JP5686344B2

JP5686344B2 - 波長フィルタ、波長フィルタリング装置及び波長フィルタリング方法

Info

Publication number: JP5686344B2
Application number: JP2011067804A
Authority: JP
Inventors: 健介村井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: JP2012203204A

Description

本発明は、特定の波長領域の光強度を低減するための波長フィルタに関する。

近年の光情報通信は、波長多重通信が主流になってきており、この方式においては、特定の波長領域の光信号だけに対して伝送路を切り替える方法、遮断する方法等が採用されている。そのために必要とされる波長フィルタとして、種々の技術を採用したものが提案されている。具体的には、回折格子（特許文献１）、超格子構造（特許文献２）、リング導波路（特許文献３）、誘電体多層膜（特許文献４）、ファブリーペロー型共振器（特許文献５〜７）等を用いる技術が挙げられる。

しかしながら、これらの技術を用いた波長フィルタは、使用や製造にコストがかかる等といった問題点があった。このような問題点を解決すべく、本願発明者は特許文献８にて示すような表面プラズモン共鳴の具術を用いた、特定の波長領域を除去する波長フィルタリング装置の発明に至った。しかしながら、この装置は、特定の波長領域を除去するに入射光に対して、偏光特性を要求されること、プリズムを用いた全反射領域が要求されることが特徴となっている。

特開２００４−０１２６５８号公報特開２００３−０６６３８６号公報特開２００４−２７９９８２号公報特開２００１−０２１８５２号公報特開２００６−２５８９３９号公報特開２００６−２９３０１８号公報特開２００６−３５００３１号公報特許第４６４９５９５号

M. OsterfeldらのApplied Physics Letter, 第62巻(1993年) 第2310-2312頁 X. -M. ZhuらのSensorsand Actuators B, 第84巻(2002年)第106-112頁 K.KurosawaらのPhysical Review B, 第33巻(1986年)第789-798頁 S. EkgasitらのApplied Spectroscopy, 第59巻(2005年)第661-667頁

次世代の情報家電、ロボット等における光通信には、小型の波長フィルタリング装置が求められている。上述した従来技術による波長フィルタ装置はプリズムを要することから、波長フィルタリング装置として小型化が達成される可能性は低い。そこで、上述の問題点を解消し、特定の狭帯域波長をフィルタリングすることが可能であり、簡便で且つ小型構造の波長フィルタ、及び該波長フィルタを使用した波長フィルタリング装置及び方法を提供することを本発明の主な目的とする。

本願発明者は、上記の課題を解決するためにするため鋭意研究を重ねた結果、特定の積層構造を有する波長フィルタを見出した。本願発明は、かかる知見に基づいて完成されたものであり、下記の態様を広く包含するものである。

項１（ｉ）２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下厚さの第一金属層、
（ｉｉ）５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下厚さの誘電体層、及び
（ｉｉｉ）少なくとも５０ｎｍ以上厚さの第二金属層
を有し、該誘電体層が該第一金属層と該第二金属層に挟まれた積層構造を有する波長フィルタ。

項２前記第一金属層が、金、銀、アルミニウム、及び銅からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属を含む上記項１に記載の波長フィルタ。

項３前記第二金属層が、金、銀、アルミニウム、及び銅からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属を含む上記項１又は２に記載の波長フィルタ。

項４上記項１〜３のいずれか１項に記載の波長フィルタを備えた波長フィルタリング装置。

項５上記項１〜３のいずれか１項に記載の波長フィルタを用いた特定の波長領域のフィルタリング方法。

＜本発明の波長フィルタ＞
本発明の波長フィルタは、（ｉ）２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下厚さの第一金属層、（ｉｉ）５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下厚さの誘電体層、及び（ｉｉｉ）少なくとも５０ｎｍ以上厚さの第二金属層を有する。そして、誘電体層は第一金属層と第二金属層の間に設置される。なお、第一金属層と誘電体層との間には、層間の密着性、平滑性を向上させるために、数ｎｍ程度（１０ｎｍ以下）の厚さの薄膜が配置されていてもよく、誘電体層と第二金属層との間にも、同様の目的で薄膜が配置されていてもよい。

図１に、本発明の波長フィルタの一例の構造を示す。なお、図中のθにて示される角度を、以下入射角とする。第一金属層の誘電体層に対する面の逆側の面に、特定の波長領域のフィルタリングを所望する光を入射することにより、本発明の波長フィルタにおいて、特定の波長領域の光成分が吸収され、特定の波長領域のフィルタリングが達成される。従って、第一金属層の誘電体層に向かう面の逆側が入射側となる。そして同時に、特定の波長領域がフィルタリング後の光を放出する反射側ともなる。

