(57)【要約】【課題】光の回折限界以下の領域に、空間分布と光周波数の制御された光源を形成するための光変調素子を提供する。【解決手段】本光変調素子は、表面プラズモンを励起する金属薄膜または金属微細構造体と、表面プラズモンと結合する光周波数を選択する誘電体薄膜と、周波数広がりをもった微小パルス光源を近接場光のしみ出す領域に有し、金属と誘電体の界面における表面プラズモンの緩衝効果を利用することを特徴としている。【選択図】  図１
2006259178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１面に誘電体薄膜層を有する金属薄膜または金属微細構造体からなる光学変調素子の前記誘電体薄膜側に、周波数広がりをもつ微小パルス光源を該光源の光波長よりも十分に小さい距離に配置し、前記誘電体薄膜と前記光源との間の距離を調整することにより、前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍における光強度の空間分布を制御することを特徴とする光学的変調方法。
【請求項２】
少なくとも１面に誘電体薄膜層を有する金属薄膜または金属微細構造体からなる光学変調素子と、周波数広がりをもつ微小パルス光源と、該微小パルス光源を前記誘電体薄膜に対して近接離間させる調整手段とを有し、該調整手段により前記誘電体薄膜と前記光源との間の距離を前記光源の光波長よりも十分に小さい範囲で調整することにより、前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍における光強度の空間分布を制御することを特徴とする光学変調装置。
【請求項３】
少なくとも１面に誘電体薄膜層を有する金属薄膜または金属微細構造体からなる薄膜素子と、前記誘電体薄膜側に、周波数広がりをもつ微小パルス光源を該光源の光波長よりも十分に小さい距離に配置し、前記誘電体薄膜の膜厚を選択することにより、前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍における光強度の空間分布を決定することを特徴とする光学変調素子。
【請求項４】
少なくとも１面に誘電体薄膜層を有する金属薄膜または金属微細構造体からなる薄膜素子と、周波数広がりをもつ微小パルス光源とを有し、前記誘電体薄膜と前記光源との間の距離を前記光源の光波長よりも十分に小さい範囲に配置し、前記金属薄膜または前記金属微細構造体ならびに前記誘電体薄膜の材料を選択することにより、入射光の特定周波数成分を前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍において抽出することを特徴とする光学変調素子。
【請求項５】
二種類または多種類の異なる材料からなる金属薄膜または金属微細構造体と、誘電体薄膜による多層構造膜とからなる薄膜素子と、周波数広がりをもつ微小パルス光源とを有し、前記誘電体薄膜と前記光源との間の距離を前記光源の光波長よりも十分に小さい範囲に配置し、前記金属薄膜または前記金属微細構造体と前記誘電体薄膜との界面に依存した表面プラズモンの特性により、入射光の複数域の周波数成分を前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍において抽出することを特徴とする光学変調素子。
【請求項６】
両面に二種類の相異なる材料からなる誘電体薄膜層を形成した金属薄膜または金属微細構造体からなる薄膜素子と、周波数広がりをもつ微小パルス光源とを有し、前記誘電体薄膜と前記光源との間の距離を前記光源の光波長よりも十分に小さい範囲に配置し、前記金属薄膜または前記金属微細構造体と前記誘電体薄膜による二つの界面における表面プラズモンの特性により、入射光の複数域の周波数成分を前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍において抽出することを特徴とする光学変調素子。
【請求項７】
請求項３ないし６のいずれか１つに記載の光学変調素子において、前記金属微細構造体が、有限の幅をもつスリット形状または矩形形状であることを特徴とする光学変調素子。
【請求項８】
請求項３ないし６のいずれか１つに記載の光学変調素子において、前記金属微細構造体が、曲率を有する島状の形状であることを特徴とする光学変調素子。
【請求項９】
少なくとも１面に誘電体薄膜層を有する金属薄膜または金属微細構造体からなる薄膜素子と、前記誘電体薄膜層表面に金属または誘電体の任意形状の構造体とを有し、遠方から入射される周波数広がりをもつパルス光により、前記誘電体薄膜表面における前記任意形状の構造体の局所的な微細構造による散乱光成分を、前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍における光強度の空間分布に反映させることを特徴とする光学変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場光を用いたセンサーや近接場光顕微鏡などの光検出技術、近接場光リソグラフィなどの微細加工に利用可能な技術に関する。また、ナノサイズの光通信、光信号処理デバイスにおけるインターフェースとして利用できる技術である。
