(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有するガラス基板の少なくとも一方の主面上に、多数の金属粒子から成る金属粒子層を形成する工程と、該金属粒子層上にガラス層をスパッタリングで形成する工程とを交互に繰り返すことにより、前記金属粒子層と前記ガラス層とが複数層に積層された積層体を作製し、該積層体を３００℃以上前記ガラス層のガラス転移点以下の温度で熱処理した後に、該積層体を積層方向と直交する方向へ熱塑性変形させることにより、前記多数の金属粒子に形状異方性を付与し配向せしめたことを特徴とする偏光素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１の製造方法によって偏光素子を作製し、該偏光素子を光を透過させるファラデー回転子の光入射側及び／又は光出射側に配設することを特徴とする光アイソレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信機器、光記録機器、光センサ等に使用される偏光素子の製造方法および光アイソレータに関し、特に誘電体中に異方性を有する金属粒子が分散された偏光素子の製造方法と、その偏光素子を用いた光アイソレータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
偏光素子は特定の方向に偏光した光を取り出すために用いるもので、光通信，光センサ，光干渉計等に使用されている。例えば、光通信の場合、偏光素子は光アイソレータの主要部品である。光アイソレータは、例えばホルダ内に第１の偏光素子とファラデー回転子と第２の偏光素子とを光軸上に配置し、周囲に同軸のマグネットを配置したものである。
【０００３】
ここで、ホルダには例えばＮｉ−Ｆｅ合金等を用い、偏光素子は低融点ガラスまたは半田でホルダに溶着して気密に封止する。偏光性能は光通信に用いる波長での値が重要であり、光アイソレータはレーザダイオード等を組合わせて用い、第１の偏光素子で特定の方向に偏光した光を取り出し、ファラデー回転子で偏光方向を回転させ、第２の偏光素子で偏光方向を回転させた光を取り出すようにし、逆方向からの反射戻り光は光アイソレータから出射させないようにする。
【０００４】
現在、実用化されている偏光素子は、主としてガラス中に回転楕円体状の銀粒子を分散させたものである（特公平２−４０６１９号公報，対応米国特許ＵＳＰ４，４８６，２１３、及びＵＳＰ４，４７９，８１９）。この偏光素子は、銀とハロゲンとを有するガラス素地を熱処理してハロゲン化銀の粒子を析出させ、加熱下に延伸してハロゲン化銀粒子を回転楕円体状に引き延ばす。この過程でハロゲン化銀粒子に異方性が生じる。次いで、還元雰囲気下で加熱し、ハロゲン化銀を金属銀へ還元する。
【０００５】
ところが、この偏光素子ではアスペクト比（長軸長さと短軸長さとの比）が不均一で、短軸や長軸の長さが均一な銀粒子を析出させることが困難である。さらに、ガラス内部でのハロゲン化銀の還元が困難で不透明なハロゲン化銀が残留する。また、ハロゲン化銀の還元の過程でガラスが収縮することに伴い、ガラス表面がポーラスになり長期安定性が低下する。
【０００６】
このような問題点を解決するために、真空蒸着やスパッタリング等の薄膜形成プロセスを用いて、偏光素子を製造することが提案されている（１９９０年電子情報通信学会，秋季大会，講演予稿集Ｃ−２１２）。この提案では、ガラスから成る誘電体基板上に金属層を真空蒸着で設け、ガラスから成る誘電体層をスパッタリング等でその上に積層する。そして、金属層と誘電体層を交互に数層形成する。次に加熱下で基板を引き延ばし、金属層を不連続で島状の金属粒子の層に変形する。金属粒子層での各金属粒子は延伸方向に引き延ばされて回転楕円体状になり、偏光性能が発現する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発明者らは、このような製造方法では、延伸等の熱塑性変形後に、最上の誘電体層表面において亀裂が発生することを見出した。