JP3615760B2 - 光学部品 - Google Patents

Description

この発明は、厚さが異なり屈折率が異なる複数の透明な薄膜から成る光学部品に関する。
この種の光学部品は以前から知られている。つまり、例えばその作用が薄膜中の干渉効果に基づく光学部品が使用される。この場合、問題になるのは例えば干渉フィルターとミラーである。特に屈折率の異なる二つの材料の膜から成る膜の順序の望ましい作用は、膜配列と個々の膜の光学的な厚さを適当に選択することにより決まる。この場合、所謂光学的な厚さは、屈折率に膜厚を掛け算したものである。その際通常、これらの光学的な膜厚は、波長−この波長のために、フィルターあるいはミラーが構成されている−のほんの僅かの値である。つまり、所謂ブラッグ反射体は、できる限り異なった屈折率と、それぞれ波長−この波長のために、反射体が最適な作用を有する−の1/4の光学的な膜厚とを有する二つの膜の周期的な膜配列から成る。これに反して、幾分改善された膜配列を有するファブリーペロー（Fabry−Perot）フィルターは一定の波長に対して設定されている高い透過度を有するが、他の波長に対してこのフィルターは光を透過しない。
屈折率が次第に変化する膜から成る光学部品は、導波路としてあるいは反射防止膜として知られている。
この発明の課題は、通常の材料から成る膜の代わりに、他の材料を使用することにある。
上記の課題は、この発明により、膜を多孔質のシリコンで構成することにより解決されている。
多孔質シリコンから成る膜組織を作製することは種々の方式で実現される。つまり、
ａ） 多孔質シリコンを作製する電気化学的なエッチング処理で電流強度を可変して、個々の膜の多孔性およびそれにより光学的な特性に簡単に影響を与えることができる。
ｂ） エッチング処理用の初期材料として異なる添加量のシリコン膜の膜配列の使用は同様に、微細構造の変化を与え、それ故光学的な特性にも変化を与える。初期材料として異なる添加量の膜では、高さの可変や添加のタイプを可変することも考えられる。つまり、特に以下の添加の経過が考えられる。即ち、pp⁺pp⁺、npnp、pipi、次第に変化するｐ→p⁺である。
ｃ） SiとSiGeのエッチング特性が異なることにより、多孔質の膜組織を作製するためSi/SiGeの膜配列を使用できる。
ｄ） エッチング処理の間に試料の照明が微細構造に及ぼす影響は膜組織を作製するために利用できる。これは入射光の照明強度を可変しても、また入射光のスペクトルを可変しても可能である。
ａ）〜ｄ）に述べた方法は、膜組織を最適に設計するために互いに組み合わせることもできる。
この発明による膜組織は目指す応用例に応じて可変でき、光放出光学部品あるいは光検出器（フィルター，反射防止膜）の光放出特性あるいは吸収特性に影響を与える。つまり、この光学部品のタイプはこれ等の膜が干渉フィルターのタイプの厚さと屈折率を有し、そのようなフィルターとして使用できる点にある。
フィルター作用は光学特性の異なる膜を周期的に配置して得られる。膜配列に応じて種々のタイプのフィルターを実現できる（帯域通過フィルター、帯域阻止フィルター、ファブリーペローフィルター）。この場合、フィルター作用は異なったタイプのフィルターを互いに接続しても組み合わせることができる。この種のフィルターは光学系にも、また発光光学部品（例えば多孔質シリコンのカラー画面）で光放出特性に影響を与えるためにも、および、例えばカラーカメラの光ダイオード用の補助フィルターとして使用できる。
膜材料としての多孔質シリコンの特別な利点は、任意に複雑な膜組織を簡単にしかも廉価に製造できるだけでなく、屈折率を徐々に可変できる可能性にもある。
この発明による光学部品の他の実施例は、膜が連続的に変化する屈折率を有し、それ故に反射を緩和したりあるいは反射を強める作用を有する点にもある。
ガラス繊維の場合のように、光導体に最適に光波を導入するために屈折率の緩慢な変化が必要である。多孔質シリコンの膜組織にも屈折率の緩慢な変化を作製できる可能性により、導波路をシリコンチップの上に非常に簡単に作製できる。導波路では、多孔質シリコンの膜配列が徐々に増加し再び減少する屈折率を有する。膜組織のフィルター作用の外に、多孔質の膜組織の光学特性を徐々に可変することにより反射を緩和するかあるいは反射を強めるカバー膜を作製できる。これは、光波導体のように発光構造で光を取り出す時に内部反射を抑制するためにも、また例えば太陽電池の反射防止膜にも採用できる。
図面にこの発明による膜組織を模式的に示し、以下により詳しく説明する。
ここに示すのは、
図１ 光学フィルターとしての膜組織、
図２ フィルター膜組織の異なった応用、
図３ 光波導体として膜組織
図４ 膜組織に基づくレーザー構造体、
である。
図1:
この図面は以下のように要約される組織を示す。
基板の上には直接的に、光を検出するかあるいは放出するこの光学部品の主要構成要素がある。検出器の狭帯域感度あるいは光の狭帯域放出を得るため、この膜の上にフィルターとして働く膜組織が作製される。フィルター作用を得るため、異なった多孔性の膜が異なった大きさの屈折率も有するということを利用する。フィルターを波長ｌ（エル）に合わせるため、高多孔性の膜と低多孔性の膜を交互に配置して作製し、これ等の膜は全て1/4の光学的な波長を有する。この膜組織は、例えばファブリーペローフィルターである。全体の組織はエッチング処理でシリコンウェハーから電気化学的に作製される。
図2:
多孔質シリコンの膜組織により非常に異なった応用が可能である。ここでは、二つの応用例を示す。
カラー１の波長に対して透過性であるが、カラー２の波長に対して高反射性の鏡となるように膜組織が作製されている。この組織をウェハー上に作製すれば、特定の波長に対する反射フィルターが得られる。他の全ての波長はこの部品内で吸収される。この種の応用は図面の左側に示してある。
反射しない波長も望ましいなら、このフィルターを支持なしで作製する。こうして、特定な波長を反射し、他の波長を透過するカラースプリッターが作製される。この構造は図面の右側に示してある。
図3:
導波路をチップ上に必要とすれば、この導波路をチップのシリコンウェハーから直接に作製することもできる。このため、図面の左側に示すように屈折率が変化する膜組織をウェハー上に作製する。光を導く膜は膜組織の中央にあり、大きな屈折率を有する。光の取り込みは膜組織の横端部から行われる。
図4:
多孔質の膜の上に、半透明な表面接触部を付け、この多孔質の膜の下に高反射性の電気的な裏面接触部を付けると、特定の波長に対する共鳴器を作製できる。レーザーをシリコンで構成するには、誤りのある波長範囲で誘起される光放出を抑制する機構が必要である。これには、この共鳴器中の膜が所望の波長に対して狭帯域で透過特性を有する超格子として作製される。こうして、多孔質シリコンの広帯域発光にも係わらず、この材料からレーザーを構成することができる。

Claims (4)

1. 厚さが異なり屈折率の異なる透明薄膜で構成された光学部品において、これ等の薄膜が多孔質シリコンで構成されていることを特徴とする光学部品。
2. 前記薄膜は干渉フィルターあるいは干渉ミラーの様式の厚さと屈折率を有し、そのような部品として使用されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学部品。
3. 前記薄膜は連続的に変わる屈折率を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学部品。
4. 膜配列は徐々に増加して再び減少する屈折率を有することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の光学部品。

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