(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射を受けるよう配置された複数のマテリアル素子を備える周期的部品と、
複数のテーパ導波路と、を備え、
各マテリアル素子は、それぞれ、マテリアル素子から長手方向に離れるにつれて断面積が大きくなるようにテーパしたテーパ導波路に結合される、
ことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
複数のマテリアル素子および／または複数のテーパ導波路は、メタマテリアル、随意に光メタマテリアルであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
マテリアル素子および／またはテーパ導波路は、プラズモン材料から形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路。
【請求項４】
マテリアル素子および／またはテーパ導波路は、負の誘電体誘電率を有する材料から成ることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光導波路。
【請求項５】
マテリアル素子および／またはテーパ導波路は、金属、随意に、金、銀およびアルミナから成る群から選択される少なくとも一つであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光導波路。
【請求項６】
周期的部品は、受光放射の波長と同じぐらいの大きさの第１寸法を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光導波路。
【請求項７】
各マテリアル素子は、受光放射の波長と同じぐらいの大きさの第１寸法を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光導波路。
【請求項８】
第１寸法は、１ナノメートル（ｎｍ）から８マイクロメートル（μｍ）の間であり、随意に、１ｎｍから１００ｎｍの間であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光導波路。
【請求項９】
隣接するマテリアル素子の間隔は、１ナノメートル（ｎｍ）から８マイクロメートル（μｍ）の間であり、随意に、１ｎｍから１００ｎｍの間であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光導波路。
【請求項１０】
テーパ導波路は、第１面から第２面にかけて断面積が大きくなるようにテーパしていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の光導波路。
【請求項１１】
複数のマテリアル素子は、第１面上に２次元アレイ状に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の光導波路。
【請求項１２】
第２面は反射体を備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の光導波路。
【請求項１３】
マテリアル素子は、２つの直交方向に対称であり、随意に直方体であることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の光導波路。
【請求項１４】
光導波路はパッシブであることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の光導波路。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれかに記載の光導波路を備えることを特徴とする光起電力装置。
【請求項１６】
テーパ導波路間に交互に配置された光起電力部品をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の光起電力装置。
【請求項１７】
光起電力部品は、光導波路により導かれた光を吸収するよう配置されることを特徴とする請求項１６に記載の光起電力装置。
【請求項１８】
光起電力部品は、テーパ導波路に相補的な形状を有することを特徴とする請求項１６または１７に記載の光起電力装置。
【請求項１９】
