专利名称：偏光玻璃、光隔离器及偏光玻璃的制造方法
技术领域：
本发明涉及例如作为在光通信等中利用的小型光隔离器、光开关或电磁传感器等 重要的构成部件之一即偏振器使用的偏光玻璃、光隔离器及偏光玻璃的制造方法。
背景技术：
众所周知，具有形状各向异性的金属微粒例如银粒子、铜粒子在玻璃中发生取向、 分散而成的玻璃，已知由于其金属的光吸收波段因入射偏振光方向而异，因此成为偏振器。 另外，这里所谓形状各向异性是指纵向尺寸和横向尺寸不同，所谓取向是指多数形状各向 异性粒子的长轴方向一致而朝向特定方向，所谓分散是指形状各向异性粒子相互分离地配置。作为上述那样的偏光玻璃，例如是对玻璃基板的两个主表面实施离子交换处理， 从两主表面向玻璃中导入Ag离子后，经热处理而形成Ag胶体微粒，接着拉伸玻璃基板，对 Ag微粒赋予形状各向异性，从而制成偏光玻璃(参照非专利文献1)。该偏光玻璃比较容易 制造，可以降低制造成本，因此备受瞩目。非专利文献1 :K. J. Berg GlassSci. Technol. 68 Cl (1995)，P554但是，对于上述以往的偏光玻璃而言，因离子交换而生成的银粒子所存在的区域 被限定在玻璃表面附近极薄的层中。而且，通过进一步加以拉伸，玻璃的厚度被减小，对于 整体厚度200 μ m的偏光玻璃而言，通常是在自表面3 5 μ m左右的极薄层中存在被拉伸 的银粒子。图5是现有的偏光玻璃的说明图，图5 (a)是现有偏光玻璃的部分截面图，图5 (b) 是表示现有的偏光玻璃发生偏光作用时光行进方向上的Ag粒子的浓度分布的图。如图5 所示，现有的偏光玻璃10，在作为玻璃基板的玻璃基板12的两主表面附近的区域14中，具 有形状各向异性的银的微粒13发生取向并被分散。Ag粒子的浓度分布如图5(b)所示，通 常描绘出在玻璃基板12的表面附近高、随着深入内部而浓度逐渐减少的衰减曲线。使用这种偏光玻璃制作光隔离器时，明确了以下的缺点。以下对这点进行说明。图 6是使用现有的偏光玻璃来构成光隔离器时的作用说明图。在图6中，光隔离器100如下设 置，在偏光轴相互倾斜45度的两片偏光玻璃10a、IOb之间配置作为法拉第旋转器的石榴石 结晶20，用两个永久磁石30a、30b夹着该石榴石结晶20，从而将其设置在其磁场下。另外， 偏光玻璃10a、10b是在玻璃基板的两主表面附近，具有如图5所示那样的分布的形状各向 异性的银粒子在一个方向上发生取向并被分散。现在，考虑的是来自在光隔离器100的图中左边配置的LD光源40的光通过光隔 离器100，到达在图中右边配置的光纤50的情况。由LD光源40射出的光具有正交的光成 分a、b，但当通过光隔离器100的偏光玻璃IOa时，在光成分a、b中，吸收与金属的拉伸方 向平行的光成分a，仅具有垂直方向的光成分b的光发生透射。该透射的光成分b的光(直 线偏振光)，在通过石榴石结晶20时，极化面发生45度法拉第旋转而成为具有光成分c的 光。光成分c这种光，直接透过偏光轴相对于偏光玻璃IOa倾斜45度的偏光玻璃10b，入射 到光纤维50中而传输。
