(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長の入力光によって励起された表面プラズモンが伝播するように自由電子パターンが形成される半導体基板と、
第１の光を出射する第１の光源、及び前記第１の光源から出射された前記第１の光を変調する空間光変調器を有し、前記半導体基板に前記自由電子パターンが形成されるように前記空間光変調器によって変調された前記第１の光を前記半導体基板に照射する第１の光照射部と、
前記入力光を含む第２の光を出射する第２の光源を有し、前記第２の光源から出射された前記第２の光を前記半導体基板に照射する第２の光照射部と、を備え、
前記表面プラズモンの作用によって前記半導体基板で発生した前記所定波長の出力光を検出する光検出部と、
前記光検出部によって検出された前記出力光の強度に基づいて、当該強度を所定値以上とする前記自由電子パターンが前記半導体基板に形成されるように前記空間光変調器を制御する制御部と、を更に備える、表面プラズモンデバイス。
【請求項２】
所定波長の入力光によって励起された表面プラズモンが伝播するように自由電子パターンが形成される半導体基板と、
第１の光を出射する第１の光源、及び前記第１の光源から出射された前記第１の光を変調する空間光変調器を有し、前記半導体基板に前記自由電子パターンが形成されるように前記空間光変調器によって変調された前記第１の光を前記半導体基板に照射する第１の光照射部と、
前記入力光を含む第２の光を出射する第２の光源を有し、前記第２の光源から出射された前記第２の光を前記半導体基板に照射する第２の光照射部と、を備え、
前記表面プラズモンを励起する前記入力光の前記所定波長を時間変化させる前記自由電子パターンが前記半導体基板に形成されるように前記空間光変調器を制御する制御部を更に備える、表面プラズモンデバイス。
【請求項３】
所定波長の入力光によって励起された表面プラズモンが伝播するように自由電子パターンが形成される半導体基板と、
第１の光を出射する第１の光源、及び前記第１の光源から出射された前記第１の光を変調する空間光変調器を有し、前記半導体基板に前記自由電子パターンが形成されるように前記空間光変調器によって変調された前記第１の光を前記半導体基板に照射する第１の光照射部と、
前記入力光を含む第２の光を出射する第２の光源を有し、前記第２の光源から出射された前記第２の光を前記半導体基板に照射する第２の光照射部と、を備え、
前記空間光変調器を制御する制御部を更に備え、
前記半導体基板には、
前記第２の光の照射によって前記入力光が前記表面プラズモンを励起するように金属により形成された第１のグレーティングパターンと、
前記表面プラズモンの作用によって前記所定波長の出力光を発生させるように金属により形成された複数の第２のグレーティングパターンと、
前記第２のグレーティングパターンで発生した前記出力光を検出する光検出部と、が設けられており、
前記制御部は、前記第１のグレーティングパターンから少なくとも一つの前記第２のグレーティングパターンに前記表面プラズモンを選択的に伝播させる伝播パターンが前記自由電子パターンとして前記半導体基板に形成されるように前記空間光変調器を制御する、表面プラズモンデバイス。
【請求項４】
所定波長の入力光によって励起された表面プラズモンが伝播するように自由電子パターンが形成される半導体基板と、
第１の光を出射する第１の光源、及び前記第１の光源から出射された前記第１の光を変調する空間光変調器を有し、前記半導体基板に前記自由電子パターンが形成されるように前記空間光変調器によって変調された前記第１の光を前記半導体基板に照射する第１の光照射部と、
前記入力光を含む第２の光を出射する第２の光源を有し、前記第２の光源から出射された前記第２の光を前記半導体基板に照射する第２の光照射部と、を備え、
前記空間光変調器を制御する制御部を更に備え、
前記半導体基板には、前記第２の光の照射によって前記入力光が前記表面プラズモンを励起するように第１のグレーティングパターンが前記自由電子パターンとして形成されると共に、前記表面プラズモンの伝播によって前記所定波長の出力光を発生させるように複数の第２のグレーティングパターンが前記自由電子パターンとして形成され、
