(57)【要約】【課題】高伝送効率の光学素子を提供すること。【解決手段】第１の表面と第２の表面を有し、第１の表面から第２の表面を貫通する少なくとも１つの開口を有し、第１の表面と第２の表面の少なくとも１つに規則的に変化する形状を有した導電性膜を有し、前記規則的に変化する形状を有した導電性膜の少なくとも１つの表面に入射する光が、前記導電性膜の少なくとも１つの表面上の表面プラズモンモードと相互作用し、それによって、前記開口を通じて伝送される光の強度が増強される光学素子として、前記開口内の側壁部に導電性膜を有することを特徴とする。本発明によれば、開口内の側壁部にも、表面上に形成された導電性膜と同質な導電性膜を形成することで、前記開口を通じて伝送される光が増強される。【選択図】図１
2006220983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面と第２の表面を有し、第１の表面から第２の表面を貫通する少なくとも１つの開口を有し、第１の表面と第２の表面の少なくとも１つに規則的に変化する形状を有した導電性膜を有し、前記規則的に変化する形状を有した導電性膜の少なくとも１つの表面に入射する光が、前記導電性膜の少なくとも１つの表面上の表面プラズモンモードと相互作用し、それによって、前記開口を通じて伝送される光の強度が増強される光学素子であって、
前記開口内の側壁部に導電性膜を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
第１の表面と第２の表面を有し、第１の表面から第２の表面を貫通する少なくとも１つの開口を有し、第１の表面と第２の表面の少なくとも１つに規則的に変化する形状を有した導電性膜を有し、前記導電性膜と隣接して前記導電性膜とは異なった材質から成る中間層を有し、前記規則的に変化する形状を有した導電性膜の少なくとも１つの表面に入射する光が、前記導電性膜の少なくとも１つの表面上の表面プラズモンモードと相互作用し、それによって、前記開口を通じて伝送される光の強度が増強される光学素子であって、前記開口内の側壁部に導電性膜を有することを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記開口内の側壁部の導電性膜は、膜厚が入射光の表皮厚さ以上であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項４】
前記開口内の側壁部の導電性膜は、膜厚が入射光の表皮厚さの２倍以上であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小開口を通じて伝送される強度を増強する光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
高密度な情報記録装置として、光ディスクドライブや光磁気ディスクドライブ、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）等、各種の記録媒体及び記録装置が実用化されている。近年、動画像のデジタル化の動き、装置の小型化への動きと相俟って、これらの記録媒体の記録密度を高めて更に大容量化する要求が高まっている。
【０００３】
一般に、光記録媒体の線記録密度は、再生光学系のレーザ光の波長及び対物レンズの開口数ＮＡに大きく依存する。即ち、再生光学系のレーザ光の波長λと対物レンズの開口数ＮＡが決まることでビームウェスト径が決定するため、信号再生可能な記録ピットの空間周波数は２ＮＡ／λ程度が限界となってしまう。従って、従来の光ディスクでの高密度化はレーザ光の回折限界で制限されてしまう。
【０００４】
回折限界を打破する方法として、エバネッセント波を利用する、いわゆる近接場光技術が注目を集めている。金属フィルムに開けられた波長以下の径の開口を透過する波長の短いエバネッセント波を光記録／再生しに利用しようとするものである。
【０００５】
