JP2009192609A - Polarization control element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電磁波の偏波を制御する素子に関し、特にマイクロ波、赤外光、および可視光の偏波または偏光を制御する素子に関する。 The present invention relates to an element that controls the polarization of electromagnetic waves, and more particularly to an element that controls the polarization or polarization of microwaves, infrared light, and visible light.
偏光を制御するための素子は、特定の偏光方向の電界のみを透過あるいは反射させる偏光子、特定の偏光方向の電界を特定の位相量だけ変化させる位相子、そして特定の偏光状態をランダムな偏光状態に変化させる偏光解消素子に分類される。 Elements for controlling the polarization are a polarizer that transmits or reflects only an electric field in a specific polarization direction, a phase shifter that changes an electric field in a specific polarization direction by a specific phase amount, and a specific polarization state that is randomly polarized It is classified as a depolarizing element that changes to a state.
これらの偏光制御素子のうちの位相子として、従来から、有機や無機の複屈折材料を利用したもの、全反射における位相シフトを利用したものなどが知られている。さらに、最近になって、光の波長よりも小さい周期構造による位相変調技術が開発されている。 Among these polarization control elements, those using an organic or inorganic birefringent material, those using a phase shift in total reflection, and the like are conventionally known. Furthermore, recently, a phase modulation technique using a periodic structure smaller than the wavelength of light has been developed.
たとえば、特開２００６−３３０１０８号公報（特許文献１）で開示される技術では、基板上に金属の微小構造の集合である金属微小構造の群が形成されている。このような基板に対して光を照射すると、各金属微小構造に生じる近接場光によって、複数の金属微小構造の間で相互作用が生じる。このとき、入射光の偏光に対して金属微小構造の群が非対称に配列されている場合には、金属微小構造間の近接場光相互作用に異方性が生じる。このため、各金属微小構造からの光が重畳された反射光あるいは透過光の偏光成分にも位相差が生じることになり、出射光における偏光状態が変換される。
有機の複屈折材料を用いた位相子は、高分子材料に特有な分子構造の異方性に伴なう屈折率の異方性を利用している。有機材料は安価に利用できるメリットがあるものの耐熱性および耐光性が劣るという問題がある。無機の複屈折材料には水晶や方解石などの結晶を利用したものが挙げられる。いずれも耐熱性や耐光性はあるが、複屈折性が小さいため、素子のサイズが大きくなるという問題がある。 A phaser using an organic birefringent material utilizes the anisotropy of the refractive index accompanying the anisotropy of the molecular structure unique to the polymer material. Although organic materials have the merit that they can be used at low cost, there is a problem that heat resistance and light resistance are inferior. Inorganic birefringent materials include those using crystals such as quartz and calcite. Although both have heat resistance and light resistance, there is a problem that the size of the element becomes large because the birefringence is small.
一方、全反射を利用した位相子はフレネルプリズムと呼ばれ、全反射時における、ｓ偏光（電界が全反射面と平行な面内にある偏光）とｐ偏光（ｓ偏光と垂直な偏光）の位相シフト量が異なることを利用している。このタイプの位相子は波長分散の小さい位相量が得られることがメリットであるが、やはり素子のサイズが大きくなるという欠点がある。 On the other hand, a phase shifter using total reflection is called a Fresnel prism, and s-polarized light (polarized light whose electric field is in a plane parallel to the total reflection surface) and p-polarized light (polarized light perpendicular to s-polarized light). The fact that the phase shift amount is different is used. This type of phaser is advantageous in that a phase amount with small chromatic dispersion can be obtained, but it also has the disadvantage that the size of the element becomes large.
また、上述の特開２００６−３３０１０８号公報（特許文献１）で開示されている技術では、位相シフト量が小さく、９０°（１／４波長板）または１８０°（１／２波長板）といった実際のデバイスに利用するための位相シフト量を得るのは困難である。 Further, in the technique disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 2006-330108 (Patent Document 1), the phase shift amount is small, such as 90 ° (¼ wavelength plate) or 180 ° (1/2 wavelength plate). It is difficult to obtain a phase shift amount for use in an actual device.
したがって、本発明の目的は、９０°または１８０°といった大きな位相変化を生じさせることができる小型の偏波（偏光）制御素子を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a small polarization control device that can cause a large phase change such as 90 ° or 180 °.
本発明は要約すると、電磁波の偏波を制御する偏波制御素子であって、電磁波を透過する基板と、基板上に設けられ、電磁波を反射する反射層とを備える。ここで、反射層には、複数の第１、第２のスリットが形成される。 In summary, the present invention is a polarization control element that controls the polarization of electromagnetic waves, and includes a substrate that transmits electromagnetic waves and a reflective layer that is provided on the substrate and reflects electromagnetic waves. Here, a plurality of first and second slits are formed in the reflective layer.
複数の第１のスリットは、第１の方向に沿って形成される。複数の第１のスリットの各々と隣接する第１のスリットとの中心線の間隔は、電磁波の波長を基板の屈折率で割った値より小さい。 The plurality of first slits are formed along the first direction. The distance between the center lines of each of the plurality of first slits and the adjacent first slit is smaller than the value obtained by dividing the wavelength of the electromagnetic wave by the refractive index of the substrate.
複数の第２のスリットは、第２の方向に沿うとともに各々が複数の第１のスリットに交差するように形成される。複数の第２のスリットの各々と隣接する第２のスリットとの中心線の間隔は、電磁波の波長を基板の屈折率で割った値より小さい。そして、複数の第２のスリットの各々には、少なくとも一部の領域に第１の誘電体が埋め込まれる。 The plurality of second slits are formed so as to extend along the second direction and to intersect the plurality of first slits. The distance between the center lines of each of the plurality of second slits and the adjacent second slit is smaller than the value obtained by dividing the wavelength of the electromagnetic wave by the refractive index of the substrate. In each of the plurality of second slits, a first dielectric is embedded in at least a partial region.
