JP2018509643A - ゲート構造を含む光変調素子 - Google Patents
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Abstract
プラズモニック・ナノアンテナ層、プラズモニック・ナノアンテナ層と対向するように配置された金属層、プラズモニック・ナノアンテナ層と金属層との間に配置される誘電率変化層、及び誘電体層を含み、外部信号によって、誘電率変化層に形成される活性領域が光変調性能を制御するゲート役割を行う光変調素子である。
Description
本発明は、光を変調する光学素子に関する。
入射光の透過／反射、偏光、位相、強度、経路などを変更する光学素子は、多様な光学装置で活用される。また、光学システム内において、所望方式によって、前述の性質を制御するために、多様な構造の光変調器が提示されている。
かような例として、光学的異方性を有する液晶（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、光遮断／反射要素の微小機械的動きを利用するＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）構造などが一般的な光変調器に広く使用されている。かような光変調器は、その駆動方式の特性上、動作応答時間が数μｓ以上と遅い。
最近、金属層と誘電体層との境界で起きる表面プラズモン共鳴（ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）現象を利用するナノアンテナを光学素子に活用する試みがある。
本開示は、光を変調する光学素子に係わるものである。
追加の例示的な態様は、以下の説明に部分的に記載され、部分的には、該説明から明らかになり、提示された例示的な実施形態の実施によって習得されるのである。
本発明の光変調素子は、プラズモニック・ナノアンテナ層と誘電率変化層とを含み、誘電率変化層でキャリア濃度が変わる領域をゲートとして活用し、入射光を多様な形態で変調することができる。
本発明の光変調素子は、小型、高速駆動が可能であり、多様な光学装置に適用され、光学装置の性能を向上させることができる。
一類型による光変調素子は、プラズモニック・ナノアンテナ（ｐｌａｓｍｏｎｉｃ ｎａｎｏ−ａｎｔｅｎｎａ）層と、前記プラズモニック・ナノアンテナ層と対向するように配置された金属層と、前記プラズモニック・ナノアンテナ層と前記金属層との間に配置され、外部信号によって誘電率が変わる誘電率変化層と、前記プラズモニック・ナノアンテナ層と前記金属層との間に配置される誘電体層と、を含む。
前記光変調素子は、前記誘電率変化層の誘電率変化を起こす信号を印加する信号印加手段をさらに含んでもよい。
前記信号印加手段は、前記プラズモニック・ナノアンテナ層と前記金属層との間に電圧を印加する電圧印加手段でもある。
前記誘電率変化層は、電気信号によって誘電率が変わる電気光学物質を含んでもよい。
前記誘電率変化層は、透明伝導性物質を含んでもよい。
前記誘電率変化層は、遷移金属窒化物（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｎｉｔｒｉｄｅ）を含んでもよい。
前記誘電率変化層は、前記プラズモニック・ナノアンテナ層と前記金属層との間に印加される電圧によって、キャリア濃度が変わる活性領域を含んでもよい。
前記活性領域は、前記誘電率変化層内において、前記誘電体層と隣接した領域に形成されてもよい。
前記誘電率変化層の誘電定数の実数部は、所定波長帯域で０の値を有することができる。
前記所定波長帯域は、前記活性領域のキャリア濃度によって異なる。
前記電圧印加手段が、前記金属層と前記プラズモニック・ナノアンテナ層の間に印加する電圧範囲は、前記電圧範囲内で、前記プラズモニック・ナノアンテナ層の共振波長帯域と前記所定波長帯域とが一致するように調節する範囲でもある。
前記プラズモニック・ナノアンテナ層は、第１方向に沿って離隔配置された複数のナノアンテナラインを含み、前記複数のナノアンテナラインそれぞれは、前記第１方向と異なる第２方向に沿って連結された複数のナノアンテナを含んでもよい。
前記複数のナノアンテナは、長手方向が前記第１方向であるナノロッドと、長手方向が前記第２方向であるナノロッドとが互いに交差する十字形状を有することができる。
または、前記複数のナノアンテナは、円形、楕円形、多角形、Ｘ形状または星形でもある。
