(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される光の偏光方向を放射状又は同心円状の複数の偏光状態に変換させる偏光分散部と、
表面に同心円状の金属パターンが設けられ、前記偏光分散部を通過した光を集光する集光部と、
前記集光部により集光された光を受光する受光部と、
を備える受光装置。
【請求項２】
前記集光部は、表面に同心円状の金属パターンが設けられた表面プラズモンアンテナを有し、
前記受光部は、前記集光部の金属パターンにおける同心円の中心に集光する光を、同心円の中心に設けられた孔を通して前記集光部の裏面側から受光する
請求項１に記載の受光装置。
【請求項３】
前記偏光分散部は、入力される直線偏光の光の偏光方向を、前記集光部に設けられた前記孔を中心とする放射状の複数の偏光状態に変換させる請求項２に記載の受光装置。
【請求項４】
前記偏光分散部は、第１面において液晶分子が一方向に配向され、第２面において液晶分子が放射状または同心円状に配向された液晶セルを有する請求項１から３の何れか一項に記載の受光装置。
【請求項５】
前記偏光分散部は、入力される光の偏光方向を、放射状の複数の偏光状態及び同心円状の複数の偏光状態のいずれかに切り換える請求項１から４の何れか一項に記載の受光装置。
【請求項６】
入力される光を受光する受光装置の製造方法であって、
入力される光の偏光方向を放射状又は同心円状の複数の偏光状態に変換させる偏光分散部を生成する工程と、
表面に同心円状の金属パターンが設けられ、前記偏光分散部を通過した光を集光する集光部を生成する工程と、
前記集光部により集光された光を受光する受光部を生成する工程と、
を備える製造方法。
【請求項７】
前記集光部を生成する工程は、表面に同心円状の金属パターンが設けられた表面プラズモンアンテナを有する前記集光部を生成し、
前記受光部を生成する工程は、前記集光部の金属パターンにおける同心円の中心に集光する光を、同心円の中心に設けられた孔を通して前記集光部の裏側から受光する前記受光部を生成する
請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記偏光分散部を生成する工程は、第１面において液晶分子が一方向に配向され、第２面において液晶分子が放射状または同心円状に配向された液晶セルを有する前記偏光分散部を生成する請求項６または７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記偏光分散部を生成する工程は、
前記第１面側に設けられる液晶配向膜における液晶側の面に一方向の配列処理を行い、
前記第２面側に設けられる液晶配向膜における液晶側の面に放射状または同心円状の配向処理を行い、
前記第１面側の液晶配向膜および前記第２面側の液晶配向膜の間に、液晶を封入する
請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記偏光分散部を生成する工程は、
透明の平板電極に液晶配向膜を塗布して一方向の配向処理を行って前記偏光分散部の前記第１面を形成し、
透明の円形パターン電極に液晶配向膜を塗布して前記偏光分散部の前記第２面を形成し、
前記第１面および前記第２面の間に液晶を封入し、
液晶の温度を相転移温度以上に上昇させて、前記平板電極および前記円形パターン電極により放射状の電界を印加したまま、
液晶の温度を相転移温度未満に降下させて、前記第１面において液晶分子が一方向に配向され、前記第２面において液晶分子が放射状または同心円状に配向された液晶セルを生成する、
請求項８に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記偏光分散部を生成する工程は、
前記集光部における同心円状の金属パターンが設けられた表面上に、液晶配向膜を塗布して前記偏光分散部の前記第２面側を形成し、
前記第１面側の液晶配向膜を形成し、
前記第１面側および前記第２面側の液晶配向膜の間に、液晶を封入する
請求項９に記載の製造方法。
【請求項１２】
入力される光の偏光方向を放射状又は同心円状の複数の偏光状態に変換させる偏光分散段階と、
表面に同心円状の金属パターンが設けられ、前記偏光分散段階を通過した光を集光する集光段階と、
前記集光段階により集光された光を受光する受光段階と、
を備える受光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光装置、受光装置の製造方法、および受光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属等の導電性材料の表面を伝わる表面プラズモンを利用した集光アンテナ型受光素子が知られている（特許文献１および非特許文献１）。また、直線偏光状態の入射光を放射状または同心円状の偏光状態に変換する偏光分散素子が知られている（非特許文献２および３）。
特許文献１  特開２００７−２４８１４１号公報
