JPH07120636A

JPH07120636A - 光周波数波動伝送線路

Info

Publication number: JPH07120636A
Application number: JP5263296A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kobayashi; 哲郎小林
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-10-21
Filing date: 1993-10-21
Publication date: 1995-05-12
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JP3391521B2

Abstract

(57)【要約】【目的】波長に制限されず細くした光波伝送線路の提
供。【構成】波長よりも充分に細い径を有する負誘電体媒
質１の回りを、波長よりも薄い厚みを有する正誘電体媒
質２で覆った光波伝送線路を、整合結合部４を介して通
常の光導波路３と接続することによって、負誘電体媒質
１と正誘電体媒質２との界面で効率よく１次元光周波数
電磁波動を励振し伝送させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、新規な光波伝送線路に
関し、本発明の光周波数波動伝送線路は、例えば高空間
分解の情報書き込み、読み取り、加工、マニピュレーシ
ョン等に利用でき、超小形高性能の光変調器、検波器、
光回路、光読み取りヘッド、光書き込みヘッド、センサ
用ヘッド、ＳＴＭ用光探針、微細加工器、光ピンセット
・マニピュレータ用ヘッド、光ディスク等幅広い応用分
野がある。

【０００２】

【従来の技術】従来の光導波路としては、例えば光ファ
イバで代表されるように、主に高屈折率媒質をコアと
し、低屈折率媒質をクラッドとする光閉じ込め型の誘電
体導波路が検討されている。

【０００３】この光閉じ込め型誘電体導波路では、導波
路内の屈折率不連続部で光が全反射を繰り返すことによ
り、または、レンズ状媒質で光の進行方向を曲げること
等により、光波の横方向への進行や回折広がりを抑え、
光波を等価的に軸方向にのみ伝搬させることが光導波路
の原理になっている。

【０００４】従って、光波は主伝送成分（軸方向伝送成
分）のみならず、若干の横方向伝送成分も定在波となる
もののもつ３次元的な電磁界である。すなわち、波数ベ
クトル（位相定数）の実数部は３次元成分を有する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の波数ベクトルの
横成分は、導波路の断面構造（横方向境界条件）から特
定の値（固有値）に規定され、これによりいわゆる伝搬
モ−ドが規定される。

【０００６】横伝搬成分を持つ光ビームでは、光ビーム
の太さは原理的に少なくとも半波長程度になる。実際の
例では、例えば光ファイバーのように屈折率変化が小さ
いためクラッドがさらに太くなり、数μｍ〜十数μｍと
μｍ以上で波長に比べ太くなる。このため光回路、光素
子は光波長に比べて太く、大きくなり、現在サブμｍか
らさらに小さくなりつつある半導体電子素子または回路
に比べ高集積化できず、不利と言われている。

【０００７】一方、自由空間で伝搬する３次元光波につ
いてもこれを集光しても、回折限界によりスポットサイ
ズは波長程度以下にはできず、これが光ディスク、レ−
ザ加工またはマニピュレーション等の空間密度や分解能
を制限しているという課題があった。

【０００８】また、自由空間集光ビームの代わりに、従
来型の光導波路の導波光やその漏れを利用するにして
も、導波路中のビームの太さがやはり半波長程度以下に
はならないため、例えば上記に例示した応用分野におい
ては空間分解能を制限するという課題があった。

【０００９】唯一の例外が、波長に比べ小さい穴からの
光電磁界の漏れ（伝搬せずエバネッセント波と呼ばれ
る）を利用する光走査型トンネル顕微鏡（フォトンＳＴ
Ｍ）があるが、この場合、小さい穴になればなるほど効
率が低下するという課題があった。

【００１０】金属は光波領域では導体というよりプラズ
マ媒質として振舞い、近似的に負の誘電率と虚数の屈折
率を有する負誘電体媒質であることが知られている。さ
らに、金属界面に垂直の方向には波数の実数部を持た
ず、この方向には伝搬しない２次元光波（表面波といわ
れる）プラズモンが伝搬することも知られている。そし
てこれを応用した金属薄膜の２次元光波の伝送に関する
研究論文も、例えばフィシ゛カルレヒ゛ューB第３３巻第5186〜520
1頁(1986)(PHYSICAL REVIEW B vol33,5186(1986))に報
告されている。

【００１１】実際の金属では誘電率の虚部および屈折率
の実部が無視できないため、プラズモン伝送の伝送損失
は１０²〜１０⁴ｃｍ^ー1と従来の光伝送路に比べ桁違いに
伝送損失が多いという欠点があり、１０^ー1〜１０ｋｍ^ー1
程度の低損失の導波路に馴染んでいる一般の研究者の立
場にたてば、プラズモンを用いたこの光導波路は到底使
用できないとみなし、打ち捨てられ研究は進められず、
この損失の大きさを逆用して、表面プラズモンが特定の
偏波になることから、通常の太い誘電体導波路と結合さ
せ、高損失の表面波プラズモンと結合する偏波モードを
カットする導波型の偏波フィルタとして利用されてい
る。

【００１２】一方、波長がｋｍ以上にもなる低周波電磁
波に対し、波長に比べ桁違いに小さいμｍサイズの半導
体電子回路が構成できていることを勘案すると、導波路
の問題さえなければ波長がサブμｍの光回路は本来さら
に小さく構成できるはずである。

【００１３】光回路や光伝送路が小さくできない理由
は、マイクロ波で言う導波管に相当する導波路を光導波
路に用いていることに起因する。実際、波長が数ｍ領域
のＶＨＦ帯のテレビセットを金属導波管回路で構成する
と、１部屋程度の大きさの巨大な電子装置になる。

