(57)【要約】【課題】３ ＴＨｚ以上のＴＨｚ波の周波数帯においても高い透明性が得られるポリマー材料のひとつであるＣＯＰ上に金属微細構造を積層することで積層型テラヘルツ波光学素子を実現する。【解決手段】シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）フィルムに密着して形成された金属微細構造を有する複数（Ｎ）のフィルム層が積層された構成を有し、自然数ｎ（≦Ｎ）についてフィルム層の第ｎ層は第ｎ＋１層または第ｎ−１層と接着層を介して積層され、上記金属微細構造は入射電磁波の波長以下の所定の周期を含む周期をもった単位構造の配列からなり、その透過波、または反射波を出力として利用するものである。金属微細構造は各フィルム層で、空間周波数の周期が±１０％以内の範囲で空間的に変調されたパターンでもよく、また、単位構造のパラメータである内径または外径が１５％以内の範囲で空間的に変調されたパターンでもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）フィルムに密着して形成された金属微細構造を有する複数（Ｎ）のフィルム層が積層された構成を有し、Ｎ以下の少なくとも１つの自然数ｎについて上記フィルム層の第ｎ層は第ｎ＋１層または第ｎ−１層と接着層を介して積層され、上記金属微細構造は入射電磁波の波長以下の所定の周期を含む周期をもった単位構造の配列からなり、上記入射電磁波に対する透過波、または反射波を出力として利用するものであることを特徴とする積層型テラヘルツ波光学素子。
【請求項２】
上記金属微細構造は、それぞれの上記フィルム層において所定の周期構造を有し、上記単位構造のパラメータである内径または外径が１５％以内の範囲で空間的に変調されたパターンであることを特徴とする請求項１に記載の積層型テラヘルツ波光学素子。
【請求項３】
上記金属微細構造は、それぞれの上記フィルム層において空間周波数の周期が±１０％以内の範囲で変調されたパターンであることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の積層型テラヘルツ波光学素子。
【請求項４】
上記金属微細構造の厚みは１００ ｎｍ以上、１ μｍ以下であり、フィルム面内の最小サイズが１ μｍ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の積層型テラヘルツ波光学素子。
【請求項５】
上記接着層は、上記ＣＯＰフィルムに対して相対屈折率差が１０ ％以下の屈折率を有する材料から構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の積層型テラヘルツ波光学素子。
【請求項６】
上記接着層の厚みは３ μｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の積層型テラヘルツ波光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、誘電体中の金属微細構造が示す特徴的な光学応答を利用してその誘電体中に屈折率分布構造を設け、その屈折率分布を用いることによってテラヘルツ帯の電磁波について光学機能性を発現させた積層型テラヘルツ波光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、所謂メタマテリアルと呼ばれる光学素子に関するものである。なお、「メタマテリアル」は、狭義では、金属微細構造における光誘起磁気応答(optical magnetism)を利用するものを意味するが、本発明においては、設計周波数に対応する光学波長よりも小さい金属微細構造の集合体が呈するマクロスコピックな光学応答を利用して構成したものを、メタマテリアルと称することにする。
【０００３】
光源や検出技術の向上により、周波数帯として０．１〜１０ ＴＨｚをカバーするテラヘルツ（ＴＨｚ）周波数領域における特異的な吸収特性や透過特性のコントラストを利用した様々なセンシング応用の実用化が期待されている。
例えば、電波の高い透過性を利用して、Ｘ線とは対照的に被爆の恐れが無い可視化検査が可能であり、また、分子コンフォメーション変化を検知する遠赤外分光の要素を活用した薬剤検査なども可能である。さらに、上記の周波数領域では、電波と光の両方の特徴を上手に利活用することによるユニークなセンシング技術が発展してきており、今後の産業化が期待されている。