この原因について、発明者らが鋭意研究を重ねた結果、金属粒子に異方性を与えるための延伸等における加熱時に、偏光層中に含まれる誘電体層の形成用のスパッタリングガスが膨張し、特に積層界面において気泡が発生していることが判明した。さらに、延伸や押し出し等の熱塑性変形を行なうことにより、その気泡が加熱により膨らみ、これが塑性変形で引き裂かれ、最上の誘電体層表面に亀裂を発生させていることが判明した。なおここで、スパッタリングガスが成膜中に含まれる現象は、一般的に「ガス混入」特にスパッタリングガスにＡｒが使用されている場合、「Ａｒトラップ」などと呼ばれ、スパッタ装置を使用する場合避けられないものである。
【０００８】
したがって、従来の偏光素子においてはこのような亀裂の発生により、光の散乱等を引き起こし、ひいては挿入損失を増大させるので、ガラス素地内にハロゲン化銀を析出させて延伸・還元を行なう従来からの製法で得られたものと同等の特性は未だ実現されていなかった。
【０００９】
そこで本発明の目的は、不純物ガスの混入による、偏光層での亀裂発生の恐れが全く無く、偏光特性や長期信頼性に非常に優れた偏光素子の製造方法および光アイソレータの製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明の偏光素子の製造方法は、透光性を有するガラス基板の少なくとも一方の主面上に、多数の金属粒子から成る金属粒子層を形成する工程と、該金属粒子層上にガラス層をスパッタリングで形成する工程とを交互に繰り返すことにより、前記金属粒子層と前記ガラス層とが複数層に積層された積層体を作製し、該積層体を３００℃以上前記ガラス層のガラス転移点以下の温度で熱処理した後に、該積層体を積層方向と直交する方向へ熱塑性変形させることにより、前記多数の金属粒子に形状異方性を付与し配向せしめたことを特徴とする。なお、ガラス基板はとはＢＫ７ガラス、パイレックスガラス、石英ガラス等とする。
【００１１】
また、本発明の光アイソレータの製造方法は、上記製造方法によって偏光素子を作製し、この偏光素子を光を透過させるファラデー回転子の光入射側及び／又は光出射側に配設することを特徴とする。
【００１２】
ここで、誘電体層の膨れる現象は次のように説明される。誘電体層が加熱されると誘電体層中のスパッタリングガスが大気に放出しはじめるが、ガラス転位点付近まで温度が上昇すると、ガラスの粘性が高くなり、通気性が悪くなる。その結果、ガスが大気中に放出されなくなり、誘電体層を膨らませる。スパッタリングガスはガラス転位点温度よりはるかに低い３００℃付近から放出し、４００℃以上でスパッタリングガスが多く放出される。これにより、ガラス転位点以下の温度にて、数時間熱処理を行なうことにより、誘電体層中のスパッタリングガスを所定の値以下にすることが可能となり、ひいては延伸もしくは押し出し時における加熱時に亀裂が発生せず、挿入損失の低い偏光素子を提供できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について図面に基づき説明する。図１及び図２に示すように、偏光素子１は透光性を有する誘電体の基板２の少なくとも一方の主面上に偏光層３を設けたものであり、この偏光層３は誘電体基板２上に個数密度が基板面方向に４０個／μｍ2（平方ミクロン）以下の形状異方性を有する金属粒子４ａが多数分散された金属粒子層４と透光性を有する誘電体層５とが交互に複数積層されて成るものである。また、偏光層３はスパッタリングガスとして好適に使用される０族元素（例えばＡｒ、Ｎｅ、Ｈｅ等）の含有量が１．５×１０20 molecules／cm3以下としている。ここで、透光性を有するとは使用波長に対して透明という意味である。また、金属粒子４ａの個数密度は基板面Ｓ方向における密度であって、少なくとも１個の金属粒子４ａの長軸を含む面（基板面Ｓに平行な面）で切断したときに計測した密度である。なお、図１及び図２では、金属粒子層４と誘電体層５との積層状態の一部を省略して図示している。
【００１４】
