発明の詳細な説明
本発明は、少なくとも2つの結合されたファブリ・ペロー構造を含むスペクトルフィルタに関する。
ファブリ・ペロー構造は周知であり、多くの用途、特に光学フィルタリング用途に広く使用されている。各ファブリ・ペロー構造は互いに平行に配置されて対向する反射面の2つの部分を有し、それらのうちの少なくとも1つは部分的に透過性を有する。次いで、この構造体は、可変波長の入射電磁放射を受け取ると共鳴する。この共鳴は、反射面の2つの部分の間のファブリ・ペロー構造内の入射放射線によって維持される定在波が最大振幅を有するときに現れる。
第1の公知のタイプのファブリ・ペロー構造において、反射面の2つの部分のそれぞれは、金属と誘電体材料との間の界面の一部である。これらの部分は誘電体材料の2つの対向する側面上で互いに平行に配置され、互いに対向して配置されており、1つは、部分的に透過するのに十分に薄い。共鳴挙動を発生する定在波は金属表面の部分に垂直に伝搬する波動成分から成る。本発明は、この第1のタイプのファブリ・ペロー構造に関するものではない。
別のタイプのファブリ・ペロー構造においても公知であり、反射面の2つの部分のそれぞれは、2つの異なる材料間の界面で構成されていない。この別のタイプのこのようなファブリ・ペロー構造は、やはり金属と誘電体材料との間の2つの界面によって形成されてもよく、これらの界面は誘電体材料の2つの対向する側面上で互いに平行であり、互いに対向して配置される。この場合、誘電体材料の実効屈折率は、neff 2=εd(1+2・δ/h−εd/εm)で与えられ、εdとεmはそれぞれの誘電体材料と金属との誘電率であり、2つの界面について同じと仮定され、δはこの金属の皮膚の厚さであり、hは2つの界面間の誘電体材料の厚さである。このようにして得られる実効屈折率の値は、金属中に現れるプラズモンにより非常に高くすることができる。このようにして、誘電体材料の内側で効果的な反射率は金属−誘電体界面の端部で、2つの界面間の値neffから、界面の端部を越えた値εd 1/2に向かって、不連続性を示す。このようにして誘電体材料内に形成される屈折率の2つの不連続性は、異なる材料間の真の界面ではないが、部分的に反射する表面の2つの部分を決定する。次いで、部分的に反射する表面のこれら2つの部分は、2つの金属−誘電体界面の間で、誘電体材料内に定在波を含むことを可能にし、定在波は、次いで、これらの金属−誘電体界面に平行に伝搬する。この定在波は共鳴挙動を生じさせることができ、スペクトルフィルタリング適用を含む種々の適用に用いることができる。「分光放射率工学のためのプラズモニックナノアンテナ」、Proc of SPIE、Vol.9502,pp.95020H−1〜95020H−6,2015と題しているM.Makhsiyanらによる記事は、共通基板上で隣接するが、スペクトル的には近いが独立した共鳴を示すファブリ・ペロー構造を示す。
さらに別の既知のタイプのファブリ・ペロー構造によれば、各構造は、金属支持体、例えば金の平坦面から形成されるトレンチからなる。トレンチの深さ方向は支持体の面に対して垂直であり、トレンチは支持体の面に対して垂直な面における長方形断面のプロファイルを有し、トレンチ底部は平坦であり、支持体の面に対して平行である。トレンチの開口部を横切る支持体の面の延長部、およびトレンチの底部は、このようなファブリ・ペロー構造の反射面の2つの部分を形成する。ファブリ・ペロー構造内の入射放射線によって維持される定在波は、支持体の正面に垂直なトレンチの中を、支持体の正面からトレンチの底に向かって及び反対の方向に向かって伝搬する波動成分で構成される。共鳴波長はトレンチの深さによって決まり、この共鳴の品質係数は特にトレンチの幅に依存する。実際には、トレンチの底部が定在波に有効な反射面の部分の一方を形成する金属−ガス界面であり、この同じ定在波に対して同時に有効である反射面の他方の部分が金属支持体の平坦面においてトレンチの対向する壁の端部に接続するので、この第3のタイプのファブリ・ペロー構造は、上に示した2つの組み合わせである。したがって、反射面のこの後者の部分は、2つの異なる材料間の界面によって形成されない。
B.Fix et al、による「High−quality−factor double Fabry−Perot plasmonic nanoresonator」Optics Letters、Vol.42, No.24、pp.5062−5065(2017年12月15日公開)と題する論文は、2つのファブリ・ペロー構造を、共通の支持体に面して互いに近接したそれぞれのトレンチの形態で配置することを記載している。これは、結合共鳴と呼ぶことができ、2つのファブリ・ペロー構造の各々の個々の共鳴とは異なる新しい共鳴が現れることを開示している。特に、以下では結合共鳴波長と称される結合共鳴の共鳴波長は、個別共鳴波長と称される個別の共鳴の共鳴波長とは異なる。これを達成するために、2つのファブリ・ペロー構造は、それらの個別共鳴波長が異なるように異ならなければならない。次いで、結合共鳴に関連する品質係数はファブリ・ペロー構造の個別共鳴の品質係数よりも高いか、又は、はるかに高い。品質係数に関するこの利得は、多くの用途、特に光学フィルタリング用途において有利であり得る。
言い換えれば、同じグループに属する複数のファブリ・ペロー構造は、支持体の正面によってまとめて担持される。各ファブリ・ペロー構造は、互いに対向して、互いに平行に配置され、誘電媒体によってこの構造の内部で互いに分離された反射面の2つの部分を含む。グループのファブリ・ペロー構造の各々は、電磁放射線の波動成分がこの構造の反射面の2つの部分の間を、一方から他方へ伝搬することができるように、また、定在波が反射面の2つの部分で交互に発生する波動成分の多重反射から生じるように、大きさが決められている。次いで、各ファブリ・ペロー構造の個別共鳴は支持体に入射する電磁放射の波長が変化するとき、この構造内部の定在波の最大振幅に対応する。
加えて、グループの各ファブリ・ペロー構造の反射面の部分のうちの少なくとも1つは、支持体の面に平行な中間空間によって、同一グループの互いの構造の反射面の部分のうちの少なくとも1つから分離される。
さらに、グループの各ファブリ・ペロー構造の個別共鳴を決定する少なくとも1つのパラメータは、互いに別々に、同じグループの構造の少なくとも2つの間で異なる値を有する。したがって、これらの少なくとも2つの構造は、個別共鳴波長のそれぞれの値を有し、支持体に入射する電磁放射に対して有効であり、これらの値は異なる。同時に、これらの少なくとも2つのファブリ・ペロー構造は入射する放射線の波長軸上で、個別共鳴の以下の範囲を有するように、個別共鳴品質係数のそれぞれの値を有する:[λri・(1−3/Qi);λri・(1+3/Qi)]は対の重複を有し、ここで、iはグループ内の個々のファブリ・ペロー構造を識別する整数であり、λriおよびQiは、それぞれ、ファブリ・ペロー構造iの個別共鳴の共鳴波長および品質係数の値である。
さらに、ファブリ・ペロー構造iに対して、このファブリ・ペロー構造i内の定在波を形成する波動成分の伝播方向に垂直に測定された誘電体媒体の厚さhiは0.125・λri/neff_i以上であり、neff_iは、ファブリ・ペロー構造iの誘電媒体に効果的な屈折率である。つまり、hi≧0.125・λri/neff_iである。この状態は、それぞれのファブリ・ペロー構造iがスペクトルフィルタの外部にある伝播媒体にアンダーカップリングされ、その結果、スペクトルフィルタが零とは著しく異なった、反射または伝達に使用されることが意図されているかどうかに応じて、反射率またはエネルギー透過率を有することを意味する。例えば、制限VLi=0.125・λri/neff_iは、スペクトルフィルタが反射と透過のどちらで使用されることを意図しているかに応じて、この構造体の個々の共鳴スペクトルλriにおけるファブリ・ペロー構造iに対する約0.39の反射率またはエネルギー透過率の値に対応することができる。
これらの条件が満たされるとき、個別共鳴波長の値が異なる同一グループのファブリ・ペロー構造の二つの間の結合は、これら二つの構造の間に存在する中間空間によって生成される。場合によっては、この中間空間に存在する材料も結合に寄与することができる。結合のための追加的な条件は、このように結合された2つのファブリ・ペロー構造間の分離距離が支持体の正面に平行なそれらの中間空間によって決定され、結合に関連する共鳴波長値よりも小さく、フィルタに入射する電磁放射に有効であることである。この結合共振は、支持体の正面上の入射放射線の反射から、または支持体を通る入射放射線の透過から生じる第1の波と、グループのファブリ・ペロー構造のうちの第1の構造から出てくる第2の波であって、そのうちの少なくとも1つが、同一グループのファブリ・ペロー構造のうちの第2の構造の内部で少なくとも1つの往復を完了し、第1の構造と結合するいくつかの波長成分の重ね合わせから生じる第2の波と、グループのファブリ・ペロー構造のうちの第2の構造から出てくる第3の波であって、そのうちの少なくとも1つが、グループのファブリ・ペロー構造のうちの第1の構造の内部で少なくとも1つの往復を完了した他のいくつかの波動成分の別の重ね合わせから生じる第3の波と、を含む少なくとも3つの波の間の干渉から生じる:
したがって、ファブリ・ペロー構造を備えた支持体は、前述した方法で結合された一部の構成が最小限の反射スペクトルを有する。この最小値は狭くてもよく、その結果、支持体は、ファブリ・ペロー構造のそれぞれの個別共振と比較して改善された選択性のスペクトルフィルタを構成することができる。このフィルタリング選択性の向上は、ファブリ・ペロー構造のいくつかの間に存在する結合の結果である。
上記で紹介したiの条件hi≧0.125・λri/neff_iは、少なくとも3つの波の干渉に関与する2番目と3番目の波が、結合共鳴が存在するために十分なそれぞれの振幅を持つことを保証する。
上記で引用したB.FIXらの論文のケースでは、グループが、トレンチの形状のそれぞれが2つの結合されたファブリ・ペロー構造を含み、他のファブリ・ペロー構造とは別に、各ファブリ・ペロー構造の個別共鳴波長を決定するパラメータはトレンチの深さである。結合共鳴波長の値はトレンチの深さによっても決まるが、さらに、これらのトレンチ間に存在する分離距離によっても決まる。しかしながら、結合共鳴波長のための正確な所望の値を得るために、互いに近接したこのようなトレンチの形成を十分に制御することは特に困難である。さらに、隣接するトレンチ間の隔壁は、トレンチが非常に接近しているときに脆くなる可能性がある。このようにして得られるフィルタは、偶発的な引っ掻き傷に対して特に敏感である。
この状況に基づいて、本発明の1つの目的は、少なくともいくつかが結合されたファブリ・ペロー構造の少なくとも1つのグループを含み、かつ、簡単かつ低コストで製造することができる、新しいフィルタを提供することにある。
さらなる目的は、そのようなフィルタが特に傷掻きに対して、より大きな抵抗を示すことであり得る。
これらまたは他の目的の少なくとも1つを達成するために、本発明の第1の態様は、上述のように、複数の結合されたファブリ・ペロー構造を有するフィルタを提案するが、その中で、各ファブリ・ペロー構造は基板の面に平行な金属表面の2つの部分を含む。各ファブリ・ペロー構造はさらに、金属表面のこれらの2つの部分の間に限定され、基板の面に垂直であり、構造の金属表面の2つの部分のうちの少なくとも1つの対向するエッジの間の基板の面に平行に限定される内部体積を含む。これらの2つの対向するエッジは、ファブリ・ペロー構造の反射面の部分の位置を決定し、その結果、結合共鳴に寄与する波動成分は、結合されたファブリ・ペロー構造のそれぞれの内部の支持体の面に平行に伝搬する。
したがって、本発明によるフィルタはフィルタの支持体内に深く延びるトレンチを省くことができるので、その製造にはこの支持体の深いエッチングを必要としない。特に、本発明によるフィルタは、おそらくは適切なマスクを介して材料を蒸着させる工程と、蒸着された材料をエッチングする任意選択の工程とのみを実施することによって製造することができる。このフィルタは、したがって、トレンチの形態のファブリ・ペロー構造に基づく従来技術の既知のフィルタと比較して、コスト価格を低減することができる。
特に、本発明によるフィルタは、隣接するトレンチ間に隔壁を有しておらず、したがって、意図しない傷掻きに対してより大きな抵抗性を有する。
本発明の様々な実施形態ではグループの各ファブリ・ペロー構造の個別共振を、そのグループの互いのファブリ・ペロー構造とは別個に決定し、互いに結合されるグループの2つの構造の間で異なる値を有するパラメータは、この構造の反射面の部分の間の支持体の面に平行に測定された、各構造の内部体積の幅と、各構造の内部体積内の誘電媒体の屈折率と、各構造の内部体積内の誘電媒体の充填比および/または組成物と、各構造による電磁放射線吸収係数と、上記パラメータのいくつかの組合せとのうちの1つであってもよい。
結合されたファブリ・ペロー構造間の差異のこのような実装は、製造の複雑さまたはフィルタのコスト価格を大幅に増加させることなく、容易に実装することができる。
