JP7474203B2 - 少なくとも２つの結合されたファブリ・ペロー構造を含むスペクトルフィルタ - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

（発明の属する技術分野）
本発明は、少なくとも２つの結合されたファブリ・ペロー構造を含むスペクトルフィルタに関する。

（発明の背景）
ファブリ・ペロー構造は周知であり、多くの用途、特に光学フィルタリング用途に広く使用されている。各ファブリ・ペロー構造は互いに平行に配置されて対向する反射面の２つの部分を有し、それらのうちの少なくとも１つは部分的に透過性を有する。次いで、この構造体は、可変波長の入射電磁放射を受け取ると共鳴する。この共鳴は、反射面の２つの部分の間のファブリ・ペロー構造内の入射放射線によって維持される定在波が最大振幅を有するときに現れる。

第１の公知のタイプのファブリ・ペロー構造において、反射面の２つの部分のそれぞれは、金属と誘電体材料との間の界面の一部である。これらの部分は誘電体材料の２つの対向する側面上で互いに平行に配置され、互いに対向して配置されており、１つは、部分的に透過するのに十分に薄い。共鳴挙動を発生する定在波は金属表面の部分に垂直に伝搬する波動成分から成る。本発明は、この第１のタイプのファブリ・ペロー構造に関するものではない。

別のタイプのファブリ・ペロー構造においても公知であり、反射面の２つの部分のそれぞれは、２つの異なる材料間の界面で構成されていない。この別のタイプのこのようなファブリ・ペロー構造は、やはり金属と誘電体材料との間の２つの界面によって形成されてもよく、これらの界面は誘電体材料の２つの対向する側面上で互いに平行であり、互いに対向して配置される。この場合、誘電体材料の実効屈折率は、ｎ_ｅｆｆ ^２＝ε_ｄ（１＋２・δ／ｈ－ε_ｄ／ε_ｍ）で与えられ、ε_ｄとε_ｍはそれぞれの誘電体材料と金属との誘電率であり、２つの界面について同じと仮定され、δはこの金属の皮膚の厚さであり、ｈは２つの界面間の誘電体材料の厚さである。このようにして得られる実効屈折率の値は、金属中に現れるプラズモンにより非常に高くすることができる。このようにして、誘電体材料の内側で効果的な反射率は金属－誘電体界面の端部で、２つの界面間の値ｎ_ｅｆｆから、界面の端部を越えた値ε_ｄ ^１／２に向かって、不連続性を示す。このようにして誘電体材料内に形成される屈折率の２つの不連続性は、異なる材料間の真の界面ではないが、部分的に反射する表面の２つの部分を決定する。次いで、部分的に反射する表面のこれら２つの部分は、２つの金属－誘電体界面の間で、誘電体材料内に定在波を含むことを可能にし、定在波は、次いで、これらの金属－誘電体界面に平行に伝搬する。この定在波は共鳴挙動を生じさせることができ、スペクトルフィルタリング適用を含む種々の適用に用いることができる。「分光放射率工学のためのプラズモニックナノアンテナ」、Ｐｒｏｃ ｏｆ ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．９５０２，ｐｐ．９５０２０Ｈ－１～９５０２０Ｈ－６，２０１５と題しているＭ．Ｍａｋｈｓｉｙａｎらによる記事は、共通基板上で隣接するが、スペクトル的には近いが独立した共鳴を示すファブリ・ペロー構造を示す。

さらに別の既知のタイプのファブリ・ペロー構造によれば、各構造は、金属支持体、例えば金の平坦面から形成されるトレンチからなる。トレンチの深さ方向は支持体の面に対して垂直であり、トレンチは支持体の面に対して垂直な面における長方形断面のプロファイルを有し、トレンチ底部は平坦であり、支持体の面に対して平行である。トレンチの開口部を横切る支持体の面の延長部、およびトレンチの底部は、このようなファブリ・ペロー構造の反射面の２つの部分を形成する。ファブリ・ペロー構造内の入射放射線によって維持される定在波は、支持体の正面に垂直なトレンチの中を、支持体の正面からトレンチの底に向かって及び反対の方向に向かって伝搬する波動成分で構成される。共鳴波長はトレンチの深さによって決まり、この共鳴の品質係数は特にトレンチの幅に依存する。実際には、トレンチの底部が定在波に有効な反射面の部分の一方を形成する金属－ガス界面であり、この同じ定在波に対して同時に有効である反射面の他方の部分が金属支持体の平坦面においてトレンチの対向する壁の端部に接続するので、この第３のタイプのファブリ・ペロー構造は、上に示した２つの組み合わせである。したがって、反射面のこの後者の部分は、２つの異なる材料間の界面によって形成されない。

Ｂ．Ｆｉｘ ｅｔ ａｌ、による「Ｈｉｇｈ－ｑｕａｌｉｔｙ－ｆａｃｔｏｒ ｄｏｕｂｌｅ Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ ｐｌａｓｍｏｎｉｃ ｎａｎｏｒｅｓｏｎａｔｏｒ」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．４２， Ｎｏ．２４、ｐｐ．５０６２－５０６５（２０１７年１２月１５日公開）と題する論文は、２つのファブリ・ペロー構造を、共通の支持体に面して互いに近接したそれぞれのトレンチの形態で配置することを記載している。これは、結合共鳴と呼ぶことができ、２つのファブリ・ペロー構造の各々の個々の共鳴とは異なる新しい共鳴が現れることを開示している。特に、以下では結合共鳴波長と称される結合共鳴の共鳴波長は、個別共鳴波長と称される個別の共鳴の共鳴波長とは異なる。これを達成するために、２つのファブリ・ペロー構造は、それらの個別共鳴波長が異なるように異ならなければならない。次いで、結合共鳴に関連する品質係数はファブリ・ペロー構造の個別共鳴の品質係数よりも高いか、又は、はるかに高い。品質係数に関するこの利得は、多くの用途、特に光学フィルタリング用途において有利であり得る。

言い換えれば、同じグループに属する複数のファブリ・ペロー構造は、支持体の正面によってまとめて担持される。各ファブリ・ペロー構造は、互いに対向して、互いに平行に配置され、誘電媒体によってこの構造の内部で互いに分離された反射面の２つの部分を含む。グループのファブリ・ペロー構造の各々は、電磁放射線の波動成分がこの構造の反射面の２つの部分の間を、一方から他方へ伝搬することができるように、また、定在波が反射面の２つの部分で交互に発生する波動成分の多重反射から生じるように、大きさが決められている。次いで、各ファブリ・ペロー構造の個別共鳴は支持体に入射する電磁放射の波長が変化するとき、この構造内部の定在波の最大振幅に対応する。

加えて、グループの各ファブリ・ペロー構造の反射面の部分のうちの少なくとも１つは、支持体の面に平行な中間空間によって、同一グループの互いの構造の反射面の部分のうちの少なくとも１つから分離される。

さらに、グループの各ファブリ・ペロー構造の個別共鳴を決定する少なくとも１つのパラメータは、互いに別々に、同じグループの構造の少なくとも２つの間で異なる値を有する。したがって、これらの少なくとも２つの構造は、個別共鳴波長のそれぞれの値を有し、支持体に入射する電磁放射に対して有効であり、これらの値は異なる。同時に、これらの少なくとも２つのファブリ・ペロー構造は入射する放射線の波長軸上で、個別共鳴の以下の範囲を有するように、個別共鳴品質係数のそれぞれの値を有する：［λ_ｒｉ・（１－３／Ｑ_ｉ）；λ_ｒｉ・（１＋３／Ｑ_ｉ）］は対の重複を有し、ここで、ｉはグループ内の個々のファブリ・ペロー構造を識別する整数であり、λ_ｒｉおよびＱ_ｉは、それぞれ、ファブリ・ペロー構造ｉの個別共鳴の共鳴波長および品質係数の値である。

さらに、ファブリ・ペロー構造ｉに対して、このファブリ・ペロー構造ｉ内の定在波を形成する波動成分の伝播方向に垂直に測定された誘電体媒体の厚さｈ_ｉは０．１２５・λ_ｒｉ／ｎ_{ｅｆｆ＿ｉ}以上であり、ｎ_{ｅｆｆ＿ｉ}は、ファブリ・ペロー構造ｉの誘電媒体に効果的な屈折率である。つまり、ｈ_ｉ≧０．１２５・λ_ｒｉ／ｎ_{ｅｆｆ＿ｉ}である。この状態は、それぞれのファブリ・ペロー構造ｉがスペクトルフィルタの外部にある伝播媒体にアンダーカップリングされ、その結果、スペクトルフィルタが零とは著しく異なった、反射または伝達に使用されることが意図されているかどうかに応じて、反射率またはエネルギー透過率を有することを意味する。例えば、制限ＶＬ_ｉ＝０．１２５・λ_ｒｉ／ｎ_{ｅｆｆ＿ｉ}は、スペクトルフィルタが反射と透過のどちらで使用されることを意図しているかに応じて、この構造体の個々の共鳴スペクトルλ_ｒｉにおけるファブリ・ペロー構造ｉに対する約０．３９の反射率またはエネルギー透過率の値に対応することができる。