非特許文献１  Tsutomu Ishi, et al., "Si Nano-Photodiode with a Surface Plasmon Antenna", Japanese Journal of Applied Physics, Japan, March 2005, Vol. 44, No. 12, pp.L364-L366
非特許文献２  Rumiko Yamaguchi, et al., "Liquid Crystal Polarizers with Axially Symmetrical Properties", Japanese Journal of Applied Physics, Japan, July 1989, Vol. 28, No. 9, pp.1730-1731
非特許文献３  Shin Masuda, et al., "Optical Properties of a Polarization Converting Device Using a Nematic Liquid Crystal Cell", OPTICAL REVIEW, Japan,  1995, Vol. 2, No. 3, pp.211-216
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
集光アンテナ型受光素子は、入射する光源の偏光方向に対して大きく集光効率が異なるので、一方向に偏光している光源を用いる場合、集光効率が悪くなることがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様によると、入力される光の偏光方向を複数の偏光方向に分散させる偏光分散部と、表面に同心円状の金属パターンが設けられ、偏光分散部を通過した光を集光する集光部と、集光部により集光された光を受光する受光部と、を備える受光装置、受光装置の製造方法および受光方法を提供する。【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本実施形態に係る受光装置１００の構成例を光源１１０と共に示す。
【図２】偏光変換素子２００の一例を示す。
【図３】本実施形態に係る偏光分散部１２０の構成例を示す。
【図４】本実施形態に係る集光部１３０の構成例を示す。
【図５】本実施形態に係る受光装置１００の動作フローを示す。
【図６】本実施形態に係る受光装置１００の製造フローを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明の（一）側面を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、本実施形態に係る受光装置１００の構成例を光源１１０と共に示す。受光装置１００は、光源１１０から直接、あるいはレンズおよび／または光ファイバ等の光学部品を介して照射された光出力を受光する。光源１１０は、一方向に偏光している光を照射するレーザ光源であってよい。また、光源１１０は、所定の周波数で変調された光を出力してよい。また、光源１１０は、周波数がテラヘルツ領域のテラヘルツ光源であってよい。受光装置１００は、所定の周波数で変調され、かつ、所定の方向に偏光したレーザ出力を効率良く受光する。受光装置１００は、偏光分散部１２０と、集光部１３０と、受光部１４０とを備える。
【０００９】
偏光分散部１２０は、入力される光の偏光方向を複数の偏光方向あるいはより多くの偏光方向に分散させる。偏光分散部１２０は、一方向に偏光している入力光を、放射状の偏光方向に分散させてよい。これに代えて偏光分散部１２０は、入力光の偏光方向を、同心円状に分散させてよい。偏光分散部１２０は、液晶セルによって入力光の偏光方向を分散させてよい。
【００１０】
集光部１３０は、表面に同心円状の金属パターンが設けられ、偏光分散部１２０を通過した光を集光する。集光部１３０は、表面に同心円状の金属パターンが設けられた表面プラズモンアンテナであってよい。これに代えて、集光部１３０は、同心の楕円状の金属パターンが設けられてよく、あるいは同心状の多角形の金属パターンが設けられてよい。集光部１３０は、金属パターンで設けられた同心円の中心に孔が設けられてよく、孔を通して集光した光を裏面へと出力してよい。
【００１１】
受光部１４０は、集光部により集光された光を受光する。受光部１４０は、光を受けて電気信号を発生するフォトディテクタでよい。受光部１４０は、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、またはＩｎＧａＡｓＰ等といった半導体材料を用いたフォトディテクタでよい。受光部１４０は、集光部１３０の金属パターンにおける同心円の中心に集光する光を、同心円の中心に設けられた孔を通して集光部１３０の裏面側から受光する。また、受光部１４０は、偏光分散部１２０を通過した光のうち、集光部１３０の孔を通過した成分を直接受光する。
【００１２】