光起電力部品は、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、炭化シリコンを備える群から選択される少なくとも一つにより形成されることを特徴とする請求項１６から１８のいずれかに記載の光起電力装置。
【請求項２０】
光起電力装置は太陽電池であることを特徴とする請求項１５から１９のいずれかに記載の光起電力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光導波路および光起電力装置に関する。本開示はまた、メタマテリアル、より具体的には光メタマテリアルに関する。実施形態は、プラズモン導波路およびプラズモン導波路吸収体に関する。本開示の更なる実施形態は、光起電力装置の効率を高めるためのメタマテリアルの素子または層に関する。
【背景技術】
【０００２】
世界的な光起電力（ＰＶ）エネルギーの発電容量は、２００７年から２０１０年の間に５倍の３５ギガワットに成長し、その容量の７５％がヨーロッパで利用可能である。今日のＰＶ技術の大部分は、結晶シリコン（Ｓｉ）ウェハをベースとしており、主に有機ＰＶが遠い将来の選択肢と考えられている。シリコンは、太陽光を可視光域の大半（３５０−６００ｎｍ）にて効率的に吸収するが、６００−１１００ｎｍでは不十分である。この低い吸収性を補償するため、大半のＰＶセルは、２００−３００ｎｍの厚さのＳｉウェハを有し、典型的に「光学的に厚い」吸収体と称される。また、入射光を広い角度範囲にわたって散乱させるためのピラミッド型の表面テクスチャが典型的に用いられ、これにより、光セルの有効経路長が延びる。
【０００３】
しかしながら、このような手法は、より多くの材料および処理を必要とするため、ＰＶセルの基準原価に著しい影響をもたらす。さらに、厚い太陽電池のため、光キャリアの拡散長は相対的に短く、半導体接合部から離れた位置で生じる電荷キャリアは効果的に収集されない。これは、エネルギー生成においてＰＶ技術が従来の化石燃料技術に置き換わることを阻害している。この二つの少なくとも一つによりＰＶセルのコストを低下させうるいかなる技術的発展も業界での直接的な革命となるであろう。このような開発は、太陽電池の吸収効率を増大させ、光キャリア電流の収集に沿ってほぼ完全な光吸収を生じさせることで達成されうる。
【０００４】
効率向上のため、プラズモニクスを利用したいくつかの技術が今のところ調査されており、１−２マイクロメートル（μｍ）の厚さの薄膜太陽電池を作ることを目標としている。例えば、２０−１００ｎｍの直径の金属ナノ粒子を半導体材料にドープすることにより、粒子が入射太陽放射に対するサブ波長の散乱素子または近接場結合体として作用でき、有効散乱断面積を増大させる。
【０００５】
別の方法は、金属と誘電体の界面に沿って伝搬する電磁波である表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）に入射太陽放射を結合させることを含む。このＳＰＰ結合は、例えば、太陽電池の金属裏面に波型をつけることにより実現できる。これらのケースの全てにおいて、残存する主要なチャレンジの一つは、金属中のプラズモン損失よりも半導体材料中の吸収が高いことを必要とすることである。しかし、これら損失は、８００ｎｍを超える太陽光波長において顕著となる。
【０００６】
低損失材料の吸収効率を高めることで、より少ない量の吸収材料を用いることができるだけでなく、その材料がより低品質の材料であってもよいという二重の優位性が得られ、その結果、その双方において装置の全体的なコストを低下させることは強調されるべきである。
【０００７】
本開示の態様は、メタマテリアルおよびメタマテリアルベースの構成を用いてこれら課題に対処することに関する。
【０００８】
メタマテリアルは、人工的に作られた材料であり、負の屈折率や電磁気クローキングといった自然には生じない電磁気的特性を実現する。メタマテリアルの理論的特性は１９６０年代に最初に記述されているが、ここ１５年間にこのような材料の設計、開発、製造において著しい発展があった。メタマテリアルは、典型的に多くの単位セル、つまり、多数の個別素子（たまに「メタアトム」とも称される）で構成され、そのそれぞれは動作波長よりも小さいサイズを有する。これら単位セルは、金属や誘電体といった従来の材料から微視的に作られる。しかしながら、これらの正確な形状、配置、サイズ、向き、配列は、共鳴を形成したり、誘電率や透磁率が特異値となったりするなどの従来とは異なる態様で微視的に光に影響を及ぼしうる。
