(57)【要約】約10ミクロン未満の実質的に一様な厚さを有し、中心波長の周りの波長範囲で動作するのに適した複屈折デバイスを開示する。このデバイスは、ベース基板と、交互に異なる屈折率を有し、ベース基板の第1の表面に付着させられた周期的屈折率領域の層と、ベース基板に対して遠位に周期的屈折率領域層に実質的に隣接して配置されたキャップ基板とを含む。このデバイスは、0位相と2II位相との間の任意の位相遅れを生じさせるのに適している。
2005534981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約10ミクロン未満の実質的に一様な厚さを有し、入射放射を伝搬させるのに適し、かつ中心波長の周りの波長範囲で動作するのに適した複屈折デバイスであって、
ベース基板と、
交互に異なる屈折率を有し、異なる前記ベース基板の第1の表面に付着させられた周期的屈折率層から成り、中心波長よりも短い周期性を有する層と、
前記ベース基板に対して遠位に前記層に実質的に隣接して配置されたキャップ基板とを含み、
0位相と2II位相との間の任意の位相遅れを生じさせるのに適したデバイス。
【請求項２】
前記ベース基板は、少なくとも1つの光学的に活性の材料を含む、請求項1に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ベース基板は金属ミラーを含む、請求項2に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ベース基板は少なくとも1つの誘電材料を含む、請求項2に記載のデバイス。
【請求項５】
前記キャップ基板は、少なくとも1つの光学的に活性の材料を含む、請求項2に記載のデバイス。
【請求項６】
前記キャップ基板は金属ミラーを含む、請求項5に記載のデバイス。
【請求項７】
前記キャップ基板は誘電材料を含む、請求項5に記載のデバイス。
【請求項８】
交互に屈折率の異なる前記周期的屈折率領域の層は、高屈折率材料として適した誘電ストリップと低屈折率材料として適した隙間とを交互に含む、請求項1に記載のデバイス。
【請求項９】
前記周期的屈折率層の層は、調整可能な屈折率を有する少なくとも1つの領域を含む、請求項1に記載のデバイス。
【請求項１０】
少なくとも1つの領域は液晶を含む、請求項9に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記少なくとも1つの領域は、前記周期的領域の構造に実質的に整合されている、請求項10に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記液晶は、電圧をかけることによって調整するのに適している、請求項10に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記ベース基板、前記キャップ構造、および前記層の高い屈折率は、屈折率が実質的に整合している、請求項1に記載のデバイス。
【請求項１４】
外側コーティングをさらに含む、請求項1に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記外側コーティングは、デバイスを環境にさらすことと引っかき傷の少なくとも一方から保護するのに適している、請求項14に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記外側コーティングは、前記ベース基板と前記キャップ構造の少なくとも一方と屈折率が整合している、請求項14に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記周期的屈折率領域層は、低い屈折率の少なくとも2倍の高い屈折率を含む、請求項1に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記周期的屈折率領域層は、低い屈折率の少なくとも3倍の高い屈折率を含む、請求項1に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記ベース基板、前記周期的複屈折領域層、および前記キャップ基板の少なくとも1つは、デバイスに入射する電磁放射の後方反射部分を修正するように構成される、請求項1に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記ベース基板、前記周期的複屈折領域層、および前記キャップ基板は、入射放射の後方反射部分が実質的に打ち消されるように構成される、請求項19に記載のデバイス。
【請求項２１】
実質的に打ち消されることは、全体的な反射が入射放射の約5%未満であることを含む、請求項20に記載のデバイス。
【請求項２２】
実質的に打ち消されることは、全体的な反射が入射放射の約2.5%未満であることを含む、請求項20に記載のデバイス。
【請求項２３】
実質的に打ち消されることは、全体的な反射が入射放射の約1未満であることを含む、請求項20に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記周期的屈折率領域層に対して遠位の前記ベース基板上に少なくとも1つの反射防止コーティングをさらに含む、請求項1に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記周期的屈折率領域層に対して遠位の前記キャップ基板上に少なくとも1つの反射防止コーティングをさらに含む、請求項24に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記交互に異なる屈折率は、少なくとも一次元において交互に異なる、請求項1に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記交互に異なる屈折率は、少なくとも二次元において交互に異なる、請求項1に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