JP2018045073A - メタサーフェス - Google Patents

Abstract

【課題】Ｖ字型アンテナ素子による光の変換効率の向上を実現できるメタサーフェスを提供する。
【解決手段】メタサーフェス１は、入力光１０が入力される光入力面２ａ及び該光入力面２ａに対向する光出力面２ｂを有する基板２と、基板２の光出力面２ｂ側に設けられ第１腕部４ｘ及び該第１腕部４ｘの一端に連続する第２腕部４ｙを有する複数のＶ字型アンテナ素子４と、を備える。Ｖ字型アンテナ素子４の厚み方向における寸法は、１００ｎｍ〜４００ｎｍである。
【選択図】図２

Description

本発明は、メタサーフェスに関する。

従来、例えば下記非特許文献１に記載されているように、入力光を変調して出力するメタサーフェスが知られている。下記非特許文献１に記載されたメタサーフェスは、入力光が入力される光入力面及び該光入力面に対向する光出力面を有するＳｉ基板と、Ｓｉ基板の光出力面上に設けられた複数のＶ字型アンテナ素子と、を備える。このようなメタサーフェスでは、一般的に、Ｖ字型アンテナ素子の厚みが３０ｎｍ〜５０ｎｍとされている。

Nanfang Yu、外６名、「Light Propagation with PhaseDiscontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction」、SCIENCE, ＶＯＬ ３３４、ｐ．３３３−３３７、２１ ＯＣＴＯＢＥＲ ２０１１

上述したメタサーフェスにおいては、Ｖ字型アンテナ素子による光の変換効率（Ｖ字型アンテナ素子から出力される光の強度）は重要な性能の一つであり、当該変換効率の向上が望まれている。

そこで、本発明は、Ｖ字型アンテナ素子による光の変換効率の向上を実現できるメタサーフェスを提供することを課題とする。

本発明に係るメタサーフェスは、入力光が入力される光入力面及び該光入力面に対向する光出力面を有する基板と、基板の光出力面側に設けられ、第１腕部及び該第１腕部の一端に連続する第２腕部を有する複数のＶ字型アンテナ素子と、を備え、Ｖ字型アンテナ素子の厚み方向における寸法は、１００ｎｍ〜４００ｎｍである。

本発明らは鋭意検討を重ねた結果、Ｖ字型アンテナ素子の厚み方向における寸法（以下、単に「アンテナ厚」ともいう）を一般的なアンテナ厚である３０ｎｍ〜５０ｎｍよりも厚くすると、Ｖ字型アンテナ素子による光の変換効率が高まる傾向があるという知見を得た。また特に、１００ｎｍよりも薄い範囲では、アンテナ厚を厚くするに伴って当該変換効率が大きく高まる場合があるという知見を得た。すわなち、アンテナ厚を１００ｎｍ以上のものとすると、一般的なアンテナ厚の場合に比べて当該変換効率が大幅に高いものとなることを見出した。一方、製造上、アンテナ厚が厚くなればなるほど基板にＶ字型アンテナ素子を設けることは難しくなり、アンテナ厚が４００ｎｍよりも厚くなると、基板にＶ字型アンテナ素子を設けることが実現困難となる。そこで、本発明に係るメタサーフェスでは、アンテナ厚は１００ｎｍ〜４００ｎｍである。これにより、Ｖ字型アンテナ素子による光の変換効率の向上を実現することができる。

本発明に係るメタサーフェスでは、Ｖ字型アンテナ素子の厚み方向における寸法は、１００ｎｍ〜２００ｎｍであってもよい。アンテナ厚が２００ｎｍ以下であると、基板にＶ字型アンテナ素子を確実に設けることができる。よって、Ｖ字型アンテナ素子による光の変換効率の向上を、確実に実現することが可能となる。

本発明に係るメタサーフェスでは、Ｖ字型アンテナ素子における第１腕部と第２腕部とがなす角度は、７０度以上であってもよい。第１腕部と第２腕部とがなす角度が小さいほど、製造上、Ｖ字型アンテナ素子のＶ字形状を形成することが困難となる。この点、第１腕部と第２腕部とがなす角度が７０度以上であると、Ｖ字型アンテナ素子を容易に製造することができる。

