JP6688168B2

JP6688168B2 - 光学素子

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Publication number: JP6688168B2
Application number: JP2016119982A
Authority: JP
Inventors: 聡上野山; 和義廣瀬; 黒坂　剛孝; 剛孝黒坂
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2036-06-16
Also published as: JP2017223867A; WO2017217168A1

Description

本発明は、光の位相、強度及び偏光の少なくとも１つを変調するための光学素子に関する。

近年、光の位相、強度及び偏光の少なくとも１つを変調するための光学素子として、メタサーフェスが注目されている（例えば、特許文献１参照）。メタサーフェスにおいては、例えば、複数の微小金属構造体が、変調対象とする光の波長よりも小さいピッチで二次元状に配列されている。

米国特許第８８４８２７３号明細書

しかしながら、上述したようなメタサーフェスは、複数の微小金属構造体という静的な構造体によって構成されているため、予め定められた一定の変調を実現するに留まっている。

そこで、本発明は、光の位相、強度及び偏光の少なくとも１つを動的に変調することができる光学素子を提供することを目的とする。

本発明の光学素子は、基板と、基板に二次元状に配列され、電子流路を形成するためのｎ型半導体層及びｐ型半導体層の少なくとも１つを有する複数のアンテナ構造体と、複数のアンテナ構造体のそれぞれにおいて空乏層を拡大又は縮小させて電子流路の形状を変化させるための電極と、を備える。

この光学素子では、二次元状に配列された複数のアンテナ構造体のそれぞれにおいて電極に電圧が印加されることで、空乏層が拡大又は縮小させられて電子流路の形状が変化させられる。よって、この光学素子によれば、光の位相、強度及び偏光の少なくとも１つを動的に変調することができる。

本発明の光学素子では、複数のアンテナ構造体は、基板上に二次元状に配列されていてもよいし、基板内に二次元状に配列されていてもよい。

本発明の光学素子では、電極は、逆電圧が印加された際に空乏層が拡大するように、ｎ型半導体層又はｐ型半導体層と接合されていてもよい。この構成によれば、複数のアンテナ構造体のそれぞれにおいて、電子流路の形状を好適に変化させることができる。

本発明の光学素子では、電極は、逆電圧が印加された際に空乏層が拡大するように、絶縁層を介してｎ型半導体層上又はｐ型半導体層上に配置されていてもよい。この構成によれば、複数のアンテナ構造体のそれぞれにおいて、電子流路の形状を好適に変化させることができる。

本発明の光学素子では、複数のアンテナ構造体のそれぞれは、ＰＮ接合を成すｎ型半導体層及びｐ型半導体層を有し、電極は、順電圧が印加された際に空乏層が縮小するように、ｎ型半導体層又はｐ型半導体層と接合されていてもよい。この構成によれば、複数のアンテナ構造体のそれぞれにおいて、電子流路の形状を好適に変化させることができる。

本発明の光学素子では、複数のアンテナ構造体のそれぞれには、複数の電極が設けられていてもよい。この構成によれば、二次元状に配列された複数のアンテナ構造体のそれぞれにおいて複数の電極に選択的に電圧を印加することで、電子流路の形状を適宜に変化させることができる。

本発明の光学素子では、複数のアンテナ構造体のそれぞれは、基板の厚さ方向から見た場合に環状又はＣ字状の形状を呈し、複数の電極のそれぞれは、互いに異なる位置に配置されていてもよい。この構成によれば、複数のアンテナ構造体のそれぞれを、例えば互いに異なる方向に開いたＣ型アンテナとして、機能させることができる。

本発明の光学素子では、複数のアンテナ構造体のそれぞれは、基板の厚さ方向から見た場合に放射状に配列された複数のアームを有し、複数の電極のそれぞれは、複数のアームのそれぞれに配置されていてもよい。この構成によれば、複数のアンテナ構造体のそれぞれを、例えば互いに異なる方向に互いに異なる角度で開いたＶ型アンテナとして、機能させることができる。

本発明の光学素子では、複数のアンテナ構造体のそれぞれは、基板の厚さ方向から見た場合に多角形の形状を呈し、複数の電極のそれぞれは、少なくとも多角形における複数の角部のそれぞれに配置されていてもよい。この構成によれば、複数のアンテナ構造体のそれぞれを、例えば上述したようなＣ型アンテナ乃至Ｖ型アンテナとして、機能させることができる。

本発明の光学素子では、複数のアンテナ構造体のそれぞれは、基板の厚さ方向に沿って延在する側面を有し、電極は、側面に配置されていてもよい。この構成によれば、例えば基板の厚さ方向に沿って光を透過させる場合に、複数のアンテナ構造体のそれぞれにおいて複数の電極が光の散乱源となるのを抑制することができる。

本発明の光学素子は、制御端子及び一対の電流端子を有し、一対の電流端子の一方に電極が電気的に接続されたスイッチング素子と、一対の電流端子の他方に電気的に接続された第１配線と、制御端子に電気的に接続された第２配線と、を更に備えてもよい。この構成によれば、第１配線を介してスイッチング素子に電圧信号を送ると共に、第２配線を介してスイッチング素子に制御信号を送り、電極に対する電圧の印加のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることができる。

本発明の光学素子は、一対の電流端子の一方とグランド電位とに電気的に接続されたコンデンサを更に備えてもよい。この構成によれば、電極に印加される電圧を保持することができる。

