JP7629502B2 - 光学素子 - Google Patents

Description

本開示は、光学素子に関する。

近年、テラヘルツ波（テラヘルツ帯の電磁波）を用いた各種の技術を実現するため、テラヘルツ帯で利用可能な光学素子の研究・開発が進められている。例えば下記非特許文献１には、テラヘルツ波の吸収体が開示されている。この非特許文献１では、酸化チタン微粒子或いは中空のポリスチレン小球体といったナノ粒子によって屈折率が調整された反射防止膜が高ドープシリコン基板上に設けられた態様が例示されている。

GongjieXu,et al., "0.1-20THz ultra-broadband perfect absorber via a flatmulti-layerstructure," Optics Express 24, 23177 (2016)

光学素子としては、上述した吸収体の他、レンズ、偏光子、分光器、センサなど種々の素子が挙げられる。テラヘルツ帯で利用可能な光学素子の構築にあたっては、テラヘルツ波に対する屈折率の調整が重要な技術的事項となる。上記の非特許文献１では、樹脂中に分散させるナノ粒子の濃度を制御して任意の屈折率層を形成し、ナノ粒子の濃度が高い屈折率層から順に積層することでテラヘルツ波の吸収体が作製されている。しかしながら、このような手法では、各々の屈折率層に対応した複数の濃度のコンポジットを作製する必要があるため、光学素子の製造工程が煩雑になるという問題がある。

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、製造が簡単であり、かつテラヘルツ波に対する屈折率の調整が容易な光学素子を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本願発明者らは、鋭意研究を重ねていく過程で、光の波長と光学素子を構成する層の厚さとの関係に着目した。そして、光学素子を構成する層の厚さがテラヘルツ波の波長に対して十分に小さい場合には、当該層がテラヘルツ波に対する感度を持たなくなることを見出した。可視光の波長帯域では、光学素子を構成する層の厚さを光の波長に対して十分に小さくするためには、層の厚さを例えば１ｎｍ以下とする必要があり、このような層の製造手法は非常に限られる。また、可視光領域では、光の波長と層の厚さとの関係を考慮せずとも、光学素子の選択肢が豊富に存在する。一方、テラヘルツ波の波長帯域は、可視光の波長帯域よりも長波長側であり、光学素子を構成する層の厚さを光の波長に対して十分に小さくすることが可能である。そこで、本願発明者らは、テラヘルツ波に対する感度を持たない層を組み合わせることで、製造が簡単であり、かつテラヘルツ波に対する屈折率の調整が容易な光学素子を実現できるという知見を得て本発明を完成するに至った。

本開示の一側面に係る光学素子は、テラヘルツ波に対する屈折率が互いに異なる第１屈折率層及び第２屈折率層を含む積層体を備え、積層体は、第１屈折率層と第２屈折率層とからなるペア層が複数積層されたペア層群を有し、第１屈折率層の厚さ及び第２屈折率層の厚さは、いずれもテラヘルツ波の波長よりも小さく、ペア層のそれぞれは、第１屈折率層と第２屈折率層との厚さの比に応じてテラヘルツ波に対する所定の実効屈折率を有している。

この光学素子では、第１屈折率層及び第２屈折率層がいずれもテラヘルツ波の波長よりも小さい厚さとなっている。このため、第１屈折率層及び第２屈折率層は、テラヘルツ波に対する感度を持たず、第１屈折率層と第２屈折率層とからなるペア層の実効屈折率は、これらの層の厚さの比に応じて第１屈折率層の屈折率と第２屈折率層の屈折率との間の値をとり得る。したがって、この光学素子では、ペア層における第１屈折率層の厚さと第２屈折率層の厚さの比の調整により、テラヘルツ波に対する実効屈折率を所望の値に容易に調整できる。また、この光学素子では、互いに屈折率の異なる２種類の屈折率層のみを用いて所望の屈折率が得られるので、各々の屈折率層に対応した複数の濃度のコンポジットを作製する場合に比べて製造が容易となる。

光学素子は、積層体を支持する本体部を更に有し、ペア層群において、テラヘルツ波に対するペア層の実効屈折率が本体部に近いペア層であるほどテラヘルツ波に対する本体部の屈折率に近づく態様であってもよい。この場合、疑似的なモスアイ構造を本体部に形成できる。したがって、テラヘルツ波に対して帯域の広い反射防止構造を本体部に形成できる。この構造は、２種類の屈折率層のみを用いて形成されるため、製造容易性も維持できる。

