JP2004140113A

JP2004140113A - 光学素子および光学センサ

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Publication number: JP2004140113A
Application number: JP2002302188A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Miyanishi; 宮西　晋太郎; Kunio Kojima; 小嶋　邦男; Hiroshi Fuji; 藤　寛; Mototaka Tanetani; 種谷　元隆
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-16
Also published as: JP4445192B2; US20040257965A1; US6956808B2

Abstract

【課題】強度が比較的大きいエバネッセント波が得られる光学素子を提供すること。
【解決手段】ｎ−Ａｕ電極１０６に、エバネッセント波を取り出す開口１２を設ける。開口１２は、光学素子の活性層１０４の端面１０４ａが対向する方向に対して略直角の方向を向くので、活性層１０４で生成するレーザ光がｐ偏光をなして入射する。ｐ偏光のレーザ光が入射することによって、開口１２から、強度が比較的大きいエバネッセント波が得られる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子および光学センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスク情報記録媒のさらなる高密度化に向け、極めて微小なスポットサイズの光が得られる光学素子として、近接場光（エバネッセント波を含む）を出力する光学素子が注目されている。また、近接場光の利用に関しては、幅広い技術分野への応用が期待される。従来技術としては、特開２０００−２２２７７号公報に記載された光学素子がある。この従来技術では、半導体レーザ素子のレーザ光の出射端面に、光の波長よりも小さい開口径のピンホールを有する波面変換部を設け、このピンホールを介してレーザ光をエバネッセント波に変換して、上記ピンホール付近で近接場を発生させて、極めて微小なスポットサイズの光を得ている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２２２７７号公報（第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記エバネッセント波の強度は、界面に入射する光の偏光方向による依存性がある。エバネッセント波が発生する界面に垂直な電界ベクトル成分を持つ偏光（以下ｐ偏光という）の光を入射した方が、境界面に平行な電界ベクトル成分を持つ偏光（以下ｓ偏光という）の光を入射したよりも、強度比で約４桁以上の大きさのエバネッセント波が得られる。しかしながら、上記従来の光学素子では、レーザ発振している半導体レーザ素子内で、レーザ光の電界ベクトルが、境界面としての反射端面に対して主に略平行になる。つまり、上記反射端面にｓ偏光のレーザ光が主に入射する。したがって、レーザ光のエバネッセント波への変換効率が悪いという問題がある。また、金属膜や、金属微粒子などでの表面プラズモン励起はｐ偏光の光でしか生成できないので、上記従来技術では、表面プラズモンによる近接場共鳴効果が得られないという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、強度が比較的大きいエバネッセント波が得られる光学素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光学素子は、レーザ共振器を形成する２つの端面を有する発光層と、
上記２つの端面の対向方向において上記２つの端面の間に位置して上記発光層から電磁波を取り出す電磁波取り出し部と
を備えることを特徴としている。
【０００７】
上記構成によれば、上記電磁波取り出し部は、上記レーザ共振器の２つの端面の対向方向において上記２つの端面の間に位置するので、上記２つの端面の間で生成されるレーザ光が、上記電磁波取り出し部に、電界ベクトル成分が略直角をなすｐ偏光の状態で入射する。したがって、上記電磁波取り出し部によって、従来のｓ偏光のレーザ光によるよりも、強度が大きい電磁波としてのエバネッセント波が取り出される。
【０００８】
ここにおいて、上記電磁波取り出し部は、上記レーザ光が全反射してエバネッセント波を生成する境界面に形成してもよく、また、上記境界面に接してエバネッセント波が伝達される層に形成してもよい。
【０００９】
１実施形態の光学素子は、上記電磁波取り出し部は、この電磁波取り出し部周辺の屈折率と異なる屈折率を有すると共に、上記レーザ共振器で生成されるレーザ光の波長がλであり、上記発光層の屈折率がｎであるとして、λ／ｎよりも小さい寸法を有する。
【００１０】
上記実施形態によれば、上記電磁波取り出し部は、この電磁波取り出し部周辺の屈折率と異なる屈折率を有すると共に、λ／ｎよりも小さい寸法を有するので、上記発光層で生成されたレーザ光から、電磁波としてのエバネッセント波を効果的に取り出すことができる。ここにおいて、上記電磁波取り出し部は、寸法がλ／ｎ以上であると、レーザ光を通過させるようになって、エバネッセント波を取り出し難くなる。
