(57)【要約】放射偏光子、制御器、ならびに放射偏光およびビーム制御の方法を開示する。放射偏光子(10)は、基板(14)と、基板に伝達可能に結合された少なくとも1つの反射防止コーティング層(32)と、少なくとも1つの反射防止コーティング層に伝達可能に結合された少なくとも2つのナノ構造(22)と、少なくとも2つの溝付きの層(20)とを含み、少なくとも2つの溝付きの層のそれぞれが少なくとも2つのナノ構造のうちの対応する1つに貫入されている。この方法は、少なくとも1つの反射防止コーティング層を基板に伝達可能に結合するステップと、少なくとも2つのナノ構造を少なくとも1つの反射防止コーティング層の少なくとも1つに伝達可能に結合するステップと、少なくとも2つのナノ構造のうちの対応する1つに少なくとも2つの溝付きの層をそれぞれ貫入させるステップと、約250nmからほぼマイクロ波の波長未満までの範囲の通過波長を提供するために、少なくとも2つの溝付きの層と少なくとも2つのナノ構造とを結合するステップと、少なくとも2つの溝付きの層と少なくとも2つのナノ構造との結合を通過させることによって、約250nmからほぼマイクロ波の波長未満までの範囲の波長と少なくとも2つの溝付きの層に垂直な電場とを有する放射を検査するステップとを含むことができる。
2006514751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射偏光子であって、
基板と、
前記基板に伝達可能に結合された少なくとも1つの反射防止コーティング層と、
前記少なくとも1つの反射防止コーティング層に伝達可能に結合された少なくとも2つのナノ構造と、
前記少なくとも2つのナノ構造の対応する1つにそれぞれが貫入された、少なくとも2つの溝付きの層とを含み、
前記溝付きの層のそれぞれと、前記ナノ構造の対応する1つとの伝達可能な結合によって放射が偏光され、前記放射が、前記少なくとも2つの溝付きの層に垂直な電場を有し、前記放射が約250nmからほぼマイクロ波の波長未満までの範囲の波長を有する放射偏光子。
【請求項２】
前記溝付きの層のそれぞれが、複数の溝、複数の穴および複数の間隙からなる群から選択される少なくとも1つを含む、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項３】
前記少なくとも1つの基板と、前記少なくとも1つの反射防止コーティングと、前記ナノ構造と、前記溝付きの層との上に形成された少なくとも1つの保護層をさらに含む、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項４】
前記少なくとも1つの基板と、前記少なくとも1つの反射防止コーティングと、前記ナノ構造と、前記溝付きの層との下に形成された少なくとも1つの保護層をさらに含む、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項５】
前記ナノ構造の少なくとも1つが、複数の金属を含む、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項６】
前記ナノ構造の少なくとも1つが、複数の誘電体を含む、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項７】
前記溝付きの層の少なくとも1つが、ナノ構造のうちの対応する1つよりも低い導電性を有する誘電体を含む、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項８】
前記溝付きの層の少なくとも1つが、第1の屈折率を有し、ナノ構造のうちの対応する1つが、前記第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有する、請求項7に記載の放射偏光子。
【請求項９】
前記誘電体が、少なくとも部分的に空気から構成される、請求項7に記載の放射偏光子。
【請求項１０】
前記誘電体が、少なくとも部分的に空気以外の誘電体から構成される、請求項9に記載の放射偏光子。
【請求項１１】
前記ナノ構造のそれぞれが、複数のワイヤ、複数のグレーティング、複数のピラー、および複数の隆起形状からなる群から選択される少なくとも1つを含む、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項１２】
前記複数のナノ構造のそれぞれが互いに平行であり得る、請求項11に記載の放射偏光子。
【請求項１３】
前記少なくとも2つのナノ構造の少なくとも1つを前記基板から分離する少なくとも1つのエッチストップ層をさらに含む、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項１４】
前記ナノ構造のうちの第1の構造が、前記ナノ構造のうちの第2の構造から、少なくとも1つのスペーサ層、少なくとも1つのバッファ層、および少なくとも1つのエッチストップ層からなる群から選択される少なくとも1つによって分離される、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項１５】
