(57)【要約】  複合エバネッセント導波路は、互いに隣接して配置される、第１の構造化された誘電体層（２６）と、第２の誘電体材料（２８）とを含むことができ、第１の構造化された誘電体層（２６）と第２の誘電体材料（２８）との間に波伝搬界面（３０）が形成される。第１の構造化された誘電体層（２６）及び第２の誘電体材料（２８）はそれぞれ、波伝搬界面（３０）がオールエバネッセント表面波を伝搬できるようにする材料から形成される。結果として生成される伝搬する表面波は、低い損失を有する傾向があり、光通信、表面分析、センサ及び種々の他の用途に適切であることができる。
2009527025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに隣接して配置される、第１の実効誘電率を有する第１の構造化された誘電体層と第２の誘電体材料とを含み、
前記第１の構造化された誘電体層と前記第２の誘電体材料との間に波伝搬界面が形成され、
前記波伝搬界面は、或る周波数におけるオールエバネッセント表面波を伝搬することができることを特徴とする複合エバネッセント導波路。
【請求項２】
前記第２の誘電体材料は均一な誘電体であることを特徴とする請求項１に記載の導波路。
【請求項３】
前記第２の誘電体材料は構造化された誘電体であることを特徴とする請求項１に記載の導波路。
【請求項４】
前記第１の構造化された誘電体層及び前記第２の誘電体材料のうちの少なくとも一方は２次元周期又は３次元周期の構造化された誘電体であることを特徴とする請求項１に記載の導波路。
【請求項５】
概ね前記第１の構造化された誘電体層及び前記第２の誘電体材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の導波路。
【請求項６】
ターゲット物質を吸着する前記波伝搬界面上のターゲット物質表面をさらに含み、
前記第２の誘電体材料は均一な誘電体であり、
波伝搬方向に沿って前記ターゲット物質表面に後続する前記波伝搬界面に検出器が動作可能に関連付けられることを特徴とする請求項１に記載の導波路。
【請求項７】
ａ）第１の実効誘電率を有する第１の構造化された誘電体層を形成し、
ｂ）前記第１の構造化された誘電体層に隣接して配置される第２の誘電体材料を形成することであって、前記第１の構造化された誘電体層と前記第２の誘電体層との間に波伝搬界面を形成し、前記波伝搬界面は、或る周波数におけるオールエバネッセント表面波を伝搬することができる、第２の誘電体材料を形成することを含むことを特徴とする複合エバネッセント導波路を形成する方法。
【請求項８】
前記第２の誘電体材料は均一な誘電体であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第２の誘電体材料は構造化された誘電体であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の構造化された誘電体層及び前記第２の誘電体材料のうちの少なくとも一方は２次元周期又は３次元周期の構造化された誘電体であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の構造化された誘電体層及び前記第２の誘電体材料のうちの少なくとも一方は蒸着工程を用いて形成されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
オンチップ光通信及び光相互接続は、マイクロフォトニクス及びナノフォトニクスの分野において重要な研究対象であり関心の的になっている。業界内の多くの人々は、高性能チップ上の全域的な相互接続として、電子の代わりに光が用いられることを期待している。しかしながら、フォトニック導波路は一般的には、散乱損を低減するために非常に高い精度を要求するため、製造するのが難しいことがある。
【０００２】
図１は、一般的なフォトニック結晶スラブ導波路の断面図を示す。そのようなデバイスでは、シリコン１０のスラブでは、そのスラブの選択されたエリアにわたって穴１２が開けられ、導波層１４を形成することができる。シリコンスラブの或る特定のエリアは、穴を開けることなく、無傷のままにしておくことができる。スラブ厚は一般的に、導波層内を伝搬する光の波長の約半分になるように選択されるため、導波路が単一モードである。伝搬モード１６は一般的なガウス波形を示し、導波層の外側でエバネッセント場が生じ、導波層内ではガウスベル曲線形状を有する。また、これらのデバイスは、導波層と下層の基板２０との間に低屈折率の基板１８を必要とする。通常、これらの低屈折率基板、特に１に近い屈折率を有する基板を製造するのは、難しく、且つ費用がかかることがある。さらに高い屈折率を有する基板では、伝搬モードが、基板の中に漏れて、損失が増加するようになる。多大な努力が、これらの低屈折率の基板の品質及び特性を改善することに焦点を当てており、或る程度の成功も見られるが、その成功は限られている。したがって、損失がさらに小さく、且つ製造するのがさらに容易なフォトニック導波路デバイスが引き続き求められている。
