JP2012159792A

JP2012159792A - 波長選択素子

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Publication number: JP2012159792A
Application number: JP2011020887A
Authority: JP
Inventors: Izumi Ito; 泉伊藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2012-08-23

Abstract

【課題】偏光成分毎に波長選択特性を調整可能な波長選択素子を提供することができる。
【解決手段】波長選択素子１０は、透光性を有する誘電体とされた基板１２上に、金属膜１４を積層した構成とされている。金属膜１４は、該金属膜１４の面方向に直交する方向に貫通した複数の貫通孔１４Ａを備えている。貫通孔１４Ａは、金属膜１４の平面における、Ｘ方向と該Ｘ方向に直交するＹ方向との２方向に沿って格子状に配列されている。また、貫通孔１４Ａの金属膜１４の面方向の断面形状は、本実施の形態では、該Ｘ方向に延伸した２辺と該Ｙ方向に延伸した２辺との４辺からなる矩形状とされている。また、この金属膜１４に設けられた貫通孔１４Ａの、該Ｘ方向の配列周期と、該Ｙ方向の配列周期と、は、異なる配列周期とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長選択素子に関する。

特定の波長帯成分の光を選択的に透過する波長選択特性を示す素子としては、高分子材料を用いた素子が知られており、液晶プロジェクタなどの画像投影装置等に適用されている。この高分子材料を用いた素子としては、光吸収特性を有する色素顔料を分散した樹脂材料（カラーレジスト）を用いたものが知られている。

このような高分子材料を用いた波長選択特性を示す素子は、材料のコストが比較的低く、また、大量生産に適したプロセスを適用できる利点がある。しかしながら、高分子材料を用いた波長選択特性を示す素子は、透過対象の波長帯毎にカラーレジストを用意して、フォトリソグラフィー及び現像のパターニング工程を繰り返し行う必要があった。このため、透過対象の光の波長帯の設定数と同数のパターニング工程が必要であり、容易に特定の波長選択特性を示す素子を得ることは難しかった。

また、高分子材料を用いた素子では、カラーレジストに含まれる色素顔料の特性によって、波長選択特性が定まる。このため、透過対象の波長帯域の選択の自由度が色素顔料の特性によって制限される、という問題があった。また、上記カラーレジストに用いられる材料は、紫外線に対する耐光性が低く、長期使用により特性劣化や透明度低下が生じるといった問題があった。

一方、波長選択特性を示す素子としては、無機材料の多層膜を用いた素子も知られている（非特許文献１参照）。
非特許文献１には、厚み方向の中央部に共振層を配置し、この共振層を反射層で挟んだ構成の素子が開示されている。非特許文献１では、共振層を挟む反射層を、高屈折率材料及び低屈折率材料を光学厚み１／４波長の周期で交互に積層した積層体とすることで、広帯域の非透過帯をつくる層としている。そして、非特許文献１では、透過対象の波長帯の設定数に対応する回数のフォトリソグラフィー及びエッチングのパターン形成工程を行って共振層の厚みを調整している。そして、この共振層のパターニングによって、該非透過帯の中の特定の波長帯を透過する素子としている。

このような無機材料の多層膜を用いた素子は、高分子材料を用いた素子に比べて、波長選択性の向上や、透過させる波長帯成分の設計の自由度を向上させることができる。また、無機材料の多層膜を用いた素子は、高分子材料を用いた素子に比べて、耐光性及び耐温度特性に優れることから、素子の適用範囲を拡大することが出来る。

しかしながら、無機材料の多層膜を用いた素子においても、透過対象の波長帯の設定数に対応する回数のフォトリソグラフィー及びエッチングのパターン工程を繰り返し実行する必要がある。このため、容易に特定の波長選択特性を示す素子を得ることは難しかった。

一方、無機材料を用いた波長御選択特性を示す素子としては、単層の無機材料を用いた素子が提案されている（特許文献１、非特許文献２、及び非特許文献３参照）。

特許文献１、非特許文献２、及び非特許文献３には、支持層やガラス基板上に、透過光波長と同程度の周期で配列された微細な孔を有する単層の金属薄膜を設けた構成が開示されている。これらの文献では、このような単層の無機材料層すなわち、単層の金属薄膜に設けられた孔の配列周期を調整することによって、金属薄膜と支持層またはガラス基板との界面における表面プラズモンのカップリングモードを調整し、透過光波長の選択制御を可能としている。このため、これらの文献に開示された技術によれば、波長選択自由度や、透過対象の波長帯成分の設計の自由度が向上する。また、これらの文献に開示された技術によれば、単層の無機材料層である金属薄膜に設けた孔の配列周期で、透過光波長の選択制御を実現するので、容易に波長選択特性を示す素子が得られる。

