JP5586687B2 - ミラー - Google Patents
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Description
本発明の別の一態様によれば、第1の方向に互いに積層された複数の誘電体層を備え、前記複数の誘電体層のそれぞれの前記第1の方向に沿った厚さは、設計波長の1/2の長さであり、前記複数の誘電体層のうちのいずれかは、第1の3層構造体を含み、前記第1の3層構造体は、前記設計波長の1/8よりも大きく前記設計波長の1/4よりも小さい第1厚さを有し、第1屈折率を有する第1誘電体薄膜と、前記第1誘電体薄膜と前記第1の方向において積層され、前記設計波長の1/8よりも大きく前記設計波長の1/4よりも小さい第2厚さを有し、前記第1屈折率よりも低い第2屈折率を有する第2誘電体薄膜と、前記第1誘電体薄膜と前記第2誘電体薄膜との間に設けられ、前記設計波長の1/2の値から前記第1厚さ及び前記第2厚さの合計を減じた第3厚さを有し、前記第1誘電体薄膜の側から前記第2誘電体薄膜の側に向かうに従って漸減する第3屈折率を有する第3誘電体薄膜と、を有し、前記第3屈折率の前記第1の方向に関する分散が、前記第1屈折率の前記第1の方向に関する分散及び前記第2屈折率の前記第1の方向に関する分散よりも大きく、前記第3誘電体薄膜は、誘電体を含む第1サブ層と、前記第1方向において前記第1サブ層と積層され、誘電体を含み、前記第1サブ層の屈折率とは異なる屈折率を有する第2サブ層と、を含むことを特徴とするミラーが提供される。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
すなわち、図1(a)は、実施形態に係るミラー110の模式的断面図である。図1(b)は、ミラー110の特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は屈折率nを表している。図1(c)は、ミラー110の特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は電場EFを表している。なお、電場EFは、電場振幅の絶対値2乗である。
ここで、積層方向(第1の方向)をZ軸方向とする。
これにより、低損失で高反射のミラーが得られる。
第2誘電体薄膜L2は、第1の方向において、第1誘電体薄膜L1と積層される。
第2誘電体薄膜L2は、設計波長の1/8よりも大きく設計波長の1/4よりも小さい第2厚さd2を有する。すなわち、第2厚さd2は、λ/8よりも大きくλ/4よりも小さい。
第2誘電体薄膜L2は、第1屈折率n1よりも低い第2屈折率n2を有する。図1(b)に表したように、第2屈折率n2は、例えば低屈折率nLである。第2誘電体薄膜L2は、実質的に一様な屈折率を有する、誘電体からなる薄膜である。
第4誘電体薄膜L4は、第2誘電体薄膜L2の第3誘電体薄膜L3とは反対の側に設けられる。第4誘電体薄膜L4は、設計波長の1/8よりも大きく前記設計波長の1/4よりも小さい第4厚さd4を有する。すなわち、第4厚さd4は、λ/8よりも大きくλ/4よりも小さい。
第5誘電体薄膜L5は、第4屈折率n4よりも低い第5屈折率n5を有する。図1(b)に表したように、本具体例では、第5屈折率n5は、低屈折率nLである。第5誘電体薄膜L5は、実質的に一様な屈折率を有する、誘電体からなる薄膜である。
すなわち、図2(a)は実施形態に係る別のミラー111dの模式的断面図である。図2(b)は、ミラー111dの特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は屈折率nを表している。図2(c)は、ミラー111dの特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は電場EFを表している。
第1低屈折率誘電体膜LF1は、設計波長の1/4の厚さ(λ/4)を有し、第1高屈折率誘電体膜HF1よりも低い屈折率を有する。