【発明の開示】
【０００３】
添付の図面を参照すれば、本発明のいくつかの態様をさらに深く理解することができる。図中の構成要素は必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに、本発明の原理を明確に示すことに重点が置かれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
ここで、例示的な実施形態を参照し、それを説明するために、本明細書では特別な用語を用いる。それにもかかわらず、それによって、本発明の範囲を限定することは意図していないことを理解されたい。本明細書に記載される本発明の特徴の改変及びさらなる変更、並びに本明細書に記載される発明の原理のさらなる応用形態は、当該技術分野に精通しており、本開示を手にした当業者であれば思い浮かぶはずであり、本発明の範囲内にあると見なされるべきである。さらに、本発明の特定の実施形態が開示及び説明される前に、本発明は或る程度変わることがあるため、本発明は本明細書において開示される特定の過程及び材料には限定されないことは理解されたい。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲及びその均等物によってのみ定められることになるため、本明細書において用いられる用語は、特定の実施形態を説明するためだけに用いられ、限定することは意図していないことも理解されたい。
【０００５】
本明細書の説明及び特許請求において、以下の用語を用いる。
【０００６】
単数形「１つの」及び「その」は、文脈上、別途明らかに示す場合を除いて、複数の指示対象を含む。したがって、たとえば、「１つの導波路」を参照することは、１つ又は複数のそのようなデバイスを参照することを含み、「１つの層」を参照することは、１つ又は複数のそのような層を参照することを含む。
【０００７】
本明細書において用いられる場合、「導波路」は電磁波を、設計された経路に沿って閉じ込めるように機能する任意の構造を指している。従来の導波路は、閉鎖されたトンネル構造を含む。しかしながら、本発明の導波路は、添付の図面において示されるような、１次元、２次元又は３次元の周期性を有し、閉鎖されていない、多層化されている構造等を含むこともできる。
【０００８】
本明細書において用いられる場合、「構造化された誘電体」は、少なくとも２つの異なる材料を含み、そのうちの少なくとも一方が誘電体である、複合誘電体材料を指している。誘電体材料の例は、必ずしも限定はしないが、空気のような気体、気体混合物、水のような液体を含む流体、流体混合物、及びガラス又はシリコンのような固体を含むことができる。構造化された誘電体は、フォトニック結晶、メタマテリアル等を含むことができる。しかしながら、多くの場合に、構造化された誘電体は、別の誘電体材料のマトリックス内に埋め込まれる１つの誘電体材料の規則的又は不規則なパターンによって形成することができる。たとえば、二酸化シリコンをシリコンマトリックスに埋め込むことができ、空気をガラスマトリックスに埋め込むことができる等である。しかしながら、場合によっては、半導電性材料がマトリックス又は埋め込まれる領域のいずれかを構成することができ、この一方で、他方の材料を誘電体とすることができる。埋め込まれる領域は、棒、箱、球、円柱及び他の幾何学的形状を有することができる。埋め込まれる領域は、連結されるネットワークを形成することができるか、又は離隔されることができる。当業者は、構造化された誘電体の種々の構造及び構成を開発し続けており、特許請求されるデバイス全体のパラメータが満たされる限り、そのうちの多くが、本発明において用いるのに適しているであろう。
【０００９】
本明細書において用いられる場合、「均一な誘電体」は、概ね均質な誘電体材料から形成される物体を指している。一般的な均一な誘電体の非限定的な例は、ガラス及び空気を含むことができる。均一な誘電体は、埋め込まれる領域を無視できるほど小さくした極限において構造化された誘電体の極端な事例と見なすことができる。
【００１０】
本明細書において用いられる場合、波を参照するときの「伝搬する」は、バルク材料、界面又は線形構造が、許容可能な損失及び許容可能な吸収で、経路に沿って予測可能に導波することができることを指している。許容可能な損失及び吸収によって、そのデバイスは、意図したように、且つ設計された目的どおりに使用できるようになる。許容可能な損失は、特定のデバイス、及び要求される伝搬距離によって多少異なることはあるが、一般的には、約１０ｄＢ／ｃｍ未満の損失は許容可能なものと見なされる。
【００１１】
本明細書において用いられる場合、「オールエバネッセント」は、その波の全てのモード及び部分が、伝搬方向を除く、全ての方向においてエバネッセンスを示す波形のタイプを指している。本発明による、一般的なオールエバネッセント波の一例２２が、図２に示される。
