(57)【要約】  本発明は、プラズモン共鳴条件の制御が容易であり、変換効率の向上が容易なプラズモン励起層を備えた光素子を実現するもので、表面プラズモンを発生するプラズモン励起層を備えた光素子において、プラズモン励起層が、金属と誘電体から構成される。
2013046866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面プラズモンを発生するプラズモン励起層を備えた光素子において、
前記プラズモン励起層が、金属と誘電体から構成されることを特徴とする光素子。
【請求項２】
請求項１記載の光素子において、
前記プラズモン励起層が、金属と誘電体の複合体から構成されることを特徴とする光素子。
【請求項３】
請求項２記載の光素子において、
金属として少なくともＡｕまたはＡｇを含み、誘電体として、誘電率が３未満の誘電体を用いた光素子。
【請求項４】
請求項１記載の光素子において、
前記プラズモン励起層が、金属と誘電体の多層膜複から構成されることを特徴とする光素子。
【請求項５】
請求項１記載の光素子において、
前記プラズモン励起層が、誘電体を含む金属である複合体と誘電体の多層膜複から構成されることを特徴とする光素子。
【請求項６】
請求項４記載の光素子において、
前記多層膜が、複数種の金属を含むことを特徴とする光素子。
【請求項７】
請求項４記載の光素子において、
前記多層膜が、複数の金属および誘電体を含むことを特徴とする光素子。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の光素子において、
前記プラズモン励起層は、光によってキャリアが生成されるキャリア生成層の上に積層され、前記キャリア生成層を前記発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有し、
前記プラズモン励起層の上に積層され、前記プラズモン励起層から出射する光または表面プラズモンを所定の出射角の光に変換して出射する出射層、を備えることを特徴とする光素子。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の光素子において、
前記プラズモン励起層と、
前記プラズモン励起層に積層された誘電体層と、
前記誘電体層に積層され、入射した光によって蛍光を発する蛍光体層と、を有し、
前記誘電体層および前記蛍光体層の界面には、回折格子が形成されていることを特徴とする光素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の光素子において、
前記プラズモン励起層の前記誘電体層側の実効誘電率が２．２５以上である光素子。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の光素子において、
前記プラズモン励起層は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれ、
前記プラズモン励起層の前記導光体側に積層された構造全体を含む入射側部分の実効誘電率が、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造全体と、前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも低い、光素子。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の光素子において、
前記プラズモン励起層は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれ、
前記プラズモン励起層の前記導光体側に積層された構造全体を含む入射側部分の実効誘電率が、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造全体と、前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高く、前記プラズモン励起層と前記出射層との距離が表面プラズモンの有効相互作用距離内である光素子。
【請求項１３】
前記実効誘電率が、
前記入射側部分または前記出射側部分の誘電体の誘電率分布と、
前記入射側部分または前記出射側部分での前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向に対する表面プラズモンの分布と、に基づいて決定される請求項１０ないし１２のいずれかに記載の光素子。
【請求項１４】
請求項１０ないし１３のいずれかに記載の光素子において、
前記実効誘電率は、実効誘電率εeffであって、該実効誘電率εeffが、
前記プラズモン励起層の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向をｚ軸、前記キャリア生成層から出射する光の角周波数をω、前記入射側部分または前記出射側部分の誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、積分範囲Ｄを前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、虚数単位をｊとすれば、
【数１】
2013046866.tif 000012
または、
【数２】
2013046866.tif 000013
を満たし、
かつ、表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分kspp
が、
前記プラズモン励起層の誘電率をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
【数３】
2013046866.tif 000014
【数４】
2013046866.tif 000015
を満たす光素子。
【請求項１５】
請求項１２に記載の光素子において、前記表面プラズモンの有効相互作用距離が
【数５】
2013046866.tif 000016
である光素子。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれかに記載の光素子と、
前記光素子からの出射光を変調する表示素子と、
前記表示素子の出射光によって投射映像を投射する投射光学系と、を備える投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を出射するために表面プラズモンを利用する光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光源装置や照明装置などの分野において、表面プラズモンが注目されている。表面プラズモンは、金属中で振動する自由電子の集団であり、金属と光の相互作用によって金属表面に励起されるものである。【０００３】
非特許文献１には、表面プラズモンを利用して、蛍光体で発光される蛍光の光強度を増大させることが可能な光学素子が記載されている。この光学素子では、基板に、金属薄膜、グレーティング構造を有する誘電体層が順に積層されている。また、誘電体層には、蛍光体として機能する量子ドットが塗布されている。【０００４】
光が量子ドットに入射すると、その入射光によって量子ドット内に励起子が励起される。励起子の一部は、蛍光を放射し、励起子の残りは、表面プラズモンの励起や電子−正孔対の生成に消費され、蛍光を放射せずに消失する。上記のように誘電体層がグレーティング構造を有していると、金属薄膜と誘電体層との界面に励起された表面プラズモンを回折させて蛍光と同じ光として取り出すことができる。【０００５】
したがって、非特許文献１に記載の光学素子では、グレーティング構造がない場合に取り出される光子に加えて、表面プラズモンの回折によって取り出される光子が加わるので、蛍光の光強度を増強させることができる。このため、非特許文献１に記載の光学素子が、蛍光で照明を行う蛍光照明装置に適用されれば、蛍光照明装置の輝度を向上させることが可能になる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ehren  Hwang，Igor  I．Smolyaninov，Christopher  C．Davis，NANO  LETTERS,  2010,  10  P813-820
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
表面プラズモンを利用した光素子では、光から表面プラズモンを発生させる際の光−表面プラズモン変換の結合効率ηcoupと、表面プラズモンから光を発生させる際の表面プラズモン−光変換の取出し効率ηexpが重要となる。【０００８】
図１は、非特許文献１に開示される、蛍光を用いた反射型の光素子における表面プラズモンを介した変換効率を説明するための図であり、図１（ａ）は光素子の構成を示す断面図、図１（ｂ）は入射から出射されるまでの光の状態を示す図である。【０００９】
図１（ａ）に示される光素子は、基板１４上に形成された金属膜（Ａｇ）、グレーティング構造が形成された誘電体によるグレーティング１２、グレーティング１２を覆う蛍光体１１から構成されている。【００１０】
図１（ｂ）に示すように、入射光により金属膜１３とグレーティング１２との間に表面プラズモン（ＳＰＰ：Surface  Plasmon  Polariton）が発生する。このときの発生割合は結合効率ηcoupに比例する。一方、表面プラズモンがグレーティング１２のグレーティング構造により回折されて出射光が発生する。このときの発生割合は取出し効率ηexpに比例する。【００１１】
上記のように、光から表面プラズモンを発生させ、さらに、表面プラズモンから光を発生させる構成での変換効率は、結合効率ηcoup×取出し効率ηexpに依存することとなる。このことは、図１に示したような反射型の表面プラズモンを利用した光素子だけでなく、図２に示すような透過型のプラズモン結合を利用した光素子においても同様である。【００１２】
図２は、プラズモン結合を利用した透過型の光素子における変換効率を説明するための図であり、図２（ａ）は光素子の構成を示す断面図、図２（ｂ）は入射から出射されるまでの光の状態を示す図である。【００１３】
図２（ａ）に示される光素子は、導光体２１に入射された入射光を指向性が向上された放射２７とするためのもので、導光体２１上に、キャリア生成層２２、低誘電率層２３、プラズモン励起層２４、高誘電率層２５、波数ベクトル変換層２６を形成したものである。導光体２１内を全反射で伝播している光において、導光体２１とキャリア生成層２２との界面では全反射条件が崩れ、一部の光がキャリア生成層２２中に入射する。キャリア生成層２２に入射した光は、キャリア生成層２２においてキャリアを生成する。生成されたキャリアは、低誘電率層２３を介してプラズモン励起層２４中の自由電子とプラズモン結合を起こす。このプラズモン結合を介して、高誘電率層２５内への放射が起こり、その光が波数ベクトル変換層２６で回折されて、放射２７として外方に出射される。【００１４】
図２（ｂ）に示すように、プラズモン励起層２４と低誘電率層２３との間にプラズモン結合が発生する。このときの発生割合は結合効率ηcoupに比例する。一方、高誘電率層２５へは放射が発生する。このときの発生割合は取出し効率ηexpに比例する。【００１５】
上記のように、プラズモン結合を利用した透過型の光素子においても、変換効率は、結合効率ηcoup×取出し効率ηexpに依存することとなり、変換効率を向上するためには、透過型、反射型のいずれの光素子においても結合効率ηcoup×取出し効率ηexpを高める必要がある。【００１６】
結合効率ηcoupは、表面プラズモンの波数が最大となる波長に発光波長を合わせることで最大とすることができる。このことについて、図３および図４を参照して説明する。【００１７】
図３は、表面プラズモンによる放射が行われる反射型の光素子の構成を示す断面図、図４は該光素子のプラズモンに関する特性を示す図である。【００１８】
図３に示す光素子は、サファイアの基板３１の上に、ＧａＮ層３２、ＩｎＧａＮの量子井戸であるＩｎＧａＮ層３３、薄いＧａＮであるＧａＮスペーサ層３４、金属膜３５を積層したものである。サファイアの基板３１を介して励起光を入射することにより、ＩｎＧａＮ層３３でキャリアが生成され、そのキャリアが金属膜３５とＧａＮスペーサ層３４との界面に表面プラズモンを励起する。励起された表面プラズモンが、再度光に変換されて放射３７が発生する。以下、表面プラズモンを介して再度光として取り出される光をプラズモン光と呼ぶことする。【００１９】
図４（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは、金属膜３５として、Ａｇ，Ａｌ，Ａｕを用いたときのプラズモン光の強度、プラズモン光による増強比、表面プラズモンの波数を示す図であり、これらを縦軸としている。また、横軸はいずれも波長である。【００２０】
プラズモン光は、金属膜３５にＡｇを用いたときに、図４（ａ）に示されるように強度が最も高く、図４（ｂ）に示されるように、増強比も高くなる。結合効率が高い波長は、実用波長域で増強比が最も高い○で囲んだ領域であり、この波長において図４（ｃ）に示すように表面プラズモンの波数が最大となる。つまり、表面プラズモンの波数が最大となる波長にキャリア生成層の発光波長を合わせることで結合効率ηcoupを最大とすることができる。【００２１】
プラズモンの共鳴条件を調整することを金属膜の種類により行うことについて図５を参照して説明する。【００２２】
図５は、取出し効率ηexpについて説明するための図であり、量子ドット（ＱＤ）上に、ＳｉＯ2、金属膜（Ｍｅｔａｌ）、ＴｉＯ2を積層させた素子に、波長５３０ｎｍの光を、入射角度を変えて入射したときの反射率を示すもので、横軸は入射角、縦軸は反射率または透過率を示している。凡例の“Ａｕ”、“Ａｇ”はそれぞれ金属をＡｕ、ＡｇにしたときのＴＭ偏光の反射率を示す。縦軸のＴＭ偏光の反射率は、プラズモン光の取り出し効率と相関があり、ＴＭ偏光の反射率が低いほどプラズモン光の取り出し効率ηexpが高い。横軸の入射角は、表面プラズモンの波数に置き換えて示すことができるので、結合効率と相関があり、ＴＭ偏光の反射率の落ち込みが大きい角度に現れるほど、結合効率が高い。図４および図５から明らかなように、波長が４４０ｎｍ〜６００ｎｍまでの領域で金属膜に好適な金属はＡｇであり波長が５５０ｎｍ〜７５０ｎｍまでの領域で金属膜に好適な金属はＡｕである。【００２３】
プラズモンの共鳴条件を調整することを誘電体の種類により行うことについて図６を参照して説明する。【００２４】
