(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長を有する光を、互いに直交する第２方向及び第３方向と直交する第１方向に沿って伝搬可能な光導波路を有する装置本体であって、前記光は前記第２方向に偏光し、前記光導波路は前記光の導出を許容する出口を有し、その出口は、前記第２方向に関する幅が前記光の波長よりも小さな幅狭部を有することと、
前記光導波路を画定する画定面であって、その画定面は前記第２方向において互いに対向する一対の対向面部分を含み、それら対向面部分は、少なくとも前記幅狭部に対応する部分においてプラズモン活性物質により形成されることと、
前記装置本体に設けられる略錐状をなす凸部であって、前記出口は、前記幅狭部の少なくとも一部が前記凸部の先端に位置するように前記凸部において開口し、前記出口は前記第２方向において互いに対向する一対の開口縁を有し、それら開口縁は、前記凸部の先端に対応する部位において、前記第１方向に関して前記光の波長よりも小さな距離だけずれていることとを備え、
前記凸部は、前記出口を挟んで対向する一対の凸片を含み、両凸片の先端が、前記開口縁における前記凸部の先端に対応する部位となるとともに、前記第１方向に関して前記光の波長よりも小さな距離だけずれている光導波装置。
【請求項２】
前記出口は、前記第２方向に関する幅が前記幅狭部よりも大きい幅広部を有し、前記幅狭部及び前記幅広部は前記第３方向に沿って連続している請求項１に記載の光導波装置。
【請求項３】
前記出口は、前記第２方向に関する幅が前記幅狭部よりも大きい一対の幅広部を有し、前記幅狭部は、前記第３方向に関して両幅広部の間に位置する請求項１に記載の光導波装置。
【請求項４】
前記両幅狭部の幅は前記光の波長の１／２より小さく、
前記第３方向に関する前記出口の寸法は所定値よりも大きく、当該所定値は、前記光導波路を光が伝搬するときに前記幅狭部で発生する表面プラズモンの位相速度を前記光の真空中での速度で除算し、さらに前記光の波長の１／２を乗じて得られる値である請求項１〜３の何れか一項に記載の光導波装置。
【請求項５】
前記プラズモン活性媒質は、負数の実数部を持つ比誘電率を有する誘電体媒質である請求項１〜４の何れか一項に記載の光導波装置。
【請求項６】
前記両対向面部分の間の間隔は、前記第１方向に直交する任意の断面で一定である請求項１〜５の何れか一項に記載の光導波装置。
【請求項７】
前記画定面全体がプラズモン活性物質により構成されている請求項１〜６の何れか一項に記載の光導波装置。
【請求項８】
前記両凸片のうちの一方の先端は前記第１方向に向かって尖っており、他方の凸片の先端は前記第１方向に垂直な平面をなす請求項１〜７の何れか一項に記載の光導波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば走査近接場光学顕微鏡や光情報記録装置等において使用された場合に好適な光導波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光の波長（可視光：０．４〜０．８ミクロン）よりも微小な領域における光学的処理を可能にする技術として、近接場光（光の波長よりも短い距離の領域にのみ届く光）を利用した技術が注目を浴びている。例えば、走査近接場光学顕微鏡の分野では、特許文献１に記載されるような、光の波長よりも小さな微小開口を先端に有する光プローブが光導波装置として用いられている。そして、試料表面の微小な領域を観察する際には、前記光プローブの微小開口を、観察対象たる前記微小な領域に近接配置し、微小開口の表面近傍に滲み出す光の場（近接場）を試料表面に接触させるようにしている。
【０００３】
そして、この近接場と結合した試料表面の前記微小な領域のみが前記光（近接場光）により照射されるようにし、その照射による試料からの反射光、散乱光、又は透過光を検出することにより、前記微小な領域を局所的に観察評価するようにしている。従って、このような光導波装置の一種である光プローブに関しては、例えばＣＤ等の光記録媒体における記録ビットの微小化要請や、サブミクロンの微細加工を行う半導体製造プロセスの評価などに寄与すべく、従来から、種々の光プローブが光導波装置として提案されている。
【０００４】
因みに、特許文献１に記載の光プローブのように、プローブの先端に微小開口が形成され、当該微小開口を通じて試料表面を照射したり、当該微小開口を通じて試料からの反射光等を検出する光プローブのことを開口プローブという。その一方、金属針等のようにプローブの先端を曲率半径の非常に小さな尖端になるように形成し、当該プローブの先端を、全反射条件下で試料表面を照射したことにより生じた近接場光領域に挿入することで、その挿入の際の散乱光を他の検出用光プローブによって検出するようにした光プローブのことを非開口プローブという。
【０００５】
ところで、開口プローブの微小開口は光の波長よりも小さいため、近接場光の光強度は非常に微弱なものとならざるを得ない。例えば、近接場光の照射と、試料から得られる光の集光とが同じ開口を通じて行われるイルミネーションモードの場合には、開口プローブの微小開口から滲み出す近接場光の光強度は、開口プローブに導入された光の光強度の約１／１０００程度という非常に微弱なものとなってしまう。従って、例えば光情報記録装置等における高速書き込みや読み出しには、光量不足となって支障を来すおそれがある。このため、開口プローブを実用する際には、前記微小開口から滲み出す近接場光の光強度を増強させる必要がある。
【０００６】