前記半導体基板には、前記第２のグレーティングパターンで発生した前記出力光を検出する光検出部が設けられており、
前記制御部は、前記第１のグレーティングパターン、複数の前記第２のグレーティングパターン、及び、前記第１のグレーティングパターンから少なくとも一つの前記第２のグレーティングパターンに前記表面プラズモンを選択的に伝播させる伝播パターンが前記自由電子パターンとして前記半導体基板に形成されるように前記空間光変調器を制御する、表面プラズモンデバイス。
【請求項５】
前記空間光変調器によって変調された前記第１の光のビームパターンを保持、縮小又は拡大する光学系を更に備える、請求項１〜４のいずれか一項記載の表面プラズモンデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモンを利用して光を制御する表面プラズモンデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノフォトニクスと称される技術分野では、光の波長以下の構造と光との相互作用についての研究が盛んに行われている。ナノフォトニクスの一態様として、表面プラズモンを利用した光の制御がある。表面プラズモンは、金属のような物質の表面で起こる自由電子の集団的振動と、その自由電子の集団的振動によって誘起された電磁波（光）との相互作用現象（すなわち光と自由電子とが絡み合った振動現象）である。
【０００３】
表面プラズモンは通常、自由電子の多い金属を用いて励起される。ただし、表面プラズモンは、表面が平坦な金属に光を照射するだけでは励起されない。表面プラズモンを励起する方法として、プリズムを用いたクレッチマン法と呼ばれる方法と、金属を周期的なパターンに加工して励起する方法がある。
【０００４】
クレッチマン法は表面プラズモンのセンサー応用等では利用されているが、プリズムを使用するため３次元的な形状が大きくなることから、最近の多くの応用では、金属を周期的なパターンに加工して励起する方法、すなわち誘電体上に金属グレーティング薄膜を形成した方法が多く用いられている。例えば、非特許文献１及び２記載の方法では、光の波長よりも小さな周期的開口部を形成することにより、ある特定の光を強く透過する波長フィルタを形成している。
【０００５】
金属のグレーティング構造等の周期構造における周期ｄ、並びに、照射光の波長λ及び入射角θとの間には式（１）の関係がある。
【数１】
0005936387.tif 000002
ここでｋｓｐは表面プラズモンの波数を示し、εｍ及びεｄはそれぞれ、周期構造をとる金属の比誘電率及びその金属が接する誘電体の比誘電率を示す。ｋは励起光の波数を示し、Ｇは周期的な金属構造がもつ構造の波数を示す。Ｇは正方格子状に並べられた開口アレーのような場合には、式（２）で表される。
【数２】
0005936387.tif 000003
ここでｉ及びｊは、ゼロ又は任意の正の整数である。直線スリットのアレーや三角格子アレーのような場合にはＧを表す式は式（２）の平方根の部分が多少異なってくる。
【０００６】
また、表面プラズモンが励起されるのは、金属表面に限られない。金属以外の表面であっても自由電子が多い状況が実現されれば、表面プラズモンが励起され得る。例えば非特許文献３には、自由電子の数と密接に関係するプラズマ周波数以下の振動数をもつ領域の光ではその物質は負の誘電率を示すため、表面プラズモンを励起することが可能となることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】J.A.Porto et al., "Transmission resonances on metallic gratingswith very narrow slits", Phy.Rev.Lett., 83, 2845 (1999).
【非特許文献２】H.Gao et al., "Rayleigh anomaly-surface plasmon polaritonresonances in palladium and gold subwavelength hole arrays", OPTICSEXPRESS, 17, 2334 (2009).
