(57)【要約】本発明は、表面プラズモン・ポラリトン・バンドギャップ（ＳＰＰＢＧ）領域を使用して表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）の伝播を制御する方法と装置を提供する。ＳＰＰＢＧ領域とは、ＳＰＰの電磁界が伸展する媒体の誘電特性の周期変調をＳＰＰが経験するようなＳＰＰの伝播をサポートする１つかそれ以上の界面領域のことである。バンドギャップの周波数範囲は変調の周期によって決定される。ＳＰＰＢＧ領域では、そのバンドギャップ内の周波数を有するＳＰＰの伝播が禁止される。ＳＰＰＢＧ領域中に透過領域を形成することによって、本発明は超小型ＳＰＰ導波管を提供する。本発明を利用して小型集積ＳＰＰ／光回路を形成してもよい。また、本発明は電磁界局在化のＳＰＰ定在波をサポートするキャビティを提供する。この電磁界局在化は非常に高い界強度を提供でき、様々なセンサ応用で使用できる。本発明の装置は、ＳＰＰが二次元界面上を伝播し、伝播の平面中への閉じ込めだけを必要とするため、フォトニック素子に対して多数の利点を提供する。このため、本発明による装置の製造は非常に簡単になる。
2004505294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の周波数を有する表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）を導波する装置であって、前記導波管装置は、
第２の媒体に対して第１の界面を有する第１の媒体であって、前記界面は表面プラズモン・ポラリトンを導波するようになっており、少なくともほぼ平面であるものと、
複数の散乱中心であって、それぞれの散乱中心は、前記第１の界面に少なくともほぼ平行な平面中の断面が、前記平面における周辺エリアの複素誘電率と異なった複素誘電率を有するエリアである領域であるもの、とを備え、
前記第１の界面に対して少なくともほぼ垂直な前記散乱中心の突起は、前記第１の界面上に１個またはそれ以上の非透過部分と１個またはそれ以上の透過部分を画定するものであって、この画定は、前記非透過部分中に突出した散乱中心の所定の少なくとも周期的なパターンを形成し、それによって前記非透過部分を、前記第１の周波数を有するＳＰＰの伝播を少なくともほぼ禁止するＳＰＰＢＧ（表面プラズモン・ポラリトン・バンドギャップ）領域と成し、かつ前記１個のまたはそれ以上の透過部分中に前記所定のパターンを形成しないことによって行われるものであり、さらに
前記複数の散乱中心は、前記第１の界面上で１個またはそれ以上の非透過部分によって少なくとも部分的に取り囲まれる少なくとも１個の透過部分を画定するように配置されていることを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記少なくとも１個の透過部分が前記１個かそれ以上の非透過部分中にＳＰＰ導波管を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１個の透過部分が、前記第１の界面上の１個かそれ以上の非透過部分によって取り囲まれ、ＳＰＰ定在波をサポートするように適合されているＳＰＰキャビティを形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の媒体が第１の周波数範囲において、負の実数部分、Ｒｅ（ε１）＜０、を伴う第１の複素誘電率ε１を有し、前記装置はさらに、前記第１の媒体の前記第１の界面に当接し、第２の周波数範囲において、正の実数部分、Ｒｅ（ε２）＞０を伴う第２の複素誘電率を有する第２の媒体を備え、前記第１と第２の周波数範囲の両方が前記第１の周波数を含む、請求項１乃至３の何れか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記散乱中心の大多数は、前記第１の媒体を含む領域内に配置され、かつ前記第１の界面に少なくともほぼ平行である、請求項１乃至４の何れか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記散乱中心の大多数は、前記第２の媒体を含む領域内に配置され、かつ前記第１の界面に少なくともほぼ平行である、請求項１乃至５の何れか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記散乱中心の大多数は、前記第１の界面に配置される、請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記散乱中心の大多数は、前記第２の媒体に隣接する第３の媒体を含む領域内に配置され、かつ前記第１の界面に少なくともほぼ平行である、請求項１乃至７の何れか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記第２の媒体が、ＳｉＯ２、空気、ポリマー、スピン塗布されたポリマー、Ａｌ２Ｏ３（サファイア）、石英、石灰ガラス、Ｓｉ３Ｎ４、水、屈折率整合液からなるグループから選択される１個かそれ以上の誘電体材料を含む、請求項１乃至８の何れか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の媒体が、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐｄ、超伝導体からなるグループから選択される１個かそれ以上の材料を含む、請求項１乃至９の何れか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１の媒体が前記第２の媒体によって支持される導体薄膜を含む、請求項１乃至１０の何れか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２の媒体が、前記第１の媒体によってサポートされるＳＰＰモードにエネルギーをカップリングする利得媒体を含み、前記利得媒体が電気的または光学的にポンピングされるようになっている、請求項１乃至１１の何れか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記第２の媒体が、ポンピング目的での前記第１の媒体の照射を可能にするように、波長λの電磁放射に対して少なくともほぼ透明である、請求項１乃至１２の何れか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記少なくともほぼ周期的なパターンの周期が、例えば２．５〜２５０ｎｍまたは２５０ｎｍ〜２５μｍである２．５ｎｍ〜２５μｍの間隔内、好適には２５〜２５０ｎｍまたは２５０〜７００ｎｍの間隔内である、請求項１乃至１３の何れか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記少なくともほぼ周期的なパターンの前記周期が、前記ＳＰＰＢＧ領域が、１０〜１０００ｎｍまたは１〜１００μｍといった１０ｎｍないし１００μｍの間隔内、好適には１００〜１０００ｎｍまたは１０００〜３０００ｎｍの間隔内のＳＰＰ波長に対応する周波数範囲内の周波数を有するＳＰＰの伝播を少なくともほぼ防止するように調整される、請求項１乃至１４の何れか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記複数の散乱中心が、前記第１の界面の前記１個かそれ以上の透過部分上に突出する散乱中心がないように配置される、請求項１乃至１５の何れか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記複数の散乱中心が、前記非透過部分の前記所定のパターンと異なったパターンを形成するため、前記散乱中心が前記第１の界面の前記１個かそれ以上の透過部分上に突出するように配置される、請求項１乃至１５の何れか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記装置がさらに、制御された方法でフォトンをＳＰＰにカップリングする１個かそれ以上の入力カップリング構造を備える、請求項１乃至１７の何れか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記装置がさらに、制御された方法でＳＰＰをフォトンにカップリングする１個かそれ以上の出力カップリング構造を備える、請求項１乃至１８の何れか１項に記載の装置。
【請求項２０】
ＳＰＰ素子であって、フォトンをＳＰＰにカップリングする入力カップリング構造を備えるＳＰＰ受信部分と、請求項２に記載の１個かそれ以上のＳＰＰ導波管とを備えるＳＰＰ素子。
【請求項２１】
さらに、導波されたＳＰＰ中に位相及び／または振幅変調を誘発する制御可能複素屈折率を有する少なくとも１個の活性領域を備え、前記ＳＰＰ素子がさらに、前記活性領域の前記複素屈折率を制御する手段を備える、請求項２０に記載のＳＰＰ素子。
【請求項２２】
前記１個かそれ以上のＳＰＰ導波装置が、少なくとも１個の活性領域を含む干渉計を形成する、請求項２０に記載のＳＰＰ素子。
【請求項２３】
さらに、前記第１の周波数と異なる周波数を有するＳＰＰの伝播を少なくともほぼ防止するようになっているＳＰＰＢＧ領域であるさらなる非透過部分を備え、さらなる非透過部分が波長フィルタを形成する、請求項２０に記載の素子。
【請求項２４】
ＳＰＰ信号を処理するＳＰＰ回路であって、前記回路が、
フォトンをＳＰＰにカップリングする入力構造と、
ＳＰＰをフォトンにカップリングする少なくとも１個の出力構造と、
請求項２０〜請求項２３の何れか１項に記載の１個かそれ以上のＳＰＰ素子と、
ＳＰＰを前記入力構造から前記１個かそれ以上のＳＰＰ素子の１個に導波し、かつＳＰＰを前記１個かそれ以上のＳＰＰ素子の１個から前記少なくとも１個の出力構造に導波する請求項２に記載の２つかそれ以上のＳＰＰＢＧ導波管とを備えるＳＰＰ回路。
【請求項２５】
第１と第２との媒体の間の少なくともほぼ平面の界面上を伝播する表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）の伝播を制御する方法であって、前記方法が、
前記第１の媒体を提供するステップであって、前記第１の媒体が、第１の周波数範囲内の負の実数部分、Ｒｅ（ε１）＜０を伴う第１の複素誘電率ε１を有し、かつ前記界面に当接する第１の表面を有する第１の材料層を備えるステップと、
前記第２の媒体を提供するステップであって、前記第２の媒体が、前記界面に当接する少なくとも１個かそれ以上の部分で第２の周波数範囲内の正の実数部分、Ｒｅ（ε２）＞０を伴う第２の複素誘電率ε２を、前記界面に当接する少なくとも一部の部分で有するステップと、
前記界面でＳＰＰを伝播させるステップであって、前記ＳＰＰが第１及び第２の周波数範囲に含まれる第１の周波数を有するステップと、
前記界面と周囲領域とを備える伝播層を画定するステップであって、その際前記ＳＰＰがある点に最も近い前記界面の部分上で伝播する時、その点がどれも、前記界面の電磁界の１％以上の強度を有する前記ＳＰＰの電磁界の影響下にあるステップと、
前記第１の周波数を含む第３の周波数範囲内の周波数を有するＳＰＰに少なくともほぼアクセスできないＳＰＰＢＧ（表面プラズモン・ポラリトン・バンドギャップ）領域である前記界面の１個かそれ以上の非透過部分を提供することによって、前記ＳＰＰを前記界面の透過部分に閉じ込めるステップであって、前記ＳＰＰＢＧ領域が、前記第１の界面に少なくともほぼ垂直に突出する時所定の少なくともほぼ周期的な散乱パターンを形成する前記伝播層中の複数の散乱中心によって画定され、各散乱中心が、前記界面に少なくともほぼ平行な平面中の断面が前記平面中の周囲範囲の複素誘電率と異なる１個かそれ以上の複素誘電率を有する範囲であるような領域であるステップとを含む方法。
【請求項２６】
前記ＳＰＰを前記界面の前記透過部分に閉じ込めるステップがさらに、
