１５】
ここで、図２（ｂ）に示す構造の第２偏光分離素子１ｂにおいて、規格化格子周期Ｐ／λを０．６、０．７、０．８、１．０の４通りとし、それぞれにおいて屈折率ｎを１．５から２．６までの範囲で変動させて、アスペクト比、規格化格子高さＨ／λ及びＴＥ偏光の０次回折効率を測定した。尚、入射角θは、高い回折効率が得られるブラッグ角（θ＝ｓｉｎ-1（λ／２Ｐ））とした。また、０次のＴＥ偏光の回折効率に対する０次のＴＭ偏光の回折効率がおよそ１％以下（消光比にして約２０ｄＢ前後）、１次のＴＭ偏光の回折効率に対する１次のＴＥ偏光の回折効率がおよそ１％以下となるように設計した。Ｐ／λ＝０．６では入射角がかなり大きくなる（ブラッグ角＝５６．４°）ため、反射損失が発生し、ＴＥ偏光の回折効率の低下を招く。従って、これ以下の格子周期は望ましくない。【０１１６】
これらの測定結果を、図１４、図１５及び図１６に示す。図１４は、第２偏光分離素子１ｂのアスペクト比と屈折率ｎとの関係を示すグラフ、図１５は、第２偏光分離素子１ｂの規格化格子高さＨ／λと屈折率ｎとの関係を示すグラフ、図１６は、第２偏光分離素子１ｂの回折効率（ＴＥ偏光の０次回折効率）と屈折率ｎとの関係を示すグラフである。尚、それぞれの図において、Ｐ／λ＝０．６の場合は「×」で、Ｐ／λ＝０．７の場合は「□」で、Ｐ／λ＝０．８の場合は「△」で、Ｐ／λ＝１．０の場合は「○」で示されている。【０１１７】
図１４から、以下のことが分かる。まず、規格化格子周期Ｐ／λの値によらず、屈折率ｎの増加とともにアスペクト比が低下している。また、アスペクト比の規格化格子周期Ｐ／λ依存性は小さい。また、ｎ≧１．８の場合、規格化格子周期Ｐ／λの値によらず、アスペクト比はおよそ６以下となる。【０１１８】
図１５から、以下のことが分かる。まず、規格化格子周期Ｐ／λの値によらず、屈折率ｎの増加とともに規格化格子高さＨ／λが低下している。また、規格化格子高さＨ／λの規格化格子周期Ｐ／λ依存性は小さい。また、ｎ≧１．８の場合、規格化格子周期Ｐ／λの値によらず、規格化格子高さＨ／λはおよそ１．８以下となる。【０１１９】
図１６から、以下のことが分かる。まず、屈折率ｎが２．２以下の場合、規格化格子周期Ｐ／λの値によらず、一定の高い回折効率が維持され、屈折率ｎが２．３よりも大きくなると、屈折率ｎの増加とともに回折効率が低下する。また、Ｐ／λ＝０．６ではおおむね回折効率が低い傾向にある。【０１２０】
以上のことから、屈折率ｎを大きくすることにより、規格化格子高さＨ／λ及びアスペクト比を大幅に低減できることが分かる。【０１２１】
実施の形態１の第２偏光分離素子１ｂにおける、屈折率ｎ及び規格化格子周期Ｐ／λの範囲は、上述したように、
１．８≦ｎ≦２．４、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦１．０
である。図１４、図１５及び図１６から、実施の形態１の第２偏光分離素子１ｂは、高い回折効率を維持したまま、アスペクト比をおよそ６以下、格子高さを１．８λ以下程度に抑えることができることが分かる。従って、第２偏光分離素子１ｂは、性能を高く維持しながら、容易に製造することができる。【０１２２】
さらに、上述したように、実施の形態１の第２偏光分離素子１ｂにおける、屈折率ｎ及び規格化格子周期Ｐ／λは、以下の範囲にあるのが特に好ましい。【０１２３】
１．８≦ｎ≦２．２、かつ、０．７≦Ｐ／λ≦１．０
屈折率ｎ及び規格化格子周期Ｐ／λをこの範囲に設定することにより、さらに高い回折効率を達成することができる。【０１２４】