本発明によれば、複数の第１のスリットには、第１の方向と垂直な方向に電界が振動する偏波成分が通過する。複数の第２のスリットには、第２の方向と垂直な方向に電界が振動する偏波成分が通過する。ここで、第２のスリットには第１の誘電体が埋め込まれているので、両方向の偏波成分間で誘電体の屈折率に応じた位相差を生じさせることができる。この結果、位相変化の大きい小型の偏波制御素子を実現できる。 According to the present invention, a polarization component whose electric field vibrates in a direction perpendicular to the first direction passes through the plurality of first slits. A polarization component whose electric field vibrates in a direction perpendicular to the second direction passes through the plurality of second slits. Here, since the first dielectric is embedded in the second slit, a phase difference corresponding to the refractive index of the dielectric can be generated between the polarization components in both directions. As a result, a small polarization control element having a large phase change can be realized.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。また、図解を容易にするために、図中の同一または相当する部分に同一のハッチングを付している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. Further, in order to facilitate the illustration, the same hatching is given to the same or corresponding parts in the figure.
また、本発明の偏波制御素子は、マイクロ波、赤外光、可視光などの電磁波に対して用いられる。以下の各実施の形態の説明では、電磁波および偏波という用語を用いるが、対象とする電磁波の波長が光の領域の場合には、これらの用語は、光および偏光に読替えることができる。 The polarization control element of the present invention is used for electromagnetic waves such as microwaves, infrared light, and visible light. In the following description of each embodiment, the terms electromagnetic wave and polarization are used. However, when the wavelength of the target electromagnetic wave is a light region, these terms can be read as light and polarization.
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１の偏波制御素子１０の構成を模式的に示す斜視図である。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of the
また、図２は、図１の偏波制御素子１０の正面図であり、図３は、図１の偏波制御素子１０の上面図である。図１〜図３において、基板１の主面１Ａに平行な方向をｘ方向およびｙ方向とし、基板１の主面１Ａに垂直な方向をｚ方向とする。また、以下の図面では図解を容易にするために同一または相当する部分に同一のハッチングを付している。
2 is a front view of the
図１〜図３を参照して、偏波制御素子１０は、石英ガラスなどの基板１と、基板１の主面１Ａ上に形成された金属層２とを含む。基板１は偏波制御素子１０に入射された電磁波に対して透明であることが望ましい。金属層２は入射された電磁波を反射する反射層として用いられる。
1 to 3, a
金属層２には、ｘ方向に沿う複数の第１のスリット１４と、ｙ方向に沿う複数の第２のスリット１５とが形成される。複数の第１のスリット１４と複数の第２のスリット１５とは互いに交差して格子状に形成される。金属層２は、これらの第１のスリット１４および第２のスリット１５によって、ｘ、ｙ方向に行列状に並ぶ複数の金属ブロック２（本発明の反射部）に分割される。以下では、ｘ方向を金属ブロック２の行方向、ｙ方向を金属ブロック２の列方向とも称する。
A plurality of
なお、図１では、簡単のために、６本の第１のスリット１４、３本の第２のスリット１５を図示している。実際の偏波制御素子１０の金属層２には多数の第１、第２のスリット１４、１５が形成される。
In FIG. 1, for the sake of simplicity, six
実施の形態１の偏波制御素子１０では、第１のスリット１４と第２のスリット１５とは直交している。また、第１、第２のスリット１４，１５は、それぞれ一定の幅、一定の周期で形成される。第１、第２のスリット１４、１５の周期は、偏波制御素子１０に入射された電磁波の波長を基板の屈折率で割った値より小さく設定される。
In the
金属ブロック２は、ｘ方向の大きさがＤｘ、ｙ方向の大きさがＤｙ、ｚ方向の厚みがＬｚの略直方体の形状を有する。ここで、第１のスリット１４の幅をＷｙとし、第２のスリット１５の幅をＷｘとすれば、互いに隣接する第１のスリット１４の中心線間の距離（第１のスリット１４の周期）は、Ｌｙ＝Ｄｙ＋Ｗｙとなる。同様に、互いに隣接する第２のスリット１５の中心線間の距離（第２のスリット１５の周期）は、Ｌｘ＝Ｄｘ＋Ｗｘとなる。
The
各第２のスリット１５には、さらに、複数の第１スリット１４との交差部分１７を含めた全領域に第１の誘電体３が埋め込まれる。次に説明するようにこの誘電体３によって、第１、第２のスリット１４、１５をそれぞれ通過する電磁波の偏波成分に位相差を生じさせることができる。
In each of the
図４は、実施の形態１の偏波制御素子１０の動作を説明するための図である。以下、図４を参照して、偏波制御素子１０の動作について詳述する。
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the
偏波（偏光）とは、電磁波の電界（あるいはそれと直交するの磁界）の振動方向が空間的に偏った状態にあることを示す。電界が振動する方向には電磁波の進行方向に対して垂直で互いに直交する独立な２つの方向があり、電磁波の偏光状態は、この２つの方向の電界の重ね合わせとして表わすことができる。したがって、任意の偏波状態は、これらの独立な２方向の振幅の比と位相差で決定される。たとえば、直線偏波は２つの方向の振動の位相差が０である状態を表わす。また、円偏波は２つの方向の振幅が等しく、位相差が９０°である状態を示している。 Polarized light (polarized light) indicates that the vibration direction of the electric field of electromagnetic waves (or a magnetic field orthogonal thereto) is spatially biased. There are two independent directions in which the electric field vibrates, which are perpendicular to the traveling direction of the electromagnetic wave and orthogonal to each other, and the polarization state of the electromagnetic wave can be expressed as a superposition of the electric fields in the two directions. Therefore, an arbitrary polarization state is determined by the ratio of the amplitude in these two independent directions and the phase difference. For example, the linearly polarized wave represents a state where the phase difference between vibrations in two directions is zero. Further, the circularly polarized wave shows a state where the amplitudes in the two directions are equal and the phase difference is 90 °.