【０００４】
一般に、テラヘルツ帯におけるこの様に様々な機能を提供するセンシングシステムの構築には、ＴＨｚ帯の広範囲で低損失に動作するレンズや波長板等の光学素子が必要不可欠となる。しかし、ＴＨｚ帯は７オクターブ以上の広帯域周波数範囲であり、殆どの光学材料がＴＨｚ帯で吸収スペクトルを有していることから、一般に光学素子の低損失化が困難である。高効率な光学系を構築するには、光学素子を構成する材料としてＴＨｚ帯での吸収が少ない材料を選択する必要があり、伝搬距離を低減するために単位長さあたりの屈折率変化を大きくできる材料が好ましい。
【０００５】
透明なポリマー材料と金属微細構造を組み合わせたＴＨｚメタマテリアルは、サブミクロンの厚みで大きな実効的屈折率変化を誘起できることから、従来とは異なる薄膜構造の光学素子を実現する手法として注目されている。また、上記金属微細構造の最小構造サイズ（ＣＤ：Critical Dimension）が数ミクロンとなるため、フォトリソグラフィ等を用いた標準的な半導体プロセスで作製が可能である。上記薄膜構造を積層することで３次元のメタマテリアルを実現できれば、バルク材料では実現が困難なコンパクトな光学系を構成できるだけでなく、光学素子内の伝搬距離を短くできることから素子としての低損失化も期待できる。
【０００６】
屈折率分布を利用する光学素子の性能は、一般に屈折率と光路長の積で決まるため、単層のＴＨｚメタマテリアルで実現できる有用な光学素子としての範囲は限られている。低損失に積層可能であれば、素子設計の自由度は大きく広がることが予想される。この積層技術に関しては、フィルム基板上に金属構造を形成し、積層することで、素子として十分な機能性（例えばレンズの集光能力や波長板の位相差）が実現できることが既に報告されている。例えば、１〜２ ＴＨｚ帯ではポリイミド（ＰＩ）（非特許文献２）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）（非特許文献２３）、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）（非特許文献４）を用いて作製した例が挙げられる。しかし、３ ＴＨｚ以上の周波数では、これらポリマーの吸収が顕著となり、低損失な積層型デバイスの実現は設計上、困難になる。これは、金属構造によって誘起される近接場増強が顕著であるため、金属構造周辺のポリマーの吸収も増強されてしまうからである。つまり、この周波数帯で使用するポリマー材料には上記の材料以上の非常に高い透明性が要求される。
【０００７】
３ ＴＨｚ以上の周波数帯においても高い透明性が得られるポリマー材料として、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）（非特許文献５）が挙げられる。このポリマー材料は、工業的には離型剤として利用されており、異種材料への密着性が悪い。このため、ＣＯＰをベースとして半導体プロセス技術を適用して積層構造を有するメタマテリアル光学素子を作製することは、困難であった。
【０００８】
このような事情から、ＴＨｚ帯においてＣＯＰ系材料によって上記のメタマテリアルを検討した例は少ない。その中で例えば、ＣＯＰ基板上に金属微小構造を作製した上で物理的に重ね合わせて周辺を機械的にクランプした方式が報告されている。この方式では、空気・ポリマー界面のフレネル反射によって損失が律速されるために、素子の透過帯域は0.６ ＴＨｚ付近までに限られており（非特許文献６）、さらに高周波数または広帯域での利用が可能なメタマテリアル光学素子は実現されていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】H. -T. Chen, et al., Nature,444, 597 (2006).
【非特許文献２】M. Choi, et al., Nature, 470, 369 (2011).
【非特許文献３】N. R. Han, et al., Opt. Express, 19, 6990 (2011).
【非特許文献４】J. Neu, et al., Opt. Express, 18, 27748 (2010).
【非特許文献５】P. D. Cunningham, et al., Appl. Phys. Lett. 109, 043505 (2011).