前記ナノ構造の少なくとも1つが、それぞれ約50nm〜約250nmの範囲の高さを有する、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項１６】
前記ナノ構造の少なくとも1つがそれぞれ約30nmの範囲の幅を有する、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項１７】
前記ナノ構造が、約97%より大きい透過率および約40dBより大きい消光率を有する、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項１８】
前記ナノ構造が、約0.2mm未満の空間に、180°にわたる有効な偏光分離を含む、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項１９】
前記ナノ構造が、約+/-20°までの受光角を有する、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項２０】
前記ナノ構造のそれぞれが、方形、台形、半円形、卵形、凸閉包形、階段状の形、およびピラーからなる群から選択される少なくとも1つを有する、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項２１】
前記少なくとも2つのナノ構造の少なくとも1つに伝達可能に結合された多層構造の反射防止コーティングをさらに含む、請求項1に記載の放射偏光子。
【請求項２２】
放射偏光子およびビーム制御部の少なくとも一方を提供する方法であって、
少なくとも1つの反射防止コーティング層を基板に伝達可能に結合するステップと、
少なくとも2つのナノ構造を前記少なくとも1つの反射防止コーティング層の少なくとも1つに伝達可能に結合するステップと、
前記少なくとも2つのナノ構造のうちの対応する1つに少なくとも2つの溝付きの層をそれぞれ貫入させるステップと、
約250nmからほぼマイクロ波の波長未満までの範囲の通過波長を提供するために、前記少なくとも2つの溝付きの層と前記少なくとも2つのナノ構造とを結合させるステップと、
前記少なくとも2つの溝付きの層と前記少なくとも2つのナノ構造との前記結合を通過させることによって、約250nmからほぼマイクロ波の波長未満までの範囲の通過波長と前記少なくとも2つの溝付きの層に垂直な電場とを有する放射を検査するステップと
を含む方法。
【請求項２３】
前記少なくとも1つの反射防止コーティングと、前記ナノ構造と、前記溝付きの層との上に少なくとも1つの保護層を提供するステップをさらに含む、請求項22に記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも1つの反射防止コーティングと、前記ナノ構造と、前記溝付きの層との下に少なくとも1つの保護層を提供するステップをさらに含む、請求項22に記載の方法。
【請求項２５】
前記溝付きの層の少なくとも1つを第1の屈折率をもつように構成し、前記ナノ構造のうちの対応する1つを前記第1の屈折率とは異なる第2の屈折率をもつように構成するステップをさらに含む、請求項22に記載の方法。
【請求項２６】
前記構成するステップが、前記溝付きの層の少なくとも1つを空気で部分的に構成するステップを含む、請求項25に記載の方法。
【請求項２７】
前記ナノ構造のそれぞれを互いに平行に向けるステップをさらに含む、請求項22に記載の方法。
【請求項２８】
前記少なくとも2つのナノ構造の少なくとも1つを前記基板から、少なくとも1つのエッチストップ層によって分離するステップをさらに含む、請求項22に記載の方法。
【請求項２９】
前記ナノ構造のうちの第1の構造を前記ナノ構造のうちの第2の構造から、少なくとも1つのスペーサ層、少なくとも1つのバッファ層、および少なくとも1つのエッチストップ層からなる群から選択される少なくとも1つによって分離させるステップをさらに含む請求項22に記載の方法。
【請求項３０】
前記ナノ構造のそれぞれを約50nm〜約250nmの範囲の高さに構成するステップをさらに含む、請求項22に記載の方法。
【請求項３１】
前記ナノ構造のそれぞれを約30nmの範囲の幅に構成するステップをさらに含む、請求項22に記載の方法。
【請求項３２】
前記ナノ構造を約+/-20°までの受光角をもつように構成するステップをさらに含む、請求項22に記載の方法。
【請求項３３】
放射制御器であって、
少なくとも1つの反射防止コーティング層を基板に伝達可能に結合する手段と、
少なくとも2つのナノ構造を前記少なくとも1つの反射防止コーティング層のうちの少なくとも1つに伝達可能に結合する手段であって、前記少なくとも2つのナノ構造のうち少なくとも1つが複数のナノ構造で構成され、複数のナノ構造のそれぞれが、約50nm〜約250nmの範囲の高さと約30nmの範囲の幅を有する手段と、
前記少なくとも2つのナノ構造のうちの対応する1つに少なくとも2つの溝付きの層をそれぞれ貫入させる手段と、
約250nmからほぼマイクロ波の波長未満までの範囲の通過波長を提供するために、前記少なくとも2つの溝付きの層と前記少なくとも2つのナノ構造とを結合する手段と、
約250nmからほぼマイクロ波の波長未満までの範囲の通過波長と前記少なくとも2つの溝付きの層に垂直な電場とを有する放射を検査する手段と
を含む放射制御器。
【請求項３４】
