(57)【要約】自体に入射した電磁放射の広帯域部分の少なくとも１つの偏光を生成するのに適した偏光依存デバイス（図１の１０）が開示される。このデバイスは、基板（１００）と、自体に入射した少なくとも１つの偏光を生成するために基板に実質的に隣接して交互に配置された異なる屈折率の複数の領域（２００、２１０）とを含む。これらの複数の領域は、電磁放射の広帯域部分の少なくとも１つの偏光に関して、これらの領域に入射した電磁放射の広帯域部分の少なくとも１つの偏光を生成する向きに配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自体に入射した電磁放射の広帯域部分の少なくとも１つの偏波を生成するのに適した偏波依存デバイスであって、
基板と、
自体に入射した前記少なくとも１つの偏波を生成するために前記基板に実質的に隣接して交互に配置された異なる屈折率の複数の領域と
を含み、
前記複数の領域が、前記電磁放射の前記広帯域部分の前記少なくとも１つの偏波に関して、前記領域に入射した前記電磁放射の前記広帯域部分の前記少なくとも１つの偏波を生成する向きに配置されている
デバイス。
【請求項２】
前記基板の前記複数の領域とは反対側に実質的に隣接して配置された層をさらに含み、前記層が前記デバイスの透過特性を高めるのに適している、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記層が、不要な反射を低減させることによって透過を高める、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記層が、ＳｉＯ２およびＨＦＯ２からなるグループから選択された少なくとも１つの材料を含む、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記基板が、ガラス、半導体、ファラデー磁気光学材料およびポリマーのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記ファラデー磁気光学材料が、ビスマス、鉄、ガリウムおよび酸素からなるグループから選択された少なくとも１つの元素を含む少なくとも１つの材料を含む、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記ファラデー磁気光学材料が、ざくろ石とファラデー磁気光学結晶のうちの少なくとも一方を含む、請求項５に記載のデバイス。
【請求項８】
前記複数の領域が１０から５００ｎｍの範囲の幅を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記複数の領域が１５から１８０ｎｍの範囲の幅を有する、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記複数の領域が１０から１０００ｎｍの範囲の高さを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記複数の領域が３０から５００ｎｍの範囲の高さを有する、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記複数の領域が１０から１０００ｎｍの範囲の周期を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記複数の領域が３０から２００ｎｍの範囲の周期を有する、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
異なる屈折率の前記複数の領域の第１の屈折率が導電材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記導電材料が、アルミニウム、金、銀および銅から選択された少なくとも１つの材料を含む、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
異なる屈折率の前記複数の領域の第１の屈折率が合金を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
異なる屈折率の前記複数の領域の第２の屈折率が、空気、真空および誘電材料からなるグループから選択された材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記誘電材料が、無機液体、有機液体、二酸化シリコン、金属酸化物、金属フッ化物および有機ポリマーのうちの少なくとも１つを含む、請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記有機ポリマーが炭化水素を含む、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２０】
自体に入射した電磁放射の前記少なくとも１つの偏波をビーム分割によって生成する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２１】
自体に入射した電磁放射の前記少なくとも１つの偏波をビーム合成によって生成する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
自体に入射した電磁放射の前記少なくとも１つの偏波を前記放射を吸収することによって生成する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２３】
自体に入射した電磁放射の前記少なくとも１つの偏波を前記放射を反射することによって生成する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記複数の領域が異なる寸法を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記複数の領域がチャープされた寸法を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２６】
