CN101105552A - 波导结构和光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供易于制造且使表面等离子体振子波的传播距离更长的波导结构和光学元件。波导结构具有在半导体基板(10)上层叠的量子阱结构(20)。量子阱结构内的量子阱层(22)具有，与相对于半导体基板(10)的量子阱结构的排列方向大致垂直相交的假想平面相交的交叉区域(22a)，量子阱结构的介电常数的实部相对于规定波长的THz波为负。此时，交叉区域(22a)内发生电子振荡时，通常存在上述排列方向上的分量，且量子阱结构的介电常数的实部相对于规定波长的THz波为负，因此可以利用交叉区域(22a)传播表面等离子体振子波。在量子阱结构中提高载流子的浓度的同时提高载流子迁移率，因此更长距离地传播表面等离子体振子波。

Description

波导结构和光学元件

技术领域

本发明涉及传播表面等离子体振子波(surface plasmon wave)的波导结构和光学元件。

背景技术

以往，在该技术领域中已知的有例如，在非专利文献1中公开的利用了表面等离子的集光机构。在非专利文献1中公开的技术中，具有一个以上的开口，表面周期性地变化的金属膜设置在Si台面结构上。入射到金属膜的光中，只有与在金属膜上形成的周期具有特定关系的波长成分，在开口的Si台面结构侧被增强，并且透过。这是由于偏离开口照射在金属膜上的光能通过表面等离子传播而集中于开口中的缘故。

此外，作为上述技术领域的技术已知的还有如专利文献1中公开的，具有波长以下的开口，并且利用由具有周期性表面形状的金等形成的导电膜来传播表面等离子的技术。

(非专利文献1)Tsutomu Ishi，et al.，“Si Nano-Photodiode with aSurface Plasmon Antenna，”Japanese Journal of Applied Physics，2005，Vol.44，No.12，pp.L364-L366.

(专利文献1)日本特开2004-213000号公报

图4为表面等离子体振子波的概念示意图。表面等离子体振子波100为沿着介电常数为正数的电介质110与介电常数的实部为负数的导电性物质111的界面传播的波，其振幅方向为与界面大致垂直的方向。在此，设电介质110的介电常数为ε_d、导电性物质111的介电常数为ε_m。在通常的导电性物质中，由于介电常数存在虚数部分，因此用ε_m＝ε_mr+iε_mi表示。作为相对于可见光ε_m为负数的导电性物质111，已知的有非专利文献1中公开的金属(例如金、银)。

但是，如上所述，由于导电性物质111的介电常数ε_m具有虚数部分ε_mi，因此表面等离子体振子波100在传播过程中会衰减。由此，在非专利文献1及专利文献1中公开的技术中，存在表面等离子体振子波100的传播距离L短的问题。此外，由于非专利文献1公开的技术中利用金属，因此加工困难，其结果是制造困难。

发明内容

因此，本发明的目的是提供易于制造、表面等离子体振子波的传播距离更长的波导结构及光学元件。

本发明涉及的波导结构的特征在于：在传播表面等离子体振子波的波导结构中，具备设置于半导体基板上的量子阱结构；量子阱结构所具有的量子阱层具有交叉区域，该交叉区域与相对于半导体基板的量子阱结构的排列方向大致垂直的假想平面相交叉，量子阱结构的介电常数的实部相对于规定波长的THz波为负数。

由于在半导体中可以通过调整载流子的浓度，使介电常数的实部相对于THz区域的光(以下称「THz」波)为负数，因此可以利用半导体传播表面等离子体振子波。但是，为了使表面等离子体振子波的传播距离变长，需要大的载流子迁移率，在块状半导体(bulksemiconductor)中，存在载流子浓度变大时载流子迁移率变小的倾向。

针对这点，在上述波导结构中，采用介电常数的实部相对于规定波长的THz波为负数的量子阱结构。在量子阱结构中，由于杂质与载流子的移动空间在空间上是分离的，因此即使杂质多，也可以保证高载流子迁移率。此外，由于量子阱结构的量子阱层所具有的交叉区域与相对于半导体基板的量子阱结构的排列方向大致垂直的假想平面相交叉，因此在交叉区域内的电子振动中，必然存在与表面等离子体振子波的振动方向一致的成分。因此，在上述波导结构中，利用交叉区域可以有效地激励表面等离子体振子波的同时，还可以更长距离地传播表面等离子体振子波。此外，由于利用了量子阱结构而易于加工，其结果是容易制造波导结构。

此外，本发明所涉及的光学元件的特征在于，具备半导体基板和设置在半导体基板上且具有本发明的上述波导结构的波导部，波导部具有，设置于在波导结构中传播的表面等离子体振子波的传播方向上、且用于对表面等离子体振子波进行集光的集光部。

在上述结构的光学元件中，在波导部中，由于在波导结构中传播的表面等离子体振子波的传播方向上设置了集光部，因此，通过波导结构传播的表面等离子体振子波集光于集光部。虽然已知表面等离子体振子波一边衰减一边传播，但如上所述，本发明的波导结构中的表面等离子体振子波的传播距离变长。其结果是：在上述光学元件中，表面等离子体振子波向集光部的集光效率变高。此外，由于利用了量子阱结构，因此易于加工，其结果是容易制造光学元件。

优选上述集光部是在相对于半导体基板的量子阱的排列方向上贯通波导部的开口部。

此外，优选本发明的光学元件还具备，通过规定波长的THz波的入射而产生表面等离子体振子波的表面等离子体振子波发生部，并且，波导结构传播产生于表面等离子体振子波发生部的表面等离子体振子波。

在这种情况下，可以使由表面等离子体振子波发生部产生的表面等离子体振子波在波导结构中传播并集光于集光部。

此外，在本发明的光学元件中，优选表面等离子体振子波发生部是在波导结构所具有的量子阱结构上形成的周期性的凹凸图案。

在这种情况下，由于在量子阱结构上形成有凹凸图案，因此包含于量子阱结构的量子阱层也具有同样的凹凸图案。这样，量子阱层就具有多个交叉区域。由此，可以将规定波长的THz波入射于形成在量子阱结构上的作为表面等离子体振子波发生部的凹凸图案中而产生的表面等离子体振子波，利用量子阱结构内的各交叉区域传播，并集光于集光部。

这样，由于利用表面等离子体振子波发生部而相对于规定波长的THz波产生表面等离子体振子波并进行集光，例如，可以将光学元件作为从THz波分光出规定的波长成分的THz波的分光元件而予以利用，或作为从THz波中检测出规定的波长成分的THz波的受光元件而予以利用。此外，通过将聚集在集光部的表面等离子体振子波再次转换为与表面等离子体振子波具有同一振动频率数的THz波并予以输出，还可以作为发光元件而予以利用。

进一步，优选在量子阱结构上形成有上述周期性的凹凸图案的本发明的光学元件中，量子阱结构所具有的量子阱层具有多个交叉区域，且多个交叉区域以凹凸图案状连续。在这种情况下，由于多个交叉区域以凹凸图案状连续，在如上所述的作为表面等离子体振子波发生部的凹凸图案上产生的表面等离子体振子波，在多个交叉区域的排列方向上传播并集光于集光部。

此外，优选在本发明的光学元件中，在波导结构所具有的量子阱结构上形成有凹凸图案，量子阱结构所具有的量子阱层具有多个交叉区域，多个交叉区域以凹凸图案状连续，凹凸图案具有：具有第1周期的第1凹凸图案；以及相对于第1凹凸图案配置在与排列方向大致垂直的方向上、且具有第2周期的第2凹凸图案；第1凹凸图案为表面等离子体振子波发生部，第2凹凸图案相对于第1凹凸图案位于与集光部相反的一侧，第2周期为第1周期的一半。

在这样的结构中，由于第1凹凸图案作为表面等离子体振子波发生部而起作用，因此规定波长的THz波入射到光学元件中时，由第1凹凸图案产生表面等离子体振子波。由于构成量子阱结构的一部分的量子阱层具有多个以凹凸图案状连续的交叉区域，因此在第1凹凸图案中产生的表面等离子体振子波通过多个交叉区域在交叉区域连续的方向上传播。由于在表面等离子体振子波的传播方向上设置有集光部，因此在第1凹凸图案中产生的表面等离子体振子波中传播至集光部侧的表面等离子体振子波如上述那样集光于集光部。另一方面，也存在表面等离子体振子波的一部分传播至与集光部相反的一侧的情况。在上述光学元件中，相对于第1凹凸图案在与集光部相反的一侧配置有第2凹凸图案，且第2周期为第1周期的一半。因此，传播至第2凹凸图案侧的表面等离子体振子波被第2凹凸图案反射、传播至集光部侧，集光于集光部。其结果是可以进一步提高表面等离子体振子波的集光效率。

在本发明的光学元件中，优选表面等离子体振子波发生部是形成在半导体基板的主面上的、当规定波长的THz波入射时产生表面等离子体振子波的凹凸图案，且波导部设置在形成有凹凸图案的主面上。

在这种情况下，规定波长的THz波入射至形成在半导体基板的主面上的凹凸图案而产生的表面等离子体振子波，通过设置在主面上的波导部所具有的交叉区域进行传播并集光于集光部。这样，由于利用表面等离子体振子波发生部而相对于规定波长的THz波产生表面等离子体振子波并集光，因此，例如，可以将光学元件作为从THz波分光出规定的波长成分的THz波的分光元件而予以利用，或作为从THz波中检测出规定波长成分的THz波的受光元件而予以利用。此外，通过将在集光部聚集的表面等离子体振子波再次转换为与表面等离子体振子波具有同一振动频率数的THz波并予以输出，还可以作为发光元件而予以利用。

