表面プラズモン・ポラリトン変調

专利摘要:
装置は、金属性表面を有する基板と、構造物と、金属性上部表面に対向する誘電物体とを含む。構造物は、金属性表面上を伝播する表面プラズモン・ポラリトンを光学的に生成するように構成される。誘電物体は、金属性表面に沿った、およびその近くの異なる位置のアレイにおいて誘電率の値を調節するように制御可能である。
公开号:JP2011505583A
申请号:JP2010533066
申请日:2008-10-28
公开日:2011-02-24
发明作者:アクスユク，ウラジミール，アナトリヴィッチ；ブルンバーグ，ギルシュ
申请人:アルカテル−ルーセント ユーエスエー インコーポレーテッド；
IPC主号:G02B26-00

专利说明:

[0001] 本発明は、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ：ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）に基づくデバイスおよびそのようなデバイスを動作させる方法に関する。]
背景技術

[0002] 本節は、本発明のよりよい理解を助けることができる態様を紹介する。したがって、本節の説明は、この観点から読むべきであり、何が先行技術に含まれるのか、または何が先行技術に含まれないのかについて認めるものとして理解すべきでない。]
[0003] 全光学的なルータは、受信した光信号を電気信号に中間変換せずに、光学的ルーティングを実施する。最近まで、そのような変換を回避することによって、全光学的なルータは、受信した光信号を中間的な電気信号に変換する従来の非全光学的なルータより迅速に光学的ルーティングを実施することが可能であった。全光学的なルータは、通常、そのような非全光学的なルータより簡単であった。というのは、そのような変換をするためのハードウェアがなかったからである。実際、そのような全光学的なルータは、動作速度がより速く、複雑さがより低いことによって、しばしば非全光学的なルータより好ましいものになっていた。]
[0004] 最近、様々なタイプの非全光学的なルータに対する関心が高まってきている。１つのタイプの非全光学的なルータは、表面プラズモン・ポラリトンを使用して、光学的ルーティングを実施する。このタイプの非全光学的なルータには、高速で動作し、かつ製作するのに簡単で安価であるという両方についての可能性がある。具体的には、そのような非全光学的なルータの製作は、主にマイクロエレクトロニクスおよび集積光学製作に使用される従来の技術に基づくことができる。]
[0005] また、表面プラズモン・ポラリトンは、表面プラズモンと一般に言われる。表面プラズモンは、伝播する表面電荷密度と付随する電磁波の組み合わせである。表面プラズモンは、金属と誘電体の間の界面に沿って伝播することができ、かつ真空に晒された金属の表面に沿って伝播することができる。表面プラズモンは、そのような界面に沿って、ならびに表面が滑らかであろうと、凹凸があろうとも、および表面が平坦であろうとも、湾曲していても、そのような表面に沿って伝播することができる。]
先行技術

[0006] 米国特許第７，０２７，６８９号
米国特許第７，０６８，４０９号
米国特許出願第１１／３９４９５０号
米国特許出願第１１／５１４５８４号
米国特許出願第１１／４４８，３９０号]
発明が解決しようとする課題

[0007] 様々な実施形態によって、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ：ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）の噴流を変調するための装置および方法が提供される。いくつかの実施形態では、ＳＰＰの噴流を合焦させる、またはその焦点がぼかされる。いくつかの実施形態は、ＳＰＰに付随する電磁場の強さを高めるために使用することができる。]
課題を解決するための手段

[0008] 第１の態様では、本発明は、金属性表面を有する基板と、構造物と、その金属性の上部表面に対向する誘電物体とを含む装置を特徴とする。構造物は、金属性表面上を伝播するＳＰＰを光学的に生成するように構成される。誘電物体は、金属性表面に沿った、およびその近くの異なる位置のアレイにおいて誘電率の値を調節するように制御可能である。]
[0009] 本装置のいくつかの実施形態では、誘電物体は、金属性表面に対向する誘電体層、およびその層に沿って配置された磁気的または電気的なコントローラを含む。各コントローラは、誘電体層の隣接した部分の誘電率を変更することが可能である。]
[0010] 本装置のいくつかの実施形態では、構造物は、金属性表面に沿った変形部の規則的なアレイを含む。]
[0011] いくつかの実施形態では、本装置は、ＭＥＭＳアクチュエータのアレイを含み、誘電物体は、フレキシブルな誘電体層、または誘電体ブロックのアレイを含む。各ＭＥＭＳアクチュエータは、層の対応する部分の金属性表面からの距離を、またはブロックの対応するブロックの金属性表面からの距離を変更することが可能である。いくつかのそのような実施形態では、誘電体層の各部分または誘電体ブロックのそれぞれは、金属性表面の隣になるように移動させることができる。いくつかのそのような実施形態では、本装置は、金属性表面に対向する表面を有する第２の基板を含み、ＭＥＭＳアクチュエータは、第２の基板上に配置される。]
[0012] いくつかの実施形態では、本装置は、金属性表面に沿った変形部の規則的なアレイを有する第２の構造物を含む。２つの構造物は、互いに共通部がなく、第２の構造物は、第２のアレイに伝播するＳＰＰを光学的に検出するように構成される。]
[0013] 第２の態様では、本発明は、方法を特徴とする。本方法は、金属性表面上にＳＰＰの噴流を生成するステップと、生成された噴流の波面を、波面の形状を変えるような方法で空間的に変調するステップとを含む。変調するステップは、波面のそれぞれの第１の部分の伝播速度を、波面のそれぞれの第２の部分の伝播速度に対して減少させるステップを含む。]
