專利名稱：波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為從背面照射液晶面板的背光的面狀光源，特別是 涉及具有導(dǎo)光板和與導(dǎo)光板的緣面相鄰配置的發(fā)光二極管等發(fā)光源、 來(lái)自發(fā)光源的光由導(dǎo)光板進(jìn)行光路變換并從其上表面出射面狀的光 的面狀光源。
背景技術(shù)：
作為便攜式終端設(shè)備、膝上型計(jì)算機(jī)等所使用的液晶顯示裝置的
背光，已知有面狀光源。有關(guān)的面狀光源例如形成圖7a、圖7b所示 的結(jié)構(gòu)(參照日本特開2003-337333號(hào)

圖17)。如圖所示，該面狀光 源120具有LED (發(fā)光二極管)102、導(dǎo)光板101、擴(kuò)散板103、 Py 棱鏡薄板104、 Px棱鏡薄板105、反射板106、透過(guò)型或半透過(guò)型的 液晶顯示板107。
LED的光從導(dǎo)光板101的入光面101c入射，在導(dǎo)光板101的上 表面101a和下表面101b之間重復(fù)反射， 一邊在其內(nèi)部前進(jìn)， 一邊從 平滑的上表面101a向上方出射。下表面101b成為具有細(xì)小的凹凸的 漫反射面，入射于該面的內(nèi)部光向上表面101a反射，或者向反射板 106出射。反射板106使從下表面101b出來(lái)的光反射回到內(nèi)部，起到 提高光的利用效率的作用。
來(lái)自導(dǎo)光板101的上表面101a的出射光到達(dá)擴(kuò)散板103，在這 里進(jìn)行光的擴(kuò)散。從擴(kuò)散板出來(lái)的光由Py棱鏡薄板104減小在y方 向的折射角度，由Px棱鏡薄板105減小在x方向的折射角度，使其 指向方向大致與z方向一致。
可是，在這樣的背光部件中存在以下描述的問(wèn)題。
即在所述下表面101b的反射面上，向各種方向反射光，所以在
層22也具有凹凸圖案26，且量子阱層22在XZ平面傻姑娘的截面形 狀也大致呈三角波狀。
在這種結(jié)構(gòu)中，量子阱層22在X軸方向上具有多個(gè)與XY平面(假 想平面)交叉的區(qū)域，即交叉區(qū)域22a，多個(gè)交叉區(qū)域22a以形成凹凸 圖案26的方式連續(xù)。換言之，多個(gè)交叉區(qū)域22a中相鄰的交叉區(qū)域22a 以形成凹凸圖案26的形狀的方式相對(duì)于Z軸在相互向相反側(cè)傾斜地連 續(xù)。
此外，如圖3所示，周期結(jié)構(gòu)部25A在YZ平面上的截面形狀大 致呈矩形波狀，在Y軸方向上具有多個(gè)山部27a以及位于相鄰的山部 27a、 27a之間的谷部27b。多個(gè)山部27a (或谷部27b)中相鄰山部27a、 27a (或谷部27b、 27b)間在Y軸方向上的間隔一定。因此，周期結(jié) 構(gòu)部25A在Y軸方向上具有截面形狀大致為矩形波狀的周期性的凹凸 圖案(規(guī)定的周期結(jié)構(gòu))27。在這種結(jié)構(gòu)中，量子阱層22在Y軸方向 上被離散性地配置，且具有在X軸方向上延伸的多個(gè)交叉區(qū)域22b。
周期結(jié)構(gòu)部25A、 25A按如下方式形成。g卩，如圖1及圖2所示， 在半導(dǎo)體基板10的表面中第1區(qū)域lla的兩側(cè)的區(qū)域(第2區(qū)域)llb、 llb上，形成由凹凸圖案26、 27組合而成的上述規(guī)定的周期性結(jié)構(gòu)， 通過(guò)在該第2區(qū)域llb、 11b上層疊包層21、量子阱層22以及包層23 而形成周期結(jié)構(gòu)部25A、 25A。
在光學(xué)元件1A中，由于構(gòu)成波導(dǎo)部20的量子阱層22具有交叉區(qū) 域22a，波導(dǎo)部20作為對(duì)表面等離子體振子波進(jìn)行導(dǎo)波的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而 起作用。以下進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
首先說(shuō)明表面等離子體振子波。圖4為表面等離子體振子波的概 念圖。表面等離子體振子波100為沿介電常數(shù)Sd為正數(shù)的電介質(zhì)110 與介電常數(shù)Sm (=smr+ismi)的實(shí)部s冊(cè)為負(fù)數(shù)的導(dǎo)電性物質(zhì)lll的界面 傳播的波，其振幅方向?yàn)榕c界面大致垂直的方向(圖4中的Z軸的方 向)。在振動(dòng)頻率設(shè)為co、真空中的光速設(shè)為c的情況下，表面等離子 體振子波100的波數(shù)ksp可用式(1)表示。
<formula>formula see original document page 17</formula>
此外，由于導(dǎo)電性物質(zhì)lll的介電常數(shù)Sm具有虛部^i，因此，表 面等離子體振子波100 —邊衰減一邊傳播。在將波數(shù)ksp的虛部設(shè)為kspi
時(shí)，表面等離子體振子波100的傳播距離L可用式(2)表示。 [式2]
<formula>formula see original document page 17</formula>在利用光產(chǎn)生上述表面等離子體振子波100的情況下，有利用光 柵(grating)的方法。g卩，將轉(zhuǎn)換為表面等離子體振子波100的振動(dòng)頻 率to的光在真空中的波長(zhǎng)設(shè)為X (-(o/c)，當(dāng)波長(zhǎng)為X的光入射到光柵 時(shí)，在光柵的周期為由式(3)決定的周期Asp的情況下，產(chǎn)生表面等 離子體振子共振(surface plasmon resonance)，從而激勵(lì)表面等離子體 振子波100。
<formula>formula see original document page 17</formula>
在式(3)中，m為衍射次數(shù)，是正整數(shù)。
以下，說(shuō)明通過(guò)使波導(dǎo)部20具有交叉區(qū)域22a而激勵(lì)、傳播如上 所述的表面等離子體振子波100的可能性。
在上述光學(xué)元件1A中，作為量子阱結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)部20的載流子的 濃度被設(shè)定為，使得對(duì)于規(guī)定波長(zhǎng)的THz波，波導(dǎo)部20的介電常數(shù)的 實(shí)部為負(fù)，因此波導(dǎo)部20作為上述導(dǎo)電性物質(zhì)110而起作用。
同時(shí)，在制造平面的(換言之，與XY平面大致平行的)量子阱 結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合，量子阱層內(nèi)的電子振動(dòng)沒(méi)有Z軸方向的成分，因此量子 阱層內(nèi)的電子振動(dòng)對(duì)表面等離子體振子波的振動(dòng)沒(méi)有貢獻(xiàn)。
相對(duì)于此，在光學(xué)元件1A中，波導(dǎo)部20由于具有在X軸方向上 截面形狀大致呈三角波狀的凹凸圖案26，因此如上所述，量子阱層22
具有交叉區(qū)域22a。在交叉區(qū)域22a中，電子的振動(dòng)方向(圖2 (b) 的箭頭A的方向)與XY平面相交，因此，通常在電子振動(dòng)的方向上 存在Z軸方向的成分。其結(jié)果是，在交叉區(qū)域22a可以激勵(lì)表面等離 子體振子波100，同時(shí)可以傳播表面等離子體振子波100。此外，由于 包含于波導(dǎo)部20的交叉區(qū)域22a在Y軸方向上延伸，因此可以在Y 軸方向上傳播表面等離子體振子波100。此外，由于多個(gè)交叉區(qū)域22a 在X軸方向上連續(xù)，因此表面等離子體振子波100也可以如圖2 (b) 所示的那樣在X軸方向上傳播。
此外，在光學(xué)元件1A中，凹凸圖案26的周期Al被設(shè)定為當(dāng) 作為規(guī)定波長(zhǎng)將波長(zhǎng)入l的THz波入射到凹凸圖案26時(shí)，產(chǎn)生表面等 離子體振子共振，且激勵(lì)表面等離子體振子波100。具體地說(shuō)，在圖(4) 及式(3)中，將波長(zhǎng)X設(shè)為？a、導(dǎo)電性物質(zhì)111為波導(dǎo)部20、電介 質(zhì)110為空氣的情況下的周期Asp，作為凹凸圖案26的周期Al。例如， 在對(duì)于波長(zhǎng)為lOOjim的THz波，波導(dǎo)部20的介電常數(shù)sm為em=-79+5i (i為虛數(shù))的情況下，設(shè)空氣的介電常數(shù)為1，此外m設(shè)為1的情況 下，波導(dǎo)部20的凹凸圖案26的周期A1約為100pm。根據(jù)式(2)， 此時(shí)的表面等離子體振子波100的傳播距離L約為20mm。這樣，通 過(guò)設(shè)定凹凸圖案26的周期A1，周期性的凹凸圖案26將作為表面等離
子體振子波發(fā)生部的光柵的起作用。
在此，由式(3)可見(jiàn)，由于表面等離子體振子波100的波數(shù)依賴 于入射到作為光柵的凹凸圖案26的光的振動(dòng)頻率，因此，通過(guò)入射THz 波而產(chǎn)生的表面等離子體振子波100具有THz區(qū)域的振動(dòng)頻率。
接著，利用圖5 圖11說(shuō)明上述光學(xué)元件1A的制造方法的一個(gè) 例子。圖5 圖11為依次表示光學(xué)元件1A的制造工序的示意圖。在 圖5 圖9中表示了形成光學(xué)元件1A的各工序的平面圖和剖面圖。在 此，圖5 圖9所表示的剖面圖，是對(duì)圖5 圖9所示的平面圖沿剖開 線的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，對(duì)應(yīng)于圖1中沿II-II線的剖面結(jié)構(gòu)。此外，圖 10及圖11表示分別經(jīng)過(guò)圖9及圖IO的工序后的后工序中的剖面圖。