此外，优选本发明的发光元件中，检测在波导结构中传播的表面等离子体振子波或与表面等离子体振子波具有相同振动频率的THz波的受光部设置在集光部上。

在这样的结构中，通过交叉区域将表面等离子体振子波发生部产生的表面等离子体振子波聚集在集光部，该被聚集的该表面等离子体振子波或与该表面等离子体振子波具有相同振动频率的THz波在受光部被检测出。即，具有上述受光部的光学元件作为检测具有规定波长的THz波的THz波检测元件而起作用。这样，由于在交叉区域可以被更长距离地传播表面等离子体振子波，因此提高了集光部的表面等离子体振子波的集光效率。因此，可以有效地检测出规定波长的THz波。

此外，优选本发明的光学元件具有多个集光部，并在各个集光部上设置有受光部。在这样的结构中，由于在每个集光部上设置有受光部，在每个受光部可以检测出表面等离子体振子波或与该表面等离子体振子波具有相同振动频率的THz波，因此，例如在入射于光学元件的规定波长的THz波具有空间分布的情况下，检测结果可以反映其空间分布。其结果是可以检测出THz波的空间图像(image)

此外，优选在本发明的光学元件中，产生规定波长的THz波的THz波发生部设置在集光部上，且通过入射由THz波发生部产生的规定波长的THz波，表面等离子体振子波发生部产生表面等离子体振子波。

在这样的结构中，通过由THz波发生部产生的规定波长的THz波入射于表面等离子体振子波发生部来产生表面等离子体振子波，所产生的表面等离子体振子波在交叉区域传播并聚集在集光部，被转换为与表面等离子体振子波具有相同振动频率的THz波，向光学元件的外部输出。即，具有上述THz波发生部的光学元件作为THz波发生元件的起作用。这样，由于在交叉区域可以更长距离地传播表面等离子体振子波，因此表面等离子体振子波向集光部的集光效率得到了提高。因此，可以产生更高能量密度的THz波。

此外，优选在本发明的光学元件中具有多个集光部，并在各集光部设置有THz波发生部。

在这种情况下，由于对应于由设置在各集光部的THz波发生部而输出的THz波，从光学元件输出THz波，因此例如通过控制来自于THz波发生部的THz波的发生，可以控制由光学元件输出的THz波的空间图像(空间图案)。

此外，本发明的光学元件的特征在于，具备：(1)半导体基板，和(2)设置在半导体基板上，并且具有本发明的波导结构的多个波导部；(3)多个波导部在与排列方向大致垂直的方向上排列；(4)在各个波导部中：(i)在波导结构所具有的量子阱结构中，形成有通过入射规定波长的THz波而产生表面等离子体振子波的周期性的凹凸图案；(ii)量子阱层具有以凹凸图案状连续的多个交叉区域；(iii)在波导结构中传播的表面等离子体振子波的传播方向上，设置有用于对表面等离子体振子波进行集光的集光部；(5)多个波导部中的至少两个波导部所具有的波导结构的凹凸图案的周期互不相同。

在这种结构中，当在波导部所具有的上述凹凸图案上入射由该凹凸图案而使表面等离子体振子波产生的波长的THz波时，所产生的表面等离子体振子波在多个交叉区域中传播并集光于集光部。即，在入射的THz波具有多个波长成分时，通过对应于凹凸图案的周期转换为表面等离子体振子波而可以选择波长。在上述光学元件中，由于至少两个波导部所具有的凹凸图案的周期不同，因此可以从入射的THz波的波长成分中选择至少两种波长成分。因此，上述光学元件可以作为例如分光元件而予以使用。

此外，优选在本发明的光学元件中，在各波导部所具有的集光部上，设置有检测在波导结构中传播的表面等离子体振子波或与表面等离子体振子波具有相同振动频率的THz波的受光部。

在这种情况下，由于在受光部可以检测出聚集于各个集光部的表面等离子体振子波或与该表面等离子体振子波具有相同振动频率的THz波，因此从入射于光学元件的THz波的波长成分中可以选择性地检测出至少两种波长成分。

此外，还优选在本发明的光学元件中，在各波导部所具有的集光部上设置有产生规定波长的THz波的THz波发生部，该规定波长的THz波在各波导部所具有的凹凸图案中产生表面等离子体振子波。

在这种情况下，对应于从设置在各集光部上的THz波发生部所输出的THz波，由各波导部的凹凸图案产生表面等离子体振子波并聚集在集光部，并被转换为与该表面等离子体振子波具有相同振动频率的THz波，由光学元件输出。由于多个波导部中两个波导部所包含的凹凸图案的周期不同，因此至少在两个凹凸图案中传播的表面等离子体振子波的振动频率是不同的。因此在上述光学元件中，能够输出具有至少两种不同频率的THz波。

本发明的波导结构及光学元件易于制造，且可以更长距离地传播表面等离子体振子波。

附图说明

图1为本发明的光学元件的一个实施方式的立体图。

图2为图1的沿II-II线的剖面图及其一部分的放大示意图。

图3为图1的沿III-III线的剖面图及其一部分的放大示意图。

图4为表面等离子体振子波的概念图。

图5为第1实施方式的光学元件的制造工序中的一个工序的示意图。

图6为第1实施方式的光学元件的制造工序中的一个工序的示意图。

图7为第1实施方式的光学元件的制造工序中的一个工序的示意图。

图8为第1实施方式的光学元件的制造工序中的一个工序的示意图。

图9为第1实施方式的光学元件的制造工序中的一个工序的示意图。

图10为第1实施方式的光学元件的制造工序中的一个工序的示意图。

图11为第1实施方式的光学元件的制造工序中的一个工序的示意图。

图12为本发明的光学元件的第2实施方式的立体图。

图13为本发明的光学元件的第3实施方式的立体图。

图14为图13的沿XIV-XIV线的剖面图。

图15为本发明的光学元件的第4实施方式的平面图。

图16为本发明的光学元件的第5实施方式的平面图。

图17为本发明的光学元件的第6实施方式的平面图。

图18为第1变形例的具有凹凸图案的量子阱结构的平面图。

图19为第2变形例的具有凹凸图案的量子阱结构的平面图。

图20为第3变形例的具有凹凸图案的量子阱结构的平面图及其一部分的放大立体图。

图21为第5及第6变形例的具有凹凸图案的量子阱结构的立体图。

图22为第7变形例的具有凹凸图案的量子阱结构的立体图。

图23为第8变形例的具有凹凸图案的量子阱结构的立体图。

图24为第9～第11变形例的具有凹凸图案的量子阱结构的立体图。

图25为应用了表面等离子体振子波发生部的变形例的光学元件的立体图及其一部分的放大示意图。

图26为说明利用全反射激励表面等离子体振子波的原理的示意图。

图27为半导体基板具有贯通孔的光学元件的立体图。

符号的说明：

1A～1H：光学元件；10：半导体基板；11：半导体基板的表面(主面)；20：波导部(波导结构、量子阱结构)；22：量子阱层；22a、22a1、22a2、22b：交叉区域；24：开口部(集光部)；25A～25I：周期结构部；25F1：第1周期结构部；25F2：第2周期结构部；26，26F～26P：凹凸图案(表面等离子体振子波发生部)；26F1：凹凸图案(第1凹凸图案)；26F2：凹凸图案(第2凹凸图案)；28：凹凸图案；30：受光部；60：THz波发生部；70：形成在主面的凹凸图案(表面等离子体振子波发生部)；100：表面等离子体振子波。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明所涉及的波导结构和光学元件的实施方式。在附图的说明中同一要素被赋予相同的符号，省略重复的说明。此外，附图的尺寸比例不一定与说明相一致。本说明书中的「上」、「下」等表示方向的词是根据附图中所示状态为了方便说明而使用的用语。

(第1实施方式)

图1为本发明的光学元件的一个实施方式的立体图。图2为图1的沿II-II线的剖面图及其一部分的放大示意图。图3为图1的沿III-III线的剖面图及其一部分的放大示意图。在光学元件1A中使用本发明的波导结构的一个实施方式。图1所示的光学元件1A为用于检测波长为30μm～1000μm(或振动频率为1.9×10¹²～6.3×10¹³(1/sec))的光即THz波的THz波受光元件。

光学元件1A具有可以传播THz波的例如由GaAs形成的半导体基板10，在半导体基板10上层叠有层状的波导部20。在下面的说明中，将相对于半导体基板10层叠着波导部20的层叠方向(排列方向)作为Z轴的方向，将与Z轴方向大致垂直的两个方向作为如图1所示的X轴方向和Y轴的方向。此外，由于与Z轴方向大致垂直的假想平面与XY平面平行，为方便起见，将与Z轴方向大致垂直的假想平面称为XY平面。同样地，将与Y轴方向大致垂直的假想平面称为XZ平面，将与X轴方向大致垂直的假想平面称为YZ平面

如图2(b)及3(b)所示，波导部20为在半导体基板10的表面11上依次层叠包层21、量子阱层22以及包层23而构成的量子阱结构。该波导部20作为选择性地接收规定波长的THz波的层状天线部而起作用。在此，图2(b)以及图3(b)为在图2(a)及图3(a)中点划线所包围区域的部分放大图。