本発明に係るメタサーフェスでは、基板は、ＧａＡｓ基板、ガラス基板、又は、Ｓｉ基板であってもよい。この場合、ＧａＡｓ基板、ガラス基板又はＳｉ基板を基板として適用できる。

本発明に係るメタサーフェスでは、Ｖ字型アンテナ素子は、基板上に設けられた凸部であってもよい。この場合、Ｖ字型アンテナ素子を凸部（いわゆるポジ型）として構成したメタサーフェスにおいて、当該Ｖ字型アンテナ素子による光の変換効率の向上を実現できる。

本発明に係るメタサーフェスでは、Ｖ字型アンテナ素子は、基板上に設けられた金属層に形成された凹部であってもよい。この場合、Ｖ字型アンテナ素子を凹部（いわゆるネガ型）として構成したメタサーフェスにおいて、当該Ｖ字型アンテナ素子による光の変換効率の向上を実現できる。

本発明によれば、Ｖ字型アンテナ素子による光の変換効率の向上を実現できるメタサーフェスを提供することが可能となる。

一実施形態に係るメタサーフェスの構成を示す平面図である。 図１のII−II線に沿う一部断面図である。 （ａ）は、基準構造のＶ字型アンテナ素子の形状を定義するための図である。（ｂ）は、反転対称構造のＶ字型アンテナ素子の形状を定義するための図である。 （ａ）は、メタサーフェスにおける出力光の強度について、アンテナ厚を変えて解析した結果を示すグラフである。（ｂ）は、図４（ａ）の一部を拡大して示すグラフである。 メタサーフェスにおける出力光の強度について、アンテナ厚を変えて解析した結果を示すグラフである。 （ａ）は、メタサーフェスにおける出力光の強度について、アンテナ厚を変えて解析した結果を示すグラフである。（ｂ）は、図６（ａ）の一部を拡大して示すグラフである。 変形例に係るメタサーフェスの一部断面図である。 変形例に係るメタサーフェスにおける出力光の強度について、アンテナ厚を変えて解析した結果を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、一実施形態に係るメタサーフェスの構成を示す概略斜視図である。図２は、図１のII−II線に沿う一部断面図である。図１及び図２に示されるように、メタサーフェス１は、入力される入力光１０を変調し、出力する出力光２０の位相、振幅及び偏光の少なくとも何れかを変調し、所望の出力光２０を出力する。この場合、メタサーフェス１は、入力光１０の位相に対して２次元的に配置した個々の要素（後述のＶ字型アンテナ素子４）において所望の変調を行うことによって、所望の光学デバイスを形成できる。一般的に、メタサーフェス１は、メタマテリアルの２次元版の構造体として知られている。

メタサーフェス１は、例えば、集光レンズ、アキシコンレンズ、色収差無しレンズ、球面収差無しレンズ、λ／４波長板、λ／２波長板、光渦発生板、及び、ホログラム要素の少なくとも何れかとして用いることができる。メタサーフェス１は、例えば、検出器アレイ群の微小集光レンズ、微小結合デバイス、偏光選択性及び波長選択性を有するデバイス（偏光スプリッタ等）、及び、フォトニック結晶レーザの出力光制御の少なくとも何れかに利用することができる。メタサーフェス１は、その厚みを入力光１０の波長以下とすることができる。以下、メタサーフェス１の厚み方向（基板２の光出力面２ｂに対して略垂直な方向である）を「Ｚ軸方向」とし、Ｚ軸方向と直交する一方向を「Ｘ軸方向」とし、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の双方と直交する方向を「Ｙ軸方向」として説明する。

本実施形態のメタサーフェス１は、透過型のプラズモン型メタサーフェスである。図示する例では、メタサーフェス１は、集光レンズとして作用する光学デバイスであって、入力光１０が入力された場合に所望の焦点位置に集光する出力光２０を出力する。メタサーフェス１は、基板２と、複数のＶ字型アンテナ素子４と、を備える。

