JP2008176209A

JP2008176209A - 表面プラズモンによる光結合デバイス

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Publication number: JP2008176209A
Application number: JP2007011505A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Harada; 知也原田; Kazuyoshi Hakamata; 和喜袴田; Takashi Takiguchi; 敬瀧口
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2007-01-22
Filing date: 2007-01-22
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】表面プラズモンの励起効率が高く、光結合を高効率に行える表面プラズモンによる光結合デバイスを提供すること
【解決手段】コア１と当該コア１を覆うクラッド２とを有する光導波路基板１２の表面に、金属薄膜を所定幅Ｗで帯状に形成して金属導波路３とし、金属導波路３上には屈折率を所定に調整したオーバークラッド層４を設ける。金属導波路３の経路は、光導波路での光の伝搬経路（コア１）に重畳する設定とする。光導波路の光によるエバネッセント波との励起により金属導波路３において表面プラズモン共鳴現象を起こし、表面プラズモンポラリトンの伝搬がある。クラッド２とオーバークラッド層４（誘電体）とが直接に接する部分を有するので界面へ光エネルギを高く供給できる。共鳴点ではより強く結合して励起効率が高くなり、共鳴点以外では金属導波路３の幅が狭いため吸収，損失が低下する。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面プラズモンによる光結合デバイスに関するもので、より具体的には、光導波路において伝搬する光を近接場光領域へ導き、金属導波路における表面プラズモンポラリトンに結合することの改良に関する。

近年、ナノフォトニクス分野の研究，開発の発展とともに、回折限界を越えた光波制御を目指した研究，開発が盛んに進められている。光集積回路においては、光エネルギの移動をナノメートル領域で操作する技術が不可欠となることから、例えば特許文献１などに見られるように、表面プラズモンを利用した金属導波路を構成するような技術の提案がある。

つまり、超小型光通信用デバイスや光演算処理装置を実現するには非常に微細な光配線が必要となる。また、光記録媒体の記録容量を向上し、光計測器の空間分解能を向上させるためには、極微小なスポット径を有する光ビームを必要とする。そこで光配線として、金や銀などの金属と誘電体の界面に電界を閉じ込めて、表面プラズモンポラリトンの伝搬を行わせる金属導波路に注目がある。

金や銀などの金属表面に光を照射すると、プラズマ周波数以下では金属中の自由電子の集団的な動き（プラズモン）が励起する。金属と誘電体の界面において、金属内の電子の集団的振動による粗密波と誘電体中の光が結合することにより、表面プラズモンポラリトンと言われる状態が生じる。この表面プラズモンポラリトンは界面に沿った方向に伝搬し、金属表面の極微小領域（近接場光領域）を伝搬していくことになる。

表面プラズモンポラリトンの生成条件は、光の波数と金属および金属に接する誘電体の複素誘電率によって決定し、誘電率の変化に非常に強い影響を受ける。また、表面プラズモンポラリトンは外部の光と直接には結合できないため、回折格子やプリズムを用いて波数を制御して結合させることになる。
特開２００６−１６３１８８号公報

上述したように、表面プラズモンポラリトンの分散は、空間を伝搬する光のものと交わることがないので直接励起はできない。そこでよく知られるように、表面プラズモンの励起には、高い屈折率のプリズムを用いたオットー配置やクレッチマン配置といった構成を用いている。これらはプリズムの屈折率が高いことを利用して波数を調整して結合させるもので、この他に回折格子により波数制御するようにした構成もある。

しかし、オットー配置やクレッチマン配置あるいは回折格子による構成では、プリズム，回折格子などが他のデバイスに比べて大きいため、小型化が困難であるという欠点がある。

また、端面に直接照射して励起するエンドファイア法もあるが、これは励起効率が非常に悪く実用的ではない。

この発明は上述した課題を解決するもので、その目的は、表面プラズモンの励起効率が高く、光結合を高効率に行える表面プラズモンによる光結合デバイスを提供することにある。

上述した目的を達成するために、本発明に係る表面プラズモンによる光結合デバイスは、コアと当該コアを覆うクラッドとを有して屈折率差によりコア内に光を閉じ込めて特定の波数で伝搬させる光導波路基板を備えて、光導波路基板の表面には金属薄膜を所定幅で帯状に形成して金属導波路とし、この金属導波路の経路が、光導波路基板において伝搬する光の伝搬経路に重畳する設定とし、光導波路基板において伝搬する光のエバネッセント波により前記金属導波路において表面プラズモンポラリトンを励起し、表面プラズモンポラリトンの伝搬がある構成にする。

また、金属導波路の幅を、光導波路基板におけるモードフィールド径と同一あるいは同一以下に小さくする。

また、金属導波路の経路が、光導波路基板において伝搬する光の伝搬経路と一部の部位のみで重畳する設定とし、光導波路基板において伝搬する光のうち表面プラズモン励起に関与しない他の光が、表面プラズモンポラリトンと同一方向へは向かわない構成にする。

