CN104303097A - 光学元件和光检测器 - Google Patents
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Abstract
该光学元件是用于使光沿着规定方向透过并调制该光的光学元件(10)，具备具有第1区域(R1)、以及沿着垂直于规定方向的面相对于第1区域(R1)周期排列的第2区域的结构体(11)，第1区域(R1)和第2区域(R2)彼此折射率不同，且均相对于光具有透过性。
Description
技术领域
本发明涉及用于使光透过并调制该光的光学元件、以及具备该光学元件的光检测器。
背景技术
作为利用量子子带间跃迁的光吸收的光检测器，已知的有QWIP(量子阱红外探测器)、QDIP(量子点红外探测器)、QCD(量子级联探测器)等。这些由于不利用能带隙跃迁，因此具有波长范围的设计自由度大、暗电流比较小以及能够在室温下工作等优点。
在这些光探测器当中，QWIP和QCD具备具有量子阱结构或量子级联结构等周期性的层叠结构的半导体层叠体。该半导体层叠体仅在所入射的光具有半导体层叠体的层叠方向的电场分量的情况下由该电场分量产生电流，因而对不具有该层叠方向的电场分量的光(从半导体层叠体的层叠方向入射的平面波)没有光灵敏度。
因此，为了用QWIP或者QCD检测光，有必要以光的电场的振动方向与半导体层叠体的层叠方向一致的方式使光入射。例如，在检测具有垂直于光行进方向的波阵面的平面波的情况下，有必要使光从与半导体层叠体的层叠方向垂直的方向入射，因而作为光检测器的使用变得繁琐。
因此，为了检测不具有半导体层叠体的层叠方向的电场分量的光而在半导体层叠体表面设置金的薄膜并且在该薄膜周期性地形成了具有该光的波长以下的直径的孔的光检测器已为人所知(参照非专利文献1)。在该例子中，由金的薄膜的表面等离子体共振效应来以具有半导体层叠体的层叠方向的电场分量的方式调制光。
另外，在半导体层叠体的表面设置光透过层，在该光透过层的表面形成由凹凸图案构成的衍射光栅以及覆盖该衍射光栅的反射膜的光检测器已为人所知(参照专利文献1)。在该例子中，通过利用该衍射光栅和反射膜的入射光的衍射和反射的效应，以具有半导体层叠体的层叠方向的电场分量的方式调制光。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开2000-156513号公报
非专利文献
非专利文献1：W.Wu,et al.,“Plasmonic enhanced quantum wellinfrared photodetector with high detectivity”,Appl.Phys.Lett.,96,161107(2010).
发明内容
发明所要解决的技术问题
如此，为了检测不具有半导体层叠体的层叠方向的电场分量的光而提出了以具有该层叠方向的电场分量的方式调制该光的技术的各种方案，并期望那样的光的调制的效率化。
即，要求在以半导体层叠体的层叠方向为规定方向的情况下，以具有该规定方向的电场分量的方式高效率地调制不具有该规定方向的电场分量的光的技术。
因此，本发明的目的在于提供能够以具有该规定方向的电场分量的方式高效率地调制不具有规定方向的电场分量的光的光学元件、以及能够使用具有量子阱结构或者量子级联结构的半导体层叠体来检测不具有半导体层叠体的层叠方向的电场分量的光的光检测。
解决技术问题的手段
本发明的光学元件是用于使光沿着规定方向透过并调制该光的光学元件，具备具有第1区域、以及沿着垂直于规定方向的面相对于第1区域周期排列的第2区域的结构体，第1区域和第2区域彼此折射率不同，且均相对于光具有透过性。
在光沿着规定方向入射到该光学元件的情况下，该光通过在结构体中沿着垂直于规定方向的面周期排列的第1区域和第2区域的折射率之差来调制，其后沿着规定方向出射。即，能够以具有该规定方向的电场分量的方式高效率地调制不具有规定方向的电场分量的光。
在此，第1区域的折射率与第2区域的折射率之差可以为2以上。另外，第1区域与第2区域的排列周期可以为1～500μm。由此，就能够以具有该规定方向的电场分量的方式更高效率地调制不具有规定方向的电场分量的光。