第一金属層の厚さは２０〜８０ｎｍ程度である。より強い波長フィルタリング効果を得ることを目的とすれば、２０〜５０ｎｍ程度とすることが好ましい。

第一金属層の素材は、自由電子が振動し易い素材であればよく、特に限定はされないが、具体的には金、銀、アルミニウム、銅等を含む素材が挙げられる。中でも、フィルタリングする波長の領域の観点から、銀、金、銅等が好ましく、光吸収の程度の高い波長フィルタを提供できる観点から、銀又は金が更に好ましい。最も好ましくは銀である。

これらの第一金属層に含有される金属素材は、金属単体素材として含まれていても、合金素材として含まれていてもよく、通常は第一金属層中にて９０％程度以上の当該金属素材が含まれていれば、その他の成分が含まれていても良い。より好ましくは、９５％程度以上である。

誘電体層の厚さは５０〜５００ｎｍ程度である。誘電体層の厚さはフィルタリングする特定の波長領域に密に関連する。

誘電体層の素材は、電流を殆ど流さない物質（例えば絶縁体）であればよく、特に限定はされない。このような誘電体層の素材として、具体的には空気、真空等の気体；ガラス（酸化物、窒化物、フッ化物、石英等）、ポリマー（フッ素系、シリコーン系、エポキシ系等の樹脂材料）等の固体；水溶液（アルコール、食塩水等）、液晶等の液体等が挙げられる。

中でも、本発明の波長フィルタの製造にかかる難易度の観点から、気体、又は固体が好ましい。更に、気体の層としては空気が好ましく、固体の層としてはガラスが好ましい。また、誘電体層の素材として気体を用いた場合は、誘電体層そのものをギャップと表現することもある。

なお、誘電体層がギャップである場合は、上述の第一金属層と後述する第二金属層をそれぞれ支持体にて固定して、両層を一定の距離を隔てて配置することによって、所望の厚さのギャップを作製し、本発明の波長フィルタとすればよい。

上述のように、本発明の波長フィルタがフィルタリングする具体的な波長の範囲は、誘電体層の厚さに密に関連するが、誘電体層が有する屈折率にも影響される。具体的には、誘電体層の厚さと屈折率の積である実効光路長が影響する。本発明にて規定する誘電体層の厚さであれば、通常は２５０〜２０００ｎｍ程度の波長を特異的にフィルタリングすることができる。好ましくは、３５０〜１７００ｎｍの波長である。

誘電体層の屈折率は特に限定されるものではないが、通常は１〜４程度の屈折率を有する素材を本発明の誘電体層とすればよい。なお、屈折率は、波長依存性がある。

第二金属層の厚さは５０ｎｍ以上である。より優れた波長のフィルタリング効果を得ることを目的とすれば、１００ｎｍ以上とすることが好ましい。
第二金属層の厚さを１００ｎｍ以上とすれば、第二金属層内を透過するエバネセント波を少なくすることができ、第二金属層によって戻される光成分が入射光の吸収に大きく寄与し、プリズムや偏光を要求されない特異な波長フィルタリング特性が現れる。

第二金属層は、第一の金属層と同様に素材を選択すればよい。また、第二金属層に含有される金属素材の割合も同様にすればよい。さらに、光吸収を増強する観点から、第一金属層にて採用した素材と同一の素材とすることが好ましい。

本発明の波長フィルタは、使用に耐えうる積層構造をとするために支持体層を含んでいても良い。例えば、第一金属層の入射側に支持体を設置するのであれば、石英等のガラス、プラスチック等のポリマーの透明素材を支持体層として用いることが好ましい。

本発明の波長フィルタは、光源を点滅させずに波長フィルタリングを可能とし、光通信用波長フィルタとして有望である。或いは、調光の用途のためのフィルタとしても有用である。

＜本発明の波長フィルタリング装置＞
本発明のフィルタリング装置は、上述の波長フィルタを備えるものである。具体的には、特許文献８にて示すような装置とすればよいが、本発明の波長フィルタは、入射光の角度、入射光の偏光等に殆ど影響されること無く特定の波長領域をフィルタリングする効果を有するので、波長フィルタに入射する光の角度を調節する装置、入射光の偏光を変化させる偏光素子等を必要としない。