フィルタ内で、ファブリ・ペロー構造のグループは、互いに結合された2つのファブリ・ペロー構造のみから構成されてもよい。あるいは、それはペアで互いに結合され、したがって、特にそれらの個々の共鳴波長値に従って、2つまたは3つの結合共鳴を生成する、3つのファブリ・ペロー構成を含むことができる。一般に、グループは2つの構造以上である任意の数のファブリ・ペロー構造を含み、グループ内で互いに結合されるファブリ・ペロー構造の異なる対が存在するので、多数の結合共鳴を生成することができる。
グループの各ファブリ・ペロー構造、特に、支持体の面に対して垂直に測定される、この構造の金属表面の2つの部分の間の内部体積の厚さは、その構造の個別共鳴品質係数の値が20未満であるように設計されると有利である。同時に、ファブリ・ペロー構造のグループ、特に、結合されるこのグループの2つの構造の間の中間空間は、結合共鳴に関連する品質係数が20を超え、好ましくは70を超え、またはさらに150を超えるように設計されてもよい。このようにして、フィルタは、結合共振の少なくとも1つによって生成される高い選択性、または非常に高い選択性を有することができる。
いくつかの有利な実施形態では、特に具体化が容易ないくつかの有利な実施形態では、各ファブリ・ペロー構造の内部体積内の誘電媒体が平行な面および均一な厚さを有する層のそれぞれの部分から成り得、この層は群のすべての構造に対して同一であり、固体誘電体材料から成る。
おそらく、グループ内の2つのそのような構造の間の各中間空間によって分離された、グループのファブリ・ペロー構造を含むパターンは、支持体の面上で複数回繰り返されてもよい。
次に、一次元パターンを有する本発明の実施形態では、ファブリ・ペロー構造の各々の金属表面の部分の少なくとも1つはそれぞれの金属ストリップの1つの面であってもよい。この場合、グループのファブリ・ペロー構造を含むパターンは、別個の平行な金属ストリップの形態で、支持体の面に平行な繰り返し方向に、好ましくは周期的に複数回繰り返されてもよい。
あるいは二次元パターンを有する本発明の実施形態の場合、各ファブリ・ペロー構造の金属表面の部分の少なくとも1つは、支持体の面に平行な正方形、長方形、円形、楕円形、十字形状、またはL字形状を有してもよい。そのような代替の場合、ファブリ・ペロー構造のグループを含むパターンは、別個であり、支持体の面に平行である2つの反復方向で、好ましくは周期的に、好ましくは両方の反復方向が互いに垂直で複数回反復されてもよい。おそらく、2次元パターンを有する本発明のこのような実施形態については、パターンが両方の繰り返し方向に沿って2×2のマトリクスで配置される4つのファブリ・ペロー構造を含み、したがって、6対のファブリ・ペロー構造を形成してもよい。各ペアはパターン内の他のすべてのペアの構造の中間空間以外のパターンの構造のうちの2つの間の中間空間に関連付けられ、中間空間のうちの少なくともいくつかは対応するペアの構造間の結合を生成する。
一般に、本発明によるスペクトルフィルタは、反射に使用するように適合させることができる。この場合、第1、第2、および第3の波は、入射放射線がフィルタに到達する支持体の一方の側でフィルタによって生成される。あるいは、本発明による他のスペクトルフィルタは、伝送に使用するように適合させることができる。
ここで提案される改善は、急峻なカットオフを有する及び/又は広げられたスペクトル選択ウィンドウを有するフィルタを得るために適合されてもよい。このために、フィルタは、各結合共鳴に加えて、入射放射線に対して有効な、追加の個別共鳴を有する少なくとも1つのファブリ・ペロー共鳴器を更に備えることができる。したがって追加されたファブリ・ペロー共鳴器はその個別共鳴波長値がファブリ・ペロー構造のグループの少なくとも1つの結合共鳴波長値に対してシフトされ、この結合共鳴波長値がファブリ・ペロー共振器の個別共鳴に対して[λr0・(1−10/Q0);λr0・(1+10/Q0)]の範囲内にあるように設計されてもよい(ここで、λr0およびQ0はそれぞれ、ファブリ・ペロー共振器の個別共鳴に対する共鳴波長および品質係数の値である)。したがって、フィルタのスペクトル応答プロファイルは、入射する放射線の波長の関数として、各ファブリ・ペロー共鳴器の少なくとも個別共鳴と、ファブリ・ペロー構造の各グループの各結合共鳴との重ね合わせから生じる。このプロファイルは次いで、同じファブリ・ペロー共鳴器を含むが、結合ファブリ・ペロー構造を含まないであろう参照フィルタと比較して、カットオフスペクトル領域と窓付きスペクトル領域との間の急峻な遷移を有することができる。任意選択で、重ね合わせは、また、各グループのファブリ・ペロー構造の個別共鳴からの寄与を含んでもよい。
好ましくは、共振の重ね合わせを有するそのようなフィルタに対して、各ファブリ・ペロー共振器、特に、この内部体積内で生じる定在波の方向に対して垂直に測定される共振器の内部体積の厚さは、この共振器の個別共振品質係数の値が30未満であるように設計されてもよい。同時に、[λr0・(1−10/Q0);λr0・(1+10/Q0)]の範囲内に位置する結合共鳴波長に関連する品質係数の数値は、30より大きくてもよい。このようにして、結合共鳴は、ファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴によって生成されるスペクトルプロファイルを局所的に改変する。したがって、課せられた明細書にスペクトル応答プロファイルが対応するフィルタを、正確かつオンデマンドで作成することが可能である。
おそらく、ファブリ・ペロー共鳴器は、支持体の面に垂直な積層方向において、グループのファブリ・ペロー構造のうちの1つの上に積層されてもよい。本発明のこのような実施形態は、やはり製造が容易であり、そのスペクトル選択ウィンドウにおけるフィルタの残留反射を低減することを可能にする。好ましくは、金属層の一部がファブリ・ペロー共鳴器と、その上に積み重ねられたファブリ・ペロー構造とに共通であってもよい。次いで、金属層のこの共通部分は、関係するファブリ・ペロー構造の金属表面の部分のうちの1つを構成する。
最後に、本発明の第2の態様は、本発明の第1の態様による少なくとも1つのスペクトルフィルタを使用して実施される、電磁放射線のスペクトルフィルタリングのための方法に関する。この目的のために、フィルタリングされる放射線は、互いに結合されるフィルタの2つのファブリ・ペロー構造の間に存在する、支持体の面に平行に測定される中間空間よりも大きい波長値を有しなければならない。
このような方法は、単色又は多重スペクトルの画像キャプチャ、分光分析、及びフィルタの加熱によって生成される放射線の選択的放出から選択される用途のために実施することができる。
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、いくつかの非限定的な実施形態の以下の説明から明らかになるであろう:
図1aおよび図1bは、本発明の前に知られている2つのタイプのファブリ・ペロー構造の断面図である。
図2aは、グループ当たり2つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第1の実施形態の断面図である。
図2bは、図2aの本発明の実施形態について得られた反射率図である。
図3は、ファブリ・ペロー構造の個別共鳴および結合共鳴に関する品質係数の変動を示す図である。
図4は、図2aによる本発明の実施形態について、誘電体材料の厚さの関数としての反射率スペクトルの展開を示す3次元図である。
図5aおよび図5bはそれぞれ図2aおよび図2bに対応し、グループ当たり3つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第2の実施形態である。
図6は、グループごとに4つのファブリ・ペロー構造を有する、本発明の第3の実施形態の斜視図である。
図7aは、本発明の改良によるフィルタのスペクトル選択性図であり、図7bは、図7aのフィルタの断面図である。
明瞭にするために、これらの図で表される要素の寸法は、実際の寸法にも、実際の寸法比にも対応しない。さらに、異なる図面に示される同一の参照符号は、同一であるか、または同一の機能を有する要素を示す。
まず、図1aを参照して、ファブリ・ペロー構造のいくつかの要素およびパラメータの役割を想起する。この図に示すように、既知のタイプのファブリ・ペロー構造は、矩形断面のプロファイルを有するトレンチTからなり、これは支持体を形成する基板10内に形成される。トレンチTは、基板10の平坦な面Sから延びている。基板10は、金属材料、例えば金からなる。トレンチTはトレンチの底部を面SにおけるトレンチTの開口部に重ね合わされた面部R2に連結する、対向する2つの金属面M1、M2によって横方向に区切られており、トレンチTの内部体積は、このように金属面M1、M2の部分によって面Sに平行な方向に区切られ、同時に面部R1、R2によって面Sに垂直な方向に区切られており、空気やシリカ(SiO2)などの固体材料などの誘電媒体によって充填されている。公知の方法では、電磁放射線Olの波が面Sに入射すると、反射して波ORが生じ、その強度はトレンチTに現れる定在波の振幅に依存する。この定在波は、トレンチTの内部を反対方向に伝搬する2つの波動成分O1とO2との重ね合わせであり、表面部分R1とR2とで交互に反射される。さらに、定在波は、入射波OIと、表面部分R2を通る反射波ORとに結合される。このタイプのファブリ・ペロー構造の場合、表面部分R1はミラーとしてのみ働き、表面部分R2は、部分反射ミラーとして、及びトレンチTの内部体積と外部との間の部分透過としての2つの機能を果たす。公知の方法では、このようなファブリ・ペロー構造の共鳴波長は、主として、トレンチTの内部体積における定在波の経路の長さによって決定され、式λr≒2・neff・hに従って決定される。ここで、neffはトレンチTにおける誘電体媒質の実効屈折率であり、hはトレンチの深さである。このファブリ・ペロー構造の品質係数は、面Sにおいて表面部分R2が占める割合に依存し、換言すれば、トレンチTの幅wに依存する。
図1bは基板10の平坦な面S上に作製することができ、やはり支持体として作用する別の公知のタイプのファブリ・ペロー構造を示す。ここで、構造体は、誘電媒体11の層と金属部分12との面Sの上の積層体を含む。例えば、層11は、炭化ケイ素(SiC)またはシリカ(SiO2)から形成されてもよい。金属部分12が基板10に向かって対向する面M2を有するように平行な面を有している。ファブリ・ペロー構造は、次いで、金属部分12、金属部分12によって覆われている層11の部分、および金属部分12と直接並んでいる面Sの部分によって形成される。この面Sの部分は、図1aのファブリ・ペロー構造における金属表面M1の部分と図1bのファブリ・ペロー構造において同じ役割を有するので、M1と表記される。基板10に向いた金属部分12の面は、図1aに類似しているので、M2で示されている。金属部分12の対向するエッジB1及びB2から画定され、面Sに垂直である面の2つの部分は、金属面M1及びM2の部分の間で面Sに平行に伝搬する波動成分の半反射ミラーとして作用して定在波を形成する。この場合も、図1aと同様に、これらの波動成分はO1及びO2と表記されるが、図1aの場合とは異なり、基板10の面Sに対して平行に伝搬する。同様に、波動成分O1およびO2を反射し、エッジB1およびB2から画定される表面の2つの部分は、R1およびR2とも呼ばれ、反射表面の部分と呼ばれる。定在波を形成する波動成分O1及びO2は、金属部12で覆われた層11の部分を伝搬する。層11のこの部分は図1bのファブリ・ペロー構造の内部体積を構成し、Vで示され、そのようなファブリ・ペロー構造の共鳴波長はここでも、構造の内部体積における定在波の経路長によって主に決定され、ここで、式λr≒2・neff・wに対応し、ここで、neffは依然として内部体積Vにおける誘電媒体の実効屈折率であるが、ここで、wは定在波を形成する波動成分O1およびO2の伝播方向における、面Sに並行するこの内部体積の幅を示す。ここで、表面部分R1及びR2は、定在波を入射波Ol及び反射波ORに結合する。なお、ファブリ・ペロー構造の内部体積Vの各辺において、反射面R1、R2の部分を越えて層11が延びる必要はない。これは、この内部体積Vの外側で、空気または任意の他の誘電体材料によって置き換えることができる。このようなファブリ・ペロー構造の共鳴品質係数は、図1bによると、層11の厚さhに依存し、つまり、面Sに対して垂直に測定される内部体積Vの厚さ、および内部体積Vの外側の反射面R1およびR2の近傍に存在する媒体/媒体の厚さに依存する。さらに、厚さhが上限値VL=0.125・λr/neffよりも大きい場合、ファブリ・ペロー構造は入射波Olを受け取るときに0.39よりも大きいエネルギー反射率値を有し、後者は、その波長に対して値λrを有する。この場合、ファブリ・ペロー構造は、OI波およびOR波の伝搬媒体にアンダーカップリングされていると言われる。共鳴波長πrが5.25μm(マイクロメートル)に等しく、実効反射率値neffが約3.155に等しい場合、上限値VL=0.125・λr/neffは実質的に0.208μmに等しい。