図４は、基板に垂直な方向１１（金属層２が形成された基板１の主面１Ａ側から裏面側の方向）に電磁波が入射する場合を示す。図４の場合、入射電磁波の電界１２は、電磁波の進行方向ｋ（ｋは波数ベクトルの方向を示す。）に垂直に振動する直線偏波である。このとき、電磁波の電界１２は、ｘ方向に電界が振動する偏波成分Ｅｘとｙ方向に電界が振動する偏波成分Ｅｙとの和で表わされる。直線偏波の場合、ｘ方向の偏波成分Ｅｘとｙ方向の偏波成分Ｅｙとの位相差は０である。
FIG. 4 shows a case where electromagnetic waves are incident in a direction 11 perpendicular to the substrate (a direction from the
入射電磁波は、偏波制御素子１０によって偏波成分が制御される。図４の場合、偏波制御素子１０を透過した電磁波の電界１３は、電磁波の進行方向に向かって右回りに旋回する右旋偏波となっている。このような偏波制御素子１０の特性は、金属層２に形成されたスリット１４，１５における電磁波の伝播特性に基づいている。そこで、まず、一方向にスリットが形成されている偏光子の電磁波の伝播特性について図５を参照して説明する。
The polarization component of the incident electromagnetic wave is controlled by the
図５は、偏波制御素子１０の比較例としての偏光子５０の構成を模式的に示す斜視図である。図５の偏光子５０は、ワイヤグリッド偏光子（wire grid polarizer）と呼ばれる。
FIG. 5 is a perspective view schematically showing a configuration of a
図５を参照して、偏光子５０は、透光性の基板１と、基板１の主面上に形成された金属層２Ａとを含む。金属層２Ａは、ｙ方向に沿ったスリット１５が形成されることによって、複数の金属ブロック２Ａに分割される。
Referring to FIG. 5, a
偏光子５０の特性は、入射される電磁波の波長λとスリット１５の周期Ｌｘとの大小関係によって異なる。なお、基板１中では、電磁波の波長が屈折率の分だけ短くなるので、正確には、電磁波の波長λを基板の屈折率で割った値とスリットの周期Ｌｘとを対比する必要がある。以下の説明では、簡単のために基板１の屈折率を１とする。
The characteristics of the
スリットの周期Ｌｘが電磁波の波長λより大きい場合には、偏光子５０は回折格子として機能する。スリットの周期Ｌｘが電磁波の波長λより短くなると、λ＝Ｌｘ×ｓｉｎθを満足するθが存在しないので、偏光子５０は分光作用を持たなくなる。スリットの周期Ｌｘが波長λより短い場合には、偏光作用が顕著に現れる。
When the slit period Lx is larger than the wavelength λ of the electromagnetic wave, the
スリットに電磁波が入射する場合、スリット１５に平行な方向に電界Ｅｙを有する偏波は、その波長がスリット幅Ｗｘの２倍より短くないとスリット１５内を伝播することができない。したがって、スリット１５に平行な方向に電界Ｅｙを有する偏波は、その波長がスリット幅Ｗｘより長くなるにつれて、ほとんどすべてが反射されてしまう。一方、スリット１５に垂直な方向に電界Ｅｘを有する偏波は、その波長がスリット１５の幅Ｗｘより長くなってもスリット内の伝播が制限されない。ここで、スリット内を伝播可能な偏波であっても、スリットが単一の場合には、その大部分は金属層の表面で反射されてしまうけれども、多数のスリットを周期的に配列することによって、効率的に電磁波をスリット内に導くことが可能となる。こうして、図５に示すように電磁波の進行方向ｋ（ｋは波数ベクトルの方向を示す。進行方向ｋは、基板１に垂直方向１１である。）に垂直に振動する電界１２のうち、スリットに垂直な方向の偏波成分１６がスリットを通過することになる。
When electromagnetic waves are incident on the slit, the polarized wave having the electric field Ey in the direction parallel to the
偏光子５０の特性は、金属層２Ａ中の自由電子の応答によっても説明できる。導体中の自由電子は、電磁波を受けるとそれに同期して振動する。したがって、スリット１５に平行な方向に電界を有する直線偏波は、各金属ブロック２Ａ内の自由電子の振動によって遮蔽されるので、ほとんど反射されることになる。一方、スリット１５に垂直な方向に電界を有する直線偏波の場合には、自由電子の動きがスリット１５によって阻止されることになる。したがって、スリット１５に垂直な方向に電界を有する直線偏波の大部分がスリット１５を通り抜ける。このような特性は、ｘ、ｙの両方向に格子状にスリットが配置されている場合でも成り立つ。
The characteristics of the
再び図４を参照して、偏波制御素子１０には、互いに直交したｘ方向とｙ方向とに平行なスリット１４，１５が設けられている。スリット１４，１５の周期Ｌｙ，Ｌｘは、ｘ、ｙ方向ともに電磁波の波長λよりも短い。ここで、進行方向に垂直な方向に電界が振動する直線偏波が基板１に垂直に入射する場合を考える。なお、以下では、金属層２が配置された２次元面(ｘｙ平面）に垂直に電磁波が入射するものとするが、電磁波が２次元面に傾いていて入射しても扱いは変わらない。
Referring to FIG. 4 again, the
上述したスリットの伝播特性により、ｘ方向に平行な偏波成分はｙ方向に平行な第２のスリット１５内を伝播し、ｙ方向に平行な偏波成分は、ｘ方向に平行な第１のスリット１４内を伝播する。さらに、誘電体３がｙ方向に平行な第２のスリット１５にのみ埋め込まれている。よって、誘電体の屈折率をｎ、電磁波の波長をλ、金属ブロック２の厚さ（スリット内での電磁波の伝播距離に等しい。）をＬｚとすると、誘電体３が埋め込まれた第２のスリット１５内の伝播に伴なう位相シフト量φｘは、
Due to the propagation characteristics of the slit described above, the polarization component parallel to the x direction propagates through the
となる。ただし、πは円周率である。一方、誘電体が埋め込まれていない第１のスリット１４内の伝播に伴なう位相シフト量φｙは
It becomes. Here, π is the circumference ratio. On the other hand, the phase shift amount φy accompanying the propagation in the
