JP2010224431A - Electromagnetic wave control element - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、光を含む電磁波の強度、位相、および群速度などの伝搬特性を制御する導波路型の電磁波制御素子に関する。 The present invention relates to a waveguide-type electromagnetic wave control element that controls propagation characteristics such as intensity, phase, and group velocity of electromagnetic waves including light.
近年、電磁波（以下、電磁波は光を含む。）の波長と同程度の周期性を持つ人工材料を用いて電磁波の伝搬を制御する技術の開発が進められている。 In recent years, development of technology for controlling propagation of electromagnetic waves using an artificial material having a periodicity comparable to the wavelength of electromagnetic waves (hereinafter, electromagnetic waves include light) has been advanced.
たとえば、特開２００５−２７４８４０号公報（特許文献１）は、２次元フォトニック結晶配列中に形成された線欠陥導波路に関する。線欠陥導波路とは、誘電体膜に貫通孔が格子状に配列された２次元フォトニック結晶中で、貫通孔が存在することなく線状に連続した部分である。上記文献の技術では、この線欠陥導波路の幅を狭めたり、線欠陥導波路の両側の貫通孔の大きさを変化させたりすることによって、線欠陥導波路での電磁波の伝搬が制御される。 For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2005-274840 (Patent Document 1) relates to a line defect waveguide formed in a two-dimensional photonic crystal array. A line defect waveguide is a linearly continuous portion without a through hole in a two-dimensional photonic crystal in which through holes are arranged in a lattice pattern in a dielectric film. In the technique of the above document, propagation of electromagnetic waves in the line defect waveguide is controlled by narrowing the width of the line defect waveguide or changing the size of the through holes on both sides of the line defect waveguide. .
また、Ｊ．Ｔ．Ｓｈｅｎらは、貫通スリットが電磁波の波長よりも短い周期で周期的に配列された金属膜における電磁波の伝搬について開示している（「Mechanism for Designing Metallic Metamaterials with a High Index of Refraction」、Physical Review Letters、２００５年、第９４巻、１９７４０１−１〜４（非特許文献１）参照）。Ｊ．Ｔ．Ｓｈｅｎらによれば、このような系は、電磁波の周波数に依存しない屈折率を有する誘電体スラブ（平面型誘電体導波路）に等価であると考えることができる。そして、この系の屈折率は金属膜の幾何学的形状のみで制御できるので、従来の誘電体では得られない大きな屈折率を実現することができる。 In addition, J.H. T.A. Shen et al. Disclosed the propagation of electromagnetic waves in a metal film in which through slits are periodically arranged with a period shorter than the wavelength of electromagnetic waves (“Mechanism for Designing Metallic Metamaterials with a High Index of Refraction”, Physical Review Letters). 2005, vol. 94, 197401-1 to 4 (non-patent document 1)). J. et al. T.A. According to Shen et al., Such a system can be considered equivalent to a dielectric slab (planar dielectric waveguide) having a refractive index independent of the frequency of electromagnetic waves. Since the refractive index of this system can be controlled only by the geometric shape of the metal film, a large refractive index that cannot be obtained by a conventional dielectric can be realized.
前述の特開２００５−２７４８４０号公報（特許文献１）に開示された誘電体のフォトニック結晶の場合、異なる２種類の誘電体における屈折率差，または誘電体と空気との屈折率差を利用して光の伝播特性を制御する。このため、上記のＪ．Ｔ．Ｓｈｅｎらの文献に記載されるように金属の構造体を用いる場合に比べて、電磁波の伝搬特性の変調度が小さくなりがちである。 In the case of the dielectric photonic crystal disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-274840 described above (Patent Document 1), the difference in refractive index between two different types of dielectrics or the difference in refractive index between the dielectric and air is used. Thus, the light propagation characteristics are controlled. For this reason, the above-mentioned J. T.A. Compared to the case of using a metal structure as described in the document of Shen et al., The degree of modulation of the propagation characteristics of electromagnetic waves tends to be small.
さらに、特開２００５−２７４８４０号公報（特許文献１）に開示された技術で光の伝搬特性を制御する場合、２次元フォトニック結晶を構成する貫通孔の配置または大きさを光の波長以下の精度で制御することが不可欠である。したがって、生産性の点で技術的課題がある。 Furthermore, when controlling the light propagation characteristics with the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-274840 (Patent Document 1), the arrangement or size of the through-holes constituting the two-dimensional photonic crystal is less than the wavelength of the light. It is essential to control with accuracy. Therefore, there is a technical problem in terms of productivity.
この発明の目的は、金属材料を微細加工した構造体を利用して、効率的に電磁波の伝搬特性を制御することができる電磁波制御素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide an electromagnetic wave control element capable of efficiently controlling the propagation characteristics of an electromagnetic wave using a structure obtained by finely processing a metal material.
この発明は要約すれば、電磁波の伝搬特性を変化させる電磁波制御素子であって、第１および第２の金属層を備える。第１の金属層は、電磁波の伝搬方向と平行な仮想平面に対して、電磁波の半波長より短い第１の間隔を開けて平行に設けられる。第１の金属層には、各々が電磁波の伝搬方向と垂直かつ仮想平面と平行な第１の方向に延びた複数の第１のスリットが、電磁波の波長よりも短い第１の周期で電磁波の伝搬方向に周期的に形成される。第２の金属層は、仮想平面を挟んで第１の金属層と反対側に、仮想平面と第１の間隔を開けて平行に設けられる。第２の金属層には、各々が第１の方向に延びた複数の第２のスリットが、電磁波の波長よりも短い第２の周期で電磁波の伝搬方向に周期的に形成される。第１および第２の金属層の形状は、仮想平面に対して非対称である。 In summary, the present invention is an electromagnetic wave control element that changes propagation characteristics of an electromagnetic wave, and includes first and second metal layers. The first metal layer is provided in parallel to a virtual plane parallel to the propagation direction of the electromagnetic wave with a first interval shorter than a half wavelength of the electromagnetic wave. The first metal layer has a plurality of first slits each extending in a first direction perpendicular to the propagation direction of the electromagnetic wave and parallel to the imaginary plane, with the first period shorter than the wavelength of the electromagnetic wave. Periodically formed in the propagation direction. The second metal layer is provided on the opposite side of the first metal layer across the virtual plane and in parallel with the virtual plane with a first interval. In the second metal layer, a plurality of second slits each extending in the first direction are periodically formed in the propagation direction of the electromagnetic wave with a second period shorter than the wavelength of the electromagnetic wave. The shapes of the first and second metal layers are asymmetric with respect to the virtual plane.
この発明によれば、複数のスリットが電磁波の波長未満の周期で形成された第１および第２の金属層が仮想平面を挟んで互いに平行に配置される。そして、これらの金属層の形状は仮想平面に対して非対称であるので、仮想平面に沿って伝搬する電磁波の特性を大きく変化させることができる。 According to this invention, the 1st and 2nd metal layer in which the some slit was formed with the period shorter than the wavelength of electromagnetic waves is arrange | positioned in parallel mutually on the virtual plane. Since the shapes of these metal layers are asymmetric with respect to the virtual plane, the characteristics of the electromagnetic wave propagating along the virtual plane can be greatly changed.
以下、この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、その説明を繰返さない。 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 description thereof will not be repeated.
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による電磁波制御素子１の構成を示す斜視図である。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an electromagnetic wave control element 1 according to Embodiment 1 of the present invention.
図２は、図１の電磁波制御素子１の側面図である。図１、図２を参照して、電磁波制御素子１は、電磁波１９の伝搬特性を制御する導波路型素子である（この明細書では、電磁波１９には、可視光や赤外線などの光も含むものとする）。電磁波制御素子１は、基板１０と、基板１０上に形成された誘電体１３と、誘電体１３に埋め込まれた第１の金属層１１および第２の金属層１２とを含む。 FIG. 2 is a side view of the electromagnetic wave control element 1 of FIG. 1 and 2, the electromagnetic wave control element 1 is a waveguide element that controls the propagation characteristics of the electromagnetic wave 19 (in this specification, the electromagnetic wave 19 includes light such as visible light and infrared light). ) The electromagnetic wave control element 1 includes a substrate 10, a dielectric 13 formed on the substrate 10, and a first metal layer 11 and a second metal layer 12 embedded in the dielectric 13.
基板１０には、電磁波１９に対して透明な材料が用いられる。基板１０の材料として、たとえば、電磁波１９が可視光の場合に石英基板を用いることができ、赤外線の場合にシリコン基板を用いることができ、マイクロ波の場合にプラスチックやセラミックスなどを用いることができる。なお、基板１０に近接したほうの第１の金属層１１と基板１０との距離ｈｓが電磁波１９の波長（この場合の波長は誘電体１３中での電磁波１９の波長である）より大きい場合には、基板１０は電磁波１９の伝搬にほとんど影響しないので電磁波に対して透明な材料を基板１０に用いなくてよい。 A material transparent to the electromagnetic wave 19 is used for the substrate 10. As a material of the substrate 10, for example, a quartz substrate can be used when the electromagnetic wave 19 is visible light, a silicon substrate can be used when it is infrared, and plastic or ceramics can be used when it is a microwave. . When the distance hs between the first metal layer 11 closer to the substrate 10 and the substrate 10 is larger than the wavelength of the electromagnetic wave 19 (the wavelength in this case is the wavelength of the electromagnetic wave 19 in the dielectric 13). Since the substrate 10 hardly affects the propagation of the electromagnetic wave 19, it is not necessary to use a material transparent to the electromagnetic wave for the substrate 10.
誘電体１３も、電磁波１９に対して透明な材料によって形成される。誘電体１３として、たとえば、電磁波１９が可視光や赤外線の場合に二酸化ケイ素を用いることができ、マイクロ波の場合にプラスチックやセラミックスなどを用いることができる。 The dielectric 13 is also formed of a material that is transparent to the electromagnetic wave 19. As the dielectric 13, for example, silicon dioxide can be used when the electromagnetic wave 19 is visible light or infrared, and plastic or ceramics can be used when the electromagnetic wave 19 is microwave.
第２の金属層１２の上面と誘電体１３の表面との距離ｈｕは、誘電体１３の表面から電磁波が染み出さないような厚みに設定される。このためには、厚みｈｕを少なくとも電磁波１９の波長（この場合の波長は誘電体１３中での電磁波１９の波長である）よりも大きくする必要がある。誘電体１３の表面上には、さらに電磁波制御素子１を保護するためのキャップ層を積層することもできる。上記の厚みｈｕが電磁波１９の波長よりも小さい場合にはキャップ層には電磁波１９に対して透明な材料を用いる必要がある。 A distance hu between the upper surface of the second metal layer 12 and the surface of the dielectric 13 is set to such a thickness that electromagnetic waves do not ooze out from the surface of the dielectric 13. For this purpose, the thickness hu must be at least larger than the wavelength of the electromagnetic wave 19 (in this case, the wavelength is the wavelength of the electromagnetic wave 19 in the dielectric 13). A cap layer for protecting the electromagnetic wave control element 1 can be further laminated on the surface of the dielectric 13. When the thickness hu is smaller than the wavelength of the electromagnetic wave 19, it is necessary to use a material transparent to the electromagnetic wave 19 for the cap layer.