前記界面の前記透過部分上で前記ＳＰＰを伝播させるステップと、
前記ＳＰＰが前記界面の前記透過部分から前記界面の非透過部分に伝播する時はいつでも、前記界面の前記非透過部分上で前記ＳＰＰの少なくとも一部分を反射し、前記界面の前記透過部分上で前記ＳＰＰの反射された部分を伝播させるステップとを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記界面の前記透過部分が前記所定のパターンと異なる突出散乱中心のパターンを備える、請求項２５または請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記界面の前記透過部分が突出した散乱中心を少なくともほぼ欠いている、請求項２５または請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記散乱中心が、前記第１及び／または第２の媒体中の前記界面に形成される構造である、請求項２５または請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
さらに、１個かそれ以上のフォトンを前記界面にカップリングすることによって前記ＳＰＰを形成するステップを含む、請求項２５乃至２９の何れか１項に記載の方法。
【請求項３１】
さらに、前記ＳＰＰの少なくとも一部分を１個かそれ以上のフォトンにカップリングするステップを含む、請求項２５乃至３０の何れか１項に記載の方法。
【請求項３２】
さらに、前記界面上で第２のＳＰＰを伝播させるステップであって、前記第２のＳＰＰが前記第３の周波数間隔外の第２の周波数を有するステップを含む、請求項２５乃至３１の何れか１項に記載の方法。
【請求項３３】
前記ＳＰＰを前記界面の前記透過部分に閉じ込める前記ステップがさらに、前記界面の前記１個かそれ以上の非透過部分の１個の上で前記第２のＳＰＰを伝播させるステップを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
さらに、
エネルギーを前記第１の界面によってサポートされるＳＰＰモードにカップリングするため、前記第２の媒体中に利得媒体を提供するステップであって、前記第１の界面に垂直に突出する場合、前記利得媒体が前記第１の界面の透過部分を画定するステップと、
前記利得媒体を電気的または光学的にポンピングするステップと、
前記利得媒体から前記ＳＰＰを含むモードにエネルギーをカップリングすることによって、導波された前記ＳＰＰを増幅するステップとを含む、請求項２５乃至３３の何れか１項に記載の方法。
【請求項３５】
第１の周波数を有し少なくともほぼ平面の界面上を伝播するＳＰＰ（表面プラズモン・ポラリトン）の伝播を制御する装置を製造する方法であって、前記方法が、
少なくともほぼ平面の表面を有する基板を提供するステップと、
前記基板表面の１個かそれ以上の部分に、前記基板表面の凹または凸の構造に関連する第１の層中に凹または凸の構造を形成するような、前記基板と前記基板表面によって保持される第１の材料層との間の界面の１個かそれ以上の非透過部分を画定するように、前記基板表面に対して凹または凸である構造の所定の少なくともほぼ周期的なパターンを形成するステップであって、前記第１の材料層が、前記第１の周波数を含む第１の周波数範囲で負の実数部分、Ｒｅ（ε１）＜０、を伴う複素誘電率ε１を有し、前記界面が前記第１の材料層の上部または下部の表面であるステップとを含み、
その際構造の前記パターンが、前記所定のパターン無しで前記界面上に１個かそれ以上の透過部分を画定するように形成され、前記透過部分が前記基板表面の１個かそれ以上の非透過部分によって少なくとも部分的に取り囲まれる方法。
【請求項３６】
前記界面がＳＰＰの伝播をサポートするようになっており、前記界面の前記１個かそれ以上の非透過部分が前記界面上に１個かそれ以上のＳＰＰＢＧ（表面プラズモン・ポラリトン・バンドギャップ）領域を提供する、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
構造の前記パターンが、前記界面上の前記非透過部分中にＳＰＰ導波管を形成する１個かそれ以上の透過部分を画定するように形成される、請求項３５または請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
構造の前記パターンが、前記界面上の前記非透過部分中にＳＰＰキャビティを形成する１個かそれ以上の透過部分を画定するように形成される、請求項３５または請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
第１の周波数を有し少なくともほぼ平面の界面上を伝播するＳＰＰ（表面プラズモン・ポラリトン）の伝播を制御する装置を製造する方法であって、前記方法が、
前記第１の周波数を含む第１の周波数範囲で負の実数部分、Ｒｅ（ε１）＜０、を伴う複素誘電率ε１を有する第１の材料層を提供するステップであって、前記界面が前記第１の材料層の上部または下部の表面に関連する平面として画定されるステップと、
前記第１の層中に選択された領域の所定の、少なくともほぼ周期的なパターンを形成するように前記第１の層の選択された領域を除去するか、または選択された領域の前記複素誘電率を変更するステップであって、前記選択された領域がε１と異なる複素誘電率を有するステップとを含み、
その際選択された領域が、前記第１の層と第２の媒体との間の界面の１個かそれ以上の非透過部分と１個かそれ以上の透過部分とを画定し、前記透過部分が前記第１の層の前記１個かそれ以上の非透過部分によって少なくとも部分的に取り囲まれる方法。
【請求項４０】
前記界面が表面プラズモン・ポラリトンの伝播をサポートするようになっており、前記界面の前記１個かそれ以上の非透過部分が前記界面中に１個かそれ以上の表面プラズモン・ポラリトン・バンドギャップ（ＳＰＰＢＧ）領域を提供する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
領域の前記パターンが、前記界面上の前記非透過部分中にＳＰＰ導波管を形成する１個かそれ以上の透過部分を画定するように形成される、請求項３９または請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
領域の前記パターンが、前記界面上の前記非透過部分中にＳＰＰキャビティを形成する１個かそれ以上の透過部分を画定するように形成される、請求項３９または請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
第１の周波数を有し材料層と媒体との間の少なくともほぼ平面の界面上を伝播するＳＰＰ（表面プラズモン・ポラリトン）の伝播を制御する装置を製造する方法であって、前記方法が、
前記材料層に当接する表面を有する基板を提供するステップであって、前記基板が、前記第１の周波数を含む第２の周波数範囲で正の実数部分、Ｒｅ（ε２）＞０、を伴う複素誘電率ε２を有するステップと、
前記基板中の複数の領域の複素誘電率をε２と異なる複素誘電率に変更するステップであって、前記複数の領域が、前記界面に少なくともほぼ垂直に突出する時、前記界面の１個かそれ以上の非透過部分を画定する１個かそれ以上の所定の、少なくともほぼ周期的なパターンを形成するように配置されるステップと、
前記基板の表面上に前記材料層を提供するステップであって、前記材料層が前記第１の周波数を含む上部及び下部の表面を有する第１の周波数範囲で負の実数部分、Ｒｅ（ε１）＜０、を伴う複素誘電率ε１を有し、前記界面が前記材料層の上部または下部の表面に関連する平面として画定されるステップとを含み、
その際前記１個かそれ以上の所定のパターンが、前記所定のパターンなしで前記界面の１個かそれ以上の透過部分を画定し、前記透過部分が前記１個かそれ以上の非透過部分によって少なくとも部分的に取り囲まれる方法。
【請求項４４】
前記材料層との前記界面を形成する前記媒体が前記基板である、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記界面がＳＰＰの伝播をサポートするようになっており、前記界面の前記１個かそれ以上の非透過部分が前記界面中に１個かそれ以上のＳＰＰＢＧ（表面プラズモン・ポラリトン・バンドギャップ）領域を提供する、請求項４３または請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記基板が１個かそれ以上の材料層を備える、請求項４３乃至４５の何れか１項に記載の方法。
【請求項４７】
前記複数の領域が、前記界面上の前記非透過部分中にＳＰＰ導波管を形成する１個かそれ以上の透過部分を画定するように配置される、請求項４３乃至４６の何れか１項に記載の方法。
【請求項４８】
前記複数の領域が、前記界面上の前記非透過部分中にＳＰＰキャビティを形成する１個かそれ以上の透過部分を画定するように配置される、請求項４３乃至４６の何れか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、表面プラズモン・ポラリトン・バンドギャップ（ＳＰＰＢＧ）領域を使用して表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）の伝播を制御する方法と装置を提供する。ＳＰＰＢＧ領域とは、ＳＰＰの伝播をサポートする１個かそれ以上の界面領域（インターフェース）のことであり、この領域では、ＳＰＰはその電磁界が広がる媒体の誘電特性における周期的変調を経験する。バンドギャップの周波数範囲は変調周期によって決定される。ＳＰＰＢＧ領域では、そのバンドギャップ内の周波数を有するＳＰＰの伝播が禁止される。
【０００２】
ＳＰＰＢＧ領域中に透過（伝送）領域を形成することによって、本発明は超小型ＳＰＰ導波管を提供する。本発明を利用して、小型集積ＳＰＰ／光回路を形成することができる。また、本発明は、フィールドローカライゼーション（電磁界の局在化）のためのＳＰＰ定在波をサポートするキャビティを提供する。このフィールドローカライゼーションは非常に大きいフィールド強度を提供することができ、種々のセンサへの応用において使用できる。
【０００３】
本発明の装置は、ＳＰＰが二次元界面上を伝播し、伝播の平面中への閉じ込めだけを必要とするため、フォトニック素子に対して多数の利点を提供する。このため、本発明による装置の製造は非常に簡単になる。
【０００４】
発明の背景
表面プラズモン・ポラリトンは導体材料と誘電体材料との間の界面に沿って伝播する準二次元電磁（電磁）モードである。図１は、金属２と空気５との間の界面４に沿って伝播するＳＰＰを示す。電磁界振幅６は、図１に例示されているように、界面４に対して垂直な方向の２つの隣接する媒体中で指数関数的に減衰する。
【０００５】
通常、ＳＰＰは、レーザ・ビームからの電磁放射の伝播をＳＰＰの伝播定数βに一致させることによって励起され、それによって電磁界はＳＰＰにカップリングされる。図１は、ガラス基板３の上に蒸着された金属膜２のガラス−金属界面１または空気−金属界面４でのクレッチマン（Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ）構成におけるＳＰＰ励起の概略を示す。ガラス基板３の裏面上のガラス・プリズム７を通る光の入射角θを調整して、β＝（２π／λ）ｎｓｉｎθ、ただしｎはガラスの屈折率、という一致条件を満足させる。正確な位相整合条件によってプラズモンがどの界面にカップリングされるかが決定されるが、金属膜３は通常電磁界振幅６の横方向範囲よりはるかに薄いので、ＳＰＰはまず誘電体層３及び／または５中を伝播し、その後金属−誘電体界面２及び／または４を伝播すると考えられる。
【０００６】