となる。したがって、第１、第２のスリット１４，１５内の伝播に伴ない、複数の金属ブロック２の裏面において生じるｘ方向に平行な偏波成分とｙ方向に平行な偏波成分の間の位相差Δφは、
It becomes. Therefore, the phase difference between the polarized wave component parallel to the x direction and the polarized wave component parallel to the y direction generated on the back surface of the plurality of
となる。この結果から、たとえば、図４のように、直線偏波１２の電磁波が入射した場合には、式（３）においてΔφ＝０．５φとなるとように金属ブロック２の厚さＬｚと誘電体３の屈折率ｎの素子を作製すれば、出射する電磁波は円偏波１３になる。
It becomes. From this result, for example, as shown in FIG. 4, when electromagnetic waves of linearly
上述の結果は、スリットの幅Ｗｘ，Ｗｙが、スリットの周期Ｌｘ，Ｌｙに比べて十分に小さい場合に成り立つ。より正確な位相差Δφの関係式の導出には、第１のスリット１４と第２のスリット１５との交差部分１７を考慮する必要がある。
The above-described result is established when the slit widths Wx and Wy are sufficiently smaller than the slit periods Lx and Ly. In order to derive a more accurate relational expression of the phase difference Δφ, it is necessary to consider the intersecting
本件発明者らの検討によれば、ｙ方向に平行な偏波成分は、第１、第２のスリットの交差部分１７にも、第１のスリット１４の幅Ｗｙに等しい幅Ｗｙで伝播することが解明している。したがって、第１のスリット１４の平均的な有効屈折率は、金属ブロック２で挟まれた長さＤｘの部分の空気の屈折率１と、交差部分１７に対応する長さＷｘの誘電体３の屈折率ｎとを平均化した値になる。よって、上式（２）、（３）は、次式（４）、（５）のようにそれぞれ修正される。
According to the study by the present inventors, the polarization component parallel to the y direction propagates to the intersecting
以上のように、実施の形態１の偏波制御素子１０によれば、任意の偏波を有する入射電磁波は、誘電体が埋め込まれた空隙のみを通過する偏波成分と、それと直交して空気の空隙のみを通過する偏波成分とに分かれる。それぞれの偏波成分において有効屈折率が異なるので、偏波制御素子１０を通過後の両偏波成分に大きな位相差が生じる。さらに、誘電体の種類および厚みを変えることにより、屈折率異方性の設計が可能である。偏波制御素子１０は、たとえば、近赤外、可視光用の偏光制御板（１／２波長板、１／４波長板）として用いることができる。
As described above, according to the
上述の説明において、金属ブロック２の厚みと誘電体３の厚みとが異なっていても、偏波制御素子１０は位相子として機能する。誘電体３の厚みが金属ブロック２の厚みよりも厚い場合には、スリットの外側で電磁波は広がるので、スリットからはみ出した誘電体３の部分は位相子の機能にほとんど影響しない。したがって、この場合、上式（３）、（５）のＬｚは金属ブロック２の厚みとしてよい。逆に、スリットに埋め込まれた誘電体３の厚みが金属ブロック２の厚みより薄い場合には、上式（３）、（５）のＬｚは誘電体３の厚みとしてよい。
In the above description, even if the thickness of the
また、第１、第２のスリット１４，１５の周期は、それぞれ一定でなくも偏波（偏光）作用は生じる。しかし、スリットの周期が一定のほうが、電磁波の透過率が大きくなり、また、電磁波の透過率も空間的に一様となり、好ましい位相子の特性が得られる。
Further, even if the periods of the first and
また、第１、第２のスリット１４，１５の方向は、必ずしも直交していなくても位相子として機能する。しかし、第１、第２のスリット１４，１５の方向が互いに直交しているほうが、電磁波の位相の変換効率がよいと考えられる。
Further, the directions of the first and
また、金属ブロック２の厚みＬｚの厚みの下限は、電磁波が透過しない程度の厚みが必要である。金属ブロック２の厚みＬｚの上限は、スリットの導波損失で決まる。導波損失にはスリットの作製制度に依存した構造揺らぎによる散乱、および電磁波の波長に依存した金属による電磁波吸収などが考えられる。
In addition, the lower limit of the thickness Lz of the
次に、偏波制御素子１０の具体的な数値計算例について説明する。
図６は、偏波制御素子１０による位相シフトの数値計算結果を示すグラフである。図６の縦軸は、ｘ方向に平行な偏波成分とｙ方向に平行な偏波成分の位相シフトの差Δφを表わす。図６の横軸は、誘電体３の屈折率ｎを表わす。
Next, a specific numerical calculation example of the
FIG. 6 is a graph showing a numerical calculation result of the phase shift by the
先に述べたように、誘電体３の屈折率ｎ、あるいは金属ブロック２の厚さＬｚを変えることにより、偏波状態の制御が可能である。図６は、誘電体３の屈折率ｎを変えたときの位相シフトΔφを示す。このデータ（図６の黒点）は、電磁波の波長としてマイクロ波領域の５００ｍｍを用いた場合について、有限差分時間領域法によって計算したものである。光領域の５００ｎｍの波長の電磁波を用いた場合も同様の結果を確認している。
As described above, the polarization state can be controlled by changing the refractive index n of the dielectric 3 or the thickness Lz of the
