JP2016500160A - 光学波面の位相制御のための装置 - Google Patents

Abstract

本発明の一態様によれば、本発明は、所定の使用スペクトルバンドの波長の入射光学波面の位相を制御する装置（２０、５０）に関し、本発明は、該スペクトルバンドにおいて少なくとも部分的に透過性を有する基板（２１）と、基板の表面に略垂直に配置される帯状部（２２ｉ、２３ｉ、２４ｉ）一式と、を備え、サブ波長幅（ｗｉ）を有する並置状態の金属／多層誘電体／金属（ＭｍｕｌｔｉＤＭ）構造体（Ｓｉ）を形成するように、帯状部一式は、並置された帯状部の交互配置を備え、帯状部は、それぞれ、金属材料からなる帯状部（２２ｉ）、第１の誘電材料からなる帯状部（２３ｉ）、第１の誘電材料とは異なる少なくとも１つの第２の誘電材料からなる帯状部（２４ｉ）であって、各構造体は１つまたは複数の伝播モード有するキャビティを形成しており、また、第１の誘電材料からなる帯状部と、第２の誘電材料からなる帯状部のそれぞれの厚さは、ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体の各々において調節されて波面の位相の局所的シフト（ΔΦｉ）を誘発し、該局所的位相シフトは、キャビティにおいて伝播することができるモードの実効屈折率に依存する。

Description

本発明は、光学波面の位相を制御するための装置、及び該装置の製造方法に関する。

技術的に実現可能で直接的産業用用途を提供する特定の光学関数を生成するために、一般的に４００ｎｍ〜１００μｍの波長のサブ波長スケールへ光学系を小型化することが、現今、産業的課題になっている。それにより、特に、光学系の一層優れた統合、より強固な堅牢性、および光学と電子との間の直接結合の実現性が可能になる。

Ｐ．Ｌａｌａｎｎｅらによる論文（「構造的カットオフよりも小さいサンプリング周期を用いたブレーズドバイナリ回折素子の設計と製作（Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｚｅｄ ｂｉｎａｒｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄｓ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｕｔｏｆｆ）」ＪＯＳＡ Ａ、１６巻、５号、１９９９年）には、誘電材料の層状エッチング（ｌａｍｅｌｌａｒ ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いたレンズとプリズムの最初の製造技術が提示されている。ゾーンの光学指数は、使用される誘電体の指数によって課された最大値と空気の指数である最小値との間で変化する。誘電材料の量と空気の量との間の比率が、ゾーンの光学指数を定義する。同様の装置が、米国特許出願第２００９／００２０６９０号に提示されている。このような技術により、制御された技術的方法を使用しつつ、強固な指数変調を生成することが可能になる。しかし、平均実効指数を波長スケールへ誘導する構造化操作があっても、光学波面の位相のサブ波長スケールへの変調は、誘電材料をナノメートルスケールに構造化するだけでは得ることができない。この最後の点は、波面の位相のサブ波長スケールへの制御に対する主要な物理的制限を構成している。

Ｈ.Ｓｈｉらによる論文（「可変幅を有する金属ナノスリットによるビーム操作（Ｂｅａｍ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇ ｂｙ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｎａｎｏ−ｓｌｉｔｓ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｎｔ ｗｉｄｔｈｓ）」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１３巻、１８号、２００５年）または国際特許出願ＷＯ２０１１／１０００７０号に記載の別の技術により、波長より小さいスケールへの波面の位相変調が可能になる。この技術によれば、ブレード形状の厚い金属層からなるナノ構造によって入射光の波面の変調が可能になる。具体的には、得られた各スリットが、他の導波路から独立した、結合プラズモンモードが伝播される導波路のように動作する。適切に製造された導波路内で伝播するモードによって観察される実効屈折率ｎ_ｅｆｆは、特定の条件下で以下の式（１）により近似可能な関数にしたがって、スリットの幅ｗに依存することが実証されている（Ｃｏｌｌｉｎらによる（「ナノスケール金属アパーチャにおける導波性」（ｗａｖｅｇｕｉｄｉｎｇ ｉｎ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｍｅｔａｌｌｉｃ ａｐｅｒｔｕｒｅｓ）、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１５巻、７号、２００７年）。

ここで、ｎは、スリットを充填する誘電材料の屈折率であり、δは、金属の光学膜厚を表している。図１は、したがって、１μｍの厚さｈを有する層の６５０ｎｍの波長のスリット幅の関数としての実効屈折率の傾向を表している。この例では、スリットには空気が充填され、壁は２５ｎｍ程度の光学膜厚の金で作られている。図１は、上述された技術のおかげで、１２．５ｎｍ（δ／２）〜２５０ｎｍ（１０δ）のガイド幅値ｗに対してｎ〜ｎの３倍の範囲の実効屈折率帯域をカバーする可能性を明らかにしており、このように、スリットの幅ｗの選択のおかげで、あるスリットから別のスリットへの強力な位相変化が可能になる。ただし、大きな屈折率変調（Δｎ＞０．５）は、金属の膜厚の２倍未満のスリット幅（ｗ＜２δ）に対してのみ可能であり、つまり、一般的には、光学および赤外線（ＩＲ）の波長５０ｎｍ未満でのみ可能であり、これは強い技術的制約となる。さらに、図１は、スリット幅の変化ひいては製造の不正確さに対する非常に強い実効屈折率感度を示している。５ｎｍ≦ｗ≦４０ｎｍなどの幅の範囲内では、スリットの幅の１ｎｍの変化は、Δｎ_ｅｆｆ／ｎ_ｅｆｆ≧０．１３の実効屈折率の誤差につながる。

"Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｚｅｄ ｂｉｎａｒｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄｓ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｕｔｏｆｆ"，Ｐ．Ｌａｌａｎｎｅ ｅｔ ａｌ．，ＪＯＳＡ Ａ，Ｖｏｌ１６，Ｎｏ．５，１９９９ "Ｂｅａｍ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇ ｂｙ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｎａｎｏ−ｓｌｉｔｓ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｎｔ ｗｉｄｔｈｓ"，Ｈ．Ｓｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ１３，ＮＯ．１８，２００５ "Ｗａｖｅｇｕｉｄｉｎｇ ｉｎ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｍｅｔａｌｌｉｃ ａｐｅｒｔｕｒｅｓ"，Ｃｏｌｌｉｎ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ１５，Ｎｏ．７，２００７

本発明は、波面の位相をサブ波長スケールに制御するための装置であって、該装置の構造変化の関数としての感度が低い装置を提案することを目的とする。

第１の態様によれば、本発明は、所定の使用スペクトルバンドの波長を有する入射光学波面の位相を制御する装置に関し、該装置は、該スペクトルバンドにおいて少なくとも部分的に透過性を有する基板と、基板の表面に略直角に配置されるブレード一式と、を備え、
−サブ波長幅を有する並置状態の金属−多層誘電体−金属（ＭｍｕｌｔｉＤＭ）構造体を形成するように、該ブレード一式は、並置されたブレードの交互配置を備え、ブレードは、それぞれ、金属材料からなるブレード、第１の誘電材料からなるブレード、第１の誘電材料とは異なる少なくとも１つの第２の誘電材料からなるブレードであって、各構造体は１つまたは複数の伝播モードを示すキャビティを形成しており、
−第１の誘電材料からなるブレードと、第２の誘電材料からなるブレードのそれぞれの厚さは、各ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体において調節されて波面の位相の局所的シフトを導入し、誘発された局所的位相シフトは、該キャビティにおいて伝播可能な１つまたは複数のモードの実効屈折率に依存する、装置である。

出願人は、このような装置が、特に、従来技術に記載の位相制御装置を上回る利点を提供することを実証しているが、それは、この装置が、一般的に金属材料の光学膜厚の１０倍超の幅の構造体で動作することができ、したがって、技術的制約を緩和しながら、波面の位相のサブ波長スケールへの制御を維持することが可能であることを実証している。また、構造的欠陥に対して、特に、ブレードの厚さまたはキャビティ幅の変動に対して、低減された感度をもつ局所的位相シフト値を得ることができる。したがって、誘電材料からなるブレードのそれぞれの厚さを調整して、所定の使用スペクトルバンドの光学部品の製造のために求められる光学関数に基づいて計算された位相シフトを局所的に得るが、光学関数は装置のＭＭｕｌｔｉＤＭ構造体の数でサンプリングされることができる。

変形例によれば、各ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体の幅は、実質的に等しくなるように選択され、誘電材料からなる各ブレードのそれぞれの厚さだけが、局所的位相シフトを制御するために構造体ごとに異なる。これによって、同等の結果では、各キャビティ幅が、同一また金属の光学膜厚に比べて十分に大きい幅で動作することが可能になり、したがって、装置の製造が容易になる。

赤外線で装置を作動するためには、ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体の幅は、金属材料の光学的膜厚の１０倍以上となるように選択すると都合が良い。

変形例によれば、ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体の幅は、さらに、λ_ｍｉｎ／２ｎ_Ｈ以下であり、ここでλ_ｍｉｎは、使用スペクトルバンドの最小波長であって、ｎ_Ｈは、最大屈折率を有する誘電材料の屈折率である。このＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体の幅の選択により、シングルモードキャビティを製造することが可能になり、出願人は、縦モードの良好な閉じ込めにより非常に良好な透過効果を各構造体が示すことを実証した。

構造体を形成するのに２つの異なるタイプの誘電材料を選択すると都合が良く、したがって各構造体は、第１の誘電材料からなる第１のブレードと、第１の誘電材料とは異なる第２の誘電材料からなる第２のブレードとを備え、金属−誘電体−誘電体−金属（ＭＤＤＭ）構造体を形成する。出願人は、ＭＤＤＭ構造体が、追求される結果と技術的制約との間に優良なトレードオフを示すことを実証した。

