JP6376830B2 - プラズモン導波路素子、およびその作製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、プラズモン導波路素子、およびその作製方法に関する。さらに詳しくは、金属中の自由電子の集団的振動であるプラズモンを利用した光導波路を有するプラズモン導波路素子、およびその作製方法に関する。
情報の大容量化に伴って光学システムの集積化が進み、ナノスケールの光デバイスの開発が進められている。従来、光の回折限界によりその空間分解能は光の波長程度に制限されるため、ナノスケールの光デバイスの実現は困難とされていた。しかし、近年、ナノオーダーの金属微細構造物に生じる伝搬型表面プラズモンを利用することにより、光の回折限界以下の領域で光の伝搬を可能にしたプラズモン導波路が提案されている。
特許文献１には、光が入射する入射側プラズモン導波路と、光が出射する出射側プラズモン導波路と、入射側プラズモン導波路と出射側プラズモン導波路とを結ぶ接続部と、接続部から入射側プラズモン導波路または出射側プラズモン導波路と交差する方向に延出し、光が反射する終端部を有するプラズモン干渉構造とを備えるプラズモン導波路が開示されている。プラズモン干渉構造を所定の大きさや形状に形成することにより、出射側プラズモン導波路から出射する光の透過率および強度を所望のものとすることができる。
しかし、特許文献１に記載のプラズモン導波路をはじめ、従来のプラズモン導波路素子はその金属微細構造が固定されており、１つの素子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。すなわち、１つの素子が伝搬する光の波長は固定されていた。また、光の伝搬距離はプラズモン導波路の形状や構造に依存することから、従来のプラズモン導波路素子は光の伝搬距離が固定されていた。そのため、プラズモン導波路を伝搬させる光の波長や伝搬距離を変更するためには、素子を交換する必要があった。
なお、非特許文献１には以下の記載がある。金属膜のギャップを伝搬するギャッププラズモンが存在する。ギャップの四隅に電界が集中し、対向する隅の電磁界同士が結合して伝搬する基本モードギャッププラズモンとギャップの中を通常の導波モードのように伝搬する第二モードギャッププラズモンが存在する。計算によると、第二モードギャッププラズモンは取り扱いが容易であり、簡単に励起できることから、プラズモン導波路として有望である。また、導波路は表面プラズモンを広範囲で使う際に不可欠なデバイスである。
非特許文献２には、ストライプ型や細線型、溝型、楔型、ギャップ型、配列金微粒子型など多くの型の導波路が開発されていることが記載されている。金属材料としては、なるべく光損失の小さいものが有利であり、銀の研究が多いが、安定性の高い金の導波路研究も活発である。
非特許文献２には、ストライプ型や細線型、溝型、楔型、ギャップ型、配列金微粒子型など多くの型の導波路が開発されていることが記載されている。金属材料としては、なるべく光損失の小さいものが有利であり、銀の研究が多いが、安定性の高い金の導波路研究も活発である。
D. F. P. Pile, T. Ogawa, D. K. Gramotnev, Y. Matsuzaki, K. C. Vernon, K. Yamaguchi, T. Okamoto, M. Haraguchi, and M. Fukui, Appl. Phys. Lett., 87 261114 (2005)
D. K. Gramotnev and S. I. Bozhevolnyi, Nat. photonics, 4 84-86 (2010)
本発明は上記事情に鑑み、１つの素子で伝搬させる光の波長および伝搬距離を変更できるプラズモン導波路素子、およびその作製方法を提供することを目的とする。
第１発明のプラズモン導波路素子は、所定間隔を開けて対向するように配置された一対の金属壁からなる導波路と、前記金属壁同士を接近または離間させるアクチュエータと、を備え、前記アクチュエータは、前記一対の金属壁にそれぞれ逆符号または同符号の電荷を帯電させ、該金属壁の間に働く静電引力または静電斥力により、該金属壁同士を接近または離間させるものであり、前記アクチュエータは、一対の電極を備えており、前記一対の金属壁の一方は、前記一対の電極の一方に接続されており、前記一対の金属壁の他方は、前記一対の電極の他方に接続されており、前記電極と、該電極に接続された前記金属壁とは、所定間隔を開けて対向するように配置されていることを特徴とする。
第２発明のプラズモン導波路素子は、所定間隔を開けて対向するように配置された一対の金属壁からなる導波路と、前記金属壁同士を接近または離間させるアクチュエータと、を備え、前記一対の金属壁は、光の入射側または出射側の一方の端部が固定されており、他方の端部が固定されておらず可動となっていることを特徴とする。
第３発明のプラズモン導波路素子は、第２発明において、前記アクチュエータは、前記一対の金属壁にそれぞれ逆符号または同符号の電荷を帯電させ、該金属壁の間に働く静電引力または静電斥力により、該金属壁同士を接近または離間させるものであることを特徴とする。
第４発明のプラズモン導波路素子は、第３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、前記一対の金属壁の一方は、前記一対の電極の一方に接続されており、前記一対の金属壁の他方は、前記一対の電極の他方に接続されていることを特徴とする。
第５発明のプラズモン導波路素子は、第４発明において、前記電極と、該電極に接続された前記金属壁とは、所定間隔を開けて対向するように配置されていることを特徴とする。