従って、本発明の波長フィルタリング装置は、従来の表面プラズモン共鳴の具術を利用した場合には不可欠であったプリズムや回折格子を必要としないため、小型化、コスト低減の観点等において非常に有効である。

＜本発明の波長フィルタリング方法＞
本発明の波長フィルタリング方法は、上述した本発明の波長フィルタを用いるものである。本発明の波長フィルタは、特定の波長領域の光を吸収することから、本発明におけるフィルタリングとは、特定の波長領域を除去することである。

具体的には、図１に示すように、本発明の波長フィルタの入射側に、フィルタリングを所望する光を入射し、入射後に得られる反射光をフィルタリング後の光とすればよい。

本発明のフィルタリング方法では、波長フィルタに入射する光の角度（入射角）は特に限定されるものではないが、光学系配置の観点から、通常は０°〜４５°程度とすることが好ましい。

本発明の方法によってフィルタリングされる光は、特に限定されるものではなく、２５０〜２０００ｎｍの波長を有する光である。このような光の種類は特に限定されるものではなく、例えば、太陽光、放射光、レーザー光、及び発光ダイオード光等が挙げられる。

また、フィルタリングされる光は、偏光を有していてもよく、無偏光であってもよい。偏光を有している場合は、Ｐ偏光であってもＳ偏光であってもよく、円偏光であってもよい。

本発明の波長フィルタは、どのような角度で入射しても特定の波長領域を除去するフィルタリング機能を示す。従って、本発明の波長フィルタを用いる場合は、プリズムのような入射角を調節する機構を必要とせず、さらに入射光の偏光に対する要求を示さないという特徴を有する。例えば、０°〜４５°の角度にて本発明のフィルタに所望の光を入射すれば、特定の波長領域がフィルタリングされ、特に入射光が０°付近の場合は、入射光の偏光に影響されることがない波長フィルタリング機能を示す。

以上の点から、本発明の波長フィルタを用いた装置は、入射光の角度を調節する装置、入射光の偏光を調節する偏光素子等の装置を必要としない、小さい波長フィルタリング装置を提供することが可能となる。

このような本発明の波長フィルタが示す優れた効果は、次世代の情報家電、ロボット等において、光通信用の波長フィルタリング装置に求められている要求を十分に満たすものである。

本発明に係る波長フィルタの一実施形態を概略的に示す図である。本発明とは異なる積層構造を有する波長フィルタの効果を確認した図である。図中にて黒く示される領域は、波長フィルタによって光が吸収されたことを意味する。具体的には、「黒」は入射光の反射率が０％であり、「白」は入射光の反射率が１００％であり、中間の反射率は中間色で示している。この図より、本発明による波長フィルタは鋭い光吸収特性で、ある波長と角度の関係で特異的に光吸収が起こることがわかる。なお、図中の縦軸は波長フィルタが吸収した波長を示し、横軸は波長フィルタの第一金属層に対して入射した光の角度（入射角）を示す。本発明の波長フィルタの効果を確認した図である。図中の白色又は黒色の領域、縦軸、及び横軸は図２に示すとおりである。本発明の波長フィルタの効果を確認した図である。図中の白色又は黒色の領域、縦軸、及び横軸は図２に示すとおりである。本発明の波長フィルタの効果を確認した図である。図中の縦軸は、本発明の波長フィルタに入射した光の反射率を示し、この数値が低い程、首尾よく特定の波長領域がフィルタリングされたことを意味する。横軸は反射光の波長を示す。なお、（１）の破線は誘電体層が１００ｎｍ厚さの石英、（２）の実線は誘電体層が２５０ｎｍ厚さのギャップ、そして（３）の点線は誘電体層が２００ｎｍ厚さの石英を用いた場合の結果を示す。本発明の波長フィルタの効果を確認した図である。図中の縦軸は、本発明の波長フィルタに入射した光の反射率を示し、横軸は第一金属層の厚さを示す。なお、図中の○は第一金属層として金、△は銀、□は銅、そして▲は支持体として石英を有する銀を用いた場合の結果を示す。本発明の波長フィルタの効果を確認した図である。図中の縦軸は、フィルタリングされた波長を示し、横軸は誘電体層の厚さを示す。なお、図中の○はフィルタリングされた第一の波長、△は第二の波長、□は第三の波長、▽は第四の波長を示す。本発明の波長フィルタの効果を確認した図である。図中の縦軸は、本発明の波長フィルタに入射した光の反射率を示し、横軸は第二金属層の厚さを示す。なお、図中の○は誘電体層として１００ｎｍ厚さの石英を用いた場合を示し、●は誘電体層として２００ｎｍ厚さの石英を用いた場合の第一吸収波長、■はその第二吸収波長におけるフィルタリング効果を示す。本発明の波長フィルタの効果を確認した図である。図中の縦軸は、本発明の波長フィルタに入射した光の反射率を示し、横軸は入射角を示す。なお第一及び第二金属層にて用いた金属が金である場合は図中の○●に、銀である場合は図中の□■に、銅である場合は△▲に結果が示される。そして、○□△は、入射光がＰ偏光である場合、●■▲は入射光がＳ偏光であるときの結果を示す。