各ブレードは、実質的に同一の所定の高さを有していると都合が良い。各ブレードの高さが、入射波面の位相に適用することができる局所的位相シフトの最大値を決定する。高さｈは、２πの最大局所的位相シフト値を得るために選択されると都合が良く、２πはあらゆる光学関数を生成するのに十分であり、またブレードの最小高さを維持し、結果として低アスペクト比（高さと幅の比）を有するキャビティを形成することを可能にする。

変形例によれば、各ブレードは略直線状であり、ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体は主方向に配置される。この構成により、例えば、光学プリズム型、シリンドリカル光学レンズ型、また一般的には、対称レンズ型または任意の一次元光学関数の光学部品を製造することが可能になる。これらの部品は、偏光に対して感度が高くなり、偏光分離素子を形成することも可能になる。

別の変形例によれば、各ブレードは略直線状であるが、ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体は少なくとも２つの主方向に配置され、これらの主方向は略直角であると都合が良い。この構成により、前述のように、シリンドリカル光学レンズまたは光学プリズム型の光学関数を生成することが可能になる。装置は、生成された光学関数のプロファイルが両方向で同一であるように設計されることが可能となり、装置を偏光に対して鈍感にすることができる。あるいは、２方向における異なるプロファイルにより、偏光にしたがって特定の特性を生成することが可能になる。したがってランダム偏光入射波のＴＥ成分およびＴＭ成分を分離する装置を設計することが可能であり、例えば、偏光のＴＥ成分に対しては第１の焦点距離を有し、偏光のＴＭ成分に対しては第１の焦点距離と異なる第２の焦点距離を有するレンズなどである。

別の変形例によれば、各ブレードは曲線状であり、各ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体は、変形例によれば、軸対象により配置することができる。この構成により、例えば、球状光学レンズ、収束または発散、または他の任意の対称光学関数などの回転対称性をもつ光学部品を製造することが可能になる。前述のように、軸対称性をもつ光学関数によって偏光に対して鈍感な装置を製造することが可能になるが、非対称性光学関数の製造によって入射波の偏光の成分を分離させることが可能になる。

変形例によれば、基板は、誘電材料からなり、基板を形成する誘電材料は、ブレードを形成する誘電材料のうちの１つと同一である。特に、構造体のブレードの１つと同じ材料を基板に使用することによって、製造方法を簡単にすることができる。

変形例によれば、誘電材料のうちの１つは空気である。製造方法において、ブレードの位置でスリットをエッチングして、空気によって形成されたとして十分である。

第２の態様によれば、本発明は、第１の態様により入射波面の位相を制御する装置と、検出器とを備える検出システムに関し、装置のＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体は、波面の位相の局所的シフトを導入するような寸法をもち、各局所的位相シフトは、収束レンズの光学関数に対応する光学関数をサンプリングすることによって決定される。

第３の態様によれば、本発明は、第１の態様による装置を用いて光学波面の位相を制御する方法に関し、該方法は、
−装置の全部のブレードを覆う入射波面を形成するように波面を空間成形するステップと、
−入射波面の一部の各ＭＭｕｌｔｉＤＭ構造体による透過ステップであって、波面上に局所的位相シフトを導入することを可能にするステップと、を含む。

第４の態様によれば、本発明は、第１の態様により入射波面の位相を制御する装置を製造する方法に関し、該方法は、
−金属材料からなるブレードの代わりに第１のスリット一式を形成するために第１の誘電材料の層をエッチングするステップと、
−スリットのかわりに金属を堆積させるステップと、
−第２の誘電材料からなるブレードの代わりに第２のスリット一式を形成するために層をエッチングするステップと、を含む。

変形例によれば、該方法は、第２のスリット一式のスリットの代わりに、誘電材料からなる第２の材料を堆積させるステップを含む。

変形例によれば、第１の誘電材料からなる層が、基板を形成する。あるいは、該方法は、基板上に第１の誘電材料からなる層を堆積させる予備ステップを含むことができる。

第５の態様によれば、本発明は、第１の態様により入射波面の位相を制御する装置を製造するための方法に関し、該方法は、
−ブレード一式を形成するために金属材料からなる層と誘電材料とからなる層とを積層するステップと、
−生成された積層を切断して研磨するステップと、各層の平面に対して略直角に基板に固定するステップと、
−基板とは反対の面を研磨するステップと、を含む。

本発明の他の利点および特徴は、以下の図面によって示された記載を読めば明らかになるであろう。

従来技術による波面の位相を制御するための装置において、スリットの幅ｗの関数としてスリットの実効屈折率ｎ_ｅｆｆの傾向を示す、上述された曲線である。 本発明による、装置における例示的ＭＤＤＭ構造体の原理を示す図である。 構造体の異なる幅ｗに対してガリウムヒ素（ＧａＡｓ）での充填率（ｆ）の関数として、空気およびガリウムヒ素を充填したＭＤＤＭタイプの構造体における屈折率および位相の変化のデジタルシミュレーションを示す曲線である。 収束光学レンズタイプの装置の製造に適用する場合に求められる位相関数と、得られたサンプル関数とを示す曲線である。 図４に示した光学関数のタイプの関数を生成するための、本発明による装置の一実施形態を示す図である。 図５の実施形態のタイプの装置に入射する波面の位相変調後に算出された光強度の写像である。 ブレードがそれぞれ直線形状である装置を上から見た図である。 ブレードがそれぞれ直線形状である装置を上から見た図である。 ブレードがそれぞれ曲線形状である装置を上から見た図である。

