(57)【要約】      （修正有）【課題】近接場光の伝達効率の減少を可及的に防止することを可能にする。【解決手段】金属と無機酸化物とが３次元的に共に連続的な構造の複合体からなる近接場光導波部４と、近接場光導波部の一端に近接場光を導入する近接場光励起部６と、近接場光導波部の他端から近接場光を出力する近接場光出力部８と、を備えている。近接場光導波部４は、金属／無機酸化物の複合体からなっており、良好な導波効率を得るためには、酸化物の割合ａ（ｖｏｌ％）、金属の割合をｂ（ｖｏｌ％）とした場合に、７０≦ａ≦９５，５≦ｂ≦３０の高密度な構造体であることが好ましい。【選択図】図１
2011053531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属と無機酸化物とが３次元的に共に連続的な構造の複合体からなる近接場光導波部と、
前記近接場光導波部の一端に近接場光を導入する近接場光励起部と、
前記近接場光導波部の他端から近接場光を出力する近接場光出力部と、
を備えていることを特徴とする近接場光導波路装置。
【請求項２】
前記近接場光導波部は、前記酸化物の割合をａ（ｖｏｌ％）、前記金属の割合をｂ（ｖｏｌ％）とした場合に、７０≦ａ≦９５、５≦ｂ≦３０であることを特徴とする請求項１記載の近接場光導波路装置。
【請求項３】
前記金属は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｐｄの群から選択された一種の金属、またはこれら合金からなることを特徴とする請求項１または２記載の近接場光導波路装置。
【請求項４】
前記無機酸化物が、ＳｉＯ２であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の近接場光導波路装置。
【請求項５】
表面に導電層が設けられた基板上に、金属アルコキシドを酸あるいは塩基触媒の作用により部分加水分解するゾルゲル法を用いて、三次元的に連続した微細孔を有する酸化膜を形成する工程と、
前記微細孔をめっきで金属を充填する工程と、
を備えていることを特徴とする近接場光導波路装置の製造方法。
【請求項６】
金属膜が設けられた基板上に、金属アルコキシドを酸あるいは塩基触媒の作用により部分加水分解するゾルゲル法を用いて、三次元的に連続した微細孔を有する酸化膜を形成する工程と、
熱処理をすることにより、前記金属膜からの金属を前記微細孔に充填する工程と、
を備えていることを特徴とする近接場光導波路装置の製造方法。  
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれかに記載の近接場光導波路装置と、
前記近接場光導波路装置に伝播光を入力する入力部と、
前記近接場光導波路装置から伝播光を出力する出力部と、
前記近接場光励起部が設けられた前記近接場光導波部の前記一端から前記近接場光出力部が設けられた前記近接場光導波部の前記他端に向かう方向と略直交する方向に、前記近接場光導波路装置の近接場光導波部に電流を供給する電流供給装置と、
前記電流の供給を遮断するためのスイッチと、
を備えていることを特徴とする近接場光変調器。
【請求項８】
請求項１乃至４のいずれかに記載の近接場光導波路装置と、
前記近接場光導波路装置に伝播光を入力する入力部と、
前記近接場光導波路装置から伝播光を出力する出力部と、
前記近接場光励起部が設けられた前記近接場光導波部の前記一端から前記近接場光出力部が設けられた前記近接場光導波部の前記他端に向かう方向と略直交する方向に、前記近接場光導波路装置の近接場光導波部に磁場を印加する磁場印加装置と、
前記磁場の印加を遮断するためのスイッチと、
を備えていることを特徴とする近接場光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場光導波路装置、その製造方法、および近接場光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報処理容量の増大および情報処理速度の高速化により、電子配線の情報遅延や発熱問題などが発生しており、これらの問題に対する解決策が求められている。その解決策として、チップ内光配線技術や、情報処理自体を光で行う技術が研究されている。情報処理を光で行う技術の１つとして、シリコンフォトニクス（例えば、高速シリコン光変調器）が知られている。また、半導体の技術ロードマップにおいては、チップ内の光配線技術の要求が示されている。
【０００３】
光配線および光導波路も微細化が要求されているが、一般に光の回折限界により光機能素子の微細加工には限界が生じる。その対策として有効な技術が“近接場光”である。近接場光を用いた光スイッチやプラズモン導波路の研究は精力的に発表されている。また、チップ内の光配線などの微細な光配線も、近接場光の関連技術によって実現する可能性があるといわれている。
【０００４】
従来、微小領域で光を制御するために、近接場光を用いる技術（微小ドット列）、プラズモンを用いる技術（例えば、特許文献１参照）、励起子を用いる技術（例えば、特許文献２参照）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２０７６６７号公報