【背景技術】
【０００２】
本発明で利用する表面プラズモンの共鳴現象や時間的な特性変化に関して以下に挙げるような従来技術がある。
金属薄膜と誘電体薄膜により構成される二層膜に対し、誘電体薄膜側の近接領域に周波数広がりをもつパルス光源を配置することにより、金属薄膜と誘電体薄膜との界面に表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンの干渉効果により金属薄膜側の透過面近傍の光強度を空間的に集中できることを原理的に示したものがある（例えば非特許文献１  参照。）。ここで、周波数広がりと、光パルスの時間幅とは逆比例の関係があり、光パルスの時間幅が短いほど光は広い周波数成分を有している。ここに示された技術の目的は、高い空間分解能を得るための微小光スポットを得る原理を提供することであり、微小光スポットの空間的な分布形状の制御や、光周波数フィルタのような光機能素子としての提案は行ってはいない。
周期的に変化する表面形状に対し位相整合条件を満たす表面プラズモンのモードを強く励振させることにより、金属フィルム上に光エネルギーを局在させ、プラズモンのモードに対して欠陥となる微小開口から光エネルギーを強力に抽出する技術がある（例えば特許文献１  参照。）。しかしながら、微小光スポットの空間的な分布は開口形状やフィルムの膜厚、金属材料など相関関係により一意に決められるものであり、微小光スポットの空間的な分布を自在に制御するようなことはできない。また、微小光スポットを金属フィルム上の決められた位置（開口位置）にしか形成することができない。さらに、単一の表面プラズモンのモードとの結合により光強度を増強しているため、光周波数情報を利用した光情報処理技術に適用することはできない。
【０００３】
スリット状の突起部により制限された領域に表面プラズモンを励起することで、高い空間分解能をもつ顕微鏡を提供する技術がある（例えば特許文献２  参照。）。この技術は、回折限界以下の構造に生じるエバネッセント光によるしみ出しを利用しているため、より微小な観測領域を得るには光利用効率の低下が避けられない。また、高い空間分解能はスリットに垂直な方向のみにしか得られず、スリットの水平方向に光エネルギーが広がってしまうため、微小光スポットの空間的な分布を二次元的に制御ことはできない。
誘電体薄膜の熱や光による過渡的な変化を、表面プラズモンを介在させて検出する技術がある（例えば特許文献３  参照。）。この技術は、遠方の光源により誘電体物質または表面プラズモンを励起するため、検出領域は光の波長程度に広がってしまい、本発明の目的とする光の波長以下の領域における微小光スポットの制御は不可能である。また、単一の表面プラズモンのモードを利用していることから、光周波数情報を利用した光情報処理技術に適用することはできない。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−７０２８８号公報
【特許文献２】特開２００４−１１７１８１号公報
【特許文献３】特開２００３−３０２３３６号公報
【非特許文献１】Ｐ．Ｇ．Ｋｉｋ，Ｓ．Ａ．Ｍａｉｅｒ，Ｈ．Ａ．Ａｔｗａｔｅｒ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ６９，０４５４１８（２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、表面プラズモンの時間分散効果を用いた光機能素子を実現することを課題としている。
金属薄膜と誘電体薄膜とを有する二層膜構造（以下このような多層膜構造体を薄膜素子と呼ぶことにする）に対し、光波長よりも十分に近接した領域に周波数広がりをもつ微小パルス光源を配置し、光源位置（高さ）を調整することにより、あるいは誘電体薄膜の膜厚を選択することにより、微小光スポットの空間的な分布を制御する光学的変調方法を提供する。
金属薄膜または誘電体薄膜の材料を選択することにより、特定の光周波数成分を有する微小光スポットを形成する光学変調素子を提供する。
二層または多層の異なる材料による金属薄膜または誘電体薄膜を有する薄膜素子により、複数の光周波数成分を有する微小光スポットを形成する光学変調素子を提供する。