【００１１】
１実施形態の光学素子は、上記発光層はストライプ状の発光領域を有し、
上記電磁波取り出し部は上記発光層の側方に位置し、
上記発光領域の幅方向中央と、上記発光層の上記電磁波取り出し部側の側面との間の距離が、上記発光領域の幅よりも小さい。
【００１２】
上記実施形態によれば、上記電磁波取り出し部が上記発光層の側方に位置し、上記発光層の発光領域の幅方向中央と、上記発光層の側面との間の距離が発光領域の幅よりも小さいので、上記電磁波取り出し部によって、上記発光層からのレーザ光から、高強度の電磁波としてのエバネッセント波が効果的に取り出される。
【００１３】
１実施形態の光学素子は、上記発光層に接すると共に、この発光層の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層を備え、この低屈折率層に、上記電磁波取り出し部を形成している。
【００１４】
上記実施形態によれば、上記発光層で生成されて上記発光層と低屈折率層との界面に入射したレーザ光から、上記電磁波取り出し部を介して、エバネッセント波が高効率に取り出される。
【００１５】
１実施形態の光学素子は、上記発光層に接すると共に、この発光層の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層を備え、この低屈折率層は、上記発光層と低屈折率層が接する界面で上記発光層側からの光が全反射する際に、この低屈折率層側に染み出る電磁波の染み出し距離よりも小さい厚みを有し、
上記低屈折率層の上記発光層に接する側と反対側の面に、上記発光層と低屈折率層が接する界面から染み出た電磁波を遮る遮蔽層を備え、
上記遮蔽層に、上記電磁波取り出し部を形成したことを特徴としている。
【００１６】
上記実施形態によれば、上記発光層で生成されたレーザ光が上記発光層と低屈折率層との界面に入射して全反射する際、上記界面から低屈折率層に電磁波としてのエバネッセント波が染み出る。上記低屈折率層の厚みは、この低屈折率層におけるエバネッセント波の染み出し距離よりも小さく形成しているので、この低屈折率層の上記発光層に接する側と反対側の面にエバネッセント波が染み出し、この染み出したエバネッセント波が上記遮蔽層に設けられた電磁波取り出し部から効果的に取り出される。上記低屈折率層は、上記エバネッセント波の染み出し距離よりも小さい厚みを有するので、上記電磁波取り出し部から比較的大きい強度のエバネッセント波が取り出される。
【００１７】
１実施形態の光学素子は、上記電磁波取り出し部は、所定の厚みを有する金属膜を備える。
【００１８】
上記実施形態によれば、上記電磁波取り出し部に、所定の厚みを有する記金属膜を配置し、この金属膜にエバネッセント波を照射することによって、上記金属膜に表面プラズモンが励起される。上記表面プラズモンと上記エバネッセント波とで表面プラズモン共鳴を得ることによって、上記エバネッセント波の強度が効果的に増大される。本実施形態の光学素子は、上記電磁波取り出し部に、ｐ偏光のレーザ光によるエバネッセント波を取り出すので、上記金属膜に表面プラズモンを励起できるのである。ここで、上記金属膜は、この金属膜を形成する金属におけるエバネッセント波の侵入長よりも小さいの厚みを有するのが好ましい。
【００１９】
１実施形態の光学素子は、上記電磁波取り出し部は、所定の径を有する金属粒を備える。
【００２０】
上記実施形態によれば、上記電磁波取り出し部に、所定の径を有する金属粒を配置し、この金属粒にエバネッセント波を照射する。これによって、上記金属粒に表面プラズモンを励起し、さらに、この表面プラズモンと上記エバネッセント波とで表面プラズモン共鳴を得ることによって、上記エバネッセント波の強度が効果的に増大される。本実施形態の光学素子は、上記電磁波取り出し部に、ｐ偏光のレーザ光によるエバネッセント波を取り出すので、上記金属粒に表面プラズモンを励起できるのである。ここで、上記金属粒は、上記レーザ光の波長よりも小さい径を有するのが好ましい。
【００２１】
１実施形態の光学センサは、上記光学素子を備え、
上記光学素子の上記電磁波取り出し部と、被測定物とを近接した状態での上記発光層におけるレーザ発振の閾値電流を測定することによって、上記被測定物の状態を検知することを特徴としている。
【００２２】
上記実施形態によれば、上記光学素子の上記電磁波取り出し部と、上記被測定物を近接した状態で、上記電磁波取り出し部に電磁波としてのエバネッセント波を生成させる。このとき、上記被測定物が例えば電気分極を有する場合、この電気分極が無い場合と比較して、上記発光層におけるレーザ発振の閾値電流が変化する。この閾値電流の変化を測定することによって、上記電気分極の存在が検知される。また、この電気分極の存在に限られず、電気分極の方向や、電気分極の強さなどが検知される。また、上記被測定物におけるエバネッセント波の存在や、このエバネッセント波の強度なども検知される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２４】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の光学素子を示す斜視図である。この光学素子１０は、ＶＳＩＳ構造を有する半導体レーザ素子を用いて構成している。