此时，当由于光纤维内发生断线等故障而使传输光返回时，光的直线极化波损坏， 成为具有光成分dl、d2等的光，入射到偏光玻璃IOb中。在该入射的光中，能够通过该偏光 玻璃IOb的光仅是具有极化面与上述光成分c相同的成分e的光(直线偏振光)。该光成 分e这种光，在入射到石榴石结晶20中并通过石榴石结晶20时，使其极化面旋转45度而 成为光成分f的光。光成分f由于其极化面与上述偏光玻璃IOa的偏光轴正交，因此理应 几乎会被完全吸收。由此，应该大体上会阻止自光纤50返回的光返回到LD光源。由于当 返回光入射到LD光源时，光输出晃动不稳定，因此光隔离器被用作防止返回光入射到LD光 源，在可靠性高的光通信中是不可或缺的。然而，根据本申请发明人的研究，明确了使用上述偏光玻璃的光隔离器，其实际上 得到的隔离值与从偏光玻璃的性能等出发所预想到的隔离值相比相当地小。这里，研究其 原因，结果明确了以下的事实。以下对这点进行说明。在图6中，如上所述，作为返回光的光 成分f，由于其极化面与上述偏光玻璃IOa的偏光轴正交，因此理应会被偏光玻璃IOa几乎 完全吸收。但是，在偏光玻璃IOa的与石榴石结晶20贴合那侧的表面，银粒子的浓度高，因 此作为本来应该被等离子体所吸收的光的成分f这种光的一部分发生反射，朝着光纤50侧 的偏光玻璃IOb以光α在石榴石结晶20内传播。此时光α在石榴石结晶20内传播的期 间，其极化面旋转45度，成为光成分g的光而到达偏光玻璃10b。而且，关于偏光玻璃10b， 银粒子在表面附近的浓度也高，因此成分g的光α的一部分被反射而成为光β，在石榴石 结晶20内传播。光β在石榴石结晶20内传播期间，其极化面也旋转45度，成为光成分h 的光而再次到达偏光玻璃10a。这里，成分h的极化面与上述成分b的极化面相同，由于是 能够通过偏光玻璃IOa的极化波，因此该成分h的光直接通过偏光玻璃10a，并直接入射到 LD光源，由此使隔离性能恶化。另外，上述这样的偏光玻璃10a、10b的表面反射，是因偏光玻璃10a、10b的金属浓 度在表面高而产生反射光，因此即使对偏光玻璃10a、10b的两主表面施加防反射膜(AR涂 层)，也无法在本质上得到改善。此外，来自LD光源40的射出光的最初入射到偏光玻璃IOa 时的反射光，通过稍微倾斜由偏光玻璃10a、石榴石结晶20、偏光玻璃IOb构成的一体型光 隔离器100，可以防止直接返回到光源。然而，向光纤50等的传输光成为返回光而返回时， 即使倾斜偏光玻璃等也无法防止该返回光，因此会发生由于光隔离器100的隔离值低而引 起的返回光入射到光源。对于使用了这种偏光玻璃的光隔离器，显示其性能指标的隔离值(ISO :dB)用下 述式计算。Iso (dB) = -IOLog {Rn+10 }··· (1)这里，R表示偏光玻璃的吸收方向的直线偏振光的反射率，η表示反射次数，X是在 偏光玻璃中的反射率R为0时的光隔离器的Iso (dB)。如图6所示，返回光总计反射2次， 因此以R2量自反射为0时的隔离值开始变差。例如，当X为40dB时，当反射率R为3%时， 经(1)式计算Iso为30dB。图7是表示偏光玻璃的吸收方向的直线偏振光的反射率R和隔离值(Iso :dB)的 关系。图中，示出在偏光玻璃中的反射率R为0时的隔离值IS0(dB)X是40dB、35dB、32dB 的情况。由该图可知，在使用形状各向异性金属微粒在表面的浓度高的偏光玻璃来制作光 隔离器时，不能无视反射率的影响，反射率为0时的隔离值为40dB，如果反射率超过3%，则不够作为光隔离器规格的下限的隔离值30dB以上，导致性能的降低。进而，就将在两主表面具有含金属微粒的层的玻璃板进行拉伸而制作偏光玻璃的 制造方法而言，含有形状各向异性金属粒子的层厚薄为数μ m，因此当将拉伸后的偏光玻璃 片的厚度经研磨等达到目标厚度时，经研磨而使金属微粒部分消失，还存在难以将偏光玻 璃的厚度调整到规定值的问题。当偏光玻璃的厚度不一致时，例如在组合多个光隔离器时， 在石榴石膜的两侧贴合偏光玻璃而得到的一体型光隔离器的厚度不一致，将其收容的保持 器的尺寸不恒定，无法大量生产保持器，生产上存在大的障碍。本发明以上述背景而完成，其目的在于，可以比较简单地进行制造且没有表面反 射问题等的偏光玻璃、光隔离器及偏光玻璃的制造方法。
