JP2006259064A

JP2006259064A - 表面プラズモンによる電界増強方法及びデバイス

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Publication number: JP2006259064A
Application number: JP2005074667A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Harada; 知也原田; Kazuyoshi Hakamata; 和喜袴田; Tomoyuki Hayashi; 智幸林
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】表面プラズモンポラリトンにより電界を増強すること、及びそれによって光増幅や発光の効率を向上させることである。
【解決手段】金属層１０と誘電体層１２が積層され、前記金属層の誘電体層と接する面に、多数の微小な凸部１１が微細な周期で配列されて１次元もしくは２次元の回折格子が形成され、励起光の入射により前記回折格子近傍で表面プラズモンを励起して、光の局在化により電界を増強するようにする。回折格子は、励起光の実効波長程度以下の微細な周期を有する。微小な凸部の高さは、１〜５０ｎｍとするのがよい。２次元格子配列としては、正方格子または三角格子を用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細な周期構造を有する金属もしくは半導体を用いた表面プラズモンによる電界増強方法、及びその電界増強方法を利用するデバイスに関するものである。この技術は、特に限定されるものではないが、例えば光増幅機能や発光機能などを有する各種光デバイスなどに有用である。

表面プラズモンポラリトンは、光と分極波（この場合はプラズモン）との結合により発生する状態で、表面に局在するモードである。金属表面に光を局在化することにより、電界増強効果が得られる。しかし、局在化したプラズモンポラリトンは、外部から直接励起することができないため、プリズムや回折格子を用いた励起方法が提案されている。

ところで、エルビウム添加ファイバ増幅器をはじめとするフォトルミネッセンス・デバイスは、高強度の励起光を入射することにより反転分布の状態を形成する。高強度の励起光を照射するためには、励起光源自体の出力を上げたり、励起光を強く閉じ込める必要がある。しかし、ファイバ増幅器では、エルビウム自体が励起光を吸収する性質があるために、光の入射部から遠ざかると効率良く反転分布を形成することができない。これらのことから励起光エネルギーに対する発光効率を高めることは難しい。

表面プラズモンポラリトンなどにより外部から得た光エネルギーを増強することができれば、局在化により蛍光に必要な強い光エネルギーを得ることが可能となり、光通信に用いられるエルビウム添加ファイバ増幅器やレーザなどの各種フォトルミネッセンス・デバイスの発光効率を向上させることが可能となる。しかし、金属平板上に発生する表面プラズモンは表面に局在しており、外部から伝搬光を入射しても直接励起することができない（非特許文献１参照）。表面プラズモンを励起するためには、表面プラズモンに結合し得る波数成分で励起する必要がある。図１５に銀の上にガラスを成膜した場合のプラズモンの分散を示す。図中の点がプラズモンの分散を表し、直線はガラス中を伝搬する光の分散を表している。このように、伝搬光とプラズモンが同じ周波数（波長）で同じ波数を持つことが無いために、表面プラズモンポラリトンを空間伝搬する光で励起することができないのである。

また、最近、近接場光を用いたセンサや記録装置の開発が進められており、これらは非常に高い感度を有し記録密度を更に向上させうるなどの利点があるが、測定部もしくは記録面から外部へ情報を送る際に空間を伝搬する光と結合させることが難しいため、取り出せる信号の光エネルギーが微弱になってしまう問題がある。これらの場合も、表面プラズモンポラリトンなどにより外部から得た光エネルギーを増強することができれば、取り出せる信号の光エネルギーを大きくできる。
特表２００４−５０５２９４公報「光ナノテクノロジーの基礎」福井萬壽夫・大津元一共著（３・３表面プラズモン特性を利用した応用分野第４２〜６８頁）２００３年発行オーム社

本発明が解決しようとする課題は、表面プラズモンポラリトンにより電界を増強することである。本発明が解決しようとする他の課題は、表面プラズモンポラリトンを用いた電界増強効果により光増幅や発光の効率を向上させることである。

本発明は、金属もしくは半導体と誘電体との界面に微細な周期構造を有し、励起光の入射により前記周期構造近傍で表面プラズモンを励起して、光の局在化により電界を増強することを特徴とする表面プラズモンによる電界増強方法である。

