JP2023523158A - 電磁放射線の操作 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023523158000001
本開示は、電磁放射線を操作するための光電子デバイスに関する。材料の制約、システム複雑性、及び調整速度等の従来のシステムの欠点は、基板（２）上に配置された少なくとも１つの調整構造（４）を伴う基板（２）を含む光電子デバイス（１）によって克服され、調整構造（４）は電気光学材料を含む。調整構造（４）は第１の電気接点（７）及び第２の電気接点（８）を含む。カバー層（１０）は、少なくとも１つの整調構造（４）を覆う。光学構造（１２）はカバー層（１０）上に配置される。電圧源（１５）は、第１の電気接点（７）及び第２の電気接点（８）に電気的に接続され、少なくとも１つの調整構造（４）内に電場を生成するために設けられる。
【選択図】図１

Description

本開示は、電磁放射線を操作するための光電子デバイスと、光電子デバイスを備える電子システムとに関する。
エンジニアは、多くの方法で光学素子の調整機能を実現してきた。当技術は、大きく２つのグループ、すなわち、機械駆動及び電気駆動のタイプのものに分けることができる。前者のグループはＭＥＭＳデバイスである。これらの手法は、例えば、レンズ及び／または位相板の相対位置を変更することによってレンズシステムの焦点距離を調整するために、顕微鏡スケールで既知の巨視的ソリューションを複製しようとする。この手法の利点は、概念がすぐに利用可能であり、光学素子に組み込まれている複雑さが少ないことを証明しているが、そのようなデバイスは不利に（ｋＨｚ範囲で）遅く、アクチュエーター及び製造プロセスはかなり複雑である。
電気的に駆動されるソリューションは、さらに２つのサブグループに分けることができる。２つのサブグループとして、すなわち、光学素子自体が制御される電気ゲーティングと、光学素子が埋め込まれた媒体を制御する媒体変調が挙げられる。液晶は後者の具体例である。レンズが液晶に浸されている場合、所定の方法で媒体全体に電位を印加することによって、レンズの焦点距離を調整できる。プロセスの複雑さの軽減は、この方式の最も強力な側面である。しかしながら、速度（液晶はＨｚ範囲で反応する）及び動作上の柔軟性に欠けている。いくつかの液晶は６０℃よりも高い温度では動作できない。
電気ゲーティング手法では、電場を印加して材料の光学特性（例えば、屈折率）を局所的に変更し、適切な設計により、光学素子を実装できる。電気ゲーティングは、多くの場合、メタ表面と組み合わせて実施される。これは、電気光学材料を使用してメタ表面を設計し、適切な方法でメタ表面上に配置される電気接続を介して電気的に刺激する方法である。この手法の利点として、高度な統合、プロセスの複雑さの軽減、高速性、及び信頼性が挙げられる。しかしながら、この最先端の手法の欠点は、光学機能が単一要素で調整機能と組み合わされることであり、メタ表面を作成するための光学的複雑さ及び材料の制約が高くなる。この設計の複雑さにより、コストが増加するだけでなく、この技術の実装を完全に止めない場合、進行が妨げられる。
本発明の目的は、効率的に動作できる電磁放射線を操作するための光電子デバイスを提供することである。
この目的は、独立請求項による光電子デバイスによって実現される。複数の実施形態は、従属請求項から派生する。
ある実施形態では、光電子デバイスは、主延長面を有する基板を備える。基板は主表面及び背面を有する。背面は主表面とは反対側に面している。基板は対象の電磁放射線に対して透過的である。ここでは、そして、以下の「透過的」とは、少なくとも８０％または少なくとも９０％の透過度を指す。一実施形態では、基板は、半導体材料、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、またはガリウム砒素（ＧａＡｓ）を含む。別の実施形態では、基板はガラスを含む。
少なくとも１つの調整構造は、基板の主表面上に配置される。これは、調整構造の背面が基板の主表面に面していることを意味する。調整構造は、電気光学材料を含む。いくつかの実施形態では、調整構造は固体無機材料を含む。例えば、調整構造は強誘電体材料を含む。有利には、液晶、ポリマー、または同様の材料を使用する必要がない。強誘電体材料等の固体無機材料は、ＣＭＯＳ技術で容易に製造及び統合でき、例えば、液晶よりも信頼性が高くなる。
調整構造は、対象の電磁放射線に対して透過的である。調整構造は電気的に絶縁されている。例えば、調整構造は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ［ＺｒｘＴｉ１－ｘ］Ｏ３）、またはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）を含む。少なくとも１つの調整構造は、横方向に延在し、基板の主延長面と平行に延びる。基板の主延長面に対して垂直に延びる横断方向において、調整構造は厚みを有する。例えば、調整構造の厚さは、少なくとも２００ｎｍ、最大で２μｍである。別の実施形態では、調整構造の厚さは、少なくとも３００ｎｍ、最大で１μｍである。
少なくとも１つの調整構造は、調整構造の第１の側にある第１の電気接点と、調整構造の第２の側にある第２の電気接点とを含む。調整構造の第１の側及び第２の側は離されている。これは、第１の側及び第２の側が互いに直接物理的に接触していないことを意味する。第１の電気接点及び第２の電気接点は、残りの調整構造とは異なる材料を含む。第１の電気接点及び第２の電気接点は導電性材料を含む。例えば、第１の電気接点及び第２の電気接点は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ドープされたポリシリコンまたは金属を含む。各々、電気接点の材料が残りの調整構造の材料と直接物理的に接触している、調整構造の第１の側及び第２の側の領域は接触エリアを形成する。
