(57)【要約】  第１波長の電磁気放射線のポンピングビームのソースと、少なくともひとつのＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体から成る互いに離隔した半導体アイランドのアレイであり、半導体アイランド上への第１波長の電磁気放射線のポンピングビームの入射および半導体アイランド上への第２波長の電磁気放射線の入射により、半導体アイランドが、和周波数生成処理および差周波数生成処理の少なくともひとつによって、第１および第２波長と異なる第３波長の電磁気放射線を放射するように構成された半導体アイランドのアレイとを有する周波数変換装置であって、半導体アイランドは、透明サポートによって支持され、サポートは第３波長の放射線に対して実質的に透明であり、少なくとも第３波長の放射線が透明サポートを通過する、ことを特徴とする。
2020519897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変換装置であって、第１波長の電磁気放射線のポンピングビームのソースと、少なくともひとつのＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体から成る互いに離隔した半導体アイランドのアレイであり、前記半導体アイランド上への前記第１波長の電磁気放射線のポンピングビームの入射および前記半導体アイランド上への第２波長の電磁気放射線の入射により、前記半導体アイランドが、和周波数生成処理および差周波数生成処理の少なくともひとつによって、前記第１および第２波長と異なる第３波長の電磁気放射線を放射するように構成された前記半導体アイランドのアレイとを備え、
前記半導体アイランドは、透明サポートによって支持され、前記サポートは前記第３波長の放射線に対して実質的に透明であり、少なくとも前記第３波長の放射線は前記透明サポートを通過する、ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第２波長の電磁気放射線は赤外線であり、前記第３波長の放射線は可視光線である、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ポンピングビームは、前記半導体アイランドの前記アレイを含む面に沿って方向付けられている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記半導体アイランドのアレイを含む面内に前記ポンピングビームを制限するためのウエーブガイド構造を有する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ポンピングビームの一部は、前記半導体アイランドのアレイを通じて透過し、前記周波数変換装置は、前記一部を除去し、かつ、前記第３波長の電磁気放射線を通過させるフィルタを含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項６】
前記周波数変換装置は、前記周波数変換装置を通じた視野を可能にするべく、可視光に対して透明である、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記半導体アイランドは、前記第３波長の電磁気放射線が主に前方向に放射されるように構成されている、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装置。
【請求項８】
前記半導体アイランドは、前記半導体アイランド上に入射する前記第１波長の電磁気放射の前記ポンピングビーム、および前記半導体アイランド上に入射する異なる第２波長の電磁気放射により、前記半導体アイランドが、和周波数生成処理および差周波数生成処理の少なくともひとつによって、前記第２波長と異なる第３波長の電磁気放射線を放射するように、それぞれ異なる周波数で共鳴するよう構成された半導体アイランドの集合を含む、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記第２波長は、赤外領域の電磁気スペクトルであり、前記第３波長は可視領域の電磁気スペクトルであり、前記半導体アイランドの集合への前記異なる第２波長の入射により、前記半導体アイランドが、それぞれ異なる色の可視光を放射する、ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記半導体アイランドは、前記透明サポート内に少なくとも部分的に埋設されている、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記透明サポートは、前記半導体アイランドが少なくとも部分的に埋設された透明材料のレイヤーに取り付けられた透明基板を含む、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記透明基板および前記透明材料は、前記第１波長の放射線、および前記第２波長の放射線の両方、並びに前記第３波長の放射線に対して、実質的に透明である、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記透明基板の屈折率は、前記透明材料の屈折率と等しいか、または略等しい、ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記透明基板の屈折率は、前記透明材料の屈折率と異なる、ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記透明基板は、ガラス、ＭｇＦ２、またはＢａＦ２であり、前記透明材料は、ポリマーである、ことを特徴とする請求項１１から１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記半導体アイランドは、数百ｎｍのオーダーの直径および／または高さを有する円柱形状である、ことを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記第２波長の信号放射線は、ひとつ以上の物体からの反射、または放射であり、前記周波数変換装置は、ひとつ以上の物体の二次元画像を形成するべく少なくとも第３波長の放射線を集束するように構成された集束エレメントを有する、ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか一項に記載の周波数変換装置を備える暗視装置。
【請求項１９】
周波数変換装置の製造方法であって、
基板上に、少なくともひとつのＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体から成る互いに離隔した半導体アイランドのアレイを形成する工程であって、前記半導体アイランド上への第１波長の放射線のポンピングビームおよび第２波長の信号放射線の入射により、前記半導体アイランドが、和周波数生成または差周波数生成処理により、前記第１および第２とは異なる第３周波数の放射線を放射するように構成されており、前記基板は前記第３波長の電磁気放射線に対して実質的に不透明である、ところの工程と、
前記周波数変換装置を与えるべく、前記第２波長の放射線に対して実質的に透明であるサポートへ前記半導体アイランドを取り付ける工程であって、前記周波数変換装置上への前記第１および第２波長の放射線の入射により、前記半導体アイランドが、前記第３波長の放射線を放射するように、相互に離隔したナノメートルスケールの半導体アイランドのアレイが前記透明サポートによって支持され、少なくとも前記第３波長の放射線が前記透明サポートを通過する、ところの工程と
を備える方法。
【請求項２０】
前記半導体アイランドから前記基板を除去する工程を備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記半導体アイランドは、少なくとも部分的に前記透明サポート内に埋設されている、ことを特徴とする請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記透明サポートは、前記半導体アイランドが少なくとも部分的に埋設された透明材料のレイヤーに取り付けられた透明基板を有する、ことを特徴とする請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記透明基板は、ガラス、ＭｇＦ２、またはＢａＦ２基板であり、前記透明材料は、ポリマーである、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１および／または第２および／または第３波長でのミー共鳴をサポートするように前記半導体アイランドを構成する工程を備える、請求項１９から２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
周波数変換方法であって、透明基板によって支持され、互いに離隔したＩＩＩ-Ｖ属化合物半導体アイランドのアレイ上へ第１波長の電磁気放射のポンピングビームおよび第２波長の信号放射線を方向付ける工程であって、前記アレイが、和周波数生成または差周波数生成処理によって、前記第１および第２波長と異なる第３波長の放射線を放射するところの工程を備え、少なくとも前記第３周波数の放射線は前記透明サポートを通過する、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、非イオン化電磁放射線の非線形周波数／波長変換に関し、特に、周波数変換装置（例えば、赤外線画像または暗視装置）、周波数変換方法、および周波数変換装置を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ひとつの周波数／波長から異なる周波数／波長への非イオン化電磁放射線の変換を要求するかまたは少なくとも利益を得るイメージングおよび検出アプリケーションを含む多くのアプリケーションが存在する。例えば、暗視および赤外線画像装置は、大気からの可視光領域の画像、または、赤外領域の人工放射線を生成することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、既存の周波数／波長変換装置の有利な能力にも関わらず、そのパフォーマンスに関して改良の余地があり、暗視装置の場合、そのバルキネスが問題である。したがって、従来施術のひとつ以上の困難を克服するかまたは緩和すること、または、少なくとも有用な代替物を与えることが所望される。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本願発明のある態様に従い、周波数変換装置が与えられ、当該装置は、第１波長の電磁気放射のポンピングビームのソースと、少なくともひとつのIII-Ｖ属化合物半導体から成る互いに離隔した半導体アイランドのアレイであって、第１波長の電磁放射線のポンピングビームの半導体アイランドへの入射および第２波長の電磁放射線の半導体アイランドへの入射により、半導体アイランドが、和周波数生成プロセスおよび差周波数生成プロセスの少なくともひとつによって、第１および第２波長と異なる第３波長の電磁放射線を放射するように構成されたアレイとを有し、半導体アイランドは、第３波長の放射線に対して実質的に透明であるような透明サポートによって支持され、少なくとも第３波長の放射線は透明サポートを通過することを特徴とする。
【０００５】
ある実施形態において、第２波長の電磁放射線は、赤外線であり、第３波長の放射線は可視光である。
【０００６】
ある実施形態において、ポンピングビームは、半導体アイランドのアレイを含む面に沿って方向付けられている。ある実施形態において、周波数変換装置は、半導体アイランドのアレイを含む面内にポンピングビームを制限するためのウエーブガイド構造を含む。
【０００７】
ある実施形態において、ポンピングビームの一部は、半導体アイランドのアレイを通じて透過され、周波数変換装置は、その一部を除去しかつ第３波長の電磁気放射線を通過させるためのフィルタを含む。
【０００８】
ある実施形態において、周波数変換装置は、周波数変換装置を通じて見ることができるように可視光に対して透明である。
【０００９】
ある実施形態において、半導体アイランドは、第３波長の電磁放射線が前方向に主に放射されるように構成されている。
【００１０】
ある実施形態において、半導体アイランドは、第１波長の電磁放射線のポンピングビームの半導体アイランドへの入射および第２波長の電磁放射線の半導体アイランドへの入射により、半導体アイランドが、和周波数生成プロセスおよび差周波数生成プロセスの少なくともひとつによって、第２波長と異なる第３波長のそれぞれの電磁放射線を放射するように、それぞれ異なる周波数で共鳴するように構成された半導体アイランドのグループを含む。