前記溝付きの層の少なくとも1つを第1の屈折率をもつように構成し、前記ナノ構造のうちの対応する1つを前記第1の屈折率とは異なる第2の屈折率をもつように構成する手段をさらに含む請求項33に記載の制御器。
【請求項３５】
前記構成する手段が、前記溝付きの層のうちの前記少なくとも1つを少なくとも部分的に空気で構成する手段を含む、請求項34に記載の制御器。
【請求項３６】
前記ナノ構造のそれぞれを互いに平行に向ける手段をさらに含む、請求項33に記載の制御器。
【請求項３７】
前記少なくとも2つのナノ構造のうちの少なくとも1つを、少なくとも1つのエッチストップ層によって前記基板から分離する手段をさらに含む、請求項33に記載の制御器。
【請求項３８】
前記ナノ構造のうちの第1の構造を前記ナノ構造のうちの第2の構造から、少なくとも1つのスペーサ層、少なくとも1つのバッファ層、および少なくとも1つのエッチストップ層からなる群から選択される少なくとも1つによって分離させる手段をさらに含む、請求項33に記載の制御器。
【請求項３９】
モノリシック光学デバイスであって、光放射と光放射処理層を含み、
前記光放射処理層は、
基板と、
前記基板に伝達可能に結合された少なくとも1つの反射防止コーティング層と、
前記少なくとも1つの反射防止コーティング層に伝達可能に結合された少なくとも2つのナノ構造であって、前記少なくとも2つのナノ構造うちの1つが、約30nmの範囲の幅をそれぞれ有する複数のナノ構造を含む、少なくとも2つのナノ構造と、
前記少なくとも2つのナノ構造のうちの対応する1つにそれぞれ貫入された、少なくとも2つの溝付きの層とを含み、
前記溝付きの層のそれぞれと前記ナノ構造のうちの対応する1つとの伝達可能な結合によって放射が偏光され、前記放射が約250nmからほぼマイクロ波の波長未満までの範囲の波長を有するデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、2002年8月21日出願の「Multilayer Structures for Polarization and Beam Control」という名称の米国特許出願第60/404746号に関連し、その内容を本明細書に全体が記述されているかのように組み込む。
【０００２】
本発明は、一般に広帯域偏光ビームの合成および分離、偏光子、ならびに偏光依存性の合波/分波に関する。より詳細には、本発明は偏光ビームの合成または分離を実行するために使用されるナノ構造、偏光子、ならびに偏光依存性の合波/分波に関する。
【背景技術】
【０００３】
光波は、光波の伝播方向からあらゆる方向に放射される電場ベクトル、つまり複数の山と谷で形成され得る。偏光子は、本質的に、ベクトルの幅の狭い区間、即ち特定の平面内で特定の方向に向いたベクトルのみを通過させるスクリーンであり得る。
【０００４】
偏光子は、ビームの分割、合成、偏光または同様の機能を果たすために使用することができ、ひと続きの極めて薄い導電性の「リボン」でできており、その「リボン」はそれぞれ互いに平行である。これは、ワイヤグリッド偏光子またはグリッド偏光子として知られている。可視光線や赤外線などの放射が偏光子のワイヤグリッドに当たると、その放射の一部は反射されるが、ワイヤグリッド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。このようなワイヤグリッド偏光子は、互いに平行な導体にその長手方向に対して垂直に入射する放射波を偏光させる。
【０００５】
グリッド偏光子のグリッドまたはグレーティングは、1つには、複数の「リボン」を、偏光、制御または分析すべき放射の波長よりも短い間隔で近接して配設する必要があるだけに、密度が高いことがあり得る。したがって、操作すべき放射の波長が短いほど、その放射を操作するために、ワイヤグリッドはそれだけ密度が高くなければならない。当技術分野では周知のように、こうした必要性があるために、このような偏光子を使用して偏光させることのできる放射のタイプには制約があった。例えば、ワイヤグリッド偏光子/ビームスプリッタが、マイクロ波の領域でこれまで使用されてきた。この領域では、波長が長いほどその作成が容易になる。
【０００６】
放射の偏光は、スプリッタまたはコンバイナなどにおいて、その主たる目的である放射制御のために、また、対象から反射された、または対象に反射した光を検査するなどによって、その対象の偏光特性を分析するために使用することができる。偏光特性によって、対象または表面の物理的化学的構成についての重要な情報の取り出しを実現することができる。したがって、偏光ビームスプリッタは、例えば、望ましくない光を反射し所望の光を通過させる分析器として働くことができる。
【０００７】
