(57)【要約】【課題】９０°または１８０°といった大きな位相変化を生じさせることができる小型の偏波（偏光）制御素子を実現する。【解決手段】基板１上の金属層２には、互いに交差する第１、第２のスリット１４，１５が設けられる。第１、第２のスリット１４，１５は、波長以下の周期でそれぞれ形成され、第２のスリット１５には誘電体３が埋め込まれる。この結果、第１のスリット１４を通過する偏波成分と第２のスリット１５を通過する偏波成分との間で、誘電体３の屈折率に応じた位相差を生じさせることができる。【選択図】図４
2009192609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波の偏波を制御する偏波制御素子であって、
前記電磁波を透過する基板と、
前記基板上に設けられ、前記電磁波を反射する反射層とを備え、
前記反射層には、第１の方向に沿って複数の第１のスリットが形成され、
前記複数の第１のスリットの各々と隣接する第１のスリットとの中心線間の間隔は、前記電磁波の波長を前記基板の屈折率で割った値より小さく、
前記反射層には、第２の方向に沿うとともに各々が前記複数の第１のスリットに交差する複数の第２のスリットがさらに形成され、
前記複数の第２のスリットの各々と隣接する第２のスリットとの中心線間の間隔は、前記電磁波の波長を前記基板の屈折率で割った値より小さく、
前記複数の第２のスリットの各々には、少なくとも一部の領域に第１の誘電体が埋め込まれる、偏波制御素子。
【請求項２】
前記電磁波は、マイクロ波、赤外光、および可視光のいずれか１つである、請求項１に記載の偏波制御素子。
【請求項３】
前記複数の第１のスリットの各々の幅、および互いに隣接する第１のスリットの中心線間の間隔は、それぞれ一定であり、
前記複数の第２のスリットの各々の幅、および互いに隣接する第２のスリットの中心線間の間隔は、それぞれ一定である、請求項１または２に記載の偏波制御素子。
【請求項４】
前記第２のスリットの各々には、前記複数の第１スリットとの交差部分を含めた全領域に前記第１の誘電体が埋め込まれる、請求項３に記載の偏波制御素子。
【請求項５】
前記第１の方向と前記第２の方向とは直交し、
前記電磁波として、前記第１、第２の方向に電界がそれぞれ振動する互いに同位相の波長λの２つの直線偏波が、前記基板に垂直に入射した場合に、前記偏波制御素子を通過した２つの直線偏波間に所望の位相差Δφを得るために、前記位相差Δφと、前記第１の誘電体の屈折率ｎと、前記反射層および前記第１の誘電体の厚みＬｚと、前記複数の第２のスリットの各々の幅Ｗｘと、隣接する第２のスリットの中心線間の間隔Ｌｘとが、次式
【数１】
2009192609.tif 000010
の関係を満足する、請求項４に記載の偏波制御素子。
【請求項６】
前記第２のスリットの各々には、前記複数の第１のスリットとの交差部分を除いた全領域に前記第１の誘電体が埋め込まれる、請求項３の記載の偏波制御素子。
【請求項７】
前記第１の方向と前記第２の方向とは直交し、
前記電磁波として、前記第１、第２の方向に電界がそれぞれ振動する互いに同位相の波長λの２つの直線偏波が、前記基板に垂直に入射した場合に、前記偏波制御素子を通過した２つの直線偏波間に所望の位相差Δφを得るために、前記位相差Δφと、前記第１の誘電体の屈折率ｎと、前記反射層および前記第１の誘電体の厚みＬｚと、前記複数の第１のスリットの各々の幅Ｗｙと、隣接する第１のスリットの中心線間の間隔Ｌｙとが、次式
【数２】
2009192609.tif 000011
の関係を満足する、請求項６に記載の偏波制御素子。
【請求項８】
前記第１のスリットの各々には、前記複数の第２のスリットとの交差部分を除いた領域の少なくとも一部に、前記第１の誘電体と屈折率の異なる第２の誘電体が埋め込まれる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏波制御素子。
【請求項９】
前記第１の誘電体は、電界に応じて屈折率が変化し、
前記反射層は、前記複数の第１、第２のスリットによって、行列状に並ぶ複数の反射部に分離され、
前記複数の反射部の各々は、前記第１の方向に隣接する反射部との間に設けられた前記第１の誘電体に電界をかけるための電極である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の偏波制御素子。
【請求項１０】
前記偏波制御素子は、前記第２の方向に沿って配列された複数の反射部の列ごとに対応して設けられる複数の透明電極をさらに備え、
前記複数の透明電極の各々は、対応する列の複数の反射部とのみ接続され、
