JP2006171479A

JP2006171479A - 変換素子

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Publication number: JP2006171479A
Application number: JP2004365227A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Toyoshima; 伸朗豊島
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】ナノメートルサイズの素子を集積化して構成される光デバイスの入力部に、安定して高効率に、かつ小型に光を結合できる変換素子を提供する。
【解決手段】変換素子１０１は、透明基板１０とプラズモン導波路１１とレンズ１２とを備えている。プラズモン導波路１１は、100nm以下の大きさをもつ厚み金、銀、アルミなどの金属材料による金属ナノドット１３を、透明基板１０の片側表面に等間隔に並べて構成されている。レンズ１２は、プラズモン導波路１１の端部の金属ナノドット１３にレーザ光を集光する集光光学系として機能する。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ光のエネルギーを高効率に金属ナノドットに存在するエネルギーに変換する変換素子に関する。

伝播光を用いた光デバイスは、回折限界という空間的制約が存在するため、波長より小さな領域で制御することが困難である。回折限界の制約を克服して光の波長以下の領域で光制御を行うため、ナノメートルサイズの領域で近接場光を制御する機能素子を集積したナノ光集積回路が提案されている。ナノ光集積回路は、ナノメートルサイズのドットを配列し、適宜ドットの材質、大きさ、配置等を選択して導波路やスイッチ等の機能素子を実現する。半導体集積回路（IC）が大きな入出力ピンを必要とするのと同様に、ナノ光集積回路は、入出力部に伝播光と結合する変換素子を必要とする。

非特許文献１及び非特許文献２には、金、銀等の金属膜と、金属膜の表面に例えば直径100nm以下の半球状の微小な金属ナノドットを円弧状に配列したプラズモンレンズと、プラズモンレンズの円弧の中心付近の集光点に一端を配置して金属ナノドットを並べたプラズモン導波路とを備え、金属膜に対して伝播光を斜めに照射して金属膜の表面に表面プラズモンを発生させて、プラズモンレンズの凸側から入射させ、プラズモンレンズの金属ナノドットで表面プラズモンを散乱して集光点に集光させ、集光点に表面プラズモンと連動して近接場光も集中させ、近接場を媒介させてプラズモン導波路にエネルギー伝播を発生させる方法が提案されている。

I. I. Smolyaninov他、「独立した表面欠陥における表面プラズモン散乱の実験（Experimental study of surface-plasmon scattering by individual surface defects）」、フィジカル・レビュー・ビー（RHYSICAL REVIEW B）、（米国）、アメリカン・フィジカル・ソサイエティ（The American Physical Society）、1997年7月15日、第56巻、第3号、p.1601-p.1611 八井崇他、「伝搬光・近接場光変換素子の開発」、第６３回応用物理学関係連合講演講演予稿集、2002年、25p-D-9

ここで、例えば、通信用の信号処理デバイス等において、外部の光ファイバを伝播する伝播光をナノメートルサイズのプラズモン導波路に結合させる際には、伝播光を安定して高効率に、かつ小型に結合する必要があり、かかる変換素子はいまだ提案されていない。

本発明は、ナノメートルサイズの素子を集積化して構成される光デバイスの入力部に、安定して高効率に、かつ小型に光を結合できる変換素子を提供することを目的とする。

この発明の第１の変換素子は、レーザ光のエネルギーをレーザ光の波長以下のサイズで透明基板上に配置された金属ナノドットに存在するエネルギーに変換する変換素子であって、透明基板側から照射されるレーザ光を金属ナノドットに集光する集光光学系を備える。

第１の変換素子の集光光学系は、透明基板と一体化された半球形状のレンズを有したり、透明基板と一体化された反射型のレンズを有するとよい。

この発明の第２の変換素子は、レーザ光のエネルギーをレーザ光の波長以下のサイズで透明基板上に配置された金属ナノドットに存在するエネルギーに変換する変換素子であって、金属膜と反射面とプラズモンレンズとを備え、金属膜は、透明基板上に設けられ、反射面は、透明基板側においてレーザ光を金属膜に向けて反射し、金属膜に表面プラズモンを発生させる入射角で金属膜に斜入射させ、プラズモンレンズは、表面プラズモンを金属ナノドットに集中させる。