この光学素子１０は、図１の下側から順に、ｐ−Ａｕ電極１００、ｐ−ＧａＡｓ基板１０１、ｎ−ＧａＡｓ電流閉じ込め層１０２、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）下クラッド層１０３、発光層としてのｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）活性層１０４、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）上クラッド層１０５、および、ｎ−Ａｕ電極１０６を備える。上記電流閉じ込め層１０２は、所定間隔をおいて幅方向両側に形成し、この幅方向両側の電流閉じ込め層１０２の間に、上記下クラッド層１０３のストライプ部２００を形成している。この下クラッド層１０３のストライプ部２００は、断面が略逆三角形をなし、光学素子の幅方向略中央に位置すると共に奥行方向に延在している。上記活性層１０４の図１における手前側の端面１０４ａと、奥側の端面とで、レーザ共振器を形成している。上記ｎ−電極１０６の幅方向略中央かつ奥行方向中央には、電磁波取り出し部としての開口１２を備える。なお、上記ｐクラッド層１０３、活性層１０４、ｎクラッド層１０５におけるｘは、各々別個に後述の屈折率の条件を満たすように設定する。
【００２５】
図２（ａ）は、上記光学素子１０の奥行方向の略中央における断面図である。すなわち、上記活性層１０４の共振器を構成する２つの端面について、この端面の間の略中央における光学素子１０の断面図である。図２（ａ）に示すように、ｎ−電極１０６の幅方向略中央に、上記開口１２が位置している。この開口１２内の屈折率は空気の屈折率と同一であり、この開口１２の周辺である電極１０６の屈折率よりも小さい屈折率を有する。また、この開口１２は、上記活性層１０４で生成されるレーザ光の波長λの７８０μｍを上記活性層１０４の屈折率ｎ_２の３．５で除した値である２２３ｎｍ以下の径を有する。
【００２６】
図２（ｂ）は、上記ｐクラッド層１０３、活性層１０４およびｎクラッド層１０５における半導体のバンドギャップＥｇと、屈折率ｎとの分布を示した図である。上記活性層１０４で生成されたレーザ光は、厚み方向において、上記活性層１０４に閉じ込められる一方、この活性層１０４の上方の上クラッド層１０５と、下方の下クラッド層１０３とにエバネッセント光が染み出る。また、上記電流閉じ込め層１０２によって、上記下クラッド層１０３のストライプ部２００に電流の供給が制限される。これによって、上記ストライプ部２００の上方に位置するように、上記活性層１０４の幅方向略中央でレーザ光が生成されて、ストライプ状の発光領域が形成される。
【００２７】
上記活性層１０４には、この活性層１０４の幅方向を向く電界ベクトルを有するＴＥモードのレーザ光と、この活性層１０４の厚み方向を向く電界ベクトルを有するＴＭモードのレーザ光とが生成される。このＴＥモードのレーザ光と、上記ＴＭモードのレーザ光とは、上記活性層１０４の厚みが２ａであるとして、上記活性層１０４の厚み方向に以下の式で表されるように分布する。

【００２８】
ここにおいて、κは、活性層１０４における厚み方向の伝搬定数であり、γは、下クラッド層１０３および上クラッド層１０５における厚み方向の伝搬定数である。γの逆数は、上下クラッド層１０５，１０３へのエバネッセント光の染み出し距離である。
【００２９】
ここで、レーザ発振している状態のレーザモードは、以下のような式で表される。

【００３０】
ここにおいて、ｋ_０は真空における波長λの光の伝搬定数である。図３は、上記各レーザモードを示した曲線であり、各曲線の交点が、各モードでのκａおよびγａとなり、これによって、κ、γが決定される。なお、上下クラッド層１０５，１０３の屈折率が互いに異なる非対称導波路の場合、上下クラッド層１０５，１０３の屈折率に応じて、レーザ強度の最大値の位置が活性層１０４の中心からずれる。したがって、上下クラッド層１０５，１０３の屈折率を適宜設定することによって、活性層１０４から上下クラッド層１０５，１０３への光の染み出し量の制御が可能である。
【００３１】
上記活性層１０４の屈折率ｎ_２が３．５、厚み２ａが１００ｎｍ、レーザ波長λが７８０ｎｍであり、また、上下クラッド層１０５，１０３の屈折率ｎ_３が３．０である場合、上記上下クラッド層１０５，１０３へのエバネッセント光の染み出し距離は以下のようになる。すなわち、上記活性層１０４でＴＥモードおよびＴＭモードの発振が生じて、このＴＥモードにおけるγａ＝０．１４４と、ＴＭモードにおけるγａ＝０．１１４とから、上記ＴＥモードのレーザ光による染み出し距離は３４７ｎｍになり、上記ＴＭモードのレーザ光による染み出し距離は４４０ｎｍになる。ここで、染み出し距離とは、活性層１０４と、上クラッド層１０５または下クラッド層１０３との間の境界における電界成分を１とした場合、上記上クラッド層１０５または下クラッド層１０３中において、染み出した光の電界成分がｅ^−１〜０．３６８になる上記境界からの距離である。上記境界面の接線に対するレーザ光の入射角θ（θ＝π／２−φ）は、ＴＥモードとＴＭモードのいずれについても約１５°（φ＝８５°）であり、上記境界面に平行な面内での伝搬定数βは、β^２＝ｋ_０ ^２ｎ_２ ^２−κ^２から求まる。なお、この伝搬定数βは、上記活性層１０４の屈折率ｎ_２および上下クラッド層１０５，１０３の屈折率ｎ_３から、ｋ_０ｎ_３≦β＜ｋ_０ｎ_２となる。上記活性層１０４におけるレーザ発振のモードが高次になると、上記上下クラッド層１０５，１０３に染み出る光量が増加すると共に染み出し距離が長くなって、エバネッセント波の強度が大きくなる。
