(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
第１の光場閉込め構造体が光子を受け取る表面を備え、第２の光場閉込め構造体が該第１の光場閉込め構造体から離隔される、前記基板上に位置する第１の光場閉込め構造体および第２の光場閉込め構造体と、
前記第１の光場閉込め構造体と前記第２の光場閉込め構造体の間に配置された量子構造体とを備え、
前記第１の光場閉込め構造体および前記第２の光場閉込め構造体が、前記基板面と平行な方向に細長い金属構造体で、
前記第１の光場閉込め構造体および前記第２の光場閉込め構造体が、間に光子の光場を実質的に閉じ込めるように構成されている、デバイス。
【請求項２】
前記量子構造体が、受け取られた前記光子の波長に応じて、モット絶縁体モードおよび超流動モードで選択的に動作するように構成されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１の光場閉込め構造体および前記第２の光場閉込め構造体の少なくとも一方が前記量子構造体と接触している、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１の光場閉込め構造体および前記第２の光場閉込め構造体の少なくとも一方が前記量子構造体から離隔されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１の光場閉込め構造体と前記第２の光場閉込め構造体が、前記光子の波長以下の距離だけ離隔されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１の光場閉込め構造体および前記第２の光場閉込め構造体が、前記光子の波長の４分の１以下の厚さのものである、請求項４に記載のデバイス。
【請求項７】
前記細長い金属構造体が、矩形の金属構造体である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記細長い金属構造体が、くさび形金属構造体である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記細長い金属構造体が、本質的にＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、およびＴｉからなる群から選択される少なくとも１つの材料製である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１の光場閉込め構造体および前記第２の光場閉込め構造体がフォトニック結晶である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記量子構造体が、本質的にＩＩ−ＶＩ族半導体化合物およびＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物からなる群から選択される１つまたは複数の材料製である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記量子構造体が、ｘの値が０．５と１．０の間であるＣｄｘＺｎ１−ｘＳ製である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記量子構造体が、ｘの値が０と１の間であるＣｄＳｅｘＳ１−ｘ製である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記基板と前記第１の光場閉込め構造体および前記第２の光場閉込め構造体との間に配置されたバッファ層をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
デバイスを作製するための方法であって、
基板面と平行な方向に細長い金属構造体である複数の光場閉込め構造体を、前記基板上に形成するステップであり、前記光場閉込め構造体のそれぞれは互いに離隔されている、ステップ、および
誘電材料製の少なくとも２つの量子構造体を有し、当該各量子構造体を前記光場閉込め構造体間のそれぞれに形成するステップと、
を含む方法。
【請求項１６】
前記の少なくとも２つの量子構造体を形成するステップが、
誘電体層を前記基板上に形成するステップ、および
前記誘電体層をパターニングし、複数のトレンチを画定するステップを含み、
前記の複数の光場閉込め構造体を形成するステップが、
金属構造体を前記複数のトレンチ内に形成することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数の光場閉込め構造体を形成するステップが、
金属層を前記基板上に形成するステップ、および
前記金属層をパターニングし、複数のトレンチを画定するステップを含み、
前記少なくとも２つの量子構造体を形成するステップが、前記量子構造体を前記トレンチ内に形成するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも１つの光場閉込め構造体がフォトニック結晶である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
