(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電率εｍが周囲媒質の誘電率εｄに対して
εｍ≦−εｄ
を満足する金属材料により略円柱形状で、その直径を入射される近接場光の波長の略１／２以下であるように形成された微小ロッドを、２次元平面に対して軸方向がそれぞれ所定の方向に延長するようにして、前記２次元平面上に互いに、前記微小ロッドから周囲にしみ出す電場が隣接する微小ロッドに結合しない距離たる所定の間隔を開けて複数立設するように配置し、
前記複数立設するように配置した微小ロッドの一方の端部側へ近接場光を入射し、入射した前記近接場光について、前記近接場光を前記微小ロッドの軸方向に沿った共鳴的な電子振動（局在表面プラズモンポラリトン）に変換して前記微小ロッドの他方の端部へ伝送することにより、前記微小ロッドの他方の端部より前記近接場光の分布を得られるようにした
ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。
【請求項２】
請求項１に記載の近接場光分布伝送素子において、
前記微小ロッドの長さは、１０μｍ以下である
ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載の近接場光分布伝送素子において、
前記周囲媒質は、
εｄ≧１
である誘電体または半導体である
ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。
【請求項４】
請求項３に記載の近接場光分布伝送素子において、
前記誘電体は、ガラス、ＳｉＯ２またはＡｌ２Ｏ３であり、
前記半導体は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮまたはＡｌＡｓである
ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。
【請求項５】
請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の近接場光分布伝送素子において、
前記所定の材料は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、ＮｉまたはＰｔである
ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。
【請求項６】
請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の近接場光分布伝送素子において、
前記微小ロッドを所定の間隙を開けて軸方向に複数連接した
ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。
【請求項７】
請求項６に記載の近接場光分布伝送素子において、
前記所定の間隙は、３０ｎｍ以下である
ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。
【請求項８】
請求項６または７のいずれか１項に記載の近接場光分布伝送素子において、
前記軸方向に複数連接した前記微小ロッドは、前記２次元平面に対する軸方向が異なる方向に延長した
ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場光分布伝送素子に関し、さらに詳細には、物質のイメージングを行う際に用いて好適な近接場光分布伝送素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光は、大気中を伝搬し、かつ、紫外から赤外まで幅広い帯域で物質情報を伝えることができ、また、電子顕微鏡や原子間力顕微鏡とは異なり、大気中や水中でも物質のイメージングが可能なプローブとして知られている。
【０００３】
こうした光を用いたイメージングは、例えば、生きた細胞のサブ波長レベルの観察を行うことを要求されるバイオサイエンスなどの分野においても、極めて重要な技術であると認識されている。
【０００４】
しかしながら、従来の光を用いたイメージングにおいては、光の波動性に起因する解像力の限界が存在するという問題点があった。即ち、光による像の解像は、光の回折現象のため高々波長オーダーのサイズ（数１００ｎｍ）が限界であった。
【０００５】
このように、通常の顕微鏡的手法では、波長オーダーを超える空間分解能を得ることは困難であり、特に、近接場光が関与する物体表面近傍に局在するフォトンが担うサブ波長オーダーの微細構造情報を画像化するためには、プローブ走査に時間を要する近接場顕微鏡（ＮＳＯＭ）が必要であった（非特許文献１参照）。
【０００６】