しかし、近接場光の光強度を増強するために光源を強くするとコストの増大につながってしまう。一方、先端開口を大きくすると、この開口から滲み出す光の広がりが増大して解像度が低下してしまう。つまり、いずれの場合にも、開口プローブを使用する際の支障を良好には回避できない。一方、非開口プローブの解像度（分解能）は開口プローブよりは向上できる。しかし、実際に非開口プローブの先端を近接場光領域に挿入すると、散乱光はプローブの先端で生じるのみならず、プローブの先端以外の部分でも生じてしまう。よって、非開口プローブのＳ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）は開口プローブの場合よりも悪くなり、検出感度を低下させるおそれがある。さらに、非開口プローブを使用する際には、検出用の光プローブを更に別途用意しなければならず、コスト高になる。
【特許文献１】特開２００２−２２１４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、光導波路を介して伝搬される光の光強度を、その光の広がりの増大を招くことなく、良好なＳ／Ｎ比を維持しつつ、低コストで増強することができる光導波装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は光導波装置を提供する。該装置は、所定の波長を有する光を第１方向に沿って伝搬可能な光導波路を有する装置本体を備える。第１方向は、互いに直交する第２方向及び第３方向に直交する。前記光は前記第２方向に偏光する。前記光導波路は前記光の導出を許容する出口を有する。その出口は、前記第２方向に関する幅が前記光の波長よりも小さな幅狭部を有する。前記光導波路を画定する画定面は、前記第２方向において互いに対向する一対の対向面部分を含む。それら対向面部分は、少なくとも前記幅狭部に対応する部分においてプラズモン活性物質により形成される。前記装置本体には、略錐状をなす凸部が設けられる。前記出口は、前記幅狭部の少なくとも一部が前記凸部の先端に位置するように前記凸部において開口する。前記出口は前記第２方向において互いに対向する一対の開口縁を有する。それら開口縁は、前記凸部の先端に対応する部位において、前記第１方向に関して前記光の波長よりも小さな距離だけずれている。前記凸部は、前記出口を挟んで対向する一対の凸片を含み、両凸片の先端が前記開口縁における前記凸部の先端に対応する部位となるとともに、前記第１方向に関して前記光の波長よりも小さな距離だけずれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を光導波装置の一種である光プローブに具体化した第１の実施形態を図１〜図８に従って説明する。図１に示すように、本実施形態に係る光導波装置（光プローブ）１１は、正面視矩形状をなす金属製の装置本体１２を備えている。装置本体１２の表面部１２ａには、略錐状（本実施形態では略四角錐状）をなす凸部１３が隆起形成されている。前記装置本体１２及び凸部１３は、比誘電率の実数部が負の値となる誘電体媒質、即ち、負誘電体媒質（プラズモン活性媒質）により構成されている。なお、本実施形態では、伝搬される光の波長、つまり所定の波長が４８８ｎｍである場合を例示するものとし（以下において同じ）、その一例として、比誘電率の実数部の値がマイナス７．３８になる銀（Ａｇ）にて前記装置本体１２及び凸部１３を構成している。ちなみに、誘電体媒質の比誘電率は、真空の誘電率に対する当該媒質の誘電率の比として表される。
【００１０】
また、図１及び図３（ａ）（ｂ）に示すように、前記凸部１３の先端は前記表面部１２ａのほぼ中央に位置するように形成されており、当該凸部１３と対応する前記装置本体１２の部分には、当該装置本体１２の厚さ方向（第１方向としてのＺ方向）に延びるように、前記所定の波長を有する光を伝搬するための光導波路１４が装置本体１２の裏面から凸部１３の表面まで貫通形成されている。装置本体１２の内表面は、光導波路１４を画定する画定面５５として機能する。光導波路１４の基端開口となる裏面開口１５には、図示しない光源に接続された光ファイバＦが光源からの光を光導波路１４内へ入射可能に接続されている。なお、この光ファイバＦは、高屈折率媒質をコア４２（図１２（ｅ）参照）とし、低屈折率媒質をクラッド４３とする光閉じ込め型の導波路構造を有する公知のものである。コア先端４２ａ（図１２（ｅ）参照）は、前記光導波路１４の裏面開口１５に光伝搬可能に接続されている。前記光導波路１４の長さは、光導波路１４内を伝搬される光の波長の少なくとも１／４程度以上であることが、当該光導波路１４の画定面５５に表面プラズモンを発生させる上で好ましい。
【００１１】
一方、前記装置本体１２の表面のうち前記凸部１３の表面には、互いに向き合う一対の内面間の寸法としての内面幅寸法（Ｘ方向の寸法）の大きさが光の波長よりも小さな微小開口１６が前記光導波路１４の先端開口（端部開口）として形成されている。この微小開口１６は光導波路１４の出口であり、光導波路１４を伝搬された光の導出を許容する。そして、この微小開口１６については、光導波路１４を介して伝搬される光の伝搬方向（図１及び図２においてＺ方向である第１方向）に直交する断面の形状（微小開口１６では、その開口形状）が、以下に説明するような特徴的な形状である。
【００１２】
即ち、この微小開口１６は、図１及び図２に示すように、前記表面部１２ａのほぼ中央に位置する幅狭部１７と、当該幅狭部１７よりも内面幅寸法の大きい２つの幅広部１８とが交互に連続した開口形状に形成されている。つまり、当該微小開口１６において、前記幅狭部１７と幅広部１８は、前記光導波路１４を介して伝搬される光の偏光方向（図１及び図２においてＸ方向である第２方向）を幅方向とした場合、その幅方向と直交する方向（図１及び図２においてＹ方向である第３方向）へ、交互に連続して繋がった形状となるように構成されている。幅狭部１７は、Ｙ方向（第３方向）に関して両幅広部１８の間に位置する。なお、前記微小開口１６の大きさは、装置本体１２（及びその表面部１２ａ）の大きさとの対比において実際にはごく小さなものであるが、図１等においては微小開口１６の特徴的な開口形状を容易に理解ならしめるため、微小開口１６は実際よりは誇張して図示されている。