【非特許文献６】Y. Takebayashi, et al., Appl. Phys. A 115, 501 (2014).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
３ ＴＨｚ以上のＴＨｚ波の周波数帯においても高い透明性が得られるポリマー材料のひとつであるＣＯＰ上に金属微細構造を積層することで、当該周波数帯における積層型テラヘルツ波光学素子を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の積層型テラヘルツ波光学素子は、
シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）フィルムに密着して形成された金属微細構造を有する複数（Ｎ）のフィルム層が積層された構成を有し、Ｎ以下の少なくとも１つの自然数ｎについて上記フィルム層の第ｎ層は第ｎ＋１層または第ｎ−１層と接着層を介して積層され、上記金属微細構造は入射電磁波の波長以下の周期で構成される単位構造の準周期的配列からなり、その透過波、または反射波を出力として利用するものである。ここで、単位構造の準周期的配列とは、単位構造の配列が所定の周期を含む周期をもった配列であることを意味する。
【００１２】
また、上記金属微細構造は、それぞれのフィルム層において、所定の周期構造を有し、上記単位構造のパラメータである内径または外径が１５％以内の範囲で空間周波数が変調されたパターンであってもよい。
【００１３】
上記金属微細構造は、それぞれのフィルム各層において、所定の周期性を有するパターンであってもよいし、そのパターンの空間周波数の周期が１０％以内の範囲で変調されたパターンであってもよい。
【００１４】
また、上記金属微細構造の厚みは１００ ｎｍ以上、１ ミクロン以下であり、フィルム面内の最小サイズが１ ミクロン以上であることを特徴とする。
【００１５】
また、上記接着層は、上記ＣＯＰフィルムに対して相対屈折率差が１０ ％以下の屈折率を有する材料から構成されることを特徴とする。
【００１６】
また、上記接着層の厚みは３ ミクロン以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、従来では不可能であったテラヘルツ周波数のほぼ全域（０．１〜７ ＴＨｚ）で動作可能であり、しかも低損失な積層型のテラヘルツ光学素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の単位構造となるＣＯＰに埋め込まれた金属微細構造の一例としてのリング形状のスリット構造を示す図である。
【図２】図１の構造を正方格子状に並べた単層メタマテリアルの透過特性（透過率と位相）を３次元有限要素法解析によって計算した結果を示す図である。
【図３】面内で原点からの距離に比例して、図１のスリット幅を固定したままリング径を小さくなるように配置し、設計周波数において所望の屈折率分布を実現する例を示す図である。
【図４】積層構造を実現するためのプロセスフロー例を示す図である。
【図５】上記のプロセスを通して作製されたリングスリット構造の光学顕微鏡写真を示す図である。
【図６】作製されたリングスリット構造の透過特性のテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）による測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
積層型のテラヘルツ光学素子の一例として、平板レンズの場合を以下に説明する。平面レンズは、球面収差なしで集光できる利点を有する光学素子である。以下ではＣＯＰ上に形成された金の微細構造によるテラヘルツメタマテリアルを用いた平板レンズの作製に関して述べる。
【実施例１】
【００２０】
図１に、単位構造となるＣＯＰに埋め込まれたリング形状のスリット構造を示す。この単位構造は、Ｘ，Ｙ方向に周期Λの矩形領域を定義し、リング内径２×Ｒ１、スリット幅ｄ、金属構造の厚みｔで定義される。リング外径は２×（Ｒ１＋ｄ）となる。積層方向の周期はＬで定義される。リング形状のスリットでは、単位構造自体に面内偏光依存性が無いため、偏波無依存のレンズを構成することが可能となる。なお、本例では正方格子状に配列したものに関して述べるが、例えば三角格子状に配列したものであってもよい。