前記複数の透明電極の各々は、前記電磁波を透過する、請求項９に記載の偏波制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波の偏波を制御する素子に関し、特にマイクロ波、赤外光、および可視光の偏波または偏光を制御する素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光を制御するための素子は、特定の偏光方向の電界のみを透過あるいは反射させる偏光子、特定の偏光方向の電界を特定の位相量だけ変化させる位相子、そして特定の偏光状態をランダムな偏光状態に変化させる偏光解消素子に分類される。
【０００３】
これらの偏光制御素子のうちの位相子として、従来から、有機や無機の複屈折材料を利用したもの、全反射における位相シフトを利用したものなどが知られている。さらに、最近になって、光の波長よりも小さい周期構造による位相変調技術が開発されている。
【０００４】
たとえば、特開２００６−３３０１０８号公報（特許文献１）で開示される技術では、基板上に金属の微小構造の集合である金属微小構造の群が形成されている。このような基板に対して光を照射すると、各金属微小構造に生じる近接場光によって、複数の金属微小構造の間で相互作用が生じる。このとき、入射光の偏光に対して金属微小構造の群が非対称に配列されている場合には、金属微小構造間の近接場光相互作用に異方性が生じる。このため、各金属微小構造からの光が重畳された反射光あるいは透過光の偏光成分にも位相差が生じることになり、出射光における偏光状態が変換される。
【特許文献１】特開２００６−３３０１０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
有機の複屈折材料を用いた位相子は、高分子材料に特有な分子構造の異方性に伴なう屈折率の異方性を利用している。有機材料は安価に利用できるメリットがあるものの耐熱性および耐光性が劣るという問題がある。無機の複屈折材料には水晶や方解石などの結晶を利用したものが挙げられる。いずれも耐熱性や耐光性はあるが、複屈折性が小さいため、素子のサイズが大きくなるという問題がある。
【０００６】
一方、全反射を利用した位相子はフレネルプリズムと呼ばれ、全反射時における、ｓ偏光（電界が全反射面と平行な面内にある偏光）とｐ偏光（ｓ偏光と垂直な偏光）の位相シフト量が異なることを利用している。このタイプの位相子は波長分散の小さい位相量が得られることがメリットであるが、やはり素子のサイズが大きくなるという欠点がある。
【０００７】
また、上述の特開２００６−３３０１０８号公報（特許文献１）で開示されている技術では、位相シフト量が小さく、９０°（１／４波長板）または１８０°（１／２波長板）といった実際のデバイスに利用するための位相シフト量を得るのは困難である。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、９０°または１８０°といった大きな位相変化を生じさせることができる小型の偏波（偏光）制御素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は要約すると、電磁波の偏波を制御する偏波制御素子であって、電磁波を透過する基板と、基板上に設けられ、電磁波を反射する反射層とを備える。ここで、反射層には、複数の第１、第２のスリットが形成される。
【００１０】
複数の第１のスリットは、第１の方向に沿って形成される。複数の第１のスリットの各々と隣接する第１のスリットとの中心線の間隔は、電磁波の波長を基板の屈折率で割った値より小さい。
【００１１】
複数の第２のスリットは、第２の方向に沿うとともに各々が複数の第１のスリットに交差するように形成される。複数の第２のスリットの各々と隣接する第２のスリットとの中心線の間隔は、電磁波の波長を基板の屈折率で割った値より小さい。そして、複数の第２のスリットの各々には、少なくとも一部の領域に第１の誘電体が埋め込まれる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数の第１のスリットには、第１の方向と垂直な方向に電界が振動する偏波成分が通過する。複数の第２のスリットには、第２の方向と垂直な方向に電界が振動する偏波成分が通過する。ここで、第２のスリットには第１の誘電体が埋め込まれているので、両方向の偏波成分間で誘電体の屈折率に応じた位相差を生じさせることができる。この結果、位相変化の大きい小型の偏波制御素子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。また、図解を容易にするために、図中の同一または相当する部分に同一のハッチングを付している。
【００１４】
また、本発明の偏波制御素子は、マイクロ波、赤外光、可視光などの電磁波に対して用いられる。以下の各実施の形態の説明では、電磁波および偏波という用語を用いるが、対象とする電磁波の波長が光の領域の場合には、これらの用語は、光および偏光に読替えることができる。