尚、上述のように、第１偏光分離素子１ａの方が、第２偏光分離素子１ｂよりもアスペクト比を小さく抑えることができるので、製造が容易である。しかし、第１偏光分離素子１ａでは規格化格子周期Ｐ／λが０．８以下であるが、第２偏光分離素子１ｂでは、規格化格子周期Ｐ／λが０．８より大きい場合も含まれている。従って、格子周期Ｐを小さくすることが困難な場合には、第２偏光分離素子１ｂの構成を採るのが望ましい。また、格子周期Ｐが大きいほど入射角θは小さくなるので、入射角θを小さくしたい場合にも、第２偏光分離素子１ｂの構成を採るのが望ましい。従って、規格化格子周期Ｐ／λが０．８以下の場合には、第１偏光分離素子１ａの構成を採るのが望ましく、規格化格子周期Ｐ／λが０．８よりも大きい場合には、第２偏光分離素子１ｂの構成を採るのが望ましい。【０１２５】
また、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す第１及び第２偏光分離素子１ａ、１ｂにおいては、デューティー比ｗ／Ｐを大きくすると、格子高さＨが大きくなる傾向にある。例えば、入射光４ａの波長λが０．６７μｍである第２偏光分離素子を製造する場合、ｎ＝１．４７である従来の第２偏光分離素子では格子高さＨは約２μｍとなる。しかし、ｎ＝２．２の実施の形態１の第２偏光分離素子１ｂでは格子高さＨは０．７４μｍ程度でよい。例えば、基板上に、任意の厚さの膜を形成し、その膜に周期的に溝を形成することにより、偏光分離素子１ｂを製造する場合、その膜の厚さが格子高さＨとなる。従って、上述の従来の第２偏光分離素子のように、格子高さＨが２μｍの場合には、基板上に厚さが２μｍの膜を形成しなければならない。そして、このような厚さの膜を形成する場合には、成膜手法も制限される。例えば、ゾルゲル法によって１μｍ以上の膜を形成する場合には、通常、体積収縮によるクラックが膜に発生する。また、例えば、液相析出法によって膜を形成する場合には、堆積速度が非常に遅いため、厚さが２μｍの膜を形成するのに、数十時間の成膜時間を要してしまう。厚さが２μｍの膜は、スパッタや化学気相堆積法等に代表される真空成膜においては実現可能であるが、その場合でも、膜厚の増加は当然プロセス時間の増加や膜応力の増加をもたらす。従って、従来の偏光分離素子は、製造することも困難である。【０１２６】
実施の形態１の第１及び第２偏光分離素子１ａ、１ｂの製造方法としては、例えば、所望の屈折率を有するバルク材料に周期溝加工を施す方法と、基板上に所望の屈折率を有する材料の薄膜を形成し、当該薄膜に周期溝加工を施す方法とがある。屈折率が１．６以上、さらには屈折率が２．０付近のバルク材料は、選択肢が少なく、通常、高価であることが多い。例えば、サファイアのような結晶性の材料は、高屈折率材料ではあるが複屈折を有し、材料自体も高価である。しかし、屈折率が１．６以上、さらには屈折率が２．０付近の薄膜であれば、選択肢が多い。従って、実施の形態１の第１及び第２偏光分離素子１ａ、１ｂを製造する場合には、基板上に薄膜を形成し、当該薄膜に周期溝加工を施す方法を用いるのが望ましい。【０１２７】
以下、実施の形態１の第１及び第２偏光分離素子１ａ、１ｂの製造方法について、具体的に説明する。図１７は、本発明の実施の形態１における偏光分離素子の製造方法を示す工程断面図である。【０１２８】
まず、図１７（ａ）に示すように、基板１２上に高屈折率を有する薄膜１３を形成する。この薄膜１３が図１における凸部３の材料となるため、薄膜１３の材料としては、第１偏光分離素子１ａ及び第２偏光分離素子１ｂのそれぞれに適した屈折率ｎとなる材料を選択する。高屈折率を有する薄膜１３の材料としては、例えば、Ｔａ2 Ｏ5 、ＴｉＯ2 、ＳｉＮ、ＺｒＯ2 、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｅＯ2 、ＳｎＯ2 、ＺｎＯ、高屈折率多成分ガラス、金属微粒子を含有させた高屈折率ポリマー等がある。また、薄膜の成膜方法としては、一般的に用いられている、真空蒸着やイオンプレーティング、スパッタ等の物理的気相堆積法や化学気相堆積法を用いればよい。また、液相によるものとしては、ゾルゲルコートや液相析出法等がある。【０１２９】
