JP2012022159A - Wavelength conversion element - Google Patents

Wavelength conversion element Download PDF

Info

Publication number
JP2012022159A
JP2012022159A JP2010160153A JP2010160153A JP2012022159A JP 2012022159 A JP2012022159 A JP 2012022159A JP 2010160153 A JP2010160153 A JP 2010160153A JP 2010160153 A JP2010160153 A JP 2010160153A JP 2012022159 A JP2012022159 A JP 2012022159A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electromagnetic wave
wavelength conversion
conversion element
surface plasmon
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2010160153A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mineto Sato
峰斗 佐藤
Kenji Sato
健二 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
Priority to JP2010160153A priority Critical patent/JP2012022159A/en
Publication of JP2012022159A publication Critical patent/JP2012022159A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electromagnetic wave wavelength conversion element which is small-sized with a simple construction, a wavelength division multiplexing optical communication system, a wavelength variable light source and an optical power generation system which use the same, and a method for manufacturing the same.SOLUTION: A wavelength conversion element 1 includes evanescent wave conversion means 401 for converting an incident electromagnetic wave 202 to an evanescent wave 204, surface plasmon polariton conversion means 401 for converting the evanescent wave 204 to a surface plasmon polariton 205, surface plasmon polariton frequency modulation means 410 for modulating a frequency of the surface plasmon polariton 205, and emitted electromagnetic wave conversion means 402 for converting the evanescent wave 206 coupled to the surface plasmon polariton 205 frequency-modulated by the frequency modulation means 410 to an emitted electromagnetic wave 208.

Description

本発明は、波長変換素子に関する。   The present invention relates to a wavelength conversion element.

光学装置においては、半導体レーザ等の半導体発光素子がよく用いられる。半導体発光素子は、小型で発光効率に優れる等の利点があるためである。   In an optical device, a semiconductor light emitting element such as a semiconductor laser is often used. This is because the semiconductor light emitting device has advantages such as small size and excellent luminous efficiency.

半導体素子が発光または吸収する波長、および前記波長に相当するエネルギー差は、半導体材料の組成、構造等に起因したバンドギャップに依存する。したがって、半導体発光素子の波長を所定の値とするためには、前記半導体発光素子を形成する半導体材料のバンドギャップが、前記所定の波長に対応する値となるように前記半導体材料を設計すれば良い。しかし、実際には、使用できる材料、製造方法等には制限があるため、半導体材料のバンドギャップを任意に制御することは困難を伴う。このため、半導体発光素子において、発光波長を自在に調節することは難しい。また、半導体発光素子に限らず、発光素子の発光波長は材料に依存するために、発光素子自体で任意の発光波長を得ることは困難である。そこで、必要とする任意の波長の光を得るために、波長変換素子が用いられる。   The wavelength that the semiconductor element emits or absorbs and the energy difference corresponding to the wavelength depend on the band gap due to the composition, structure, etc. of the semiconductor material. Therefore, in order to set the wavelength of the semiconductor light emitting element to a predetermined value, the semiconductor material is designed so that the band gap of the semiconductor material forming the semiconductor light emitting element becomes a value corresponding to the predetermined wavelength. good. However, in practice, there are restrictions on materials that can be used, manufacturing methods, and the like, so it is difficult to arbitrarily control the band gap of the semiconductor material. For this reason, it is difficult to freely adjust the emission wavelength in the semiconductor light emitting device. In addition to the semiconductor light emitting element, the light emitting wavelength of the light emitting element depends on the material, and it is difficult to obtain an arbitrary light emitting wavelength with the light emitting element itself. Therefore, a wavelength conversion element is used to obtain light having an arbitrary wavelength required.

現在知られている波長変換素子は、主に電気駆動型と全光型に分けられる。   Currently known wavelength conversion elements are mainly classified into an electric drive type and an all-optical type.

電気駆動型の波長変換素子には、例えば、音響光学効果で生成されたブラッグ格子により周波数をシフトさせるもの、および、電気光学効果により単側波帯（サイドバンド）へ周波数をシフトさせるものがある。電気駆動型波長変換素子は、主に半導体やＬＮ（ニオブ酸リチウム）によりマッハツェンダー型変調器を構成して実用化されている。   Examples of the electrically driven wavelength conversion element include one that shifts the frequency by a Bragg grating generated by the acoustooptic effect and one that shifts the frequency to a single sideband (sideband) by the electrooptic effect. . The electrically driven wavelength conversion element is put to practical use by constituting a Mach-Zehnder type modulator mainly with a semiconductor or LN (lithium niobate).

全光型の波長変換素子は、光の非線形光学効果を用いた素子で、原理的に次の２つに大別される。１つは、３次の非線形光学効果である相互利得変調、相互位相変調（カー効果）等を利用して、信号光によって被変換光を変調する方法である。もう１つは、２次の非線形光学効果である差周波発生、３次の非線形光学効果である四光波混合等を利用して、信号光の位相まで含めた情報を別の波長の光へと転写させる方法である。これらの方式は、半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）、半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）等の半導体活性層、ＬＮ等の非線形光学結晶、光ファイバを使って実用化されている。   The all-optical wavelength conversion element is an element using a nonlinear optical effect of light, and is divided roughly into the following two in principle. One is a method of modulating the light to be converted by the signal light using a third-order nonlinear optical effect such as mutual gain modulation, mutual phase modulation (Kerr effect), or the like. The other is the use of difference frequency generation, which is the second-order nonlinear optical effect, and four-wave mixing, which is the third-order nonlinear optical effect, to convert information including the phase of the signal light into light of another wavelength. This is a transfer method. These systems are put into practical use by using a semiconductor active layer such as a semiconductor optical amplifier (SOA), a semiconductor laser (Laser Diode: LD), a nonlinear optical crystal such as LN, and an optical fiber.

なお、上記のような各種波長変換素子については、例えば、特許文献１または非特許文献１に記載されている。   In addition, about the above various wavelength conversion elements, it describes in the patent document 1 or the nonpatent literature 1, for example.

特許第３５４８４７２号Japanese Patent No. 3548472

黒川 隆志 著「光機能デバイス」、共立出版、平成１６年１０月２５日初版発行、第１８６〜１９５頁Takashi Kurokawa “Optical Functional Devices”, Kyoritsu Shuppan, October 25, 2004, first edition, pp. 186-195

波長変換素子において、所望の波長変換量を得るためには、相互作用係数と伝搬方向の相互作用距離との積が所望の値を満たす必要がある。しかしながら、前記の波長変換素子においては、その波長変換の原理となる、音響光学効果、電気光学効果、非線形光学効果のいずれも、光との相互作用係数が小さい。したがって、前記の波長変換素子では、相互作用係数が小さい分、相互作用距離を長くする必要があるため、光伝搬方向の寸法を大きくしなければならず、小型化が困難である。また、これらの波長変換素子は、例えば、非線形光学結晶およびフィルタなど、複数の素子を組み合わせる必要があるため、構成が複雑である。   In the wavelength conversion element, in order to obtain a desired wavelength conversion amount, the product of the interaction coefficient and the interaction distance in the propagation direction needs to satisfy a desired value. However, in the wavelength conversion element described above, the acoustooptic effect, electrooptic effect, and nonlinear optical effect, which are the principles of wavelength conversion, have a small interaction coefficient with light. Therefore, in the wavelength conversion element, since the interaction distance needs to be increased by the small interaction coefficient, the dimension in the light propagation direction must be increased, and it is difficult to reduce the size. In addition, these wavelength conversion elements have a complicated configuration because it is necessary to combine a plurality of elements such as nonlinear optical crystals and filters.

さらに、電気駆動型の波長変換素子の動作には高速・大振幅なＲＦ信号源等が、全光型の波長変換素子の動作には励起用の高強度ポンプ光または被変換光の光源等が、それぞれ必要不可欠である。したがって、これらの波長変換素子およびその動作に必要な装置を含めたシステム全体では、大型で消費電力も大きくなり、コストも増大する。   Furthermore, a high-speed, large-amplitude RF signal source or the like is used for the operation of the electrically driven wavelength conversion element, and a high-intensity pump light for excitation or a light source for converted light is used for the operation of the all-optical wavelength conversion element , Each is indispensable. Therefore, the entire system including these wavelength conversion elements and the devices necessary for the operation thereof is large in size and power consumption increases, resulting in an increase in cost.

本発明は、小型かつ簡単な構成で電磁波（例えば光）の波長を変換可能な電磁波波長変換素子、前記電磁波波長変換素子を用いた波長分割多重光通信システム、波長可変光源および光発電システム、ならびに電磁波波長変換素子の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention relates to an electromagnetic wave wavelength conversion element capable of converting the wavelength of an electromagnetic wave (for example, light) with a small and simple configuration, a wavelength division multiplexing optical communication system using the electromagnetic wave wavelength conversion element, a wavelength variable light source and a photovoltaic system, and It aims at providing the manufacturing method of an electromagnetic wave wavelength conversion element.

前記目的を達成するために、本発明の第１の電磁波波長変換素子は、
半導体と正誘電体との積層構造を有し、
前記正誘電体は、前記半導体の表面に直接接触しており、
電圧印加状態または電圧非印加状態の前記半導体が、前記正誘電体との界面近傍に電子蓄積層を有し、
前記積層構造の一端に、電磁波入射領域が形成され、
前記積層構造の他端に、電磁波出射領域が形成され、
前記電子蓄積層は、その層平面に沿って、表面プラズモンポラリトンを前記電磁波入射領域から前記電磁波出射領域まで伝搬する層であり、
前記電子蓄積層において、前記電磁波入射領域と前記電磁波出射領域との間に、表面プラズモンポラリトン周波数変調領域が形成され、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域は、前記電磁波入射領域側から前記電磁波出射領域側に向かって変化する電子密度を有し、
前記電磁波入射領域に入射した入射電磁波を、前記電磁波入射領域の前記電子蓄積層内でエバネッセント波に変換し、さらに、表面プラズモンポラリトンに変換し、
前記表面プラズモンポラリトンの周波数を、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域の前記電子密度変化により変調し、
周波数が変調された前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を、前記電磁波出射領域において出射電磁波に変換し、前記入射電磁波から前記出射電磁波への波長変換を行うことを特徴とする。なお、以下において、表面プラズモンポラリトンを、ＳＰＰ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）ということがある。 In order to achieve the above object, the first electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention comprises:
It has a laminated structure of semiconductor and positive dielectric,
The positive dielectric is in direct contact with the surface of the semiconductor;
The semiconductor in a voltage application state or a voltage non-application state has an electron storage layer in the vicinity of the interface with the positive dielectric,
An electromagnetic wave incident region is formed at one end of the laminated structure,
An electromagnetic wave emission region is formed at the other end of the laminated structure,
The electron storage layer is a layer that propagates surface plasmon polaritons from the electromagnetic wave incident region to the electromagnetic wave emitting region along the layer plane,
In the electron accumulation layer, a surface plasmon polariton frequency modulation region is formed between the electromagnetic wave incident region and the electromagnetic wave emitting region,
The surface plasmon polariton frequency modulation region has an electron density that changes from the electromagnetic wave incident region side toward the electromagnetic wave emitting region side,
The incident electromagnetic wave incident on the electromagnetic wave incident region is converted into an evanescent wave in the electron accumulation layer of the electromagnetic wave incident region, and further converted into a surface plasmon polariton,
Modulating the frequency of the surface plasmon polariton by the electron density change in the surface plasmon polariton frequency modulation region;
The evanescent wave coupled to the surface plasmon polariton whose frequency is modulated is converted into an outgoing electromagnetic wave in the electromagnetic wave emission region, and wavelength conversion from the incident electromagnetic wave to the outgoing electromagnetic wave is performed. Hereinafter, the surface plasmon polaritons may be referred to as SPP (Surface Plasma Polaron).

または、本発明の第２の電磁波波長変換素子は、
入射電磁波をエバネッセント波に変換するエバネッセント波変換手段と、
前記エバネッセント波を表面プラズモンポラリトンに変換する表面プラズモンポラリトン変換手段と、
前記表面プラズモンポラリトンの周波数を変調する表面プラズモンポラリトン周波数変調手段と、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段により周波数変調された前記表面プラズモンポラリトンを出射電磁波に変換する出射電磁波変換手段とを有し、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段および前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段が、正誘電体と負誘電体との積層構造を有し、前記正誘電体と前記負誘電体との界面を表面プラズモンポラリトンが伝搬することを特徴とする。 Alternatively, the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention is
Evanescent wave converting means for converting incident electromagnetic waves into evanescent waves;
Surface plasmon polariton conversion means for converting the evanescent wave into surface plasmon polariton;
Surface plasmon polariton frequency modulation means for modulating the frequency of the surface plasmon polariton;
An outgoing electromagnetic wave conversion means for converting the surface plasmon polariton frequency-modulated by the surface plasmon polariton frequency modulation means into an outgoing electromagnetic wave;
The surface plasmon polariton conversion means and the surface plasmon polariton frequency modulation means have a laminated structure of a positive dielectric and a negative dielectric, and the surface plasmon polariton propagates through the interface between the positive dielectric and the negative dielectric. It is characterized by that.

本発明の波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＷＤＭ）光通信システムは、単一波長の光を発する半導体発光素子と、前記半導体発光素子からの出射光を分波する光分波器と、前記光分波器から発する光を複数の異なる波長の出射光に変換可能な前記本発明の電磁波波長変換素子とを有することを特徴とする。   A wavelength division multiplexing (WDM) optical communication system according to the present invention includes a semiconductor light emitting device that emits light of a single wavelength, an optical demultiplexer that demultiplexes light emitted from the semiconductor light emitting device, and the light. It has the electromagnetic wave wavelength conversion element of the said this invention which can convert the light emitted from a splitter into the emitted light of a several different wavelength, It is characterized by the above-mentioned.

本発明の波長可変光源は、前記本発明の電磁波波長変換素子と、集積光源とが、同一半導体基板上に集積されていることを特徴とする。   The wavelength tunable light source of the present invention is characterized in that the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention and an integrated light source are integrated on the same semiconductor substrate.

本発明の光発電システムは、前記本発明の電磁波波長変換素子と、前記電磁波波長変換素子からの出射光を起電力に変換する光起電力発生装置とを有することを特徴とする。   The photovoltaic system of the present invention includes the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, and a photovoltaic power generation device that converts emitted light from the electromagnetic wave wavelength conversion element into an electromotive force.

本発明の第１の電磁波波長変換素子の製造方法は、
半導体を形成する半導体形成工程と、
前記半導体表面に直接接触する正誘電体を形成する正誘電体形成工程とを含むことを特徴とする。 The manufacturing method of the 1st electromagnetic wave wavelength conversion element of this invention,
A semiconductor formation step of forming a semiconductor;
And a positive dielectric formation step of forming a positive dielectric in direct contact with the semiconductor surface.

本発明の第２の電磁波波長変換素子の製造方法は、
前記エバネッセント波変換手段を形成するエバネッセント波変換手段形成工程と、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段を形成する前記表面プラズモンポラリトン変換手段形成工程と、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段を形成する表面プラズモンポラリトン周波数変調手段形成工程と、
前記出射電磁波変換手段を形成する出射電磁波変換手段形成工程とを有することを特徴とする。 The method for producing the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention comprises:
An evanescent wave converting means forming step for forming the evanescent wave converting means;
The surface plasmon polariton conversion means forming step of forming the surface plasmon polariton conversion means;
A surface plasmon polariton frequency modulation means forming step for forming the surface plasmon polariton frequency modulation means;
An outgoing electromagnetic wave conversion means forming step of forming the outgoing electromagnetic wave conversion means.

本発明によれば、小型かつ簡単な構成で電磁波（例えば光）の波長を変換可能な電磁波波長変換素子、前記電磁波波長変換素子を用いた波長分割多重光通信システム、波長可変光源および光発電システム、ならびに電磁波波長変換素子の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, an electromagnetic wave wavelength conversion element capable of converting the wavelength of an electromagnetic wave (for example, light) with a small and simple configuration, a wavelength division multiplexing optical communication system using the electromagnetic wave wavelength conversion element, a wavelength variable light source, and a photovoltaic power generation system In addition, a method for manufacturing an electromagnetic wave wavelength conversion element can be provided.

図１（ａ）は、第１の実施形態の電磁波波長変換素子における光伝搬方向の断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の電磁波波長変換素子の一部の上面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）の電磁波波長変換素子の変形例の一部の上面図である。Fig.1 (a) is sectional drawing of the light propagation direction in the electromagnetic wave wavelength conversion element of 1st Embodiment. FIG. 1B is a top view of a part of the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. FIG. 1C is a top view of a part of a modified example of the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. 図２（ａ）は、図１の電磁波波長変換素子の別の変形例における光伝搬方向の断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の電磁波波長変換素子の一部の上面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）の電磁波波長変換素子のさらに別の変形例の一部の上面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view in the light propagation direction in another modification of the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. FIG. 2B is a top view of a part of the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. FIG. 2C is a top view of a part of still another modified example of the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. 第１の実施形態の電磁波波長変換素子における素子内電子密度分布を例示するグラフである。It is a graph which illustrates the electron density distribution in the element in the electromagnetic wave wavelength conversion element of 1st Embodiment. 第１の実施形態の電磁波波長変換素子における入射伝搬光およびＳＰＰの分散関係を例示するグラフである。It is a graph which illustrates the dispersion | distribution relationship of incident propagation light and SPP in the electromagnetic wave wavelength conversion element of 1st Embodiment. 第２の実施形態の電磁波波長変換素子の断面図である。It is sectional drawing of the electromagnetic wave wavelength conversion element of 2nd Embodiment. 第２の実施形態の電磁波波長変換素子における入射伝搬光およびＳＰＰの分散関係を例示するグラフである。It is a graph which illustrates the dispersion | distribution relationship of incident propagation light and SPP in the electromagnetic wave wavelength conversion element of 2nd Embodiment. 図７（ａ）は、第３の実施形態の電磁波波長変換素子における光伝搬方向の断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の電磁波波長変換素子の上面図である。FIG. 7A is a cross-sectional view in the light propagation direction in the electromagnetic wave wavelength conversion element of the third embodiment. FIG.7 (b) is a top view of the electromagnetic wave wavelength conversion element of Fig.7 (a). 図７の電磁波波長変換素子のバンドエネルギーを例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates the band energy of the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. 第４の実施形態の電磁波波長変換素子における光伝搬方向の断面図である。It is sectional drawing of the light propagation direction in the electromagnetic wave wavelength conversion element of 4th Embodiment. 図１０（ａ）は、第５の実施形態の電磁波波長変換素子における断面斜視図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の電磁波波長変換素子における、光伝搬方向と垂直方向の断面図である。FIG. 10A is a cross-sectional perspective view of the electromagnetic wave wavelength conversion element of the fifth embodiment, and FIG. 10B is a view perpendicular to the light propagation direction in the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. It is sectional drawing. 第６の実施形態の電磁波波長変換素子における光伝搬方向の断面図である。It is sectional drawing of the light propagation direction in the electromagnetic wave wavelength conversion element of 6th Embodiment. 第６の実施形態の電磁波波長変換素子における光伝搬方向と垂直方向の断面図である。It is sectional drawing of the orthogonal | vertical direction with the light propagation direction in the electromagnetic wave wavelength conversion element of 6th Embodiment. 図１１および１２の電磁波波長変換素子のバンドエネルギーを例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates the band energy of the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. 電子密度とプラズマ波長との関係を例示するグラフである。It is a graph which illustrates the relationship between an electron density and a plasma wavelength. 本発明の電磁波波長変換素子を用いたＷＤＭ用光送信システムを例示するブロック図である。It is a block diagram which illustrates the optical transmission system for WDM using the electromagnetic wave wavelength conversion element of this invention. 本発明の電磁波波長変換素子と集積光源を組み合わせた波長可変光源を例示するブロック図である。It is a block diagram which illustrates the wavelength variable light source which combined the electromagnetic wave wavelength conversion element of this invention, and the integrated light source. 本発明の電磁波波長変換素子と電界吸収型変調器集積光源を組み合わせた変調器集積波長可変光源を例示するブロック図である。It is a block diagram which illustrates the modulator integrated wavelength variable light source which combined the electromagnetic wave wavelength conversion element of this invention, and the electroabsorption type modulator integrated light source. 本発明の電磁波波長変換素子と光起電力発生素子を備えた光発電システムのブロック図である。It is a block diagram of the photovoltaic system provided with the electromagnetic wave wavelength conversion element of this invention, and a photovoltaic power generation element. ３次非線形媒質を使った波長変換の例を模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the example of the wavelength conversion using a tertiary nonlinear medium.

以下、本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明は、以下の説明により限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically. However, the present invention is not limited by the following description.

表面プラズモンポラリトンを伝搬させるためには、物質の表面または界面に、電磁波に結合しうる自由電荷が存在することが必要である。このためには、例えば、前記電磁波に対し、前記物質の表面または界面の両側で、誘電率の符号が異なるようにすれば良い。前記自由電荷は、正孔でも電子でも良いが、電子が好ましい。本発明の波長変換素子は、例えば、複数の異なる種類の物質から形成され、前記異種物質間の界面近傍に自由電荷が存在してもよい。前記自由電荷は、例えば、前記物質内の電子が蓄積された電子蓄積層として存在してもよい。より具体的には、例えば、後述の各実施形態のとおりである。   In order to propagate the surface plasmon polariton, it is necessary that a free charge capable of being coupled to an electromagnetic wave exists on the surface or interface of the substance. For this purpose, for example, the dielectric constant may be different from that of the electromagnetic wave on the surface of the substance or on both sides of the interface. The free charge may be a hole or an electron, but is preferably an electron. The wavelength conversion element of the present invention may be formed of, for example, a plurality of different types of materials, and free charges may exist near the interface between the different types of materials. The free charge may exist as an electron storage layer in which electrons in the substance are stored, for example. More specifically, for example, it is as in each embodiment described later.

例えば、本発明の前記第１の電磁波波長変換素子は、前記半導体が、前記正誘電体との界面近傍に前記電子蓄積層を有することで、前記エバネッセント波が、前記電子蓄積層における自由電子の集団振動と結合し、表面プラズモンポラリトンを形成することができる。また、前記電子蓄積層が、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって変化する電子密度を有することで、前記表面プラズモンポラリトンの周波数を変調することができる。前記電子蓄積層は、電圧非印加状態で前記電子密度変化を有していても良いし、電圧非印加状態では前記電子密度変化を有さず、電圧印加状態で前記電子密度変化を有していても良い。また、例えば、前記電子蓄積層は、電圧印加状態により前記電子密度変化の状態を変化させることが可能であっても良い。   For example, in the first electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the semiconductor has the electron storage layer in the vicinity of the interface with the positive dielectric, so that the evanescent wave is generated by free electrons in the electron storage layer. Combined with collective vibrations, surface plasmon polaritons can be formed. In addition, since the electron accumulation layer has an electron density that changes from the electromagnetic wave incident side toward the electromagnetic wave emission side, the frequency of the surface plasmon polariton can be modulated. The electron storage layer may have the electron density change in a voltage non-applied state, or may not have the electron density change in a voltage non-applied state and have the electron density change in a voltage applied state. May be. Further, for example, the electron storage layer may be capable of changing the state of the electron density change depending on a voltage application state.

本発明の前記第１の電磁波波長変換素子において、
前記半導体が、ｎ型半導体とｐ型半導体との積層構造を有し、
前記ｐ型半導体は、前記ｎ型半導体の表面に直接接触しており、
前記正誘電体は、絶縁体であり、かつ、前記ｐ型半導体の表面に直接接触していることが好ましい。 In the first electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention,
The semiconductor has a stacked structure of an n-type semiconductor and a p-type semiconductor;
The p-type semiconductor is in direct contact with the surface of the n-type semiconductor;
The positive dielectric is preferably an insulator and is in direct contact with the surface of the p-type semiconductor.

また、本発明の前記第１の電磁波波長変換素子において、
前記半導体が、真性半導体であり、
前記正誘電体が、ｎ型半導体であり、
さらに、金属または絶縁体を含み、
前記金属または絶縁体が、前記ｎ型半導体を挟んで前記真性半導体と反対側に設けられており、かつ、前記ｎ型半導体の表面に直接接触していることが好ましい。 In the first electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention,
The semiconductor is an intrinsic semiconductor;
The positive dielectric is an n-type semiconductor;
In addition, including metal or insulator,
It is preferable that the metal or the insulator is provided on the opposite side to the intrinsic semiconductor with the n-type semiconductor interposed therebetween and is in direct contact with the surface of the n-type semiconductor.

また、本発明の前記第１の電磁波波長変換素子は、前記正誘電体に代えて、金属を有していても良い。   In addition, the first electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention may have a metal instead of the positive dielectric.

本発明の前記第１の電磁波波長変換素子において、
前記電磁波入射領域における前記半導体が、第１の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第１の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記正誘電体は、前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸表面に直接接触していることが好ましい。 In the first electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention,
The semiconductor in the electromagnetic wave incident region has a first concavo-convex repeating structure,
In the first uneven repeating structure, unevenness is alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emitting side,
The positive dielectric is preferably in direct contact with the concavo-convex surface of the first concavo-convex repeating structure.

または、前記電磁波入射領域が、前記積層構造に代えて、第１の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第１の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記第１の凹凸繰り返し構造により、前記入射電磁波をエバネッセント波に変換するとともに、前記エバネッセント波を伝搬し、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域において、前記エバネッセント光を表面プラズモンポラリトンに変換することが好ましい。 Alternatively, the electromagnetic wave incident region has a first concavo-convex repeating structure instead of the laminated structure,
In the first uneven repeating structure, unevenness is alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emitting side,
The first uneven repeating structure converts the incident electromagnetic wave into an evanescent wave and propagates the evanescent wave,
In the surface plasmon polariton frequency modulation region, it is preferable to convert the evanescent light into surface plasmon polariton.

本発明の前記第１の半導体波長変換素子において、
前記電磁波出射領域における前記半導体が、第２の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第２の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記正誘電体は、前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸表面に直接接触していることが好ましい。 In the first semiconductor wavelength conversion element of the present invention,
The semiconductor in the electromagnetic wave emission region has a second concavo-convex repeating structure,
In the second uneven repeating structure, unevenness is alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave output side,
The positive dielectric is preferably in direct contact with the concavo-convex surface in the second concavo-convex repeating structure.

または、前記電磁波出射領域が、前記積層構造に代えて、第２の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第２の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記第２の凹凸繰り返し構造が、前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を伝搬可能であることが好ましい。 Alternatively, the electromagnetic wave emission region has a second concavo-convex repeating structure instead of the laminated structure,
In the second uneven repeating structure, unevenness is alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave output side,
It is preferable that the second concavo-convex repeating structure can propagate an evanescent wave coupled to the surface plasmon polariton.

本発明の第１の電磁波波長変換素子は、
さらに、電磁波透過性部材を有し、
前記電磁波透過性部材は、前記電磁波入射領域において前記半導体または前記正誘電体に接触するように配置され、
前記電磁波透過性部材から入射した光を、前記電磁波透過性部材と前記半導体または前記正誘電体との界面で全反射させても良い。 The first electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention is:
Furthermore, it has an electromagnetic wave transmitting member,
The electromagnetic wave transmissive member is disposed so as to contact the semiconductor or the positive dielectric in the electromagnetic wave incident region,
The light incident from the electromagnetic wave transmissive member may be totally reflected at the interface between the electromagnetic wave transmissive member and the semiconductor or the positive dielectric.

本発明の前記第２の電磁波波長変換素子において、
前記エバネッセント波変換手段が、単一波数の入射電磁波を、複数の波数のエバネッセント波に変換し、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段が、前記複数の波数のエバネッセント波の中から、前記表面プラズモンポラリトン変換手段を伝搬しうる表面プラズモンポラリトンの波数と整合する波数のエバネッセント波を前記表面プラズモンポラリトンに変換することが好ましい。 In the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention,
The evanescent wave converting means converts an incident electromagnetic wave having a single wave number into an evanescent wave having a plurality of wave numbers,
The surface plasmon polariton converting means converts an evanescent wave having a wave number matching the wave number of the surface plasmon polariton that can propagate through the surface plasmon polariton converting means into the surface plasmon polariton from the plurality of evanescent waves having the wave number. Is preferred.

本発明の前記第２の電磁波波長変換素子において、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段および前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段が、半導体と正誘電体との積層構造を有し、
前記正誘電体は、前記半導体の表面に直接接触しており、
電圧印加状態または電圧非印加状態の前記半導体が、前記正誘電体との界面近傍に電子蓄積層を有し、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変換手段における前記電子蓄積層は、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって変化する電子密度を有することが好ましい。 In the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention,
The surface plasmon polariton conversion means and the surface plasmon polariton frequency modulation means have a laminated structure of a semiconductor and a positive dielectric,
The positive dielectric is in direct contact with the surface of the semiconductor;
The semiconductor in a voltage application state or a voltage non-application state has an electron storage layer in the vicinity of the interface with the positive dielectric,
It is preferable that the electron accumulation layer in the surface plasmon polariton frequency conversion means has an electron density that changes from the electromagnetic wave incident side toward the electromagnetic wave emitting side.

本発明の前記第２の電磁波波長変換素子において、
前記エバネッセント波変換手段が、第１の凹凸繰り返し構造から形成され、
前記第１の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられていることが好ましい。 In the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention,
The evanescent wave converting means is formed of a first concavo-convex repeating structure;
In the first repeated concavo-convex structure, it is preferable that the concavo-convex portions are alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emitting side.

本発明の前記第２の電磁波波長変換素子は、前述のとおり、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段により周波数変調された前記表面プラズモンポラリトンを出射電磁波に変換する出射電磁波変換手段を有する。前記出射電磁波変換手段は、特に制限されない。例えば、前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を、光出射部（素子端など）から出射させることにより、直接、出射電磁波（出射伝搬光）に変換しても良い。この場合、少なくとも前記光出射部（素子端など）が、前記出射電磁波変換手段に相当する。また、例えば、前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を、回折、散乱などにより波数変換することで出射電磁波（出射伝搬光）に変換し、さらに、光出射部（素子端など）から出射させても良い。この場合、少なくとも、前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を、回折、散乱などにより波数変換することで出射電磁波（出射伝搬光）に変換する手段が、前記出射電磁波変換手段に相当する。   As described above, the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention has outgoing electromagnetic wave conversion means for converting the surface plasmon polariton frequency-modulated by the surface plasmon polariton frequency modulation means into outgoing electromagnetic waves. The outgoing electromagnetic wave conversion means is not particularly limited. For example, an evanescent wave coupled to the surface plasmon polariton may be directly converted into an outgoing electromagnetic wave (outgoing propagation light) by being emitted from a light emitting part (element end or the like). In this case, at least the light emitting part (element end or the like) corresponds to the emitted electromagnetic wave converting means. Further, for example, the evanescent wave coupled to the surface plasmon polariton is converted into an outgoing electromagnetic wave (outgoing propagation light) by wave number conversion by diffraction, scattering, etc., and further emitted from a light emitting part (element end, etc.). Also good. In this case, at least means for converting the evanescent wave coupled to the surface plasmon polariton into an outgoing electromagnetic wave (outgoing propagation light) by converting the wave number by diffraction, scattering or the like corresponds to the outgoing electromagnetic wave conversion means.

なお、本発明において、「伝搬波」は、エバネッセント波ではない電磁波を言い、例えば、通常の媒質中または空間中を３次元的に伝搬することが可能である。「伝搬光」は、光である伝搬波を言う。また、本発明において、電磁波の「伝搬」は、電磁波が空間中を伝わる場合、および電磁波が媒質中を伝わる場合を含む。   In the present invention, the “propagating wave” refers to an electromagnetic wave that is not an evanescent wave, and can propagate three-dimensionally in a normal medium or space, for example. “Propagating light” refers to a propagating wave that is light. In the present invention, “propagation” of an electromagnetic wave includes a case where the electromagnetic wave propagates in a space and a case where the electromagnetic wave propagates in a medium.