第１および第２の金属層１１，１２は、仮想平面２５を挟んで、仮想平面２５から等距離（Δｚ／２）の位置に仮想平面２５と平行に設けられる。すなわち、第１および第２の金属層１１，１２は、Δｚの間隔を開けて互いに平行に配置される。以下の説明では、基板１０に近接する側の第１の金属層１１を下側の金属層１１とも称し、基板１０から離反する側の第２の金属層１２を上側の金属層１２とも称する。金属層１１，１２として、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、白金、およびこれらの材料からなる合金など、導電率の大きい金属材料を用いることができる。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金属層１１，１２として利用可能である。 The first and second metal layers 11 and 12 are provided in parallel to the virtual plane 25 at a position equidistant (Δz / 2) from the virtual plane 25 with the virtual plane 25 interposed therebetween. That is, the first and second metal layers 11 and 12 are arranged in parallel to each other with an interval of Δz. In the following description, the first metal layer 11 on the side close to the substrate 10 is also referred to as the lower metal layer 11, and the second metal layer 12 on the side away from the substrate 10 is also referred to as the upper metal layer 12. As the metal layers 11 and 12, a metal material having high conductivity such as gold, silver, copper, aluminum, nickel, chromium, platinum, and an alloy made of these materials can be used. If the wavelength of the electromagnetic wave is in the microwave region, a semiconductor with a high carrier density can be used as the metal layers 11 and 12.
ここで、仮想平面２５は、電磁波制御素子１中での電磁波１９の伝搬方向（＋ｙ方向）に平行な仮想的な平面であり、図１、図２ではｘｙ平面と平行に配置される。電磁波１９は、仮想平面２５に沿うように＋ｙ方向に向かって電磁波制御素子１に入射される。図１、図２で仮想平面２５に垂直な方向はｚ軸方向である。 Here, the virtual plane 25 is a virtual plane parallel to the propagation direction (+ y direction) of the electromagnetic wave 19 in the electromagnetic wave control element 1, and is arranged in parallel with the xy plane in FIGS. The electromagnetic wave 19 is incident on the electromagnetic wave control element 1 in the + y direction along the virtual plane 25. The direction perpendicular to the virtual plane 25 in FIGS. 1 and 2 is the z-axis direction.
図１、図２に示すように、第１の金属層１１には、電磁波１９の伝搬方向（＋ｙ方向）と直交する方向であるｘ軸方向に延びた複数のスリット１４が周期的に形成される。これによって、第１の金属層１１は、複数の直方体の金属ブロック（図１の参照符号１１．１〜１１．７）に分離される。スリット１４の領域にも誘電体１３が埋め込まれている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the first metal layer 11 is periodically formed with a plurality of slits 14 extending in the x-axis direction, which is a direction orthogonal to the propagation direction (+ y direction) of the electromagnetic wave 19. The Thus, the first metal layer 11 is separated into a plurality of rectangular parallelepiped metal blocks (reference numerals 11.1 to 11.7 in FIG. 1). A dielectric 13 is also embedded in the area of the slit 14.
ここで、複数のスリット１４の周期をｄ１とし、各スリット１４の幅（ｙ軸方向）をａ１とし、各金属ブロックの幅（ｙ軸方向）をｂ１とする。したがって、ｄ１＝ａ１＋ｂ１である。また、第１の金属層１１の厚み（ｚ軸方向）をｈ１とする。図１、図２では、模式的に、６個のスリット１４が図示されているが、実際には多数のスリット１４が第１の金属層１１に形成される。 Here, the period of the plurality of slits 14 is d1, the width of each slit 14 (y-axis direction) is a1, and the width of each metal block (y-axis direction) is b1. Therefore, d1 = a1 + b1. The thickness (z-axis direction) of the first metal layer 11 is h1. In FIG. 1 and FIG. 2, six slits 14 are schematically illustrated, but in reality, a large number of slits 14 are formed in the first metal layer 11.
同様に、第２の金属層１２には、ｘ軸方向に延びた複数のスリット１５が周期的に形成される。これによって、第２の金属層１２は、複数の直方体の金属ブロック（図１の参照符号１２．１〜１２．８）に分離される。スリット１５の領域にも誘電体１３が埋め込まれている。 Similarly, a plurality of slits 15 extending in the x-axis direction are periodically formed in the second metal layer 12. As a result, the second metal layer 12 is separated into a plurality of rectangular parallelepiped metal blocks (reference numerals 12.1 to 12.8 in FIG. 1). The dielectric 13 is also embedded in the area of the slit 15.
ここで、複数のスリット１５の周期をｄ２とし、各スリット１５の幅（ｙ軸方向）をａ２とし、各金属ブロックの幅（ｙ軸方向）をｂ２とする。したがって、ｄ２＝ａ２＋ｂ２である。また、第２の金属層１２の厚み（ｚ軸方向）をｈ２とする。図１、図２では、模式的に、７個のスリット１５が図示されているが、実際には多数のスリット１５が第１の金属層１２に形成される。 Here, the period of the plurality of slits 15 is d2, the width of each slit 15 (y-axis direction) is a2, and the width of each metal block (y-axis direction) is b2. Therefore, d2 = a2 + b2. The thickness (z-axis direction) of the second metal layer 12 is h2. In FIG. 1 and FIG. 2, seven slits 15 are schematically shown, but in reality, a large number of slits 15 are formed in the first metal layer 12.
第１および第２の金属層１１，１２の各々のスリット１４，１５の周期ｄ１，ｄ２は、電磁波１９の波長よりも短い必要がある。さらに、第１および第２の金属層１１，１２間の間隔Δｚも、電磁波１９の波長よりも短い必要がある。この結果、電磁波制御素子１を伝搬する電磁波１９は、第１および第２の金属層１１，１２中の表面の自由電子と強く相互作用をしながら、仮想平面２５に沿って＋ｙ方向に伝搬する。なお、上記および以下の説明で、電磁波１９の波長とは、誘電体１３の媒質中での電磁波１９の波長を意味する。 The periods d1 and d2 of the slits 14 and 15 of the first and second metal layers 11 and 12 need to be shorter than the wavelength of the electromagnetic wave 19. Furthermore, the distance Δz between the first and second metal layers 11 and 12 also needs to be shorter than the wavelength of the electromagnetic wave 19. As a result, the electromagnetic wave 19 propagating through the electromagnetic wave control element 1 propagates in the + y direction along the virtual plane 25 while strongly interacting with free electrons on the surfaces of the first and second metal layers 11 and 12. . In the above and the following description, the wavelength of the electromagnetic wave 19 means the wavelength of the electromagnetic wave 19 in the medium of the dielectric 13.
さらに、金属層１１，１２の厚みｈ１，ｈ２は、電磁波の波長のおよそ１倍以上１０倍以内であることが望ましい。なぜなら、金属層１１，１２の厚みｈ１，ｈ２が電磁波１９の波長よりも薄くなりすぎると、外部から入射された電磁波１９と電磁波制御素子１との結合効率が低下するからである。さらに、詳しくは後述するが、金属層１１，１２の厚みが電磁波の波長に比較して薄くなりすぎると、屈折率の変調が大きい１次の固有モードの電磁波が電磁波制御素子１中で励起しなくなる。 Furthermore, the thicknesses h1 and h2 of the metal layers 11 and 12 are desirably about 1 to 10 times the wavelength of the electromagnetic wave. This is because if the thicknesses h1 and h2 of the metal layers 11 and 12 are too thin than the wavelength of the electromagnetic wave 19, the coupling efficiency between the electromagnetic wave 19 incident from the outside and the electromagnetic wave control element 1 is lowered. Further, as will be described in detail later, when the thickness of the metal layers 11 and 12 becomes too thin compared to the wavelength of the electromagnetic wave, the first-order eigenmode electromagnetic wave having a large refractive index modulation is excited in the electromagnetic wave control element 1. Disappear.
また、金属層１１，１２の厚みが電磁波の波長のおよそ１０倍以上になると、各スリット１４，１５のアスペクト比（ｈ１／ａ１，ｈ２／ａ２）も１０を超えることになるので、スリット１４，１５の作製が困難になる。さらに、詳しくは後述するが、金属層１１，１２の厚みが厚くなりすぎると、電磁波制御素子１中に励起する電磁波の固有モード数が増加する結果、個々のモードの群速度の変化率がかえって小さくなるので好ましくない。 Further, when the thickness of the metal layers 11 and 12 is approximately 10 times or more the wavelength of the electromagnetic wave, the aspect ratios (h1 / a1, h2 / a2) of the slits 14 and 15 also exceed 10, so 15 is difficult to produce. Further, as will be described in detail later, if the thickness of the metal layers 11 and 12 becomes too thick, the number of eigenmodes of the electromagnetic wave excited in the electromagnetic wave control element 1 increases. As a result, the rate of change of the group velocity of each mode is changed. Since it becomes small, it is not preferable.
また、電磁波制御素子１のｘ軸方向の寸法ＤＸおよびｙ軸方向の寸法ＤＹは、少なくとも電磁波１９の波長の５〜６倍程度の長さに設定されることが好ましい。この場合、電磁波１９の伝搬は、電磁波制御素子１がｘ軸方向およびｙ軸方向に無限に長い場合と同様に考えることができる。 In addition, the dimension DX in the x-axis direction and the dimension DY in the y-axis direction of the electromagnetic wave control element 1 are preferably set to a length of at least about 5 to 6 times the wavelength of the electromagnetic wave 19. In this case, the propagation of the electromagnetic wave 19 can be considered in the same manner as when the electromagnetic wave control element 1 is infinitely long in the x-axis direction and the y-axis direction.
最も典型的な場合には、図１、図２に示すように、第１の金属層１１のスリット１４の周期ｄ１と第２の金属層１２のスリット１５の周期ｄ２とは互いに等しく形成される。また、スリット１４の幅ａ１とスリット１５の幅ａ２とは等しく形成され、第１の金属層１１の厚みｈ１と第２の金属層１２の厚みｈ２とは等しい形成される（以下、ｄ１＝ｄ２＝ｄ、ａ１＝ａ２＝ａ、ｂ１＝ｂ２＝ｂ、ｈ１＝ｈ２＝ｈと記載する。）。さらに、仮想平面２５に垂直なｚ方向から見たとき、スリット１４の中心線とスリット１５の中心線とのずれ幅Δｙはスリット１４の周期ｄの半分に等しく形成される（Δｙ＝ｄ／２）。この場合、次に示すように、電磁波制御素子１中での電磁波１９の群速度が０または負になる場合が存在する。 In the most typical case, as shown in FIGS. 1 and 2, the period d1 of the slit 14 of the first metal layer 11 and the period d2 of the slit 15 of the second metal layer 12 are formed to be equal to each other. . Further, the width a1 of the slit 14 and the width a2 of the slit 15 are formed to be equal, and the thickness h1 of the first metal layer 11 and the thickness h2 of the second metal layer 12 are formed to be equal (hereinafter, d1 = d2). = D, a1 = a2 = a, b1 = b2 = b, h1 = h2 = h.) Further, when viewed from the z direction perpendicular to the virtual plane 25, the deviation width Δy between the center line of the slit 14 and the center line of the slit 15 is formed to be equal to half the period d of the slit 14 (Δy = d / 2). ). In this case, as shown below, the group velocity of the electromagnetic wave 19 in the electromagnetic wave control element 1 may be 0 or negative.
図３は、電磁波制御素子１を伝搬する電磁波の分散関係を示す図である。図３は、上記の典型的な場合における電磁波制御素子１中での電磁波１９の分散関係を計算したものである。図３において、縦軸は２π×ｃ／ｄ（ただし、πは円周率を表わし、ｃは光速を表わし、ｄはスリット１４，１５の周期を表わす。）で規格化した角周波数ωを表わし、横軸は２π／ｄで規格化した波数ベクトルｋを表わす。 FIG. 3 is a diagram showing the dispersion relation of the electromagnetic wave propagating through the electromagnetic wave control element 1. FIG. 3 shows the dispersion relation of the electromagnetic wave 19 in the electromagnetic wave control element 1 in the above typical case. In FIG. 3, the vertical axis represents the angular frequency ω normalized by 2π × c / d (where π represents the circular ratio, c represents the speed of light, and d represents the period of the slits 14 and 15). The horizontal axis represents the wave vector k normalized by 2π / d.
