(57)【要約】  テラヘルツ装置は、プラズモニック導波路である第１導波路を備えている。第１導波路は、強誘電性材料などの非線形材料を含む第１コアと、第１コア特に非線形材料との間の第１界面に、導電性材料である第１クラッド材料を含む第１クラッド部を含むクラッドとを備える。テラヘルツ装置は、（テラヘルツ範囲の電磁波の受信もしくは出射または受信および出射の両方を行うための）第１アームおよび第２アームを備えたアンテナと、第１導波路の近傍に配置された第１電極および第２電極とを備える。
2020512585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にテラヘルツ範囲の電磁波の検出もしくは出射または検出および出射の両方を行うためのテラヘルツ装置であって、前記装置は、プラズモニック導波路である第１導波路を備え、
前記プラズモニック導波路は、
第１コアを含み、前記第１コアは、非線形材料、特に強誘電性材料を含み、
クラッドを含み、前記クラッドは、第１クラッド部を含み、前記第１クラッド部は、第１コア、特に非線形材料との第１界面に、導電性材料である第１クラッド材料を含み、
前記装置は、
テラヘルツ範囲の電磁波の受信もしくは出射または受信および出射の両方を行うための第１アームおよび第２アームを含むアンテナと、
前記第１導波路の近傍に配置された第１電極および第２電極とを備える、装置。
【請求項２】
前記装置は、テラヘルツ範囲の電磁波を出射するためのテラヘルツエミッタであり、
前記第１電極および前記第２電極は、前記非線形材料に存在する電界を捕捉するために設けられる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記装置は、テラヘルツ範囲の電磁波を検出するためのテラヘルツ検出器であり、
前記第１電極および前記第２電極は、電圧が印加されたときに、前記非線形材料の光学特性、少なくとも前記非線形材料の屈折率の実数部を調整するための電界を前記非線形材料に生成するために設けられる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１電極は、前記第１クラッド部を形成し、
特に、前記第１クラッド材料は、金属材料である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記クラッドは、前記第１クラッド部とは別の第２クラッド部を含み、
前記第２クラッド部は、前記強誘電材料との第２界面に、導電性材料である第２クラッド材料を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記非線形材料は、前記第１クラッド部と前記第２クラッド部との間に配置され、特に前記第１クラッド部と前記第２クラッド部との間に横方向に配置され、
特に、前記第１電極は、前記第１クラッド部を形成し、前記第２電極は、前記第２クラッド部を形成する、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記第１導波路に近接して配置された第２コアを含む第２導波路をさらに備え、前記第１導波路と前記第２導波路との間の結合、特にエバネッセント結合を可能にし、
特に、前記第２導波路は、前記基板と前記第１導波路との間に垂直に配置される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
１つ以上の基板層を含む基板を備え、
前記第１導波路および第２導波路の両方は、前記基板上に配置され、前記基板に取り付けられている、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
自由空間電磁波、特に赤外領域、可視領域または紫外領域の自由空間電磁波と前記第１導波路との間の結合を強化するための光学構造、特に回折光学構造を備え、
特に、前記光学構造は、集束光学構造である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記光学構造は、前記自由空間電磁波を前記第１導波路の端部に集束させるために設けられる、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記光学構造は、前記第１導波路の第１端部および第２端部への自由空間電磁波の結合をそれぞれ強化するための第１部分および第２部分を含む、請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記光学構造は、１００μｍ未満の距離、特に１０μｍ〜０．０１μｍの距離で光学特性、特に屈折率の変化を表す光学構造である、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
テラヘルツ装置、特に請求項１〜１２のいずれか１項に記載のテラヘルツ装置を製造するための方法であって、