第２の変換素子は、レーザ光を金属膜に集光する集光光学系を備えるとよく、集光光学系は、透明基板と一体化されたレンズを有するとよい。また、第２の変換素子の反射面は、誘電体多層膜を有するとよい。第２の変換素子の金属膜は、レーザ光が照射される領域にグレーティングを有するとよい。

上記いずれかの変換素子の金属ナノドットは、プラズモン導波路の一端に設けられているとよい。上記いずれかの変換素子は、レーザ光を出射する光ファイバを固定できる光コネクタを備えるとよく、さらに、光コネクタは、光ファイバから出射されたレーザ光を透過するレンズを有するとよく、また、光ファイバは、偏波保持ファイバであるとよい。

この発明の第１の変換素子によれば、集光光学系を備えることにより、金属ナノドットに局所的にレーザ光が照射され、レーザ光のエネルギーから高効率に金属ナノドットに存在するエネルギーを発生させることができる。また、集光光学系が透明基板と一体化された半球形状のレンズを有することにより、レーザ光を空気中の波長より小さく集光できるようになり、より局所的にレーザ光を照射することができる。また、集光光学系が透明基板と一体化された反射型のレンズを有することにより、レーザ光を空気中の波長より小さく集光できるようになり、より局所的にレーザ光を照射することができるとともに、製造工程を簡略化できる。

この発明の第２の変換素子によれば、反射面を備えることにより、省スペースで金属ナノドットに存在するエネルギーを発生させることができる。また、集光光学系を備えることにより、金属膜に局所的にレーザ光が照射され、レーザ光のエネルギーから高効率に表面プラズモンを発生させることができる。また、透明基板と一体化されたレンズを備えることにより、境界面における光の伝搬損失を低減することができるとともに、製造工程を簡略化できる。また、反射面に誘電体多層膜を有することにより、高効率にレーザ光が反射され、平面波でない入射光もほぼ全反射されるため、高効率に表面プラズモンを発生させることができる。また、金属膜にグレーティングを有することにより、素子の組み付け誤差や、経時的な素子の変形等により、入射光が表面プラズモンを最大の強度で励起できる入射角からずれて金属膜へ入射する場合でも、効率よく表面プラズモンを発生できるため、精密な入射角の調整を不要として簡単に歩留まりよく製造できるとともに、長期間安定して動作できる。

さらに、金属ナノドットがプラズモン導波路の一端に設けられていることにより、レーザ光のエネルギーをプラズモン導波路を伝わるエネルギーに容易に変換することができる。また、光コネクタを備えることにより、高精度な位置決めを必要とするレーザ光と金属ナノドットとの相対的な位置決定を、簡易な接続手段により行うことができる。また、光コネクタがレンズを有することにより、光ファイバの伝播状態を容易に変換して、光ファイバから出射される光を効率よく金属層に照射できる。光ファイバが偏波保持ファイバであることにより、金属ナノドットに存在させる所望の電磁場の振動方向に応じた振動方向のレーザ光のみを出力し、不要な振動方向の電磁場の発生を防止し、レーザ光のエネルギーを金属ナノドットに存在するエネルギーに高効率に変換することができる。

第１の実施形態の変換素子１０１は、図１の側面図に示すように、透明基板１０とプラズモン導波路１１とレンズ１２とを備えている。透明基板１０は、ガラス等の透明な材料で形成されている。

