(57)【要約】【課題】製造が容易であり、表面プラズモン波の伝搬距離のより長い導波構造及び光学素子を提供する。【解決手段】  導波構造は半導体基板１０上に積層される量子井戸構造２０を備えている。量子井戸構造内の量子井戸層２２は、半導体基板１０に対する量子井戸構造の配列方向に略直交する仮想平面と交差している交差領域２２ａを有し、量子井戸構造の誘電率の実数部は所定波長のＴＨｚ波に対して負である。この場合、交差領域２２ａ内で電子振動が生じた場合には常に上記配列方向の成分が存在し、量子井戸構造の誘電率の実数部が所定波長のＴＨｚ波に対して負であるため、交差領域２２ａを利用して表面プラズモン波を伝搬できる。量子井戸構造ではキャリア濃度を上げながらキャリア移動度を上げることができるため、表面プラズモン波をより長く伝搬できる。また、加工が容易な半導体からなる量子井戸構造を採用しているため導波構造の製造が容易である。【選択図】図２
2008020728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面プラズモン波を伝搬させる導波構造において、
半導体基板上に設けられる量子井戸構造を備え、
前記量子井戸構造が有する量子井戸層が、前記半導体基板に対する前記量子井戸構造の配列方向に略直交する仮想平面と交差している交差領域を有し、
前記量子井戸構造の誘電率の実数部は、所定波長のＴＨｚ波に対して負であることを特徴とする導波構造。
【請求項２】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられると共に、請求項１に記載の導波構造を有する導波部と、
を備え、
前記導波部は、前記導波構造で伝搬される前記表面プラズモン波の伝搬方向上に設けられており前記表面プラズモン波を集光するための集光部を有することを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記集光部は、前記半導体基板に対する前記量子井戸構造の前記配列方向に前記導波部を貫通する開口部であることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記所定波長のＴＨｚ波の入射により表面プラズモン波を生じせしめる表面プラズモン波発生部を更に備え、
前記導波構造は、前記表面プラズモン波発生部で生じた前記表面プラズモン波を伝搬させることを特徴とする請求項２又は３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記表面プラズモン波発生部は、前記導波構造が備える前記量子井戸構造に形成された周期的な凹凸パターンであることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記量子井戸構造が有する前記量子井戸層は前記交差領域を複数有し、
複数の前記交差領域は、前記凹凸パターン状に連続していることを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記導波構造が備える前記量子井戸構造には凹凸パターンが形成されており、
前記量子井戸構造が有する前記量子井戸層は前記交差領域を複数有し、
複数の前記交差領域は、前記凹凸パターン状に連続しており、
前記凹凸パターンは、第１の周期を有する第１の凹凸パターンと、前記第１の凹凸パターンに対して前記配列方向に略直交する方向に配置されており第２の周期を有する第２の凹凸パターンとを有し、
前記第１の凹凸パターンが前記表面プラズモン波発生部であり、
前記第２の凹凸パターンは、前記第１の凹凸パターンに対して前記集光部と反対側に位置しており、
前記第２の周期は、前記第１の周期の半分であることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項８】
前記表面プラズモン波発生部は、前記半導体基板の主面に形成されており前記所定波長のＴＨｚ波が入射されたときに前記表面プラズモン波を生じせしめる凹凸パターンであり、
前記導波部は、前記凹凸パターンが形成された前記主面上に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項９】
前記導波構造を伝搬する前記表面プラズモン波又は前記表面プラズモン波と同一の振動周波数を有するＴＨｚ波を検出する受波部が前記集光部上に設けられていることを特徴とする請求項２〜８の何れか一項に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記集光部を複数有し、
前記各集光部に前記受波部が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記所定波長のＴＨｚ波を発生するＴＨｚ波発生部が前記集光部上に設けられており、
前記表面プラズモン波発生部は、前記ＴＨｚ波発生部によって生じた前記所定波長のＴＨｚ波の入射により前記表面プラズモン波を発生させることを特徴とする請求項２〜８の何れか一項に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記集光部を複数有し、
前記各集光部に前記ＴＨｚ波発生部が設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の光学素子。
【請求項１３】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられると共に、請求項１記載の導波構造を有する複数の導波部と、
を備え、
複数の前記導波部は、前記配列方向に略直交する方向に並列されており、
前記各導波部において、
前記導波構造が備える前記量子井戸構造には、所定波長のＴＨｚ波の入射により表面プラズモン波を発生せしめる周期的な凹凸パターンが形成されており、
前記量子井戸層は、前記凹凸パターン状に連続した複数の前記交差領域を有し、
前記導波構造で伝搬される表面プラズモン波の伝搬方向上には前記表面プラズモン波を集光するための集光部が設けられており、
複数の前記導波部のうち少なくとも２つの前記導波部が有する前記導波構造における前記凹凸パターンの周期が異なっていることを特徴とする光学素子。
【請求項１４】
前記各導波部が有する前記集光部上には、前記導波構造を伝搬する前記表面プラズモン波又は前記表面プラズモン波と同一の振動周波数を有するＴＨｚ波を検出する受波部が設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の光学素子。
【請求項１５】
前記各導波部が有する前記集光部上には、
前記各導波部が有する前記凹凸パターンにおいて前記表面プラズモン波を生じせしめる前記所定波長のＴＨｚ波を発生するＴＨｚ波発生部が設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモン波を伝搬させる導波構造及び光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この技術分野では、例えば、非特許文献１に記載されているような表面プラズモンを利用した集光機構が知られている。非特許文献１に記載の技術では、ひとつ以上の開口を有しており、表面が周期的に変化している金属フィルムがＳｉメサ構造上に設けられている。金属フィルムに入射する光のうち、金属フィルムに形成された周期と特定の関係を持つ波長成分のみが開口のＳｉメサ構造側に増強されて透過する。これは、開口を外れ金属フィルム上に照射された光エネルギーが表面プラズモン伝搬を介して開口に集中するためである。
【０００３】
また、上記技術分野の技術としては、特許文献１に記載されているように、波長以下の開口を有すると共に、周期的表面形状を有する金等からなる導電性フィルムを利用して表面プラズモンを伝搬させることも知られている。
【非特許文献１】Tsutomu Ishi, et al., “Si Nano-Photoeiode with a Surface Plasmon Antenna,”Japanese Journal of Applied Physics, 2005, Vol. 44, No. 12, pp. L364-L366.
【特許文献１】特開２００４−２１３０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図４は、表面プラズモン波を示す概念図である。表面プラズモン波１００は、誘電率が正の誘電体１１０と誘電率の実数部が負である導電性物質１１１との界面に沿って伝搬する波であり、その振幅方向は界面に略直交する方向である。なお、誘電体１１０の誘電率をεｄとし、導電性物質１１１の誘電率をεｍとする。通常の導電性物質では、誘電率に虚数部分が存在するため、εｍ＝εｍｒ＋ｉεｍｉと表せる。可視域の光に対してεｍが負である導電性物質１１１としては、非特許文献１に記載されているような金属（例えば金や銀）が知られている。
【０００５】
しかしながら、導電性物質１１１の誘電率εｍは上述したように虚数部分εｍｉを有しているため、表面プラズモン波１００は伝搬しながら減衰することになる。これにより、非特許文献１及び特許文献１に記載の技術では、表面プラズモン波１００の伝搬距離Ｌが短いという問題点がある。また、非特許文献１に記載の技術では金属を利用しているため加工が難しく、結果として、製造が困難である。
【０００６】
そこで、本発明は、製造が容易であり、表面プラズモン波の伝搬距離のより長い導波構造及び光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る導波構造は、表面プラズモン波を伝搬させる導波構造において、半導体基板上に設けられる量子井戸構造を備え、量子井戸構造が有する量子井戸層が、半導体基板に対する量子井戸構造の配列方向に略直交する仮想平面と交差している交差領域を有し、量子井戸構造の誘電率の実数部は、所定波長のＴＨｚ波に対して負であることを特徴とする。
【０００８】
半導体は、キャリア濃度を調整することによってＴＨｚ領域の光（以下、「ＴＨｚ波」とも称す）に対して誘電率の実数部を負にすることができるため、半導体を利用して表面プラズモン波を伝搬させることが可能である。ところで、表面プラズモン波の伝搬距離を長くするためには、キャリア移動度が大きいことが必要であるが、バルク半導体では、キャリア濃度が大きくなるとキャリア移動度は小さくなる傾向にある。
【０００９】
これに対して、上記導波構造では、誘電率の実部は所定波長のＴＨｚ波に対して負である量子井戸構造を採用している。量子井戸構造では、不純物と、キャリアの移動空間とが空間的に分離されているため、不純物を多くしてもキャリア移動度を高く保つことができる。また、量子井戸構造の量子井戸層が有する交差領域は、半導体基板に対する量子井戸構造の配列方向に略直交する仮想平面と交差していることから、交差領域内の電子振動には、表面プラズモン波の振動方向と一致する成分が必ず存在することになる。従って、上記導波構造では、交差領域を利用して表面プラズモン波を効率よく励起できると共に、表面プラズモン波をより長く伝搬できることになる。また、量子井戸構造を利用しているため、加工が容易であり、結果として、導波構造の製造が容易になっている。
【００１０】