記周期的屈折率領域層に対して遠位の前記キャップ基板の表面に付着させられた高い屈折率と低い屈折率を交互に有する周期的屈折率領域から成り、中心波長よりも短い周期性を有する少なくとも第2の層と、前記キャップ基板に対して遠位に前記第2の層に実質的に隣接して配置された少なくとも第2のキャップ基板とをさらに含む、請求項1に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記周期的複屈折領域層は実質的に画素化され、少なくとも1つの所与の画素を少なくとも1つの好ましい配向に選択的に向けるのに適している、請求項1に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記ベース基板に実質的に隣接して位置させられ、前記周期的屈折率領域層の形成を制御するのに適した少なくとも1つのエッチ・ストップをさらに含む、請求項1に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は概して、電磁放射を分極させるのに適した光学構成要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
伝搬平面波電磁放射は、横方向電場および横方向磁場と呼ばれる2つの直交分極成分で構成される。多くの用途では、横電気（ＴＥ）分極および横磁気（TM）分極の振幅および相対位相を別々に調整する必要があるか、またはそうするのが望ましい。たとえば、分極状態に基づいて変化するデバイス性能によって多機能光電子デバイスが得られる。
【０００３】
複屈折は、物質の、電磁放射をその2つの成分に分割する特性であり、多くの場合直交する異なる方向における、n⊥およびn‖（またはnpおよびns）と呼ばれる2つの異なる屈折率を有する物質に見ることができる。すなわち、カルサイトのようなある種の透明な物質に入射した光は、異なる速度で移動する2つのビームに分割される。複屈折は、二重屈折とも呼ばれる。複屈折は、2つの直交する分極を分離する働きをすることができ、それによってそのようなデバイスが各分極を独立に操作するのを可能にする。たとえば、分極を用いて、アッド／ドロップ機能、ビーム分割入射放射またはフィルタを実現することができる。ただし、これらは非制限的な例に過ぎない。複屈折は、結晶を形成する分子の異方性電気的特性によって生じさせることができる。あるいは、三次元構造のパターンを形成することによって複屈折を生じさせることができる。
【０００４】
異方性材料は、一般に、結晶内の光線の伝搬に制限を課す光軸と呼ばれる固有の対称軸を有することを特徴とする六方晶系（カルサイトなど）、正方晶系、および三方晶系のようなある種の結晶では自然に複屈折を示す。従来、分極構成要素を作製するのに3つの材料、カルサイト、石英、フッ化マグネシウムが使用されている。
【０００５】
一般に、カルサイトは、複屈折が自然に起こる他の物質と比べて複屈折率が高く、分光透過の範囲が広いので、複屈折用途における材料としてかなり好ましい選択肢である。ただし、カルサイトはかなり柔らかい結晶であり、容易に傷がついてしまう。カルサイトの複屈折率は一般に、0.172である。
【０００６】
石英は、有用であることが多いもう1つの複屈折材料であり、天然結晶または合成ボウルとして得ることができる。天然石英と合成石英はどちらも、遮断波長が短く、天然石英の透過範囲は220nmから始まり、一方、合成石英の透過範囲は190nmから始まり、どちらの透過範囲も赤外線までである。石英は、非常の堅く強靭であり、それによって非常に薄い低次のリターデーション・プレートが製造される。カルサイトやフッ化マグネシウムと異なり、石英は、光学活動を示し、通常光および異常光が1つの屈折率で同じ速度で伝搬する固有の方向（光軸）はない。光軸は、2つの屈折率が最も近くなる方向であり、ビームは、互いに逆の2つの円偏向されたビームとして光軸に沿って伝搬する。これによって、入射面偏光の漸進的な光学回転が起こり、この効果を回転体に用いることができる。石英の複屈折率は0.009程度である。
【０００７】
単結晶フッ化マグネシウムは、分光透過の幅が広いので偏光子を製造するうえで有用なもう1つの材料である。単結晶フッ化マグネシウムの複屈折率は約0.18である。
【０００８】
波長板は、リターダとも呼ばれ、それに入射した光の2つの直交する偏光成分の一方を遅延させる。波長板は、光の位相を変更するために光学アセンブリに用いられる。波長板は、概ね非対称的であり、軸同士の複屈折率が異なる。速い軸または光軸に沿って伝搬する光は、この軸に垂直に偏向する光よりも低い屈折率を受ける。光の2つの直交する成分、光軸に沿って偏向する1つの成分とその軸に垂直に偏向する1つの成分は、波長板を横切り、この材料の大部分における位相差を連続的に得る。1/2波遅延または1/4波遅延の波長板の場合、2つの直交する成分は、πまたはπ/2の位相差を有する。2分の1波長板では、光軸に対して角度Θで入射した偏光は角度2Θだけ回転させられる。4分の1波長板は、直線偏光を、入射偏光が光軸に対して450に向けられるように円偏向させる。波長板は、デバイスが動作する波長範囲として定義される帯域幅、およびオーダーによって特徴付けられる。零次波長板は一般に、最大の帯域幅を有し、その結果、波長調整または多重化、すなわち、実質的に異なる波長を有する光の組合せを必要とする用途において好ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の概要
約10ミクロン未満の実質的に一様な厚さを有し、中心波長の周りの波長範囲で動作するのに適した複屈折デバイスを開示する。このデバイスは、ベース基板と、交互に異なる屈折率を有し、ベース基板の第1の表面に付着させられた周期的屈折率領域から成り、中心波長よりも短い周期性を有する層と、ベース基板に対して遠位に周期的屈折率領域層に実質的に隣接して配置されたキャップ基板とを含み、0位相と2II位相との間の任意の位相遅れを生じさせるのに適している。