第６発明のプラズモン導波路素子の作製方法は、基板上に金属薄膜を成膜してチップを得る工程と、前記チップの基板側からエッチングして、導波路を構成する一対の金属壁の間の金属薄膜および基板を除去する工程と、前記チップの金属薄膜側からエッチングして、金属壁と電極とが所定間隔を開けて対向して配置されるように、該金属壁と該電極との間の金属薄膜を、接続部を残すように除去する工程と、を備えることを特徴とする。
第２発明のプラズモン導波路素子は、所定間隔を開けて対向するように配置された一対の金属壁からなる導波路と、前記金属壁同士を接近または離間させるアクチュエータと、を備え、前記一対の金属壁は、光の入射側または出射側の一方の端部が固定されており、他方の端部が固定されておらず可動となっていることを特徴とする。
第３発明のプラズモン導波路素子は、第２発明において、前記アクチュエータは、前記一対の金属壁にそれぞれ逆符号または同符号の電荷を帯電させ、該金属壁の間に働く静電引力または静電斥力により、該金属壁同士を接近または離間させるものであることを特徴とする。
第４発明のプラズモン導波路素子は、第３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、前記一対の金属壁の一方は、前記一対の電極の一方に接続されており、前記一対の金属壁の他方は、前記一対の電極の他方に接続されていることを特徴とする。
第５発明のプラズモン導波路素子は、第４発明において、前記電極と、該電極に接続された前記金属壁とは、所定間隔を開けて対向するように配置されていることを特徴とする。
第６発明のプラズモン導波路素子の作製方法は、基板上に金属薄膜を成膜してチップを得る工程と、前記チップの基板側からエッチングして、導波路を構成する一対の金属壁の間の金属薄膜および基板を除去する工程と、前記チップの金属薄膜側からエッチングして、金属壁と電極とが所定間隔を開けて対向して配置されるように、該金属壁と該電極との間の金属薄膜を、接続部を残すように除去する工程と、を備えることを特徴とする。
第１発明によれば、アクチュエータにより金属壁同士を接近または離間させるので、金属壁同士の間隔を変化させて導波路のプラズモン共鳴波長を変更でき、１つの素子で伝搬させる光の波長を変更できる。また、導波路の構造を変更でき、１つの素子で伝搬させる光の伝搬距離を変更できる。さらに、電極に電圧を印加すれば、電極と金属壁とにそれぞれ同符号の電荷を帯電させることができるので、電極と金属壁との間に働く静電斥力により、金属壁を電極から離間させ、金属壁同士を接近させることができる。
第２発明によれば、一対の金属壁は、光の入射側または出射側の一方の端部同士の間隔が変化せず、他方の端部同士の間隔が変化する。そのため、導波路を光の伝搬方向に先細りに変形でき、光を集光することで導波路の出射側端部の局所的な電場強度を入射光よりも増強できる。
第３発明によれば、金属壁の間に働く静電引力または静電斥力により、金属壁同士を接近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４発明によれば、一対の電極間に電圧を印加すれば、一対の金属壁にそれぞれ逆符号または同符号の電荷を帯電させることができるので、金属壁の間に働く静電引力または静電斥力により、金属壁同士を接近または離間させることができる。
第５発明によれば、電極に電圧を印加すれば、電極と金属壁とにそれぞれ同符号の電荷を帯電させることができるので、電極と金属壁との間に働く静電斥力により、金属壁を電極から離間させ、金属壁同士を接近させることができる。
第６発明によれば、金属壁の間のエッチングを基板側から行うことで、金属薄膜側からのエッチングが１回で済み、金属壁をなめらかな形状に形成することができる。
第２発明によれば、一対の金属壁は、光の入射側または出射側の一方の端部同士の間隔が変化せず、他方の端部同士の間隔が変化する。そのため、導波路を光の伝搬方向に先細りに変形でき、光を集光することで導波路の出射側端部の局所的な電場強度を入射光よりも増強できる。
第３発明によれば、金属壁の間に働く静電引力または静電斥力により、金属壁同士を接近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４発明によれば、一対の電極間に電圧を印加すれば、一対の金属壁にそれぞれ逆符号または同符号の電荷を帯電させることができるので、金属壁の間に働く静電引力または静電斥力により、金属壁同士を接近または離間させることができる。
第５発明によれば、電極に電圧を印加すれば、電極と金属壁とにそれぞれ同符号の電荷を帯電させることができるので、電極と金属壁との間に働く静電斥力により、金属壁を電極から離間させ、金属壁同士を接近させることができる。
第６発明によれば、金属壁の間のエッチングを基板側から行うことで、金属薄膜側からのエッチングが１回で済み、金属壁をなめらかな形状に形成することができる。
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係るプラズモン導波路素子１は、厚さ100nm〜1mmの基板Ｂ上に、厚さ数百nm〜数十μm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、基板Ｂとしては、絶縁体であり透光性を有する素材、例えば石英ガラス（SiO2）、窒化珪素（Si3N4）、炭化珪素（SiC）、酸化アルミニウム（Al2O3）などが用いられる。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、酸化インジウムスズなどが用いられる。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係るプラズモン導波路素子１は、厚さ100nm〜1mmの基板Ｂ上に、厚さ数百nm〜数十μm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、基板Ｂとしては、絶縁体であり透光性を有する素材、例えば石英ガラス（SiO2）、窒化珪素（Si3N4）、炭化珪素（SiC）、酸化アルミニウム（Al2O3）などが用いられる。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、酸化インジウムスズなどが用いられる。