次に、図１７（ｂ）に示すように、薄膜１３上にポリマー１４を塗布する。【０１３０】
次に、図１７（ｃ）に示すように、ポリマー１４を周期的に配置された線状（ライン・アンド・スペース）にパターニングして、マスクを形成する。このパターニングには、感光性ポリマー（フォトレジスト）を用いる手法である、ステッパー、二光束干渉露光法、レーザ描画、電子線描画等を用いることができる。また、熱サイクルナノインプリントや紫外線ナノインプリントに代表されるプレス成形によるパターニングを用いてもよい。【０１３１】
次に、図１７（ｄ）に示すように、ドライエッチングを施すことにより、薄膜１３を周期溝構造に加工する。高屈折率を有する薄膜１３のドライエッチングには、反応性イオンエッチング、イオンビームエッチング、ＥＣＲ（電子サイクロン共鳴）エッチング等を用いることができる。【０１３２】
最後に、図１７（ｅ）に示すように、薄膜１３上に残っているポリマー１４を除去する。【０１３３】
尚、実施の形態１の第１及び第２偏光分離素子１ａ、１ｂの製造においては、使用する光の波長帯や加工性等を考慮して、適宜に、材料、成膜方法、パターニング方法、溝加工方法を選択すべきであり、これらの材料、方法は上記した材料、方法に限定されるものではない。例えば、溝加工方法とマスクの耐久性を考慮してマスクプロセスを選択すべきである。【０１３４】
また、ここでは、ポリマー１４をマスク材として、薄膜１３を加工する場合を例に挙げて説明したが、これ以外の方法を用いてもよい。例えば、高屈折率を有する薄膜１３上に予め金属薄膜を形成しておき、ポリマー１４のパターンを、エッチャントを用いたウエットエッチングやドライエッチングで金属薄膜に転写した後に、薄膜１３を加工するようにしてもよい。また、パターニングしたポリマー１４上に金属膜を成膜した後、有機溶剤等によってポリマー１４を除去して、金属パターンによるマスクを得るようにしてもよい（リフトオフ法）。【０１３５】
次に、実施の形態１の第１及び第２偏光分離素子１ａ、１ｂの他の製造方法について説明する。図１８は、本発明の実施の形態１における偏光分離素子の、金型を用いた製造方法を示す工程断面図である。尚、図１８において、図１７に示す部材と同一の部材には同一の参照符号を付し、それらの説明は省略する。【０１３６】
まず、図１８（ａ）に示すように、基板１２上に高屈折率を有する薄膜１３を形成する。【０１３７】
次に、図１８（ｂ）に示すように、周期溝構造を有する金型１５により、薄膜１３をプレス成形する。【０１３８】
最後に、図１８（ｃ）に示すように、金型１５を離型する。【０１３９】
この製造方法は、図１７を用いて説明した、マスクを用いた製造方法に比べて工程数を削減することができる。従って、さらなる低コスト化が可能である。【０１４０】
格子高さＨ及びアスペクト比が大きい従来の偏光分離素子においては、離型時に偏光分離素子の破壊や金型の破壊等が生じやすいという問題があった。また、金型の構造も、従来の偏光分離素子と同様の周期溝構造であるため、金型の機械的強度も低く、金型を作製することも困難であった。しかし、実施の形態１の第１及び第２偏光分離素子１ａ、１ｂは、格子高さＨ及びアスペクト比が小さいので、離型時に第１及び第２偏光分離素子１ａ、１ｂや金型１５が破壊することはない。また、金型１５の機械的強度も高く、金型１５の作製も容易である。【０１４１】
