(57)【要約】【課題】  小型かつ簡単な構成の電磁波波長変換素子、前記電磁波波長変換素子を用いた波長分割多重光通信システム、波長可変光源および光発電システム、ならびに電磁波波長変換素子の製造方法を提供する。【解決手段】  入射電磁波２０２をエバネッセント波２０４に変換するエバネッセント波変換手段４０１と、  エバネッセント波２０４を表面プラズモンポラリトン２０５に変換する表面プラズモンポラリトン変換手段４０１と、  表面プラズモンポラリトン２０５の周波数を変調する表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０と、  周波数変調手段４１０により周波数変調された表面プラズモンポラリトン２０５に結合したエバネッセント波２０６を出射電磁波２０８に変換する出射電磁波変換手段４０２とを有することを特徴とする波長変換素子１。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体と正誘電体との積層構造を有し、
前記正誘電体は、前記半導体の表面に直接接触しており、
電圧印加状態または電圧非印加状態の前記半導体が、前記正誘電体との界面近傍に電子蓄積層を有し、
前記積層構造の一端に、電磁波入射領域が形成され、
前記積層構造の他端に、電磁波出射領域が形成され、
前記電子蓄積層は、その層平面に沿って、表面プラズモンポラリトンを前記電磁波入射領域から前記電磁波出射領域まで伝搬する層であり、
前記電子蓄積層において、前記電磁波入射領域と前記電磁波出射領域との間に、表面プラズモンポラリトン周波数変調領域が形成され、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域は、前記電磁波入射領域側から前記電磁波出射領域側に向かって変化する電子密度を有し、
前記電磁波入射領域に入射した入射電磁波を、前記電磁波入射領域の前記電子蓄積層内でエバネッセント波に変換し、さらに、表面プラズモンポラリトンに変換し、
前記表面プラズモンポラリトンの周波数を、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域の前記電子密度変化により変調し、
周波数が変調された前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を、前記電磁波出射領域において出射電磁波に変換し、前記入射電磁波から前記出射電磁波への波長変換を行うことを特徴とする電磁波波長変換素子。
【請求項２】
前記半導体が、ｎ型半導体とｐ型半導体との積層構造を有し、
前記ｐ型半導体は、前記ｎ型半導体の表面に直接接触しており、
前記正誘電体は、絶縁体であり、かつ、前記ｐ型半導体の表面に直接接触していることを特徴とする請求項１記載の電磁波波長変換素子。
【請求項３】
前記半導体が、真性半導体であり、
前記正誘電体が、ｎ型半導体であり、
さらに、金属または絶縁体を含み、
前記金属または絶縁体が、前記ｎ型半導体を挟んで前記真性半導体と反対側に設けられており、かつ、前記ｎ型半導体の表面に直接接触していることを特徴とする請求項１または２記載の電磁波波長変換素子。
【請求項４】
前記正誘電体に代えて、金属を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項５】
前記電磁波入射領域における前記半導体が、第１の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第１の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記正誘電体は、前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸表面に直接接触していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項６】
前記電磁波入射領域が、前記積層構造に代えて、第１の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第１の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記第１の凹凸繰り返し構造により、前記入射電磁波をエバネッセント波に変換するとともに、前記エバネッセント波を伝搬し、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域において、前記エバネッセント波を表面プラズモンポラリトンに変換することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項７】
前記電磁波出射領域における前記半導体が、第２の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第２の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記正誘電体は、前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸表面に直接接触していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項８】
前記電磁波出射領域が、前記積層構造に代えて、第２の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第２の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記第２の凹凸繰り返し構造が、前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を伝搬可能であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項９】
さらに、電磁波透過性部材を有し、
前記電磁波透過性部材は、前記電磁波入射領域において前記半導体または前記正誘電体に接触するように配置され、
前記電磁波透過性部材から入射した光を、前記電磁波透過性部材と前記半導体または前記正誘電体との界面で全反射させることを特徴とする請求項１から４、７および８のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項１０】
入射電磁波をエバネッセント波に変換するエバネッセント波変換手段と、
前記エバネッセント波を表面プラズモンポラリトンに変換する表面プラズモンポラリトン変換手段と、
前記表面プラズモンポラリトンの周波数を変調する表面プラズモンポラリトン周波数変調手段と、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段により周波数変調された前記表面プラズモンポラリトンを出射電磁波に変換する出射電磁波変換手段とを有し、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段および前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段が、正誘電体と負誘電体との積層構造を有し、前記正誘電体と前記負誘電体との界面を表面プラズモンポラリトンが伝搬することを特徴とする電磁波波長変換素子。
【請求項１１】
前記エバネッセント波変換手段が、単一波数の入射電磁波を、複数の波数のエバネッセント波に変換し、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段が、前記複数の波数のエバネッセント波の中から、前記表面プラズモンポラリトン変換手段を伝搬しうる表面プラズモンポラリトンの波数と整合する波数のエバネッセント波を前記表面プラズモンポラリトンに変換することを特徴とする請求項１０記載の電磁波波長変換素子。
【請求項１２】
前記表面プラズモンポラリトン変換手段および前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段が、半導体と正誘電体との積層構造を有し、
前記正誘電体は、前記半導体の表面に直接接触しており、
電圧印加状態または電圧非印加状態の前記半導体が、前記正誘電体との界面近傍に電子蓄積層を有し、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変換手段における前記電子蓄積層は、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって変化する電子密度を有することを特徴とする請求項１０または１１記載の電磁波波長変換素子。
【請求項１３】
前記エバネッセント波変換手段が、第１の凹凸繰り返し構造から形成され、
前記第１の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられていることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項１４】
前記出射電磁波変換手段が、複数の異なる波数の表面プラズモンポラリトンを、前記表面プラズモンポラリトンの波数と整合する波数の出射電磁波に変換可能であることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項１５】
前記出射電磁波変換手段が、第２の凹凸繰り返し構造を含み、
前記第２の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられていることを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項１６】
前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が規則的であることを特徴とする請求項５から８、１３および１５のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項１７】
前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造の両方を有し、
前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が、均一であり、
前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が、均一であり、
前記第１の凹凸繰り返し構造と前記第２の凹凸繰り返し構造とは、前記凹凸の寸法および配置間隔の少なくとも一方が異なることを特徴とする請求項１６記載の電磁波波長変換素子。
【請求項１８】
前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が不規則であることを特徴とする請求項５、６および１３のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項１９】
前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が不規則であることを特徴とする請求項７、８、１５および１８のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項２０】
前記電磁波波長変換素子の使用時における前記正誘電体と前記負誘電体との界面の電子密度または前記電子蓄積層の電子密度が、１×１０２１ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１から１９のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項２１】
前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面に平行な平面を有することを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項２２】
前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面から傾斜し、かつ電磁波入射側から電磁波出射側への方向に平行な平面を有することを特徴とする請求項１から２１のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項２３】
前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面に垂直であり、かつ電磁波入射側から電磁波出射側への方向に平行な平面を有することを特徴とする請求項１から２２のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項２４】
前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記電磁波波長変換素子の電磁波入射側から電磁波出射側まで連続していることを特徴とする請求項１から２３のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項２５】
さらに、電圧印加手段を有し、
前記電圧印加手段への電圧印加により、前記電子蓄積層の少なくとも一部、または前記正誘電体と前記負誘電体との界面の少なくとも一部の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項１から２４のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項２６】
前記電圧印加手段が、電極であることを特徴とする請求項２５記載の電磁波波長変換素子。
【請求項２７】
前記電圧印加手段により、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２５または２６記載の電磁波波長変換素子。
【請求項２８】
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段が、前記正誘電体と前記負誘電体との界面において、電磁波入射側から電磁波出射側へ向かって変化する電子密度変化を有し、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段への電圧印加により、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２５または２６記載の電磁波波長変換素子。
【請求項２９】
前記電磁波入射領域への電圧印加により、前記エバネッセント波の波数と前記表面プラズモンポラリトンの波数が整合するように、前記電磁波入射領域における前記電子蓄積層の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２５から２７のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項３０】
前記表面プラズモンポラリトン変換手段への電圧印加により、前記エバネッセント波の波数と前記表面プラズモンポラリトンとの波数が整合するように、前記表面プラズモンポラリトン変換手段における前記正誘電体と前記負誘電体との界面の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２５から２８のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項３１】
前記第２の凹凸繰り返し構造への電圧印加により、前記第２の凹凸繰り返し構造に入射する表面プラズモンポラリトンの波数と、前記第２の凹凸繰り返し構造におけるエバネッセント波の波数が整合するように、前記第２の凹凸繰り返し構造における前記電子蓄積層の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２５から３０のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項３２】
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段への電圧印加により、前記出射電磁波変換手段に入射する表面プラズモンポラリトンの波数と前記エバネッセント波の波数とが整合するように、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段における前記正誘電体と前記負誘電体との界面の電子密度を変化させることが可能であることを特徴とする請求項２５、２６、２８、３０および３１のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子。
【請求項３３】
単一波長の光を発する半導体発光素子と、前記半導体発光素子からの出射光を分波する光分波器と、前記光分波器から発する光を複数の異なる波長の出射光に変換可能な請求項１から３２のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子とを有することを特徴とする波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＷＤＭ）光通信システム。
【請求項３４】
前記半導体発光素子、前記電磁波波長変換素子、および前記光分波器が、同一半導体基板上に集積されていることを特徴とする請求項３３記載の波長分割多重光通信システム。
【請求項３５】
請求項１から３２のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子と、集積光源とが、同一半導体基板上に集積されていることを特徴とする波長可変光源。
【請求項３６】
前記集積光源は、分布帰還型（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｌａｓｅｒ，ＤＦＢ）レーザまたは分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ，ＤＢＲ）レーザであることを特徴とする請求項３５記載の波長可変光源。
【請求項３７】
前記集積光源が、電界吸収型変調器集積光源であり、変調器集積波長可変光源として用いられることを特徴とする請求項３５記載の波長可変光源。
【請求項３８】
請求項１から３２のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子と、前記電磁波波長変換素子からの出射光を起電力に変換する光起電力発生装置とを有することを特徴とする光発電システム。
【請求項３９】
前記電磁波波長変換素子と、前記光起電力発生装置とが、同一半導体基板上に集積されていることを特徴とする請求項３８記載の光発電システム。