ここで、近年、光学的なセンシングの用途を中心として、偏光成分毎に波長選択特性を調整可能な素子の実現要求が高まっている。しかしながら、上記特許文献１、非特許文献２、及び非特許文献３に開示された素子では、偏光成分毎に波長選択特性を調整することは出来なかった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、偏光成分毎に波長選択特性を調整可能な波長選択素子を提供することを課題とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、入射光に含まれる特定の波長帯成分の光を選択的に透過する波長選択素子であって、透光性を有する誘電体である第１の基板と、前記第１の基板上に積層され、厚み方向に貫通した複数の貫通孔を有する金属膜と、を備え、前記貫通孔は、前記金属膜の面上の互いに直交する第１の方向及び第２の方向の２方向に沿って格子状に配列され、前記貫通孔における前記金属膜の面方向に沿った断面形状が、前記第１の方向に延伸した２本の第１の辺、及び前記第２の方向に延伸した２本の第２の辺、の４辺からなる矩形状であり、前記貫通孔における前記第１の辺の延伸方向の長さ及び前記第２の辺の延伸方向の長さが、前記特定の波長帯成分の光の波長より短く、且つ前記貫通孔における前記第１の方向の配列周期と前記第２の方向の配列周期とが互いに異なることを特徴とする波長選択素子である。

本発明によれば、偏光成分毎に波長選択特性を調整可能な波長選択素子を提供することができる、という効果を奏する。

図１は、第１の実施の形態の波長選択素子を示す模式図であり、（Ａ）は、第１の実施の形態の波長選択素子を模式的に示した平面図であり、（Ｂ）は、第１の実施の形態の波長選択素子を模式的に示した（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。図２は、第１の実施の形態の波長選択素子の、偏光角０°及び偏光角９０°の各々における波長選択特性の測定結果を示す線図である。図３は、第１の実施の形態の波長選択素子について、配列周期Ｐｘ／配列周期Ｐｙを変化させたときの、偏光角９０°の成分における光透過率のピークの変化を示す線図である。図４は、第１の実施の形態の波長選択素子について、貫通孔１４ＡのＸ方向の辺の長さＤｘ／配列周期Ｐｘを変化させたときの、偏光角９０°の成分における光透過率のピークの変化を示す線図である。図５は、第１の実施の形態の波長選択素子における、偏光成分毎の透過波長ピークを示す線図である。図６は、第２の実施の形態の波長選択素子を示す模式図であり、（Ａ）は、第２の実施の形態の波長選択素子を模式的に示した平面図であり、（Ｂ）は、第２の実施の形態の波長選択素子を模式的に示した（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。図７は、第２の実施の形態の波長選択素子における、偏光成分毎の透過波長ピークを示す線図である。図８は、第３の実施の形態の波長選択素子を示す模式図であり、（Ａ）は、第３の実施の形態の波長選択素子を模式的に示した平面図であり、（Ｂ）は、第３の実施の形態の波長選択素子を模式的に示した（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。図９は、図８（Ｂ）に示す波長選択素子の一部の領域Ｑを拡大して示した模式図である。図１０は、金属膜と格子状領域の一部を拡大して示した模式図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる波長選択素子の一の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１に示す、本実施の形態の波長選択素子１０は、入射光に含まれる特定の波長帯成分を選択的に透過する素子である。この波長選択素子１０は、基板１２上に、金属膜１４を積層した構成である。金属膜１４は、該金属膜１４の厚み方向に貫通した複数の貫通孔１４Ａを備えている。

なお、図１中に、矢印Ｘ、矢印Ｙ、及び矢印Ｚで示した矢印は、直交座標系を示している。この直交座標系におけるＸＹ平面は、基板１２及び金属膜１４の積層方向に直交する面、及び基板１２及び金属膜１４の各々の面に平行な面である。また、該直交座標系における矢印Ｚ方向は、波長選択素子１０への光の入射方向を示している。この矢印Ｚ方向は、貫通孔１４Ａの貫通方向（金属膜１４の厚み方向）と同じ方向である。

以下では、波長選択素子１０に入射する光を、入射光と称して説明する。また、本実施の形態の波長選択素子１０では、波長選択素子１０には、入射光として、偏光角０°（図１中、矢印０°方向）及び偏光角９０°（図１中、矢印９０°方向）の双方の振動成分を含む偏光が入射するものとして説明する。

基板１２は、透光性を有する誘電体である。なお、本実施の形態において「透光性を有する」とは、入射光に対する透過率が８０％以上であることを示している。

基板１２は、透光性を有する誘電体であれば、公知の何れの材料から構成してもよい。基板１２の構成材料としては、例えば、ＳｉＯ_２ガラスや、石英ガラスや、ＢＫ７及びパイレックス（登録商標）等の硼珪酸ガラス、ＣａＦ_２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、ＡｌＯ_２などの光学結晶材料等が挙げられる。