【００１２】
本明細書において用いられる場合、「表面波」は、２つの異なる媒質間の界面に沿って、又は屈折率勾配によって導かれる波を指している。
【００１３】
本明細書において用いられる場合、「屈折率導波」は、表面モードの実効屈折率が、隣接する誘電体材料の実効屈折率、たとえば、空気の場合に１．０、ガラスの場合に１．５等よりも大きいことを意味する。このようにして、表面モードは、構造化された誘電体の内側において屈折率導波される。屈折率導波モードは、運動量保存則及びエネルギー保存則の下で、エネルギーの漏れ及び損失が概ね防がれるモードである。
【００１４】
本明細書において用いられる場合、「内部全反射」は、第２の材料から界面に近づく波に対して、第１の誘電体材料が、第２の隣接する誘電体材料の実効屈折率よりも小さい実効屈折率を有するときを指している。
【００１５】
本明細書において用いられる場合、「周波数」及び「波長」は、電磁波の時間的及び空間的な周期性を特徴付けており、波長は「自由空間内の波長」を意味する。自由空間において周波数と波長とは一対一に対応するため（その積が自由空間内の光の速さに等しい）、それらは波を特徴付けるために、本明細書において入れ替え可能に用いられる。
【００１６】
本明細書において用いられる場合、材料の光学特性を参照するときの「実効的」は、全体的又は平均的な特性を意味する。たとえば、構造化された誘電体は通常、具体的なロケーションに基づいて、各材料に対応する周期的な屈折率を有する。しかしながら、平均して、進行波は、その材料への全体応答を受け、それは各材料からの寄与を合成したものである。したがって、用語「実効的」は、材料の種々の特性に関して、このように寄与を合成したものを指している。
【００１７】
本明細書において用いられる場合、「実効屈折率」は、表面モードの位相速度に対する真空中の光の速さの比と定義される。位相速度は、材料内を伝搬する表面モードの波の周波数及び波長の積の逆数と定義される。屈折率、又は実効屈折率ｎは、特定の材料の一般的に測定され、計算された特性である。
【００１８】
本明細書において用いられる場合、「光透過性」は、特定の波長又は波長の範囲において光が材料を透過できるようになる材料を説明するために用いられる。光透過性材料は、半透明又は透明のいずれかとすることができ、視覚的には不透明又は透明とすることができる。たとえば、シリコンは、約１．５５μｍの波長において、光透過性である。
【００１９】
本明細書において用いられる場合、「蒸着」は、蒸気相を通して基板上に材料を堆積する過程を指している。蒸着過程は、化学蒸着（ＣＶＤ）及び物理蒸着（ＰＶＤ）のような任意の過程を含むことができるが、これに限定されない。当業者であれば、多種多様な各蒸着法を実行することができる。蒸着法の例は、ホットフィラメントＣＶＤ、ｒｆ−ＣＶＤ、レーザＣＶＤ（ＬＣＶＤ）、金属有機ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）、スパッタリング、熱蒸着ＰＶＤ、イオン化金属ＰＶＤ（ＩＭＰＶＤ）、電子ビームＰＶＤ（ＥＢＰＶＤ）、反応性ＰＶＤ、原子層堆積（ＡＬＤ）等を含む。
【００２０】
本明細書において用いられる場合、「溶液相堆積」は、液相を介して、基板上に材料を堆積する過程を指している。数多くの溶液相堆積過程が適切であることができる。その非限定的な例は、ロールコーティング、グラビアコーティング、スピンコーティング、ディップコーティング、スプレーコーティング、押出コーティング等を含むことができる。
【００２１】
本明細書において用いられる場合、「インクジェット堆積」は、インクジェットアーキテクチャを用いて液体を堆積する既知の過程を指しており、決して限定はしないが、インク又はインク含有組成物、すなわち着色剤を含む組成物を堆積することである。一般的な適切なインクジェットアーキテクチャは、サーマルインクジェットプリントヘッド及び圧電インクジェットプリントヘッドを含む。さらに、基板上に材料をインクジェット堆積することは、そのような材料と基板とを直に接触させることを含むことがあるか、又は別個の材料又は層と接触させることによって、基板上に間接的に材料が印刷されることを示すことがある。
【００２２】
本明細書において用いられる場合、便宜上、１つの共通のリストにおいて、複数の項目、構造的な構成要素、組成的な構成要素及び／又は材料が提示されることがある。しかしながら、これらのリストは、そのリストのそれぞれのメンバが別個で、且つ固有のメンバとして個々に特定されるかのように解釈されるべきである。したがって、そのようなリストの個々のメンバは、それと反対の指示がないときは、共通のグループ内で提示されることのみに基づいて、同じリストの任意の他のメンバと実際に等価であると見なされるべきではない。
【００２３】