包层21、量子阱层22以及包层23的厚度例如为100nm、10nm以及500nm。如上所述，在半导体10是由GaAs形成的情况下，例如，可以使包层21、23由n型或p型Al_1-xGa_xAs(0≤x＜1)形成、量子阱层22由Al_1-yGa_yAs(y＜x)形成。或者，如上所述，在半导体基板10是由GaAs形成的情况下，可以使包层21、23由n型或p型Al_1-xGa_xAs(0≤x＜1)形成、量子阱层22由In_1-yGa_yAs(0≤y＜1)形成。或者，如上所述，在半导体基板10是由GaAs形成的情况下，也可以使包层21、23由n型或p型In_1-xGa_xP形成、量子阱层22由GaAs形成。此外，波导部20的载流子的浓度被设定为，使得对于应被检测出的波长(规定的波长)的THz波，波导部20的介电常数的实部为负，例如，载流子的浓度为10²⁴m^-3(10¹⁸cm^-3)。

此外，在波导部20上形成有开口部24(集光部)，该开口部24是在Z轴方向上贯通波导部20的贯通孔。开口部24在Y轴方向上延伸，在X轴方向上的长度小于规定的波长，例如对于100μm的规定波长，该长度为50μm。半导体基板10的表面11的一部分(以下称[第一区域])11a从开口部24露出，在第一区域11a上设置有受光部30。

光学元件1A所具有的受光部30具有一对例如由金形成的天线电极31、32，各天线电极31、32沿着在开口部24的Y轴方向上延伸的边缘部24a、24b延伸。天线电极31、32被设置为，使在各天线电极31、32的中央部形成的凸部间形成间隙。此外，虽然在图1中天线电极31、32设置在波导部20及半导体基板10两者上，但只要是设置在从开口部24露出的半导体基板10上即可。

在波导部20中，开口部24的两侧设置有具有规定的周期结构的周期结构部25A、25A。换言之，通过在具有规定的周期结构的波导部20的一部分上形成开口部24，开口部24的两侧的部分成为周期结构部25A、25A。

波导部20所具有的周期结构部25A、25A在XZ平面上的截面形状大致呈三角波状，在X轴方向上具有多个山部26a和位于相邻的山部26a、26a之间的谷部26b。多个山部26a(或谷部26b)中相邻山部26a(或谷部26b)间在X轴方向上的间隔一定。因此，周期结构部25A在X轴方向上具有截面形状为大致三角波状的周期性的凹凸图案(规定的周期结构)26。在这种情况下，构成波导部20的一部分的量子阱层22也具有凹凸图案26，且量子阱层22在XZ平面傻姑娘的截面形状也大致呈三角波状。

在这种结构中，量子阱层22在X轴方向上具有多个与XY平面(假想平面)交叉的区域，即交叉区域22a，多个交叉区域22a以形成凹凸图案26的方式连续。换言之，多个交叉区域22a中相邻的交叉区域22a以形成凹凸图案26的形状的方式相对于Z轴在相互向相反侧倾斜地连续。

此外，如图3所示，周期结构部25A在YZ平面上的截面形状大致呈矩形波状，在Y轴方向上具有多个山部27a以及位于相邻的山部27a、27a之间的谷部27b。多个山部27a(或谷部27b)中相邻山部27a、27a(或谷部27b、27b)间在Y轴方向上的间隔一定。因此，周期结构部25A在Y轴方向上具有截面形状大致为矩形波状的周期性的凹凸图案(规定的周期结构)27。在这种结构中，量子阱层22在Y轴方向上被离散性地配置，且具有在X轴方向上延伸的多个交叉区域22b。

周期结构部25A、25A按如下方式形成。即，如图1及图2所示，在半导体基板10的表面中第1区域11a的两侧的区域(第2区域)11b、11b上，形成由凹凸图案26、27组合而成的上述规定的周期性结构，通过在该第2区域11b、11b上层叠包层21、量子阱层22以及包层23而形成周期结构部25A、25A。

在光学元件1A中，由于构成波导部20的量子阱层22具有交叉区域22a，波导部20作为对表面等离子体振子波进行导波的波导结构而起作用。以下进行详细说明。

首先说明表面等离子体振子波。图4为表面等离子体振子波的概念图。表面等离子体振子波100为沿介电常数ε_d为正数的电介质110与介电常数ε_m(＝ε_mr+iε_mi)的实部ε_mr为负数的导电性物质111的界面传播的波，其振幅方向为与界面大致垂直的方向(图4中的Z轴的方向)。在振动频率设为ω、真空中的光速设为c的情况下，表面等离子体振子波100的波数k_sp可用式(1)表示。

[式1]

此外，由于导电性物质111的介电常数ε_m具有虚部ε_mi，因此，表面等离子体振子波100一边衰减一边传播。在将波数k_sp的虚部设为k_spi时，表面等离子体振子波100的传播距离L可用式(2)表示。

[式2]

$L=\frac{1}{2\left|k_{\mathrm{spi}}\right|}...\left(2\right)$

在利用光产生上述表面等离子体振子波100的情况下，有利用光栅(grating)的方法。即，将转换为表面等离子体振子波100的振动频率ω的光在真空中的波长设为λ(＝ω/c)，当波长为λ的光入射到光栅时，在光栅的周期为由式(3)决定的周期Λsp的情况下，产生表面等离子体振子共振(surface plasmon resonance)，从而激励表面等离子体振子波100。

[式3]

${\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{sp}}=\mathrm{m\λ}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_d+{\mathrm{\ϵ}}_m}{{\mathrm{\ϵ}}_d\·{\mathrm{\ϵ}}_m}}...\left(3\right)$

在式(3)中，m为衍射次数，是正整数。

以下，说明通过使波导部20具有交叉区域22a而激励、传播如上所述的表面等离子体振子波100的可能性。

在上述光学元件1A中，作为量子阱结构的波导部20的载流子的浓度被设定为，使得对于规定波长的THz波，波导部20的介电常数的实部为负，因此波导部20作为上述导电性物质110而起作用。

同时，在制造平面的(换言之，与XY平面大致平行的)量子阱结构的场合，量子阱层内的电子振动没有Z轴方向的成分，因此量子阱层内的电子振动对表面等离子体振子波的振动没有贡献。

相对于此，在光学元件1A中，波导部20由于具有在X轴方向上截面形状大致呈三角波状的凹凸图案26，因此如上所述，量子阱层22具有交叉区域22a。在交叉区域22a中，电子的振动方向(图2(b)的箭头A的方向)与XY平面相交，因此，通常在电子振动的方向上存在Z轴方向的成分。其结果是，在交叉区域22a可以激励表面等离子体振子波100，同时可以传播表面等离子体振子波100。此外，由于包含于波导部20的交叉区域22a在Y轴方向上延伸，因此可以在Y轴方向上传播表面等离子体振子波100。此外，由于多个交叉区域22a在X轴方向上连续，因此表面等离子体振子波100也可以如图2(b)所示的那样在X轴方向上传播。

此外，在光学元件1A中，凹凸图案26的周期Λ1被设定为：当作为规定波长将波长λ1的THz波入射到凹凸图案26时，产生表面等离子体振子共振，且激励表面等离子体振子波100。具体地说，在图(4)及式(3)中，将波长λ设为λ1、导电性物质111为波导部20、电介质110为空气的情况下的周期Λsp，作为凹凸图案26的周期Λ1。例如，在对于波长为100μm的THz波，波导部20的介电常数ε_m为ε_m＝-79+5i(i为虚数)的情况下，设空气的介电常数为1，此外m设为1的情况下，波导部20的凹凸图案26的周期Λ1约为100μm。根据式(2)，此时的表面等离子体振子波100的传播距离L约为20mm。这样，通过设定凹凸图案26的周期Λ1，周期性的凹凸图案26将作为表面等离子体振子波发生部的光栅的起作用。

在此，由式(3)可见，由于表面等离子体振子波100的波数依赖于入射到作为光栅的凹凸图案26的光的振动频率，因此，通过入射THz波而产生的表面等离子体振子波100具有THz区域的振动频率。

接着，利用图5～图11说明上述光学元件1A的制造方法的一个例子。图5～图11为依次表示光学元件1A的制造工序的示意图。在图5～图9中表示了形成光学元件1A的各工序的平面图和剖面图。在此，图5～图9所表示的剖面图，是对图5～图9所示的平面图沿剖开线的剖面结构示意图，对应于图1中沿II-II线的剖面结构。此外，图10及图11表示分别经过图9及图10的工序后的后工序中的剖面图。

首先，如图5所示，在由GaAs形成的大致呈长方体形状的半导体基板10的表面(主面)11的一部分上形成氮化硅膜2。在图5(a)所示的平面图中，用阴影表示氮化硅膜2。图6～图9所示的平面图中也是同样。氮化硅膜2的X轴方向上的长度(宽)为50μm，Y轴方向上的长度(长)为2mm。在表面11上，形成有氮化硅膜2的区域成为第1区域11a，氮化硅膜2的两侧部分成为第2区域11b、11b。

接着，如图6所示，在氮化硅膜2的两侧形成多个氮化硅膜3。在图6中，氮化硅膜3的数量为4个，但优选为例如20个左右。氮化硅膜3被形成为，周期为50μm，且氮化硅膜3的在X轴方向上的长度与相邻的氮化硅膜3、3之间的长度的比，即线/间距比为1∶1。