また、コアは屈折率の最も高い部位が金属導波路と接しない所定に隔たる配置である構成とし、所定に隔たる間隔は１０μｍ以下にする。

また、光導波路基板には、結合に用いる光に対してシングルモードとなる光導波路を設ける構成とし、光導波路基板には光ファイバを接続して接続先の光回路から光を入射する。

また、金属導波路上に、屈折率を所定に調整したオーバークラッド層を設け、光導波路の伝搬定数に対して表面プラズモンの伝搬定数を整合させる構成にする。

係る構成にすることにより本発明では、金属導波路は所定幅で帯状に形成し、光導波路基板において伝搬する光の伝搬経路に重畳する配置とするので、金属導波路の幅を光のビーム幅に対して同一あるいは同一以下に設定することができる。つまり、クラッドと誘電体とが直接に接する部分を有することから、光導波路基板において伝搬する光は、金属導波路の側縁の外側を透過する成分では金属導波路による吸収，損失がなくなり、金属導波路と誘電体との界面へ光エネルギを高く供給することができる。

所定幅で帯状とする金属導波路の配置は、光の伝搬経路に重畳する位置から多少のずれは許容でき、光導波路基板において伝搬する光は、帯状部位へ対面しないで透過する成分では金属導波路による吸収，損失がなくなり、誘電体との界面へ電界の回り込みを多くできる作用がある。

その結果、表面プラズモンの励起は共鳴点ではより強く結合して励起効率が高くなる。

本発明に係る表面プラズモンによる光結合デバイスでは、金属導波路の幅を光のビーム幅に対して同一あるいは同一以下に設定することができ、クラッドと誘電体とが直接に接する部分を有することから、光導波路の光は、金属導波路の側縁の外側を透過する成分では金属導波路による吸収，損失がなくなり、金属導波路と誘電体との界面へ光エネルギを高く供給することができる。

図１，図２は、本発明の好適な一実施の形態を示している。本形態において、表面プラズモンによる光結合デバイスは、コア１と当該コア１を覆うクラッド２とを有して屈折率差によりコア１内に光を閉じ込めて特定の波数で伝搬させる光導波路基板１２を備えている。そして、光導波路基板１２の表面には金属薄膜を所定幅Ｗで帯状に形成して金属導波路３とし、その金属導波路３において表面プラズモン共鳴現象を起こし、表面プラズモンポラリトンの伝搬がある構成になっている。

金属導波路３の上には、屈折率を所定に調整したオーバークラッド層４を設け、光導波路の伝搬定数に対して表面プラズモンの伝搬定数を整合させるようになっている。光導波路基板１２には、結合に用いる光に対してシングルモードとなる光導波路を設ける。この光導波路基板１２はガラス材料を用いて形成し、光の波長を例えば１．２〜１．６μｍとする。

コア１は屈折率の最も高い部位が、金属導波路３と接しない所定に隔たる配置である構成とし、所定に隔たる間隔ｄは１０μｍ以下にする。これは、コア１を伝搬する光について電界強度の大きい部分を金属導波路３から遠ざけることができ、表面プラズモンの励起以外での光エネルギーの減少を防ぐことができる。

金属導波路３は、その経路を、光導波路基板１２において伝搬する光の伝搬経路に重畳させるが、図２に示すように重畳部位は一部の部位のみで重畳する設定とし、光導波路基板１２において伝搬する光のうち表面プラズモン共鳴現象に関与しない他の光が、表面プラズモンポラリトンと同一方向へは向かわない構成にしている。金属導波路３の幅Ｗは、光導波路基板１２におけるモードフィールド径と同一あるいは同一以下に小さくする設定とし、例えば２μｍとする。光導波路基板１２には光ファイバ５を接続して接続先の光回路から光を入射する。また、金属導波路３の先端側には光集積回路６を配置することになる。

ところで、表面プラズモンポラリトンを励起させるには、空間伝搬よりも高い波数を与えればよい。光導波路基板１２では、屈折率差により光をコア１内に閉じ込めて伝搬させることから、屈折率分布などによって等価的な屈折率が決定する。この光導波路では高屈折率のコア１部分に高い電界分布を有するが、その周囲のクラッド２部分でもエバネッセント波があり、波数は光導波路を伝搬するモードと一致する。このエバネッセント波の波数と、励起したい表面プラズモンの波数を一致させることにより、光導波路から表面プラズモンにエネルギ移行が発生して表面プラズモンを励起することができる。

本発明にあっては、金属導波路３は所定幅Ｗで帯状に形成し、光導波路基板１２において伝搬する光の伝搬経路（コア１）に重畳する配置とするので、金属導波路３の幅Ｗを光のビーム幅に対して同一あるいは同一以下に設定することができる。つまり、クラッド２とオーバークラッド層４（誘電体）とが直接に接する部分を有することから、光導波路基板１２において伝搬する光は、金属導波路３の側縁の外側を透過する成分では金属導波路３による吸収，損失がなくなり、金属導波路３と誘電体との界面へ光エネルギを高く供給することができる。