このようなカップリングを行ういくつかの方法と装置は周知である。例えば、図１で例示されまた米国特許第４，５６５，４２２号に記載されているプリズムカップリング器や、米国特許第４，５６７，１４７号及び米国特許第４，７６５，７０５号に記載されている回折格子結合器がある。伝播するＳＰＰは、同様の装置を使用することで再びフォトンに変換される。
【０００７】
ＳＰＰ伝播を管理することのできるいくつかの簡単な光学素子がスモリャニノフ（Ｓｍｏｌｙａｎｉｎｏｖ）他によって示唆されている（「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．」Ｂ５６、１９９７、１６０１）。こうした素子は、ホイヘンス−フレネル（Ｈｕｙｇｅｎｓ−Ｆｒｅｓｎｅｌ）原理による表面欠陥上の回折及び屈折を利用している。
【０００８】
表面プラズモン・ポラリトン・バンド構造の存在は、シェラー（Ｓｃｈｅｒｅｒ）他「Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」１７、１９９９、１９２８）、スモリャニノフ他（「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．」Ｂ５９、１９９９、２４５４）、及びキトソン（Ｋｉｔｓｏｎ）他（１９９６）（「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．」７７、１９９６、２６７０）といった多数の論文で言及されている。こうしたバンド構造は、金属−誘電体界面に製作される周期構造から生じる。励起されたＳＰＰが周期構造に沿って伝播すると、ＳＰＰ伝播定数は周期的に変調され、最終的に「プラズモン・バンドギャップ」効果を生じる。
【０００９】
二次元結晶におけるプラズモン・バンドギャップ構造はキトソン他によって報告されている（１９９６）。この論文は、この説明の図１に関連して説明されたプリズムを使用するテクスチャ付き界面上のフォトンのＳＰＰへのカップリングを記述しており、このテクスチャは周期的な六角形パターンを描いている。入射レーザ・ビームの反射は界面上のフォトンのＳＰＰへのカップリングの尺度であり、この論文の図３は結果として得られるカップリング領域の反射率を例示している。すなわち、図３は、１．９１〜２．００ｅＶの区間のエネルギーを有するフォトンについての例示であり、対応するＳＰＰについてのプラズモン・バンドギャップを例示するＳＰＰへのフォトンの不良カップリングが存在する。
【００１０】
キトソン他のさらに別の論文（「Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．」、８４、１９９８、２３９９）は金属ミラーを使用するマイクロキャビティ（例えば、有機ＬＥＤ）における損失の低減に関する。この論文は金属ミラー中のマイクロキャビティ・モードからＳＰＰモードへの非放射性カップリングによる損失を回避する方法を提案している。テクスチャ付きミラー表面を使用して、バンドギャップが導入され、バンドギャップ内のエネルギーを有するＳＰＰへのカップリングを禁止する（このカップリングの禁止は、前の節の同じ著者による論文、キトソン他（１９９６）で詳細に説明されている）。バンドギャップをマイクロキャビティ・モードに同調することによってマイクロキャビティ・モードのカップリング損失が減少する。この論文は１個の金属ミラーの一次元テクスチャを伴うマイクロキャビティを説明している。
【００１１】
フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）材料は、導波、光局在化、ベンドについての低損失、及び強い波長依存性を持つ光透過を提供するために使用されている。フォトニックバンドギャップ効果は、原子格子中の電子が経験する効果と同様の散乱の波長スケール周期構造による光の周期的散乱に依存し、すなわち、フォトン／電子エネルギーは、伝播状態が防止されるギャップによって分離されたエネルギーバンドに配置される。既存のＰＢＧによる構造は三次元周期構造を利用するが、これは製作が困難であり、設計の柔軟性はきわめて小さい。また、既存の平面ＰＢＧによる導波管は、面外次元において高い光損失を有する。
【００１２】
発明の概要
電磁放射を導波及び局在化する方法と装置を提供することが本発明の目的である。
【００１３】
電磁放射を導波するほぼ二次元の構造を提供することが本発明の別の目的である。
【００１４】
導波管、ベンド、スプリッタ、結合器、フィルタ、多重装置、多重分離装置、干渉計、共振器、センサ、同調可能フィルタ、増幅器、スイッチ、センサ等といった受動及び能動素子を備える小型低損失光集積回路を提供することが本発明のさらなる目的である。
【００１５】
サイズが小さいため、周知の光回路より高速度で信号を処理することのできる小型低損失光集積回路を提供することが本発明のまたさらなる目的である。
【００１６】
製作が容易で安価な小型低損失光集積回路を提供することが本発明のまたさらなる目的である。
【００１７】
センサ応用で使用するため、局在化された高強度電磁界を提供することが本発明のまたさらなる目的である。
【００１８】
本発明は、表面プラズモン・ポラリトン・バンドギャップ（ＳＰＰＢＧ）構造における表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）の被制御伝播を提供する方法と装置を提供することによってこれらの目的を達成する。ＳＰＰＢＧ構造中に周期的変調のない状態のチャネルを置くことによって、本発明はＳＰＰＢＧ構造における超小型導波管、すなわち、ＳＰＰのエネルギー／周波数依存導波を提供し、これを利用して小型光集積ＳＰＰ／回路を形成することができる。
【００１９】
すなわち、本発明は、対応するＳＰＰ界を導波及び／または局在化することによって、二次元システム中の光信号を処理することに基づいている。電磁界（ＳＰＰ）を伝播させる界面への光信号のカップリングは、回折格子またはプリズム結合器を使用する導体薄膜中で、１００％に近い変換効率でなされる。ＳＰＰはフォトンと非常に類似した波長を有し、バンドギャップ効果を使用する同じ信号処理の機会が利用できる。
【００２０】
ＳＰＰの重要な特性として、電磁界の導体−誘電体に沿った伝播が制約されることがあり、そのためＳＰＰ素子は二次元システムとみなされる。しかし、ＳＰＰの同様に重要な特性として、電磁界はその二次元界面の上及び／または下の誘電体材料中に広がり、そのためＳＰＰの伝播は誘電体材料の特性に依存する（金属層が薄ければ、界は層の両面で誘電体材料中に広がる）。従って、フォトンと比較して、ＳＰＰの散乱に関する特性は異なっている。ＳＰＰと相互作用する界面の散乱中心は、フォトンとして界面から離れて伝播する散乱電磁界に帰結するか、またはＳＰＰとして界面に留まる。ＳＰＰのビームの散乱がＳＰＰのビームに直接カップリングされないモードのカップリング電磁放射に帰結する場合、重大な損失をもたらすことになる。
【００２１】
装置は、ＳＰＰを保持する導体−誘電体界面の付近に他の導体−誘電体界面を備えてもよい。そうした界面同士がＳＰＰの電磁界の範囲よりも近づいている場合、ＳＰＰは他の界面でＳＰＰモードにカップリングされることもある。金属膜のように、導体材料が非常に薄い場合、それ自体がＳＰＰモードをサポートする２つの界面を提供できる。導体材料の薄層の１個の界面のＳＰＰモードにカップリングされたＳＰＰは、他の界面のＳＰＰモードともカップリングされ得る。このモードの組み合わせは、図１Ｂに示されるように、両方の導体−誘電体界面上を伝播するか、またはそれに結び付けられる２つのカップリングモードを生成する。導体層２で高い電磁界振幅を有する対称モード８は両側の誘電体層３及び５に広がり、非対称モード９は導体層２で低い電磁界振幅を有し、誘電体層３及び５で高い振幅を有する。対称層８は図１Ａの１個の界面上を伝播する通常のＳＰＰモード６と同様である。しかし、非対称モード９は、長距離表面プラズモン・ポラリトン（ＬＲ−ＳＰＰ）と呼ばれるものを示す（例えば、Ｓ．Ｇｌａｓｂｅｒｇ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７０、１２１０（１９９７）及びその参考文献参照）。ＬＲ−ＳＰＰは、導体層２での振幅が小さいため少ない減衰で伝播できる。本発明の用語法においては、ＳＰＰとは１個の界面上を伝播するＳＰＰであることも、導体薄層の２つの界面上を伝播するＬＲ−ＳＰＰであることもある。
【００２２】
しかし、本発明の好適実施形態によって行われた実験が示すところによれば、ＳＰＰの散乱による損失にもかかわらず、ＳＰＰＢＧ構造を使用してＳＰＰの局在化を提供し、その結果数波長及びそれより長い距離にわたる導波も可能であるが、このことは特にＬＲ−ＳＰＰをサポートする構造について当てはまる。
【００２３】
第２の媒体に対して第１の界面を有する第１の媒体であって、前記界面は表面プラズモン・ポラリトンを導波するようになっており、少なくともほぼ平面であるものと、
複数の散乱中心であって、それぞれの散乱中心は、前記第１の界面に少なくともほぼ平行な平面中の断面が、前記平面における周辺エリアの複素誘電率と異なった複素誘電率を有するエリアである領域であるもの、とを備え、
前記第１の界面に対して少なくともほぼ垂直な前記散乱中心の突起は、前記第１の界面上に１個またはそれ以上の非透過部分と１個またはそれ以上の透過部分を画定するものであって、この画定は、前記非透過部分中に突出した散乱中心の所定の少なくとも周期的なパターンを形成し、それによって前記非透過部分を、前記第１の周波数を有するＳＰＰの伝播を少なくともほぼ禁止するＳＰＰＢＧ（表面プラズモン・ポラリトン・バンドギャップ）領域と成し、かつ前記１個のまたはそれ以上の透過部分中に前記所定のパターンを形成しないことによって行われるものであり、さらに
前記複数の散乱中心は、前記第１の界面上で１個またはそれ以上の非透過部分によって少なくとも部分的に取り囲まれる少なくとも１個の透過部分を画定するように配置される。
【００２４】
表面プラズモン・ポラリトンは、２つの材料間の界面上を電荷密度振動として伝播する電磁波である。電磁波が界面上を伝播するためには、界面は、その波の周波数においてＡＣ導電性を有する第１の材料と、第２の材料との間になければならず、これら２つの材料はどちらもその波の周波数で電磁放射に対して透明である。これらの条件は、材料の周波数依存複素誘電率εで表される。
【００２５】
材料の誘電特性は、印加される電磁界の周波数に強く依存する。材料が負または正の実数部分Ｒｅ（ε）を伴う複素誘電率εを有する周波数範囲は、材料中の自由及び拘束電荷の特性といったいくつかの特性に依存する。通常、所与の温度、圧力等の各材料または材料組成について、それより上では材料の複素誘電率が正の実数部分Ｒｅ（ε）＞０を有し、それより下では材料の複素誘電率が負の実数部分Ｒｅ（ε）＜０を有するというような周波数が存在する。すなわち、第１及び第２の周波数範囲は通常一端でのみ拘束されている。
【００２６】
従って、好適には、界面は、第１の周波数範囲で負の実数部分Ｒｅ（ε１）＜０を伴う第１の複素誘電率ε１を有する第１の媒体と、第２の周波数範囲で正の実数部分Ｒｅ（ε２）＞０を伴う第２の複素誘電率ε２を有する第２の媒体との間にある。第１及び第２両方の周波数範囲は第１の周波数を含む。第１の界面を形成する２つの材料は好適には導体材料と誘電体材料であり、導体材料は第１の媒体であり、誘電体材料は第２の媒体である。
【００２７】
非透過部分は、第１の周波数を有する伝播ＳＰＰが、ＳＰＰの伝播を少なくともほぼ防止するＳＰＰＢＧに遭遇する部分である。ＳＰＰＢＧがＳＰＰの伝播を防止する周波数範囲は、突出散乱中心の少なくともほぼ周期的なパターンの空間周期に依存する。透過部分は、第１の周波数を有するＳＰＰが自由に伝播できる部分である。しかし、透過部分が第１の周波数と異なった周波数を含まないバンドギャップを有するＳＰＰＢＧを確立することがあるため、透過部分は必ずしもあらゆる周波数のＳＰＰの伝播をサポートするわけではない。