[0014] いくつかの実施形態では、変調するステップは、誘電体層の部分または誘電体ブロックを金属性上部表面により近づけるように、またはそこからより遠く離れるように移動させるために、複数のＭＥＭＳアクチュエータを動作させるステップを含む。誘電体層の各部分または各誘電体ブロックは、表面に沿った、かつ波面に沿った幅が、噴流の波面の幅の１／１０より小さくすることができ、または噴流のＳＰＰの波長より小さくすることができる。動作させるステップは、誘電体層の部分または誘電体ブロックの金属性上部表面からの距離が、上に凸のプロファイルまたは上に凹のプロファイルを有するようにさせるステップを含むことができる。]
[0015] 本方法のいくつかの実施形態では、空間的に変調するステップは、噴流を横方向に合焦させるステップ、または噴流を発散させるステップを含む。]
[0016] いくつかの実施形態では、本方法は、噴流の空間的に変調された波面の一部分によって放射された光を検出するステップをさらに含む。この光は、金属性上部表面に沿った変形部の規則的なアレイから放射される。]
図面の簡単な説明

[0017] 表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）を生成し、空間的に変調する装置の一部分の平面図である。
図１の装置の一部分の側面図である。
図１および２の装置およびその装置のための例示の制御システムを表すブロック図である。
ＳＰＰの噴流用、たとえば図１および２の装置中で使用するための空間モジュレータの第１の実施形態の１つのＭＥＭＳアクチュエータの側面図である。
図４の空間モジュレータの部分をさらに表す斜投影図である。
ＳＰＰの噴流用、たとえば図１および２の装置中で使用するための空間モジュレータの第２の実施形態の１つのＭＥＭＳアクチュエータの側面図である。
図６のＭＥＭＳアクチュエータの移動部分の平面図である。
ＳＰＰの噴流用、たとえば図１および２の装置中で使用するための空間モジュレータの第３の実施形態の１つのＭＥＭＳアクチュエータの側面図である。
図８のＭＥＭＳアクチュエータの移動部分の平面図である。
金−真空および様々な金−誘導体の界面におけるＳＰＰの分散関係をプロットした図である。
銀−真空および様々な銀−誘導体の界面におけるＳＰＰの分散関係をプロットした図である。
図１〜３の空間ＳＰＰモジュレータ中における、金属性上部表面から誘電体層の側面の領域までの距離に関する、または誘電体ブロックまでの距離に関する、例示の上に凹の空間プロファイルを示す図である。
図１〜３の空間ＳＰＰモジュレータ中における、金属性上部表面から誘電体層の側面の領域までの距離に関する、または誘電体ブロックまでの距離に関する、例示の上に凸の空間プロファイルを示す図である。
図１〜３の空間ＳＰＰモジュレータ中における、金属性上部表面から誘電体層の側面の領域までの距離に関する、または誘電体ブロックまでの距離に関する、例示の傾斜した空間プロファイルを示す図である。
たとえば図１〜３の装置、およびたとえば図４〜９のＭＥＭＳアクチュエータを用いて表面プラズモンを空間的に変調するための１つの方法を概略的に表すフロー・チャートである。] 図１ 図２ 図３ 図４ 図５ 図６ 図７ 図８ 図９
[0018] 図およびテキストでは、同様の参照番号は、実質的に同様の機能および／または実質的に同様の構造物に関する特徴を言う。]
[0019] 図の中のいくつかでは、外観の相対寸法が、そこに示されている構造物をより明瞭に表すために、誇張されていることがある。]
[0020] 本明細書では、様々な実施形態が、図および「発明を実施するための形態」において、より十分に述べられている。しかし、本発明は、様々な形で実施することができ、図および「発明を実施するための形態」において述べられる具体的な実施形態に限定されない。]
実施例

[0021] 図１および２に、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）に基づく装置８を示す。ＳＰＰは、基板１２の金属性上部表面１０に沿って伝播する。基板１２は、金属、誘導体または半導体を含むことができ、上部金属性表面は、平面としてもよい。例示的な基板１２は、平面の半導体基板であり、それは、マイクロエレクトロニクス製作に適切であり、たとえばシリコン・ウェハ基板である。そのような実施形態では、基板１２は、金属上部表面１０を形成する上部金属層を含む。様々な実施形態では、金属上部表面１０または金属基板１２は、様々な元素金属または合金金属、たとえば金、銀、銅またはアルミニウムから形成することができる。いくつかの実施形態では、金属性上部表面１０は、薄膜透明誘電体層（図示せず）によって覆うことができる。] 図１
[0022] 装置８は、光ＳＰＰカプラ１４、空間ＳＰＰモジュレータ１６および１つまたは複数のＳＰＰ検出器１８を含む。金属性上部表面１０は、ＳＰＰが、光ＳＰＰカプラ１４、空間ＳＰＰモジュレータ１６およびＳＰＰ検出器１８の間を伝播することができるように、これらの間に延在する。光ＳＰＰカプラ１４、ＳＰＰモジュレータ１６および１つまたは複数のＳＰＰ検出器１８は、金属性上部表面１０の互いに共通部がない側面の部分に沿って配置される。]
[0023] 光ＳＰＰカプラ１４は、金属性上部表面１０上を伝播する、ＳＰＰの噴流を光学的に生成するように構成される。光ＳＰＰカプラ１４は、光源２２および基板１２の部分的に変更された側面の領域２３（図１の破線ボックスで示す）を含む。光源２２は、部分的に変更された側面領域２３中でＳＰＰを光学的に生成し、金属性層１２の上部表面に沿って異なる方向に伝播するＳＰＰを生成することができる。] 図１