プラズモン導波路１１は、100nm以下の大きさをもつ厚み金、銀、アルミなどの金属材料による金属ナノドット１３を、透明基板１０の片側表面に等間隔に並べて構成されている。金属ナノドット１３の材質、大きさ、間隔などは、入射レーザ光の波長に合うように選択される。具体的には、例えば、波長500nm付近のレーザ光を用いる場合、プラズモン導波路１１は、金で形成した直径50nmの半球形状の金属ナノドット１３を75nmピッチで配列して構成する。プラズモン導波路１１は、透明基板１０に設けた金属膜を上に金属ナノドット１３を配置したものなど構成をもつものであってもよく、透明基板１０に直接金属ナノドット１３を配置したものに限られるものではない。

レンズ１２は、プラズモン導波路１１の端部の金属ナノドット１３にレーザ光を集光する集光光学系として機能する。レーザ光は、なるべく一つの金属ナノドットに局所的に照射されることが望ましいため、レンズ１２は、ガラス基板中で回折限界近くまで集光できることが好ましく、例えば、開口数0.95であることが好ましい。

プラズモン導波路１１には、一般に、エネルギー伝播の方向に対して垂直な電界成分が支配的なモードと、エネルギー伝播の方向に対して平行な電界成分が支配的なモードの２つのモードが存在し、複合モードも存在する。これらのモードは、偏光したレーザ光を金属ナノドット１３に照射し、各モードを形成する分極を励起することによって行われる。外部から入射するレーザ光によりどのようなモードを励起するかは、プラズモン導波路１１を伝播した後にどのような機能を有した素子が配置されているかにより決定される。

例えば、図２（ａ）の平面図に示すような、金属ナノドット１３をT字型に配置させ、入力１と入力２とに基づいて出力３を出力するスイッチ１４において、入力２にプラズモン導波路１１を接続した場合、入力１と入力２の伝播モードが互いに異なるようにしておく必要がある。例えば、図２（ａ）の平面図に示すように、入力１が伝播方向に直交する電界振動モードである場合には、入力２は伝播方向に平行な電界振動モードでなければならないため、図２（ｂ）の側面図に示すように、レーザ光は、プラズモン導波路１１の伝播方向に沿って電界が振動するような偏光をもつ必要がある。一方、図２（ｃ）の平面図に示すように、入力１が伝播方向に平行な電界振動モードの場合には、入力２は伝播方向に直交する電界振動モードでなければならないため、図２（ｄ）の側面図に示すように、レーザ光は、プラズモン導波路１１の伝播方向に直交する方向に電界が振動するような偏光をもつ必要がある。

第１の実施形態の変換素子１０１によれば、簡易な構造で、金属ナノドット１３に局所的にレーザ光を照射し、高効率に、レーザ光のエネルギーから金属ナノドット１３に存在するエネルギーを発生させ、プラズモン導波路１１を伝播するエネルギーに変換することができる。

第２の実施形態の変換素子１０２は、図３の側面図に示すように、第１の実施形態の変換素子１０１にさらに、半球形レンズ１５を備えている。

半球形レンズ１５は、レンズ１２とともに金属ナノドット１３にレーザ光を集光する集光光学系として機能する。半球形レンズ１５は、例えばガラスなどの透明基板１０と同じ材料で形成され、マイクロレンズのように透明基板１０と一体化されている。レンズ１２と半球形レンズ１５との２つのレンズを組み合わせた集光光学系を構成することにより、レンズ１２で集光されたレーザ光が透明基板１０に入射される際に広がることを防止し、透明基板１０の屈折率に準じた回折限界のサイズまでレーザ光を集光することができる。例えば、透明基板１０が、例えばガラスなど、屈折率入射波長に対して1.5である場合、空気中における波長の1.5分の１程度のサイズにまでレーザ光を集光させることができる。

第２の実施形態の変換素子１０２によれば、金属ナノドット１２に対して、より局所的にレーザ光を照射することができ、より高効率でレーザ光のエネルギーから金属ナノドット１３に存在するエネルギーを発生させ、プラズモン導波路１１を伝播するエネルギーに変換することができる。

第３の実施形態の変換素子１０３は、図４（ａ）の側面図及び図４（ｂ）の平面図に示すように、第１の実施形態の変換素子１０１と同様の透明基板１０とプラズモン導波路１１とを備え、さらに、反射型レンズ１６を備えている。