【００２８】
すなわち、透過部分は、非透過部分と異なる突出散乱中心のパターンを有するか、または突出散乱中心の周期パターンを少なくともほぼ有さないかの何れかである。従って、透過部分はまた、所定のパターンと異なった空間周期を有する突出散乱中心の少なくともほぼ周期的なパターンを備えることがある。それゆえに、第１の界面の透過部分は、所定のパターンと同様であるが、１個かそれ以上の異常、欠落または変位した散乱中心の結果から生じるような偏差を有する突出散乱中心を備え、その場合第１の界面の透過部分はＳＰＰＢＧを確立しないことがある。
【００２９】
所定の周波数範囲内の周波数を有するＳＰＰは、第１の界面の非透過部分上を伝播できず、透過部分上を伝播しうる。従って、所定の周波数範囲内の周波数を有し、透過部分上を伝播するＳＰＰは、透過部分と非透過部分との間の界面に入射すると少なくとも部分的に反射される。
【００３０】
ＳＰＰＢＧ効果を提供するためには、散乱中心は伝播するＳＰＰから見て周期パターンを形成すべきであり、すなわち、このパターンは、ＳＰＰが伝播する第１の媒体の第１の界面に少なくともほぼ平行な範囲を有する。これは、全ての散乱中心がほぼ同じ平面中になければならないという意味に解釈されるべきではない。実際には、散乱中心は第１の界面から種々の距離にあり、そのため全体的なＳＰＰＢＧ効果に対する寄与の仕方も様々である。しかし、散乱中心が第１の界面上を伝播するＳＰＰを散乱するようにするには、ＳＰＰは散乱中心の位置でゼロにならない界振幅を有するべきである。可視範囲の周波数を有するＳＰＰの界振幅の空気への浸透深さは通常１０００ナノメートル（１ナノメートル＝１０−９ｍ＝１ｎｍ）未満である。
【００３１】
散乱中心の大多数は好適には、第１の界面に少なくともほぼ平行な範囲を有する少なくともほぼ平面の領域内に位置している。好適には、この少なくとも平面の領域は第１の界面から１０００ｎｍ未満の距離に位置している。必要に応じて、少なくともほぼ平面の領域は、１００ｎｍ未満または５０または１０ｎｍ未満といった、第１の界面から５００ｎｍ未満の距離に位置している。
【００３２】
全ての散乱中心といった、少なくとも散乱中心の大多数を含む少なくともほぼ平面の領域は、装置の個々の材料構造に応じて別の媒体に配置してもよい。好適実施形態では、少なくともほぼ平面の領域の少なくとも一部分は第１の媒体から構成される。別の好適実施形態では、少なくともほぼ平面の領域の少なくとも一部分は第２の媒体から構成される。
【００３３】
第２の媒体は好適には、ＳｉＯ２、空気、ポリマー、Ａｌ２Ｏ３（サファイア）、石英、及び石灰ガラスからなるグループから選択される１個かそれ以上の材料を含む。また、第１の媒体は好適には、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐｄ、及び超伝導体からなるグループから選択される１個かそれ以上の材料を含んでもよい。好適実施形態では、第１の媒体は第２の媒体によって支持された導体薄膜を含む。
【００３４】
また、少なくともほぼ平面の領域の少なくとも一部分は第２の媒体に隣接する第３の媒体から構成されることもある。装置の材料構造は通常堆積された材料の種々の層を含むので、装置はさらに第２及び第３の媒体の間に１個かそれ以上の層を含んでもよい。
【００３５】
ＬＲ−ＳＰＰをサポートするため、第１の媒体は好適には第２の媒体によって支持される導体薄膜であるので、膜のどちらの側面でもＳＰＰモード間のカップリングが可能である。好適には、膜は１００ｎｍ未満の厚さを有する。しかし、膜が薄ければ薄いほど、膜中のＬＲ−ＳＰＰの減衰は小さくなる。従って、好適には膜は、２５ｎｍ、１０ｎｍ、５ｎｍ、２ｎｍ、１ｎｍ、０．５ｎｍ、０．２５ｎｍまたは０．１ｎｍ未満といった、５０ｎｍ未満の厚さを有する。また、ＬＲ−ＳＰＰの伝播を最適化するため、導体薄膜を間に挟んだ誘電体材料は好適には、誘電特性が同一であるなど、同様の誘電特性を有する。
【００３６】
好適実施形態では、第２の媒体は第１の媒体によってサポートされるＳＰＰモードにエネルギーをカップリングする利得媒体を含む。利得媒体は、例えば、電気的または光学的にポンピングされるものでよい。
【００３７】
非透過部分を使用し、ＳＰＰが伝播できる第１の界面上の範囲を制限することによってＳＰＰの伝播を制御することができる。この応用分野では、導波という用語は、非透過部分または同等物の使用によるＳＰＰの伝播の何らかの制御を示す。従って、ＳＰＰ導波管とは、第１の界面上の一点から別の点へのＳＰＰの伝播を制御することによってＳＰＰを導波する装置である。すなわち、ＳＰＰ導波管とは、非透過部分を通るチャネルまたはガイドを形成するように部分的に非透過部分によって取り囲まれた透過部分である。また、ＳＰＰを導波する装置は、入射ＳＰＰを偏向させるミラーまたは回折格子であるか、または周波数に応じてＳＰＰを偏向／透過するフィルタであってもよい。
【００３８】
ＳＰＰ定在波をサポートすることによって電磁界を局在化するように非透過部分によって取り囲まれた透過部分がＳＰＰキャビティを形成してもよい。キャビティを取り囲む非透過部分の一部の所定のパターンの周期は、小さい透過率を有するように離調され、それによってキャビティからの出力結合器を提供してもよい。
【００３９】
この装置は好適にはさらに、制御された形でフォトンをＳＰＰにカップリングする１個かそれ以上の入力カップリング構造、及び／または制御された形でＳＰＰをフォトンにカップリングする１個かそれ以上の出力カップリング構造を備える。
【００４０】
ここでは、透過及び非透過部分を使用してＳＰＰを導波できる装置を提供したので、ＳＰＰを処理する素子及び回路を形成することが可能である。
【００４１】
すなわち、第２の態様では、本発明は、１個かそれ以上のＳＰＰを受信する入力カップリング構造を備えるＳＰＰ受信部分と、１個かそれ以上の受信ＳＰＰの１個の少なくとも一部分を偏向させる、本発明の第１の態様によるＳＰＰ導波管とを備えるＳＰＰ素子を提供する。
【００４２】
このＳＰＰ素子は好適にはさらに、導波されたＳＰＰにおいて位相及び／または振幅変調を誘発する制御可能な複素屈折率を有する少なくとも１個の活性領域を備え、このＳＰＰ素子はさらに、その活性領域の複素屈折率を制御する手段を備えている。この活性領域は好適には、ＳＰＰの電磁界の範囲内の誘電体材料中にある。また、ＳＰＰ素子のＳＰＰ導波管は少なくとも１個の活性領域を備える干渉計を形成してもよい。
【００４３】
別の実施形態では、ＳＰＰ素子は好適にはさらに、第１の周波数と異なる周波数を有するＳＰＰの伝播を少なくともほぼ禁止するようになっているＳＰＰＢＧ領域であるさらに別の非透過部分を備え、ＳＰＰの波長フィルタを形成する。
【００４４】
同様に、第３の態様では、本発明は、
フォトンをＳＰＰにカップリングする入力構造と、
ＳＰＰをフォトンにカップリングする少なくとも１個の出力構造と、
請求項２０〜２３に記載の１個かそれ以上のＳＰＰ素子と、
ＳＰＰを入力構造から１個かそれ以上のＳＰＰ素子の１個に導波し、かつＳＰＰを１個かそれ以上のＳＰＰ素子の１個から少なくとも１個の出力構造に導波する請求項２に記載の２つかそれ以上のＳＰＰＢＧ導波管と、
を備えるＳＰＰ回路を提供する。
【００４５】
第４の態様によれば、本発明は第１と第２との媒体の間の少なくともほぼ平面の界面上を伝播する表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）の伝播を制御する方法を提供するが、前記方法は、
第１の媒体を提供するステップであって、この第１の媒体が、第１の周波数範囲内の負の実数部分、Ｒｅ（ε１）＜０を伴う第１の複素誘電率ε１を有し、かつ界面に当接する第１の表面を有する第１の材料層を備えるステップと、
第２の媒体を提供するステップであって、この第２の媒体が、界面に当接する少なくとも１個かそれ以上の部分で第２の周波数範囲内の正の実数部分、Ｒｅ（ε２）＞０を伴う第２の複素誘電率ε２を、界面に当接する少なくとも一部の部分で有するステップと、
界面でＳＰＰを伝播させるステップであって、前記ＳＰＰが第１及び第２の周波数範囲に含まれる第１の周波数を有するステップと、
界面と周囲領域とを備える伝播層を画定するステップであって、その際ＳＰＰがある点に最も近い界面の部分上で伝播する時、その点がどれも、界面の電磁界の１％以上の強度を有するＳＰＰの電磁界の影響下にあるステップと、
第１の周波数を含む第３の周波数範囲内の周波数を有するＳＰＰに少なくともほぼアクセスできないＳＰＰＢＧ（表面プラズモン・ポラリトン・バンドギャップ）領域である界面の１個かそれ以上の非透過部分を提供することによって、ＳＰＰを界面の透過部分に閉じ込めるステップであって、前記ＳＰＰＢＧ領域が、第１の界面に少なくともほぼ垂直に突出する時所定の少なくともほぼ周期的な散乱パターンを形成する伝播層中の複数の散乱中心によって画定され、各散乱中心が、界面に少なくともほぼ平行な平面中の断面が前記平面中の周囲範囲の複素誘電率と異なる１個かそれ以上の複素誘電率を有する範囲であるような領域であるステップとを含む。
【００４６】
第３の周波数範囲内の周波数を有するＳＰＰは透過部分上でだけ伝播できる。電磁波の周波数は通常、ある幅と中心周波数とを有する周波数分布によって特徴付けられるが、波の周波数とは通常中心周波数を指す。
【００４７】
プラズモン波を導波するために必要なＳＰＰＢＧ構造は、散乱中心の二次元格子を形成することによって得られる。散乱中心は通常、界面中のＳＰＰ搬送媒体の複素誘電率の周期的な変化または局所的な幾何学的変形である。ＳＰＰは電磁波であるので、散乱中心は界面中、または界面に接触して形成される必要はない。界振幅が変化の位置でゼロにならない場合、複素誘電率の周期的な変化は散乱中心をＳＰＰに提供するので、ＳＰＰの電磁界中のどこにでも位置しうる。
【００４８】
図１に見られるように、ＳＰＰ波は界面上を移動するよう閉じ込められるが、電磁界は界面に閉じ込められない。すなわち、ＳＰＰの電磁界振幅は界面に垂直な方向の隣接媒体中に延びる。その広がりはＳＰＰモードと、ある方向での材料の誘電特性に依存する。このことが意味するように、ＳＰＰが伝播し、その際ＳＰＰの電磁界がゼロにならないような界面を取り囲む領域が存在する。界面が好適には平面であるとすれば、このゼロにならない界の領域は種々の厚さの伝播層を確立するだろう。
【００４９】
ゼロにならないＳＰＰ界振幅を伴う点で複素誘電率の変化があると、何らかの散乱が生じる。すなわち、散乱中心が伝播するＳＰＰから見えるようにするため、散乱中心は好適には、ＳＰＰが伝播する第１の界面に少なくともほぼ平行な平面中の複素誘電率の局所的な変化として伝播層中に存在する。平面を使用して散乱中心を画定すると、各中心とその対応する交差平面は伝播層中の任意の垂直位置に配置される。散乱中心に対応する平面は個々の散乱中心に固有であるので、パターンの範囲を説明するのに使用されたのと同じ平面ではない。
【００５０】
伝播層の外側の位置から見ると、所定のパターンが界面に垂直に突出し、それによってＳＰＰが所定のパターンに遭遇する非透過部分と、遭遇しない透過部分を形成する。界面上を伝播し、所定のパターンのＳＰＰＢＧ内の周波数を有するＳＰＰにとって、第２の界面の非透過部分は禁止領域であり、ＳＰＰは透過部分に閉じ込められ、非透過部分の方向に伝播する場合少なくともほぼ完全な反射に遭遇する。
【００５１】
しかし、散乱中心のパターンによるＳＰＰＢＧ効果の強さは散乱中心の位置でのＳＰＰ界振幅に依存する。高い界振幅に遭遇した散乱中心は強いＳＰＰＢＧ効果を生じ、低い界振幅に遭遇した散乱中心は弱いＳＰＰＢＧ効果を生じる。また、散乱中心のパターンによるＳＰＰＢＧ効果の強さは散乱中心の複素誘電率と周囲媒体の複素誘電率との対照にも依存する。
【００５２】