基板１２の厚みとしては、物理的に安定で透光性を失わない範囲であれば、いかなる厚みであってもよい。

金属膜１４は、金属薄膜または金属板によって構成する。この金属膜１４に用いられる金属は、いかなる金属であってもよく、波長選択素子１０の適用分野や、設計要件に応じて適宜選択する。金属膜１４に用いられる金属としては、具体的には、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）等が挙げられる。
なお、本実施の形態では、金属膜１４には、一例として、アルミニウム（Ａｌ）を用いる場合を説明するが、このような構成材料に限られない。

この金属膜１４の厚みとしては、波長選択素子１０を透過する波長帯成分の光が貫通孔１４Ａを介して伝播しうる厚みであればよい。

この金属膜１４上に複数設けられた貫通孔１４Ａは、金属膜１４の上記ＸＹ平面における、互いに直交する上記Ｘ方向及び上記Ｙ方向の２方向に沿って格子状に配列されている（詳細後述）。これらの複数の貫通孔１４Ａにおける、金属膜１４の面方向（ＸＹ平面）に沿った断面形状は、上記Ｘ方向に延伸した２辺（第１の辺）と上記Ｙ方向に延伸した２辺（第２の辺）と、の４辺からなる矩形状とされている。すなわち、貫通孔１４Ａの断面形状は、該貫通孔１４Ａの上記２方向の配列方向の内の一方の配列方向に延伸した２辺と、他方の配列方向に延伸した２辺と、の４辺からなる矩形状とされている。また、金属膜１４上に設けられた複数の貫通孔１４Ａの大きさ（すなわち４辺の長さ）及び形状は、互いに同じ大きさ及び形状である。

貫通孔１４Ａの上記矩形形状の４辺を構成する、上記Ｘ方向の配列方向に沿って長い２辺の長さＤｘ（図１参照）、及び上記Ｙ方向の配列方向に沿って長い２辺の長さＤｙ（図１参照）は、波長選択素子１０を透過する波長帯成分の光の波長より短い長さである。

なお、本実施の形態では、これらの貫通孔１４Ａの上記矩形形状の４辺の内の、Ｘ方向の配列方向に沿って長い２辺の長さＤｘと、Ｙ方向の配列方向に沿って長い２辺の長さＤｙと、は異なっており、長さＤｘ＜長さＤｙの関係を示す形態を説明する。しかし、これらの辺の長さは、同じであってもよく（長さＤｘ＝Ｄｙ）、また、長さＤｙが長さＤｘより長い形態（長さＤｘ＞長さＤｙ）であってもよい。

この金属膜１４上に複数設けられた貫通孔１４Ａは、上述のように、金属膜１４の上記ＸＹ平面における互いに直交する２方向（上記Ｘ方向と上記Ｙ方向）に沿って格子状に配列されている。そして、さらに、本実施の形態の波長選択素子１０では、この貫通孔１４Ａの、上記Ｘ方向の配列周期と、上記Ｙ方向の配列周期と、は異なる配列周期である。

この貫通孔１４Ａの「Ｘ方向の配列周期」とは、詳細には、貫通孔１４ＡにおけるＹ方向に延びる２辺のうちの１辺から、Ｘ方向に隣接する貫通孔１４ＡにおけるＹ方向に延びる２辺のうちの該１辺に対応する位置に配置された１辺までの長さを示している（図１中、Ｐｘ参照、以下、配列周期Ｐｘと称する）。また、貫通孔１４Ａの「Ｙ方向の配列周期」とは、貫通孔１４ＡにおけるＸ方向に延びる２辺のうちの１辺から、Ｙ方向に隣接する貫通孔１４ＡにおけるＸ方向に延びる２辺のうちの該１辺に対応する位置に配置された１辺までの長さを示している（図２中、Ｐｙ参照、以下、配列周期Ｐｙと称する）。

なお、本実施の形態では、図１に示すように、貫通孔１４Ａの配列周期Ｐｘが配列周期Ｐｙに比べて長い場合を説明するが、波長選択素子１０では、これらの２方向の配列周期が異なっていればよく、配列周期Ｐｙが配列周期Ｐｘに比べて長い形態であってもよい。

これらの貫通孔１４Ａを金属膜１４上に形成する方法としては、公知の方法が用いられる。例えば、エッチング法や、ホログラフィー打出し技術を用いた密着焼付法等が挙げられる。

