JP2013539063A - ナノ光学屈折光学部品 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図6a
Description
誘電境界における光の屈折伝搬は、スネルの法則によって支配され、伝搬角は屈折率と入射角の比によって決定される。例えば空気からシリコン(n〜3.5)に向かう場合のように高い屈折率の媒体に入射するビームについては、最大伝搬角は〜16度に限定される(図14a)。例えば周期的に配置された金属ワイヤやグリッドのように誘電表面上に形成された格子構造は、回折伝搬を誘起することができる。格子周期と入射光波長の比に依拠して、回折ビームのなかには図14bに示すように視射角伝搬に達するものもある。しかし従来の格子においては、伝送パワーは主に0次回折によって搬送される。0次回折の最大伝搬角は限定され、屈折率コントラストが高い媒体の境界にとっては小さく、また他の高次回折は一般に強度が小さい。高スループット視射角伝搬を実現することの困難さは、2つの原因による。第1に、従来の格子構造の個々の回折素子の散乱パターンは、視射角方向に対してパワーをあまり寄与せず、したがって強度が大きい高次回折ビームをその所望方向において構築することができない。第2に、回折素子が誘電表面をカバーする範囲とその結合効率は、一般に従来の格子構造においては低い。したがって入射パワーのほとんどは、格子素子と干渉せずに誘電表面を伝搬する。
一般に伝搬損失が大きいバルクメタ材料の場合とは異なり、本発明に係るナノ構造金属薄膜によって実現される負屈折は、そのような損失なく遠距離場領域に到達することができる。また、ほとんどのメタ材料は共鳴現象に依拠しており、負屈折は狭いスペクトル範囲に限定される。一方、本発明の垂直ダイポールアレイ構造により、任意の波長において負屈折方向の回折を実現することができる。バルク媒体境界において実現される光の負屈折により、従来の回折光学素子においては到達できない角度範囲を得ることができる。したがって、例えば本発明の垂直傾斜ナノ開口アレイ構造のようなナノ光学構造は、様々なアプリケーションにおけるプラットフォームとして動作することができる。例えば光ビーム整形、撮像、リソグラフィー、光データ記憶、情報処理、器具、計測、光起電などが考えられる。
60nm幅を有し、Ag層上に形成された、単一ナノ開口またはナノスリットの3つの異なる構造を、図2a(例1)、図2e(例2)、図2h(比較例1)に示す。図2aにおいて、フィルム115の傾斜部120と水平部122は、基板135によって支持され、開口125によって分離されている。図2eにおいて、フィルム115の2つの水平部122は基板135によって支持され、開口125’を有する垂直段差面127によって規定される高低差を有する。図2hにおいて、フィルム115の2つの水平部122は基板135によって支持され、高低差はなく、開口125’’によって分離されている。
垂直ナノ開口の形状は、傾斜ダイポールナノ開口の本質を維持しつつ様々な方法で変形することができる(図1d〜f参照)。横方向のギャップを許容することにより、伝送スループットを増加させることができる。鋸刃表面の傾斜が少ない側にナノ開口を形成することにより、開口放射方向をより容易に所望方向へ調整することができる。したがって、図1cの垂直段差面127は完全な垂直方向に限られるものではなく、フィルム115の傾斜部120は基板の傾斜面121上のみに形成することに限られるものではない。換言すると、垂直段差面127は、基板法線131に対して並行ではない角度に向けることができる。また、傾斜部120は垂直段差面127上に延伸させることができる。
図3aと3bは、垂直ナノスリットアレイを介した光伝送のFDTD測定結果を示す。同垂直ナノスリットアレイは、760nm格子周期を有し、垂直もしくは傾斜(例えば図1b)または水平ダイポール(例えば図1a)の2つの異なる開口方向を有する。TM偏波光(633nm波長)を様々な入射角で入射した。図3bに示すように、面内水平ダイポール開口を有する従来のナノスリットアレイは、0次伝送(正屈折)が主なビームである。これに対し、図3aに示すように、633nm波長におけるTM偏波光の同じ入射角130について、垂直ナノスリットアレイは−1次ビームのみを示す。特に入射角30°について屈折角20°が観察された。これは格子からの−1次回折に対応する。図3cに示すように、測定結果を入射角(0°〜45°)の範囲にわたって取得した。
固定周期の傾斜部を有する垂直ダイポールナノ開口アレイ構造のような固定周期格子構造により、平行でコリメートされた入力ビームの負屈折を実現することができる。しかし、格子周期を局所的に変化させると、コリメートされていない入力ビームから平行コリメート出力ビームを形成し、または、平行コリメート入力ビームからコリメートされていない出力ビームを提供するための新たな機能をもたらすことができる。例えば図4aは、非均一格子周期(d1、d2、d3、d4、d5)を有する垂直ダイポールアレイ構造における負屈折を示す。