【特許文献２】特開２００４−１５７３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、微小ドット列における近接場光の導波は表面積に対する金属部分の体積比が大きく導波ロスが大きいという問題がある。また、プラズモン導波のオンオフを制御する効率の良い変調器もない。
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、近接場光の伝達効率の減少を可及的に防止することのできる近接場光導波路装置、その製造方法、および近接場光変調器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】
【０００８】
本発明の第１の態様による近接場導波路装置は、金属と無機酸化物とが３次元的に共に連続的な構造の複合体からなる近接場光導波部と、前記近接場光導波部の一端に近接場光を導入する近接場光励起部と、前記近接場光導波部の他端から近接場光を出力する近接場光出力部と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第２の態様による近接場導波路装置の製造方法は、表面に導電層が設けられた基板上に、金属アルコキシドを酸あるいは塩基触媒の作用により部分加水分解するゾルゲル法を用いて、三次元的に連続した微細孔を有する酸化膜を形成する工程と、前記微細孔をめっきで金属を充填する工程と、を備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第３の態様による近接場導波路装置の製造方法は、金属膜が設けられた基板上に、金属アルコキシドを酸あるいは塩基触媒の作用により部分加水分解するゾルゲル法を用いて、三次元的に連続した微細孔を有する酸化膜を形成する工程と、熱処理をすることにより、前記金属膜からの金属を前記微細孔に充填する工程と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第４の態様による近接場光変調器は、第１の態様の近接場光導波路装置と、前記近接場光導波路装置に伝播光を入力する入力部と、前記近接場光導波路装置から伝播光を出力する出力部と、前記近接場光励起部が設けられた前記近接場光導波部の前記一端から前記近接場光出力部が設けられた前記近接場光導波部の前記他端に向かう方向と略直交する方向に、前記近接場光導波路装置の近接場光導波部に電流を供給する電流供給装置と、前記電流の供給を遮断するためのスイッチと、を備えていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第５の態様による近接場光変調器は、第１の態様の近接場光導波路装置と、前記近接場光導波路装置に伝播光を入力する入力部と、前記近接場光導波路装置から伝播光を出力する出力部と、前記近接場光励起部が設けられた前記近接場光導波部の前記一端から前記近接場光出力部が設けられた前記近接場光導波部の前記他端に向かう方向と略直交する方向に、前記近接場光導波路装置の近接場光導波部に磁場を印加する磁場印加装置と、前記磁場の印加を遮断するためのスイッチと、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、プラズモン導波に必要な金属表面構造を高密度に生成でき、また、プラズモン媒体である自由電子の挙動を電流あるいは電圧によって制御できるため、近接場光の伝達効率の減少を可及的に防止することの可能な近接場光導波路、その製造方法、および近接場光変調器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態による近接場光導波路装置の概要を示す図。
【図２】実施例１の製造工程を説明する断面図。
【図３】実施例４の製造工程を説明する断面図。
【図４】第２実施形態による近接場光変調器を示す図。
【図５】第２実施形態に係るプラズモン導波路を示す図。
【図６】第２実施形態による近接場光変調器内のプラズモン導波を説明する図。
【図７】第２実施形態による近接場光変調器内のプラズモン波の散乱を説明する図。
【図８】第３実施形態による近接場光変調器を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による近接場光導波路装置を図１（ａ）、１（ｂ）に示す。図１（ａ）は本実施形態の近接場光導波路装置の断面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す近接場光導波部の拡大図を示す。この実施形態の近接場光導波路装置は、基板２上に設けられた近接場光導波部４と、この近接場光導波部４の一端に近接場光を導入する近接場光励起部６と、近接場光導波部４の他端から近接場光を出力する近接場光出力部８とを備えている。近接場光導波部４は、図１（ｂ）に示すように、金属４ａと無機酸化物４ｂとが３次元的にバイコンティニュアスな（共に連続的な）構造をとる金属／無機酸化物の複合体からなっている。この金属／無機酸化物の複合体からなる近接場導波部４において、良好な導波効率を得るためには、酸化物の割合をａ（ｖｏｌ％）、金属の割合をｂ（ｖｏｌ％）とした場合に、７０≦ａ≦９５、５≦ｂ≦３０の高密度な構造体であることが好ましい。酸化物の割合が７０ｖｏｌ％より少なくなると、近接場光が相互作用する距離を考慮した場合、金属領域間の距離が大きくなり、導波効率が悪くなる。また酸化物の割合が９５ｖｏｌ％より多くなると、表面プラズモンとして考えた場合の吸収に関係する体積の対する表面積の割合が小さくなり、損失が増えることになり好ましくない。この範囲内において、金属充填率が１２．５Ｖｏｌ％付近の領域が最も効率が良くなり好ましい。