反射型レンズ１６は、回転楕円体の一部を切り出したような形状をもち、例えばガラスなどの透明基板１０と同じ材料で透明基板と一体化して形成され、反射面に銀、アルミなどの金属材料による反射膜が形成されている。反射型レンズ１６は、回転楕円体のある一つの断面から入射されるレーザ光を反射しながら、他のある一つの断面側にある金属ナノドット１３に集光する集光光学系として機能し、プラズモン導波路１１に所望のエネルギー伝播を発生させるように構成されている。反射型レンズ１６を備えることにより、少ないレンズ構成で、透明基板１０の屈折率に準じた回折限界のサイズまでレーザ光を集光し、入射されるレーザ光のエネルギーを効率よくプラズモン導波路１１上のエネルギー伝播に変換することができる。

レーザ光は、透明基板１０のプラズモン導波路１１が形成されている平面に対して平行に進行し、回転楕円体の断面から反射型レンズ１６に入射させることができるため、透明基板１０の平面に直交するように入射させる構成に比べ、より小型な構成でレーザ光のエネルギーをプラズモン導波路１１のエネルギー伝播に変換することができる。

第３の実施形態の変換素子１０３によれば、透明基板と平行な方向から入射されるレーザ光を、基板の屈折率に従う回折限界まで集光することができるようになるので、小型で高効率な変換素子を実現できる。

第４の実施形態の変換素子１０４は、図５の内部の側面図に示すように、第３の実施形態の変換素子１０３に、さらに、ケース１７と光コネクタ１８とを備えている。

ケース１７は、金属またはプラスチックで形成され、変換素子１０４の各部材を囲んでいる。光コネクタ１８は、ケース１７に固定されており、光ファイバ１９に設けた差込側の光コネクタ２０を接続できる受け側の構成をもつ。光コネクタ１８の種類には特に限定はなく、FC型、SC型、ST型、LC型など様々なもので構成することができる。光ファイバ１９側の光コネクタ２０を、変換素子１０４の光コネクタ１８に取り付けることによって、特別な光軸等の調節を行わずに光ファイバ１９からレーザ光を反射型レンズ１６を介して金属ナノドット１３に集光して照射できるように構成されている。

第４の実施形態の変換素子１０４によれば、入射されるレーザ光が光ファイバの形態で提供される場合において、光ファイバを簡単に取り付けられることができる。

第５の実施形態の変換素子１０５は、図６の内部の側面図に示すように、第４の実施形態の変換素子１０４に、さらに、セルフォックレンズ２１と支持体２２とを備えている。

セルフォックレンズ２１は、ケース１７に固定された光コネクタ１８の、反射型レンズ１６側に装着されており、光ファイバ１９から放射される光を平行光に変換して反射型レンズ１６に入射させる。平行光に変換されたレーザ光は、反射型レンズ１６によりプラズモン導波路１１の端部の金属ナノドット１３に集光される。支持体２２は、プラスチックなどを用いて構成され、プラズモン導波路１１やその他の機能素子をケース１７上に支える。セルフォックレンズ２１と反射型レンズ１６とは直接接続されておらず、ケース１７や支持体２２を介して互いにつながった構造をもつ。

第５の実施形態の変換素子１０５によれば、光コネクタ１８にセルフォックレンズ２１を装着し、光ファイバ１９から放射される光を平行光に変換することにより、透明基板１０と光コネクタ１８との位置関係のずれがある場合、例えば、光軸のずれや距離の変化がある場合であっても、安定した動作を実現することができる。

第６の実施形態の変換素子１０６は、図７（ａ）の内部の側面図に示すように、第５の実施形態の変換素子１０５に接続される光ファイバ１９を偏波保持ファイバ２３としている。