前記電圧印加手段は、前記金属層と、前記複数のナノアンテナラインとの間に、それぞれ独立して電圧を印加するように構成されてもよい。
前記金属層と、前記複数のナノアンテナラインとの間にそれぞれ印加される電圧値が、前記第１方向に沿って所定の規則性を示すことができる。
前記金属層上に、前記誘電率変化層が配置され、前記誘電率変化層上に、前記誘電体層が配置されてもよい。
または、前記金属層上に、前記誘電体層が配置され、前記誘電体層上に、前記誘電率変化層が配置されてもよい。
前記誘電率変化層は、前記プラズモニック・ナノアンテナ層と同じ形態にパターンされてもよい。
前記プラズモニック・ナノアンテナ層は、ナノパターンの貫通ホールが形成された金属物質を含んでもよい。
また、一類型による光学装置は、前述のいずれか１つの光変調素子を含む。
以下、添付された図面を参照し、本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の図面において、同一参照符号は、同一構成要素を指し、図面上において、各構成要素の大きさは、説明の明瞭性と便宜さとのために、誇張されてもいる。一方、以下で説明する実施形態は、ただ例示的なものであるのみ、かような実施形態から、多様な変形が可能である。以下、「上部」や「上」と記載されたところは、接触して真上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものをも含む。
図１は、一実施形態による光変調素子１００の概略的な構造を示す斜視図であり、図２は、図１の光変調素子１００の単位ブロックを詳細に示した斜視図であり、図３は、図１の光変調素子１００の単位ブロックに形成されるゲート構造を示す断面図である。
該図面を参照すれば、光変調素子１００は、プラズモニック・ナノアンテナ層１７０、プラズモニック・ナノアンテナ層１７０と対向するように配置された金属層１１０、プラズモニック・ナノアンテナ層１７０と金属層１１０との間に配置され、外部信号によって誘電率が変わる誘電率変化層１３０、及びプラズモニック・ナノアンテナ層１７０と金属層１１０との間に配置される誘電体層１５０を含む。
また、誘電率変化層１３０に誘電率変化を誘導するため、誘電率変化層１３０に外部信号を印加する信号印加手段を含んでもよい。かような信号印加手段は、例えば、誘電率変化層１３０内に電場を形成するために、プラズモニック・ナノアンテナ層１７０と金属層１１０との間に電圧を印加する電圧印加手段１９０でもあるが、それに限定されるものではない。
図面においては、金属層１１０上に、誘電率変化層１３０、誘電体層１５０の順に配置されているように図示されているが、誘電率変化層１３０、誘電体層１５０の配置順序は、変わってもよい。
プラズモニック・ナノアンテナ層１７０は、伝導性物質から形成された多数のナノアンテナＮＡを含む。ナノアンテナＮＡは、サブ波長（ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）の形状寸法を有する人工構造（ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）であり、所定波長帯域の光を強く集める役割を行う。ここで、サブ波長は、ナノアンテナＮＡの動作波長、すなわち、前記所定波長より小さい寸法を意味する。ナノアンテナＮＡの形状をなるある１つの寸法、例えば、厚み、横、縦、またはナノアンテナＮＡ間の間隔のうち少なくともいずれか一つがサブ波長の寸法を有することができる。
ナノアンテナＮＡの前述の機能は、金属物質と誘電体物質との境界で起こる表面プラズモン共鳴（ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によるものであると知られており、ナノアンテナＮＡの細部的な形状によって、共振波長が異なる。
プラズモニック・ナノアンテナ層１７０は、図示されているように、第１方向、例えば、ｙ方向に沿って離隔配置された複数のナノアンテナラインＮＡＬを含む。複数のナノアンテナラインＮＡＬそれぞれは、第２方向、例えば、ｘ方向に沿って連結された複数のナノアンテナＮＡを含む。図面においては、第１方向と第２方向とが互いに直交する方向に図示されているが、それに限定されるものではなくて、互いに平行ではなければ、すなわち、互いに異なる２つの方向であればよい。
