JP2018023024A - プラズモニックアンテナ、プラズモニックアンテナの製造方法および検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＴＨｚ帯の電磁波の広帯域化、またはＴＨｚ帯の電磁波に対する高感度化の少なくとも１つを達成することができるプラズモニックアンテナ、プラズモニックアンテナの製造方法および検出装置を提供することを目的とする。【解決手段】 電磁波が入射する平面を有する導体基板を備え、導体基板は、平面上の所定の位置を基準にして平面を分割した複数の領域において、所定の位置を中心に同心円状に複数の溝がそれぞれ配置され、領域に配置される溝の間隔は、電磁波のうち所望の受信波長に応じた間隔であって、領域に応じて異なる。【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズモニックアンテナ、プラズモニックアンテナの製造方法および検出装置に関する。

０．３から１０テラヘルツ（ＴＨｚ）程度の周波数は、物質が有する固有の格子振動等の周波数と一致することから、物質内部の構造等を調べる検出装置には、ＴＨｚ帯の電磁波を用いるものがある。

例えば、同心円状に複数の溝が形成されたBull's Eye（ＢＥ）構造を有する金等の導体基板に形成されたプラズモニックアンテナを用い、ＢＥ構造による表面プラズモンにより、入射するＴＨｚ帯の電磁波を集光させる技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。また、プラズモニックアンテナにシリコン等の誘電体層を配置することにより、プラズモニックアンテナを小型化する技術が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

O. Mahboub, S. C. Palacios, C. Genet, F. J. Gracia-Vidal, S. G. Rodrigo, L. Martin-Moreno and T.W. Ebbesen,"Optimization of bull's eye structures for transmission enhancement", Opt. Express 18, 11 (2010) 井原 敏、小田 俊理、河野 行雄、"FDTD法によるテラヘルツ帯プラズモニックアンテナの小型化検討"、第７５回応用物理学会秋季学術講演会、19p-C6-8 (2014)

従来では、異なる周波数の電磁波を集光させる場合、ＢＥ構造における同心円状の溝の間隔が集光させる電磁波の波長に設定されたプラズモニックアンテナを用意する必要がある。

また、シリコン等の誘電体層がプラズモニックアンテナに配置される場合、誘電体層を介して入射するＴＨｚ帯の電磁波が、プラズモニックアンテナの導体基板が有する厚さにより、導体基板の内部で多重反射することがある。この場合、ＴＨｚ帯の電磁波に対する集光効率が低下し、プラズモニックアンテナの感度が低下してしまう。

本発明は、ＴＨｚ帯の電磁波の広帯域化、またはＴＨｚ帯の電磁波に対する高感度化の少なくとも１つを達成することができるプラズモニックアンテナ、プラズモニックアンテナの製造方法および検出装置を提供することを目的とする。

本発明を例示するプラズモニックアンテナの一態様は、電磁波が入射する平面を有する導体基板を備え、導体基板は、平面上の所定の位置を基準にして平面を分割した複数の領域において、所定の位置を中心に同心円状に複数の溝がそれぞれ配置され、領域に配置される溝の間隔は、電磁波のうち所望の受信波長に応じた間隔であって、領域に応じて異なる。

本発明を例示するプラズモニックアンテナの別態様は、電磁波が入射する平面を有する導体基板を備え、導体基板は、平面上の所定の位置を中心に同心円状に複数の溝が配置され、溝の間隔は、電磁波のうち第１波長から第２波長の受信する所望の帯域と所定の位置を中心とする角度とに応じて第１波長の間隔から第２波長の間隔に変化する。

本発明を例示するプラズモニックアンテナの別態様は、電磁波が入射する第１平面を有する誘電体基板を備え、誘電体基板は、第１平面に対向する第２平面上に電磁波のうち所望の受信波長に応じた間隔で同心円状に複数の溝が配置されるとともに、第２平面および複数の溝に溝の幅の２分の１より薄い膜厚の導体層が配置される。

本発明を例示するプラズモニックアンテナの製造方法の一態様は、電磁波が入射する導体基板の平面上の所定の位置を基準にして平面を分割した複数の領域において、電磁波のうち領域に応じて異なる所望の受信波長に応じた間隔で、所定の位置を中心に同心円状に配置された複数の溝を金属の蒸着により形成する。

本発明を例示するプラズモニックアンテナの製造方法の別態様は、電磁波が入射する導体基板の平面において、電磁波のうち第１波長から第２波長の受信する所望の帯域と平面上の所定の位置を中心とする角度とに応じて第１波長の間隔から第２波長の間隔に変化する間隔で、平面上の所定の位置を中心に同心円状に配置される複数の溝を金属の蒸着により形成する。

