JP4297424B2

JP4297424B2 - プラズモン発生装置

Info

Publication number: JP4297424B2
Application number: JP2003330562A
Authority: JP
Inventors: 和喜袴田; 智幸林
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-09-22
Also published as: JP2005098756A

Description

本発明は、入射光によって表面プラズモンを励起し、それを効率よく伝搬させるプラズモン発生装置に関するものである。この技術は、表面プラズモンを利用する各種の光デバイス、例えばナノ光回路、光記録再生装置用のヘッド、光計測分野、光センサなどに有用である。

表面プラズモンは、金属−誘電体境界に生じる電子の疎密波の１種であり、発生したプラズモンは金属薄膜表面を伝搬する。プラズモンを発生させるには、例えば図５に示すように、プリズム１０の表面に負誘電率材料膜（例えば金属薄膜１２）を形成し、包囲材料１４により包囲したクレッチマン光学配置が用いられる。入射光２０をプリズム１０の表面で全反射するように照射してエバネッセント光２２を発生させ、このエバネッセント光２２が表面プラズモンを励起させる。発生した表面プラズモンは、符号２４で示す黒矢印の方向に金属薄膜１２上を伝搬する。この種のプラズモン発生装置は、例えば非特許文献１などにも記載がある。

入射光の波数の水平成分Ｋｘは式（１）で、また金属薄膜の表面プラズモンの波数Ｋｐは式（２）で表せる。
Ｋｘ＝（ε₁）^1/2・（ω・sin θ）／Ｃ …（１）
Ｋｐ＝ω・｛（ε₂ε₃）／（ε₂＋ε₃）｝^1/2／Ｃ …（２）
但し、
ω：入射光の角振動数
θ：入射光の入射角度
Ｃ：光速度
ε₁：プリズムの誘電率
ε₂：金属薄膜の誘電率
ε₃：包囲材料の誘電率
である。上記ＫｘとＫｐが一致するように入射光の入射角度θを調整することにより、プラズモンを励起することができる。

このようなプラズモン発生装置において、プラズモンを励起するためには、入射光がプリズム界面で全反射を起こし、その時に生じるエバネッセント光２２が金属薄膜１２を通り抜けることが必要である。このためには、金属薄膜は十分に薄くなければならない。他方、励起された表面プラズモンは金属薄膜上を伝搬していくが、伝搬損失を低減するためには膜厚が厚い方が好ましい。

例えば図５の構造において、プリズム１０の誘電率ε₁＝２．１３２（石英ガラスを想定）、金属薄膜１２の誘電率ε₂＝−１８＋０．７ｊ（銀薄膜を想定）、包囲材料１４の誘電率ε₃＝１．０（空気を想定）とし、波長６３３ｎｍ、入射角度４５°、ビーム径１８００ｎｍのＴＭモードのガウスビームを入射したときのプラズモン励起・伝搬のシミュレーション結果は次のようになる。図６は金属薄膜の膜厚Ｈと励起されるプラズモン光強度の関係を、図７は膜厚Ｈとプラズモンの伝搬距離の関係を、図８は膜厚Ｈと励起中心から１５μｍ離れた位置でのプラズモン光強度の関係を、それぞれ示している。計算はＦＤＴＤ（時間領域差分法）により行った。その結果、金属薄膜の膜厚Ｈが薄いほど励起されるプラズモン光強度は大きいが、伝搬距離は短くなること、プラズモンの励起と伝搬を考慮した励起中心から１５μｍ離れた位置では、膜厚Ｈが４０ｎｍのときにプラズモン光強度が最大となることが分かった。このことは、従来技術において、金属薄膜の膜厚を４０ｎｍ程度に設定していることと合致している。なお、励起中心から１５μｍ離れた位置でのプラズモン光強度を目安としているのは、光回路や光記録再生装置用ヘッド、光計測などの用途を考慮すると、その程度離れた位置まではプラズモンが伝搬することが求められるからである。

上記のように、金属薄膜の膜厚に対して、励起されるプラズモン光強度と伝搬距離は相反する関係にあり、このため良好なプラズモンの励起性能と伝搬性能を兼ね備えたプラズモン発生装置の実現は困難であった。
T.Yatsui, M.Kourogi and M.Ohtsu, "Plasmon waveguide for optical far/near-field conversion", Applied Physics Letters, vol.79, No.27, p4583-4585, (2001)