具体的な計算パラメータとして、図１のスリット１４，１５の周期ｄ（ｄ＝ｄ１＝ｄ２）を基準にして、スリット１４，１５の幅ａ（ａ＝ａ１＝ａ２）を３ｄ／５にし、金属ブロックの幅ｂ（ｂ＝ｂ１＝ｂ２）を２ｄ／５にし、金属層１１，１２の厚みｈ（ｈ＝ｈ１＝ｈ２）を２ｄに設定した。また、金属層１１，１２間の間隔Δｚを３ｄ／５０に設定した。また、ｚ方向から見たとき、スリット１４の中心線とスリット１５の中心線とのずれ幅Δｙをスリット１４の周期ｄの半分に等しく設定した（Δｙ＝ｄ／２）。 As specific calculation parameters, the width a (a = a1 = a2) of the slits 14 and 15 is set to 3d / 5 with reference to the period d (d = d1 = d2) of the slits 14 and 15 in FIG. The block width b (b = b1 = b2) was set to 2d / 5, and the thickness h (h = h1 = h2) of the metal layers 11 and 12 was set to 2d. The interval Δz between the metal layers 11 and 12 was set to 3d / 50. Further, when viewed from the z direction, the deviation width Δy between the center line of the slit 14 and the center line of the slit 15 was set equal to half the period d of the slit 14 (Δy = d / 2).
数値計算の境界条件について説明すると、金属層１１，１２と誘電体１３との境界では、金属層１１，１２の表面に平行な電界成分を０にした。また電磁波制御素子１のｘ軸方向およびｙ軸方向の両端での境界条件を周期境界条件とした。また、簡単のために誘電体１３の屈折率を１（真空中の屈折率）に等しく設定した。 The boundary condition for numerical calculation will be described. At the boundary between the metal layers 11 and 12 and the dielectric 13, the electric field component parallel to the surfaces of the metal layers 11 and 12 is set to zero. The boundary conditions at both ends in the x-axis direction and the y-axis direction of the electromagnetic wave control element 1 were defined as periodic boundary conditions. For simplicity, the refractive index of the dielectric 13 is set equal to 1 (refractive index in vacuum).
次に数値計算の結果について説明する。まず、図３に示すように、電磁波制御素子１中では、磁界方向が常に、仮想平面２５と平行であり、かつ、電磁波１９の伝搬方向と垂直な方向（ｘ軸方向）を向いたＴＭ（Transverse Magnetic：横磁場）モードのみ伝搬することができる。ここで、図３には、電磁波制御素子１中で生じる電磁波の複数の固有モードのうち、周波数の低い順に０次のＴＭモード（ＴＭ０）および１次のＴＭモード（ＴＭ１）の分散曲線が示されている。また、真空中での電磁波の分散曲線ＶＡＣが破線で示されている。なお、電磁波制御素子１中で生じる固有モード数は、金属層１１，１２の厚みｈ１，ｈ２が厚くなるほど増加する。 Next, the results of numerical calculation will be described. First, as shown in FIG. 3, in the electromagnetic wave control element 1, the magnetic field direction is always parallel to the virtual plane 25 and is directed to a direction (x-axis direction) perpendicular to the propagation direction of the electromagnetic wave 19 (x-axis direction). It can propagate only in Transverse Magnetic mode. Here, FIG. 3 shows dispersion curves of the zero-order TM mode (TM0) and the first-order TM mode (TM1) in order of increasing frequency among the plurality of eigenmodes of the electromagnetic wave generated in the electromagnetic wave control element 1. Has been. Further, a dispersion curve VAC of electromagnetic waves in a vacuum is indicated by a broken line. Note that the number of eigenmodes generated in the electromagnetic wave control element 1 increases as the thicknesses h1 and h2 of the metal layers 11 and 12 increase.
０次のＴＭモードは、第１および第２の金属層１１，１２で挟まれた図１の仮想平面２５の近傍で磁界強度が最大になる偶モード（偶関数で表わされるモード）のうちの最低次のモードである。０次のモードの場合、電磁波の進行方向に垂直な面内（図４の縦方向）に、磁界強度の絶対値のピークが１個存在する。一般に、２ｉ次（ただし、ｉは０以上の整数）のモードの場合、電磁波の進行方向に垂直な面内（図２のｚ軸方向）で、磁界強度の絶対値のピークが２ｉ＋１個存在する。 The 0th-order TM mode is an even mode (mode represented by an even function) in which the magnetic field strength is maximum in the vicinity of the virtual plane 25 in FIG. 1 sandwiched between the first and second metal layers 11 and 12. This is the lowest mode. In the 0th-order mode, one peak of the absolute value of the magnetic field strength exists in a plane perpendicular to the traveling direction of the electromagnetic wave (vertical direction in FIG. 4). In general, in the 2i-th order (where i is an integer of 0 or more) mode, there are 2i + 1 absolute value magnetic field peaks in a plane perpendicular to the traveling direction of the electromagnetic wave (z-axis direction in FIG. 2). .
１次のＴＭモードは、第１および第２の金属層１１，１２で挟まれた図１の仮想平面２５の近傍で磁界強度が０になる奇モード（奇関数で表わされるモード）のうちの最低次のモードである。１次のモードの場合、電磁波の進行方向に垂直な面内（図５の縦方向）に、磁界強度の絶対値のピークが２個存在する。一般に、２ｉ＋１次（ただし、ｉは０以上の整数）のモードの場合、電磁波の進行方向に垂直な面内（図２のｚ軸方向）に、磁界強度の絶対値のピークが２ｉ＋２個存在する。 The first-order TM mode is an odd mode (mode represented by an odd function) in which the magnetic field strength is 0 near the virtual plane 25 in FIG. 1 sandwiched between the first and second metal layers 11 and 12. This is the lowest mode. In the case of the primary mode, there are two peaks of the absolute value of the magnetic field intensity in a plane perpendicular to the traveling direction of the electromagnetic wave (vertical direction in FIG. 5). In general, in the 2i + 1 order mode (where i is an integer of 0 or more), there are 2i + 2 absolute value magnetic field peaks in the plane perpendicular to the traveling direction of the electromagnetic wave (in the z-axis direction in FIG. 2). .
図３に示すように、０次のＴＭモードと１次のＴＭモードとでは全く異なる分散関係を示す。０次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ０）は、波数ベクトルｋが増加するにつれて角周波数ωが単調に増加する特徴を有し、平面型誘電体導波路（スラブ導波路）での電磁波の分散曲線と同様である。 As shown in FIG. 3, completely different dispersion relations are shown in the 0th-order TM mode and the 1st-order TM mode. The 0th-order TM mode dispersion curve (TM0) has a feature that the angular frequency ω monotonously increases as the wave vector k increases, and the dispersion curve of electromagnetic waves in a planar dielectric waveguide (slab waveguide). It is the same.
これに対して、１次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ１）は極大点Ｂ２を有する。すなわち、図３の点Ａ２から極大点Ｂ２までは、波数ベクトルｋの増加に伴って角周波数ωが単調に増加する。一方、極大点Ｂ２からバンド端の点Ｃ２（このとき波数ベクトルｋはπ／ｄに等しい。）までは、波数ベクトルｋの増加に伴って角周波数ωが単調に減少する。バンド端（波数ベクトルｋ＝π／ｄ）では、１次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ１）と０次のＴＭのモードの分散曲線（ＴＭ０）とが一致する。 On the other hand, the dispersion curve (TM1) of the first-order TM mode has a maximum point B2. That is, from the point A2 to the maximum point B2 in FIG. 3, the angular frequency ω increases monotonously with the increase of the wave vector k. On the other hand, from the local maximum point B2 to the point C2 at the band edge (at this time, the wave number vector k is equal to π / d), the angular frequency ω monotonously decreases as the wave number vector k increases. At the band edge (wave vector k = π / d), the dispersion curve (TM1) of the first-order TM mode coincides with the dispersion curve (TM0) of the zero-order TM mode.
極大点Ｂ２を与える電磁波の波長λは、図１のスリット１４，１５の周期ｄ、スリット１４，１５の幅ａ、および上下のスリット１４，１５間のずれ幅Δｙなど、第１および第２の金属層１１，１２の形状に大きく依存する。具体的に図３の場合、角周波数ωが、
ω＝０．２１×２πｃ／ｄ
のとき分散曲線は極大になる。このときの波長λは、
λ＝２πｃ／ω＝ｄ／０．２１
の関係を満たすので、たとえば、スリットの周期ｄを１μｍとすると、波長λ＝４．７６μｍのとき１次のＴＭモードの分散曲線が極大になる。
The wavelength λ of the electromagnetic wave that gives the maximum point B2 includes the first and second values such as the period d of the slits 14 and 15 in FIG. This greatly depends on the shape of the metal layers 11 and 12. Specifically, in the case of FIG. 3, the angular frequency ω is
ω = 0.21 × 2πc / d
In this case, the dispersion curve becomes maximal. The wavelength λ at this time is
λ = 2πc / ω = d / 0.21
Therefore, for example, if the slit period d is 1 μm, the dispersion curve of the first-order TM mode becomes maximum when the wavelength λ = 4.76 μm.
分散曲線ＴＭ１の極大点Ｂ２では、群速度Ｖｇ（Ｖｇ＝∂ω／∂ｋ）が０になる。群速度Ｖｇは、電磁波のパルスの伝搬速度を意味する。この性質を利用すれば、電磁波制御素子１を遅延素子または光メモリーに適用することができる。 At the maximum point B2 of the dispersion curve TM1, the group velocity Vg (Vg = ∂ω / ∂k) becomes zero. The group velocity Vg means the propagation velocity of electromagnetic wave pulses. If this property is utilized, the electromagnetic wave control element 1 can be applied to a delay element or an optical memory.
また、点Ｂ２から点Ｃ２までの区間では、電磁波の群速度Ｖｇが負になる。電磁波の位相速度Ｖｐ（Ｖｐ＝ω／ｋ）は一般に正の値を持つので、この区間では、群速度Ｖｇの符号と位相速度Ｖｐの符号とが逆になる。このように、位相速度Ｖｐの方向と群速度Ｖｇの方向とが１８０°逆向きになる特性は、負の群速度特性もしくは後進波特性と呼ばれる。後進波特性を有する媒質は屈折率が負になるので、通常の物質の限界を超えた応用が可能であり、たとえば、共振器やフィルターを極めて小型化することが可能になる。 In the section from point B2 to point C2, the electromagnetic wave group velocity Vg is negative. Since the phase velocity Vp (Vp = ω / k) of the electromagnetic wave generally has a positive value, the sign of the group velocity Vg and the sign of the phase velocity Vp are reversed in this section. Thus, the characteristic in which the direction of the phase velocity Vp and the direction of the group velocity Vg are reversed by 180 ° is called a negative group velocity characteristic or a backward wave characteristic. Since the medium having the backward wave characteristic has a negative refractive index, it can be applied beyond the limits of ordinary substances. For example, a resonator and a filter can be extremely miniaturized.
なお、０次のＴＭモードの分散曲線と１次のＴＭモード分散曲線とでは、電磁波の周波数が異なる。したがって、電磁波制御素子１に入射する電磁波の周波数に応じて、図１のスリット１４，１５の周期ｄ、スリット１４，１５の幅ａ、および上下のスリット１４，１５間のずれ幅Δｙなど、電磁波制御素子１の金属層１１，１２の形状を適切に設計することによって、０または負の群速度の特性と有する１次のＴＭモードを選択的に励起することができる。 The zero-order TM mode dispersion curve and the first-order TM mode dispersion curve have different electromagnetic wave frequencies. Therefore, according to the frequency of the electromagnetic wave incident on the electromagnetic wave control element 1, the electromagnetic wave such as the period d of the slits 14 and 15, the width a of the slits 14 and 15, and the shift width Δy between the upper and lower slits 14 and 15 in FIG. By appropriately designing the shapes of the metal layers 11 and 12 of the control element 1, it is possible to selectively excite the first-order TM mode having the characteristics of 0 or negative group velocity.