典型的な例は、周期構造が、励起光の実効波長程度以下の微細な周期を有する１次元もしくは２次元の回折格子であり、入射した励起光の前記回折格子による高次回折光がエバネッセント波となり表面プラズモンと結合するようにした表面プラズモンによる電界増強方法である。金属回折格子に光を照射した場合、最低次の回折光は反射もしくは吸収するが、回折格子では光エネルギーの一部は回折光として放射されずに金属回折格子上を伝搬する表面プラズモンポラリトンと結合し得るエネルギーとなる。このような条件下で光照射を行えば表面プラズモンポラリトンを励起することが可能となる。この方法は、このような現象を利用するものである。

また本発明は、金属もしくは半導体材料の層と誘電体材料の層が積層され、前記金属もしくは半導体材料層の誘電体材料層と接する面に、多数の微小な凸部が微細な周期で配列されて回折格子が形成され、励起光の入射により前記回折格子近傍で表面プラズモンを励起して、光の局在化により電界を増強するようにしたことを特徴とする電界増強デバイスである。あるいは本発明は、金属もしくは半導体材料の多数の微小なドットが微細な周期で配列した状態で、誘電体材料中に埋設されて回折格子が形成され、励起光の入射により前記回折格子近傍で表面プラズモンを励起して、光の局在化により電界を増強するようにしたことを特徴とする電界増強デバイスである。

回折格子は、励起光の実効波長程度以下の微細な周期を有する。微小な凸部あるいは微小なドットの高さは１〜５０ｎｍ、より好ましくは２０〜４０ｎｍとするのがよい。２次元格子配列としては、正方格子または三角格子を用いることができる。

金属もしくは半導体としては、金、銀、銅、クロム、白金、アルミニウム、チタン、ニッケル、ゲルマニウム、シリコン、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウムなど、増強させる光の波長より短い周波数にプラズマ周波数を有する材料を用いる。

励起光の入射は、デバイスの誘電体材料層の表面に対して垂直に、あるいは一定の角度で行なうことができる。この場合、入射した励起光の回折格子による高次回折光がエバネッセント波となり表面プラズモンと結合する。この構成は、デバイスを最も簡素化できる利点があり、アレイ化したデバイスとして有効である。その他、励起光の入射にオットー配置を用いることもできるし、クレッチマン配置を用いることもできる。

微細な周期構造を有する誘電体材料として、デバイスの用途などに応じて、例えば、希土類添加ガラス、蛍光性を有するポリマなどフォトルミネッセンス効果を有する透明体を用いることができる。希土類添加ガラスを用いる場合にシリコン微結晶を含有させると、増感効果が向上する。

誘電体材料の、微細な周期構造を有する面とは反対側の面に、前記誘電体材料とは異なる屈折率を有する別の誘電体材料を積層すると、屈折率差を利用して光の閉じ込めを行う導波構造が実現できる。

また、回折格子によりフォトニックバンドギャップが現れることから、そのバンドギャップに位置する波長について格子に意図的に欠陥を形成すれば、誘電体のフォトニック結晶と同様に局在による電界増強や閉じ込めによる導波構造の形成が可能となる。

更に、回折格子に接する誘電体材料としてフォトルミネッセンス効果を有する透明体を用いると、電界増強効果により発光機能を持たせたデバイスが実現できる。

回折格子に接する誘電体材料として希土類添加ガラスを使用し、空間伝搬光を表面プラズモンに結合させる第１の結合領域と、表面プラズモンを空間伝搬光に変換する第２の結合領域を付加し、第１の結合領域から入力する信号光を電界増強効果により光増幅し、増幅した光信号を第２の結合領域から空間伝搬光にして出力する光増幅機能を持たせたデバイスが実現できる。空間伝搬光を表面プラズモンに結合させる手段、表面プラズモンを空間伝搬光に結合する手段としては、プリズムや回折格子を用いる構成、オットー配置やクレッチマン配置を用いる構成がある。

その場合、回折格子の形状を励起光に対してはライトラインの上のモードに結合し（励起光は入れられる）、信号光についてはライトラインの下のモードとなる（信号光は出てこない）ようにする構成、励起光も信号光も表面プラズモンとして進行するようにする構成、励起光は表面プラズモンとして進行し、信号光は導波光として伝搬するようにする構成などがある。