従来のミラーにおいて、反射像の左右の光線成分は同じ距離を進む。したがって、ビーム伝搬方向がミラー反射によって反転すると、左右関係が反転する(見ている者にとって)。負屈折ミラー反射の場合、左右関係は反射後も変化せず、横方向において外周エッジの空間変位を生じる。垂直ナノスリットアレイによってサポートされる負屈折ビームにおいて、位相変化をオフセットするために必要な位相シフトは、縦方向における位相遅延によって提供される。光線成分の全体的な光路長差は、横方向に沿って次第に変化する必要があり、これはブラッグ法則によって規定される格子回折と干渉効果によって実現される。
上述のように、垂直ダイポール開口アレイが内在的に有する、開口放射を所望方向に整形する性能に基づき、図5aに示すようなアレイ構造は、従来の光学部品とは明確に異なる態様でビーム収束機能を実施することができる。例えば各ナノ開口は、特定方向へ向けた高指向性放射パターンを生成することにより、開口放射がアンテナ放射の角度範囲内の特定方向において加算的干渉する、ナノアンテナとして動作するように設計することができる。
上述の垂直ナノ開口アレイは1Dビーム整形機能のためのものであり、偏光に影響を受ける(TM偏波光を伝搬させ、TE波をブロックする)。図9aに示す、十字形状ナノ開口(2つの直交する重なり合ったナノスリット)を、ここでは「十字開口」925と呼び、これはTE偏波成分とTM偏波成分をともに伝搬させることができる。図9aの大きい黒矢印は、例えば電界方向を示す。
従来の格子構造において、格子周期が十分小さく(Δ<λ/2)設計されているとき、0次ビーム(直接伝搬)以外の格子回折は存在しない。垂直ダイポール開口アレイの場合、上述のように0次伝搬は完全に抑制される。伝送光は次に、直接伝搬なしで負屈折方向へ鋭角に曲げられる。m=−1についてのブラッグ条件は、短周期格子の場合にはもはや妥当ではない。適正な格子ベクトルが得られないからである。伝送光はビーム入射角によらず固定角へ屈折することが想定される。
垂直ナノ開口アレイ構造は、以下のステップにしたがって製造した。最初に水晶基板を収束イオンビーム(FIB:Seiko SMI−3050SE)エッチングして、周期的な配置(760nm格子周期)で垂直段差(高さ200nm)を有する鋸刃プロファイルを形成した。Gaイオンビーム(30keV;10pAビーム電流)を用い、格子ベクトル方向に沿って、エッチングを深くする際には滞留時間を次第に増加させた。各格子周期スパン(760nm)は、階段状のプログレッシブエッチングにおいて、40サブブロック(幅19nm、長さ50μm)に分割した。次に厚さ140nmのAg層を熱蒸発によって段差上に積層した。段差側壁に金属が積層することを避けるため、積層角度を基板法線からわずかに傾斜(10度)させた。得られた側壁上のスリット幅は、60nmと推定される。このように製造した25周期格子サンプルにおいて、パターン化領域は19μm×50μmであった。垂直ナノ開口アレイの斜視SEM画像を図7aに示す。
周期的構造または非周期的構造の大領域パターン化について、ホログラフ技術または電子ビームリソグラフィーをそれぞれ採用することができる。ホログラフィーにおいて、周期格子パターンは光レジスト表面上に形成され、プラズマエッチングを介してパターンが基板に転送され、メサエッチング表面上に金属を傾斜積層し、これによりメサ側壁において垂直ナノ開口アレイが形成される(図10)。UVレーザ(325nm波長)を利用してホログラフリソグラフィーを実施することができ、このレーザにより、350nmの格子周期(またはn=1.45の屈折率整合流体を用いた〜250nm周期)が、〜1cm2のパターン領域で得られる。このホログラフリソグラフィーを採用して、1D格子パターンを露出間で90°回転させて2重露出させることにより、2次元格子構造を形成することができる。大領域の非周期的アレイの場合において、プラズマエッチングおよび傾斜積層とともに、電子ビームリソグラフィーを採用することができる。上述の垂直ナノ開口の製造において重要な要件は、傾斜積層の金属厚さとともにメサ深さを適正に設計および/または制御して、上述のように基板の垂直段差表面と基板法線との間の角度αを最小化できるようにする必要があることである。
面内水平ダイポール開口を有する従来のナノスリットアレイ構造を製造した。この従来構造のSEM画像を図7b(上面図;スケールバー4μm)と7c(断面図;スケールバー500nm)に示す。最初に、厚さ140nmのAg層をAgの熱蒸発によって水晶基板上に積層した。次に収束イオンビームエッチング技術(Seiko SMI−3050−SE デュアルビームシステム:30keV Gaイオンビーム;10pAビーム電流)を用いて、ナノスリットアレイ(幅100nm、長さ50μm)をAg層内に形成した。ナノスリットの通常のエッチング深さは200nmである。25スリットアレイの格子周期は760nmである。
ナノスリットアレイを介した光伝送プロファイルを、ナノプローブ(Veeco Aurora NSOM プローブ 1720−00:厚さ100nmAlコート;直径80nm開口;コア直径4μm、NA0.11を有するテーパー形状の単一モードシリカファイバー上に形成;Alコートされたテーパー部の全長1400μm;テーパー角度4°)をスキャンすることによりイメージングした。TM偏波He−Neレーザビーム(633nm波長、1mmビーム直径)を基板側に入射し、ナノ開口アレイの出射側の近距離場から遠距離場にわたってスキャンプローブをスキャンした。プローブ出力は光電子倍増管チューブ(Hamamatsu H7468−20)を用いて測定した。スキャンプローブ実験は、Lab View 7.0(National Instruments)のインターフェースを用いて自作スキャンステージ(ナノ位置合わせはPI E−621.1CD、サーボ制御はE−665.CR)で実施した。
