JP2008503776A - 光回路と回路素子およびそれらを形成する方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図1
Description
本特許出願は、出願日2004年6月18日の米国仮特許出願第60/581,016号(参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする)に基づく利益を主張するものである。
本明細書に記載された本発明は、米国国防総省国防高等研究事業局(Defense Advanced Research Projects Agency:DARPA)助成金第HR0011−04−P−0042号および米国空軍科学研究局(Air Force Office of Scientific Research:AFOSR)助成金第F49PRE−03−1−0438号の資金により一部もたらされたものであり、米国政府は本発明において一定の権利を有しうる。
本明細書における用語「を有する」、「を含む」、またはこれらのいかなる類似表現も、非排他的な包含を意図したものである。例えば、要素リストを有する工程、方法、物品、または装置は、必ずしも記載された要素だけに限定されず、明示的に記載されなかった他の要素、または前記工程、方法、物品、または装置に固有の他の要素も含みうる。さらに、明示的に別段の断りがない限り、「または」は包含的ORであり、排他的ORではない。例えば、条件「AまたはB」は次のいずれかにより満たされる。Aが真でBは偽、Aが偽でBは真、およびAもBも真。
本発明は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子に関する。これらの回路素子は、基板上に配置されたプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子を有し、当該プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する。前記プラズモニック粒子は、光および赤外線の周波数の照射時、実数部が負の誘電率を有することが好ましい。これらのプラズモニック粒子は、金属材料、好ましくは貴金属、より好ましくは銀または金から形成される。また、これらのプラズモニック粒子は、光および赤外線の周波数の照射時、虚数部が正の誘電率を有する。他方、前記非プラズモニック粒子は、非金属材料、好ましくはAu2S、またはSiO2などの酸化物から形成される。また、これらの非プラズモニック粒子は、光および赤外線の周波数の適用時、実数部が正の誘電率を有することが好ましい。
この場合、εの実数部が正数であるため式(6)のZsphは容量性となり、同時に誘電率の虚数部に関係した抵抗部分も有する。外部領域の誘電率は正であると仮定されるため、外部周辺のインピーダンスは常に容量性となる。これにより、光波長と比べて小さい非プラズモニックナノスフェアに等価なナノ回路は、図1の左下のように示すことができる。ここで、等価回路素子は、当該ナノスフェアのパラメータにより次のように表せる。
この場合、球体は可視またはIRの領域におけるプラズモニック材料(例えばAgやAuなどの貴金属)で作製でき、結果的にこれらの周波数帯域におけるこの材料の誘電率の実数部は負の値となる。したがって、このナノスフェアの等価インピーダンス(式(6))は「負の容量性」となり、Re[ε]<0である与えられた任意の周波数において、等価容量は「負」になることが示唆される。これは、A.K.Sarychev、D.A.Genov、A.Wei、およびV.M.Shalaev、Proceedings of SPIE、Complex Mediums IV、81(2003);G.V.Eleftheriades、A.K.Iyer、およびP.C.Kremer、IEEE Trans.Microwave Theory Tech、50、2702(2002);およびN.Engheta、N.Bliznyuk、A.Alu、A.Salandrino、Dig.USNC−URSI National Radio Science Meeting、Monterey、CA、276(2004)で説明されているように、正の実効「インダクタンス」として解釈できる。したがって、光波がプラズモニックナノスフェアと相互作用する場合の等価回路は、図1の右下のように表せる。
以下の例は、本発明の態様の実施形態をより詳しく例示するため提供するものである。これらの例は例示的なものであって、本発明を限定するよう意図したものではない。
銀を使って半径R=30nmを有する球体形状の3次元粒子を形成する。波長λ0=633nmにおいて、銀の誘電率はεAg=(−19+i0.53)ε0になることが知られている(P.B.Johnson、およびR.W.Christy、Phys.Rev.B、6、4370(1972)を参照)。式(8)から、この粒子は、波長λ0=633nmを有する光の照射時、ナノインダクタLsph=7.12フェムトHを呈することが決定される。
Au2Sを使って半径R=30nmを有する球体形状の3次元粒子を形成する。波長λ0=633nmにおいて、銀の誘電率は
左手系(LH)ナノスケール伝送線路の形態のナノ回路は、まず非プラズモニックナノ粒子の第1の均一な層を基板に堆積させて形成する。隣接しあった非プラズモニックナノ粒子同士は、光結合が可能な十分小さい距離だけ分離する。この分離距離は、この層全体にわたり保つ。次いで、前記非プラズモニックナノ粒子の第1の均一な層上に、プラズモニックナノ粒子の均一な層を構成する。前記第1の均一な層と同様、隣接しあったプラズモニックナノ粒子同士は、光結合を可能にする十分小さな距離だけ分離する。また、この分離距離は、この層全体にわたり保つ。この均一なプラズモニックナノ粒子の層の上に、非プラズモニックナノ粒子の異なる別の均一な層を堆積させる。この層の特性は、前記第1の均一な層の特性と同様なものである。これらの交互の層が分路ナノインダクタおよび直列ナノコンデンサを生成し、これにより光領域で作用する負指数の(すなわち左手系(LH))伝送線路を形成する。
