JP2009192609A - Polarization control element - Google Patents

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Koichi Akiyama
浩一 秋山
Yuji Abe
雄次 阿部
Takeharu Kuroiwa
丈晴 黒岩
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small polarization (polarized light) control element for generating large phase change such as 90° or 180°. <P>SOLUTION: First and second slits 14, 15 crossing each other are provided to a metal layer 2 on a substrate 1. The first and second slits 14, 15 are each formed at a period of a wavelength or less and a dielectric 3 is embedded in the second slit 15. As a result, the phase difference according to the refractive index of the dielectric 3 is generated between the polarization component passing through the first slit 14 and the polarization component passing through the second slit 15. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to an element that controls the polarization of electromagnetic waves, and more particularly to an element that controls the polarization or polarization of microwaves, infrared light, and visible light.

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。   Elements for controlling the polarization are a polarizer that transmits or reflects only an electric field in a specific polarization direction, a phase shifter that changes an electric field in a specific polarization direction by a specific phase amount, and a specific polarization state that is randomly polarized It is classified as a depolarizing element that changes to a state.

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。   Among these polarization control elements, those using an organic or inorganic birefringent material, those using a phase shift in total reflection, and the like are conventionally known. Furthermore, recently, a phase modulation technique using a periodic structure smaller than the wavelength of light has been developed.

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。
特開2006−330108号公報
For example, in the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-330108 (Patent Document 1), a group of metal microstructures that are a set of metal microstructures are formed on a substrate. When such a substrate is irradiated with light, an interaction occurs between the plurality of metal microstructures due to the near-field light generated in each metal microstructure. At this time, when the group of metal microstructures is asymmetrically arranged with respect to the polarization of incident light, anisotropy occurs in the near-field light interaction between the metal microstructures. For this reason, a phase difference also occurs in the polarization component of the reflected light or transmitted light on which the light from each metal microstructure is superimposed, and the polarization state in the emitted light is converted.
JP 2006-330108 A

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。   A phaser using an organic birefringent material utilizes the anisotropy of the refractive index accompanying the anisotropy of the molecular structure unique to the polymer material. Although organic materials have the merit that they can be used at low cost, there is a problem that heat resistance and light resistance are inferior. Inorganic birefringent materials include those using crystals such as quartz and calcite. Although both have heat resistance and light resistance, there is a problem that the size of the element becomes large because the birefringence is small.

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。   On the other hand, a phase shifter using total reflection is called a Fresnel prism, and s-polarized light (polarized light whose electric field is in a plane parallel to the total reflection surface) and p-polarized light (polarized light perpendicular to s-polarized light). The fact that the phase shift amount is different is used. This type of phaser is advantageous in that a phase amount with small chromatic dispersion can be obtained, but it also has the disadvantage that the size of the element becomes large.

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。   Further, in the technique disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 2006-330108 (Patent Document 1), the phase shift amount is small, such as 90 ° (¼ wavelength plate) or 180 ° (1/2 wavelength plate). It is difficult to obtain a phase shift amount for use in an actual device.

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。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a small polarization control device that can cause a large phase change such as 90 ° or 180 °.

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。   In summary, the present invention is a polarization control element that controls the polarization of electromagnetic waves, and includes a substrate that transmits electromagnetic waves and a reflective layer that is provided on the substrate and reflects electromagnetic waves. Here, a plurality of first and second slits are formed in the reflective layer.

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。   The plurality of first slits are formed along the first direction. The distance between the center lines of each of the plurality of first slits and the adjacent first slit is smaller than the value obtained by dividing the wavelength of the electromagnetic wave by the refractive index of the substrate.

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。   The plurality of second slits are formed so as to extend along the second direction and to intersect the plurality of first slits. The distance between the center lines of each of the plurality of second slits and the adjacent second slit is smaller than the value obtained by dividing the wavelength of the electromagnetic wave by the refractive index of the substrate. In each of the plurality of second slits, a first dielectric is embedded in at least a partial region.

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。   According to the present invention, a polarization component whose electric field vibrates in a direction perpendicular to the first direction passes through the plurality of first slits. A polarization component whose electric field vibrates in a direction perpendicular to the second direction passes through the plurality of second slits. Here, since the first dielectric is embedded in the second slit, a phase difference corresponding to the refractive index of the dielectric can be generated between the polarization components in both directions. As a result, a small polarization control element having a large phase change can be realized.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. Further, in order to facilitate the illustration, the same hatching is given to the same or corresponding parts in the figure.