【００１４】そこで、電磁波または光波の波長に制限さ
れず細くできる導波路の開発が望まれている。

【００１５】しかし、太いとはいえ、従来の光導波路で
も太さがμｍ程度であり、マイクロ波やミリ波の導波路
に比べ充分に細くなっていること、また、現在の光導波
路の代表例である光ファイバーが劇的に低損失で有用
で、あまりにも華々しく登場し、かつ、まだ充分にその
能力を使いきっていない現状から、極細光波伝送線路の
開発研究を進めようという研究者は、本発明者らを除い
てほとんどいなかったようである。

【００１６】本発明は、光信号を伝送する場合、光の波
長に制限され細くできないとされていた光導波路または
光ビームの太さの下限を、波長よりはるかに小さくし、
光回路の小型化が計れ、極微細の光波伝送線路周囲また
は先端部近傍における光電磁界が光波長に比べ充分に小
さい範囲に局在できることを利用した各種デバイスに適
用できる光波伝送線路を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は次の光波伝送線路である。

【００１８】（１）誘電率の実数部が負の負誘電体媒質
と、誘電率が正の正誘電体媒質とを含み、負誘電体媒質
が、負誘電体媒質の長手方向に交差する少なくとも一断
面の対角線、長軸または直径の何れかが、光波長よりも
小さい柱形状を有し、少なくともこの断面付近の負誘電
体媒質を、正誘電体媒質で覆う、または、誘電率の実数
部が負の負誘電体媒質と、誘電率が正の正誘電体媒質と
を含み、負誘電体媒質の少なくとも一断面の対角線、長
軸または直径の何れかが、光波長よりも小さい内径を有
する筒形状を有し、少なくとも負誘電体媒質が正誘電体
媒質を覆った光周波数波動伝送線路。

【００１９】（２）誘電率の実数部が負の負誘電体板
と、誘電率が正の正誘電体板との境界面にプラズモン表
面波を伝送する伝送線路であって、正誘電体板の主伝搬
方向に交差する断面の一部に、周辺部に比べ等価的に屈
折率が高い屈折率分布を付与、または、誘電率の実数部
が負の負誘電体板と、誘電率が正の正誘電体板Ａと、こ
の正誘電体板Ａよりも低い屈折率を有する正誘電体板Ｂ
とを含み、負誘電体板と正誘電体板Ａとの境界面にプラ
ズモン表面波を伝送する伝送線路であって、正誘電体板
Ａの主伝搬方向に交差する断面の一部に負誘電体板を存
在させ、この負誘電体板の正誘電体板Ａと接触しない面
を正誘電体板Ｂで覆った光周波数波動伝送線路。

【００２０】

【作用】本発明の基本構成は、誘電率の実数部が負であ
る負誘電体媒質と、誘電率が正の正誘電体媒質の境界部
での相互作用に基づく。

【００２１】すなわち、波長に比べると充分に小さい口
径を有する負誘電体（負誘電体が柱形状の場合）もしく
は負誘電体（負誘電体が筒形状の場合）の何れかの境界
面に沿って軸方向にのみ伝送し、径方向にはどの方向に
も伝送できなく、軸方向にのみ位相定数を有する形状、
または、正誘電体板と負誘電体板とが接合した形状を有
する。

【００２２】例えば円筒状の伝送線路では、直角座標系
の指数関数または双曲線関数に対応して、界分布は従来
のベッセル型とは異なり変形ベッセル関数状の径方向分
布となるため、半波長程度あるいはそれ以上の厚さの正
誘電体を内部に含み、内部で全反射を繰り返す従来の３
次元光波円筒導波路とは全く導波原理が異なる。

【００２３】すなわち、本発明の伝送線路では、負誘電
体表面に光を照射することにより負誘電体内部に生じる
光周波数で振動する分極が、近くの分極を励起し、これ
をリレーしてゆく分極波伝送となる。従って、境界で反
射する以外は自由空間の電磁波伝搬と同じように伝搬す
る従来の光導波とは全く原理がことなり、本発明の光波
伝送線路の伝送路の太さは波長による制限は生じない。

【００２４】この結果、媒質が負の誘電率を持つ波長域
では、導波路を波長よりいくら細くしてもカットオフは
生じないため、波長に制限されること無く細い光波伝送
線路が構成でき、波長に制限されずに高密度の光回路が
構成できる。

【００２５】従って、ｍｍ以内あるいは波長オーダー以
内で光回路を作成できる非常に小さな光回路であるた
め、ｍｍ程度、場合によっては波長程度の距離だけ伝搬
すれば充分であり、通常では使いものにならないとして
考慮対象外であった大きい伝送損失であっても使用で
き、この表面波をもっと活用することが本発明のモティ
ベーションであり、ユニークなところでもある。

【００２６】なお、このような発想は、１９８４年に本
発明者が推奨し、光周波数帯での電圧・電流を低周波ま
たは直流と同様に伝送させる光伝送線路は、特許第１６
２３５３８号で既に本発明者が取得しているが、本発明
は波長制限がないと言う点で上記特許に若干関連するも
のの、その発想を構造および導波原理が異なるプラズモ
ン導波路または分極導波路にまで発展させたものであ
り、両者は異なる。

【００２７】

【実施例】図１に本発明の光波伝送線路の第１の形態の
一実施例を示す。図１は、柱形状の負誘電体媒質１の回
りを正誘電体媒質２が取り囲み、一方の端から結合整合
部４を介して光ファイバ等の光導波路３と結合してい
る。