濃度、寸法、量及び他の数値データは、本明細書において範囲形式で提示されることがある。そのような範囲形式は、便宜上、且つ簡潔にするために単に用いられており、その範囲の限界として明らかに列挙される数値だけなく、各数値及び部分範囲が明らかに列挙されるかのように、その範囲内に含まれる全ての個々の数値又は部分範囲を含むように柔軟に解釈されるべきであることは理解されたい。たとえば、約１〜約５００の範囲は、１及び約５００の明らかに列挙される限界だけでなく、２、３、４のような個々の値、及び約１０〜５０、約２０〜１００等の部分範囲も含むように解釈されるべきである。
【００２４】
添付の図面において示される種々の特徴は、例示することを目的としており、本発明をいかなる方法によっても限定しないことを理解されたい。詳細には、図面において、構造又は層が、斜交平行模様又はドット模様で表される。これらの模様は層を区別するために用いられており、用いられる模様のタイプが、或るタイプの材料を指示するために種々の活動分野における人々によって用いられる模様に対応し得る場合であっても、本発明を任意の特定のタイプの材料に限定するものと解釈されるべきではない。
【００２５】
ここで図２を参照すると、本発明の一実施形態による複合エバネッセント導波路が全体として示される。その複合エバネッセント導波路は、互いに隣接して配置される、第１の構造化された誘電体層２６と、第２の誘電体層２８とを含み、第１の構造化された誘電体層と第２の誘電体層との間に波伝搬界面３０を形成することができる。第１の構造化された誘電体層は、第１の実効誘電率を有することができ、後にさらに詳細に説明されるように、多数の異なる材料を含むことができる。第１の構造化された誘電体層及び第２の誘電体層はそれぞれ、波伝搬界面における特性に寄与することができる。本発明によれば、波伝搬界面は、１つ又は複数の特定の周波数において、オールエバネッセント表面波を伝搬することができる。さらに、構造化された誘電体層及び誘電体材料はそれぞれ、伝搬する表面波を屈折率導波することができるように選択及び構成することができる。
【００２６】
第１の構造化された誘電体層２６は、任意の適切な誘電体材料から形成することができる。構造化された誘電体は通常、その中に規則的なパターンで複数の第２の誘電体領域を埋め込まれている誘電体マトリックスを含むことができる。しかしながら、不規則に離隔される領域が適していることもある。さらに、第１の構造化された誘電体層を含む具体的な誘電体材料は、本明細書において他に言及されない限り、特に限定されない。第１の構造化された誘電体層において用いるのに適切な誘電体材料の非限定的な例は、シリコン、ガラス、サファイア、ダイアモンド、石英、フッ化マグネシウム、酸化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化タンタル、酸化チタン、透過性ポリマー及びそれらの組み合わせ又は複合物を含むことができる。本発明のさらなる態様では、構造化された誘電体は、シリコンのような、ドープされていないか、又は低濃度にドープされる半導体（たとえば、約０．２５ｅＶ〜約４ｅＶのエネルギーギャップを有する材料）、並びにドープされるか、又はドープされていない亜鉛スズ酸化物のような、低濃度にドープされるか、さらにはドープされていない透明な導電性酸化物等の、低導電率の材料を含むことができるが、これらに限定されない。そのような低導電率の材料は、材料が透明なままであるように、プラズマ周波数が伝搬モードの周波数よりも著しく小さいままである（たとえば、一般的に、少なくとも１０分の１だけ小さい）限り、本発明に適切であることができる。１つの具体的な実施形態では、第１の構造化された誘電体は、空気を埋め込まれた領域を有するシリコンの誘電体マトリックスを含むことができる。一般的な事柄として、適切な誘電体透明材料は、約１．３５〜約２．５の屈折率を有することができ、場合によっては、約１．０（たとえば、気体）〜約４．０（たとえば、ドープされていない半導体及び低濃度にドープされた半導体）の屈折率を有することもできる。
【００２７】
適切な構造化された誘電体層は、多種多様な配列で構成することができる。たとえば、複数の円柱形の穴をマトリックス内に形成することができる。それらの穴は、本明細書において説明される所望の導波特性を達成するために、空気又は任意の他の適切な誘電体材料で満たすことができる。一態様では、自由空間領域は、概ね互いに平行な穴の形を有することができる。別の態様では、穴の断面は概ね円形とすることができる。しかしながら、楕円形の断面でも適していることがある。
【００２８】