光学素子は、積層体を支持する本体部を更に有し、ペア層群において、テラヘルツ波に対するペア層の実効屈折率が互いに等しくなっている態様であってもよい。この場合、単層の反射防止膜と同様の反射防止構造を本体部に形成できる。この構造は、２種類の屈折率層のみを用いて形成されるため、製造容易性も維持できる。

光学素子は、積層体を支持する本体部を更に有し、積層体において、テラヘルツ波に対する第１の実効屈折率を有する第１のペア層群と、テラヘルツ波に対する第２の実効屈折率を有する第２のペア層群とが交互に積層されている態様であってもよい。この場合、誘電体多層膜と同様の構造を本体部に形成できる。この構造は、２種類の屈折率層のみを用いて形成されるため、製造容易性も維持できる。

積層体において、テラヘルツ波に対して互いに異なる実行屈折率を有する複数のペア層群がペア層の積層方向に交差する方向に分布している態様であってもよい。この場合、実行屈折率が異なる領域をペア層の積層方向に交差する方向の任意の領域に分布させることが可能となる。この屈折率分布は、２種類の屈折率層のみを用いて形成されるため、製造容易性も維持できる。

第１屈折率層の厚さ及び第２屈折率層の厚さは、いずれもテラヘルツ波の波長の１／１０以下となっていてもよい。この場合、第１屈折率層及び第２屈折率層のテラヘルツ波に対する感度を十分に小さくすることが可能となる。したがって、ペア層の実効屈折率を精度良く狙い値に近づけることができる。

第１屈折率層の厚さ及び第２屈折率層の厚さは、いずれもテラヘルツ波の波長の１／１００以下となっていてもよい。この場合、第１屈折率層及び第２屈折率層のテラヘルツ波に対する感度を一層十分に小さくすることが可能となる。したがって、ペア層の実効屈折率を一層精度良く狙い値に近づけることができる。

本開示によれば、製造が簡単であり、かつテラヘルツ波に対する屈折率の調整が容易な光学素子を提供できる。

第１実施形態に係る光学素子の層構成を示す概略的な断面図である。 第２実施形態に係る光学素子の層構成を示す概略的な断面図である。 第３実施形態に係る光学素子の層構成を示す概略的な断面図である。 第４実施形態に係る光学素子の層構成を示す概略的な断面図である。 第５実施形態に係る光学素子の層構成を示す概略的な断面図である。 シミュレーションに用いた光学素子の層構造を示す概略的な断面図である。 シミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション結果を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る光学素子の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、第１実施形態に係る光学素子の層構成を示す概略的な断面図である。第１実施形態に係る光学素子は、テラヘルツ帯の電磁波（以下「テラヘルツ波」と称す）に対して利用される素子である。このような光学素子としては、例えばレンズ、偏光子、分光器、吸収体、各種センサなどが挙げられる。以下の説明では、光学素子として、反射防止膜が設けられた素子を例示する。また、光学素子を適用するテラヘルツ波の周波数は、例えば０．１ＴＨｚ～１０ＴＨｚとなっている。この帯域のテラヘルツ波の波長は、３０μｍ～３０００μｍである。

光学素子１Ａは、図１に示すように、本体部２と、本体部２の表面に設けられた反射防止膜３とを備えている。本体部２は、厚さ方向において反射防止膜３側に位置する主面２ａを有している。この主面２ａは、光学素子１Ａにおいて、テラヘルツ波を入射させる入射面となっている。本体部２は、テラヘルツ波を透過する部材であってもよく、テラヘルツ波を電気信号に変換する部材であってもよい。本体部２がテラヘルツ波を検出するセンサである場合、本体部２には、テラヘルツ波の受光部のほか、受光部から出力される電気信号を増幅する増幅回路、各種配線、外部装置との接続端子などが設けられる。

本実施形態では、本体部２は、テラヘルツ波を透過する部材となっている。具体的には、本体部２は、テラヘルツ波に対して優れた透過性を有する単結晶のシリコン基板である。シリコン基板の少なくとも一部には、不純物がドーピングされていてもよい。主面２ａの少なくとも一部は、シリコンによって構成される。主面２ａは、シリコンのみで形成される態様に限られず、配線などの一部として機能する金属表面を含んでいてもよい。

反射防止膜３は、本体部２の表面におけるテラヘルツ波の反射を防止若しくは抑制する膜である。反射防止膜３は、図１に示すように、テラヘルツ波に対する屈折率が互いに異なる第１屈折率層４及び第２屈折率層５を含む積層体Ｐによって構成されている。この積層体Ｐは、第１屈折率層４と第２屈折率層５とからなるペア層６が複数積層されたペア層群７を有している。