首先，如圖5所示，在由GaAs形成的大致呈長(zhǎng)方體形狀的半導(dǎo)體 基板10的表面(主面)11的一部分上形成氮化硅膜2。在圖5 (a)所 示的平面圖中，用陰影表示氮化硅膜2。圖6 圖9所示的平面圖中也
是同樣。氮化硅膜2的X軸方向上的長(zhǎng)度(寬)為5(Hrni， Y軸方向上 的長(zhǎng)度(長(zhǎng))為2mm。在表面11上，形成有氮化硅膜2的區(qū)域成為第 l區(qū)域lla，氮化硅膜2的兩側(cè)部分成為第2區(qū)域llb、 llb。
接著，如圖6所示，在氮化硅膜2的兩側(cè)形成多個(gè)氮化硅膜3。在 圖6中，氮化硅膜3的數(shù)量為4個(gè)，但優(yōu)選為例如20個(gè)左右。氮化硅 膜3被形成為，周期為5(Him，且氮化硅膜3的在X軸方向上的長(zhǎng)度與 相鄰的氮化硅膜3、 3之間的長(zhǎng)度的比，即線/間距比為l: 1。
接著，如圖7所示，利用相對(duì)于氮化硅選擇性地蝕刻GaAs的蝕刻 劑，對(duì)表面11中未形成有氮化硅膜2、 3的部分進(jìn)行蝕刻。在濕式蝕 刻的場(chǎng)合，由于氮化硅膜2、 3覆蓋的部分也被從側(cè)面蝕刻，因此如圖 7 (b)所示，在第2區(qū)域llb形成大致呈三角波狀的凹凸圖案26。另 外，在圖7(a)中，大致呈三角波狀的凹凸圖案26中的谷部26b用點(diǎn) 劃線表示。以下，在平面圖中表示谷部16b時(shí)也是同樣。
接著，如圖8所示，利用光刻工序(photol池ography)用抗蝕劑 等保護(hù)氮化硅膜2之后，利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE: Reactive ion etching) 除去多個(gè)氧化硅膜3。接著，如圖9所示，利用光刻工序，在Y軸方 向上形成多個(gè)在Y軸方向上的長(zhǎng)度為4pm的氮化硅膜4。在圖9中也 是，雖然氮化硅膜4的數(shù)量為4，但優(yōu)選形成例如20個(gè)左右。
接著，如圖10 (a)所示，蝕刻未形成有氮化硅2、 4的半導(dǎo)體基 板10的區(qū)域?？梢岳美缦鄬?duì)于氮化硅選擇性地蝕刻GaAs的蝕刻 劑來(lái)實(shí)施蝕刻。接著，如圖10 (b)所示，利用光刻工序用抗蝕劑等保 護(hù)氮化硅膜2之后，利用RIE除去氮化硅膜4。由此，沿Y軸方向形 成了周期約為8pm的凹凸圖案27。在10 (a) 、 10 (b)中，將成為谷 部27b的部分用點(diǎn)劃線表示。
接著，如圖11 (a)所示，利用有機(jī)金屬組成成長(zhǎng)法等，在第2區(qū) 域llb上，使由n型AlGaAs形成的包層21、由GaAs形成的量子阱層 22以及GaAs包層23依次成長(zhǎng)，以形成波導(dǎo)部20。包層21中Al組分 比為30%，且通過(guò)摻雜Si使載流子的濃度成為4xl024m—3(4xl018cm—3)。 此外，將量子阱層22制作成半絕緣層。但是，形成了疊層結(jié)構(gòu)后，由 于包層的載流子落入量子阱內(nèi)，量子阱層22的載流子的濃度上升至 4xl024m—3 (4xl018cm-3)左右。此外，使包層21、量子阱層22以及包
層23分別成長(zhǎng)為厚度達(dá)100nm、 10nm、 500nm。接著，如圖11 (b) 所示，利用RIE除去氮化硅膜4后，如圖11 (c)所示，形成用于檢測(cè) THz波的一對(duì)天線電極31、32，得到了圖1及圖2所示的光學(xué)元件1A。
在上述光學(xué)元件1A的制造方法中所示的數(shù)值等為一個(gè)例子，光學(xué) 元件1A的構(gòu)成不限于上述制造方法中所示的數(shù)值，此外，也不一定與 圖1 圖3的說(shuō)明中例示的數(shù)值一致。此外，在上述制造工序中，利用 氮化硅膜2 4作為用于形成開口部24及凹凸圖案26、 27的掩膜。因 此，只要能作為掩膜來(lái)利用，就沒(méi)有特別的限定。
接著，說(shuō)明光學(xué)元件1A的作用，效果。如圖2 (a)所示，若從光 學(xué)元件1A的半導(dǎo)體基板10的背面12入射波長(zhǎng)AJ的THz波40， THz 波40就會(huì)在半導(dǎo)體基板10中傳播而入射于波導(dǎo)部20。在此，向光學(xué) 元件lA的THz波的入射，可以直接向背面12入射THz波，還可以在 背面12側(cè)設(shè)置例如由Si形成的透鏡，一邊利用該透鏡集光一邊進(jìn)行入 射。
如上所述THz波40入射到波導(dǎo)部20時(shí)，由于在波導(dǎo)部20中，周 期結(jié)構(gòu)部25A、 25A具有作為表面等離子體振子波發(fā)生部的凹凸圖案 26，因此，通過(guò)向周期結(jié)構(gòu)部25A、 25A入射波長(zhǎng)XI的THz波40來(lái) 產(chǎn)生表面等離子體振子共振。此外，由于THz波40的入射而在周期結(jié) 構(gòu)部25A、 25A內(nèi)的量子阱層22產(chǎn)生電子振動(dòng)，該電子振動(dòng)的方向具 有與表面等離子體振子波100的電場(chǎng)的振動(dòng)方向同樣的Z軸方向的成 分。其結(jié)果是，通過(guò)向周期結(jié)構(gòu)部25A、 25A入射THz波40而有效地 產(chǎn)生表面等離子體振子波100。
在周期結(jié)構(gòu)部25A、 25A產(chǎn)生的表面等離子體振子波100通過(guò)多 個(gè)交叉區(qū)域22a在X軸方向上傳播。由于在多個(gè)交叉區(qū)域22a傳播的 表面等離子體振子波IOO的光路上(傳播方向上)設(shè)置有開口部24， 該開口部24具有比波長(zhǎng)X1窄的間隔，因此，在周期結(jié)構(gòu)部25A、 25A 產(chǎn)生的表面等離子體振子波100被集光于開口部24。接著，被設(shè)置在 開口部24上的一對(duì)天線電極31、 32檢測(cè)到。在此，集光于開口部24 的表面等離子體振子波100的一部分在開口部24與波導(dǎo)部20的邊界 上發(fā)生散射，被再次轉(zhuǎn)換為與表面等離子體振子波100具有相同振動(dòng) 頻率的THz波。因此，天線電極31、 32也檢測(cè)出由集光于開口部24
的表面等離子體振子波100再次轉(zhuǎn)換而成的THz波。由于在該受光部 30檢測(cè)出的表面等離子體振子波100或者由表面等離子體振子波100 再次轉(zhuǎn)換而成的THz波是對(duì)應(yīng)于入射到光學(xué)元件1A的THz波40而生 成的，因此上述光學(xué)元件lA可以檢測(cè)出入射的THz波40。
在如上所述的光學(xué)元件1A中，由于將THz波40先轉(zhuǎn)換為表面等 離子體振子波100并集光于開口部24之后進(jìn)行檢測(cè)，因此可以集光至 波長(zhǎng)以下來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。其結(jié)果是，可以在高能量密度的狀態(tài)下檢測(cè)THz 波40,因此可以高效地檢測(cè)出THz波40。
此外，由于凹凸圖案26的周期八1被設(shè)定為，使得通過(guò)入射作為 規(guī)定波長(zhǎng)的波長(zhǎng)U的THz波40而產(chǎn)生表面等離子體振子波100，因 此，在例如入射于光學(xué)元件1A的THz波具有包括波長(zhǎng)Xl的多個(gè)波長(zhǎng) 的情況下，可以從入射的THz波中選擇性地檢測(cè)出波長(zhǎng)人l的THz波 40。
此外，由于波導(dǎo)部20是由半導(dǎo)體構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)，因此，例如 非專利文獻(xiàn)1中所述，與利用金或銀等金屬的情況相比更易于形成凹 凸圖案26、 27，其結(jié)果是，光學(xué)元件1A的制造變得更容易。
此外，在光學(xué)元件1A中，由于利用具有交叉區(qū)域22a的波導(dǎo)部 20 (更具體地說(shuō)，周期結(jié)構(gòu)部25A、 25A)來(lái)傳播表面等離子體振子波 100，因此表面等離子體振子波100的傳播距離L變長(zhǎng)。針對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)
行更為詳細(xì)的說(shuō)明。
如利用圖4的說(shuō)明所述，為了在電介質(zhì)110與導(dǎo)電性物質(zhì)111的 界面上傳播表面等離子體振子波100，需要使導(dǎo)電性物質(zhì)111的介電常 數(shù)Sm的實(shí)部s^為負(fù)。在波長(zhǎng)范圍為30pm 100(Vm、或振動(dòng)頻率范圍 為1.9xl012 6.3xl03 (1/s)的THz區(qū)域，為了使半導(dǎo)體的介電常數(shù)sm 的實(shí)部Smd為負(fù)，需要如下所述的載流子濃度。即，當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)的自由 電子的散射時(shí)間t為4xl0"秒時(shí)，對(duì)應(yīng)于振動(dòng)頻率范圍1.9xl012 6.3x1013 (1/s)，需要載流子濃度在2.2xl021m-3 9.8xl023m-3 (2.2xl015cm-3 9.8xl017cm-3)以上。為了達(dá)到這樣的載流子濃度，必 需在半導(dǎo)體中摻雜Sn或Si等雜質(zhì)。另一方面，由于在半導(dǎo)體中散射 時(shí)間t與載流子遷移率p呈比例關(guān)系，由于雜質(zhì)的存在而使載流子濃 度增加時(shí)，載流子遷移率jii變小。