基板２は、平板状を呈する。基板２は、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）で形成されたＧａＡｓ基板、ガラスで形成されたガラス基板、又は、Ｓｉ（シリコン）で形成されたＳｉ基板である。ＧａＡｓ基板を基板２として備えるメタサーフェス１では、少なくとも８８０ｎｍ〜４０μｍの波長を含む入力光１０を変調し、入力光１０が例えば近赤外線ないし中赤外線である。ガラス基板を基板２として備えるメタサーフェス１では、少なくとも２００ｎｍ〜４０μｍの波長を含む入力光１０を変調し、入力光１０が例えば紫外線、可視光線、近赤外線ないし中赤外線である。Ｓｉ基板を基板２として備えるメタサーフェス１では、少なくとも１μｍ〜４０μｍの波長を含む入力光１０を変調し、入力光１０が例えば近赤外線ないし中赤外線である。

基板２は、入力光１０が入力される光入力面２ａと、出力光２０を出力する光出力面２ｂと、を含む。光入力面２ａは、基板２の一方の主面である。光出力面２ｂは、光入力面２ａと対向する。光出力面２ｂは、基板２の他方の主面である。基板２の厚みは、例えば０．５ｍｍ〜１０ｍｍである。

Ｖ字型アンテナ素子４は、基板２の光出力面２ｂ側に設けられている。換言すると、Ｖ字型アンテナ素子４は、基板２において光出力面２ｂ上に配置されている。ここでのＶ字型アンテナ素子４は、光出力面２ｂに密着層５を介して設けられている。

密着層５は、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｐｔ（白金）、又はこれらの少なくとも何れかにより形成されている。密着層５の厚みは、例えば５ｎｍ〜１０ｎｍである。密着層５は、基板２に対するＶ字型アンテナ素子４の密着性を高め、Ｖ字型アンテナ素子４の剥離を抑制する。例えば密着層５は、基板２及びＶ字型アンテナ素子４のそれぞれに対して、基板２とＶ字型アンテナ素子４と間の密着性よりも高い密着性を有する。密着性は、付着性、付着力及び密着力等と同義である。

Ｖ字型アンテナ素子４は、いわゆるポジ型の素子であって、基板２上に設けられた凸部である。Ｖ字型アンテナ素子４は、Ａｕ（金）等の金属により形成されている。Ｖ字型アンテナ素子４は、基板２の光出力面２ｂ上に、Ｚ軸方向に隆起するように設けられている。Ｖ字型アンテナ素子４の厚み（Ｚ方向における寸法）は、１００ｎｍ〜４００ｎｍである。Ｖ字型アンテナ素子４の厚みは、１００ｎｍ〜２００ｎｍであってもよい。以下、Ｖ字型アンテナ素子４のＺ方向における寸法を、「アンテナ厚」ともいう。

Ｖ字型アンテナ素子４は、例えば、基板２の光出力面２ｂ上の１００μｍ×１００μｍの領域当たりに、１６万個配置されている。Ｖ字型アンテナ素子４は、突条形状の第１腕部４ｘと、該第１腕部４ｘの一端に連続する突条形状の第２腕部４ｙと、を有する。

複数のＶ字型アンテナ素子４は、そのＶ字型構造の形状が互いに異なる８種類の第１〜第８アンテナ素子４１〜４８を含む。具体的には、複数のＶ字型アンテナ素子４は、４種類の基準構造のＶ字型構造体である第１〜第４アンテナ素子４１〜４４と、これら４種類の基準構造をＸ軸で反転してなる反転対称構造のＶ字型構造体である第５〜第８アンテナ素子４５〜４８と、を含む。

図３（ａ）は、基準構造のＶ字型アンテナ素子４の形状を定義するための図である。図３（ｂ）は、反転対称構造のＶ字型アンテナ素子４の形状を定義するための図である。図３では、単位セルＣ、すなわち、メタサーフェス１において１つのＶ字型アンテナ素子４のみを含む矩形板状領域を示している。単位セルＣは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿った辺を有する。ここでの単位セルＣの大きさは、２４０ｎｍ×２４０ｎｍ（Ｘ軸方向及びＹ軸方向の寸法がともに２４０ｎｍ）である。

図３（ａ）に示されるように、基準構造のＶ字型アンテナ素子４（第１〜第４アンテナ素子４１〜４４）では、Ｘ軸との間に角度αを有する対称軸ｓ１と、対称軸ｓ１に直交する非対称軸ａ１と、が設定されている。角度αは、４５度である。この角度αによって、入力光１０の偏光に対する出力光２０の偏光が何度回転するかを決定できる。角度αが４５度の場合、出力光２０の偏光は、入力光１０の偏光に対して９０度回転する。基準構造のＶ字型アンテナ素子４は、対称軸ｓ１を介して線対称な形状を呈する。