カバー層は、少なくとも１つの調整構造をカバーする。これは、調整構造が基板及びカバー層によって埋め込まれていることを意味する。カバー層は、基板に面する調整構造の背面とは反対側にある調整構造の上面を覆う。カバー層は、さらに、基板の主延長面に対して垂直または横方向にある調整構造の側面をカバーし得る。しかしながら、調整構造の第１の電気接点及び第２の電気接点はそれでもアクセス可能であり得る。ある実施形態では、カバー層は、基板の材料とは異なる材料を含む。しかしながら、別の実施形態では、カバー層は基板と同じ材料を含む。例えば、カバー層はＳｉＯ２を含む。
光学構造はカバー層上に配置される。横断方向において、光学構造は、少なくとも１つの調整構造の上に配置される。これは、カバー層が光学構造と少なくとも１つの調整構造との間に配置されることを意味する。光学構造は、横方向に延在する層によって形成される。横断方向において、光学構造は厚みを有する。例えば、光学構造の厚さは、少なくとも２００ｎｍ、最大で２μｍである。別の実施形態では、光学構造の厚さは、少なくとも３００ｎｍ、最大で１μｍである。
一実施形態では、光学構造は、基板の主延長面と平行に延びる平面を有する。しかしながら、別の実施形態では、光学構造は曲面を有する。光学構造は、また、パターンを形成する構造物表面を有し得る。これは、カバー層とは反対側に面している光学構造の側面が凹部を有し得ることを意味する。一実施形態では、カバー層の一部が露出するように、凹部が光学構造の厚さ全体にわたって延在する。これは、光学構造の一部が互いに離され得ることを意味する。例えば、光学構造は、結晶シリコン（Ｓｉ）、アモルファスシリコン（ａＳｉ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ４）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、またはアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）を含む。
光電子デバイスは、さらに、第１の電気接点及び第２の電気接点に電気的に接続される電圧源を備える。任意の従来の電圧源を使用し得る。一実施形態では、電圧源は基板に統合される。別の実施形態では、電圧源は外部電圧源である。電圧源は、第１の電気接点及び第２の電気接点に直接接続され得る。しかしながら、導電性ワイヤを介した接続も可能である。電圧源は、少なくとも１つの調整構造内に電場を生成するために設けられる。これは、第１の電気接点と第２の電気接点との間に電位差を確立することによって実現される。調整構造が電気的に絶縁されているため、電場は調整構造全体にわたって確立される。少なくとも１つの調整構造内の電場は、時間とともに可変であり得る。さらに、２つ以上の調整構造が存在する場合、電場は調整構造の少なくとも２つにおいて異なり得る。これは、調整構造に異なる電位差をかけることによって実現できる。
従来の手法では、電気ゲーティングの調整機能について、電気光学材料の有効性によって課せられた厳しい光学設計上の制約に悩まされている。この欠点は、光学的機能（例えば、レンズ機能）を調整機構と組み合わせて単一要素にしようとする試みから生じると考えられている。
この開示で与えられた提案は、両方の機能を有利に分離し、さらに、高度な統合を維持することである。これは、上記に説明した層ベースのシステムによって実現され、光伝搬方向の第１の層は、電気駆動による調整機能用に設計される調整構造である。「光」という用語は、赤外線放射、近赤外線放射、及び可視光を含む一般的な電磁放射線を指し得る。続いて、光学機能を備えた層（光学構造）は調整構造の上にある。光学構造は独立型要素であり、調整構造がなくても適切に機能する。
調整構造は完全に調整専用であり、光学機能及び調整機能が離れている。調整構造は、それを通過する光を局所的に遅延させるタスクがある。この局所的遅延は、特定の光学構造に合わせて設計できる。これにより、光学構造は、従来の手法のように調整可能に適した材料によって制約されない。代わりに、光学構造に使用されたものとは異なる材料を使用できる調整専用の要素として調整構造が導入される。
さらに、光学構造は所与の入力であり、現在の技術の場合のように調整構造と同時に設計する必要がないため、調整機能を導入するための設計の複雑さが大幅に減少する。対照的に、光学構造のいずれかの既に利用可能な設計を使用できるため、実装コスト及び時間が削減される。調整構造が電磁放射線の入力波面を修正するため、この修正された波面が光学構造を通過するとき、結果について、光学構造の元の目標の偏差が制御されたものになる。
光電子デバイスのさらなる実施形態では、調整構造の少なくとも１つの光学特性は、各々の電場を印加することによって変更される。電場は、電圧源によって生成され、電気接点を介して調整構造に印加される電位差によって確立される。変更される光学特性は、例えば、調整構造に使用された材料の屈折率または光吸収である。特に、光学特性はポッケルス効果によって変化する。ポッケルス効果により、調整構造に使用された材料の屈折率は、印加された電場に線形比例して変化する。一実施形態では、調整構造が電気双極子運動量を有する強誘電体材料を含む場合、電場を印加すると、強誘電体材料の自発分極の方向の変化をもたらす。次に、これは、材料の誘電率の変化ももたらし、材料を伝播する電磁放射線の位相速度に結合される。
電位を印加するだけで調整構造に使用された材料の光学特性を変化させることは、調整構造を通過する電磁放射線を制御できることを意味する。有利には、調整可能なレンズまたはプリズム等の光学的にアクティブなデバイスを作成できる。