図１および図２に示すように、プラズモン導波路素子１は、所定間隔を開けて平行に対向するように配置された一対の金属壁１１、１２からなる導波路１０と、一対の電極２１、２２と、一方の金属壁１１と一方の電極２１とを電気的に接続する接続部２３と、他方の金属壁１２と他方の電極２２とを電気的に接続する接続部２４とから構成されている。なお、金属壁１１、１２、電極２１、２２、および接続部２３、２４が特許請求の範囲に記載のアクチュエータに相当する。
金属壁１１、１２は、金属薄膜Ｍで基板Ｂに立設する壁状に形成された微細金属壁である。金属壁１１、１２の厚さ（図２における左右方向の寸法）は数百nmであり、後述のごとく金属壁１１、１２は撓むことができる。金属壁１１、１２の高さ寸法（図２における上下方向の寸法）は金属薄膜Ｍの厚さと同じ数百nm〜数十μmであり、長さ寸法（図２における紙面に対して垂直な方向の寸法）は数百nm〜数十μmである。また、金属壁１１と金属壁１２との間は金属薄膜Ｍが削られており絶縁されている。なお、金属壁１１と金属壁１２との間の金属薄膜Ｍに加えて、その下部の基板Ｂを削ってもよい。金属壁１１、１２同士の間隔は数百nmであり、光の波長程度またはそれ以下（以下、サブ波長という。）である。金属壁１１と金属壁１２との間の空間が、光を伝搬する導波路１０となっている。
電極２１、２２は、金属壁１１、１２を挟んで対向した位置に配置されており、それぞれ数十μm〜数百μm四方の矩形である。もちろん、電極２１と電極２２との間は金属薄膜Ｍが削られており絶縁されている。この電極２１、２２には、図示しない電源が接続され、電極２１、２２間に電圧を印加できるようになっている。
電極２１の金属壁１１側の側壁と金属壁１１とは所定間隔を開けて平行に対向するように配置されており、電極２２の金属壁１２側の側壁と金属壁１２とは所定間隔を開けて平行に対向するように配置されている。電極２１と金属壁１１との間には接続部２３が設けられており、電極２２と金属壁１２との間には接続部２４が設けられている。
接続部２３、２４の厚さ（図２における上下方向の寸法）は、電極２１、２２の厚さ、および金属壁１１、１２の高さ寸法よりも薄く形成されている。また、接続部２３、２４の幅寸法（図２における左右方向の寸法）は数百nm〜数μmである。すなわち、電極２１と金属壁１１との間隔、および電極２２と金属壁１２との間隔はそれぞれ数百nm〜数μmである。
金属壁１１、１２は、下端部（基板Ｂ側の端部）が基板Ｂに固定されており接続部２３、２４とも固定されている。一方、金属壁１１、１２の上端部（金属薄膜Ｍ側の端部）は、金属壁１１、１２自体が撓むことで可動となっている。
以上のような構成のプラズモン導波路素子１は以下の手順で作製できる。
まず、基板Ｂ上に金属薄膜Ｍを成膜してチップを得る。つぎに、集束イオンビームなどを用いて、金属壁１１と金属壁１２との間の金属薄膜Ｍをエッチングにより除去するとともに、金属壁１１と電極２１との間、および金属壁１２と電極２２との間の金属薄膜Ｍを、接続部２３、２４を残すようにエッチングにより除去する。
まず、基板Ｂ上に金属薄膜Ｍを成膜してチップを得る。つぎに、集束イオンビームなどを用いて、金属壁１１と金属壁１２との間の金属薄膜Ｍをエッチングにより除去するとともに、金属壁１１と電極２１との間、および金属壁１２と電極２２との間の金属薄膜Ｍを、接続部２３、２４を残すようにエッチングにより除去する。
また、以下の手順で作製してもよい。
まず、基板Ｂ上に金属薄膜Ｍを成膜してチップを得る。つぎに、集束イオンビームなどを用いて、チップの基板側からエッチングして、金属壁１１と金属壁１２との間の金属薄膜Ｍおよび基板Ｂを除去する。つぎに、チップの金属薄膜側からエッチングして、金属壁１１と電極２１との間、および金属壁１２と電極２２との間の金属薄膜Ｍを、接続部２３、２４を残すように除去する。このような手順とすれば、金属壁１１、１２の間のエッチングを基板側から行うことで、金属薄膜側からのエッチングが１回で済み、金属壁１１、１２をなめらかな形状に形成することができる。
まず、基板Ｂ上に金属薄膜Ｍを成膜してチップを得る。つぎに、集束イオンビームなどを用いて、チップの基板側からエッチングして、金属壁１１と金属壁１２との間の金属薄膜Ｍおよび基板Ｂを除去する。つぎに、チップの金属薄膜側からエッチングして、金属壁１１と電極２１との間、および金属壁１２と電極２２との間の金属薄膜Ｍを、接続部２３、２４を残すように除去する。このような手順とすれば、金属壁１１、１２の間のエッチングを基板側から行うことで、金属薄膜側からのエッチングが１回で済み、金属壁１１、１２をなめらかな形状に形成することができる。
図２に示すように、導波路１０には、プラズモン導波路素子１の裏面側（基板Ｂ側）から光Ｌｉが入射され、プラズモン導波路素子１の表面側（金属薄膜Ｍ側）から光Ｌｏが出射する。逆に、プラズモン導波路素子１の表面側（金属薄膜Ｍ側）から光が入射され、プラズモン導波路素子１の裏面側（基板Ｂ側）から光が出射するようにしてもよい。すなわち、本実施形態のプラズモン導波路素子１の導波路１０は、光の伝搬方向が基板Ｂに対して垂直方向である。
図３（ａ）に示すように、各電極２１、２２を逆符号（電極２１を正極、電極２２を負極）として、電極２１、２２間に電圧を印加すると、正極２１に接続された金属壁１１には正電荷が帯電し、負極２２に接続された金属壁１２には負電荷が帯電する。そうすると、一対の金属壁１１、１２にそれぞれ逆符号の電荷を帯電させることができ、金属壁１１、１２の間に働く静電引力により金属壁１１、１２が撓み、金属壁１１、１２同士を接近させることができる。