【００２１】
図２は、上記単位構造を周期３０ ミクロンで正方格子状に配列した単層（厚み２００ ｎｍ）構造の透過特性を３次元有限要素法解析によって計算したものである。スリット幅ｄ＝３ ミクロンとし、内径を１８、１９、２０、２１ 、２２ ミクロンと変化させたときの強度透過率（図２（ａ））と位相（図２（ｂ））の周波数依存性を示している。電磁波の波長λ＝ｃ／ｆ（ｃは光速、ｆは周波数）に対してＬ＝λとしている。
図２（ａ）では、周波数３ ＴＨｚ付近において、共鳴構造が得られ、リング形状（外径×内径）が大きくなるに従って共振周波数が低周波数側にシフトしていくことがわかる。面内周期性に起因する１次回折光のカットオフ周波数は、ＣＯＰの屈折率（約１．５５）を考慮すると約６．５ＴＨｚとなるため、回折効果ではなく、リング構造そのものに起因する共鳴であるといえる。金属構造の最小サイズとなるリング形状のスリット幅は最大透過率を決める支配的因子であり、十分な透過率（＞５０％）を確保するためには、１ μｍ以上であることが望ましい。また、図２（ｂ）では、共振周波数を挟んで位相が進むことがわかる。従って、ある周波数に注目すると、リングサイズが大きくなるに従って位相は遅れることがわかる。すなわちリングサイズの大きい単層構造では、共振周波数が低くなる結果としての実効的屈折率が相対的に高くなる。
【００２２】
図３（ａ）に示すように、面内で原点からの距離に比例してリング径を小さくなるように配置すると、実効的にグレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズを構成できる。この金属微細構造は、それぞれのフィルム層において、単位構造のパラメータのひとつである内径Ｒ１が空間的に変調された構造である。
【００２３】
しかし、位相シフトと共鳴幅はトレードオフの関係にある。従って、高い透過率を実現するためには、リング径の変調範囲は限られる。例えば、３．３ ＴＨｚを動作周波数とすると、リング径を２４〜２８ μｍの範囲で変化させたときの透過率は８５ ％以上となり、単層あたりの位相シフト量の差異はΔｆ ＝ ０．７ ｒａｄとなる（等価的屈折率差Δｎ ≒ ０．１１）。これは単位構造のパラメータＲ１（従って、内径または外径）が空間的に〜１５％変調されたことに対応する。一般にＧＲＩＮレンズは、平面波に対して近似的に放物線形状の次の屈折率分布； 
【００２４】
【数１】
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【００２５】
を与えることで、ＧＲＩＮレンズ内に連続的なコサイン形状の光線分布を形成する。ここでｎ０は光軸上の屈折率、ｇは傾斜係数、ｒは径方向の位置である。コサイン形状の光線分布の周期は傾斜係数によって定義され、次式で決まる。
【００２６】
【数２】
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【００２７】
レンズの幾何学的厚みを制御することによって、像反転や集光等を行う機能を実現する。代表的な例として、Ｐ＝０．２３であれば、点光源を無限遠にコリメートするレンズとして機能する。また、レンズの開口数（ＮＡ）は、次式で与えられる。
【００２８】
【数３】
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【００２９】
ここで、Ｒはレンズ半径である。図２（ｂ）から求められる等価的屈折率差からＮＡは約０．５７と見積もられる。ｇはレンズ径に依存して〜１００ ［ｍ−１］のオーダーとなり、結果としてレンズなどに必要な厚みは１ ｃｍのオーダーとなる。従って、従来設計法に基づいてＧＲＩＮレンズを作製するためには積層することが必須といえる。光の伝搬方向に対しては集中定数分布を有する(複合レンズ)素子として設計する場合においては、積層数を減らすことが可能であるが、積層できることが望ましいことは同じである。
【００３０】