本明細書のナノ光学構造は、入射光が例えば光起電デバイスの活性層と結びつく(すなわち伝搬する)メカニズムを変更するように設計されている。従来の反射光学法則によって規定される、バルク誘電境界における伝搬/反射の場合とは異なり、入射光はナノ光学垂直ダイポールアレイを介して光屈折率活性層(例えばシリコン)に対して視射角伝搬をなすことができる。よって伝送効率を広範な入射角にわたって高めることができる。活性層と結びつく(すなわち伝搬する)光は視射角方向(面内方向)に沿って伝搬するので、活性層内の経路長は層厚さよりも大幅に大きくすることができる。
上述の垂直ダイポール金属ナノスリットアレイ構造は、入射光がTM偏波であることを想定している。しかし、非偏波光のTE偏波成分は、金属上のダイポール発振を直接励起し得ず、よってスリットを介して伝搬し得ない。この課題に対処するため、すなわちこの偏波成分の視射角伝搬も可能にするため、図16に示すように別のスリットアレイを形成することができる。この2Dアレイ1600において、新たな格子ベクトルは、入射面に対して法線方向である。任意の入射角において、電界は常にこの新たな格子構造の垂直側壁に対して垂直である。TMの場合と同様に、ナノスリット放射パターンは、視射角方向へ傾斜している。しかしTMの場合とは異なり、このナノスリット伝搬の伝搬方向は、入射ビーム方向に対して垂直である。2Dアレイは、非偏波光(TM偏波成分とTE偏波成分の双方)を結びつけるために設計された、少なくとも2セットの1D格子構造を備えることができる。1D格子構造は、例えば上述の図1Dに示すように、鋸刃プロファイルの傾斜構造として構成することができる。少なくとも1つの1D格子構造を1方向に延伸させ、少なくとも1つの他の1D格子構造を他方向に延伸させることができる。1D格子構造は、共通点から延伸させ、0〜90°範囲の角度で分離することができる。
Claims (31)
- 複数の傾斜部を有するフィルム(B)を支持する基板(A)を備え、
(i)前記フィルムは複数の開口を有し、
(ii)少なくとも2つの前記傾斜部は、開口によって分離されており、
(iii)前記傾斜部は、入射ビームが負屈折方向へ方向変更されるように構成されており、
(iv)前記フィルムは、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている
ことを特徴とする垂直ダイポールアレイ構造。 - 少なくとも2つの前記傾斜部は、1以上の開口によって分離されている
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記フィルムは、高導電性材料を含む
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記フィルムは、Ag、Au、Al、Cu、Cr、グラフェン、グラファイト、または導電酸化物を含む
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記傾斜部は、互いに異なる角度に傾斜して、拡散入力ビームがコリメートされた平行ビームとして伝搬するように構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記傾斜部は、入射ビームが前記開口を介して伝搬し、焦点において加算的干渉するような角度に傾斜している
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記開口は、均一な格子周期で分離されている
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記開口は、非均一な格子周期で分離されている
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記傾斜部は、主に入射ビームの−1次伝搬をサポートするように構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記フィルムを支持する前記基板の表面は、少なくとも1つの垂直段差面によって分離された傾斜面を有する鋸刃プロファイルを有する
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記フィルムを支持する前記基板の表面は、少なくとも1つの垂直段差面によって分離された傾斜面を有する鋸刃プロファイルを有し、前記傾斜面は実質的に互いに平行である
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記複数の開口は、前記フィルムの切れ目を規定する
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記基板は、負屈折率メタ材料を含まない
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記傾斜部は、異なる角度に傾斜を調整することができるように構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 入射ビームが鏡像効果なしで伝搬する