【００１５】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１の偏波制御素子１０の構成を模式的に示す斜視図である。
【００１６】
また、図２は、図１の偏波制御素子１０の正面図であり、図３は、図１の偏波制御素子１０の上面図である。図１〜図３において、基板１の主面１Ａに平行な方向をｘ方向およびｙ方向とし、基板１の主面１Ａに垂直な方向をｚ方向とする。また、以下の図面では図解を容易にするために同一または相当する部分に同一のハッチングを付している。
【００１７】
図１〜図３を参照して、偏波制御素子１０は、石英ガラスなどの基板１と、基板１の主面１Ａ上に形成された金属層２とを含む。基板１は偏波制御素子１０に入射された電磁波に対して透明であることが望ましい。金属層２は入射された電磁波を反射する反射層として用いられる。
【００１８】
金属層２には、ｘ方向に沿う複数の第１のスリット１４と、ｙ方向に沿う複数の第２のスリット１５とが形成される。複数の第１のスリット１４と複数の第２のスリット１５とは互いに交差して格子状に形成される。金属層２は、これらの第１のスリット１４および第２のスリット１５によって、ｘ、ｙ方向に行列状に並ぶ複数の金属ブロック２（本発明の反射部）に分割される。以下では、ｘ方向を金属ブロック２の行方向、ｙ方向を金属ブロック２の列方向とも称する。
【００１９】
なお、図１では、簡単のために、６本の第１のスリット１４、３本の第２のスリット１５を図示している。実際の偏波制御素子１０の金属層２には多数の第１、第２のスリット１４、１５が形成される。
【００２０】
実施の形態１の偏波制御素子１０では、第１のスリット１４と第２のスリット１５とは直交している。また、第１、第２のスリット１４，１５は、それぞれ一定の幅、一定の周期で形成される。第１、第２のスリット１４、１５の周期は、偏波制御素子１０に入射された電磁波の波長を基板の屈折率で割った値より小さく設定される。
【００２１】
金属ブロック２は、ｘ方向の大きさがＤｘ、ｙ方向の大きさがＤｙ、ｚ方向の厚みがＬｚの略直方体の形状を有する。ここで、第１のスリット１４の幅をＷｙとし、第２のスリット１５の幅をＷｘとすれば、互いに隣接する第１のスリット１４の中心線間の距離（第１のスリット１４の周期）は、Ｌｙ＝Ｄｙ＋Ｗｙとなる。同様に、互いに隣接する第２のスリット１５の中心線間の距離（第２のスリット１５の周期）は、Ｌｘ＝Ｄｘ＋Ｗｘとなる。
【００２２】
各第２のスリット１５には、さらに、複数の第１スリット１４との交差部分１７を含めた全領域に第１の誘電体３が埋め込まれる。次に説明するようにこの誘電体３によって、第１、第２のスリット１４、１５をそれぞれ通過する電磁波の偏波成分に位相差を生じさせることができる。
【００２３】
図４は、実施の形態１の偏波制御素子１０の動作を説明するための図である。以下、図４を参照して、偏波制御素子１０の動作について詳述する。
【００２４】
偏波（偏光）とは、電磁波の電界（あるいはそれと直交するの磁界）の振動方向が空間的に偏った状態にあることを示す。電界が振動する方向には電磁波の進行方向に対して垂直で互いに直交する独立な２つの方向があり、電磁波の偏光状態は、この２つの方向の電界の重ね合わせとして表わすことができる。したがって、任意の偏波状態は、これらの独立な２方向の振幅の比と位相差で決定される。たとえば、直線偏波は２つの方向の振動の位相差が０である状態を表わす。また、円偏波は２つの方向の振幅が等しく、位相差が９０°である状態を示している。
【００２５】
図４は、基板に垂直な方向１１（金属層２が形成された基板１の主面１Ａ側から裏面側の方向）に電磁波が入射する場合を示す。図４の場合、入射電磁波の電界１２は、電磁波の進行方向ｋ（ｋは波数ベクトルの方向を示す。）に垂直に振動する直線偏波である。このとき、電磁波の電界１２は、ｘ方向に電界が振動する偏波成分Ｅｘとｙ方向に電界が振動する偏波成分Ｅｙとの和で表わされる。直線偏波の場合、ｘ方向の偏波成分Ｅｘとｙ方向の偏波成分Ｅｙとの位相差は０である。
【００２６】
入射電磁波は、偏波制御素子１０によって偏波成分が制御される。図４の場合、偏波制御素子１０を透過した電磁波の電界１３は、電磁波の進行方向に向かって右回りに旋回する右旋偏波となっている。このような偏波制御素子１０の特性は、金属層２に形成されたスリット１４，１５における電磁波の伝播特性に基づいている。そこで、まず、一方向にスリットが形成されている偏光子の電磁波の伝播特性について図５を参照して説明する。
【００２７】
図５は、偏波制御素子１０の比較例としての偏光子５０の構成を模式的に示す斜視図である。図５の偏光子５０は、ワイヤグリッド偏光子（wire  grid  polarizer）と呼ばれる。
【００２８】