ところが、このような金属フィルム内の単純開口を透過する光の伝送効率は開口の直径に依存し、開口直径が開口を透過する光の波長未満の場合、透過率は（ｄ／λ）４に比例する。従って、微小開口を介した光の伝送は厳しい減衰を受けるため、読み出し用には低過ぎる信号対雑音比と、書き込みに必要な充分な光強度が得られないという問題がある。結果として、近接場光学系を使用する実用的な光記録／再生ヘッドは、今までに得られていない。
【０００６】
一方、例えば特許文献１〜７及び非特許文献１には、金属フィルムに照射された光が金属フィルムに設けた波長以下の直径を有する１つ以上の開口を透過する強度は、開口を周期的な配列で配置することにより、又は少なくとも１つの開口と連係して金属フィルム上に周期的な表面形状を設けることにより、周期的な開口や表面形状がない場合に比べて、大幅に増加させることができるという技術が開示されている。
【０００７】
開口列を透過する光の透過率の強化は、金属フィルムに入射する光が表面プラズモンモードと共振的に相互作用する時に生ずる。表面プラズモンモード（以下、単に「表面プラズモン」と称する）は金属と隣接する誘電性媒体との界面に存在する集合的な電子の励起状態である。開口列が規則的に配置された構造は表面プラズモンモードと入射光の結合（共振的相互作用）を可能とする。従来の開口列付き光学素子においては、開口配列は光を伝送する開口としてのみ特徴付けられていた。
【０００８】
しかし、光ディスクの記録／再生のような用途においては、開口列に示されるような高次伝送を、単一の開口又は小さなセットの開口により実現することが望まれる。又、開口列の伝送を更に増加することも望ましいことである。しかし、今日まで充分な伝送効率を示す波長未満径の開口デバイスは実現されていない。又、少なくとも１つの開口と連係して金属フィルム上に周期的な表面形状を設けることで表面プラズモンを利用した高効率光伝送においても、従来の作製法においては充分な光伝送効率は得られていない。
【０００９】
又、特許文献７においては、光伝送効率の減少の主たる要因は“ランダムに存在する表面凹凸により表面プラズモンが散乱されること”であると考え、プラズモン効果による光伝送効率を改善するために、周期的な表面形状以外のランダムに存在する表面凹凸を小さくする方法が提案されている。即ち、波長以下の開口と周期的な表面形状とを有する導電性フィルムを有し、表面プラズモンとの相互作用により開口を通る透過光が増幅される光学素子において、表面凹凸を改善する効果のある中間層を挿入することで、プラズモン効果による光伝送効率の減少を改善するという光学素子が開示されている。
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−７２６０７号公報
【特許文献２】特開２０００−１１１８５１号公報
【特許文献３】特開２０００−１７１７６３号公報
【特許文献４】特開２００１−１３３６１８号公報
【特許文献５】米国特許第６２３６０３３号明細書
【特許文献６】米国特許第６２８５０２０号明細書
【特許文献７】特開２００３−２８７６５６号公報
【非特許文献１】“Ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｈｏｌｅ  ａｒｒａｙｓ”、Ｎａｔｕｒｅ、巻３９１、頁６６７−６６９、（２月１２日１９９８年））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、特許文献７（特開２００３−２８７６５６号公報）に開示されている光学素子においては、表面凹凸を改善する効果のある中間層を有することで、透過光の伝送効率は改善されるが、本発明者らは、前記従来例の構造においては、図６に示すように開口内側壁部６６に中間層６７が露出するため、光の伝送効率に悪影響を及ぼすという、新規な課題を発見した。又、光ディスクにおける高速の記録／再生を考えると、更なる高伝送効率が必要とされる。