【００３２】
図４（ａ）は、エバネッセント波を取り出す開口１２近傍を示す断面図であり、上クラッド層１０５の層厚を、上記活性層１０４からの光の染み出し距離程度の厚みにすると共に、この上クラッド層１０５表面のｎ−電極１０６の上記エバネッセント波を取り出すべき部分に、上記開口１２を形成している。すなわち、上記ｎ−電極１０６を、エバネッセント波の遮蔽層に兼用している。これによって、電極側の所定領域からエバネッセント波を取り出すようにしている。このエバネッセント波を遮蔽するため、上記ｎ−電極１０６は、エバネッセント波の侵入長よりも厚く形成する必要がある。このｎ−電極１０６を形成する金属膜において、この金属の複素屈折率をＮ_{ｍｅｔａｌ}＝ｎ_{ｍｅｔａｌ}＋ｉｋ_{ｍｅｔａｌ}とした場合、この金属にエバネッセント波が侵入する条件と、この金属膜のエバネッセント波の侵入長ｄとは、以下の式のように表される。ここで、ｎｉ（ｋｉ〜０）は、上記金属膜が接する層であってエバネッセント波が入射する層の屈折率であり、φは、エバネッセント波の金属膜への入射角である。

【００３３】
上記活性層１０４における発光波長λが７８０ｎｍであり、入射角度φが８５°である場合、ＡｕやＡｇなどのような屈折率が１よりも小さく消衰係数が３よりも大きい金属では、侵入長ｄは約４５０ｎｍである。また、Ｐｔ、Ａｌ、Ｐｄなどのような屈折率が１よりも大きく消衰係数が３よりも大きい金属では、侵入長ｄは約７７０ｎｍになって、レーザ光の波長λ程度になる。このように、上記ｎ−電極１０６を構成する金属の種類に応じて厚みを上記侵入長ｄよりも大きくすることによって、この電極１０６を、上記開口１２以外の部分からエバネッセント波が漏れないようにする遮蔽層として有効に機能させることができる。
【００３４】
図４（ｂ）は、電磁波取り出し部の変形例を示す断面図である。この変形例では、上クラッド層１０５は、上記活性層１０４の光の染み出し距離以上の厚みを有するように形成する。そして、上記ｎ−電極１０６のエバネッセント波を取り出すべき位置に開口１４を設け、この開口１４に連通する凹部１５を上記上クラッド層１０５に形成する。この開口１４および凹部１５とで、電磁波取り出し部としての光取り出し部１６を形成する。
【００３５】
上記光取り出し部１６の凹部１５について、この凹部１５の底における上クラッド層１０５の厚みが、上記活性層１０４の光の染み出し距離より小さくなるように形成する。これによって、上記活性層１０４と上クラッド層１０５との境界面で生成されたエバネッセント波が、上記凹部１５の底から染み出して、この凹部に連通する開口１４から光学素子の外部に取り出される。図４（ｂ）の光取り出し部１６についても、この光取り出し部１６内の屈折率は空気の屈折率と同一であり、この光取り出し部１６の周辺である電極１０６および上クラッド層１０５の屈折率よりも小さい屈折率を有する。
【００３６】
所定の界面で全反射をする光からエバネッセント波を得る場合、このエバネッセント波の強度は、上記界面に入射する光の偏光方向に依存する。すなわち、上記界面に直角をなす電界ベクトル成分を有する偏光が上記界面に入射した場合、上記界面に平行をなす電界ベクトル成分を有する偏光が上記界面に入射した場合よりも、４桁程度大きい強度のエバネッセント波が得られる。本実施形態の光学素子１０では、活性層１０４の中心におけるレーザ光の最大強度を１とすると、この活性層１０４と上クラッド層１０５との界面における上クラッド層１０５側への染み出し光の強度は、この染み出し光はＴＭモードの単一波長によるエバネッセント波であるとして、（ｃｏｓ（κａ）ｅ^−１）^２〜０．１になる。この強度は、従来のレーザ光出射端面に薄膜を配置し、この薄膜に形成したピンホールを介して得たエバネッセント波と比較して、３桁程度以上の大きさの強度である。
【００３７】
本実施形態において、上記電極１００，１０６は、Ａｕ以外にＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｔｉなどで形成してもよい。また、本実施形態の発光素子は、ＶＳＩＳ型の半導体レーザを利用したが、他の半導体レーザを用いてもよい。また、各構成部分は、材料の変更や形状の変更を適宜行なってもよい。
【００３８】
（第２実施形態）
図５（ａ）は、第２実施形態の光学素子を示す斜視図であり、図５（ｂ）は、本実施形態の光学素子の奥行方向の略中央における断面図である。第２実施形態の光学素子２０は、電磁波取り出し部としての開口２２を、発光層としての活性層１０４の側方に配置している。図５（ａ），（ｂ）の光学素子２０において、図１の光学素子１０と同一の構成部分には同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。図５（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の光学素子２０は、下クラッド層１０３のストライプ部２００を光学素子２０の側面近傍に配置している。これによって、活性層１０４において、発光領域を光学素子２０の側面に接して生成するようにしている。そして、上記発光領域で生成されるレーザ光のうち、ＴＥモードのレーザ光を用いてエバネッセント波を生成するようにしている。上記下クラッド層１０３のストライプ部２００の幅が２ｗ_ｉである場合、このストライプ部２００の幅方向中央からの距離ｒ、すなわち、活性層１０４の発光領域の幅方向中央からの距離ｒにおける電界強度は、下記の式のように表される。ここで、上記ストライプ部２００によるキャリア注入係数をαとする。上記ストライプ部２００の幅２ｗ_ｉは、このストライプ部が有する幅のうちの最大の幅である。