積層構造では、フィルム層が設計波長よりも十分に薄いと、各金属層の近接場の結合によって、共鳴構造が変化する。この効果を積極的に活用しても良い。接着層を導入する場合、フィルム層と接着層の誘電体界面におけるフレネル反射が実効的な損失となるため、接着層とフィルム層の屈折率差はできるだけ小さい方がよい。単純にＮ層を積層すると２（Ｎ−１）層の誘電体界面が形成され、各界面において反射が起こる。垂直入射の場合においてフレネル強度反射率を考慮すると、１０％の屈折率差で１接着層あたり約１％のフレネル反射損失が生じてしまう。また、接着層の屈折率が高い場合、面内周期性に起因する１次回折光のカットオフ周波数は低くなる。従って、本実施例の共鳴ピークの３ｄＢ帯域内（〜５．５ ＴＨｚ）で１次回折光が生じることを避けるためには、接着層の屈折率はＣＯＰの屈折率に対して１５％以内であることが望ましい。
さらに、接着層は金属構造の近接場と相互作用するため、共鳴ピークをシフトさせる作用を有する。この作用によって、共鳴ピークは分離し、非対称性が生じることから、接着層の厚みは近接場に対する体積平均屈折率がほぼ変わらない程度に薄くすることが望ましい。
【００３１】
図４は、積層構造を実現するためのプロセスフローの例を提示している。この例は、半導体集積回路の製造プロセスと同様に、コンタクトアライナーまたはステッパーによる露光を行うものであるが、レジストマスクの形成には、ナノインプリントなどの方法を用いることもできる。また、金属層のパターン形成には、エッチング工程、またはリフトオフ工程を用いることができる。後者は、ＣＯＰが強アルカリ性を有する金属のエッチング溶液に対する耐性が乏しい場合に、有益な方法である。図４のプロセスフローについて各ステップを以下に説明する。
ａ−１：エッチング工程を用いる場合、ＣＯＰフィルムまたは基板に載せたＣＯＰフィルムに金（Ａｕ）層を蒸着法やスパッタ法で堆積する。金属層の厚みは、設計周波数の光が十分に遮光（＞１０ ｄＢ）できる厚みが望ましい。その理由は、直接透過する光が、共鳴した光と干渉し、周波数領域において一般に非対称である共鳴構造（所謂ファノ共鳴構造）を形成してしまうためである。一般的な金属の吸収係数から、ファノ共鳴を抑制するために必要な膜厚は１００ ｎｍ程度といえる。一方、厚すぎると、膜応力による変形によって、フィルムの取り扱いが困難になるため、１ ミクロン以下であることが望ましい。つまり、上記金属微細構造の厚みは１００ ｎｍ以上、１ ミクロン以下である。本実施例では２００ ｎｍで実験を行った。基板は、作製しようとする積層型テラヘルツ波光学素子の波長帯域の光を透過するものであることが望ましい。但し、作製しようとする積層型テラヘルツ波光学素子が反射型のものである場合はこの限りではない。
ａ−１′：リフトオフプロセスを用いる場合は、フォトレジストをスピンコーター等で塗布し、露光、現像を行う。この際、リフトオフレジストなどを用いて多層レジストを使用してもよい。
ａ−２：フォトレジストを、スピンコーター等で塗布し、露光および現像を行い、パターンを形成する。
ａ−２′：金属膜を蒸着法にて堆積する。
ａ−３：エッチング工程の場合、ウェットエッチングでは金属とレジストマスクに選択性を有する溶液を利用する。本実施例のようにＡｕの場合、ヨウ化カリウム（ＫＩ）溶液が利用できる。プラズマによるドライエッチングも可能である。リフトオフ工程の場合、アセトンなどのＣＯＰに対して不溶かつ、レジスト膜に対して溶解性を有する有機溶剤に曝し、レジスト、及びレジスト上の金属層を除去する。
ａ−４：アクリレート系接着層を、金属構造表面に例えばスピンコーターで塗布する。液体の接着層を用いることにより、構造を有する金属層の非平坦な界面に対しても、接着が可能となる。また、本工程によって、金属層は大気に曝されなくなるため、大気中酸素による酸化等による金属層の劣化も防止でき、素子を長寿命化できる。本実施例では、２〜３ ミクロンと薄膜化しても、十分な平坦化が行えることがわかった。
また、一般にこの接着層はなるべく薄いことが望ましいことから、この接着層の厚みは、３ ミクロン以下とすることが望ましいことが分かる。
ａ−５−１：ＣＯＰフィルムを貼り付け、上記接着層の光硬化を促進する紫外線照射を行った後、ａ−１ステップに戻って必要な回数だけ繰り返す。
ａ−５−２：フィルム上に大面積でパターンを形成してある場合、フィルムを任意のサイズに切断し、パターンごと積層しても良い。この場合、ａ−４のステップに戻って必要な回数だけ繰り返す。但し、接着層の紫外線硬化を効率的に行うために、金属構造の空間的な充填率が低い場合に限られる。