実質的に自体の周囲に配置された誘電層をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記誘電層が１ｎｍから５０ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記誘電層が、二酸化シリコン、有機ポリマー、窒化シリコン、オキシ窒化シリコン、フッ化マグネシウムおよび金属酸化物のうちの少なくとも１つを含む、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記誘電層が、デバイスの信頼性を向上させるのに適している、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記複数の領域に実質的に隣接して配置された少なくとも１つの薄膜をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの薄膜がエッチングストップとして機能する、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３２】
交互に配置された異なる屈折率の前記複数の領域が、互いに交番する低屈折率材料および高屈折率材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記高屈折率材料が、アルミニウム、金、銀、銅および合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３４】
前記低屈折率材料が空気を含む、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記低屈折率材料が真空を含む、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３６】
前記低屈折率材料が充填材料を含む、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３７】
前記低屈折率材料が誘電材料を含む、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３８】
３９０ｎｍから１６５０ｎｍの波長範囲にわたる透過において約１００を超える消光比を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３９】
３９０ｎｍから１６５０ｎｍの波長範囲にわたって０．５０を超える透過率を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４０】
実質的に前記基板と前記複数の領域との間に前記基板および前記複数の領域に隣接して配置された中間誘電層をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４１】
前記中間誘電層が、二酸化シリコン、金属酸化物および有機ポリマーのうちの少なくとも１つを含む、請求項４０に記載のデバイス。
【請求項４２】
前記有機ポリマーが炭化水素を含む、請求項４１に記載のデバイス。
【請求項４３】
自体に入射した広帯域電磁放射の少なくとも１つの偏波を生成するのに適した偏波依存デバイスであって、
基板と、
自体に入射した前記少なくとも１つの偏波を生成するために前記基板に実質的に隣接して交互に配置された異なる屈折率の複数の領域と、
前記基板の前記パターンとは反対側に実質的に隣接して配置された少なくとも１つの反射防止コーティングと、
実質的に前記基板と前記ナノ構造パターンとの間に前記基板および前記ナノ構造パターンに隣接して配置された中間誘電層と、
実質的に自体の周囲に配置された誘電層と
を含むデバイス。
【請求項４４】
前記複数の領域が、広帯域電磁放射の前記少なくとも１つの偏波に関して、前記領域に入射した広帯域電磁放射の前記少なくとも１つの偏波を生成する向きに配置されている、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４５】
前記少なくとも１つの反射防止コーティングが、不要な反射を低減させることによって透過を高める、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４６】
自体に入射した広帯域電磁放射の前記少なくとも１つの偏波を、前記放射のビーム分割、ビーム合成、吸収および反射のうちの少なくとも１つによって生成する、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４７】
交互に配置された異なる屈折率の前記複数の屈折率領域が、互いに交番する低屈折率材料および高屈折率材料を含む、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４８】
３９０ｎｍから１６５０ｎｍの波長範囲にわたる透過において約１００を超える消光比を有する、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４９】
３９０ｎｍから１６５０ｎｍの波長範囲にわたって０．５０を超える透過率を有する、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項５０】
自体に入射した電磁放射の広帯域部分の少なくとも１つの偏波を生成するのに適した偏波依存デバイスであって、
基板と、
自体に入射した前記少なくとも１つの偏波を生成するために前記基板に実質的に隣接して交互に配置された異なる屈折率の複数の領域と
を含み、
３９０ｎｍから１６５０ｎｍの波長範囲にわたる透過において約１００を超える消光比を有し、