本発明は、図1bに従った複数のファブリ・ペロー構造に基づくスペクトルフィルタの形成に関する。
本発明の第1の実施形態は、図2aの1および2で示され、金、銀、アルミニウムなどであってもよい同じ金属支持体10によって担持される2つのファブリ・ペロー構造のグループを含むことができる。2つの構造1および2は、支持体10の面Sおよび各構造の内部体積Vの幅方向に平行な方向Dに沿って、並んでいる。それぞれの構造1(それぞれ2)は誘電体材料11の層上に位置する金属部分121(それぞれ122)を含み、後者はおそらく炭化ケイ素であり、支持体10の面S全体にわたって連続している。しかしながら、層11のこの連続性は必須ではなく、本発明の代替実施形態では、面Sの特定の領域、特に2つの構造1および2の少なくとも一方の内部体積V、またはこれらの構造間の中間空間において層11の組成を変更することが有利であり得る。ファブリ・ペロー構造1および2の各々が図1bによるものであるように、図1bの参照符号R1、R2、M1、M2、B1およびB2は、図2aの各構造1および2に対して同一に当てはまる。2つの金属部分121および122は、各支持体10と同じ金属であってもよい。さらに、以下の表記は、2つの構造1および2の一方または他方に別々に関連する:
λr1:ファブリ・ペロー構造1の個別共鳴波長、
Q1:ファブリ・ペロー構造1の個別共鳴の品質係数、
w1:方向Dに沿った金属部分121の幅、
neff_1:検討されている例では層11によって占められているファブリ・ペロー構造1の内部体積V内の誘電媒体の実効屈折率、
λr2:ファブリ・ペロー構造2の個別共鳴波長、
Q2:ファブリ・ペロー構造2の個別共鳴の品質係数、
w2:方向Dに沿った金属部分122の幅、
neff_2:検討されている例では層11によって占められているファブリ・ペロー構造2の内部体積V内の誘電媒体の実効屈折率、および、
d1−2:金属部分121と122との間の方向Dで測定された2つのファブリ・ペロー構造1と2との間の離隔距離。
実効屈折率neff1およびneff2の定義はこの記述の初めに再言及されたように、従来技術から公知である。この条件では、λr1≒2・neff_1・w1とλr2≒2・neff_2・w2である。Q1およびQ2は特に、層11の厚さh、およびそれぞれの構造1、2の反射面R1およびR2付近の材料によって決定される。図2aに示す実施形態ではhは2つのファブリ・ペロー構造1および2に共通する誘電体材料の厚さであり、換言すれば、h1=h2=hであり、ここでh1およびh2はそれぞれ、ファブリ・ペロー構造1および2の誘電体材料の厚さを表す。しかしながら、本発明の他の実施形態では、2つのファブリ・ペロー構造1および2における誘電材料h1およびh2の厚さが異なっていることが可能である。金属部分121、122の厚さは例えば50nm(ナノメートル)とすることができ、誘電体層11の厚さは例えば280nmとすることができ、これらの厚さは面Sに対して垂直に測定される。
一次元パターンを有する実施形態では、金属部分121および122が図2aの平面に垂直に延在するストリップであってもよく、使用される層11または誘電媒体の関連する部分を有する2つのファブリ・ペロー構造1および2のグループは方向Dに周期的に繰り返されるパターンを形成することができる。分離してこのパターンによって生成される結合共鳴は以下で説明されるが、当業者はパターンの異なった繰り返しに属しながら、面S上の2つの隣接するファブリ・ペロー構造の間に追加の結合が現れ得ることを理解するであろう。
結合共鳴の発生には、以下の4つの状態が必要である。
λr1≠λr2:2つのファブリ・ペロー構造1と2との個々の共鳴の波長の差異は、ストリップ幅w1とw2とに使用される2つの異なる値によって生じることがある。たとえば、w1=400nmおよびw2=495nmである。加えて、又は代替的に、構造1及び2のそれぞれの内部体積Vにおける層11の実効反射率に2つの異なった値を使用することができる(neff_1≠neff_2)。このような屈折率の差異は、2つの構造1および2の間で異なる層11の組成物、ドーピング、または充填比によって得ることができる。あるいは、またはさらなる追加として、各ファブリ・ペロー構造に特有の吸収係数値を使用して、その個別共鳴波長を変化させてもよい。
すなわち、構造1の個別共鳴波長を構成する[πr1・(1−3/Q1);πr1・(1+3/Q1)]と、構造2の個別共鳴波長を構成する[πr2・(1−3/Q2);πr2・(1+3/Q2)]とは重複している。言い換えれば、それらは分離していない。この条件は、それらが十分に近くなるようにπr1及びπr2の値を選択することによって、又はQ1及びQ2の値が十分に低くなるように、パターンの構造パラメータ、特に層11の厚さhを選択することによって満たすことができる。
誘電体材料の層11の厚さhは、2つの上限値VL1=0.125・λr1/neff_1およびVL2=0.125・λr2/neff_2よりも大きく、このことは、2つのファブリ・ペロー構造がOI波の外部伝播媒体にアンダーカップリングされていることを意味し、2つの構造1および2の間の離隔距離d1−2は、以下に詳述するように、特に結合共鳴波長よりも小さい。d1−2は、図2aに示すように、構造1と2とを分離する中間空間I1−2の幅に対応する。
図2aにおいて、C1−2は、ファブリ・ペロー構造1および2の間で生成される結合を示す。
これらの条件下では次いで、2つの追加波が、支持体10の面S上のOl波の反射から生じる波に加えて、2つの構造1および2のセットに入射されるOl波から生じる:
第1の追加波は、OR1と表記され、ファブリ・ペロー構造1から出現し、そのうちの少なくとも1つがファブリ・ペロー構造2の内側で往復を完了した幾つかの波動成分の重ね合わせから生じる。言い換えれば、追加波OR1の振幅は、構造1の内部体積Vと入射波Olが出現する自由空間との間の結合に依存する。さらに、追加波OR1の少なくとも1つの成分は構造2の内部体積V内を伝播し、方向Dと並行してその中で少なくとも1往復を完了し、次いで、構造2から構造1までの中間空間I1−2を横切り、その後、構造1によって自由空間内に再送信される。
追加波OR1を形成することにも寄与し得る追加波成分は、2つの構造1および2の内部体積V内の連続する往復の任意の組合せを完了し、構造1または2のうちの1つの内部体積V内の往復と、他方の構造の内部体積V内の往復との間のそれぞれの通路で、それぞれが構造1によって自由空間に再送される前に、中間空間I1−2を横切って進むことができる。
第2の追加波は、OR2と表記され、ファブリ・ペロー構造2から出現し、そのうちの少なくとも1つがファブリ・ペロー構造1の内側で往復を完了した幾つかの他の波動成分の重ね合わせから生じる。
言い換えれば、追加波OR2の振幅は、構造2の内部体積Vと入射波Olが出現する自由空間との間の結合に依存する。さらに、追加波OR2の少なくとも1つの成分は構造1の内部体積V内を伝播し、方向Dと並行してその中で少なくとも1往復を完了し、次いで、構造1から構造2までの中間空間I1−2を横切り、その後、構造2によって自由空間内に再送信される。
追加波OR1のケースと同様に、追加波OR2の形成にも寄与し得る他の追加波動成分は、構造1または2の一方の内部体積V内の往復と他方の構造の内部体積V内の往復との間の各通路で中間空間I1−2を横切って進み、その後、各1つが構造2によって自由空間内で再送信される、2つの構造1および2の内部体積V内の任意の組合せの往復を完了し得る。
2つの追加波OR1とOR2は、ファブリ・ペロー構造1と2の間の連結C1−2によるものである。そして、OI波の波長の特定の値について、支持体10の面S上でのOI波の反射から生じる波、第1の追加波OR1、及び第2の追加波OR2は、反射波ORを形成するために寄与する構造的な干渉を形成する。図2bのダイアグラムは、ファブリ・ペロー構造1のみを備えた第1の支持体10(曲線FP1とラベル付けされ、w1=400nmに対応する)、ファブリ・ペロー構造2のみを備えた第2の支持体10(曲線FP2とラベル付けされ、w2=495nmに対応する)、および交互のファブリ・ペロー構造1および2を備えた第3の支持体10(曲線FP1−2とラベル付けされ、図2aに対応する)についてそれぞれ測定されたスペクトル反射率曲線を比較する。3つの場合の入射角の値はいずれも10°(度)であり、OR波の反射角の値に等しく、かつ入射波Olは金属部分121及び122を構成するストリップ状体の長手方向に平行な磁場で直線的に偏波されている。3つのすべての場合において、支持体10は200nmの厚さを有する金であり、金属部分も50nmの厚さを有する金であり、層11は、280nmの厚さを有する炭化ケイ素で連続的であり均一である。w1とw2の値は上記のものであり、ストリップ間の分離距離は3つのケースすべてで437nmに等しい。これらの条件下で、ファブリ・ペロー構造1の個別共鳴は、λr1≒4.65μmおよび0.80より大きい最小スペクトル反射率値(曲線FP1を参照のこと)の特性を有する。ファブリ・ペロー構造2の個別共鳴は、λr2≒5.25μmおよび0.80以上である最小スペクトル反射率値(曲線FP2を参照のこと)の他の特性を有する。層11の厚さhの280nmの値は、2つの制限値VL1=0.125・λr1/neff_1およびVL2=0.125・λr2/neff_2(上述の実施形態ではn=neff_2)よりも大きく、184nmおよび208nmと等しく、2つのファブリ・ペロー構造1および2が外部伝搬媒体とのアンダーカップリングの状態でそれぞれ使用されることを保証する。構造1と2との結合によってもたらされる追加の共鳴は、入射波OIの波長が4.23μmの値を有する場合に現れる(曲線FP1−2参照)。これは、λr1−2と表される結合共鳴波長である。スペクトル反射率の関連する最小値は約0.13であり、結合共鳴に関連する品質係数Q1−2の22の値に対応する。次いで、構造1及び2を有する図2aの支持体10は、反射において有効なスペクトルフィルタを形成する。この第1の実施形態では、2つのファブリ・ペロー構造1及び2によって形成されるパターンの空間的繰り返し周期の値は1770nmである。
通常、2つのファブリ・ペロー構造1と2の間の結合が結合共鳴を生成するのに充分であるためには、分離距離d1−2は結合共鳴波長πr1−2の値より小さくなければならない。本例では、d1−2はほぼ437nmに等しい。
幅w1、w2および分離距離d1−2を除いて、すべてが同一の値および組成物であるときにおいて、w1=495nm、w2=600nm、およびd1−2=337nmのとき、結合共鳴波長λr1−2は4.61μmに等しくなる。次いで、入射波Olの波長がλr1−2に等しい値に得られる最小反射率は約0.21である。従って、金属ストリップの幅値を適切に選択することにより、結合共鳴波長を所望の値に調整することができる。
図3のダイアグラムは、図2a及び図2bの実施形態と比較して、層11の厚さhを変更することから生じる結合共鳴の品質係数Q1−2の変化(実線)を示している。層11について、厚み上限値VL2=max(VL1;VL2)=約208μmを超えると、結合共鳴の品質係数Q1−2の値が連続的に増加し、層11の厚さhが800nmの値の場合、約250に達する。したがって、層11の厚さhを適切に選択することにより、結合共鳴に関連する分光反射率の最小の幅および深さを調整することが可能になる。比較のために、図3には、層11の厚さhが変動し、かつ金属部分12を形成するストリップの幅wが一定で495ナノメートルに等しい場合(点線)、単一のファブリ・ペロー構造の個別共鳴の品質係数Q1の変動も示されている。個別共鳴の品質係数Q1は層11の厚さhの減少関数であり、結合共鳴の品質係数Q1−2はこの厚さhの増加関数である。
図4のダイアグラムの横軸は入射波Olの波長値を特定し、縦軸は誘電体材料の層11の厚さhの値を特定し、第3の寸法は、図の右側に配置されたグレーの濃淡のスケールによって示され、厚さhだけが変化する場合の、図2aおよび2bの空間フィルタのエネルギー反射率値を特定する。3波干渉によって生じる結合共鳴は、厚さhがVL2=max(VL1;VL2)=約208μmより大きいときに存在し、品質係数Q1−2の高い値に対応して狭いエネルギー反射率最小値と関連している。厚さhがこの上限値よりも小さい場合、2つの別個の共鳴が見え、これはファブリ・ペロー構造1および2のそれぞれの個別共鳴に対応する。ダイアグラムのこの部分に見られる共鳴波長値λr1およびλr2の変動は、層11の誘電体の実効屈折率のスペクトル変動によるものである。上記で引用された「分光放射率工学のためのプラズモニックナノアンテナ」M.Makhsiyan et al、Proc of SPIE、Vol 9502, 2015、と題する記事に記載されているスペクトルフィルタは、誘電体層の厚さhがmax(VL1;VL2)未満であり、3波干渉による結合共鳴が存在しない場合に対応する。次に得られるエネルギー反射率スペクトルは、2つのファブリ・ペロー構造のそれぞれの個別共鳴スペクトルの積に実質的に等しい。
