JP6033121B2 - 波長変換素子 - Google Patents

Description

本発明は、入射電磁波から特定波長の電磁波を選択的に吸収し、特定波長とは異なる波長の電磁波を放射する波長変換素子に関する。

従来から、電磁波の波長を変換する波長変換素子としては、材料固有の放射スペクトルを利用した波長変換素子、あるいは分極反転などの光学非線形効果を利用した波長変換素子が用いられている。

例えば、特許文献１に記載された波長変換素子では、波長変換素子への入射光でヒータを熱し、ヒータの材料固有の波長の光を波長変換素子から放射することにより波長変換が行われる。また、特許文献２に記載された波長変換素子では、周期的分極反転構造に基づく擬似位相整合により非線形な波長変換が行われる。

特開平４−３５４３７８号公報 特開２０１０−９３２４４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された波長変換素子では、吸収・放射スペクトルが共にヒータ等の材料固有の物性値に依存するため、変換できる光の波長を自由に選択できないという問題があった。具体的には、波長λｒの放射光が必要な場合であっても、ヒータ等の材料固有の放射スペクトルがλｒでなければ、波長λｒの放射光を得ることができなかった。同様に、波長λａの光が入射しても、材料固有の吸収波長がλａでなければ入射光は吸収されず、当然に波長変換も行えなかった。
また、特許文献２に記載された波長変換素子は、レーザ光等の強い光を対象としており、自然光に含まれる赤外光のような光の波長変換は困難であった。

そこで、本発明は、特定波長の電磁波を吸収し、これを所望の波長の電磁波に変換して放射できる波長変換素子の提供を目的とする。

本発明は、表面から入射した電磁波の波長を変換して裏面から放射する波長変換素子であって、
該表面は、第１周期で周期的に設けられた凹部または凸部を有すると共に、該入射した電磁波を透過しない膜厚の金属で覆われ、
該裏面は、該第１周期とは異なる第２周期で周期的に設けられた凹部または凸部を有すると共に、該放射された電磁波を透過しない膜厚の金属で覆われ、
該第１周期は、第１波長を有する電磁波と表面プラズモン共鳴する周期からなり、該第２周期は、第２波長を有する電磁波と表面プラズモン共鳴する周期からなり、該第１波長を有する電磁波を、該第２波長を有する電磁波に変換することを特徴とする波長変換素子である。

本発明にかかる波長変換素子を用いることにより、特定波長の電磁波を吸収し、所望の波長の電磁波に波長変換して放射することが可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる波長変換素子の斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかる波長変換素子の断面を含んだ斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかる波長変換素子の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる波長変換素子の凹部の部分断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる波長変換素子の表面方向から見た平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる波長変換素子の裏面方向から見た平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる波長変換素子の変形例の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の波長変換素子の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる波長変換素子の吸収率の波長依存性を示す。 本発明の実施の形態１にかかる波長変換素子の放射率の波長依存性を示す。 本発明の実施の形態２にかかる波長変換素子の斜視図である。 本発明の実施の形態１、２にかかる波長変換素子を用いた断熱中空構造の上面図である。 本発明の実施の形態１、２にかかる波長変換素子を用いた断熱中空構造の断面図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる波長変換素子（波長変換フィルタ）の斜視図であり、図２は、図１のＩ−Ｉ’における断面を含む波長変換素子１００の斜視図である。
また、図３Ａは、図１のＩ−Ｉ’における波長変換素子１００の断面図であり、図３Ｂは波長変換素子１００の凹部の部分断面図である。
また、図４は、図３ＡのＡ方向（表面方向）から見た場合の波長変換素子１００の平面図であり、図５は、図３ＡのＢ方向（裏面方向）から見た場合の波長変換素子１００の平面図である。

図１〜図５に示すように、波長変換素子１００は、金属膜２からなる。金属膜２は、表面プラズモン共鳴を生じやすい金属から選択され、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ等であるのが好ましい。金属膜２の膜厚は、吸収率、熱時定数、材料の応力等を考慮して適宜決定される。

図３Ａに示すように、金属膜２の表面には、直径がｄ１、深さがｈ１の円柱形の凹部１が、周期ｐ１で形成されている。また、金属膜２の裏面には、直径がｄ２、深さがｈ２の円柱形の凹部１１が、周期ｐ２で形成されている。図３Ａでは、横方向の周期がｐ１、ｐ２であるが、縦方向（紙面に垂直な方向）の周期も同様にｐ１、ｐ２である。