前記出射電磁波変換手段は、複数の異なる波数の表面プラズモンポラリトンを、前記表面プラズモンポラリトンの周波数と整合する波数の出射電磁波に変換可能であることが好ましい。また、前記出射電磁波変換手段は、第２の凹凸繰り返し構造を含み、前記第２の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられていることが好ましい。   The outgoing electromagnetic wave conversion means is preferably capable of converting a plurality of surface plasmon polaritons having different wave numbers into outgoing electromagnetic waves having a wave number matching the frequency of the surface plasmon polariton. Moreover, it is preferable that the said output electromagnetic wave conversion means contains a 2nd uneven | corrugated repeating structure, and an unevenness | corrugation is alternately provided in the said 2nd uneven | corrugated repeating structure from the electromagnetic wave incident side toward the electromagnetic wave output side.

本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔は、規則的であっても良い。この場合において、本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子が、前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造の両方を有し、前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が、均一であり、前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が、均一であり、前記第１の凹凸繰り返し構造と前記第２の凹凸繰り返し構造とは、前記凹凸の寸法および配置間隔の少なくとも一方が異なることがより好ましい。このような構造によれば、例えば、波長変換が行いやすい。   In the first or second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the size and arrangement interval of the unevenness in the first uneven repeating structure and the second uneven repeating structure may be regular. In this case, the first or second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention has both the first uneven repeating structure and the second uneven repeating structure, and the unevenness in the first uneven repeating structure. The dimension and the arrangement interval of the projections are uniform, the dimension of the projections and depressions in the second concavo-convex repeating structure is uniform, and the first concavo-convex repeating structure and the second concavo-convex repeating structure are It is more preferable that at least one of the unevenness dimension and the arrangement interval is different. According to such a structure, for example, wavelength conversion is easy to perform.

また、本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔は、前記のとおり規則的であっても良いが、不規則であっても良い。前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔は、前記のとおり規則的であっても良いが、不規則であっても良い。前記第１の凹凸繰り返し構造は、人為的に形成されたものでも良いし、非人為的に形成されたものでも良い。例えば、前記第１の凹凸繰り返し構造は、あらかじめ設計したパターンを転写して作製したものでも良いし、または、物質の表面粗さ、自己集合等の現象により形成されたランダムな表面凹凸（ラフネス）であっても良い。前記第２の凹凸繰り返し構造においても同様である。   In the first or second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the size and arrangement interval of the irregularities in the first irregularity repeating structure may be regular as described above, but irregular. May be. The dimension and arrangement interval of the irregularities in the second irregularity repeating structure may be regular as described above, but may be irregular. The first concavo-convex repeating structure may be artificially formed or non-artificially formed. For example, the first concavo-convex repeating structure may be produced by transferring a pre-designed pattern, or random surface concavo-convex (roughness) formed by a phenomenon such as surface roughness of the substance, self-assembly, etc. It may be. The same applies to the second concavo-convex repeating structure.

本発明の電磁波波長変換素子は、電磁波を波長変換可能である。前記電磁波は、光であることが好ましく、実用度の高さの観点から、可視光または赤外光であることがより好ましい。すなわち、本発明の電磁波波長変換素子において、前記入射電磁波は、電磁波であれば良いが、光であることが好ましく、可視光または赤外光であることがより好ましい。前記出射電磁波は、電磁波であれば良いが、光であることが好ましく、可視光または赤外光であることがより好ましい。また、前記電磁波に対する誘電率が正か負か（正誘電体であるか負誘電体であるか）は、前記電磁波の波長に応じて決まる。このため、前記電子蓄積層において表面プラズモンポラリトンを励起し、かつ伝搬するためには、前記正誘電体は、前記エバネッセント波に対して誘電率が正となる物質で形成されている必要がある。なお、本発明の第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記半導体における前記電子蓄積層以外の部分は、前記エバネッセント波に対して誘電率が正（正誘電体）となる性質を持っていても良い。したがって、本発明の第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記エバネッセント波およびＳＰＰは、前記電子蓄積層と前記「正誘電体」との界面を伝搬しても良いし、前記電子蓄積層と前記「半導体」との界面を伝搬しても良い。   The electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention can convert the wavelength of electromagnetic waves. The electromagnetic wave is preferably light, and more preferably visible light or infrared light from the viewpoint of high practicality. That is, in the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the incident electromagnetic wave may be an electromagnetic wave, but is preferably light, and more preferably visible light or infrared light. The outgoing electromagnetic wave may be an electromagnetic wave, but is preferably light, and more preferably visible light or infrared light. Further, whether the dielectric constant for the electromagnetic wave is positive or negative (whether it is a positive dielectric or a negative dielectric) is determined according to the wavelength of the electromagnetic wave. For this reason, in order to excite and propagate surface plasmon polaritons in the electron storage layer, the positive dielectric must be formed of a material having a positive dielectric constant with respect to the evanescent wave. In the first or second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, a portion other than the electron storage layer in the semiconductor has a property that a dielectric constant is positive (positive dielectric) with respect to the evanescent wave. May be. Therefore, in the first or second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the evanescent wave and the SPP may propagate through the interface between the electron storage layer and the “positive dielectric”, or the electron storage layer. And the “semiconductor” interface may be propagated.

また、前記電子蓄積層において表面プラズモンポラリトンを励起し、かつ伝搬するためには、前記電子蓄積層は、前記エバネッセント波に対して誘電率が負となる（負誘電体となる）電子密度を有している必要がある。本発明において、前記半導体波長変換素子の使用時における前記電子蓄積層の電子密度は、好ましくは１×１０２１ｃｍ−３以上、より好ましくは１×１０２２ｃｍ−３以上である。前記電子蓄積層の電子密度が１×１０２１ｃｍ-３以上であれば、近赤外領域以上の波長のエバネッセント波に対して前記電子蓄積層が負誘電体となりやすい。前記電子蓄積層の電子密度が１×１０２２ｃｍ-３以上であれば、可視光領域以上の波長のエバネッセント波に対して前記電子蓄積層が負誘電体となりやすい。前記電子蓄積層の電子密度の上限値は、特に制限されないが、例えば、１×１０２３ｃｍ−３以下または金属と同程度である。なお、本発明において、電子または不純物等の密度または濃度を表す場合、特に断らない限り、電子数または不純物の原子数についての密度または濃度をいうものとする。 In order to excite and propagate surface plasmon polaritons in the electron storage layer, the electron storage layer has an electron density that has a negative dielectric constant (becomes a negative dielectric) with respect to the evanescent wave. Need to be. In the present invention, the electron density of the electron storage layer when the semiconductor wavelength conversion element is used is preferably 1 × 10 21 cm −3 or more, more preferably 1 × 10 22 cm −3 or more. When the electron density of the electron storage layer is 1 × 10 21 cm −3 or more, the electron storage layer tends to be a negative dielectric with respect to an evanescent wave having a wavelength of near infrared region or more. When the electron density of the electron storage layer is 1 × 10 22 cm −3 or more, the electron storage layer tends to be a negative dielectric with respect to an evanescent wave having a wavelength longer than the visible light region. The upper limit value of the electron density of the electron accumulation layer is not particularly limited, but is, for example, 1 × 10 23 cm −3 or less or the same level as that of a metal. In the present invention, when the density or concentration of electrons or impurities is expressed, the density or concentration with respect to the number of electrons or the number of atoms of impurities is meant unless otherwise specified.

本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面に平行な平面を有することが好ましい。この構造によれば、前記積層構造の層平面に垂直な方向の電場振動を伴う表面プラズモンポラリトンを伝搬しやすい。   In the first or second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the interface between the positive dielectric and the negative dielectric or the electron storage layer preferably has a plane parallel to the layer plane of the multilayer structure. . According to this structure, the surface plasmon polariton accompanied by the electric field vibration in the direction perpendicular to the layer plane of the stacked structure is easily propagated.

本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面から傾斜し、かつ電磁波入射側から電磁波出射側への方向に平行な平面を有することが好ましい。この構造によれば、前記積層構造の層平面に垂直な方向から傾斜した方向の電場振動を伴う表面プラズモンポラリトンを伝搬しやすい。   In the first or second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the interface between the positive dielectric and the negative dielectric or the electron storage layer is inclined from the layer plane of the laminated structure and from the electromagnetic wave incident side. It is preferable to have a plane parallel to the direction toward the electromagnetic wave emission side. According to this structure, it is easy to propagate surface plasmon polariton accompanied by electric field vibration in a direction inclined from a direction perpendicular to the layer plane of the laminated structure.

本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面に垂直であり、かつ電磁波入射側から電磁波出射側への方向に平行な平面を有することが好ましい。この構造によれば、前記積層構造の層平面に平行な方向の電場振動を伴う表面プラズモンポラリトンを伝搬しやすい。また、これに加え、前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、さらに、前記積層構造の層平面に平行な平面を有していれば、前記積層構造の層平面に垂直な方向の電場振動を伴う表面プラズモンポラリトン、および、前記積層構造の層平面に平行な方向の電場振動を伴う表面プラズモンポラリトンのいずれをも伝搬しやすい。   In the first or second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the interface between the positive dielectric and the negative dielectric or the electron storage layer is perpendicular to the layer plane of the laminated structure, and the electromagnetic wave incident side It is preferable to have a plane parallel to the direction from the electromagnetic wave to the electromagnetic wave emission side. According to this structure, it is easy to propagate surface plasmon polariton accompanied by electric field vibration in a direction parallel to the layer plane of the laminated structure. In addition, if the interface between the positive dielectric and the negative dielectric or the electron storage layer further has a plane parallel to the layer plane of the multilayer structure, the layer plane of the multilayer structure Both surface plasmon polaritons accompanying electric field vibration in a direction perpendicular to the surface and surface plasmon polaritons accompanying electric field vibration in a direction parallel to the layer plane of the laminated structure are likely to propagate.

本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記電磁波波長変換素子の電磁波入射側から電磁波出射側まで連続していることが好ましい。この構造によれば、前記電磁波波長変換素子の電磁波入射側から電磁波出射側までにおいて、前記表面プラズモンポラリトンの伝搬効率に優れる。   In the first or second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the interface between the positive dielectric and the negative dielectric or the electron storage layer is continuous from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emission side of the electromagnetic wave wavelength conversion element. It is preferable. According to this structure, the propagation efficiency of the surface plasmon polariton is excellent from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emitting side of the electromagnetic wave wavelength conversion element.

本発明の第１または第２の電磁波波長変換素子は、さらに、電圧印加手段を有し、前記電圧印加手段への電圧印加により、前記電子蓄積層の少なくとも一部、または前記正誘電体と前記負誘電体との界面の少なくとも一部の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。前記電圧印加手段は、電極であることがより好ましい。本発明の波長変換素子において、前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層は、例えば、電圧を印加しない状態で、表面プラズモンポラリトンが伝搬可能な電子密度を有していても良い。前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層は、電圧を印加しない状態では表面プラズモンポラリトンが伝搬可能な電子密度を有さず、電圧を印加することにより表面プラズモンポラリトンが伝搬可能となる部分であっても良い。本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子は、電圧を印加せずに使用できる電磁波波長変換素子であっても良いし、電圧を印加して使用する電磁波波長変換素子であっても良い。本発明の電磁波波長変換素子において、前記表面プラズモンポラリトンが伝搬する部分の電子密度は、例えば後述のとおりである。   The first or second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention further includes a voltage applying unit, and by applying a voltage to the voltage applying unit, at least a part of the electron storage layer, or the positive dielectric and the positive dielectric It is preferable that the electron density of at least a part of the interface with the negative dielectric can be changed. More preferably, the voltage applying means is an electrode. In the wavelength conversion element of the present invention, the interface between the positive dielectric and the negative dielectric or the electron storage layer has, for example, an electron density capable of propagating surface plasmon polaritons without applying a voltage. Also good. The interface between the positive dielectric and the negative dielectric or the electron storage layer does not have an electron density at which surface plasmon polaritons can propagate when no voltage is applied, and surface plasmon polaritons propagate by applying a voltage. It may be a possible part. The first or second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention may be an electromagnetic wave wavelength conversion element that can be used without applying a voltage, or an electromagnetic wave wavelength conversion element that is used by applying a voltage. good. In the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the electron density of the portion where the surface plasmon polariton propagates is, for example, as described later.

本発明の前記第１の電磁波波長変換素子は、前記電圧印加手段により、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。   The first electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention is preferably capable of changing an electron density in the surface plasmon polariton frequency modulation region by the voltage applying means.

本発明の前記第２の電磁波波長変換素子は、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段が、前記正誘電体と前記負誘電体との界面において、電磁波入射側から電磁波出射側へ向かって変化する電子密度変化を有し、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段への電圧印加により、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。   In the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the surface plasmon polariton frequency modulation means has an electron density that changes from an electromagnetic wave incident side to an electromagnetic wave emitting side at an interface between the positive dielectric and the negative dielectric. It is preferable that the electron density of the surface plasmon polariton frequency modulation unit can be changed by applying a voltage to the surface plasmon polariton frequency modulation unit.

本発明の前記第１の電磁波波長変換素子は、前記電磁波入射領域への電圧印加により、前記エバネッセント波の波数と前記表面プラズモンポラリトンの波数が整合するように、前記電磁波入射領域における前記電子蓄積層の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。   In the first electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the electron accumulation layer in the electromagnetic wave incident region is adapted to match the wave number of the evanescent wave and the wave number of the surface plasmon polariton by applying a voltage to the electromagnetic wave incident region. It is preferable that the electron density can be changed.

本発明の前記第２の電磁波波長変換素子は、前記表面プラズモンポラリトン変換手段への電圧印加により、前記エバネッセント波の波数と前記表面プラズモンポラリトンの波数が整合するように、前記表面プラズモンポラリトン変換手段における前記正誘電体と前記負誘電体との界面の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。   In the surface plasmon polariton conversion unit, the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention is adapted so that the wave number of the evanescent wave matches the wave number of the surface plasmon polariton by applying a voltage to the surface plasmon polariton conversion unit. It is preferable that the electron density at the interface between the positive dielectric and the negative dielectric can be changed.

本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子は、前記第２の凹凸繰り返し構造への電圧印加により、前記第２の凹凸繰り返し構造に入射する表面プラズモンポラリトンの波数と、前記第２の凹凸繰り返し構造におけるエバネッセント波の波数が整合するように、前記第２の凹凸繰り返し構造における前記電子蓄積層の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。   The first or second electromagnetic wave wavelength conversion element according to the present invention includes a wave number of a surface plasmon polariton incident on the second concavo-convex repeating structure by applying a voltage to the second concavo-convex repeating structure, and the second It is preferable that the electron density of the electron accumulation layer in the second concavo-convex repeating structure can be changed so that the wavenumbers of the evanescent waves in the concavo-convex repeating structure are matched.

本発明の前記第２の電磁波波長変換素子は、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段への電圧印加により、前記出射電磁波変換手段に入射する表面プラズモンポラリトンの波数と前記エバネッセント波の波数とが整合するように、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段における前記正誘電体と前記負誘電体との界面の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。   In the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the wave number of the surface plasmon polariton incident on the outgoing electromagnetic wave conversion unit and the wave number of the evanescent wave are matched by applying a voltage to the surface plasmon polariton frequency modulation unit. In addition, it is preferable that the electron density at the interface between the positive dielectric and the negative dielectric in the surface plasmon polariton frequency modulation means can be changed.

本発明の波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＷＤＭ）光通信システムは、前記半導体発光素子、前記電磁波波長変換素子、および前記光分波器が、同一半導体基板上に集積されていることが、小型化、低消費電力化等の観点から好ましい。   The wavelength division multiplexing (WDM) optical communication system of the present invention is small in that the semiconductor light emitting device, the electromagnetic wave wavelength conversion device, and the optical demultiplexer are integrated on the same semiconductor substrate. This is preferable from the viewpoints of reducing power consumption and power consumption.

本発明の波長可変光源は、前述の通り、前記本発明の電磁波波長変換素子と、集積光源とが、同一半導体基板上に集積されていることを特徴とする。前記集積光源は、分布帰還型（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌａｓｅｒ，ＤＦＢ）レーザまたは分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ，ＤＢＲ）レーザであることが好ましい。ＤＦＢレーザ、ＤＢＲレーザ等の光源によれば、例えば、半導体結晶のへき開面が不要である。   As described above, the wavelength tunable light source of the present invention is characterized in that the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention and an integrated light source are integrated on the same semiconductor substrate. The integrated light source is preferably a distributed feedback laser (DFB) laser or a distributed Bragg Reflector (DBR) laser. According to a light source such as a DFB laser or a DBR laser, for example, a cleavage plane of a semiconductor crystal is not necessary.

また、本発明の波長可変光源は、例えば、前記集積光源が、電界吸収型変調器集積光源であり、変調器集積波長可変光源として用いられることが好ましい。   In the wavelength tunable light source of the present invention, for example, the integrated light source is preferably an electroabsorption modulator integrated light source, and is preferably used as a modulator integrated wavelength tunable light source.

本発明の光発電システムは、前記電磁波波長変換素子と、前記光起電力発生装置とが、同一半導体基板上に集積されていることが、小型化等の観点から好ましい。   In the photovoltaic power generation system of the present invention, it is preferable from the viewpoint of miniaturization and the like that the electromagnetic wave wavelength conversion element and the photovoltaic power generation device are integrated on the same semiconductor substrate.

本発明の電磁波波長変換素子の製造方法は、特に制限されないが、前記本発明の第１または第２の製造方法により製造することが好ましい。前記本発明の第１および第２の製造方法において、各工程を行う順序は特に制限されず、同時でも逐次でも良く、逐次の場合はどの工程が先でも良い。前記本発明の第１の製造方法は、さらに、前記半導体表面の電磁波入射側に、第１の凹凸繰り返し構造を形成する第１の凹凸繰り返し構造形成工程を含み、前記第１の凹凸繰り返し構造形成工程において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられるように前記第１の凹凸繰り返し構造を形成し、前記正誘電体形成工程において、前記半導体の、前記第１の凹凸繰り返し構造形成側の表面に直接接触するように前記正誘電体を形成することが好ましい。また、前記本発明の第１の製造方法は、さらに、前記半導体表面の電磁波出射側に、第２の凹凸繰り返し構造を形成する第２の凹凸繰り返し構造形成工程を含み、前記第２の凹凸繰り返し構造形成工程において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられるように前記第２の凹凸繰り返し構造を形成し、前記正誘電体形成工程において、前記半導体の、前記第２の凹凸繰り返し構造形成側の表面に直接接触するように前記正誘電体を形成することが好ましい。   Although the manufacturing method of the electromagnetic wave wavelength conversion element of this invention is not restrict | limited in particular, It is preferable to manufacture with the said 1st or 2nd manufacturing method of the said invention. In the first and second manufacturing methods of the present invention, the order of performing each step is not particularly limited, and may be simultaneous or sequential, and in the case of sequential, any step may be first. The first manufacturing method of the present invention further includes a first concave / convex repeating structure forming step of forming a first concave / convex repeating structure on the electromagnetic wave incident side of the semiconductor surface, and forming the first concave / convex repeating structure. In the step, the first concave-convex repeating structure is formed so that concaves and convexes are alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emitting side, and in the positive dielectric formation step, the first concave-convex part of the semiconductor is formed. It is preferable to form the positive dielectric so as to be in direct contact with the surface on the repeated structure forming side. The first manufacturing method of the present invention further includes a second uneven repeating structure forming step of forming a second uneven repeating structure on the electromagnetic wave emitting side of the semiconductor surface, and the second uneven repetition In the structure forming step, the second uneven repeating structure is formed so that unevenness is alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emitting side, and in the positive dielectric formation step, the second of the semiconductor is formed. It is preferable to form the positive dielectric so as to be in direct contact with the surface on the side where the concave-convex structure is formed.

次に、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。   Next, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

［第１の実施形態］
図１（ａ）および（ｂ）に、本実施形態の電磁波波長変換素子の構造を示す。この電磁波波長変換素子は、前記本発明の第２の電磁波波長変換素子の一例である。図１（ａ）は、光伝搬方向（光入射側から光出射側への方向）の断面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の電磁波波長変換素子における第１の凹凸繰り返し構造４０１または第２の凹凸繰り返し構造４０２の構造を模式的に示す上面図である。ただし、同図では、図示の便宜上、正誘電体層（正誘電体）２０９を省略している。図１（ａ）に示すとおり、この電磁波波長変換素子１は、第１の凹凸繰り返し構造４０１と、表面プラズモンポラリトンの周波数を変調する表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０と、第２の凹凸繰り返し構造４０２とを含む。同図の電磁波波長変換素子において、第１の凹凸繰り返し構造４０１は、後述するように、入射光（入射電磁波）をエバネッセント光（エバネッセント波）２０４に変換することで、波数を変換する機能と、前記エバネッセント光（エバネッセント波）を表面プラズモンポラリトンに変換する機能とを有する。すなわち、第１の凹凸繰り返し構造４０１は、前記「エバネッセント波変換手段」と、前記「表面プラズモンポラリトン変換手段」とを兼ねる。第２の凹凸繰り返し構造４０２は、後述するように、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０により周波数変調された前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント光２０６の波数を変換することで、出射光（出射電磁波、または出射伝搬光とも言う）２０８に変換する機能を有する。すなわち、第２の凹凸繰り返し構造４０２は、前記「出射電磁波変換手段」に相当する。第１の凹凸繰り返し構造４０１、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０、および第２の凹凸繰り返し構造４０２は、基板１１０上に、一体に形成されている。また、第１の凹凸繰り返し構造４０１、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０、および第２の凹凸繰り返し構造４０２は、それぞれ、電子蓄積層（負誘電体層）２０１上に、正誘電体層（正誘電体）２０９が積層されて形成されている。第１の凹凸繰り返し構造４０１および第２の凹凸繰り返し構造４０２においては、電子蓄積層２０１の上部がところどころ除去されている。電子蓄積層２０１が除去された部分には、正誘電体層２０９が入り込み、光入射側（電磁波入射側）から光出射側（電磁波出射側）に向かって、凹凸が交互に設けられた構造を形成している。第１の凹凸繰り返し構造４０１における凹凸の寸法および配置間隔は、均一である。第２の凹凸繰り返し構造４０２における凹凸の寸法および配置間隔は、均一である。第１の凹凸繰り返し構造４０１と第２の凹凸繰り返し構造４０２とは、前記凹凸の寸法および配置間隔が異なる。電子蓄積層２０１は、電磁波波長変換素子１の光入射側から光出射側まで連続している。基板１１０の材質は、特に制限されない。電子蓄積層２０１および正誘電体層２０９の材質は、特に制限されず、後述のように、それぞれ、半導体、金属、絶縁体等から適宜選択可能である。 [First Embodiment]
1A and 1B show the structure of the electromagnetic wave wavelength conversion element of this embodiment. This electromagnetic wave wavelength conversion element is an example of the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view in the light propagation direction (direction from the light incident side to the light emitting side). FIG. 1B is a top view schematically showing the structure of the first uneven repeating structure 401 or the second uneven repeating structure 402 in the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. However, in the figure, the positive dielectric layer (positive dielectric) 209 is omitted for convenience of illustration. As shown in FIG. 1A, the electromagnetic wave wavelength conversion element 1 includes a first concavo-convex repeating structure 401, a surface plasmon polariton frequency modulating unit 410 that modulates the frequency of the surface plasmon polariton, and a second concavo-convex repeating structure 402. Including. In the electromagnetic wave wavelength conversion element of the figure, the first uneven repeating structure 401 has a function of converting the wave number by converting incident light (incident electromagnetic wave) into evanescent light (evanescent wave) 204, as will be described later. A function of converting the evanescent light (evanescent wave) into a surface plasmon polariton. That is, the first uneven repeating structure 401 serves as both the “evanescent wave conversion unit” and the “surface plasmon polariton conversion unit”. As will be described later, the second concavo-convex repeating structure 402 converts the wave number of the evanescent light 206 coupled to the surface plasmon polariton frequency-modulated by the surface plasmon polariton frequency modulation unit 410, thereby outputting emitted light (emitted electromagnetic wave, (Also referred to as outgoing propagating light). That is, the second uneven repeating structure 402 corresponds to the “emitted electromagnetic wave conversion means”. The first concavo-convex repeating structure 401, the surface plasmon polariton frequency modulation means 410, and the second concavo-convex repeating structure 402 are integrally formed on the substrate 110. Further, the first concavo-convex repeating structure 401, the surface plasmon polariton frequency modulation means 410, and the second concavo-convex repeating structure 402 are each provided on a positive dielectric layer (positive dielectric) on the electron storage layer (negative dielectric layer) 201. Body) 209 is laminated. In the first concavo-convex repeating structure 401 and the second concavo-convex repeating structure 402, the upper portion of the electron storage layer 201 is removed in some places. A positive dielectric layer 209 enters the portion from which the electron storage layer 201 has been removed, and has a structure in which irregularities are alternately provided from the light incident side (electromagnetic wave incident side) to the light emitting side (electromagnetic wave output side). Forming. The size and arrangement interval of the unevenness in the first uneven repeating structure 401 are uniform. The size and arrangement interval of the irregularities in the second irregularity repeating structure 402 are uniform. The first uneven repeating structure 401 and the second uneven repeating structure 402 have different unevenness dimensions and arrangement intervals. The electron storage layer 201 is continuous from the light incident side to the light emitting side of the electromagnetic wave wavelength conversion element 1. The material of the substrate 110 is not particularly limited. The materials of the electron storage layer 201 and the positive dielectric layer 209 are not particularly limited, and can be appropriately selected from a semiconductor, a metal, an insulator, and the like, as will be described later.

図１（ａ）の電磁波波長変換素子１は、例えば、以下のようにして動作させることができる。すなわち、まず、第１の凹凸繰り返し構造４０１に、入射光（入射伝搬光）２０２を、入射角θａで入射させる。前記入射角とは、光伝搬方向に垂直な平面とのなす角である。前記光伝搬方向とは、光入射側から光出射側に向かう方向をいう。図中の矢印２０３は、入射光（入射伝搬光）２０２の、光伝搬方向成分である。入射光２０２は、第１の凹凸繰り返し構造により回折光に変換され、前記回折光の少なくとも一部は、エバネッセント光２０４となり、電子蓄積層２０１の表面（正誘電体層２０９との界面）を伝搬する。さらに、エバネッセント光２０４は、第１の凹凸繰り返し構造４０１において、その場で、電子蓄積層２０１における自由電子の振動と結合し、表面プラズモンポラリトン２０５に変換される。表面プラズモンポラリトン２０５は、光入射側から光出射側に向かって伝搬し、さらに、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０内を伝搬する際に、周波数が変調される。この周波数変調は、例えば、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０が、光入射側から光出射側に向かって変化する電子密度（電子密度勾配）を有することにより、達成できる。表面プラズモンポラリトン２０５に結合したエバネッセント光２０６は、第２の凹凸繰り返し構造４０２を伝搬する。エバネッセント光２０６は、第２の凹凸繰り返し構造４０２によって、伝搬光の分散関係を満たした出射光（出射伝搬光）２０８に変換され、出射角θｂで出射される。前記出射角とは、光伝搬方向に垂直な平面とのなす角である。矢印２０７は、前記出射光（出射伝搬光）２０８の、光伝搬方向成分である。なお、図１（ａ）では、エバネッセント光２０４、表面プラズモンポラリトン２０５、およびエバネッセント光２０６を表す矢印は、図示の便宜上、電子蓄積層２０１の上方を通っているが、実際には、これらは、電子蓄積層２０１の表面（正誘電体層２０９との界面）を伝搬する。以下の各実施形態においても同様である。   The electromagnetic wave wavelength conversion element 1 in FIG. 1A can be operated as follows, for example. That is, first, incident light (incident propagation light) 202 is incident on the first uneven repeating structure 401 at an incident angle θa. The incident angle is an angle formed with a plane perpendicular to the light propagation direction. The light propagation direction is a direction from the light incident side toward the light emitting side. An arrow 203 in the figure is a light propagation direction component of incident light (incident propagation light) 202. Incident light 202 is converted into diffracted light by the first concave-convex repeating structure, and at least part of the diffracted light becomes evanescent light 204 and propagates on the surface of the electron storage layer 201 (interface with the positive dielectric layer 209). To do. Further, the evanescent light 204 is combined with free electron vibration in the electron accumulation layer 201 and converted into the surface plasmon polariton 205 on the spot in the first concavo-convex repeating structure 401. The surface plasmon polariton 205 propagates from the light incident side toward the light emitting side, and the frequency is modulated when propagating in the surface plasmon polariton frequency modulation means 410. This frequency modulation can be achieved, for example, when the surface plasmon polariton frequency modulation means 410 has an electron density (electron density gradient) that changes from the light incident side toward the light emitting side. The evanescent light 206 coupled to the surface plasmon polariton 205 propagates through the second uneven repeating structure 402. The evanescent light 206 is converted into outgoing light (outgoing propagating light) 208 that satisfies the dispersion relation of propagating light by the second concave-convex repeating structure 402, and is emitted at the outgoing angle θb. The exit angle is an angle formed with a plane perpendicular to the light propagation direction. An arrow 207 is a light propagation direction component of the outgoing light (outgoing propagation light) 208. In FIG. 1A, the arrows representing the evanescent light 204, the surface plasmon polariton 205, and the evanescent light 206 pass above the electron storage layer 201 for convenience of illustration. It propagates on the surface of the electron storage layer 201 (interface with the positive dielectric layer 209). The same applies to the following embodiments.

本発明の電磁波波長変換素子は、従来の電気駆動型や全光型とは異なった、表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ：ＳＰＰ）の性質を利用した新しい電磁波波長変換素子である。以下、本発明の電磁波波長変換素子の動作原理について、さらに具体的に説明する。ただし、以下の説明は例示であって、本発明を限定しない。また、数式は理論式であり、本発明における実際の現象を定性的にまたは近似的に表す。本発明は、数式と完全に一致する場合には限定されない。   The electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention is a new electromagnetic wave wavelength conversion element that utilizes the properties of surface plasmon polariton (SPP), which is different from conventional electric drive type and all-optical type. Hereinafter, the operation principle of the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention will be described more specifically. However, the following description is an illustration and does not limit the present invention. The mathematical formula is a theoretical formula, and represents the actual phenomenon in the present invention qualitatively or approximately. The present invention is not limited to the case where it completely matches the mathematical formula.

低次元の波動が、負誘電体と正誘電体との界面に局在しながら前記界面を伝搬する現象がある。この波動は電磁波の一種であり、表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ：ＳＰＰ）と呼ばれている。ＳＰＰが前記界面を伝搬できるためには、前述のように、前記界面を構成する２つの媒質の誘電率が異符号であればよい。なお、本発明の電磁波波長変換素子において、前記入射電磁波、前記エバネッセント波、および前記出射電磁波は、前述のとおり、電磁波であれば良い。本実施形態および以下の各実施形態では、主に、前記電磁波が光である場合について説明する。ただし、光以外の電磁波についても、理論的には、光の場合と同様の原理で波長変換が可能である。   There is a phenomenon in which low-dimensional waves propagate through the interface while being localized at the interface between the negative dielectric and the positive dielectric. This wave is a kind of electromagnetic wave and is called a surface plasmon polariton (SPP). In order for the SPP to be able to propagate through the interface, the dielectric constants of the two media constituting the interface need only be different from each other as described above. In the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the incident electromagnetic wave, the evanescent wave, and the outgoing electromagnetic wave may be electromagnetic waves as described above. In the present embodiment and the following embodiments, the case where the electromagnetic wave is light will be mainly described. However, for electromagnetic waves other than light, the wavelength conversion is theoretically possible on the same principle as that for light.