表面プラズモンの時間分散効果を利用する光機能素子として、金属薄膜と誘電体薄膜とを有する二層膜構造に対し、誘電体薄膜表面における任意形状の構造体の局所的な微細構造を抽出する光学変調素子または光情報処理素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明では、少なくとも１面に誘電体薄膜層を有する金属薄膜または金属微細構造体からなる光学変調素子の前記誘電体薄膜側に、周波数広がりをもつ微小パルス光源を該光源の光波長よりも十分に小さい距離に配置し、前記誘電体薄膜と前記光源との間の距離を調整することにより、前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍における光強度の空間分布を制御する光学的変調方法を特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、少なくとも１面に誘電体薄膜層を有する金属薄膜または金属微細構造体からなる光学変調素子と、周波数広がりをもつ微小パルス光源と、該微小パルス光源を前記誘電体薄膜に対して近接離間させる調整手段とを有し、該調整手段により前記誘電体薄膜と前記光源との間の距離を前記光源の光波長よりも十分に小さい範囲で調整することにより、前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍における光強度の空間分布を制御する光学変調装置を特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明では、少なくとも１面に誘電体薄膜層を有する金属薄膜または金属微細構造体からなる薄膜素子と、前記誘電体薄膜側に、周波数広がりをもつ微小パルス光源を該光源の光波長よりも十分に小さい距離に配置し、前記誘電体薄膜の膜厚を選択することにより、前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍における光強度の空間分布を決定する光学変調素子を特徴とする。
請求項４に記載の発明では、少なくとも１面に誘電体薄膜層を有する金属薄膜または金属微細構造体からなる薄膜素子と、周波数広がりをもつ微小パルス光源とを有し、前記誘電体薄膜と前記光源との間の距離を前記光源の光波長よりも十分に小さい範囲に配置し、前記金属薄膜または前記金属微細構造体ならびに前記誘電体薄膜の材料を選択することにより、入射光の特定周波数成分を前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍において抽出する光学変調素子を特徴とする。
請求項５に記載の発明では、二種類または多種類の異なる材料からなる金属薄膜または金属微細構造体と、誘電体薄膜による多層構造膜とからなる薄膜素子と、周波数広がりをもつ微小パルス光源とを有し、前記誘電体薄膜と前記光源との間の距離を前記光源の光波長よりも十分に小さい範囲に配置し、前記金属薄膜または前記金属微細構造体と前記誘電体薄膜との界面に依存した表面プラズモンの特性により、入射光の複数域の周波数成分を前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍において抽出する光学変調素子を特徴とする。
【０００９】
請求項６に記載の発明では、両面に二種類の相異なる材料からなる誘電体薄膜層を形成した金属薄膜または金属微細構造体からなる薄膜素子と、周波数広がりをもつ微小パルス光源とを有し、前記誘電体薄膜と前記光源との間の距離を前記光源の光波長よりも十分に小さい範囲に配置し、前記金属薄膜または前記金属微細構造体と前記誘電体薄膜による二つの界面における表面プラズモンの特性により、入射光の複数域の周波数成分を前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍において抽出する光学変調素子を特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項３ないし６のいずれか１つに記載の光学変調素子において、前記金属微細構造体が、有限の幅をもつスリット形状または矩形形状であることを特徴とする。
【００１０】
請求項８に記載の発明では、請求項３ないし６のいずれか１つに記載の光学変調素子において、前記金属微細構造体が、曲率を有する島状の形状であることを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、少なくとも１面に誘電体薄膜層を有する金属薄膜または金属微細構造体からなる薄膜素子と、前記誘電体薄膜層表面に金属または誘電体の任意形状の構造体とを有し、遠方から入射される周波数広がりをもつパルス光により、前記誘電体薄膜表面における前記任意形状の構造体の局所的な微細構造による散乱光成分を、前記金属薄膜または前記金属微細構造体側の透過面近傍における光強度の空間分布に反映させる光学変調素子を特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金属薄膜と誘電体薄膜とを有する二層膜構造に対し、周波数広がりをもつ微小パルス光源により、光源位置（高さ）に依存した表面プラズモンの波数成分を金属薄膜と誘電体薄膜との界面に励起しており、その結果、従来技術では実現できない、空間的な分布が制御された微小光スポットを形成することができる。