なお、図１には、波長選択素子１０の一部を拡大して模式的に示した。このため、図１では、金属膜１４には９個の貫通孔１４Ａのみが設けられた形態を示した。しかし、金属膜１４には、波長選択素子１０の適用対象に応じた数のさらに多数の貫通孔１４Ａが設けられていてもよい。

このように構成された波長選択素子１０では、金属膜１４上に入射光が入射すると、該入射光に含まれる特定の波長帯成分が、金属膜１４の界面（金属膜１４と基板１２の界面、及び金属膜１４と空気との界面）において表面プラズモンとしてカップリングする。すなわち、入射光に含まれる、表面プラズモンとしてカップリングする特定の波長帯成分のみが、透過光成分として貫通孔１４Ａを経由して波長選択素子１０内を伝播する。

ここで、波長選択素子１０内を選択的に透過する波長帯成分は、貫通孔１４Ａの配列周期によって定まる。

本実施の形態の波長選択素子１０では、上述のように、金属膜１４に設けられた貫通孔１４Ａの断面形状は、貫通孔１４Ａの一方の配列方向（Ｘ方向）に延伸した上記長さＤｘの２辺と、貫通孔１４Ａの他方の配列方向（該Ｘ方向に直交するＹ方向）に延伸した上記長さＤｙの２辺と、の４辺からなる矩形状である。また、貫通孔１４Ａは、その２方向の配列方向である、Ｘ方向の配列周期ＰｘとＹ方向の配列周期Ｐｙとが、互いに異なる。

このため、Ｘ方向の配列周期ＰｘとＹ方向の配列周期Ｐｙによって、波長選択素子１０に入射する入射光の偏光角０°及び偏光角９０°の各々の偏光成分毎に、金属膜１４の界面で表面プラズモンとしてカップリングする波長帯成分を調整することができる。すなわち、本実施の形態の波長選択素子１０では、入射光から透過光として抽出されるカップリングする波長帯成分を、偏光成分毎に調整することができる。

従って、本実施の形態の波長選択素子１０では、偏光成分毎に波長選択特性を調整することができる。

なお、本実施の形態の波長選択素子１０では、貫通孔１４ＡのＸ方向の配列周期Ｐｘと、Ｙ方向の配列周期Ｐｙとが異なっていることが必須であるが、以下の関係を示すことが好ましい。

具体的には、貫通孔１４ＡにおけるＸ方向の配列周期Ｐｘ、及びＹ方向の配列周期Ｐｙのうちの、より周期の長い一方の配列周期（本実施の形態では配列周期Ｐｙ）に対する、より周期の短い他方の配列周期（本実施の形態では配列周期Ｐｘ）の比率は、０．５以上０．９以下の範囲とすることが好ましく、０．６以上０．８以下の範囲とすることが更に好ましい。

貫通孔１４ＡにおけるＸ方向の配列周期ＰｘとＹ方向の配列周期Ｐｙとの関係を、上記範囲となるように調整することによって、波長帯成分を効率よく選択的に透過させることができる。

一例として、基板１２をＳｉＯ_２ガラスで構成し、金属膜１４をＡｌで構成し、貫通孔１４ＡのＸ方向の配列周期Ｐｘ、貫通孔１４ＡのＹ方向の配列周期Ｐｙ、貫通孔１４ＡのＸ方向の辺の長さＤｘ、貫通孔１４ＡのＹ方向の辺の長さＤｙ、金属膜１４の厚みＨの各々を、下記値とした波長選択素子１０を用意した。

配列周期Ｐｘ：０．４μｍ，配列周期Ｐｙ：０．６μｍ，貫通孔１４ＡのＸ方向の辺の長さＤｘ：０．２μｍ，貫通孔１４ＡのＹ方向の辺の長さＤｙ：０．３μｍ，金属膜１４の厚みＨ：０．２μｍ

そして、該構成とした波長選択素子１０の、偏光角０°及び偏光角９０°の各々の偏光成分における波長選択特性を測定し、測定結果を図２に示した。なお、配列周期Ｐｘ／配列周期Ｐｙの値は、０．６６であった（Ｐｘ／Ｐｙ＝０．４／０．６）。図２に示すように、本実施の形態の波長選択素子１０では、偏光成分毎に、透過する光の波長帯域が異なっていることがわかる。このため、波長選択素子１０では、偏光成分毎に波長選択特性を調整することができた。

また、該構成とした波長選択素子１０における、貫通孔１４ＡのＸ方向の配列周期Ｐｘのみを変化させて、配列周期の比率である配列周期Ｐｘ／配列周期Ｐｙを変化させたときの、偏光角９０°の成分における光透過率のピークの変化を図３に示した。