数値計算に用いたパラメータは、次のとおりである。光領域の場合、金属ブロックの寸法は、Ｄｘ＝２３０ｎｍ、Ｄｙ＝１１０ｎｍ、Ｌｚ＝３００ｎｍであり、第１、第２のスリットの幅は、どちらも２０ｎｍである。また、マイクロ波領域の場合、金属ブロックの寸法は、Ｄｘ＝２３０ｍｍ、Ｄｙ＝１１０ｍｍ、Ｌｚ＝３００ｍｍであり、第１、第２のスリットの幅は、どちらも２０ｍｍである。マイクロ波領域および光領域のいずれの場合も、電磁波は基板１に垂直に入射される。また、誘電体３の厚みと金属ブロック２の厚みとは等しい。
The parameters used for the numerical calculation are as follows. In the case of the optical region, the dimensions of the metal block are Dx = 230 nm, Dy = 110 nm, Lz = 300 nm, and the widths of the first and second slits are both 20 nm. In the microwave region, the metal block dimensions are Dx = 230 mm, Dy = 110 mm, Lz = 300 mm, and the widths of the first and second slits are both 20 mm. In both the microwave region and the light region, the electromagnetic wave is incident on the
金属ブロックの複素誘電関数は、ドルーデモデルに従って与えられる。ドルーデモデルによれば、電磁波の角周波数ωに対する比誘電率εは、プラズマ周波数をωｐとし、電子の緩和時間を１／Γとし、虚数単位をｉとして、次式で表わされる。 The complex dielectric function of the metal block is given according to the Drude model. According to the Drude model, the relative dielectric constant ε with respect to the angular frequency ω of the electromagnetic wave is expressed by the following equation, where the plasma frequency is ωp, the electron relaxation time is 1 / Γ, and the imaginary unit is i.
数値計算では、上式において、Γ＝１．９４ｅ＋１３ｒａｄ／ｓ、ωｐ＝３．５７ｅ＋１５ｒａｄ／ｓ（ただし、ｅは１０の累乗を表わす。）とした。この場合、金属ブロックの特性は、光領域では有限の導電率の金属、マイクロ波領域では完全導体と考えることができる。 In the numerical calculation, in the above equation, Γ = 1.94e + 13 rad / s and ωp = 3.57e + 15 rad / s (where e represents a power of 10). In this case, the characteristics of the metal block can be considered as a metal having a finite conductivity in the optical region and a perfect conductor in the microwave region.
図６に示すように、誘電体３の屈折率ｎに対する位相差Δφの依存性は、図６に実線で示した式（３）と一致する。ここで、式（３）では、数値計算のパラメータに合わせて、金属ブロック２の厚さＬｚを波長λの０．６倍としている。
As shown in FIG. 6, the dependency of the phase difference Δφ on the refractive index n of the dielectric 3 is in agreement with the equation (3) shown by the solid line in FIG. Here, in Equation (3), the thickness Lz of the
図７は、偏波制御素子１０の製造工程の一例を説明するための図である。以下、図７（Ａ）〜（Ｅ）を参照して、偏波制御素子１０の製造工程について説明する。
FIG. 7 is a diagram for explaining an example of the manufacturing process of the
まず、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、基板１の主面１Ａ上の全面に誘電体３を製膜する。その後、誘電体３の表面にフォトレジスト４Ａを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによって幅Ｗｘのライン状にパターニングする。図（Ｂ）は図（Ａ）の上面図である。
First, as shown in FIGS. 7A and 7B, a
基板１は、使用する電磁波の波長に対して透明で複屈折性のないものが望ましい。たとえば、マイクロ波では、プラスティックやセラミクス、赤外領域ではシリコン、可視光領域では石英ガラスを含む基板が利用できる。誘電体３は基板１と同様に、使用する波長に対して透明であるものが望ましい。たとえば、マイクロ波では低温で焼結可能なセラミクス、赤外あるいは可視領域ではゾルゲルガラス、ナノ粒子を分散した高分子材料などが、屈折率の調整可能な透明な誘電体として利用可能である。
The
次に、パターニングしたフォトレジスト４Ａをマスクとして、誘電体３をエッチングする。エッチングの方法として、たとえば、反応性プラズマエッチングなどの異方性エッチングを用いる。エッチング後にフォトレジスト４Ａを除去することによって、図７（Ｃ）に示すように、ライン状の誘電体３が基板１上に形成される。
Next, the
次に、金属ブロック２をリフトオフ法によって形成する。このため、図７（Ｄ）に示すように、電子ビームリソグラフィなどによって、格子状のスリットが形成される位置（金属ブロック２と逆パターンの位置）にレジストパターン４Ｂを形成する。図の縦方向のレジストパターンは、図７（Ｃ）で形成したライン状の誘電体３の上に形成される。
Next, the
次に、金属ブロック２として用いられる金属材料を真空蒸着法などにより基板１の主面側の全面に製膜する。金属材料としては、たとえば、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、白金、およびこられの材料からなる合金など、導電率の大きい材料であればよい。電磁波の波長がマイクロ波領域であれば、キャリア密度の大きい半導体も利用可能である。