図５を参照して、偏光子５０は、透光性の基板１と、基板１の主面上に形成された金属層２Ａとを含む。金属層２Ａは、ｙ方向に沿ったスリット１５が形成されることによって、複数の金属ブロック２Ａに分割される。
【００２９】
偏光子５０の特性は、入射される電磁波の波長λとスリット１５の周期Ｌｘとの大小関係によって異なる。なお、基板１中では、電磁波の波長が屈折率の分だけ短くなるので、正確には、電磁波の波長λを基板の屈折率で割った値とスリットの周期Ｌｘとを対比する必要がある。以下の説明では、簡単のために基板１の屈折率を１とする。
【００３０】
スリットの周期Ｌｘが電磁波の波長λより大きい場合には、偏光子５０は回折格子として機能する。スリットの周期Ｌｘが電磁波の波長λより短くなると、λ＝Ｌｘ×ｓｉｎθを満足するθが存在しないので、偏光子５０は分光作用を持たなくなる。スリットの周期Ｌｘが波長λより短い場合には、偏光作用が顕著に現れる。
【００３１】
スリットに電磁波が入射する場合、スリット１５に平行な方向に電界Ｅｙを有する偏波は、その波長がスリット幅Ｗｘの２倍より短くないとスリット１５内を伝播することができない。したがって、スリット１５に平行な方向に電界Ｅｙを有する偏波は、その波長がスリット幅Ｗｘより長くなるにつれて、ほとんどすべてが反射されてしまう。一方、スリット１５に垂直な方向に電界Ｅｘを有する偏波は、その波長がスリット１５の幅Ｗｘより長くなってもスリット内の伝播が制限されない。ここで、スリット内を伝播可能な偏波であっても、スリットが単一の場合には、その大部分は金属層の表面で反射されてしまうけれども、多数のスリットを周期的に配列することによって、効率的に電磁波をスリット内に導くことが可能となる。こうして、図５に示すように電磁波の進行方向ｋ（ｋは波数ベクトルの方向を示す。進行方向ｋは、基板１に垂直方向１１である。）に垂直に振動する電界１２のうち、スリットに垂直な方向の偏波成分１６がスリットを通過することになる。
【００３２】
偏光子５０の特性は、金属層２Ａ中の自由電子の応答によっても説明できる。導体中の自由電子は、電磁波を受けるとそれに同期して振動する。したがって、スリット１５に平行な方向に電界を有する直線偏波は、各金属ブロック２Ａ内の自由電子の振動によって遮蔽されるので、ほとんど反射されることになる。一方、スリット１５に垂直な方向に電界を有する直線偏波の場合には、自由電子の動きがスリット１５によって阻止されることになる。したがって、スリット１５に垂直な方向に電界を有する直線偏波の大部分がスリット１５を通り抜ける。このような特性は、ｘ、ｙの両方向に格子状にスリットが配置されている場合でも成り立つ。
【００３３】
再び図４を参照して、偏波制御素子１０には、互いに直交したｘ方向とｙ方向とに平行なスリット１４，１５が設けられている。スリット１４，１５の周期Ｌｙ，Ｌｘは、ｘ、ｙ方向ともに電磁波の波長λよりも短い。ここで、進行方向に垂直な方向に電界が振動する直線偏波が基板１に垂直に入射する場合を考える。なお、以下では、金属層２が配置された２次元面(ｘｙ平面）に垂直に電磁波が入射するものとするが、電磁波が２次元面に傾いていて入射しても扱いは変わらない。
【００３４】
上述したスリットの伝播特性により、ｘ方向に平行な偏波成分はｙ方向に平行な第２のスリット１５内を伝播し、ｙ方向に平行な偏波成分は、ｘ方向に平行な第１のスリット１４内を伝播する。さらに、誘電体３がｙ方向に平行な第２のスリット１５にのみ埋め込まれている。よって、誘電体の屈折率をｎ、電磁波の波長をλ、金属ブロック２の厚さ（スリット内での電磁波の伝播距離に等しい。）をＬｚとすると、誘電体３が埋め込まれた第２のスリット１５内の伝播に伴なう位相シフト量φｘは、
【００３５】
【数１】
2009192609.tif 000003
【００３６】
となる。ただし、πは円周率である。一方、誘電体が埋め込まれていない第１のスリット１４内の伝播に伴なう位相シフト量φｙは
【００３７】
【数２】
2009192609.tif 000004
【００３８】
となる。したがって、第１、第２のスリット１４，１５内の伝播に伴ない、複数の金属ブロック２の裏面において生じるｘ方向に平行な偏波成分とｙ方向に平行な偏波成分の間の位相差Δφは、
【００３９】
【数３】
2009192609.tif 000005
【００４０】
となる。この結果から、たとえば、図４のように、直線偏波１２の電磁波が入射した場合には、式（３）においてΔφ＝０．５φとなるとように金属ブロック２の厚さＬｚと誘電体３の屈折率ｎの素子を作製すれば、出射する電磁波は円偏波１３になる。
【００４１】
上述の結果は、スリットの幅Ｗｘ，Ｗｙが、スリットの周期Ｌｘ，Ｌｙに比べて十分に小さい場合に成り立つ。より正確な位相差Δφの関係式の導出には、第１のスリット１４と第２のスリット１５との交差部分１７を考慮する必要がある。
【００４２】