【００１１】
ある実施形態において、第２波長は、電磁スペクトルの赤外領域内にあり、異なる第２波長の半導体アイランドのグループへの入射により、半導体アイランドは、それぞれ異なる色の可視光を放射するよう、第３波長は電磁スペクトルの可視領域内にある。
【００１２】
ある実施形態において、半導体アイランドは少なくとも部分的に透明サポート内に埋設されている。
【００１３】
ある実施形態において、透明サポートは、透明材料のレイヤーに取り付けられた透明基板を有し、半導体アイランドがその内部に少なくとも部分的に埋設されている。
【００１４】
ある実施形態において、透明基板および透明材料の両方は、第１波長の放射線、第２波長の放射線および第３波長の放射線に対して実質的に透明である。
【００１５】
ある実施形態において、透明基板の屈折率は、透明材料の屈折率と等しいかまたは実質的に等しい。
【００１６】
ある実施形態において、透明基板の屈折率は、透明材料の屈折率と異なる。
【００１７】
ある実施形態において、透明基板は、ガラス、MgF2、またはBaF2であり、透明材料はポリマーである。
【００１８】
ある実施形態において、半導体アイランドは、数百ナノメートル（ｎｍ）のオーダーの直径および／または高さを有する円柱形状である。
【００１９】
ある実施形態において、第２波長の信号放射線は、ひとつ以上の物体から反射されるかまたは放射され、周波数変換装置は、ひとつ以上の物体の２次元画像を形成するべく少なくとも第３波長の放射線を集束するように構成された集束エレメントを含む。
【００２０】
本願発明のある態様に従い、上述した周波数変換器のいずれかを含む暗視装置が与えられる。
【００２１】
本願発明のある態様に従い、周波数変換装置を製造するための方法が与えられ、当該方法は、
基板上に、少なくともひとつのＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体から成る相互に離隔した半導体アイランドのアレイを形成する工程であって、半導体アイランドに入射した第１波長の放射線のポンプビームおよび第２波長の信号放射線により、それが、和周波数生成または差周波数生成プロセスによって、第１および第２波長とは異なる第３波長の放射線を放射するように構成されたアレイを形成する工程であって、基板は第３波長の電磁気放射線に対して実質的に透明である、ところの工程と、
周波数変換デバイスを与えるべく、第２波長の放射線に対して実質的に透明であるサポートに半導体アイランドを取り付ける工程であって、相互に離隔したナノメートルスケールの半導体アイランドのアレイが透明サポートによって支持され、その結果、周波数変換装置への第１および第２波長の入射放射線により、それが、第３波長の放射線を放射し、少なくとも第３波長の放射線は、透明サポートを通過する、ところの工程と、を有する。
【００２２】
ある実施形態において、方法は、半導体アイランドから基板を除去する工程を有する。
【００２３】
ある実施形態において、半導体アイランドは、少なくとも部分的に半導体サポート内に埋設されている。
【００２４】
ある実施形態において、透明サポートは、半導体アイランドが少なくとも部分的に埋設された半導体材料のレイヤーに取り付けられた透明基板を含む。
【００２５】
ある実施形態において、透明基板は、ガラス、MgF2、またはBaF2基板であり、透明材料はポリマーである。
【００２６】
ある実施形態において、方法は、第１および／または第２および／または第３波長でのミー共鳴をサポートするよう半導体アイランドを構成する工程を有する。
【００２７】
本願発明のある態様に従い、周波数変換方法が与えられ、当該方法は、第１波長の電磁気放射線のポンピングビームおよび第２波長の信号放射線を、透明サポートによって支持された互いに離隔したIII-Ｖ属半導体アイランドのアレイ上に方向付ける工程であって、アレイに対して、和周波数または差周波数生成処理によって、第１および第２波長とは異なる第３波長の放射線を放射させ、第３波長の放射線は透明サポートを通過する、ところの工程を有する。
【００２８】
ある実施形態において、第３波長の放射線は、和周波数生成処理によって生成される。ある実施形態において、第１波長の電磁気放射のポンピングビームは、電磁気スペクトルの赤外領域である。第３波長の放射線は、電磁気スペクトルの可視領域にあってもよい。
【００２９】
ある実施形態において、第３波長の放射線は、差周波数生成処理によって生成される。ある実施形態において、第１波長の電磁気放射線のポンピングビームは、可視領域の電磁気スペクトル内にある。第３波長の放射線は、可視領域の電磁気スペクトルの範囲内にあってよい。
【００３０】
またここで説明される周波数変換装置は、少なくともひとつのＩＩＩ−Ｖ属半導体から成る互いに離隔した半導体アイランドのアレイを有し、半導体アイランドに入射する第１波長の電磁気放射線により、それが、和周波数生成または差周波数生成処理によって、第１および第２波長とは異なる電磁気放射線を放射するように構成され、半導体アイランドは、第２波長に対して実質的に透明である透明サポートによって支持され、少なくとも第２波長の放射線は、透明サポートを通過する。
【００３１】
ある実施形態において、第２波長の放射線は、第１波長の放射線の入射方向に関して、前方向および後方向に同時に放射される。半導体アイランドは、第１および／または第２波長においてミー共鳴をサポートするように構成されてよい。
【００３２】
またここで説明されるのは、上述した周波数変換装置のいずれかを含む暗視装置である。
【００３３】
またここで説明されるのは、周波数変換装置を製造するための方法であり、当該方法は、
少なくともひとつのＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体から成る互いに離隔した半導体アイランドのアレイを形成する工程であって、半導体アイランドへの第１波長の放射線の入射により、それが、非線形周波数変換処理により第１波長より短い第２波長の放射線を放射するように構成され、基板は第２波長の電磁気放射線に対して実質的に透明である、ところの工程と、
周波数変換装置を与えるべく、第２波長の放射線に対して実質的に透明であるサポートへ半導体アイランドを取り付ける工程であって、相互に離隔したナノメータースケールの半導体アイランドのアレイは、透明サポートによって支持され、その結果第１波長の放射線の周波数変換装置への入射により、それが、第２波長の放射線を放射し、少なくとも第２波長の放射線が透明サポートを通過する、ところの工程とを有する。
【００３４】
また、ここで説明される周波数変換方法は、透明サポートによって支持されたＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体アイランドの互いに離隔したアレイ上に、非線形周波数変換処理によって、第１波長より短い第２波長の放射線を放射するべく、第１波長の放射線を方向付ける工程を有し、少なくとも第２波長の放射線は、透明サポートを通過する。
【００３５】
また、ここで説明される周波数変換装置は、第１波長の電磁気放射線のポンピングビームのソースと、少なくともひとつのＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体から成る半導体アイランドへの第１波長の電磁気放射線のポンピングビームの入射、および、半導体アイランドへの第２波長の電磁気放射線の入射により、半導体アイランドが、非線形周波数変換処理によって第２波長より短い第３波長の電磁気放射線を放射するように構成された半導体アイランドの互いに離隔したアレイとを含む。
【００３６】
本願発明のいくつかの実施形態が、添付する図面を参照して例示的に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本願発明のある実施形態に従う、透明サポート上にＩＩＩ−Ｖ属半導体アイランドを有しかつ非線形周波数変換用に構成された周波数変換装置の斜視図である。
【図２】図２は、本願発明のある実施形態に従う、透明サポート上にＩＩＩ−Ｖ属半導体アイランドを有しかつ非線形周波数変換用に構成された周波数変換装置の側面図である。
【図３】図３は、図１および２の周波数変換装置のひとつの動作モードを示し、アイランドへの第１波長の放射線の入射により、それが、非線形周波数変換処理によって第１波長より短い第２波長の出力放射線を放射する様子を示している。
【図４】図４は、半導体アイランドの一部または全体が、透明サポート内に埋設されている他の実施形態の側面図を示す。
【図５】図５は、半導体アイランドの一部または全体が、透明サポート内に埋設されている他の実施形態の側面図を示す。
【図６】図６は、半導体アイランドの複数レイヤーが透明サポート内に埋設されているさらに他の実施形態の側面図を示す。
【図７】図７は、周波数変換装置を製造するための方法の実施形態のフロー図である。
【図８】図８は、半導体アイランドの詳細を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像とともに、図７の製造処理の異なるステップにおいて、部分的に組み立てられた周波数変換装置の側面略示図である。
【図９】図９は、半導体アイランドの詳細を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像とともに、図７の製造処理の異なるステップにおいて、部分的に組み立てられた周波数変換装置の側面略示図である。
【図１０】図１０は、半導体アイランドの詳細を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像とともに、図７の製造処理の異なるステップにおいて、部分的に組み立てられた周波数変換装置の側面略示図である。
【図１１】図１１は、半導体アイランドの詳細を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像とともに、図７の製造処理の異なるステップにおいて、部分的に組み立てられた周波数変換装置の側面略示図である。
【図１２】図１２は、熱エンボス加工工程を使って半導体アイランド上に形成される透明埋設レイヤー（オリジナル基板の除去の後、透明基板となる）の側面略示図である。
【図１３】図１３は、熱エンボス加工工程を使って半導体アイランド上に形成される透明埋設レイヤー（オリジナル基板の除去の後、透明基板となる）の側面略示図である。
【図１４】図１４は、熱エンボス加工工程を使って半導体アイランド上に形成される透明埋設レイヤー（オリジナル基板の除去の後、透明基板となる）の側面略示図である。
【図１５】図１５は、熱エンボス加工工程を使って半導体アイランド上に形成される透明埋設レイヤー（オリジナル基板の除去の後、透明基板となる）の側面略示図である。
【図１６】図１６は、ポリマー（本例ではＢＣＢ）埋設レイヤー、半導体アイランド、およびオリジナル基板（除去の前）の間の関係を示すテストサンプルのＳＥＭ画像である。
【図１７】図１７は、オリジナルの不透明基板が、透明基板から除去され、部分的に半導体アイランド内に埋設されている、図７の製造方法のステップを示す。
【図１８】図１８は、生成された周波数変換装置の平面ＳＥＭ画像である。
【図１９】図１９は、オリジナルの不透明基板の平面ＳＥＭ画像である。
【図２０】図２０は、周波数変換装置の半導体アイランドの光学的性質を特徴付けるための実験装置構成の略示図である。
【図２１】図２１は、半導体アイランドの線形スペクトル測定の略示図である。
【図２２】図２２は、実験的に測定され（左側のパネル）、理論的に形成された（右側のパネル）、個々の半導体アイランドの吸収スペクトルを示し、異なる直径（ｎｍ）のアイランドがスペクトルの隣に与えられ、垂直の点線は、入射のスペクトル位置および第２高調波周波数を示す。
【図２３】図２３は、１５５６ｎｍのポンピング波長での半導体アイランドの直径の関数として線形吸収およびその多極分解のグラフであり、黒い実線は、理論計算値を示し、点線は実験測定結果を示し、彩色線は凡例に示すように理論計算に対する計算した多極寄与度を示す。
【図２４】図２４は、個々の半導体アイランドの非線形分光の略示図である。
【図２５】図２５は、１５５６ｎｍのポンピング波長で異なる半径の単一の半導体アイランドから、実験的に測定した第２高調波発生（ＳＨＧ）効率（ＰＳＨ／ＰＦＷ）の棒グラフであり、青は前方向放射線を示し、赤は後方向放射を示し、緑は前方向および後方向の和を示す。
【図２６】図２６は、アイランドの直径の関数として第２高調波の後方向−前方向比率の棒グラフである。
【図２７】図２７は、遠距離場ＳＨ放射線の計算した３Ｄパターンを示す。