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。   The polarization control element of the present invention is used for electromagnetic waves such as microwaves, infrared light, and visible light. In the following description of each embodiment, the terms electromagnetic wave and polarization are used. However, when the wavelength of the target electromagnetic wave is a light region, these terms can be read as light and polarization.

[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。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of the polarization control element 10 according to the first embodiment of the present invention.

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。   2 is a front view of the polarization control element 10 of FIG. 1, and FIG. 3 is a top view of the polarization control element 10 of FIG. 1 to 3, directions parallel to the main surface 1A of the substrate 1 are defined as an x direction and ay direction, and a direction perpendicular to the main surface 1A of the substrate 1 is defined as a z direction. In the following drawings, the same hatching is given to the same or corresponding parts for easy illustration.

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。   1 to 3, a polarization control element 10 includes a substrate 1 such as quartz glass and a metal layer 2 formed on a main surface 1 </ b> A of the substrate 1. The substrate 1 is preferably transparent to electromagnetic waves incident on the polarization control element 10. The metal layer 2 is used as a reflective layer that reflects incident electromagnetic waves.

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。   A plurality of first slits 14 along the x direction and a plurality of second slits 15 along the y direction are formed in the metal layer 2. The plurality of first slits 14 and the plurality of second slits 15 intersect with each other and are formed in a lattice shape. The metal layer 2 is divided by the first slit 14 and the second slit 15 into a plurality of metal blocks 2 (a reflection portion of the present invention) arranged in a matrix in the x and y directions. Hereinafter, the x direction is also referred to as the row direction of the metal block 2, and the y direction is also referred to as the column direction of the metal block 2.

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。   In FIG. 1, for the sake of simplicity, six first slits 14 and three second slits 15 are illustrated. A large number of first and second slits 14 and 15 are formed in the metal layer 2 of the actual polarization control element 10.

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。   In the polarization control element 10 of the first embodiment, the first slit 14 and the second slit 15 are orthogonal to each other. The first and second slits 14 and 15 are formed with a constant width and a constant period, respectively. The period of the first and second slits 14 and 15 is set to be smaller than a value obtained by dividing the wavelength of the electromagnetic wave incident on the polarization control element 10 by the refractive index of the substrate.

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。   The metal block 2 has a substantially rectangular parallelepiped shape in which the size in the x direction is Dx, the size in the y direction is Dy, and the thickness in the z direction is Lz. Here, if the width of the first slit 14 is Wy and the width of the second slit 15 is Wx, the distance between the center lines of the adjacent first slits 14 (period of the first slits 14). Becomes Ly = Dy + Wy. Similarly, the distance between the center lines of the second slits 15 adjacent to each other (the period of the second slit 15) is Lx = Dx + Wx.

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。   In each of the second slits 15, the first dielectric 3 is embedded in the entire region including the intersections 17 with the plurality of first slits 14. As will be described below, the dielectric 3 can cause a phase difference in the polarization component of the electromagnetic wave that passes through the first and second slits 14 and 15, respectively.

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。   FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the polarization control element 10 of the first embodiment. Hereinafter, the operation of the polarization control element 10 will be described in detail with reference to FIG.

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。   Polarized light (polarized light) indicates that the vibration direction of the electric field of electromagnetic waves (or a magnetic field orthogonal thereto) is spatially biased. There are two independent directions in which the electric field vibrates, which are perpendicular to the traveling direction of the electromagnetic wave and orthogonal to each other, and the polarization state of the electromagnetic wave can be expressed as a superposition of the electric fields in the two directions. Therefore, an arbitrary polarization state is determined by the ratio of the amplitude in these two independent directions and the phase difference. For example, the linearly polarized wave represents a state where the phase difference between vibrations in two directions is zero. Further, the circularly polarized wave shows a state where the amplitudes in the two directions are equal and the phase difference is 90 °.

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。   FIG. 4 shows a case where electromagnetic waves are incident in a direction 11 perpendicular to the substrate (a direction from the main surface 1A side to the back surface side of the substrate 1 on which the metal layer 2 is formed). In the case of FIG. 4, the electric field 12 of the incident electromagnetic wave is a linearly polarized wave that vibrates perpendicularly to the traveling direction k of the electromagnetic wave (k indicates the direction of the wave vector). At this time, the electric field 12 of the electromagnetic wave is represented by the sum of the polarization component Ex whose electric field vibrates in the x direction and the polarization component Ey whose electric field vibrates in the y direction. In the case of linear polarization, the phase difference between the polarization component Ex in the x direction and the polarization component Ey in the y direction is zero.