本発明を例示するプラズモニックアンテナの製造方法の別態様は、電磁波が入射する第１平面を有する誘電体基板において、第１平面に対向する第２平面上に、電磁波のうち所望の受信波長に応じた間隔で同心円状に配置された複数の溝をエッチングにより形成し、第２平面および複数の溝に、溝の幅の２分の１より薄い膜厚の導体層を蒸着により形成する。

本発明を例示する検出装置の一態様は、検出対象の対象物に電磁波を射出する光源と、対象物を透過した電磁波を集光する本発明のプラズモニックアンテナと、プラズモニックアンテナにより集光された電磁波を検出する検出部とを備える。

本発明を例示する検出装置の別態様は、電磁波を射出する光源と、光源より射出された電磁波を受信し、受信した電磁波を集光して検出対象の対象物に照射する本発明のプラズモニックアンテナと、対象物を透過した電磁波を検出する検出部とを備える。

本発明は、ＴＨｚ帯の電磁波の広帯域化、またはＴＨｚ帯の電磁波に対する高感度化の少なくとも１つを達成することができる。

検出装置の一実施形態を示す図である。 図１に示したプラズモニックアンテナの一例を示す図である。 図１に示したプラズモニックアンテナの別例を示す図である。 図１に示したプラズモニックアンテナの別例を示す図である。 図４に示した溝が点対称に配置されたプラズモニックアンテナの一例を示す図である。 図１に示したプラズモニックアンテナの製造方法の一例を示す図である。 検出装置の別の実施形態を示す図である。 図７に示したプラズモニックアンテナの一例を示す図である。 図７に示したプラズモニックアンテナの製造方法の一例を示す図である。

以下、図面を用いて実施形態について説明する。

図１は、検出装置の一実施形態を示す。

図１に示した検出装置１００は、光源１０、プラズモニックアンテナ２０および検出部３０を有する。

光源１０は、ＴＨｚ帯の電磁波をプラズモニックアンテナ２０に向けて射出する。なお、光源１０が射出する電磁波の周波数および帯域幅は、例えば、検出装置１００に含まれるプロセッサ等の演算処理装置、または検出装置１００に接続される外部のコンピュータ装置等により、適宜制御されることが好ましい。

プラズモニックアンテナ２０は、例えば、金、銀、銅等の金属の導体基板であり、光源１０により射出された電磁波が入射する導体基板の面上に、同心円状に複数の溝が形成されたＢＥ構造を有する。そして、プラズモニックアンテナ２０は、ＢＥ構造による表面プラズモンにより、光源１０から受信するＴＨｚ帯の電磁波をＢＥ構造の中心に集光する。プラズモニックアンテナ２０は、集光したＴＨｚ帯の電磁波を、ＢＥ構造の中心に配置された検出対象の対象物ＯＢＪに照射する。プラズモニックアンテナ２０は、対象物ＯＢＪを透過したＴＨｚ帯の電磁波を検出部３０に出力する。プラズモニックアンテナ２０については、図２−図５で説明する。

なお、対象物ＯＢＪは、プラズモニックアンテナ２０におけるＢＥ構造の中心に配置されたが、光源１０とプラズモニックアンテナ２０との間に配置されてもよい。この場合、プラズモニックアンテナ２０は、対象物ＯＢＪを透過したＴＨｚ帯の電磁波を受信し、受信した電磁波を集光して検出部３０に出力する。

検出部３０は、例えば、フォトダイオード等の検出器であり、プラズモニックアンテナ２０から出力された電磁波を検出し、電気信号等に変換する。検出部３０は、電気信号を検出装置１００の演算処理装置や外部のコンピュータ装置に出力する。そして、検出装置１００の演算処理装置や外部のコンピュータ装置は、例えば、受信した電気信号に対してスペクトル処理等を実行し、対象物ＯＢＪにおける固有の格子振動等、対象物ＯＢＪの内部構造を解析する。これにより、例えば、包装された錠剤等の非破壊検査における物質固有の吸収スペクトルを検出することができる。なお、検出部３０は、プラズモニックアンテナ２０と一体に形成されてもよい。

図２は、図１に示したプラズモニックアンテナ２０の一例を示す。図２（ａ）は、光源１０からの電磁波が入射する導体基板の平面上に形成されたプラズモニックアンテナ２０を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した破線Ａ１−Ａ２におけるプラズモニックアンテナ２０の断面を示す。なお、図２では、プラズモニックアンテナ２０が形成される導体基板の平面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面に対して垂直で、プラズモニックアンテナ２０から光源１０の方向をＺ軸とする。