透过到本发明的光学元件的光可以是红外线。由此，就能够将本发明的光检测器适当地适用于红外线检测器。
本发明的光学元件中的结构体，可选地，具有设置有沿着规定方向贯通的多个贯通孔的膜体，第1区域是膜体的贯通孔之间的部分，第2区域是贯通孔内的空间。另外，本发明的光学元件中的结构体具有设置有在规定方上的一侧或者另一侧开口的多个凹部的膜体，第1区域可以是膜体的凹部之间的部分，第2区域可以是凹部内的空间。另外，本发明的光学元件中的结构体具有设置有向规定方向上的一侧或者另一侧突出的多个凸部的膜体，第1区域可以是凸部，第2区域可以是凸部之间的空间。具有这样的膜体的结构体可以由1种材料来形成，因而成本低且制造也容易。再者，根据情况从这些当中选择构造体的样态，使得能够以具有该规定方向的电场分量的方式更高效率地调制不具有规定方向的电场分量的光。
本发明的光学元件中的结构体，可选地，具有设置有沿着规定方向贯通的多个贯通孔的膜体、以及埋设在贯通孔内的埋设构件，第1区域是膜体的贯通孔之间的部分，第2区域是埋设构件。另外，本发明的光学元件中结构体，可选地，具有设置有在规定方上的一侧或者另一侧开口的多个凹部的膜体、以及埋设在凹部内的埋设构件，第1区域是膜体的凹部之间的部分，第2区域是埋设构件。另外，本发明的光学元件中的结构体，可选地，具有设置有向规定方向上的一侧或者另一侧突出的多个凸部的膜体、以及埋设在凸部之间的埋设构件，第1区域是凸部，第2区域是埋设构件。由此，能够选择膜体和埋设构件两者的材料，因而第1区域的折射率与第2区域的折射率之差的调整的自由度变高。
本发明的光检测器具备：上述光学元件；半导体层叠体，其配置在相对于光学元件与规定方向上的一侧相反侧的另一侧，通过透过了光学元件的光所具有的规定方向的电场分量产生电流；第1接触层，其形成在半导体层叠体的一侧的表面；以及第2接触层，其形成在半导体层叠体的另一侧的表面。
该光检测器具备上述光学元件，因而入射了的光在透过上述光学元件的过程中被调制。被调制后的光具有半导体层叠体的层叠方向的电场分量，因而通过该电场分量在半导体层叠体产生电流。即，根据该光检测器，能够使用具有量子阱结构和量子级联结构等的半导体层叠体来检测不具有半导体层叠体的层叠方向的电场分量的光。
本发明的光检测器也可以进一步具备从另一侧依次层叠有第2接触层、半导体层叠体、第1接触层以及光学元件的基板。由此，能够谋求光检测器的各个结构的稳定化。
本发明的光检测器还可以进一步具备与第1接触层电连接的第1电极、以及与第2接触层电连接的第2电极。由此，能够有效地检测在半导体层叠体所产生的电流。
在本发明的光检测器中，光学元件可以是在光从一侧入射时产生规定方向的电场分量的光学元件，或者光学元件也可以是在光经由半导体层叠体而从另一侧入射时产生规定方向的电场分量的光学元件。
发明的效果
根据本发明，能够提供能够以具有该规定方向的电场分量的方式高效率地调制不具有规定方向的电场分量的光的光学元件、以及能够使用具有量子阱结构和量子级联结构等的半导体层叠体来检测不具有半导体层叠体的层叠方向的电场分量的光的光检测器。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的光检测器的平面图。
图2是沿着图1的II-II线的截面图。
图3是本发明的第1实施方式的光学元件的平面图。
图4是沿着图3的IV-IV线的截面图。
图5是本发明的第1实施方式的光学元件的变形例的平面图。
图6是本发明的第2实施方式的光学元件的截面图。
图7是本发明的第3实施方式的光学元件的截面图。
图8是本发明的第3实施方式的光学元件的变形例的截面图。
图9是本发明的第4实施方式的光学元件的平面图。
图10是沿着图9的X-X线的端面图。
图11是本发明的第5实施方式的光学元件的平面图。
图12是本发明的第6实施方式的光学元件的平面图。
图13是沿着图12的XIII-XIII线的端面图。
图14是本发明的第6实施方式的光检测器的截面图。