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。   The polarization component of the incident electromagnetic wave is controlled by the polarization control element 10. In the case of FIG. 4, the electric field 13 of the electromagnetic wave transmitted through the polarization control element 10 is a right-handed polarized wave that turns clockwise in the traveling direction of the electromagnetic wave. Such characteristics of the polarization control element 10 are based on the propagation characteristics of electromagnetic waves in the slits 14 and 15 formed in the metal layer 2. First, the propagation characteristics of electromagnetic waves of a polarizer having slits formed in one direction will be described with reference to FIG.

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。   FIG. 5 is a perspective view schematically showing a configuration of a polarizer 50 as a comparative example of the polarization control element 10. The polarizer 50 of FIG. 5 is called a wire grid polarizer.

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。   Referring to FIG. 5, a polarizer 50 includes a translucent substrate 1 and a metal layer 2 </ b> A formed on the main surface of the substrate 1. The metal layer 2A is divided into a plurality of metal blocks 2A by forming slits 15 along the y direction.

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。   The characteristics of the polarizer 50 differ depending on the magnitude relationship between the wavelength λ of the incident electromagnetic wave and the period Lx of the slit 15. In the substrate 1, since the wavelength of the electromagnetic wave is shortened by the refractive index, it is necessary to accurately compare the value obtained by dividing the wavelength λ of the electromagnetic wave by the refractive index of the substrate with the period Lx of the slit. In the following description, the refractive index of the substrate 1 is 1 for simplicity.

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。   When the slit period Lx is larger than the wavelength λ of the electromagnetic wave, the polarizer 50 functions as a diffraction grating. When the slit period Lx is shorter than the wavelength λ of the electromagnetic wave, there is no θ that satisfies λ = Lx × sin θ, and thus the polarizer 50 has no spectral action. When the slit period Lx is shorter than the wavelength λ, the polarization action appears remarkably.

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。   When electromagnetic waves are incident on the slit, the polarized wave having the electric field Ey in the direction parallel to the slit 15 cannot propagate in the slit 15 unless the wavelength is shorter than twice the slit width Wx. Therefore, almost all the polarized light having the electric field Ey in the direction parallel to the slit 15 is reflected as the wavelength becomes longer than the slit width Wx. On the other hand, even if the wavelength of the polarized wave having the electric field Ex in the direction perpendicular to the slit 15 is longer than the width Wx of the slit 15, propagation in the slit is not limited. Here, even if the polarization can propagate through the slit, if the slit is single, most of it will be reflected by the surface of the metal layer, but many slits should be arranged periodically. Thus, the electromagnetic wave can be efficiently guided into the slit. In this way, as shown in FIG. 5, the electromagnetic wave travel direction k (k is the direction of the wave vector. The travel direction k is the direction 11 perpendicular to the substrate 1). The polarization component 16 in the vertical direction passes through the slit.

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。   The characteristics of the polarizer 50 can also be explained by the response of free electrons in the metal layer 2A. Free electrons in the conductor vibrate in synchronization with receiving an electromagnetic wave. Therefore, the linearly polarized wave having an electric field in the direction parallel to the slit 15 is almost reflected because it is shielded by the vibration of free electrons in each metal block 2A. On the other hand, in the case of linearly polarized waves having an electric field in a direction perpendicular to the slit 15, the movement of free electrons is blocked by the slit 15. Therefore, most of the linearly polarized wave having an electric field in the direction perpendicular to the slit 15 passes through the slit 15. Such characteristics hold even when slits are arranged in a lattice pattern in both the x and y directions.

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。   Referring to FIG. 4 again, the polarization control element 10 is provided with slits 14 and 15 parallel to the x and y directions orthogonal to each other. The periods Ly and Lx of the slits 14 and 15 are shorter than the wavelength λ of the electromagnetic wave in both the x and y directions. Here, consider a case where linearly polarized waves whose electric field vibrates in a direction perpendicular to the traveling direction is incident on the substrate 1 perpendicularly. In the following description, it is assumed that the electromagnetic wave is incident perpendicular to the two-dimensional plane (xy plane) on which the metal layer 2 is disposed, but the treatment is not changed even if the electromagnetic wave is inclined and incident on the two-dimensional plane.