所定幅Ｗで帯状とする金属導波路３の配置は、光の伝搬経路に重畳する位置から多少のずれは許容でき、光導波路基板１２において伝搬する光は、帯状部位へ対面しないで透過する成分では金属導波路３による吸収，損失がなくなり、誘電体との界面へ電界の回り込みを多くできる作用がある。

以上の説明は、表面プラズモンを励起させる入力側についての説明であるが、本発明は可逆であり、本発明に係る構成を逆から使用することで出力デバイスとして用いることができる。

また、光導波路（コア１）には光ファイバ５を接続するので、外部からの光を効率よく入力でき、表面プラズモンを高効率に励起することができる。光ファイバ５と直接に接続できる本発明に係る構成はメリットが大きい。

金属導波路３の経路は、光導波路基板１２において伝搬する光の伝搬経路と一部の部位のみで重畳する設定とし、光導波路基板１２において伝搬する光のうち表面プラズモン共鳴現象に関与しない他の光が、表面プラズモンポラリトンと同一方向へは向かわない構成なので、ノイズ成分を低減することができる。

光導波路基板１２の表面は平坦なので金属導波路３を形成することが容易であり、光集積回路６などの微小光デバイスを製作しやすい利点がある。信号伝達においてはモードの影響をなくすためシングルモード導波路が好ましい。

コア１が金属導波路３と近接していると、表面プラズモンに結合する以前において金属導波路３自体による吸収，損失が発生するため、金属導波路３とコア１との間は所定に離して間隔ｄを設けることがよいが、離す間隔ｄが大きいと表面プラズモンへの結合に伝搬長が必要となるため間を空けすぎるのもよくない。

光ファイバ５との結合性を考慮すると、光導波路の伝搬定数は光ファイバ５に合わせた方が結合損失が低減するので好ましい。しかしその場合、光導波路基板１２の表面に金属導波路３を成膜しただけでは波数が合わないことがある。そこで本発明にあっては、屈折率を調整したオーバークラッド層４を設けており、これにより波数を合わせて効率よく結合させることができる。

本発明に係る光結合デバイス、つまり図１，図２に示す構成について数値計算を行ったところ、図３に示す励起の効率（感度特性）を得た。この数値計算はビーム伝搬法によるものであり、光導波路はイオン交換法による形成としている。つまり、光導波路は波長１．５５μｍでシングルモードであり、モードフィールド径は約９μｍ、モードフィールドの中心は光導波路基板１２の表面から約１０μｍ埋め込んである。光導波路基板１２上の金属導波路３は金材料とし、幅２μｍで厚さ５０ｎｍに成膜している。

図３において、横軸はオーバクラッド層４の屈折率であり、縦軸の励起の効率は、金属導波路３の近傍の電界強度を、光導波路に入射した光で割ったものの対数になっている。同図から明らかなように、オーバークラッド層４を調整することにより表面プラズモンの励起の効率が向上し、表面プラズモンポラリトンの伝搬が数ｍｍ程度は行えることを確認した。

本発明に係る光結合デバイスを示す断面図である。図１に示す光結合デバイスの平面図である。光結合デバイスの励起の効率（感度特性）を示すグラフ図である。

符号の説明

１コア
２クラッド
３金属導波路
４オーバークラッド層
５光ファイバ
６光集積回路
１２光導波路基板
Ｗ金属導波路の幅

Claims

コアと当該コアを覆うクラッドとを有して屈折率差により前記コア内に光を閉じ込めて特定の波数で伝搬させる光導波路基板を備え、
前記光導波路基板の表面には金属薄膜を所定幅で帯状に形成して金属導波路とし、
前記金属導波路の経路が、前記光導波路基板において伝搬する光の伝搬経路に重畳する設定とし、
前記光導波路基板において伝搬する光のエバネッセント波により前記金属導波路において表面プラズモンポラリトンを励起し、表面プラズモンポラリトンの伝搬があることを特徴とする表面プラズモンによる光結合デバイス。
前記金属導波路の幅を、前記光導波路基板におけるモードフィールド径と同一あるいは同一以下に小さくすることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモンによる光結合デバイス。
前記金属導波路の経路が、前記光導波路基板において伝搬する光の伝搬経路と一部の部位のみで重畳する設定とし、
前記光導波路基板において伝搬する光のうち表面プラズモン共鳴現象に関与しない他の光が、前記表面プラズモンポラリトンと同一方向へは向かわないことを特徴とする請求項１または２に記載の表面プラズモンによる光結合デバイス。
前記コアは屈折率の最も高い部位が前記金属導波路と接しない所定に隔たる配置であり、所定に隔たる間隔は１０μｍ以下にすることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の表面プラズモンによる光結合デバイス。
前記光導波路基板には、結合に用いる光に対してシングルモードとなる光導波路を設けることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の表面プラズモンによる光結合デバイス。
前記光導波路基板に、光ファイバを接続して接続先の光回路から光を入射することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の表面プラズモンによる光結合デバイス。
前記金属導波路上に、屈折率を所定に調整したオーバークラッド層を設け、前記光導波路の伝搬定数に対して表面プラズモンの伝搬定数を整合させることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の表面プラズモンによる光結合デバイス。