入射光をＳＰＰに変換して（入射光によりＳＰＰを励起して）前記界面を伝搬させるためには、前記負誘電体の電子密度が所定の条件を満たす必要がある。以下、これについて説明する。   In order to convert incident light into SPP (exciting SPP with incident light) and propagate it through the interface, the electron density of the negative dielectric must satisfy a predetermined condition. This will be described below.

例えば、金属中の自由電子のような束縛の小さい電子気体の場合、誘電関数ε（ω）の周波数ω依存性は、電場の中での自由電子の運動方程式から、下記数式（１）で表される。   For example, in the case of an electron gas with small constraints such as free electrons in a metal, the frequency ω dependence of the dielectric function ε (ω) is expressed by the following equation (1) from the equation of motion of free electrons in an electric field. Is done.

ε（ω）＝１−ωｐ ２／（ω２＋ｉΓω） （１） ε (ω) = 1−ω p 2 / (ω 2 + iΓω) (1)

前記数式（１）において、ωｐはプラズマ周波数であり、下記数式（２）で定義される。 In the formula (1), ω p is a plasma frequency and is defined by the following formula (2).

ωｐ（ｎ）＝ｎｅ２／（ε０ｍ） （２） ω p (n) = ne 2 / (ε 0 m) (2)

前記数式（２）において、ｎは電子密度、ｅは電気素量、ε０は真空中の誘電率、ｍは電子の質量、Γはプラズマ振動の減衰を決める減衰係数である。ここで、定性的な議論のためにプラズマ振動の減衰Γを無視すると、前記数式（２）は実数となる。したがって、誘電率の符号と周波数の関係は、プラズマ周波数を境に、高周波数（短波長）側では正となるのに対し、低周波数（長波長）側では負となる。 In Equation (2), n is the electron density, e is the elementary electric charge, ε 0 is the dielectric constant in vacuum, m is the mass of the electron, and Γ is an attenuation coefficient that determines the attenuation of the plasma oscillation. Here, if the plasma oscillation attenuation Γ is ignored for qualitative discussion, the above equation (2) becomes a real number. Accordingly, the relationship between the sign of the dielectric constant and the frequency is positive on the high frequency (short wavelength) side, while being negative on the low frequency (long wavelength) side, with the plasma frequency as a boundary.

したがって、ＳＰＰを伝搬させるためには、使用したい光の波長域における周波数ωよりも、プラズマ周波数ωｐが高くなるような条件が必要となる。前記数式（２）からわかるように、プラズマ周波数ωｐは電子密度ｎに依存する。すなわち、目的とする（使用したい）波長域における周波数ωよりも、プラズマ周波数ωｐが高くなるように、前記負誘電体の電子密度ｎが十分大きい必要がある。 Therefore, in order to propagate the SPP, rather than the frequency omega in the wavelength range of light to be used, such conditions the plasma frequency omega p is higher is required. As can be seen from the equation (2), the plasma frequency ω p depends on the electron density n. In other words, than the frequency omega in an object (wish to use) wavelength region, so that the plasma frequency omega p is increased, the electron density n of the negative dielectric needs sufficiently large.

例えば、ＳＰＰを利用して、金属などの負誘電体から構成された導波路構造により、低次元光波をナノ領域で伝搬させることが可能である。特に、１組以上の負誘電体と誘電体を組み合わせた例として、ある金属を誘電率の異なる金属で挟んで接合した構造が提案されている（特開２００６−１９０４４６号公報）。この構造は、金属の接合方向に沿って伝搬したＳＰＰが誘電率の異なる金属との境界で反射されて干渉することにより、電場強度が増強することが特徴である。これらの導波路構造は、回折限界による波長オーダーの光分布の影響を受けないことを利用した高感度、高精細な光センシング、素子の大幅な小型化、負誘電体による電場増強効果を利用した局所高強度光の生成等を目的として使用されるが、波長変換を目的としたものではない。また、金属のみを用いた場合は、その金属材料によって電子密度、すなわちプラズマ周波数ωｐが決まっているため、材料によってＳＰＰを伝搬させることができる周波数域が決まり、波長変換には適さない。仮に、複数の周波数帯域でＳＰＰを伝搬させることを目的として、さらに多種類の金属材料を組み合わせたとしても、プラズマ周波数は、金属材料の電子密度に応じて離散的な値しかとることができず、かつ、素子の構成が複雑になる。これに対し、本発明の電磁波波長変換素子は、半導体材料を用いる。半導体材料は、金属材料と異なり、電子密度を変化させることができるため、簡単な構成で、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域に、前記電磁波入射領域側から前記電磁波出射領域側に向かって変化する電子密度を持たせることができる。例えば、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域に、連続的な電子密度勾配を持たせることも可能である。このように、半導体材料を用いて電子密度を変化させるという本発明の技術的思想は、特開２００６−１９０４４６号公報等には開示されておらず、これらの発明の技術的思想の延長上にはないため、本発明は、これらの発明から当業者が想到することは困難である。 For example, using a SPP, a low-dimensional light wave can be propagated in the nano region by a waveguide structure composed of a negative dielectric such as metal. In particular, as an example in which one or more sets of negative dielectrics and dielectrics are combined, a structure in which a certain metal is sandwiched between metals having different dielectric constants has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-190446). This structure is characterized in that the electric field strength is enhanced by the SPP propagating along the metal joining direction being reflected and interfered with the metal having a different dielectric constant. These waveguide structures utilize high sensitivity, high-definition optical sensing utilizing the fact that they are not affected by light distribution in the wavelength order due to the diffraction limit, significant downsizing of the device, and electric field enhancement effect due to negative dielectrics. Although it is used for the purpose of generating local high-intensity light, it is not intended for wavelength conversion. Further, when only metal is used, the electron density, that is, the plasma frequency ω p is determined by the metal material, and therefore the frequency range in which the SPP can be propagated is determined by the material and is not suitable for wavelength conversion. Even if various kinds of metal materials are combined for the purpose of propagating SPP in a plurality of frequency bands, the plasma frequency can take only discrete values according to the electron density of the metal material. And the structure of an element becomes complicated. On the other hand, the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention uses a semiconductor material. Since the semiconductor material can change the electron density unlike the metal material, the electron changing in the surface plasmon polariton frequency modulation region from the electromagnetic wave incident region side to the electromagnetic wave emitting region side with a simple configuration. Can have a density. For example, the surface plasmon polariton frequency modulation region can have a continuous electron density gradient. Thus, the technical idea of the present invention that changes the electron density using a semiconductor material is not disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-190446, etc., and is an extension of the technical idea of these inventions. Therefore, it is difficult for those skilled in the art to conceive the present invention from these inventions.

一方、前記数式（２）は、特定の物質だけではなく、半導体中のフリーキャリアに対しても成り立つ。すなわち、半導体中のフリーキャリア密度を、前記所定の条件を満たすように増大させて、使用する波長域に対して負誘電体として振舞わせることで、半導体と誘電体との界面にＳＰＰを伝搬させることができる。このようにしてＳＰＰを伝搬させる方法としては、例えば、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、高電子移動度トランジスタ）構造に類似した、高濃度ｎ型半導体と真性半導体層のヘテロ界面の２次元電子ガスによる方法（ＷＯ２００６／０３０６０８）がある。また、ｎ型半導体層上にｐ型半導体層および絶縁層を前記順序で積層させ、前記ｐ型半導体層と絶縁層との界面の反転分布層を利用する方法（特開２００６−３４３４１０号公報）等もある。しかし、金属ではなく、半導体でフリーキャリア密度を増大させて負誘電体として（金属的に）振舞わせる目的は、前者においては、非放射プラズモン波から放射電磁波への変換効率の向上であり、後者においては、表面プラズモンポラリトンの伝搬損失低減である。すなわち、いずれの技術も、波長変換を目的としたものではない。また、前記各公報には、電磁波入射領域側から電磁波出射領域側に向かって電子密度を変化させることは記載されていない。このように、半導体の電子密度の変化を波長変換目的で利用するという技術的思想は、前記各公報には記載も示唆もなく、本発明者らが初めて見出したことである。   On the other hand, the formula (2) is valid not only for a specific substance but also for free carriers in a semiconductor. That is, the free carrier density in the semiconductor is increased so as to satisfy the predetermined condition, and the SPP is propagated to the interface between the semiconductor and the dielectric by causing it to behave as a negative dielectric for the wavelength range to be used. be able to. As a method for propagating the SPP in this way, for example, by using a two-dimensional electron gas at the heterointerface between a high-concentration n-type semiconductor and an intrinsic semiconductor layer, which is similar to a HEMT (High Electron Mobility Transistor, high electron mobility transistor) structure. There is a method (WO 2006/030608). Also, a method in which a p-type semiconductor layer and an insulating layer are stacked in the above order on an n-type semiconductor layer, and an inversion distribution layer at the interface between the p-type semiconductor layer and the insulating layer is used (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-343410) Etc. However, the purpose of increasing the free carrier density in a semiconductor, not a metal, to behave as a negative dielectric (metallic) is to improve the conversion efficiency from non-radiative plasmon waves to radiated electromagnetic waves in the former, and the latter Is a reduction in propagation loss of surface plasmon polaritons. That is, none of the techniques is intended for wavelength conversion. Further, the publications do not describe changing the electron density from the electromagnetic wave incident region side toward the electromagnetic wave emitting region side. As described above, the technical idea of utilizing the change in the electron density of the semiconductor for the purpose of wavelength conversion was found by the present inventors for the first time without any description or suggestion in each of the above publications.

なお、本実施形態の電磁波波長変換素子（図１（ａ））は、前述のように、電子蓄積層内において、正誘電体との界面を表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）が伝搬する。ここで、前記正誘電体は、前記ＳＰＰを前記正誘電体内に伝搬して拡散させない性質を持っていれば良く、電気的絶縁体でなくても良い。前記数式（２）を用いて説明したとおり、前記ＳＰＰに対し、正誘電体であるか負誘電体であるかは、前記ＳＰＰの周波数に依存する。本実施形態の電磁波波長変換素子では、伝搬しようとする周波数のＳＰＰに対し、前記電子蓄積層が負誘電体であるように、前記電子蓄積層の電子密度を適切に選択し、かつ、前記正誘電体を適切に選択すれば良い。   In the electromagnetic wave wavelength conversion element (FIG. 1A) of this embodiment, surface plasmon polariton (SPP) propagates through the interface with the positive dielectric in the electron storage layer as described above. Here, the positive dielectric need only have a property that the SPP does not propagate and diffuse in the positive dielectric, and may not be an electrical insulator. As described using Equation (2), whether the SPP is a positive dielectric or a negative dielectric depends on the frequency of the SPP. In the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present embodiment, the electron density of the electron storage layer is appropriately selected so that the electron storage layer is a negative dielectric with respect to the SPP having the frequency to be propagated, and the positive An appropriate dielectric may be selected.

ＳＰＰの周波数と波数の関係を決める分散関係は、誘電関数ε（ω）の負誘電体と誘電率εｍの誘電体の２次元界面においては、下記数式（３）で表される。 Dispersion relation for determining the relationship between the frequency and the wave number of the SPP, in the two-dimensional surface of the negative dielectric and the dielectric constant epsilon m of the dielectric of the dielectric function epsilon (omega), is expressed by the following equation (3).

ｋｓｐ（ω）＝ω／ｃ×εｍ １／２×（ω２−ωｐ ２／（（εｍ＋１）ω２−ωｐ ２））１／２ （３） k sp (ω) = ω / c × ε m 1/2 × (ω 2 −ω p 2 / ((ε m +1) ω 2 −ω p 2 )) 1/2 (3)

前記数式（２）で説明したとおり、プラズマ周波数ωｐは、負誘電体の電子密度ｎによって一意に決まる。したがって、前記負誘電体の電子密度ｎが決まると、前記数式（２）によってプラズマ周波数ωｐが決まり、誘電率εｍの前記正誘電体との界面のＳＰＰの分散関係は、前記数式（３）のように決まる。すなわち、前記数式（３）の分散関係は、本波長変換素子を構成する前記正誘電体が決まれば、前記負誘電体の電子密度ｎによって一意に決まり、異なる電子密度ｎに対しては異なる分散関係を与えることになる。また、特定の１組の負誘電体と正誘電体の組み合わせによれば、前記負誘電体と前記正誘電体との界面では、ＳＰＰの波数の伝搬方向成分が保存する。したがって、前記数式（３）によれば、前記特定の１組の負誘電体と正誘電体の組み合わせにおいては、ＳＰＰが一定の周波数で伝搬する。 As described in Equation (2), the plasma frequency ω p is uniquely determined by the electron density n of the negative dielectric. Accordingly, when the electron density n of the negative dielectric is determined, the plasma frequency ω p is determined by the mathematical formula (2), and the dispersion relation of the SPP at the interface with the positive dielectric having the dielectric constant ε m is expressed by the mathematical formula (3). ). In other words, the dispersion relation of the mathematical formula (3) is uniquely determined by the electron density n of the negative dielectric when the positive dielectric constituting the wavelength conversion element is determined, and is different for different electron densities n. Will give a relationship. In addition, according to a specific combination of a negative dielectric and a positive dielectric, the propagation direction component of the wave number of the SPP is preserved at the interface between the negative dielectric and the positive dielectric. Therefore, according to the equation (3), in the specific combination of negative dielectric and positive dielectric, the SPP propagates at a constant frequency.

図４のグラフに、ＳＰＰの分散関係および通常の伝搬光の分散関係を例示する。同図において、ＳＰＰの分散関係は、絶縁部（例えばＳｉＯ２層：εｍ＝４．１）との界面に形成された電子蓄積層内をＳＰＰが伝搬する場合を想定している。図中、横軸は、波数（ｃｍ−１）であり、縦軸は、角振動数（Ｈｚ）である。３０１は、通常の伝搬光の分散関係を示す直線である。分散直線３０１により示される前記伝搬光は、入射光（入射伝搬光）２０２の、光伝搬方向成分２０３に対応する。３０４は、電子密度ｎが、ｎ＝１×１０２１ｃｍ−３である電子蓄積層におけるＳＰＰの分散関係を示す曲線である。３０６は、電子密度ｎが、ｎ＝２×１０２２ｃｍ−３である電子蓄積層におけるＳＰＰの分散関係を示す曲線である。図示のとおり、誘電率εｍの前記正誘電体との界面のＳＰＰの分散関係は、電子密度ｎによって一意に決まる。前記数式（２）を用いて説明したとおり、プラズマ周波数ωｐが電子密度ｎによって一意に決まるためである。図４から、一定の電子密度を有する電子蓄積層中をＳＰＰが一定の波数ｋｓｐで伝搬する場合、前記ＳＰＰの周波数（角振動数）は一定となることが分かる。これはすなわち、前記電子蓄積層の電子密度を変化させることで、前記電子蓄積層（誘電体と負誘電体との界面）での波数の伝搬方向成分を保存しながら、周波数を変えられることを意味する。例えば、前記電子蓄積層の電子密度勾配を連続的とすることで、前記周波数を連続的に変えることができる。従来は、ＳＰＰ伝搬領域の電子密度に、勾配（特に、連続的な勾配）を形成できる構造は存在しなかった。そのような構造、および前記構造を用いて周波数を（特に、連続的に）変えることができることは、本発明者らが初めて見出した。 The graph of FIG. 4 illustrates the SPP dispersion relation and the normal propagation light dispersion relation. In the figure, the dispersion relation of SPP assumes the case where SPP propagates in the electron storage layer formed at the interface with the insulating portion (for example, SiO 2 layer: ε m = 4.1). In the figure, the horizontal axis is the wave number (cm −1 ), and the vertical axis is the angular frequency (Hz). Reference numeral 301 denotes a straight line indicating the dispersion relation of normal propagation light. The propagation light indicated by the dispersion straight line 301 corresponds to the light propagation direction component 203 of the incident light (incident propagation light) 202. 304 is a curve showing the dispersion relationship of SPP in the electron storage layer where the electron density n is n = 1 × 10 21 cm −3 . Reference numeral 306 denotes a curve showing the dispersion relation of SPP in the electron storage layer where the electron density n is n = 2 × 10 22 cm −3 . As shown in the figure, the SPP dispersion relationship at the interface with the positive dielectric having a dielectric constant ε m is uniquely determined by the electron density n. This is because the plasma frequency ω p is uniquely determined by the electron density n as described using the mathematical formula (2). From Figure 4, in which the electronic storage layer having a constant electron density SPP propagates at a constant wave number k sp, the frequency of the SPP (angular frequency) it can be seen that a constant. That is, by changing the electron density of the electron storage layer, the frequency can be changed while preserving the propagation direction component of the wave number in the electron storage layer (interface between the dielectric and the negative dielectric). means. For example, the frequency can be changed continuously by making the electron density gradient of the electron storage layer continuous. Conventionally, there has been no structure capable of forming a gradient (particularly a continuous gradient) in the electron density in the SPP propagation region. The present inventors have found for the first time that such a structure and the frequency can be changed (especially continuously) using the structure.

また、伝搬光でＳＰＰを励起するためには、伝搬光の位相速度とＳＰＰの位相速度が一致する必要がある。ｘ方向の波数をｋｘとすると、ｘ方向の位相速度は、ω／ｋｘで与えられる。したがって、伝搬光とＳＰＰとの位相速度が一致するためには、伝搬光の分散曲線とＳＰＰの分散曲線とが交点をもつ必要がある。しかしながら、図４に示すとおり、通常の伝搬光の分散直線３０１は、ＳＰＰの分散曲線と交点を有しない。したがって、単に電子蓄積層（負誘電体）と正誘電体との界面に光を入射しても、その入射光によりＳＰＰを励起する（入射光をＳＰＰに変換する）ことはできない。したがって、本発明の第２の電磁波波長変換素子においては、前述の通り、前記積層構造の光入射側に、エバネッセント波変換手段および表面プラズモンポラリトン変換手段が形成されている。前記エバネッセント波変換手段および前記表面プラズモンポラリトン変換手段により、入射電磁波（入射伝搬波）を表面プラズモンポラリトンに変換することが可能である。 Further, in order to excite the SPP with the propagating light, the phase velocity of the propagating light needs to match the phase velocity of the SPP. If the wave number in the x direction is k x , the phase velocity in the x direction is given by ω / k x . Therefore, in order for the phase velocities of the propagating light and the SPP to coincide with each other, it is necessary for the dispersion curve of the propagating light and the dispersion curve of the SPP to have an intersection. However, as shown in FIG. 4, the normal propagation light dispersion straight line 301 has no intersection with the SPP dispersion curve. Therefore, even if light is simply incident on the interface between the electron storage layer (negative dielectric) and the positive dielectric, the SPP cannot be excited by the incident light (the incident light is converted into SPP). Therefore, in the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, as described above, the evanescent wave conversion means and the surface plasmon polariton conversion means are formed on the light incident side of the laminated structure. Incident electromagnetic waves (incident propagation waves) can be converted into surface plasmon polaritons by the evanescent wave converting means and the surface plasmon polariton converting means.

図１（ａ）の電磁波波長変換素子において、第１の凹凸繰り返し構造４０１では、入射した光が、回折によりエバネッセント光を生じさせることを利用して、そのエバネッセント光により、前記電子蓄積層においてＳＰＰを励起することができる。すなわち、前記第１の繰り返し構造では、入射光をエバネッセント光に変換し、そのエバネッセント光によりＳＰＰを励起することで、前記入射光をＳＰＰに変換することができる。例えば、周期ａの１次元周期構造を有する第１の凹凸繰り返し構造４０１に、波数ベクトルｋｉ、入射角θａで入射光（入射伝搬光）２０２が入射し、波数ベクトルｋａｘのエバネッセント光２０４が生じたとすると、その波数は、入射光２０２のｘ方向（伝搬方向）成分２０３の波数ベクトルｋｉｘと、周期構造に対応する逆格子ベクトルｇａの和になり、下記数式（４）で表される。ただし、式中のｍは、回折の次数を表す整数である。ここで、電子蓄積層２０１におけるプラズマ振動数が入射光の振動数と一致したとき、エバネッセント光２０４によって前記電子蓄積層２０１と正誘電体層２０９の界面に表面プラズモンポラリトンが励起される。このとき、波数の伝搬方向に沿った成分の保存則により下記数式（５）が満たされる。ここで、ｋｂｘは、周期ｂの１次元周期構造を有する第２の凹凸繰り返し構造４０２に生じたエバネッセント光２０６の波数である。前記波数ｋｂｘのエバネッセント光２０６は、周期ｂの１次元周期構造を有する第２の凹凸繰り返し構造４０２によって周期構造に対応する逆格子ベクトルｇｂの分だけ減少した波数ｋｏｘを有するｘ方向の伝搬光２０７になり、下記数式（６）で表される。最終的に、角度θｂ方向に出射される出射光２０８の波数成分は、下記数式（７）で示したｋｏとなる。この式より、出射される波数は、入出射角θａおよびθｂと、周期構造の周期ａおよびｂで決まる値に変化することがわかる。伝搬光においては、振動数は波数に比例するので、振動数すなわち波長が変化したことになる。 In the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. 1A, in the first concavo-convex repetitive structure 401, the incident light generates evanescent light by diffraction, and the evanescent light causes SPP in the electron storage layer. Can be excited. That is, in the first repetitive structure, the incident light can be converted into SPP by converting the incident light into evanescent light and exciting the SPP with the evanescent light. For example, incident light (incident propagation light) 202 is incident on the first concavo-convex repeating structure 401 having a one-dimensional periodic structure of period a at a wave number vector k i and an incident angle θ a , and evanescent light 204 having the wave number vector k ax. Table When generated, the wave number is in the x direction of the incident light 202 and the wave vector k ix of (propagation direction) component 203, the sum of the reciprocal lattice g a corresponding to the periodic structure, the following equation (4) Is done. However, m in a formula is an integer showing the order of diffraction. Here, when the plasma frequency in the electron storage layer 201 coincides with the frequency of incident light, surface plasmon polaritons are excited by the evanescent light 204 at the interface between the electron storage layer 201 and the positive dielectric layer 209. At this time, the following mathematical formula (5) is satisfied by the conservation law of the components along the propagation direction of the wave number. Here, k bx is the wave number of the evanescent light 206 generated in the second uneven repeating structure 402 having a one-dimensional periodic structure with a period b. The evanescent light 206 having the wave number k bx has a wave number k ox having a wave number k ox reduced by the reciprocal lattice vector g b corresponding to the periodic structure by the second concavo-convex repeating structure 402 having a one-dimensional periodic structure having a period b. It becomes the propagation light 207 and is expressed by the following mathematical formula (6). Finally, the wave number component of the emitted light 208 emitted at an angle theta b direction is the k o shown by the following equation (7). From this equation, it can be seen that the wave number emitted changes to a value determined by the incident and outgoing angles θ a and θ b and the periods a and b of the periodic structure. In propagating light, the vibration frequency is proportional to the wave number, so that the vibration frequency, that is, the wavelength has changed.

ｋａｘ＝ｋiｘ＋ｇａ＝ω／ｃ×εｍ １／２×ｓiｎθａ＋２πｍ／a （４）
ｋａｘ＝ｋｓｐ＝ｋｂｘ （５）
ｋｏｘ＝ｋｂｘ−ｇｂ＝ω／ｃ×εｍ １／２×ｓiｎθａ＋２πｍ／a−２πｍ／ｂ（６）
ｋｏ＝ｋｏｘ／ｓｉｎθｂ
＝ω／ｃ×εｍ １／２×ｓiｎθａ／ｓｉｎθｂ＋２πｍ（１／a−１／ｂ）／ｓｉｎθｂ （７） k ax = k ix + g a = ω / c × ε m 1/2 × sin θ a + 2πm / a (4)
k ax = k sp = k bx (5)
k ox = k bx −g b = ω / c × ε m 1/2 × sin θ a + 2πm / a−2πm / b (6)
k o = k ox / sin θ b
= Ω / c × ε m 1/2 × sin θ a / sin θ b + 2πm (1 / a−1 / b) / sin θb (7)

前記数式（５）のようにｋａｘ＝ｋｓｐ＝ｋｂｘが満たされることにより、すなわちエバネッセント光の分散曲線とＳＰＰの分散曲線が交点をもてば、エバネッセント光とＳＰＰとで相互に変換がおこなわれる。すなわち、本発明の電磁波波長変換素子において、前記光入射側から前記光出射側への方向をｘ方向とした場合に、ｋａｘ＝ｋｓｐ＝ｋｂｘであれば、前記表面プラズモンポラリトン変換構造において、入射光をＳＰＰに変換し、前記光出射側に向けて伝搬できる。 When k ax = k sp = k bx is satisfied as shown in the equation (5), that is, if the dispersion curve of the evanescent light and the dispersion curve of the SPP have an intersection, the evanescent light and the SPP are mutually converted. It is carried out. That is, in the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, in the surface plasmon polariton conversion structure, if the direction from the light incident side to the light emitting side is the x direction, and k ax = k sp = k bx The incident light can be converted into SPP and propagated toward the light exit side.

なお、前記数式（４）〜（７）においては、周期ａの周期構造を考えたが、周期ａの値は一定でなくても良い。すなわち、前記第１の凹凸繰り返し構造においては、前記半導体と異種半導体または半導体と絶縁体とから形成された誘電率の符号が異なる部分が交互に配置されて形成された凹凸の寸法および配置間隔（周期）は、一定であっても良いが、一定でなくても良い。例えば、前記第１の凹凸繰り返し構造は、設計したパターンを転写して作製したか、または、表面粗さや自己集合といった現象により形成されたランダムな表面凹凸（ラフネス）であってもエバネッセント波が発生し得る。図１（ｂ）の上面図は、第１の凹凸繰り返し構造４０１の一例を示している。同図においては、前記のとおり、電子蓄積層２０１が形成する凹凸の寸法および配置間隔（周期）が一定である。また、図１（ｃ）の上面図は、図１（ａ）および（ｂ）の電磁波波長変換素子の変形例である。同図は、第１の凹凸繰り返し構造４０１における凹凸の寸法および配置間隔（周期）が不規則（ランダム）である場合を示す。図１（ｂ）と同様、正誘電体層２０９は省略して示している。前記ランダムな表面凹凸は、多数の周期の重ね合わせであるため、エバネッセント光２０４の波数ｋａｘは、単一ではなく、広がりを持つことになる。この場合において、本発明の電磁波波長変換素子が、前記第１の凹凸繰り返し構造（表面プラズモンポラリトン変換構造）に電圧を印加する第１の電極を有することが好ましい。前記第１の電極の電圧を調整することにより、前記エバネッセント光の中から、目的のＳＰＰと整合する波数のエバネッセント光を任意に選ぶことができる。これを利用すれば、任意の波長の入射光から任意の波長の出射光への変換も可能となる。また、第２の凹凸繰り返し構造４０２も、第１の凹凸繰り返し構造４０１と同様、例えば、図１（ｂ）のように凹凸の寸法および配置間隔（周期）が一定であっても良いし、図１（ｃ）のように凹凸の寸法および配置間隔（周期）が不規則（ランダム）であっても良い。 In the mathematical formulas (4) to (7), the periodic structure of the period a is considered, but the value of the period a may not be constant. That is, in the first concavo-convex repeating structure, the concavo-convex dimensions and arrangement intervals formed by alternately arranging portions having different dielectric constant signs formed from the semiconductor and the heterogeneous semiconductor or the semiconductor and the insulator ( The period) may be constant, but may not be constant. For example, the first concavo-convex repetitive structure is produced by transferring a designed pattern, or evanescent waves are generated even if the surface ruggedness (roughness) is formed by a phenomenon such as surface roughness or self-assembly. Can do. The top view of FIG. 1B illustrates an example of the first uneven repeating structure 401. In the figure, as described above, the size and arrangement interval (period) of the unevenness formed by the electron storage layer 201 are constant. Moreover, the top view of FIG.1 (c) is a modification of the electromagnetic wave wavelength conversion element of Fig.1 (a) and (b). The figure shows a case where the size and arrangement interval (period) of the irregularities in the first irregularity repeating structure 401 are irregular (random). As in FIG. 1B, the positive dielectric layer 209 is omitted. Since the random surface unevenness is an overlap of a large number of periods, the wave number k ax of the evanescent light 204 is not single but has a spread. In this case, it is preferable that the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention has a first electrode for applying a voltage to the first uneven repeating structure (surface plasmon polariton conversion structure). By adjusting the voltage of the first electrode, it is possible to arbitrarily select evanescent light having a wave number matching the target SPP from the evanescent light. By utilizing this, it is possible to convert incident light having an arbitrary wavelength to outgoing light having an arbitrary wavelength. In addition, similarly to the first concavo-convex repeating structure 401, the second concavo-convex repeating structure 402 may have a constant concavo-convex dimension and arrangement interval (period) as shown in FIG. As in 1 (c), the size of the unevenness and the arrangement interval (period) may be irregular (random).

なお、第１の凹凸繰り返し構造４０１が、図１（ｂ）に示す構造の場合、入射光（入射伝搬光）２０２は、例えば、前記のとおり、回折により、エバネッセント光２０４に変換される。第１の凹凸繰り返し構造４０１が、図１（ｃ）に示す構造の場合、入射光（入射伝搬光）２０２は、例えば、散乱により、または散乱および回折により、エバネッセント光２０４に変換されると考えられる。第２の凹凸繰り返し構造４０２が、図１（ｂ）に示す構造の場合、エバネッセント光２０６は、例えば、回折により、出射光（出射伝搬光）２０８に変換される。第２の凹凸繰り返し構造４０２が、図１（ｃ）に示す構造の場合、エバネッセント光２０６は、例えば、散乱により、または散乱および回折により、出射光（出射伝搬光）２０８に変換されると考えられる。ただし、これらは、可能な機構の例示である。第１の凹凸繰り返し構造４０１における入射光（入射伝搬光）２０２からエバネッセント光２０４への変換機構、および、第２の凹凸繰り返し構造４０２におけるエバネッセント光２０６から出射光（出射伝搬光）２０８への変換機構は、前記の例示に限定されない。   In addition, when the 1st uneven | corrugated repeating structure 401 is a structure shown in FIG.1 (b), incident light (incident propagation light) 202 is converted into the evanescent light 204 by diffraction as mentioned above, for example. In the case where the first uneven repeating structure 401 has the structure shown in FIG. 1C, it is considered that the incident light (incident propagation light) 202 is converted into evanescent light 204 by, for example, scattering or by scattering and diffraction. It is done. When the second uneven repeating structure 402 has the structure shown in FIG. 1B, the evanescent light 206 is converted into outgoing light (outgoing propagation light) 208 by diffraction, for example. When the second concave-convex repeating structure 402 has the structure shown in FIG. 1C, the evanescent light 206 is considered to be converted into outgoing light (outgoing propagation light) 208 by, for example, scattering or by scattering and diffraction. It is done. However, these are examples of possible mechanisms. Conversion mechanism from incident light (incident propagation light) 202 to evanescent light 204 in the first uneven repeating structure 401, and conversion from evanescent light 206 to outgoing light (outgoing propagation light) 208 in the second uneven repeating structure 402 The mechanism is not limited to the above example.

なお、電子蓄積層２０１は、例えば、電極による電圧印加で、電子密度または光入射側から光出射側への電子密度勾配を変化させてもよい。この電極の作用効果においては、後の実施形態において詳しく述べる。前記のとおり、図１（ａ）の電磁波波長変換素子は、前記本発明の第２の電磁波波長変換素子の一例であるが、前記本発明の第１の電磁波波長変換素子も、動作原理および波長変換原理は同様である。   Note that the electron storage layer 201 may change the electron density or the electron density gradient from the light incident side to the light emitting side, for example, by applying a voltage from an electrode. The effect of this electrode will be described in detail in a later embodiment. As described above, the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. 1A is an example of the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, but the first electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention also has an operating principle and wavelength. The conversion principle is the same.