バッファ層が前記複数の光場閉込め構造体のうちの少なくとも１つと前記基板との間に位置するように、前記バッファ層を前記基板上に形成するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の光場閉込め構造体が、光スイッチングユニットによって透過させようとする光子の波長以下の距離だけ離隔される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記複数の光場閉込め構造体のうちの少なくとも２つが、光スイッチングユニットによって透過させようとする光子の波長の４分の１以下の距離だけ離隔される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数の光場閉込め構造体が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、およびＴｉからなる群から選択される材料製である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
基板と、
前記基板上に位置する光スイッチングユニットとを備え、前記光スイッチングユニットが、
複数の量子構造体と、
金属を含む複数の光場閉込め構造体のそれぞれの、第１の側および第２の側に位置する複数の光場閉込め構造体と、
光子入力表面と、
光子出力表面とを含み、
前記複数の量子構造体は、前記複数の光場閉込め構造体間に配置され、
前記光場閉込め構造体が、前記光子入力表面と光子出力表面とを含み、
前記光子入力表面は、前記光場閉込め構造体の第１の表面であり、前記光子出力表面は、前記光場閉込め構造体の前記第１の表面とは別の第２の表面であり、
前記量子構造体のそれぞれの中で生成された光場の効果により、前記光子入力表面で受け取られた光子が前記量子構造体を介してホップし、前記光スイッチングユニットから前記光子出力表面に透過することができるように、前記複数の量子構造体、前記複数の光場閉込め構造体、前記光子入力表面、および前記光子出力表面が位置するように構成されている、光スイッチングデバイス。
【請求項２４】
前記光場閉込め構造体の一方が、前記光子入力表面を含み、前記光場閉込め構造体の他方が、前記光子出力表面を含む、請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記光スイッチングユニットが、前記光スイッチングユニット内で受け取られた光子の波長に応じて、超流動モードまたはモット絶縁体モードで選択的に動作する、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記光場閉込め構造体が、所定の距離だけ離隔されている、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記所定の距離が、２つの隣接する光場閉込め構造体ごとに実質的に同じである、または前記隣接する光場閉込め構造体の少なくともいくつかについて異なる、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記金属の誘電率が、前記光スイッチングユニットを介して透過させようとする波長の特定のスペクトル用に構成されている、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項２９】
データ光信号と制御光信号の組合せエネルギーが前記量子構造体の遷移エネルギーに実質的に等しいとき、前記光スイッチングユニットが前記データ光信号を透過する、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項３０】
基板と、
前記基板上に形成され、表面プラズモン導波路として動作するように構成された複数の光場閉込め構造体であって、光子入力表面と光子出力表面とを含む、光場閉込め構造体と、
前記複数の光場閉込め構造体間に配置され、当該光場閉込め構造体を分離する複数の量子構造体とを備え、
前記光子入力表面は、前記光場閉込め構造体の第１の表面であり、前記光子出力表面は、前記光場閉込め構造体の前記第１の表面とは別の第２の表面であり、
前記複数の光場閉込め構造体および前記複数の量子構造体が、特定のスペクトル内の波長を有する光子を透過するように構成され、前記複数の光場閉込め構造体が金属である、光スイッチングデバイス。
【請求項３１】
データ光信号と制御光信号の組合せエネルギーが前記量子構造体の遷移エネルギーに実質的に等しいとき、前記特定のスペクトル内の前記波長が透過される、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記光場閉込め構造体が、前記特定のスペクトルのために選択された誘電率を有する、請求項３０に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
記載されている技術は、一般に光スイッチに関し、より詳細にはポラリトンモード光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
光スイッチは商業上重要であり、広範な応用分野で使用される。たとえば、光情報処理や光通信において、複数の光スイッチを使用することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
周波数依存性の光スイッチングのためのデバイス、方法、および技法が提供される。一実施形態では、デバイスが、基板と、基板上に位置する第１の光場閉込め構造体および第２の光場閉込め構造体と、第１の光場閉込め構造体と第２の光場閉込め構造体の間に配置された量子構造体とを含む。光子を受け取る表面を含むことができる第１の光場閉込め構造体と、第１の光場閉込め構造体から離隔させることができる第２の光場閉込め構造体とを、間に光子の光場を実質的に閉じ込めるように構成することができる。