図3(a)、図3(b)及び図3(c)は、第1比較例のミラーの構成を例示する模式図である。
すなわち、図3(a)は第1比較例のミラー118の模式的断面図である。なお、図3(a)において、基板SBは省略されている。図3(b)は、ミラー118の特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は屈折率nを表している。図3(c)は、ミラー118の特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は電場EFを表している。
2層構造体SFは、高屈折率を有する層(例えば第1高屈折率誘電体膜HF1など)と、その高屈折率よりも低い低屈折率を有する層(例えば第1低屈折率誘電体膜LF1など)と、の2層構造を有している。2層構造体SFにおいて、高屈折率を有する層から低屈折率を有する層に向かう方向がZ軸の正の方向とされる。なお、入射面ISは、第1の2層構造体SF1の第1高屈折率誘電体膜HFの第1低屈折率誘電体膜LF1とは反対側の面とされる。
図4(a)、図4(b)及び図4(c)は、第2比較例のミラーの構成を例示する模式図である。
すなわち、図4(a)は第2比較例のミラー119(及びミラー119d)の模式的断面図である。なお、図4(a)において、基板SBは省略されている。図4(b)は、ミラー119(及びミラー119d)の特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は屈折率nを表している。図4(c)は、ミラー119(及びミラー119d)の特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は電場EFを表している。
すなわち、屈折率傾斜層CLのそれぞれにおいては、厚さ方向の全域に渡って屈折率が変化(漸減)している。
このシミュレーションでは、ミラーにおいて、3層構造体BSの数と2層構造体SFの数の合計が20とされた。また、屈折率傾斜層CLの数と2層構造体SFの数の合計が20とされた。
すなわち、図5(a)はミラーの界面散乱損失SSLと置き換え数Niとの関係を例示しており、横軸は置き換え数Niであり、縦軸は界面散乱損失SSLである。なお、縦軸は対数目盛りである。図5(b)はミラーの透過率Tと置き換え数Niとの関係を例示しており、横軸は置き換え数Niであり、縦軸は透過率Tである。なお、縦軸は対数目盛りである。
置き換え数Niが1以上において、実線が実施形態に係るミラー110(ミラー111dを含む)に相当し、破線が第2比較例のミラー119(ミラー119dを含む)に相当する。
そして、第2比較例のミラー119においては、置き換え数Niが大きくなるに従って、界面散乱損失SSLが減少している。これは、既に説明したように、第2比較例において、電場が大きい領域における屈折率差が小さいことの効果であると考えられる。しかしながら、界面散乱損失SSLの減少の程度は大きくない。例えば置き換え数Niが4であるミラー119dの場合の界面散乱損失SSLは約0.9ppmであり、置き換え数Niが10である場合の界面散乱損失SSLは約0.1ppmである。
そして、第2比較例のミラー119において、置き換え数Niが大きくなるに従って、透過率Tが著しく上昇している。例えば置き換え数Niが4であるミラー119dの場合の透過率Tは約4ppmであり、置き換え数Niが10である場合の透過率Tは約20ppmである。このように、第2比較例において透過率が上昇(反射率が低下)する。これは、電場EFが小さい領域でも屈折率が減少するために電場EFが大きい領域における屈折率変化が十分でないためであると考えられる。
これらの図において、横軸は位置を表し、縦軸は屈折率nを表している。また、入射面ISは、Z=0の位置に配置され、複数の誘電体層DLは、Z>0の領域に設けられる。