ナノアンテナＮＡを形成する伝導性物質としては、表面プラズモン励起（ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）が起こる導電性が高い金属物質が採用される。例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｔｉ、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）のうちから選択された少なくともいずれか一つが採用され、それらのうちいずれか一つを含む合金からもなる。また、グラフェンのように、伝導性にすぐれる二次元物質または伝導性酸化物が採用されてもよい。
誘電率変化層１３０は、外部信号によって光学的特性が変わる物質からもなる。該外部信号は、電気信号でもある。誘電率変化層１３０は、例えば、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）、ＧＺＯ（ｇａｌｌｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）のような透明伝導性酸化物（ＴＣＯ：ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｏｘｉｄｅ）からもなる。また、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴａＮのような転移金属窒化物（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｎｉｔｒｉｃｅ）も使用可能である。それ以外にも、電気信号が加えられれば、有効誘電率が変わる電気光学（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ）物質、すなわち、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＮ（ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｔａｎｔａｌｉｔｅ ｎｉｏｂａｔｅ）、ＰＺＴ（ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ）が使用され、また電気光学特性を有する多様なポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ）物質が使用されもする。
前記外部信号は、電気信号に限定されるものではなく、熱を印加すれば、所定温度以上で相転移が起こって誘電率が変わる物質、例えば、ＶＯ２、ＶＯ２Ｏ３、ＥｕＯ、ＭｎＯ、ＣｏＯ、ＣｏＯ２、ＬｉＣｏＯ２またはＣａ２ＲｕＯ４などが誘電率変化層１３０に採用されてもよい。
金属層１１０は、プラズモニック・ナノアンテナ層１７０との間で電圧を印加することができ、また光を反射するミラー層として機能することができる。金属層１１０の材質は、かような機能を遂行することができる多様な金属材質、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｔｉ、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）のうちから選択された少なくともいずれか一つを含んでもよい。
電圧印加手段１９０は、金属層１１０と複数のナノアンテナラインＮＡＬとの間に、それぞれ独立して電圧を印加するように構成されてもよい。
図３を参照すれば、誘電率変化層１３０は、プラズモニック・ナノアンテナ層１７０と金属層１１０との間の電圧印加いかんによって、キャリア濃度が変わる活性領域１３５を含んでもよい。活性領域１３５は、誘電率変化層１３０内において、誘電体層１５０と隣接した領域側に形成され、キャリア濃度は、印加電圧によって変わる。活性領域１３５に形成されたキャリア濃度によって、光変調素子１００に入射される光が変調される形態が調節される。かような点において、活性領域１３５は、ナノアンテナＮＡの光変調性能を調節して制御するゲートと見ることができる。
前述のように、ナノアンテナＮＡは、その形状寸法によって決まる特定波長帯域の光を強く集めることができる。光変調素子１００は、またナノアンテナＮＡと共に、ミラーの役割を行う金属層１１０を共に具備しており、金属層１１０は、ナノアンテナＮＡと相互作用し、活性領域１３５のＥＮＺ（ｅｐｓｉｌｏｎ ｎｅａｒ ｚｅｒｏ）特性を増幅する磁性共振モードを形成することができ、入射光において、特定波長帯域の光の反射、回折を変調することができる。このとき、金属層１１０とナノアンテナＮＡとの間に印加される電圧いかんにより、活性領域１３５のキャリア濃度が変わり、それにより、入射光の反射形態、回折形態が異なるようになる。