【００１７】
近接場光励起部６は光ファイバープローブからなっており、近接場光出力部８も光ファイバープローブからなっている。各光ファイバープローブは先端部を先鋭化し先端部の側面に金属膜をコーティングした構成となっている。
【００１８】
一般に、近接場光システムの構築や、ＳｏＣ内光配線では光源となるＬＤ、ＬＥＤやあるいはシステム外部からファイバーや伝播光導波路との結合部では高い結合効率が必要となる。この結合部では、光ファイバーの出力端の開口径を小さくし、さらに金属で開口部以外を被覆することが行われている。
【００１９】
本実施形態の近接場光導波路装置においても、そのような構造としても構わない。ただし、伝播光は回折限界があるが、一旦プラズモンに変化したエネルギーは回折限界を起こさない。したがって、プラズモンへエネルギーを移行した後に、導波路の幅を小さくすることが有効となる。このことから、例えば特開２００７−１４８２８９号公報に示すような分散系を用いることができる。すなわち、回折限界以上の幅の導波路において伝播光からプラズモンに変換し、その後、プラズモン導波路のサイズを小さくする。プラズモン導波路、すなわち近接場光導波路は特開２００７−１４８２８９号公報のようなシステムにも適用できる。
【００２０】
また、伝播光導波路とプラズモン導波路との境界端面で反射が起こることが考えられる。このため、境界端面での反射率を小さくすることが重要である。金属の屈折率は可視、近赤外では一般に実部は１より小さく、虚部（消衰係数）が大きい。このような場合、エネルギーは物質内に入り込まず、反射される。金属では表面のみにエネルギーが移行する。この時は、エネルギー保存則と波数保存則（運動量保存則）が成り立つことが条件である。しかし、一般的にはこの二つの保存則は伝播光とプラズモンの分散関係が異なることから成り立ちにくく、また、エネルギー伝播の断面積が大きく異なることから変換効率が著しく低い。そこで、本実施形態の近接場光導波路装置のように、近接場光導波部として金属／無機酸化物複合体を用いることにより、導波断面積を同じにすることができるため、変換効率を上げることができる。さらに、近年盛んになっているサブ波長構造（Sub-wavelength structure）による反射防止も本実施形態の近接場光導波路に用いることができる。
【００２１】
次に、近接場光導波部４である金属／無機酸化物の複合体は、３次元的に微細な連続空孔を有する酸化物を形成し、その微細孔に対し、電解めっきを施し、空孔部を金属で充填することによって形成される。ここで、本実施形態において用いられる多孔質体は、多孔質体の表面に開口部を有する連続空孔を有するものが良く、連続空孔は三次元網目状に形成されていることが好ましい。三次元網目状に連続空孔が形成されていることによって、めっきにより空孔内に金属を充填することが可能となる。連続空孔の平均空孔径は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で設定されることが好ましく、さらには３ｎｍ〜５０ｎｍの範囲であることが望ましい。あまり空孔径が小さすぎる場合には、めっき液などが充分多孔質体の内部まで浸透しないおそれがある。一方、空孔径が大きすぎる場合には、金属の表面積に対する体積の割合が大きくなりすぎて、最早プラズモン導波路として機能しなくなる。
【００２２】
本実施形態において用いられる多孔質体内の空孔率は均一であることが望まれる。空孔率が小さすぎる場合には、めっき液などが充分浸透せず、結果として金属が充填できなくなる問題を生じるおそれがある。一方、空孔率が大きすぎる場合には、上述した通り、プラズモン導波路として機能しなくなる。空孔は連続で、多孔質体の外部に通ずる開口部を有することが好ましい。開口部をもたない独立空孔内にはめっき液が浸透しにくいため、めっきを行うことが難しい。多孔質体の全空孔に対する独立空孔の割合は、好ましくは５０体積％以下、さらには１０体積％以下である。
【００２３】
また、本実施形態において用いられる多孔質体として、多孔質酸化物であるＳｉＯ２であることが望ましいが、ＳｉＯ２に限らず、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎａ２Ｏ、ＣａＯ、ＳｒＯ等の酸化物を、可視光に対して透明なマトリックスとして適用できる。これらを得る方法として、ポリマーの多孔質体を形成後、これらを鋳型として使用することも可能である。すなわちポリマー多孔質シートの空孔内に、セラミック前躯体溶液を充填し、焼成により除去する手法もとることができる。その場合、具体的にはポリマー材料などのシートに三次元連続空孔が形成された多孔質シートや、ポリマー繊維やセラミックス繊維を三次元網目状に絡めたクロスや不織布などが用いられる。
