JP6324910B2 - 光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、数百ギガヘルツから数十テラヘルツの周波数で使用される光学素子に係り、特に光学特性あるいは光学特性の方向依存性が可変な光学素子に関するものである。

テラヘルツ（１０¹²Ｈｚ）波は、セキュリティチェック、非破壊検査、分光分析、あるいは大容量通信など、様々な分野での応用が期待されている。テラヘルツ波を利用するためには、テラヘルツ波を効率よく送信、あるいは受信するアンテナやフィルター、吸収体などの光学素子が必要となる。

マイクロメートルスケールにパタン化されたグラフェンに生成するプラズモンのエネルギーは、テラヘルツ光の光子のエネルギーに相当する。従ってグラフェンのマイクロパタンは、プラズモンの生成を通してこれと共鳴するテラヘルツ光と強く結合し、この特定のテラヘルツ光を吸収、あるいは反射することができる（非特許文献１）。また、プラズモンの周波数はパタンの大きさ、グラフェンのキャリアドーピング量、グラフェンの層数、グラフェンを担持する基板の誘電率などで制御することができる。これらの条件によってグラフェンパタンと共鳴するテラヘルツ光の周波数を制御することができる。一般に、プラズモンのエネルギーを大きくするためには、パタンを小さく、ドーピング量を大きく、層数を大きく、グラフェンの周囲の物質の誘電率を小さくすれば良い。

また最近、発明者等は、僅かに異なる共鳴周波数を持つグラフェンパタンを所定の距離離して積層することで光学特性に大きな異方性が現れることを報告した（非特許文献２，３）。すなわち、特定の方向から入射したテラヘルツ光の反射率を抑制する（光は透過あるいは吸収される）機能を有する光学素子が作製できることを報告した。

L.Ju，B.Geng，J.Horng，C.Girit，M.Martin，Z.Hao，H.A.Bechtel，X.Liang，A.Zettl，Y.R.Shen，and F.Wang，"Graphene plasmonics for tunable terahertz metamaterials"，Nature Nanotechnology，Vol.6，p.630-634，2011 鈴木，日比野，「僅かな対称性の低下により現れるグラフェンリボンスタック構造の光学的異方性」，第３４回表面科学会学術講演会，8Ap08，2014年11月8日，松江市 S.Suzuki and H.Hibino，"Directivity of stacked graphene patterns for THz light"，The 7th International Symposium on Surface Science（ISSS-7），3pE1-2，2014年11月3日，松江市

しかしながら、これまでのグラフェンパタンを用いたテラヘルツ光用の光学素子では、光学素子を作製した後に特性を変調することはできないか、あるいは困難であるという問題があった。

本発明の目的は、このような課題を解決し、テラヘルツ光に対する光学特性を変調可能な光学素子を実現することにある。

本発明は、パタン化されたグラフェンのプラズモン共鳴を利用するテラヘルツ帯用の光学素子において、グラフェンパタンを誘電体あるいは真空を挟んで積層したキャパシタと、対向する前記グラフェンパタンの間に印加する電圧の調整が可能な電源とを備え、複数の前記キャパシタを誘電体あるいは真空を介して積層し、前記キャパシタの積層間隔を、前記キャパシタと共鳴するテラヘルツ光の波長の１／２０から１／８とし、複数の前記電源から前記複数のキャパシタに独立に電圧を印加することを特徴とするものである。
また、本発明の光学素子の１構成例において、前記キャパシタを構成する対向するグラフェンパタンの一方は、細線状の複数のグラフェンリボンを、グラフェンパタンの積層方向と直交する方向に周期的に配列したものであり、対向するグラフェンパタンの他方は、平板状のグラフェンパタンである。

本発明によれば、グラフェンパタンを誘電体あるいは真空を挟んで積層したキャパシタと、対向するグラフェンパタンの間に印加する電圧の調整が可能な電源とを設けることにより、印加する電圧によって光学素子の共鳴周波数を制御することができ、光学特性（透過、吸収、反射特性）を制御することができる。