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は高伝送効率の光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明は、第１の表面と第２の表面を有し、第１の表面から第２の表面を貫通する少なくとも１つの開口を有し、第１の表面と第２の表面の少なくとも１つに規則的に変化する形状を有した導電性膜を有し、前記規則的に変化する形状を有した導電性膜の少なくとも１つの表面に入射する光が、前記導電性膜の少なくとも１つの表面上の表面プラズモンモードと相互作用し、それによって、前記開口を通じて伝送される光の強度が増強される光学素子として、前記開口内の側壁部に導電性膜を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、開口内の側壁部にも、表面上に形成された導電性膜と同質な導電性膜を形成することで、前記開口を通じて伝送される光が増強される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
＜実施の形態１＞
図１（ａ）は本発明による光学素子の模式的構成図、図１（ｂ）は開口部の模式的断面図を示す。図１（ａ）に示すように本発明の光学素子は、第１の表面１と第２の表面２を有し、第１の表面１から第２の表面２を貫通する少なくとも１つの開口３を有し、第１の表面と第２の表面少なくとも１つの表面に導電性膜４を有し、少なくとも１つの導電性膜４は規則的に変化する形状５を有し、導電性膜と隣接して導電性膜とは異なった材質からなる中間層６を有し、開口内側壁部７に導電性膜４を有する。本発明は貫通する開口３の開口部側壁７に導電性膜を有することが特徴である。これによって、開口３を通じて伝送される光が増強される
第１の表面と、第２の表面の少なくとも１つの表面を構成する導電性膜の材料は、全ての金属又はドープ処理をした半導体のように導電性材料で、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｒ等或はこれらを含む合金等が望ましい。
【００１７】
中間層６を構成する材料は、規則的に変化する形状５以外の表面性を改善する効果のある材料が望ましい。詳しくは、積層又は合金化した時に、結晶化を阻害する材料が望ましい。更に詳しくは、Ｃｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｄ，Ｙ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｃ，Ｇｅ，ＣｏＺｒ系合金、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５，ＮｉＯ，ＴｉＯ２、ＺｒＯ２，ＮｂＯ３等、又は導電性膜４を構成する材料と表面性を改善する効果のある材料との多層構造、又は導電性膜４を構成する材料と表面性を改善する効果のある材料との合金等であることが望ましい。
【００１８】
上記第１の表面と、第２の表面の少なくとも１つの表面を構成する導電性膜４と中間層６のトータルの厚さとしては、光学的に不透明であることが望ましい。即ち、入射光の表皮厚さ（ｓｋｉｎ  ｄｅｐｔｈ  電磁場の強さが１／ｅになるような厚さ）より大きいことが望ましい。但し、第１の表面と、第２の表面の少なくとも１つの表面を構成する導電性膜４の厚さを限定するものではない。第１の表面と、第２の表面の少なくとも１つの表面を構成する導電性膜４の厚さとしては、最適な特性が得られる膜厚を選ぶことが望ましい。更に望ましくは、表皮厚さ以上であることが望ましい。
【００１９】
開口内側壁部７に形成される導電性膜４としては、前記第１の表面と、第２の表面の少なくとも１つの面を構成する導電性膜４と同様の材料を用いることが望ましい。開口内側壁部７に形成される導電性膜４の厚さとしては、入射光の表皮厚さ以上であることが望ましい。更に望ましくは、入射光の表皮厚さの２倍以上であることが望ましい。
【００２０】