ごく一部ではあるが名前を挙げると、例示的な光学偏光子および電気-光学偏光子の応用例には、レーザ、グレアの低減、レンズのコーティング、表示装置の改善や、制約のある帯域幅の利用可能性の開発が含まれ得る。例えば、「周波数再利用」の際、アンテナは隣り合うビームを同じ周波数で同時に伝送することがあるが、それでも、各ビームは異なるように偏光され有効に分離される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光学、電気通信、光学的応用および電気-光学的応用、ならびにフォトニクスの分野では放射のより広い範囲にわたって向上した性能を提供し、しかも低コストで製作できる偏光性能を提供するなどによって、デバイスの性能を向上させ、製作、パッケージングおよび組立てコストを削減す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)に組み込むことのできる、または別のフォトニックデバイスと共に集積することができる、改善されたフォトニック構成要素を提供することが望ましいであろう。
【０００９】
したがって、ナノ構造を使用して偏光を行い、それによって低製作コストでより広い放射波長領域にわたって向上した性能を提供する、偏光制御器、システム、デバイスおよび方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、放射偏光子を含むことができる。この放射偏光子は、基板と、基板と伝達可能に結合された少なくとも1つの反射防止コーティング層と、この少なくとも1つの反射防止コーティング層と伝達可能に結合された少なくとも2つのナノ構造と、少なくとも2つの溝付きの層とを含み、少なくとも2つの溝付きの層のそれぞれは、少なくとも2つのナノ構造の対応する1つに貫入している。少なくとも2つの溝付きの層のそれぞれと、少なくとも2つのナノ構造の対応する1つとが伝達可能に結合されると、放射を偏光させることができ、その場合、放射は少なくとも2つの溝付きの層に垂直な電場を有し、その放射は、約250nmからほぼマイクロ波の波長未満までの範囲の波長を有する。
【００１１】
本発明はまた、放射偏光子およびビーム制御部のうち少なくとも1つを提供する方法を含む。この方法は、少なくとも1つの反射防止コーティング層を基板に伝達可能に結合するステップと、少なくとも2つのナノ構造を、少なくとも1つの反射防止コーティング層のうちの少なくとも1つに伝達可能に結合するステップと、少なくとも2つのナノ構造のそれぞれに貫入して少なくとも2つの溝付きの層を設けるステップと、少なくとも2つの溝付きの層と少なくとも2つのナノ構造とを結合して、約250nmからほぼマイクロ波の波長未満までの範囲の通過波長を提供するステップと、少なくとも2つの溝付きの層と、少なくとも2つのナノ構造との結合に放射を通過させることにより、約250nmからほぼマイクロ波の波長未満までの範囲の波長と少なくとも2つの溝付きの層に垂直な電場とを有する放射の検査を可能にするステップとを含む。
【００１２】
したがって、本発明は、光学波長より小さいナノ構造を使用して偏光を行い、それによって低製作コストで、放射の波長のより広い領域にわたって向上された性能を提供する、偏光制御器、システム、デバイスおよび方法を提供するものである。
【００１３】
本発明は、添付の例示的、非限定的図面を参照するとよりよく理解されるであろう。また、図面を通して、本発明の同様の要素には同じ参照番号を付す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の図および記述では、本発明を明確に理解できるように、関連する要素を簡略に示し、明確にするために、典型的な光学装置または電気-光学装置、システムおよび方法に見られる他の多くの要素を省略してあることを理解されたい。当業者であれば、本発明を実施するためには他の要素が望ましいかつ/または必要であることを理解するであろう。しかし、このような要素は、当技術分野では周知であり、こうした要素によって本発明がより理解しやすくなるわけではないので、本明細書では、このような要素については論じない。
【００１５】
図1は、偏光ビームコンバイナ/偏光ビームスプリッタ(「PBC/PBS」)10を示す概略図である。PBC/PBS10は、例えば、反射防止コーティング(ARC)層16がその上に設けられた基板14を含むことができる。さらに、残留層18の下の基板14上に第2の反射防止コーティング(ARC)層16を設けることができる。この構造はさらに、性能を最適化するために、バッファ層またはストップ層40をいくつか含むことができる。ナノ要素または波長より小さい要素を含むナノ構造20および24は、それぞれが幅Wおよび高さHの複数の要素を含むことができる。幅Wは10〜500nm、特に15から180nmとすることができる。高さHは10〜1000nm、特に30から500nmとすることができる。
【００１６】
さらに、当業者には理解されるように、各要素の寸法は変えることができる。ナノ構造20のパターンは、ナノ要素の周期Pを有することができる。この周期も様々な値をとることができる。図1から分かるように、屈折率を交互に使用することができる。図1において、例えば、屈折率がnFである高い屈折率を有する材料を、屈折率がnOであるより低い屈折率を有する材料に実質的に隣接させて配置し、相対的に高い屈折率および低い屈折率が交互に起こる領域を作り出すことができる。ナノ構造20および24のパターンの充填比(W/Pで表す)は、周期内の2つの屈折率要素のうち高い方の要素の屈折率領域の幅と全体の周期の比であると定義することができる。当業者には明らかなように、充填比W/Pによって、ナノ構造20および24のパターンによって規定される、デバイスの動作波長を決めることができる。より高い屈折率の材料は、単に非限定的な例を挙げると、アルミニウム、金、銀、銅、およびこれらの合金など、当業者には周知の材料であってよい。より低い屈折率の材料は、単に非限定的な例を挙げると、空気、真空、あるいは、二酸化ケイ素、金属酸化物、炭化水素を含む有機ポリマーまたはガラスなどの誘電材料とすることができる。完璧を期すため、それぞれが周期P全体の一部を占める、複数の材料であってもよい。