本発明が解決しようとする課題は、励起されるプラズモン光強度と伝搬距離が相反する関係にあることから、プラズモンの励起効率が高く且つ伝搬距離を長くすることができない点である。

本発明は、基材の表面に負誘電率材料膜を形成し、基材界面で全反射する入射光によりプラズモンを励起し、励起されたプラズモンが負誘電率材料膜上を伝搬するプラズモン発生装置において、負誘電率材料膜の厚さがプラズモン伝搬方向で変化し、励起部分の負誘電率材料膜の厚さは３０ｎｍ以下、伝搬部分の負誘電率材料膜の厚さは５０ｎｍ以上に設定されているプラズモン発生装置である。

ここで、より好ましくは、励起部分の負誘電率材料膜の厚さは２０ｎｍ以下とし、伝搬部分の負誘電率材料膜の厚さは７０ｎｍ以上として、両者は徐々に厚みが変わる結合区間を経て連続している構造とする。また、基材界面での励起中心と負誘電率材料膜が厚くなる点までの結合距離を入射光のビーム半径の３倍以下とすることが望ましい。

負誘電率材料膜は、誘電率の実数部が負となる材料の膜であり、例えば金、銀、銅、アルミニウムなどの金属薄膜、あるいは半導体薄膜などからなる。入射光は、レーザや発光ダイオードなどの光でもよいし、タングステンランプあるいはハロゲンランプなどの光でもよい。

本発明に係るプラズモン発生装置は、負誘電率材料膜の膜厚構造を最適化したことにより、プラズモンの励起効率が高く、且つ伝搬距離を長くでき、その結果、入射光から効率よくプラズモンを発生させることができる。

プリズム（基材）の表面に金属薄膜（負誘電率材料膜）を形成する。プリズム界面で全反射する入射光によりプラズモンを励起し、励起されたプラズモンが金属薄膜上を伝搬する。本発明では、金属薄膜の厚さがプラズモン伝搬方向で変化し、励起部分では薄く、伝搬部分では厚く設定されている。励起部分の金属薄膜の厚さＨは２０ｎｍ以下、伝搬部分の金属薄膜の厚さｈは７０ｎｍ以上とし、両者は徐々に厚みが変わる結合区間を経て連続している。また、プリズム界面での励起中心と金属薄膜が厚くなる点までの結合距離を入射光のビーム半径の３倍以下とする。プリズム界面で全反射する入射光によって生じるエバネッセント光がプラズモンを励起し、励起されたプラズモンが金属薄膜上を伝搬する。

図１は、本発明に係るプラズモン発生装置の一実施例を示す説明図である。ここでは基材として二等辺三角形状のプリズム３０を用いており、その底面に金属薄膜（負誘電率材料膜）３２を形成し、それを包囲材料３４で覆う構造である。入射光４０は、プリズム側面に垂直に入射し、プリズム底面で全反射する。このとき生じるエバネッセント光４２によりプラズモンを励起し、励起されたプラズモンは、符号４４で示す黒矢印の方向に金属薄膜３２上を伝搬する。本発明では、金属薄膜３２の厚さがプラズモンの伝搬方向で変化しており、励起部分では薄く（膜厚Ｈ）、伝搬部分では厚く（膜厚ｈ）設定している。例えば、励起部分に適した薄い膜厚Ｈの金属薄膜３２ａを形成し、伝搬部分は、その上に部分的に更に金属薄膜３２ｂを形成して合計で所定の膜厚ｈとなるようにする。従って、金属薄膜３２ａと金属薄膜３２ｂとは、同じ材料でもよいし、勿論異なる材料を用いることもできる。

図１に示す構造において、プリズム３０の誘電率ε₁＝２．１３２（石英ガラスを想定）、金属薄膜３２（３２ａ，３２ｂ）の誘電率ε₂₁＝ε₂₂＝−１８＋０．７ｊ（銀薄膜を想定）、包囲材料３４の誘電率ε₃＝１．０（空気を想定）とし、波長６３３ｎｍ、入射角度４５°、ビーム径１８００ｎｍのＴＭモードのガウスビームを入射したときのプラズモン励起・伝搬についてシミュレーションを行った。計算はＦＤＴＤ（時間領域差分法）により行った。結果は以下の如くである。