接着，如图7所示，利用相对于氮化硅选择性地蚀刻GaAs的蚀刻剂，对表面11中未形成有氮化硅膜2、3的部分进行蚀刻。在湿式蚀刻的场合，由于氮化硅膜2、3覆盖的部分也被从侧面蚀刻，因此如图7(b)所示，在第2区域11b形成大致呈三角波状的凹凸图案26。另外，在图7(a)中，大致呈三角波状的凹凸图案26中的谷部26b用点划线表示。以下，在平面图中表示谷部16b时也是同样。

接着，如图8所示，利用光刻工序(photolithography)用抗蚀剂等保护氮化硅膜2之后，利用反应离子刻蚀(RIE：Reactive ion etching)除去多个氧化硅膜3。接着，如图9所示，利用光刻工序，在Y轴方向上形成多个在Y轴方向上的长度为4μm的氮化硅膜4。在图9中也是，虽然氮化硅膜4的数量为4，但优选形成例如20个左右。

接着，如图10(a)所示，蚀刻未形成有氮化硅2、4的半导体基板10的区域。可以利用例如相对于氮化硅选择性地蚀刻GaAs的蚀刻剂来实施蚀刻。接着，如图10(b)所示，利用光刻工序用抗蚀剂等保护氮化硅膜2之后，利用RIE除去氮化硅膜4。由此，沿Y轴方向形成了周期约为8μm的凹凸图案27。在10(a)、10(b)中，将成为谷部27b的部分用点划线表示。

接着，如图11(a)所示，利用有机金属组成成长法等，在第2区域11b上，使由n型AlGaAs形成的包层21、由GaAs形成的量子阱层22以及GaAs包层23依次成长，以形成波导部20。包层21中Al组分比为30％，且通过掺杂Si使载流子的浓度成为4×10²⁴m^-3(4×10¹⁸cm^-3)。此外，将量子阱层22制作成半绝缘层。但是，形成了叠层结构后，由于包层的载流子落入量子阱内，量子阱层22的载流子的浓度上升至4×10²⁴m^-3(4×10¹⁸cm^-3)左右。此外，使包层21、量子阱层22以及包层23分别成长为厚度达100nm、10nm、500nm。接着，如图11(b)所示，利用RIE除去氮化硅膜4后，如图11(c)所示，形成用于检测THz波的一对天线电极31、32，得到了图1及图2所示的光学元件1A。

在上述光学元件1A的制造方法中所示的数值等为一个例子，光学元件1A的构成不限于上述制造方法中所示的数值，此外，也不一定与图1～图3的说明中例示的数值一致。此外，在上述制造工序中，利用氮化硅膜2～4作为用于形成开口部24及凹凸图案26、27的掩膜。因此，只要能作为掩膜来利用，就没有特别的限定。

接着，说明光学元件1A的作用·效果。如图2(a)所示，若从光学元件1A的半导体基板10的背面12入射波长λ1的THz波40，THz波40就会在半导体基板10中传播而入射于波导部20。在此，向光学元件1A的THz波的入射，可以直接向背面12入射THz波，还可以在背面12侧设置例如由Si形成的透镜，一边利用该透镜集光一边进行入射。

如上所述THz波40入射到波导部20时，由于在波导部20中，周期结构部25A、25A具有作为表面等离子体振子波发生部的凹凸图案26，因此，通过向周期结构部25A、25A入射波长λ1的THz波40来产生表面等离子体振子共振。此外，由于THz波40的入射而在周期结构部25A、25A内的量子阱层22产生电子振动，该电子振动的方向具有与表面等离子体振子波100的电场的振动方向同样的Z轴方向的成分。其结果是，通过向周期结构部25A、25A入射THz波40而有效地产生表面等离子体振子波100。

在周期结构部25A、25A产生的表面等离子体振子波100通过多个交叉区域22a在X轴方向上传播。由于在多个交叉区域22a传播的表面等离子体振子波100的光路上(传播方向上)设置有开口部24，该开口部24具有比波长λ1窄的间隔，因此，在周期结构部25A、25A产生的表面等离子体振子波100被集光于开口部24。接着，被设置在开口部24上的一对天线电极31、32检测到。在此，集光于开口部24的表面等离子体振子波100的一部分在开口部24与波导部20的边界上发生散射，被再次转换为与表面等离子体振子波100具有相同振动频率的THz波。因此，天线电极31、32也检测出由集光于开口部24的表面等离子体振子波100再次转换而成的THz波。由于在该受光部30检测出的表面等离子体振子波100或者由表面等离子体振子波100再次转换而成的THz波是对应于入射到光学元件1A的THz波40而生成的，因此上述光学元件1A可以检测出入射的THz波40。

在如上所述的光学元件1A中，由于将THz波40先转换为表面等离子体振子波100并集光于开口部24之后进行检测，因此可以集光至波长以下来进行检测。其结果是，可以在高能量密度的状态下检测THz波40，因此可以高效地检测出THz波40。

此外，由于凹凸图案26的周期Λ1被设定为，使得通过入射作为规定波长的波长λ1的THz波40而产生表面等离子体振子波100，因此，在例如入射于光学元件1A的THz波具有包括波长λ1的多个波长的情况下，可以从入射的THz波中选择性地检测出波长λ1的THz波40。

此外，由于波导部20是由半导体构成的量子阱结构，因此，例如非专利文献1中所述，与利用金或银等金属的情况相比更易于形成凹凸图案26、27，其结果是，光学元件1A的制造变得更容易。

此外，在光学元件1A中，由于利用具有交叉区域22a的波导部20(更具体地说，周期结构部25A、25A)来传播表面等离子体振子波100，因此表面等离子体振子波100的传播距离L变长。针对这一点进行更为详细的说明。

如利用图4的说明所述，为了在电介质110与导电性物质111的界面上传播表面等离子体振子波100，需要使导电性物质111的介电常数ε_m的实部ε_mr为负。在波长范围为30μm～1000μm、或振动频率范围为1.9×10¹²～6.3×10¹³(1/s)的THz区域，为了使半导体的介电常数ε_m的实部ε_md为负，需要如下所述的载流子浓度。即，当半导体内的自由电子的散射时间τ为4×10^-13秒时，对应于振动频率范围1.9×10¹²～6.3×10¹³(1/s)，需要载流子浓度在2.2×10²¹m^-3～9.8×10²³m^-3(2.2×10¹⁵cm^-3～9.8×10¹⁷cm^-3)以上。为了达到这样的载流子浓度，必需在半导体中掺杂Sn或Si等杂质。另一方面，由于在半导体中散射时间τ与载流子迁移率μ呈比例关系，由于杂质的存在而使载流子浓度增加时，载流子迁移率μ变小。

相对于此，在光学元件1A中，采用具有交叉区域22a的量子阱结构的波导部20来激励表面等离子体振子波100并进行传播。在量子阱结构中，由于可以在空间上分离的条件下制作杂质和载流子的移动空间，因此，即使提高载流子的浓度，载流子迁移率也不会变小。其结果是，在光学元件1A中，可以更长距离地传播表面等离子体振子波100。这样，由于表面等离子体振子波100的传播距离可以变长，提高了向开口部24的集光效率。因此，可以更有效且可靠地检测出THz波40。此外，由于可以使波导部20的占有面积变小，因此在阵列化时可以实现高密度集成。

此外，如上所述，由于波导部20在Y轴方向上具有凹凸图案27，因此量子阱层22在Y轴方向上具有多个交叉区域22b。由于交叉区域22b在X轴方向上延伸，因此通过交叉区域22b也可以将表面等离子体振子波100集光于开口部24。

(第2实施方式)

图12为本发明的光学元件的第2实施方式的立体图。光学元件1B与光学元件1A在结构上的主要差异点在于，波导部20所具有的周期结构部25B在X轴方向上具有凹凸图案26，而在Y轴方向上不具有凹凸图案。以该点为中心说明光学元件1B。

在光学元件1B所具有的半导体基板10上层叠的波导部20中，形成有开口部(集光部)24，开口部24的两侧区域为周期结构部25B、25B。而且，周期结构部25B具有凹凸图案26，该凹凸图案26作为具有周期Λ1的表面等离子体振子波发生部起作用。

光学元件1B例如可以通过如下方法来制造。首先，实施在第1实施方式的光学元件1A的制造工序中的图5～图8所示的工序。在实施图8所示工序之后，不实施图9及图10所示工序，而与图11所示工序同样地，在第2区域11b上使包层21、量子阱层22以及包层23生长，以形成波导部20。接着，在开口部24上形成一对天线电极31、32，制成光学元件1B。

由于波导部20具有凹凸图案26，因此光学元件1B具有与光学元件1A同样的作用·效果。即，在光学元件1B中，由于由形成有凹凸图案26的量子阱结构所形成的波导部20具有以形成凹凸图案26的形状的方式连续的多个交叉区域22a，因此，波导部20作为表面等离子体振子波100的波导结构而起作用。在这种情况下，由于采用量子阱结构作为波导结构，因此可以更长距离地传播表面等离子体振子波100。由此，由于提高了表面等离子体振子波100向开口部24的集光效率，因此可以高效且高灵敏度地检测出THz波。此外，由于为了激励·传播表面等离子体振子波100而采用量子阱结构，因此光学元件1B的制造变得容易。此外，由于可以减小波导部20的占有面积，因此在阵列化时可以实现高密度集成。

(第3实施方式)