図6(b)に表したように、ミラー112bにおいては、第3誘電体薄膜L3の第3屈折率n3の変化率は、第3誘電体薄膜L3のZ軸方向における中央部で大きく、第3誘電体薄膜L3のZ軸方向における端部で小さい。
図6(c)に表したように、ミラー112cにおいては、第3誘電体薄膜L3の第3屈折率n3の変化率は、第3誘電体薄膜L3のZ軸方向における中央部で小さく、第3誘電体薄膜L3のZ軸方向における端部で大きい。
そして、ミラー112d、112e及び112fにおける第3誘電体薄膜L3の第3屈折率n3の特性は、それぞれミラー112a、112b及び112cと同様である。
そして、ミラー112g、112h及び112iにおける第3誘電体薄膜L3の第3屈折率n3の特性は、それぞれミラー112a、112b及び112cと同様である。
すなわち、図7(a)は、実施形態に係る別のミラー120bの模式的断面図である。図7(b)は、ミラー120bの特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は屈折率nを表している。図7(c)は、実施形態に係る別のミラー120cの模式的断面図である。図7(d)は、ミラー120cの特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は屈折率nを表している。
すなわち、図8(a)は、第3比較例のミラー128の模式的断面図である。図8(b)は、ミラー128の特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は屈折率nを表している。図8(c)は、第4比較例のミラー129bの模式的断面図である。図8(d)は、ミラー129bの特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は屈折率nを表している。
すなわち、図9(a)はミラーの界面散乱損失SSLとサブ層数NMLとの関係を例示しており、横軸はサブ層数NMLであり、縦軸は界面散乱損失SSLである。なお、縦軸は対数目盛りである。図9(b)はミラーの透過率Tとサブ層数NMLとの関係を例示しており、横軸はサブ層数NMLであり、縦軸は透過率Tである。なお、縦軸は対数目盛りである。
実線で示された特性において、サブ層数NMLが1の場合が、第3比較例のミラー128に相当する。
サブ層数NMLが0の場合は、第1比較例のミラー118に相当する。
すなわち、図10(a)は、ミラー130の模式的断面図である。図10(b)は、ミラー130の特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は屈折率nを表している。
そして、第3誘電体薄膜L3に含まれるサブ層のそれぞれ厚さは、d3/NML=λ/(4・NML)である。
すなわち、図11(a)は、比較例のミラー130bの模式的断面図である。図11(b)は、ミラー130bの特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は屈折率nを表している。図11(c)は、比較例のミラー138の模式的断面図である。図11(d)は、ミラー138の特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は屈折率nを表している。
すなわち、図12はミラーの透過率Tとサブ層数NMLとの関係を例示しており、横軸はサブ層数NMLであり、縦軸は透過率Tである。なお、縦軸は対数目盛りである。
そして、同図の実線は、ミラー130(ミラー130cを含む)の特性及び比較例のミラー130b及び138に対応する。同図には、図9(b)に例示した第4比較例のミラー129(屈折率が厚さ方向に沿って等間隔に変化する)の特性が、波線により示されている。