また、電極２１と金属壁１１には正電荷が帯電し、電極２２と金属壁１２には負電荷が帯電する。そうすると、電極２１と金属壁１１、および電極２２と金属壁１２にそれぞれ同符号の電荷を帯電させることができ、電極２１、２２と金属壁１１、１２との間に働く静電斥力によっても金属壁１１、１２が撓み、金属壁１１、１２を電極２１、２２から離間させ、金属壁１１、１２同士を接近させることができる。電極２１、２２と金属壁１１、１２との間隔を狭くすれば、それらの間に働く静電斥力が強くなり、より低い印加電圧で金属壁１１、１２同士を接近させることができる。
一方、図３（ｂ）に示すように、各電極２１、２２を同符号（電極２１および電極２２を正極または負極）として電圧を印加すると、一対の金属壁１１、１２にそれぞれ同符号の電荷を帯電させることができる。そうすると、金属壁１１、１２の間に働く静電斥力により金属壁１１、１２が撓み、金属壁１１、１２同士を離間させることができる。
なお、電極２１、２２と金属壁１１、１２との間には静電斥力が働くため、金属壁１１、１２同士を接近させる力も働く。しかし、金属壁１１、１２同士の間隔に比べて電極２１、２２と金属壁１１、１２との間隔を広くするなどして、金属壁１１、１２の間に働く静電斥力に比べて電極２１、２２と金属壁１１、１２との間に働く静電斥力を弱くすることで、金属壁１１、１２同士を離間させることができる。
金属壁１１、１２は弾性を有するので、金属壁１１、１２の間に働く静電引力や静電斥力、および電極２１、２２と金属壁１１、１２との間に働く静電斥力の大きさを変化させることで金属壁１１、１２同士の間隔を調整できる。すなわち、印加する電圧を調整することにより、金属壁１１、１２同士の間隔を調整できる。そして、印加電圧を０にすれば、金属壁１１、１２同士の間隔を元に戻すことができる。
以上のように、プラズモン導波路素子１は、金属壁１１、１２同士の間隔を自在に変化させて導波路１０の構造を変化させることができるので、導波路１０のプラズモン共鳴波長を変更でき、１つの素子で伝搬させる光の波長を自在に変更できる。また、金属壁１１、１２同士の間隔と導波路１０のプラズモン共鳴波長が変化することにより、導波路１０を構成する金属への光の吸収量が変化するので、１つの素子で光の伝搬距離を自在に変更できる。
金属壁１１、１２は下端部が固定されており上端部が可動となっている。そのため、一対の金属壁１１、１２は、下端部同士の間隔が変化せず、上端部同士の間隔が変化する。
図３（ａ）に示すように、各電極２１、２２を逆符号として電極２１、２２間に電圧を印加すると、一対の金属壁１１、１２は、下端部同士の間隔が変化せず、上端部同士が接近する。この場合、プラズモン導波路素子１の裏面側（基板Ｂ側）から光を入射すると、一対の金属壁１１、１２は、光の入射側端部（下端部）同士の間隔が変化せず、出射側端部（上端部）同士が接近しているので、導波路１０が光の伝搬方向に先細りとなる。そうすると、入射された光が集光されるので、導波路１０の出射側端部の局所的な電場強度を入射光よりも増強できる。
図３（ｂ）に示すように、各電極２１、２２を同符号として電圧を印加すると、一対の金属壁１１、１２は、下端部同士の間隔が変化せず、上端部同士が離間する。この場合、プラズモン導波路素子１の表面側（金属薄膜Ｍ側）から光を入射すると、一対の金属壁１１、１２は、光の出射側端部（下端部）同士の間隔が変化せず、入射側端部（上端部）同士が離間しているので、導波路１０が光の伝搬方向に先細りとなる。そうすると、入射された光が集光されるので、導波路１０の出射側端部の局所的な電場強度を入射光よりも増強できる。
以上のように、一対の金属壁１１、１２は、光の入射側または出射側の一方の端部が固定されており、他方の端部が可動となっているので、導波路１０を光の伝搬方向に先細りに変形でき、光を集光することで導波路１０の出射側端部の局所的な電場強度を入射光よりも増強できる。
プラズモン導波路素子１は、金属壁１１、１２の間に働く静電引力または静電斥力により、金属壁１１、１２同士を接近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。
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。
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。
（第２実施形態）
上記第１実施形態に係るプラズモン導波路素子１は、導波路１０の光の伝搬方向が基板Ｂに対して垂直方向であるが、これを基板Ｂに対して水平方向となる構造としてもよい。
図４および図５に示すように、本発明の第２実施形態に係るプラズモン導波路素子２は、所定間隔を開けて平行に対向するように配置された一対の金属壁１１、１２からなる導波路１０と、一対の電極２１、２２と、一方の金属壁１１と一方の電極２１とを接続する接続部２３と、他方の金属壁１２と他方の電極２２とを接続する接続部２４とから構成されている。金属壁１１、１２は、その周囲の金属薄膜Ｍおよび基板Ｂが除去されており、接続部２３、２４で電極２１、２２と接続されることにより、片持ち状態で空中に支持されている。
上記第１実施形態に係るプラズモン導波路素子１は、導波路１０の光の伝搬方向が基板Ｂに対して垂直方向であるが、これを基板Ｂに対して水平方向となる構造としてもよい。
図４および図５に示すように、本発明の第２実施形態に係るプラズモン導波路素子２は、所定間隔を開けて平行に対向するように配置された一対の金属壁１１、１２からなる導波路１０と、一対の電極２１、２２と、一方の金属壁１１と一方の電極２１とを接続する接続部２３と、他方の金属壁１２と他方の電極２２とを接続する接続部２４とから構成されている。金属壁１１、１２は、その周囲の金属薄膜Ｍおよび基板Ｂが除去されており、接続部２３、２４で電極２１、２２と接続されることにより、片持ち状態で空中に支持されている。