第１屈折率層４及び第２屈折率層５は、例えば有機樹脂に無機粒子を含有させてなる層である。有機樹脂は、例えばシクロオレフィン系ポリマーのみから構成される樹脂、若しくはシクロオレフィン系ポリマーを主成分とする樹脂である。本実施形態では、有機樹脂は、シクロオレフィン系ポリマーを主成分とする樹脂であり、シクロオレフィン系ポリマー以外の高分子有機化合物、低分子有機化合物等を含有し得る。有機樹脂は、架橋剤、重合開始剤等を含んでいてもよい。また、有機樹脂は、無機粒子以外の無機物を含有していてもよい。

無機粒子は、反射防止膜３の屈折率を調整するために用いられる粒子であり、有機樹脂中に分散している。無機粒子は、例えばテラヘルツ波に対する透過性を有する物質によって構成されている。また、無機粒子は、有機樹脂に比べてテラヘルツ波に対する屈折率が高い物質によって構成される。したがって、有機樹脂に分散する無機粒子の濃度が高いほどテラヘルツ波に対する屈折率が高くなり、有機樹脂に分散する無機粒子の濃度が低いほどテラヘルツ波に対する屈折率が低くなる。

無機粒子としては、例えばシリコン粒子、酸化チタン粒子、ダイヤモンド粒子などが挙げられる。シリコン粒子は、高抵抗シリコン粒子であってもよい。高抵抗シリコン粒子は、例えば１×１０^３Ω・ｃｍ以上の抵抗値を有するシリコン粒子である。無機粒子の平均径は、例えば５ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。無機粒子の平均径の上限は、１μｍでもよく、２００ｎｍでもよく、２０ｎｍでもよい。また、無機粒子の平均径の下限は、２００ｎｍでもよく、２０ｎｍでもよく、１ｎｍでもよい。無機粒子の平均径は、例えばレーザ回折・散乱法、動的光散乱法、光子相関法等によって測定することができる。

本実施形態では、第１屈折率層４において有機樹脂に分散する無機粒子の濃度は、第２屈折率層５において有機樹脂に分散する無機粒子の濃度よりも高くなっている。すなわち、本実施形態では、第１屈折率層４は、テラヘルツ波に対する屈折率が第２屈折率層５に対して高い高屈折率層となっており、第２屈折率層５は、テラヘルツ波に対する屈折率が第１屈折率層４に対して低い低屈折率層となっている。なお、低屈折率層である第２屈折率層５は、無機粒子を分散させず、有機樹脂のみで構成されていてもよい。

第１屈折率層４と第２屈折率層５とからなるペア層６においては、第１屈折率層４と第２屈折率層５とが所定の厚さの比をもって積層されている。第１屈折率層４及び第２屈折率層５の厚さは、いずれも光学素子１Ａに入射するテラヘルツ波の波長に対して小さくなっている。第１屈折率層４及び第２屈折率層５の厚さは、例えばテラヘルツ波の波長の１／１０以下となっており、好ましくは１／１００以下となっている。

第１屈折率層４及び第２屈折率層５の厚さがテラヘルツ波の波長に対して十分に小さいことで、第１屈折率層４及び第２屈折率層５は、テラヘルツ波に対する感度を持たない状態となる。この場合、第１屈折率層４及び第２屈折率層５は、テラヘルツ波に対して独立した２つの屈折率層を構成せず、第１屈折率層４と第２屈折率層５とからなるペア層６のテラヘルツ波に対する屈折率（以下「実効屈折率」と称す）は、これらの層の厚さの比に応じて第１屈折率層４の屈折率と第２屈折率層５の屈折率との間の値をとり得る。

本実施形態では、図１に示すように、本体部２に近い側から順に、ペア層６Ａ、ペア層６Ｂ、ペア層６Ｃ、ペア層６Ｄ、ペア層６Ｅが積層されている。第１屈折率層４と第２屈折率層５との厚さの比は、ペア層６Ａでは３：１、ペア層６Ｂでは２：１、ペア層６Ｃでは１：１、ペア層６Ｄでは１：２、ペア層６Ｅでは１：３となっている。すなわち、ペア層群７では、本体部２に近いペア層６であるほど、低屈折率層に対する高屈折率層の比が高くなっている。このような構成により、ペア層群７では、テラヘルツ波に対するペア層６の実効屈折率は、本体部２に近いペア層６であるほどテラヘルツ波に対する本体部２の屈折率に段階的に近づくようになっている。