これらの条件が満たされるとき、個別共鳴波長の値が異なる同一グループのファブリ・ペロー構造の二つの間の結合は、これら二つの構造の間に存在する中間空間によって生成される。場合によっては、この中間空間に存在する材料も結合に寄与することができる。結合のための追加的な条件は、このように結合された２つのファブリ・ペロー構造間の分離距離が支持体の正面に平行なそれらの中間空間によって決定され、結合に関連する共鳴波長値よりも小さく、フィルタに入射する電磁放射に有効であることである。この結合共振は、支持体の正面上の入射放射線の反射から、または支持体を通る入射放射線の透過から生じる第１の波と、グループのファブリ・ペロー構造のうちの第１の構造から出てくる第２の波であって、そのうちの少なくとも１つが、同一グループのファブリ・ペロー構造のうちの第２の構造の内部で少なくとも１つの往復を完了し、第１の構造と結合するいくつかの波長成分の重ね合わせから生じる第２の波と、グループのファブリ・ペロー構造のうちの第２の構造から出てくる第３の波であって、そのうちの少なくとも１つが、グループのファブリ・ペロー構造のうちの第１の構造の内部で少なくとも１つの往復を完了した他のいくつかの波動成分の別の重ね合わせから生じる第３の波と、を含む少なくとも３つの波の間の干渉から生じる：
したがって、ファブリ・ペロー構造を備えた支持体は、前述した方法で結合された一部の構成が最小限の反射スペクトルを有する。この最小値は狭くてもよく、その結果、支持体は、ファブリ・ペロー構造のそれぞれの個別共振と比較して改善された選択性のスペクトルフィルタを構成することができる。このフィルタリング選択性の向上は、ファブリ・ペロー構造のいくつかの間に存在する結合の結果である。

上記で紹介したｉの条件ｈ_ｉ≧０．１２５・λ_ｒｉ／ｎ_{ｅｆｆ＿ｉ}は、少なくとも３つの波の干渉に関与する２番目と３番目の波が、結合共鳴が存在するために十分なそれぞれの振幅を持つことを保証する。

上記で引用したＢ．ＦＩＸらの論文のケースでは、グループが、トレンチの形状のそれぞれが２つの結合されたファブリ・ペロー構造を含み、他のファブリ・ペロー構造とは別に、各ファブリ・ペロー構造の個別共鳴波長を決定するパラメータはトレンチの深さである。結合共鳴波長の値はトレンチの深さによっても決まるが、さらに、これらのトレンチ間に存在する分離距離によっても決まる。しかしながら、結合共鳴波長のための正確な所望の値を得るために、互いに近接したこのようなトレンチの形成を十分に制御することは特に困難である。さらに、隣接するトレンチ間の隔壁は、トレンチが非常に接近しているときに脆くなる可能性がある。このようにして得られるフィルタは、偶発的な引っ掻き傷に対して特に敏感である。

この状況に基づいて、本発明の１つの目的は、少なくともいくつかが結合されたファブリ・ペロー構造の少なくとも１つのグループを含み、かつ、簡単かつ低コストで製造することができる、新しいフィルタを提供することにある。

さらなる目的は、そのようなフィルタが特に傷掻きに対して、より大きな抵抗を示すことであり得る。

（発明の要約）
これらまたは他の目的の少なくとも１つを達成するために、本発明の第１の態様は、上述のように、複数の結合されたファブリ・ペロー構造を有するフィルタを提案するが、その中で、各ファブリ・ペロー構造は支持体の面に平行な金属表面の２つの部分を含む。各ファブリ・ペロー構造はさらに、金属表面のこれらの２つの部分の間に限定され、支持体の面に垂直であり、構造の金属表面の２つの部分のうちの少なくとも１つの対向するエッジの間の支持体の面に平行に限定される内部体積を含む。これらの２つの対向するエッジは、ファブリ・ペロー構造の反射面の部分の位置を決定し、その結果、結合共鳴に寄与する波動成分は、結合されたファブリ・ペロー構造のそれぞれの内部の支持体の面に平行に伝搬する。

したがって、本発明によるフィルタはフィルタの支持体内に深く延びるトレンチを省くことができるので、その製造にはこの支持体の深いエッチングを必要としない。特に、本発明によるフィルタは、おそらくは適切なマスクを介して材料を蒸着させる工程と、蒸着された材料をエッチングする任意選択の工程とのみを実施することによって製造することができる。このフィルタは、したがって、トレンチの形態のファブリ・ペロー構造に基づく従来技術の既知のフィルタと比較して、コスト価格を低減することができる。

特に、本発明によるフィルタは、隣接するトレンチ間に隔壁を有しておらず、したがって、意図しない傷掻きに対してより大きな抵抗性を有する。

本発明の様々な実施形態ではグループの各ファブリ・ペロー構造の個別共振を、そのグループの互いのファブリ・ペロー構造とは別個に決定し、互いに結合されるグループの２つの構造の間で異なる値を有するパラメータは、この構造の反射面の部分の間の支持体の面に平行に測定された、各構造の内部体積の幅と、各構造の内部体積内の誘電媒体の屈折率と、各構造の内部体積内の誘電媒体の充填比および／または組成物と、各構造による電磁放射線吸収係数と、上記パラメータのいくつかの組合せとのうちの１つであってもよい。

結合されたファブリ・ペロー構造間の差異のこのような実装は、製造の複雑さまたはフィルタのコスト価格を大幅に増加させることなく、容易に実装することができる。

フィルタ内で、ファブリ・ペロー構造のグループは、互いに結合された２つのファブリ・ペロー構造のみから構成されてもよい。あるいは、それはペアで互いに結合され、したがって、特にそれらの個々の共鳴波長値に従って、２つまたは３つの結合共鳴を生成する、３つのファブリ・ペロー構成を含むことができる。一般に、グループは２つの構造以上である任意の数のファブリ・ペロー構造を含み、グループ内で互いに結合されるファブリ・ペロー構造の異なる対が存在するので、多数の結合共鳴を生成することができる。

グループの各ファブリ・ペロー構造、特に、支持体の面に対して垂直に測定される、この構造の金属表面の２つの部分の間の内部体積の厚さは、その構造の個別共鳴品質係数の値が２０未満であるように設計されると有利である。同時に、ファブリ・ペロー構造のグループ、特に、結合されるこのグループの２つの構造の間の中間空間は、結合共鳴に関連する品質係数が２０を超え、好ましくは７０を超え、またはさらに１５０を超えるように設計されてもよい。このようにして、フィルタは、結合共振の少なくとも１つによって生成される高い選択性、または非常に高い選択性を有することができる。

いくつかの有利な実施形態では、特に具体化が容易ないくつかの有利な実施形態では、各ファブリ・ペロー構造の内部体積内の誘電媒体が平行な面および均一な厚さを有する層のそれぞれの部分から成り得、この層は群のすべての構造に対して同一であり、固体誘電体材料から成る。

おそらく、グループ内の２つのそのような構造の間の各中間空間によって分離された、グループのファブリ・ペロー構造を含むパターンは、支持体の面上で複数回繰り返されてもよい。

次に、一次元パターンを有する本発明の実施形態では、ファブリ・ペロー構造の各々の金属表面の部分の少なくとも１つはそれぞれの金属ストリップの１つの面であってもよい。この場合、グループのファブリ・ペロー構造を含むパターンは、別個の平行な金属ストリップの形態で、支持体の面に平行な繰り返し方向に、好ましくは周期的に複数回繰り返されてもよい。

あるいは二次元パターンを有する本発明の実施形態の場合、各ファブリ・ペロー構造の金属表面の部分の少なくとも１つは、支持体の面に平行な正方形、長方形、円形、楕円形、十字形状、またはＬ字形状を有してもよい。そのような代替の場合、ファブリ・ペロー構造のグループを含むパターンは、別個であり、支持体の面に平行である２つの反復方向で、好ましくは周期的に、好ましくは両方の反復方向が互いに垂直で複数回反復されてもよい。おそらく、２次元パターンを有する本発明のこのような実施形態については、パターンが両方の繰り返し方向に沿って２×２のマトリクスで配置される４つのファブリ・ペロー構造を含み、したがって、６対のファブリ・ペロー構造を形成してもよい。各ペアはパターン内の他のすべてのペアの構造の中間空間以外のパターンの構造のうちの２つの間の中間空間に関連付けられ、中間空間のうちの少なくともいくつかは対応するペアの構造間の結合を生成する。

