JPH06214169A - 制御可能な光学的周期的表面フィルタ - Google Patents

制御可能な光学的周期的表面フィルタ

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JPH06214169A
JPH06214169A JP5137368A JP13736893A JPH06214169A JP H06214169 A JPH06214169 A JP H06214169A JP 5137368 A JP5137368 A JP 5137368A JP 13736893 A JP13736893 A JP 13736893A JP H06214169 A JPH06214169 A JP H06214169A
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ジー ホッフマン ザ セカンド リチャード
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ビー ケスラー オーレン
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、共振周波数を変えることが可能
な、可変型光学周期表面フィルタを提供することを目的
とする。 【構成】 本発明一般の、また１つの態様の周期的表面
フィルタは、少なくとも１つの素子１４をフィルタの表
面に有し、またこの素子の光学的特性を変えるための電
子的な制御手段を備えていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、周期的表面フ
ィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】周波数選択性表面（ＦＳＳ）に関して本
発明の背景を以下に説明するが、これによって、本発明
の範囲が制限されるものではない。ここで用いる「周期
的表面」という用語は、周期的アレイアンテナや周期的
開口から光学的回折格子まで、また、マイクロ波からＸ
線までの波長のすべてを含む広い範囲の物体を表すのに
用いられる。このような種類の１つの表面は、フィルタ
や偏光子として有用なワイヤによる格子である。また、
周波数選択性表面（ＦＳＳ）としても知られている周期
的表面フィルタは、ワイヤによる格子技術をさらに発展
させた技術である。これは、誘電性基板上に導電性の薄
い膜で適当な形状を作ったものである。この膜の素子と
素子との間の間隔は１波長よりも小さくすることが可能
である。これによって、光学的波長帯域において、１次
の透過回折が得られる。なお、より最近の技術では、さ
らに高次の透過回折が得られている。周波数選択性表面
（ＦＳＳ）で構成された導電性表面を用いて、赤外フィ
ルタを作ることができる。なお、従来技術のほとんど
は、一定周波数構造を用いたものである（すなわち、帯
域通過あるいは帯域阻止のどちらかの周波数特性を決め
る共振が固定であり、これを、時間的に変えたり、変調
させたり、同調させたりすることができない）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記のことから、共振
周波数を変えることが可能な、可変型光学周期表面フィ
ルタが求められていることがわかろう。本発明はこのよ
うな要求を満たそうとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】一般に、また本発明の１
つの態様においては、周期的表面フィルタは、フィルタ
の表面の少なくとも１つの素子と、この素子の光学的特
性を変えるための電子的な制御手段とによって構成され
る。好適には１つあるいはそれ以上の電子的スイッチを
用いて、素子の電気的・光学的な結合を変えるようにす
るか、または、電子的に同調可能な電気光学材料を用い
て、素子の共振周波数を変える。
【０００５】本発明の他の態様においては、基板および
その基板上に形成された周期的表面フィルタから成るＱ
スイッチが用いられ、これによって周期的表面フィルタ
が、スイッチ可能なキャビティの鏡として働くようにな
されている。本発明のさらに他の態様による、スターテ
ィングシステムは、検出器と、対物レンズと、基準と、
スイッチング光源と、周期的表面フィルタとから成るこ
とを特徴とするものであり、これによってフィルタがシ
ステムのシャッタとして働くようになされている。
【０００６】本発明のさらに他の態様は、容量性周期的
表面フィルタアレイを形成する方法を提供せんとするも
のであり、この方法はマスク層を基板上に形成し、この
マスク層をパターン形成して基板の一部分を露出させ、
このパターン形成されたマスク層の上および露出された
基板の部分の上に金属層を形成し、パターン形成された
マスク層およびパターン形成されたマスク層の上の金属
層とを除去するステップとからなっている。
【０００７】本発明の他の態様は誘導性周期的表面フィ
ルタアレイを形成する方法を提供せんとするものであ
り、この方法は、第１のマスク層を基板上に形成し、第
２のマスク層を第１のマスク層の上に形成し、第２のマ
スク層をパターン形成して第１のマスク層の一部分を露
出させ、パターン形成された第２のマスク層の上および
第１のマスク層の露出された部分の上に第１の金属層を
形成し、パターニングされた第２のマスク層とパターニ
ングされた第２のマスク層上の第１の金属層を除去し、
第１の金属層によって被われていない領域の第１のマス
ク層を除去して基板の一部分を露出させ、第１の金属層
の上および露出された基板の部分の上に第２の金属層を
形成し、第１のマスク層および第１の金属層および第１
のマスク層上の第２の金属層の残りの部分を除去するス
テップからなる。
【０００８】
【実施例】本発明は、周波数選択性表面（ＦＳＳ）とし
ても知られている周期的表面フィルタの技術に基づいた
ものである。マイクロ波での応用では、波長が十分に長
いため、大きな素子パターン寸法を用いることができ、