【図２８】図２８は、遠距離場ＳＨ放射線の計算した３Ｄパターンを示し、円錐および内側円は実験的にアクセス可能な角度を示す。
【図２９】図２９は、図２７および図２８のパターンの正面平面図である。
【図３０】図３０は、図２７および図２８のパターンの底面図である。
【図３１】図３１は、順方向でのＳＨ信号の方向性（上の段）および偏光（下の段）の、実験測定値および理論計算値の図であり、矢印は、偏光状態を可視化しており、入射ビームは垂直方向に沿って線形的に偏光されている。
【図３２】図３２は、後方向での図３１と同様の図である。
【図３３】図３３は、半導体アイランドのアレイの透過測定の略示図である。
【図３４】図３４は、半導体アイランドの実験的測定および理論的計算の透過スペクトルであり、スペクトルの隣に異なるアイランド直径（ｎｍ）が与えられている。
【図３５】図３５は、４９０ｎｍの直径を有するＡｌＧａＡｓ半導体アイランドから発生した第２および第３高調波の実験的に測定した後方向の後焦点面画像である。
【図３６】図３６は、楕円率角度Χおよび偏光傾斜角度Ψのストークス係数を有する偏光楕円の略示図であり、ＥａおよびＥｂは、偏光楕円の主偏光軸（青実線）である。
【図３７】図３７は、線形水平、垂直、２つの対角および２つの円の６個の異なる偏光板を通じて透過後の後方向での第２高調波信号の後焦点面画像を示す。
【図３８】図３８は、第２高調波信号の後方向性に対するストークスベクトルの４つの成分を示す。
【図３９】図３９は、偏光、傾斜および楕円率の度合いの空間的解析結果を示す。
【図４０】図４０は、直径４９０ｎｍのＡｌＧａＡｓ半導体アイランドに対する計算した散乱効率および多極分解（４次まで）のグラフであり、ポンピングは、ｘ軸線に沿って偏光した平面波であるように設定されている。
【図４１】図４１は、３４０ｎｍ（左側）、４９０ｎｍ（中央）、および６４０ｎｍ（右側）の３つの異なる直径のアイランドに対して計算されたＳＨ多極寄与の３つの円グラフを示す。
【図４２】図４２は、直径４９０ｎｍで、高さが１００、３００、および５００ｎｍのアイランドに対して計算したＳＨ方向性を示す。
【図４３】図４３は、アイランド直径の関数として、結晶軸に対する二次高調波発生偏光方向の効率を示す棒グラフである。
【図４４】図４４は、上段が、直径４９０ｎｍの半導体アイランド内部の基本場（左側）、誘導非線形電流（中央）、および、第２高調場（右側）の空間プロファイルを示し、中段が、３つの異なる断面の基本場の近接場分布を示し、下段が、３つの異なる断面のＳＨ場を示す。
【図４５】図４５は、本願発明の実施形態に従う、周波数変換効率を向上させるためのポンピングビームの使用の略示図である。
【図４６】図４６は、図４５に従う、和周波数生成（FFG）および差周波数生成（DFG）におけるエネルギー保存の略示図である。
【図４７】図４７は、本願発明のある実施形態に従う半導体アイランドのアレイを通じて透過されたポンピングビームの残存部分を除去するためにフィルタの使用を示す略示図である。
【図４８】図４８は、[１１１]結晶方位（左側の図）および[１１０]結晶方位（右側）を有し、高さが４００ｎｍで、直径が７００ｎｍ（上側の図）および８００ｎｍ（下側の図）の円柱形状である半導体アイランドから放射された可視光の３次元分布を表す４つのプロットを示す。
【図４９Ａ】図４９Ａは、高さが４００ｎｍで直径が４３０ｎｍのＡｌＧａＡｓ結晶[１００]のアイランドの法線方向に対する、ポンピングビーム（横軸）および信号ビーム（縦軸）の入射角度の関数として、半導体アイランドの計算した前方向ＳＦＧ変換効率を表す２次元プロットである。
【図４９Ｂ】図４９Ｂは、図４９Ａの円形領域に対応して、最も高い変換効率を与えるひとつのビーム構成を示す略示図である。
【図４９Ｃ】図４９Ｃは、図４９Ｂの構成に対して計算した放射の強い前方向の方向性を示すプロットである。
【図５０Ａ】図５０Ａは、ポンピングおよび信号ビームが同一線上にあるビームの構成の略示図である。
【図５０Ｂ】図５０Ｂは、入射の共通角が４５°であるときの半導体アイランドから放射された可視光の３次元空間分布を示す。
【図５０Ｃ】図５０Ｃは、入射の共通角が０°であるときの半導体アイランドから放射された可視光の３次元空間分布を示す。
【図５１】図５１は、ｓ偏光またはｐ偏光を有する入射ビームの略示図である。
【図５２】図５２は、格子周期が６９５ｎｍである半導体アイランドの２次元アイランドの計算した順方向ＳＦＧ効率が、それぞれのビーム偏光に対するポンピングビームおよび信号ビームの入射角度の関数であることを示す２次元プロットであり、左側のプロットは、信号およびポンピングビームの両方がｓｓ偏光され、中央のプロットはｐｓ偏光され、右側のプロットはｐｐ偏光されている。
【図５３】図５３は、左側が単一の半導体アイランドからの照射、および偏光の４つの異なる組みあわせ（ＨＨ、ＨＶ、ＶＨ、およびＶＶ）に対する７７０ｎｍでのＨ偏光ＳＦＧに対して計算した効率の略示図であり、右側が同じ偏光の組みあわせに対するＳＦＧ方向性の略示図のセットを示す。
【図５４】図５４は、半導体アイランドの非線形光学特性を特徴づけるのに使用される装置の略示図である。
【図５５】図５５は、後方向ＳＦＧ出力ビームが測定される、図５４の装置を使った測定で使用されたビーム構成の略示図である。
【図５６】図５６は、フェムト秒レーザーソース出力から生成されたポンピングビームおよび信号ビームの波長分布を示すグラフである。
【図５７】図５７は、半導体アイランドの生成出力の測定波長分布を示すグラフである。
【図５８】図５８は、表された偏光組みあわせに対する７７０ｎｍでのＨ偏光ＳＦＧのカラーマップである。
【図５９】図５９は、同じ偏光組みあわせに対してＳＦＧ放射の方向性を表す４つの画像の対応するセットである。
【図６０Ａ】図６０Ａは、それぞれ異なる周波数で共鳴するように選択された４つの異なる構成を有する半導体アイランドの２次元アレイの略示図である。
【図６０Ｂ】図６０Ｂは、それぞれ構成が異なる色の可視光を放射する、エネルギー保存に関する動作原理の略示図である。
【図６１Ａ】図６１Ａは、高さが３００ｎｍで、直径が３３０、３７０、４４０、および４９０ｎｍである、図６０Ａに示す形状の２次元アレイの平面ＳＥＭ画像である。
【図６１Ｂ】図６１Ｂは、異なる半導体アイランドの各々のシミュレーションスペクトルのグラフである。
【図６１Ｃ】図６１Ｃは、異なる半導体アイランドの各々の実験的に測定した線形スペクトルのグラフである。
【図６２Ａ】図６２Ａは、半導体アイランドからの照射が主に前方向に方向付けられるところのビーム構成を示す略示図である。
【図６２Ｂ】図６２Ｂは、小さい屈折率材料内に埋設された半導体アイランドから放射された可視光の３次元空間分布を示すプロットである。
【図６２Ｃ】図６２Ｃは、半導体アイランドが埋設される替わりにガラスプレートに取り付けられた、図６２Ｂと同様のプロットである。
【図６３Ａ】図６３Ａは、物体からの赤外線が、アレイの平面またはアレイの傾斜面のいずれかで伝搬するレーザービームによってポンピングされた半導体アイランドの二次元アレイ上に少なくとも部分的にフォーカスされ、かつ、アレイに対して、検出器面上にフォーカスされる対応する可視光を発生させる、暗視装置のコンポーネントの略示図である。
【図６３Ｂ】図６３Ｂは、θ１が９０°である場合に角度θ２の関数として計算したＳＦＧ強度のグラフであり、取り込み角は、ＳＦＧ強度の最大値の半分での全幅によって定義されている。
【図６４】図６４は、透過中およびポンピングビームによる照射のもとで、半導体アイランドの非線形光学特性を特徴づけるのに使用された装置の略示図である。
【図６５】図６５は、８４０ｎｍのポンピングビームおよび１５５０ｎｍの入力信号（両方の波長は光学フィルタによって出力から除去済み）を使って、暗視装置用の周波数変換装置の出力の測定した光学スペクトルを示すグラフである。
【図６６】図６６は、上側が、ＢＣＢレイヤーの面に沿って入射する８４０ｎｍのポンピングビームが半導体アイランドを含むＢＣＢレイヤー内のウエーブガイドによって制限されるように、半導体アイランド（図示せず）のアレイが、ＭｇＦ２基板上の４μｍＢＣＢレイヤー内に埋設されているところの周波数変換装置の側面略示図であり、下側が、ＢＣＢレイヤー内に制限されたポンピングビームを示す画像である。
【図６７】図６７は、波長の関数として周波数変換装置アレイおよび基板を通過する光透過のグラフであり、可視光（４００から７００ｎｍ）を通じてすべての波長の８０％以上が透過されることを示す。
【図６８】図６８は、図６７と同じ周波数変換装置および光学顕微鏡を通じて取られた標準的光学テスト物体の４つの画像を示し、左上が、白色光、右上が赤外線照射、左下がポンピングビーム無しの赤外線照射、右下が、赤外線なしのポンピングビームを有する場合である。
【図６９】図６９は、異なる構成および異なる共鳴周波数（１１４０ｎｍおよび１５００ｎｍの波長に対応）を有する半導体アイランドの２つの異なるアレイからの透過スペクトルを示すグラフである。
【図７０】図７０は、和周波数生成（ＳＦＧ）によって４８３ｎｍ（青）および５３８ｎｍ（緑）の出力波長を選択的に生成するべく、図６９の異なるアイランド構成が８４０ｎｍのポンピングビームでどのように使用されるのかを示すエネルギーレベル図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１および２に示すように、周波数変換装置は、透明サポート１０４によって支持された互いに離隔した半導体ボディーまたはアイランド１０２のアレイを含む。平面図でのアイランド１０２の形状は、典型的に円で示すが、代替的に任意の所望の形状で形成されてもよい。図３に示すように、アイランド１０２は、少なくともひとつのＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体から形成され、半導体アイランド１０２への第１波長λ１の電磁気放射３０２により、それが、非線形周波数変換処理によって、第１波長λ１より短い第２波長λ２の電磁気放射線３０４、３０６を放射するように構成されている。
【００３９】
周波数変換の効率を改善するために、本願発明の実施形態は、以下で詳述するように、電磁気放射線のポンピングビームを、上述した一般的構造に付加する。しかし、半導体アイランドアレイおよび透明基板の特性がまず、ポンピングビームを導入する前に説明される。
【００４０】
周期律表のIII属およびＶ属の元素の組みあわせから形成される化合物半導体（ＩＩＩ−Ｖ属半導体と呼ぶ）は、比較的大きな二次非線形電磁気特性を有するため使用される。対照的に、ＳｉおよびＧｅのような半導体元素は、点対称結晶構造のためバルク二次非線形性を示さない。
【００４１】
本明細書の文脈において“透明”として記述されるサポート１０４の特性は、当該サポートが以下で詳述するような対応する波長の放射線に対して少なくとも実質的に透明であることを意味すると理解すべきである。当業者によって理解されるように、実際には完全に透明の媒体は存在せず、電磁気放射線が媒体を通過するとき少なくともわずかな損失が常に存在する。したがって、ここでサポートが透明であると説明される場合、ゼロの挿入損失を有する完璧な透明であることがサポートに要求されないことを理解すべきである。
【００４２】
本明細書の文脈において、放射線に対してそれが“透明”と考えるためには、透明とは、媒体において、サポート１０４に入射する対応する波長の放射線の少なくとも１０％がサポート１０４を通じて透過することを意味すると理解されるべきである。好適には、放射線量は、少なくとも２０％、より好適には、少なくとも５０％、さらに好適には、少なくとも７０％、最も好適には少なくとも８０％である。当業者が理解するように、約７０％の透過率が概して良好な透過であると考えられる。実施形態において、約８０％以上の透過が典型的である。
【００４３】
一般的なケースで、サポートの透明性は、第１波長の放射線および第２波長の放射線の少なくともひとつが、透明サポートを通過することを許す。しかし、ある実施形態において、放射された電磁気放射線は、図３の３０６によって示されるような、第１波長の放射線の入射方向に対して、９０°以上の角度で放射される方向性放射線を含む。
【００４４】
第１および第２波長の値は、化合物半導体アイランドの構成、特に、その組成およびその物理的寸法によって決定され、それにより、半導体アイランドが第１および第２波長が興味ある特定のアプリケーションに適合するように構成され得る。しかし、上述したように化合物半導体の組成は、第１波長の入射放射線を、第１波長よりも短い第２波長の出力放射線へ効果的に青方偏移する非線形周波数変換プロセスをサポートするように選択される。当業者に明らかなように、他の非線形相互作用もまた、第１波長よりも短い第２波長の出力放射線を生成するのに使用されてもよい。