【００２８】なお、例えば図２に示したように、正誘電
体媒質２内に針金状の負誘電体媒質１が埋め込められた
構造であってもよく、また例えば図３に示したように保
護用クラッド５を正誘電体媒質２のクラッドの外側に具
備していても良いこと勿論である。

【００２９】図４に本発明の光波伝送線路の別の形態の
一実施態様を示す。図４は、柱形状の正誘電体媒質２の
回りを負誘電体媒質１が取り囲み、一方の端から結合整
合部４を介して光ファイバ等の光導波路３と結合してい
る。すなわち、負誘電体媒質１が筒形状の場合である。

【００３０】なお、正誘電体媒質２を取り囲む負誘電体
媒質１の厚みは、例えば図５に示したように薄い場合で
あってもよく、また例えば図６に示したように保護用ク
ラッド５が、正誘電体媒質２を取り囲む負誘電体媒質１
の外側に具備していても良く、さらに図６の保護用クラ
ッドが正誘電体媒質であっても良い。

【００３１】本発明の特徴とするところは、例えば図１
に示したような負誘電体媒質１が柱形状である場合には
当該柱形状の伝送方向に交差する断面の大きさ、また
は、例えば図４に示したような負誘電体媒質１が筒形状
を有する場合には伝送方向に交差する断面の孔の大きさ
であり、何れも光の波長より小さいことである。従っ
て、例えば図６に示した保護用クラッド５が正誘電体媒
質の場合には、この正誘電体媒質も光の波長よりも小さ
い形態であっても良く、また、例えば図３に示した保護
用クラッド５が負誘電体媒質であっても良いこと勿論で
ある。

【００３２】従って、例えば図１に示した負誘電体媒質
１の伝送方向に交差または直交する断面形状、または例
えば図４に示した負誘電体媒質１の伝送方向に交差また
は直交する孔の断面形状は、円形、楕円形または多角形
等の何れの形状であっても良く、図１の負誘電体媒質２
の断面方向の太さ、または、図４の負誘電体媒質１の内
径の直径、長軸または対角線等の断面方向の距離が、波
長よりも小さい形状であれば良い。

【００３３】本発明の負誘電体媒質１の材料としては、
通常の金属、合金、半導体等が適用でき、何等特殊な材
料ではない。しかし、例えば図１に示したように波長よ
りも小さい外径に加工する必要性、または図４に示した
ように波長よりも小さい内径に加工する必要性があるた
め、加工性に優れた材料が好ましい。

【００３４】また、本発明の正誘電体媒質２の材料とし
ては、一般に光ファイバもしくは導波路として適用でき
る材料でよく、例えばＬｉＮｂＯ₃，ＬｉＴａＯ₃等のよ
うに用いる波長に光学的透明な材料、石英、アルミナ、
マグネシア、ジルコニア、フッ化マグネシウム、カルコ
ゲン化合物、各種ガラス等の無機化合物、ポリメチルメ
タクリル樹脂、ポリスチレン等の高分子化合物等が適用
される。

【００３５】また、図１もしくは図４における正誘電体
媒質２は、真空あるいは空気であってもよく、この場合
には例えば図１では単に負誘電体媒質１の細線、図４で
は単に中空の負誘電体媒質１となる。

【００３６】但し、図１および図４における結合整合部
４は、負誘電体媒質１および正誘電体媒質２で構成され
る本発明の光波伝送線路と通常の導波路３とを結合し、
本発明の光波伝送線路と導波路３との間の伝送インピー
ダンスの整合をはかり、光パワーが必要なだけ相互間に
結合伝送できる構造であれば何れであってもよく、本発
明の本質ではない。

【００３７】また、図１および図４における光導波路３
に付いても、従来の光導波路が適用でき、本発明の本質
ではない。

【００３８】さらに、本発明の光周波数波動伝送線路を
例えば光ヘッドとして用いる場合の対象物としては、金
属材料、半導体材料を始め絶縁体材料の何れであっても
適用できる。

【００３９】但し、本発明の光周波数波動伝送線路を例
えば光ヘッドに適用する場合には、対象物に対向する柱
形状を有する負誘電体媒質、または、筒形状を有する負
誘電体媒質の何れかは、正誘電体媒質の端部から露出さ
せる必要がある。また、負誘電体媒質が柱形状を有する
場合、当該露出部近傍の負誘電体媒質の太さ、または、
負誘電体媒質が筒形状を有する場合、当該露出部近傍の
筒形状の内径の何れかが、光波長よりも小さいと好まし
いこと勿論である。

【００４０】このような本発明の第１の形態では、例え
ば図７〜図１３に示したような組み合わせの形態であっ
ても良い。

【００４１】すなわち、例えば図７に示したように、負
誘電体媒質１の回りを正誘電体媒質２で囲み、さらに当
該正誘電体媒質２の外側に別の負誘電体媒質１’が囲ん
だ形態である。図８に示した形態は、外側の負誘電体媒
質１’の厚みが薄い形態である。

【００４２】また、例えば図９に示したように、負誘電
体媒質１の外側を正誘電体媒質２で囲み、当該正誘電体
媒質２の外側を別の負誘電体媒質１’で囲み、当該負誘
電体媒質１’の外側を別の正誘電体媒質２’で囲み、正
誘電体媒質２’の外側を他の負誘電体媒質１”で囲んだ
形態である。図１０に示した形態は、内径が波長よりも
小さい負誘電体媒質１の内部および外部を各々正誘電体
媒質２および２’を配し、正誘電体媒質２’の外側に別
の負誘電体媒質１’で囲んだ形態である。