图13为本发明的光学元件的第3实施方式的立体图。图14为图13的沿XIV-XIV线的剖面图。

光学元件1C为产生THz波的THz波发生元件。光学元件1C与第2实施方式的光学元件1B在结构上的主要差别点在于：在光学元件1C中，在半导体基板10上层叠的波导部20上还层叠有半导体层50，在半导体层50的表面51上设置有THz波发生部60。以该点为中心说明光学元件1C。在此，图13及图14中的点划线是用于说明半导体基板10及半导体层50的边界的示意线。此外，在图13及图14中，为了说明波导部20的结构，将波导部20放大图示。

在光学元件1C中，在半导体基板10上层叠的层状的波导部20上还层叠有半导体层50，由此，在波导部20上形成的开口部24中，填充有半导体层50的一部分。

只要能传播THz波，就对半导体层50没有特别的限制，例如，由半绝缘性GaAs形成。此外，半导体层50上的THz波发生部60，是入射激励光时产生规定波长即波长λ1的THz波的一对THz波发生用电极61、62。各THz波发生用电极61、62例如可以由金形成，设置在半导体层50的表面51中的开口部24上。更具体地说，各个THz波发生用电极61、62沿着在开口部24的Y轴方向上延伸的缘部24a、24b设置，并被配置为，在各THz波发生用电极61、62所具有的凸部之间产生间隙。

在上述的光学元件1C中，凹凸图案26的周期Λ3被设定为：从THz波发生用电极61、62输出的波长λ1的THz波入射于具有凹凸图案26的周期结构部25B、25B时，产生表面等离子体振子共振，并且表面等离子体振子波100在半导体基板10侧传播。即，在光学元件1C的情况下，当图4所示的导电性物质111作为波导部20、电介质110作为半导体基板10、式(3)中的波长λ设为λ1时，由式(3)算出的周期Λsp为Λ3。因此，例如，在半导体基板10及半导体层50分别由GaAs形成、从THz波发生部60输出波长100μm的THz波的情况下，光学元件1C所具有的凹凸图案26的周期Λ3约为30μm。此外，所产生的表面等离子体振子波100的传播距离约为450μm。

上述光学元件1C例如可以通过如下方法来制造。即，与第2实施方式的光学元件1B的制造工序相同，实施图5～图8所示的工序。此时，在图5的工序中，例如，形成宽度为15μm的氮化硅膜3。接着，在实施图8所示的工序之后，在第2区域11b上形成波导部20。接着，在波导部20上再形成半导体层50之后，在开口部24上形成THz波发生用电极61、62，就形成了光学元件1C。在此，与第1实施方式的情况相同，上述制造工序中的数值等仅为一个例子。

接着，说明光学元件1C的作用·效果。当作为激励光，例如，具有100飞秒(femtosecond)的时间幅度的中心波长800nm的光脉冲入射于THz波发生部60时，THz波发生部60产生并输出波长λ1的THz波40。该输出的THz波40在半导体层50中传播并入射于波导部20。

通过向波导部20入射波长λ1的THz波40，在具有凹凸图案26的周期结构部25B、25B产生表面等离子体振子共振，激励表面等离子体振子波100。与光学元件1B的情况相同，在周期结构部25B、25B产生的表面等离子体振子波100利用多个交叉区域22a向开口部24传播，并集光在具有比波长λ1狭窄的宽度的开口部24。聚集在开口部24的表面等离子体振子波100，例如，在开口部24与波导部20的边界产生散射，被转换为与表面等离子体振子波100具有相同振动频率的THz波41、在半导体基板10中传播并从背面12输出。

在上述光学元件1C中，由于由从THz波发生部60输出的THz波40所产生的表面等离子体振子波100被聚集在开口部24之后，再次被转换为THz波41并从半导体基板10侧输出，因此，可以产生高能量密度的THz波41。与光学元件1A、1B的情况相同，在光学元件1C中，波导部20也是作为表面等离子体振子波100的波导结构而起作用，因此，可以更长距离地传播表面等离子体振子波100。由此，由于提高了表面等离子体振子波100向开口部24的集光效率，可以进一步提高由光学元件1C输出的THz波41的能量密度。此外，由于为了激励·传播表面等离子体振子波100而采用了量子阱结构，因此易于制造光学元件1C。此外，由于可以减小波导部20的占有面积，因此在阵列化时可以实现高密度集成。

在此，在光学元件中，在波导部20上设置半导体层50，但也可以在从波导部20的开口部24露出的半导体基板10上直接设置THz波发生部60。

(第4实施方式)

图15为本发明的光学元件的第4实施方式的平面图。光学元件1D与第2实施方式的光学元件1B在结构上的主要差别点在于：在半导体基板10的表面11上并列设置有多个(图15中为2个)波导部20-1、20-2，波导部20-1、20-2分别所具有的周期性的凹凸图案26-1、26-2的周期Λ1、Λ4互不相同。以该点为中心说明光学元件1D。在此，图15中，示意性地表示了开口部24上的受光部30。

波导部20-1的构成，除了以一维状地形成多个(图15中为3个)开口部24之外，其它与波导部20的结构相同。即，波导部20-1具有从半导体基板10侧层叠包层21、量子阱层22以及包层23而形成的量子阱结构。而且，波导部20-1在X轴方向上具有周期Λ1的凹凸图案26-1，且在XZ平面上的剖面形状大致呈三角波状。在此，由于图15为平面示意图，为方便起见，对凹凸图案26-1的一个周期赋予符号。以下用平面图表示凹凸图案时也是相同的。

在光学元件1D中，凹凸图案26-1的周期Λ1被设定为：对应于波长λ1的THz波而产生表面等离子体振子波100-1。在波导部20-1中，各个开口部24周围的区域成为周期结构部(波导结构)25B-1。另外，在形成于波导部20-1的各开口部24上设置有受光部30。

此外，波导部20-2的结构，除了沿X轴方向的凹凸图案26-2的周期Λ4与波导部20-2所具有的凹凸图案26-1的周期Λ1互不相同外，其它与波导部20-1的结构相同。此外，凹凸图案26-2的周期Λ4被设定为：对应于与波长λ1不同的波长λ4的THz波而产生表面等离子体振子波100-2。此外，在波导部20-2中，开口部24周围的区域成为周期结构部25B-2。

接着，说明上述光学元件1D的作用·效果。在此，对从半导体基板10的背面12入射包含不同波长λ1、λ4的波长范围的THz波的情况进行说明。

从光学元件1D所具有的半导体基板10的背面12入射上述THz波，并入射至凹凸图案26-1、26-2时，由波长λ1的THz波而在凹凸图案26-1侧产生表面等离子体振子波100-1，由波长λ4的THz波而在凹凸图案26-2侧产生表面等离子体振子波100-2。在凹凸图案26-1、26-2中产生的表面等离子体振子波100-1、100-2集光于分别形成在波导部20-1、20-2的开口部24上，通过设置于各开口部24上的受光部30，与光学元件1A、1B的场合同样地被检测出。

在光学元件1D中，由于凹凸图案26-1、26-2的周期Λ1、Λ4不同，因此，由波导部20-1、20-2检测出的THz波的波长λ1、λ4不同。其结果是：在光学元件1D中，可以一边分解波长(换言之，一边进行分光)一边检测THz波。

此外，在光学元件1D中，由于波导部20-1、20-2具有凹凸图案26-1、26-2，因此具有与光学元件1A、1B相同的作用·效果。即，波导部20-1、20-2作为表面等离子体振子波100的波导结构而起作用，可以更长距离地传播表面等离子体振子波100-1、100-2。由此，由于提高了表面等离子体振子波100-1、100-2向各开口部24的集光效率，因此可以更有效且高灵敏度地检测出THz波。此外，由于采用了量子阱结构，因此光学元件1D易于制造。此外，由于波导部20-1、20-2的占有面积小，因此可以实现高密度集成。

在此，光学元件1D通过在开口部24设置受光部30而作为THz波受光元件使用，而在不设置受光部30的情况下也可以作为分光元件使用。此外，在此实施方式中，在半导体基板10上设置两个波导部20-1、20-2，也可以如上所述那样设置三个以上的波导部20-1～20-n(n为3以上的整数)。而且，在设置三个以上的波导部20-1～20-n的情况下，只要至少两个波导部20-n、20-m(m为与n不同的3以上的整数)所具有的凹凸图案26-n、26-m的周期不相同即可。

(第5实施方式)

图16为本发明的光学元件的第5实施方式的平面图。光学元件1E与第2实施方式的光学元件1B在结构上的主要差别点在于：在半导体基板10上层叠的波导部20上，以二维状地形成有多个开口部24，且在各开口部24设置有受光部30。在此，图16中，示意性地表示了受光部30。

与光学元件1B的情况相同，在光学元件1E中，当从半导体基板10的背面12入射波长λ1的THz波时，由波导部20所具有的凹凸图案26产生表面等离子体振子波100。产生的表面等离子体振子波100通过多个交叉区域22a集光于开口部24，与光学元件1A、1B的情况同样地，由受光部30检测出。由此，可以检测出入射于半导体基板10的波长λ1的THz波。