Next, a metal material used as the
次に、レジスト４Ｂ上に堆積した不要な金属層をレジストとともに除去することによって、図７（Ｅ）に示す偏波制御素子１０が形成される。
Next, the unnecessary metal layer deposited on the resist 4B is removed together with the resist, whereby the
［実施の形態１の変形例］
図８は、実施の形態１の変形例の偏波制御素子１０Ａの構成を模式的に示す正面図である。図８の偏波制御素子１０Ａは、第２のスリット１５のうち第１のスリット１４との交差部分１７を除いた領域に誘電体３Ａが埋め込まれている点で、図１〜図３に示す偏波制御素子１０と異なる。その他の点については、前述の偏波制御素子１０と同様であるので、共通する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
[Modification of Embodiment 1]
FIG. 8 is a front view schematically showing a configuration of a
図８を参照して、スリットの幅Ｗｘ，Ｗｙがスリットの周期Ｌｘ，Ｌｙに比べて十分に小さい場合には、偏波制御素子１０Ａの特性は前述の偏波制御素子１０の特性と同様である。すなわち、基板１に垂直に直線偏波が入射したとき、透過した電磁波のｘ方向に平行な偏波成分とｙ方向に平行な偏波成分の間の位相差Δφは、（３）式で与えられる。
Referring to FIG. 8, when the slit widths Wx and Wy are sufficiently smaller than the slit periods Lx and Ly, the characteristics of the
第１のスリット１４と第２のスリット１５との交差部分１７を考慮した場合には、前述の式（１）、（３）が次式（７）、（８）のようにそれぞれ修正される。
When the
上式の導出では、ｘ方向に平行な偏波成分の電磁波が、第１、第２のスリットの交差部分１７にも、第２のスリット１５の幅Ｗｘに等しい幅Ｗｘで伝播すると考える。そして、第２のスリット１５の平均的な有効屈折率を、金属ブロック２で挟まれた長さＤｙの誘電体３の屈折率ｎと、交差部分１７に対応する長さＷｙの空気の屈折率１との平均として与える。
In the derivation of the above equation, it is considered that an electromagnetic wave having a polarization component parallel to the x direction propagates to the intersecting
図９は、実施の形態１の他の変形例の偏波制御素子１０Ｂの構成を模式的に示す正面図である。図９の偏波制御素子１０Ｂは、第１のスリット１４のうち第２のスリット１５との交差部分１７を除いた領域に誘電体３Ｂが埋め込まれている点で、図１〜図３に示す偏波制御素子１０と異なる。その他の点については、前述の偏波制御素子１０と同様であるので、共通する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
FIG. 9 is a front view schematically showing a configuration of a polarization control element 10B of another modification of the first embodiment. The polarization control element 10B of FIG. 9 is shown in FIGS. 1 to 3 in that the dielectric 3B is embedded in a region of the
図９を参照して、第２のスリット１５に埋め込まれた誘電体３の屈折率をｎ１とし、第１のスリット１４に埋め込まれた誘電体３Ｂの屈折率をｎ２とする。屈折率ｎ１は、屈折率ｎ２より大きいとする。この場合、基板１に垂直に直線偏波が入射したとき、透過した電磁波のｘ方向に平行な偏波成分とｙ方向に平行な偏波成分の間の位相差Δφは、次式で与えられる。ただし、スリットの幅Ｗｘ，Ｗｙは、スリットの周期Ｌｘ，Ｌｙに比べて十分に小さいとする。
Referring to FIG. 9, the refractive index of
上述のように、スリットへの誘電体の埋め込み方にはいろいろなバリエーションが考えられる。たとえば、電磁波の波長よりも短い周期で誘電体の部分と空気の部分とが繰返される場合にも、第２のスリット１５の有効屈折率は第１のスリット１４と異なることになる。したがって、このように第２のスリット１５に部分的に誘電体が埋め込まれている場合にも、偏波制御素子１０は位相子として機能する。
As described above, various variations are conceivable for the manner in which the dielectric is embedded in the slit. For example, even when the dielectric portion and the air portion are repeated with a period shorter than the wavelength of the electromagnetic wave, the effective refractive index of the
［実施の形態２］
実施の形態２では、スリットに埋め込む誘電体として電界により屈折率が変化する材料を用いる。各金属ブロック２は電極として用いられ、誘電体を挟む金属ブロック間に電圧を印加することによって、偏波制御素子を通過する電磁波の偏波状態を印加電圧に応じて変化させることができる。
[Embodiment 2]
In the second embodiment, a material whose refractive index changes with an electric field is used as the dielectric embedded in the slit. Each
図１０は、本発明の実施の形態２の偏波制御素子１０Ｃの構成を模式的に示す上面図である。 FIG. 10 is a top view schematically showing the configuration of the polarization control element 10C of the second embodiment of the present invention.