図４に示すように、導波路１０には、プラズモン導波路素子１の一方の側面（図４における下側の側面）から光Ｌｉが入射され、プラズモン導波路素子１の他方の側面図４における上側の側面）から光Ｌｏが出射する。すなわち、本実施形態のプラズモン導波路素子２の導波路１０は、光の伝搬方向が基板Ｂに対して水平方向である。なお、本実施形態のプラズモン導波路素子２を、導波路１０の光の伝搬方向を基板Ｂに対して垂直方向となるように用いてもよい。
図６（ａ）に示すように、各電極２１、２２を逆符号（電極２１を正極、電極２２を負極）として、電極２１、２２間に電圧を印加すると、正極２１に接続された金属壁１１には正電荷が帯電し、負極２２に接続された金属壁１２には負電荷が帯電する。そうすると、一対の金属壁１１、１２にそれぞれ逆符号の電荷を帯電させることができ、金属壁１１、１２の間に働く静電引力により金属壁１１、１２が撓み、金属壁１１、１２同士を接近させることができる。
また、図６（ｂ）に示すように、各電極２１、２２を同符号（電極２１および電極２２を正極または負極）として電圧を印加すると、一対の金属壁１１、１２にそれぞれ同符号の電荷を帯電させることができる。そうすると、金属壁１１、１２の間に働く静電斥力により金属壁１１、１２が撓み、金属壁１１、１２同士を離間させることができる。
このように、本実施形態のプラズモン導波路素子２においても、金属壁１１、１２同士の間隔を自在に変化させて導波路１０の構造を変化させることができるので、導波路１０のプラズモン共鳴波長を変更でき、１つの素子で伝搬させる光の波長を自在に変更できる。また、金属壁１１、１２同士の間隔と導波路１０のプラズモン共鳴波長が変化することにより、導波路１０を構成する金属への光の吸収量が変化するので、１つの素子で光の伝搬距離を自在に変更できる。さらに、一対の金属壁１１、１２は、光の入射側または出射側の一方の端部が固定されており、他方の端部が可動となっているので、導波路１０を光の伝搬方向に先細りに変形でき、光を集光することで導波路１０の出射側端部の局所的な電場強度を入射光よりも増強できる。
（その他の実施形態）
金属壁１１、１２同士を接近または離間させるアクチュエータとしては、金属壁１１、１２の間に働く静電引力または静電斥力を利用したもの以外にも、金属壁１１、１２に外力を働かせ、金属壁１１、１２同士を接近または離間させるアクチュエータを採用してもよい。
金属壁１１、１２同士を接近または離間させるアクチュエータとしては、金属壁１１、１２の間に働く静電引力または静電斥力を利用したもの以外にも、金属壁１１、１２に外力を働かせ、金属壁１１、１２同士を接近または離間させるアクチュエータを採用してもよい。
つぎに、実施例について説明する。
（試料試験１）
まず、上記第１実施形態に係るプラズモン導波路素子１に相当する試料を作製した。
はじめに、真空蒸着装置を用いて、10-5Paの真空条件下で、厚さ1mmの石英ガラス基板（SiO2）上に厚さ3μmの金薄膜を成膜した。つぎに、集束イオンビームを用いて、表面側（金属薄膜側）からのみエッチングして、金属壁１１と金属壁１２との間の金属薄膜Ｍを除去するとともに、金属壁１１と電極２１との間、および金属壁１２と電極２２との間の金属薄膜Ｍを、接続部２３、２４を残すように除去することで、図１および図２に示すプラズモン導波路素子１の構造を作製した。ここで、金属壁１１、１２の厚さを200nm、高さ寸法を3μm、長さ寸法を10μm、金属壁１１と金属壁１２の間隔を300nmとした。接続部２３、２４の厚さを1.43μm、幅寸法を1μm、長さ寸法を10μmとした。また、電極２１、２２を100μm四方の矩形に形成した。
（試料試験１）
まず、上記第１実施形態に係るプラズモン導波路素子１に相当する試料を作製した。
はじめに、真空蒸着装置を用いて、10-5Paの真空条件下で、厚さ1mmの石英ガラス基板（SiO2）上に厚さ3μmの金薄膜を成膜した。つぎに、集束イオンビームを用いて、表面側（金属薄膜側）からのみエッチングして、金属壁１１と金属壁１２との間の金属薄膜Ｍを除去するとともに、金属壁１１と電極２１との間、および金属壁１２と電極２２との間の金属薄膜Ｍを、接続部２３、２４を残すように除去することで、図１および図２に示すプラズモン導波路素子１の構造を作製した。ここで、金属壁１１、１２の厚さを200nm、高さ寸法を3μm、長さ寸法を10μm、金属壁１１と金属壁１２の間隔を300nmとした。接続部２３、２４の厚さを1.43μm、幅寸法を1μm、長さ寸法を10μmとした。また、電極２１、２２を100μm四方の矩形に形成した。
図７に、作製した試料を走査型電子顕微鏡で確認した結果を示す。
図７に示すように、所望の構造、寸法を有するプラズモン導波路素子を得ることができた。
図７に示すように、所望の構造、寸法を有するプラズモン導波路素子を得ることができた。
つぎに、図８に示す透過型顕微分光光学系を用いて、作製した試料に基板側から光を入射し、金属薄膜側から透過光を観側した。
より詳細には、顕微鏡下に試料を配置し、TM偏光保持した白色光を明視野系において照射した。
より詳細には、顕微鏡下に試料を配置し、TM偏光保持した白色光を明視野系において照射した。
図９（ａ）に示すように、入射光の偏光方向を金属壁１１、１２が対向する方向とした場合、導波路１０から透過光が観測された。一方、図９（ｂ）に示すように、入射光の偏光方向を金属壁１１、１２に沿う方向とした場合、導波路１０から透過光が観測されなかった。以上にみられる偏光特性より、導波路１０において表面プラズモンが励起されることを確認した。
つぎに、導波路１０から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２１、２２間には、ファンクションジェネレータを用いて1V刻みで0V〜10Vの電圧Vbを印加した。
図１０に、上記透過型顕微分光光学系を用いて観測した印加電圧Vbを0、3、5、6、10Vとした場合おける透過光スペクトルを示す。また、図１１に、印加電圧Vbに対する透過光共鳴ピーク波長の関係を示す。