【００４３】さらに、図１１は、負誘電体媒質１および
１’を平行に配した形態、すなわち正誘電体媒質が空気
または真空の形態である。図１２は、図１１の負誘電体
媒質１および１’が筒形状である場合であり、正誘電体
媒質２および２’を積極的にいれてもよく、また空気ま
たは真空であっても良い。さらに、図１３は、複数本の
負誘電体媒質１および１’の回りを正誘電体媒質２で囲
み、当該正誘電体媒質２の回りを別の負誘電体媒質１”
で囲んだ形態である。

【００４４】図７〜図１３に示したような多層構造を有
すると、図１または図４のような単層構造に比べると発
生するプラズモンを強力にできるため好ましい。

【００４５】ところで、従来の光波である３次元光波に
対しては、例えば図１４（ａ）に示したような方形の正
誘電体導波路では、図１４（ｂ）に示したように電磁波
の横方向分布は、コア内部ではジグザグに進行し定在波
形で正弦波関数になり、この外側のクラッド部では図１
４（ｃ）に示したように指数関数状に減衰している。

【００４６】また、図１５（ａ）に示したように、例え
ば円筒形状のような筒形状の正誘電体導波路では、図１
５（ｂ）に示したようにコア内部ではジグザグに進行
し、界分布はこれに対応して図１５（ｃ）に示したよう
にベッセル関数形（コア部ではベッセル関数、外部では
ノイマン関数）である。

【００４７】マイクロ波領域もしくは遠赤外領域では金
属を用いた導波路もよく利用され、前者に対応するもの
として金属方形導波路、波長程度の径を有する金属円柱
としては図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示したよう
なクーボー線路、波長程度の内径を有する円筒形の導波
路としては図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示したよ
うなホロー導波路が知られており、界分布はそれぞれ図
１７（ｃ）または図１６（ｃ）に示したようになる。

【００４８】負誘電体媒質を金属と考えれば、外見上は
これらは図１または図４と類似しているかのように見受
けられるが、マイクロ波または遠赤外域の波長域では負
誘電体の性質はなく導電率の非常に大きい導体として作
用し、等価的にジグザグで進む３次元電磁波の完全反射
板として導波路の境界を形成しているため、例えばマイ
クロ波導波管とガス管の違いのように、これら両者は全
く異なるものである。また、導波路には口径に依存する
遮断波長が存在し、口径が半波長程度以上でないと伝送
できない。

【００４９】一方、本発明のような光波領域では、金属
は基本的にはマイナスの誘電率を持つ負誘電体として作
用する他、高密度プラズマも負誘電体として作用する。

【００５０】例えば図１８（ａ）に示したように、正誘
電率を有する通常の光学透明媒質（正誘電体２）から負
誘電体媒質１に光波が入射すると、光電磁波は図１８
（ｂ）に示したように負誘電体媒質１内部に指数関数的
に染み込むものの、結果としては例えば電離層と同様に
全反射されて内部には伝搬できない。

【００５１】しかし、ＴＭモードでは例えば図１９
（ａ）に示したように、負誘電体媒質１内部境界面近傍
と正誘電体媒質２内部境界近傍との界面に沿ってのみ表
面波の形で伝搬できる表面プラズモンといわれる表面波
が存在可能であり、境界面に対して直行する横方向に
は、図１９（ｂ）に示したように、負誘電体媒質１内も
正誘電体媒質２内も正弦波的振動無しに指数関数的に減
衰し、２次元光波（正確には２次元光波は電磁波である
が光ではなく、光周波数で伝搬するプラズマ波）とな
る。

【００５２】さらに、図２０（ａ）および図２１（ａ）
に示したように、負誘電体媒質１薄板と正誘電体媒質２
薄板との間隙では、近接した負誘電体・正誘電体境界が
２面できるため、２つの境界面の表面波が結合し、これ
に代わる偶奇性の異なる２つの２次元光波モードを図２
０（ｂ）および図２１（ｂ）に示すように構成する。

【００５３】この結果、正誘電体媒質２および負誘電体
媒質１の誘電率の絶対値の大小関係に依存はするが、図
２０（ａ）および図２１（ａ）の何れの場合であって
も、板厚および間隙を光波長に比べ充分に小さくして
も、伝送遮断が生じないモードが存在する。

【００５４】本発明の基本構成は、この図１９（ａ）の
境界面、あるいは図２０（ａ）および図２１（ａ）を細
く円筒状に巻いた負誘電体媒質１の外径、または内径を
波長に比べ充分に小さくしたものであり、径方向にはど
の方向にも伝送できないため、軸方向にのみ位相定数を
有する１次元波動伝送路になる。

【００５５】図２２（ａ）、（ｂ）および図２３
（ａ）、（ｂ）は、図１９（ａ）をプラズモン伝搬方向
に平行な軸を中心に、それぞれ負誘電体媒質または正誘
電体媒質の何れかを内側にして巻いた形態の要部断面図
をそれぞれ（ａ）と要部側面図をそれぞれ（ｂ）に示
し、また図２４（ａ）、（ｂ）および図２５（ａ）、
（ｂ）は、各々図２０（ａ）および図２１（ａ）の２次
元光波の伝搬方向に平行な軸を中心に小さく巻いた形態
に相当する。直角座標形の指数関数または双曲線関数に
対応して、界分布は図２２（ｃ）、図２３（ｃ）、図２
４(ｃ）および図２５（ｃ）に示したような変形ベッセ
ル関数（Ｋ_n（αｒ）、Ｉ_n（αｒ）但しαは定数）状の
径方向分布となる。従って、半波長程度の厚さの正誘電
帯を内部に含む従来の３次元光波円筒導波路とは全く導
波原理が異なる。