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 複数の傾斜部を備えるフィルム(B)を支持する基板(A)を備え、
(i)前記フィルムは複数の開口を有し、
(ii)少なくとも2つの前記傾斜部は、開口によって分離されており、
(iii)前記傾斜部は、入射ビームが前記開口を介して伝搬して焦点において加算的干渉するように構成されており、
(iv)前記フィルムは、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている
ことを特徴とする垂直ダイポールアレイ構造。 - 垂直ダイポールアレイ構造を製造する方法であって、
(A)基板を提供するステップと(B)前記基板の表面上にフィルムを形成するステップを有し、
前記フィルムは開口のアレイと傾斜部を備え、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている
ことを特徴とする方法。 - 前記基板の上面をエッチングして、少なくとも1つの垂直段差面によって分離された傾斜面を有する鋸刃プロファイルを設けるステップを有する
ことを特徴とする請求項15記載の方法。 - フィルム上に形成された垂直ナノ開口アレイを有する電極を備え、
前記電極は、前記フィルムを介した直接伝搬なしで入射ビームが視射角方向へ曲げられるように構成されている
ことを特徴とする光起電デバイス。 - フィルム上に形成された垂直ナノ開口アレイを有する電極を備え、
前記電極は、傾斜入射ビームが前記ナノ開口を有する電極を介して直接伝搬し、前記直接伝搬するビームが視射角において前記フィルムを介して伝搬するように構成されている
ことを特徴とする光起電デバイス。 - 複数の傾斜部を有するフィルム(B)を支持する基板(A)を備え、
(i)前記フィルムは複数の開口を有し、
(ii)少なくとも2つの前記傾斜部は、開口によって分離されており、
(iii)前記傾斜部は、前記アレイが偏光に影響されないように構成されている
ことを特徴とする2D垂直ナノ開口アレイ構造。 - 少なくとも1つの前記開口は、十字形状である
ことを特徴とする請求項21記載の2D垂直ナノ開口アレイ構造。 - 垂直ナノ開口アレイを形成する方法であって、
基板によって支持されたフィルムと前記基板をホログラフリソグラフィーによってパターン化するステップ、
前記フィルム上に傾斜積層によって金属を提供するステップ、
を有することを特徴とする方法。 - 複数のオフセット部を有するフィルム(B)を支持する基板(A)を備え、
(i)前記フィルムは複数の開口を有し、
(ii)少なくとも2つの前記オフセット部は、開口によって分離されており、
(iii)前記オフセット部は、入射ビームが負屈折方向へ方向変更されるように構成されており、
(iv)前記フィルムは、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている
ことを特徴とする垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記フィルムを支持する前記基板の表面は、メサパターンを有する
ことを特徴とする請求項24記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - 複数の傾斜部を有するフィルム(B)を支持する基板(A)を備え、
(i)前記フィルムは複数の開口を有し、
(ii)少なくとも2つの前記傾斜部は、開口によって分離されており、
(iii)前記傾斜部は、入射ビームが正屈折方向または負屈折方向へ方向変更されるように構成されており、
(iv)前記フィルムは、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている
ことを特徴とする垂直ダイポールアレイ構造。 - 前記開口を介して伝搬する入射ビームは、約0.5λ以下のスポットサイズのビーム収束機能における所与のスポットにおいて加算的干渉する
ことを特徴とする請求項1記載の垂直ダイポールアレイ構造。 - (A)ミラーフィルム、
(B)前記ミラーフィルム上に形成されたフィルム、
(C)前記フィルム上に形成された垂直ナノ開口アレイを有する電極、
を備え、
前記電極、フィルム、およびミラーフィルムは、ファブリペロー共振器構造として構成されている
ことを特徴とする光起電デバイス。 - 前記電極とミラーフィルムは、伝搬光が前記ミラーフィルムによって反射するように構成されている
ことを特徴とする請求項28記載の光起電デバイス。 - フィルム上に形成された少なくとも1つの第1の1D格子構造、
前記フィルム上に形成された少なくとも1つの第2の1D格子構造、
を備え、
前記第1および第2の1D格子構造は、非偏波光が前記フィルムに結び付けられるように構成されている
ことを特徴とする2D垂直ナノ開口アレイ構造。 - 各前記第1の1D格子構造と前記第2の1D格子構造は、垂直ナノ開口アレイ構造である
ことを特徴とする請求項30記載の2D垂直ナノ開口アレイ構造。
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