電磁波制御素子
【課題】金属材料を微細加工した構造体を利用して、効率的に電磁波の伝搬特性を制御することができる電磁波制御素子を提供する。
【解決手段】電磁波制御素子１は、基板１０と、基板１０上に形成された誘電体１３と、誘電体１３に埋め込まれた第１の金属層１１および第２の金属層１２とを含む。第１および第２の金属層１１，１２は、ｘｙ平面と平行な仮想平面２５を挟んで、仮想平面２５から等距離の位置に仮想平面２５と平行に設けられる。電磁波１９は仮想平面２５に沿ってｙ軸方向に入射される。第１および第２の金属層１１，１２の間隔は電磁波の波長より小さい。そして、第１および第２の金属層１１，１２には、ｘ軸方向に延び電磁波１９の波長よりも小さな周期の複数のスリット１４，１５がそれぞれ形成される。このとき、第１および第２の金属層１１，１２の形状は、仮想平面２５に対して非対称である。
【解決手段】電磁波制御素子１は、基板１０と、基板１０上に形成された誘電体１３と、誘電体１３に埋め込まれた第１の金属層１１および第２の金属層１２とを含む。第１および第２の金属層１１，１２は、ｘｙ平面と平行な仮想平面２５を挟んで、仮想平面２５から等距離の位置に仮想平面２５と平行に設けられる。電磁波１９は仮想平面２５に沿ってｙ軸方向に入射される。第１および第２の金属層１１，１２の間隔は電磁波の波長より小さい。そして、第１および第２の金属層１１，１２には、ｘ軸方向に延び電磁波１９の波長よりも小さな周期の複数のスリット１４，１５がそれぞれ形成される。このとき、第１および第２の金属層１１，１２の形状は、仮想平面２５に対して非対称である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光を含む電磁波の強度、位相、および群速度などの伝搬特性を制御する導波路型の電磁波制御素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁波（以下、電磁波は光を含む。）の波長と同程度の周期性を持つ人工材料を用いて電磁波の伝搬を制御する技術の開発が進められている。
【０００３】
たとえば、特開２００５−２７４８４０号公報（特許文献１）は、２次元フォトニック結晶配列中に形成された線欠陥導波路に関する。線欠陥導波路とは、誘電体膜に貫通孔が格子状に配列された２次元フォトニック結晶中で、貫通孔が存在することなく線状に連続した部分である。上記文献の技術では、この線欠陥導波路の幅を狭めたり、線欠陥導波路の両側の貫通孔の大きさを変化させたりすることによって、線欠陥導波路での電磁波の伝搬が制御される。
【０００４】
また、Ｊ．Ｔ．Ｓｈｅｎらは、貫通スリットが電磁波の波長よりも短い周期で周期的に配列された金属膜における電磁波の伝搬について開示している（「Mechanism for Designing Metallic Metamaterials with a High Index of Refraction」、Physical Review Letters、２００５年、第９４巻、１９７４０１−１〜４（非特許文献１）参照）。Ｊ．Ｔ．Ｓｈｅｎらによれば、このような系は、電磁波の周波数に依存しない屈折率を有する誘電体スラブ（平面型誘電体導波路）に等価であると考えることができる。そして、この系の屈折率は金属膜の幾何学的形状のみで制御できるので、従来の誘電体では得られない大きな屈折率を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２７４８４０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊ．Ｔ．Ｓｈｅｎ、外２名、「Mechanism for Designing Metallic Metamaterials with a High Index of Refraction」、Physical Review Letters、２００５年、第９４巻、１９７４０１−１〜４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述の特開２００５−２７４８４０号公報（特許文献１）に開示された誘電体のフォトニック結晶の場合、異なる２種類の誘電体における屈折率差，または誘電体と空気との屈折率差を利用して光の伝播特性を制御する。このため、上記のＪ．Ｔ．Ｓｈｅｎらの文献に記載されるように金属の構造体を用いる場合に比べて、電磁波の伝搬特性の変調度が小さくなりがちである。
【０００８】
さらに、特開２００５−２７４８４０号公報（特許文献１）に開示された技術で光の伝搬特性を制御する場合、２次元フォトニック結晶を構成する貫通孔の配置または大きさを光の波長以下の精度で制御することが不可欠である。したがって、生産性の点で技術的課題がある。
【０００９】
この発明の目的は、金属材料を微細加工した構造体を利用して、効率的に電磁波の伝搬特性を制御することができる電磁波制御素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は要約すれば、電磁波の伝搬特性を変化させる電磁波制御素子であって、第１および第２の金属層を備える。第１の金属層は、電磁波の伝搬方向と平行な仮想平面に対して、電磁波の半波長より短い第１の間隔を開けて平行に設けられる。第１の金属層には、各々が電磁波の伝搬方向と垂直かつ仮想平面と平行な第１の方向に延びた複数の第１のスリットが、電磁波の波長よりも短い第１の周期で電磁波の伝搬方向に周期的に形成される。第２の金属層は、仮想平面を挟んで第１の金属層と反対側に、仮想平面と第１の間隔を開けて平行に設けられる。第２の金属層には、各々が第１の方向に延びた複数の第２のスリットが、電磁波の波長よりも短い第２の周期で電磁波の伝搬方向に周期的に形成される。第１および第２の金属層の形状は、仮想平面に対して非対称である。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、複数のスリットが電磁波の波長未満の周期で形成された第１および第２の金属層が仮想平面を挟んで互いに平行に配置される。そして、これらの金属層の形状は仮想平面に対して非対称であるので、仮想平面に沿って伝搬する電磁波の特性を大きく変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１による電磁波制御素子１の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の電磁波制御素子１の側面図である。
【図３】電磁波制御素子１を伝搬する電磁波の分散関係を示す図である。
【図４】図３に示した０次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１における磁界分布図である。
【図５】図３に示した１次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２における磁界分布図である。
【図６】第１の金属層１１のスリット１４の位置と第２の金属層１２のスリット１５の位置とにずれがない場合の電磁波の分散関係と、ずれがある場合の電磁波の分散関係とを対比して示す図である。
【図７】図１の電磁波制御素子１の製造工程の一例を説明するための図である。
【図８】他の構成例の電磁波制御素子２を示す側面図である。
【図９】さらに他の構成例の電磁波制御素子３を示す側面図である。
【図１０】図１の電磁波制御素子１を製造する他の方法を説明するための図である。
【図１１】図１の電磁波制御素子１を製造する他の方法を説明するための図である。
【図１２】この発明の実施の形態２による電磁波制御素子４Ａの構成を示す側面図である。
【図１３】実施の形態２の変形例としての電磁波制御素子４Ｂの構成を示す側面図である。
【図１４】この発明の実施の形態３による電磁波制御素子５の構成を示す斜視図である。
【図１５】図１４の電磁波制御素子５の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
【００１４】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による電磁波制御素子１の構成を示す斜視図である。
【００１５】
図２は、図１の電磁波制御素子１の側面図である。図１、図２を参照して、電磁波制御素子１は、電磁波１９の伝搬特性を制御する導波路型素子である（この明細書では、電磁波１９には、可視光や赤外線などの光も含むものとする）。電磁波制御素子１は、基板１０と、基板１０上に形成された誘電体１３と、誘電体１３に埋め込まれた第１の金属層１１および第２の金属層１２とを含む。
【００１６】
基板１０には、電磁波１９に対して透明な材料が用いられる。基板１０の材料として、たとえば、電磁波１９が可視光の場合に石英基板を用いることができ、赤外線の場合にシリコン基板を用いることができ、マイクロ波の場合にプラスチックやセラミックスなどを用いることができる。なお、基板１０に近接したほうの第１の金属層１１と基板１０との距離ｈｓが電磁波１９の波長（この場合の波長は誘電体１３中での電磁波１９の波長である）より大きい場合には、基板１０は電磁波１９の伝搬にほとんど影響しないので電磁波に対して透明な材料を基板１０に用いなくてよい。
【００１７】
誘電体１３も、電磁波１９に対して透明な材料によって形成される。誘電体１３として、たとえば、電磁波１９が可視光や赤外線の場合に二酸化ケイ素を用いることができ、マイクロ波の場合にプラスチックやセラミックスなどを用いることができる。
【００１８】
第２の金属層１２の上面と誘電体１３の表面との距離ｈｕは、誘電体１３の表面から電磁波が染み出さないような厚みに設定される。このためには、厚みｈｕを少なくとも電磁波１９の波長（この場合の波長は誘電体１３中での電磁波１９の波長である）よりも大きくする必要がある。誘電体１３の表面上には、さらに電磁波制御素子１を保護するためのキャップ層を積層することもできる。上記の厚みｈｕが電磁波１９の波長よりも小さい場合にはキャップ層には電磁波１９に対して透明な材料を用いる必要がある。
【００１９】
第１および第２の金属層１１，１２は、仮想平面２５を挟んで、仮想平面２５から等距離（Δｚ／２）の位置に仮想平面２５と平行に設けられる。すなわち、第１および第２の金属層１１，１２は、Δｚの間隔を開けて互いに平行に配置される。以下の説明では、基板１０に近接する側の第１の金属層１１を下側の金属層１１とも称し、基板１０から離反する側の第２の金属層１２を上側の金属層１２とも称する。金属層１１，１２として、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、白金、およびこれらの材料からなる合金など、導電率の大きい金属材料を用いることができる。電磁波の波長がマイクロ波領域であれば、キャリア密度の大きい半導体も金属層１１，１２として利用可能である。
【００２０】
ここで、仮想平面２５は、電磁波制御素子１中での電磁波１９の伝搬方向（＋ｙ方向）に平行な仮想的な平面であり、図１、図２ではｘｙ平面と平行に配置される。電磁波１９は、仮想平面２５に沿うように＋ｙ方向に向かって電磁波制御素子１に入射される。図１、図２で仮想平面２５に垂直な方向はｚ軸方向である。
【００２１】
図１、図２に示すように、第１の金属層１１には、電磁波１９の伝搬方向（＋ｙ方向）と直交する方向であるｘ軸方向に延びた複数のスリット１４が周期的に形成される。これによって、第１の金属層１１は、複数の直方体の金属ブロック（図１の参照符号１１．１〜１１．７）に分離される。スリット１４の領域にも誘電体１３が埋め込まれている。
【００２２】
ここで、複数のスリット１４の周期をｄ１とし、各スリット１４の幅（ｙ軸方向）をａ１とし、各金属ブロックの幅（ｙ軸方向）をｂ１とする。したがって、ｄ１＝ａ１＋ｂ１である。また、第１の金属層１１の厚み（ｚ軸方向）をｈ１とする。図１、図２では、模式的に、６個のスリット１４が図示されているが、実際には多数のスリット１４が第１の金属層１１に形成される。
【００２３】
同様に、第２の金属層１２には、ｘ軸方向に延びた複数のスリット１５が周期的に形成される。これによって、第２の金属層１２は、複数の直方体の金属ブロック（図１の参照符号１２．１〜１２．８）に分離される。スリット１５の領域にも誘電体１３が埋め込まれている。
【００２４】
ここで、複数のスリット１５の周期をｄ２とし、各スリット１５の幅（ｙ軸方向）をａ２とし、各金属ブロックの幅（ｙ軸方向）をｂ２とする。したがって、ｄ２＝ａ２＋ｂ２である。また、第２の金属層１２の厚み（ｚ軸方向）をｈ２とする。図１、図２では、模式的に、７個のスリット１５が図示されているが、実際には多数のスリット１５が第１の金属層１２に形成される。
【００２５】
第１および第２の金属層１１，１２の各々のスリット１４，１５の周期ｄ１，ｄ２は、電磁波１９の波長よりも短い必要がある。さらに、第１および第２の金属層１１，１２間の間隔Δｚも、電磁波１９の波長よりも短い必要がある。この結果、電磁波制御素子１を伝搬する電磁波１９は、第１および第２の金属層１１，１２中の表面の自由電子と強く相互作用をしながら、仮想平面２５に沿って＋ｙ方向に伝搬する。なお、上記および以下の説明で、電磁波１９の波長とは、誘電体１３の媒質中での電磁波１９の波長を意味する。