図１０および図１１に示すように、透過光共鳴ピーク波長は、印加電圧Vbが大きくなる（金属壁１１、１２同士の隙間が小さくなる）に従い長波長側へシフトすることが分かった。また、印加電圧が0Vの場合の短波長側に現れた第１ピークの波長は659.7nmであり、印加電圧が5Vの場合の第１ピークの波長は688.74nmであることから、5Vの電圧を印加すると透過光共鳴ピーク波長は約29nm（図１０における第１ピークの矢印に相当する。）シフトすることが分かった。また、その他のピーク波長も同様なレッドシフトの特性を示すとともに、第２、第３および第４ピークの波長はおおよそ周期的に表れていることが分かった。
図１０および図１１に示すように、透過光共鳴ピーク波長は、印加電圧Vbが大きくなる（金属壁１１、１２同士の隙間が小さくなる）に従い長波長側へシフトすることが分かった。また、印加電圧が0Vの場合の短波長側に現れた第１ピークの波長は659.7nmであり、印加電圧が5Vの場合の第１ピークの波長は688.74nmであることから、5Vの電圧を印加すると透過光共鳴ピーク波長は約29nm（図１０における第１ピークの矢印に相当する。）シフトすることが分かった。また、その他のピーク波長も同様なレッドシフトの特性を示すとともに、第２、第３および第４ピークの波長はおおよそ周期的に表れていることが分かった。
（数値計算１）
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導波路素子の光学特性を評価した。
図１２に示すように、数値計算におけるプラズモン導波路素子の構造を、SiO2基板上に金薄膜が形成された構造とした。ここで、金属壁１１、１２の厚さMWを300nm、高さ寸法Taを3.0μm、接続部２３、２４の厚さTbを1.0μmとした。また、作製した試料の金属壁１１、１２の先端形状は作製過程の影響から曲率を帯びていたことから（図７参照）、本数値計算においても金属壁１１、１２の角部の曲率半径Crを100nmとした。金属壁１１、１２の固定された端部（下端部）同士の間隔を固定端部間隔Gb、可動である端部（上端部）同士の間隔を可動端部間隔Gtとした。また、SiO2基板の屈折率を1.45とした。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。
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導波路素子の光学特性を評価した。
図１２に示すように、数値計算におけるプラズモン導波路素子の構造を、SiO2基板上に金薄膜が形成された構造とした。ここで、金属壁１１、１２の厚さMWを300nm、高さ寸法Taを3.0μm、接続部２３、２４の厚さTbを1.0μmとした。また、作製した試料の金属壁１１、１２の先端形状は作製過程の影響から曲率を帯びていたことから（図７参照）、本数値計算においても金属壁１１、１２の角部の曲率半径Crを100nmとした。金属壁１１、１２の固定された端部（下端部）同士の間隔を固定端部間隔Gb、可動である端部（上端部）同士の間隔を可動端部間隔Gtとした。また、SiO2基板の屈折率を1.45とした。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。
プラズモン導波路素子の基板側からTM偏光させた光を入射した。入射光の偏光方向は金属壁１１、１２が対向する方向（x方向）とした。この入射光のスポット径（半値半幅）は、金属壁１１、１２が対向する方向（x方向）に1160nm、金属壁１１、１２に沿う方向（y方向）に無限とした。
そして、固定端部間隔Gbを300nmとし、可動端部間隔Gtを300nm〜2nmの間で変化させ、それぞれの条件における導波路からの透過光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、Gtが300、200、100、50nmのときは金属壁１１、１２が対向する方向（x方向）および金属壁１１、１２の高さ方向（z方向）にそれぞれ5nmとした。Gtが10、2nmのときは金属壁１１、１２間におけるメッシュ間隔を、x方向に1.0〜5.0nm、z方向に0.2〜5.0nmの不均一メッシュとした。
そして、固定端部間隔Gbを300nmとし、可動端部間隔Gtを300nm〜2nmの間で変化させ、それぞれの条件における導波路からの透過光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、Gtが300、200、100、50nmのときは金属壁１１、１２が対向する方向（x方向）および金属壁１１、１２の高さ方向（z方向）にそれぞれ5nmとした。Gtが10、2nmのときは金属壁１１、１２間におけるメッシュ間隔を、x方向に1.0〜5.0nm、z方向に0.2〜5.0nmの不均一メッシュとした。
図１３に、数値計算により算出したプラズモン導波路素子の透過光スペクトルを示す。
図１３に示すように、短波長側に現れた第１ピークの波長は628.35nmであり、続いて第２、第３および第４ピークの波長がそれぞれ705.41nm、814.70nm、991.25nmであった。可動端部間隔Gtを300nm、10nm、2nmと変化させる（印加電圧が大きくなることに相当する）に従い、Gt=10nmおよび2nmの場合の第１ピークの波長は、それぞれ650.36nm、703.18nmと長波長側へシフトすることが分かった。また、その他のピーク波長も同様な特性を示した。さらに、第２、第３および第４ピークの波長はおおよそ周期的に表れており、また、電界強度分布からも反射部（固定及び可動端部）によるファブリー・ペロー共振であることを確認した。
以上のように、試料試験と数値計算の双方において、共鳴ピーク波長のレッドシフトとファブリー・ペロー共振が確認された。