右手系(RH)ナノスケール伝送線路の形態のナノ回路は、まずプラズモニックナノ粒子の第1の均一な層を基板に堆積させて形成する。隣接しあったプラズモニックナノ粒子同士は、光結合を可能にする十分小さな距離だけ分離する。この分離距離は、この層全体にわたり保つ。次いで、前記プラズモニックナノ粒子の第1の均一な層上に、非プラズモニックナノ粒子の均一な層を構成する。前記第1の均一な層と同様、隣接しあった非プラズモニックナノ粒子同士は、光結合を可能にする十分小さな距離だけ分離する。また、この分離距離は、この層全体にわたり保つ。この均一な非プラズモニックナノ粒子の層の上に、プラズモニックナノ粒子の異なる別の均一な層を堆積させる。この層の特性は、前記第1の均一な層の特性と同様なものである。これらの交互の層が直列ナノインダクタおよび分路ナノコンデンサを生成し、これにより光領域で作用する従来の(別称、右手系(RH))伝送線路を形成する。
Claims (47)
- 光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子であって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する、基板上に配置されたプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子
を有する回路素子。 - 請求項1記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に異なる別のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子と光結合できるよう、前記異なる別のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子に近接して基板上に配置されるものである。
- 請求項2記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子、または前記異なる別のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、互いに融合することにより、双方間に界面を形成する。
- 請求項3記載の回路素子において、前記界面は実質的に平面状である。
- 請求項1記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子は、実数部が負の誘電率を有するものである。
- 請求項1記載の回路素子において、前記非プラズモニック粒子は、実数部が正の誘電率を有するものである。
- 請求項1記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子の挙動は、RFまたはマイクロ波の周波数範囲における電気回路素子の挙動を表す関数と同様、光または赤外線の周波数範囲における関数で表される。
- 請求項7記載の回路素子において、前記関数は、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子のサイズ、形状、または前記プラズモニック粒子若しくは非プラズモニック粒子を形成する材料により決定されるものである。
- 請求項1記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数範囲においてインダクタとして機能するものである。
- 請求項9記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子は貴金属から成る。
- 請求項10記載の回路素子において、前記貴金属は銀または金である。
- 請求項10記載の回路素子において、前記貴金属は銀である。
- 請求項10記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に共鳴(共振)を呈するものである。
- 請求項1記載の回路素子において、前記非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数範囲においてコンデンサ(キャパシタ)として機能するものである。
- 請求項14記載の回路素子において、前記非プラズモニック粒子は非金属材料から成る。
- 請求項15記載の回路素子において、前記非金属材料はSiO2である。
- 請求項14記載の回路素子において、前記非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に共鳴を呈さないものである。
- 請求項1記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数範囲において抵抗として機能するものである。
- 請求項18記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、虚数部が正の誘電率を有するものである。
- 光または赤外線の周波数範囲で機能するようになっているインダクタであって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法を有する、基板上に配置されたプラズモニック粒子
を有するインダクタ。 - 請求項20記載のインダクタにおいて、前記プラズモニック粒子は貴金属から成るものである。
- 請求項21記載のインダクタにおいて、前記貴金属は銀または金である。
- 請求項20記載のインダクタにおいて、前記プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に共鳴を呈するものである。