【００３９】
この式によれば、αが１であり、ｗ_ｉが１μｍである場合、ストライプ部２００の中央から活性層１０４の側面までの距離を１．４１μｍに形成した場合、この活性層１０４の側面における電界強度はＥ_０ｅ^−１となる。したがって、この活性層１０４の側面におけるレーザ光の強度は、発光領域の中央におけるレーザ光の強度の０．１倍程度になる。なお、上記ストライプ部２００の中央から活性層１０４の側面までの距離を２μｍに形成した場合、この活性層１０４の側面におけるレーザ光の強度は、発光領域の中央におけるレーザ光の強度の０．０２倍程度に減少してしまう。また、上記ストライプ部２００の構造を変えて、キャリア注入係数αを変えることによって、上記活性層１０４の側面におけるレーザ光の強度が増強できる。
【００４０】
上記活性層１０４の側面においてレーザ光が全反射する際、エバネッセント波が生成される。このエバネッセント波を取り出すため、活性層１０４の側方に開口２２を配置している。図６（ａ）は、上記開口２２近傍を拡大して示した図である。図６（ａ）では、図５（ｂ）の開口２２近傍を反時計回りに約９０°回転して示している。図５（ａ），（ｂ）および図６（ａ）に示すように、光学素子の側面２１に、遮蔽層としての金属膜２０２を配置し、この金属膜２０２の上記活性層１０４に対応する位置に、電磁波取り出し部としての開口２２を形成している。上記金属膜２０２は、第１実施形態の電極１０６と同様に、エバネッセント波の侵入長以上の厚みに形成して、上記開口２２以外の部分からエバネッセント波が漏れないようにしている。この金属膜２０２と光学素子の側面２１との間には、金属膜２０２による電極１００，１０６間の短絡を防ぐため、絶縁層２０３を設けている。
【００４１】
図６（ｂ）は、電磁波取り出し部の変形例を示す図である。この変形例では、光学素子の側面２１に所定の厚みの低屈折率物質２０１を配置し、この低屈折率物質２０１のエバネッセント波を取り出すべき位置に凹部２３を形成して、電磁波取り出し部を構成している。上記低屈折率物質２０１は、活性層１０４よりも屈折率が低い物質で構成しており、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３またはポリカーボネートなどの有機物質などで構成できる。上記低屈折率物質２０１におけるエバネッセント波の侵入長ｄは、下記の式のように表される。

【００４２】
ここで、ｎ_ｈｉｇｈは活性層１０４の屈折率であり、ｎ_ｌｏｗは低屈折率層２０１の屈折率である。上記低屈折率物質２０１の屈折率が小さい程、この低屈折率物質２０１への侵入長が増大する。ｎ_ｌｏｗ＝１．５、ｎ_ｈｉｇｈ＝３．５かつλ＝７８０ｎｍの場合、侵入長ｄは、約４００ｎｍになる。この場合、上記低屈折率物質２０１の厚みを４００ｎｍよりも大きく形成すると共に、上記凹部２３の底における厚みを４００ｎｍよりも小さく形成することによって、この凹部２３からエバネッセント波を効果的に取り出すことができる。
【００４３】
（第３実施形態）
図７（ａ）は、第３実施形態の光学素子が備える電磁波取り出し部を示した断面図である。本実施形態の光学素子は、電磁波取り出し部以外は、第１および第２実施形態の光学素子と同一である。本実施形態の光学素子の電磁波取り出し部は、凹部３００内に金属膜３０１を設け、この金属膜３０１の表面にエバネッセント波によって平面プラズモンを励起して、エバネッセント波の強度を増大するようにしている。図７（ａ）の電磁波取り出し部としての光取り出し部３２は、凹部３００の底面に接するように、金属膜３０１を配置している。上記凹部３００は、第１実施形態のクラッド層１０５に形成したものでもよく、また、第２実施形態の低屈折率物質２０１に形成したものでもよい。上記金属膜３０１は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，ＰｔおよびＴｉなどのような、可視光領域において誘電率の実部ε_ｒが−１０以下になる金属によって構成する。これは、金属膜３０１で表面プラズモンが励起するために、金属膜３０１の誘電率の実部ε_ｒと、活性層１０４またはクラッド層１０５の誘電率ε_ＬＤ（ε_ＬＤ＝ｎ^２であり、ｎ＝３．０〜３．５である）との間に、ε_ｒ＋ε_ＬＤ＜０の条件が成立する必要があるからである。上記金属膜３０１は、第１実施形態で述べた金属膜におけるエバネッセント波の侵入長以下の厚みを有することが好ましい。特に、金属膜３０１の厚みを５０ｎｍ以下にすることによって、エバネッセント波が上記金属膜３０１の活性層から遠い側の面に達して、この面に効果的に表面プラズモンを励起できる。
【００４４】