【００５６】本発明の第１の構成である１次元光波伝送
線路は、例えば短焦点凸レンズで光ビームを対象物に集
光する等のように、レーザ光が小さいサイズのスポット
に集光できることを利用している光機器の、微細サイズ
光ヘッドの最先端部に広く応用できる。

【００５７】本発明の光周波数波動導波線路は、例えば
光ヘッドに適用した図２６、図２７および光ＳＴＭの光
ヘッドに適用した図２８に示したように、従来の光ヘッ
ド先端部として応用できる。すなわち、図２６は一般的
な自由伝搬型光ヘッド、図２７は導波路型光ヘッド、ま
た図２８はエバネッセント型光ＳＴＭヘッドに利用でき
る。

【００５８】このような光ヘッドに本発明の光波伝送線
路を適用すると、例えば図２９および図３０に示したよ
うな形態をとり得る。すなわち、図２９では基本的には
図１〜図１０の構成がそのまま適用でき、何れも構成が
極めて単純にすることができる。

【００５９】また、図２９の構成では、ヘッドの伝送線
路部が非常に細く、また機械的強度に劣る、あるいはデ
ィスク等の対象物を傷つけ安い等の点を解決する手法と
して、例えば図３０に示すような伝送線路の外側に光が
進入し難い材料の保護層を装荷し、太くした構造も有効
になる。

【００６０】さらに、図２９および図３０では、何れも
ヘッド先端は１次元伝送線路を切断したままであるが、
例えば図３１、図３２または図３３に示したような伝送
線路の断面を球面あるいは楕円体面状に面とりする構造
も有効である。

【００６１】本発明の光波伝送線路を例えば光ディスク
に適用した場合、３０ｎｍ程度の電磁界スポットサイズ
となるため、ビーム径が１μｍ程度以上の現行の方法に
比べ、約１０００倍の空間密度が向上でき、例えば１枚
の音楽用ＣＤで、数百Ｇビットの容量にでき、１カ月以
上の連続演奏が可能となる。

【００６２】図３４および図３５、図３６および図３７
は本発明の第２の実施態様の内、負誘電体板１が正誘電
体板２およｂ２’（すなわち正誘電体ＡおよびＢ）に覆
われた形態の実施例を示し、図３８、図３９、図４０、
図４１、図４２、図４３および図４４は本発明の第２の
実施態様の内、負誘電体板１と正誘電体板とが境界面を
形成した形態の実施例を示す。

【００６３】すなわち、図３４および図３５は図１９の
形態、図３６および図３７は図２０および図２１の形態
の正誘電体と負誘電体板の何れかの一部を、進行方向に
長い棒板状に残し、周辺部を除去し、除去した部分に元
からある正誘電体の屈折率よりも小さい屈折率を有する
正誘電体を装荷したものである。なお、元からある正誘
電体の屈折率よりも小さい屈折率を有する正誘電体とし
ては、真空または空気でもよい。

【００６４】また、図３６、図３７、図３８、図３９お
よび図４０は、それぞれ図１９、図２０および図２１の
形態の正誘電体板２と負誘電体板１との両方を、光進行
方向に長い板状に切った形態である。この場合の周囲に
は、空気または真空は勿論のこと、棒状の正誘電体より
低屈折率を有する正誘電体を配してもよい。

【００６５】これらの構造により、負誘電体と正誘電体
との水平境界面に平行で、かつ主伝送方向に垂直な方向
に等価屈折率の分布を生ぜしめ、正誘電体板２の一部を
等価的に高屈折率として、この方向に従来の光導波路で
用いられる光閉じ込め効果を与える。

【００６６】また、図４１、図４２、図４３および図４
４に示したように、それぞれ上述した図３６、図３７、
図３８、図３９および図４０における元からある正誘電
体板２の屈折率よりも小さい屈折率を有する正誘電体板
２’として、真空または空気の何れかの場合であり、こ
のように真空または空気であってもよいこと勿論であ
る。

【００６７】このような２次元光波伝送線路において、
負誘電体板１と正誘電体板２とを接するとき、この境界
面に表面プラズモンなる２次元光波が伝送可能なこと
は、本発明の第１の形態と同様の作用効果である。

【００６８】すなわち、図４５に示したように例えば典
型的なプラズモン伝送モデルでは、境界面に垂直なｘ方
向には電磁界が指数関数的な減衰をするのみで伝送しな
いが、ｙ−ｚ平面内では全く自由に伝送できる。そこで
主伝送成分を軸（図では一例としてｚ軸）としてこの境
界面に巻き、ｙ−ｚ面内では何れの方向にも伝送成分を
持たなくしたのが本発明の第１の形態の１次元光波伝送
線路である。

【００６９】一方、図４６または図３４〜図４４に示す
ような構成では、ｙ方向には従来の誘電体導波路におけ
るように等価的な屈折率分布が設けられているため、ｙ
方向には定在波形の界分布でコア部では位相定数実部に
ｙ成分があり、ｙ方向には従来形の光閉じ込めが行われ
る。この結果、光波はｘ方向には表面波として波長に比
べはるかに薄く閉じ込められ、ｙ方向には従来の光導波
路と同程度の太さ（すなわち波長程度）に閉じ込められ
る偏平な２次元光波伝送線路となる。

