(57)【要約】【課題】赤外領域から可視領域において、任意に選択された波長の光に対して光増幅可能であり、かつ小型化、薄膜化しうる光増幅ディスクを提供する。【解決手段】高速平行移動可能な透明ディスク基板上に、光散乱膜と表面プラズモン光発生膜とを保護膜を介して積層した構造体において、光散乱膜が第一入射光の強度に応じて光散乱する機能を、また表面プラズモン光発生膜が第二入射光により生じるパターンによって表面プラズモン光を発生する機能をそれぞれ有し、かつ両者は超解像近接場構造を形成し、第二入射光の強度を変化させることにより、透過又は回折された第一入射光を増幅する光増幅ディスクとする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速平行移動可能な透明ディスク基板上に、光散乱膜と表面プラズモン光発生膜とを保護膜を介して積層した構造体において、光散乱膜が第一入射光の強度に応じて光散乱する機能を、また表面プラズモン光発生膜が第二入射光により生じるパターンによって表面プラズモン光を発生する機能をそれぞれ有し、かつ両者は超解像近接場構造を形成し、第二入射光の強度を変化させることにより、透過又は回折された第一入射光を増幅することを特徴とする光増幅ディスク。
【請求項２】
光散乱膜が、酸化白金、酸化パラジウム、酸化銀、酸化コバルト、酸化テルル、酸化タングステン及びヨウ化銀の中から選ばれた少なくとも１種又は金属粒子が均一に分散した透明セラミックスからなる請求項１記載の光増幅ディスク。
【請求項３】
表面プラズモン光発生膜が、ＧｅＳｂＴｅ、ＡｇＩｎＳｂＴｅ又はＴｂＦｅＣｏを主成分としてなる請求項１又は２記載の光増幅ディスク。
【請求項４】
表面プラズモン光発生膜が、白金、パラジウム、金、銀、コバルト、アルミニウム又はこれらを主成分とした合金からなる請求頂１又は２記載の光増幅ディスク。
【請求項５】
複数の混合された波長成分からなる信号を、高速回転させた請求項１ないし４のいずれかに記載の光増幅ディスクの光散乱膜に第一入射光として入射するとともに、第一入射光とは反対の面から所望の強度に変調した第二入射光を入射して大きさの異なるマークを記録し、このマークのパターンにより、第一入射光の入射信号を、それぞれの波長成分に分解し、増幅することを特徴とする光増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光計算などに有用な、超解像近接場を利用した新規な光増幅ディスク及びそれを用いた光増幅方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、光通信分野の光増幅方法としては、光ファイバー中に少量のＥｒイオンをドープし、このＥｒイオンに基づく蛍光を利用して、１．５μｍの波長帯の信号増幅をする方法が知られている。
しかしながら、この方法は、信号の増幅にメートル単位の長さを必要とするため、小型化することができない上に、Ｅｒイオンの蛍光波長である１．５μｍ帯以外の光信号増幅はできないという欠点がある。
【０００３】
また、半導体レーザーの構造を利用した共振器を用いて光増幅する方法も知られているが（非特許文献１参照）、この方法も増幅しうる範囲は１．５μｍ波長帯のみであり、可視光を含めた広範囲の光波長帯にわたって増幅することはできない。
【０００４】
【非特許文献１】
「オプティクス・アンド・ホトニックス・ニューズ（Ｏｐｔｉｃｓ＆  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｎｅｗｓ）」，第１２−３巻，２００１年，ｐ３７−４２