基板２は例えばパイレックスガラス（パイレックスとは、コーニング・ガラス・インダストリーの商標）やＢＫ７ガラス（ＢＫ７とは、ショット・グラス社の商品名）等のほう珪酸ガラスを用い、これ以外にシリカガラス等の高融点ガラスやソーダガラス等の低融点ガラスを用いてもよい。また、このようなガラス材料に代えて他の透明材料を用いても良いが、ガラス材料は安価で延伸が容易であるので好適に使用される。
【００１５】
また、ガラス材料の内、特にほう珪酸ガラスが基板２に好ましい。なぜなら、ほう珪酸ガラスの体熱膨張率は、光アイソレータのホルダに使用される金属材料に近似するからである。例えば、ほう珪酸ガラスの体熱膨張率は、ホルダ材料として使用されるＮｉ−Ｆｅ合金の体熱膨張率の９０〜９６×１０−７／℃に近く、ホルダへの封止が極めて容易であるからである。例えば、ＢＫ７ガラスの体熱膨張率は７２〜８９×１０−７／℃程度で、Ｎｉ−Ｆｅ合金の体熱膨張率に非常に近似しているので好適に使用可能である。
【００１６】
誘電体層５は基板２と同種の材料が好ましく、例えば基板２にパイレックスガラスを用いる場合には、誘電体層５にもパイレックスガラスを用い、熱膨張率等の特性を一致させることが好ましい。
【００１７】
金属粒子４ａにはＡｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｉｒ等の貴金属や、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ等の遷移金属から選択される１種以上の金属であることが好ましく、基板２や誘電体層５との濡れ性が悪く凝集しやすい金属でしかも酸化され難く、誘電体層５中で金属粒子４ａとして存在し得るものが好ましい。これらの内、特に好ましいものは、低融点なため凝集が容易で、ガラスとの濡れが悪く、しかも酸化され難いＡｕと、安価でガラスとの濡れ性が悪いＣｕである。なお、金属粒子４ａは金属単体に限定されるものではなく合金でもよい。
【００１８】
金属粒子４ａは回転楕円体状で異方性が有り、図１（ただし、光の進行方向をＺ方向とし、これに直角な平面をＸ−Ｙ平面とする。）では、金属粒子４ａの長軸方向がＸ方向で、短軸方向がＹ方向である。また、金属粒子４ａの長軸長さと短軸長さの比をアスペクト比とし、ここでは多数の金属粒子４ａのアスペクト比の平均値を単にアスペクト比と呼ぶものとする。
【００１９】
金属粒子４ａが回転楕円体状になるのは、基板２上に偏光層３の成膜後の延伸時に、基板２と共に金属粒子４ａが延伸方向に引き延ばされるからである。そして、アスペクト比が高いほど消光比が増加するが、それと同時に基板２の延伸率が増加して延伸が困難になり、しかも消光比の増加率がアスペクト比の高い領域で減少するため、アスペクト比は３〜３０が適当であり、特に好ましくは１５〜２５程度とする。なお、消光比は所定波長において偏光していない入力光を用いた際に、Ｘ方向の透過光とＹ方向の透過光のエネルギーの比をデシベル単位で示したものとする。金属粒子４ａの短軸長さが増加すると、透過すべきＹ方向の偏光に対する挿入損失が増加し、このことからもアスペクト比が３以上、より好ましくは１５以上で短軸長さが短く挿入損失を小さくすることが好ましい。金属粒子４ａの長軸平均長さが増加すると、Ｘ方向の吸収ピーク波長が増加し、光通信で用いる波長域（１．３μｍ程度）に接近する。しかしながら、金属粒子４ａのアスペクト比に製造上の制限があり、短軸長さの増加が挿入損失をもたらすことを加味すると、長軸長さにも制限が生じる。そこで、金属粒子４ａについての好ましい条件は、アスペクト比が３〜３０であり、より好ましくはアスペクト比が１０〜３０、最も好ましくはアスペクト比が１５〜２５である。
【００２０】
上記偏光素子１は、例えば次のようにして作製する。すなわち、まず、透光性を有するガラス基板の少なくとも一方の主面上に、真空蒸着法により多数の金属微粒子から成る金属薄膜層を形成し、この金属薄膜層を加熱することにより金属微粒子が凝集して得られた島状の金属粒子から成る金属粒子層を形成し、この金属粒子層上にガラス層をスパッタリングで形成する。