図１〜図５では、凹部１、１１を正方格子配置（ｘｙ方向に配置）としたが、三角格子配置等でも良い。また、凹部１、１１の表面、裏面内における形状は円形としたが、楕円形や正方形でも良い。円形や正方形のような形状では吸収・放射に偏光依存性が無いが、楕円形、長方形、三角形のような形状では吸収・放射に偏光依存性が存在する。このため、偏光特性を有する光の吸収あるいは放射においては、楕円形、長方形、三角形のような非対称の形状が選択される。また、この特性を利用して偏光方向を変換することも可能である。なお、凹部は、二次元に配列されることが好ましいが、一次元配列でもある程度の効果は得ることができる。

なお、凹部１、１１が偏向依存性の無い形状であっても、配置方向によって周期を変えた場合は吸収・放射に偏光依存性が生じる。

図３Ａに示すように、凹部１、１１の表面に垂直な方向の断面は、矩形形状であることが好ましい。この理由について、図３Ｂを参照しながら説明する。図３Ｂは波長変換素子１００の凹部１の周辺を取り出した部分断面図である。図３Ｂに示すように、凹部１の側壁傾斜角θは、金属膜２の表面に垂直な方向と側壁とのなす角度で定義される。裏面の凹部１１の側壁傾斜角度θも同様に定義できる。側壁傾斜角θ＝０°の場合、凹部１、１１の側壁は金属膜２の表面に対して垂直となり好ましい。また、側壁傾斜角θが、一定の値より大きくなると、垂直方向の共鳴が弱くなるため、一般には、入射光の吸収率または放射光の放射率が小さくなる。但し、一方で、吸収光の波長あるいは放射光の波長の半値幅を小さくすることができる。また、θがマイナスの値つまり、逆テーパ形状の場合も、吸収・放射特性に変化が生じる。このため、側壁傾斜角度θは、入射光の吸収率、放射光の放射率、それらの半値幅を考慮して選定することが可能である。

図６は、波長変換素子１００の変形例であり、図３Ａと同じ方向から見た場合の断面図である。図６の波長変換素子１００では、断面の端部が曲線になるように凹部１、１１が形成されている。このような断面形状を用いることにより、入射光の入射角度依存性が低減でき、より広い入射角で入射する光を吸収することができる。

波長変換素子１００は、例えばフォトリソグラフィを用いて金属膜２をパターニングすることにより作製する。具体的には、以下のような工程１〜６を用いて作製する。

工程１：金属膜２を準備する。

工程２：金属膜２の表面にフォトレジストを塗布する。

工程３：フォトレジストの上にマスクパターンを重ねてフォトレジストを露光する。

工程４：フォトレジストを現像してレジストマスクを形成する。

工程５：ハロゲン系ガスを用いたドライエッチングにより露出した金属膜２をエッチングする。あるいはイオンビームエッチングでもよい。

工程６：レジストマスクを有機溶剤で除去することにより、金属膜２の表面に凹部１が形成される。

なお、工程５のドライエッチングに代えてウエットエッチングを用いても良い。同様の工程を金属膜２の裏面に対して行うことで、凹部１１を形成することができる。

上述のように、波長変換素子１００は、少なくとも最表面が、光の透過しない厚さの金属膜であればよい。図７は、本発明の実施の形態１にかかる他の波長変換素子２００の断面図であり、本体３と、その表面全体を覆うように設けられた金属膜１２から形成される。本体３は、好ましくはシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、シリコン（Ｓｉ）等の誘電体材料あるいは半導体からなる。但し、表面に凹凸パターンを加工しやすい材料であればこれらに限らない。

金属膜１２は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ等の表面プラズモン共鳴を生じやすい金属から選択される。金属膜１２の膜厚は入射光を透過しない厚さであれば良い。このような膜厚であれば、金属膜１２の表面における表面プラズモン共鳴のみが電磁波の吸収および放射に影響し、本体３は吸収等に光学的な影響を与えない。

例えば、波長変換素子２００の金属膜１２の膜厚δが、吸収波長に対して以下の関係：
δ＝（２／μσω）^１／２
ここで、δは金属膜１２の膜厚、μは金属膜１２の透磁率、
σは金属膜１２の電気伝導率、ωは入射光の角振動数、
で表される表皮効果の厚さ（skin depth）δの、少なくとも２倍の厚さ（数１０ｎｍから数１００ｎｍ程度）を有すれば、本体３への入射光の漏れ出しは充分に小さくできる。

例えば、金とシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）の熱容量を比較すると、酸化シリコンの方が小さい。よって、本体３が酸化シリコン、金属膜１２が金とした場合の波長変換素子２００の場合、金のみからなる波長変換素子１００に比べて熱容量を小さくすることができ、この結果、応答を速くすることができる。