【００２６】
さらに、金属層１１，１２の厚みｈ１，ｈ２は、電磁波の波長のおよそ１倍以上１０倍以内であることが望ましい。なぜなら、金属層１１，１２の厚みｈ１，ｈ２が電磁波１９の波長よりも薄くなりすぎると、外部から入射された電磁波１９と電磁波制御素子１との結合効率が低下するからである。さらに、詳しくは後述するが、金属層１１，１２の厚みが電磁波の波長に比較して薄くなりすぎると、屈折率の変調が大きい１次の固有モードの電磁波が電磁波制御素子１中で励起しなくなる。
【００２７】
また、金属層１１，１２の厚みが電磁波の波長のおよそ１０倍以上になると、各スリット１４，１５のアスペクト比（ｈ１／ａ１，ｈ２／ａ２）も１０を超えることになるので、スリット１４，１５の作製が困難になる。さらに、詳しくは後述するが、金属層１１，１２の厚みが厚くなりすぎると、電磁波制御素子１中に励起する電磁波の固有モード数が増加する結果、個々のモードの群速度の変化率がかえって小さくなるので好ましくない。
【００２８】
また、電磁波制御素子１のｘ軸方向の寸法ＤＸおよびｙ軸方向の寸法ＤＹは、少なくとも電磁波１９の波長の５〜６倍程度の長さに設定されることが好ましい。この場合、電磁波１９の伝搬は、電磁波制御素子１がｘ軸方向およびｙ軸方向に無限に長い場合と同様に考えることができる。
【００２９】
最も典型的な場合には、図１、図２に示すように、第１の金属層１１のスリット１４の周期ｄ１と第２の金属層１２のスリット１５の周期ｄ２とは互いに等しく形成される。また、スリット１４の幅ａ１とスリット１５の幅ａ２とは等しく形成され、第１の金属層１１の厚みｈ１と第２の金属層１２の厚みｈ２とは等しい形成される（以下、ｄ１＝ｄ２＝ｄ、ａ１＝ａ２＝ａ、ｂ１＝ｂ２＝ｂ、ｈ１＝ｈ２＝ｈと記載する。）。さらに、仮想平面２５に垂直なｚ方向から見たとき、スリット１４の中心線とスリット１５の中心線とのずれ幅Δｙはスリット１４の周期ｄの半分に等しく形成される（Δｙ＝ｄ／２）。この場合、次に示すように、電磁波制御素子１中での電磁波１９の群速度が０または負になる場合が存在する。
【００３０】
図３は、電磁波制御素子１を伝搬する電磁波の分散関係を示す図である。図３は、上記の典型的な場合における電磁波制御素子１中での電磁波１９の分散関係を計算したものである。図３において、縦軸は２π×ｃ／ｄ（ただし、πは円周率を表わし、ｃは光速を表わし、ｄはスリット１４，１５の周期を表わす。）で規格化した角周波数ωを表わし、横軸は２π／ｄで規格化した波数ベクトルｋを表わす。
【００３１】
具体的な計算パラメータとして、図１のスリット１４，１５の周期ｄ（ｄ＝ｄ１＝ｄ２）を基準にして、スリット１４，１５の幅ａ（ａ＝ａ１＝ａ２）を３ｄ／５にし、金属ブロックの幅ｂ（ｂ＝ｂ１＝ｂ２）を２ｄ／５にし、金属層１１，１２の厚みｈ（ｈ＝ｈ１＝ｈ２）を２ｄに設定した。また、金属層１１，１２間の間隔Δｚを３ｄ／５０に設定した。また、ｚ方向から見たとき、スリット１４の中心線とスリット１５の中心線とのずれ幅Δｙをスリット１４の周期ｄの半分に等しく設定した（Δｙ＝ｄ／２）。
【００３２】
数値計算の境界条件について説明すると、金属層１１，１２と誘電体１３との境界では、金属層１１，１２の表面に平行な電界成分を０にした。また電磁波制御素子１のｘ軸方向およびｙ軸方向の両端での境界条件を周期境界条件とした。また、簡単のために誘電体１３の屈折率を１（真空中の屈折率）に等しく設定した。
【００３３】
次に数値計算の結果について説明する。まず、図３に示すように、電磁波制御素子１中では、磁界方向が常に、仮想平面２５と平行であり、かつ、電磁波１９の伝搬方向と垂直な方向（ｘ軸方向）を向いたＴＭ（Transverse Magnetic：横磁場）モードのみ伝搬することができる。ここで、図３には、電磁波制御素子１中で生じる電磁波の複数の固有モードのうち、周波数の低い順に０次のＴＭモード（ＴＭ０）および１次のＴＭモード（ＴＭ１）の分散曲線が示されている。また、真空中での電磁波の分散曲線ＶＡＣが破線で示されている。なお、電磁波制御素子１中で生じる固有モード数は、金属層１１，１２の厚みｈ１，ｈ２が厚くなるほど増加する。
【００３４】
０次のＴＭモードは、第１および第２の金属層１１，１２で挟まれた図１の仮想平面２５の近傍で磁界強度が最大になる偶モード（偶関数で表わされるモード）のうちの最低次のモードである。０次のモードの場合、電磁波の進行方向に垂直な面内（図４の縦方向）に、磁界強度の絶対値のピークが１個存在する。一般に、２ｉ次（ただし、ｉは０以上の整数）のモードの場合、電磁波の進行方向に垂直な面内（図２のｚ軸方向）で、磁界強度の絶対値のピークが２ｉ＋１個存在する。
【００３５】
１次のＴＭモードは、第１および第２の金属層１１，１２で挟まれた図１の仮想平面２５の近傍で磁界強度が０になる奇モード（奇関数で表わされるモード）のうちの最低次のモードである。１次のモードの場合、電磁波の進行方向に垂直な面内（図５の縦方向）に、磁界強度の絶対値のピークが２個存在する。一般に、２ｉ＋１次（ただし、ｉは０以上の整数）のモードの場合、電磁波の進行方向に垂直な面内（図２のｚ軸方向）に、磁界強度の絶対値のピークが２ｉ＋２個存在する。
【００３６】
図３に示すように、０次のＴＭモードと１次のＴＭモードとでは全く異なる分散関係を示す。０次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ０）は、波数ベクトルｋが増加するにつれて角周波数ωが単調に増加する特徴を有し、平面型誘電体導波路（スラブ導波路）での電磁波の分散曲線と同様である。
【００３７】
これに対して、１次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ１）は極大点Ｂ２を有する。すなわち、図３の点Ａ２から極大点Ｂ２までは、波数ベクトルｋの増加に伴って角周波数ωが単調に増加する。一方、極大点Ｂ２からバンド端の点Ｃ２（このとき波数ベクトルｋはπ／ｄに等しい。）までは、波数ベクトルｋの増加に伴って角周波数ωが単調に減少する。バンド端（波数ベクトルｋ＝π／ｄ）では、１次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ１）と０次のＴＭのモードの分散曲線（ＴＭ０）とが一致する。
【００３８】
極大点Ｂ２を与える電磁波の波長λは、図１のスリット１４，１５の周期ｄ、スリット１４，１５の幅ａ、および上下のスリット１４，１５間のずれ幅Δｙなど、第１および第２の金属層１１，１２の形状に大きく依存する。具体的に図３の場合、角周波数ωが、
ω＝０．２１×２πｃ／ｄ
のとき分散曲線は極大になる。このときの波長λは、
λ＝２πｃ／ω＝ｄ／０．２１
の関係を満たすので、たとえば、スリットの周期ｄを１μｍとすると、波長λ＝４．７６μｍのとき１次のＴＭモードの分散曲線が極大になる。
【００３９】
分散曲線ＴＭ１の極大点Ｂ２では、群速度Ｖｇ（Ｖｇ＝∂ω／∂ｋ）が０になる。群速度Ｖｇは、電磁波のパルスの伝搬速度を意味する。この性質を利用すれば、電磁波制御素子１を遅延素子または光メモリーに適用することができる。
【００４０】
また、点Ｂ２から点Ｃ２までの区間では、電磁波の群速度Ｖｇが負になる。電磁波の位相速度Ｖｐ（Ｖｐ＝ω／ｋ）は一般に正の値を持つので、この区間では、群速度Ｖｇの符号と位相速度Ｖｐの符号とが逆になる。このように、位相速度Ｖｐの方向と群速度Ｖｇの方向とが１８０°逆向きになる特性は、負の群速度特性もしくは後進波特性と呼ばれる。後進波特性を有する媒質は屈折率が負になるので、通常の物質の限界を超えた応用が可能であり、たとえば、共振器やフィルターを極めて小型化することが可能になる。
【００４１】
なお、０次のＴＭモードの分散曲線と１次のＴＭモード分散曲線とでは、電磁波の周波数が異なる。したがって、電磁波制御素子１に入射する電磁波の周波数に応じて、図１のスリット１４，１５の周期ｄ、スリット１４，１５の幅ａ、および上下のスリット１４，１５間のずれ幅Δｙなど、電磁波制御素子１の金属層１１，１２の形状を適切に設計することによって、０または負の群速度の特性と有する１次のＴＭモードを選択的に励起することができる。
【００４２】
図４は、図３に示した０次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１における磁界分布図である。図４（Ａ）は、０次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ１における磁界分布を示し、図４（Ｂ）は、点Ｂ１における磁界分布を示し、図４（Ｃ）は、点Ｃ１における磁界分布を示す。
【００４３】
図４（Ａ）〜（Ｃ）では、ｘ軸方向の磁界Ｈｘが正の最大値（Ｈｘ＝１で規格化）となる場合を白色で表わし、磁界Ｈｘが負の最大値（Ｈｘ＝−１で規格化）となる場合を黒色で表わし、これらの間の磁界強度を濃淡で示している。また、図４（Ａ）〜（Ｃ）には、図２の電磁波制御素子１の側面図のうち第１、第２の金属層１１，１２に対応する部分の外形が破線で示されている。
【００４４】
図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、金属層１１，１２に挟まれた領域、スリット１４，１５の領域、および金属層１１，１２の外側の領域のいずれの領域にも電磁波が分布する。０次のＴＭモードでは、図２の金属層１１，１２で挟まれた仮想平面２５の近傍で磁界強度が最大になる。また、仮想平面２５の上下の磁界の符号は同じである。バンド端（図３の点Ｃ１）に対応する図４（Ｃ）では、電磁波の波長はスリットの２周期分（図２の２×ｄ。ただし、ｄ＝ｄ１＝ｄ２。）に等しい。
【００４５】
図５は、図３に示した１次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２における磁界分布図である。図５（Ａ）は、１次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ２における磁界分布を示し、図５（Ｂ）は、点Ｂ２における磁界分布を示し、図５（Ｃ）は、点Ｃ２における磁界分布を示す。
【００４６】
図５（Ａ）〜（Ｃ）では、ｘ軸方向の磁界Ｈｘが正の最大値（Ｈｘ＝１で規格化）となる場合を白色で表わし、磁界Ｈｘが負の最大値（Ｈｘ＝−１で規格化）となる場合を黒色で示し、これらの間の磁界強度を濃淡で示している。また、図５（Ａ）〜（Ｃ）には、図２に示す電磁波制御素子１の側面図のうち第１、第２の金属層１１，１２に対応する部分の外形が破線で示されている。
【００４７】
図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、金属層１１，１２に挟まれた領域、スリット１４，１５の領域、および金属層１１，１２の外側の領域のいずれの領域にも電磁波が分布する。１次のＴＭモードでは、図２の金属層１１，１２で挟まれた仮想平面２５の近傍で磁界強度がほぼ０になる。また、仮想平面２５の上下の磁界の符号が逆になる。バンド端（図３の点Ｃ２）に対応する図５（Ｃ）では、電磁波の波長はスリットの２周期分（図２の２×ｄ。ただし、ｄ＝ｄ１＝ｄ２。）に等しい。
【００４８】
図５（Ｃ）と図４（Ｃ）とを比較すると、電磁波の位相が互いに１８０°ずれている点を除いて、両者の磁界分布形状は同一である。このことは、図３のバンド端（波数ベクトルｋ＝π／ｄ）で、０次のＴＭモードの分散曲線と１次のＴＭモードの分散曲線とが一致する事実に符合している。
【００４９】
次に、図２の上下のスリット１４，１５間のずれ幅Δｙと電磁波制御素子１中での電磁波の分散との関係について説明する。
【００５０】
図６は、第１の金属層１１のスリット１４の位置と第２の金属層１２のスリット１５の位置とにずれがない場合の電磁波の分散関係と、ずれがある場合の電磁波の分散関係とを対比して示す図である。上段の（Ａ）のグラフは、図２でΔｙ＝０の場合（すなわち、上下のスリット１４，１５にずれがない場合）の電磁波の分散関係であり、下段の（Ｂ）のグラフは、図２でΔｙ＝ｄ／２の場合（すなわち、上下のスリット１４，１５がスリットの周期ｄの半周期分ずれている場合）の電磁波の分散関係である。図６では、０次〜３次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ０〜ＴＭ３）が実線で示され、真空中での電磁波の分散曲線ＶＡＣが破線で示されている。図６において、縦軸は２π×ｃ／ｄ（ただし、πは円周率を表わし、ｃは光速を表わし、ｄはスリット１４，１５の周期を表わす。）で規格化した角周波数ωを表わし、横軸は２π／ｄで規格化した波数ベクトルｋを表わす。
【００５１】