図６は、誘電体の種類による共鳴条件の変化を示す図である。量子ドット（ＱＤ）上に、誘電体（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）、Ａｇ、ＴｉＯ2を積層させた素子について、誘電体をＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、空気（Ａｉｒ）としたときの、表面プラズモンのＸ成分およびＹ成分の波数ｋsppと波長λ（ｎｍ）の関係を示している。【００２５】
誘電率はＴｉＯ2が最も高く、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、空気の順に低く、誘電体種により、波数ｋsppが異なる。可視光領域で透明で、ＴｉＯ2よりも大きな誘電率を持つ材料はないため、５００ｎｍよりも長波長領域で共鳴させることは困難である。【００２６】
プラズモンの共鳴条件は、金属膜を構成する金属の実際の誘電率Ｒｅ［εmetal]と誘電体の実際の誘電率Ｒｅ［εdielectric]の和が０のとき、すなわち、Ｒｅ［εmetal]＋Ｒｅ［εdielectric]＝０であり、このときに最も効率がよい。【００２７】
例として、波長５３０ｎｍにおけるＡｇ，Ａｕ，Ａｌ，ＴｉＯ2の誘電率を以下に示す。
Ａｇ：−１０．１＋０．８ｉ
Ａｕ：−５．４＋２．３ｉ
Ａｌ：−４０．８＋１１．３ｉ
ＴｉＯ2：７．１
上記の例でいうと、プラズモン励起層として、ＴｉＯ2の誘電率に近い誘電率を持ち、虚部を小さなものを用いることにより、発光波長５３０ｎｍでの変換効率が高められることとなる。【００２８】
本発明の目的は、可視光全域において、変換効率の高い条件で、光と表面プラズモンを相互に変換可能なプラズモン励起層を備えた光素子を実現することである。【００２９】
本発明では、ジュール損失の大きさを示すプラズモン励起層の誘電率の虚部の増加を抑制した上で、発光波長におけるプラズモン励起層の誘電率の実部を界面の誘電率にできるだけ近づけて変換効率を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の光素子は、表面プラズモンを発生するプラズモン励起層を備えた光素子において、
プラズモン励起層が、金属と誘電体から構成されることを特徴とする。【００３１】
プラズモン共鳴条件の制御が容易であり、変換効率の向上が容易なプラズモン励起層を備えた光素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】非特許文献１に開示される、蛍光を用いた反射型の光素子における表面プラズモンを介した変換効率を説明するための図であり、図１（ａ）は光素子の構成を示す断面図、図１（ｂ）は入射から出射されるまでの光の状態を示す図である。
【図２】プラズモン結合を利用した透過型の光素子における変換効率を説明するための図であり、図２（ａ）は光素子の構成を示す断面図、図２（ｂ）は入射から出射されるまでの光の状態を示す図である。
【図３】表面プラズモンによる放射が行われる反射型の光素子の構成を示す断面図である。
【図４】表面プラズモンによる放射が行われる反射型の光素子の特性を示す図である。
【図５】取出し効率ηexpについて説明するための図である。
【図６】誘電体の種類による共鳴条件の変化を示す図である。
【図７】本発明による光素子の要部となるプラズモン励起層の一実施形態の構成を示す断面図である。
【図８Ａ】Ａｇ−誘電体複合体に対する共鳴波長の誘電体含有率依存性を示す図である。
【図８Ｂ】Ａｕ−誘電体複合体に対する共鳴波長の誘電体含有率依存性を示す図である。
【図９Ａ】Ａｇ−誘電体複合体の誘電率を示す図である。
【図９Ｂ】Ａｕ−誘電体複合体の誘電率を示す図である。
【図１０】図７に示したプラズモン励起層を用いた発光波長４６０ｎｍの光素子の共鳴角度を示す図である。
【図１１】図７に示したプラズモン励起層を用いた光素子の共鳴波長の長波長化について示す図である。
【図１２】図７に示したプラズモン励起層の厚さを５０ｎｍとしたときの発光波長５３０ｎｍに対する光素子の共鳴角度を示す図である。
【図１３】図７に示したプラズモン励起層の厚さを４０ｎｍとしたときの発光波長５３０ｎｍに対する光素子の共鳴角度を示す図である。
【図１４】図７に示したプラズモン励起層において、誘電体の含有率を変化させた場合の発光波長５３０ｎｍに対する光素子の共鳴角度を示す図である。
【図１５】図７に示したプラズモン励起層の金属としてＡｇを用いた場合の光素子の共鳴波長の長波長化について示す図である。
【図１６】図７に示したプラズモン励起層の金属としてＡｕを用いた場合の光素子の共鳴波長の長波長化について示す図である。
【図１７】図７に示したプラズモン励起層の金属としてＡｇを用いたときの発光波長６３０ｎｍに対する光素子の共鳴角度を示す図である。
【図１８】図７に示したプラズモン励起層の金属としてＡｕを用いたときの発光波長６３０ｎｍに対する光素子の共鳴角度を示す図である。
【図１９】本発明による光素子の要部となるプラズモン励起層の他の実施形態の構成を示す断面図である。
【図２０】図１９に示したプラズモン励起層を用いた光素子に波長５３０ｎｍの光を入射したときの、入射角に対する反射率を示す図である。
【図２１】図１９に示したプラズモン励起層を用いた光素子に波長５３０ｎｍの光を入射したときの、入射角に対する反射率を示す図である。
【図２２】図１９に示したプラズモン励起層として異なる金属種を含む光素子に波長５３０ｎｍの光を入射したときの、入射角に対する反射率を示す図である。
【図２３】図１９に示したプラズモン励起層として合計７層の金属−誘電体多層膜を用いた光素子に波長５３０ｎｍの光を入射したときの、入射角に対する反射率を示す図である。
【図２４】本発明による光素子の一実施形態の構成を示す断面図である。
【図２５】本発明による光素子の他の実施形態の構成を示す断面図である。
【図２６】本発明による光素子の他の実施形態の構成を示す断面図である。
【図２７】本発明による光素子の他の実施形態の構成を示す断面図である。
【図２８】本発明による光素子の他の実施形態の構成を示す図である。
【図２９】本発明による光素子の他の実施形態の構成を示す図である。
【図３０】実施形態の光源装置が適用されるＬＥＤプロジェクタを示す模式図である。
【図３１】実施形態の光源装置が適用されるＬＥＤプロジェクタに用いられる光源の波長と蛍光体の励起波長及び発光波長を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図７は本発明による光素子の要部となるプラズモン励起層の一実施形態の構成を示す断面図である。
【００３４】
本実施形態によるプラズモン励起層７１は、部分拡大図に示されるように、金属７２と誘電体７３による複合体とされている。このような複合体は、共蒸着や共スパッタリングにより作製可能であり、金属としては、Ａｇ，Ａｕやこれらの合金を用いることができる。例えば、Ａｇを用いる合金では、耐環境性を向上させるために、Ｐｄを添加したＡｇ合金がある。また、複合体を形成する金属は複数種類であってもよい。  以下に、シミュレーション結果について図８Ａ，８Ｂ，９Ａ，９Ｂを参照して説明する。誘電体含有率０〜４０％に対する金属−誘電体複合体の複素誘電率をＢｒｕｇｇｅｍａｎの有効媒質近似を用いて求め、金属−誘電体複合体の共鳴波長を計算した。金属−誘電体複合体を構成する金属には、ＡｇまたはＡｕを想定し、誘電体には、Ａｉｒ、ＭｇＦ2、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2を想定した。また、金属−誘電体複合体に接する誘電体には、Ａｉｒ、ＭｇＦ2、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2を想定した。ここで、Ａｉｒ、ＭｇＦ2、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2はこの順に誘電率が高くなり、波長５３０ｎｍに対してそれぞれ１、１．９、２．４、７．１である。金属−誘電体複合体および金属−誘電体複合体に接する誘電体はそれらの界面から遠ざかる方向に無限の厚さがあると仮定した。
【００３５】
ここで、Ｂｒｕｇｇｅｍａｎの有効媒質近似の式は、複合体の平均誘電率をεm、複合体を構成する材料の誘電率をεi、複合体を構成する材料の体積比率をφi（ここでｉは整数であり、複合体を構成する材料の数だけ存在する。例えば、複合体が二つの材料で構成されれば、ｉは１、２の二つである。）とすれば、
【００３６】
【数１】
2013046866.tif 000003
【００３７】
を満たす値となる。また、表面プラズモンの共鳴波長は、金属−誘電体複合体に接する誘電体の誘電率をεd、真空中での光の波長をλとすれば、
【００３８】
【数２】
2013046866.tif 000004
【００３９】
を満たす値である。
【００４０】
Ａｇ−誘電体複合体に対する共鳴波長の誘電体含有率依存性を図８Ａに示す。図中、（ａ）はＡｇ−Ａｉｒ複合体、（ｂ）はＡｇ−ＭｇＦ2複合体、（ｃ）はＡｇ−ＳｉＯ2複合体、（ｄ）はＡｇ−ＴｉＯ2複合体を示す。凡例はＡｇ−誘電体複合体に隣接する誘電体を、グラフの背景は複合体の消衰係数を示す。消衰係数が“２”を超える部分は白の塗りつぶしで示した。
【００４１】
Ａｇ−誘電体複合体に接する誘電体の誘電率を調整することで、いずれの添加誘電体においても、可視光全域に渡って、共鳴波長が得られた。また、複合体の誘電率が高い方が、誘電体の添加量が同じ場合、大きな共鳴波長のシフトが得られた。一方、複合体を構成する誘電体の誘電率が低い方が、消衰係数の最小値が小さかった。その最小値は波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの間にあった。複合体を構成する誘電体の誘電率が高くなるほど、誘電体の添加による共鳴波長シフトよりも、消衰係数の増加量が多いため、Ａｇ−誘電体を構成する誘電体としては低誘電率なものの方が望ましい。複合体における誘電体含有率の最適値は、構成材料や発光波長によって異なるが、いずれも４０％未満である。
【００４２】
Ａｕ−誘電体複合体に対する共鳴波長の誘電体含有率依存性を図８Ｂに示す。図中、（ａ）はＡｕ−Ａｉｒ複合体、（ｂ）はＡｕ−ＭｇＦ2複合体、（ｃ）はＡｕ−ＳｉＯ2複合体、（ｄ）はＡｕ−ＴｉＯ2複合体を示す。凡例はＡｕ−誘電体複合体に隣接する誘電体を、グラフの背景は複合体の消衰係数を示す。消衰係数が“２”を超える部分は白の塗りつぶしで示した。
【００４３】
Ａｕ−誘電体複合体に接する誘電体の誘電率を調整することで、いずれの添加誘電体においても、可視光全域に渡って、共鳴波長が得られた。また、複合体の誘電率が高い方が、誘電体の添加量が同じ場合、大きな共鳴波長のシフトが得られた。一方、複合体を構成する誘電体の誘電率が低い方が、消衰係数の最小値が小さかった。その最小値は波長６００ｎｍ〜７００ｎｍの間にあった。複合体を構成する誘電体の誘電率が高くなるほど、誘電体の添加による共鳴波長シフトよりも、消衰係数の増加量が多いため、Ａｕ−誘電体を構成する誘電体としては低誘電率なものの方が望ましい。複合体における誘電体含有率の最適値は、構成材料や発光波長によって異なるが、いずれも４０％未満である。ただし、金属としてＡｕを用いた場合では、波長５５０ｎｍ未満では、どの誘電体の組み合わせにおいても消衰係数が大きく実用的ではない。また、金属として、Ａｇを用いた複合体と、Ａｕを用いた複合体の消衰係数を比較すると共鳴波長において、いずれの条件においても、Ａｇを用いた複合体の方が、消衰係数が小さい。よって、可視光全域にわたって複合体の金属としては、Ａｇが最適である。ただし、Ａｇには空気中の硫化水素によって硫化するため、耐環境性に課題がある。この課題を解決するために、複合体の金属として、ＡｕやＡｇまたはＡｕを含む合金が用いられることも考えられる。
【００４４】
Ａｇ−誘電体複合体の誘電率を図９Ａに示す。図中、（ａ）はＡｇ−Ａｉｒ複合体、（ｂ）はＡｇ−ＭｇＦ2複合体、（ｃ）はＡｇ−ＳｉＯ2複合体、（ｄ）はＡｇ−ＴｉＯ2複合体を示す。誘電率が“０”を超える部分は白の塗りつぶしで示した。誘電体の含有率が多くなればなるほど、誘電率は０に近づいた。
【００４５】
Ａｕ−誘電体複合体の誘電率を図９Ｂに示す。図中、（ａ）はＡｕ−Ａｉｒ複合体、（ｂ）はＡｕ−ＭｇＦ2複合体、（ｃ）はＡｕ−ＳｉＯ2複合体、（ｄ）はＡｕ−ＴｉＯ2複合体を示す。誘電率が“０”を超える部分は白の塗りつぶしで示した。誘電体の含有率が多くなればなるほど、誘電率は０に近づいた。
【００４６】
図１０は、図７に示したプラズモン励起層を用いた発光波長４６０ｎｍの光素子の共鳴角度を示す図である。光素子としては、量子ドット上に、誘電体層としてのＳｉＯ2、図７に示したプラズモン励起層、ＴｉＯ2を積層したものを用い、光がＴｉＯ2を介してプラズモン励起層に入射した結果を示している。凡例の“Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ”はプラズモン励起層としてＡｇと図中に示した誘電体の複合体を用いた場合、“Ａｇ”はプラズモン励起層としてＡｇ単体を用いた場合を示している。図中のパーセンテージはＡｇ−誘電体の複合体における誘電体の体積比率である。以下、同様の凡例については説明を省略する。プラズモン励起層はＡｇと誘電体の複合体とした。横軸は入射角であり、縦軸は反射率である。図１０から、Ａｇと誘電体の複合体では反射率の急峻な落ち込みを確認できない。つまり、発光波長４６０ｎｍにおいてはＡｇと誘電体の複合体よりもＡｇ単体の方が好適である。
【００４７】
図１１は、図７に示したプラズモン励起層を用いた光素子の共鳴波長の長波長化について示す図である。光素子としては、量子ドット上に、図中に示される誘電体層、図７に示したプラズモン励起層、ＴｉＯ2を積層したものを用い、光がＴｉＯ2を介してプラズモン励起層に入射した結果を示している。プラズモン励起層はＡｇと誘電体の複合体とした。横軸は波長であり、縦軸は波数である。図１１から、誘電率の低い誘電体の方が添加量に対する共鳴条件のシフト量が小さいこと、つまり、作製が容易であることが分かる。
【００４８】
図１２は、図７に示したプラズモン励起層の厚さを５０ｎｍとしたときの発光波長５３０ｎｍに対する光素子の共鳴角度を示す図である。光素子としては、量子ドット上に、誘電体層としてのＳｉＯ2、図７に示したプラズモン励起層、ＴｉＯ2を積層したものを用い、光がＴｉＯ2を介してプラズモン励起層に入射した結果を示している。プラズモン励起層は厚さ５０ｎｍのＡｇと誘電体の複合体とした。横軸は入射角であり、縦軸は反射率である。図１２から、可視光領域において緑色に対応する波長で、Ａｇ単体よりもＡｇと誘電体の複合体の方がプラズモン励起層として好適であることが分かる。さらに、誘電率の低い誘電体の方が添加量に対する共鳴条件のシフト量が小さいこと、つまり、作製が容易であることが分かる。
【００４９】