図４は、図３に示した０次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１における磁界分布図である。図４（Ａ）は、０次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ１における磁界分布を示し、図４（Ｂ）は、点Ｂ１における磁界分布を示し、図４（Ｃ）は、点Ｃ１における磁界分布を示す。 FIG. 4 is a magnetic field distribution diagram at points A1, B1, and C1 on the dispersion curve of the 0th-order TM mode shown in FIG. 4A shows the magnetic field distribution at point A1 on the dispersion curve of the zeroth-order TM mode, FIG. 4B shows the magnetic field distribution at point B1, and FIG. 4C shows the magnetic field distribution at point C1. The magnetic field distribution is shown.
図４（Ａ）〜（Ｃ）では、ｘ軸方向の磁界Ｈｘが正の最大値（Ｈｘ＝１で規格化）となる場合を白色で表わし、磁界Ｈｘが負の最大値（Ｈｘ＝−１で規格化）となる場合を黒色で表わし、これらの間の磁界強度を濃淡で示している。また、図４（Ａ）〜（Ｃ）には、図２の電磁波制御素子１の側面図のうち第１、第２の金属層１１，１２に対応する部分の外形が破線で示されている。 4A to 4C, the case where the magnetic field Hx in the x-axis direction has a positive maximum value (normalized with Hx = 1) is represented in white, and the magnetic field Hx has a negative maximum value (Hx = −1). In the case of standardization, the magnetic field strength between them is shown in shades. 4A to 4C, the outline of the portion corresponding to the first and second metal layers 11 and 12 in the side view of the electromagnetic wave control element 1 of FIG. 2 is indicated by a broken line. .
図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、金属層１１，１２に挟まれた領域、スリット１４，１５の領域、および金属層１１，１２の外側の領域のいずれの領域にも電磁波が分布する。０次のＴＭモードでは、図２の金属層１１，１２で挟まれた仮想平面２５の近傍で磁界強度が最大になる。また、仮想平面２５の上下の磁界の符号は同じである。バンド端（図３の点Ｃ１）に対応する図４（Ｃ）では、電磁波の波長はスリットの２周期分（図２の２×ｄ。ただし、ｄ＝ｄ１＝ｄ２。）に等しい。 As shown in FIGS. 4A to 4C, electromagnetic waves are generated in any of the region sandwiched between the metal layers 11 and 12, the region of the slits 14 and 15, and the region outside the metal layers 11 and 12. Distributed. In the 0th-order TM mode, the magnetic field strength becomes maximum near the virtual plane 25 sandwiched between the metal layers 11 and 12 in FIG. The signs of the magnetic fields above and below the virtual plane 25 are the same. In FIG. 4C corresponding to the band edge (point C1 in FIG. 3), the wavelength of the electromagnetic wave is equal to two slit periods (2 × d in FIG. 2, where d = d1 = d2).
図５は、図３に示した１次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２における磁界分布図である。図５（Ａ）は、１次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ２における磁界分布を示し、図５（Ｂ）は、点Ｂ２における磁界分布を示し、図５（Ｃ）は、点Ｃ２における磁界分布を示す。 FIG. 5 is a magnetic field distribution diagram at points A2, B2, and C2 on the dispersion curve of the first-order TM mode shown in FIG. 5A shows the magnetic field distribution at the point A2 on the dispersion curve of the first-order TM mode, FIG. 5B shows the magnetic field distribution at the point B2, and FIG. 5C shows the magnetic field distribution at the point C2. The magnetic field distribution is shown.
図５（Ａ）〜（Ｃ）では、ｘ軸方向の磁界Ｈｘが正の最大値（Ｈｘ＝１で規格化）となる場合を白色で表わし、磁界Ｈｘが負の最大値（Ｈｘ＝−１で規格化）となる場合を黒色で示し、これらの間の磁界強度を濃淡で示している。また、図５（Ａ）〜（Ｃ）には、図２に示す電磁波制御素子１の側面図のうち第１、第２の金属層１１，１２に対応する部分の外形が破線で示されている。 5A to 5C, the case where the magnetic field Hx in the x-axis direction has a positive maximum value (normalized with Hx = 1) is represented in white, and the magnetic field Hx has a negative maximum value (Hx = −1). In the case of standardization, the magnetic field strength between them is shown in shades. 5A to 5C, the outer shape of the portion corresponding to the first and second metal layers 11 and 12 in the side view of the electromagnetic wave control element 1 shown in FIG. Yes.
図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、金属層１１，１２に挟まれた領域、スリット１４，１５の領域、および金属層１１，１２の外側の領域のいずれの領域にも電磁波が分布する。１次のＴＭモードでは、図２の金属層１１，１２で挟まれた仮想平面２５の近傍で磁界強度がほぼ０になる。また、仮想平面２５の上下の磁界の符号が逆になる。バンド端（図３の点Ｃ２）に対応する図５（Ｃ）では、電磁波の波長はスリットの２周期分（図２の２×ｄ。ただし、ｄ＝ｄ１＝ｄ２。）に等しい。 As shown in FIGS. 5A to 5C, electromagnetic waves are generated in any of the region sandwiched between the metal layers 11 and 12, the region of the slits 14 and 15, and the region outside the metal layers 11 and 12. Distributed. In the first-order TM mode, the magnetic field strength is almost zero near the virtual plane 25 sandwiched between the metal layers 11 and 12 in FIG. Further, the signs of the magnetic fields above and below the virtual plane 25 are reversed. In FIG. 5C corresponding to the band edge (point C2 in FIG. 3), the wavelength of the electromagnetic wave is equal to two slit periods (2 × d in FIG. 2, where d = d1 = d2).
図５（Ｃ）と図４（Ｃ）とを比較すると、電磁波の位相が互いに１８０°ずれている点を除いて、両者の磁界分布形状は同一である。このことは、図３のバンド端（波数ベクトルｋ＝π／ｄ）で、０次のＴＭモードの分散曲線と１次のＴＭモードの分散曲線とが一致する事実に符合している。 Comparing FIG. 5C and FIG. 4C, both magnetic field distribution shapes are the same except that the phases of the electromagnetic waves are shifted from each other by 180 °. This coincides with the fact that the zero-order TM mode dispersion curve coincides with the first-order TM mode dispersion curve at the band edge (wave vector k = π / d) in FIG.
次に、図２の上下のスリット１４，１５間のずれ幅Δｙと電磁波制御素子１中での電磁波の分散との関係について説明する。 Next, the relationship between the shift width Δy between the upper and lower slits 14 and 15 in FIG. 2 and the dispersion of the electromagnetic wave in the electromagnetic wave control element 1 will be described.
図６は、第１の金属層１１のスリット１４の位置と第２の金属層１２のスリット１５の位置とにずれがない場合の電磁波の分散関係と、ずれがある場合の電磁波の分散関係とを対比して示す図である。上段の（Ａ）のグラフは、図２でΔｙ＝０の場合（すなわち、上下のスリット１４，１５にずれがない場合）の電磁波の分散関係であり、下段の（Ｂ）のグラフは、図２でΔｙ＝ｄ／２の場合（すなわち、上下のスリット１４，１５がスリットの周期ｄの半周期分ずれている場合）の電磁波の分散関係である。図６では、０次〜３次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ０〜ＴＭ３）が実線で示され、真空中での電磁波の分散曲線ＶＡＣが破線で示されている。図６において、縦軸は２π×ｃ／ｄ（ただし、πは円周率を表わし、ｃは光速を表わし、ｄはスリット１４，１５の周期を表わす。）で規格化した角周波数ωを表わし、横軸は２π／ｄで規格化した波数ベクトルｋを表わす。 FIG. 6 shows the dispersion relation of the electromagnetic wave when there is no deviation between the position of the slit 14 of the first metal layer 11 and the position of the slit 15 of the second metal layer 12, and the dispersion relation of the electromagnetic wave when there is a deviation. It is a figure which compares and shows. The upper graph (A) is the electromagnetic wave dispersion relationship when Δy = 0 in FIG. 2 (that is, when the upper and lower slits 14 and 15 are not displaced), and the lower graph (B) is a diagram. 2 is a dispersion relationship of electromagnetic waves when Δy = d / 2 (that is, when the upper and lower slits 14 and 15 are shifted by a half period of the slit period d). In FIG. 6, the dispersion curves (TM0 to TM3) of the 0th to 3rd order TM modes are indicated by solid lines, and the dispersion curve VAC of electromagnetic waves in vacuum is indicated by broken lines. In FIG. 6, the vertical axis represents the angular frequency ω normalized by 2π × c / d (where π represents the circular ratio, c represents the speed of light, and d represents the period of the slits 14 and 15). The horizontal axis represents the wave vector k normalized by 2π / d.
具体的な計算パラメータとして、図１のスリット１４，１５の周期ｄ（ｄ＝ｄ１＝ｄ２）をｄ＝０．６ｍｍとし、スリット１４，１５の幅ａ（ａ＝ａ１＝ａ２）をａ＝０．１６ｍｍとし、金属ブロックの幅ｂ（ｂ＝ｂ１＝ｂ２）をｂ＝０．４４ｍｍとし、金属層１１，１２の厚みｈ（ｈ＝ｈ１＝ｈ２）をｈ＝１．３ｍｍとした。また、金属層１１，１２間の間隔Δｚを０．０１５ｍｍとした。また、簡単のために誘電体１３の屈折率を１（真空中の屈折率）とした。 As specific calculation parameters, the period d (d = d1 = d2) of the slits 14 and 15 of FIG. 1 is d = 0.6 mm, and the width a (a = a1 = a2) of the slits 14 and 15 is a = 0 .16 mm, the width b (b = b1 = b2) of the metal block was set to b = 0.44 mm, and the thickness h (h = h1 = h2) of the metal layers 11 and 12 was set to h = 1.3 mm. The interval Δz between the metal layers 11 and 12 was 0.015 mm. For the sake of simplicity, the refractive index of the dielectric 13 is set to 1 (refractive index in vacuum).
まず、図６（Ａ）の場合（すなわち、上下の金属層のスリットのずれ幅ΔｙがΔｙ＝０の場合）、分散関係は単一の誘電体スラブ（平面型誘電体導波路）の分散関係と同様である。すなわち、前述のＪ．Ｔ．Ｓｈｅｎらの文献に記載された単層の金属の構造体（すなわち、周期的なスリットが形成された単一の金属膜）と同様の分散関係になり、金属層１１，１２が上下の２層構造となっている効果は現れない。 First, in the case of FIG. 6A (that is, when the displacement width Δy of the slits of the upper and lower metal layers is Δy = 0), the dispersion relationship is a dispersion relationship of a single dielectric slab (planar dielectric waveguide). It is the same. That is, the above-mentioned J.I. T.A. The metal layers 11 and 12 are divided into upper and lower layers in the same dispersion relationship as the single-layer metal structure (that is, a single metal film in which periodic slits are formed) described in the document of Shen et al. The structured effect does not appear.
一方、図６（Ｂ）の場合（すなわち、上下の金属層のスリットのずれ幅ΔｙがΔｙ＝ｄ／２の場合）、偶数次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ０，ＴＭ２）は図６（Ａ）の場合とほとんど変化がない。これに対して、奇数次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ１，ＴＭ３）は図６（Ａ）の場合よりも低周波側にシフトする。この場合、波数ベクトルｋが大きくなるほど、分散曲線（ＴＭ１，ＴＭ３）の低周波側へのシフト量が大きくなり、バンド端（ｋ＝π／ｄ）では２ｉ次（ただし、ｉは０以上の整数）の分散曲線と２ｉ＋１次の分散曲線とが一致する。この結果、奇数次のＴＭモードの分散曲線に極大値が生じる。 On the other hand, in the case of FIG. 6B (that is, when the slit width Δy of the upper and lower metal layers is Δy = d / 2), the even-order TM mode dispersion curves (TM0, TM2) are shown in FIG. ) And almost no change. On the other hand, the dispersion curve (TM1, TM3) of the odd-order TM mode is shifted to the lower frequency side than the case of FIG. In this case, as the wave vector k increases, the shift amount of the dispersion curve (TM1, TM3) toward the low frequency side increases, and at the band edge (k = π / d), the 2i order (where i is an integer of 0 or more) ) And the 2i + 1 order dispersion curve match. As a result, a maximum value occurs in the dispersion curve of the odd-order TM mode.