シリコンオンインシュレータウエハまたは単結晶シリコンウエハのような第１ウエハを提供するステップと、
前記第１ウエハ上に非線形材料、特に強誘電材料を堆積させるステップと、
シリコンオンインシュレータウエハまたは単結晶シリコンウエハのような第２ウエハ、必要に応じて接着層を有する第２ウエハを提供するステップと、
特に前記非線形材料が前記第２ウエハに接するように前記非線形材料を埋めるように、前記第１ウエハを前記第２ウエハに接着することによって、ウエハ積層体を得るステップとを含む、方法。
【請求項１４】
前記ウエハ積層体から前記第１ウエハの一部を除去するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記積層ウエハに含まれた前記非線形材料を構造化することによって、特に第１導波路の第１コアを生成するステップを含む、請求項１３〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
クラッドを生成するステップを含み、
前記クラッドは、第１クラッド部を含み、前記第１クラッド部は、前記構造化された非線形材料との第１界面に、導電性材料、特に選択的に堆積させられた金属を含む導電性材料である第１クラッド材料を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記非線形材料の堆積は、前記第１ウエハ上に、特に前記第１ウエハの単結晶材料上に前記非線形材料をエピタキシャル成長させることを含む、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記接着の後に、第２導波路の第２コアを生成するステップを含み、
特に前記第２コアは、前記第２ウエハの一層の材料を含み、
前記第２コアを生成するステップは、前記層を構造化することを含む、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記ウエハ積層体上にプラズモニック導波路である第１導波路を生成するステップと、
前記構造化ウエハ上に材料を堆積させることによって、自由空間電磁波、特に赤外領域、可視領域または紫外領域の自由空間電磁波と前記第１導波路との間の結合を強化するための光学構造、特に回折光学構造を形成するステップとを含み、
特に前記光学構造は、集束光学構造である、請求項１３〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
テラヘルツ装置、特に請求項１〜１２のいずれか１項に記載のテラヘルツ装置を製造するための方法であって、
非線形材料、特に強誘電性材料で作られた第１ウエハ、必要に応じて接着層を有する第１ウエハを提供するステップと、
シリコンオンインシュレータウエハまたは単結晶シリコンウエハのような第２ウエハ、必要に応じて接着層を有する第２ウエハを提供するステップと、
前記第１ウエハを前記第２ウエハに接着することによって、ウエハ積層体を得るステップとを含む、方法。
【請求項２１】
前記積層ウエハに含まれた前記非線形材料を構造化することによって、特に第１導波路の第１コアを生成するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
クラッドを生成するステップを含み、
前記クラッドは、第１クラッド部を含み、前記第１クラッド部は、前記構造化された非線形材料との第１界面に、導電性材料、特に選択的に堆積させられた金属を含む導電性材料である第１クラッド材料を含む、請求項２０または請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記接着の後に、第２導波路の第２コアを生成するステップを含み、
前記第２コアは、前記第２ウエハの一層の材料を含み、
前記第２コアを生成するステップは、前記層を構造化することを含む、請求項２０〜２２のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）周波数の電磁波が非線形材料系と相互作用する非線形素子、および非線形素子を含むテラヘルツ波の検出および生成に関する。本発明は、テラヘルツ波を光周波数搬送波および光信号にマッピングすることによってテラヘルツ信号を生成することができる非線形素子および装置に関する。本発明は、オープンクローズ表現に基づく方法および装置に関する。装置は、テラヘルツ生成、テラヘルツ検出、テラヘルツ造影、テラヘルツ通信およびテラヘルツ記憶に応用することができる。
【背景技術】
【０００２】