一般に、本発明によるスペクトルフィルタは、反射に使用するように適合させることができる。この場合、第１、第２、および第３の波は、入射放射線がフィルタに到達する支持体の一方の側でフィルタによって生成される。あるいは、本発明による他のスペクトルフィルタは、伝送に使用するように適合させることができる。

ここで提案される改善は、急峻なカットオフを有する及び／又は広げられたスペクトル選択ウィンドウを有するフィルタを得るために適合されてもよい。このために、フィルタは、各結合共鳴に加えて、入射放射線に対して有効な、追加の個別共鳴を有する少なくとも１つのファブリ・ペロー共鳴器を更に備えることができる。したがって追加されたファブリ・ペロー共鳴器はその個別共鳴波長値がファブリ・ペロー構造のグループの少なくとも１つの結合共鳴波長値に対してシフトされ、この結合共鳴波長値がファブリ・ペロー共振器の個別共鳴に対して［λ_ｒ０・（１－１０／Ｑ_０）；λ_ｒ０・（１＋１０／Ｑ_０）］の範囲内にあるように設計されてもよい（ここで、λ_ｒ０およびＱ_０はそれぞれ、ファブリ・ペロー共振器の個別共鳴に対する共鳴波長および品質係数の値である）。したがって、フィルタのスペクトル応答プロファイルは、入射する放射線の波長の関数として、各ファブリ・ペロー共鳴器の少なくとも個別共鳴と、ファブリ・ペロー構造の各グループの各結合共鳴との重ね合わせから生じる。このプロファイルは次いで、同じファブリ・ペロー共鳴器を含むが、結合ファブリ・ペロー構造を含まないであろう参照フィルタと比較して、カットオフスペクトル領域と窓付きスペクトル領域との間の急峻な遷移を有することができる。任意選択で、重ね合わせは、また、各グループのファブリ・ペロー構造の個別共鳴からの寄与を含んでもよい。

好ましくは、共振の重ね合わせを有するそのようなフィルタに対して、各ファブリ・ペロー共振器、特に、この内部体積内で生じる定在波の方向に対して垂直に測定される共振器の内部体積の厚さは、この共振器の個別共振品質係数の値が３０未満であるように設計されてもよい。同時に、［λ_ｒ０・（１－１０／Ｑ_０）；λ_ｒ０・（１＋１０／Ｑ_０）］の範囲内に位置する結合共鳴波長に関連する品質係数の数値は、３０より大きくてもよい。このようにして、結合共鳴は、ファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴によって生成されるスペクトルプロファイルを局所的に改変する。したがって、課せられた明細書にスペクトル応答プロファイルが対応するフィルタを、正確かつオンデマンドで作成することが可能である。

おそらく、ファブリ・ペロー共鳴器は、支持体の面に垂直な積層方向において、グループのファブリ・ペロー構造のうちの１つの上に積層されてもよい。本発明のこのような実施形態は、やはり製造が容易であり、そのスペクトル選択ウィンドウにおけるフィルタの残留反射を低減することを可能にする。好ましくは、金属層の一部がファブリ・ペロー共鳴器と、その上に積み重ねられたファブリ・ペロー構造とに共通であってもよい。次いで、金属層のこの共通部分は、関係するファブリ・ペロー構造の金属表面の部分のうちの１つを構成する。

最後に、本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様による少なくとも１つのスペクトルフィルタを使用して実施される、電磁放射線のスペクトルフィルタリングのための方法に関する。この目的のために、フィルタリングされる放射線は、互いに結合されるフィルタの２つのファブリ・ペロー構造の間に存在する、支持体の面に平行に測定される中間空間よりも大きい波長値を有しなければならない。

このような方法は、単色又は多重スペクトルの画像キャプチャ、分光分析、及びフィルタの加熱によって生成される放射線の選択的放出から選択される用途のために実施することができる。

（図面の簡単な説明）
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、いくつかの非限定的な実施形態の以下の説明から明らかになるであろう：
図１ａおよび図１ｂは、本発明の前に知られている２つのタイプのファブリ・ペロー構造の断面図である。

図２ａは、グループ当たり２つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第１の実施形態の断面図である。

図２ｂは、図２ａの本発明の実施形態について得られた反射率図である。

図３は、ファブリ・ペロー構造の個別共鳴および結合共鳴に関する品質係数の変動を示す図である。

図４は、図２ａによる本発明の実施形態について、誘電体材料の厚さの関数としての反射率スペクトルの展開を示す３次元図である。

図５ａおよび図５ｂはそれぞれ図２ａおよび図２ｂに対応し、グループ当たり３つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第２の実施形態である。

図６は、グループごとに４つのファブリ・ペロー構造を有する、本発明の第３の実施形態の斜視図である。

図７ａは、本発明の改良によるフィルタのスペクトル選択性図であり、図７ｂは、図７ａのフィルタの断面図である。

（幾つかの実施形態の詳細な説明）
明瞭にするために、これらの図で表される要素の寸法は、実際の寸法にも、実際の寸法比にも対応しない。さらに、異なる図面に示される同一の参照符号は、同一であるか、または同一の機能を有する要素を示す。

まず、図１ａを参照して、ファブリ・ペロー構造のいくつかの要素およびパラメータの役割を想起する。この図に示すように、既知のタイプのファブリ・ペロー構造は、矩形断面のプロファイルを有するトレンチＴからなり、これは支持体を形成する基板１０内に形成される。トレンチＴは、基板１０の平坦な面Ｓから延びている。基板１０は、金属材料、例えば金からなる。トレンチＴはトレンチの底部を面ＳにおけるトレンチＴの開口部に重ね合わされた面部Ｒ２に連結する、対向する２つの金属面Ｍ１、Ｍ２によって横方向に区切られており、トレンチＴの内部体積は、このように金属面Ｍ１、Ｍ２の部分によって面Ｓに平行な方向に区切られ、同時に面部Ｒ１、Ｒ２によって面Ｓに垂直な方向に区切られており、空気やシリカ（ＳｉＯ_２）などの固体材料などの誘電媒体によって充填されている。公知の方法では、電磁放射線Ｏｌの波が面Ｓに入射すると、反射して波ＯＲが生じ、その強度はトレンチＴに現れる定在波の振幅に依存する。この定在波は、トレンチＴの内部を反対方向に伝搬する２つの波動成分Ｏ１とＯ２との重ね合わせであり、表面部分Ｒ１とＲ２とで交互に反射される。さらに、定在波は、入射波ＯＩと、表面部分Ｒ２を通る反射波ＯＲとに結合される。このタイプのファブリ・ペロー構造の場合、表面部分Ｒ１はミラーとしてのみ働き、表面部分Ｒ２は、部分反射ミラーとして、及びトレンチＴの内部体積と外部との間の部分透過としての２つの機能を果たす。公知の方法では、このようなファブリ・ペロー構造の共鳴波長は、主として、トレンチＴの内部体積における定在波の経路の長さによって決定され、式λ_ｒ≒２・ｎ_ｅｆｆ・ｈに従って、ここで、ｎ_ｅｆｆはトレンチＴにおける誘電体媒質の実効屈折率であり、ｈはトレンチの深さである。このファブリ・ペロー構造の品質係数は、面Ｓにおいて表面部分Ｒ２が占める割合に依存し、換言すれば、トレンチＴの幅ｗに依存する。