发明内容
用于解决上述课题的技术手段如下所示。(1) 一种偏光玻璃，其特征在于，是在玻璃基体中含有形状各向异性金属粒子且该 金属粒子发生取向并被分散的偏光玻璃，所述金属粒子浓度在显示偏光作用的光的行进方 向上具有如下分布，即在所述玻璃基体的一侧表面附近和另一侧表面附近几乎为零，随着 从所述玻璃基体的一侧向另一侧的靠近而逐渐增加，在所述玻璃基体内达到规定范围的大 小之后，随着向另一侧的靠近而逐渐减少。(2)根据(1)所述的偏光玻璃，其特征在于，所述金属粒子是金属银微粒或金属铜 微粒。(3)根据(1)或(2)所述的偏光玻璃，其特征在于，含有所述形状各向异性金属粒 子的层的厚度合计为20 μ m以下。(4)根据(1) (3)中任一项所述的偏光玻璃，其特征在于，整体的厚度为50μπι 以下。(5)根据(1) (4)中任一项所述的偏光玻璃，其特征在于，对于中心波长为 1. 31 μ m的波长区域的光及中心波长为1. 55 μ m的波长区域的光中的一方或双方的消光比 为30dB以上。(6) 一种光隔离器，其特征在于，使用(1) (5)中任一项所述的偏光玻璃。(7) 一种光隔离器，其特征在于，是含有法拉第旋转元件和至少一个偏振器作为构 成部件的光隔离器，作为所述偏振器，使用了(1) (5)中任一项所述的偏光玻璃。(8) 一种偏光玻璃的制造方法，其特征在于，是制造在玻璃基体中含有形状各向异性金属粒子且该金属粒子发生取向并被分 散的偏光玻璃的制造方法，将两片偏光玻璃以所述金属粒子相互的取向方向一致的方式使具有含金属粒子 层的主表面对置密合，在另一个非密合主表面存在金属粒子层时，除去该含金属粒子层，其 中所述偏光玻璃在至少一个主表面具有所述含金属粒子层，所述含金属粒子层具有所述形 状各向异性金属粒子浓度在表面附近高且朝内部方向减少的浓度分布，由此，所述金属粒子浓度在显示偏光作用的光的行进方向上具有如下分布，即在 所述玻璃基体的一侧表面附近和另一侧表面附近几乎为零，随着从所述玻璃基体的一侧向 另一侧的靠近逐渐增加，在所述玻璃基体内达到规定范围的大小之后，随着向另一侧的靠近而逐渐减少。(9) 一种偏光玻璃的制造方法，其特征在于，采用离子交换法向玻璃基板的主表面导入金属离子，制作具有含金属离子层的含 金属离子玻璃基板，所述含金属离子层具有金属离子浓度在玻璃表面附近高且朝内部方向 减少的浓度分布，通过对所述含金属离子玻璃基板进行加热，使金属粒子生成，制作具有含金属粒 子层的含金属粒子玻璃基板，所述含金属粒子层具有金属粒子浓度在玻璃基板表面附近高 且朝内部方向减少的浓度分布，准备两片所述含金属粒子玻璃基板，在使该玻璃基板的金属粒子生成面相互密合 后进行加热拉伸，使所述金属粒子形成在一个方向上取向的形状各向异性金属粒子，由此制造如下的偏光玻璃，其金属离子浓度在显示偏光作用的光的行进方向上具 有如下分布，即在所述玻璃基体的一侧表面附近和另一侧表面附近几乎为零，随着从所述 玻璃基体的一侧向另一侧的靠近逐渐增加，在所述玻璃基体内达到规定范围的大小之后， 随着向另一侧的靠近而逐渐减少。根据本发明，在使用所谓采用离子交换法向玻璃表面导入金属离子并对其加热而 使金属粒子生成、对其加热拉伸这样比较简单的方法制作时，可以得到表面反射不成问题 的偏光玻璃。此外，由于在表面附近几乎不存在形状各向异性粒子，因此用研磨、蚀刻等方 法使表面附近脱落，由此可以容易地将偏光玻璃调整到规定厚度。进而，在显示偏光作用的 光的行进方向(厚度方向)的中央部分的含有形状各向异性金属粒子的层厚总计较薄，为 10 μ m以内，所以在不损害偏光特性的情况下容易地制作偏光玻璃的厚度为50 μ m以下的 薄的偏光玻璃。