このＮＳＯＭは、あくまで近接場光分布のプローブ走査による画像化や分析を行うことを目的として開発されたものであり、こうした情報を伝送したり並列的な処理を加えたりするなどの用途に適するものではない。
【０００７】
つまり、サブ波長オーダーの微細構造情報を画像化するための装置としては、従来よりＮＳＯＭが用いられていたが、サブ波長の近接場画像を伝送する手法は提案されておらず、こうした手法の提案が強く望まれていた。
【０００８】
ところで、近年、厚さ数１０ｎｍの金属薄膜は超高解像度のレンズとして作用するという理論的提案がなされ（非特許文献２参照）、最近になって実験によりその有効性が確認されている（非特許文献３参照）。
【０００９】
しかしながら、上記した非特許文献２および非特許文献３に開示された手法は、厚さ数１０ｎｍ程度の極めて薄い金属膜を用いた像形成の手法であり、動作周波数や当該金属膜の膜厚条件などの制約が極めて厳しく、リソグラフィなどの実際の応用においては多くの技術的困難が存在するとともに、金属の損失による画像のぼけも避けらないという問題点があった。
【００１０】
一方、金属ナノワイヤを用いて電子の波として光波を伝送する手法も提案されているが（非特許文献４参照）、この手法においてもリソグラフィなどの実際の応用において多くの技術的困難が存在するという問題点が指摘されていた。
【非特許文献１】Ｓ．Ｋａｗａｔａ  ｅｔ  ａｌ．ｅｄ．”Ｎａｎｏ−Ｏｐｔｉｃｓ”，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  ｓｅｒｉｅｓ  ｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｃｉｅｎｃｅ（２００２）
【非特許文献２】Ｊ．Ｂ．Ｐｅｎｄｒｙ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８５，３９６６（２０００）
【非特許文献３】Ｎ．Ｆａｎｇ，ｅｔ  ａｌ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，３０８，５３４（２００５）
【非特許文献４】Ｊ．Ｔａｋａｈａｒａ，ｅｔ  ａｌ．Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２２，  ４７５  （１９９７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超解像近接場光をより自由度の高い波長条件下でより長距離伝送することができるようにした近接場光分布伝送素子を提供しようとするものである。
【００１２】
また、本発明の目的とするところは、単に像を等倍に伝送するのみならず、像を拡大して伝送することができるようにして、近接場画像の処理技術の向上を図ることができるようにした近接場光分布伝送素子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は、紫外から遠赤外にわたる電磁波域において、その波長と比較して非常に小さな径の微小ロッド（例えば、金属よりなるものであるが円柱形状に限らない。）を所望のパターン（例えば、正方的または六方稠密である。）に配列したアレイを形成し、当該微小ロッドの一方側の端面と結合する近接場光を数１０ｎｍから波長オーダー以上の長さの当該微小ロッドの他方側の端面に効率よく伝搬させるようにしたものである。
【００１４】
また、本発明は、微小ロッドを軸方向に分割して、微小ロッドを軸方向に複数連結したアレイ構造を形成し、短波長により長距離伝搬を可能にしたものである。
【００１５】
こうした本発明の伝送モードは共鳴を用いており、本発明によれば、超高解像度のイメージングや近接場光の２次元長距離光伝送を実現することができるものであり、近接場光分布を波長オーダー以上の長さの距離に伝送することができるようになる。
【００１６】
即ち、本発明は、光の回折による波長の限界を越えて、光を使いながらもナノサイズのイメージングを行うことが可能なものであり、従来とは全く異なる新規な原理に基づく手法を提供するものである。こうした本発明によれば、従来の手法では達成し得なかった伝搬距離における近接場像情報を伝送することができ、また、伝送した情報を記録することができるようになり、それによるパターニング応用や回折限界以下のサブ波長領域のイメージング、さらには微小ロッドを軸方向に複数連接する場合に、当該微小ロッドの配列が後段側が拡開するように配置することにより、伝搬した像を拡大することができるなどの作用効果が得られる。
【００１７】
換言すれば、本発明は、例えば、銀よりなる直径がナノメートルオーダーの円柱などの金属ナノ構造体よりなる微小ロッドの軸方向の電子の振動（局在プラズモン）を利用して、微小ロッドにより波長を遙かに下回る分解能の画像情報を伝送することができるものであり、ナノメートル領域での光の新しい応用技術開発への重要な貢献をなすものである。