相對(duì)于此，在光學(xué)元件1A中，采用具有交叉區(qū)域22a的量子阱結(jié) 構(gòu)的波導(dǎo)部20來(lái)激勵(lì)表面等離子體振子波IOO并進(jìn)行傳播。在量子阱 結(jié)構(gòu)中，由于可以在空間上分離的條件下制作雜質(zhì)和載流子的移動(dòng)空 間，因此，即使提高載流子的濃度，載流子遷移率也不會(huì)變小。其結(jié) 果是，在光學(xué)元件1A中，可以更長(zhǎng)距離地傳播表面等離子體振子波 100。這樣，由于表面等離子體振子波100的傳播距離可以變長(zhǎng)，提高 了向開口部24的集光效率。因此，可以更有效且可靠地檢測(cè)出THz 波40。此外，由于可以使波導(dǎo)部20的占有面積變小，因此在陣列化時(shí) 可以實(shí)現(xiàn)高密度集成。
此外，如上所述，由于波導(dǎo)部20在Y軸方向上具有凹凸圖案27， 因此量子阱層22在Y軸方向上具有多個(gè)交叉區(qū)域22b。由于交叉區(qū)域 22b在X軸方向上延伸，因此通過(guò)交叉區(qū)域22b也可以將表面等離子 體振子波100集光于開口部24。 (第2實(shí)施方式)
圖12為本發(fā)明的光學(xué)元件的第2實(shí)施方式的立體圖。光學(xué)元件1B 與光學(xué)元件1A在結(jié)構(gòu)上的主要差異點(diǎn)在于，波導(dǎo)部20所具有的周期 結(jié)構(gòu)部25B在X軸方向上具有凹凸圖案26，而在Y軸方向上不具有凹 凸圖案。以該點(diǎn)為中心說(shuō)明光學(xué)元件1B。
在光學(xué)元件1B所具有的半導(dǎo)體基板10上層疊的波導(dǎo)部20中，形 成有開口部(集光部)24，開口部24的兩側(cè)區(qū)域?yàn)橹芷诮Y(jié)構(gòu)部25B、 25B。而且，周期結(jié)構(gòu)部25B具有凹凸圖案26,該凹凸圖案26作為具 有周期A1的表面等離子體振子波發(fā)生部起作用。
光學(xué)元件1B例如可以通過(guò)如下方法來(lái)制造。首先，實(shí)施在第1實(shí) 施方式的光學(xué)元件1A的制造工序中的圖5 圖8所示的工序。在實(shí)施 圖8所示工序之后，不實(shí)施圖9及圖10所示工序，而與圖11所示工 序同樣地，在第2區(qū)域llb上使包層2K量子阱層22以及包層23生 長(zhǎng)，以形成波導(dǎo)部20。接著，在開口部24上形成一對(duì)天線電極31、 32，制成光學(xué)元件1B。
由于波導(dǎo)部20具有凹凸圖案26，因此光學(xué)元件1B具有與光學(xué)元 件1A同樣的作用.效果。SP，在光學(xué)元件1B中，由于由形成有凹凸圖 案26的量子阱結(jié)構(gòu)所形成的波導(dǎo)部20具有以形成凹凸圖案26的形狀 的方式連續(xù)的多個(gè)交叉區(qū)域22a，因此，波導(dǎo)部20作為表面等離子體 振子波100的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而起作用。在這種情況下，由于采用量子阱結(jié) 構(gòu)作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此可以更長(zhǎng)距離地傳播表面等離子體振子波100。 由此，由于提高了表面等離子體振子波100向開口部24的集光效率， 因此可以高效且高靈敏度地檢測(cè)出THz波。此外，由于為了激勵(lì) 傳 播表面等離子體振子波100而采用量子阱結(jié)構(gòu)，因此光學(xué)元件1B的制 造變得容易。此外，由于可以減小波導(dǎo)部20的占有面積，因此在陣列 化時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高密度集成。 (第3實(shí)施方式)
圖13為本發(fā)明的光學(xué)元件的第3實(shí)施方式的立體圖。圖14為圖 13的沿XIV-XIV線的剖面圖。
光學(xué)元件1C為產(chǎn)生THz波的THz波發(fā)生元件。光學(xué)元件1C與 第2實(shí)施方式的光學(xué)元件1B在結(jié)構(gòu)上的主要差別點(diǎn)在于在光學(xué)元件 1C中，在半導(dǎo)體基板10上層疊的波導(dǎo)部20上還層疊有半導(dǎo)體層50， 在半導(dǎo)體層50的表面51上設(shè)置有THz波發(fā)生部60。以該點(diǎn)為中心說(shuō) 明光學(xué)元件1C。在此，圖13及圖14中的點(diǎn)劃線是用于說(shuō)明半導(dǎo)體基 板10及半導(dǎo)體層50的邊界的示意線。此外，在圖13及圖14中，為 了說(shuō)明波導(dǎo)部20的結(jié)構(gòu)，將波導(dǎo)部20放大圖示。
在光學(xué)元件1C中，在半導(dǎo)體基板10上層疊的層狀的波導(dǎo)部20上 還層疊有半導(dǎo)體層50，由此，在波導(dǎo)部20上形成的開口部24中，填 充有半導(dǎo)體層50的一部分。
只要能傳播THz波，就對(duì)半導(dǎo)體層50沒(méi)有特別的限制，例如，由 半絕緣性GaAs形成。此外，半導(dǎo)體層50上的THz波發(fā)生部60，是入 射激勵(lì)光時(shí)產(chǎn)生規(guī)定波長(zhǎng)即波長(zhǎng)入l的THz波的一對(duì)THz波發(fā)生用電 極61、 62。各THz波發(fā)生用電極61、 62例如可以由金形成，設(shè)置在 半導(dǎo)體層50的表面51中的開口部24上。更具體地說(shuō)，各個(gè)THz波發(fā) 生用電極61、 62沿著在幵口部24的Y軸方向上延伸的緣部24a、 24b 設(shè)置，并被配置為，在各THz波發(fā)生用電極61、 62所具有的凸部之間 產(chǎn)生間隙。
在上述的光學(xué)元件1C中，凹凸圖案26的周期A3被設(shè)定為從 THz波發(fā)生用電極61、 62輸出的波長(zhǎng);U的THz波入射于具有凹凸圖
案26的周期結(jié)構(gòu)部25B、 25B時(shí)，產(chǎn)生表面等離子體振子共振，并且 表面等離子體振子波100在半導(dǎo)體基板IO側(cè)傳播。g卩，在光學(xué)元件1C 的情況下，當(dāng)圖4所示的導(dǎo)電性物質(zhì)111作為波導(dǎo)部20、電介質(zhì)110 作為半導(dǎo)體基板IO、式(3)中的波長(zhǎng)X設(shè)為入1時(shí)，由式(3)算出的 周期Asp為A3。因此，例如，在半導(dǎo)體基板10及半導(dǎo)體層50分別由 GaAs形成、從THz波發(fā)生部60輸出波長(zhǎng)100pm的THz波的情況下， 光學(xué)元件1C所具有的凹凸圖案26的周期A3約為30,。此外，所產(chǎn) 生的表面等離子體振子波100的傳播距離約為450pm。
上述光學(xué)元件1C例如可以通過(guò)如下方法來(lái)制造。即，與第2實(shí)施 方式的光學(xué)元件1B的制造工序相同，實(shí)施圖5 圖8所示的工序。此 時(shí)，在圖5的工序中，例如，形成寬度為15,的氮化硅膜3。接著， 在實(shí)施圖8所示的工序之后，在第2區(qū)域lib上形成波導(dǎo)部20。接著， 在波導(dǎo)部20上再形成半導(dǎo)體層50之后，在開口部24上形成THz波發(fā) 生用電極61、 62，就形成了光學(xué)元件1C。在此，與第l實(shí)施方式的情 況相同，上述制造工序中的數(shù)值等僅為一個(gè)例子。
接著，說(shuō)明光學(xué)元件1C的作用，效果。當(dāng)作為激勵(lì)光，例如，具 有100飛秒(femtosecond)的時(shí)間幅度的中心波長(zhǎng)800nm的光脈沖入 射于THz波發(fā)生部60時(shí)，THz波發(fā)生部60產(chǎn)生并輸出波長(zhǎng)JU的THz 波40。該輸出的THz波40在半導(dǎo)體層50中傳播并入射于波導(dǎo)部20。
通過(guò)向波導(dǎo)部20入射波長(zhǎng)XI的THz波40，在具有凹凸圖案26 的周期結(jié)構(gòu)部25B、 25B產(chǎn)生表面等離子體振子共振，激勵(lì)表面等離子 體振子波100。與光學(xué)元件1B的情況相同，在周期結(jié)構(gòu)部25B、 25B 產(chǎn)生的表面等離子體振子波100利用多個(gè)交叉區(qū)域22a向開口部24傳 播，并集光在具有比波長(zhǎng)XI狹窄的寬度的開口部24。聚集在開口部 24的表面等離子體振子波100，例如，在開口部24與波導(dǎo)部20的邊 界產(chǎn)生散射，被轉(zhuǎn)換為與表面等離子體振子波100具有相同振動(dòng)頻率 的THz波41、在半導(dǎo)體基板10中傳播并從背面12輸出。
在上述光學(xué)元件1C中，由于由從THz波發(fā)生部60輸出的THz 波40所產(chǎn)生的表面等離子體振子波100被聚集在開口部24之后，再 次被轉(zhuǎn)換為THz波41并從半導(dǎo)體基板10側(cè)輸出，因此，可以產(chǎn)生高 能量密度的THz波41。與光學(xué)元件1A、 1B的情況相同，在光學(xué)元件