本発明によれば、光の位相、強度及び偏光の少なくとも１つを動的に変調することができる光学素子を提供することが可能となる。

第１実施形態の光学素子の斜視図である。第１実施形態の光学素子のアンテナ構造体の断面図である。（ａ）第１実施形態の光学素子のアンテナ構造体において一方の分割電極に逆電圧が印加された際の空乏層の状態を示す断面図である。（ｂ）第１実施形態の光学素子のアンテナ構造体において一方の分割電極に逆電圧が印加された際の電子流路の形状を示す平面図である。（ａ）第１実施形態の光学素子のアンテナ構造体において他方の分割電極に逆電圧が印加された際の空乏層の状態を示す断面図である。（ｂ）第１実施形態の光学素子のアンテナ構造体において他方の分割電極に逆電圧が印加された際の電子流路の形状を示す平面図である。（ａ）第１実施形態の光学素子のアンテナ構造体において一方の分割電極及び他方の分割電極に逆電圧が印加された際の空乏層の状態を示す断面図である。（ｂ）第１実施形態の光学素子のアンテナ構造体において一方の分割電極及び他方の分割電極に逆電圧が印加された際の電子流路の形状を示す平面図である。ｎ型ＧａＡｓの電子密度とプラズマ周波数との関係を示す図である。第１実施形態の光学素子の第１変形例の平面図である。（ａ）第１実施形態の光学素子の第２変形例の断面図である。（ｂ）第２変形例のアンテナ構造体において一方の分割電極に逆電圧が印加された際の空乏層の状態を示す断面図である。（ａ）第１実施形態の光学素子の第３変形例の断面図である。（ｂ）第３変形例のアンテナ構造体において一方の分割電極に逆電圧が印加された際の空乏層の状態を示す断面図である。（ａ）第１実施形態の光学素子の第４変形例の断面図である。（ｂ）第４変形例のアンテナ構造体において一方の分割電極に逆電圧が印加された際の空乏層の状態を示す断面図である。第１実施形態の光学素子の第５変形例のアンテナ構造体の平面図である。第１実施形態の光学素子の第６変形例の断面図である。第２実施形態の光学素子の断面図である。（ａ）第２実施形態の光学素子のアンテナ構造体において一方の分割電極を除く複数の分割電極に順電圧が印加された際の空乏層の状態を示す断面図である。（ｂ）第２実施形態の光学素子のアンテナ構造体において一方の分割電極を除く複数の分割電極に順電圧が印加された際の電子流路の形状を示す平面図である。（ａ）第２実施形態の光学素子のアンテナ構造体において他方の分割電極を除く複数の分割電極に順電圧が印加された際の空乏層の状態を示す断面図である。（ｂ）第２実施形態の光学素子のアンテナ構造体において他方の分割電極を除く複数の分割電極に順電圧が印加された際の電子流路の形状を示す平面図である。第３実施形態の光学素子の平面図である。第３実施形態の光学素子の断面図である。（ａ）第３実施形態の光学素子のアンテナ構造体において一の組合せの分割電極に逆電圧が印加された際の電子流路の形状を示す平面図である。（ｂ）第３実施形態の光学素子のアンテナ構造体において他の組合せの分割電極に逆電圧が印加された際の電子流路の形状を示す平面図である。第４実施形態の光学素子の平面図である。第４実施形態の光学素子の断面図である。（ａ）第４実施形態の光学素子のアンテナ構造体において一の組合せの分割電極に逆電圧が印加された際の電子流路の形状を示す平面図である。（ｂ）第４実施形態の光学素子のアンテナ構造体において他の組合せの分割電極に逆電圧が印加された際の電子流路の形状を示す平面図である。（ａ）第１実施形態の光学素子の第７変形例の断面図である。（ｂ）第７変形例のアンテナ構造体において一方の分割電極に逆電圧が印加された際の空乏層の状態を示す断面図である。第１実施形態の光学素子の第８変形例の平面図である。第１実施形態の光学素子の第９変形例の断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］

図１に示されるように、第１実施形態の光学素子１Ａは、基板２と、複数のアンテナ構造体３と、複数の分割電極（電極）４と、を備えている。光学素子１Ａは、光の位相、強度及び偏光の少なくとも１つを変調するためのメタサーフェスとして機能する。

基板２は、例えばＧａＡｓ等の半導体材料からなる。基板２は、例えば矩形板状を呈している。基板２は、その厚さ方向おいて互いに対向する表面２ａ及び裏面２ｂを有している。

複数のアンテナ構造体３は、基板２の表面２ａに二次元状（光学素子１Ａでは、マトリックス状）に配列されている。各アンテナ構造体３は、例えばｎ型ＧａＡｓ等のｎ型半導体材料からなるｎ型半導体層３１を有している。各アンテナ構造体３は、基板２の厚さ方向から見た場合に円環状の形状を呈している。各アンテナ構造体３のサイズ、及び隣り合うアンテナ構造体３間の距離は、変調対象とする光の波長よりも小さい。

複数の分割電極４は、各アンテナ構造体３において、互いに異なる位置に配置されている。光学素子１Ａでは、一対の分割電極４が、基板２の厚さ方向から見た場合にアンテナ構造体３の中心を挟んで互いに対向する位置に配置されている。各分割電極４は、例えば金属材料からなる。