図１３に示すように、短波長側に現れた第１ピークの波長は628.35nmであり、続いて第２、第３および第４ピークの波長がそれぞれ705.41nm、814.70nm、991.25nmであった。可動端部間隔Gtを300nm、10nm、2nmと変化させる（印加電圧が大きくなることに相当する）に従い、Gt=10nmおよび2nmの場合の第１ピークの波長は、それぞれ650.36nm、703.18nmと長波長側へシフトすることが分かった。また、その他のピーク波長も同様な特性を示した。さらに、第２、第３および第４ピークの波長はおおよそ周期的に表れており、また、電界強度分布からも反射部（固定及び可動端部）によるファブリー・ペロー共振であることを確認した。
以上のように、試料試験と数値計算の双方において、共鳴ピーク波長のレッドシフトとファブリー・ペロー共振が確認された。
以上より、本発明に係るプラズモン導波路素子が導波路のプラズモン共鳴波長を変更でき、１つの素子で伝搬させる光の波長を変更できることが明らかとなった。
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、試料における金属壁の角の削れや、金属壁の厚み、高さ、ギャップなどの若干のばらつきに起因すると考えられる。
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、試料における金属壁の角の削れや、金属壁の厚み、高さ、ギャップなどの若干のばらつきに起因すると考えられる。
（数値計算２）
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、固定端部間隔Gbを300nmとし、可動端部間隔Gtを300nm〜2nmの間で変化させ、電場強度の観測点における入射光の電場強度|Ei|に対する出射光の電場強度|Eo|を算出した。その余の条件は、数値計算１と同様である。
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、固定端部間隔Gbを300nmとし、可動端部間隔Gtを300nm〜2nmの間で変化させ、電場強度の観測点における入射光の電場強度|Ei|に対する出射光の電場強度|Eo|を算出した。その余の条件は、数値計算１と同様である。
その結果、図１４に示すように、特に可動端部間隔Gtが2nmの場合において、波長692.72nmにおける電場増強度（=|Eo|/|Ei|）は33となり、大きいことが確認された。光強度は電場強度の２乗に比例することから、入射光に対して出射光の強度が増強されることが確認された。なお、Crを0nm（金属壁１１、１２の先端形状に曲率を持たない）とした場合、電場増強度（=|Eo|/|Ei|）は〜60となり、非常に大きいことが確認された。
以上より、本発明に係るプラズモン導波路素子は、導波路１０の出射側端部の局所的な電場強度を入射光よりも増強できることを明らかにした。
以上より、本発明に係るプラズモン導波路素子は、導波路１０の出射側端部の局所的な電場強度を入射光よりも増強できることを明らかにした。
（試料試験２）
つぎに、上記試料試験１におけるプラズモン導波路素子の作製方法を改良して、試料を作製した。
はじめに、真空蒸着装置を用いて、10-5Paの真空条件下で、厚さ100nmの窒化珪素基板（Si3N4）上に厚さ1.46μmの金薄膜を成膜した。つぎに、集束イオンビームを用いて、裏面側（基板側）からエッチングして、金属壁１１と金属壁１２との間の金属薄膜Ｍおよび基板Ｂを除去した後、表面側（金属薄膜側）からエッチングして、金属壁１１と電極２１との間、および金属壁１２と電極２２との間の金属薄膜Ｍを、接続部２３、２４を残すように除去することで、プラズモン導波路素子の構造を作製した。ここで、金属壁１１、１２の厚さを200nm、高さ寸法を1.46μm、長さ寸法を10μm、金属壁１１と金属壁１２の間隔を300nmとした。接続部２３、２４の厚さを400nm、幅寸法を200nm、長さ寸法を10μmとした。また、電極２１、２２を100μm四方の矩形に形成した。
つぎに、上記試料試験１におけるプラズモン導波路素子の作製方法を改良して、試料を作製した。
はじめに、真空蒸着装置を用いて、10-5Paの真空条件下で、厚さ100nmの窒化珪素基板（Si3N4）上に厚さ1.46μmの金薄膜を成膜した。つぎに、集束イオンビームを用いて、裏面側（基板側）からエッチングして、金属壁１１と金属壁１２との間の金属薄膜Ｍおよび基板Ｂを除去した後、表面側（金属薄膜側）からエッチングして、金属壁１１と電極２１との間、および金属壁１２と電極２２との間の金属薄膜Ｍを、接続部２３、２４を残すように除去することで、プラズモン導波路素子の構造を作製した。ここで、金属壁１１、１２の厚さを200nm、高さ寸法を1.46μm、長さ寸法を10μm、金属壁１１と金属壁１２の間隔を300nmとした。接続部２３、２４の厚さを400nm、幅寸法を200nm、長さ寸法を10μmとした。また、電極２１、２２を100μm四方の矩形に形成した。
図１５に、作製した試料を走査型電子顕微鏡で確認した結果を示す。
図１５に示すように、所望の構造、寸法を有するプラズモン導波路素子を得ることができた。また、試料試験１の場合（図７参照）に比べて、金属壁１１、１２をなめらかな形状に形成することができた。具体的には、試料試験１の場合には金属壁１１、１２の頂部に凹凸が確認されたが、試料試験２の場合には金属壁１１、１２の頂部が真っ直ぐになっている。これは、金属壁１１、１２の間のエッチングを裏面側（基板側）から行うことで、表面側（金属薄膜側）からのエッチングが１回で済み、金属壁１１、１２の頂部へのビームの影響を少なくできたためと考えられる。
図１５に示すように、所望の構造、寸法を有するプラズモン導波路素子を得ることができた。また、試料試験１の場合（図７参照）に比べて、金属壁１１、１２をなめらかな形状に形成することができた。具体的には、試料試験１の場合には金属壁１１、１２の頂部に凹凸が確認されたが、試料試験２の場合には金属壁１１、１２の頂部が真っ直ぐになっている。これは、金属壁１１、１２の間のエッチングを裏面側（基板側）から行うことで、表面側（金属薄膜側）からのエッチングが１回で済み、金属壁１１、１２の頂部へのビームの影響を少なくできたためと考えられる。