誘電体材料として非線形光学効果を有する材料を用いて電界増強を起こすことにより、屈折率が光強度に依存することを利用して、光スイッチや波長変換の効果を発現させることができる。また、局在化した大きな電界を、様々な検出デバイスに応用することもできる。

本発明に係る表面プラズモンによる電界増強方法及びデバイスは、微細な周期構造を有する金属もしくは半導体を設けることで、任意の波長の励起光を用いて周期構造近傍で表面プラズモンを励起でき、光の局在化により電界を増強できる。この電界増強により、光増幅や発光効率を向上できる。

特に誘電体材料の表面から回折格子に向けて直接励起光を入射させる構成では、デバイスの構造が最も簡素化できるし、面発光の光源による励起光を入射させることでアレイ化したデバイス中の複数の導波路で同時に電界増強を起こさせることができる。

本発明に係る電界増強デバイスの典型的な例を図１に示す。この電界増強デバイスは、金属層１０の表面に微細な凸部１１を周期的に形成することによって回折格子とし、その上に誘電体層１２を積層した構造を有する。この回折格子への励起光の照射により表面プラズモンを励起し、光の局在化により電界を増強する。

金属回折格子に光を照射した場合、最低次の回折光は反射もしくは吸収されるが、回折格子では光エネルギーの一部は回折光として放射されずに金属回折格子上を伝搬する表面プラズモンポラリトンと結合し得るエネルギーとなる。このような条件下で光照射を行えば表面プラズモンポラリトンを励起することが可能となる。また、本発明のデバイスは、金属上に周期構造があることにより、ブラッグ回折によりフォトニック結晶として機能する。そのため、バンド端に位置するような条件では定在波を形成しより強い増強が発生する。図２は数値計算より求めた金属回折格子のバンド図である。図中の点が回折格子のバンド（回折格子上の表面プラズモンの分散関係）を表し、直線はライトライン（空間を伝搬する光の分散関係）を表している。回折格子は、その周期性から波数（横軸）がπ／ａ（ａ：格子定数＝格子のピッチ）のところで折り返して表すことができる。図中のライトラインより上に位置するバンドは、空間を伝搬する光と結合することが可能となる。しかし、ライトラインの下に位置するモードは、空間を伝搬する光とは結合することはできない。そのため、より強い増強が可能となる。図中の波数が０と０．５の箇所が定在波が存在する条件である。

この構造の電界増強デバイスとして、１次元の回折格子構造について、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法を用いて電界増強効果を計算した。計算に用いた構造は、金属材料として金（Ａｕ）を用い、その上に屈折率１．４６５のガラスを積層した構造となっている。図３のＡは、ある特定の波長（実施例では真空中で９８０ｎｍ）の励起光に対して回折格子の格子定数を適当な値（実施例ではａ＝６４０ｎｍ）に設定し、回折格子に平行に振動する光（Ｅ_X）を上方から照射した場合の、金属面に垂直な方向に振動する電界（Ｅ_Z）強度の時間平均分布を表したものである。金属表面近傍に強い電界強度分布が現れていることがわかる。また、外部から与えられた電界がＥ_Xであるにもかかわらず、金属面に平行に進行する成分（Ｅ_Z）に強い電界分布を有することから表面に局在していることを表している。図３のＢは、回折格子の上側の角部から垂直上方についての電界分布を表している。電界強度は入射電界で規格化してあり、ピーク部分では２０倍程度の増幅が見られる。このことから、外部から励起光を照射した場合に金属面に光が局在していることがわかる。従って、光が局在している部分にエルビウム添加ガラスなどの蛍光媒質があれば、効率のよい発光機能や光増幅機能が得られる。

上記のような電界増強デバイスは、次のような方法で作製できる。第１の方法では、あらかじめ、スパッタリングや蒸着、ＣＶＤ法などを用いて誘電体層を形成する。その後、電子ビーム露光や二光束干渉露光、縮小露光を用いてフォトレジスト等に周期構造を現像する。二光束干渉露光により得られる像は１次元回折格子であるが干渉光に対して被露光体を回転させて露光強度および時間等の条件を調整することにより二次元回折格子の形成も可能となる。その後、ＲＩＥなどのエッチングプロセスによって誘電体に格子を形成する。次に格子表面に対して金属をスパッタリングや蒸着、ＣＶＤ法などにより成膜することにより回折格子形状を完成させる。第２の方法としては、逆に、あらかじめ金属膜を形成し、第１の方法と同様に、露光、エッチングを行い、誘電体を成膜する。