具体的な計算パラメータとして、図１のスリット１４，１５の周期ｄ（ｄ＝ｄ１＝ｄ２）をｄ＝０．６ｍｍとし、スリット１４，１５の幅ａ（ａ＝ａ１＝ａ２）をａ＝０．１６ｍｍとし、金属ブロックの幅ｂ（ｂ＝ｂ１＝ｂ２）をｂ＝０．４４ｍｍとし、金属層１１，１２の厚みｈ（ｈ＝ｈ１＝ｈ２）をｈ＝１．３ｍｍとした。また、金属層１１，１２間の間隔Δｚを０．０１５ｍｍとした。また、簡単のために誘電体１３の屈折率を１（真空中の屈折率）とした。
【００５２】
まず、図６（Ａ）の場合（すなわち、上下の金属層のスリットのずれ幅ΔｙがΔｙ＝０の場合）、分散関係は単一の誘電体スラブ（平面型誘電体導波路）の分散関係と同様である。すなわち、前述のＪ．Ｔ．Ｓｈｅｎらの文献に記載された単層の金属の構造体（すなわち、周期的なスリットが形成された単一の金属膜）と同様の分散関係になり、金属層１１，１２が上下の２層構造となっている効果は現れない。
【００５３】
一方、図６（Ｂ）の場合（すなわち、上下の金属層のスリットのずれ幅ΔｙがΔｙ＝ｄ／２の場合）、偶数次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ０，ＴＭ２）は図６（Ａ）の場合とほとんど変化がない。これに対して、奇数次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ１，ＴＭ３）は図６（Ａ）の場合よりも低周波側にシフトする。この場合、波数ベクトルｋが大きくなるほど、分散曲線（ＴＭ１，ＴＭ３）の低周波側へのシフト量が大きくなり、バンド端（ｋ＝π／ｄ）では２ｉ次（ただし、ｉは０以上の整数）の分散曲線と２ｉ＋１次の分散曲線とが一致する。この結果、奇数次のＴＭモードの分散曲線に極大値が生じる。
【００５４】
図示を省略しているが、上下のスリット１４，１５間のずれ幅Δｙが、Δｙ＝０（図（Ａ）の場合）からΔｙ＝ｄ／２（図（Ｂ）の場合）に増加するにつれて、奇数次のＴＭモードの分散曲線の低周波側へのシフト量が大きくなる。そして、Δｙ＝ｄ／２のとき低周波側へのシフト量が最大になる。
【００５５】
これを別の観点から見ると、図２の仮想平面２５に対して、上下の金属層１１，１２の形状が対称な場合は、電磁波制御素子１を伝搬する電磁波の分散関係に異常は見られない。これに対して仮想平面２５に対して、上下の金属層１１，１２の形状の非対称になると奇数次のＴＭモードの分散関係に異常が現れる。仮想平面２５に対して、上下の金属層１１，１２の非対称性が大きい場合には、群速度が０または負になる場合が存在する。このように、上下のスリット１４，１５のずれ幅Δｙ、ひいては上下の金属層１１，１２の非対称性を調整することによって、電磁波制御素子１を伝搬する電磁の特性を制御することができる。
【００５６】
図７は、図１の電磁波制御素子１の製造工程の一例を説明するための図である。以下、図７（Ａ）〜（Ｇ）を参照して、電磁波制御素子１の製造工程について説明する。
【００５７】
まず、図７（Ａ）に示すように、基板１０の主面上の全面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを用いて誘電体１３Ａを製膜する。誘電体１３Ａの膜厚は、図２の第１の金属層１１と基板１０との間の距離ｈｓに等しい。
【００５８】
その後、図７（Ｂ）に示すように、誘電体１３Ａの表面にフォトレジストを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによってフォトレジストをライン状にパターニングする。ライン状のフォトレジスト２１Ａの周期は、図２の第１の金属層１１に形成されたスリット１４の周期ｄ１に等しく、ライン状のフォトレジスト２１Ａの幅は、図２の第１の金属層１１に形成されたスリット１４の幅ａ１に等しい。
【００５９】
次に、パターンニングされたフォトレジスト２１Ａの上から金属膜を真空蒸着法などによって堆積させる。このときの金属膜の厚みは、図２の第１の金属層１１の厚みｈ１に等しい。この後、レジスト２１Ａ上の余分な金属膜をレジスト２１Ａとともに除去することによって（リフトオフ法）、図７（Ｃ）に示すように、複数のスリットの形成された第１の金属層１１が形成される。
【００６０】
次に、図７（Ｄ）に示すように、誘電体１３Ｂを金属層１１のスリットに埋め込むように形成する。このとき金属層１１の上面より上の誘電体１３Ｂの膜厚が、図２のΔｚに等しくなるように調整する。たとえば、ＣＶＤ法などによって誘電体１３Ｂを厚めに製膜した後、表面を研磨することによって膜厚を調整することができる。
【００６１】
次に、図７（Ｅ）に示すように、誘電体１３Ｂの表面にフォトレジストを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによってフォトレジストをライン状にパターンニングする。ライン状のフォトレジスト２１Ｂの周期は、図２の第２の金属層１２に形成されたスリット１５の周期ｄ２に等しく、ライン状のフォトレジスト２１Ｂの幅は、図２の第２の金属層１２に形成されたスリット１５の幅ａ２に等しい。
【００６２】
次に、パターンニングされたフォトレジスト２１Ｂの上から金属膜を真空蒸着法などによって製膜する。このときの金属膜の厚みは、図２の第２の金属層１２の厚みｈ２に等しい。この後、レジスト２１Ｂ上の余分な金属膜をレジスト２１Ｂとともに除去することによって（リフトオフ法）、図７（Ｆ）に示すように、複数のスリットの形成された第２の金属層１２が形成される。
【００６３】
次に、図７（Ｇ）に示すように、誘電体１３Ｃを金属層１２のスリットに埋め込むように形成する。このとき金属層１２の上面より上の誘電体１３Ｃの膜厚が、図２の金属層１２よりも上側の誘電体１３の厚みｈｕに等しくなるように調整する。たとえば、ＣＶＤ法などによって誘電体１３Ｃを厚めに製膜した後、表面を研磨することによって膜厚を調整することができる。図７（Ｇ）において、誘電体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが図１，図２の誘電体１３に対応する。
【００６４】
以上のプロセスによって、図１、図２の電磁波制御素子１が完成する。上記のプロセスによれば、金属層１１，１２にそれぞれ形成されるスリットの幅ａ１，ａ２および金属ブロックの幅ｂ１，ｂ２を１００ｎｍ程度まで小さく作製することが可能であるため、可視光で動作する電磁波制御素子１を作製することができる。
【００６５】
以上のとおり、実施の形態１の電磁波制御素子１によれば、複数のスリット１４，１５がそれぞれ形成された第１および第２の金属層１１，１２が、仮想平面２５を挟んで互いに平行に配設される。このとき、スリット１４，１５が延びる方向は電磁波１９の伝搬方向（＋ｙ方向）に対して垂直方向（ｘ軸方向）であり、スリット１４，１５の周期は電磁波１９の波長より小さい。また、第１および第２の金属層１１，１２間の間隔Δｚも電磁波１９の波長より小さい。
【００６６】
上記の場合、仮想平面２５に対して、第１および第２の金属層１１，１２の形状が非対称であれば、電磁波制御素子１を伝搬する電磁波１９の分散特性、特に奇数次のＴＭモードの分散を通常の誘電体導波路の場合に比べて大きく変化させることができる。中でも、上下の金属層１１，１２のスリット１４，１５の周期が互いに等しく、仮想平面に垂直な方向から見たときのスリット１４，１５の中心線のずれ幅Δｙがスリット１４，１５の周期ｄの１／２に等しいときの電磁波の分散特性の変化が大きくなる。この場合、奇数時のＴＭモードの分散特性には群速度が０や負の領域が存在する。
【００６７】
ここで、上下のスリット１４，１５の形成位置をずらす方法以外によっても、第１および第２の金属層１１，１２の形状を仮想平面２５に対して非対称にすることは可能である。以下、このような変形例１，２について説明する。なお、以下の説明では、実施の形態１の場合と同一または相当する部分には同一の参照符号を付してその説明を繰返さない。
【００６８】
［実施の形態１の変形例１］
図８は、他の構成例の電磁波制御素子２を示す側面図である。図８には、第１の金属層１１に形成されたスリット１４の周期ｄ１と第２の金属層１２に形成されたスリット１５の周期ｄ２とが異なる場合が図示されている。図８の場合、周期ｄ１と周期ｄ２の比は約１２：７である。一方、第１の金属層１１の厚みｈ１は第２の金属層１２の厚みｈ２に等しく、スリット１４の幅ａ１はスリットの幅ａ２に等しい。
【００６９】
このように、上下の金属層１１，１２のスリット１４，１５の周期を異ならせることによって、金属の領域と誘電体の領域との体積比を上下の金属層１１，１２で異ならせることができる。この結果、上下の金属層１１，１２で電磁波の分布状態が異なることになるので、電磁波の伝搬状態の制御が可能になる。
【００７０】
［実施の形態１の変形例２］
図９は、さらに他の構成例の電磁波制御素子３を示す側面図である。図９には、第１の金属層１１の厚みｈ１と第２の金属層１２の厚みｈ２とが異なり、第１の金属層１１に形成されたスリット１４の幅ａ１と第２の金属層１２に形成されたスリット１５の幅ａ２とが異なる場合が図示されている。一方、スリット１４の周期ｄ１はスリット１５の周期ｄ２に等しい。また、仮想平面２５に垂直な方向（ｚ軸方向）から見たときの、スリット１４の中心線はスリット１５の中心線に一致し、両者にずれはない。
【００７１】
このようにしても、金属の領域と誘電体の領域との体積比を上下の金属層で異ならせることができる。この結果、上下の金属層１１，１２で電磁波の分布状態が異なるので、電磁波の伝搬状態の制御が可能になる。
【００７２】
［実施の形態１の変形例３］
図１０、図１１は、図１の電磁波制御素子１を製造する他の方法の説明するための図である。以下、図１０（Ａ）〜（Ｆ）および図１１（Ａ）〜（Ｅ）を参照して、電磁波制御素子１の製造方法の変形例について説明する。
【００７３】
まず、図１０（Ａ）に示すように、基板１０の主面上の全面にＣＶＤ法などを用いて誘電体１３Ｄを製膜する。誘電体１３Ｄの膜厚は、図２の第１の金属層１１の厚みｈ１と、金属層１１と基板１０との間の距離ｈｓとの和ｈ１＋ｈｓに等しい。
【００７４】
その後、図１０（Ｂ）に示すように、誘電体１３Ｄの表面にフォトレジストを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによってフォトレジストをライン状にパターニングする。ライン状のフォトレジスト２１Ｃの周期は、図２の第１の金属層１１に形成されたスリット１４の周期ｄ１に等しく、ライン状のフォトレジスト２１Ｃの幅は、図２の第１の金属層１１に形成されたスリット１４の幅ａ１に等しい。
【００７５】
次に、パターンニングされたフォトレジスト２１Ｃをマスクとして、反応性プラズマエッチングなどの方法によって誘電体１３Ｄを異方性エッチングする。このときのエッチングの深さは、図２の第１の金属層１１の厚みｈ１に等しい。エッチング後にフォトレジスト２１Ｃを除去することによって、図１０（Ｃ）に示すように、誘電体１３Ｄにライン状の凹部が複数形成される。
【００７６】
次に、図１０（Ｄ）に示すように、誘電体１３Ｄのライン状の凹部を埋めるように誘電体１３Ｄの表面に金属メッキを施こす。これによって、複数の凹部の形成された誘電体１３Ｄの表面が金属膜１１Ａによって被覆される。
【００７７】
次に、図１０（Ｅ）に示すように、化学研磨法などによって、誘電体１３Ｄの表面が露出するまで金属膜１１Ａを研磨する。これによって、誘電体１３Ｄの埋め込まれたスリットを複数有する金属層１１が形成される。
【００７８】
その後、図１０（Ｆ）に示すように、研磨後の金属膜１１Ａの上に誘電体１３ＥをＣＶＤ法などによって製膜する。誘電体１３Ｅの厚みは、図２の第１および第２の金属層１１，１２間の厚みΔｚと第２の金属層１２の厚みｈ２との和Δｚ＋ｈ２に等しい。
【００７９】
次に、図１１（Ａ）に示すように、誘電体１３Ｅの表面にフォトレジストを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによってフォトレジストをライン状にパターニングする。ライン状のフォトレジスト２１Ｄの周期は、図２の第２の金属層１２に形成されたスリット１５の周期ｄ２に等しく、ライン状のフォトレジスト２１Ｄの幅は、図２の第２の金属層１２に形成されたスリット１５の幅ａ２に等しい。
【００８０】
次に、パターンニングされたフォトレジスト２１Ｄをマスクとして、反応性プラズマエッチングなどの方法によって誘電体１３Ｅを異方性エッチングする。このときのエッチングの深さは、図２の第２の金属層１２の厚みｈ２に等しい。エッチング後にフォトレジスト２１Ｄを除去することによって、図１１（Ｂ）に示すように、誘電体１３Ｅにライン状の凹部が複数形成される。
【００８１】
次に、図１１（Ｃ）に示すように、誘電体１３Ｅのライン状の凹部を埋めるように誘電体１３Ｅの表面に金属メッキを施こす。これによって、複数の凹部の形成された誘電体１３Ｅの表面が金属膜１２Ａによって被覆される。
【００８２】
次に、図１１（Ｄ）に示すように、化学研磨法などによって、誘電体１３Ｅの表面が露出するまで金属膜１２Ａを研磨する。これによって、誘電体１３Ｅの埋め込まれたスリットを複数有する金属層１２が形成される。
【００８３】