光電子デバイスのさらなる実施形態では、光学構造は、それぞれが、操作される電磁放射線の波長よりも小さい構造要素を含む。構造要素は、光学構造の構造物表面を形成する。例えば、構造要素は、光学構造の表面上にパターンを形成する。構造要素のサイズは、各方向において操作される電磁放射線の波長よりも小さくなり得る。特に横方向において、構造要素のサイズは波長よりも小さい。これは、操作される電磁放射線が赤外線範囲にある場合、光学構造の構造要素は５０μｍよりも小さくなり得ることを意味する。操作される電磁放射線が赤外線範囲にある場合、光学構造の構造要素は７８０ｎｍよりも小さくなり得る。操作される電磁放射線が可視スペクトル内にある場合、光学構造の構造要素をさらに小さくなり得る。
上面図では、構造要素の形状は任意であり、用途によって決まる。上面図は、横断方向において基板とは反対側に面している光学構造の側面からの光電子デバイスの図を指す。上面図の構造要素の形状は、電磁放射線が所望の方法で光学構造と相互作用するように設計される。電磁放射線の相互作用は、回折、屈折、位相遅延等によって発生する可能性がある。
有利には、電磁放射線の波長よりも小さい構造要素を含む光学構造により、振幅、位相、分散、運動量、及び偏光に関して光特性を完全に制御することが可能である。構造要素の正確な形状、ジオメトリ、サイズ、向き、及び配置により、波をブロック、吸収、増強、または曲げることによって、様々な方法で電磁波を操作することが可能な特性が与えられる。そのような光学構造により、例えば、サブ波長グレーティング、偏光子、バイナリレンズ等の多様な光学素子を製造できる。
光電子デバイスのさらなる実施形態では、光学構造はメタマテリアルを含む。メタマテリアルは、自然発生の材料には見られない特性を有するように設計された材料である。これは、電磁波の伝播特性が動作波長よりもはるかに小さい特徴サイズを有するこれらの材料の構造によって主に定義される材料によって実現できる。これは、メタマテリアルが構成要素の特性からではなく、設計された構造及び形状から特性を導出することを意味する。別の実施形態では、光学構造はメタ表面を含む。メタ表面は、メタマテリアルの２次元の等価物であり、非常に薄い層の離散的なサブ波長構造で構成される。
有利には、メタマテリアル及びメタ表面は、バルク材では観察されない方法で電磁放射線の波に影響を与える可能性がある。例えば、メタマテリアルは、複素屈折率の負の実部を有し得る。メタマテリアルまたはメタ表面を含む光学構造により、光電子デバイス内の電磁放射線の伝播を完全に制御することが可能である。
光電子デバイスのさらなる実施形態では、光学構造は、レンズ、回折格子、ゾーンプレート、位相板、ホログラフィックプレート、及び拡散板を含むグループの１つの要素を形成する。レンズが光学構造によって形成される場合、レンズは、例えば、屈折レンズ、フレネルレンズ、またはマイクロレンズ等の任意の従来のレンズであり得る。これは、レンズを形成する光学構造が曲面を有し得ることを意味する。しかしながら、別の実施形態では、レンズはバイナリレンズである。これは、光学構造が、パターンを形成する構造物表面を有することを意味する。これは、カバー層とは反対側に面している光学構造の側面が凹部を有し得ることを意味する。他の実施形態では、光学構造は、回折格子、ゾーンプレート、またはホログラフィックプレートを形成する。これは、光学構造が構造物表面を伴う層によって形成されることを意味する。カバー層とは反対側に面している光学構造の側面が凹部を有し得る。これらの凹部は、規則的または不規則なパターンを形成し得る。光学構造が位相板または拡散板を形成する場合、光学構造の表面は、基板の主延長面に平行であり得る。
有利には、光学構造は、任意の所望の光学素子を形成できる。このように、光電子デバイスは、例えば、ビーム成形、ビームステアリング、またはホログラフィの用途のような複数の用途に使用できる。
光電子デバイスのさらなる実施形態では、光学構造は、焦点距離、偏向角、位相遅延、光偏光、及びパターン投影を含むグループの要素である目標仕様を含む。光学構造の目標仕様は、少なくとも１つの調整構造内の電場を制御することによって変更される。光学構造は、独立型光学素子である。これは、光学構造が、調整構造、または調整構造に印加された電場とは独立した目標仕様を含むことを意味する。例えば、光学構造は、入射電磁放射線を集束、偏向、または拡散するために提供される。他の実施形態では、入射電磁放射線を遅延または偏光させるために光学構造が提供される。さらに他の実施形態では、光学構造は、入射電磁放射線を使用して、分析される対象物に光パターンを投影するために、すなわち、構造化された光を生成するために提供される。しかしながら、調整構造に電場を印加することによって、光学構造の目標仕様が変更される。これは、調整構造が電磁放射線の入力波面を修正するためであり、その結果、この修正された波面が光学構造を通過するとき、結果について、光学構造の元の目標仕様との偏差が制御されたものになる。例えば、調整構造は、それを通過する光を局所的に遅延させる。この局所的遅延は、特定の光学構造に合わせて設計できる。電場を印加及び／または変更すると、光学構造の２つ以上の目標仕様にも影響を与える可能性がある。
有利には、光学構造の目標仕様を動的に変更できる。これは、例えば、検出対象の物体が動作中に移動するカメラ用途で役立つ。したがって、焦点の変更が可能である。これは、さらに、走査用途のように、放射光が異なる方向に向けられる発光システムに役立つ。その上、光学構造の目標仕様の調整機能により、光電子デバイスを較正でき、製造変動を補償できる。
光電子デバイスのさらなる実施形態では、上面図で、調整構造は円周部を含む。これは、調整構造の円周部をリングとして、もしくはフレームとして、またはリングもしくはフレームの一部として形成できることを意味する。上面図では、円周部は、調整構造がない内側領域を囲んでいる。円周部は、連続的または不連続的であり得る。後者の場合、円周部にギャップがあり得る。これは、円周部が分割リングを形成できることを意味する。有利には、調整構造の円周部の形状は、それを通過する電磁放射線を局所的に操作することを可能にする。