また、図１１は、偏波制御素子１０Ｃの構成を模式的に示す斜視図である。図１２は、図１１の偏波制御素子１０Ｃのうち基板１および透明電極５の部分を示す斜視図である。図１０〜図１２においても、基板１の主面１Ａに平行な方向をｘ方向およびｙ方向とし、基板１の主面１Ａに垂直な方向をｚ方向とする。また、図１０、図１１では簡単のために、４行６列の金属ブロック２を図示しているけれども、実際の偏波制御素子１０Ｃでは多数の金属ブロック２が行列状に配列される。
FIG. 11 is a perspective view schematically showing the configuration of the polarization control element 10C. FIG. 12 is a perspective view showing portions of the
図１０〜図１２を参照して、偏波制御素子１０Ｃは、金属ブロック２と同一の幅Ｄｘでｙ方向に延びる複数個の透明電極５をさらに含む点で、実施の形態１の偏波制御素子と異なる。各透明電極５は、ｙ方向に並ぶ金属ブロック２の列２．１〜２．４に対応して設けられ、各列２．１〜２．４ごとに金属ブロック２と基板１との間に形成される。したがって、各透明電極５は、対応する列の金属ブロック２とのみ接続されるので、列方向に並ぶ複数の金属ブロック２に共通の電圧を印加することができる。
Referring to FIGS. 10 to 12,
透明電極５は、対象とする電磁波に対して透明であることが望ましい。透明電極５として、可視光の領域では、たとえば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウム・スズ）を用いることができる。また、マイクロ波、赤外線領域では、半導体に適当な濃度の不純物をドープした材料を用いることができる。たとえば、ゲルマニウムに少量のガリウムをドープした半導体結晶（Ｇｅ：Ｇａ）にイオン注入によってホウ素をドープした材料などを用いることができる。
The
偏波制御素子１０Ｃは、さらに、第２のスリット１５に埋め込まれた誘電体３Ｃとして、電界により屈折率が変化する材料が用いられる点において、実施の形態１の偏波制御素子１０と異なる。誘電体３Ｃは、第１、第２のスリット１４，１５の境界部分１７を含めて、隣接する金属ブロック２の間および隣接する透明電極５の間に、基板１の表面に到達するまで埋め込まれる。誘電体３Ｃとして、たとえば、液晶などの有機材料、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの無機の非線形光学結晶を用いることができる。
The polarization control element 10C is further different from the
なお、偏波制御素子１０のその他の点については、実施の形態１の偏波制御素子１０と共通するので、共通する部分については同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
Since the other points of
透明電極５が設けられることによって、金属ブロック２の各列２．１〜２．４に対して交互に電圧を印加すれば、隣接する列の間に設けられた第２のスリット１５に電界が一様に形成される。具体的には、直流電源６を設けて、直流電源６の正極と奇数番目の列２．１，２．３とを接続し、直流電源６の負極と偶数番目の列２．２，２．４とを接続する。これにより、２次元金属ブロック２の偏波制御特性を損なわずに誘電体３Ｃに電界を印加することができる。そして、電界の印加によって誘電体３Ｃの屈折率が変化するので偏波状態を制御できる。
By providing the
なお、第１のスリット１４を通過した電磁波は、透明電極５を通過するときには広がるので、透明電極５の屈折率は偏波制御特性にはほとんど影響を及ぼさない。
Note that the electromagnetic wave that has passed through the
また、透明電極５の幅は必ずしも金属ブロックと同一の幅Ｄｘでなくてもよい。各列２．１〜２．４の金属ブロック２が電気的に接続できればよいので、金属ブロックの幅Ｄｘより狭くても構わない。
Further, the width of the
図１３は、偏波制御素子１０Ｃの製造工程の一例を説明するための図である。以下、図１３（Ａ）〜（Ｆ）を参照して、偏波制御素子１０Ｃの製造工程について説明する。 FIG. 13 is a diagram for explaining an example of the manufacturing process of the polarization control element 10C. Hereinafter, the manufacturing process of the polarization control element 10C will be described with reference to FIGS.
まず、図１３（Ａ）に示すように、基板１の主面１Ａ上の全面にＩＴＯなど透明電極５用の材料を製膜する。さらに、製膜したＩＴＯ層の上に、電子ビームリソグラフィーなどにより、幅Ｄｘでｙ方向に延びる透明電極５の形状にパターニングされたフォトレジスト４Ｃを形成する。
First, as shown in FIG. 13A, a material for the
次に、フォトレジスト４Ｃをマスクとして、反応性プラズマエッチングなどによりＩＴＯ層をエッチングする。エッチング後にフォトレジスト４Ｃを除去することによって、図１３（Ｂ）に示すように、基板１上に列方向に並ぶ複数の透明電極５が形成される。
Next, the ITO layer is etched by reactive plasma etching or the like using the photoresist 4C as a mask. By removing the photoresist 4C after the etching, a plurality of
次に、図１３（Ｃ）に示すように、透明電極５が形成された基板１の主面１Ａ側の全面に誘電体膜３Ｃを製膜する。製膜した誘電体膜３Ｃの上に、さらに、電子ビームリソグラフィなどにより、ライン状にパターンニングされたフォトレジスト４Ａを形成する。フォトレジスト４Ａは、フォトレジスト４Ｃの逆パターンになっているので、透明電極５の上層には形成されない。
Next, as shown in FIG. 13C, a
この後、パターニングしたフォトレジスト４Ａをマスクとして、反応性プラズマエッチングなどにより誘電体３をエッチングする。エッチング後にフォトレジスト４Ａを除去することによって、図１３（Ｄ）に示すように、ライン状の誘電体３Ｃと透明電極５とが基板１上に交互に並んだ形状が形成される。
Thereafter, the
次に、金属ブロック２をリフトオフ法によって形成する。このため、図１３（Ｅ）に示すように、電子ビームリソグラフィなどによって、格子状のスリットが形成される位置（金属ブロック２と逆パターンの位置）にレジストパターン４Ｂを形成する。次に、金属ブロック２として用いられる金属材料をレジストパターン４Ｂの上から真空蒸着法などにより基板１の主面側の全面に製膜する。この後、レジスト４Ｂ上に堆積した不要な金属層をレジストとともに除去することによって、図１３（Ｆ）に示すように、偏波制御素子１０Ｃが形成される。
Next, the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time must be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
１ 基板、１Ａ 主面、２ 金属層（金属ブロック）、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 誘電体、５ 透明電極、１０，１０Ａ〜１０Ｃ 偏波制御素子、１４ 第１のスリット、１５ 第２のスリット、１７ スリットの交差部分、２２，２３ 連結部、Ｌｘ，Ｌｙ スリットの周期、Ｗｘ，Ｗｙ スリットの幅。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記電磁波を透過する基板と、
前記基板上に設けられ、前記電磁波を反射する反射層とを備え、
前記反射層には、第１の方向に沿って複数の第１のスリットが形成され、
前記複数の第１のスリットの各々と隣接する第１のスリットとの中心線間の間隔は、前記電磁波の波長を前記基板の屈折率で割った値より小さく、
前記反射層には、第２の方向に沿うとともに各々が前記複数の第１のスリットに交差する複数の第２のスリットがさらに形成され、
前記複数の第２のスリットの各々と隣接する第２のスリットとの中心線間の間隔は、前記電磁波の波長を前記基板の屈折率で割った値より小さく、
前記複数の第２のスリットの各々には、少なくとも一部の領域に第１の誘電体が埋め込まれる、偏波制御素子。 A polarization control element for controlling the polarization of electromagnetic waves,
A substrate that transmits the electromagnetic wave;
A reflective layer provided on the substrate and reflecting the electromagnetic wave;
A plurality of first slits are formed in the reflective layer along a first direction,