【０００４】
前述の概要は、例示的なものにすぎず、決して限定するものではない。上述の例示的な態様、実施形態、および特徴に加えて、図面および以下の詳細な説明を参照することによって、他の態様、実施形態、特徴が明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】光スイッチングデバイスの例示的な一実施形態の斜視図である。
【図２】図１に示されている光スイッチングデバイスの、２つの細長い金属構造体間の電場を示す図である。
【図３】細長いくさび形金属構造体を有する光スイッチングデバイスの例示的な一実施形態の斜視図である。
【図４】フォトニック結晶を有する光スイッチングデバイスの例示的な一実施形態の斜視図である。
【図５】フォトダイオードデバイスを作製するための方法の例示的な一実施形態の流れ図である。
【図６】矩形の金属構造体を有する光スイッチングユニットを作製するための方法の例示的な一実施形態の流れ図である。
【図７】７Ａ〜７Ｃは図６に示されている方法を示す一連の図である。
【図８】細長いくさび形金属構造体を有する光スイッチングデバイスを作製するための方法の例示的な一実施形態の流れ図である。
【図９】９Ａ〜９Ｃは図８に示されている方法を示す一連の図である。
【図１０】フォトニック結晶を有する光スイッチングユニットを作製するための方法の例示的な一実施形態の流れ図である。
【図１１】１１Ａおよび１１Ｂは図１０に示されている方法を示す一連の図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照する。図面では、別段文脈により示されない限り、同様の符号は、一般に同様の構成要素を識別する。詳細な説明、図面、および特許請求の範囲に記載されている例示的な実施形態は、限定するものではない。本明細書に示されている主題の精神および範囲から逸脱することなしに、他の実施形態を使用すること、および他の変更を加えることができる。本明細書に全体的に記載されている、また図に示されている本開示の諸態様は、それらのすべてが本明細書において明示的に企図されている多種多様な異なる構成で構成し、置き換え、組み合わせ、分離し、かつ設計することができることが容易に理解されよう。
【０００７】
図１は、光スイッチングデバイス１００の例示的な一実施形態の斜視図を例示するものである。図１を参照すると、光スイッチングデバイス１００は、基板１１０と、基板１１０上に位置するバッファ層１２０と、バッファ層１２０上に位置する光スイッチングユニット１３０とを含むことができる。
【０００８】
一実施形態では、基板１１０は、サファイア製とすることができる。他の実施形態では、基板１１０は、適切な半導体材料製とすることができる。そのような半導体材料の例には、それだけには限らないがケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、およびヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）が含まれる。バッファ層１２０は、下にある基板１１０、および／または上にある光スイッチングユニット１３０と実質的に格子整合する材料製とすることができる。一実施形態では、バッファ層１２０は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、および／または当技術分野で知られている任意の他の適切な材料製とすることができる。
【０００９】
光スイッチングユニット１３０は、その一部分を介して光子１０を受け取り、受け取られた光子１０の波長を決定し、受け取られた光子１０が所定の波長のものである場合、所定の波長の受け取られた光子１０を、たとえば光スイッチングユニット１３０の別の部分を介して出力するように構成される。一実施形態では、光スイッチングユニット１３０は、所定の距離だけ互いに離隔されている、光場閉込め構造体１３１ａ〜１３１ｅ（以下、まとめて光場閉込め構造体１３１と呼ぶ）など複数の光場閉込め構造体と、光場閉込め構造体１３１間に配置される、量子構造体１３２ａ〜１３２ｄ（以下、まとめて量子構造体１３２と呼ぶ）など複数の量子構造体とを含むことができる。量子構造体１３２の例には、それだけには限らないが量子ワイヤおよび量子ドットが含まれる。たとえば、光スイッチングユニット１３０は、光場閉込め構造体１３１ａの表面（以下、「光子入力表面」と呼ぶ）を介して光子１０を受け取り、光子１０が所定の波長のものである場合、それら（すなわち、所定の波長の光子１０）を光場閉込め構造体１３１ｄの別の表面（以下、「光子出力表面」と呼ぶ）を介して出力することができる。光子１０が所定の波長のものでない場合、光スイッチングユニット１３０は、受け取られた光子１０を透過しない。
【００１０】
光スイッチングユニット１３０の物理的な動作は、以下のように定性的に述べることができる。光子１０が光子入力表面を介して受け取られ、図１に示されているｘ軸に沿って光スイッチングユニット１３０を介して移動すると、光場が量子構造体１３２内でそれぞれ生成される可能性がある。これらの光場は、量子構造体１３２内の電子とそこを移動する光子１０との結合を引き起こし、量子構造体１３２内でポラリトンを生成することができる。説明を簡単にするために、ポラリトンが量子構造体１３２内で誘導される光スイッチングユニット１３０の動作モードを、「ポラリトンモード」と呼ぶ。
【００１１】
ポラリトンモードについてより詳細に述べると、光スイッチングユニット１３０の量子構造体１３２ａ〜１３２ｄの１つは、以下の形態の、強く相互作用するボーズ・ハバード・ハミルトニアンを有することができる。