光電子デバイスのさらなる実施形態では、上面図で、少なくとも１つの別の調整構造は、少なくとも１つの別の円周部を含み、少なくとも１つの別の円周部は、横方向において円周部を囲む。これは、少なくとも１つの別の円周部が円周部よりも大きい直径を有することを意味する。別の調整構造は、サイズを除いて調整構造と同じ設定または特性を有し得る。ある実施形態では、光電子デバイスは複数の調整構造を含む。複数の調整構造は、それぞれ、少なくとも１つの別の円周部を含む。しかしながら、複数の調整構造は、それぞれ、２つ以上の別の円周部も含み得る。異なる調整構造の後ろに位置する別の円周部の直径は増加できる。これは、後ろに位置する別の円周部が横方向に前に位置する別の円周部を囲むことができることを意味する。しかしながら、別の円周部は互いに隣り合わせて配置され得るため、これらの円周部は、もう１つの別の円周部がない各々の内側領域を囲む。少なくとも１つの別の円周部は、連続的または不連続的であり得る。後者の場合、別の円周部にギャップがあり得る。これは、別の円周部が分割リングを形成できることを意味する。別の円周部の量及びそれらの互いに対する正確な配置は、所望の調整範囲に依存する。
有利には、調整構造、または調整構造の一部は、空間的に局所化された調整構造を個々に調整できるように、リングまたはフレームとして配置できる。これにより、例えば、調整可能なレンズとして、異なる適用シナリオで光電子デバイスを使用することが可能である。
さらなる実施形態では、光電子デバイスは、調整構造のアレイを形成する複数の調整構造を含む。調整構造のアレイは、規則的または不規則なグリッドを形成できる。上面図では、調整構造のアレイの要素である各調整構造は、長方形の形状を有し得る。しかしながら、各々の調整構造の多角形または円形も可能である。調整構造の量及び互いに対して正確な配置は、所望の調整範囲によって決まる。
有利には、調整構造は、空間的に局所化された調整構造を個々に調整できるように、アレイまたはマトリックスとして配置できる。これにより、例えば、ビームステアリング用途及びホログラフィで、異なる適用シナリオで光電子デバイスを使用することが可能である。
光電子デバイスのさらなる実施形態では、第１の電気接点及び第２の電気接点は、調整構造の各々の側面に配置される。調整構造の側面は、基板の主延長面に対して垂直または横方向に延びる。電気接点の材料が残りの調整構造の材料と直接物理的に接触している側面の領域は、接触エリアを形成する。これは、接触エリアが調整構造の各々の側面に配置されることを意味する。第１電気接点と第２電気接点との間の電位差は、調整構造内に電場をもたらし、その方向は、接触エリアの正確な場所及び電位差の符号に依存する。
この配置により、調整構造内の電場を基板の主延長面と平行に向けることが有利に可能である。電場の強さ及び向きは、調整構造の光学特性に影響を与える。
光電子デバイスのさらなる実施形態では、第１の電気接点及び第２の電気接点は、各々、調整構造の上面及び背面に配置される。上面及び背面は、基板の主延長面と平行に延在する。上面及び背面は、調整構造の反対側に配置される。
この配置により、有利には、調整構造内の電場を基板の主延長面に対して横断方向に向けることが有利に可能である。電場の強さ及び向きは、調整構造の光学特性に影響を与える。
さらなる実施形態では、光電子デバイスは複数の調整構造を含む。電圧源によって生成された電場は、動作中の調整構造のうちの少なくとも２つにおいて異なる。これは、異なる調整構造に各々異なる電場を同時に印加できること、または異なる調整構造が必ずしも同じ電場を示すわけではないことを意味する。電場は強さ及び／または方向が異なり得る。有利には、異なる電場を異なる調整構造に印加することによって、光電子デバイスの光学特性を局所的に変化させることができる。次に、電磁放射線の伝播は、時間だけでなく空間的にも制御できる。
光電子デバイスのさらなる実施形態では、電圧源によって生成された電場は、少なくとも１つの調整構造における動作中に時間とともに可変である。これは、調整構造内の電場を動作中に動的に変化させることができることを意味する。電場を変化させることで、非常に短い時間スケール内で発生する可能性がある。例えば、調整構造内の電場を変化させることで、数ピコ秒（ｐｓ）またはそれ以上の速さで行うことができる。上述のように、電場を変化させることによって、光電子デバイスの光学特性も変化する。有利には、光電子デバイスの光学目標仕様は動的に変更できる。これは、例えば、検出対象の物体が動作中に移動するカメラ用途で役立つ。さらに、電場を非常に短時間領域内で変化させることで、デバイスを通過する電磁放射線を超高速で変調することが可能である。
光電子デバイスのさらなる実施形態では、操作される電磁放射線は赤外線波長範囲にある。別の実施形態では、操作される電磁放射線は、近赤外波長範囲にある。さらに別の実施形態では、操作される電磁放射線は、近赤外波長範囲にある。さらに別の実施形態では、操作される電磁放射線は、上述の波長範囲の少なくとも２つに重なる範囲にある。基板、調整構造、カバー層、及び光学構造に使用された材料は、各々の波長範囲の電磁放射線に対して透過的である。例えば、操作される電磁放射線が赤外波長範囲にある場合、光電子デバイスの構成要素は、赤外放射に対して透過的な材料を含み得る。操作される電磁放射線が可視波長範囲にある場合、光電子デバイスの構成要素は、可視光に対して透過的な材料を含み得る。調整構造の電気接点は、また、各々の電磁放射線に対して透過的な材料を含み得る。しかしながら、上面図では電気接点の領域が比較的小さくなり得るため、電気接点は電磁放射線に対して透過的でない場合もある。これは、例えば、電気接点が金属を含む場合である。有利には、光電子デバイスは、様々な波長領域に適したものになるように設計できる。これにより、異なる用途で使用することが可能である。