規則的に変化する形状５は、持ち上げられた領域及び／又は押し下げられた領域を有し、このような領域が規則性を持って配列している。第１の表面と、第２の表面の少なくとも１つの表面を構成する導電性膜４及び中間層６のトータルの膜厚を貫通しないで持ち上げられた領域及び／又は押し下げられた領域を、規則的に変化する形状なる用語で定義する。前記規則的に変化する形状５により導電性膜４と表面プラズモンモードが入射光と強烈に結合できる。それにより開口は、規則的に変化する形状５の周期に依存した波数保存則に従って光を高効率で伝送する。詳細は特開２０００−１１１８５１号公報、特開２０００−１７１７６３号公報、特開２００３−２８７６５６号公報、米国特許第６２３６０３３号明細書、米国特許第６２８５０２０号明細書に開示されている。
【００２１】
規則的に変化する形状５が無い場合の同じ大きさ、同じ数の開口を介した光の伝送に比べて、光の伝送度合いが遥かに大きい。上記の例示的な規則的に変化する形状５は単なる実施例であり、本発明を制限するものではない。より正確に言えば、規則的に変化する形状５は他の構成も可能であり、最適な特性が得られる形状を選ぶことができる。例えば、図２に規則的に変化する形状が溝の同心円周期配列の実施形態、図３（ａ）に規則的に変化する形状が窪み又は突起８の周期配列の場合の実施形態を、図３（ｂ）に規則的に変化する形状が溝３８ｂの一次元周期配列の場合の実施形態を、図３（ｃ）に規則的に変化する形状が溝３８ｃの二次元周期配列の場合の実施形態をそれぞれ示す。規則的に変化する形状５は、本発明の範囲から逸脱することなく、表面プラズモンモードが入射光と強烈に結合できるような、如何なる形状も選ぶことができる。
【００２２】
前記規則的に変化する形状以外の表面形状は、入射光の波長の１／１０以下であることが望ましい。更に望ましくは入射光の波長の１／１００以下であることが望ましい。
【００２３】
開口は、円形、長方形、楕円形、或は光記憶媒体のトラックピッチ及び最少ピット長に適合する他の形状、或はスリット形状でも良い。開口サイズは、開口に入射する光の波長以下であることが望ましい。スリット形状の場合、スリット幅（スリットの最も短い寸法の幅である）は、アパーチャーに入射する光の波長以下であることが望ましい。上記の開口の形状は単なる実施例であり、本発明を制限するものではなく、最適な特性が得られる形状を選ぶことができる。更に開口は複数であっても良い。
【００２４】
次に、具体的な例をもって本発明の実施の形態を詳細に説明するが、本発明はその主旨を逸脱しない限りにおいて以下の実施例に限定されるものではない。
【００２５】
図２（ａ）は本実施の形態の第１の表面１側の規則的に変化する形状２５を示す平面図である。本実施形態の規則的に変化する形状２５は、直径ａの開口２３と、周期ｂ、幅ｃである同心円状の溝を有する。直径ａは開口に入射する光の波長以下であることが望ましい。
【００２６】
実施例において、開口の直径とは、図２（ｂ）に示すように、導電性膜も含む出射側の開口直径ａと定義する。図２（ｂ）は本実施例の構成を示す模式的断面図である。本実施例では、第１の表面２１及び第２の表面２２に、互いに同位相の規則的に変化する形状を有する第１の導電性膜２４ａ及び第２の導電性膜２４ｂを有する。但し、この構成に限定するものではなく、第１の表面と第２の表面の内の１つの表面のみに、規則的に変化する形状２５を有する導電性膜を有しても良い。又、第１の表面及び第２の表面に互いに異なった形状の規則的に変化する形状を有しても良い。層構成として、石英基板２０上に、第１の導電性膜２４ａ、中間層２６、第２の導電性膜２４ｂが順次積層されている。更に、開口内側壁部に導電性膜２９が形成されている。
【実施例１】
【００２７】
実施例１では、同心円状の溝構造の周期は３４０ｎｍ、溝幅は１７０ｎｍ、溝深さは５０ｎｍ、中心の開口は５０ｎｍとした。導電性膜層２４ａとしてＡｌを２０ｎｍ、中間層２６としてＣを１００ｎｍ、導電性膜２４ｂとしてＡｌを２０ｎｍ形成した。開口内側壁部の導電性膜２９としてＡｌを３ｎｍ形成した。
【００２８】
次に、本実施例１の作成方法を示す。
【００２９】