尚、金型１５を用いた製造方法においては、製造時の歩留まりを向上させるために、薄膜１３の材料として低融点の材料を用いるのが望ましい。具体的には、例えば、高屈折率を有する低融点ガラスである、フツリン酸ガラスやリン酸塩酸化物ガラス等を、薄膜１３の材料として用いればよい。これらの多成分ガラスを用いれば、溶融法によって比較的安価にバルク材を得ることができるので、バルク材を直接プレス加工することにより、第１及び第２偏光分離素子１ａ、１ｂを製造してもよい。また、ターゲットを複数用いた、いわゆる多元系のスパッタ等により、薄膜１３を形成してもよい。また、成膜方法としてゾルゲル法を用いる場合には、例えば、ゾルゲル材料を薄膜コートした後、完全に硬化する前に金型１５によってプレス成形し、その後、加熱硬化させてもよい。【０１４２】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２における光ピックアップについて、図面を参照しながら説明する。尚、実施の形態２の光ピックアップは、偏光ビームスプリッタとして実施の形態１で説明した本発明の偏光分離素子を備えている。【０１４３】
図１９は、本発明の実施の形態２における光ピックアップの構成を示す模式図である。図１９に示すように、実施の形態２の光ピックアップ２０は、レーザダイオード（以下「ＬＤ」という）２２と、偏光ビームスプリッタ（以下「ＰＢＳ」という）２３と、フォトディテクタ（以下「ＰＤ」という）２４と、コリメートレンズ２５と、波長板２６と、集光レンズ２７とを備えている。尚、ＰＢＳ２３としては、実施の形態１における第１偏光分離素子１ａ又は第２偏光分離素子１ｂが用いられている。【０１４４】
ＰＢＳ２３は、入射される光を、回折により、偏光ごとに光路を異ならせて出射する（図２参照）。つまり、ＰＢＳ２３は、回折によって偏光を分離（分岐）することができる。尚、ＰＢＳ２３は、１つの偏光しか含まない光が入射された場合には、この光を分離することはないが、光路を任意の方向に変換することは可能である。また、図２においては、入射光４ａが凸部３側から入射される場合を示しているが、基板２側から光を入射させても、同様に、偏光を分離することが可能である。【０１４５】
次に、光ピックアップ２０の動作について説明する。まず、ＬＤ２２から出射された光２８はＰＢＳ２３で回折され、任意の偏光のみがコリメートレンズ２５に入射する。コリメートレンズ２５に入射した光２８は、コリメートレンズ２５、波長板２６を通過した後、集光レンズ２７によって光ディスク２１上に集光される。光ディスク２１の表面で反射した光２８は、集光レンズ２７、波長板２６、コリメートレンズ２５を順に通過した後、ＰＢＳ２３で回折し、光路を換えてＰＤ２４に入射する。【０１４６】
光ディスク２１上での反射と波長板２６の作用とにより、ＬＤ２２からＰＢＳ２３に入射する光と、光ディスク２１で反射した後にＰＢＳ２３に入射する光とは、偏光方向が９０°異なる。ここで、ＬＤ２２からＰＢＳ２３に入射する光を、任意の偏光のみとしておけば、その光は、ＰＢＳ２３を通過しても、分離されることなくコリメートレンズ２５へと向かう。また、光ディスク２１で反射した後の光は、ＬＤ２２から出射された光とは異なる偏光であるので、ＬＤ２２の光軸とは異なる方向に光路が変換される。この変換された光路にＰＤ２４を設置しておけば、光ディスク２１で反射した後の光がＰＤ２４に入射する。尚、光ディスク２１で反射した後の光も同一の偏光のみを含んでいるので、すべてＰＤ２４へと向かう。【０１４７】
このように、実施の形態２の光ピックアップ２０は、偏光を制御しているため、偏光を制御していない光ピックアップに比べて光の利用効率が高いという効果を奏する。また、ＰＢＳ２３は、小型化が可能であり、高性能であり、低コストであることから、実施の形態２の光ピックアップ２０も、小型化が可能であり、高性能であり、低コストである。【０１４８】
また、光ディスク上の光スポットの位置を補正するために、ＬＤ２２とＰＢＳ２３との間に回折格子を挿入してもよく、この回折格子としては、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａ又は第２偏光分離素子１ｂを用いるのが望ましい。【０１４９】