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の光増幅方法が有する欠点を克服し、これらとは全く別異の原理に基づいた赤外領域から可視領域において、任意に選択された波長の光に対して光増幅可能であり、かつ小型化、薄膜化しうる光増幅ディスク及びそれを用いた光増幅方法を提供することを目的としてなされたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、光増幅方法について種々研究を重ねた結果、光超解像近接場構造を利用して光記録薄膜上に回折限界以下の微小マークパターンを形成させ、その表面にレーザー光を照射し、マークパターン上に表面プラズモン光を発生させて、これを蓄積するとともに、波長多重の光信号をこれに入射させて、光超解像近接場構造内で光散乱を起させると、マークパターン上に蓄積された表面プラズモン光との相互作用により、波長多重光を選別、増幅しうることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は、高速平行移動可能な透明ディスク基板上に、光散乱膜と表面プラズモン光発生膜とを保護膜を介して積層した構造体において、光散乱膜が第一入射光の強度に応じて光散乱する機能を、また表面プラズモン光発生膜が第二入射光により生じるパターンによって表面プラズモン光を発生する機能をそれぞれ有し、かつ両者は超解像近接場構造を形成し、第二入射光の強度を変化させることにより、透過又は回折された第一入射光を増幅することを特徴とする光増幅ディスク、及び複数の混合された波長成分からなる信号を、高速回転させた上記の光増幅ディスクの光散乱膜に第一入射光として入射するとともに、第一入射光とは反対の面から所望の強度に変調した第二入射光を入射して大きさの異なるマークを記録し、このマークのパターンにより、第一入射光の入射信号を、それぞれの波長成分に分解し、増幅することを特徴とする光増幅方法を提供するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に添付図面に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
図１は本発明光増幅ディスクの構造の１例を示す断面図であり、透明ディスク基板１上に、光散乱膜２と表面プラズモン光発生膜３がそれぞれ誘電体保護膜４、４´，４″を介して積層され、光増幅ディスクが形成されている。そして、上記の透明ディスク基板には、光ディスクと同じようにグルーブ（図示せず）が刻設されている。
【０００９】
このような光増幅ディスクにおいて、複数の波長成分（λ１，λ２，…λｍ）を含む第一入射光５が透明ディスク基板１を通して、光散乱膜２に入射され、ここで光散乱を生じる。一方、第一入射光５の入射面とは逆の面からは、第二入射光６が入射され、これにより表面プラズモン光発生膜３に微小な記録マークパターン３´が形成されると、この上に表面プラズモン光が発生する。そして、この表面プラズモン光は、前記の光散乱膜２で生じた散乱膜と相互作用し、第一入射光の全波長にわたって、独立した変調波長を発生する。
【００１０】
この際、上記の第二入射光６は、ディスク内の光散乱膜２を構成する記録膜に信号を重ね書き（オーバーライト）しうるように強度変調されるため、表面プラズモン光発生膜３上で経時的に異なるマークサイズのパターン３´を形成する。
【００１１】
本発明光増幅ディスクにおける透明ディスク基板の材料としては、ガラスのような透明セラミックスやアクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステルのような透明プラスチックなどが用いられる。
【００１２】
次に、光散乱膜２としては、酸化白金、酸化パラジウム、酸化銀、酸化コバルト、酸化テルル、酸化タングステン、ヨウ化銀のような化合物の薄膜や、銀粒子が均一に分散した透明セラミックス膜などが用いられる。この光散乱膜２の厚さとしては、３〜１００ｎｍの範囲が好ましい。この光散乱膜２は、光の照射によってそれを構成する上記の化合物が分解して生じた金属微粒子、あるいは均一に分散された銀粒子によって光散乱を起す。
【００１３】
また、表面プラズモン光発生膜３としては、ＧｅＳｂＴｅやＡｇＩｎＳｂＴｅを主成分とする相変化光記録膜、ＴｂＦｅＣｏを主成分とする光磁気記録膜、白金、パラジウム、金、銀、コバルト、アルミニウム又はこれらを主成分とする合金が用いられる。この表面プラズモン光発生膜３の厚さとしては、５〜１００ｎｍの範囲が好ましい。
【００１４】