また、本発明では、複数のキャパシタを誘電体あるいは真空を介して積層し、複数の電源から複数のキャパシタに独立に電圧を印加することにより、光学素子に光学的異方性を持たせることができ、また、この光学的異方性を光学素子に印加する電圧によって制御することができる。

本発明の参考例に係る光学素子の構造を示す斜視図である。 本発明の参考例に係る光学素子の構造を示す断面図である。 本発明の参考例に係る光学素子に電圧を印加したときの光学素子の透過スペクトル、吸収スペクトルおよび反射スペクトルを示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学素子に電圧を印加したときの光学素子の透過スペクトル、吸収スペクトルおよび反射スペクトルを示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学素子に電圧を印加したときの光学素子の透過スペクトル、吸収スペクトルおよび反射スペクトルを示す図である。

［発明の原理］
本発明に係る光学素子は、グラフェンパタンを誘電体あるいは真空を挟んで積層し、グラフェンパタン間に任意の電圧を加えられるようにしたものである。積層されたグラフェンパタンは、特定の周波数のテラヘルツ光と共鳴的に結合してこの光を吸収あるいは反射すると共に、キャパシタとしても作用する。このため、グラフェンパタン間に電圧を加えると、グラフェンパタンに正あるいは負の電荷（蓄積電荷）が蓄えられる。この蓄積電荷は、グラフェンに対するキャリアドーピングと同様な光学特性の変化をもたらす。この蓄積電荷によってグラフェンのフェルミレベルの位置が変化して、伝導度が変化し、共鳴周波数も変化する。蓄積電荷の量はグラフェンパタン間に印加する電圧で制御できるため、グラフェンパタンの共鳴周波数を電圧で制御できる。なお、対向するグラフェンパタンに誘起される電荷の符号は逆向きとなるが、グラフェンが元々非ドープの場合、蓄積電荷はその符号によらず同一の光学特性の変化をもたらす。

グラフェンパタンの積層間隔が狭い方が印加電圧１Ｖあたりに誘起される電荷の密度が増大する。また、グラフェンパタン間の誘電体の誘電率が大きいほど印加電圧１Ｖあたりに誘起される電荷の密度が増大する。ただし、積層間隔を広げるほどグラフェンパタン間の近接相互作用が減少し、グラフェンパタンの共鳴周波数は低下する。また、グラフェンパタン間の誘電体の誘電率が大きいほどグラフェンパタンの共鳴周波数は減少する。

なお、グラフェンパタンと対向する金属電極を設けることによってもキャパシタとして作用させることができ、印加電圧によってグラフェンの電荷量を制御できるが、通常の金属電極はテラヘルツ光をほぼ全て反射してしまうため、グラフェンパタンと金属電極とからなるキャパシタを透過型の光学素子に利用することは困難である。

また、本発明に係る光学素子は、複数の前記キャパシタを誘電体あるいは真空を介して複数積層したものである。各グラフェンキャパシタに独立に電圧を印加することにより、各グラフェンキャパシタの共鳴周波数を独立に変化させることができる。従ってそれぞれのグラフェンキャパシタの共鳴周波数を僅かに異なるようにすれば、非特許文献１〜３に開示されているように光の入射方向に依存する位相干渉が発生し、素子の光学特性に異方性を付与することができる。更にそれぞれのグラフェンキャパシタに印加する電圧を調整することによって光学特性の異方性を変化させることができる。例えば光学的異方性を瞬時に反転させることができる。このときの各グラフェンキャパシタ間の積層間隔（キャパシタ中心間距離）の光学的距離は、共鳴するテラヘルツ光の波長の１／２０から１／８程度にすれば良い。

［参考例］
以下、本発明の参考例について図を参照して説明する。図１は本発明の参考例に係る光学素子の構造を示す斜視図、図２は図１の光学素子の断面図である。本参考例の光学素子は、水晶基板１と、水晶基板１上に配置されたグラフェンパタン２と、グラフェンパタン２を覆うように水晶基板１上に形成されたＳｉＯ₂などの絶縁膜３と、グラフェンパタン２と対向するように絶縁膜３上に配置されたグラフェンパタン４と、グラフェンパタン２の端部に形成された金属電極５と、グラフェンパタン４の端部に形成された金属電極６とから構成される。グラフェンパタン２，４と絶縁膜３とはキャパシタを構成している。