図３に示すように、光透過率のピークの現れる範囲は、配列周期Ｐｘ／配列周期Ｐｙの値が０．５以上０．９以下の範囲であった。このため、波長選択素子１０では、配列周期Ｐｘ及び配列周期Ｐｙの関係を上記範囲内とすることで、偏光成分毎の波長帯成分を効率よく選択的に透過させることができた。

なお、上述のように、本実施の形態の波長選択素子１０では、貫通孔１４Ａの上記Ｘ方向の配列周期Ｐｘと、上記Ｙ方向の配列周期Ｐｙとが異なっていればよいが、この貫通孔１４Ａにおける、該Ｘ方向の配列方向に沿って長い２辺の長さＤｘは、該２辺の延伸方向であるＸ方向の配列周期Ｐｘより短いことが好ましい。同様に、複数の貫通孔１４Ａの各々における、上記Ｙ方向の配列方向に沿って長い２辺の長さＤｙは、該２辺の延伸方向であるＹ方向の配列周期Ｐｙより短いことが好ましい。

具体的には、貫通孔１４ＡのＸ方向の配列周期Ｐｘに対する、貫通孔１４ＡのＸ方向の辺の長さＤｘ（Ｄｘ／Ｐｘ）の値は、０．５±１０％以下の範囲であることが好ましい。また、貫通孔１４ＡのＹ方向の配列周期Ｐｙに対する、貫通孔１４ＡのＹ方向の辺の長さＤｙ（Ｄｙ／Ｐｙ）の値は、０．５±１０％以下の範囲であることが好ましい。

上記Ｄｘ／Ｐｘ及び上記Ｄｙ／Ｐｙが上記範囲であると、波長選択素子１０の透過光として抽出された波長帯成分を、偏光成分毎により高い透過率で選択的に透過させることができる。

図４には、上述の値（配列周期Ｐｘ：０．４ｕｍ，配列周期Ｐｙ：０．６ｕｍ，貫通孔１４ＡのＸ方向の辺の長さＤｘ：０．２ｕｍ、貫通孔１４ＡのＹ方向の辺の長さＤｙ：０．３ｕｍ，金属膜１４の厚みＨ：０．２ｕｍ）とした波長選択素子１０における、貫通孔１４ＡのＸ方向の辺の長さＤｘのみを変化させて、該Ｄｘ／Ｐｘの値を変化させたときの、偏光角９０°の成分における光透過率のピークの変化を示した。

図４に示すように、光透過率のピークは、貫通孔１４ＡのＸ方向の辺の長さＤｘ／配列周期Ｐｘ（Ｄｘ／Ｐｘ）値０．５のときに、最大を示すことが確認された。

以上説明したように、本実施の形態の波長選択素子１０では、偏光成分毎に波長選択特性を調整することができる。このため、本実施の形態においては、透過する光の波長選択自由度の高い波長選択素子１０を提供することができる。

また、本実施の形態の波長選択素子１０は、金属膜としては、単層の金属膜１４を有する簡便な構成である。このため、画像センサのような、３種類の波長帯（３色）以上の多数の波長帯の光を選択的に透過させる素子に波長選択素子１０を適用する場合であっても、製造工程におけるコストの増大が抑制され、また、簡便な製造工程で波長選択素子１０を作製することができる。

また、上述のように構成された本実施の形態の波長選択素子１０は、画像センサ、光ビーム集光、走査光学顕微鏡、フォトリソグラフィー、及び画像投影装置等の、特定の波長帯成分の光を選択的に透過する機能を必要とする各種装置に適用される。

（第２の実施の形態）
上記第１の実施の形態では、貫通孔１４Ａの設けられた金属膜１４を基板１２上に積層した構成の波長選択素子１０を説明した。
本実施の形態では、波長選択素子１０の構成に加えて更に基板１６を配けると共に、貫通孔１４Ａを透光性及び誘電性を有する材料で充填した構成の波長選択素子１０Ａについて説明する（図６参照）。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、本実施の形態の波長選択素子１０Ａは、基板１２上に、金属膜１４、及び基板１６を順に積層した構成である。金属膜１４は、複数の貫通孔１４Ａを備えている。また、本実施の形態では、各貫通孔１４Ａは、基板１２と同じ屈折率（第１の屈折率）を有し且つ透光性を有する充填部１８（第１の部材）によって充填されている。

なお、本実施の形態の波長選択素子１０Ａは、金属膜１４上に更に基板１６を設けると共に、金属膜１４の貫通孔１４Ａを充填部１８によって充填した以外は、第１の実施の形態で説明した波長選択素子１０と同じ構成である。このため、波長選択素子１０と同じ機能及び同じ構成である部分には、同じ符号を付与して詳細な説明を省略する。