図１３は、図７に示したプラズモン励起層の厚さを４０ｎｍとしたときの発光波長５３０ｎｍに対する光素子の共鳴角度を示す図である。光素子としては、量子ドット上に、誘電体層としてのＳｉＯ2、図７に示したプラズモン励起層、ＴｉＯ2を積層したものを用い、光がＴｉＯ2を介してプラズモン励起層に入射した結果を示している。プラズモン励起層は厚さ４０ｎｍのＡｇと誘電体の複合体とた。横軸は入射角であり、縦軸は反射率である。図１２と図１３を比較すると、図１２の条件よりも図１３の条件の方が反射率がより低下している。つまり、取出し効率をプラズモン励起層の厚さを変えることで改善することができる。
【００５０】
図１４は、図７に示したプラズモン励起層において、誘電体の含有率を変化させた場合の発光波長５３０ｎｍに対する光素子の共鳴角度を示す図である。光素子としては、量子ドット上に、誘電体層としてのＳｉＯ2、図７に示したプラズモン励起層、ＴｉＯ2を積層したものを用い、光がＴｉＯ2を介してプラズモン励起層に入射した結果を示している。プラズモン励起層はＡｇと空気の複合体とた。横軸は入射角であり、縦軸は反射率である。図１４から、誘電率の含有率の多いほど、共鳴角が高角度側にシフトすることが分かる。
【００５１】
図１５は、図７に示したプラズモン励起層の金属としてＡｇを用いた場合の光素子の共鳴波長の長波長化について示す図である。光素子としては、量子ドット上に、図中に示される誘電体層、図７に示したプラズモン励起層、ＴｉＯ2を積層したものを用いた。
【００５２】
プラズモン励起層としてはＡｇと誘電体の複合体とし、励起光をＴｉＯ2を介してプラズモン励起層に入射した結果を示している。図１５において、左上のグラフは空気を２５％、右上のグラフはＭｇＦ2を２０％、左下のグラフはＳｉＯ2を１７％、右下のグラフはＴｉＯ2を５％、それぞれ含有させたものを示している。横軸は波長であり、縦軸は波数である。図１５から、誘電率の低い誘電体の方が添加量に対する共鳴条件のシフト量が小さく、許容範囲が大きいこと、つまり、作製が容易であることが分かる。
【００５３】
図１６は、図７に示したプラズモン励起層の金属としてＡｕを用いた場合の光素子の共鳴波長の長波長化について示す図である。光素子としては、量子ドット上に、図中に示される誘電体層、図７に示したプラズモン励起層、ＴｉＯ2を積層したものを用いた。
【００５４】
プラズモン励起層としてはＡｕと誘電体の複合体とし、励起光をＴｉＯ2を介してプラズモン励起層に入射した結果を示している。図１５において、左上のグラフは空気を２５％、右上のグラフはＭｇＦ2を２０％、左下のグラフはＳｉＯ2を１７％、右下のグラフはＴｉＯ2を５％、それぞれ含有させたものを示している。横軸は波長であり、縦軸は波数である。図１６から、誘電率の低い誘電体の方が添加量に対する共鳴条件のシフト量が小さく、許容範囲が大きいこと、つまり、作製が容易であることが分かる。
【００５５】
図１７は、図７に示したプラズモン励起層の金属としてＡｇを用いたときの発光波長６３０ｎｍに対する光素子の共鳴角度を示す図である。光素子としては、量子ドット上に、誘電体層としてのＳｉＯ2、図７に示したプラズモン励起層、ＴｉＯ2を積層したものを用い、光がＴｉＯ2を介してプラズモン励起層に入射した結果を示している。プラズモン励起層としてはＡｇと誘電体の複合体とた。横軸は入射角であり、縦軸は反射率である。図１７から、可視光領域において赤色に対応する波長で、Ａｇ単体よりもＡｇと誘電体の複合体の方がプラズモン励起層として好適であることが分かる。さらに誘電率の低い誘電体の方が添加量に対する共鳴条件のシフト量が小さいこと、つまり、作製が容易であることが分かる。
【００５６】
図１８は、図７に示したプラズモン励起層の金属としてＡｕを用いたときの発光波長６３０ｎｍに対する光素子の共鳴角度を示す図である。光素子としては、量子ドット上に、誘電体層としてのＳｉＯ2、図７に示したプラズモン励起層、ＴｉＯ2を積層したものを用い、光がＴｉＯ2を介してプラズモン励起層に入射した結果を示している。プラズモン励起層としてはＡｕと誘電体の複合体とした。横軸は入射角であり、縦軸は反射率である。図１８から、可視光領域において赤色に対応する波長で、Ａｇ単体よりもＡｕと誘電体の複合体の方がプラズモン励起層として好適であることが分かる。誘電率の低い誘電体の方が添加量に対する共鳴条件のシフト量が小さく、許容範囲が大きいこと、つまり、作製が容易であることが分かる。
【００５７】
以上より、可視光領域において赤色に対応する波長で、Ａｇ単体よりもＡｇまたはＡｕと誘電体の複合体の方がプラズモン励起層として好適である。
【００５８】
図１９は本発明による光素子の要部となるプラズモン励起層の他の実施形態の構成を示す断面図である。
【００５９】
本実施形態によるプラズモン励起層１９０１は、金属と誘電体からなる多層膜としたもので、具体的には誘電体１９０３を金属１９０２、１９０４で挟んだ構造とされている。なお、金属の代わりに金属と誘電体からなる複合体を用いてもよい。プラズモン励起層１９０１に含まれる金属または金属と誘電体からなる複合体の厚みの合計は１００ｎｍ未満であることが望ましい。ここで、金属１９０２と金属１９０４の間の距離は、金属１９０２と誘電体１９０３の界面に対して、式（２）のεeffを誘電体１９０３の誘電率とし、式（４）を用いて計算される表面プラズモンの有効相互作用距離と、金属１９０４と誘電体１９０３の界面に対して、式（２）のεeffを誘電体１９０３の誘電率とし、式（４）を用いて計算される表面プラズモンの有効相互作用距離のうち、より小さい有効相互作用距離以下であることが望ましい。
【００６０】
図２０および図２１は、図１９に示したプラズモン励起層を用いた光素子に波長５３０ｎｍの光を入射したときの、入射角に対する反射率を示す図である。凡例の“Ｍｕｌｔｉ”はプラズモン励起層として金属と誘電体からなる複合体を用いた場合、“Ｓｉｎｇｌｅ”はプラズモン励起層として金属単体を用いた場合である。以下、同様の凡例については説明を省略する。いずれも比較としてＡｇの単層膜（Ｓｉｎｇｌｅ）とともに示している。光素子としては、量子ドット上に、誘電体層としてのＺｒＯ2、図１９に示したプラズモン励起層、ＴｉＯ2を積層したものを用い、励起光がＴｉＯ2を介してプラズモン励起層に入射した結果を示している。
【００６１】
プラズモン励起層としては、図２０に示すものでは、Ａｇ／誘電体／Ａｇの多層膜とし、図２１に示すものでは、Ａｇ複合体／誘電体／Ａｇ複合体の多層膜とした。
【００６２】
図２０、図２１のいずれにおいても、左上のグラフは誘電体を厚さ１０ｎｍのＺｒＯ2、右上のグラフは誘電体を厚さ２０ｎｍのＺｒＯ2、左下のグラフは誘電体を厚さ１０ｎｍのＴｉＯ2、右下のグラフは誘電体を厚さ２０ｎｍのＴｉＯ2としたものを示している。
【００６３】
ＺｒＯ2の誘電率は４．０であり、ＴｉＯ2の誘電率は６．０以上である。図２０および図２１から、誘電率が高い方が取出し効率を保ったまま結合効率を高めることができることが分かる。
【００６４】
図２２は、図１９に示したプラズモン励起層として異なる金属種を含む光素子に波長５３０ｎｍの光を入射したときの、入射角に対する反射率を示す図である。比較としてＡｇの単層膜（Ｓｉｎｇｌｅ）とともに示している。光素子としては、量子ドット上に、誘電体層としてのＺｒＯ2、図１９に示したプラズモン励起層、ＴｉＯ2を積層したものを用い、光がＴｉＯ2を介してプラズモン励起層に入射した結果を示している。
【００６５】
プラズモン励起層としては、左上のグラフに示すものでは、Ａｇ／ＺｒＯ2／Ａｕとし、右上のグラフに示すものでは、Ａｕ／ＺｒＯ2／Ａｇとし、左下のグラフに示すものでは、Ａｕ／ＺｒＯ2／Ａｕとした。図２２に示されるように、金属−誘電体多層膜に用いられる金属には異なる種類のものが用いられても良い。
【００６６】
図２３は、図１９に示したプラズモン励起層として合計７層の金属−誘電体多層膜を用いた光素子に波長５３０ｎｍの光を入射したときの、入射角に対する反射率を示す図である。比較としてＡｇの単層膜（Ｓｉｎｇｌｅ）とともに示している。光素子としては、量子ドット上に、誘電体層としてのＺｒＯ2、図１９に示したプラズモン励起層、ＴｉＯ2を積層したものを用いた。プラズモン励起層としては、厚さがそれぞれ１０ｎｍの４層の金属の間に、５ｎｍの厚さの誘電体が挟まれる構造とした。図２３に示されるように、金属と誘電体が複数層繰り返されてもよい。このとき、それぞれの層の厚さは異なっていてもよい。
【００６７】
図２４は、本発明による光素子の一実施形態の構成を示す断面図である。
【００６８】
本実施形態は、導光体２４０１に設けられ、導光体２４０１から入射する光の一部によってキャリアが生成されるキャリア生成層２４０２と、このキャリア生成層２４０２上に積層され、キャリア生成層２４０２を導光体２４０１を通る光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層２４０４と、このプラズモン励起層２４０４上に積層され、入射する光の波数ベクトルを変換して出射する出射層としての波数ベクトル変換層２４０６と、を備えている。
【００６９】
また、プラズモン励起層２４０６は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。誘電性を有する２つの層として、プラズモン励起層２４０４と波数ベクトル変換層２４０６との間に挟まれて設けられた高誘電率層２４０５と、キャリア生成層２４０２とプラズモン励起層２４０４との間に挟まれて設けられ高誘電率層２４０５よりも誘電率が低い低誘電率層２４０３と、を備えている。
【００７０】
本実施形態における光素子は、プラズモン励起層２４０４の導光体２４０１側に積層された構造全体を含む入射側部分（以下、単に入射側部分と称する）の実効誘電率が、プラズモン励起層２４０４の波数ベクトル変換層２４０６側に積層された構造全体と、波数ベクトル変換層２４０６に接する媒質とを含む出射側部分（以下、単に出射側部分と称する）の実効誘電率よりも低くなるように構成されている。なお、プラズモン励起層２４０４の導光体２４０１側に積層された構造全体には、導光体２４０１が含まれる。プラズモン励起層２４０４の波数ベクトル変換層２４０６側に積層された構造全体には、波数ベクトル変換層２４０６が含まれる。
【００７１】
つまり、本実施形態では、プラズモン励起層２４０４に対する、導光体２４０１及びキャリア生成層２４０２を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層２４０４に対する、波数ベクトル変換層２４０６と媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも低くなっている。
【００７２】
詳細には、プラズモン励起層２４０４の入射側部分の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層２４０４の出射側部分（波数ベクトル変換層２４０６側）の複素実効誘電率の実部よりも低く設定されている。
【００７３】
ここで、複素実効誘電率εeffは、プラズモン励起層２４０４の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層２４０４の界面に垂直な方向をｚ軸とし、キャリア生成層６から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層２４０４に対する入射側部分及び出射側部分における誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、虚数単位をｊとすれば、入射側部分または出射側部分の誘電率分布と、プラズモン励起層２４０４の界面に垂直な方向に対する表面プラズモンの分布に基づいて決定され、
【００７４】
【数３】
2013046866.tif 000005
【００７５】
で表される。ここで積分範囲Ｄは、プラズモン励起層２４０４に対する入射側部分または出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Ｄにおけるｘ軸及びｙ軸方向の範囲は、入射側部分が含む構造体の外周面または出射側部分が含む構造体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層２４０４の界面に平行な面内の外縁までの範囲である。また、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、入射側部分または出射側部分（媒質を含む）の範囲である。なお、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲に関しては、プラズモン励起層２４０４と、プラズモン励起層２４０４に隣接する、誘電性を有する層との界面を、ｚ＝０となる位置とし、この界面から、プラズモン励起層２４０４の、上記隣接する層側の無限遠までの範囲であり、この界面から遠ざかる方向を、式（１）における（＋）ｚ方向とする。もし、プラズモン励起層２４０４の表面に凹凸が形成されている場合は、プラズモン励起層２４０４の凹凸に沿ってz座標の原点を移動させれば、式（１）を用いて実効誘電率が求められる。もし、実効誘電率の計算範囲において、光学異方性を持つ材料があれば、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）はベクトルとなり、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに異なった値を持つ。つまり、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、入射側部分および出射側部分の実効誘電率が存在する。このとき、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）の値は、ｚ軸に垂直な動径方向に平行な方向に対する誘電率とする。よって、後述のkspp,z、kspp、ｄeffなど、実効誘電率の関係する全ての現象は、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、異なった値を持つ。
【００７６】
実効誘電率εeffは、以下の式を用いて計算してもよい。ただし、式（１）を用いる方が特に望ましい。
【００７７】
【数４】
2013046866.tif 000006
【００７８】
また、表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppは、プラズモン励起層８の誘電率をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
【００７９】
【数５】
2013046866.tif 000007
【００８０】
【数６】
2013046866.tif 000008
【００８１】
で表される。
【００８２】