また、図２（ａ）に、図１（ａ）の電磁波波長変換素子の変形例を示す。図示のとおり、この電磁波波長変換素子は、第１の凹凸繰り返し構造４０１および第２の凹凸繰り返し構造４０２の凹部において、電子蓄積層２０１が存在せず、正誘電体層２０９が、基板１１０に接触している。すなわち、第１の凹凸繰り返し構造４０１および第２の凹凸繰り返し構造４０２においては、電子蓄積層２０１が連続しておらず、光入射側から光出射側に向かって断続的に配置されている。これ以外は、図２（ａ）の電磁波波長変換素子は、図１（ａ）の電磁波波長変換素子と同様である。なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）における第１の凹凸繰り返し構造４０１の上面図（正誘電体層２０９は省略）であり、凹部に電子蓄積層２０１が存在しない以外は、図１（ｂ）と同様である。図２（ｃ）は、図２（ａ）における第１の凹凸繰り返し構造４０１の上面図（正誘電体層２０９は省略）の変形例（凹凸の周期がランダムな例）であり、凹部に電子蓄積層２０１が存在しない以外は、図１（ｃ）と同様である。   FIG. 2A shows a modification of the electromagnetic wave wavelength conversion element shown in FIG. As shown in the figure, this electromagnetic wave wavelength conversion element has no electron storage layer 201 in the concave portions of the first concave / convex repeating structure 401 and the second concave / convex repeating structure 402, and the positive dielectric layer 209 contacts the substrate 110. is doing. That is, in the first concavo-convex repeating structure 401 and the second concavo-convex repeating structure 402, the electron storage layer 201 is not continuous and is intermittently arranged from the light incident side toward the light emitting side. Except this, the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. 2A is the same as the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. 2B is a top view of the first concavo-convex repeating structure 401 in FIG. 2A (the positive dielectric layer 209 is omitted), except that the electron storage layer 201 does not exist in the recess. It is the same as 1 (b). FIG. 2C is a modification of the top view (the positive dielectric layer 209 is omitted) of the first concavo-convex repeating structure 401 in FIG. Except for the absence of the storage layer 201, the process is the same as in FIG.

本発明の電磁波波長変換素子において、前記エバネッセント波変換手段または前記第１の凹凸繰り返し構造は、電子蓄積層（自由電荷を有する表面）を有さず、ＳＰＰが伝搬しない構造であっても良い。このような構造であっても、前記エバネッセント波変換手段または前記第１の凹凸繰り返し構造により生じたエバネッセント波が、表面プラズモンポラリトン変換手段まで到達すれば、前記エバネッセント波を表面プラズモンポラリトンに変換することができる。例えば、図２（ｂ）において、第１の凹凸繰り返し構造（エバネッセント光変換手段）４０１が電子蓄積層を有さず、エバネッセント光２０４が、周波数変調手段４１０まで伝搬されて、そこで表面プラズモンポラリトンに変換されても良い。この場合、第１の凹凸繰り返し構造４０１がエバネッセント波変換手段であり、４１０が、表面プラズモンポラリトン変換手段と周波数変調手段を兼ねることとなる。本発明の電磁波波長変換素子は、図１（ａ）または図２（ａ）のように、前記エバネッセント波変換手段または前記第１の凹凸繰り返し構造が電子蓄積層（自由電荷を有する表面）を有し、ＳＰＰが伝搬する構造であることが好ましい。このような構造であると、前記エバネッセント波をその場でＳＰＰに変換し、ＳＰＰに結合させて効率よく伝搬させることができるため、入射光からＳＰＰへの変換効率が良くて好ましい。第１の凹凸繰り返し構造（エバネッセント波変換手段）４０１は、図２（ａ）のように電子蓄積層が断続的な構造よりも、図１（ａ）のように電子蓄積層が連続的な構造の方が、ＳＰＰの伝搬効率がより良いため、さらに好ましい。   In the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the evanescent wave converting means or the first uneven repeating structure may not have an electron storage layer (a surface having a free charge) and a structure in which SPP does not propagate. Even in such a structure, if the evanescent wave generated by the evanescent wave converting means or the first concavo-convex repeating structure reaches the surface plasmon polariton converting means, the evanescent wave is converted into a surface plasmon polariton. Can do. For example, in FIG. 2B, the first concavo-convex repeating structure (evanescent light converting means) 401 does not have an electron storage layer, and the evanescent light 204 is propagated to the frequency modulating means 410, where it is converted into surface plasmon polaritons. It may be converted. In this case, the first concavo-convex repeating structure 401 is the evanescent wave converting means, and 410 serves as the surface plasmon polariton converting means and the frequency modulating means. In the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, as shown in FIG. 1 (a) or FIG. 2 (a), the evanescent wave conversion means or the first concavo-convex repeating structure has an electron storage layer (a surface having a free charge). It is preferable that the SPP propagates. Such a structure is preferable because the evanescent wave can be converted into SPP on the spot, and can be efficiently propagated by being coupled to SPP. Therefore, the conversion efficiency from incident light to SPP is good. The first concave-convex repeating structure (evanescent wave converting means) 401 has a structure in which the electron storage layer is continuous as shown in FIG. 1A rather than the structure in which the electron storage layer is intermittent as shown in FIG. Is more preferable because the propagation efficiency of SPP is better.

本発明の前記第２の電磁波波長変換素子において、前記出射電磁波変換手段または前記第２の凹凸繰り返し構造は、電子蓄積層（自由電荷を有する表面）を有さず、ＳＰＰが伝搬しない構造であっても良い。ただし、例えば図１（ａ）または図２（ａ）のように、前記出射電磁波変換手段または前記第２の凹凸繰り返し構造が電子蓄積層（自由電荷を有する表面）を有し、ＳＰＰが伝搬する構造であることが好ましい。このような構造であると、前記ＳＰＰに結合したエバネッセント波を効率よく伝搬させることができるため、ＳＰＰから出射光への変換効率が良くて好ましい。第２の凹凸繰り返し構造（出射電磁波変換手段）４０２は、図２（ａ）のように電子蓄積層が断続的な構造よりも、図１（ａ）のように電子蓄積層が連続的な構造の方が、ＳＰＰの伝搬効率がより良いため、さらに好ましい。また、本発明の電磁波波長変換素子において、前記出射電磁波変換手段または前記第２の凹凸繰り返し構造がなくても良いが、前記出射電磁波変換手段または前記第２の凹凸繰り返し構造により、波数変換することが好ましい。また、ＳＰＰは、ＳＰＰのままでも、少なくとも一部を、素子端などから出射電磁波として出射させることができるが、ＳＰＰをエバネッセント波に変換してから出射電磁波に変換させるほうが、変換効率が良くて好ましい。   In the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the outgoing electromagnetic wave conversion means or the second concave-convex repeating structure does not have an electron storage layer (a surface having a free charge) and does not propagate SPP. May be. However, for example, as shown in FIG. 1A or FIG. 2A, the outgoing electromagnetic wave conversion means or the second concavo-convex repeating structure has an electron storage layer (a surface having free charge), and the SPP propagates. A structure is preferred. Such a structure is preferable because the evanescent wave coupled to the SPP can be efficiently propagated, and the conversion efficiency from the SPP to the emitted light is good. The second concave-convex repeating structure (emitted electromagnetic wave conversion means) 402 has a structure in which the electron storage layer is continuous as shown in FIG. 1A rather than the structure in which the electron storage layer is intermittent as shown in FIG. Is more preferable because the propagation efficiency of SPP is better. Further, in the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the outgoing electromagnetic wave conversion means or the second concave / convex repeating structure may be omitted, but wave number conversion is performed by the outgoing electromagnetic wave conversion means or the second concave / convex repeating structure. Is preferred. In addition, even if the SPP remains as it is, at least a part of the SPP can be emitted as an outgoing electromagnetic wave from an element end or the like. However, converting the SPP into an evanescent wave and then converting it into the outgoing electromagnetic wave has better conversion efficiency. preferable.

なお、本発明の前記第１および第２の電磁波波長変換素子は、例えば、光入射側と光出射側とを逆にして使用可能であることが好ましい。例えば、図１（ａ）または図２（ａ）に示す電磁波波長変換素子は、光入射側と光出射側とを逆にして使用可能である。これにより、入射光と出射光の波長を逆にして、逆向きの波長変換をすることができる。この場合、図中の４０２が第１の凹凸繰り返し構造となり、エバネッセント波変換手段および表面プラズモンポラリトン変換手段を兼ねることとなる。また、図中の４０１が第２の凹凸繰り返し構造となり、出射電磁波変換手段の機能を有することとなる。以下の各実施形態に示す電磁波波長変換素子も、同様に、光入射側と光出射側とを逆にして使用可能である。   In addition, it is preferable that the said 1st and 2nd electromagnetic wave wavelength conversion element of this invention can be used by making the light-incidence side and the light-projection side reverse, for example. For example, the electromagnetic wave wavelength conversion element shown in FIG. 1 (a) or 2 (a) can be used with the light incident side and the light emitting side reversed. This makes it possible to reverse the wavelength conversion by reversing the wavelengths of incident light and outgoing light. In this case, the reference numeral 402 in the figure becomes the first concavo-convex repeating structure, which also serves as the evanescent wave conversion means and the surface plasmon polariton conversion means. In addition, 401 in the figure has a second concavo-convex repetitive structure, and has a function of outgoing electromagnetic wave conversion means. Similarly, the electromagnetic wave wavelength conversion elements shown in the following embodiments can be used with the light incident side and the light emitting side reversed.

［第２の実施形態］
次に、本発明の別の実施形態について説明する。 [Second Embodiment]
Next, another embodiment of the present invention will be described.

本発明の電磁波波長変換素子において、入射光（入射伝搬光）をエバネッセント光に変換し、さらにＳＰＰに変換するためには、例えば前記第１の実施形態のように、凹凸繰り返し構造を用いても良い。別の方法として、本実施形態（図５）のような電磁波波長変換素子を用いた、全反射減衰（Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＡＴＲ）がある。このような全反射減衰型の電磁波波長変換素子は、前記本発明の第２の電磁波波長変換素子の一例である。   In the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, in order to convert incident light (incident propagation light) into evanescent light and further into SPP, for example, as in the first embodiment, a concavo-convex repeating structure may be used. good. As another method, there is total reflection attenuation (ATR) using an electromagnetic wave wavelength conversion element as in this embodiment (FIG. 5). Such a total reflection attenuation type electromagnetic wave wavelength conversion element is an example of the second electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention.

本発明において、このような全反射減衰型の電磁波波長変換素子の構造としては、例えば、オットー（Ｏｔｔｏ）配置およびクレッチマン（Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ）配置が挙げられる。図５（ａ）の断面図に、オットー（Ｏｔｔｏ）配置の電磁波波長変換素子の構造の一例を示す。図示のとおり、この電磁波波長変換素子５１ａは、基板１１０の平面上に、電子蓄積層２０１、正誘電体層２０９、および電磁波透過部材２１０が、前記順序で積層されている。また、この電磁波波長変換素子５１ａは、光入射側の領域（電磁波入射領域）４０１と、光出射側の領域（電磁波出射領域）４０２において、電子蓄積層２０１と正誘電体層２０９との界面が、凹凸を有さず、平坦である。このことと、電磁波透過部材２１０を有すること以外は、この電磁波波長変換素子５１ａの構造は、図１（ａ）の電磁波波長変換素子１と同じである。この電磁波波長変換素子５１ａは、光入射側の領域４０１が、エバネッセント波変換手段と表面プラズモンポラリトン変換手段とを兼ねる。また、この電磁波波長変換素子５１ａは、光出射側の領域（電磁波出射領域）４０２において、ＳＰＰ２０５を、出射光（出射電磁波、または出射伝搬光とも言う）２０８（２０７）に変換して光出射部（素子端など）から出射させる。したがって、この電磁波波長変換素子５１ａにおいて、少なくとも前記光出射部（素子端など）が、出射電磁波変換手段に相当する。また、同図では、便宜上、電磁波波長変換素子５１ａを、光入射側の領域４０１と、周波数変調手段４１０と、光出射側の領域４０２とに分けて図示しているが、これらの境界は明確ではない。また、図５（ｂ）に、クレッチマン（Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ）配置の電磁波波長変換素子の構造の一例を示す。図示のとおり、この電磁波波長変換素子５１ｂの構造は、電子蓄積層２０１と正誘電体層２０９との積層順序が逆であること以外は、図５（ａ）の素子５１ａと同じである。図５（ａ）の素子５１ａおよび図５（ｂ）の素子５１ｂにおいて、基板１１０の材質は、特に制限されない。また、基板１１０は、なくても良い。電子蓄積層２０１および正誘電体層２０９の材質は、特に制限されず、例えば前記第１の実施形態と同様に、それぞれ、半導体、金属、絶縁体等から適宜選択可能である。電磁波透過部材２１０は、電磁波透過性材料（例えば、透光性材料）から形成されている。電磁波透過部材２１０は、特に制限されないが、例えば、プリズム等である。電磁波透過部材２１０の形成材料も特に制限されないが、例えば、ガラス等から形成される。電磁波透過部材２１０は、屈折率が正誘電体層２０９または電子蓄積層２０１より大きい方が好ましい。これは、電磁波透過部材２１０の屈折率が。その接する面の屈折率よりも小さいと、理論上、全反射とならないためである。また、全反射が起こる屈折率の条件を満たせるならば、電磁波透過部材２１０を設けずに、電子蓄積層２０１または正誘電体層２０９に直接光を入射させても良い。   In the present invention, examples of the structure of the total reflection attenuation type electromagnetic wave wavelength conversion element include an Otto arrangement and a Kretschmann arrangement. An example of the structure of an electromagnetic wave wavelength conversion element having an Otto arrangement is shown in the sectional view of FIG. As shown in the figure, in the electromagnetic wave wavelength conversion element 51a, an electron storage layer 201, a positive dielectric layer 209, and an electromagnetic wave transmission member 210 are laminated on the plane of the substrate 110 in the above order. The electromagnetic wave wavelength conversion element 51a has an interface between the electron storage layer 201 and the positive dielectric layer 209 in a light incident side region (electromagnetic wave incident region) 401 and a light output side region (electromagnetic wave output region) 402. It has no irregularities and is flat. Except for this and the electromagnetic wave transmission member 210, the structure of the electromagnetic wave wavelength conversion element 51a is the same as that of the electromagnetic wave wavelength conversion element 1 of FIG. In the electromagnetic wave wavelength conversion element 51a, the light incident side region 401 serves as both evanescent wave conversion means and surface plasmon polariton conversion means. In addition, the electromagnetic wave wavelength conversion element 51a converts the SPP 205 into outgoing light (also called outgoing electromagnetic wave or outgoing propagation light) 208 (207) in the light outgoing side region (electromagnetic wave outgoing region) 402 to obtain a light outgoing part. The light is emitted from the element end or the like. Therefore, in the electromagnetic wave wavelength conversion element 51a, at least the light emitting portion (element end or the like) corresponds to the emitted electromagnetic wave converting means. In the figure, for convenience, the electromagnetic wave wavelength conversion element 51a is divided into a light incident side region 401, a frequency modulation means 410, and a light emission side region 402, but these boundaries are clear. is not. FIG. 5B shows an example of the structure of an electromagnetic wave wavelength conversion element having a Kretschmann arrangement. As shown in the figure, the structure of the electromagnetic wave wavelength conversion element 51b is the same as the element 51a of FIG. 5A except that the stacking order of the electron storage layer 201 and the positive dielectric layer 209 is reversed. In the element 51a of FIG. 5A and the element 51b of FIG. 5B, the material of the substrate 110 is not particularly limited. Further, the substrate 110 may be omitted. The materials of the electron storage layer 201 and the positive dielectric layer 209 are not particularly limited, and can be appropriately selected from a semiconductor, a metal, an insulator, and the like, respectively, for example, as in the first embodiment. The electromagnetic wave transmission member 210 is made of an electromagnetic wave transmission material (for example, a light transmission material). The electromagnetic wave transmitting member 210 is not particularly limited, and is, for example, a prism. The material for forming the electromagnetic wave transmitting member 210 is not particularly limited, but is formed from, for example, glass. The electromagnetic wave transmitting member 210 preferably has a refractive index larger than that of the positive dielectric layer 209 or the electron storage layer 201. This is the refractive index of the electromagnetic wave transmitting member 210. This is because, if it is smaller than the refractive index of the contact surface, theoretically, total reflection is not achieved. Further, if the condition of the refractive index at which total reflection occurs can be satisfied, light may be directly incident on the electron storage layer 201 or the positive dielectric layer 209 without providing the electromagnetic wave transmitting member 210.

図５（ａ）の電磁波波長変換素子５１ａまたは図５（ｂ）の電磁波波長変換素子５１ｂにおいて、入射電磁波の入射角を全反射する臨界角θｃ以上とすると、誘電率εｐの光入射領域２１０の表面にエバネッセント光２０４が生じる。エバネッセント光２０４の波数ｋeｖは、入射光を角度θＡＴＲ（ただしθｃ＜θＡＴＲ＜９０°）で入射させると、下記数式（８）で表され、ｋeｖ＝ｋｓｐが満たされる角度で、正誘電体層２０９と電子蓄積層２０１との界面を伝搬するＳＰＰに変換される。また、ＳＰＰ２０５が出射光２０８（２０７）に変換される機構は、必ずしも明らかではない。例えば、ＳＰＰ２０５がエバネッセント光に変換されずに素子端などの光出射部に到達し、ＳＰＰ２０５に結合したエバネッセント光が前記光出射部から直接出射（放射）されることで、出射光２０８（２０７）に変換されると考えられる。これら以外は、本実施形態の電磁波波長変換素子５１ａまたは５１ｂによる波長変換機構は、前記第１の実施形態と同様である。また、例えば、電磁波出射領域に、前記第１の実施形態のような第２の凹凸繰り返し構造等を設けても良い。また、本発明の電磁波波長変換素子において、前述のとおり、前記電磁波透過性部材は、前記電磁波入射領域において前記半導体または前記正誘電体に接触するように配置される。ただし、前記電磁波透過性部材は、例えば、図５（ａ）または（ｂ）のように、前記電磁波入射領域以外にも設けられていても良い。

ｋeｖ＝ω／ｃ×εｐ １／２×ｓiｎθATR （８）
In the electromagnetic wavelength conversion element 51b in FIG. 5 electromagnetic wave of (a) converting element 51a or FIG. 5 (b), the When the critical angle theta c above for totally reflecting the incident angle of the incident electromagnetic wave, light input region of the dielectric constant epsilon p Evanescent light 204 is generated on the surface of 210. The wave number k ev of the evanescent light 204 is expressed by the following mathematical formula (8) when incident light is incident at an angle θ ATR (where θ c <θ ATR <90 °), and k ev = k sp The SPP is propagated through the interface between the positive dielectric layer 209 and the electron storage layer 201. Further, the mechanism by which the SPP 205 is converted into the outgoing light 208 (207) is not necessarily clear. For example, the SPP 205 reaches the light emitting portion such as the element end without being converted into the evanescent light, and the evanescent light coupled to the SPP 205 is directly emitted (radiated) from the light emitting portion, whereby the emitted light 208 (207). Is considered to be converted to Except for these, the wavelength conversion mechanism by the electromagnetic wave wavelength conversion element 51a or 51b of the present embodiment is the same as that of the first embodiment. In addition, for example, a second uneven repeating structure as in the first embodiment may be provided in the electromagnetic wave emission region. In the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, as described above, the electromagnetic wave transmitting member is disposed so as to contact the semiconductor or the positive dielectric in the electromagnetic wave incident region. However, the electromagnetic wave transmitting member may be provided other than the electromagnetic wave incident region, for example, as shown in FIG.

k ev = ω / c × ε p 1/2 × sin θ ATR (8)

図６のグラフに、ＳＰＰの分散関係、全反射によるエバネッセント光の分散関係および通常の伝搬光の分散関係を例示する。同図において、ＳＰＰの分散関係は、絶縁部（例えばＳｉＯ２層）との界面に形成された電子蓄積層内をＳＰＰが伝搬する場合を想定している。図中、横軸は、波数（ｃｍ−１）であり、縦軸は、角振動数（Ｈｚ）である。３０１は、通常の伝搬光の分散関係を示す直線である。３０４は、電子密度ｎが、ｎ＝１×１０２１ｃｍ−３である電子蓄積層におけるＳＰＰの分散関係を示す曲線である。３０６は、電子密度ｎが、ｎ＝２×１０２２ｃｍ−３である電子蓄積層におけるＳＰＰの分散関係を示す曲線である。例えば入射光の周波数がω１であったとすると、４０４は、角度θＡＴＲでのエバネッセント光の分散関係を示す直線である。この角度θＡＴＲは、電子密度ｎが、ｎ＝１×１０２１ｃｍ−３である電子蓄積層におけるＳＰＰの分散関係と交点を持つように設定する。４０６は、角度θＯＵＴでのエバネッセント光の分散関係を示す直線である。この角度θＯＵＴは、電子密度ｎが、ｎ＝２×１０２２ｃｍ−３である電子蓄積層におけるＳＰＰの分散関係と交点を持つように設定する。このとき出射光の周波数はω２となる。図４においても説明したとおり、ＳＰＰの分散関係は、用いる正誘電体が決まれば、電子密度ｎによって一意に決まる。前記数式（２）を用いて説明したとおり、プラズマ周波数ωｐが電子密度ｎによって一意に決まるためである。また、図４においても述べた通り、伝搬光とＳＰＰとの位相速度が一致するためには、伝搬光の分散曲線とＳＰＰの分散曲線とが交点をもつ必要がある。しかしながら、図４および図６に示すとおり、通常の伝搬光の分散直線３０１は、ＳＰＰの分散曲線と交点を有しない。したがって、単に電子蓄積層（負誘電体）と正誘電体との界面に光を入射しても、その入射光によりＳＰＰを励起する（入射光をＳＰＰに変換する）ことはできない。しかし、図６に示すように、全反射によるエバネッセント光４０４および４０６の分散直線は、通常の伝搬光の分散直線３０１と傾きが異なり、ＳＰＰの分散曲線と交点をもつ。このため、全反射によるエバネッセント光４０４および４０６は、ＳＰＰとの間で相互変換が可能である。 The graph of FIG. 6 illustrates the dispersion relationship of SPP, the dispersion relationship of evanescent light due to total reflection, and the dispersion relationship of normal propagation light. In the figure, the dispersion relation of SPP assumes the case where SPP propagates in the electron storage layer formed at the interface with the insulating part (for example, SiO 2 layer). In the figure, the horizontal axis is the wave number (cm −1 ), and the vertical axis is the angular frequency (Hz). Reference numeral 301 denotes a straight line indicating the dispersion relation of normal propagation light. 304 is a curve showing the dispersion relationship of SPP in the electron storage layer where the electron density n is n = 1 × 10 21 cm −3 . Reference numeral 306 denotes a curve showing the dispersion relation of SPP in the electron storage layer where the electron density n is n = 2 × 10 22 cm −3 . For example, when the frequency of the incident light is assumed to be omega 1, 404 is a straight line showing the dispersion relation of the evanescent light at an angle ShitaATR. This angle θ ATR is set so that the electron density n has an intersection with the SPP dispersion relationship in the electron storage layer where n = 1 × 10 21 cm −3 . Reference numeral 406 is a straight line showing the dispersion relation of the evanescent light at the angle θ OUT . This angle θ OUT is set so that the electron density n has an intersection with the SPP dispersion relation in the electron storage layer where n = 2 × 10 22 cm −3 . Frequency of the emitted light this time is omega 2. As described with reference to FIG. 4, the dispersion relation of SPP is uniquely determined by the electron density n if the positive dielectric to be used is determined. This is because the plasma frequency ω p is uniquely determined by the electron density n as described using the mathematical formula (2). Also, as described in FIG. 4, in order for the phase velocities of the propagating light and the SPP to match, the dispersion curve of the propagating light and the dispersion curve of the SPP need to have an intersection. However, as shown in FIGS. 4 and 6, the normal propagation light dispersion straight line 301 does not intersect the SPP dispersion curve. Therefore, even if light is simply incident on the interface between the electron storage layer (negative dielectric) and the positive dielectric, the SPP cannot be excited by the incident light (the incident light is converted into SPP). However, as shown in FIG. 6, the dispersion lines of the evanescent lights 404 and 406 due to total reflection are different in inclination from the dispersion line 301 of normal propagation light, and have an intersection with the SPP dispersion curve. For this reason, the evanescent lights 404 and 406 by total reflection can be mutually converted with the SPP.

また、図５の電磁波波長変換素子は、本発明の前記第１の電磁波波長変換素子（半導体波長変換素子）であっても良い。すなわち、例えば、図５の電磁波波長変換素子は、基板１１０上に半導体が形成され、電子蓄積層２０１が、前記半導体の一部であり、正誘電体層２０９との界面近傍に形成されていても良い。この場合において、例えば、図５中の４０１が前記「電磁波入射領域」であり、４０２が前記「電磁波出射領域」であり、領域４１０における電子蓄積層２０１が、前記「表面プラズモンポラリトン周波数変調領域」であっても良い。   Further, the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. 5 may be the first electromagnetic wave wavelength conversion element (semiconductor wavelength conversion element) of the present invention. That is, for example, in the electromagnetic wave wavelength conversion element of FIG. 5, a semiconductor is formed on the substrate 110, and the electron storage layer 201 is a part of the semiconductor and is formed in the vicinity of the interface with the positive dielectric layer 209. Also good. In this case, for example, 401 in FIG. 5 is the “electromagnetic wave incident region”, 402 is the “electromagnetic wave emitting region”, and the electron storage layer 201 in the region 410 is the “surface plasmon polariton frequency modulation region”. It may be.

［第３の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。 [Third Embodiment]
Next, still another embodiment of the present invention will be described.

図７に、本実施形態の電磁波波長変換素子の構造を示す。この電磁波波長変換素子は、本発明の前記第１の電磁波波長変換素子の一例であり、かつ、前記第２の電磁波波長変換素子の一例でもある。図７（ａ）は、光伝搬方向（光入射側から光出射側への方向）の断面図であり、図７（ｂ）は、上面図である。この電磁波波長変換素子は、半導体を主な材料として形成された、半導体波長変換素子である。図示のとおり、この半導体波長変換素子７１は、図１（ａ）の半導体素子と同様、第１の凹凸繰り返し構造４０１と、第２の凹凸繰り返し構造４０２とを含み、さらに、半導体と正誘電体との積層構造４１０を含む。積層構造４１０は、表面プラズモンポラリトンの周波数を変調する表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０としての機能を有する。また、積層構造４１０における電子蓄積層２０１は、前記「表面プラズモンポラリトン周波数変調領域」ということができる。同図の半導体波長変換素子において、第１の凹凸繰り返し構造４０１は、図１（ａ）の半導体素子と同様、入射光（入射電磁波）をエバネッセント光（エバネッセント波）に変換する機能と、前記エバネッセント光（エバネッセント波）を表面プラズモンポラリトンに変換する機能とを有する。すなわち、第１の凹凸繰り返し構造４０１は、前記「エバネッセント波変換手段」と、前記「表面プラズモンポラリトン変換手段」とを兼ねる。また、第１の凹凸繰り返し構造４０１が形成されている領域は、前記「電磁波入射領域」ということができる。第２の凹凸繰り返し構造４０２は、図１（ａ）の半導体素子と同様、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０により周波数変調された前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント光（エバネッセント波）を、出射光（出射電磁波）に変換する機能を有する。すなわち、すなわち、第２の凹凸繰り返し構造４０２は、前記「出射電磁波変換手段」に相当する。前記第２の凹凸繰り返し構造４０２が形成された領域は、前記「電磁波出射領域」ということができる。第１の凹凸繰り返し構造４０１、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０、および第２の凹凸繰り返し構造４０２は、基板１１０上に、一体に形成されている。また、第１の凹凸繰り返し構造４０１、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０、および第２の凹凸繰り返し構造４０２は、それぞれ、半導体と、絶縁層１０３との積層構造を有する。絶縁層１０３は、「正誘電体」に相当し、絶縁体から形成されている。前記半導体は、ｎ型半導体層１０１と、ｐ型半導体層１０２とから形成されている。ｎ型半導体層１０１と、ｐ型半導体層１０２と、絶縁層１０３とは、基板１１０上に、前記順序で積層されている。絶縁層１０３は、ｐ型半導体層１０２の上面に直接接触しており、ｐ型半導体層１０２は、ｎ型半導体層１０１の上面に、直接接触している。第１の凹凸繰り返し構造４０１および第２の凹凸繰り返し構造４０２においては、ｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２がところどころ除去されており、除去された部分には、絶縁層１０３が入り込んで基板１１０上面まで達し、光入射側（電磁波入射側）から光出射側（電磁波出射側）に向かって、凹凸が交互に設けられた構造を形成している。第１の凹凸繰り返し構造４０１における凹凸の寸法および配置間隔は、均一である。第２の凹凸繰り返し構造４０２における凹凸の寸法および配置間隔は、均一である。第１の凹凸繰り返し構造４０１と第２の凹凸繰り返し構造４０２とは、前記凹凸の寸法および配置間隔が異なる。前記半導体においては、ｐ型半導体層１０２の上面における絶縁層１０３との界面に、前記光入射側から前記光出射側まで表面プラズモンポラリトンを伝搬する電子蓄積層２０１が形成されている。   In FIG. 7, the structure of the electromagnetic wave wavelength conversion element of this embodiment is shown. This electromagnetic wave wavelength conversion element is an example of the first electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, and is also an example of the second electromagnetic wave wavelength conversion element. FIG. 7A is a cross-sectional view in the light propagation direction (direction from the light incident side to the light emitting side), and FIG. 7B is a top view. This electromagnetic wave wavelength conversion element is a semiconductor wavelength conversion element formed using a semiconductor as a main material. As shown in the figure, the semiconductor wavelength conversion element 71 includes a first concavo-convex repeating structure 401 and a second concavo-convex repeating structure 402 as in the semiconductor element of FIG. 1A, and further includes a semiconductor and a positive dielectric. And a laminated structure 410. The laminated structure 410 has a function as the surface plasmon polariton frequency modulation means 410 that modulates the frequency of the surface plasmon polariton. In addition, the electron storage layer 201 in the stacked structure 410 can be referred to as the “surface plasmon polariton frequency modulation region”. In the semiconductor wavelength conversion element of the figure, the first concavo-convex repeating structure 401 has a function of converting incident light (incident electromagnetic wave) into evanescent light (evanescent wave) and the evanescent light, as in the semiconductor element of FIG. A function of converting light (evanescent wave) into surface plasmon polariton. That is, the first uneven repeating structure 401 serves as both the “evanescent wave conversion unit” and the “surface plasmon polariton conversion unit”. The region where the first uneven repeating structure 401 is formed can be referred to as the “electromagnetic wave incident region”. Similar to the semiconductor element of FIG. 1A, the second concavo-convex repeating structure 402 converts evanescent light (evanescent wave) coupled to the surface plasmon polariton frequency-modulated by the surface plasmon polariton frequency modulation means 410 into outgoing light (evanescent wave). It has a function of converting to an outgoing electromagnetic wave. That is, the second uneven repeating structure 402 corresponds to the “emitted electromagnetic wave converting means”. The region where the second uneven repeating structure 402 is formed can be referred to as the “electromagnetic wave emission region”. The first concavo-convex repeating structure 401, the surface plasmon polariton frequency modulation means 410, and the second concavo-convex repeating structure 402 are integrally formed on the substrate 110. Further, the first uneven repeating structure 401, the surface plasmon polariton frequency modulation means 410, and the second uneven repeating structure 402 each have a stacked structure of a semiconductor and the insulating layer 103. The insulating layer 103 corresponds to a “positive dielectric” and is formed of an insulator. The semiconductor is formed of an n-type semiconductor layer 101 and a p-type semiconductor layer 102. The n-type semiconductor layer 101, the p-type semiconductor layer 102, and the insulating layer 103 are stacked on the substrate 110 in the order described above. The insulating layer 103 is in direct contact with the upper surface of the p-type semiconductor layer 102, and the p-type semiconductor layer 102 is in direct contact with the upper surface of the n-type semiconductor layer 101. In the first concavo-convex repeating structure 401 and the second concavo-convex repeating structure 402, the n-type semiconductor layer 101 and the p-type semiconductor layer 102 are removed in some places, and the insulating layer 103 enters the removed portions to form a substrate. 110 reaches the upper surface and forms a structure in which irregularities are alternately provided from the light incident side (electromagnetic wave incident side) to the light outgoing side (electromagnetic wave outgoing side). The size and arrangement interval of the unevenness in the first uneven repeating structure 401 are uniform. The size and arrangement interval of the irregularities in the second irregularity repeating structure 402 are uniform. The first uneven repeating structure 401 and the second uneven repeating structure 402 have different unevenness dimensions and arrangement intervals. In the semiconductor, an electron storage layer 201 that propagates surface plasmon polaritons from the light incident side to the light emitting side is formed at the interface with the insulating layer 103 on the upper surface of the p-type semiconductor layer 102.