【０００９】
利用可能なメタマテリアルのいくつかの例は、負屈折率メタマテリアル、キラル・メタマテリアル、プラズモニック・メタマテリアル、光メタマテリアル等である。これらのサブ波長の特性に起因して、マイクロ波周波数で動作するメタマテリアルは典型的に数ミリメートルの単位セルサイズを有するが、スペクトルの可視部分で動作するメタマテリアルは典型的に数ナノメートルの単位セルサイズを有する。また、いくつかのメタマテリアルは、固有の共鳴性を有し、言い換えれば、周波数の特定の狭い範囲で光を強く吸収しうる。
【００１０】
従来の材料において、透磁率や誘電率といった電磁気的特性は、その材料を作り上げる原子または分子の通過電磁波に対する応答から生じる。メタマテリアルの場合、これら電磁気的特性は、原子または分子レベルでは決定されない。その代わりに、これら特性はメタマテリアルを作り上げる小さな物体の集まりの選択および構成によって決まる。このような物体の集まりやこれらの構造が従来の材料のように原子レベルに「見える」ことがなくても、メタマテリアルは、あたかも電磁波が従来の材料を通過しているように電磁波が通過することとなるように設計できる。さらに、メタマテリアルの特性は、このような小さな（ナノスケールの）物体の組成および構造から決定できるため、誘電率や透磁率といったメタマテリアルの電磁気的特性を非常に小さなスケールで正確に調整できる。
【００１１】
メタマテリアルの具体的な一つのサブフィールドは、プラズモニック材料であり、金属表面における光周波数での電荷の振動をサポートする。例えば、銀や金といった金属は、自然にこれら振動を示し、この周波数域で負の誘電率に至り、ナノスケールの解像度を持つ顕微鏡、ナノレンズ、ナノアンテナ、クローキング被膜といった新規な装置を生み出すことに利用できる。
【発明の概要】
【００１２】
本開示の態様は、添付の独立請求項に規定される。
【００１３】
本開示は、改善された光導波路を設計および形成するためのプロセスを詳述する。より具体的に、本開示は、プラズモン導波路に対してプラズモンブルースター角ファネリング（plasmonic Brewster angle funnelling）および断熱吸収の現象を示すメタマテリアルに関する。特に、本発明者は、サブ波長構造を用いることにより、プラズモンブルースター角ファネリングおよび断熱吸収を組み合わせて、光をより効率的に結合および導光した。とりわけ、本開示の実施の形態は、層として形成されることができ、性能向上のために、光起電力装置といった従来の装置にそのまま組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本開示の実施の形態は、添付の図面を参照して説明される。
【図１】入射する非偏光放射を結合および吸収するための２次元構造の一部を示す図である。
【図２】実施形態に係る１次元単位格子の断面を示す図である。
【図３】１次元単位格子を備える実施形態に係る改善された光導波路である。
【図４ａ】実施形態に係る２次元単位格子である。
【図４ｂ】実施形態に係る２次元単位格子である。
【図４ｃ】実施形態に係る２次元単位格子である。
【図４ｄ】実施形態に係る２次元単位格子である。
【図５ａ】実施形態に係る２次元単位格子の２次元アレイを示す図である。
【図５ｂ】実施形態に係る２次元単位格子の２次元アレイを示す図である。
【図５ｃ】実施形態に係る２次元単位格子の２次元アレイを示す図である。
【図６】入射場の角度が０度から９０度に変化するときの、図２の１次元構造における入射電磁界の反射（Ｓ１１パラメータ）を示す図である。
【図７】１次元および２次元単位格子のアレイに対する吸収性能の比較を示すグラフである。
【図８】光起電力部品と交互配置された図３のテーパ導波路構造のスライスにおける電界振幅分布のシミュレーションを示す図である。
【００１５】
図面において、同じ参照符号は同じ部分を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本開示の実施の形態は、光学的放射を用いて実現される効果に関する。「光学的（optical）」の用語は、本明細書において、可視光、近赤外光および中赤外光を称するものとして用いられる。つまり、３５０ｎｍから８μｍの範囲の電磁界放射である。