各ペア層６における第１屈折率層４及び第２屈折率層５の厚さの調整は、例えばエアブラシを用いて第１屈折率層４及び第２屈折率層５を塗布形成することによって実施できる。エアブラシを用いる場合、例えば本体部２における主面２ａの面内の一方向にエアブラシを所定の速度で移動させ、樹脂材料による薄膜を塗布する。この薄膜を繰り返し塗布することで、屈折率層を任意の厚さに形成できる。例えばエアブラシによる１回の塗布で形成される薄膜の厚さが１００ｎｍである場合、薄膜の塗布を１５０回繰り返すことで１５μｍ厚の屈折率層を形成できる。なお、屈折率層の厚さの調整は、エアブラシの移動速度によって制御することもできる。例えば厚い屈折率層を形成する場合には、エアブラシの速度を減少させ、薄い屈折率層を形成する場合には、エアブラシの速度を増加させてもよい。

以上のように、光学素子１Ａでは、第１屈折率層４及び第２屈折率層５がいずれもテラヘルツ波の波長よりも小さい厚さとなっている。このため、第１屈折率層４及び第２屈折率層５は、テラヘルツ波に対する感度を持たず、第１屈折率層４と第２屈折率層５とからなるペア層６の実効屈折率は、これらの層の厚さの比に応じて第１屈折率層４の屈折率と第２屈折率層５の屈折率との間の値をとり得る。したがって、光学素子１Ａでは、ペア層６における第１屈折率層４の厚さと第２屈折率層５の厚さの比の調整により、テラヘルツ波に対する実効屈折率を所望の値に容易に調整できる。また、光学素子１Ａでは、互いに屈折率の異なる２種類の屈折率層のみを用いて所望の屈折率が得られるので、各々の屈折率層に対応した複数の濃度のコンポジットを作製する場合に比べて製造が容易となる。

また、光学素子１Ａは、積層体Ｐを支持する本体部２を有しており、ペア層群７において、テラヘルツ波に対するペア層６の実効屈折率は、本体部２に近いペア層６であるほどテラヘルツ波に対する本体部２の屈折率に段階的に近づく態様となっている。これにより、疑似的なモスアイ構造を本体部２に形成できる。したがって、テラヘルツ波に対して帯域の広い反射防止構造を本体部２に形成できる。この構造は、上述したように、２種類の屈折率層のみを用いて形成されるため、製造容易性も維持できる。

また、光学素子１Ａでは、第１屈折率層４の厚さ及び第２屈折率層５の厚さがいずれもテラヘルツ波の波長の１／１０以下、好ましくは１／１００以下となっている。これにより、第１屈折率層４及び第２屈折率層５のテラヘルツ波に対する感度を十分に小さくすることが可能となる。したがって、ペア層６の実効屈折率を精度良く狙い値に近づけることができる。

なお、ペア層６は、第１屈折率層４及び第２屈折率層５による２種類の屈折率層のみを用いて形成されることが好ましいが、テラヘルツ波に対するペア層６の実効屈折率を調整可能な範囲において、一又は複数の他の屈折率層を含むものであってもよい。
［第２実施形態］

図２は、第２実施形態に係る光学素子の層構成を示す概略的な断面図である。第２実施形態に係る光学素子１Ｂは、反射防止膜３を構成する積層体の層構造が第１実施形態に係る光学素子１Ａと相違している。具体的には、光学素子１Ｂでは、図２に示すように、ペア層群７を構成する全てのペア層６において、第１屈折率層４と第２屈折率層５との厚さの比が１：１となっている。すなわち、光学素子１Ｂでは、ペア層群７において、テラヘルツ波に対する各ペア層６の実効屈折率が互いに等しくなっている。第１屈折率層４の厚さ及び第２屈折率層５の厚さがいずれもテラヘルツ波の波長の１／１０以下、好ましくは１／１００以下となっている点は、第１実施形態と同様である。

