JP3929728B2

JP3929728B2 - Optical waveguide line

Info

Publication number: JP3929728B2
Application number: JP2001274084A
Authority: JP
Inventors: 祥雅片桐; 靖幸光岡; 義昭中野; 郁太郎小林
Original assignee: Seiko Instruments Inc; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Seiko Instruments Inc; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2021-09-10
Also published as: JP2003084153A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波線路に関し、より詳細には、電子回路と同様に自由度の高いパターン設計が可能な光導波線路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属表面を伝播する光波の存在が、よく知られている（例えば、Surface Science 34 (1973) pp.1-19. North-Holland Publishing Co.）。金属表面を伝播する光波は、金属の表面プラズモンと結合した光であり、表面に垂直な方向に対して電場および磁場ともに減衰するＭａｘｗｅｌｌ方程式の解として、純粋に数学的に導出することができる。
【０００３】
例えば、誘電体として媒質１を、金属として媒質２を想定する。図１に、これら媒質の座標系を示す。媒質１と媒質２の界面内で光波が伝播する方向をｘ軸に定め、界面に垂直で媒質２に向かう方向をｚ軸とする。このとき、界面に沿って伝播する光波の電場および磁場ベクトルは、
【０００４】
【数１】

【０００５】
となる。ここでｓｙｇ（ｚ）は、符号関数であり、引数が正の時は１、負の時は−１、その他は０である。また、ωは光の角周波数、βは伝播定数である。
【０００６】
この解の下で、上述した式をＭａｘｗｅｌｌ方程式に代入する。簡単な計算により、表面に局在できる波、すなわちｚ方向に対して電場も磁場も減衰するのは、ＴＭ波のみであることが導出される。図１に示した座標系でこれを形式的に書くと、
【０００７】
【数２】

【０００８】
となる。ここで、媒質１および２の各々において、
【０００９】
【数３】

【００１０】
が満足されている。界面での電場および磁場の連続性から解の中の各パラメータは、
【００１１】
【数４】

【００１２】
と条件づけられる。この条件は、媒質１および媒質２のいずれかが、誘電率を負とする金属性でなければならないことを示している。すなわち、媒質２を金属とする表面光波の存在が、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式の純粋な数学的帰結であることが証明されたことになる。
【００１３】
このような金属表面に沿って伝播する光波の姿態を説明する。図２に、Ａｕ（金）とＳｉＯ_２（ガラス）とからなる金属光導波線路について計算した金属側の光波の電場強度分布を示す。金属表面から電場は急速に減衰し、光波の浸透は約数十ナノメートルまでである。
【００１４】
一方、図３に、誘電体側の光波の電場強度分布を示す。光波は、数ミクロン程度まで浸透することがわかる。いずれの側でも界面から遠ざかる方向に指数関数的に強度が減衰しており、金属−誘電体界面に光エネルギーが閉じ込められ、伝播方向は、界面に沿った方向となる。
【００１５】
このような金属表面を光波が伝播することを利用した１次元または２次元的な光導波路が提案されている。例えば、特開平７−１２０６３６号公報によれば、光回路として利用できる２次元的な光導波路は、金属界面に垂直な方向では上述した金属表面への光波の局在を利用して光エネルギーを閉じ込め、平面内では従来の光回路と同様の屈折率閉じ込めを利用して光エネルギーを閉じ込めることにより、光エネルギーを経路に沿って伝播させている。
【００１６】
図４に、２次元的光導波路の断面を示す。基板である第１誘電体４１をリッジ状に形成し、その側壁に第２誘電体４２を配置する。第１誘電体４１の上面に金属膜４３が付与されている。光波は、水平方向において第１誘電体４１と第２誘電体４２の屈折率差により閉じ込められ、垂直方向において金属膜４３と第１誘電体４１の界面で光波の局在により閉じ込められる。このようにして、光は、図４の紙面に対して垂直な方向に伝播が可能となる。水平方向の光閉じ込めを達成するためには、少なくとも第１誘電体４１の屈折率が、第２誘電体４２の屈折率よりも高いことが必要である。
【００１７】
図５に、２次元的光導波路の他の構成を示す。２枚の金属膜４３ａ，４３ｂを設け、この間隙に光波を局在させる。金属膜４３ａ，４３ｂに水平な方向は、第１誘電体４１をリッジ状に形成し、その側壁に第２誘電体４２を配置して、図４と同様のリッジ構造を設けることにより、屈折率差により光波を閉じ込めるようになっている。光の伝播方向は、紙面に垂直な方向である。
【００１８】
２枚の金属で間隙を形成すると、カットオフ周波数が存在しないため、間隙をどれほど低減しようとしても、それに対応した大きな波数の光波が存在することができる。このため、波長以下の極微小間隙へ光波を閉じ込めることも可能である。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
電子回路と同様に自由度の高いパターン設計を、光導波線路で実現するためには、２次元平面内において、直角を含む極小曲率半径でかつ低損失な光路の曲げを実現する必要がある。
【００２０】
しかしながら、従来の金属光導波線路では、水平方向の光閉じ込めに屈折率差を利用しているため、曲げの曲率半径が小さくなるにつれて放射損失が増大する。このため、損失を許容値以下に抑圧しようとすると、曲げ曲率の最小値が制限され、微小な光回路を自由に設計することが難しいという問題があった。
【００２１】
また、従来の金属光導波線路では、垂直方向において波長以下の領域に光エネルギーを閉じ込めようとしているので、水平方向の閉じ込め領域の幅の最小値が制限される。この制限は、表面プラズモンからエネルギーを得てフォトンを真空場へ放出させるためには、放出しようとする領域で真空場のモードが存在する必要があるためである。したがって、金属導波線路の幅をむやみに低減すると真空場へのフォトンの放出が抑圧され、光波の伝播が阻害されるという問題もあった。このとき、表面プラズモンのエネルギーは、熱フォノンへ移行する。これは不可逆的なエネルギー散逸である。
【００２２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電子回路と同様に自由度の高いパターン設計が可能な光導波線路を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、誘電体基板に堆積された誘電体膜の上に金属線路を装荷し、表面プラズモン−フォトン間の光エネルギー交換による光伝播に基づいて、該金属線路と前記誘電体膜との界面に沿って光波を誘導させる光導波線路であって、前記金属線路の下部に、前記界面に垂直な方向の深さと前記金属線路の幅とを乗じた断面積が、前記光波の波長の二乗の１／４以上である前記光波の閉じ込め領域を有するように構成され、前記誘電体膜の屈折率を、前記誘電体基板の屈折率よりも小さくすることにより、前記誘電体膜に光エネルギーを閉じ込めるように構成されたことを特徴とする。
【００２４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記金属線路の幅は、前記光波の波長の１／２以上１０μｍ以下であることを特徴とする。
【００２５】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の前記誘電体膜の厚さは、０．２５μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。
【００２７】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の前記誘電体膜は、屈折率が異なる複数の誘電体膜を積層して形成することを特徴とする。
【００２８】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の前記金属線路は、折れ曲がり部分にパッドを有し、該パッドは、前記金属線路の幅よりも大きい直径の円、または該円に外接する多角形の形状を有することを特徴とする。
【００２９】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の光導波線路において、前記金属線路の一端に配置された、前記金属線路の幅よりも大きい直径の円または該円に外接する多角形のパッドと、該パッドを起点として異なる方向に放射状に配置された複数の金属線路とを備えたことを特徴とする。
【００３０】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の前記複数の金属線路は、各々異なる幅を有することを特徴とする。
【００３１】
請求項８に記載の発明は、請求項５、６または７に記載の前記パッドの前記直径は、前記金属線路の幅の２倍であることを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
金属表面を伝播する光波の本質は、フォトンと表面プラズモンとの間における光周波数でのエネルギー交換である。従って、金属光導波線路において、光波は、金属が装荷された部分にのみ存在し、金属が装荷されていないところでは電磁波としての光波は存在できない。その結果、垂直方向には金属界面近傍への光エネルギーを集中させ、水平方向には線路内に光波を閉じ込める作用を有する。従って、光波は、線路にガイドされながら金属表面に沿って伝播する。このようにして、金属線路を基板上に２次元的に描画した簡易な構造で、光回路を構成するために必要な２次元光導波線路を構成することができる。
【００３３】
表面プラズモンからエネルギーを得て真空場へフォトンを放出する場合、電磁場の存在する領域の最小体積は、１／８λ^３である。進行方向へはλ／２毎に表面プラズモンとフォトンが入れ替わるので、進行方向に対して垂直な面で光波を切断した場合に、電磁場の存在する領域の断面積は、最小値１／４λ^２と規定される。
【００３４】
金属界面を伝播する光の閉じ込め領域を、界面に垂直な方向にＤとし、水平方向にＷとすると、表面プラズモン−フォトン間のエネルギー交換による光波伝播の条件は、
【００３５】
【数５】

【００３６】
である。本発明にかかる金属光導波線路では、金属膜の片界面のみを利用した開放系なので、垂直方向に対して光エネルギーは、波長以下の領域に必ずしも閉じ込められていない。図２または３に示したように、高々波長程度の領域に局在すると仮定すれば、Ｄ≒λなのでＷ＞λ／４となる。この水平方向の幅は、従来の金属光導波線路において、垂直方向の極めて薄い閉じ込め領域、例えば、Ｄ≒λ／１００に対してＷ＞２５λと比較すると、光回路に適用するのに十分小さい値である。
【００３７】
金属線路を装荷する誘電体膜は、誘電体基板上に堆積され、誘電体膜の誘電率は、誘電体基板の屈折率よりも小さい。図６を参照して、このような構造の作用を説明する。図６（ａ）に示したように、基板である第１誘電体６１の上面に、金属線路である金属膜６３を付与する。装荷する金属膜６３の幅の最小値は、例えば波長１．５５μｍにおいて、Ｄが波長程度の場合を仮定すると０．４μｍと非常に小さい。線路幅を増大させると、図６（ａ）に示したように、従来の屈折率閉じ込め形光導波路と同様に、高次水平モードが出現する。高次水平モードは、基本モードとともに存在するが、制御するのが困難なため、光回路への適用は好ましくない。高次水平モードを防止するため、金属線路の幅を小さくすることも考えられるが、サブミクロン幅の線路を高精度に作製することは、容易ではない。
【００３８】
金属線路幅を通常の技術で作りやすいように十分太く（例えば１０μｍ）した場合でも、高次水平モードを発生させないためには、垂直方向の分布を狭くすればよい。図６（ｂ）に示したように、基板である第１誘電体６１に第２誘電体６２を堆積し、第２誘電体６１の上面に金属膜６３を付与する。誘電体基板上にそれよりも低屈折率の誘電体膜を形成すると、基板との屈折率差により、金属線路直下に局在する光波の垂直方向の分布は、基板の屈折率が高いことから圧縮されて、誘電体膜内へ光エネルギーを閉じ込めようとする。このため、金属線路幅をある程度増大させても単一モードの光波を得ることができる。
【００３９】
従って、金属表面への光波の局在を利用して光エネルギーを閉じ込める一方で、通常の技術で作ることのできる金属線路幅を考慮すれば、金属線路幅Ｗ＞λ／２であり、また、１０μｍ以下であることが望ましい。一方、垂直方向の分布を狭くすれば、実用的な金属光導波線路を作製することができるので、上述した金属線路幅に対して、誘電体膜の厚さは、０．２５μｍ以上１０μｍ以下であれば、実用上好ましい。
【００４０】
注意すべきことは、誘電体膜と誘電体基板との屈折率差により、光が誘電体膜に閉じ込められるようなスラブ形導波路を形成しているわけではないということである。このような導波路を形成するために、誘電体膜（第２誘電体６２）の屈折率は、誘電体基板（第１誘電体６１）の屈折率よりも高い必要がある。ここでは、誘電体基板（第１誘電体６１）の屈折率を誘電体膜（第２誘電体６２）の屈折率よりも高めて、垂直方向の電磁場の減衰量を増大させることを目的としている。
【００４１】
図７に、垂直方向の電場強度分布を制限する光導波路を示す。上述した垂直方向の分布制限による効果は、誘電体膜を屈折率が異なる複数の誘電体膜からなる膜から構成しても容易に得られる。基板である第１誘電体７１に、屈折率の異なる２種類のλ／４膜を交互に重ねて禁止帯７２を形成し、その上面に金属線路である金属膜７３を付与する。このようにして、電磁場を金属膜側に完全に限定することができ、従って、垂直方向の分布をより正確に制限できる。
【００４２】
以上述べたような屈折率、または、光波に対する周期的摂動による電磁場の存在領域の限定方法は、極端に間隙を狭くすることを要請される２つの金属界面を利用した従来の金属光導波線路と異なり、比較的大きな領域に適用できる。このため、金属光導波線路の幅を広げずに、単一水平モードを得ることができる。
【００４３】
図８に、金属線路の折れ曲がり部分を示す。図８（ａ）に、パッドがない９０度折れ曲がり金属光導波線路を示す。水平に配置された線路の左側から伝播してきた光波は、折れ曲がり点の線路境界で反射してもとの経路を戻る。折れ曲がり点から垂直に配置された線路へ向かう光波は、回折による波数ベクトルの垂直成分の極微小な寄与を除いて伝播しない。
【００４４】
図８（ｂ）に、パッドを設けた９０度折れ曲がり金属光導波線路を示す。金属線路が折れ曲がった点に、金属線路幅よりも大きい直径の円またはその円に外接する多角形のパッドを設ける。折れ曲がり点にパッドを配置すると、水平成分とともに垂直成分を共振モードに持つ２次元的な共振器が形成される。この共振器内で光波は、表面プラズモンとフォトンとのエネルギー交換をしながら閉じ込められる。このとき、表面プラズモンから真空場へフォトンを放出する際に、水平成分と垂直成分の両方のモードにフォトンを放出することができる。従って、水平方向の金属線路を左側から伝播してきた光波は、パッド状の共振器内に一旦蓄積され、水平金属線路を戻る成分とともに垂直方向の金属線路を伝播するモードにも変換される。すなわち、パッドの共振器作用と表面プラズモン−フォトンのエネルギー交換作用により、金属光導波線路において９０度の折れ曲がり部分を実現することができる。
【００４５】
（実施例１）
図９に、本発明の第１の実施形態にかかる金属光導波線路を示す。金属光導波線路は、誘電体基板９１に誘電体膜９２を堆積し、誘電体膜９２上に金属線路である装荷金属膜９３を付与する。誘電体基板９１としては、例えば、ＩｎＰ，ＧａＡｓ，Ｓｉ等の半導体基板が利用できるほか、石英等のガラス基板も利用可能である。誘電体膜９２としては、利用する光波の波長帯域で損失が少ない透明誘電体層であることが望ましい。赤外領域の光波に対しては半導体基板を選択できるので、例えば、このような透明誘電体層としては、ＳｉＯ_２膜が利用できる。このとき、基板屈折率は約３であるのに対し、誘電体膜の屈折率は１．５程度である。
【００４６】
装荷金属膜９３としては、プラズモンの作用が顕著な高電子密度の金属が望ましい。このような金属として実用的なものは、Ａｕ，Ａｇ，ＣｕのほかにＦｅ等の遷移金属等も利用できる。但し、Ａｕを用いる場合には界面剥離の問題があるため、ＣｒまたはＴｉの極薄い接着層が必要である。また、このような金属膜を堆積する場合に、高電子密度を達成するために緻密性も必要である。従って、真空蒸着法よりもスパッタ法による金属膜形成が望ましい。金属膜から図９に示したストライプを形成するためには、誘電体膜９２にマスクを付与し装荷金属膜９３を堆積した後、リフトオフする簡易な形成法が利用できる。また、金属膜まで完全に付与した後、マスクを付与しエッチングする方法も利用できる。平坦な側壁を持つ金属線路を得るのであれば、後者のエッチングする方法が望ましい。
【００４７】
なお、誘電体膜９２を多層とする場合には、単純に単層の誘電体膜を多層膜に置き換えて付与しておけばよい。このような膜の構造の例は、図７に示した。
【００４８】
（実施例２）
図１０に、本発明の第２の実施形態にかかる金属光導波線路を示す。垂直方向の構造は、第１の実施形態にかかる金属光導波線路と同じであり、曲率半径Ｒの曲げの部分が、装荷金属膜９３の２次元構造として新たに加わっている。これは、２次元的な光回路における要素技術のひとつであり、曲げ線路の実施形態の一つである。表面プラズモン−フォトンの強力な結合により曲げの曲率半径Ｒを小さくしても、光波は、大きな損失なく伝播する。曲率半径の最小値は、パターン設計から制約され、およそ金属線路の幅の２倍である。
【００４９】
（実施例３）
図１１に、本発明の第３の実施形態にかかる金属光導波線路を示す。垂直方向の構造は、第１の実施形態にかかる金属光導波線路と同じであり、ストライプ上の金属線路を構成する装荷金属膜９３は、２つの金属コーナーパッド９４ａ，９４ｂにより進行方向を９０度曲げられている。
【００５０】
ここでは正方形の金属コーナーパッド９４ａ，９４ｂが示されている。金属コーナーパッド９４ａ，９４ｂの１辺は、金属線路の幅よりも大きい円の直径に相当し、金属線路の幅の約２倍となっている。多角形や円形のパッドも同様に配置可能である。これらのパッドは、正方形パッドと同様に、金属線路の幅よりも大きな直径の円またはこの円に外接する多角形である。
【００５１】
（実施例４）
図１２に、本発明の第４の実施形態にかかる金属光導波線路を示す。垂直方向の構造は、第１の実施形態にかかる金属光導波線路と同じである。水平方向のストライプ状の金属線路を構成する装荷金属膜９３の一端に、円形パッド９４ｃが配置され、そこから２本の金属線路が異なる方向に放射し、さらに各々円形パッド９４ｄ，９４ｅを介して水平方向の金属線路に変換されている。
【００５２】
水平ストライプの金属線路の左側から伝播してきた光波は、円形パッド９４ｃで二つの金属線路に分岐する。分岐した各々の光波は、円形パッド９４ｄ，９４ｅで方向を転換され、水平方向の金属線路を伝播するようになる。円形パッド９４ｄ，９４ｅは、第２の実施形態に示した湾曲した金属光導波線路に置きかえることができる。
【００５３】
なお、２本の水平ストライプの金属線路の右側から光波を伝播させると、二つの光波は円形パッド９４ｃで合波されて、左側の水平ストライプの金属線路を伝播する。このようにして、図１２に示したような分岐構造によって、容易に合分波機能を実現することができる。
【００５４】
（実施例５）
図１３に、本発明の第５の実施形態にかかる金属光導波線路を示す。垂直方向の構造は、第１の実施形態にかかる金属光導波線路と同じである。水平方向のストライプ状の金属線路を構成する装荷金属膜９３の一端に、円形パッド９４ｆが配置され、そこから３本の異なる幅（ｗ１，ｗ２，ｗ３）の金属線路が異なる方向に放射し、各々湾曲部を介して水平方向の金属線路に変換されている。水平ストライプの金属線路の左側から伝播してきた光波は、円形パッド９４ｆで三つの金属線路に分岐する。モード密度が金属線路の幅に比例して増大すると仮定すれば、分岐比は、ｗ１：ｗ２：ｗ３となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、表面プラズモンとフォトンがエネルギー交換することにより、光波が金属界面を伝播する金属光導波線路であって、界面に垂直な方向の電磁場の存在領域を最適化し、誘電体膜に光エネルギーを閉じ込めることにより、基本モードの光波の経路を２次元平面内で自在に制御することが可能となる。
【００５６】
また、本発明によれば、光回路を形成する際に、（１）誘電体基板上に堆積した誘電体膜上に金属線路を装荷する簡易な構成により、光回路を構成する金属光導波路を形成することができ、（２）装荷する金属線路の幅は、基板に対して垂直方向の光閉じ込めの領域を制御することにより、利用できるプロセス技術で実現できるだけの最小線幅まで広くすることができる。このようにして形成された金属光導波線路は、高次水平モードを防止し、単一の基本水平モードのみを許容する。（３）金属光導波線路は、直角を含む曲げ、合分波、等光回路の構成要素を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】媒質の座標系を示した図である。
【図２】ＡｕとＳｉＯ_２とからなる金属光導波線路について計算した金属側の光波の電場強度分布を示した図である。
【図３】ＡｕとＳｉＯ_２とからなる金属光導波線路について計算した誘電体側の光波の電場強度分布を示した図である。
【図４】従来の２次元的光導波路を示した断面図である。
【図５】従来の２次元的光導波路の他の構成を示した断面図である。
【図６】（ａ）は、高次水平モードが出現した屈折率閉じ込め形光導波路を示した断面図である。（ｂ）は、単一モードの屈折率閉じ込め形光導波路を示した断面図である。
【図７】垂直方向の電場強度分布を制限する屈折率閉じ込め形光導波路を示した断面図である。
【図８】（ａ）は、パッドがない９０度折れ曲がり金属光導波線路を示した上面図である。（ｂ）は、パッドを設けた９０度折れ曲がり金属光導波線路を示した上面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態にかかる金属光導波線路を示した斜視図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態にかかる金属光導波線路を示した上面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態にかかる金属光導波線路を示した上面図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態にかかる金属光導波線路を示した上面図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態にかかる金属光導波線路を示した上面図である。
【符号の説明】
４１，６１，７１第１誘電体
４２，６２第２誘電体
４３，４３ａ，４３ｂ，６３，７３金属膜
７２禁止帯
９１誘電体基板
９２誘電体膜
９３装荷金属膜
９４ａ，９４ｂ金属コーナーパッド
９４ｃ〜９４ｆ円形パッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide line, and more particularly to an optical waveguide line capable of pattern design with a high degree of freedom as in an electronic circuit.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the existence of a light wave propagating on a metal surface is well known (for example, Surface Science 34 (1973) pp. 1-19. North-Holland Publishing Co.). The light wave propagating on the metal surface is light combined with the surface plasmon of the metal, and can be derived purely mathematically as a solution of the Maxwell equation that attenuates both the electric field and the magnetic field in the direction perpendicular to the surface.
[0003]
For example, assume that medium 1 is a dielectric and medium 2 is a metal. FIG. 1 shows the coordinate system of these media. The direction in which the light wave propagates in the interface between the medium 1 and the medium 2 is defined as the x axis, and the direction perpendicular to the interface and toward the medium 2 is defined as the z axis. At this time, the electric and magnetic field vectors of the light wave propagating along the interface are
[0004]
[Expression 1]

[0005]
It becomes. Here, sig (z) is a sign function, and is 1 when the argument is positive, -1 when the argument is negative, and 0 otherwise. Further, ω is the angular frequency of light, and β is a propagation constant.
[0006]
Under this solution, the above formula is substituted into the Maxwell equation. By simple calculation, it can be derived that only waves that can localize on the surface, that is, TM waves attenuate both the electric and magnetic fields in the z direction. When this is formally written in the coordinate system shown in FIG.
[0007]
[Expression 2]

[0008]
It becomes. Here, in each of the media 1 and 2,
[0009]
[Equation 3]

[0010]
Is satisfied. From the continuity of the electric and magnetic fields at the interface, each parameter in the solution is
[0011]
[Expression 4]

[0012]
Is conditioned. This condition indicates that either medium 1 or medium 2 must be metallic with a negative dielectric constant. That is, it is proved that the existence of the surface light wave having the medium 2 as a metal is a pure mathematical result of the Maxwell equation.
[0013]
The appearance of light waves propagating along such a metal surface will be described. FIG. 2 shows the electric field intensity distribution of the light wave on the metal side calculated for a metal optical waveguide composed of Au (gold) and SiO ₂ (glass). From the metal surface, the electric field decays rapidly and the penetration of light waves is up to about tens of nanometers.
[0014]
On the other hand, FIG. 3 shows the electric field intensity distribution of the light wave on the dielectric side. It can be seen that the light wave penetrates to a few microns. On either side, the intensity decays exponentially in a direction away from the interface, light energy is confined at the metal-dielectric interface, and the propagation direction is a direction along the interface.
[0015]
One-dimensional or two-dimensional optical waveguides utilizing the propagation of light waves on such metal surfaces have been proposed. For example, according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-120636, a two-dimensional optical waveguide that can be used as an optical circuit uses a localization of light waves on the metal surface in the direction perpendicular to the metal interface to generate light energy. In the confinement and plane, the optical energy is propagated along the path by confining the optical energy using the same refractive index confinement as in the conventional optical circuit.
[0016]
FIG. 4 shows a cross section of a two-dimensional optical waveguide. A first dielectric 41, which is a substrate, is formed in a ridge shape, and a second dielectric 42 is disposed on the sidewall thereof. A metal film 43 is provided on the upper surface of the first dielectric 41. The light wave is confined by the difference in refractive index between the first dielectric 41 and the second dielectric 42 in the horizontal direction, and confined by the localization of the light wave at the interface between the metal film 43 and the first dielectric 41 in the vertical direction. In this way, light can propagate in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. In order to achieve optical confinement in the horizontal direction, at least the refractive index of the first dielectric 41 needs to be higher than the refractive index of the second dielectric 42.
[0017]
FIG. 5 shows another configuration of the two-dimensional optical waveguide. Two

metal films

43a and 43b are provided, and a light wave is localized in the gap. In the horizontal direction to the

metal films

43a and 43b, the first dielectric 41 is formed in a ridge shape, the second dielectric 42 is disposed on the side wall thereof, and a ridge structure similar to that shown in FIG. The light wave is confined by the difference. The light propagation direction is a direction perpendicular to the paper surface.
[0018]
When a gap is formed with two metals, there is no cutoff frequency, and therefore no matter how much the gap is reduced, a light wave with a large wave number corresponding to the gap can exist. For this reason, it is possible to confine the light wave in a very small gap below the wavelength.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
In order to realize a pattern design with a high degree of freedom like an electronic circuit with an optical waveguide, it is necessary to realize bending of an optical path with a minimal curvature radius including a right angle and a low loss in a two-dimensional plane.
[0020]
However, in the conventional metal optical waveguide, since the refractive index difference is used for optical confinement in the horizontal direction, the radiation loss increases as the bending radius of curvature decreases. For this reason, if the loss is suppressed to an allowable value or less, the minimum value of the bending curvature is limited, and there is a problem that it is difficult to freely design a minute optical circuit.
[0021]
Further, in the conventional metal optical waveguide, since the optical energy is confined in a region below the wavelength in the vertical direction, the minimum value of the width of the confinement region in the horizontal direction is limited. This limitation is because, in order to obtain energy from surface plasmons and emit photons to the vacuum field, a vacuum field mode must exist in the region to be emitted. Therefore, if the width of the metal waveguide line is reduced excessively, the emission of photons to the vacuum field is suppressed and the propagation of the light wave is hindered. At this time, the energy of the surface plasmon is transferred to the thermal phonon. This is an irreversible energy dissipation.
[0022]
The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an optical waveguide line capable of designing a pattern with a high degree of freedom as in an electronic circuit.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in order to achieve the object, a first aspect of the present invention, a metallic wire is loaded on the dielectric film deposited on the dielectric substrate, surface plasmon - light energy between photon based on the light transmission by exchange, an optical waveguide line to induce a light wave along the interface between the dielectric film and the metal line, the bottom of the front Symbol metal line, and the depth of the direction perpendicular to the interface The cross-sectional area multiplied by the width of the metal line is configured to have a confinement region of the light wave that is ¼ or more of the square of the wavelength of the light wave, and the refractive index of the dielectric film is defined as the dielectric It is characterized in that the light energy is confined in the dielectric film by making it smaller than the refractive index of the substrate .
[0024]
The invention according to claim 2 is characterized in that the width of the metal line according to claim 1 is not less than ½ and not more than 10 μm of the wavelength of the light wave .
[0025]
The invention described in claim 3 is characterized in that the thickness of the dielectric film described in claim 1 is not less than 0.25 μm and not more than 10 μm.
[0027]
The invention described in claim 4 is characterized in that the dielectric film described in claim 1 is formed by laminating a plurality of dielectric films having different refractive indexes.
[0028]
According to a fifth aspect of the present invention, the metal line according to any one of the first to fourth aspects has a pad at a bent portion, and the pad is a circle having a diameter larger than the width of the metal line, or It has a polygonal shape circumscribing the circle.
[0029]
A sixth aspect of the present invention is the optical waveguide line according to any one of the first to fourth aspects, wherein a circle having a diameter larger than the width of the metal line or the circle disposed at one end of the metal line is used. A circumscribed polygonal pad and a plurality of metal lines radially arranged in different directions from the pad as a starting point are provided.
[0030]
The invention described in claim 7 is characterized in that the plurality of metal lines described in claim 6 have different widths.
[0031]
The invention described in claim 8 is characterized in that the diameter of the pad according to claim 5, 6 or 7 is twice the width of the metal line.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The essence of light waves propagating on a metal surface is the energy exchange at the optical frequency between photons and surface plasmons. Therefore, in the metal optical waveguide, the light wave exists only in the portion where the metal is loaded, and the light wave as an electromagnetic wave cannot exist where the metal is not loaded. As a result, the light energy near the metal interface is concentrated in the vertical direction, and the light wave is confined in the line in the horizontal direction. Therefore, the light wave propagates along the metal surface while being guided by the line. In this manner, a two-dimensional optical waveguide line necessary for configuring an optical circuit can be configured with a simple structure in which a metal line is drawn two-dimensionally on a substrate.
[0033]
When energy is obtained from surface plasmons and photons are emitted to a vacuum field, the minimum volume of the region in which the electromagnetic field exists is 1 / 8λ ³ . Since surface plasmons and photons are switched every λ / 2 in the traveling direction, the cross-sectional area of the region where the electromagnetic field exists is the minimum value of 1 / 4λ ² when the light wave is cut in a plane perpendicular to the traveling direction. It is prescribed.
[0034]
If the confinement region of light propagating through the metal interface is D in the direction perpendicular to the interface and W in the horizontal direction, the condition of light wave propagation by energy exchange between the surface plasmon and photon is
[0035]
[Equation 5]

[0036]
It is. Since the metal optical waveguide according to the present invention is an open system using only one interface of the metal film, the optical energy is not necessarily confined in a region below the wavelength in the vertical direction. As shown in FIG. 2 or 3, if it is assumed that the film is localized in a region having a wavelength of at most, since D≈λ, W> λ / 4. This horizontal width is a sufficiently small value in a conventional metal optical waveguide to be applied to an optical circuit when compared with a very thin confinement region in the vertical direction, for example, W> 25λ for D≈λ / 100. It is.
[0037]
The dielectric film for loading the metal line is deposited on the dielectric substrate, and the dielectric constant of the dielectric film is smaller than the refractive index of the dielectric substrate. The operation of such a structure will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 6A, a metal film 63 that is a metal line is provided on the upper surface of the first dielectric 61 that is a substrate. The minimum value of the width of the metal film 63 to be loaded is very small, for example, 0.4 μm assuming that D is about the wavelength at a wavelength of 1.55 μm. When the line width is increased, a high-order horizontal mode appears as in the conventional refractive index confining optical waveguide, as shown in FIG. Although the higher-order horizontal mode exists together with the basic mode, it is difficult to control, so application to an optical circuit is not preferable. In order to prevent the higher-order horizontal mode, it is conceivable to reduce the width of the metal line, but it is not easy to produce a submicron-width line with high accuracy.
[0038]
Even in the case where the metal line width is sufficiently thick (for example, 10 μm) so as to be easily formed by a normal technique, the vertical distribution may be narrowed in order not to generate the higher-order horizontal mode. As shown in FIG. 6B, a second dielectric 62 is deposited on the first dielectric 61 that is a substrate, and a metal film 63 is provided on the upper surface of the second dielectric 61. When a dielectric film with a lower refractive index is formed on a dielectric substrate, the vertical distribution of light waves localized directly below the metal line is high due to the difference in refractive index with the substrate because the refractive index of the substrate is high. It is compressed and tries to confine light energy in the dielectric film. For this reason, a single mode light wave can be obtained even if the metal line width is increased to some extent.
[0039]
Therefore, while confining the light energy by utilizing the localization of the light wave on the metal surface, the metal line width W> λ / 2, considering the metal line width that can be made by a normal technique, It is desirable that it is 10 μm or less. On the other hand, if the distribution in the vertical direction is narrowed, a practical metal optical waveguide line can be produced. Therefore, the thickness of the dielectric film is 0.25 μm or more and 10 μm or less with respect to the metal line width described above. If it exists, it is preferable practically.
[0040]
It should be noted that a slab waveguide in which light is confined in the dielectric film is not formed by a difference in refractive index between the dielectric film and the dielectric substrate. In order to form such a waveguide, the refractive index of the dielectric film (second dielectric 62) needs to be higher than the refractive index of the dielectric substrate (first dielectric 61). Here, the objective is to increase the attenuation of the electromagnetic field in the vertical direction by increasing the refractive index of the dielectric substrate (first dielectric 61) higher than the refractive index of the dielectric film (second dielectric 62). .
[0041]
FIG. 7 shows an optical waveguide that limits the electric field intensity distribution in the vertical direction. The above-described effect obtained by limiting the distribution in the vertical direction can be easily obtained even when the dielectric film is composed of a plurality of dielectric films having different refractive indexes. A forbidden band 72 is formed by alternately overlapping two types of λ / 4 films having different refractive indexes on a first dielectric 71 which is a substrate, and a metal film 73 which is a metal line is provided on the upper surface thereof. In this way, the electromagnetic field can be completely limited to the metal film side, and thus the vertical distribution can be more accurately limited.
[0042]
The method of limiting the existence region of the electromagnetic field by the refractive index or the periodic perturbation to the light wave as described above is a conventional metal optical waveguide using two metal interfaces that are required to be extremely narrow. It can be applied to a relatively large area. For this reason, a single horizontal mode can be obtained without increasing the width of the metal optical waveguide.
[0043]
FIG. 8 shows a bent portion of the metal line. FIG. 8A shows a 90-degree bent metal optical waveguide without a pad. The light wave propagating from the left side of the horizontally disposed line returns to the original path even if it is reflected at the line boundary at the bending point. A light wave traveling from a bending point to a line arranged vertically does not propagate except for a very small contribution of a vertical component of a wave vector caused by diffraction.
[0044]
FIG. 8B shows a 90-degree bent metal optical waveguide having a pad. A circle having a diameter larger than the width of the metal line or a polygonal pad circumscribing the circle is provided at the point where the metal line is bent. When a pad is arranged at a bending point, a two-dimensional resonator having a horizontal component and a vertical component in a resonance mode is formed. In this resonator, the light wave is confined while exchanging energy between the surface plasmon and the photon. At this time, when the photons are emitted from the surface plasmon to the vacuum field, the photons can be emitted in both the horizontal component mode and the vertical component mode. Therefore, the light wave propagating from the left side of the horizontal metal line is temporarily stored in the pad-shaped resonator and converted into a mode of propagating the vertical metal line along with a component returning from the horizontal metal line. That is, a 90-degree bent portion can be realized in the metal optical waveguide by the pad resonator action and the surface plasmon-photon energy exchange action.
[0045]
Example 1
FIG. 9 shows a metal optical waveguide according to the first embodiment of the present invention. In the metal optical waveguide line, a dielectric film 92 is deposited on a dielectric substrate 91, and a loaded metal film 93, which is a metal line, is provided on the dielectric film 92. As the dielectric substrate 91, for example, a semiconductor substrate such as InP, GaAs, or Si can be used, and a glass substrate such as quartz can also be used. The dielectric film 92 is preferably a transparent dielectric layer with little loss in the wavelength band of the light wave used. Since a semiconductor substrate can be selected for light waves in the infrared region, for example, a SiO ₂ film can be used as such a transparent dielectric layer. At this time, the refractive index of the substrate is about 3, whereas the refractive index of the dielectric film is about 1.5.
[0046]
As the loaded metal film 93, a metal having a high electron density with a remarkable plasmon action is desirable. As a practical metal, transition metals such as Fe can be used in addition to Au, Ag, and Cu. However, when Au is used, there is a problem of interfacial delamination, so an extremely thin adhesive layer of Cr or Ti is necessary. In addition, when depositing such a metal film, denseness is also necessary to achieve a high electron density. Therefore, it is preferable to form a metal film by sputtering rather than vacuum evaporation. In order to form the stripe shown in FIG. 9 from the metal film, a simple forming method of applying a mask to the dielectric film 92 and depositing the loaded metal film 93 and then lifting off can be used. Also, a method of applying a mask and etching after completely applying the metal film can be used. The latter etching method is desirable to obtain a metal line having a flat side wall.
[0047]
In the case where the dielectric film 92 has a multilayer structure, a single-layer dielectric film may be simply replaced with a multilayer film. An example of the structure of such a film is shown in FIG.
[0048]
(Example 2)
FIG. 10 shows a metal optical waveguide according to the second embodiment of the present invention. The structure in the vertical direction is the same as that of the metal optical waveguide according to the first embodiment, and a bent portion having a curvature radius R is newly added as a two-dimensional structure of the loaded metal film 93. This is one of elemental technologies in a two-dimensional optical circuit, and is one embodiment of a bent line. Even if the bending radius of curvature R is reduced by the strong surface plasmon-photon coupling, the light wave propagates without significant loss. The minimum value of the radius of curvature is constrained by the pattern design and is approximately twice the width of the metal line.
[0049]
(Example 3)
FIG. 11 shows a metal optical waveguide according to the third embodiment of the present invention. The vertical structure is the same as that of the metal optical waveguide according to the first embodiment, and the loaded metal film 93 constituting the metal line on the stripe has a traveling direction of 90 degrees by two

metal corner pads

94a and 94b. It is bent.
[0050]
Here, square

metal corner pads

94a and 94b are shown. One side of the

metal corner pads

94a and 94b corresponds to a diameter of a circle larger than the width of the metal line, and is approximately twice the width of the metal line. Polygonal and circular pads can be similarly arranged. Similar to the square pad, these pads are a circle having a diameter larger than the width of the metal line or a polygon circumscribing the circle.
[0051]
Example 4
FIG. 12 shows a metal optical waveguide according to the fourth embodiment of the present invention. The structure in the vertical direction is the same as that of the metal optical waveguide according to the first embodiment. A circular pad 94c is arranged at one end of the loaded metal film 93 constituting a horizontal stripe-shaped metal line, and two metal lines radiate in different directions therefrom, and further through

circular pads

94d and 94e, respectively. It has been converted to a horizontal metal track.
[0052]
The light wave propagating from the left side of the horizontal stripe metal line is branched into two metal lines by the circular pad 94c. Each of the branched light waves is redirected by the

circular pads

94d and 94e and propagates through the horizontal metal line. The

circular pads

94d and 94e can be replaced with the curved metal optical waveguide shown in the second embodiment.
[0053]
When light waves are propagated from the right side of the two horizontal stripe metal lines, the two light waves are combined by the circular pad 94c and propagate through the left horizontal stripe metal line. In this way, the branching structure as shown in FIG. 12 can easily realize the multiplexing / demultiplexing function.
[0054]
(Example 5)
FIG. 13 shows a metal optical waveguide according to the fifth embodiment of the present invention. The structure in the vertical direction is the same as that of the metal optical waveguide according to the first embodiment. A circular pad 94f is arranged at one end of the loaded metal film 93 constituting the horizontal striped metal line, from which three metal lines with different widths (w1, w2, w3) radiate in different directions, Each is converted into a horizontal metal line through a curved portion. The light wave propagating from the left side of the horizontal stripe metal line is branched into three metal lines by the circular pad 94f. Assuming that the mode density increases in proportion to the width of the metal line, the branching ratio is w1: w2: w3.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by a surface plasmon and photons are energy exchange, a metal optical waveguide line light waves propagating through the metal interface, the presence area of the perpendicular direction of the electromagnetic field at the interface By optimizing and confining optical energy in the dielectric film, the path of the light wave in the fundamental mode can be freely controlled in a two-dimensional plane.
[0056]
Further, according to the present invention, when forming an optical circuit, (1) a metal optical waveguide constituting an optical circuit is formed by a simple configuration in which a metal line is loaded on a dielectric film deposited on a dielectric substrate. (2) The width of the metal line to be loaded can be widened to the minimum line width that can be realized with available process technology by controlling the optical confinement region perpendicular to the substrate. it can. The metal optical waveguide thus formed prevents higher order horizontal modes and allows only a single fundamental horizontal mode. (3) The metal optical waveguide line can easily realize the components of the optical circuit such as bending, multiplexing / demultiplexing including right angle.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a coordinate system of a medium.
FIG. 2 is a diagram showing an electric field intensity distribution of a light wave on the metal side calculated for a metal optical waveguide composed of Au and SiO ₂ .
FIG. 3 is a diagram showing an electric field intensity distribution of a light wave on the dielectric side calculated for a metal optical waveguide composed of Au and SiO ₂ .
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a conventional two-dimensional optical waveguide.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another configuration of a conventional two-dimensional optical waveguide.
FIG. 6A is a cross-sectional view showing a refractive index confined optical waveguide in which a high-order horizontal mode appears. (B) is sectional drawing which showed the refractive index confinement type | mold optical waveguide of a single mode.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a refractive index confined optical waveguide that restricts the electric field intensity distribution in the vertical direction.
FIG. 8A is a top view showing a 90-degree bent metal optical waveguide without a pad. (B) is the top view which showed the 90 degree | times bending metal optical waveguide line which provided the pad.
FIG. 9 is a perspective view showing a metal optical waveguide according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a top view showing a metal optical waveguide according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a top view showing a metal optical waveguide according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a top view showing a metal optical waveguide according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a top view showing a metal optical waveguide according to a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
41, 61, 71

First dielectrics

42, 62

Second dielectrics

43, 43a, 43b, 63, 73 Metal film 72 Forbidden band 91 Dielectric substrate 92 Dielectric film 93

Loading metal films

94a, 94b Metal corner pads 94c˜ 94f circular pad

Claims

A metal line is loaded on the dielectric film deposited on the dielectric substrate, and a light wave is generated along the interface between the metal line and the dielectric film based on light propagation by light energy exchange between surface plasmons and photons. an optical waveguide line to induce,
The bottom of the front Symbol metal lines, the cross-sectional area obtained by multiplying the width of the depth direction perpendicular to the interface with the metal line has a confinement region of the light wave is 1/4 or more of the squares of the wavelength of the light wave It is configured to,
An optical waveguide line configured to confine optical energy in the dielectric film by making a refractive index of the dielectric film smaller than a refractive index of the dielectric substrate .

2. The optical waveguide line according to claim 1, wherein a width of the metal line is ½ or more and 10 μm or less of a wavelength of the light wave.

2. The optical waveguide according to claim 1, wherein a thickness of the dielectric film is not less than 0.25 μm and not more than 10 μm.

2. The optical waveguide according to claim 1 , wherein the dielectric film is formed by laminating a plurality of dielectric films having different refractive indexes.

The metal line has a pad at the bent part,
The pad, the optical waveguide line as claimed in any one of claims 1 to 4, characterized in that it has a polygonal shape that circumscribes the width larger diameter circle than the metal line or circle.

A circle having a diameter larger than the width of the metal line, or a polygonal pad circumscribing the circle, disposed at one end of the metal line;
Light waveguide line according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a plurality of metal lines arranged radially in different directions the pad as a starting point.

The optical waveguide line according to claim 6 , wherein the plurality of metal lines have different widths.

The optical waveguide line according to claim 5, 6 or 7 , wherein the diameter of the pad is twice the width of the metal line.