有限サイズに限られた金属微細構造体上に表面プラズモンを励起することにより、前記構造体のサイズにより制御された微小光スポットを形成することができ、光学変調素子の具体的構成を提供することができる。
曲率をもつ金属微細構造体上に表面プラズモンを励起することにより、構造に依存して効率よく微小光スポットを形成することができる。
金属薄膜または誘電体薄膜の材料を適当に選択することにより、金属薄膜と誘電体薄膜との界面に励起される表面プラズモンの共鳴周波数を変化させることができ、入射光に含まれる特定の光周波数成分の情報を抽出する光学変調素子を提供することができる。
二層または多層の異なる金属材料による金属薄膜または誘電体薄膜を有する構造において、異なる材料の金属薄膜表面に共鳴周波数の異なる表面プラズモンのモードを形成することができ、入射光に含まれる複数の光周波数成分の情報を抽出する光学変調素子を提供することができる。
金属薄膜と誘電体薄膜とを有する二層膜構造に対し、周波数広がりをもつ微小パルス光源を遠方より照射し、誘電体薄膜表面における任意構造体の微小な構造による散乱光のみを金属薄膜側の透過面近傍の光強度に反映することができ、微小構造の特徴抽出を行う光学変調素子または光情報処理素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明の第１の実施形態を説明するための模式図である。同図（ａ）は近接光源として光ファイバープローブを用いた場合、同図（ｂ）は近接光源として石英突起型プローブを用いた場合をそれぞれ示す光学変調素子の構成図である。
同図において符号１は金属薄膜、２は誘電体薄膜層、３は光ファイバープローブ、４は金属皮膜、５は突起型プローブ、６は対物レンズ、１００は調整手段をそれぞれ示す。
同図（ａ）に示すように、金属薄膜１上に誘電体薄膜層２を有する薄膜素子の、誘電体薄膜２の上方に光の波長以下に近接した光源として、光ファイバープローブ３を配置している。金属薄膜１と誘電体薄膜２との界面に励起される表面プラズモンの波数成分を調整手段１００を用いて光ファイバープローブ３の高さを変えることにより入射光に変調を加え、透過面である金属薄膜１の下方の近接領域における光強度の空間的な分布を、光の波長以下の分解能で制御する。ここでは、上記光源と薄膜素子の上記のような組み合わせを光学変調素子と呼ぶ。調整手段１００は電気機械変換素子（例えば電歪素子）等の変位素子を用いて構成することができる。
波長以下の近接した領域に光源を配置する意味は、高い波数成分をもつ光または近接場光による表面プラズモンの励起を行うためであり、金属薄膜と光源との距離をより近接させるためには、誘電体薄膜は光の波長に比べ十分に薄い膜である必要がある。金属薄膜の膜厚は、金属による光の吸収を避け、かつ表面プラズモンを金属薄膜背面に伝達させるために、表皮深さ程度に薄い膜である必要がある。ここで、表皮深さとは光エネルギーが金属中にしみ込み、１／ｅ倍に達する深さである。具体的な膜厚は材料に依存して変わるが、ＡｇやＡｕ薄膜の場合には可視光の領域で１０〜３０ｎｍ程度である。近接した光源の光エネルギーを金属薄膜側の透過面近傍に集中（集光）させるためには、誘電体薄膜も同程度の膜厚とする必要がある。
【００１３】
本実施の光学変調素子を構成する金属薄膜としては、可視光の周波数領域で表面プラズモンが効率よく励起される材料が適当であり、Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｓｎ，Ｐｄ，Ｉｒなどが利用できる。また、誘電体薄膜に用いる材料は、光透過性の良い材料が適しており、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３などが利用できる。金属薄膜および誘電体薄膜の製膜は、スパッタ法や真空蒸着法などの薄膜形成技術を用いて行う。
近接する領域に光源を配置する方法について説明する。同図（ａ）は光ファイバーの先端をフッ酸によるエッチングで先鋭化した光ファイバープローブ３を用いた構成を示す図であり、光ファイバーへ導入した光を、本光学変調素子の近接領域に波長サイズ以下の擬似的な点光源として配置することができる。光ファイバープローブ３の代わりに、同図（ｂ）に示すように、光リソグラフィ技術を用いて作製したＳｉ突起型プローブ５に、対物レンズ６を用いて光を導入する配置でもよい。それぞれのプローブの先端は伝搬光による影響を防ぐためにＡｌなどの金属被膜４が施されている。このようにして、光の波長以下の空間に局在した微小光源を形成することができる。微小光源の大きさが小さいほど、高い波数成分の表面プラズモンを励起することが可能である。
【００１４】
図２は本発明の光学変調素子を支持するための構成を示す図である。