３９０ｎｍから１６５０ｎｍの波長範囲にわたって０．５０を超える透過率を有する
デバイス。
【請求項５１】
前記複数の領域が、前記電磁放射の前記広帯域部分の前記少なくとも１つの偏波に関して、前記領域に入射した前記電磁放射の前記広帯域部分の前記少なくとも１つの偏波を生成する向きに配置されている、請求項５０に記載のデバイス。
【請求項５２】
自体に入射した広帯域電磁放射の少なくとも１つの偏波を生成するのに適した偏波依存デバイスであって、
基板と、
自体に入射した前記少なくとも１つの偏波を生成するために前記基板に実質的に隣接して交互に配置された異なる屈折率の複数の領域と、
前記基板の前記複数の領域とは反対側に実質的に隣接して配置された少なくとも１つの反射防止コーティングと、
実質的に前記基板と前記複数の領域との間に前記基板および前記複数の領域に隣接して配置された少なくとも１つの中間誘電層と、
前記複数の領域の前記基板とは反対側に実質的に隣接して配置された少なくとも１つの反射防止コーティング層と
を含み、
１２５０ｎｍから１３５０ｎｍの波長範囲にわたる透過において約５０００を超える消光比を有し、
１２５０ｎｍから１３５０ｎｍの波長範囲にわたって０．９６を超える透過率を有する
デバイス。
【請求項５３】
前記複数の領域が、広帯域電磁放射の前記少なくとも１つの偏波に関して、前記領域に入射した広帯域電磁放射の前記少なくとも１つの偏波を生成する向きに配置されている、請求項５２に記載のデバイス。
【請求項５４】
自体に入射した広帯域電磁放射の少なくとも１つの偏波を生成するのに適した偏波依存デバイスであって、
基板と、
自体に入射した前記少なくとも１つの偏波を生成するために前記基板に実質的に隣接して交互に配置された異なる屈折率の複数の領域と、
前記基板の前記複数の領域とは反対側に実質的に隣接して配置された少なくとも１つの反射防止コーティングと、
実質的に前記基板と前記複数の領域との間に前記基板および前記複数の領域に隣接して配置された少なくとも１つの中間誘電層と、
前記複数の領域の前記基板とは反対側に実質的に隣接して配置された少なくとも１つの反射防止コーティング層と
を含み、
１４５０ｎｍから１６５０ｎｍの波長範囲にわたる透過において約５０００を超える消光比を有し、
１４５０ｎｍから１６５０ｎｍの波長範囲にわたって０．９６を超える透過率を有する
デバイス。
【請求項５５】
前記複数の領域が、広帯域電磁放射の前記少なくとも１つの偏波に関して、前記領域に入射した広帯域電磁放射の前記少なくとも１つの偏波を生成する向きに配置されている、請求項５４に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その全体があたかも本明細書に記載されているかのように本明細書に組み込まれる、Ｊｉａｎ  Ｊｉｍ  Ｗａｎｇを発明者とする２００３年２月１０日出願の「A UNIVERSAL BROADBAND POLARIZER (POL) OR A UNIVERSAL BROADBAND POLARIZING BEAM SPLITTER (PBS) OR A UNIVERSAL BROADBAND POLARIZING BEAM COMBINER (PBC)」という名称の米国特許出願第６０／４４６，２００号の優先権を主張するものである。本出願は、その全体があたかも本明細書に記載されているかのように本明細書に組み込まれる、Ｘｕｅｇｏｎｇ  Ｄｅｎｇ、Ｇｒｅｇ  Ｂｌｏｎｄｅｒ、Ｊｉａｎ  ＷａｎｇおよびＥｒｌｉ  Ｃｈｅｎを発明者とする２００３年８月２０日出願の「MULTILAYER STRUCTURES FOR POLARIZATION AND BEAM CONTROL」という名称の関連米国特許出願第１０／６４４，６４３号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は一般に、広帯域偏光（ｂｒｏａｄｂａｎｄ  ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ）に適した光学構成部品に関し、詳細には偏光、合成（ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）およびビーム分割（ｂｅａｍ  ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）に適した光学構成部品に関する。
【背景技術】
【０００３】
伝搬する電磁放射は、ＴＥ場（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ）およびＴＭ場（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ）として知られる、直交方向に偏光した２つの成分からなる。多くの応用において、ＴＥ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏光またはＴＭ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光を別個に制御することが必要であり、または望ましい。偏光状態に基づいて変化するデバイス動作はオプトエレクトロニクスにおいて重要である可能性があり、それによって多機能デバイスの可能性が可能になる。複屈折は、電磁放射をこれらの２つの成分に分割する材料の特性であり、これは、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、異なる方向、しばしば直交方向に有する材料に見ることができる（すなわち、方解石などのある種の透明な材料に入った光は異なる速度で伝搬する２つのビームに分かれる）。複屈折は複屈折としても知られている。複屈折は、これらの２つの直交偏光を分離する能力を提供する働きをすることができ、それによってこのようなデバイスがそれぞれの偏光を独立に操作することを可能にする。例えば偏光を使用して、追加（ａｄｄ）／除去（ｄｒｏｐ）機能を提供し、入射放射をビーム分割し、フィルタにかけることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、幅広いスペクトル領域にわたって横断および入射電磁スペクトルの偏光を制御し、それによって広帯域偏光制御を提供することができるデバイスが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