【００１２】
【数１】
0005744845.tif 000002
【００１３】
上式で、ｉおよびｊは整数であり、ＨｉＪＣは、ｉ番目の量子構造体での光子および電子についてのジェインズ・カミングスハミルトニアンであり、Ｋｉｊは、ｉ番目の量子構造体とｊ番目の量子構造体の間の結合定数であり、μｉは、ｉ番目の量子構造体の化学ポテンシャルであり、Ｎｉは、ｉ番目の量子構造体内での原子励起および光子励起の総数であり、αｉ†は、ｉ番目の量子構造体での光子の生成演算子である。
【００１４】
式１におけるジェインズ・カミングスハミルトニアンは、以下のように表すことができる（簡単にするために、ＨｉＪＣの下付き文字「ｉ」は省略されている）。
【００１５】
【数２】
0005744845.tif 000003
【００１６】
上式で、εは、ｉ番目の量子構造体の電子基底状態｜ｇ＞と励起状態｜ｅ＞とのエネルギーレベル差であり、ωは光子エネルギーであり、βは電子−光子結合定数であり、σ＋およびσ−は、それぞれ原子上昇演算子｜ｅ＞＜ｇ｜および原子下降演算子｜ｇ＞＜ｅ｜である。
【００１７】
量子構造体１３２は、少なくとも２つの離散的な電子エネルギーレベル状態（たとえば、基底状態および励起状態）を有することができる。より低い電子エネルギーレベル状態にある電子をより高い電子エネルギーレベル状態に励起するために必要とされるエネルギーは、量子構造体の「遷移エネルギー」と呼ぶことができる。遷移エネルギーと、特定の波長の光子１０のエネルギーとの差は、「デチューニングΔ」と呼ぶことができる。デチューニングΔは、以下の式によって表すことができる。
【００１８】
［式３］
Δ＝ω−ε
【００１９】
上式で、εは、ある量子構造体の電子基底状態｜ｇ＞と励起状態｜ｅ＞とのエネルギーレベル差であり、ωは、その量子構造体に入力された光子のエネルギーであり、Δは、デチューニング変数である。
【００２０】
量子構造体１３２内の強い光場は、量子構造体１３２内の電子とそこを通過する光子との結合を引き起こすことができる。これは、量子構造体１３２のそれぞれにおいてドレスト状態（ｄｒｅｓｓｅｄ  ｓｔａｔｅ）（すなわち、ｎ個の光子と励起された電子（１つまたは複数）との組み合わされた状態、またはｎ個のポラリトンであり、ｎは自然数である）を生成し、これはジェインズ・カミングスハミルトニアンの固有状態である。ｎ個のポラリトンは、以下の式によって説明することができる。
【００２１】
【数３】
0005744845.tif 000004
【００２２】
上式で、Ｅｎ±は、ｎを光子の数とするｎ個のポラリトンのポラリトンエネルギーであり、ωは光子エネルギーであり、βは電子−光子結合定数であり、Δはデチューニング変数であり、｜±ｎ＞は、ｎポラリトンまたはポラリトン状態であり、｜ｇ，ｎ〉は、電子が、ｎ個の光子と共に基底状態にある状態であり、｜ｅ，ｎ−１〉は、励起状態にある電子が、ｎ−１個の光子と共にある状態である。
【００２３】
ポラリトンモードにあるとき、光スイッチングユニット１３０は、光子１０の波長に応じて、超流動モードまたはモット絶縁体モードで選択的に動作することができる。超流動モードは、量子構造体１３２のうちの１つの中の光子１０が隣接する量子構造体１３２にホップすることが許されるモードである。モット絶縁体モードは、量子構造体１３２のうちの１つの中の光子１０が隣接する量子構造体１３２にホップすることが許されないモードである。超流動モードにあるとき、光子１０が量子構造体１３２を介してホップすることが許されるので、光スイッチングユニット１３０は、受け取られた光子１０を透過することができる。それに対して、モット絶縁体モードにあるとき、光子１０が量子構造体１３２を介してホップすることが許されないので、光スイッチングユニット１３０は、受け取られた光子１０を透過しない。
【００２４】
光子遮断モードと超流動モードの間の遷移は、オーダパラメータΨ＝＜ａｉ＞＝＜ｎ±｜ａｉ｜ｎ±＞によって決まる。光子１０の角振動数が量子構造体１３２の遷移エネルギーまたは電子エネルギーレベル分離の角振動数に合致するとき（すなわち、Δがゼロであるとき）、Ψはゼロまたはほぼゼロである。この場合、隣接する量子構造体１３２を介した光子１０のトンネル効果が量子構造体１３２内の光子１０間の反発相互作用より優位となることができ、光スイッチングユニット１３０は、超流動モードで動作することができる。Δがゼロでない場合、Ψはゼロまたはほぼゼロではない。この場合、光子１０間の反発相互作用が量子構造体１３２内のトンネル効果より優位となることができ、光スイッチングユニット１３０は、モット絶縁体モードで動作することができる。
【００２５】
一実施形態では、量子構造体１３２は、本質的にＩＩ−ＶＩ族半導体化合物およびＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物からなる群から選択される１つまたは複数の材料製とすることができる。他の実施形態では、量子構造体１３２は、ｘの値が０．５と１．０の間であるＣｄｘＺｎ１−ｘＳ製とすることができる。他の実施形態では、量子構造体１３２は、ｘの値が０と１の間であるＣｄＳｅｘＳ１−ｘ製とすることができる。
【００２６】
