JP2013178498A - プラズモンチップ - Google Patents
プラズモンチップ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013178498A JP2013178498A JP2013013308A JP2013013308A JP2013178498A JP 2013178498 A JP2013178498 A JP 2013178498A JP 2013013308 A JP2013013308 A JP 2013013308A JP 2013013308 A JP2013013308 A JP 2013013308A JP 2013178498 A JP2013178498 A JP 2013178498A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal
- plasmon
- beams
- metal beams
- chip
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
Abstract
【解決手段】複数本の金属梁11(11a、11b)からなるグレーチング部10と、一端が金属梁11の先端に接続されたサスペンション梁21と、サスペンション梁21の他端を固定するアンカー部22と、一対の電極23、24とを備えており、グレーチング部10は、一方の電極23に接続された金属梁11aと、他方の電極24に接続された金属梁11bとが、交互に所定間隔を開けて平行に配列されて構成されている。一対の電極23、24間に電圧を印加すれば、その金属梁11の間に働く静電引力により、金属梁11同士を接近させることができる。グレーチング部10のギャップを変化させることができ、1つのチップでプラズモン共鳴波長を変更できる。
【選択図】図1
Description
しかし、従来のチップは、その金属微細構造が固定されており、1つのチップは特定のプラズモン共鳴波長しか有しないものであった(例えば、特許文献1)。すなわち、1つのチップが透過または反射する光の波長は固定されていた。そのため、透過または反射させる光の波長を変更するためには、チップを交換する必要があった。
第2発明のプラズモンチップは、第1発明において、前記アクチュエータは、隣り合う前記金属梁にそれぞれ逆符号および/または同符号の電荷を帯電させ、該金属梁の間に働く静電引力および/または静電斥力により、該金属梁同士を接近および/または離間させるものであることを特徴とする。
第3発明のプラズモンチップは、第2発明において、前記アクチュエータは、一対の電極を備えており、前記グレーチング部は、一方の前記電極に接続された金属梁と、他方の前記電極に接続された金属梁とが、交互に所定間隔を開けて平行に配列されて構成されていることを特徴とする。
第4発明のプラズモンチップは、第3発明において、前記アクチュエータは、一端が前記金属梁の先端に接続されたサスペンション梁と、該サスペンション梁の他端を固定するアンカー部と、を備えていることを特徴とする。
第5発明のプラズモンチップは、第4発明において、前記サスペンション梁は、隣り合う組となる金属梁間のギャップ側に偏って該金属梁の先端に接続されていることを特徴とする。
第2発明によれば、隣り合う金属梁の間に働く静電引力および/または静電斥力により、金属梁同士を接近および/または離間させるので、アクチュエータを簡易な構造とすることができる。
第3発明によれば、一対の電極間に電圧を印加すれば、隣り合う金属梁にそれぞれ逆符号および/または同符号の電荷を帯電させることができるので、その金属梁の間に働く静電引力および/または静電斥力により、金属梁同士を接近させることができる。
第4発明によれば、金属梁は、その先端に接続されたサスペンション梁で固定されているので、サスペンション梁の弾性力により、隣り合う金属梁の間に働く静電引力の大きさを変化させることで金属梁間のギャップを調整できる。
第5発明によれば、サスペンション梁は、隣り合う組となる金属梁間のギャップ側に偏って金属梁の先端に接続されているので、組となる金属梁の間は、そのうちの一の金属梁と隣の組に属する一の金属梁との間に比べて、サスペンション梁の長さ寸法分だけ接近して対向する部分の長さが長くなる。そのため、組となる金属梁の間に働く静電引力は、そのうちの一の金属梁と隣の組に属する一の金属梁との間に働く静電引力に比べて大きくなり、組となる金属梁同士を接近させることができる。