图15是关于图11的光学元件的由FDTD法得到的电场强度分布。
图16是关于图11的光学元件的由FDTD法得到的电场强度分布。
图17是表示关于图11的光学元件的根据折射率差的电场分量的转换效率的图表。
图18是表示关于图9和图10的光学元件的根据折射率差的电场分量的转换效率的图表。
图19是在仿真中所使用的光检测器的平面图。
图20是沿着图19的XX-XX线的截面图。
图21是关于图19所使用的光检测器的光学元件的由FDTD法得到的垂直电场强度光谱。
符号说明
1,100,200…光检测器，2…基板，3,5…接触层，4…半导体层叠体，6,7…电极，10,20,30,40,50…光学元件，11,21,31,41,51…结构体，12,22…贯通孔，13,23,33,43…膜体，13a,23a…贯通孔之间的部分，33a…凹部之间的部分，24…埋设构件，32…凹部，33a…凹部之间的部分，43a…凸部，R1…第1区域，R2…第2区域，S…空间。
具体实施方式
以下，就本发明的优选实施方式，一边参照附图一边进行详细说明。还有，在各图中对相同部分或者相当部分赋予相同符号，省略重复的说明。还有，在本说明书中“折射率”是指关于入射光波长的折射率。另外，本实施方式的光检测器所要检测的光(入射到光学元件的光)是红外线(波长为2～1000μm的光)。
[第1实施方式]
如图1和图2所示，光检测器1具备由InP构成的矩形板状的基板2，并且在其上层叠有接触层3,5、半导体层叠体4、电极6,7、以及光学元件10。该光检测器1是利用半导体层叠体4中的量子子带间跃迁的光吸收的光检测器。
在基板2的表面2a的整个面，设置有接触层(第2接触层)3。在接触层3的表面3a的中央，设置有具有比表面3a的整个面小的面积的半导体层叠体4。即，半导体层叠体4以在俯视的情况下包含于接触层3的方式配置。在表面3a当中不设置半导体层叠体4的周边区域，电极(第2电极)6以包围半导体层叠体4的方式形成为环状。
在半导体层叠体4的表面4a的整个面，设置有接触层(第1接触层)5。在接触层5的表面5a的中央，设置有具有比表面5a的整个面小的面积的光学元件10。即，光学元件10以在俯视的情况下包含于接触层5的方式配置。在表面5a当中不设置光学元件10的周边区域，电极(第1电极)7以包围光学元件10的方式形成为环状。
半导体层叠体4是具有匹配于要检测的光的波长进行设计的多重量子阱结构(或者多重量子级联结构)的半导体层叠体，具体而言，能带隙相互不同的InGaAs和InAlAs的半导体层以每一层数nm的厚度交替层叠。
接触层3,5是用于为了检测在半导体层叠体4所产生的电流而分别电连通半导体层叠体4与电极6,7的层，由InGaAs构成。电极6,7由AuGe或者Ti/Pt/Au等构成。
光学元件10是用于使光从规定方向上的一侧透过到另一侧而调制该光的光学元件。如图3和图4所示，光学元件10具备结构体11，结构体11具有第1区域R1、以及沿着垂直于规定方向的面相对于第1区域R1根据对应于入射光的波长成为1～500μm的周期d周期排列的第2区域R2。第1区域R1和第2区域R2彼此折射率不同，且均相对于入射的光具有透过性。
结构体11具有设置有从规定方向上的一侧贯通到另一侧的多个贯通孔12的膜体13。该多个贯通孔12如图3所示相对于膜体13配置成俯视三角晶格状，各个贯通孔12形成圆柱形状，如图4所示从规定方向上的一侧贯通到另一侧(图2中的半导体层叠体4的层叠方向)。还有，膜体13的厚度优选为10nm～2μm。
在此，第1区域R1是膜体13的贯通孔12之间的部分13a，具体而言由锗构成。第2区域R2是贯通孔12内的空间S，具体而言是空气。即，在从光学元件10的侧俯视光检测器1的情况下(即图1中)，接触层5的一部分从贯通孔12露出。另外，第1区域R1的折射率与第2区域R2的折射率之差优选为2以上，更加优选为3以上。在本实施方式中，关于例如波长为5μm的中红外线，锗的折射率为4.0，空气的折射率为1.0，因而折射率之差为3.0。