在光学元件1E中，由于二维状地配置了多个开口部24而实现了多通道(multi channel)化，因此可以得到THz波的二维空间图像。

光学元件1E由于采用具有交叉区域22a的波导部20而产生的作用·效果，也与光学元件1A、1B相同。即，在光学元件1E中，由于波导部20具有交叉区域22a，因此作为表面等离子体振子波100的波导结构而起作用。而且，由于采用了量子阱结构，在波导部20上可以更长距离地传播表面等离子体振子波100。这样，由于提高了表面等离子体振子波100向开口部24的集光效率，因此可以更有效且高灵敏度地检测出THz波。此外，由于为了激励·传播表面等离子体振子波100而采用了量子阱结构，因此易于制造光学元件1E。

在此，如图16中以点划线的划分所示，若将光学元件1E的波导部20分割为多个(图16中为3个)区域进行考虑，也可以认为光学元件1E被构成为：在半导体基板10上设置有多个波导部20₁、20₂、20₃，在波导部20₁、20₂、20₃上以一维状地形成有多个开口部24。在这种情况下，由于可以减小波导部20₁、20₂、20₃的占有面积也，因此可以实现高密度集成。在此，光学元件1E中波导部20₁、20₂、20₃所具有的凹凸图案26的周期Λ1相同。图16中的点划线是为了便于上述的说明而使用的。

(第6实施方式)

图17为本发明的光学元件的第6实施方式的平面图。光学元件1F与第2实施方式的光学元件1B在结构上的主要差别点在于：在半导体基板10上层叠的波导部20所具有的凹凸图案26F是由周期不同的第1凹凸图案26F1和第2凹凸图案26F2构成的。

与第2实施方式的波导部20相同，光学元件1F所具有的波导部20为在半导体基板10上层叠包层21、量子阱层22以及包层23而形成的量子阱结构。波导部20具有开口部24和配置在开口部24的两侧且具有凹凸图案26F的周期结构部25F、25F。周期结构部25F在XZ平面上的剖面形状与周期结构部25A、25B中同样，大致为三角波状。

由于凹凸图案26F是由周期不同的凹凸图案26F1、26F2构成的，因此周期结构部25F具有：具有凹凸图案26F1的第1周期结构部25F1，和具有凹凸图案26F2的第2周期结构部25F2。第1及第2周期结构部25F1、25F2在X轴方向上，从开口部24侧开始依次配置有第1周期结构部25F1、第2周期结构部25F2。因此，相对于第1周期结构部25F1，第2周期结构部25F2位于开口部24的相反侧。在这种情况下，也可以认为：在第1凹凸图案26F1的两侧形成有第2凹凸图案26F2的波导部20中，通过在第1凹凸图案26F1形成开口部24而构成光学元件1F所具有的波导部20。

与第2实施方式的情况相同，上述第1凹凸图案26F1的周期Λ1被设定为：入射作为规定波长也就是波长λ1的THz波时，产生表面等离子体振子波100。因此，第1周期结构部25F1作为表面等离子体振子波发生部而起作用。此外，第2凹凸图案26F2的周期Λ5为第1凹凸图案26F1的周期Λ1的一半(Λ1/2)。由此，当在第1周期结构部25F1产生的表面等离子体振子波100通过多个交叉区域22a导波至第2周期结构部25F2侧时，该表面等离子体振子波100反射至开口部24侧。即，第2周期结构部25F2作为产生所谓的DFB(分布反馈：Distributed Feedback)的DFB部而起作用。

在光学元件1F中，由于第1周期结构部25F1作为表面等离子体振子波发生部而起作用，通过从背面12向光学元件1F入射波长λ1的THz波而产生表面等离子体振子波100。表面等离子体振子波100通过具有量子阱层22的多个交叉区域22a在X轴方向上传播并集光于开口部20。

此外，如图17所示，也存在表面等离子体振子波100的一部分在与开口部24相反的一侧传播的情况。在光学元件1F中，由于第2周期结构部25F2配置在与开口部24相反的一侧，因此，在与开口部24相反的一侧传播的表面等离子体振子波100通过第2凹凸图案26F2被反射至开口部24侧。因此在第1周期结构部25F1产生的表面等离子体振子波100可以更多地集光于开口部24，开口部24的能量密度得到进一步提高。因此，可以有效且高敏感度地检测入射于半导体基板10的THz波。

此外，在光学元件1F中，由于波导部20为量子阱结构，易于形成第1及第2凹凸图案26F1、26F2，因此易于制造光学元件1F。此外，由于将入射于光学元件1F的THz波转换为表面等离子体振子波100，利用多个交叉区域22a传播并集光于开口部24之后，在受光部30检测波，因此可以在高能量密度条件下对THz波进行检测。其结果，可以有效且高灵敏度地检测出THz波。此外，由于采用了杂质和载流子的移动空间在空间上分离的量子阱结构，因此可以更长距离地传播表面等离子体振子波100，可以提高向开口部24的集光效率。

以上说明了本发明的波导结构及光学元件的实施方式，但本发明不限于上述实施方式。例如光学元件1A～1F所具有的波导部20的凹凸图案的形状可以有各种变形。下面，利用图18～图24说明凹凸图案的变形例。

图18为第1变形例的具有凹凸图案的波导部的平面图。在图18中，表示了将凹凸图案26G使用于例如光学元件1A、1B那样的作为THz波接受元件的光学元件中的情况。在此，示意性地表示了受光部30。

如图18所示，从上面看，凹凸图案26G的形状为环状，沿径向的剖面形状与光学元件1B中凹凸图案26相同，大致为三角波状。因此，波导部20具有连续的多个交叉区域22a。由于这样的波导部20具有交叉区域22a，波导部20作为传播表面等离子体振子波100的波导结构而起作用。在此，在使用凹凸图案26G的波导部20中，中心部形成有圆形的开口部(集光部)24，其周围为具有凹凸图案26G的周期结构部25G。其中，优选开口部24的直径小于与在波导部20中传播的表面等离子体振子波100具有相同振动频率的THz波的波长。此外，通过将凹凸图案26G的径向的周期Λ6设定为，当入射规定波长(例如波长λ1)的THz波时产生表面等离子体振子共振，从而可以使凹凸图案26G作为表面等离子体振子波发生部起作用。

图19为使用第2变形例的凹凸图案的波导部的平面图。在图19中，表示了将凹凸图案26H使用于例如光学元件1A、1B那样的作为THz波接受元件的光学元件中的情况。在此，示意性地表示了受光部30。

从上边看，凹凸图案26H的形状为正方形，沿X轴及Y轴方向的剖面形状(换言之，在XZ平面及YZ平面上的剖面形状)与光学元件1B所具有的凹凸图案26相同，大致呈三角波状。因此，由于在这种情况下波导部20也具有连续的交叉区域22a，因此作为传播表面等离子体振子波100的波导结构而起作用。在此，在使用凹凸图案26H的波导部20中，在中心部形成有正方形状的开口部24，其周围成为具有凹凸图案26H的周期结构部25H。优选开口部24的一边的边长小于与在波导部20中传播的表面等离子体振子波100具有相同振动频率的THz波的波长。

如前所述，凹凸图案26H的形状为正方形，因此，凹凸图案26H在X轴方向上的周期Λ7与在Y轴方向上的周期Λ8相同。而且，通过将周期Λ7、Λ8设定为当入射相同的规定波长(例如：波长λ1)的THz波时产生表面等离子体振子共振，从而可以使凹凸图案26H作为表面等离子体振子波发生部而起作用。在此，凹凸图案26H的形状也可以是例如从上面看时为长方形。

图20为使用第3变形例的凹凸图案的量子阱结构的平面图及其一部分的放大立体图。在图20中，表示了将凹凸图案26I使用于例如光学元件1A、1B那样的作为THz波受光元件的光学元件中的情况。图20中示意性地表示了受光部30。

凹凸图案26I具有多个棱锥状***部26Ia，它们被周期性地配置在X轴方向上及Y轴方向上。在凹凸图案26I中，相邻的***部26Ia在X轴方向上及Y轴方向上的间隔(周期)Λ9、Λ10相同。在此，在使用凹凸图案26I的波导部20中，在中心部形成有开口部24，其周围成为具有凹凸图案26I的周期结构部25I。

在具有凹凸图案26I的波导部20中，形成***部26Ia的构成四个侧面部的量子阱层22的区域为与XY平面相交的交叉区域22a。由于波导部20具有交叉区域22a，因此波导部20起着作为表面等离子体振子波的波导结构的作用。此外，在各***部26Ia中互相相邻的侧面部是连续的，而且相邻的***部26Ia的侧面部也是连续的，因此多个交叉区域22a是连续的。其结果是表面等离子体振子波可以在X轴方向及Y轴方向上传播。

此外，通过将周期Λ9、Λ10形成为在入射规定波长(例如：波长λ1)的THz波时产生表面等离子体振子共振，可以使凹凸图案26I起到作为表面等离子体振子波发生部的作用。在此，周期Λ9、Λ10也可以不同。此外，图20(b)所示的***部26Ia的顶部是平坦的，然而***部26Ia也可以被形成为三角锥形状。

图21为具有第5及第6变形例的凹凸图案的波导部的立体图。图21所示为具有第5及第6变形例的凹凸图案的波导部20层叠于半导体基板10上的状态。

如图21(a)所示，在X轴方向上连续设置相对于半导体基板10向相反的方向弯曲的弯曲部26Ja而形成凹凸图案26J。构成弯曲部26Ja的一部分的量子阱层22成为与XY平面相交的区域即交叉区域22a。因此，波导部20起着作为传播表面等离子体振子波100的波导结构的作用。而且，由于交叉区域22a在X轴方向上连续，在具有凹凸图案26J的波导部20中，表面等离子体振子波100在弯曲部26Ja的排列方向(图21中，X轴方向)上传播的同时，也在弯曲部26Ja的延伸方向(图21中，Y轴方向)上传播。