【００１３】
また、前記微小開口１６における前記幅狭部１７の内面幅寸法ａｘ（図２参照）は、光導波路１４を伝搬される光の波長（本実施形態では、４８８ｎｍ）よりも小さな値に設定されている。本実施形態では、当該光の波長の１／２よりも小さな値（一例として、１６ｎｍ）に、前記内面幅寸法ａｘを設定している。換言すれば、光導波路１４の内表面としての画定面５５は、幅狭部１７に対応する部分である一対の対向面部分１９を含み、両対向面部分１９の間の間隔（Ｘ方向の間隔）は内面幅寸法ａｘである。光導波路１４の画定面５５のうち少なくとも両対向面部分１９は、プラズモン活性物質（Ａｇ）により形成されている。本実施形態では、光導波路１４の画定面５５全体がＡｇにより形成されている。前記内面幅寸法ａｘに関して、このような条件を設定する理由は、光導波路１４の画定面５５（特に、画定面５５のうち幅狭部１７において幅方向（第２方向としてのＸ方向）で互いに対向する一対の対向面部分１９）に表面プラズモンという光波（電磁波）が発生したときに、その電界を強くすると共に、その位相速度を遅くさせて幅狭部１７に光が集束するようにするためである。なお、表面プラズモンに関しては、一般に、表面プラズモンポラリトンとも呼ばれるが、本明細書中では、表面プラズモンと記載することにする。
また、前記微小開口１６は、前記幅狭部１７と幅広部１８が連続する方向（図１，図２のＹ方向）における当該微小開口１６の形状寸法Ｌ（図２参照）が一例として８３５ｎｍに設定されている。なお、この形状寸法Ｌに関しては、前記幅狭部１７で発生する表面プラズモンの位相速度を前記伝搬光の真空中の速度で除した値に前記伝搬光の波長の１／２を乗じて得られる値（以下、「形状寸法計算値」という。）よりも大きな値に設定されるものである。前記形状寸法Ｌに関してこのような条件を設定する理由は、前記幅狭部１７の内面幅寸法ａｘを伝搬光の波長の１／２よりも小さな値に設定した場合において前記形状寸法Ｌが前記形状寸法計算値よりも小さいと、当該伝搬光が前記微小開口１６を通過できなくなることがあるからである。なお、前記微小開口１６における画定面５５のその他の部位の各寸法（図２参照）に関しては、伝搬光の波長との関係において、特段の条件は設定されていない。ちなみに、本実施形態では、一例として、幅狭部１７の内面長さ寸法ａｙ（Ｙ方向寸法）を３１ｎｍに、各幅広部１８の内面幅寸法ｂｘを４７ｎｍに、各幅広部１８の内面長さ寸法ｂｙを４０２ｎｍに設定している。
【００１４】
本実施形態において、前記光導波路１４は、図３（ａ）（ｂ）からも理解されるように、当該光導波路１４の全体に亘り、光伝搬方向に直交する断面の形状が前記微小開口１６の開口形状と同一となるように形成されている。例えば、両対向面部分１９の間の間隔ａｘは、Ｘ方向（第１方向）に直交する任意の断面で一定である。従って、前記光導波路１４は、幅狭部１７における前記対向面部分１９を含む光導波路１４の内表面全体（画定面５５全体）が銀（Ａｇ）にて構成されると共に、その内表面全体に亘り前記幅狭部１７が前記微小開口１６から裏面開口１５まで連続形成されていることになる。
【００１５】
微小開口１６は、幅狭部１７の少なくとも一部が凸部１３の先端に位置するように凸部１３において開口する。前記凸部１３は、前記光導波路１４を間に挟んで互いに対向する第１凸片（図２における左側凸片）１３ａと、第２凸片（図２における右側凸片）１３ｂとを含む。微小開口１６は、Ｘ方向（第２方向）において互いに対向するように第１凸片１３ａに形成される開口縁５３と、第２凸片１３ｂに形成される開口縁５４とを有する。第１凸片１３ａの先端５１と第２凸片１３ｂの先端５２とは、それぞれ開口縁５３，５４のうち凸部１３の先端に対応する部位に相当する。第１凸片１３ａの先端５１は、第２凸片１３ｂの先端５２よりも図２におけるＺ方向の手前側に位置する。即ち、前記第１凸片１３ａの先端５１と第２凸片１３ｂの先端５２とは、光導波路１４内における光伝搬方向（第１方向としてのＺ方向）において互いに位置ずれするように形成されている。当該位置ずれ量（距離）は、光の波長（前記所定の波長）よりも小さな値の距離とされている（図３参照）。なお、本実施形態では、第１凸片１３ａの先端５１は、第２凸片１３ｂの先端５２よりも光伝搬方向（図２におけるＺ方向、つまり第１方向）に突出する。第１凸片１３ａの先端５１はＺ方向に向かって尖っており、第２凸片１３ｂの先端５２はＺ方向に垂直な平面をなす。
【００１６】
次に、本実施形態に係る光導波装置１１の作用について説明する。なお、以下の説明では、光導波装置１１の光導波路１４内に裏面開口１５から所定の波長の光を入射して、先端開口である微小開口１６からスポット光を滲み出させる場合、具体的には、近接場光の照射と試料からの集光とが同じ開口を通じて行われるイルミネーションモードの場合を例にして説明するものとする。また、光導波路１４内に入射される所定の波長の光については、前述したように波長が４８８ｎｍで、偏光方向が図１及び図２でＸ方向（第２方向）となる直線偏光の平面波とした場合を例にして説明するものとする。
【００１７】
さて、光ファイバＦを介して前記所定の波長の光が装置本体１２の光導波路１４内に入射されると、当該光導波路１４内では次のような現象が発生する。即ち、光導波路１４が貫通形成された装置本体１２は、比誘電率の実数部の値がマイナス７．３８の銀（Ａｇ）、つまり、負誘電体媒質により構成されていた。そのため、この装置本体１２は、光波領域において、導体というよりはプラズモン活性媒質として振る舞うことになる。従って、光導波路１４の画定面５５では、表面電荷の誘起に伴い電荷の振動が起き、伝搬方向が当該画定面５５に沿う方向（図２のＺ方向である第１方向）になる表面プラズモンという光波（電磁波）が発生する。
【００１８】