図２（ｂ）に示すように、プラズモニックアンテナ２０は、例えば、電磁波が入射するＸＹ平面上に、所望する２つのＴＨｚ帯の電磁波の受信波長に応じた間隔ｄ１、ｄ２で、黒色の領域で示す半円の複数の溝４０、５０が同心円状に配置されたＢＥ構造を有する。なお、間隔ｄ１、ｄ２は、ＴＨｚ帯の電磁波の波長であることから、数１００マイクロメートルの大きさとなる。

また、プラズモニックアンテナ２０には、同心円状に配置された溝４０、５０の中心に、Ｚ軸方向に貫通した穴部ＨＬが配置される。そして、プラズモニックアンテナ２０は、ＢＥ構造による表面プラズモンにより、光源１０から受信するＴＨｚ帯の電磁波を穴部ＨＬに向けて集光し、穴部ＨＬを介して集光した電磁波を検出部３０に出力する。なお、図１に示すように、対象物ＯＢＪが穴部ＨＬの位置に配置される場合、プラズモニックアンテナ２０は、集光した電磁波を対象物ＯＢＪに照射し、対象物ＯＢＪを透過した電磁波を検出部３０に穴部ＨＬを介して出力する。

このように、プラズモニックアンテナ２０は、間隔ｄ１、ｄ２で配置された２つの溝４０、５０を有することにより、間隔ｄ１、ｄ２の各々に対応した波長を有するＴＨｚ帯の２つの電磁波を受信することができる。

なお、プラズモニックアンテナ２０では、ＸＹ平面が穴部ＨＬの中心においてＹ軸方向に２分割され、分割された領域の各々において、半円の溝４０、５０が間隔ｄ１、ｄ２で同心円状にそれぞれ配置されたが、ＸＹ平面が穴部ＨＬの中心で３以上の領域に分割されてもよい。この場合、図２と同様に、分割された各領域には、ＴＨｚ帯の電磁波のうち所望の受信波長に応じた間隔で、同心円状の複数の溝が穴部ＨＬの周囲に配置される。これにより、プラズモニックアンテナ２０は、３以上の波長の電磁波を受信することができる。穴部ＨＬの中心は、所定の位置の一例である。

また、プラズモニックアンテナ２０では、溝４０、５０の数は、３つおよび５つとしたが、要求される電磁波の受信感度、周波数帯域やプラズモニックアンテナ２０の大きさ等に応じて適宜決定されることが好ましい。

また、プラズモニックアンテナ２０は、例えば、検出装置１００の演算処理装置や外部のコンピュータ装置等による制御に基づいて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の少なくとも一方に圧力が印加され、溝４０、５０の間隔ｄ１、ｄ２が制御されてもよい。あるいは、プラズモニックアンテナ２０は、例えば、ＮＥＭＳ（Nano Electro Mechanical Systems）を有し、外部のコンピュータ装置等がＮＥＭＳを制御することで、溝４０、５０の間隔ｄ１、ｄ２が制御されてもよい。そして、溝４０、５０の間隔ｄ１、ｄ２が制御されることにより、プラズモニックアンテナ２０は、受信する電磁波の波長をシフトでき、受信する電磁波の帯域を調整できる。

また、プラズモニックアンテナ２０は、光源１０と異なる外部の光源により電磁波が照射され、プラズモニックアンテナ２０における誘電率およびキャリア密度の少なくとも一方を変化させることで、受信する電磁波の波長をシフトさせてもよい。

なお、プラズモニックアンテナ２０は、エッチング等により溝４０、５０に対応する凹凸の構造が形成されたシリコン等の基板の平面に、金等の金属を蒸着することにより、誘電体層として機能するシリコン等を有していてもよい。そして、配置された誘電体層が有する屈折率により、誘電体層中を伝播するＴＨｚ帯の電磁波の波長は、空気中を伝播する場合と比べて短くなるため、溝４０、５０の間隔ｄ１、ｄ２が小さくなる。屈折率をｎとする場合、溝の間隔ｄと受信するＴＨｚ帯の電磁波の波長λとは、式（１）のように関係付けられる。

ｄ＝λ／ｎ …（１）
例えば、誘電体層がシリコンの場合、屈折率ｎは３．４１であるため、間隔ｄを波長λより３．４１分の１倍小さくすることができ、プラズモニックアンテナ２０を小型化できる。また、プラズモニックアンテナ２０は、誘電体層が配置されることにより、同じ開口面積を有する場合でも、より多くの溝４０、５０を配置できるため、誘電体層が無い場合と比べてＴＨｚ帯の電磁波に対する感度を向上させることができる。

また、配置される誘電体層内で電磁波の定在波が生じるように、例えば、Ｚ軸方向における誘電体層の厚さＤｚを式（２）に基づいて調整することにより、プラズモニックアンテナ２０の感度を向上させることができる。