この反射防止膜３は、テラヘルツ波に対する反射防止機能を有する点で第１実施形態の反射防止膜３と同様であるが、反射防止の原理が異なる。第１実施形態の反射防止膜３は、疑似的なモスアイ構造によって帯域の広い反射防止構造を実現する。一方、第２実施形態の反射防止膜３は、いわゆる単層の反射防止膜と同様、帯域の狭い反射防止構造を実現する。この反射防止膜３は、テラヘルツ波に対する本体部２の屈折率をｎとした場合に、各ペア層６の実効屈折率が√ｎであり、且つ積層体Ｐ（ペア層群７）の積層方向の厚さがテラヘルツ波の波長の１／４であるときに成立する。この場合、積層体Ｐと空気との界面で反射する反射成分と、積層体Ｐと本体部２との界面で反射する反射成分とが打ち消し合うため、積層体Ｐの積層方向の厚さに応じて定まる波長のテラヘルツ波の反射をピンポイントで防止できる。

このような光学素子１Ｂにおいても、ペア層６における第１屈折率層４の厚さと第２屈折率層５の厚さの比の調整により、テラヘルツ波に対する実効屈折率を所望の値に容易に調整できる。また、光学素子１Ｂにおいても、互いに屈折率の異なる２種類の屈折率層のみを用いて所望の屈折率が得られるので、各々の屈折率層に対応した複数の濃度のコンポジットを作製する場合に比べて製造が容易となる。

光学素子１Ｂでは、ペア層群７において、テラヘルツ波に対する各ペア層６の実効屈折率が互いに等しくなっている。これにより、単層の反射防止膜と同様の反射防止構造を本体部２に形成できる。この構造は、２種類の屈折率層のみを用いて形成されるため、製造容易性も維持できる。

また、光学素子１Ｂにおいても、第１屈折率層４の厚さ及び第２屈折率層５の厚さがいずれもテラヘルツ波の波長の１／１０以下、好ましくは１／１００以下となっている。これにより、第１屈折率層４及び第２屈折率層５のテラヘルツ波に対する感度を十分に小さくすることが可能となる。したがって、ペア層６の実効屈折率を精度良く狙い値に近づけることができる。
［第３実施形態］

図３は、第３実施形態に係る光学素子の層構成を示す概略的な断面図である。図３に示す光学素子１Ｃでは、積層体Ｐが第１のペア層群７Ａと第２のペア層群７Ｂとを有している。第１のペア層群７Ａは、テラヘルツ波に対する第１の実効屈折率を有している。第２のペア層群７Ｂは、テラヘルツ波に対する第２の実効屈折率を有している。図３の例では、本体部２に近い側から順に、第１のペア層群７Ａ、第２のペア層群７Ｂが積層されている。

第１のペア層群７Ａでは、ペア層６を構成する第１屈折率層４と第２屈折率層５との厚さの比が２：１となっている。第２のペア層群７Ｂでは、ペア層６を構成する第１屈折率層４と第２屈折率層５との厚さの比が１：１となっている。したがって、光学素子１Ｃでは、本体部２に近い側に第１のペア層群による高屈折率層が位置し、本体部２から遠い側に第２のペア層群７Ｂによる低屈折率層が位置した状態となっている。この光学素子１Ｃでは、上述した第２実施形態に比べて帯域の広い反射防止構造を実現できる。

このような光学素子１Ｃにおいても、ペア層６における第１屈折率層４の厚さと第２屈折率層５の厚さの比の調整により、テラヘルツ波に対する実効屈折率を所望の値に容易に調整できる。また、光学素子１Ｃにおいても、互いに屈折率の異なる２種類の屈折率層のみを用いて所望の屈折率が得られるので、各々の屈折率層に対応した複数の濃度のコンポジットを作製する場合に比べて製造が容易となる。

また、光学素子１Ｃにおいても、第１屈折率層４の厚さ及び第２屈折率層５の厚さがいずれもテラヘルツ波の波長の１／１０以下、好ましくは１／１００以下となっている。これにより、第１屈折率層４及び第２屈折率層５のテラヘルツ波に対する感度を十分に小さくすることが可能となる。したがって、ペア層６の実効屈折率を精度良く狙い値に近づけることができる。

なお、この実施形態では、実効屈折率が互いに異なる２つのペア層群によって積層体Ｐが構成されているが、実効屈折率が互いに異なる３つ以上のペア層群によって積層体Ｐが構成されていてもよい。実効屈折率が互いに異なる３つ以上のペア層群によって積層体Ｐが構成される場合、本体部２に近いペア層群であるほど本体部２の屈折率に段階的に近づくように各ペア層群が配置されていてもよい。
［第４実施形態］