1C中，波導(dǎo)部20也是作為表面等離子體振子波100的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而起 作用，因此，可以更長(zhǎng)距離地傳播表面等離子體振子波100。由此，由 于提高了表面等離子體振子波100向開口部24的集光效率，可以進(jìn)一 步提高由光學(xué)元件lC輸出的THz波41的能量密度。此外，由于為了 激勵(lì) 傳播表面等離子體振子波100而采用了量子阱結(jié)構(gòu)，因此易于 制造光學(xué)元件1C。此外，由于可以減小波導(dǎo)部20的占有面積，因此 在陣列化時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高密度集成。
在此，在光學(xué)元件中，在波導(dǎo)部20上設(shè)置半導(dǎo)體層50，但也可以 在從波導(dǎo)部20的開口部24露出的半導(dǎo)體基板10上直接設(shè)置THz波發(fā) 生部60。
(第4實(shí)施方式)
圖15為本發(fā)明的光學(xué)元件的第4實(shí)施方式的平面圖。光學(xué)元件1D 與第2實(shí)施方式的光學(xué)元件1B在結(jié)構(gòu)上的主要差別點(diǎn)在于在半導(dǎo)體 基板10的表面11上并列設(shè)置有多個(gè)(圖15中為2個(gè))波導(dǎo)部20-l、 20-2，波導(dǎo)部20-1、 20-2分別所具有的周期性的凹凸圖案26-1、 26-2 的周期A1、 A4互不相同。以該點(diǎn)為中心說(shuō)明光學(xué)元件1D。在此，圖 15中，示意性地表示了開口部24上的受光部30。
波導(dǎo)部20-l的構(gòu)成，除了以一維狀地形成多個(gè)(圖15中為3個(gè)) 開口部24之外，其它與波導(dǎo)部20的結(jié)構(gòu)相同。即，波導(dǎo)部20-l具有 從半導(dǎo)體基板10側(cè)層疊包層21、量子阱層22以及包層23而形成的量 子阱結(jié)構(gòu)。而且，波導(dǎo)部20-l在X軸方向上具有周期A1的凹凸圖案 26-1，且在XZ平面上的剖面形狀大致呈三角波狀。在此，由于圖15 為平面示意圖，為方便起見(jiàn)，對(duì)凹凸圖案26-l的一個(gè)周期賦予符號(hào)。 以下用平面圖表示凹凸圖案時(shí)也是相同的。
在光學(xué)元件1D中，凹凸圖案26-l的周期A1被設(shè)定為對(duì)應(yīng)于波 長(zhǎng)人l的THz波而產(chǎn)生表面等離子體振子波100-1。在波導(dǎo)部20-l中， 各個(gè)開口部24周圍的區(qū)域成為周期結(jié)構(gòu)部(波導(dǎo)結(jié)構(gòu))25B-l。另外， 在形成于波導(dǎo)部20-1的各開口部24上設(shè)置有受光部30。
此外，波導(dǎo)部20-2的結(jié)構(gòu)，除了沿X軸方向的凹凸圖案26-2的 周期A4與波導(dǎo)部20-2所具有的凹凸圖案26-1的周期Al互不相同外， 其它與波導(dǎo)部20-l的結(jié)構(gòu)相同。此外，凹凸圖案26-2的周期A4被設(shè)
定為對(duì)應(yīng)于與波長(zhǎng)U不同的波長(zhǎng)的THz波而產(chǎn)生表面等離子體
振子波100-2。此外，在波導(dǎo)部20-2中，開口部24周圍的區(qū)域成為周 期結(jié)構(gòu)部25B-2。
接著，說(shuō)明上述光學(xué)元件1D的作用*效果。在此，對(duì)從半導(dǎo)體基 板10的背面12入射包含不同波長(zhǎng)X1、X4的波長(zhǎng)范圍的THz波的情況 進(jìn)行說(shuō)明。
從光學(xué)元件1D所具有的半導(dǎo)體基板10的背面12入射上述THz 波，并入射至凹凸圖案26-l、 26-2時(shí)，由波長(zhǎng)？il的THz波而在凹凸 圖案26-1側(cè)產(chǎn)生表面等離子體振子波100-1 ，由波長(zhǎng)的THz波而在 凹凸圖案26-2側(cè)產(chǎn)生表面等離子體振子波100-2。在凹凸圖案26-1、 26-2中產(chǎn)生的表面等離子體振子波100-1、 100-2集光于分別形成在波 導(dǎo)部20-l、 20-2的開口部24上，通過(guò)設(shè)置于各開口部24上的受光部 30，與光學(xué)元件1A、 1B的場(chǎng)合同樣地被檢測(cè)出。
在光學(xué)元件1D中，由于凹凸圖案26-1、 26-2的周期Al、 A4不同， 因此，由波導(dǎo)部20-l、 20-2檢測(cè)出的THz波的波長(zhǎng)M、人4不同。其 結(jié)果是在光學(xué)元件1D中，可以一邊分解波長(zhǎng)(換言之， 一邊進(jìn)行分 光) 一邊檢測(cè)THz波。
此外，在光學(xué)元件1D中，由于波導(dǎo)部20-1、 20-2具有凹凸圖案 26-1、 26-2，因此具有與光學(xué)元件1A、 1B相同的作用'效果。即，波 導(dǎo)部20-1、 20-2作為表面等離子體振子波100的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而起作用， 可以更長(zhǎng)距離地傳播表面等離子體振子波100-1、 100-2。由此，由于 提高了表面等離子體振子波100-1、 100-2向各開口部24的集光效率， 因此可以更有效且高靈敏度地檢測(cè)出THz波。此外，由于采用了量子 阱結(jié)構(gòu)，因此光學(xué)元件1D易于制造。此外，由于波導(dǎo)部20-1、 20-2 的占有面積小，因此可以實(shí)現(xiàn)高密度集成。
在此，光學(xué)元件1D通過(guò)在開口部24設(shè)置受光部30而作為THz 波受光元件使用，而在不設(shè)置受光部30的情況下也可以作為分光元件 使用。此外，在此實(shí)施方式中，在半導(dǎo)體基板10上設(shè)置兩個(gè)波導(dǎo)部20-1 、 20-2，也可以如上所述那樣設(shè)置三個(gè)以上的波導(dǎo)部20-l 20-n (n為3 以上的整數(shù))。而且，在設(shè)置三個(gè)以上的波導(dǎo)部20-l 20-n的情況下，
只要至少兩個(gè)波導(dǎo)部20-n、 20-m (m為與n不同的3以上的整數(shù))所 具有的凹凸圖案26-n、 26-m的周期不相同即可。 (第5實(shí)施方式)
圖16為本發(fā)明的光學(xué)元件的第5實(shí)施方式的平面圖。光學(xué)元件1E 與第2實(shí)施方式的光學(xué)元件1B在結(jié)構(gòu)上的主要差別點(diǎn)在于在半導(dǎo)體 基板10上層疊的波導(dǎo)部20上，以二維狀地形成有多個(gè)開口部24，且 在各開口部24設(shè)置有受光部30。在此，圖16中，示意性地表示了受 光部30。
與光學(xué)元件1B的情況相同，在光學(xué)元件1E中，當(dāng)從半導(dǎo)體基板 IO的背面12入射波長(zhǎng) d的THz波時(shí)，由波導(dǎo)部20所具有的凹凸圖 案26產(chǎn)生表面等離子體振子波100。產(chǎn)生的表面等離子體振子波100 通過(guò)多個(gè)交叉區(qū)域22a集光于開口部24，與光學(xué)元件1A、 1B的情況 同樣地，由受光部30檢測(cè)出。由此，可以檢測(cè)出入射于半導(dǎo)體基板IO 的波長(zhǎng):U的THz波。
在光學(xué)元件1E中，由于二維狀地配置了多個(gè)開口部24而實(shí)現(xiàn)了 多通道(multichannel)化，因此可以得到THz波的二維空間圖像。
光學(xué)元件1E由于采用具有交叉區(qū)域22a的波導(dǎo)部20而產(chǎn)生的作 用，效果，也與光學(xué)元件1A、 1B相同。即，在光學(xué)元件1E中，由于波 導(dǎo)部20具有交叉區(qū)域22a，因此作為表面等離子體振子波100的波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)而起作用。而且，由于采用了量子阱結(jié)構(gòu)，在波導(dǎo)部20上可以更 長(zhǎng)距離地傳播表面等離子體振子波100。這樣，由于提高了表面等離子 體振子波100向開口部24的集光效率，因此可以更有效且高靈敏度地 檢測(cè)出THz波。此外，由于為了激勵(lì) 傳播表面等離子體振子波100 而采用了量子阱結(jié)構(gòu)，因此易于制造光學(xué)元件1E。
在此，如圖16中以點(diǎn)劃線的劃分所示，若將光學(xué)元件1E的波導(dǎo) 部20分割為多個(gè)(圖16中為3個(gè))區(qū)域進(jìn)行考慮，也可以認(rèn)為光學(xué) 元件1E被構(gòu)成為在半導(dǎo)體基板10上設(shè)置有多個(gè)波導(dǎo)部20!、 202、 203，在波導(dǎo)部20,、 202、 203上以一維狀地形成有多個(gè)開口部24。在 這種情況下，由于可以減小波導(dǎo)部2(h、 202、 203的占有面積也，因此 可以實(shí)現(xiàn)高密度集成。在此，光學(xué)元件1E中波導(dǎo)部20,、 202、 203所
具有的凹凸圖案26的周期Al相同。圖16中的點(diǎn)劃線是為了便于上述 的說(shuō)明而使用的。
(第6實(shí)施方式)
圖17為本發(fā)明的光學(xué)元件的第6實(shí)施方式的平面圖。光學(xué)元件1F 與第2實(shí)施方式的光學(xué)元件1B在結(jié)構(gòu)上的主要差別點(diǎn)在于在半導(dǎo)體 基板10上層疊的波導(dǎo)部20所具有的凹凸圖案26F是由周期不同的第1 凹凸圖案26F1和第2凹凸圖案26F2構(gòu)成的。