ＦＳＳを作成することは、すでに成熟した技術となって
いる。集積回路の作成技術において、小さな開口窓を導
電性膜に作ること、あるいは、小さな導電性素子パター
ンを誘電膜の上に作成する技術が進歩したために、この
技術を光学的波長帯域にも適用することが可能となって
きた。今日のこれらの技術を用いると、赤外領域で十分
に用いることができるようなパターン寸法の素子を作成
することが可能となってきたため、これまでとは異なっ
た方法のフィルタの設計を実現させることができる。ま
た、最近の量子エレクトロニクスあるいはナノ・エレク
トロニクスの開発の進展によって、ＦＳＳに同調機能を
付加させることが可能となった。さらに小さな電子部品
素子を作成することができるようになったために、かつ
ては単なる可能性でしかなかった非常に多くのことが、
現実のものとなってきた。このような可能性の１つが、
電子的に同調可能なＦＳＳを作成することである。
【０００９】ＦＳＳは、アンテナのような共振素子であ
るので、比較的広い範囲幅を有するようにでき、また角
度に対してあまり依存性をもたないようにすることがで
きる。ＦＳＳは、偏光されているか、あるいは偏光して
いないかどちらかの透過／反射特性を有する帯域通過あ
るいは帯域阻止フィルタとして設計することができる。
デバイスの共振周波数（ｆ0 ）をシフトさせることがで
きるような、あるいは帯域通過特性あるいは帯域阻止特
性のオンとオフを切り換えることができるという意味で
の切り換え可能な、あるいは同調可能なフィルタ構造を
形成することがしばしば必要となっている。
【００１０】図１（ａ）−（ｄ）は、ＦＳＳ格子素子の
いくつかの例を示したものである。線形素子は偏光に対
する選択性を有しているが、他の素子は偏光に対して依
存しない。一般に、素子パターン寸法によって共振周波
数が決まる。また、単位セル領域によって、共振のＱ、
あるいは帯域阻止幅が定まる傾向がある。同調可能な周
期構造フィルタを作成することに関しての基本的なアイ
ディタは、素子要素あるいは層構造の実効的な幾何学的
形状を制御しようということ、また、構成要素材料の誘
電率を制御しようという点にある。例えば、透過型の帯
域通過ＦＳＳの基本的な設計は、誘電体の上に周期的な
アレイ構造の穴（要素パターン）を有する導電膜を形成
し、その上を光学的反射防止膜を被覆させたものであ
る。このとき、通過波長は、実効的な要素パターン寸法
の関数となる。従って、波長を変える１つの方法は、穴
の寸法や形状を変えるためのスイッチを配備させること
である。適当なスイッチングによって、穴を「短絡され
た状態」とし、透過をほとんど零まで減少させることが
できる。透過を変える他の方法は、素子要素層の下に光
伝導性基板を具備させるようにするか、あるいは、一連
の光伝導性によって作動するスイッチを具備させて、所
望の波長と制御光の強度に対して露出させるようにする
ことである。
【００１１】共振透過による帯域通過型ＦＳＳ素子は、
スロットを有する１つあるいはそれ以上の金属膜、ある
いは金属要素を、周期的２次元格子としてアレイ状に配
し、その周囲を１つあるいはそれ以上の誘電膜によって
取り囲むようにすることによって構成することができ
る。この誘電体としては、ドープした、および／あるい
は、パターン形成した半導体を用いることができる。
【００１２】一方、共振透過による帯域阻止型フィルタ
は、類似の誘電体積層構造と２重の金属構造（すなわ
ち、金属から非金属へ、および非金属から金属へ）とを
用いて形成することができる。従って、ＦＳＳは、「ダ
イポール」と総称されている不連続な金属素子をアレイ
状に配置したかのように見える。ただし、多重偏光素子
（穴、十字形ダイポール、３極子など）を用いることも
できる。帯域通過型あるいは帯域阻止型のどちらで動作
させるにせよ、「良好な」特性を得るには、格子ロープ
条件が適当なものとなっていることが必要である。
【００１３】ＦＳＳフィルタあるいはＦＳＳ構造におい
ては、共振周波数は、基本的には、素子（スロット、ダ
イポール、穴、ドットなど）の電気長に比例する。従っ
て、ＦＳＳの共振周波数は、素子の電気長を変えること
によって変えることができる。これを最も簡単に達成す
るには、次の２つの方法がある。すなわち、素子を物理
的な長さを変えるか、あるいは素子を取り囲む材料の電
気的なパラメータを変えるかである。あるいは、これに
代わる第３の技術として、素子にそったどこかにインピ
ーダンス負荷を配置し、なんらかの指定の方法でインピ
ーダンスをシフトさせるようにしてもよい。
【００１４】なお、スイッチング（オン／オフ）動作
は、共振を所望の周波数帯域の外部に移動させることに
よって、あるいは、誘電体の一部を高導電性を有する状
態に変換することによって得ることができる。後者の条
件は半導体を用い、これに適当なバイアスをかけること
によって実現することが可能である。いくつかの方法に
よって、電子的に同調可能な構造をモノリシックに形成
し、基本的なＦＳＳに同調性を付加させることができ
る。帯域切り換えフィルタ特性はパターン形成されたア
ンテナ構造を電子的に再構成することによって、得るこ
とができる。一方、微同調あるいは、バンドのスイープ
はアンテナアレイ基板の材料特性を電子的に調整するこ
とによって、達成することができる。本発明において
は、反射型および透過型の両方に対して、帯域切り換え
および帯域スイープ動作が可能なＦＳＳを実現すること
が可能である。帯域切り換えは、集積された能動スイッ
チを用いて、ＦＳＳアンテナ要素間の結合を変えること
によって達成することができる。一方、帯域スイープ
は、電気的に同調可能な電気光学材料をＦＳＳ基板に集
積化することによって達成することができる。
【００１５】同調可能なＦＳＳに関する第１の好適な実
施例では、１つあるいはそれ以上の電界効果トランジス
タ（ＦＥＴ）素子を用いて、一定固定パターンのＦＳＳ
共振器の実効的な光学的長さを変えるようになされてい
る。ＦＥＴ素子をディジタル的にオン・オフ動作させる