図5aの実施形態では、ファブリ・ペロー構造の各グループが1、2、および3で示される3つの構造を含む。これら3つのファブリ・ペロー構造のそれぞれの金属部分は、共通の長手方向が図の平面に対してやはり垂直である平行なストリップの形態で、121、122、および123で参照されている。それぞれの幅値はw1=405nm、w2=500nm、w3=600nmであり、3つのファブリ・ペロー構造1、2、3によって形成されるパターンの空間的反復周期は2540nmである。d1−2は、中間空間I1−2間の構造1と2の分離距離で、たとえば約300nmに等しく、d2−3は中間空間I2−3間の構造2と3の分離距離であり、たとえばやはり300nmに等しくなる。C1−2はファブリ・ペロー構造1と2の間の結果的な結合を指定し、C2−3は、ファブリ・ペロー構造2と3の間の結合を指定する。3つの金属部分121、122、および123は支持体10と同じ金属であってもよく、したがって、誘電体材料の実効屈折率の値は3つのファブリ・ペロー構造1、2、および3について同じである。
図5bのダイアグラムは、ファブリ・ペロー構造1のみを備えた第1の支持体10(曲線FP1とラベル付けされ、w1=405nmに対応する)、ファブリ・ペロー構造2のみを備えた第2の支持体10(曲線FP2とラベル付けされ、w2=500nmに対応する)、ファブリ・ペロー構造3のみを備えた第3の支持体10(曲線FP3とラベル付けされ、w3=600nmに対応する)、および交互のファブリ・ペロー構造1、2、および3を備えた支持体10(曲線FP1−2−3とラベル付けされ、図5aに対応する)についてそれぞれ測定されたスペクトル反射率曲線を示す。入射波OIの偏波及び入射条件は、図2(b)の図と同様である。個別共鳴波長値は構造体1(曲線FP1を参照)はπr1≒4.5μm、構造体2(曲線FP2を参照)はπr2≒5.2μm、構造体3(曲線FP3を参照)はπr3≒6.0μmであり、これら3つの個別共鳴に対して0.80より大きい反射率の最小値を持つ。すなわち、層11の厚さhが、0.125・λr1/neff、0.125・λr2/neff、および0.125・λr3/neffの3つの上限値よりも大きくなければならないという状態が満たされている。パターンが3つのファブリ・ペロー構造1、2、および3のグループによって形成される図5aのフィルタは、次いで、2つの結合共鳴を有する(曲線FP1−2−3参照)。すなわち、波長値λr1−2に対する第1の結合共鳴≒4.43μmであり、第1の品質係数値Q1−2が15に等しく、波長値λr2−3に対する第2の結合共鳴≒5.12μmであり、第2の品質係数値Q2−3は11に等しい。λr1−2とQ1−2に対応する第1の結合共鳴は中間空間I1−2を通るストリップ1と2の間の結合C1−2から来ており、πr2−3とQ2−3に対応する第2の結合共鳴は中間空間I2−3を通るストリップ2と3の間の結合C2−3から来ている。構造1および3は、連続パターンの一部であることによって近接している場合であっても、それらの個々の共鳴波長値が離れすぎているため、互いに結合されない。
図6には、本発明の別の実施形態を示し、D1およびD2で示されているパターンの2方向の変動を伴う。例えば、方向D1及びD2に平行な2×2マトリックスに配列された4つのファブリ・ペロー構造1〜4のグループを、これらの2方向に周期的に再生されるパターンとして使用することができる。それぞれのファブリ・ペロー構造1〜4は誘電体材料11の層上に配置された金属層121〜124のそれぞれの部分によって識別することができ、後者は金属支持体10の面S上にある。ファブリ・ペロー構造1〜4の少なくとも2つは、例えば、金属層121−124の部分の寸法が異なっている。例えば、しかし非限定的な方法で、金属層の一部121−124の各部は、2200nmに等しくてもよい方向D1およびD2におけるパターンの繰り返し周期に対して、640nm、680nm、780nm、および840nmの値から辺長が選択される正方形であってもよい。隣接するファブリ・ペロー構造間の中間空間は、構造1と2との間のI1−2、構造2と3との間のI2−3、構造3と4との間のI3−4、および構造4と1との間のI4−1である。次に、部分121〜124の側部の長さおよびそれらの間の中間空間の幅を修正することによって、結合共鳴波長の値、ならびにそれらに関連する品質係数およびスペクトル反射率最小値の値を調整することができる。一般に、結合共鳴は、パターン中のファブリ・ペロー構造の各対に別々に関連している。しかしながら、これらのファブリ・ペロー構造の2つが互いに離れすぎている個別共鳴波長値を有する場合、これらの2つの構造は互いに結合しない。特に、2×2行列の同じ対角線上にある二つの構造がこの理由のために互いに結合しないように、パターンの2×2行列に四つのファブリ・ペロー構造を分布させることが可能である。
2×2マトリックス内のファブリ・ペロー構造の分布を有することもできる他の実施形態では、金属層の一部が、入射波O1の2つの実効直交偏波間のフィルタに望まれる反応の差異に応じて、面Sに並行する長方形、円形、楕円形、十字形、L字形などの形状を有することができる。当業者は、入射波OIの偏波に対するフィルタの所望の選択性に従って、これらの形状をどのように選択するかを知っている。同様に、本説明から、当業者は、ファブリ・ペロー構造間の分離距離がOI波の偏波に対するフィルタの選択性に及ぼす影響を考慮することができる。さらに、中間空間I1−2、I2−3、I3−4、およびI4−1における層11の組成物および材料は、2つの隣接するファブリ・ペロー構造間の結合を調整するために変化させることができる。
概して、上述した本発明の実施形態が与えられると、当業者は、本発明によるフィルタがパターンを形成する構造の数や、このパターンにおけるそれらの配置に関して、制限なく、いくつかのファブリ・ペロー構造の任意のパターンを繰り返すことによって形成され得ることを理解するであろう。条件は、これらのファブリ・ペロー構造のうちの少なくとも2つが、図1bによる組成物を有しながら結合されることである。これに起因する多数の自由度により、スペクトル応答プロファイルが任意の仕様に対応するフィルタをオンデマンドで設計することが可能になる。
ここで、本発明によるフィルタを設計する経験上の方法を説明する。この場合、スペクトル応答プロファイルは、カットオフスペクトルドメインと窓付きスペクトルドメインとの間の制御された遷移を含む。そのためには、フィルタが、少なくとも1つのファブリ・ペロー共鳴器と、上述のように結合された幾つかのファブリ・ペロー構造の少なくとも1つのグループとの間の関連であってもよい。ファブリ・ペロー共鳴器は次いで、その結合共鳴に使用される結合ファブリ・ペロー構造とは対照的に、その個別共鳴のためにフィルタ内で使用される追加のファブリ・ペロー構造を意味すると理解される。一般に、ファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴のスペクトルプロファイルは、本発明に従って結合された2つのファブリ・ペロー構造の結合共鳴のスペクトルプロファイルよりも、波長軸上で広い。しかしながら、フィルタのスペクトルプロファイルは、全ての共鳴−個別又は結合−によって引き起こされるエネルギー吸収の付加的な組み合わせから生じる。そして、結合されたファブリ・ペロー構造およびファブリ・ペロー共鳴器のそれぞれのパラメータを調整することによって、入射波Olの波長軸上に、ファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴の1つの側と少なくとも1つの結合共鳴とを重ね合わせることが可能である。言い換えると、λr1−2で表される結合共鳴のスペクトルの値は、λr0とは異なってもよいが、[λr0・(1−10/Q0);λr0・(1+10/Q0)]の範囲内である。ここで、λr0とQ0はそれぞれファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴に対する共鳴波長の値と品質係数の値である。このように、結合された構造は、結合共鳴の品質係数がファブリ・ペロー共鳴器の品質係数よりも大きいか、またはるかに大きい場合に、ファブリ・ペロー共鳴器のスペクトルプロファイルを局所的に修正することを可能にする。説明図として、図7aのダイアグラムは、図5aに従って結合されたファブリ・ペロー共鳴器と、3つのファブリ・ペロー構造とを組み合わせたこのようなフィルタの反射におけるスペクトル応答を示す。この実施例ではファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴波長λr0がおよそ3.39μmに等しく、対応する品質係数Q0に対して20の値を持ち、第1の結合共鳴波長πr1−2は、およそ3.26μmに等しく、対応する品質係数Q1−2に対して60の値を持ち、第2の結合共鳴波長πr2−3はまた、およそ3.50μに等しく、対応する品質係数Q2−3に対して60の値を持つ。
図7bは、そのようなフィルタのパターンを示す。このパターンは、支持体10の一部、層11の一部、および図5aのファブリ・ペロー構造1〜3と、それぞれの金属部分121、122、および123とを含む。さらに、少なくとも1つの追加のファブリ・ペロー共鳴器を備え、これらの共鳴器は例えば構造1〜3のうちの1つ上に、例えば構造2上に積み重ねることができる。この追加の共鳴器は、参照符号R0で示されており、好ましくは、図1bを参照して説明したタイプのものであってもよい。このケースでは、金属層12の一部分に配置された追加の誘電体材料110のストリップと、この誘電体材料ストリップ110に配置された追加の金属層122の一部分とによって形成されてもよい。従って、金属部分122は、このファブリ・ペロー共鳴器R0とファブリ・ペロー構造2との間で共有される。ストリップ110は、やはりシリコンカーバイドで作られてもよく、部分120は、やはり金で作られてもよい。図7bの横方向は、部分121、122、123、および120を形成するストリップの幅、ならびにそれらの間の分離距離を識別するために、xとラベルされた空間寸法軸を有する。図7bの上下方向は、層11、121、122、123、および120の厚さを識別するための、ならびに追加の誘電体材料11のストリップの厚さを識別するための、zとラベル付けされた別の空間寸法軸を有する。このパターンは、層11によって覆われた支持体10の面S上で方向Dに沿って周期的に繰り返され、フィルタを形成する。図7aの実施形態では、追加の誘電体材料110のストリップの厚さh0は約80nmであり、方向Dに沿った金属層120の一部の幅は約450nmである。
当業者であれば、図7aのものよりも精巧なスペクトル・フィルタリング・プロファイル、特に多かれ少なかれ矩形形状を有するスペクトル・フィルタリング・プロファイルが、3つよりも多い構造を有するファブリ・ペロー構造のパターンを使用することによって、本発明に従って得ることができることを理解するであろう。
このようなフィルタは、当業者に周知の実施形態に従って、特に画像化および分光法において、多くの用途を有することができる。
さらなる用途は、電磁放射線の選択的熱放射であり得る。これを達成するために、フィルタは、加熱されるか、または加熱される材料のブロックに適用されてもよい。次いで、電磁放射線の放出が生じ、そのスペクトルはフィルタのスペクトル選択ウィンドウ内に制限され、発光強度はフィルタの温度に依存する。
最後に、本発明は、上記で詳細に説明した実施形態の多数の第2の態様を修正することによって実施することができることを理解されたい。特に、これらの記載された実施形態は、反射において効率的なフィルタリング機能のために設計されている。本発明を、伝送において効率的なフィルタリング関数を生成するように適合された実施形態に適用することが可能である。最後に、記載された全ての数値は単に例示の目的のために提供されたものであり、各フィルタのために意図された用途に修正することができる。
本発明の前に知られているタイプのファブリ・ペロー構造の断面図である。
本発明の前に知られているタイプのファブリ・ペロー構造の断面図である。
グループ当たり2つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第1の実施形態の断面図である。
図2aの本発明の実施形態について得られた反射率図である。
ファブリ・ペロー構造の個別共鳴および結合共鳴に関する品質係数の変動を示す図である。
図2aによる本発明の実施形態について、誘電体材料の厚さの関数としての反射率スペクトルの展開を示す3次元図である。
図2aに対応し、グループ当たり3つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第2の実施形態である。
図2bに対応し、グループ当たり3つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第2の実施形態である。
グループごとに4つのファブリ・ペロー構造を有する、本発明の第3の実施形態の斜視図である。
本発明の改良によるフィルタのスペクトル選択性図である。
図7aのフィルタの断面図である。
発明の詳細な説明
(発明の属する技術分野)