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、   Due to the propagation characteristics of the slit described above, the polarization component parallel to the x direction propagates through the second slit 15 parallel to the y direction, and the polarization component parallel to the y direction corresponds to the first polarization component parallel to the x direction. Propagates through the slit 14. Furthermore, the dielectric 3 is embedded only in the second slit 15 parallel to the y direction. Therefore, when the refractive index of the dielectric is n, the wavelength of the electromagnetic wave is λ, and the thickness of the metal block 2 (equal to the propagation distance of the electromagnetic wave in the slit) is Lz, the second dielectric 3 embedded The amount of phase shift φx accompanying propagation in the slit 15 is

Figure 2009192609
Figure 2009192609

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 It becomes. Here, π is the circumference ratio. On the other hand, the phase shift amount φy accompanying the propagation in the first slit 14 where the dielectric is not embedded is

Figure 2009192609
Figure 2009192609

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、 It becomes. Therefore, the phase difference between the polarized wave component parallel to the x direction and the polarized wave component parallel to the y direction generated on the back surface of the plurality of metal blocks 2 due to propagation in the first and second slits 14 and 15. Δφ is

Figure 2009192609
Figure 2009192609

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。 It becomes. From this result, for example, as shown in FIG. 4, when electromagnetic waves of linearly polarized waves 12 are incident, the thickness Lz of the metal block 2 and the dielectric 3 so that Δφ = 0.5φ in equation (3). If an element having a refractive index n is produced, the emitted electromagnetic wave becomes a circularly polarized wave 13.

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。   The above-described result is established when the slit widths Wx and Wy are sufficiently smaller than the slit periods Lx and Ly. In order to derive a more accurate relational expression of the phase difference Δφ, it is necessary to consider the intersecting portion 17 between the first slit 14 and the second slit 15.

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。   According to the study by the present inventors, the polarization component parallel to the y direction propagates to the intersecting portion 17 of the first and second slits with a width Wy equal to the width Wy of the first slit 14. Is elucidated. Therefore, the average effective refractive index of the first slit 14 is that of the refractive index 1 of the air of the length Dx sandwiched between the metal blocks 2 and the dielectric 3 of the length Wx corresponding to the intersecting portion 17. A value obtained by averaging the refractive index n. Therefore, the above equations (2) and (3) are respectively corrected as the following equations (4) and (5).

Figure 2009192609
Figure 2009192609

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。   As described above, according to the polarization control element 10 of the first embodiment, an incident electromagnetic wave having an arbitrary polarization has a polarization component that passes only through a gap in which a dielectric is embedded, and air that is orthogonal to the polarization component. It is divided into polarization components that pass only through the air gap. Since the effective refractive index is different for each polarization component, a large phase difference occurs between both polarization components after passing through the polarization control element 10. Furthermore, the refractive index anisotropy can be designed by changing the type and thickness of the dielectric. The polarization control element 10 can be used, for example, as a near-infrared or visible light polarization control plate (1/2 wavelength plate, 1/4 wavelength plate).

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。   In the above description, even if the thickness of the metal block 2 and the thickness of the dielectric 3 are different, the polarization control element 10 functions as a phaser. When the thickness of the dielectric 3 is larger than the thickness of the metal block 2, the electromagnetic wave spreads outside the slit, so that the portion of the dielectric 3 protruding from the slit hardly affects the function of the phaser. Therefore, in this case, Lz in the above formulas (3) and (5) may be the thickness of the metal block 2. Conversely, when the thickness of the dielectric 3 embedded in the slit is smaller than the thickness of the metal block 2, Lz in the above formulas (3) and (5) may be the thickness of the dielectric 3.

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。   Further, even if the periods of the first and second slits 14 and 15 are not constant, a polarization (polarization) action occurs. However, when the slit period is constant, the transmittance of the electromagnetic wave is increased, and the transmittance of the electromagnetic wave is also spatially uniform, so that preferable phaser characteristics can be obtained.

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。   Further, the directions of the first and second slits 14 and 15 function as a phase shifter even if they are not necessarily orthogonal. However, it is considered that the conversion efficiency of the phase of the electromagnetic wave is better when the directions of the first and second slits 14 and 15 are orthogonal to each other.

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。   In addition, the lower limit of the thickness Lz of the metal block 2 needs to be a thickness that does not transmit electromagnetic waves. The upper limit of the thickness Lz of the metal block 2 is determined by the waveguide loss of the slit. Waveguide loss includes scattering due to structural fluctuations depending on the slit fabrication system, and electromagnetic wave absorption by metals depending on the wavelength of electromagnetic waves.

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。
Next, a specific numerical calculation example of the polarization control element 10 will be described.
FIG. 6 is a graph showing a numerical calculation result of the phase shift by the polarization control element 10. The vertical axis in FIG. 6 represents the phase shift difference Δφ between the polarization component parallel to the x direction and the polarization component parallel to the y direction. The horizontal axis of FIG. 6 represents the refractive index n of the dielectric 3.