本件発明者らの検討によれば、ｙ方向に平行な偏波成分は、第１、第２のスリットの交差部分１７にも、第１のスリット１４の幅Ｗｙに等しい幅Ｗｙで伝播することが解明している。したがって、第１のスリット１４の平均的な有効屈折率は、金属ブロック２で挟まれた長さＤｘの部分の空気の屈折率１と、交差部分１７に対応する長さＷｘの誘電体３の屈折率ｎとを平均化した値になる。よって、上式（２）、（３）は、次式（４）、（５）のようにそれぞれ修正される。
【００４３】
【数４】
2009192609.tif 000006
【００４４】
以上のように、実施の形態１の偏波制御素子１０によれば、任意の偏波を有する入射電磁波は、誘電体が埋め込まれた空隙のみを通過する偏波成分と、それと直交して空気の空隙のみを通過する偏波成分とに分かれる。それぞれの偏波成分において有効屈折率が異なるので、偏波制御素子１０を通過後の両偏波成分に大きな位相差が生じる。さらに、誘電体の種類および厚みを変えることにより、屈折率異方性の設計が可能である。偏波制御素子１０は、たとえば、近赤外、可視光用の偏光制御板（１／２波長板、１／４波長板）として用いることができる。
【００４５】
上述の説明において、金属ブロック２の厚みと誘電体３の厚みとが異なっていても、偏波制御素子１０は位相子として機能する。誘電体３の厚みが金属ブロック２の厚みよりも厚い場合には、スリットの外側で電磁波は広がるので、スリットからはみ出した誘電体３の部分は位相子の機能にほとんど影響しない。したがって、この場合、上式（３）、（５）のＬｚは金属ブロック２の厚みとしてよい。逆に、スリットに埋め込まれた誘電体３の厚みが金属ブロック２の厚みより薄い場合には、上式（３）、（５）のＬｚは誘電体３の厚みとしてよい。
【００４６】
また、第１、第２のスリット１４，１５の周期は、それぞれ一定でなくも偏波（偏光）作用は生じる。しかし、スリットの周期が一定のほうが、電磁波の透過率が大きくなり、また、電磁波の透過率も空間的に一様となり、好ましい位相子の特性が得られる。
【００４７】
また、第１、第２のスリット１４，１５の方向は、必ずしも直交していなくても位相子として機能する。しかし、第１、第２のスリット１４，１５の方向が互いに直交しているほうが、電磁波の位相の変換効率がよいと考えられる。
【００４８】
また、金属ブロック２の厚みＬｚの厚みの下限は、電磁波が透過しない程度の厚みが必要である。金属ブロック２の厚みＬｚの上限は、スリットの導波損失で決まる。導波損失にはスリットの作製制度に依存した構造揺らぎによる散乱、および電磁波の波長に依存した金属による電磁波吸収などが考えられる。
【００４９】
次に、偏波制御素子１０の具体的な数値計算例について説明する。
図６は、偏波制御素子１０による位相シフトの数値計算結果を示すグラフである。図６の縦軸は、ｘ方向に平行な偏波成分とｙ方向に平行な偏波成分の位相シフトの差Δφを表わす。図６の横軸は、誘電体３の屈折率ｎを表わす。
【００５０】
先に述べたように、誘電体３の屈折率ｎ、あるいは金属ブロック２の厚さＬｚを変えることにより、偏波状態の制御が可能である。図６は、誘電体３の屈折率ｎを変えたときの位相シフトΔφを示す。このデータ（図６の黒点）は、電磁波の波長としてマイクロ波領域の５００ｍｍを用いた場合について、有限差分時間領域法によって計算したものである。光領域の５００ｎｍの波長の電磁波を用いた場合も同様の結果を確認している。
【００５１】
数値計算に用いたパラメータは、次のとおりである。光領域の場合、金属ブロックの寸法は、Ｄｘ＝２３０ｎｍ、Ｄｙ＝１１０ｎｍ、Ｌｚ＝３００ｎｍであり、第１、第２のスリットの幅は、どちらも２０ｎｍである。また、マイクロ波領域の場合、金属ブロックの寸法は、Ｄｘ＝２３０ｍｍ、Ｄｙ＝１１０ｍｍ、Ｌｚ＝３００ｍｍであり、第１、第２のスリットの幅は、どちらも２０ｍｍである。マイクロ波領域および光領域のいずれの場合も、電磁波は基板１に垂直に入射される。また、誘電体３の厚みと金属ブロック２の厚みとは等しい。
【００５２】
金属ブロックの複素誘電関数は、ドルーデモデルに従って与えられる。ドルーデモデルによれば、電磁波の角周波数ωに対する比誘電率εは、プラズマ周波数をωｐとし、電子の緩和時間を１／Γとし、虚数単位をｉとして、次式で表わされる。
【００５３】
【数５】
2009192609.tif 000007
【００５４】
数値計算では、上式において、Γ＝１．９４ｅ＋１３ｒａｄ／ｓ、ωｐ＝３．５７ｅ＋１５ｒａｄ／ｓ（ただし、ｅは１０の累乗を表わす。）とした。この場合、金属ブロックの特性は、光領域では有限の導電率の金属、マイクロ波領域では完全導体と考えることができる。
【００５５】
図６に示すように、誘電体３の屈折率ｎに対する位相差Δφの依存性は、図６に実線で示した式（３）と一致する。ここで、式（３）では、数値計算のパラメータに合わせて、金属ブロック２の厚さＬｚを波長λの０．６倍としている。
【００５６】