誘電率変化層１３０の誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）は、波長によって変わる値を有する。真空の誘電率ε０に対する相対誘電率（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）εｒを誘電定数（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ）とし、誘電率変化層１３０の誘電定数の実数部は（ｒｅａｌ ｐａｒｔ）、所定波長帯域において、０の値を示す。
誘電定数の実数部が、０、または０に非常に近い値を有する波長帯域をＥＮＺ波長帯域という。ほとんどの物質の誘電定数は、波長の関数で示され、複素数（ｃｏｍｐｌｅｘ ｎｕｍｂｅｒ）でも示される。真空の誘電定数は１になり、一般的な誘電体（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）の場合、誘電定数の実数部は、１より大きい正数である。金属の場合、誘電定数の実数部は、負数にもなる。ほとんどの波長帯域において、ほとんどの物質の誘電定数は、１より大きい値を有し、また特定波長において、誘電定数の実数部は、０の値を有することができる。
誘電定数の実数部が０、または０に非常に近い値を有するとき、特異的な光学的性質を示すと知られており、一実施形態の光変調素子１００は、動作波長帯域を、誘電率変化層１３０のＥＮＺ波長帯域を含む領域と設定する。すなわち、ナノアンテナＮＡの共振波長帯域と、誘電率変化層１３０のＥＮＺ波長帯域とを類似して設定することにより、印加電圧による光変調性能が調節される範囲をさらに大きくする。
誘電率変化層１３０のＥＮＺ波長帯域は、活性領域１３５に形成されるキャリア濃度によって異なるように示される。誘電率変化層１３０のＥＮＺ波長帯域を活用するために、電圧印加手段１９０が、金属層１１０とプラズモニック・ナノアンテナ層１７０の間に印加する電圧範囲は、前記電圧範囲内において、プラズモニック・ナノアンテナ層１７０の共振波長と、誘電率変化層１３０がＥＮＺ性質を示す波長とが一致する範囲でもある。
図４は、図１の光変調素子に採用される誘電率変化層１３０の活性領域１３５に形成されるキャリア濃度による誘電率変化を示したグラフであり、図５は、図４の点線円表示部分を拡大したグラフである。
該グラフの横軸は、波長を示し、縦軸は、相対誘電率（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）εｒ、すなわち、誘電定数の実数部を示す。
該グラフを参照すれば、キャリア濃度によって、波長に係わる誘電定数変化が異なるように示される。例えば、キャリア濃度が１ｘ１０２１ｃｍ−３である場合、誘電定数の実数部が、１から−１までの値を有するＥＮＺ波長帯域は、約１，０６０ｎｍから１，４００ｎｍまでの範囲で示される。キャリア濃度がそれより低くなるほど、ＥＮＺ波長帯域は、長波長帯域に少しずつ移動する傾向を示す。
誘電率変化層１３０の活性領域１３５に形成されるキャリア濃度は、印加電圧によって決められ、従って、かようなグラフと、ナノアンテナＮＡの共振波長帯域とを考慮し、所望光変調範囲に、適切に光変調素子１００に印加する電圧範囲を設定することができる。
図６は、図１の光変調素子１００に採用される誘電率変化層１３０の活性領域１３５に形成されるキャリア濃度による反射率を示したグラフであり、図７は、図１の光変調素子１００に採用される誘電率変化層１３０の活性領域１３５に形成されるキャリア濃度による位相変化を示したグラフである。
該グラフは、波長１，２６５ｎｍの光に対して、光変調素子１００が４−ｌｅｖｅｌの位相変調が可能であるということを示す。すなわち、１，２６４ｎｍ波長の光が、光変調素子１００に入射される場合、キャリア濃度を変化させ、すなわち、金属層１１０とナノアンテナＮＡとの間に印加される電圧を変化させ、０、９０゜、１８０゜、２７０゜の位相変化（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ）が起こる。
また、金属層１１０と複数のナノアンテナラインＮＡＬとの間にそれぞれ印加される電圧値が、所定の規則性を有するようにすることにより、光変調素子１００は、位相格子として機能することもできる。