図２に示されるように、一対の分割電極４のそれぞれは、アンテナ構造体３における基板２側とは反対側の表面３ａに形成されており、ｎ型半導体層３１と接合されている。より具体的には、各分割電極４は、逆電圧（ｎ型半導体層３１との接合面に対して正の電圧）が印加された際に、ｎ型半導体層３１における当該分割電極４との接合部分に空乏層が出現して拡大するように（換言すれば、ショットキー接合を成すように）、ｎ型半導体層３１と接合されている。なお、図２では、配線５ａ，５ｂが省略されている（図３〜５，８〜２２でも同様）。

図１に示されるように、各アンテナ構造体３に設けられた一方の分割電極４は、配線５ａを介してゲート電極６ａと電気的に接続されている。各アンテナ構造体３に設けられた他方の分割電極４は、配線５ｂを介してゲート電極６ｂと電気的に接続されている。各ゲート電極６ａ，６ｂは、外部電源と電気的に接続されている。外部電源は、各ゲート電極６ａ，６ｂとオーミック電極７との間に電圧を印加する。各アンテナ構造体３、各配線５ａ，５ｂ及び各ゲート電極６ａ，６ｂは、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｓｉ_３Ｃ_４等からなる絶縁膜を介して基板２の表面２ａに形成されている。オーミック電極７は、基板２とオーミック接合を成すように、基板２の表面２ａに形成されている。各配線５ａ，５ｂ、各ゲート電極６ａ，６ｂ及びオーミック電極７は、例えば金属材料からなる。

以上のように構成された光学素子１Ａでは、図３の（ａ）に示されるように、一方の分割電極４（図３における右側の分割電極４）に逆電圧が印加され、他方の分割電極４（図３における左側の分割電極４）に電圧が印加されないと、ｎ型半導体層３１における一方の分割電極４との接合部分のみに空乏層Ｄが出現して拡大する。これにより、図３の（ｂ）に示されるように、ｎ型半導体層３１のうち一方の分割電極４との接合部分を除く部分が電子流路Ｆ（光の散乱を生じさせ得る電子充填領域）となる。したがって、この場合のアンテナ構造体３は、一方の側（図３における右側）に開いたＣ型アンテナとして機能する。

また、図４の（ａ）に示されるように、他方の分割電極４（図４における左側の分割電極４）に逆電圧が印加され、一方の分割電極４（図４における右側の分割電極４）に電圧が印加されないと、ｎ型半導体層３１における他方の分割電極４との接合部分のみに空乏層Ｄが出現して拡大する。これにより、図４の（ｂ）に示されるように、ｎ型半導体層３１のうち他方の分割電極４との接合部分を除く部分が電子流路Ｆとなる。したがって、この場合のアンテナ構造体３は、他方の側（図４における左側）に開いたＣ型アンテナとして機能する。

また、図５の（ａ）に示されるように、一方の分割電極４（図５における右側の分割電極４）及び他方の分割電極４（図５における左側の分割電極４）に逆電圧が印加されると、ｎ型半導体層３１における一方の分割電極４との接合部分及び他方の分割電極４との接合部分のみに空乏層Ｄが出現して拡大する。これにより、図５の（ｂ）に示されるように、ｎ型半導体層３１のうち一方の分割電極４との接合部分及び他方の分割電極４との接合部分を除く部分が電子流路Ｆとなる。

以上説明したように、第１実施形態の光学素子１Ａでは、二次元状に配列された複数のアンテナ構造体３のそれぞれにおいて、複数の分割電極４に選択的に電圧が印加されることで、空乏層Ｄが拡大させられて電子流路Ｆの形状が変化させられる。よって、光学素子１Ａによれば、光の位相、強度及び偏光の少なくとも１つを動的に変調することができる。

より具体的には、各分割電極４が、逆電圧が印加された際に空乏層Ｄが拡大するように、ｎ型半導体層３１と接合されている。この構成によれば、各アンテナ構造体３において、電子流路Ｆの形状を好適に変化させることができる。

また、各アンテナ構造体３が、基板２の厚さ方向から見た場合に円環状の形状を呈しており、各分割電極４が、互いに異なる位置に配置されている。この構成によれば、各アンテナ構造体３を、例えば互いに異なる方向に開いたＣ型アンテナとして、機能させることができる。

ここで、アンテナ構造体３に用いられる材料について説明する。図６は、ｎ型ＧａＡｓの電子密度とプラズマ周波数との関係を示す図（ただし、縦軸は波長）である。図６に示されるように、アンテナ構造体３に材料としてｎ型ＧａＡｓを用いる場合には、電子密度を１．３×１０^１８／ｃｍ^３程度以上に高くすれば、変調対象とする光の光源として、例えば波長７．７５μｍのレーザ光を出力するＱＣＬ（量子カスケードレーザ）を用いることができる。更に、電子密度を９．３×１０^２０／ｃｍ^３程度以上に高くすれば、変調対象とする光の光源として、例えば波長０．９４μｍのレーザ光を出力するＰＣＳＥＬ（フォトニック結晶レーザ）を用いることができる。また、アンテナ構造体３に材料として、ＧＺＯ（ガリウムが添加されたＺｎＯ）、ＡＺＯ（Ａｌが添加されたＺｎＯ）又はＩＴＯ（Ｓｎが添加されたＩｎ_２Ｏ_３）を用いる場合には、変調対象とする光の光源として、例えば波長７．７５μｍのレーザ光を出力するＱＣＬを用いることができる。図６に示される例では、ＧＺＯは、ガリウムが４重量％添加されたＺｎＯであり、ＡＺＯは、Ａｌが２重量％添加されたＺｎＯであり、ＩＴＯは、Ｓｎが１０重量％添加されたＩｎ_２Ｏ_３である。なお、外部電界の周波数よりも高い（図６では下側の）プラズマ周波数を有する材料において、内部電子が振動させられて（追従して）光の散乱が生じる。