ことによって、離散的な変化をＦＳＳ共振に対して作り
だし、帯域切り換えをＦＳＳ共振器に実現させることが
できる。図２（ａ）−（ｃ）は、この実施例による構造
を図式的に示したものであり、図２（ａ）の例では、容
量性（ダイポール）のパターンによって形成されたアン
テナ構造領域が、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によ
って互いに結合されたり分離されたりされるようになっ
ている。一方、図２（ｃ）では、誘導性（スロット）パ
ターンによって形成されたアンテナ構造を、電界効果ト
ランジスタ（ＦＥＴ）を用いて互いに結合あるいは分離
している。
【００１６】図２（ａ）に示されているような、帯域切
り換え「容量性」ＦＳＳ共振器１０を形成するには、交
差したダイポールパターン１４の端近くにアンテナスタ
ッブ１２を具備させこれを、同じ数のＦＥＴスイッチ１
６を用いて結合させる。十分なバイアス電位をＦＥＴ素
子１６のゲート入力に与えると、ダイポール１４と、そ
のそれぞれの端部のスタッブ１２との間が電気的に結合
され、その結果として交差したダイポール共振器１０の
光学的な長さが実効的に伸びることとなる。一方、ＦＥ
Ｔゲート１６がバイアスされていない状態のときには、
素子のチャネル抵抗が非常に大きくなり、その結果交差
したダイポールと、そのそれぞれの端部のスタッブ要素
との間が電気的に、また光学的に分離される。図２
（ｂ）は、この構造の電気的モデルを示したものであ
る。それぞれのＦＥＴ素子１６が「オフ」状態となって
いるような条件下では、交差したダイポールアンテナの
主要要素部分１４はその端部のスタッブ１２から分離さ
れており、全体としての共振波長が短くなる。一方、そ
れぞれのＦＥＴ素子１６が「オン」状態となっているよ
うな条件下では、交差したダイポールアンテナの主要要
素部分１４はその端部のスタッブ１２と互いに結合さ
れ、全体としての共振波長が長くなる。
【００１７】一方、図２（ｃ）に示されているような帯
域切り換え「誘導性」ＦＳＳ共振器を形成するには、交
差ダイポールパターンのネガのリソグラフィパターンを
一様な導電性膜に形成し、これによって交差したダイポ
ールスロットパターン１８を作成し、また、ＦＥＴ素子
２０によって、スロットパターンを電気的・光学的に短
絡させる。この種類の共振器では、ＦＥＴ素子２０をオ
ンにすると、ＦＳＳパターンの内側部分が橋絡されて、
ダイポールスロットパターン１８が実効的に短くなる。
ＦＥＴ素子２０をオフさせると、ＦＥＴチャネルの短絡
状態が解除され、スロットパターン１８の共振は、物理
的な全長によって決定される。単一のダイポールあるい
はスロット、３極子および３スロット、およびこれらの
いろいろな容量性および誘導性パターンを組み合わせた
ものからなる容量性および誘導性アレイの両方を含め
て、いろいろなパターン形成されたアンテナ構造に対し
て、上記の基本的概念を拡張することができる。
【００１８】図３は、ＦＳＳパターンをＦＥＴスイッチ
と集積化させる１つの好適な方法を示したものである。
この実施例においては、それぞれのＦＥＴスイッチ１６
のチャネル３０は好適にはＩｎＧａＡｓによって形成さ
れている。また、均一にドープされた導電層がＦＳＳパ
ターン１２、１４の下に設けられており、ゲート制御電
極３２として働くようになされている。ＦＥＴチャネル
領域３０は、ＦＥＴチャネルの伝導度を制御することが
できるように形成されている。図３は、このような１つ
のＦＥＴの基本的なレイアウトを示したものであり、ダ
イポールの形にパターン形成されたアンテナ構造１４と
ともに集積化されて、長さが可変な共振器が形成されて
いる。ダイポール素子の主部１４の端部と、そのそれぞ
れの金属スタッブ１２との間のギャップの間に能動スイ
ッチが設けられている。２つの金属構造１２、１４は半
導体チャネル３０へのオーミックコンタクトとなってい
る。デバイスは好適には、埋め込まれたＩｎＧａＡｓに
よるゲート４０を基板３８の上に有し、また、ＩｎＡｌ
Ａｓの層４２をゲート４０とチャネル３０との間に具備
しており、さらにＩｎＡｌＡｓの層４４がチャネル３０
の上部に設けられている。
【００１９】ＦＥＴスイッチ２０を誘導性（スロット）
ＦＳＳパターン１８と集積化させることが同様な構造と
方法を用いて可能である。すなわち、ＦＥＴ２０をスロ
ットダイポールパターン１８軸と直角に形成し、さらに
ＦＥＴチャネルへのオーミックコンタクトをスロットパ
ターンの内側の端の部分に形成し、また下地となる一様
な導電性膜をＦＳＳおよびＦＥＴチャネルの下に形成し
て制御ゲート電極として働くようになす。なお、図４
に、スロットＦＳＳ１８の構造に対して適用したＦＥＴ
構造２０の平面図を示す。
【００２０】ＦＥＴスイッチが正しく動作して、ＦＳＳ
パターンの光学的共振を変化させることができるために
は、ＦＥＴチャネルの電位がそれぞれの制御ゲート電極
を基準として定められた適当な電位となっている必要が
ある。もし、ＦＳＳパターンを誘導性スロットパターン
の形とするときには、パターン形成されたアンテナ構造
は電気的にその表面が電気的に連続していなければなら
ない。また、ＦＥＴチャネルをバイアスに設定する好適
な方法は、直接にＦＳＳパターンをその周辺に接触さ
せ、これによってバイアスを供給してＦＥＴのチャンネ
ルの電位を確定させるようにすることである。一方、容
量性のＦＳＳパターンは、不連続であるから、すべての
ＦＥＴチャネルに対して共通の電気的接触をさせるため
のバスとなるなんらかの手段が必要となる。このバス
は、好適には、導電性半導体層パターン、すなわち下部
被覆層をＦＳＳアンテナ素子の下に図５に示したように
付加させることによって達成される。これらの半導体バ
スライン５０は、ＦＳＳパターン１４の周辺と半導体あ
るいは金属配線を用いて相互接続され、こうして接触・
バイアスされてＦＥＴ１６のチャネルの電位が設定され
る。あるいは、好適には、薄い（およそ５ナノメートル