さらなる実施形態では、光電子デバイスは電子システムに含まれる。電子システムは、特に、電磁放射線を放出及び／または感知するために設けられた光電子システムである。ある実施形態では、電子システムは照明器または光源を含む。光源は、例えば、フォトダイオードもしくは垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、または各々、フォトダイオードもしくはＶＣＳＥＬのアレイであり得る。電子システムに含まれる光電子デバイスによって、光源によって放出された電磁放射線を操作できる。例えば、電磁放射線は、増幅、遅延、方向付け、偏光等がもたらされ得る。別の実施形態では、電子システムは、電磁放射線用のセンサーまたは検出器を備える。検出器は、フォトダイオード、光電子増倍管（ＰＭＴ）もしくはサーモパイル、または各々、それらのアレイであり得る。光電子デバイスによって、電子システムに到達する電磁放射線を操作できる。例えば、電磁放射線は、増幅、遅延、方向付け、偏光等がもたらされ得る。
これらの特性により、そのような電子システムは、ビーム形成及びビームステアリングの用途に使用できる。一実施形態では、電子システムはカメラシステムである。例えば、電子システムは３Ｄカメラであり、構造化された光を使用して、検出対象の物体の深度情報を取得する。特に、光電子システムは、光検出及び測距システム（ライダー）である。別の実施形態では、電子デバイスはホログラム発生器である。さらに別の実施形態では、電子デバイスは携帯電話等のスマートデバイスであり、光電子デバイスは集積光学素子として使用される。光電子デバイスは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の技術によって製造できるため、電子システムは小さい寸法を有し得る。
以下の図の説明は、さらに、例示的な実施形態を例示及び説明し得る。機能的に同一または同一の効果をもたらす構成要素は、同一の参照番号で示される。同一または実質的に同一の構成要素は、それらが最初に出現する図だけに関して説明され得る。これらの説明は、連続する図で必ずしも繰り返されるわけではない。
光電子デバイスの実施形態の断面図を示す。 ２Ａ～２Ｄは、光電子デバイスの実施形態の上面図を示す。 光電子デバイスの実施形態の別の上面図を示す。 光電子デバイスの実施形態の別の上面図を示す。 光電子デバイスの実施形態の別の断面図を示す。 光電子デバイスの実施形態の別の断面図を示す。 光電子デバイスの実施形態の別の断面図を示す。 光電子デバイスの実施形態による、シミュレーション結果を示す。
図１では、光電子デバイス１の実施形態の断面図が示される。図１による実施形態は、主表面３を有する基板２を含む。基板２は主延長面を有する。横方向ｘ，ｙは、基板２の主延長面と平行に延在する。少なくとも１つの調整構造４が基板２の主表面３に配置される。図１に示される例では、基板２の主表面３に配置される４つの調整構造４がある。横方向ｘ，ｙにおいて、調整構造４は互いに距離がある。これは、調整構造４が互いに離間していることを意味する。調整構造４は、それぞれ、基板２の主延長面に平行な上面５及び背面６を有する。上面５及び背面６は、調整構造４のそれぞれの反対側に配置される。調整構造４のそれぞれの背面６は基板２に面している。上面５は、基板２とは反対側に面している。
調整構造４のそれぞれは、第１の電気接点７及び第２の電気接点８を含む。電気接点７、８は、残りの調整構造４と比較して異なる材料を含む。図１に示される実施形態では、第１の電気接点７は調整構造４の上面５に配置される。第２の電気接点８は、調整構造４の背面６に配置される。電気接点７、８は、各々、上面５の全体を覆う、または背面６の全体を覆う。しかしながら、他の実施形態では、電気接点７、８は、調整構造４の各々の表面５、６の一部だけを覆う。図１に示される実施形態では、調整構造４の側面９は、第１の電気接点７及び第２の電気接点８がない。これは、第１の電気接点７及び第２の電気接点８が互いに物理的または電気的に接続されていないことを意味する。
図１による光電子デバイス１は、さらに、カバー層１０を含む。カバー層１０は、基板２と同じ材料を含み得る。しかしながら、カバー層１０は、また、異なる材料を含み得る。カバー層１０は、基板２に面する背面６を除いて、少なくとも１つの調整構造４をその全ての側面で覆う。しかしながら、電気接点７、８はそれでもアクセス可能である。少なくとも１つの調整構造４がない領域上で、カバー層１０は基板２と直接接触している。カバー層１０は上面１１を有する。上面１１は、基板２の主延長面と平行に延在し得る。
カバー層１０の上面１１には、光学構造１２が配置される。基板２の主延長面に垂直な横断方向ｚにおいて、光学構造１２は調整構造４の上にある。カバー層１０は、調整構造４と光学構造１２との間に配置される。図１に示される実施形態では、光学構造１２は、複数の構造要素１３を含む。これは、光学構造１２が、パターンを形成する構造物表面２１を有することを意味する。パターンは、一方の側では凹部１４によって形成され、他方の側では構造要素１３によって形成される。横断方向Ｚでは、光学構造１２は厚みを有する。図１に示されるように、凹部１４が光学構造１２の全厚にわたって延在するため、カバー層１０の上面１１の一部は露出される。これは、光学構造１２の構造要素１３が互いに離されていることを意味する。しかしながら、図５～図７は、下記に説明される光学構造の異なる概念を示す。
図１に示されるように、光電子デバイス１は、さらに、電圧源１５を備える。電圧源１５は、示されるように、外部電圧源１５であり得る。しかしながら、電圧源１５は、また、基板２に統合できる。電圧源１５は、少なくとも１つの調整構造４の第１の電気接点７及び第２の電気接点８に電気的に接続される。提示する目的のために、調整構造４の１つだけが図１の電圧源１５に接続される。しかしながら、調整構造４のそれぞれは、同じ電圧源１５または別の電圧源１５に接続され得る。電圧源１５は、第１の電気接点７と第２の電気接点８との間に電位差を生成するために提供される。次に、これにより、少なくとも１つの調整要素４内に電場が生成される。電源１５から第１の電気接点７及び第２の電気接点８までの電気接続は、導電性ワイヤ１６によって実現される。導電性ワイヤ１６は、電気接点と同じ材料または異なる材料を含み得る。導電性ワイヤ１６は、図１に示されるように、基板２及びカバー層１０に統合できる。電気接点７、８は、導電性ワイヤを介してアクセス可能であり得る。