【００１０】
本発明の理解は、本発明の好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を添付の図面と一緒に検討することによって容易になる。図面では、同じ参照番号は同じ部品を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明の各図および説明は、本発明を明確に理解するのに適切な要素を示すように簡略化されており、一方、図および説明を明確にするために、代表的な光学構成要素およびそれを製造する方法に見られる他の多数の要素が省略されていることを理解されたい。当業者には、本発明を実施するうえで他の要素および／またはステップが望ましく、かつ／または必要であることが認識されよう。しかし、そのような要素およびステップは当技術分野で公知であり、本発明のよりよい理解を容易にするものではないので、そのような要素およびステップについて本明細書では検討しない。本明細書の開示は、当業者に既知のそのような要素および方法に対するすべてのそのような変形形態および修正形態に関する。
【００１２】
本発明の態様によれば、分子よりも大きな構造が関心対象の波長よりも小さい場合に、三次元構造に配置された純粋に等方性の材料を用いて、この構造において形態複屈折を生じさせることができる。形態複屈折構造では、三次元フィーチャの幾何学的形状および材料を厳密に調節することによって複屈折の値を調整することが可能である。形状複屈折は、天然複屈折材料よりもずっと高い複屈折率を有する層を形成するのも可能にする。これによって、形態複屈折構造に基づいて組み立てられた光学構成要素は、他の場合よりも物理的に小さな材料体積においてターゲット、リターデーション、位相補償または波面操作を行うことができる。本明細書に示される形態複屈折構造は、伝搬方向に沿って複屈折にある勾配を持たせるのを可能にし、それによってその方向に沿って複屈折の値を変化させる。このような段階的な複屈折は自然には存在せず、新規の光学位相操作構造を形成するのに用いることができる。精密位相操作構造に関して提案される方法は、光学材料を、断片化された複屈折層と一緒に堆積するか、または1つの平面上に堆積された、それぞれの異なる複屈折率を持つ領域によって画素化するのを可能にする。これらの領域は、複屈折値または主光軸配向によって異なる。
【００１３】
本発明の利点には、任意のターゲット・リターデーションまたはオーダーの精密波長板を製造するのに正確な研磨を必要としないことが含まれる。天然の複屈折波長板の場合、適切な材料厚さを得るには正確な研磨が必要である。形態複屈折の場合、位相制御は、構造のサイズを正確に調節することによって行われる。この制御は、波長の数100分の1の波長板公差に対応する数ナノメートル内の精度を実現する半導体製造技術を利用することによって行うことができる。
【００１４】
本発明の態様によれば、UVから遠赤外線までのスペクトルを与える零次波長板を作製する優れた方法が提供される。基本的に、周期（零次回折）を選択し、材料を選択し、デューティ・サイクルおよび充填比を最適化し、格子深さを最適化することによって、すべての波長について1つの設計原則を適用することができる。
【００１５】
本発明の態様によれば、ガーネット（光学回転体）のような光学的に活性の材料を含む任意の基板を使用することができ、基板の一面または両面に波長板を貼り付けることができ、誘電体ミラーまたは金属ミラーの上または下に波長板を貼り付けることができる零次波長板および多次波長板の製造方法が提供される。さらに、波長板製造用の誘電材料を適切に選択することによって、波長板の厚さを、零位相からπ位相の間の任意のリターデーションについて数ミクロンに維持することができる。さらに、波長板は、このように厚さが薄いため、ウェハに製造される光学構成要素の集積光学サブアセンブリにおける構成ブロックとすることができる。このようなアセンブリの例には、これらに限定されないが、積層された波長板および偏光子、波長板と偏光ビーム・スプリッタ、波長板と偏光ビーム・コンバイナ、波長板とフィルタの組合せが含まれる。さらに、波長板は、厚さが薄いため、レンズや結晶などのバルク光学構成要素上に堆積させることができる。波長板を位相または収差の補償に使用することができる。
【００１６】
さらに、波長板は、高／低屈折率三次元フィーチャを周期的に交互に配置し、下方の光学層および上塗り光学層を形成することによって製造された複屈折領域を含んでよい。さらに、複屈折領域は、誘電ストリップと空気ストリップを交互に配置することによって作ることができ、また、異なる屈折率を有する2つの材料が交互に配置された充填構造であってもよい。各材料の屈折率の差が大きいほど、高い複屈折率を与えることができる。
【００１７】
複屈折領域は、一定の屈折率を有する材料と調整可能な屈折率を有する材料との格子で構成することができる。このような材料は、第1の材料の格子構造内に配置されかつ揃えられた液晶であってよいが、それに限らない。液晶の両端間に電圧をかけることによって、液晶の屈折率を変化させ、それに応じて波長板の複屈折率を変化させることができる。このような構成によって調整可能な波長板を得ることができる。
【００１８】
複屈折領域は、光学アセンブリ全体の表面偏光および屈折率整合に用いられる光学層上に形成することができる。複屈折領域上にオーバーコートを堆積させ、複屈折領域が環境にさらされないように密封し、引っかき傷ができるのを防止すると共に、複屈折領域の屈折率と波長板上の物理層の屈折率を整合させることができる。
【００１９】
さらに、上塗りされた波長板上に複屈折領域の層をいくつか重ねることによって、垂直積層波長板のような多層複屈折構造の波長板を形成することができる。複屈折領域間に中間層を配置して、平面化、保護、および屈折率の整合を可能にすることができる。多層複屈折構造の波長板は、平行格子複屈折構造または交差格子複屈折構造を重ね合わせることによって形成することができる。交差格子または平行格子は、複屈折を最適化し、積層多層複屈折アセンブリの全体的な機械的構造安定性を高めるのに用いることができるそれぞれの異なる周期を有してよい。