本発明の一実施形態に係るプラズモンチップ1は、基板B上に厚さ数十nm〜数百nmの金属薄膜Mを成膜したチップを、集束イオンビームなどにより図1および図2に示す構造に形成した、いわゆるNEMS(Nano Electro Mechanical System)である。ここで、金属薄膜Mとしては、金、銀、アルミニウム、白金、銅、ナトリウムなどが用いられる。
この金属梁11が数本〜数百本、所定間隔を開けて平行に配列されてグレーチング部10が構成されている。ここで、隣り合う金属梁11間のギャップは数百nmであり、サブ波長である。
ここで、基層b1は厚さ100μm程度のシリコンウエハなどが用いられる。また、表層b2は窒化珪素(Si3N4)、炭化珪素(SiC)、二酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)などの絶縁体により厚さ100nm程度に形成されている。
より詳細には、電極23に接続された金属梁11a、11a'、11a''と、電極24に接続された金属梁11b、11b'、11b''のうち、隣り合う金属梁11a、11b(11a'、11b')(11a''、11b'')を組とすると、サスペンション梁21はその組となる金属梁11a、11b(11a'、11b')(11a''、11b'')の間のギャップ側に偏って金属梁11の先端に接続されている。図3(a)においては、金属梁11a、11a'、11a''に接続されたサスペンション梁21は右側に偏っており、金属梁11b、11b'、11b''に接続されたサスペンション梁21は左側に偏っている。
そのため、組となる金属梁11a、11bの間は、そのうちの一の金属梁11a(11b)と隣の組に属する一の金属梁11b'(11a'')との間に比べて、サスペンション梁21の長さ寸法分だけ接近して対向する部分の長さが長くなっている。
しかも、アクチュエータを含めたチップ全体をNEMSとして形成しているので、スケーリングメリットを活かした低電圧駆動や高速応答、高いフィルファクタが実現可能である。
上記実施形態では、サスペンション梁21が幅方向のどちらか一方に偏って金属梁11の先端に接続しているが、図5に示すように、サスペンション梁21の中心軸を金属梁11の中心軸と一致させて金属梁11の先端に接続してもよい。このような構造でも、組となる金属梁11a、11b間のギャップを、そのうちの一の金属梁11a(11b)と隣の組に属する一の金属梁11b'(11a'')との間のギャップに比べて狭く形成すれば、組となる金属梁11a、11bの間に働く静電引力が大きくなるので、組となる金属梁11a、11b同士を接近させることができる。
(試料試験)
まず、図1に示すプラズモンチップ1に相当する試料を作成した。
始めに、イオンビームスパッタを用いて、10-5Paの真空条件下で、基層として厚さ100μmのシリコンウエハおよび表層として厚さ100nmの窒化珪素(Si3N4)からなる基板上に厚さ300nmの金薄膜を成膜した。つぎに、集束イオンビームを用いて、図1に示すプラズモンチップ1の構造を作製した。ここで、金属梁11の幅寸法、および隣り合う金属梁11間のギャップを、それぞれ400nmとした。また組となる金属梁11a、11bを22組形成した。また、電極23、24を100μm四方の矩形に形成した。
図7に示すように、所望の構造、寸法を有するプラズモンチップを得ることができた。
より詳細には、顕微鏡下に試料を配置し、TM偏光保持したハロゲン光を明視野系において照射した。そして、試料の透過光を紫外可視マルチチャンネル分光器により観測した。ここで、試料の電極23、24間には、ファンクションジェネレータを用いて1V刻みで1V〜10Vの電圧を印加した。
図9に示すように、波長420nmから510nmの領域において共鳴ピークが得られることが分かった。この共鳴ピークは、印加電圧が大きくなる(金属梁間のギャップが小さくなる)に従い長波長側へ最大100nm程度シフトすることが分かった。
つぎに、2次元有限差分時間領域法を用いた数値計算によりプラズモンチップの光学特性を評価した。
図10に示すように、数値計算におけるプラズモンチップの構造を、厚さ100nmの窒化珪素(Si3N4)の基板上に厚さ300nmの金薄膜が形成された構造とした。ここで、金の誘電率として、A.D.Rakicらの実験データ(Rakic, A. D., Djurisic, A.