次に、アンテナ構造体３に材料としてｎ型ＧａＡｓを用いる場合の光学素子１Ａの製造方法の一例について説明する。

まず、ＧａＡｓからなる基板２を用意する。続いて、ｎ型半導体層３１のうち各分割電極４に対応する部分に電位差を生じさせるために、基板２の表面２ａのうちオーミック電極７に対応する部分を除く部分に、プラズマＣＶＤ法によって絶縁膜を形成する。続いて、スピンコーティング法によって、基板２の表面２ａに電子線レジストを形成する。続いて、電子線レジストに対する電子線描画及び現像によって、複数のアンテナ構造体３に対応するパターンを形成する。ここで、アンテナ構造体３の直径は１μｍであり、アンテナ構造体３の幅は０．２μｍであり、隣り合うアンテナ構造体３間の距離は２μｍである。続いて、分子線エピキタシー法によって、ｎ型ＧａＡｓを堆積させて、ｎ型ＧａＡｓからなる複数のアンテナ構造体３を形成する。ここで、アンテナ構造体３の厚さは５０ｎｍである。続いて、基板２の表面２ａから電子線レジストを除去する。

続いて、スピンコーティング法によって、基板２の表面２ａに電子線レジストを再度形成する。続いて、複数の分割電極４、複数の配線５ａ，５ｂ、一対のゲート電極６ａ，６ｂ、及びオーミック電極７に対応するパターンを形成する。続いて、電子線蒸着によって、Ｔｉを蒸着し、更にＡｕを堆積させて、複数の分割電極４、複数の配線５ａ，５ｂ、一対のゲート電極６ａ，６ｂ、及びオーミック電極７を形成する。ここで、密着層であるＴｉ層の厚さは５ｎｍであり、Ａｕ層の厚さは５０〜１５０ｎｍである。最後に、基板２の表面２ａから電子線レジストを除去し、光学素子１Ａを得る。

次に、第１実施形態の光学素子１Ａの変形例について説明する。まず、１つのアンテナ構造体３に３つ以上の分割電極４が配置されていてもよい。また、光学素子１Ａは、図７に示されるように、制御端子及び一対の電流端子を有するスイッチング素子１０と、スイッチング素子１０に電圧信号を送る電圧供給ライン（第１配線）８と、スイッチング素子１０に制御信号を送るスイッチライン（第２配線）９と、を更に備えてもよい。その場合、一対の電流端子の一方には分割電極４が電気的に接続され、一対の電流端子の他方には電圧供給ライン８が電気的に接続され、制御端子にはスイッチライン９が電気的に接続される。一例として、スイッチング素子１０はトランジスタである。その場合、制御端子はゲート電極であり、一対の電流端子はドレイン電極及びソース電極である。この構成は、複数のアンテナ構造体３に対して分割電極４ごとに適用することが可能である。この構成によれば、電圧供給ライン８を介してスイッチング素子１０に電圧信号を送ると共に、スイッチライン９を介してスイッチング素子１０に制御信号を送り、分割電極４に対する電圧の印加のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることができる。つまり、この構成によれば、アンテナ構造体３ごとに所望の分割電極４にスイッチング素子１０を介して電圧を印加することができる。また、光学素子１Ａは、図２３に示されるように、スイッチング素子１０における一対の電流端子の一方とグランド電位とに電気的に接続されたコンデンサ１１を更に備えてもよい。この構成によれば、分割電極４に印加される電圧を保持することができる。

また、各アンテナ構造体３が、ｎ型半導体層３１に替えてｐ型半導体層を有していてもよい。その場合、分割電極４に逆電圧（ｐ型半導体層との接合面に対して負の電圧）が印加されると、ｐ型半導体層のうち当該分割電極４との接合部分のみに空乏層Ｄが出現して拡大する。

また、図８の（ａ）及び図９の（ａ）に示されるように、分割電極４は、アンテナ構造体３の側面３ｂに配置されていてもよい。この場合にも、分割電極４に逆電圧が印加されると、図８の（ｂ）及び図９の（ｂ）に示されるように、ｎ型半導体層３１における分割電極４との接合部分に空乏層Ｄが出現して拡大するため、電子流路Ｆの形状を好適に変化させることができる。

図８及び図９に示されるように、分割電極４が、基板２の厚さ方向に沿って延在する側面３ｂに配置されていると、例えば基板２の厚さ方向に沿って光を透過させる場合に、各アンテナ構造体３において複数の分割電極４が光の散乱源となるのを抑制することができる。特に、分割電極４と基板２との間に絶縁層１２が配置されていると、各アンテナ構造体３において複数の分割電極４が光の散乱源となるのをより確実に抑制することができる。更に、図９に示されるように、エッチング等によって側面３ｂを傾斜させておくと、蒸着等による分割電極４の形成を容易に且つ確実に実施することができる。なお、図９に示される側面３ｂは、基板２の厚さ方向に垂直な方向にも延在しているが、基板２の厚さ方向に平行な方向にも延在している。このような側面３ｂも、基板２の厚さ方向に沿って延在する側面に含まれる。