基板１６は、基板１２と同様に、透光性を有する誘電体である。基板１６は、基板１２と同じ屈折率（第１の屈折率）であり、且つ透光性を有する誘電体であれば、いかなる材料から構成してもよい。基板１６としては、例えば、基板１２を構成する材料として挙げた材料が用いられる。

充填部１８は、基板１２と同様に、透光性を有する誘電体である。充填部１８は、金属膜１４の貫通孔１４Ａ内に充填されることで、金属膜１４の厚み方向の一端側が基板１２に接合され、他端側が基板１６に接合されている。
充填部１８としては、基板１２と同じ屈折率（第１の屈折率）であり、且つ透光性を有する誘電体であれば、いかなる材料から構成してもよい。充填部１８には、例えば、基板１２を構成する材料として挙げた材料が用いられる。

ここで、第１の実施の形態で説明した波長選択素子１０に入射する入射光に含まれる特定の波長帯成分は、金属膜１４と基板１２の界面、及び金属膜１４と空気との界面、の双方において表面プラズモンとしてカップリングする。このカップリングする波長帯域は、金属膜１４と基板１２との界面と、金属膜１４と空気との界面と、では異なる。このため、第１の実施の形態で説明した波長選択素子１０では、偏光成分毎に、これらの２種類の界面に対応する２種類の特定の波長帯成分の光が波長選択素子１０を透過する。このため、第１の実施の形態で説明した波長選択素子１０では、具体的には、図５に示すように、これらの２種類の界面に対応する、２種類の透過波長ピーク（図５中、ピーク２１ａ、ピーク２１ｂ参照）が偏光成分毎に得られることになる。

一方、本実施の形態の波長選択素子１０Ａでは、図６に示すように、基板１２上の金属膜１４上に更に基板１６を設けると共に、金属膜１４の貫通孔１４Ａを充填部１８によって充填している。

このように、金属膜１４の空気との界面を基板１６にて被覆し、且つ貫通孔１４Ａを充填部１８によって充填した構成とすることで、本実施の形態における波長選択素子１０Ａでは、偏光成分毎の透過波長ピークを１か所（１種類）とすることができる（図７中、ピーク２１ａ参照）。

また、本実施の形態の波長選択素子１０Ａでは、偏光成分毎の透過波長ピークを１か所とすることができるので、偏光成分毎の透過波長ピークが複数である場合に比べて、波長選択素子１０の透過光として抽出される波長帯成分を、偏光成分毎により高い透過率で透過させることができる（図５及び図７参照）。

（第３の実施の形態）
上記第２の実施の形態では、金属膜１４を介して基板１２に対向して基板１６を配置すると共に、貫通孔１４Ａを透光性及び誘電性を有する充填部１８で充填した波長選択素子１０Ａについて説明した（図６参照）。

本実施の形態では、第２の実施の形態で説明した波長選択素子１０Ａの基板１２及び基板１６に変えて、後述する基板１３及び基板１７を用いた場合を説明する（図８参照）。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、本実施の形態の波長選択素子１０Ｂは、基板１３上に、金属膜１４、及び基板１７を順に積層した構成である。金属膜１４は、複数の貫通孔１４Ａを備えている。また、この貫通孔１４Ａは、充填部１８（第１の部材）によって充填されている。

なお、本実施の形態の波長選択素子１０Ｂは、基板１２に変えて基板１３を用い、基板１６に変えて基板１７を用いた以外は、第２の実施の形態で説明した波長選択素子１０Ａと同じ構成である。このため、波長選択素子１０Ａと同じ機能及び同じ構成である部分には、同じ符号を付与して詳細な説明を省略する。

基板１３は、基板領域１３Ｂ上に格子状領域１３Ａを積層した構成である。これらの領域は、連続相とされている。この格子状領域１３Ａは、金属膜１４との界面に沿った層状の領域である。このため基板１３は、金属膜１４から遠い側に基板領域１３Ｂが配置され、金属膜１４に接する側に、該基板領域１３Ｂに連続して格子状領域１３Ａが配置されている。

基板１７は、基板領域１７Ｂ上に格子状領域１７Ａを積層した構成である。これらの領域は、連続相とされている。この格子状領域１７Ａは、金属膜１４との界面に沿った層状の領域である。このため基板１７は、金属膜１４から遠い側に基板領域１７Ｂが配置され、金属膜１４に接する側に、該基板領域１７Ｂに連続して格子状領域１７Ａが配置されている。

基板領域１３Ｂ及び基板領域１７Ｂは、第１の実施の形態で説明した基板１２と同様に、透光性を有する誘電体である。またこれらの基板領域１３Ｂ及び基板領域１７Ｂは、同じ屈折率である。基板領域１３Ｂ及び基板領域１７Ｂとしては、透光性を有する誘電体であり同じ屈折率であれば、いかなる材料から構成してもよい。基板領域１３Ｂ及び基板領域１７Ｂとしては、例えば、基板１２を構成する材料として挙げた材料が用いられる。