【００１７】
当業者には理解できるように、このようにして基板14の上または内部に様々なパターンを複製することができる。このようなパターンは、例えば、ストリップ状、溝状、ピラー状または穴状の形をとることができ、これらはすべて共通の周期をもっていてもなくてもよく、また様々な高さと幅のものであってよい。ストリップは、単に非限定的な例を挙げると、例えば方形の溝、あるいは三角形または半円形の溝でよい。同様に、基本的には穴状のものと逆であるピラーをパターン化することもできる。このようなピラーは、どちらかの軸方向に共通の周期で、あるいは一方または双方の軸方向に周期を変えてパターン化することができる。例えば、ピラーは階段状の形、丸みを付けた半円形、または三角形の形をとることができる。ピラーはまた、例えば、ある軸方向に1つの円錐形、別の軸方向に別の円錐形という形をとることもできる。ナノ構造は、接着層28に接していてよい。反射防止および保護のためのオーバーコート26を1つまたは複数のナノ構造20または接着層24の上に設けることができる。
【００１８】
図2は、PBC/PBS10の実施形態をより具体的に示す概略図である。図2のPBC/PBS10は、間に複数の溝20を含む所定のパターンの複数のナノ構造22、および少なくとも1つの基板14を含むことができる。図2のPBC/PBS10はまた、バッファ層、あるいは、エッチストップ層32、34および40、反射防止コーティング(ARC)層16、スペーサ層32、およびオーバーコート/保護層26を含むことができ、それらによって、例えば本発明の構造が補強され、本発明のいくつかの層が保護され、本発明の目的にかなった反射の効果を得ることができる。本発明では、反射防止コーティング(ARC)層とナノ構造の結合を提供することによって、本発明の性能を最適化し、またその構造全体を最適化することができる。
【００１９】
図2のPBC/PBS10は、例えば、基板など、ナノ構造より導電性が低い溝20の上または間にナノ要素22を配置することによって形成することができる。例えば、金属グリッドの形などをとる、2つ以上のナノ構造24aおよび24bの層は、少なくとも部分的に空気または任意の誘電体によって囲まれていてよい。そうすることによって、本発明は、偏光の制御やビームの経路制御などのために、例えばナノ構造を誘電体の媒体に部分的にまたは全体的に浸漬させることができる。1つまたは複数のナノ構造24aおよび24bを使用することによって、電場がナノ構造に垂直な、透過された波を複数の層の中で偏光させることができる。それにより、例えば約250nmより大きい波長の可視放射、近赤外線放射または赤外線放射などに対し、広い角度にある帯域幅、および広いスペクトル帯域幅を提供することができる。
【００２０】
例えば、ナノ構造22は、長さがX1、上にナノ構造が形成されているベース層からの高さがh1とすることができ、上にナノ構造が形成されるベース層に沿って延びることができる。ナノ構造22は、偏光に適したどんな構造でもよく、例えば、それだけに限らないが、基板に沿って形成されたワイヤまたはグレーティング、基板から上に延びるピラー、または基板上で溝の間に介在させ、所定のパターンで上に延びる1つまたは複数の一連の形状がある。本発明の一実施形態では、各ナノ構造22は、互いに平行とすることができる。本発明の一実施形態では、各ナノ構造22は、実質的に互いに非平行な所定のパターンとすることができる。ナノ構造22は、例えば、金属、Siなどの誘電体、または他の適切な材料などの導体で形成することができる。ナノ構造22は、屈折率nM、および次式の有効屈折率を有することができる。
【００２１】
【数１】
2006514751.tif 000003
【００２２】
溝20は、ナノ構造22の間またはそれに囲まれた形で、望ましい偏光および制御を行うのに適した所定のパターンで形成することができる。溝20はその内部に、いくつかの材料、例えば、各溝20が隣接するナノ構造22よりも低い導電性を有する、空気または他の誘電体などの材料の組合せを有することができる。ナノ構造20のパターンは、ナノ要素の周期Pを有することができる。この周期も様々な値をとることができる。図1から分かるように、屈折率を交互に使用することができる。図1では、例えば、屈折率がnFである高い屈折率を有する材料を、屈折率がnOであるより低い屈折率を有する材料に実質的に隣接させて配置し、相対的に高い屈折率および低い屈折率が交互に起こる領域を作り出すことができる。ナノ構造20のパターンの充填比(W/Pで表す)は、周期内の2つの屈折率要素のうち高い方の要素の屈折率領域の幅と全体の周期の比であると定義することができる。当業者には明らかなように、充填比W/Pによってナノ構造20のパターンで規定される、デバイスの動作波長を決めることができる。さらに、本発明の一実施形態では、各溝20内の材料は、隣接するナノ構造22の材料の屈折率とは異なる屈折率でよく、そうすることによって、溝内の材料およびその充填比が、溝とナノ構造の組合せの動作波長を制御するファクタとなる。図2に示すように、本発明の動作の周期は、ナノ構造22のうちの1つの長さX1およびそれに対応する溝20のうちの1つの長さの関数である。溝20は、さらに、例えばスペーサまたはバッファとしても働くことができる。