如以上所说明，光检测器1具备上述光学元件10，因而在光从规定方向上的一侧入射到该光学元件10的情况下(例如，在平面波从半导体层叠体4的层叠方向入射的情况下)，该光由在结构体11中沿着垂直于规定方向的面周期排列的第1区域R1和第2区域R2的折射率之差来调制，其后，从规定方向上的另一侧出射。即，能够以具有该规定方向的电场分量的方式高效率地调制不具有规定方向的电场分量的光。特别是在光学元件10中由于多个贯通孔12在膜体13中三角晶格状地配置，因此对入射光的偏光方向的依赖性低。另外，第1区域R1的折射率与第2区域R2的折射率之差为2以上，第1区域R1和第2区域R2的排列周期d为1～500μm，根据入射光的波长决定，因而能够更高效率地进行光的调制。此外，光学元件10中的结构体11具有设置有从一侧贯通到另一侧的多个贯通孔12的膜体13，第1区域R1是膜体13的贯通孔12之间的部分13a，第2区域R2是贯通孔12内的空间S。因此，该结构体11能够由1种材料形成，因而成本低且制造也容易。
然后，如上述被调制的光由于具有半导体层叠体4的层叠方向的电场分量，因此该电场分量被半导体层叠体4的多重量子阱结构(或者多重量子级联结构)吸收并产生光电子，其经由电极6,7而作为电流被检测。即，根据该光检测器1，能够检测不具有半导体层叠体4的层叠方向的电场分量的光。另外，本发明的光检测器进一步具备接触层3,5、半导体层叠体4以及支撑光学元件10的基板2，因而光检测器1的各个结构得以稳定。再者，光检测器1进一步具备形成在接触层5的电极7以及形成在接触层3的电极6，且以在光学元件10从一侧看的情况下包含于接触层5的方式配置，半导体层叠体4在从一侧看的情况下以包含于接触层3的方式配置，电极7在接触层5的一侧表面5a当中不设置光学元件10的区域以包围光学元件10的方式环状形成，电极6在接触层3的一侧表面3a当中不设置半导体层叠体4的区域以包围半导体层叠体4的方式环状形成。由此，能够高效率地检测在半导体层叠体4所产生的电流。
此外，在非专利文献1所记载的光检测器中，不仅入射光(这里是红外线)的一部分被金的薄膜遮蔽而且表面等离子体共振自身也是能量损失大，因而导致光敏度降低。另外，表面等离子体共振是指金属中的自由电子与光的电场分量等结合的结果所产生的振动的共振状态，因而存在为了利用表面等离子体共振而在光入射的面存在自由电子是不可或缺的这样的限制。相对于此，在本实施方式的光检测器1中，第1区域R1和第2区域R2均相对于入射光具有透过性，且在光的调制中不利用表面等离子体共振，因而不会发生非专利文献1所记载的光检测器中所看到的光敏度的降低，且使用材料不限制于具有自由电子的金属。
另外，在专利文献1所记载的光检测器中，在光透过层的表面形成衍射光栅，因而作为光检测器的设计的自由度低。相对于此，在本实施方式的光检测器1中，光学元件10是与接触层5分开形成的，因而具有所期望的折射率的材料的选择、以及光学元件10的形成和加工的技术的选择的宽度广。因此，本实施方式的光检测器1其对应于入射光的波长或者所期望的光敏度等的设计自由度大。
还有，上述第1实施方式的光检测器1也能够将该光学元件10做成别的形态。例如，如图5所示，在光学元件10中，也能够替代三角晶格状而将设置于膜体13的多个贯通孔12的配置做成正方晶格状。据此，与三角晶格状的配置情况相比，在入射光为直线偏光的情况下调制光的效率高。
另外，在上述光检测器1中，就光从规定方向上的一侧入射到光学元件10的情况进行了说明，但是也可以使光从光检测器1的背面侧(规定方向上的另一侧)入射并检测该光。由此，能够避免由光学元件10引起的反射和吸收，因而进一步增大光敏度成为可能。此外，在通过倒装芯片接合(flip-chip bonding)将光检测器1搭载于封装体、次基台(Submount)或者集成电路等的状态下，能够简便地使光入射，因而特别是有向图像传感器等发展的可能性变宽阔的优点。
[第2实施方式]
作为本发明的第2实施方式，就光检测器的另一个形态进行说明。第2实施方式的光检测器与第1实施方式的光检测器1的不同点在于替代光学元件10而使用图6所示的光学元件20来作为光学元件。