【００２０】
本発明によって形成された波長板は、各構成材料の屈折率がわずかに異なり、格子周期が光の波長よりも短い場合、天然の光学複屈折材料よりも高い複屈折率を有することができる。
【００２１】
さらに、エッチ・ストップに材料層を利用する製造プロセスによって、従来の研磨された複屈折材料と比べて極めて高いリターデーション精度を実現することができる。このような層は、格子エッチ・プロセスを停止させるかまたは十分に低減させ、したがって、格子深さを厳密に調節することができる。格子深さを厳密に調節することによって、波長板の精度を調節することができる。エッチ・ストップに適した材料は、透光性を有し、複屈折領域を構成する材料よりも数倍遅いエッチ速度を有する。エッチ・ストップ材料を、全体的な光学屈折率整合のデザインに含めることができる。
【００２２】
高いリターデーションおよび高いリターデーション精度を必要とするデザインの場合、屈折率の差が大きい2つの材料を用いて大部分のリターデーションを形成し、その上に、屈折率の差がより小さい材料で別の複屈折領域を形成して総リターデーションを正確に完成する積層波長板手法を使用することができる。このような波長板は、TE偏光とTM偏光について非常に異なる屈折率を有することができる。TE偏光とTM偏光の両方について屈折率を同時に整合させる手法では、下方層、複屈折領域、および上塗り層の3つの波長板構成を反射防止構成と組み合わせて使用することができる。
【００２３】
格子の下の層を用いて、格子によって、TE偏光およびTM偏光について後方反射振幅を修正することができる。TE偏光とTM偏光の屈折率の差が小さい波長板構成では、格子の下の層は、両方の偏光について波長板からの後方反射の大部分を打ち消す十分な反射振幅を与えることができる。
【００２４】
格子領域は、TE反射およびTM反射が（格子の底部から）得るそれぞれの異なる位相を考慮することによって全体的な波長板ARC構成に用いることができる。リターデーションが一定である場合、TE偏光およびTM偏光の位相はそれぞれ一定であるが互いに異なる。これらの位相を用いて、格子領域を通って伝搬した後の、格子底部からのTE反射場およびTM反射場を算出することができる。
【００２５】
格子上の層（オーバーコート）を用いて、格子領域の頂部から反射されるTE振幅およびTM振幅を調整することができる。TE偏光とTM偏光の屈折率の差が小さい波長板構成では、格子の下の層は、両方の偏光について波長板からの後方反射の大部分を打ち消す十分な反射振幅を与えることができる。
【００２６】
一般的な形態複屈折波長板のTE偏光およびTM偏光について後方反射の打消しを最大にする（波長板に対する透過を最大にする）には、格子層の下、格子層自体、および格子層の上の、3つのすべての領域を用いてこれらの領域を最適化することができる。このような波長板は、ウェハ上に二次元アレイまたは画素アレイとして形成することができる。このようなアレイは、それぞれの異なるリターデーション（それぞれの異なる波長板）または主軸のそれぞれの異なる配向を有する周期的に交互に配置された領域で作ることができる。各領域のサイズは、レーザ光線サイズおよび用途に依存する。互いに隣接する領域は同じサイズを有しても異なるサイズを有してもよい。互いに隣接する領域は、異なる周期または異なる格子深さを有してよく、また、異なる材料で製造してもよい。このようなアレイは、交互に配置された波長板と、ビーム・スプリッタ、偏光子、ミラー、光学機能を有さない単に透明な領域（ビームは、振幅や位相を変更せずに透過する）などであるがこれらに限らない、ウェハに製造される光学構成要素とで作ることができる。さらに、積層およびチャーピングによって三次元屈折率勾配異なるを形成することができる。
【００２７】
次に図1Aを参照すると、本発明の態様による複屈折デバイス100が示されている。複屈折デバイス100は、ベース110と、キャップ120と、実質的にそれらの間に挟まれた部分波長構造130とを含んでよい。
【００２８】
部分波長構造130は、各々が幅FGおよび高さt130を有する複数の部分波長要素を含んでよい。さらに、各要素の寸法は、当業者に理解されるように、共通であっても、異なっていてもよく、また、チャーピングしてもよい。部分波長構造130は部分波長要素の周期XGを有してよい。部分波長構造130は、デバイス100と一緒に使用すべき放射の波長よりも数倍短い周期を有してよい。この周期サイズは、より高いオーダーへの零回折または実質的に小さな回折を与えることができ、したがって、部分波長構造130は零次で使用することができる。あるいは、他のサイズの周期を使用してもよいが、所望の零次以外のオーダーに一部の光が結合するため効率が低下する可能性がある。これらの他のサイズの周期を異ならせるかまたはチャーピングすることもできる。図1Bを見ると分かるように、交互に異なる屈折率を使用することができる。たとえば、屈折率nFを有するより屈折率の高い材料136を、屈折率nOを有するより屈折率の低い材料134に実質的に隣接させ、比較的高い屈折率の領域と比較的低い屈折率の領域を交互に配置することができる。より高い屈折率を有する材料136は、屈折率nFがたとえば1550nmにおいて、1.9および3.6に概ね等しくなるように、実質的に窒化ケイ素またはシリコンであってよい。より低い屈折率を有する材料は、屈折率nOが1に等しくなるように空気であってよい。非制限的な例として、より高い屈折率を有する材料136は、より低い屈折率を有する材料134よりも複数倍、たとえば2倍または3倍高い屈折率を有してよい。より低い屈折率を有する材料も、屈折率nOが概ね1に等しくなるように実質的に空気であってよい。FG／XGとして示される、部分波長構造130の充填比は、周期内の2つの屈折率要素のうちのより屈折率の高い領域の幅と全体的な周期との比として定義される。