１０年前にまだ発見されていない電磁スペクトルの一部としてのテラヘルツ波は、近年に多くの注目を集めている。テラヘルツ波は、その波長が短いため、マイクロ波造影に比べて強力であり、多くの材料に対する透過特性および材料系の相変化に対する強力な感度を有するいくつかの利点を提供する。また、材料系は、分子振動モードまたは結晶中の光学フォノン振動によって、テラヘルツ出射に強く応答することができる。したがって、テラヘルツ波を生成および検出するための低コスト、省電力およびコンパクトなテラヘルツ装置を見つけるための科学界の強い関心が、テラヘルツ技術を動かした。低コスト、省電力およびコンパクトなフットプリントに向けた重要な一歩は、テラヘルツ波を検出および生成するための装置のチップスケール集積である。特に興味深いことは、実装された装置は、光信号をプローブ信号からポンプ信号に変更するだけで、テラヘルツ波の検出および生成の両方を実行することができることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
今までは、かなり多くのテラヘルツ検出または生成技術が、何らかの方法で次の２つの手法のいずれかに関連している。非線形テラヘルツの生成および検出は、ＺｎＴｅ、ＧａＡｓなどの非線形結晶の２次非線形性を使用して実現される。ポンプ信号と呼ばれ、本質的に広帯域である短い光パルスがこれらの非線形結晶に伝播すると、全ての周波数成分の自己混合によって、テラヘルツ波を生成する。生成されたテラヘルツ波を検出するために、ポンプ信号は、分割された後、検出対象のテラヘルツ波と共に同様の非線形結晶に共伝播するプローブ信号として使用される。テラヘルツ波によって結晶内に生成された電界は、結晶の複屈折を誘発し、結晶の１つの偏光の屈折率を変化させる。これにより、光ポンプ信号の偏光回転が発生する。光電子変換により光プローブ信号の偏光回転を読み取ることによって、結晶内に存在するテラヘルツ場の振幅を推定することができる。テラヘルツ信号を生成および検出するための別の手法は、光伝導アンテナに基づく。高移動度基板、例えばＧａＡｓに光ポンプ信号を入射すると、電荷搬送波が発生する。強い電界が存在する場合、これらの搬送波は、急速に分離し、その加速によってテラヘルツ波が発生する。生成された搬送波を収集し、生成されたテラヘルツ信号の出射効率を高めるために使用された金属アンテナアームは、効率的なテラヘルツの生成を示した。検出の場合、非線形検出と同様に、光ポンプは、分割された後、高移動度半導体内のテラヘルツ信号をプローブするように使用される。アンテナにテラヘルツ場を入射すると、アーム間に電界が発生する。光ポンプによって生成された電荷搬送波が離れることによって、テラヘルツ場の振幅に関連し且つ読み取り可能な電流を生成する。これらのテラヘルツシステムの主な欠点は、時間および周波数分光にコヒーレントな２つの信号、すなわち、光ポンプおよびテラヘルツ波の両方を有する必要があることである。さらに、テラヘルツ波を生成するための様々な手法が多く実証されている。しかしながら、これらの手法の全ては、非常に高価で扱いにくく、複雑な自由空間光学システムを必要とする。近年、プラズモニクスは、テラヘルツの検出および生成を強化するために使用されており、より小型でより効率的な装置を実現することができる。プラズモニクスと非線形結晶とをチップスケール集積構造に組み合わせることは、まだ課題となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の可能な目的は、テラヘルツ波による光変調を可能にすること、高い非線形変換効率のプラズモニックまたはプラズモニックハイブリッド導波路を提供すること、小型のプラズモニックまたはプラズモニックハイブリッド導波路を提供すること、効率的なテラヘルツ波の検出および生成を可能にすること、および標準的な半導体製造プロセス、特にＣＭＯＳ技術、マイクロエレクトロメカニカルシステム技術、またはメモリ技術によってテラヘルツ波装置を集積することのうち１つ以上であり、特に光と相互作用するテラヘルツ波を提供する装置、およびこのような装置を製造するための方法を提供するものとする。
【０００５】
さらなる目的と様々な利点は、以下の説明および実施形態から明らかになる。
これらの目的の少なくとも１つは、特許請求の範囲に記載の装置または方法によって少なくとも部分的に達成される。
【０００６】
例えば、テラヘルツ波が光と相互作用する装置（場合によって「素子」と呼ばれる）は、第１アンテナを備える。この第１アンテナは、非線形材料を搭載したプラズモニックスロット導波路を有することを特徴とするテラヘルツ波アンテナである。このプラズモニックスロット導波路は、第１コアを含み、第１コアは、非線形材料を含み、第１クラッド部を含むクラッドを含み、第１クラッド部は、非線形材料、例えば強誘電材料との第１界面に、金属または半金属または高ドープ半導体などの高導電性を有する第１クラッド材料を含む。テラヘルツアンテナを形成する第１電極および第２電極を含む素子は、テラヘルツ波がテラヘルツアンテナに入射すると、非線形材料に電場を生成する。非線形材料に光信号が存在すると、テラヘルツ波と光信号が相互作用して非線形位相シフトを誘発するまたは新しい波を生成することによって、テラヘルツ波に含まれた情報を搬送する新しい光信号を生成する。
【０００７】