光学元件20具备结构体21，结构体21具有第1区域R1、以及相对于第1区域R1与第1实施方式中的光学元件10同样地周期排列的第2区域。第1区域R1和第2区域R2彼此折射率不同，并且均相对于入射的光具有透光性。
结构体21具有设置有从规定方向上的一侧贯通到另一侧的多个贯通孔22的膜体23、以及埋设在该贯通孔22内的埋设构件24。该多个贯通孔22以及埋设构件24与第1实施方式中的光学元件10同样地相对于膜体23配置成俯视三角晶格状，各个贯通孔22以及埋设构件24形成圆柱形状，如图6所示从规定方向上的一侧贯通到另一侧(图2中的半导体层叠体4的层叠方向)。还有，膜体23的厚度优选为10nm～2μm。
在此，第1区域R1是膜体23的贯通孔22之间的部分23a，第2区域R2是埋设构件24。作为构成第1区域R1的材料，可以列举与第1实施方式中的光学元件10同样的材料。作为用于构成埋设构件24的材料，可以列举二氧化硅、氮化硅、氧化铝等。二氧化硅例如关于波长5μm的中红外线的折射率为1.3。在此情况下，作为第1区域R1的材料优选使用在该波长上的折射率为3.3以上的材料，例如关于波长5μm的中红外线的折射率为3.4的二氧化硅优选作为构成第1区域R1的材料。
在光学元件20中，由于如上述那样能够选择膜体23和埋设构件24两者的材料，因此第1区域R1的折射率与第2区域R2的折射率之差的调整自由度高。
[第3实施方式]
作为本发明的第3实施方式，就光检测器的另一个形态进行说明。第3实施方式的光检测器与第1实施方式的光检测器1的不同点在于替代光学元件10而使用图7所示的光学元件30来作为光学元件。
光学元件30具备结构体31，结构体31具有第1区域R1、以及相对于第1区域R1与第1实施方式中的光学元件10同样地周期排列的第2区域R2。第1区域R1和第2区域R2彼此折射率不同，且均相对于入射的光具有透过性。
结构体31具有在一侧开口的多个凹部32。该多个凹部32与第1实施方式中的光学元件10同样地相对于膜体33配置成俯视三角晶格状，各个凹部32形成圆柱形状。还有，膜体33的厚度优选为10nm～2μm。
在此，第1区域R1是膜体33的凹部32之间的部分33a，第2区域R2是凹部32内的空间S。作为构成第1区域R1和第2区域R2的材料，可以列举与第1实施方式中的光学元件同样的材料。
在光学元件30中，由于如上述那样不具有从规定方向上的一侧贯通到另一侧的贯通孔，因此空气中的微粒子等无法物理性地从一侧通过到另一侧。即，在应用了这样的光学元件30的本实施方式的光检测器中，光学元件30作为光检测器的表面保护材料起作用，因而光检测器的劣化被抑制。
还有，上述第3实施方式的光检测器也能够将该光学元件30做成别的形态。例如如图8所示在光学元件30中，多个凹部32也可以是不在一侧而在另一侧开口的凹部。另外，也可以如第2实施方式中的光学元件20那样在凹部32埋设有埋设构件。
[第4实施方式]
作为本发明的第4实施方式，就光检测器的另一个形态进行说明。第4实施方式的光检测器与第1实施方式的光检测器1的不同点在于替代光学元件10而使用图9和图10所示的光学元件40来作为光学元件。
光学元件40具备结构体41，结构体41具有第1区域R1、以及相对于第1区域R1与第1实施方式中的光学元件10同样地周期排列的第2区域R2。第1区域R1和第2区域R2彼此折射率不同，且均相对于入射的光具有透过性。
结构体41具有设置有向一侧突出的多个凸部43a的膜体43。该多个凸部43a与第1实施方式中的光学元件10同样地相对于膜体43配置成俯视三角晶格状，各个凸部43a形成圆柱形状，且如图9和图10所示从规定方向上的另一侧向一侧突出。还有，膜体43的厚度(包含凸部43a的高度的厚度)优选为10nm～2μm。
在此，第1区域R1是膜体43的凸部43a，第2区域R2是凸部43a之间的空间S。作为构成第1区域R1和第2区域R2的材料，可以列举与第1实施方式中的光学元件10同样的材料。