実施形態に係るミラー110において、高屈折率を有する誘電体薄膜L(3j−2)(例えば第1誘電体薄膜L1及び第4誘電体薄膜L4など)には、例えばTa2O5(屈折率が約2.1)を用いることができる。低屈折率を有する誘電体薄膜L(3j−1)(例えば第2誘電体薄膜L2及び第5誘電体薄膜L5など)には、例えば、SiO2(屈折率が約1.46)を用いることができる。屈折率が漸減する誘電体薄膜L(3j)(例えば第3誘電体薄膜L3及び第6誘電体薄膜L6など)には、例えば、これらの材料を含む複合膜を用いることができる。ただし、3層構造体BSの各層に用いられる材料は任意であり、種々の変形が可能である。また、複数の3層構造体BSのそれぞれで用いられる材料や構成が異なっても良い。
すなわち、図13(a)、図13(b)及び図13(c)は、ミラー110の特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表している。図13(a)の縦軸は屈折率nを表し、図13(b)の縦軸は3層構造体BS中の元素E1の含有率C1(任意目盛り)を表し、図13(c)の縦軸は3層構造体BS中の別の元素E2の含有率C2(任意目盛り)を表している。また、図13(d)、図13(e)及び(f)は、ミラー120(具体的にはミラー120b)の特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表している。図13(d)の縦軸は屈折率nを表し、図13(e)の縦軸は3層構造体BS中の元素E1の含有率C1(任意目盛り)を表し、図13(f)の縦軸は3層構造体BS中の別の元素E2の含有率C2(任意目盛り)を表している。
すなわち、図14(a)は、実施形態に係る別のミラー150の模式的断面図である。図14(b)は、ミラー150の特性を例示するグラフであり、横軸は位置を表し、縦軸は屈折率nを表している。
このような構成のミラー150によっても、低損失で高反射のミラーが提供できる。
なお、複数の誘電体層DLが、上記のような第1側面誘電体薄膜L1a、第2側面誘電体薄膜L2a及び中央部側面誘電体L3aを有する構成を、有することができる。
すなわち、図15は、実施形態に係るミラーが用いられる共振器210の構成を例示している。
図15に表したように、共振器210は、例えばEIT(Electromagnetically Induced Transparency)結晶を用いた基体SBに、実施形態に係るミラーが設けられる。本具体例では、バルク誘電体である基体SBの一方の表面は平面であり、他方の表面は曲面である。基体SBの平面の側にミラー140aが設けられ、曲面の側にミラー140bが設けられる。ミラー140a及び、ミラー140bにおいて、入射面ISは、基体SBの側である。このような共振器210が、量子計算機に設けられる。このような量子計算機の実現には、高反射で低損失な共振器ミラーが必要とされる。これらの用途に本実施形態に係るミラーを適用することで、従来に比べて著しく高い性能を実現できる。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
210…光共振器、
BS、BSj…3層構造体、
BS1〜BS4…第1〜第4の3層構造体、
C1、C2…含有率、
CL…屈折率傾斜層、
CL1〜CL4…第1〜第4屈折率傾斜層、
D1…高屈折率層、
D2…低屈折率層、
DL、DL1〜DLj…誘電体層、
DS1、DS2…サブ層、
EF…電場、
HF1、HF2…第1及び第2高屈折率誘電体膜、
IS…入射面、
L1〜L6…第1〜第6誘電体薄膜、
L1a、L1b…第1及び第2側面誘電体薄膜、
第3a…中央部誘電体薄膜、
L(3j)、L(3j−1)、L(3j−2)…誘電体薄膜、
LF1、LF2…第1及び第2低屈折率誘電体膜、
NML…サブ層数、
Ni…置き換え数、
SB…基板(基体)、
SF…2層構造体、
SF1〜SF6…第1〜第6の2層構造体、
SSL…界面散乱損失、
T…透過率、
d1〜d6…第1〜第6厚さ、
d1a〜d3a…厚さ、
k…数、
n…屈折率、
n1〜n6…第1〜第6屈折率、
na、nb…第1及び第2側面屈折率、
nc…屈折率、
nH…高屈折率、
nL…低屈折率
Claims (10)