グラフェンパタン２は、水晶基板１上に互い平行に配置されたμｍスケール幅（本参考例では２μｍ幅）の細線状の複数のグラフェンリボン２０と、複数のグラフェンリボン２０の一端を接続する細線状のグラフェン接続部２１とを備えている。グラフェンリボン２０の周期は例えば１０μｍである。グラフェン接続部２１の端部には金属電極５が形成されており、外部から電圧を印加できるようになっている。

同様に、グラフェンパタン４は、絶縁膜３上に互い平行に配置されたμｍスケール幅（本参考例では２μｍ幅）の細線状の複数のグラフェンリボン４０と、複数のグラフェンリボン４０の一端を接続する細線状のグラフェン接続部４１とを備えている。グラフェンリボン２０と同様に、グラフェンリボン４０の周期は１０μｍである。グラフェン接続部４１の端部には金属電極６が形成されている。

グラフェンパタン２，４を構成する材料は、非ドープのグラフェン、キャリアドーピングされたグラフェンのどちらでも構わない。グラフェンパタン２とグラフェンパタン４の積層間隔（絶縁膜３の厚さ）は例えば５０ｎｍとすれば良い。このとき近接効果により、グラフェンパタン２，４からなるグラフェンパタン対の共鳴周波数は孤立したグラフェンパタンに比べて高くなる。

以上のような光学素子に対して、テラヘルツ光は図１の上方あるいは下方から照射される。光学素子は、グラフェンリボン２０，４０の幅方向（図１、図２左右方向）に偏光した特定の周波数のテラヘルツ光と共鳴する。

グラフェンリボン２０，４０の数は、グラフェンパタン２，４のそれぞれの全幅が照射されるテラヘルツ光の大きさよりも大きくなるようにすればよい。例えばテラヘルツ光のスポット１０の径が数ｍｍならば、グラフェンパタン２，４の積層方向（図１、図２上下方向）と直交する方向にグラフェンリボン２０，４０をそれぞれ１００１個配置して、グラフェンパタン２，４の全幅を１０ｍｍとすればよい。また、グラフェンリボン２０，４０の長さも、照射されるテラヘルツ光の大きさより大きくなるようにすればよい。すなわち、グラフェンリボン２０，４０の長さを例えば１０ｍｍとすればよい。

図１、図２で示した光学素子の構造は例えば以下のように作製すればよい。最初に、水晶基板１の上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成したグラフェンを転写する。続いて、光リソグラフィーと反応性プラズマエッチングによってグラフェンを加工して、グラフェンパタン２を形成する。そして、このグラフェンパタン２上の一部に金属電極５を形成する。

次に、グラフェンパタン２を覆うように水晶基板１上に厚さ５０ｎｍのＳｉＯ₂などの絶縁膜３を蒸着する。続いて、絶縁膜３の上に、ＣＶＤ法で形成したグラフェンを転写する。このグラフェンを光リソグラフィーと反応性プラズマエッチングによって加工して、グラフェンパタン４を形成する。そして、このグラフェンパタン４上の一部に金属電極６を形成する。なお、上層のグラフェンパタン４を保護するために必要に応じて図１の構造の上に水晶基板１を接着するなどして、図２に示すように光学素子全体を水晶基板１で覆うようにしても良い。

こうして作製した光学素子の金属電極５，６に電源１１を接続し、２つのグラフェンパタン２，４の間に電圧Ｖ１を印加する。
図３は本参考例の光学素子に電圧Ｖ１として１７．７Ｖ、２１．９Ｖ、２６．４Ｖを印加したときの光学素子の透過スペクトル、吸収スペクトルおよび反射スペクトルを示す図である。図３のＰ１，Ｐ２，Ｐ３はそれぞれ電圧Ｖ１が１７．７Ｖ、２１．９Ｖ、２６．４Ｖのときの透過スペクトル、Ａ１，Ａ２，Ａ３はそれぞれ電圧Ｖ１が１７．７Ｖ、２１．９Ｖ、２６．４Ｖのときの吸収スペクトル、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３はそれぞれ電圧Ｖ１が１７．７Ｖ、２１．９Ｖ、２６．４Ｖのときの反射スペクトルである。