偏波保持ファイバ２３は、伝播する光の偏光方向を所定の偏光状態に保って伝播させる。例えば、図７（ｂ）のような断面構造を有する偏波保持ファイバ２３は、コア２４を挟んで水平に並んだ２つの応力付与部２５に対して垂直方向に電界の振動を有した偏光成分が伝播する。偏波保持ファイバ２３の光コネクタ１８への取り付けは、プラズモン導波路１１上の必要なエネルギー伝播モードに合わせてされる。例えば、図７（ａ）に示すようにプラズモン導波路１１に対してエネルギーの伝播方向に平行な電界振動のモードを励起させる場合には、図７（ａ）に矢印で示すような透明基板１０の平面に直交する偏光方向（電界の振動方向）に、図７（ｂ）に矢印で示される偏波保持ファイバ２３の偏光方向を一致させる。

第６の実施形態の変換素子１０６によれば、光ファイバから入射されるレーザ光の偏光方向を、プラズモン導波路１１に励起したい伝播モードに合わせて設定できるようになり、変換効率を安定させることができるとともに、より変換効率を向上させることができる。

第７の実施形態の変換素子１０７は、図８（ａ）の側面図及び図８（ｂ）の平面図に示すように、透明基板３０と金属膜３１とプラズモンレンズ３２とプラズモン導波路３３とを備える。

透明基板３０は、ガラス等の透明な材料で形成されおり、金属膜３１を設ける平坦な面３４と、平坦な面３４に直交する入射面３５と、平坦な面３４及び入射面３５に対して傾斜した反射面３６とを有する。レーザ光は入射面３５から入射され、反射面３６で反射されて平坦な面３４に設けられた金属膜３１を照射する。

金属膜３１は、例えば、厚み金、銀、アルミなどにより透明基板３０の平坦な面３４に設けられ、外部から所定の角度で入射されるレーザ光によって表面プラズモンを励起させる。金属膜３１に励起された表面プラズモンは、金属膜３１上を伝播してプラズモンレンズ３２に入射される。

入射面３５から入射するレーザ光の偏光方向（電界の振動方向）は、金属膜３１に斜入射される際に、金属膜３１に垂直な入射面内に電界の振動をもつP偏光となるようにされている。反射面３６は、誘電体多層膜などの透明基板３０に対する反射率を増加させるものではなく、透明基板３０による全反射条件内でレーザ光が入射される構成となっている。例えば、厚み53nmの銀薄膜で形成された金属膜３１に、空気中での波長633nmのレーザを斜入射させる場合、表面プラズモンを効率よく励起するための金属膜３１に垂直な軸に対する入射角は43度付近となる。金属膜３１に入射角43度付近で入射させるためには、金属膜３１に平行な方向から入射されるレーザ光を、反射面３６に対して入射角約64.5度で入射させるとよく、反射面３６に対する入射角約64.5度は波長633nmの光に対して全反射の条件の範囲に含まれている。

プラズモンレンズ３２は、金属膜３１の上に金属ナノドット３７を円弧状に複数個配置して構成され、金属膜３１に励起されて伝播する表面プラズモンを円弧の中心付近に、近接場を伴って集光させる。金属ナノドット３７は、例えば、厚み金、銀、アルミなどの材料を用いて形成され、金属膜３１と同一材料でなくてもよい。具体的には、プラズモンレンズ３２は、例えば図９に示すように、厚み50nmの金による金属膜３１の上に直径約100nmの金による半球形状の金属ナノドットを、半径2μmの円弧上に７個配置して構成する。

プラズモン導波路３３は、金属ナノドット３７を近接して配置することにより形成されている。プラズモン導波路３３の端部の金属ナノドット３７は、プラズモンレンズ３２の円弧の中心付近に配置され、プラズモンレンズ３２により集光された表面プラズモン及び近接場光をプラズモン導波路３３に結合する。プラズモン導波路３３は、後段に接続されるスイッチなどの近接場光及びプラズモンを利用した信号処理部分へとエネルギー伝播を行う。プラズモン導波路１１は、透明基板１０に直接金属ナノドット１３を配置したものなど他の構成をもつものであってもよく、透明基板１０に設けた金属膜を上に金属ナノドット１３を配置したものに限られるものではない。