散乱中心から大きな寄与を得るためには、散乱中心は好適には、ＳＰＰからの電磁界強度が、界面の電磁界強度の０．５％より大きい、また１％または２％より大きいといった、界面での電磁界強度の０．１％より大きく、さらに、より強いＳＰＰＢＧ効果を得るためには、界面での電磁界強度の２５％または５０％より大きいといった、５％または１０％より大きい領域として画定される伝播層内にある。必要に応じて、散乱中心は界面に接触して配置されるか、または界面の幾何学的変形として形成される。
【００５３】
本発明の第２の態様による好適な方法では、散乱中心は、第１及び／または第２の媒体中の界面に形成された構造である。
【００５４】
ＳＰＰを伝播させるステップは好適にはさらに、界面の透過部分上でＳＰＰを伝播させるステップを含む。また、ＳＰＰを界面の透過部分に閉じ込めるステップは好適にはさらに、ＳＰＰが界面の透過部分から界面の非透過部分に伝播する時はいつでも、界面の非透過部分上でＳＰＰの少なくとも一部分を反射し、界面の透過部分上でＳＰＰの反射された少なくとも一部分を伝播させるステップを含む。
【００５５】
界面の第１の非透過部分は、透過及び非透過部分の配置に応じて、ＳＰＰＢＧ導波管またはキャビティを画定しうる。ＳＰＰＢＧ導波管は通常、１個の位置から他の位置に至り、位置間を伝播する光信号を転送及び／または処理するために使用される１個かそれ以上の接続された透過部分によって形成される。すなわち、ＳＰＰＢＧ導波管は通常、フォトン／ＳＰＰ−結合器またはＳＰＰ−素子に接続される透過部分によって形成される。ＳＰＰＢＧキャビティは通常孤立した透過部分であり、定在ＳＰＰ波をサポートするという意味で閉じている。ＳＰＰＢＧキャビティは、省略された、または異常な散乱中心といった単一の偏差によって形成してもよい。例えば、センサ応用で使用する場合、フォトンをキャビティに連続してカップリングすることによって、ＳＰＰ定在波の局在化された電磁界からきわめて高い強度を得ることができる。
【００５６】
界面の透過部分がＳＰＰの伝播をサポートするには、伝播層の対応する部分が、ＳＰＰＢＧを提供しない限り散乱中心を含んでもよい。すなわち、界面の透過部分を含む伝播層の部分は、所定のパターンと異なった散乱中心のパターンを含むか、または少なくともほぼ散乱中心がなくてもよい。
【００５７】
本方法は光信号に関連して応用されるので、本方法はさらに、１個かそれ以上のフォトンを界面にカップリングすることによってＳＰＰを形成するステップを含んでもよい。同様に、本方法はさらに、ＳＰＰの少なくとも一部分を１個かそれ以上のフォトンにカップリングするステップを含んでもよい。
【００５８】
複数の電磁波が制御される信号処理に関連して本方法を利用するため、すなわち、本方法はさらに、界面上でＳＰＰを伝播させるステップであって、前記第２のＳＰＰが第２の周波数を有するステップを含んでもよい。
【００５９】
第２のＳＰＰは第１のＳＰＰと異なった時間に提供してもよく（時分割）、かつ／または第２の周波数は第１の周波数と異なってもよい（波長分割）。
【００６０】
第２の周波数が第１の周波数と異なっており、第３の周波数間隔の外にある場合、ＳＰＰを界面の透過部分に閉じ込めるステップはさらに、界面の非透過部分の１個の上で第２のＳＰＰを伝播させるステップを含んでもよい。それによって、第１及び第２のＳＰＰは界面上で追加及び／または分離することができる。このステップは、例えば信号の波長分割多重化（ＷＤＭ）で使用する際、波長フィルタとして使用してもよい。
【００６１】
また、ＳＰＰＢＧのバンドギャップを調整して第２のＳＰＰの伝播を制御してもよい。すなわち、本方法はさらに、
第２の周波数を含むように第３の周波数範囲を変更するステップと、
第２のＳＰＰが界面の透過部分から界面の非透過部分に伝播する時はいつでも、界面の非透過部分上で第２のＳＰＰの少なくとも一部分を反射し、界面の透過部分上で第２のＳＰＰの反射された部分を伝播するステップとを含んでもよい。
【００６２】
好適実施形態では、ＳＰＰＢＧは第２のＳＰＰを変調するように変調される。伝播領域は、材料の複素誘電率が所定のパターンを形成するような電気光学材料を含んでもよく、またバンドギャップは、例えば時分割多重化で使用する際電気的に調整してもよい。
【００６３】
別の好適実施形態では、ＳＰＰＢＧはさらに、
エネルギーを第１の界面がサポートするＳＰＰモードにカップリングするため、第２の媒体中に利得媒体を提供するステップであって、第１の界面に垂直に突出する時、前記利得媒体が第１の界面の透過部分を画定するステップと、
利得媒体を電気的または光学的にポンピングするステップと、
利得媒体からＳＰＰを含むモードにエネルギーをカップリングすることによって導波されたＳＰＰを増幅するステップと、
を提供することによって増幅または変調してもよい。
【００６４】
第５の態様では、本発明は、第１の周波数を有し少なくともほぼ平面の界面上を伝播するＳＰＰ（表面プラズモン・ポラリトン）の伝播を制御する装置を製造する第１の方法を提供するが、前記方法は、
少なくともほぼ平面の表面を有する基板を提供するステップと、
基板表面の１個かそれ以上の部分に、基板表面の凹または凸の構造に関連する第１の層中に凹または凸の構造を形成するような、基板と基板表面によって保持される第１の材料層との間の界面の１個かそれ以上の非透過部分を画定するように、基板表面に対して凹または凸である構造の所定の少なくともほぼ周期的なパターンを形成するステップであって、第１の材料層が、第１の周波数を含む第１の周波数範囲で負の実数部分、Ｒｅ（ε１）＜０、を伴う複素誘電率ε１を有し、界面が第１の材料層の上部または下部の表面であるステップとを含み、
その際構造のパターンが、前記所定のパターンなしで界面上に１個かそれ以上の透過部分を画定するように形成され、前記透過部分は基板表面の１個かそれ以上の非透過部分によって少なくとも部分的に取り囲まれる。
【００６５】
好適には、界面はＳＰＰの伝播をサポートするようになっており、界面の１個かそれ以上の非透過部分は、界面上に１個かそれ以上のＳＰＰＢＧ（表面プラズモン・ポラリトン・バンドギャップ）領域を提供する。
【００６６】
ＳＰＰ導波管またはキャビティを形成するため、透過部分は、少なくとも部分的に透過部分を取り囲む非透過部分がＳＰＰを閉じ込める界面の領域を確立する。好適実施形態では、第１の製造方法は、界面上の非透過部分中にＳＰＰ導波管を確立するため、非透過部分中に透過部分の１個かそれ以上のチャネルを画定するように構造のパターンを形成するステップを含む。別の好適実施形態では、第１の製造方法は、ＳＰＰキャビティを確立するため、界面上の非透過部分によって取り囲まれる透過部分を画定するように構造のパターンを形成するステップを含む。
【００６７】
第６の態様では、本発明は、第１の周波数を有し少なくともほぼ平面の界面上を伝播するＳＰＰ（表面プラズモン・ポラリトン）の伝播を制御する装置を製造する第２の方法を提供するが、前記方法は、
第１の周波数を含む第１の周波数範囲で負の実数部分、Ｒｅ（ε１）＜０、を伴う複素誘電率ε１を有する第１の材料層を提供するステップであって、界面が第１の材料層の上部または下部の表面に関連する平面として画定されるステップと、
第１の層中に選択された領域の所定の、少なくともほぼ周期的なパターンを形成するように第１の層の選択された領域を除去するか、または選択された領域の複素誘電率を変更するステップであって、選択された領域がε１と異なる複素誘電率を有するステップとを含み、
その際選択された領域が、第１の層と第２の媒体との間の界面の１個かそれ以上の非透過部分と１個かそれ以上の透過部分とを画定し、前記透過部分が第１の層の１個かそれ以上の非透過部分によって少なくとも部分的に取り囲まれる。
【００６８】
好適には、界面はＳＰＰの伝播をサポートするようになっており、界面の１個かそれ以上の非透過部分は界面上に１個かそれ以上のＳＰＰＢＧ（表面プラズモン・ポラリトン・バンドギャップ）領域を提供する。
【００６９】
ＳＰＰ導波管またはキャビティを形成するため、透過部分は、少なくとも部分的に透過部分を取り囲む非透過部分がＳＰＰを閉じ込める界面の領域を確立する。好適実施形態では、第１の製造方法は、界面上の非透過部分中にＳＰＰ導波管を確立するため、非透過部分中に透過部分の１個かそれ以上のチャネルを画定するように領域のパターンを形成するステップを含む。別の好適実施形態では、第１の製造方法は、ＳＰＰキャビティを確立するため、界面上の非透過部分によって取り囲まれる透過部分を画定するように領域のパターンを形成するステップを含む。
【００７０】
第７の態様では、本発明は、第１の周波数を有し材料層と媒体との間の少なくともほぼ平面の界面上を伝播するＳＰＰ（表面プラズモン・ポラリトン）の伝播を制御する装置を製造する第３の方法を提供するが、前記方法は、
材料層に当接する表面を有する基板を提供するステップであって、基板が、第１の周波数を含む第２の周波数範囲で正の実数部分、Ｒｅ（ε２）＞０、を伴う複素誘電率ε２を有するステップと、
基板中の複数の領域の複素誘電率をε２と異なる複素誘電率に変更するステップであって、前記複数の領域が、界面に少なくともほぼ垂直に突出する時、界面の１個かそれ以上の非透過部分を画定する１個かそれ以上の所定の、少なくともほぼ周期的なパターンを形成するように配置されるステップと、
基板の表面上に材料層を提供するステップであって、前記材料層が、第１の周波数を含む第１の周波数範囲で負の実数部分、Ｒｅ（ε１）＜０、を伴う複素誘電率ε１を有しかつ上部及び下部の表面を有し、界面が材料層の上部または下部の表面に関連する平面として画定されるステップとを含み、
その際１個かそれ以上の所定のパターンが、所定のパターンなしで界面の１個かそれ以上の透過部分を画定し、前記透過部分が１個かそれ以上の非透過部分によって少なくとも部分的に取り囲まれる。
【００７１】
好適には、界面はＳＰＰの伝播をサポートするようになっており、界面の１個かそれ以上の非透過部分は界面上に１個かそれ以上のＳＰＰＢＧ（表面プラズモン・ポラリトン・バンドギャップ）領域を提供する。
【００７２】
好適には、材料層との界面を形成する媒体は基板である。しかし、基板は異なった材料組成の１個かそれ以上の層を含んでもよい。
【００７３】
ＳＰＰ導波管またはキャビティを形成するため、透過部分は、少なくとも部分的に透過部分を取り囲む非透過部分がＳＰＰを閉じ込める界面の領域を確立する。好適実施形態では、第１の製造方法は、界面上の非透過部分中にＳＰＰ導波管を確立するため、非透過部分中に透過部分の１個かそれ以上のチャネルを画定するように複数の領域を配置するステップを含む。別の好適実施形態では、第１の製造方法は、ＳＰＰキャビティを確立するため、界面上の非透過部分によって取り囲まれる透過部分を画定するように複数の領域を配置するステップを含む。
【００７４】
本発明によるＳＰＰＢＧ領域を形成する全ての所定のパターンに共通の特徴は、バンドギャップの所定の周波数範囲を決定する所定のパターンの空間周期と構造（単位セルによって画定される二次元格子構造を意味する）である。ＳＰＰＢＧの所定の周波数範囲に含まれる周波数は、装置の材料構成中で導波されるＳＰＰの周波数である。個々の装置について、空間周期Λと、所定の周波数範囲内の周波数を有するＳＰＰの波長λＳＰＰとの間の関係を発見できることが多い。好適には、所定のパターンの空間周期は、２．５〜２５０ｎｍまたは２５０ｎｍ〜２５μｍといった２．５ｎｍ〜２５μｍの間隔内、好適には２５〜２５０ｎｍまたは２５０〜７００ｎｍの間隔内である。また、所定の周波数範囲は好適には、１０〜１０００ｎｍまたは１〜１００μｍといった１０ｎｍないし１００μｍの間隔内、好適には１００〜１０００ｎｍまたは１０００〜３０００ｎｍの間隔内のλＳＰＰに対応するＳＰＰ周波数を含む。
【００７５】