図７に示す波長変換素子２００の作製は、誘電体あるいは半導体からなる本体３に対して、まず、表面側に対してフォトリソグラフィとドライエッチングを用いて周期構造を形成した後に、金属膜１２をスパッタ等で形成する。次に、裏面についても同様に、周期構造を作製した後に金属膜１２を形成する。

なお、凹部１、１１の直径は数μｍ程度と小さくなるため、金属膜を直接エッチングして凹部を形成するより、本体をエッチングして凹部を形成した後に金属膜を形成する方が、製造工程が容易となる。また、金属膜にはＡｕやＡｇのような高価な材料が使用されるため、誘電体あるいは半導体の本体を用いることで金属の使用量を減らし、コストを低減することができる。

次に、波長変換素子の波長変換特性について説明する。
一般に、電磁波が境界面で全反射する時に発生するエバネセント波の波長が、表面プラズモン波の波長と一致する場合に、表面プラズモンが励起される。また、本発明のように、吸収体の表面（赤外線吸収面）に微細な周期構造を設けた場合も、後述するように周期構造によって変調された表面プラズモンが生じる。近赤外域以上の波長域においても、金属表面からなる周期構造を導入することで、表面に強く結合する表面モード、つまり疑似表面プラズモンが発生し周期構造に応じた吸収が生じる。

本発明では、金属膜の内部の自由電子が寄与する現象と、周期構造による表面モードの生成について、吸収の観点からは同義とみなし、両者を区別すること無く、表面プラズモンあるいは表面プラズモン共鳴あるいは単に共鳴と呼ぶ。また、疑似表面プラズモン、メタマテリアルと呼ばれる場合もあるが、吸収の観点から見た現象としては同様のものとして扱う。

表面プラズモンが金属膜の表面と結合することにより、共鳴波長の電磁波が表面近傍に強く局在し、結果的に金属膜に吸収されることになる。このため、共鳴波長において吸収率が増加する。

続いて、表面プラズモンの分散関係について説明する。表面プラズモンの波数ベクトルをＫ_ｓｐ、入射光の波数ベクトルをＫ_０、ｍを整数、表面周期構造の逆格子ベクトルをＧとすると、下記の式１が成立する。

Ｋ_ｓｐ＝ Ｋ_０ ＋ ｍ×Ｇ ・・・・・・ （式１）

簡単のため周期ｐの１次元の周期構造とした場合、誘起される表面プラズモンの波数をｋ_ｓｐ、入射光の波数をｋ_０、入射角をθ、ｍを整数とすると、下記の式２が成立する。

・・・・・・ （式２）

式２から、周期ｐによって決定される波長の電磁波が表面近傍に強く局在し、結果的に吸収されることがわかる。特に、メインの入射角である垂直入射（θ＝０°）の場合、周期ｐによって表面プラズモン共鳴波長が決定される。

２次元周期構造の場合は、上記式１、式２における逆格子ベクトル（２π／ｐ）が２次元となる。独立した凹部が、２次元的に周期的に配置された構造、例えば、正方格子状や三角格子状に配置された構造では、表面プラズモン共鳴は面内方向及び深さ方向に生じるが、面内方向の表面プラズモン共鳴が支配的であり、主要な吸収波長は周期によって決定される。

また、キルヒホッフの法則から、吸収＝放射であるため、吸収が生じる波長においては同様の放射が発生する。つまり、このような吸収体は、構造体を熱した場合は放射体として作用し、表面プラズモン共鳴によって特定波長の放射が生じることになる。

ここで、図１に示す波長変換素子１００の表面に電磁波が入射した場合、周期ｐ１と等しい波長の電磁波が吸収される。吸収された電磁波の光エネルギーは、熱エネルギーとして保持される。このように、熱エネルギーが保持された場合、波長変換素子１００は熱平衡に達し、裏面においてエネルギーの放射、つまり電磁波の放射が行われる。この場合、放射された電磁波の波長は、同様の原理から裏面の周期構造の周期ｐ２と等しくなる。この結果、波長変換素子１００では、波長がｐ１の電磁波が表面で吸収されて光エネルギーが熱エネルギーに変換された後、裏面から波長ｐ２の電磁波として放射される。これにより、波長変換が可能となる。

このように、金属膜の表面および裏面に形成された周期構造が誘起する表面プラズモンを用いて電磁波の吸収及び放射を行うことにより、材料固有の放射特性に束縛されることなく、所望の波長の入射光を、所望の波長の放射光に変換することができる。また、作製の困難な非線形光学素子も不要となる。