第７の実施形態の変換素子１０７によれば、金属膜３１に対して平行に入射されるレーザ光を反射面３６で反射し、金属膜３１に斜入射させることにより、表面プラズモンを発生させるための斜入射光学系及び変換素子１０７全体を簡単かつ小型に構成できる。

第８の実施形態の変換素子１０８は、図１０の側面図に示すように、第７の実施形態の変換素子７において、さらに、レンズ３８を備える。

レンズ３８は、反射面３６よりも入射側に配置されており、外部から変換素子１０８へ入射されるレーザ光を、金属膜３１上に集光させる。レンズ３８の集光スポットの大きさは、プラズモンレンズ３２の大きさにより決められる。例えば、プラズモンレンズ３２の幅、すなわち、プラズモンレンズ３２の両端の金属ナノドット間の距離が2μmである場合、レンズ３８の集光スポットを2〜4μm程度の直径とすることが好ましい。レーザ光はビームとして伝播する光であるため、レーザ光の直径は数mm程度必要であり、レーザ光の直径はプラズモンレンズ３２の大きさに対して極端に大きい。レーザ光をレンズ３８で集光させ、集光スポットをプラズモンレンズ３２の大きさに近づけることにより、表面プラズモンを局所的に励起し、エネルギー変換効率の高い変換素子を構成することができる。

第８の実施形態の変換素子１０８によれば、レーザ光を集光して金属膜３１に照射することにより、入射するレーザ光のエネルギーに対して、実質的にプラズモンレンズ３２に入射されるエネルギーの割合を向上させることができるため、変換効率を向上させることができる。

第９の実施形態の変換素子１０９は、図１１の側面図に示すように、第８の実施形態の変換素子８において、レンズ３８を透明基板３０に一体化したものである。第９の実施形態の変換素子１０９によれば、レーザ光を集光して金属膜３１に照射することにより、入射するレーザ光のエネルギーに対して、実質的にプラズモンレンズ３２に入射されるエネルギーの割合を向上させることができるため、変換効率を向上させることができる。

第１０の実施形態の変換素子１１０は、図１２の側面図に示すように、第９の実施形態の変換素子９において、反射面３６に誘電体多層膜３９を設けたものである。誘電体多層膜３９は、二酸化珪素（SiO₂）と二酸化チタン（TiO₂）とを交互に積層させた多層膜など、一般的な多層膜で構成される。第１の実施形態の変換素子１０１のように、傾斜した透明基板１０による反射面３６のみでは、ガウスビームなど均一強度分布以外の光に対して完全な全反射とすることができない。第１０の実施形態の変換素子１１０は、反射面３６に誘電体多層膜３９を設けることにより、ガウスビームなど均一強度分布以外の光が入射された場合においても高い反射率を得ることができる。

第１１の実施形態の変換素子１１１は、図１３の内部の側面図に示すように、第１０の実施形態の変換素子１１０に、さらに、ケース４０と光コネクタ４１とを備えている。

ケース４０は、金属またはプラスチックで形成され、変換素子１１１の各部材を囲んでいる。光コネクタ４１は、ケース４０に固定されており、光ファイバ４２に設けた差込側の光コネクタ４３を接続できる受け側の構成をもつ。光コネクタ４１の種類には特に限定はなく、FC型、SC型、ST型、LC型など様々なもので構成することができる。光ファイバ４２側の光コネクタ４３を、変換素子１１１の光コネクタ４１に取り付けることによって、特別な光軸等の調節を行わずに光ファイバ４２からレーザ光を反射面３６を介して金属膜３１に集光して照射できるように構成されている。