【請求項４０】
前記エバネッセント波変換手段を形成するエバネッセント波変換手段形成工程と、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段を形成する前記表面プラズモンポラリトン変換手段形成工程と、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段を形成する表面プラズモンポラリトン周波数変調手段形成工程と、
前記出射電磁波変換手段を形成する出射電磁波変換手段形成工程とを有することを特徴とする、請求項１０から３２のいずれか一項に記載の電磁波波長変換素子の製造方法。
【請求項４１】
半導体を形成する半導体形成工程と、
前記半導体表面に直接接触する正誘電体を形成する正誘電体形成工程とを含むことを特徴とする電磁波波長変換素子の製造方法。
【請求項４２】
さらに、前記半導体表面の電磁波入射側に、第１の凹凸繰り返し構造を形成する第１の凹凸繰り返し構造形成工程を含み、
前記第１の凹凸繰り返し構造形成工程において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられるように前記第１の凹凸繰り返し構造を形成し、
前記正誘電体形成工程において、前記半導体の、前記第１の凹凸繰り返し構造形成側の表面に直接接触するように前記正誘電体を形成することを特徴とする請求項４１記載の製造方法。
【請求項４３】
さらに、前記半導体表面の電磁波出射側に、第２の凹凸繰り返し構造を形成する第２の凹凸繰り返し構造形成工程を含み、
前記第２の凹凸繰り返し構造形成工程において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられるように前記第２の凹凸繰り返し構造を形成し、
前記正誘電体形成工程において、前記半導体の、前記第２の凹凸繰り返し構造形成側の表面に直接接触するように前記正誘電体を形成することを特徴とする請求項４１または４２記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学装置においては、半導体レーザ等の半導体発光素子がよく用いられる。半導体発光素子は、小型で発光効率に優れる等の利点があるためである。
【０００３】
半導体素子が発光または吸収する波長、および前記波長に相当するエネルギー差は、半導体材料の組成、構造等に起因したバンドギャップに依存する。したがって、半導体発光素子の波長を所定の値とするためには、前記半導体発光素子を形成する半導体材料のバンドギャップが、前記所定の波長に対応する値となるように前記半導体材料を設計すれば良い。しかし、実際には、使用できる材料、製造方法等には制限があるため、半導体材料のバンドギャップを任意に制御することは困難を伴う。このため、半導体発光素子において、発光波長を自在に調節することは難しい。また、半導体発光素子に限らず、発光素子の発光波長は材料に依存するために、発光素子自体で任意の発光波長を得ることは困難である。そこで、必要とする任意の波長の光を得るために、波長変換素子が用いられる。
【０００４】
現在知られている波長変換素子は、主に電気駆動型と全光型に分けられる。
【０００５】
電気駆動型の波長変換素子には、例えば、音響光学効果で生成されたブラッグ格子により周波数をシフトさせるもの、および、電気光学効果により単側波帯（サイドバンド）へ周波数をシフトさせるものがある。電気駆動型波長変換素子は、主に半導体やＬＮ（ニオブ酸リチウム）によりマッハツェンダー型変調器を構成して実用化されている。
【０００６】
全光型の波長変換素子は、光の非線形光学効果を用いた素子で、原理的に次の２つに大別される。１つは、３次の非線形光学効果である相互利得変調、相互位相変調（カー効果）等を利用して、信号光によって被変換光を変調する方法である。もう１つは、２次の非線形光学効果である差周波発生、３次の非線形光学効果である四光波混合等を利用して、信号光の位相まで含めた情報を別の波長の光へと転写させる方法である。これらの方式は、半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）、半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）等の半導体活性層、ＬＮ等の非線形光学結晶、光ファイバを使って実用化されている。
【０００７】
なお、上記のような各種波長変換素子については、例えば、特許文献１または非特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３５４８４７２号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】黒川  隆志  著「光機能デバイス」、共立出版、平成１６年１０月２５日初版発行、第１８６〜１９５頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
波長変換素子において、所望の波長変換量を得るためには、相互作用係数と伝搬方向の相互作用距離との積が所望の値を満たす必要がある。しかしながら、前記の波長変換素子においては、その波長変換の原理となる、音響光学効果、電気光学効果、非線形光学効果のいずれも、光との相互作用係数が小さい。したがって、前記の波長変換素子では、相互作用係数が小さい分、相互作用距離を長くする必要があるため、光伝搬方向の寸法を大きくしなければならず、小型化が困難である。また、これらの波長変換素子は、例えば、非線形光学結晶およびフィルタなど、複数の素子を組み合わせる必要があるため、構成が複雑である。
【００１１】
さらに、電気駆動型の波長変換素子の動作には高速・大振幅なＲＦ信号源等が、全光型の波長変換素子の動作には励起用の高強度ポンプ光または被変換光の光源等が、それぞれ必要不可欠である。したがって、これらの波長変換素子およびその動作に必要な装置を含めたシステム全体では、大型で消費電力も大きくなり、コストも増大する。
【００１２】
本発明は、小型かつ簡単な構成で電磁波（例えば光）の波長を変換可能な電磁波波長変換素子、前記電磁波波長変換素子を用いた波長分割多重光通信システム、波長可変光源および光発電システム、ならびに電磁波波長変換素子の製造方法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】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明の第１の電磁波波長変換素子は、
半導体と正誘電体との積層構造を有し、
前記正誘電体は、前記半導体の表面に直接接触しており、
電圧印加状態または電圧非印加状態の前記半導体が、前記正誘電体との界面近傍に電子蓄積層を有し、
前記積層構造の一端に、電磁波入射領域が形成され、
前記積層構造の他端に、電磁波出射領域が形成され、
前記電子蓄積層は、その層平面に沿って、表面プラズモンポラリトンを前記電磁波入射領域から前記電磁波出射領域まで伝搬する層であり、
前記電子蓄積層において、前記電磁波入射領域と前記電磁波出射領域との間に、表面プラズモンポラリトン周波数変調領域が形成され、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域は、前記電磁波入射領域側から前記電磁波出射領域側に向かって変化する電子密度を有し、
前記電磁波入射領域に入射した入射電磁波を、前記電磁波入射領域の前記電子蓄積層内でエバネッセント波に変換し、さらに、表面プラズモンポラリトンに変換し、
前記表面プラズモンポラリトンの周波数を、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域の前記電子密度変化により変調し、
周波数が変調された前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を、前記電磁波出射領域において出射電磁波に変換し、前記入射電磁波から前記出射電磁波への波長変換を行うことを特徴とする。なお、以下において、表面プラズモンポラリトンを、ＳＰＰ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）ということがある。
【００１４】
または、本発明の第２の電磁波波長変換素子は、
入射電磁波をエバネッセント波に変換するエバネッセント波変換手段と、
前記エバネッセント波を表面プラズモンポラリトンに変換する表面プラズモンポラリトン変換手段と、
前記表面プラズモンポラリトンの周波数を変調する表面プラズモンポラリトン周波数変調手段と、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段により周波数変調された前記表面プラズモンポラリトンを出射電磁波に変換する出射電磁波変換手段とを有し、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段および前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段が、正誘電体と負誘電体との積層構造を有し、前記正誘電体と前記負誘電体との界面を表面プラズモンポラリトンが伝搬することを特徴とする。
【００１５】
本発明の波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＷＤＭ）光通信システムは、単一波長の光を発する半導体発光素子と、前記半導体発光素子からの出射光を分波する光分波器と、前記光分波器から発する光を複数の異なる波長の出射光に変換可能な前記本発明の電磁波波長変換素子とを有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の波長可変光源は、前記本発明の電磁波波長変換素子と、集積光源とが、同一半導体基板上に集積されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の光発電システムは、前記本発明の電磁波波長変換素子と、前記電磁波波長変換素子からの出射光を起電力に変換する光起電力発生装置とを有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の第１の電磁波波長変換素子の製造方法は、
半導体を形成する半導体形成工程と、
前記半導体表面に直接接触する正誘電体を形成する正誘電体形成工程とを含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明の第２の電磁波波長変換素子の製造方法は、
前記エバネッセント波変換手段を形成するエバネッセント波変換手段形成工程と、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段を形成する前記表面プラズモンポラリトン変換手段形成工程と、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段を形成する表面プラズモンポラリトン周波数変調手段形成工程と、
前記出射電磁波変換手段を形成する出射電磁波変換手段形成工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、小型かつ簡単な構成で電磁波（例えば光）の波長を変換可能な電磁波波長変換素子、前記電磁波波長変換素子を用いた波長分割多重光通信システム、波長可変光源および光発電システム、ならびに電磁波波長変換素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１（ａ）は、第１の実施形態の電磁波波長変換素子における光伝搬方向の断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の電磁波波長変換素子の一部の上面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）の電磁波波長変換素子の変形例の一部の上面図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の電磁波波長変換素子の別の変形例における光伝搬方向の断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の電磁波波長変換素子の一部の上面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）の電磁波波長変換素子のさらに別の変形例の一部の上面図である。
【図３】第１の実施形態の電磁波波長変換素子における素子内電子密度分布を例示するグラフである。
【図４】第１の実施形態の電磁波波長変換素子における入射伝搬光およびＳＰＰの分散関係を例示するグラフである。
【図５】第２の実施形態の電磁波波長変換素子の断面図である。
【図６】第２の実施形態の電磁波波長変換素子における入射伝搬光およびＳＰＰの分散関係を例示するグラフである。
【図７】図７（ａ）は、第３の実施形態の電磁波波長変換素子における光伝搬方向の断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の電磁波波長変換素子の上面図である。
【図８】図７の電磁波波長変換素子のバンドエネルギーを例示する模式図である。
【図９】第４の実施形態の電磁波波長変換素子における光伝搬方向の断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、第５の実施形態の電磁波波長変換素子における断面斜視図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の電磁波波長変換素子における、光伝搬方向と垂直方向の断面図である。
【図１１】第６の実施形態の電磁波波長変換素子における光伝搬方向の断面図である。
【図１２】第６の実施形態の電磁波波長変換素子における光伝搬方向と垂直方向の断面図である。
【図１３】図１１および１２の電磁波波長変換素子のバンドエネルギーを例示する模式図である。
【図１４】電子密度とプラズマ波長との関係を例示するグラフである。
【図１５】本発明の電磁波波長変換素子を用いたＷＤＭ用光送信システムを例示するブロック図である。
【図１６】本発明の電磁波波長変換素子と集積光源を組み合わせた波長可変光源を例示するブロック図である。
【図１７】本発明の電磁波波長変換素子と電界吸収型変調器集積光源を組み合わせた変調器集積波長可変光源を例示するブロック図である。
【図１８】本発明の電磁波波長変換素子と光起電力発生素子を備えた光発電システムのブロック図である。
【図１９】３次非線形媒質を使った波長変換の例を模式的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明は、以下の説明により限定されない。
【００２３】
表面プラズモンポラリトンを伝搬させるためには、物質の表面または界面に、電磁波に結合しうる自由電荷が存在することが必要である。このためには、例えば、前記電磁波に対し、前記物質の表面または界面の両側で、誘電率の符号が異なるようにすれば良い。前記自由電荷は、正孔でも電子でも良いが、電子が好ましい。本発明の波長変換素子は、例えば、複数の異なる種類の物質から形成され、前記異種物質間の界面近傍に自由電荷が存在してもよい。前記自由電荷は、例えば、前記物質内の電子が蓄積された電子蓄積層として存在してもよい。より具体的には、例えば、後述の各実施形態のとおりである。
【００２４】
例えば、本発明の前記第１の電磁波波長変換素子は、前記半導体が、前記正誘電体との界面近傍に前記電子蓄積層を有することで、前記エバネッセント波が、前記電子蓄積層における自由電子の集団振動と結合し、表面プラズモンポラリトンを形成することができる。また、前記電子蓄積層が、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって変化する電子密度を有することで、前記表面プラズモンポラリトンの周波数を変調することができる。前記電子蓄積層は、電圧非印加状態で前記電子密度変化を有していても良いし、電圧非印加状態では前記電子密度変化を有さず、電圧印加状態で前記電子密度変化を有していても良い。また、例えば、前記電子蓄積層は、電圧印加状態により前記電子密度変化の状態を変化させることが可能であっても良い。
【００２５】
本発明の前記第１の電磁波波長変換素子において、
前記半導体が、ｎ型半導体とｐ型半導体との積層構造を有し、
前記ｐ型半導体は、前記ｎ型半導体の表面に直接接触しており、
前記正誘電体は、絶縁体であり、かつ、前記ｐ型半導体の表面に直接接触していることが好ましい。
【００２６】
また、本発明の前記第１の電磁波波長変換素子において、
前記半導体が、真性半導体であり、
前記正誘電体が、ｎ型半導体であり、
さらに、金属または絶縁体を含み、
前記金属または絶縁体が、前記ｎ型半導体を挟んで前記真性半導体と反対側に設けられており、かつ、前記ｎ型半導体の表面に直接接触していることが好ましい。
【００２７】
また、本発明の前記第１の電磁波波長変換素子は、前記正誘電体に代えて、金属を有していても良い。
【００２８】
本発明の前記第１の電磁波波長変換素子において、
前記電磁波入射領域における前記半導体が、第１の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第１の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記正誘電体は、前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸表面に直接接触していることが好ましい。
【００２９】
または、前記電磁波入射領域が、前記積層構造に代えて、第１の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第１の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記第１の凹凸繰り返し構造により、前記入射電磁波をエバネッセント波に変換するとともに、前記エバネッセント波を伝搬し、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域において、前記エバネッセント光を表面プラズモンポラリトンに変換することが好ましい。
【００３０】
本発明の前記第１の半導体波長変換素子において、