【００１７】
光学的放射を結合および誘導する光導波路が提供される。光導波路は、周期性を有する構成部品を備える。光導波路は、複数の単位格子（ユニットセル）を備える。単位格子は、１次元または２次元の能動部品または素子を備えてよい。１次元の部品は、１つの直線偏光（例えば垂直偏光）の放射を結合および誘導する。２次元の部品は、両方の直線偏光（例えば垂直偏光および水平偏光）を結合および誘導する。本開示に係る光導波路を形成するために、任意の数の単位格子が用いられてよいことを理解されたい。
【００１８】
実施形態では、単位格子の構成部品はサブ波長次元を有してよい、および／または、単位格子は１つ以上の方向にサブ波長の周期性を有してよい。実施形態では、複数の周期的な単位格子は、メタマテリアルを形成する。他の実施形態では、複数のマテリアル素子（material element）および／または複数のテーパ導波路は、メタマテリアルである。
【００１９】
図１は、本開示に係る光導波路の実施例を示す。
【００２０】
さらに詳細には、図１は、第１面に２次元配列で配置された複数のマテリアル素子１０１を示す。各マテリアル素子１０１は、それぞれのマテリアル素子から第２面１０４へ外側にテーパーしたテーパ導波路１０３に結合されている。
【００２１】
作動中、光１０７は、マテリアル素子１０１のアレイにより結合され、テーパ導波路１０３により第２面へ導かれる。この点において、マテリアル素子のアレイは第１面に入射する放射を「捕らえる」または「吸収する」ことが理解される。同様に、テーパ素子は、捕らえられた放射を第２面に向かって導くことが理解される。しかしながら、本開示に係る光導波路は、これを従来の方法により達成するものではない。
【００２２】
要約すれば、本開示に係る改善された光導波路は、単一装置でＴＨｚ、ＩＲおよび可視周波数の範囲で制御可能な角度選択性で広帯域発光および導光を達成するために、メタマテリアルの非共鳴現象に正確に依存している。本明細書に開示された改善された装置は、２つの非共鳴効果：単一インタフェースでのプラズモンブルースター光ファネリング（plasmonic Brewster light funnelling ）と断熱プラズモンフォーカシング（adiabatic plasmonic focusing）の組み合わせに基づいている。断熱プラズモンフォーカシングとブルースターエネルギーファネリングを組み合わせることにより、本発明者は、可視光スペクトルおよびＩＲスペクトルの大部分を含むより広い周波数スペクトルにわたって、超広帯域インピーダンスマッチング、反射の最小化および無指向性吸収を同時に達成した。
【００２３】
このメカニズムは、図２および図３を参照して良く理解される。図２は、第３方向（図２のｘ方向）に延び、図３に示すように繰り返して格子型構造を形成する単位格子の実施例の断面を示す。実施形態において、格子型構造の周期は、サブ波長である（すなわち入射放射の波長未満）。この実施形態では、従ってマテリアル素子は細長い直方体であると理解される。
【００２４】
２次元アレイよりむしろ１次元アレイに関するのと同様に、図示の単位格子が隣接するマテリアル素子２０１ａおよび２０１ｂの中間部のスペース２１０に関連しているという点で、図２は、図１の反対と見なしてよいことに留意すべきである。同様に、図２は、対応する隣接するテーパ導波路２０３ａおよび２０３ｂの中間部のスペース２１２を示す。作動中、入射光２０７は、複数のマテリアル素子２０１ａ、２０１ｂを備える第１面で受光され、第２面２０５に向かって導かれる。
【００２５】
従って、放射を受けるよう配置された複数のマテリアル素子を備える周期的部品と、複数のテーパ導波路とを備え、各マテリアル素子がそれぞれマテリアル素子から外側にテーパしたテーパ導波路に結合される、光導波路が提供される。
【００２６】
とりわけ、本発明者は、各マテリアル素子のテーパ導波路との結合が、改善された導光およびマテリアル素子に入射した放射の無指向性の結合をもたらす。特に、最適な吸収のための角度が見つけられる間、テーパ導波路のために一連の角度で大きな吸収が生じる。本開示に係る光導波路は擬似的な無指向性と見なしてよいことを理解できる。