【００１８】
なお、これまでナノマテリアルといえばカーボン系か半導体系あるいは有機分子材料に限られていたが、本発明により、金属ナノ構造体がナノマテリアルの有力な材料の１つであることが明らかになった。
【００１９】
以下、本発明の理解を容易にするためにその原理について説明するが、本発明は、光の波動性に起因する解像力の限界を超えて、ナノメートルオーダーの画像の伝送を行うことを可能にするものであって、例えば、銀よりなる直径がナノメートルオーダーの円柱を２次元的に並べた配列（以下、「２次元金属ナノ円柱配列」と適宜に称する。）を用いて、２次元金属ナノ円柱配列の軸方向の一方側の端部から他方側の端部へ波長の限界を越えて完全に情報を伝達することができるようにしたものである。
【００２０】
ここで、例えば、銀よりなる直径がナノメートルオーダーの円柱状の金属ナノ構造体に近接場光を入射すると、金属ナノ構造体の表面に局在表面プラズモンポラリトンが誘起される。近年、表面プラズモンポラリトンを利用したナノイメージング、ナノリソグラフィあるいはプラズモニック結晶などの研究が盛んに行われており、ナノプラズモニクスという新しい研究分野として注目されている。
【００２１】
即ち、ナノフォトニクスにおいて、光をナノメートルオーダーの領域に閉じこめるための有望な方法の一つに表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）の利用がある。表面プラズモンポラリトンは、金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）に代表される貴金属の内部における自由電子の集団的な振動現象であるプラズモンが、金属表面において外部の光と相互作用して表面に強く閉じこめられた状態で伝搬する波となったものである（図１参照）。もし金属が小さく閉じた形状、例えば、数〜数１０ｎｍの直径の球や円柱形状になると、この表面プラズモンポラリトンは容易に光と結合し、微小な領域に光を閉じこめることができる。これは局在表面プラズモンポラリトンと呼ばれ（図２参照）、その共鳴を介して特定の色の光を強く散乱し、ステンドグラスの発色などの原因となることが良く知られている。
【００２２】
本発明は、特に、直径がナノメートルオーダーの柱状体よりなる微小ロッド、例えば、金属よりなる直径がナノメートルオーダーの円柱状の微小ロッド（以下、「金属ナノ円柱微小ロッド」と適宜に称する。）における、この現象の近接場光との相互作用に着目したものである。
【００２３】
ここで、近接場光は、通常の光のように遠方に伝搬せず物体の表面にまとわりついた光であるといえる。光の波長を遙かに下回るサイズの物質の微細構造に関する情報を担っている。上記した金属ナノ円柱微小ロッドにおける局在表面プラズモンポラリトンの円柱軸方向の振動は、この近接場と特に強く相互作用するので、図３を参照しながら後述するように金属ナノ円柱微小ロッドを２次元あるいは３次元的に配列することにより、配列の一方の端面側における近接場光の分布を円柱軸に沿った共鳴的な電子振動（局在表面プラズモンポラリトン）に変換して他方の端面側に送ることで、一種の並列的なイメージング法が実現できるものである。本発明は、こうした原理に基づくものである。
【００２４】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、誘電率εｍが周囲媒質の誘電率εｄに対して「εｍ≦−εｄ」を満足する金属材料により略円柱形状で、その直径を入射される近接場光の波長の略１／２以下であるように形成された微小ロッドを、２次元平面に対して軸方向がそれぞれ所定の方向に延長するようにして、上記２次元平面上に互いに、上記微小ロッドから周囲にしみ出す電場が隣接する微小ロッドに結合しない距離たる所定の間隔を開けて複数立設するように配置し、上記複数立設するように配置した微小ロッドの一方の端部側へ近接場光を入射し、入射した上記近接場光について、上記近接場光を上記微小ロッドの軸方向に沿った共鳴的な電子振動（局在表面プラズモンポラリトン）に変換して上記微小ロッドの他方の端部へ伝送することにより、上記微小ロッドの他方の端部より上記近接場光の分布を得られるようにしたものである。
【００２８】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記微小ロッドの長さは、１０μｍ以下であるようにしたものである。
【００２９】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記周囲媒質は、「εｄ≧１」である誘電体または半導体であるようにしたものである。