[0024] ここでは、「ＳＰＰの噴流」は、１つまたは複数の表面プラズモン・ポラリトンの伝播コヒーレント・モードを言う。噴流の伝播は、一定位相の波面の空間的シーケンスを画定し、その波面は、平面、円弧状またはより複雑な形状になることがある。光学製品は、しばしば、伝播方向が実質的に良く定められたＳＰＰの噴流を生成するが、光学製品は、その波面が真っすぐでないＳＰＰの噴流を生成することがある。たとえば、光ＳＰＰカプラ１４は、ＳＰＰの発散的または収束的な噴流を生成することがある、すなわち生成用光ビームが発散する、または収束する光学波面を有する場合、波面が円弧状になる。]
[0025] 示した光ＳＰＰカプラ１４では、部分的に変更された側面領域２３は、変形部２０の実質的に規則的な１次元（１Ｄ）または２次元（２Ｄ）のアレイを含む。変形部２０は、たとえば、金属性上部表面１０中の穴、金属性上部表面１０上の隆起部、または金属性上部表面１０上の任意選択の透明誘電体層中の穴とすることができる。変形部２０は、実質的に同じ形状およびサイズを有することができ、部分的に変更された領域中に規則的に隔置することができる。]
[0026] 示した光ＳＰＰカプラ１４では、光源２２は、光ファイバＯＦに結合されたレーザ・ダイオードＬＤを含む。光ファイバＯＦの一方の端部は、レーザ・ダイオードＬＤからの光を用いて基板１２の部分的に変更された側面領域２３を照明するように構成される。光源２２は、変形部２０の規則的な１次元または２次元のアレイを、ＳＰＰを生成するような方法で、たとえば単一光子がその中で単一ＳＰＰを生成するような方法で、照明するように構成される。たとえば、光ファイバＯＦの一方の端部は、変形部２０の規則的な１次元または２次元のアレイ上に光を投射する、すなわち金属上部表面１０に、垂直ベクトルＮに対して斜角θで光を投射するように、方向付けることができる。]
[0027] 光ＳＰＰカプラ１４のための適切な変形部２０および光源２２のアレイの例示の実施形態は、米国特許第７，０２７，６８９号に述べられており、それは、参照によってその全体が本明細書に組み込まれるものとする。]
[0028] 代替の実施形態では、光ＳＰＰカプラ１４は、ＳＰＰを光学的に生成するために、異なる構造物を有することができる。たとえば、光ＳＰＰカプラ１４は、その中に欠陥部を有するプラズモン導波路を含むことができる。次いで、光源２２は、その導波路の欠陥部においてＳＰＰを光学的に生成する。また、光ＳＰＰカプラ１４は、金属性上部表面１０の部分的に変更された側面領域２３中に他の周期的な構造物、たとえば交差したワイヤ接合部を含むことができる。次いで、光源２２は、その周期的な構造物中でＳＰＰを光学的に生成する。また、光ＳＰＰカプラ１４は、エバネセント光を生成する光源２２を含むことができ、そこでは、エバネセント光は、金属性上部表面１０の部分的に変更された側面領域中でＳＰＰを生じる。]
[0029] いくつかの他の実施形態では、金属性上部表面１０は、薄膜金属層から形成することができ、そこでは、変形部２０は、金属層の底面に沿って配置される。次いで、光源２２は、その薄膜金属層の底面を照明することによって、金属性上部表面１０上を伝播するＳＰＰを生成することができる。]
[0030] ＳＰＰモジュレータ１６は、底面が金属性上部表面１０に対向し、かつそれに隣接した誘電物体を含む。誘電物体は、移動可能な誘電体ブロック２４の１次元または２次元のアレイを含むことができ、または代替えとして、フレキシブルな誘電体層２４（図１には図示せず）を含むことができる。前者の場合、誘電体ブロック２４は、そのアレイが、金属性上部表面１０のストリップの実質的に完全なカバーを形成するように、接近して隔置される。後者の場合、連続したフレキシブルな誘電体層２４が誘電体ブロック２４の代わりとなり、したがって、その間のギャプがなくされる。誘電体ブロック２４またはフレキシブルな誘電体層２４は、その形状が金属性上部表面１０の隣接した部分の形状を補完することができる底面を有することができる。たとえば、金属性上部表面１０の隣接した部分は、平坦とすることができ、そのような誘電体ブロック２４の底面は、平坦として上記の隣接した部分に実質的に平行とすることができる。様々な実施形態では、誘電物体２４は、様々な形状を有することができ、誘電体ブロック２４の異なるブロックは、たとえば図１に示すように、異なる形状を有することができる。] 図１
[0031] 誘電体ブロック２４またはフレキシブルな誘電体層２４は、光ＳＰＰカプラ１４によって生成されたＳＰＰの波長より、たとえばそのような波長の２倍以上、厚く、かつ長くすることができる。]
[0032] 誘電体ブロック２４またはフレキシブルな連続する誘電体層２４は、様々な異なる材料組成物を有することができる。例示の材料組成物は、シリカ（ＳｉＯ２）および／またはシリコン窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）など、通常の誘電体を含む。他の例示の組成物は、強誘電体または分極性化合物半導体を含むことができる。組成物は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、タングステン酸鉛コバルト（Ｐｂ（Ｃｏ１／２Ｗ１／２）Ｏ３）、タンタル酸鉛鉄（Ｐｂ（Ｆｅ１／２Ｔａ１／２）Ｏ３）、ニオブ酸鉛マグネシウム（Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３）、ニオブ酸鉛亜鉛（Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸カリウムストロンチウム、ニオブ酸ナトリウムストロンチウム（ＮａＳｒ２Ｎｂ５Ｏ１５）、ニオブ酸リチウムカリウムストロンチウム（ＬｉＮａＳｒ４Ｎｂ１０Ｏ３０）、ニオブ酸ナトリウムバリウム（ＮａＢａ２Ｎｂ５Ｏ１５）、ニオブ酸バリウムストロンチウム、ニオブ酸カリウムリチウム（Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２）、またはリン酸カリウム２水素（ＫＨ２ＰＯ４）とすることができる。また、組成物は、化学式がＡｌＸＧａ（１−Ｘ）Ｎ、ＺｎＯ、ＭｇＸＺｎ（１−Ｘ）Ｏ、ＣｄＸＺｎ（１−Ｘ）Ｏ、ただし０≦ｘ≦１である、結晶族ＩＩＩ〜Ｖまたは族ＩＩ〜ＶＩの半導体とすることができる。また、誘電体ブロック２４またはフレキシブルな誘電体層２４は、上記に述べた組成物の混合物および／またはマルチレイヤを含むことができる。]