【００２９】
部分波長構造130は、ベース110またはキャップ120上に成長または堆積させることができる。構造130を形成するための基板としてキャップ120を使用できるにもかかわらず、説明のみのためにベース110が使用されている。部分波長構造130は、リソグラフィック・プロセスのような任意の適切な複製プロセスを用いてベース110内にまたはベース110上に形成することができる。たとえば、開示全体が参照により、全体が本明細書に記載されるのと同様に本明細書に組み入れられる、「ナノインプリント・リソグラフィ（NAOIMPRINT LITHOGRPHY）」という名称の米国特許第5772905号に開示されたものに一致するナノインプリント・リソグラフィを効果的に使用することができる。この特許には、部分波長要素を形成するリソグラフィック方法が教示されている。この特許について完全にかつ概略的にのみ説明すると、少なくとも1つの突起フィーチャを有する型を、ベース110に貼り付けられたサーモプラスチックに押し付けることができる。型内の少なくとも1つの突起は、薄い膜に少なくとも1つの対応するくぼみを形成する。複製後、型を膜から取外し、少なくとも1つのくぼみの所の薄膜が除去されるように薄膜を加工し、それによってデバイスのパターンまたは組をベース110にエッチングするのに用いることのできるマスクを露出させる。したがって、型内のパターンが薄膜に複製され、次いで薄膜に複製されたパターンが、たとえば反応性イオン・エッチング（RIE）やプラズマ・エッチングを用いてベース110に移される。もちろん、非制限的な例として、フォトリソグラフィ、ハログラフィック・リソグラフィ、e-ビーム・リソグラフィのような、ベース110またはキャップ120の利用可能な表面内またはこの表面上に適切な構造を形成する任意の適切な方法を使用することができる。ベース110は、上にシリコンの薄膜を有する二酸化ケイ素の形をとってよい。
【００３０】
部分波長構造130は、たとえば液晶を使用することなどによって調整可能な屈折率を有する領域を含んでよい。当業者に既知のように、液晶は、それぞれの異なる秩序度を有し、したがって、物質のすべての3つの一般的な状態、すなわち固体、液体、および気体で存在する分子として定義することができる。固体状態では、一定の位置および向きに留まり、分子の振動によるわずかな変動を有する分子の厳密な配置が存在することができる。この配置を維持するために、各分子を所定の位置に保持する大きな力が働き、したがって、固定を変形するのは難しい。液相では、分子は一定の位置も向きも有さず、無作為に移動することができ、液体状態は固体状態よりも秩序度が低い。分子が無作為に運動するとは、固体をまとめる中間分子引力が、この場合、液体分子同士をかなり近くに維持するのに十分な強さに過ぎないことを意味する。液体は容易に変形することができる。気体状態では、分子の無作為な運動が増大して中間分子力を超えており、分子は結局拡散して、それを保持している容器一杯に広がる。分子同士が近いことによって得られる液体の秩序度は気体では失われており、したがって、気体の秩序度は液体よりも低い。ある領域内の分子が厳密に配置されかつ同じ向きを有する確率を用いて、固体状態で最も高く気体状態で最も低い位置および向きのオーダーを定義することができる。3つの状態の違いは、基板の温度に起因するものである。温度は、分子の無作為度の尺度であり、したがって、温度が高いほどオーダーは低くなり、温度を上昇させることによって固体が液体に遷移し、液体が気体に遷移する。基板の温度は、電圧をかけることによって調節することができる。サーモトロピック液晶相は、いくつかの物質において、固体状態と液体状態との間の温度領域で生じる。この状態では、物質は、液体と固体の両方のいくつかの特性を有する。液晶は、液体のような流体であるが、その光学特性および電磁特性は固体のように異方性である。液晶を等方性状態から形成すると、いくらかの位置オーダーまたは向きオーダーが得られる。このオーダーでは、物質の異方性が考慮されている。液晶は、電圧をかけることによって屈折率を変化させるのに適している。
【００３１】
液晶は、部分波長構造と組み合わせることができる。たとえば、部分波長構造は、キャップなしでエッチングすることができる。このエッチング後、液晶を実質的に部分波長構造に隣接させることができる。液晶分子のサイズは約数ナノメートルである。このサイズは、他の特性と共に、部分波長構造の溝に揃えるうえで助けになる。液晶分子は、伸ばすことができ、たとえば部分波長構造の溝に沿ってより長い寸法を有するような向きにすることができる。この向きによって、液晶層をTE場およびTM場に対して複屈折させることができる。
【００３２】
部分波長構造の隙間の両端間に電圧をかけた場合、場を分子の向きに垂直にすることができ、これらの分子は、トルクを受け、回転を開始し、それによって分子自体を場に平行に向けることができる。液晶が液晶／部分波長構造平面に垂直な伝搬場に対して回転対称性を示すとき、液晶は、TEとTMについて実質的に同じ屈折率を有することができる。
【００３３】
当業者に認識されるように、このようにして様々なパターンをベース110上またはベース110内にナノインプリントすることができる。このようなパターンは、たとえば、ストリップ、トレンチ、柱、円、穴の形をとることができ、これらはすべて、共通の周期を有しても有さなくてもよく、様々な高さおよび幅を有してよい。ストリップは、非制限的な例として、たとえば矩形溝の形をとっても、三角形または半円形の溝の形をとってもよい。同様に、柱は、基本的に穴を反転させたものであり、パターン化することができる。このような柱は、いずれかの軸における共通の周期によってパターン化しても、一方または両方の軸における周期を変化させることによってパターン化してもよい。柱は、たとえば階段や半円や三角形の形をとってよい。柱は、たとえば一方の軸において1つの円錐曲線形状を有し、別の軸において別の円錐曲線形状を有してもよい。
【００３４】