【００４５】
半導体アイランドは、結晶半導体と対応する透明結晶基板との間の格子不整合が実際的な意味で周波数変換プロセスを非効果的にしないよう、半導体内に高い欠陥濃度を生じさせるほど大きくなければ、任意のＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体によって形成されてよい。適切な化合物の例は、ＧａＮ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓに基づくものを含む。例えば、半導体アイランドは、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＡｓまたはＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ、ここでｘ∈[０，１]から構成されてよい。基板の方向（および半導体アイランドが基板上でエピタキシャル成長した方向）は、典型的に、[100]、[110]または[111]のような主要な結晶方位である。
【００４６】
半導体アイランドは、図１および２に示すように独立して透明サポートを有してよく、図４に示すように部分的に埋設されてよく、または、図５に示すように透明サポート内に完全に埋設されてもよい。ある実施形態において、半導体アイランドのアレイは、図６に示すように３次元アレイである。図６は、半導体アイランドの二次元アレイの２つのレイヤーのスタックとしてのアレイを示しているが、他の実施形態において、このスタックは、３層以上のスタックを与えるように構成されてよい。異なるレイヤーは、異なる化合物半導体から構成されるアイランドを含んでよい。付加的に、図６に示すように、スタックレイヤーの各々における半導体アイランドは、完全に埋設されてよく、または、部分的に埋設されてもよい。付加的に、異なるレイヤー内の半導体アイランドのピッチおよび／または相対的アライメントは、さまざまな異なる方法でアレンジされてよい。所与のレイヤーおよび／または異なるレイヤー内のアイランドの物理的寸法もまた異なってよい。
【００４７】
ここで説明する周波数変換装置は、個々の化合物半導体アイランドの構成によって決定されるように、広範囲の入力波長および出力波長にわたって、非電離電磁気放射線をアップコンバートまたは青方偏移することができる。したがって、単一の二次元アレイまたは三次元アレイにおいて、異なる組成および／または物理的寸法のアイランドを与えることにより、ここで説明するような単一の周波数変換装置は、広範囲の所望の入力および／または出力波長にわたって変換を提供することができる。
【００４８】
特に、説明する化合物半導体アイランドが入射赤外線を青方偏移するように構成されている場合、ここで説明する周波数変換装置は、赤外線画像または暗視用に使用され得る。ある実施形態において、青方偏移は可視光範囲の波長の光を製造する。いずれにしても、それぞれ異なる波長の可視光へ、異なる波長の赤外線を青方偏移するように選択された異なる構成の化合物半導体を含むことによって、異なる温度を有する物体を表す色、および／または、放射率が、当業者に周知の標準的な増幅および画像生成方法（既存の赤外線画像および暗視装置で現在使用されているものを含む）を通じて直接的（出力波長が可視光領域である場合）または間接的（すべての場合）に、生成可能となる。
【００４９】
非線形電磁気装置の製造
ここで説明される周波数変換装置は、図７に示すような製造方法によって組み立てられてよい。処理は、少なくともひとつの所望の入力（または“第１”）波長および少なくともひとつの所望の出力（または“第２”）波長を選択することにより、ステップ７０２で開始される。上述したように、これらの波長は、概して、周波数変換装置が適用されるべき特定のアプリケーションによって決定される。説明する実施形態において、周波数変換装置は、暗視または赤外線画像用に使用されるべきものであり、従って、第１波長は赤外線範囲の電磁気スペクトル（約１０μｍ以下）であり、第２波長は可視光範囲の電磁気スペクトルである。
【００５０】
ステップ７０４において、入力および出力波長を選択した後、これらは、化合物半導体アイランドの少なくともひとつの対応する構成、特に、これらの波長をサポートするアイランドの組成および物理的寸法を決定するのに使用される。
【００５１】
上述した実施形態において、半導体アイランドは、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＡｓまたはＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ、ここでｘ∈[０，１．０]またはこれらの合金、すなわち、ＧａＡｓからＡｌＡｓ、ＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓの組成を有する化合物半導体から形成された円柱形のものである。ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ化合物の場合、それは、ＩｎＰ基板に対して最小の格子不整合を与え、結果として最小の欠陥密度を生成するので、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓから形成されるアイランドは、最適な性能を与えることがわかった。
【００５２】
説明される実施形態において、アイランドの寸法は、約２０ｎｍから１０μｍのナノメートルスケール（ナノスケール）の寸法である。所与の所望の波長用の適切な物理的寸法および化合物半導体組成は、例えば、https://www.comsol.com/comsol-multiphysicsに説明されているような、COMSOL  Multiphysics（商標）のようなコンピュータエレクトロマグネティクスソフトウエアパッケージを使って、シミュレーションによって決定可能である。
【００５３】
ステップ７０６において、選択された寸法および組成の化合物半導体アイランドのアレイが、選択された化合物半導体のエピタキシャル成長と整合する結晶基板上に形成される。例えば、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ化合物の場合、基板は、単結晶のＧａＡｓウエハであってよく、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ化合物の場合、基板は単結晶のＩｎＰウエハであってよい。残念ながら、コンパチブルな基板は、大きい屈折率を有し、興味のある波長範囲（例えば、可視光領域）の電磁気放射線に対して不透明である。ガラスのような透明基板上での化合物半導体の成長は、半導体成長中に高密度の転位を生じさせ、その結果、特性が悪化する。
【００５４】
典型的に、形成ステップ７０６は、当業者に周知の標準的な半導体処理ステップに関連し、不透明半導体基板（以下で説明する中間またはバッファ層によって先行可能）上に対応する化合物半導体のレイヤーをエピタキシャル成長させることを含み、続いて、マスクレイヤーを堆積し、リソグラフィーによってマスクレイヤーをパターニングし、化合物半導体レイヤーの選択領域をエッチングし、残ったマスク材料を除去する。所望の構成の化合物半導体アイランドを形成するのに必要なステップの詳細は、当業者の通常の能力の範囲である。
【００５５】
ある実施形態において、半導体アイランドは、基板への付着を弱めるために、基板から少なくとも部分的に切り離されている。これは、アイランドが形成される化合物半導体を成長させる前に、基板上に中間レイヤーを成長させることにより達成可能である。中間レイヤーは、重なった半導体アイランドを切り離すために選択的に除去可能な材料から形成されている。残存（しかし比較的弱い）結合力（ファンデルワールス力を含む）は、オリジナルの位置において半導体アイランドを維持する。例えば、半導体アイランドがＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ化合物、ここでｘ∈[０，〜０．８]から形成される場合、ＡｌＡｓが中間レイヤーとして使用可能であり、それは優先的にＨＣｌによりエッチングされる。
【００５６】
すべてのケースにおいて、不透明基板上に化合物半導体アイランドが形成されると、ステップ７０８において、それは透明サポートへ接着され、ステップ７１０において、不透明基板は除去されて、不透明基板によってサポートされた互いに離隔した半導体アイランド形式の周波数変換装置を与える。半導体アイランドが切り離された実施形態において、切り離しステップは、これらの間の接着を、半導体アイランドと透明サポートとの間の接着よりも弱くさせているので、不透明基板は半導体アイランドから単純に引き離すことにより除去可能である。さもなければ、切り離しステップ無しで、不透明基板は、例えばエッチングによって除去されてもよい。例えばＩｎＰ基板上のＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ化合物の場合、基板はＨＣｌ酸によって優先的に除去可能である。例えばＧａＡｓ基板上のＡｌＡｓ化合物の場合、基板は、クエン酸／Ｈ２Ｏ２溶液によって優先的に除去可能である。
【００５７】
上述したように、得られた周波数変換装置は電磁気放射線を青方偏移させるべくステップ７１２において使用されてよい。
【００５８】
ちなみに、化合物半導体レイヤーを透明（例えば、ガラス）基板へ転写し、その後、接着レイヤーをパターニングして相互に離隔した化合物半導体のアイランドを形成することも可能であるが、実際には、転写レイヤーの貧弱な接着およびもろさのため、高い非線形変換性能を達成するのに要求される特性である、高空間分解能およびスムースな表面およびエッジを有するアイランドをこの方法で形成するのは概して不可能である。
【００５９】
本願発明のある実施形態が、赤外線画像または暗視アプリケーション用に、赤外線を可視光に変換するように構成された周波数変換装置の文脈で説明される。これらの実施形態において、化合物半導体組成は、この化合物のアイランドの二次元アレイの平面に垂直な結晶方位が[100]のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓであるように選択され、半導体アイランドは、３４０から６９０ｎｍの範囲のさまざまな直径、および、約３００ｎｍの固定した高さを有する円柱または板であるように選択され、その結果、半導体アイランドは、入力および出力波長においてミー共鳴をサポートする（半導体アイランドが入力および出力波長の両方において共鳴するとき周波数変換周波数が混合されるため）。説明した実施形態において、アイランドは、５μｍのピッチまたは周期で正方形グリッド上に配列された。しかし、概して、アイランドは、高い収納密度の六方格子配列、疑似ランダム配列、および、出力放射の回折を与える配列（例えば、ファノ共鳴を励起し、効率を強化するべく）を含む、任意の方法で配列してよい。比較のために、同じ組成のアイランドのいくつかのアレイが１μｍのピッチで形成された。
【００６０】
２０ｎｍのＡｌＡｓ犠牲バッファレイヤーが、[100]ＧａＡｓウエハ上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって、エピタキシャル成長され、続いて、２００ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓレイヤーが形成され、最後にＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの酸化を防止するべく５ｎｍのＧａＡｓキャップ層が形成された。その後、４００ｎｍのＳｉＯｘマスクレイヤーが、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によってＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ上に堆積された。その後、マスク層は、電子ビームリソグラフィーを使ってパターニングされ、Ｃｌ２、ＡｒおよびＨ２ガスを使って反応性イオンエッチングされ、上述したピッチおよび直径を有する円形領域の正方形アレイを除き、すべてのマスクレイヤーが除去された。
【００６１】