更に、本発明に係る光学素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられると共に、本発明に係る上記導波構造を有する導波部と、を備え、導波部は、導波構造で伝搬される表面プラズモン波の伝搬方向上に設けられており表面プラズモン波を集光するための集光部を有することを特徴とする。
【００１１】
上記構成の光学素子では、導波部には、導波構造を伝搬する表面プラズモン波の伝搬方向上に集光部が設けられているので、導波構造によって伝搬される表面プラズモン波は集光部に集光されることになる。表面プラズモン波は減衰しながら伝搬することが知られているが、前述したように本発明に係る導波構造での表面プラズモン波の伝搬距離は長くなっている。その結果、上記光学素子では、表面プラズモン波の集光部への集光効率が高くなっている。また、量子井戸構造を利用しているため、加工が容易であり、結果として、光学素子の製造が容易になっている。
【００１２】
上記集光部としては、半導体基板に対する量子井戸構造の配列方向に導波部を貫通する開口部とすることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る光学素子では、所定波長のＴＨｚ波の入射により表面プラズモン波を生じせしめる表面プラズモン波発生部を更に備え、導波構造は、表面プラズモン波発生部で生じた表面プラズモン波を伝搬させることが好ましい。
【００１４】
この場合、表面プラズモン波発生部によって発生された表面プラズモン波を導波構造を伝搬させて集光部に集めることが可能である。
【００１５】
更に、本発明に係る光学素子では、表面プラズモン波発生部は、導波構造が備える量子井戸構造に形成された周期的な凹凸パターンであることが好適である。
【００１６】
この場合、量子井戸構造に凹凸パターンが形成されているため、量子井戸構造に含まれる量子井戸層も同様の凹凸パターンを有する。よって、量子井戸層は、複数の交差領域を有することになる。これにより、量子井戸構造に形成されており表面プラズモン波発生部としての凹凸パターンに所定波長のＴＨｚ波が入射して生じた表面プラズモン波を、量子井戸構造内の各交差領域を利用して伝搬させ、集光部に集光することができる。
【００１７】
このように表面プラズモン波発生部を利用して所定波長のＴＨｚ波に対して表面プラズモン波を生じせしめて集光するため、例えば、光学素子を、ＴＨｚ波から所定の波長成分のＴＨｚ波を分光する分光素子として利用できたり、ＴＨｚ波から所定の波長成分のＴＨｚ波を検出する受光素子として利用することが可能である。また、集光部に集められた表面プラズモン波を、表面プラズモン波と同一の振動周波数を有するＴＨｚ波に再度変換して出力することで、発光素子としても利用することができる。
【００１８】
更にまた、量子井戸構造に上記周期的な凹凸パターンが形成されている本発明に係る光学素子では、量子井戸構造が有する量子井戸層は交差領域を複数有し、複数の交差領域は、凹凸パターン状に連続していることが好ましい。この場合、複数の交差領域は凹凸パターン状に連続しているため、前述したように表面プラズモン波発生部としての凹凸パターンで生じた表面プラズモン波は、複数の交差領域の配列方向に伝搬して集光部に集光されることになる。
【００１９】
また、本発明に係る光学素子では、導波構造が備える量子井戸構造には凹凸パターンが形成されており、量子井戸構造が有する量子井戸層は交差領域を複数有し、複数の交差領域は、凹凸パターン状に連続しており、凹凸パターンは、第１の周期を有する第１の凹凸パターンと、第１の凹凸パターンに対して配列方向に略直交する方向に配置されており第２の周期を有する第２の凹凸パターンとを有し、第１の凹凸パターンが表面プラズモン波発生部であり、第２の凹凸パターンは、第１の凹凸パターンに対して集光部と反対側に位置しており、第２の周期は、第１の周期の半分であることが好ましい。
【００２０】
この構成では、第１の凹凸パターンが表面プラズモン発生部として機能するため、所定波長のＴＨｚ波が光学素子に入射されたとき、第１の凹凸パターンにより表面プラズモン波が生じる。量子井戸構造の一部を構成する量子井戸層は、凹凸パターン状に連続した複数の交差領域を有するため、第１の凹凸パターンで生じた表面プラズモン波は、複数の交差領域によって交差領域が連続している方向に伝搬されることになる。表面プラズモン波の伝搬方向上には、集光部が設けられているため、第１の凹凸パターンで生じた表面プラズモン波のうち集光部側に伝搬した表面プラズモン波は前述したように集光部に集光されることになる。ところで、表面プラズモン波の一部は集光部と反対側に伝搬する場合もある。上記光学素子では、第１の凹凸パターンに対して集光部と反対側には第２の凹凸パターンが配置されており、第２の周期は第１の周期の半分である。従って、第２の凹凸パターン側に伝搬した表面プラズモン波は、第２の凹凸パターンによって反射され、集光部側に伝搬し、集光部に集光される。その結果として、表面プラズモン波の集光効率を更に上げることができている。
【００２１】
本発明に係る光学素子では、表面プラズモン波発生部は、半導体基板の主面に形成されており所定波長のＴＨｚ波が入射されたときに表面プラズモン波を生じせしめる凹凸パターンであり、導波部は、凹凸パターンが形成された主面上に設けられていることが好ましい。
【００２２】
この場合、半導体基板の主面に形成された凹凸パターンに所定波長のＴＨｚ波が入射されることによって発生した表面プラズモン波は、主面上に設けられた導波部が有する交差領域によって伝搬され集光部に集光されることになる。このように表面プラズモン波発生部を利用して所定波長のＴＨｚ波に対して表面プラズモン波を生じせしめて集光するため、例えば、光学素子を、ＴＨｚ波から所定の波長成分のＴＨｚ波を分光する分光素子として利用できたり、ＴＨｚ波から所定の波長成分のＴＨｚ波を検出する受光素子として利用することが可能である。また、集光部に集められた表面プラズモン波を、表面プラズモン波と同一の振動周波数を有するＴＨｚ波に再度変換して出力することで、発光素子としても利用することができる。
【００２３】
また、本発明に係る光学素子では、導波構造を伝搬する表面プラズモン波又は表面プラズモン波と同一の振動周波数を有するＴＨｚ波を検出する受波部が集光部上に設けられていることが好ましい。
【００２４】
この構成では、表面プラズモン波発生部で発生した表面プラズモン波が交差領域を介して集光部に集められ、その集められた表面プラズモン波又はその表面プラズモン波と同一の振動周波数を有するＴＨｚ波が受波部で検出される。すなわち、上記受波部を有する光学素子は、所定波長のＴＨｚ波を検出するＴＨｚ波検出素子てとして機能する。そして、交差領域では表面プラズモン波をより長く伝搬できることから、集光部における表面プラズモン波の集光効率が高くなっている。よって、所定波長のＴＨｚ波を効率良く検出できる。
【００２５】
更に、本発明に係る光学素子では、集光部を複数有し、各集光部に受波部が設けられていることが好ましい。この構成では、各集光部に受波部が設けられており、各受波部で表面プラズモン波又はその表面プラズモン波と同一の振動周波数を有するＴＨｚ波を検出できるため、例えば、光学素子に入射した所定波長のＴＨｚ波が空間的な分布を有している場合、その空間的な分布を反映した検出が可能である。その結果、ＴＨｚ波の空間イメージを検出できる。
【００２６】
また、本発明に係る光学素子では、所定波長のＴＨｚ波を発生するＴＨｚ波発生部が集光部上に設けられており、表面プラズモン波発生部は、ＴＨｚ波発生部によって生じた所定波長のＴＨｚ波の入射により表面プラズモン波を発生させるが好適である。
【００２７】
この構成では、ＴＨｚ波発生部によって発生された所定波長のＴＨｚ波が表面プラズモン波発生部に入射されることで、表面プラズモン波が発生し、その発生した表面プラズモン波は、交差領域を伝搬して集光部に集められ、表面プラズモン波と同一の振動周波数を有するＴＨｚ波に変換され、光学素子の外部に出力されることになる。すなわち、上記ＴＨｚ発光部を有する光学素子は、ＴＨｚ波発生素子として機能する。そして、交差領域では表面プラズモン波をより長く伝搬できるため集光部への表面プラズモン波の集光効率が高くなっている。よって、エネルギー密度のより高いＴＨｚ波を発生させることが可能である。
【００２８】
また、本発明に係る光学素子では、集光部を複数有し、各集光部にＴＨｚ波発生部が設けられていることが好ましい。
【００２９】
この場合、各集光部に設けられたＴＨｚ波発生部から出力されるＴＨｚ波に応じて光学素子からＴＨｚ波が出力されるため、例えば、ＴＨｚ波発生部からのＴＨｚ波の発生を制御することで、光学素子から出力されるＴＨｚ波の空間イメージ（空間パターン）を制御することが可能である。
【００３０】
また、本発明に係る光学素子は、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられると共に、本発明に係る導波構造を有する複数の導波部と、を備え、（３）複数の導波部は、配列方向に略直交する方向に並列されており、（４）各導波部において、（ｉ）導波構造が備える量子井戸構造には、所定波長のＴＨｚ波の入射により表面プラズモン波を発生せしめる周期的な凹凸パターンが形成されており、（ｉｉ）量子井戸層は、凹凸パターン状に連続した複数の交差領域を有し、（ｉｉｉ）導波構造で伝搬される表面プラズモン波の伝搬方向上には表面プラズモン波を集光するための集光部が設けられており、（５）複数の導波部のうち少なくとも２つの導波部が有する導波構造における凹凸パターンの周期が異なっていることを特徴とする。
【００３１】
この構成では、導波部が有する上記凹凸パターンに、その凹凸パターンにより表面プラズモン波を生じせしめる波長のＴＨｚ波が入射されると、生じた表面プラズモン波が複数の交差領域を伝搬して集光部に集光されることになる。すなわち、入射されるＴＨｚ波が複数の波長成分を有している場合、凹凸パターンの周期に応じて表面プラズモン波に変換することで波長を選択できることになる。上記光学素子では、少なくとも２つの導波部が有する凹凸パターンの周期が異なっているため、入射されたＴＨｚ波の波長成分から少なくとも２つの波長成分を選択することができる。よって、上記光学素子は、例えば、分光素子として利用することが可能である。
【００３２】
また、本発明に係る光学素子では、各導波部が有する集光部上には、導波構造を伝搬する表面プラズモン波又は表面プラズモン波と同一の振動周波数を有するＴＨｚ波を検出する受波部が設けられていることが好ましい。
【００３３】
この場合、各集光部に集められた表面プラズモン波又はその表面プラズモン波と同一の振動周波数を有するＴＨｚ波を受波部で検出できるため、光学素子に入射したＴＨｚ波の波長成分から少なくとの２つの波長成分を選択的に検出することができる。
【００３４】
更にまた、本発明に係る光学素子では、各導波部が有する集光部上には、各導波部が有する凹凸パターンにおいて表面プラズモン波を生じせしめる所定波長のＴＨｚ波を発生するＴＨｚ波発生部が設けられていることが好ましい。
【００３５】