一般的に、構造化された誘電体層は、２次元周期又は３次元周期の構造化された誘電体とすることができる。２次元の構造化された誘電体材料は、２次元にわたって組成の変化を示す埋め込まれた領域と、波の伝搬方向に対して概ね０度〜９０度を成す第３の次元において均質で、且つ均一な組成物とを含むことができる。第３の次元における組成物の均一性は、材料の中に延在する場の裾の部分よりも長い距離に延在することができる。たとえば図２は、複数の円柱形の穴３２が伝搬方向に対して概ね垂直に向けられ、十分に深くマトリックス３４内に延在するため、波２２が第３の次元に沿って境界に達しないことを示す。別法では、第１の構造化された誘電体層は、３次元周期の構造化された誘電体とすることができる。たとえば、誘電体マトリックスの中に、球又は小さな棒状物を分散させることができる。３次元埋め込み材料の具体例は、二酸化シリコンビードを含むことができる。
【００２９】
１つの代替的な実施形態では、第１の構造化された誘電体層は、平行である円柱形の穴から成る三角形の格子を有するシリコンマトリックスとすることができる。穴間の距離が約３６０ｎｍであり、穴の直径が約２２０ｎｍである場合に、円柱形の穴の軸に対して垂直に伝搬する約１．５５μｍの波長を有する波にとって、広いフォトニックバンドギャップが存在する。図２及び図３は、第２の誘電体材料２８の平面に対して縦方向で、且つ垂直である穴を示すことに留意されたい。しかしながら、穴又は他の埋め込まれる構造は、結果として伝搬方向内にフォトニックバンドギャップを生成できるようにために、いかなる方向に向けることもできる。たとえば、それらの円柱体は、図４に示されるように、伝搬方向に対して９０度を下回る角度に向けることができる。図４では、構造化された誘電体層２６ｂの穴は、図に示されるように、誘電体材料２８ｂと角度を成すことができる。これらの材料はそれぞれ、オールエバネッセント波２２を得るために、図１に示される構造に関して本明細書において説明されたように形成することができる。別の例として、円柱体は、表面波の伝搬方向に対して垂直に、且つ第２の誘電体材料の平面に対して平行とすることができる。これらの穴、及び数多くの他の構造化されたパターンは、異方性エッチング、集束イオンビーム、自己組織化機構、ナノリソグラフィ、テンプレーティング等のような任意の既知の過程によって形成することができるが、これらに限定はされない。
【００３０】
構造化された誘電体層の物理的寸法は、設計される動作周波数、及び意図される用途によって大きく異なることがある。しかしながら、一般的な指針として、第１の構造化された誘電体層の厚みは、約０．５μｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができる。
【００３１】
第２の誘電体材料は任意の適切な誘電体から形成することができ、均一な誘電体又は構造化された誘電体とすることができる。本発明のいくつかの実施形態では、第２の誘電体材料は、均一な誘電体とすることができる。適切な均一な誘電体のいくつかの非限定的な例は、空気（ｎは約１である）、ガラス（ｎは約１．５である）及びフッ化マグネシウム（ｎは約１．３７である）を含むことができる。用途に応じて、均一な誘電体は空気とすることができる。第２の誘電体材料として空気を用いて、本発明の複合導波路を設計することによって、製造コストを削減することができる。
【００３２】
別法では、第２の誘電体材料は、構造化された誘電体とすることができる。第２の構造化された誘電体を用いて、本発明の複合導波路を設計することによって、種々の周波数におけるオールエバネッセントモードの伝搬の達成において自由度を高めることができるようになる。第１の誘電体層の場合に関する上記の説明と同様に、第２の誘電体材料は、２次元周期又は３次元周期の構造化された誘電体とすることができ、上述したものと同じ材料及び構成を利用することができる。不規則な周期性の構造化された第２の誘電体の一例は、種々の度合いの多孔率を有し、屈折率が約１．１〜約１．４である多孔性シリカである。
【００３３】
上記の説明によれば、比較的広い範囲の材料、幾何学的形状及び構成を利用できるようになるが、本発明のデバイスは特に、波伝搬界面において、オールエバネッセント表面波を伝搬できるように設計される。これらの結果及び他の所望の結果を達成するために、本明細書における説明に基づいて、材料、幾何学的形状及び構成の組合せを具体的に選択することができる。
【００３４】
第１の構造化された誘電体は、バルク内の波の伝搬を阻止しながらも、波伝搬界面に沿った表面波の伝搬をサポートすることができる。これは、構造のバルク内で、少なくとも伝搬方向及び近接方向を含む最も広い範囲の方向において、表面モードの周波数の周囲にフォトニックギャップを有する構造を設計することによって達成することができる。そのギャップは、その周波数におけるバルク伝搬を許さないため、この条件は、表面波が第１の構造化された誘電体のバルク内に散乱するのを防ぐ。バルク内で伝搬しないことは、一般的には、表面に沿った伝搬を妨げないことは理解されたい。表面伝搬は、後に説明される、さらに広い１組の条件による。結果としての複合エバネッセント導波路は、第１の構造化された誘電体側から、所望の波長においてハンドギャップを有することができる。
【００３５】