［実施例１］（オットー配置；ライトラインの下のモード）
図４は、本発明に係る電界増強デバイスの一実施例を示す説明図であり、オットー配置により励起光を入射させる例である。オットー配置は、回折格子を有する金属層１０の上部の誘電体層１２の更に上部に、より高い誘電率を有する誘電体層１４を配置し、その高誘電率物質の表面から励起光を与える構造である。励起光は、高誘電率物質（ε１）と低誘電率物質（ε２）の界面にて、エバネッセント光を発生させるが、低誘電率物質の厚さを制御することにより、表面プラズモンを励起することが可能となる。

ここでは、金属層１０及び凸部１１として金（Ａｕ）を使用し、その上の誘電体層１２として屈折率（＝（誘電率）^1/2）＝１．４６５のガラスを積層した。なお、回折格子の格子定数は３２０ｎｍとした。更に、その上に積層した誘電体層１４は、屈折率２．１６である。図５は、そのようなオットー配置による電界増強デバイスについて、その上部から、入射角度５１°で波長１１７０ｎｍの光を入射した場合の垂直方向電界分布を表している。低屈折率側の誘電体層１２の膜厚は、金属面より４４５ｎｍとした。この条件ではライトラインの下にあるバンドエッジのモードの１つが励振される（図２における波数＝π／ａの下側の点に相当する）。図５で、実線が回折格子有り（本発明品）の場合、点線が回折格子の無い平坦構造（従来品）の場合の数値計算結果である。図５から、回折格子を形成することにより、高い電界増強が得られることがわかる。

［実施例２]（クレッチマン配置；ライトラインの下のモード）
図６は、本発明に係る電界増強デバイスの他の実施例を示す説明図であり、クレッチマン配置により励起光を入射させる例である。クレッチマン配置は、回折格子を有する金属層１０の上部に誘電体層１２を配置し、金属層１０の下に、より高い誘電率を有する誘電体層１４を配置し、その高誘電率物質の表面から励起光を与える構造である。金属層１０を薄くすることにより、光のトンネル効果によって上側の低誘電率の誘電体層１２まで伝搬する。このとき、高誘電率物質での波数は低誘電率物質の波数より大きくなる（図１５の直線に比べて傾きが寝る方向になる）ため、低誘電率側でプラズモンを励起できる。図７は、実施例１と同様の回折格子の格子定数と物性値とし、波長１１８０ｎｍの光を角度５１°で下方から入射した場合（図３の波数＝π／ａの下側の点に相当する）の、電界強度分布の計算結果を表したものである。図７に示すように、この場合も実施例１と同様、回折格子有り（本発明品）の場合（実線で示す）は、回折格子が無い平坦構造（従来品）の場合（点線で示す）に比べて高い電界増強が可能となる。

［実施例３］
図８は、本発明に係る電界増強デバイスの更に他の実施例を示す説明図であり、Ａは側断面を、Ｂは平面を表している。この電界増強デバイスは、基板２０、金属あるいは半導体からなる薄膜２２、光学材料２４、及び高屈折率材料２６の順に配置した構成である。この実施例では、金属あるいは半導体からなる凸部２３は、２次元平面に格子定数ａの三角格子状に配列されている。例えば、基板２０として屈折率１．４６５ガラスを、薄膜２２として厚さ２００ｎｍのＡｕを、凸部２３として高さ４５ｎｍ、直径２００ｎｍの円柱のＡｕを、光学材料２４として屈折率１．０００の空気を、高屈折率材料２６として屈折率１．４６５のガラスを用い、凸部の配列パターンとして格子定数を４１０ｎｍに設定する。

図９に、この電界増強デバイスのバンド構造を示す。このバンド構造図は、横軸に電磁波の波数を、縦軸に固有モードの規格化した固有周波数をとる分散曲線図である。波数におけるΓ、Ｍ、Ｋは、既約ブリュアンゾーンにおける対称性のよい点を表している。図９から、これらの点において分散曲線の傾きは平坦になっていることが分かる。分散曲線の傾きは群速度を表しているので、これらの点では電界が局在した定在波が形成されことになる。このため、電界が薄膜２２と光学材料２４の界面に強く局在化し、電界が増強される効果が得られる。本発明では、この電界増強効果が得られる周波数を、周期構造パターンやその格子定数また凸部２３の形状や材料などにより制御することができる。