Ｄｚ＝Δ＋Ｍ×λ’ｅｆｆ／２ …（２）
なお、λ’ｅｆｆは、共鳴ピーク波長の実行波長を示し、Δは、波長λ’ｅｆｆの定在波が存在できる最小の厚さを示し、Ｍは、０以上の正の整数を示す。

図３は、図１に示したプラズモニックアンテナ２０の別例を示す。図３は、図２（ａ）の場合と同様に、電磁波が入射する導体基板のＸＹ平面上に形成されたプラズモニックアンテナ２０を示す。また、図３のＸ、Ｙ、Ｚ軸の各々は、図２の場合と同様である。

図３に示したプラズモニックアンテナ２０では、穴部ＨＬの中心においてＸＹ平面がＸ軸およびＹ軸方向にそれぞれ２分割される。そして、分割された領域の各々には、穴部ＨＬの中心で対向する領域と同じ受信する電磁波の波長に応じた間隔ｄ１または間隔ｄ２で、溝４０または溝５０が穴部ＨＬの周囲に同心円状に配置される。

このように、図３に示したプラズモニックアンテナ２０は、間隔ｄ１、ｄ２で配置された２つの溝４０、５０を有することにより、間隔ｄ１、ｄ２の各々に対応した波長を有するＴＨｚ帯の２つの電磁波を受信することができる。

なお、プラズモニックアンテナ２０では、穴部ＨＬの中心においてＸＹ平面が２Ｎ等分に分割されてもよい（Ｎは２以上の自然数）。この場合、図３の場合と同様に、プラズモニックアンテナ２０の各領域には、穴部ＨＬの中心で対向する領域と同じ受信する電磁波の波長に応じた間隔で、溝が穴部ＨＬの周囲に同心円状に配置される。これにより、プラズモニックアンテナ２０は、Ｎ以上の波長の電磁波を受信することができる。

また、プラズモニックアンテナ２０は、例えば、検出装置１００の演算処理装置や外部のコンピュータ装置等による制御に基づいて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の少なくとも一方に圧力が印加され、溝４０、５０の間隔ｄ１、ｄ２が制御されてもよい。あるいは、プラズモニックアンテナ２０は、例えば、ＮＥＭＳを有し、外部のコンピュータ装置等がＮＥＭＳを制御することで、溝４０、５０の間隔ｄ１、ｄ２が制御されてもよい。そして、溝４０、５０の間隔ｄ１、ｄ２が制御されることにより、プラズモニックアンテナ２０は、受信する電磁波の波長をシフトでき、受信する電磁波の帯域を調整できる。

また、プラズモニックアンテナ２０は、光源１０と異なる外部の光源により電磁波が照射され、プラズモニックアンテナ２０における誘電率およびキャリア密度の少なくとも一方を変化させることで、受信する電磁波の波長をシフトさせてもよい。

また、プラズモニックアンテナ２０では、溝４０、５０の数は、３つおよび５つとしたが、要求される電磁波の受信感度、周波数帯域やプラズモニックアンテナ２０の大きさ等に応じて適宜決定されることが好ましい。

また、プラズモニックアンテナ２０は、エッチング等により溝４０、５０に対応する凹凸に構造が形成されたシリコン等の基板の平面に、金等の金属を蒸着することにより、誘電体層として機能するシリコン等を有していてもよい。式（１）に示すように、配置された誘電体層の屈折率により、誘電体層中を伝播するＴＨｚ帯の電磁波の波長は、空気中を伝播する場合と比べて短くなるため、溝４０、５０の間隔ｄ１、ｄ２を小さくでき、プラズモニックアンテナ２０を小型化できる。また、プラズモニックアンテナ２０は、誘電体層が配置されることにより、同じ開口面積を有する場合でも、より多くの溝４０、５０を配置できるため、誘電体層が無い場合と比べてＴＨｚ帯の電磁波に対する感度を向上させることができる。

また、配置される誘電体層内で電磁波の定在波が生じるように、例えば、Ｚ軸方向の誘電体層における厚さＤｚを式（２）に基づいて調整することにより、プラズモニックアンテナ２０の感度を向上させてもよい。

図４は、図１に示したプラズモニックアンテナ２０の別例を示す。図４は、図２（ａ）の場合と同様に、電磁波が入射する導体基板のＸＹ平面上に形成されたプラズモニックアンテナ２０を示す。また、図４のＸ、Ｙ、Ｚ軸の各々は、図２の場合と同様である。

図４に示したプラズモニックアンテナ２０には、例えば、穴部ＨＬの中心において、正のＸ軸方向（角度θが０度）から負のＸ軸方向（角度θが１８０度）に変化する間に、間隔がｄ１からｄ２に変化する黒色の領域で示した複数の溝４０ａが同心円状に配置される。例えば、溝４０ａの間隔ｄａは、例えば、式（３）のように角度θと関係付けられる。