- 光または赤外線の周波数範囲で機能するようになっているコンデンサであって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法を有する、基板上に配置された非プラズモニック粒子
を有するコンデンサ。 - 請求項24記載のコンデンサにおいて、前記非プラズモニック粒子は非金属材料から成る。
- 請求項24記載のコンデンサにおいて、前記非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に共鳴を呈さない。
- 光または赤外線の周波数範囲で機能するようになっている抵抗であって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する、基板上に配置されたプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子
を有する抵抗。 - 請求項27記載の抵抗において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、虚数部が正の誘電率を有するものである。
- 光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路であって、
プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子である複数の粒子を堆積させた基板
を有し、
前記粒子は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有し、隣接しあった前記粒子のペアは、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に前記粒子が光結合できるよう、十分小さい距離で互いから分離されているものである、
回路。 - 請求項29記載の回路において、前記隣接しあった前記粒子のペアは、双方間の界面を形成するよう互いに融合するものである。
- 請求項30記載の回路において、前記界面は実質的に平面状である。
- 光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子を形成する方法であって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有するプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子を、基板に堆積させる工程と、
光または赤外線の周波数において、プラズモニック粒子をインダクタとして機能させ、かつ非プラズモニック粒子をコンデンサとして機能させるよう、前記光または赤外線の周波数のエネルギーを適用する工程と
を有する方法。 - 請求項32記載の方法において、前記エネルギーを適用する工程により、プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数で抵抗として機能するものである。
- 光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路を作製する方法であって、
請求項30記載の方法に従って回路素子を形成する工程と、
追加粒子が光結合できるよう、当該追加粒子を十分小さい距離だけ離間してさらに前記基板上に堆積させる工程と
を有する方法。 - 請求項34記載の方法において、前記距離は1μm未満である。
- 請求項34記載の方法において、光結合した前記粒子は融合して当該粒子間に界面を形成するものである。
- 光または赤外線の周波数で機能するようになっている並列共振回路であって、
プラズモニック材料の第1の部分および非プラズモニック材料の第2の部分から成る3次元融合粒子
を有し、
光または赤外線の周波数により生成された光場が、前記第1の部分および前記第2の部分の間に形成された界面と平行な方向に適用されるものである
並列共振回路。 - 請求項37記載の並列共振回路において、前記3次元融合粒子は楕円形の断面を有するものである。
- 請求項37記載の並列共振回路において、前記3次元融合粒子は球体である。
- 請求項39記載の並列共振回路において、前記界面は赤道であり、前記第1の部分は第1の半球で、前記第2の部分は第2の半球である。
- 光または赤外線の周波数で機能するようになっている直列共振回路であって、
プラズモニック材料の第1の部分および非プラズモニック材料の第2の部分から成る3次元融合粒子
を有し、
光または赤外線の周波数により生成された光場が、前記第1の部分および前記第2の部分の間に形成された界面に垂直な方向に適用されるものである、
直列共振回路。 - 請求項41記載の直列共振回路において、前記3次元融合粒子は楕円形の断面を有するものである。
- 請求項41記載の直列共振回路において、前記3次元融合粒子は球体である。
- 請求項43記載の直列共振回路において、前記界面は赤道であり、前記第1の部分は第1の半球で、前記第2の部分は第2の半球である。
- 光または赤外線の周波数で機能するようになっているナノスケール回路であって、
プラズモニック材料または非プラズモニック材料から成る複数のナノ粒子であって、隣接する当該ナノ粒子が光結合用に十分近接しあうよう基板上に堆積させた複数のナノ粒子
を有し、
前記ナノ粒子は、前記複数のナノ粒子の各々の特性に基づき所定の回路機能を果たすよう設計されているものである、
ナノスケール回路。 - 請求項45記載のナノスケール回路において、前記所定の回路機能は、右手系伝送線路機能である。
- 請求項45記載のナノスケール回路において、前記所定の回路機能は、左手系伝送線路機能である。
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