【００２７】
実施形態では、周期的部品は、受光される放射の波長と同じぐらいの第１寸法を有している。例えば、ある実施形態では、第１寸法は１ナノメートル（ｎｍ）から８マイクロメートル（μｍ）の間である。有利には、可視光周波数に関する実施形態では、第１寸法は１ｎｍから１００ｎｍの間である。
【００２８】
ある実施形態では、各マテリアル素子は受光される放射の波長と同じくらいの第１寸法を有する。例えば、ある実施形態では、隣接するマテリアル素子間の間隔は１ナノメートル（ｎｍ）から８マイクロメートル（μｍ）である。有利には、可視光周波数に関する実施形態では、隣接する素子間の間隔は１ｎｍから１００ｎｍの間である。
【００２９】
図４ａは、隣接するテーパ導波路４０３ａ、４０３ｂの間にスペースまたはギャップ４１２を有する直方体形状のマテリアル素子の２次元アレイを備える更なる実施形態の断面を示す。図４ｂは、同じ構造の様々な面を示す。図４ｃは、４つのマテリアル素子およびテーパ導波路の２次元アレイを示す。マテリアル素子は直方体型である。図４ｄは、シリンダー状のマテリアル素子を備える導波路のための単位格子を示す。同様に、図５ａ、５ｂおよび５ｃは、光導波路を示す。２次元アレイ状に配置された複数の９個の（図４の）単位格子を示す。繰り返して言うが、図５ａ、５ｂおよび５ｃは同一の全体構造を示す。図５ａおよび図５ｂは、マテリアル素子とテーパ導波路の間の間隔を強調している。図５ｃは、マテリアル素子とテーパ導波路のそれら自身を強調している。
【００３０】
従って、少なくとも図４および図５から、実施形態においては、複数のマテリアル素子が第１面に２次元配列に配置されることが理解される。しかしながら、図２および図３に示すように、本開示は単位格子の１次元配列にも同様に適用可能である。
【００３１】
ある実施形態では、テーパ導波路はマテリアル素子から共通の平面に向かって外側にテーパしていてよい。すなわち、ある実施形態では、テーパ導波路は、第１面から第２面に向かって外側にテーパしている。随意に、第２面は反射性であってもよいし、誘導された放射の方向を変えて第１面に向かって戻す反射性部品を備えてもよい。
【００３２】
実施形態では、ブルースター光ファネリングは、負の誘電体誘電率を有する材料、例えば金属から成るマテリアル素子および／またはテーパ導波路を用いることにより第１面で達成される。すなわち、ある実施形態では、マテリアル素子および／またはテーパ導波路は、金属製または入射放射の周波数において金属的挙動を示す材料から形成される。それは、可視光周波数に対しては、いわゆるプラズモン材料である。例えば、可視光周波数に対し、マテリアル素子および／またはテーパ導波路は、金、銀およびアルミナから成る群から選択される少なくとも一つから形成されてよい。
【００３３】
図１に示す実施形態では、マテリアル素子１０１は直方体である。しかしながら、他の実施形態では、マテリアル素子は、円柱、六角形または多角形などの２つの直交方向に対称であり、随意に少なくとも一つのサブ波長次元を有する任意の形状であってよい。
【００３４】
本開示によれば、複数のマテリアル素子は、それぞれ入射する放射のインピーダンス整合に合わせてある。理論によって束縛されることなく、これは、以下のように与えられる反射率をゼロに最小化することにより達成される。
【数１】
0006276391.tif 000002
ここで、ＺｉｎおよびＺｏｕｔは、システムの一般的な入力および出力特性インピーダンスであり、βは、プラズモン導波路における波数であり、ｌは、導波路の長さであり、Ｚｓは、以下のような実効電圧と実効電流の比によって定義される単位長さ当たりの特定インピーダンスである。
【数２】
0006276391.tif 000003
ここで、εｓは、導波路を充填する材料の比誘電率であり、Ｅｘは、その入射口に沿った電界であり、これは特性電圧を計算するためにその方向に沿って積分される。インタフェースに対して角度θで伝搬する波に対する入力および（随意に）出力メディアの特性インピーダンスは、沿面電界と磁界の間の比率により与えられ、非磁気メディアのために格子周期に対して規格化される。それらは以下により与えられる。
【数３】
0006276391.tif 000004