図８は、エバネッセント波と表面プラズモンの分散関係を示した図である。図８において、縦軸は表面プラズマ振動数ω（２πｃ／λ）であり、横軸は波数Ｋ（２π／λ）である。図８において、直線Ｌ１，Ｌ２は、レーザ光が生成される活性層から染み出したエバネッセント波について、上記活性層１０４の屈折率ｎ＿Ａが２．０の場合と３．０の場合とでの分散関係を示す。また、曲線Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３は、金属膜３０１表面に生成される表面プラズモンについて、この金属膜３０１の表面が接する部分の屈折率ｎ＿Ｄが１．２の場合と、１．４の場合と、１．６の場合とでの分散関係を示す。また、曲線Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３は、銀薄膜表面に生成される表面プラズモンについて、この銀薄膜の表面が接する部分の屈折率ｎ＿Ｄが１．２の場合と、１．４の場合と、１．６の場合とでの分散関係を示す。上記直線Ｌ１，Ｌ２と、曲線Ｃ１１〜Ｃ２３が交差する点で、エバネッセント波と表面プラズモンが、振動数ωと波数ベクトルＫとが夫々一致して、エバネッセント波によって表面プラズモン励起が可能になる。したがって、エバネッセント波と、金属膜３０１の表面プラズモンが、振動数ωと波数ベクトルＫとが夫々一致するように、上記活性層１０４で生成されるレーザ光の波長と、活性層１０３、クラッド層１０５、金属膜３０１およびこの金属膜３０１表面に配置する低屈折率膜３０２（誘電率ε＝ｎ^２）について、複素誘電率ε_３、ε_４（ω）を設定する。上記エバネッセント波および表面プラズモンの分散関係は、下記の式のように表される。

【００４５】
上記表面プラズモンの分散とエバネッセント波の分散とが交差する条件の下で、エバネッセント波による表面プラズモンの共鳴を起こして、エバネッセント波の強度が約２００倍に増強できる。上記金属膜３０１における表面プラズモンの励起は、この金属膜３０１に対して電界ベクトル成分が略直角をなすｐ偏光によって生じる。したがって、従来の半導体レーザの共振器端面に形成したピンホールは、ｓ偏光を取り出すので、このピンホールに金属膜を配置しても表面プラズモンを励起することは略不可能である。これに対して、本発明の光学素子は、共振器方向に対して略直角方向を向いた電磁波取り出し部によって、ｐ偏光のエバネッセント波を取り出すので、上記電磁波取り出し部に設けた金属膜に表面プラズモンの励起を起こして、表面プラズモン共鳴によってエバネッセント波の強度を大幅に増強することができる。
【００４６】
図７（ｂ）は、金属膜３０１に接して、エバネッセント波が出射する側に低屈折率膜３０２を配置した電磁波取り出し部としての光取り出し部３３を示す図である。上記低屈折率膜３０２は、活性層１０４の屈折率ｎ_２よりも小さい屈折率ｎ_５を有するのが好ましい。これは、上記金属膜３０１と、この金属膜３０１が接する所定膜との間の界面では、上記所定膜中からの光によっては表面プラズモンの励起が起こらないからである。すなわち、金属膜３０１に接する所定膜中の光の分散と、上記界面での表面プラズモンの分散が、図８の座標においてＫ＝０でしか交わらないからである。上記金属膜３０１と所定膜との界面に表面プラズモンを励起するためには、上記所定膜の屈折率よりも大きな屈折率を持つ物質からのエバネッセント波を、上記界面に入射させる必要がある。例えば、Ａｕによって金属膜３０１を形成した場合、この金属膜３０１は、屈折率が１．４である低屈折率膜３０２に接すると共に、エバネッセント波が入射する側の面が、屈折率が３．５の高屈折率物質に接するようにする。これによって、波長λ＝７８０ｎｍのレーザ光から取り出したエバネッセント波によって、上記金属膜３０１と低屈折率膜３０２との界面に表面プラズモンを励起することができる。
【００４７】
また、図７（ｃ）に示すように、金属膜３０１の両面に低屈折率膜３０２，３０２を配置して光取り出し部３４を形成してもよい。この場合、上記金属膜３０１と低屈折率膜３０２との間の界面が２つ形成され、この２つの界面によって夫々励起される表面プラズモンが互いに結合することによって、２つの励起モードが生じる。このとき、上記金属膜３０１に対して表面プラズマの電気分極が平行ω₋と反平行ω_＋とにエネルギーシフトする。したがって、上記結合された２つのモードを励起するには、上記活性層１０４で生成するレーザ光の波長を、上記エネルギーシフト量に相当する波長だけ調整する必要がある。上記エネルギーシフト量は、下記の式によって求められる。

【００４８】
ここで、ω_Ｓは結合前の表面プラズマ振動数であり、ｋ_{ｍｅｔａｌ}は金属膜３０１でのエバネッセント波の減衰定数であり、ｄ_{ｍｅｔａｌ}は金属膜３０１の膜厚である。
【００４９】
図９（ａ），（ｂ），（ｃ）および図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）は、電磁波取り出し部の変形例を夫々示す図である。
【００５０】
図９（ａ）は、凹部３００内に、金属膜に代えて金属粒４００を設けて構成した電磁波取り出し部としての光取り出し部３５を示す図である。この光取り出し部３５は、凹部３００の底から染み出たエバネッセント波によって、上記金属粒４００に局所表面プラズモンを励起して、エバネッセント波の強度を増強する。上記金属粒４００に局所表面プラズモンを励起するには、この金属粒４００の径はレーザ光の波長よりも小さい必要があり、特に、１００ｎｍ以下の径が好ましい。上記金属粒４００は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，ＰｔおよびＴｉなどで形成する。上記金属粒４００の形状は、断面が楕円形であるのが好ましく、これによって、局所表面プラズモン励起による電気分極の度合いをさらに大きくして、エバネッセント波の強度がさらに増強できる。なお、局所表面プラズモンの分散関係は、伝搬係数によらず一定であり、離散的な励起準位を形成する。その中で一番エネルギー準位が低いモードはフレーリッヒモードとよばれ、以下のような式で表される関係が成り立つ。