【００３０】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記誘電体は、ガラス、ＳｉＯ２またはＡｌ２Ｏ３であり、上記半導体は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮまたはＡｌＡｓであるようにしたものである。
【００３１】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の発明において、上記所定の材料は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、ＮｉまたはＰｔであるようにしたものである。
【００３２】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記微小ロッドを所定の間隙を開けて軸方向に複数連接したものである。
【００３３】
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項６に記載の発明において、上記所定の間隙は、３０ｎｍ以下であるようにしたものである。
【００３４】
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項６または７のいずれか１項に記載の発明において、上記軸方向に複数連接した上記微小ロッドは、上記２次元平面に対する軸方向が異なる方向に延長したものである。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、超解像近接場をより自由度の高い波長条件下でより長距離伝送することを可能にした近接場光分布伝送素子を提供することができるという優れた効果が奏される。
【００３６】
また、本発明によれば、単に像を等倍に伝送するのみならず、像を拡大小して伝送することが可能になり、近接場画像の処理技術の向上を図ることのできる近接場光分布伝送素子を提供することができるという優れた効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による近接場光分布伝送素子の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００３８】
まず、図３には、本発明による近接場光分布伝送素子の第１の実施の形態の概念構成斜視説明図が示されている。
【００３９】
この近接場光分布伝送素子１０は、誘電率εｄが「εｄ≧１」である誘電体や半導体などの周囲媒質１２中に、直径ｄがナノメートルオーダー（例えば、２０ｎｍである。）であり、かつ、軸方向の長さ（Ｚ方向に沿う高さ）ｈがナノメートルオーダー（例えば、５０ｎｍである。）である銀（Ａｇ）よりなる中実の、例えば、円柱形状の微小ロッド１４を、ＸＹＺ直交座標系における２次元平面であるＸＹ平面に対して軸方向がそれぞれＺ方向に延長するようにして、ＸＹ平面上に互いに所定の間隔ｇ（間隔ｇは、微小ロッド１４の周囲にしみ出す電場が隣接する微小ロッド１４に結合しない距離である。例えば、周囲媒質１２の屈折率が１であり、直径ｄが２０ｎｍである場合には、間隔ｇは４０ｎｍ以上である。なお、この場合には、間隔ｇは、隣合う微小ロッド１４の中心から中心までの距離である。）を開けて複数立設するように配置して構成されている。
【００４０】
そして、これら複数立設するように配置した微小ロッド１４の一方の端部１４ａ側へ、近接場光を入射するように構成されている。
【００４１】
この図３に示す近接場光分布伝送素子１０は、上記した微小ロッド１４をＸＹ平面上に一層に配列化したものである。
【００４２】
以上の構成において、近接場光分布伝送素子１０においては、微小ロッド１４の一方の端部１４ａ側に近接場光が入射されると、微小ロッド１４の一方の端部１４ａ側から他方側の端部１４ｂへ、近接場光に含まれる情報を波長の限界を越えて伝達することができる。
【００４３】
ここで、本願発明者は、近接場光分布伝送素子１０の微小ロッド１４の直径ｄ、微小ロッド１４の長さｈ、間隔ｇおよび周囲媒質１２の屈折率などの素子パラメータや光源の周波数を変化させた際のイメージ伝送効率の関係について、３次元有限差分時間領域（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ：ＦＤＴＤ）法と呼ばれる数値計算シミュレーションを行った。
【００４４】
この３次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションにおいては、数１００ｎｍ立方のモデル空間を１ｎｍのメッシュに区切り、金属部分はＤｒｕｄｅモデルという自由電子金属を仮定して、実際の金や銀に近い条件で計算を行った。光源としては、入力側である一方の端部１４ａ近傍に微小ロッド１４の軸方向と同じ方向に振動する双極子振動子としてＺ−偏光双極子（Ｚ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｄｉｐｏｌｅｓ）を配置した。