ここで、εｉｎおよびεｏｕｔは、それぞれ、入力および出力メディアの比誘電率である。
【００３５】
従って、所与のジオメトリ（すなわち、既知のＺｉｎ，Ｚｏｕｔ，Ｚｓ）に対する条件Ｒ＝０は、最大結合が生じる角度をもたらす。同様に、格子のジオメトリは、所定の角度で最大の結合をもたらすよう数式（１）、（２）および（３）を用いて設計することができる。
【００３６】
図３の構造は、ホスト媒体中でカーブしたスリットアレイにより形成され、図３に示す単位格子とともにｙ方向に沿って無限に延長された、周期ｄの１次元（１Ｄ）格子と見なされてよい。スリットは幅ｗおよび長さｌを有し、スリットを通って伝達されたエネルギーを断熱的に消散させるよう設計されたテーパにより終端されている。テーパは、その後随意に、表皮薄さよりもさらに厚いバックプレートにより終端される。ホスト媒体の誘電率は、ドルーデ分散モデルでモデル化することができる。この矩形格子の１次元に沿って、この条件Ｒ＝０は、入射角のための以下の数式に簡略化される。
【数４】
0006276391.tif 000005
ここで、εｓは、スリットを満たす物質の誘電率であり、ｋ０は、自由空間波数である。その特別な場合に、導波路のインピーダンスは以下により与えられる。
【数５】
0006276391.tif 000006
伝搬定数βは、以下の数式の解である。
【数６】
0006276391.tif 000007
ここで、εｍは、テーパ導波路を形成する物質の比誘電率である。
【００３７】
均質なインタフェースに対するブルースター条件に類似した、この角度θＢにおいて、ゼロ反射およびインタフェースを通る全透過率−複数のマテリアル素子を備える−が期待される。スリット中のプラズモンモードが弱く分散的であれば、この現象は周波数への依存が弱い。この簡単な分析モデルは、導波路がｄより長い場合はスリットを通過する得意なファネリングメカニズムの非常に正確な表現であり、確実に衝突エネルギーがスリット中にＤＣから非常に高い周波数で流れ込む。
【００３８】
このファネリング現象は、共鳴を必要とすることなく、純粋にインピーダンス整合に基づいている。従って、反射率または動作の帯域に全く影響を及ぼすことなく、伝送波はスリット中に十分に吸収される。この機能性は、共鳴メカニズムに依存した狭いスリットを通過するどんな他のトンネリングメカニズムとは全く異なる。ブルースターインタフェースの後方のテーパを用いることにより、本開示に係る吸収が達成される。このテーパは、反射なしで、伝送されたプラズモンモードを断熱的に吸収する。テーパ角および対応する長さｌｔａｐは、テーパ終端に到達する時間までに伝送エネルギーが金属壁中で十分に吸収される最大波長を決定する。断熱吸収の効率は、励起波長と比較したテーパ長に依存するので、実際は、テーパ長の所与の選択は、完全な吸収を達成する動作の最低周波数への限界を固定する。
【００３９】
直方体形状のマテリアル素子を用いた実施形態では、数式（４）により予測される７０℃でのブルースターファネリングをサポートする、１次元格子のためのパラメータは、例えば、ｄ＝９６ｎｍ、ｗ＝２４ｎｍ、ｌ＝２００ｎｍ、およびｌｔａｐ＝９８０ｎｍである。しかしながら、当業者であれば、他のパラメータが用いられてよいことを理解するであろう。有利な実施形態では、プラズモンマテリアル素子およびテーパ導波路を用いた光放射の無指向性ブルースターファネリングのために、ｄは１０ｎｍから１０００ｎｍ；ｗは２ｎｍから１０００ｎｍ（しかしｄ未満）；ｌは１０μｍ未満；および／またはｌｔａｐは１００μｍ未満（すなわち数波長の長さまで）である。
【００４０】
本発明者は、ブルースター角の周囲で、導波路中への入射放射の全吸収が非常に広い波長範囲にわたって達成される光導波路をもたらした。本発明者は、さらに、最大カットオフ（短波長）が横方向の周期により決定され、一方で下限値がテーパ長により固定されるので、この範囲がさらに拡げられることを見いだした。ある実施形態では、吸収の角度範囲は比ｄ／ｗにより制御される。従って、ブルースター角を超えるグレージング入射に非常に近い角度を除けば、垂直入射でさえも、興味のある周波数範囲内で全ての入射角に対して大きな吸収が達成される。
【００４１】