絶縁層１０３における前記光入射側の上面には、第１の凹凸繰り返し構造４０１に電圧を印加する第１の電極１０５が設けられている。絶縁層１０３における前記光出射側の上面には、第２の凹凸繰り返し構造４０２に電圧を印加する第２の電極１０６が設けられている。この半導体波長変換素子７１では、第１の凹凸繰り返し構造（表面プラズモンポラリトン変換構造）４０１への電圧印加により、前記第１の凹凸繰り返し構造内を伝搬する前記エバネッセント波の波数と前記表面プラズモンポラリトンの波数が整合するように、第１の凹凸繰り返し構造４０１における前記電子蓄積層の電子密度を変化させることが可能である。また、第２の凹凸繰り返し構造（周波数変換構造）４０２への電圧印加により、前記第２の凹凸繰り返し構造に入射する表面プラズモンポラリトンの波数と、前記第２の凹凸繰り返し構造におけるエバネッセント波の波数が整合するように、第２の凹凸繰り返し構造４０２における前記電子蓄積層の電子密度を変化させることが可能である。なお、本発明において「上に」は、特に断らない限り、上面に直接接触した状態でも、間に他の構成要素が存在していても良いものとする。「下に」も同様とする。「上面に」は、特に断らない限り、上面に直接接触した状態であるものとする。「下面に」も同様とする。   On the upper surface of the insulating layer 103 on the light incident side, a first electrode 105 for applying a voltage to the first uneven repeating structure 401 is provided. On the upper surface of the insulating layer 103 on the light emitting side, a second electrode 106 for applying a voltage to the second uneven repeating structure 402 is provided. In this semiconductor wavelength conversion element 71, by applying a voltage to the first concavo-convex repeating structure (surface plasmon polariton converting structure) 401, the wave number of the evanescent wave propagating in the first concavo-convex repeating structure and the surface plasmon polariton It is possible to change the electron density of the electron accumulation layer in the first uneven repeating structure 401 so that the wave numbers match. Further, by applying a voltage to the second concavo-convex repeating structure (frequency conversion structure) 402, the wave number of the surface plasmon polariton incident on the second concavo-convex repeating structure and the wave number of the evanescent wave in the second concavo-convex repeating structure are reduced. It is possible to change the electron density of the electron storage layer in the second concave-convex repeating structure 402 so as to match. In the present invention, “on” means that other components may be present in between even in direct contact with the upper surface, unless otherwise specified. The same applies to “under”. “Upper surface” means a state in direct contact with the upper surface unless otherwise specified. The same applies to “on the bottom surface”.

ｎ型半導体層１０１は、例えば、ｎ型の不純物が高濃度に導入されたシリコンからなる膜厚５０ｎｍ程度の層である。ｐ型半導体層１０２は、例えば、ｐ型の不純物が低濃度に導入されたシリコンからなる膜厚２０ｎｍ程度の層である。絶縁層１０３は、例えば、酸化シリコンからなる膜厚３０〜５０ｎｍ程度の層である。ｎ型半導体層１０１は、例えば、リン（Ｐ）が不純物として１０１８ｃｍ−３程度導入されている。またｐ型半導体層１０２、は、例えばボロン（Ｂ）が１０１３ｃｍ−３程度導入されている。ただし、前記各層の厚み、不純物濃度等は、これらに限定されないし、シリコンに限らず、他の半導体材料を用いてもよい。また、基板１１０は、例えば、シリコン、サファイア等、どのような基板でも良い。第１の電極１０５および第２の電極１０６も、特に制限されず、例えば、通常の金属電極等で良い。 The n-type semiconductor layer 101 is a layer having a thickness of about 50 nm made of silicon into which an n-type impurity is introduced at a high concentration, for example. The p-type semiconductor layer 102 is, for example, a layer having a thickness of about 20 nm made of silicon into which p-type impurities are introduced at a low concentration. The insulating layer 103 is a layer made of silicon oxide and having a thickness of about 30 to 50 nm, for example. In the n-type semiconductor layer 101, for example, phosphorus (P) is introduced as an impurity at about 10 18 cm −3 . In the p-type semiconductor layer 102, for example, boron (B) is introduced at about 10 13 cm −3 . However, the thickness, impurity concentration, and the like of each layer are not limited to these, and other semiconductor materials may be used instead of silicon. The substrate 110 may be any substrate such as silicon or sapphire. The first electrode 105 and the second electrode 106 are not particularly limited, and may be a normal metal electrode, for example.

また、この半導体波長変換素子７１において、光入射側の第１の凹凸繰り返し構造４０１と、光出射側の第２の凹凸繰り返し構造４０２とは、前記半導体および前記絶縁層により形成された凹凸の寸法および配置間隔（周期）が異なる。これらは、前記凹凸の寸法および配置間隔を制御して人為的に作製した構造であっても良いし、または、非人為的に形成された凹凸繰り返し構造（表面ラフネス）であっても良い。これらの凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔は、規則的であっても良いし、不規則であっても良い。例えば、これらの凹凸繰り返し構造は、あらかじめ設計したパターンを転写して作製したものでも良いし、または、物質の表面粗さ、自己集合等の現象により形成されたランダムな表面凹凸（ラフネス）であっても良い。これら凹凸繰り返し構造（周期構造）の周期は、変換元（入射光）の波長と変換先（出射光）の波長によって適切に選ぶ必要があるが、例えば、およそ数１００ｎｍである。この程度のオーダーであれば、通常の製造プロセス技術により適切に制御可能である。なお、本発明の電磁波波長変換素子においては、入射電磁波の少なくとも一部をエバネッセント波に変換すれば、前記エバネッセント波によりＳＰＰを励起できるが、前記入射電磁波から前記エバネッセント波への変換効率がなるべく高いことが好ましい。本発明の電磁波波長変換素子において、前記第１の凹凸繰り返し構造により、入射電磁波を効率よくエバネッセント波に変換するためには、前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸の周期が、前記入射電磁波の波長以下であることが好ましい。前記凹凸の周期が、前記入射電磁波の波長よりも大きいと、理論上、前記第１の凹凸繰り返し構造においてエバネッセント波が発生しないためである。   Further, in this semiconductor wavelength conversion element 71, the first concave-convex repeating structure 401 on the light incident side and the second concave-convex repeating structure 402 on the light emitting side are the dimensions of the concave-convex formed by the semiconductor and the insulating layer. And the arrangement interval (cycle) is different. These may be a structure artificially produced by controlling the size and arrangement interval of the unevenness, or may be an unevenly formed uneven surface structure (surface roughness) formed artificially. The size and arrangement interval of the irregularities in these irregularity repeating structures may be regular or irregular. For example, these concavo-convex repeating structures may be produced by transferring a pre-designed pattern, or random surface irregularities (roughness) formed by phenomena such as surface roughness of the substance, self-assembly, etc. May be. The period of these concave-convex repeating structures (periodic structures) needs to be appropriately selected according to the wavelength of the conversion source (incident light) and the wavelength of the conversion destination (output light), but is approximately several hundred nm, for example. If it is this order, it can be appropriately controlled by a normal manufacturing process technique. In the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the SPP can be excited by the evanescent wave if at least a part of the incident electromagnetic wave is converted to the evanescent wave, but the conversion efficiency from the incident electromagnetic wave to the evanescent wave is as high as possible. It is preferable. In the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, in order to efficiently convert an incident electromagnetic wave into an evanescent wave by the first concave / convex repeating structure, the period of the concave / convex in the first concave / convex repeating structure is a wavelength of the incident electromagnetic wave. The following is preferable. This is because, if the period of the unevenness is larger than the wavelength of the incident electromagnetic wave, theoretically, no evanescent wave is generated in the first uneven repeating structure.

図７に示すこの半導体波長変換素子７１の製造方法は、特に制限されないが、例えば、以下のようにして製造できる。すなわち、まず、基板１１０を準備し、その上に、ｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２を、この順序で積層させる（半導体形成工程）。積層方法は、例えば、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシャル成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＢＥ）法等が挙げられる。なお、有機金属気相成長法は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法ということもある。その後、ｐ型半導体層上面に凹凸繰り返し構造４０１および４０２のパターニングをし、光入射側から光出射側に向かって、凹凸が交互に設けられるように、ｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２の一部をエッチングにより除去する。さらに、絶縁層１０３を、前記半導体表面に直接接触するように積層させる（正誘電体形成工程）。または、ｎ型半導体層１０１のみを形成した後に、パターニングおよびエッチングによる除去を行い、その後、ｐ型半導体層１０２の成長と絶縁層１０３の成膜を行っても良い。ｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２を両方形成してからエッチングする方が、半導体層の再成長が不要である（半導体層の形成を一度に行うことができる）ため簡便で好ましい。ｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２を形成するとき、同時に、これらの層にドーピングを行う。このようにして、前記積層構造を形成することができる。なお、電子蓄積層２０１は、ｐ型半導体層１０２上面における絶縁層１０３との界面部分である。この半導体波長変換素子７１では、電圧を印加しない状態では、電子蓄積層２０１の電子密度、例えば、ｐ型半導体層１０２における他の部分と同程度である。後述のように、前記積層構造への電圧印加により、絶縁層１０３との界面（電子蓄積層２０１）の電子密度が高くなる。さらに、第１の凹凸繰り返し構造４０１の上方に、第１の電極１０５を、絶縁層１０３上面に接するように形成する。同様に、第２の凹凸繰り返し構造４０２の上方に、第２の電極１０６を、絶縁層１０３上面に接するように形成する。以上のようにして、図７の半導体波長変換素子７１を製造できる。なお、この製造方法は、前記本発明の第１の製造方法（半導体形成工程と、正誘電体形成工程を含む）であるとともに、前記本発明の第２の製造方法（エバネッセント波変換手段形成工程と、表面プラズモンポラリトン変換手段形成工程と、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段形成工程と、出射電磁波変換手段形成工程とを有する）であり、エバネッセント波変換手段形成工程と、表面プラズモンポラリトン変換手段形成工程と、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段形成工程と、出射電磁波変換手段形成工程とを同時に行っている。ただし、この半導体波長変換素子７１の製造方法は、これに限定されない。   Although the manufacturing method of this semiconductor wavelength conversion element 71 shown in FIG. 7 is not specifically limited, For example, it can manufacture as follows. That is, first, the substrate 110 is prepared, and the n-type semiconductor layer 101 and the p-type semiconductor layer 102 are stacked in this order on the substrate 110 (semiconductor forming step). Examples of the lamination method include a metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, and the like. Note that the metal organic chemical vapor deposition method is sometimes referred to as a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method. Thereafter, the concave and convex repeating structures 401 and 402 are patterned on the upper surface of the p-type semiconductor layer, and the n-type semiconductor layer 101 and the p-type semiconductor layer 102 are alternately provided from the light incident side to the light emitting side. A part of is removed by etching. Further, the insulating layer 103 is laminated so as to be in direct contact with the semiconductor surface (positive dielectric forming step). Alternatively, after forming only the n-type semiconductor layer 101, patterning and etching may be performed, and then the p-type semiconductor layer 102 may be grown and the insulating layer 103 may be formed. Etching after forming both the n-type semiconductor layer 101 and the p-type semiconductor layer 102 is simple and preferable because regrowth of the semiconductor layer is unnecessary (the semiconductor layer can be formed at a time). When the n-type semiconductor layer 101 and the p-type semiconductor layer 102 are formed, these layers are doped at the same time. In this way, the laminated structure can be formed. The electron storage layer 201 is an interface portion with the insulating layer 103 on the upper surface of the p-type semiconductor layer 102. In the semiconductor wavelength conversion element 71, when no voltage is applied, the electron density of the electron storage layer 201 is, for example, about the same as other portions in the p-type semiconductor layer 102. As will be described later, the application of voltage to the stacked structure increases the electron density at the interface with the insulating layer 103 (electron storage layer 201). Further, the first electrode 105 is formed above the first uneven repeating structure 401 so as to be in contact with the upper surface of the insulating layer 103. Similarly, the second electrode 106 is formed in contact with the upper surface of the insulating layer 103 above the second uneven repeating structure 402. As described above, the semiconductor wavelength conversion element 71 of FIG. 7 can be manufactured. This manufacturing method is the first manufacturing method of the present invention (including a semiconductor forming step and a positive dielectric forming step) and the second manufacturing method of the present invention (an evanescent wave converting means forming step). A surface plasmon polariton converting means forming step, a surface plasmon polariton frequency modulating means forming step, and an outgoing electromagnetic wave converting means forming step), an evanescent wave converting means forming step, a surface plasmon polariton converting means forming step, The surface plasmon polariton frequency modulation means forming step and the outgoing electromagnetic wave conversion means forming step are performed simultaneously. However, the manufacturing method of this semiconductor wavelength conversion element 71 is not limited to this.

なお、基板１１０の下面に、第１の電極１０５および第２の電極１０６の対となる電極を、さらに形成してもよい。このようにすると、例えば、第１の凹凸繰り返し構造４０１および第２の凹凸繰り返し構造４０２に電圧を印加しやすくなる、印加電圧の調整がしやすくなる、印加電圧の調整可能範囲が広くなる等の効果が得られる。この場合、例えば、基板１１０を、ｎ型半導体基板（不純物を導入して導電性を持たせた基板）とする。または、基板１１０が高抵抗基板である場合、前記高抵抗基板に、エッチングによりビアホール等を形成してｎ型半導体層１０１下面を露出させ、前記対となる電極を、ｎ型半導体層１０１下面に接触するように形成してもよい。   Note that an electrode serving as a pair of the first electrode 105 and the second electrode 106 may be further formed on the lower surface of the substrate 110. In this case, for example, it becomes easier to apply a voltage to the first uneven repeating structure 401 and the second uneven repeating structure 402, the applied voltage can be easily adjusted, and the adjustable range of the applied voltage is widened. An effect is obtained. In this case, for example, the substrate 110 is an n-type semiconductor substrate (a substrate that is made conductive by introducing impurities). Alternatively, when the substrate 110 is a high-resistance substrate, a via hole or the like is formed in the high-resistance substrate by etching to expose the lower surface of the n-type semiconductor layer 101, and the paired electrodes are formed on the lower surface of the n-type semiconductor layer 101. You may form so that it may contact.

この半導体波長変換素子７１は、例えば、以下のようにして動作させることができる。すなわち、まず、第１の凹凸繰り返し構造４０１に、入射光（入射伝搬光）２０２を、任意の入射角で入射させる。図中の矢印２０３は、入射光（入射伝搬光）２０２の、光伝搬方向成分である。入射光２０２は、第１の凹凸繰り返し構造４０１により、第１の凹凸繰り返し構造４０１の凹凸周期に応じた波数のエバネッセント光２０４に変換され、電子蓄積層２０１の表面（絶縁層１０３との界面）を伝搬する。さらに、エバネッセント光２０４は、第１の凹凸繰り返し構造４０１において、その場で、電子蓄積層２０１における自由電子の振動と結合し、表面プラズモンポラリトン２０５に変換される（ＳＰＰが励起される）。表面プラズモンポラリトン２０５は、光入射側から光出射側に向かって伝搬し、さらに、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０内を伝搬する際に、周波数が変調される。この半導体波長変換素子７１では、電子蓄積層２０１の、表面プラズモンポラリトン２０５伝搬方向に沿った電子密度勾配により、表面プラズモンポラリトン２０５を、伝搬方向の波数を保存したまま分散関係を満たす異なる周波数へ変調することができる。表面プラズモンポラリトン２０５に結合したエバネッセント光２０６は、第２の凹凸繰り返し構造４０２を伝搬する。エバネッセント光２０６は、第２の凹凸繰り返し構造４０２によって、伝搬光の分散関係を満たした出射光（出射伝搬光）２０８に変換され、所定の出射角で出射される。前記出射角とは、光伝搬方向に垂直な平面とのなす角である。矢印２０７は、前記出射光（出射伝搬光）２０８の、光伝搬方向成分である。このようにして、入射光２０２から出射光２０８への波長変換を実現できる。また、この半導体波長変換素子７１では、第１の電極１０５および第２の電極１０６により、凹凸繰り返し構造４０１および４０２に電圧を印加可能である。これにより、使用する波長域が変化しても、前記波長域に対して電子蓄積層２０１の誘電率が負となり、かつエバネッセント光とＳＰＰの波数が整合する電子密度に調整し、ＳＰＰを励起および伝搬可能とすることができる。   This semiconductor wavelength conversion element 71 can be operated as follows, for example. That is, first, incident light (incident propagation light) 202 is incident on the first uneven repeating structure 401 at an arbitrary incident angle. An arrow 203 in the figure is a light propagation direction component of incident light (incident propagation light) 202. The incident light 202 is converted into evanescent light 204 having a wave number corresponding to the concave / convex period of the first concave / convex repeating structure 401 by the first concave / convex repeating structure 401, and the surface of the electron storage layer 201 (interface with the insulating layer 103). Propagate. Further, the evanescent light 204 is coupled to the vibration of free electrons in the electron storage layer 201 on the spot in the first concavo-convex repeating structure 401 and converted into the surface plasmon polariton 205 (SPP is excited). The surface plasmon polariton 205 propagates from the light incident side toward the light emitting side, and the frequency is modulated when propagating in the surface plasmon polariton frequency modulation means 410. In this semiconductor wavelength conversion element 71, the surface plasmon polariton 205 is modulated to a different frequency satisfying the dispersion relation while preserving the wave number in the propagation direction by the electron density gradient along the propagation direction of the surface plasmon polariton 205 of the electron storage layer 201. can do. The evanescent light 206 coupled to the surface plasmon polariton 205 propagates through the second uneven repeating structure 402. The evanescent light 206 is converted into outgoing light (outgoing propagating light) 208 that satisfies the dispersion relation of propagating light by the second concave-convex repeating structure 402, and is emitted at a predetermined outgoing angle. The exit angle is an angle formed with a plane perpendicular to the light propagation direction. An arrow 207 is a light propagation direction component of the outgoing light (outgoing propagation light) 208. In this way, wavelength conversion from incident light 202 to outgoing light 208 can be realized. Further, in this semiconductor wavelength conversion element 71, a voltage can be applied to the concave / convex repeating structures 401 and 402 by the first electrode 105 and the second electrode 106. As a result, even if the wavelength range to be used changes, the electron storage layer 201 has a negative dielectric constant relative to the wavelength range, and the electron density is adjusted so that the wave number of the evanescent light and the SPP is matched. Propagation is possible.

本実施形態の半導体波長変換素子７１において、第１の電極１０５、および第２の電極１０６にそれぞれ異なる正のバイアス電圧ｖ１、ｖ２を印可すると、ｐ型半導体層１０２と絶縁層１０３との界面のバンドが歪む。これにより、ｐ型半導体層１０２上面の電子蓄積層２０１に、印加する電圧の差に応じた電子密度差ｎｖ２−ｎｖ１の電子密度勾配が形成される。図３に、前記電子密度勾配（電子密度分布）を例示する。電子蓄積層２０１は、ｐ型半導体層１０２の絶縁層１０３側のごく表面の浅い部分に形成されるため、蓄積する電子数密度は、通常のドーピングで得られる電子密度に比べて非常に高くなる。例えば、ある位置で１０１５ｃｍ−２程度の表面電荷密度を仮定し、さらに、電子蓄積層２０１は膜厚が１ｎｍ程度であり、ここに電子が集約されるものと考える。この場合、電子蓄積層２０１の電子密度は、１０２２ｃｍ−３と試算される。このときのプラズマ周波数は、可視から近赤外領域でＳＰＰを導波させるのに典型的に使われるＡｕの１／３程度に達するため、ＳＰＰを導波させることが十分可能である。 In the semiconductor wavelength conversion element 71 of this embodiment, when different positive bias voltages v 1 and v 2 are applied to the first electrode 105 and the second electrode 106, the interface between the p-type semiconductor layer 102 and the insulating layer 103 is applied. The band is distorted. Thereby, an electron density gradient n v2 −n v1 corresponding to the difference in applied voltage is formed in the electron storage layer 201 on the upper surface of the p-type semiconductor layer 102. FIG. 3 illustrates the electron density gradient (electron density distribution). Since the electron storage layer 201 is formed in the shallow part of the surface of the p-type semiconductor layer 102 on the insulating layer 103 side, the number density of electrons stored is much higher than the electron density obtained by normal doping. . For example, assuming a surface charge density of about 10 15 cm −2 at a certain position, the electron storage layer 201 has a thickness of about 1 nm, and it is considered that electrons are concentrated here. In this case, the electron density of the electron storage layer 201 is estimated to be 10 22 cm −3 . Since the plasma frequency at this time reaches about 1/3 of Au typically used for guiding the SPP in the visible to near-infrared region, the SPP can be sufficiently guided.

なお、図８に、図７の波長変換素子７１に電圧を印加した場合のエネルギーバンド図を例示する。ただし、図８は、説明の便宜のための例示的な模式図であり、本発明を何ら限定しない。図示のとおり、伝導帯のエネルギーがフェルミ準位ＥＦよりも低くなった反転分布層が、電子蓄積層２０１となり、トンネル効果により電子が蓄積される。図７のように、ｎ型半導体の表面に接触するようにｐ型半導体が積層され、前記ｐ型半導体の表面に接触するように絶縁体（または金属）が積層されている構造では、電子蓄積層２０１に電子が蓄積されるためには、電圧を印加する必要がある。なお、このようなエネルギーバンド図は、特開２００６−３４３４１０号公報にも記載されている。前記のとおり、特開２００６−３４３４１０号公報では、波長変換素子７１と同様の積層構造を利用してＳＰＰを伝搬させる。ただし、ＳＰＰが伝搬する電子蓄積層２０１の電子密度に勾配（特に、連続的な勾配）を設けることで、波長変換が可能であることを見出したのは、前記のとおり、本発明者らがはじめてである。 FIG. 8 illustrates an energy band diagram when a voltage is applied to the wavelength conversion element 71 of FIG. However, FIG. 8 is an exemplary schematic diagram for convenience of description, and does not limit the present invention. As illustrated, the energy of the conduction band inversion layer becomes lower than the Fermi level E F is next electron storage layer 201, electrons are accumulated by the tunnel effect. As shown in FIG. 7, in a structure in which a p-type semiconductor is stacked so as to be in contact with the surface of the n-type semiconductor and an insulator (or metal) is stacked so as to be in contact with the surface of the p-type semiconductor, electron accumulation is performed. In order to accumulate electrons in the layer 201, it is necessary to apply a voltage. Such an energy band diagram is also described in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-343410. As described above, in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-343410, the SPP is propagated using the same laminated structure as the wavelength conversion element 71. However, as described above, the present inventors have found that wavelength conversion is possible by providing a gradient (particularly a continuous gradient) in the electron density of the electron storage layer 201 through which the SPP propagates. First time.

本発明の半導体波長変換素子において、ＳＰＰを半導体表面で伝搬させるためには、使用する波長域に対して誘電率が負となる、高密度な電子層（電子蓄積層）を用いれば良い。したがって、前記電子蓄積層は、本実施形態の電子蓄積層２０１に限定されない。   In the semiconductor wavelength conversion element of the present invention, in order to propagate the SPP on the semiconductor surface, a high-density electronic layer (electron storage layer) having a negative dielectric constant with respect to the wavelength range to be used may be used. Therefore, the electron storage layer is not limited to the electron storage layer 201 of the present embodiment.

図７の半導体波長変換素子７１において、第１の電極１０５および第２の電極１０６に電圧を印加して電子密度勾配をつけた場合の電子蓄積層２０１内の、その位置での電子密度に対応したＳＰＰの分散関係を、図４に示す。図４は、一例として、電子密度ｎが１×１０２１ｃｍ−３の場合の第１の分散関係３０４と、２×１０２２ｃｍ−３の場合の第２の分散関係３０６を示した。なおこの２本の分散曲線３０４、および３０６の間においては、電子密度が連続的に変化しうるため、前記電子密度に応じた無数の連続した分散曲線が存在する。 In the semiconductor wavelength conversion element 71 of FIG. 7, it corresponds to the electron density at that position in the electron storage layer 201 when a voltage is applied to the first electrode 105 and the second electrode 106 to create an electron density gradient. The dispersion relationship of the SPP is shown in FIG. FIG. 4 shows, as an example, a first dispersion relation 304 when the electron density n is 1 × 10 21 cm −3 and a second dispersion relation 306 when the electron density n is 2 × 10 22 cm −3 . Since the electron density can be continuously changed between the two dispersion curves 304 and 306, there are innumerable continuous dispersion curves corresponding to the electron density.

図７の半導体波長変換素子７１に伝搬光（入射光）２０２を入射した場合、第１の凹凸繰り返し構造（表面凹凸構造）４０１によってエバネッセント光２０４が生じる。周期ａの周期構造で回折されるエバネッセント光の波数は、前記数式（４）より、周期ａに依存する。これは図４に示す伝搬光の分散関係３０１および前記数式（４）から、前記エバネッセント光の分散関係は、第１の凹凸繰り返し構造（表面凹凸構造）４０１に応じた波数範囲を有する。図４において、４０４が、前記第１の凹凸繰り返し構造における前記エバネッセント光の、波数と角振動数（周波数）との分散関係である。このエバネッセント光２０４の分散関係４０４と電子蓄積層２０１の電子密度で決まるＳＰＰの分散関係３０４が交点をもつときに、エバネッセント光２０４はＳＰＰ２０５に変換されて伝搬する。言い換えると、第１の凹凸繰り返し構造（周期構造）４０１に入射された伝搬光２０２の波数の周期構造に沿った成分とその周期に対応した逆格子ベクトルの和が、電子蓄積層２０１の電子密度で決まるＳＰＰの波数と一致したときに、ＳＰＰに変換されて伝搬する（図４）。なお、第１の凹凸繰り返し構造４０１がランダムな表面凹凸構造の場合は、フーリエ変換の考え方を適用することができる。すなわち、ランダムな周期は様々な周期をもつ周期関数の重ね合わせとしてとらえることができることから、エバネッセント光２０４は、連続的に変化する広範囲の波数を含んでいると考えることができる。   When propagating light (incident light) 202 is incident on the semiconductor wavelength conversion element 71 of FIG. 7, evanescent light 204 is generated by the first concave / convex repeating structure (surface concave / convex structure) 401. The wave number of the evanescent light that is diffracted by the periodic structure of the period a depends on the period a from Equation (4). This is because the propagation relationship of the propagation light 301 shown in FIG. 4 and the mathematical formula (4) indicate that the dispersion relationship of the evanescent light has a wave number range corresponding to the first concavo-convex repeating structure (surface concavo-convex structure) 401. In FIG. 4, reference numeral 404 denotes a dispersion relationship between the wave number and the angular frequency (frequency) of the evanescent light in the first uneven repeating structure. When the dispersion relation 404 of the evanescent light 204 and the SPP dispersion relation 304 determined by the electron density of the electron storage layer 201 have an intersection, the evanescent light 204 is converted into the SPP 205 and propagates. In other words, the sum of the component along the periodic structure of the wave number of the propagating light 202 incident on the first uneven repeating structure (periodic structure) 401 and the reciprocal lattice vector corresponding to the period is the electron density of the electron storage layer 201. When it matches the wave number of the SPP determined by (2), it is converted to the SPP and propagated (FIG. 4). In addition, when the 1st uneven | corrugated repeating structure 401 is a random surface uneven | corrugated structure, the idea of a Fourier-transform can be applied. That is, since a random period can be regarded as a superposition of periodic functions having various periods, it can be considered that the evanescent light 204 includes a wide range of wave numbers that change continuously.

電子蓄積層２０１を伝搬するＳＰＰ２０５は、電子密度の勾配により変調を受け（周波数が変化し）、第２の凹凸繰り返し構造（表面凹凸構造）４０２によって散乱され、再びエバネッセント光２０６に変換される。第２の凹凸繰り返し構造４０２は、半導体部および絶縁部の寸法および配置間隔（周期）が、第１の凹凸繰り返し構造４０１とは異なる。このため、第２の凹凸繰り返し構造４０２内を伝搬するエバネッセント光２０６の、波数と角振動数（周波数）との分散関係は、図４の４０６で表される。電子密度勾配の分だけ入射側とは異なったＳＰＰの分散関係３０６とエバネッセント光２０６の分散関係４０６が交点をもつときに、伝搬光の分散関係３０１に戻る。ここで、自由空間中（厳密には、一切の物質が存在しない空間中、すなわち真空中）における伝搬光の分散関係は、ω＝ｃｋの関係が成り立つことから常に一定である。したがってこのときの伝搬光に戻った出射光２０８（２０７）は、ＳＰＰの伝搬方向に沿った成分の波数が保存すること、および分散関係を満たすことから、入射時の周波数ω１とは異なる周波数ω２となっている。すなわち、入射光の波長が変換されて出力されたことになる。ここでは、前記分散関係が傾きをもっていること、すなわち、異なる波数に対して異なる周波数が対応することに着目した。このように、入射側と出射側で寸法または配置間隔（周期）が異なる周期構造を利用することで、波長変換が可能であることが分かる。 The SPP 205 propagating through the electron storage layer 201 is modulated (changes in frequency) by the gradient of electron density, is scattered by the second concavo-convex repeating structure (surface concavo-convex structure) 402, and is converted back into evanescent light 206. The second concavo-convex repeating structure 402 is different from the first concavo-convex repeating structure 401 in the dimensions and arrangement intervals (periods) of the semiconductor portion and the insulating portion. Therefore, the dispersion relationship between the wave number and the angular frequency (frequency) of the evanescent light 206 propagating through the second uneven repeating structure 402 is represented by 406 in FIG. When the SPP dispersion relation 306 and the dispersion relation 406 of the evanescent light 206 differ from the incident side by the amount of the electron density gradient, the propagation light dispersion relation 301 is restored. Here, the dispersion relationship of propagating light in free space (strictly speaking, in a space where no substance exists, ie, in a vacuum) is always constant because the relationship of ω = ck is established. Accordingly, the outgoing light 208 (207) returned to the propagating light at this time has a frequency different from the frequency ω 1 at the time of incidence because the wave number of the component along the propagation direction of the SPP is preserved and the dispersion relation is satisfied. It has become a ω 2. That is, the wavelength of incident light is converted and output. Here, attention is paid to the fact that the dispersion relation has an inclination, that is, different frequencies correspond to different wave numbers. In this way, it is understood that wavelength conversion is possible by using a periodic structure having different dimensions or arrangement intervals (periods) on the incident side and the emission side.