本発明は、少なくとも2つの結合されたファブリ・ペロー構造を含むスペクトルフィルタに関する。
(発明の背景)
ファブリ・ペロー構造は周知であり、多くの用途、特に光学フィルタリング用途に広く使用されている。各ファブリ・ペロー構造は互いに平行に配置されて対向する反射面の2つの部分を有し、それらのうちの少なくとも1つは部分的に透過性を有する。次いで、この構造体は、可変波長の入射電磁放射を受け取ると共鳴する。この共鳴は、反射面の2つの部分の間のファブリ・ペロー構造内の入射放射線によって維持される定在波が最大振幅を有するときに現れる。
第1の公知のタイプのファブリ・ペロー構造において、反射面の2つの部分のそれぞれは、金属と誘電体材料との間の界面の一部である。これらの部分は誘電体材料の2つの対向する側面上で互いに平行に配置され、互いに対向して配置されており、1つは、部分的に透過するのに十分に薄い。共鳴挙動を発生する定在波は金属表面の部分に垂直に伝搬する波動成分から成る。本発明は、この第1のタイプのファブリ・ペロー構造に関するものではない。
別のタイプのファブリ・ペロー構造においても公知であり、反射面の2つの部分のそれぞれは、2つの異なる材料間の界面で構成されていない。この別のタイプのこのようなファブリ・ペロー構造は、やはり金属と誘電体材料との間の2つの界面によって形成されてもよく、これらの界面は誘電体材料の2つの対向する側面上で互いに平行であり、互いに対向して配置される。この場合、誘電体材料の実効屈折率は、neff 2=εd(1+2・δ/h−εd/εm)で与えられ、εdとεmはそれぞれの誘電体材料と金属との誘電率であり、2つの界面について同じと仮定され、δはこの金属の皮膚の厚さであり、hは2つの界面間の誘電体材料の厚さである。このようにして得られる実効屈折率の値は、金属中に現れるプラズモンにより非常に高くすることができる。このようにして、誘電体材料の内側で効果的な反射率は金属−誘電体界面の端部で、2つの界面間の値neffから、界面の端部を越えた値εd 1/2に向かって、不連続性を示す。このようにして誘電体材料内に形成される屈折率の2つの不連続性は、異なる材料間の真の界面ではないが、部分的に反射する表面の2つの部分を決定する。次いで、部分的に反射する表面のこれら2つの部分は、2つの金属−誘電体界面の間で、誘電体材料内に定在波を含むことを可能にし、定在波は、次いで、これらの金属−誘電体界面に平行に伝搬する。この定在波は共鳴挙動を生じさせることができ、スペクトルフィルタリング適用を含む種々の適用に用いることができる。「分光放射率工学のためのプラズモニックナノアンテナ」、Proc of SPIE、Vol.9502,pp.95020H−1〜95020H−6,2015と題しているM.Makhsiyanらによる記事は、共通基板上で隣接するが、スペクトル的には近いが独立した共鳴を示すファブリ・ペロー構造を示す。
さらに別の既知のタイプのファブリ・ペロー構造によれば、各構造は、金属支持体、例えば金の平坦面から形成されるトレンチからなる。トレンチの深さ方向は支持体の面に対して垂直であり、トレンチは支持体の面に対して垂直な面における長方形断面のプロファイルを有し、トレンチ底部は平坦であり、支持体の面に対して平行である。トレンチの開口部を横切る支持体の面の延長部、およびトレンチの底部は、このようなファブリ・ペロー構造の反射面の2つの部分を形成する。ファブリ・ペロー構造内の入射放射線によって維持される定在波は、支持体の正面に垂直なトレンチの中を、支持体の正面からトレンチの底に向かって及び反対の方向に向かって伝搬する波動成分で構成される。共鳴波長はトレンチの深さによって決まり、この共鳴の品質係数は特にトレンチの幅に依存する。実際には、トレンチの底部が定在波に有効な反射面の部分の一方を形成する金属−ガス界面であり、この同じ定在波に対して同時に有効である反射面の他方の部分が金属支持体の平坦面においてトレンチの対向する壁の端部に接続するので、この第3のタイプのファブリ・ペロー構造は、上に示した2つの組み合わせである。したがって、反射面のこの後者の部分は、2つの異なる材料間の界面によって形成されない。
B.Fix et al、による「High−quality−factor double Fabry−Perot plasmonic nanoresonator」Optics Letters、Vol.42, No.24、pp.5062−5065(2017年12月15日公開)と題する論文は、2つのファブリ・ペロー構造を、共通の支持体に面して互いに近接したそれぞれのトレンチの形態で配置することを記載している。これは、結合共鳴と呼ぶことができ、2つのファブリ・ペロー構造の各々の個々の共鳴とは異なる新しい共鳴が現れることを開示している。特に、以下では結合共鳴波長と称される結合共鳴の共鳴波長は、個別共鳴波長と称される個別の共鳴の共鳴波長とは異なる。これを達成するために、2つのファブリ・ペロー構造は、それらの個別共鳴波長が異なるように異ならなければならない。次いで、結合共鳴に関連する品質係数はファブリ・ペロー構造の個別共鳴の品質係数よりも高いか、又は、はるかに高い。品質係数に関するこの利得は、多くの用途、特に光学フィルタリング用途において有利であり得る。
言い換えれば、同じグループに属する複数のファブリ・ペロー構造は、支持体の正面によってまとめて担持される。各ファブリ・ペロー構造は、互いに対向して、互いに平行に配置され、誘電媒体によってこの構造の内部で互いに分離された反射面の2つの部分を含む。グループのファブリ・ペロー構造の各々は、電磁放射線の波動成分がこの構造の反射面の2つの部分の間を、一方から他方へ伝搬することができるように、また、定在波が反射面の2つの部分で交互に発生する波動成分の多重反射から生じるように、大きさが決められている。次いで、各ファブリ・ペロー構造の個別共鳴は支持体に入射する電磁放射の波長が変化するとき、この構造内部の定在波の最大振幅に対応する。
加えて、グループの各ファブリ・ペロー構造の反射面の部分のうちの少なくとも1つは、支持体の面に平行な中間空間によって、同一グループの互いの構造の反射面の部分のうちの少なくとも1つから分離される。
さらに、グループの各ファブリ・ペロー構造の個別共鳴を決定する少なくとも1つのパラメータは、互いに別々に、同じグループの構造の少なくとも2つの間で異なる値を有する。したがって、これらの少なくとも2つの構造は、個別共鳴波長のそれぞれの値を有し、支持体に入射する電磁放射に対して有効であり、これらの値は異なる。同時に、これらの少なくとも2つのファブリ・ペロー構造は入射する放射線の波長軸上で、個別共鳴の以下の範囲を有するように、個別共鳴品質係数のそれぞれの値を有する:[λri・(1−3/Qi);λri・(1+3/Qi)]は対の重複を有し、ここで、iはグループ内の個々のファブリ・ペロー構造を識別する整数であり、λriおよびQiは、それぞれ、ファブリ・ペロー構造iの個別共鳴の共鳴波長および品質係数の値である。
さらに、ファブリ・ペロー構造iに対して、このファブリ・ペロー構造i内の定在波を形成する波動成分の伝播方向に垂直に測定された誘電体媒体の厚さhiは0.125・λri/neff_i以上であり、neff_iは、ファブリ・ペロー構造iの誘電媒体に効果的な屈折率である。つまり、hi≧0.125・λri/neff_iである。この状態は、それぞれのファブリ・ペロー構造iがスペクトルフィルタの外部にある伝播媒体にアンダーカップリングされ、その結果、スペクトルフィルタが零とは著しく異なった、反射または伝達に使用されることが意図されているかどうかに応じて、反射率またはエネルギー透過率を有することを意味する。例えば、制限VLi=0.125・λri/neff_iは、スペクトルフィルタが反射と透過のどちらで使用されることを意図しているかに応じて、この構造体の個々の共鳴スペクトルλriにおけるファブリ・ペロー構造iに対する約0.39の反射率またはエネルギー透過率の値に対応することができる。
これらの条件が満たされるとき、個別共鳴波長の値が異なる同一グループのファブリ・ペロー構造の二つの間の結合は、これら二つの構造の間に存在する中間空間によって生成される。場合によっては、この中間空間に存在する材料も結合に寄与することができる。結合のための追加的な条件は、このように結合された2つのファブリ・ペロー構造間の分離距離が支持体の正面に平行なそれらの中間空間によって決定され、結合に関連する共鳴波長値よりも小さく、フィルタに入射する電磁放射に有効であることである。この結合共振は、支持体の正面上の入射放射線の反射から、または支持体を通る入射放射線の透過から生じる第1の波と、グループのファブリ・ペロー構造のうちの第1の構造から出てくる第2の波であって、そのうちの少なくとも1つが、同一グループのファブリ・ペロー構造のうちの第2の構造の内部で少なくとも1つの往復を完了し、第1の構造と結合するいくつかの波長成分の重ね合わせから生じる第2の波と、グループのファブリ・ペロー構造のうちの第2の構造から出てくる第3の波であって、そのうちの少なくとも1つが、グループのファブリ・ペロー構造のうちの第1の構造の内部で少なくとも1つの往復を完了した他のいくつかの波動成分の別の重ね合わせから生じる第3の波と、を含む少なくとも3つの波の間の干渉から生じる:
したがって、ファブリ・ペロー構造を備えた支持体は、前述した方法で結合された一部の構成が最小限の反射スペクトルを有する。この最小値は狭くてもよく、その結果、支持体は、ファブリ・ペロー構造のそれぞれの個別共振と比較して改善された選択性のスペクトルフィルタを構成することができる。このフィルタリング選択性の向上は、ファブリ・ペロー構造のいくつかの間に存在する結合の結果である。
上記で紹介したiの条件hi≧0.125・λri/neff_iは、少なくとも3つの波の干渉に関与する2番目と3番目の波が、結合共鳴が存在するために十分なそれぞれの振幅を持つことを保証する。
上記で引用したB.FIXらの論文のケースでは、グループが、トレンチの形状のそれぞれが2つの結合されたファブリ・ペロー構造を含み、他のファブリ・ペロー構造とは別に、各ファブリ・ペロー構造の個別共鳴波長を決定するパラメータはトレンチの深さである。結合共鳴波長の値はトレンチの深さによっても決まるが、さらに、これらのトレンチ間に存在する分離距離によっても決まる。しかしながら、結合共鳴波長のための正確な所望の値を得るために、互いに近接したこのようなトレンチの形成を十分に制御することは特に困難である。さらに、隣接するトレンチ間の隔壁は、トレンチが非常に接近しているときに脆くなる可能性がある。このようにして得られるフィルタは、偶発的な引っ掻き傷に対して特に敏感である。
この状況に基づいて、本発明の1つの目的は、少なくともいくつかが結合されたファブリ・ペロー構造の少なくとも1つのグループを含み、かつ、簡単かつ低コストで製造することができる、新しいフィルタを提供することにある。
さらなる目的は、そのようなフィルタが特に傷掻きに対して、より大きな抵抗を示すことであり得る。
(発明の要約)
これらまたは他の目的の少なくとも1つを達成するために、本発明の第1の態様は、上述のように、複数の結合されたファブリ・ペロー構造を有するフィルタを提案するが、その中で、各ファブリ・ペロー構造は支持体の面に平行な金属表面の2つの部分を含む。各ファブリ・ペロー構造はさらに、金属表面のこれらの2つの部分の間に限定され、支持体の面に垂直であり、構造の金属表面の2つの部分のうちの少なくとも1つの対向するエッジの間の支持体の面に平行に限定される内部体積を含む。これらの2つの対向するエッジは、ファブリ・ペロー構造の反射面の部分の位置を決定し、その結果、結合共鳴に寄与する波動成分は、結合されたファブリ・ペロー構造のそれぞれの内部の支持体の面に平行に伝搬する。
したがって、本発明によるフィルタはフィルタの支持体内に深く延びるトレンチを省くことができるので、その製造にはこの支持体の深いエッチングを必要としない。特に、本発明によるフィルタは、おそらくは適切なマスクを介して材料を蒸着させる工程と、蒸着された材料をエッチングする任意選択の工程とのみを実施することによって製造することができる。このフィルタは、したがって、トレンチの形態のファブリ・ペロー構造に基づく従来技術の既知のフィルタと比較して、コスト価格を低減することができる。
特に、本発明によるフィルタは、隣接するトレンチ間に隔壁を有しておらず、したがって、意図しない傷掻きに対してより大きな抵抗性を有する。
本発明の様々な実施形態ではグループの各ファブリ・ペロー構造の個別共振を、そのグループの互いのファブリ・ペロー構造とは別個に決定し、互いに結合されるグループの2つの構造の間で異なる値を有するパラメータは、この構造の反射面の部分の間の支持体の面に平行に測定された、各構造の内部体積の幅と、各構造の内部体積内の誘電媒体の屈折率と、各構造の内部体積内の誘電媒体の充填比および/または組成物と、各構造による電磁放射線吸収係数と、上記パラメータのいくつかの組合せとのうちの1つであってもよい。
結合されたファブリ・ペロー構造間の差異のこのような実装は、製造の複雑さまたはフィルタのコスト価格を大幅に増加させることなく、容易に実装することができる。