図１ｂは基板１０の平坦な面Ｓ上に作製することができ、やはり支持体として作用する別の公知のタイプのファブリ・ペロー構造を示す。ここで、構造体は、誘電媒体１１の層と金属部分１２との面Ｓの上の積層体を含む。例えば、層１１は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはシリカ（ＳｉＯ_２）から形成されてもよい。金属部分１２が基板１０に向かって対向する面Ｍ２を有するように平行な面を有している。ファブリ・ペロー構造は、次いで、金属部分１２、金属部分１２によって覆われている層１１の部分、および金属部分１２と直接並んでいる面Ｓの部分によって形成される。この面Ｓの部分は、図１ａのファブリ・ペロー構造における金属表面Ｍ１の部分と図１ｂのファブリ・ペロー構造において同じ役割を有するので、Ｍ１と表記される。基板１０に向いた金属部分１２の面は、図１ａに類似しているので、Ｍ２で示されている。金属部分１２の対向するエッジＢ１及びＢ２から画定され、面Ｓに垂直である面の２つの部分は、金属面Ｍ１及びＭ２の部分の間で面Ｓに平行に伝搬する波動成分の半反射ミラーとして作用して定在波を形成する。この場合も、図１ａと同様に、これらの波動成分はＯ１及びＯ２と表記されるが、図１ａの場合とは異なり、基板１０の面Ｓに対して平行に伝搬する。同様に、波動成分Ｏ１およびＯ２を反射し、エッジＢ１およびＢ２から画定される表面の２つの部分は、Ｒ１およびＲ２とも呼ばれ、反射表面の部分と呼ばれる。定在波を形成する波動成分Ｏ１及びＯ２は、金属部１２で覆われた層１１の部分を伝搬する。層１１のこの部分は図１ｂのファブリ・ペロー構造の内部体積を構成し、Ｖで示され、そのようなファブリ・ペロー構造の共鳴波長はここでも、構造の内部体積における定在波の経路長によって主に決定され、ここで、式λ_ｒ≒２・ｎ_ｅｆｆ・ｗに対応し、ここで、ｎ_ｅｆｆは依然として内部体積Ｖにおける誘電媒体の実効屈折率であるが、ここで、ｗは定在波を形成する波動成分Ｏ１およびＯ２の伝播方向における、面Ｓに並行するこの内部体積の幅を示す。ここで、表面部分Ｒ１及びＲ２は、定在波を入射波Ｏｌ及び反射波ＯＲに結合する。なお、ファブリ・ペロー構造の内部体積Ｖの各辺において、反射面Ｒ１、Ｒ２の部分を越えて層１１が延びる必要はない。これは、この内部体積Ｖの外側で、空気または任意の他の誘電体材料によって置き換えることができる。このようなファブリ・ペロー構造の共鳴品質係数は、図１ｂによると、層１１の厚さｈに依存し、つまり、面Ｓに対して垂直に測定される内部体積Ｖの厚さ、および内部体積Ｖの外側の反射面Ｒ１およびＲ２の近傍に存在する媒体／媒体の厚さに依存する。さらに、厚さｈが上限値ＶＬ＝０．１２５・λ_ｒ／ｎ_ｅｆｆよりも大きい場合、ファブリ・ペロー構造は入射波Ｏｌを受け取るときに０．３９よりも大きいエネルギー反射率値を有し、後者は、その波長に対して値λ_ｒを有する。この場合、ファブリ・ペロー構造は、ＯＩ波およびＯＲ波の伝搬媒体にアンダーカップリングされていると言われる。共鳴波長π_ｒが５．２５μｍ（マイクロメートル）に等しく、実効反射率値ｎ_ｅｆｆが約３．１５５に等しい場合、上限値ＶＬ＝０．１２５・λ_ｒ／ｎ_ｅｆｆは実質的に０．２０８μｍに等しい。

本発明は、図１ｂに従った複数のファブリ・ペロー構造に基づくスペクトルフィルタの形成に関する。

本発明の第１の実施形態は、図２ａの１および２で示され、金、銀、アルミニウムなどであってもよい同じ金属支持体１０によって担持される２つのファブリ・ペロー構造のグループを含むことができる。２つの構造１および２は、支持体１０の面Ｓおよび各構造の内部体積Ｖの幅方向に平行な方向Ｄに沿って、並んでいる。それぞれの構造１（それぞれ２）は誘電体材料１１の層上に位置する金属部分１２_１（それぞれ１２_２）を含み、後者はおそらく炭化ケイ素であり、支持体１０の面Ｓ全体にわたって連続している。しかしながら、層１１のこの連続性は必須ではなく、本発明の代替実施形態では、面Ｓの特定の領域、特に２つの構造１および２の少なくとも一方の内部体積Ｖ、またはこれらの構造間の中間空間において層１１の組成を変更することが有利であり得る。ファブリ・ペロー構造１および２の各々が図１ｂによるものであるように、図１ｂの参照符号Ｒ１、Ｒ２、Ｍ１、Ｍ２、Ｂ１およびＢ２は、図２ａの各構造１および２に対して同一に当てはまる。２つの金属部分１２_１および１２_２は、各支持体１０と同じ金属であってもよい。さらに、以下の表記は、２つの構造１および２の一方または他方に別々に関連する：
λ_ｒ１：ファブリ・ペロー構造１の個別共鳴波長、
Ｑ_１：ファブリ・ペロー構造１の個別共鳴の品質係数、
ｗ_１：方向Ｄに沿った金属部分１２_１の幅、
ｎ_{ｅｆｆ＿１}：検討されている例では層１１によって占められているファブリ・ペロー構造１の内部体積Ｖ内の誘電媒体の実効屈折率、
λ_ｒ２：ファブリ・ペロー構造２の個別共鳴波長、
Ｑ_２：ファブリ・ペロー構造２の個別共鳴の品質係数、
ｗ_２：方向Ｄに沿った金属部分１２_２の幅、
ｎ_{ｅｆｆ＿２}：検討されている例では層１１によって占められているファブリ・ペロー構造２の内部体積Ｖ内の誘電媒体の実効屈折率、および、
ｄ_１－２：金属部分１２_１と１２_２との間の方向Ｄで測定された２つのファブリ・ペロー構造１と２との間の離隔距離。

実効屈折率ｎ_ｅｆｆ１およびｎ_ｅｆｆ２の定義はこの記述の初めに再言及されたように、従来技術から公知である。この条件では、λ_ｒ１≒２・ｎ_{ｅｆｆ＿１}・ｗ_１とλ_ｒ２≒２・ｎ_{ｅｆｆ＿２}・ｗ_２である。Ｑ_１およびＱ_２は特に、層１１の厚さｈ、およびそれぞれの構造１、２の反射面Ｒ１およびＲ２付近の材料によって決定される。図２ａに示す実施形態ではｈは２つのファブリ・ペロー構造１および２に共通する誘電体材料の厚さであり、換言すれば、ｈ_１＝ｈ_２＝ｈであり、ここでｈ_１およびｈ_２はそれぞれ、ファブリ・ペロー構造１および２の誘電体材料の厚さを表す。しかしながら、本発明の他の実施形態では、２つのファブリ・ペロー構造１および２における誘電材料ｈ_１およびｈ_２の厚さが異なっていることが可能である。金属部分１２_１、１２_２の厚さは例えば５０ｎｍ（ナノメートル）とすることができ、誘電体層１１の厚さは例えば２８０ｎｍとすることができ、これらの厚さは面Ｓに対して垂直に測定される。

一次元パターンを有する実施形態では、金属部分１２_１および１２_２が図２ａの平面に垂直に延在するストリップであってもよく、使用される層１１または誘電媒体の関連する部分を有する２つのファブリ・ペロー構造１および２のグループは方向Ｄに周期的に繰り返されるパターンを形成することができる。分離してこのパターンによって生成される結合共鳴は以下で説明されるが、当業者はパターンの異なった繰り返しに属しながら、面Ｓ上の２つの隣接するファブリ・ペロー構造の間に追加の結合が現れ得ることを理解するであろう。

結合共鳴の発生には、以下の４つの状態が必要である。

λ_ｒ１≠λ_ｒ２：２つのファブリ・ペロー構造１と２との個々の共鳴の波長の差異は、ストリップ幅ｗ_１とｗ_２とに使用される２つの異なる値によって生じることがある。たとえば、ｗ_１＝４００ｎｍおよびｗ_２＝４９５ｎｍである。加えて、又は代替的に、構造１及び２のそれぞれの内部体積Ｖにおける層１１の実効反射率に２つの異なった値を使用することができる（ｎ_{ｅｆｆ＿１}≠ｎ_{ｅｆｆ＿２}）。このような屈折率の差異は、２つの構造１および２の間で異なる層１１の組成物、ドーピング、または充填比によって得ることができる。あるいは、またはさらなる追加として、各ファブリ・ペロー構造に特有の吸収係数値を使用して、その個別共鳴波長を変化させてもよい。

すなわち、構造１の個別共鳴波長を構成する［π_ｒ１・（１－３／Ｑ_１）；π_ｒ１・（１＋３／Ｑ_１）］と、構造２の個別共鳴波長を構成する［π_ｒ２・（１－３／Ｑ_２）；π_ｒ２・（１＋３／Ｑ_２）］とは重複している。言い換えれば、それらは分離していない。この条件は、それらが十分に近くなるようにπ_ｒ１及びπ_ｒ２の値を選択することによって、又はＱ_１及びＱ_２の値が十分に低くなるように、パターンの構造パラメータ、特に層１１の厚さｈを選択することによって満たすことができる。

誘電体材料の層１１の厚さｈは、２つの上限値ＶＬ_１＝０．１２５・λ_ｒ１／ｎ_{ｅｆｆ＿１}およびＶＬ_２＝０．１２５・λ_ｒ２／ｎ_{ｅｆｆ＿２}よりも大きく、このことは、２つのファブリ・ペロー構造がＯＩ波の外部伝播媒体にアンダーカップリングされていることを意味し、２つの構造１および２の間の離隔距離ｄ_１－２は、以下に詳述するように、特に結合共鳴波長よりも小さい。ｄ_１－２は、図２ａに示すように、構造１と２とを分離する中間空間Ｉ_１－２の幅に対応する。