【００７０】以上のように、誘電率の実数部が負である
負誘電体の板と、誘電率が正である正誘電体の板との境
界面に伝送できるプラズモン表面波に対し、境界面に平
行で主伝送方向に直行する方向に正誘電体板に対しその
一部が周辺に比べ等価的に屈折率が高くなるよう屈折率
分布を与えた形態、または、正誘電体１（すなわち正誘
電体Ａ）の板と、この正誘電体１よりも低い屈折率を有
する別の正誘電体２（すなわち正誘電体Ｂ）の板とを接
合し、正誘電体２の板の一部に負誘電体板を存在させた
形態の何れかの形態をとる２次元光波伝送線路が作製で
きる。

【００７１】つまりこの線路は、光波の主伝送方向に直
行する２方向に対し、一方の方向に対しては負誘電体と
正誘電体との境界により、表面波として光波を閉じ込
め、これと直行するもう一方の方向に対しては、従来の
光導波路と同様の屈折率分布による光波閉じ込めを行う
光波伝送線路である。

【００７２】なお、表面波閉じ込め方向には非常に薄く
することができるため、この方向に多層構造をとること
も可能であり、このような多層構造も本発明に含まれる
こと勿論である。また、等価屈折率分布は、勾配型また
は階段的分布の他、通常の光導波路で用いられているよ
うな手法であってもよい。

【００７３】本発明の２次元光波伝送線路は、従来の３
次元光波導波路に比べ、導波光ビームの断面積を小さく
することができ、高密度光回路が構成できる他、加工
器、センサ、マニピュレータ等に応用できる。

【００７４】なお、本発明の光周波数波動伝送線路の第
２の実施態様において、負誘電体板の一部が正誘電体板
の中に入り込んでいても良いこと当然である。

【００７５】また、本発明の第２の実施態様において
は、負誘電体板と正誘電体板との境界面でプラズモン表
面波を伝送することが要件であり、この境界面に交差す
る方向の導波路に厚さは用いる波長よりも充分に小さく
できる。

【００７６】本発明の光周波数波動伝送線路の第１の形
態、および第２の形態でいう「光波長よりも小さい」と
は、実際の回路等に適用する場合の損失を考慮した大き
さを想定すると、用いる波長の１／３程度以下が好まし
い。

【００７７】このような本発明の光周波数波動伝送線路
は、入力エネルギーとして光を用い出力として局所電磁
界が得られ、極微細な部分に効果が発揮できるため、微
細加工用、光回路用、超空間分解能を有する情報書き込
みまたは読取用、センサ用、超小形光変調起用等の光ヘ
ッドに適用できる。

【００７８】（実施例１）次のような工程により、本発
明の第１の形態の光周波数波動伝送線路を作成すること
ができる。

【００７９】外径２０ｍｍ、内径４ｍｍの石英管に、外
径３．５ｍｍの銀細線を挿入し、次にこの銀細線を挿入
した石英管を、真空ポンプで脱気し封止する。

【００８０】封止した石英管を酸水素バーナーを用い、
約２０００℃に加熱し中空部をつぶすいわゆるコラプシ
ングを施し、プリフォームを得ることができる。

【００８１】このプリフォームを抵抗加熱炉に通し約２
０００℃に加熱しながらダイスに通しながら引張り、石
英の外径３０ｎｍ、銀の外径（すなわち石英の内径）２
０ｎｍの図１に示したような本発明の光周波数波動伝送
線路を得ることができる。

【００８２】（実施例２）実施例１で得た光周波数波動
伝送線路を、長さ１００μｍに切断したとするとその伝
送による損失は１／１０程度と見積られ、その一端から
発振波長０．８μｍ、１ｍＷのＧａＡｓ半導体レ−ザ素
子を光源とし、ロッドレンズを介して通常の光ファイバ
ーを用い、本発明の光周波数波動線路に１００μＷ入力
したとすると、結合損失を考慮しても数十μＷ程度の光
出力が他端から得られ、１００μｍ程度以内の光回路で
あれば充分動作できることを確認できる。

【００８３】また、本発明の光周波数波動伝送線路
は、、例えば各種記録媒体の光書き込みまたは読取用光
ヘッド、加工用光ヘッド、センサ用光ヘッド、ＳＴＭ用
光探針、マニピュレータ用光ヘッド等の各種光ヘッド等
に応用できる可能性も確認した。

【００８４】さらに、例えば図４の形態では正誘電体媒
質２を例えば低融点ガラスを適用し、銀管に充填させ実
施例１と同様な手法で本発明の光周波数波動伝送線路が
製造でき、また例えば図３４の形態は、例えば負誘電体
板上に、用いる光に対して透明で屈折率が異なる物質を
例えばスパッタリング法等で成膜することで作成でき、
さらに例えば図４１の形態は、例えば金属等の負誘電体
板の上にスパッタリング法等で正誘電体を形成する等の
手法で作成できる。

【００８５】

【発明の効果】本発明は、（１）誘電率の実数部が負の負誘電体媒質と、誘電率が
正の正誘電体媒質とを含み、負誘電体媒質が、負誘電体
媒質の長手方向に交差する少なくとも一断面の対角線、
長軸または直径の何れかが、光波長よりも小さい柱形状
を有し、少なくともこの断面付近の負誘電体媒質を、正
誘電体媒質で覆う、または、誘電率の実数部が負の負誘
電体媒質と、誘電率が正の正誘電体媒質とを含み、負誘
電体媒質の少なくとも一断面の対角線、長軸または直径
の何れかが、光波長よりも小さい内径を有する筒形状を
有し、少なくとも負誘電体媒質が正誘電体媒質を覆った
光周波数波動伝送線路。