自体に入射した電磁放射の広帯域部分の少なくとも１つの偏光を生成するのに適した偏光依存デバイスが開示される。このデバイスは、基板と、自体に入射した少なくとも１つの偏光を生成するために基板に実質的に隣接して交互に配置された異なる屈折率の複数の領域とを含む。これらの複数の領域は、電磁放射の広帯域部分の少なくとも１つの偏光に関して、これらの領域に入射した電磁放射の広帯域部分の少なくとも１つの偏光を生成する向きに配置されている。
【０００６】
本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を添付図面とともに検討することによって、本発明の理解は助長されるであろう。図面中、同種の符号は同種の部分を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の明確な理解に関連した要素を例示するために本発明の図および説明は単純化されており、その一方で、平明にするために、一般的なフォトニック（ｐｈｏｔｏｎｉｃ）構成部品に見られる他の多くの要素およびそれらの製造方法が省かれていることを理解されたい。本発明の実現に際しては、他の要素および／またはステップを使用することが望ましく、かつ／またはそれらが必要であることを当業者は理解しよう。しかし、このような要素およびステップは当技術分野ではよく知られており、また本発明のよりよい理解の助けにならないので、本明細書ではこのような要素およびステップについて論じることはしない。本明細書の開示は、当業者に知られているこのような要素および方法に対するこのような全ての変更および修正を対象とする。
【０００８】
本発明の一態様によれば一般に、偏光の制御を使用して電磁波を制御することができる。偏光を使用して電磁波を制御することによって、波長制御技法にしばしば関連した波長依存の負の効果、例えば透過ロールオフ、透過の不均一性、波長に関する透過変動を低減することができる。このような偏光制御は、ナノ構造（ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、ナノ要素（ｎａｎｏｅｌｅｍｅｎｔ）など、これらの電磁波に対応する動作波長に満たない（サブ波長）光学構造を使用して達成することができる。このような偏光制御が例えば可視、赤外などの幅広い波長域にわたることは、この制御の有用性を高める。さらに広帯域は、非限定的な例として波長３００〜１０００ｎｍ、５００〜１１００ｎｍ、５５０〜１０００ｎｍなどの可視スペクトルのサブセットおよび赤外スペクトルのサブセットを含むと定義することができる。さらに広帯域は、非限定的な例として１０００〜１２００ｎｍなどの複数の通信チャネルを含むと定義することができる。さらに広帯域は、当業者によって従来から理解されているように、可視スペクトルまたは赤外スペクトルあるいはその両方のかなりの部分を含むと定義することができる。
【０００９】
次に図１を参照すると、本発明の一態様に基づくデバイス１０が示されている。デバイス１０は一般に、基板１００および基板１００に実質的に隣接して配置されたナノ構造のパターン１５０を含むことができる。ナノ構造パターン１５０は、交互に配置された異なる屈折率の複数の領域２００および２１０を含むことができる。デバイス１０はさらに、基板１００のナノ構造パターン１５０とは反対側に実質的に隣接して配置された層１０５を含むことができる。
【００１０】
基板１００は、光学部品の中で使用するのに適した当業者によって知られている任意の材料の形態をとることができる。基板１００に適した材料には例えば、格子または光学部品製造分野で一般に使用されている材料、例えば、非限定的な例として、ガラス（例えばＢＫ７、Ｑｕａｒｔｚ、Ｚｅｒｏｄｕｒなど）、半導体、ざくろ石などのファラデー磁気光学材料および例えばビスマス、鉄、ガリウム、酸素などの元素を含む材料、ポリカーボネートなどのプラスチックを含むポリマーなどが含まれる。さらに、基板１００は、このような材料を含む複数の層を有する複合基板を含むことができる。基板１００は、例えば１〜１０，０００μｍなど、任意の厚さとすることができる。より具体的には、基板１００の厚さは、非限定的な例として、約１０００μｍ、５００μｍ、２００μｍ、１００μｍ、５０μｍ、２０μｍ、５μｍとすることができる。
【００１１】
ナノ構造パターン１５０は、電磁放射の広帯域部分の少なくとも１つの偏光に関して、自体に入射した電磁放射の広帯域部分のこの少なくとも１つの偏光を生成する向きに配置された複数の領域を含むことができる。
【００１２】
ナノ要素またはサブ波長要素を含むナノ構造パターン１５０は、それぞれが幅Ｗ、高さＨを有する複数の要素を含むことができる。幅Ｗは約１０から５００ｎｍまたは約１５から１８０ｎｍとすることができる。高さＨは約１０から１０００ｎｍまたは約３０から５００ｎｍとすることができる。さらに、当業者には理解されるとおり、これらの要素のこれらの寸法は変動し、チャープ（ｃｈｉｒｐ）し、または次第に小さくなってもよい。
【００１３】