マスク層内の円形開口によって露出した化合物半導体領域は、その後、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングツール内でエッチングされ、すべてのエピタキシャル成長化合物半導体および少量のＧａＡｓ基板が除去された。図８の略示図および図９の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像に示すように、得られた構造は、ＧａＡｓ８０４、ＡｌＡｓ８０６、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ８０８、およびＳｉＯ２８１０のレイヤーから形成された円柱ピラーを有する残余ＧａＡｓ基板から成る。上述した実施形態において、エッチングは、Ｃｌ２、Ａｒ、およびＨ２ガスを使ってプラズマエッチングツール内で実行された。他のプロセスガスおよび／または減法（例えば、イオンミリング）が同じ構造を達成するのに使用可能であるが、パージガスとしてＣｌ２の使用は、非粘着性表面を生じさせ、以下で説明するように、基板から半導体アイランドの続く除去作業をアシストする。
【００６２】
ＳｉＯ２レイヤー８１０およびＡｌＡｓレイヤー８０６はその後、２％のＨＦ内でウエットエッチングによって各ピラーから除去され、図１０の略示図および図１１のＳＥＭ画像に示される構造が製造され、ＡｌＡｓレイヤー８０６の除去により、ＧａＡｓレイヤー８０４とＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ８０８との間でインターフェース（図１０で点線１００２で表す）が製造される。上述したように、ＡｌＡｓレイヤー８０６が、完全に除去されると（図１１のＳＥＭ画像で示すように）、ファンデルワールス力が、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ８０８を適所に保持する。さもなければ、ＡｌＡｓレイヤー８０６が完全に除去されなければ、その後、そのレイヤー８０６の残存部分がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓレイヤー８０８を適所に保持するように作用する。
【００６３】
このステップの後、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓレイヤー／ディスク８０８は、透明サポートに取り付けられる。説明した実施形態において、透明サポートは、平坦な透明基板／スーパーストレート上の透明ポリマーから成る複合構造またはアセンブリである。ある実施形態において、透明サポートは、図１２に示すように、サンプル上に薄い（ある実施形態において４μｍ）ポリマーレイヤーをスピンコーティングし、ポリマーを硬化させ、薄い透明基板／スーパーストレートへそれを接着することによって形成および取り付けられる。ポリマーレイヤーの厚さは、必ずしもそうではないが、熱エンボス加工ステップによって半導体アイランドの高さまで削減可能であり、ポリマーレイヤーは加熱され、図１４に示すようなスーパーストレートへ圧力を印加することによって、半導体アイランドの周りに流され、図１５に示す構造が製造される。図示の都合上、図１６のＳＥＭ画像は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓアイランドのアレイを示し、そのいくつかは、同じ高さ／厚さ（４００ｎｍ）のＢＣＢポリマーレイヤー内に埋設されている。代替例として、ある実施形態において、取り付けは、上述し図１４に示す熱エンボス加工を実行する前に、図１３に示すように、ポリマーおよびスーパーストレートレイヤーを最初に接着し、次に得られた複合体サポートを半導体アイランドに取り付けることにより達成される。
【００６４】
いずれの場合において、熱エンボスステップは、ポリマーを同時にキュアするのに使用されてもよい。例えば、ポリマーがＢＣＢである場合、それは約３００℃の温度でキュアする必要があり、結果として熱エンボスステップは、ＢＣＢレイヤーを同時にキュアするためにそれ以上の温度で実行可能である。キュアされると、ＢＣＢはガラスのように作用し、溶解することなく実質的により高い温度（例えば、少なくとも５００℃まで）に加熱され、それは、ひとつ以上のさらなるレイヤー（ＢＣＢレイヤーを含む）の付加を容易にする。
【００６５】
さまざまな実施形態において、透明基板およびポリマーレイヤーは、アプリケーションに応じて、同じ、同様、または異なる屈折率を有することができる。ある実施形態において、基板はガラス基板であり、ポリマーはガラスと同等の屈折率（〜１．５）を有するベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）であり、それにより、ＢＣＢおよびガラスは、合成ウエーブガイドとして作用することができる。ある実施形態において、基板は、上述したようにＭｇＦ２基板（屈折率が約１．３）である。他の実施形態において、基板は、ＢａＦ２基板または石英基板である。ある実施形態において、ポリマーはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である。多くの他の適当な透明基板およびポリマー、並びにその組みあわせが、ここの開示を考慮した当業者にとって明白である。
【００６６】
最後に、図１７に示すように、オリジナルの不透明基板１７０２の残存部分が透明基板から剥がされるか、または切り離され、周波数変換装置１７０４が与えられる。上述した不透明基板表面のＣｌ２ガストリートメントは任意であるが、発明者らは、透明サポートの不透明基板への接着を減少させることによって、それは分離を促進することを発見した。図１８および１９は、得られた周波数変換装置１７０４および不透明基板１７０２（除去可能）のＳＥＭ画像である。
【００６７】
得られた周波数変換装置１７０４は、透明基板内に部分的に埋設された２次元アレイの形式の化合物半導体アイランド（本実施形態において円柱または円盤形状）である。任意で、半導体アイランドはさまざまな異なる方法で透明基板内に完全に埋設可能であるが、第２透明基板／スーパーストレート（例えば、インサイチュでの接着または形成（例えば、スピンコーティングおよびキュアリング））を付加することで、半導体アイランドの露出面を覆うのが最も簡単である。任意で、第２熱エンボス加工ステップが、第２透明基板と半導体アイランドとの間の任意のギャップを除去するべく実行されてよい。３次元の半導体アイランドのアレイは、２つ以上の単一レイヤー周波数変換装置を一緒に接着することにより形成可能である。接着は、単一レイヤーの装置のスタックを単純に配列することにより達成可能であり、典型的に、ウエハーアライメントツール内で、異なるレイヤーにおけるアイランドの相対位置を決定し、そのツールを使って、スタックへ熱および圧力を印加して接着を達成する。ある実施形態において、異なるレイヤーを形成するべく、異なるエッチングマスクレイアウトが使用され、したがって、所望により、異なるレイヤー内のアイランド間で横方向のオフセットを与えることができる。
【００６８】
非線形電磁気特性の光学的特徴
製造された周波数変換装置および単一アイランドの電磁気性質は、当該分野の研究者によって通常使用されるさまざまな異なる光学的方法を使って特徴付けられた。図２０は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの二次元アレイおよび個別アイランドを特徴付けるのに使用された実験的構成の略示図である。個別の半導体アイランドから、第２高調波発生（ＳＨＧ）を含む非線形生成出力放射線を測定するために、単一のアイランドが２つの共焦点空気対物レンズの焦点スポットに配置される。ＦＷの集束用にOlympus  LCPlanNIR  (0.85  NA,  100×,  赤外線)を使用し、出力放射線の収集用にOlympus  MPlanFLN  (0.9  NA,  100×,  可視光線)を使用した。これは、空気中で約５８°および６４°以内の放射パターン用の収集角度に対応し、ガラスおよびＢＣＢ中で約４４°および４０°の収集角度に対応する。
【００６９】
集束ポンピングレーザービームの直径は、ナイフエッジ実験を実行し、ポンピングビームが２．２ミクロンの回折制限に近いことを保証することにより計測される。基板側面は、可視対象物に面している。したがって、Olympus  MPlanFLNの対物レンズは前方の個々のアイランドからの出力放射線を収集し、Olympus  LCPlanNIRレンズは、後方の出力放射線を収集する。ポンピングレーザは、１５５６ｎｍの波長で動作するＥｒ３＋がドープされたパルスファイバーレーザ（〜５００ｆｓ、繰り返し率５ＭＨｚ）である。レーザ出力において、１／４波長板および１／２波長板が、出力偏光を制御するのに使用され、２つの冷却ＣＣＤカメラが、出力放射線を方向付けるのに使用された。前方向において、ノッチフィルタがポンピングレーザをブロックしている。後方向において、二色性ミラーが、後方に方向付けられた出力放射線をカメラに向けるために対物レンズの正面で使用された。
【００７０】
線形的特徴
個々のＡｌＧａＡｓナノディスクの消失スペクトルが、白色光ソース（ファイバー結合タングステンハロゲンライトバルブ）および２つの分光計を使って、共焦点構成内の同じイクイップメントを使って測定された。赤外線波長用には、Andor  DU490A-1.7  InGaAs  アレイ検出器を有するPrinceton  Instruments  Acton  SP  2300  単色分光計を使用し、可視光領域の波長用には、Ocean  Optics  65000が使用された。透過スペクトルは、ディスクおよび視野絞りを通じて測定され、消失断面積はＩｎ（１−Ｔ）の関係（ここで、Ｔは、基板の透過度に規格化された測定された透明度）を使って計算された。
【００７１】
個々のアイランドの線形消滅スペクトルは、図２１に略示したように、線形透過構成内で測定された。図２２は、２つのグラフを含み、左側のグラフは、３４０から６７０ｎｍの範囲の異なる直径および３００ｎｍの固定高さの半導体円柱に対する波長の関数として測定された消滅断面積を示し、右側のグラフは、Hugonin,  J.  P.;  Lalanne,  および  P.  Reticoloによる,  Software  for  Grating  Analysis;  Institut  d’Optique:  Orsay,  France,  2005に記載された数値シミュレーション方法の厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）の対応する理論予測を示す。両方のグラフの２つの垂直方向の点線はそれぞれ、基本波（ＦＷ）波長および第２高調波（ＳＨ）波長を示す。左側のグラフの影の領域は、分光計によってカバーされなかった波長範囲を示す。
【００７２】
図２２に示す測定は、公表されたＦＷ波長でのサイズ依存共鳴、および、ＳＨ波長での複数共鳴を示し、右側のグラフに示す数値シミュレーションと良く一致している。実験と理論的予測との間の矛盾は、上述した測定装置の製造誤差および有限開口数によるものであると考えられる。
【００７３】
図２３は、半導体アイランドの直径の関数としてＦＷで抽出された散乱断面積を示し、ここで、ドットは、実験結果を表し、実線曲線は数値シミュレーションを表す。多極分解屈折率は、ガラス基板のものと同じである。化合物半導体の材料分散はＣＯＭＳＯＬ表形式データから取られた。亜鉛がブレンドされた結晶構造を有する[１００]方位のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの二次非線形帯磁率テンソルは、非対角要素Ｘｉｊｋ（２）、ｉ≠ｊ≠ｋのみを含む。したがって、結晶の主軸システムにおいて、ＳＨ周波数での非線形偏光のｉ番目の成分は、以下の式で与えられる。
【数１】
2020519897.tif 000003
【００７４】
未消耗ポンプ近似が仮定され、放射ＳＨパワーを計算するのに２つの結合ステップが使用された。第１に、基本波長で線形散乱がシミュレーションされた。より正確に実験条件を真似るために、半導体アイランドは、集束単色ガウスビームによって励起され、[１１０]方向に沿って偏光された。アイランドの内部から誘導された、式（１）によって与えられるバルク非線形偏光は、発生したＳＨ場を得るために、その２倍の周波数で次の電磁気シミュレーション用のソースとして採用された。
【００７５】