以下に本発明をさらに詳細に説明する。但し、本発明が以下に示す実施例に限定されないのは書くまでも無い。
［比較例］
（１）石英プリズムの底面に５０ｎｍ厚さの銀の層を設置した波長フィルタ、（２）石英プリズムの底面に５０ｎｍ厚さの銀の層を設置し、更に前記層のプリズムとは逆の面に５００ｎｍ厚さの石英層を設置した波長フィルタ、及び（３）石英プリズムの底面に５０ｎｍ厚さの銀の層を設置し、更に前記層のプリズムとは逆の面に１０００ｎｍ厚さの石英層を設置した波長フィルタのフィルタリング効果を検討した。（１）に示す波長フィルタは表面プラズモン共鳴が生じうる一般的な波長フィルタであり、（２）及び（３）に示す波長フィルタは特許文献８にて示される波長フィルタである。

それぞれのフィルタには、プリズムを通してフィルタを所望する光を銀の層の表面に入射した。さらに、偏光を検討するために、Ｐ偏光を有する入射光と、Ｓ偏光を有する入射光をそれぞれ検討した。結果を図２に示す。

（１）〜（３）に示される波長フィルタは、全て全反射領域である約４５°以上の入射角においてのみ波長のフィルタリング作用が見られた。また、Ｐ偏光場合とＳ偏光の場合において、フィルタリング作用に違いが生じていることも判明した。
［実施例１］
図１に示すような波長フィルタにおいて、第一金属層が５０ｎｍ厚さの銀、第二金属層が２００ｎｍ厚さの銀であり、誘電体層がギャップ（単なる空気）であるときの波長フィルタリング効果を確認した結果を図３に示す。ここで、誘電体層の厚さを１００、２００、３００、４００、及び５００ｎｍと変化させて、フィルタリング効果を確認した。

本実施例の波長フィルタは、誘電体層の厚さにかかわらず、０°〜８０°の入射角の光に対して特定の波長領域をフィルタリングする効果を有することが明らかになった。またこのような効果は、Ｐ偏光であってもＳ偏光であっても差が少ないことが判明した。特にこのような効果は、入射光の角度が小さいときほど顕著であることが明らかとなった。なお、３５０ｎｍ以下の波長に見られる光吸収は、波長フィルタとは関係のない光吸収を示すものである。
［実施例２］
図１に示すような波長フィルタにおいて、第一金属層が５０ｎｍ厚さの銀、第二金属層が２００ｎｍ厚さの銀であり、誘電体層が石英であるときの波長フィルタリング効果を確認した結果を図４に示す。ここで、誘電体層の厚さは１００、２００、３００、４００、及び５００ｎｍと変化させて、フィルタリング効果を確認した。

実施例１の結果と同様に、本実施例の波長フィルタは、誘電体層の厚さにかかわらず、０°〜８０°の入射角の光に対して特定の波長領域をフィルタリングする効果を有することが明らかになった。また、このような効果は、Ｐ偏光であってもＳ偏光であっても差が少ないことが判明した。特にこのような効果は、入射光の角度が小さいときほど顕著であることが明らかとなった。なお、３５０ｎｍ以下の波長に見られる光吸収は、波長フィルタとは関係のない光吸収を示すものである。
［実施例３］
図１に示すような波長フィルタにおいて、第一金属層が５０ｎｍの厚さの銀、第二金属層が２００ｎｍの銀であり、誘電体層として、１００ｎｍ厚さの石英、２５０ｎｍ厚さのギャップ、２００ｎｍ厚さの石英というように、素材の種類、及び層の厚さを変化させた場合の波長フィルタリング効果を確認した結果を図５に示す。なお、フィルタリング効果を確認する光の入射角は０°とした。