與第2實(shí)施方式的波導(dǎo)部20相同，光學(xué)元件1F所具有的波導(dǎo)部 20為在半導(dǎo)體基板10上層疊包層21、量子阱層22以及包層23而形 成的量子阱結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)部20具有開口部24和配置在開口部24的兩側(cè) 且具有凹凸圖案26F的周期結(jié)構(gòu)部25F、 25F。周期結(jié)構(gòu)部25F在XZ 平面上的剖面形狀與周期結(jié)構(gòu)部25A、 25B中同樣，大致為三角波狀。
由于凹凸圖案26F是由周期不同的凹凸圖案26F1、 26F2構(gòu)成的， 因此周期結(jié)構(gòu)部25F具有:具有凹凸圖案26F1的第1周期結(jié)構(gòu)部25F1 ， 和具有凹凸圖案26F2的第2周期結(jié)構(gòu)部25F2。第1及第2周期結(jié)構(gòu)部 25F1、 25F2在X軸方向上，從開口部24側(cè)開始依次配置有第1周期 結(jié)構(gòu)部25F1 、第2周期結(jié)構(gòu)部25F2。因此，相對(duì)于第1周期結(jié)構(gòu)部25F1 ， 第2周期結(jié)構(gòu)部25F2位于開口部24的相反側(cè)。在這種情況下，也可 以認(rèn)為在第l凹凸圖案26F1的兩側(cè)形成有第2凹凸圖案26F2的波 導(dǎo)部20中，通過(guò)在第1凹凸圖案26F1形成開口部24而構(gòu)成光學(xué)元件 1F所具有的波導(dǎo)部20。
與第2實(shí)施方式的情況相同，上述第1凹凸圖案26F1的周期Al 被設(shè)定為入射作為規(guī)定波長(zhǎng)也就是波長(zhǎng)X1的THz波時(shí)，產(chǎn)生表面等 離子體振子波IOO。因此，第1周期結(jié)構(gòu)部25F1作為表面等離子體振 子波發(fā)生部而起作用。此外，第2凹凸圖案26F2的周期A5為第1凹 凸圖案26F1的周期Al的一半(Al/2)。由此，當(dāng)在第1周期結(jié)構(gòu)部 25F1產(chǎn)生的表面等離子體振子波100通過(guò)多個(gè)交叉區(qū)域22a導(dǎo)波至第 2周期結(jié)構(gòu)部25F2側(cè)時(shí)，該表面等離子體振子波100反射至開口部24 側(cè)。g卩，第2周期結(jié)構(gòu)部25F2作為產(chǎn)生所謂的DFB (分布反饋-Distributed Feedback)的DFB部而起作用。在光學(xué)元件IF中，由于第1周期結(jié)構(gòu)部25F1作為表面等離子體 振子波發(fā)生部而起作用，通過(guò)從背面12向光學(xué)元件1F入射波長(zhǎng)X1的 THz波而產(chǎn)生表面等離子體振子波100。表面等離子體振子波100通過(guò) 具有量子阱層22的多個(gè)交叉區(qū)域22a在X軸方向上傳播并集光于開口 部20。
此外，如圖17所示，也存在表面等離子體振子波100的一部分在 與開口部24相反的一側(cè)傳播的情況。在光學(xué)元件1F中，由于第2周 期結(jié)構(gòu)部25F2配置在與開口部24相反的一側(cè)，因此，在與開口部24 相反的一側(cè)傳播的表面等離子體振子波100通過(guò)第2凹凸圖案26F2被 反射至開口部24偵lj。因此在第1周期結(jié)構(gòu)部25F1產(chǎn)生的表面等離子 體振子波100可以更多地集光于開口部24，開口部24的能量密度得到 進(jìn)一步提高。因此，可以有效且高敏感度地檢測(cè)入射于半導(dǎo)體基板10 的THz波。
此外，在光學(xué)元件1F中，由于波導(dǎo)部20為量子阱結(jié)構(gòu)，易于形 成第1及第2凹凸圖案26Fl、 26F2，因此易于制造光學(xué)元件1F。此外， 由于將入射于光學(xué)元件1F的THz波轉(zhuǎn)換為表面等離子體振子波100， 利用多個(gè)交叉區(qū)域22a傳播并集光于開口部24之后，在受光部30檢 測(cè)波，因此可以在高能量密度條件下對(duì)THz波進(jìn)行檢測(cè)。其結(jié)果，可 以有效且高靈敏度地檢測(cè)出THz波。此外，由于采用了雜質(zhì)和載流子
的移動(dòng)空間在空間上分離的量子阱結(jié)構(gòu)，因此可以更長(zhǎng)距離地傳播表 面等離子體振子波IOO，可以提高向開口部24的集光效率。
以上說(shuō)明了本發(fā)明的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及光學(xué)元件的實(shí)施方式，但本發(fā)明 不限于上述實(shí)施方式。例如光學(xué)元件1A 1F所具有的波導(dǎo)部20的凹 凸圖案的形狀可以有各種變形。下面，利用圖18 圖24說(shuō)明凹凸圖案 的變形例。
圖18為第1變形例的具有凹凸圖案的波導(dǎo)部的平面圖。在圖18 中，表示了將凹凸圖案26G使用于例如光學(xué)元件1A、 1B那樣的作為 THz波接受元件的光學(xué)元件中的情況。在此，示意性地表示了受光部 30。
如圖18所示，從上面看，凹凸圖案26G的形狀為環(huán)狀，沿徑向的 剖面形狀與光學(xué)元件1B中凹凸圖案26相同，大致為三角波狀。因此，
波導(dǎo)部20具有連續(xù)的多個(gè)交叉區(qū)域22a。由于這樣的波導(dǎo)部20具有交 叉區(qū)域22a，波導(dǎo)部20作為傳播表面等離子體振子波100的波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 而起作用。在此，在使用凹凸圖案26G的波導(dǎo)部20中，中心部形成有 圓形的開口部(集光部)24，其周圍為具有凹凸圖案26G的周期結(jié)構(gòu) 部25G。其中，優(yōu)選開口部24的直徑小于與在波導(dǎo)部20中傳播的表 面等離子體振子波100具有相同振動(dòng)頻率的THz波的波長(zhǎng)。此外，通 過(guò)將凹凸圖案26G的徑向的周期A6設(shè)定為，當(dāng)入射規(guī)定波長(zhǎng)(例如 波長(zhǎng)U)的THz波時(shí)產(chǎn)生表面等離子體振子共振，從而可以使凹凸圖 案26G作為表面等離子體振子波發(fā)生部起作用。
圖19為使用第2變形例的凹凸圖案的波導(dǎo)部的平面圖。在圖19 中，表示了將凹凸圖案26H使用于例如光學(xué)元件1A、 1B那樣的作為 THz波接受元件的光學(xué)元件中的情況。在此，示意性地表示了受光部 30。
從上邊看，凹凸圖案26H的形狀為正方形，沿X軸及Y軸方向的 剖面形狀(換言之，在XZ平面及YZ平面上的剖面形狀)與光學(xué)元件 1B所具有的凹凸圖案26相同，大致呈三角波狀。因此，由于在這種 情況下波導(dǎo)部20也具有連續(xù)的交叉區(qū)域22a，因此作為傳播表面等離 子體振子波100的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而起作用。在此，在使用凹凸圖案26H的 波導(dǎo)部20中，在中心部形成有正方形狀的開口部24，其周圍成為具有 凹凸圖案26H的周期結(jié)構(gòu)部25H。優(yōu)選開口部24的一邊的邊長(zhǎng)小于與 在波導(dǎo)部20中傳播的表面等離子體振子波100具有相同振動(dòng)頻率的 THz波的波長(zhǎng)。
如前所述，凹凸圖案26H的形狀為正方形，因此，凹凸圖案26H 在X軸方向上的周期A7與在Y軸方向上的周期A8相同。而且，通 過(guò)將周期A7、 A8設(shè)定為當(dāng)入射相同的規(guī)定波長(zhǎng)(例如波長(zhǎng)X1)的 THz波時(shí)產(chǎn)生表面等離子體振子共振，從而可以使凹凸圖案26H作為 表面等離子體振子波發(fā)生部而起作用。在此，凹凸圖案26H的形狀也 可以是例如從上面看時(shí)為長(zhǎng)方形。
圖20為使用第3變形例的凹凸圖案的量子阱結(jié)構(gòu)的平面圖及其一 部分的放大立體圖。在圖20中，表示了將凹凸圖案26I使用于例如光 學(xué)元件1A、 lB那樣的作為THz波受光元件的光學(xué)元件中的情況。圖20中示意性地表示了受光部30。
凹凸圖案261具有多個(gè)棱錐狀隆起部26Ia，它們被周期性地配置在 X軸方向上及Y軸方向上。在凹凸圖案26I中，相鄰的隆起部26Ia在 X軸方向上及Y軸方向上的間隔(周期)八9、 A10相同。在此，在使 用凹凸圖案26I的波導(dǎo)部20中，在中心部形成有開口部24，其周圍成 為具有凹凸圖案261的周期結(jié)構(gòu)部251。
在具有凹凸圖案261的波導(dǎo)部20中，形成隆起部26Ia的構(gòu)成四個(gè) 側(cè)面部的量子阱層22的區(qū)域?yàn)榕cXY平面相交的交叉區(qū)域22a。由于 波導(dǎo)部20具有交叉區(qū)域22a,因此波導(dǎo)部20起著作為表面等離子體振 子波的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的作用。此外，在各隆起部26Ia中互相相鄰的側(cè)面部 是連續(xù)的，而且相鄰的隆起部26Ia的側(cè)面部也是連續(xù)的，因此多個(gè)交 叉區(qū)域22a是連續(xù)的。其結(jié)果是表面等離子體振子波可以在X軸方向 及Y軸方向上傳播。
此外，通過(guò)將周期A9、 A10形成為在入射規(guī)定波長(zhǎng)(例如波長(zhǎng) 人l)的THz波時(shí)產(chǎn)生表面等離子體振子共振，可以使凹凸圖案26I起 到作為表面等離子體振子波發(fā)生部的作用。在此，周期A9、 A10也可 以不同。此外，圖20 (b)所示的隆起部26Ia的頂部是平坦的，然而 隆起部26Ia也可以被形成為三角錐形狀。
圖21為具有第5及第6變形例的凹凸圖案的波導(dǎo)部的立體圖。圖 21所示為具有第5及第6變形例的凹凸圖案的波導(dǎo)部20層疊于半導(dǎo)體 基板10上的狀態(tài)。