ナノ構造パターン１５０はナノ要素の周期Ｐを有することができる。この周期も実質的に一定でも、または変動しても、またはチャープしてもよい。周期Ｐは約１０ｎｍから１０００ｎｍまたは約３０ｎｍから２００ｎｍとすることができる。図１に示されているように、ナノ構造１５０は、屈折率が交番する領域を形成することができる。図１では例えば、屈折率ｎＦの第１の屈折率材料２００を、屈折率ｎＯの第２の屈折率材料２１０に実質的に隣接して配置することができ、これらはそれぞれ、互いに交番する、相対的に高い屈折率の領域および相対的に低い屈折率の領域を生み出す。Ｗ／Ｐで示されるナノ構造パターン１５０の充填比は、これらの２つの屈折率要素のうち高いほうの要素の屈折率領域の幅と周期全体の比と定義することができる。当業者には理解されるとおり、充填比Ｗ／Ｐがデバイスの動作波長を決定することがある。
【００１４】
第１の屈折率材料２００は、非限定的な例として、アルミニウム、金、銀、銅、これらの材料の合金など、当業者に知られている導電材料の形態をとることができる。第２の屈折率材料２１０は、非限定的な例として、空気、真空または誘電材料の形態をとることができ、この誘電材料には、二酸化シリコン、金属酸化物、金属フッ化物、炭化水素を含む有機ポリマー、無機液体、有機液体、ガラスなどがある。本発明の一態様によれば、第１の屈折率材料２００は第２の屈折率材料２１０よりも高い屈折率を有することができる。補足すると、それぞれが周期Ｐの一部を占める複数の材料２１０、２００が存在することができる。この部分は下の関数によって表すことができる。
【数１】
2006517307.tif 000003
【００１５】
ここで、特性寸法Ｐはデバイスの動作波長よりも小さく、例えば動作波長λは１５５０ｎｍ、Ｐは１０から１０００ｎｍ程度、より具体的には３０から２００ｎｍ程度である。
【００１６】
ナノ構造パターン１５０は基板１００上に成長させても、または付着させてもよい。ナノ構造パターン１５０は、米国特許出願第６０／４９６，１９３号に記載されているサブミクロンスケール（Ｓｕｂ−Ｍｉｃｒｏｎ−Ｓｃａｌｅ）パターニングなどの適当なナノリソグラフィおよび／またはナノ複製（ｒｅｐｌｉｃａｔｉｉｎｇ）プロセスを使用して、基板１００の内部または表面に形成することができる。ナノ構造パターン１５０を生み出す他のプロセスには、非限定的な例として、ホログラフィックリソグラフィ、ステップアンドフラッシュ（ｓｔｅｐ  ａｎｄ  ｆｌａｓｈ）インプリントリソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ、ソフトリソグラフィ、深ＵＶ（ＤＵＶ）フォトリソグラフィ、極端ＵＶ（ＥＵＶ）リソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、イオンビームリソグラフィ、レーザ支援ダイレクトインプリントなどの干渉リソグラフィが含まれる。
【００１７】
本発明の一態様によれば、屈折率の差が大きい複数の材料からなり、屈折率が明確に異なる高屈折率領域と低屈折率領域とを形成する基本的な１次元（１−Ｄ）ナノ構造パターン１５０を、基板１００上にそのように形成することができる。本発明の一態様によれば、屈折率の差が大きい複数の材料から形成された２次元（２−Ｄ）ナノ構造パターン１５０を、基板１００上にそのように形成することができる。
【００１８】
当業者には理解されるように、パターン１５０内のさまざまな要素は、このような方法で、基板１００の内部または表面に複製することができる。このような要素は、例えばストリップ（ｓｔｒｉｐ）、トレンチ（ｔｒｅｎｃｈ）、柱または孔の形態をとることができ、これらはその全てが共通の周期を有し、またはそうでなくてもよく、さまざまな高さおよび幅を有することができる。非限定的な例として、ストリップは例えば長方形の溝の形態をとることができ、あるいは三角形または半円形の溝の形態をとることができる。同様に、基本的に孔とは正反対である柱をパターン形成することができる。このような柱は、いずれの軸でも共通の周期を有するように、あるいは一方または両方の軸の周期が変化するようにパターン形成することができる。柱は、例えば一段高い段、丸くした半円または三角形の形に形成することができる。さらに柱は例えば、一軸ではある円錐曲線、他軸では別の円錐曲線を有するように形成することができる。
【００１９】
デバイス１０の光学的操作性（ｏｐｔｉｃａｌ  ｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ）を提供しまたはこれを高めるため、デバイス１０に層１０５を含めることができる。この層が存在する場合、この層は例えば反射防止コーティングの形態をとることができる。補足すると、層１０５は、全体として反射防止機能を実行する複数の層などの複数の層を含むことができる。このような構成では、層１０５が、それぞれの層が２０ｎｍから２００ｎｍの厚さを有するＳｉＯ２とＨＦＯ２の互層を含むことができる。合計で４つの層を使用することができる。当業者には明白なとおり、このほかの層数を使用してもよい。
【００２０】
当業者には知られているとおり、反射防止コーティング（ＡＲＣ）は、その反射率を低減させ、それによって全体の透過率を増大させるために光学表面に適用された１つまたは複数の誘電または金属薄膜の形態をとることができる。最適な屈折率の単一の４分の１波長コーティングは、１波長の反射を排除することができる。多層コーティングは可視スペクトルにわたって損失を低減させることができる。複数反射防止コーティングの背景をなす着想は、薄膜による２重界面の生成によって２つの反射波が得られることである。これらの波の位相がずれている場合、これらの波は部分的にまたは完全に相殺される。コーティングの厚さが４分の１波長であり、コーティングが、コーティング先のガラスよりも小さい屈折率を有する場合、この２つの反射の位相は１８０度ずれる。ＡＲＣの第１の表面に入射した放射に起因する第１の表面反射がデバイス１０に入射した放射全体の４％、ＡＲＣの第２の表面に入射した放射に起因する第２の反射が、コーティング層によって透過された放射（またはこの例では入射した放射の９６％）の４％であり、位相が１８０度ずれている場合には、当業者には明白なとおり、これらの反射はほぼ完全に相殺される。この例では、第１の反射が入射放射の４％であり、第２の反射が入射放射の９６％の４％であり、それぞれの反射の位相が１８０度ずれている。これらの反射が数値的に等しい場合、反射はそれぞれ完全に相殺されるので、反射は存在しないであろう。実際には、４％と３．８４％（４％の９６％）とは全く同じではないので、わずかな反射が依然として存在することがある。それでも、この例ではＡＲＣが、４％から０．１６％に反射を低減させた。