第１１の実施形態の変換素子１１１によれば、入射されるレーザ光が光ファイバの形態で提供される場合において、光ファイバを簡単に取り付けることができる。

第１２の実施形態の変換素子１１２は、図１４の内部の側面図に示すように、第１１の実施形態の変換素子１１１に、さらに、セルフォックレンズ４４と支持体４５とを備えている。

セルフォックレンズ４４は、ケース４０に固定された光コネクタ４１の、反射面３６側に装着されており、光ファイバ４２から放射される光を平行光に変換してレンズ３８に入射させる。平行光に変換されたレーザ光は、レンズ３８により金属膜３１に集光される。支持体４５は、プラスチックなどを用いて構成され、プラズモン導波路３３やその他の機能素子をケース４０上に支える。セルフォックレンズ４４とレンズ３８とは直接接続されておらず、ケース４０や支持体４５を介して互いにつながった構造をもつ。

第１２の実施形態の変換素子１１２によれば、光コネクタ４１にセルフォックレンズ４４を装着し、光ファイバ４２から放射される光を平行光に変換することにより、透明基板３０と光コネクタ４１との位置関係のずれがある場合、例えば、光軸のずれや距離の変化がある場合であっても、安定した動作を実現することができる。

第１３の実施形態の変換素子１１３は、図１５（ａ）の内部の側面図に示すように、第１２の実施形態の変換素子１１２に接続される光ファイバ４２を偏波保持ファイバ４６としている。

偏波保持ファイバ４６は、伝播する光の偏光方向を所定の偏光状態に保って伝播させる。例えば、図１５（ｂ）のような断面構造を有する偏波保持ファイバ４６は、コア４７を挟んで水平に並んだ２つの応力付与部４８に対して垂直方向に電界の振動を有した偏光成分が伝播する。偏波保持ファイバ４６の光コネクタ４１への取り付けは、プラズモン導波路１１上の必要なエネルギー伝播モードに合わせてされる。例えば、図１５（ａ）に示すようにプラズモン導波路３３に対してエネルギーの伝播方向に平行な電界振動のモードを励起させる場合には、図１５（ａ）に矢印で示すような透明基板３０の平面に直交する偏光方向（電界の振動方向）に、偏波保持ファイバ４６の偏光方向を一致させる。

第１３の実施形態の変換素子１１３によれば、光ファイバから入射されるレーザ光の偏光方向を、プラズモン導波路３３に励起したい伝播モードに合わせて設定できるようになり、変換効率を安定させることができるとともに、より変換効率を向上させることができる。

第１４の実施形態の変換素子１１４は、図１６の側面図に示すように、第１０の実施形態の変換素子１１０において、金属膜３１のレーザ光が照射される位置にグレーティング（回折格子）４９を設けたものである。

グレーティング４９は、金属膜と同じ材質でレーザ光が照射されるガラス基板側とは反対の金属膜上に設けられ、長手方向をプラズモンレンズ３２に入射させる表面プラズモンの伝播方向に直交させるように配置されている。長手方向の長さは、プラズモンレンズ３２に入射される表面プラズモンが平面波となるように、プラズモンレンズ３２の幅、すなわち、プラズモンレンズ３２の両端の金属ナノドット３７の距離より長くなるように構成されている。グレーティング４９のピッチは、透明基板３０側から斜めに照射されるレーザ光の、金属膜３１に平行な成分の波長と一致するように構成されている。グレーティング４９により、表面プラズモンが効率よく発生される。

第１４の実施形態の変換素子１１４によれば、金属膜にレーザ光を照射させる際の入射角が、グレーティングを用いない場合に最も効率よく表面プラズモンを発生させる角度からずれて組みつけられた場合でも、効率よく表面プラズモンを発生させることができるため、金属膜のみの場合のような精密な入射角調整を必要としないとともに、長期間において安定した動作を得ることができ、さらに、量産時の歩留まりを向上させることができる。