如圖21 (a)所示，在X軸方向上連續(xù)設(shè)置相對(duì)于半導(dǎo)體基板10 向相反的方向彎曲的彎曲部26Ja而形成凹凸圖案26J。構(gòu)成彎曲部26Ja 的一部分的量子阱層22成為與XY平面相交的區(qū)域即交叉區(qū)域22a。 因此，波導(dǎo)部20起著作為傳播表面等離子體振子波100的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的 作用。而且，由于交叉區(qū)域22a在X軸方向上連續(xù)，在具有凹凸圖案 26J的波導(dǎo)部20中，表面等離子體振子波100在彎曲部26Ja的排列方 向(圖21中，X軸方向)上傳播的同時(shí)，也在彎曲部26Ja的延伸方向 (圖21中，Y軸方向)上傳播。
在這種情況下，如圖21所示，相鄰的彎曲部26Ja的連接部分為谷 部26b，谷部26b被周期性地配置。通過(guò)將谷部26b間的距離All設(shè)
定為當(dāng)入射規(guī)定波長(zhǎng)的THz波時(shí)產(chǎn)生表面等離子體振子共振，可以使 凹凸圖案26J起到作為表面等離子體振子波發(fā)生部的作用。
如圖21 (b)所示，在X軸方向上連續(xù)設(shè)置向半導(dǎo)體基板10側(cè)彎 曲的彎曲部26Ka而形成第6變形例的凹凸圖案26K 。除了彎曲部26Ka 的彎曲方向與圖21 (a)所示的凹凸圖案26J所具有的彎曲部26Ja的 彎曲方向不同之外，其余與凹凸圖案26J的結(jié)構(gòu)相同。因此，具有凹 凸圖案26K的波導(dǎo)部20也作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而起作用，也可以使凹凸圖案 26K作為表面等離子體振子波發(fā)生部而起作用。
此外，如圖21 (b)所示，通過(guò)彎曲波導(dǎo)部20的一部分即包層21 的表面(與量子阱層22的界面)且在該包層21上層疊量子阱層22及 包層23而構(gòu)成凹凸圖案26K，也可以將半導(dǎo)體基板10的第2區(qū)域lib 形成為彎曲部26Ka的形狀后，層疊包層21、量子阱層22及包層23 來(lái)形成凹凸圖案26K。
圖22為具有第7變形例凹凸圖案的波導(dǎo)部的立體圖。圖22圖示 了具有第7變形例的凹凸圖案26L的波導(dǎo)部被層疊于半導(dǎo)體基板10上 的狀態(tài)。
凹凸圖案26L呈菲涅耳透鏡型。由于在該結(jié)構(gòu)中，量子阱層22具 有多個(gè)與XY平面大致垂直相交的交叉區(qū)域22ai以及與XY平面以規(guī) 定的角度相交的交叉區(qū)域22a2，因此波導(dǎo)部20作為傳播表面等離子體 振子波100的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而起作用。此外，由于交叉區(qū)域22&與交叉區(qū) 域22a2交互地配置且連續(xù)，因此在圖22中，表面等離子體振子波IOO 在X軸及Y軸方向上傳播。此外，通過(guò)將凹凸圖案26L的周期A12 設(shè)定為當(dāng)入射規(guī)定波長(zhǎng)(例如波長(zhǎng)X1)的THz波時(shí)產(chǎn)生表面等離子 體振子共振，可以使凹凸圖案26L起到作為表面等離子體振子波發(fā)生 部的作用。此外，具有使用這種菲涅耳透鏡型的凹凸圖案26L的波導(dǎo) 部20的光學(xué)元件，也可以作為集光透鏡而使用。
圖23為具有第8變形例的凹凸圖案的波導(dǎo)部的立體圖。圖23表 示了具有第8變形例的凹凸圖案26M的波導(dǎo)部20被層疊于半導(dǎo)體基 板IO上的狀態(tài)。
如圖23所示，第8變形例的凹凸圖案26M的剖面形狀為正弦波 狀。在該結(jié)構(gòu)中，量子阱層22也具有凹凸圖案26M，例如，正弦波中
半個(gè)周期的區(qū)域?qū)?yīng)于交叉區(qū)域22a。由于波導(dǎo)部20具有交叉區(qū)域 22a，因此波導(dǎo)部20作為傳播表面等離子體振子波的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而起作 用。此外，量子阱層22具有多個(gè)交叉區(qū)域22a且多個(gè)交叉區(qū)域22a是 連續(xù)的，因此，表面等離子體振子波100在X軸方向上傳播的同時(shí)， 也在Y軸方向上傳播。此外，由于凹凸圖案26M的周期A13的周期被 設(shè)定為，當(dāng)入射規(guī)定波長(zhǎng)(例如波長(zhǎng)A1)的THz波時(shí)產(chǎn)生表面等離 子體振子共振，因此可以使凹凸圖案26M作為表面等離子體振子波發(fā) 生部而起作用。
圖24為具有第9 第11變形例的凹凸圖案的波導(dǎo)部的立體圖。圖 24表示了具有第9 第11變形例的凹凸圖案26N、 260、 26P的波導(dǎo) 部20層疊在基板10上的狀態(tài)。
如圖24 (a)所示，第9變形例的凹凸圖案26N是在XZ平面上的 剖面形狀大致為三角形的隆起部26Na相隔一定間距配置而形成的。在 這種結(jié)構(gòu)中，由于包含于隆起部26Na的側(cè)面部的量子阱層22成為交 叉區(qū)域22a，因此，波導(dǎo)部20作為傳播表面等離子體振子波100的波 導(dǎo)結(jié)構(gòu)而起作用。而且，在具有凹凸圖案26N的波導(dǎo)部20中，由于隆 起部26Na之間沒(méi)有交叉區(qū)域22a，因此表面等離子體振子波100在Y 軸方向上傳播。
因此，在具備具有凹凸圖案26N的波導(dǎo)部20的光學(xué)元件中，通過(guò) 將開口部24設(shè)置為與隆起部26Na的延伸方向垂直相交，可以將在交 叉區(qū)域22a傳播的表面等離子體振子波100集光于開口部24。此外， 相鄰的隆起部26Na之間的間隔，即凹凸圖案26N的周期A14被設(shè)定 為通過(guò)入射規(guī)定波長(zhǎng)(例如波長(zhǎng)入l)的THz波而產(chǎn)生表面等離子 體振子波100，從而可以使凹凸圖案26N起到作為表面等離子體振子 波發(fā)生部的作用。
如圖24 (b)所示，第10變形例的凹凸圖案26O在XZ平面上的 剖面形狀大致為矩形波狀。在這種情況下，波導(dǎo)部20的量子阱層22 在X軸方向上具有相對(duì)于XY平面傾斜的多個(gè)交叉區(qū)域22a。在此，相 鄰的交叉區(qū)域22a被離散地配置，通過(guò)與XY平面平行的區(qū)域22c、 22d 相連。其結(jié)果是在波導(dǎo)部20中，表面等離子體振子波100在圖24 (b)的Y軸方向上傳播。此外，通過(guò)將凹凸圖案260的周期A15設(shè)
定為對(duì)應(yīng)于規(guī)定波長(zhǎng)的THZ波產(chǎn)生表面等離子體振子波100，可以
使凹凸圖案260起到作為表面等離子體振子波發(fā)生部的作用。
如圖24 (c)所示，第11變形例的凹凸圖案26P在XZ平面上的 剖面形狀大致為矩形波狀。除了量子阱層22的交叉區(qū)域22a與XY平 面大致垂直相交之外，凹凸圖案26P的結(jié)構(gòu)與圖24 (b)中所示凹凸圖 案260的結(jié)構(gòu)相同。因此，與凹凸圖案260相同地，在波導(dǎo)部20中， 表面等離子體振子波100在圖24 (c)的Y軸方向上傳播。此外，通 過(guò)將凹凸圖案26P的周期A16設(shè)定為對(duì)應(yīng)于規(guī)定波長(zhǎng)的THz波產(chǎn)生 表面等離子體振子波100，可以使凹凸圖案26P起到作為表面等離子體 振子波發(fā)生部的作用。
以上說(shuō)明的第1 第11變形例可以替代使用于第1 第6實(shí)施方 式的光學(xué)元件中的凹凸圖案26、 26F而使用于各光學(xué)元件中。此外， 由于THz波多以直線偏光的方式入射，因此優(yōu)選如使用于第1 第6 實(shí)施方式的光學(xué)元件中的凹凸圖案26、 26F那樣的從上邊看時(shí)呈狹縫 狀的圖案，或如第3變形例的凹凸圖案261那樣的具有錐形的隆起部 26Ia的圖案。
在至此的說(shuō)明中，將波導(dǎo)部20所具有的周期性的凹凸圖案(周期 性結(jié)構(gòu))作為表面等離子體振子波發(fā)生部，然而表面等離子體振子波 發(fā)生部也可以有各種變形。
圖25為應(yīng)用了表面等離子體振子波發(fā)生部的其它變形例的光學(xué)元 件的立體圖及其一部分的放大示意圖。在光學(xué)元件1G所具有的半導(dǎo)體 基板10的表面11上，形成有周期性的凹凸圖案70。凹凸圖案70大致 呈矩形波狀，其周期A17被設(shè)定為入射規(guī)定波長(zhǎng)(例如波長(zhǎng)X1) 的THz波時(shí)產(chǎn)生表面等離子體振子波lOO。因此，在光學(xué)元件1G中， 該凹凸圖案70起著作為表面等離子體振子波發(fā)生部的作用。
如圖25 (b)所示，在光學(xué)元件1G中，在凹凸圖案70所具有的 山部71及谷部72上，設(shè)置有由包層21、量子阱層22以及包層23層 疊而成的波導(dǎo)部20。在波導(dǎo)部20上，凹凸圖案28被形成為量子阱層 22具有交叉區(qū)域22a。另外，25 (b)為圖25 (a)中以點(diǎn)劃線圍起來(lái) 的區(qū)域的放大圖。
只要是被形成為量子阱層22具有交叉區(qū)域22a，對(duì)凹凸圖案28的
形狀及周期就沒(méi)有特別的限定，也可以是上述的第1 第11的變形例
的形狀。此外，如上所述，只要凹凸圖案28中量子阱層22具有交叉 區(qū)域22a即可，也可以不具有周期性。此外，在凹凸圖案28呈周期性 的情況下，由于其周期形成在山部71上，因此小于凹凸圖案70的周 期A17。