なお、以下においては、第１腕部４ｘと第２腕部４ｙとがなす角度を腕部間角度βとし、第１腕部４ｘ及び第２腕部４ｙそれぞれの長手方向の長さを腕部長さＬとし、第１腕部４ｘ及び第２腕部４ｙそれぞれの幅を腕部幅Ｈとして説明する。

図３（ｂ）に示されるように、反転対称構造のＶ字型アンテナ素子４（第５〜第８アンテナ素子４５〜４８）は、図３（ａ）の基準構造をＸ軸を介して反転した構造である。反転対称構造のＶ字型アンテナ素子４は、対称軸ｓ１（図３（ａ）参照）と直交する対称軸ｓ２と、対称軸ｓ２に直交する非対称軸ａ２と、が設定されている。対称軸ｓ２は、対称軸ｓ１と同じく、Ｘ軸との間に角度αを有する。反転対称構造のＶ字型アンテナ素子４は、対称軸ｓ２を介して線対称な形状を呈する。反転対称構造のＶ字型アンテナ素子４は、基準構造のＶ字型アンテナ素子４に対して、＋１８０度の位相変調が得られる。

図１に戻り、複数のＶ字型アンテナ素子４のそれぞれにおける第１腕部４ｘと第２腕部４ｙとがなす角度は、７０度以上である。つまり、第１〜第８アンテナ素子４１〜４８の腕部間角度βは、７０度以上１８０度以下である。第１〜第８アンテナ素子４１〜４８の腕部幅Ｈは、互いに等しく、例えば４０ｎｍである。

第１アンテナ素子４１の腕部間角度βは、７５度である。第１アンテナ素子４１の腕部長さＬは、第２〜第４アンテナ素子４２〜４４の腕部長さＬよりも長い。第２アンテナ素子４２の腕部間角度βは、９０度である。第２アンテナ素子４２の腕部長さＬは、第１アンテナ素子４１の腕部長さＬよりも短く、且つ、第３及び第４アンテナ素子４３，４４の腕部長さＬよりも長い。

第３アンテナ素子４３の腕部間角度βは、１２０度である。第３アンテナ素子４３の腕部長さＬは、第１及び第２アンテナ素子４１，４２の腕部長さＬよりも短く、且つ、第４アンテナ素子４４の腕部長さＬよりも長い。第４アンテナ素子４４の腕部間角度βは、１８０度である。つまり、第４アンテナ素子４４は、第１腕部４ｘ及び第２腕部４ｙが同一直線に沿って真っ直ぐ延びる形状である。第４アンテナ素子４４の腕部長さＬは、第１〜第３アンテナ素子４１〜４３の腕部長さＬよりも短い。

第５アンテナ素子４５は、Ｘ軸に対する第１アンテナ素子４１の反転対称構造を有する。第５アンテナ素子４５の腕部間角度βは、７５度である。第５アンテナ素子４５の腕部長さＬは、第６〜第８アンテナ素子４６〜４８の腕部長さＬよりも長い。第６アンテナ素子４６は、Ｘ軸に対する第２アンテナ素子４２の反転対称構造を有する。第６アンテナ素子４６の腕部間角度βは、９０度である。第６アンテナ素子４６の腕部長さＬは、第５アンテナ素子４５の腕部長さＬよりも短く、且つ、第７及び第８アンテナ素子４７，４８の腕部長さＬよりも長い。

第７アンテナ素子４７は、Ｘ軸に対する第３アンテナ素子４３の反転対称構造を有する。第７アンテナ素子４７の腕部間角度βは、１２０度である。第７アンテナ素子４７の腕部長さＬは、第５及び第６アンテナ素子４５，４６の腕部長さＬよりも短く、且つ、第８アンテナ素子４８の腕部長さＬよりも長い。第８アンテナ素子４８は、Ｘ軸に対する第４アンテナ素子４４の反転対称構造を有する。第８アンテナ素子４８の腕部間角度βは、１８０度である。つまり、第８アンテナ素子４８は、第１腕部４ｘ及び第２腕部４ｙが同一直線に沿って真っ直ぐ延びる形状である。第８アンテナ素子４８の腕部長さＬは、第５〜第７アンテナ素子４５〜４７の腕部長さＬよりも短い。