前記電磁波出射領域における前記半導体が、第２の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第２の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記正誘電体は、前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸表面に直接接触していることが好ましい。
【００３１】
または、前記電磁波出射領域が、前記積層構造に代えて、第２の凹凸繰り返し構造を有し、
前記第２の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられ、
前記第２の凹凸繰り返し構造が、前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を伝搬可能であることが好ましい。
【００３２】
本発明の第１の電磁波波長変換素子は、
さらに、電磁波透過性部材を有し、
前記電磁波透過性部材は、前記電磁波入射領域において前記半導体または前記正誘電体に接触するように配置され、
前記電磁波透過性部材から入射した光を、前記電磁波透過性部材と前記半導体または前記正誘電体との界面で全反射させても良い。
【００３３】
本発明の前記第２の電磁波波長変換素子において、
前記エバネッセント波変換手段が、単一波数の入射電磁波を、複数の波数のエバネッセント波に変換し、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段が、前記複数の波数のエバネッセント波の中から、前記表面プラズモンポラリトン変換手段を伝搬しうる表面プラズモンポラリトンの波数と整合する波数のエバネッセント波を前記表面プラズモンポラリトンに変換することが好ましい。
【００３４】
本発明の前記第２の電磁波波長変換素子において、
前記表面プラズモンポラリトン変換手段および前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段が、半導体と正誘電体との積層構造を有し、
前記正誘電体は、前記半導体の表面に直接接触しており、
電圧印加状態または電圧非印加状態の前記半導体が、前記正誘電体との界面近傍に電子蓄積層を有し、
前記表面プラズモンポラリトン周波数変換手段における前記電子蓄積層は、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって変化する電子密度を有することが好ましい。
【００３５】
本発明の前記第２の電磁波波長変換素子において、
前記エバネッセント波変換手段が、第１の凹凸繰り返し構造から形成され、
前記第１の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられていることが好ましい。
【００３６】
本発明の前記第２の電磁波波長変換素子は、前述のとおり、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段により周波数変調された前記表面プラズモンポラリトンを出射電磁波に変換する出射電磁波変換手段を有する。前記出射電磁波変換手段は、特に制限されない。例えば、前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を、光出射部（素子端など）から出射させることにより、直接、出射電磁波（出射伝搬光）に変換しても良い。この場合、少なくとも前記光出射部（素子端など）が、前記出射電磁波変換手段に相当する。また、例えば、前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を、回折、散乱などにより波数変換することで出射電磁波（出射伝搬光）に変換し、さらに、光出射部（素子端など）から出射させても良い。この場合、少なくとも、前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント波を、回折、散乱などにより波数変換することで出射電磁波（出射伝搬光）に変換する手段が、前記出射電磁波変換手段に相当する。
【００３７】
なお、本発明において、「伝搬波」は、エバネッセント波ではない電磁波を言い、例えば、通常の媒質中または空間中を３次元的に伝搬することが可能である。「伝搬光」は、光である伝搬波を言う。また、本発明において、電磁波の「伝搬」は、電磁波が空間中を伝わる場合、および電磁波が媒質中を伝わる場合を含む。
【００３８】
前記出射電磁波変換手段は、複数の異なる波数の表面プラズモンポラリトンを、前記表面プラズモンポラリトンの周波数と整合する波数の出射電磁波に変換可能であることが好ましい。また、前記出射電磁波変換手段は、第２の凹凸繰り返し構造を含み、前記第２の凹凸繰り返し構造において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられていることが好ましい。
【００３９】
本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔は、規則的であっても良い。この場合において、本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子が、前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造の両方を有し、前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が、均一であり、前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔が、均一であり、前記第１の凹凸繰り返し構造と前記第２の凹凸繰り返し構造とは、前記凹凸の寸法および配置間隔の少なくとも一方が異なることがより好ましい。このような構造によれば、例えば、波長変換が行いやすい。
【００４０】
また、本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔は、前記のとおり規則的であっても良いが、不規則であっても良い。前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔は、前記のとおり規則的であっても良いが、不規則であっても良い。前記第１の凹凸繰り返し構造は、人為的に形成されたものでも良いし、非人為的に形成されたものでも良い。例えば、前記第１の凹凸繰り返し構造は、あらかじめ設計したパターンを転写して作製したものでも良いし、または、物質の表面粗さ、自己集合等の現象により形成されたランダムな表面凹凸（ラフネス）であっても良い。前記第２の凹凸繰り返し構造においても同様である。
【００４１】
本発明の電磁波波長変換素子は、電磁波を波長変換可能である。前記電磁波は、光であることが好ましく、実用度の高さの観点から、可視光または赤外光であることがより好ましい。すなわち、本発明の電磁波波長変換素子において、前記入射電磁波は、電磁波であれば良いが、光であることが好ましく、可視光または赤外光であることがより好ましい。前記出射電磁波は、電磁波であれば良いが、光であることが好ましく、可視光または赤外光であることがより好ましい。また、前記電磁波に対する誘電率が正か負か（正誘電体であるか負誘電体であるか）は、前記電磁波の波長に応じて決まる。このため、前記電子蓄積層において表面プラズモンポラリトンを励起し、かつ伝搬するためには、前記正誘電体は、前記エバネッセント波に対して誘電率が正となる物質で形成されている必要がある。なお、本発明の第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記半導体における前記電子蓄積層以外の部分は、前記エバネッセント波に対して誘電率が正（正誘電体）となる性質を持っていても良い。したがって、本発明の第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記エバネッセント波およびＳＰＰは、前記電子蓄積層と前記「正誘電体」との界面を伝搬しても良いし、前記電子蓄積層と前記「半導体」との界面を伝搬しても良い。
【００４２】
また、前記電子蓄積層において表面プラズモンポラリトンを励起し、かつ伝搬するためには、前記電子蓄積層は、前記エバネッセント波に対して誘電率が負となる（負誘電体となる）電子密度を有している必要がある。本発明において、前記半導体波長変換素子の使用時における前記電子蓄積層の電子密度は、好ましくは１×１０２１ｃｍ−３以上、より好ましくは１×１０２２ｃｍ−３以上である。前記電子蓄積層の電子密度が１×１０２１ｃｍ-３以上であれば、近赤外領域以上の波長のエバネッセント波に対して前記電子蓄積層が負誘電体となりやすい。前記電子蓄積層の電子密度が１×１０２２ｃｍ-３以上であれば、可視光領域以上の波長のエバネッセント波に対して前記電子蓄積層が負誘電体となりやすい。前記電子蓄積層の電子密度の上限値は、特に制限されないが、例えば、１×１０２３ｃｍ−３以下または金属と同程度である。なお、本発明において、電子または不純物等の密度または濃度を表す場合、特に断らない限り、電子数または不純物の原子数についての密度または濃度をいうものとする。
【００４３】
本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面に平行な平面を有することが好ましい。この構造によれば、前記積層構造の層平面に垂直な方向の電場振動を伴う表面プラズモンポラリトンを伝搬しやすい。
【００４４】
本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面から傾斜し、かつ電磁波入射側から電磁波出射側への方向に平行な平面を有することが好ましい。この構造によれば、前記積層構造の層平面に垂直な方向から傾斜した方向の電場振動を伴う表面プラズモンポラリトンを伝搬しやすい。
【００４５】
本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面に垂直であり、かつ電磁波入射側から電磁波出射側への方向に平行な平面を有することが好ましい。この構造によれば、前記積層構造の層平面に平行な方向の電場振動を伴う表面プラズモンポラリトンを伝搬しやすい。また、これに加え、前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、さらに、前記積層構造の層平面に平行な平面を有していれば、前記積層構造の層平面に垂直な方向の電場振動を伴う表面プラズモンポラリトン、および、前記積層構造の層平面に平行な方向の電場振動を伴う表面プラズモンポラリトンのいずれをも伝搬しやすい。
【００４６】
本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子において、前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層が、前記電磁波波長変換素子の電磁波入射側から電磁波出射側まで連続していることが好ましい。この構造によれば、前記電磁波波長変換素子の電磁波入射側から電磁波出射側までにおいて、前記表面プラズモンポラリトンの伝搬効率に優れる。
【００４７】
本発明の第１または第２の電磁波波長変換素子は、さらに、電圧印加手段を有し、前記電圧印加手段への電圧印加により、前記電子蓄積層の少なくとも一部、または前記正誘電体と前記負誘電体との界面の少なくとも一部の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。前記電圧印加手段は、電極であることがより好ましい。本発明の波長変換素子において、前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層は、例えば、電圧を印加しない状態で、表面プラズモンポラリトンが伝搬可能な電子密度を有していても良い。前記正誘電体と前記負誘電体との界面または前記電子蓄積層は、電圧を印加しない状態では表面プラズモンポラリトンが伝搬可能な電子密度を有さず、電圧を印加することにより表面プラズモンポラリトンが伝搬可能となる部分であっても良い。本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子は、電圧を印加せずに使用できる電磁波波長変換素子であっても良いし、電圧を印加して使用する電磁波波長変換素子であっても良い。本発明の電磁波波長変換素子において、前記表面プラズモンポラリトンが伝搬する部分の電子密度は、例えば後述のとおりである。
【００４８】
本発明の前記第１の電磁波波長変換素子は、前記電圧印加手段により、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。
【００４９】
本発明の前記第２の電磁波波長変換素子は、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段が、前記正誘電体と前記負誘電体との界面において、電磁波入射側から電磁波出射側へ向かって変化する電子密度変化を有し、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段への電圧印加により、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。
【００５０】
本発明の前記第１の電磁波波長変換素子は、前記電磁波入射領域への電圧印加により、前記エバネッセント波の波数と前記表面プラズモンポラリトンの波数が整合するように、前記電磁波入射領域における前記電子蓄積層の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。
【００５１】
本発明の前記第２の電磁波波長変換素子は、前記表面プラズモンポラリトン変換手段への電圧印加により、前記エバネッセント波の波数と前記表面プラズモンポラリトンの波数が整合するように、前記表面プラズモンポラリトン変換手段における前記正誘電体と前記負誘電体との界面の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。
【００５２】
本発明の前記第１または第２の電磁波波長変換素子は、前記第２の凹凸繰り返し構造への電圧印加により、前記第２の凹凸繰り返し構造に入射する表面プラズモンポラリトンの波数と、前記第２の凹凸繰り返し構造におけるエバネッセント波の波数が整合するように、前記第２の凹凸繰り返し構造における前記電子蓄積層の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。
【００５３】
本発明の前記第２の電磁波波長変換素子は、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段への電圧印加により、前記出射電磁波変換手段に入射する表面プラズモンポラリトンの波数と前記エバネッセント波の波数とが整合するように、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調手段における前記正誘電体と前記負誘電体との界面の電子密度を変化させることが可能であることが好ましい。
【００５４】
本発明の波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＷＤＭ）光通信システムは、前記半導体発光素子、前記電磁波波長変換素子、および前記光分波器が、同一半導体基板上に集積されていることが、小型化、低消費電力化等の観点から好ましい。
【００５５】
本発明の波長可変光源は、前述の通り、前記本発明の電磁波波長変換素子と、集積光源とが、同一半導体基板上に集積されていることを特徴とする。前記集積光源は、分布帰還型（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｌａｓｅｒ，ＤＦＢ）レーザまたは分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ，ＤＢＲ）レーザであることが好ましい。ＤＦＢレーザ、ＤＢＲレーザ等の光源によれば、例えば、半導体結晶のへき開面が不要である。
【００５６】
また、本発明の波長可変光源は、例えば、前記集積光源が、電界吸収型変調器集積光源であり、変調器集積波長可変光源として用いられることが好ましい。
【００５７】
本発明の光発電システムは、前記電磁波波長変換素子と、前記光起電力発生装置とが、同一半導体基板上に集積されていることが、小型化等の観点から好ましい。
【００５８】
本発明の電磁波波長変換素子の製造方法は、特に制限されないが、前記本発明の第１または第２の製造方法により製造することが好ましい。前記本発明の第１および第２の製造方法において、各工程を行う順序は特に制限されず、同時でも逐次でも良く、逐次の場合はどの工程が先でも良い。前記本発明の第１の製造方法は、さらに、前記半導体表面の電磁波入射側に、第１の凹凸繰り返し構造を形成する第１の凹凸繰り返し構造形成工程を含み、前記第１の凹凸繰り返し構造形成工程において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられるように前記第１の凹凸繰り返し構造を形成し、前記正誘電体形成工程において、前記半導体の、前記第１の凹凸繰り返し構造形成側の表面に直接接触するように前記正誘電体を形成することが好ましい。また、前記本発明の第１の製造方法は、さらに、前記半導体表面の電磁波出射側に、第２の凹凸繰り返し構造を形成する第２の凹凸繰り返し構造形成工程を含み、前記第２の凹凸繰り返し構造形成工程において、電磁波入射側から電磁波出射側に向かって、凹凸が交互に設けられるように前記第２の凹凸繰り返し構造を形成し、前記正誘電体形成工程において、前記半導体の、前記第２の凹凸繰り返し構造形成側の表面に直接接触するように前記正誘電体を形成することが好ましい。
【００５９】
次に、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００６０】
［第１の実施形態］