在該結(jié)構(gòu)中，當(dāng)規(guī)定波長(zhǎng)即波長(zhǎng)人l的THz波入射于光學(xué)元件1G 時(shí)，由凹凸圖案70產(chǎn)生表面等離子體振子波100。所產(chǎn)生的表面等離 子體振子波100通過(guò)具有交叉區(qū)域22a的波導(dǎo)部20而傳播。在這種情 況下，通過(guò)在表面等離子體振子波100的傳播方向上設(shè)置開口部24， 可以對(duì)表面等離子體振子波100進(jìn)行集光。因此，通過(guò)在開口部24上 設(shè)置受光部30，可以將光學(xué)元件1G作為THz波受光元件而予以利用。 此外，通過(guò)在開口部24上設(shè)置THz波發(fā)生部60，可以將光學(xué)元件1G 作為THz波發(fā)生元件而予以利用。
此外，作為表面等離子體振子波發(fā)生部不僅限于利用光柵。利用 全反射或近場(chǎng)光也可以產(chǎn)生表面等離子體振子波。在此，利用圖26說(shuō) 明利用全反射的情況。
如圖26所示，考慮依次層疊介電常數(shù)不同的電介質(zhì)IIOA、電介 質(zhì)110B以及導(dǎo)電性物質(zhì)111的情況。其中，電介質(zhì)110B是其厚度為 光的波長(zhǎng)左右的薄體，且電介質(zhì)IIOA的介電常數(shù)SA與電介質(zhì)110B的 介電常數(shù)Sb満足sA>eB的關(guān)系。
在電介質(zhì)110A中傳播的光以大于全反射的臨界角ec的入射角ei (〉ec)入射于電介質(zhì)110B時(shí)，在電介質(zhì)110B中傳播的光的波數(shù)中， 與層疊方向(圖26中的Z軸方向)垂直(圖26中的X軸方向)的分 量kx為
=^^/^7sin《〉"^^^/i^sin"c ' (4)
式(4)中，co為應(yīng)轉(zhuǎn)換為表面等離子體振子波的光的振動(dòng)頻率， c為真空中的光速。
根據(jù)式(4) ， kx大于例如以小于臨界角6c的入射角入射并在電 介質(zhì)110B中傳播的光的波數(shù)。因此，如果kx與在導(dǎo)電性物質(zhì)111和
電介質(zhì)U0B的界面上產(chǎn)生的表面等離子體振子波的波數(shù)一致，就可以 激勵(lì)表面等離子體振子波。
如上所述，具有交叉區(qū)域22a的波導(dǎo)部20成為，對(duì)應(yīng)于THz波可 以激勵(lì)表面等離子體振子波的上述導(dǎo)電性物質(zhì)lll。因此，通過(guò)在波導(dǎo) 部20上層疊上述電介質(zhì)IIOB、 IIOA，并以大于臨界角ec的規(guī)定角度 從電介質(zhì)110A向電介質(zhì)110B入射THz波，而可以激勵(lì)表面等離子體 振子波。在這種情況下，波導(dǎo)部20和層疊在波導(dǎo)部20上的電介質(zhì)110B
的界面作為表面等離子體振子波發(fā)生部而起作用。
此外，在圖26中，以電介質(zhì)110A、 110B以及導(dǎo)電性物質(zhì)111的 順序?qū)⑵鋵盈B，但在導(dǎo)電性物質(zhì)111薄至光的波長(zhǎng)左右的情況下，也 可以考慮以電介質(zhì)IIOA、導(dǎo)電性物質(zhì)111以及電介質(zhì)110B的順序?qū)?其層疊。在該結(jié)構(gòu)中，當(dāng)從電介質(zhì)110A向?qū)щ娦晕镔|(zhì)111的入射角大 于臨界角時(shí)，可以在導(dǎo)電性物質(zhì)111和電介質(zhì)110B的界面激勵(lì)表面等 離子體振子波。而且，在將具有交叉區(qū)域22a的波導(dǎo)部20看作導(dǎo)電性 物質(zhì)111時(shí)，波導(dǎo)部20與電介質(zhì)110B的界面作為表面等離子體振子 波發(fā)生部而起作用。
例如，在如光學(xué)元件1A、 1B那樣在空氣與波導(dǎo)部20的界面產(chǎn)生 表面等離子體振子波的情況下，由于空氣對(duì)應(yīng)于電介質(zhì)IIOB、波導(dǎo)部 20對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電性物質(zhì)111，因此，在波導(dǎo)部20和半導(dǎo)體基板10之間 設(shè)置電介質(zhì)110A即可。
如利用圖25及26所作的說(shuō)明那樣，在表面等離子體振子波發(fā)生 部不是形成在波導(dǎo)部20的凹凸圖案的情況下，只要波導(dǎo)部20所具有 的多個(gè)交叉區(qū)域22a是連續(xù)的即可，另外，也可以離散地配置它們。 此外，由于多個(gè)交叉區(qū)域22a是連續(xù)的，可以在多個(gè)交叉區(qū)域22a的 排列方向上傳播表面等離子體振子波。
此外，如光學(xué)元件1C那樣在波導(dǎo)部20和半導(dǎo)體基板10的界面上 產(chǎn)生表面等離子體振子波的情況下，由于半導(dǎo)體基板IO對(duì)應(yīng)于電介質(zhì) IIOB、波導(dǎo)部20對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電性物質(zhì)111，因此，在波導(dǎo)部20與半導(dǎo) 體層50之間設(shè)置電介質(zhì)IIOA即可。另外，相對(duì)于波導(dǎo)部20在波導(dǎo)部 20上層疊作為電介質(zhì)IIOA起作用的半導(dǎo)體層50即可。
此外，在利用近場(chǎng)光的情況下，例如，只要在波導(dǎo)部20附近配置
刀口 (knife-edge)等使光衍射的物體(衍射物體)即可。在這種情況 下，當(dāng)THz波入射于衍射物體與波導(dǎo)部20之間的間隙時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生具 有各種波數(shù)的衍射光(近場(chǎng)光)。在這種情況下，如果包含于衍射光 的波數(shù)中包含，在波導(dǎo)部20和介質(zhì)(例如空氣)的界面上產(chǎn)生的表面 等離子體振子波的波數(shù)，就會(huì)產(chǎn)生表面等離子體振子波。這樣，在利 用近場(chǎng)光的情況下，上述衍射物體成為表面等離子體振子波發(fā)生部。
此外，如圖27所示，作為光學(xué)元件，也可以是半導(dǎo)體基板10上 具有連通于波導(dǎo)部20的開口部24的貫通孔13的元件。在此，光學(xué)元 件1H所具有的波導(dǎo)部20具有適用于光學(xué)元件1B的波導(dǎo)部20的凹凸 圖案26。在這種情況下，由入射THz波而產(chǎn)生的表面等離子體振子波 100如圖27所示那樣集光于開口部24。由于開口部24連通于貫通孔 13，因此，集光于開口部24的表面等離子體振子波100所產(chǎn)生的能量 通過(guò)貫通孔13而向半導(dǎo)體基板10的背面12側(cè)移動(dòng)。因此，可以從半 導(dǎo)體基板10的背面12側(cè)獲得能量。
此外，通過(guò)以THz發(fā)生部60替代受光部30，光學(xué)元件1A、 1B、 1D 1F也可以作為THz波發(fā)光元件。而且，由于光學(xué)元件1A 1H具 有受光部30或THz發(fā)生部60，因此可以作為THz波受光元件或THz 波發(fā)生元件起作用，但用不著特地在開口部24上設(shè)置受光部30或THz 發(fā)生部60。在這種情況下，光學(xué)元件可以作為例如光學(xué)濾波器或分光 元件而起作用。
此外，通過(guò)在具有交叉區(qū)域22a的波導(dǎo)部20上形成開口部24，來(lái) 作為如上所述的光學(xué)元件，但是，也可以例如通過(guò)在半導(dǎo)體基板上形 成具有交叉區(qū)域22a的量子阱結(jié)構(gòu)，作為傳播表面等離子體振子波的 波導(dǎo)元件而予以利用。
波導(dǎo)部20是由包層21、量子阱層22以及包層23形成的，也可以 由包層22或包層23與量子阱層22構(gòu)成。此外，凹凸圖案只要被形成 為量子阱層22具有與XY平面相交差的交叉區(qū)域，例如交叉區(qū)域22a 或交叉區(qū)域22b，就沒(méi)有特別的限定。
此外，作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，只要量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)的量子阱層22具有與 XY平面相交的交叉區(qū)域(例如交叉區(qū)域22a)即可。因此，也可以將
波導(dǎo)部20中具有凹凸圖案(例如凹凸圖案26)的部分，即周期結(jié)構(gòu)部
(例如周期結(jié)構(gòu)部25A)特別地作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在這種情況下，波導(dǎo) 部20由作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的周期結(jié)構(gòu)部(例如周期結(jié)構(gòu)部25A)與作為集 光部的開口部24構(gòu)成。此外，只要設(shè)置在半導(dǎo)體基板上的量子阱結(jié)構(gòu) 的量子阱層具有上述交叉區(qū)域就可以，交叉區(qū)域可以為一個(gè)，另外， 即使在具有多個(gè)交叉區(qū)域的情況下，它們也不必是連續(xù)的，也可以如 圖24所示離散地配置它們。
此外，將形成在波導(dǎo)部20上的作為貫通孔的開口部24，作為用于 對(duì)表面等離子體振子波IOO進(jìn)行集光的集光部，但不是必須為貫通孔。 只要是不具有交叉區(qū)域等的，不滿足表面等離子體振子波的傳播條件 的區(qū)域就可以。在此，從更加可靠地對(duì)表面等離子體振子波進(jìn)行集光 的角度出發(fā)，優(yōu)選集光部的大小(例如圖1中X軸方向的長(zhǎng)度、圖18 中的直徑)小于轉(zhuǎn)換為表面等離子體振子波的光的波長(zhǎng)。