【００８６】（２）誘電率の実数部が負の負誘電体板
と、誘電率が正の正誘電体板との境界面にプラズモン表
面波を伝送する伝送線路であって、正誘電体板の主伝搬
方向に交差する断面の一部に、周辺部に比べ等価的に屈
折率が高い屈折率分布を付与、または、誘電率の実数部
が負の負誘電体板と、誘電率が正の正誘電体板Ａと、こ
の正誘電体板Ａよりも低い屈折率を有する正誘電体板Ｂ
とを含み、負誘電体板と正誘電体板Ａとの境界面にプラ
ズモン表面波を伝送する伝送線路であって、正誘電体板
Ａの主伝搬方向に交差する断面の一部に負誘電体板を存
在させ、この負誘電体板の正誘電体板Ａと接触しない面
を正誘電体板Ｂで覆った光周波数波動伝送線路である。

【００８７】本発明の光は伝送線路を用いると、光エネ
ルギーを波長に制限されることなく細い伝送線路に詰め
込み伝送でき、その先端部ではもれ光電磁界を波長に比
べ非常に小さい空間範囲に局在および集中させることが
でき、充分なエネルギを付与することができる。

【００８８】この局在電磁界を利用して、微小領域の電
磁波応答を感知することが可能となり、超高精度のセン
サヘッド、高密度光集積回路等の光学装置への展開が可
能となる。

【００８９】また、本発明の板状にした伝送線路の形態
でも、導波光ビームの断面積を小さくすることができ、
高密度光回路の構成を可能にできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光波伝送線路の第１の形態の一実施例
における一接続例の概念斜視図

【図２】本発明の光波伝送線路の第１の形態の一実施例
の要部拡大概念斜視図

【図３】本発明の光波伝送線路の第１の形態の一実施例
の要部拡大概念斜視図

【図４】本発明の光波伝送線路の第１の形態の他の実施
例における一接続例の概念斜視図

【図５】本発明の光波伝送線路の第１の形態の一実施例
の要部拡大概念斜視図

【図６】本発明の光波伝送線路の第１の形態の一実施例
の要部拡大概念斜視図

【図７】本発明の光波伝送線路の第１の形態の一実施例
の要部拡大概念斜視図

【図８】本発明の光波伝送線路の第１の形態の一実施例
の要部拡大概念斜視図

【図９】本発明の光波伝送線路の第１の形態の一実施例
の要部拡大概念斜視図

【図１０】本発明の光波伝送線路の第１の形態の一実施
例の要部拡大概念斜視図

【図１１】本発明の光波伝送線路の第１の形態の一実施
例の要部拡大概念斜視図

【図１２】本発明の光波伝送線路の第１の形態の一実施
例の要部拡大概念斜視図

【図１３】本発明の光波伝送線路の第１の形態の一実施
例の要部拡大概念斜視図

【図１４】（ａ）は従来の光導波路の構成を説明する長
手方向の断面図（ｂ）は従来の光導波路の構成を説明する側面断面図（ｃ）は従来の光導波路の界分布の例を示す概念グラフ

【図１５】（ａ）は従来の光導波路の構成を説明する長
手方向の断面図（ｂ）は従来の光導波路の構成を説明する側面断面図（ｃ）は従来の光導波路の界分布の例を示す概念グラフ

【図１６】（ａ）は従来のマイクロ波ミリ波導波路の構
成を説明する長手方向の断面図（ｂ）は従来のマイクロ波ミリ波導波路の構成を説明す
る側面断面図（ｃ）は従来のマイクロ波ミリ波導波路の界分布の例を
示す概念グラフ

【図１７】（ａ）は従来のマイクロ波ミリ波伝送クーボ
ー線路の構成を説明する断面図（ｂ）は従来のマイクロ波ミリ波伝送クーボー線路の構
成を説明する側面断面図（ｃ）は従来のマイクロ波ミリ波伝送クーボー線路の界
分布の一例を示す概念グラフ

【図１８】（ａ）は正誘電体と負誘電体との界面の光の
挙動を説明する側面断面図（ｂ）は同反射面における電界の挙動を示す概念グラフ

【図１９】（ａ）はプラズモン表面波の厚み方向のしみ
込みを説明する断面側面図（ｂ）は同表面波の電界法線成分の概念グラフ

【図２０】（ａ）は本発明の負誘電体と正誘電体との２
境界平面が平行にある場合の構成を説明する側面断面図（ｂ）は同構成における２次元光波（２つのプラズモン
表面波の結合したもの）の様子を示す概念グラフ

【図２１】（ａ）は負誘電体と正誘電体との２境界平面
が平行にある場合の他の構成を説明する説明する側面断
面図（ｂ）は同構成における２次元光波（２つのプラズモン
表面波の結合したもの）の様子を示す概念グラフ

【図２２】（ａ）は本発明の１次元光波伝送線路の一実
施例の挙動を説明する断面図（ｂ）は同１次元光波伝送線路の一実施例の挙動を説明
する側面断面図（ｃ）は同実施例の１次元光波の電界成分の概念グラフ

【図２３】（ａ）は本発明の１次元光波伝送線路の一実
施例の挙動を説明する断面図（ｂ）は同１次元光波伝送線路の一実施例の挙動を説明
する側面断面図（ｃ）は同実施例の１次元光波の電界成分の概念グラフ