【００２１】
さらに、このガラス層上に、上記のように金属粒子層を形成する工程とガラス層を形成する工程とを交互に繰り返すことにより、金属粒子層とガラス層とが複数層に積層された積層体を作製する。
【００２２】
そして、この積層体を３００℃以上で且つガラス層のガラス転移点以下の温度で熱処理した後に、この積層体を積層方向と直交する方向へ熱塑性変形させることにより、多数の金属粒子に形状異方性を付与し配向せしめて得られる。ここで、積層体を３００℃以上で且つガラス層のガラス転移点以下の温度で熱処理する理由は、偏光層中に含まれるスパッタリングガスを放出させ、その含有量を１．５×１０20 molecules／cm3以下とさせるためであり、これにより、特に挿入損失を増大させないようにすることができる。ガラス転移点は、例えばＢＫ７ガラスで５８０℃、パイレックスガラスで５５０℃である。そして、後述の表１から明らかなように、ガラス転移点以下で脱ガスすることにより、気泡を発生させずに脱ガスすることができる。
【００２３】
このようにして得られた偏光素子１は、図１に示すように、Ｚ方向に入射した入射光Ｌ１は、Ｘ方向の偏光成分が金属粒子５の自由電子との共鳴で吸収され、Ｙ方向の偏光成分は透過率が高く、偏光した出射光Ｌ２となる。ここで、Ｘ方向とＹ方向とでは吸収のピーク波長に差があり、Ｘ方向ではＹ方向よりも長波長側に吸収のピークがある。なお、特に指摘しない場合、消光比はＸ方向の吸収のピークが生じる波長で定めるものとする。
【００２４】
したがって、例えば、上記の偏光素子１をファラデー回転子における光入射側及び光出射側の少なくとも一方側に配設し、偏光素子１の金属粒子層４及び誘電体層５に光を入射するようにして光アイソレータを構成すれば、特性及び信頼性の高いものが提供できる。
【００２５】
【実施例】
〔比較例〕基板には７６ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍの大きさのＢＫ７ガラスを使用した。また、成膜装置としては、多元マグネトロンスパッタ装置を使用し、ターゲットには図１における金属粒子層４を成す銅と誘電体層５を成すＢＫ７ガラスを使用した。さらに、スパッタリングガスにはＡｒを利用した。スパッタ条件はＲＦパワー２０Ｗ、スパッタ圧は約２．０×１０−３Torr、Ａｒガスの流量は約１０ｃｃｍ、銅の膜厚約２４ｎｍに設定し、銅微粒子を凝集させて成長させる為、金属膜の成膜直後に約５００℃，６０分間の熱処理を行ない、銅微粒子を所定の大きさの銅粒子に成長させた。なお、銅の膜厚は上記スパッタ条件にて、２０分間成膜したものの膜厚を測定し、成膜速度を算出し、この値から導きだしたものである。
【００２６】
次に、銅粒子をガラス中に埋め込む為、上記条件にて作製した銅粒子層の上から、基板材料と同じＢＫ７ガラスを２５０ｎｍに成膜した。上記工程を５回繰り返し、誘電体層４を５層作製した。さらに上記サンプルをＢＫ７ガラスの軟化点温度（７２４℃）以下の６２５℃にて４５ｋｇ／ｍｍ２の応力により、積層方向と直交する方向へ互いに逆向きに応力を加え５０ｍｍの延伸を行なった。なお、パイレックスガラスの軟化点は８２０℃で、延伸は軟化点以下の温度で行なうことが好ましい。
【００２７】
これにより、約４００ｎｍ厚（厚さ約８０ｎｍの誘電体層が５層）の偏光層中にアスペクト比が約１０（短軸長さが２０〜３０ｎｍ）のほぼ回転楕円体を成す金属粒子の多数が分散された、１２６mm×３mm×０．３mm程度の大きさの偏光素子が得られたが、この偏光素子表面（積層表面）には亀裂が発生していた。また、このサンプルの特性を光スペクトルアナライザーにより測定したところ、消光比１５ｄＢ, 挿入損失２ｄＢの望ましくない結果であった。
【００２８】
〔亀裂発生原因の追求〕熱ガス脱離分析（ＴＤＳ）により、上記亀裂の原因となる偏光層中の気泡中に含まれるガスについて、上記比較例で説明した金属粒子層と誘電体層とをそれぞれ５層積層した延伸前のサンプルを用いて分析した。なお、ＴＤＳとは、真空中にて試料を加熱し、その時発生するガスの定性分析を行なうと同時に、真空度の変化を測定する分析である。