場合によって、非線形材料、特に強誘電材料は、基板と強誘電材料との間にゼロまたは１つ以上の中間層が存在する状態で、基板ウエハ上で成長、特にエピタキシャル成長させることができる。１つ以上の中間層が存在する場合、基板上で１つ以上の中間層を例えばスピンコート、スパッタまたは成長、特にエピタキシャルまたは溶液成長させることによって、基板と第１コアとは、垂直方向と呼ばれる方向に積層される。垂直方向に垂直な方向は、横方向と呼ばれる。
【０００８】
一実施形態において、基板は、強誘電材料で作られる。特に、基板は、第１コアに含まれる強誘電材料と同じ強誘電材料で作ることができる。例えば、第１コアに含まれる強誘電材料と基板の強誘電材料の両方は、ＬｉＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３または（１−ｘ）［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３］−ｘ［ＰｂＴｉＯ３］（ｘは、同様である）であってもよい。しかしながら、他の強誘電材料を使用することもできる。これは、特に、基板とコアの強誘電材料との間に中間層が存在しない実施形態に利用することができる。
【０００９】
一実施形態において、基板と第１コアに含まれる強誘電材料とは、１つ且つ同一の強誘電体単結晶の異なる部分、例えば１つ且つ同一のＬｉＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３または（１−ｘ）［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３］−ｘ［ＰｂＴｉＯ３］結晶の異なる部分である。強誘電体単結晶は、単体であるため、基板とコアの強誘電材料との間に中間層が存在しない実施形態に利用することができる。
【００１０】
一実施形態において、アンテナは２つのアームを備え、アンテナギャップは、非線形材料で充填されたプラズモニックスロットを形成する。
【００１１】
一実施形態において、非線形材料（例えば、強誘電材料）を含む同じ基板ウエハ上に、伝播方向に沿ってフォトニック、プラズモニック、またはプラズモニックハイブリッドモードを案内するための第２導波路を設ける、典型的には製造することができる。第２導波路は、基板ウエハの任意の材料（強誘電材料を含む）で作ることができる。
【００１２】
代替的には、前述した第２導波路は、非線形材料を含む基板ウエハとは異なる第２基板ウエハ上に設けられてもよい。フォトニック、プラズモニックまたはプラズモニックハイブリッドモードが第２導波路に伝播する場合、通常、第２導波路と非線形材料で形成された第１導波路のコアとの間には、結合、例えばエバネッセント結合および／またはバット結合が存在する。例えば、直接接合技術または接着層を必要とする接着接合技術を含むウエハ接合技術を用いて、この２つの基板ウエハを互いに近接して配置する必要がある。
【００１３】
特にテラヘルツ波と相互作用する非線形材料は、強誘電性材料であってもよい。強誘電材料は、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮＯ３、ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３、ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３、ＳｒＢａＮｂＯ３、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５、ＫｘＮａ１−ｘＳｒｙＢａ１−ｙ−Ｎｂ２Ｏ６、ＫＨ２ＰＯ４、ＫＨ２ＡｓＯ４、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、ＮＤ４Ｄ２ＰＯ４、ＲｂＨ２ＡｓＯ４、ＫＴｉＯＰＯ４、ＫＴｉＯＡｓＯ４、ＲｂＴｉＯＰＯ４、ＲｂＴｉＯＡｓＯ４、ＣｓＴｉＯＡｓＯ４、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３、ＬａドープＰｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３、（１−ｘ）［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３）−ｘ［ＰｂＴｉＯ３］、または（１−ｘ）［Ｐｂ（Ｚｒ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３）−ｘ［ＰｂＴｉＯ３］（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）のいずれかであってもよいが、これらに限定されない。また、強誘電性材料は、非強誘電性材料に基づいて人工的に合成することができる。さらに、強誘電性材料は、必ずしも強誘電性を示す相にある必要がないが、所望の非線形効果を示すことができれば、任意の相にあってもよい。