の厚さの）白金またはニッケルあるいは金の金属膜をＦ
ＳＳパターンの上に堆積させて、分離しているＦＳＳダ
イポール素子１４を電気的に相互接続させるようにする
こともできる。この方法では、見かけの被覆金属膜の光
学的厚さは、ＦＳＳ共振波長よりも小さくなっていなけ
ればならない。薄い金属膜あるいは半導体膜はこのよう
な用途に用いたとき、赤外放射に対する透明性を十分に
維持することが可能である。
【００２１】図６は、ＦＥＴ１６のチャネルバスと埋め
込まれた共通ゲート層との間の電気的なバイアスによっ
て、いかにしてトランジスタがオフの状態（絶縁性）と
オンの状態（導電性）が切り換えられるかを示したもの
である。バイアスが下地のゲート４０に印可されていな
いときには、ゲート４０およびチャネル３０の両方の層
とも自由電子を含んでいる。従って、チャネル３０中の
電子によってダイポール１４とスタッブ１２とが接続さ
れて、実効的な長さが増大する。一方、ゲート４０が負
にバイアスされたときには、ギャップの間のチャネル３
０の電子に対するポテンシャルが表面を基準としてフェ
ルミレベルの上まで増大し、チャネルの電子が空乏化し
て、スタッブ１２への接続が断たれる。
【００２２】詳細なモデリングを用いて、ＦＥＴをスイ
ッチングさせたときに、最大の光学的効果を得るのに必
要なドーピングレベル、バイアス条件、および幾何学的
構造を求めることができる。例えば、初期の計算によれ
ば、ＩｎＡｌＧａＡｓヘテロ構造を用いた場合には、赤
外周波数において必要とされる伝導・絶縁特性を有する
サブミクロンの大きさのトランジスタを作成することが
できる。１０ミクロンの光の周波数はおよそ３０テラヘ
ルツ（ＴＨｚ）の程度となる。この振動周期は３３フェ
ムト秒（ｆｓ）の繰り返し周期に対応し、このような波
長においてＦＥＴ構造のチャネルが電気的・光学的な導
電性を示すためには、ＦＥＴのチャネルのドーピングレ
ベルはある最小値以上となっている必要がある。この波
長に応答することができる半導体は、チャネルのドーピ
ングが、好適には、５×１０18cm -3よりも大きくまた、
約１０００cm2 ／Ｖｓの移動度を有しているようなもの
である。このドーピングレベルは、ＩｎＧａＡｓ化合物
を用いて日常的に達成することができるものである。
【００２３】これに代わる実施例においては、上記のＦ
ＥＴを、例えば可変ミラー素子（ＤＭＤ）などの他のス
イッチング素子と置き換えることができる。図７は、Ｄ
ＭＤを用いた構造の１つの例を示したものである。ただ
し、これとは異なるいろいろな種類のＤＭＤ、あるい
は、これとは異なる構造的配置を用いた多くの他の実施
例があり得、実質的に同じ目的を達成することができ
る。ＤＭＤにはいろいろな種類があり、また、いろいろ
な製造方法がある。これらの例は、ラリー・Ｊ・ホーン
ベックによる「可変ミラー空間的光変調器」（ＳＰＩＥ
会報、第１１５０巻、１９８９年８月）に記載されてい
る。図７は、スペーサ６２によって基板６０に取り付け
られた梁６４を有するＤＭＤを示したものである。一般
に、アドレス回路（図示せず）が基板６０の上に設けら
れていて、梁６４の動きを制御するようになされてい
る。ＦＳＳ素子を梁６４の上に直接に形成して、梁６４
を静電的に動かし、固定スタッブ６６に接続するように
なされている。これは、ＦＥＴの実施例において先にし
たように、光学的な長さが伸びる働きをする。固定スタ
ッブ６６を基板に対して取り付け支持する方法はいろい
ろなやり方がある。例えば、図に示したように支柱６８
を用いることもできるし、あるいは、スタッブ６６全体
を基板６０に接触するようにすることもできる。もし、
所望であれば、梁６４の接触点とスタッブ６６との間隙
を、制御バイアスによって変えることによって、ＤＭＤ
を用いた実施例において、可変容量あるいは可変負荷イ
ンピーダンスを得るようにすることもできる。
【００２４】他の代わり得る実施例においては、ＦＥＴ
は光伝導体７０と置き換えることができる。あるいは、
光伝導特性を有する基板７８自身を用いるようにするこ
ともできる。例えば、帯域通過型のＦＳＳに対しては、
光伝導体７０を図８（ａ）に示したように配置し、スロ
ット７２に沿っての伝導経路を形成するようにできる。
あるいは、図８（ｂ）に示したように、素子７４の間に
伝導経路を形成して、帯域阻止型のＦＳＳを得るように
することもできる。なお、光伝導体は、適当な波長の光
源７６を用いて、制御することができる。図８（ａ）お
よび図８（ｂ）は、ＦＳＳの断面を表したものである。
なお、素子の形状および数はいろいろと変えることがで
きる。もし、適当な基板７８が用いられていれば、制御
光源７６によってキャリアが基板７８自身の中に生成さ
れ、適当な伝導経路が形成される。
【００２５】同調可能なＦＳＳの他の好適な実施例にお
いては、ＦＳＳ基板の誘電体特性を電気的に変調させる
ことによって、滑らかにＦＳＳアンテナパターン構造の
共振特性をシフトさせる。一般に、基板の屈折率
（ｎ0 ）が変調されると、アンテナ素子の実効的な長さ
が次の方程式１に従ってシフトする。 Ｌeff ＝Ｌ0 √（ｎs 2 ＋ｎ0 2）／２ （１） ただし、 Ｌ0 はアンテナ素子の主軸の物理的長さ ｎs はＦＳＳ基板の屈折率 ｎ0 は空気あるいはアンテナ素子の上部のパシベーショ
ン層の屈折率 である。
【００２６】さらに、光の吸収係数（ｋ）の変化によっ
て、ＦＳＳの帯域通過波長および全体の光吸収の両方が
影響を受ける。滑らかに同調させることが可能なＦＳＳ
共振を得るための好適な実施例においては、電気光学
（ＥＯ）材料８０が、図９に示したように、ＦＳＳアン
テナパターン構造８２の部分に、あるいは、その近くに
埋め込まれる。この層をよぎって電気的なバイアスをか
けると、層の誘電特性が変調され、その結果として、Ｆ
ＳＳ素子の光学的環境が変調される。ＥＯ層８０はアン
テナ素子８２の近くの複素電磁界と強く相互作用し、バ
イアス電圧を滑らかに変化させることによって、滑らか
なシフトをＦＳＳ共振特性に生じさせることができる。