尚、光ディスク２１としては、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Video Disc）等があり、さらに次世代の高密度光ディスクとして実用化が進められているＢＤ（Blue-Lay Disc）もある。これらの読み書き用レーザの波長は互いに異なる。具体的には、ＣＤ読み書き用レーザの波長は０．７８μｍ、ＤＶＤ読み書き用レーザの波長は０．６５μｍ、ＢＤ読み書き用レーザの波長は０．４０５μｍ（青紫色レーザ）である。【０１５０】
実施の形態２の光ピックアップ２０を、それぞれＣＤ用、ＤＶＤ用、ＢＤ用に設計した場合の、ＰＢＳ２３の各パラメータを下記（表１）に、ＰＢＳ２３の回折効率及び消光比を下記（表２）にそれぞれ示す。ＰＢＳ２３としては、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａ（図１及び図２（ａ）参照）を用いた。また、入射角θは４５°、基板２の屈折率は１．４７、凸部３の屈折率ｎは２．２とした。【０１５１】
【表１】
2007055245.tif 000003
【０１５２】
【表２】
2007055245.tif 000004
【０１５３】
上記（表１）、（表２）から、以下のことが分かる。すなわち、ＴＭ偏光の０次回折効率は９７．４％、ＴＥ偏光の１次回折効率は９０．７％、消光比は２０ｄＢ以上である。また、格子高さＨは０．５μｍ以下である。このように、非常に低い格子高さＨであって、高い回折効率及び消光比を有するＰＢＳ２３が実現されている。【０１５４】
また、回折効率の、ＰＢＳ２３への光の入射角θ及び波長変化量λ1 ／λへの依存性を計算した。ここで、λ1 は、ＬＤ２２から出射された光の波長である。図２０は、本発明の実施の形態２の光ピックアップに用いられるＰＢＳにおける、回折効率の入射角及び波長変化量への依存性を示すグラフであり、図２０（ａ）は、ＴＥ偏光の１次回折効率を示し、図２０（ｂ）は、ＴＭ偏光の０次回折効率を示している。図中、回折効率は、黒から白にかけて０％から１００％となるようなグレースケールで示されている。つまり、白っぽい箇所ほど回折効率が高い。【０１５５】
図２０（ａ）及び図２０（ｂ）において、回折効率が高い範囲は、実線で囲った内側である。そして、ＴＭ偏光の０次回折効率及びＴＥ偏光の１次回折効率が共に高い範囲がこのＰＢＳ２３の使用可能な範囲である。図２０（ａ）及び図２０（ｂ）に示すように、ＴＭ偏光の０次回折効率が高い範囲は、ＴＥ偏光の１次回折効率が高い範囲を含んでいる。従って、ＴＥ偏光の１次回折効率が高い範囲がＰＢＳ２３の使用可能な範囲である。ＴＥ偏光及びＴＭ偏光ともに８０％以上の回折効率を示す入射角θの範囲は、およそ２０°〜６０°、同じくＴＥ偏光及びＴＭ偏光ともに８０％以上の回折効率を示す波長範囲は、およそ０．９λ〜１．２λ（０．３６μｍ〜０．４９μｍ）であり、入射角θと波長の許容範囲が広い。【０１５６】
尚、従来の偏光分離素子をＰＢＳ２３として用いた場合には、格子高さＨが大きいために、入射角θの許容範囲が狭く、使用できる光の波長範囲も狭いという問題点がある。比較のため、従来の偏光分離素子をＰＢＳ２３として用いた場合についても、回折効率の、ＰＢＳ２３への光の入射角θ及び波長変化量λ1 ／λへの依存性を計算した。図２１は、光ピックアップに用いられる従来の偏光分離素子における、回折効率の入射角及び波長変化量への依存性を示すグラフであり、図２1（ａ）は、ＴＥ偏光の１次回折効率を示し、図２１（ｂ）は、ＴＭ偏光の０次回折効率を示している。尚、図２１（ａ）及び図２１（ｂ）において、回折効率が高い範囲は、実線で囲った内側である。【０１５７】
図２１は、図２０に対応するグラフである。従来の偏光分離素子は、格子周期Ｐが０．７λ、格子幅ｗが０．２７Ｐ、格子高さＨが１．３λ、アスペクト比が約７であった。任意の波長の光において、８０％以上の回折効率を発現する有効な入射角θの範囲は約１０°程度しかない。【０１５８】