【００４５】
以下、上記した３次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの結果について説明する。
【００４６】
まず、図４には、複数の微小ロッド１４たる複数の銀ロッド（Ａｇ  ｒｏｄｓ）の直径ｄが２０ｎｍであり、微小ロッド１４の長さｈが５０ｎｍであり、間隔ｇが４０ｎｍである近接場光分布伝送素子１０の数値計算シミュレーションの結果が示されている。
【００４７】
なお、図４において、（ａ）は近接場光分布伝送素子１０の構成を示している。また、図４において、（ａ）の下方には近接場光分布伝送素子１０に対する各面の位置関係の説明図が示されており、（ｂ）は近接場光分布を示す物体面（Ｏｂｊｅｃｔ  ｐｌａｎｅ）を示し、（ｃ）は微小ロッド１４の一方の端部１４ａに位置する面を示し、（ｄ）は微小ロッド１４の長さ方向の中間に位置する面を示し、（ｅ）は微小ロッド１４の他方の端部１４ｂに位置する面を示し、（ｆ）は像面（Ｉｍａｇｅ  ｐｌａｎｅ）を示し、（ｇ）は焦点はずし面（Ｏｕｔ  ｏｆ  ｆｏｃｕｓ）を示している。
【００４８】
この図４に示されているように、微小ロッド１４の一方の端部１４ａにおける近接場光の分布を微小ロッド１４の軸方向に沿った共鳴的な電子振動（局在表面プラズモンポラリトン）に変換して他方の端部１４ｂ側へ送ることで、並列的なイメージング法が実現されている。
【００４９】
次に、図５および図６には、微小ロッド１４の軸方向に沿った縦共振現象と諸特性に関するグラフが示されているが、様々なサイズの微小ロッド１４および微小ロッド１４の配列について数値シミュレーションを行ってその特性を調べたところ、微小ロッド１４の直径ｄと長さｈを決めると、それに対して局在プラズモンの電子振動が最も強く出力端である他方の端部１４ｂに現れる最適の周波数があった。
【００５０】
例えば、円柱形状の微小ロッド１４の直径ｄが２０ｎｍであり、微小ロッド１４の長さｈが５０ｎｍであり、間隔ｇが４０ｎｍである近接場光分布伝送素子１０では、波長５００ｎｍの緑色の光と強く共鳴し、図５に示したように、近接場光分布伝送素子１０の微小ロッド１４の出力側の端部１４ｂに強いホットスポット（図５のイメージ図において白色で示された領域である。なお、こうしたホットスポットは、他の図においても同様に白色で示す。）を生じさせ、横方向への漏れが殆ど生じない。
【００５１】
また、光源の双極子振動子と微小ロッド１４の端部１４ａとの間の距離を変化させたところ、光源と微小ロッド１４との結合に強い距離依存性があった（図６参照）。このことは、近接場光分布伝送素子１０が近接場光と極めて強い相互作用を持つことを示している。
【００５２】
上記のようにして、様々なサイズの微小ロッド１４およびその配列について、数値シミュレーションを行ってその特性を求めたところ、微小ロッド１４の直径ｄと長さｈを決めると、それに対して局在プラズモンの電子振動が最も強く出力端に現れる最適の周波数があることがわかった。
【００５３】
これらの結果から、近接場光分布伝送素子１０において適切な光源波長を選べば、近接場光の情報を高い空間分解能で効率よく、近接場光分布伝送素子１０の入力側たる端部１４ａ側から出力側たる端部１４ｂ端へ伝送できるものである。
【００５４】
また、上記の設計パラメータでの伝送されるイメージの空間分解能は、微小ロッドを配置するピッチたる間隔ｇに依存して決定され、円柱形状の微小ロッド１４の直径ｄが２０ｎｍであり、微小ロッド１４の長さｈが５０ｎｍであり、間隔ｇが４０ｎｍである近接場光分布伝送素子１０では４０ｎｍとなる。
【００５５】
ここで、長さｈがより長い微小ロッド１４を用いてイメージ伝送する際には、その長さに依存したより高い共鳴モードに対応する波長成分を使うことにより、微小ロッド１４の長さｈ分だけイメージ伝送を行うことが可能である。
【００５６】
さらに、近接場光分布伝送素子１０の出力側の端部１４ｂに蛍光色素や半導体ナノ粒子を配置することにより、出力画像を伝搬光に変換することもできる。
【００５７】
以上において説明したように、近接場光分布伝送素子１０は、新規なプラズモニック構造としてナノメートルオーダーの銀などの金属により形成された微小ロッド１４のアレイを用いるようにしたものであり、アレイの入力面に置かれた回折限界以下の近接場２次元パターンが微小ロッド１４の配列、即ち、プラズモニックナノロッドアレイを介してぼけることなく出力端に転写されるものであり、このことは３次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションにより示された。
【００５８】