この表面プラズモンは、前記光導波路１４の画定面５５と当該光導波路１４内に満ちている空気（誘電体）との界面Ｓ（図４参照）に垂直な方向には伝搬しない表面波である。そのため、この表面プラズモンが発生すると、光導波路１４内では、主に前記界面Ｓに平行な（即ち、幅狭部１７では図１及び図２で主にＹ方向（第３方向）成分をもつ）磁界が発生する一方、この磁界と直交するように、主に前記界面Ｓに垂直な（即ち、幅狭部１７では図１及び図２で主にＸ方向（第２方向）成分をもつ）電界が発生する。
【００１９】
ここで、一般に、負誘電体媒質における表面プラズモンの電界強度は、その表面（即ち、界面Ｓ）から離れるにつれて指数関数的に減衰するということが知られている。しかし、本実施形態の場合には、光導波路１４の画定面５５のうち、幅狭部１７では、幅方向で対向する対向面部分１９の内面幅寸法ａｘが１６ｎｍという微小な間隔に設定されている。そのため、図４に示すように、幅狭部１７では互いに対向する両界面Ｓにおいて各々発生した表面プラズモンの電界同士が結合（足し合わせ）することになる。従って、この電界同士の結合により、光導波路１４内において表面プラズモンの電界強度は幅狭部１７の部分で非常に強くなる。これは、前記幅狭部１７の部分において、所謂、表面プラズモン増強ラマン散乱と同様の現象が起きているからと考えられる。その結果、光導波路１４内において特に前記幅狭部１７の部分を含む表面プラズモンの電界同士の結合が起きている部分では、当該光導波路１４を介して伝搬される光の光強度が増強される。なお、図４において符号ｅは電界の強度分布を示すものである。
【００２０】
ところで、前記第１凸片１３ａの先端５１は、前記第２凸片１３ｂの先端５２より光伝搬方向に延びている。そのため、前記表面プラズモンの電界強度は、凸部１３の先端５１近傍において、第１凸片１３ａの対向面部分１９で最も強くなり、第１凸片１３ａの対向面部分１９から離れるにつれて指数関数的に減衰する（図４参照）。その結果、凸部１３の先端５１近傍において第１凸片１３ａに近接する領域では、光導波路１４を介して伝搬される光の光強度が増強される。
【００２１】
また、例えば走査近接場光学顕微鏡における解像力を高めるため、あるいは、光情報記録装置において記録密度を上げるためには、光導波路１４の先端開口である微小開口１６から滲み出る光の広がり分布の大きさを小さくすることが必要である。そこで、前記表面プラズモンの図１及び図２におけるＺ方向への位相速度の大きさと、光導波路１４における前記幅狭部１７の内面幅寸法ａｘの大きさとの関係において検討してみると、図５に示すような結果が得られた。
【００２２】
即ち、図５において、横軸は、光導波路１４（微小開口１６）における幅狭部１７の内面幅寸法ａｘの大きさを表しており、その目盛り数値はナノメータ（ｎｍ）単位である。また、縦軸は、前記幅狭部１７を通過する表面プラズモンの位相速度ｖｚの光速Ｃに対する比率としての速度比率（ｖｚ／Ｃ）を表しており、縦軸の目盛り数値は、伝搬光の真空中の速度（光速Ｃ）を「１」とした場合における速度比率（ｖｚ／Ｃ）の値を示している。従って、縦軸における速度比率（ｖｚ／Ｃ）の目盛り数値が小さくなればなるほど、表面プラズモンの位相速度ｖｚが遅くなることを意味する。
【００２３】
なお、図５において、各黒丸印は、伝搬光の波長λが４８８ｎｍで、比誘電率の実数部の値がマイナス７．３８の銀（Ａｇ）により光導波路１４の画定面５５全体を構成した場合（本実施形態の場合）における、前記幅狭部１７の内面幅寸法ａｘと表面プラズモンの位相速度ｖｚとの関係を示したものである。また、縦軸における一番上の目盛り数値「１」のやや下から水平方向（横軸方向）に延びた一点鎖線は、前記内面幅寸法ａｘの数値が無限大（∞）であるとした場合における前記速度比率（ｖｚ／Ｃ）の大きさを示したものである。
【００２４】
さて、この図５からも理解されるように、前記速度比率（ｖｚ／Ｃ）は、幅狭部１７の内面幅寸法ａｘが小さくなるに従い、次第にその数値が低下する傾向を示している。また、その速度比率（ｖｚ／Ｃ）の低下度合いは、内面幅寸法ａｘ＜λ／２（即ち、ａｘ＜２４４ｎｍ）の場合において、ａｘ≧２λ／５（即ち、ａｘ≧１９５．２ｎｍ）よりもａｘ＜２λ／５（即ち、ａｘ＜１９５．２ｎｍ）の方が、大きくなっている。同様に、ａｘ≧３λ／１０（即ち、ａｘ≧１４６．４ｎｍ）よりもａｘ＜３λ／１０（即ち、ａｘ＜１４６．４ｎｍ）の方が、前記速度比率（ｖｚ／Ｃ）の低下度合いは大きくなっている。
【００２５】
そして特に、内面幅寸法ａｘ＜λ／５（即ち、ａｘ＜９７．６ｎｍ）になると、前記速度比率（ｖｚ／Ｃ）は、一層、加速度的に低下し始める。そして、内面幅寸法ａｘ＜λ／１０（即ち、ａｘ＜４８．８ｎｍ）になると、更に一層、前記速度比率（ｖｚ／ｃ）は急激に大きく低下している。なお、前記内面幅寸法ａｘが伝搬光の波長λ（４８８ｎｍ）の１／２よりも大きくされた場合は、図５に一点鎖線で示す内面幅寸法ａｘ＝∞の場合の速度比率（ｖｚ／Ｃ）に近付いていくことになる。
【００２６】
従って、このことから、光導波路１４の画定面５５に発生した表面プラズモンは、本実施形態における幅狭部１７のように、光導波路１４内において、伝搬光の波長の１／２よりも小さな内面幅寸法ａｘ（＜２４４ｎｍ）にした部分では、その位相速度ｖｚが大幅に遅くなることが理解される。そして、表面プラズモンのような光波は、その伝搬において位相速度ｖｚが遅い（小さい）空間に集まる性質がある。そのため、光導波路１４の幅狭部１７及び幅広部１８を含む画定面５５全域において発生した表面プラズモンは、その位相速度ｖｚが遅く（小さく）なるように伝搬光の波長の１／２よりも小さな内面幅寸法ａｘ（＜２４４ｎｍ）を有するように設定された幅狭部１７に集まることになる。
【００２７】