図２は、偏光変換素子２００の一例を示す。偏光変換素子２００は、入力光２３０について電圧制御で光通過のＯＮ／ＯＦＦを切り換え、液晶パネルの画素として応用されている。偏光変換素子２００は、一例として、ｙ軸方向に偏光している入力光２３０を、ｘ軸方向に偏光する出力光２４０に変換する。偏光変換素子２００は、光を透過する基板２１０と基板２２０の２枚の基板間に液晶材料が封入されている液晶セルでよい。
【００１３】
入力光２３０側にある基板２１０は、基板２１０上にある液晶分子の配向方向をｙ軸方向に均一にそろえる。また、出力光２４０側の基板２２０は、基板２２０上にある液晶分子の配向方向をｘ軸方向に均一にそろえる。偏光変換素子２００は、基板２１０と基板２２０の２枚の基板間にある液晶分子の配向方向が連続的に９０度回転して、定常状態となるように配向処理されてよい。
【００１４】
偏光変換素子２００は、通過する光の経路長と、液晶分子の濃度と、液晶分子を通過する右円偏光と左円偏光のそれぞれに対応する屈折率の差とによって決められる波長範囲の入力光に対して、液晶分子の配向通りに旋光させることが知られている（モーガン条件）。また、偏光変換素子２００は、基板２１０と基板２２０との間に所定の電圧を印加することにより、封入された液晶分子の配向方向を制御できるので、これによって出力光２４０の偏光方向を制御することができる。
【００１５】
一例として、偏光変換素子２００は、基板２２０から出力される出力光２４０に、偏光方向をｘ軸方向に一致させた偏光子を通すことで、ｘ軸方向に旋光した光出力以外の成分を除去することができる。これによって、偏光変換素子２００は、電圧を加えない定常状態は光出力が得られ（ＯＮ）、電圧を加えた場合は偏光子で除去されるので光出力が得られない（ＯＦＦ）、光出力の切り換えを実行することができる。
【００１６】
図３は、上述の液晶技術を応用した、本実施形態に係る偏光分散部１２０の構成例を示す。偏光分散部１２０は、入力される直線偏光の光の偏光方向を、集光部１３０に設けられた孔を中心とする放射状の複数の偏光方向に分散させてよい。例えば、偏光分散部１２０は、ｙ軸方向に偏光している入力光２３０を、放射状の複数の偏光方向に分散した出力光３４０に変換してよい。偏光分散部１２０は、基板２１０と基板３２０の２枚の基板間に液晶材料が封入されている液晶セルでよい。
【００１７】
偏光分散部１２０は、第１面において液晶分子が一方向に配向され、第２面において液晶分子が放射状または同心円状に配向された液晶セルを有してよい。例えば、入力光２３０側にある基板２１０は、基板２１０上にある液晶分子の配向方向をｙ軸方向に均一にそろえる。出力光３４０側の基板３２０は、基板３２０上にある液晶分子の配向方向を放射状の複数の偏光方向にそろえる。偏光分散部１２０は、基板２１０と基板３２０の２枚の基板間にある液晶分子の配向方向が連続的に回転して、複数の偏光方向に定常状態でそれぞれ接続されるように配向処理されてよい。
【００１８】
このような偏光分散部１２０は、光の経路長と、液晶分子の濃度と、液晶分子とで定まる波長範囲の入力光２３０に対して、放射状の複数の偏光方向に分散した出力光３４０に分散させることができる。また、偏光分散部１２０は、基板２１０と基板３２０との間に所定の電圧を印加することにより、封入された液晶分子の配向方向を制御できるので、これによって出力光３４０の偏光方向を同一方向に変えることもできる。即ち、偏光分散部１２０は、印加電圧によって、出力光３４０の偏光方向を制御することができる。
【００１９】
図中の例は、偏光分散部１２０は、入力光２３０を、放射状の複数の偏光方向に分散させる例を説明したが、これに代えて偏光分散部１２０は、同心円状の偏光方向に分散させてよい。例えば、偏光分散部１２０は、基板３２０上にある液晶分子の配向方向を同心円状に配向させて、偏光方向を同心円状にした出力光３４０を出力させてよい。
【００２０】
また、偏光分散部１２０は、基板２１０に電圧を加えて、基板２１０上の液晶分子の配向を９０度回転させたｘ軸方向に配向させてよい。この場合、入力光２３０の偏光方向と９０度配向がずれているので、出力光の複数の偏光方向のそれぞれも９０度ずれて、結局偏光方向が同心円状になった出力光が得られる。したがって、偏光分散部１２０は、基板２１０に印加する電圧を制御して、出力光の放射状の偏光方向と同心円状の偏光方向とを切り換えてよい。
【００２１】
図４は、本実施形態に係る集光部１３０の構成例を示す。図中には、集光部１３０のＡ−Ａ'における断面図も、受光部１４０と共に示す。集光部１３０は、表面に同心円状の金属パターンが設けられた表面プラズモンアンテナを有しており、集光した光を中心部に設けた孔を通して集光部１３０の裏面側に備えた受光部１４０へ伝達する。集光部１３０は、孔４１０と同心円状周期構造４２０とを有する。
【００２２】
孔４１０は、微小な開口であり、集光部１３０の表面から裏面まで貫通して設けられている。孔４１０は、受光部１４０の受光面積と同一または同一以上の面積の開口であってよい。孔４１０は、入力光のうち孔４１０に入射する成分を通過させ、受光部１４０で直接受光させる。