光スイッチングユニット１３０は、制御光信号を使用して制御することができる。たとえば、所定の波長の制御光信号を、別の所定の波長のデータ光信号と共に供給することができる。制御光信号とデータ光信号の組合せエネルギーが量子構造体１３２の遷移エネルギーに実質的に等しい（すなわち、Δがゼロ）場合には、制御光信号とデータ光信号が光スイッチングユニット１３０を通過することができる。制御光信号とデータ光信号の組合せエネルギーが遷移エネルギーに実質的に等しくない場合には、制御光信号とデータ光信号を光スイッチングユニット１３０によって遮断することができる。制御光信号の波長を変え、所定の波長のデータ光信号に対するオン／オフ切替えを選択的に実施することができる。
【００２７】
光スイッチングユニット１３０は、そこを移動する光子１０の光場が量子構造体１３２内で閉じ込められる場合、光スイッチとして機能することができる。これは、量子構造体１３２内のより強い光場が、光スイッチングユニット１３０がポラリトンモードで動作し、したがって波長選択性光スイッチとして動作する助けとなることができるからである。量子構造体１３２間に配置された光場閉込め構造体１３１は、光場を量子構造体１３２内によりよく閉じ込める助けとなることができる。
【００２８】
一実施形態では、図１に示されているように、光場閉込め構造体１３１は、所定の距離だけ離隔された複数の細長い金属構造体１３１ａ〜１３１ｅを含むことができる。いくつかの実施形態では、間隔は均一とすることができる。たとえば、細長い金属構造体の間で、任意の２つの隣接する細長い金属構造体（たとえば、光場閉込め構造体１３１ａおよび光場閉込め構造体１３１ｂ）間の間隔は、任意の他の２つの隣接する細長い金属構造体（たとえば、光場閉込め構造体１３１ｃおよび光場閉込め構造体１３１ｄ）間の間隔と同じとすることができる。他の実施形態では、任意の２つの隣接する細長い金属構造体間の間隔は、任意の他の２つの隣接する細長い金属構造体間の間隔とは実質的に異なってもよい。以下、光場閉込め構造体１３１を細長い金属構造体１３１とも呼ぶ。２つの細長い金属構造体１３１は、表面プラズモン導波路として機能することができる。図２は、図１に示されている光スイッチングデバイス１００の２つの細長い金属構造体１３１（たとえば、光場閉込め構造体１３１ａおよび光場閉込め構造体１３１ｂ）間の電場を示す。図２を参照すると、図１に示されている細長い金属構造体１３１ａと細長い金属構造体１３１ｂの間に閉じ込められる電場は、下記に示す式５によって説明することができる。
【００２９】
【数４】
0005744845.tif 000005
【００３０】
上式で、Ｄｘ＿ｍｅｔａｌは、細長い金属構造体１３１ａまたは細長い金属構造体１３１ｂ内の、ｘ軸に沿った電気変位場であり、Ｄｘ＿ｑｕａｎｔｕｍは、量子構造体１３２内の、ｘ軸に沿った電気変位場であり、Ｅｘ＿ｍｅｔａｌは、細長い金属構造体１３１ａまたは細長い金属構造体１３１ｂ内の、ｘ軸に沿った電場であり、Ｅｘ＿ｑｕａｎｔｕｍは、量子構造体１３２内の、ｘ軸に沿った電場であり、εｍｅｔａｌは、細長い金属構造体１３１ａまたは細長い金属構造体１３１ｂの誘電率であり、εｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃは、量子構造体１３２の誘電率である。
【００３１】
図２で、また式５からわかるように、細長い金属構造体１３１ａと細長い金属構造体１３１ｂの間（すなわち、量子構造体１３２ａ内）に閉じ込められる光子１０の電場は、細長い金属構造体１３１ａまたは細長い金属構造体１３１ｂの誘電率と量子構造体１３２ａの誘電率との比に比例する。したがって、電場の望ましい閉込めは、金属構造体１３１ａ、１３１ｂ、および／または量子構造体１３２ａに適した誘電率の材料を選択することによって得ることができる。細長い金属構造体１３１ａ、１３１ｂは説明を簡単にするために選択されたこと、また２つの細長い金属構造体１３１間の電場の説明は、光場閉込め構造体１３１が同じ所定の距離だけ離隔された細長い金属構造体であると仮定して、光スイッチングユニット１３０の任意の２つの隣接する細長い金属構造体１３１に適用可能であることを理解されたい。
【００３２】
一実施形態では、細長い金属構造体１３１は、１つまたは複数の様々な種類の金属を含むことができる。金属の誘電率は周波数の関数であり、したがって、使用される金属のタイプは、光スイッチングユニット１３０によって透過させようとする光子１０の周波数または波長によって決まる可能性がある。一実施形態では、細長い金属構造体１３１は、特定のスペクトル（たとえば、青のスペクトル）にとって適正な誘電率を有する金属を含むことができる。たとえば、細長い金属構造体１３１は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉまたは任意の他の適切な金属のうちの１つまたは化合物を含むことができる。
【００３３】
金属の誘電率が概して誘電材料（たとえば、量子構造体１３２の材料）の誘電率よりはるかに高いことを考えると、細長い金属構造体１３１の構成により、一般に光子１０の電場の強い閉込めが可能になり得る。これは、２つの隣接する細長い金属構造体１３１が光子１０の波長より短い距離で離隔される場合についてさえ当てはまる。一実施形態では、２つの隣接する細長い金属構造体１３１は、光スイッチングユニット１３０によって透過させようとする光子の波長以下の距離だけ離隔されてもよい。他の実施形態では、２つの隣接する細長い金属構造体１３１は、光スイッチングユニット１３０によって透過させようとする入射光子の波長の４分の１以下の距離だけ離隔されてもよい。たとえば、光スイッチングユニット１３０によって透過させようとする光子の波長が約１μｍである場合、光スイッチングユニット１３０は、隣接する細長い金属構造体１３１が約２５０ｎｍより短い距離だけ離隔されるように作製することができる。いくつかの実施形態では、隣接する細長い金属構造体１３１は、約数ナノメートルから数百ナノメートルの範囲内の距離だけ離隔されてもよい。図１に示されている細長い金属構造体１３１は、量子構造体１３２と接触している。しかし、他の実施形態では、細長い金属構造体１３１は、隣接する細長い金属構造体１３１間の距離が量子構造体１３２の幅より長くなるように量子構造体１３２から離隔されてもよい。いくつかの実施形態では、量子構造体１３２の幅は、数ナノメートルの範囲内とすることができる。