図２は、本発明による例示的な位相制御装置２０における例示的な金属−多層誘電体−金属（ＭｍｕｌｔｉＤＭ）構造体の原理を示す図である。装置２０は、装置の使用する所定のスペクトルバンドでの波長を示す波面の位相を制御するように構成されている。スペクトルバンドは、４００ｎｍ〜１００ｎｍの間であってよい。装置２０は、使用スペクトルバンドにおいて透明または部分的に透明な基板２１と、基板の表面に対して略直角に配置された、高さｈを有するブレード一式（図２の２２_ｉ、２３_ｉ、２４_ｉ、２２_ｊ、２３_ｊ、２４_ｊ、２２_ｋなど参照）とを備える。並置状態の金属−多層誘電体−金属（ＭｍｕｌｔｉＤＭ）構造体Ｓ_ｉを形成するように、金属材料（２２_ｉ）からなるブレード、第１の誘電材料からなるブレード（２３_ｉ）、第１の誘電材料とは異なる少なくとも１つの第２の誘電材料からなるブレード（２４_ｉ）、その後再び、金属材料からなるブレード（２２_ｊ）、第１の誘電材料からなるブレード（２３_ｊ）、第２の誘電材料からなるブレード（２４_ｊ）などのようにして並置ブレードを交互に形成する方法で各ブレードが配置される。図２の例では、各構造体Ｓ_ｉは、異なる誘電材料からなるブレードは２つしか備えていないが、各構造体において、金属材料からなる２つのブレード（２２_ｉ，２２_ｊ）の間で、異なる誘電材料からなる３つ以上のブレードの交互配置を備える装置を形成することを想定することも可能である。

各金属−多層誘電体−金属構造体Ｓ_ｉは、（２つの金属ブレード２２_ｉ，２２_ｊの間に画定される）サブ波長幅Ｗ_ｉを有し、つまり、これは、装置の使用スペクトルバンドの最小波長λ_ｍｉｎ未満であって、幅Ｗ_ｉは使用スペクトルバンドにおける１つまたは複数の伝播モードを示すキャビティを形成するように選択される。波長λの光波が装置２０に入射すると、構造体によって形成されたキャビティ内でのモードの伝播により、以下の式にしたがって、各構造体Ｓ_ｉの高さで局所的に位相シフトΔΦ_ｉを受ける。

ここで、ｎ_ｅｆｆは、キャビティ内で伝播するモードの実効屈折率であり、ｎ_Ｌは、「低」屈折率、つまり、最低屈折率をもつ誘電材料の屈折率である。上記式（２）では、入射波面が厚さｈおよび屈折率ｎ_Ｌを有するブレードを通過するときに、入射波面が受ける位相シフトによってここで定義される、基準位相シフトと比較して位相シフトΔΦ_ｉが測定される。具体的には、構造体中に存在する誘電材料の性質が、伝播されるモードの実効屈折率を修正する。各構造体Ｓ_ｉにおいて、誘電材料からなる各ブレードの厚さを選択することによって、形成されたキャビティ内を伝播するモードの実効屈折率を修正することができるので位相シフトが局所的に導入される。

実際には、低いブレード高さで有効な局所的位相シフトを生成するためには、有効な屈折率差を示す誘電材料を選択することが可能である。以下の説明では、「高」屈折率ｎ_Ｈは、最も高い屈折率を示す誘電材料の屈折率を示すために使用され、「低」屈折率ｎ_Ｌは、最も低い屈折率を示す誘電材料の屈折率を示すために使用される。最も高い屈折率の誘電材料としては、例えば、装置の使用スペクトルバンドにおいて透明であってこのスペクトルバンドで高光学指数を示す誘電材料を選択することが可能である。例えば、バンドＩＩおよびＩＩＩにおける位相制御装置の作動については、非限定的な方法で、屈折率が３．３であるガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、屈折率が約４であるゲルマニウム（Ｇｅ）、屈折率が３．７に等しいアモルファスシリコン（Ｓｉ ａ）、５μｍ未満の波長に対して屈折率が１．５に等しいシリカ（ＳｉＯ_２）、屈折率が２．２に等しい硫化亜鉛（ＺｎＳ）を選択することが可能である。可視帯域および赤外線帯域における位相制御装置の作動については、非限定的な方法で、屈折率が２．２である、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）または硫化亜鉛（ＺｎＳ）を選択することが可能である。最も低い屈折率の誘電材料については、空気を選択して、高および低屈折率の差を最大にすることを可能とするのが都合がよい。