従って、光源を強くしたりする方法によらずとも、本実施形態の光導波装置１１では、前記幅狭部１７において、表面プラズモンの電界強度が強くなると共に、その位相速度ｖｚが遅くなって光導波路１４内で発生した表面プラズモンが集まる。このため、光導波路１４を介して伝搬される光の強度が強くなる。さらに、光導波路１４を介して伝搬される光は、前記凸部１３の先端５１周辺における電界の強度分布に基づき、凸部１３の先端５１において第１凸片１３ａの先端５１近傍に集光されることになる。これらのように光強度が増大され、且つ集光された伝搬光が、前記微小開口１６の幅狭部１７からスポット光（近接場光）として滲み出し、当該スポット光が試料表面で散乱され、その散乱光が図示しない外部レンズ等を有する光検出装置により検出される。
【００２８】
なお、参考までに、装置本体１２の表面部１２ａに形成される微小開口１６の開口形状に関して、本実施形態の微小開口１６とは異なる開口形状を有する比較例により、各々の微小開口を通過する光の強度を対比してみた。図６（ａ）は本実施形態における微小開口１６を、図６（ｂ）は比較例の微小開口３６を、それぞれ正面から見たものである。同図からも理解されるように、比較例の凸部３３は、第１凸片（図６（ｂ）における左側凸部）３３ａの先端と第２凸片（図６（ｂ）における右側凸部）３３ｂの先端とが光の伝搬方向に対して位置ずれしないように形成されている。また、前記微小開口３６は、光の伝搬方向と直交する断面形状が本実施形態の微小開口１６における光の伝搬方向に直交する断面形状と同一形状（Ｘ方向の間隔が同一）となっている。なお、両図において各微小開口１６の左側には、当該各微小開口１６の幅狭部１７から滲み出す各スポット光の光分布を表した集光領域２０ａの広がり形状が、一点鎖線で参考的に表示されている。また同様に、それぞれの集光領域２０ａの周りにできる薄明の周辺光の光分布を表した薄明領域２０ｂの広がり形状が、二点鎖線で参考的に表示されている。
【００２９】
そこで、これら各微小開口１６，３６を同一条件のもとで光が通過するとした場合において、各微小開口１６，３６の中心Ｏを通る仮想平面上での光の強度を調べてみた。図７は、各微小開口１６，３６の中心Ｏを横方向（図６ではＸ方向）に通る仮想平面上での光の強度分布を示したものであり、図８は、各微小開口１６，３６の中心Ｏを縦方向（図６ではＹ方向）に通る仮想平面上での光の強度分布を示したものである。なお、図７，図８において、曲線ａは本実施形態の微小開口１６を通過した光の強度分布曲線を、曲線ｂは比較例の微小開口３６を通過した光の強度分布曲線を、それぞれ示している。
【００３０】
さて、本実施形態における微小開口１６の場合には、図７に示す分布曲線ａからも明らかなように、当該微小開口１６の横方向において、第１凸片１３ａにおける先端５１の略延長方向側に集光された非常に高い光強度が得られている。これは、前述したように、幅狭部１７において対向する両界面Ｓでの表面プラズモン同士が互いに結合して電界強度を上げていること、前記凸部１３において第１凸片１３ａの先端５１と第２凸片１３ｂの先端５２が光伝搬方向に対して位置ずれしていること等が、その要因としてあげられる。また、図８に示す分布曲線ａからも明らかなように、微小開口１６の縦方向において当該微小開口１６の中心Ｏの近傍で非常に高い光強度が得られている。これは、前記幅狭部１７では表面プラズモンの位相速度が遅く（小さく）なることにより、光導波路１４内を伝搬される光が前記幅狭部１７の中心に特に集中することが、その要因としてあげられる。
【００３１】
次に、比較例の微小開口３６の場合について見てみると、当該微小開口３６の場合には、図７に示す分布曲線ｂから明らかなように、当該微小開口３６の横方向において、第１凸片３３ａと第２凸片３３ｂの各対向面部分３９における延長方向近傍に非常に高い光強度が得られている。しかし、比較例の微小開口３６を通過した光は、当該光の偏光方向（Ｘ方向）に対して広がっている。これは、前記第１凸片３３ａの先端と第２凸片３３ｂの先端とが光導波路３４内を伝搬する光の伝搬方向に対して位置ずれしていないことが、その要因としてあげられる。また、図８に示す分布曲線ｂから明らかなように、微小開口３６の縦方向において、当該微小開口３６の中心Ｏの部分を最大値とする光強度分布を示している。これは、前述した本実施形態の微小開口１６と同様な要因があげられる。
【００３２】
そのため、本実施形態の微小開口１６から滲み出した光の集光領域２０ａは、図６（ａ）（ｂ）に示すように、比較例の微小開口３６から滲み出した光の集光領域２０ａと比較して、偏光方向（Ｘ方向）に対して狭まっている。また同様に、本実施形態の微小開口１６から滲み出した光の集光領域２０ａの周りにできる薄明領域２０ｂは、比較例の微小開口３６から滲み出した光の集光領域２０ａの周りにできる薄明領域２０ｂと比較して、偏光方向に対して狭まっている。一方、本実施形態の微小開口１６から滲み出した光の集光領域２０ａ、及び当該集光領域２０ａ周辺の薄明領域２０ｂは、偏光方向と直交する方向（図６（ａ）（ｂ）における縦方向であるＹ方向）において、比較例の微小開口３６から滲み出した光の集光領域２０ａ及び当該集光領域２０ａ周辺の薄明領域２０ｂとほぼ同等の広がりを有している。
【００３３】
従って、本実施形態の光導波装置１１は次の利点を有する。
（１）プラズモン活性媒質である銀（Ａｇ）により構成された装置本体１２に貫通形成された光導波路１４に光が入射されると、当該光導波路１４（微小開口１６を含む）の内表面である画定面５５で表面プラズモンが発生する。そのため、光導波路１４内を伝搬する光の強度は、当該光が微小開口１６に向けて伝搬されるにつれて強くなる。また、第１凸片１３ａの先端５１は、第２凸片１３ｂの先端５２と比較してより突出するように（装置本体１２から遠ざかるように）位置していることから、凸部１３の先端周辺において、前記光は当該先端周辺における電界の強度分布に基づき第１凸片１３ａ近傍に集光される。即ち、非常に高い光強度の集光領域２０ａが光の偏光方向（Ｘ方向）に対して極めて狭く得られることになる。また、本実施形態の光導波装置１１は、特許文献１等に記載の所謂非開口プローブではないため、Ｓ／Ｎ比の悪化を回避できると共に、コストの増大を回避できる。従って、光導波路１４を介して伝搬される光の光強度を、その光の広がりの増大を招くことなく、良好なＳ／Ｎ比を維持しつつ、低コストで増強することができる。