動作中、電磁放射線は、３つの矢印によって示されるように、基板２の背面１７に到達する。その後、電磁放射線は、基板２、調整構造４、及びカバー層１０を通過し、光学構造１２に到達する。光学構造１２は、所定の方法で電磁放射線を操作する。光学構造１２は、例えば、焦点距離、偏向角等によって電磁放射線を操作する目標仕様を有する。調整構造４に電場を印加することによって、電磁放射線の入力波面は、例えば、位相遅延によって修正されるため、修正された波面が光学構造１２を通過するとき、結果は、光学構造１２の元の目標仕様との偏差が制御されたものになる。
図２Ａ～図２Ｄは、光学構造１２の構造要素１３の異なる実施形態を上面図で示す。上面図は、基板２とは反対側に面するカバー層１０の側面からの光電子デバイス１の図を指す。図２Ａ～図２Ｄは、カバー層１０の上面１１に配置された各々の構造要素１３のうちの１つの詳細だけを示す。他の構造要素までの長さ、幅、及び距離は、特に、操作される電磁放射線の波長よりも小さくなり得る。
図２Ａは、長方形の形状を有する構造要素１３を示し、ｙ方向の構造要素の寸法を指す長さは、ｘ方向の構造要素の寸法を指す幅よりも大きい。しかしながら、構造要素１３の割合は、また、等しくなり得る、または、置き換えられ得る。さらに、そのような構造要素１３は、横方向ｘ，ｙに回転できる。横方向ｘ，ｙにおける構造要素１３の向きは、隣接する構造要素１３の向きに対して等しくなり得るまたは異なり得る。
図２Ｂは、プラス形状を有するカバー層１０の上にある構造要素１３を示す。前述の実施形態と同様に、そのような構造要素１３は横方向ｘ，ｙに回転できる。横方向ｘ，ｙにおける構造要素１３の向きは、隣接する構造要素１３の向きに対して等しくなり得るまたは異なり得る。
図２Ｃは、Ｌ字型を有するカバー層１０の上にある構造要素１３を示す。前述の実施形態と同様に、そのような構造要素１３は横方向ｘ，ｙに回転できる。横方向ｘ，ｙにおける構造要素１３の向きは、隣接する構造要素１３の向きに対して等しくなり得るまたは異なり得る。
図２Ｄは、上面図において湾曲形状を有する、カバー層１０の上にある構造要素１３を示す。本実施形態では、構造要素１３は楕円を形成する。しかしながら、例えば、円について、任意の他の湾曲形状も可能である。
構造要素１３の示される実施形態の全てが互いに組み合わせることができるため、構造要素１３のうちの少なくとも２つが異なる形状を含むようになることに留意されたい。
図３には、光電子デバイス１の別の実施形態の上面図が示される。この場合、光電子デバイス１は、基板２及びカバー層１０を含み、これらは上面図において円形を有する。光電子デバイス１の調整構造４は、円周部１８を含む。この場合、円周部１８は、基板２上にリングを形成する。円周部１８によって形成されたリングは直径を有し、調整構造４のない領域を囲む。別の調整構造４’は、別の円周部１９を含む。別の円周部１９は、円周部１８よりも大きい直径を有し、横方向ｘ，ｙにおいて円周部１８を囲む。一方の側では、別の円周部はギャップを含む。これは、別の円周部１９が分割リングを形成することを意味する。
調整構造４及び別の調整構造４’は、また、第１の電気接点７を含む。上述のように、第１の電気接点７は、各々の調整構造４、４’の上面５に配置され、これは、図３の観察者に向かって面する調整構造４、４’の側面を意味する。調整構造４及び別の調整構造４’は、また、各々の調整構造４、４’の背面６に配置される第２の電気接点８を含む。これは、調整構造４、４’の側面に、図３の観察者とは反対側を向いていることを意味する。図３では、第２の電気接点８が第１の電気接点７の下に正確に横断方向ｚに配置できることを示すために、第２の電気接点８は破線によって描かれる。その結果、斜視図の観察者から見えなくなる。
円周部１８を含む調整構造４の第１の電気接点７及び第２の電気接点８は、それらが横方向ｙに円周部１８から別の円周部１９のギャップを通って光電子デバイス１の周辺領域に到達するように配置される。光電子デバイス１の周辺領域は、調整構造の上に光学構造が存在しないため、光学的に不活性である領域を指す。別の円周部１９を含む別の調整構造４’の第１の電気接点７及び第２の電気接点８は、任意の横方向ｘ，ｙにおいて、別の円周部１９から周辺領域に到達する。この配置により、調整構造４、４’のそれぞれの第１の電気接点７及び第２の電気接点８はアクセス可能であり、光電子デバイス１の周辺領域で電圧源１５（図示せず）に接続できる。
図３に示される実施形態は、上面図において円形を有する構造要素１３を含む光学構造１２を含む。上面図では、光学構造１２によって覆われた全エリアは、円周部１８及び別の円周部１９によって横方向ｘ，ｙにおいて囲まれたエリアにほぼ一致する。このエリアは、光学活性エリアと呼ばれ得る。
図３に示される実施形態では、光学構造１２は、調整可能なメタレンズ、すなわちメタマテリアルを含むレンズを形成するために提供できる。メタレンズは、光学活性エリアに対応する直径を有する。調整構造４及び別の調整構造４’は、メタレンズによって既に実装されている位相関数に補正を導入する。調整構造４、４’のそれぞれの電気接点７、８が別々に配置されるため、各々の調整構造４、４’は電場によって独立して制御できる。このように、必要に応じてレンズの直径に沿って異なる位相遅延を実現できる。
図４に示される光電子デバイスの実施形態は、上面図で長方形の形状を有する、基板２及びカバー層１０を含む。本実施形態は、さらに、アレイとして配置される複数の調整構造４を含むという点で、図３の実施形態とは異なる。この場合、アレイは６つの調整構造４を含む。図４では、調整構造４のそれぞれの第１の電気接点７だけが示される。しかしながら、第２の電気接点８（図示せず）は、第１の電気接点７の真下に配置できるため、観察者の視点からは見えない。電気接点７、８は、横方向ｘ，ｙに、各々の調整構造４から光電子デバイス１の異なる周辺領域に向かって延在している。このように、それらは１つ以上の電圧源１５（図示せず）に別々に接続できる。次に、これにより、調整構造４のそれぞれに電場を独立して制御することが可能になる。