また、図１０の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、分割電極４は、逆電圧が印加された際に空乏層Ｄが拡大するように、絶縁層１２を介してｎ型半導体層３１上に配置されていてもよい。この構成（いわゆるＭＩＳ構造）によっても、各アンテナ構造体３において、電子流路Ｆの形状を好適に変化させることができる。なお、この場合にも、各アンテナ構造体３が、ｎ型半導体層３１に替えてｐ型半導体層を有していてもよい。つまり、分割電極４は、逆電圧が印加された際に空乏層Ｄが拡大するように、絶縁層１２を介してｐ型半導体層上に配置されていてもよい。

また、図１１に示されるように、複数の分割電極４は、円環状の形状を呈するアンテナ構造体３の一部の部分（本変形例では、１／４の部分）に配置されていてもよい。この場合にも、１つ若しくは複数（全てを含む）の分割電極４に選択的に電圧を印加することで、電子流路Ｆの形状を適宜に変化させることができる。なお、複数の分割電極４は、円環状の形状を呈するアンテナ構造体３の全ての部分に配置されていてもよい。

また、図１２に示されるように、アンテナ構造体３の表面３ａにミラー１３が配置されていてもよい。この場合、変調対象とする光を基板２の裏面２ｂ側から入射させることで、変調された光を反射光として取り出すことができる。また、図２４に示されるように、基板２の表面２ａとアンテナ構造体３との間にミラー１３が配置されていてもよい。この場合、変調対象とする光を基板２の表面２ａ側から入射させることで、変調された光を反射光として取り出すことができる。

また、各アンテナ構造体３は、基板２の厚さ方向から見た場合に円環状以外の環状又はＣ字状の形状を呈していてもよい。円環状以外の環状の形状として、多角形、楕円等を例示することができる。
［第２実施形態］

図１３に示されるように、第２実施形態の光学素子１Ｂは、アンテナ構造体３の層構造及び複数の分割電極４の配置において、第１実施形態の光学素子１Ａと主に相違している。光学素子１Ｂにおいて、各アンテナ構造体３は、ｎ型半導体層３１と、ｐ型半導体層３２と、を有している。ｎ型半導体層３１は、基板２の表面２ａに形成されている。ｐ型半導体層３２は、ｎ型半導体層３１上に形成されている。ｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２は、ＰＮ接合を成し、ｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２の接合部分には、空乏層Ｄが形成されている。

各アンテナ構造体３には、複数の分割電極４が環状に配列されている。各分割電極４は、アンテナ構造体３の表面３ａに形成されており、ｐ型半導体層３２と接合されている。より具体的には、各分割電極４は、順電圧（ｐ型半導体層３２との接合面に対して正の電圧）が印加された際に、ｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２の接合部分のうち当該分割電極４の直下に位置する部分で空乏層Ｄが縮小するように、ｐ型半導体層３２と接合されている。なお、隣り合う分割電極４間の隙間は、隣り合う分割電極４間における電気的な絶縁が維持され得る幅に狭められている。

以上のように構成された光学素子１Ｂでは、図１４の（ａ）に示されるように、一方の分割電極４（図１４における右側の分割電極４）を除く複数の分割電極４に順電圧が印加されると、ｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２の接合部分のうち順電圧が印加された複数の分割電極４の直下に位置する部分で空乏層Ｄが縮小して消滅する。これにより、図１４の（ｂ）に示されるように、ｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２の接合部分のうち一方の分割電極４の直下に位置する部分（すなわち、空乏層Ｄが形成されている部分）を除く部分が電子流路Ｆ（光の散乱を生じさせ得る電子充填領域）となる。したがって、この場合のアンテナ構造体３は、一方の側（図１４における右側）に開いたＣ型アンテナとして機能する。

また、図１５の（ａ）に示されるように、他方の分割電極４（図１５における左側の分割電極４）を除く複数の分割電極４に順電圧が印加されると、ｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２の接合部分のうち順電圧が印加された複数の分割電極４の直下に位置する部分で空乏層Ｄが縮小して消滅する。これにより、図１５の（ｂ）に示されるように、ｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２の接合部分のうち他方の分割電極４の直下に位置する部分（すなわち、空乏層Ｄが形成されている部分）を除く部分が電子流路Ｆとなる。したがって、この場合のアンテナ構造体３は、他方の側（図１５における左側）に開いたＣ型アンテナとして機能する。

以上説明したように、第２実施形態の光学素子１Ｂでは、二次元状に配列された複数のアンテナ構造体３のそれぞれにおいて、複数の分割電極４に選択的に電圧が印加されることで、空乏層Ｄが縮小させられて電子流路Ｆの形状が変化させられる。よって、光学素子１Ｂによれば、光の位相、強度及び偏光の少なくとも１つを動的に変調することができる。

より具体的には、各アンテナ構造体３が、ＰＮ接合を成すｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２を有し、各分割電極４が、順電圧が印加された際に空乏層Ｄが縮小するように、ｐ型半導体層３２と接合されている。この構成によれば、各アンテナ構造体３において、電子流路Ｆの形状を好適に変化させることができる。