【非特許文献３】D.Li and C.Z.Ning, "All-semiconductor active plasmonic systemin mid-infrared wavelemgths", Optics Express, 19, 14594 (2011).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
表面プラズモンの励起では通常、光の状態と構造周期とが１：１に結ばれている。ある周期構造では、特定の波長λの光が特定の入射角θで入射した場合にのみ表面プラズモンが励起される。従って、別の波長で表面プラズモンを励起しようとした場合には別の周期構造を用意しなければ表面プラズモンを励起することができず、また、入射角を変えた場合にも、やはり別の周期構造を用意する必要がある。このような事情から、刻々と変化する光の状態に対応して動作する表面プラズモンデバイスを作製することは困難である。また、スペクトル情報を引き出すこと等、異なる波長に即座に対応することができる表面プラズモンデバイスを作製することも困難である。更には、励起された表面プラズモンは通常、金属の表面上を伝播するため、伝播経路を変更する場合に、金属の配線パターンを変更する必要があり、伝播経路を即座に変更する表面プラズモンデバイスを作製することは困難であった。このように、従来の表面プラズモンデバイスは自由度が小さく、表面プラズモンを利用して光を制御する効率が悪いものであった。
【０００９】
そこで本発明は、表面プラズモンを利用して光を効率よく制御することができる表面プラズモンデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の表面プラズモンデバイスは、所定波長の入力光によって励起された表面プラズモンが伝播するように自由電子パターンが形成される半導体基板と、第１の光を出射する第１の光源、及び第１の光源から出射された第１の光を変調する空間光変調器を有し、半導体基板に自由電子パターンが形成されるように空間光変調器によって変調された第１の光を半導体基板に照射する第１の光照射部と、入力光を含む第２の光を出射する第２の光源を有し、第２の光源から出射された第２の光を半導体基板に照射する第２の光照射部と、を備える。
【００１１】
この表面プラズモンデバイスによれば、空間光変調器により半導体基板に所望の自由電子パターンを形成することができるため、当該自由電子パターンに応じて半導体基板に励起される表面プラズモンを利用して光を効率よく制御することができる。
【００１２】
本発明の表面プラズモンデバイスは、表面プラズモンの作用によって半導体基板で発生した所定波長の出力光を検出する光検出部と、光検出部によって検出された出力光の強度に基づいて、当該強度を所定値以上とする自由電子パターンが半導体基板に形成されるように空間光変調器を制御する制御部と、を更に備えてもよい。これによれば、例えば、半導体基板に対する第２の光の入射角が変化した場合にも、光検出部で検出される出力光の強度を所定値以上に維持することができる。
【００１３】
また、本発明の表面プラズモンデバイスは、表面プラズモンを励起する入力光の所定波長を時間変化させる自由電子パターンが半導体基板に形成されるように空間光変調器を制御する制御部を更に備えてもよい。これによれば、例えば、第２の光が広い波長スペクトルを有する場合に、波長の異なる出力光を順次取り出すことができる。
【００１４】
また、本発明の表面プラズモンデバイスは、空間光変調器を制御する制御部を更に備え、半導体基板には、第２の光の照射によって入力光が表面プラズモンを励起するように金属により形成された第１のグレーティングパターンと、表面プラズモンの作用によって所定波長の出力光を発生させるように金属により形成された複数の第２のグレーティングパターンと、第２のグレーティングパターンで発生した出力光を検出する光検出部と、が設けられており、制御部は、第１のグレーティングパターンから少なくとも一つの第２のグレーティングパターンに表面プラズモンを選択的に伝播させる伝播パターンが自由電子パターンとして半導体基板に形成されるように空間光変調器を制御してもよい。これによれば、第１のグレーティングパターンで励起された表面プラズモンを所望の第２のグレーティングパターンに伝播させて、当該第２のグレーティングパターンで発生した出力光を所望の光検出部に検出させることができる。従って、出力光を検出する光検出素子を選択的に切り替える光スイッチング素子を形成することができる。
【００１５】