図１（ａ）および（ｂ）に、本実施形態の電磁波波長変換素子の構造を示す。この電磁波波長変換素子は、前記本発明の第２の電磁波波長変換素子の一例である。図１（ａ）は、光伝搬方向（光入射側から光出射側への方向）の断面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の電磁波波長変換素子における第１の凹凸繰り返し構造４０１または第２の凹凸繰り返し構造４０２の構造を模式的に示す上面図である。ただし、同図では、図示の便宜上、正誘電体層（正誘電体）２０９を省略している。図１（ａ）に示すとおり、この電磁波波長変換素子１は、第１の凹凸繰り返し構造４０１と、表面プラズモンポラリトンの周波数を変調する表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０と、第２の凹凸繰り返し構造４０２とを含む。同図の電磁波波長変換素子において、第１の凹凸繰り返し構造４０１は、後述するように、入射光（入射電磁波）をエバネッセント光（エバネッセント波）２０４に変換することで、波数を変換する機能と、前記エバネッセント光（エバネッセント波）を表面プラズモンポラリトンに変換する機能とを有する。すなわち、第１の凹凸繰り返し構造４０１は、前記「エバネッセント波変換手段」と、前記「表面プラズモンポラリトン変換手段」とを兼ねる。第２の凹凸繰り返し構造４０２は、後述するように、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０により周波数変調された前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント光２０６の波数を変換することで、出射光（出射電磁波、または出射伝搬光とも言う）２０８に変換する機能を有する。すなわち、第２の凹凸繰り返し構造４０２は、前記「出射電磁波変換手段」に相当する。第１の凹凸繰り返し構造４０１、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０、および第２の凹凸繰り返し構造４０２は、基板１１０上に、一体に形成されている。また、第１の凹凸繰り返し構造４０１、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０、および第２の凹凸繰り返し構造４０２は、それぞれ、電子蓄積層（負誘電体層）２０１上に、正誘電体層（正誘電体）２０９が積層されて形成されている。第１の凹凸繰り返し構造４０１および第２の凹凸繰り返し構造４０２においては、電子蓄積層２０１の上部がところどころ除去されている。電子蓄積層２０１が除去された部分には、正誘電体層２０９が入り込み、光入射側（電磁波入射側）から光出射側（電磁波出射側）に向かって、凹凸が交互に設けられた構造を形成している。第１の凹凸繰り返し構造４０１における凹凸の寸法および配置間隔は、均一である。第２の凹凸繰り返し構造４０２における凹凸の寸法および配置間隔は、均一である。第１の凹凸繰り返し構造４０１と第２の凹凸繰り返し構造４０２とは、前記凹凸の寸法および配置間隔が異なる。電子蓄積層２０１は、電磁波波長変換素子１の光入射側から光出射側まで連続している。基板１１０の材質は、特に制限されない。電子蓄積層２０１および正誘電体層２０９の材質は、特に制限されず、後述のように、それぞれ、半導体、金属、絶縁体等から適宜選択可能である。
【００６１】
図１（ａ）の電磁波波長変換素子１は、例えば、以下のようにして動作させることができる。すなわち、まず、第１の凹凸繰り返し構造４０１に、入射光（入射伝搬光）２０２を、入射角θａで入射させる。前記入射角とは、光伝搬方向に垂直な平面とのなす角である。前記光伝搬方向とは、光入射側から光出射側に向かう方向をいう。図中の矢印２０３は、入射光（入射伝搬光）２０２の、光伝搬方向成分である。入射光２０２は、第１の凹凸繰り返し構造により回折光に変換され、前記回折光の少なくとも一部は、エバネッセント光２０４となり、電子蓄積層２０１の表面（正誘電体層２０９との界面）を伝搬する。さらに、エバネッセント光２０４は、第１の凹凸繰り返し構造４０１において、その場で、電子蓄積層２０１における自由電子の振動と結合し、表面プラズモンポラリトン２０５に変換される。表面プラズモンポラリトン２０５は、光入射側から光出射側に向かって伝搬し、さらに、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０内を伝搬する際に、周波数が変調される。この周波数変調は、例えば、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０が、光入射側から光出射側に向かって変化する電子密度（電子密度勾配）を有することにより、達成できる。表面プラズモンポラリトン２０５に結合したエバネッセント光２０６は、第２の凹凸繰り返し構造４０２を伝搬する。エバネッセント光２０６は、第２の凹凸繰り返し構造４０２によって、伝搬光の分散関係を満たした出射光（出射伝搬光）２０８に変換され、出射角θｂで出射される。前記出射角とは、光伝搬方向に垂直な平面とのなす角である。矢印２０７は、前記出射光（出射伝搬光）２０８の、光伝搬方向成分である。なお、図１（ａ）では、エバネッセント光２０４、表面プラズモンポラリトン２０５、およびエバネッセント光２０６を表す矢印は、図示の便宜上、電子蓄積層２０１の上方を通っているが、実際には、これらは、電子蓄積層２０１の表面（正誘電体層２０９との界面）を伝搬する。以下の各実施形態においても同様である。
【００６２】
本発明の電磁波波長変換素子は、従来の電気駆動型や全光型とは異なった、表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ：ＳＰＰ）の性質を利用した新しい電磁波波長変換素子である。以下、本発明の電磁波波長変換素子の動作原理について、さらに具体的に説明する。ただし、以下の説明は例示であって、本発明を限定しない。また、数式は理論式であり、本発明における実際の現象を定性的にまたは近似的に表す。本発明は、数式と完全に一致する場合には限定されない。
【００６３】
低次元の波動が、負誘電体と正誘電体との界面に局在しながら前記界面を伝搬する現象がある。この波動は電磁波の一種であり、表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ：ＳＰＰ）と呼ばれている。ＳＰＰが前記界面を伝搬できるためには、前述のように、前記界面を構成する２つの媒質の誘電率が異符号であればよい。なお、本発明の電磁波波長変換素子において、前記入射電磁波、前記エバネッセント波、および前記出射電磁波は、前述のとおり、電磁波であれば良い。本実施形態および以下の各実施形態では、主に、前記電磁波が光である場合について説明する。ただし、光以外の電磁波についても、理論的には、光の場合と同様の原理で波長変換が可能である。
【００６４】
入射光をＳＰＰに変換して（入射光によりＳＰＰを励起して）前記界面を伝搬させるためには、前記負誘電体の電子密度が所定の条件を満たす必要がある。以下、これについて説明する。
【００６５】
例えば、金属中の自由電子のような束縛の小さい電子気体の場合、誘電関数ε（ω）の周波数ω依存性は、電場の中での自由電子の運動方程式から、下記数式（１）で表される。
【００６６】
ε（ω）＝１−ωｐ２／（ω２＋ｉΓω）                    （１）
【００６７】
前記数式（１）において、ωｐはプラズマ周波数であり、下記数式（２）で定義される。
【００６８】
ωｐ（ｎ）＝ｎｅ２／（ε０ｍ）                            （２）
【００６９】
前記数式（２）において、ｎは電子密度、ｅは電気素量、ε０は真空中の誘電率、ｍは電子の質量、Γはプラズマ振動の減衰を決める減衰係数である。ここで、定性的な議論のためにプラズマ振動の減衰Γを無視すると、前記数式（２）は実数となる。したがって、誘電率の符号と周波数の関係は、プラズマ周波数を境に、高周波数（短波長）側では正となるのに対し、低周波数（長波長）側では負となる。
【００７０】
したがって、ＳＰＰを伝搬させるためには、使用したい光の波長域における周波数ωよりも、プラズマ周波数ωｐが高くなるような条件が必要となる。前記数式（２）からわかるように、プラズマ周波数ωｐは電子密度ｎに依存する。すなわち、目的とする（使用したい）波長域における周波数ωよりも、プラズマ周波数ωｐが高くなるように、前記負誘電体の電子密度ｎが十分大きい必要がある。
【００７１】
例えば、ＳＰＰを利用して、金属などの負誘電体から構成された導波路構造により、低次元光波をナノ領域で伝搬させることが可能である。特に、１組以上の負誘電体と誘電体を組み合わせた例として、ある金属を誘電率の異なる金属で挟んで接合した構造が提案されている（特開２００６−１９０４４６号公報）。この構造は、金属の接合方向に沿って伝搬したＳＰＰが誘電率の異なる金属との境界で反射されて干渉することにより、電場強度が増強することが特徴である。これらの導波路構造は、回折限界による波長オーダーの光分布の影響を受けないことを利用した高感度、高精細な光センシング、素子の大幅な小型化、負誘電体による電場増強効果を利用した局所高強度光の生成等を目的として使用されるが、波長変換を目的としたものではない。また、金属のみを用いた場合は、その金属材料によって電子密度、すなわちプラズマ周波数ωｐが決まっているため、材料によってＳＰＰを伝搬させることができる周波数域が決まり、波長変換には適さない。仮に、複数の周波数帯域でＳＰＰを伝搬させることを目的として、さらに多種類の金属材料を組み合わせたとしても、プラズマ周波数は、金属材料の電子密度に応じて離散的な値しかとることができず、かつ、素子の構成が複雑になる。これに対し、本発明の電磁波波長変換素子は、半導体材料を用いる。半導体材料は、金属材料と異なり、電子密度を変化させることができるため、簡単な構成で、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域に、前記電磁波入射領域側から前記電磁波出射領域側に向かって変化する電子密度を持たせることができる。例えば、前記表面プラズモンポラリトン周波数変調領域に、連続的な電子密度勾配を持たせることも可能である。このように、半導体材料を用いて電子密度を変化させるという本発明の技術的思想は、特開２００６−１９０４４６号公報等には開示されておらず、これらの発明の技術的思想の延長上にはないため、本発明は、これらの発明から当業者が想到することは困難である。
【００７２】
一方、前記数式（２）は、特定の物質だけではなく、半導体中のフリーキャリアに対しても成り立つ。すなわち、半導体中のフリーキャリア密度を、前記所定の条件を満たすように増大させて、使用する波長域に対して負誘電体として振舞わせることで、半導体と誘電体との界面にＳＰＰを伝搬させることができる。このようにしてＳＰＰを伝搬させる方法としては、例えば、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、高電子移動度トランジスタ）構造に類似した、高濃度ｎ型半導体と真性半導体層のヘテロ界面の２次元電子ガスによる方法（ＷＯ２００６／０３０６０８）がある。また、ｎ型半導体層上にｐ型半導体層および絶縁層を前記順序で積層させ、前記ｐ型半導体層と絶縁層との界面の反転分布層を利用する方法（特開２００６−３４３４１０号公報）等もある。しかし、金属ではなく、半導体でフリーキャリア密度を増大させて負誘電体として（金属的に）振舞わせる目的は、前者においては、非放射プラズモン波から放射電磁波への変換効率の向上であり、後者においては、表面プラズモンポラリトンの伝搬損失低減である。すなわち、いずれの技術も、波長変換を目的としたものではない。また、前記各公報には、電磁波入射領域側から電磁波出射領域側に向かって電子密度を変化させることは記載されていない。このように、半導体の電子密度の変化を波長変換目的で利用するという技術的思想は、前記各公報には記載も示唆もなく、本発明者らが初めて見出したことである。
【００７３】
なお、本実施形態の電磁波波長変換素子（図１（ａ））は、前述のように、電子蓄積層内において、正誘電体との界面を表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）が伝搬する。ここで、前記正誘電体は、前記ＳＰＰを前記正誘電体内に伝搬して拡散させない性質を持っていれば良く、電気的絶縁体でなくても良い。前記数式（２）を用いて説明したとおり、前記ＳＰＰに対し、正誘電体であるか負誘電体であるかは、前記ＳＰＰの周波数に依存する。本実施形態の電磁波波長変換素子では、伝搬しようとする周波数のＳＰＰに対し、前記電子蓄積層が負誘電体であるように、前記電子蓄積層の電子密度を適切に選択し、かつ、前記正誘電体を適切に選択すれば良い。
【００７４】
ＳＰＰの周波数と波数の関係を決める分散関係は、誘電関数ε（ω）の負誘電体と誘電率εｍの誘電体の２次元界面においては、下記数式（３）で表される。
【００７５】
ｋｓｐ（ω）＝ω／ｃ×εｍ１／２×（ω２−ωｐ２／（（εｍ＋１）ω２−ωｐ２））１／２    （３）
【００７６】
前記数式（２）で説明したとおり、プラズマ周波数ωｐは、負誘電体の電子密度ｎによって一意に決まる。したがって、前記負誘電体の電子密度ｎが決まると、前記数式（２）によってプラズマ周波数ωｐが決まり、誘電率εｍの前記正誘電体との界面のＳＰＰの分散関係は、前記数式（３）のように決まる。すなわち、前記数式（３）の分散関係は、本波長変換素子を構成する前記正誘電体が決まれば、前記負誘電体の電子密度ｎによって一意に決まり、異なる電子密度ｎに対しては異なる分散関係を与えることになる。また、特定の１組の負誘電体と正誘電体の組み合わせによれば、前記負誘電体と前記正誘電体との界面では、ＳＰＰの波数の伝搬方向成分が保存する。したがって、前記数式（３）によれば、前記特定の１組の負誘電体と正誘電体の組み合わせにおいては、ＳＰＰが一定の周波数で伝搬する。
【００７７】
図４のグラフに、ＳＰＰの分散関係および通常の伝搬光の分散関係を例示する。同図において、ＳＰＰの分散関係は、絶縁部（例えばＳｉＯ２層：εｍ＝４．１）との界面に形成された電子蓄積層内をＳＰＰが伝搬する場合を想定している。図中、横軸は、波数（ｃｍ−１）であり、縦軸は、角振動数（Ｈｚ）である。３０１は、通常の伝搬光の分散関係を示す直線である。分散直線３０１により示される前記伝搬光は、入射光（入射伝搬光）２０２の、光伝搬方向成分２０３に対応する。３０４は、電子密度ｎが、ｎ＝１×１０２１ｃｍ−３である電子蓄積層におけるＳＰＰの分散関係を示す曲線である。３０６は、電子密度ｎが、ｎ＝２×１０２２ｃｍ−３である電子蓄積層におけるＳＰＰの分散関係を示す曲線である。図示のとおり、誘電率εｍの前記正誘電体との界面のＳＰＰの分散関係は、電子密度ｎによって一意に決まる。前記数式（２）を用いて説明したとおり、プラズマ周波数ωｐが電子密度ｎによって一意に決まるためである。図４から、一定の電子密度を有する電子蓄積層中をＳＰＰが一定の波数ｋｓｐで伝搬する場合、前記ＳＰＰの周波数（角振動数）は一定となることが分かる。これはすなわち、前記電子蓄積層の電子密度を変化させることで、前記電子蓄積層（誘電体と負誘電体との界面）での波数の伝搬方向成分を保存しながら、周波数を変えられることを意味する。例えば、前記電子蓄積層の電子密度勾配を連続的とすることで、前記周波数を連続的に変えることができる。従来は、ＳＰＰ伝搬領域の電子密度に、勾配（特に、連続的な勾配）を形成できる構造は存在しなかった。そのような構造、および前記構造を用いて周波数を（特に、連続的に）変えることができることは、本発明者らが初めて見出した。
【００７８】
また、伝搬光でＳＰＰを励起するためには、伝搬光の位相速度とＳＰＰの位相速度が一致する必要がある。ｘ方向の波数をｋｘとすると、ｘ方向の位相速度は、ω／ｋｘで与えられる。したがって、伝搬光とＳＰＰとの位相速度が一致するためには、伝搬光の分散曲線とＳＰＰの分散曲線とが交点をもつ必要がある。しかしながら、図４に示すとおり、通常の伝搬光の分散直線３０１は、ＳＰＰの分散曲線と交点を有しない。したがって、単に電子蓄積層（負誘電体）と正誘電体との界面に光を入射しても、その入射光によりＳＰＰを励起する（入射光をＳＰＰに変換する）ことはできない。したがって、本発明の第２の電磁波波長変換素子においては、前述の通り、前記積層構造の光入射側に、エバネッセント波変換手段および表面プラズモンポラリトン変換手段が形成されている。前記エバネッセント波変換手段および前記表面プラズモンポラリトン変換手段により、入射電磁波（入射伝搬波）を表面プラズモンポラリトンに変換することが可能である。
【００７９】
図１（ａ）の電磁波波長変換素子において、第１の凹凸繰り返し構造４０１では、入射した光が、回折によりエバネッセント光を生じさせることを利用して、そのエバネッセント光により、前記電子蓄積層においてＳＰＰを励起することができる。すなわち、前記第１の繰り返し構造では、入射光をエバネッセント光に変換し、そのエバネッセント光によりＳＰＰを励起することで、前記入射光をＳＰＰに変換することができる。例えば、周期ａの１次元周期構造を有する第１の凹凸繰り返し構造４０１に、波数ベクトルｋｉ、入射角θａで入射光（入射伝搬光）２０２が入射し、波数ベクトルｋａｘのエバネッセント光２０４が生じたとすると、その波数は、入射光２０２のｘ方向（伝搬方向）成分２０３の波数ベクトルｋｉｘと、周期構造に対応する逆格子ベクトルｇａの和になり、下記数式（４）で表される。ただし、式中のｍは、回折の次数を表す整数である。ここで、電子蓄積層２０１におけるプラズマ振動数が入射光の振動数と一致したとき、エバネッセント光２０４によって前記電子蓄積層２０１と正誘電体層２０９の界面に表面プラズモンポラリトンが励起される。このとき、波数の伝搬方向に沿った成分の保存則により下記数式（５）が満たされる。ここで、ｋｂｘは、周期ｂの１次元周期構造を有する第２の凹凸繰り返し構造４０２に生じたエバネッセント光２０６の波数である。前記波数ｋｂｘのエバネッセント光２０６は、周期ｂの１次元周期構造を有する第２の凹凸繰り返し構造４０２によって周期構造に対応する逆格子ベクトルｇｂの分だけ減少した波数ｋｏｘを有するｘ方向の伝搬光２０７になり、下記数式（６）で表される。最終的に、角度θｂ方向に出射される出射光２０８の波数成分は、下記数式（７）で示したｋｏとなる。この式より、出射される波数は、入出射角θａおよびθｂと、周期構造の周期ａおよびｂで決まる値に変化することがわかる。伝搬光においては、振動数は波数に比例するので、振動数すなわち波長が変化したことになる。
【００８０】
ｋａｘ＝ｋiｘ＋ｇａ＝ω／ｃ×εｍ１／２×ｓiｎθａ＋２πｍ／a          （４）
ｋａｘ＝ｋｓｐ＝ｋｂｘ                                                  （５）
ｋｏｘ＝ｋｂｘ−ｇｂ＝ω／ｃ×εｍ１／２×ｓiｎθａ＋２πｍ／a−２πｍ／ｂ（６）
ｋｏ＝ｋｏｘ／ｓｉｎθｂ
＝ω／ｃ×εｍ１／２×ｓiｎθａ／ｓｉｎθｂ＋２πｍ（１／a−１／ｂ）／ｓｉｎθｂ      （７）
【００８１】