波長フィルタを構成する誘電体層の種類、厚さ等によって特異的に吸収する波長が異なっていることが確認された。従って、フィルタリングする特定の波長領域は、適宜設定できることが示唆された。
［実施例４］
図１に示すような波長フィルタにおいて、誘電体層として２００ｎｍ厚さの石英、第一金属層としては、２０〜１００ｎｍ厚さの金、銀、銅、支持体として石英を有する銀を採用し、第二金属層は第一金属層と同じ素材で、それぞれ２００ｎｍ厚さであるときの波長フィルタリング効果を確認した結果を図６に示す。なお、フィルタリング効果を確認する光の入射角は０°とした。

波長フィルタとして好ましい第一金属層の厚さは、第一金属層として用いる金属の種類によって異なることが明らかとなった。また、波長フィルタの構造保持のために、石英を支持体として用いた場合には、波長フィルタとして好ましい第一金属層の厚さが、若干大きくなる傾向であることが明らかになった。
この結果は、本発明の波長フィルタにおいて、第一金属層の厚さが光吸収量に大きく寄与して、フィルタリング効果に極めて重要であることを明白に示している。

［実施例５］
図１に示すような波長フィルタにおいて、第一金属層が５０ｎｍ厚さの銀、第二金属層が２００ｎｍ厚さの銀であり、誘電体層が所定の厚さの石英であるときの波長フィルタリング効果を確認した結果を図７に示す。なお、フィルタリング効果を確認する光の入射角は０°とした。

この結果は、本発明の波長フィルタにおいて、誘電体層の厚さがフィルタリング効果に極めて重要であることを明白に示している。誘電体層の厚さが大きくなるにつれ、フィルタリングされる特異的な波長の数が増加することが明らかとなった。このような効果は、誘電体層の厚さが大きくなることによって生じるマルチモードに基づいた効果である。

［実施例６］
図１に示すような波長フィルタにおいて、第一金属層が５０ｎｍ厚さの銀、誘電体層が１００ｎｍ厚さ又は２００ｎｍ厚さの石英であり、第二金属層が所定の厚さの銀であるときの波長フィルタリング効果を確認した結果を図８に示す。なお、フィルタリング効果を確認する光の入射角は、０°とした。

第二金属層の厚さが大きくなることによって、フィルタリング効果が向上することが明らかとなった。そして、第二金属層の厚さは少なくとも５０ｎｍ程度でないと、波長フィルタリング効果が得られないことも判明した。また、第二金属層の厚さが１００ｎｍを超えた場合であっても、フィルタリング効果には殆ど変化が見られないことも判明した。

この結果は、本発明の波長フィルタにおいて、第二金属層の厚さがフィルタリング効果に極めて重要であることを明白に示している。第二金属層の厚さを１００ｎｍ以上とすれば、第二金属層内を透過する光成分を少なくすることができ、第二金属層によって戻される光成分が、入射光の光吸収に大きく寄与しているためである。

［実施例７］
図１に示すような波長フィルタにおいて、第一金属層が３５ｎｍ厚さ、誘電体層が２００ｎｍ厚さの石英、第二金属層が２００ｎｍ厚さであり、第一金属層及び第二金属層の素材が、それぞれ金、銀、銅であるときの波長フィルタリング効果を確認した。なお、第一金属層及び第二金属層の素材は同一のものを採用し、入射した光は、Ｐ偏光のものとＳ偏光のものである。結果を図９に示す。

入射角が０°のときのピーク波長を基準として、その他の異なる角度で入射した際の、該波長のフィルタリング効果を検討したところ、第一金属層及び第二金属層にて採用する金属の種類に関係なく、入射角が１０°程度変化しても、特定の波長領域の光をフィルタリングすることが可能であることが明らかとなった。

しかしながら、銀、金、銅の順で、特定の波長領域をフィルタリングする際に必要な入射角の幅がより制限されることが見出された。これは、第一金属層及び第二金属層の素材によって、特定の波長領域をフィルタリングする際の入射角に特異性があることを示す。

Claims

（ｉ）２５ｎｍ以上５０ｎｍ以下厚さの第一金属層、
（ｉｉ）５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下厚さの誘電体層、及び
（ｉｉｉ）少なくとも５０ｎｍ以上厚さの第二金属層
を有し、該誘電体層が該第一金属層と該第二金属層に挟まれた積層構造を有し、該第一金属層が、銀又は９０％以上の銀を含む合金である波長フィルタ。
前記第二金属層が、金、銀、アルミニウム、及び銅からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属を含む請求項１に記載の波長フィルタ。
請求項１又は２に記載の波長フィルタを備えた波長フィルタリング装置。
請求項１又は２に記載の波長フィルタを用いた特定の波長領域のフィルタリング方法。