同図において符号７は支持基板を示す。
このような、金属薄膜１と誘電体薄膜２の構成では、その形状を保持することができず、実際には薄膜を支持する機構が必要である。同図はＳｉ基板をエッチングすることにより台座を残した支持基板７を示している。すなわち、Ｓｉ基板上に予め金属薄膜１と誘電体薄膜２を所定の方法で形成し、Ｓｉを円錐状にエッチングすることにより所望の位置に、光学変調素子の機能を有する薄膜素子のみを残す。
【００１５】
図３は金属薄膜と誘電体薄膜の界面における表面プラズモンの分散関係を示す図である。
金属薄膜と誘電体薄膜との界面に励起される表面プラズモンの基本的性質について説明する。金属薄膜界面に斜方向から入射された光や点光源近傍に局在する近接場光は、金属表面の多数の電子と相互作用を生じ、電子の集団運動である表面プラズモンを励起することができる。図３に示す曲線は、Ａｇ薄膜とＳｉ３Ｎ４薄膜（誘電体）の界面における表面プラズモンの波数と周波数との関係（分散関係）を Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｄｒｕｄｅ Ｍｏｄｅｌ（非特許文献１を参照）に基づいて算出した結果である。一方、同図中の正の傾きをもつ点線は、伝搬光の分散関係であり、光の周波数が高くなると、表面プラズモンは高い波数のモードをもつようになり、図３中の水平の点線を越えると、表面プラズモンの波動は励起されなくなる。この、表面プラズモンの分散曲線が収束する周波数（水平の点線）が、表面プラズモンの共鳴周波数であり、光の反射率が最小となる。
【００１６】
同図のグレーの帯域で示すような、周波数に広がりをもつパルス光を入射すると、光の入射角度に対応した高い波数成分を含む、多くの波数成分からなる表面プラズモンのモードを励起することができる。ここで、入射する光と表面プラズモンによる波動との位相が揃う必要があるが、この条件は光源が金属薄膜と誘電体薄膜との界面に近接して配置されていることで満たされる。非特許文献１では、近接領域に点光源（電気双極子）を配置することにより、金属薄膜と誘電体薄膜との界面の光源の直下において同位相となる多くの波数成分をもつ表面プラズモンが励起され、それらが干渉により強め合うことにより、金属薄膜下方の透過面近傍に光強度を集中することができることを示している。これは言わば、波長以下のサイズの光源を波長以下の領域に伝搬・局在させる、光の回折限界を超えた分解能をもつレンズである。このような集光素子はパーフェクトレンズと呼ばれ、負の屈折率をもつ媒質を利用することで原理的に実現できることが参考文献（Ｊ．Ｂ．Ｐｅｎｄｒｙ，Ａ．Ｊ．Ｈｏｌｄｅｎ，Ｄ．Ｊ．Ｒｏｂｂｉｎｓ，Ｗ．Ｊ．Ｓｔｅｗａｒｔ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  Ｔｅｃｈ．４７，２０７５（１９９９））により知られている。本効果は平坦な金属−誘電体薄膜を用いて、負屈折媒質に類似した性質の素子を実現できることを示している。
本光学変調素子は、金属薄膜と誘電体薄膜との界面に生じる表面プラズモンの波数成分の割合を、光源の位置（高さ）を調整することにより変化させ、本素子を透過する光の空間的な分布を制御する。
【００１７】
図４は表面プラズモンを介した光強度の集中効果を検証する数値シミュレーションの結果を示す図である。同図（ａ）は中心周波数４．７１ｒａｄ／ｆｓ（波長４００ｎｍ）、同図（ｂ）は４．１０ｒａｄ／ｆｓ（波長４６０ｎｍ）をもつ光源に対するシミュレーション結果をそれぞれ示している。
上述のような、近接した領域に配置された周波数に広がりをもつパルス光による、光強度の集中効果の原理を検証するために、電磁波の運動を記述するＭａｘｗｅｌｌ方程式を有限時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）により解く数値シミュレーションを行った。使用したモデルは、Ａｇ薄膜（３０ｎｍ）とＳｉ３Ｎ４薄膜（３０ｎｍ）による二層膜であり、直上２ｎｍの位置に薄膜に水平な方向に振動する電気双極子を配置した。
同図は約１０周期分の平均強度を算出した結果の等高線表示であり、強度は対数スケールでプロットしてある。
【００１８】
ここで、中心周波数の１０％の周波数幅を入射光源として仮定した。これは光パルスの時間幅にすると１３ｆｓ程度である。図３に示した表面プラズモンの分散関係から明らかなように、同図（ａ）に示す中心周波数４．７１ｒａｄ／ｆｓの場合が、Ａｇ薄膜とＳｉ３Ｎ４薄膜との界面における表面プラズモンの共鳴周波数近傍の周波数をもつ電気双極子により形成される電場強度の結果であり、Ａｇ薄膜背面の透過面近傍において電場強度の集中が生じることが確認された。一方、同図（ｂ）は、共鳴周波数からやや外れた電気双極子による結果であり、Ａｇ薄膜とＳｉ３Ｎ４薄膜との界面近傍で少数の波数成分の表面プラズモンしか励起されないため、表面プラズモンが広い範囲に伝搬していき、Ａｇ薄膜背面近傍の電界強度は弱く、広い範囲に広がっている。同様の結果は、１ｐｓ程度の時間幅をもつ光パルスに対しても生じることが確認された。