最大位相シフトは、ブレードの高さｈによって与えられる。したがって、ブレードの最小高さｈは、以下の式で与えられる最大位相シフトΔΦ_ｍａｘを確保するように決定することが可能である。

ここで、λ_ｍａｘは、使用スペクトルバンドの最大波長であり、ｎ_Ｈおよびｎ_Ｌは、それぞれ高および低屈折率である。例えば、ブレードの高さｈは、位相の最大位相シフトΔΦ_ｍａｘが２πとなるように選択可能であり、２πは、全ての光学関数を定義するのに十分であり、また構造体の全高を制限することを可能にする。一般的には、例えば３〜５μｍなどの赤外線での使用帯域の場合には、高および低屈折率それぞれに対して、ＧａＡｓ（ｎ_Ｈ＝３．３）および空気（ｎ_Ｌ＝１）を選択することにより、ブレード高さｈ＝２．２μｍが、最大局所的位相シフト２πを達成するのに十分となる。

金属壁またはブレード２２_ｉは、使用金属の膜厚よりも大きい厚さＬ_ｉであって、例えば、金属の光学膜厚の２倍程度を有するのが都合よく、このようにして、構造体Ｓ_ｉによって形成されたキャビティ内の伝播モードが、隣接する構造体によって形成されたキャビティによって妨害されないことを確実にする。したがって、金属材料として金を用いた場合には、ＭＭｕｌｔｉＤＭ構造体における金属材料からなるブレードは、５０ｎｍ程度とすることができる。処理方法が完全に制御されるために、金の使用が好ましい。しかし、例えば、銅、アルミニウム、銀など他の金属材料は、装置の各構造体を製造するための優れた候補となりうる。形成されたキャビティがシングルモードとなるように構造体Ｓ_ｉの幅Ｗ_ｉが選択されると都合がよく、これにより、構造体によって形成されたキャビティ内で伝播可能な縦モードの閉じ込め効果と、各構造体の限定幅との間の良好なトレードオフを得ることができる。例えば、各構造体において、シングルモードキャビティの状況を確認するためには、以下を実証するような方法で幅ｗ_ｉを選択することができる。

ここで、λ_ｍｉｎは、装置のために選択された使用バンドの最小波長であり、ｎ_Ｈは、高屈折率である。したがって、一般的に、λ／１０程度の幅のＷ_ｉを選択することが可能となる。また、赤外線での使用の場合には、特に技術的な理由のために、金属の光学的膜厚の１０倍以上のキャビティ幅を選択することができると都合が良い。

図２の例は、金属−誘電体１−誘電体２−金属（ＭＤＤＭ）構造体を使用した特定の位相制御装置、つまり、各Ｓ_ｉ構造体において、異なる誘電材料からなる２つのブレード２３_ｉ、２４_ｉを備える構造体を示している。以下に示すように、この変形例では、波面の位相の制御の精度と、実装が簡単な製造方法の追求との間に非常に良好なトレードオフを得ることが可能になる。この例では、各構造体Ｓ_ｉは、実質的に等しい幅Ｗ_ｉをそれぞれ有する。各構造体Ｓ_ｉは、２つの金属ブレード２２_ｉ、２２_ｊの間に、異なる誘電材料１、２からなる２つの金属ブレード２３_ｉ、２４ｉを備えるが、誘電材料１および２の性質は、各構造体において同一である。実際には、２つの誘電材料のそれぞれの比率は、各構造体において変えられる。したがって、例えば、構造体Ｓ_ｉ内の誘電材料２の充填率ｆ_ｉを定義することができる。誘電材料２からなるブレード２４_ｉの厚さは、構造体Ｓ_ｉに対する積ｆ_ｉｗ_ｉと等しく、誘電材料１からなるブレード２３_ｉの厚さは、積（１−ｆ_ｉ）ｗ_ｉと等しい。モードの実効屈折率は、各構造体内で伝播されるため、局所的位相シフトは充填率ｆ_ｉに依存する。

図３は、したがって、構造体の幅ｗ_ｉの種々の値に対して、図２に図示されたタイプの装置における充填率の関数として計算された実効屈折率を示す曲線を示す図である。（式（２）によって与えられ）得られた（２πとして）位相シフトも示されている。具体的には、各曲線は、ブレードの高さｈ＝１μｍ、金属壁の厚さＬ_ｉ＝５０ｎｍ、入射媒体（空気）の波長λ＝５μｍを用いて計算される。曲線３１、３２、３３は、それぞれｗ＝δ（２５ｎｍ）、ｗ＝２δ（５０ｎｍ）、ｗ＝２０δ（５００ｎｍ）に対して得られたものであり、ここでは、δは金などの使用金属の膜厚である。検討された誘電材料は、誘電材料１（ｎ_Ｌ＝１）には空気、誘電材料２（ｎ_Ｈ＝３．３）にはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）である。モード法などによって、キャビティにおける基本モードの伝搬をモデル化することによって、周知のように、モードの実効屈折率が計算される。誘電材料における伝播、金属壁との界面での反射および２つの誘電材料間の界面における反射および透過が考慮される。例えば、（ＰｙｔｈｏｎやＭＡＴＬＡＢ（登録商標）などを使用した）行列計算ソフトウエアが、伝播のモデル化および充填率ｆ_ｉの関数としての実効屈折率の計算に使用される。