電極および導電性クラッドの各々の金属材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕ、ＷおよびＴｉであってもよいが、これらの金属に限定されない。好ましくは、ＣＭＯＳプロセスに適合する金属、例えばＣｕまたはＷを使用することができる。非金属導電性材料を（例えば、第２電極の材料として）使用する場合、非金属導電性材料は、ＳｒＲｕＯ３、ＬａＳｒＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、酸化インジウムスズなどの導電性酸化物、またはグラフェンなどの他の導電性材料であってもよいが、これに限定されない。非金属導電性材料は、強誘電性材料（コア）の界面材料（クラッド）として使用され、強誘電性材料に流れる漏れ電流を低減することができる。
【００１４】
変調される光またはテラヘルツ波の生成および検出に使用される光は、特に赤外光であってもよいが、より一般的に任意の電磁波、特に赤外領域および／または可視領域および／または紫外領域の光であってもよい。
【００１５】
特に、テラヘルツ装置は、プラズモニック導波路である第１導波路を備えることができる。プラズモニック導波路は、第１コアを含み、第１コアは、非線形材料、特に強誘電性材料を含み、クラッドを含み、クラッドは、第１クラッド部を含み、第１クラッド部は、第１コア、特に非線形材料との第１界面に、導電性材料である第１クラッド材料を含む。また、テラヘルツ装置は、（テラヘルツ範囲の電磁波の受信もしくは出射または受信および出射の両方を行うための）第１アームおよび第２アームを含むアンテナと、第１導波路の近傍に配置された第１電極および第２電極とを備えることができる。
【００１６】
テラヘルツ装置は、テラヘルツ範囲の電磁波を検出するための装置であってもよい。
いくつかの実施形態において、テラヘルツ装置は、テラヘルツ範囲の電磁波を出射するための装置である。
【００１７】
いくつかの実施形態において、テラヘルツ装置は、テラヘルツ範囲の電磁波を検出および出射するための装置である。
【００１８】
理解すべきことは、「テラヘルツ範囲」を言及する場合、通常、０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの周波数範囲、より具体的には０．３ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの周波数範囲を指すことである。
【００１９】
非線形材料は、より具体的には、非線形偏光応答（各周波数範囲、例えば光学範囲に瞬時応答）を有する材料である。
【００２０】
いくつかの実施形態において、非線形材料は、電気絶縁材料である。
しかしながら、代替的に、非線形材料は、導電性材料であってもよい。この場合、コアは、非線形材料とクラッドとの間に配置された電気絶縁材料を含むことができる。
【００２１】
非線形材料は、単結晶材料であってもよく、無定形材料またはナノ構造材料であってもよい。
【００２２】
いくつかの実施形態において、非線形材料は、単結晶材料である。
いくつかの実施形態において、非線形材料は、多結晶材料／単結晶である。
【００２３】
いくつかの実施形態において、非線形材料は、強誘電体単結晶である。
第１クラッド材料は、（ＴＨｚ範囲において）負の実数部を有する誘電率を有する材料であり得る。
【００２４】
第１クラッド材料は、金属または半金属であってもよく、例えば高度にドープされた半導体であってもよい。
【００２５】
第１アームおよび第２アームは、それぞれ別個であり、第１電極および第２電極にそれぞれ電気的に接続されてもよく、または第１電極および第２電極と同一であってもよい。
【００２６】
本特許出願に使用される「横」および「縦」という用語は、２つの方向のうち一方向（縦方向）の延在（厚さ）が他の方法（横方向）の延長よりも小さい実質的に円盤状または板状のウエハを指す。
【００２７】
いくつかの実施形態において、装置は、第１導波路に近接して配置された第２コアを含む第２導波路をさらに備え、第１導波路と第２導波路との間の結合（例えば、エバネッセント結合）を可能にする。
【００２８】
第２導波路は、フォトニック導波路であってもよい。しかしながら、第２導波路は、プラズモニック導波路であってもよく、プラズモニック−フォトニックハイブリッド導波路であってもよい。装置を用いてテラヘルツ電磁波を検出する場合、第２導波路を用いて、プローブ信号を提供および受信するようにプローブ信号を第１導波路に案内および結合することができ、または装置を用いてテラヘルツ電磁波を生成する場合、第２導波路を用いて、ポンプ信号、例えばパルス信号を含むポンプ信号または２つ以上の光周波数を含むポンプ信号を第１導波路に提供することができる。非線形材料の非線形性により、（第１導波路を用いて）２つ以上の周波数を、テラヘルツ範囲の和周波数および（むしろ）差周波数を含むように変換することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態において、装置は、自由空間電磁波（例えば、赤外領域、可視領域または紫外領域の自由空間電磁波）と第１導波路との間の結合を強化するための光学構造、特に回折光学構造を備えている。例えば、光学構造は、集束光学構造であってもよい。例えば、ポンプ信号を第１導波路に効率的に提供することができる。