以下、図８ないし図１５を参照し、一実施形態による光変調素子１００が、動的位相格子（ｄｙｎａｍｉｃ ｐｈａｓｅ ｇｒａｔｉｎｇ）として活用されるということを説明する。
図８は、一実施形態による光変調素子１００が、動的位相格子として活用されるということを電算模写（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）するためのサンプル構造の斜視図であり、図９は、図８のサンプル構造の単位ブロックの詳細な数値を示した斜視図である。
図８を参照すれば、電算模写に使用されたサンプル構造は、ｙ方向に配置された６４個の単位ブロックを含む。該単位ブロックの数値は、図９に表示された通りであり、単位は、ｎｍである。電算模写時、ｘ方向には、当該単位ブロックが続けて反復して続いている境界条件を適用する。Ｌは、１８０ｎｍであり、１，２５０ｎｍ波長の光を変調することが可能な長さであり、Ｌを調節すれば、動作波長を変化させることができる。金属層１１０、ナノアンテナＮＡの材質は、Ａｕに設定し、誘電率変化層１３０の材質は、ＩＴＯに設定し、誘電体層１５０の材質は、Ａｌ２Ｏ３に設定した。
図１０は、図８のサンプル構造に印加される電圧形態の一例、それによる入射光の位相変化、及び一次（１ｓｔ ｏｒｄｅｒ）回折光の方向を示したグラフである。
図１０に表示された印加電圧Ｖ１は、図８のサンプル構造に、Ｖ１の電圧が、２μｍの規則的な周期Λで、金属層１１０とナノアンテナＮＡとの間に印加されることを意味する。すなわち、ｙ方向に沿って、４つの単位ブロックには、ナノアンテナＮＡそれぞれと金属層１１０との間に、Ｖ１の電圧が印加され、次の４つの単位ブロックには、ナノアンテナＮＡそれぞれと金属層１１０との間には、電圧が印加されず、かような規則で、６４個の単位ブロックに対して電圧が印加される。Ｖ１の電圧は、位相変化がπ、すなわち、１８０゜になる値に決められる。
かような規則の電圧が印加されることにより、光変調素子１００の表面は、位相変化が１８０゜である領域と、位相変化がない領域とが、前述の２μｍの電圧印加周期Λと同一周期で繰り返される。光がかような形態の位相格子に入射されれば、表示されているように、位相が２μｍの周期で、０゜から１８０゜に変わる形態に対応する一次回折光及び−一次回折光が発生すると分析される。
図１１は、図１０のような形態において、図８のサンプル構造に電圧が印加されるとき、回折角（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ）による光強度を示したグラフである。
該グラフを参照すれば、回折角が４０゜及び−４０゜である場合、強度ピークが示されており、それは、位相格子の対称性によるものである。すなわち、図１０のグラフを参照するとき、表示された一次回折光の方向のみならず、入射光の方向を基準に、それと対称である方向にも一次回折光が発生する。
図１２は、図８のサンプル構造に印加される電圧形態の他の例、それによる入射光の位相変化、及び一次回折光の方向を示したグラフである。
図１２のグラフを参照すれば、対称性がない位相格子を形成することができる規則で電圧が印加される。
位相変化２７０゜、１８０゜、９０゜を起こすことができる三種サイズの電圧、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３及び電圧未印加のパターンが、２μｍの周期Λで、金属層１１０とナノアンテナＮＡとの間に印加されている。すなわち、ｙ方向に沿って、２つの単位ブロックには、ナノアンテナＮＡそれぞれと金属層１１０との間で、Ｖ１の電圧が印加され、次の２つの単位ブロックには、ナノアンテナＮＡそれぞれと金属層１１０との間で、Ｖ２の電圧が印加され、次の２つの単位ブロックには、ナノアンテナＮＡそれぞれと金属層１１０との間で、Ｖ３の電圧が印加され、次の２つの単位ブロックには、ナノアンテナＮＡそれぞれと金属層１１０との間で、電圧が印加されない。かような規則は、６４個の単位ブロックに対して反復適用される。
かような規則の電圧が印加されることにより、光変調素子１００の表面には、位相変化が２７０゜である領域、１８０゜である領域、９０゜である領域、位相変化がない領域が前述の２μｍの電圧印加周期Λと同一周期で反復される。光がかような形態の位相格子に入射されれば、表示されているように、２７０゜から０゜に漸進的に変わる位相変化が、２μｍの周期で反復される形態に対応する一次回折光が発生すると分析される。