ここで、第１の電極１０５および第２の電極１０６に印加する電圧を調整すると、電子蓄積層２０１の電子密度の絶対値および勾配を調整できる。これにより、変換元（入射光）の周波数ω１および変換先（出射光）の周波数ω２を、凹凸繰り返し構造（表面凹凸構造）４０１および４０２に応じた波数範囲を持ったエバネッセント光の分散関係４０４および４０６の範囲の中から、任意に選ぶことが可能である。すなわち、ある範囲内での任意波長から任意波長への変換が可能である。また、電子蓄積層２０１において、光入射側から光出射側への（ＳＰＰの伝搬方向の）電子密度勾配の傾きは、正負どちらでも良い。具体的には、前記電子密度勾配の正負によって、周波数の変換方向が逆転するため、目的に応じて設定すればよい。 Here, when the voltage applied to the first electrode 105 and the second electrode 106 is adjusted, the absolute value and the gradient of the electron density of the electron storage layer 201 can be adjusted. Accordingly, the conversion source frequency omega 2 of the frequency omega 1 and the destination (the incident light) (emitted light), the evanescent light dispersion relation having an uneven repeat structure (uneven surface structure) wavenumber range corresponding to the 401 and 402 Any one of the ranges 404 and 406 can be selected. That is, conversion from an arbitrary wavelength to an arbitrary wavelength within a certain range is possible. In the electron storage layer 201, the slope of the electron density gradient (in the SPP propagation direction) from the light incident side to the light emitting side may be positive or negative. Specifically, since the frequency conversion direction is reversed depending on whether the electron density gradient is positive or negative, it may be set according to the purpose.

また、図９の断面図に、本実施形態の波長変換素子の変形例を示す。同図は、光伝搬方向（光入射側から光出射側への方向）の断面図である。図示のとおり、この波長変換素子９１は、基板１１０が、第１の凹凸繰り返し構造４０１、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０および第２の凹凸繰り返し構造４０２に対応する凹凸を有することと、その凹凸の上面および側面に、ｎ型半導体層１０１、ｐ型半導体層１０２、および絶縁層１０３が、前記順序で、光入射側から光出射側まで連続して形成されている。電子蓄積層２０１は、ｐ型半導体層１０２内における、絶縁層１０３との界面近傍に、光入射側から光出射側まで連続して形成されている。これら以外は、図９の波長変換素子の構造は、図７の波長変換素子と同様である。このような構造によれば、電子蓄積層２０１が、光入射側から光出射側まで連続して形成されているため、エバネッセント光およびＳＰＰの伝搬効率がより優れており、さらに好ましい。   Moreover, the cross-sectional view of FIG. 9 shows a modification of the wavelength conversion element of the present embodiment. This figure is a cross-sectional view in the light propagation direction (direction from the light incident side to the light emitting side). As illustrated, the wavelength conversion element 91 includes a substrate 110 having irregularities corresponding to the first irregularity repeating structure 401, the surface plasmon polariton frequency modulation means 410, and the second irregularity repeating structure 402, and An n-type semiconductor layer 101, a p-type semiconductor layer 102, and an insulating layer 103 are continuously formed on the upper surface and the side surface in this order from the light incident side to the light emitting side. The electron storage layer 201 is continuously formed in the p-type semiconductor layer 102 near the interface with the insulating layer 103 from the light incident side to the light emitting side. Except for these, the structure of the wavelength conversion element in FIG. 9 is the same as that of the wavelength conversion element in FIG. According to such a structure, since the electron storage layer 201 is continuously formed from the light incident side to the light emitting side, the propagation efficiency of evanescent light and SPP is more excellent, which is further preferable.

図９の半導体波長変換素子９１の製造方法は、特に制限されないが、例えば、以下のようにして製造できる。すなわち、まず、基板１１０を準備し、その上面に、凹凸繰り返し構造４０１および４０２のパターニングをし、基板１１０の一部をエッチングにより除去する。この上にｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２を、この順序で積層させる。積層方法は、例えば、有機金属気相成長法、分子線エピタキシャル成長法等が挙げられる。その後、絶縁層１０３を積層させる。前記各半導体層の作製方法はこれに限定されないが、この方法は、基板１１０へパターンニング後は、半導体層を一括して成膜でき、再成長が不要であるため好ましい。ｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２を形成するとき、同時に、これらの層にドーピングを行う。このようにして、前記半導体形成工程を行うことができる。なお、電子蓄積層２０１は、ｐ型半導体層１０２上面における絶縁層１０３との界面部分である。この半導体波長変換素子９１では、電圧を印加しない状態では、電子蓄積層２０１の電子密度、例えば、ｐ型半導体層１０２における他の部分と同程度である。図７の半導体波長変換素子７１と同じように、前記積層構造への電圧印加により、絶縁層１０３との界面（電子蓄積層２０１）の電子密度が高くなる。さらに、第１の凹凸繰り返し構造４０１の上方に、第１の電極１０５を、絶縁層１０３上面に接するように形成する。同様に、第２の凹凸繰り返し構造４０２の上方に、第２の電極１０６を、絶縁層１０３上面に接するように形成する。以上のようにして、図９の半導体波長変換素子９１を製造できる。ただし、この半導体波長変換素子９１の製造方法は、これに限定されない。   Although the manufacturing method of the semiconductor wavelength conversion element 91 of FIG. 9 is not particularly limited, for example, it can be manufactured as follows. That is, first, the substrate 110 is prepared, the concave and convex repeated structures 401 and 402 are patterned on the upper surface, and a part of the substrate 110 is removed by etching. On top of this, an n-type semiconductor layer 101 and a p-type semiconductor layer 102 are stacked in this order. Examples of the laminating method include metal organic chemical vapor deposition and molecular beam epitaxial growth. After that, the insulating layer 103 is stacked. The manufacturing method of each of the semiconductor layers is not limited thereto, but this method is preferable because the semiconductor layers can be collectively formed after patterning on the substrate 110 and regrowth is not necessary. When the n-type semiconductor layer 101 and the p-type semiconductor layer 102 are formed, these layers are doped at the same time. In this way, the semiconductor formation step can be performed. The electron storage layer 201 is an interface portion with the insulating layer 103 on the upper surface of the p-type semiconductor layer 102. In the semiconductor wavelength conversion element 91, when no voltage is applied, the electron density of the electron storage layer 201 is, for example, about the same as other portions in the p-type semiconductor layer 102. Similar to the semiconductor wavelength conversion element 71 of FIG. 7, application of voltage to the stacked structure increases the electron density at the interface with the insulating layer 103 (electron storage layer 201). Further, the first electrode 105 is formed above the first uneven repeating structure 401 so as to be in contact with the upper surface of the insulating layer 103. Similarly, the second electrode 106 is formed in contact with the upper surface of the insulating layer 103 above the second uneven repeating structure 402. As described above, the semiconductor wavelength conversion element 91 of FIG. 9 can be manufactured. However, the manufacturing method of this semiconductor wavelength conversion element 91 is not limited to this.

［第４の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。 [Fourth Embodiment]
Next, still another embodiment of the present invention will be described.

図１０（ａ）の断面斜視図に、本実施形態の半導体波長変換素子の構造を示す。ただし、同図においては、簡略化のため、光出射側の第１の凹凸繰り返し構造（表面凹凸構造）近傍の構造のみ示している。図示のとおり、この半導体波長変換素子７１’は、第１の凹凸繰り返し構造において、前記光入射側から前記光出射側への方向（光伝搬方向）に垂直かつ前記積層構造の層平面に平行な方向に沿って前記正誘電体（絶縁層１０３）と前記半導体とが交互に配置されている。すなわち、前記積層構造の層平面に平行な方向に沿って、光伝搬方向のみならず光伝搬方向と垂直な方向にも、凹凸の繰り返し構造が形成されている。前記半導体において、ｐ型半導体層１０２は、ｎ型半導体層１０１上面に加え、ｎ型半導体層１０１側面にも直接接触し、ｎ型半導体層１０１を覆うように形成されている。電子蓄積層２０１は、前記積層構造の層平面に平行な層平面を有し、かつ、前記光入射側から前記光出射側に向かって前記積層構造の層平面に垂直な層平面を有する。なお、図示していないが、光出射側の第２の凹凸繰り返し構造も同様の構造を有することが好ましい。また、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の半導体波長変換素子において、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０の、光伝搬方向と垂直方向に見た断面図である。図示のとおり、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０においても、ｐ型半導体層１０２は、ｎ型半導体層１０１上面に加え、ｎ型半導体層１０１側面にも直接接触し、ｎ型半導体層１０１を覆うように形成されている。電子蓄積層２０１は、前記積層構造の層平面に平行な層平面を有し、かつ、前記光入射側から前記光出射側に向かって前記積層構造の層平面に垂直な層平面を有する。ただし、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０は、図７の半導体波長変換素子７１と同様、光入射側から光出射側に向かって凹凸が交互に設けられた構造は有さない。電子蓄積層２０１は、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０の光入射側から光出射側まで連続している。これら以外は、図１０の半導体波長変換素子７１’の構造は、図７の半導体波長変換素子７１と同様である。   The cross-sectional perspective view of FIG. 10A shows the structure of the semiconductor wavelength conversion element of this embodiment. However, in the figure, for the sake of simplification, only the structure in the vicinity of the first uneven repeating structure (surface uneven structure) on the light emitting side is shown. As shown in the figure, this semiconductor wavelength conversion element 71 ′ is perpendicular to the direction from the light incident side to the light emitting side (light propagation direction) and parallel to the layer plane of the stacked structure in the first concave-convex repeating structure. The positive dielectric (insulating layer 103) and the semiconductor are alternately arranged along the direction. That is, an uneven structure is formed not only in the light propagation direction but also in a direction perpendicular to the light propagation direction along a direction parallel to the layer plane of the laminated structure. In the semiconductor, the p-type semiconductor layer 102 is formed so as to directly contact and cover the side surface of the n-type semiconductor layer 101 in addition to the upper surface of the n-type semiconductor layer 101. The electron storage layer 201 has a layer plane parallel to the layer plane of the stacked structure and a layer plane perpendicular to the layer plane of the stacked structure from the light incident side toward the light emitting side. In addition, although not shown in figure, it is preferable that the 2nd uneven | corrugated repeating structure by the side of light emission also has the same structure. FIG. 10B is a cross-sectional view of the surface plasmon polariton frequency modulation unit 410 viewed in the direction perpendicular to the light propagation direction in the semiconductor wavelength conversion element of FIG. As shown in the figure, also in the surface plasmon polariton frequency modulation means 410, the p-type semiconductor layer 102 directly contacts the side surface of the n-type semiconductor layer 101 in addition to the upper surface of the n-type semiconductor layer 101 so as to cover the n-type semiconductor layer 101. Is formed. The electron storage layer 201 has a layer plane parallel to the layer plane of the stacked structure and a layer plane perpendicular to the layer plane of the stacked structure from the light incident side toward the light emitting side. However, the surface plasmon polariton frequency modulation means 410 does not have a structure in which irregularities are alternately provided from the light incident side to the light emission side, like the semiconductor wavelength conversion element 71 of FIG. The electron storage layer 201 is continuous from the light incident side to the light emitting side of the surface plasmon polariton frequency modulation means 410. Except for these, the structure of the semiconductor wavelength conversion element 71 ′ in FIG. 10 is the same as that of the semiconductor wavelength conversion element 71 in FIG. 7.

ＳＰＰは、その電磁波としての性質から、伝搬する界面に垂直な方向に電場振動を伴う、いわゆるＴＭ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）である。すなわち、ＳＰＰを励起するための伝搬光（入射光）もＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光である必要がある。したがって、本発明の半導体波長変換素子において、入射光は、前記電子蓄積層の層平面に垂直な偏光成分（ＴＭ波）を含む必要がある。しかし、例えば本実施形態のように、電子蓄積層が、縦横両方の層平面を含むことで、入射光の偏光方向が縦横いずれであっても、偏光方向に垂直に電子蓄積層の層平面が存在するため、それぞれＳＰＰの励起（ＳＰＰへの結合）が可能となる。また、前記のように、光出射側の第２の凹凸繰り返し構造も同様の構造を有することで、それぞれの偏光を、入射したときの偏光状態を保って出力することができる。これにより、複数の偏光状態に対しても素子１つで波長変換が可能である。このように、偏光方向が９０°異なる光のいずれに対しても素子１つで波長変換が可能であることは、特に、光通信への適用において、大きなメリットがある。また、前記電子蓄積層の層平面は、前記積層構造の層平面に対し平行および垂直には限定されず、前述のように、前記積層構造の層平面から傾斜していても良い。このように、前記電子蓄積層の層平面を任意に設定すれば、入射光の任意の偏光成分に対し、前述の機構で波長変換が可能である。   The SPP is a so-called TM wave (Transverse Magnetic Wave) accompanied by an electric field vibration in a direction perpendicular to the propagating interface due to its property as an electromagnetic wave. That is, the propagating light (incident light) for exciting the SPP needs to be TM (Transverse Magnetic) polarized light. Therefore, in the semiconductor wavelength conversion element of the present invention, the incident light needs to include a polarization component (TM wave) perpendicular to the layer plane of the electron storage layer. However, as in the present embodiment, for example, the electron storage layer includes both vertical and horizontal layer planes, so that the layer plane of the electron storage layer is perpendicular to the polarization direction regardless of the polarization direction of incident light. Since they exist, SPP can be excited (coupled to SPP). In addition, as described above, the second concavo-convex repeating structure on the light emitting side also has the same structure, so that each polarized light can be output while maintaining the polarization state when incident. Thereby, wavelength conversion is possible with one element even for a plurality of polarization states. As described above, the fact that wavelength conversion is possible with a single element for any light whose polarization direction differs by 90 ° is particularly advantageous in application to optical communications. Further, the layer plane of the electron storage layer is not limited to be parallel and perpendicular to the layer plane of the stacked structure, and may be inclined from the layer plane of the stacked structure as described above. In this way, if the layer plane of the electron storage layer is arbitrarily set, wavelength conversion can be performed by the above-described mechanism for any polarization component of incident light.

なお、図１０の半導体波長変換素子７１’は、図７の半導体波長変換素子７１と同様、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０以外の部分では、電子蓄積層２０１が、光入射側から光出射側まで連続していない。しかしながら、図９の半導体波長変換素子９１と同様、電子蓄積層２０１が、光入射側から光出射側まで連続した構造とすると、エバネッセント光およびＳＰＰの伝搬効率がさらに優れるため、いっそう好ましい。   10 is the same as the semiconductor wavelength conversion element 71 in FIG. 7, except for the surface plasmon polariton frequency modulation means 410, the electron storage layer 201 is from the light incident side to the light emitting side. Not continuous. However, similarly to the semiconductor wavelength conversion element 91 of FIG. 9, it is more preferable that the electron storage layer 201 has a continuous structure from the light incident side to the light emitting side because the propagation efficiency of evanescent light and SPP is further excellent.

［第５の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。 [Fifth Embodiment]
Next, still another embodiment of the present invention will be described.

図１１および１２の断面図に、本実施形態の半導体波長変換素子の構造を示す。図１１は、光入射側から光出射側への方向（光伝搬方向）の縦断面図である。図１２は、光入射領域の第１の凹凸繰り返し構造４０１を、光入射側の端面と平行方向に（光伝搬方向と垂直に）見た断面図である。図示のとおり、この半導体波長変換素子は、図１の半導体波長変換素子１および図７の半導体波長変換素子７１において、半導体層１０１および１０２と基板１１０の上部に相当する部分が、真性半導体層１０８と、ｎ型半導体層１０１および、その界面に形成される電子蓄積層２０１となっている。基板１１０は、高抵抗基板である。基板１１０は、例えば、ＧａＡｓ、またはＩｎＰなどである。真性半導体層１０８は、例えば真性ＧａＡｓ、または真性ＩｎＧａＡｓなどである。ｎ型半導体層１０１は、過剰な電子を有したｎ型半導体層であり、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、またはＩｎＡｌＡｓなどである。前記ｎ型半導体層は、例えば、リン（Ｐ）などのｎ型不純物を高濃度にドーピングするか、またはＳｉをドナーとして変調ドーピングをしても良い。ｎ型半導体層１０１は、「正誘電体」に相当し、真性半導体層１０８の表面に直接接触している。第１の電極１０５と第２の電極１０６は、金属であり、ｎ型半導体層１０１を挟んで真性半導体層１０８と反対側に設けられ、かつ、ｎ型半導体層１０１の表面に直接接触している。電子蓄積層２０１は、ｎ型半導体層１０１が真性半導体層１０８に電子を供給することで、ｎ型半導体層１０１と真性半導体層１０８の異種半導体層の界面（真性半導体層１０８内における、ｎ型半導体層１０１との界面近傍）に形成される。これは通常のＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）と同じ機構である。または、ＺｎＯとＭｇＺｎＯといった分極の大きさが異なる強誘電体材料を用いると、分極効果により電子蓄積層２０１が形成される。電子蓄積層２０１の電子密度は、電圧を印加しない状態で、例えば１×１０２１ｃｍ−３以上、好ましくは１×１０２２ｃｍ−３以上である。これらの電子密度は、例えば、接合する材料を適切に選択することで実現できる。半導体波長変換素子使用時における電子蓄積層２０１の電子密度は、材料の選択、製造時の設計、または印加電圧により、例えば１０２０ｃｍ-３〜１０２２ｃｍ-３オーダー（１×１０２０ｃｍ-３〜１×１０２３ｃｍ-３）で可変とする。この半導体波長変換素子は、電圧を印加して使用することもできるが、電圧を印加せずに使用しても良い。これは、一般的なＨＥＭＴに類似した構造または分極効果により、電圧を印加しなくても、電子蓄積層２０１に、高い電子密度が生じているためである。これら以外は、図１１および１２の半導体波長変換素子の構造は、図１０の半導体波長変換素子７１’と同様である。なお、図１２に示すように、電子蓄積層２０１は、図１０の半導体波長変換素子７１’と同様、絶縁層１０３との界面を、縦横両方向に有する。このため、縦方向に振動するＳＰＰ２０６’および横方向に振動するＳＰＰ２０７’の両方を伝搬可能である。 11 and 12 show the structure of the semiconductor wavelength conversion element of this embodiment. FIG. 11 is a longitudinal sectional view in the direction (light propagation direction) from the light incident side to the light emitting side. FIG. 12 is a cross-sectional view of the first concave-convex repeating structure 401 in the light incident region as viewed in a direction parallel to the end surface on the light incident side (perpendicular to the light propagation direction). As shown in the figure, the semiconductor wavelength conversion element includes an intrinsic semiconductor layer 108 in the semiconductor wavelength conversion element 1 of FIG. 1 and the semiconductor wavelength conversion element 71 of FIG. The n-type semiconductor layer 101 and the electron storage layer 201 formed at the interface thereof. The substrate 110 is a high resistance substrate. The substrate 110 is, for example, GaAs or InP. The intrinsic semiconductor layer 108 is, for example, intrinsic GaAs or intrinsic InGaAs. The n-type semiconductor layer 101 is an n-type semiconductor layer having excess electrons and is made of AlGaAs, InGaP, InAlAs, or the like. For example, the n-type semiconductor layer may be doped with an n-type impurity such as phosphorus (P) at a high concentration, or may be modulation-doped using Si as a donor. The n-type semiconductor layer 101 corresponds to a “positive dielectric” and is in direct contact with the surface of the intrinsic semiconductor layer 108. The first electrode 105 and the second electrode 106 are metal, are provided on the opposite side of the intrinsic semiconductor layer 108 with the n-type semiconductor layer 101 interposed therebetween, and are in direct contact with the surface of the n-type semiconductor layer 101. Yes. The electron storage layer 201 is configured such that the n-type semiconductor layer 101 supplies electrons to the intrinsic semiconductor layer 108, whereby the interface between the different semiconductor layers of the n-type semiconductor layer 101 and the intrinsic semiconductor layer 108 (n-type in the intrinsic semiconductor layer 108). Near the interface with the semiconductor layer 101). This is the same mechanism as a normal HEMT (High Electron Mobility Transistor). Alternatively, when a ferroelectric material having different polarization magnitudes such as ZnO and MgZnO is used, the electron storage layer 201 is formed by the polarization effect. The electron density of the electron storage layer 201 is, for example, 1 × 10 21 cm −3 or more, preferably 1 × 10 22 cm −3 or more in a state where no voltage is applied. These electron densities can be realized, for example, by appropriately selecting materials to be joined. The electron density of the electron storage layer 201 when using the semiconductor wavelength conversion element is, for example, on the order of 10 20 cm −3 to 10 22 cm −3 (1 × 10 20 cm −) depending on the material selection, the design during manufacture, or the applied voltage. 3 to 1 × 10 23 cm −3 ). This semiconductor wavelength conversion element can be used by applying a voltage, but may be used without applying a voltage. This is because a high electron density is generated in the electron storage layer 201 even when no voltage is applied due to a structure similar to a general HEMT or a polarization effect. Except for these, the structure of the semiconductor wavelength conversion element of FIGS. 11 and 12 is the same as that of the semiconductor wavelength conversion element 71 ′ of FIG. As shown in FIG. 12, the electron storage layer 201 has an interface with the insulating layer 103 in both the vertical and horizontal directions, like the semiconductor wavelength conversion element 71 ′ of FIG. Therefore, it is possible to propagate both the SPP 206 ′ that vibrates in the vertical direction and the SPP 207 ′ that vibrates in the horizontal direction.

なお、図１３に、図１１および１２に示す半導体波長変換素子１００１におけるバンドエネルギーを例示する。ただし、図１３は、説明の便宜のための例示であり、本発明を何ら限定しない。図１３に示すとおり、真性半導体層１０８内における、ｎ型半導体層１０１との界面近傍では、伝導体エネルギーＥｃが、フェルミ準位ＥＦよりも低くなっている。これにより、前記界面近傍では、電子が蓄積されて二次元電子ガス（Ｔｗｏ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｇａｓ；２ＤＥＧ）の層（電子蓄積層）２０１が形成されている。また、電子蓄積層２０１の厚みは、例えば、図１３に示すとおり、約１ｎｍであるが、これに限定されない。 FIG. 13 illustrates band energy in the semiconductor wavelength conversion element 1001 shown in FIGS. 11 and 12. However, FIG. 13 is an example for convenience of description, and the present invention is not limited at all. As shown in FIG. 13, in the intrinsic semiconductor layer 108, the vicinity of the interface between the n-type semiconductor layer 101, conductor energy E c is lower than the Fermi level E F. As a result, in the vicinity of the interface, electrons are accumulated to form a two-dimensional electron gas (2DEG) layer (electron accumulation layer) 201. The thickness of the electron storage layer 201 is about 1 nm as shown in FIG. 13, for example, but is not limited to this.

図１１および１２に示す半導体波長変換素子１００１の製造方法も特に制限されない。例えば、基板１１０として高抵抗基板を用いることと、基板１１０の上部の一部をエッチングして第１の凹凸繰り返し構造４０１および第２の凹凸繰り返し構造４０２を形成すること以外は、前記第３および第４の実施形態と同様で良い。   The manufacturing method of the semiconductor wavelength conversion element 1001 shown in FIGS. 11 and 12 is not particularly limited. For example, except that a high resistance substrate is used as the substrate 110 and a part of the upper portion of the substrate 110 is etched to form the first concavo-convex repeating structure 401 and the second concavo-convex repeating structure 402. It may be the same as in the fourth embodiment.

本発明において、前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造は、あらかじめ、変換元（入射光）と変換先（出射光）の波長の波数が、ＳＰＰの分散関係と整合するように周期構造を設計することができる。前記の通り、ＳＰＰの分散関係は電子密度に依存するため、最適な波数整合になるように２電極の電圧により電子密度を調整することで、波数を保存した状態で周波数を変化させることができる（図４）。例えば、電子密度差が〜７×１０１９ｃｍ−３程度で１００ｎｍ、〜６×１０２０ｃｍ−３で５００ｎｍもの波長差で、入射光から出射光への変換が可能である（図１４参照）。なお、本実施形態では、電子蓄積層２０１は、前記の通り、電圧の印加のみならず、製造時の設計により、電圧非印加時に適切な値を有するよう設定することもできる。 In the present invention, the first concavo-convex repeating structure and the second concavo-convex repeating structure are configured such that the wave numbers of the wavelengths of the conversion source (incident light) and the conversion destination (outgoing light) match the dispersion relationship of the SPP in advance. Periodic structures can be designed. As described above, since the dispersion relation of SPP depends on the electron density, the frequency can be changed in a state where the wave number is preserved by adjusting the electron density by the voltage of the two electrodes so as to achieve the optimum wave number matching. (FIG. 4). For example, conversion from incident light to outgoing light is possible with an electron density difference of about 7 × 10 19 cm −3 and a wavelength difference of about 100 nm and −6 × 10 20 cm −3 of 500 nm (see FIG. 14). . In the present embodiment, as described above, the electron storage layer 201 can be set not only to apply a voltage but also to have an appropriate value when no voltage is applied, depending on the design at the time of manufacture.

前記の原理によれば、前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の周期および電子蓄積層の電子密度差により、変換できる波長差が規定される。ただし、本発明は、これに限定されない。例えば、前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造（周期構造）の光の波数に対するトレランスの広さを利用し、ある波数の範囲で伝搬光からＳＰＰへ、またその逆の結合が可能なように設計することで、単一波長から複数波長への変換が可能である。例えば、図４で低い周波数ω１で光が入射した場合を想定する。このとき、第１の凹凸繰り返し構造におけるＳＰＰの分散関係３０４が波数無限大のＳＰＰに漸近していく範囲を利用する。これにより、単一波長で、ある範囲内の任意の波数のＳＰＰを電子密度によって選択可能とする。一方、光出射側（第２の凹凸繰り返し構造）は、ＳＰＰの分散関係３０６が波数に対して周波数変化が急になる範囲を利用する。これにより、単一の波数および電子密度に対して周波数をω２の範囲で選択することが可能である。以上の通り、電子密度差の初期設定（製造時の設計）または電圧による制御と、周期構造の設計により、単一波長から任意の波長へと変換が可能である。なお、このメカニズムは、本実施形態に限定されず、例えば、前記第１および第２の実施形態の半導体波長変換素子にも、同様に適用できる。また、前記のメカニズムを逆にたどることで、反対に、任意の波長から単一波長への変換も可能である。 According to the above principle, the wavelength difference that can be converted is defined by the period of unevenness and the electron density difference of the electron storage layer in the first uneven repeating structure and the second uneven repeating structure. However, the present invention is not limited to this. For example, by using the tolerance of the light wave number of the first concavo-convex repeating structure and the second concavo-convex repeating structure (periodic structure), the propagation light is coupled to the SPP in the range of a certain wave number and vice versa. Therefore, conversion from a single wavelength to a plurality of wavelengths is possible. For example, assume that light is incident at a low frequency ω 1 in FIG. At this time, a range in which the SPP dispersion relation 304 in the first concavo-convex repeating structure gradually approaches an SPP having an infinite wave number is used. As a result, an SPP having a single wavelength and an arbitrary wave number within a certain range can be selected based on the electron density. On the other hand, on the light emitting side (second concave / convex repeating structure), the SPP dispersion relation 306 uses a range in which the frequency change is abrupt with respect to the wave number. Thereby, it is possible to select the frequency in the range of ω 2 for a single wave number and electron density. As described above, conversion from a single wavelength to an arbitrary wavelength is possible by initial setting (design at the time of manufacture) of the electron density difference or control by voltage and design of the periodic structure. Note that this mechanism is not limited to the present embodiment, and can be similarly applied to, for example, the semiconductor wavelength conversion elements of the first and second embodiments. Further, by reversely following the above-described mechanism, conversion from an arbitrary wavelength to a single wavelength is possible.

以下、本発明と関連する波長変換素子について説明する。本発明者らは、これらに着目し、鋭意検討を重ねた結果、本発明に到達した。   The wavelength conversion element related to the present invention will be described below. The inventors of the present invention have focused on these matters and, as a result of intensive studies, have reached the present invention.

波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＷＤＭ）を利用した光通信システムは、通信容量の拡大に用いられる。このＷＤＭは、異なる搬送波長（チャンネル）に割り当てられた複数の光信号を同時に伝送できる方式で、チャンネル数に応じて通信容量を増大することができる。   An optical communication system using wavelength division multiplexing (WDM) is used to increase communication capacity. This WDM is a method capable of simultaneously transmitting a plurality of optical signals assigned to different carrier wavelengths (channels), and can increase the communication capacity according to the number of channels.

このＷＤＭシステムの送信側では、例えば、光通信で用いられる標準チャンネルに対してそれぞれの波長に応じたレーザ装置を用意する。したがって、１００チャンネル分に対しては１００品種のレーザ装置が必要となる。これにより、在庫管理・棚卸しコストが増大するという問題点がある。そこで、ＷＤＭシステムを、１種類で１００チャンネルの設定が可能な波長可変レーザに置き換えることが考えられる。波長可変レーザの原理としては、例えば、レーザの内部に波長可変フィルタが内蔵されていて、波長を選択できるものがある。しかしながら、波長可変レーザは、機構が複雑となる問題がある。もし小型で高効率な波長変換素子が実現できれば、従来の波長可変レーザに代えて、固定波長レーザから出射された光を変換して、実用的な波長可変レーザが可能になる。   On the transmission side of this WDM system, for example, a laser device corresponding to each wavelength is prepared for a standard channel used in optical communication. Therefore, 100 types of laser devices are required for 100 channels. As a result, there is a problem that inventory management / inventory costs increase. Therefore, it is conceivable to replace the WDM system with a wavelength tunable laser capable of setting 100 channels with one type. As a principle of the wavelength tunable laser, for example, there is one in which a wavelength tunable filter is built in the laser and the wavelength can be selected. However, the wavelength tunable laser has a problem that the mechanism is complicated. If a small and highly efficient wavelength conversion element can be realized, a practical wavelength tunable laser can be obtained by converting the light emitted from the fixed wavelength laser instead of the conventional wavelength tunable laser.

また、ＷＤＭシステム内ネットワークノードでのチャンネル、すなわち波長の切り替えには、既存の光素子では制御が困難であるため、例えば、一度電気信号に変換してから処理し、再び光信号に戻す。この方法では、消費電力の増加とスピードの低下が問題となる。そこで、ＷＤＭシステムを低消費電力かつ高速に（柔軟かつ効率的に）運用するために、例えば、光信号を電気信号に変換することなく処理できるフォトニックネットワークシステムが有効と考えられる。波長変換素子は、これを実現するためのキーデバイスとなり得る。   Further, since it is difficult to control the channel, that is, the wavelength, in the network node in the WDM system with an existing optical element, for example, the signal is once converted into an electric signal, processed, and then returned to the optical signal again. In this method, an increase in power consumption and a decrease in speed are problems. Therefore, in order to operate the WDM system with low power consumption and high speed (flexibly and efficiently), for example, a photonic network system that can process an optical signal without converting it into an electric signal is considered effective. The wavelength conversion element can be a key device for realizing this.

また、現在、再生可能エネルギーとして注目されている太陽光発電は、太陽電池が用いられる。太陽電池は、広い波長域をもった太陽光に対して、吸収して光起電力として取り出せる波長域が限られているため、発電効率に限界がある。これに対し、異なる波長域の光を吸収できるように、異なる吸収層を多層構造にした素子を用いることが考えられる。しかし、多層化によるコスト増大と、各層が直列に接合されていることにより、１つの層の不具合が全体に影響する、といった歩留まりの低下が問題となる。そこで、小型で高効率な波長変換素子が実現できれば、直接吸収できない波長域の光を、吸収させる素子に応じて光起電力として取り出すのに最適な波長域へと変換することができる。これにより、発電効率を上げることが可能である。   In addition, a solar cell is used for photovoltaic power generation that is currently attracting attention as renewable energy. Solar cells have a limited power generation efficiency because they have a limited wavelength range that can be absorbed and extracted as photovoltaic power with respect to sunlight having a wide wavelength range. On the other hand, it is conceivable to use an element in which different absorption layers have a multilayer structure so that light in different wavelength ranges can be absorbed. However, an increase in cost due to the multi-layering and a decrease in yield, such as a failure of one layer affecting the whole due to the fact that each layer is joined in series, are problematic. Therefore, if a small and highly efficient wavelength conversion element can be realized, light in a wavelength region that cannot be directly absorbed can be converted into an optimum wavelength region for extraction as a photovoltaic power according to the element to be absorbed. Thereby, the power generation efficiency can be increased.