B., Elazar, J. M. & Majewski, M. L. Optical Properties of Metallic Films
for Vertical-Cavity Optoelectronic Devices. Appl. Opt. 37, 5271-5283 (1998))をドルーデ・ローレンツモデルで表現したものを用いた。また、波長619.9nmのときの窒化珪素(Si3N4)の誘電率を、実部4.08、虚部0.00とした。また、金属梁の幅寸法Mwを400nmとし、組となる金属梁を22組とした。また、金属梁間のギャップ幅として、組となる金属梁間のギャップ幅を可変ギャップGvとし、組と組の間のギャップ幅を固定ギャップGfとした。
そして、可変ギャップGvを400nm〜0nmの間で40nm間隔で変化させるとともに、固定ギャップGfを800nm-Gvとして、それぞれの条件におけるプラズモンチップの透過光および反射光のスペクトルを遠方解により算出した。
なお、2次元有限差分時間領域法におけるメッシュ間隔は、金属梁の幅方向(x方向)および金属梁の厚み方向(z方向)にそれぞれ10nmとした。
図11(a)に示すように、波長500nmから650nmの領域の透過光スペクトルにおいて共鳴ピークが得られた。この共鳴ピークは、可変ギャップGvが小さくなる(印加電圧が大きくなることに相当する)に従い長波長側へシフトすることが分かった(図11(b)参照)。
以上のように、試料試験と数値計算の双方において、共鳴ピークのレッドシフトが確認された。
図12(a)に共鳴波長の光を入射した場合の電界強度分布、図12(b)に非共鳴波長の光を入射した場合の電界強度分布を示す。なお、スケールバーは電界強度を示し、黒色はその最小値を、白色はその最大値を表す。また、電界強度分布内で示す白矢印は、ある瞬間における電気力線の方向を示す。
なお、試料試験と数値計算において、透過光スペクトルに若干の違いが見られるが、これは、試料における金属梁の角の削れや、金属梁やギャップの若干のばらつきに起因すると考えられる。
上記2次元有限差分時間領域法を用いた数値計算1において、可変ギャップGvを400nm〜0nmの間で40nm間隔で変化させるとともに、固定ギャップGfを800nm-Gvとして、それぞれの条件におけるプラズモンチップの透過光スペクトルおよび反射光スペクトルの赤外領域(波長1,100nm〜2,000nm)を算出した。その余の条件は、数値計算1と同様である。
以上より、本発明に係るプラズモンチップは、異常回折による共鳴ピークも変更できることが明らかとなった。
図14に示すように、上記2次元有限差分時間領域法を用いた数値計算1において、入射光の偏光方向を金属梁の長手方向(y方向)とし、可変ギャップGvを400nm〜0nmの間で40nm間隔で変化させるとともに、固定ギャップGfを800nm-Gvとして、それぞれの条件におけるプラズモンチップの透過光スペクトルおよび反射光スペクトルを算出した。その余の条件は、数値計算1と同様である。
本プラズモンチップは、光学フィルタとして利用した場合、1つのチップで透過光または反射光の色を変更できる。また、構造条件と金属の種類を適切に選択することで、紫外可視光領域から赤外光領域まで幅広い波長帯域においてフィルタが可能となる。
また、光波数変調器として利用した場合、1つのチップで任意の変調を行うことができる。
また、センサとして利用した場合、金属梁のギャップ間隔に依存する電場増強効果を利用することができる。
また、光シャッタとして利用した場合、特定波長の光の透過および反射のオン・オフを制御可能である。
また、ナノ光集積回路に用いた場合、エレクトロニクスと同等またはそれ以上の高速周波数応答が予想される。特に、赤外領域のQ値の高い共鳴ピークはスイッチに利用することができる。なお、表面プラズモンは、光の回折限界以下の領域に光エネルギーを閉じ込めることから、光デバイスをCMOS回路と同サイズに小型化する要素技術として利用でき、また単一試料での共鳴ピーク波長の可変が可能であることから更なる高集積・高性能化が可能となる。
10 グレーチング部
11(11a、11b) 金属梁
21 サスペンション梁
22 アンカー部
23、24 電極
Claims (5)
- 所定間隔を開けて平行に配列された複数本の金属梁からなるグレーチング部と、
前記金属梁同士を接近および/または離間させるアクチュエータと、を備える
ことを特徴とするプラズモンチップ。 - 前記アクチュエータは、隣り合う前記金属梁にそれぞれ逆符号および/または同符号の電荷を帯電させ、該金属梁の間に働く静電引力および/または静電斥力により、該金属梁同士を接近および/または離間させるものである
ことを特徴とする請求項1記載のプラズモンチップ。 - 前記アクチュエータは、一対の電極を備えており、
前記グレーチング部は、一方の前記電極に接続された金属梁と、他方の前記電極に接続された金属梁とが、交互に所定間隔を開けて平行に配列されて構成されている
ことを特徴とする請求項2記載のプラズモンチップ。 - 前記アクチュエータは、
一端が前記金属梁の先端に接続されたサスペンション梁と、
該サスペンション梁の他端を固定するアンカー部と、を備えている
ことを特徴とする請求項3記載のプラズモンチップ。 - 前記サスペンション梁は、隣り合う組となる金属梁間のギャップ側に偏って該金属梁の先端に接続されている
ことを特徴とする請求項4記載のプラズモンチップ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013013308A JP6094961B2 (ja) | 2012-02-08 | 2013-01-28 | プラズモンチップ |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012024619 | 2012-02-08 | ||