前記数式（５）のようにｋａｘ＝ｋｓｐ＝ｋｂｘが満たされることにより、すなわちエバネッセント光の分散曲線とＳＰＰの分散曲線が交点をもてば、エバネッセント光とＳＰＰとで相互に変換がおこなわれる。すなわち、本発明の電磁波波長変換素子において、前記光入射側から前記光出射側への方向をｘ方向とした場合に、ｋａｘ＝ｋｓｐ＝ｋｂｘであれば、前記表面プラズモンポラリトン変換構造において、入射光をＳＰＰに変換し、前記光出射側に向けて伝搬できる。
【００８２】
なお、前記数式（４）〜（７）においては、周期ａの周期構造を考えたが、周期ａの値は一定でなくても良い。すなわち、前記第１の凹凸繰り返し構造においては、前記半導体と異種半導体または半導体と絶縁体とから形成された誘電率の符号が異なる部分が交互に配置されて形成された凹凸の寸法および配置間隔（周期）は、一定であっても良いが、一定でなくても良い。例えば、前記第１の凹凸繰り返し構造は、設計したパターンを転写して作製したか、または、表面粗さや自己集合といった現象により形成されたランダムな表面凹凸（ラフネス）であってもエバネッセント波が発生し得る。図１（ｂ）の上面図は、第１の凹凸繰り返し構造４０１の一例を示している。同図においては、前記のとおり、電子蓄積層２０１が形成する凹凸の寸法および配置間隔（周期）が一定である。また、図１（ｃ）の上面図は、図１（ａ）および（ｂ）の電磁波波長変換素子の変形例である。同図は、第１の凹凸繰り返し構造４０１における凹凸の寸法および配置間隔（周期）が不規則（ランダム）である場合を示す。図１（ｂ）と同様、正誘電体層２０９は省略して示している。前記ランダムな表面凹凸は、多数の周期の重ね合わせであるため、エバネッセント光２０４の波数ｋａｘは、単一ではなく、広がりを持つことになる。この場合において、本発明の電磁波波長変換素子が、前記第１の凹凸繰り返し構造（表面プラズモンポラリトン変換構造）に電圧を印加する第１の電極を有することが好ましい。前記第１の電極の電圧を調整することにより、前記エバネッセント光の中から、目的のＳＰＰと整合する波数のエバネッセント光を任意に選ぶことができる。これを利用すれば、任意の波長の入射光から任意の波長の出射光への変換も可能となる。また、第２の凹凸繰り返し構造４０２も、第１の凹凸繰り返し構造４０１と同様、例えば、図１（ｂ）のように凹凸の寸法および配置間隔（周期）が一定であっても良いし、図１（ｃ）のように凹凸の寸法および配置間隔（周期）が不規則（ランダム）であっても良い。
【００８３】
なお、第１の凹凸繰り返し構造４０１が、図１（ｂ）に示す構造の場合、入射光（入射伝搬光）２０２は、例えば、前記のとおり、回折により、エバネッセント光２０４に変換される。第１の凹凸繰り返し構造４０１が、図１（ｃ）に示す構造の場合、入射光（入射伝搬光）２０２は、例えば、散乱により、または散乱および回折により、エバネッセント光２０４に変換されると考えられる。第２の凹凸繰り返し構造４０２が、図１（ｂ）に示す構造の場合、エバネッセント光２０６は、例えば、回折により、出射光（出射伝搬光）２０８に変換される。第２の凹凸繰り返し構造４０２が、図１（ｃ）に示す構造の場合、エバネッセント光２０６は、例えば、散乱により、または散乱および回折により、出射光（出射伝搬光）２０８に変換されると考えられる。ただし、これらは、可能な機構の例示である。第１の凹凸繰り返し構造４０１における入射光（入射伝搬光）２０２からエバネッセント光２０４への変換機構、および、第２の凹凸繰り返し構造４０２におけるエバネッセント光２０６から出射光（出射伝搬光）２０８への変換機構は、前記の例示に限定されない。
【００８４】
なお、電子蓄積層２０１は、例えば、電極による電圧印加で、電子密度または光入射側から光出射側への電子密度勾配を変化させてもよい。この電極の作用効果においては、後の実施形態において詳しく述べる。前記のとおり、図１（ａ）の電磁波波長変換素子は、前記本発明の第２の電磁波波長変換素子の一例であるが、前記本発明の第１の電磁波波長変換素子も、動作原理および波長変換原理は同様である。
【００８５】
また、図２（ａ）に、図１（ａ）の電磁波波長変換素子の変形例を示す。図示のとおり、この電磁波波長変換素子は、第１の凹凸繰り返し構造４０１および第２の凹凸繰り返し構造４０２の凹部において、電子蓄積層２０１が存在せず、正誘電体層２０９が、基板１１０に接触している。すなわち、第１の凹凸繰り返し構造４０１および第２の凹凸繰り返し構造４０２においては、電子蓄積層２０１が連続しておらず、光入射側から光出射側に向かって断続的に配置されている。これ以外は、図２（ａ）の電磁波波長変換素子は、図１（ａ）の電磁波波長変換素子と同様である。なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）における第１の凹凸繰り返し構造４０１の上面図（正誘電体層２０９は省略）であり、凹部に電子蓄積層２０１が存在しない以外は、図１（ｂ）と同様である。図２（ｃ）は、図２（ａ）における第１の凹凸繰り返し構造４０１の上面図（正誘電体層２０９は省略）の変形例（凹凸の周期がランダムな例）であり、凹部に電子蓄積層２０１が存在しない以外は、図１（ｃ）と同様である。
【００８６】
本発明の電磁波波長変換素子において、前記エバネッセント波変換手段または前記第１の凹凸繰り返し構造は、電子蓄積層（自由電荷を有する表面）を有さず、ＳＰＰが伝搬しない構造であっても良い。このような構造であっても、前記エバネッセント波変換手段または前記第１の凹凸繰り返し構造により生じたエバネッセント波が、表面プラズモンポラリトン変換手段まで到達すれば、前記エバネッセント波を表面プラズモンポラリトンに変換することができる。例えば、図２（ｂ）において、第１の凹凸繰り返し構造（エバネッセント光変換手段）４０１が電子蓄積層を有さず、エバネッセント光２０４が、周波数変調手段４１０まで伝搬されて、そこで表面プラズモンポラリトンに変換されても良い。この場合、第１の凹凸繰り返し構造４０１がエバネッセント波変換手段であり、４１０が、表面プラズモンポラリトン変換手段と周波数変調手段を兼ねることとなる。本発明の電磁波波長変換素子は、図１（ａ）または図２（ａ）のように、前記エバネッセント波変換手段または前記第１の凹凸繰り返し構造が電子蓄積層（自由電荷を有する表面）を有し、ＳＰＰが伝搬する構造であることが好ましい。このような構造であると、前記エバネッセント波をその場でＳＰＰに変換し、ＳＰＰに結合させて効率よく伝搬させることができるため、入射光からＳＰＰへの変換効率が良くて好ましい。第１の凹凸繰り返し構造（エバネッセント波変換手段）４０１は、図２（ａ）のように電子蓄積層が断続的な構造よりも、図１（ａ）のように電子蓄積層が連続的な構造の方が、ＳＰＰの伝搬効率がより良いため、さらに好ましい。
【００８７】
本発明の前記第２の電磁波波長変換素子において、前記出射電磁波変換手段または前記第２の凹凸繰り返し構造は、電子蓄積層（自由電荷を有する表面）を有さず、ＳＰＰが伝搬しない構造であっても良い。ただし、例えば図１（ａ）または図２（ａ）のように、前記出射電磁波変換手段または前記第２の凹凸繰り返し構造が電子蓄積層（自由電荷を有する表面）を有し、ＳＰＰが伝搬する構造であることが好ましい。このような構造であると、前記ＳＰＰに結合したエバネッセント波を効率よく伝搬させることができるため、ＳＰＰから出射光への変換効率が良くて好ましい。第２の凹凸繰り返し構造（出射電磁波変換手段）４０２は、図２（ａ）のように電子蓄積層が断続的な構造よりも、図１（ａ）のように電子蓄積層が連続的な構造の方が、ＳＰＰの伝搬効率がより良いため、さらに好ましい。また、本発明の電磁波波長変換素子において、前記出射電磁波変換手段または前記第２の凹凸繰り返し構造がなくても良いが、前記出射電磁波変換手段または前記第２の凹凸繰り返し構造により、波数変換することが好ましい。また、ＳＰＰは、ＳＰＰのままでも、少なくとも一部を、素子端などから出射電磁波として出射させることができるが、ＳＰＰをエバネッセント波に変換してから出射電磁波に変換させるほうが、変換効率が良くて好ましい。
【００８８】
なお、本発明の前記第１および第２の電磁波波長変換素子は、例えば、光入射側と光出射側とを逆にして使用可能であることが好ましい。例えば、図１（ａ）または図２（ａ）に示す電磁波波長変換素子は、光入射側と光出射側とを逆にして使用可能である。これにより、入射光と出射光の波長を逆にして、逆向きの波長変換をすることができる。この場合、図中の４０２が第１の凹凸繰り返し構造となり、エバネッセント波変換手段および表面プラズモンポラリトン変換手段を兼ねることとなる。また、図中の４０１が第２の凹凸繰り返し構造となり、出射電磁波変換手段の機能を有することとなる。以下の各実施形態に示す電磁波波長変換素子も、同様に、光入射側と光出射側とを逆にして使用可能である。
【００８９】
［第２の実施形態］
次に、本発明の別の実施形態について説明する。
【００９０】
本発明の電磁波波長変換素子において、入射光（入射伝搬光）をエバネッセント光に変換し、さらにＳＰＰに変換するためには、例えば前記第１の実施形態のように、凹凸繰り返し構造を用いても良い。別の方法として、本実施形態（図５）のような電磁波波長変換素子を用いた、全反射減衰（Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ  Ｔｏｔａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＡＴＲ）がある。このような全反射減衰型の電磁波波長変換素子は、前記本発明の第２の電磁波波長変換素子の一例である。
【００９１】
本発明において、このような全反射減衰型の電磁波波長変換素子の構造としては、例えば、オットー（Ｏｔｔｏ）配置およびクレッチマン（Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ）配置が挙げられる。図５（ａ）の断面図に、オットー（Ｏｔｔｏ）配置の電磁波波長変換素子の構造の一例を示す。図示のとおり、この電磁波波長変換素子５１ａは、基板１１０の平面上に、電子蓄積層２０１、正誘電体層２０９、および電磁波透過部材２１０が、前記順序で積層されている。また、この電磁波波長変換素子５１ａは、光入射側の領域（電磁波入射領域）４０１と、光出射側の領域（電磁波出射領域）４０２において、電子蓄積層２０１と正誘電体層２０９との界面が、凹凸を有さず、平坦である。このことと、電磁波透過部材２１０を有すること以外は、この電磁波波長変換素子５１ａの構造は、図１（ａ）の電磁波波長変換素子１と同じである。この電磁波波長変換素子５１ａは、光入射側の領域４０１が、エバネッセント波変換手段と表面プラズモンポラリトン変換手段とを兼ねる。また、この電磁波波長変換素子５１ａは、光出射側の領域（電磁波出射領域）４０２において、ＳＰＰ２０５を、出射光（出射電磁波、または出射伝搬光とも言う）２０８（２０７）に変換して光出射部（素子端など）から出射させる。したがって、この電磁波波長変換素子５１ａにおいて、少なくとも前記光出射部（素子端など）が、出射電磁波変換手段に相当する。また、同図では、便宜上、電磁波波長変換素子５１ａを、光入射側の領域４０１と、周波数変調手段４１０と、光出射側の領域４０２とに分けて図示しているが、これらの境界は明確ではない。また、図５（ｂ）に、クレッチマン（Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ）配置の電磁波波長変換素子の構造の一例を示す。図示のとおり、この電磁波波長変換素子５１ｂの構造は、電子蓄積層２０１と正誘電体層２０９との積層順序が逆であること以外は、図５（ａ）の素子５１ａと同じである。図５（ａ）の素子５１ａおよび図５（ｂ）の素子５１ｂにおいて、基板１１０の材質は、特に制限されない。また、基板１１０は、なくても良い。電子蓄積層２０１および正誘電体層２０９の材質は、特に制限されず、例えば前記第１の実施形態と同様に、それぞれ、半導体、金属、絶縁体等から適宜選択可能である。電磁波透過部材２１０は、電磁波透過性材料（例えば、透光性材料）から形成されている。電磁波透過部材２１０は、特に制限されないが、例えば、プリズム等である。電磁波透過部材２１０の形成材料も特に制限されないが、例えば、ガラス等から形成される。電磁波透過部材２１０は、屈折率が正誘電体層２０９または電子蓄積層２０１より大きい方が好ましい。これは、電磁波透過部材２１０の屈折率が。その接する面の屈折率よりも小さいと、理論上、全反射とならないためである。また、全反射が起こる屈折率の条件を満たせるならば、電磁波透過部材２１０を設けずに、電子蓄積層２０１または正誘電体層２０９に直接光を入射させても良い。
【００９２】
図５（ａ）の電磁波波長変換素子５１ａまたは図５（ｂ）の電磁波波長変換素子５１ｂにおいて、入射電磁波の入射角を全反射する臨界角θｃ以上とすると、誘電率εｐの光入射領域２１０の表面にエバネッセント光２０４が生じる。エバネッセント光２０４の波数ｋeｖは、入射光を角度θＡＴＲ（ただしθｃ＜θＡＴＲ＜９０°）で入射させると、下記数式（８）で表され、ｋeｖ＝ｋｓｐが満たされる角度で、正誘電体層２０９と電子蓄積層２０１との界面を伝搬するＳＰＰに変換される。また、ＳＰＰ２０５が出射光２０８（２０７）に変換される機構は、必ずしも明らかではない。例えば、ＳＰＰ２０５がエバネッセント光に変換されずに素子端などの光出射部に到達し、ＳＰＰ２０５に結合したエバネッセント光が前記光出射部から直接出射（放射）されることで、出射光２０８（２０７）に変換されると考えられる。これら以外は、本実施形態の電磁波波長変換素子５１ａまたは５１ｂによる波長変換機構は、前記第１の実施形態と同様である。また、例えば、電磁波出射領域に、前記第１の実施形態のような第２の凹凸繰り返し構造等を設けても良い。また、本発明の電磁波波長変換素子において、前述のとおり、前記電磁波透過性部材は、前記電磁波入射領域において前記半導体または前記正誘電体に接触するように配置される。ただし、前記電磁波透過性部材は、例えば、図５（ａ）または（ｂ）のように、前記電磁波入射領域以外にも設けられていても良い。
ｋeｖ＝ω／ｃ×εｐ１／２×ｓiｎθATR                  （８）
【００９３】
図６のグラフに、ＳＰＰの分散関係、全反射によるエバネッセント光の分散関係および通常の伝搬光の分散関係を例示する。同図において、ＳＰＰの分散関係は、絶縁部（例えばＳｉＯ２層）との界面に形成された電子蓄積層内をＳＰＰが伝搬する場合を想定している。図中、横軸は、波数（ｃｍ−１）であり、縦軸は、角振動数（Ｈｚ）である。３０１は、通常の伝搬光の分散関係を示す直線である。３０４は、電子密度ｎが、ｎ＝１×１０２１ｃｍ−３である電子蓄積層におけるＳＰＰの分散関係を示す曲線である。３０６は、電子密度ｎが、ｎ＝２×１０２２ｃｍ−３である電子蓄積層におけるＳＰＰの分散関係を示す曲線である。例えば入射光の周波数がω１であったとすると、４０４は、角度θＡＴＲでのエバネッセント光の分散関係を示す直線である。この角度θＡＴＲは、電子密度ｎが、ｎ＝１×１０２１ｃｍ−３である電子蓄積層におけるＳＰＰの分散関係と交点を持つように設定する。４０６は、角度θＯＵＴでのエバネッセント光の分散関係を示す直線である。この角度θＯＵＴは、電子密度ｎが、ｎ＝２×１０２２ｃｍ−３である電子蓄積層におけるＳＰＰの分散関係と交点を持つように設定する。このとき出射光の周波数はω２となる。図４においても説明したとおり、ＳＰＰの分散関係は、用いる正誘電体が決まれば、電子密度ｎによって一意に決まる。前記数式（２）を用いて説明したとおり、プラズマ周波数ωｐが電子密度ｎによって一意に決まるためである。また、図４においても述べた通り、伝搬光とＳＰＰとの位相速度が一致するためには、伝搬光の分散曲線とＳＰＰの分散曲線とが交点をもつ必要がある。しかしながら、図４および図６に示すとおり、通常の伝搬光の分散直線３０１は、ＳＰＰの分散曲線と交点を有しない。したがって、単に電子蓄積層（負誘電体）と正誘電体との界面に光を入射しても、その入射光によりＳＰＰを励起する（入射光をＳＰＰに変換する）ことはできない。しかし、図６に示すように、全反射によるエバネッセント光４０４および４０６の分散直線は、通常の伝搬光の分散直線３０１と傾きが異なり、ＳＰＰの分散曲線と交点をもつ。このため、全反射によるエバネッセント光４０４および４０６は、ＳＰＰとの間で相互変換が可能である。
【００９４】
また、図５の電磁波波長変換素子は、本発明の前記第１の電磁波波長変換素子（半導体波長変換素子）であっても良い。すなわち、例えば、図５の電磁波波長変換素子は、基板１１０上に半導体が形成され、電子蓄積層２０１が、前記半導体の一部であり、正誘電体層２０９との界面近傍に形成されていても良い。この場合において、例えば、図５中の４０１が前記「電磁波入射領域」であり、４０２が前記「電磁波出射領域」であり、領域４１０における電子蓄積層２０１が、前記「表面プラズモンポラリトン周波数変調領域」であっても良い。
【００９５】
［第３の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。
【００９６】