この場合、各集光部上に設けられたＴＨｚ波発生部から出力されたＴＨｚ波に応じて各導波部の凹凸パターンによって表面プラズモン波が生じ集光部に集められ、その表面プラズモン波と同一の振動周波数を有するＴＨｚ波に変換され、光学素子から出力される。複数の導波部のうち２つの導波部に含まれる凹凸パターンの周期が異なっているため、少なくとも２つの凹凸パターンで伝搬される表面プラズモン波の振動周波数は異なることになる。よって、上記光学素子では、少なくとも２つの異なる波長を有するＴＨｚ波を出力することができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の導波構造及び光学素子によれば、製造が容易であり、表面プラズモン波をより長く伝搬できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面を参照して本発明に係る導波構造及び光学素子の実施形態について説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。本明細書における「上」、「下」等の方向を示す語は、図面に示された状態に基づいた便宜的な語である。
【００３８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る光学素子の一実施形態の斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図とその一部拡大図とを示す図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図とその一部拡大図とを示す図である。光学素子１Ａには、本発明に係る導波構造の一実施形態が適用されている。図１に示した光学素子１Ａは、波長が３０μｍ〜１０００μｍ（或いは、振動周波数が１．９×１０１２〜６．３×１０１３（１／ｓｅｃ））の光であるＴＨｚ波を検出するためのＴＨｚ波受光素子である。
【００３９】
光学素子１Ａは、ＴＨｚ波を伝搬可能であり例えばＧａＡｓから形成されている半導体基板１０を有しており、半導体基板１０上には、層状の導波部２０が積層されている。以下の説明では、半導体基板１０に対して導波部２０が積層されている積層方向(配列方向)をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向と略直交する２つの方向を、図１に示すようにＸ軸方向及びＹ軸方向とする。また、Ｚ軸方向と略直交する仮想平面はＸＹ平面と平行な面であるため、Ｚ軸方向と略直交する仮想平面を便宜上、ＸＹ平面と称す。同様に、Ｙ軸方向と略直交する仮想平面をＸＺ平面と称し、Ｘ軸方向と略直交する仮想平面をＹＺ平面と称す。
【００４０】
導波部２０は、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、半導体基板１０の表面１１上にクラッド層２１、量子井戸層２２及びクラッド層２３が順に積層されて構成される量子井戸構造である。この導波部２０は、所定波長のＴＨｚ波を選択的に受ける層状のアンテナ部として機能する。なお、図２（ｂ）及び図３（ｂ）は、図２（ａ）及び図３（ａ）において一点鎖線で囲んだ領域の一部拡大図である。
【００４１】
クラッド層２１、量子井戸層２２及びクラッド層２３の厚さは、例えば、１００ｎｍ、１０ｎｍ及び５００ｎｍである。半導体基板１０が前述したようにＧａＡｓから形成されている場合、例えば、クラッド層２１，２３はｎ型又はｐ型のＡｌ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜１）から形成され、量子井戸層２２は、Ａｌ１−ｙＧａｙＡｓ（ｙ＜ｘ）から形成されているとすることができる。或いは、半導体基板１０が前述したようにＧａＡｓからなる場合、クラッド層２１，２３はｎ型又はｐ型のＡｌ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜１）から形成され、量子井戸層２２は、Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ（０≦ｙ＜１）から形成されているとすることができる。或いは、半導体基板１０が前述したようにＧａＡｓからなる場合、クラッド層２１，２３はｎ型又はｐ型のＩｎ１−ｘＧａｘＰから形成され、量子井戸層２２は、ＧａＡｓから形成されているとすることもできる。また、導波部２０のキャリア濃度は、検出すべき波長（所定波長）のＴＨｚ波に対して導波部２０の誘電率の実数部が負になるように決定されており、例えば１０２４ｍ−３（１０１８ｃｍ−３）である。
【００４２】
また、導波部２０には、導波部２０をＺ軸方向に貫通する貫通孔である開口部（集光部）２４が形成されている。開口部２４はＹ軸方向に延びており、Ｘ軸方向の長さは所定波長より短く、例えば所定波長が１００μｍに対して５０μｍである。開口部２４からは半導体基板１０の表面１１の一部（以下、「第１領域」と称す）１１ａが露出しており、第１領域１１ａ上には受波部３０が設けられている。
【００４３】
光学素子１Ａが有する受波部３０は、例えば金から形成されている一対のアンテナ電極３１，３２を有し、各アンテナ電極３１，３２は、開口部２４のＹ軸方向に延びる縁部２４ａ，２４ｂに沿って延在している。アンテナ電極３１，３２は、各アンテナ電極３１，３２の中央部に形成された凸部間に隙間が生じるように配置されている。なお、図１では、アンテナ電極３１，３２は、導波部２０と半導体基板１０との両方にかかるように設けられているが、開口部２４から露出した半導体基板１０上に設けられていればよい。
【００４４】
導波部２０において、開口部２４の両側には、所定の周期構造を有する周期構造部２５Ａ，２５Ａが設けられている。言い換えれば、所定の周期構造を有する導波部２０の一部に開口部２４が形成されていることによって、開口部２４の両側の部分が周期構造部２５Ａ，２５Ａとなっている。
【００４５】
導波部２０が有する周期構造部２５Ａ，２５ＡのＸＺ平面における断面形状は略三角波状であり、Ｘ軸方向において、複数の山部２６ａと、隣接する山部２６ａ，２６ａ間に位置する谷部２６ｂと、を有する。複数の山部２６ａ（又は谷部２６ｂ）のうち隣接する山部２６ａ（又は谷部２６ｂ）間のＸ軸方向の間隔は一定である。従って、周期構造部２５Ａは、Ｘ軸方向において、断面形状が略三角波状の周期的な凹凸パターン（所定の周期構造）２６を有する。この場合、導波部２０の一部を構成する量子井戸層２２も凹凸パターン２６を有し、量子井戸層２２のＸＺ平面における断面形状も略三角波状である。
【００４６】
この構成では、量子井戸層２２は、Ｘ軸方向において、ＸＹ平面（仮想平面）と交差している領域である交差領域２２ａを複数有し、複数の交差領域２２ａは、凹凸パターン２６を形成するように連続している。言い換えれば、複数の交差領域２２ａのうち隣接する交差領域２２ａは、凹凸パターン２６の形状になるように、Ｚ軸方向に対して互いに反対側に傾斜して連続している。
【００４７】
また、図３に示すように、周期構造部２５ＡのＹＺ平面における断面形状は略矩形波状であり、Ｙ軸方向において、複数の山部２７ａと、隣接する山部２７ａ，２７ａ間に位置する谷部２７ｂとを有する。複数の山部２７ａ（又は谷部２７ｂ）のうち隣接する山部２７ａ，２７ａ（又は谷部２７ｂ，２７ｂ）間のＹ軸方向の間隔は一定である。従って、周期構造部２５Ａは、Ｙ軸方向において、断面形状が略矩形波状の周期的な凹凸パターン２７を有することになる。この構成では、量子井戸層２２は、Ｙ軸方向において、離散的に配置されており、Ｘ軸方向に延在している複数の交差領域２２ｂを有する。
【００４８】
周期構造部２５Ａ，２５Ａは次のようにして形成されている。すなわち、図１及び図２に示すように、半導体基板１０の表面のうち第１領域１１ａの両側の領域（第２領域）１１ｂ，１１ｂに、凹凸パターン２６，２７が組み合わされた上記所定の周期構造を形成し、その第２領域１１ｂ，１１ｂ上にクラッド層２１、量子井戸層２２及びクラッド層２３を積層することによって、周期構造部２５Ａ，２５Ａが形成されている。
【００４９】
光学素子１Ａでは、導波部２０を構成する量子井戸層２２が交差領域２２ａを有することによって、導波部２０が表面プラズモン波を導波する導波構造として機能している。より詳細に説明する。
【００５０】
先ず、表面プラズモン波について説明する。図４は、表面プラズモン波を示す概念図である。表面プラズモン波１００は、誘電率εｄが正の誘電体１１０と誘電率εｍ（＝εｍｒ＋ｉεｍｉ）の実数部εｍｒが負である導電性物質１１１との界面に沿って伝搬する波であり、その振幅方向は界面に略直交する方向（図４中のＺ軸方向）である。表面プラズモン波１００の波数ｋｓｐは、振動周波数をωとし、真空中の光の速度をｃとした場合、式（１）のように表される。
【数１】
2008020728.tif 000003
また、導電性物質１１１の誘電率εｍが虚数部εｍｉを有することから、表面プラズモン波１００は減衰しながら伝搬する。表面プラズモン波１００の伝搬距離Ｌは、波数ｋｓｐの虚数部をｋｓｐｉとしたとき、式（２）のように表される。
【数２】
2008020728.tif 000004
上記表面プラズモン波１００を光を利用して発生させる場合、グレーティングを利用する方法がある。すなわち、表面プラズモン波１００に変換される振動周波数ωの光の真空中の波長をλ（＝ω／ｃ）とし、波長λの光をグレーティングに入射するとしたとき、グレーティングの周期が式（３）で決定される周期Λｓｐである場合、表面プラズモン共鳴が生じ、表面プラズモン波１００が励起される。
【数３】
2008020728.tif 000005
式（３）において、ｍは回折次数であり、正の整数である。
【００５１】
次に、上述したような表面プラズモン波１００を、導波部２０が交差領域２２ａを有することによって励起・伝搬可能であることについて説明する。
【００５２】
上記光学素子１Ａでは、量子井戸構造としての導波部２０のキャリア濃度が、所定波長のＴＨｚ波に対して導波部２０の誘電率の実数部が負になるように決定されているため、導波部２０が上記導電性物質１１０として機能することになる。
【００５３】
ところで、平面的に（言い換えれば、ＸＹ平面に略平行に）量子井戸構造を作製した場合、量子井戸層内の電子振動は、Ｚ軸方向の成分を有しないため、量子井戸層内の電子振動が表面プラズモン波の振動に寄与しないことになる。
【００５４】
これに対して、光学素子１Ａでは、導波部２０は、Ｘ軸方向において断面形状が略三角波状の凹凸パターン２６を有することから、前述したように、量子井戸層２２が、交差領域２２ａを有する。交差領域２２ａでは、電子の振動方向（図２（ｂ）の矢印Ａ方向）はＸＹ平面と交差するため、電子の振動方向には常にＺ軸方向の成分が存在する。その結果、交差領域２２ａでは表面プラズモン波１００を励起できると共に、表面プラズモン波１００を伝搬可能である。そして、導波部２０に含まれる交差領域２２ａは、Ｙ軸方向に延びているため、Ｙ軸方向に表面プラズモン波１００を伝搬可能であり、また、複数の交差領域２２ａがＸ軸方向に連続しているため、表面プラズモン波１００は図２（ｂ）に示すようにＸ軸方向にも伝搬可能である。
【００５５】