最大ＳＨ（ｄ＝４９０ｎｍ）を与えるディスクサイズが選択され、図２６に示すように、３次元ＳＨ遠距離場放射線パターンが計算された。非線形散乱は、電気四重極およびより高次の非線形的に生成された複数極（l＝４まで）の干渉によって支配され、図２６に示すような前方ＳＨ放射線のサスペンションを導く。この同じ放射パターンの側面、平面および底面図が図２７から２９にそれぞれ示されている。図２７の影領域は、上述した実験構成のＳＨ信号の前方および後方収集角度を示す。これらの収集角度は、図２８および２９において、前方および後方遠距離場放射線画像内の内側円によって示されている。明確に、実験で収集されたエネルギーは、生成された全ＳＨより小さい。対物レンズの開口数内で放射されたＳＨの量を積分することにより、全ＳＨエネルギーの約３０％のみが実験的に前方および後方で収集されることが推定される。こうして、全生成効率は、測定収集効率より３倍大きいと見積もられ、ゆえに従来技術の記録値１０−４を超える。この高効率は、ビームおよび偏光形成用の機能エレメントとして説明する非線形半導体アレイの使用に対して、確固たる根拠を与える。
【００７６】
放射線パターンは、前方および後方の両方向で、対物レンズとカメラとの間に一対の共焦点レンズを付加することによってＳＨ放射線パターンの後焦点面（ＢＦＰ）を確立することにより測定される。図３０および３１の左上の画像は、前方（図３１）および後方（図３２）の方向でその開口数に基づいて対物レンズによって捕捉された放射線略図を示す。ＢＦＰ画像から、理論的に予測したとおり、垂直方向（ＢＦＰ画像の（０，０）点）でのＳＨ放射線がゼロであることが結論づけられる。垂直方向へのゼロＳＨ放射は、非線形バルクＸ（２）テンソルの対称性から生じており、したがって、ジオメトリに無感応である。結果として、ゼロＳＨ放射は、上述したように製造されたすべての半導体アイランドに対して観測される。
【００７７】
第３高調波発生
これらの知見をさらにサポートするべく、同じアイランドから第３高調波発生（ＴＨＧ）が測定された。第３高調波は、Ｘ（３）非線形テンソルに依存し、ＳＨ放射線パターンと対照的に、垂直方向に最大放射を有する。ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ非線形偏光三次非線形項は、二次非線形項よりも非常に小さいが、ゼロではなく、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓアイランドからの第３高調波発生（ＴＨＧ）が観測可能である。ＴＨＧは、シリコンおよびゲルマニウムのような他の研究済み材料からのＴＨＧと類似していることが期待される。したがって、放射線パターンに関して、ＴＨＧ信号は、ディスク軸に対して垂直方向でゼロではない。この特徴はＳＨＧ放射パターンと対照的であり、それは二次テンソルのゼロ対角成分のために後焦点面（ＢＦＰ）のドーナツ形状に反射される。この違いは、ＳＨＧの測定したドーナツ形状がＳＨ放射の特徴であることを表す、図３５に示す前方および後方規格化強度画像から明確である。
【００７８】
アレイの複数のアイランドからの放射線の干渉がゼロ次のＳＨビームからより低い放射効率を生じさせるため、これは、半導体アイランドのアレイに対して重要な発見である。表面の二次非線形性は、本質的に、特定の励起に対して垂直のＳＨ放射を生じさせ点にも注意すべきであるが、表面ＳＨＧは、これらの実験では公表されておらず、バルクＸ（２）が主要な非線形寄与である。
【００７９】
第２高調波の偏光特性
さらに魅力的なものは、観測遠距離場ドーナツビームの偏光状態である。半導体アイランドからのＳＨ放射線の偏光特性を試験するために、ＢＦＰ画像の空間分解偏光状態がストークス方程式を使って検索された。ストークス係数は、全強度Ｉｔｏｔ、偏光の（微小）度合いρ、偏光傾き角度ψ、および楕円率角度Ｘに関して、光の偏光状態の完全な記述を与える。楕円率ｔａｎ（Ｘ）は楕円偏光の２つの軸線の比率として定義され（図３６を参照）、偏光傾きは主要偏光軸線と実験室座標系のｘ軸線との間の角度によって記述される。
【００８０】
実験的に、ストークスパラメータは、１／４波長板および線形偏光子の異なる向きによって実現される線形水平、垂直、２つの対角、２つの円偏光子を含む６つの異なる偏光子のセットを通じて、光透過を測定することによって発見される。４９０ｎｍの直径を有するディスクからのＳＨ放射の後方向性の測定セットが図３７に示されている。
【００８１】
次のステップは、以下に示すストークスベクトルＭを検索することである。
【数２】
2020519897.tif 000004
ここで、Ｈは、水平偏光子を通じた透過であり、Ｖ、Ｄａ、Ｄｂ、Ｌ、Ｒは、それぞれ、垂直、２つの対角、左円、および右円偏光子を通じた透過である。
【００８２】
ストークスベクトルを形成する４つの後焦点面画像のセットが図３８に示されている。
【００８３】
次に、係数が以下に示すように計算される。
【数３】
2020519897.tif 000005
得られた係数は、図３９に示されている。
【００８４】
図３１および３２の矢印で示すように、ＳＨ周波数でのベクトルビーム形成が観測される。特に、ＳＨのほぼ完全なラジアル偏光が前方向で観測可能である。図３２に示すように、後方向では、偏光状態はより複雑であり、偏光傾きがラジアル構造を有し、かつ、楕円率がほぼ円形から直線までの範囲にある。ＳＨビームの偏光は数値的に計算され、図３１および３２の右上画像に示されている。理論と実験との間のいくつかの違いが観測可能である。これらの違いは、装置のわずかな非均一性に起因しており、特に、ＢＣＢが半導体アイランドを完全に覆っていないためである。
【００８５】
半導体アイランドからのベクトルビームの非線形生成は、入力および出力放射線の波長において、ミー型多重極の励起によって直感的に理解できる。最も単純な例において、ラジアル偏光のベクトルビームは、ディスクアンテナの光学軸線に沿って方向付けられた電気双極子によって放射可能である。ここで説明した例のようなより複雑な状況において、より高次の多重極がＳＨ波長で励起される。これらの多重極寄与の重ね合わせが、出力偏光状態を支配する。これは、特定のアプリケーションに対して設計可能である。
【００８６】
上述した化合物半導体アイランドからのＳＨ放射の放射線パターンおよび偏光状態は、１０−４を超える非線形変換効率が達成可能であることを示し、説明したナノ構造はナノスケールにおいて機能的非線形デバイスを与えるのに適用可能である。特に、所望の偏光状態、例えばラジアル偏光を有するベクトルビームを放射する非線形ナノスケール光源が実験的に実証された。これらの結果は、新規な非線形画像、バイオ画像用の明るい蛍光マーカーのような応用、または、効率的な非線形ホログラム（例えば、セキュリティ装置として使用可能）用の構成エレメントに対して新しい道を開く。
【００８７】
これらのスペクトルの多極分解は、ミー型多重極の励起への線形状態において、観測スペクトル共鳴の属性をサポートする。このタスクに対して、偏光電流が使用され、図４０に対応する結果を示すように、最適なパフォーマンスを与えたアイランドパラメータは４９０ｎｍであった。
【００８８】
ＳＨ場の非線形状態での多極分解もまた、直径３４０ｎｍ、４９０ｎｍ、および６４０ｎｍの直径を有する円柱形アイランドに対して実行された。これらの３つの異なる直径に対するＳＨへの異なる多極の相対的寄与は、図４１の各円グラフに示されている。
【００８９】
円柱アイランドの高さに対するＳＨ方向性の強い依存が、直径が４９０ｎｍで高さが１００ｎｍ、３００ｎｍおよび５００ｎｍの円柱形半導体アイランドに対する図４２の方向性略図によって実証された。
【００９０】
ポンピング偏光の方向に関する面内結晶軸線の相対的方向に対するＳＨ効率の強い依存は、図４３に示されている。
【００９１】
最後に、ポンピング波長および第２高調波波長の両方における近接場の分布が図４４に示されている。
【００９２】
ポンピングビームを使った変換強化
入力放射線から出力放射線（入力放射線の波長より短い波長）への周波数／波長変換の効率を強化するために、本願発明の実施形態は、以下で説明する放射線のポンピングビーム（例えば、レーザ）を使用する。混乱の危険をさけるため、３つのソースおよび放射線の波長および３つのソースと、入力放射線の２つのソースからの出力放射線の効果的な生成との間のカジュアルな関係をより良く表すために、以下の説明において、供給されるポンピング放射線は、第１（またはポンピング）波長λ１または角振動数ω１を有するとして説明され、変換されるべき入射放射線（概して説明の都合上以下で、“入力”放射線または“信号”として言及させる）は、第２波長λ２または角振動数ω２を有するとして説明され、得られた出力放射線は、第３波長λ３または角振動数ω３を有するとして説明される。
【００９３】
図４５は、周波数変換用の一般的な構成を示す略示図であり、第１角振動数ω１のポンピングビームは、アイランドの面垂線（またはアイランドの二次元面に対して）角度−θ１で、単一の半導体アイランド（典型的に、半導体アイランドの二次元アレイのひとつのアイランドである）へ入射する。第２角振動数ω２の入力放射線もまた、第２角度θ２で半導体アイランド（または半導体アイランドのアレイ）上に入射する。一緒に、半導体アイランド（または、半導体アイランドのアレイ）への入力放射線の入射の２つのソースは、半導体アイランドに、第３の角振動数ω３の出力放射線を生成させ、概して前方向および半導体アイランド（または半導体アイランドの面）に対して垂直に放射されるように図示されている。
【００９４】
概して、第２角振動数ω２の入力放射線を周波数変換するのに使用可能な異なるメカニズムが存在する。図４６の左側に略示された、和周波数生成または“ＳＦＧ”と呼ばれるひとつのメカニズムにおいて、ポンピングビームおよび入力放射線が効果的に組み合わされ、その結果、出力放射線の周波数は、ω３＝ω１＋ω２によって与えられ、出力放射線の波長は、式４によって与えられる。
【数４】
2020519897.tif 000006
図４６の右側に略示された、差周波数生成または“ＤＦＧ”と呼ばれる第２のメカニズムにおいて、出力周波数は２つの入力周波数の間の差、すなわち、ω３＝ω１−ω２によって与えられ、波長は式５によって与えられる。
【数５】
2020519897.tif 000007
【００９５】
暗視
周波数変換の効率を増加させるためにポンピングビームの使用は、赤外線画像および暗視アプリケーションに非常に適している。図４７は、周波数ω１のポンピングビームおよび周波数ω２の短波長赤外（ＳＷＩＲ、λ＝９００〜２５００ｎｍ）信号が、垂直または略垂直に半導体アイランドの二次元アレイに入射するところの暗視装置の動作を示す略示図である。入射放射線に応答して、アレイはＳＦＧプロセスによって周波数ω３＝ω１＋ω２の出力放射線を生成する。赤外ポンピングビームの一部が半導体アイランドのアレイを通過し、出力放射線と実質的に同一線上にあるところの実施形態において、赤外線ポンピングビームの残りの部分は、フィルタによって除去され、入力信号に対応する周波数ω３の実質的に可視放射線のみから成る出力放射線が与えられる。その後、それは裸眼若しくは代替的に光または画像センサー（図示せず）、または、増幅および／またはさらなる処理のための画像増強管または他の光学処理コンポーネントに向けられる。暗視の場合、ＤＦＧプロセスは、ポンピングビームが電磁気スペクトルの可視領域内にあることを要求し、一方、ＳＦＧプロセスはポンピングビームが赤外領域内にあることを許し、それは、人間の目に見えないので有利である。
【００９６】
ポンピングビームによって照射されて半導体アイランドのアレイによって前方向に放射された光は、図６４に略示された光学特性評価装置を使って測定された。例えば、図６５は、８４０ｎｍのポンピングビームおよび１５５０ｎｍの入力ビームを使って、暗視用に構成された半導体アイランドのアレイの出力の測定光学スペクトルを示すグラフであり、これらの波長の両方は光学フィルタによって出力から除去された。アレイは、高さ３００ｎｍ、直径４４０ｎｍ、ピッチ（中心から中心）が８５０ｎｍの円柱形ＡｌＧａＡｓアイランドの１００μｍ×１００μｍアレイであり、ガラス基板上のＢＣＢレイヤー内に埋設された。
【００９７】
５４４ｎｍの和周波数（ＳＦＧ）における鋭いピークがスペクトルの主要部であり、他の非線形変換プロセスからの小さい寄与を有する（すなわち、５７５ｎｍで４つの波が混合（ＦＷＭ）し、５１７ｎｍで第３高調波発生（ＴＨＧ）が生じている）。当業者に明らかなように、ＦＷＭおよびＴＨＧ波長は、必要ならば、適当なフィルタを与えることにより除去可能である。
【００９８】
ある実施形態において、以下で説明するように、ポンピングビームは、垂線方向ではなく、半導体アイランドの二次元アレイに沿って方向付けされてよく、したがって、図４９Ｂに略示するように入力信号に対して直角または実質的に直角である。
【００９９】
ポンピングビームの残りの部分は、したがって、出力信号から空間的に分離され、結果的に概してフィルタは要求されない。付加的に、この構成において、ポンピングビームはアレイの全長にわたってできるだけ狭く、アレイ内のすべての半導体アイランドを照射する。それにより、ポンピングビーム強度が増加し、かつ、対応して周波数変換の効率が向上する。