フィルタ内で、ファブリ・ペロー構造のグループは、互いに結合された2つのファブリ・ペロー構造のみから構成されてもよい。あるいは、それはペアで互いに結合され、したがって、特にそれらの個々の共鳴波長値に従って、2つまたは3つの結合共鳴を生成する、3つのファブリ・ペロー構成を含むことができる。一般に、グループは2つの構造以上である任意の数のファブリ・ペロー構造を含み、グループ内で互いに結合されるファブリ・ペロー構造の異なる対が存在するので、多数の結合共鳴を生成することができる。
グループの各ファブリ・ペロー構造、特に、支持体の面に対して垂直に測定される、この構造の金属表面の2つの部分の間の内部体積の厚さは、その構造の個別共鳴品質係数の値が20未満であるように設計されると有利である。同時に、ファブリ・ペロー構造のグループ、特に、結合されるこのグループの2つの構造の間の中間空間は、結合共鳴に関連する品質係数が20を超え、好ましくは70を超え、またはさらに150を超えるように設計されてもよい。このようにして、フィルタは、結合共振の少なくとも1つによって生成される高い選択性、または非常に高い選択性を有することができる。
いくつかの有利な実施形態では、特に具体化が容易ないくつかの有利な実施形態では、各ファブリ・ペロー構造の内部体積内の誘電媒体が平行な面および均一な厚さを有する層のそれぞれの部分から成り得、この層は群のすべての構造に対して同一であり、固体誘電体材料から成る。
おそらく、グループ内の2つのそのような構造の間の各中間空間によって分離された、グループのファブリ・ペロー構造を含むパターンは、支持体の面上で複数回繰り返されてもよい。
次に、一次元パターンを有する本発明の実施形態では、ファブリ・ペロー構造の各々の金属表面の部分の少なくとも1つはそれぞれの金属ストリップの1つの面であってもよい。この場合、グループのファブリ・ペロー構造を含むパターンは、別個の平行な金属ストリップの形態で、支持体の面に平行な繰り返し方向に、好ましくは周期的に複数回繰り返されてもよい。
あるいは二次元パターンを有する本発明の実施形態の場合、各ファブリ・ペロー構造の金属表面の部分の少なくとも1つは、支持体の面に平行な正方形、長方形、円形、楕円形、十字形状、またはL字形状を有してもよい。そのような代替の場合、ファブリ・ペロー構造のグループを含むパターンは、別個であり、支持体の面に平行である2つの反復方向で、好ましくは周期的に、好ましくは両方の反復方向が互いに垂直で複数回反復されてもよい。おそらく、2次元パターンを有する本発明のこのような実施形態については、パターンが両方の繰り返し方向に沿って2×2のマトリクスで配置される4つのファブリ・ペロー構造を含み、したがって、6対のファブリ・ペロー構造を形成してもよい。各ペアはパターン内の他のすべてのペアの構造の中間空間以外のパターンの構造のうちの2つの間の中間空間に関連付けられ、中間空間のうちの少なくともいくつかは対応するペアの構造間の結合を生成する。
一般に、本発明によるスペクトルフィルタは、反射に使用するように適合させることができる。この場合、第1、第2、および第3の波は、入射放射線がフィルタに到達する支持体の一方の側でフィルタによって生成される。あるいは、本発明による他のスペクトルフィルタは、伝送に使用するように適合させることができる。
ここで提案される改善は、急峻なカットオフを有する及び/又は広げられたスペクトル選択ウィンドウを有するフィルタを得るために適合されてもよい。このために、フィルタは、各結合共鳴に加えて、入射放射線に対して有効な、追加の個別共鳴を有する少なくとも1つのファブリ・ペロー共鳴器を更に備えることができる。したがって追加されたファブリ・ペロー共鳴器はその個別共鳴波長値がファブリ・ペロー構造のグループの少なくとも1つの結合共鳴波長値に対してシフトされ、この結合共鳴波長値がファブリ・ペロー共振器の個別共鳴に対して[λr0・(1−10/Q0);λr0・(1+10/Q0)]の範囲内にあるように設計されてもよい(ここで、λr0およびQ0はそれぞれ、ファブリ・ペロー共振器の個別共鳴に対する共鳴波長および品質係数の値である)。したがって、フィルタのスペクトル応答プロファイルは、入射する放射線の波長の関数として、各ファブリ・ペロー共鳴器の少なくとも個別共鳴と、ファブリ・ペロー構造の各グループの各結合共鳴との重ね合わせから生じる。このプロファイルは次いで、同じファブリ・ペロー共鳴器を含むが、結合ファブリ・ペロー構造を含まないであろう参照フィルタと比較して、カットオフスペクトル領域と窓付きスペクトル領域との間の急峻な遷移を有することができる。任意選択で、重ね合わせは、また、各グループのファブリ・ペロー構造の個別共鳴からの寄与を含んでもよい。
好ましくは、共振の重ね合わせを有するそのようなフィルタに対して、各ファブリ・ペロー共振器、特に、この内部体積内で生じる定在波の方向に対して垂直に測定される共振器の内部体積の厚さは、この共振器の個別共振品質係数の値が30未満であるように設計されてもよい。同時に、[λr0・(1−10/Q0);λr0・(1+10/Q0)]の範囲内に位置する結合共鳴波長に関連する品質係数の数値は、30より大きくてもよい。このようにして、結合共鳴は、ファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴によって生成されるスペクトルプロファイルを局所的に改変する。したがって、課せられた明細書にスペクトル応答プロファイルが対応するフィルタを、正確かつオンデマンドで作成することが可能である。
おそらく、ファブリ・ペロー共鳴器は、支持体の面に垂直な積層方向において、グループのファブリ・ペロー構造のうちの1つの上に積層されてもよい。本発明のこのような実施形態は、やはり製造が容易であり、そのスペクトル選択ウィンドウにおけるフィルタの残留反射を低減することを可能にする。好ましくは、金属層の一部がファブリ・ペロー共鳴器と、その上に積み重ねられたファブリ・ペロー構造とに共通であってもよい。次いで、金属層のこの共通部分は、関係するファブリ・ペロー構造の金属表面の部分のうちの1つを構成する。
最後に、本発明の第2の態様は、本発明の第1の態様による少なくとも1つのスペクトルフィルタを使用して実施される、電磁放射線のスペクトルフィルタリングのための方法に関する。この目的のために、フィルタリングされる放射線は、互いに結合されるフィルタの2つのファブリ・ペロー構造の間に存在する、支持体の面に平行に測定される中間空間よりも大きい波長値を有しなければならない。
このような方法は、単色又は多重スペクトルの画像キャプチャ、分光分析、及びフィルタの加熱によって生成される放射線の選択的放出から選択される用途のために実施することができる。
(図面の簡単な説明)
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、いくつかの非限定的な実施形態の以下の説明から明らかになるであろう:
図1aおよび図1bは、本発明の前に知られている2つのタイプのファブリ・ペロー構造の断面図である。
図2aは、グループ当たり2つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第1の実施形態の断面図である。
図2bは、図2aの本発明の実施形態について得られた反射率図である。
図3は、ファブリ・ペロー構造の個別共鳴および結合共鳴に関する品質係数の変動を示す図である。
図4は、図2aによる本発明の実施形態について、誘電体材料の厚さの関数としての反射率スペクトルの展開を示す3次元図である。
図5aおよび図5bはそれぞれ図2aおよび図2bに対応し、グループ当たり3つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第2の実施形態である。
図6は、グループごとに4つのファブリ・ペロー構造を有する、本発明の第3の実施形態の斜視図である。
図7aは、本発明の改良によるフィルタのスペクトル選択性図であり、図7bは、図7aのフィルタの断面図である。
(幾つかの実施形態の詳細な説明)
明瞭にするために、これらの図で表される要素の寸法は、実際の寸法にも、実際の寸法比にも対応しない。さらに、異なる図面に示される同一の参照符号は、同一であるか、または同一の機能を有する要素を示す。
まず、図1aを参照して、ファブリ・ペロー構造のいくつかの要素およびパラメータの役割を想起する。この図に示すように、既知のタイプのファブリ・ペロー構造は、矩形断面のプロファイルを有するトレンチTからなり、これは支持体を形成する基板10内に形成される。トレンチTは、基板10の平坦な面Sから延びている。基板10は、金属材料、例えば金からなる。トレンチTはトレンチの底部を面SにおけるトレンチTの開口部に重ね合わされた面部R2に連結する、対向する2つの金属面M1、M2によって横方向に区切られており、トレンチTの内部体積は、このように金属面M1、M2の部分によって面Sに平行な方向に区切られ、同時に面部R1、R2によって面Sに垂直な方向に区切られており、空気やシリカ(SiO2)などの固体材料などの誘電媒体によって充填されている。公知の方法では、電磁放射線Olの波が面Sに入射すると、反射して波ORが生じ、その強度はトレンチTに現れる定在波の振幅に依存する。この定在波は、トレンチTの内部を反対方向に伝搬する2つの波動成分O1とO2との重ね合わせであり、表面部分R1とR2とで交互に反射される。さらに、定在波は、入射波OIと、表面部分R2を通る反射波ORとに結合される。このタイプのファブリ・ペロー構造の場合、表面部分R1はミラーとしてのみ働き、表面部分R2は、部分反射ミラーとして、及びトレンチTの内部体積と外部との間の部分透過としての2つの機能を果たす。公知の方法では、このようなファブリ・ペロー構造の共鳴波長は、主として、トレンチTの内部体積における定在波の経路の長さによって決定され、式λr≒2・neff・hに従って、ここで、neffはトレンチTにおける誘電体媒質の実効屈折率であり、hはトレンチの深さである。このファブリ・ペロー構造の品質係数は、面Sにおいて表面部分R2が占める割合に依存し、換言すれば、トレンチTの幅wに依存する。
図1bは基板10の平坦な面S上に作製することができ、やはり支持体として作用する別の公知のタイプのファブリ・ペロー構造を示す。ここで、構造体は、誘電媒体11の層と金属部分12との面Sの上の積層体を含む。例えば、層11は、炭化ケイ素(SiC)またはシリカ(SiO2)から形成されてもよい。金属部分12が基板10に向かって対向する面M2を有するように平行な面を有している。ファブリ・ペロー構造は、次いで、金属部分12、金属部分12によって覆われている層11の部分、および金属部分12と直接並んでいる面Sの部分によって形成される。この面Sの部分は、図1aのファブリ・ペロー構造における金属表面M1の部分と図1bのファブリ・ペロー構造において同じ役割を有するので、M1と表記される。基板10に向いた金属部分12の面は、図1aに類似しているので、M2で示されている。金属部分12の対向するエッジB1及びB2から画定され、面Sに垂直である面の2つの部分は、金属面M1及びM2の部分の間で面Sに平行に伝搬する波動成分の半反射ミラーとして作用して定在波を形成する。この場合も、図1aと同様に、これらの波動成分はO1及びO2と表記されるが、図1aの場合とは異なり、基板10の面Sに対して平行に伝搬する。同様に、波動成分O1およびO2を反射し、エッジB1およびB2から画定される表面の2つの部分は、R1およびR2とも呼ばれ、反射表面の部分と呼ばれる。定在波を形成する波動成分O1及びO2は、金属部12で覆われた層11の部分を伝搬する。層11のこの部分は図1bのファブリ・ペロー構造の内部体積を構成し、Vで示され、そのようなファブリ・ペロー構造の共鳴波長はここでも、構造の内部体積における定在波の経路長によって主に決定され、ここで、式λr≒2・neff・wに対応し、ここで、neffは依然として内部体積Vにおける誘電媒体の実効屈折率であるが、ここで、wは定在波を形成する波動成分O1およびO2の伝播方向における、面Sに並行するこの内部体積の幅を示す。ここで、表面部分R1及びR2は、定在波を入射波Ol及び反射波ORに結合する。なお、ファブリ・ペロー構造の内部体積Vの各辺において、反射面R1、R2の部分を越えて層11が延びる必要はない。これは、この内部体積Vの外側で、空気または任意の他の誘電体材料によって置き換えることができる。このようなファブリ・ペロー構造の共鳴品質係数は、図1bによると、層11の厚さhに依存し、つまり、面Sに対して垂直に測定される内部体積Vの厚さ、および内部体積Vの外側の反射面R1およびR2の近傍に存在する媒体/媒体の厚さに依存する。さらに、厚さhが上限値VL=0.125・λr/neffよりも大きい場合、ファブリ・ペロー構造は入射波Olを受け取るときに0.39よりも大きいエネルギー反射率値を有し、後者は、その波長に対して値λrを有する。この場合、ファブリ・ペロー構造は、OI波およびOR波の伝搬媒体にアンダーカップリングされていると言われる。共鳴波長πrが5.25μm(マイクロメートル)に等しく、実効反射率値neffが約3.155に等しい場合、上限値VL=0.125・λr/neffは実質的に0.208μmに等しい。