好適には、電気光学層８０は、ＦＳＳアンテナ素子の共
振特性の近くの光学的共振特性を有するように構成され
た超格子ヘテロ構造から成る。
【００２７】通常は、バルクの半導体の赤外波長領域に
おける電気光学的応答は、どちらかと言えば小さい、し
かし、図１０に示したように、量子的閉じ込め効果を用
いると、選択された波長領域において強い変化をｎおよ
びｋに対して生じさせることができる。ＩｎＧａＡｓな
どのバンドギャップの小さな材料をＩｎＡｌＡｓなどの
バンドギャップが大きい２つの材料の間に挟んでサンド
ウィッチ構造とすることによって量子閉じ込めポテンシ
ャル井戸を形成することができる。これらの半導体層
は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学蒸着
法（ＭＯＣＶＤ）、あるいは通常のエピタキシャルプロ
セスによって成長させることができる。ＩｎＡｌＡｓの
障壁と、その中間のＩｎＧａＡｓ層とによってポテンシ
ャルエネルギ井戸を形成すると、赤外領域において強い
発振強度を示す離散的な電子状態が形成される。あるい
は、大きなギャップと小さいギャップの薄い半導体を繰
り返し成長させることによって超格子構造を作成し、こ
れにより同様は変化をバンド間エネルギの近くの光学定
数に生じさせることができる。
【００２８】光学的共振量子井戸構造に電子を付加させ
たり、あるいは除去することによって、大きな変化をバ
ンド間（Ｅintra ）エネルギの近くのｎおよびｋに生じ
させることができる。従って、量子井戸あるいは共鳴超
格子をＦＳＳ素子の近くに設けることによって、ＦＳＳ
共振波長の劇的な変化を上記の方程式１に従って生じさ
せることができる。なお、量子井戸構造における強いＥ
Ｏ効果については、レーザ、ＥＯ変調器、また最近では
赤外検出器アレイの用途において非常によく研究されて
いる。
【００２９】量子井戸の幅を適当に選択すると、ｎ＝１
のエネルギ状態とｎ＝２のエネルギ状態との間隔を変え
ることができる。この量子井戸の幅の選択は、ｎ＝１の
基底状態の電子密度を充満あるいは枯渇させたときに、
ＦＳＳアンテナ構造の中心共振波長における量子井戸構
造全体の屈折率の変調の大きさが最大となるように行
う。８ミクロンから１２ミクロンの波長帯域においてＦ
ＳＳパターンを同調させるのに用いるための好適なヘテ
ロ構造に対して、計算で求めたエネルギーバンド図を、
図１１（ａ）−（ｂ）に示す。この構造は、表１に記載
したような材料に関する好適なパラメータおよび寸法に
関するパラメータを有し、通常のＭＢＥあるいはＭＯＣ
ＶＤ法を用いて作成される。
【００３０】 表 １ ─────────────────────────────── 厚さ（nm） 材料 ドーピング ──────────────────────────────── ５０ ＩｎＡｌＡｓ アンドープ １1.５ ＩｎＧａＡｓ アンドープ量子井戸 ５０ ＩｎＡｌＡｓ アンドープ １００ ＩｎＧａＡｓ ２×１０18cm-3 ──────────────────────────────── この例では、量子井戸の幅は、１1.５nmであり、これに
対応するサブバンド間隔は１２４ｍｅＶとなり、１０ミ
クロンの光を吸収させるのに適している。
【００３１】量子井戸の非線形光学特性を用いてＦＳＳ
アンテナパターン構造の共振特性をシフトさせるには次
の２つの条件が必要である。すなわち、まず、入力電磁
放射の電界は、量子井戸の平面に対して垂直に向いた成
分を有していなければならない。次に、量子井戸の基底
状態は電子が充満していなければならない。ＦＳＳ内で
の電磁回折によって、量子井戸の状態と強く結合するこ
とが可能な表面電界が生じる。一方、電気的なバイアス
をかけることによって、量子井戸構造に電子を加えたり
除去したりすることが可能である。ＦＳＳと井戸との結
合の強さは、次のブラッグ条件によって定まる。
【００３２】ｄ sinθ＝ｍλ／ｎ ただし、ｄは、素子間隔 θは、入力電磁放射の伝搬方向とＦＳＳ表面の法線との
間の角度 ｍは、回折の次数 λは、電磁放射の波長 ｎは、屈折率 である。
【００３３】この結合は、自由パラメータであり、ＦＳ
Ｓアンテナの幾何学的構造、およびＦＳＳと下地の量子
井戸層との間の距離とで定まる。図１２は、基板に単一
量子井戸ヘテロ構造共振器が作りつけられているＦＳＳ
の断面図である。下地の量子井戸共振器が正しく動作し
て、ＦＳＳパターンの光共振器を変化させることができ
るためには、量子井戸ヘテロ構造の両側の電位が定めら
れた値となっている必要がある。好適にはＩｎＧａＡｓ
からなる埋め込み制御電極９０を用いて、量子井戸層９
２を電子で満たしたり、逆に空乏化させたりする。ま
た、好適には、バンドギャップの大きなＩｎＡｌＡｓの
半導体層９８が量子井戸（あるいは超格子）層９２のど
ちらかの側に設けられる。
【００３４】ＦＳＳパターン９４が誘導性スロットパタ
ーン形状であるときには、アンテナパターン構造はその
表面が電気的に連続となっているので、この場合の量子
井戸のバイアスを設定する好適な方法は、直接にＦＳＳ
パターン９４をその周辺に接触させて、ＦＳＳ９４と埋
め込み制御電極９０にバイアスを供給することである。
しかし、容量性のＦＳＳパターンは不連続であるので、
量子井戸の基底状態を充満させたりあるいは枯渇させた
りするための量子井戸層９２をよぎるバイアスを供給す
るための何らかの手段が必要となる。このバイアスは、
好適には、バス電極９６をＦＳＳアンテナ素子の直下
に、先に図５において示した方式でＦＳＳパターン９４
に付加させることによって供給される。これらのバスラ
イン９６は、好適には、ドープされた半導体ラインによ
って構成され、これによってすべてのＦＳＳアンテナ要
素が電気的に相互接続される。個々のバスライン９６
は、ＦＳＳパターン９４の周辺に半導体または金属配線
を用いて相互接続されており、こうして、最終的に量子
井戸層９２に接触されて、そのポテンシャルを設定す