【００２９】
その結果を図３に示す。縦軸のＥは１０の指数であることを示す。ここで、Ｘ軸に加熱温度をとり、Ｙ軸に真空度の変化、及びＡｒガスのイオン強度をとった。これによると、５５０℃から６００℃にかけて大きく真空度が変化することが観察され、この温度範囲にて偏光層中の気泡が破裂したと考えられる。また、定性分析を行なった結果、真空度の変化と同時にＡｒガスが発生していることが確認された。これにより、気泡の原因はサンプルの偏光層中からのＡｒの発生であることが確認された。さらに、気泡が破裂する前の温度でもＡｒガスが発生していることも確認された。
【００３０】
そこで、以上の結果を踏まえ、気泡が発生しない温度にて長時間熱処理を行なうことにより、サンプル中のガス含有量を低減させることとした。
【００３１】
まず、気泡が発生しない温度でＡｒが脱ガスできる温度、つまり、サンプル中のＡｒガス含有量を低減させる温度を調査するため、サンプルを真空中で４８０℃から２０℃ずつ上昇させた温度で約１５分間加熱し、そのサンプルの積層界面における目視による気泡の有無、及び表面粗さの変化について測定を行なった。その結果を表１及び図４に示す。
【００３２】
【表１】
0003740248.tif 000002
【００３３】
表１及び図４から明らかなように、熱処理温度が５６０℃以下の場合にはほとんど積層表面には膨らみが全く見られず、積層界面に気泡が発生していなかった。また、表面粗さも１３〜１７Åでほとんど変化がなかった。一方、熱処理温度が５８０℃になると、目視により積層表面に膨らみが見られ積層界面に気泡が発生していることが確認された。また、その気泡の発生と同時に表面粗さも急激に変化することが確認された。その時の表面粗さは１５０℃であり、気泡が発生していない他のサンプルと比較すると１０倍以上の値となった。以上の検討により、脱ガスの為の熱処理温度を５６０℃に決定した。基板２や誘電体層５にパイレックスガラスを用いると、ガラス転移点（５５０℃）より高い５６０℃での脱ガスで気泡が発生して表面粗さが増加し、ガラス転移点以下の５４０℃以下での脱ガスでは気泡が発生せず、表面粗さも２０Å以下にすることができた。
【００３４】
次に、熱処理による脱ガスの効果を確認する為、真空中で約５６０℃にて４時間、８時間、１０時間、１２時間の熱処理時間のそれぞれで加熱したサンプルのＡｒガス含有量、また、そのサンプルの延伸温度である、６２５℃で加熱した時の目視による膨らみ（気泡）の有無、及び表面粗さについて調査を行なった。その結果を表２及び図５に示す。
【００３５】
【表２】
0003740248.tif 000003
【００３６】
表２及び図５から明らかなように、５６０℃で１０時間の熱処理を行なう事により、サンプル中のＡｒ含有量が１．５×１０20molecules／cm３に低減され、延伸の際に６２５℃に加熱しても、積層表面の膨らみ（気泡）がほとんど発生しないことが確認された。特に、５６０℃で１２時間の熱処理を行なう事により、Ａｒ含有量が１．０×１０19molecules／cm３に低減され、延伸の際に６２５℃に加熱しても、積層表面の膨らみ（気泡）が全く発生しないことが確認され、最も望ましくはＡｒ含有量を１．０×１０19molecules／cm３以下にすることがよいことが判明した。
【００３７】
〔偏光素子の製造〕上記検討を踏まえ、積層体を上記比較例と同様にして作製し、その後、サンプルの偏光層中のＡｒの含有量を低減させる為、加熱炉にて５６０℃で１２時間加熱した。なお、この時の雰囲気は大気雰囲気とした。ここで、大気雰囲気でＡｒを脱ガスしたことから明らかなように、脱ガス雰囲気は任意で、好ましくは０族元素の含有量が２容積％以下（大気で１容積％）とする。
【００３８】
次いで、サンプルを６２５℃にて４５ｋｇ／mm2の応力で５０ｍｍの延伸を行なった。このサンプルの積層表面を観察したところ、膨らみは全く見られず積層界面には気泡は全く発生していなかった。さらに、表面粗さも２０Å以下であり非常に平滑なものを得ることに成功した。