【００１９】
以上のように、金属薄膜と誘電体薄膜との界面に多数の波数成分からなる表面プラズモンを励起すると、金属薄膜側の透過面近傍において光強度を空間的に集中させることができる。つまり、金属薄膜と誘電体薄膜との界面は、光と表面プラズモンの波数変換器として働いており、光源の位置（高さ）に依存して、表面プラズモンの励起できる波数成分が変化することから、光源の高さの制御は、表面プラズモンに対する可変な波数フィルタの効果を有している。光スポットを光の波長以下に局在化させるためには、波数の高い表面プラズモンを励起する必要があり、これは微小光源により生じる近接場光が表面プラズモンと結合することが重要である。そのため、微小光源は近接場光のしみ出し長よりも狭い範囲に配置する必要があり、図１に示す近接場光プローブを有した構成では、近接場光のしみ出し長がプローブの開口サイズ程度となるので、数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度の範囲で微小光源の高さを制御する。このようにして、光源の位置（高さ）を変化させることにより、また、後述するように金属薄膜の代わりに金属微細構造体を用いることにより、本薄膜素子の透過面近傍に分布する光に対し、光の波長以下の空間分解能で、光強度の空間的な分布の制御を行うことができる。
【００２０】
図５は本発明の第２の実施形態を説明するための模式図である。同図（ａ）は誘電体薄膜の膜厚が薄い場合、同図（ｂ）は誘電体薄膜の膜厚が厚い場合をそれぞれ示す光学変調素子の構成図である。
第１の実施の形態と同様に、金属薄膜１上に誘電体薄膜２を積層した構成を有する。本光学変調素子においては、薄膜層を支持する機構として、光透過性の基板７を配置し、誘電体薄膜に近接する光源と基板とを一体化した構成を有している。
このような支持機構および近接光源は、光リソグラフィ技術を用いて作製することができる。同図は、Ｓｉ基板を円錐状にエッチングし、金属被膜１を施すことにより作製した近接光源を本薄膜素子の誘電体薄膜２表面に配置した構成を示す模式図である。また、金属薄膜１および誘電体薄膜２に使用する材料は、第１の実施形態において記載した、表面プラズモンを効率良く励起する金属材料および誘電体材料であれば良い。
第１の実施形態と同様に光源の位置を変化させるために、本光学変調素子では、誘電体薄膜の膜厚を調整する。同図（ａ）と（ｂ）は、誘電体薄膜の膜厚（同図中のｈ，ｈ’ ）が異なる場合を示しており、膜厚が厚くなると、近接する微小光源と金属薄膜表面との距離が大きくなることから、励起できる表面プラズモンの波数成分が制限され、金属薄膜側の透過面近傍における光スポットのサイズが大きくなる。誘電体薄膜の膜厚は、一体化された微小光源を実現する微小開口のサイズと関連して、数ｎｍ〜数１０ｎｍの範囲で変化させた厚さを選択する。このような構成により、本光学変調素子を透過する光に対し、光の波長以下の空間分解能で、相異なる光強度の空間的な分布を得ることができる。
【００２１】
図６は本発明の第３の実施形態を説明する図である。同図（ａ）は光学変調素子における金属微細構造がスリットまたは矩形構造体の場合、同図（ｂ）は光学変調素子における金属微細構造が曲率をもつ島状構造体の場合をそれぞれ示す図である。
同図において符号８は電気双極子、９は金属微細構造がスリットまたは矩形構造体、１０は金属微細構造が曲率をもつ島状構造体、２１、２２は誘電体薄膜をそれぞれ示す。
本光学変調素子においては、第１および第２の実施形態において説明した金属薄膜の代わりに、金属微細構造体を用い、金属微細構造体と誘電体薄膜層との界面における表面プラズモンの特性を変化させることにより、金属薄膜背面における透過光強度の空間的な分布の制御を行う。ここで金属微細構造体と呼ぶのは、本発明の光学変調素子における光源からの光が薄膜素子に影響を与える領域内において、金属薄膜と同様の薄膜層が不連続部分を有し、同領域の大きさより小さい構成になっているものを言う。
また、光源は、擬似的に点光源（電気双極子８）を示す矢印で表している。実際には、第１、第２の実施形態で説明した近接領域に配置された微小光源を意味する。
このような金属微細構造体および誘電体薄膜を形成する材料は、第１の実施形態において記載した、表面プラズモンを効率良く励起する金属材料および誘電体材料であれば良い。金属微細構造を作製する方法は様々なものがあり、電子ビーム描画装置による加工法や、収束イオンビーム描画装置による加工法、光リソグラフィ技術による方法、パターン化されたマスク（モールド）を利用するナノインプリントによる加工法、自己組織化による微粒子の配列を利用する方法などが挙げられる。
【００２２】