図２ａにおいて、Ｃ_１－２は、ファブリ・ペロー構造１および２の間で生成される結合を示す。

これらの条件下では次いで、２つの追加波が、支持体１０の面Ｓ上のＯｌ波の反射から生じる波に加えて、２つの構造１および２のセットに入射されるＯｌ波から生じる：
第１の追加波は、ＯＲ１と表記され、ファブリ・ペロー構造１から出現し、そのうちの少なくとも１つがファブリ・ペロー構造２の内側で往復を完了した幾つかの波動成分の重ね合わせから生じる。言い換えれば、追加波ＯＲ１の振幅は、構造１の内部体積Ｖと入射波Ｏｌが出現する自由空間との間の結合に依存する。さらに、追加波ＯＲ１の少なくとも１つの成分は構造２の内部体積Ｖ内を伝播し、方向Ｄと並行してその中で少なくとも１往復を完了し、次いで、構造２から構造１までの中間空間Ｉ_１－２を横切り、その後、構造１によって自由空間内に再送信される。

追加波ＯＲ１を形成することにも寄与し得る追加波成分は、２つの構造１および２の内部体積Ｖ内の連続する往復の任意の組合せを完了し、構造１または２のうちの１つの内部体積Ｖ内の往復と、他方の構造の内部体積Ｖ内の往復との間のそれぞれの通路で、それぞれが構造１によって自由空間に再送される前に、中間空間Ｉ_１－２を横切って進むことができる。

第２の追加波は、ＯＲ２と表記され、ファブリ・ペロー構造２から出現し、そのうちの少なくとも１つがファブリ・ペロー構造１の内側で往復を完了した幾つかの他の波動成分の重ね合わせから生じる。

言い換えれば、追加波ＯＲ２の振幅は、構造２の内部体積Ｖと入射波Ｏｌが出現する自由空間との間の結合に依存する。さらに、追加波ＯＲ２の少なくとも１つの成分は構造１の内部体積Ｖ内を伝播し、方向Ｄと並行してその中で少なくとも１往復を完了し、次いで、構造１から構造２までの中間空間Ｉ_１－２を横切り、その後、構造２によって自由空間内に再送信される。

追加波ＯＲ１のケースと同様に、追加波ＯＲ２の形成にも寄与し得る他の追加波動成分は、構造１または２の一方の内部体積Ｖ内の往復と他方の構造の内部体積Ｖ内の往復との間の各通路で中間空間Ｉ_１－２を横切って進み、その後、各１つが構造２によって自由空間内で再送信される、２つの構造１および２の内部体積Ｖ内の任意の組合せの往復を完了し得る。

２つの追加波ＯＲ１とＯＲ２は、ファブリ・ペロー構造１と２の間の連結Ｃ_１－２によるものである。そして、ＯＩ波の波長の特定の値について、支持体１０の面Ｓ上でのＯＩ波の反射から生じる波、第１の追加波ＯＲ１、及び第２の追加波ＯＲ２は、反射波ＯＲを形成するために寄与する構造的な干渉を形成する。図２ｂのダイアグラムは、ファブリ・ペロー構造１のみを備えた第１の支持体１０（曲線ＦＰ１とラベル付けされ、ｗ_１＝４００ｎｍに対応する）、ファブリ・ペロー構造２のみを備えた第２の支持体１０（曲線ＦＰ２とラベル付けされ、ｗ_２＝４９５ｎｍに対応する）、および交互のファブリ・ペロー構造１および２を備えた第３の支持体１０（曲線ＦＰ１－２とラベル付けされ、図２ａに対応する）についてそれぞれ測定されたスペクトル反射率曲線を比較する。３つの場合の入射角の値はいずれも１０°（度）であり、ＯＲ波の反射角の値に等しく、かつ入射波Ｏｌは金属部分１２_１及び１２_２を構成するストリップ状体の長手方向に平行な磁場で直線的に偏波されている。３つのすべての場合において、支持体１０は２００ｎｍの厚さを有する金であり、金属部分も５０ｎｍの厚さを有する金であり、層１１は、２８０ｎｍの厚さを有する炭化ケイ素で連続的であり均一である。ｗ_１とｗ_２の値は上記のものであり、ストリップ間の分離距離は３つのケースすべてで４３７ｎｍに等しい。これらの条件下で、ファブリ・ペロー構造１の個別共鳴は、λ_ｒ１≒４．６５μｍおよび０．８０より大きい最小スペクトル反射率値（曲線ＦＰ１を参照のこと）の特性を有する。ファブリ・ペロー構造２の個別共鳴は、λ_ｒ２≒５．２５μｍおよび０．８０以上である最小スペクトル反射率値（曲線ＦＰ２を参照のこと）の他の特性を有する。層１１の厚さｈの２８０ｎｍの値は、２つの制限値ＶＬ_１＝０．１２５・λ_ｒ１／ｎ_{ｅｆｆ＿１}およびＶＬ_２＝０．１２５・λ_ｒ２／ｎ_{ｅｆｆ＿２}（上述の実施形態ではｎ＝ｎ_{ｅｆｆ＿２}）よりも大きく、１８４ｎｍおよび２０８ｎｍと等しく、２つのファブリ・ペロー構造１および２が外部伝搬媒体とのアンダーカップリングの状態でそれぞれ使用されることを保証する。構造１と２との結合によってもたらされる追加の共鳴は、入射波ＯＩの波長が４．２３μｍの値を有する場合に現れる（曲線ＦＰ１－２参照）。これは、λ_ｒ１－２と表される結合共鳴波長である。スペクトル反射率の関連する最小値は約０．１３であり、結合共鳴に関連する品質係数Ｑ_１－２の２２の値に対応する。次いで、構造１及び２を有する図２ａの支持体１０は、反射において有効なスペクトルフィルタを形成する。この第１の実施形態では、２つのファブリ・ペロー構造１及び２によって形成されるパターンの空間的繰り返し周期の値は１７７０ｎｍである。

通常、２つのファブリ・ペロー構造１と２の間の結合が結合共鳴を生成するのに充分であるためには、分離距離ｄ_１－２は結合共鳴波長π_ｒ１－２の値より小さくなければならない。本例では、ｄ_１－２はほぼ４３７ｎｍに等しい。

幅ｗ_１、ｗ_２および分離距離ｄ_１－２を除いて、すべてが同一の値および組成物であるときにおいて、ｗ_１＝４９５ｎｍ、ｗ_２＝６００ｎｍ、およびｄ_１－２＝３３７ｎｍのとき、結合共鳴波長λ_ｒ１－２は４．６１μｍに等しくなる。次いで、入射波Ｏｌの波長がλ_ｒ１－２に等しい値に得られる最小反射率は約０．２１である。従って、金属ストリップの幅値を適切に選択することにより、結合共鳴波長を所望の値に調整することができる。

図３のダイアグラムは、図２ａ及び図２ｂの実施形態と比較して、層１１の厚さｈを変更することから生じる結合共鳴の品質係数Ｑ_１－２の変化（実線）を示している。層１１について、厚み上限値ＶＬ_２＝ｍａｘ（ＶＬ_１；ＶＬ_２）＝約０．２０８μｍを超えると、結合共鳴の品質係数Ｑ_１－２の値が連続的に増加し、層１１の厚さｈが８００ｎｍの値の場合、約２５０に達する。したがって、層１１の厚さｈを適切に選択することにより、結合共鳴に関連する分光反射率の最小の幅および深さを調整することが可能になる。比較のために、図３には、層１１の厚さｈが変動し、かつ金属部分１２を形成するストリップの幅ｗが一定で４９５ナノメートルに等しい場合（点線）、単一のファブリ・ペロー構造の個別共鳴の品質係数Ｑ_１の変動も示されている。個別共鳴の品質係数Ｑ_１は層１１の厚さｈの減少関数であり、結合共鳴の品質係数Ｑ_１－２はこの厚さｈの増加関数である。

図４のダイアグラムの横軸は入射波Ｏｌの波長値を特定し、縦軸は誘電体材料の層１１の厚さｈの値を特定し、第３の寸法は、図の右側に配置されたグレーの濃淡のスケールによって示され、厚さｈだけが変化する場合の、図２ａおよび２ｂの空間フィルタのエネルギー反射率値を特定する。３波干渉によって生じる結合共鳴は、厚さｈがＶＬ_２＝ｍａｘ（ＶＬ_１；ＶＬ_２）＝約０．２０８μｍより大きいときに存在し、品質係数Ｑ_１－２の高い値に対応して狭いエネルギー反射率最小値と関連している。厚さｈがこの上限値よりも小さい場合、２つの別個の共鳴が見え、これはファブリ・ペロー構造１および２のそれぞれの個別共鳴に対応する。ダイアグラムのこの部分に見られる共鳴波長値λ_ｒ１およびλ_ｒ２の変動は、層１１の誘電体の実効屈折率のスペクトル変動によるものである。上記で引用された「分光放射率工学のためのプラズモニックナノアンテナ」Ｍ．Ｍａｋｈｓｉｙａｎ ｅｔ ａｌ、Ｐｒｏｃ ｏｆ ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ ９５０２， ２０１５、と題する記事に記載されているスペクトルフィルタは、誘電体層の厚さｈがｍａｘ（ＶＬ_１；ＶＬ_２）未満であり、３波干渉による結合共鳴が存在しない場合に対応する。次に得られるエネルギー反射率スペクトルは、２つのファブリ・ペロー構造のそれぞれの個別共鳴スペクトルの積に実質的に等しい。