このような複数のＶ字型アンテナ素子４は、位相変調光学デバイスとして使用可能に構成されている。すなわち、第１〜第８アンテナ素子４１〜４８のそれぞれは、入力光１０の入力に応じて出力する出力光２０の強度が等しい。第１〜第８アンテナ素子４１〜４８は、入力された入力光１０について０〜２πの位相変調を行う。

第１〜第８アンテナ素子４１〜４８は、下式（１）に従い、所望の位置に所望の位相差が生じるように基板２の光出力面２ｂ上に配置されている。これにより、基板２の光入力面２ａから入力光１０が入力された際、出力光２０を所望の焦点位置に集光する集光レンズを形成できる。下式（１）において、ｘ及びｙは平面内の座標、φは座標（ｘ，ｙ）おける位相シフト量、ｆは所望の焦点距離を意味する。

以上に説明したメタサーフェス１を製造する場合、まず、基板２を用意する。基板２の光出力面２ｂ上に、レジスト層を形成する。電子線描画装置を用いて電子線をレジスト層に照射して、Ｖ字型アンテナ素子４の形状に対応した描画パターンを露光する。基板２及びレジスト層上に、金属層を蒸着する。ここでは、Ｔｉ層及びＡｕ層をこの順に蒸着する。リフトオフプロセスにより、レジスト層を当該レジスト層上の金属層と一緒に取り除く。これにより、メタサーフェス１が得られる。基板２の光出力面２ｂ上に蒸着した金属層は、密着層５及びＶ字型アンテナ素子４を構成する。

このように製造されるメタサーフェス１では、製造上、アンテナ厚が厚くなればなるほど基板２にＶ字型アンテナ素子４を設けることは難しくなる。アンテナ厚が４００ｎｍよりも厚くなると、基板２に対してＶ字型アンテナ素子４の厚みが厚くなりすぎるために、基板２にＶ字型アンテナ素子４を設けることが実現困難となる。露光したレジスト層への金属層の蒸着が困難となる。一方、アンテナ厚が２００ｎｍ以下であると、製造上、基板２にＶ字型アンテナ素子４を確実かつ容易に設けることができる。

図４（ａ）は、メタサーフェス１における出力光２０の強度について、アンテナ厚を変えて解析した結果を示すグラフである。図４（ｂ）は、図４（ａ）の一部を拡大して示すグラフである。ここでの解析では、ＧａＡｓ基板を基板２として備えたメタサーフェス１を解析対象としている。密着層５の厚みは、５ｎｍである。入力光１０は、基板２の光入力面２ａから垂直に入力する、波長９４０ｎｍの光である。出力光２０の強度は、Ｖ字型アンテナ素子４による光の変換効率と同義である。出力光２０の強度は、交差−散乱光強度（交差電界強度）とも称される。

図４（ａ）に示されるように、ＧａＡｓ基板を基板２として備えたメタサーフェス１では、一般的なアンテナ厚（３０ｎｍ〜５０ｎｍ）に対してアンテナ厚を厚くすると、出力光２０の強度が高まる傾向があることがわかる。図４（ｂ）に示されるように、アンテナ厚が１００ｎｍよりも薄い範囲では、アンテナ厚が厚くなるに従い、出力光２０の強度が大きく（急峻に）高まることがわかる。アンテナ厚が１００ｎｍよりも薄い範囲では、それ以外の範囲に対して、アンテナ厚に対する出力光２０の強度の変化度合い（傾き）が大きいことがわかる。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示されるように、アンテナ厚が４００ｎｍ以下の範囲では、出力光２０の強度に関するピークが複数（２つ）存在している。アンテナ厚が４００ｎｍの場合に、出力光２０の強度がピークである。アンテナ厚が２００ｎｍ以下の範囲においては、アンテナ厚が１００ｎｍ〜２００ｎｍのときに出力光２０の強度が高く、アンテナ厚が１４０ｎｍの場合に出力光２０の強度がピークである。アンテナ厚が１４０ｎｍのときの出力光２０の強度は、アンテナ厚が３０ｎｍのときの出力光２０の強度に対して、７．９倍となる。