[0033] 誘電体ブロック２４のアレイを備えた実施形態では、個々の誘電体ブロック２４の位置がＭＥＭＳ制御される。具体的には、誘電体ブロック２４のそれぞれは、対応するＭＥＭＳアクチュエータによって、金属性上部表面１０から離れるように、および金属性上部表面１０に向けてそれぞれ独立に移動させることができる。たとえば、誘電体ブロック２４は、それらの底面が金属性上部表面１０に接触するように、およびそれらの底面が、金属性上部表面１０から、ＳＰＰ源１４によって生成されたＳＰＰの波長に比べてより遠く離れるように配置することができる。個々の誘電体ブロック２４の位置は、以下に述べるように、ＳＰＰに対する実効誘電率の局所値を決定する。]
[0034] フレキシブルな誘電体層２４を備えた実施形態では、誘電体層２４の形状がＭＥＭＳ制御される。具体的には、フレキシブルな誘電体層２４の形状は、フレキシブルな誘電体層２４の背面全体の上に１次元または２次元のアレイの形で分散された個々のＭＥＭＳアクチュエータによって、変形させることができる。次いで、各ＭＥＭＳアクチュエータは、フレキシブルな誘電体層２４の対応する領域を、金属性上部表面１０から離れるように、および／または金属性上部表面１０に向けて移動させることができる。たとえば、誘電体層２４の領域は、それらの底面が金属性上部表面１０に接触するように、または、それらの底面が、金属性上部表面１０から、ＳＰＰ源１４によって生成されたＳＰＰの波長に比べてより遠く離れるように配置することができる。フレキシブルな誘電体層２４の異なる領域の位置は、以下に述べるように、ＳＰＰに対する実効誘電率の値を決定する。]
[0035] １つまたは複数のＳＰＰ検出器１８は、金属性上部表面１０上を伝播するＳＰＰを光学的に検出するように構成される。各ＳＰＰ検出器１８は、従来の光検出器２６および基板１２の部分的に変更された側面の領域を含む。]
[0036] 示したＳＰＰ検出器１８では、部分的に変更された側面の領域２５は、金属性上部表面１０において、実質的に規則的な１次元または２次元のアレイの変形部２０（図１の破線ボックスによって示す）を含む。変形部２０は、たとえば、金属性上部表面１０中の穴、金属性上部表面１０上の隆起部、または金属性上部表面１０上の任意選択の透明誘電体層中の穴とすることができる。変形部２０は、ほぼ同じサイズおよび形状を有することができ、金属性上部表面１０の部分的に変更された側面領域２５中に一様に分布させることができる。] 図１
[0037] 示したＳＰＰ検出器１８では、各光検出器２６は、光ファイバＯＦおよび電子光検出器ＥＬＤを含む。光ファイバＯＦの一方の端部は、基板１２の部分的に変更された側面領域２５から放射された光を受け取るように構成される。電子光検出器ＥＬＤは、光ファイバＯＦの他方の端部から放出された光を、たとえばダイオード検出器を介して検知する。]
[0038] 適切なＳＰＰ検出器１８の例示の実施形態は、米国特許第７，０２７，６８９号に述べられており、それは、参照によってその全体が本明細書に組み込まれるものとする。]
[0039] 代替の実施形態では、ＳＰＰ検出器１８は、異なるタイプの光検出器２６を含むことができる。たとえば、部分的に変更された側面領域は、金属性上部表面１０の他のタイプの周期的な変形部を含むことができる。また、ＳＰＰ検出器１８は、金属性上部表面１０上に、またはその近くに配置された感光性ダイオードまたはトランジスタとすることができる。]
[0040] 図３に、図１および２の装置８のための制御システム６を示す。制御システム６は、デジタル・データ・プロセッサ２、たとえばコンピュータと、デジタル・データ記憶デバイス３、たとえばデジタル・データ・メモリと、電気的制御ライン４とを含む。デジタル・データ・プロセッサ２は、制御ライン４を介して送られる電気的制御信号によって、ＳＰＰモジュレータ１６を制御する。制御信号は、上部金属表面１０に沿った、およびその近くの位置において実効誘電率の値を決定する、ＳＰＰモジュレータ１６の要素の空間アレイを制御する。いくつかの実施形態では、デジタル・データ・プロセッサ２は、図１および２に示すように、上部金属表面１０の上にある誘電体ブロック２４の垂直位置、またはフレキシブルな誘電体層２４の互いに共通部がない空間領域の垂直位置を制御する。他の実施形態では、デジタル・データ・プロセッサ２は、上部表面１０上に配置された誘電体層中の横方向空間分極プロファイルを制御し、そこでは局所分極が、上部金属表面１０の近くの誘電率を確定する。デジタル・データ・メモリ３は、ＳＰＰモジュレータ１６を制御するようにデジタル・データ・プロセッサ２を動作させるための実行可能なプログラムを格納することができ、および／または、デジタル・データ・プロセッサ２が、ＳＰＰモジュレータ１６を動作させて、上部金属表面１０の上、およびその近くにおいて実効誘電率の異なる空間プロファイルのセットを生成することが可能になるためのデータを含むことができる。] 図１ 図３
[0041] 再び図１および２を参照すると、多くのタイプのアクチュエータを使用して、誘電体ブロック２４の垂直運動、または代替えとして、フレキシブルな誘電体層２４の互いに共通部がない領域の垂直運動をもたらすことができる。たとえば、様々な従来のタイプのマイクロマシン・アクチュエータを誘電体ブロックまたはフレキシブルな誘電体層２４の領域と一緒に製作する、あるいはそのようなアクチュエータは、誘電体ブロック２４に取り付ける、またはフレキシブルな誘電体層２４に沿って分布させ、それによって外部制御信号、たとえば電気的または光学的な信号に応答してそれらの垂直移動をもたらすことができる。例示のアクチュエータは、静電気、磁気、圧電、熱膨張または誘電体ブロック２４に移動を与える、または代替えとして、フレキシブルな誘電体層２４の互いに共通部がない領域に移動を与えるための方法を使用することができる。] 図１