プラズモン共鳴が発生する周波数で吸収や反射が起こり、透過率は減少する。電圧Ｖ１が１７．７Ｖ、２１．９Ｖ、２６．４Ｖのときの光学素子の共鳴周波数はそれぞれ８．０ＴＨｚ、８．４５ＴＨｚ、８．８５ＴＨｚであり、電圧によって光学素子の共鳴周波数を制御することができ、光学特性（透過、吸収、反射特性）を制御できることが分かる。

なお、本参考例では、上層のグラフェンパタン４と下層のグラフェンパタン２の大きさと形状を同一としているが、これに限るものではなく、グラフェンパタン２，４の大きさや形状が同一でなくても類似の効果が得られる。例えば上層、あるいは下層の一方を加工せずに平板状のグラフェンの連続膜としても良い。言い換えると、グラフェンパタン２，４のそれぞれの共鳴周波数は同一でも良いし、異なっていても良い。

［第１の実施の形態］
次に、本発明の第１の実施の形態について説明する。図４は本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の構造を示す断面図である。本実施の形態の光学素子は、グラフェンパタン２，４と同様の構造を有するグラフェンパタン２ａ，４ａおよびグラフェンパタン２ａ，４ａ間に設けられた絶縁膜３ａからなるキャパシタと、グラフェンパタン２，４と同様の構造を有するグラフェンパタン２ｂ，４ｂおよびグラフェンパタン２ｂ，４ｂ間に設けられた絶縁膜３ｂからなるキャパシタとを３μｍ間隔で２段に重ねた構造を有している。なお、図４では、グラフェンパタン２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂに形成される金属電極の記載を図２と同様に省略している。

参考例と同様に、グラフェンパタン２ａ，４ａの積層間隔（絶縁膜３ａの厚さ）およびグラフェンパタン２ｂ，４ｂの積層間隔（絶縁膜３ｂの厚さ）は５０ｎｍである。
図４に示したような光学素子を作製するには、例えば参考例で説明した方法で光学素子を２つ作製し、２つの光学素子の水晶基板１同士を接着剤等で貼り合わせるようにすればよい。

こうして作製した光学素子のグラフェンパタン２ａ，４ａの金属電極に電源１１ａを接続して、２つのグラフェンパタン２ａ，４ａの間に電圧Ｖ１を印加すると共に、グラフェンパタン２ｂ，４ｂの金属電極に電源１１ｂを接続して、２つのグラフェンパタン２ｂ，４ｂの間に電圧Ｖ２を印加する。

図５は本実施の形態の光学素子に電圧Ｖ１として２１．９Ｖ、電圧Ｖ２として１８．７Ｖを印加したときの光学素子の透過スペクトル、吸収スペクトルおよび反射スペクトルを示す図である。ここでは、図４の上から光が入射する場合を前方入射、下から光が入射する場合を後方入射と呼ぶことにする。図５のＰは透過スペクトル、ＦＡは前方入射の場合の吸収スペクトル、ＢＡは後方入射の場合の吸収スペクトル、ＦＲは前方入射の場合の反射スペクトル、ＢＲは後方入射の場合の反射スペクトルである。

図５から明らかなように、透過率は光の入射方向に依存しない。しかし、吸収率と反射率は光の入射方向に大きく依存する。周波数が８ＴＨｚ付近では前方入射の光に対する反射率が大きく減少し、その分吸収率が増大する。電圧Ｖ１，Ｖ２の両方、あるいはいずれかを変化させるとスペクトルを変化させることができる。

特に上下のキャパシタの共鳴周波数を数％から十数％ずらすと、図５に示したような大きな光学的異方性が現れる。グラフェンパタン２ａ，４ａおよび絶縁膜３ａからなる上層のキャパシタの共鳴周波数を、グラフェンパタン２ｂ，４ｂおよび絶縁膜３ｂからなる下層のキャパシタの共鳴周波数に対して高くした場合、図５の８ＴＨｚの例で見られるように、前方入射するある周波数のテラヘルツ光に対して反射率がほぼ０となる。上層のキャパシタと下層のキャパシタの共鳴周波数を一致させると入射方向依存性は消失する。