ここで、Ｒｅ［］は、［］内の実部を取ることを表す。
【００８３】
したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層８の入射側部分の誘電率分布εin（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、プラズモン励起層２４０４の出射側部分の誘電率分布εout（ω，ｘ，ｙ，ｚ）をそれぞれ代入して、計算することで、プラズモン励起層２４０４に対する入射側部分の複素実効誘電率層εeffin、及び出射側部分の複素実効誘電率εeffoutがそれぞれ求まる。実際には、複素実効誘電率εeffとして適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を繰り返し計算することで、複素実効誘電率εeffを容易に求められる。なお、プラズモン励起層２４０４に接する層の誘電率が非常に高い場合には、その界面における表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,zが実数となる。これは、その界面において表面プラズモンが発生しないことに相当する。そのため、プラズモン励起層２４０４に接する層の誘電率が、この場合の実効誘電率に相当する。
【００８４】
ここで、表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ-2となる距離とすれば、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffは、
【００８５】
【数７】
2013046866.tif 000009
【００８６】
で表わされる。
【００８７】
低誘電率層２４０３は、高誘電率層２４０５よりも誘電率が低い層である。低誘電率層２４０３の複素誘電率をεl（λ0）とし、その実部をεlr（λ0）、虚部をεli（λ0）とする。また、高誘電率層２４０５の複素誘電率をεh（λ0）とし、その実部をεhr（λ0）、虚部をεhi（λ0）とすると、
１≦εlr（λ0）＜εhr（λ0）の関係を満たしている。なお、λ0は、誘電率層への入射光の真空中での波長である。
【００８８】
ただし、低誘電率層２４０３の誘電率の方が高誘電率層２４０５の誘電率よりも高い場合でも、プラズモン励起層２４０４の低誘電率層２４０３側の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層２４０４の高誘電率層２４０５側の実効誘電率の実部よりも低ければ、光素子は動作する。つまり、低誘電率層２４０３、高誘電率層２４０５の誘電率には、プラズモン励起層２４０４の出射側の実効誘電率の実部が、入射側の実効誘電率の実部より高く保たれる範囲が許容される。入射側および出射側の実効誘電率が上記の条件を満たすならば、低誘電率層２４０３の誘電率が、高誘電率層２４０５の誘電率より高くてもよい。また、高誘電率層２４０５、低誘電率層２４０３を含まなくとも、入射側部分の実効誘電率が、出射側部分の実効誘電率よりも低い場合、高誘電率層２４０５、低誘電率層２４０３は本実施形態の動作において、必須の構成要素ではない。
【００８９】
なお、導光体２４０１を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層２４０６に接する媒質においても、発光周波数における複素誘電率の虚部は可能な限り低い方が好ましい。複素誘電率の虚部を可能な限り低くすることで、プラズモン結合を生じさせ易くし、光損失を低減することができる。
【００９０】
本実施形態では、導光体２４０１が平板状に形成されているが、導光体２４０１の形状は直方体に限定されるものではない。導光体２４０１の内部には、マイクロプリズムのような配光特性を制御する構造が設けられていてもよい。導光体２４０１のキャリア生成層２４０２側の面および導光体２４０１にキャリア生成層２４０２中にキャリアを生成するための光を入射するために用いられる面を除く全ての面は、反射材料や誘電体多層膜などを用いて、励起光が導光体の光出射部を除く面から出射しない処理が施されている方が好ましい。また、導光体２４０１は必須の構成要素ではなく、導光体の代わりに発光素子の発光面をキャリア生成層２４０２に近接して配してもよい。さらに、発光素子が空間を隔てて配置され、発光素子からの光がキャリア生成層２４０２に照射される構成としてもよい。
【００９１】
キャリア生成層２４０２としては、例えば、ローダミン（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  ６Ｇ）やスルホローダミン（ｓｕｌｆｏｒｈｏｄａｍｉｎｅ  １０１）等の有機蛍光体や、ＣｄＳｅやＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドット等の量子ドット蛍光体等の蛍光体や、ＧａＮ、ＧａＡｓ等の無機材料（半導体）、（チオフェン／フェニレン）コオリゴマー、Ａｌｑ３等の有機材料（半導体材料）が用いられる。また、蛍光体を用いる場合、キャリア生成層２４０２内には、発光波長が同一、又は異なる複数の波長を蛍光する材料が混在されていてもよい。また、キャリア生成層２４０２の厚さは１μｍ以下が望ましい。
【００９２】
低誘電率層２４０３としては、例えば、ＳｉＯ2ナノロッドアレイフィルムや、ＳｉＯ2、ＡｌＦ3、ＭｇＦ2、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、低誘電率プラスチック等の薄膜又は多孔質膜を用いるのが好ましい。また、低誘電率層２４０３の厚さは、５ｎｍ〜５０ｎｍに最適値が存在する。
【００９３】
高誘電率層２４０５としては、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ2、ＣｅＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、ＨｆＯ2、Ｌａ2Ｏ3、ＮｄＯ3、Ｙ2Ｏ3、ＺｎＯ、Ｎｂ2Ｏ5等の高誘電率材料を用いるのが好ましい。
【００９４】
プラズモン励起層２４０４は、図７に示した金属−誘電体複合体によるもの、もしくは、図１９に示した金属と誘電体からなる多層膜によるものであり、キャリア生成層２４０２単体を光で励起したときに発生する光の周波数（発光周波数）よりも高いプラズマ周波数を有する材料によって形成されている。言い換えれば、プラズモン励起層２４０４は、キャリア生成層２４０２単体を光で励起したときに発生する発光周波数において負の誘電率を有している。
【００９５】
プラズモン励起層２４０４の金属材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、又はこれらの合金などが挙げられる。これらの中でも、プラズモン励起層８の材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム及びこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、アルミニウム及びそれらを主成分とする合金が特に好ましい。プラズモン励起層２４０４の誘電体材料としては、出来る限り誘電率の低い材料が好ましく、例えば、Ａｉｒ、ＳｉＯ2、ＡｌＦ3、ＭｇＦ2、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、低誘電率プラスチック等の低誘電率材料を用いるのが好ましい。
【００９６】
また、プラズモン励起層２４０４の厚さは、２００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。高誘電率層２４０５とプラズモン励起層２４０４との界面から、低誘電率層２４０３とキャリア生成層２４０２との界面までの距離は、５００ｎｍ以下に形成されるのが好ましい。なお、この距離は、キャリア生成層２４０２とプラズモン励起層２４０４との間でプラズモン結合が起こる距離に相当する。
【００９７】
波数ベクトル変換層２４０６は、この波数ベクトル変換層２４０６に入射する入射光の波数ベクトルを変換することで、高誘電率層２４０５から光を取り出し、光素子から光を出射すための出射層である。言い換えれば、波数ベクトル変換層２４０６は、高誘電率層２４０５からの光の出射角を、所定の角度に変換して光素子から出射する。つまり、波数ベクトル変換層２４０６は、高誘電率層２４０５との界面にほぼ直交するように、光素子から放射２４０７を出射させる機能を奏している。ここで、高誘電率層２４０５から出射する光の出射角θoutは、高誘電率層２４０５側の実効誘電率をεeffoutとすれば、
【００９８】
【数８】
2013046866.tif 000010
【００９９】
で表わされる。プラズモン励起層２４０４と高誘電率層２４０５との界面には、式（３）によって求まる波数近傍の波数しか存在しないので、式（５）より求まる高誘電率層２４０５からの出射する光の出射角の角度分布も狭くなる。高誘電率層２４０５の一点から出射される光は、伝播するにつれて同心円状に広がる円環状の強度分布を有している。
【０１００】
波数ベクトル変換層２４０６としては、例えば、表面レリーフ格子、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造（高誘電率層９からの光の波長よりも大きなテクスチャー構造）又は準結晶構造、粗面が形成された表面構造、ホログラム、マイクロレンズアレイ等を用いたものが挙げられる。なお、準周期構造とは、例えば周期構造の一部が欠けている不完全な周期構造を指している。これらの中でも、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造、準結晶構造、マイクロレンズアレイを用いるのが好ましい。これは、光の取り出し効率を高められるだけでなく、指向性を制御できるからである。また、フォトニック結晶を用いる場合には、結晶構造が三角格子構造を採ることが望ましい。また、波数ベクトル変換層２４０６としては、平板状の基部の上に凸部が設けられた構造であってもよい。また、波数ベクトル変換層２４０６は、高誘電率層２４０５と異なる材料によって構成されていてもよい。
【０１０１】
図２５は、本発明による光素子の他の実施形態の構成を示す断面図である。
【０１０２】
本実施形態は、導光体２５０１に設けられ、導光体２５０１から入射する光の一部によってキャリアが生成されるキャリア生成層２５０２と、このキャリア生成層２５０２上に積層され、キャリア生成層２５０２を光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層２５０３と、このプラズモン励起層２５０３上に積層され、プラズモン励起層２５０３によって生じる表面プラズモンの波数ベクトルを変換して所定の出射角の光を出射する出射層としての波数ベクトル変換層２５０４と、を備えている。本実施形態におけるプラズモン励起層２５０３はキャリア生成層２５０２の直上に配置されているが、プラズモン励起層２５０３とキャリア生成層２５０２の間に厚さ５〜５０ｎｍの誘電体層を挿入した方が好ましい。これは、キャリア生成層２５０２に生成されたキャリアのうち、プラズモン励起層２５０３に表面プラズモンを励起するために用いられる割合を増やすためである。また、波数ベクトル変換層２５０４は、プラズモン励起層２５０３の直上に配置されているが、波数ベクトル変換層２５０４とプラズモン励起層２５０３との間に、厚さが１μｍよりも薄い誘電体層を備えて構成されてもよい。
【０１０３】
また、プラズモン励起層２５０３は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。本実施形態では、これら２つの層が、キャリア生成層２５０２と波数ベクトル変換層２５０４に対応している。そして、本実施形態における光素子は、プラズモン励起層２５０３の導光体２５０１側に積層された構造全体を含む入射側部分（以下、単に入射側部分と称する）の実効誘電率が、プラズモン励起層２５０３の波数ベクトル変換層２５０４側に積層された構造全体と、波数ベクトル変換層２５０４に接する媒質とを含む出射側部分（以下、単に出射側部分と称する）の実効誘電率よりも高くなるように構成されている。なお、プラズモン励起層２５０３の導光体２５０１側に積層された構造全体には、導光体２５０１が含まれる。プラズモン励起層２５０３の波数ベクトル変換層２５０４側に積層された構造全体には、波数ベクトル変換層２５０４が含まれる。
【０１０４】
つまり、本実施形態では、プラズモン励起層２５０３に対する、導光体２５０１及びキャリア生成層２５０２を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層２５０３に対する、波数ベクトル変換層２５０４と媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高くなっている。
【０１０５】
詳細には、プラズモン励起層２５０４の入射側部分の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層２５０４の出射側部分（波数ベクトル変換層２５０５側）の複素実効誘電率の実部よりも高く設定されている。
【０１０６】
ここで、複素実効誘電率εeffは、プラズモン励起層２５０３の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層２５０３の界面に垂直な方向をｚ軸とし、キャリア生成層２５０２から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層２５０３に対する入射側部分及び出射側部分における誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、虚数単位をｊとすれば、式（１）で表される。ここで積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１７に対する入射側部分または出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Ｄにおけるｘ軸及びｙ軸方向の範囲は、入射側部分が含む構造体の外周面または出射側部分が含む構造体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層２５０３の界面に平行な面内の外縁までの範囲である。また、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、入射側部分または出射側部分（媒質を含む）の範囲である。なお、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲に関しては、プラズモン励起層２５０３と、プラズモン励起層２５０３に隣接する、誘電性を有する層との界面を、ｚ＝０となる位置とし、この界面から、プラズモン励起層２５０３の、上記隣接する層側の無限遠までの範囲であり、この界面から遠ざかる方向を、式（１）における（＋）ｚ方向とする。もし、プラズモン励起層２５０３の表面に凹凸が形成されている場合は、プラズモン励起層２５０３の凹凸に沿ってz座標の原点を移動させれば、式（１）を用いて実効誘電率が求められる。