【００３４】
（２）光導波路１４（微小開口１６）の幅狭部１７と幅広部１８とが連続する方向（Ｙ方向）における光導波路１４（微小開口１６）の形状寸法Ｌは、所定の形状寸法計算値よりも大きく設定されている。即ち、形状寸法Ｌは、幅狭部１７で発生する表面プラズモンの位相速度ｖｚを伝搬光の真空中の速度である光速Ｃで除した値に前記伝搬光の波長の１／２を乗じて得られる値（形状寸法計算値）よりも大きな値に設定されている。従って、光導波路１４内へ光ファイバＦから入射された光を遮断してしまうようなこともなく、確実に光導波路１４の先端の微小開口１６から、光の強度を増強したスポット光（近接場光など）として導出することができる。
【００３５】
（３）微小開口１６に連なる開口近傍の画定面５５の部分のみならず、光導波路１４の画定面５５全体（内面全体）がプラズモン活性媒質である銀（Ａｇ）により構成されている。このため、光導波路１４の画定面５５全域で表面プラズモンを発生させることができる。しかも、幅狭部１７が、先端側の微小開口１６から裏面開口１５まで連続形成されている。このため、互いに対向する両界面Ｓの表面プラズモンが結合することによる電界強度向上効果及び伝搬される光の位相速度を遅くして当該光を幅狭部１７に集中させる効果を、光導波路１４の画定面５５全体に亘り得ることができる。
【００３６】
（４）また、本実施形態では、プラズモン活性媒質として、負誘電体媒質である銀（Ａｇ）を採用している。このため、表面プラズモンを効果的に且つ確実に発生させることができる。また、かかるプラズモン活性媒質（Ａｇ等）からなる装置本体１２に前記光導波路１４を形成することにより、光導波装置１１の製造が容易となる。
【００３７】
（５）また、本実施形態では、光導波路１４の先端に設けられる微小開口１６は、伝搬光の波長の１／２よりも小さな値の内面幅寸法ａｘとされた幅狭部１７を有する。光導波装置１１は、幅狭部１７に連なる光導波路１４の画定面５５をプラズモン活性媒質で構成するという簡単な構成である。そのため、走査近接場光学顕微鏡や光情報記録装置等という様々な光学的処理装置における光導波装置（光プローブ）として好適に使用することができる。
【００３８】
次に、本発明を同じく光導波装置の一種である光プローブに具体化した第２の実施形態を図９〜図１１に従って説明する。なお、この第２の実施形態は、前記装置本体１２における表面部１２ａの凸部１３に形成された微小開口１６の開口形状が、第１の実施形態の場合とは相違しており、それ以外の部分は第１の実施形態と同様に構成されている。従って、以下では、第１の実施形態と相違する部分を中心に説明することとし、第１の実施形態と同一構成の部分については同一符号を付すことにして重複した説明を省略する。
【００３９】
図９及び図１０に示すように、本実施形態に係る光導波装置（光プローブ）１１Ａは、前記第１の実施形態の場合と同様の銀（Ａｇ）にて構成された金属製の装置本体１２を備えており、その表面部１２ａには略錐状（本実施形態では略四角錘状）をなす凸部１３が隆起形成されている。この凸部１３は、その先端が前記表面部１２ａのほぼ中央に位置するように形成されており、当該凸部１３と対応する位置において、前記装置本体１２には、その厚さ方向へ光導波路１４が貫通形成されている。そして、前記表面部１２ａにおける凸部１３の部分には、当該凸部１３を正面から見て二等分するようにして、その内面幅寸法の大きさが光の波長よりも小さな微小開口１６が前記光導波路１４の端部開口（先端開口）として形成されている。
【００４０】
本実施形態に係る光導波装置１１Ａの出口としての微小開口１６は、第１の実施形態における微小開口１６とは異なり、所謂幅広部というものがなく、短手方向（Ｘ方向）の内面幅寸法が微小開口１６の画定面５５全体に亘って同一幅の縦長方形状をなしている。即ち、微小開口１６は、幅狭部１７のみで形成されている。なお、第１の実施形態の場合と同様に、前記微小開口１６は、前記光導波路１４を介して伝搬される光の偏光方向（図９及び図１０においてＸ方向）を幅方向とした場合、その幅方向と直交する方向（図９及び図１０においてＹ方向）へ延びる縦長方形となるように構成されている。そして、その微小開口１６の開口縁５３，５４は、第１の実施形態の場合と同様に、光導波路１４内を伝搬する光の伝搬方向（図９及び図１０に示すＺ方向）へ凸部１３の表面に沿った構成とされている。また、本実施形態においても、前記微小開口１６の大きさが装置本体１２（及びその表面部１２ａ）の大きさとの対比において実際には極小さなものであるが、図９等においては微小開口１６の特徴的な開口形状を容易に理解ならしめるため、その大きさが実際よりは誇張して図示されている。
【００４１】
また、本実施形態における微小開口１６（幅狭部１７）は、その内面幅寸法ａｘが前記第１の実施形態における幅狭部１７の内面幅寸法ａｘ（図２参照）と同じ値（１６ｎｍ）に設定されている。また、その微小開口１６の内面長さ寸法ａｙは、前記第１の実施形態における幅狭部１７の内面長さ寸法ａｙ（図１０参照）と各幅広部１８の内面長さ寸法ｂｙ（図１０参照）との合計寸法と同じ値（８３５ｎｍ）に設定されている。即ち、本実施形態の微小開口１６の形状寸法Ｌは、第１の実施形態の微小開口１６の形状寸法Ｌ（８３５ｎｍ）と同一の値（８３５ｎｍ）とされている。
【００４２】