波長変換素子には、前述のとおり、主に電気駆動型と全光型とがある。電気駆動型は、主に半導体やＬＮ（ニオブ酸リチウム）によりマッハツェンダー型変調器を構成して実用化されており、周波数シフト量を精密に制御できる。しかし、電気駆動型の波長変換素子は、周波数の変換帯域が狭い、電場の１次の項を使うため入射光の偏光依存性が大きい、素子の駆動に消費電力が大きいＲＦ信号源が必要という問題がある。これらを抜本的に解決する対策は見出されていない。例えば、電気駆動型の波長変換素子には、前述のとおり、音響光学効果で生成されたブラッグ格子により周波数をシフトさせるもの、および、電気光学効果により単側波帯（サイドバンド）へ周波数をシフトさせるものがある。変換帯域（周波数シフト量）は、例えば、前者が数ＧＨｚ、後者は数１０ＧＨｚ程度である。しかしながら、ＷＤＭシステムより密な波長間隔を用いるＤｅｎｓｅ ＷＤＭ（ＤＷＤＭ）システムにおいても、周波数間隔は、例えば、１００ＧＨｚまたは５０ＧＨｚである。この観点からすると、前記電気駆動型の波長変換素子における周波数シフト量は大きくはない。   As described above, the wavelength conversion element mainly includes an electric drive type and an all-optical type. The electric drive type has been put into practical use by constituting a Mach-Zehnder type modulator mainly using a semiconductor or LN (lithium niobate), and the frequency shift amount can be precisely controlled. However, the electrically driven wavelength conversion element has a narrow frequency conversion band, uses the first-order term of the electric field, and therefore requires an RF signal source that consumes a large amount of power for driving the element because of the polarization dependence of incident light. There's a problem. No measures have been found to drastically solve these problems. For example, as described above, an electrically driven wavelength conversion element has a frequency shifted by a Bragg grating generated by an acoustooptic effect, and a frequency shifted to a single sideband (sideband) by an electrooptic effect. There is something to make. The conversion band (frequency shift amount) is, for example, several GHz for the former and several tens GHz for the latter. However, even in a dense WDM (DWDM) system that uses a finer wavelength interval than the WDM system, the frequency interval is, for example, 100 GHz or 50 GHz. From this viewpoint, the amount of frequency shift in the electrically driven wavelength conversion element is not large.

全光型の波長変換素子は、光の非線形光学効果を用いた素子で、前述のとおり、原理的に次の２つに大別される。１つは、３次の非線形効果である相互利得変調、相互位相変調（カー効果）等を利用して、信号光によって被変換光を変調する方法である。もう１つは、２次の非線形効果である差周波発生、３次の四光波混合等を利用して、信号光の位相まで含めた情報を別の波長の光へと転写させる方法である。これらの方式は、ＳＯＡ、ＬＤ等の半導体活性層、ＬＮ等の非線形光学結晶、光ファイバを使って実用化されている。   The all-optical wavelength conversion element is an element that uses a nonlinear optical effect of light, and as described above, is divided broadly into the following two in principle. One is a method of modulating the light to be converted with signal light by utilizing a third-order nonlinear effect such as mutual gain modulation, mutual phase modulation (Kerr effect), or the like. The other is a method of transferring information including the phase of the signal light to light of another wavelength by using difference frequency generation that is a second-order nonlinear effect, third-order four-wave mixing, and the like. These systems have been put into practical use using semiconductor active layers such as SOA and LD, nonlinear optical crystals such as LN, and optical fibers.

図１９に、ＳＯＡやＬＤ、光ファイバなどの３次非線形媒質１０を用いた四光波混合による波長変換の例を示す。図示のとおり、周波数整合条件、および位相整合条件から、高強度でコヒーレントな周波数ωｐのＣＷポンプ光１１と、周波数ωｓ＋Δωの信号光１２を媒質（３次非線形媒質）１０に入射する。これにより、媒質１０から、ωｓ−Δωの変換光１３が発生する。ただし、ポンプ光１１も一部は透過するため、波長フィルタ１４で変換光１３のみを取り出せるようにする。全光型の波長変換素子は、動作速度が、例えば数１０フェムト秒（ｆｓ）から数ピコ秒（ｐｓ）と十分高速であるが、非線形光学効果の励起や被変換光として高強度な別の光源と、その光が信号光と混ざらないための波長選択フィルタが必要である。また変換帯域は、電気駆動型波長変換素子よりは広いものの、数１０ナノメートル（ｎｍ）程度であり、応用範囲が通信用等の狭い範囲に限られるという問題がある。また偏光依存性は、非線形光学効果を用いるため、電気駆動型に比べるとほとんどないが、差周波発生や四光波混合においては完全な偏光無依存化はできていない。 FIG. 19 shows an example of wavelength conversion by four-wave mixing using a third-order nonlinear medium 10 such as SOA, LD, or optical fiber. As shown in the drawing, a high-intensity coherent CW pump light 11 having a frequency ω p and a signal light 12 having a frequency ω s + Δω are incident on a medium (third-order nonlinear medium) 10 from a frequency matching condition and a phase matching condition. As a result, converted light 13 of ω s −Δω is generated from the medium 10. However, since part of the pump light 11 is also transmitted, only the converted light 13 can be extracted by the wavelength filter 14. The all-optical wavelength conversion element has a sufficiently high operating speed of, for example, several tens of femtoseconds (fs) to several picoseconds (ps). A light source and a wavelength selection filter for preventing the light from being mixed with the signal light are required. Further, although the conversion band is wider than that of the electrically driven wavelength conversion element, it is about several tens of nanometers (nm), and there is a problem that the application range is limited to a narrow range such as for communication. In addition, since the polarization dependence uses a non-linear optical effect, it is hardly compared with the electric drive type. However, in the difference frequency generation and the four-wave mixing, the polarization independence cannot be made completely.

また、これらの波長変換技術において、光を導波させる構造は、誘電体の屈折率差を利用して光を閉じ込めるものである。しかしこの構造では回折限界の制約を受けるために、光を、使用する波長より十分小さいナノメートルオーダーの空間に閉じ込めることはできない。全光型のフォトニックネットワークシステムに向けた、光回路のさらなる大規模集積化のためには、光をナノメートルオーダーで自在に操る必要がある。   In these wavelength conversion techniques, the structure for guiding light confines light by utilizing the refractive index difference of the dielectric. However, since this structure is limited by the diffraction limit, light cannot be confined in a space of nanometer order sufficiently smaller than the wavelength used. In order to further integrate optical circuits on an all-optical photonic network system, it is necessary to freely manipulate light on the nanometer order.

以下、本発明の電磁波波長変換素子により奏される効果の例について説明する。ただし、これらの説明は、例示であって、本発明を何ら限定しない。   Hereinafter, the example of the effect show | played by the electromagnetic wave wavelength conversion element of this invention is demonstrated. However, these descriptions are merely examples and do not limit the present invention.

第１に、波長変換帯域（周波数変換帯域）の広さが挙げられる。電気駆動型の波長変換素子では、波長変換帯域（波長シフト量）は、広くて数ｎｍ程度である。また、非線形光学効果を利用する全光型の波長変換素子では、波長変換帯域（波長シフト量）は、広くて数１０ｎｍ程度である。しかし、この帯域では、一部の光通信用等の限られた用途にしか適用できない。光通信用における周波数利用幅のさらなる拡大、太陽光発電などに応用するためには、例えば、数１００ｎｍ程度の波長変換帯域（波長シフト量）が必要となる。   First, there is a wide wavelength conversion band (frequency conversion band). In the electrically driven wavelength conversion element, the wavelength conversion band (wavelength shift amount) is as wide as several nanometers. Further, in the all-optical wavelength conversion element utilizing the nonlinear optical effect, the wavelength conversion band (wavelength shift amount) is as wide as several tens of nm. However, in this band, it can be applied only to limited uses such as a part for optical communication. In order to further expand the frequency utilization range for optical communication, solar power generation, etc., for example, a wavelength conversion band (amount of wavelength shift) of about several hundred nm is required.

本発明では、前記の通り、入射光と出射光との波長差（波長シフト量）、すなわち周波数差は、例えば、前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造における、凹凸の寸法および配置間隔（周期）と、前記電子蓄積層の電子密度勾配とで決まる。前記凹凸繰り返し構造は、例えばグレーティング構造の場合、周期等を自在に設計して作製することが可能である。また、前記電子蓄積層が半導体層であれば、電子密度勾配は、材料だけでなく構造や電界のかけ方によって自由に設定可能であり、金属を用いた場合のように材料のみで決定されることはない。したがって、原理的には、例えば、電子密度の差が７×１０１９ｃｍ−３程度で１００ｎｍ、６×１０２０ｃｍ−３で５００ｎｍもの変換が可能である。ただし、本発明の電磁波波長変換素子における波長変換帯域（波長シフト量）は、何ら限定されない。本発明の電磁波波長変換素子の用途は、特に制限されないので、例えば、広い波長変換帯域（波長シフト量）を必要としない用途であれば、波長変換帯域（波長シフト量）が狭くても良い。また、前述のとおり、本発明の電磁波波長変換素子が半導体波長変換素子であり、前記電子蓄積層が半導体層であれば、前記第１の電極および第２の電極により電圧を印加することで、前記電子蓄積層の電子密度を自在に変化させることができる。しかし、本発明の電磁波波長変換素子は、前述のとおり、電圧をかけずに使用しても良い。 In the present invention, as described above, the wavelength difference (wavelength shift amount) between the incident light and the outgoing light, that is, the frequency difference is, for example, the size of the unevenness in the first uneven repeating structure and the second uneven repeating structure. Further, it is determined by the arrangement interval (period) and the electron density gradient of the electron storage layer. For example, in the case of a grating structure, the concavo-convex repeating structure can be manufactured by freely designing the period and the like. If the electron storage layer is a semiconductor layer, the electron density gradient can be freely set not only by the material but also by the structure and the way of applying an electric field, and is determined only by the material as in the case of using a metal. There is nothing. Therefore, in principle, for example, conversion of 100 nm is possible when the difference in electron density is about 7 × 10 19 cm −3 , and conversion of 500 nm is possible when 6 × 10 20 cm −3 . However, the wavelength conversion band (wavelength shift amount) in the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention is not limited at all. The application of the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention is not particularly limited. For example, if the application does not require a wide wavelength conversion band (wavelength shift amount), the wavelength conversion band (wavelength shift amount) may be narrow. Further, as described above, if the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention is a semiconductor wavelength conversion element and the electron storage layer is a semiconductor layer, a voltage is applied by the first electrode and the second electrode, The electron density of the electron storage layer can be freely changed. However, as described above, the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention may be used without applying a voltage.

第２に、小型化および集積化が挙げられる。屈折率差で光を閉じ込める導波路を用いた波長変換素子では、小型化が困難である。すなわち、この導波路では回折限界により光が広がってしまうため、導波路の幅や曲率半径などの寸法が波長オーダーに制限される。また、導波路の単位長さあたりの変換効率が低いことを素子長で補うために、サイズが大きくなってしまう。実際、実用化されている波長変換素子は、例えば、ｍｍからｃｍのオーダーの素子長である。また、特に全光型で非線形光学効果を利用する場合は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの結晶を用いるため、他の半導体発光・受光素子との集積化が困難である。   Secondly, miniaturization and integration can be mentioned. It is difficult to reduce the size of a wavelength conversion element using a waveguide that confines light with a difference in refractive index. That is, in this waveguide, light spreads due to the diffraction limit. Therefore, dimensions such as the width and the radius of curvature of the waveguide are limited to the wavelength order. In addition, the size increases in order to compensate for the low conversion efficiency per unit length of the waveguide by the element length. Actually, the wavelength conversion element in practical use has an element length on the order of mm to cm, for example. In particular, when the nonlinear optical effect is used in the all-optical type, since a crystal such as lithium niobate (LN) is used, it is difficult to integrate with other semiconductor light emitting / receiving elements.

これに対し、本発明は、例えば、図４に示すように、ＳＰＰは同じエネルギーの伝搬光と比べて波数が大きい、すなわち波長が短いため回折限界による制限が小さくなるという原理に基づく。例えば、表面凹凸構造のある光結合部（前記第１および第２の凹凸繰り返し構造）が、片側１０μｍ程度、それら以外の電子密度勾配がある領域が１０μｍ程度であれば、全長３０μｍ程度の素子が実現可能である。これは、屈折率差で光を閉じ込める導波路を用いた波長変換素子と比較すると、例えば、１／１０００程度の素子長である。また、本発明の電磁波波長変換素子が、半導体を主な形成材料とする半導体波長変換素子であれば、他の半導体素子との集積が容易である。材料として、半導体とその酸化膜などの絶縁体、および電極用の金属以外を使用しなければ、さらに集積は容易である。さらに、半導体素子においては、異なる活性層間をドライエッチングと再成長によってつなぐバットジョイント技術が確立していることも、集積が容易な理由である。   On the other hand, the present invention is based on the principle that, as shown in FIG. 4, for example, the SPP has a larger wave number than the propagating light of the same energy, that is, the limitation due to the diffraction limit is small because the wavelength is short. For example, if the optical coupling portion having the surface uneven structure (the first and second uneven repeating structures) is about 10 μm on one side and the region with the other electron density gradient is about 10 μm, an element having a total length of about 30 μm is formed. It is feasible. This is, for example, an element length of about 1/1000 compared to a wavelength conversion element using a waveguide that confines light with a difference in refractive index. Moreover, if the electromagnetic wave wavelength conversion element of this invention is a semiconductor wavelength conversion element which uses a semiconductor as a main forming material, integration with another semiconductor element will be easy. If materials other than a semiconductor and its insulator such as an oxide film and a metal for electrodes are not used, the integration is further facilitated. Furthermore, in semiconductor devices, the integration of bat joint technology that connects different active layers by dry etching and regrowth is also a reason for easy integration.

第３に、波長変換素子およびそれを用いた装置（システム）の構成を単純化できることが挙げられる。例えば、電気駆動型波長変換素子は、消費電力が大きく、高価なＲＦ信号源が必要である。一方、全光型の波長変換素子は、励起用の高強度ポンプ光か被変換光が必要となる。したがって、素子本体が小型化、低消費電力化できたとしても、システム全体としては大型で消費電力も大きくなり、コストも増大してしまう。これに対し、本発明の電磁波波長変換素子においては、例えば、波長変換には、例えば、ＤＣバイアスをかける電圧源のみがあればよい。このため、ＲＦ信号源や他の高強度光を用意する必要がない。そのため、素子単体だけでなく、システム全体として小型化、低消費電力化することが可能である。ただし、本発明は、この説明により限定されない。例えば、前記電圧源としては、ＤＣバイアス以外の任意の電圧源を用いても良い。また、前述のとおり、本発明の電磁波波長変換素子は、電圧を印加せずに波長変換することもできる。これによれば、前記電圧源が不用であるので、システムのさらなる小型化および構成の単純化が可能である。また、この場合、前記第１の電極および第２の電極は、省略することもできる。   Thirdly, it is possible to simplify the configuration of the wavelength conversion element and the apparatus (system) using the wavelength conversion element. For example, an electrically driven wavelength conversion element consumes a large amount of power and requires an expensive RF signal source. On the other hand, the all-optical wavelength conversion element requires high-intensity pump light for excitation or light to be converted. Therefore, even if the element body can be reduced in size and reduced in power consumption, the entire system is large in size and power consumption increases, resulting in an increase in cost. On the other hand, in the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, for example, only a voltage source for applying a DC bias is required for wavelength conversion. For this reason, it is not necessary to prepare an RF signal source or other high intensity light. Therefore, it is possible to reduce the size and power consumption of the entire system as well as the element alone. However, the present invention is not limited by this description. For example, any voltage source other than a DC bias may be used as the voltage source. Further, as described above, the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention can also perform wavelength conversion without applying a voltage. According to this, since the voltage source is unnecessary, the system can be further downsized and the configuration can be simplified. In this case, the first electrode and the second electrode can be omitted.

第４に、波長変換効率（入射光から出射光への変換効率）が挙げられる。例えば、全光型の波長変換素子は、もともと係数が小さい高次の非線形光学効果を用いることと、その効果が光強度に依存することから、高い変換効率を得るためには高強度の光源が必要となる。このことは、前述の、装置構成を複雑にする要因ともなっている。本発明の電磁波波長変換素子では、例えば、前記表面プラズモンポラリトン変換構造を適切に設定することで、伝搬光（入射光）からＳＰＰへの結合効率（変換効率）を高くすることができる。より具体的には、例えば、前記第１の凹凸繰り返し構造（周期構造）の周期、形状、長さ等により、前記入射光から前記ＳＰＰへの変換効率を、例えば９０％程度まで高めることもできる。また、例えば、ＳＰＰに変換された後は、電子密度勾配がある領域（前記光入出射領域それぞれの構造間）の長さをＳＰＰの減衰長以下にすることができる。これにより、再び伝搬光へ変換されて出力される全体の波長変換効率（すなわち、入射光から出射光への変換効率）は、例えば、８０％程度とすることが可能である。ただし、これらの波長変換効率の数値は、好ましい数値の例示であって、本発明を何ら限定しない。   Fourthly, wavelength conversion efficiency (conversion efficiency from incident light to outgoing light) can be mentioned. For example, an all-optical wavelength conversion element uses a high-order nonlinear optical effect with a small coefficient from the beginning, and the effect depends on the light intensity. Necessary. This is also a factor complicating the above-described apparatus configuration. In the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, for example, by appropriately setting the surface plasmon polariton conversion structure, the coupling efficiency (conversion efficiency) from propagating light (incident light) to SPP can be increased. More specifically, for example, the conversion efficiency from the incident light to the SPP can be increased to, for example, about 90% by the period, shape, length, etc. of the first uneven repeating structure (periodic structure). . Further, for example, after being converted into SPP, the length of a region having an electron density gradient (between the structures of the light incident / exit regions) can be made equal to or shorter than the attenuation length of SPP. As a result, the overall wavelength conversion efficiency (that is, the conversion efficiency from incident light to outgoing light) that is converted into propagation light and output again can be about 80%, for example. However, these numerical values of wavelength conversion efficiency are examples of preferable numerical values, and do not limit the present invention.

第５に、入射光の偏光依存性が挙げられる。例えば、電気駆動型の波長変換素子は、電場の１次の項がもたらす電気光学効果を用いるため、偏光依存性が顕著であり、異なる方向の偏光に対しては作用しない。一方、全光型は、電場の２次以上の高次の項、すなわち主に光強度がもたらす非線形光学効果を用いるため、偏光依存性は少ないが、さらなる偏光無依存化が求められる。   Fifth, the polarization dependence of incident light can be mentioned. For example, an electrically driven wavelength conversion element uses the electro-optic effect caused by the first-order term of the electric field, and therefore has a significant polarization dependency and does not act on polarized light in different directions. On the other hand, the all-optical type uses a second-order or higher-order term of the electric field, that is, a nonlinear optical effect mainly caused by the light intensity, and therefore has little polarization dependency, but further polarization independence is required.

本発明では、例えば、前記第４または第５の実施形態のように、前記電子蓄積層が、縦横両方の方向に層平面（界面）を有することで、縦横いずれの方向の偏光によってもＳＰＰを励起可能である。さらに、それぞれその偏光を保ったまま波長変換をおこなって伝搬光に戻すことができる。また、例えば、前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面から任意の角度だけ傾斜し、かつ前記光入射側から前記光出射側に向かう方向に沿った方向の層平面を有することで、任意の方向の偏光により、同様にＳＰＰを励起し、その偏光を保ったまま波長変換をおこなって伝搬光に戻すことができる。ただし、これらの説明は例示であって、本発明を何ら限定しない。本発明の電磁波波長変換素子は、例えば前記第１から第３の実施形態のように、前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面と平行方向にのみ、層平面（界面）を有していても良い。また、本発明の電磁波波長変換素子の用途は特に制限されないので、偏光依存性の低さ（偏光無依存化）が要求されない用途に用いるのであれば、偏光依存性が高くても良い。   In the present invention, for example, as in the fourth or fifth embodiment, the electron storage layer has layer planes (interfaces) in both the vertical and horizontal directions, so that the SPP can be obtained by polarization in either the vertical and horizontal directions. Excitable. Furthermore, it is possible to convert the wavelength back to propagating light while maintaining the polarization. Further, for example, the electron storage layer has an arbitrary layer plane that is inclined at an arbitrary angle from the layer plane of the stacked structure and has a direction along the direction from the light incident side toward the light emitting side. Similarly, the SPP can be excited by the polarized light in the direction of, and wavelength conversion can be performed while the polarized light is maintained to return to the propagating light. However, these descriptions are merely examples and do not limit the present invention. In the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, for example, as in the first to third embodiments, the electron storage layer has a layer plane (interface) only in a direction parallel to the layer plane of the stacked structure. May be. Moreover, since the use of the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention is not particularly limited, the use of the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention may be high in polarization dependency if it is used in applications where low polarization dependency (polarization independence) is not required.

［第６の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図１５に示すとおり、本実施形態の波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＷＤＭ）光通信システムは、単一波長の光２０２を発する半導体発光素子３１と、半導体発光素子３１からの出射光２０２を分波する光分波器３２と、光分波器から発する光２０２を複数の異なる波長の出射光２０８に変換可能な本発明の電磁波波長変換素子２３と、を有する。電磁波波長変換素子２３は、複数である。また、電磁波波長変換素子２３は、半導体を主な形成材料とする半導体波長変換素子であることが好ましい。半導体波長変換素子２３は、例えば、前記第３から第５のいずれかの実施形態における半導体波長変換素子であっても良い。前記本発明の電磁波波長変換素子と、前記単一波長の光を発する半導体発光素子と、前記光分波器を、それぞれ個別の素子として組み合わせることによって、単一波長の発光素子のみで光通信用のＷＤＭ送信システムが実現可能である。または、半導体波長変換素子である前記本発明の電磁波波長変換素子と、前記単一波長の光を発する半導体発光素子と、前記光分波器はすべて半導体で形成可能であるため、同一半導体基板上に集積することで、さらなる小型・低消費電力化が可能である。 [Sixth Embodiment]
Next, still another embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 15, the wavelength division multiplexing (WDM) optical communication system according to the present embodiment divides the semiconductor light emitting element 31 that emits light 202 having a single wavelength and the emitted light 202 from the semiconductor light emitting element 31. And an electromagnetic wave wavelength conversion element 23 of the present invention capable of converting the light 202 emitted from the optical branching filter into a plurality of outgoing lights 208 having different wavelengths. There are a plurality of electromagnetic wave wavelength conversion elements 23. Moreover, it is preferable that the electromagnetic wave wavelength conversion element 23 is a semiconductor wavelength conversion element having a semiconductor as a main forming material. The semiconductor wavelength conversion element 23 may be, for example, the semiconductor wavelength conversion element in any one of the third to fifth embodiments. By combining the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, the semiconductor light emitting element that emits light of the single wavelength, and the optical demultiplexer as individual elements, only the light emitting element of the single wavelength is used for optical communication. WDM transmission system can be realized. Alternatively, since the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention, which is a semiconductor wavelength conversion element, the semiconductor light emitting element that emits light of a single wavelength, and the optical demultiplexer can be all formed of a semiconductor, It is possible to further reduce the size and power consumption by integrating them in

［第７の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図１６に示すとおり、この波長可変光源は、前記本発明の電磁波波長変換素子２４と、集積光源３１とが、同一半導体基板上に集積されている。電磁波波長変換素子２４は、集積光源３１からの入射光２０２を、出射光２０８に波長変換可能である。また、電磁波波長変換素子２４は、半導体を主な形成材料とする半導体波長変換素子であることが好ましい。半導体波長変換素子２４は、例えば、前記第３から第５のいずれかの実施形態における半導体波長変換素子と同じであっても良い。集積光源は、特に制限されないが、例えば、分布帰還型（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌａｓｅｒ，ＤＦＢ）レーザ、分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ，ＤＢＲ）レーザ等であると、半導体結晶のへき開面が不要である。例えば、集積光源３１としてＤＦＢレーザを集積した場合、ＤＦＢレーザが出力する単一波長を任意に変換して出力することが可能である。これにより、例えば、従来の波長可変機構を備えた波長可変レーザと比べてはるかに小型で簡単な構成の波長可変レーザが実現可能である。 [Seventh Embodiment]
Next, still another embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 16, in this variable wavelength light source, the electromagnetic wave wavelength conversion element 24 of the present invention and the integrated light source 31 are integrated on the same semiconductor substrate. The electromagnetic wave wavelength conversion element 24 can convert the wavelength of incident light 202 from the integrated light source 31 into outgoing light 208. The electromagnetic wave wavelength conversion element 24 is preferably a semiconductor wavelength conversion element whose main forming material is a semiconductor. The semiconductor wavelength conversion element 24 may be the same as the semiconductor wavelength conversion element in any one of the third to fifth embodiments, for example. The integrated light source is not particularly limited, but, for example, if it is a distributed feedback laser (DFB) laser, a distributed reflection reflector (DBR) laser or the like, a cleavage plane of the semiconductor crystal is not necessary. For example, when a DFB laser is integrated as the integrated light source 31, a single wavelength output from the DFB laser can be arbitrarily converted and output. Thereby, for example, it is possible to realize a wavelength tunable laser that is much smaller and simpler than a wavelength tunable laser having a conventional wavelength tunable mechanism.

［第８の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図１７に示すとおり、この波長可変光源は、前記本発明の電磁波波長変換素子２４と、電界吸収型変調器集積光源３３とが、同一半導体基板上に集積されている。電磁波波長変換素子２４は、電界吸収型変調器集積光源３３からの入射光２０２を、出射光２０８に波長変換可能である。また、電磁波波長変換素子２４は、半導体を主な形成材料とする半導体波長変換素子であることが好ましい。半導体波長変換素子２４は、例えば、前記第３から第５のいずれかの実施形態における半導体波長変換素子と同じであっても良い。この波長可変光源は、変調器集積波長可変光源として用いられる。これによれば、本発明の電磁波波長変換素子（半導体波長変換素子）により、単一波長を変調して出力する電界吸収型変調器集積光源の波長を任意に変換して出力することが可能である。これにより、例えば、従来と比べてはるかに小さな変調器集積波長可変レーザが実現可能である。 [Eighth Embodiment]
Next, still another embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 17, in this variable wavelength light source, the electromagnetic wave wavelength conversion element 24 of the present invention and the electroabsorption modulator integrated light source 33 are integrated on the same semiconductor substrate. The electromagnetic wave wavelength conversion element 24 can convert the wavelength of incident light 202 from the electroabsorption modulator integrated light source 33 into outgoing light 208. The electromagnetic wave wavelength conversion element 24 is preferably a semiconductor wavelength conversion element whose main forming material is a semiconductor. The semiconductor wavelength conversion element 24 may be the same as the semiconductor wavelength conversion element in any one of the third to fifth embodiments, for example. This wavelength variable light source is used as a modulator integrated wavelength variable light source. According to this, the wavelength of the electroabsorption modulator integrated light source that modulates and outputs a single wavelength can be arbitrarily converted and output by the electromagnetic wave wavelength conversion element (semiconductor wavelength conversion element) of the present invention. is there. Thereby, for example, a much smaller modulator integrated wavelength tunable laser than that of the prior art can be realized.

［第９の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図１８に示すとおり、この光発電システムは、本発明の電磁波波長変換素子２３と、電磁波波長変換素子２３からの出射光２０８を起電力に変換する光起電力発生装置３４とを有する。電磁波波長変換素子２３は、複数であり、入射光２０２を、出射光２０８に波長変換可能である。出射光２０８の波長は、出射光２０８の光エネルギーを光起電力発生装置３４で光起電力として取り出すために最適な波長とすることが好ましい。同図の光発電システムは、例えば、プリズム等の分光器をさらに含んでいても良い。より具体的には、例えば、複数の波長を含んだ光を、前記プリズム等の分光器で分離して入射光２０２とし、分離した各入射光２０２を、それぞれ電磁波波長変換素子２３に入射させ、出射光２０８に波長変換しても良い。また、電磁波波長変換素子２３は、半導体を主な形成材料とする半導体波長変換素子であることが好ましい。半導体波長変換素子２３は、例えば、前記第３から第５のいずれかの実施形態における半導体波長変換素子と同じであっても良い。このような光発電システムを用いれば、本発明の電磁波波長変換素子により、光起電力発生装置で変換可能な波長範囲を超えた広い波長範囲の光を、光起電力発生装置で変換可能な波長範囲に変換することが可能である。これにより光起電力の変換効率を上げることが可能である。また、前記本発明の波長変換素子または半導体波長変換素子と、前記光起電力発生装置とを、同一半導体基板上に集積すれば、さらに小型化が可能であり、好ましい。 [Ninth Embodiment]
Next, still another embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 18, this photovoltaic system includes the electromagnetic wave wavelength conversion element 23 of the present invention, and a photovoltaic power generation device 34 that converts the emitted light 208 from the electromagnetic wave wavelength conversion element 23 into an electromotive force. There are a plurality of electromagnetic wave wavelength conversion elements 23, and the wavelength of incident light 202 can be converted into emitted light 208. The wavelength of the outgoing light 208 is preferably an optimum wavelength for taking out the optical energy of the outgoing light 208 as a photovoltaic power by the photovoltaic power generation device 34. The photovoltaic system shown in the figure may further include a spectroscope such as a prism. More specifically, for example, light including a plurality of wavelengths is separated by a spectroscope such as the prism into incident light 202, and each separated incident light 202 is incident on the electromagnetic wave wavelength conversion element 23, respectively. The wavelength of the emitted light 208 may be converted. Moreover, it is preferable that the electromagnetic wave wavelength conversion element 23 is a semiconductor wavelength conversion element having a semiconductor as a main forming material. The semiconductor wavelength conversion element 23 may be the same as the semiconductor wavelength conversion element in any one of the third to fifth embodiments, for example. If such a photovoltaic power generation system is used, the wavelength that can be converted by the photovoltaic power generation apparatus using the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention can convert light in a wide wavelength range that exceeds the wavelength range that can be converted by the photovoltaic power generation apparatus. It can be converted to a range. Thereby, the conversion efficiency of photovoltaic power can be increased. Further, if the wavelength conversion element or semiconductor wavelength conversion element of the present invention and the photovoltaic power generation device are integrated on the same semiconductor substrate, it is possible to further reduce the size, which is preferable.