図７に、本実施形態の電磁波波長変換素子の構造を示す。この電磁波波長変換素子は、本発明の前記第１の電磁波波長変換素子の一例であり、かつ、前記第２の電磁波波長変換素子の一例でもある。図７（ａ）は、光伝搬方向（光入射側から光出射側への方向）の断面図であり、図７（ｂ）は、上面図である。この電磁波波長変換素子は、半導体を主な材料として形成された、半導体波長変換素子である。図示のとおり、この半導体波長変換素子７１は、図１（ａ）の半導体素子と同様、第１の凹凸繰り返し構造４０１と、第２の凹凸繰り返し構造４０２とを含み、さらに、半導体と正誘電体との積層構造４１０を含む。積層構造４１０は、表面プラズモンポラリトンの周波数を変調する表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０としての機能を有する。また、積層構造４１０における電子蓄積層２０１は、前記「表面プラズモンポラリトン周波数変調領域」ということができる。同図の半導体波長変換素子において、第１の凹凸繰り返し構造４０１は、図１（ａ）の半導体素子と同様、入射光（入射電磁波）をエバネッセント光（エバネッセント波）に変換する機能と、前記エバネッセント光（エバネッセント波）を表面プラズモンポラリトンに変換する機能とを有する。すなわち、第１の凹凸繰り返し構造４０１は、前記「エバネッセント波変換手段」と、前記「表面プラズモンポラリトン変換手段」とを兼ねる。また、第１の凹凸繰り返し構造４０１が形成されている領域は、前記「電磁波入射領域」ということができる。第２の凹凸繰り返し構造４０２は、図１（ａ）の半導体素子と同様、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０により周波数変調された前記表面プラズモンポラリトンに結合したエバネッセント光（エバネッセント波）を、出射光（出射電磁波）に変換する機能を有する。すなわち、すなわち、第２の凹凸繰り返し構造４０２は、前記「出射電磁波変換手段」に相当する。前記第２の凹凸繰り返し構造４０２が形成された領域は、前記「電磁波出射領域」ということができる。第１の凹凸繰り返し構造４０１、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０、および第２の凹凸繰り返し構造４０２は、基板１１０上に、一体に形成されている。また、第１の凹凸繰り返し構造４０１、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０、および第２の凹凸繰り返し構造４０２は、それぞれ、半導体と、絶縁層１０３との積層構造を有する。絶縁層１０３は、「正誘電体」に相当し、絶縁体から形成されている。前記半導体は、ｎ型半導体層１０１と、ｐ型半導体層１０２とから形成されている。ｎ型半導体層１０１と、ｐ型半導体層１０２と、絶縁層１０３とは、基板１１０上に、前記順序で積層されている。絶縁層１０３は、ｐ型半導体層１０２の上面に直接接触しており、ｐ型半導体層１０２は、ｎ型半導体層１０１の上面に、直接接触している。第１の凹凸繰り返し構造４０１および第２の凹凸繰り返し構造４０２においては、ｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２がところどころ除去されており、除去された部分には、絶縁層１０３が入り込んで基板１１０上面まで達し、光入射側（電磁波入射側）から光出射側（電磁波出射側）に向かって、凹凸が交互に設けられた構造を形成している。第１の凹凸繰り返し構造４０１における凹凸の寸法および配置間隔は、均一である。第２の凹凸繰り返し構造４０２における凹凸の寸法および配置間隔は、均一である。第１の凹凸繰り返し構造４０１と第２の凹凸繰り返し構造４０２とは、前記凹凸の寸法および配置間隔が異なる。前記半導体においては、ｐ型半導体層１０２の上面における絶縁層１０３との界面に、前記光入射側から前記光出射側まで表面プラズモンポラリトンを伝搬する電子蓄積層２０１が形成されている。
【００９７】
絶縁層１０３における前記光入射側の上面には、第１の凹凸繰り返し構造４０１に電圧を印加する第１の電極１０５が設けられている。絶縁層１０３における前記光出射側の上面には、第２の凹凸繰り返し構造４０２に電圧を印加する第２の電極１０６が設けられている。この半導体波長変換素子７１では、第１の凹凸繰り返し構造（表面プラズモンポラリトン変換構造）４０１への電圧印加により、前記第１の凹凸繰り返し構造内を伝搬する前記エバネッセント波の波数と前記表面プラズモンポラリトンの波数が整合するように、第１の凹凸繰り返し構造４０１における前記電子蓄積層の電子密度を変化させることが可能である。また、第２の凹凸繰り返し構造（周波数変換構造）４０２への電圧印加により、前記第２の凹凸繰り返し構造に入射する表面プラズモンポラリトンの波数と、前記第２の凹凸繰り返し構造におけるエバネッセント波の波数が整合するように、第２の凹凸繰り返し構造４０２における前記電子蓄積層の電子密度を変化させることが可能である。なお、本発明において「上に」は、特に断らない限り、上面に直接接触した状態でも、間に他の構成要素が存在していても良いものとする。「下に」も同様とする。「上面に」は、特に断らない限り、上面に直接接触した状態であるものとする。「下面に」も同様とする。
【００９８】
ｎ型半導体層１０１は、例えば、ｎ型の不純物が高濃度に導入されたシリコンからなる膜厚５０ｎｍ程度の層である。ｐ型半導体層１０２は、例えば、ｐ型の不純物が低濃度に導入されたシリコンからなる膜厚２０ｎｍ程度の層である。絶縁層１０３は、例えば、酸化シリコンからなる膜厚３０〜５０ｎｍ程度の層である。ｎ型半導体層１０１は、例えば、リン（Ｐ）が不純物として１０１８ｃｍ−３程度導入されている。またｐ型半導体層１０２、は、例えばボロン（Ｂ）が１０１３ｃｍ−３程度導入されている。ただし、前記各層の厚み、不純物濃度等は、これらに限定されないし、シリコンに限らず、他の半導体材料を用いてもよい。また、基板１１０は、例えば、シリコン、サファイア等、どのような基板でも良い。第１の電極１０５および第２の電極１０６も、特に制限されず、例えば、通常の金属電極等で良い。
【００９９】
また、この半導体波長変換素子７１において、光入射側の第１の凹凸繰り返し構造４０１と、光出射側の第２の凹凸繰り返し構造４０２とは、前記半導体および前記絶縁層により形成された凹凸の寸法および配置間隔（周期）が異なる。これらは、前記凹凸の寸法および配置間隔を制御して人為的に作製した構造であっても良いし、または、非人為的に形成された凹凸繰り返し構造（表面ラフネス）であっても良い。これらの凹凸繰り返し構造における凹凸の寸法および配置間隔は、規則的であっても良いし、不規則であっても良い。例えば、これらの凹凸繰り返し構造は、あらかじめ設計したパターンを転写して作製したものでも良いし、または、物質の表面粗さ、自己集合等の現象により形成されたランダムな表面凹凸（ラフネス）であっても良い。これら凹凸繰り返し構造（周期構造）の周期は、変換元（入射光）の波長と変換先（出射光）の波長によって適切に選ぶ必要があるが、例えば、およそ数１００ｎｍである。この程度のオーダーであれば、通常の製造プロセス技術により適切に制御可能である。なお、本発明の電磁波波長変換素子においては、入射電磁波の少なくとも一部をエバネッセント波に変換すれば、前記エバネッセント波によりＳＰＰを励起できるが、前記入射電磁波から前記エバネッセント波への変換効率がなるべく高いことが好ましい。本発明の電磁波波長変換素子において、前記第１の凹凸繰り返し構造により、入射電磁波を効率よくエバネッセント波に変換するためには、前記第１の凹凸繰り返し構造における凹凸の周期が、前記入射電磁波の波長以下であることが好ましい。前記凹凸の周期が、前記入射電磁波の波長よりも大きいと、理論上、前記第１の凹凸繰り返し構造においてエバネッセント波が発生しないためである。
【０１００】
図７に示すこの半導体波長変換素子７１の製造方法は、特に制限されないが、例えば、以下のようにして製造できる。すなわち、まず、基板１１０を準備し、その上に、ｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２を、この順序で積層させる（半導体形成工程）。積層方法は、例えば、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシャル成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＢＥ）法等が挙げられる。なお、有機金属気相成長法は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法ということもある。その後、ｐ型半導体層上面に凹凸繰り返し構造４０１および４０２のパターニングをし、光入射側から光出射側に向かって、凹凸が交互に設けられるように、ｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２の一部をエッチングにより除去する。さらに、絶縁層１０３を、前記半導体表面に直接接触するように積層させる（正誘電体形成工程）。または、ｎ型半導体層１０１のみを形成した後に、パターニングおよびエッチングによる除去を行い、その後、ｐ型半導体層１０２の成長と絶縁層１０３の成膜を行っても良い。ｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２を両方形成してからエッチングする方が、半導体層の再成長が不要である（半導体層の形成を一度に行うことができる）ため簡便で好ましい。ｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２を形成するとき、同時に、これらの層にドーピングを行う。このようにして、前記積層構造を形成することができる。なお、電子蓄積層２０１は、ｐ型半導体層１０２上面における絶縁層１０３との界面部分である。この半導体波長変換素子７１では、電圧を印加しない状態では、電子蓄積層２０１の電子密度、例えば、ｐ型半導体層１０２における他の部分と同程度である。後述のように、前記積層構造への電圧印加により、絶縁層１０３との界面（電子蓄積層２０１）の電子密度が高くなる。さらに、第１の凹凸繰り返し構造４０１の上方に、第１の電極１０５を、絶縁層１０３上面に接するように形成する。同様に、第２の凹凸繰り返し構造４０２の上方に、第２の電極１０６を、絶縁層１０３上面に接するように形成する。以上のようにして、図７の半導体波長変換素子７１を製造できる。なお、この製造方法は、前記本発明の第１の製造方法（半導体形成工程と、正誘電体形成工程を含む）であるとともに、前記本発明の第２の製造方法（エバネッセント波変換手段形成工程と、表面プラズモンポラリトン変換手段形成工程と、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段形成工程と、出射電磁波変換手段形成工程とを有する）であり、エバネッセント波変換手段形成工程と、表面プラズモンポラリトン変換手段形成工程と、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段形成工程と、出射電磁波変換手段形成工程とを同時に行っている。ただし、この半導体波長変換素子７１の製造方法は、これに限定されない。
【０１０１】
なお、基板１１０の下面に、第１の電極１０５および第２の電極１０６の対となる電極を、さらに形成してもよい。このようにすると、例えば、第１の凹凸繰り返し構造４０１および第２の凹凸繰り返し構造４０２に電圧を印加しやすくなる、印加電圧の調整がしやすくなる、印加電圧の調整可能範囲が広くなる等の効果が得られる。この場合、例えば、基板１１０を、ｎ型半導体基板（不純物を導入して導電性を持たせた基板）とする。または、基板１１０が高抵抗基板である場合、前記高抵抗基板に、エッチングによりビアホール等を形成してｎ型半導体層１０１下面を露出させ、前記対となる電極を、ｎ型半導体層１０１下面に接触するように形成してもよい。
【０１０２】
この半導体波長変換素子７１は、例えば、以下のようにして動作させることができる。すなわち、まず、第１の凹凸繰り返し構造４０１に、入射光（入射伝搬光）２０２を、任意の入射角で入射させる。図中の矢印２０３は、入射光（入射伝搬光）２０２の、光伝搬方向成分である。入射光２０２は、第１の凹凸繰り返し構造４０１により、第１の凹凸繰り返し構造４０１の凹凸周期に応じた波数のエバネッセント光２０４に変換され、電子蓄積層２０１の表面（絶縁層１０３との界面）を伝搬する。さらに、エバネッセント光２０４は、第１の凹凸繰り返し構造４０１において、その場で、電子蓄積層２０１における自由電子の振動と結合し、表面プラズモンポラリトン２０５に変換される（ＳＰＰが励起される）。表面プラズモンポラリトン２０５は、光入射側から光出射側に向かって伝搬し、さらに、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０内を伝搬する際に、周波数が変調される。この半導体波長変換素子７１では、電子蓄積層２０１の、表面プラズモンポラリトン２０５伝搬方向に沿った電子密度勾配により、表面プラズモンポラリトン２０５を、伝搬方向の波数を保存したまま分散関係を満たす異なる周波数へ変調することができる。表面プラズモンポラリトン２０５に結合したエバネッセント光２０６は、第２の凹凸繰り返し構造４０２を伝搬する。エバネッセント光２０６は、第２の凹凸繰り返し構造４０２によって、伝搬光の分散関係を満たした出射光（出射伝搬光）２０８に変換され、所定の出射角で出射される。前記出射角とは、光伝搬方向に垂直な平面とのなす角である。矢印２０７は、前記出射光（出射伝搬光）２０８の、光伝搬方向成分である。このようにして、入射光２０２から出射光２０８への波長変換を実現できる。また、この半導体波長変換素子７１では、第１の電極１０５および第２の電極１０６により、凹凸繰り返し構造４０１および４０２に電圧を印加可能である。これにより、使用する波長域が変化しても、前記波長域に対して電子蓄積層２０１の誘電率が負となり、かつエバネッセント光とＳＰＰの波数が整合する電子密度に調整し、ＳＰＰを励起および伝搬可能とすることができる。
【０１０３】
本実施形態の半導体波長変換素子７１において、第１の電極１０５、および第２の電極１０６にそれぞれ異なる正のバイアス電圧ｖ１、ｖ２を印可すると、ｐ型半導体層１０２と絶縁層１０３との界面のバンドが歪む。これにより、ｐ型半導体層１０２上面の電子蓄積層２０１に、印加する電圧の差に応じた電子密度差ｎｖ２−ｎｖ１の電子密度勾配が形成される。図３に、前記電子密度勾配（電子密度分布）を例示する。電子蓄積層２０１は、ｐ型半導体層１０２の絶縁層１０３側のごく表面の浅い部分に形成されるため、蓄積する電子数密度は、通常のドーピングで得られる電子密度に比べて非常に高くなる。例えば、ある位置で１０１５ｃｍ−２程度の表面電荷密度を仮定し、さらに、電子蓄積層２０１は膜厚が１ｎｍ程度であり、ここに電子が集約されるものと考える。この場合、電子蓄積層２０１の電子密度は、１０２２ｃｍ−３と試算される。このときのプラズマ周波数は、可視から近赤外領域でＳＰＰを導波させるのに典型的に使われるＡｕの１／３程度に達するため、ＳＰＰを導波させることが十分可能である。
【０１０４】
なお、図８に、図７の波長変換素子７１に電圧を印加した場合のエネルギーバンド図を例示する。ただし、図８は、説明の便宜のための例示的な模式図であり、本発明を何ら限定しない。図示のとおり、伝導帯のエネルギーがフェルミ準位ＥＦよりも低くなった反転分布層が、電子蓄積層２０１となり、トンネル効果により電子が蓄積される。図７のように、ｎ型半導体の表面に接触するようにｐ型半導体が積層され、前記ｐ型半導体の表面に接触するように絶縁体（または金属）が積層されている構造では、電子蓄積層２０１に電子が蓄積されるためには、電圧を印加する必要がある。なお、このようなエネルギーバンド図は、特開２００６−３４３４１０号公報にも記載されている。前記のとおり、特開２００６−３４３４１０号公報では、波長変換素子７１と同様の積層構造を利用してＳＰＰを伝搬させる。ただし、ＳＰＰが伝搬する電子蓄積層２０１の電子密度に勾配（特に、連続的な勾配）を設けることで、波長変換が可能であることを見出したのは、前記のとおり、本発明者らがはじめてである。
【０１０５】
本発明の半導体波長変換素子において、ＳＰＰを半導体表面で伝搬させるためには、使用する波長域に対して誘電率が負となる、高密度な電子層（電子蓄積層）を用いれば良い。したがって、前記電子蓄積層は、本実施形態の電子蓄積層２０１に限定されない。
【０１０６】
図７の半導体波長変換素子７１において、第１の電極１０５および第２の電極１０６に電圧を印加して電子密度勾配をつけた場合の電子蓄積層２０１内の、その位置での電子密度に対応したＳＰＰの分散関係を、図４に示す。図４は、一例として、電子密度ｎが１×１０２１ｃｍ−３の場合の第１の分散関係３０４と、２×１０２２ｃｍ−３の場合の第２の分散関係３０６を示した。なおこの２本の分散曲線３０４、および３０６の間においては、電子密度が連続的に変化しうるため、前記電子密度に応じた無数の連続した分散曲線が存在する。
【０１０７】
図７の半導体波長変換素子７１に伝搬光（入射光）２０２を入射した場合、第１の凹凸繰り返し構造（表面凹凸構造）４０１によってエバネッセント光２０４が生じる。周期ａの周期構造で回折されるエバネッセント光の波数は、前記数式（４）より、周期ａに依存する。これは図４に示す伝搬光の分散関係３０１および前記数式（４）から、前記エバネッセント光の分散関係は、第１の凹凸繰り返し構造（表面凹凸構造）４０１に応じた波数範囲を有する。図４において、４０４が、前記第１の凹凸繰り返し構造における前記エバネッセント光の、波数と角振動数（周波数）との分散関係である。このエバネッセント光２０４の分散関係４０４と電子蓄積層２０１の電子密度で決まるＳＰＰの分散関係３０４が交点をもつときに、エバネッセント光２０４はＳＰＰ２０５に変換されて伝搬する。言い換えると、第１の凹凸繰り返し構造（周期構造）４０１に入射された伝搬光２０２の波数の周期構造に沿った成分とその周期に対応した逆格子ベクトルの和が、電子蓄積層２０１の電子密度で決まるＳＰＰの波数と一致したときに、ＳＰＰに変換されて伝搬する（図４）。なお、第１の凹凸繰り返し構造４０１がランダムな表面凹凸構造の場合は、フーリエ変換の考え方を適用することができる。すなわち、ランダムな周期は様々な周期をもつ周期関数の重ね合わせとしてとらえることができることから、エバネッセント光２０４は、連続的に変化する広範囲の波数を含んでいると考えることができる。
【０１０８】
電子蓄積層２０１を伝搬するＳＰＰ２０５は、電子密度の勾配により変調を受け（周波数が変化し）、第２の凹凸繰り返し構造（表面凹凸構造）４０２によって散乱され、再びエバネッセント光２０６に変換される。第２の凹凸繰り返し構造４０２は、半導体部および絶縁部の寸法および配置間隔（周期）が、第１の凹凸繰り返し構造４０１とは異なる。このため、第２の凹凸繰り返し構造４０２内を伝搬するエバネッセント光２０６の、波数と角振動数（周波数）との分散関係は、図４の４０６で表される。電子密度勾配の分だけ入射側とは異なったＳＰＰの分散関係３０６とエバネッセント光２０６の分散関係４０６が交点をもつときに、伝搬光の分散関係３０１に戻る。ここで、自由空間中（厳密には、一切の物質が存在しない空間中、すなわち真空中）における伝搬光の分散関係は、ω＝ｃｋの関係が成り立つことから常に一定である。したがってこのときの伝搬光に戻った出射光２０８（２０７）は、ＳＰＰの伝搬方向に沿った成分の波数が保存すること、および分散関係を満たすことから、入射時の周波数ω１とは異なる周波数ω２となっている。すなわち、入射光の波長が変換されて出力されたことになる。ここでは、前記分散関係が傾きをもっていること、すなわち、異なる波数に対して異なる周波数が対応することに着目した。このように、入射側と出射側で寸法または配置間隔（周期）が異なる周期構造を利用することで、波長変換が可能であることが分かる。
【０１０９】