【００２３】
同心円状周期構造４２０は、導電性薄膜の表面をエッチングして作製されてよい。ここで導電性薄膜は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、および／またはＭｏ等の金属もしくは合金であってよい。
【００２４】
同心円状周期構造４２０は、例えば、同心円状周期構造４２０の表面と略垂直方向から入射する光を表面プラズモンに結合させる結合周期構造を含んでよい。また、同心円状周期構造４２０は、例えば、結合周期構造で結合された表面プラズモンのうち、中心部の孔４１０から外側方向に発散する成分をブラッグ反射して孔４１０の方向に戻す反射周期構造を含んでもよい。また、同心円状周期構造４２０は、入射する光の波長に合わせて適切な周期構造を含んでよい。
【００２５】
以上の集光部１３０によって、受光部１４０は、入力光成分のうち受光部１４０の受光面積よりも広がった成分まで集光させて受光することができる。これによって、受光部１４０は、Ｓ／Ｎ良く入力光を受光することができる。また、受光部１４０は、受光面を拡大しなくても受光面積以上に分布した光を受光することができる。一般に、受光面積を拡大すると、受光部１４０の電極構造に起因するＣＲ時定数が増加するので、受光部１４０は、応答速度が低減してしまう。これに対し、受光装置１００によれば、集光部１３０によって高速な応答速度を保ったまま受光感度を増加させることができる。
【００２６】
図５は、本実施形態に係る受光装置１００の動作フローを示す。受光装置１００は、測定すべき被測定光を光源１１０から入力する（Ｓ５００）。受光装置１００は、光源１１０からの入力光をレンズおよび／または光ファイバ等の光導波路を有する光学系を介して受光してよい。
【００２７】
偏光分散部１２０は、入力光の偏光方向を放射状または同心円状の複数の偏光方向に分散させる（Ｓ５１０）。偏光分散部１２０は、偏光方向が分散した出力光を受光部１４０に伝達する。ここで、偏光分散部１２０は、放射状または同心円状の偏光方向の中心と、受光部１４０の中心の孔４１０とが略一致するように配置されてよい。
【００２８】
集光部１３０は、偏光方向が分散した出力光を受光して、孔４１０以外の領域で受光した光を表面プラズモンアンテナによって集光する（Ｓ５２０）。ここで、集光部１３０は、受光した光の偏光方向が孔４１０を中心として放射状または同心円状に分散しているので、表面プラズモンをアンテナ全体に広く分布させて発生することができ、集光効率を高めることができる。
【００２９】
受光部１４０は、孔４１０を通過する光を直接受光して、表面プラズモンアンテナによって集光した光も同じ孔４１０を通して受光する（Ｓ５３０）。以上の動作フローによって、受光装置１００は、光源１１０から入力された入力光を受光する。
【００３０】
例えば、光源１１０は、レーザ光源等であってよいが、出力光が一方向に偏光する場合がある。この場合、集光部１３０が直接受光すると、偏光した方向に対応して、表面プラズモンアンテナの同心円の偏光方向と同一の接線方向に表面プラズモンが発生して集光する。したがって、表面プラズモンアンテナは、光源１１０の偏光方向に対して垂直な方向には表面プラズモンがほとんど発生せず、アンテナ全体が集光に寄与できない。
【００３１】
本実施例では、このような入力光の偏光方向が一方向である場合に対応して、偏光分散部１２０によって一方向に偏光した入力光を放射状または同心円状に分散する。これによって、表面プラズモンアンテナは、放射状に表面プラズモンを生成してアンテナ全体が集光に寄与することができ、効率良く入力光を受光部１４０に集光することができる。
【００３２】
以上の効果を理論的に実証するために、ＦＤＴＤ（Finite Differential Time Domain）法による解析を行った。表面プラズモンアンテナは、直径６ｍｍ、基板厚４０μｍのサイズとして、溝深さ２０μｍ、ピッチ３００μｍの同心円状の周期構造を有するとした。
【００３３】
まず、一方向に偏光した入力光を受光した場合として、一方向に偏光した入力光のスポットサイズを３ｍｍとして、表面プラズモンアンテナがアンテナ表面に励起させたトータルパワーＰＬを算出した。次に、同一の光強度で、偏光分散部１２０によって放射状の偏光状態にした入力光を受光した場合において、表面プラズモンアンテナがアンテナ表面に励起させるトータルパワーＰＲを算出した。
【００３４】
以上の計算結果を用いて、ＰＲ／ＰＬを計算することによって、受光装置１００の受光効率の改善効果を見積もることができる。この結果、本例の受光装置１００の改善効果は、１８．９５と算出され、約２０倍の改善が見込めることがわかった。
【００３５】
以上の実施例において、受光装置１００は、光源１１０からの入力光が一方向に偏光している場合を例に説明した。これに代えて、光源１１０からの入力光が当初から複数の偏光方向に分散している場合、受光装置１００は、出力光の偏光方向が一方向に集中しないように基板２１０と基板３２０間に適切な電圧を印加してよい。受光装置１００は、基板２１０と基板３２０間に適切な電圧を印加することによって、入力光の偏光状態に関わらず、複数の偏光方向に分散させた適切な入力光を集光部１３０に供給することができる。