【００５１】
ここで、ω_ｌｓｐは局所表面プラズマ振動数であり、ω_ｐは粒を形成する金属のプラズマ周波数であり、ε_ｌｏｗは金属粒に接する誘電体の誘電率である。図８と同様の座標において、上記凹部３００の底から染み出たエバネッセント波の分散と、金属粒４００での局所表面プラズモンの分散とが交差する点で、局所表面プラズモンの励起が生じ、これによって、金属粒４００の周辺でエバネッセント波の強度が効果的に増強される。
【００５２】
図９（ｂ）は、凹部３００内に、金属粒４００に加えて金属膜４０３を配置した電磁波取り出し部としての光取り出し部３６を示す図である。この光取り出し部３６は、上記金属粒４００に励起する局所表面プラズモンと、上記金属膜４０３に励起する表面プラズモンとが結合し、これによって、励起エネルギーが低エネルギー側と高エネルギー側とにシフトする。したがって、この低エネルギー側にシフトした励起エネルギーに対応するために、活性層１０４で生成されるレーザ光の波長を、上記金属粒４００の局所表面プラズモンと上記金属膜４０３の表面プラズモンとの結合の前よりも長くする必要がある。上記金属粒４００の形状は、断面円形であっても断面楕円形であってもよい。
【００５３】
図９（ｃ）は、凹部３００内に、断面楕円形の誘電体粒４０２と、この誘電体粒４０２の表面を覆うと共に凹部３００の底面を覆う金属膜４０３とを配置して構成した電磁波取り出し部としての光取り出し部３７を示す図である。上記誘電体粒４０２は１００ｎｍ以下の径を有し、上記金属膜４０３は５０ｎｍ以下の厚みを有する。上記誘電体粒４０２は、ポリスチレンなどの誘電率が低い有機物質で構成するのが好ましい。
【００５４】
図１０（ａ）は、凹部３００内に、断面円形の誘電体粒４０２と、この誘電体粒４０２の表面を覆うと共に凹部３００の底面を覆う金属膜４０３とを配置してなる電磁波取り出し部としての光取り出し部３８を示す図である。
【００５５】
図１０（ｂ）は、図９（ｂ）の金属粒４００および金属膜４０３の表面に、低屈折率膜４０１を配置した電磁波取り出し部としての光取り出し部３９を示す図である。この低屈折率膜４０１は、図７（ｂ）の光取り出し部３２における低屈折率膜３０２と同様に、活性層１０４の屈折率よりも小さい屈折率を有する。上記低屈折率膜３０２と上記金属粒４００との間の界面に局所表面プラズモンを効果的に励起できると共に、上記低屈折率膜４０１と上記金属膜４０３との間の界面に表面プラズモンを効果的に励起できる。また、図１０（ｃ）に示すように、図１０（ａ）の誘電体粒４０２と金属膜４０３との表面に低屈折率膜３０２を配置して、電磁波取り出し部としての光取り出し部４０を形成してもよい。
【００５６】
（第４実施形態）
図１１は、本発明の第４実施形態の光学センサと、この光学センサを用いて構成した情報記録媒体の読み書き装置を示す図である。上記光学センサ５５は本発明の光学素子であり、この光学センサ５５を浮上ヘッド５２に取付けて、情報記録媒体の読み書き装置を構成している。上記光学センサ５５は、上記浮上ヘッド５２に支持されて、電磁波取り出し部としての光取り出し部５６を誘電体ディスク５３の情報記録面に対向させている。光取り出し部５６は、上記誘電体ディスク５３の情報記録面から数百ｎｍ以下の離隔をなして保持されている。上記誘電体ディスク５３の情報記録面には、相変化によって電気分極を生じる層が形成されている。この情報記録面の微小領域を、上記光学センサ５５の光取り出し部５６で生成するエバネッセント波によって加熱し、また、相変化させる。これによって、上記情報記録面の微小領域に情報を記録する。一方、誘電体ディスク５３に記録されている情報を読み出す場合は、このディスク５３の情報記録面に、上記光学センサ５５の光取り出し部５６を近接した状態で、エバネッセント波を生成する。上記誘電体ディスク５３の情報記録面が有する電気分極の影響によって、上記光学センサ５５の光取り出し部５６における表面プラズマおよび局所表面プラズマの励起条件が変化するので、上記光学センサ５５の活性層でのレーザ発振条件に変化が生じる。すなわち、活性層におけるレーザ発振の閾値電流に変化が生じる。この閾値電流の変化を検出することによって、上記誘電体ディスク５３の情報記録面の電気分極の強度を読み取り、この電気分極の状態の変化によって表された情報を読み出す。
【００５７】
上記光学センサ５５は、誘電体ディスク５３における電気分極の強度に限らず、電気分極の有無や、電気分極の方向や、微小領域のエバネッセント波の存在およびその強度などを検出することができる。また、レーザ共振器による光増幅作用を用いて、検出した信号を増幅することができる。つまり、この光学センサ５５は、レーザ共振器をエバネッセント波の信号の光増幅器として利用できる。
【００５８】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の光学素子によれば、レーザ共振器を形成する２つの端面を有する発光層と、上記２つの端面の対向方向において上記２つの端面の間に位置して上記発光層から電磁波を取り出す電磁波取り出し部とを備えるので、上記２つの端面の間で生成されるレーザ光を、上記電磁波取り出し部に、電界ベクトル成分が略直角をなすｐ偏光の状態で入射させることができ、その結果、上記電磁波取り出し部で、強度が大きいエバネッセント波を取り出すことができる。