また、本発明の表面プラズモンデバイスは、空間光変調器を制御する制御部を更に備え、半導体基板には、第２の光の照射によって入力光が表面プラズモンを励起するように第１のグレーティングパターンが自由電子パターンとして形成されると共に、表面プラズモンの伝播によって所定波長の出力光を発生させるように複数の第２のグレーティングパターンが自由電子パターンとして形成され、半導体基板には、第２のグレーティングパターンで発生した出力光を検出する光検出部が設けられており、制御部は、第１のグレーティングパターン、複数の第２のグレーティングパターン、及び、第１のグレーティングパターンから少なくとも一つの第２のグレーティングパターンに表面プラズモンを選択的に伝播させる伝播パターンが自由電子パターンとして半導体基板に形成されるように空間光変調器を制御してもよい。これによれば、第１のグレーティングパターンで励起された表面プラズモンを所望の第２のグレーティングパターンに伝播させて、当該第２のグレーティングパターンで発生した出力光を所望の光検出部に検出させることができる。従って、出力光を検出する光検出素子を選択的に切り替える光スイッチング素子を形成することができる。また、空間光変調器により第１のグレーティングパターンの周期を変化させることができるため、上記光スイッチング素子を任意の波長の光に適応させることができる。
【００１６】
上記表面プラズモンデバイスにおいては、空間光変調器によって変調された第１の光のビームパターンを保持、縮小又は拡大する光学系を更に備えてもよい。これによれば、半導体基板の所望の位置に所望の大きさで自由電子パターンを形成することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、半導体基板に励起される表面プラズモンを利用し、光の制御を効率よく行うことができるようにした表面プラズモンデバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態の表面プラズモンデバイスの構成図である。
【図２】図１の表面プラズモンデバイスの半導体基板の平面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の表面プラズモンデバイスの構成図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の表面プラズモンデバイスの構成図である。
【図５】図４の表面プラズモンデバイスの光結合器の斜視図である。
【図６】本発明の第４の実施形態の表面プラズモンデバイスの構成図である。
【図７】図６の表面プラズモンデバイスの光結合器の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２０】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態として、波長フィルタを提供する表面プラズモンデバイスについて説明する。この表面プラズモンデバイスによれば、光源から波長フィルタへの光の入射角が変化した場合にも、出力光の強度を所定値以上に維持することができる。
【００２１】
図１に示されるように、第１の実施形態の表面プラズモンデバイス１Ａは、制御光である第１の光Ｌ１を照射する制御光照射装置１０と、被制御光である所定波長の入力光を含む第２の光Ｌ２を照射する被制御光照射装置２０と、波長フィルタとなる半導体基板５と、表面プラズモンの作用により半導体基板５で発生する所定波長の出力光Ｌ３を検出する光検出器６とを備える。また、表面プラズモンデバイス１Ａは、後述する機能を有する制御器７を備える。
【００２２】
制御光照射装置（第１の光照射部）１０は、半導体基板５に吸収される波長の光を出射するレーザ光源１１、ビームエクスパンダ１２、プリズムミラー１３、空間光変調器１４、レンズ１５、ミラー３、及び対物レンズ４を有する。レーザ光源１１から出射された第１の光（例えば波長７８０ｎｍの光）Ｌ１は、ビームエクスパンダ１２で拡大され、更に平行光に変換される。次いで、第１の光Ｌ１はプリズムミラー１３を介して空間光変調器１４に入射する。入射した第１の光Ｌ１は、空間光変調器１４により位相変調されてプリズムミラー１３に戻り、更にレンズ１５を通過し、ミラー３で反射されて対物レンズ４に投影される。
【００２３】
対物レンズ４に投影された第１の光Ｌ１は、半導体基板（例えばＳｉ基板）５に投影される。図２は、周期ｄをもつストライプ状の自由電子パターンＰが半導体基板５に形成された様子を概念図として示している。
【００２４】
ここで、レンズ１５は、対物レンズ４の瞳面に空間光変調器１４により位相変調された像を投影できるように設計されている。レンズは一般に、その瞳面の像はフーリエ変換されて像面に結像される性質をもっている。従って、空間光変調器１４は、空間光変調器１４に入射した第１の光Ｌ１に対して、半導体基板５に形成される自由電子パターンＰのフーリエ像となる位相変調を与えている。
【００２５】
被制御光照射装置（第２の光照射部）２０は、赤外線光源２１、及びコリメートレンズ２２を有する。被制御光照射装置２０は、半導体基板５に第２の光Ｌ２を照射する装置であり、半導体基板５に対する第２の光Ｌ２の入射角の調整が可能であるように設けられている。赤外線光源２１から出射された所定波長の入力光を含む第２の光Ｌ２は、コリメートレンズ２２により平行光に変換され、上記自由電子パターンＰが形成された半導体基板５に照射される。
【００２６】