还有，上述第4实施方式的光检测器也能够将该光学元件40做成别的形态。例如在光学元件40中，多个凸部43a也可以是从一侧向另一侧突出的凸部。另外，也可以如第2实施方式中的光学元件20那样在凸部43a之间埋设有埋设构件。
[第5实施方式]
作为本发明的第5实施方式，就光检测器的另一个形态进行说明。第5实施方式的光检测器与第1实施方式的光检测器1不同点在于作为光学元件，替代圆柱形状而如图11所示那样将光学元件10中的贯通孔的形状做成缝隙形状。
该缝隙形状的贯通孔12在与缝隙形状的长边方向相垂直的方向上排列成一列。该光学元件10与图5所示的光学元件10相比具有在入射光为直线偏光的情况下调制光的效率更高。
[第6实施方式]
作为本发明的第6实施方式，就光检测器的另一个形态进行说明。第6实施方式的光检测器与第1实施方式的光检测器1不同点在于替代光学元件10而使用图12和图13所示的光学元件50来作为光学元件。
光学元件50具备结构体51，结构体51具有第1区域R1、以及相对于第1区域R1周期排列的第2区域R2。第1区域R1和第2区域R2彼此折射率不同，并且均相对于入射的光具有透过性。
结构体51通过在规定方向上具有高度的相同形状的多个圆柱体53a沿着垂直于规定方向的面配置成俯视三角晶格状而构成。还有，圆柱体53a的高度优选为10nm～2μm。
在此，第1区域R1是圆柱体53a，第2区域R2是圆柱体53a之间的空间S。作为构成第1区域R1和第2区域R2的材料，分别可以列举与第1实施方式中的光学元件10的第2区域R2和第1区域R1同样的材料。
还有，上述第6实施方式的光检测器也能够将该光学元件50做成别的形态。例如，能够替换三角晶格状而将多个圆柱体53a的配置做成正方格子状。另外，构成第1区域的部分不是做成在规定方向上具有高度的多个圆柱体，而是做成在与规定方向相垂直的方向上延伸的多个棒状体，并能够将其如第5实施方式中的光学元件的缝隙形状那样在同一个平面上配置来构成结构体。
[第7实施方式]
作为本发明的第7实施方式，就光检测器的另一个形态进行说明。第7实施方式的光检测器100与第1实施方式的光检测器1不同点在于，如图14所示接触层5替代设置在半导体层叠体4的表面4a的整个面而仅设置在电极7的正下方，以及与此相伴光学元件10直接设置在半导体层叠体4的表面4a。从后述的计算结果(图16)可知，在光透过光学元件时规定方向的电场分量表现最强的是光学元件中的光的出射侧表面附近。因此，本实施方式的光检测器100由于光学元件10与半导体层叠体4直接接触，因此与第1实施方式的光检测器1相比光的检测灵敏度高。
还有，上述第7实施方式的光检测器100也能够将该光学元件10做成别的形态。例如，替代该光学元件10而能够适用上述第2～第6实施方式中的光学元件。
以上，就本发明的优选的实施方式进行了说明，但是本发明丝毫不限定于上述实施方式。例如，作为构成第1区域和第2区域的材料，也可以使用文献(M.Choi et al.,“A terahertz metamaterial with unnaturallyhigh refractive index”,Nature,470,369(2011).)所公开的那样的通过微细加工技术人工操作介电常数和磁导率的称为超材料(metamaterial)的材料。
另外，在本发明的光检测器中，光学元件可以是在光从规定方向上的一侧入射时产生该规定方向的电场分量的光学元件，或者光学元件也可以是在光经由半导体层叠体从规定方向上的另一侧入射时产生该规定方向的电场分量的光学元件。总之，本发明的光学元件是在光沿着规定方向入射时产生该规定方向的电场分量的光学元件。
实施例
就本发明中的光学元件，计算光出射的侧的近旁的电场强度分布。另外，就本发明中的光学元件，在使第1区域与第2区域的折射率差发生变化的情况下，计算向规定方向的电场分量的转换效率怎样变化。
[电场强度分布]
以图13所示的光学元件10为对象。光学元件10的厚度、以及第1区域R1和第2区域R2的构成材料和尺寸为如下所述。
光学元件的厚度：0.5μm
第1区域：锗(折射率4.0)，宽度0.7μm