[0042] 様々な従来のマイクロマシニングおよびマイクロ加工のプロセスは、そのようなアクチュエータを製作するために使用することができる。従来のプロセスは、層材料の蒸着、表面およびバルク・マイクロマシニング、接着、電気メッキ、層パターニング、層および／または強エッチング、および／または犠牲層の使用に関連した技術を含むことができる。]
[0043] マイクロ製作された静電気アクチュエータは、マイクロアクチュエータによって制御される誘電体ブロック２４の密集したアレイを製作するのに殊に適している。というのは、マイクロ加工に良好な電導性の弾性材料が入手し易いからである。これらの材料は、たとえば、ドープされた単結晶シリコン、多結晶シリコン、互換性のある従来の誘電体および様々な金属を含む。また、これらの材料は、電力損が低い微小アクチュエータを製造することができる。]
[0044] 図４および５に、図１および２の誘電体ブロック２４用、または代替えとして、図２のフレキシブルな誘電体層２４の領域用のそのような静電気の機械的アクチュエータの一実施形態を示す。この実施形態では、各誘電体ブロック２４、またはフレキシブルな誘電体層２４の領域は、対応するマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）アクチュエータ２８Ａによって機械的に移動される。ＭＥＭＳアクチュエータ２８Ａは、第１の基板１２の金属性上部表面１０に対向する第２の基板３０の表面に、しっかりと取り付けられる。] 図１ 図２ 図４
[0045] そのような実施形態では、装置８は、マルチプル・ウェハ基板構造物である。第１のウェハ基板１２は、光ＳＰＰカプラ１４およびＳＰＰ検出器（１つまたは複数）１８の部分的に変更された領域、ならびに金属性上部表面１０を含む。第２のウェハ基板３０は、ＭＥＭＳアクチュエータ２８Ａ、ならびに誘電体ブロック２４またはフレキシブルな誘電体シート２４を含む。第１および第２の基板３０および１２は、位置を合わせ、互いに接着させて垂直スタックを形成する。垂直スタックでは、スペーサ領域（図示せず）が、固定の分離間隔で基板３０および１２の対向する面を保持する。そのようなマルチプル・ウェハ基板構造物は、当業者に既知である従来のマイクロエレクトロニック加工技術によって、製作することができる。]
[0046] 各ＭＥＭＳアクチュエータ２８Ａは、復元スプリング３２と、固定電極３４および移動可能電極３６を有する制御コンデンサとを含む。移動可能電極３６は、対応する誘電体ブロック２４に、または代替えとしてフレキシブルな誘電体層２４の対応する領域に、復元スプリング３２と一体である金属、誘電体または半導体のポスト（１つまたは複数）Ｐによってしっかりと取り付けられる。復元スプリング３２の端部は、ポストＰによって第２の基板３０にしっかりと固定され、他の誘電体ブロック２４と対応する移動可能電極３６の間を通すことができる。その理由のため、個々のＭＥＭＳアクチュエータ２８Ａ、および、たとえば誘電体ブロック２４は、近接したストリップ状の領域または広い領域を密にカバーすることができる。すなわち、ＭＥＭＳアクチュエータ２８Ａは、接近して詰め込まれた１次元アレイ、または接近して詰め込まれた２次元アレイを形成するように、分布させることができる。]
[0047] 各移動可能電極３６は、同じ制御コンデンサの固定電極３４に対して、電極３４と３６の間に制御電圧を印加することによって、移動させることができる。移動可能電極３６のその結果得られた運動によって、対応する誘電体ブロック２４の底面、または代替えとして、フレキシブルな誘電体層２４の対応する領域の底面と、第１の基板１２の近傍の金属性上部表面１０との間の距離ｄを変更することができる。すなわち、ＭＥＭＳ制御電圧を使用して、誘電体ブロック２４またはフレキシブルな誘電体層２４の領域を、空間ＳＰＰモジュレータ１６中で、隣接した金属性上部表面１０に対して互いに独立に配置することができる。]
[0048] 図６および７に、および図８および９に、たとえば図１および２に示すような個々の誘電体ブロック２４の位置、または代替えとして誘電体層の個々の領域の位置を制御するのに適した静電気ＭＥＭＳアクチュエータ２８Ｂおよび２８Ｃのための、２つの他の形状を概略的に示す。ＭＥＭＳアクチュエータ２８Ｂおよび２８Ｃは、付随する誘電体ブロック２４またはフレキシブルな誘電体層２４の領域を金属表面１０に向けて、それらの制御コンデンサ間への電圧の印加に応答して移動する。対照的に、図４および５のＭＥＭＳアクチュエータ２８Ａは、付随する誘電体ブロック２４またはフレキシブルな誘電体層２４の領域を金属表面１０から離れるように、その制御コンデンサ間へのそのような電圧の印加に応答して、たとえば電極３４と３６の間への電圧の印加に応答して移動する。] 図１ 図４ 図６ 図８
[0049] 図６および７を参照すると、ＭＥＭＳアクチュエータ２８Ｂは、固定電極３４、移動可能電極３６、フレキシブルなスプリング・アーム４２、支持ポスト４４、レバー・アーム４６、取り付けプレート４８、および対応する誘電体ブロック２４またはフレキシブルな誘電体層２４の領域にしっかりと直接接続された取り付けポスト５０を含む。ＭＥＭＳアクチュエータ２８Ｂでは、電極３４と３６の間への制御電圧によって、フレキシブルなスプリング・アーム４２の隣接する端部が、基板３０に向かって曲げられる。この運動によって、レバー・アーム４６の先端部が反対方向に移動されて、誘電体ブロック２４またはフレキシブルな誘電体層２４の領域が上部金属表面１０により近づくように移動する。] 図６
[0050] そのような運動中の誘電体ブロック２４の小さな傾き、または代替えとして、フレキシブルな誘電体層２４の領域の小さな傾きは、たとえば図８および９のＭＥＭＳアクチュエータ２８Ｃ中に示すように、取り付けプレート４８と基板３０上の第２のポストの間に取り付けられた補償用スプリングを追加することによって、なくすことができる。] 図８