石英基板を収束イオンビーム（ＦＩＢ）装置にセットし、1 ×１０−５Ｐａ以下の真空条件において、最小のビーム径を用いて同心円状の溝構造を加工する。その後、石英基板を分子線蒸着成膜装置にセットし、1 ×１０−８Ｐａ以下の真空条件において、第１の導電性膜、中間層、を積層して成膜する。再び、ＦＩＢ装置にセットし１×１０−５Ｐａ以下の真空条件において、最小のビーム径を用いて、同心円の溝構造の中心に開口を加工する。
【００３０】
その後、成膜装置に戻し、第２の導電性膜を成膜する。このとき、開口内側壁部の導電性膜２９も同時に成膜される。第１の表面側の開口石英上に導電性膜が積層されてしまうので、再度、ＦＩＢ装置にセットし、１×１０−５Ｐａ以下の真空条件において、最小のビーム径を用いて、同心円の溝構造の中心に開口を加工する。開口内側壁部の導電性膜２９の膜厚は、第１の導電性膜及び中間層に形成する開口の側壁部の角度、第２の導電性膜の成膜条件、再度第２の導電性膜成膜後に開口を加工する際の加工条件を変えることで調整することができる。第２の導電性膜の上に積層して適当な保護膜が成膜されても良い。
【実施例２】
【００３１】
実施例２では、側壁部の導電性膜の膜厚を６ｎｍとした以外は、実施例１のサンプルと同様の構成である。
【実施例３】
【００３２】
実施例３では、側壁部の導電性膜の膜厚を２ｎｍとした以外は、実施例１のサンプルと同様の構成である。
［比較例１］
比較例１では膜構成は、側壁部の導電性膜の膜厚を０ｎｍとした以外は、実施例１のサンプルと同様の構成である。図４に本比較例１の構成を示す模式的断面図を示す。開口内側壁部４７に中間層６が露出している。
【００３３】
次に、本比較例１の作成方法を示す。石英基板を収束イオンビーム（ＦＩＢ）装置にセットし、１×１０−５Ｐａ以下の真空条件において、最小のビーム径を用いて同心円状の溝構造を加工する。その後、石英基板を分子線蒸着成膜装置にセットし、１×１０−８Ｐａ以下の真空条件において、第１の導電膜性、中間層、第２の導電性膜を積層して成膜する。このとき導電性材料の上に積層して適当な保護膜が成膜されても良い。再び、ＦＩＢ装置にセットし、１×１０−５Ｐａ以下の真空条件において、最小のビーム径を用いて同心円の溝構造の中心に開口を加工する。
【００３４】
【表１】
2006220983.tif 000003
表１に、実施例１、実施例２、実施例３、比較例１の各サンプルにおける波長４００ｎｍ近傍の光に対する透過率を測定し、比較例１の透過効率を基準にした光透過効率の増幅率を示す。光透過効率は以下の式により算出した。
【００３５】
（光透過効率の増幅率）＝（各サンプルの開口から出射される光強度）／（比較例１のサンプルから出射される光強度）×１００
この結果から、開口の側壁部に導電性膜を形成することで、光透過率を増加させることが可能となることが分かる。又、波長４０５ｎｍ程度の光に対するＡｌの表皮厚さは約３ｎｍである。このことから、特に、開口の側壁部に導電性膜の膜厚が表皮厚さ以上であると光透過率の増加度が強いことが分かる。
【実施例４】
【００３６】
同心円状の溝構造の周期は６００ｎｍ、溝幅は３００ｎｍ、溝深さは２００ｎｍ、中心の開口は１００ｎｍとした。第１の導電性膜としてＡｇを１００ｎｍ、中間層としてＣを１００ｎｍ、第２の導電性膜としてＡｇ１００ｎｍ成膜した。側壁部の導電性膜の膜厚は３ｎｍとした。作成方法は実施例１と同様である
【実施例５】
【００３７】
実施例５では、側壁部の導電性膜の膜厚を５ｎｍとした以外は、実施例４のサンプルと同様の構成である。
［比較例２］
膜構成を、側壁部の導電性膜の膜厚を０ｎｍとした以外は、比較例１のサンプルと同様である。作成方法は比較例１と同様である。
【００３８】
【表２】
2006220983.tif 000004
表２に、波長６２０ｎｍ近傍の光に対する透過率を測定し、比較例２の光透過率を１００としたときの光透過率の増減率を示す。波長６２０ｎｍにおいても、開口の側壁部に導電性膜を形成することで、光透過率を増加させることが可能となることが分かる。又、波長６２０ｎｍ程度の光に対するＡｇの表皮厚さは約２. ５ｎｍである。このことから、波長６２０ｎｍにおいても、開口の側壁部に導電性膜を形成することで光透過率を増加させることが可能となることが分かる。