従って、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａをＰＢＳ２３として用いた実施の形態２の光ピックアップ２０における入射角θの範囲は、従来の偏光分離素子をＰＢＳ２３として用いた場合の約４倍である。光ピックアップの光学系においては、ある程度の角度成分をもった光がＰＢＳ２３に入射することが多い。つまり、入射角θの許容範囲は大きい程望ましく、また、使用される光の波長範囲も大きいほど望ましい。実施の形態２の光ピックアップ２０は、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａを用いたＰＢＳ２３を備えているので、好ましい特性を有する。ここでは、第１偏光分離素子１ａをＰＢＳ２３として用いた場合を例に挙げて説明したが、第２偏光分離素子１ｂをＰＢＳ２３として用いた場合であっても同様の効果が得られる。【０１５９】
また、実施の形態２における光ピックアップ２０のＰＢＳ２３は、異なる波長を有する２種類の光に対して偏光分離を行うように動作させることもできる。そして、これにより、例えば、ＣＤ及びＤＶＤの両方に対応する光ピックアップ２０を提供することができる。【０１６０】
下記（表３）に、ＣＤ及びＤＶＤの両方に対応するＰＢＳのパラメータを示す。【０１６１】
【表３】
2007055245.tif 000005
【０１６２】
上記（表３）に示すパラメータで設計したＰＢＳ２３を備えた光ピックアップ２０をＣＤ用として用いた場合の、ＰＢＳ２３の回折効率及び消光比を下記（表４）に、当該光ピックアップ２０をＤＶＤ用として用いた場合の、ＰＢＳ２３の回折効率及び消光比を下記（表５）に示す。具体的には、ＣＤ用として用いた場合とは、入射光の波長を０．７８μｍとした場合であり、ＤＶＤ用として用いた場合合とは、入射光の波長を０．６６μｍとした場合である。尚、ＰＢＳ２３としては、実施の形態１における第１偏光分離素子１ａを用いた。【０１６３】
【表４】
2007055245.tif 000006
【０１６４】
【表５】
2007055245.tif 000007
【０１６５】
上記（表４）及び（表５）から分かるように、ＰＢＳ２３は、入射光の波長が０．７８μｍであっても０．６６μｍであっても、共に良好な特性を示す。従って、ＣＤ及びＤＶＤに適用可能な２波長用のＰＢＳ２３は、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａによって実現することができる。このようなＰＢＳ２３を用いることにより、２種類の光ディスクに対応し、かつ、部品点数を削減することのできる光ピックアップ２０を実現することができる。また、２波長用の光源をこのＰＢＳ２３に組み合わせることにより、部品点数をさらに削減することが可能となる。尚、ＰＢＳ２３は、２波長用に限定されるものではなく、それ以外の複数波長用としてもよい。【０１６６】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３における光アイソレータについて、図面を参照しながら説明する。尚、実施の形態３の光アイソレータは、実施の形態１で説明した本発明の偏光分離素子を備えている。【０１６７】
図２２は、本発明の実施の形態３における光アイソレータの構成を示す模式図である。図２２に示すように、実施の形態３の光アイソレータ３０は、偏光分離素子３１と、１／４波長板３２とを備えている。尚、偏光分離素子３１としては、実施の形態１における第１偏光分離素子１ａ又は第２偏光分離素子１ｂが用いられている。【０１６８】