【０１００】
ある実施形態において、ポンピングビームは、半導体アイランドのアレイの二次元面に関して斜め角度（すなわち、垂直および平行入射の２つの極値の間）で方向付けられる。入射の角度に依存して、ポンピングビームの残りの部分は、出力信号から空間的に分離可能となり、ＩＲフィルタの必要性を取り除く。
【０１０１】
例えば、図６６は、周波数変換装置の側面略示図を有し、そこで、半導体アイランドのアレイ（図示せず）は、ＭｇＦ２基板上の４μｍＢＣＢレイヤー内に埋設されており、その結果、ＢＣＢレイヤーの面に沿った８４０ｎｍのポンピングビーム入射が、半導体アイランドを含むＢＣＢレイヤー内のウエーブガイドによって制限された。ポンピングビームの制限を表すために、図示するように画像カメラが配置され、図の下側に示す画像を生成した。画像は、ＢＣＢレイヤー内部に制限されたポンピングビームの一部を示し、他の部分（不完全なカップリングによる）はＭｇＦ２基板内を伝搬する。
【０１０２】
半導体アイランドのアレイおよびサポートが両方とも可視光に対して透明であるため、このタイプの暗視装置はまた、大部分の入射可視光に対して透明である。例えば、図６７は、波長の関数として、周波数変換装置アレイおよび基板を通過する光伝送のグラフである。本例において、高さ３００ｎｍおよび直径４４０ｎｍ、（中心から中心）ピッチ８５０ｎｍの円柱形ＡｌＧｓＡｓアイランド（図６５、６７、および６８と同じアレイ）がガラス基板上のＢＣＢレイヤー内に埋設された。データは、可視光スペクトル（４００から７００ｎｍ）のすべての波長にわたって、８０％を超える透過率を示す。
【０１０３】
暗視装置はウエアラブルであってよく、メガネまたはバイザーの形式であってよい。例えば、武器または車両、またはヘッドアップディスプレイまたはウインドウに取り付けられるか、その一部であってよい。多くの他の適当な形式は、この開示を考慮して当業者によって明らかである。
【０１０４】
装置の効率は、半導体アイランドの結晶方位および放射線のポンピングビームの入射角度を含むさまざまなファクタに依存し、それらは半導体アイランドからの放射の方向性にも影響を与える。
【０１０５】
ＳＦＧおよびＤＦＧ非線形相互作用は、二次非線形帯磁率Χ（２）として当業者に周知の材料特性に依存し、それは、半導体結晶格子の対称性に大きく依存している。異なる結晶方位（例えば、[１１１]、[１１０]、[１００]、[１０２]など）で成長した半導体は、異なる二次非線形帯磁率テンソルＸｉｊｋ（２）によって特徴づけられる。例えば、結晶の主軸系において、ＳＨ周波数での非線形偏光のｉ番目の成分は以下の式によって与えられる。
【数６】
2020519897.tif 000008
ｊ番目およびｋ番目の成分も類似の式によって与えられる。重要なのは、非線形放射の角度方向が非線形帯磁率テンソルのマトリクスの非ゼロ要素に大きく依存している点である。
【０１０６】
結晶方位[１１０]または[１１１]を有する半導体アイランドは、基板に対して垂直な方向に出力放射線を放射する。なぜなら、それらは、二次非線形帯磁率テンソルのマトリクス内の非ゼロ要素によって特徴づけられるからである。結果として、これらの方向は、図４６に略示した概略的動作をサポートする。例えば、図４８は、[１１１]結晶方位（左側のプロット）を有するか、  [１１０]結晶方位（右側のプロット）を有する、高さ４００ｎｍで直径が〜７００ｎｍ（上側）または８００ｎｍ（下側）の円柱形状のＧａＡｓ半導体アイランドに対するＣＯＭＳＯＬによって生成された数値シミュレーションの結果を示す。わかるように、これらのすべての構成は、前方向に優先的に放射される出力ビームを生成するために有効である。付加的に、特に強いファノ共鳴を示す非円柱形状を有するアイランドの使用は、放射のこの強い方向性をさらに強化させるのに使用可能であり、それは変換効率を非常に強化可能である。
【０１０７】
図４９Ａは、高さ４００ｎｍ、直径４３０ｎｍの円柱形[１００]ＡｌＧａＡｓアイランドの表面垂線に対して、ポンピングビーム（水平軸線）および信号ビーム（垂直軸線）の入射角度の関数としてＣＯＭＳＯＬによって計算された前方ＳＦＧ変換効率を表すプロットである。このプロットは、これら２つの角度の関数として前方変換効率の強い依存性を表しており、ひとつの構成は図４９Ｂに示される最高の変換効率（円によってプロットして示す）を与え、入力信号は、アイランドの[１００]面に垂直で、かつ、ポンピングビーム（二次元アレイのアイランドの面に沿って方向づけられる）に対して垂直である。図４９Ｃは、ポンピングビームが垂直方向に伝搬するのは事実であるが、この構成に対して計算された放射の強い前方方向性を表すプロットである。上述したように、少なくとも、ポンピングビームが二次元アレイ内のすべてのアイランドを照射し、かつ、ポンピングビームおよび出力ビームが空間的に分離されているため、この構成は、暗視装置に特に有利である。
【０１０８】
上述したように、ポンピングビームは、半導体アイランドを含む薄膜サポート内に含まれてよく、それは、ウエーブガイドとして作用する。ポンピングビームのウエーブガイドは、周囲環境に対するポリマー層のより大きい屈折率によって可能になる。半導体アイランドの存在は、ポンピングビームのある散乱を生じさせ得る。しかし、この散乱は、半導体アイランドがフォトニック結晶として従来言及されるものを形成するための周期格子として構成されるとき、サポート膜内に完全に含まれ、それは伝搬ブロッホ波をサポートする。この伝搬ブロッホ波は、以下に示す多くの文献に説明されるように、平坦サポート内に完全に制限される。例えば、  J.  B.  Pendry  および  A.  MacKinnonによる、"Calculation  of  photon  dispersion  relations,"  Physical  Review  Letters  69,  2772-2775  (1992);  R.  S.  Savelev,  D.  S.  Filonov,  P.  V.  Kapitanova,  A.  E.  Krasnok,  A.  E.  Miroshnichenko,  P.  A.  Belov,  および  Y.  S.  Kivsharによる、  "Bending  of  electromagnetic  waves  in  all-dielectric  particle  array  waveguides,"  Applied  Physics  Letters  105,  181116  (2014);  M.  Bakker,  Y.  F.  Yu,  R.  Paniagua-Dominguez,  B.  Luk’yanchuk,  および  A.  I.  Kuznetsovによる、"Resonant  Light  Guiding  Along  a  Chain  of  Silicon  Nanoparticles,"  Nano  Letters  DOI:  10.1021/acs.nanolett.7b00381  (2017)などの文献が挙げられる。
【０１０９】
比較のために、図５０ＢおよびＣは、構成ごとの放射方向性を示すプロットであり、ポンピングビームおよび信号の両方は、それぞれ、図５０Ａに示すように、[１００]ＡｌＧａＡｓアイランドの表面垂線に関して、４５°および０°の角度で入射される。デュアル４５°構成は、垂直ビーム構成と類似の強い前方向性を与えるが、０°構成は、前方向に非常に小さい放射しか生成しない。
【０１１０】
上述した数値シミュレーションは単一半導体アイランド用のものである。しかし、数値シミュレーションは、複数の半導体アイランドが二次元アレイに与えられたとき、図５１の左側に示すように、方向性およびＳＦＧ効率の両方が有意に増加することも表している。発明者らは、図５１の右側に示すように、前方ＳＦＴ効率が、ポンピングビームおよび信号ビームの角度だけでなく、それらの偏光にも強く依存していることも判定した。
【０１１１】
図５２は、以下に示す３つの異なる偏光構成に対するポンピングビーム角度および信号ビームの角度の関数として、６８５ｎｍのアレイ格子間隔で上述したＡｌＧａＡｓアイランドの二次元アレイに対して計算した前方ＳＦＧ効率の３つの二次元プロット、（ｉ）ｓｓ−偏光ポンピングビームおよび信号ビーム（左側のプロット）、（ｉｉ）ｐｓ−偏光ポンピングビームおよび信号ビーム（真ん中のプロット）、（ｉｉｉ）ｐｐ−偏光ポンピングビームおよび信号ビーム（右側プロット）を含む。
【０１１２】
図５３は、半導体アイランドの偏光容量を示す。実験的デモンストレーションとの比較のために、以下に後方ＳＦＧに対する計算が示されているが、図５０から明らかなように、前方ＳＦＧも非常に類似することが予想される。この図の左側は、上述した単一のＡｌＧａＡｓ半導体アイランドからの放射に対する全後方ＳＦＧパワーを示す計算効率の略示図である。計算は、半導体アイランドの面に垂直なすべてのビームに関して、７７０ｎｍでのＳＦＧに対して（したがって、ポンピングビームの反射部分がフィルタリング除去されることを要求）、および示されたポンピングビームおよび信号ビームの偏光の組みあわせ（ＨＨ、ＨＶ、ＶＨ、およびＶＶ）に対して実行された。これらのシミュレーション結果は、ＡｌＯｘ基板上で高さ４００ｎｍ、幅４２０ｎｍの円柱形ＡｌＧａＡｓナノディスクから反射するＳＦＧに対するものである。
【０１１３】
最高のＳＦＧ変換効率は、信号ビームおよびポンピングビームの両方が、水平方向に偏光した出力放射線を生成しながらＶ偏光しているときに観測された。図５３の右側は、入力偏光組みあわせごとに計算した方向性を示し、得られたＳＦＧ放射線パターンが信号およびポンピングビーム偏光に強く依存することを示している。
【０１１４】
数値シミュレーションは、図４９に示すように、ポンピングビームが信号ビームおよび得られた和周波数ビームに対して垂直に伝搬するとき、変換効率が劇的に増加することを予測し、ファノ共鳴の利用および複数の半導体アイランドのアレイの使用により、さらなる変換効率の増加が期待されることを予測する。
【０１１５】
上述した周波数変換装置の効率は、図５４に示す装置を使って、上述したようにＡｌＯｘ基板上の円柱形ＡｌＧａＡｓアイランドに対して偏光分解ＳＦＧ変換効率および放射線ダイヤグラムを測定することによって表すことができる。図５６に示すように、８６ｆｓの長さ（８０ｎｍの帯域幅）のレーザーパルスが、１５２０ｎｍの中心波長を有する信号アームおよび１５６０ｎｍの中心波長を有するポンピングアームの２つの経路に分離れた。これら２つのビームは、（１０ｍＷの平均パワーを有して）再結合され、０．７ＮＡ対物レンズを使って、単一の高さ４００ｎｍおよび幅４２０ｎｍの円柱形ＡｌＧａＡｓアイランド上に集束された。半波長板および１／４波長板（ＨＷＰおよびＱＷＰ）が、信号およびポンピングビームの両方の偏光を制御するために使用された。
【０１１６】
信号およびポンピングパルスが半導体アイランドに同時に到着するように、両方のアームの間の光学遅延が調節された後、得られた出力放射線は図５５に略示されるように反射で（後方向で）測定された。
【０１１７】
図５７に示すように、３つのスペクトルピークが非線形パラメトリック波動混合により観測された。ひとつのピークはＳＦＧに対応する７７０ｎｍで、他の２つのピークは、信号およびポンピング第２高調波発生（ＳＨＧ）にそれぞれ対応する７６０ｎｍおよび７８０ｎｍである。
【０１１８】
測定したＳＦＧ変換効率は１０−６以上であり、各ビームの入射平均パワーは約１０ｍＷであった。７７０ｎｍでＣＣＤカメラにより秒当たりカウントで測定されて得られたＳＦＧパワーの値が、図５８に示されている。カメラおよびフーリエ画像システムを介して測定された対応するＳＦＧ放射パターンが図５９に示されている。信号およびポンピングアームの両方の偏光がＶ−偏光される場合に、水平に偏光した出力放射線を与えて、最高のＳＦＧ変換効率が達成される。信号およびポンピングビーム偏光の組みあわせに対するＳＦＧ放射線の強い依存性は、上述した数値シミュレーションと良く一致する。
【０１１９】
上述した結果は、概して、単一の半導体アイランドまたはアレイの各アイランドが同じ構成（すなわち、組成、形状および空間的寸法）を有するところの半導体アイランドのアレイに対してのものである。しかし、上述したように、半導体アイランドのアレイは、異なる周波数で共鳴するように選択された異なる構成（例えば、異なる組成および／または寸法）の半導体アイランドを含むことができる。これにより、異なる信号周波数は、異なる出力周波数にマッピングまたは変換可能となる。暗視アプリケーション用に構成された周波数変換装置の文脈において、これにより、電磁気スペクトルの赤外領域の異なる周波数が異なる出力周波数に、好適には、可視領域の電磁気スペクトルの異なる色にマッピング可能となる。従来の暗視装置は、これを実行することが不可能であり、白黒画像のみを生成していた。