第１の実施形態の変換素子の側面図である。プラズモン導波路を伝播させる電界の振動方向とレーザ光の偏光方向との関係を示す図である。第２の実施形態の変換素子の側面図である。第３の実施形態の変換素子の側面図及び平面図である。第４の実施形態の変換素子の側面図である。第５の実施形態の変換素子の側面図である。第６の実施形態の変換素子の側面図及び偏波保持ファイバの断面図である。第７の実施形態の変換素子の側面図である。プラズモンレンズの構成を示す平面図である。第８の実施形態の変換素子の側面図である。第９の実施形態の変換素子の側面図である。第１０の実施形態の変換素子の側面図である。第１１の実施形態の変換素子の側面図である。第１２の実施形態の変換素子の側面図である。第１３の実施形態の変換素子の側面図である。第１４の実施形態の変換素子の側面図である。

符号の説明

１０１；変換素子、１０２；変換素子、１０３；変換素子、１０４；変換素子、
１０５；変換素子、１０６；変換素子、１０；透明基板、１１；プラズモン導波路、
１２；レンズ、１３；金属ナノドット、１４；スイッチ、１５；半球形レンズ、
１６；反射型レンズ、１７；ケース、１８；光コネクタ、１９；光ファイバ、
２０；光コネクタ、２１；セルフォックレンズ、２２；支持体、
２３；偏波保持ファイバ、２４；コア、２５；応力付与部、１０７；変換素子、
１０８；変換素子、１０９；変換素子、１１０；変換素子、１１１；変換素子、
１１２；変換素子、１１３；変換素子、１１４；変換素子、３０；透明基板、
３１；金属膜、３２；プラズモンレンズ、３３；プラズモン導波路、３４；平坦な面、
３５；入射面、３６；反射面、３７；金属ナノドット、３８；レンズ、
３９；誘電体多層膜、４０；ケース、４１；光コネクタ、４２；光ファイバ、
４３；光コネクタ、４４；セルフォックレンズ、４５；支持体、
４６；偏波保持ファイバ、４７；コア、４８；応力付与部、４９；グレーティング。

Claims

レーザ光のエネルギーを前記レーザ光の波長以下のサイズで透明基板上に配置された金属ナノドットに存在するエネルギーに変換する変換素子であって、
前記透明基板側から照射されるレーザ光を前記金属ナノドットに集光する集光光学系を備えることを特徴とする変換素子。
前記集光光学系は、前記透明基板と一体化された半球形状のレンズを有する請求項１に記載の変換素子。
前記集光光学系は、前記透明基板と一体化された反射型のレンズを有する請求項１に記載の変換素子。
レーザ光のエネルギーを前記レーザ光の波長以下のサイズで透明基板上に配置された金属ナノドットに存在するエネルギーに変換する変換素子であって、
金属膜と反射面とプラズモンレンズとを備え、
前記金属膜は、前記透明基板上に設けられ、
前記反射面は、前記透明基板側において前記レーザ光を前記金属膜に向けて反射し、前記金属膜に表面プラズモンを発生させる入射角で前記金属膜に斜入射させ、
前記プラズモンレンズは、前記表面プラズモンを前記金属ナノドットに集中させることを特徴とする変換素子。
前記レーザ光を前記金属膜に集光する集光光学系を備える請求項４に記載の変換素子。
前記集光光学系は、前記透明基板と一体化されたレンズを有する請求項５に記載の変換素子。
前記反射面は、誘電体多層膜を有する請求項４から請求項６のいずれかに記載の変換素子。
前記金属膜は、レーザ光が照射される領域にグレーティングを有する請求項４から請求項７のいずれかに記載の変換素子。
前記金属ナノドットは、プラズモン導波路の一端に設けられている請求項１から請求項８のいずれかに記載の変換素子。
前記レーザ光を出射する光ファイバを固定できる光コネクタを備える請求項１から請求項９のいずれかに記載の変換素子。
前記光コネクタは、前記光ファイバから出射されたレーザ光を透過するレンズを有する請求項１０に記載の変換素子。
前記光ファイバは、偏波保持ファイバである請求項１０または請求項１１に記載の変換素子。