さらに、第２の誘電体が、バルク内の波の伝搬を阻止しながらも、波伝搬界面に沿った表面波の伝搬をサポートすることができる。これは、少なくとも２つの異なる方法において達成することができる。第１の場合には、第２の誘電体を構造化することができ、伝搬方向及びその近接方向を少なくとも含む最も広い範囲の方向において、表面波周波数の周囲にフォトニックギャップを有することができる。したがって、第２の誘電体は、第１の構造化された誘電体と概ね同じようにしてバルク伝搬を制限する。しかしながら、２つの構造化された誘電体は構造、材料又は向きに関して異ならなければならない。そうでない場合には、表面波が材料間の境界を識別できなくなるため、表面波伝搬が不可能になるであろう。したがって、第１の構造化された誘電体に関して、その波は一般的に第１の構造化された誘電体側において屈折率導波されない。
【００３６】
第２のオプションの手法では、第２の誘電体は均一とすることができるか、又は不規則に構造化することができ、波長スケールの均一性及び等方性を有する（たとえば、ナノポーラスシリカ）。再び、第２の誘電体の屈折率は、表面モードの実効屈折率よりも小さくすることができる。この場合、表面波は、第２の誘電体側において屈折率導波される。言い換えると、表面波は、第２の誘電体から内部全反射を受ける。したがって、運動量及びエネルギーの保存によって、表面モードが第２の誘電体のバルク内に拡散するのが避けられる。表面伝搬に必要なこれらの条件は、２つの均一な誘電体間の界面沿いでは満たされない。
【００３７】
これらのパラメータを満たす具体的な構造及び材料は、コンピュータモデリング又は実験を用いて容易に確定することができる。コンピュータモデリングを用いて、特定の構造が上記の判定基準を満たすか否かを予測することができ、同様に、界面に沿った電磁波の伝搬をサポートすることができる。モデリングアルゴリズムは、以下のステップに沿って進むことができる。
【００３８】
（１）所望の波周波数が選択される。
【００３９】
（２）界面に沿った波運動量が選択される。これは一般的に２つのパラメータ、たとえば界面の平面内のベクトルの伝搬の方向及び大きさ（波長の逆数）から成る。
【００４０】
（３）第１の構造化された誘電体内のマクスウエルの方程式の一般解が見つけられる。一般的に、その解は、有限の数（０を含む）の伝搬モードと、無限の数のエバネッセントモードとを含み、これは実際には、多数のエバネッセントモードに制限される。
【００４１】
（４）伝搬モードの数が０でない場合には、第１の誘電体は、バルク内でモードを伝搬することができ、それは、表面モードの存在の一般的な条件に違反する。それゆえ、この事例は破棄され、新たな１組のパラメータ（新たな界面運動量及び／又は新たな周波数及び／又は新たな構造）が選択され、第１の構造化された誘電体のバルク内に伝搬モードが存在しない条件が見つけられるまで、ステップ３、４が繰り返される。
【００４２】
（５）第２の誘電体（構造化されているか、又は構造化されていない）内のマクスウエルの方程式の一般解が見つけられる。第１の構造化された誘電体に関しては、その解は、有限の数（０を含む）の伝搬モードと、無限の数のエバネッセントモードとを含み、これは実際には、多数のエバネッセントモードに制限される。再び、伝搬モードの数が０でない場合には、この１組のパラメータは破棄される。
【００４３】
（６）界面のいずれかの側において伝搬モードがない条件が特定されると、２つの一般解が、界面における境界条件を満たすか否かを調べられる。境界条件は、電界及び磁界の特定の成分の連続性に由来し、基本的な物理学及び光学の分野において既知である。
【００４４】
（７）一般解が境界条件と一致しない場合には、この１組のパラメータは破棄される。
【００４５】
（８）一般解が境界条件と一致する場合には、これは、選択された構造及び周波数の場合に表面波が存在し、選択された界面運動量の方向において、界面に沿って伝搬できることを意味する。
【００４６】
（９）第１の誘電体及び第２の誘電体の選択された構造に関して全ての表面波が見つけられるまでステップ１〜８が繰り返される。
【００４７】
構造化された誘電体材料の候補となる上記の材料を、構造化された誘電体を種々の角度でスライスし、フォトニックバンドギャップ及び実効屈折率を変更することによって解析することができる。結果として生成された、上記の判定基準を満たす材料は、本発明に従って、複合エバネッセント導波路として形成することができる。上記の手法は、本開示を検討した後に当業者には明らかになるように変更することができることに留意されたい。たとえば、本発明の実施形態によれば、伝搬する表面波のどの周波数が望ましいかを判断することができ、これらの表面波を伝搬させるための材料を見つけることができる。別法では、材料を選択することができ、その後、許容可能なものがあれば、本明細書において説明された判定基準を満たす周波数を見つけることができる。