ｄａ＝ｄ１−（ｄ１−ｄ２）（１−ｃｏｓθ）／２ …（３）
すなわち、溝４０ａの間隔ｄａは、正のＸ軸方向からの角度θに応じて、ｄ１からｄ２に連続的に変化する。また、図４に示したプラズモニックアンテナ２０では、複数の溝４０ａは、穴部ＨＬの中心を通るＸ軸方向に平行な破線で示した直線に対して軸対称に配置される。なお、複数の溝４０ａは、例えば、穴部ＨＬの中心に対して点対称に配置されてもよい。

図５は、図４に示した溝４０ａが点対称に配置されたプラズモニックアンテナ２０の一例を示す。なお、図５は、図４の場合と同様に、電磁波が入射する導体基板のＸＹ平面上に形成されたプラズモニックアンテナ２０を示し、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の各々は、図４の場合と同様である。

このように、図４および図５に示したプラズモニックアンテナ２０は、間隔ｄａが連続する複数の溝４０ａを有することにより、波長λ１（間隔ｄ１）から波長λ２（間隔ｄ２）の帯域幅における電磁波を受信することができる。波長λ１は、第１波長の一例であり、波長λ２は、第２波長の一例である。

なお、溝４０ａの間隔ｄａは、角度θが０度から３６０度に変化する間に、ｄ１からｄ２に変化してもよい。

また、プラズモニックアンテナ２０は、例えば、検出装置１００の演算処理装置や外部のコンピュータ装置等による制御に基づいて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の少なくとも一方に圧力が印加され、溝４０ａの間隔ｄａが制御されてもよい。あるいは、プラズモニックアンテナ２０は、例えば、ＮＥＭＳを有し、外部のコンピュータ装置等がＮＥＭＳを制御することで、溝４０ａの間隔ｄａが制御されてもよい。そして、溝４０ａの間隔ｄａが制御されることにより、プラズモニックアンテナ２０は、受信する電磁波の波長をシフトでき、受信する電磁波の帯域を調整できる。

また、プラズモニックアンテナ２０は、光源１０と異なる外部の光源により電磁波が照射される、あるいはゲート電圧により誘電体中のキャリア密度を変化させることで、受信する電磁波の波長をシフトさせてもよい。

また、図４および図５に示したプラズモニックアンテナ２０では、溝４０ａの数は、５つとしたが、要求される電磁波の受信感度、周波数帯域やプラズモニックアンテナ２０の大きさ等に応じて適宜決定されることが好ましい。

また、図４および図５に示したプラズモニックアンテナ２０は、エッチング等により溝４０ａに対応する凹凸の構造が形成されたシリコン等の基板の平面に、金等の金属を蒸着することにより、誘電体層として機能するシリコン等を有していてもよい。式（１）に示すように、形成された誘電体層の屈折率により、誘電体層中を伝播するＴＨｚ帯の電磁波の波長は、空気中を伝播する場合と比べて小さくなるため、溝４０ａの間隔を短くでき、プラズモニックアンテナ２０を小型化できる。また、プラズモニックアンテナ２０は、誘電体層が配置されることにより、同じ開口面積でもより多くの溝４０ａを配置できるため、誘電体層が無い場合と比べてＴＨｚ帯の電磁波に対する感度を向上させることができる。

また、配置される誘電体層内で電磁波の定在波が生じるように、例えば、Ｚ軸方向における誘電体層の厚さＤｚを式（２）に基づいて調整することにより、プラズモニックアンテナ２０の感度を向上させてもよい。

図６は、図１に示したプラズモニックアンテナ２０の製造方法の一例を示す。図６では、例えば、図２に示したプラズモニックアンテナ２０を生成する場合の製造方法を示す。なお、図３−図５に示したプラズモニックアンテナ２０についても、図６に示した方法で同様に製造される。

図６では、例えば、金等の導体基板ＳＢのＸＹ平面のうち、電磁波が入射するＸＹ平面上に、溝４０、５０を形成するために、溝４０、５０以外の網掛けで示したＸＹ平面の部分を、フォトマスク等を用いて皮膜ＭＫでマスクする。なお、図６（ａ）は、図２の場合と同様に、電磁波が入射する導体基板ＳＢのＸＹ平面を示し、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示した破線Ａ１−Ａ２の位置における導体基板ＳＢの断面を示す。