次に、光アイソレータ３０の動作について説明する。ＴＥ偏光及びＴＭ偏光が混在された光３４は、偏光分離素子３１に入射する。偏光分離素子３１と１／４波長板３２とは、偏光分離素子３１によって分離された偏光のうち、任意の直線偏光（例えば、ＴＭ偏光）のみが１／４波長板３２に入射されるように配置されている。ＴＭ偏光は、１／４波長板３２によって円偏光となる。この円偏光は、反射面３３で反射すると、回転方向を逆にして再び１／４波長板３２に入射し、これにより、偏光が９０°回転する（例えば、ＴＥ偏光となる）。反射面３３で反射され、偏光分離素子３１に入射される光は、ＴＥ偏光であるため、偏光分離素子３１から出射される際には、光３４の光軸とは異なる方向に光路をとる。つまり、反射面３３で反射した光が光３４の光軸上に戻ってくることはない。このように、光アイソレータ３０は、反射戻り光を遮断することができる。【０１６９】
光アイソレータは、光通信における光ファイバの戻り光によるノイズの発生を防止したり、ディスプレイ面の表面反射を防止したりするため等に用いられる。従来の光アイソレータにおいては、高分子フィルムが偏光分離素子として用いられていた。実施の形態３の光アイソレータ３０は、第１偏光分離素子１ａ又は第２偏光分離素子１ｂを偏光分離素子３１として用いていることから、低コストで製造できるうえ、高い消光比や回折効率が得られる。また、偏光分離素子３１を無機材料で製造することができるので、耐久性の高い光アイソレータが得られる。【０１７０】
尚、図２３に示すように、上記の光アイソレータ３０（図２２参照）にＬＤ４４とＰＤ４５とを付加することにより、偏光ホログラム４０が得られる。図２３は、本発明の実施の形態３における偏光ホログラムの構成を示す模式図である。ＬＤ４４は、任意の偏光の光４６を、偏光分離素子３１に向かって出射することができる。偏光分離素子３１とＰＤ４５とは、偏光分離素子３１から出射された光がＰＤ４５に入射されるように配置されている。【０１７１】
次に、偏光ホログラム４０の動作について説明する。ＬＤ４４から出射された任意の直線偏光（例えば、ＴＭ偏光）の光４６は、偏光分離素子３１に入射する。偏光分離素子３１と１／４波長板３２とは、偏光分離素子３１から出射されたＴＭ偏光が１／４波長板３２に入射されるように配置されている。ＴＭ偏光は、１／４波長板３２によって円偏光となる。この円偏光は、光ディスク４３で反射すると、回転方向を逆にして再び１／４波長板３２に入射し、これにより、偏光が９０°回転する（例えば、ＴＥ偏光となる）。光ディスク４３で反射され、偏光分離素子３１に入射される光は、ＴＥ偏光であるため、偏光分離素子３１から出射される際には、光４６の光軸とは異なる方向に光路をとり、ＰＤ４５に入射する。【０１７２】
偏光ホログラムは、例えば、光ピックアップに搭載される。従来の偏光ホログラムは、複屈折性の結晶を微細加工して製造されており、材料コストの低減には限界があった。しかし、実施の形態３の偏光ホログラム４０は、第１偏光分離素子１ａ又は第２偏光分離素子１ｂを偏光分離素子３１として用いていることから、安価な材料を選択することで大幅なコスト削減が可能となる。実施の形態３の偏光ホログラム４０は、低コストで製造できるうえ、高い消光比や回折効率が得られる。また、偏光分離素子３１を無機材料で製造することができるので、耐久性の高い偏光ホログラムが得られる。【０１７３】
尚、上述の光アイソレータ及び偏光ホログラム以外に、実施の形態１の第１偏光分離素子１ａ又は第２偏光分離素子１ｂを用いて様々な光デバイスを構成することができる。第１偏光分離素子１ａ又は第２偏光分離素子１ｂは、低コストで製造できるうえ、高い消光比や回折効率が得られ、耐久性も高い。従って、第１偏光分離素子１ａ又は第２偏光分離素子１ｂを用いれば、耐久性が高く、低コストで製造でき、性能も高い光デバイスを得ることができる。【０１７４】
また、実施の形態１〜３で具体的に示した構造はあくまでも一例であり、本発明は、これらの具体例のみに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１７５】
本発明の偏光分離素子は、高性能であり、低コストで容易に製造することができる。従って、本発明の偏光分離素子は、あらゆる光回路及び光学機器等に使用することができ、それらの高性能化及び低コスト化を実現することができる。