前記凸部１３は、前記光導波路１４を間に挟んで第１凸片（図１０における左側凸部）１３ａと第２凸片（図１０における右側凸部）１３ｂとに隔てられている。前記第１凸片１３ａの図１０におけるＺ方向の手前側に位置する先端５１と第２凸片１３ｂの先端５２とは、光導波路１４内における光伝搬方向において互いに位置ずれするように形成されており、当該位置ずれ量（距離）は、光の波長よりも小さな値の距離とされている（図１１参照）。なお、本実施形態では、第１凸片１３ａの先端５１が第２凸片１３ｂの先端５２よりも光伝搬方向側に位置するようになっている。
【００４３】
次に、本実施形態に係る光導波装置１１Ａの作用について説明する。
光ファイバＦを介して所定の波長の光（前記第１の実施形態の場合と同様に、波長が４８８ｎｍで偏光方向が図９及び図１０でＸ方向となる直線偏光の平面波の光）が装置本体１２の光導波路１４内に入射されると、当該光導波路１４内では次のような現象が発生する。即ち、伝搬方向が光導波路１４の画定面５５に沿う方向（図９のＺ方向）の表面プラズモンという光波（電磁波）が発生する。そして、この表面プラズモンは、前記幅狭部１７の両界面Ｓで各々発生した表面プラズモンの電界同士が結合する結果、光導波路１４内の幅狭部１７でその電界強度が非常に強くなる。従って、光導波路１４内を伝搬する光の強度は、当該光導波路１４内の電界強度に基づき、微小開口１６に向けて伝搬するにつれて強くなる。
【００４４】
また、前記第１凸片１３ａの先端５１は、第２凸片１３ｂの先端５２よりも光伝搬方向側に位置する。これにより、光導波路１４内における電界は、凸部１３の先端５１において第１凸片１３ａ近傍で強くなり、第２凸片１３ｂに向かって離れるにつれて指数関数的に弱くなる。そのため、光導波路１４内を伝搬する光は、凸部１３の先端５１における電界の強度分布に基づき、第１凸片１３ａ近傍に集光された状態で微小開口１６から滲み出す。従って、本実施形態の光導波装置１１Ａから滲み出した光は、第１の実施形態の光導波装置１１から滲み出した光の場合と同様に、その集光領域（図示略）の偏光方向（Ｘ方向）に対する広がりを抑制される。また、この集光領域の周りにできる薄明領域（図示略）の偏光方向に対する広がりもまた抑制される。
【００４５】
従って、本実施形態の光導波装置１１Ａによれば、第１の実施形態の光導波装置１１における前記各利点（１）〜（５）に加えて、次のような利点がある。
（６）本実施形態によれば、装置本体１２に対して微小開口１６へ連なる光導波路１４を形成する際において、内面幅寸法が異なる幅狭部１７と幅広部を連続形成する必要がなく、光伝搬方向に直交する断面の形状が縦長方形状の光導波路１４を形成するだけでよいので、製造コストの低減に寄与できる。
【００４６】
なお、上記各実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記第各実施形態において、微小開口１６の開口形状は、曲線を用いて形作られた開口形状（例えば、ダンベル形状）であってもよい。また、微小開口１６の開口形状は直線と曲線の組み合わせで形成されていてもよい。
【００４７】
・上記第１の実施形態において、幅狭部１７は、光導波路１４の断面中心から偏心した位置に設けられるようにしてもよい。また、光導波路１４は、幅狭部１７の内面幅寸法ａｘが伝搬光の波長の１／２よりも小さく設定されるものならば、幅狭部１７の内面幅寸法ａｘと幅広部１８の内面幅寸法ｂｘとの寸法比が、本実施形態における両者の寸法比に対してはるかに大きなものであってもよい。即ち、幅広部１８の内面幅寸法ｂｘは幅狭部１７の内面幅寸法ａｘよりも大きいという条件を満たすならば無限大の寸法であってもよい。
【００４８】
・上記各実施形態において、光導波路１４は、装置本体１２の表面から溝状に切欠形成された光導波路であってもよい。この場合においても、装置本体１２に設けられた凸部１３の先端に、微小開口１６における幅狭部１７の少なくとも一部が位置する必要がある。
【００４９】
・上記各実施形態において、光導波路１４内に例えばガラス等の光透過可能な媒質を充填してもよい。
・上記各実施形態において、光導波路１４は、その光伝搬方向に直交する断面の形状が微小開口１６の開口形状と異なるように形成された光導波路であってもよい。例えば裏面開口１５から先端の微小開口１６に向かうほど次第に断面形状が小さくなる先細テーパ状の光導波路であってもよい。また、光導波路の先端開口である微小開口１６においてのみ幅狭部１７が形成されて、裏面開口１５には幅狭部１７が形成されていない光導波路であってもよい。
【００５０】
・上記各実施形態において、光導波路１４は、裏面開口１５が閉塞されて、先端開口の微小開口１６だけが設けられた光導波路であってもよい。このように構成した場合には、先端の微小開口１６から光導波路内に入射された伝搬光が当該光導波路内奥の壁面で反射されて定在波を発生させ、再び、先端の微小開口１６から導出されることになり、イルミネーションコレクションモードの場合に好適に利用される。
【００５１】
・上記各実施形態において、装置本体１２及び凸部１３は、比誘電率の実数部の値がマイナスとなる媒質であれば、銀（Ａｇ）に限らず金（Ａｕ）や白金及びそれらの合金、又はその他の金属材料や半導体材料等により構成されたものであってもよい。
【００５２】
・上記各実施形態において、装置本体１２は、少なくとも光導波路１４内の幅狭部１７に対応する対向面部分１９の部位がプラズモン活性媒質（銀Ａｇ）により構成されていればよい。第１凸片１３ａの先端５１と第２凸片１３ｂの先端５２のみがプラズモン活性物質により構成されていてもよい。また、微小開口１６から裏面開口１５に至るまで光導波路１４の画定面５５全体に亘り形成された幅狭部１７の幅方向で互いに対向する部位のみがプラズモン活性媒質（銀Ａｇ）により構成されていてもよい。また、前記プラズモン活性媒質（銀Ａｇ等）は、前記幅狭部１７の対向面部分１９等を含む光導波路１４の画定面５５に対して蒸着などで付設されてもよい。
【００５３】