【００３９】
また、このサンプルの光学特性を光スペクトルアナライザーにより測定したところ、消光比４０ｄＢ、挿入損失０．１ｄＢの非常に良好な結果を得ることができた。
【００４０】
〔光アイソレータ〕図６に光アイソレータ１０の一部断面斜視図を示すように、光アイソレータ１０はＮｉ−Ｆｅ合金から成るホルダ１１内に、第１偏光素子１２と磁性ガーネット等から成るファラデー回転子１３と第２偏光素子１４とを軸上に配置させ、周囲に同軸の磁石１５を配置させて構成されています。ここで、第１偏光素子１２は、図８に示すように、金属粒子４ａが光の伝搬方向（入射光Ｌ１→出射光Ｌ２）に向かってタテ方向に配向している。また、第２偏光素子１４は、図９に示すように、金属粒子４ａが戻り光の方向（Ｌ２→Ｌ１）方向に向かって斜め方向に配向している。
【００４１】
順方向（入射光Ｌ１→出射光Ｌ２）の偏光面の回転は次のようになる。すなわち、無偏光の光（図７(1)）は、第１偏光素子１２を透過するとタテ方向の光が遮断され、主にヨコ方向の光が透過する（図７(2)）。そして、この透過光がファラデー回転子１３により４５°時計回りに回転させられ（図７(3)）、第２偏光素子１４をそのままの偏光光が透過する（図７(4)）。
【００４２】
一方、逆方向（戻り光〜）の偏光面の回転は次のようになる。すなわち、伝搬経路で反射された無偏光の戻り光（図７(4)）は、第２偏光素子１４を透過すると斜め方向の光が遮断され、その斜め方向と直交する方向の光が主に透過する（図７(3)）。そして、この透過光がファラデー回転子１３により４５°時計回りに回転させられ（図７(2)）、第１偏光素子１２により遮断される（図７(1)）。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の偏光素子及び光アイソレータの製造方法によれば、偏光層中のスパッタリングガスの不純物ガスの含有量を所定値以下とすることにより、偏光素子表面に気泡が生じることなしに、偏光特性及び信頼性の非常に優れた偏光素子及び光アイソレータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る偏光素子の構造を示す斜視図である。
【図２】  本発明に係る偏光素子の要部断面図である。
【図３】  偏光素子からの気泡の発生を示すＴＤＳによる特性図である。
【図４】  延伸前の偏光素子について、熱処理温度と表面粗さとの関係を示す特性図である。
【図５】  延伸前の偏光素子を真空中５６０℃で加熱した際の、熱処理時間と偏光層の表面粗さ及び偏光層中のＡｒ含有量との関係を示す特性図である。
【図６】  光アイソレータの分解状態を示す一部破断斜視図である。
【図７】  本発明に係る光アイソレータの動作原理を説明する図であり、出射光側から入射光側へ向かってみた場合の偏光面の回転を示す図である。
【図８】  本発明に係る光アイソレータの第１偏光素子の金属粒子の配向状態を模式的に示す図である。
【図９】  本発明に係る光アイソレータの第２偏光素子の金属粒子の配向状態を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１：偏光素子
２：基板（誘電体基板）
３：偏光層
４：金属粒子層
４ａ：金属粒子
５：誘電体層
１０：光アイソレータ
１１：ホルダ
１２：第１偏光素子
１３：ファラデー回転子
１４：第２偏光素子
Ｌ１：入射光
Ｌ２：出射光
【図１】
0003740248.tif 000004
【図２】
0003740248.tif 000005
【図３】
0003740248.tif 000006
【図４】
0003740248.tif 000007
【図５】
0003740248.tif 000008
【図６】
0003740248.tif 000009
【図７】
0003740248.tif 000010
【図８】
0003740248.tif 000011
【図９】
0003740248.tif 000012