図１３は、図１２のような形態において、図８のサンプル構造に電圧が印加されるとき、回折角による光強度を示したグラフである。
グラフを参照すれば、回折角が４０゜である場合、強度ピークが示されている。図１１のグラフと比較するとき、強度ピークの位置は、回折角４０゜である場合に示され、−４０゜では示されない。また、ピーク値は、図１１の場合と比較するとき、２倍ほどである。かような違いは、図１２に示された位相格子は、図１０と異なり、対称性がない形態によるものである。
図１４は、図８のサンプル構造に印加される電圧形態のさらに他の例、それによるそれによる入射光の位相変化、及び一次回折光の方向を示したグラフである。
図１４の電圧印加パターンは、図１２と比較するとき、周期Λが４μｍに増大された形態である。位相変化２７０゜、１８０゜、９０゜を起こすことができる三種サイズの電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３及び電圧未印加のパターンが、４μｍの周期Λで、金属層１１０とナノアンテナＮＡとの間に印加されている。すなわち、ｙ方向に沿って、４つの単位ブロックには、ナノアンテナＮＡそれぞれと金属層１１０との間で、Ｖ１の電圧が印加され、次の４つの単位ブロックには、ナノアンテナＮＡそれぞれと金属層１１０との間で、Ｖ２の電圧が印加され、次の４つの単位ブロックには、ナノアンテナＮＡそれぞれと金属層１１０との間で、Ｖ３の電圧が印加され、次の４つの単位ブロックには、ナノアンテナＮＡそれぞれと金属層１１０との間で、電圧が印加されない。かような規則は、６４個の単位ブロックに対して反復適用される。
かような規則の電圧が印加されることにより、光変調素子１００の表面には、位相変化が２７０゜である領域、１８０゜である領域、９０゜である領域、位相変化がない領域が、前述の４μｍの電圧印加周期Λと同一周期で反復される。光がかような形態の位相格子に入射されれば、表示されているように、２７０゜から０゜に漸進的に変わる位相変化が、４μｍの周期で反復される形態に対応する一次回折光が発生すると分析される。
図１５は、図１４のような形態において、図８のサンプル構造に電圧が印加されるとき、回折角による光強度を示したグラフである。
図８ないし図１５の説明でのように、印加電圧形態を何種類かによって例示し、光変調素子１００が位相格子として適用されるということについて説明した。前記結果により、誘電率変化層１３０にＩＴＯを使用し、近赤外線（ｎｅａｒ ＩＲ（ｉｎｆｒａｒｅｄ））領域の光に対して、２πの位相変化制御が可能であるということが確認される。それを活用し、誘電率変化層の材質、ナノアンテナの形状寸法を調節し、異なる波長帯域の光を制御することも可能である。
また、印加された電圧形態は、例示的なものであり、印加電圧規則を多様に形成することにより、多様な光変調性能を具現することができる。位相変調のレベルは、２または４だけではなく、さらに多様に形成することができ、それらを活用し、ビーム整形（ｂｅａｍ ｓｈａｐｉｎｇ）やビーム方向駆動（ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇ）などの光変調機能を遂行することも可能である。
図１６は、他の実施形態による光変調素子１００’の単位ブロックを示した斜視図である。
光変調素子１００’は、金属層１１０、誘電率変化層１３０、金属層１１０、ナノアンテナＮＡ’を含む。ナノアンテナＮＡ’は、図２のナノアンテナＮＡが陽刻パターンを有するところと異なり、金属物質にナノパターンが陰刻された形態を有する。すなわち、ナノアンテナＮＡ’は、図２のナノアンテナＮＡの逆相に対応する形状であり、金属物質Ｍに、十字形の貫通ホールＮＨが形成された形態である。
以上の説明において、ナノアンテナＮＡ、ＮＡ’の断面形状が十字形に図示されているが、それは例示的なものであり、多様な形状が採用されてもよい。
図１７Ａないし図１７Ｄは、一実施形態による光変調素子の単位ブロックに採用されるナノアンテナの例示的な形状を示している。
図１７Ａを参照すれば、ナノアンテナＮＡの断面形状は、円形でもある。かような形状のナノアンテナＮＡは、図１の光変調素子１００に適用され、すなわち、かような円形のナノアンテナＮＡ複数個が一方向に連結されるように配置され、ナノアンテナラインＮＡＬを形成することができる。