【００２３】
少なくとも1つの基板14が、本発明の装置をその上に構成するためのベースを提供することができる。基板14は、当業者には明らかなように、その上に本発明の構造を組み立てるのに適したどんな基板でもよい。
【００２４】
図2に示す実施形態では、基板14の上に、ナノ構造と溝からなる2つの層24aおよび24b(本明細書では「機能層」と呼ぶ)を提供することができる。本発明の開示に照らして当業者には明らかなように、本発明では、複数の機能層24aおよび24bを互いに積み重ねて作成することができる。各機能層は、その内部に所定のナノ構造/溝パターンを有し、その所定のパターンは、デバイスの所期の動作を行うために、別の1つまたは複数の機能層内の1つまたは複数のパターンに対応していてよい。これらの機能層のうち第1の層24aは、例えば、1つまたは複数の反射防止コーティング(ARC)層、1つまたは複数のバッファ層、および1つまたは複数のエッチストップ層40によって基板から分離させることができる。機能層のうち第1の層24aは、例えば、1つまたは複数のスペーサ層、バッファ層、およびエッチストップ層によって機能層のうちの第2の層24bから分離させることができる。本発明で使用するエッチストップ層40によって、機能層が保護され、さらに本発明の層上に作成するナノ構造を形成する際の制御性を向上することができる。当業者には明らかなように、特定の機能層の上にスペーサ層またはエッチストップ層などの追加の層を作成する前に溝付きの層を充填することができる。
【００２５】
図2に示すデバイスの実施形態では、ナノ構造22は、例えば、長さX1が約30nm、高さh1が約50nm〜約250nmの範囲とすることができる。具体的には、複数の層のそれぞれの高さは、約250nm未満とすることができる。複数の層が形成される一実施形態では、複数の層の存在を可能にするために各機能層の高さを低くすることができる。複数の層のそれぞれの高さは一貫したものでもよいし、複数の層のそれぞれの高さにばらつきがあってもよい。本明細書に提供する例示的実施形態で提供されるような長さおよび高さにすると、以前に知られているPBC/PBSに比べ、極めて短い奥行きを提供することができる。例えば、本発明では奥行きを約50nm〜約500nmの範囲とすることができる。このような例示的一実施形態では、周期が例えば約100nm〜約300nmの範囲にある場合、ナノ構造22の幅を、例えば約5nm〜約50nmの範囲とすることができる。
【００２６】
図2に示す偏光子10は、約97%より高い例示的透過率および約40dBより高い消光率を有することができる。さらに、例えば、図2に示すPBSによると、約97%より高い透過率で約0.2mm以下の間隔内で180°にわたり効果的な偏光分離を行うことができる。加えて、例えば、図2に示すPBSによると、約0.1dBの損失があり得る。
【００２７】
図2に示すような本発明によるデバイス10は、約+/-20°までの広い受光角および大きい破損閾値を呈示することができる。このようなデバイスは、例えば、厚さが約0.2、0.5または1.0mm、容積が約1.0mm2〜1000mm2の範囲とすることができる。このようなデバイスは、ファイバ増幅器、アイソレータ、サーキュレータ、光学スイッチ、電気-光学系での応用例に、また例えば、偏光を必要とする光学処理の応用例に使用することができる。偏光光学系は、偏光が色の一致および光束の効率の鍵となる液晶表示装置などの表示装置のシステム設計の根底をなすものである。
【００２８】
ナノ構造20は、基板14の上に成長または堆積させることができる。ナノ構造20は、リソグラフィックプロセスなど任意の適切な複製プロセスを使用して基板14の中または上に形成することができる。例えば、開示の全体を本明細書にその全体が記述されているかのように組み込む、「NANOIMPRINT LITHOGRAPHY」という名称の米国特許第5772905号の開示内容に基づくナノインプリントリソグラフィを効果的に使用することができる。この米国特許は、表面に塗布された薄膜にパターン化されたナノ構造の形成方法を教示している。ただ完璧を期すために概要を述べると、少なくとも1つの突き出したフィーチャを有する金型を基板に塗布された薄膜に押し付ける方法が記載されている。金型のこの少なくとも1つの突き出したフィーチャによって、薄膜内に少なくとも1つの対応する凹部が形成される。複製の後、金型を薄膜から取り去り、その薄膜が少なくとも1つの凹部内から取り除かれるように処理することができ、それによって下層のパターンまたは1組のデバイスを形成する際に使用することのできるマスクを露出させることができる。すなわち、金型のパターンを薄膜に複製し、次いで、薄膜に複製されたパターンを当業者には周知の方法、例えば反応性イオンエッチング(RIE)またはプラズマエッチングを使用して基板に転写する。勿論、例えば、基板の操作可能な表面の内部または上部に適切な構造を形成することのできる任意の適切な方法、例えば、単に非限定的な例を挙げると、フォトリソグラフィ、ホログラフィックリソグラフィ、Eビームリソグラフィなどの方法も利用することができる。例えば、基板は二酸化ケイ素で形成することができ、ナノ構造はシリコンの薄膜で形成することができる。