第2区域：空气(折射率1.0)，宽度0.8μm
电场强度分布的计算由称为FDTD(Finite-Difference Time-Domain)法(时域有限差分法)的逐次近似法来进行。将结果表示在图15和图16中。在此，入射光是波长5μm的平面波，从图15和图16中的下方往上方(即在规定方向上)入射。图15是表示沿着光学元件10中的第1区域R1和第2区域R2所成的面(即垂直于规定方向的面)的方向的电场分量的强度。图16是表示垂直于该面的电场分量的强度。
根据该计算结果，能够确认入射光在透过光学元件10中的第1区域R1和第2区域R2时被调制，并且不具有规定方向的电场分量的光的至少一部分具有该规定方向的电场分量。再者，根据图16，可知规定方向的电场分量在光学元件10的近旁且在光学元件10的出射侧表面当中入射光从第1区域R1与第2区域R2的边界附近出射的方向延伸，并局部存在。另一方面，能够确认没有通过该入射光的调制转换成规定方向的电场分量的电场分量与透过了第1区域R1和第2区域R2的光一起向光学元件10的远方传播。
换言之，从图16可知，不会产生在自由空间传播的光，而产生光的传播方向的电场分量。另外，如图15所示，沿着第1区域R1和第2区域R2所成的面的电场分量传播到与光学元件10分离的地方位置，相对于此，如图16所示规定方向的电场分量局部存在于光学元件10的近旁。出于此，可知由光学元件10引起的作用并不是专利文献1所公开的那样的单纯的由衍射引起的作用。
再者，根据该计算结果，可知以具有该规定方向的电场分量的方式调制不具有规定方向的电场分量的光，因此光学元件的材料可以不必是金属(没必要介入自由电子)。即，即使在利用如电介质那样由不具有自由电子的材料构成的周期结构的情况下，也能够得到与利用了金属的情况同样或者更好的效果，这已径由仿真导出了。
[根据折射率差的电场分量的转换效率]
接着，在使第1区域与第2区域的折射率差发生变化的情况下，计算向规定方向电场分量的转换效率发生怎样变化。在将上述光学元件10的厚度变更成0.2μm且使第1区域R1的折射率发生变化的情况下，计算将垂直于规定方向的方向上的电场分量转换到规定方向的电场分量的效率怎样变化。将结果表示在图17中。根据图17，可知第1区域的折射率n为1.0即在与第2区域即空气相同的情况下，不产生规定方向的电场分量，但是随着增大第1区域R1的折射率而规定方向的电场分量的强度变大。
另外，使用图9和图10所示的光学元件40来同样地计算电场分量的转换效率。在光学元件40当中，将第1区域R1的直径设定为1.75μm，将厚度设定为0.25μm，将与第2区域R2的周期d设定为2.9μm。在使第1区域R1的折射率发生变化的情况下，计算将垂直于规定方向的方向的电场分量转换到规定方向的电场分量的效率发生怎样变化。将结果表示在图18中。根据图18，可知第1区域的折射率n为1.0即在与空气相同的情况下，不产生规定方向的电场分量，但是随着增大第1区域R1的折射率而规定方向的电场分量的强度变大。另外，该电场分量的强度的大小与将计算结果表示在图17的图11的光学元件10的情况相比，能够得到4倍的强度。
[根据第1区域与第2区域的宽度比的变化的电场强度的变化]
在将第1区域(锗)与第2区域(空气)的周期固定在3.2μm并且使它们的宽度比发生变化的情况下，用FDTD法来计算垂直电场强度的光谱怎样变化。还有，第1区域和第2区域的厚度为0.8μm。
以图19和图20所示的光学元件50和光学元件200为对象。光学元件50是以在垂直于规定方向的方向上延伸的多个棒状体53b(第1区域R1)与空间S(第2区域R2)一起形成带状的方式在同一个平面上互相平行地配置的光学元件。光检测器200与光检测器1相比不同点在于使用了光学元件50、以及使用由n型的InP构成的基板2并且第2电极6设置在与基板2的表面2a相反侧的表面2b的整个面。