次に、図６に示したパターンの皮膜ＭＫでマスクされた導体基板ＳＢの平面に、金等の金属を蒸着することにより、皮膜ＭＫでマスクされた導体基板ＳＢの部分が溝４０、５０として形成される。そして、皮膜ＭＫは、導体基板ＳＢから除去される。その後、穴部ＨＬを形成するために、穴部ＨＬ以外の導体基板ＳＢの部分を、フォトマスク等を用いて皮膜でマスクする。穴部ＨＬ以外の部分が皮膜でマスクされた導体基板ＳＢをエッチングすることにより、穴部ＨＬが形成される。そして、皮膜を除去することにより、プラズモニックアンテナ２０が生成される。

図１から図６に示した実施形態では、プラズモニックアンテナ２０は、穴部ＨＬの中心においてＸＹ平面を分割した複数の領域の各々において、ＴＨｚ帯の電磁波のうち所望の受信波長に応じた間隔ｄ１、ｄ２で、同心円状に配置された複数の溝４０、５０を有する。あるいは、プラズモニックアンテナ２０は、波長λ１から波長λ２の帯域幅における電磁波の波長に応じて連続的に変化する間隔ｄａで、穴部ＨＬの周囲に配置された複数の溝４０ａを有する。すなわち、間隔が異なる複数の溝が配置されることにより、プラズモニックアンテナ２０は、入射するＴＨｚ帯の電磁波のうち、所望する複数の波長の電磁波を受信することができ、広帯域化を図ることができる。

また、プラズモニックアンテナ２０は、シリコン等の誘電体層が配置されることにより、プラズモニックアンテナ２０の小型化および高感度化を図ることができる。

図７は、検出装置の別の実施形態を示す。図１で説明した要素と同一または同様の機能を有する要素については、同一または同様の符号を付し、これらについては、詳細な説明を省略する。

図７に示した検出装置１００Ａは、光源１０、プラズモニックアンテナ２０ａおよび検出部３０を有する。

プラズモニックアンテナ２０ａは、例えば、シリコン等の誘電体基板と、金等の導体層とを含み、誘電体基板のうち電磁波が入射する平面に対向する平面上に、同心円状に複数の溝が形成されたＢＥ構造を有する。そして、プラズモニックアンテナ２０ａは、光源１０により射出され、対象物ＯＢＪを透過したＴＨｚ帯の電磁波を受信する。プラズモニックアンテナ２０ａは、複数の溝が形成された面に配置された導体層のＢＥ構造による表面プラズモンにより、受信した電磁波をＢＥ構造の中心に集光する。プラズモニックアンテナ２０ａは、集光したＴＨｚ帯の電磁波を検出部３０に出力する。プラズモニックアンテナ２０ａについては、図８で説明する。電磁波が入射する誘電体基板の平面は、第１平面の一例である。電磁波が入射する平面に対向する誘電体基板の平面は、第２平面の一例である。

なお、対象物ＯＢＪは、光源１０とプラズモニックアンテナ２０ａとの間に配置されたが、プラズモニックアンテナ２０ａと検出部３０との間に配置されてもよい。この場合、プラズモニックアンテナ２０ａは、集光したＴＨｚ帯の電磁波を対象物ＯＢＪに照射し、検出部３０は、対象物ＯＢＪを透過したＴＨｚ帯の電磁波を受信する。

図８は、図７に示したプラズモニックアンテナ２０ａの一例を示す。図８（ａ）は、電磁波が入射する平面と対向する誘電体基板の平面（すなわち、電磁波が検出部３０に出力される平面）上に形成されたプラズモニックアンテナ２０ａを示す。以下では、電磁波が検出部３０に出力される平面は、“出力側平面”とも称される。図８（ｂ）は、図７（ａ）に示した破線Ｂ１−Ｂ２におけるプラズモニックアンテナ２０ａの断面を示す。なお、図８では、プラズモニックアンテナ２０ａが形成される誘電体基板の平面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面に対して垂直で、プラズモニックアンテナ２０ａから光源１０の方向をＺ軸とする。

図８（ｂ）に示すように、プラズモニックアンテナ２０ａは、誘電体基板１１０と導体層１２０とを有する。誘電体基板１１０は、例えば、シリコンや酸化チタン等であり、出力側平面であるＸＹ平面上に、受信するＴＨｚ帯の電磁波のうち所望の受信波長に応じた間隔ｄｃで複数の溝４０ｂが同心円状に配置されたＢＥ構造を有する。

導体層１２０は、例えば、金、銀、銅等の金属膜であり、溝４０ｂが形成された誘電体基板１１０のＸＹ平面（出力側平面）上に、蒸着により膜厚ｄｔの層状に配置され、プラズモニックアンテナ２０ａとして動作する。なお、導体層１２０の膜厚ｄｔは、溝４０ｂの幅Ｗの２分の１より薄くし、溝４０ｂが、導体層１２０により完全に埋まらないようにすることが好ましい。そして、導体層１２０が、予め溝４０ｂが形成された誘電体基板１１０のＸＹ平面に蒸着により可能な限り薄く形成されることにより、非特許文献２のように、導体基板の内部においてＴＨｚ帯の電磁波の多重反射を回避できる。この結果、プラズモニックアンテナ２０ａは、例えば、非特許文献２の場合と比べて、ＴＨｚ帯の電磁波に対する感度を２００倍程度向上させることができる。