このとき、第２の光Ｌ２に含まれる所定波長の入力光により、半導体基板５に表面プラズモンが励起される。そして、その表面プラズモンの作用（詳しくは後述する。）により、半導体基板５の面のうち、第２の光Ｌ２を照射した面とは反対側の面から、所定波長の出力光Ｌ３が発せられる。所定波長の出力光Ｌ３は、光検出器６で検出される。
【００２７】
光検出器（光検出部）６は、所定波長の出力光Ｌ３の強度を検出し、その強度の情報を制御器（制御部）７に与える。制御器７は、所定波長の出力光Ｌ３の強度が所望の所定値以上となるように、空間光変調器１４を制御する。空間光変調器１４はその制御に基づき、半導体基板５に形成される自由電子パターンを変化させるように、第１の光Ｌ１の位相変調を調整する。
【００２８】
上記作用により、半導体基板５は、第２の光Ｌ２のうち特定の波長の光を強く“透過”させる波長フィルタとして働く。更に、光検出器６、制御器７、及び空間光変調器１４の協働により、半導体基板５への第２の光Ｌ２の入射角が変化した場合にも、所定波長の出力光Ｌ３の強度を所定値以上に維持するように波長フィルタとしての性能を追従させることができる（詳しくは後述する。）。
【００２９】
ここで、表面プラズモンの作用について詳細に説明する。従来、周期的な金属パターンを利用した表面プラズモン波長フィルタが知られている。従来の波長フィルタでは、入射光に対して透明な基板上に自由電子の多い金属により、周期的な金属パターンを形成していた。表面プラズモンは誘電体(真空を含む)と金属との界面に生じる近接場の一種であり、回折限界の制限を受けることがない。また、金属の表面を自由に伝搬する波である。空間を自由に伝搬する光は金属の周期的な構造により表面プラズモンを励起することができ、光エネルギーを表面プラズモンに変換する。パターンの周期ｄと励起する光の波長λとの関係は上記式（１）で表される。発生した表面プラズモンは金属の表面に沿って伝播し、パターンを形成する金属間スリット部分に進入する。スリットを抜けた後は先と逆の過程を辿って表面プラズモンが光エネルギーに変換され、出力光となって基板から発せられる。つまり、表面プラズモンを介して、表面プラズモンを励起することができた波長λの光のみが基板を“透過”し、他の波長の光は、回折限界により金属間スリットを“透過”することができない。上記式(１)及び式(２）からわかるように、パターンの周期ｄと励起波長λは所定の関係にあるため、周期的な金属パターンを有する基板は、特定の波長を強く“透過”する波長フィルタとして機能する。
【００３０】
上記従来例では金属パターンを利用しているが、金属以外でも自由電子が多い状況が実現されれば表面プラズモンを利用することができる。より詳細には、上述したように、自由電子の数と密接に関係するプラズマ周波数以下の振動数をもつ領域の光では、その物質は負の誘電率を示すため、表面プラズモンを励起することが可能となる（特許文献３を参照）。
【００３１】
本実施形態では、金属の代わりに半導体（例えばＳｉ）の基板を用いているため、半導体が吸収できる波長の光（第１の光Ｌ１）を照射し、光電変換によって自由電子を供給する。この場合、光が照射された領域のみ“金属的”になると考える。すなわち、上記従来例では、表面プラズモンを光で励起するためには金属により周期的なパターンを形成する必要があるが、本実施形態では、半導体基板に自由電子を供給するに際し、照射する光のパターンを周期的なパターンとすることにより、半導体基板を半導体基板上に周期的なパターンを有する金属薄膜が形成された半導体基板とみなすことができるようになる。そして、このパターンに対応した波長をもつ光により表面プラズモンを励起することが可能となる。
【００３２】
以上に説明した表面プラズモンの作用により、本実施形態の表面プラズモンデバイス１Ａにおいては、第２の光Ｌ２に含まれる所定波長の入力光が半導体基板５を“透過”して、半導体基板５の面のうち、第２の光Ｌ２を照射した面とは反対側の面から、所定波長の出力光Ｌ３が発せられることになるのである。
【００３３】
上記表面プラズモンの作用を理解した上で、本実施形態における波長フィルタとしての機能をより詳細に説明する。空間光変調器１４により作製されたビームパターンは、半導体基板５に投影されると、そのエネルギーが半導体基板５で吸収されるため、自由電子がスリットパターン状に形成される（このように半導体基板５に形成される自由電子のパターンを自由電子パターンと呼ぶ）。
【００３４】
この自由電子パターンは、その周期ｄが、赤外線光源２１から出射された所定波長λの入力光を含む第２の光Ｌ２が入射角θで半導体基板５に照射された場合に、表面プラズモンを励起することができる上記式（１）の関係を保つことができる周期とされる。ここで、被制御光照射装置２０が動いて半導体基板５への入射角θが変化すると、自由電子パターンの周期ｄを変更しなければ、上記式（１）を満足することはできない。そこで、上述のように光検出器６で出力光Ｌ３の強度をモニターし、その強度が所望の所定値以上となるように周期ｄを調整すべく、制御器７を介して空間光変調器１４にフィードバックをかける。
【００３５】