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。   As described above, the polarization state can be controlled by changing the refractive index n of the dielectric 3 or the thickness Lz of the metal block 2. FIG. 6 shows the phase shift Δφ when the refractive index n of the dielectric 3 is changed. This data (black dots in FIG. 6) is calculated by the finite difference time domain method when 500 mm in the microwave domain is used as the wavelength of the electromagnetic wave. Similar results were confirmed when electromagnetic waves having a wavelength of 500 nm in the optical region were used.

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。   The parameters used for the numerical calculation are as follows. In the case of the optical region, the dimensions of the metal block are Dx = 230 nm, Dy = 110 nm, Lz = 300 nm, and the widths of the first and second slits are both 20 nm. In the microwave region, the metal block dimensions are Dx = 230 mm, Dy = 110 mm, Lz = 300 mm, and the widths of the first and second slits are both 20 mm. In both the microwave region and the light region, the electromagnetic wave is incident on the substrate 1 perpendicularly. Moreover, the thickness of the dielectric 3 and the thickness of the metal block 2 are equal.

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。   The complex dielectric function of the metal block is given according to the Drude model. According to the Drude model, the relative dielectric constant ε with respect to the angular frequency ω of the electromagnetic wave is expressed by the following equation, where the plasma frequency is ωp, the electron relaxation time is 1 / Γ, and the imaginary unit is i.

Figure 2009192609
Figure 2009192609

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。 In the numerical calculation, in the above equation, Γ = 1.94e + 13 rad / s and ωp = 3.57e + 15 rad / s (where e represents a power of 10). In this case, the characteristics of the metal block can be considered as a metal having a finite conductivity in the optical region and a perfect conductor in the microwave region.

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。   As shown in FIG. 6, the dependency of the phase difference Δφ on the refractive index n of the dielectric 3 is in agreement with the equation (3) shown by the solid line in FIG. Here, in Equation (3), the thickness Lz of the metal block 2 is set to 0.6 times the wavelength λ in accordance with the numerical calculation parameters.

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。   FIG. 7 is a diagram for explaining an example of the manufacturing process of the polarization control element 10. Hereinafter, the manufacturing process of the polarization control element 10 will be described with reference to FIGS.

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。   First, as shown in FIGS. 7A and 7B, a dielectric 3 is formed on the entire surface of the main surface 1A of the substrate 1. Thereafter, a photoresist 4A is applied to the surface of the dielectric 3 and patterned into a line having a width Wx by electron beam lithography or the like. FIG. (B) is a top view of FIG. (A).

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。   The substrate 1 is preferably transparent and non-birefringent with respect to the wavelength of the electromagnetic wave used. For example, in the microwave, a substrate containing plastics or ceramics, silicon in the infrared region, and quartz glass in the visible light region can be used. As with the substrate 1, the dielectric 3 is preferably transparent to the wavelength used. For example, ceramics that can be sintered at low temperatures in the microwave, sol-gel glass in the infrared or visible region, polymer materials in which nanoparticles are dispersed, and the like can be used as transparent dielectrics with adjustable refractive index.

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。   Next, the dielectric 3 is etched using the patterned photoresist 4A as a mask. As an etching method, for example, anisotropic etching such as reactive plasma etching is used. By removing the photoresist 4A after the etching, a line-shaped dielectric 3 is formed on the substrate 1 as shown in FIG.

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。   Next, the metal block 2 is formed by a lift-off method. Therefore, as shown in FIG. 7D, a resist pattern 4B is formed at a position (position opposite to the metal block 2) where the lattice-like slits are formed by electron beam lithography or the like. The vertical resist pattern in the figure is formed on the line-shaped dielectric 3 formed in FIG.

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。   Next, a metal material used as the metal block 2 is formed on the entire main surface side of the substrate 1 by vacuum deposition or the like. The metal material may be a material having a high electrical conductivity, such as gold, silver, copper, aluminum, nickel, chromium, platinum, and an alloy made of these materials. If the wavelength of the electromagnetic wave is in the microwave region, a semiconductor with a high carrier density can be used.

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。   Next, the unnecessary metal layer deposited on the resist 4B is removed together with the resist, whereby the polarization control element 10 shown in FIG. 7E is formed.

[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。
[Modification of Embodiment 1]
FIG. 8 is a front view schematically showing a configuration of a polarization control element 10A of a modification of the first embodiment. The polarization control element 10A of FIG. 8 is shown in FIGS. 1 to 3 in that the dielectric 3A is embedded in a region of the second slit 15 excluding the intersection 17 with the first slit 14. Different from the polarization control element 10. Since other points are the same as those of the polarization control element 10 described above, common portions are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

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。   Referring to FIG. 8, when the slit widths Wx and Wy are sufficiently smaller than the slit periods Lx and Ly, the characteristics of the polarization control element 10A are the same as the characteristics of the polarization control element 10 described above. is there. That is, when linearly polarized light is incident on the substrate 1 perpendicularly, the phase difference Δφ between the polarized wave component parallel to the x direction and the polarized wave component parallel to the y direction of the transmitted electromagnetic wave is given by equation (3). It is done.