その後、図１１（Ｅ）に示すように、研磨後の金属膜１２Ａの上に誘電体１３ＦをＣＶＤ法などによって製膜する。誘電体１３Ｆの厚みは、図２の金属層１２の上側の誘電体１３の厚みｈｕに等しくなるようにする。図１１（Ｅ）において、誘電体１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆが図１，図２の誘電体１３に対応する。
【００８４】
以上のプロセスによって、図１、図２の電磁波制御素子１が完成する。上記のプロセスによれば、金属層１１，１２にそれぞれ形成されるスリット１４，１５の幅ａ１，ａ２および金属ブロックの幅ｂ１，ｂ２を１００ｎｍ程度まで小さく作製することが可能であるため、可視光で動作する電磁波制御素子１を作製することができる。
【００８５】
上記の例および図７の例では、可視光の領域で動作する電磁波制御素子１にも適用可能な製造工程を示したが、マイクロ波の領域など、波長の大きな電磁波で動作する電磁波制御素子１の場合は、サイズを大きくできるので比較的簡単に製造することができる。
【００８６】
たとえば、電磁波に対して透明な基板の主面上に金属膜を製膜し、製膜した金属膜に複数のスリットを形成する。そして、このように加工した２枚の基板の主面側を対向させ、適切なギャップ（図２のΔｚ）を開けた上でスリットの位置合わせをして固定することによって、電磁波制御素子１を作製することができる。
【００８７】
［実施の形態２］
図１２は、この発明の実施の形態２による電磁波制御素子４Ａの構成を示す側面図である。図１２に示す電磁波制御素子４Ａは、図２の誘電体１３に代えて、電界によって電磁波の屈折率または吸収率が変化する媒体１６が設けられている点で、図２の電磁波制御素子１と異なる。媒体１６として、液晶や高分子材料を用いることができる。また、媒体１６として、電気光学効果を有するナノ結晶を分散した複合材料などを利用することができる。
【００８８】
さらに、電磁波制御素子４Ａの第２の金属層１２を構成する各金属ブロックは電極として用いられ、隣接する金属ブロック間に電源１７によって電界１８が印加される。その他の点については、図１２の電磁波制御素子４Ａは、図２の電磁波制御素子１と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００８９】
電磁波制御素子４Ａでは、電源１７の出力を変化させることによって、第２の金属層１２を構成する各金属ブロック間（特にスリット１５の領域）の電界１８の大きさが変化する。この結果、第２の金属層１２の近傍、特にスリット１５の領域における媒体１６の屈折率または吸収係数が変化するので、第２の金属層１２の近傍の電磁波の分布状態が変化する。
【００９０】
これによって、仮想平面２５を挟んで下側の第１の金属層１１の周辺の電磁界分布と上側の第２の金属層１２の周辺の電磁界分布との非対称性の強弱を変化させることができるので、電磁波制御素子４Ａを伝搬する電磁波の分散関係を制御することができる。たとえば、電源１７の出力電圧のオンおよびオフに応じて、電磁波の群速度の正負を切替えたりすることが可能になる。
【００９１】
上記の例では、第２の金属層１２を構成する金属ブロック間に電界を印加する場合について説明したが、これに代えて第１の金属層１１を構成する金属ブロック間に電界を印加してもよい。
【００９２】
また、媒体１６を、主として電界が印加されるスリットの領域にのみ設けてもよい。すなわち、第１の金属層１１を構成する金属ブロック間に電界を印加する場合には、第１の金属層１１のスリット１４の領域にのみ媒体１６を設け、第２の金属層１２を構成する金属ブロック間に電界を印加する場合には、第２の金属層１２のスリット１５の領域にのみ媒体１６を設けてもよい。
【００９３】
また、図１２の仮想平面２５を挟んで上下の金属層１１，１２の形状を対称に形成してもよい。すなわち、スリット１４の周期ｄ１とスリット１５の周期ｄ２とは等しく形成され、スリット１４の幅ａ１とスリット１５の幅ａ２とは等しく形成される。さらに、第１の金属層１１の厚みｈ１と第２の金属層１２の厚みｈ２とは等しく形成される。したがって、この場合には、電界の印加のみで上下の電磁波分布に非対称性を生じさせることになる。
【００９４】
［実施の形態２の変形例］
図１３は、実施の形態２の変形例としての電磁波制御素子４Ｂの構成を示す側面図である。電磁波制御素子４Ｂでは、第１および第２の金属層１１，１２を構成する金属ブロックが両方とも電極として用いられ、第１および第２の金属層１１，１２間に電源１７によって電界１８が印加される。また、図１３の電磁波制御素子４Ｂでは、上下の金属層１１，１２の形状は仮想平面２５に対して非対称である必要がある。その他の点については、図１３の電磁波制御素子４Ｂは図１２の電磁波制御素子４Ａと共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００９５】
図１３の電磁波制御素子４Ｂでは、電源１７の出力を変化させることによって、第１および第２の金属層１１，１２間の電界１８の大きさを変化させる。この結果、第１および第２の金属層１１，１２間の領域における媒体１６の屈折率または吸収係数が変化するので、電磁波制御素子４Ｂを伝搬する電磁波の分布状態を制御することができる。たとえば、電源１７の出力電圧のオンおよびオフに応じて、電磁波の群速度の正負を切替えたりすることが可能になる。
【００９６】
なお、媒体１６を、主として電界が印加される第１および第２の金属層１１，１２間の領域（厚みΔｚの領域）にのみ設けてもよい。
【００９７】
［実施の形態３］
図１４は、この発明の実施の形態３による電磁波制御素子５の構成を示す斜視図である。
【００９８】
図１５は、図１４の電磁波制御素子５の上面図である。図１５では、図１４の電磁波制御素子５の第２の金属層１２を実線で表わし、第１の金属層１１を破線で表わしている。図１４の誘電体１３および基板１０については図示を省略している。
【００９９】
図１４、図１５を参照して、電磁波制御素子５は、基板１０と、基板１０上に形成された誘電体１３と、誘電体１３に埋め込まれた第１の金属層１１および第２の金属層１２とを含む。第１および第２の金属層１１，１２は、ｘｙ平面と平行な仮想平面２５を挟んで、仮想平面２５から等距離の位置に仮想平面２５と平行に設けられる。電磁波は仮想平面２５に沿った任意の方向に入射される。入射された電磁波は、仮想平面２５に沿って電磁波制御素子５中を伝搬する。
【０１００】
ここで、電磁波制御素子５は、ｘ軸方向に延びる複数のスリット１４Ａに加えて、さらにｙ軸方向に延びる複数のスリット１４Ｂが第１の金属層１１に形成される点で図１、図２の電磁波制御素子１と異なる。さらに、電磁波制御素子５は、ｘ軸方向に延びる複数のスリット１５Ａに加えて、さらにｙ軸方向に延びる複数のスリット１５Ｂが第２の金属層１２に形成される点で図１、図２の電磁波制御素子１と異なる。
【０１０１】
スリット１４Ａ，１４Ｂ，１５Ａ，１５Ｂは、それぞれ、電磁波の波長より短い周期で周期的に形成される。ｚ軸方向から見たとき、第１の金属層１１に形成されたスリット１４Ａの中心線と第２の金属層１２に形成されたスリット１５Ａの中心線とには、ずれがある。また、ｚ軸方向から見たとき、第２の金属層１１に形成されたスリット１４Ｂの中心線と第２の金属層１２に形成されたスリット１５Ｂの中心線とには、ずれがある。これによって、仮想平面２５に対して、第１の金属層１１の形状と第２の金属層１２の形状とに非対称性が生じるので、実施の形態１の場合と同様に、電磁波制御素子５を伝搬する電磁波（ＴＭ波）の分散を大きく変化させることができる。
【０１０２】
なお、電磁波制御素子５において、スリット１４Ａとスリット１５Ａとは同一方向に形成され、スリット１４Ｂとスリット１５Ｂとは同一方向に形成される必要があるが、それらの交差角は直角に限らず任意の角度であってよい。
【０１０３】
上記の点以外については、図１４、図１５の電磁波制御素子５は、図１、図２の電磁波制御素子１と共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【０１０４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０５】
１，２，３，４Ａ，４Ｂ，５ 電磁波制御素子、１０ 基板、１１ 第１の金属層、１２ 第２の金属層、１３ 誘電体、１４，１５ スリット、１６ 電界によって屈折率が変化する媒体、２５ 仮想平面、１９ 電磁波。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光を含む電磁波の強度、位相、および群速度などの伝搬特性を制御する導波路型の電磁波制御素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁波（以下、電磁波は光を含む。）の波長と同程度の周期性を持つ人工材料を用いて電磁波の伝搬を制御する技術の開発が進められている。
【０００３】
たとえば、特開２００５−２７４８４０号公報（特許文献１）は、２次元フォトニック結晶配列中に形成された線欠陥導波路に関する。線欠陥導波路とは、誘電体膜に貫通孔が格子状に配列された２次元フォトニック結晶中で、貫通孔が存在することなく線状に連続した部分である。上記文献の技術では、この線欠陥導波路の幅を狭めたり、線欠陥導波路の両側の貫通孔の大きさを変化させたりすることによって、線欠陥導波路での電磁波の伝搬が制御される。
【０００４】
また、Ｊ．Ｔ．Ｓｈｅｎらは、貫通スリットが電磁波の波長よりも短い周期で周期的に配列された金属膜における電磁波の伝搬について開示している（「Mechanism for Designing Metallic Metamaterials with a High Index of Refraction」、Physical Review Letters、２００５年、第９４巻、１９７４０１−１〜４（非特許文献１）参照）。Ｊ．Ｔ．Ｓｈｅｎらによれば、このような系は、電磁波の周波数に依存しない屈折率を有する誘電体スラブ（平面型誘電体導波路）に等価であると考えることができる。そして、この系の屈折率は金属膜の幾何学的形状のみで制御できるので、従来の誘電体では得られない大きな屈折率を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２７４８４０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊ．Ｔ．Ｓｈｅｎ、外２名、「Mechanism for Designing Metallic Metamaterials with a High Index of Refraction」、Physical Review Letters、２００５年、第９４巻、１９７４０１−１〜４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述の特開２００５−２７４８４０号公報（特許文献１）に開示された誘電体のフォトニック結晶の場合、異なる２種類の誘電体における屈折率差，または誘電体と空気との屈折率差を利用して光の伝播特性を制御する。このため、上記のＪ．Ｔ．Ｓｈｅｎらの文献に記載されるように金属の構造体を用いる場合に比べて、電磁波の伝搬特性の変調度が小さくなりがちである。
【０００８】
さらに、特開２００５−２７４８４０号公報（特許文献１）に開示された技術で光の伝搬特性を制御する場合、２次元フォトニック結晶を構成する貫通孔の配置または大きさを光の波長以下の精度で制御することが不可欠である。したがって、生産性の点で技術的課題がある。
【０００９】
この発明の目的は、金属材料を微細加工した構造体を利用して、効率的に電磁波の伝搬特性を制御することができる電磁波制御素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は要約すれば、電磁波の伝搬特性を変化させる電磁波制御素子であって、第１および第２の金属層を備える。第１の金属層は、電磁波の伝搬方向と平行な仮想平面に対して、電磁波の半波長より短い第１の間隔を開けて平行に設けられる。第１の金属層には、各々が電磁波の伝搬方向と垂直かつ仮想平面と平行な第１の方向に延びた複数の第１のスリットが、電磁波の波長よりも短い第１の周期で電磁波の伝搬方向に周期的に形成される。第２の金属層は、仮想平面を挟んで第１の金属層と反対側に、仮想平面と第１の間隔を開けて平行に設けられる。第２の金属層には、各々が第１の方向に延びた複数の第２のスリットが、電磁波の波長よりも短い第２の周期で電磁波の伝搬方向に周期的に形成される。第１および第２の金属層の形状は、仮想平面に対して非対称である。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、複数のスリットが電磁波の波長未満の周期で形成された第１および第２の金属層が仮想平面を挟んで互いに平行に配置される。そして、これらの金属層の形状は仮想平面に対して非対称であるので、仮想平面に沿って伝搬する電磁波の特性を大きく変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１による電磁波制御素子１の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の電磁波制御素子１の側面図である。