在这种情况下，如图21所示，相邻的弯曲部26Ja的连接部分为谷部26b，谷部26b被周期性地配置。通过将谷部26b间的距离Λ11设定为当入射规定波长的THz波时产生表面等离子体振子共振，可以使凹凸图案26J起到作为表面等离子体振子波发生部的作用。

如图21(b)所示，在X轴方向上连续设置向半导体基板10侧弯曲的弯曲部26Ka而形成第6变形例的凹凸图案26K。除了弯曲部26Ka的弯曲方向与图21(a)所示的凹凸图案26J所具有的弯曲部26Ja的弯曲方向不同之外，其余与凹凸图案26J的结构相同。因此，具有凹凸图案26K的波导部20也作为波导结构而起作用，也可以使凹凸图案26K作为表面等离子体振子波发生部而起作用。

此外，如图21(b)所示，通过弯曲波导部20的一部分即包层21的表面(与量子阱层22的界面)且在该包层21上层叠量子阱层22及包层23而构成凹凸图案26K，也可以将半导体基板10的第2区域11b形成为弯曲部26Ka的形状后，层叠包层21、量子阱层22及包层23来形成凹凸图案26K。

图22为具有第7变形例凹凸图案的波导部的立体图。图22图示了具有第7变形例的凹凸图案26L的波导部被层叠于半导体基板10上的状态。

凹凸图案26L呈菲涅耳透镜型。由于在该结构中，量子阱层22具有多个与XY平面大致垂直相交的交叉区域22a₁以及与XY平面以规定的角度相交的交叉区域22a₂，因此波导部20作为传播表面等离子体振子波100的波导结构而起作用。此外，由于交叉区域22a₁与交叉区域22a₂交互地配置且连续，因此在图22中，表面等离子体振子波100在X轴及Y轴方向上传播。此外，通过将凹凸图案26L的周期Λ12设定为当入射规定波长(例如：波长λ1)的THz波时产生表面等离子体振子共振，可以使凹凸图案26L起到作为表面等离子体振子波发生部的作用。此外，具有使用这种菲涅耳透镜型的凹凸图案26L的波导部20的光学元件，也可以作为集光透镜而使用。

图23为具有第8变形例的凹凸图案的波导部的立体图。图23表示了具有第8变形例的凹凸图案26M的波导部20被层叠于半导体基板10上的状态。

如图23所示，第8变形例的凹凸图案26M的剖面形状为正弦波状。在该结构中，量子阱层22也具有凹凸图案26M，例如，正弦波中半个周期的区域对应于交叉区域22a。由于波导部20具有交叉区域22a，因此波导部20作为传播表面等离子体振子波的波导结构而起作用。此外，量子阱层22具有多个交叉区域22a且多个交叉区域22a是连续的，因此，表面等离子体振子波100在X轴方向上传播的同时，也在Y轴方向上传播。此外，由于凹凸图案26M的周期Λ13的周期被设定为，当入射规定波长(例如：波长λ1)的THz波时产生表面等离子体振子共振，因此可以使凹凸图案26M作为表面等离子体振子波发生部而起作用。

图24为具有第9～第11变形例的凹凸图案的波导部的立体图。图24表示了具有第9～第11变形例的凹凸图案26N、26O、26P的波导部20层叠在基板10上的状态。

如图24(a)所示，第9变形例的凹凸图案26N是在XZ平面上的剖面形状大致为三角形的***部26Na相隔一定间距配置而形成的。在这种结构中，由于包含于***部26Na的侧面部的量子阱层22成为交叉区域22a，因此，波导部20作为传播表面等离子体振子波100的波导结构而起作用。而且，在具有凹凸图案26N的波导部20中，由于***部26Na之间没有交叉区域22a，因此表面等离子体振子波100在Y轴方向上传播。

因此，在具备具有凹凸图案26N的波导部20的光学元件中，通过将开口部24设置为与***部26Na的延伸方向垂直相交，可以将在交叉区域22a传播的表面等离子体振子波100集光于开口部24。此外，相邻的***部26Na之间的间隔，即凹凸图案26N的周期Λ14被设定为：通过入射规定波长(例如：波长λ1)的THz波而产生表面等离子体振子波100，从而可以使凹凸图案26N起到作为表面等离子体振子波发生部的作用。

如图24(b)所示，第10变形例的凹凸图案26O在XZ平面上的剖面形状大致为矩形波状。在这种情况下，波导部20的量子阱层22在X轴方向上具有相对于XY平面倾斜的多个交叉区域22a。在此，相邻的交叉区域22a被离散地配置，通过与XY平面平行的区域22c、22d相连。其结果是：在波导部20中，表面等离子体振子波100在图24(b)的Y轴方向上传播。此外，通过将凹凸图案26O的周期Λ15设定为：对应于规定波长的THz波产生表面等离子体振子波100，可以使凹凸图案26O起到作为表面等离子体振子波发生部的作用。

如图24(c)所示，第11变形例的凹凸图案26P在XZ平面上的剖面形状大致为矩形波状。除了量子阱层22的交叉区域22a与XY平面大致垂直相交之外，凹凸图案26P的结构与图24(b)中所示凹凸图案26O的结构相同。因此，与凹凸图案26O相同地，在波导部20中，表面等离子体振子波100在图24(c)的Y轴方向上传播。此外，通过将凹凸图案26P的周期Λ16设定为：对应于规定波长的THz波产生表面等离子体振子波100，可以使凹凸图案26P起到作为表面等离子体振子波发生部的作用。

以上说明的第1～第11变形例可以替代使用于第1～第6实施方式的光学元件中的凹凸图案26、26F而使用于各光学元件中。此外，由于THz波多以直线偏光的方式入射，因此优选如使用于第1～第6实施方式的光学元件中的凹凸图案26、26F那样的从上边看时呈狭缝状的图案，或如第3变形例的凹凸图案26I那样的具有锥形的***部26Ia的图案。

在至此的说明中，将波导部20所具有的周期性的凹凸图案(周期性结构)作为表面等离子体振子波发生部，然而表面等离子体振子波发生部也可以有各种变形。

图25为应用了表面等离子体振子波发生部的其它变形例的光学元件的立体图及其一部分的放大示意图。在光学元件1G所具有的半导体基板10的表面11上，形成有周期性的凹凸图案70。凹凸图案70大致呈矩形波状，其周期Λ17被设定为：入射规定波长(例如：波长λ1)的THz波时产生表面等离子体振子波100。因此，在光学元件1G中，该凹凸图案70起着作为表面等离子体振子波发生部的作用。

如图25(b)所示，在光学元件1G中，在凹凸图案70所具有的山部71及谷部72上，设置有由包层21、量子阱层22以及包层23层叠而成的波导部20。在波导部20上，凹凸图案28被形成为量子阱层22具有交叉区域22a。另外，25(b)为图25(a)中以点划线围起来的区域的放大图。

只要是被形成为量子阱层22具有交叉区域22a，对凹凸图案28的形状及周期就没有特别的限定，也可以是上述的第1～第11的变形例的形状。此外，如上所述，只要凹凸图案28中量子阱层22具有交叉区域22a即可，也可以不具有周期性。此外，在凹凸图案28呈周期性的情况下，由于其周期形成在山部71上，因此小于凹凸图案70的周期Λ17。

在该结构中，当规定波长即波长λ1的THz波入射于光学元件1G时，由凹凸图案70产生表面等离子体振子波100。所产生的表面等离子体振子波100通过具有交叉区域22a的波导部20而传播。在这种情况下，通过在表面等离子体振子波100的传播方向上设置开口部24，可以对表面等离子体振子波100进行集光。因此，通过在开口部24上设置受光部30，可以将光学元件1G作为THz波受光元件而予以利用。此外，通过在开口部24上设置THz波发生部60，可以将光学元件1G作为THz波发生元件而予以利用。

此外，作为表面等离子体振子波发生部不仅限于利用光栅。利用全反射或近场光也可以产生表面等离子体振子波。在此，利用图26说明利用全反射的情况。

如图26所示，考虑依次层叠介电常数不同的电介质110A、电介质110B以及导电性物质111的情况。其中，电介质110B是其厚度为光的波长左右的薄体，且电介质110A的介电常数ε_A与电介质110B的介电常数ε_B满足ε_A＞ε_B的关系。

在电介质110A中传播的光以大于全反射的临界角θc的入射角θi(＞θc)入射于电介质110B时，在电介质110B中传播的光的波数中，与层叠方向(图26中的Z轴方向)垂直(图26中的X轴方向)的分量kx为：

$k_x=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_A}\sin {\mathrm{\θ}}_i>\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_A}\sin {\mathrm{\θ}}_c=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_B}...\left(4\right)$

式(4)中，ω为应转换为表面等离子体振子波的光的振动频率，c为真空中的光速。

根据式(4)，kx大于例如以小于临界角θc的入射角入射并在电介质110B中传播的光的波数。因此，如果kx与在导电性物质111和电介质110B的界面上产生的表面等离子体振子波的波数一致，就可以激励表面等离子体振子波。