また、光学素子１Ａでは、凹凸パターン２６の周期Λ１は、凹凸パターン２６に所定波長として波長λ１のＴＨｚ波が入射したときに表面プラズモン共鳴が生じ、表面プラズモン波１００が励起されるように決定されている。具体的には、図４及び式（３）において、波長λをλ１とし、導電性物質１１１を導波部２０とし、誘電体１１０を空気としたときの周期Λｓｐを、凹凸パターン２６の周期Λ１としている。例えば、波長１００μｍのＴＨｚ波に対して導波部２０の誘電率εｍがεｍ＝−７９＋５ｉ（ｉは虚数）である場合、空気の誘電率を１とし、更にｍを１とした場合、導波部２０の凹凸パターン２６の周期Λ１は約１００μｍである。このときの表面プラズモン波１００の伝搬距離Ｌは、式（２）より、約２０ｍｍである。このように、凹凸パターン２６の周期Λ１が決定されていることによって、周期的な凹凸パターン２６は、表面プラズモン波発生部であるグレーティングとして機能していることになる。
【００５６】
なお、式（３）から明らかなように、表面プラズモン波１００の波数は、グレーティングとしての凹凸パターン２６に入射する光の振動周波数に依存しているため、ＴＨｚ波が入射されることで生じる表面プラズモン波１００は、ＴＨｚ領域の振動周波数を有することになる。
【００５７】
次に、上記光学素子１Ａの製造方法の一例を図５〜図１１を利用して説明する。図５〜図１１は、光学素子１Ａの製造工程を順に示す図である。図５〜図９には、光学素子１Ａを形成する各工程における平面図と断面図とを示している。なお、図５〜図９に示した断面図は、図５〜図９に示した平面図に対する切断線に沿った断面構成を示しており、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面構成に対応する。また、図１０及び図１１には、図９及び図１０の工程をそれぞれ経た後の工程における断面図を示している。
【００５８】
先ず、図５に示すように、ＧａＡｓからなる略直方体形状の半導体基板１０の表面（主面）１１の一部に窒化シリコン膜２を形成する。図５（ａ）に示した平面図では、ハッチングを付して窒化シリコン膜２を表示している。図６〜図９に示す平面図でも同様とする。窒化シリコン膜２は、Ｘ軸方向の長さ（幅）が５０μｍであり、Ｙ軸方向の長さ（縦）が２ｍｍである。表面１１において、窒化シリコン膜２が形成されている領域が、第１領域１１ａとなり、窒化シリコン膜２の両側の部分が第２領域１１ｂ，１１ｂとなる。
【００５９】
次に、図６に示すように、窒化シリコン膜２の両側に窒化シリコン膜３を複数形成する。図６では、窒化シリコン膜３の数は４本としているが、例えば２０本程度あることが好ましい。窒化シリコン膜３は、周期５０μｍであり、窒化シリコン膜３のＸ軸方向の長さと、隣接する窒化シリコン膜３，３間の長さの比、すなわち、ライン／スペース比が１：１になるように形成する。
【００６０】
続いて、図７に示すように、窒化シリコンに対してＧａＡｓを選択的にエッチングするエッチャントを利用して、表面１１のうち窒化シリコン膜２，３が形成されていない部分をエッチングする。湿式エッチングの場合、窒化シリコン膜２，３で覆われている部分も側面からエッチングされるため、図７（ｂ）に示すように、略三角波状の凹凸パターン２６が第２領域１１ｂに形成される。なお、図７（ａ）では、略三角波状の凹凸パターン２６のうち谷部２６ｂを一点鎖線で示している。以下、平面図で谷部２６ｂを示す場合は同様とする。
【００６１】
次に、図８に示すように、フォトリソ工程により窒化シリコン膜２をレジスト等によって保護した後、反応性イオンエッチング（RIE: Reactive ion etching）によって複数の窒化シリコン膜３を除去する。続いて、図９に示すように、フォトリソ工程によってＹ軸方向の長さが４μｍの窒化シリコン膜４をＹ軸方向に複数形成する。図９においても、窒化シリコン膜４の数は、４本としているが、例えば２０本程度形成することが好ましい。
【００６２】
次に、図１０（ａ）に示すように、窒化シリコン膜２，４が形成されていない半導体基板１０の領域をエッチングする。エッチングは、例えば、窒化シリコンに対してＧａＡｓを選択的にエッチングするエッチャントを利用して実施すればよい。続いて、図１０（ｂ）に示すように、フォトリソ工程により窒化シリコン膜２をレジスト等により保護した後、ＲＩＥにより窒化シリコン膜４を除去する。これにより、Ｙ軸方向に沿って周期が約８μｍの凹凸パターン２７が形成されることになる。図１０（ａ），（ｂ）では、谷部２７ｂとなる部分を破線で示している。
【００６３】
次に、図１１（ａ）に示すように、有機金属組成成長法等により、第２領域１１ｂ上に、ｎ型のＡｌＧａＡｓからなるクラッド層２１、ＧａＡｓからなる量子井戸層２２及びＧａＡｓクラッド層２３を順に成長させて導波部２０を形成する。クラッド層２１におけるＡｌ組成比は３０％でありＳｉをドーピングすることでキャリア濃度を４×１０２４ｍ−３（４×１０１８ｃｍ−３）とする。また、量子井戸層２２は半絶縁層として作製する。しかし積層構造形成後はクラッド層のキャリアは量子井戸に落ち込むため、量子井戸層２２のキャリア濃度は４×１０２４ｍ−３（４×１０１８ｃｍ−３）程度まで上昇する。また、クラッド層２１、量子井戸層２２及びクラッド層２３は、それぞれ厚さが１００ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍになるように成長させる。次に、図１１（ｂ）に示すように、窒化シリコン膜４をＲＩＥにより除去した後、図１１（ｃ）に示すように、ＴＨｚ波を検出するための一対のアンテナ電極３１，３２を形成し、図１及び図２に示した光学素子１Ａを得る。
【００６４】
上記光学素子１Ａの製造方法に示した数値などは一例であり、光学素子１Ａの構成は、上記製造方法に示した数値に限定されず、また、図１〜図３の説明において例示した数値とは必ずしも一致していない。また、上記製造工程において、窒化シリコン膜２〜４は、開口部２４及び凹凸パターン２６，２７を形成するためのマスクとして利用されるものである。従って、マスクとして利用できれば特に限定されない。
【００６５】
次に、光学素子１Ａの作用・効果について説明する。図２（ａ）に示すように、光学素子１Ａにおける半導体基板１０の裏面１２から、波長λ１のＴＨｚ波４０が入射されると、ＴＨｚ波４０は半導体基板１０中を伝搬して導波部２０に入射する。なお、光学素子１ＡへのＴＨｚ波の入射は裏面１２に直接ＴＨｚ波を入射してもよいが、裏面１２側に例えばＳｉからなるレンズを設け、そのレンズによって集光しながら入射してもよい。
【００６６】
上記のようにＴＨｚ波４０が導波部２０に入射されると、導波部２０は、表面プラズモン波発生部としての凹凸パターン２６を周期構造部２５Ａ，２５Ａが有しているため、波長λ１のＴＨｚ波４０が周期構造部２５Ａ，２５Ａに入射されることで表面プラズモン共鳴が生じる。また、ＴＨｚ波４０の入射により周期構造部２５Ａ，２５Ａ内の量子井戸層２２で電子振動が生じており、この電子振動方向は、表面プラズモン波１００の電場の振動方向と同じＺ軸方向の成分を有する。その結果、周期構造部２５Ａ，２５ＡへのＴＨｚ波４０の入射により表面プラズモン波１００が効率的に発生する。
【００６７】
周期構造部２５Ａ，２５Ａにおいて発生した表面プラズモン波１００は複数の交差領域２２ａを介してＸ軸方向に伝搬する。複数の交差領域２２ａを伝搬する表面プラズモン波１００の光路上（伝搬方向上）には波長λ１より狭い間隔を有する開口部２４が設けられているため、周期構造部２５Ａ，２５Ａで生じた表面プラズモン波１００は、開口部２４に集光される。そして、開口部２４上に設けられた一対のアンテナ電極３１，３２によって検出される。なお、開口部２４に集光された表面プラズモン波１００の一部は、開口部２４と導波部２０の境界で散乱し、表面プラズモン波１００と同一の振動周波数を有するＴＨｚ波に再度変換される。そのため、アンテナ電極３１，３２は、開口部２４に集光された表面プラズモン波１００から再度変換されたＴＨｚ波も検出する。この受波部３０で検出される表面プラズモン波１００又は表面プラズモン波１００から再度変換されたＴＨｚ波は、光学素子１Ａに入射されたＴＨｚ波４０に応じて生成されているため、上記光学素子１Ａでは、入射されたＴＨｚ波４０を検出できることになる。
【００６８】
上記のように光学素子１Ａでは、ＴＨｚ波４０を一度表面プラズモン波１００に変換し開口部２４に集光させて検出しているため、波長以下まで集光して検出できる。その結果、エネルギー密度の高い状態でＴＨｚ波４０を検出可能であるため、効率的にＴＨｚ波４０を検出可能である。
【００６９】
また、凹凸パターン２６の周期Λ１は、所定波長としての波長λ１のＴＨｚ波４０の入射により表面プラズモン波１００を生じるように決定されていることから、例えば、光学素子１Ａに入射されたＴＨｚ波が波長λ１を含む複数の波長を有する場合、入射されたＴＨｚ波から波長λ１のＴＨｚ波４０を選択的に検出できる。
【００７０】
更に、導波部２０は、半導体から構成される量子井戸構造であるため、例えば、非特許文献１に記載されているように、金や銀等の金属を利用する場合に比べて凹凸パターン２６，２７の形成が容易であり、結果として、光学素子１Ａの製造も容易になっている。
【００７１】
更に、光学素子１Ａでは、交差領域２２ａを有する導波部２０（より具体的には、周期構造部２５Ａ，２５Ａ）を利用して表面プラズモン波１００を伝搬させているため、表面プラズモン波１００の伝搬距離Ｌが長くなっている。この点について、より詳細に説明する。
【００７２】
図４を利用して説明したように、誘電体１１０と導電性物質１１１との界面において、表面プラズモン波１００を伝搬させるためには、導電性物質１１１の誘電率εｍの実数部εｍｒが負である必要がある。波長範囲が３０μｍ〜１０００μｍ、或いは、振動周波数範囲が１．９×１０１２〜６．３〜１０１３（１／ｓ）であるＴＨｚ領域において、半導体の誘電率εｍの実数部εｍｄを負にするためには、次のようなキャリア濃度が必要である。すなわち、半導体内の自由電子の散乱時間τを４×１０−１３秒とした場合、振動周波数範囲１．９×１０１２〜６．３〜１０１３（１／ｓ）に対応して２．２×１０２１ｍ−３〜９．８×１０２３ｍ−３（２．２×１０１５ｃｍ−３〜９．８×１０１７ｃｍ−３）以上のキャリア濃度が必要となる。このようなキャリア濃度を達成するためには半導体にＳｎやＳｉ等の不純物をドーピングしなければならない。一方、半導体では、散乱時間τとキャリア移動度μは比例関係にあるため、不純物の存在によりキャリア濃度が増加するとキャリア移動度μが小さくなることになる。
【００７３】
これに対して、光学素子１Ａでは、交差領域２２ａを有する量子井戸構造としての導波部２０を採用して表面プラズモン波１００を励起し伝搬させている。量子井戸構造では、不純物とキャリアの移動空間を空間的に分離して作製することが可能なため、キャリア濃度を高くしてもキャリア移動度は小さくならない。その結果、光学素子１Ａでは、表面プラズモン波１００を、より長い距離を伝搬させることができる。そして、このように表面プラズモン波１００の伝搬距離を長くできていることから、開口部２４への集光効率が向上している。そのため、ＴＨｚ波４０をより効率的且つ確実に検出できることになる。また、導波部２０の占有面積を小さくできるため、アレイ化の際に高密度集積が可能である。
【００７４】