図４は、第４実施形態に係る光学素子の層構成を示す概略的な断面図である。図４に示す光学素子１Ｄでは、積層体Ｐにおいて第１のペア層群７Ａと第２のペア層群７Ｂとが交互に複数積層されている点で第３実施形態と異なっている。すなわち、光学素子１Ｄでは、高屈折率層である第１のペア層群と、低屈折率層である第２のペア層群７Ｂとが積層体Ｐの積層方向に交互に位置した状態となっている。

このような光学素子１Ｄにおいても、ペア層６における第１屈折率層４の厚さと第２屈折率層５の厚さの比の調整により、テラヘルツ波に対する実効屈折率を所望の値に容易に調整できる。また、光学素子１Ｄにおいても、互いに屈折率の異なる２種類の屈折率層のみを用いて所望の屈折率が得られるので、各々の屈折率層に対応した複数の濃度のコンポジットを作製する場合に比べて製造が容易となる。

光学素子１Ｄでは、積層体Ｐにおいて、テラヘルツ波に対する第１の実効屈折率を有する第１のペア層群７Ａと、テラヘルツ波に対する第２の実効屈折率を有する第２のペア層群７Ｂとが交互に積層されている。これにより、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層してなる誘電体多層膜と同様の構造を本体部２に形成できる。この構造は、２種類の屈折率層のみを用いて形成されるため、製造容易性も維持できる。

また、光学素子１Ｄにおいても、第１屈折率層４の厚さ及び第２屈折率層５の厚さがいずれもテラヘルツ波の波長の１／１０以下、好ましくは１／１００以下となっている。これにより、第１屈折率層４及び第２屈折率層５のテラヘルツ波に対する感度を十分に小さくすることが可能となる。したがって、ペア層６の実効屈折率を精度良く狙い値に近づけることができる。

なお、この実施形態では、実効屈折率が互いに異なる２つのペア層群が交互に積層されることによって積層体Ｐが構成されているが、実効屈折率が互いに異なる３つ以上のペア層群が実効屈折率の高い順に繰り返し積層されることによって積層体Ｐが構成されていてもよい。
［第５実施形態］

図５は、第５実施形態に係る光学素子の層構成を示す概略的な断面図である。第５実施形態に係る光学素子１Ｅでは、積層体Ｐにおいて、テラヘルツ波に対して互いに異なる実行屈折率を有する複数のペア層群７がペア層６の積層方向に交差する方向に分布している。図５の例では、光学素子１Ｅは、本体部２を有しておらず、積層体Ｐのみによって構成されている。
積層体Ｐは、全体として、平面視において円形状をなしている。積層体Ｐの中央部分には、平面視で円形状の第１のペア層群７Ａが配置され、積層体Ｐの外縁部分には、第１のペア層群７Ａを囲むように、平面視で環形状の第２のペア層群７Ｂが配置されている。

第１のペア層群７Ａでは、ペア層６を構成する第１屈折率層４と第２屈折率層５との厚さの比が１：１となっている。第２のペア層群７Ｂでは、ペア層６を構成する第１屈折率層４と第２屈折率層５との厚さの比が１：２となっている。したがって、光学素子１Ｅでは、積層体Ｐの中央部分に第１のペア層群７Ａによる円形状の高屈折率層が位置し、この高屈折率層の周囲に第２のペア層群７Ｂによる低屈折率層が環形状に位置した状態となっている。

このような光学素子１Ｅにおいても、ペア層６における第１屈折率層４の厚さと第２屈折率層５の厚さの比の調整により、テラヘルツ波に対する実効屈折率を所望の値に容易に調整できる。また、光学素子１Ｅにおいても、互いに屈折率の異なる２種類の屈折率層のみを用いて所望の屈折率が得られるので、各々の屈折率層に対応した複数の濃度のコンポジットを作製する場合に比べて製造が容易となる。

光学素子１Ｅでは、積層体Ｐにおいて、テラヘルツ波に対して互いに異なる実行屈折率を有する複数のペア層群７がペア層６の積層方向に交差する方向に分布している。これにより、実行屈折率が異なる領域をペア層の積層方向に交差する方向の任意の領域に分布させることが可能となる。本実施形態では、積層体Ｐの中心部分に対して周縁部分の実効屈折率が低くなる。したがって、本実施形態では、例えばテラヘルツ波を積層体Ｐ内で放物線状に屈折させる屈折率分布レンズを構築することができる。この屈折率分布は、２種類の屈折率層のみを用いて形成されるため、製造容易性も維持できる。