次に、図８、図９を参照しながら、波長変換素子１００を用いた波長変換について説明する。図８は、Ａｕからなる波長変換素子１００の吸収率の波長依存性を電磁界解析で求めた結果を示し、横軸は入射光の波長、縦軸は波長変換素子１００の吸収率を表す。波長変換素子１００は、表面（入射面）に、直径ｄ１＝３μｍ、深さｈ１＝１．５μｍの円柱形の凹部を、周期ｐ１＝５μｍで正方格子状に配置されたものとする。

一方、図９は、波長変換素子１００の放射率の波長依存性を電磁界解析で求めた結果を示し、横軸は入射光の波長、縦軸は波長変換素子１００の放射率を表す。波長変換素子１００は、裏面（放射面）に、直径ｄ２＝６μｍ、深さｈ２＝１．５μｍの円柱形の凹部を、周期ｐ２＝１２μｍで正方格子状に配置されたものとする。

入射面の吸収波長をλ１、放射面の吸収波長をλ２とすると、図８の吸収率のピーク波長、図９の放射率のピーク波長より、λ１＝５μｍ、λ２＝１２μｍとなることが分かる。このように、表面および裏面に周期的な凹部を有する波長変換素子では、それぞれの周期（ｐ１＝５μｍ、ｐ２＝１２μｍ）にほぼ等しい波長の光を吸収し、放射することがわかる。この結果から、凹部の周期を調整することにより、所望の波長の電磁波を吸収し、それを所望の波長の電磁波に変換して放射できることがわかる。これらの吸収・放射による波長変換は、既に述べたように図７に示す波長変換素子２００においても同様に生じる。

電磁波の吸収波長、放射波長と、凹部の周期との関係は、２次元周期構造であれば、正方格子状、三角格子状等の配置でもほぼ同じであり、吸収波長及び放射波長は凹部の周期によって決定されることがわかる。但し、式１で示したように、周期構造の逆格子ベクトルを考慮すれば、理論的には、正方格子配置においては、吸収・放射波長が周期とほぼ等しいのに対して、三角格子配置では、吸収・放射波長は、周期×√３／２となる。しかしながら、実際には凹部の直径によって吸収・放射波長はわずかに変化するため、どちらの周期構造においてもほぼ周期と等しい波長が吸収あるいは放射されると考えられる。

以上で述べたように、波長変換素子１００の入射面、放射面に表面プラズモン共鳴を生じる金属周期構造を設けることにより、材料の固有の物性値によらず、吸収・放射スペクトルを自在に制御できるようになり、波長変換の自由度が高くなる。

上述のように、吸収、放射する電磁波の波長は、凹部の周期によって制御できる。凹部の直径については、一般に周期の１／２以上であることがのぞましい。１／２より小さい場合は共鳴効果が小さくなり、吸収率は低下する傾向にある。但し、凹部内の三次元的な共鳴であるため、直径が周期の１／２より小さくても十分な吸収が得られる場合もある。周期に対する直径の値は、適宜設計される。重要なのは、吸収・放射波長が主に周期によって制御されることである。直径に関しては、周期に対してある値以上であれば、十分な吸収をもつため、設計に幅をもたせることができる。一方、式１、２に示すように、表面プラズモンの分散関係の一般式を参照すれば、表面に結合する光は凹部の深さには無関係であり、周期にのみ依存する。よって、図３Ａに示す凹部の深さｈ１、ｈ２には、吸収波長、放射波長は依存しない。

次に、波長変換素子１００全体の厚さについて述べる。波長変換素子１００は、吸収した光を熱に変換する。このため、例えば画像センサなどに用いる場合は、高速な応答が必要となり、熱容量は低い方が好ましい。高速な応答を行うには、熱容量つまり波長変換素子１００の体積を小さくする必要がある。即ち、入射面から放射面の距離、つまり波長変換素子１００の厚さは、薄い方が望ましい。但し、十分な表面プラズモンによる吸収を得るためには凹部の深さはある程度大きくする必要がある。凹部の深さが、波長の少なくとも１／４であれば、凹部内において共鳴が生じる。よって、表面と裏面のそれぞれに設けられ凹部の深さを考慮すれば、波長変換素子１００の厚さは、対象とする波長以下にすることが理論的に可能である。