具体实施例方式
图1是本申请发明的实施方式1中的偏光玻璃的说明图，图1(a)是本实施方式1 中的偏光玻璃的部分截面图，图1 (b)是表示本实施方式1的偏光玻璃的银等金属粒子在进 行偏光作用的光的行进方向上的浓度分布的图。如图1所示，关于本实施方式1的偏光玻 璃1，在作为玻璃基体的玻璃基板2中有形状各向异性的金属微粒3发生取向并被分散。该 金属微粒3的尺寸是长轴方向为50 210nm，与长轴方向正交的方向为10 30nm左右。所述金属微粒3，如图所示，长轴方向朝向与接受偏光作用的光L的行进方向(厚 度方向)正交的方向。而且，如图1(b)所示，在偏光作用的光的行进方向上，关于金属粒 子的浓度分布，是在玻璃基板2的一侧的表面附近和另一侧的表面附近几乎为零，随着从 所述玻璃基板2的一侧向另一侧的靠近逐渐增加，在所述玻璃基板2的大致中央部附近达 到最大，之后随着向另一侧的靠近而逐渐减少的分布。在中央部附近的浓度为IXlO8 1 X IO12个/mm3左右即可。偏光玻璃1的厚度tl是0. 03 0. 6mm,金属粒子的存在区域4 的厚度t2是5 30μπι。图2是实施方式1中的偏光玻璃1的制造工序的说明图。以下，边参照图2边对 实施方式1中的偏光玻璃1的制造工序进行说明。首先，制作两片图5所示的现有偏光玻 璃10(参照图2(a))。接着，将两片偏光玻璃10彼此按照形状各向异性金属粒子的取向相 一致的方式使其相互的表面对置而密合(参照图2(b))。接着，用研磨、蚀刻等除去位于未被密合的表面附近存在的含金属微粒层14 (参照图2 (c))。由此，可以得到实施方式1中的 偏光玻璃1。这里，在现有的偏光玻璃10中，当与形状各向异性金属粒子的长轴方向平行的直 线极化波入射时，由于在表面附近存在高浓度的金属，由此产生比较高的反射率，产生反射 光。这被认为是由于玻璃表面的金属微粒浓度增高，所以与镜子的反射相似，示出高反射 率。对此，本实施方式中的偏光玻璃1不会在表面因金属而发生反射，直线极化波入射到偏 光玻璃1的内部，随着金属微粒浓度的缓慢增加，反射率逐渐增加，但是由于金属微粒的等 离子体吸收而直线极化波的强度也渐渐地减少，所以即使到达高浓度的含金属位置(接合 面)，其反射光强度与现有的类型相比也较弱。图3是实施方式2中的偏光玻璃的说明图，图3(a)是实施方式2中的偏光玻璃的 部分截面图，图3(b)是表示实施方式2中的偏光玻璃的金属粒子在进行偏光作用的光的行 进方向上的浓度分布的图。如图3所示，本实施方式2中的偏光玻璃1也与上述实施方式1 中的偏光玻璃一样，是通过使两片使用离子交换法在两主表面附近形成了形状各向异性金 属粒子层的现有偏光玻璃密合而制成，但其使用的两片偏光玻璃与上述实施方式1的情况 不同。S卩，该实施方式2中使用的两片偏光玻璃如下所示，即用两段离子交换法等使最 表面的形状各向异性金属粒子浓度降得较低，在距离最表面ym的内部，形状各向异性金 属粒子浓度达到最高，浓度从此处到内部逐渐降低，关于金属微粒浓度分布的变化，该浓度 的自金属微粒浓度最高的位置向内部方向实质上变为零的位置止的变化，比自最表面到金 属微粒浓度最高的位置的变化缓和。该实施方式中的偏光玻璃，其金属粒子的浓度分布的 变化缓慢，因此可以进一步将光的反射控制得较小。