図７は、偏波制御素子１０の製造工程の一例を説明するための図である。以下、図７（Ａ）〜（Ｅ）を参照して、偏波制御素子１０の製造工程について説明する。
【００５７】
まず、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、基板１の主面１Ａ上の全面に誘電体３を製膜する。その後、誘電体３の表面にフォトレジスト４Ａを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによって幅Ｗｘのライン状にパターニングする。図（Ｂ）は図（Ａ）の上面図である。
【００５８】
基板１は、使用する電磁波の波長に対して透明で複屈折性のないものが望ましい。たとえば、マイクロ波では、プラスティックやセラミクス、赤外領域ではシリコン、可視光領域では石英ガラスを含む基板が利用できる。誘電体３は基板１と同様に、使用する波長に対して透明であるものが望ましい。たとえば、マイクロ波では低温で焼結可能なセラミクス、赤外あるいは可視領域ではゾルゲルガラス、ナノ粒子を分散した高分子材料などが、屈折率の調整可能な透明な誘電体として利用可能である。
【００５９】
次に、パターニングしたフォトレジスト４Ａをマスクとして、誘電体３をエッチングする。エッチングの方法として、たとえば、反応性プラズマエッチングなどの異方性エッチングを用いる。エッチング後にフォトレジスト４Ａを除去することによって、図７（Ｃ）に示すように、ライン状の誘電体３が基板１上に形成される。
【００６０】
次に、金属ブロック２をリフトオフ法によって形成する。このため、図７（Ｄ）に示すように、電子ビームリソグラフィなどによって、格子状のスリットが形成される位置（金属ブロック２と逆パターンの位置）にレジストパターン４Ｂを形成する。図の縦方向のレジストパターンは、図７（Ｃ）で形成したライン状の誘電体３の上に形成される。
【００６１】
次に、金属ブロック２として用いられる金属材料を真空蒸着法などにより基板１の主面側の全面に製膜する。金属材料としては、たとえば、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、白金、およびこられの材料からなる合金など、導電率の大きい材料であればよい。電磁波の波長がマイクロ波領域であれば、キャリア密度の大きい半導体も利用可能である。
【００６２】
次に、レジスト４Ｂ上に堆積した不要な金属層をレジストとともに除去することによって、図７（Ｅ）に示す偏波制御素子１０が形成される。
【００６３】
［実施の形態１の変形例］
図８は、実施の形態１の変形例の偏波制御素子１０Ａの構成を模式的に示す正面図である。図８の偏波制御素子１０Ａは、第２のスリット１５のうち第１のスリット１４との交差部分１７を除いた領域に誘電体３Ａが埋め込まれている点で、図１〜図３に示す偏波制御素子１０と異なる。その他の点については、前述の偏波制御素子１０と同様であるので、共通する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００６４】
図８を参照して、スリットの幅Ｗｘ，Ｗｙがスリットの周期Ｌｘ，Ｌｙに比べて十分に小さい場合には、偏波制御素子１０Ａの特性は前述の偏波制御素子１０の特性と同様である。すなわち、基板１に垂直に直線偏波が入射したとき、透過した電磁波のｘ方向に平行な偏波成分とｙ方向に平行な偏波成分の間の位相差Δφは、（３）式で与えられる。
【００６５】
第１のスリット１４と第２のスリット１５との交差部分１７を考慮した場合には、前述の式（１）、（３）が次式（７）、（８）のようにそれぞれ修正される。
【００６６】
【数６】
2009192609.tif 000008
【００６７】
上式の導出では、ｘ方向に平行な偏波成分の電磁波が、第１、第２のスリットの交差部分１７にも、第２のスリット１５の幅Ｗｘに等しい幅Ｗｘで伝播すると考える。そして、第２のスリット１５の平均的な有効屈折率を、金属ブロック２で挟まれた長さＤｙの誘電体３の屈折率ｎと、交差部分１７に対応する長さＷｙの空気の屈折率１との平均として与える。
【００６８】
図９は、実施の形態１の他の変形例の偏波制御素子１０Ｂの構成を模式的に示す正面図である。図９の偏波制御素子１０Ｂは、第１のスリット１４のうち第２のスリット１５との交差部分１７を除いた領域に誘電体３Ｂが埋め込まれている点で、図１〜図３に示す偏波制御素子１０と異なる。その他の点については、前述の偏波制御素子１０と同様であるので、共通する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００６９】