ところで、前述したように、導波部２０は、Ｙ軸方向に、凹凸パターン２７を有するため、量子井戸層２２は、Ｙ軸方向に交差領域２２ｂを複数有する。交差領域２２ｂは、Ｘ軸方向に延在しているため、交差領域２２ｂを介しても、表面プラズモン波１００を開口部２４に集光できる。
【００７５】
（第２の実施形態）
図１２は、本発明に係る光学素子の第２の実施形態の斜視図である。光学素子１Ｂと光学素子１Ａとの構成上の主な相違点は、導波部２０が有する周期構造部２５Ｂが、Ｘ軸方向に凹凸パターン２６を有する一方、Ｙ軸方向には凹凸パターンを有しない点である。この点を中心にして光学素子１Ｂについて説明する。
【００７６】
光学素子１Ｂが有する半導体基板１０上に積層された導波部２０には、開口部（集光部）２４が形成されており、開口部２４の両側の領域が周期構造部２５Ｂ，２５Ｂとなっている。そして、周期構造部２５Ｂは、周期Λ１を有しており表面プラズモン波発生部として機能する凹凸パターン２６を有する。
【００７７】
光学素子１Ｂは例えば次のようにして製造される。先ず、第１の実施形態の光学素子１Ａの製造工程において、図５〜図８に示した工程を実施する。図８に示した工程を実施した後には、図９及び図１０に示した工程を実施せずに、図１１に示した工程と同様にして、第２領域１１ｂ上に、クラッド層２１、量子井戸層２２及びクラッド層２３を成長させて導波部２０を形成する。次に、開口部２４上に一対のアンテナ電極３１，３２を形成して、光学素子１Ｂとする。
【００７８】
光学素子１Ｂでは、導波部２０が凹凸パターン２６を有していることから、光学素子１Ａと同様の作用・効果を有する。すなわち、光学素子１Ｂでは、凹凸パターン２６が形成された量子井戸構造からなる導波部２０は、凹凸パターン２６の形状になるように連続した複数の交差領域２２ａを有するため、導波部２０が表面プラズモン波１００の導波構造として機能する。この場合、導波構造として量子井戸構造を採用しているため、表面プラズモン波１００をより長く伝搬可能である。これにより、開口部２４への表面プラズモン波１００の集光効率が向上するので、ＴＨｚ波を効率的且つ高感度で検出可能である。また、表面プラズモン波１００を励起・伝搬させるために量子井戸構造を採用していることから、光学素子１Ｂの製造が容易である。更に、導波部２０の占有面積を小さくできるため、アレイ化の際に高密度集積が可能である。
【００７９】
（第３の実施形態）
図１３は、本発明に係る光学素子の第３の実施形態の斜視図である。図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図である。
【００８０】
光学素子１Ｃは、ＴＨｚ波を発生させるＴＨｚ波発生素子である。光学素子１Ｃと、第２の実施形態の光学素子１Ｂとの構成上の主な相違点は、光学素子１Ｃでは、半導体基板１０上に積層された導波部２０上に半導体層５０が更に積層され、半導体層５０の表面５１上にＴＨｚ波発生部６０が設けられている点である。この点を中心にして光学素子１Ｃについて説明する。なお、図１３及び図１４における一点鎖線は、半導体基板１０と半導体層５０との境界を説明のために模式的に示したものである。また、図１３及び図１４では、導波部２０の構成を示すため、導波部２０を拡大して記載している。
【００８１】
光学素子１Ｃでは、半導体基板１０上に積層された層状の導波部２０上に更に半導体層５０が積層されている。これにより、導波部２０に形成されている開口部２４には、半導体層５０の一部が充填されていることになる。
【００８２】
半導体層５０は、ＴＨｚ波を伝搬させることができれば特に限定されないが、例えば、半絶縁性ＧａＡｓから形成されている。また、半導体層５０上のＴＨｚ波発生部６０は、励起光が入射されたときに所定波長としての波長λ１のＴＨｚ波を発生する一対のＴＨｚ波発生用電極６１，６２である。各ＴＨｚ波発生用電極６１，６２は、例えば金から形成されており、半導体層５０の表面５１において開口部２４上に設けられている。より具体的には、各ＴＨｚ波発生用電極６１，６２は、開口部２４のＹ軸方向に延びる縁部２４ａ，２４ｂに沿って設けられており、各ＴＨｚ波発生用電極６１，６２が有する凸部間に隙間が生じるように配置されている。
【００８３】
上記光学素子１Ｃでは、ＴＨｚ波発生用電極６１，６２から出力された波長λ１のＴＨｚ波が凹凸パターン２６を有する周期構造部２５Ｂ，２５Ｂに入射したときに、表面プラズモン共鳴が生じ、表面プラズモン波１００が半導体基板１０側を伝搬するように凹凸パターン２６の周期Λ３が決定されている。すなわち、光学素子１Ｃの場合には、図４に示した導電性物質１１１を導波部２０とし、誘電体１１０を半導体基板１０とし、式（３）の波長λをλ１とした場合に、式（３）によって算出される周期Λｓｐを周期Λ３としている。従って、例えば、半導体基板１０及び半導体層５０がそれぞれＧａＡｓから形成されており、ＴＨ波発生部６０から波長１００μｍのＴＨｚ波が出力されたとした場合、光学素子１Ｃが有する凹凸パターン２６の周期Λ３は、約３０μｍである。また、発生する表面プラズモン波１００の伝搬距離は、約４５０μｍである。
【００８４】
上記光学素子１Ｃは、例えば次のようにして製造される。すなわち、第２の実施形態の光学素子１Ｂの製造工程と同様に、図５〜図８に示した工程を実施する。この際、図５における工程では、例えば、幅１５μｍの窒化シリコン膜３を形成する。そして、図８に示した工程を実施した後に、第２領域１１ｂ上に導波部２０を形成する。続いて、導波部２０上に更に半導体層５０を形成した後、開口部２４上にＴＨｚ波発生用電極６１，６２を形成して、光学素子１Ｃとする。なお、第１の実施形態の場合と同様に、上記製造工程の数値等は一例である。
【００８５】
次に、光学素子１Ｃの作用・効果について説明する。励起光として、例えば、１００フェムト秒の時間幅を持つ中心波長８００ｎｍの光パルスがＴＨｚ波発生部６０に入射されると、ＴＨｚ発生部６０は波長λ１のＴＨｚ波４０を発生し出力する。この出力されたＴＨｚ波４０は、半導体層５０を伝搬して導波部２０に入射する。
【００８６】
導波部２０に波長λ１のＴＨｚ波４０が入射することによって、凹凸パターン２６を有する周期構造部２５Ｂ，２５Ｂにおいて表面プラズモン共鳴が生じ、表面プラズモン波１００が励起される。周期構造部２５Ｂ，２５Ｂで発生した表面プラズモン波１００は、光学素子１Ｂの場合と同様に、複数の交差領域２２ａを利用して開口部２４に向かって伝搬し、波長λ１より狭い幅を有する開口部２４に集光される。開口部２４に集められた表面プラズモン波１００は、例えば、開口部２４と導波部２０の境界で散乱し、表面プラズモン波１００と同一の振動周波数を有するＴＨｚ波４１に変換され、半導体基板１０中を伝搬して裏面１２から出力される。
【００８７】
上記光学素子１Ｃでは、ＴＨｚ波発生部６０から出力されるＴＨｚ波４０によって生じた表面プラズモン波１００が開口部２４に集められた後、再度ＴＨｚ波４１に変換されて半導体基板１０側から出力されるため、エネルギー密度の高いＴＨｚ波４１を発生させることが可能である。光学素子１Ｃでも、光学素子１Ａ，１Ｂの場合と同様に、導波部２０が表面プラズモン波１００の導波構造として機能しているため、より長く表面プラズモン波１００を伝搬可能である。これにより、開口部２４への表面プラズモン波１００の集光効率が向上するので、光学素子１Ｃから出力されるＴＨｚ波４１のエネルギー密度の向上が更に図られていることになる。また、表面プラズモン波１００を励起・伝搬させるために量子井戸構造を採用していることから、光学素子１Ｃの製造が容易である。更に、導波部２０の占有面積を小さくできるため、アレイ化の際に高密度集積が可能である。
【００８８】
なお、光学素子では、導波部２０上に半導体層５０を設けるとしたが、導波部２０の開口部２４から露出している半導体基板１０上に直接ＴＨｚ波発生部６０を設けてもよい。
【００８９】
（第４の実施形態）
図１５は、本発明に係る光学素子の第４の実施形態の平面図である。光学素子１Ｄと、第２の実施形態の光学素子１Ｂとの構成上の主な相違点は、半導体基板１０の表面１１上に複数（図１５では２つ）の導波部２０−１，２０−２が並列に設けられており、導波部２０−１，２０−２がそれぞれ有する周期的な凹凸パターン２６−１，２６−２の周期Λ１，Λ４が異なる点である。この点を中心にして光学素子１Ｄについて説明する。なお、図１５では、開口部２４上の受波部３０は模式的に図示している。
【００９０】
導波部２０−１の構成は、開口部２４が一次元的に複数（図１５では、３個）形成されている点以外は、導波部２０の構成と同様である。すなわち、導波部２０−１は、半導体基板１０側からクラッド層２１、量子井戸層２２及びクラッド層２３が積層されて構成されてなる量子井戸構造を有している。そして、導波部２０−１は、Ｘ軸方向に周期Λ１の凹凸パターン２６−１を有しており、ＸＺ平面における断面形状は略三角波状である。なお、図１５では、平面図を示しているため、便宜上、凹凸パターン２６−１の一周期分に符号を付している。以下、平面図で凹凸パターンを表示する際には同様とする。
【００９１】
光学素子１Ｄでは、凹凸パターン２６−１の周期Λ１は、波長λ１のＴＨｚ波に対して表面プラズモン波１００−１を生じさせるように決定されている。導波部２０−１では、各開口部２４の周囲の領域が周期構造部（導波構造）２５Ｂ−１となっている。なお、導波部２０−１に形成された各開口部２４上には受波部３０が設けられている。
【００９２】
また、導波部２０−２の構成は、Ｘ軸方向に沿った凹凸パターン２６−２の周期Λ４が、導波部２０−２が有する凹凸パターン２６−１の周期Λ１と相違する点以外は、導波部２０−１の構成と同様である。そして、凹凸パターン２６−２の周期Λ４は、波長λ１と異なる波長λ４のＴＨｚ波に対して表面プラズモン波１００−２を生じさせるように決定されている。また、導波部２０−２において、開口部２４の周囲の領域が周期構造部２５Ｂ−２となっている。
【００９３】
次に、上記光学素子１Ｄの作用・効果について説明する。ここでは、異なる波長λ１，λ４を含む波長範囲のＴＨｚ波が半導体基板１０の裏面１２から入射されるものとして説明する。
【００９４】
光学素子１Ｄが有する半導体基板１０の裏面１２から上記ＴＨｚ波が入射され、凹凸パターン２６−１，２６−２に入射されると、波長λ１のＴＨｚ波により凹凸パターン２６−１側で表面プラズモン波１００−１が生じ、波長λ４のＴＨｚ波により凹凸パターン２６−２側に表面プラズモン波１００−２が生じる。凹凸パターン２６−１，２６−２で生じた表面プラズモン波１００−１，１００−２は、導波部２０−１，２０−２にそれぞれ形成されている開口部２４に集光され、各開口部２４上に設けられている受波部３０によって、光学素子１Ａ，１Ｂの場合と同様にして検出される。
【００９５】
光学素子１Ｄでは、凹凸パターン２６−１，２６−２の周期Λ１，Λ４が異なるため、導波部２０−１，２０−２によって検出されるＴＨｚ波の波長λ１，λ４が異なる。その結果として、光学素子１Ｄでは、波長分解しながら（換言すれば、分光しながら）ＴＨｚ波を検波できることになる。
【００９６】