この超解像イメージングのメカニズムには、上記した微小ロッド１４固有の局在プラズモン共鳴が寄与しているものであり、そのため共鳴波長により像を高効率に伝送することができるものである。
【００５９】
次に、本発明による近接場光分布伝送素子の第２の実施の形態について説明する。まず、図７には、本発明による近接場光分布伝送素子の第２の実施の形態の概念構成斜視説明図が示されており、この近接場光分布伝送素子１００は、微小ロッド１４を所定の間隙ｇａｐを開けて軸方向に複数（図７に示す構造においては２個である。）連接した積層構造を備えている点において、上記した第１の実施の形態による近接場光分布伝送素子１０とは異なる。
【００６０】
図８には、微小ロッド１４たる銀ロッドの直径ｄが２０ｎｍであり、微小ロッド１４の長さｈが５０ｎｍであり、間隔ｇが４０ｎｍであって、間隙ｇａｐを２〜３０ｎｍに変化させた近接場光分布伝送素子１００の３次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの結果が示されている。
【００６１】
ここで、図８（ａ）には、この数値計算シミュレーションにおいて用いた近接場光分布伝送素子１００の構成を示すものであり、間隙ｇａｐを開けて長さｈが５０ｎｍの３個の微小ロッド１４が軸方向に沿って連接された積層構造を備えている。
【００６２】
こうした長さｈが５０ｎｍの３個の微小ロッド１４が軸方向に沿って連接した近接場光分布伝送素子１００によれば、長さｈが１５０ｎｍの微小ロッド１４を用いた場合の最適動作波長が１０９４．８５ｎｍであるのに対し（図８（ｂ）参照）、動作波長が５２８．３２ｎｍとなり短波長化することができる（図８（ｃ）参照）。また、出力側端部における強度についても、近接場光分布伝送素子１００の方が大きくなる（図８（ｂ）（ｃ）参照）。
【００６３】
なお、図８（ｄ）には、間隙ｇａｐを変化させた場合のｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ（なお、ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅとは、伝送透過率（デシベル）を意味する。）およびＭａｘＦｒｅｑ＠ＩＰ（なお、ＭａｘＦｒｅｑ＠ＩＰとは、像面における最適伝送周波数を意味する。）の変化を示すグラフが表されている。
【００６４】
そして、図９には、長さｈが５０ｎｍの２個の微小ロッド１４が軸方向に沿って連接した近接場光分布伝送素子１００について、間隙ｇａｐを５ｎｍ、１０ｎｍおよび２０ｎｍと変化させた場合のイメージ図が示されている。なお、微小ロッド１４は、直径ｄが２０ｎｍの銀ロッドであり、間隔ｇは４０ｎｍとした。
【００６５】
この図９に示す例においては、間隙ｇａｐを１０ｎｍのときが最もよく近接場光を伝送していることが示されている。
【００６６】
なお、図１０には、図９に示す例に用いた微小ロッド１４を軸方向に沿って１０個連接した近接場光分布伝送素子１００の数値計算シミュレーション結果のイメージ図が示されている。
【００６７】
このように、微小ロッド１４を軸方向に沿って１０個連接した近接場光分布伝送素子１００においても、近接場光の伝送が可能であることが示されている。
【００６８】
即ち、複数の微小ロッド１４を単層に配列したのみでは、伝送長ならびに光源波長の自由度が制限されることになるが、微小ロッド１４を軸方向に積層するように構成すると、２次元近接場をより長距離伝送することが可能となり、また、波長オーダーの距離でのイメージ伝送を行うことができるようになる。
【００６９】
即ち、微小ロッド１４を軸方向に積層するように構成することにより、長いロッドが持つ長波長かつ高次モードの局在プラズモン共鳴を誘起することなく、可視光領域で波長オーダーの長距離光伝送が可能になる。その結果、近接場光分布伝送素子１００によれば、同一の距離を伝送するに際して、その伝送効率は微小ロッド１４を単層に形成した場合（近接場光分布伝送素子１０を参照する。）と比較して３倍向上し、積層間距離である間隙ｇａｐを制御することで、伝送光周波数を容易に選択できることができるようになる。
【００７０】
次に、図１１には、伝送する像の倍率を拡大するための構成が示されている。即ち、微小ロッド１４を間隙ｇａｐを開けて積層する際に、近接場光分布伝送素子１００を構成する複数の微小ロッド１４の束の外径方向へ出力側の端部が向くように微小ロッド１４を積層すると、伝送する像の倍率を拡大して伝送することができる。
【００７１】
また、上記したように、出力側の端部に蛍光色素や量子ドットを形成しておくと、伝搬光へ変換することができる。
【００７２】
ここで、図１２には、近接場光分布伝送素子１０および近接場光分布伝送素子１００の特性を制御するための各パラメータの設定範囲と特性に関する図表が示されている。