【００３６】
また、受光装置１００は、意図したタイミングで基板２１０に電圧を印加して、偏光分散部１２０の出力光について、放射状の偏光方向と同心円状の偏光方向とを切り換えてよい。ここで、偏光分散部１２０の出力光の偏光方向が同心円状の場合、表面プラズモンアンテナが孔４１０の方向に発生させる表面プラズモンを発生せず、受光部１４０が受光する成分が減少する。したがって、受光装置１００は、意図したタイミングで基板２１０に電圧を印加することで、受光部１４０が受光する光量を制御できる。
【００３７】
図６は、本実施形態に係る受光装置１００の製造フローを示す。受光装置１００の製造方法は、入力される光の偏光方向を複数の偏光方向に分散させる偏光分散部を生成する工程と、表面に同心円状の金属パターンが設けられ、偏光分散部を通過した光を集光する集光部を生成する工程と、集光部により集光された光を受光する受光部を生成する工程と、を備える。
【００３８】
まず、基板上に受光部１４０を生成する（Ｓ６００）。ここで、基板は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、またはＩｎＰ等、受光部１４０の材料に応じて適切な材料を選択してよい。受光部１４０は、検出する光の変調周波数に十分応答できるサイズで受光部１４０の受光面積を設計してよい。受光部１４０を生成する工程は、集光部１３０の金属パターンにおける同心円の中心に集光する光を、同心円の中心に設けられた孔４１０を通して集光部１３０の裏側から受光する位置に受光部１４０を生成してよい。
【００３９】
次に、受光部１４０の上に集光部１３０を生成する（Ｓ６１０）。この行程において、集光部１３０の少なくとも一部として、表面に同心円状の金属パターンが設けられた表面プラズモンアンテナを生成してよい。集光部１３０は、同心円の中心に設けられた孔４１０の中心位置と、受光部１４０の中心位置とが同一軸上に位置するように生成されてよい。
【００４０】
次に、偏光分散部１２０を生成する。この工程は、第１面において液晶分子が一方向に配向され、第２面において液晶分子が放射状または同心円状に配向された液晶セルを有する偏光分散部１２０を生成する。即ち、ステップＳ６２０からステップＳ６４０の過程を経て、第１面側に設けられる液晶配向膜における液晶側の面に一方向の配列処理を行い、第２面側に設けられる液晶配向膜における液晶側の面に放射状または同心円状の配向処理を行い、第１面側の液晶配向膜および第２面側の液晶配向膜の間に、液晶を封入して偏光分散部１２０を生成する。
【００４１】
より具体的には、集光部１３０における同心円状の金属パターンが設けられた表面上に、液晶配向膜を塗布して偏光分散部１２０の第２面側を形成する（Ｓ６２０）。ここで、偏光分散部１２０の第２面側は、透明の円形パターン電極に液晶配向膜を塗布して形成してよい。次に、透明の平板電極に液晶配向膜を塗布して一方向の配向処理を行って偏光分散部１２０の第１面を形成してよい（Ｓ６３０）。
【００４２】
次に、第１面および第２面の間に液晶を封入し、液晶の温度を相転移温度以上に上昇させて、平板電極および円形パターン電極により放射状の電界を印加した状態を保ちつつ、液晶の温度を相転移温度未満に降下させて、第１面において液晶分子が一方向に配向され、第２面において液晶分子が放射状または同心円状に配向された液晶セルを生成してよい（Ｓ６４０）。以上の製造フローによって、受光装置１００は半導体基板上に単一のデバイスとして生成することができる。
【００４３】
これに代えて、受光装置１００は、半導体製造装置によって生成された１３０および１４０と、液晶製造装置によって生成された１２０とを、組み合わせることで生成されてよい。集光部１３０の周期構造および／または集光部１３０の材料によって、偏光分散部１２０を集光部１３０上に直接生成することが困難である場合等に対応して、受光装置１００は適切に偏光分散部１２０の生成方法を選択してよい。
【００４４】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
【００４５】
請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００４６】
１００  受光装置、１１０  光源、１２０  偏光分散部、１３０  集光部、１４０  受光部、２００  偏光変換素子、２１０  基板、２２０  基板、２３０  入力光、２４０  出力光、３２０  基板、３４０  出力光、４１０  孔、４２０  同心円状周期構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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