図２は、プラズモン励起部分の金属薄膜の膜厚Ｈをパラメータとし、結合距離Ｌを変化させたときの励起中心から１５μｍ離れた位置でのプラズモン光強度の関係を示すグラフである。ここではプラズモン伝搬部分の金属薄膜の膜厚ｈ＝１００ｎｍ、プラズモン励起部分とプラズモン伝搬部分の結合角度α＝９０°（即ちステップ状に結合）とした構造を前提としている。因みに、従来構造のプラズモン光強度は０．１５である。本発明によるプラズモン発生装置では、従来構造に比べてプラズモン発生効率が約６．７倍向上していることが分かる。また、励起部分に金属薄膜が無い（Ｈ＝０ｎｍ）の場合でも、全反射により生じたエバネッセント光を、直接プラズモン伝搬部分に結合することにより、プラズモンを発生させることができる。

図３は、プラズモン励起部分とプラズモン伝搬部分とを滑らかに結合させた場合について、結合距離Ｌを変化させたときの励起中心から１５μｍ離れた位置でのプラズモン光強度の関係を示すグラフである。ここでは、プラズモン励起部分の金属薄膜の厚さＨ＝１０ｎｍ、プラズモン伝搬部分の金属薄膜の厚さｈ＝１００ｎｍとし、結合角度α＝１５°としている。このように１５°程度の角度で滑らかに結合することにより、プラズモンが励起部分から伝搬部分へと効率よく伝搬し、その結果、従来構造に比べてプラズモン発生効率は１０．５倍向上していることが分かる。但し、結合角度が小さすぎると、過渡的な結合区間が長くなりそこでの損失が増大するため、逆に好ましくない結果となる。

また、図２及び図３から分かるように、結合距離Ｌが長くなりすぎると光強度は低下する。これは励起されたプラズモンが伝搬部分に達するまでに、放射などによる損失が大きくなるからである。このことから、プリズム底面での励起中心と金属薄膜が厚くなる点までの結合距離Ｌは、入射光のビーム半径の３倍以下とするのが望ましいのである。

図４は、本発明に係るプラズモン発生装置の他の実施例を示す説明図である。基本的な構成は図１の例と同様なので、対応する部材には同一符号を付し、説明は省略する。ここでは、基材５０内に光導波路５２を形成し、該光導波路５２を通して入射光を導くようにしている。光導波路ではなく、光ファイバを挿入するような構成でもよい。

本発明において、基材は、負誘電率材料膜を担持すると共に、入射光を導入する機能があればよく、形状的には格別の制限はない。光導波路や光ファイバを形成する場合には、膜担持機能のみ備えていればよい。従って、外形的には、三角プリズム状のほか、半球状・半円柱状、平板状などでもよい。

以上のことから、本発明によればプラズモンを高効率で発生させることができる。このようにして発生させたプラズモンは、例えばナノ光回路、光記録再生装置のヘッド、光計測、光センサなどに利用することができる。

本発明に係るプラズモン発生装置の一実施例を示す説明図。膜厚と励起中心から１５μｍ離れた位置での光強度の関係を示すグラフ。結合角を１５°にしたときの膜厚と光強度の関係を示すグラフ。本発明に係るプラズモン発生装置の他の実施例を示す説明図。従来構造の一例を示す説明図。従来構造における膜厚と励起プラズモン光強度の関係を示すグラフ。従来構造における膜厚とプラズモン伝搬距離の関係を示すグラフ。従来構造における膜厚と励起中心から１５μｍ離れた位置での光強度の関係を示すグラフ。

符号の説明

３０プリズム
３２金属薄膜
３４包囲材料
４０入射光
４２エバネッセント光

Claims

基材の表面に負誘電率材料膜を形成し、基材界面で全反射する入射光によりプラズモンを励起し、励起されたプラズモンが負誘電率材料膜上を伝搬する構造のプラズモン発生装置において、負誘電率材料膜の厚さがプラズモン伝搬方向で変化し、励起部分の負誘電率材料膜の厚さは３０ｎｍ以下、伝搬部分の負誘電率材料膜の厚さは５０ｎｍ以上に設定されていることを特徴とするプラズモン発生装置。
励起部分の負誘電率材料膜の厚さは２０ｎｍ以下であり、伝搬部分の負誘電率材料膜の厚さは７０ｎｍ以上であって、両者は徐々に厚みが変わる結合区間を経て連続している請求項１記載のプラズモン発生装置。
負誘電率材料膜が、金、銀、銅、アルミニウムのいずれか１種以上の薄膜からなる請求項１又は２記載のプラズモン発生装置。