また、誘電体基板１１０がシリコンの場合、屈折率ｎは３．４１であるため、間隔ｄｃを波長λより３．４１分の１倍小さくすることができ、プラズモニックアンテナ２０ａを小型化できる。

また、プラズモニックアンテナ２０ａでは、溝４０ｂの数は３つとしたが、要求される電磁波の受信感度、周波数帯域やプラズモニックアンテナ２０ａの大きさ等に応じて適宜決定されることが好ましい。

また、プラズモニックアンテナ２０ａは、例えば、検出装置１００Ａの演算処理装置や外部のコンピュータ装置等による制御に基づいて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の少なくとも一方に圧力が印加され、溝４０ｂの間隔ｄｃが制御されてもよい。あるいは、プラズモニックアンテナ２０ａは、例えば、ＮＥＭＳを有し、外部のコンピュータ装置等がＮＥＭＳを制御することで、溝４０ｂの間隔ｄｃが制御されてもよい。そして、溝４０ｂの間隔ｄｃが制御されることにより、プラズモニックアンテナ２０ａは、受信する電磁波の波長をシフトでき、受信する電磁波の帯域を調整できる。すなわち、プラズモニックアンテナ２０ａの広帯域化を図ることができる。

また、プラズモニックアンテナ２０ａは、光源１０と異なる外部の光源により電磁波が照射され、プラズモニックアンテナ２０ａにおける誘電率およびキャリア密度の少なくとも一方を変化させることで、受信する電磁波の波長をシフトさせてもよい。

また、プラズモニックアンテナ２０ａは、誘電体基板１１０を有するため、プラズモニックアンテナ２０ａの小型化を図ることできる。また、プラズモニックアンテナ２０ａは、誘電体基板１１０を有することにより、同じ開口面積を有する場合でも、より多くの溝４０ｃを配置できるため、誘電体層が無い場合と比べてＴＨｚ帯の電磁波に対する感度を向上させることができる。

また、配置される誘電体層内で電磁波の定在波が生じるように、例えば、Ｚ軸方向における誘電体基板１１０の厚さＤｚを式（２）に基づいて調整することにより、プラズモニックアンテナ２０の感度を向上させることができる。

また、誘電体基板１１０に形成された複数の溝４０ｂは、図８に示すように、穴部ＨＬに中心にして同心円状に形成されたが、例えば、図２から図５に示した形状の溝が形成されてもよい。

図９は、図７に示したプラズモニックアンテナ２０ａの製造方法の一例を示す。図９では、例えば、図８に示したプラズモニックアンテナ２０ａを生成する場合の製造方法を示す。なお、プラズモニックアンテナ２０ａが図２−図５に示したパターンの溝を有する場合についても、図９に示した方法で同様に製造される。また、図６で説明した要素と同一または同様の機能を有する要素については、同一または同様の符号を付し、これらについては、詳細な説明を省略する。

図９では、例えば、式（２）に示す厚さＤｚを有する誘電体基板１１０のＸＹ平面うち、出力側平面上に溝４０ｂを形成するために、溝４０ｂ以外の網掛けで示した出力側平面の部分を、フォトマスク等を用いて皮膜ＭＫでマスクする。なお、図９（ａ）は、誘電体基板１１０の出力側平面を示し、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示した破線Ｂ１−Ｂ２の位置における誘電体基板１１０の断面を示す。

次に、図９に示したパターンの皮膜ＭＫでマスクされた誘電体基板１１０をエッチングすることにより、白色で示した領域のシリコンが除去され、図８に示した溝４０ｂが形成される。そして、皮膜ＭＫを誘電体基板１１０から除去し、溝４０ｂが形成された誘電体基板１１０の出力側平面に対して、金等の金属を蒸着することにより、膜厚ｄｔの導体層１２０が形成される。その後、穴部ＨＬを形成するために、穴部ＨＬ以外の導体層１２０の部分を、フォトマスク等を用いて皮膜でマスクする。穴部ＨＬ以外の部分が皮膜でマスクされた導体層１２０をエッチングすることにより、穴部ＨＬの導体層１２０が除去される。そして、皮膜を除去することにより、プラズモニックアンテナ２０ａが生成される。