図５は、メタサーフェス１における出力光２０の強度について、アンテナ厚を変えて解析した結果を示すグラフである。ここでの解析では、Ｓｉ基板を基板２として備えたメタサーフェス１を解析対象としている。密着層５の厚みは、１０ｎｍである。入力光１０は、基板２の光入力面２ａから垂直に入力する、波長８μｍの光である。

図５に示されるように、Ｓｉ基板を基板２として備えたメタサーフェス１では、一般的なアンテナ厚に対してアンテナ厚を厚くすると、出力光２０の強度が高まる傾向があることがわかる。また特に、アンテナ厚が１００ｎｍよりも薄い範囲では、アンテナ厚が厚くなるに従い、出力光２０の強度が大きく高まることがわかる。アンテナ厚が１００ｎｍよりも薄い範囲では、それ以外の範囲に対して、アンテナ厚に対する出力光２０の強度の変化度合いが大きいことがわかる。アンテナ厚が４００ｎｍ以下の範囲における出力光２０の強度は、アンテナ厚が厚くなるに従い、急峻に増加した後、緩やかに増加している。

図６（ａ）は、メタサーフェス１における出力光２０の強度について、アンテナ厚を変えて解析した結果を示すグラフである。図６（ｂ）は、図６（ａ）の一部を拡大して示すグラフである。ここでの解析では、ガラス基板を基板２として備えたメタサーフェス１を解析対象としている。密着層５の厚みは、５ｎｍである。入力光１０は、基板２の光入力面２ａから垂直に入力する、波長９４０ｎｍの光である。

図６（ａ）に示されるように、ガラス基板を基板２として備えたメタサーフェス１では、一般的なアンテナ厚に対してアンテナ厚を厚くすると、出力光２０の強度が高まる傾向があることがわかる。また特に、アンテナ厚が５０ｎｍよりも薄い範囲では、アンテナ厚が厚くなるに従い、出力光２０の強度が大きく高まることがわかる。アンテナ厚が５０ｎｍよりも薄い範囲では、それ以外の範囲に対して、アンテナ厚に対する出力光２０の強度の変化度合いが大きいことがわかる。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されるように、アンテナ厚が４００ｎｍ以下の範囲における出力光２０の強度は、アンテナ厚が厚くなるに従い、急峻に増加した後、緩やかに増加し、ピークに達している。アンテナ厚が４００ｎｍ以下の範囲では、アンテナ厚が３８０ｎｍの場合に、出力光２０の強度がピークである。アンテナ厚が３８０ｎｍのときの出力光２０の強度は、アンテナ厚が３０ｎｍのときの出力光２０の強度に対して、２７倍となる。

以上、図４〜図６の解析結果に示されるように、出力光２０の強度がＶ字型アンテナ素子４による光の変換効率と同義であるところ、アンテナ厚を一般的なアンテナ厚である３０ｎｍ〜５０ｎｍよりも厚くすると、当該変換効率が高まる傾向があるという知見が得られる。また特に、１００ｎｍよりも薄い範囲では、アンテナ厚を厚くするに伴って、当該変換効率が大きく高まる（当該変換効率の増加度合いが大きい）場合があるという知見が得られる。これは、一般的なアンテナ厚は、Ｖ字型アンテナ素子４の表皮効果による厚さよりも薄いことから、アンテナ厚を厚くすることで電子が流れる領域を増加でき、双極子輻射の効率を増加できるためと考えられる。したがって、アンテナ厚を１００ｎｍ以上のものとすると、一般的なアンテナ厚の場合に比べて当該変換効率が大幅に高いものとなる、すなわち、当該変換効率を効果的に向上できることが見出される。一方、製造上、アンテナ厚が厚くなればなるほど基板２にＶ字型アンテナ素子４を設けることは難しくなり、アンテナ厚が４００ｎｍよりも厚くなると、基板２にＶ字型アンテナ素子４を設けることが実現困難となるという実情が存在する。

そこで、本実施形態のメタサーフェス１では、アンテナ厚は１００ｎｍ〜４００ｎｍである。これにより、Ｖ字型アンテナ素子４による光の変換効率の向上を実現可能となる。Ｖ字型アンテナ素子４による光の変換効率を、一般的なアンテナ厚の場合に比べて顕著に高くすることができる。