つぎに、図８に示す透過型顕微分光光学系を用いて、作製した試料に基板側から光を入射し、導波路１０から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２１、２２間には、ファンクションジェネレータを用いて1V刻みで0V〜10Vの電圧Vbを印加した。
ここで、試料の電極２１、２２間には、ファンクションジェネレータを用いて1V刻みで0V〜10Vの電圧Vbを印加した。
図１６に、上記透過型顕微分光光学系を用いて観測した印加電圧Vbを0、2、4、6、8、10Vとした場合おける透過光スペクトルを示す。
図１６に示すように、透過光共鳴ピーク波長は、試料試験１の場合と同様に、印加電圧Vbが大きくなる（金属壁１１、１２同士の隙間が小さくなる）に従い長波長側へシフトすることが分かった。また、試料試験１の場合（図１０参照）に比べて、ピークの半値幅が狭くなり、ピークの数が少なくなる（波長400〜1,000nmの範囲で１つまたは２つのピーク）ことが分かった。ピークの波長は、金属壁１１、１２の高さにも依存する。試料試験２では金属壁１１、１２の頂部が滑らかであるため、高さ寸法が均一となっている。そのため、複数のピークが混在することなく、ピークの半値幅が狭くなり、ピークの数が少なくなると考えられる。このようにピークが鋭くなることで、透過光の波長の選択性が向上し、素子として扱いやすくなる。
図１６に示すように、透過光共鳴ピーク波長は、試料試験１の場合と同様に、印加電圧Vbが大きくなる（金属壁１１、１２同士の隙間が小さくなる）に従い長波長側へシフトすることが分かった。また、試料試験１の場合（図１０参照）に比べて、ピークの半値幅が狭くなり、ピークの数が少なくなる（波長400〜1,000nmの範囲で１つまたは２つのピーク）ことが分かった。ピークの波長は、金属壁１１、１２の高さにも依存する。試料試験２では金属壁１１、１２の頂部が滑らかであるため、高さ寸法が均一となっている。そのため、複数のピークが混在することなく、ピークの半値幅が狭くなり、ピークの数が少なくなると考えられる。このようにピークが鋭くなることで、透過光の波長の選択性が向上し、素子として扱いやすくなる。
本発明に係るプラズモン導波路素子は、例えば、ナノ光集積回路を構成する素子として利用できる。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。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および伝搬距離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。具体的な応用としては、導波路、フィルタ、検出器、集光器などが挙げられる。さらに、入射光に対する出射側端部の局所的な電場増強を利用した局所センサとしても利用が可能である。また、一対の金属壁からなる導波路を電圧駆動のピンセットとして利用することで、任意の領域にある細胞や粒子、分子を高感度に検出など、次世代材料とデバイスへのアプローチすることが可能となる。
１、２ プラズモン導波路素子
１０ 導波路
１１、１２ 金属壁
２１、２２ 電極
２３、２４ 接続部
１０ 導波路
１１、１２ 金属壁
２１、２２ 電極
２３、２４ 接続部
Claims (6)
- 所定間隔を開けて対向するように配置された一対の金属壁からなる導波路と、
前記金属壁同士を接近または離間させるアクチュエータと、を備え、
前記アクチュエータは、前記一対の金属壁にそれぞれ逆符号または同符号の電荷を帯電させ、該金属壁の間に働く静電引力または静電斥力により、該金属壁同士を接近または離間させるものであり、
前記アクチュエータは、一対の電極を備えており、
前記一対の金属壁の一方は、前記一対の電極の一方に接続されており、
前記一対の金属壁の他方は、前記一対の電極の他方に接続されており、
前記電極と、該電極に接続された前記金属壁とは、所定間隔を開けて対向するように配置されている
ことを特徴とするプラズモン導波路素子。 - 所定間隔を開けて対向するように配置された一対の金属壁からなる導波路と、
前記金属壁同士を接近または離間させるアクチュエータと、を備え、
前記一対の金属壁は、光の入射側または出射側の一方の端部が固定されており、他方の端部が固定されておらず可動となっている
ことを特徴とするプラズモン導波路素子。 - 前記アクチュエータは、前記一対の金属壁にそれぞれ逆符号または同符号の電荷を帯電させ、該金属壁の間に働く静電引力または静電斥力により、該金属壁同士を接近または離間させるものである
ことを特徴とする請求項２記載のプラズモン導波路素子。 - 前記アクチュエータは、一対の電極を備えており、
前記一対の金属壁の一方は、前記一対の電極の一方に接続されており、
前記一対の金属壁の他方は、前記一対の電極の他方に接続されている
ことを特徴とする請求項３記載のプラズモン導波路素子。 - 前記電極と、該電極に接続された前記金属壁とは、所定間隔を開けて対向するように配置されている
ことを特徴とする請求項４記載のプラズモン導波路素子。 - 基板上に金属薄膜を成膜してチップを得る工程と、
前記チップの基板側からエッチングして、導波路を構成する一対の金属壁の間の金属薄膜および基板を除去する工程と、
前記チップの金属薄膜側からエッチングして、金属壁と電極とが所定間隔を開けて対向して配置されるように、該金属壁と該電極との間の金属薄膜を、接続部を残すように除去する工程と、を備える
ことを特徴とするプラズモン導波路素子の作製方法。
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