実施の形態２．
図１０は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態２にかかる波長変換素子の斜視図である。波長変換素子３００では、金属膜２に周期構造として、凹部の代わりに、円柱状の凸部４を設けたものである。図１０では、波長変換素子３００の表面側のみを示しているが、裏面側にも、周期構造として円柱状の凸部が設けられている。なお、ここでは、凸部を円柱形状としたが、楕円柱、四角柱、三角柱等であっても良い。

波長変換素子３００においても、上述の式１、式２で表される表面プラズモンの分散関係から、同様の効果が得られる。従って、表面と裏面に周期的な凸部４を形成した波長変換素子３００を用いることで、波長変換素子１００と同様に、所望の波長の電磁波を吸収し、所望の波長の電磁波を放射することが可能となる。

なお、図６や図７に示す構造について、凹部の代わりに凸部を形成しても、同様の効果を得ることができる。

これまで述べた波長変換素子（フィルタ）は、例えば帯域通過フィルタなどの光学フィルタと同様の、通常の使用でも効果は発揮される。但し、本発明のフィルタの断熱性を高め、応答を速くするためには、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）分野において用いられるサーフェスマイクロマシーニング、あるいはバルクマイクロマシーニング技術を用いて断熱中空構造を形成し、断熱支持脚でフィルタを支える構造により、フィルタ部分のみを中空に保持する構造とすれば効果的である。

図１１は、波長変換素子１００を断熱構造とする一例であり、図１２は図１１のＡ−Ａ’部分の断面図である。但し、波長変換素子２００、３００の場合についても同様に成立する。

断熱中空構造の波長変換素子１００の作製方法について簡単に述べる。例えば基板７がＳｉの場合、波長変換素子の凹凸パターンと逆のパターンをフォトリソグラフィとドライエッチングで形成する。次に、そのパターンの上にメッキやスパッタでＡｕを形成する。上面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）などで平坦化し、最表面に同様の凹凸パターンを形成する。この場合の加工方法は既に述べたものと同じである。

次に、断熱支持脚６となる部分を絶縁膜で形成する。最後に基板７の裏面からドライ、またはウエットエッチングにより、波長変換素子１００下部付近を除去すれば中空断熱構造が完成する。基板７がＳｉの場合は、一般的に、ＩＣＰ−ＲＩＥによるドライエッチングやＴＭＡＨによるウエットエッチングにより中空化が可能である。

図１１、１２のような中空断熱構造の場合、吸収した熱がフィルタ外部の接続部に逃げないため、吸収された熱のうち放射面から放射される割合が高くなり、波長変換効率が高くなる効果がある。

図１１、１２に示す中空断熱構造では２本の断熱支持脚６を用いたが、断熱支持脚６は２本以外でもよい。その他、フィルタを保持する部分に断熱材を用いる等でも同様の効果が得られる。

なお、実施の形態１、２では、赤外線波長域の光を例に説明したが、本発明は赤外線以外の波長域、例えば可視、近赤外、テラヘルツ（ＴＨｚ）、マイクロ波、電波領域の波長域の電磁波に適用しても、同様の効果を得ることができる。

１ 凹部、２ 金属膜、３ 本体、４ 凸部、６ 断熱支持脚、７ 基板、１１凹部、１２ 金属膜、１００、２００、３００ 波長変換素子。

Claims (6)

1. 表面から入射した電磁波の波長を変換して裏面から放射する波長変換素子であって、
   該表面の最表面は、第１周期で周期的に設けられた凹部または凸部を有すると共に、該表面全体は該入射した電磁波を透過しない、表皮効果の厚さの、少なくとも２倍の厚さの金属膜からなり、
   該裏面の最表面は、該第１周期とは異なる第２周期で周期的に設けられた凹部または凸部を有すると共に、該裏面全体は該放射された電磁波を透過しない、表皮効果の厚さの、少なくとも２倍の厚さの金属膜からなり、
   該第１周期は、第１波長を有する電磁波と表面プラズモン共鳴する周期からなり、該第２周期は、第２波長を有する電磁波と表面プラズモン共鳴する周期からなり、該第１波長を有する電磁波を、該第２波長を有する電磁波に変換することを特徴とする波長変換素子。
2. 上記凹部または凸部は、円柱、楕円柱、三角柱、または四角柱形状の凹部または凸部であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
3. 上記凹部または凸部は、上記表面および上記裏面に、１次元方向または２次元方向に周期的に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子。
4. 上記凹部または凸部は、上記表面および上記裏面に、正方格子状または三角格子状に配置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長変換素子。
5. 上記表面と上記裏面が金属膜で覆われた誘電体からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の波長変換素子。
6. 上記金属膜は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ＣｒおよびＴｉからなる群から選択されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換素子。