【００３４】
図１と共にここまでに述べた光スイッチングデバイス１００は、その光場閉込め構造体として矩形の細長い金属構造体１３１を使用する。しかし、本開示による光スイッチングデバイスは、異なる形状の金属構造体を含むことができることを理解されたい。たとえば、光場閉込め構造体は、少なくとも２つの細長いくさび形金属構造体を含むことができる。これに関して、図３は、細長いくさび形金属構造体３３１ａ〜３３１ｅを有する光スイッチングデバイス３００の例示的な一実施形態の斜視図を示す。図１に示されている光スイッチングデバイス１００と同様に、光スイッチングデバイス３００は、基板３１０と、基板３１０上に位置するバッファ層３２０と、バッファ層３２０上に位置する光スイッチングユニット３３０とを含むことができる。光スイッチングユニット３３０は、複数の細長いくさび形金属構造体３３１ａ〜３３１ｅと、細長いくさび形金属構造体３３１ａ〜３３１ｅの間に配置された三角形断面を有する複数の量子構造体３３２ａ〜３３２ｄとを含むことができる。
【００３５】
さらに、本開示の光場閉込め構造体は、表面プラズモン導波路として働く少なくとも２つの金属構造体に限定されない。いくつかの実施形態では、フォトニック結晶を光場閉込め構造体として使用することができる。これに関して、図４は、そのようなフォトニック結晶４３１ａ〜４３１ｅを有する光スイッチングデバイス４００の例示的な一実施形態の斜視図を示す。図１に示されている光スイッチングデバイス１００と同様に、光スイッチングデバイス４００は、基板４１０と、基板４１０上に位置するバッファ層４２０と、バッファ層４２０上に位置する光スイッチングユニット４３０とを含むことができる。光スイッチングユニット４３０は、複数のフォトニック結晶４３１ａ〜４３１ｅと、フォトニック結晶４３１ａ〜４３１ｅの間に配置された複数の量子構造体４３２ａ〜４３２ｄとを含むことができる。
【００３６】
フォトニック結晶４３１ａ〜４３１ｅは、複数の誘電体ナノ構造または金属誘電体ナノ構造を含むことができる。一実施形態では、図４に示されているように、フォトニック結晶４３１ａ〜４３１ｅは、複数の穴４４０が画定された誘電体構造とすることができる。一実施形態では、穴４４０は、同じ所定の距離だけ離隔させることができる。穴４４０の直径は、ナノメートル範囲内とすることができる。しかし、他の実施形態では、他のタイプのフォトニック結晶を使用してもよい。たとえば、同じ距離だけ離隔された複数のナノロッドを有するフォトニック結晶を使用することができる。フォトニック結晶４３１ａ〜４３１ｅの上記の構成は、それらの間で光子の光場を効果的に閉じ込めることができる。
【００３７】
前述の光スイッチングデバイスは様々な方法で作製することができ、以下、それらの一部について述べる。図５は、光スイッチングデバイスを作製するための方法の例示的な実施形態の流れ図である。図５を参照すると、ブロック５１０において、光スイッチングユニットを上に形成するために基板が準備される。ブロック５２０では、バッファ層が基板上に形成され、ブロック５３０では、光スイッチングユニットがバッファ層上に形成される。光スイッチングユニットは、基板上に位置し互いに離隔された複数の光場閉込め構造体と、複数の光場閉込め構造体間に配置された誘電材料製の少なくとも１つの量子構造体とを含むことができる。
【００３８】
バッファ層および光スイッチングユニットは、好適な堆積技法、エッチング技法、および／またはフォトリソグラフィ技法のうちの１つまたはそれらの任意の組合せによって基板上に形成することができる。好適な堆積技法の例には、それだけには限らないが、化学堆積技法（たとえば、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ））、物理堆積技法（たとえば、物理気相堆積（ＰＶＤ）、および他の堆積技法（たとえば、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ））が含まれる。好適なエッチング技法の例には、それだけには限らないが、ウェットエッチング、異方性エッチング、およびプラズマエッチングが含まれる。光スイッチングユニットを形成する際に実施される特定のプロセスは、作製しようとする光場閉込め構造体および量子構造体のタイプおよび形状に応じて変わる可能性がある。以下、図１、３、４に示されている光スイッチングユニットのそれぞれを作製するための方法例について述べる。
【００３９】
本明細書に開示されているこの、また他のプロセスおよび方法については、それらのプロセスおよび方法で実施される機能を異なる順序で実施することができることを、当業者なら理解するであろう。さらに、概説されているステップおよび動作は、例として提供されているにすぎず、それらのステップおよび動作のいくつかは、開示されている実施形態の本質から逸脱することなしに任意選択とすることができ、組み合わせてより少ないステップおよび動作にすることができ、または拡張して追加のステップおよび動作にすることができる。