光学構造１２は、調整構造４のアレイの上に横断方向ｚに配置される。横方向ｘ，ｙにおいて構造要素１３を含む光学構造１２によって覆われるエリアは、調整構造４のアレイによって覆われたエリアとほぼ同じ大きさであり得る。しかしながら、図４に示されるように、調整構造４のアレイによって覆われた全エリアは、光学構造１２によって覆われたエリアよりもわずかに大きくなり得る。両方のエリアの重なり合う領域は、光学活性エリアと呼ばれ得る。
図５に示される光電子デバイス１の実施形態は、異なる光学構造１２を示すという点で、図１に示される実施形態とは異なる。図５の光学構造１２は、また、カバー層１０とは反対側に面する構造物表面２１を含む。しかしながら、構造要素１３は、凹部１４が光学構造１２の全厚にわたって延在しないので、互いに物理的に接続される。したがって、カバー層１０の上面１１の一部は、光学構造１２が存在するエリアで露出されない。これは、カバー層１０が光学構造１２によって完全に覆われていることを意味する。構造物表面２１は、規則的または不規則的であり得るパターンを形成する。構造要素１３は、図２ａ～図２ｄに従った形状を含み得る。別の実施形態では、構造要素１３は、光学活性エリアにわたって同心リングを形成する。この場合、光学構造１２は、ゾーンプレートまたはバイナリレンズを形成する。
図５は、少なくとも１つの調整構造４に電気的に接触するための異なる概念を示すという点で、図１とはさらに異なる。この場合、調整構造４のそれぞれは、調整構造４の側面９または別の側面９’に各々配置された、第１の電気接点７及び第２の電気接点８を有する。側面９及び別の側面９’は、基板２の主延長面に対して垂直または横方向に延びる。第１の電気接点７が配置される側面９は、第２の電気接点が配置される別の側面９’から分離される。このように、第１の電気接点７及び第２の電気接点８は、互いに電気的に絶縁される。図５に示されるように、第１の電気接点７及び第２の電気接点８は、調整構造４の各々の側面９，９’の全体を覆うことができる。
図６に示される光電子デバイス１の実施形態は、異なる光学構造１２の別の変形を示すという点で、図５に示される実施形態とは異なる。この場合、光学構造１２は、平面２１を伴う層を形成する。これは、カバー層１０とは反対側に面する光学構造１２の表面２１が、基板２の主延長面と平行に延びることを意味する。光学構造１２が位相板または拡散板を形成する場合、光学構造１２のこの実施形態を使用できる。
図７に示される光電子デバイス１の実施形態は、異なる光学構造１２の別の変形を示すという点で、図６に示される実施形態とは異なる。この場合、光学構造１２は曲面２１を有する。これは、カバー層１０とは反対側に面する光学構造１２の表面２１が、基板２の主延長面に対して曲率を示すことを意味する。光学構造１２が屈折レンズを形成する場合、光学構造１２のこの実施形態を使用できる。
図８は、シミュレーションによって得られた関数のグラフを示す。ここで、電磁放射線の強度Ｉは、光学構造１２と、光学構造１２の上の横断方向ｚの位置との間の距離ｄに対してプロットされる。強度ＩはＷ／ｍ２の単位で与えられる。距離ｄはμｍの単位で与えられる。
この場合、光学構造１２は、例えば、図３に関連して説明したようなレンズを形成する。シミュレーションの結果は、レンズを形成する光学構造１２の焦点距離を見つけるために使用できる。しかしながら、光学構造１２の任意の他の目標仕様も同様の方法で分析できることに留意されたい。
３つの異なるシナリオの強度特性が示される。第１のシナリオ（曲線２２）は、調整構造４に電場が印加されていない間の電磁放射線の強度Ｉを示す。第２のシナリオ及び第３のシナリオ（曲線２３及び曲線２４）は、各々の電場が整調構造４に印加される間の電磁放射線の強度Ｉを示す。曲線２２は、約３５μｍで明確な最大値を示す。これは、光学構造１２の焦点距離がこの距離で識別できることを意味する。また、シミュレーション結果として示されるものとして、光電子デバイス１は、光学構造１２によって、調整なしでも、すなわち電場を印加することによって調整モードではない動作モードにおいて、目標仕様が示される。しかしながら、特定の強さ及び方向の電場を印加することによって、最大強度は約４５μｍの距離ｄだけシフトする（曲線２３）。さらに、曲線２４によって示されるように異なる電場を印加することによって、最大強度を反対方向、すなわち約２５μｍの距離ｄまでシフトできる。これは、光電子デバイス１の光学特性が、各々の電場を印加することによっていずれかの方向に動的に変化できることを意味する。
本明細書に開示される光電子デバイス１の実施形態は、読者が発想の新規の態様を知ることを目的として説明されてきた。好ましい実施形態が示され説明されてきたが、当業者は、特許請求の範囲から不必要に逸脱することなく、開示された概念の多くの変更、修正、同等物、及び置換がなされ得る。
本開示は、開示された実施形態、及び上記で具体的に示され、説明されたものに限定されないことを理解されたい。むしろ、別個の従属請求項または明細書に記載された特徴は有利に組み合わされ得る。さらに、本開示の範囲は、当業者には明らかであり、添付の特許請求の範囲に含まれるそれらの変形及び修正を含む。
「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、特許請求の範囲または発明を実施するための形態で使用される限り、対応する特徴または手順の他の要素またはステップを除外しない。「ａ」または「ａｎ」という用語が特徴に関連して使用される場合、それらの用語は複数のそのような特徴を除外しない。さらに、特許請求の範囲におけるいずれかの参照符号は、範囲を限定するものと解釈するべきではない。