【００２１】
以上に記載したように構成されたデバイスは、例えば３９０ｎｍから１６００ｎｍの波長範囲にわたる透過において約１００を超える消光比（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ  ｒａｔｉｏ）を提供することができ、例えば３９０ｎｍから１６００ｎｍの波長範囲にわたって、０．５０を超える透過率を有することができる。
【００２２】
次に図２Ａ〜２Ｃを参照すると、図１のデバイス１０の動作を示す本発明の一態様に基づく一組の概略図が示されている。図２Ａには、本発明の一態様に基づく偏光ビームスプリッタの動作が示されている。図２Ａに示されているように、ＴＥおよびＴＭ成分を含む放射をデバイス１０に入射させることができる。これらの２つの成分のうちの一方、例えば図２ＡにＴＭとして示された成分がデバイス１０を透過するようにすることができる。もう一方の成分、例えば図２ＡにＴＥとして示された成分をデバイス１０によって反射させることができる。当業者には知られているとおり、ナノ構造１５０などの平行な導体を利用した偏光ビームスプリッタは、導体の長さに垂直な方向に偏光した放射を透過し、同様に導体の長さに平行な放射を反射する働きをすることができる。
【００２３】
このような偏光器を、ビーム分割、合成、偏光または同種の機能に対して使用することができ、このような偏光器は一連のナノ構造から形成することができる。可視または赤外光などの放射がナノ構造に当たると、その放射の一部は反射され、その一方でナノ構造によって選択的に偏光された部分は通過することができる。このようなナノ構造偏光器は、これらの平行導体の長さに対して垂直に入射した放射波を偏光する。
【００２４】
ナノ構造は高密度とすることができ、偏光、制御または分析される放射の波長よりも短い間隔で配置することができる。したがって、対象放射に関して機能するためには、放射の波長が短いほどナノ構造を高密度にする。当技術分野で知られているように、このことは、このような偏光器を使用して偏光することができる放射のタイプを制限する。この放射の偏光を使用して、例えばスプリッタ、合成器（ｃｏｍｂｉｎｅｒ）の中などで偏光の対象である放射を制御し、例えば物体からまたは物体によって反射された光を調べることによって物体の偏光特性を分析することができる。偏光特性は、物体および表面の物理的および化学的構成に関するかなりの情報の抽出を提供する。したがって偏光ビームスプリッタは、例えば不要な光を反射し、所望の光を通過させる検光子の役目をすることができる。例示的な光学および電気光学偏光器応用には、少し挙げただけでも、レーザ、グレアの低減、反射防止膜、表示の向上および限定された帯域幅可用性の利用が含まれる。例えば「周波数再利用」によって、アンテナは、同じ周波数で隣接するビームを同時に送信することができ、それにもかかわらず、それぞれのビームを異なる方向に偏光することによって、有用なビーム分離を維持することができる。光学、電気通信、光学および電気光学応用ならびにフォトニクスの分野では、より幅広い放射範囲にわたって向上した性能を提供し低コストで製造可能な偏光機能を提供するなどによって、デバイス性能を高め、製造、実装および組立てコストを低減させることが非常に望ましい。例えば、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）に組み込み、または他のフォトニックデバイスと一緒に組み込むことができる改良されたフォトニック構成部品を提供することも望ましい。
【００２５】
図２Ｂには、本発明の一態様に基づく偏光合成器の動作が示されている。図２Ｂに示されているように、主に１つの成分（図２ＢではＴＥとして示されている）を有する放射を、デバイス１０の片面に入射させることができる。もう一方の放射成分（図２ＢではＴＭとして示されている）を、デバイス１０の異なる表面に入射させることができる。本発明の一態様に従って構成されたデバイス１０は、ＴＥ成分を反射し、ＴＭ成分を透過させることができる。これらの成分はデバイス１０の両側から入射したため、デバイス１０のこの異なる反応特性は、図２Ｂに示されているように、これらの２つの成分を１つのビームに合成する働きをする。ナノ構造１５０などの平行導体を利用した偏光合成器は、導体の長さに垂直な方向に偏光された放射を透過し、同様に導体の長さに平行な放射を反射する。
【００２６】
図２Ｃには、本発明の一態様に基づく偏光器の動作が示されている。図２Ｃに示されているように、ＴＥ成分とＴＭ成分の両方を含む放射をデバイス１０に入射させることができる。一方の成分（図２ＣではＴＭとして示されている）はデバイス１０によって透過され、もう一方の成分（図２ＣではＴＥとして示されている）はデバイス１０に吸収される。当業者には知られているとおり、ナノ構造１５０などの平行な導体を利用した偏光器は導体の長さに垂直な方向に偏光された放射を透過する。
【００２７】