【００７３】
即ち、微小ロッド１４の直径ｄについては、その最小値はナノメーターオーダーであり、その最大値は使用波長の１／２程度の範囲である。なお、微小ロッド１４の直径ｄが大きくなると、共鳴波長は短波長側へシフトする。
【００７４】
また、隣り合う微小ロッド１４同士の間隔ｇは、１本の微小ロッド１４の周囲にしみ出す電場が隣接する微小ロッド１４に結合しない距離である。この距離は周囲媒質１２の屈折率により変化し、屈折率が大きくなるほど当該距離である許容間隔は小さくなる。例えば、周囲媒質１２の屈折率が１であり、微小ロッド１４の直径が２０ｎｍである場合には、当該距離（許容間隔）は４０ｎｍ以上である。
【００７５】
次に、微小ロッド１４の長さｈであるが、当該長さｈは、例えば、数ｎｍ以上であり、原理的な限界は使用波長との兼ね合いで決まる。なお、単一のロッドについては、１０μｍ程度まで報告がある（「Ｒ．Ｍ．Ｄｉｃｋｓｏｎ  ａｎｄ  Ｌ．Ａ．Ｌｙｏｎ，  Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ  １０４，  ６０９５  （２０００）．」参照  ）。
【００７６】
また、微小ロッド１４のアスペクト比（長さｈ／直径ｄ）と共鳴波長との間には図１３に例示する線形関係があり、周囲媒質１２の屈折率を含めて、近接場光分布伝送素子１０および近接場光分布伝送素子１００を設計する際の自由度は大きい（「Ｊ．Ｒ．Ｋｒｅｎｎ，  Ｇ．ｓｃｈｉｄｅｒ，  Ｗ．Ｒｅｃｈｂｅｒｇｅｒ，  Ｂ．Ｌａｍｐｒｅｃｈｔ，  Ａ．Ｌｅｉｔｎｅｒ，  Ｆ．Ｒ．Ａｕｓｓｅｎｅｇｇ，ａｎｄ  Ｊ．Ｃ．Ｗｅｅｂｅｒ，  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．  ７７，  ３３７９  （２０００）．」参照）。
【００７７】
さらに、微小ロッド１４の材質については、微小ロッド１４の誘電率εｍが、
εｍ≦−εｄ（εｄ：周囲媒質１２の誘電率）
を満足する導電体である。具体的には、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、ＮｉあるいはＰｔなどである。
【００７８】
また、周囲媒質１２の材料は、誘電率εｄが、
εｄ≧１
の誘電体や半導体である。具体的には、誘電体としてはガラス、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などが用いられ、半導体としてはＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮあるいはＡｌＡｓなどが用いられる。なお、屈折率ｎについては、
ｎ＝√εｄ
が大きいと、共鳴波長は長波長側へシフトする。
【００７９】
次に、動作波長については、使用する微小ロッド１４の材料で決まるプラズモンの励起波長λｐ以上の波長が必要である。具体的には、Ａｕで３９０ｎｍ程度であり、Ａｇで３６０ｎｍ程度である。なお、その限界波長以上では任意の波長で伝送は生じるが、上記のように設定すると共鳴波長で効率が高い。
【００８０】
間隙ｇａｐを開けて複数の微小ロッド１４を軸方向に連接して積層する場合には、間隙ｇａｐは３０ｎｍ以下である。なお、間隙ｇａｐが０に近づくに従って、連続した長い単一の微小ロッド１４の共鳴条件に収斂され、間隙ｇａｐが大きくなるに従って、短波長側にシフトして短い単一の微小ロッド１４の共鳴条件に収斂される（図１４参照）。
【００８１】
なお、上記した近接場光分布伝送素子１０および近接場光分布伝送素子１００は、例えば、近年発展の著しい自己組織化的な化学処理により得られるナノホール配列形成のテクニックや通常の半導体プロセスにより比較的容易に作成できるものであり、具体的には、従来より周知の陽極酸化アルミナのホール配列形成による金属ロッドテンプレート法、金属との誘電体との交互電気メッキ法、反転転写法あるいは２光子吸収レーザーアブレーションによるホール形成によるテンプレート作成法などを用いて作製することができる。
【００８２】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）〜（４）に示すように変形することができるものである。
【００８３】
（１）上記した実施の形態においては、伝送用ロッドとして中実の金属ロッドを用いたが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、図１２を参照しながら説明した材料であれば金属以外の材料を用いてもよく、こうした材料によって中実なロッドを形成して微小ロッド１４として用いてもよい。
【００８４】