部分波長構造130の形成時にエッチ・ストップ層を利用することができる。エッチ・ストップ層は、エッチングの前に誘電材料の下に堆積させることができる。当業者に既知のように、より低速でエッチングされる材料の層を追加することにより、エッチ・ストップを用いてエッチングをより正確に行えることが多い。このエッチ層は、エッチ速度が遅いため、エッチング・プロセス中に緩衝域を形成し、それによって、エッチ時間感度を損なうことなしに適切なサイズを持つフィーチャを作製する。フィーチャ深さを調節することによって、波長板の位相遅れ精度を調節することができる。部分波長構造130の形成に使用される適切なエッチ・ストップは、透光性を有してよく、約10nm〜100nmの厚さに付着させられる酸化アルミニウムや二酸化ハフニウムのような他のエッチング材料よりも約数倍遅いエッチ時間を有してよい。エッチ・ストップ層は、たとえば透明な誘電体とすることによって好ましい光学特性を示してもよく、エッチ・ストップ層の一部がこの光学構造に組み込まれるようにエッチングを停止させるのに必要な厚さよりも厚くに付着させてもよい。
【００３５】
エッチ・ストップは、所望のリターデーションを得るうえで助けになる。このプロセスは、エッチ・ストップ層を堆積させることと、格子層を堆積させることと、誘電層上にハード・マスクを形成することと、格子をエッチングすることとを含んでよく、エッチングは、エッチ・ストップ層の所で停止または減速し、それによって、堆積される誘電体の初期厚さによって定められるターゲット厚さが得られる。このハード・マスクは、たとえば格子周期や充填比を定めることができる。
【００３６】
さらに、本発明の態様によれば、エッチ・ストップ層は、ベース110として構成することができる。エッチ・ストップ層を用いて格子の底部からの反射の振幅を変化させることができる。底部から反射された場は、部分波長構造内を伝搬し、キャップからの反射に干渉することができる。この場が部分波長構造内で取り込む位相と、振幅とによって、全後方反射が打ち消され、それによって部分波長構造に対する透過が改善される。これによって、得られる精度が高くなる。
【００３７】
ベース110は、実質的に誘電材料または金属ミラーで形成することができる。誘電材料は、当業者に既知のように、不十分な電気導体であるが、セラミック、雲母、ガラス、プラスチック、およびAl2O3のような様々な金属の酸化物を含むことが多い効率的な静電界である物質であってよい。重要なことは、誘電体が静電場を支持し、一方、熱の形で散逸されるエネルギーを最小限に抑えることである。  
【００３８】
ベース110は、実質的に多数の誘電体のうちの1つまたはそれらの組合せで形成してよく、また金属ミラーであってもよい。具体的には、ベース110は、たとえば二酸化ケイ素や、二酸化ハフニウムや、アルミニウムや、金の形をとってよい。ベース110は、1nm〜1μmの範囲内、たとえば100nmの厚さに形成することができる。
【００３９】
ベース110は、たとえばより高い屈折率を有する材料136に屈折率を実質的に整合させることができる。あるいは、ベース110は、より低い屈折率を有する材料134に屈折率を実質的に整合させることができる。ベース110は、屈折率の高い材料136とより低い屈折率を有する材料134のどちらとも異なる屈折率を有してよい。ベース110は、より高い屈折率を有する材料136とより低い屈折率を有する材料134との間の屈折率を有してよい。
【００４０】
キャップ120は、実質的に誘電材料または金属ミラーで形成することができる。キャップ120は、ベース110と異なる材料で形成しても、同じ材料で形成してもよい。キャップ120は、実質的に多数の誘電体のうちの1つまたはそれらの組合せで形成してよい。具体的には、キャップ120は、たとえば二酸化ケイ素や、二酸化ハフニウムや、アルミニウムや、金の形をとってよい。キャップ120は、1nm〜数ミクロンの範囲内、たとえば100nmの厚さに形成することができる。
【００４１】
キャップ120は、たとえばより高い屈折率を有する材料136に屈折率を実質的に整合させることができる。あるいは、キャップ120は、より低い屈折率を有する材料134に屈折率を実質的に整合させることができる。キャップ120は、屈折率の高い材料136とより低い屈折率を有する材料134のどちらとも異なる屈折率を有してよい。キャップ120は、より高い屈折率を有する材料136とより低い屈折率を有する材料134との間の屈折率を有してよい。
【００４２】
積層内の様々な位置に他の層を追加し、必要に応じて平面化、保護、および屈折率の整合を行うことができる。これらの追加層は外側コーティングの形をとってよい。このような外側コーティングは、引っかき傷ができるのを防止し、環境条件から保護するのに適している。外側コーティングは、より高い屈折率を有する材料136、より低い屈折率を有する材料134、ベース110、および／またはキャップ120に屈折率を実質的に整合させることができる。
【００４３】
次に、図7も参照すると、複屈折波長板として利用される図1の複屈折デバイスが示されている。当業者には理解されるように、デバイス100に入射した電磁放射はキャップ120に当たり、入射電磁放射のある部分R120が反射し、入射電磁放射の他のある部分T120（図示せず）が透過する。透過した放射T120は次に、部分波長構造130に当たり、この場合も、透過部分T130および反射部分R130が生成される。同様に、透過部分T130はベース110に入射し、それによって反射部分R110および透過部分T110が生成される。
【００４４】
ベース110およびキャップ120の構成は、R110およびR120が概ね等しく、位相が実質的に異なるような構成である。当業者に既知のエネルギー保存の法則は、上記の打消しと共に、反射防止コーティング技術に見られる効果と同様な効果をもたらし、連続的な反射が実質的に打ち消し合い、それによって、デバイス100を透過する放射の量が最大になる。
【００４５】