図１７Ｂを参照すれば、ナノアンテナＮＡの断面形状は、楕円形でもある。かような形状のナノアンテナＮＡは、図１の光変調素子１００に適用され、すなわち、かような楕円形のナノアンテナＮＡ複数個が一方向、例えば、長軸に連結されるように配置され、ナノアンテナラインＮＡＬを形成することができる。楕円形のナノアンテナＮＡ複数個が長軸方向だけではなく、他の方向、例えば、短軸方向、またはそれ以外の方向に連結され、ナノアンテナラインＮＡＬを形成することもできる。
図１７Ｃを参照すれば、ナノアンテナＮＡは、３つのナノロッドが交差する形状の星形（＊）でもある。また、複数の星形ナノアンテナが一方向、例えば、３つのナノロッドのうちいずれか１つの長手方向に連結され、図１の光変調素子１００のナノアンテナラインＮＡＬを形成することもできる。
図１７ＤのナノアンテナＮＡは、金属物質Ｍにナノパターンの貫通ホールＮＨが形成された形態を有する。かような形態のナノアンテナＮＡ複数個が、例えば、ｘ方向に沿って連結され、図１のナノアンテナラインＮＡＬを形成することができる。
図１７Ａないし図１７Ｄの形状は、例示的なものであり、それら以外にも、多様な形態、例えば、多角形、ナノロッドなどの形態がナノアンテナＮＡに適用されてもよい。
図１８は、さらに他の実施形態による光変調素子２００の単位ブロックを示した断面図である。
光変調素子２００は、金属層２１０、誘電体層２５０、誘電率変化層２３０、ナノアンテナＮＡを含む。
本実施形態の光変調素子２００は、誘電体層２５０と誘電率変化層２３０との配置順序において、図２の光変調素子２００と違いがある。すなわち、金属層２１０上に、誘電体層２５０が配置され、誘電体層２５０上に、誘電率変化層２３０が配置され、誘電率変化層２３０上に、ナノアンテナＮＡが配置される。ナノアンテナＮＡは、ｘ方向に沿って複数個が連結されるように配置され、ナノアンテナラインＮＡＬを形成することができる。誘電率変化層２３０は、ナノアンテナＮＡと同一形態にパターンされてもよい。
金属層２１０とナノアンテナＮＡとの間に電圧が印加されれば、誘電率変化層２３０内に、活性領域２３５が形成される。活性領域２３５は、誘電率変化層２３０内において、誘電体層２５０に隣接して形成され、印加電圧の変化により、活性領域２３５のキャリア濃度が変わり、光変調性能を調節、制御するゲートの役割を行う。
図１９は、さらに他の実施形態による光変調素子３００の単位ブロックを示した断面図である。
光変調素子３００は、金属層３１０、誘電体層３５０、誘電率変化層３３０、ナノアンテナＮＡを含む。
本実施形態の光変調素子３００は、誘電率変化層３３０がナノアンテナＮＡのような形状にパターンされていない点において、図１８の光変調素子２００と違いがある。すなわち、金属層３１０上に、誘電体層３５０、誘電率変化層３３０が全面的に積層形成され、誘電率変化層３３０上に、所定パターンのナノアンテナＮＡが形成される。ナノアンテナＮＡ複数個がｘ方向に連結されるように配置され、ナノアンテナラインＮＡＬを形成することができる。
金属層３１０とナノアンテナＮＡとの間に電圧が印加されれば、誘電率変化層３３０内において、活性領域３３５が形成される。活性領域３３５は、誘電率変化層３３０内において、誘電体層３５０に隣接して形成され、印加電圧の変化により、活性領域３３５のキャリア濃度が変わり、光変調性能を調節、制御するゲートの役割を行う。
前述の光変調素子は、誘電率変化層の材質、ナノアンテナの形状、印加信号の形態を多様化することにより、所望波長帯域での多様な光変調性能を具現することができる。例えば、図１の構造において、複数のナノアンテナは、マトリックス形態に配置され、プラズモニック・ナノアンテナ層をなることができ、各ナノアンテナと金属層との間に印加される電圧が個別的に制御されるように、電圧印加手段が構成されてもよい。また、プラズモニック・ナノアンテナ層に含まれたナノアンテナが、いずれも同じ形状に図示されたが、それに限定されるものではなく、多様な形状を含んでもよい。または、同じ形状の異なる寸法を有するようにし、領域ごとに共振波長帯域を異なるように形成することも可能である。
以上、本発明の理解の一助とするために、例示的な実施形態について説明し、添付された図面に図示した。しかし、かような実施形態は、ただ本発明を例示するためのものであり、それらを制限するものではないという点が理解されなければならないのである。
本発明は、図示されて説明された説明に限られるものではないという点が理解されなければならない。それは、多様な他の変形が、本技術分野で当業者に可能であるためである。
Claims (22)