【００４０】
図６は、矩形の金属構造体を有する光スイッチングユニットを作製するための方法の例示的な一実施形態の流れ図である。図７Ａ〜図７Ｃは、図６に示されている方法を示す一連の図である。図６を参照すると、ブロック６１０において、図７Ａに示されているように、基板７１０上に配置されているバッファ層７２０上に誘電体層７２５が形成される。一実施形態では、誘電体層７２５は、誘電材料をバッファ層７２０上に堆積することによって形成することができる。ブロック６２０では、図７Ｂに示されているように、誘電体層７２５をパターニングし、細長いトレンチ７２７ａ〜７２７ｅを画定し、それにより複数の量子構造体７３２ａ〜７３２ｄをバッファ層７２０上に形成する。上記のパターニングプロセスは、当技術分野で知られている適切なマスキングおよび／またはエッチングプロセスを使用することによって実施することができる。ブロック６３０では、図７Ｃに示されているように、細長い矩形の金属構造体７３１ａ〜７３１ｅがそれぞれトレンチ７２７ａ〜７２７ｅ内に形成される。上記の細長い矩形の金属構造体を形成するプロセスは、当技術分野で知られている適切なマスキングおよび／または堆積プロセスを使用することによって実施することができる。
【００４１】
図８は、細長いくさび形金属構造体を有する光スイッチングデバイスを作製するための方法の例示的な一実施形態の流れ図である。図９Ａ〜図９Ｃは、図８に示されている方法を示す一連の図である。図８を参照すると、ブロック８１０において、図９Ａに示されているように、基板９１０上に配置されているバッファ層９２０上に金属層９２６が形成される。たとえば、金属層９２６は、当技術分野で知られている好適な堆積技法を使用することによってバッファ層９２０上に堆積させることができる。ブロック８２０では、図９Ｂに示されているように、金属層９２６をパターニングし、複数のくさび形トレンチ９２９ａ〜９２９ｄを画定し、それにより細長いくさび形金属構造体９３１ａ〜９３１ｅをバッファ層９２０上に形成する。たとえば、金属層９２６は、当技術分野で知られている好適なマスキングおよび／またはエッチング技法を使用することによってパターニングすることができる。ブロック８３０では、図９Ｃに示されているように、量子構造体９３２ａ〜９３２ｄをそれぞれトレンチ９２９ａ〜９２９ｄ内に形成することができる。たとえば、量子構造体９３２ａ〜９３２ｄは、当技術分野で知られている好適なマスキングおよび／または堆積技法を使用することによって形成することができる。
【００４２】
図１０は、別の例示的な実施形態による、フォトニック結晶を有する光スイッチングユニットを作製するための方法の例示的な一実施形態の流れ図である。図１１Ａおよび図１１Ｂは、図１０に示されている方法を示す一連の図である。図１０参照すると、ブロック１０１０において、図１１Ａに示されているように、基板１１１０上に配置されているバッファ層１１２０上に誘電体層１１２５が形成される。ブロック１０２０では、図１１Ｂに示されているように、誘電体層１１２５の一部分をパターニングし、複数の穴１１４０を画定し、それによりフォトニック結晶１１３１ａ〜１１３１ｅを形成する。パターニングされない部分は、量子構造体１１３２ａ〜１１３２ｄとして機能する。たとえば、誘電体層１１２５の一部分は、当技術分野で知られている適切なマスキングおよび／エッチング技法を使用してパターニングすることができる。
【００４３】
本開示は、本願に記載されている特定の実施形態の点で限定されるべきでなく、それらの実施形態は、様々な態様を例示するものとして意図されている。当業者には明らかなように、その精神および範囲から逸脱することなしに多数の修正および変形を加えることができる。本明細書に列挙されているものに加えて、本開示の範囲内の機能的に均等な方法および装置は、前述の説明から当業者には明らかであろう。そのような修正および変形は、添付の特許請求の範囲内にあるものとする。本開示は、添付の特許請求の範囲が権利を与えられる均等物の全範囲と共に、そのような特許請求の範囲の文言によってのみ限定されるべきである。本開示は、特定の方法、試薬、化合物組成物、または生物学的システム（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ）に限定されず、これらは当然ながら変わり得ることを理解されたい。また、本明細書で使用されている用語は、特定の実施形態について述べるためのものにすぎず、限定するものではないことを理解されたい。
【００４４】
本明細書における実質的にどのような複数形および／または単数形の用語の使用に関しても、当業者なら、文脈および／または応用分野に適切なものとなるように複数から単数に、かつ／または単数から複数に読み替えることができる。わかりやすくするために、本明細書において様々な単数／複数の並べ替えが明記されている可能性がある。
【００４５】