【００３０】
上記または他のテラヘルツ装置の製造は、ウエハ接合技術を使用して達成することができる。第１ウエハは、第２ウエハに接合され、非線形材料は、第１ウエハに含まれる。第１ウエハは、非線形材料から作製することができ、または他の実施形態において、非線形材料および他の材料からなる１つ以上のさらなる層を含むことができる。
【００３１】
例えば、（本明細書に記載の装置であり得る）テラヘルツ装置を製造するための方法は、特に、シリコンオンインシュレータウエハまたは単結晶シリコンウエハのような第１ウエハを提供するステップと、第１ウエハ上に非線形材料、特に強誘電材料を堆積させるステップと、シリコンオンインシュレータウエハまたは単結晶シリコンウエハのような第２ウエハ、必要に応じて接着層を有する第２ウエハを提供するステップと、例えば非線形材料が第２ウエハに接するように非線形材料を埋めるように、第１ウエハを第２ウエハに接着することによって、ウエハ積層体を得るステップとを含むことができる。
【００３２】
堆積は、例えば、レーザアブレーション、分子線エピタキシー、スパッタリング、または他の真空堆積技術によって（例えば、エピタキシャルに）達成することができる。
【００３３】
また、例えば、（本明細書に記載の装置であり得る）テラヘルツ装置を製造するための方法は、特に、非線形材料、特に強誘電性材料で作られた第１ウエハ、必要に応じて接着層を有する第１ウエハを提供するステップと、シリコンオンインシュレータウエハまたは単結晶シリコンウエハのような第２ウエハ、必要に応じて接着層を有する第２ウエハを提供するステップと、第１ウエハを第２ウエハに接着することによって、ウエハ積層体を得るステップとを含むことができる。
【００３４】
本発明の装置は、対応する本発明の方法の特徴を含み、逆に、本発明の方法は、対応する本発明の装置の特徴を含む。
【００３５】
装置の利点は、基本的に対応する方法の利点に対応し、逆に、方法の利点は、基本的に対応する装置の利点に対応する。
【００３６】
さらなる実施形態および利点は、以下の説明および添付の図並びに従属請求項から明らかになる。
【００３７】
以下、実施例および添付の図面を用いて、本発明をより詳細に説明する。図面において、同様の参照番号は、同様または類似の要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１（ａ）】非線形素子（強誘電材料に基づいて金属−絶縁体−金属プラズモニックスロット導波路を形成するテラヘルツ波アンテナギャップを搭載した非線形素子）の例を示す断面図である。
【図１（ｂ）】非線形素子の例（強誘電材料に基づいて金属−絶縁体−金属プラズモニックスロット導波路を形成する非線形素子搭載テラヘルツ波アンテナギャップ）を示す断面図である。
【図２】プラズモニック導波路とテラヘルツアンテナとを備えたテラヘルツ検出および生成装置の例を示す斜視図である。
【図３】自由空間電磁波と第１導波路、すなわち、プラズモニック導波路との間の可能な結合方式を示す断面図である。
【図４】一体型マッハツェンダー干渉計を備えたテラヘルツ検出器の実装例を示す図である。
【図５】テラヘルツ装置を製造するための方法を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
記載された実施形態は、例示または本発明を明確にするためのものであり、本発明を限定することを意図していない。
第１実施形態
図１は、非線形素子、より具体的には光信号を伝播するためのプラズモニックスロット導波路を形成するテラヘルツアンテナアームの例を示す断面図である。断面は、導波路の伝播方向の横断面から取られる。
【００４０】
図１（ａ）は、構造化された非線形材料１０１と、プラズモニックスロットを形成し且つテラヘルツアンテナの導電性材料を提供するための２つの金属電極１０２とを示している。基板１０４に埋め込まれた（第２）フォトニック導波路１０３は、光ポンプ信号の進入導波路を提供する。フォトニック導波路１０３を画定する高屈折率材料に伝播する光は、プラズモニックスロット導波路にエバネッセントに結合される。よって、光エネルギーは、金属−絶縁体−金属界面で表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）として伝播する。プラズモニックモードで伝播するときの電場は、矢印１１０で示される。スロット導波路のプラズモニック特性は、非常に厳しい光場の副回折拘束を形成するため、約１００ｎｍの電極間隔を可能にする。光ポンプ信号のこの強い拘束は、強い非線形効果に不可欠な非常に強い光強度をもたらす。