る。あるいは、好適には、薄い（５ナノメートルの厚さ
の）白金、ニッケル、あるいは金の金属膜をＦＳＳパタ
ーンの上に堆積させて、それぞれの分離したＦＳＳダイ
ポール素子を電気的に相互接続させるようにすることも
できる。なお、この方法では、被覆金属のみかけの厚さ
は、ＦＳＳ共振波長よりも小さい必要がある。薄い金属
膜あるいは半導体膜は、このような用途に用いたとき
に、赤外放射に対する十分な透明性を維持することが可
能である。
【００３５】単層レジストオフによるメタライズ技術を
好適に用いて、容量性（ダイポール、３極子）アレイを
作成することができる。一方、誘導性（スロット）アレ
イの場合には、ポリマー上に金属をのせた２層リフトオ
フプロセスによって好適に作成することができる。ま
た、他の作成方法、例えば、イオンミリングおよび反応
性イオン金属エッチング（ＲＩＥ）を用いるようにする
ことも可能である。0.１ミクロン以下のアンテナ要素寸
法を有するＦＳＳアレイを好適なプロセスを用いて作成
することが可能である。
【００３６】図１３（ａ）−（ｄ）は、容量性アンテナ
構造を作成するのに用いることができる単層レジストリ
フトオフプロセスを示したものである。制御された分子
量を有するポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）１０
２を好適に選択された基板１００の上にスピンオン法を
用いて塗布し（図１３（ａ））、好適には電子線リソグ
ラフィを用いて露光する（図１３（ｂ））。ＰＭＭＡ
（１０２）はメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）とイ
ソプロピルアルコールの１：１溶液を用いて現像するこ
とができる。次に、典型的には金あるいはアルミニュム
の金属薄膜１０４を好適にパターン形成されたレジスト
１０2 の上と、基板１００の露出した部分の上に蒸着す
る（図１３（ｃ））。次に、アセトン中に浸すことによ
って、残存しているＰＭＭＡと、ＰＭＭＡ１０２の上の
金属１０４とをリフトオフ除去する（図１３（ｄ））。
このプロセスによって、一様なアンテナ素子のアレイ
が、選択された基板の表面上に作成される。
【００３７】誘導性格子を作成するには、これより多少
複雑なプロセスが必要である。原理的には、ＰＭＭＡの
代わりにネガの電子線レジストを用いて、容量性格子を
作成するのに用いたのと同じプロセスを用いることも可
能である。しかし、現像されたネガレジストの側壁が通
常は垂直とはならないので、現実にはリフトオフには適
していない。これに代わって、図１４（ａ）−（ｇ）に
示したような、ポリマーの上に金属をのせた２層リフト
オフプロセスをネガレジストプロセスとして好適に用い
ることができる。好適には、ポリイミド１１２をスピン
オン法によって選択された基板１１０の上に塗布し、さ
らに、ＰＭＭＡ層１１４を塗布させる（図１４
（ａ））。次の、３つのステップ（図１４（ｂ）−
（ｄ））は、好適には容量性格子のプロセスと同じもの
であり、これらのステップによって、誘導性スロットの
金属パターン１１６がポリイミド層１１２の上部に形成
される。ポリイミド１１２へのパターン転写を、例え
ば、Ｏ2 プラズマを用いて行う際に、金属パターン１１
６はそのエッチングマスクとして働く（図１４
（ｅ））。最後に、好適には金属層１１８を堆積し（図
１４（ｆ））、残存しているポリイミド１１２と、その
上の金属１１６、１１８とを例えばジクロロメタンに浸
すことによって除去する（図１４（ｇ））。
【００３８】分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの最近
の結晶成長技術を用いることによって、半導体層の厚
さ、ドーピング、半導体組成を原子層のレベルで制御す
ることが可能である。また、隣り合う半導体の間で半導
体の組成を変えることによって、層と層との間でバンド
ギャップを変えることも可能である。これによって、成
長方向の電子ポテンシャルエネルギーを精密に制御する
ことが可能である。
【００３９】ＧａＡｓ、ＩｎＰ、およびＳｉ基板上にヘ
テロ構造素子を成長させるための最新のエピタキシャル
技術がすでに確立している。ＭＢＥおよび有機金属ＭＢ
Ｅプロセスのどちらも、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、Ｉｎ
ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ、
ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ、およびＳｉ／ＣａＦ2 ／Ｇｅ／
Ａｌの単結晶を成長させるために用いることができる。
ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系が量子井戸構造において
好都合なバンド配列を示すために、ここでの目的には特
にこれが有用である。また、この系を用いると、埋め込
み赤外ＦＥＴスイッチとして必要な非常に高濃度のドー
ピングを実現することが可能である。
【００４０】反応性イオンエッチングを用いることによ
って、ＩｎＡｌＧａＡｓ化合物上に高分解能のパターン
を形成することがきる。例えば、３塩化硼素（ＢＣ
ｌ3 ）をベースとして非常に異方性の強いＲＩＥプロセ
スを用いることができる。また、このプロセスは、帯域
切り換えＦＳＳ設計において必要となる電源バスをエッ
チングするために用いることも可能である。また、金属
とＩｎＡｌＧａＡｓ層とのオーミックコンタクトを形成
するためのいくつかの標準的なプロセスが存在してい
る。これらのプロセスはすべて、金あるいはアルミニュ
ウムＦＳＳアンテナ要素設計と整合したものである。
【００４１】同調可能なアレイフィルタのいくつかの利
点として、電気的な高速切り換えが可能であること、高
信頼性が得られること（すなわち、可動部分が存在しな
い）、軽量で小型であること、高速な帯域切り換えが可