【００４８】
有用な距離にわたって伝搬できるようにするために、第１の構造化された誘電体層は、表面波の周波数において、少なくとも概ね非吸収性とすることができる。したがって、第１の誘電体層は、波が界面に沿って伝搬するときに、エネルギーの吸収及び損失を防ぐほど十分に、所望の周波数において光透過性とすることができる。閉じ込めが、金属層、たとえば金属ミラー内の電子の応答ではなく、干渉、たとえば誘電体ミラーに基づくため、特定の理論に制約を受けることなく、本発明において生成されるオールエバネッセント表面波は損失が小さくなる。したがって、プラズモンは概ね関係することなく、むしろ本発明は純粋に光波を用いて動作する。このようにして、本発明の動作中には、電流はほとんど誘導されないため、ジュール加熱及び他の作用から生じる損失は概ね避けられるようになる。
【００４９】
さらに、波伝搬界面の条件及び物理的な形状が、表面波、及びデバイス性能の品質に影響を及ぼすことがある。具体的には、粗い界面が、許容不可能な損失を導入することがある。したがって、多くの場合に、極めて滑らかな表面を有する波伝搬界面を形成することが望ましい。通常、約１ｎｍ〜約５ｎｍの表面粗さが望ましく、通常、約５ｎｍ〜約２０ｎｍが許容可能である。
【００５０】
上記の説明に基づいて、特定の周波数又は特定の波長において表面波を伝搬することができる複合エバネッセント導波路を形成することができる。多種多様な波長を達成することができる。たとえば、約１．５５μｍ、たとえば、約１，５０μｍ〜約１．６０μｍの波長は、通信の用途に有用であり得る。さらに、シリコンは、約１．５５μｍの電磁波に対して透過性である。さらに、約０．３８μｍ〜約０．７８μｍの可視領域内の波長も望ましいことがある。
【００５１】
本発明の原理によれば、その導波路は、概ね第１の誘電体層及び第２の誘電体層から成ることができる。より具体的には、本発明の導波路は、従来のフォトニック結晶導波路の場合のように低屈折率の基板を必要としない。これによって、製造コストを削減できるようになり、用いることができる材料の範囲を広げることができる。さらに、本発明の複合エバネッセント導波路は、下層を成す低屈折率の基板を使用することなく、単一モード導波路として容易に形成することができる。基本的には、下層を成す基板は、用いられるにしても、伝搬する波と干渉しないこと以外、何ら特別な組成を必要としない。
【００５２】
本発明のさらなるオプションの実施形態では、その導波路は、波を外部に結合するための結合部をさらに含むことができる。結合部を用いて、表面波を励起し、表面波を増幅し、振幅変化又は位相変化の形等で情報を埋め込むことができる。ここで図３を参照すると、外部結合領域３６は、第１の構造化された層２６ａに関連付けることができる。外部結合領域では、第１の構造化された誘電体層は、エバネッセント波２２の一部が外部結合領域に近づくことができるようにするほど十分に薄くすることができる。励起ビーム３８を、構造化された層に向けることができる。励起ビームの一部は構造化された誘電体の中に入り込むが、強度は指数関数的に減衰する。減衰する部分は、重なり領域４０において、エバネッセント波の一部と重なり合うことができる。こうして、位相を整合させるのと同じようにして、２つの波を共振させる場合にエネルギーが表面モードに伝達される。エバネッセント波の表面モードは、結合前にはエネルギーを持たないことができるか、又は結合中に増幅されることがある。通常、ターゲット材料を界面上に配置できるようにするために、第２の誘電体材料２８ａは空気又は他の気体混合物、水又は他の液体混合物のような均一な誘電体とすることができる。
【００５３】
種々の外部結合は、プリズム結合、エバネッセント結合、突合せ結合等を含むことができるがこれらに限定されない。しかしながら、本発明の多くの用途において、外部結合は不要である。たとえば、ＬＥＤ、レーザ又は別の固体光源が複合導波路内に、又はそれに隣接して収容されるオンチップ通信の場合のように、導波路内にフォトニック源を組み込むことができる。そのような外部結合は知られているが、本発明の条件下での結合の結果として、表面プラズモン共振の場合のような光波及び電子波の重ね合わせではなく、光モードの励起から概ね生じる励起モードが生成される。
【００５４】
本発明の複合エバネッセント導波路は種々の環境において用いることができる。たとえば、それらの導波路は、オンチップ光通信、化学−光検知、生物−光検知、物理的表面特性及び化学的表面特性の解析等において用いることができる。任意の既知のデバイスを用いて、波伝搬界面に沿って、表面波を導入することができる。たとえば、複合エバネッセント導波路に圧電変換器を動作可能に接続することができる。そのデバイスは通常、最初に従来の波形を生成することになるが、本発明の構成が、伝搬する表面モードがオールエバネッセント及び屈折率導波になるのを確実にする。他の適切な波発生源は、レーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）等を含むことができる。