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。   When the intersection 17 between the first slit 14 and the second slit 15 is taken into consideration, the above equations (1) and (3) are respectively corrected as the following equations (7) and (8). .

Figure 2009192609
Figure 2009192609

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。   In the derivation of the above equation, it is considered that an electromagnetic wave having a polarization component parallel to the x direction propagates to the intersecting portion 17 of the first and second slits with a width Wx equal to the width Wx of the second slit 15. Then, the average effective refractive index of the second slit 15 is expressed by the refractive index n of the dielectric 3 having a length Dy sandwiched between the metal blocks 2 and the refractive index of air having a length Wy corresponding to the intersecting portion 17. It is given as an average with 1.

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。   FIG. 9 is a front view schematically showing a configuration of a polarization control element 10B of another modification of the first embodiment. The polarization control element 10B of FIG. 9 is shown in FIGS. 1 to 3 in that the dielectric 3B is embedded in a region of the first slit 14 excluding the intersection 17 with the second slit 15. Different from the polarization control element 10. Since other points are the same as those of the polarization control element 10 described above, common portions are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

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。   Referring to FIG. 9, the refractive index of dielectric 3 embedded in second slit 15 is n1, and the refractive index of dielectric 3B embedded in first slit 14 is n2. The refractive index n1 is assumed to be larger than the refractive index n2. In this case, when linearly polarized light enters the substrate 1 perpendicularly, the phase difference Δφ between the polarized wave component parallel to the x direction and the polarized wave component parallel to the y direction of the transmitted electromagnetic wave is given by the following equation: . However, it is assumed that the slit widths Wx and Wy are sufficiently smaller than the slit periods Lx and Ly.

Figure 2009192609
Figure 2009192609

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。   As described above, various variations are conceivable for the manner in which the dielectric is embedded in the slit. For example, even when the dielectric portion and the air portion are repeated with a period shorter than the wavelength of the electromagnetic wave, the effective refractive index of the second slit 15 is different from that of the first slit 14. Therefore, even when the dielectric is partially embedded in the second slit 15 as described above, the polarization control element 10 functions as a phaser.

[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。
[Embodiment 2]
In the second embodiment, a material whose refractive index changes with an electric field is used as the dielectric embedded in the slit. Each metal block 2 is used as an electrode, and by applying a voltage between the metal blocks sandwiching the dielectric, the polarization state of the electromagnetic wave passing through the polarization control element can be changed according to the applied voltage.

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。   FIG. 10 is a top view schematically showing the configuration of the polarization control element 10C of the second embodiment of the present invention.

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。   FIG. 11 is a perspective view schematically showing the configuration of the polarization control element 10C. FIG. 12 is a perspective view showing portions of the substrate 1 and the transparent electrode 5 in the polarization control element 10C of FIG. 10 to 12, the directions parallel to the main surface 1A of the substrate 1 are the x direction and the y direction, and the direction perpendicular to the main surface 1A of the substrate 1 is the z direction. 10 and 11 show the metal blocks 2 in 4 rows and 6 columns for the sake of simplicity, but in the actual polarization control element 10C, a large number of metal blocks 2 are arranged in a matrix.

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。   Referring to FIGS. 10 to 12, polarization control element 10 </ b> C further includes a plurality of transparent electrodes 5 having the same width Dx as metal block 2 and extending in the y direction. Different from the element. Each transparent electrode 5 is provided corresponding to the columns 2.1 to 2.4 of the metal blocks 2 arranged in the y direction, and is arranged between the metal block 2 and the substrate 1 for each column 2.1 to 2.4. It is formed. Therefore, since each transparent electrode 5 is connected only to the metal block 2 in the corresponding column, a common voltage can be applied to the plurality of metal blocks 2 arranged in the column direction.

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。   The transparent electrode 5 is desirably transparent to the target electromagnetic wave. As the transparent electrode 5, for example, ITO (Indium Tin Oxide) can be used in the visible light region. In the microwave and infrared regions, a material doped with an impurity having an appropriate concentration can be used. For example, a material obtained by doping boron into a semiconductor crystal (Ge: Ga) in which germanium is doped with a small amount of gallium by ion implantation can be used.