次に図３を参照すると、ビームの偏光に関する図１のデバイス１０の反射および透過のシミュレーションが示されている。具体的にはデバイス１０のパラメータは、周期（Ｐ）１００ｍｍ、高さ（Ｈ）１５０  ｎｍ、幅（Ｗ）５０ｎｍのアルミニウムナノ格子を含む。このシミュレーションでは約４５度の角度でデバイス１０に入射させる。図３に示されているとおり、３５０から１６００ｎｍの波長では、８３％を超えるＴＭ成分の透過が達成される。３００から１６００ｎｍの波長では、反射されるＴＥ成分が９８％を超える。さらに、このような広帯域窓では、透過ビームについて消光比は４０ｄＢよりもよい。
【００２８】
次に図４を参照すると、本発明の一態様に基づくデバイスの断面が示されている。
【００２９】
図４に示されているとおりデバイス４００が示されている。デバイス４００は、基板１００、層１０５、複数のナノ要素１５０など、デバイス１０に見られる要素の多くを含むことができ、複数のナノ要素１５０は、屈折率ｎＯの第２の屈折率材料２１０に実質的に隣接して配置された屈折率ｎＦの第１の屈折率材料２００を含み、これらはそれぞれ、互いに交番する相対的に高い屈折率の領域と相対的に低い屈折率の領域を生み出す。デバイス４００はさらに誘電層４１０を有することができる。誘電層４１０は、デバイス４００の少なくとも１つの表面に薄膜層を形成する誘電材料とすることができる。この誘電層は例えば二酸化シリコンの形態をとることができる。誘電層４１０は、図４に示すように、実質的にデバイスの周囲に、または実質的に１つの縁に沿って配置することができる。このように誘電層４１０で覆うことによって、デバイス４１０の信頼性を向上させることができる。誘電層４１０は、１ｎｍから５０ｎｍの範囲の厚さを有することができ、二酸化シリコン、有機ポリマー、窒化シリコン、オキシ窒化シリコン、フッ化マグネシウムおよび金属酸化物を含むことができる。
【００３０】
次に図５を参照すると、本発明の一態様に基づくデバイス５００の断面が示されている。デバイス５００は基板１００、反射防止コーティング１０５、１１０、１４０、薄膜１２０、１３０およびナノ格子１５０を含むことができる。図５に示されているように、これらの層はそれぞれ、先に記載したものとの同様のサンドイッチ構成で、その前の層に実質的に隣接して整列させることができる。基板１００は、自体に実質的に隣接して配置された反射防止コーティング１０５を有することができる。基板１００の反射防止コーティング１０５とは反対側の表面に、反射防止コーティング１１０を配置することができる。コーティング１１０の基板１００とは反対側に実質的に隣接して、薄膜１２０を配置することができる。薄膜１２０に実質的に隣接して、ナノ格子１５０を整列させることができる。
【００３１】
図１に関して先に論じたとおり、基板１００は、光学部品の中で使用するのに適した当業者によって知られている任意の材料の形態をとることができる。
【００３２】
図１に関して先に論じたとおり、ナノ要素またはサブ波長要素を含むナノ構造パターン１５０は、それぞれが幅Ｗ、高さＨを有する複数の要素を含むことができる。当業者には理解されるとおり、これらの要素のこれらの寸法は変動し、またはチャープしてもよい。ナノ構造パターン１５０はナノ要素の周期Ｐを有することができる。この周期も変動し、またはチャープしてもよい。当業者には理解されるように、基板１００の内部または表面に、このような方法で、さまざまなパターンを複製することができる。
【００３３】
デバイス５００に反射防止コーティング１０５、１１０および１４０を含めることができる。補足すると、コーティング１０５、１１０および１４０は、反射防止機能を実行するように設計された複数の層を含むことができる。複数の層を使用でき、一般に複数の層が使用されるが、この議論は、この機能を実行する単一または複数の層に関して層１０５を参照する。
【００３４】
当業者には知られているとおり、反射防止コーティング１０５、１１０、１４０などの反射防止コーティング（ＡＲＣ）は、その反射率を低減させ、それによって全体の透過率を増大させるために光学表面に適用された１つまたは複数の誘電または金属薄膜の形態をとることができる。
【００３５】
薄膜１２０、１３０を利用して例えば、処理中のエッチングストップとすることができる。エッチングストップとして利用される場合には、薄膜１２０および１３０を、半導体製造分野の技術者に知られている特性を含むように設計することができる。具体的には、薄膜１２０および１３０を、エッチングされる材料とは異なるエッチング速度を有する材料を有するように設計することができ、エッチング中の緩衝体とするためにエッチングされる層の下に置くことができる。
【００３６】
次に図６を参照すると、汎用広帯域偏光ビームスプリッタ、偏光合成器および偏光器として使用するのに適したデバイス６００が示されている。デバイス６００は、先の図５のデバイス５００に関して示し論じた要素の多くを含む。デバイス６００はさらに、第１の屈折率材料２００間の領域に組み込まれた充填材料３００を含むことができる。材料３００は例えば低屈折率材料の形態をとることができる。非限定的な例として、材料３００を使用して、デバイス６００の機械的安定性、および例えば屈折率整合によるデバイス６００の光学インタフェーシングを提供することができる。材料３００は、二酸化シリコン、ポリマー材料、誘電機能を実質的に実行することが当業者によって知られている他の材料など、誘電材料の形態をとることができる。充填材料３００は先に論じた導電材料を含むことができる。
【００３７】