また、電圧Ｖ１とＶ２の制御により光学特性の異方性を瞬時に反転させることができる。例えば電圧Ｖ１として２１．９Ｖ、電圧Ｖ２として１８．７Ｖを印加した状態のスペクトルが図５に示したスペクトルであるが、電圧Ｖ１を１８．７Ｖに、また電圧Ｖ２を２１．９Ｖにすると図５における前方入射のスペクトルと後方入射のスペクトルを入れ替えることができる。つまり、図５の前方入射の吸収スペクトルが後方入射の吸収スペクトルとなり、図５の後方入射の吸収スペクトルが前方入射の吸収スペクトルとなる。同様に、図５の前方入射の反射スペクトルが後方入射の反射スペクトルとなり、図５の後方入射の反射スペクトルが前方入射の反射スペクトルとなる。なお、電圧Ｖ１，Ｖ２の極性は正負逆でも構わない。

透過率＋吸収率＋反射率＝１の関係があり、透過率は前方、後方の入射方向に依存性しないため、図５に示すように反射率が消失するとその入射方向に対する吸収率が増大する。従って本実施の形態の光学素子を例えばアンテナ、あるいはテラヘルツ吸収体として用いると、特定の方向からの特定の周波数のテラヘルツ光を効率良く吸収することができ、効率良く吸収できる方向や吸収できる周波数を光学素子に印加する電圧によって制御することができるという優れた機能が発現する。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の構造を示す断面図である。本実施の形態の光学素子は、第１の実施の形態と同様の構造を有するものであるが、各グラフェンパタン２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを構成するグラフェンリボン２０，４０の周期を５μｍとし、またグラフェンパタン２ａ，４ａおよび絶縁膜３ａからなる上層のキャパシタとグラフェンパタン２ｂ，４ｂおよび絶縁膜３ｂからなる下層のキャパシタの積層間隔（上層のキャパシタの中心と下層のキャパシタの中心間の距離）を４μｍとしている。

上層と下層のキャパシタの積層間隔４μｍは、光学素子に印加する電圧Ｖ１，Ｖ２が第１の実施の形態に比して小さく共鳴周波数が低いことに対応して最適化した値である。しかし、積層間隔を共鳴テラヘルツ光の波長の１／２０から１／８程度の値にすれば、第１の実施の形態と類似の効果が得られる。

上記のとおり、参考例で１０μｍであったグラフェンリボン２０，４０の周期を５μｍとしている。同一層のグラフェンリボン間の間隔が狭いほどグラフェンリボンが占める面積が大きくなるため光の反射、吸収は増大する。しかし、グラフェンリボン間の相互作用のため、同一層のグラフェンリボン間の間隔が狭いほど共鳴周波数は小さくなる。グラフェンリボンの周期はこれらを勘案して適当に選べば良い。

第１の実施の形態と同様に、グラフェンパタン２ａ，４ａの金属電極に電源１１ａを接続して、２つのグラフェンパタン２ａ，４ａの間に電圧Ｖ１を印加すると共に、グラフェンパタン２ｂ，４ｂの金属電極に電源１１ｂを接続して、２つのグラフェンパタン２ｂ，４ｂの間に電圧Ｖ２を印加する。

図７は本実施の形態の光学素子に電圧Ｖ１として５．５Ｖ、電圧Ｖ２として４．４Ｖを印加したときの光学素子の透過スペクトル、吸収スペクトルおよび反射スペクトルを示す図である。図５と同様に、Ｐは透過スペクトル、ＦＡは前方入射の場合の吸収スペクトル、ＢＡは後方入射の場合の吸収スペクトル、ＦＲは前方入射の場合の反射スペクトル、ＢＲは後方入射の場合の反射スペクトルである。