JP2012024619 | 2012-02-08 | ||
JP2013013308A JP6094961B2 (ja) | 2012-02-08 | 2013-01-28 | プラズモンチップ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013178498A true JP2013178498A (ja) | 2013-09-09 |
JP6094961B2 JP6094961B2 (ja) | 2017-03-15 |
Family
ID=49270140
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013013308A Expired - Fee Related JP6094961B2 (ja) | 2012-02-08 | 2013-01-28 | プラズモンチップ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6094961B2 (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014240957A (ja) * | 2013-05-15 | 2014-12-25 | 国立大学法人 香川大学 | プラズモン導波路素子、およびその作製方法 |
JP2015222331A (ja) * | 2014-05-22 | 2015-12-10 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | カラーフィルタならびにこれを使用する発光装置および表示装置 |
JP2016133658A (ja) * | 2015-01-20 | 2016-07-25 | 富士電機株式会社 | 光学フィルタ |
JP2018013365A (ja) * | 2016-07-20 | 2018-01-25 | 富士電機株式会社 | 光学フィルタ |
JP2021005042A (ja) * | 2019-06-27 | 2021-01-14 | 国立大学法人東京農工大学 | 光位相変調器 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10509806A (ja) * | 1994-08-12 | 1998-09-22 | ブラント・エイ・ペインター,ザ・サード | 光電子カプラ |
JP2006308981A (ja) * | 2005-04-28 | 2006-11-09 | Canon Inc | 光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器 |
JP2006330105A (ja) * | 2005-05-23 | 2006-12-07 | Ricoh Co Ltd | 偏光制御素子および偏光制御素子の偏光制御方法 |
WO2008136479A1 (ja) * | 2007-05-01 | 2008-11-13 | Nec Corporation | 導波路結合型フォトダイオード |
US20100046060A1 (en) * | 2006-12-29 | 2010-02-25 | NanaLambda Inc. | Tunable plasmonic filter |
-
2013
- 2013-01-28 JP JP2013013308A patent/JP6094961B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10509806A (ja) * | 1994-08-12 | 1998-09-22 | ブラント・エイ・ペインター,ザ・サード | 光電子カプラ |
JP2006308981A (ja) * | 2005-04-28 | 2006-11-09 | Canon Inc | 光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器 |
JP2006330105A (ja) * | 2005-05-23 | 2006-12-07 | Ricoh Co Ltd | 偏光制御素子および偏光制御素子の偏光制御方法 |
US20100046060A1 (en) * | 2006-12-29 | 2010-02-25 | NanaLambda Inc. | Tunable plasmonic filter |
WO2008136479A1 (ja) * | 2007-05-01 | 2008-11-13 | Nec Corporation | 導波路結合型フォトダイオード |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014240957A (ja) * | 2013-05-15 | 2014-12-25 | 国立大学法人 香川大学 | プラズモン導波路素子、およびその作製方法 |
JP2015222331A (ja) * | 2014-05-22 | 2015-12-10 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | カラーフィルタならびにこれを使用する発光装置および表示装置 |
JP2016133658A (ja) * | 2015-01-20 | 2016-07-25 | 富士電機株式会社 | 光学フィルタ |
JP2018013365A (ja) * | 2016-07-20 | 2018-01-25 | 富士電機株式会社 | 光学フィルタ |