また、光学素子１Ｄでは、導波部２０−１，２０−２が凹凸パターン２６−１，２６−２を有していることから、光学素子１Ａ，１Ｂと同様の作用・効果も有する。すなわち、導波部２０−１，２０−２が表面プラズモン波１００の導波構造として機能し、より長く表面プラズモン波１００−１，１００−２を伝搬可能である。これにより、各開口部２４への表面プラズモン波１００−１，１００−２の集光効率が向上するので、ＴＨｚ波を効率的且つ高感度で検出可能である。また、量子井戸構造を採用していることから、光学素子１Ｄの製造が容易である。また、導波部２０―１，２０―１の占有面積を小さくできているため高密度集積が可能となっている。
【００９７】
なお、光学素子１Ｄでは、開口部２４に受波部３０を設けていることで、ＴＨｚ波受光素子としているが、受波部３０を設けない場合には分光素子としても利用できる。また、ここでは、半導体基板１０上に２つの導波部２０−１，２０−２が設けられているとしたが、前述したように３つ以上の導波部２０−１〜２０−ｎ（ｎは３以上の整数）が設けられていても良い。そして、３つ以上の導波部２０−１〜２０−ｎが設けられている場合には、少なくとも２つの導波部２０−ｎ，２０−ｍ（ｍはｎと異なる３以上の整数）が有する凹凸パターン２６−ｎ，２６−ｍの周期が異なっていればよい。
【００９８】
（第５の実施形態）
図１６は、本発明に係る光学素子の第５の実施形態の平面図である。光学素子１Ｅと、第２の実施形態の光学素子１Ｂとの構成上の相違点は、半導体基板１０上に積層された導波部２０に開口部２４が２次元的に複数形成されており、各開口部２４に受波部３０が設けられている点である。なお、図１６では、受波部３０は模式的に図示している。
【００９９】
光学素子１Ｅでは、半導体基板１０の裏面１２から波長λ１のＴＨｚ波が入射されたとき、光学素子１Ｂの場合と同様に、導波部２０が有する凹凸パターン２６によって表面プラズモン波１００が生じる。発生した表面プラズモン波１００は複数の交差領域２２ａを介して開口部２４に集光され、光学素子１Ａ，１Ｂの場合と同様にして受波部３０によって検出される。これにより、半導体基板１０に入射された波長λ１のＴＨｚ波を検出できることになる。
【０１００】
光学素子１Ｅでは、開口部２４が２次元的に複数配置されて、マルチチャンネル化されているので、ＴＨｚ波の２次元的な空間イメージを取得できることになる。
【０１０１】
光学素子１Ｅにおいても、交差領域２２ａを有する導波部２０を採用していることによる作用・効果は光学素子１Ａ，１Ｂと同様である。すなわち、光学素子１Ｅでは、導波部２０が交差領域２２ａを有するため、表面プラズモン波１００の導波構造として機能する。そして、量子井戸構造を採用しているため、導波部２０では、より長く表面プラズモン波１００を伝搬可能である。よって、開口部２４への表面プラズモン波１００の集光効率が向上するため、ＴＨｚ波を効率的且つ高感度で検出可能である。また、表面プラズモン波１００を励起・伝搬させるために量子井戸構造を採用しているため、光学素子１Ｅの製造が容易である。
【０１０２】
なお、図１６の破線で区切っているように、光学素子１Ｅの導波部２０を複数（図１６では３つ）の領域に分けて考えると、光学素子１Ｅは、半導体基板１０上に、複数の導波部２０１，２０２，２０３が設けられており、導波部２０１，２０２，２０３に複数の開口部２４が一次元的に形成されて構成されているともいえる。この場合も、導波部２０１，２０２，２０３の占有面積を小さくできているため高密度集積が可能となっている。なお、光学素子１Ｅにおける導波部２０１，２０２，２０３が有する凹凸パターン２６の周期Λ１は同じである。図１６中の破線は、上記説明のための便宜的なものである。
【０１０３】
（第６の実施形態）
図１７は、本発明に係る光学素子の第６の実施形態の平面図である。光学素子１Ｆと、第２の実施形態に示した光学素子１Ｂとの構成上の主な相違点は、半導体基板１０上に積層された導波部２０が有する凹凸パターン２６Ｆが、周期の異なる第１の凹凸パターン２６Ｆ１と第２の凹凸パターン２６Ｆ２とから構成されている点である。
【０１０４】
光学素子１Ｆが有する導波部２０は、第２の実施形態の導波部２０と同様に、半導体基板１０上に、クラッド層２１、量子井戸層２２及びクラッド層２３が積層されて構成された量子井戸構造である。導波部２０は、開口部２４と、開口部２４の両側に配置され、凹凸パターン２６Ｆを有する周期構造部２５Ｆ，２５Ｆとを有する。周期構造部２５ＦのＸＺ平面における断面形状は、周期構造部２５Ａ，２５Ｂの場合と同様に、略三角波状である。
【０１０５】
凹凸パターン２６Ｆは、周期の異なる凹凸パターン２６Ｆ１，２６Ｆ２から構成されているため、周期構造部２５Ｆは、凹凸パターン２６Ｆ１を有する第１の周期構造部２５Ｆ１と、凹凸パターン２６Ｆ２とを有する第２の周期構造部２５Ｆ２とを有することになる。第１及び第２の周期構造部２５Ｆ１，２５Ｆ２は、Ｘ軸方向において、開口部２４側から第１の周期構造部２５Ｆ１、第２の周期構造部２５Ｆ２の順に配置されている。よって、第２の周期構造部２５Ｆ２は、第１の周期構造部２５Ｆ１に対して開口部２４の反対側に位置することになる。この場合、第１の凹凸パターン２６Ｆ１の両側に第２の凹凸パターン２６Ｆ２が形成された導波部２０において、第１の凹凸パターン２６Ｆ１に開口部２４が形成されることによって、光学素子１Ｆが有する導波部２０が構成されているともいえる。
【０１０６】
上記第１の凹凸パターン２６Ｆ１の周期Λ１は、第２の実施形態の場合と同様に、所定波長として波長λ１のＴＨｚ波が入射されたときに表面プラズモン波１００を生じるように決定されている。よって、第１の周期構造部２５Ｆ１は、表面プラズモン波発生部として機能する。また、第２の凹凸パターン２６Ｆ２の周期Λ５は、第１の凹凸パターン２６Ｆ１の周期Λ１の半分（Λ１／２）である。これにより、第１の周期構造部２５Ｆ１で発生した表面プラズモン波１００が、複数の交差領域２２ａを介して第２の周期構造部２５Ｆ２側に導波してくると、その表面プラズモン波１００は、開口部２４側に反射する。すなわち、第２の周期構造部２５Ｆ２は、いわゆるＤＦＢ(Distributed Feedback)を生じさせるＤＦＢ部として機能することになる。
【０１０７】
光学素子１Ｆでは、第１の周期構造部２５Ｆ１は、表面プラズモン波発生部として機能しているため、光学素子１Ｆに裏面１２から波長λ１のＴＨｚ波が入射されることにより、表面プラズモン波１００が生じる。表面プラズモン波１００は、量子井戸層２２が有している複数の交差領域２２ａを介してＸ軸方向に伝搬して開口部２４に集光される。
【０１０８】
ところで、表面プラズモン波１００の一部は、図１７に示すように、開口部２４と反対側にも伝搬する場合もある。光学素子１Ｆでは第２の周期構造部２５Ｆ２が開口部２４と反対側に配置されているため、開口部２４と反対側に伝搬する表面プラズモン波１００は、第２の凹凸パターン２６Ｆ２によって、開口部２４側に反射される。従って、第１の周期構造部２５Ｆ１で生じた表面プラズモン波１００をより多く開口部２４に集光できることになり、開口部２４におけるエネルギー密度が更に高くなる。そのため、半導体基板１０に入射されたＴＨｚ波を効率的且つ高感度に検波できることになる。
【０１０９】
また、光学素子１Ｆでは、導波部２０は量子井戸構造であるため、第１及び第２の凹凸パターン２６Ｆ１，２６Ｆ２の形成が容易であるので、光学素子１Ｆの製造が容易である。また、光学素子１Ｆに入射されるＴＨｚ波を表面プラズモン波１００に変換し、複数の交差領域２２ａを利用して伝搬させて開口部２４に集光させた後に、受波部３０で検波しているため、高いエネルギー密度でＴＨｚ波を検波できる。その結果、効率的且つ高感度でＴＨｚ波を検出できる。更に、不純物とキャリアの移動空間が空間的に分離されている量子井戸構造を採用しているため、表面プラズモン波１００をより長く伝搬でき、開口部２４への集光効率の向上が図られている。
【０１１０】
以上、本発明の導波構造及び光学素子の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、光学素子１Ａ〜１Ｆが備える導波部２０の凹凸パターンの形状は種々変形可能である。以下、図１８〜図２４を利用して凹凸パターンの変形例について説明する。
【０１１１】
図１８は、第１の変形例の凹凸パターンを有する導波部の平面図である。図１８では、凹凸パターン２６Ｇを、例えば、光学素子１Ａ，１ＢのようなＴＨｚ波受光素子としての光学素子に適用した場合を示している。なお、受波部３０は模式的に図示している。
【０１１２】
図１８に示すように、凹凸パターン２６Ｇは、上からみた場合の形状が環状であり、径方向に沿った断面形状は、光学素子１Ｂにおける凹凸パターン２６と同様に略三角波状である。よって、導波部２０は、連続した複数の交差領域２２ａを有する。このように導波部２０が交差領域２２ａを有するため、導波部２０は、表面プラズモン波１００を伝搬させる導波構造として機能する。なお、凹凸パターン２６Ｇを適用した導波部２０では、中心部に円形の開口部（集光部）２４が形成されており、その周囲が凹凸パターン２６Ｇを有する周期構造部２５Ｇとなっている。なお、開口部２４の径は、導波部２０を伝搬する表面プラズモン波１００と同一振動周波数を有するＴＨｚ波の波長より小さいことが好ましい。また、凹凸パターン２６Ｇにおける径方向の周期Λ６を、所定波長（例えば、波長λ１）のＴＨｚ波が入射された際に表面プラズモン共鳴が生じるように決定することによって、凹凸パターン２６Ｇを表面プラズモン波発生部として機能させることが可能である。
【０１１３】
図１９は、第２の変形例の凹凸パターンを適用した導波部の平面図である。図１９では、凹凸パターン２６Ｈを、例えば、光学素子１Ａ，１ＢのようなＴＨｚ波受光素子としての光学素子に適用した場合を示している。なお、受波部３０は模式的に図示している。
【０１１４】
凹凸パターン２６Ｈは、上からみた場合の形状が正方形状であり、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿った断面形状（換言すれば、ＸＺ平面及びＹＺ平面における断面形状）は、光学素子１Ｂが有する凹凸パターン２６と同様に略三角波状である。よって、この場合も導波部２０は、連続した交差領域２２ａを有することになるため、表面プラズモン波１００を伝搬させる導波構造として機能する。なお、凹凸パターン２６Ｈを適用した導波部２０では、中心部に正方形状の開口部２４が形成されており、その周囲が凹凸パターン２６Ｈを有する周期構造部２５Ｈとなっている。開口部２４の一辺の長さは、導波部２０を伝搬する表面プラズモン波１００と同一振動周波数を有するＴＨｚ波の波長より小さいことが好ましい。
【０１１５】
凹凸パターン２６Ｈの形状が、前述のように正方形状であるため、凹凸パターン２６ＨのＸ軸方向の周期Λ７及びＹ軸方向の周期Λ８は同じである。そして、周期Λ７，Λ８を、同じ所定波長（例えば、波長λ１）のＴＨｚ波が入射された際に、表面プラズモン共鳴が生じるように決定することによって、凹凸パターン２６Ｈを表面プラズモン波発生部として機能させることが可能である。なお、凹凸パターン２６Ｈの形状は、例えば、上からみた場合の形状が長方形状でもよい。
【０１１６】
図２０は、第３の変形例の凹凸パターンを適用した量子井戸構造の平面図とその一部の拡大斜視図である。図２０では、凹凸パターン２６Ｉを、例えば、光学素子１Ａ，１ＢのようなＴＨｚ波受光素子としての光学素子に適用した場合を示している。図２０では、受波部３０は模式的に表している。