なお、この実施形態においても、実効屈折率が互いに異なる３つ以上のペア層群がペア層６の積層方向に交差する方向の任意の領域に分布していてもよい。また、分布の態様も、円形状、環形状に限られず、矩形状、格子状、放射状といった他の態様を採り得る。ペア層群の分布の態様により、積層体におけるテラヘルツ波の伝搬を制御できる。したがって、上述した屈折率分布レンズのほか、導波路、光クローキング材料、ハイパーレンズなどへの適用が可能となる。
［変形例］

上記実施形態では、本体部２として単結晶のシリコン基板を例示したが、本体部２の形成材料は、これに限られるものではない。本体部２は、例えばゲルマニウムやダイヤモンドなどの光学材料によって形成されていてもよい。また、本体部２は、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ＤＡＳＴ（4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate）といった光学結晶によって形成されていてもよい。
［テラヘルツ波の波長と屈折率層の厚さとの関係についての考察］

以下、テラヘルツ波の波長と屈折率層の厚さとの関係について考察する。ここでは、第１屈折率層及び第２屈折率層がテラヘルツ波に対する感度を持たなくなる条件について考察する。すなわち、ペア層の実効屈折率が第１屈折率層の屈折率と第２屈折率層の屈折率との間の値をとり、ペア層が第１屈折率層と第２屈折率層との間の中間屈折率層として機能する条件について述べる。

図６は、シミュレーションに用いた光学素子の層構造を示す概略的な断面図である。図６に示すように、このシミュレーションでは、シリコン基板である本体部１０２に形成した反射防止膜１０３をモデルとした。反射防止膜１０３は、第１屈折率層１０４及び第２屈折率層１０５からなるペア層１０６を積層したペア層群１０７によって形成した。第１屈折率層１０４の屈折率ｎ１、第２屈折率層１０５の屈折率ｎ２について、３つのパターンを用意した。パターン１では、ｎ１＝１．５、ｎ２＝２．５とした。パターン２では、ｎ１＝１．８、ｎ２＝２．２とした。パターン３では、ｎ１＝２．０、ｎ２＝２．０とした。パターン１は、パターン２に比べて第１屈折率層１０４と第２屈折率層１０５との間の屈折率差が大きくなっている。パターン３は、ｎ１とｎ２とが等しくなっている。このパターン３は、単一の屈折率層による反射防止膜と等価であり、本シミュレーションのリファレンスである。

テラヘルツ波の周波数は、０．１ＴＨｚ～１００ＴＨｚの範囲とした。この範囲は、波長に換算すると３０μｍ～３０００μｍである。当該シミュレーションの変数である第１屈折率層１０４及び第２屈折率層１０５の層厚さは、１００ｎｍ、２５０ｎｍ、５００ｎｍ、１０００ｎｍの４つとした。反射防止特性を揃えるため、第１屈折率層１０４及び第２屈折率層１０５の層厚さにかかわらず、ペア層群１０７の厚さをいずれの場合も２０μｍとした。したがって、ペア層群１０７を構成するペア層１０６の層数は、第１屈折率層１０４及び第２屈折率層１０５の層厚さによって互いに異なっている。

図７～図１０は、シミュレーション結果を示すグラフである。図７及び図８の各グラフでは、横軸に周波数を示し、縦軸に透過率（振幅）を示している。また、図９及び図１０のグラフは、図７及び図８の各グラフの振動のピーク点を抽出して結んだものである。図７（Ａ）及び図９（Ａ）に示すように、層厚さが１００ｎｍである場合、パターン１及びパターン２のいずれもパターン３と同様に、周波数の全域にわたって透過率が０．７～１の範囲で振動している。この結果から、層厚さが１００ｎｍの第１屈折率層１０４及び第２屈折率層１０５は、周波数が０．１ＴＨｚ～１００ＴＨｚのテラヘルツ波に対する感度を持たず、これらのペア層１０６が中間屈折率層として機能することが分かる。また、１００ｎｍという層厚さは、周波数が０．１ＴＨｚ～１００ＴＨｚのテラヘルツ波の波長に対して十分に小さい厚さであると言える。