【００２４】
ポリマー多孔質シートの製法は特に限定されず、例えばポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンなどの結晶性ポリマーのシートを延伸して、作製することができる。また、ポリマーのスピノーダル分解やミクロ相分離などの相分離現象を利用して形成された多孔質シートを用いることもできる。さらに、界面活性剤を用いたエマルジョンテンプレーティング法によって形成された多孔質シートを用いてもよい。また、シリカやポリマーのビーズの集積体の空隙に、ポリマーやセラミックスを充填して硬化させた後に、ビーズを除去して作製された多孔質シートを用いることもできる。こうした多孔質シートは、Ｙ．Ａ．Ｖｌａｓｏｖら（Adv.Mater.11,  No.2,165,1999）やＳ．Ａ．Ｊｏｈｎｓｏｎら（Science  Vol.283,963,1999）が報告している。さらには、例えばＳ．Ｈ．Ｐａｒｋら（Adv.Mater.10,No.13,1045,1998）や、Ｓ．Ａ．Ｊｅｎｅｋｈｅら（Science  Vol.283,372,1999）が報告しているようにビーズの代わりに気泡や液泡の集積体を用いて作製された多孔質体でもよい。あるいはＢ．Ｈ．Ｃｕｍｐｓｔｏｎら（Nature,vol.398,51,1999）や、Ｍ．Ｃａｍｐｂｅｌｌら（Nature,vol.404,53,2000）が報告しているような三次元光造形法を用いて作製してもよい。
【００２５】
そして、これら多孔質シートに対して、金属アルコキシドを、酸あるいは塩基触媒の作用により部分加水分解するゾルゲル溶液を充填し、所望の多孔質酸化物膜を形成する。多孔質酸化物膜を得る際に、ナノメートルレベルの微細孔を容易に形成する手法としては、基板上に、金属アルコキシドを酸、あるいは塩基触媒の作用により部分加水分解するゾルゲル法で、３次元的に連続な微細孔を有する酸化膜を形成する手法が最も望ましい。
【００２６】
以下、本実施形態の金属ナノ粒子と酸化物の複合体からなる近接場光導波部４の製造方法について、まず、金属アルコキシドがオルガノシランであるＴＥＯＳ（Tetra-ethoxy-silane）であり、酸化膜がＳｉＯ２膜であり、金属がＡｕである場合を例にとって説明する。
【００２７】
例えば、表面に金属等の導電部を備えた石英ガラスやＳｉ（シリコン）の基板を準備する。この基板の上に、ＨＣｌ等の酸触媒を用いたゾルゲルＳｉＯ２からなる酸化膜の形成を行う。これら前駆体溶液の成膜は、ディップコートやスピンコート等で行うことができる。触媒は塩酸、硝酸、硫酸、酢酸等が挙げられる。ここで、酸触媒を用いると、単量体が完全に加水分解を受ける前に重縮合が起こるために、線状の高分子が生じ易く、成膜後の状態としては、緻密なＳｉＯ２膜の構造が得られやすい。
【００２８】
一方、アンモニア等の塩基触媒を用いた場合、初期の加水分解反応速度は遅いものの、一旦加水分解が起こると、重縮合反応に比べ、加水分解反応が優先的に起こり、結果として、微細なＳｉＯ２前躯体コロイドができ易い。これらをスピンコート等することにより、ＳｉＯ２前躯体の多粒子層が形成され、これらを焼結することにより、結果的に多孔質な酸化膜を得ることが可能となる。
【００２９】
本実施形態においては、どちらの触媒を用いても差し支えないが、ＨＣｌを用いる場合、ＴＥＯＳに対して、モル比として、ＨＣｌ／ＴＥＯＳ＝０．０１／１〜１０／１に設定することが望ましい。ＨＣｌの量がＴＥＯＳに対して、０．０１未満であると、重縮合反応が十分でなく良好な酸化膜が得られず、１０より多い場合には、反応が急激に進み、薄膜化が不可能となり好ましくない。アンモニアを触媒として用いる場合は、アンモニア／ＴＥＯＳ＝０．００１／１〜１／１の範囲で設定することが望ましい。アンモニアの量がＴＥＯＳに対して、０．００１未満であると、反応が十分に起こらず、ＳｉＯ２膜の形成は困難となり、１より多い場合には、コロイドの成長が大きく、こちらも所望の膜を得ることが困難となる。
【００３０】
そして、形成されたＳｉＯ２膜中の微細孔の孔径が５００ｎｍ以下、望ましくは５０ｎｍ以下であり、かつ、この微細孔がネットワーク状に発達していることが望ましい。このような微細孔を有することにより、より微細な金属部を、マトリックス中に均一に充填させることが可能だからである。
【００３１】
このように、本実施形態における３次元的に連続した空孔を有する多孔質酸化膜の形成方法は、金属アルコキシドを酸、あるいは塩基触媒の作用により部分加水分解するゾルゲル法で行うことが望ましいものの、特にそれには限定されない。
【００３２】