- プラズモニック・ナノアンテナ層と、
金属層と、
前記プラズモニック・ナノアンテナ層と前記金属層との間に配置され、外部信号によって誘電率が変わる誘電率変化層と、
前記プラズモニック・ナノアンテナ層と前記金属層との間に配置される誘電体層と、を含む光変調素子。 - 前記誘電率変化層の誘電率変化を起こす信号を印加する信号印加手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
- 前記信号印加手段は、
前記プラズモニック・ナノアンテナ層と前記金属層との間に電圧を印加する電圧源であることを特徴とする請求項２に記載の光変調素子。 - 前記誘電率変化層は、
電気信号によって誘電率が変わる電気光学物質を含むことを特徴とする請求項３に記載の光変調素子。 - 前記誘電率変化層は、透明伝導性物質を含むことを特徴とする請求項４に記載の光変調素子。
- 前記誘電率変化層は、転移金属窒化物を含むことを特徴とする請求項４に記載の光変調素子。
- 前記誘電率変化層は、
前記プラズモニック・ナノアンテナ層と前記金属層との間に印加される電圧により、キャリア濃度が変わる活性領域を含むことを特徴とする請求項４に記載の光変調素子。 - 前記活性領域は、前記誘電体層と隣接した領域に形成されることを特徴とする請求項７に記載の光変調素子。
- 前記誘電率変化層の誘電定数の実数部は、所定波長帯域で０の値を示すことを特徴とする請求項７に記載の光変調素子。
- 前記所定波長帯域は、前記活性領域のキャリア濃度によって異なるように示されることを特徴とする請求項９に記載の光変調素子。
- 前記電圧源が、前記金属層と前記プラズモニック・ナノアンテナ層との間に印加する電圧範囲は、
前記電圧範囲内で、前記プラズモニック・ナノアンテナ層の共振波長帯域と前記所定波長帯域とが一致するように調節することができる範囲であることを特徴とする請求項９に記載の光変調素子。 - 前記プラズモニック・ナノアンテナ層は、
第１方向に沿って離隔配置された複数のナノアンテナラインを含み、
前記複数のナノアンテナラインそれぞれは、前記第１方向と異なる第２方向に沿って連結された複数のナノアンテナを含むことを特徴とする請求項４に記載の光変調素子。 - 前記複数のナノアンテナは、
長手方向が前記第１方向であるナノロッドと、長手方向が前記第２方向であるナノロッドとが互いに交差する十字形状を有することを特徴とする請求項１２に記載の光変調素子。 - 前記複数のナノアンテナは、
円形、楕円形、多角形、Ｘ形状または星形であることを特徴とする請求項１２に記載の光変調素子。 - 前記電圧源は、
前記複数のナノアンテナラインそれぞれと前記金属層との間に、独立して電圧を印加するように構成されたことを特徴とする請求項１２に記載の光変調素子。 - 前記金属層と、前記複数のナノアンテナラインとの間にそれぞれ印加される電圧値が、前記第１方向に沿って所定の規則性を示すことを特徴とする請求項１５に記載の光変調素子。
- 前記金属層上に、前記誘電率変化層が配置され、
前記誘電率変化層上に、前記誘電体層が配置されることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。 - 前記金属層上に、前記誘電体層が配置され、
前記誘電体層上に、前記誘電率変化層が配置されることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。 - 前記誘電率変化層は、前記プラズモニック・ナノアンテナ層と同じ形態にパターンされたことを特徴とする請求項１８に記載の光変調素子。
- 前記プラズモニック・ナノアンテナ層は、
ナノパターンの貫通ホールが形成された金属物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。 - 請求項１に記載の光変調素子を含む光学装置。
- 複数のナノアンテナが二次元配列されたアレイを含むプラズモニック・ナノアンテナ層と、
金属層と、
前記プラズモニック・ナノアンテナ層と前記金属層との間に配置され、前記複数のナノアンテナに対応する複数の活性領域が二次元配列されたアレイを含み、前記複数の活性領域それぞれは、印加された電圧により、キャリア濃度が変わる誘電率変化層と、
前記プラズモニック・ナノアンテナ層と金属層の間に配置された誘電体層と、を含む光変調素子。
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