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。   The polarization control element 10C is further different from the polarization control element 10 of the first embodiment in that a material whose refractive index is changed by an electric field is used as the dielectric 3C embedded in the second slit 15. The dielectric 3 </ b> C is embedded between the adjacent metal blocks 2 and the adjacent transparent electrodes 5 including the boundary portion 17 of the first and second slits 14 and 15 until reaching the surface of the substrate 1. . As the dielectric 3C, for example, an organic material such as liquid crystal or an inorganic nonlinear optical crystal such as lithium niobate (LiNbO3) can be used.

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。   Since the other points of polarization control element 10 are the same as those of polarization control element 10 of the first embodiment, common portions are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

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。   By providing the transparent electrode 5, if a voltage is alternately applied to each column 2.1 to 2.4 of the metal block 2, an electric field is generated in the second slit 15 provided between adjacent columns. Uniformly formed. Specifically, a DC power supply 6 is provided, the positive electrode of the DC power supply 6 and the odd-numbered columns 2.1 and 2.3 are connected, and the negative electrode of the DC power supply 6 and the even-numbered columns 2.2, 2.. 4 is connected. Thereby, an electric field can be applied to the dielectric 3C without impairing the polarization control characteristics of the two-dimensional metal block 2. Since the refractive index of the dielectric 3C is changed by applying an electric field, the polarization state can be controlled.

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。   Note that the electromagnetic wave that has passed through the first slit 14 spreads when passing through the transparent electrode 5, so that the refractive index of the transparent electrode 5 hardly affects the polarization control characteristics.

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。   Further, the width of the transparent electrode 5 is not necessarily the same width Dx as the metal block. Since the metal blocks 2 in each of the columns 2.1 to 2.4 may be electrically connected, the width may be smaller than the width Dx of the metal block.

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。   FIG. 13 is a diagram for explaining an example of the manufacturing process of the polarization control element 10C. Hereinafter, the manufacturing process of the polarization control element 10C will be described with reference to FIGS.

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。   First, as shown in FIG. 13A, a material for the transparent electrode 5 such as ITO is formed on the entire main surface 1A of the substrate 1. Further, a photoresist 4C patterned into the shape of the transparent electrode 5 having a width Dx and extending in the y direction is formed on the formed ITO layer by electron beam lithography or the like.

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。   Next, the ITO layer is etched by reactive plasma etching or the like using the photoresist 4C as a mask. By removing the photoresist 4C after the etching, a plurality of transparent electrodes 5 arranged in the column direction are formed on the substrate 1 as shown in FIG. 13B.

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。   Next, as shown in FIG. 13C, a dielectric film 3C is formed on the entire surface on the main surface 1A side of the substrate 1 on which the transparent electrode 5 is formed. A photoresist 4A patterned in a line shape is further formed on the deposited dielectric film 3C by electron beam lithography or the like. Since the photoresist 4A has a reverse pattern of the photoresist 4C, it is not formed in the upper layer of the transparent electrode 5.

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。   Thereafter, the dielectric 3 is etched by reactive plasma etching or the like using the patterned photoresist 4A as a mask. By removing the photoresist 4A after the etching, a shape in which the line-shaped dielectrics 3C and the transparent electrodes 5 are alternately arranged on the substrate 1 is formed as shown in FIG.

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。   Next, the metal block 2 is formed by a lift-off method. For this reason, as shown in FIG. 13E, a resist pattern 4B is formed at a position (position opposite to the metal block 2) where a lattice-like slit is formed by electron beam lithography or the like. Next, a metal material used as the metal block 2 is formed on the entire surface on the main surface side of the substrate 1 by vacuum deposition or the like from above the resist pattern 4B. Thereafter, an unnecessary metal layer deposited on the resist 4B is removed together with the resist, thereby forming the polarization control element 10C as shown in FIG.

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。   The embodiment disclosed this time must be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

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。It is a perspective view which shows typically the structure of the polarization control element 10 of Embodiment 1 of this invention. 図1の偏波制御素子10の正面図である。It is a front view of the polarization control element 10 of FIG. 図1の偏波制御素子10の上面図である。It is a top view of the polarization control element 10 of FIG. 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。FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the polarization control element 10 of the first embodiment. 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。3 is a perspective view schematically showing a configuration of a polarizer 50 as a comparative example of the polarization control element 10. FIG. 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。4 is a graph showing a numerical calculation result of phase shift by the polarization control element 10. 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。5 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of the polarization control element 10. FIG. 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。FIG. 7 is a front view schematically showing a configuration of a polarization control element 10A of a modification of the first embodiment. 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。FIG. 10 is a front view schematically showing a configuration of a polarization control element 10B of another modification of the first embodiment. 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。It is a top view which shows typically the structure of 10 C of polarization control elements of Embodiment 2 of this invention. 偏波制御素子10Cの構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure of 10 C of polarization control elements. 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。It is a perspective view which shows the part of the board | substrate 1 and the transparent electrode 5 among the polarization control elements 10C of FIG. 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。It is a figure for demonstrating an example of the manufacturing process of 10 C of polarization control elements.