ここで、第１の電極１０５および第２の電極１０６に印加する電圧を調整すると、電子蓄積層２０１の電子密度の絶対値および勾配を調整できる。これにより、変換元（入射光）の周波数ω１および変換先（出射光）の周波数ω２を、凹凸繰り返し構造（表面凹凸構造）４０１および４０２に応じた波数範囲を持ったエバネッセント光の分散関係４０４および４０６の範囲の中から、任意に選ぶことが可能である。すなわち、ある範囲内での任意波長から任意波長への変換が可能である。また、電子蓄積層２０１において、光入射側から光出射側への（ＳＰＰの伝搬方向の）電子密度勾配の傾きは、正負どちらでも良い。具体的には、前記電子密度勾配の正負によって、周波数の変換方向が逆転するため、目的に応じて設定すればよい。
【０１１０】
また、図９の断面図に、本実施形態の波長変換素子の変形例を示す。同図は、光伝搬方向（光入射側から光出射側への方向）の断面図である。図示のとおり、この波長変換素子９１は、基板１１０が、第１の凹凸繰り返し構造４０１、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０および第２の凹凸繰り返し構造４０２に対応する凹凸を有することと、その凹凸の上面および側面に、ｎ型半導体層１０１、ｐ型半導体層１０２、および絶縁層１０３が、前記順序で、光入射側から光出射側まで連続して形成されている。電子蓄積層２０１は、ｐ型半導体層１０２内における、絶縁層１０３との界面近傍に、光入射側から光出射側まで連続して形成されている。これら以外は、図９の波長変換素子の構造は、図７の波長変換素子と同様である。このような構造によれば、電子蓄積層２０１が、光入射側から光出射側まで連続して形成されているため、エバネッセント光およびＳＰＰの伝搬効率がより優れており、さらに好ましい。
【０１１１】
図９の半導体波長変換素子９１の製造方法は、特に制限されないが、例えば、以下のようにして製造できる。すなわち、まず、基板１１０を準備し、その上面に、凹凸繰り返し構造４０１および４０２のパターニングをし、基板１１０の一部をエッチングにより除去する。この上にｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２を、この順序で積層させる。積層方法は、例えば、有機金属気相成長法、分子線エピタキシャル成長法等が挙げられる。その後、絶縁層１０３を積層させる。前記各半導体層の作製方法はこれに限定されないが、この方法は、基板１１０へパターンニング後は、半導体層を一括して成膜でき、再成長が不要であるため好ましい。ｎ型半導体層１０１およびｐ型半導体層１０２を形成するとき、同時に、これらの層にドーピングを行う。このようにして、前記半導体形成工程を行うことができる。なお、電子蓄積層２０１は、ｐ型半導体層１０２上面における絶縁層１０３との界面部分である。この半導体波長変換素子９１では、電圧を印加しない状態では、電子蓄積層２０１の電子密度、例えば、ｐ型半導体層１０２における他の部分と同程度である。図７の半導体波長変換素子７１と同じように、前記積層構造への電圧印加により、絶縁層１０３との界面（電子蓄積層２０１）の電子密度が高くなる。さらに、第１の凹凸繰り返し構造４０１の上方に、第１の電極１０５を、絶縁層１０３上面に接するように形成する。同様に、第２の凹凸繰り返し構造４０２の上方に、第２の電極１０６を、絶縁層１０３上面に接するように形成する。以上のようにして、図９の半導体波長変換素子９１を製造できる。ただし、この半導体波長変換素子９１の製造方法は、これに限定されない。
【０１１２】
［第４の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。
【０１１３】
図１０（ａ）の断面斜視図に、本実施形態の半導体波長変換素子の構造を示す。ただし、同図においては、簡略化のため、光出射側の第１の凹凸繰り返し構造（表面凹凸構造）近傍の構造のみ示している。図示のとおり、この半導体波長変換素子７１’は、第１の凹凸繰り返し構造において、前記光入射側から前記光出射側への方向（光伝搬方向）に垂直かつ前記積層構造の層平面に平行な方向に沿って前記正誘電体（絶縁層１０３）と前記半導体とが交互に配置されている。すなわち、前記積層構造の層平面に平行な方向に沿って、光伝搬方向のみならず光伝搬方向と垂直な方向にも、凹凸の繰り返し構造が形成されている。前記半導体において、ｐ型半導体層１０２は、ｎ型半導体層１０１上面に加え、ｎ型半導体層１０１側面にも直接接触し、ｎ型半導体層１０１を覆うように形成されている。電子蓄積層２０１は、前記積層構造の層平面に平行な層平面を有し、かつ、前記光入射側から前記光出射側に向かって前記積層構造の層平面に垂直な層平面を有する。なお、図示していないが、光出射側の第２の凹凸繰り返し構造も同様の構造を有することが好ましい。また、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の半導体波長変換素子において、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０の、光伝搬方向と垂直方向に見た断面図である。図示のとおり、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０においても、ｐ型半導体層１０２は、ｎ型半導体層１０１上面に加え、ｎ型半導体層１０１側面にも直接接触し、ｎ型半導体層１０１を覆うように形成されている。電子蓄積層２０１は、前記積層構造の層平面に平行な層平面を有し、かつ、前記光入射側から前記光出射側に向かって前記積層構造の層平面に垂直な層平面を有する。ただし、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０は、図７の半導体波長変換素子７１と同様、光入射側から光出射側に向かって凹凸が交互に設けられた構造は有さない。電子蓄積層２０１は、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０の光入射側から光出射側まで連続している。これら以外は、図１０の半導体波長変換素子７１’の構造は、図７の半導体波長変換素子７１と同様である。
【０１１４】
ＳＰＰは、その電磁波としての性質から、伝搬する界面に垂直な方向に電場振動を伴う、いわゆるＴＭ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｗａｖｅ）である。すなわち、ＳＰＰを励起するための伝搬光（入射光）もＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光である必要がある。したがって、本発明の半導体波長変換素子において、入射光は、前記電子蓄積層の層平面に垂直な偏光成分（ＴＭ波）を含む必要がある。しかし、例えば本実施形態のように、電子蓄積層が、縦横両方の層平面を含むことで、入射光の偏光方向が縦横いずれであっても、偏光方向に垂直に電子蓄積層の層平面が存在するため、それぞれＳＰＰの励起（ＳＰＰへの結合）が可能となる。また、前記のように、光出射側の第２の凹凸繰り返し構造も同様の構造を有することで、それぞれの偏光を、入射したときの偏光状態を保って出力することができる。これにより、複数の偏光状態に対しても素子１つで波長変換が可能である。このように、偏光方向が９０°異なる光のいずれに対しても素子１つで波長変換が可能であることは、特に、光通信への適用において、大きなメリットがある。また、前記電子蓄積層の層平面は、前記積層構造の層平面に対し平行および垂直には限定されず、前述のように、前記積層構造の層平面から傾斜していても良い。このように、前記電子蓄積層の層平面を任意に設定すれば、入射光の任意の偏光成分に対し、前述の機構で波長変換が可能である。
【０１１５】
なお、図１０の半導体波長変換素子７１’は、図７の半導体波長変換素子７１と同様、表面プラズモンポラリトン周波数変調手段４１０以外の部分では、電子蓄積層２０１が、光入射側から光出射側まで連続していない。しかしながら、図９の半導体波長変換素子９１と同様、電子蓄積層２０１が、光入射側から光出射側まで連続した構造とすると、エバネッセント光およびＳＰＰの伝搬効率がさらに優れるため、いっそう好ましい。
【０１１６】
［第５の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。
【０１１７】
図１１および１２の断面図に、本実施形態の半導体波長変換素子の構造を示す。図１１は、光入射側から光出射側への方向（光伝搬方向）の縦断面図である。図１２は、光入射領域の第１の凹凸繰り返し構造４０１を、光入射側の端面と平行方向に（光伝搬方向と垂直に）見た断面図である。図示のとおり、この半導体波長変換素子は、図１の半導体波長変換素子１および図７の半導体波長変換素子７１において、半導体層１０１および１０２と基板１１０の上部に相当する部分が、真性半導体層１０８と、ｎ型半導体層１０１および、その界面に形成される電子蓄積層２０１となっている。基板１１０は、高抵抗基板である。基板１１０は、例えば、ＧａＡｓ、またはＩｎＰなどである。真性半導体層１０８は、例えば真性ＧａＡｓ、または真性ＩｎＧａＡｓなどである。ｎ型半導体層１０１は、過剰な電子を有したｎ型半導体層であり、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、またはＩｎＡｌＡｓなどである。前記ｎ型半導体層は、例えば、リン（Ｐ）などのｎ型不純物を高濃度にドーピングするか、またはＳｉをドナーとして変調ドーピングをしても良い。ｎ型半導体層１０１は、「正誘電体」に相当し、真性半導体層１０８の表面に直接接触している。第１の電極１０５と第２の電極１０６は、金属であり、ｎ型半導体層１０１を挟んで真性半導体層１０８と反対側に設けられ、かつ、ｎ型半導体層１０１の表面に直接接触している。電子蓄積層２０１は、ｎ型半導体層１０１が真性半導体層１０８に電子を供給することで、ｎ型半導体層１０１と真性半導体層１０８の異種半導体層の界面（真性半導体層１０８内における、ｎ型半導体層１０１との界面近傍）に形成される。これは通常のＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）と同じ機構である。または、ＺｎＯとＭｇＺｎＯといった分極の大きさが異なる強誘電体材料を用いると、分極効果により電子蓄積層２０１が形成される。電子蓄積層２０１の電子密度は、電圧を印加しない状態で、例えば１×１０２１ｃｍ−３以上、好ましくは１×１０２２ｃｍ−３以上である。これらの電子密度は、例えば、接合する材料を適切に選択することで実現できる。半導体波長変換素子使用時における電子蓄積層２０１の電子密度は、材料の選択、製造時の設計、または印加電圧により、例えば１０２０ｃｍ-３〜１０２２ｃｍ-３オーダー（１×１０２０ｃｍ-３〜１×１０２３ｃｍ-３）で可変とする。この半導体波長変換素子は、電圧を印加して使用することもできるが、電圧を印加せずに使用しても良い。これは、一般的なＨＥＭＴに類似した構造または分極効果により、電圧を印加しなくても、電子蓄積層２０１に、高い電子密度が生じているためである。これら以外は、図１１および１２の半導体波長変換素子の構造は、図１０の半導体波長変換素子７１’と同様である。なお、図１２に示すように、電子蓄積層２０１は、図１０の半導体波長変換素子７１’と同様、絶縁層１０３との界面を、縦横両方向に有する。このため、縦方向に振動するＳＰＰ２０６’および横方向に振動するＳＰＰ２０７’の両方を伝搬可能である。
【０１１８】
なお、図１３に、図１１および１２に示す半導体波長変換素子１００１におけるバンドエネルギーを例示する。ただし、図１３は、説明の便宜のための例示であり、本発明を何ら限定しない。図１３に示すとおり、真性半導体層１０８内における、ｎ型半導体層１０１との界面近傍では、伝導体エネルギーＥｃが、フェルミ準位ＥＦよりも低くなっている。これにより、前記界面近傍では、電子が蓄積されて二次元電子ガス（Ｔｗｏ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ；２ＤＥＧ）の層（電子蓄積層）２０１が形成されている。また、電子蓄積層２０１の厚みは、例えば、図１３に示すとおり、約１ｎｍであるが、これに限定されない。
【０１１９】
図１１および１２に示す半導体波長変換素子１００１の製造方法も特に制限されない。例えば、基板１１０として高抵抗基板を用いることと、基板１１０の上部の一部をエッチングして第１の凹凸繰り返し構造４０１および第２の凹凸繰り返し構造４０２を形成すること以外は、前記第３および第４の実施形態と同様で良い。
【０１２０】
本発明において、前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造は、あらかじめ、変換元（入射光）と変換先（出射光）の波長の波数が、ＳＰＰの分散関係と整合するように周期構造を設計することができる。前記の通り、ＳＰＰの分散関係は電子密度に依存するため、最適な波数整合になるように２電極の電圧により電子密度を調整することで、波数を保存した状態で周波数を変化させることができる（図４）。例えば、電子密度差が〜７×１０１９ｃｍ−３程度で１００ｎｍ、〜６×１０２０ｃｍ−３で５００ｎｍもの波長差で、入射光から出射光への変換が可能である（図１４参照）。なお、本実施形態では、電子蓄積層２０１は、前記の通り、電圧の印加のみならず、製造時の設計により、電圧非印加時に適切な値を有するよう設定することもできる。
【０１２１】
前記の原理によれば、前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造における凹凸の周期および電子蓄積層の電子密度差により、変換できる波長差が規定される。ただし、本発明は、これに限定されない。例えば、前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造（周期構造）の光の波数に対するトレランスの広さを利用し、ある波数の範囲で伝搬光からＳＰＰへ、またその逆の結合が可能なように設計することで、単一波長から複数波長への変換が可能である。例えば、図４で低い周波数ω１で光が入射した場合を想定する。このとき、第１の凹凸繰り返し構造におけるＳＰＰの分散関係３０４が波数無限大のＳＰＰに漸近していく範囲を利用する。これにより、単一波長で、ある範囲内の任意の波数のＳＰＰを電子密度によって選択可能とする。一方、光出射側（第２の凹凸繰り返し構造）は、ＳＰＰの分散関係３０６が波数に対して周波数変化が急になる範囲を利用する。これにより、単一の波数および電子密度に対して周波数をω２の範囲で選択することが可能である。以上の通り、電子密度差の初期設定（製造時の設計）または電圧による制御と、周期構造の設計により、単一波長から任意の波長へと変換が可能である。なお、このメカニズムは、本実施形態に限定されず、例えば、前記第１および第２の実施形態の半導体波長変換素子にも、同様に適用できる。また、前記のメカニズムを逆にたどることで、反対に、任意の波長から単一波長への変換も可能である。
【０１２２】
以下、本発明と関連する波長変換素子について説明する。本発明者らは、これらに着目し、鋭意検討を重ねた結果、本発明に到達した。
【０１２３】
波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＷＤＭ）を利用した光通信システムは、通信容量の拡大に用いられる。このＷＤＭは、異なる搬送波長（チャンネル）に割り当てられた複数の光信号を同時に伝送できる方式で、チャンネル数に応じて通信容量を増大することができる。
【０１２４】
このＷＤＭシステムの送信側では、例えば、光通信で用いられる標準チャンネルに対してそれぞれの波長に応じたレーザ装置を用意する。したがって、１００チャンネル分に対しては１００品種のレーザ装置が必要となる。これにより、在庫管理・棚卸しコストが増大するという問題点がある。そこで、ＷＤＭシステムを、１種類で１００チャンネルの設定が可能な波長可変レーザに置き換えることが考えられる。波長可変レーザの原理としては、例えば、レーザの内部に波長可変フィルタが内蔵されていて、波長を選択できるものがある。しかしながら、波長可変レーザは、機構が複雑となる問題がある。もし小型で高効率な波長変換素子が実現できれば、従来の波長可変レーザに代えて、固定波長レーザから出射された光を変換して、実用的な波長可変レーザが可能になる。
【０１２５】
また、ＷＤＭシステム内ネットワークノードでのチャンネル、すなわち波長の切り替えには、既存の光素子では制御が困難であるため、例えば、一度電気信号に変換してから処理し、再び光信号に戻す。この方法では、消費電力の増加とスピードの低下が問題となる。そこで、ＷＤＭシステムを低消費電力かつ高速に（柔軟かつ効率的に）運用するために、例えば、光信号を電気信号に変換することなく処理できるフォトニックネットワークシステムが有効と考えられる。波長変換素子は、これを実現するためのキーデバイスとなり得る。
【０１２６】
また、現在、再生可能エネルギーとして注目されている太陽光発電は、太陽電池が用いられる。太陽電池は、広い波長域をもった太陽光に対して、吸収して光起電力として取り出せる波長域が限られているため、発電効率に限界がある。これに対し、異なる波長域の光を吸収できるように、異なる吸収層を多層構造にした素子を用いることが考えられる。しかし、多層化によるコスト増大と、各層が直列に接合されていることにより、１つの層の不具合が全体に影響する、といった歩留まりの低下が問題となる。そこで、小型で高効率な波長変換素子が実現できれば、直接吸収できない波長域の光を、吸収させる素子に応じて光起電力として取り出すのに最適な波長域へと変換することができる。これにより、発電効率を上げることが可能である。
【０１２７】
波長変換素子には、前述のとおり、主に電気駆動型と全光型とがある。電気駆動型は、主に半導体やＬＮ（ニオブ酸リチウム）によりマッハツェンダー型変調器を構成して実用化されており、周波数シフト量を精密に制御できる。しかし、電気駆動型の波長変換素子は、周波数の変換帯域が狭い、電場の１次の項を使うため入射光の偏光依存性が大きい、素子の駆動に消費電力が大きいＲＦ信号源が必要という問題がある。これらを抜本的に解決する対策は見出されていない。例えば、電気駆動型の波長変換素子には、前述のとおり、音響光学効果で生成されたブラッグ格子により周波数をシフトさせるもの、および、電気光学効果により単側波帯（サイドバンド）へ周波数をシフトさせるものがある。変換帯域（周波数シフト量）は、例えば、前者が数ＧＨｚ、後者は数１０ＧＨｚ程度である。しかしながら、ＷＤＭシステムより密な波長間隔を用いるＤｅｎｓｅ  ＷＤＭ（ＤＷＤＭ）システムにおいても、周波数間隔は、例えば、１００ＧＨｚまたは５０ＧＨｚである。この観点からすると、前記電気駆動型の波長変換素子における周波数シフト量は大きくはない。