JP2021005042A (ja) * | 2019-06-27 | 2021-01-14 | 国立大学法人東京農工大学 | 光位相変調器 |
JP7230296B2 (ja) | 2019-06-27 | 2023-03-01 | 国立大学法人東京農工大学 | 光位相変調器 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6094961B2 (ja) | 2017-03-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6094961B2 (ja) | プラズモンチップ | |
Dennis et al. | Compact nanomechanical plasmonic phase modulators | |
Qin et al. | Hybrid bilayer plasmonic metasurface efficiently manipulates visible light | |
Han et al. | MEMS reconfigurable metamaterial for terahertz switchable filter and modulator | |
Huang et al. | Phase-gradient gap-plasmon metasurface based blazed grating for real time dispersive imaging | |
JP6598184B2 (ja) | カラーフィルタならびにこれを使用する発光装置および表示装置 | |
US7474810B2 (en) | Method and apparatus for controlling light flux with sub-micron plasmon waveguides | |
US7609932B1 (en) | Slot waveguide structure | |
US20220035225A1 (en) | Optoelectromechanical switch and programming an optical network | |
Honma et al. | Free‐standing aluminium nanowire arrays for high‐transmission plasmonic colour filters | |
US7805826B1 (en) | Fabrication of slot waveguide | |
US11796740B2 (en) | Optical device | |
Wang et al. | Freestanding HfO 2 grating fabricated by fast atom beam etching | |
JP6376830B2 (ja) | プラズモン導波路素子、およびその作製方法 | |
KR101073893B1 (ko) | 표면 플라즈몬 폴라리톤 도파로 집광 소자 | |
KR20230016649A (ko) | 광파이버 상의 동조 가능 나노회로 및 도파관 시스템과 방법 | |
US10795234B2 (en) | MEMS actuated high index optical antennas and metafilms for light manipulation and control | |
P. Bruno et al. | Fabrication of an Adaptive Micro Fresnel Mirror Array | |
WO2012160418A1 (en) | Tunable plasmonic lens | |
CN101626140A (zh) | 一种垂直谐振腔超窄带红外发射光源 | |
CN104330890A (zh) | 一种长腔长微机电可调谐法布里-珀罗滤波器 | |
JP5309297B2 (ja) | 光導波路デバイス及びその製造方法 | |
US20180224606A1 (en) | Tunable optical device | |
KR101180478B1 (ko) | 빔 포커싱 장치 및 빔 포커싱 방법 | |
Wang et al. | Single layer silicon photonic crystal slab |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160114 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20160114 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160226 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20161018 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20161025 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20161221 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170117 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170206 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6094961 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |