JP4275410B2 - 誘導波長よりも小さい最小径をもつ二本の導波路で構成する光学変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、放射の波長よりも小さい最小径を持つ導波路の使用に関する。この導波路は、プラスモン共鳴現象の結果、放射を通過させることができる。
【０００２】
”Plasmon polaritons of metallic nanowires for controlling submicron propagation of light”（Jean-Claude Weeberら、J. Physical Review B、６０巻、１２号、９０６１から８ページ、１９９９年９月１５日発行）なる記事で述べられているのは、誘電体を含んだ金属性の「ナノ導波管」を使った電磁エネルギー転移の原理についてである。
【０００３】
これら伸長した金属粒子は、例えば、陰極型のlithographic法を用いて、誘電体を蓄える。
【０００４】
前記記事で示された例では、これら原理が、その利用に則って、図示され、「ナノ導波管」は伸長された直方体で、高さｈ、幅ｅと名づけられ、その最小径は、通過する放射の波長よりも小さい。それら記事の中で宣伝しているのは、以下の通りである。
【０００５】
━1500×30×15 nmの寸法を持つ金の「ナノ導波管」の一端を照射すると、規格化された光量が他端で検出され、その波長は、最大（40％）で835 nm、最小（0％）で633 nmであった。
【０００６】
━1000×30×20 nmの寸法を持つ金の「ナノ導波管」の一端を照射すると、
規格化された光量が検出され、その波長は、前記とは異なり、最大で770 nmであった。
【０００７】
これら「ナノ導波管」の最大透過率は、透過される波長に依存するので、選択的電磁エネルギー透過、又はスペクトル選択的導波管と言えるかもしれない。また、ここで用いられている手段は、異なる径、つまり二つの最小径、に基づく選択性により得られており、場合によっては同じ材料を用いてつくられた「ナノ導波管」とも言えるかもしれない。
【０００８】
前記記事は、記事中のFigure９にて下記のように例示している。
【０００９】
━同じ材料にて製作された、二つの全く同一で１μmの「ナノ導波管」を誘電体上に０．２μm間隔に平行に置いた。その後、二つの隣り合う一端を、同時に、同じ光線にて励起するためである。この端を”入口”端と呼ぶ。
【００１０】
━それぞれの「ナノ導波管」の他端は、金の「ナノ粒子」であり、その径は、20×30×100 nm及び30×30×100 nmである。
【００１１】
━ナノ導波管の「入口」端を同時に照射したところ、照射波長に応じて、ナノ粒子が放射を散乱した。
【００１２】
このように、前記記事が物語っているのは、下記のシステム、つまり、二つの導波管を、励起場所付近に置き、その終点付近に異なる径を持つナノ粒子を配したシステム、は特定の放射波長を使って、ナノ導波管近傍にある粒子を励起することができる。
【００１３】
ここで用いた粒子を励起させる手段は、異なる粒子径を持つことに起因している。
【００１４】
しかしながら、このシステム構築は困難である。なぜなら、ナノ導波管の一端にあるナノ粒子を蒸着しなければならないし、また、一つの粒子のみを励起しなければいけないからである。さらに必要なのは、異なる径の粒子を、誘電体上に蒸着しなければならないからである。
【００１５】
本発明の目的は、この難点を除くことにある。
【００１６】
この目的に基づいて、この発明の主題は、放射を変換する光学変換装置である。本装置は、プラズモン導波管を表面に持っている。導波管は、伸長された形であり、入口に相当する一端と、出口に相当する他端がある。二つの最小径は、前記放射よりも小さい。表面に置いたこれら導波管の入口端は、変換する前記放射により同時に照射可能である。それぞれの導波管は異なる材料で製作されたものである。
【００１７】
本発明は、次に示すような性質をも持ち合わせているかもしれない。
【００１８】
━前記材料は、金、銀、アルミ、銅及び混合したインジウムスズ酸化物の中から選べる。
【００１９】
━これら導波管材料の性質やその径を調節するのは、変換する前記放射の電子プラズマ共鳴を得るためである。
【００２０】
一般的に、前記共鳴の励起波長は、共鳴が最大となるピークを中心とする、相当に広範囲の波長に対応する。前記導波管の共鳴波長はすべて３５０乃至１１００ｎｍであることが好ましい。
【００２１】
━同じ表面に配された導波管は、おおよそ同じ径を持っている。
【００２２】
先行技術において、前記径は、選択性や変換性の面で妨げになる。付加的な性質によって、異なる種類でかつ同じ径を持たない導波管は、同条件、同行程にて、より経済的に製作されるかもしれない。このように、放射の光学変換が達成できるのは、全く同じ寸法であり異なる性質を持つ導波管を使用するからで、光学変換装置が安価に組み立てることが出来るのである。
【００２３】
「おおよそ同一の径」との表現の意味を理解できるのは、同じ配置行程及び同じ調整法を使って達成できる導波管径であるからである。好ましい導波管最小径は100 nmを超えないことであり、典型的には、約40 nm程度である。
【００２４】
本発明の趣旨は、入口と複数の出口部分にて構成される光学系をも含む。これは、本発明における光学変換装置内に構成されている。本システムの入口部分は、すべての入口部分が同時に照射されるよう設計されている。また、それぞれの他端は、出口部分に直結している。
【００２５】
本発明は、特に下記のような光学系読み取り用装置に応用する。つまり、少なくとも二つの異なる波長を利用し、電子データ‐を光学ディスクのような記憶媒体に貯蔵する装置、あるいは、読み取り用の異なる波長にて、前記のような様々な波長にて光学的に変換するような装置のことである。
【００２６】
電子データ‐を保存するいくつかの光学ディスクは、様々な記録層を持っている。この層は、異なる波長の読み取り用レーザービームを当てることにより瞬時に読み出すことを可能にしている。それぞれの記録層は、一つの記録層として製作される。
【００２７】
電子データ‐を保存する他の光学ディスクでは、データ‐には発光によりアクセス可能で、異なる波長により制御された光学読み取り装置が必要でもある。
【００２８】
そのたの光学ディスク、例えばデータ‐を「プラスモン」の形で保存するようなもの、は、少なくとも、二つの異なる波長制御による読み取り装置が必要である。
【００２９】
このようなデータ‐記憶媒体における光学読み取り装置が含むのは、様々な読み取りあるいは発光波長の変換手段である。この目的にて、有用なのは、データ‐読み取り用放射を変換に用いるための光学変換装置を利用することである。この装置の構成は、表面にプラズモン導波管を配し、それぞれ伸長した形を持ち、一方には入口部分を、他方には出口部分があり、導波管の二つの最小径は、前記放射波長よりも小さいものである。これら導波管は、表面に配置し、その入口部分は、前記読み取り放射の照射部分として同じに照射できるものである。
【００３０】
出来れば、それぞれの導波管は、異なる材料で作った方がよい。
【００３１】
このような変換装置は、とても軽く、小型である。また、読み取り装置部分に非常に簡単に取り付けることが出来る。
【００３２】
変換装置に関する本発明は、下記の記述により、より明確に理解できるだろう。一つは、限定されない例としてであり、一つは、補足図としてである。
【００３３】
━図１は、本発明に関する装置の図である。その上部は、上からのものであり、その下部は、側方からの図である。
【００３４】
━図２は、本装置の導波管出口部分における標準化された散乱強度である。
【００３５】
伝統的な陰極ベースのリソグラフィ法を使用すると、同一の寸法を有するが種類の異なる導波管１及び２が、１．５の屈折率を有するガラス基板4上に配される。よって図１に概略的に図示された素子が得られる。
【００３６】
第1導波管１はアルミニウム製であり、第2導波管２は金製である。これらの導波管の寸法はいずれも、２０００ ｎｍ×４０ ｎｍ×４０ ｎｍである。これらの導波管は約０．１μｍの間隔、つまり導波管間での如何なる直接結合効果をも回避するのに十分大きい間隔だが同一の光ビームを用いてこれらのナノ導波管のうちの2つの隣り合う端部を同時に励起可能とするには十分小さい間隔、をもって平行に配される。そこでこれら2つの端部のうち、一端は入口端と呼ばれ、他端は出口端と呼ばれる。
【００３７】
このようにして得られた本装置が、光学スイッチとしてどのように使用されるかについて見ていく。
【００３８】
図１にあるように、スイッチとして使用される放射ビームは、入口付近である３に集中し、二つの導波管の入口端に広がっていく。
【００３９】
この投射放射は、適当な光学装置、例えば液浸対物レンズのようなもの、によって、ガラス材料を介して集中されるかもしれない。この目的において、液浸オイルの屈折率は約１．５を選ぶことが可能である。また、この絞り屈折率に０．９を選ぶことが可能である。
【００４０】
本質的に知られている適当な演算手段を使用することによって、前記に述べた励起条件下で、導波管の出口付近での散乱強度を検討した。この結果、出口付近の上面上との間隔は、約30 nm程度が適当である。この結果は、投射光に対して標準化され、図２に図示した。実線は、アルミ製導波管に対するプロットであり、点線は、金製導波管に対するものである。それぞれのピークは、それぞれの導波管内で励起可能な電子プラズマ共鳴に対応している。例えば、アルミ製導波管では、最大励起波長は、489 nmであり、金製では、790 nmであった。