例えば、シリコン基板に金属コーティングを蒸着することで光導波装置１１Ａを製造してもよい。図１２（ａ）〜（ｅ）には、図９の光導波装置１１Ａの製造工程を説明する。詳しくは、光導波装置１１Ａを集束イオンビーム加工（ＦＩＢ加工）により製造し、製造した光導波装置１１Ａを光ファイバＦの先端（コア先端４２ａ）に装着する工程を説明する。
【００５４】
先ず、図１２（ａ）に示すように、ＦＩＢ加工で精密加工可能なシリコン基板４４を用意し、このシリコン基板４４を支持部４５により支持する。そして、シリコン基板４４の表面（図１２（ａ）では上面）にＦＩＢ加工を施すことにより、図１２（ｂ）に示すように、第１凸片１３ａ、第２凸片１３ｂ及び光導波路１４を作成する。その後、図１２（ｃ）に示すように、スパッタリングにより、シリコン基板４４に銀を蒸着し、銀コーティング６１を作成する。銀コーティング６１の厚さは、例えば３０ｎｍ以上に設定する。その後、図１２（ｄ）に示すように、シリコン基板４４の裏面（図１２（ｄ）では下面）にＦＩＢ加工を施すことにより、シリコン基板４４の厚さ、つまり装置本体１２の厚さｔを調整する。これにより、光導波路１４の長さを調整する。装置本体１２の厚さｔは、例えば９０ｎｍに設定する。光導波装置１１Ａの裏面から第１凸片１３ａの先端５１までの寸法ｈ（＝第１凸片１３ａの高さ＋装置本体１２の厚さｔ、つまり光導波路１４の長さ）は、例えば１９０ｎｍに設定する。この寸法ｈは光導波路１４の長さに相当する。このようにして製造した光導波装置１１Ａを、図１２（ｅ）に示すように光ファイバＦのコア先端４２ａに装着する。光導波装置１１Ａから支持部４５を切り離すことにより、工程を完了する。
【００５５】
上記工程では、光導波装置１１Ａを光ファイバＦのコア先端４２ａに装着する前に、装置本体１２の厚さｔを調整した。しかし、光導波装置１１Ａの製造工程は上記に限らず、図１３（ａ）〜（ｄ）に示す別の製造工程のように、光ファイバＦのコア先端４２ａ上で装置本体１２の厚さｔを調整してもよい。
【００５６】
具体的には、先ず、図１３（ａ）に示すように、光ファイバＦのコア先端４２ａにシリコン基板４４を装着する。次に、図１３（ｂ）に示すように、コア先端４２ａ上で、シリコン基板４４の表面にＦＩＢ加工を施すことにより、第１凸片１３ａ、第２凸片１３ｂ及び光導波路１４を作成する。このとき、ＦＩＢ加工によりシリコン基板４４の厚さも調整する。次に、図１３（ｃ）に示すように、スパッタリングにより、シリコン基板４４に銀を蒸着し、銀コーティング６１を作成する。このとき、銀コーティング６１は光導波路１４の裏面開口１５を塞いでしまう。そこで、図１４（ｄ）に示すように、ＦＩＢ加工により、裏面開口１５を塞ぐ銀コーティング６１の部分を除去し、工程を完了する。
【００５７】
なお、光導波装置１１Ａの製造方法は、ＦＩＢ加工により行うことに限らず、例えば電子ビームリソグラフィー(electron-beam nanolithography)法、又はイオンビームディポジション(ion beam deposition)法により光導波装置１１Ａを製造してもよい。つまり、光（可視光）の波長よりも微細な部分を有する光導波装置１１Ａの製造方法は、イオン又は電子を用いるものであればよい。
【００５８】
・上記各実施形態において、微小開口１６における幅狭部１７の内面幅寸法ａｘは、伝搬光の波長の１／２よりも小さな寸法に設定されるものならば、上記各実施形態の寸法値に限定されるものではない。また、微小開口１６における幅方向（Ｘ方向）と交差する方向（Ｙ方向）の形状寸法Ｌも各実施形態の例示寸法値に限定されるものではなく、前記形状寸法計算値よりも大きな値に設定されるならば、前記形状寸法Ｌは伝搬光の波長の１／２より大きくてもよい。
【００５９】
前記第１凸片１３ａの先端５１と第２凸片１３ｂの先端５２との、光導波路１４内における光伝搬方向（第１方向としてのＺ方向）における位置ずれ量（距離）は、光の波長（前記所定の波長）よりも小さな値の距離であることに限定されるものではない。光導波路１４を通過した光を第１凸片１３ａの先端５１近傍に集光する利点を有するのであれば、前記位置ずれ量は光の波長より大きくてもよい。
【００６０】
・上記各実施形態において、凸部１３は略錐状であればよく、例えば略円錐形状等の任意の形状をなす凸部であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】光プローブに具体化した本発明の第１の実施形態における光導波装置に光ファイバを接続した状態の斜視図。
【図２】図１の光導波装置の正面図。
【図３】（ａ）は図２のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【図４】図１の光導波装置における表面プラズモンの電界結合を説明した要部概略断面図。
【図５】図１の光導波装置における幅狭部の幅寸法と表面プラズモンの位相速度との対応関係図。
【図６】（ａ）は図１の光導波装置の正面図、（ｂ）は比較例の正面図。
【図７】図６（ａ）（ｂ）の各微小開口を通過した光のＸ軸方向仮想平面上での光強度分布図。
【図８】図６（ａ）（ｂ）の各微小開口を通過した光のＹ軸方向仮想平面上での光強度分布図。
【図９】光プローブに具体化した本発明の第２の実施形態における光導波装置に光ファイバを接続した状態の斜視図。
【図１０】図９の光導波装置の正面図。
【図１１】（ａ）は図１０のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｂ）は図１０のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【図１２】（ａ）〜（ｅ）は、図９の光導波装置の製造工程の説明図。
【図１３】（ａ）〜（ｄ）は、図９の光導波装置の別の製造工程の説明図。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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