図７から図９に示した実施形態では、プラズモニックアンテナ２０ａは、溝４０ｂが形成された誘電体基板１１０の出力側平面上に、溝４０ｂの幅Ｗの２分の１より薄い膜厚ｄｔを有する導体層１２０が蒸着される。すなわち、導体層１２０は、予め溝４０ｂが形成された誘電体基板１１０の出力側平面上に蒸着により形成されることで、従来と比べて薄く配置することができる。これにより、プラズモニックアンテナ２０ａは、従来と比べて、ＴＨｚ帯の電磁波の感度を２００倍程度以上に向上させることができる。

また、プラズモニックアンテナ２０ａは、外部のコンピュータ装置等による制御に基づいて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の少なくとも一方に圧力が印加される等により、溝４０ｂの間隔ｄｃが変えられることで、受信する電磁波の波長をシフトでき、受信する電磁波の帯域を調整できる。これにより、プラズモニックアンテナ２０ａは、受信するＴＨｚ帯の電磁波の広帯域化を図ることができる。

以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図する。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。

１０…光源；２０，２０ａ…プラズモニックアンテナ；３０…検出部；４０，４０ａ，４０ｂ，５０…溝；１００，１００Ａ…検出装置；１１０…誘電体基板；１２０…導体層；ＨＬ…穴部；ＭＫ…皮膜；ＯＢＪ…対象物；ＳＢ…導体基板

Claims (10)

1. 電磁波が入射する平面を有する導体基板を備え、
   前記導体基板は、前記平面上の所定の位置を基準にして前記平面を分割した複数の領域において、前記所定の位置を中心に同心円状に複数の溝がそれぞれ配置され、
   前記領域に配置される溝の間隔は、前記電磁波のうち所望の受信波長に応じた間隔であって、前記領域に応じて異なる
   ことを特徴とするプラズモニックアンテナ。
2. 請求項１に記載のプラズモニックアンテナにおいて、
   前記平面上において前記所定の位置を基準として対向する２つの前記領域では、前記複数の溝の間隔が同じであることを特徴とするプラズモニックアンテナ。
3. 電磁波が入射する平面を有する導体基板を備え、
   前記導体基板は、前記平面上の所定の位置を中心に同心円状に複数の溝が配置され、
   前記溝の間隔は、前記電磁波のうち第１波長から第２波長の受信する所望の帯域と前記所定の位置を中心とする角度とに応じて前記第１波長の間隔から前記第２波長の間隔に変化する
   ことを特徴とするプラズモニックアンテナ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のプラズモニックアンテナにおいて、
   前記平面上に誘電体層をさらに備えることを特徴とするプラズモニックアンテナ。
5. 電磁波が入射する第１平面を有する誘電体基板を備え、
   前記誘電体基板は、前記第１平面に対向する第２平面上に前記電磁波のうち所望の受信波長に応じた間隔で同心円状に複数の溝が配置されるとともに、前記第２平面および前記複数の溝に前記溝の幅の２分の１より薄い膜厚の導体層が配置される
   ことを特徴とするプラズモニックアンテナ。
6. 電磁波が入射する導体基板の平面上の所定の位置を基準にして前記平面を分割した複数の領域において、前記電磁波のうち前記領域に応じて異なる所望の受信波長に応じた間隔で、前記所定の位置を中心に同心円状に配置された複数の溝を金属の蒸着により形成する
   ことを特徴とするプラズモニックアンテナの製造方法。
7. 電磁波が入射する導体基板の平面において、前記電磁波のうち第１波長から第２波長の受信する所望の帯域と前記平面上の所定の位置を中心とする角度とに応じて前記第１波長の間隔から前記第２波長の間隔に変化する間隔で、前記平面上の所定の位置を中心に同心円状に配置される複数の溝を金属の蒸着により形成する
   ことを特徴とするプラズモニックアンテナの製造方法。
8. 電磁波が入射する第１平面を有する誘電体基板において、前記第１平面に対向する第２平面上に、前記電磁波のうち所望の受信波長に応じた間隔で同心円状に配置された複数の溝をエッチングにより形成し、
   前記第２平面および前記複数の溝に、前記溝の幅の２分の１より薄い膜厚の導体層を蒸着により形成する
   ことを特徴とするプラズモニックアンテナの製造方法。
9. 検出対象の対象物に電磁波を射出する光源と、
   前記対象物を透過した前記電磁波を集光する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のプラズモニックアンテナと、
   前記プラズモニックアンテナにより集光された前記電磁波を検出する検出部と
   を備えることを特徴とする検出装置。
10. 電磁波を射出する光源と、
    前記光源より射出された前記電磁波を受信し、受信した前記電磁波を集光して検出対象の対象物に照射する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のプラズモニックアンテナと、
    前記対象物を透過した前記電磁波を検出する検出部と
    を備えることを特徴とする検出装置。

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