この特許出願は、欧州出願特許第２０１７２７３５．１号の優先権を主張し、その開示の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
１ 光電子デバイス
２ 基板
３ 基板の主表面
４ 調整構造
４’ 別の調整構造
５ 調整構造の上面
６ 調整構造の背面
７ 第１の電気接点
８ 第２の電気接点
９ 調整構造の側面
９’ 調整構造の別の側面
１０ カバー層
１１ カバー層の上面
１２ 光学構造
１３ 光学構造の構造要素
１４ 光学構造の凹部
１５ 電圧源
１６ 導電性ワイヤ
１７ 基板の背面
１８ 調整構造の円周部
１９ 別の外周部
２０ 別の円周部のギャップ
２１ 光学構造の表面
２２ 関数グラフの第１の曲線
２３ 関数グラフの第２の曲線
２４ 関数グラフの第３の曲線
ｘ，ｙ 横方向
ｚ 横断方向
ｄ 光学構造までの距離

Claims (16)

  1. 電磁放射線を操作するための光電子デバイス（１）であって、
    主延長面を有する基板（２）と、
    前記基板（２）の主表面（３）上に配置された少なくとも１つの調整構造（４）であって、前記調整構造（４）は電気光学材料を含み、前記少なくとも１つの調整構造（４）は、前記調整構造（４）の第１の側にある第１の電気接点（７）と、前記調整構造（４）の第２の側にある第２の電気接点（８）とを含む、前記少なくとも１つの調整構造（４）と、
    前記少なくとも１つの調整構造（４）を覆うカバー層（１０）と、
    前記カバー層（１０）が光学構造（１２）と前記少なくとも１つの調整構造（４）との間に配置されるように、前記カバー層（１０）上に配置された光学構造（１２）と、
    前記第１の電気接点（７）及び前記第２の電気接点（８）に電気的に接続された電圧源（１５）であって、前記少なくとも１つの調整構造（４）内に電場を生成するために設けられる、前記電圧源（１５）と、
    を含む、光電子デバイス（１）。
  2. 前記調整構造（４）の少なくとも１つの光学特性は、各々の電場を印加することによって変更される、請求項１に記載の光電子デバイス（１）。
  3. 前記光学構造（１２）は、それぞれが、操作される電磁放射線の波長よりも小さい構造要素（１３）を含む、請求項１または２に記載の光電子デバイス（１）。
  4. 前記光学構造（１２）はメタマテリアルを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の光電子デバイス（１）。
  5. 前記光学構造（１２）は、レンズ、回折格子、ゾーンプレート、位相板、ホログラフィックプレート、及び拡散板を含むグループの１つの要素を形成する、請求項１から４のいずれか一項に記載の光電子デバイス（１）。
  6. 前記光学構造（１２）は、焦点距離、偏向角、位相遅延、光偏光、及びパターン投影を含むグループの要素である目標仕様を含み、前記光学構造（１２）の前記目標仕様は、前記少なくとも１つの調整構造（４）内の前記電場を制御することによって変更される、請求項１から５のいずれか一項に記載の光電子デバイス（１）。
  7. 上面図において、前記調整構造（４）は円周部（１８）を含む、先行請求項１から６のいずれか一項に記載の光電子デバイス（１）。
  8. 上面図において、少なくとも１つの別の調整構造（４’）は少なくとも１つの別の円周部（１９）を含み、前記少なくとも１つの別の円周部（１９）は、前記基板（２）の前記主延長面と平行に延長する横方向（ｘ，ｙ）において円周部（１８）を囲む、請求項７に記載の光電子デバイス（１）。
  9. 調整構造（４）のアレイを形成する複数の調整構造（４）をさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の光電子デバイス（１）。
  10. 前記第１の電気接点（７）及び前記第２の電気接点（８）は、前記調整構造（４）の各々の側面（９，９’）上に配置され、前記側面（９，９’）は、前記基板（２）の前記主延長面に対して垂直または横方向に延びる、請求項１から９のいずれか一項に記載の光電子デバイス（１）。
  11. 前記第１の電気接点（７）及び前記第２の電気接点（８）は、各々、前記調整構造（４）の上面（５）及び背面（６）上に配置され、前記上面（５）及び前記背面（６）は前記基板（２）の前記主延長面に平行であり、前記上面（５）及び前記背面（６）は前記調整構造（４）の反対側に配置される、請求項１から９のいずれか一項に記載の光電子デバイス（１）。
  12. 複数の調整構造（４’）をさらに含み、前記電圧源（１５）によって生成された前記電場は、動作中、前記調整構造（４’）のうちの少なくとも２つにおいて異なる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光電子デバイス（１）。
  13. 前記少なくとも１つの調整構造（４）において、前記電圧源（１５）によって生成された前記電場は、動作中に時間とともに可変である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の光電子デバイス（１）。
  14. 操作される前記電磁放射線は、赤外線範囲、近赤外線範囲、もしくは可視波長範囲、またはこれらの波長範囲の少なくとも２つに重なる範囲にある、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光電子デバイス（１）。
  15. 前記調整構造（４）は固体無機材料を含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の光電子デバイス（１）。
  16. 電子システムは、特に、電磁放射線を放出及び／または感知するために設けられた光電子システムである、請求項１から１５のいずれか一項に記載の光電子デバイス（１）を備える電子システム。
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