JP7144188B2 - 反射型動的メタサーフェス - Google Patents
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Description
本発明は、一次元状若しくは二次元状に配列された複数の画素毎に位相を変調することができる反射型の動的メタサーフェスを提供することを目的とする。
図1は、本発明の第1実施形態に係る反射型動的メタサーフェス(以下、単にメタサーフェスと称する)1Aを示す平面図である。「メタサーフェス」とは、光の波長よりも十分に小さい単位構造を平坦な表面上に複数並べて形成することにより、単位構造毎に入射光の位相、強度、もしくは偏光を変化させるものである。メタサーフェスには種々の構造が存在するが、本実施形態のメタサーフェスは、その中でもギャップ・プラズモン型と呼ばれる構造を有する。メタサーフェス1Aは、互いに交差(例えば直交)する方向D1及びD2に沿って延びる平板状の装置であって、方向D1及びD2の双方と交差(例えば直交)する方向D3を厚さ方向とする。メタサーフェス1Aの主面1aには、複数の画素10が形成されている。複数の画素10は、方向D1を行方向とし、方向D2を列方向とするM行N列(M,Nは2以上の整数)の二次元状に配列されている。各画素10の平面形状は矩形状(例えば正方形状)である。各画素10の一辺の長さLは、例えば200~400nmの範囲内である。メタサーフェス1Aは、主面1aに入力される光の位相を画素10毎に個別に変調することにより、レンズ用途やホログラム形成といった種々の目的に使用される。
数式(1)から明らかなように、位相変調量φは、積層構造体7の実効屈折率Ngspに依存する。そして、部分金属膜6aと金属膜5との間に印加される駆動電圧Vdを変化させることによって、実効屈折率Ngspを制御することができる。その理由は次の通りである。部分金属膜6aと金属膜5との間に駆動電圧Vdが印加されると、図9に示されるように、部分金属膜6aと金属膜5との間の電界によって透明導電層3の誘電体層4との界面付近の電子密度が高まる。その結果、透明導電層3の該界面付近の部分が、金属化した層3aに変化する。この層3aは被変調光Pと反応するので、積層構造体7の実効屈折率Ngspが変化する。
図11は、上記実施形態の第1変形例に係るメタサーフェス1Bを示す平面図である。メタサーフェス1Bの主面1aには、上記実施形態の複数の画素10に代えて、複数(N個)の画素20が形成されている。複数の画素20は、方向D1に沿って一次元状に並んで配列されている。各画素20の平面形状は矩形状(例えば並び方向と交差する方向D2を長手方向とする長方形状)である。方向D1における各画素20の幅Lは、上記実施形態の画素10の一辺の長さLと同様である。なお、メタサーフェス1BのII-II断面の構造は、上記実施形態と同様(図2を参照)である。
図14は、上記実施形態の第2変形例に係るメタサーフェス1Cの断面構造を示す図である。本変形例では、互いに隣接する画素10(若しくは20)の積層構造体7の間に空隙8が設けられており、各画素10(若しくは20)の積層構造体7が空間的に互いに分離されている。この空隙8は、互いに隣接する画素10(若しくは20)の透明導電層3同士を電気的に分離するために設けられる。これにより、或る画素10(若しくは20)の部分金属膜5a(5b)と金属膜6との間に駆動電圧Vdが印加された際に、隣接する画素10(若しくは20)の透明導電層3に電子が漏れることを防ぐことができる。従って、互いに隣接する画素10(若しくは20)間のクロストークを低減することができる。なお、空隙8を形成する際には、空隙8に対応する開口を有するマスクを積層構造体7上に形成し、該マスクを介して積層構造体7をエッチングするとよい。
図16は、本発明の第2実施形態に係る発光装置30の構成を示す断面図である。本実施形態の発光装置30は、第1実施形態のメタサーフェス1Aと、導光層31と、面発光素子32とを備える。面発光素子32は、例えば垂直共振器面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting LASER:VCSEL)やフォトニック結晶面発光レーザ(PhotonicCrystal Surface Emitting LASER:PCSEL)といった面発光型の半導体発光素子である。面発光素子32は、光を出力する発光面32aを有し、発光面32aと積層構造体7の主面7aとが対向するように、メタサーフェス1A上に配置されている。
Claims (8)
- 透明導電層及び誘電体層を有し、一方の面に光が入力される積層構造体と、
前記積層構造体の前記一方の面に設けられた第1金属膜と、
前記一方の面と対向する前記積層構造体の他方の面に設けられ、前記積層構造体に入力された前記光を前記一方の面に向けて反射する第2金属膜と、
前記第1金属膜と前記第2金属膜との間に印加される電圧を制御する駆動回路と、
を備え、
一次元状又は二次元状に配列された複数の画素それぞれにおいて、前記積層構造体は、積層方向から見て前記第1金属膜を挟む一対の位置にそれぞれ設けられ前記第1金属膜から露出する一対の部分を含み、
前記第2金属膜は、前記画素毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜を含み、
前記駆動回路が、前記第2金属膜の前記複数の部分金属膜の電圧を個別に制御することにより、光の位相を前記画素毎に変調し、
前記駆動回路は、前記第2金属膜を一方の電極としており前記部分金属膜毎に電圧を保持する複数のキャパシタを有し、
前記第2金属膜は、前記積層構造体の前記積層方向において前記複数のキャパシタの他方の電極と前記第1金属膜との間に位置する、反射型動的メタサーフェス。 - 前記積層構造体は、互いに隣接する前記画素の前記透明導電層同士を電気的に分離する空隙若しくは絶縁部を更に有する、請求項1に記載の反射型動的メタサーフェス。
- 前記一対の部分の並び方向が前記光の偏光方向と一致する、請求項1または2に記載の反射型動的メタサーフェス。
- 前記誘電体層は前記透明導電層に対して前記一方の面側に位置する、請求項1~3のいずれか1項に記載の反射型動的メタサーフェス。
- 前記駆動回路は、前記画素毎に設けられた複数のトランジスタを含み、
当該反射型動的メタサーフェスは、前記複数のトランジスタを主面に有する基板を更に備えており、
前記基板は、前記主面と前記他方の面とを互いに対向させつつ前記積層構造体と一体化している、請求項1~4のいずれか1項に記載の反射型動的メタサーフェス。 - 前記駆動回路は前記第1金属膜を基準電位とし、
前記第1金属膜は、前記一対の部分の並び方向と交差する方向に並ぶ二以上の前記画素にわたって延在している、請求項1~5のいずれか1項に記載の反射型動的メタサーフェス。 - 前記誘電体層は、酸化アルミニウム、酸化シリコン、及びフッ化マグネシウムのうち少なくとも一つを含む、請求項1~6のいずれか1項に記載の反射型動的メタサーフェス。
- 前記透明導電層は、ドーパントにより低抵抗化された、酸化インジウム及び酸化亜鉛のうち少なくとも一方を含む、請求項1~7のいずれか1項に記載の反射型動的メタサーフェス。
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