符号の説明Explanation of symbols

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。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate, 1A main surface, 2 Metal layer (metal block), 3, 3A, 3B, 3C Dielectric, 5 Transparent electrode, 10, 10A-10C Polarization control element, 14 1st slit, 15 2nd slit , 17 Intersections of slits, 22, 23 connecting portions, Lx, Ly slit periods, Wx, Wy slit widths.

Claims (10)

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。
A polarization control element for controlling the polarization of electromagnetic waves,
A substrate that transmits the electromagnetic wave;
A reflective layer provided on the substrate and reflecting the electromagnetic wave;
A plurality of first slits are formed in the reflective layer along a first direction,
The distance between the center lines of each of the plurality of first slits and the adjacent first slit is smaller than a value obtained by dividing the wavelength of the electromagnetic wave by the refractive index of the substrate,
The reflective layer is further formed with a plurality of second slits along the second direction and each intersecting the plurality of first slits,
The distance between the center lines of each of the plurality of second slits and the adjacent second slit is smaller than a value obtained by dividing the wavelength of the electromagnetic wave by the refractive index of the substrate,
Each of the plurality of second slits is a polarization control element in which a first dielectric is embedded in at least a partial region.
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。   The polarization control element according to claim 1, wherein the electromagnetic wave is any one of microwave, infrared light, and visible light. 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。
The width of each of the plurality of first slits and the interval between the center lines of the first slits adjacent to each other are constant,
The polarization control element according to claim 1 or 2, wherein a width of each of the plurality of second slits and a distance between center lines of the second slits adjacent to each other are constant.
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。   4. The polarization control element according to claim 3, wherein each of the second slits is embedded with the first dielectric material in an entire region including an intersection with the plurality of first slits. 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
Figure 2009192609
の関係を満足する、請求項4に記載の偏波制御素子。
The first direction and the second direction are orthogonal to each other,
As the electromagnetic wave, two linearly polarized waves having the same phase of wavelength λ in which electric fields vibrate in the first and second directions respectively pass through the polarization control element when perpendicularly incident on the substrate. In order to obtain a desired phase difference Δφ between two linearly polarized waves, the phase difference Δφ, the refractive index n of the first dielectric, the thickness Lz of the reflective layer and the first dielectric, The width Wx of each of the plurality of second slits and the distance Lx between the center lines of the adjacent second slits are expressed by the following equation:
Figure 2009192609
The polarization control element according to claim 4, wherein the relationship is satisfied.
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。   4. The polarization control element according to claim 3, wherein each of the second slits is embedded with the first dielectric material in an entire region except for an intersection with the plurality of first slits. 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
Figure 2009192609
の関係を満足する、請求項6に記載の偏波制御素子。
The first direction and the second direction are orthogonal to each other,
As the electromagnetic wave, two linearly polarized waves having the same phase of wavelength λ in which electric fields vibrate in the first and second directions respectively pass through the polarization control element when perpendicularly incident on the substrate. In order to obtain a desired phase difference Δφ between two linearly polarized waves, the phase difference Δφ, the refractive index n of the first dielectric, the thickness Lz of the reflective layer and the first dielectric, The width Wy of each of the plurality of first slits and the interval Ly between the center lines of the adjacent first slits are expressed by the following equation:
Figure 2009192609
The polarization control element according to claim 6, satisfying the relationship:
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。   In each of the first slits, a second dielectric having a refractive index different from that of the first dielectric is embedded in at least a part of a region excluding an intersection with the plurality of second slits. The polarization control element according to any one of claims 1 to 3. 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。
The refractive index of the first dielectric changes according to the electric field,
The reflective layer is separated into a plurality of reflective portions arranged in a matrix by the plurality of first and second slits,
Each of the plurality of reflecting portions is an electrode for applying an electric field to the first dielectric provided between the reflecting portions adjacent to each other in the first direction. 2. The polarization control element according to item 1.
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。
The polarization control element further includes a plurality of transparent electrodes provided corresponding to each row of the plurality of reflecting portions arranged along the second direction,
Each of the plurality of transparent electrodes is connected only to a plurality of reflective portions in a corresponding row,
The polarization control element according to claim 9, wherein each of the plurality of transparent electrodes transmits the electromagnetic wave.
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