図９を参照して、第２のスリット１５に埋め込まれた誘電体３の屈折率をｎ１とし、第１のスリット１４に埋め込まれた誘電体３Ｂの屈折率をｎ２とする。屈折率ｎ１は、屈折率ｎ２より大きいとする。この場合、基板１に垂直に直線偏波が入射したとき、透過した電磁波のｘ方向に平行な偏波成分とｙ方向に平行な偏波成分の間の位相差Δφは、次式で与えられる。ただし、スリットの幅Ｗｘ，Ｗｙは、スリットの周期Ｌｘ，Ｌｙに比べて十分に小さいとする。
【００７０】
【数７】
2009192609.tif 000009
【００７１】
上述のように、スリットへの誘電体の埋め込み方にはいろいろなバリエーションが考えられる。たとえば、電磁波の波長よりも短い周期で誘電体の部分と空気の部分とが繰返される場合にも、第２のスリット１５の有効屈折率は第１のスリット１４と異なることになる。したがって、このように第２のスリット１５に部分的に誘電体が埋め込まれている場合にも、偏波制御素子１０は位相子として機能する。
【００７２】
［実施の形態２］
実施の形態２では、スリットに埋め込む誘電体として電界により屈折率が変化する材料を用いる。各金属ブロック２は電極として用いられ、誘電体を挟む金属ブロック間に電圧を印加することによって、偏波制御素子を通過する電磁波の偏波状態を印加電圧に応じて変化させることができる。
【００７３】
図１０は、本発明の実施の形態２の偏波制御素子１０Ｃの構成を模式的に示す上面図である。
【００７４】
また、図１１は、偏波制御素子１０Ｃの構成を模式的に示す斜視図である。図１２は、図１１の偏波制御素子１０Ｃのうち基板１および透明電極５の部分を示す斜視図である。図１０〜図１２においても、基板１の主面１Ａに平行な方向をｘ方向およびｙ方向とし、基板１の主面１Ａに垂直な方向をｚ方向とする。また、図１０、図１１では簡単のために、４行６列の金属ブロック２を図示しているけれども、実際の偏波制御素子１０Ｃでは多数の金属ブロック２が行列状に配列される。
【００７５】
図１０〜図１２を参照して、偏波制御素子１０Ｃは、金属ブロック２と同一の幅Ｄｘでｙ方向に延びる複数個の透明電極５をさらに含む点で、実施の形態１の偏波制御素子と異なる。各透明電極５は、ｙ方向に並ぶ金属ブロック２の列２．１〜２．４に対応して設けられ、各列２．１〜２．４ごとに金属ブロック２と基板１との間に形成される。したがって、各透明電極５は、対応する列の金属ブロック２とのみ接続されるので、列方向に並ぶ複数の金属ブロック２に共通の電圧を印加することができる。
【００７６】
透明電極５は、対象とする電磁波に対して透明であることが望ましい。透明電極５として、可視光の領域では、たとえば、ＩＴＯ（Indium  Tin  Oxide：酸化インジウム・スズ）を用いることができる。また、マイクロ波、赤外線領域では、半導体に適当な濃度の不純物をドープした材料を用いることができる。たとえば、ゲルマニウムに少量のガリウムをドープした半導体結晶（Ｇｅ：Ｇａ）にイオン注入によってホウ素をドープした材料などを用いることができる。
【００７７】
偏波制御素子１０Ｃは、さらに、第２のスリット１５に埋め込まれた誘電体３Ｃとして、電界により屈折率が変化する材料が用いられる点において、実施の形態１の偏波制御素子１０と異なる。誘電体３Ｃは、第１、第２のスリット１４，１５の境界部分１７を含めて、隣接する金属ブロック２の間および隣接する透明電極５の間に、基板１の表面に到達するまで埋め込まれる。誘電体３Ｃとして、たとえば、液晶などの有機材料、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの無機の非線形光学結晶を用いることができる。
【００７８】
なお、偏波制御素子１０のその他の点については、実施の形態１の偏波制御素子１０と共通するので、共通する部分については同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００７９】
透明電極５が設けられることによって、金属ブロック２の各列２．１〜２．４に対して交互に電圧を印加すれば、隣接する列の間に設けられた第２のスリット１５に電界が一様に形成される。具体的には、直流電源６を設けて、直流電源６の正極と奇数番目の列２．１，２．３とを接続し、直流電源６の負極と偶数番目の列２．２，２．４とを接続する。これにより、２次元金属ブロック２の偏波制御特性を損なわずに誘電体３Ｃに電界を印加することができる。そして、電界の印加によって誘電体３Ｃの屈折率が変化するので偏波状態を制御できる。
【００８０】
なお、第１のスリット１４を通過した電磁波は、透明電極５を通過するときには広がるので、透明電極５の屈折率は偏波制御特性にはほとんど影響を及ぼさない。
【００８１】
また、透明電極５の幅は必ずしも金属ブロックと同一の幅Ｄｘでなくてもよい。各列２．１〜２．４の金属ブロック２が電気的に接続できればよいので、金属ブロックの幅Ｄｘより狭くても構わない。
【００８２】
図１３は、偏波制御素子１０Ｃの製造工程の一例を説明するための図である。以下、図１３（Ａ）〜（Ｆ）を参照して、偏波制御素子１０Ｃの製造工程について説明する。