【図３】電磁波制御素子１を伝搬する電磁波の分散関係を示す図である。
【図４】図３に示した０次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１における磁界分布図である。
【図５】図３に示した１次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２における磁界分布図である。
【図６】第１の金属層１１のスリット１４の位置と第２の金属層１２のスリット１５の位置とにずれがない場合の電磁波の分散関係と、ずれがある場合の電磁波の分散関係とを対比して示す図である。
【図７】図１の電磁波制御素子１の製造工程の一例を説明するための図である。
【図８】他の構成例の電磁波制御素子２を示す側面図である。
【図９】さらに他の構成例の電磁波制御素子３を示す側面図である。
【図１０】図１の電磁波制御素子１を製造する他の方法を説明するための図である。
【図１１】図１の電磁波制御素子１を製造する他の方法を説明するための図である。
【図１２】この発明の実施の形態２による電磁波制御素子４Ａの構成を示す側面図である。
【図１３】実施の形態２の変形例としての電磁波制御素子４Ｂの構成を示す側面図である。
【図１４】この発明の実施の形態３による電磁波制御素子５の構成を示す斜視図である。
【図１５】図１４の電磁波制御素子５の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
【００１４】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による電磁波制御素子１の構成を示す斜視図である。
【００１５】
図２は、図１の電磁波制御素子１の側面図である。図１、図２を参照して、電磁波制御素子１は、電磁波１９の伝搬特性を制御する導波路型素子である（この明細書では、電磁波１９には、可視光や赤外線などの光も含むものとする）。電磁波制御素子１は、基板１０と、基板１０上に形成された誘電体１３と、誘電体１３に埋め込まれた第１の金属層１１および第２の金属層１２とを含む。
【００１６】
基板１０には、電磁波１９に対して透明な材料が用いられる。基板１０の材料として、たとえば、電磁波１９が可視光の場合に石英基板を用いることができ、赤外線の場合にシリコン基板を用いることができ、マイクロ波の場合にプラスチックやセラミックスなどを用いることができる。なお、基板１０に近接したほうの第１の金属層１１と基板１０との距離ｈｓが電磁波１９の波長（この場合の波長は誘電体１３中での電磁波１９の波長である）より大きい場合には、基板１０は電磁波１９の伝搬にほとんど影響しないので電磁波に対して透明な材料を基板１０に用いなくてよい。
【００１７】
誘電体１３も、電磁波１９に対して透明な材料によって形成される。誘電体１３として、たとえば、電磁波１９が可視光や赤外線の場合に二酸化ケイ素を用いることができ、マイクロ波の場合にプラスチックやセラミックスなどを用いることができる。
【００１８】
第２の金属層１２の上面と誘電体１３の表面との距離ｈｕは、誘電体１３の表面から電磁波が染み出さないような厚みに設定される。このためには、厚みｈｕを少なくとも電磁波１９の波長（この場合の波長は誘電体１３中での電磁波１９の波長である）よりも大きくする必要がある。誘電体１３の表面上には、さらに電磁波制御素子１を保護するためのキャップ層を積層することもできる。上記の厚みｈｕが電磁波１９の波長よりも小さい場合にはキャップ層には電磁波１９に対して透明な材料を用いる必要がある。
【００１９】
第１および第２の金属層１１，１２は、仮想平面２５を挟んで、仮想平面２５から等距離（Δｚ／２）の位置に仮想平面２５と平行に設けられる。すなわち、第１および第２の金属層１１，１２は、Δｚの間隔を開けて互いに平行に配置される。以下の説明では、基板１０に近接する側の第１の金属層１１を下側の金属層１１とも称し、基板１０から離反する側の第２の金属層１２を上側の金属層１２とも称する。金属層１１，１２として、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、白金、およびこれらの材料からなる合金など、導電率の大きい金属材料を用いることができる。電磁波の波長がマイクロ波領域であれば、キャリア密度の大きい半導体も金属層１１，１２として利用可能である。
【００２０】
ここで、仮想平面２５は、電磁波制御素子１中での電磁波１９の伝搬方向（＋ｙ方向）に平行な仮想的な平面であり、図１、図２ではｘｙ平面と平行に配置される。電磁波１９は、仮想平面２５に沿うように＋ｙ方向に向かって電磁波制御素子１に入射される。図１、図２で仮想平面２５に垂直な方向はｚ軸方向である。
【００２１】
図１、図２に示すように、第１の金属層１１には、電磁波１９の伝搬方向（＋ｙ方向）と直交する方向であるｘ軸方向に延びた複数のスリット１４が周期的に形成される。これによって、第１の金属層１１は、複数の直方体の金属ブロック（図１の参照符号１１．１〜１１．７）に分離される。スリット１４の領域にも誘電体１３が埋め込まれている。
【００２２】
ここで、複数のスリット１４の周期をｄ１とし、各スリット１４の幅（ｙ軸方向）をａ１とし、各金属ブロックの幅（ｙ軸方向）をｂ１とする。したがって、ｄ１＝ａ１＋ｂ１である。また、第１の金属層１１の厚み（ｚ軸方向）をｈ１とする。図１、図２では、模式的に、６個のスリット１４が図示されているが、実際には多数のスリット１４が第１の金属層１１に形成される。
【００２３】
同様に、第２の金属層１２には、ｘ軸方向に延びた複数のスリット１５が周期的に形成される。これによって、第２の金属層１２は、複数の直方体の金属ブロック（図１の参照符号１２．１〜１２．８）に分離される。スリット１５の領域にも誘電体１３が埋め込まれている。
【００２４】
ここで、複数のスリット１５の周期をｄ２とし、各スリット１５の幅（ｙ軸方向）をａ２とし、各金属ブロックの幅（ｙ軸方向）をｂ２とする。したがって、ｄ２＝ａ２＋ｂ２である。また、第２の金属層１２の厚み（ｚ軸方向）をｈ２とする。図１、図２では、模式的に、７個のスリット１５が図示されているが、実際には多数のスリット１５が第１の金属層１２に形成される。
【００２５】
第１および第２の金属層１１，１２の各々のスリット１４，１５の周期ｄ１，ｄ２は、電磁波１９の波長よりも短い必要がある。さらに、第１および第２の金属層１１，１２間の間隔Δｚも、電磁波１９の波長よりも短い必要がある。この結果、電磁波制御素子１を伝搬する電磁波１９は、第１および第２の金属層１１，１２中の表面の自由電子と強く相互作用をしながら、仮想平面２５に沿って＋ｙ方向に伝搬する。なお、上記および以下の説明で、電磁波１９の波長とは、誘電体１３の媒質中での電磁波１９の波長を意味する。
【００２６】
さらに、金属層１１，１２の厚みｈ１，ｈ２は、電磁波の波長のおよそ１倍以上１０倍以内であることが望ましい。なぜなら、金属層１１，１２の厚みｈ１，ｈ２が電磁波１９の波長よりも薄くなりすぎると、外部から入射された電磁波１９と電磁波制御素子１との結合効率が低下するからである。さらに、詳しくは後述するが、金属層１１，１２の厚みが電磁波の波長に比較して薄くなりすぎると、屈折率の変調が大きい１次の固有モードの電磁波が電磁波制御素子１中で励起しなくなる。
【００２７】
また、金属層１１，１２の厚みが電磁波の波長のおよそ１０倍以上になると、各スリット１４，１５のアスペクト比（ｈ１／ａ１，ｈ２／ａ２）も１０を超えることになるので、スリット１４，１５の作製が困難になる。さらに、詳しくは後述するが、金属層１１，１２の厚みが厚くなりすぎると、電磁波制御素子１中に励起する電磁波の固有モード数が増加する結果、個々のモードの群速度の変化率がかえって小さくなるので好ましくない。
【００２８】
また、電磁波制御素子１のｘ軸方向の寸法ＤＸおよびｙ軸方向の寸法ＤＹは、少なくとも電磁波１９の波長の５〜６倍程度の長さに設定されることが好ましい。この場合、電磁波１９の伝搬は、電磁波制御素子１がｘ軸方向およびｙ軸方向に無限に長い場合と同様に考えることができる。
【００２９】
最も典型的な場合には、図１、図２に示すように、第１の金属層１１のスリット１４の周期ｄ１と第２の金属層１２のスリット１５の周期ｄ２とは互いに等しく形成される。また、スリット１４の幅ａ１とスリット１５の幅ａ２とは等しく形成され、第１の金属層１１の厚みｈ１と第２の金属層１２の厚みｈ２とは等しい形成される（以下、ｄ１＝ｄ２＝ｄ、ａ１＝ａ２＝ａ、ｂ１＝ｂ２＝ｂ、ｈ１＝ｈ２＝ｈと記載する。）。さらに、仮想平面２５に垂直なｚ方向から見たとき、スリット１４の中心線とスリット１５の中心線とのずれ幅Δｙはスリット１４の周期ｄの半分に等しく形成される（Δｙ＝ｄ／２）。この場合、次に示すように、電磁波制御素子１中での電磁波１９の群速度が０または負になる場合が存在する。
【００３０】
図３は、電磁波制御素子１を伝搬する電磁波の分散関係を示す図である。図３は、上記の典型的な場合における電磁波制御素子１中での電磁波１９の分散関係を計算したものである。図３において、縦軸は２π×ｃ／ｄ（ただし、πは円周率を表わし、ｃは光速を表わし、ｄはスリット１４，１５の周期を表わす。）で規格化した角周波数ωを表わし、横軸は２π／ｄで規格化した波数ベクトルｋを表わす。
【００３１】
具体的な計算パラメータとして、図１のスリット１４，１５の周期ｄ（ｄ＝ｄ１＝ｄ２）を基準にして、スリット１４，１５の幅ａ（ａ＝ａ１＝ａ２）を３ｄ／５にし、金属ブロックの幅ｂ（ｂ＝ｂ１＝ｂ２）を２ｄ／５にし、金属層１１，１２の厚みｈ（ｈ＝ｈ１＝ｈ２）を２ｄに設定した。また、金属層１１，１２間の間隔Δｚを３ｄ／５０に設定した。また、ｚ方向から見たとき、スリット１４の中心線とスリット１５の中心線とのずれ幅Δｙをスリット１４の周期ｄの半分に等しく設定した（Δｙ＝ｄ／２）。
【００３２】
数値計算の境界条件について説明すると、金属層１１，１２と誘電体１３との境界では、金属層１１，１２の表面に平行な電界成分を０にした。また電磁波制御素子１のｘ軸方向およびｙ軸方向の両端での境界条件を周期境界条件とした。また、簡単のために誘電体１３の屈折率を１（真空中の屈折率）に等しく設定した。
【００３３】
次に数値計算の結果について説明する。まず、図３に示すように、電磁波制御素子１中では、磁界方向が常に、仮想平面２５と平行であり、かつ、電磁波１９の伝搬方向と垂直な方向（ｘ軸方向）を向いたＴＭ（Transverse Magnetic：横磁場）モードのみ伝搬することができる。ここで、図３には、電磁波制御素子１中で生じる電磁波の複数の固有モードのうち、周波数の低い順に０次のＴＭモード（ＴＭ０）および１次のＴＭモード（ＴＭ１）の分散曲線が示されている。また、真空中での電磁波の分散曲線ＶＡＣが破線で示されている。なお、電磁波制御素子１中で生じる固有モード数は、金属層１１，１２の厚みｈ１，ｈ２が厚くなるほど増加する。
【００３４】
０次のＴＭモードは、第１および第２の金属層１１，１２で挟まれた図１の仮想平面２５の近傍で磁界強度が最大になる偶モード（偶関数で表わされるモード）のうちの最低次のモードである。０次のモードの場合、電磁波の進行方向に垂直な面内（図４の縦方向）に、磁界強度の絶対値のピークが１個存在する。一般に、２ｉ次（ただし、ｉは０以上の整数）のモードの場合、電磁波の進行方向に垂直な面内（図２のｚ軸方向）で、磁界強度の絶対値のピークが２ｉ＋１個存在する。
【００３５】
１次のＴＭモードは、第１および第２の金属層１１，１２で挟まれた図１の仮想平面２５の近傍で磁界強度が０になる奇モード（奇関数で表わされるモード）のうちの最低次のモードである。１次のモードの場合、電磁波の進行方向に垂直な面内（図５の縦方向）に、磁界強度の絶対値のピークが２個存在する。一般に、２ｉ＋１次（ただし、ｉは０以上の整数）のモードの場合、電磁波の進行方向に垂直な面内（図２のｚ軸方向）に、磁界強度の絶対値のピークが２ｉ＋２個存在する。
【００３６】
図３に示すように、０次のＴＭモードと１次のＴＭモードとでは全く異なる分散関係を示す。０次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ０）は、波数ベクトルｋが増加するにつれて角周波数ωが単調に増加する特徴を有し、平面型誘電体導波路（スラブ導波路）での電磁波の分散曲線と同様である。
【００３７】
これに対して、１次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ１）は極大点Ｂ２を有する。すなわち、図３の点Ａ２から極大点Ｂ２までは、波数ベクトルｋの増加に伴って角周波数ωが単調に増加する。一方、極大点Ｂ２からバンド端の点Ｃ２（このとき波数ベクトルｋはπ／ｄに等しい。）までは、波数ベクトルｋの増加に伴って角周波数ωが単調に減少する。バンド端（波数ベクトルｋ＝π／ｄ）では、１次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ１）と０次のＴＭのモードの分散曲線（ＴＭ０）とが一致する。