【００４１】
２つの光ポンプ信号が非線形材料を積載したプラズモニック導波路に沿って共伝播する場合、２つの光ポンプ信号間の強い２次非線形相互作用は、和周波数発生および差周波数発生を引き起こす。２つの搬送波が等しくない場合、差周波数発生から得られた新しい信号は、２つの光ポンプ信号の相対周波数オフセットに等しくなる。このオフセットは、所望のテラヘルツ周波数に設定することができる。得られたテラヘルツ場は、電極内の電荷振動を引き起こし、導電性電極に振動電流およびテラヘルツアンテナによる遠方場の効率的な出射をもたらす。別の例において、非線形３次効果を利用して、４波混合によってテラヘルツ信号を生成することができる。これらの実装は、効率的なテラヘルツ波発生装置として機能することができる。
【００４２】
一方、アンテナに入射するテラヘルツ波は、２つの電極１０２の間に、したがってアンテナアームの間に電圧を引き起こす。ナノスケールアンテナギャップ間のこの電圧は、非線形材料１０１において、プラズモニック導波路１１０に沿って伝播する光プローブ信号と同様の分極方向を有する非常に強いテラヘルツ電場をもたらす。光場とテラヘルツ電場との間のほぼ完ぺきな重なりおよびナノスケールスロットによって提供された強力な場の増強は、テラヘルツ波検出用の非線形材料内の光学信号とテラヘルツ信号との間に非常に強力で効率的な非線形相互作用をもたらす。この実装は、テラヘルツに含まれる情報を光搬送波にマッピングする効率的な方法を提供し、効率的なテラヘルツ波検出を可能にする。
【００４３】
図１（ｂ）は、垂直の金属−絶縁体−金属導波路を示している。金属、半金属または透明導電性酸化物（ＴＣＯ）からなる導電性下部電極１０６は、基板１０３上に堆積される。第１電極上の非線形材料１０１は、例えば、ナノロッドまたは単に薄膜に構造化することができる。非線形材料１０１を構造化する場合、絶縁層１０５を設けてもよい。上部電極１０２は、上部クラッドとして機能する。このような垂直ＭＩＭ導波路において、結合光／入射光は、上部電極と下部電極との間に拘束されたＳＰＰとして伝播する。非線形材料１０１よりも小さい屈折率を有するように誘電性クラッド１０５を選択することによって、さらに水平拘束を得ることができる。矢印１１０によって示されたように、ＳＰＰの電場は、垂直方向に分極される。このような構造は、光信号の非常に強力なサブ波長拘束を提供し、非線形材料に強い非線形相互作用をもたらす。
【００４４】
第２実施形態
図２は、プラズモニック導波路とテラヘルツアンテナとを備えたテラヘルツ検出および生成装置の例を示す斜視図である。プラズモニック導波路は、基板２０３上に設けられたアンテナアーム２０１およびコア２０２としての非線形材料によって形成された金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）スロット導波路である。金属は、金属であってもよく、半金属であってもよい。アンテナは、四つ葉クローバー形状に形成された２つのアンテナアーム２０１を備えている。他の多くの形状のアンテナ、例えばボウタイアンテナおよび八木・宇田アンテナも同様に機能する。コア材料２０２は、例えば、２次非線形強誘電性材料、ポリマーまたは結晶材料である。非線形材料は、３次非線形効果にも依存する。ＭＩＭスロット導波路に沿って伝播する励起表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）がプラズモニック導波路に強く拘束されるため、非線形材料に非常に高い光学強度をもたらす。プラズモニックスロットに伝播する２つのＳＰＰは、和周波数信号および差周波数信号を生成する。テラヘルツの生成に重要なのは、主に光周波数ＳＰＰを有する２つのＳＰＰの差周波数発生（ＤＦＧ）である。結果として得られたテラヘルツ場は、テラヘルツアンテナによって遠方場に効率的に出射される。この実装は、効率的なテラヘルツ波発生装置として機能する。
【００４５】
アンテナに入射するテラヘルツ波は、導電性アンテナアームに振動電流を誘起する。電荷がアンテナギャップに蓄積することによって、スロットの両端に電圧をもたらす。ナノスケールスロットの両端のこの電圧によって、非線形材料２０２に非常に強いテラヘルツ電場を引き起こす。さらに、アンテナの共振特性により、非線形材料のテラヘルツ電場がさらに強化される。結果として生じた非線形材料内のテラヘルツ電場は、伝播している光周波数のＳＰＰと相互作用し、和周波発生によって、入射テラヘルツ波により搬送されている情報を光信号に変換することができる。
【００４６】
第３の実施形態
図３は、自由空間電磁波、特に赤外線、可視光または紫外線と、第１導波路、すなわち、プラズモニック導波路との間の可能な結合方式を示す断面図である。
【００４７】