電界振幅が１である波長７４０ｎｍの光を図８の薄膜２２の法線方向から４７．７５°で高屈折率ガラス２６に入射したときの電界分布を図１０に示す。入射角４７．７５°は表面プラズモンの波数と入射光の波数が一致する角度である。この条件は、既約ブリュアンゾーンのＫ点の波数に対応する。図１０から、電界増強効果によって、入射した電界が界面において約８．５倍に増強されていることが分かる。

［実施例４］
図１１は本発明に係る電界増強デバイスの更に他の実施例を示す側断面図である。この電界増強デバイスは、基板３０、光学材料３２、高屈折率材料３４を配置し、金属あるいは半導体からなるドット３６を微細な周期で配列した状態で光学材料３２中に埋設した構造である。各ドット３６は、厚さを２ｎｍ〜５０ｎｍとする。単に金属薄膜の厚さが一様に薄い場合には、金属薄膜の両側の表面プラズモンが相互作用し、導体内部のオーム損失が低減され、表面プラズモンの減衰が小さくなることが長距離表面プラズモンとして知られている。しかし、長距離表面プラズモンが発生する薄い薄膜に周期構造を有する凸部がある構造は、それを作製することが非常に困難であるし、さらに、凸部が薄膜に比べて厚くなるので、それに応じて損失も増大する。本実施例の電界増強デバイスでは、周期構造を有する薄いドット３６のみにより減衰の少ない長距離表面プラズモンを実現し、電界増強効果を更に向上させるものである。

基板３０として屈折率１．４６５のガラスを、光学材料３２として屈折率１．４６５のガラスを、高屈折率材料３４として屈折率２．０００のガラスを、ドット３６として厚さ３０ｎｍ、幅２００ｎｍのＡｕを用い、ドット３６を１次元周期構造（格子定数が３３０ｎｍ）で配列した場合の電界分布を求めた。電界振幅が１である波長９７６ｎｍの光を図１１の高屈折率ガラス３４の側から入射角４７．７２°で入射したときの電界分布を図１２に示す。入射角４７．７２°は表面プラズモンの波数と入射光の波数が一致する値である。図１２から、長距離表面プラズモンにより、入射した電界が２０倍に増強していることが分かる。

［実施例５］
図１３は、本発明に係る電界増強デバイスの他の実施例を示している。これは、微細な周期構造を有する回折格子に、空間伝搬光を表面プラズモンに結合させる第１の結合領域と、表面プラズモンを空間伝搬光に変換する第２の結合領域を付加した構造である。図１３のＡに示す例では、金属材料４０と誘電体材料４２とが積層され、それらの界面に回折格子が形成されている構造である。ここで誘電体材料４２としては希土類添加ガラスを用いる。第１及び第２の結合領域はプリズム４４，４６からなる。希土類添加ガラスの上部両端に、該希土類添加ガラスより高い誘電率を有する信号光結合用のプリズム４４，４６を設置する。励起光は、希土類添加ガラスの上部から入射させる。このとき回折格子は励起光が増大されるような形状に設計されることにより回折格子近傍では反転分布が形成される。信号光は、第１のプリズム４４によってプラズモンに結合し、回折格子上部を進行し光増幅され、第２のプリズム４６によって空間へ伝搬する。

図１３のＢに示す例では、互いに独立しているドット状の金属材料５０を誘電体材料５２中に周期的に配列し、それらによって回折格子を形成した構造である。この場合も図１３のＡで説明したものと同様の効果を有する。

図１４は、導波路構造を有する例を示している。Ａに示す構造は、金属回折格子６０上の誘電体（誘電率ε１）６２の上に、別の誘電体（誘電率ε２）６４を積層した構造である。外部から励起光を与えることにより金属回折格子６０上で表面プラズモンと結合し金属回折格子６０に沿って電界増強を起こす。図面左手方向から信号光を入射すると、２つの誘電体の誘電率の違いにより光の閉じ込めが起こり導波路となる。金属回折格子に接する側の誘電体に希土類添加ガラスを用いれば励起光となる波長の光が電界増強されることにより反転分布を形成する。信号光はこの構造内を導波光として伝搬し光増幅される。図１４のＢに示す構造は、周期構造が互いに分離した金属７０で構成され、誘電体（誘電率ε１）７２中に埋設されている例であり、その上下で別の誘電体（誘電率ε２）７４で挟まれている。この構成は、回折格子を構成する金属７０とそれを取り囲んでいる誘電体７２が共振器を形成し、表面プラズモンは止まったまま電界増強する。導波光として光ファイバなどから信号光を入射すると、図１４のＡと同様に光増幅効果が得られる。回折格子と接しない方の誘電体は空気であってもよい。