【００３８】
極大点Ｂ２を与える電磁波の波長λは、図１のスリット１４，１５の周期ｄ、スリット１４，１５の幅ａ、および上下のスリット１４，１５間のずれ幅Δｙなど、第１および第２の金属層１１，１２の形状に大きく依存する。具体的に図３の場合、角周波数ωが、
ω＝０．２１×２πｃ／ｄ
のとき分散曲線は極大になる。このときの波長λは、
λ＝２πｃ／ω＝ｄ／０．２１
の関係を満たすので、たとえば、スリットの周期ｄを１μｍとすると、波長λ＝４．７６μｍのとき１次のＴＭモードの分散曲線が極大になる。
【００３９】
分散曲線ＴＭ１の極大点Ｂ２では、群速度Ｖｇ（Ｖｇ＝∂ω／∂ｋ）が０になる。群速度Ｖｇは、電磁波のパルスの伝搬速度を意味する。この性質を利用すれば、電磁波制御素子１を遅延素子または光メモリーに適用することができる。
【００４０】
また、点Ｂ２から点Ｃ２までの区間では、電磁波の群速度Ｖｇが負になる。電磁波の位相速度Ｖｐ（Ｖｐ＝ω／ｋ）は一般に正の値を持つので、この区間では、群速度Ｖｇの符号と位相速度Ｖｐの符号とが逆になる。このように、位相速度Ｖｐの方向と群速度Ｖｇの方向とが１８０°逆向きになる特性は、負の群速度特性もしくは後進波特性と呼ばれる。後進波特性を有する媒質は屈折率が負になるので、通常の物質の限界を超えた応用が可能であり、たとえば、共振器やフィルターを極めて小型化することが可能になる。
【００４１】
なお、０次のＴＭモードの分散曲線と１次のＴＭモード分散曲線とでは、電磁波の周波数が異なる。したがって、電磁波制御素子１に入射する電磁波の周波数に応じて、図１のスリット１４，１５の周期ｄ、スリット１４，１５の幅ａ、および上下のスリット１４，１５間のずれ幅Δｙなど、電磁波制御素子１の金属層１１，１２の形状を適切に設計することによって、０または負の群速度の特性と有する１次のＴＭモードを選択的に励起することができる。
【００４２】
図４は、図３に示した０次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１における磁界分布図である。図４（Ａ）は、０次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ１における磁界分布を示し、図４（Ｂ）は、点Ｂ１における磁界分布を示し、図４（Ｃ）は、点Ｃ１における磁界分布を示す。
【００４３】
図４（Ａ）〜（Ｃ）では、ｘ軸方向の磁界Ｈｘが正の最大値（Ｈｘ＝１で規格化）となる場合を白色で表わし、磁界Ｈｘが負の最大値（Ｈｘ＝−１で規格化）となる場合を黒色で表わし、これらの間の磁界強度を濃淡で示している。また、図４（Ａ）〜（Ｃ）には、図２の電磁波制御素子１の側面図のうち第１、第２の金属層１１，１２に対応する部分の外形が破線で示されている。
【００４４】
図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、金属層１１，１２に挟まれた領域、スリット１４，１５の領域、および金属層１１，１２の外側の領域のいずれの領域にも電磁波が分布する。０次のＴＭモードでは、図２の金属層１１，１２で挟まれた仮想平面２５の近傍で磁界強度が最大になる。また、仮想平面２５の上下の磁界の符号は同じである。バンド端（図３の点Ｃ１）に対応する図４（Ｃ）では、電磁波の波長はスリットの２周期分（図２の２×ｄ。ただし、ｄ＝ｄ１＝ｄ２。）に等しい。
【００４５】
図５は、図３に示した１次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２における磁界分布図である。図５（Ａ）は、１次のＴＭモードの分散曲線上の点Ａ２における磁界分布を示し、図５（Ｂ）は、点Ｂ２における磁界分布を示し、図５（Ｃ）は、点Ｃ２における磁界分布を示す。
【００４６】
図５（Ａ）〜（Ｃ）では、ｘ軸方向の磁界Ｈｘが正の最大値（Ｈｘ＝１で規格化）となる場合を白色で表わし、磁界Ｈｘが負の最大値（Ｈｘ＝−１で規格化）となる場合を黒色で示し、これらの間の磁界強度を濃淡で示している。また、図５（Ａ）〜（Ｃ）には、図２に示す電磁波制御素子１の側面図のうち第１、第２の金属層１１，１２に対応する部分の外形が破線で示されている。
【００４７】
図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、金属層１１，１２に挟まれた領域、スリット１４，１５の領域、および金属層１１，１２の外側の領域のいずれの領域にも電磁波が分布する。１次のＴＭモードでは、図２の金属層１１，１２で挟まれた仮想平面２５の近傍で磁界強度がほぼ０になる。また、仮想平面２５の上下の磁界の符号が逆になる。バンド端（図３の点Ｃ２）に対応する図５（Ｃ）では、電磁波の波長はスリットの２周期分（図２の２×ｄ。ただし、ｄ＝ｄ１＝ｄ２。）に等しい。
【００４８】
図５（Ｃ）と図４（Ｃ）とを比較すると、電磁波の位相が互いに１８０°ずれている点を除いて、両者の磁界分布形状は同一である。このことは、図３のバンド端（波数ベクトルｋ＝π／ｄ）で、０次のＴＭモードの分散曲線と１次のＴＭモードの分散曲線とが一致する事実に符合している。
【００４９】
次に、図２の上下のスリット１４，１５間のずれ幅Δｙと電磁波制御素子１中での電磁波の分散との関係について説明する。
【００５０】
図６は、第１の金属層１１のスリット１４の位置と第２の金属層１２のスリット１５の位置とにずれがない場合の電磁波の分散関係と、ずれがある場合の電磁波の分散関係とを対比して示す図である。上段の（Ａ）のグラフは、図２でΔｙ＝０の場合（すなわち、上下のスリット１４，１５にずれがない場合）の電磁波の分散関係であり、下段の（Ｂ）のグラフは、図２でΔｙ＝ｄ／２の場合（すなわち、上下のスリット１４，１５がスリットの周期ｄの半周期分ずれている場合）の電磁波の分散関係である。図６では、０次〜３次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ０〜ＴＭ３）が実線で示され、真空中での電磁波の分散曲線ＶＡＣが破線で示されている。図６において、縦軸は２π×ｃ／ｄ（ただし、πは円周率を表わし、ｃは光速を表わし、ｄはスリット１４，１５の周期を表わす。）で規格化した角周波数ωを表わし、横軸は２π／ｄで規格化した波数ベクトルｋを表わす。
【００５１】
具体的な計算パラメータとして、図１のスリット１４，１５の周期ｄ（ｄ＝ｄ１＝ｄ２）をｄ＝０．６ｍｍとし、スリット１４，１５の幅ａ（ａ＝ａ１＝ａ２）をａ＝０．１６ｍｍとし、金属ブロックの幅ｂ（ｂ＝ｂ１＝ｂ２）をｂ＝０．４４ｍｍとし、金属層１１，１２の厚みｈ（ｈ＝ｈ１＝ｈ２）をｈ＝１．３ｍｍとした。また、金属層１１，１２間の間隔Δｚを０．０１５ｍｍとした。また、簡単のために誘電体１３の屈折率を１（真空中の屈折率）とした。
【００５２】
まず、図６（Ａ）の場合（すなわち、上下の金属層のスリットのずれ幅ΔｙがΔｙ＝０の場合）、分散関係は単一の誘電体スラブ（平面型誘電体導波路）の分散関係と同様である。すなわち、前述のＪ．Ｔ．Ｓｈｅｎらの文献に記載された単層の金属の構造体（すなわち、周期的なスリットが形成された単一の金属膜）と同様の分散関係になり、金属層１１，１２が上下の２層構造となっている効果は現れない。
【００５３】
一方、図６（Ｂ）の場合（すなわち、上下の金属層のスリットのずれ幅ΔｙがΔｙ＝ｄ／２の場合）、偶数次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ０，ＴＭ２）は図６（Ａ）の場合とほとんど変化がない。これに対して、奇数次のＴＭモードの分散曲線（ＴＭ１，ＴＭ３）は図６（Ａ）の場合よりも低周波側にシフトする。この場合、波数ベクトルｋが大きくなるほど、分散曲線（ＴＭ１，ＴＭ３）の低周波側へのシフト量が大きくなり、バンド端（ｋ＝π／ｄ）では２ｉ次（ただし、ｉは０以上の整数）の分散曲線と２ｉ＋１次の分散曲線とが一致する。この結果、奇数次のＴＭモードの分散曲線に極大値が生じる。
【００５４】
図示を省略しているが、上下のスリット１４，１５間のずれ幅Δｙが、Δｙ＝０（図（Ａ）の場合）からΔｙ＝ｄ／２（図（Ｂ）の場合）に増加するにつれて、奇数次のＴＭモードの分散曲線の低周波側へのシフト量が大きくなる。そして、Δｙ＝ｄ／２のとき低周波側へのシフト量が最大になる。
【００５５】
これを別の観点から見ると、図２の仮想平面２５に対して、上下の金属層１１，１２の形状が対称な場合は、電磁波制御素子１を伝搬する電磁波の分散関係に異常は見られない。これに対して仮想平面２５に対して、上下の金属層１１，１２の形状の非対称になると奇数次のＴＭモードの分散関係に異常が現れる。仮想平面２５に対して、上下の金属層１１，１２の非対称性が大きい場合には、群速度が０または負になる場合が存在する。このように、上下のスリット１４，１５のずれ幅Δｙ、ひいては上下の金属層１１，１２の非対称性を調整することによって、電磁波制御素子１を伝搬する電磁の特性を制御することができる。
【００５６】
図７は、図１の電磁波制御素子１の製造工程の一例を説明するための図である。以下、図７（Ａ）〜（Ｇ）を参照して、電磁波制御素子１の製造工程について説明する。
【００５７】
まず、図７（Ａ）に示すように、基板１０の主面上の全面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを用いて誘電体１３Ａを製膜する。誘電体１３Ａの膜厚は、図２の第１の金属層１１と基板１０との間の距離ｈｓに等しい。
【００５８】
その後、図７（Ｂ）に示すように、誘電体１３Ａの表面にフォトレジストを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによってフォトレジストをライン状にパターニングする。ライン状のフォトレジスト２１Ａの周期は、図２の第１の金属層１１に形成されたスリット１４の周期ｄ１に等しく、ライン状のフォトレジスト２１Ａの幅は、図２の第１の金属層１１に形成されたスリット１４の幅ａ１に等しい。
【００５９】
次に、パターンニングされたフォトレジスト２１Ａの上から金属膜を真空蒸着法などによって堆積させる。このときの金属膜の厚みは、図２の第１の金属層１１の厚みｈ１に等しい。この後、レジスト２１Ａ上の余分な金属膜をレジスト２１Ａとともに除去することによって（リフトオフ法）、図７（Ｃ）に示すように、複数のスリットの形成された第１の金属層１１が形成される。
【００６０】
次に、図７（Ｄ）に示すように、誘電体１３Ｂを金属層１１のスリットに埋め込むように形成する。このとき金属層１１の上面より上の誘電体１３Ｂの膜厚が、図２のΔｚに等しくなるように調整する。たとえば、ＣＶＤ法などによって誘電体１３Ｂを厚めに製膜した後、表面を研磨することによって膜厚を調整することができる。
【００６１】
次に、図７（Ｅ）に示すように、誘電体１３Ｂの表面にフォトレジストを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによってフォトレジストをライン状にパターンニングする。ライン状のフォトレジスト２１Ｂの周期は、図２の第２の金属層１２に形成されたスリット１５の周期ｄ２に等しく、ライン状のフォトレジスト２１Ｂの幅は、図２の第２の金属層１２に形成されたスリット１５の幅ａ２に等しい。
【００６２】
次に、パターンニングされたフォトレジスト２１Ｂの上から金属膜を真空蒸着法などによって製膜する。このときの金属膜の厚みは、図２の第２の金属層１２の厚みｈ２に等しい。この後、レジスト２１Ｂ上の余分な金属膜をレジスト２１Ｂとともに除去することによって（リフトオフ法）、図７（Ｆ）に示すように、複数のスリットの形成された第２の金属層１２が形成される。
【００６３】
次に、図７（Ｇ）に示すように、誘電体１３Ｃを金属層１２のスリットに埋め込むように形成する。このとき金属層１２の上面より上の誘電体１３Ｃの膜厚が、図２の金属層１２よりも上側の誘電体１３の厚みｈｕに等しくなるように調整する。たとえば、ＣＶＤ法などによって誘電体１３Ｃを厚めに製膜した後、表面を研磨することによって膜厚を調整することができる。図７（Ｇ）において、誘電体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが図１，図２の誘電体１３に対応する。
【００６４】
以上のプロセスによって、図１、図２の電磁波制御素子１が完成する。上記のプロセスによれば、金属層１１，１２にそれぞれ形成されるスリットの幅ａ１，ａ２および金属ブロックの幅ｂ１，ｂ２を１００ｎｍ程度まで小さく作製することが可能であるため、可視光で動作する電磁波制御素子１を作製することができる。
【００６５】
以上のとおり、実施の形態１の電磁波制御素子１によれば、複数のスリット１４，１５がそれぞれ形成された第１および第２の金属層１１，１２が、仮想平面２５を挟んで互いに平行に配設される。このとき、スリット１４，１５が延びる方向は電磁波１９の伝搬方向（＋ｙ方向）に対して垂直方向（ｘ軸方向）であり、スリット１４，１５の周期は電磁波１９の波長より小さい。また、第１および第２の金属層１１，１２間の間隔Δｚも電磁波１９の波長より小さい。