【００３９】
＜実施の形態２＞
次に、本発明の光学素子を用い、回転する光記憶媒体上を浮上して、高密度に情報を書き込み／読み出す光ヘッドの実施の形態について説明する。
【００４０】
本実施形態の説明において使用される「光記憶媒体」は、光を使用してデータが書き込まれ及び／又は読み取られる任意の媒体を意味し、ＤＶＤ及びＣＤ−ＲＯＭのような光ディスク並びに光テープ或は光磁気材料のような他の形式の光媒体で使用されるような相変化媒体を含むが、相変化媒体に制限されるものではない（光磁気材料の場合には、書き込みのみが光学的に行われ、読み出しは磁気的に行われる）。
【００４１】
更に、本実施形態の説明において使用される「光ヘッド」は、光記憶媒体にデータを蓄積する（「書き込み」）及び／又は光記憶媒体に蓄積されたデータを取り出す（「読み出し」）デバイスを意味する。本発明における光ヘッドは、読み出しのみ、書き込みのみ、或は読み出し及び書き込みの両方を行うことができるものが含まれる。
【００４２】
図５に本発明の光学素子を用いて作製した光ヘッドの概略図を示す。
【００４３】
光ヘッド５７は、光記憶媒体５６の回転により光ヘッドを所定の高さに浮上させるためのスライダー形状の上に形成されている。レーザ５５を出射するレーザ光は光ファイバ５０を介して導入され、マイクロレンズから成るコリメータレンズ５１を配置することによりコリメートした。更に、コリメートされた光は全反射ミラー５４により直角方向に光路を変え、更にその下に置かれたフォーカスレンズ５２により、本発明に記載の光学素子５３に導かれる。このとき、光学素子上の開口を中心とした光の照射範囲は、規則的に変化する形状における周期として３個から１０個分の領域となっており、光の利用効率を考慮して設計されることが望ましい。このとき、光学素子における開口径は２０ｎｍから２００ｎｍとした。
【００４４】
光記憶媒体に記録された情報を再生するためには、図５の光ヘッドにおいて、光学素子５３の第２の表面の開口付近にフォトディテクタを形成することによって、媒体からの反射光を読み出すことができる。又、光記憶媒体として光磁気記録媒体を用い、媒体からの漏れ磁束を磁気抵抗効果を用いたヘッドで再生することもできる。この光ヘッドより、開口径と同程度の大きさの記録パターンが光記憶媒体上に形成され、読み取りは光の反射或は磁気再生何れも良好なＳＮ比の再生波形を得ることが可能であった。
【００４５】
又、本発明の光学素子を利用することによって、集光器や走査型近接場顕微鏡装置を構成することができる。又、上記の光学素子の実施例では、光ディスクへの記録／再生への利用を目的としているため、開口が１つの場合を説明したが、開口を複数周期配列させると、波長選択光学フィルター（特に紫外線、可視光線、近赤外波長用）及びフォトリソグラフィーマスク等の他の光学部品を構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の光学素子を示す模式的構成図である。
【図２】本発明の実施例の光学素子を示す模式的構成図である。
【図３】規則的に変化する形状の例を示す図である。
【図４】本発明の比較例１、比較例２の光学素子を示す模式的構成図である。
【図５】本発明の光学素子を用いて作製した光ヘッドの概略図である。
【図６】従来例の光学素子を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    第１の表面
２    第２の表面
３    開口
４    導電性膜
５    規則的に変化する形状
６    中間層
７    開口内側壁部
【図１】
2006220983.tif 000005
【図２】
2006220983.tif 000006
【図３】
2006220983.tif 000007
【図４】
2006220983.tif 000008
【図５】
2006220983.tif 000009
【図６】
2006220983.tif 000010