【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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【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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【図２３】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年4月23日(2007.4.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に互いに平行に等間隔で設けられた複数のリッジ状の凸部とを備え、前記複数の凸部に入射される光を、回折によって偏光分離する偏光分離素子であって、
入射される前記光に対する前記凸部の屈折率をｎ、隣接する前記凸部間の間隔と前記凸部の幅との和である格子周期をＰ、入射される前記光の波長をλとしたとき、
１．８≦ｎ≦２．２、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦０．８
の条件を満たし、
入射される前記光を、磁場の振動方向が前記凸部の長さ方向と同じであるＴＭ偏光の０次回折光と、電場の振動方向が前記凸部の長さ方向と同じであるＴＥ偏光の１次回折光とに分離することを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
基板と、前記基板上に互いに平行に等間隔で設けられた複数のリッジ状の凸部とを備え、前記複数の凸部に入射される光を、回折によって偏光分離する偏光分離素子であって、
入射される前記光に対する前記凸部の屈折率をｎ、隣接する前記凸部間の間隔と前記凸部の幅との和である格子周期をＰ、入射される前記光の波長をλとしたとき、
１．８≦ｎ≦２．４、かつ、０．６≦Ｐ／λ≦１．０
の条件を満たし、
入射される前記光を、電場の振動方向が前記凸部の長さ方向と同じであるＴＥ偏光の０次回折光と、磁場の振動方向が前記凸部の長さ方向と同じであるＴＭ偏光の１次回折光とに分離することを特徴とする偏光分離素子。
【請求項４】
１．８≦ｎ≦２．２、かつ、０．７≦Ｐ／λ≦１．０
の条件を満たす請求項３に記載の偏光分離素子。
【請求項５】
請求項１、３及び４のいずれかに記載の偏光分離素子の製造方法であって、
前記基板上に形成された膜を、周期溝構造を有する金型によってプレス成形することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１、３及び４のいずれかに記載の偏光分離素子の製造方法であって、
前記基板上に形成された膜に、周期的に溝を形成することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１、３及び４のいずれかに記載の偏光分離素子を備えた光ピックアップ。
【請求項８】
前記偏光分離素子が、異なる波長を有する複数の光に対して偏光分離を行う請求項７に記載の光ピックアップ。
【請求項９】
請求項１、３及び４のいずれかに記載の偏光分離素子を備えた光デバイス。
【請求項１０】
請求項１、３及び４のいずれかに記載の偏光分離素子を備えた光アイソレータ。
【請求項１１】
請求項１、３及び４のいずれかに記載の偏光分離素子を備えた偏光ホログラム。
【国際調査報告】
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2007055245.tif 000033
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