【００６６】
上記の場合、仮想平面２５に対して、第１および第２の金属層１１，１２の形状が非対称であれば、電磁波制御素子１を伝搬する電磁波１９の分散特性、特に奇数次のＴＭモードの分散を通常の誘電体導波路の場合に比べて大きく変化させることができる。中でも、上下の金属層１１，１２のスリット１４，１５の周期が互いに等しく、仮想平面に垂直な方向から見たときのスリット１４，１５の中心線のずれ幅Δｙがスリット１４，１５の周期ｄの１／２に等しいときの電磁波の分散特性の変化が大きくなる。この場合、奇数時のＴＭモードの分散特性には群速度が０や負の領域が存在する。
【００６７】
ここで、上下のスリット１４，１５の形成位置をずらす方法以外によっても、第１および第２の金属層１１，１２の形状を仮想平面２５に対して非対称にすることは可能である。以下、このような変形例１，２について説明する。なお、以下の説明では、実施の形態１の場合と同一または相当する部分には同一の参照符号を付してその説明を繰返さない。
【００６８】
［実施の形態１の変形例１］
図８は、他の構成例の電磁波制御素子２を示す側面図である。図８には、第１の金属層１１に形成されたスリット１４の周期ｄ１と第２の金属層１２に形成されたスリット１５の周期ｄ２とが異なる場合が図示されている。図８の場合、周期ｄ１と周期ｄ２の比は約１２：７である。一方、第１の金属層１１の厚みｈ１は第２の金属層１２の厚みｈ２に等しく、スリット１４の幅ａ１はスリットの幅ａ２に等しい。
【００６９】
このように、上下の金属層１１，１２のスリット１４，１５の周期を異ならせることによって、金属の領域と誘電体の領域との体積比を上下の金属層１１，１２で異ならせることができる。この結果、上下の金属層１１，１２で電磁波の分布状態が異なることになるので、電磁波の伝搬状態の制御が可能になる。
【００７０】
［実施の形態１の変形例２］
図９は、さらに他の構成例の電磁波制御素子３を示す側面図である。図９には、第１の金属層１１の厚みｈ１と第２の金属層１２の厚みｈ２とが異なり、第１の金属層１１に形成されたスリット１４の幅ａ１と第２の金属層１２に形成されたスリット１５の幅ａ２とが異なる場合が図示されている。一方、スリット１４の周期ｄ１はスリット１５の周期ｄ２に等しい。また、仮想平面２５に垂直な方向（ｚ軸方向）から見たときの、スリット１４の中心線はスリット１５の中心線に一致し、両者にずれはない。
【００７１】
このようにしても、金属の領域と誘電体の領域との体積比を上下の金属層で異ならせることができる。この結果、上下の金属層１１，１２で電磁波の分布状態が異なるので、電磁波の伝搬状態の制御が可能になる。
【００７２】
［実施の形態１の変形例３］
図１０、図１１は、図１の電磁波制御素子１を製造する他の方法の説明するための図である。以下、図１０（Ａ）〜（Ｆ）および図１１（Ａ）〜（Ｅ）を参照して、電磁波制御素子１の製造方法の変形例について説明する。
【００７３】
まず、図１０（Ａ）に示すように、基板１０の主面上の全面にＣＶＤ法などを用いて誘電体１３Ｄを製膜する。誘電体１３Ｄの膜厚は、図２の第１の金属層１１の厚みｈ１と、金属層１１と基板１０との間の距離ｈｓとの和ｈ１＋ｈｓに等しい。
【００７４】
その後、図１０（Ｂ）に示すように、誘電体１３Ｄの表面にフォトレジストを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによってフォトレジストをライン状にパターニングする。ライン状のフォトレジスト２１Ｃの周期は、図２の第１の金属層１１に形成されたスリット１４の周期ｄ１に等しく、ライン状のフォトレジスト２１Ｃの幅は、図２の第１の金属層１１に形成されたスリット１４の幅ａ１に等しい。
【００７５】
次に、パターンニングされたフォトレジスト２１Ｃをマスクとして、反応性プラズマエッチングなどの方法によって誘電体１３Ｄを異方性エッチングする。このときのエッチングの深さは、図２の第１の金属層１１の厚みｈ１に等しい。エッチング後にフォトレジスト２１Ｃを除去することによって、図１０（Ｃ）に示すように、誘電体１３Ｄにライン状の凹部が複数形成される。
【００７６】
次に、図１０（Ｄ）に示すように、誘電体１３Ｄのライン状の凹部を埋めるように誘電体１３Ｄの表面に金属メッキを施こす。これによって、複数の凹部の形成された誘電体１３Ｄの表面が金属膜１１Ａによって被覆される。
【００７７】
次に、図１０（Ｅ）に示すように、化学研磨法などによって、誘電体１３Ｄの表面が露出するまで金属膜１１Ａを研磨する。これによって、誘電体１３Ｄの埋め込まれたスリットを複数有する金属層１１が形成される。
【００７８】
その後、図１０（Ｆ）に示すように、研磨後の金属膜１１Ａの上に誘電体１３ＥをＣＶＤ法などによって製膜する。誘電体１３Ｅの厚みは、図２の第１および第２の金属層１１，１２間の厚みΔｚと第２の金属層１２の厚みｈ２との和Δｚ＋ｈ２に等しい。
【００７９】
次に、図１１（Ａ）に示すように、誘電体１３Ｅの表面にフォトレジストを塗布して、電子ビームリソグラフィなどによってフォトレジストをライン状にパターニングする。ライン状のフォトレジスト２１Ｄの周期は、図２の第２の金属層１２に形成されたスリット１５の周期ｄ２に等しく、ライン状のフォトレジスト２１Ｄの幅は、図２の第２の金属層１２に形成されたスリット１５の幅ａ２に等しい。
【００８０】
次に、パターンニングされたフォトレジスト２１Ｄをマスクとして、反応性プラズマエッチングなどの方法によって誘電体１３Ｅを異方性エッチングする。このときのエッチングの深さは、図２の第２の金属層１２の厚みｈ２に等しい。エッチング後にフォトレジスト２１Ｄを除去することによって、図１１（Ｂ）に示すように、誘電体１３Ｅにライン状の凹部が複数形成される。
【００８１】
次に、図１１（Ｃ）に示すように、誘電体１３Ｅのライン状の凹部を埋めるように誘電体１３Ｅの表面に金属メッキを施こす。これによって、複数の凹部の形成された誘電体１３Ｅの表面が金属膜１２Ａによって被覆される。
【００８２】
次に、図１１（Ｄ）に示すように、化学研磨法などによって、誘電体１３Ｅの表面が露出するまで金属膜１２Ａを研磨する。これによって、誘電体１３Ｅの埋め込まれたスリットを複数有する金属層１２が形成される。
【００８３】
その後、図１１（Ｅ）に示すように、研磨後の金属膜１２Ａの上に誘電体１３ＦをＣＶＤ法などによって製膜する。誘電体１３Ｆの厚みは、図２の金属層１２の上側の誘電体１３の厚みｈｕに等しくなるようにする。図１１（Ｅ）において、誘電体１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆが図１，図２の誘電体１３に対応する。
【００８４】
以上のプロセスによって、図１、図２の電磁波制御素子１が完成する。上記のプロセスによれば、金属層１１，１２にそれぞれ形成されるスリット１４，１５の幅ａ１，ａ２および金属ブロックの幅ｂ１，ｂ２を１００ｎｍ程度まで小さく作製することが可能であるため、可視光で動作する電磁波制御素子１を作製することができる。
【００８５】
上記の例および図７の例では、可視光の領域で動作する電磁波制御素子１にも適用可能な製造工程を示したが、マイクロ波の領域など、波長の大きな電磁波で動作する電磁波制御素子１の場合は、サイズを大きくできるので比較的簡単に製造することができる。
【００８６】
たとえば、電磁波に対して透明な基板の主面上に金属膜を製膜し、製膜した金属膜に複数のスリットを形成する。そして、このように加工した２枚の基板の主面側を対向させ、適切なギャップ（図２のΔｚ）を開けた上でスリットの位置合わせをして固定することによって、電磁波制御素子１を作製することができる。
【００８７】
［実施の形態２］
図１２は、この発明の実施の形態２による電磁波制御素子４Ａの構成を示す側面図である。図１２に示す電磁波制御素子４Ａは、図２の誘電体１３に代えて、電界によって電磁波の屈折率または吸収率が変化する媒体１６が設けられている点で、図２の電磁波制御素子１と異なる。媒体１６として、液晶や高分子材料を用いることができる。また、媒体１６として、電気光学効果を有するナノ結晶を分散した複合材料などを利用することができる。
【００８８】
さらに、電磁波制御素子４Ａの第２の金属層１２を構成する各金属ブロックは電極として用いられ、隣接する金属ブロック間に電源１７によって電界１８が印加される。その他の点については、図１２の電磁波制御素子４Ａは、図２の電磁波制御素子１と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００８９】
電磁波制御素子４Ａでは、電源１７の出力を変化させることによって、第２の金属層１２を構成する各金属ブロック間（特にスリット１５の領域）の電界１８の大きさが変化する。この結果、第２の金属層１２の近傍、特にスリット１５の領域における媒体１６の屈折率または吸収係数が変化するので、第２の金属層１２の近傍の電磁波の分布状態が変化する。
【００９０】
これによって、仮想平面２５を挟んで下側の第１の金属層１１の周辺の電磁界分布と上側の第２の金属層１２の周辺の電磁界分布との非対称性の強弱を変化させることができるので、電磁波制御素子４Ａを伝搬する電磁波の分散関係を制御することができる。たとえば、電源１７の出力電圧のオンおよびオフに応じて、電磁波の群速度の正負を切替えたりすることが可能になる。
【００９１】
上記の例では、第２の金属層１２を構成する金属ブロック間に電界を印加する場合について説明したが、これに代えて第１の金属層１１を構成する金属ブロック間に電界を印加してもよい。
【００９２】
また、媒体１６を、主として電界が印加されるスリットの領域にのみ設けてもよい。すなわち、第１の金属層１１を構成する金属ブロック間に電界を印加する場合には、第１の金属層１１のスリット１４の領域にのみ媒体１６を設け、第２の金属層１２を構成する金属ブロック間に電界を印加する場合には、第２の金属層１２のスリット１５の領域にのみ媒体１６を設けてもよい。
【００９３】
また、図１２の仮想平面２５を挟んで上下の金属層１１，１２の形状を対称に形成してもよい。すなわち、スリット１４の周期ｄ１とスリット１５の周期ｄ２とは等しく形成され、スリット１４の幅ａ１とスリット１５の幅ａ２とは等しく形成される。さらに、第１の金属層１１の厚みｈ１と第２の金属層１２の厚みｈ２とは等しく形成される。したがって、この場合には、電界の印加のみで上下の電磁波分布に非対称性を生じさせることになる。
【００９４】
［実施の形態２の変形例］
図１３は、実施の形態２の変形例としての電磁波制御素子４Ｂの構成を示す側面図である。電磁波制御素子４Ｂでは、第１および第２の金属層１１，１２を構成する金属ブロックが両方とも電極として用いられ、第１および第２の金属層１１，１２間に電源１７によって電界１８が印加される。また、図１３の電磁波制御素子４Ｂでは、上下の金属層１１，１２の形状は仮想平面２５に対して非対称である必要がある。その他の点については、図１３の電磁波制御素子４Ｂは図１２の電磁波制御素子４Ａと共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００９５】
図１３の電磁波制御素子４Ｂでは、電源１７の出力を変化させることによって、第１および第２の金属層１１，１２間の電界１８の大きさを変化させる。この結果、第１および第２の金属層１１，１２間の領域における媒体１６の屈折率または吸収係数が変化するので、電磁波制御素子４Ｂを伝搬する電磁波の分布状態を制御することができる。たとえば、電源１７の出力電圧のオンおよびオフに応じて、電磁波の群速度の正負を切替えたりすることが可能になる。
【００９６】
なお、媒体１６を、主として電界が印加される第１および第２の金属層１１，１２間の領域（厚みΔｚの領域）にのみ設けてもよい。
【００９７】
［実施の形態３］
図１４は、この発明の実施の形態３による電磁波制御素子５の構成を示す斜視図である。
【００９８】
図１５は、図１４の電磁波制御素子５の上面図である。図１５では、図１４の電磁波制御素子５の第２の金属層１２を実線で表わし、第１の金属層１１を破線で表わしている。図１４の誘電体１３および基板１０については図示を省略している。
【００９９】
図１４、図１５を参照して、電磁波制御素子５は、基板１０と、基板１０上に形成された誘電体１３と、誘電体１３に埋め込まれた第１の金属層１１および第２の金属層１２とを含む。第１および第２の金属層１１，１２は、ｘｙ平面と平行な仮想平面２５を挟んで、仮想平面２５から等距離の位置に仮想平面２５と平行に設けられる。電磁波は仮想平面２５に沿った任意の方向に入射される。入射された電磁波は、仮想平面２５に沿って電磁波制御素子５中を伝搬する。
【０１００】