従って、上記作用を有する本実施形態の表面プラズモンデバイス１Ａによれば、半導体基板５に対する第２の光Ｌ２の入射角θが変化した場合にも、所定波長の出力光Ｌ３の強度を所定値以上に維持することができる。すなわち、本実施形態の表面プラズモンデバイス１Ａによれば、空間光変調器１４により半導体基板５に所望の自由電子パターンＰを形成することができるため、当該自由電子パターンＰに応じて半導体基板５に励起される表面プラズモンを利用して光を効率よく制御することができる。
【００３６】
なお、被制御光照射装置２０から出射される光の周波数がＴＨz領域のように低い場合には、表面プラズモンを励起することができないことが知られているが、擬似表面プラズモンと呼ばれる表面プラズモンと同様な波が存在することができるため、本明細書では擬似表面プラズモンを含めて表面プラズモンと呼んでいる。
【００３７】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態として、波長フィルタを提供する表面プラズモンデバイスの他の形態について説明する。この表面プラズモンデバイスによれば、第２の光Ｌ２が広い波長スペクトルを有する場合に、波長の異なる出力光を順次取り出すことができる。
【００３８】
図３は、第２の実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｂの構成図である。第１の実施形態の表面プラズモンデバイス１Ａと異なる点は、ミラー３の代わりにダイクロイックミラー８を使用した点、第２の光Ｌ２も対物レンズ４を通過する点、第２の光Ｌ２の入射角が固定されている点、所定波長の出力光Ｌ３の強度の情報を制御器７にフィードバックする光検出器６を備えない点、及び、制御器７が当該フィードバックによるのではなく、時間の経過に応じて動作する点である。
【００３９】
表面プラズモンデバイス１Ｂにおいて、第１の実施形態と同様にしてレンズ１５に投影された第１の光Ｌ１は、ダイクロイックミラー８を反射し、対物レンズ４を通過して半導体基板５に投影される。一方、第１の実施形態と同様にして赤外線光源２１から出射された第２の光Ｌ２は、ダイクロイックミラー８を透過し、対物レンズ４を通過して半導体基板５に照射される。
【００４０】
ここで、制御器７が空間光変調器１４を制御することにより、半導体基板５に形成される自由電子パターンが、時間の経過と共に周期の異なるパターンに順次変化する。その結果、順次形成される異なる自由電子パターンに対応した表面プラズモンを励起することができる光の種類が順次異なることになる。つまり、半導体基板５は、表面プラズモンを励起することができる波長の光に対する波長フィルタとなる。
【００４１】
従って、上記作用を有する本実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｂによれば、第２の光Ｌ２が広い波長スペクトルを有する場合に、波長の異なる出力光を順次取り出すことができる。すなわち、本実施形態の表面プラズモンデバイス１Ａによれば、空間光変調器１４により半導体基板５に所望の自由電子パターンを形成することができるため、当該自由電子パターンに応じて半導体基板５に励起される表面プラズモンを利用して光を効率よく制御することができる。
【００４２】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態として、光のスイッチング素子を提供する表面プラズモンデバイスについて説明する。この表面プラズモンデバイスによれば、出力光を検出する光検出素子を選択的に切り替える光スイッチング素子を形成することができる。
【００４３】
図４は、第３の実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｃの構成図である。第２の実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｂと異なる点は、赤外線光源２１の代わりに単一帯の波長の光を出射する赤外レーザ光源２３を使用した点、半導体基板５を、光のスイッチング素子となる光結合器３０とした点及び、制御器７の動作タイミングを任意とした点である。
【００４４】
図５は、光結合器３０の斜視図である。光結合器３０は、矩形板状の半導体基板５の中心部に設けられた第１のグレーティングパターン３１と、当該半導体基板５の表面５ａの四隅に設けられた第２のグレーティングパターン３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと、半導体基板５の四隅に設けられたフォトダイオード３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄとを備える。第１のグレーティングパターン３１は、金属膜からなり、同心円状に周期的なパターンを有している。第２のグレーティングパターン３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは、金属膜からなり、パターンの周期は、第１のグレーティングパターン３１と同周期である。第２のグレーティングパターン３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは、それぞれの下部において、対応するフォトダイオード３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄと光学的に結合している。