図３は、伝播モードの実効屈折率をどのように変化させることが可能か、その結果、構造体によって形成されたキャビティの幅ｗ_ｉではなく充填率ｆ_ｉを調節することによって入射波面に適用された局所的位相シフトをどのように変化させることが可能かについて示している。図３に表わされるように、位相シフトの変化は、装置の製造に対する技術的な制約を緩和することができる２０δ（曲線３３）などの大きなキャビティ幅についても、充填率の関数として求めることができるので、低キャビティ幅ｗ_ｉで動作するために強力な位相シフトを取得する必要がない。さらに、図３は、実効モード屈折率の安定性、ひいては、キャビティ幅ｗ_ｉおよび充填率ｆ_ｉの関数として入射波面に適用される局所的位相シフトの安定性を明らかにしている。キャビティ幅ｗ_ｉ＝５００ｎｍ（すなわちλ／１０）を選択することによって、幅ｗ_ｉの１０ｎｍの変化は伝播モードの実効屈折率にほとんど影響を与えず（＜１％）、２％の充填率の変化に対応する誘電材料２からなるブレードの幅における１０ｎｍの変化が、実効屈折率Δｎ／ｎ＝０．０３の変化につながることを出願人は特に実証している。Ｈ．Ｓｈｉらに記載の従来技術のシステムと比較すると、例えば、伝播モードの実効屈折率の安定性が大幅に強化され、装置の信頼性を一層高めることが可能になり、また装置を製造するために実施される技術の正確さに対する依存を低減させることが可能になる。

図２の例で説明したように、複数の構造体Ｓ_ｉを並置させることによって、また各々について、誘電材料のうち１つの充填率を調整することによって、ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体の幅に依存するピッチを用いた波面の空間サンプリングを実施することで、また所望の光学関数を生成するように選択された所与の位相シフトを局所的に適用することで、入射波面を変調することが可能になることが容易に理解されるであろう。波面は、全部の構造体を覆うようにあらかじめ空間的に拡張可能である。

図４は、したがって、収束レンズを製造するために必要なサンプリングを示している。具体的には、曲線４１は、λ＝５μｍおよび高さｈ＝２．２μｍで焦点距離６μｍを有する直径１１．５μｍのレンズの位相プロファイルを表し、曲線４２は、２１個の構造体に対して実施される空間サンプリングを表している。位相プロファイルは、以下のように表現される。

ここで、Ｆは製造されるレンズの焦点距離であり、θは入射角（図４の例ではθ＝０）であり、ｘは構造体Ｓ_ｉを形成する各ブレードの平面に垂直な方向において測定した距離であって、その基準（ｘ＝０）は、装置の中央の構造体の高さで取得される。

図５は、図４の曲線４２に示すように位相プロファイルを生成するための例示的な装置５０を示している。図２に示されるように、装置は、ＭＤＤＭ型の２１個の構造体を備える。各構造体は、幅ｗ_ｉ＝５００ｎｍ、高さｈ＝２．２μｍ、金属ブレードの厚さＬ_ｉ＝５０ｎｍを有する。装置は３つのゾーン、つまり、それぞれ空気とガリウムヒ素とによって形成された上部ゾーン５３と下部ゾーン５１、および２１個のＭＤＤＭ構造体を備える中間ゾーン５２を備える。各構造体Ｓ_ｉのブレード２３_ｉおよび２４_ｉを形成する誘電材料は、空気およびガリウムヒ素によってそれぞれ形成されている。したがって高および低屈折率はそれぞれｎ_Ｈ＝３．３およびｎ_Ｌ＝１である。具体的には、図５の例では、ＭＤＤＭ構造体が、空気に対するガリウムヒ素の充填率ｆ_ｉ、８９％、９７％、１７％、６５％、８０％、９０％、９４％、９７％、９９％、９９％、１００％、９９％、９９％、９７％、９４％、９０％、８０％、６５％、１７％、９７％、８９％を示し、各構造体に対して求めた位相シフトを達成することを可能にする。このような装置は、光検出器５４の上流に配置して、装置を透過し位相変調された入射光のエネルギーをそこに集中させる。

図６は、図５に示された装置５０のゾーン５１〜５３の各々で計算された光強度のマッピングを示している。光エネルギーの収束が、ゾーン６０にはっきりと確かめられ、サブ波長スケールに縮小した収束レンズの製造が確認される。