なお、第２実施形態の光学素子１Ｂも、第１実施形態の光学素子１Ａと同様に、電圧供給ライン８を介してスイッチング素子１０に電圧信号を送ると共に、スイッチライン９を介してスイッチング素子１０に制御信号を送り、分割電極４に対する電圧の印加のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることができるように、構成されていてもよい（図７及び図２３参照）。また、ｐ型半導体層３２が基板２の表面２ａに形成されており、ｎ型半導体層３１がｐ型半導体層３２上に形成されていてもよい。その場合、分割電極４に順電圧（ｎ型半導体層３１との接合面に対して負の電圧）が印加されると、ｐ型半導体層３２及びｎ型半導体層３１の接合部分のうち当該分割電極４の直下に位置する部分で空乏層Ｄが縮小して消滅する。また、アンテナ構造体３の表面３ａにミラー１３が配置されていてもよい（図１２参照）。また、基板２の表面２ａとアンテナ構造体３との間にミラー１３が配置されていてもよい（図２４参照）。また、各アンテナ構造体３は、基板２の厚さ方向から見た場合に円環状以外の環状又はＣ字状の形状を呈していてもよい。
［第３実施形態］

図１６に示されるように、第３実施形態の光学素子１Ｃは、アンテナ構造体３の形状に及び複数の分割電極４の配置おいて、第１実施形態の光学素子１Ａと主に相違している。光学素子１Ｃにおいて、各アンテナ構造体３は、基板２の厚さ方向から見た場合に放射状に配列された複数のアーム３３を有している。より具体的には、複数のアーム３３は、基端部３３ａにおいて互いに接続されており、例えば４５度間隔で放射状に配列されている。各アンテナ構造体３において、各分割電極４は、アーム３３ごとにアンテナ構造体３の表面３ａに形成されており、図１７に示されるように、ｎ型半導体層３１と接合されている。より具体的には、各分割電極４は、逆電圧が印加された際に、ｎ型半導体層３１における当該分割電極４との接合部分に空乏層が出現して拡大するように（換言すれば、ショットキー接合を成すように）、ｎ型半導体層３１と接合されている。

以上のように構成された光学素子１Ｃでは、図１８の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、適宜に選択された一対の分割電極４（図１８の（ａ）及び（ｂ）において実線で示された分割電極４）を除く複数の分割電極４（図１８の（ａ）及び（ｂ）において二点鎖線で示された分割電極４）に逆電圧が印加されると、ｎ型半導体層３１のうち適宜に選択された一対の分割電極４を除く複数の分割電極４との接合部分のみに空乏層Ｄが出現して拡大する。これにより、ｎ型半導体層３１のうち適宜に選択された一対の分割電極４との接合部分が電子流路Ｆ（光の散乱を生じさせ得る電子充填領域）となる。したがって、図１８の（ａ）に示されるアンテナ構造体３は、図１８の（ａ）における上側から４５度の方向に９０度の角度で開いたＣ型アンテナとして機能し、図１８の（ｂ）に示されるアンテナ構造体３は、図１８の（ｂ）における上側から１３５度の方向に４５度の角度で開いたＣ型アンテナとして機能する。

以上説明したように、第３実施形態の光学素子１Ｃでは、二次元状に配列された複数のアンテナ構造体３のそれぞれにおいて、複数の分割電極４に選択的に電圧が印加されることで、空乏層Ｄが拡大させられて電子流路Ｆの形状が変化させられる。よって、光学素子１Ｃによれば、光の位相、強度及び偏光の少なくとも１つを動的に変調することができる。

また、各アンテナ構造体３が、基板２の厚さ方向から見た場合に放射状に配列された複数のアーム３３を有しており、各分割電極４が、各アーム３３に配置されている。この構成によれば、各アンテナ構造体３を、例えば互いに異なる方向に互いに異なる角度で開いたＶ型アンテナとして、機能させることができる。

なお、第３実施形態の光学素子１Ｃにおいては、１つのアーム３３に複数の分割電極４が配置されていてもよい。この構成によれば、Ｖ型アンテナが開く方向及び角度に加え、Ｖ型アンテナの各アームの長さを変更することができる。また、第３実施形態の光学素子１Ｃも、第１実施形態の光学素子１Ａと同様に、電圧供給ライン８を介してスイッチング素子１０に電圧信号を送ると共に、スイッチライン９を介してスイッチング素子１０に制御信号を送り、分割電極４に対する電圧の印加のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることができるように、構成されていてもよい（図７及び図２３参照）。また、各アンテナ構造体３が、ｎ型半導体層３１に替えてｐ型半導体層を有していてもよい。その場合、分割電極４に逆電圧が印加されると、ｐ型半導体層のうち当該分割電極４との接合部分のみに空乏層Ｄが出現して拡大する。また、アンテナ構造体３の側面３ｂに分割電極４が配置されていてもよい（図８及び図９参照）。また、アンテナ構造体３の表面３ａにミラー１３が配置されていてもよい（図１２参照）。また、基板２の表面２ａとアンテナ構造体３との間にミラー１３が配置されていてもよい（図２４参照）。また、各アンテナ構造体３は、基板２の厚さ方向から見た場合に円環状以外の環状又はＣ字状の形状を呈していてもよい。

また、第３実施形態の光学素子１Ｃにおいても、第２実施形態の光学素子１Ｂと同様に、各アンテナ構造体３が、ＰＮ接合を成すｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２を有しており、各分割電極４が、ｎ型半導体層３１又はｐ型半導体層３２と接合されていてもよい。この場合、適宜に選択された一対の分割電極４（図１８の（ａ）及び（ｂ）において実線で示された分割電極４）のみに順電圧が印加されると、ｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２の接合部分のうち一対の分割電極４の直下に位置する部分のみで空乏層Ｄが縮小して消滅する。これにより、ｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２の接合部分のうち一対の分割電極４の直下に位置する部分を電子流路Ｆとして機能させることができる。
［第４実施形態］