このように導波路形式の電界増強デバイスは、アレイ化が可能である。複数の導波路を並設すると、アレイ化された電界増強デバイスが得られる。この複数の導波路に対して面発光レーザなどを利用して面的に励起光を照射すると、各導波路の回折格子で同時に電界増強が行える。そのため、光増幅機能や各種センサ機能を備えた電界増強デバイスが構成できる。

本発明に係る電界増強デバイスの典型例を示す説明図。数値計算より求めた金属回折格子のバンド図。１次元の回折格子構造について有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法を用いて電界増強効果を計算した結果を示す説明図。本発明に係る電界増強デバイスの一実施例を示す説明図。その電界増強デバイスについての垂直方向電界分布の例を示す説明図。本発明に係る電界増強デバイスの他の実施例を示す説明図。その電界増強デバイスについての垂直方向電界分布の例を示す説明図。本発明に係る電界増強デバイスの他の実施例を示す説明図。その電界増強デバイスのバンド構造図。その電界増強デバイスについての電界分布の例を示す説明図。本発明に係る電界増強デバイスの更に他の実施例を示す側断面図。その電界増強デバイスについての電界分布の例を示す説明図。本発明に係る電界増強デバイスの他の実施例を示示す説明図。本発明に係る導波路構造の電界増強デバイスの実施例を示す説明図。銀上にガラスを成膜した場合のプラズモンの分散関係を示す図。

符号の説明

１０金属層
１１凸部
１２誘電体層

Claims

金属もしくは半導体と誘電体との界面に微細な周期構造を有し、励起光の入射により前記周期構造近傍で表面プラズモンを励起して、光の局在化により電界を増強することを特徴とする表面プラズモンによる電界増強方法。
周期構造が、励起光の実効波長程度以下の微細な周期を有する１次元もしくは２次元の回折格子であり、入射した励起光の前記回折格子による高次回折光がエバネッセント波となり表面プラズモンと結合するようにした請求項１記載の表面プラズモンによる電界増強方法。
金属もしくは半導体材料の層と誘電体材料の層が積層され、前記金属もしくは半導体材料層の誘電体材料層と接する面に、多数の微小な凸部が微細な周期で配列されて回折格子が形成され、励起光の入射により前記回折格子近傍で表面プラズモンを励起して、光の局在化により電界を増強するようにしたことを特徴とする電界増強デバイス。
金属もしくは半導体材料の多数の微小なドットが微細な周期で配列した状態で、誘電体材料中に埋設されて回折格子が形成され、励起光の入射により前記回折格子近傍で表面プラズモンを励起して、光の局在化により電界を増強するようにしたことを特徴とする電界増強デバイス。
微小な凸部あるいは微小なドットの高さが、１〜５０ｎｍである請求項３又は４記載の電界増強デバイス。
誘電体材料の、回折格子に接する面とは反対側の面に、前記誘電体材料とは異なる屈折率を有する別の誘電体材料を積層し、屈折率差を利用して光の閉じ込めを行う導波構造を形成した請求項３乃至５のいずれかに記載の電界増強デバイス。
回折格子に接する誘電体材料としてフォトルミネッセンス効果を有する透明体を用い、電界増強効果により発光機能を持たせた請求項３乃至６のいずれかに記載の電界増強デバイス。
回折格子に接する誘電体材料として希土類添加ガラスを使用し、空間伝搬光を表面プラズモンに結合させる第１の結合領域と、表面プラズモンを空間伝搬光に変換する第２の結合領域を付加し、第１の結合領域から入力する信号光を電界増強効果により光増幅し、増幅した光信号を第２の結合領域から空間伝搬光にして出力する光増幅機能を持たせた請求項３乃至６のいずれかに記載の電界増強デバイス。