一般に、本明細書、特に添付の特許請求の範囲（たとえば、添付の特許請求の範囲の本文）内で使用されている用語は概して「オープンな」用語として意図されていることを、当業者なら理解するであろう（たとえば、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」という用語は、「含むがそれだけには限らない」と解釈すべきであり、「ｈａｖｉｎｇ（有する）」という用語は、「少なくとも有する」と解釈すべきであり、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（含む）」という用語は、「含むがそれだけには限らない」と解釈すべきである、など）。さらに、導入される請求項記載事項のある特定の数を意図する場合、そのような意図は特許請求の範囲内に明示的に記載されることになり、そのような記載がない場合、そのような意図はない。たとえば、理解の助けとして、以下の添付の特許請求の範囲が、請求項記載事項を導入するために「少なくとも１つ」、「１つまたは複数」という導入句の使用を含む可能性がある。しかし、そのような句の使用は、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」によって請求項記載事項を導入していることが、そのような導入される請求項記載事項を含む特定の請求項を、そのような記載事項を１つだけ含む実施形態に限定することを暗示すると解釈すべきでなく、これは同じ請求項が「１つまたは複数」または「少なくとも１つ」という導入句と、「ａ」または「ａｎ」など不定冠詞とを含むときでさえ同様である（たとえば、「ａ」および／または「ａｎ」は、「少なくとも１つ」または「１つまたは複数」を意味すると解釈すべきである）。同じことができるが、請求項記載事項を導入するために使用される定冠詞の使用についても当てはまる。さらに、導入される請求項記載事項のある特定の数が明示的に記載されている場合でさえ、そのような記載は、少なくともその記載されている数を意味すると解釈すべきであることを、当業者なら理解するであろう（たとえば、他の修飾がなく「２つの記載事項」とだけ記載されている場合、少なくとも２つの記載事項、または２つ以上の記載事項を意味する）。さらに、「Ａ、Ｂ、およびＣなどのうちの少なくとも１つ」のような記法が使用されている場合、一般に、そのような構成は、当業者がその記法を理解するであろう意味で意図されている（たとえば、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、それだけには限らないが、Ａだけ、Ｂだけ、Ｃだけ、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、および／またはＡとＢとＣなどを有するシステムを含むことになる）。「Ａ、Ｂ、またはＣなどのうちの少なくとも１つ」のような記法が使用されている場合、一般に、そのような構成は、当業者がその記法を理解するであろう意味で意図されている（たとえば、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、それだけには限らないが、Ａだけ、Ｂだけ、Ｃだけ、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、および／またはＡとＢとＣなどを有するシステムを含むことになる）。さらに、説明内、特許請求の範囲内、または図面内にかかわらず、２つ以上の二者択一の用語を提示する事実上どのような離接的な単語および／または句も、それらの用語の一方、それらの用語のいずれか、または両方の用語を含む可能性を企図していると理解すべきであることを、当業者なら理解するであろう。たとえば、「ＡまたはＢ」という句は、「Ａ」もしくは「Ｂ」、または「Ａ」および「Ｂ」の可能性を含むと理解される。
【００４６】
さらに、本開示の特徴または態様がマーカッシュグループで表して記載されている場合、それによってその開示がまた、そのマーカッシュグループの任意の個々の構成要素または構成要素のサブグループで表して記載されていることを、当業者なら理解するであろう。
【００４７】
当業者なら理解するであろうが、文書を提供するという点など、どのような、またあらゆる目的のために、本明細書に開示されている範囲すべては、可能な部分範囲、およびその部分範囲の組合せの一部およびすべてをも包含する。どの記載された範囲も、同じ範囲を十分に説明し、それを少なくとも等しい半分、３分の１、４分の１、５分の１、１０分の１などに分解することを可能にするものと容易に理解することができる。非限定的な例として、本明細書で論じられている各範囲は、下３分の１、中央３分の１、上３分の１などに容易に分解することができる。やはり当業者なら理解するであろうが、「ｕｐ  ｔｏ（まで、最大）」「ａｔ  ｌｅａｓｔ（少なくとも）」など、すべての文言が、記載されている数を含み、かつ上述のように後で部分範囲に分解することができる範囲を指す。最後に、当業者なら理解するであろうが、ある範囲は、各個々の構成要素を含む。したがって、たとえば１〜３個のセルを有するグループは、１個、２個、または３個のセルを有するグループを指す。同様に、１〜５個のセルを有するグループは、１個、２個、３個、４個、または５個のセルを有するグループを指し、以下同様である。
【００４８】
前述より、本開示の様々な実施形態が、例示のために本明細書に記載されており、本開示の範囲および精神から逸脱することなしに、様々な修正を加えることができることを理解されたい。したがって、本明細書に開示されている様々な実施形態は、限定するものではなく、真の範囲および精神は、以下の特許請求の範囲によって示される。
【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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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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