【００８３】
まず、図１３（Ａ）に示すように、基板１の主面１Ａ上の全面にＩＴＯなど透明電極５用の材料を製膜する。さらに、製膜したＩＴＯ層の上に、電子ビームリソグラフィーなどにより、幅Ｄｘでｙ方向に延びる透明電極５の形状にパターニングされたフォトレジスト４Ｃを形成する。
【００８４】
次に、フォトレジスト４Ｃをマスクとして、反応性プラズマエッチングなどによりＩＴＯ層をエッチングする。エッチング後にフォトレジスト４Ｃを除去することによって、図１３（Ｂ）に示すように、基板１上に列方向に並ぶ複数の透明電極５が形成される。
【００８５】
次に、図１３（Ｃ）に示すように、透明電極５が形成された基板１の主面１Ａ側の全面に誘電体膜３Ｃを製膜する。製膜した誘電体膜３Ｃの上に、さらに、電子ビームリソグラフィなどにより、ライン状にパターンニングされたフォトレジスト４Ａを形成する。フォトレジスト４Ａは、フォトレジスト４Ｃの逆パターンになっているので、透明電極５の上層には形成されない。
【００８６】
この後、パターニングしたフォトレジスト４Ａをマスクとして、反応性プラズマエッチングなどにより誘電体３をエッチングする。エッチング後にフォトレジスト４Ａを除去することによって、図１３（Ｄ）に示すように、ライン状の誘電体３Ｃと透明電極５とが基板１上に交互に並んだ形状が形成される。
【００８７】
次に、金属ブロック２をリフトオフ法によって形成する。このため、図１３（Ｅ）に示すように、電子ビームリソグラフィなどによって、格子状のスリットが形成される位置（金属ブロック２と逆パターンの位置）にレジストパターン４Ｂを形成する。次に、金属ブロック２として用いられる金属材料をレジストパターン４Ｂの上から真空蒸着法などにより基板１の主面側の全面に製膜する。この後、レジスト４Ｂ上に堆積した不要な金属層をレジストとともに除去することによって、図１３（Ｆ）に示すように、偏波制御素子１０Ｃが形成される。
【００８８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の実施の形態１の偏波制御素子１０の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１の偏波制御素子１０の正面図である。
【図３】図１の偏波制御素子１０の上面図である。
【図４】実施の形態１の偏波制御素子１０の動作を説明するための図である。
【図５】偏波制御素子１０の比較例としての偏光子５０の構成を模式的に示す斜視図である。
【図６】偏波制御素子１０による位相シフトの数値計算結果を示すグラフである。
【図７】偏波制御素子１０の製造工程の一例を説明するための図である。
【図８】実施の形態１の変形例の偏波制御素子１０Ａの構成を模式的に示す正面図である。
【図９】実施の形態１の他の変形例の偏波制御素子１０Ｂの構成を模式的に示す正面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２の偏波制御素子１０Ｃの構成を模式的に示す上面図である。
【図１１】偏波制御素子１０Ｃの構成を模式的に示す斜視図である。
【図１２】図１１の偏波制御素子１０Ｃのうち基板１および透明電極５の部分を示す斜視図である。
【図１３】偏波制御素子１０Ｃの製造工程の一例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００９０】
１  基板、１Ａ  主面、２  金属層（金属ブロック）、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ  誘電体、５  透明電極、１０，１０Ａ〜１０Ｃ  偏波制御素子、１４  第１のスリット、１５  第２のスリット、１７  スリットの交差部分、２２，２３  連結部、Ｌｘ，Ｌｙ  スリットの周期、Ｗｘ，Ｗｙ  スリットの幅。
【図１】
2009192609.tif 000012
【図２】
2009192609.tif 000013
【図３】
2009192609.tif 000014
【図４】
2009192609.tif 000015
【図５】
2009192609.tif 000016
【図６】
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【図７】
2009192609.tif 000018
【図８】
2009192609.tif 000019
【図９】
2009192609.tif 000020
【図１０】
2009192609.tif 000021
【図１１】
2009192609.tif 000022
【図１２】
2009192609.tif 000023
【図１３】
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