図４〜６の例では、装置は、主方向に配向された、略直線状のブレードを備えることが想定され、位相シフトは、ブレードのこの配向方向に垂直な軸ｘに沿って計算される。したがって得られた光学的収束レンズ関数は、シリンドリカルレンズ関数である。あるいは、各ブレードは、光球面収束レンズ関数を生成するために、２つの主方向に配向された直線状としてもよいし、あるいは回転対称性を示すように並置された、例えば、略円形などの曲線状に配向してもよい。

図７Ａ〜図７Ｃは、したがって図５に示された装置の平面図をそれぞれ示し、直線状の２つの略垂直方向に配置されたブレードを有する装置（図７Ｂ）と、円形のブレードを有する装置（図７Ｃ）である。

図７Ｂの平面図に示された装置６０は、略矩形を有し、第１の方向（ｘ）に配置された並置構造体Ｓ_ｉと、第１の方向と略直角の第２の方向（ｙ）に配置された並置構造体Ｓ’_ｉとを備える。図５または図７の例のように、各構造体Ｓ_ｉまたはＳ’_ｉは、金属材料からなるブレード（２２_ｉ）、第１の誘電材料からなるブレード（２３_ｉ）、第２の誘電材料からなるブレード（２４_ｉ）、金属材料からなるブレード（２２_ｊ）の交互配置になっている。先に説明したように、このような装置上の入射波面は、各構造体上で局所的に局所的位相シフトを受け、この位相シフトの値は第１および第２の誘電材料からなるブレードの相対的な厚さに繋がる。したがって、例えば、収束光レンズ関数などの二次元光学関数を生成することが可能である。図７Ｂの例では、軸ｘおよびｙの一方または他方に導入された位相シフトのプロファイルは、同一である。その後、装置は入射波の偏光に対して鈍感である。あるいは、偏光のＴＥ成分またはＴＭ成分の関数として反応が異なる位相制御装置を形成するように、軸ｘおよびｙ上の配置が変化する構造体を形成することが可能である。したがって、例えば、ランダム偏光入射波のＴＥ成分およびＴＭ成分を分離することが可能となる。例えば、収束光学レンズ関数を得ることができるようになり、その関数の焦点距離は、偏光によって変化する。

図７Ｃの平面図に示される装置７０は、軸対称に配置された、略円形の曲線状のブレードを備える。前述の例のように、装置上の入射波面が、各構造体上で局所的に局所的位相シフトを受け、この位相シフトの値が第１および第２の誘電材料からなるブレードの相対的な厚さに関係するように、各構造体Ｓ_ｉは、金属材料からなるブレード（２２_ｉ）、第１の誘電材料からなるブレード（２３_ｉ）、第２の誘電材料からなるブレード（２４_ｉ）、金属材料からなるブレード（２２_ｊ）の交互配置を備える。軸対称性のために、装置７０は偏光に対して鈍感である。例えば、各構造体は、所定の焦点距離の収束光学レンズ関数を生成するように構成されている。あるいは、非対称光学関数を得るようにブレードを配置することができる。例えば、各ブレードを曲線状だが円形ではない楕円形などにすることができ、入射波の偏光のＴＥ成分およびＴＭ成分を分離することが可能になる。

こうして、波長に比べて変動が小さい急峻なプロファイルを含む任意のプロファイルを備える位相関数を利用することが可能になる。

本発明による波面の位相を制御するための装置の製造には多くの方法が考えられる。

図５に示す装置５０の例では、基板は、各構造体のブレードのうちの１つに使用される材料と同一の誘電材料から形成される。このような装置を製造する方法は、金属材料からなるブレード２２_ｉの代わりに第１のスリット一式を形成するために、例えば、ガリウムヒ素からなる基板などである基板５１（図５）をエッチングするステップと、その後、スリットの位置で金などの金属を成長させるステップとを含むことができる。基板は、その後、エッチングされ、第１の誘電材料からなるブレード２３_ｉの代わりに第２のスリット一式を形成する。次に、図５に示された装置が得られ、第１および第２の誘電材料は、それぞれ空気とガリウムヒ素から形成される。

変形例によれば、第１の誘電材料が空気以外の場合、誘電材料からなる第２の材料の第２のスリット一式の位置で堆積を行うことができる。また、第２の誘電材料が基板を構成する材料以外の場合、基板上に第２の誘電材料の層の堆積を行う予備ステップを行うことができ、その後、先に説明したのと同じステップが実行される。

あるいは、並置直線状ブレードを備える波面制御装置の場合、例えば図５または図７Ａに示されたタイプの装置の場合は、装置の製造が、並置状態のＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体のアセンブリを形成することになるブ各レードの交互配置を形成するために、それぞれ金属材料と誘電材料とからなる層を積層するステップと、次に、生成された積層を切断して研磨するステップと、積層の研磨面を積層の基板に各層の平面に略直角になるように載せて固定するステップとを含む。その後、基板とは反対の積層の面を研磨することができる。

いくつかの詳細な実施形態を通じて説明したが、波面の位相を制御する装置およびそのような装置を製造する方法は、種々の変形、修正、および改良を含み、これらの種々の変形、修正、および改良が特許請求の範囲によって定義されるように本発明の範囲の一部を形成する場合、当業者にとっては自明であろう。