在图21中表示仿真结果。在图21中，D表示锗的线宽(μm)。根据该结果，可知在锗的线宽为空气线宽以上的情况(即第1区域的宽度为第2区域的宽度以上的情况)下，有垂直电场强度相对于红外区域的入射光变大的倾向。例如，在锗∶空气之比为2.8∶0.4至3.1∶0.1的波长区域中显现尖锐波峰。可知特别在锗的线宽为3.0μm时通过波长3.7μm或者5.3μm的红外线的入射得到最大的垂直电场强度。如果利用这样的仿真，则可以以就第1区域与第2区域的周期和线宽(或者直径)的关系或者两种线宽的互相关系而言在入射光的波长中所得到的电场强度成为最大的方式设计光学元件。
Claims (15)
1.一种光学元件，其特征在于：
是用于使光沿着规定方向透过并调制该光的光学元件，
具备具有第1区域、以及沿着垂直于所述规定方向的面而相对于所述第1区域周期排列的第2区域的结构体，
所述第1区域和所述第2区域彼此折射率不同，且均相对于所述光具有透过性。
2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于：
所述第1区域的折射率与所述第2区域的折射率之差为2以上。
3.如权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于：
相对于所述第1区域的所述第2区域的排列的周期为1～500μm。
4.如权利要求1～3中的任一项所述的光学元件，其特征在于：
所述光是红外线。
5.如权利要求1～4中的任一项所述的光学元件，其特征在于：
所述结构体具有设置有沿着所述规定方向贯通的多个贯通孔的膜体，
所述第1区域是所述膜体的所述贯通孔之间的部分，
所述第2区域是所述贯通孔内的空间。
6.如权利要求1～4中的任一项所述的光学元件，其特征在于：
所述结构体具有设置有沿着所述规定方向贯通的多个贯通孔的膜体、以及埋设在所述贯通孔内的埋设构件，
所述第1区域是所述膜体的所述贯通孔之间的部分，
所述第2区域是所述埋设构件。
7.如权利要求1～4中的任一项所述的光学元件，其特征在于：
所述结构体具有设置有在所述规定方向上的一侧或者另一侧开口的多个凹部的膜体，
所述第1区域是所述膜体的所述凹部之间的部分，
所述第2区域是所述凹部内的空间。
8.如权利要求1～4中的任一项所述的光学元件，其特征在于：
所述结构体具有设置有在所述规定方上的一侧或者另一侧开口的多个凹部的膜体、以及埋设在所述凹部内的埋设构件，
所述第1区域是所述膜体的所述凹部之间的部分，
所述第2区域是所述埋设构件。
9.如权利要求1～4中的任一项所述的光学元件，其特征在于：
所述结构体具有设置有向所述规定方向上的一侧或者另一侧突出的多个凸部的膜体，
所述第1区域是所述凸部，
所述第2区域是所述凸部之间的空间。
10.如权利要求1～4中的任一项所述的光学元件，其特征在于：
所述结构体具有设置有向所述规定方向上的一侧或者另一侧突出的多个凸部的膜体、以及埋设在所述凸部之间的埋设构件，
所述第1区域是所述凸部，
所述第2区域是所述埋设构件。
11.一种光检测器，其特征在于：
具备：
权利要求1～10中的任一项所述的光学元件；
半导体层叠体，其配置在相对于所述光学元件与所述规定方向上的一侧相反侧的另一侧，通过透过了所述光学元件的所述光所具有的所述规定方向的电场分量来产生电流；
第1接触层，其形成在所述半导体层叠体的所述一侧的表面；以及
第2接触层，其形成在所述半导体层叠体的所述另一侧的表面。
12.如权利要求11所述的光检测器，其特征在于：
进一步具备从所述另一侧依次层叠有所述第2接触层、所述半导体层叠体、所述第1接触层以及所述光学元件的基板。
13.如权利要求11或12所述的光检测器，其特征在于：
进一步具备：
第1电极，其与所述第1接触层电连接；以及
第2电极，其与所述第2接触层电连接。
14.如权利要求11～13中的任一项所述的光检测器，其特征在于：
所述光学元件在光从所述一侧入射时产生所述规定方向的电场分量。
15.如权利要求11～13中的任一项所述的光检测器，其特征在于：
所述光学元件在光经由所述半导体层叠体从所述另一侧入射时产生所述规定方向的电场分量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20180302 |