図示を省略しているが、上下のスリット１４，１５間のずれ幅Δｙが、Δｙ＝０（図（Ａ）の場合）からΔｙ＝ｄ／２（図（Ｂ）の場合）に増加するにつれて、奇数次のＴＭモードの分散曲線の低周波側へのシフト量が大きくなる。そして、Δｙ＝ｄ／２のとき低周波側へのシフト量が最大になる。 Although not shown, as the displacement width Δy between the upper and lower slits 14 and 15 increases from Δy = 0 (in the case of FIG. (A)) to Δy = d / 2 (in the case of FIG. (B)). The shift amount to the low frequency side of the dispersion curve of the odd-order TM mode becomes large. When Δy = d / 2, the shift amount toward the low frequency side is maximized.
これを別の観点から見ると、図２の仮想平面２５に対して、上下の金属層１１，１２の形状が対称な場合は、電磁波制御素子１を伝搬する電磁波の分散関係に異常は見られない。これに対して仮想平面２５に対して、上下の金属層１１，１２の形状の非対称になると奇数次のＴＭモードの分散関係に異常が現れる。仮想平面２５に対して、上下の金属層１１，１２の非対称性が大きい場合には、群速度が０または負になる場合が存在する。このように、上下のスリット１４，１５のずれ幅Δｙ、ひいては上下の金属層１１，１２の非対称性を調整することによって、電磁波制御素子１を伝搬する電磁の特性を制御することができる。 From another viewpoint, when the shapes of the upper and lower metal layers 11 and 12 are symmetric with respect to the virtual plane 25 in FIG. 2, there is an abnormality in the dispersion relation of the electromagnetic wave propagating through the electromagnetic wave control element 1. Absent. On the other hand, when the shapes of the upper and lower metal layers 11 and 12 become asymmetric with respect to the virtual plane 25, an abnormality appears in the dispersion relationship of the odd-order TM mode. When the asymmetry of the upper and lower metal layers 11 and 12 with respect to the virtual plane 25 is large, the group velocity may be 0 or negative. In this way, by adjusting the deviation width Δy of the upper and lower slits 14 and 15 and thus the asymmetry of the upper and lower metal layers 11 and 12, the electromagnetic characteristics propagating through the electromagnetic wave control element 1 can be controlled.
図７は、図１の電磁波制御素子１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）〜（Ｇ）を参照して、電磁波制御素子１の製造工程について説明する。 FIG. 7 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of the electromagnetic wave control element 1 of FIG. Hereinafter, the manufacturing process of the electromagnetic wave control element 1 will be described with reference to FIGS.
まず、図７（Ａ）に示すように、基板１０の主面上の全面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを用いて誘電体１３Ａを製膜する。誘電体１３Ａの膜厚は、図２の第１の金属層１１と基板１０との間の距離ｈｓに等しい。 First, as shown in FIG. 7A, a dielectric 13A is formed on the entire main surface of the substrate 10 using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like. The film thickness of the dielectric 13A is equal to the distance hs between the first metal layer 11 and the substrate 10 in FIG.
その後、図７（Ｂ）に示すように、誘電体１３Ａの表面にフォトレジストを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによってフォトレジストをライン状にパターニングする。ライン状のフォトレジスト２１Ａの周期は、図２の第１の金属層１１に形成されたスリット１４の周期ｄ１に等しく、ライン状のフォトレジスト２１Ａの幅は、図２の第１の金属層１１に形成されたスリット１４の幅ａ１に等しい。 Thereafter, as shown in FIG. 7B, a photoresist is applied to the surface of the dielectric 13A, and the photoresist is patterned in a line shape by electron beam lithography or the like. The period of the line-shaped photoresist 21A is equal to the period d1 of the slit 14 formed in the first metal layer 11 of FIG. 2, and the width of the line-shaped photoresist 21A is the first metal layer 11 of FIG. It is equal to the width a1 of the slit 14 formed in (1).
次に、パターンニングされたフォトレジスト２１Ａの上から金属膜を真空蒸着法などによって堆積させる。このときの金属膜の厚みは、図２の第１の金属層１１の厚みｈ１に等しい。この後、レジスト２１Ａ上の余分な金属膜をレジスト２１Ａとともに除去することによって（リフトオフ法）、図７（Ｃ）に示すように、複数のスリットの形成された第１の金属層１１が形成される。 Next, a metal film is deposited on the patterned photoresist 21A by a vacuum evaporation method or the like. The thickness of the metal film at this time is equal to the thickness h1 of the first metal layer 11 in FIG. Thereafter, by removing the excess metal film on the resist 21A together with the resist 21A (lift-off method), as shown in FIG. 7C, the first metal layer 11 having a plurality of slits is formed. The
次に、図７（Ｄ）に示すように、誘電体１３Ｂを金属層１１のスリットに埋め込むように形成する。このとき金属層１１の上面より上の誘電体１３Ｂの膜厚が、図２のΔｚに等しくなるように調整する。たとえば、ＣＶＤ法などによって誘電体１３Ｂを厚めに製膜した後、表面を研磨することによって膜厚を調整することができる。 Next, as illustrated in FIG. 7D, the dielectric 13 </ b> B is formed so as to be embedded in the slit of the metal layer 11. At this time, the film thickness of the dielectric 13B above the upper surface of the metal layer 11 is adjusted to be equal to Δz in FIG. For example, the thickness of the dielectric 13B can be adjusted by polishing the surface after the dielectric 13B is formed thick by CVD or the like.
次に、図７（Ｅ）に示すように、誘電体１３Ｂの表面にフォトレジストを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによってフォトレジストをライン状にパターンニングする。ライン状のフォトレジスト２１Ｂの周期は、図２の第２の金属層１２に形成されたスリット１５の周期ｄ２に等しく、ライン状のフォトレジスト２１Ｂの幅は、図２の第２の金属層１２に形成されたスリット１５の幅ａ２に等しい。 Next, as shown in FIG. 7E, a photoresist is applied to the surface of the dielectric 13B, and the photoresist is patterned in a line shape by electron beam lithography or the like. The period of the line-shaped photoresist 21B is equal to the period d2 of the slit 15 formed in the second metal layer 12 of FIG. 2, and the width of the line-shaped photoresist 21B is the second metal layer 12 of FIG. It is equal to the width a2 of the slit 15 formed in (1).
次に、パターンニングされたフォトレジスト２１Ｂの上から金属膜を真空蒸着法などによって製膜する。このときの金属膜の厚みは、図２の第２の金属層１２の厚みｈ２に等しい。この後、レジスト２１Ｂ上の余分な金属膜をレジスト２１Ｂとともに除去することによって（リフトオフ法）、図７（Ｆ）に示すように、複数のスリットの形成された第２の金属層１２が形成される。 Next, a metal film is formed on the patterned photoresist 21B by a vacuum deposition method or the like. The thickness of the metal film at this time is equal to the thickness h2 of the second metal layer 12 in FIG. Thereafter, the excess metal film on the resist 21B is removed together with the resist 21B (lift-off method), whereby the second metal layer 12 having a plurality of slits is formed as shown in FIG. The
次に、図７（Ｇ）に示すように、誘電体１３Ｃを金属層１２のスリットに埋め込むように形成する。このとき金属層１２の上面より上の誘電体１３Ｃの膜厚が、図２の金属層１２よりも上側の誘電体１３の厚みｈｕに等しくなるように調整する。たとえば、ＣＶＤ法などによって誘電体１３Ｃを厚めに製膜した後、表面を研磨することによって膜厚を調整することができる。図７（Ｇ）において、誘電体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが図１，図２の誘電体１３に対応する。 Next, as illustrated in FIG. 7G, the dielectric 13 </ b> C is formed so as to be embedded in the slit of the metal layer 12. At this time, the thickness of the dielectric 13C above the upper surface of the metal layer 12 is adjusted to be equal to the thickness hu of the dielectric 13 above the metal layer 12 in FIG. For example, the film thickness can be adjusted by polishing the surface after forming the dielectric 13C thickly by CVD or the like. In FIG. 7G, dielectrics 13A, 13B, and 13C correspond to the dielectric 13 in FIGS.
以上のプロセスによって、図１、図２の電磁波制御素子１が完成する。上記のプロセスによれば、金属層１１，１２にそれぞれ形成されるスリットの幅ａ１，ａ２および金属ブロックの幅ｂ１，ｂ２を１００ｎｍ程度まで小さく作製することが可能であるため、可視光で動作する電磁波制御素子１を作製することができる。 The electromagnetic wave control element 1 shown in FIGS. 1 and 2 is completed by the above process. According to the above process, the widths a1 and a2 of the slits formed in the metal layers 11 and 12 and the widths b1 and b2 of the metal blocks can be made as small as about 100 nm. The electromagnetic wave control element 1 can be produced.
以上のとおり、実施の形態１の電磁波制御素子１によれば、複数のスリット１４，１５がそれぞれ形成された第１および第２の金属層１１，１２が、仮想平面２５を挟んで互いに平行に配設される。このとき、スリット１４，１５が延びる方向は電磁波１９の伝搬方向（＋ｙ方向）に対して垂直方向（ｘ軸方向）であり、スリット１４，１５の周期は電磁波１９の波長より小さい。また、第１および第２の金属層１１，１２間の間隔Δｚも電磁波１９の波長より小さい。 As described above, according to the electromagnetic wave control element 1 of the first embodiment, the first and second metal layers 11 and 12 in which the plurality of slits 14 and 15 are respectively formed are parallel to each other across the virtual plane 25. Arranged. At this time, the direction in which the slits 14 and 15 extend is perpendicular to the propagation direction (+ y direction) of the electromagnetic wave 19 (x-axis direction), and the period of the slits 14 and 15 is smaller than the wavelength of the electromagnetic wave 19. Further, the distance Δz between the first and second metal layers 11 and 12 is also smaller than the wavelength of the electromagnetic wave 19.
上記の場合、仮想平面２５に対して、第１および第２の金属層１１，１２の形状が非対称であれば、電磁波制御素子１を伝搬する電磁波１９の分散特性、特に奇数次のＴＭモードの分散を通常の誘電体導波路の場合に比べて大きく変化させることができる。中でも、上下の金属層１１，１２のスリット１４，１５の周期が互いに等しく、仮想平面に垂直な方向から見たときのスリット１４，１５の中心線のずれ幅Δｙがスリット１４，１５の周期ｄの１／２に等しいときの電磁波の分散特性の変化が大きくなる。この場合、奇数時のＴＭモードの分散特性には群速度が０や負の領域が存在する。 In the above case, if the shape of the first and second metal layers 11 and 12 is asymmetric with respect to the virtual plane 25, the dispersion characteristics of the electromagnetic wave 19 propagating through the electromagnetic wave control element 1, particularly the odd-order TM mode The dispersion can be greatly changed compared to the case of a normal dielectric waveguide. Among them, the periods of the slits 14 and 15 of the upper and lower metal layers 11 and 12 are equal to each other, and the deviation width Δy of the center line of the slits 14 and 15 when viewed from the direction perpendicular to the virtual plane is the period d of the slits 14 and 15. The change in the dispersion characteristics of the electromagnetic wave when it is equal to 1/2 of this becomes large. In this case, there is a region where the group velocity is zero or negative in the dispersion characteristics of the TM mode when the number is odd.