多くの場合、所定の周波数範囲は、所定の波長範囲内で波長λｐｈｏｔｏｎを有するフォトンのカップリングに起因するＳＰＰの周波数を含むことは興味深い。λＳＰＰとλｐｈｏｔｏｎとの関係は、装置の材料構成に依存する。個々の装置について、フォトンが装置にカップリングされる時、フォトンの波長λｐｈｏｔｏｎと結果として得られるＳＰＰのλＳＰＰとの間の関係を発見できることが多い。すなわち、所定の周波数範囲は好適には、装置にカップリングされるフォトンの波長λｐｈｏｔｏｎに対応するＳＰＰ周波数を含み、前記フォトンは１００〜２０，０００ｎｍの間隔内の波長を有する。
【００７６】
必要に応じて、所定の周波数範囲は、所定のパターンが紫外線フォトンのカップリングに起因するＳＰＰと相互作用するように、１００〜３８０ｎｍの間隔内の波長λｐｈｏｔｏｎに対応するＳＰＰ周波数を含む。また、所定の周波数範囲は、所定のパターンが可視フォトンのカップリングに起因するＳＰＰと相互作用するように、３８０〜７８０ｎｍの間隔内の波長λｐｈｏｔｏｎに対応するＳＰＰ周波数を含むこともある。好適には、所定の周波数範囲は、所定のパターンが赤外線フォトンのカップリングに起因するＳＰＰと相互作用するように、７８０〜２０，０００ｎｍの間隔内の波長λｐｈｏｔｏｎに対応するＳＰＰ周波数を含む。好適には、結果として得られる装置が光通信産業で使用できるように、所定の周波数範囲は、１，１００〜２，０００ｎｍの間隔内といった７８０〜３，０００ｎｍの間隔内の波長λｐｈｏｔｏｎに対応するＳＰＰ周波数を含む。
【００７７】
実施例
ＳＰＰは、金属−誘電体界面に沿って伝播し、例えば図１に示されるように隣接媒体中で指数関数的に減衰する振幅を有する電磁波として説明できる。ＳＰＰ伝播定数βは、界面全体にわたる電磁界を整合させることから得られ、２つの媒体の対応する誘電率ε１及びε２によって決定される。すなわち、λが自由空間中の光の波長である時、β＝（２π／λ）［ε１ε２／（ε１＋ε２）］１／２である。その結果、ＳＰＰの伝播長は内部減衰（抵抗損）によって制限される。すなわち、ＬＳＰＰが、ＳＰＰ強度が開始値の１／ｅに減衰するまでの距離である時ＬＳＰＰ＝（２ｌｍβ）−１である。
【００７８】
最も簡単な形態では、本発明は、ＳＰＰＢＧ構造中に周囲範囲の周期的変調と異なる周期的変調を有するか、または周期的変調のない領域を形成することによってＳＰＰＢＧ構造中に形成されるＳＰＰ導波管である。その結果、ＳＰＰＢＧ構造のエネルギー／周波数バンドギャップ中のエネルギー／周波数を有するＳＰＰはこうした領域に閉じ込められる。ＳＰＰＢＧはＳＰＰ搬送媒体及び／または界面中に周期的に配置された散乱中心である。散乱中心は通常、ＳＰＰ搬送媒体及び／または界面の複素誘電率の局所的な変化または局所的な幾何学的変形である。
【００７９】
本発明の簡単な実施形態は図３Ａ及び図３Ｂで示されるような直線または曲がり導波管である。この導波管は超小型信号導波用及び光チップ上の種々の素子または光回路の相互接続用に使用される。もう１個の簡単な実施形態は異常または欠落散乱中心といった少数または単一の偏差によって形成されるキャビティである。こうしたキャビティは、高度に定位された高強度界を生じるＳＰＰ定在波をサポートすることができ、これはセンサ応用で使用できる。
【００８０】
図３Ａまたは図３ＢのＳＰＰＢＧ導波管からの放射漏れによる損失は通常、一般にＳＰＰの伝播を制限する種々の種類の減衰と比較して無視できるものである。ＳＰＰの伝播定数βは、界面全体にわたる電磁界を整合させることから得られ、隣接する媒体の対応する複素誘電率ε１及びε２によって決定される。すなわち、λが自由空間中のＳＰＰカップリング光の波長である時、β＝（２π／λ）［ε１ε２／（ε１＋ε２）］１／２である。ＳＰＰの伝播長Ｌとは、ＳＰＰ強度が開始値の１／ｅに減衰するまでの距離である。従って、ＳＰＰの伝播長Ｌは、内部減衰（抵抗損）によって制限される。すなわち、ＬＳＰＰ＝（２ｌｍβ）−１である。例えば、銀では、ＳＰＰ伝播長は光波長０．６μｍで〜２５μｍ、及び１０μｍで〜５００μｍに達する。ＳＰＰ伝播長は、界面平面からの放射減衰と非弾性ＳＰＰ散乱のためさらに短縮されることもある。
【００８１】
平滑断面を伴う周期構造を使用することによって、広い波長範囲内でＳＰＰ放射損、すなわち、界面平面からのＳＰＰの放射による損失を大きく低減することができる。
【００８２】
空気へのＳＰＰ電磁界の指数関数的減衰は通常可視波長範囲で１μｍ未満である。これが意味するように、ＳＰＰ界は金属−誘電体界面に緊密に拘束されている。
【００８３】
プラズモン波を導波するために必要なＳＰＰＢＧ構造はいくつかの方法で製作することができる。ＳＰＰＢＧ構造は散乱中心の二次元格子を形成することによって得られる。散乱中心は通常、ＳＰＰ搬送媒体及び／または界面の複素誘電率の局所的な変化または局所的な幾何学的変形である。
【００８４】
ＳＰＰ搬送媒体及び／または界面の局所的な幾何学的変形は、所定の波長に適した距離と所定の充填率（くぼみ／隆起の直径に対するくぼみ／隆起の距離の比）を伴う小さなくぼみまたは隆起の形態でもよい。図２Ａに示されるように、この変形は通常、ガラス基板１０に小さな穴２０または突起２２を形成し、その後通常厚さ５０ｎｍ未満の金属膜１２で覆うことによって形成される。この構成の結果、金属膜１２中の小さな突起２１または２４が得られ、それによって界面１４及び／または１６が変形する。また、図２Ｂに示されるように、金属膜１２を伴う基板１０から始めて金属膜のレジスト上に電子ビーム・リソグラフィを行い、リフトオフの後膜１２上に小さな金属隆起３４を残してもよい。隆起２１及び２４は界面１４または１６の何れかの側を伝播するＳＰＰに対する散乱中心を形成する。層１２の厚さに応じて、界面１４上を伝播するＳＰＰの電磁界振幅は界面１６に伸展するので、隆起３４は界面１４上を伝播するＳＰＰについてのＳＰＰＢＧを確立することもある。金属膜１２上の隆起２１、２４または３４は金属膜からの電磁界の範囲（通常空気中で約３００ｎｍ）より高い高さを有するべきではなく、さもないとＳＰＰがフォトンとカップリングし結果として損失を生じる。重要なことであり、また当業者には容易に認識されることだが、１個かそれ以上の材料層を基板１０と金属層１２との間に堆積させてもよく、それでも同じＳＰＰＢＧ効果が得られることに注意されたい。一般に、金属層１２の上の空間１８は空気または、追加の金属層、ガラス、シリコン、空気等といった何らかの他の媒体でよい。
【００８５】
また、界面の局所的な幾何学的変形は穴または修正領域の形態でもよい。図２Ｃでは、散乱中心の二次元パターンが、例えば電子ビーム・リソグラフィまたはレーザ・アブレーションを使用して金属被覆ガラス基板に書き込まれている。パターンは金属層１２に穴２６またはインデンテーション２８として書き込まれることもある。インデンテーション２８は界面１６に当接するので、界面１６上を伝播するＳＰＰに対して明確にＳＰＰＢＧを確立することができる。ここでも、層１２の厚さに応じて、界面１４上を伝播するＳＰＰの電磁界振幅は界面１６に伸展するので、散乱中心２８が界面１４上を伝播するＳＰＰに対してＳＰＰＢＧを確立することもある。ここでも、１個かそれ以上の材料層をパターン付き金属層の上に堆積させてもよい。周期的変形の別の例を図２Ｂの右側断面に示す。ここでは、変形は異なった複素誘電率を有する２つの材料１０及び１１の間の界面に周期的変形を提供することによって確立される。界面１４または１６上を左から右に移動するＳＰＰから見ると、媒体１０中の異なった複素誘電率のピーク３６が、ＳＰＰの電磁界に対して周期的な散乱中心を形成する。
【００８６】
ＳＰＰ搬送媒体及び／または界面の複素誘電率の局所的な変化はＳＰＰの電磁界振幅の範囲内にある媒体の複素誘電率変調の形態でもよい。すなわち、図２Ｄに例示されているように、散乱中心を、界面に当接しているかまたはしていない隣接媒体の１個に形成してもよい。基板１０がガラス基板のように感光性である場合、紫外線放射の照射によって複素誘電率変調３０及び３２を形成してもよい。また、膜をドーピング（図示せず）することによって金属膜１２中に複素誘電率変調を形成してもよい。図２Ｄに例示されているように、複素誘電率変調は、界面１４または１６の何れかの上をＳＰＰが伝播できるＳＰＰ電磁界の範囲内にある限り、界面３０に当接してもよく、また埋め込み領域３２であってもよい。
【００８７】
金属膜１２、及びそこに形成された周期的変調は、例えば、金属膜の上部の構造を被覆するかまたは保護層を堆積させ、それによって図２Ａ〜図２Ｄの金属膜１２の上の空間１８を少なくとも部分的に充填することによって保護してもよい。このため、誘電特性の変化によって共振周波数等がわずかに変化することがある。しかし、この保護によって構造の寿命は大幅に増大する。
【００８８】
別の種類のＳＰＰＢＧ構造では、金属層の上の空間１８は空気とは別の誘電体によって充填される。図２Ｅ及び図２Ｆに示されるこうした構造では、金属層は誘電体材料３８及び３９の２つの層の間に挟まれた金属薄膜１３である。図２Ｅでは、ＳＰＰＢＧ構造は、例えば、リソグラフィ及びエッチングまたはリフトオフ、パルスレーザ、走査型電子顕微鏡またはサブミクロンスケールでの加工に適した同様の技術を使用して、金属膜１３に穴２６を開けることによって形成される。図２Ｅでは、ＳＰＰＢＧ構造は、上部誘電体３９の表面を、回折格子結合器を製作するのと同様のＳＰＰＢＧ構造４０に変調することによって形成される。しかし、回折格子結合器と対照的に、構造４０は、導波管及び／または他の素子を画定する二次元周期構造を形成する。
【００８９】
他の構造及び種類の散乱中心が得られることもあり、散乱中心は異なった材料からなる領域によって形成されることもある。現在の半導体／シリコン処理技術は、小規模構造を形成する場合多くの選択肢と高い自由度を提供するので、上記で示された例は制限的なものと解釈すべきではなく、むしろ、散乱中心を形成する代表的な方法の広範な組み合わせを提供するものである。
【００９０】
本発明の実施形態は図２Ａの散乱中心２１によって例示される方法によって形成された。この実施形態は周知のシリコン処理技術によって得られ、リソグラフィ及びエッチングを使用して作成されたパターン付きガラス基板からなり、金属被覆上部表面を伴っていた。この実施形態の製作は、
電子ビーム・リソグラフィと、
プラズマ・エッチングと、
金属蒸着と、
の３つの製作ステップを含んでいた。
【００９１】
以下、この実施形態の製作で使用された個々のステップを詳細に説明する。しかし、個々の製作ステップは各々単なる一例にすぎず、他の方法でも実行可能であることを理解されたい。
【００９２】
電子ビーム・リソグラフィ
ガラス基板から始めて、レジストにパターンを描いて波長以下の寸法の基板を製作するため、電子ビーム・リソグラフィが使用される。処理ステップは従来のフォトリソグラフィと同様であるが、マスクを通じて紫外線でウェハを照射する代わりに、変換電界放射走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が使用され、感電子性レジストを露光させる。
【００９３】
電子ビーム・パターン形成の前に、金属薄層（数ｎｍ）がガラス・ウェハ上に堆積される。この層は、電子ビーム書き込みの間基板の帯電を防止する十分な表面導電性を提供し、その後のプラズマ・エッチングに干渉しない。試料の清掃後、レジストの薄層がガラス片上にスピン塗布される。多くの要素を伴う構造のより高速な書き込みを可能にする高感度と、レジストの薄層をエッチング・マスクとして直接使用可能にする高ドライエッチング抵抗という２つの理由から、日本ゼオン株式会社（Ｎｉｐｐｏｎ　Ｚｅｏｎ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．）製のポジ型レジストＺＥＰ５２０を使用した。レジストはＺＥＤ　Ｎ５０現像液（ｎ−酢酸アミル）を使用して現像され、その後試料は清掃され、残った現像液はＺＭＤ−Ｂリンス液（ＭＩＢＫ８９％／ＩＰＡ１１％）を使用して除去される。