【０１０７】
また、表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppは、プラズモン励起層１７の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、式（２）、式（３）で表される。
【０１０８】
したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層２５０３の入射側部分の誘電率分布εin（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、プラズモン励起層２５０３の出射側部分の誘電率分布εout（ω，ｘ，ｙ，ｚ）をそれぞれ代入して、計算することで、プラズモン励起層２５０３に対する入射側部分の複素実効誘電率層εeffin、及び出射側部分の複素実効誘電率εeffoutがそれぞれ求まる。実際には、複素実効誘電率εeffとして適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を繰り返し計算することで、複素実効誘電率εeffを容易に求められる。なお、プラズモン励起層２５０３に接する層の誘電率の実部が非常に大きい場合には、その界面における表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,zが実数となる。これは、その界面において表面プラズモンが発生しないことに相当する。そのため、プラズモン励起層２５０３に接する層の誘電率が、この場合の実効誘電率に相当する。
【０１０９】
ここで、表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ-2となる距離とすれば、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffは、式（４）で表わされる。
【０１１０】
なお、導光体２５０１を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層２５０４に接する媒質においても、発光周波数における複素誘電率の虚部は可能な限り低い方が好ましい。複素誘電率の虚部を可能な限り低くすることで、プラズモン結合を生じさせ易くし、光損失を低減することができる。
【０１１１】
本実施形態では、導光体２５０１が平板状に形成されているが、導光体２５０１の形状は直方体に限定されるものではない。導光体２５０１の内部には、マイクロプリズムのような配光特性を制御する構造体が設けられていてもよい。導光体２５０１のキャリア生成層２５０２側の面および導光体２５０１にキャリア生成層２５０２中にキャリアを生成するための光を入射するために用いられる面を除く全ての面は、反射材料や誘電体多層膜などを用いて、励起光が導光体の光出射部を除く面から出射しない処理が施されている方が好ましい。また、導光体２４０１は必須の構成要素ではなく、導光体の代わりに発光素子の発光面をキャリア生成層２５０２に近接して配してもよい。さらに、発光素子が空間を隔てて配置され、発光素子からの光がキャリア生成層２５０２に照射される構成としてもよい。
【０１１２】
キャリア生成層２５０２としては、例えば、ローダミン（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  ６Ｇ）やスルホローダミン（ｓｕｌｆｏｒｈｏｄａｍｉｎｅ  １０１）等の有機蛍光体や、ＣｄＳｅやＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドット等の量子ドット蛍光体等の蛍光体や、ＧａＮ、ＧａＡｓ等の無機材料（半導体）、（チオフェン／フェニレン）コオリゴマー、Ａｌｑ３等の有機材料（半導体材料）が用いられる。また、蛍光体を用いる場合、キャリア生成層２５０２内には、発光波長が同一、又は異なる複数の波長を蛍光する材料が混在されていてもよい。また、キャリア生成層２５０２の厚さは１μｍ以下が望ましい。
【０１１３】
プラズモン励起層２５０３は、図７に示した金属−誘電体複合体によるもの、もしくは、図１９に示した金属と誘電体からなる多層膜によるものであり、キャリア生成層２５０２単体を光で励起したときに発生する光の周波数（発光周波数）よりも高いプラズマ周波数を有する材料によって形成されている。言い換えれば、プラズモン励起層２５０３は、キャリア生成層２５０２単体を光で励起したときに発生する発光周波数において負の誘電率を有している。
【０１１４】
プラズモン励起層２５０３の金属材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、又はこれらの合金などが挙げられる。これらの中でも、プラズモン励起層１７の材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム及びこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、アルミニウム及びそれらを主成分とする合金が特に好ましい。また、プラズモン励起層１７の厚さは、２００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。プラズモン励起層２５０３の誘電体材料としては、出来る限り誘電率の低い材料が好ましく、例えば、Ａｉｒ、ＳｉＯ2、ＡｌＦ3、ＭｇＦ2、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、低誘電率プラスチック等の低誘電率材料を用いるのが好ましい。
【０１１５】
また、プラズモン励起層２５０３の厚さは、２００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。
【０１１６】
波数ベクトル変換層２５０４は、プラズモン励起層２５０３と波数ベクトル変換層２５０４との界面に励起された表面プラズモンの波数ベクトルを変換することで、プラズモン励起層２５０３と波数ベクトル変換層２５０４との界面から光を取り出し、光素子から光を出射すための出射層である。言い換えれば、波数ベクトル変換層２５０４は、表面プラズモンを所定の出射角の光に変換して光素子から出射する。つまり、波数ベクトル変換層２５０４は、プラズモン励起層２５０３と波数ベクトル変換層２５０４との界面にほぼ直交するように、光素子から放射２５０５を出射させる機能を奏している。
【０１１７】
波数ベクトル変換層２５０４としては、例えば、表面レリーフ格子、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造、又は準結晶構造、光素子からの光の波長よりも大きなテクスチャー構造、例えば粗面が形成された表面構造、ホログラム、マイクロレンズアレイ等を用いたものが挙げられる。なお、準周期構造とは、例えば周期構造の一部が欠けている不完全な周期構造を指している。これらの中でも、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造、準結晶構造、マイクロレンズアレイを用いるのが好ましい。これは、光の取り出し効率を高められるだけでなく、指向性を制御できるからである。また、フォトニック結晶を用いる場合には、結晶構造が三角格子構造を採ることが望ましい。また、波数ベクトル変換層２５０４は、平板状の基部の上に凸部が設けられた構造であってもよい。
【０１１８】
導光体２５０１内を全反射で伝播している光において、導光体２５０１とキャリア生成層２５０２との界面では全反射条件が崩れ、光がキャリア生成層２５０２中に入射する。キャリア生成層２５０２に入射した光は、キャリア生成層２５０２においてキャリアを生成する。生成されたキャリアは、プラズモン励起層２５０３中の自由電子とプラズモン結合を起こす。このプラズモン結合を介して、プラズモン励起層２５０３と波数ベクトル変換層２５０４との界面に表面プラズモンが励起される。励起された表面プラズモンは、波数ベクトル変換層２５０４で回折されて、放射２５０５として光素子の外方に出射される。
【０１１９】
プラズモン励起層２５０３と波数ベクトル変換層２５０４との界面の誘電率が空間的に均一、つまり平坦な面である場合には、この界面に生じた表面プラズモンを取り出すことはできない。このため、本実施形態では、波数ベクトル変換層２５０４を設けることで、表面プラズモンを回折し、光として取り出すことができる。波数ベクトル変換層２５０４の一点から出射される光は、伝播するにつれて同心円状に広がる円環状の強度分布を有している。最も強度が高い出射角を中心出射角としたとき、波数ベクトル変換層２５０４から出射する光の中心出射角θradは、波数ベクトル変換層２５０４の周期構造のピッチをΛとし、波数ベクトル変換層の光取り出し側（すなわち、波数ベクトル変換層に接する媒質）の屈折率をｎｒａｄとすると、
【０１２０】
【数９】
2013046866.tif 000011
【０１２１】
で表わされる。ここで、i  は正または負の整数である。プラズモン励起層２５０３と波数ベクトル変換層２５０４の界面には、式（３）によって求まる波数近傍の波数しか存在しないので、式（６）より求まる出射光の角度分布も狭くなる。波数ベクトル変換層２５０４の一点から出射される光は、伝播するにつれて同心円状に広がる円環状の強度分布を有している。式（６）が「０」となる条件では、発光素子１における波数ベクトル変換層２５０４の厚さ方向に直交する平面に垂直な方向の強度が最も高く、光素子からの光の出射方向と光素子の上記平面とがなす角が小さいほど、強度が低くなる。
【０１２２】
図２６は、本発明による光素子の他の実施形態の構成を示す断面図である。
【０１２３】
図２４および図２５に示した光素子が、導光体を伝播してきた光とプラズモン結合するものであったのに対し、本実施形態の光素子は自発光する光素子であり、光源層２６１１と、この光源層２６１１の上に積層され、光源層２６１１からの光が入射する光学素子層としての指向性制御層２６１２と、を備えている。
【０１２４】
本実施形態の光素子は、基板２６０１と、この基板２６０１の上に設けられた一対のホール輸送層２６０３及び電子輸送層２６０５と、を有している。基板２６０１上には、基板２６０１側から、陽極２６０２、ホール輸送層２６０３、活性層２６０４、電子輸送層２６０５の順にそれぞれ積層され、これらにより光源層２６１１が形成されている。
【０１２５】
指向性制御層２６１２は、光源層の基板２６０１側に対する反対側に設けられている。指向性制御層２６１２は、光源層から出射する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層２６０７と、このプラズモン励起層２６０７の上に積層されプラズモン励起層２６０７から入射する光を所定の出射角に変換して出射する出射層としての波数ベクトル変換層２６０９と、を備えている。
【０１２６】
また、プラズモン励起層２６０７は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。誘電性を有する２つの層として、指向性制御層２６１２は、プラズモン励起層２６０７と波数ベクトル変換層２６０９との間に挟まれて設けられた高誘電率層２６０８と、プラズモン励起層２６０７と電子輸送層２６０５との間に挟まれて設けられ、高誘電率層２６０８よりも誘電率が低い低誘電率層２６０６と、を備えている。
【０１２７】
ただし、高誘電率層２６０８および低誘電率層２６０６の誘電率は、後述するようにプラズモン励起層２６０７の入射側部分（基板２６０１側）の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層２６０７の出射側部分（波数ベクトル変換層２６０９側）の複素実効誘電率の実部よりも低く設定されていれば、高誘電率層２６０８の誘電率よりも低誘電率層２６０６の誘電率の方が高くても光素子は動作する。したがって、プラズモン励起層２６０７は、一対の高誘電率層２６０８と低誘電率層２６０６との間に挟まれて配置されている。
【０１２８】
そして、本実施形態における光素子は、プラズモン励起層２６０７の光源層側に積層された構造全体を含む入射側部分（以下、単に入射側部分と称する）の実効誘電率が、プラズモン励起層２６０７の波数ベクトル変換層２６０９側に積層された構造全体と、波数ベクトル変換層２６０９に接する媒質とを含む出射側部分（以下、単に出射側部分と称する）の実効誘電率よりも低くなるように構成されている。なお、プラズモン励起層２６０７の光源層側に積層された構造全体には、基板２６０１が含まれる。プラズモン励起層２６０７の波数ベクトル変換層２６０９側に積層された構造全体には、波数ベクトル変換層２６０９が含まれる。
【０１２９】
つまり、本実施形態では、プラズモン励起層２６０７に対する、光源層及び低誘電率層２６０６を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層２６０７に対する、高誘電率層２６０８及び波数ベクトル変換層２６０９と媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも低くなっている。
【０１３０】
詳細には、プラズモン励起層２６０７の入射側部分（基板２６０１側）の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層２６０７の出射側部分（波数ベクトル変換層２６０９側）の複素実効誘電率の実部よりも低く設定されている。
【０１３１】