ブルースターファネリングの概念は、２次元に拡張することができ、（例えば、図４および図５参照）。直交するスリットのメッシュが偏光面から独立したファネリングを提供することを示している。これらの実施形態では、構造は交差したスリットにより形成され、２次元にテーパしており、全てのＴＭ偏光面上で断熱のフォーカシングおよび吸収（および相互放射）を可能とする。吸収および放射の両方を性能をテストするために、２つの直交する一組のスリット間の方位角φ＝４５°という最悪の見通しで機能性を分析してよい。
【００４２】
図６は、入射場の角度が０度から９０度に変化するときの、図２の１次元構造における入射電磁界の反射（Ｓ１１パラメータ）を示す。入射のグレージング角を除いた、広帯域波長範囲にわたり、かなりの量のエネルギーが構造に結合される。吸収は、構造の幾何学的パラメータを変化させることによりさらに改善および調整することができる。
【００４３】
図７は、図３に示すように別の一組の直交スリットに同じ間隔および幅を提供することをにより、垂直入射およびブルースター角７０°での１次元光導波路の性能と、φ＝４５°平面上にモニターされる対応する２次元の場合とを比較している。この例では、マテリアル素子は金であり、テーパ導波路は空気により分離されている。２次元デバイスは著しく１次元デバイスに似た性能を有し、その機能性を全ての偏光面に拡張することを留意してよい。予想通り、両方のデバイスは非常に大きく、広帯域の吸収を示し、ブルースター角（上方の線）において特に大きいが、垂直入射（下方の線）でさえも、任意の角度に対して一貫して大きい。
【００４４】
有利には、本開示に係る光導波路は電源またはアクティブ制御システム等からのエネルギー入力を必要としないことを理解されるであろう。すなわち、実施形態において、光導波路はパッシブである。
【００４５】
さらに有利な実施形態では、本開示に係る光導波路は、光起電力装置に用いられてよい。
【００４６】
とりわけ、更なる改良では、本発明者は、テーパ導波路間のスペースまたはギャップが光を電流およびその後電圧に変換する吸収または光起電力材料で充填されてもよいことを認識している。従って、本発明者は、電圧への光の高効率変換が達成されたことを見いだした。とりわけ、導波路のパラメータを光起電力材料に合わせることにより、ゲインがもたらされる。
【００４７】
ある実施形態では、光起電力部品は、テーパ導波路間に交互に配置される。同様に、ある実施形態では、光起電力部品は、テーパ導波路に相補的な形状を有する。
【００４８】
当業者であれば、光起電力部品が光導波路により導かれた光を吸収するよう配置されることを理解するであろう。
【００４９】
図８は、図３のテーパ導波路構造のスライスにおける電界振幅分布のシミュレーションを示す。入射場は、テーパ領域において増大した強度で光導波路中に結合し、これは光起電力材料でｔａｎδ＝０．１で満たされる（交互配置される）。
【００５０】
当業者であれば、いかなる光起電力素子が本開示に適することが理解されよう。例えば、ある実施の形態において、光起電力素子は、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、炭化シリコンを備える群から選択される少なくとも一つにより形成される。他の実施の形態において、光起電力素子は、テルル化カドミウム、または、セレン化／硫化・銅・インジウム・ガリウムである。本開示から、他の半導体が同様に適することが理解されよう。
【００５１】
ある実施の形態において、光起電力装置は、太陽電池であってよい。これは、光導波路の無指向性のために特に有利である。
【００５２】
本開示に係る光導波路は、多数の入射角および全ての偏光に対して有効であり、非常に高い効率で広帯域の吸収をもたらすことが認められる。
【００５３】
本開示に係る光導波路は、電子ビームリソグラフィ、集束イオンビームリソグラフィ、リフトオフプロセス、または、他のリソグラフィ技術により製造されうる。これらの技術は、本明細書に記載されるサブ波長のパラメータおよび特性を有する素子の形成に用いてよい。
【００５４】
態様および実施の形態について上述したが、本明細書に開示された本発明の概念から逸脱することなく、変形が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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