如上所述，具有交叉区域22a的波导部20成为，对应于THz波可以激励表面等离子体振子波的上述导电性物质111。因此，通过在波导部20上层叠上述电介质110B、110A，并以大于临界角θc的规定角度从电介质110A向电介质110B入射THz波，而可以激励表面等离子体振子波。在这种情况下，波导部20和层叠在波导部20上的电介质110B的界面作为表面等离子体振子波发生部而起作用。

此外，在图26中，以电介质110A、110B以及导电性物质111的顺序将其层叠，但在导电性物质111薄至光的波长左右的情况下，也可以考虑以电介质110A、导电性物质111以及电介质110B的顺序将其层叠。在该结构中，当从电介质110A向导电性物质111的入射角大于临界角时，可以在导电性物质111和电介质110B的界面激励表面等离子体振子波。而且，在将具有交叉区域22a的波导部20看作导电性物质111时，波导部20与电介质110B的界面作为表面等离子体振子波发生部而起作用。

例如，在如光学元件1A、1B那样在空气与波导部20的界面产生表面等离子体振子波的情况下，由于空气对应于电介质110B、波导部20对应于导电性物质111，因此，在波导部20和半导体基板10之间设置电介质110A即可。

如利用图25及26所作的说明那样，在表面等离子体振子波发生部不是形成在波导部20的凹凸图案的情况下，只要波导部20所具有的多个交叉区域22a是连续的即可，另外，也可以离散地配置它们。此外，由于多个交叉区域22a是连续的，可以在多个交叉区域22a的排列方向上传播表面等离子体振子波。

此外，如光学元件1C那样在波导部20和半导体基板10的界面上产生表面等离子体振子波的情况下，由于半导体基板10对应于电介质110B、波导部20对应于导电性物质111，因此，在波导部20与半导体层50之间设置电介质110A即可。另外，相对于波导部20在波导部20上层叠作为电介质110A起作用的半导体层50即可。

此外，在利用近场光的情况下，例如，只要在波导部20附近配置刀口(knife-edge)等使光衍射的物体(衍射物体)即可。在这种情况下，当THz波入射于衍射物体与波导部20之间的间隙时，就会产生具有各种波数的衍射光(近场光)。在这种情况下，如果包含于衍射光的波数中包含，在波导部20和介质(例如空气)的界面上产生的表面等离子体振子波的波数，就会产生表面等离子体振子波。这样，在利用近场光的情况下，上述衍射物体成为表面等离子体振子波发生部。

此外，如图27所示，作为光学元件，也可以是半导体基板10上具有连通于波导部20的开口部24的贯通孔13的元件。在此，光学元件1H所具有的波导部20具有适用于光学元件1B的波导部20的凹凸图案26。在这种情况下，由入射THz波而产生的表面等离子体振子波100如图27所示那样集光于开口部24。由于开口部24连通于贯通孔13，因此，集光于开口部24的表面等离子体振子波100所产生的能量通过贯通孔13而向半导体基板10的背面12侧移动。因此，可以从半导体基板10的背面12侧获得能量。

此外，通过以THz发生部60替代受光部30，光学元件1A、1B、1D～1F也可以作为THz波发光元件。而且，由于光学元件1A～1H具有受光部30或THz发生部60，因此可以作为THz波受光元件或THz波发生元件起作用，但用不着特地在开口部24上设置受光部30或THz发生部60。在这种情况下，光学元件可以作为例如光学滤波器或分光元件而起作用。

此外，通过在具有交叉区域22a的波导部20上形成开口部24，来作为如上所述的光学元件，但是，也可以例如通过在半导体基板上形成具有交叉区域22a的量子阱结构，作为传播表面等离子体振子波的波导元件而予以利用。

波导部20是由包层21、量子阱层22以及包层23形成的，也可以由包层22或包层23与量子阱层22构成。此外，凹凸图案只要被形成为量子阱层22具有与XY平面相交差的交叉区域，例如交叉区域22a或交叉区域22b，就没有特别的限定。

此外，作为波导结构，只要量子阱结构内的量子阱层22具有与XY平面相交的交叉区域(例如交叉区域22a)即可。因此，也可以将波导部20中具有凹凸图案(例如凹凸图案26)的部分，即周期结构部(例如周期结构部25A)特别地作为波导结构。在这种情况下，波导部20由作为波导结构的周期结构部(例如周期结构部25A)与作为集光部的开口部24构成。此外，只要设置在半导体基板上的量子阱结构的量子阱层具有上述交叉区域就可以，交叉区域可以为一个，另外，即使在具有多个交叉区域的情况下，它们也不必是连续的，也可以如图24所示离散地配置它们。

此外，将形成在波导部20上的作为贯通孔的开口部24，作为用于对表面等离子体振子波100进行集光的集光部，但不是必须为贯通孔。只要是不具有交叉区域等的，不满足表面等离子体振子波的传播条件的区域就可以。在此，从更加可靠地对表面等离子体振子波进行集光的角度出发，优选集光部的大小(例如图1中X轴方向的长度、图18中的直径)小于转换为表面等离子体振子波的光的波长。

Claims (15)

1.一种波导结构，其特征在于：

在传播表面等离子体振子波的波导结构中，具备设置于半导体基板上的量子阱结构；

所述量子阱结构所具有的量子阱层具有交叉区域，该交叉区域与相对于所述半导体基板的所述量子阱结构的排列方向大致垂直的假想平面相交叉；

所述量子阱结构的介电常数的实部相对于规定波长的THz波为负数。

2.一种光学元件，其特征在于：

具备：

半导体基板；和

设置在所述半导体基板上，且具有权利要求1所述的波导结构的波导部；

所述波导部具有，设置于在所述波导结构中传播的所述表面等离子体振子波的传播方向上，且用于对表面等离子体振子波进行集光的集光部。

3.如权利要求2所述的光学元件，其特征在于：

所述集光部是在相对于所述半导体基板的所述量子阱结构的所述排列方向上贯通所述波导部的开口部。

4.如权利要求2或3所述的光学元件，其特征在于：

还具有通过所述规定波长的THz波的入射而产生表面等离子体振子波的表面等离子发生部，

所述波导结构传播在所述表面等离子体振子波发生部产生的所述表面等离子体振子波。

5.如权利要求4所述的光学元件，其特征在于：

所述表面等离子体振子波发生部是在所述波导结构所具有的所述量子阱结构上形成的周期性的凹凸图案。

6.如权利要求5所述的光学元件，其特征在于：

所述量子阱结构所具有的所述量子阱层具有多个所述交叉区域；

多个所述交叉区域以所述凹凸图案状连续。

7.如权利要求4所述的光学元件，其特征在于：

所述波导结构所具备的所述量子阱结构上形成有凹凸图案；

所述量子阱结构所具有的所述量子阱层具有多个所述交叉区域；

多个所述交叉区域以所述凹凸图案状连续；

所述凹凸图案具有：具有第1周期的第1凹凸图案；和相对于第1凹凸图案在与所述排列方向大致垂直相交的方向上配置、且具有第2周期的第2凹凸图案；

所述第1凹凸图案为所述表面等离子体振子波发生部；

所述第2凹凸图案位于相对于所述第1凹凸图案与所述集光部相反的一侧；

所述第2周期为所述第1周期的一半。

8.如权利要求4所述的光学元件，其特征在于：

所述表面等离子体振子波发生部是形成在所述半导体基板的主面上的、当入射所述规定波长的THz波时产生所述表面等离子体振子波的凹凸图案，

所述波导部设置在形成有所述凹凸图案的所述主面上。

9.如权利要求2～8的任一项所述的光学元件，其特征在于：

检测在所述波导结构中传播的所述表面等离子体振子波或与所述表面等离子体振子波具有相同振动频率的THz波的受光部设置在所述集光部上。

10.如权利要求9所述的光学元件，其特征在于：

具有多个所述集光部，

在所述各集光部上设置有所述受光部。

11.如权利要求2～8的任一项所述的光学元件，其特征在于：

产生所述规定波长的THz波的THz波发生部设置在所述集光部上，

通过入射由所述THz波发生部产生的所述规定波长的THz波，所述表面等离子体振子波发生部产生所述表面等离子体振子波。

12.如权利要求11所述的光学元件，其特征在于：

具有多个所述集光部，

在所述各集光部设置有所述THz波发生部。

13.一种光学元件，其特征在于：

具备：

半导体基板；和

设置在所述半导体基板上，并且具有权利要求1所述的波导结构的多个波导部；

多个所述波导部在与所述排列方向大致垂直的方向上排列，

在所述各个波导部中，

在所述波导结构所具有的所述量子阱结构中，形成有通过入射规定波长的THz波产生表面等离子体振子波的周期性的凹凸图案，

所述量子阱层具有以所述凹凸图案状连续的多个交叉区域，

在所述波导结构中传播的表面等离子体振子波的传播方向上，设置有用于对所述表面等离子体振子波进行集光的集光部，

多个所述波导部中的至少两个所述波导部所具有的所述波导结构的所述凹凸图案的周期互不相同。

14.如权利要求13所述的光学元件，其特征在于：

在所述各波导部所具有的所述集光部上，设置有检测在所述波导结构中传播的所述表面等离子体振子波或与所述表面等离子体振子波具有同一振动频率的THz波的受光部。

15.如权利要求13所述的光学元件，其特征在于：

在所述各波导部所具有的所述集光部上设置有产生所述规定波长的THz波的THz波发生部，该规定波长的THz波在所述各波导部所具有的所述凹凸图案中产生所述表面等离子体振子波。

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