ここで、複素実効誘電率εeffは、プラズモン励起層２６０７の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層２６０７の界面に垂直な方向をｚ軸とし、光源層から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層１５に対する入射側部分及び出射側部分における誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、虚数単位をｊとすれば、式（１）で表される。ここで積分範囲Ｄは、プラズモン励起層２６０７に対する入射側部分または出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Ｄにおけるｘ軸及びｙ軸方向の範囲は、入射側部分が含む構造体の外周面または出射側部分が含む構造体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層２６０７の界面に平行な面内の外縁までの範囲である。また、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、入射側部分または出射側部分（媒質を含む）の範囲である。なお、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲に関しては、プラズモン励起層２６０７と、プラズモン励起層２６０７に隣接する、誘電性を有する層との界面を、ｚ＝０となる位置とし、この界面から、プラズモン励起層２６０７の、上記隣接する層側の無限遠までの範囲であり、この界面から遠ざかる方向を、式（１）における（＋）ｚ方向とする。もし、プラズモン励起層２６０７の表面に凹凸が形成されている場合は、プラズモン励起層２６０７の凹凸に沿ってz座標の原点を移動させれば、式（１）を用いて実効誘電率が求められる。
【０１３２】
また、表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppは、プラズモン励起層２６０７の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、式（２）および式（３）で表される。
【０１３３】
したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層２６０７の入射側部分の誘電率分布εin（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、プラズモン励起層２６０７の出射側部分の誘電率分布εout（ω，ｘ，ｙ，ｚ）をそれぞれ代入して、計算することで、プラズモン励起層２６０７に対する入射側部分の複素実効誘電率層εeffin、及び出射側部分の複素実効誘電率εeffoutがそれぞれ求まる。実際には、複素実効誘電率εeffとして適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を繰り返し計算することで、複素実効誘電率εeffを容易に求められる。なお、プラズモン励起層２６０７に接する層の誘電率が非常に高い場合は、その界面における表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,zが実数となる。これは、その界面において表面プラズモンが発生しないことに相当する。そのため、プラズモン励起層２６０７に接する層の誘電率が、この場合の実効誘電率に相当する。ここで、表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ-2となる距離とすれば、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffは、式（４）で表わされる。
【０１３４】
指向性制御層が有する低誘電率層２６０６は、高誘電率層２６０８よりも誘電率が低い層である。低誘電率層２６０６の複素誘電率をεl（λ0）とし、その実部をεlr（λ0）、虚部をεli（λ0）とする。また、高誘電率層２６０８の複素誘電率をεh（λ0）とし、その実部をεhr（λ0）、虚部をεhi（λ0）とすると、
１≦εlr（λ0）＜εhr（λ0）の関係を満たしている。なお、λ0は、誘電率層への入射光の真空中での波長である。
【０１３５】
ただし、低誘電率層２６０６の誘電率の方が高誘電率層２６０８の誘電率よりも高い場合でも、プラズモン励起層２６０７の低誘電率層２６０６側の実効誘電率の実部がプラズモン励起層２６０７の高誘電率層２６０８側の実効誘電率の実部よりも低ければ、光素子は動作する。つまり、低誘電率層２６０６、高誘電率層２６０８の誘電率には、プラズモン励起層２６０７の出射側部分の実効誘電率の実部が入射側部分の実効誘電率の実部より高く保たれる範囲が許容される。
【０１３６】
また、発光周波数における虚部εli（λ0）、及び虚部εhi（λ0）は、可能な限り低い方が好ましく、プラズモン結合させ易くし、光損失を低減することができる。
【０１３７】
なお、光源層を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層２６０９に接する媒質においても、発光周波数における複素誘電率の虚部は可能な限り低い方が好ましい。複素誘電率の虚部を可能な限り低くすることで、プラズモン結合を生じさせ易くし、光損失を低減することができる。
【０１３８】
また、光素子は、ホール輸送層２６０３の厚さ方向に直交する面の一部が露出するように、ホール輸送層２６０３の上方の各層の一部がそれぞれ切り欠かれており、露出されたホール輸送層２６０３の一部に陽極２６０２が設けられている。同様に、光素子は、プラズモン励起層２６０７の厚さ方向に直交する面の一部が外部に露出するように、プラズモン励起層２６０７の上方の高誘電率層２６０８及び波数ベクトル変換層２６０９の一部がそれぞれ切り欠かれており、露出されたプラズモン励起層２６０７の一部が陰極として機能する。したがって、本実施形態の光素子の構成では、プラズモン励起層２６０７から電子が注入され、陽極２６０２からホール（正孔）が注入される。なお、光源層における電子輸送層２６０５とホール輸送層２６０３の相対的な位置は、本実施形態におけるそれぞれの位置と反対に配置されてもよい。また、表面が露出したプラズモン励起層２６０７上に、プラズモン励起層２６０７とは材料の異なる陰極パッドが設けられてもよい。
【０１３９】
光素子の周囲の媒質は、固体、液体、気体のいずれであってもよく、光素子の基板２６０１側と波数ベクトル変換層２６０９側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。
【０１４０】
ホール輸送層２６０３としては、例えば芳香族アミン化合物やテトラフェニルジアミンが挙げられる。また、ホール輸送層２６０３としては、一般的なＬＥＤや、半導体レーザを構成するｐ型半導体層が用いられてもよい。
【０１４１】
電子輸送層２６０５としては、例えばＡｌｑ３、オキサジアゾール（ＰＢＤ）、トリアゾール（ＴＡＺ）が挙げられる。また、電子輸送層２６０５としては、一般的なＬＥＤや、半導体レーザを構成するｎ型半導体層が用いられてもよい。
【０１４２】
また、光源層を構成する各層の間に、例えばバッファ層や、更に別のホール輸送層、電子輸送層等の他の層が挿入される構成であってもよく、光源層として周知のＬＥＤの構造を適用することができる。
【０１４３】
また、光源層は、ホール輸送層２６０３と基板２６０１との間に、活性層２６０４からの光を反射する反射層（不図示）が設けられてよい。この構成の場合、反射層としては、例えばＡｇやＡｌ等の金属膜、誘電体多層膜などが挙げられる。
【０１４４】
低誘電率層２６０６としては、例えば、ＳｉＯ2ナノロッドアレイフィルムや、ＳｉＯ2、ＡｌＦ3、ＭｇＦ2、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、低誘電率プラスチック等の薄膜または多孔質膜を用いるのが好ましい。また、低誘電率層１４としては、イオン、ドナー、アクセプタ等のドープでそれらに導電性を付与したものや、ＩＴＯ、Ｍｇ（ＯＨ）2：Ｃ、ＳｎＯ2、Ｃ１２Ａ７、ＴｉＯ２：Ｎｂ、ＺｎＯ：Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ：Ｇａ2Ｏ3等の導電性材料を主要構成材料とする多孔質膜を用いるのが特に好ましい。また、低誘電率層２６０６の厚さは、５ｎｍ〜５０ｎｍに最適値が存在する。
【０１４５】
高誘電率層２６０８としては、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ2、ＣｅＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、ＨｆＯ2、Ｌａ2Ｏ3、ＮｄＯ3、Ｙ2Ｏ3、ＺｎＯ、Ｎｂ2Ｏ5等の高誘電率材料の薄膜または多孔質膜を用いるのが好ましい。
【０１４６】
プラズモン励起層２６０７は、図７に示した金属−誘電体複合体によるもの、もしくは、図１９に示した金属と誘電体からなる多層膜によるものであり、光源層が発生する光の周波数（発光周波数）よりも高いプラズマ周波数を有する材料によって形成された微粒子層または薄膜層である。言い換えれば、プラズモン励起層２６０７は、光源層が発生する発光周波数において負の誘電率を有している。
【０１４７】
プラズモン励起層２６０７の金属材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、またはこれらの合金などが挙げられる。これらの中でも、プラズモン励起層２６０７の材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム及びこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、白金、アルミニウム及びそれらを主成分とする合金が特に好ましい。プラズモン励起層２６０７の誘電体材料としては、出来る限り誘電率の低い材料が好ましく、例えば、Ａｉｒ、ＳｉＯ2、ＡｌＦ3、ＭｇＦ2、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、低誘電率プラスチック等の低誘電率材料を用いるのが好ましい。
【０１４８】
プラズモン励起層２６０７の厚さは、２００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。
【０１４９】
波数ベクトル変換層２６０９は、この波数ベクトル変換層２６０９に入射する入射光の波数ベクトルを変換することで、高誘電率層２６０８から光を取り出し、光素子から光を出射すための出射層である。言い換えれば、波数ベクトル変換層２６０９は、高誘電率層２６０８からの光の出射角を、所定の角度に変換して光素子から出射する。つまり、波数ベクトル変換層２６０９は、高誘電率層２６０８との界面にほぼ直交するように、光素子から放射２６１０を出射させる機能を奏している。
【０１５０】
波数ベクトル変換層２６０９としては、例えば、表面レリーフ格子、フォトニック結晶に代表される周期構造または準周期構造（高誘電率層２６０８からの光の波長よりも大きな凹凸を有するテクスチャー構造、又は準結晶構造、粗面が形成された表面構造、ホログラム、マイクロレンズアレイ等を用いたものが挙げられる。なお、準周期構造とは、例えば周期構造の一部が欠けている不完全な周期構造を指している。これらの中でも、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造、準結晶構造、マイクロレンズアレイを用いるのが好ましい。これは、光の取り出し効率を高められるだけでなく、指向性を制御できるからである。また、フォトニック結晶を用いる場合には、結晶構造が三角格子構造を採ることが望ましい。また、波数ベクトル変換層２６０９は、平板状の基部の上に凸部が設けられた構造であってもよい。また、波数ベクトル変換層２６０９は、高誘電率層２６０８と異なる材料によって構成されていてもよい。
【０１５１】
以上のように構成された光素子について、波数ベクトル変換層２６０９から光を出射する動作を説明する。
【０１５２】
陰極としての、プラズモン励起層２６０７の一部から電子が注入され、陽極２６０２からホールが注入される。プラズモン励起層２６０７の一部及び陽極２６０２から光源層２６１１に注入された電子とホールは、それぞれ電子輸送層２６０５とホール輸送層２６０３を通って、電子輸送層２６０５とホール輸送層２６０３との間に注入される。電子輸送層２６０５とホール輸送層２６０３との間に注入された電子とホールは、プラズモン励起層２６０７中の電子またはホールと結合し、高誘電率層２６０８側へ光を出射させる。
【０１５３】
活性層２６０４としては、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ダイヤモンド等の無機材料（半導体）、（チオフェン／フェニレン）コオリゴマー、Ａｌｑ３等の有機材料（半導体材料）が用いられる。また、活性層２６０４は量子井戸構造を採るのが好ましい。
【０１５４】
なお、高誘電率層２６０８とプラズモン励起層２６０７との界面から、電子輸送層２６０５と活性層２６０４との界面までの距離が、５００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、短ければ短いほどよい。この距離は、活性層２６０４とプラズモン励起層２６０７との間でプラズモン結合が起こる距離に相当する。
【０１５５】
また、本実施形態の光素子では、プラズモン励起層２６０７の一部及び陽極２６０２から光源層に注入された電子とホールが、それぞれ電子輸送層２６０５とホール輸送層２６０３を通って、活性層２６０４に注入される。活性層２６０４に注入された電子とホールは、プラズモン励起層２６０７中の電子またはホールと結合し、高誘電率層２６０８側へ光を出射させる。このように高誘電率層２６０８に入射した光は、波数ベクトル変換層２６０９から出射される。
【０１５６】
プラズモン励起層２６０７と高誘電率層２６０８との界面には、式（３）によって求まる波数近傍の波数しか存在しないので、式（５）より求まる高誘電率層２６０８から出射する光の角度分布も狭くなる。高誘電率層２６０８一点から出射される光は、伝播するにつれて同心円状に広がる円環状の強度分布を有している。
【０１５７】
上述したように本実施形態の光素子は、光源層を構成する材料に一般的なＬＥＤと同じ材料が用いられるため、ＬＥＤと同様に高い輝度を実現できる。また、本実施形態の光素子によれば、波数ベクトル変換層１７へ入射する光の入射角が、プラズモン励起層２６０７とこのプラズモン励起層２６０７の入射側部分の実効誘電率と、出射側部分の実効誘電率と、活性層２６０４に注入された電子とホールによる発光のスペクトル幅で決定されるので、光素子からの出射光の指向性が、光源層の指向性に制限されることがなくなる。また、本実施形態の光素子は、放射過程においてプラズモン結合を応用することによって、光素子からの出射光の放射角を狭めて出射光の指向性を高めることができる。
【０１５８】
図２７は、本発明による光素子の他の実施形態の構成を示す断面図である。
【０１５９】
図２４および図２５に示した光素子が、導光体を伝播してきた光とプラズモン結合するものであったのに対し、本実施形態の光素子は自発光する光素子であり、光源層２７０９と、この光源層２７０９の上に積層され、光源層２７０９からの光が入射する光学素子層としての指向性制御層２７１０と、を備えている。
【０１６０】