次に、これらの３次元的に連続した空孔を有する多孔質酸化膜に対して、電解めっきを用いて、ボトムアップ的に金属を充填する。電解めっきは空孔に高充填されやすく、プラズモン導波効率が高い１０Ｖｏｌ％程度を達成しやすい。この時、用いられる金属は、めっきが可能であればいずれの金属でもよく、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｐｄの群から選択された一種類の金属、またはこれらの合金を用いることが可能である。
【００３３】
または、これらの３次元的に連続した空孔を有する多孔質酸化膜に対して、金属をボトムアップ的に充填する。上記酸化物からなる多孔質構造体は、基板上に金属膜の上に形成する。基板上への金属膜の形成は、蒸着法、スパッタ法などのドライプロセス、電解めっき、無電解めっき等のウェットプロセス等、如何なる方法を用いても構わない。これら金属膜が設けられた基板上に多孔質構造体膜を形成後、空孔内に金属を充填する方法は、熱処理のみで、近接する多孔質構造体の空孔内に毛管力によって容易に充填することが可能なことを、本発明者達は見出した。比較的低融点なＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌなどは、その融点付近の加熱でよく、あるいは金属膜をアモルファス状に製膜すれば、比較的低温の加熱によるアニールで結晶粒成長が起こる際、金属原子が凝集、拡散し、擬似溶融状態になる。この時、近接した部分に微細孔が存在していれば、毛管力により空孔内に充填していく。金属がＡｇまたはＣｕの場合においては、特にこの傾向は顕著である。ここで用いられる金属は、特に問わないが、近接場光導波路として用いる場合には、Ａｇ、Ｃｕ、およびＡｌの群から選択された一種類の金属、またはこれらの合金を用いることが望ましい。
【００３４】
（実施例１）
次に、本実施形態の実施例１による近接場光導波路装置を、図２（ａ）乃至図２（ｄ）を参照して説明する。図２（ａ）乃至図２（ｄ）は、実施例１による近接場光導波路装置に係る近接場光導波部の製造方法を示す断面図である。
【００３５】
まず、５０ｎｍ厚のＣｒ層２２が表面に形成された石英ガラス基板２０を用意し、この石英ガラス基板２０の上に酸触媒を用いてＳｉＯ２膜２４を形成する（図２（ａ））。このＳｉＯ２膜２４は次のようにして形成される。まず、セパラブル・フラスコ（図示せず）に、エタノール１００ｍｌ、イオン交換水２０ｍｌ、１ｍｏｌ／ｌの塩酸水溶液１０ｍｌを加え、３０℃に保持して３０分程度混合する。続いてＴＥＯＳを２１ｇ添加し、更に３時間程度、混合する。５０ｎｍ厚のＣｒ層２２が表面に形成された２０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍの石英ガラス基板２０は、水、エタノール、アセトンで洗浄した後、ＵＶ（紫外線）ドライ洗浄を行い、実験に供する。スピナーを使い、２０００ｒｐｍ×３０ｓで調製した前駆体溶液を石英ガラス基板２０に塗布する。その後、室温で２４時間保持し、加水分解及び縮重合反応を起こさせる（図２（ｂ））。このＳｉＯ２膜２４のＩＲ測定をしたところ、３４００ｃｍ−１近傍および９５０ｃｍ−１近傍にＯＨ基に起因するピークが認められた。蛍光Ｘ線による組成分析を行ったところ、ＳｉＯ２／Ｃｌ＝６３／１の値を得た。
【００３６】
このＳｉＯ２膜２４を、アルゴンガス気流下、４００℃で１時間の熱処理に供する。このようにして、３００ｎｍの厚みを有する多孔質酸化物膜２４ａを得た。
【００３７】
次に、この多孔質酸化膜２４ａの形成基板２０を陰極とし、希塩酸溶液に１０分間浸漬洗浄を行った後、二シアノ金（Ｉ）酸カリウム、５．８４ｇ、クエン酸５０ｇ、クエン酸三カリウム８０ｇを溶解した溶液をめっき液とし、３ｍＡ／ｃｍ２の電解密度にて１０分間めっき処理を行い、多孔質の空孔内に金属の充填を行い、金属とＳｉＯ２とが３次元的にバイコンティニュアスな構造をとる金属／無機酸化物の複合体２５を形成する。
【００３８】
このようにして得られた金属／無機酸化物の複合体２５に対し、リソグラフィープロセスによって、幅５００ｎｍ、長さ５μｍの細線構造の近接場光導波部を形成した。この近接場光導波部の一端（入力端）と他端（出力端）の外側に、それぞれ５ｎｍの間隔を隔てて１対の電極（図示せず）を形成した。
【００３９】
その後、図１（ａ）に示すように、近接場光導波部の入力端の上方に近接場光励起部として光ファイバープローブを配置し、出力端の上方に近接場光出力部として光ファイバープローブを配置し、近接場光導波路装置を形成した。各光ファイバープローブは先端部を先鋭化し先端部の側面に金属膜をコーティングしたものである。
【００４０】
このようにして形成された本実施例の近接場光導波路装置において、近接場光励起部から波長５３２ｎｍの近接場光を励起し続けた場合、近接場光出力部で近接場光の出力が観測された。
【００４１】
（実施例２）
実施例２は、塩基触媒を用いてＳｉＯ２膜を形成することにより近接場光導波部を形成する方法である。セパラブル・フラスコに、エタノール１００ｍｌ、２５％アンモニア水１０ｍｌを加え、３０℃で３０分程度混合し、ついでＴＥＯＳを３．５ｇ添加し、３時間程度混合した。これ以外は、実施例１と同様の方法によって、金属と無機酸化物とが３次元的にバイコンティニュアスな構造をとる金属／無機酸化物の複合体からなる近接場光導波部を形成し、その後実施例１と同様にして、電極を形成するとともに、近接場光励起部および近接場光出力部を形成して近接場光導波路装置を完成し、導波を確認したところ、実施例１と同様の結果を得た。