（２）上記した実施の形態においては、伝送用ロッドとして中実の金属ロッドを用いたが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、図１２を参照しながら説明した材料でないガラス材料や樹脂材料の表面に、図１２を参照しながら説明した材料をコーティングして微小ロッド１４として用いてもよく、あるいは、図１２を参照しながら説明した材料を上面と下面とが閉塞された中空な筒状に成型して微小ロッド１４として用いてもよい。
【００８５】
（３）上記した実施の形態においては、微小ロッド１４は円柱状の形状を備えるものとしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、三角柱状、四角柱状あるいは五角以上の多角柱状の形状を備えるようにしてもよい。
【００８６】
（４）上記した実施の形態ならびに上記した（１）〜（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、集積回路製造におけるリソグラフィー、新素材の開発あるいはバイオサイエンス研究などに利用することができる。より詳細には、本発明は、新世代ナノリソグラフィや新しいバイオイメージングなどナノ領域での画像伝送用のデバイスへ利用することができる。また、単なるイメージング応用にとどまらず、従来の微小光学デバイスと電子デバイスの新しいナノインターフェースや、極めてコンパクトなプラズモン波の干渉デバイスなどへも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】図１は、表面プラズモンポラリトンの説明図である。
【図２】図２は、局在表面プラズモンポラリトンの説明図である。
【図３】図３は、本発明による近接場光分布伝送素子の第１の実施の形態の概念構成斜視説明図である。
【図４】図４は、本発明による近接場光分布伝送素子の３次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの説明図である。
【図５】図５は、本発明による近接場光分布伝送素子の３次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの説明図である。
【図６】図６は、本発明による近接場光分布伝送素子の３次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの説明図である。
【図７】図７は、本発明による近接場光分布伝送素子の第２の実施の形態の概念構成斜視説明図である。
【図８】図８は、本発明による近接場光分布伝送素子の３次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの説明図である。
【図９】図９は、本発明による近接場光分布伝送素子の３次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの説明図である。
【図１０】図１０は、本発明による近接場光分布伝送素子の３次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの説明図である。
【図１１】図１１は、本発明による近接場光分布伝送素子の第２の実施の形態の変形例の概念構成斜視説明図である。
【図１２】図１２は、本発明による近接場光分布伝送素子の特性を制御するための各パラメータの設定範囲と特性との関連性を示す図表である。
【図１３】図１３は、微小ロッドのアスペクト比（長さ／直径）と共鳴波長との間の関係を示すグラフである。
【図１４】図１４は、微小ロッドを積層する際の間隙ｇａｐと共鳴周波数との間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８９】
１０        近接場光分布伝送素子
１２        周囲媒質
１４        微小ロッド
１４ａ      端部
１４ｂ      端部
１００      近接場光分布伝送素子
【図１】
0004847123.tif 000002
【図２】
0004847123.tif 000003
【図３】
0004847123.tif 000004
【図７】
0004847123.tif 000005
【図１１】
0004847123.tif 000006
【図１２】
0004847123.tif 000007
【図４】
0004847123.tif 000008
【図５】
0004847123.tif 000009
【図６】
0004847123.tif 000010
【図８】
0004847123.tif 000011
【図９】
0004847123.tif 000012
【図１０】
0004847123.tif 000013
【図１３】
0004847123.tif 000014
【図１４】
0004847123.tif 000015