【００９４】
電子後方散乱効果（近接効果）を避けるため１００ｎｍ厚のＺＥＰ５２０と控えめな（１０ｋＶ）加速電圧を使用して、４０×４０μｍの範囲にわたって５０ｎｍまでの直径と１５０ｎｍまでの規則的なピッチ（空間周期）の穴が製作された。図３Ａは、レジスト中に書き込まれた穴を伴う基板の写真を示す。この写真は光学顕微鏡を通じて撮影されパターンが形成された範囲は１３０μｍ平方である。ここで論じられるＳＰＰＢＧ構造の場合、４００ｎｍのピッチまたは空間周期を伴う、直径１５０ｎｍの穴の三角配列が１００ｎｍのレジスト中に製作された。導波管領域は、穴のないチャネルとして明瞭に見られる。
【００９５】
プラズマ・エッチング
レジストの薄層中に小さな穴が画定されると、試料は反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）マシンに装填された。ポンプがある望ましい圧力を保持する一方で、フレオン・ガス（ＣＨＦ２）の制御された流れがチャンバ内に導入される。チャンバの向かい合う側面がＲＦアンテナの役目を果たし、プラズマを生成する。イオン化されたＦ原子は高反応性で、ＳｉＯ２と（及びより小さい度合いではレジスト自体とも）反応する。エッチング率は１０ｎｍ／分程度であった。通常穴は深さ４０〜８０ｎｍであった。
【００９６】
フレオン・プラズマ・エッチングの後、試料はチャンバから取り出され、アセトン、メタノール及び水で洗浄され試料は清掃された。残余物があれば、（例えば指の油脂といった）有機材料だけを侵食しガラスを侵食しない酸素プラズマ・エッチングによって除去された。図３Ｂは、プラズマ・エッチング及びレジスト除去の後の図３Ａの清掃されたパターン形成済みガラス基板の細部の写真を示す。
【００９７】
金属蒸着
５０ｎｍ厚銀膜が、フォトンとプラズモンとの間の有効なカップリングを達成するため最適であることが実験的に発見された。金属の明確で均一な層を伴う清潔な試料を維持するため、電子ビーム蒸着が使用された。
【００９８】
まず、ガラスと銀との間の良好な付着を達成するため、Ｔｉのごく薄い層（数Å）を堆積させた。次に、望ましい量の銀を蒸着した。図４は、試料の微細部のＳＥＭ写真を示す。この写真では、穴は表面全体を覆っており非常に浅い（〜５０ｎｍ）。
【００９９】
本発明のＳＰＰＢＧ導波を調査するため、製作された実施形態での共振ＳＰＰ励起の強度分布をニアフィールド・イメージングを使用して調査した。図５は、ガラス基板７８の表面上に堆積した構造化金属膜７２の空気−金属界面７４に沿って伝播する共振励起ＳＰＰ６によって形成される総電界強度分布のニアフィールド・イメージング（被覆されていない鋭利な光ファイバ先端８を伴う）の概略表示である。総電界強度分布には、ＳＰＰＢＧ構造の散乱中心２１上のＳＰＰの散乱からの寄与９も含まれる。
【０１００】
光ファイバの鋭利な先端８は電界強度の局所的な検出器とみなされる。平面からのＳＰＰ散乱（散乱中心２１から散乱する放射９によって表される）が十分に小さければ、結果として得られる信号は主として総ＳＰＰ強度８０である。この状況は、膜−空気界面７４での検出信号を数マイクロメートルの先端−界面距離で測定することによって確認できる。ファイバ先端を界面の局在化された電磁界に近づけると、局在化された電磁界はファイバ中のモードにカップリングしてファイバ中に光を発生し、ファイバは局在電磁界に対するプローブの役目を果たす。
【０１０１】
４００ｎｍの空間周期で（ガラス中に製造され５０ｎｍ厚銀層で被覆された）図５のＰＢＧ構造中のＳＰＰ伝播のニアフィールド・イメージングをＴｉ：サファイア同調可能レーザを使用して行い、これを図６に示す。ＳＰＰは、波長７９２ｎｍのレーザ・ビームの入射角θを調整することによって共振励起された。膜−空気界面７４に接触するファイバ・プローブで検出された光信号は、界面から数マイクロメートル離したファイバ・プローブが検出する信号の１０倍より大きかった。これが示すように、検出された信号は総ＳＰＰ電磁界強度８０が支配的であり、図６に示されるニアフィールド光画像がＰＢＧ構造における総ＳＰＰ強度分布であることを含意している。
【０１０２】
図６は、サイズ１５×１５μｍ２のニアフィールド光画像の疑似グレースケール（「白」は最大信号に対応し、「黒」は最小信号に対応する）表示を示す。この画像は、ナノ構造化５０ｎｍ厚銀膜の表面を走査する非被覆光ファイバ・プローブと、図５により波長７９２ｎｍで共振励起されたＳＰＰによって得られた。黒い線は、周期４００ｎｍのＰＢＧ六角形構造を含む正方形中の（平坦な表面の）チャネルの境界を示す。この画像は、ＰＢＧ構造のバンドギャップに対応する波長で励起されたＳＰＰのＳＰＰＢＧ導波の効果を明瞭に実証しており、それはＰＢＧ周期の２倍の波長を中心とするはずである。構造パラメータ（膜の厚さ、表面断面の深さ、充填率）をさらに最適化することによって、観察された効果は改善される。
【０１０３】
実験的検証
この説明では、ＳＰＰＢＧ構造中の線偏差に沿ったＳＰＰＢＧ効果とＳＰＰ導波の（ニアフィールド光学顕微鏡による）直接の観察を提示する。以下、内部である波長範囲に対するＳＰＰ伝播が抑圧されるように界面に周期的に配置された散乱中心からなる領域内の弾性ＳＰＰ散乱を利用する。
【０１０４】
実験装置は、被覆されていない鋭利なファイバ先端によって散乱した放射をファイバ・モードに収集するよう使用される独立走査型ニアフィールド光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）［４］と、通常のクレッチマン構成におけるＳＰＰ励起用の装置（図１）とからなる。ＳＰＰは、ガラス基板上に熱蒸着され、その上のある範囲を２００ｎｍ幅、４５ｎｍ高さの金散乱中心の４００ｎｍ周期三角形格子で覆った４５ｎｍ厚金膜に沿って、励起される（図７）。このナノパターンは、金膜上のレジスト層の電子ビーム・リソグラフィと、第２の金層の蒸着及びリフトオフを使用して形成された。製作された構造は、格子の既約ブリュアン・ゾーンの異なった幅と２つの主要な方向、すなわちΓＫ（図８Ａ及び図８Ｄ）及びΓＭ（図８Ｂ及び図８Ｃ）の線偏差を含んでいた［１］。Ｔｉ：サファイア・レーザ（λ＝７８０〜８２０ｎｍ、Ｐ〜５０ｍＷ）からのｐ偏向（図１）光ビームは、浸漬油を伴ってガラス・プリズムの基部に取り付けられた試料に弱く焦点を合わせる（焦点距離≒５００ｍｍ、スポットサイズ〜３００μｍ）。ＳＰＰ励起は、ｎがプリズムの屈折率である時、β〜（２π／λ）ｎｓｉｎθという位相整合条件によって決定される角度θで発生する反射光パワーの角度依存性の最小値として認識される［１］。この装置によって、８００ｎｍで最適ＳＰＰ励起が得られるように入射角を調整する時、７８０〜８２０ｎｍの範囲で有効なＳＰＰ励起が得られる。空気−金界面についてこの範囲内で評価されたＳＰＰ特性は、ε１＝１、ε２≒−２３＋１．８ｉ、λＳＰＰ＝２π／Ｒｅ（β）≒０．９８λ、ＬＳＰＰ≒３５μｍである［１］。使用される構成では、ＳＰＰ伝播長は放射減衰（基板中の共振再放射）及び界面平面からの非弾性ＳＰＰ散乱によってさらに減衰する。ＳＰＰ励起は明瞭な共振挙動を示し、入射角が共振から外れているか、またはファイバが試料界面から〜１μｍ離れていた場合、ファイバからの平均光信号は１０倍以上小さかった。これが意味するように、剪断力フィードバックによって維持される先端−界面距離で検出される信号は（界面平面から散乱した界成分ではなく）主として膜−空気界面に沿った総ＳＰＰ界強度分布に関連する［３］。最後に、注意されたいが、図７〜図１１の全ての画像は、励起されたＳＰＰが垂直方向上向きに伝播するような方向である。
【０１０５】
ほぼΓＫ方向に沿って伝播する励起されたＳＰＰの周期構造（図８Ａ）による明瞭な反射が、λ〜７８２ｎｍで撮影されたニアフィールド光画像で観察された（図８Ｂ）。構造の前部で見られる非常に明るい干渉縞は、わずか〜２μｍ内側ではほぼゼロ信号であることと共に、入射ＳＰＰの高い反射率と強い減衰を示している。反射率と減衰は光波長の増大に伴って急速に減少し、λ〜８１５ｎｍで構造の内部と外部のＳＰＰ強度分布の差は事実上消失する（図８Ｄ）。構造内部のＳＰＰ強度とその反射率のこうした強い波長依存性は、出願人の見解によれば、ＳＰＰＢＧ効果の明白な証拠である。
【０１０６】
ＳＰＰＢＧ効果が発生したならば、対応する波長でＳＰＰＢＧ構造中の線偏差に沿ったＳＰＰ導波の観察が予想される。しかし結局のところ、一連の六角形クラスタの除去（図７Ａ）によって得られたΓＫ方向の線偏差（図８Ｂ）に沿ったＳＰＰ導波は、何の形跡も発見されなかった。これは驚くべきことかもしれないが、おそらく個別偏差によるＳＰＰ散乱の場合でさえ入念なシミュレーションが必要なため、二次元ＳＰＰＢＧ構造については理論面ではほとんど知られていないことを念頭に置くべきであろう［５］。ほぼ同じ幅（３列の散乱中心を除去した）のΓＭ方向の線偏差は、〜５μｍという短い距離のみではあるが、７８２ｎｍでＳＰＰ導波をサポートすることが発見された（図９）。ＳＰＰＢＧ構造はこの波長では入射ＳＰＰを効率的に反射するが、７９２ｎｍでは劣っていることに注意されたい。従って、ＳＰＰＢＧ効果は、ギャップが７８２ｎｍ近くを中心とする場合ΓＭ方向でも存在すると結論付けられる。構造の内部〜４μｍについてのトポグラフィ及び光学的断面図［図９Ｄ］が示すところによれば、ＳＰＰＢＧ導波モードは、幅がわずか≒１．３９μｍである導波管の内部に十分に閉じ込められている（図７Ｂ）。同時に、（２列の散乱中心が除去され幅≒１．０４μｍである）隣接する導波管は短い距離であっても導波モードをサポートしない。後者の導波管の幅は基本モードのカットオフ値以下であり、前者の幅はわずかにそれを越えていると思われる。このためモード伝播は波長の不規則性に非常に影響されやすくなるが、このことからこのモードで観察される伝播距離が短いことの理由が説明できる（図９Ｂ）。
【０１０７】
この推測は、ΓＭ方向に沿った線偏差を含むΓＫ方向のＳＰＰＢＧ構造によって得られる画像によって立証される（図１０）。やはり３列の散乱中心が除去されたこの偏差で伝播する弱いモード（７８２ｎｍ）に気付くだろう（図７Ｃ）。さらに、２つのＳＰＰＢＧ構造の間の（ΓＫ方向の）幅広い（〜３．２μｍ）チャネル内で明瞭なＳＰＰビームが伝播するのが見られる（図７Ｄ）。構造の内部〜４μｍについてのトポグラフィ及び光学的断面図［図１０Ｄ］は、狭いＳＰＰＢＧ導波管の（基本）モードと、幅広いチャネルの（おそらくは最初の２つの）モードの組み合わせとの両方の強度プロファイルを明瞭に示している。ここでも、線偏差中のＳＰＰ導波とＳＰＰＢＧ構造中のＳＰＰ反射は、波長が８１５ｎｍに増大すると消失する（図５Ｂ及び図５Ｃ参照）。このように、顕著な損失なしに〜１８μｍにわたる幅広いＳＰＰＢＧチャネルでモードの組み合わせが伝播することによって（図１１）、ＳＰＰ界を効率的に導波するＳＰＰＢＧ構造中の線偏差の能力が実証される。
【０１０８】
以上のことをまとめると、波長７８２ｎｍのクレッチマン配置におけるニアフィールド顕微鏡法とＳＰＰ励起を使用して、（ΓＫ及びΓＭ方向を有する）４００ｎｍ周期三角形格子構造による入射ＳＰＰの強い反射が、この構造内部のＳＰＰ伝播の抑圧と同時に直接観察された。波長が大きくなると、ＳＰＰ反射と伝播の抑圧が両方とも急激に悪化することは、出願人の見解によれば、検討中の構造中にＳＰＰＢＧ効果があることの明白な証拠となる。また、ＳＰＰＢＧ構造中の線偏差に沿った（７８２ｎｍでの）ＳＰＰ導波も直接実証された。ＳＰＰＢＧ構造中の３．２μｍ幅、１８μｍ長のチャネルでＳＰＰ界の制約されない伝播が観察された。構造パラメータをさらに研究し最適化することによって、観察された効果をさらに改善し、従来の二次元ＰＢＧ構造用のものと同様のＳＰＰＢＧによる素子を探求することが可能である。最後に、（最終的には光ファイバからの）放射をＳＰＰにカップリングする専用回折格子を使用することで、フォトニクスの分野で集積ＳＰＰＢＧ回路を実現する直接の道が開かれるだろう。