【図２４】（ａ）は本発明の１次元光波伝送線路の一実
施例の挙動を説明する断面図（ｂ）は同１次元光波伝送線路の一実施例の挙動を説明
する側面断面図（ｃ）は同実施例の１次元光波の電界成分の概念グラフ

【図２５】（ａ）は本発明の１次元光波伝送線路の一実
施例の挙動を説明する断面図（ｂ）は同１次元光波伝送線路の一実施例の挙動を説明
する側面断面図（ｃ）は同実施例の１次元光波の電界成分の概念グラフ

【図２６】従来の光ヘッドの構成図

【図２７】従来の光ヘッドの別の構成図

【図２８】従来の光ＳＴＭのヘッドの一実施例の構成図

【図２９】本発明の光周波数波動伝送線路を光ヘッドに
適用した一応用例を説明する構成図

【図３０】本発明の光周波数波動伝送線路を光ヘッドに
適用した別の応用例を説明する構成図

【図３１】本発明の光周波数波動伝送線路の一応用例の
構成を示す要部拡大概念断面図

【図３２】本発明の光周波数波動伝送線路の他の応用例
の構成を示す要部拡大概念断面図

【図３３】本発明の光周波数波動伝送線路の別の応用例
の構成を示す要部拡大概念断面図

【図３４】本発明の光波伝送線路の第２の形態の一実施
例の概念斜視図

【図３５】本発明の光波伝送線路の第２の形態の一実施
例の概念斜視図

【図３６】本発明の光波伝送線路の第２の形態の一実施
例の概念斜視図

【図３７】本発明の光波伝送線路の第２の形態の一実施
例の概念斜視図

【図３８】本発明の光波伝送線路の第２の形態の一実施
例の概念斜視図

【図３９】本発明の光波伝送線路の第２の形態の一実施
例の概念斜視図

【図４０】本発明の光波伝送線路の第２の形態の一実施
例の概念斜視図

【図４１】本発明の光波伝送線路の第２の形態の一実施
例の概念斜視図

【図４２】本発明の光波伝送線路の第２の形態の一実施
例の概念斜視図

【図４３】本発明の光波伝送線路の第２の形態の一実施
例の概念斜視図

【図４４】本発明の光波伝送線路の第２の形態の一実施
例の概念斜視図

【図４５】プラズモン表面波の伝送を説明する図

【図４６】本発明の２次元光波伝送路での光波の伝送を
説明する図

【符号の説明】

１負誘電体２正誘電体３光導波路４結合整合部５保護用クラッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電率の実数部が負の負誘電体媒質と、誘
電率が正の正誘電体媒質とを含み、前記負誘電体媒質
が、前記負誘電体媒質の長手方向に交差する少なくとも
一断面の対角線、長軸または直径の何れかが、光波長よ
りも小さい柱形状を有し、前記断面付近の前記負誘電体
媒質を前記正誘電体媒質で覆ったことを特徴とする光周
波数波動伝送線路。
【請求項２】誘電率の実数部が負の負誘電体媒質と、誘
電率が正の正誘電体媒質とを含み、前記負誘電体媒質が
筒形状を有し、前記筒形状の長手方向に交差する少なく
とも一断面の対角線、長軸または直径の何れかが、光波
長よりも小さい内径を有する筒形状を有し、少なくとも
前記負誘電体媒質が前記正誘電体媒質を覆ったことを特
徴とする光周波数波動伝送線路。
【請求項３】柱形状を有する負誘電体媒質、または、筒
形状を有する負誘電体媒質の何れかを、正誘電体媒質の
端部から露出させたことを特徴とする請求項１または２
何れかに記載の光周波数波動伝送線路。
【請求項４】柱形状または筒形状の何れかを有する負誘
電体媒質を、複数個平行に配列したことを特徴とする、
請求項１〜３何れかに記載の光周波数波動伝送線路。
【請求項５】誘電率の実数部が負の負誘電体板と、誘電
率が正の正誘電体板との境界面にプラズモン表面波を伝
送する伝送線路であって、前記正誘電体板の主伝搬方向
に交差する断面の一部に、周辺部に比べ等価的に屈折率
が高い屈折率分布を付与したことを特徴とする光周波数
波動伝送線路。
【請求項６】誘電率の実数部が負の負誘電体板と、誘電
率が正の正誘電体板Ａと、前記正誘電体板Ａと異なる屈
折率を有する正誘電体板Ｂとを含み、前記負誘電体板と
前記正誘電体板Ａとの境界面にプラズモン表面波を伝送
する伝送線路であって、前記正誘電体板Ａの主伝搬方向
に交差する断面の一部に前記負誘電体板を存在させ、前
記負誘電体板の前記正誘電体板Ａと接触しない面を、前
記正誘電体板Ｂで覆ったことを特徴とする光周波数波動
伝送線路。
【請求項７】正誘電体板または正誘電体板Ａの何れかと
負誘電体板との境界面の少なくとも一部が、前記正誘電
体板の凹部または前記正誘電体板Ａの凹部の何れか中に
存在することを特徴とする、請求項５または６何れかに
記載の光周波数波動伝送線路。
【請求項８】主伝搬方向および正誘電体板と負誘電体板
との境界面に交差する方向の導波路の厚さが、光波長よ
りも小さいことを特徴とする、請求項５〜７何れかに記
載の光周波数波動伝送線路。
【請求項９】負誘電体板と正誘電体板とを複数枚積層し
たことを特徴とする、請求項５〜８何れかに記載の光周
波数波動伝送線路。