能であること、また、高集積透過の能力を有しているこ
となどがある。好適にはＧａＡｓ上のＦＳＳ１２２をス
イッチ可能なキャビティーのミラーとして用いることに
よって、レーザ用のＱスイッチを形成することができ
る。これを達成するには、まず、ＦＳＳ１２２の透過を
用いて、キャビティー１２０をポンピングモードとす
る。次に、光伝導電子を生成させるのに十分な短い波長
を短い強力な光パルスを光源１２４からＧａＡｓに対し
て照射することによって、ＦＳＳ１２２を高速にスイッ
チさせる。すると、レーザ光がキャビティーの一端を形
成しているミラー１２６で反射され、Ｑスイッチパルス
の間、キャビティーが枯渇化する。レーザキャビティー
におけるＦＳＳによるＱスイッチの１つの例を図１５に
示した。これに代わる他の実施例においては、ＦＥＴを
各々の開口窓に設けて、出力パルスに対して開口窓を短
絡するようにすることによって、ＦＳＳをスイッチさせ
るようにもできる。
【００４２】スイッチ可能なＦＳＳの他の可能性のある
用途は、スターティングシステムのシャッタとして用い
ることである。図１６は、アレイ１３８全体を基準１３
０に対して露出させるのに用いる可能性を示したもので
ある。例えば、冷却なしの検出器アレイ１３８上に、８
−１２μｍのエネルギが対物レンズ１３４によって集束
されている場合を考えよう。この種の検出器は、信号と
比較するための基準１３０が必要である。図に示したよ
うに、ＦＳＳビームスプリッタ１３２を用い、また、基
板に例えばＧａＡｓなどの適当な誘電体が用いられてい
るときには、ＦＳＳビームスプリッタ１３２がオフ状態
にスイッチされているとき、８−１２μｍのエネルギを
通過させることができる。また、ＦＳＳスイッチ１３２
を８−１２μｍの波長に対してオン状態（反射状態）に
スイッチさせるためには、ＦＳＳ１３２の開口窓にスイ
ッチング光源１３５を照射させる。もし、スイッチング
光源の反射が基板のバンドギャップに対応する波長（Ｇ
ａＡｓの場合では約0.８５μｍ）よりも短ければ、光伝
導効果によってＦＳＳ１３２の開口窓部分の導電帯に電
子が生成されて、開口窓を短絡させ、表面を反射性にさ
せる。次に、基準１３０からのエネルギによってアレイ
１３８をフラッド照射する。あるいは、これに代わっ
て、各開口窓に設けたＦＥＴを用いてＦＳＳをスイッチ
させるようにすることもできる。
【００４３】波長帯域を制御できるということに加え
て、これらのフィルタ表面の空間的制御が可能であると
いう特徴を用いると、他の好適な実施例が得られる。
「固体」（機械的でない）光スキャンナがその１つの応
用例である。好適な実施例においては、フィルタを画像
面に配置することによって、ある特定のピクセル領域の
みの光を一度に通過させるようにすることによって画像
平面スキャンナを作成することができる。本発明は、い
ろいろな種類の空間フィルタに適用することができる。
具体的な用途としては、開口形状フィルタがある。フィ
ルタの空間的制御性を用いて位相を制御することが可能
であり、これによって波面の補正・制御を行うことがで
きる。さらに他の可能な実施例は、フィルタを通信ある
いは光処理の光変調器として用いることである。十分に
小さいスケールでの空間的制御ができ、ミクロンの程度
の要素寸法でのスイッチングや変調を行うことが可能で
ある。
【００４４】本発明は、図１６に示したように、例えば
冷却なしで用いるセンサの照射シャッタなどの、機械的
光シャッタの代わりとして用いることも可能である。電
子的にスイッチが可能なフィルタを用いることによっ
て、大きさと重量とを低減することができ、また、信頼
性が増し、また動作の融通性を増加させることができ
る。また、図１５に示したようなレーザのＱスイッチと
して用いることもできる。また、瞬時の通過帯域を変化
させることが可能な帯域通過型のフィルタとしても働か
せることができ、これは、例えば検出データのスペクト
ル解析に有用である。また、有害な波長が変動するよう
な場合において、有害な波長をセンサからブロックする
ためのフィルタとして用いることも可能である。
【００４５】上記の例から明かなように、本発明は多く
の用途に適用することができる可能性を有している。ま
た、本発明は、以上に示した実施例だけに限定されるも
のではなく、広い範囲の用途に用いることができる。好
適な実施例について、以上に説明した。本発明の範囲
は、以上に記載されたものとは異なった実施例をも、本
発明の請求の範囲の中に包含するものである。用語や例
示は本発明の範囲を限定するものではない。
【００４６】本発明は、例示のための実施例に関して説
明したが、これによって、本発明が限定されるものでは
ない。上記の実施例をいろいろに変形したり組み合わせ
たりすることが可能であることは、この分野の専門家に
とっては明らかなことであろう。従って、そのような、
いかなる変形や実施例も本発明の範囲に含まれるもので
ある。
【００４７】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明によって、
共振周波数を変えることが可能な、可変型光学周期表面
フィルタを得ることができる。以上に関連して以下の各
項を開示する。 1. 周期的表面フィルタにおいて、該フィルタが、 ａ．上記フィルタの表面上に少なくとも１つの素子と、 ｂ．上記の要素の光学的特性を変化させる電子的制御手
段とを具備していることを特徴とするフィルタ。 2. 少なくとも１つの電子的スイッチが前記素子の電気
的および光学的結合を変えることを特徴とする、項１に
記載のフィルタ。 3. 上記のスイッチが電界効果トランジスタであること
を特徴とする、項２に記載のフィルタ。 4. 上記のスイッチが変形可能がミラー素子であること
を特徴とする、項２に記載のフィルタ。 5. 上記のスイッチが光伝導体であることを特徴とす
る、項２に記載のフィルタ。 6. 制御光源を用いて上記光伝導体を活性化することに
よって、上記の素子がスイッチされるようになされてい