ベース110およびキャップ120の構成をデバイス100用の屈折率整合構成に組み込むことができる。当業者に既知のように、薄膜反射防止コーティングは一般に、それぞれの異なる移相を有する2つの偏光状態を生成する。この違いが平面状薄膜の場合に大きくなると、屈折率の整合を可能にするようにキャップと底部の両方についての誘電体積層解決策を見い出すのが困難になることが多い。本発明の態様によれば、それぞれが2つの偏光方向を有する部分波長構造130とベース110とキャップ120との間の界面は、それぞれの異なる屈折率変化を受けることがあり、反射振幅はそれぞれ異なる。複屈折媒体で得られる様々な位相を使用すると解決策を見い出すことができる。
【００４６】
図7の複屈折波長板は、必要に応じて外面上に反射防止コーティングを有してもよい。当業者に既知のように、反射防止コーティングおよび技術を用いて材料の境界における電磁損失を低減させることができる。次に図8を参照すると、非補償型4分の1波長板に対する各偏光の透過が示されている。図を見ると分かるように、TE場に関連する透過は約0.94から1.00まで変化し、一方、TM場に関連する透過は約0.94から0.95まで変化する。
【００４７】
次に図9を参照すると、図7のデバイスによる反射防止補償型4分の1波長板に対する各偏光の透過が示されている。図9を見ると分かるように、TE場とTM場の両方に関連する透過は約0.975から1.000まで変化する。当業者には理解されるように、このことは、前述の、図8のデバイスに関連する透過に対する重要な改善である。
【００４８】
ターゲット深さが、1550nmでの1/4波に対応する1.4ミクロンである場合、TMとTEを共に重ね合わせ、透過率を最大にすることができる。TM場とTE場がどちらも同じ透過率を有するようにキャップ層および底部層を最適化した。設計時に、格子内を伝搬してベース110から反射される光の片道伝搬における1/4波位相および往復伝搬における1/2位相を用いて、キャップ120およびベース110を最適化することができる。
【００４９】
当業者に明らかなように、デバイス100内を伝搬する2つの異なる偏光成分を含むエネルギーは、一方の成分をより高い屈折率に揃えることができる。このように揃えると、高い屈折率に揃えられる成分とより低い屈折率に揃えられる成分との間に位相差が生じる。この実現された位相差は、デバイス100内を伝搬する距離、たとえばデバイス100の厚さと、デバイス100の複屈折率Δn、に対応する。ここで、Δnはnfとnoとの差に等しく、リターダンス=Δn*伝搬距離／波長である。
【００５０】
次に図2を参照すると、本発明の態様による図1Aのデバイスの様々な充填比についての複屈折と屈折率との関係が示されている。図2を見ると分かるように、結果として得られる複屈折を最大にするには、充填比が概ね0.5に等しいことが望ましい場合がある。たとえば、屈折率4および充填比約0.5〜0.8を使用した場合、約1.7の複屈折率を得ることができる。さらに、屈折率が3で充填比約0.5〜0.8である場合、1に近い複屈折率を得ることができる。屈折率が2で充填比約0.4〜0.7である場合、約0.3の複屈折率を得ることができる。
【００５１】
次に図3を参照すると、本発明の態様による図1Aのデバイスの様々な充填比についてのリターデーション依存性と屈折率との関係が示されている。図3を見ると分かるように、1550nmの1/4波長板の場合、この図は、より屈折率の高い材料の関数としてこの結果を得ることができる様々な厚さを示しており、より屈折率の低い材料は空気として固定されている。図3を見ると分かるように、4分の1波長板の厚さが、様々な充填比について屈折率に対して表されている。一般に、4分の1波長板の厚さが厚くなるほど、単位厚さ当たりに得られる複屈折率は低くなる。充填比の変化は、上記に図2に関して説明した変化に従っている。さらに、屈折率が高くなるほど、得られる複屈折率が高くなることが分かる。
【００５２】
次に図4を参照すると、本発明の態様による図1Aのデバイスの様々な屈折率についての複屈折率と部分波長構造の周期との関係が示されている。図4を見ると分かるように、複屈折率は格子周期に依存する。
【００５３】
次に図5を参照すると、本発明の態様による図1Aのデバイスの様々な屈折率についての絶対リターデーションと部分波長構造深さとの関係が示されている。図5を見ると分かるように、波長が1.5μmの4分の1波長板を得るには、周期0.2を使用すると、デバイスをSiおよび空気で作る場合には格子深さを約0.4ミクロンにする必要があり、デバイスをSi3N4および空気で作る場合には格子深さを約1.4ミクロンにする必要があり、デバイスをSiO2および空気で作る場合には格子深さを約6.2ミクロンにする必要がある。
【００５４】
次に図6を参照すると、本発明の態様による積層波長板600が示されている。積層波長板600は、ベース110と、キャップ120と、実質的にそれらの間に挟まれた部分波長構造130とを含んでよく、これらの構成要素についてはそれぞれ上記に詳しく説明した。積層波長板600は、マルチレベル積層波長板を形成する積層関係に配置された第2の部分波長構造130'および第2のキャップ120'をさらに含んでよい。この第2レベルは、第1レベルのキャップ120をベース110'として利用しても、キャップ120に実質的に隣接して積層されたベース110'（図示せず）を含んでもよい。図6に示されているように、第3レベルの部分波長構造を同様に追加してもよい。この第3レベルは、第3の部分波長構造130"および第3のキャップ120"を含んでよい。この第3レベルは、第2レベルおよび第1レベルの場合と同様に、第2レベルのキャップ120'をベース110"として利用しても、キャップ120'に実質的に隣接して積層されたベース110"（図示せず）を含んでもよい。図6は、積層構成において3つの複屈折デバイス・レベルを使用することを示しているが、2つまたは3つ以上の任意の数のレベルを使用してよい。