メタサーフェス１では、アンテナ厚みは１００ｎｍ〜２００ｎｍであってもよい。アンテナ厚が２００ｎｍ以下であると、基板２にＶ字型アンテナ素子４を確実に設けることができる。例えば、アンテナ厚が２００ｎｍ以下であると、それよりもアンテナ厚が厚い場合に比べて、基板２にＶ字型アンテナ素子４を確実かつ容易に設けることができる。よってこの場合、Ｖ字型アンテナ素子４による光の変換効率の向上を、確実に実現することが可能となる。

Ｖ字型アンテナ素子４における第１腕部４ｘと第２腕部４ｙとがなす腕部間角度βが小さいほど、製造上、Ｖ字型アンテナ素子４のＶ字形状を形成することが困難となる。例えば腕部間角度βが４０度及び６０度のＶ字型アンテナ素子では、電子線照射時の電子線の近接効果によって描画パターンが拡がるため、設計図通りの形状とすることが困難である。腕部間角度βが４０度及び６０度のＶ字型アンテナ素子は、実際に製造した場合、Ｖ字形状が崩れやすく、Ｖ字形状ではなく三角形形状になってしまう場合がある。この点、本実施形態のメタサーフェス１では、腕部間角度βは、７０度以上である。これにより、Ｖ字型アンテナ素子４を容易に製造することができる。

メタサーフェス１では、基板２は、ＧａＡｓ基板、ガラス基板、又は、Ｓｉ基板である。これにより、ＧａＡｓ基板、ガラス基板又はＳｉ基板を基板２として適用できる。

メタサーフェス１では、Ｖ字型アンテナ素子４は、基板２上に設けられた凸部である。これにより、いわゆるポジ型として構成したＶ字型アンテナ素子４を備えるメタサーフェス１において、当該Ｖ字型アンテナ素子４による光の変換効率を向上できる。

メタサーフェス１では、上述したように、位相変調光学デバイスとして使用可能に構成されている。すなわち、第１〜第８アンテナ素子４１〜４８のそれぞれは、入力光１０の入力に応じて出力する出力光２０の強度が等しい。第１〜第８アンテナ素子４１〜４８は、入力された入力光１０について０〜２πの位相変調を行う。したがって、メタサーフェス１によれば、０〜２πの位相変調能力を確保しつつ、Ｖ字型アンテナ素子４による光の変換効率を向上できる。

メタサーフェス１では、反転対称構造を用いて複数のＶ字型アンテナ素子４を構成している。これにより、入力光１０の０〜２πの位相変調を容易に実現できる。また、メタサーフェス１では、単位セルＣを空間的に適宜配置することで、出力光２０の任意波面を形成できる。

図７は、変形例に係るメタサーフェス１Ａの一部断面図である。変形例に係るメタサーフェス１Ａでは、厚さ方向における基板２の光出力面２ｂとＶ字型アンテナ素子４との間に、中間層３を備えている。中間層３は、基板２の屈折率よりも低い屈折率を有する。屈折率は、その物質中の光の速度に対する真空中の光の速度の比である。中間層３は、ＳｉＮ（窒化ケイ素）で形成されたＳｉＮ層、ＴｉＯ_２（酸化チタン）で形成されたＴｉＯ_２層、ＨｆＯ_２（酸化ハフニウム）で形成されたＨｆＯ_２層、Ｔａ_２Ｏ_５（五酸化タンタル）で形成されたＴａ_２Ｏ_５層、Ｎｂ_２Ｏ_５（五酸化ニオブ）で形成されたＮｂ_２Ｏ_５層、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）で形成されたＡｌ_２Ｏ_３層、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）で形成されたＳｉＯ_２層、又は、これらの少なくとも何れかを含む層である。ＳｉＮ層は、Ｓｉ_３Ｎ_４で形成されたＳｉ_３Ｎ_４層を含む。

図８は、変形例に係るメタサーフェス１Ａにおける出力光２０の強度について、アンテナ厚を変えて解析した結果を示すグラフである。ここでの解析では、ＧａＡｓ基板を基板２として備えたメタサーフェス１Ａを解析対象としている。中間層３の厚みは９０ｎｍであり、密着層５の厚みは５ｎｍである。入力光１０は、基板２の光入力面２ａから垂直に入力する、波長９４０ｎｍの光である。