光源層２７０９は、基板２７０１と、この基板２７０１の上に設けられた一対のホール輸送層２７０３及び電子輸送層２７０５と、活性層２７０４を有している。基板２７０１上には、基板２７０１側から、ホール輸送層２７０３、活性層２７０４、電子輸送層２７０５の順にそれぞれ積層されている。
【０１６１】
指向性制御層２７１０は、光源層２７０９の基板２７０１側に対する反対側に設けられている。指向性制御層２７１０は、光源層２７０９から出射する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層２７０６と、このプラズモン励起層２７０６の上に積層されプラズモン励起層２７０６から入射する光を所定の出射角に変換して出射する出射層としての波数ベクトル変換層２７０７と、を有している。
【０１６２】
また、光素子は、ホール輸送層２７０３の厚さ方向に直交する面の一部が露出するように、ホール輸送層２７０３の上方の各層の一部が切り欠かれており、露出されたホール輸送層２７０３の一部に陽極２７０２が設けられている。同様に、光素子は、プラズモン励起層２７０６の厚さ方向に直交する面の一部が外部に露出するように、プラズモン励起層２７０６上の波数ベクトル変換層２７０７の一部が切り欠かれており、露出されたプラズモン励起層２７０６の一部が陰極として機能する。したがって、本実施形態の光素子２７０９の構成では、プラズモン励起層２７０６から電子が注入され、陽極２７０２からホール（正孔）が注入される。
【０１６３】
なお、光源層における電子輸送層２７０５とホール輸送層２７０３の相対的な位置は、本実施形態におけるそれぞれの位置と反対に配置されてもよい。また、表面が露出したプラズモン励起層２７０６上の一部または全部に、プラズモン励起層２７０６とは異なる材料によって形成された陰極が設けられてもよい。陰極、陽極としては、ＬＥＤ、有機ＥＬを構成する陰極、陽極が用いられてもよい。陰極がプラズモン励起層２７０６上の露出した表面全面にわたって形成される場合は、光源層から出射する光の周波数において透明であることが望ましい。
【０１６４】
光素子の周囲の媒質は、固体、液体、気体のいずれであってもよく、光素子の基板２７０１側と波数ベクトル変換層２７０７側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。
【０１６５】
ホール輸送層２７０３には、一般的なＬＥＤや、半導体レーザを構成するｐ型半導体や、有機ＥＬ用のホール輸送層である芳香族アミン化合物やテトラフェニルジアミン等が用いられてもよい。
【０１６６】
電子輸送層２７０５には、一般的なＬＥＤや、半導体レーザを構成するｎ型半導体や、有機ＥＬ用電子輸送層であるＡｌｑ３、オキサジアゾール（ＰＢＤ）、トリアゾール（ＴＡＺ）が用いられてもよい。
【０１６７】
また、光源層を構成する各層の間に、例えばバッファ層や、更に別のホール輸送層、電子輸送層等の他の層が挿入される構成であってもよく、周知のＬＥＤ、有機ＥＬの構造を適用することができる。
【０１６８】
また、光源層は、ホール輸送層２７０３と基板２７０１との間に、活性層２７０４からの光を反射する反射層（不図示）が設けられてよい。この構成の場合、反射層としては、例えばＡｇやＡｌ等の金属膜、誘電体多層膜などが挙げられる。
【０１６９】
また、プラズモン励起層２７０６は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。本実施形態では、これら２つの層が、電子輸送層２７０５と波数ベクトル変換層２７０７に対応している。そして、本実施形態における光素子は、プラズモン励起層２７０６の光源層側に積層された構造全体を含む入射側部分（以下、入射側部分と称する）の実効誘電率が、プラズモン励起層２７０６の波数ベクトル変換層２７０７側に積層された構造全体と、波数ベクトル変換層２７０７に接する媒質とを含む出射側部分（以下、出射側部分と称する）の実効誘電率よりも高くなるように構成されている。プラズモン励起層２７０６の波数ベクトル変換層２７０７側に積層された構造全体には、波数ベクトル変換層２７０７が含まれる。
【０１７０】
つまり、本実施形態では、プラズモン励起層２７０６に対する、光源層全体を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層２７０６に対する、波数ベクトル変換層２７０７と媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高くなっている。
【０１７１】
詳細には、プラズモン励起層２７０６の入射側部分（光源層側）の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層２７０６の出射側部分（波数ベクトル変換層２７０７側）の複素実効誘電率の実部よりも高く設定されている。
【０１７２】
ここで、複素実効誘電率εeffは、プラズモン励起層２７０６の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層２７０６の界面に垂直な方向をｚ軸とし、光源層から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層１５に対する入射側部分または出射側部分における誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、表面プラズモンの波数をkspp,z、虚数単位をｊとすれば、式（１）で表される。ここで積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１５に対する入射側部分または出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Ｄにおけるｘ軸及びｙ軸方向の範囲は、入射側部分が含む構造体の外周面または出射側部分が含む構造体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層２７０６の界面に平行な面内の外縁までの範囲である。また、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、入射側部分または出射側部分（媒質を含む）の範囲である。なお、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲に関しては、プラズモン励起層２７０６と、プラズモン励起層２７０６に隣接する、誘電性を有する層との界面を、ｚ＝０となる位置とし、この界面から、プラズモン励起層２７０６の、上記隣接する層側の無限遠までの範囲であり、この界面から遠ざかる方向を、式（１）における（＋）ｚ方向とする。もし、プラズモン励起層２７０６の表面に凹凸が形成されている場合は、プラズモン励起層２７０６の凹凸に沿ってz座標の原点を移動させれば、式（１）を用いて実効誘電率が求められる。
【０１７３】
また、表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppは、プラズモン励起層２７０６の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、式（２）および式（３）で表される。
【０１７４】
したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層２７０６の入射側部分の誘電率分布εin（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、プラズモン励起層２７０６の出射側部分の誘電率分布εout（ω，ｘ，ｙ，ｚ）をそれぞれ代入して、計算することで、プラズモン励起層２７０６に対する入射側部分の複素実効誘電率層εeffin、及び出射側部分の複素実効誘電率εeffoutがそれぞれ求まる。実際には、複素実効誘電率εeffとして適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を繰り返し計算することで、複素実効誘電率εeffを容易に求められる。なお、プラズモン励起層２７０６に接する層の誘電率の実部が非常に大きい場合には、その界面における表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,zが実数となる。これは、その界面において表面プラズモンが発生しないことに相当する。そのため、プラズモン励起層２７０６に接する層の誘電率が、この場合の実効誘電率に相当する。
【０１７５】
ここで、表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ-2となる距離とすれば、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffは、式（４）で表わされる。
【０１７６】
なお、光源層を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層２７０７に接する媒質においても、発光周波数における複素誘電率の虚部は可能な限り低い方が好ましい。複素誘電率の虚部を可能な限り低くすることで、プラズモン結合を生じさせ易くし、光損失を低減することができる。
【０１７７】
プラズモン励起層２７０６は、図７に示した金属−誘電体複合体によるもの、もしくは、図１９に示した金属と誘電体からなる多層膜によるものであり、光源層が発生する光の周波数（発光周波数）よりも高いプラズマ周波数を有する材料によって形成された微粒子層または薄膜層である。言い換えれば、プラズモン励起層２７０６は、光源層が発生する発光周波数において負の誘電率を有している。
【０１７８】
プラズモン励起層２７０６の金属材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、またはこれらの合金などが挙げられる。これらの中でも、プラズモン励起層２７０６の材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム及びこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、白金、アルミニウム及びそれらを主成分とする合金が特に好ましい。プラズモン励起層２７０６の誘電体材料としては、出来る限り誘電率の低い材料が好ましく、例えば、Ａｉｒ、ＳｉＯ2、ＡｌＦ3、ＭｇＦ2、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、低誘電率プラスチック等の低誘電率材料を用いるのが好ましい。
【０１７９】
プラズモン励起層２７０６の厚さは、２００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。
【０１８０】
波数ベクトル変換層２７０７は、プラズモン励起層２７０６と波数ベクトル変換層２７０７との界面に励起された表面プラズモンの波数ベクトルを変換することで、プラズモン励起層２７０６と波数ベクトル変換層２７０７との界面から光を取り出し、光素子から光を出射すための出射層である。言い換えれば、波数ベクトル変換層２７０７は、表面プラズモンを所定の出射角の光に変換して光素子から出射する。つまり、波数ベクトル変換層２７０７は、プラズモン励起層２７０６と波数ベクトル変換層２７０７との界面にほぼ直交するように、光素子から放射２７０８を出射させる機能を奏している。
【０１８１】
波数ベクトル変換層２７０７としては、例えば、表面レリーフ格子、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造、又は準結晶構造、光源層からの光の波長よりも大きなテクスチャー構造、例えば粗面が形成された表面構造、ホログラム、マイクロレンズアレイ等を用いたものが挙げられる。なお、準周期構造とは、例えば周期構造の一部が欠けている不完全な周期構造を指している。これらの中でも、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造、準結晶構造、マイクロレンズアレイを用いるのが好ましい。これは、光の取り出し効率を高められるだけでなく、指向性を制御できるからである。また、フォトニック結晶を用いる場合には、結晶構造が三角格子構造を採ることが望ましい。また、波数ベクトル変換層２７０６としては、平板状の基部の上に、周期構造を構成する凸部または凹部が形成された構造であってもよい。
【０１８２】
光源層が有する活性層２７０４としては、ＬＥＤや有機ＥＬに用いられる材料と同様の材料を用いることができ、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ダイヤモンド等の無機材料（半導体）、（チオフェン／フェニレン）コオリゴマー、Ａｌｑ３等の有機材料（半導体材料）が用いられる。また、活性層１２は量子井戸構造を採るのが好ましい。また、活性層２７０４は、発光スペクトルの幅が狭ければ狭いほど好ましい。
【０１８３】
なお、波数ベクトル変換層２７０７とプラズモン励起層２７０６との界面から、電子輸送層２７０５と活性層２７０４との界面までの距離が短ければ短いほどよい。この距離の許容最大値は、活性層２７０４とプラズモン励起層２７０６との間でプラズモン結合が起こる距離に相当し、式（４）より算出される。
【０１８４】
以上のように構成された光素子において、波数ベクトル変換層２７０６から光を出射する動作を説明する。
【０１８５】
プラズモン励起層２７０６の一部及び陽極２７０２から光源層に注入された電子とホールが、それぞれ電子輸送層２７０５とホール輸送層２７０３を通って、活性層２７０４に注入される。活性層２７０４に注入された電子とホールは、プラズモン励起層２７０６中の電子またはホールと結合し、プラズモン励起層２７０６と波数ベクトル変換層２７０７との界面に表面プラズモンが励起される。励起された表面プラズモンは、波数ベクトル変換層２７０７で回折されて、波数ベクトル変換層２７０７から出射される。
【０１８６】
プラズモン励起層２７０６と波数ベクトル変換層２７０７との界面の誘電率が空間的に均一、つまり平坦な面である場合には、この表面プラズモンを取り出すことはできない。このため、波数ベクトル変換層２７０７を設けることで、表面プラズモンを回折し、光として取り出すことができる。最も強度が高い出射角を中心出射角としたとき、波数ベクトル変換層２７０７から出射する光の中心出射角θradは、波数ベクトル変換層２７０７の周期構造のピッチをΛとすれば、式（６）で表わされる。ここで、i  は自然数である。式（６）が「０」となる条件を除いて、波数ベクトル変換層２７０７の一点から出射される光は、伝播するにつれて同心円状に広がる円環状の強度分布を有している。式（６）が「０」となる条件では、発光素子１における波数ベクトル変換層２７０７の厚さ方向に直交する平面に垂直な方向の強度が最も高く、光素子からの光の出射方向と光素子の上記平面とがなす角が小さいほど、強度が低くなる。プラズモン励起層１５と波数ベクトル変換層１７との界面には、式（３）より求まる波数近傍の波数しか存在しないので、式（６）より求まる出射光の角度分布も狭くなる。