【００２９】
本発明の一態様によれば、好ましくは高いコントラストを示す屈折率の複数の材料で形成され、屈折率が明確に異なる高い屈折率の領域および低い屈折率の領域を含む、下層のナノ構造の1次元(1-D)パターンをそのように基板上に形成することができる。本発明の一態様によれば、好ましくは高いコントラストを示す屈折率の複数の材料で形成された、ナノ構造の2次元(2-D)パターンをそのように基板上に形成することができる。
【００３０】
当業者には理解されるように、図3に示す技術を使用してデバイス内に様々なパターンを複製することができる。こうしたパターンは、様々な光学機能、電気-光学機能およびフォトニック機能を提供することができる。このようなパターンは、例えば、穴状、ストリップ状、溝状またはピラー状の形をとることができ、これらはすべて共通の周期を持っていてもいなくてもよく、それぞれ高さおよび幅が違っていてもよい。例えば、本発明の偏光子の実施形態では、ナノ構造は方形、台形、卵形、凸閉包形、または境界内にあるナノ構造の任意の2つの境界点を結ぶ線上の任意の点がその上にくる形状のものでもよい。
【００３１】
ナノ構造のパターンは、例えば方形、あるいは三角形または半円形の形とすることができる。同様に、基本的に穴状とは逆の形のピラーをナノ構造としてパターン化することもできる。ピラーは、双方の軸方向に共通の周期で、あるいは一方または双方の軸方向の周期を変えてパターン化することができる。例えば、ピラーは階段状の形、丸みを付けた半円形、または三角形の形をとることができる。ピラーはまた、1つの軸方向に1つの円錐形、別の軸方向に別の円錐形という形をとることもできる。
【００３２】
したがって、デバイス上にパターン化されるナノ構造は、パターンを適用して実現できる、事実上どんな要素として機能することもできる。例えば、偏光子、偏光ビームスプリッタ、偏光ビームコンバイナ、狭帯域フィルタ、擬似複屈折波長板、広帯域偏光反射器、レンズ、または波長可変フィルタがある。
【００３３】
これまで教示したように、こうしたナノ構造の例示的使用法には、偏光子またはPBC/PBS内などの偏光管理がある。例えば、ナノ構造は、グリッドまたはグレーティングのタイプのデバイスとしてパターン化することができる。当業者には周知のように、放射の波長がグリッドの間隔よりもはるかに大きい場合、グリッド構造は、グリッド線またはグレーティング線に垂直に振動する電場ベクトルの放射を透過させ、平行な放射を反射する。このプロセスによって波長より小さいナノ構造の形成が可能となるため、偏光による選択的なビーム制御や経路制御などの偏光管理を達成することができる。例えば、デバイスがレーザで、複製パターンが偏光子に対応し、複製する表面がレーザのファセットであり、その偏光子がレーザ波長に高反射率を有する場合、単一の偏光でレーザ発振するレーザを実現することができる。
【００３４】
ナノ構造の別の実例となる使用法には、例えば、狭帯域フィルタまたは波長可変フィルタとしての波長管理がある。ナノ構造は、例えばグリッドの形をとることができる。このようなグリッドの間隔を利用したフィルタがうまく機能することは当業者には周知である。例えば、望ましい結果を達成するために、共鳴効果を使用することができ、また厚さ、波長および入射角を変えることができる。例示的な一実施形態では、例えば、前向きおよび後ろ向きに伝播するゼロ次波のみを通すように設計されたエネルギー効率のよいフィルタを生成することができる。共鳴時に、前向きに伝播するゼロ次波の回析効率はゼロに近づき、後ろ向きに伝播する波の回析効率は1に近づく。この原理に従うことによって、例えば、別のフォトニックデバイスに高効率、狭帯域、および小サイズのフィルタを適用することができる。
【００３５】
図4は、例えば、PBC/PBSの実施形態に関して、図2および図3で実施した、本発明による複数機能層構造の性能を示すグラフである。例示した実施形態は2つの機能層を含む。ワイヤグリッドなどのナノ構造に沿って偏光された電磁的主成分を含む場の角反射が示されている。s偏光およびp偏光(透過された電場TEおよび透過された磁場TMに関係する)の両方の反射が示されている。
【００３６】
図5は、PBC/PBSの実施形態に関する、本発明による複数機能層構造の性能を示すグラフである。例示した実施形態は2つの機能層を含む。ワイヤグリッドなどのナノ構造に垂直に偏光された電磁的成分を含む場の角反射が示されている。s偏光およびp偏光の両方の反射が示されている。
【００３７】
図6は、PBC/PBSの実施形態に関する、本発明による複数機能層構造の性能を示すグラフである。例示した実施形態は2つの機能層を含む。ワイヤグリッドなどのナノ構造に関するTE場のスペクトル反射およびTM場の透過が示されている。図6では、複数の層を使用したことによる互いに異なる帯域の構造が明らかに分かる。
【００３８】