ることを特徴とする、項５に記載のフィルタ。 7. 上記の素子がアンテナパターン構造と少なくとも１
つの端部のスタッブとから構成されていることを特徴と
する、項２に記載のフィルタ。 8. 上記のスイッチによって、上記のアンテナパターン
構造と上記の端部のスタッブとが分離または接続される
ようになされていることを特徴とする、項７に記載のフ
ィルタ。 9. 上記の素子が分離されていることを特徴とする、項
２に記載のフィルタ。 10. 上記の素子がスロットであることを特徴とする、項
２に記載のフィルタ。 11. 上記の素子が容量性アンテナパターン構造を形成し
ていることを特徴とする、項１に記載のフィルタ。 12. 上記の素子が誘導性アンテナパターン構造を形成し
ていることを特徴とする、項１に記載のフィルタ。 13. 上記の素子がダイポールであることを特徴とする、
項１に記載のフィルタ。 14. 電子的に同調可能な電気光学材料によって上記の素
子の共振周波数が変えられるようになされていることを
特徴とする、項１に記載のフィルタ。 15. 上記の電子的に同調可能な電気光学材料が量子井戸
ヘテロ構造であることを特徴とする、項１４に記載のフ
ィルタ。 16. 電子状態の占有および枯渇を用いて、上記の量子井
戸ヘテロ構造の光学的特性を変調するようになされてい
ることを特徴とする、項１４に記載のフィルタ。 17. 上記の量子井戸が、最も低い伝導帯量子井戸状態の
電子の占有または枯渇によって、上記素子の中心周波数
において最大の変調が生じるように作成された単一量子
井戸からなっていることを特徴とする、項１４に記載の
フィルタ。 18. 上記の量子井戸が、最も低い伝導帯超格子状態の電
子の占有または枯渇によって、上記素子の中心周波数に
おいて最大の変調が生じるように作成された多重量子井
戸からなっていることを特徴とする、項１４に記載のフ
ィルタ。 19. 導電性被覆膜によって、分離した素子が電気的に接
続されるようになされていることを特徴とする、項１に
記載のフィルタ。 20. 上記の被覆膜が金属であることを特徴とする、項１
９に記載のフィルタ。 21. 導電性下地膜によって、分離した素子が電気的に接
続されるようになされていることを特徴とする、項１に
記載のフィルタ。 22. 上記の下地膜が金属であることを特徴とする、項２
１に記載のフィルタ。 23. 上記の下地膜がドープされた半導体であることを特
徴とする、項２１に記載のフィルタ。 24. 上記フィルタが帯域通過フィルタであることを特徴
とする、項１に記載のフィルタ。 25. 上記フィルタが帯域阻止フィルタであることを特徴
とする、項１に記載のフィルタ。 26. 本発明一般の、また１つの態様の周期的表面フィル
タは、少なくとも１つの要素１４をフィルタの表面に有
し、またこの素子の光学的特性を変えるための電子的な
制御手段を備えている。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）−（ｄ）は、ＦＳＳ格子要素の形状のい
くつかを示したものである。
【図２】（ａ）−（ｃ）は、結合された周波数選択性要
素の光学的共振を切り換えるために電界効果トランジス
タを用いた同調可能な周波数選択性表面について示した
図、およびその電気的モデルである。
【図３】電界効果トランジスタを容量性周波数選択性表
面に集積化させた状態を示した断面図である。
【図４】誘導性周波数選択性表面と集積化された電界効
果トランジスタの平面図である。
【図５】ドープされた半導体バスラインによって相互に
接続された容量性周波数選択性表面要素の集合を示す平
面図である。
【図６】容量性周波数選択性表面を有する電界効果トラ
ンジスタの伝導帯のバンド端を導通状態、および非導通
状態の両方に対して示した図である。
【図７】周波数選択性表面と可変ミラー素子を集積化し
た状態を示した断面図である。
【図８】（ａ）−（ｂ）は、周波数選択性表面と光伝導
体とを集積化した状態を示した断面図である。
【図９】同調可能な電気光学層および制御電極を集積し
た容量性周波数選択性表面の要素の１つを示す断面図で
ある。
【図１０】ヘテロ構造および伝導帯のバンド端を示した
図、および単一量子井戸共振器の光学特性を示した図で
ある。
【図１１】（ａ）−（ｂ）は、８から１２ミクロンの波
長帯に同調させた単一量子井戸共振器に対して、計算に
より求めた伝導帯のバンド端を示す図である。
【図１２】埋め込み量子井戸共振器を集積した容量性周
波数選択性表面の１つの要素を示した断面図である。
【図１３】（ａ）−（ｄ）は、容量性周波数選択性表面
パターンを作成するのに必要な一連のステップを示した
断面図である。
【図１４】（ａ）−（ｇ）は、誘導性周波数選択性表面
パターンを作成するのに必要な一連のステップを示した
断面図である。
【図１５】周波数選択性表面をＱスイッチとして用いた
１つの実施例を示した図である。
【図１６】周波数選択性表面をシャッタとして用いた１
つの実施例を示した図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード ジー ホッフマン ザ セカ ンド アメリカ合衆国 テキサス州 75074 プ ラノペッパートゥリー プレイス 2704 (72)発明者 オーレン ビー ケスラー アメリカ合衆国 テキサス州 75073 プ ラノディブレル ドライヴ 3305

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 周期的表面フィルタにおいて、該フィル
    タが、 ａ．上記フィルタの表面上に少なくとも１つの素子と、 ｂ．上記の素子の光学的特性を変化させる電子的制御手
    段とを具備していることを特徴とするフィルタ。
JP5137368A 1992-06-08 1993-06-08 制御可能な光学的周期的表面フィルタ Pending JPH06214169A (ja)

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