なお、本実施の形態の波長選択素子１０Ｂにおいては、充填部１８は、これらの基板領域１３Ｂ及び基板領域１７Ｂと同じ屈折率である。

格子状領域１７Ａ及び格子状領域１３Ａは、図９に示すように、誘電体層２０中に、複数の板状部材２２を有してなる。この複数の板状部材２２は、金属膜１４との界面に沿って周期的に配列されている。誘電体層２０は、透光性を有する誘電体であり、基板領域１３Ｂ及び基板領域１７Ｂと同じ屈折率である。誘電体層２０としては、例えば、基板１２を構成する材料として挙げた材料が用いられる。

なお、図８〜図１０には、板状部材２２を、金属膜１４の上記ＸＹ平面のＸ方向に沿って周期的に配列した（一次元配列）構成である場合を示した。しかし、板状部材２２の配列方向は、金属膜１４の上記ＸＹ平面のＹ方向に沿った方向であってもよいし、Ｘ方向及びＹ方向の２方向に沿った方向（二次元配列）であってもよい。

板状部材２２は、透過中心波長の１／２より小さい周期で周期的に配列されている。この透過中心波長とは、波長選択素子１０を透過する波長帯成分の光の波長の中心（該波長帯の最大波長と最少波長との中心）の波長を示している。
この板状部材２２としては、誘電体層２０より高い屈折率を有する材料であれば、いかなる材料から構成してもよい。例えば、板状部材２２の構成材料としては、ＴｉＯ_２が挙げられる。

波長選択素子１０Ｂが、このような格子状領域１３Ａ及び格子状領域１７Ａを有する構成であることによって、これらの格子状領域１３Ａ及び格子状領域１７Ａにおける板状部材２２のピッチ（板状部材２２の配列周期に相当、図９及び図１０中、ピッチＰ参照）、及び板状部材２２の幅（板状部材２２の配列方向の長さに相当、図９及び図１０中、幅Ｗ参照）の調整によって、基板１３及び基板１７における金属膜１４に接する領域の屈折率を調整することができる。以下では、基板１３及び基板１７における金属膜１４に接する領域（すなわち、格子状領域１３Ａ及び格子状領域１７Ａ）の屈折率を、実効的な屈折率と称して説明する場合がある。

以下に、周期的に配列された板状部材２２のピッチＰ及び板状部材２２の幅Ｗと、実効的な屈折率ｎとの関係を示す式を示した。

式（１）〜式（３）中、ｎ_ＴＥ、ｎ_ＴＭ、ｎ_１、ｎ_２、ｆ、ｗ、及びｐの各々は、下記意味を示す。

ｎ_ＴＥ：偏光角９０°（図１０中、矢印ＴＥ参照）の偏光の実効的な屈折率。
ｎ_ＴＭ：偏光角０°（図１０中、矢印ＴＭ参照）の偏光の実効的な屈折率。
ｎ_１：格子部材２２の屈折率。
ｎ_２：隣接する格子部材２２間の領域（媒質）の屈折率。
ｗ：板状部材２２の幅Ｗ。
ｐ：板状部材２２のピッチＰ。
ｆ：ピッチｐと格子幅ｗとの比（ｗ／ｐ）によって示されるフィルファクター。

上記式（１）〜式（３）に示すように、板状部材２２のピッチｐと板状部材２２の幅ｗとの比であるフィルファクターｆを変化させることによって、格子状領域１７Ａ及び格子状領域１３Ａの実効的な屈折率は、板状部材２２と誘電体層２０の中間の屈折率となるように調整することができる。
また、式（１）〜式（３）に示すように、板状部材２２のピッチｐと板状部材２２の幅ｗの比であるフィルファクターｆを変化させることによって、格子状領域１７Ａ及び格子状領域１３Ａの実効的な屈折率は、入射光の偏光成分によって異なる値となる。

このため、波長選択素子１０Ｂが、このような格子状領域１３Ａ及び格子状領域１７Ａを有する構成であることによって、基板１３及び基板１７における金属膜１４に接する領域の実効的な屈折率を容易に調整することができる。具体的には、この格子状領域１３Ａ及び格子状領域１７Ａの実効的な屈折率を増大させるほど、基板１３及び基板１７を透過する光の波長を、長波長側にシフト（推移）させることができる。