図５ａの実施形態では、ファブリ・ペロー構造の各グループが１、２、および３で示される３つの構造を含む。これら３つのファブリ・ペロー構造のそれぞれの金属部分は、共通の長手方向が図の平面に対してやはり垂直である平行なストリップの形態で、１２_１、１２_２、および１２_３で参照されている。それぞれの幅値はｗ_１＝４０５ｎｍ、ｗ_２＝５００ｎｍ、ｗ_３＝６００ｎｍであり、３つのファブリ・ペロー構造１、２、３によって形成されるパターンの空間的反復周期は２５４０ｎｍである。ｄ_１－２は、中間空間Ｉ_１－２間の構造１と２の分離距離で、たとえば約３００ｎｍに等しく、ｄ_２－３は中間空間Ｉ_２－３間の構造２と３の分離距離であり、たとえばやはり３００ｎｍに等しくなる。Ｃ_１－２はファブリ・ペロー構造１と２の間の結果的な結合を指定し、Ｃ_２－３は、ファブリ・ペロー構造２と３の間の結合を指定する。３つの金属部分１２_１、１２_２、および１２_３は支持体１０と同じ金属であってもよく、したがって、誘電体材料の実効屈折率の値は３つのファブリ・ペロー構造１、２、および３について同じである。

図５ｂのダイアグラムは、ファブリ・ペロー構造１のみを備えた第１の支持体１０（曲線ＦＰ１とラベル付けされ、ｗ_１＝４０５ｎｍに対応する）、ファブリ・ペロー構造２のみを備えた第２の支持体１０（曲線ＦＰ２とラベル付けされ、ｗ_２＝５００ｎｍに対応する）、ファブリ・ペロー構造３のみを備えた第３の支持体１０（曲線ＦＰ３とラベル付けされ、ｗ_３＝６００ｎｍに対応する）、および交互のファブリ・ペロー構造１、２、および３を備えた支持体１０（曲線ＦＰ１－２－３とラベル付けされ、図５ａに対応する）についてそれぞれ測定されたスペクトル反射率曲線を示す。入射波ＯＩの偏波及び入射条件は、図２（ｂ）の図と同様である。個別共鳴波長値は構造体１（曲線ＦＰ１を参照）はπ_ｒ１≒４．５μｍ、構造体２（曲線ＦＰ２を参照）はπ_ｒ２≒５．２μｍ、構造体３（曲線ＦＰ３を参照）はπ_ｒ３≒６．０μｍであり、これら３つの個別共鳴に対して０．８０より大きい反射率の最小値を持つ。すなわち、層１１の厚さｈが、０．１２５・λ_ｒ１／ｎ_ｅｆｆ、０．１２５・λ_ｒ２／ｎ_ｅｆｆ、および０．１２５・λ_ｒ３／ｎ_ｅｆｆの３つの上限値よりも大きくなければならないという状態が満たされている。パターンが３つのファブリ・ペロー構造１、２、および３のグループによって形成される図５ａのフィルタは、次いで、２つの結合共鳴を有する（曲線ＦＰ１－２－３参照）。すなわち、波長値λ_ｒ１－２に対する第１の結合共鳴≒４．４３μｍであり、第１の品質係数値Ｑ_１－２が１５に等しく、波長値λ_ｒ２－３に対する第２の結合共鳴≒５．１２μｍであり、第２の品質係数値Ｑ_２－３は１１に等しい。λ_ｒ１－２とＱ_１－２に対応する第１の結合共鳴は中間空間Ｉ_１－２を通るストリップ１と２の間の結合Ｃ_１－２から来ており、π_ｒ２－３とＱ_２－３に対応する第２の結合共鳴は中間空間Ｉ_２－３を通るストリップ２と３の間の結合Ｃ_２－３から来ている。構造１および３は、連続パターンの一部であることによって近接している場合であっても、それらの個々の共鳴波長値が離れすぎているため、互いに結合されない。

図６には、本発明の別の実施形態を示し、Ｄ_１およびＤ_２で示されているパターンの２方向の変動を伴う。例えば、方向Ｄ_１及びＤ_２に平行な２×２マトリックスに配列された４つのファブリ・ペロー構造１～４のグループを、これらの２方向に周期的に再生されるパターンとして使用することができる。それぞれのファブリ・ペロー構造１～４は誘電体材料１１の層上に配置された金属層１２_１～１２_４のそれぞれの部分によって識別することができ、後者は金属支持体１０の面Ｓ上にある。ファブリ・ペロー構造１～４の少なくとも２つは、例えば、金属層１２_１－１２_４の部分の寸法が異なっている。例えば、しかし非限定的な方法で、金属層の一部１２_１－１２_４の各部は、２２００ｎｍに等しくてもよい方向Ｄ_１およびＤ_２におけるパターンの繰り返し周期に対して、６４０ｎｍ、６８０ｎｍ、７８０ｎｍ、および８４０ｎｍの値から辺長が選択される正方形であってもよい。隣接するファブリ・ペロー構造間の中間空間は、構造１と２との間のＩ_１－２、構造２と３との間のＩ_２－３、構造３と４との間のＩ_３－４、および構造４と１との間のＩ_４－１である。次に、部分１２_１～１２_４の側部の長さおよびそれらの間の中間空間の幅を修正することによって、結合共鳴波長の値、ならびにそれらに関連する品質係数およびスペクトル反射率最小値の値を調整することができる。一般に、結合共鳴は、パターン中のファブリ・ペロー構造の各対に別々に関連している。しかしながら、これらのファブリ・ペロー構造の２つが互いに離れすぎている個別共鳴波長値を有する場合、これらの２つの構造は互いに結合しない。特に、２×２行列の同じ対角線上にある二つの構造がこの理由のために互いに結合しないように、パターンの２×２行列に四つのファブリ・ペロー構造を分布させることが可能である。

２×２マトリックス内のファブリ・ペロー構造の分布を有することもできる他の実施形態では、金属層の一部が、入射波Ｏ１の２つの実効直交偏波間のフィルタに望まれる反応の差異に応じて、面Ｓに並行する長方形、円形、楕円形、十字形、Ｌ字形などの形状を有することができる。当業者は、入射波ＯＩの偏波に対するフィルタの所望の選択性に従って、これらの形状をどのように選択するかを知っている。同様に、本説明から、当業者は、ファブリ・ペロー構造間の分離距離がＯＩ波の偏波に対するフィルタの選択性に及ぼす影響を考慮することができる。さらに、中間空間Ｉ_１－２、Ｉ_２－３、Ｉ_３－４、およびＩ_４－１における層１１の組成物および材料は、２つの隣接するファブリ・ペロー構造間の結合を調整するために変化させることができる。

概して、上述した本発明の実施形態が与えられると、当業者は、本発明によるフィルタがパターンを形成する構造の数や、このパターンにおけるそれらの配置に関して、制限なく、いくつかのファブリ・ペロー構造の任意のパターンを繰り返すことによって形成され得ることを理解するであろう。条件は、これらのファブリ・ペロー構造のうちの少なくとも２つが、図１ｂによる組成物を有しながら結合されることである。これに起因する多数の自由度により、スペクトル応答プロファイルが任意の仕様に対応するフィルタをオンデマンドで設計することが可能になる。