同様に、複数レベルのキャップ、ベース、および部分波長構造が利用されているが、各々が他のキャップ、ベース、または部分波長構造と同じである必要はない。さらに、部分波長構造130、130'、および130"（ならびに図示されていない他の追加的な部分波長構造130n）を互いに揃える必要も同じ材料で作る必要もないが、そうしてもよい。さらに、部分波長構造130、130'、および130"を互いに対して回転させることができ、たとえば、部分波長構造を部分波長構造130'に対して900回転させることができる。このような構成は、所望の複屈折を最適化できることのような光学特性の向上だけでなく、所望の構造安定性を与えることができる。当業者には理解されるように、積層リターデーション領域はそれぞれの異なる複屈折率を有してよい。たとえば、積層数が増えるにつれて全体的な複屈折率を低くすることができる。これによって複屈折率の勾配を得ることができる。これは、積層数を徐々に増やすことも急激に増やすこともできるからである。本発明のこの態様によれば、屈折率の三次元制御を利用して、カスタマイズされた三次元複屈折構造を形成することができる。このカスタマイズは、複数の離散した構成要素を単一のチップに集積するのを可能にする。
【００５５】
次に図6Aも参照すると、本発明の態様による図1Aの複屈折デバイスの傾斜積層構造が示されている。図6に示されている構造と同様に、積層波長板650は、ベース110と、キャップ120と、実質的にそれらの間に挟まれた部分波長構造130とを含んでよく、これらの構成要素についてはそれぞれ上記に詳しく説明した。同様に、これに続く層を含めることができる。図6Aを見ると分かるように、少なくとも1つの部分波長構造130をベース110、キャップ120、または他の部分波長構造130に対して傾斜させることができる。この傾斜は、図6のデバイスには見られない追加的な構成を可能にすることができる。
【００５６】
次に図10Aを参照すると、画素アレイ複屈折デバイス1000が示されている。デバイス1000は、本発明の態様による、図1Bに示されデバイス100に用いられている格子と置き換えるのに適した二次元画素構造を含んでよい。デバイス1000は、それぞれの異なる主軸配向を有する、図示の格子のような画素領域1010を含んでよい。図10Cを見ると分かるように、画素配向を特に調節しない場合、複数の任意の配向が得られ、すなわち、いくらか無作為の結果が得られる。伝搬波長よりも短い画素を有する構造をビーム・デポラライザに使用することができる。一方、ある画素配向が必要である場合、それぞれの異なる画素に光学特性を分散させるようにこれを構成することができる。このような構成では、各画素は光学的に異なる反応を示すことができる。ビーム直径を超える画素を有する構造を用いて、互いに平行な伝搬ビームにそれぞれの異なる位相情報を課すことができ、それによって、たとえば、光学機能を組み込むための構成ブロックを形成することができる。様々な画素配向が図10Bに示されている。図10Bを見ると分かるように、垂直配向、水平配向、450時計回り配向、または450逆時計回り配向が存在してよい。例としてこの4つの配向が示されているが、任意の角度の回転のような他の配向を構成してもよい。
【００５７】
動作時には、各画素は異なる性能を表し、それによって画素または位置が可変的な複屈折デバイスを有する能力が得られる。さらに、これらの局所化画素領域を使用することによって、複屈折を特定の要件および性能に適合するように調節することができる。
【００５８】
画素化アレイは、ある領域を隠し、一方、他の領域をパターン化できるように露出させておくフォト・マスクを用いて製造することができる。このようなプロセスを垂直層成長と組み合わせることができる。接触リソグラフィやフォトリソグラフィや直接e-ビームリソグラフィなどのリソグラフィック技術を用いて、露出された領域をパターン化することができる。
【００５９】
当業者には、本発明の多数の修正実施形態および変形実施形態を本発明の要旨および範囲から逸脱せずに実施できることが認識されよう。したがって、本発明は、本発明の修正実施形態および変形実施形態が添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内であれば、それらをカバーするものである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１Ａ】本発明の態様による複屈折デバイスを示す図である。
【図１Ｂ】本発明の態様による図1Aの複屈折デバイスの周期領域の平面図である。
【図２】本発明の態様による図1Aのデバイスの様々な充填比についての複屈折と屈折率との関係を示す図である。
【図３】本発明の態様による図1Aのデバイスの様々な充填比についての厚さ依存性と屈折率との関係を示す図である。
【図４】本発明の態様による図1Aのデバイスの様々な屈折率についての複屈折と部分波長構造との関係を示す図である。
【図５】本発明の態様による図1Aのデバイスの様々な屈折率および周期についての絶対リターデーションと部分波長構造深さとの関係を示す図である。
【図６】本発明の態様による図1Aの複屈折デバイスの積層構造を示す図である。
【図６Ａ】本発明の態様による図1Aの複屈折デバイスの傾斜積層構造を示す図である。
【図７】本発明の態様による複屈折波長板として利用される図1Aの複屈折デバイスを示す図である。
【図８】本発明の態様による非補償型4分の1波長板に対する各偏光の透過を示す図である。
【図９】本発明の態様による反射防止補償型4分の1波長板に対する各偏光の透過を示す図である。
【図１０】本発明の態様による画素アレイ複屈折デバイスを示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図６Ａ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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