【００４５】
半導体基板５には、第２の実施形態と同様にしてレンズ１５に投影された第１の光Ｌ１により、自由電子パターンが形成される。この自由電子パターンは、第１のグレーティングパターン３１と任意のフォトダイオード（図５ではフォトダイオード３３ｂの場合を示している）上の第２のグレーティングパターン３２ｂとの間に、表面プラズモンが伝播するための伝播パターンＴを有するものである。
【００４６】
第２の光Ｌ２は、第１のグレーティングパターン３１に照射される。第１のグレーティングパターン３１のパターンの周期ｄは、第２の光Ｌ２の波長λに対して上記式（１）の関係を満たすため、第２の光Ｌ２は第１のグレーティングパターン３１において表面プラズモンを励起し、その光エネルギーが表面プラズモンへ変換される。ここで、自由電子パターンとして第１のグレーティングパターン３１と第２のグレーティングパターン３２ｂとの間に伝播パターンＴが形成されている場合、第１のグレーティングパターン３１で励起された表面プラズモンが伝播パターンＴを介して第２のグレーティングパターン３２ｂに導かれる。ここで伝播パターンＴは、表面プラズモンの導波路として機能している。そして、第２のグレーティングパターン３２ｂの表面には第１のグレーティングパターン３１と同周期のパターンが形成されているため、表面プラズモンはエネルギーを元の光に変換することができる。エネルギーの変換により出力される出力光は、フォトダイオード３３ｂで検出される。
【００４７】
本実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｃでは、制御器７が空間光変調器１４を制御することにより、半導体基板５に形成される自由電子パターンとしての伝播パターンＴを、第１のグレーティングパターン３１と第２のグレーティングパターン３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄの少なくとも一つとの間に形成することができる。
【００４８】
従って、上記作用を有する本実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｃによれば、第１のグレーティングパターン３１で励起された表面プラズモンを所望の第２のグレーティングパターン３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄに伝播させて、当該第２のグレーティングパターン３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄで発生した出力光を所望のフォトダイオード３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄに検出させることができる。すなわち、本実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｃによれば、出力光を検出する光検出素子を選択的に切り替える光スイッチング素子を形成することができる。
【００４９】
以上のように、本実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｃによれば、空間光変調器１４により半導体基板５に所望の自由電子パターンを形成することができるため、当該自由電子パターンに応じて半導体基板５に励起される表面プラズモンを利用して光を効率よく制御することができる。
【００５０】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態として、光のスイッチング素子を提供する表面プラズモンデバイスの他の形態について説明する。この表面プラズモンデバイスによれば、任意の波長の光に適応させることができる光スイッチング素子を形成することができる。
【００５１】
図６は、第４の実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｄの構成図である。第３の実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｃと異なる点は、赤外レーザ光源２３が広い波長スペクトルを有する光を出射する点、並びに、図７に示されるように、光結合器４０において、第１のグレーティングパターン３１及び第２のグレーティングパターン３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを金属膜で形成する代わりに、これらの役割を果たすグレーティングパターンを自由電子パターンにより形成する点である。