本発明は、図1bに従った複数のファブリ・ペロー構造に基づくスペクトルフィルタの形成に関する。
本発明の第1の実施形態は、図2aの1および2で示され、金、銀、アルミニウムなどであってもよい同じ金属支持体10によって担持される2つのファブリ・ペロー構造のグループを含むことができる。2つの構造1および2は、支持体10の面Sおよび各構造の内部体積Vの幅方向に平行な方向Dに沿って、並んでいる。それぞれの構造1(それぞれ2)は誘電体材料11の層上に位置する金属部分121(それぞれ122)を含み、後者はおそらく炭化ケイ素であり、支持体10の面S全体にわたって連続している。しかしながら、層11のこの連続性は必須ではなく、本発明の代替実施形態では、面Sの特定の領域、特に2つの構造1および2の少なくとも一方の内部体積V、またはこれらの構造間の中間空間において層11の組成を変更することが有利であり得る。ファブリ・ペロー構造1および2の各々が図1bによるものであるように、図1bの参照符号R1、R2、M1、M2、B1およびB2は、図2aの各構造1および2に対して同一に当てはまる。2つの金属部分121および122は、各支持体10と同じ金属であってもよい。さらに、以下の表記は、2つの構造1および2の一方または他方に別々に関連する:
λr1:ファブリ・ペロー構造1の個別共鳴波長、
Q1:ファブリ・ペロー構造1の個別共鳴の品質係数、
w1:方向Dに沿った金属部分121の幅、
neff_1:検討されている例では層11によって占められているファブリ・ペロー構造1の内部体積V内の誘電媒体の実効屈折率、
λr2:ファブリ・ペロー構造2の個別共鳴波長、
Q2:ファブリ・ペロー構造2の個別共鳴の品質係数、
w2:方向Dに沿った金属部分122の幅、
neff_2:検討されている例では層11によって占められているファブリ・ペロー構造2の内部体積V内の誘電媒体の実効屈折率、および、
d1−2:金属部分121と122との間の方向Dで測定された2つのファブリ・ペロー構造1と2との間の離隔距離。
実効屈折率neff1およびneff2の定義はこの記述の初めに再言及されたように、従来技術から公知である。この条件では、λr1≒2・neff_1・w1とλr2≒2・neff_2・w2である。Q1およびQ2は特に、層11の厚さh、およびそれぞれの構造1、2の反射面R1およびR2付近の材料によって決定される。図2aに示す実施形態ではhは2つのファブリ・ペロー構造1および2に共通する誘電体材料の厚さであり、換言すれば、h1=h2=hであり、ここでh1およびh2はそれぞれ、ファブリ・ペロー構造1および2の誘電体材料の厚さを表す。しかしながら、本発明の他の実施形態では、2つのファブリ・ペロー構造1および2における誘電材料h1およびh2の厚さが異なっていることが可能である。金属部分121、122の厚さは例えば50nm(ナノメートル)とすることができ、誘電体層11の厚さは例えば280nmとすることができ、これらの厚さは面Sに対して垂直に測定される。
一次元パターンを有する実施形態では、金属部分121および122が図2aの平面に垂直に延在するストリップであってもよく、使用される層11または誘電媒体の関連する部分を有する2つのファブリ・ペロー構造1および2のグループは方向Dに周期的に繰り返されるパターンを形成することができる。分離してこのパターンによって生成される結合共鳴は以下で説明されるが、当業者はパターンの異なった繰り返しに属しながら、面S上の2つの隣接するファブリ・ペロー構造の間に追加の結合が現れ得ることを理解するであろう。
結合共鳴の発生には、以下の4つの状態が必要である。
λr1≠λr2:2つのファブリ・ペロー構造1と2との個々の共鳴の波長の差異は、ストリップ幅w1とw2とに使用される2つの異なる値によって生じることがある。たとえば、w1=400nmおよびw2=495nmである。加えて、又は代替的に、構造1及び2のそれぞれの内部体積Vにおける層11の実効反射率に2つの異なった値を使用することができる(neff_1≠neff_2)。このような屈折率の差異は、2つの構造1および2の間で異なる層11の組成物、ドーピング、または充填比によって得ることができる。あるいは、またはさらなる追加として、各ファブリ・ペロー構造に特有の吸収係数値を使用して、その個別共鳴波長を変化させてもよい。
すなわち、構造1の個別共鳴波長を構成する[πr1・(1−3/Q1);πr1・(1+3/Q1)]と、構造2の個別共鳴波長を構成する[πr2・(1−3/Q2);πr2・(1+3/Q2)]とは重複している。言い換えれば、それらは分離していない。この条件は、それらが十分に近くなるようにπr1及びπr2の値を選択することによって、又はQ1及びQ2の値が十分に低くなるように、パターンの構造パラメータ、特に層11の厚さhを選択することによって満たすことができる。
誘電体材料の層11の厚さhは、2つの上限値VL1=0.125・λr1/neff_1およびVL2=0.125・λr2/neff_2よりも大きく、このことは、2つのファブリ・ペロー構造がOI波の外部伝播媒体にアンダーカップリングされていることを意味し、2つの構造1および2の間の離隔距離d1−2は、以下に詳述するように、特に結合共鳴波長よりも小さい。d1−2は、図2aに示すように、構造1と2とを分離する中間空間I1−2の幅に対応する。
図2aにおいて、C1−2は、ファブリ・ペロー構造1および2の間で生成される結合を示す。
これらの条件下では次いで、2つの追加波が、支持体10の面S上のOl波の反射から生じる波に加えて、2つの構造1および2のセットに入射されるOl波から生じる:
第1の追加波は、OR1と表記され、ファブリ・ペロー構造1から出現し、そのうちの少なくとも1つがファブリ・ペロー構造2の内側で往復を完了した幾つかの波動成分の重ね合わせから生じる。言い換えれば、追加波OR1の振幅は、構造1の内部体積Vと入射波Olが出現する自由空間との間の結合に依存する。さらに、追加波OR1の少なくとも1つの成分は構造2の内部体積V内を伝播し、方向Dと並行してその中で少なくとも1往復を完了し、次いで、構造2から構造1までの中間空間I1−2を横切り、その後、構造1によって自由空間内に再送信される。
追加波OR1を形成することにも寄与し得る追加波成分は、2つの構造1および2の内部体積V内の連続する往復の任意の組合せを完了し、構造1または2のうちの1つの内部体積V内の往復と、他方の構造の内部体積V内の往復との間のそれぞれの通路で、それぞれが構造1によって自由空間に再送される前に、中間空間I1−2を横切って進むことができる。
第2の追加波は、OR2と表記され、ファブリ・ペロー構造2から出現し、そのうちの少なくとも1つがファブリ・ペロー構造1の内側で往復を完了した幾つかの他の波動成分の重ね合わせから生じる。
言い換えれば、追加波OR2の振幅は、構造2の内部体積Vと入射波Olが出現する自由空間との間の結合に依存する。さらに、追加波OR2の少なくとも1つの成分は構造1の内部体積V内を伝播し、方向Dと並行してその中で少なくとも1往復を完了し、次いで、構造1から構造2までの中間空間I1−2を横切り、その後、構造2によって自由空間内に再送信される。
追加波OR1のケースと同様に、追加波OR2の形成にも寄与し得る他の追加波動成分は、構造1または2の一方の内部体積V内の往復と他方の構造の内部体積V内の往復との間の各通路で中間空間I1−2を横切って進み、その後、各1つが構造2によって自由空間内で再送信される、2つの構造1および2の内部体積V内の任意の組合せの往復を完了し得る。
2つの追加波OR1とOR2は、ファブリ・ペロー構造1と2の間の連結C1−2によるものである。そして、OI波の波長の特定の値について、支持体10の面S上でのOI波の反射から生じる波、第1の追加波OR1、及び第2の追加波OR2は、反射波ORを形成するために寄与する構造的な干渉を形成する。図2bのダイアグラムは、ファブリ・ペロー構造1のみを備えた第1の支持体10(曲線FP1とラベル付けされ、w1=400nmに対応する)、ファブリ・ペロー構造2のみを備えた第2の支持体10(曲線FP2とラベル付けされ、w2=495nmに対応する)、および交互のファブリ・ペロー構造1および2を備えた第3の支持体10(曲線FP1−2とラベル付けされ、図2aに対応する)についてそれぞれ測定されたスペクトル反射率曲線を比較する。3つの場合の入射角の値はいずれも10°(度)であり、OR波の反射角の値に等しく、かつ入射波Olは金属部分121及び122を構成するストリップ状体の長手方向に平行な磁場で直線的に偏波されている。3つのすべての場合において、支持体10は200nmの厚さを有する金であり、金属部分も50nmの厚さを有する金であり、層11は、280nmの厚さを有する炭化ケイ素で連続的であり均一である。w1とw2の値は上記のものであり、ストリップ間の分離距離は3つのケースすべてで437nmに等しい。これらの条件下で、ファブリ・ペロー構造1の個別共鳴は、λr1≒4.65μmおよび0.80より大きい最小スペクトル反射率値(曲線FP1を参照のこと)の特性を有する。ファブリ・ペロー構造2の個別共鳴は、λr2≒5.25μmおよび0.80以上である最小スペクトル反射率値(曲線FP2を参照のこと)の他の特性を有する。層11の厚さhの280nmの値は、2つの制限値VL1=0.125・λr1/neff_1およびVL2=0.125・λr2/neff_2(上述の実施形態ではn=neff_2)よりも大きく、184nmおよび208nmと等しく、2つのファブリ・ペロー構造1および2が外部伝搬媒体とのアンダーカップリングの状態でそれぞれ使用されることを保証する。構造1と2との結合によってもたらされる追加の共鳴は、入射波OIの波長が4.23μmの値を有する場合に現れる(曲線FP1−2参照)。これは、λr1−2と表される結合共鳴波長である。スペクトル反射率の関連する最小値は約0.13であり、結合共鳴に関連する品質係数Q1−2の22の値に対応する。次いで、構造1及び2を有する図2aの支持体10は、反射において有効なスペクトルフィルタを形成する。この第1の実施形態では、2つのファブリ・ペロー構造1及び2によって形成されるパターンの空間的繰り返し周期の値は1770nmである。
通常、2つのファブリ・ペロー構造1と2の間の結合が結合共鳴を生成するのに充分であるためには、分離距離d1−2は結合共鳴波長πr1−2の値より小さくなければならない。本例では、d1−2はほぼ437nmに等しい。
幅w1、w2および分離距離d1−2を除いて、すべてが同一の値および組成物であるときにおいて、w1=495nm、w2=600nm、およびd1−2=337nmのとき、結合共鳴波長λr1−2は4.61μmに等しくなる。次いで、入射波Olの波長がλr1−2に等しい値に得られる最小反射率は約0.21である。従って、金属ストリップの幅値を適切に選択することにより、結合共鳴波長を所望の値に調整することができる。
図3のダイアグラムは、図2a及び図2bの実施形態と比較して、層11の厚さhを変更することから生じる結合共鳴の品質係数Q1−2の変化(実線)を示している。層11について、厚み上限値VL2=max(VL1;VL2)=約0.208μmを超えると、結合共鳴の品質係数Q1−2の値が連続的に増加し、層11の厚さhが800nmの値の場合、約250に達する。したがって、層11の厚さhを適切に選択することにより、結合共鳴に関連する分光反射率の最小の幅および深さを調整することが可能になる。比較のために、図3には、層11の厚さhが変動し、かつ金属部分12を形成するストリップの幅wが一定で495ナノメートルに等しい場合(点線)、単一のファブリ・ペロー構造の個別共鳴の品質係数Q1の変動も示されている。個別共鳴の品質係数Q1は層11の厚さhの減少関数であり、結合共鳴の品質係数Q1−2はこの厚さhの増加関数である。
図4のダイアグラムの横軸は入射波Olの波長値を特定し、縦軸は誘電体材料の層11の厚さhの値を特定し、第3の寸法は、図の右側に配置されたグレーの濃淡のスケールによって示され、厚さhだけが変化する場合の、図2aおよび2bの空間フィルタのエネルギー反射率値を特定する。3波干渉によって生じる結合共鳴は、厚さhがVL2=max(VL1;VL2)=約0.208μmより大きいときに存在し、品質係数Q1−2の高い値に対応して狭いエネルギー反射率最小値と関連している。厚さhがこの上限値よりも小さい場合、2つの別個の共鳴が見え、これはファブリ・ペロー構造1および2のそれぞれの個別共鳴に対応する。ダイアグラムのこの部分に見られる共鳴波長値λr1およびλr2の変動は、層11の誘電体の実効屈折率のスペクトル変動によるものである。上記で引用された「分光放射率工学のためのプラズモニックナノアンテナ」M.Makhsiyan et al、Proc of SPIE、Vol 9502, 2015、と題する記事に記載されているスペクトルフィルタは、誘電体層の厚さhがmax(VL1;VL2)未満であり、3波干渉による結合共鳴が存在しない場合に対応する。次に得られるエネルギー反射率スペクトルは、2つのファブリ・ペロー構造のそれぞれの個別共鳴スペクトルの積に実質的に等しい。