ここで、本発明によるフィルタを設計する経験上の方法を説明する。この場合、スペクトル応答プロファイルは、カットオフスペクトルドメインと窓付きスペクトルドメインとの間の制御された遷移を含む。そのためには、フィルタが、少なくとも１つのファブリ・ペロー共鳴器と、上述のように結合された幾つかのファブリ・ペロー構造の少なくとも１つのグループとの間の関連であってもよい。ファブリ・ペロー共鳴器は次いで、その結合共鳴に使用される結合ファブリ・ペロー構造とは対照的に、その個別共鳴のためにフィルタ内で使用される追加のファブリ・ペロー構造を意味すると理解される。一般に、ファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴のスペクトルプロファイルは、本発明に従って結合された２つのファブリ・ペロー構造の結合共鳴のスペクトルプロファイルよりも、波長軸上で広い。しかしながら、フィルタのスペクトルプロファイルは、全ての共鳴－個別又は結合－によって引き起こされるエネルギー吸収の付加的な組み合わせから生じる。そして、結合されたファブリ・ペロー構造およびファブリ・ペロー共鳴器のそれぞれのパラメータを調整することによって、入射波Ｏｌの波長軸上に、ファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴の１つの側と少なくとも１つの結合共鳴とを重ね合わせることが可能である。言い換えると、λ_ｒ１－２で表される結合共鳴のスペクトルの値は、λ_ｒ０とは異なってもよいが、［λ_ｒ０・（１－１０／Ｑ_０）；λ_ｒ０・（１＋１０／Ｑ_０）］の範囲内である。ここで、λ_ｒ０とＱ_０はそれぞれファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴に対する共鳴波長の値と品質係数の値である。このように、結合された構造は、結合共鳴の品質係数がファブリ・ペロー共鳴器の品質係数よりも大きいか、またはるかに大きい場合に、ファブリ・ペロー共鳴器のスペクトルプロファイルを局所的に修正することを可能にする。説明図として、図７ａのダイアグラムは、図５ａに従って結合されたファブリ・ペロー共鳴器と、３つのファブリ・ペロー構造とを組み合わせたこのようなフィルタの反射におけるスペクトル応答を示す。この実施例ではファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴波長λ_ｒ０がおよそ３．３９μｍに等しく、対応する品質係数Ｑ_０に対して２０の値を持ち、第１の結合共鳴波長π_ｒ１－２は、およそ３．２６μｍに等しく、対応する品質係数Ｑ_１－２に対して６０の値を持ち、第２の結合共鳴波長π_ｒ２－３はまた、およそ３．５０μに等しく、対応する品質係数Ｑ_２－３に対して６０の値を持つ。

図７ｂは、そのようなフィルタのパターンを示す。このパターンは、支持体１０の一部、層１１の一部、および図５ａのファブリ・ペロー構造１～３と、それぞれの金属部分１２_１、１２_２、および１２_３とを含む。さらに、少なくとも１つの追加のファブリ・ペロー共鳴器を備え、これらの共鳴器は例えば構造１～３のうちの１つ上に、例えば構造２上に積み重ねることができる。この追加の共鳴器は、参照符号Ｒ０で示されており、好ましくは、図１ｂを参照して説明したタイプのものであってもよい。このケースでは、金属層１２の一部分に配置された追加の誘電体材料１１_０のストリップと、この誘電体材料ストリップ１１_０に配置された追加の金属層１２_２の一部分とによって形成されてもよい。従って、金属部分１２_２は、このファブリ・ペロー共鳴器Ｒ０とファブリ・ペロー構造２との間で共有される。ストリップ１１_０は、やはりシリコンカーバイドで作られてもよく、部分１２_０は、やはり金で作られてもよい。図７ｂの横方向は、部分１２_１、１２_２、１２_３、および１２_０を形成するストリップの幅、ならびにそれらの間の分離距離を識別するために、ｘとラベルされた空間寸法軸を有する。図７ｂの上下方向は、層１１、１２_１、１２_２、１２_３、および１２_０の厚さを識別するための、ならびに追加の誘電体材料１１のストリップの厚さを識別するための、ｚとラベル付けされた別の空間寸法軸を有する。このパターンは、層１１によって覆われた支持体１０の面Ｓ上で方向Ｄに沿って周期的に繰り返され、フィルタを形成する。図７ａの実施形態では、追加の誘電体材料１１_０のストリップの厚さｈ_０は約８０ｎｍであり、方向Ｄに沿った金属層１２_０の一部の幅は約４５０ｎｍである。

当業者であれば、図７ａのものよりも精巧なスペクトル・フィルタリング・プロファイル、特に多かれ少なかれ矩形形状を有するスペクトル・フィルタリング・プロファイルが、３つよりも多い構造を有するファブリ・ペロー構造のパターンを使用することによって、本発明に従って得ることができることを理解するであろう。

このようなフィルタは、当業者に周知の実施形態に従って、特に画像化および分光法において、多くの用途を有することができる。

さらなる用途は、電磁放射線の選択的熱放射であり得る。これを達成するために、フィルタは、加熱されるか、または加熱される材料のブロックに適用されてもよい。次いで、電磁放射線の放出が生じ、そのスペクトルはフィルタのスペクトル選択ウィンドウ内に制限され、発光強度はフィルタの温度に依存する。

最後に、本発明は、上記で詳細に説明した実施形態の多数の第２の態様を修正することによって実施することができることを理解されたい。特に、これらの記載された実施形態は、反射において効率的なフィルタリング機能のために設計されている。本発明を、伝送において効率的なフィルタリング関数を生成するように適合された実施形態に適用することが可能である。最後に、記載された全ての数値は単に例示の目的のために提供されたものであり、各フィルタのために意図された用途に修正することができる。

本発明の前に知られているタイプのファブリ・ペロー構造の断面図である。 本発明の前に知られているタイプのファブリ・ペロー構造の断面図である。 グループ当たり２つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第１の実施形態の断面図である。 図２ａの本発明の実施形態について得られた反射率図である。 ファブリ・ペロー構造の個別共鳴および結合共鳴に関する品質係数の変動を示す図である。 図２ａによる本発明の実施形態について、誘電体材料の厚さの関数としての反射率スペクトルの展開を示す３次元図である。 図２ａに対応し、グループ当たり３つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第２の実施形態である。 図２ｂに対応し、グループ当たり３つのファブリ・ペロー構造を有する本発明の第２の実施形態である。 グループごとに４つのファブリ・ペロー構造を有する、本発明の第３の実施形態の斜視図である。 本発明の改良によるフィルタのスペクトル選択性図である。 図７ａのフィルタの断面図である。

Claims (14)