同図（ａ）は、金属微細構造体が有限のサイズをもつことによる効果を示した図であり、金属薄膜と誘電体薄膜との界面に励起される表面プラズモンの低い波数成分の寄与を低下させることから、表面プラズモンのモードに対する、ハイパスフィルタとして機能する。その結果、金属薄膜側の透過面近傍における光強度は十分な波束による干渉効果が得られないために、空間的に広がって分布する。この金属微細構造の形状が小さいほど透過面近傍の光スポットは広がり、また形状が大きいほどスポットを小さくすることができることから、金属微細構造の大きさを変えたものを作ることにより、本光学変調素子を透過する光に対し、光の波長以下の空間分解能で、相異なる光強度の空間的な分布を得ることができる。
また、同図（ｂ）は、前述と同様に、金属微細構造体のサイズに依存した表面プラズモンに対するハイパスフィルタとして機能するが、平坦な面の場合に比べ、金属表面の平行方向に波数ベクトルをもつ成分が増え、より高い波数成分の表面プラズモンを効率よく励起することができる。この結果、本光学変調素子を透過する光の集中効率を高めることができ、光の波長以下の空間分解能で、光強度の空間的な分布の制御を行うことができる。
【００２３】
本発明の第４の実施の形態を図１、３、５に基づいて説明する。本実施の光学変調素子の構成は、図１または図５に示す第１、第２の実施形態と同様である。ここで、金属薄膜または誘電体薄膜の材料として、所望する光周波数近傍に表面プラズモンの共鳴周波数を有する、金属薄膜と誘電体薄膜の屈折率が相対的に選択された材料を使用することにより、金属薄膜側の透過面近傍に集中する光周波数を制御することが可能である。図３の表面プラズモンの分散関係は、前述したように、Ａｇ薄膜とＳｉ３Ｎ４薄膜との界面におけるものであるが、より屈折率の高い誘電体薄膜を配置すると、励起できる表面プラズモンの共鳴周波数を低周波数側へシフトさせることができる。
金属薄膜に使用する材料は第１の実施形態において記載した、表面プラズモンを効率よく励起できる金属材料であれば良い。ここで、金属薄膜と誘電体薄膜との界面で励起される表面プラズモンの共鳴周波数を規定する金属媒質のプラズマ周波数は、金属材料により固有のものであるので、より高い自由度で表面プラズモンの周波数成分を選択するには、誘電体薄膜を最適に選択するほうが妥当である。誘電体材料としては、屈折率、消衰係数を広い範囲で選択することのできる、シアニン系、フタロシアニン系やアゾ系の有機色素材料が利用できる。
このような誘電体材料を用いて金属薄膜と誘電体薄膜の界面を構成することにより、所望する光周波数成分に対して、表面プラズモンを励起することができ、本光学変調素子を透過する光に対し、光の波長以下の空間分解能で、様々な光強度の空間的な分布を得ることができる。
【００２４】
図７は本発明の第５の実施形態を説明するための図である。
同図において符号１１は第１の金属薄膜、１２は第２の金属薄膜、ωはスポットサイズをそれぞれ示す。
同図は光学変調素子における二種類の金属薄膜を有する構成を説明する図である。金属薄膜を二層（二種類）としたが、必要に応じて多層に構成されていても良い。このような構成を含めて本発明では薄膜素子と呼ぶ。この実施形態の場合、誘電体薄膜２１と２２は同じ材料で構成する。ここで薄膜素子を支持する基板または構造体は繁雑さを避けるため省略したが、図２や図５に示したものと同様のものが使用可能である。本光学変調素子において使用される金属薄膜および誘電体薄膜の材料は、第１の実施形態において記載した、表面プラズモンを効率良く励起する金属材料および誘電体材料であれば良い。
金属薄膜と誘電体薄膜との界面に励起される表面プラズモンの共鳴周波数は、使用する金属材料に依存して変化する。例えば、Ａｇ薄膜と空気との界面における共鳴周波数は５．５７ｒａｄ／ｆｓ（波長３３８ｎｍ）程度であり、Ａｕ薄膜では２．９９ｒａｄ／ｆｓ（波長６３０ｎｍ）程度である。
【００２５】
図８は二種類の金属薄膜と誘電体薄膜の界面における表面プラズモンの分散関係を比較した概念図である。
二種類の金属薄膜と、誘電体薄膜との界面において、それぞれ異なる光周波数帯に対する表面プラズモンが励起されることにより、複数の光周波数成分に対して、金属薄膜側の透過面近傍に光強度を集中させる。このとき、それぞれの周波数成分に対応した表面プラズモンを励起する金属薄膜と誘電体薄膜との界面の位置の違いにより、透過面側において微小光スポットのサイズωが変化している。したがって、本光学変調素子により、光周波数情報を透過光強度の空間情報として抽出することができ、ナノサイズの光デバイスの入出力における信号分岐などの光情報処理技術への利用が可能となる。
【００２６】
図９は本発明の第６の実施形態を説明するための図である。