図１９に示されるように、第４実施形態の光学素子１Ｄは、アンテナ構造体３の形状において、第１実施形態の光学素子１Ａと主に相違している。光学素子１Ｄにおいて、各アンテナ構造体３は、基板２の厚さ方向から見た場合に正方形の形状を呈している。各アンテナ構造体３において、各分割電極４は、基板２の厚さ方向から見た場合に、当該正方形を８分する同形の直角二等辺三角形の形状を呈しており、当該正方形における複数の角部３４のそれぞれに配置されている。各アンテナ構造体３において、各分割電極４は、アンテナ構造体３の表面３ａに形成されており、図２０に示されるように、ｎ型半導体層３１と接合されている。より具体的には、各分割電極４は、逆電圧が印加された際に、ｎ型半導体層３１における当該分割電極４との接合部分に空乏層が出現して拡大するように（換言すれば、ショットキー接合を成すように）、ｎ型半導体層３１と接合されている。なお、隣り合う分割電極４間の隙間は、隣り合う分割電極４間における電気的な絶縁が維持され得る幅に狭められている。

以上のように構成された光学素子１Ｄでは、図２１の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、適宜に選択された一対の分割電極４（図２１の（ａ）及び（ｂ）において二点鎖線で示された分割電極４）のみに逆電圧が印加されると、ｎ型半導体層３１のうち適宜に選択された一対の分割電極４との接合部分のみに空乏層Ｄが出現して拡大する。これにより、ｎ型半導体層３１のうち適宜に選択された一対の分割電極４を除く複数の分割電極４（図２１の（ａ）及び（ｂ）において実線で示された分割電極４）との接合部分が電子流路Ｆ（光の散乱を生じさせ得る電子充填領域）となる。したがって、図２１の（ａ）に示されるアンテナ構造体３は、図２１の（ａ）における右側に開いたＣ型アンテナ乃至Ｖ型アンテナとして機能し、図２１の（ｂ）に示されるアンテナ構造体３は、図２１の（ｂ）における下側に開いたＣ型アンテナ乃至Ｖ型アンテナとして機能する。

以上説明したように、第４実施形態の光学素子１Ｄでは、二次元状に配列された複数のアンテナ構造体３のそれぞれにおいて、複数の分割電極４に選択的に電圧が印加されることで、空乏層Ｄが拡大させられて電子流路Ｆの形状が変化させられる。よって、光学素子１Ｄによれば、光の位相、強度及び偏光の少なくとも１つを動的に変調することができる。

また、各アンテナ構造体３が、基板２の厚さ方向から見た場合に正方形の形状を呈しており、各分割電極４が、当該正方形における複数の角部３４のそれぞれに配置されている。この構成によれば、各アンテナ構造体３を、例えば上述したようなＣ型アンテナ乃至Ｖ型アンテナとして、機能させることができる。

なお、第４実施形態の光学素子１Ｄも、第１実施形態の光学素子１Ａと同様に、電圧供給ライン８を介してスイッチング素子１０に電圧信号を送ると共に、スイッチライン９を介してスイッチング素子１０に制御信号を送り、分割電極４に対する電圧の印加のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることができるように、構成されていてもよい（図７及び図２３参照）。また、各アンテナ構造体３が、ｎ型半導体層３１に替えてｐ型半導体層を有していてもよい。その場合、分割電極４に逆電圧が印加されると、ｐ型半導体層のうち当該分割電極４との接合部分のみに空乏層Ｄが出現して拡大する。また、アンテナ構造体３の表面３ａにミラー１３が配置されていてもよい（図１２参照）。また、基板２の表面２ａとアンテナ構造体３との間にミラー１３が配置されていてもよい（図２４参照）。また、各アンテナ構造体３は、基板２の厚さ方向から見た場合に正方形以外の多角形の形状を呈していてもよい。正方形以外の多角形の形状として、長方形、五角形、六角形等を例示することができる。このとき、各分割電極４は、少なくとも当該正方形における各角部３４に配置されていればよい。

また、第４実施形態の光学素子１Ｄにおいても、第２実施形態の光学素子１Ｂと同様に、各アンテナ構造体３が、ＰＮ接合を成すｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２を有しており、各分割電極４が、ｎ型半導体層３１又はｐ型半導体層３２と接合されていてもよい。この場合、適宜に選択された一対の分割電極４を除く複数の分割電極４（図２１の（ａ）及び（ｂ）において実線で示された分割電極４）のみに順電圧が印加されると、ｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２の接合部分のうち一対の分割電極４を除く複数の分割電極４の直下に位置する部分のみで空乏層Ｄが縮小して消滅する。これにより、ｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２の接合部分のうち一対の分割電極４を除く複数の分割電極４の直下に位置する部分を電子流路Ｆとして機能させることができる。