ここで、上下のスリット１４，１５の形成位置をずらす方法以外によっても、第１および第２の金属層１１，１２の形状を仮想平面２５に対して非対称にすることは可能である。以下、このような変形例１，２について説明する。なお、以下の説明では、実施の形態１の場合と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返さない。 Here, the shape of the first and second metal layers 11 and 12 can be asymmetric with respect to the virtual plane 25 by a method other than the method of shifting the formation positions of the upper and lower slits 14 and 15. Hereinafter, such modifications 1 and 2 will be described. In the following description, the same reference numerals are assigned to the same or corresponding parts as in the first embodiment, and the description thereof will not be repeated.
［実施の形態１の変形例１］
図８は、他の構成例の電磁波制御素子２を示す側面図である。図８には、第１の金属層１１に形成されたスリット１４の周期ｄ１と第２の金属層１２に形成されたスリット１５の周期ｄ２とが異なる場合が図示されている。図８の場合、周期ｄ１と周期ｄ２の比は約１２：７である。一方、第１の金属層１１の厚みｈ１は第２の金属層１２の厚みｈ２に等しく、スリット１４の幅ａ１はスリットの幅ａ２に等しい。
[Variation 1 of Embodiment 1]
FIG. 8 is a side view showing an electromagnetic wave control element 2 of another configuration example. FIG. 8 illustrates a case where the period d1 of the slit 14 formed in the first metal layer 11 and the period d2 of the slit 15 formed in the second metal layer 12 are different. In the case of FIG. 8, the ratio of the period d1 to the period d2 is about 12: 7. On the other hand, the thickness h1 of the first metal layer 11 is equal to the thickness h2 of the second metal layer 12, and the width a1 of the slit 14 is equal to the width a2 of the slit.
このように、上下の金属層１１，１２のスリット１４，１５の周期を異ならせることによって、金属の領域と誘電体の領域との体積比を上下の金属層１１，１２で異ならせることができる。この結果、上下の金属層１１，１２で電磁波の分布状態が異なることになるので、電磁波の伝搬状態の制御が可能になる。 Thus, by changing the periods of the slits 14 and 15 of the upper and lower metal layers 11 and 12, the volume ratio between the metal region and the dielectric region can be made different between the upper and lower metal layers 11 and 12. . As a result, since the distribution state of the electromagnetic waves differs between the upper and lower metal layers 11 and 12, the propagation state of the electromagnetic waves can be controlled.
［実施の形態１の変形例２］
図９は、さらに他の構成例の電磁波制御素子３を示す側面図である。図９には、第１の金属層１１の厚みｈ１と第２の金属層１２の厚みｈ２とが異なり、第１の金属層１１に形成されたスリット１４の幅ａ１と第２の金属層１２に形成されたスリット１５の幅ａ２とが異なる場合が図示されている。一方、スリット１４の周期ｄ１はスリット１５の周期ｄ２に等しい。また、仮想平面２５に垂直な方向（ｚ軸方向）から見たときの、スリット１４の中心線はスリット１５の中心線に一致し、両者にずれはない。
[Modification 2 of Embodiment 1]
FIG. 9 is a side view showing an electromagnetic wave control element 3 of still another configuration example. In FIG. 9, the thickness h1 of the first metal layer 11 and the thickness h2 of the second metal layer 12 are different, and the width a1 of the slit 14 formed in the first metal layer 11 and the second metal layer 12 are different. The case where the width a2 of the slit 15 formed in FIG. On the other hand, the period d1 of the slit 14 is equal to the period d2 of the slit 15. Further, the center line of the slit 14 coincides with the center line of the slit 15 when viewed from the direction perpendicular to the virtual plane 25 (z-axis direction), and there is no deviation between them.
このようにしても、金属の領域と誘電体の領域との体積比を上下の金属層で異ならせることができる。この結果、上下の金属層１１，１２で電磁波の分布状態が異なるので、電磁波の伝搬状態の制御が可能になる。 Even in this case, the volume ratio between the metal region and the dielectric region can be made different between the upper and lower metal layers. As a result, since the distribution state of the electromagnetic waves differs between the upper and lower metal layers 11 and 12, the propagation state of the electromagnetic waves can be controlled.
［実施の形態１の変形例３］
図１０、図１１は、図１の電磁波制御素子１を製造する他の方法の説明するための図である。以下、図１０（Ａ）〜（Ｆ）および図１１（Ａ）〜（Ｅ）を参照して、電磁波制御素子１の製造方法の変形例について説明する。
[Modification 3 of Embodiment 1]
10 and 11 are diagrams for explaining another method for manufacturing the electromagnetic wave control element 1 of FIG. Hereinafter, with reference to FIG. 10 (A)-(F) and FIG. 11 (A)-(E), the modification of the manufacturing method of the electromagnetic wave control element 1 is demonstrated.
まず、図１０（Ａ）に示すように、基板１０の主面上の全面にＣＶＤ法などを用いて誘電体１３Ｄを製膜する。誘電体１３Ｄの膜厚は、図２の第１の金属層１１の厚みｈ１と、金属層１１と基板１０との間の距離ｈｓとの和ｈ１＋ｈｓに等しい。 First, as shown in FIG. 10A, a dielectric 13D is formed on the entire main surface of the substrate 10 using a CVD method or the like. The film thickness of the dielectric 13D is equal to the sum h1 + hs of the thickness h1 of the first metal layer 11 and the distance hs between the metal layer 11 and the substrate 10 in FIG.
その後、図１０（Ｂ）に示すように、誘電体１３Ｄの表面にフォトレジストを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによってフォトレジストをライン状にパターニングする。ライン状のフォトレジスト２１Ｃの周期は、図２の第１の金属層１１に形成されたスリット１４の周期ｄ１に等しく、ライン状のフォトレジスト２１Ｃの幅は、図２の第１の金属層１１に形成されたスリット１４の幅ａ１に等しい。 Thereafter, as shown in FIG. 10B, a photoresist is applied to the surface of the dielectric 13D, and the photoresist is patterned in a line shape by electron beam lithography or the like. The period of the line-shaped photoresist 21C is equal to the period d1 of the slit 14 formed in the first metal layer 11 of FIG. 2, and the width of the line-shaped photoresist 21C is the first metal layer 11 of FIG. It is equal to the width a1 of the slit 14 formed in (1).
次に、パターンニングされたフォトレジスト２１Ｃをマスクとして、反応性プラズマエッチングなどの方法によって誘電体１３Ｄを異方性エッチングする。このときのエッチングの深さは、図２の第１の金属層１１の厚みｈ１に等しい。エッチング後にフォトレジスト２１Ｃを除去することによって、図１０（Ｃ）に示すように、誘電体１３Ｄにライン状の凹部が複数形成される。 Next, the dielectric 13D is anisotropically etched by a method such as reactive plasma etching using the patterned photoresist 21C as a mask. The etching depth at this time is equal to the thickness h1 of the first metal layer 11 in FIG. By removing the photoresist 21C after the etching, a plurality of line-shaped recesses are formed in the dielectric 13D as shown in FIG.
次に、図１０（Ｄ）に示すように、誘電体１３Ｄのライン状の凹部を埋めるように誘電体１３Ｄの表面に金属メッキを施こす。これによって、複数の凹部の形成された誘電体１３Ｄの表面が金属膜１１Ａによって被覆される。 Next, as shown in FIG. 10D, metal plating is applied to the surface of the dielectric 13D so as to fill the line-shaped recesses of the dielectric 13D. As a result, the surface of the dielectric 13D having a plurality of recesses is covered with the metal film 11A.
次に、図１０（Ｅ）に示すように、化学研磨法などによって、誘電体１３Ｄの表面が露出するまで金属膜１１Ａを研磨する。これによって、誘電体１３Ｄの埋め込まれたスリットを複数有する金属層１１が形成される。 Next, as shown in FIG. 10E, the metal film 11A is polished by chemical polishing or the like until the surface of the dielectric 13D is exposed. As a result, the metal layer 11 having a plurality of slits embedded with the dielectric 13D is formed.
その後、図１０（Ｆ）に示すように、研磨後の金属膜１１Ａの上に誘電体１３ＥをＣＶＤ法などによって製膜する。誘電体１３Ｅの厚みは、図２の第１および第２の金属層１１，１２間の厚みΔｚと第２の金属層１２の厚みｈ２との和Δｚ＋ｈ２に等しい。 Thereafter, as shown in FIG. 10F, a dielectric 13E is formed on the polished metal film 11A by a CVD method or the like. The thickness of the dielectric 13E is equal to the sum Δz + h2 of the thickness Δz between the first and second metal layers 11 and 12 and the thickness h2 of the second metal layer 12 in FIG.
次に、図１１（Ａ）に示すように、誘電体１３Ｅの表面にフォトレジストを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによってフォトレジストをライン状にパターニングする。ライン状のフォトレジスト２１Ｄの周期は、図２の第２の金属層１２に形成されたスリット１５の周期ｄ２に等しく、ライン状のフォトレジスト２１Ｄの幅は、図２の第２の金属層１２に形成されたスリット１５の幅ａ２に等しい。 Next, as shown in FIG. 11A, a photoresist is applied to the surface of the dielectric 13E, and the photoresist is patterned in a line shape by electron beam lithography or the like. The period of the line-shaped photoresist 21D is equal to the period d2 of the slit 15 formed in the second metal layer 12 of FIG. 2, and the width of the line-shaped photoresist 21D is the second metal layer 12 of FIG. It is equal to the width a2 of the slit 15 formed in (1).
次に、パターンニングされたフォトレジスト２１Ｄをマスクとして、反応性プラズマエッチングなどの方法によって誘電体１３Ｅを異方性エッチングする。このときのエッチングの深さは、図２の第２の金属層１２の厚みｈ２に等しい。エッチング後にフォトレジスト２１Ｄを除去することによって、図１１（Ｂ）に示すように、誘電体１３Ｅにライン状の凹部が複数形成される。 Next, the dielectric 13E is anisotropically etched by a method such as reactive plasma etching using the patterned photoresist 21D as a mask. The etching depth at this time is equal to the thickness h2 of the second metal layer 12 in FIG. By removing the photoresist 21D after the etching, a plurality of line-shaped recesses are formed in the dielectric 13E as shown in FIG.
次に、図１１（Ｃ）に示すように、誘電体１３Ｅのライン状の凹部を埋めるように誘電体１３Ｅの表面に金属メッキを施こす。これによって、複数の凹部の形成された誘電体１３Ｅの表面が金属膜１２Ａによって被覆される。 Next, as shown in FIG. 11C, metal plating is applied to the surface of the dielectric 13E so as to fill the line-shaped recesses of the dielectric 13E. As a result, the surface of the dielectric 13E having a plurality of recesses is covered with the metal film 12A.
次に、図１１（Ｄ）に示すように、化学研磨法などによって、誘電体１３Ｅの表面が露出するまで金属膜１２Ａを研磨する。これによって、誘電体１３Ｅの埋め込まれたスリットを複数有する金属層１２が形成される。 Next, as shown in FIG. 11D, the metal film 12A is polished by a chemical polishing method or the like until the surface of the dielectric 13E is exposed. Thus, the metal layer 12 having a plurality of slits embedded with the dielectric 13E is formed.
その後、図１１（Ｅ）に示すように、研磨後の金属膜１２Ａの上に誘電体１３ＦをＣＶＤ法などによって製膜する。誘電体１３Ｆの厚みは、図２の金属層１２の上側の誘電体１３の厚みｈｕに等しくなるようにする。図１１（Ｅ）において、誘電体１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆが図１，図２の誘電体１３に対応する。 Thereafter, as shown in FIG. 11E, a dielectric 13F is formed on the polished metal film 12A by a CVD method or the like. The thickness of the dielectric 13F is made equal to the thickness hu of the dielectric 13 on the upper side of the metal layer 12 in FIG. In FIG. 11E, dielectrics 13D, 13E, and 13F correspond to the dielectric 13 in FIGS.