以上、説明したとおり、本発明によれば、小型かつ簡単な構成の電磁波波長変換素子、前記電磁波波長変換素子を用いた波長分割多重光通信システム、波長可変光源および光発電システム、ならびに電磁波波長変換素子の製造方法を提供することができる。本発明の電磁波波長変換素子は、例えば、半導体発光デバイスにも、半導体受光デバイスにも適用可能である。本発明の電磁波波長変換素子は、例えば、任意波長から任意波長への変換が可能な超小型半導体波長変換素子とすることもできる。本発明の電磁波波長変換素子は、前記の通り、波長分割多重光通信システム、波長可変光源、または光発電システムに使用できるが、これに限定されず、種々の用途に使用可能である。例えば、本発明の電磁波波長変換素子は、太陽電池に用いることができる。より具体的には、例えば、広い波長域の太陽光を本発明の電磁波波長変換素子により光変換して、効率よく受光し、太陽電池の発電効率を高めることができる。さらに、本発明の電磁波波長変換素子は、波長多重通信用光源、次世代の光通信システム、アクティブな光源とパッシブな光制御素子の同一活性層上でのモノリシック集積、同一の活性層で異なる複数の波長を発振できる可視光源、複数の波長に対応した受光素子、レーザディスプレイ、記録用の可視光源、照明、医療、センシング等、幅広い用途あるいは技術分野への適用も可能である。   As described above, according to the present invention, the electromagnetic wave wavelength conversion element having a small and simple configuration, the wavelength division multiplexing optical communication system using the electromagnetic wave wavelength conversion element, the variable wavelength light source and the photovoltaic system, and the electromagnetic wave wavelength conversion are provided. An element manufacturing method can be provided. The electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention can be applied to, for example, a semiconductor light emitting device and a semiconductor light receiving device. The electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention can be, for example, an ultra-small semiconductor wavelength conversion element capable of converting from an arbitrary wavelength to an arbitrary wavelength. As described above, the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention can be used for a wavelength division multiplexing optical communication system, a wavelength tunable light source, or a photovoltaic power generation system, but is not limited thereto and can be used for various applications. For example, the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention can be used for a solar cell. More specifically, for example, sunlight in a wide wavelength range can be converted into light by the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention and efficiently received, and the power generation efficiency of the solar cell can be increased. Furthermore, the electromagnetic wave wavelength conversion element of the present invention includes a wavelength multiplex communication light source, a next generation optical communication system, a monolithic integration of an active light source and a passive light control element on the same active layer, and a plurality of different in the same active layer. It can be applied to a wide range of uses or technical fields, such as a visible light source capable of oscillating a plurality of wavelengths, a light receiving element corresponding to a plurality of wavelengths, a laser display, a visible light source for recording, illumination, medical care, and sensing.

１、５１ａ、５１ｂ、７１、７１’、９１、１００１ 電磁波波長変換素子
１０ ３次非線形媒質
１１ ポンプ光 ωｐ
１２ 信号光 ωｓ＋Δω
１３ 変換光 ωｓ−Δω
１４ 波長フィルタ
２３、２４ 電磁波波長変換素子（半導体波長変換素子）
３１ 集積光源
３２ 光分波器
３３ 電界吸収型変調器集積光源
３４ 光起電力発生素子
１０１ ｎ型半導体層
１０２ ｐ型半導体層
１０３ 絶縁層
１０５ 第１の電極
１０６ 第２の電極
１０７ 第３の電極
１０８ 真性半導体層
１１０ 半導体基板
２０１ 電子蓄積層
２０２ 入射伝搬光
２０３ 入射伝搬光の伝搬方向成分
２０４ エバネッセント光
２０５ 表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ：ＳＰＰ）
２０６ エバネッセント光
２０７ 出射伝搬光の伝搬方向成分
２０８ 出射伝搬光
２０９ 正誘電体層
２１０ 電磁波透過性部材
３０１ 入射伝搬光および出射伝搬光の分散関係
３０４ 第１のＳＰＰの分散関係
３０６ 第２のＳＰＰの分散関係
４０１ 光入射側の領域（電磁波入射領域）または第１の周期構造（凹凸繰り返し構造）
４０２ 光出射側の領域（電磁波出射領域）または第２の周期構造（凹凸繰り返し構造）
４０４ 第１の周期構造（凹凸繰り返し構造）で変換されるエバネッセント光の分散関係
４０６ 第２の周期構造（凹凸繰り返し構造）で変換されるエバネッセント光の分散関係
４１０ 表面プラズモンポラリトン周波数変調手段 1, 51a, 51b, 71, 71 ′, 91, 1001 Electromagnetic wave wavelength conversion element 10 Third-order nonlinear medium 11 Pump light ω p
12 Signal light ω s + Δω
13 Converted light ω s −Δω
14 Wavelength filters 23, 24 Electromagnetic wave wavelength conversion element (semiconductor wavelength conversion element)
31 Integrated light source 32 Optical demultiplexer 33 Electroabsorption modulator integrated light source 34 Photovoltaic generator 101 n-type semiconductor layer 102 p-type semiconductor layer 103 insulating layer 105 first electrode 106 second electrode 107 third electrode 108 Intrinsic Semiconductor Layer 110 Semiconductor Substrate 201 Electron Storage Layer 202 Incident Propagation Light 203 Propagation Direction Component 204 of Incident Propagation Light 204 Evanescent Light 205 Surface Plasmon Polariton (SPP)
206 Evanescent light 207 Propagation direction component of outgoing propagation light 208 Outgoing propagation light 209 Positive dielectric layer 210 Electromagnetic wave transmissive member 301 Dispersion relation of incident propagation light and outgoing propagation light 304 Dispersion relation of first SPP 306 Second SPP Dispersion relationship 401 Light incident side region (electromagnetic wave incident region) or first periodic structure (concave and convex repeating structure)
402 Area on the light emission side (electromagnetic wave emission area) or second periodic structure (repetitive uneven structure)
404 Dispersion relation of evanescent light converted by the first periodic structure (uneven repeat structure) 406 Dispersion relation of evanescent light converted by the second periodic structure (uneven repeat structure) 410 Surface plasmon polariton frequency modulation means

Claims (43)

半導体と正誘電体との積層構造を有し、
前記正誘電体は、前記半導体の表面に直接接触しており、
電圧印加状態または電圧非印加状態の前記半導体が、前記正誘電体との界面近傍に電子蓄積層を有し、
前記積層構造の一端に、電磁波入射領域が形成され、
前記積層構造の他端に、電磁波出射領域が形成され、
前記電子蓄積層は、その層平面に沿って、表面プラズモンポラリトンを前記電磁波入射領域から前記電磁波出射領域まで伝搬する層であり、
前記電子蓄積層において、前記電磁波入射領域と前記電磁波出射領域との間に、表面プラズモンポラリトン周波数変調領域が形成され、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域は、前記電磁波入射領域側から前記電磁波出射領域側に向かって変化する電子密度を有し、
前記電磁波入射領域に入射した入射電磁波を、前記電磁波入射領域の前記電子蓄積層内でエバネッセント波に変換し、さらに、表面プラズモンポラリトンに変換し、
前記表面プラズモンポラリトンの周波数を、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域の前記電子密度変化により変調し、
周波数が変調された前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を、前記電磁波出射領域において出射電磁波に変換し、前記入射電磁波から前記出射電磁波への波長変換を行うことを特徴とする電磁波波長変換素子。 It has a laminated structure of semiconductor and positive dielectric,
The positive dielectric is in direct contact with the surface of the semiconductor;
The semiconductor in a voltage application state or a voltage non-application state has an electron storage layer in the vicinity of the interface with the positive dielectric,
An electromagnetic wave incident region is formed at one end of the laminated structure,
An electromagnetic wave emission region is formed at the other end of the laminated structure,
The electron storage layer is a layer that propagates surface plasmon polaritons from the electromagnetic wave incident region to the electromagnetic wave emitting region along the layer plane,
In the electron accumulation layer, a surface plasmon polariton frequency modulation region is formed between the electromagnetic wave incident region and the electromagnetic wave emitting region,
The surface plasmon polariton frequency modulation region has an electron density that changes from the electromagnetic wave incident region side toward the electromagnetic wave emitting region side,
The incident electromagnetic wave incident on the electromagnetic wave incident region is converted into an evanescent wave in the electron accumulation layer of the electromagnetic wave incident region, and further converted into a surface plasmon polariton,
Modulating the frequency of the surface plasmon polariton by the electron density change in the surface plasmon polariton frequency modulation region;
An electromagnetic wave wavelength conversion element that converts an evanescent wave coupled to the surface plasmon polariton whose frequency is modulated into an outgoing electromagnetic wave in the electromagnetic wave emission region, and performs wavelength conversion from the incident electromagnetic wave to the outgoing electromagnetic wave. 前記半導体が、ｎ型半導体とｐ型半導体との積層構造を有し、
前記ｐ型半導体は、前記ｎ型半導体の表面に直接接触しており、
前記正誘電体は、絶縁体であり、かつ、前記ｐ型半導体の表面に直接接触していることを特徴とする請求項１記載の電磁波波長変換素子。 The semiconductor has a stacked structure of an n-type semiconductor and a p-type semiconductor;
The p-type semiconductor is in direct contact with the surface of the n-type semiconductor;
The electromagnetic wave wavelength conversion element according to claim 1, wherein the positive dielectric is an insulator and is in direct contact with the surface of the p-type semiconductor. 前記半導体が、真性半導体であり、
前記正誘電体が、ｎ型半導体であり、
さらに、金属または絶縁体を含み、
前記金属または絶縁体が、前記ｎ型半導体を挟んで前記真性半導体と反対側に設けられており、かつ、前記ｎ型半導体の表面に直接接触していることを特徴とする請求項１または２記載の電磁波波長変換素子。 The semiconductor is an intrinsic semiconductor;
The positive dielectric is an n-type semiconductor;
In addition, including metal or insulator,
The metal or the insulator is provided on the opposite side of the intrinsic semiconductor with the n-type semiconductor interposed therebetween, and is in direct contact with the surface of the n-type semiconductor. The electromagnetic wave wavelength conversion element of description. 前記正誘電体に代えて、金属を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。   4. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to claim 1, further comprising a metal instead of the positive dielectric. 5. 前記電磁波入射領域における前記半導体が、第１の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第１の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記正誘電体は、前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸表面に直接接触していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。 The semiconductor in the electromagnetic wave incident region has a first concavo-convex repeating structure,
In the first uneven repeating structure, unevenness is alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emitting side,
5. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to claim 1, wherein the positive dielectric is in direct contact with the concavo-convex surface of the first concavo-convex repeating structure. 6. 前記電磁波入射領域が、前記積層構造に代えて、第１の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第１の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記第１の凹凸繰り返し構造により、前記入射電磁波をエバネッセント波に変換するとともに、前記エバネッセント波を伝搬し、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域において、前記エバネッセント波を表面プラズモンポラリトンに変換することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。 The electromagnetic wave incident area has a first concavo-convex repeating structure instead of the laminated structure,
In the first uneven repeating structure, unevenness is alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emitting side,
The first uneven repeating structure converts the incident electromagnetic wave into an evanescent wave and propagates the evanescent wave,
5. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to claim 1, wherein the evanescent wave is converted into a surface plasmon polariton in the surface plasmon polariton frequency modulation region. 6. 前記電磁波出射領域における前記半導体が、第２の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第２の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記正誘電体は、前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸表面に直接接触していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。 The semiconductor in the electromagnetic wave emission region has a second concavo-convex repeating structure,
In the second uneven repeating structure, unevenness is alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave output side,
The electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 6, wherein the positive dielectric is in direct contact with the uneven surface of the second uneven repeating structure. 前記電磁波出射領域が、前記積層構造に代えて、第２の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第２の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記第２の凹凸繰り返し構造が、前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を伝搬可能であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。 The electromagnetic wave emission region has a second concavo-convex repeating structure instead of the laminated structure,
In the second uneven repeating structure, unevenness is alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave output side,
The electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 6, wherein the second concavo-convex repeating structure can propagate an evanescent wave coupled to the surface plasmon polariton. さらに、電磁波透過性部材を有し、
前記電磁波透過性部材は、前記電磁波入射領域において前記半導体または前記正誘電体に接触するように配置され、
前記電磁波透過性部材から入射した光を、前記電磁波透過性部材と前記半導体または前記正誘電体との界面で全反射させることを特徴とする請求項１から４、７および８のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。 Furthermore, it has an electromagnetic wave transmitting member,
The electromagnetic wave transmissive member is disposed so as to contact the semiconductor or the positive dielectric in the electromagnetic wave incident region,
9. The light incident from the electromagnetic wave transmissive member is totally reflected at an interface between the electromagnetic wave transmissive member and the semiconductor or the positive dielectric. 9. The electromagnetic wave wavelength conversion element described in 1. 入射電磁波をエバネッセント波に変換するエバネッセント波変換手段と、
前記エバネッセント波を表面プラズモンポラリトンに変換する表面プラズモンポラリトン変換手段と、
前記表面プラズモンポラリトンの周波数を変調する表面プラズモンポラリトン周波数変調手段と、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段により周波数変調された前記表面プラズモンポラリトンを出射電磁波に変換する出射電磁波変換手段とを有し、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段および前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段が、正誘電体と負誘電体との積層構造を有し、前記正誘電体と前記負誘電体との界面を表面プラズモンポラリトンが伝搬することを特徴とする電磁波波長変換素子。 Evanescent wave converting means for converting incident electromagnetic waves into evanescent waves;
Surface plasmon polariton conversion means for converting the evanescent wave into surface plasmon polariton;
Surface plasmon polariton frequency modulation means for modulating the frequency of the surface plasmon polariton;
An outgoing electromagnetic wave conversion means for converting the surface plasmon polariton frequency-modulated by the surface plasmon polariton frequency modulation means into an outgoing electromagnetic wave;
The surface plasmon polariton conversion means and the surface plasmon polariton frequency modulation means have a laminated structure of a positive dielectric and a negative dielectric, and the surface plasmon polariton propagates through the interface between the positive dielectric and the negative dielectric. The electromagnetic wave wavelength conversion element characterized by the above-mentioned. 前記エバネッセント波変換手段が、単一波数の入射電磁波を、複数の波数のエバネッセント波に変換し、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段が、前記複数の波数のエバネッセント波の中から、前記表面プラズモンポラリトン変換手段を伝搬しうる表面プラズモンポラリトンの波数と整合する波数のエバネッセント波を前記表面プラズモンポラリトンに変換することを特徴とする請求項１０記載の電磁波波長変換素子。 The evanescent wave converting means converts an incident electromagnetic wave having a single wave number into an evanescent wave having a plurality of wave numbers,
The surface plasmon polariton converting means converts an evanescent wave having a wave number matching the wave number of the surface plasmon polariton that can propagate through the surface plasmon polariton converting means into the surface plasmon polariton from the plurality of evanescent waves having the wave number. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to claim 10. 前記表面プラズモンポラリトン変換手段および前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段が、半導体と正誘電体との積層構造を有し、
前記正誘電体は、前記半導体の表面に直接接触しており、
電圧印加状態または電圧非印加状態の前記半導体が、前記正誘電体との界面近傍に電子蓄積層を有し、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変換手段における前記電子蓄積層は、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって変化する電子密度を有することを特徴とする請求項１０または１１記載の電磁波波長変換素子。 The surface plasmon polariton conversion means and the surface plasmon polariton frequency modulation means have a laminated structure of a semiconductor and a positive dielectric,
The positive dielectric is in direct contact with the surface of the semiconductor;
The semiconductor in a voltage application state or a voltage non-application state has an electron storage layer in the vicinity of the interface with the positive dielectric,
The electromagnetic wave wavelength conversion element according to claim 10 or 11, wherein the electron accumulation layer in the surface plasmon polariton frequency conversion means has an electron density that changes from an electromagnetic wave incident side toward an electromagnetic wave emitting side. 前記エバネッセント波変換手段が、第１の凹凸繰り返し構造から形成され、
前記第１の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられていることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。 The evanescent wave converting means is formed of a first concavo-convex repeating structure;
The electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 10 to 12, wherein in the first concave-convex repeating structure, concaves and convexes are alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave outgoing side. . 前記出射電磁波変換手段が、複数の異なる波数の表面プラズモンポラリトンを、前記表面プラズモンポラリトンの波数と整合する波数の出射電磁波に変換可能であることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。   14. The outgoing electromagnetic wave conversion means is capable of converting a plurality of surface plasmon polaritons having different wave numbers into outgoing electromagnetic waves having a wave number matching the wave number of the surface plasmon polariton. The electromagnetic wave wavelength conversion element described in 1. 前記出射電磁波変換手段が、第２の凹凸繰り返し構造を含み、
前記第２の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられていることを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。 The outgoing electromagnetic wave conversion means includes a second concavo-convex repeating structure,
The electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 10 to 14, wherein in the second concave / convex repeating structure, the concave / convex portions are alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emission side. . 前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が規則的であることを特徴とする請求項５から８、１３および１５のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。   The electromagnetic wave according to any one of claims 5 to 8, 13 and 15, wherein the size and arrangement interval of the unevenness in the first uneven repeating structure and the second uneven repeating structure are regular. Wavelength conversion element. 前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造の両方を有し、
前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が、均一であり、
前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が、均一であり、
前記第１の凹凸繰り返し構造と前記第２の凹凸繰り返し構造とは、前記凹凸の寸法および配置間隔の少なくとも一方が異なることを特徴とする請求項１６記載の電磁波波長変換素子。 Having both the first uneven repeating structure and the second uneven repeating structure;
The concave and convex dimensions and the arrangement interval in the first concave and convex repeated structure are uniform,
The concave and convex dimensions and the arrangement interval in the second concave and convex repeated structure are uniform,
17. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to claim 16, wherein the first uneven repeating structure and the second uneven repeating structure are different in at least one of a size and an arrangement interval of the unevenness. 前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が不規則であることを特徴とする請求項５、６および１３のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。   The electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 5, 6 and 13, wherein the size and arrangement interval of the irregularities in the first irregular repeating structure are irregular. 前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が不規則であることを特徴とする請求項７、８、１５および１８のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。   The electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 7, 8, 15 and 18, wherein the size and arrangement interval of the irregularities in the second irregularity repeating structure are irregular. 前記電磁波波長変換素子の使用時における前記正誘電体と前記負誘電体との界面の電子密度または前記電子蓄積層の電子密度が、１×１０２１ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１から１９のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。 The electron density of the interface between the positive dielectric and the negative dielectric or the electron density of the electron storage layer when the electromagnetic wave wavelength conversion element is used is 1 × 10 21 cm −3 or more. Item 20. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of Items 1 to 19. 前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面に平行な平面を有することを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。   The electromagnetic wave according to any one of claims 1 to 20, wherein an interface between the positive dielectric and the negative dielectric or the electron storage layer has a plane parallel to a layer plane of the stacked structure. Wavelength conversion element. 前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面から傾斜し、かつ電磁波入射側から電磁波出射側への方向に平行な平面を有することを特徴とする請求項１から２１のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。   The interface between the positive dielectric and the negative dielectric or the electron storage layer has a plane inclined from the layer plane of the multilayer structure and parallel to the direction from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emitting side. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 21. 前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面に垂直であり、かつ電磁波入射側から電磁波出射側への方向に平行な平面を有することを特徴とする請求項１から２２のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。   The interface between the positive dielectric and the negative dielectric or the electron storage layer has a plane perpendicular to the layer plane of the multilayer structure and parallel to the direction from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emitting side. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 22. 前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記電磁波波長変換素子の電磁波入射側から電磁波出射側まで連続していることを特徴とする請求項１から２３のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。   The interface between the positive dielectric material and the negative dielectric material or the electron storage layer is continuous from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emitting side of the electromagnetic wave wavelength conversion element. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to one item. さらに、電圧印加手段を有し、
前記電圧印加手段への電圧印加により、前記電子蓄積層の少なくとも一部、または前記正誘電体と前記負誘電体との界面の少なくとも一部の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項１から２４のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。 Furthermore, it has a voltage application means,
It is possible to change the electron density of at least a part of the electron storage layer or at least a part of the interface between the positive dielectric and the negative dielectric by applying a voltage to the voltage application unit. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 24. 前記電圧印加手段が、電極であることを特徴とする請求項２５記載の電磁波波長変換素子。   26. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to claim 25, wherein the voltage applying means is an electrode. 前記電圧印加手段により、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２５または２６記載の電磁波波長変換素子。   27. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to claim 25 or 26, wherein the voltage application means can change an electron density in the surface plasmon polariton frequency modulation region. 前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段が、前記正誘電体と前記負誘電体との界面において、電磁波入射側から電磁波出射側へ向かって変化する電子密度変化を有し、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段への電圧印加により、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２５または２６記載の電磁波波長変換素子。 The surface plasmon polariton frequency modulation means has an electron density change that changes from an electromagnetic wave incident side to an electromagnetic wave emission side at the interface between the positive dielectric and the negative dielectric,
27. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to claim 25 or 26, wherein the electron density of the surface plasmon polariton frequency modulation means can be changed by applying a voltage to the surface plasmon polariton frequency modulation means. 前記電磁波入射領域への電圧印加により、前記エバネッセント波の波数と前記表面プラズモンポラリトンの波数が整合するように、前記電磁波入射領域における前記電子蓄積層の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２５から２７のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。   By applying a voltage to the electromagnetic wave incident region, it is possible to change the electron density of the electron accumulation layer in the electromagnetic wave incident region so that the wave number of the evanescent wave matches the wave number of the surface plasmon polariton. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 25 to 27, wherein 前記表面プラズモンポラリトン変換手段への電圧印加により、前記エバネッセント波の波数と前記表面プラズモンポラリトンとの波数が整合するように、前記表面プラズモンポラリトン変換手段における前記正誘電体と前記負誘電体との界面の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２５から２８のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。   The interface between the positive dielectric and the negative dielectric in the surface plasmon polariton conversion means so that the wave number of the evanescent wave matches the wave number of the surface plasmon polariton by applying a voltage to the surface plasmon polariton conversion means. 29. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to claim 25, wherein the electron density of the electromagnetic wave can be changed. 前記第２の凹凸繰り返し構造への電圧印加により、前記第２の凹凸繰り返し構造に入射する表面プラズモンポラリトンの波数と、前記第２の凹凸繰り返し構造におけるエバネッセント波の波数が整合するように、前記第２の凹凸繰り返し構造における前記電子蓄積層の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２５から３０のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。   By applying a voltage to the second uneven repeating structure, the wave number of the surface plasmon polariton incident on the second uneven repeating structure matches the wave number of the evanescent wave in the second uneven repeating structure. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 25 to 30, wherein the electron density of the electron storage layer in the two concavo-convex repeating structure can be changed. 前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段への電圧印加により、前記出射電磁波変換手段に入射する表面プラズモンポラリトンの波数と前記エバネッセント波の波数とが整合するように、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段における前記正誘電体と前記負誘電体との界面の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２５、２６、２８、３０および３１のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。   The positive dielectric in the surface plasmon polariton frequency modulation means so that the wave number of the surface plasmon polariton incident on the outgoing electromagnetic wave conversion means matches the wave number of the evanescent wave by applying a voltage to the surface plasmon polariton frequency modulation means. 32. The electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 25, 26, 28, 30 and 31, wherein the electron density at the interface between the body and the negative dielectric can be changed. 単一波長の光を発する半導体発光素子と、前記半導体発光素子からの出射光を分波する光分波器と、前記光分波器から発する光を複数の異なる波長の出射光に変換可能な請求項１から３２のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子とを有することを特徴とする波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＷＤＭ）光通信システム。   A semiconductor light emitting device that emits light of a single wavelength, an optical demultiplexer that demultiplexes light emitted from the semiconductor light emitting device, and light that is emitted from the optical demultiplexer can be converted into a plurality of different wavelengths of emitted light A wavelength division multiplexing (WDM) optical communication system comprising the electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 32. 前記半導体発光素子、前記電磁波波長変換素子、および前記光分波器が、同一半導体基板上に集積されていることを特徴とする請求項３３記載の波長分割多重光通信システム。   The wavelength division multiplexing optical communication system according to claim 33, wherein the semiconductor light emitting element, the electromagnetic wave wavelength conversion element, and the optical demultiplexer are integrated on the same semiconductor substrate. 請求項１から３２のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子と、集積光源とが、同一半導体基板上に集積されていることを特徴とする波長可変光源。   A wavelength tunable light source, wherein the electromagnetic wave wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 32 and an integrated light source are integrated on the same semiconductor substrate. 前記集積光源は、分布帰還型（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌａｓｅｒ，ＤＦＢ）レーザまたは分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ，ＤＢＲ）レーザであることを特徴とする請求項３５記載の波長可変光源。   36. The tunable light source according to claim 35, wherein the integrated light source is a distributed feedback laser (DFB) laser or a distributed Bragg reflector (DBR) laser. 前記集積光源が、電界吸収型変調器集積光源であり、変調器集積波長可変光源として用いられることを特徴とする請求項３５記載の波長可変光源。   36. The wavelength tunable light source according to claim 35, wherein the integrated light source is an electroabsorption modulator integrated light source, and is used as a modulator integrated wavelength variable light source. 請求項１から３２のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子と、前記電磁波波長変換素子からの出射光を起電力に変換する光起電力発生装置とを有することを特徴とする光発電システム。   33. A photovoltaic power generation system comprising: the electromagnetic wave wavelength conversion element according to claim 1; and a photovoltaic power generation device that converts light emitted from the electromagnetic wave wavelength conversion element into an electromotive force. . 前記電磁波波長変換素子と、前記光起電力発生装置とが、同一半導体基板上に集積されていることを特徴とする請求項３８記載の光発電システム。   39. The photovoltaic system according to claim 38, wherein the electromagnetic wave wavelength conversion element and the photovoltaic power generation device are integrated on the same semiconductor substrate. 前記エバネッセント波変換手段を形成するエバネッセント波変換手段形成工程と、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段を形成する前記表面プラズモンポラリトン変換手段形成工程と、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段を形成する表面プラズモンポラリトン周波数変調手段形成工程と、
前記出射電磁波変換手段を形成する出射電磁波変換手段形成工程とを有することを特徴とする、請求項１０から３２のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子の製造方法。 An evanescent wave converting means forming step for forming the evanescent wave converting means;
The surface plasmon polariton conversion means forming step of forming the surface plasmon polariton conversion means;
A surface plasmon polariton frequency modulation means forming step for forming the surface plasmon polariton frequency modulation means;
33. The method of manufacturing an electromagnetic wave wavelength conversion element according to claim 10, further comprising an outgoing electromagnetic wave conversion means forming step of forming the outgoing electromagnetic wave conversion means. 半導体を形成する半導体形成工程と、
前記半導体表面に直接接触する正誘電体を形成する正誘電体形成工程とを含むことを特徴とする電磁波波長変換素子の製造方法。 A semiconductor formation step of forming a semiconductor;
And a positive dielectric formation step of forming a positive dielectric that is in direct contact with the semiconductor surface. さらに、前記半導体表面の電磁波入射側に、第１の凹凸繰り返し構造を形成する第１の凹凸繰り返し構造形成工程を含み、
前記第１の凹凸繰り返し構造形成工程において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられるように前記第１の凹凸繰り返し構造を形成し、
前記正誘電体形成工程において、前記半導体の、前記第１の凹凸繰り返し構造形成側の表面に直接接触するように前記正誘電体を形成することを特徴とする請求項４１記載の製造方法。 Furthermore, the electromagnetic wave incidence side of the semiconductor surface includes a first concave-convex repeating structure forming step of forming a first concave-convex repeating structure,
In the first uneven repeating structure forming step, the first uneven repeating structure is formed so that unevenness is alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emitting side,
42. The manufacturing method according to claim 41, wherein, in the positive dielectric forming step, the positive dielectric is formed so as to be in direct contact with the surface of the semiconductor on the first concave-convex repeating structure forming side. さらに、前記半導体表面の電磁波出射側に、第２の凹凸繰り返し構造を形成する第２の凹凸繰り返し構造形成工程を含み、
前記第２の凹凸繰り返し構造形成工程において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられるように前記第２の凹凸繰り返し構造を形成し、
前記正誘電体形成工程において、前記半導体の、前記第２の凹凸繰り返し構造形成側の表面に直接接触するように前記正誘電体を形成することを特徴とする請求項４１または４２記載の製造方法。 Furthermore, the electromagnetic wave emitting side of the semiconductor surface includes a second uneven repeating structure forming step of forming a second uneven repeating structure,
In the second concavo-convex repeating structure forming step, the second concavo-convex repeating structure is formed so that the concavo-convex is alternately provided from the electromagnetic wave incident side to the electromagnetic wave emitting side,
43. The manufacturing method according to claim 41 or 42, wherein, in the positive dielectric forming step, the positive dielectric is formed so as to be in direct contact with a surface of the semiconductor on a side where the second uneven repeating structure is formed. .
JP2010160153A 2010-07-14 2010-07-14 Wavelength conversion element Withdrawn JP2012022159A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010160153A JP2012022159A (en) 2010-07-14 2010-07-14 Wavelength conversion element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010160153A JP2012022159A (en) 2010-07-14 2010-07-14 Wavelength conversion element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2012022159A true JP2012022159A (en) 2012-02-02

Family

ID=45776490

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010160153A Withdrawn JP2012022159A (en) 2010-07-14 2010-07-14 Wavelength conversion element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2012022159A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103579402A (en) * 2012-08-07 2014-02-12 江苏武进汉能光伏有限公司 Efficient non-microcrystallite-stacking solar cell
JP2014211552A (en) * 2013-04-19 2014-11-13 三菱電機株式会社 Wavelength conversion element and wavelength conversion apparatus
JP2017503203A (en) * 2013-12-23 2017-01-26 セエスウエム サントル スイス デレクトロニクエ ドゥ ミクロテクニク ソシエテ アノニム−ルシェルシェ エ デブロップマン Guided-mode resonance device
RU2725643C1 (en) * 2020-03-05 2020-07-03 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Apparatus for converting infrared radiation into a surface electromagnetic wave on a cylindrical conductor

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103579402A (en) * 2012-08-07 2014-02-12 江苏武进汉能光伏有限公司 Efficient non-microcrystallite-stacking solar cell
JP2014211552A (en) * 2013-04-19 2014-11-13 三菱電機株式会社 Wavelength conversion element and wavelength conversion apparatus
JP2017503203A (en) * 2013-12-23 2017-01-26 セエスウエム サントル スイス デレクトロニクエ ドゥ ミクロテクニク ソシエテ アノニム−ルシェルシェ エ デブロップマン Guided-mode resonance device
RU2725643C1 (en) * 2020-03-05 2020-07-03 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Apparatus for converting infrared radiation into a surface electromagnetic wave on a cylindrical conductor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wu et al. Two‐dimensional materials for integrated photonics: recent advances and future challenges
Wang et al. Emerging technologies in Si active photonics
US7010183B2 (en) Surface plasmon devices
US7418179B2 (en) Surface plasmon devices
US7263251B2 (en) Optical switch having photonic crystal structure
US20170059892A1 (en) Article and Method for Implementing Electronic Devices on a Substrate Using Quantum Dot Layers
US6798795B2 (en) Ultra-compact room temperature rapidly tunable infrared sources
US20110188112A1 (en) Nonlinear Frequency Conversion in Nanoslot Optical Waveguides
US20160261086A1 (en) Tunable light modulation using graphene
WO2017121608A1 (en) Electro-optical modulator based on a layered semiconductor crystal structure
US8587856B2 (en) Nonlinear and gain optical devices formed in metal gratings
Shin et al. 0.3 V drive voltage GaAs∕ AlGaAs substrate removed Mach–Zehnder intensity modulators
JP2012022159A (en) Wavelength conversion element
US10288980B2 (en) One-dimensional photonic crystal with pillars having a layer structure
Jafari et al. An Innovative method for adjustable broadband THz to Mid-IR optical modulator using Graphene Gratings surface plasmon Fabry–Perot resonances with low insertion loss, high speed and modulation depth
JP2013214044A (en) Light modulator
CN103688203A (en) Wave vector matched resonator and bus waveguide system
JP5497678B2 (en) Semiconductor optical integrated device
US5351320A (en) Optical modulator depressing optical feedback and optical modulating element and channel optical waveguide used therefore
JP6888231B2 (en) Optical control device and its manufacturing method, optical integrated circuit and electromagnetic wave detection device
Edwards et al. Si-Ge surface-normal asymmetric Fabry-Perot quantum-confined Stark effect electroabsorption modulator
JP3014039B2 (en) Optical pulse dispersion compensator, optical pulse compressor using the same, semiconductor short pulse laser device, and optical communication system
EP4049084A1 (en) Dielectric electro-optic phase shifter
Cao et al. Perfect near-infrared absorption of graphene with hybrid dielectric nanostructures
Zhang et al. Fabry–Pérot microcavities with controllable resonant wavelengths in periodic dielectric waveguides

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20131001