【０１８７】
上述したように本実施形態の光素子は、光源層を構成する材料に一般的なＬＥＤと同じ材料が用いられるので、ＬＥＤと同様に高い輝度を実現できる。また、本実施形態の光素子では、波数ベクトル変換層２７０７から出射する光の出射角が、プラズモン励起層２７０６の複素誘電率と、プラズモン励起層２７０６を挟んでいる入射側部分の実効誘電率と、出射側部分の実効誘電率と、光素子内で発生する光の発光スペクトルとによって決定される。このため、光素子からの出射光の指向性が、光源層の指向性に制限されることがなくなる。また、本実施形態の光素子は、放射過程においてプラズモン結合を応用することによって、光素子からの出射光の放射角を狭めて出射光の指向性を高めることができる。
【０１８８】
図２８は、本発明による光素子の他の実施形態の構成を示す断面図である。
【０１８９】
図示されるように、本実施形態における光素子は、基板２８０１、プラズモン励起層２８０２、高誘電率層２８０３、蛍光体層２８０４の順で積層されている。蛍光体層２８０４が高誘電率層２８０３を覆っている。また、蛍光体層２８０４の高誘電率層２８０３と接する面の逆の面が平坦となっている。
【０１９０】
基板２８０１の材料としては、例えば、ガラスなどが挙げられる。
【０１９１】
プラズモン励起層２８０２は、図７に示した金属−誘電体複合体によるもの、もしくは、図１９に示した金属と誘電体からなる多層膜によるものであり、表面プラズモンを励起するプラズモン励起層である。金属材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、又はこれらの合金などで形成される。また、金属層１２の厚さは、２００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。プラズモン励起層２８０２の誘電体材料としては、出来る限り誘電率の低い材料が好ましく、例えば、Ａｉｒ、ＳｉＯ2、ＡｌＦ3、ＭｇＦ2、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、低誘電率プラスチック等の低誘電率材料を用いるのが好ましい。
【０１９２】
高誘電率層２８０３は、誘電率が２．２５より高い誘電体で形成される誘電体層である。なお、高誘電率層２８０３は、誘電率が高いほど望ましい。
【０１９３】
また、高誘電率層２８０３では、蛍光体層２８０４と接する面に、回折格子（グレーティング）として機能するグレーティング構造２８０５を有する。グレーティング構造２８０５としては、凹凸構造、フォトニック結晶およびレンズアレイなどが挙げられる。なお、凹凸構造には、凸部が円錐形状であるモスアイ構造なども含まれる。本実施形態では、グレーティング構造２８０５を凹凸構造とする。また、凹凸構造の凹凸は、三角格子状に配置されていることが望ましいが、１次元格子状に配置されていてもよい。
【０１９４】
蛍光体層２８０４は、入射された入射光を吸光して励起子（キャリア）を生成し、その励起子によって蛍光を発生させるキャリア生成層である。蛍光体層２８０４の材料としては、量子ドット蛍光体などのナノ無機蛍光体が望ましいが、Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｍｎなどの無機蛍光体や有機蛍光体でもよい。
【０１９５】
以上のように構成された光素子において、光が蛍光体層２８０４に入射すると、その入射した入射光は、蛍光体層２８０４内に励起子を励起する。励起子の一部は緩和することによって蛍光に変換されて光素子から出射される。また、残りの励起子の一部は、プラズモン励起層２８０２と高誘電率層２８０３との界面に表面プラズモンを励起する。励起された表面プラズモンは、グレーティング構造２８０５によって回折されて光素子から出射される。
【０１９６】
上記の表面プラズモンが励起されるためには、表面プラズモンの波数のＸおよびＹ成分の波数ｋsppと、回折格子の周期ｋgとが一致する必要がある。つまり、ｍを正の整数とすると、ｋspp＝ｍ・Ｋgが満たされる必要がある。
【０１９７】
波数ｋsppは、光素子の入出射部分の誘電率分布に応じて決定される。入出射部分は、プラズモン励起層２８０２よりも高誘電率層２８０３側にある媒質（図２８では、高誘電率層２８０３および蛍光体層２８０４）である。
【０１９８】
プラズモン励起層２８０２の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすると、表面プラズモンの波数のＸ成分およびＹ成分の波数ｋsppと、表面プラズモンの波数のＺ成分ｋspp,Zとは、式（２）および式（３）で表される。εeffは、入出射部分の複素実効誘電率である。複素実効誘電率εeffは、蛍光体層２８０４から出射する蛍光の角周波数をω、入出射部分の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、虚数単位をｊとすると、式（１）で表される。
【０１９９】
式（１）における積分範囲Ｄは、プラズモン励起層２８０２の高誘電率層２８０３側の３次元範囲である。より具体的には、積分範囲ＤのＸＹ平面の範囲は、プラズモン励起層２８０２内の範囲であり、積分範囲のＺ方向の範囲は、プラズモン励起層２８０２および高誘電率層２８０３の界面から高誘電率層２８０３側の無限遠までの範囲である。なお、プラズモン励起層２８０２および高誘電率層２８０３の界面をＺ＝０とし、この界面から高誘電率層２８０３側へ遠ざかる方向を＋Ｚ方向としている。
【０２００】
式（１）、式（２）、式（３）を用いることで、入出射部分の誘電率分布ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）から波数ｋsppを求めることができる。より具体的には、入出射部分の誘電率分布ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）を式（１）に代入し、複素実効誘電率εeffに適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を用いて、表面プラズモンの波数ｋsppおよびｋspp,Zと複素実効誘電率εeffとを繰り返し算出していくことで、実際の複素実効誘電率εeffを算出し、その実際の複素実効誘電率εeffから波数ｋsppを求めることができる。
【０２０１】
したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用いて、ｋspp＝ｍ・Ｋgが満たされるように、回折格子の周期と入出射部分の誘電率分布とを調整すれば、励起された表面プラズモンが効率的に取り出され、蛍光の増強効果を高くすることができる。
【０２０２】
図２９は、本発明による光素子の他の実施形態の構成を示す断面図である。
【０２０３】
本実施形態における、基板２９０１、プラズモン励起層２９０２、高誘電率層２９０３、蛍光体層２９０４、グレーティング構造２９０５のそれぞれは、図２８に示した基板２８０１、プラズモン励起層２８０２、高誘電率層２８０３、蛍光体層２８０４、グレーティング構造２８０５と同様のものである。
【０２０４】
図２８に示した光素子では、蛍光体層２８０４が高誘電率層２８０３を覆い、蛍光体層２８０４の高誘電率層２８０３と接する面の逆の面が平坦となっていたのに対し、本実施形態においては、蛍光体層２９０４は、高誘電率層２９０３の凹部に埋め込まれており、蛍光体層２９０４の高さと高誘電率層２９０３の凸部の高さが同じになっている。
【０２０５】
最後に、上述した実施形態の光源装置が適用される投射型表示装置としてのＬＥＤプロジェクタについて簡単に説明する。図３０に、実施形態の投射型表示装置の模式図を示す。
【０２０６】
図３０に示すように、実施形態のＬＥＤプロジェクタは、上述した実施形態の光素子を用いた光源１と光源１からの出射光が入射する液晶パネル２５２と、この液晶パネル２５２からの出射光をスクリーン等の投射面２５５上に投射する投射レンズを含む投射光学系２５３と、を備えている。
【０２０７】
ＬＥＤプロジェクタが備える光源装置１は、図２５または図２６に示した光素子の構成を備えた導光体２の一側面に、図２６または図２８に示した光素子の構成を備えた赤（Ｒ）光用ＬＥＤ２５７Ｒ、緑（Ｇ）光用ＬＥＤ２５７Ｇ、及び青（Ｂ）光用ＬＥＤ２５７Ｂがそれぞれ配置されている。光源装置２の指向性制御層が有するキャリア生成層は、赤（Ｒ）光用、緑（Ｇ）光用、及び青（Ｂ）光用の蛍光体を含んでいる。
【０２０８】
図３１に、実施形態のＬＥＤプロジェクタに用いられる光源１の波長と、蛍光体の励起波長及び発光波長の強度との関係を示す。図３１に示すように、Ｒ光用ＬＥＤ２５７Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ２５７Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ２５７Ｂの発光波長Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓと、蛍光体の励起波長Ｒａ、Ｇａ、Ｂａはそれぞれほぼ等しく設定されている。また、これら発光波長Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓ及び励起波長Ｒａ、Ｇａ、Ｂａと、蛍光体の発光波長Ｒｒ、Ｇｒ、Ｇｒとは、それぞれ互いに重ならないように設定されている。また、それぞれのＲ光用ＬＥＤ２５７Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ２５７Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ２５７Ｂの発光スペクトルは、それぞれの蛍光体の励起スペクトルと一致するか、励起スペクトルの内側に収まるように設定されている。また、蛍光体の発光スペクトルは、蛍光体のいずれの励起スペクトルにもほとんど重ならないように設定されている。
【０２０９】
ＬＥＤプロジェクタでは、時分割方式を採っており、図示しない制御回路部によって、Ｒ光用ＬＥＤ２５７Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ２５７Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ２５７Ｂのいずれか１つのみが発光するように切り換えられる。
【０２１０】
本実施形態のＬＥＤプロジェクタによれば、上述した実施形態の光源装置２を備えることで、投射映像の輝度を向上することができる。
【０２１１】
なお、実施形態のＬＥＤプロジェクタとして、単板型液晶プロジェクタの構成例を挙げたが、Ｒ、Ｇ、Ｂ毎に液晶パネルを備える３板型液晶プロジェクタに適用されてもよいことは勿論である。
【０２１２】
また、各実施形態は導光体を備えるものを挙げて説明したが、導光体は必須の構成要素ではなく、導光体の代わりに発光素子の発光面をキャリア生成層に近接して配してもよい。さらに、発光素子が空間を隔てて配置され、発光素子からの光がキャリア生成層に照射される構成としてもよく、発光素子も必須の構成要素ではない。
【０２１３】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細は、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【０２１４】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細は、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は２０１１年９月２７日に出願された日本出願特願２０１１−２１１６０３号、および、２０１２年１月６日に出願された日本出願特願２０１２−１３２５号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【０２１５】
１    光学素子
２    光源装置
１１    発光素子
【図１】
2013046866.tif 000017
【図２】
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【図３】
2013046866.tif 000019
【図４】
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【図５】
2013046866.tif 000021
【図６】
2013046866.tif 000022
【図７】
2013046866.tif 000023
【図８Ａ】
2013046866.tif 000024
【図８Ｂ】
2013046866.tif 000025
【図９Ａ】
2013046866.tif 000026
【図９Ｂ】
2013046866.tif 000027
【図１０】
2013046866.tif 000028
【図１１】
2013046866.tif 000029
【図１２】
2013046866.tif 000030
【図１３】
2013046866.tif 000031
【図１４】
2013046866.tif 000032
【図１５】
2013046866.tif 000033
【図１６】
2013046866.tif 000034
【図１７】
2013046866.tif 000035
【図１８】
2013046866.tif 000036
【図１９】
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【図２０】
2013046866.tif 000038
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年3月13日(2014.3.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４】
請求項１記載の光素子において、
前記プラズモン励起層が、金属と誘電体の多層膜から構成されることを特徴とする光素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
請求項１記載の光素子において、
前記プラズモン励起層が、誘電体を含む金属である複合体と誘電体の多層膜から構成されることを特徴とする光素子。
【国際調査報告】
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2013046866.tif 000051
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