【００５９】
また、本発明の光学センサによれば、上記光学素子を備え、上記光学素子の上記電磁波取り出し部と、被測定物とを近接した状態での上記発光層におけるレーザ発振の閾値電流を検出することによって、上記被測定物の例えば電気分極の存在や、上記電気分極の方向や、上記電気分極の強さなどが検出できる。また、上記被測定物におけるエバネッセント波の存在や、このエバネッセント波の強度が検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の光学素子を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の光学素子の奥行方向略中央における断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の各層のバンドギャップおよび屈折率の分布を示す図である。
【図３】光学素子における各レーザモードを示した曲線である。
【図４】図４（ａ）は、エバネッセント波を取り出す開口近傍を示す断面図であり、図４（ｂ）は、電磁波取り出し部の変形例を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）は、第２実施形態の光学素子を示す斜視図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の光学素子の奥行方向略中央における断面図である。
【図６】図６（ａ）は、電磁波取り出し部としての開口の近傍を示す図であり、図６（ｂ）は、電磁波取り出し部の変形例を示す図である。
【図７】図７（ａ）は、第３実施形態の光学素子の電磁波取り出し部を示した断面図であり、図７（ｂ）は、電磁波取り出し部の変形例を示す断面図であり、図７（ｃ）は、電磁波取り出し部の他の変形例を示す断面図である。
【図８】エバネッセント波と表面プラズモンの分散関係を示した図である。
【図９】図９（ａ），（ｂ），（ｃ）は、電磁波取り出し部の変形例を夫々示す図である。
【図１０】図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）は、電磁波取り出し部の変形例を夫々示す図である。
【符号の説明】
１０　光学素子
１２　開口
１００　ｐ電極
１０１　基板
１０３　下クラッド層
１０４　活性層
１０４ａ　端面
１０５　上クラッド層
１０６　ｎ電極

Claims

レーザ共振器を形成する２つの端面を有する発光層と、
上記２つの端面の対向方向において上記２つの端面の間に位置して上記発光層から電磁波を取り出す電磁波取り出し部と
を備えることを特徴とする光学素子。
請求項１に記載の光学素子において、
上記電磁波取り出し部は、この電磁波取り出し部周辺の屈折率と異なる屈折率を有すると共に、上記レーザ共振器で生成されるレーザ光の波長がλであり、上記発光層の屈折率がｎであるとして、λ／ｎよりも小さい寸法を有することを特徴とする光学素子。
請求項１または２に記載の光学素子において、
上記発光層はストライプ状の発光領域を有し、
上記電磁波取り出し部は上記発光層の側方に位置し、
上記発光領域の幅方向中央と、上記発光層の上記電磁波取り出し部側の側面との間の距離が、上記発光領域の幅よりも小さいことを特徴とする光学素子。
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光学素子において、
上記発光層に接すると共に、この発光層の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層を備え、この低屈折率層に、上記電磁波取り出し部を形成したことを特徴とする光学素子。
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光学素子において、
上記発光層に接すると共に、この発光層の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層を備え、この低屈折率層は、上記発光層と低屈折率層が接する界面で上記発光層側からの光が全反射する際に、この低屈折率層側に染み出る電磁波の染み出し距離よりも小さい厚みを有し、
上記低屈折率層の上記発光層に接する側と反対側の面に、上記発光層と低屈折率層が接する界面から染み出た電磁波を遮る遮蔽層を備え、
上記遮蔽層に、上記電磁波取り出し部を形成したことを特徴とする光学素子。
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光学素子において、
上記電磁波取り出し部は、所定の厚みを有する金属膜を備えることを特徴とする光学素子。
請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光学素子において、
上記電磁波取り出し部は、所定の径を有する金属粒を備えることを特徴とする光学素子。
請求項１乃至７のいずれか１つに記載の光学素子を備え、
上記光学素子の上記電磁波取り出し部と、被測定物とを近接した状態での上記発光層におけるレーザ発振の閾値電流を測定することによって、上記被測定物の状態を検知することを特徴とする光学センサ。