【０１２８】
全光型の波長変換素子は、光の非線形光学効果を用いた素子で、前述のとおり、原理的に次の２つに大別される。１つは、３次の非線形効果である相互利得変調、相互位相変調（カー効果）等を利用して、信号光によって被変換光を変調する方法である。もう１つは、２次の非線形効果である差周波発生、３次の四光波混合等を利用して、信号光の位相まで含めた情報を別の波長の光へと転写させる方法である。これらの方式は、ＳＯＡ、ＬＤ等の半導体活性層、ＬＮ等の非線形光学結晶、光ファイバを使って実用化されている。
【０１２９】
図１９に、ＳＯＡやＬＤ、光ファイバなどの３次非線形媒質１０を用いた四光波混合による波長変換の例を示す。図示のとおり、周波数整合条件、および位相整合条件から、高強度でコヒーレントな周波数ωｐのＣＷポンプ光１１と、周波数ωｓ＋Δωの信号光１２を媒質（３次非線形媒質）１０に入射する。これにより、媒質１０から、ωｓ−Δωの変換光１３が発生する。ただし、ポンプ光１１も一部は透過するため、波長フィルタ１４で変換光１３のみを取り出せるようにする。全光型の波長変換素子は、動作速度が、例えば数１０フェムト秒（ｆｓ）から数ピコ秒（ｐｓ）と十分高速であるが、非線形光学効果の励起や被変換光として高強度な別の光源と、その光が信号光と混ざらないための波長選択フィルタが必要である。また変換帯域は、電気駆動型波長変換素子よりは広いものの、数１０ナノメートル（ｎｍ）程度であり、応用範囲が通信用等の狭い範囲に限られるという問題がある。また偏光依存性は、非線形光学効果を用いるため、電気駆動型に比べるとほとんどないが、差周波発生や四光波混合においては完全な偏光無依存化はできていない。
【０１３０】
また、これらの波長変換技術において、光を導波させる構造は、誘電体の屈折率差を利用して光を閉じ込めるものである。しかしこの構造では回折限界の制約を受けるために、光を、使用する波長より十分小さいナノメートルオーダーの空間に閉じ込めることはできない。全光型のフォトニックネットワークシステムに向けた、光回路のさらなる大規模集積化のためには、光をナノメートルオーダーで自在に操る必要がある。
【０１３１】
以下、本発明の電磁波波長変換素子により奏される効果の例について説明する。ただし、これらの説明は、例示であって、本発明を何ら限定しない。
【０１３２】
第１に、波長変換帯域（周波数変換帯域）の広さが挙げられる。電気駆動型の波長変換素子では、波長変換帯域（波長シフト量）は、広くて数ｎｍ程度である。また、非線形光学効果を利用する全光型の波長変換素子では、波長変換帯域（波長シフト量）は、広くて数１０ｎｍ程度である。しかし、この帯域では、一部の光通信用等の限られた用途にしか適用できない。光通信用における周波数利用幅のさらなる拡大、太陽光発電などに応用するためには、例えば、数１００ｎｍ程度の波長変換帯域（波長シフト量）が必要となる。
【０１３３】
本発明では、前記の通り、入射光と出射光との波長差（波長シフト量）、すなわち周波数差は、例えば、前記第１の凹凸繰り返し構造および前記第２の凹凸繰り返し構造における、凹凸の寸法および配置間隔（周期）と、前記電子蓄積層の電子密度勾配とで決まる。前記凹凸繰り返し構造は、例えばグレーティング構造の場合、周期等を自在に設計して作製することが可能である。また、前記電子蓄積層が半導体層であれば、電子密度勾配は、材料だけでなく構造や電界のかけ方によって自由に設定可能であり、金属を用いた場合のように材料のみで決定されることはない。したがって、原理的には、例えば、電子密度の差が７×１０１９ｃｍ−３程度で１００ｎｍ、６×１０２０ｃｍ−３で５００ｎｍもの変換が可能である。ただし、本発明の電磁波波長変換素子における波長変換帯域（波長シフト量）は、何ら限定されない。本発明の電磁波波長変換素子の用途は、特に制限されないので、例えば、広い波長変換帯域（波長シフト量）を必要としない用途であれば、波長変換帯域（波長シフト量）が狭くても良い。また、前述のとおり、本発明の電磁波波長変換素子が半導体波長変換素子であり、前記電子蓄積層が半導体層であれば、前記第１の電極および第２の電極により電圧を印加することで、前記電子蓄積層の電子密度を自在に変化させることができる。しかし、本発明の電磁波波長変換素子は、前述のとおり、電圧をかけずに使用しても良い。
【０１３４】
第２に、小型化および集積化が挙げられる。屈折率差で光を閉じ込める導波路を用いた波長変換素子では、小型化が困難である。すなわち、この導波路では回折限界により光が広がってしまうため、導波路の幅や曲率半径などの寸法が波長オーダーに制限される。また、導波路の単位長さあたりの変換効率が低いことを素子長で補うために、サイズが大きくなってしまう。実際、実用化されている波長変換素子は、例えば、ｍｍからｃｍのオーダーの素子長である。また、特に全光型で非線形光学効果を利用する場合は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの結晶を用いるため、他の半導体発光・受光素子との集積化が困難である。
【０１３５】
これに対し、本発明は、例えば、図４に示すように、ＳＰＰは同じエネルギーの伝搬光と比べて波数が大きい、すなわち波長が短いため回折限界による制限が小さくなるという原理に基づく。例えば、表面凹凸構造のある光結合部（前記第１および第２の凹凸繰り返し構造）が、片側１０μｍ程度、それら以外の電子密度勾配がある領域が１０μｍ程度であれば、全長３０μｍ程度の素子が実現可能である。これは、屈折率差で光を閉じ込める導波路を用いた波長変換素子と比較すると、例えば、１／１０００程度の素子長である。また、本発明の電磁波波長変換素子が、半導体を主な形成材料とする半導体波長変換素子であれば、他の半導体素子との集積が容易である。材料として、半導体とその酸化膜などの絶縁体、および電極用の金属以外を使用しなければ、さらに集積は容易である。さらに、半導体素子においては、異なる活性層間をドライエッチングと再成長によってつなぐバットジョイント技術が確立していることも、集積が容易な理由である。
【０１３６】
第３に、波長変換素子およびそれを用いた装置（システム）の構成を単純化できることが挙げられる。例えば、電気駆動型波長変換素子は、消費電力が大きく、高価なＲＦ信号源が必要である。一方、全光型の波長変換素子は、励起用の高強度ポンプ光か被変換光が必要となる。したがって、素子本体が小型化、低消費電力化できたとしても、システム全体としては大型で消費電力も大きくなり、コストも増大してしまう。これに対し、本発明の電磁波波長変換素子においては、例えば、波長変換には、例えば、ＤＣバイアスをかける電圧源のみがあればよい。このため、ＲＦ信号源や他の高強度光を用意する必要がない。そのため、素子単体だけでなく、システム全体として小型化、低消費電力化することが可能である。ただし、本発明は、この説明により限定されない。例えば、前記電圧源としては、ＤＣバイアス以外の任意の電圧源を用いても良い。また、前述のとおり、本発明の電磁波波長変換素子は、電圧を印加せずに波長変換することもできる。これによれば、前記電圧源が不用であるので、システムのさらなる小型化および構成の単純化が可能である。また、この場合、前記第１の電極および第２の電極は、省略することもできる。
【０１３７】
第４に、波長変換効率（入射光から出射光への変換効率）が挙げられる。例えば、全光型の波長変換素子は、もともと係数が小さい高次の非線形光学効果を用いることと、その効果が光強度に依存することから、高い変換効率を得るためには高強度の光源が必要となる。このことは、前述の、装置構成を複雑にする要因ともなっている。本発明の電磁波波長変換素子では、例えば、前記表面プラズモンポラリトン変換構造を適切に設定することで、伝搬光（入射光）からＳＰＰへの結合効率（変換効率）を高くすることができる。より具体的には、例えば、前記第１の凹凸繰り返し構造（周期構造）の周期、形状、長さ等により、前記入射光から前記ＳＰＰへの変換効率を、例えば９０％程度まで高めることもできる。また、例えば、ＳＰＰに変換された後は、電子密度勾配がある領域（前記光入出射領域それぞれの構造間）の長さをＳＰＰの減衰長以下にすることができる。これにより、再び伝搬光へ変換されて出力される全体の波長変換効率（すなわち、入射光から出射光への変換効率）は、例えば、８０％程度とすることが可能である。ただし、これらの波長変換効率の数値は、好ましい数値の例示であって、本発明を何ら限定しない。
【０１３８】
第５に、入射光の偏光依存性が挙げられる。例えば、電気駆動型の波長変換素子は、電場の１次の項がもたらす電気光学効果を用いるため、偏光依存性が顕著であり、異なる方向の偏光に対しては作用しない。一方、全光型は、電場の２次以上の高次の項、すなわち主に光強度がもたらす非線形光学効果を用いるため、偏光依存性は少ないが、さらなる偏光無依存化が求められる。
【０１３９】
本発明では、例えば、前記第４または第５の実施形態のように、前記電子蓄積層が、縦横両方の方向に層平面（界面）を有することで、縦横いずれの方向の偏光によってもＳＰＰを励起可能である。さらに、それぞれその偏光を保ったまま波長変換をおこなって伝搬光に戻すことができる。また、例えば、前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面から任意の角度だけ傾斜し、かつ前記光入射側から前記光出射側に向かう方向に沿った方向の層平面を有することで、任意の方向の偏光により、同様にＳＰＰを励起し、その偏光を保ったまま波長変換をおこなって伝搬光に戻すことができる。ただし、これらの説明は例示であって、本発明を何ら限定しない。本発明の電磁波波長変換素子は、例えば前記第１から第３の実施形態のように、前記電子蓄積層が、前記積層構造の層平面と平行方向にのみ、層平面（界面）を有していても良い。また、本発明の電磁波波長変換素子の用途は特に制限されないので、偏光依存性の低さ（偏光無依存化）が要求されない用途に用いるのであれば、偏光依存性が高くても良い。
【０１４０】
［第６の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図１５に示すとおり、本実施形態の波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＷＤＭ）光通信システムは、単一波長の光２０２を発する半導体発光素子３１と、半導体発光素子３１からの出射光２０２を分波する光分波器３２と、光分波器から発する光２０２を複数の異なる波長の出射光２０８に変換可能な本発明の電磁波波長変換素子２３と、を有する。電磁波波長変換素子２３は、複数である。また、電磁波波長変換素子２３は、半導体を主な形成材料とする半導体波長変換素子であることが好ましい。半導体波長変換素子２３は、例えば、前記第３から第５のいずれかの実施形態における半導体波長変換素子であっても良い。前記本発明の電磁波波長変換素子と、前記単一波長の光を発する半導体発光素子と、前記光分波器を、それぞれ個別の素子として組み合わせることによって、単一波長の発光素子のみで光通信用のＷＤＭ送信システムが実現可能である。または、半導体波長変換素子である前記本発明の電磁波波長変換素子と、前記単一波長の光を発する半導体発光素子と、前記光分波器はすべて半導体で形成可能であるため、同一半導体基板上に集積することで、さらなる小型・低消費電力化が可能である。
【０１４１】
［第７の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図１６に示すとおり、この波長可変光源は、前記本発明の電磁波波長変換素子２４と、集積光源３１とが、同一半導体基板上に集積されている。電磁波波長変換素子２４は、集積光源３１からの入射光２０２を、出射光２０８に波長変換可能である。また、電磁波波長変換素子２４は、半導体を主な形成材料とする半導体波長変換素子であることが好ましい。半導体波長変換素子２４は、例えば、前記第３から第５のいずれかの実施形態における半導体波長変換素子と同じであっても良い。集積光源は、特に制限されないが、例えば、分布帰還型（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｌａｓｅｒ，ＤＦＢ）レーザ、分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ，ＤＢＲ）レーザ等であると、半導体結晶のへき開面が不要である。例えば、集積光源３１としてＤＦＢレーザを集積した場合、ＤＦＢレーザが出力する単一波長を任意に変換して出力することが可能である。これにより、例えば、従来の波長可変機構を備えた波長可変レーザと比べてはるかに小型で簡単な構成の波長可変レーザが実現可能である。
【０１４２】
［第８の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図１７に示すとおり、この波長可変光源は、前記本発明の電磁波波長変換素子２４と、電界吸収型変調器集積光源３３とが、同一半導体基板上に集積されている。電磁波波長変換素子２４は、電界吸収型変調器集積光源３３からの入射光２０２を、出射光２０８に波長変換可能である。また、電磁波波長変換素子２４は、半導体を主な形成材料とする半導体波長変換素子であることが好ましい。半導体波長変換素子２４は、例えば、前記第３から第５のいずれかの実施形態における半導体波長変換素子と同じであっても良い。この波長可変光源は、変調器集積波長可変光源として用いられる。これによれば、本発明の電磁波波長変換素子（半導体波長変換素子）により、単一波長を変調して出力する電界吸収型変調器集積光源の波長を任意に変換して出力することが可能である。これにより、例えば、従来と比べてはるかに小さな変調器集積波長可変レーザが実現可能である。
【０１４３】
［第９の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図１８に示すとおり、この光発電システムは、本発明の電磁波波長変換素子２３と、電磁波波長変換素子２３からの出射光２０８を起電力に変換する光起電力発生装置３４とを有する。電磁波波長変換素子２３は、複数であり、入射光２０２を、出射光２０８に波長変換可能である。出射光２０８の波長は、出射光２０８の光エネルギーを光起電力発生装置３４で光起電力として取り出すために最適な波長とすることが好ましい。同図の光発電システムは、例えば、プリズム等の分光器をさらに含んでいても良い。より具体的には、例えば、複数の波長を含んだ光を、前記プリズム等の分光器で分離して入射光２０２とし、分離した各入射光２０２を、それぞれ電磁波波長変換素子２３に入射させ、出射光２０８に波長変換しても良い。また、電磁波波長変換素子２３は、半導体を主な形成材料とする半導体波長変換素子であることが好ましい。半導体波長変換素子２３は、例えば、前記第３から第５のいずれかの実施形態における半導体波長変換素子と同じであっても良い。このような光発電システムを用いれば、本発明の電磁波波長変換素子により、光起電力発生装置で変換可能な波長範囲を超えた広い波長範囲の光を、光起電力発生装置で変換可能な波長範囲に変換することが可能である。これにより光起電力の変換効率を上げることが可能である。また、前記本発明の波長変換素子または半導体波長変換素子と、前記光起電力発生装置とを、同一半導体基板上に集積すれば、さらに小型化が可能であり、好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
以上、説明したとおり、本発明によれば、小型かつ簡単な構成の電磁波波長変換素子、前記電磁波波長変換素子を用いた波長分割多重光通信システム、波長可変光源および光発電システム、ならびに電磁波波長変換素子の製造方法を提供することができる。本発明の電磁波波長変換素子は、例えば、半導体発光デバイスにも、半導体受光デバイスにも適用可能である。本発明の電磁波波長変換素子は、例えば、任意波長から任意波長への変換が可能な超小型半導体波長変換素子とすることもできる。本発明の電磁波波長変換素子は、前記の通り、波長分割多重光通信システム、波長可変光源、または光発電システムに使用できるが、これに限定されず、種々の用途に使用可能である。例えば、本発明の電磁波波長変換素子は、太陽電池に用いることができる。より具体的には、例えば、広い波長域の太陽光を本発明の電磁波波長変換素子により光変換して、効率よく受光し、太陽電池の発電効率を高めることができる。さらに、本発明の電磁波波長変換素子は、波長多重通信用光源、次世代の光通信システム、アクティブな光源とパッシブな光制御素子の同一活性層上でのモノリシック集積、同一の活性層で異なる複数の波長を発振できる可視光源、複数の波長に対応した受光素子、レーザディスプレイ、記録用の可視光源、照明、医療、センシング等、幅広い用途あるいは技術分野への適用も可能である。
【符号の説明】
【０１４５】
１、５１ａ、５１ｂ、７１、７１’、９１、１００１  電磁波波長変換素子
１０  ３次非線形媒質
１１  ポンプ光  ωｐ
１２  信号光  ωｓ＋Δω
１３  変換光  ωｓ−Δω
１４  波長フィルタ
２３、２４  電磁波波長変換素子（半導体波長変換素子）
３１  集積光源
３２  光分波器
３３  電界吸収型変調器集積光源
３４  光起電力発生素子
１０１  ｎ型半導体層
１０２  ｐ型半導体層
１０３  絶縁層
１０５  第１の電極
１０６  第２の電極
１０７  第３の電極
１０８  真性半導体層
１１０  半導体基板
２０１  電子蓄積層
２０２  入射伝搬光
２０３  入射伝搬光の伝搬方向成分
２０４  エバネッセント光
２０５  表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ：ＳＰＰ）
２０６  エバネッセント光
２０７  出射伝搬光の伝搬方向成分
２０８  出射伝搬光
２０９  正誘電体層
２１０  電磁波透過性部材
３０１  入射伝搬光および出射伝搬光の分散関係
３０４  第１のＳＰＰの分散関係
３０６  第２のＳＰＰの分散関係
４０１  光入射側の領域（電磁波入射領域）または第１の周期構造（凹凸繰り返し構造）
４０２  光出射側の領域（電磁波出射領域）または第２の周期構造（凹凸繰り返し構造）
４０４  第１の周期構造（凹凸繰り返し構造）で変換されるエバネッセント光の分散関係
４０６  第２の周期構造（凹凸繰り返し構造）で変換されるエバネッセント光の分散関係
４１０  表面プラズモンポラリトン周波数変調手段
【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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