本発明の光増幅ディスクにおいては、透明ディスク基板１と光散乱膜２、光散乱膜２と表面プラズモン光発生膜３との間及び表面プラズモン光発生膜３の外表面に誘電体保護膜４、４´，４″を設けるのが好ましい。この誘電体保護膜としては、窒化ケイ素（ＳｉＮ）やＺｎＳ−ＳｉＯ２のような比較的高い屈折率をもつ誘電体が用いられる。これらの誘電体保護膜の厚さは１０〜２００ｎｍの範囲内で選ばれる。
【００１５】
これらの本発明の光増幅ディスクを構成する光散乱膜、表面プラズモン光発生膜及び誘電体保護膜はスパッタリング法、真空蒸着法、化学蒸着法など薄膜形成の慣用手段を用いて形成することができる。
【００１６】
本発明の光増幅ディスクにおいては、前記の光散乱膜２と表面プラズモン光発生膜３とは近接場光の結合距離以内の距離で配置され、超解像近接場構造を形成していることが必要である。この距離は、通常１０〜２００ｎｍの範囲である。
【００１７】
次に図２は、本発明の光増幅方法の１例を示す説明図であり、前記した構造をもつ光増幅ディスクＡの一方の側から第一入射光５が集光レンズ１２を通って、またその反対側から第二入射光６が集光レンズ１２´を通って照射される。そして、この光増幅ディスクＡを高速（線速度６ｍ／ｓ以上）で回転させ、レーザー光源７からの第二入射光６をトラックに照射し、表面プラズモン光発生膜、例えば記録膜上に微小なパターンを形成させる。この際のパターン長は、記録パターン上に表面プラズモン光が発生する程度に小さくしなければならないが、これは第二入射光の波長λとレンズ開口数ＮＡで決まる。一般にこのパターン長はλ／２ＮＡ以下にする必要がある。
【００１８】
そして、この第二入射光スポット上に、レーザー光源８で出力され、混合器９により各波長が混合された第一入射光スポットを一致させると、記録パターンのサイズに応じて、第一入射光の所定の波長成分のみが増幅され、出力される。そして、第二入射光の変調を経時的に変えることによってハーフミラー１０を経て選択的に第一入射光の波長多重成分を取り出し、検出器１１により確認することができる。
【００１９】
例えば、所要の寸法の光ディスク基板上に、誘電体例えばＳｉＮ、ＺｎＳ−ＳｉＯ２などからなる第一保護膜をスパッタリング真空成膜法により１０〜２００ｎｍの厚さに形成させたのち、同じ成膜機内のターゲットを、白金、パラジウム、銀、コバルト、テルル、タングステンに変え、酸素雰囲気中、混合ガスを用いて酸化白金、酸化パラジウム、酸化銀、酸化コバルト、酸化テルル、酸化タングステン又はヨウ化銀の薄膜を３〜５０ｎｍの厚さで形成させ、光散乱膜とする。この光散乱膜としては、銀粒子が均一に分散した透明セラミックス膜を用いることもできる。
【００２０】
この場合の光散乱膜の屈折率は、使用される酸素雰囲気の組成により決定される。例えば酸化銀薄膜の場合、その屈折率は、使用される酸素とアルゴンとの混合比により決まり、ＡｇＯ又はＡｇ２Ｏ組成となる領域で最良の特性が得られるが、これらの混合組成であっても差しつかえない。
【００２１】
次にこの光散乱膜と続いて形成される表面プラズモン発生膜との間の拡散混合を防止するために、第二誘電体保護膜を２０〜１００ｎｍの厚さで形成させる。この第二誘電体保護膜としては、通常第一誘電体保護膜と同じ材料が用いられるが、所望ならば異なった材料を用いてもよい。この第二誘電体保護膜は一般に第一誘電体保護膜よりも厚くするのが好ましい。
【００２２】
次いで表面プラズモン光発生膜、例えばＧｅＳｂＴｅ、ＡｇＩｎＳｂＴｅ又はＴｂＦｅＣｏを積層し、最後に表面プラズモン光発生膜の酸化を防止するためにその上に第三誘電体保護膜を積層する。この第三誘電体保護膜の厚さとしては、１０〜５０ｎｍの範囲内で選ばれる。
【００２３】
このようにして作製した光増幅器ディスクを、高速で回転可能なスピンスタンド（ＤＶＤやＣＤのドライブを改造したものでもよい）に設置し、光増幅器ディスクを挟んでそれぞれ第一の入射光源と第二の入射光源を設置する。第一の入射光源には光多重混合器が接続されていて、それぞれ異なる波長を持った光信号がディスク表面付近におかれたレンズにより同一スポットに集光される。第一の光源の波長は特に限定はしないが、入射信号の波長に接近していなくてもよい。