図５と同じく透過率は光の入射方向に依存しない。しかし、吸収率と反射率は光の入射方向に大きく依存する。周波数が５．８ＴＨｚ付近では前方入射の光に対する反射率が大きく減少し、その分吸収率が増大する。電圧Ｖ１，Ｖ２の両方、あるいはいずれかを変化させるとスペクトルを変化させることができる。

特に上下のキャパシタの共鳴周波数を数％から十数％ずらすと、図７に示したような大きな光学的異方性が現れる。グラフェンパタン２ａ，４ａおよび絶縁膜３ａからなる上層のキャパシタの共鳴周波数を、グラフェンパタン２ｂ，４ｂおよび絶縁膜３ｂからなる下層のキャパシタの共鳴周波数に対して高くした場合、図５の５．８ＴＨｚの例で見られるように、前方入射するある周波数のテラヘルツ光に対して反射率がほぼ０となる。上層のキャパシタと下層のキャパシタの共鳴周波数を一致させると入射方向依存性は消失する。

また、電圧Ｖ１とＶ２の制御により光学特性の異方性を瞬時に反転させることができる。例えば電圧Ｖ１として５．５Ｖ、電圧Ｖ２として４．４Ｖを印加した状態のスペクトルが図７に示したスペクトルであるが、電圧Ｖ１を４．４Ｖに、また電圧Ｖ２を５．５Ｖにすると図７における前方入射のスペクトルと後方入射のスペクトルを入れ替えることができる。

なお図５と図７で周波数が異なるのは印加している電圧の違いによる。このように参考例および第１、第２の実施の形態では、光学素子に印加する電圧によって吸収、反射するテラヘルツ光の周波数を変調することができる。また、第１、第２の実施の形態では、吸収スペクトルおよび反射スペクトルが光の入射方向によって変化するという光学的異方性を持たせることができる。更に、この光学的異方性を光学素子に印加する電圧によって変えることができる。

なお、参考例および第１、第２の実施の形態では、対向するグラフェンパタンによって挟まれる誘電体として絶縁膜を用いたが、これに限るものではなく、対向するグラフェンパタン間の絶縁膜の一部に空間を設けるようにしても良い。この場合には、グラフェンパタン間の誘電体の一部として空気を用いることになる。また、グラフェンパタンの間の空間を真空にしてもよい。

また、第１、第２の実施の形態では、複数のキャパシタ間に挿入される誘電体として水晶基板を用いたが、これに限るものではなく、キャパシタ間の水晶基板の一部に空間を設けるようにしても良い。この場合には、キャパシタ間の誘電体の一部として空気を用いることになる。また、キャパシタの間の空間を真空にしてもよい。
また、第１、第２の実施の形態では、２つのキャパシタを積層しているが、３つ以上のキャパシタを積層してもよい。この場合には、キャパシタの数だけ電源を設けることになる。

本発明は、テラヘルツ帯用の光学素子に適用することができる。

１…水晶基板、２，２ａ，２ｂ，４，４ａ，４ｂ…グラフェンパタン、３，３ａ，３ｂ…絶縁膜、５，６…金属電極、１１，１１ａ，１１ｂ…電源、２０，４０…グラフェンリボン、２１，４１…グラフェン接続部。

Claims (2)

1. パタン化されたグラフェンのプラズモン共鳴を利用するテラヘルツ帯用の光学素子において、
   グラフェンパタンを誘電体あるいは真空を挟んで積層したキャパシタと、
   対向する前記グラフェンパタンの間に印加する電圧の調整が可能な電源とを備え、
   複数の前記キャパシタを誘電体あるいは真空を介して積層し、
   前記キャパシタの積層間隔を、前記キャパシタと共鳴するテラヘルツ光の波長の１／２０から１／８とし、
   複数の前記電源から前記複数のキャパシタに独立に電圧を印加することを特徴とする光学素子。
2. 請求項１記載の光学素子において、
   前記キャパシタを構成する対向するグラフェンパタンの一方は、細線状の複数のグラフェンリボンを、グラフェンパタンの積層方向と直交する方向に周期的に配列したものであり、
   対向するグラフェンパタンの他方は、平板状のグラフェンパタンであることを特徴とする光学素子。