【００５５】
本発明のさらに別の実施形態では、複合エバネッセント導波路は、化学−光センサに組み込むことができる。図５は、本発明の一実施形態による化学−光センサを示す。ターゲット物質４２を、第１の構造化された誘電体層２６ａと第２の誘電体材料２８ａとの間の波伝搬界面３０と接触するように配置することができる。界面の表面上に分析物の単分子膜が吸着される場合には、表面波２２の周波数又は表面波の反射係数を変更し、変更された表面波４４を形成することができる。変更された表面波を検出することによって、その変化を物質のタイプ又は量のいずれかに関連付けることができ、それを用いて、特定の物質の存在を定性的又は定量的に推定することができる。より具体的には、伝搬する表面光波の波伝搬経路に沿って、ターゲット物質に後続する点において波伝搬界面に動作可能に関連付けられる適切な検出器によって、特性変化を検出することができる。ターゲット物質が存在することによって、表面波の振幅、波形及び／又は周波数が変化することがある。その際、検出された変化を既知の基準物質と関連付けることができる。センサのタイプに応じて、その変化は特定のタイプの物質に関連付けることができるか、又は単に物質の存在を検出することができる。そのようなセンサは、有害な生体物質、違法薬物、ＤＮＡハイブリダイゼーション事象、又は伝搬界面と選択的に化合することができるか、又は関連付けることができる任意の他の化学種の検出に有用であることができる。通常、ターゲット物質を界面上に配置できるようにするために、第２の誘電体材料は空気又は他の気体混合物、水又は他の液体混合物のような均一な誘電体とすることができる。さらに、波伝搬界面は、界面の一部にわたって、所望のターゲット物質を選択的に吸着することができるターゲット物質表面を含むことができる。具体的な選択的に吸着性の材料は様々であり得るが、一般的な材料は、表面上に可逆的に物質を吸着することができる選択的に吸着性のポリマー又は他の材料を含むことができるが、これらに限定されない。別法では、波伝搬界面は、物質を選択的に吸着しない材料から形成することができ、その場合には、ターゲット物質を界面に直に被着させることができる。上記で説明されたように、それぞれの波形の重なり部分４０を形成するために励起ビーム３８を利用するオプションの結合領域３６も、そのような化学−光センサデバイス共に用いることができる。
【００５６】
いくつかの実施形態によれば、複合エバネッセント導波路は、多数の工程を用いて製造することができる。上記の構成要素となる層及び材料はそれぞれ、化学蒸着又は物理蒸着のような蒸着、堆積的及び減法的なリソグラフィ、電子ビーム蒸着、無電解めっき、電気めっき、ロールコーティング、スプレーコーティング、ディップコーティング、押出コーティング及びスピンキャスティングを含む溶液相堆積、インクジェット印刷、スクリーン印刷、ステレオリソグラフィ、エンボス加工、インプリントリソグラフィ、選択的レーザ焼結、溶融堆積モデリング、３Ｄ印刷及び３Ｄインクジェットワックス印刷のような固体自由造形（ＳＦＦ）、これらの工程の組み合わせ等を用いて形成することができる。さらに、プラズマエッチング、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、ＭＯＣＶＤ、原子層堆積、急熱処理及び他の蒸着工程のような、従来の薄膜工程を用いることもできる。当業者は、特定のデバイス構成に関して商業的に実現可能である適切な製造技法を理解されよう。
【００５７】
上記で参照された構成は、本発明の原理の応用形態の例示であることは理解されたい。したがって、本発明の複数の実施形態が上記で説明されてきたが、特許請求の範囲において述べられるような、本発明の原理及び概念から逸脱することなく、多数の変更及び代替的な構成が実現できることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】従来技術による、フォトニック結晶スラブ導波路の側断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による、複合エバネッセント導波路の側断面図である。
【図３】本発明の別の実施形態に関連する、結合部の側断面図である。
【図４】本発明の別の実施形態による、複合エバネッセント導波路の側断面図である。
【図５】本発明のさらに別の実施形態による、エバネッセント化学光センサの側断面図である。
【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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【国際調査報告】
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