【００２４】
第一の入射光源とは反対側に第二の入射光源がおかれ、第二の入射光源は光増幅器ディスクの反対側から（実験の都合上、対向しているが、同方向から入力することも可能であり、限定されない）第一の入射光源が集光されたスポットに同時にレンズを通して集光される。
【００２５】
第二の入射光源は、周波数発生器、あるいはパターン発生器に接続され、ある時間ごとに異なる周波数パターンを発生させることができる。第二の入射光源の出力を表面プラズモン光発生膜にパルス上に照射すると、屈折率が異なる記録マークが形成される。記録マークの大きさとその間隔によって、第二の入射光源の回折角が異なり、パターンが密になるほど記録膜上に表面プラズモン光が蓄積されやすい。この蓄積度合いは、光増幅器ディスクを透過する波長と記録パターンの間隔によって決定される。
【００２６】
したがって、第一の入射光と第二の入射光によって記録されたパターンが波長とその間隔によって共鳴条件内に入ると、特定の波長のみが強い強度を持って第二の入射光源側に配置された検出器に捕捉される。周波数発生器の記録パターンを変えると異なる波長を取り出すことが可能になる。
【００２７】
【実施例】
以下に実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。
【００２８】
実施例
直径１２０ｍｍの透明なガラスディスク基板上にＺｎＳ−ＳｉＯ２（質量比８５：１５）からなる第一保護膜１７０ｎｍ、酸化銀からなる光散乱膜を１５ｎｍ、第一保護層と同じ材質の第二保護膜４０ｎｍ、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５からなる相変化記録膜１５ｎｍ、第一保護層と同じ材質の第三保護膜２０ｎｍをスパッタリング真空成膜法により順次積層し、光増幅ディスクを製造した。この際の成膜は、圧力を０．５Ｐａ、酸化銀成膜の酸素流量比を全ガス流量の０．５として行った。また光散乱膜の組成は、蛍光Ｘ線法によりＡｇＯであることを確認した。
【００２９】
このようにして得た光増幅ディスクを図２に示すように配置し、参照レーザーから光強度２．５ｍＷ、参照波長λ０６３５ｎｍの参照レーザー光を照射し、これにそれぞれの光強度０．１ｍＷに設定されたλ１（５５０ｎｍ）、λ２（６３５ｎｍ）、λ３（６８０ｎｍ）及びλ４（７８０ｎｍ）からなる信号光を混合器を用いて波長多重させて光増幅ディスクの基板側から第一入射光として入力した。次に、この基板とは反対側から４０５ｎｍのレーザー光源にパワー変調した１．０から２．５ｍＷ（信号記録に必要な光強度）と０．８ｍＷ（信号記録に必要な光強度）を用いて第二入射光を照射し、光増幅ディスク上の光のスポット付近に集光したのち、第一入射光のスポットと第二入射光のスポットとを重ね合わせた。このようにして合成された出力光をセミミラーにより分光し、検出器を用いて測定した。その結果、変調信号の周波数１３．１ＭＨｚ、１１．４ＭＨｚ、１０．６ＭＨｚ及び９．２ＭＨｚにおいてそれぞれλ１、λ２、λ３及びλ４の信号光が最大１５ｄＢの増幅率で分離されることが分った。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の光増幅ディスクを用いると、従来の光増幅器に比べ、より広い可視領域での光増幅が可能になり、例えば光通信に利用した場合、信号チャンネル数を大幅に増大できるというメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光増幅ディスクの１例の断面図。
【図２】本発明の光増幅方法の１例を示す説明図。
【符号の説明】
１  透明ディスク基板
２  光散乱膜
３  表面プラズモン光発生膜
３´記録マークパターン
４、４´，４″  誘電体保護膜
５  第一入射光
６  第二入射光
７，８  レーザー光源
９  混合器
１０  ハーフミラー
１１  検出器
１２，１２´集光レンズ
【図１】
2004235259.tif 000002
【図２】
2004235259.tif 000003