- 第1の方向に互いに積層された複数の誘電体層を備え、
前記複数の誘電体層のそれぞれの前記第1の方向に沿った厚さは、設計波長の1/2の長さであり、
前記複数の誘電体層のうちのいずれかは、
前記第1の方向に沿った厚さが前記設計波長の1/8であり、第1部分屈折率を有する第1部分と、
前記第1部分と前記第1の方向において積層され、前記第1の方向に沿った厚さが前記設計波長の1/8であり、前記第1部分屈折率よりも低い第2部分屈折率を有する第2部分と、
前記第1部分と前記第2部分との間に設けられ、前記第1の方向に沿った厚さが前記設計波長の1/4であり、前記第1部分の側から前記第2部分の側に向かうに従って漸減する第3部分屈折率を有する第3部分と、を有し、
前記第3部分屈折率の前記第1の方向に関する分散が、前記第1部分屈折率の前記第1の方向に関する分散及び前記第2部分屈折率の前記第1の方向に関する分散よりも大きく、
前記複数の誘電体層のうちの前記いずれかは、第1の3層構造体を含み、
前記第1の3層構造体は、
前記設計波長の1/8よりも大きく前記設計波長の1/4よりも小さい第1厚さを有し、第1屈折率を有する第1誘電体薄膜と、
前記第1誘電体薄膜と前記第1の方向において積層され、前記設計波長の1/8よりも大きく前記設計波長の1/4よりも小さい第2厚さを有し、前記第1屈折率よりも低い第2屈折率を有する第2誘電体薄膜と、
前記第1誘電体薄膜と前記第2誘電体薄膜との間に設けられ、前記設計波長の1/2の値から前記第1厚さ及び前記第2厚さの合計を減じた第3厚さを有し、前記第1誘電体薄膜の側から前記第2誘電体薄膜の側に向かうに従って漸減する第3屈折率を有する第3誘電体薄膜と、
を有し、
前記第3誘電体薄膜は、
誘電体を含む第1サブ層と、
前記第1方向において前記第1サブ層と積層され、誘電体を含み、前記第1サブ層の屈折率とは異なる屈折率を有する第2サブ層と、
を含むことを特徴とするミラー。 - 前記第2サブ層は、前記第1サブ層が含む元素とは異なる元素を含むことを特徴とする請求項1記載のミラー。
- 前記第1の3層構造体を含む前記誘電体層は、前記複数の誘電体層の一方の端に配置され、前記第2誘電体薄膜は、前記第3誘電体薄膜と、前記第1の3層構造体を含む前記誘電体層を除く前記複数の誘電体層と、の間に配置されることを特徴とする請求項1または2に記載のミラー。
- 前記複数の誘電体層のうちの前記第1の3層構造体を含む前記誘電体層とは異なる前記誘電体層は、第2の3層構造体を含み、
前記第2の3層構造体は、
前記第2誘電体薄膜の前記第3誘電体薄膜とは反対の側に設けられ、前記設計波長の1/8よりも大きく前記設計波長の1/4よりも小さい第4厚さを有し、第4屈折率を有する第4誘電体薄膜と、
前記第4誘電体薄膜の前記第2誘電体薄膜とは反対の側に設けられ、前記設計波長の1/8よりも大きく前記設計波長の1/4よりも小さい第5厚さを有し、前記第4屈折率よりも低い第5屈折率を有する第5誘電体薄膜と、
前記第4誘電体薄膜と前記第5誘電体薄膜との間に設けられ、前記設計波長の1/2から前記第4厚さ及び前記第5厚さの合計を減じた第6厚さを有し、前記第4誘電体薄膜の側から前記第5誘電体薄膜の側に向かうに従って漸減する第6屈折率を有する第6誘電体薄膜と、
を有することを特徴とする請求項3記載のミラー。 - 前記複数の誘電体層のうちの前記第1の3層構造体を含む前記誘電体層とは異なる前記誘電体層は、第1の2層構造体を含み、
前記第1の2層構造体は、
前記第2誘電体薄膜の前記第3誘電体薄膜とは反対の側に設けられ、前記設計波長の1/4の厚さを有する第1高屈折率誘電体膜と、
前記第1高屈折率誘電体膜の前記第2誘電体薄膜とは反対の側に設けられ、前記設計波長の1/4の厚さを有し、前記第1高屈折率誘電体膜よりも低い屈折率を有する第1低屈折率誘電体膜と、
を有することを特徴とする請求項3記載のミラー。 - 前記複数の誘電体層のうちの前記第1の3層構造体を含む前記誘電体層及び前記第2の3層構造体を含む前記誘電体層とは異なる前記誘電体層は、第1の2層構造体を含み、