1. フィルタの支持体（１０）の面（Ｓ）によって一括して担持され、誘電体媒質により、互いに対向して配置され、互いに平行に、かつ互いに分離された２つの反射面（Ｒ１、Ｒ２）を含む、複数のファブリ・ペロー構造（１、２）のうちの少なくとも１つのグループを含み、
   当該グループの複数のファブリ・ペロー構造（１、２）それぞれは、前記構造の反射面（Ｒ１、Ｒ２）の２つの部分の間を電磁放射の波動成分が一方から他方へ伝播することができるような寸法で、かつ、反射面の２つの部分において交互に発生する波動成分の複数の反射から、かつ、前記フィルタに入射する電磁放射の波長が変化する場合に、前記構造の内部における定在波の最大振幅に対応する前記ファブリ・ペロー構造の個別共鳴から前記定在波が生じるような寸法で作られており、
   前記グループの各ファブリ・ペロー構造（１、２）の反射面（Ｒ１、Ｒ２）の部分の少なくとも一つが、他の構造の反射面の部分の少なくとも一つから、前記支持体（１０）の前記面（Ｓ）に平行な中間空間（ｉ_１－２）によって分離されており、
   他のファブリ・ペロー構造とは別の各ファブリ・ペロー構造（１、２）の個別共鳴を決定する少なくとも一つのパラメータが、同じグループの少なくとも二つの前記構造の間で異なる値を有し、前記グループの少なくとも二つの構造が、前記フィルタ上に入射する電磁放射に対して有効な個別共鳴波長の異なる各値を有し、個別共鳴波長の異なる値を伴う前記少なくとも二つの構造が、個別共鳴品質係数の各値を有し、入射する放射の波長軸上で、個別共鳴の［λ_ｒｉ・（１－３／Ｑ_Ｉ）；λ_ｒｉ・（１＋３／Ｑ_Ｉ）］の範囲が、対になって重なっており、ｉは前記グループ内の各ファブリ・ペロー構造を特定する整数であり、λｉ及びＱｉはそれぞれ、ファブリ・ペロー構造ｉの個別共鳴の前記個別共鳴波長及び前記個別共鳴品質係数の値であり、
   ファブリ・ペロー構造ｉの内部に定在波を形成する波動成分の伝播方向に対して垂直に測定される厚さｈ_Ｉは、０．１２５・λ_ｒｉ／ｎ_{ｅｆｆ＿Ｉ}以上であり、ｎ_{ｅｆｆ＿Ｉ}はファブリ・ペロー構造ｉの誘電体媒質に対する実効屈折率であり、
   個別共鳴波長が異なる前記同じグループの二つのファブリ・ペロー構造の間の結合は、前記二つの構造の間に存在する前記中間空間（ｉ_１－２）により、及び、前記中間空間内に現れる材料により生成され、結合される前記二つのファブリ・ペロー構造の間の結合距離（ｄ_１－２）は、前記中間空間により決定され、前記支持体（１０）の面（Ｓ）と平行に測定され、前記フィルタに入射する電磁放射に有効であり、少なくとも３つの波の間の干渉から生まれる結合共鳴に対応する、結合共鳴波長と呼ばれる結合に関連する共鳴波長値以上であり、
   前記少なくとも３つの波が、
   前記支持体（１０）の面（Ｓ）上に入射する放射線の反射から、又は、前記支持体を通って入射する放射線の伝送から発生する第１の波と、
   前記グループのファブリ・ペロー構造の第１（１）から出て、前記波動成分の少なくとも１つが、前記グループのファブリ・ペロー構造の前記第１（１）と結合した第２構造（２）の内部で少なくとも１回の往復を完了した、いくつかの波動成分の重ね合わせから発生する第２の波と、
   前記グループのファブリ・ペロー構造の第２（２）から出て、他の波動成分の少なくとも１つが、前記グループのファブリ・ペロー構造の前記第１（１）の内部で少なくとも１回の往復を完了した、いくつかの他の波動成分の他の重ね合わせから発生する第３の波とを含むスペクトルフィルタであって、
   前記グループの各ファブリ・ペロー構造（１、２）が、前記支持体（１０）の前記面（Ｓ）に平行な金属表面（Ｍ１、Ｍ２）の二つの部分と、
   金属表面の前記二つの部分の間で、前記支持体の前記面に垂直に制限され、前記構造の金属表面の少なくとも二つの部分の対向するエッジ（Ｂ１、Ｂ２）の間で前記支持体の前記面に平行に制限される内部体積（Ｖ）とを含み、
   前記対向する二つのエッジが、前記ファブリ・ペロー構造の反射表面（Ｒ１、Ｒ２）の前記部分の位置を決定し、前記結合共鳴に寄与する前記波動成分が、前記グループの前記結合したファブリ・ペロー構造のそれぞれの内側の前記支持体の前記面に平行に伝搬することを特徴とするスペクトルフィルタ。
2. 前記グループの各ファブリ・ペロー構造（１、２）の個別共振を、前記グループの互いのファブリ・ペロー構造から別々に決定し、
   互いに結合された２つの構造間で異なる値を有するパラメータは、
   前記構造の反射面（Ｒ１、Ｒ２）の部分の間の支持体（１０）の面（Ｓ）に平行に測定される、各構造（１、２）の内部体積（Ｖ）の幅（ｗ_１、ｗ_２）と、
   各構造（１、２）の内部体積（Ｖ）内の前記誘電体媒質の屈折率と、
   各構造（１、２）の内部体積（Ｖ）内の前記誘電体媒質の充填比率および／または組成物と、ならびに、
   各構造（１、２）による電磁波吸収係数とのうちの１つまたはそれらの組み合わせである、請求項１に記載のスペクトルフィルタ。
3. 前記グループの各ファブリ・ペロー構造（１、２）は、前記構造の前記個別共鳴品質係数の値が２０未満であるように設計され、
   前記ファブリ・ペロー構造（１、２）は、前記結合共鳴に関連する品質係数が２０よりも大きくなるように設計される、請求項１に記載のスペクトルフィルタ。
4. 前記グループの各ファブリ・ペロー構造（１、２）について、前記構造の前記内部体積（Ｖ）内の前記誘電体媒質は、前記グループのすべての構造について同一で、平行な面および均一な厚さを有する層（１１）のそれぞれの部分からなる、請求項１から３の何れか一項に記載のスペクトルフィルタ。
5. 前記グループのファブリ・ペロー構造（１、２）を含むパターンが、前記グループ内の２つの前記構造の間のそれぞれの中間空間（Ｉ_１－２）によって分離されるように、前記支持体（１０）の前記面（Ｓ）上で複数回繰り返される、請求項１に記載のスペクトルフィルタ。
6. 前記ファブリ・ペロー構造（１、２）の各々の金属表面（Ｍ１、Ｍ２）の前記部分の少なくとも１つが、それぞれの金属ストリップの１つの面であり、前記ファブリ・ペロー構造のグループを含むパターンが、分離された平行な金属ストリップの形態で、前記支持体（１０）の面（Ｓ）に平行な繰り返し方向（Ｄ）に、複数回繰り返される、請求項５に記載のスペクトルフィルタ。
7. 各ファブリ・ペロー構造（１、２）の金属表面（Ｍ１、Ｍ２）の前記部分の少なくとも１つが、前記支持体（１０）の前記面（Ｓ）に平行な正方形、長方形、円形、楕円形、十字形、またはＬ字形を有し、前記グループの前記ファブリ・ペロー構造を含むパターンが、別個であり、前記支持体の前記面に平行であり、２つの繰り返し方向が互いに垂直である２つの繰り返し方向（Ｄ_１、Ｄ_２）に複数回繰り返される、請求項５に記載のスペクトルフィルタ。
8. 前記パターンは２つの反復方向（Ｄ_１、Ｄ_２）に沿って２×２マトリックスに配置された４つのファブリ・ペロー構造（１～４）を含み、したがって、６対のファブリ・ペロー構造を形成し、各ペアは前記パターン内の他のすべての構造対の中間空間以外の前記対の２つの構造間の中間空間（Ｉ_１－２、Ｉ_２－３、Ｉ_３－４、Ｉ_４－１）に関連付けられ、前記中間空間の少なくともいくつかは前記対応する対の前記構造間の結合を生成する、請求項７に記載のスペクトルフィルタ。
9. 前記第１、第２、および第３の波は、入射放射線が前記フィルタに到達する前記支持体（１０）の一方の側で前記フィルタによって生成され、反射に使用するように適合される、請求項１に記載のスペクトルフィルタ。
10. 各結合共鳴に加えて、入射放射に対して効果的な追加の個別共鳴を有する少なくとも１つのファブリ・ペロー共鳴器（Ｒ０）をさらに含み、
    前記ファブリ・ペロー共鳴器は、前記共鳴器の個別共鳴波長値がファブリ・ペロー構造（１～３）のグループの少なくとも１つの結合共鳴波長値に対してシフトされ、
    前記結合共鳴波長値が前記ファブリ・ペロー共鳴器の個別共鳴に対して、λ_ｒ０・（１－１０／Ｑ_０）、λ_ｒ０・（１＋１０／Ｑ_０）、の範囲内にあるように設計され、ここで、λ_ｒ０およびＱ_０はそれぞれ、前記ファブリ・ペロー共鳴器の前記個別共鳴に対する前記個別共鳴波長および前記個別共鳴品質係数の値であり、
    その結果、前記フィルタのスペクトル応答プロファイルは、前記入射放射の前記波長に応じて、ファブリ・ペロー構造（１～３）の各グループの各結合共鳴を有する各ファブリ・ペロー共鳴器（Ｒ０）の少なくとも個別共鳴の重ね合わせから生じ、前記少なくとも１つのファブリ・ペロー共鳴器を含むが結合されたファブリ・ペロー構造が無い基準フィルタと比較して、カットオフスペクトル領域とウィンドウ化スペクトル領域との間のより急峻な遷移を有する、請求項１に記載のスペクトルフィルタ。
11. それぞれのファブリ・ペロー共鳴器（Ｒ０）、特に前記共鳴器の内部体積内に生じる定在波の方向に対して垂直に測定された、前記共振器の前記内部体積の厚さ（ｈ_０）は、前記共鳴器の前記個別共鳴の前記個別共鳴品質係数の前記値が３０未満であり、［λ_ｒ０・（１－１０／Ｑ_０）；λ_ｒ０・（１＋１０／Ｑ_０）］の範囲内に位置する前記結合共鳴波長に関連する前記個別共鳴品質係数が３０を超えるように設計される、請求項１０に記載のスペクトルフィルタ。
12. 前記ファブリ・ペロー共鳴器（Ｒ０）は、前記グループの前記ファブリ・ペロー構造（１～３）のうちの１つの上に、前記支持体（１０）の面（Ｓ）に垂直な積層方向に積層される、請求項１０に記載のスペクトルフィルタ。
13. 金属層（１２_２）の一部が、ファブリ・ペロー共鳴器（Ｒ０）と、前記ファブリ・ペロー共鳴器が積層される前記グループの前記ファブリ・ペロー構造（２）とに共通であり、前記金属層の一部が、前記ファブリ・ペロー構造の金属表面の前記一部のうちの１つを構成する、請求項１２に記載のスペクトルフィルタ。
14. 請求項１に記載の少なくとも１つのスペクトルフィルタを使用して実施される、電磁放射線のスペクトルフィルタリングのための方法であって、
    フィルタされる前記放射が、互いに結合される前記フィルタの２つのファブリ・ペロー構造（１、２）の間に存在し、前記支持体（１０）の前記面（Ｓ）に平行に測定される、前記中間空間（Ｉ_１－２）よりも大きい波長値を有し、
    前記方法は、単色または多重スペクトルの画像キャプチャ、分光分析、およびフィルタの加熱によって生成される放射の選択的放出から選択される用途のために実施される、方法。

Images