非限定的な例として、デバイス６００は、複数、例えば２つの層１１０でコーティングされたガラスなどの基板１００を含むことができ、層１１０は、それぞれが２０ｎｍから３００ｎｍの厚さを有するＨＦＯ２層、ＳｉＯ２層などの反射防止コーティングからなることができる。さらに、層１１０に実質的に隣接して、１０ｎｍから５０ｎｍの厚さを有するＡｌ２Ｏ３などのエッチングストップ層１２０を配置することができる。層１２０の層１１０とは反対側に実質的に隣接してナノ格子１５０を含めることができる。１ｎｍから２０ｎｍの厚さを有するＡｌ２Ｏ３などの保護層１３０がナノ格子１５０を実質的に取り囲むことができる。ナノ格子１５０の交番領域に、要素２００と交互に配置されたＳｉＯ２などの充填材２１０を使用することもできる。ＳｉＯ２などの中間誘電層（図示せず）を使用することもできる。このような層は２０ｎｍから２００ｎｍの厚さで適用することができる。この中間誘電層は、製造プロセス中に、隣接する層を保護することができ、あるいは屈折率整合または当業者に知られている他の特性を提供することができる。このような中間誘電層は、実質的に基板１００とナノ格子１５０の間に基板１００およびナノ格子１５０に隣接して配置することができる。当業者には明らかなとおり、この中間層に対しては適当な他の位置を使用することもできる。先に説明したように、層１３０に実質的に隣接して適当な反射防止コーティング１４０を追加することもできる。同様に、基板１００のコーティング１１０とは反対側に隣接して、反射防止コーティング１０５を配置することができる。
【００３８】
次に図７を参照すると、本発明の一態様に基づくデバイスの画像７００が示されている。図７に示されているように、画像７００には、ガラスを含む基板１００と、基板１００に実質的に隣接して配置され、互いに交番する第１の屈折率材料２００および第２の屈折率材料２１０を含む複数の領域１５０と、複数の領域１５０の基板１００とは反対側に実質的に隣接して配置された薄い誘電層４１０とが示されている。図７に示されているとおり、画像７００は、倍率９１，６５０（９１Ｋ）倍でとられたものであり、約１５０ｎｍの周期を有する複数の領域１５０を示している。
【００３９】
前述の複数の領域１５０は、交互に配置された２つの材料を示し、第１の材料を「Ａ」、第２の材料を「Ｂ」とした場合にＡＢＡＢＡＢ．．．などのパターンを形成するが、他のパターンを形成してもよい。本発明は、複数の領域１５０を形成するパターンの中に他の材料を含むことができる。例えば、ＡＢＣＡＢＣＡＢＣ．．．などのパターンを生み出す交互に配置された３つの材料を使用することができる。さらに、パターンＡＢＣＤＡＢＣＤＡＢＣＤ．．．を生み出す４つの材料を使用することもできる。他の数の材料を使用して、本明細書に記載したパターンを生み出すこともできる。
【００４０】
次に図８を参照すると、本発明の一態様に基づくデバイス８００が示されている。図８に示されているとおり、デバイス８００は、基板１００、エッチングストップ層１２０、複数の領域１５０および反射防止コーティング１０５、１１０を含むことができ、複数の領域１５０は、複数の充填材料８１０、複数の高屈折率材料２００および複数の低屈折率材料２１０を含むことができる。
【００４１】
先に論じたデバイスと同様に、基板１００は、非限定的な例として、ガラス、半導体材料、ファラデー磁気光学材料を含むことができる。反射防止コーティング１０５および１１０は、ＨＦＯ２とＳｉＯ２の互層から形成することができる。同様に、エッチングストップ層１２０、１３０はＨＦＯ２から形成することができ、さらに反射防止コーティングを形成する材料を含むことができる。
【００４２】
複数の領域１５０は、交互に配置された、例えば充填材料８１０、複数の低屈折率材料２１０、複数の高屈折率材料２００などの複数の充填材料８１０、複数の高屈折率材料２００および複数の低屈折率材料２１０を含むことができる。本発明の一態様によれば、充填材料８１０は低屈折率または高屈折率を有することができる。低屈折率を有する充填材料はＳｉＯ２、ならびに空気空隙および真空空隙を含むことができる。高屈折率材料２００は、先に説明したように、金属、金属合金および金属の組合せを含むことができる。高屈折率材料として使用するのに適した金属には、非限定的な例として、アルミニウム、金、クロムを含めることができる。低屈折率材料２１０は、非限定的な例として、ＳｉＯ２、窒化シリコンおよびシリコンを含むことができる。
【００４３】
次に図９を参照すると、本発明の一態様に基づくデバイスの画像９００が示されている。図９に示されているように、画像９００には、ガラスを含む基板１００と、互いに交番する高屈折率材料２００および低屈折率材料２１０を含む複数の領域１５０と、複数の充填材８１０と、エッチングストップ層１２０と、反射防止コーティング１０５、１１０とが示されている。複数の領域１５０は、図示のように基板１００に実質的に隣接して配置することができる。図９に示されているとおり、画像９００は倍率７２，０００倍でとられたものであり、約２００ｎｍの周期を有する複数の領域１５０を示している。
【００４４】
本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく本発明の多くの修正および変更を実現できることを当業者は理解されたい。したがって、添付の請求項およびその等価物の範囲に含まれる限りにおいて、本発明は、本発明の修正および変更をカバーする。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一態様に基づくデバイスの断面を示す図である。
【図２】図２Ａ〜２Ｃは、本発明の諸態様に基づく図１のデバイスの動作を示す図である。
【図３】ビームの偏光に関する図１のデバイスの反射および透過のシミュレーションを示す図である。
【図４】本発明の一態様に基づくデバイスの断面を示す図である。
【図５】本発明の一態様に基づくデバイスの断面を示す図である。
【図６】本発明の一態様に基づくデバイスの断面を示す図である。
【図７】本発明の一態様に基づくデバイスの画像を示す図である。
【図８】本発明の一態様に基づくデバイスを示す図である。
【図９】本発明の一態様に基づくデバイスの画像を示す図である。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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