以下，通过实施例对本发明进行更加具体的说明。(实施例1)将硝酸钠和硝酸银以计为2 1混合而成的熔融盐加热到450°C，将厚度2mm 的市售玻璃白板浸渍50小时，玻璃中的钠和熔融盐中的银离子发生离子交换。接着，将该 经离子交换的玻璃白板在650°C热处理10小时，使约45 μ m的球形银微粒析出。自玻璃白 板的两表面到深30 μ m,确认了该银微粒。接着，将使该银微粒析出的玻璃板加热到约700°C进行拉伸。所得的玻璃带的厚度 为0. 2士0. 03mm，含银的层为自两表面其深度为3 μ m。以与拉伸方向平行的方式从该玻璃 带切下IOmm见方的玻璃片作为试样(C)(对应于现有的偏光玻璃)。将两片试样(C)的拉伸方向准确地对齐，借助低熔点玻璃使含银层彼此加热密 合。然后，经研磨将该玻璃片的未贴合的两面的表面均勻地脱落，使其厚度为0. 2mmt，作为 试样(A)(对应于实施方式1的偏光玻璃)。试样(A)通过研磨而玻璃两表面的含银层被完 全除去，仅在厚度的中央部分贴合的部分具有含银层。此外，厚度精度为0.2士0.002mm。此外，对试样(C)的一个主表面进行研磨，将含有银粒子的层除去，经该单面研磨 制成两片厚度为0. Immt的玻璃片。准确地将两片该玻璃片的拉伸方向对齐，并借助低熔点 玻璃使含银层彼此加热密合，作为试样(B)(对应于实施方式2的偏光玻璃)。试样(B)通 过研磨而玻璃两表面的含银层被完全除去，仅在厚度的中央部分贴合的部分具有含银层。 此外，厚度精度为0. 2 士0. 005mm。
接着，使用1. 31 μ m的LD光源，测定了玻璃试样㈧、⑶、(C)的消光比。消光比 由下式表示。消光比=-IOLog(Pout/Pin) [dB]通常的反射率为0. 15%左右的偏光玻璃，即使其消光比在45dB以上，也会由于 石榴石结晶的旋转角的精度、两片偏光玻璃的贴合精度，使得光隔离器的隔离值一般达到 35dB左右。接着，示出测定了试样(A)、(B)、(C)的反射率的结果。图4是表示在试样(A)、 (B)、(C)的反射率的测定中使用的测定系统的图。如图4所示，来自光源65的光，通过格 兰_汤普森棱镜61后转换成一个方向的直线极化波，通过无偏光分波器62后入射到测定 试样64中。这里，在具有反射光时，反射光再次入射到无偏光分波器62中，在检测器63的 方向C衍射，经检测器63检测出来。首先，将涂有Al (铝)的反射板借助^ f >夕'才O 66置于测定试样64的配 置位置，测定入射到检测器63中的反射光强度。接着，借助7 ？ + > ^才·^ ^ 66将进行测 定的偏光玻璃(测定试样)64沿着吸收所入射的直线极化波的方向置于测定试样64的配 置位置，对透射光b达到最小角度的反射光进行测定。这里，7 7 f > ^才O 66起到消 除因材质的折射率差所致的反射的影响的作用。首先由各偏光玻璃试样的反射光P(g)相 对于测定的Al涂层反射板的反射光强度P(Al)的比例，根据下式计算出反射率R。R = P(g)/P(A1)之后，使用试样㈧、⑶、(C)各两片和极化面45度旋转的石榴石结晶、永久磁石， 组装成光隔离器，测定各自的隔离值。将这些结果与上述测定的试样(A)、(B)、(C)的反射 率一起示于表1。表 1光学测定的结果
权利要求
一种偏光玻璃，其特征在于，是在玻璃基体中含有形状各向异性金属粒子且该金属粒子发生取向并被分散的偏光玻璃，所述金属粒子浓度在显示偏光作用的光的行进方向上具有如下分布，即在所述玻璃基体的一侧表面附近和另一侧表面附近几乎为零，随着从所述玻璃基体的一侧向另一侧的靠近而逐渐增加，在所述玻璃基体内达到规定范围的大小之后，随着向另一侧的靠近而逐渐减少。