図８に示されるように、メタサーフェス１Ａにおいても、一般的なアンテナ厚に対してアンテナ厚を厚くした場合に出力光２０の強度が高まる傾向があることがわかる。また特に、アンテナ厚が１００ｎｍよりも薄い範囲では、アンテナ厚が厚くなるに従い、出力光２０の強度が大きく高まることがわかる。アンテナ厚が４００ｎｍ以下の範囲における出力光２０の強度は、アンテナ厚が厚くなるに従い、急峻に増加した後、緩やかに増加し、ピークに達している。出力光２０の強度は、アンテナ厚が３７０ｎｍの場合にピークに達する。アンテナ厚が３７０ｎｍのときの出力光２０の強度は、アンテナ厚が３０ｎｍのときの出力光２０の強度に対して、１１．５倍となる。

図８の解析結果に示されるように、中間層３を備えたメタサーフェス１Ａにおいても、アンテナ厚を１００ｎｍ〜４００ｎｍとすることによって光の変換効率の向上を実現可能という上記作用効果が奏されることがわかる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。例えば上記の各数値には、設計上、計測上又は製造上等の誤差が含まれる。

上記実施形態において、Ｖ字型アンテナ素子４は、基板２上に設けられた金属層に形成された凹部であってもよい。具体的には、Ｖ字型アンテナ素子４は、いわゆるネガ型の素子であって、基板２の光出力面２ｂに密着層５を介して設けられた金属層にＺ軸方向に窪むように設けられていてもよい。金属層は、Ａｕ（金）等の金属により形成されている。Ｖ字型アンテナ素子４の深さ（Ｚ方向における寸法）は、１００ｎｍ〜４００ｎｍであってもよいし、１００ｎｍ〜２００ｎｍであってもよい。この場合、いわゆるネガ型として構成したＶ字型アンテナ素子４を備えるメタサーフェス１において、当該Ｖ字型アンテナ素子４による光の変換効率の向上を実現できる。

上記実施形態における複数のＶ字型アンテナ素子４は、第１〜第４アンテナ素子４１〜４４をＸ軸で反転してなる反転対称構造の第５〜第８アンテナ素子４５〜４８に代えて、第１〜第４アンテナ素子４１〜４４をＹ軸で反転してなる反転対称構造の第５〜第８アンテナ素子を含んでいてもよい。

１，１Ａ…メタサーフェス、２…基板、２ａ…光入力面、２ｂ…光出力面、４…Ｖ字型アンテナ素子、４ｘ…第１腕部、４ｙ…第２腕部、１０…入力光、４１…第１アンテナ素子（Ｖ字型アンテナ素子）、４２…第２アンテナ素子（Ｖ字型アンテナ素子）、４３…第３アンテナ素子（Ｖ字型アンテナ素子）、４４…第４アンテナ素子（Ｖ字型アンテナ素子）、４５…第５アンテナ素子（Ｖ字型アンテナ素子）、４６…第６アンテナ素子（Ｖ字型アンテナ素子）、４７…第７アンテナ素子（Ｖ字型アンテナ素子）、４８…第８アンテナ素子（Ｖ字型アンテナ素子）。

Claims (6)

1. 入力光が入力される光入力面及び該光入力面に対向する光出力面を有する基板と、
   前記基板の前記光出力面側に設けられ、第１腕部及び該第１腕部の一端に連続する第２腕部を有する複数のＶ字型アンテナ素子と、を備え、
   前記Ｖ字型アンテナ素子の厚み方向における寸法は、１００ｎｍ〜４００ｎｍである、メタサーフェス。
2. 前記Ｖ字型アンテナ素子の厚み方向における寸法は、１００ｎｍ〜２００ｎｍである、請求項１に記載のメタサーフェス。
3. 前記Ｖ字型アンテナ素子における前記第１腕部と前記第２腕部とがなす角度は、７０度以上である、請求項１又は２に記載のメタサーフェス。
4. 前記基板は、ＧａＡｓ基板、ガラス基板、又は、Ｓｉ基板である、請求項１〜３の何れか一項に記載のメタサーフェス。
5. 前記Ｖ字型アンテナ素子は、前記基板上に設けられた凸部である、請求項１〜４の何れか一項に記載のメタサーフェス。
6. 前記Ｖ字型アンテナ素子は、前記基板上に設けられた金属層に形成された凹部である、請求項１〜４の何れか一項に記載のメタサーフェス。

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