【００４１】
このような励起条件下で、観察された、導波管に沿った電磁波磁場強度の空間的な分布は、
━489 nm励起では、アルミ製導波管でのみ電磁波が伝搬した。
【００４２】
━694 nm励起では、両者の導波管（アルミ製、金製）で同じに伝播が起こった。
【００４３】
━790 nm励起では、本質的に金製の導波管でのみ伝播が起きた。
【００４４】
このように、このようにして得られたシステムは光学スイッチ手段として使用することができる。
【００４５】
本発明の序文によると、同一の寸法を持ち違った材料でできたいくつかのナノ導波管は、ガラス材料上に配される。この配置は、二つの出口を得ることを目的としている。入口は未だいくつかのナノ導波管で分割されているが、この序文によれば、これら導波管は調整される。例えば、入口付近あるいは照射ビームが集中する部分のことである。このようないくつかの材料は、最大共鳴波長が重なり合わない本質的に知られている部分で選ばれることになるだろう。
【００４６】
本発明による光学スイッチ装置は、先行技術におけるこれらの物より、より安価である。特に、この装置にあるすべてのナノ導波管は、同じ寸法で、同じ配置行程で、かつ同じ条件にて製造することができる。
【００４７】
本発明にあるこの光学スイッチ装置は電子データ‐記憶媒体の読み取り専用光学装置に、有利に組み込むことが出来るだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に関する装置の図である。その上部は、上からのものであり、その下部は、側方からの図である。
【図２】 本装置の導波管出口部分における標準化された散乱強度である。

Claims (8)

1. 放射を変換する光学変換装置であって、
   当該光学変換装置は、
   前記の変換されるべき放射を放出する照射手段、
   複数のプラズモン導波管が設けられた表面、
   を有し、
   前記複数のプラズモン導波管の各々は、伸長した形であり、
   前記複数のプラズモン導波管の各々は、異なる材質で作られ、かつ
   前記複数のプラズモン導波管の各々は、一端に入口を持ち、かつ、他端に出口を持ち、
   前記複数のプラズモン導波管の各々の二つの最小寸法が、前記放射の波長よりも小さく、
   前記複数のプラズモン導波管は、該導波管間での如何なる直接結合効果をも回避するのに十分な大きさの距離をあけて設けられ、
   当該光学変換装置は、
   前記複数のプラズモン導波管のすべての入口端がある領域内で前記変換されるべき放射によって同時に照射されるように、前記照射手段が調整され、かつ前記複数のプラズモン導波管が前記表面上に設けられる、
   ことを特徴とした光学変換装置。
2. 請求項１に記載された光学変換装置であって、前記材質が金、銀、アルミニウム、銅、及びインジウムスズ酸化物混合体よりなる群より選ばれる光学変換装置。
3. 請求項１及び２のいずれかに記載された光学変換装置であって、前記導波管材料の材質の性質及び寸法が、前記導波管内において、前記変換されるべき放射の少なくとも1つのとりうる波長について電子プラズマ共鳴を得るために調整された前記導波管を含む光学変換装置。
4. 請求項３に記載された光学変換装置であって、前記導波管の共鳴波長がすべて３５０乃至１１００ｎｍである光学変換装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載された光学変換装置であって、前記導波管が同じ前記表面に配され、かつ、おおよそ同じ寸法である光学変換装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載された光学変換装置であって、前記二つの最小寸法が１００ｎｍを超えない光学変換装置。
7. 一つの入口といくつかの出口を有する光学システムであって、
   当該光学システムは請求項１乃至６のいずれかに記載された光学変換装置を有し、
   当該光学システムの前記入口が前記導波管の前記入口のすべてを同時に照射するように設計され、
   前記導波管の出口端の各々が当該光学システムの出口に結合する、
   ことを特徴とする光学システム。
8. 少なくとも二つの異なる波長で、デジタルデータを光学ディスクのような記憶媒体に保存する光学読み取り装置であって、
   前記異なる波長で読み取るため、請求項１乃至６のいずれかに記載された読み取り放射データを変換する光学変換装置、
   前記読み取り用放射によって同時に照射することのできる前記プラズモン導波管の入口、
   を含む光学読み取り装置。

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