【００４２】
（実施例３）
ポリマー多孔質前躯体シートを作製するため、まずポリアミド酸の１６重量％Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド溶液を実施例１と同様の基板上に塗布し、直ちにメタノール中に浸漬してスピノーダル分解により多孔質化した後、溶媒を除去し、窒素中３５０℃で加熱処理してイミド化することにより作製した。ポリアミド酸溶液は、等当量の３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物と２，２’−ビス［４−（ｐ−アミノフェノキシ）フェニル］プロパンとをＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド中で反応させて調製した。得られた多孔質シートに対し、ＵＶ洗浄処理を施した後、実施例１と同組成のＴＥＯＳ溶液をディップにより浸漬させ、１昼夜室温にて放置した。その後、１００℃で１時間→４００℃で２時間→６００℃で１時間の熱処理を施したサンプルをＣＯ２の超臨界洗浄装置に投入し、空孔内の残渣を除去してＳｉＯ２の多孔質膜を作製した。その後は、実施例１と同様の方法にて金属としてＡｕの充填を行って、Ａｕと無機酸化物とが３次元的にバイコンティニュアスな構造をとる金属／無機酸化物の複合体を形成する。続いて、細線構造の近接場光導波部を形成し、その後、実施例１と同様にして、電極を形成するとともに、近接場光励起部および近接場光出力部を形成して近接場光導波路装置を完成する。さらに、実施例１、２と同様に、近接場光の導波を確認することができた。
【００４３】
（実施例４）
次に、本実施形態の実施例４による近接場光導波路装置を、図３（ａ）乃至図３（ｄ）を参照して説明する。図３（ａ）乃至図３（ｄ）は、実施例４による近接場光導波路装置に係る近接場光導波部の製造方法を示す断面図である。
【００４４】
まず、図３（ａ）、３（ｂ）に示すように、１００ｎｍ厚のＣｕ層２６がＥＢ(Electron Beam)蒸着により表面に形成された石英ガラス基板２０の上に酸触媒を用いてＳｉＯ２膜２８を形成する。具体的には、次のように形成される。セパラブル・フラスコに、エタノール１００ｍｌ、イオン交換水２０ｍｌ、１ｍｏｌ／ｌ塩酸水溶液１０ｍｌを加え、３０℃に保持して３０分程度混合した。次にＴＥＯＳを２１ｇ添加して、更に３時間程度、混合した。２０×５０×１ｍｍの石英ガラス基板は、水、エタノール、アセトンで洗浄した後、ＵＶドライ洗浄を行い、実験に供した。スピナーを使い、１５００ｒｐｍ×３０秒で調製した前駆体溶液を石英ガラス基板に塗布した。その後、室温で２４時間保持し、加水分解及び縮重合反応を起こさせた（図３（ｂ））。
【００４５】
本実施例のＳｉＯ２膜２８のＩＲ測定をしたところ、３４００ｃｍ−１近傍および９５０ｃｍ−１近傍にＯＨ基に起因するピークが認められた。蛍光Ｘ線による組成分析を行ったところ、ＳｉＯ２／Ｃｌ＝６３／１の値を得た。その後、このＳｉＯ２膜２８を、アルゴンガス気流下、４００℃で１時間の熱処理に供する。このようにして、４００ｎｍの厚みを有する多孔質酸化物膜２８ａを得た（図３（ｃ））。
【００４６】
次に、この多孔質酸化膜の形成基板をＡｒ雰囲気下、５００℃で加熱し、膜２９を得た（図３（ｄ））。この膜２９の断面のＴＥＭ観察から多孔質空孔内に金属（Ｃｕ）が充填していることを確認した。すなわち、膜２９は、熱処理により、Ｃｕ層２６からＣｕが毛管力により多孔質空孔内に充填された膜となる。
【００４７】
続いて、細線構造の近接場光導波部を形成し、その後、実施例１と同様にして、電極を形成するとともに、近接場光励起部および近接場光出力部を形成して近接場光導波路装置を完成する。さらに、実施例１と同様に、近接場光の導波を確認することができた。
【００４８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による近接場光変調器を、図４を参照して説明する。図４は、本実施形態の近接場光変調器を示す斜視図である。
【００４９】
本実施形態の近接場光変調器は、相対する二枚の電極３２ａ、３２ｂと、この二枚の電極３２ａ、３２ｂに挟まれた、プラズモン導波路３４と、プラズモン導波路３４に伝播光を入力する光導波路入力部３６と、プラズモン導波路３４から伝播光を出力する光導波路出力部３７と、電圧発生装置３８と、スイッチ３９とを備えている。なお、電圧発生装置３８は、抵抗Ｒを介して二枚の電極３２ａ、３２ｂ間に流す信号電流を供給するための電圧を発生する。すなわち、電圧発生装置３８と、抵抗Ｒとは、電極３２ａ、３２ｂ間に流す電流を供給する電流供給装置となる。
【００５０】