図7は、PBC/PBSの実施形態に関する、本発明による複数機能層構造の性能を示すグラフである。ワイヤグリッドなどのナノ構造に関するTM場のスペクトルの反射消光率およびTE場の透過が示されている。図7では、複数の層を使用したことによる互いに異なる帯域の構造が明らかに分かる。本明細書の開示から当業者には明らかなように、図7に示す実施形態の反射消光率は、多層の反射防止コーティング(ARC)を使用することによってさらに改善され得る。
【００３９】
図8A、図８Bおよび図８Cは、入射角が5.0°の条件で、波長が1550nmでのs場の本発明の絶対効率を示すグラフである。図8A、図８Bおよび図８Cに示す実施形態でナノ構造に使用する材料はシリカおよび金である。
【００４０】
図9A、図９B、図９Cおよび図９Dは、図1のPBC/PBS構造のいくつかの例示的実施形態を示す。PBC-1に関する図9Aを参照すると、図1の基本的構造を、オーバーコート26を含むように変更してもよく、また含めなくてもよい。また例えば、残留層「(R)」18を反射防止コーティング(ARC)-2層の上部に延ばすこともできる。次いで、PBC-2/PBC-3に関する図9Bを参照すると、HfO2またはAl2O3などのエッチストップ層40を追加して図1の構造を変更することができる。反射防止コーティング(ARC)層16の反射防止コーティング(ARC)2を反射防止コーティング(ARC)層の反射防止コーティング(ARC)1と違ったものにすることもできる。図9Aおよび図９Bのデバイスは、機能的なナノ構造を反射防止コーティング(ARC)2層およびオーバーコート/反射防止コーティング(ARC)3層と結合することによって最適化することができる。次いで、PBC-4に関する図9のCを参照すると、反射防止コーティング(ARC)2層ではなくバッファ層およびエッチストップ層40を使用することによって図1の基本的構造を変更することができる。
【００４１】
図10は、図9A〜図９Dに示すいくつかの例示的構造のTM場の透過スペクトル性能を比較したグラフである。図10を参照すると、「T(xY)」は、図9A〜図９Dに示すPBC-x(ただし、x=1、2、3、4および5)に関する、ある特定の変化「Y」のTM場の透過率を意味する。
【００４２】
本発明のデバイスおよび方法は1つまたは複数の光学デバイスに、例えば、性能を向上させ、製作コストを下げるために組み込むことができる。このようなデバイスは、例えば、可同調モノリシックレーザデバイスのようなモノリシックレーザデバイスなどのモノリシックデバイスを含むことができる。本発明を使用するのに適した他のデバイスは、本明細書の開示に照らして当業者には明らかであろう。
【００４３】
当業者であれば、本発明の様々な修正および変更を本発明の精神または特許請求の範囲から逸脱することなく実施することができることが理解できるであろう。したがって、こうした修正および変更が添付の特許請求の範囲およびその相当物に含まれるならば、本発明はその修正および変更を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】偏光ビームコンバイナ/偏光ビームスプリッタ(「PBC/PBS」)を示す概略図である。
【図２】PBC/PBSの実施形態をより具体的に示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態を形成する方法を示す流れ図である。
【図４】本発明による複数機能層構造の性能を示すグラフである。
【図５】本発明による複数機能層構造の性能を示すグラフである。
【図６】本発明による複数機能層構造の性能を示すグラフである。
【図７】本発明による複数機能層構造の性能を示すグラフである。
【図８Ａ】入射角が5.0°の条件で、波長が1550nmでのs場の偏光の本発明の絶対効率を示すグラフである。
【図８Ｂ】入射角が5.0°の条件で、波長が1550nmでのs場の偏光の本発明の絶対効率を示すグラフである。
【図８Ｃ】入射角が5.0°の条件で、波長が1550nmでのs場の偏光の本発明の絶対効率を示すグラフである。
【図９Ａ】図1のPBC/PBS構造の１つの例示的実施形態を示す図である。
【図９Ｂ】図1のPBC/PBS構造の１つの例示的実施形態を示す図である。
【図９Ｃ】図1のPBC/PBS構造の１つの例示的実施形態を示す図である。
【図９Ｄ】図1のPBC/PBS構造の１つの例示的実施形態を示す図である。
【図１０】図9A〜図９Dに示す一部の例示的構造のTM場の透過スペクトル性能の比較を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
10…偏光ビームコンバイナ/偏光ビームスプリッタ（PBC/PBS）、デバイス、偏光子、14…基板、16…反射防止コーティング(ARC)層、18…残留層、20…溝、ナノ構造、22…ナノ構造、ナノ要素、24…接着層、ナノ構造、24a…ナノ構造、機能層、24b…ナノ構造、
層、26…オーバーコート/保護層、28…接着層、32、34、40…エッチストップ層
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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