The distance between the center lines of each of the plurality of first slits and the adjacent first slit is smaller than a value obtained by dividing the wavelength of the electromagnetic wave by the refractive index of the substrate,
The reflective layer is further formed with a plurality of second slits along the second direction and each intersecting the plurality of first slits,
The distance between the center lines of each of the plurality of second slits and the adjacent second slit is smaller than a value obtained by dividing the wavelength of the electromagnetic wave by the refractive index of the substrate,
Each of the plurality of second slits is a polarization control element in which a first dielectric is embedded in at least a partial region.
前記複数の第２のスリットの各々の幅、および互いに隣接する第２のスリットの中心線間の間隔は、それぞれ一定である、請求項１または２に記載の偏波制御素子。 The width of each of the plurality of first slits and the interval between the center lines of the first slits adjacent to each other are constant,
The polarization control element according to claim 1 or 2, wherein a width of each of the plurality of second slits and a distance between center lines of the second slits adjacent to each other are constant.
前記電磁波として、前記第１、第２の方向に電界がそれぞれ振動する互いに同位相の波長λの２つの直線偏波が、前記基板に垂直に入射した場合に、前記偏波制御素子を通過した２つの直線偏波間に所望の位相差Δφを得るために、前記位相差Δφと、前記第１の誘電体の屈折率ｎと、前記反射層および前記第１の誘電体の厚みＬｚと、前記複数の第２のスリットの各々の幅Ｗｘと、隣接する第２のスリットの中心線間の間隔Ｌｘとが、次式
As the electromagnetic wave, two linearly polarized waves having the same phase of wavelength λ in which electric fields vibrate in the first and second directions respectively pass through the polarization control element when perpendicularly incident on the substrate. In order to obtain a desired phase difference Δφ between two linearly polarized waves, the phase difference Δφ, the refractive index n of the first dielectric, the thickness Lz of the reflective layer and the first dielectric, The width Wx of each of the plurality of second slits and the distance Lx between the center lines of the adjacent second slits are expressed by the following equation:
前記電磁波として、前記第１、第２の方向に電界がそれぞれ振動する互いに同位相の波長λの２つの直線偏波が、前記基板に垂直に入射した場合に、前記偏波制御素子を通過した２つの直線偏波間に所望の位相差Δφを得るために、前記位相差Δφと、前記第１の誘電体の屈折率ｎと、前記反射層および前記第１の誘電体の厚みＬｚと、前記複数の第１のスリットの各々の幅Ｗｙと、隣接する第１のスリットの中心線間の間隔Ｌｙとが、次式
As the electromagnetic wave, two linearly polarized waves having the same phase of wavelength λ in which electric fields vibrate in the first and second directions respectively pass through the polarization control element when perpendicularly incident on the substrate. In order to obtain a desired phase difference Δφ between two linearly polarized waves, the phase difference Δφ, the refractive index n of the first dielectric, the thickness Lz of the reflective layer and the first dielectric, The width Wy of each of the plurality of first slits and the interval Ly between the center lines of the adjacent first slits are expressed by the following equation:
前記反射層は、前記複数の第１、第２のスリットによって、行列状に並ぶ複数の反射部に分離され、
前記複数の反射部の各々は、前記第１の方向に隣接する反射部との間に設けられた前記第１の誘電体に電界をかけるための電極である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の偏波制御素子。 The refractive index of the first dielectric changes according to the electric field,
The reflective layer is separated into a plurality of reflective portions arranged in a matrix by the plurality of first and second slits,
Each of the plurality of reflecting portions is an electrode for applying an electric field to the first dielectric provided between the reflecting portions adjacent to each other in the first direction. 2. The polarization control element according to item 1.
前記複数の透明電極の各々は、対応する列の複数の反射部とのみ接続され、
前記複数の透明電極の各々は、前記電磁波を透過する、請求項９に記載の偏波制御素子。 The polarization control element further includes a plurality of transparent electrodes provided corresponding to each row of the plurality of reflecting portions arranged along the second direction,
Each of the plurality of transparent electrodes is connected only to a plurality of reflective portions in a corresponding row,
The polarization control element according to claim 9, wherein each of the plurality of transparent electrodes transmits the electromagnetic wave.
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