【０１１７】
凹凸パターン２６Ｉは、ピラミッド型の隆起部２６Ｉａを複数有し、それらがＸ軸方向及びＹ軸方向に周期的に配置されて構成されている。凹凸パターン２６Ｉにおいて、隣接する隆起部２６ＩａのＸ軸方向及びＹ軸方向の間隔（周期）Λ９，Λ１０は同じである。なお、凹凸パターン２６Ｉを適用した導波部２０では、中心部に開口部２４が形成されており、その周囲が凹凸パターン２６Ｉを有する周期構造部２５Ｉとなっている。
【０１１８】
凹凸パターン２６Ｉを有する導波部２０では、隆起部２６Ｉａを形成する４つの側面部を構成している量子井戸層２２の領域がＸＹ平面と交差する交差領域２２ａである。導波部２０が交差領域２２ａを有するため、導波部２０は表面プラズモン波の導波構造として機能することになる。また、各隆起部２６Ｉａにおいて隣接する側面部は連続しており、更に、隣接する隆起部２６Ｉａの側面部は連続しているため、複数の交差領域２２ａは連続している。その結果、表面プラズモン波は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に伝搬できる。
【０１１９】
また、周期Λ９，Λ１０を所定波長（例えば、波長λ１）のＴＨｚ波が入射されたときに表面プラズモン共鳴を生じせしめるように形成することで、凹凸パターン２６Ｉを表面プラズモン波発生部として機能させることができる。なお、周期Λ９，Λ１０は異なっていても良い。また、図２０（ｂ）に示すように隆起部２６Ｉaの頂部は平坦としているが、隆起部２６Ｉａは、三角錐状に形成されていてもよい。
【０１２０】
図２１は、第５及び第６の変形例の凹凸パターンを有する導波部の斜視図である。図２１では、第５及び第６の変形例の凹凸パターンを有する導波部２０が半導体基板１０上に積層された状態を示している。
【０１２１】
図２１（ａ）に示すように、凹凸パターン２６Ｊは、半導体基板１０に対して反対側に湾曲した湾曲部２６ＪａがＸ軸方向に連続して設けられて構成されている。湾曲部２６Ｊａの一部を構成する量子井戸層２２が、ＸＹ平面と交差している領域である交差領域２２ａとなる。よって、導波部２０は、表面プラズモン波１００を伝搬する導波構造として機能する。そして、交差領域２２ａはＸ軸方向に連続しているため、凹凸パターン２６Ｊを有する導波部２０では、表面プラズモン波１００は、湾曲部２６Ｊａの配列方向（図２１では、Ｘ軸方向）に伝搬すると共に、湾曲部２６Ｊａの延在方向（図２１では、Ｙ軸方向）にも伝搬することになる。
【０１２２】
この場合、隣接する湾曲部２６Ｊａの接続部が図２１に示すように谷部２６ｂとなり、谷部２６ｂが周期的に配置されている。谷部２６ｂ間の距離Λ１１を、所定波長のＴＨｚ波が入射されたときに表面プラズモン共鳴が生じるように決定することで、凹凸パターン２６Ｊを表面プラズモン波発生部として機能させることが可能である。
【０１２３】
図２１（ｂ）に示すように、第６の変形例としての凹凸パターン２６Ｋは、半導体基板１０側に湾曲した湾曲部２６ＫａがＸ軸方向に連続して設けられて構成されている。湾曲部２６Ｋａの湾曲方向が、図２１（ａ）に示した凹凸パターン２６Ｊが有する湾曲部２６Ｊａの湾曲方向と相違する点以外は、凹凸パターン２６Ｊの構成と同様である。よって、凹凸パターン２６Ｋを有する導波部２０も導波構造として機能することになり、凹凸パターン２６Ｌを表面プラズモン波発生部として機能させることもできる。
【０１２４】
なお、図２１（ｂ）に示すように、凹凸パターン２６Ｋは、導波部２０の一部であるクラッド層２１の表面（量子井戸層２２との界面）が湾曲しており、そのクラッド層２１上に量子井戸層２２及びクラッド層２３が積層されて構成されているが、半導体基板１０の第２領域１１ｂを湾曲部２６Ｋａの形状に形成した後に、クラッド層２１、量子井戸層２２及びクラッド層２３を積層して形成してもよい。
【０１２５】
図２２は、第７の変形例の凹凸パターンを有する導波部の斜視図である。図２２では、第７の変形例の凹凸パターン２６Ｌを有する導波部が半導体基板１０上に積層された状態を示している。
【０１２６】
図２２に示すように、第７の変形例の凹凸パターン２６Ｌの断面形状は正弦波状である。この構成では、量子井戸層２２も凹凸パターン２６Ｌを有し、例えば、正弦波における半周期分の領域が交差領域２２ａに対応する。導波部２０が交差領域２２ａを有するため、導波部２０は、表面プラズモン波を伝搬する導波構造として機能する。また、量子井戸層２２は、複数の交差領域２２ａを有し、複数の交差領域２２ａは連続しているため、表面プラズモン波１００は、Ｘ軸方向に伝搬すると共に、Ｙ軸方向にも伝搬することになる。また、凹凸パターン２６Ｌの周期Λ１２を、所定波長（例えば、波長λ１）のＴＨｚ波が入射されたときに表面プラズモン共鳴を生じせしめるように決定することで、凹凸パターン２６Ｌを表面プラズモン発生部として機能させることができる。
【０１２７】
図２３は、第８の変形例の凹凸パターンを有する導波部の斜視図である。図２３では、第８の変形例の凹凸パターン２６Ｍを有する導波部２０が半導体基板１０上に積層された状態を示している。
【０１２８】
凹凸パターン２６Ｍはフレネルレンズ型のものである。この構成では、量子井戸層２２は、ＸＹ平面に略直交する交差領域２２ａ１と、ＸＹ平面に所定の角度で交差する交差領域２２ａ２とを複数有するため、導波部２０は、表面プラズモン波１００を伝搬する導波構造として機能する。また、交差領域２２ａ１と交差領域２２ａ２とが交互に配置され連続しているため、表面プラズモン波１００は、図２３において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に伝搬する。更に、凹凸パターン２６Ｍの周期Λ１３を所定波長（例えば、波長λ１）のＴＨｚ波が入射されたときに表面プラズモン共鳴を生じせしめるように決定することで、凹凸パターン２６Ｍを表面プラズモン発生部としても機能させることができる。また、このようなフレネルレンズ型の凹凸パターン２６Ｍを適用した導波部２０を有する光学素子は、集光レンズとして好適に利用することも可能である。
【０１２９】
図２４は、第９〜第１１の変形例の凹凸パターンを有する導波部の斜視図である。図２４では、第９〜第１１の変形例の凹凸パターン２６Ｎ，２６Ｏ，２６Ｐを有する導波部２０が半導体基板１０上に積層された状態を示している。
【０１３０】
図２４（ａ）に示すように第９の変形例の凹凸パターン２６Ｎは、ＸＺ平面における断面形状が略三角形状である隆起部２６Ｎａが一定距離離れて配置されて構成されている。この構成では、隆起部２６Ｎａの側面部に含まれる量子井戸層２２が交差領域２２ａとなるため、導波部２０は、表面プラズモン波１００を伝搬させる導波構造として機能する。そして、凹凸パターン２６Ｎを有する導波部２０では、隆起部２６Ｎａ間に交差領域２２ａを有しないため、表面プラズモン波１００はＹ軸方向に伝搬することになる。
【０１３１】
よって、凹凸パターン２６Ｎを有する導波部２０を備える光学素子では、隆起部２６Ｎａの延在方向に直交するように開口部２４を設けておくことにより、交差領域２２ａを伝搬する表面プラズモン波１００を開口部２４に集光できることになる。また、隣接する隆起部２６Ｎａ間の間隔、すなわち、凹凸パターン２６の周期Λ１４を所定波長（例えば、波長λ１）のＴＨｚ波の入射により表面プラズモン波１００が生じるように決定することで、凹凸パターン２６Ｎを表面プラズモン発生部として機能させることが可能である。
【０１３２】
図２４（ｂ）に示すように、第９の変形例の凹凸パターン２６ＯのＸＺ平面における断面形状は略矩形波状である。この場合、導波部２０の量子井戸層２２は、ＸＹ平面に対して傾斜している複数の交差領域２２ａをＸ軸方向に有する。ただし、隣接する交差領域２２ａは離散的に配置されており、ＸＹ平面に平行な領域２２ｃ，２２ｄを介して繋がっている。その結果、導波部２０では、表面プラズモン波１００は、図２４（ｂ）において、Ｙ軸方向に伝搬することになる。また、凹凸パターン２６Ｏの周期Λ１を所定波長のＴＨｚ波に対して表面プラズモン波１００を生じるように決定することで、凹凸パターン２６Ｏを表面プラズモン波発生部とすることができる。
【０１３３】
図２４（ｃ）に示すように、第１１の変形例の凹凸パターン２６ＰのＸＺ平面における断面形状は、略矩形波状である。凹凸パターン２６Ｐは、量子井戸層２２の交差領域２２aがＸＹ平面に略直交する点以外は、図２４（ｄ）に示した凹凸パターン２６Ｏの構成と同様である。よって、凹凸パターン２６Ｏと同様に、導波部２０では、表面プラズモン波１００は、図２４（ｃ）において、Ｙ軸方向に伝搬することになる。また、凹凸パターン２６Ｐの周期Λ１６を所定波長のＴＨｚ波に対して表面プラズモン波１００を生じるように決定することで、凹凸パターン２６Ｐを表面プラズモン波発生部とすることができる。
【０１３４】
以上説明した、第１〜第１１の変形例は、第１〜第６の実施形態の光学素子において適用されている凹凸パターン２６，２６Ｆの代わりとして各光学素子に適用することが可能である。なお、ＴＨｚ波は、直線偏光で入射する場合が多いため、第１〜第６の実施形態の光学素子に適用した凹凸パターン２６，２６Ｆのように上からみた場合の形状がスリット状のものや、第３の変形例の凹凸パターン２６Ｉのようにピラミッド型の隆起部２６Ｉaを有するものが好ましい。
【０１３５】
これまでの説明では、導波部２０が有する周期的な凹凸パターン（周期構造）を表面プラズモン波発生部としたが、表面プラズモン波発生部も種々変形可能である。
【０１３６】
図２５は、表面プラズモン波発生部の他の変形例を適用した光学素子の斜視図とその一部拡大図を示す図である。光学素子１Ｇが有する半導体基板１０の表面１１には、周期的な凹凸パターン７０が形成されている。凹凸パターン７０は略矩形波状であり、その周期Λ１７は所定波長（例えば、波長λ１）のＴＨｚ波が入射されたときに表面プラズモン波１００が生じるように決定されている。よって、光学素子１Ｇでは、この凹凸パターン７０が表面プラズモン波発生部として機能する。
【０１３７】
光学素子１Ｇでは、図２５（ｂ）に示すように、凹凸パターン７０が有する山部７１及び谷部７２上に、クラッド層２１、量子井戸層２２及びクラッド層２３が積層されてなる導波部２０が設けられている。導波部２０には、量子井戸層２２が交差領域２２ａを有するように凹凸パターン２８が形成されている。なお、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）における一点鎖線で囲んだ領域の拡大図である。
【０１３８】
凹凸パターン２８は、量子井戸層２２が交差領域２２ａを有するように形成されていればその形状及び周期は特に限定されず、前述した第１〜第１１の変形例の形状とすることも可能である。また、凹凸パターン２８は前述したように量子井戸層２２が交差領域２２ａを有すればよく、周期的でなくてもよい。なお、凹凸パターン２８が周期的である場合、その周期は、山部７１上に形成されているため、凹凸パターン７０の周期Λ１７より小さい。
【０１３９】