前記第1の2層構造体は、
前記第2の3層構造体の前記第1の3層構造体とは反対の側に設けられ、
前記設計波長の1/4の厚さを有する第1高屈折率誘電体膜と、
前記第1高屈折率誘電体膜の前記第2の3層構造体とは反対の側に設けられ、前記設計波長の1/4の厚さを有し、前記第1高屈折率誘電体膜よりも低い屈折率を有する第1低屈折率誘電体膜と、
を有することを特徴とする請求項4記載のミラー。 - 前記複数の誘電体層のうちの前記第1の3層構造体を含む前記誘電体層、前記第2の3層構造体を含む前記誘電体層及び前記第1の2層構造体を含む前記誘電体膜とは異なる前記誘電体層は、第2の2層構造体を含み、
前記第2の2層構造体は、
前記第1の2層構造体の前記第2の3層構造体とは反対の側に設けられ、
前記設計波長の1/4の厚さを有する第2高屈折率誘電体膜と、
前記第2高屈折率誘電体膜の前記第1の2層構造体とは反対の側に設けられ、前記設計波長の1/4の厚さを有し、前記第2高屈折率誘電体膜よりも低い屈折率を有する第2低屈折率誘電体膜と、
を有することを特徴とする請求項6記載のミラー。 - 前記第1誘電体薄膜は第1元素を含み、前記第3誘電体薄膜に含まれる第1元素の濃度は、前記第1誘電体薄膜から前記第2誘電体薄膜に向かう方向に沿って減少する、及び、
前記第2誘電体薄膜は前記第1元素とは異なる第2元素を含み、前記第3誘電体薄膜に含まれる第2元素の濃度は、前記第2誘電体薄膜から前記第1誘電体薄膜に向かう方向に沿って減少する、
の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載のミラー。 - 前記複数の誘電体層のうちの前記いずれかは、
前記設計波長の1/6よりも大きく前記設計波長の1/4よりも小さい厚さを有し、第1側面屈折率を有する第1側面誘電体薄膜と、
前記第1側面誘電体膜と前記第1の方向において積層され、前記設計波長の1/6よりも大きく前記設計波長の1/4よりも小さい厚さを有し、前記第1側面屈折率よりも低い第2側面屈折率を有する第2側面誘電体薄膜と、
前記第1側面誘電体薄膜と前記第2側面誘電体薄膜との間に設けられ、前記設計波長の1/2の値から前記第1側面誘電体薄膜の前記厚さ及び前記第2側面誘電体薄膜の前記厚さの合計を減じた厚さを有し、前記第1側面屈折率よりも小さく、前記第2側面屈折率よりも大きい屈折率を有する中央部誘電体薄膜と、
を含むことを特徴とする請求項1記載のミラー。 - 第1の方向に互いに積層された複数の誘電体層を備え、
前記複数の誘電体層のそれぞれの前記第1の方向に沿った厚さは、設計波長の1/2の長さであり、
前記複数の誘電体層のうちのいずれかは、第1の3層構造体を含み、
前記第1の3層構造体は、
前記設計波長の1/8よりも大きく前記設計波長の1/4よりも小さい第1厚さを有し、第1屈折率を有する第1誘電体薄膜と、
前記第1誘電体薄膜と前記第1の方向において積層され、前記設計波長の1/8よりも大きく前記設計波長の1/4よりも小さい第2厚さを有し、前記第1屈折率よりも低い第2屈折率を有する第2誘電体薄膜と、
前記第1誘電体薄膜と前記第2誘電体薄膜との間に設けられ、前記設計波長の1/2の値から前記第1厚さ及び前記第2厚さの合計を減じた第3厚さを有し、前記第1誘電体薄膜の側から前記第2誘電体薄膜の側に向かうに従って漸減する第3屈折率を有する第3誘電体薄膜と、
を有し、
前記第3屈折率の前記第1の方向に関する分散が、前記第1屈折率の前記第1の方向に関する分散及び前記第2屈折率の前記第1の方向に関する分散よりも大きく、
前記第3誘電体薄膜は、
誘電体を含む第1サブ層と、
前記第1方向において前記第1サブ層と積層され、誘電体を含み、前記第1サブ層の屈折率とは異なる屈折率を有する第2サブ層と、
を含むことを特徴とするミラー。
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