【００３２】
フィルム膜厚が大きく、層間の近接場結合が無視できる場合には、積層の際に生じるアライメント誤差によって透過スペクトルの変形は生じないが、結果的にレンズの集光性能を劣化させる。そのため、スポットサイズ程度の精度でアライメントできることが望ましい。本実施例ではＮＡ＝０．５７であるので、回折限界で波長程度(３ ＴＨｚで〜１００ ミクロン)の精度が必要となり、〜３L程度のアライメント精度が許容できるといえる。近接場結合が顕著な場合、基本構造の共鳴スペクトル形状を制御するためには最小構造パラメータ（ｄ）よりも十分に小さいアライメント精度（＜ 1 ミクロン）が要求される。露光プロセスなどによって生じる面内の歪も同様に抑制する必要がある。
【００３３】
図５は、図4のエッチング工程を通して作製された、リングスリット構造の光学顕微鏡写真を示す。各図面の左上の数字は、外径×内径である。図５での形状は、一様な周期構造を有するパターンである。
【００３４】
図６は、作製されたリングスリット構造の透過特性をテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）によって測定したものである。これらの図から次のことが確認できる。
先ず、共鳴波長と位相シフトについては、測定値と計算値とが概ね一致することが確認できた。共鳴構造に歪み（３．３ ＴＨｚ付近の窪み）が確認されるが、これは接着層とＣＯＰ層の両方が、金属構造のそれぞれ片面に接しているために、共鳴構造がシフトしたことに起因するものである。但し、接着層の厚みは約３ ミクロンであり、非常に薄く、ＣＯＰとの体積平均屈折率が共鳴ピークの周波数シフトに寄与しているため、大きな分離には至っていないと考えられる。接着層は無視できるほど薄い方が好ましく、金属構造を十分に埋め込める膜厚であることが望ましい。また、接着層が金属構造に接しているにも関わらず、透過率はほぼ理論値と同じ値が得られていることから、近接場増強効果によって吸収が増強されているにも関わらず、接着層は実質的に損失を増加させていないことがわかる。従って、積層による接着層の光学吸収、及びフレネル反射に起因する損失は、共鳴構造の透過損失に比べて無視できるほど小さいといえる。一方、半値幅が約２．５ＴＨｚと計算値（〜３ ＴＨｚ）よりも狭い理由は、Ａｕの消衰係数が計算時に使用した一般的なモデルよりも小さい（低損失である）ことが考えられる。面内１次回折によるピークは、５．８ ＴＨｚ、６．３ ＴＨｚに観測され、それぞれ屈折率として１．７２、１．５８と見積もられる。前者が接着層、後者がＣＯＰに対応しており、その相対屈折率差は８．８ ％である。共振周波数上昇するに従って、回折の効果は相対的に強くなることから、接着層のＣＯＰに対する屈折率差が小さいことが好ましいことは明らかであるが、この相対屈折率差は、１０ ％程度までは許容できる。また、本実施例では面内一定周期の構造を作製したが、空間周波数の周期を空間的に変調し、回折に起因するピークを周波数軸上に拡散させて、相対的に弱めることができる。この変調は、回折の効果を抑制したい場合には有効なアプローチであるが、回折ピークが共鳴スペクトルとオーバーラップすることで形状を大きく変えないためには屈折率許容値と同様に１０ ％程度の範囲であることが望ましい。
リングスリット構造であることから偏光依存性が無い事が予想できるが、測定結果においても、偏波依存性は無視できることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
上記では主に平板レンズについて上記で説明したが、ＴＨｚ帯における他の光学素子、例えば回折格子、波長フィルタ、偏光子などにも本発明を適用することができることは明らかである。
【符号の説明】
【００３６】
１  ＣＯＰフィルム
２  金層
３  フォトレジスト
４  接着層
５  ＣＯＰフィルム
【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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