以上のプロセスによって、図１、図２の電磁波制御素子１が完成する。上記のプロセスによれば、金属層１１，１２にそれぞれ形成されるスリット１４，１５の幅ａ１，ａ２および金属ブロックの幅ｂ１，ｂ２を１００ｎｍ程度まで小さく作製することが可能であるため、可視光で動作する電磁波制御素子１を作製することができる。 The electromagnetic wave control element 1 shown in FIGS. 1 and 2 is completed by the above process. According to the above process, the widths a1 and a2 of the slits 14 and 15 and the widths b1 and b2 of the metal blocks formed in the metal layers 11 and 12, respectively, can be made as small as about 100 nm. The electromagnetic wave control element 1 that operates in the above can be manufactured.
上記の例および図７の例では、可視光の領域で動作する電磁波制御素子１にも適用可能な製造工程を示したが、マイクロ波の領域など、波長の大きな電磁波で動作する電磁波制御素子１の場合は、サイズを大きくできるので比較的簡単に製造することができる。 In the above example and the example of FIG. 7, the manufacturing process applicable to the electromagnetic wave control element 1 operating in the visible light region has been shown. However, the electromagnetic wave control element 1 operating in the electromagnetic wave having a large wavelength such as the microwave region. In this case, since the size can be increased, it can be manufactured relatively easily.
たとえば、電磁波に対して透明な基板の主面上に金属膜を製膜し、製膜した金属膜に複数のスリットを形成する。そして、このように加工した２枚の基板の主面側を対向させ、適切なギャップ（図２のΔｚ）を開けた上でスリットの位置合わせをして固定することによって、電磁波制御素子１を作製することができる。 For example, a metal film is formed on the main surface of a substrate transparent to electromagnetic waves, and a plurality of slits are formed in the formed metal film. The main surface sides of the two substrates processed in this way are opposed to each other, and after opening an appropriate gap (Δz in FIG. 2), the slit is aligned and fixed, whereby the electromagnetic wave control element 1 is fixed. Can be produced.
［実施の形態２］
図１２は、この発明の実施の形態２による電磁波制御素子４Ａの構成を示す側面図である。図１２に示す電磁波制御素子４Ａは、図２の誘電体１３に代えて、電界によって電磁波の屈折率または吸収率が変化する媒体１６が設けられている点で、図２の電磁波制御素子１と異なる。媒体１６として、液晶や高分子材料を用いることができる。また、媒体１６として、電気光学効果を有するナノ結晶を分散した複合材料などを利用することができる。
[Embodiment 2]
FIG. 12 is a side view showing the configuration of the electromagnetic wave control element 4A according to Embodiment 2 of the present invention. The electromagnetic wave control element 4A shown in FIG. 12 is different from the electromagnetic wave control element 1 of FIG. 2 in that a medium 16 in which the refractive index or absorption rate of the electromagnetic wave is changed by an electric field is provided instead of the dielectric 13 of FIG. Different. As the medium 16, a liquid crystal or a polymer material can be used. As the medium 16, a composite material in which nanocrystals having an electro-optic effect are dispersed can be used.
さらに、電磁波制御素子４Ａの第２の金属層１２を構成する各金属ブロックは電極として用いられ、隣接する金属ブロック間に電源１７によって電界１８が印加される。その他の点については、図１２の電磁波制御素子４Ａは、図２の電磁波制御素子１と同じであるので、同一または相当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。 Further, each metal block constituting the second metal layer 12 of the electromagnetic wave control element 4A is used as an electrode, and an electric field 18 is applied between the adjacent metal blocks by the power source 17. In other respects, electromagnetic wave control element 4A in FIG. 12 is the same as electromagnetic wave control element 1 in FIG. 2, and therefore, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
電磁波制御素子４Ａでは、電源１７の出力を変化させることによって、第２の金属層１２を構成する各金属ブロック間（特にスリット１５の領域）の電界１８の大きさが変化する。この結果、第２の金属層１２の近傍、特にスリット１５の領域における媒体１６の屈折率または吸収係数が変化するので、第２の金属層１２の近傍の電磁波の分布状態が変化する。 In the electromagnetic wave control element 4A, by changing the output of the power source 17, the magnitude of the electric field 18 between the metal blocks constituting the second metal layer 12 (particularly in the region of the slit 15) changes. As a result, the refractive index or absorption coefficient of the medium 16 in the vicinity of the second metal layer 12, particularly in the region of the slit 15 changes, so that the electromagnetic wave distribution state in the vicinity of the second metal layer 12 changes.
これによって、仮想平面２５を挟んで下側の第１の金属層１１の周辺の電磁界分布と上側の第２の金属層１２の周辺の電磁界分布との非対称性の強弱を変化させることができるので、電磁波制御素子４Ａを伝搬する電磁波の分散関係を制御することができる。たとえば、電源１７の出力電圧のオンおよびオフに応じて、電磁波の群速度の正負を切替えたりすることが可能になる。 Thus, the strength of the asymmetry between the electromagnetic field distribution around the lower first metal layer 11 and the electromagnetic field distribution around the upper second metal layer 12 can be changed across the virtual plane 25. Therefore, the dispersion relation of the electromagnetic wave propagating through the electromagnetic wave control element 4A can be controlled. For example, it is possible to switch the positive / negative of the group velocity of the electromagnetic wave in accordance with the output voltage of the power supply 17 being turned on and off.
上記の例では、第２の金属層１２を構成する金属ブロック間に電界を印加する場合について説明したが、これに代えて第１の金属層１１を構成する金属ブロック間に電界を印加してもよい。 In the above example, the case where an electric field is applied between the metal blocks constituting the second metal layer 12 has been described. Instead, an electric field is applied between the metal blocks constituting the first metal layer 11. Also good.
また、媒体１６を、主として電界が印加されるスリットの領域にのみ設けてもよい。すなわち、第１の金属層１１を構成する金属ブロック間に電界を印加する場合には、第１の金属層１１のスリット１４の領域にのみ媒体１６を設け、第２の金属層１２を構成する金属ブロック間に電界を印加する場合には、第２の金属層１２のスリット１５の領域にのみ媒体１６を設けてもよい。 Further, the medium 16 may be provided only in a slit region to which an electric field is mainly applied. That is, when an electric field is applied between the metal blocks constituting the first metal layer 11, the medium 16 is provided only in the region of the slit 14 of the first metal layer 11 to constitute the second metal layer 12. When an electric field is applied between the metal blocks, the medium 16 may be provided only in the region of the slit 15 of the second metal layer 12.
また、図１２の仮想平面２５を挟んで上下の金属層１１，１２の形状を対称に形成してもよい。すなわち、スリット１４の周期ｄ１とスリット１５の周期ｄ２とは等しく形成され、スリット１４の幅ａ１とスリット１５の幅ａ２とは等しく形成される。さらに、第１の金属層１１の厚みｈ１と第２の金属層１２の厚みｈ２とは等しく形成される。したがって、この場合には、電界の印加のみで上下の電磁波分布に非対称性を生じさせることになる。 Further, the shapes of the upper and lower metal layers 11 and 12 may be formed symmetrically across the virtual plane 25 of FIG. That is, the period d1 of the slit 14 and the period d2 of the slit 15 are formed to be equal, and the width a1 of the slit 14 and the width a2 of the slit 15 are formed to be equal. Furthermore, the thickness h1 of the first metal layer 11 and the thickness h2 of the second metal layer 12 are formed to be equal. Therefore, in this case, asymmetry is caused in the upper and lower electromagnetic wave distributions only by applying an electric field.
［実施の形態２の変形例］
図１３は、実施の形態２の変形例としての電磁波制御素子４Ｂの構成を示す側面図である。電磁波制御素子４Ｂでは、第１および第２の金属層１１，１２を構成する金属ブロックが両方とも電極として用いられ、第１および第２の金属層１１，１２間に電源１７によって電界１８が印加される。また、図１３の電磁波制御素子４Ｂでは、上下の金属層１１，１２の形状は仮想平面２５に対して非対称である必要がある。その他の点については、図１３の電磁波制御素子４Ｂは図１２の電磁波制御素子４Ａと共通するので、同一または相当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 2]
FIG. 13 is a side view showing a configuration of an electromagnetic wave control element 4B as a modification of the second embodiment. In the electromagnetic wave control element 4B, the metal blocks constituting the first and second metal layers 11 and 12 are both used as electrodes, and an electric field 18 is applied between the first and second metal layers 11 and 12 by the power source 17. Is done. Further, in the electromagnetic wave control element 4 </ b> B of FIG. 13, the shapes of the upper and lower metal layers 11 and 12 need to be asymmetric with respect to the virtual plane 25. In other respects, the electromagnetic wave control element 4B of FIG. 13 is common to the electromagnetic wave control element 4A of FIG. 12, and therefore, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
図１３の電磁波制御素子４Ｂでは、電源１７の出力を変化させることによって、第１および第２の金属層１１，１２間の電界１８の大きさを変化させる。この結果、第１および第２の金属層１１，１２間の領域における媒体１６の屈折率または吸収係数が変化するので、電磁波制御素子４Ｂを伝搬する電磁波の分布状態を制御することができる。たとえば、電源１７の出力電圧のオンおよびオフに応じて、電磁波の群速度の正負を切替えたりすることが可能になる。 In the electromagnetic wave control element 4B of FIG. 13, the magnitude of the electric field 18 between the first and second metal layers 11 and 12 is changed by changing the output of the power source 17. As a result, since the refractive index or absorption coefficient of the medium 16 in the region between the first and second metal layers 11 and 12 changes, the distribution state of the electromagnetic wave propagating through the electromagnetic wave control element 4B can be controlled. For example, it is possible to switch the positive / negative of the group velocity of the electromagnetic wave in accordance with the output voltage of the power supply 17 being turned on and off.
なお、媒体１６を、主として電界が印加される第１および第２の金属層１１，１２間の領域（厚みΔｚの領域）にのみ設けてもよい。 Note that the medium 16 may be provided only in a region between the first and second metal layers 11 and 12 to which an electric field is applied (region of thickness Δz).
［実施の形態３］
図１４は、この発明の実施の形態３による電磁波制御素子５の構成を示す斜視図である。
[Embodiment 3]
FIG. 14 is a perspective view showing the configuration of the electromagnetic wave control element 5 according to the third embodiment of the present invention.
図１５は、図１４の電磁波制御素子５の上面図である。図１５では、図１４の電磁波制御素子５の第２の金属層１２を実線で表わし、第１の金属層１１を破線で表わしている。図１４の誘電体１３および基板１０については図示を省略している。 FIG. 15 is a top view of the electromagnetic wave control element 5 of FIG. In FIG. 15, the second metal layer 12 of the electromagnetic wave control element 5 of FIG. 14 is represented by a solid line, and the first metal layer 11 is represented by a broken line. Illustration of the dielectric 13 and the substrate 10 in FIG. 14 is omitted.
図１４、図１５を参照して、電磁波制御素子５は、基板１０と、基板１０上に形成された誘電体１３と、誘電体１３に埋め込まれた第１の金属層１１および第２の金属層１２とを含む。第１および第２の金属層１１，１２は、ｘｙ平面と平行な仮想平面２５を挟んで、仮想平面２５から等距離の位置に仮想平面２５と平行に設けられる。電磁波は仮想平面２５に沿った任意の方向に入射される。入射された電磁波は、仮想平面２５に沿って電磁波制御素子５中を伝搬する。 Referring to FIGS. 14 and 15, electromagnetic wave control element 5 includes substrate 10, dielectric 13 formed on substrate 10, first metal layer 11 and second metal embedded in dielectric 13. Layer 12. The first and second metal layers 11 and 12 are provided in parallel to the virtual plane 25 at a position equidistant from the virtual plane 25 with the virtual plane 25 parallel to the xy plane interposed therebetween. The electromagnetic wave is incident in an arbitrary direction along the virtual plane 25. The incident electromagnetic wave propagates through the electromagnetic wave control element 5 along the virtual plane 25.