ここで、電磁波制御素子５は、ｘ軸方向に延びる複数のスリット１４Ａに加えて、さらにｙ軸方向に延びる複数のスリット１４Ｂが第１の金属層１１に形成される点で図１、図２の電磁波制御素子１と異なる。さらに、電磁波制御素子５は、ｘ軸方向に延びる複数のスリット１５Ａに加えて、さらにｙ軸方向に延びる複数のスリット１５Ｂが第２の金属層１２に形成される点で図１、図２の電磁波制御素子１と異なる。
【０１０１】
スリット１４Ａ，１４Ｂ，１５Ａ，１５Ｂは、それぞれ、電磁波の波長より短い周期で周期的に形成される。ｚ軸方向から見たとき、第１の金属層１１に形成されたスリット１４Ａの中心線と第２の金属層１２に形成されたスリット１５Ａの中心線とには、ずれがある。また、ｚ軸方向から見たとき、第２の金属層１１に形成されたスリット１４Ｂの中心線と第２の金属層１２に形成されたスリット１５Ｂの中心線とには、ずれがある。これによって、仮想平面２５に対して、第１の金属層１１の形状と第２の金属層１２の形状とに非対称性が生じるので、実施の形態１の場合と同様に、電磁波制御素子５を伝搬する電磁波（ＴＭ波）の分散を大きく変化させることができる。
【０１０２】
なお、電磁波制御素子５において、スリット１４Ａとスリット１５Ａとは同一方向に形成され、スリット１４Ｂとスリット１５Ｂとは同一方向に形成される必要があるが、それらの交差角は直角に限らず任意の角度であってよい。
【０１０３】
上記の点以外については、図１４、図１５の電磁波制御素子５は、図１、図２の電磁波制御素子１と共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【０１０４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０５】
１，２，３，４Ａ，４Ｂ，５ 電磁波制御素子、１０ 基板、１１ 第１の金属層、１２ 第２の金属層、１３ 誘電体、１４，１５ スリット、１６ 電界によって屈折率が変化する媒体、２５ 仮想平面、１９ 電磁波。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波の伝搬特性を変化させる電磁波制御素子であって、
前記電磁波の伝搬方向と平行な仮想平面に対して、前記電磁波の半波長より短い第１の間隔を開けて平行に設けられた第１の金属層を備え、
前記第１の金属層には、各々が前記電磁波の伝搬方向と垂直かつ前記仮想平面と平行な第１の方向に延びた複数の第１のスリットが、前記電磁波の波長よりも短い第１の周期で前記電磁波の伝搬方向に周期的に形成され、
前記電磁波制御素子は、前記仮想平面を挟んで前記第１の金属層と反対側に、前記仮想平面と前記第１の間隔を開けて平行に設けられた第２の金属層をさらに備え、
前記第２の金属層には、各々が前記第１の方向に延びた複数の第２のスリットが、前記電磁波の波長よりも短い第２の周期で前記電磁波の伝搬方向に周期的に形成され、
前記第１および第２の金属層の形状は、前記仮想平面に対して非対称である、電磁波制御素子。
【請求項２】
前記第１の周期は、前記第２の周期と等しく、
前記仮想平面と垂直な方向から見たとき、前記複数の第１のスリットの各々の中心線と前前記複数の第２のスリットの各々の中心線とには、ずれがある、請求項１に記載の電磁波制御素子。
【請求項３】
前記仮想平面と垂直な方向から見たとき、前記複数の第１のスリットの各々の中心線と前前記複数の第２のスリットの各々の中心線とのずれ幅は、前記第１の周期の半分に等しい、請求項２に記載の電磁波制御素子。
【請求項４】
前記第１の金属層の厚みは、前記第２の金属層の厚みと異なる、請求項１に記載の電磁波制御素子。
【請求項５】
前記複数の第１のスリットの各々の幅は、前記複数の第２のスリットの各々の幅と異なる、請求項１に記載の電磁波制御素子。
【請求項６】
前記第１の周期は、前記第２の周期と異なる、請求項１に記載の電磁波制御素子。
【請求項７】
前記電磁波は、前記仮想平面の近傍で磁界強度が０になる奇数次のＴＭモードである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電磁波制御素子。
【請求項８】
前記複数の第１または第２のスリットの各々の領域に設けられ、各スリットに印加された電界によって前記電磁波の屈折率または前記電磁波の吸収係数が変化する媒体をさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電磁波制御素子。
【請求項９】
前記第１および第２の金属層によって挟まれた領域に設けられ、前記第１および第２の金属層間に印加された電界によって前記電磁波の屈折率または前記電磁波の吸収係数が変化する媒体をさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電磁波制御素子。
【請求項１０】
電磁波の伝搬特性を変化させる電磁波制御素子であって、
前記電磁波の伝搬方向と平行な仮想平面に対して、前記電磁波の半波長より短い第１の間隔を開けて平行に設けられた第１の金属層を備え、
前記第１の金属層には、各々が前記仮想平面と平行な第１の方向に延びた複数の第１のスリットが前記仮想平面と平行かつ前記第１の方向と垂直方向に周期的に形成され、
前記第１の金属層には、さらに、各々が前記仮想平面と平行かつ前記第１の方向と交差する第２の方向に延びた複数の第２のスリットが前記仮想平面と平行かつ前記第２の方向と垂直方向に周期的に形成され、
前記複数の第１のスリットの周期および前記複数の第２のスリットの周期は、それぞれ、前記電磁波の波長よりも短く、
前記電磁波制御素子は、前記仮想平面を挟んで前記第１の金属層と反対側に、前記仮想平面と前記第１の間隔を開けて平行に設けられた第２の金属層をさらに備え、
前記第２の金属層には、各々が前記第１の方向に延びた複数の第３のスリットが前記仮想平面と平行かつ前記第１の方向と垂直方向に周期的に形成され、
前記第２の金属層には、さらに、各々が前記第２の方向に延びた複数の第４のスリットが前記仮想平面と平行かつ前記第２の方向と垂直方向に周期的に形成され、
前記複数の第３のスリットの周期および前記複数の第４のスリットの周期は、それぞれ、前記電磁波の波長よりも短く、
前記第１および第２の金属層の形状は、前記仮想平面に対して非対称である、電磁波制御素子。
【請求項１１】
電磁波の伝搬特性を変化させる電磁波制御素子であって、
前記電磁波の伝搬方向と平行な仮想平面に対して、前記電磁波の半波長より短い第１の間隔を開けて平行に設けられた第１の金属層を備え、
前記第１の金属層には、各々が前記電磁波の伝搬方向と垂直かつ前記仮想平面と平行な第１の方向に延びた複数の第１のスリットが、前記電磁波の波長よりも短い第１の周期で前記電磁波の伝搬方向に周期的に形成され、
前記電磁波制御素子は、前記仮想平面を挟んで前記第１の金属層と反対側に、前記仮想平面と前記第１の間隔を開けて平行に設けられた第２の金属層をさらに備え、
前記第２の金属層には、各々が前記第１の方向に延びた複数の第２のスリットが、前記仮想平面と垂直な方向から見たとき前記複数の第１のスリットと重なるように、前記第１の周期で前記電磁波の伝搬方向に周期的に形成され、
前記電磁波制御素子は、前記複数の第１または第２のスリットの各々の領域に設けられ、各スリットに印加された電界によって前記電磁波の屈折率または前記電磁波の吸収係数が変化する媒体をさらに備える、電磁波制御素子。
【請求項１】
電磁波の伝搬特性を変化させる電磁波制御素子であって、
前記電磁波の伝搬方向と平行な仮想平面に対して、前記電磁波の半波長より短い第１の間隔を開けて平行に設けられた第１の金属層を備え、
前記第１の金属層には、各々が前記電磁波の伝搬方向と垂直かつ前記仮想平面と平行な第１の方向に延びた複数の第１のスリットが、前記電磁波の波長よりも短い第１の周期で前記電磁波の伝搬方向に周期的に形成され、
前記電磁波制御素子は、前記仮想平面を挟んで前記第１の金属層と反対側に、前記仮想平面と前記第１の間隔を開けて平行に設けられた第２の金属層をさらに備え、
前記第２の金属層には、各々が前記第１の方向に延びた複数の第２のスリットが、前記電磁波の波長よりも短い第２の周期で前記電磁波の伝搬方向に周期的に形成され、
前記第１および第２の金属層の形状は、前記仮想平面に対して非対称である、電磁波制御素子。
【請求項２】
前記第１の周期は、前記第２の周期と等しく、
前記仮想平面と垂直な方向から見たとき、前記複数の第１のスリットの各々の中心線と前前記複数の第２のスリットの各々の中心線とには、ずれがある、請求項１に記載の電磁波制御素子。
【請求項３】
前記仮想平面と垂直な方向から見たとき、前記複数の第１のスリットの各々の中心線と前前記複数の第２のスリットの各々の中心線とのずれ幅は、前記第１の周期の半分に等しい、請求項２に記載の電磁波制御素子。
【請求項４】
前記第１の金属層の厚みは、前記第２の金属層の厚みと異なる、請求項１に記載の電磁波制御素子。
【請求項５】
前記複数の第１のスリットの各々の幅は、前記複数の第２のスリットの各々の幅と異なる、請求項１に記載の電磁波制御素子。
【請求項６】
前記第１の周期は、前記第２の周期と異なる、請求項１に記載の電磁波制御素子。
【請求項７】
前記電磁波は、前記仮想平面の近傍で磁界強度が０になる奇数次のＴＭモードである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電磁波制御素子。
【請求項８】
前記複数の第１または第２のスリットの各々の領域に設けられ、各スリットに印加された電界によって前記電磁波の屈折率または前記電磁波の吸収係数が変化する媒体をさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電磁波制御素子。
【請求項９】
前記第１および第２の金属層によって挟まれた領域に設けられ、前記第１および第２の金属層間に印加された電界によって前記電磁波の屈折率または前記電磁波の吸収係数が変化する媒体をさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電磁波制御素子。
【請求項１０】
電磁波の伝搬特性を変化させる電磁波制御素子であって、
前記電磁波の伝搬方向と平行な仮想平面に対して、前記電磁波の半波長より短い第１の間隔を開けて平行に設けられた第１の金属層を備え、
前記第１の金属層には、各々が前記仮想平面と平行な第１の方向に延びた複数の第１のスリットが前記仮想平面と平行かつ前記第１の方向と垂直方向に周期的に形成され、
前記第１の金属層には、さらに、各々が前記仮想平面と平行かつ前記第１の方向と交差する第２の方向に延びた複数の第２のスリットが前記仮想平面と平行かつ前記第２の方向と垂直方向に周期的に形成され、
前記複数の第１のスリットの周期および前記複数の第２のスリットの周期は、それぞれ、前記電磁波の波長よりも短く、
前記電磁波制御素子は、前記仮想平面を挟んで前記第１の金属層と反対側に、前記仮想平面と前記第１の間隔を開けて平行に設けられた第２の金属層をさらに備え、
前記第２の金属層には、各々が前記第１の方向に延びた複数の第３のスリットが前記仮想平面と平行かつ前記第１の方向と垂直方向に周期的に形成され、
前記第２の金属層には、さらに、各々が前記第２の方向に延びた複数の第４のスリットが前記仮想平面と平行かつ前記第２の方向と垂直方向に周期的に形成され、
前記複数の第３のスリットの周期および前記複数の第４のスリットの周期は、それぞれ、前記電磁波の波長よりも短く、
前記第１および第２の金属層の形状は、前記仮想平面に対して非対称である、電磁波制御素子。
【請求項１１】
電磁波の伝搬特性を変化させる電磁波制御素子であって、
前記電磁波の伝搬方向と平行な仮想平面に対して、前記電磁波の半波長より短い第１の間隔を開けて平行に設けられた第１の金属層を備え、
前記第１の金属層には、各々が前記電磁波の伝搬方向と垂直かつ前記仮想平面と平行な第１の方向に延びた複数の第１のスリットが、前記電磁波の波長よりも短い第１の周期で前記電磁波の伝搬方向に周期的に形成され、
前記電磁波制御素子は、前記仮想平面を挟んで前記第１の金属層と反対側に、前記仮想平面と前記第１の間隔を開けて平行に設けられた第２の金属層をさらに備え、
前記第２の金属層には、各々が前記第１の方向に延びた複数の第２のスリットが、前記仮想平面と垂直な方向から見たとき前記複数の第１のスリットと重なるように、前記第１の周期で前記電磁波の伝搬方向に周期的に形成され、
前記電磁波制御素子は、前記複数の第１または第２のスリットの各々の領域に設けられ、各スリットに印加された電界によって前記電磁波の屈折率または前記電磁波の吸収係数が変化する媒体をさらに備える、電磁波制御素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２２４４３１（Ｐ２０１０−２２４４３１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７４１５３（Ｐ２００９−７４１５３）
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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