図３（ａ）は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエハ３０１の上部シリコン層を選択的にエッチングして（第２）フォトニック導波路３０２をパターン化する実施形態を示している。このフォトニック導波路は、光信号、例えば格子カプラまたは結合エッジ３０３によってレーザまたはファイバから結合された光信号を案内するように使用される。プラズモニック導波路に近接して、フォトニック導波路からの光信号は、プラズモニックにエバネッセントに結合される。さらに、シリコン導波路３０２を先細りにすることによって、フォトニック導波路から、テラヘルツアンテナアーム３０４および非線形材料を含むコア３０５によって形成された金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）界面、すなわち、プラズモニック導波路によって形成されたＭＩＭ界面への結合効率を高める。非線形材料３０５に強く拘束されたＳＰＰは、ＭＩＭスロット導波路に沿って伝播することによって、図１で説明したように、伝播するＳＰＰとテラヘルツ場との間に強い非線形相互作用をもたらす。伝播するＳＰＰは、プラズモニック導波路の末端でフォトニック導波路にエバネッセントに結合することができる。これらの光信号は、時間分析またはスペクトル分析のために、ファイバまたはカメラ３０６に結合することができる。
【００４８】
図３（ｂ）は、回折光学素子３０８によって、自由空間光信号３０７とプラズモニックスロット導波路３０５とを効率的に結合する方式を示している。この実施形態において、光学素子は、プラズモニックスロット導波路に近接して設けられ、シリコン製集束格子の形に構造化される。自由空間光信号は、格子によって回折され、プラズモニックスロットに向かって集束される。光信号は、光学素子の末端で金属−絶縁体−金属界面にエバネッセントに結合される。これによって、プラズモニック導波路に入力される（３０７）および出力される（３０９）自由空間電磁波を効率的に結合することができる。
【００４９】
第４の実施形態
図４は、一体型マッハツェンダー干渉計を備えたテラヘルツ検出器の実装例を示している。この検出器は、テラヘルツ情報を光搬送波信号（プローブ信号）の振幅変調に直接変換することができる。この実施形態において、シリコン導波路４０１によって案内された光信号は、例えば、Ｙ形分波器またはマルチモード干渉計（ＭＭＩ）によって、２つの経路に分けられる。シリコン導波路の２つの分岐は、（第１）プラズモニック導波路に近接してエバネセントに連結する。プラズモニック導波路は、非線形材料４０２と、アンテナアーム４０３の一部によって形成された導電性電極とを含む。２つの内部電極は、両方の導波路コアに接するため、クラッドとして機能する。２つのアンテナアームは、外部電極を形成する。入射テラヘルツ波は、非線形材料４０２を含む両方のアンテナギャップに電圧を生成する。非線形材料４０２内のテラヘルツ電場は、屈折率の実数部を変更するため、印加電圧に比例して光信号（プローブ信号）の位相シフトを引き起こす。２つのプラズモニックスロットの外部電極と内部電極との間に逆のバイアス電圧を印加することによって、逆の位相シフトを引き起こすことができる。両方のプラズモニック導波路の間に生じたπ位相シフトの差は、出力コンバイナに弱め合う干渉をもたらす。これによって、光プローブ信号の強度を変調することができる。
【００５０】
製造方法
図５は、テラヘルツ装置を製造するための方法を概略的に示している。２つのウエハを互いに接合する。第１ウエハは、例えば、エピタキシャル成長した強磁性材料の層であり得る非線形材料の層（図５では「エピ強誘電体」として示される）を含む。得られたウエハ（ウエハ積層体と呼ばれる）には、非線形材料の層が埋められている。次のステップにおいて、テラヘルツ装置に必要されない既存の層を除去する。
【００５１】
さらなるステップにおいて、非線形材料を構造化することによって（第１プラズモニック導波路の）導波路コアを形成し、第２ウエハの１つの層を構造化することによって（プローブ導波路および／またはポンプ導波路などの第２導波路の）別の導波路コアを形成する。第２ウエハの１つの層から第２コアを形成する代わりに、ウエハ積層体上にさらなる材料を堆積することによって、さらなる材料から第２コアを形成することも可能である。
【００５２】
例えば、選択的な金属堆積によって、第１コアの近傍に電極を作製する。
代替的な方法において、第１ウエハは、非線形材料から形成される（場合によって、接着層を含む）。その場合、第２ウエハの１つの層、例えば（オプションの）接着層の下方の層、具体的に図５に「Ｓｉ」で示されている層から第２導波路のコアを形成することができる。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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