この構成では、所定波長として波長λ１のＴＨｚ波が光学素子１Ｇに入射すると、凹凸パターン７０によって表面プラズモン波１００が生じる。生じた表面プラズモン波１００は、交差領域２２ａを有する導波部２０を介して伝搬する。この場合、表面プラズモン波１００の伝搬方向に開口部２４を設けておくことで、表面プラズモン波１００を集光することができる。よって、開口部２４上に受波部３０を設けることで、光学素子１ＧをＴＨｚ波受光素子として利用できる。また、開口部２４上にＴＨｚ波発生部６０を設けることで光学素子１ＧをＴＨｚ波発生素子として利用することが可能である。
【０１４０】
また、表面プラズモン波発生部としては、グレーティングを利用したものに限定されない。表面プラズモン波は、全反射を利用したり、近接場光を利用することでも発生させることが可能である。ここで、図２６を利用して、全反射を利用する場合について説明する。
【０１４１】
図２６に示すように、誘電率の異なる誘電体１１０Ａと誘電体１１０Ｂ、及び、導電性物質１１１が順に積層されている場合を考える。なお、誘電体１１０Ｂは光の波長程度に薄いものとする。また、誘電体１１０Ａの誘電率εＡと、誘電体１１０Ｂの誘電率εＢとは、εＡ＞εＢの関係を満たすとする。
【０１４２】
誘電体１１０Ａ中を伝搬する光が誘電体１１０Ｂに全反射の臨界角θｃより大きい入射角θｉ（＞θｃ）で入射した場合、誘電体１１０Ｂ中に伝わる光の波数において、積層方向（図２６ではＺ軸方向）と垂直な方向（図２６ではＸ軸方向）の成分ｋｘは、
【数４】
2008020728.tif 000006
となる。なお、式（４）において、ωは表面プラズモン波に変換すべき光の振動周波数であり、ｃは真空中での光の速度である。
【０１４３】
式（４）より、ｋｘは、例えば、臨界角θｃより小さい入射角で入射して誘電体１１０Ｂ中を伝搬する光の波数より大きくなる。従って、ｋｘが導電性物質１１１と誘電体１１０Ｂとの界面に発生しうる表面プラズモン波の波数と一致すれば、表面プラズモン波を励起できることになる。
【０１４４】
前述したように、交差領域２２ａを有する導波部２０は、ＴＨｚ波に対して表面プラズモン波を励起可能な上記導電性物質１１１となる。従って、導波部２０上に、上記誘電体１１０Ｂ，１１０Ａを積層して誘電体１１０Ａから誘電体１１０Ｂに、臨界角θｃより大きい所定の角度でＴＨｚ波を入射することで、表面プラズモン波を励起できる。この場合、導波部２０と導波部２０上に積層される誘電体１１０Ｂの界面が表面プラズモン波発生部として機能することになる。
【０１４５】
また、図２６では、誘電体１１０Ａ，１１０Ｂ及び導電性物質１１１の順に積層しているとしたが、導電性物質１１１を光の波長程度に薄いとした場合、誘電体１１０Ａ、導電性物質１１１及び誘電体１１０Ｂの順に積層することも考えられる。この構成では、誘電体１１０Ａから導電性物質１１１への入射角度が臨界角より大きい場合に、導電性物質１１１と誘電体１１０Ｂとの界面に表面プラズモン波を励起できる。そして、交差領域２２ａを有する導波部２０を導電性物質１１１とみなした場合、導波部２０と誘電体１１０Ｂの界面が表面プラズモン波発生部として機能することになる。
【０１４６】
例えば、光学素子１Ａ，１Ｂのように空気と導波部２０との界面に表面プラズモン波を発生させる場合、空気が誘電体１１０Ｂに対応し、導波部２０が導電性物質１１１に対応するため、導波部２０と半導体基板１０との間に誘電体１１０Ａを設ければよい。
【０１４７】
図２５及び図２６を利用して説明したように、表面プラズモン波発生部が、導波部２０に形成した凹凸パターンでない場合には、導波部２０が有する複数の交差領域２２ａは単に連続していればよいし、また、離散的に配置されていてもよい。なお、複数の交差領域２２ａが連続していることで、複数の交差領域２２ａの配列方向に表面プラズモン波を伝搬可能である。
【０１４８】
また、光学素子１Ｃのように導波部２０と半導体基板１０との界面に表面プラズモン波を発生させる場合、半導体基板１０が誘電体１１０Ｂに対応し、導波部２０が導電性物質１１１に対応するため、導波部２０と半導体層５０との間に誘電体１１０Ａを設ければよい。又は、導波部２０に対して誘電体１１０Ａとして機能する半導体層５０を導波部２０上に積層しておけばよい。
【０１４９】
また、近接場光を利用する場合には、例えば、導波部２０に近接させてナイフエッジ等の光を回折せしめる物体（回折物体）を配置しておけばよい。この場合、回折物体と導波部２０との間の隙間にＴＨｚ波が入射すると、種々の波数を有する回折光（近接場光）が発生する。この場合、回折光に含まれる波数に、導波部２０と誘電体（例えば、空気）との界面に発生する表面プラズモン波の波数が含まれれていれば、表面プラズモン波が発生することになる。このように、近接場光を利用する場合には、上記回折物体が表面プラズモン波発生部となる。
【０１５０】
また、光学素子としては、図２７のように、半導体基板１０に導波部２０の開口部２４に連通した貫通孔１３を有するものとしてもよい。ここでは、光学素子１Ｈが有する導波部２０は、光学素子１Ｂの導波部２０に適用されていた凹凸パターン２６を有するものとする。この場合、ＴＨｚ波の入射により発生した表面プラズモン波１００は、図２７に示すように開口部２４に集光される。開口部２４は、貫通孔１３に連通しているため、開口部２４に集められた表面プラズモン波１００によるエネルギーは、貫通孔１３を通して半導体基板１０の裏面１２側に移動することになる。よって、半導体基板１０の裏面１２側からエネルギーを取り出すことが可能である。
【０１５１】
更に、光学素子１Ａ，１Ｂ，１Ｄ〜１Ｆは、受波部３０の代わりにＴＨｚ波発生部６０を備えることでＴＨｚ波発光素子としてもよい。更にまた、光学素子１Ａ〜１Ｈは、受波部３０又はＴＨｚ波発生部６０を備えることで、ＴＨｚ波受光素子又はＴＨｚ波発生素子として機能するとしたが、開口部２４上には特に受波部３０やＴＨｚ波発生部６０を設けないでもよい。この場合には、光学素子は、例えば、光学フィルタや分光素子として機能することになる。
【０１５２】
更に、交差領域２２ａを有する導波部２０に開口部２４を形成することによって、上記のように光学素子としているが、例えば、半導体基板上に、交差領域２２ａを有する量子井戸構造を形成することによって、表面プラズモン波を伝搬させる導波素子として利用することも可能である。
【０１５３】
導波部２０は、クラッド層２１、量子井戸層２２及びクラッド層２３からなるとしたが、クラッド層２２又はクラッド層２３と、量子井戸層２２とから構成されていればよい。また、凹凸パターンは、量子井戸層２２がＸＹ平面と交差する交差領域、例えば、交差領域２２ａや交差領域２２ｂを有するように形成されていれば特に限定されない。
【０１５４】
また、導波構造としては、量子井戸構造内の量子井戸層２２が、ＸＹ平面と交差する領域である交差領域（例えば、交差領域２２ａ）を有していればよい。従って、導波部２０のうち凹凸パターン（例えば、凹凸パターン２６）を有する部分である周期構造部（例えば、周期構造部２５Ａ）を特に導波構造としてもよい。この場合には、導波部２０は、導波構造としての周期構造部（例えば、周期構造部２５Ａ）と、集光部としての開口部２４とから構成されていることになる。また、半導体基板に設けられる量子井戸構造の量子井戸層が上記交差領域を有していればよく、交差領域は１つもでよいし、また、複数の交差領域を有する場合であってもそれらが連続している必要はなく、図２４に示したように離散的に配置されていてもよい。
【０１５５】
また、導波部２０に形成された貫通孔としての開口部２４を、表面プラズモン波１００を集光するための集光部としたが、貫通孔である必要はない。交差領域を有しない等、表面プラズモン波の伝搬条件を満たさない領域であればよい。なお、表面プラズモン波をより確実に集める観点から、集光部の大きさ（例えば、図１ではＸ軸方向の長さ、図１８では、直径）が表面プラズモン波に変換される光の波長より小さいことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】本発明に係る光学素子の一実施形態の斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図とその一部拡大図とを示す図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図とその一部拡大図とを示す図である。
【図４】表面プラズモン波の概念図である。
【図５】第１の実施形態の光学素子の製造工程のうちの一工程を示す図である。
【図６】第１の実施形態の光学素子の製造工程のうちの一工程を示す図である。
【図７】第１の実施形態の光学素子の製造工程のうちの一工程を示す図である。
【図８】第１の実施形態の光学素子の製造工程のうちの一工程を示す図である。
【図９】第１の実施形態の光学素子の製造工程のうちの一工程を示す図である。
【図１０】第１の実施形態の光学素子の製造工程のうちの一工程を示す図である。
【図１１】第１の実施形態の光学素子の製造工程のうちの一工程を示す図である。
【図１２】本発明に係る光学素子の第２の実施形態の斜視図である。
【図１３】本発明に係る光学素子の第３の実施形態の斜視図である。
【図１４】図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図である。
【図１５】本発明に係る光学素子の第４の実施形態の平面図である。
【図１６】本発明に係る光学素子の第５の実施形態の平面図である。
【図１７】本発明に係る光学素子の第６の実施形態の平面図である。
【図１８】第１の変形例の凹凸パターンを有する量子井戸構造の平面図である。
【図１９】第２の変形例の凹凸パターンを有する量子井戸構造の平面図である。
【図２０】第３の変形例の凹凸パターンを有する量子井戸構造の平面図とその一部拡大斜視図である。
【図２１】第５及び第６の変形例の凹凸パターンを有する量子井戸構造の斜視図である。
【図２２】第７の変形例の凹凸パターンを有する量子井戸構造の斜視図である。
【図２３】第８の変形例の凹凸パターンを有する量子井戸構造の斜視図である。
【図２４】第９〜第１１の変形例の凹凸パターンを有する量子井戸構造の斜視図である。
【図２５】表面プラズモン波発生部の変形例を適用した光学素子の斜視図及びその一部拡大図を示す図である。
【図２６】全反射を利用して表面プラズモン波を励起する原理を説明する図である。
【図２７】半導体基板が貫通孔を有する光学素子の斜視図である。
【符号の説明】
【０１５７】
１Ａ〜１Ｈ…光学素子、１０…半導体基板、１１…半導体基板の表面（主面）、２０…導波部（導波構造、量子井戸構造）、２２…量子井戸層、２２a，２２ａ１，２２ａ２，２２ｂ…交差領域、２４…開口部（集光部）、２５Ａ〜２５Ｉ…周期構造部、２５Ｆ１…第１の周期構造部、２５Ｆ２…第２の周期構造部、２６，２６Ｆ〜２６Ｐ…凹凸パターン（表面プラズモン波発生部）、２６Ｆ１…凹凸パターン（第１の凹凸パターン）、２６Ｆ２…凹凸パターン（第２の凹凸パターン）、２８…凹凸パターン、３０…受波部、６０…ＴＨｚ波発生部、７０…主面に形成された凹凸パターン（表面プラズモン波発生部）、１００…表面プラズモン波。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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