図７（Ｂ）（図９（Ｂ））、図８（Ａ）（図１０（Ａ））、及び図８（Ｂ）（図１０（Ｂ））に示すように、層厚さが２５０ｎｍ、５００ｎｍ、１０００ｎｍと増加するにしたがって、パターン３のグラフに対するパターン１及びパターン２のグラフの乖離が大きくなっている。層厚さが５００ｎｍ及び１０００ｎｍの場合では、パターン１及びパターン２のグラフにいずれも透過率が大きく落ち込むディップが出現している。また、グラフの乖離の度合いは、第１屈折率層１０４と第２屈折率層１０５との間の屈折率差が小さいパターン２に比べて、第１屈折率層１０４と第２屈折率層１０５との間の屈折率差が大きいパターン１のほうが大きくなっている。この結果から、層厚さが大きくなるに従い、第１屈折率層１０４及び第２屈折率層１０５が周波数０．１ＴＨｚ～１００ＴＨｚのテラヘルツ波に対する感度を持つようになり、第１屈折率層１０４及び第２屈折率層１０５が独立した２つの層としてテラヘルツ波の反射に寄与することが分かる。

図１１（Ａ）は、図１０（Ｂ）に示したグラフのうち、破線で囲まれる領域を拡大して示したものである。この図１１（Ａ）には、テラヘルツ波の波長が１００μｍとなる周波数（＝３ＴＨｚ）を破線のラインで示している。この図１１（Ａ）に示すように、層厚さ１０００ｎｍの場合において、テラヘルツ波の波長が１００μｍより大きい領域（周波数が３ＴＨｚ以下の領域）では、パターン３のグラフに対するパターン１及びパターン２のグラフの乖離が比較的小さくなっている。特に、第１屈折率層１０４と第２屈折率層１０５との間の屈折率差が小さいパターン２では、リファレンスであるパターン３とほぼ同じ値となっている。このことから、第１屈折率層１０４の厚さ及び第２屈折率層１０５の厚さがいずれもテラヘルツ波の波長の１／１００以下である場合、第１屈折率層１０４及び第２屈折率層１０５のテラヘルツ波に対する感度が十分に小さくなることが分かる。

また、図１１（Ｂ）は、図１０（Ａ）のグラフを再掲したものである。図１１（Ｂ）では、テラヘルツ波の波長が５μｍとなる周波数（＝６０ＴＨｚ）を破線のラインで示している。この図１１（Ｂ）に示すように、層厚さ５００ｎｍの場合において、テラヘルツ波の波長が５μｍより大きい領域（周波数が６０ＴＨｚ以下の領域）では、透過率が大きく落ち込むディップは出現しておらず、パターン３のグラフに対するパターン１及びパターン２のグラフの乖離が比較的小さくなっている。このことから、第１屈折率層１０４の厚さ及び第２屈折率層１０５の厚さがいずれもテラヘルツ波の波長の１／１０以下である場合、第１屈折率層及び第２屈折率層のテラヘルツ波に対する感度が十分に小さくなることが分かる。

１Ａ～１Ｅ…光学素子、２…本体部、４…第１屈折率層、５…第２屈折率層、６…ペア層、７…ペア層群、７Ａ…第１のペア層群、７Ｂ…第２のペア層群、Ｐ…積層体。

Claims (5)

1. テラヘルツ波に対する屈折率が互いに異なる第１屈折率層及び第２屈折率層を含む積層体を備え、
   前記積層体は、前記第１屈折率層と前記第２屈折率層とからなるペア層が複数積層されたペア層群を有し、
   前記第１屈折率層の厚さ及び前記第２屈折率層の厚さは、いずれも前記テラヘルツ波の波長よりも小さく、
   前記ペア層のそれぞれは、前記第１屈折率層と前記第２屈折率層との厚さの比に応じて前記テラヘルツ波に対する所定の実効屈折率を有し、
   前記第１屈折率層の厚さ及び前記第２屈折率層の厚さは、いずれも当該光学素子に入射する前記テラヘルツ波の波長の１／１００以下となっている光学素子。
2. 前記積層体を支持する本体部を更に有し、
   前記ペア層群において、前記テラヘルツ波に対する前記ペア層の実効屈折率が前記本体部に近いペア層であるほど前記テラヘルツ波に対する前記本体部の屈折率に近づく請求項１記載の光学素子。
3. 前記積層体を支持する本体部を更に有し、
   前記ペア層群において、前記テラヘルツ波に対する前記ペア層の実効屈折率が互いに等しくなっている請求項１記載の光学素子。
4. 前記積層体において、前記テラヘルツ波に対して互いに異なる実効屈折率を有する複数のペア層群が前記ペア層の積層方向に交差する方向に分布している請求項１記載の光学素子。
5. 前記ペア層群の厚さは、当該光学素子に入射する前記テラヘルツ波の波長の１／１０より大きくなっている、請求項１～４のいずれか一項記載の光学素子。

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