【０１２０】
したがって、本願発明のある実施形態は、電磁気スペクトルの近赤外線（ＮＩＲ）領域内の複数周波数を可視領域の対応する周波数に変換する。最も単純に、半導体アイランドの共鳴は、その横方向寸法（すなわち、円柱形アイランドの場合は直径）の対応する選択により選択または調整され得る。例えば、図６０は、それぞれ異なる周波数、ω、ω’、ω’’およびω’’’で共鳴するように選択された異なる直径の円柱形半導体アイランドを含む、複数色周波数変換装置の略示図であり、図６０Ｂに示す単一のポンピング周波数を使ったＳＦＧによってそれぞれ異なる出力周波数ωａ、ωｂ、ωｃ、および、ωｄの出力周波数を生成する。
【０１２１】
図６１Ａは、選択した異なる周波数で共鳴するように構成された複数色周波数変換装置の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。当該装置は、ガラス基板上に、高さが３００ｎｍ、直径が３３０、３７０、４００および４９０ｎｍの円柱形ＡｌＧａＡｓアイランドの二次元アレイを有する。図６１ＢおよびＣは、シミュレーション結果と測定結果との間の良好な一致を示す、シミュレーションおよび実験的に測定した線形スペクトルのグラフである。わかるように、これらのディスクは、それぞれ、ω＝１２５０ｎｍ、ω’＝１３２０ｎｍ、ω’’＝１４２０ｎｍであり、およびω’’’＝１５２０ｎｍで共鳴している。したがって、これらのディスクは、ＮＩＲでの波長を、可視範囲のさまざまな波長に変換することが可能である。例えば、ＳＨＧプロセスを通じて、これらのディスクは、１２５０ｎｍを６２５ｎｍへ、１３２０ｎｍを６６０ｎｍへ、１４２０ｎｍを７１０ｎｍへ、１５２０ｎｍを７６０ｎｍへそれぞれ変換することができる。重要なのは、これらのディスクの配列が、アプリケーションに基づいて、異なるように設計可能である点である。周波数変換装置からの放射線の方向性は、半導体アイランドの構成にも依存する。したがって、個々のアイランドは、適当な振幅およびサイズで選択的にまたは好適に励起されるように構成可能であり、その結果、これらのアイランドを含む装置の全体出力は、所望の方向性を有することになる。これは、関連パラメータ空間を探索するべく数値シミュレーションを使って達成可能であり、続いて、理論的予測を実証するべくプロトタイプが形成される。方向性のこの設計は、周波数変換装置が可視波長において透明のままであることを保証するべく、対応する線形散乱を考慮することも可能であり、したがって、装置を通じた正常視覚も可能であり、他のレイヤーおよび／または装置の上にそれをスタックすることも可能である。
【０１２２】
同様に、半導体アイランド用のサポートは、所望の方向性を達成するように構成されてよい。例えば、暗視装置の場合、特に軍事用アプリケーションにおいて、出力放射線にとって、図６２Ａに示すように、検出器、画像センサー、またはユーザの眼の方向へ前方向へのみ放射され、入力信号を反射せず、その結果、暗視装置が他人に見えないことが通常所望される。
【０１２３】
例えば、図６２Ｂは、ＡｌＧａＡｓアイランドから空気中への、数値的にシミュレーションしたＳＦＧ放射線パターンを示す。出力放射線は後方向より前方向の方がより強いが、それにもかかわらず、これらの方向の出力は比較可能である。しかし、アイランドを、低屈折率材料内に埋設する替わりにガス基板へ取り付けることにより、後方向での出力放射線は、図６２Ｃに示すように実質的に減衰される。
【０１２４】
図６３は、ここで説明するように、物体からの短波赤外（ＳＷＩＲ）放射線が、レンズを通過して半導体アイランドのアレイへ届くところの暗視装置の略示図である。ここで、ＳＷＩＲ放射線は、ポンピングレーザービームと混合され、対象物の可視画像を形成するべく第２レンズを通過する可視光形式で対応する出力放射線が生成される。
【０１２５】
画像を形成するために、非線形周波数変換は、入射角度の範囲に対して効率的でなければならない。なぜなら、入射信号（ＳＷＩＲ）画像は、究極的には異なる波ベクトルから構成されているからである。ＳＦＧプロセスの立体角の計算は、ＡｌＧａＡｓアイランドのアレイの入射立体角が±４５°であることを示し、それは、図６３Ｂに示す構成のような近軸画像にとって十分である。
【０１２６】
周波数変換プロセスは、それ自身で、入力光学場のある角度分布を生成することができ、それは、視野角および画像システムをさらに改善する。しかし、入力画像がコヒーレントであるか、または、インコヒーレントなＳＷＩＲ放射線であることを思い出すことが重要である。したがって、単一アイランドまたはアレイ格子効果は、ＳＦＧ画像変換において重要な部分である。
【０１２７】
３つの異なるＳＷＩＲ放射線のソースが暗視装置には重要であり、上述した暗視装置の異なるアプリケーションを画定する。ＳＦＧのプロセスにおいて、周波数変換された光の強度は、入射ＳＷＩＲ光の強度と類似かまたはより小さい。対照的に、ＤＦＧプロセスにおいて、ポンピングレーザーパワーがＳＦＧプロセスで使用されるものより、大きさが数オーダーだけ増加することが要求されるが、信号の増幅は周波数変換によって同時に達成可能である。一般に、周波数変換された出力周波数の強度はポンピングビームおよび信号ビームの強度の積に比例する。ＳＷＩＲの３つの可能なソースは、（ｉ）熱放射、（ｉｉ）夜光、（ｉｉｉ）アクティブ照射（景色がＳＷＩＲ光源（レーザー、ＬＥＤまたは光など）によって照射され、暗視装置が物体からＳＷＩＲ光の反射を検出することを意味する）である。
【０１２８】
例えば、図６８は、上述したように暗視用に構成された周波数変換装置を使った赤外線によって照射された物体の画像を表す。本例において、装置は、ガラス基板上のＢＣＢレイヤー内に埋設された円柱形ＡｌＧａＡｓアイランドを含む。アイランドは、高さが３００ｎｍで、直径が４４０ｎｍであり、ピッチ（中心から中心）が８５０ｎｍで相互に離隔されている。図面の左上に示すように、標準的な光学テスト画像が、標準的ＣＣＤ画像装置を使って光学顕微鏡を通じて撮像された。左上の画像は、標準的な白色光照射のもとでの物体の像を示す。右上の画像は、上述した周波数変換装置を通じて見た際の、１５５０ｎｍの波長を有する赤外線、および、８４０ｎｍの波長を有するポンピングビームによって照射された同じ物体を示す。物体の水平および垂直特徴は、この画像から明らかであり、それは、５４４ｎｍの波長である。画像を生成する際の周波数変換装置の役割を確かめるために、認識可能なものが無い下側の画像が、赤外線照射（左下の画像）またはポンピングビーム（右下の画像）がターンオフされた点を除き、同一条件の元で取得された。
【０１２９】
上述したように、周波数変換装置は、単一アレイおよび／または異なるアレイにおいて、異なる周波数／波長で共鳴するように構成された半導体アイランドを有してよい。暗視またはより一般的に赤外線画像に対して、その構成は、異なる赤外波長を可視スペクトルの異なる色に効果的にマッピングするのに使用可能である。例えば、図６９は、異なる構成を有する半導体アイランドの２つの異なるアレイからの透過スペクトルを示すグラフである。両方は、高さが３００ｎｍのＡｌＧａＡｓアイランドのアレイである。しかし、一方のアレイは、直径が２６５ｎｍで、ピッチが８５０ｎｍのアイランドを有し、１１４０ｎｍで共鳴し（図６９に示すように）、他方のアレイ方は、直径が３９０ｎｍで、ピッチが１０００ｎｍのアイランドを有し、１５００ｎｍで共鳴する。
【０１３０】
単一の周波数変換装置における両方のアイランド構成を組み合わせることにより、異なる色が生成可能である。例えば、８４０ｎｍの波長を有するポンピングビームを使って、２つの異なる構成は、図７０のエネルギーレベルに略示されるように、４８３ｎｍ（青色）および５３８ｎｍ（緑色）の波長に対応する和周波数をそれぞれ生成する。ポンピングビーム波長および異なるアイランド構成の対応する選択によって、所望の色の組みあわせが異なる入力波長から選択的に生成可能であることは、当業者にとって明らかである。
【０１３１】
本願発明の態様から離れることなく、多くの修正が可能であることは当業者の知るところである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０１３２】
【非特許文献１】Hugonin,  J.  P.;  Lalanne,  および  P.  Reticoloによる,  Software  for  Grating  Analysis;  Institut  d’Optique:  Orsay,  France,  2005
【非特許文献２】J.  B.  Pendry  および  A.  MacKinnonによる、"Calculation  of  photon  dispersion  relations,"  Physical  Review  Letters  69,  2772-2775  (1992);  R.  S.  Savelev,  D.  S.  Filonov,  P.  V.  Kapitanova,  A.  E.  Krasnok,  A.  E.  Miroshnichenko,  P.  A.  Belov,  および  Y.  S.  Kivsharによる、  "Bending  of  electromagnetic  waves  in  all-dielectric  particle  array  waveguides,"  Applied  Physics  Letters  105,  181116  (2014);  M.  Bakker,  Y.  F.  Yu,  R.  Paniagua-Dominguez,  B.  Luk’yanchuk,  および  A.  I.  Kuznetsovによる、"Resonant  Light  Guiding  Along  a  Chain  of  Silicon  Nanoparticles,"  Nano  Letters  DOI:  10.1021/acs.nanolett.7b00381  (2017)
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９Ａ】
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【図４９Ｂ】
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【図４９Ｃ】
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【図５０Ａ】
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【図５０Ｂ】
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【図５０Ｃ】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０Ａ】
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【図６０Ｂ】
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【図６１Ａ】
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【図６１Ｂ】
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【図６１Ｃ】
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【図６２Ａ】
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【図６２Ｂ】
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【図６２Ｃ】
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【図６３Ａ】
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【図６３Ｂ】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【国際調査報告】
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