Claims (18)

1. 所定の使用スペクトルバンドの波長を有する入射光学波面の位相を制御する装置（２０、５０）であって、前記装置は、前記スペクトルバンドにおいて少なくとも部分的に透過性を有する基板（２１）と、前記基板の表面に略直角に配置されるブレード（２２_ｉ、２３_ｉ、２４_ｉ）一式と、を備え、
   サブ波長幅（ｗ_ｉ）を有する並置状態の金属−多層誘電体−金属（ＭｍｕｌｔｉＤＭ）構造体（Ｓ_ｉ）を形成するように、前記ブレード一式は、並置されたブレードの交互配置を備え、前記ブレードは、それぞれ、金属材料からなるブレード（２２_ｉ）、第１の誘電材料からなるブレード（２３_ｉ）、前記第１の誘電材料とは異なる少なくとも１つの第２の誘電材料からなるブレード（２４_ｉ）であって、各構造体は１つまたは複数の伝播モードを示すキャビティを形成しており、
   第１の誘電材料からなる前記ブレードと、第２の誘電材料からなる前記ブレードのそれぞれの厚さは、各前記ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体において調節されて波面の位相の局所的シフト（ΔΦ_ｉ）を誘発し、前記局所的位相シフトは、前記キャビティにおいて伝播可能な１つまたは複数のモードの実効屈折率に依存する、装置。
2. 各構造体は、第１の誘電材料からなる第１のブレードと、前記第１の誘電材料とは異なる第２の誘電材料からなる第２のブレードとを備え、金属−誘電体−誘電体−金属（ＭＤＤＭ）構造体を形成する、請求項１に記載の装置。
3. 前記各ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体（Ｓ_ｉ）の幅（Ｗ_ｉ）は、実質的に等しい、請求項１または２に記載の装置。
4. 各ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体（Ｓ_ｉ）の幅は、前記金属材料の光学的膜厚の１０倍超である、赤外線での使用に適した、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 各ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体（Ｓ_ｉ）の幅は、λ_ｍｉｎ／２ｎ_Ｈ未満であり、ここでλ_ｍｉｎは、前記スペクトルバンドの最小波長であって、ｎ_Ｈは、最大屈折率を有する前記誘電材料の屈折率である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記ブレードは、前記局所的位相シフトの最大値が２πとなるように決定された所定の高さ（ｈ）を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記基板（２１）は、誘電材料からなり、前記基板を形成するこの誘電材料は、複数の前記誘電材料のうちの１つと同一である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 複数の前記誘電材料のうちの１つは空気である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記ブレードは略直線状であり、前記ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体は主方向に配置される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記ブレードは略直線状であり、前記ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体は少なくとも２つの主方向に配置される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記ブレードは曲線状であり、前記ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体は軸対象にしたがって配置される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
12. 誘電材料からなる前記ブレードのそれぞれの厚さを調整して、所定の使用スペクトルバンドの光学部品の製造のために求められる光学関数に基づいて計算された位相シフトを局所的に得て、前記光学関数は前記装置のＭＭｕｌｔｉＤＭ構造体の数でサンプリングされる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の入射波面の位相を制御する装置と、検出器とを備える検出システムであって、前記装置の前記ＭｍｕｌｔｉＤＭ構造体（Ｓ_ｉ）は、前記波面の前記位相の局所シフトを導入するような寸法をもち、各局所的位相シフトは、収束レンズの光学関数に対応する光学関数をサンプリングすることによって決定される、検出システム。
14. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置を用いて光学波面の位相を制御する方法であって、
    前記装置の全部の前記ブレードを覆う入射波面を形成するように前記波面を空間成形するステップと、
    前記入射波面の一部の各前記ＭＭｕｌｔｉＤＭ構造体よる透過ステップであって、前記波面上に局所的位相シフトを導入することを可能にするステップと、を含む方法。
15. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の入射波面の位相を制御する装置を製造する方法であって、
    金属材料からなる前記ブレードの代わりに第１のスリット一式を形成するために第１の誘電材料の層をエッチングするステップと、
    前記スリットのかわりに前記金属を堆積させるステップと、
    第２の誘電材料からなる前記ブレードの代わりに第２のスリット一式を形成するために前記層をエッチングするステップと、を含む方法。
16. 前記第２のスリット一式の前記スリットの代わりに、誘電材料からなる第２の材料を堆積させるステップを含む、請求項１５に記載の製造方法。
17. 基板上に第１の誘電材料からなる前記層を堆積させる予備ステップを含む、請求項１５または１６のいずれか１項に記載の製造方法。
18. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の入射波面の位相を制御する装置を製造する方法であって、
    前記ブレード一式を形成するために金属材料からなる層と誘電材料とからなる層とを積層するステップと、
    前記生成された積層を切断して研磨するステップと、各層の平面に対して略直角に基板に固定するステップと、
    前記基板とは反対の面を研磨するステップと、を含む方法。

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