本実施形態の光学変調素子は第５の実施形態と同等の効果をより簡単な構成で実現するものである。同図は本光学変調素子の構成を表す模式図であり、薄膜素子は単層の金属薄膜１と、その両面に配置された二種類の相異なる材料からなる誘電体薄膜２１、２２により構成されている。第５の実施形態と同様に、必要に応じて金属薄膜と誘電体薄膜を追加することにより多層膜構造としてもよい。本光学変調素子において使用される金属薄膜の材料は、第１の実施形態において記載した、表面プラズモンを励起できるものであれば良い。一方、誘電体薄膜に使用する材料は、金属薄膜の前面および背面において異なる周波数成分を有する表面プラズモンを励起するため、広い範囲で屈折率および消衰係数を選択できるものが適している。このような材料として、シアニン系、フタロシアニン系やアゾ系の有機色素材料が利用できる。
【００２７】
誘電体と金属との界面における表面プラズモンの共鳴周波数は、参考文献（福井、大津著『光ナノテクノロジーの基礎』（オーム社、２００３年）ｐｐ．１７〜１９）によれば、金属のプラズマ周波数をωｐとして、ωｐ／√（１＋εｄ）のように表される。ここでεｄは誘電体の比誘電率であり、金属と接する誘電体材料に依存して共鳴周波数が変化することが分かる。この結果、入射される光の周波数に依存して、金属薄膜の表面もしくは裏面に表面プラズモンが励起され、金属薄膜背面側の透過面近傍に光強度が集中する。このとき、それぞれの周波数成分に対応した表面プラズモンを励起する金属薄膜と誘電体薄膜との界面の位置の違いにより、透過面側において微小光スポットのサイズωが変化している。したがって、本光学変調素子により、光周波数情報を透過光強度の空間情報として抽出することができ、ナノサイズの光デバイスの入出力における信号分岐などの光情報処理技術への利用が可能となる。
【００２８】
図１０は本発明の第７の実施形態を説明するための図である。
同図において符号１３は金属または誘電体による構造体を示す。
第１〜３の実施形態と同様に、金属薄膜上に誘電体薄膜層を構成する。ここで薄膜を支持する基板または構造体は省略したが、図２や図５に示したものと同様のものでよい。本光学変調素子はナノサイズの微細パターンの特徴抽出を行う光情報処理素子として使用できる。
誘電体薄膜上に形成された金属または誘電体による構造体は、遠方から周波数幅をもつパルス光を照射した場合、構造またはサイズに依存した光の散乱を生じ、この散乱光が金属薄膜と誘電体薄膜の界面に表面プラズモンを励起する近接光源として働く。ここで、構造体のサイズが金属薄膜および誘電体薄膜の膜厚に比べて十分に小さな場合には、散乱光は金属薄膜と誘電体薄膜の界面において多くの波数成分をもつ表面プラズモンに変換され、また、微細構造体のサイズが金属薄膜および誘電体薄膜の膜厚に比べて大きな場合には少数の波数成分しか励起されない。金属薄膜および誘電体薄膜の膜厚は、第１および第２の実施形態で記載したものと同様に、金属の表皮深さに依存して１０〜３０ｎｍ程度であるので、誘電体薄膜上の構造体において、１０ｎｍ程度のサイズをもつ構造が、表面プラズモンの多数の波数成分を励起できる。
この効果により、金属薄膜側の透過面近傍における光強度の空間的な分布は、サイズの小さな構造体の影響を顕著に反映したものとなり、本光学変調素子は、光の波長以下の構造に対する特徴抽出を行う光変調素子または光情報処理素子として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するための模式図である。
【図２】本発明の光学変調素子を支持するための構成を示す図である。
【図３】金属薄膜と誘電体薄膜の界面における表面プラズモンの分散関係を示す図である。
【図４】表面プラズモンを介した光強度の集中効果を検証する数値シミュレーションの結果を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を説明するための模式図である。
【図６】本発明の第３の実施形態を説明する図である。
【図７】本発明の第５の実施形態を説明するための図である。
【図８】二種類の金属薄膜と誘電体薄膜の界面における表面プラズモンの分散関係を比較した概念図である。
【図９】本発明の第６の実施形態を説明するための図である。
【図１０】本発明の第７の実施形態を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３０】
１      金属薄膜
２      誘電体薄膜
３      光ファイバプローブ
４      金属皮膜
５      突起型プローブ
６      レンズ
７      支持基板
８、９    金属微細構造体
１１      第１の金属薄膜
１２      第２の金属薄膜
２１      第１の誘電体薄膜
２２      第２の誘電体薄膜
１００      調整手段
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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