權(quán)利要求
1.一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于在傳播表面等離子體振子波的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，具備設(shè)置于半導(dǎo)體基板上的量子阱結(jié)構(gòu)；所述量子阱結(jié)構(gòu)所具有的量子阱層具有交叉區(qū)域，該交叉區(qū)域與相對(duì)于所述半導(dǎo)體基板的所述量子阱結(jié)構(gòu)的排列方向大致垂直的假想平面相交叉；所述量子阱結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)的實(shí)部相對(duì)于規(guī)定波長(zhǎng)的THz波為負(fù)數(shù)。
2. —種光學(xué)元件，其特征在于 具備半導(dǎo)體基板；和設(shè)置在所述半導(dǎo)體基板上，且具有權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的 波導(dǎo)部；所述波導(dǎo)部具有，設(shè)置于在所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播的所述表面等離 子體振子波的傳播方向上，且用于對(duì)表面等離子體振子波進(jìn)行集光的 集光部。
3. 如權(quán)利要求2所述的光學(xué)元件，其特征在于 所述集光部是在相對(duì)于所述半導(dǎo)體基板的所述量子阱結(jié)構(gòu)的所述排列方向上貫通所述波導(dǎo)部的開口部。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的光學(xué)元件，其特征在于 還具有通過(guò)所述規(guī)定波長(zhǎng)的THz波的入射而產(chǎn)生表面等離子體振子波的表面等離子發(fā)生部，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳播在所述表面等離子體振子波發(fā)生部產(chǎn)生的所述 表面等離子體振子波。
5. 如權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件，其特征在于 所述表面等離子體振子波發(fā)生部是在所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所具有的所述 量子阱結(jié)構(gòu)上形成的周期性的凹凸圖案。
6. 如權(quán)利要求5所述的光學(xué)元件，其特征在于 所述量子阱結(jié)構(gòu)所具有的所述量子阱層具有多個(gè)所述交叉區(qū)域； 多個(gè)所述交叉區(qū)域以所述凹凸圖案狀連續(xù)。
7. 如權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件，其特征在于所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所具備的所述量子阱結(jié)構(gòu)上形成有凹凸圖案；所述量子阱結(jié)構(gòu)所具有的所述量子阱層具有多個(gè)所述交叉區(qū)域；多個(gè)所述交叉區(qū)域以所述凹凸圖案狀連續(xù)；所述凹凸圖案具有具有第1周期的第1凹凸圖案；和相對(duì)于第1 凹凸圖案在與所述排列方向大致垂直相交的方向上配置、且具有第2 周期的第2凹凸圖案；所述第1凹凸圖案為所述表面等離子體振子波發(fā)生部；所述第2凹凸圖案位于相對(duì)于所述第1凹凸圖案與所述集光部相 反的一側(cè)；所述第2周期為所述第1周期的一半。
8. 如權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件，其特征在于 所述表面等離子體振子波發(fā)生部是形成在所述半導(dǎo)體基板的主面上的、當(dāng)入射所述規(guī)定波長(zhǎng)的THz波時(shí)產(chǎn)生所述表面等離子體振子波 的凹凸圖案，所述波導(dǎo)部設(shè)置在形成有所述凹凸圖案的所述主面上。
9. 如權(quán)利要求2 8的任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件，其特征在于 檢測(cè)在所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播的所述表面等離子體振子波或與所述表面等離子體振子波具有相同振動(dòng)頻率的THz波的受光部設(shè)置在所述 集光部上。
10. 如權(quán)利要求9所述的光學(xué)元件，其特征在于 具有多個(gè)所述集光部， 在所述各集光部上設(shè)置有所述受光部。
11. 如權(quán)利要求2 8的任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件，其特征在于產(chǎn)生所述規(guī)定波長(zhǎng)的THz波的THz波發(fā)生部設(shè)置在所述集光部上，通過(guò)入射由所述THz波發(fā)生部產(chǎn)生的所述規(guī)定波長(zhǎng)的THz波，所 述表面等離子體振子波發(fā)生部產(chǎn)生所述表面等離子體振子波。
12. 如權(quán)利要求ll所述的光學(xué)元件，其特征在于 具有多個(gè)所述集光部，在所述各集光部設(shè)置有所述THz波發(fā)生部。
13. —種光學(xué)元件，其特征在于 具備半導(dǎo)體基板；和設(shè)置在所述半導(dǎo)體基板上，并且具有權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 的多個(gè)波導(dǎo)部；多個(gè)所述波導(dǎo)部在與所述排列方向大致垂直的方向上排列， 在所述各個(gè)波導(dǎo)部中，在所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所具有的所述量子阱結(jié)構(gòu)中，形成有通過(guò)入射規(guī) 定波長(zhǎng)的THz波產(chǎn)生表面等離子體振子波的周期性的凹凸圖案，所述量子阱層具有以所述凹凸圖案狀連續(xù)的多個(gè)交叉區(qū)域，在所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播的表面等離子體振子波的傳播方向上，設(shè) 置有用于對(duì)所述表面等離子體振子波進(jìn)行集光的集光部，多個(gè)所述波導(dǎo)部中的至少兩個(gè)所述波導(dǎo)部所具有的所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 的所述凹凸圖案的周期互不相同。
14. 如權(quán)利要求13所述的光學(xué)元件，其特征在于 在所述各波導(dǎo)部所具有的所述集光部上，設(shè)置有檢測(cè)在所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播的所述表面等離子體振子波或與所述表面等離子體振子波 具有同一振動(dòng)頻率的THz波的受光部。
15.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)元件，其特征在于-在所述各波導(dǎo)部所具有的所述集光部上設(shè)置有產(chǎn)生所述規(guī)定波長(zhǎng)的THz波的THz波發(fā)生部，該規(guī)定波長(zhǎng)的THz波在所述各波導(dǎo)部所具 有的所述凹凸圖案中產(chǎn)生所述表面等離子體振子波。
全文摘要
本發(fā)明提供易于制造且使表面等離子體振子波的傳播距離更長(zhǎng)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光學(xué)元件。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有在半導(dǎo)體基板(10)上層疊的量子阱結(jié)構(gòu)(20)。量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)的量子阱層(22)具有，與相對(duì)于半導(dǎo)體基板(10)的量子阱結(jié)構(gòu)的排列方向大致垂直相交的假想平面相交的交叉區(qū)域(22a)，量子阱結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)的實(shí)部相對(duì)于規(guī)定波長(zhǎng)的THz波為負(fù)。此時(shí)，交叉區(qū)域(22a)內(nèi)發(fā)生電子振蕩時(shí)，通常存在上述排列方向上的分量，且量子阱結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)的實(shí)部相對(duì)于規(guī)定波長(zhǎng)的THz波為負(fù)，因此可以利用交叉區(qū)域(22a)傳播表面等離子體振子波。在量子阱結(jié)構(gòu)中提高載流子的濃度的同時(shí)提高載流子遷移率，因此更長(zhǎng)距離地傳播表面等離子體振子波。
文檔編號(hào)G02B6/12GK101105552SQ20071013606
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者中嶋和利, 山西正道, 樋口彰, 藤原弘康 申請(qǐng)人:浜松光子學(xué)株式會(huì)社