[0051] 図８および９を参照すると、ＭＥＭＳアクチュエータ２８Ｃは、固定電極３４、移動可能電極３６、フレキシブルなスプリング・アーム４２Ａおよび４２Ｂ、支持ポスト４４Ａおよび４４Ｂ、取り付けプレート４８、および対応する誘電体ブロック２４に、または代替えとして、誘電体層２４の対応する領域に接続された取り付けポスト５０を含む。ＭＥＭＳアクチュエータ２８Ｃでは、電極３４と３６の間への制御電圧によって、フレキシブルなスプリング・アーム４２Ａおよび４２Ｂの隣接する端部が、基板３０に向かって曲げられる。この運動によって、スプリング・アーム４２Ｂの中心部分が反対方向に移動され、誘電体ブロック２４または誘電体層２４の領域が上部金属表面１０により近づくように移動する。] 図８
[0052] 図４〜９を参照すると、様々なＭＥＭＳアクチュエータ２８Ａ〜２８Ｃは、そのようなアクチュエータの密集した線形アレイを構築することができるように、十分狭くなるように製作することができる。] 図４ 図５ 図６ 図７ 図８ 図９
[0053] ＭＥＭＳアクチュエータ２８に適した例示のＭＥＭＳアクチュエータおよびそのようなアクチュエータを製造する方法が、たとえば米国特許第７，０６８，４０９号、Ｃａｒｌ Ｊ． Ｎｕｚｍａｎ他による２００６年３月３１日出願の米国特許出願第１１／３９４９５０号、およびＶｌａｄｉｍｉｒ Ａｋｓｙｕｋ他による２００６年８月３１日出願の米国特許出願第１１／５１４５８４号に述べられている。上記の米国特許および米国特許出願は、その全体が本明細書に組み込まれるものとする。]
[0054] 誘電体層の領域の変位またはアレイの誘電体ブロックの変位を使用する代わりに、代替えとして、図１のＳＰＰモジュレータ１６は、その誘電率が電場または磁場の印加に応答する、制御可能な誘電体層に基づくことができる。たとえば、制御可能な層は、ニオブ酸リチウムまたは他の分極可能な材料とすることができる。制御可能な誘電体層２４は、たとえば上部金属性表面１０の領域上に配置される。制御可能な誘電体層の異なる領域における分極および誘電率の関連する値は、近傍の電圧ベースまたは磁気ベースの制御構造物、たとえば電極が、上記の領域中に生成する電場または磁場の値によって、決定されることになる。] 図１
[0055] 図１〜３および図４〜９の実施形態では、誘電体ブロック２４の垂直配置、または代替えとして、フレキシブルな誘電体層２４の様々な領域の垂直配置によって、空間ＳＰＰモジュレータ１６中でＳＰＰの速度（たとえば位相速度）が決定される。具体的には、ＳＰＰは、通常、波動ベクトルｋを有し、その大きさｋは、分散関係を通じてＳＰＰの周波数ωに関連する。] 図１ 図２ 図３ 図４ 図５ 図６ 図７ 図８ 図９
[0056] ｋ＝（ω／ｃ）・（［εｍ（ω）・εｄ（ω）］／［εｍ（ω）＋εｄ（ω）］）１／２
したがって、波動ベクトルｋの大きさｋは、誘電体領域の実効誘電率εｄ(ω)およびＳＰＰの経路に沿った金属の誘電率εｍ(ω)の両方によって決定される。各側面領域では、金属性上部表面１０の上およびその近くの実効誘電率の値εｄ(ω)が、波動ベクトルの大きさｋに影響を及ぼす、したがってその領域中のＳＰＰの位相速度に影響を及ぼす。]
[0057] 同様に、ＳＰＰモジュレータ１６が上部金属性表面１０上に分極可能な誘電体層を含む実施形態では、ＳＰＰの波動ベクトルｋの大きさは、そのＳＰＰがそれに沿って伝播する上部金属表面の上およびその近くの層の領域中の誘電率の値εｄ(ω)によって、決定される。]
[0058] 図１０および１１に、ＳＰＰの分散関係が、そのＳＰＰがそれに沿って伝播する界面における誘電体および金属の実効誘電率の値、すなわちεｄ(ω)およびεｍ(ω)によって、変化することを示す。] 図１０
[0059] 図１０に、金の表面における、様々なタイプのＳＰＰの分散関係を示す。具体的には、このグラフに、金／真空界面（交差した灰色ライン）、金／シリカ界面（黒色ライン）、および金／シリコン窒化物界面（灰色ライン）におけるＳＰＰの分散関係を示す。光に関する分散関係、すなわち破線は、比較の目的で示してある。「伝播するプラズモン」領域中の異なるＳＰＰ分散ラインから、同じ周波数、すなわちωの伝播するＳＰＰが、異なる大きさｋＣの波動ベクトルを有することになるはずであることが明らかである。] 図１０
[0060] 図１１に、銀の表面における、様々なタイプのＳＰＰの分散関係を示す。具体的には、このグラフに、銀／真空界面（交差した灰色ライン）、銀／シリカ界面（黒色ライン）、および銀／シリコン窒化物界面（灰色ライン）におけるＳＳＰの分散関係を示す。光に関する分散関係、すなわち破線は、比較の目的で示してある。「伝播するプラズモン」領域中の異なるＳＰＰ分散ラインから、同じ周波数、すなわちωの伝播するＳＰＰが、異なる大きさｋＣの波動ベクトル有することになるはずであることが明らかである。] 図１１
[0061] 図１０および１１に、金属−誘電体界面の誘電体側の実効誘電率の値が、金属−誘電体界面に沿ったＳＰＰの位相速度に影響を及ぼすことになることを示す。] 図１０
[0062] 図１〜３では、空間ＳＰＰモジュレータ１６が、金属性上部表面１０の上およびその近くの領域中の実効誘電率の局所値、すなわちεｄ(ω)を通じて、ＳＰＰの局所速度を変調する。空間ＳＰＰモジュレータ１６は、たとえば、誘電体ブロック２４または誘電体層２４の領域の１つまたは複数を、金属性上部表面１０により近づけるように、および／またはそこからより遠く離れるように、たとえば図４〜９のＭＥＭＳアクチュエータ２８Ａ〜２８Ｃを使用して移動させ、それによって、近傍のＳＰＰにおいて見られるように、実効誘電率の値εｄ(ω)が局所的に変更される。たとえば、誘電体ブロック２４、または代替えとしてフレキシブルな誘電体層２４の領域を金属性上部表面１０により近づくように（そこからより遠く離れるように）移動させることによって、通常、実効誘電率の値εｄ(ω)を増加させる（減少させる）。ＳＰＰ速度が実効誘電率εｄ(ω)に依存するので、噴流のＳＰＰは、その局所速度が、近傍の誘電体ブロック２４の位置に、または代替えとして誘電体層２４の近傍の領域の位置によって、決定されることになる。] 図１ 図２ 図３ 図４ 図５ 図６ 図７ 図８ 図９