2.根据权利要求1所述的偏光玻璃，其特征在于，所述金属粒子是金属银微粒或金属 铜微粒。
3.根据权利要求1或2所述的偏光玻璃，其特征在于，含有所述形状各向异性金属粒子 的层的厚度合计为20 μ m以下。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的偏光玻璃，其特征在于，整体的厚度为50μ m以下。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的偏光玻璃，其特征在于，对于中心波长为 1. 31 μ m的波长区域的光及中心波长为1. 55 μ m的波长区域的光中的一方或双方的消光比 为30dB以上。
6.一种光隔离器，其特征在于，使用权利要求1 5中任一项所述的偏光玻璃。
7.一种光隔离器，其特征在于，是含有法拉第旋转元件和至少一个偏振器作为构成部 件的光隔离器，作为所述偏振器，使用了权利要求1 5中任一项所述的偏光玻璃。
8.一种偏光玻璃的制造方法，其特征在于，是制造在玻璃基体中含有形状各向异性金属粒子且该金属粒子发生取向并被分散的 偏光玻璃的制造方法，将两片偏光玻璃以所述金属粒子相互的取向方向一致的方式使具有含金属粒子层的 主表面对置密合，在另一个非密合主表面存在金属粒子层时，除去该含金属粒子层，其中所 述偏光玻璃在至少一个主表面具有所述含金属粒子层，所述含金属粒子层具有所述形状各 向异性金属粒子浓度在表面附近高且朝内部方向减少的浓度分布，由此所述金属粒子浓度在显示偏光作用的光的行进方向上具有如下分布，即在所述玻 璃基体的一侧表面附近和另一侧表面附近几乎为零，随着从所述玻璃基体的一侧向另一侧 的靠近逐渐增加，在所述玻璃基体内达到规定范围的大小之后，随着向另一侧的靠近而逐 渐减少。
9.一种偏光玻璃的制造方法，其特征在于，采用离子交换法向玻璃基板的主表面导入金属离子，制作具有含金属离子层的含金属 离子玻璃基板，所述含金属离子层具有金属离子浓度在玻璃表面附近高且朝内部方向减少 的浓度分布，通过对所述含金属离子玻璃基板进行加热，使金属粒子生成，制作具有含金属粒子层 的含金属粒子玻璃基板，所述含金属粒子层具有金属粒子浓度在玻璃基板表面附近高且朝 内部方向减少的浓度分布，准备两片所述含金属粒子玻璃基板，在使该玻璃基板的金属粒子生成面相互密合后进 行加热拉伸，使所述金属粒子形成在一个方向上取向的形状各向异性金属粒子，由此制造如下的偏光玻璃，其金属离子浓度在显示偏光作用的光的行进方向上具有如下分布，即在所述玻璃基体的一侧表面附近和另一侧表面附近几乎为零，随着从所述玻璃 基体的一侧向另一侧的靠近逐渐增加，在所述玻璃基体内达到规定范围的大小之后，随着 向另一侧的靠近而逐渐减少。
全文摘要
一种偏光玻璃，其特征在于，是在玻璃基体中含有形状各向异性金属粒子且该金属粒子发生取向并被分散的偏光玻璃，所述金属粒子浓度在显示偏光作用的光的行进方向上具有如下分布，即在所述玻璃基体的一侧表面附近和另一侧表面附近几乎为零，随着从所述玻璃基体的一侧向另一侧的靠近而逐渐增加，在所述玻璃基体内达到规定范围的大小之后，随着向另一侧的靠近而逐渐减少。
文档编号C03B23/203GK101939671SQ200980104089
公开日2011年1月5日 申请日期2009年3月26日 优先权日2008年4月21日
发明者三浦义从, 横山精一, 米田嘉隆 申请人:豪雅冠得股份有限公司