【００５２】
図７は、光結合器４０の斜視図である。光結合器４０は、半導体基板５の表面５ａの四隅にフォトダイオード３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄを備える。当該半導体基板５には、自由電子パターンによって、第３の実施形態における第１のグレーティングパターン３１に相当する第１のグレーティングパターンＧ１、及び、第３の実施形態における第２のグレーティングパターン３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄに相当する第２のグレーティングパターンＧ２ａ，Ｇ２ｂ，Ｇ２ｃ，Ｇ２ｄ、並びに、第３の実施形態と同様の伝播パターンＴが形成される。
【００５３】
本実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｄでは、制御器７が空間光変調器１４を制御することにより、第１のグレーティングパターンＧ１、及び、第２のグレーティングパターンＧ２ａ，Ｇ２ｂ，Ｇ２ｃ，Ｇ２ｄの周期を調整することができる。また、第３の実施形態と同様に、伝播パターンＴを形成させる位置も調整することができる。
【００５４】
従って、上記作用を有する本実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｄによれば、第３の実施形態と同様に、第１のグレーティングパターンＧ１で励起された表面プラズモンを所望の第２のグレーティングパターンＧ２ａ，Ｇ２ｂ，Ｇ２ｃ，Ｇ２ｄに伝播させて、当該第２のグレーティングパターンＧ２ａ，Ｇ２ｂ，Ｇ２ｃ，Ｇ２ｄで発生した出力光を所望のフォトダイオード３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄに検出させることができる。すなわち、本実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｄによれば、出力光を検出する光検出素子を選択的に切り替える光スイッチング素子を形成することができる。更に、空間光変調器１４により第１のグレーティングパターンＧ１の周期を変化させることができるため、上記光スイッチング素子を任意の波長の光に適応させることができる。
【００５５】
以上のように、本実施形態の表面プラズモンデバイス１Ｄによれば、空間光変調器１４により半導体基板５に所望の自由電子パターンを形成することができるため、当該自由電子パターンに応じて半導体基板５に励起される表面プラズモンを利用して光を効率よく制御することができる。
【００５６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記各実施形態において、位相パターン（又はビームパターン）の大きさを保持、縮小又は拡大することができる光学系を、第１の光Ｌ１の光路上に別途設けてもよい。一例として、対物レンズ４と半導体基板５との間に複数のレンズを設け、ビームパターンを保持、縮小又は拡大してもよい。これにより、半導体基板５の所望の位置に所望の大きさで自由電子パターンを形成することが容易になる。
【００５７】
また、上記各実施形態において、レンズ１５及び対物レンズ４によって空間光変調器１４により作製された位相パターンをフーリエ変換して半導体基板５に投影する際に、像の大きさを保持、縮小又は拡大してもよい。
【００５８】
本発明の技術的思想は、空間光変調器を利用して半導体基板に所望の自由電子パターンを形成し、自由電子パターンが形成された領域の誘電率が負になるようにし、この負の誘電率を利用して表面プラズモンを励起したり、表面プラズモンの伝播を制御したりすることを特徴とするものである。本発明は、この技術的思想を利用した表面プラズモンデバイスを実現させ、光の制御を効率よく行うことができるものである。
【符号の説明】
【００５９】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…表面プラズモンデバイス、５…半導体基板、６…光検出器、７…制御器（制御部）、１１…レーザ光源（第１の光源）、１４…空間光変調器、１０…制御光照射装置（第１の光照射部）、２０…被制御光照射装置（第２の光照射部）、２１…赤外線光源（第２の光源）、３１，Ｇ１…第１のグレーティングパターン、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，Ｇ２ａ，Ｇ２ｂ，Ｇ２ｃ，Ｇ２ｄ…第２のグレーティングパターン、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ…フォトダイオード（光検出部）、Ｌ１…第１の光、Ｌ２…第２の光、Ｌ３…出力光、Ｐ…自由電子パターン、Ｔ…伝播パターン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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