本実施形態に用いられるプラズモン導波路３４は、図５に示すように、誘電体３４ｂ、空気、または真空との界面を持ち格子欠陥３５を有する金属連続体３４ａを有している。この金属連続体３４ａは、第１実施形態で説明した近接場光導波部４のように、金属と無機酸化物とが３次元的にバイコンティニュアスな構造をとる金属／無機酸化物の複合体であってもよい。また、金属連続体としては、金属（例えばＡｇやＡｕ）中にナノメートルサイズの誘電体（例えばＳｉＯ２）、空気、または真空の領域が均一に分散されたポーラス構造体であってもよい。いずれにしても、プラズモン導波路３４は金属連続体を有している。なお、このプラズモン導波路３４は、図１に示す第１実施形態の近接場光導波路装置であってもよい。この場合、電極３２ａ、３２ｂは、近接場光導波部４の対向する一対の面に設けられ、光導波路入力部３６は近接場光励起部６に接続され、光導波路出力部３７は近接場光出力部８に接続されるように設けられる。
【００５１】
プラズモン導波路３４の形状は六つの面を有する直方体乃至立方体構造を有している。このプラズモン導波路３４の相対する一対の面はそれぞれ電極３２ａ、３２ｂと電気的に接触しており、これらの電極３２ａ、３２ｂはプラズモンが発生しにくい材料（例えばＰｔ）が用いられる。プラズモン導波路３４のもう一対の面の一方には光導波路入力部３６が接続され、他方の面には、光導波路出力部３７が接続される。光導波路入力部３６は、近接場光変調器のプラズモン導波路中に、入射光と同位相のプラズモン波にカップリングするように設計しておく。そして、近接場光変調器のプラズモン波は、金属と、誘電体、空気、あるいは真空との界面を伝わり、伝播する。プラズモン波は、金属連続体内の自由電子を介在して伝播するので、プラズモン波と同位相の出射光が光導波路出力部３７にカップリングするように設計しておく。
【００５２】
金属連続体内の格子欠陥で自由電子が散乱される部分では近接場光変調器中のプラズモン波は消滅する。信号電流を発生させるための電場発生装置３８に接続されたスイッチ３９をオフにして上記電極３２ａ、３２ｂ間に電流が流れない状態（オン状態）では、光導波路入力部３６で発生されたプラズモン波は、プラズモン導波路３４中の自由電子の散乱によりプラズモン波が消滅する場合もあるが、散乱のないパスを通ったプラズモン波は光導波路出力部３７に到達する。すなわち、図６に示すように、プラズモン導波路３４内を電場Ｅｘが伝播することにより、プラズモン波が光導波路出力部３７に到達する。
【００５３】
ここで、信号電流を発生させるための電場発生装置３８に接続されたスイッチ３９をオンにして、電極３２ａ、３２ｂ間に電流が流れる状態（オフ状態）にすると、金属連続体内の自由電子は電流印可方向に平行移動し、プラズモン波も同様に平行移動する。この平行移動により、金属連続体内の自由電子は格子欠陥により散乱される確率が増え、結果的にプラズモン波は消滅し、プラズモン波は近接場光変調器の光導波路出力部３７に到達しない。すなわち、図７に示すように、プラズモン導波路３４内を電場Ｅｘが伝播せず、プラズモン波が光導波路出力部３７に到達しない。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態においては、プラズモン変調を実現することができる。
ここで、電極３２ａ、３２ｂ間の距離、あるいは界面から格子欠陥までの平均距離が金属連続体内自由電子の平均自由行程よりも短くてよい。これにより、電子の移動速度はバリスティック伝導（約数１００ｋｍ／ｓｅｃ）によって決まり、変調が高速になる。さらに、近接場光変調器も微細となる。
【００５５】
また、第２実施形態においては、プラズモン導波路として、第１実施形態の近接場光導波部と同じ構造を有しているので、第１実施形態と同様に、近接場光の伝達効率の減少を可及的に防止することができる。
【００５６】
（実施例１）
次に、実施例１による近接場光変調器を説明する。本実施例の近接場光変調器は、第２実施形態の近接場光変調器において、プラズモン導波路３４として、格子欠陥がない場合の、ＳｉＯ２ポーラス構造を有する、幅５０ｎｍ、長さ１．４μｍの銀連続体を有する構成となっている。なお、電極３２ａ、３２ｂの材料として厚さ２００ｎｍのＰｔを用いた。
【００５７】
この近接場光変調器に５００ｎｍの連続光を照射した時の、銀連続体内のプラズモン波の導波を観測した。すると、本変形例も第２実施形態の近接場光変調器と同様に、プラズモン変調を実現することができた。
【００５８】
（実施例２）
次に、実施例２による近接場光変調器を説明する。本実施例の近接場光変調器は、実施例１の近接場光変調器において、プラズモン導波路３４の銀連続体に格子欠陥が多く含まれるように構成した。この場合も、近接場光変調器に５００ｎｍの連続光を照射した時の、銀連続体内のプラズモン波の導波を観測した。その結果、近接場光変調器のプラズモン波が崩れ、プラズモン波が減衰することを確認した。これは、電極３２ａ、３２ｂ間に電流が流れることにより、金属連続体内の自由電子が格子欠陥で散乱される確率が増え、それに伴いプラズモンの状態が消滅し、光導波路出力部へ伝播するプラズモン強度を弱まりプラズモンが変調された。尚、ＳｉＯ２ポーラス構造を有する銀連続体の誘電率は、電流印可に伴い一定のままであった。
【００５９】