図5aの実施形態では、ファブリ・ペロー構造の各グループが1、2、および3で示される3つの構造を含む。これら3つのファブリ・ペロー構造のそれぞれの金属部分は、共通の長手方向が図の平面に対してやはり垂直である平行なストリップの形態で、121、122、および123で参照されている。それぞれの幅値はw1=405nm、w2=500nm、w3=600nmであり、3つのファブリ・ペロー構造1、2、3によって形成されるパターンの空間的反復周期は2540nmである。d1−2は、中間空間I1−2間の構造1と2の分離距離で、たとえば約300nmに等しく、d2−3は中間空間I2−3間の構造2と3の分離距離であり、たとえばやはり300nmに等しくなる。C1−2はファブリ・ペロー構造1と2の間の結果的な結合を指定し、C2−3は、ファブリ・ペロー構造2と3の間の結合を指定する。3つの金属部分121、122、および123は支持体10と同じ金属であってもよく、したがって、誘電体材料の実効屈折率の値は3つのファブリ・ペロー構造1、2、および3について同じである。
図5bのダイアグラムは、ファブリ・ペロー構造1のみを備えた第1の支持体10(曲線FP1とラベル付けされ、w1=405nmに対応する)、ファブリ・ペロー構造2のみを備えた第2の支持体10(曲線FP2とラベル付けされ、w2=500nmに対応する)、ファブリ・ペロー構造3のみを備えた第3の支持体10(曲線FP3とラベル付けされ、w3=600nmに対応する)、および交互のファブリ・ペロー構造1、2、および3を備えた支持体10(曲線FP1−2−3とラベル付けされ、図5aに対応する)についてそれぞれ測定されたスペクトル反射率曲線を示す。入射波OIの偏波及び入射条件は、図2(b)の図と同様である。個別共鳴波長値は構造体1(曲線FP1を参照)はπr1≒4.5μm、構造体2(曲線FP2を参照)はπr2≒5.2μm、構造体3(曲線FP3を参照)はπr3≒6.0μmであり、これら3つの個別共鳴に対して0.80より大きい反射率の最小値を持つ。すなわち、層11の厚さhが、0.125・λr1/neff、0.125・λr2/neff、および0.125・λr3/neffの3つの上限値よりも大きくなければならないという状態が満たされている。パターンが3つのファブリ・ペロー構造1、2、および3のグループによって形成される図5aのフィルタは、次いで、2つの結合共鳴を有する(曲線FP1−2−3参照)。すなわち、波長値λr1−2に対する第1の結合共鳴≒4.43μmであり、第1の品質係数値Q1−2が15に等しく、波長値λr2−3に対する第2の結合共鳴≒5.12μmであり、第2の品質係数値Q2−3は11に等しい。λr1−2とQ1−2に対応する第1の結合共鳴は中間空間I1−2を通るストリップ1と2の間の結合C1−2から来ており、πr2−3とQ2−3に対応する第2の結合共鳴は中間空間I2−3を通るストリップ2と3の間の結合C2−3から来ている。構造1および3は、連続パターンの一部であることによって近接している場合であっても、それらの個々の共鳴波長値が離れすぎているため、互いに結合されない。
図6には、本発明の別の実施形態を示し、D1およびD2で示されているパターンの2方向の変動を伴う。例えば、方向D1及びD2に平行な2×2マトリックスに配列された4つのファブリ・ペロー構造1〜4のグループを、これらの2方向に周期的に再生されるパターンとして使用することができる。それぞれのファブリ・ペロー構造1〜4は誘電体材料11の層上に配置された金属層121〜124のそれぞれの部分によって識別することができ、後者は金属支持体10の面S上にある。ファブリ・ペロー構造1〜4の少なくとも2つは、例えば、金属層121−124の部分の寸法が異なっている。例えば、しかし非限定的な方法で、金属層の一部121−124の各部は、2200nmに等しくてもよい方向D1およびD2におけるパターンの繰り返し周期に対して、640nm、680nm、780nm、および840nmの値から辺長が選択される正方形であってもよい。隣接するファブリ・ペロー構造間の中間空間は、構造1と2との間のI1−2、構造2と3との間のI2−3、構造3と4との間のI3−4、および構造4と1との間のI4−1である。次に、部分121〜124の側部の長さおよびそれらの間の中間空間の幅を修正することによって、結合共鳴波長の値、ならびにそれらに関連する品質係数およびスペクトル反射率最小値の値を調整することができる。一般に、結合共鳴は、パターン中のファブリ・ペロー構造の各対に別々に関連している。しかしながら、これらのファブリ・ペロー構造の2つが互いに離れすぎている個別共鳴波長値を有する場合、これらの2つの構造は互いに結合しない。特に、2×2行列の同じ対角線上にある二つの構造がこの理由のために互いに結合しないように、パターンの2×2行列に四つのファブリ・ペロー構造を分布させることが可能である。
2×2マトリックス内のファブリ・ペロー構造の分布を有することもできる他の実施形態では、金属層の一部が、入射波O1の2つの実効直交偏波間のフィルタに望まれる反応の差異に応じて、面Sに並行する長方形、円形、楕円形、十字形、L字形などの形状を有することができる。当業者は、入射波OIの偏波に対するフィルタの所望の選択性に従って、これらの形状をどのように選択するかを知っている。同様に、本説明から、当業者は、ファブリ・ペロー構造間の分離距離がOI波の偏波に対するフィルタの選択性に及ぼす影響を考慮することができる。さらに、中間空間I1−2、I2−3、I3−4、およびI4−1における層11の組成物および材料は、2つの隣接するファブリ・ペロー構造間の結合を調整するために変化させることができる。
概して、上述した本発明の実施形態が与えられると、当業者は、本発明によるフィルタがパターンを形成する構造の数や、このパターンにおけるそれらの配置に関して、制限なく、いくつかのファブリ・ペロー構造の任意のパターンを繰り返すことによって形成され得ることを理解するであろう。条件は、これらのファブリ・ペロー構造のうちの少なくとも2つが、図1bによる組成物を有しながら結合されることである。これに起因する多数の自由度により、スペクトル応答プロファイルが任意の仕様に対応するフィルタをオンデマンドで設計することが可能になる。
ここで、本発明によるフィルタを設計する経験上の方法を説明する。この場合、スペクトル応答プロファイルは、カットオフスペクトルドメインと窓付きスペクトルドメインとの間の制御された遷移を含む。そのためには、フィルタが、少なくとも1つのファブリ・ペロー共鳴器と、上述のように結合された幾つかのファブリ・ペロー構造の少なくとも1つのグループとの間の関連であってもよい。ファブリ・ペロー共鳴器は次いで、その結合共鳴に使用される結合ファブリ・ペロー構造とは対照的に、その個別共鳴のためにフィルタ内で使用される追加のファブリ・ペロー構造を意味すると理解される。一般に、ファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴のスペクトルプロファイルは、本発明に従って結合された2つのファブリ・ペロー構造の結合共鳴のスペクトルプロファイルよりも、波長軸上で広い。しかしながら、フィルタのスペクトルプロファイルは、全ての共鳴−個別又は結合−によって引き起こされるエネルギー吸収の付加的な組み合わせから生じる。そして、結合されたファブリ・ペロー構造およびファブリ・ペロー共鳴器のそれぞれのパラメータを調整することによって、入射波Olの波長軸上に、ファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴の1つの側と少なくとも1つの結合共鳴とを重ね合わせることが可能である。言い換えると、λr1−2で表される結合共鳴のスペクトルの値は、λr0とは異なってもよいが、[λr0・(1−10/Q0);λr0・(1+10/Q0)]の範囲内である。ここで、λr0とQ0はそれぞれファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴に対する共鳴波長の値と品質係数の値である。このように、結合された構造は、結合共鳴の品質係数がファブリ・ペロー共鳴器の品質係数よりも大きいか、またはるかに大きい場合に、ファブリ・ペロー共鳴器のスペクトルプロファイルを局所的に修正することを可能にする。説明図として、図7aのダイアグラムは、図5aに従って結合されたファブリ・ペロー共鳴器と、3つのファブリ・ペロー構造とを組み合わせたこのようなフィルタの反射におけるスペクトル応答を示す。この実施例ではファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴波長λr0がおよそ3.39μmに等しく、対応する品質係数Q0に対して20の値を持ち、第1の結合共鳴波長πr1−2は、およそ3.26μmに等しく、対応する品質係数Q1−2に対して60の値を持ち、第2の結合共鳴波長πr2−3はまた、およそ3.50μに等しく、対応する品質係数Q2−3に対して60の値を持つ。
図7bは、そのようなフィルタのパターンを示す。このパターンは、支持体10の一部、層11の一部、および図5aのファブリ・ペロー構造1〜3と、それぞれの金属部分121、122、および123とを含む。さらに、少なくとも1つの追加のファブリ・ペロー共鳴器を備え、これらの共鳴器は例えば構造1〜3のうちの1つ上に、例えば構造2上に積み重ねることができる。この追加の共鳴器は、参照符号R0で示されており、好ましくは、図1bを参照して説明したタイプのものであってもよい。このケースでは、金属層12の一部分に配置された追加の誘電体材料110のストリップと、この誘電体材料ストリップ110に配置された追加の金属層122の一部分とによって形成されてもよい。従って、金属部分122は、このファブリ・ペロー共鳴器R0とファブリ・ペロー構造2との間で共有される。ストリップ110は、やはりシリコンカーバイドで作られてもよく、部分120は、やはり金で作られてもよい。図7bの横方向は、部分121、122、123、および120を形成するストリップの幅、ならびにそれらの間の分離距離を識別するために、xとラベルされた空間寸法軸を有する。図7bの上下方向は、層11、121、122、123、および120の厚さを識別するための、ならびに追加の誘電体材料11のストリップの厚さを識別するための、zとラベル付けされた別の空間寸法軸を有する。このパターンは、層11によって覆われた支持体10の面S上で方向Dに沿って周期的に繰り返され、フィルタを形成する。図7aの実施形態では、追加の誘電体材料110のストリップの厚さh0は約80nmであり、方向Dに沿った金属層120の一部の幅は約450nmである。
当業者であれば、図7aのものよりも精巧なスペクトル・フィルタリング・プロファイル、特に多かれ少なかれ矩形形状を有するスペクトル・フィルタリング・プロファイルが、3つよりも多い構造を有するファブリ・ペロー構造のパターンを使用することによって、本発明に従って得ることができることを理解するであろう。
このようなフィルタは、当業者に周知の実施形態に従って、特に画像化および分光法において、多くの用途を有することができる。
さらなる用途は、電磁放射線の選択的熱放射であり得る。これを達成するために、フィルタは、加熱されるか、または加熱される材料のブロックに適用されてもよい。次いで、電磁放射線の放出が生じ、そのスペクトルはフィルタのスペクトル選択ウィンドウ内に制限され、発光強度はフィルタの温度に依存する。
最後に、本発明は、上記で詳細に説明した実施形態の多数の第2の態様を修正することによって実施することができることを理解されたい。特に、これらの記載された実施形態は、反射において効率的なフィルタリング機能のために設計されている。本発明を、伝送において効率的なフィルタリング関数を生成するように適合された実施形態に適用することが可能である。最後に、記載された全ての数値は単に例示の目的のために提供されたものであり、各フィルタのために意図された用途に修正することができる。
本発明の前に知られているタイプのファブリ・ペロー構造の断面図である。
本発明の前に知られているタイプのファブリ・ペロー構造の断面図である。
グループ当たり2つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第1の実施形態の断面図である。
図2aの本発明の実施形態について得られた反射率図である。
ファブリ・ペロー構造の個別共鳴および結合共鳴に関する品質係数の変動を示す図である。
図2aによる本発明の実施形態について、誘電体材料の厚さの関数としての反射率スペクトルの展開を示す3次元図である。
図2aに対応し、グループ当たり3つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第2の実施形態である。
図2bに対応し、グループ当たり3つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第2の実施形態である。
グループごとに4つのファブリ・ペロー構造を有する、本発明の第3の実施形態の斜視図である。
本発明の改良によるフィルタのスペクトル選択性図である。
図7aのフィルタの断面図である。