[0063] 空間ＳＰＰモジュレータ１６は、個々の誘電体ブロック２４または代替えとしてフレキシブルな誘電体層２４の個々の領域の金属性上部表面１０からの距離ｄを介して、図２および図４〜９に示すように、ＳＰＰの局所速度を制御する。その理由のため、空間ＳＰＰモジュレータ、そして結局図２の制御システム６は、ＳＰＰの噴流中の波面の形状を制御することができる。たとえば、誘電体ブロック２４の１次元アレイまたはフレキシブルな誘電体層２４の領域は、収束レンズ、発散レンズ、あるいはミラーまたはプリズムが光ビームの波面を修正する方法に類似した方法で、ＳＰＰの噴流の波面を修正するように構成することができる。収束ＳＰＰレンズのための構成では、制御システム６は、上部金属表面１０と、誘電体ブロック２４の底部、または代替えとしてフレキシブルな誘電体層２４の互いに共通部がない領域の底部との間の距離ｄが、図１２および１３にプロットされた距離プロファイルの一方を定性的に有するように、空間ＳＰＰモジュレータ１６を設定する。発散ＳＰＰレンズのための構成では、制御システム６は、上部金属表面１０と、誘電体ブロック２４の底部、または代替えとしてフレキシブルな誘電体層２４の互いに共通部がない領域の底部との間の距離ｄが、図１２および１３にプロットされた距離プロファイルの他方を定性的に有するように、空間ＳＰＰモジュレータ１６を設定する。すなわち、上に凸の距離プロファイルおよび上に凹の距離プロファイルの一方は、収束ＳＰＰレンズを形成し、これら２つの距離プロファイルの他方は、発散ＳＰＰレンズを形成する。ＳＰＰ合焦タイプと距離ｄに関するプロファイル・タイプ、たとえば上に凸、または上に凹のプロファイル・タイプとの間の具体的な対応は、上記に述べたＳＰＰ分散関係から分かり得る。ＳＰＰミラーまたはプリズムのための構成では、制御システム６は、上部金属表面１０と、誘電体ブロック２４の底部、または代替えとしてフレキシブルな誘電体層２４の互いに共通部がない領域の底部との間の距離ｄが、図１４にプロットされた距離プロファイルを定性的に有するように、ＳＰＰモジュレータ１６を設定する。すなわち、傾斜ラインのプロファイル、すなわち右側に下がるように傾く、または左側に下がるように傾くプロファイルは、金属表面１０に沿って、入射伝播方向に対してＳＰＰの入射噴流の方向を左側に、または右側に変えるために、使用することができる。方向変更角度の値は、プロファイルを画定する傾斜ラインの方向付けによって決定され、ＳＰＰ分散関係から決定することができる。] 図１２ 図１４ 図２ 図４ 図５ 図６ 図７ 図８ 図９
[0064] ＳＰＰモジュレータ１６の他の構成では、たとえば、傾斜プロファイルと上に凸のプロファイル、または上に凹のプロファイルの１つまたは複数とを組み合わせて、同時にＳＰＰの入射噴流の方向を向け直し、その焦点を定め直すことができる。]
[0065] さらに、いくつかの実施形態では、空間ＳＰＰモジュレータ１６の制御システム６によって、１つの構成から他の構成へ、その間で誘電体ブロック２４、または代替えとして誘電体層２４の領域を移動させることを可能とすることができる。たとえば、制御システム６は、図１２の距離プロファイルに、または図１３の距離プロファイルになるように距離プロファイルを調節することによって、空間ＳＰＰモジュレータ１６が、収束ＳＰＰレンズまたは発散ＳＰＰレンズのどちらとしても機能することを可能にすることができる。その理由のため、ＳＰＰモジュレータ１６のそのような実施形態は、その中の誘電体ブロック２４、または誘電体層２４の領域の横方向寸法が、金属性上部表面１０に沿ったＳＰＰの入射噴流の幅に比べて小さいという条件で、ＳＰＰの入射噴流を合焦させる、およびその焦点をぼかすということの間で切り替えるように、動作させることができる。そのような実施形態では、誘電体ブロック２４は、通常、光ＳＰＰカプラ１４によって生成されたＳＰＰ噴流の、金属性上部表面１０に沿った幅に、たとえばその噴流中のＳＰＰの波長より小さい幅に比較して、小さい横方向寸法を有することができる。実際、誘電体ブロック２４のこの横方向寸法は、５ミクロンメーターまたはそれより小さくする、２ミクロンメーターまたはそれより小さくする、１ミクロンメーターまたはそれより小さくする、０．５ミクロンメーターまたはそれより小さくさえすることができる。] 図１２ 図１３
[0066] いくつかの実施形態では、制御システム６は、上部金属表面１０の上で、およびその近くで、実効誘電率のさらに他の空間プロファイルを生成することができる。制御システム６は、ＳＰＰモジュレータ１６の隣接した要素の互いに共通部がない群、たとえば隣接した誘電体ブロック２４の互いに共通部がない群を局所動作ユニット（ＬＯＵ：ｌｏｃａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｕｎｉｔ）として動作させることによって、ＳＰＰの噴流の波面の位相および振幅の両方をほぼ空間的に変調することさえできる。次いで、１つのＬＯＵの要素によって処理される波面の横方向部分が、波面のその部分の局所的な振幅および位相変調を生成するように、互いに干渉する。そのようなＬＯＵは、ミラーのＬＯＵが、Ｇｉｒｓｈ Ｂｌｕｍｂｅｒｇによる２００６年６月６日出願の米国特許出願第１１／４４８，３９０号に記載されている再構成可能なミラー・アレイの形で動作させられるのと同様に、動作させることができるはずである。この米国特許出願は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれるものとする。]
[0067] 図１５に、たとえば図３の制御システム６を備えた図１および２の装置８を動作させるために、ＳＰＰの噴流を使用する方法６０を示す。] 図１ 図１５ 図３