第２実施形態の近接場光変調器における格子欠陥によるプラズモン波の消滅は、プラズモン励起による自由電子の集団的振動を、不純物を含む一次元の連成振動でモデル化することができる。プラズモン波の分散関係に不純物準位が形成され、電流を流すことにより自由電子が格子欠陥に衝突する確率が増えるに従い、プラズモン波に寄与する自由電子が、導波しない不純物準位での状態密度が増加し、同時にプラズモン波に寄与する自由電子が減衰することをシミュレーションにより確認した。プラズモン波に寄与する自由電子が減衰することにより、プラズモン波が消滅する。
【００６０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による近接場光変調器を、図８を参照して説明する。図８は、本実施形態の近接場光変調器を示す斜視図である。
【００６１】
本実施形態の近接場光変調器は、第２実施形態の近接場光変調器において、一対の電極３２ａ、３２ｂ、電圧発生装置３８、および抵抗Ｒを、一対の電磁石４２ａ、４２ｂ、およびこれらの電磁石４２ａ、４２ｂに電流を供給して磁場を発生させる電流供給装置４４に置き換えた構成となっている。一対の電磁石４２ａ、４２ｂは、光導波入力部３６および光導波出力部３７が設けられたプラズモン導波路３４の一対の面と、略直交する一対の面に対向するように設けられる。すなわち、一対の電磁石４２ａ、４２ｂは、プラズモン導波路３４を挟むように設けられる。一対の電磁石４２ａ、４２ｂと、プラズモン導波路３４との間の距離は、数１０ｎｍ程度であるある。なお、一対の電磁石４２ａ、４２ｂには、ハードディスクに用いられるような微細電磁石を用いても良い。
【００６２】
スイッチ３９をオフ状態にして電磁石４２ａ、４２ｂ間のプラズモン導波路３４に磁場を印加しない状態（オン状態）では、プラズモン導波路３４を構成する金属連続体内の自由電子の散乱によりプラズモン波が消滅する場合もあるが、散乱のないパスを通ったプラズモン波は光導波路出力部３７に到達する。ここで、スイッチ３９をオン状態にして電流供給装置４４から電流を電磁石４２ａ、４２ｂに供給してプラズモン導波路３４に信号磁場を印加すると、金属連続体３４内の自由電子は磁場印可方向に平行移動し、プラズモン波も同様に平行移動する。この平行移動により、金属連続体３４内の自由電子は格子欠陥により散乱される確率が増え、結果的にプラズモン波は消滅し、プラズモン波は近接場光変調器の光導波路出力部に到達しない。これにより、プラズモン変調を実現することができる。
【００６３】
なお、磁場による自由電子の移動は、微細金属細線におけるエッジ状態（edge state）へ移る機構と同様の現象が、電磁石に挟まれた金属連続体内で起き、その際、プラズモンの別なエネルギー状態への移動、乃至プラズモンの局在化によりプラズモン波が減衰すると考えられる。こうした現象はＳ．Ｖ．  Ｉｏｒｄａｎｓｋｉｉら（JETP Lett.57,No.10,667,1993）らが報告している。
【００６４】
ここで、電磁石に挟まれた金属連続体３４の幅、あるいは界面から格子欠陥までの平均距離が金属連続体内自由電子の平均自由行程よりも短くてよい。これにより、電子の移動速度はバリスティック伝導（約数１００ｋｍ／ｓｅｃ）によって決まり、変調が高速になる。さらに、近接場光変調器も微細化することができる。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態によれば、磁場印可によるプラズモンの変調を行うことができる。
【００６６】
なお、従来の場合は、外部磁場による誘電率変化や、電子数密度によるプラズモン変調が行なわれていたが、第２および第３実施形態の近接場光変調器においては、自由電子の格子欠陥への衝突確率の制御によりプラズモン変調を行うため、自由電子の移動距離は短くでき、近接場光変調器の高速化、および微細化が可能である。
【００６７】
また、第３実施形態においては、プラズモン導波路として、第１実施形態の近接場光導波部と同じ構造を有しているので、第１実施形態と同様に、近接場光の伝達効率の減少を可及的に防止することができる。
【符号の説明】
【００６８】
２  基板
４  近接場光導波部
４ａ  金属
４ｂ  無機酸化物
６  近接場光励起部
８  近接場光出力部
２０  基板
２２  Ｃｒ層
２４  ＳｉＯ２膜
２４ａ  多孔質酸化物（多孔質ＳｉＯ２膜）
２６  金属層
２８  ＳｉＯ２膜
２８ａ  多孔質酸化物（多孔質ＳｉＯ２膜）
２９  空孔内にＣｕが充填された多孔質酸化物（多孔質ＳｉＯ２膜）
３２ａ  電極
３２ｂ  電極
３４  プラズモン導波路
３４ａ  金属連続体
３４ｂ  誘電体
３６  光導波路入力部
３７  光導波路出力部
３８  電圧発生装置
３９  スイッチ
４２ａ  電磁石
４２ｂ  電磁石
４４  電流供給装置
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１】
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【図５】
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