従って、本実施の形態の波長選択素子１０Ｂでは、金属膜１４における貫通孔１４Ａの配列周期の調整と、基板１７の格子状領域１７Ａ及び基板１３の格子状領域１３Ａにおける板状部材２２の配列周期の調整と、の双方によって、カップリング条件、すなわち、入射光における波長選択素子１０Ｂを透過する透過波長帯を、偏光成分毎により細かく調整することができる。
また、本実施の形態の波長選択素子１０Ｂでは、波長選択素子１０Ｂの透過対象の波長帯域の設計自由度の大幅な向上を図ることができる。

なお、本実施の形態では、図８〜図１０に示すように、板状部材２２が、金属膜１４の上記ＸＹ平面のＸ方向に沿って周期的に配列された一次元配列構成である場合を説明した。このため、実効屈折率には入射光の偏光方向によって違いが生じる。しかし、金属膜１４に設けられた貫通孔１４Ａと同様に、板状部材２２をＸ方向及びＹ方向の２方向に沿って周期的に配列した二次元配列構成とすれば、この入射光の偏光方向の相違を回避することができる。

そして、板状部材２２を上記一次元配列とした構成とするか、上記二次元配列とした構成とするかは、本実施の形態の波長選択素子１０Ｂの適用対象に応じて、適宜選択すればよい。

なお、板状部材２２の高さ（波長選択素子１０Ｂの厚み方向における板状部材２２の長さ、図８及び図１０中、高さＨａ参照）については、特に制限されないが、金属膜１４との界面におけるカップリング条件を効果的に調整する観点から、入射光波長以上であることが好ましい。

また、本実施の形態では、基板１３及び基板１７の双方に、格子状領域（格子状領域１３Ａ及び格子状領域１７Ａ）が設けられた形態を説明した。しかし、基板１３と基板１７の内の何れか一方の基板にのみ格子状領域が設けられた形態であってもよい。

１０、１０Ａ、１０Ｂ波長選択素子
１２、１３、１６、１７基板
１３Ａ、１７Ａ格子状領域
１４金属膜
１４Ａ貫通孔
１８充填部
２０誘電体層
２２板状部材

特開２０００−１１１８５１号公報

ＩＥＥＥＥＬＥＣＴＲＯＮＤＥＶＩＣＥＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．２７，ＮＯ．６，（２００６）Ｎａｔｕｒｅ４４５，３９−４６（２００７）電子情報通信学会技術研究報告１０９（４０３），１２９−１３２，（２０１０）

Claims

入射光に含まれる特定の波長帯成分の光を選択的に透過する波長選択素子であって、
透光性を有する誘電体である第１の基板と、
前記第１の基板上に積層され、厚み方向に貫通した複数の貫通孔を有する金属膜と、
を備え、
前記貫通孔は、前記金属膜の面上の互いに直交する第１の方向及び第２の方向の２方向に沿って格子状に配列され、
前記貫通孔における前記金属膜の面方向に沿った断面形状が、前記第１の方向に延伸した２本の第１の辺、及び前記第２の方向に延伸した２本の第２の辺、の４辺からなる矩形状であり、
前記貫通孔における前記第１の辺の延伸方向の長さ及び前記第２の辺の延伸方向の長さが、前記特定の波長帯成分の光の波長より短く、
且つ前記貫通孔における前記第１の方向の配列周期と前記第２の方向の配列周期とが互いに異なることを特徴とする波長選択素子。
前記貫通孔における前記第１の方向の配列周期及び前記第２の方向の配列周期のうちの、配列周期の長い一方の配列周期に対する他方の配列周期の比率が、０．１以上０．９以下である請求項１に記載の波長選択素子。
前記金属膜を介して前記第１の基板に対向して配置され、透光性を有すると共に前記第１の基板と同じ第１の屈折率を有する誘電体とされた第２の基板と、
前記貫通孔に充填され、透光性を有すると共に前記第１の基板と同じ屈折率を有する誘電体とされた第１の部材と、
を更に備えた請求項１または請求項２に記載の波長選択素子。
前記貫通孔における前記第１の辺の延伸方向の長さは、前記貫通孔における前記第１の方向の配列周期の０．５倍±１０％以下であり、
前記貫通孔における前記第２の辺の延伸方向の長さは、前記貫通孔における前記第２の方向の配列周期の０．５倍±１０％以下である請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の波長選択素子。
前記第１の基板が、前記金属膜に接する面に沿った第１の領域を有し、
該第１の領域は、前記第１の基板と同じ前記第１の屈折率を有する誘電体層中に、該第１の屈折率より高い屈折率を有する複数の板状体を有してなり、
該板状体は、前記特定の波長帯成分の光の透過中心波長の１／２より小さい配列周期で前記金属膜の面に沿って配列された請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の波長選択素子。
前記第２の基板が前記第１の領域を有する請求項３〜請求項５の何れか１項に記載の波長選択素子。