[0068] この方法６０は、金属性上部表面に沿ってＳＰＰ噴流を生成するステップ（ステップ６２）を含む。たとえば、ＳＰＰ噴流は、図１および２に示すように、金属性上部表面１０上の光ＳＰＰカプラ１４によって、光学的に生成することができる。] 図１
[0069] 本方法６０は、生成されたＳＰＰ噴流の波面を、波面の形状を変更するような方法で、空間的に変調するステップ（ステップ６４）を含む。空間的に変調するステップ６２は、ＳＰＰ噴流の各波面のいくつかの部分の位相または伝播速度を、同じ波面の他の部分の位相または伝播速度に対して、相対的に減少させるステップを伴う。たとえば、そのような相対速度の差は、図１〜３の空間ＳＰＰモジュレータ１６の誘電体ブロック２４の異なるブロックの底面、または代替えとしてフレキシブルな誘電体層２４の異なる領域の底面を金属性上部表面１０からの異なる距離に配置することによって、生成することができる。] 図１ 図２ 図３
[0070] いくつかの実施形態では、ステップ６４は、たとえば図１２のような上に凹の形、たとえば図１３のような上に凸の形を有する距離ｄに関する空間プロファイル、または他の形状のプロファイルを生成するために、誘電体ブロック２４、または代替えとしてフレキシブルな誘電体層２４の異なる領域を配置するステップを伴う。その結果得られたプロファイルの形は、ＳＰＰ噴流を合焦させる、またはＳＰＰ噴流の焦点をぼかすことができる。実際、いくつかの実施形態は、そのような合焦を生じさせて、ＳＰＰ噴流に関連する電磁場の強度を増加させることができる。] 図１２ 図１３
[0071] 他の実施形態では、ステップ６４は、表面においてＳＰＰ噴流を効率的に反射させるように、誘電体ブロック２４またはフレキシブルな誘電体層２４の領域を配置するステップを伴う。]
[0072] 本方法６０は、ステップ６４において生成されたＳＰＰ噴流の空間的に変調された波面の１つまたは複数の部分を検出するステップを含む（ステップ６６）。検出するステップは、図１および２のＳＰＰ検出器（１つまたは複数）１８中で、上記の空間的に変調された波面の１つまたは複数の部分から放射された光を検出するステップを含むことができる。この光は、金属性上部表面１０の部分的に変更された側面の領域２５から放射されることがあり、そこでは、部分的に変更された側面の領域が、たとえば図１および２に示すように、規則的なアレイまたは変形部２０を含む。] 図１
[0073] いくつかの実施形態では、本方法６０は、たとえば個々の誘電体ブロック２４の金属性上部表面１０からの距離ｄに、または代替えとしてフレキシブルな誘電体層２４の金属性上部表面１０からの個々の領域の距離ｄに関する異なる空間プロファイルのために、ステップ６４および６６を繰り返すステップを含む。そのような実施形態では、誘電体ブロック２４、またはフレキシブルな誘電体層２４の領域は、ＭＥＭＳアクチュエータによって、たとえば図４〜９のＭＥＭＳアクチュエータ２８Ａ〜２８Ｃによって配置することができる。] 図４ 図５ 図６ 図７ 図８ 図９
[0074] 本発明は、ここに示した説明、図および特許請求の範囲を考慮すると、当業者に明らかになるはずの他の実施形態を含むように意図される。]

权利要求:

請求項1
金属性表面を有する基板と、前記金属性表面上を伝播する表面プラズモン・ポラリトンを光学的に生成するための構造物と、前記金属性表面に対向する表面を有する誘電物体であって、前記金属性表面に沿った、および該金属性表面の近くの異なる位置のアレイにおいて誘電率の値を調節するように制御可能である誘電物体とを含む、装置。
請求項2
前記誘電物体は、前記金属性表面に対向する誘電体層と、前記層に沿って配置された磁気的または電気的なコントローラとを含み、各コントローラは、前記誘電体層の隣接した部分の誘電率を変更することが可能である、請求項１に記載の装置。
請求項3
前記構造物は、前記金属性表面に沿った変形部の規則的なアレイを含む、請求項１に記載の装置。
請求項4
ＭＥＭＳアクチュエータのアレイをさらに含み、前記誘電物体は、フレキシブルな誘電体層または誘電体ブロックのアレイを含み、各ＭＥＭＳアクチュエータは、前記層の対応する部分または前記ブロックの対応するブロックの前記金属性表面からの距離を変更することが可能である、請求項１に記載の装置。
請求項5
前記誘電物体は、前記構造物によって生成された表面プラズモン・ポラリトンの噴流の波面に沿った複数の位置において、実効誘電率の値を調節するように動作させることができる、請求項４に記載の装置。
請求項6
ＭＥＭＳアクチュエータのアレイをさらに含み、前記誘電物体は、誘電体ブロックのアレイを含み、各ＭＥＭＳアクチュエータは、前記誘電体ブロックの対応するブロックの前記金属性表面からの距離を変更することが可能である、請求項１に記載の装置。
請求項7
金属性表面上に表面プラズモン・ポラリトンの噴流を生成するステップと、前記生成された噴流の波面を、前記波面の形状を変えるような方法で空間的に変調するステップとを含み、前記変調するステップは、前記波面のそれぞれの第１の部分の伝播速度を、前記波面のそれぞれの第２の部分の伝播速度に対して減少させるステップを含む、方法。
請求項8
前記変調するステップは、前記金属性上部表面により近づくように、または該金属性上部表面からより遠くなるように誘電体層の部分または誘電体ブロックを移動させるように、複数のＭＥＭＳアクチュエータを動作させるステップを含む、請求項７に記載の方法。
請求項9
前記動作させるステップは、前記誘電体層の部分または前記誘電体ブロックを移動させるステップを含み、前記誘電体層の部分のそれぞれ、または前記誘電体ブロックのそれぞれは、前記表面および前記波面に沿った幅を有し、前記幅は、前記噴流の前記表面プラズモン・ポラリトンの波長より小さい、請求項８に記載の方法。
請求項10
前記噴流の前記空間的に変調された波面の一部分から放射された光を検出するステップをさらに含み、前記光は、前記金属性上部表面に沿った変形部の規則的なアレイから放射される、請求項７に記載の方法。