ここで、電磁波制御素子５は、ｘ軸方向に延びる複数のスリット１４Ａに加えて、さらにｙ軸方向に延びる複数のスリット１４Ｂが第１の金属層１１に形成される点で図１、図２の電磁波制御素子１と異なる。さらに、電磁波制御素子５は、ｘ軸方向に延びる複数のスリット１５Ａに加えて、さらにｙ軸方向に延びる複数のスリット１５Ｂが第２の金属層１２に形成される点で図１、図２の電磁波制御素子１と異なる。 Here, the electromagnetic wave control element 5 has a plurality of slits 14 </ b> B extending in the y-axis direction in addition to the plurality of slits 14 </ b> A extending in the x-axis direction. This is different from the electromagnetic wave control element 1. Furthermore, the electromagnetic wave control element 5 has a plurality of slits 15B extending in the y-axis direction in addition to the plurality of slits 15A extending in the x-axis direction. Different from the electromagnetic wave control element 1.
スリット１４Ａ，１４Ｂ，１５Ａ，１５Ｂは、それぞれ、電磁波の波長より短い周期で周期的に形成される。ｚ軸方向から見たとき、第１の金属層１１に形成されたスリット１４Ａの中心線と第２の金属層１２に形成されたスリット１５Ａの中心線とには、ずれがある。また、ｚ軸方向から見たとき、第２の金属層１１に形成されたスリット１４Ｂの中心線と第２の金属層１２に形成されたスリット１５Ｂの中心線とには、ずれがある。これによって、仮想平面２５に対して、第１の金属層１１の形状と第２の金属層１２の形状とに非対称性が生じるので、実施の形態１の場合と同様に、電磁波制御素子５を伝搬する電磁波（ＴＭ波）の分散を大きく変化させることができる。 The slits 14A, 14B, 15A, and 15B are each periodically formed with a period shorter than the wavelength of the electromagnetic wave. When viewed from the z-axis direction, there is a deviation between the center line of the slit 14A formed in the first metal layer 11 and the center line of the slit 15A formed in the second metal layer 12. Further, when viewed from the z-axis direction, there is a deviation between the center line of the slit 14B formed in the second metal layer 11 and the center line of the slit 15B formed in the second metal layer 12. As a result, an asymmetry occurs between the shape of the first metal layer 11 and the shape of the second metal layer 12 with respect to the virtual plane 25. Therefore, as in the case of the first embodiment, the electromagnetic wave control element 5 is The dispersion of propagating electromagnetic waves (TM waves) can be greatly changed.
なお、電磁波制御素子５において、スリット１４Ａとスリット１５Ａとは同一方向に形成され、スリット１４Ｂとスリット１５Ｂとは同一方向に形成される必要があるが、それらの交差角は直角に限らず任意の角度であってよい。 In the electromagnetic wave control element 5, the slit 14A and the slit 15A need to be formed in the same direction, and the slit 14B and the slit 15B need to be formed in the same direction. It can be an angle.
上記の点以外については、図１４、図１５の電磁波制御素子５は、図１、図２の電磁波制御素子１と共通するので、同一または相当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。 Except for the above points, the electromagnetic wave control element 5 of FIGS. 14 and 15 is common to the electromagnetic wave control element 1 of FIGS. 1 and 2, and therefore, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals. Do not repeat.
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。この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.
１，２，３，４Ａ，４Ｂ，５ 電磁波制御素子、１０ 基板、１１ 第１の金属層、１２ 第２の金属層、１３ 誘電体、１４，１５ スリット、１６ 電界によって屈折率が変化する媒体、２５ 仮想平面、１９ 電磁波。 1, 2, 3, 4A, 4B, 5 Electromagnetic wave control element, 10 substrate, 11 first metal layer, 12 second metal layer, 13 dielectric, 14, 15 slit, 16 medium whose refractive index changes depending on the electric field , 25 virtual plane, 19 electromagnetic waves.
Claims (11)
前記電磁波の伝搬方向と平行な仮想平面に対して、前記電磁波の半波長より短い第１の間隔を開けて平行に設けられた第１の金属層を備え、
前記第１の金属層には、各々が前記電磁波の伝搬方向と垂直かつ前記仮想平面と平行な第１の方向に延びた複数の第１のスリットが、前記電磁波の波長よりも短い第１の周期で前記電磁波の伝搬方向に周期的に形成され、
前記電磁波制御素子は、前記仮想平面を挟んで前記第１の金属層と反対側に、前記仮想平面と前記第１の間隔を開けて平行に設けられた第２の金属層をさらに備え、
前記第２の金属層には、各々が前記第１の方向に延びた複数の第２のスリットが、前記電磁波の波長よりも短い第２の周期で前記電磁波の伝搬方向に周期的に形成され、
前記第１および第２の金属層の形状は、前記仮想平面に対して非対称である、電磁波制御素子。 An electromagnetic wave control element that changes the propagation characteristics of electromagnetic waves,
A first metal layer provided in parallel to a virtual plane parallel to the propagation direction of the electromagnetic wave with a first interval shorter than a half wavelength of the electromagnetic wave;
In the first metal layer, a plurality of first slits each extending in a first direction perpendicular to the propagation direction of the electromagnetic wave and parallel to the virtual plane have a first length shorter than the wavelength of the electromagnetic wave. Periodically formed in the propagation direction of the electromagnetic wave,
The electromagnetic wave control element further includes a second metal layer provided in parallel to the virtual plane on the side opposite to the first metal layer across the virtual plane, with the first interval between the first plane and the first plane.
In the second metal layer, a plurality of second slits each extending in the first direction are periodically formed in the propagation direction of the electromagnetic wave with a second period shorter than the wavelength of the electromagnetic wave. ,
The electromagnetic wave control element, wherein the shapes of the first and second metal layers are asymmetric with respect to the virtual plane.
前記仮想平面と垂直な方向から見たとき、前記複数の第１のスリットの各々の中心線と前前記複数の第２のスリットの各々の中心線とには、ずれがある、請求項１に記載の電磁波制御素子。 The first period is equal to the second period;
The center line of each of the plurality of first slits and the center line of each of the plurality of second slits in front are misaligned when viewed from a direction perpendicular to the virtual plane. The electromagnetic wave control element of description.
前記電磁波の伝搬方向と平行な仮想平面に対して、前記電磁波の半波長より短い第１の間隔を開けて平行に設けられた第１の金属層を備え、
前記第１の金属層には、各々が前記仮想平面と平行な第１の方向に延びた複数の第１のスリットが前記仮想平面と平行かつ前記第１の方向と垂直方向に周期的に形成され、
前記第１の金属層には、さらに、各々が前記仮想平面と平行かつ前記第１の方向と交差する第２の方向に延びた複数の第２のスリットが前記仮想平面と平行かつ前記第２の方向と垂直方向に周期的に形成され、
前記複数の第１のスリットの周期および前記複数の第２のスリットの周期は、それぞれ、前記電磁波の波長よりも短く、
前記電磁波制御素子は、前記仮想平面を挟んで前記第１の金属層と反対側に、前記仮想平面と前記第１の間隔を開けて平行に設けられた第２の金属層をさらに備え、
前記第２の金属層には、各々が前記第１の方向に延びた複数の第３のスリットが前記仮想平面と平行かつ前記第１の方向と垂直方向に周期的に形成され、
前記第２の金属層には、さらに、各々が前記第２の方向に延びた複数の第４のスリットが前記仮想平面と平行かつ前記第２の方向と垂直方向に周期的に形成され、
前記複数の第３のスリットの周期および前記複数の第４のスリットの周期は、それぞれ、前記電磁波の波長よりも短く、
前記第１および第２の金属層の形状は、前記仮想平面に対して非対称である、電磁波制御素子。 An electromagnetic wave control element that changes the propagation characteristics of electromagnetic waves,
A first metal layer provided in parallel to a virtual plane parallel to the propagation direction of the electromagnetic wave with a first interval shorter than a half wavelength of the electromagnetic wave;
A plurality of first slits each extending in a first direction parallel to the virtual plane are periodically formed in the first metal layer in a direction parallel to the virtual plane and perpendicular to the first direction. And
In the first metal layer, a plurality of second slits each extending in a second direction parallel to the virtual plane and intersecting the first direction are parallel to the virtual plane and the second metal layer. Periodically formed in the direction perpendicular to
The period of the plurality of first slits and the period of the plurality of second slits are each shorter than the wavelength of the electromagnetic wave,
The electromagnetic wave control element further includes a second metal layer provided in parallel to the virtual plane on the side opposite to the first metal layer across the virtual plane, with the first interval between the first plane and the first plane.
A plurality of third slits each extending in the first direction are periodically formed in the second metal layer in parallel with the virtual plane and perpendicular to the first direction,
In the second metal layer, a plurality of fourth slits each extending in the second direction are periodically formed in parallel to the virtual plane and perpendicular to the second direction,
The period of the plurality of third slits and the period of the plurality of fourth slits are each shorter than the wavelength of the electromagnetic wave,
The electromagnetic wave control element, wherein the shapes of the first and second metal layers are asymmetric with respect to the virtual plane.
前記電磁波の伝搬方向と平行な仮想平面に対して、前記電磁波の半波長より短い第１の間隔を開けて平行に設けられた第１の金属層を備え、
前記第１の金属層には、各々が前記電磁波の伝搬方向と垂直かつ前記仮想平面と平行な第１の方向に延びた複数の第１のスリットが、前記電磁波の波長よりも短い第１の周期で前記電磁波の伝搬方向に周期的に形成され、
前記電磁波制御素子は、前記仮想平面を挟んで前記第１の金属層と反対側に、前記仮想平面と前記第１の間隔を開けて平行に設けられた第２の金属層をさらに備え、
前記第２の金属層には、各々が前記第１の方向に延びた複数の第２のスリットが、前記仮想平面と垂直な方向から見たとき前記複数の第１のスリットと重なるように、前記第１の周期で前記電磁波の伝搬方向に周期的に形成され、
前記電磁波制御素子は、前記複数の第１または第２のスリットの各々の領域に設けられ、各スリットに印加された電界によって前記電磁波の屈折率または前記電磁波の吸収係数が変化する媒体をさらに備える、電磁波制御素子。 An electromagnetic wave control element that changes the propagation characteristics of electromagnetic waves,
A first metal layer provided in parallel to a virtual plane parallel to the propagation direction of the electromagnetic wave with a first interval shorter than a half wavelength of the electromagnetic wave;
In the first metal layer, a plurality of first slits each extending in a first direction perpendicular to the propagation direction of the electromagnetic wave and parallel to the virtual plane have a first length shorter than the wavelength of the electromagnetic wave. Periodically formed in the propagation direction of the electromagnetic wave,
The electromagnetic wave control element further includes a second metal layer provided in parallel to the virtual plane on the side opposite to the first metal layer across the virtual plane, with the first interval between the first plane and the first plane.
In the second metal layer, a plurality of second slits each extending in the first direction overlap with the plurality of first slits when viewed from a direction perpendicular to the virtual plane, Periodically formed in the propagation direction of the electromagnetic wave in the first period,
The electromagnetic wave control element further includes a medium that is provided in each region of the plurality of first or second slits, and in which a refractive index of the electromagnetic waves or an absorption coefficient of the electromagnetic waves is changed by an electric field applied to each slit. , Electromagnetic wave control element.
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