以上、本発明の第１、第２、第３及び第４実施形態について説明したが、本発明は、上述した第１、第２、第３及び第４実施形態に限定されるものではない。例えば、ｎ型半導体層３１の材料としては、ｎ型ＧａＡｓ、ＧＺＯ、ＡＺＯ、ＩＴＯ等のｎ型半導体材料を用いることができる。また、基板２の材料としては、半導体材料の他、絶縁材料等を用いることもできる。また、分割電極４の材料としては、金属材料の他、ＩＴＯ等の透明電極材料を用いることができる。また、第１、第２、第３及び第４実施形態の光学素子１のそれぞれを透過型ＰＣＳＥＬ上にスタックすることで、自発光型位相制御素子として構成してもよい。また、第１、第２、第３及び第４実施形態の光学素子１のそれぞれは、低次モードの散乱光に限定されず、高次モードの散乱光にも利用され得る。

また、図２２の（ａ）に示されるように、電子線リソグラフィー法によってパターン部をｎ型半導体層３１で形成し、その後、絶縁層１２を基板２の表面２ａに形成し、その後、ｎ型半導体層３１上に分割電極４を形成してもよい。この場合にも、図２２の（ｂ）に示されるように、各アンテナ構造体３において、複数の分割電極４に選択的に電圧が印加されることで、空乏層Ｄが拡大させられて電子流路Ｆの形状が変化させられる。

また、上述した全ての実施形態及び全ての変形例において、例えば不純物のドープによってｎ型半導体層３１及びｐ型半導体層３２の少なくとも１つを基板２内に形成することで、複数のアンテナ構造体３を構成してもよい。つまり、複数のアンテナ構造体３は、基板２内に二次元状に配列されていてもよい。

また、１つのアンテナ構造体３に対して１つの分割電極４が設けられていてもよい。その場合にも、各アンテナ構造体３において分割電極４に電圧が印加されることで、空乏層Ｄが拡大又は縮小させられて電子流路Ｆの形状が変化させられる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…光学素子、２…基板、２ａ…表面、３…アンテナ構造体、３ｂ…側面、４…分割電極（電極）、８…電圧供給ライン（第１配線）、９…スイッチライン（第２配線）、１０…スイッチング素子、１１…コンデンサ、３１…ｎ型半導体層、３２…ｐ型半導体層、３３…アーム、３４…角部、Ｄ…空乏層、Ｆ…電子流路。

Claims

基板と、
前記基板に二次元状に配列され、アンテナとして機能する電子流路が形成されるｎ型半導体層を有する複数のアンテナ構造体と、
複数の前記アンテナ構造体のそれぞれに設けられた電極と、を備え、
前記電子流路が形成される前記ｎ型半導体層は、複数の前記アンテナ構造体のそれぞれごとに分離されており、
前記電極は、電圧が印加された際に前記ｎ型半導体層において空乏層が拡大又は縮小することで前記電子流路の形状が変化するように、複数の前記アンテナ構造体のそれぞれに設けられている、光学素子。
複数の前記アンテナ構造体は、前記基板上に二次元状に配列されている、請求項１記載の光学素子。
複数の前記アンテナ構造体は、前記基板内に二次元状に配列されている、請求項１記載の光学素子。
前記電極は、逆電圧が印加された際に前記ｎ型半導体層において前記空乏層が拡大することで前記電子流路の形状が変化するように、前記ｎ型半導体層と接合されている、請求項１〜３のいずれか一項記載の光学素子。
前記電極は、逆電圧が印加された際に前記ｎ型半導体層において前記空乏層が拡大することで前記電子流路の形状が変化するように、絶縁層を介して前記ｎ型半導体層上に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項記載の光学素子。
複数の前記アンテナ構造体のそれぞれは、前記ｎ型半導体層とＰＮ接合を成すｐ型半導体層を更に有し、
前記電極は、順電圧が印加された際に前記ｎ型半導体層において前記空乏層が縮小することで前記電子流路の形状が変化するように、前記ｎ型半導体層又は前記ｐ型半導体層と接合されている、請求項１〜３のいずれか一項記載の光学素子。
複数の前記アンテナ構造体のそれぞれには、複数の前記電極が設けられている、請求項１〜６のいずれか一項記載の光学素子。
複数の前記アンテナ構造体のそれぞれは、前記基板の厚さ方向から見た場合に環状又はＣ字状の形状を呈し、
複数の前記電極のそれぞれは、互いに異なる位置に配置されている、請求項７記載の光学素子。
複数の前記アンテナ構造体のそれぞれは、前記基板の厚さ方向から見た場合に放射状に配列された複数のアームを有し、
複数の前記電極のそれぞれは、複数の前記アームのそれぞれに配置されている、請求項７記載の光学素子。
複数の前記アンテナ構造体のそれぞれは、前記基板の厚さ方向から見た場合に多角形の形状を呈し、
複数の前記電極のそれぞれは、少なくとも前記多角形における複数の角部のそれぞれに配置されている、請求項７記載の光学素子。
複数の前記アンテナ構造体のそれぞれは、前記基板の厚さ方向に沿って延在する側面を有し、
前記電極は、前記側面に配置されている、請求項１〜１０のいずれか一項記載の光学素子。
制御端子及び一対の電流端子を有し、一対の前記電流端子の一方に前記電極が電気的に接続されたスイッチング素子と、
一対の前記電流端子の他方に電気的に接続された第１配線と、
前記制御端子に電気的に接続された第２配線と、を更に備える、請求項１〜１１のいずれか一項記載の光学素子。
一対の前記電流端子の前記一方とグランド電位とに電気的に接続されたコンデンサを更に備える、請求項１２記載の光学素子。