【０１０９】
上記で提供された実験的検証は、本発明による予備装置の結果である。本発明による装置は現在さらに研究されており、近い将来原理証明を提供するより良好な実験結果すら期待できる。
【０１１０】
以前に説明したように、ＳＰＰはＳＰＰモードからの放射漏れと種々の種類の減衰による損失を受けるが、これらは全てＳＰＰの伝播全般と、特にその波長解像度を制限する。
【０１１１】
ＳＰＰＢＧ導波管においてＳＰＰの損失を最小化し、それによってＳＰＰ伝播長と波長解像度を最適化するため、以下の節ではＳＰＰ損失を低減及び／または補償できる種々の構造が提案される。これは、減衰によって波長フィルタの鮮鋭度が制限される光フィルタ目的の場合特に重要である。
【０１１２】
以前に説明された構造では、金属層は一方の側面でガラス、及びもう一方の側面で空気と境界を接していた。一般に、金属層と境界を接する材料の屈折率が高いほど、より多くのＳＰＰ波が金属層に押し込まれ、それに応じて損失が増大する。
【０１１３】
図１２は、非常に薄い金属膜１３（通常２〜２０ｎｍ）の両側に同様の（必ずしも同一ではない）屈折率の誘電体材料８４及び８５を有する代替ＳＰＰＢＧ構造を示す。界は両側で誘電体に浸透するので、金属層の厚さを縮小すると、それに応じてＳＰＰ界の金属膜１３に重なり合う部分が小さくなり、損失が低減される。こうして得られたＳＰＰモードは、例えば、Ｃ−Ｈ．リヤオ（Ｃ−Ｈ．Ｌｉａｏ）他、「任意多層構造中のＬＲ−ＳＰＰの共振特性（Ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＬＲ−ＳＰＰ　ｉｎ　ａｎ　ａｒｂｉｔｒａｒｙ　ｍｕｌｔｉ−ｌａｙｅｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３８、５９３８（１９９９）で長距離表面プラズモン・ポラリトン（ＬＲ−ＳＰＰ）として説明されている。この配置を使用することで、伝播長を桁違いに改善する（減衰を低減する）ことができる。
【０１１４】
図１２は、出っ張り３４が下部８４及び上部８５の任意多層誘電体構造に組み込まれた金属薄膜１３からなるＬＲ−ＳＰＰＢＧ構造を基板１０が保持する構造を示す。多層中の誘電体は、例えば、スピン塗布されたポリマー、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、水、屈折率整合液、空気、等でよいが、例えば、Ｆ．ピジョン（Ｆ．Ｐｉｇｅｏｎ）他、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．」９０、８５２（２００１）、Ｒ．シャーボノー（Ｒ．Ｃｈａｒｂｏｎｎｅａｕ）他、「Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．」２５、８４４（２０００）、Ｓ．グラスバーグ他、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．」７０、１２１０（１９９７）、Ｔ．スターケンバーグ（Ｔ．Ｓｔｅｒｋｅｎｂｕｒｇｈ）及びＨ．フランケ（Ｈ．Ｆｒａｎｋｅ）、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．」８１、１０１１（１９９７）も参照されたい。図１２に示される構造では、ＳＰＰＢＧ効果を得るために必要な変調は、図２Ａ〜図２Ｆに関連して説明された何れかの方法でも得られる。
【０１１５】
先行技術の構造またはＳＰＰＢＧ構造中を伝播する時ＳＰＰが受ける損失を補償するため、ＳＰＰＢＧ構造中で利得を実現してもよい。２つの可能な構成を図１３Ａ及び図１３Ｂで概説する。図１３Ａでは、通常量子井戸を含む半導体といった活性層を含む利得媒体４２が金属膜１３の上部の誘電体層３９の間に配置される。活性層を間に挟む膜１３と電極４４との間に電源４５を印加することによって活性層に電気的なバイアスがかけられる。膜１３中を伝播し利得媒体４２に達する大きな電磁界振幅を有するＳＰＰが増幅され、損失を補償する。
【０１１６】
図１３Ｂでは、利得媒体４２は、例えばエルビウム・ドープ・ガラスでよいが、これは、励起波長に対して透明な上部誘電体層を選択すれば、光学的に励起８６できる。図１３Ａ及び図１３Ｂの両方で提案されている構造では、ＳＰＰＢＧ導波管４３は用紙の平面に対して垂直な方向に延びており、利得媒体４２及び／または励起（図１３Ａの４４／４５及び図１３Ｂの８６）は導波管４３のすぐ上の導波管の短い部分に沿った領域にだけ提供される。
【０１１７】
代替構造では、損失は構造全体にわたってコヒーレントなポンピングを行い連続してエネルギーをＳＰＰモードに供給することによって補償される。局所的な励起によってＳＰＰを励起部分から離れた方向に伝播させる代わりに、ＳＰＰは励起され、伝播する際の励起放射によってコヒーレントにポンピングされる。図１４は、ポンピング放射８６に対して透明な材料層１１の上に金属層１２が蒸着された構造を示す。
【０１１８】
上記で示されたＳＰＰ伝播における損失を低減または補償する例を都合よくカップリングし、損失を低減しかつ補償するか、また装置中で正味の利得が提供されるようにしてもよい。また、こうした例を記載した他の全てのＳＰＰＢＧ構造、例えば、図２Ａ〜図２Ｆに関連して記載したものとカップリングしてもよい。
【０１１９】
ＳＰＰの伝播特性を操作する可能性によって、ＳＰＰＢＧ導波管を使用して設計及び製作できる多数のＳＰＰ素子への道が開かれるが、その幾つかを図１５、図１６、及び図１７に関連して以下に説明する。図面中、ＳＰＰＢＧを形成する個々の散乱中心は例示的なものにすぎず、種々の方法で形成可能である。
【０１２０】
図１５は、本発明によるＳＰＰＢＧ導波管及び／またはキャビティに基づいた同調可能フィルタを示す。ＧａＡｓ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＤＰ、ＡＤＰといった電気光学層４６がＳＰＰＢＧ構造を伴う金属薄膜１３と、電源４５に接続された電極４４との間に挟まれる。回折格子結合器構造が上部誘電体層３９の上部表面に形成され、入射広帯域フォトン８７をＳＰＰにカップリングする入力結合器５６と、ＳＰＰを出射濾波フォトン８８にカップリングする出力結合器５７とを提供する。入力結合器５６と出力結合器５７は波長選択ＳＰＰＢＧ構造と相互接続される。電気光学層４６の屈折率は電圧を印加することによって変化し、それによってＳＰＰＢＧ構造の透過波長が変化する。それによって、構造にカップリングされるフォトンの波長を電気的に制御できるので、例えばＤＷＤＭに応用可能な同調可能帯域通過フィルタが得られる。対応する設計はＰ．Ｊ．カジェンスキ（「長距離表面プラズモンを使用する同調可能光フィルタ（Ｔｕｎａｂｌｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ｌｏｎｇ−ｒａｎｇｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｓｍｏｎｓ）」、「Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．」３６、１５３７（１９９７））で提案されているが、これは金属膜の平面でのＳＰＰ伝播をまったく制御できないものであった。ＳＰＰＢＧ導波管４７によって提供される効率的な導波は、機能性を大きく向上させるものである。
【０１２１】
図１６は、周期構造５１のＳＰＰＢＧ領域によって画定されるＹ接合部を示す。波長λ１とλ２とを含むＳＰＰ界が導波管セクション５２の方向に伝播すると、接合部で分割され、セクション５０と５４とを伝播するＳＰＰ界が得られる。分割比はセクション５２のＳＰＰ界と各セクション５０及び５４とのモード整合によって決定される。この整合は、例えば、導波管セクションの幅と接合部の角度によって決定される。
【０１２２】
入射ＳＰＰの波長、λ１及びλ２、は、回折格子結合器５６によってＳＰＰにカップリングされるフォトン信号に起源を有しうる。結果として得られるＳＰＰは、５６と同様の回折格子結合器で再びフォトンにカップリングしてもよい。すなわち、２つのビームλ１及びλ２は明確な比をもって２つの成分に分割される。
【０１２３】
ＳＰＰＢＧは極めて波長の影響を受けやすいことが予想されるが、この特徴をＳＰＰ導波と共に利用して、通信システムで使用される波長分割多重（ＷＤＭ）構造といった種々の素子を製作することができる。
【０１２４】
すなわち、入射ＳＰＰλ１及びλ２が異なった波長を有する場合、図１６に示されるスプリッタを、高精度波長スプリッタ、すなわち「スーパープリズム」として使用してもよい。導波管領域５０及び５４に当接する領域中の周期構造５１のＳＰＰＢＧを制御することによって、波長領域５０中にＳＰＰを閉じ込めるＳＰＰＢＧは、λ２がバンドギャップの外にあるように同調してもよい。同様に、導波管領域５４を画定するＳＰＰＢＧは、λ１がバンドギャップの外にあるように同調してもよい。例えば、製造中に周期構造５１の周期を制御することによってＳＰＰＢＧを制御してもよい。また、電気光学材料を使用してＳＰＰＢＧを制御し、それによって材料の複素誘電率を電気的に制御してもよい。
【０１２５】
図１７は、ＳＰＰＢＧによる光学素子である三方向スプリッタを示す。このスプリッタは、挿入図によって拡大して示される中央ＳＰＰＢＧエリア５９に向かって伝播するＳＰＰモードに入射光信号６０をカップリングする入力金属格子６２を有している。ＳＰＰＢＧ導波管領域６１は入射ＳＰＰを受信し、そのパワーを、導波管領域６３、６５及び６７中を伝播するＳＰＰと共に３つの部分に分割する。各導波管領域６３、６５及び６７はそれぞれ、ＳＰＰを光信号６４、６８及び７０にカップリングする３つの出力金属回折格子６６の方向に導波する。出力光信号はＳＰＰＢＧ構造中で処理された後、光伝送ネットワーク中で使用できる。
【０１２６】
図１６に関連して説明されたＹ結合器の場合と同様、各導波管６３、６５及び６７を画定するＳＰＰＢＧ領域は、入射ＳＰＰを３つの波長チャネルに分割するように同調してもよい。
【０１２７】
図１６及び図１７に関連して説明されたＹ接合部と三方向スプリッタは、ＳＰＰの波長依存導波の例である。波長依存導波へのもう１個のアプローチは、ベンド、反射器（ミラー、ビーム・スプリッタ）といったフィルタである。ベンドの場合、バンドギャップ外の波長を有するＳＰＰはＳＰＰＢＧ領域に進んで種々の減衰効果によって吸収され、バンドギャップ内の波長を有するＳＰＰだけが導波される。反射器の場合、反射器を形成するＳＰＰＢＧ領域のバンドギャップ内の波長を有するＳＰＰは反射されるが、バンドギャップ外の波長を有するＳＰＰは透過し、さらに反射器の裏面に導波される。反射器は導波管内の、導波管を画定する周期構造とは異なった周期性を有する周期構造の領域として形成すればよい。それによって、反射器のバンドギャップは導波管のバンドギャップとは異なったものになるので、２つのバンドギャップの重なり合う波長の範囲内の波長を有するＳＰＰは反射され、他のＳＰＰは反射器を透過する。
【０１２８】
ＳＰＰＢＧ導波管は導体膜による周期パターンによって簡単に形成できるので、導波管及び素子を同じ処理ステップで同じ基板上に簡単に形成できる。このため従来の光学素子より緊密な実装のより小型の素子が可能になる。より緊密な実装とより小型の導波管及び素子というこの特徴のため、より小型でひいては高速の集積回路が可能になる。すなわち、ＳＰＰ導波管の実現によって信号処理の新しい可能性が提供される。
【０１２９】
図１６及び図１７に関連して説明されたような結合器、ベンド及び反射器は、光学チップ上の超小型信号導波及び相互接続のために使用してもよい。強い波長依存プラズモン導波は、通信システムにおける波長分割多重（ＷＤＭ）のために使用してもよい。プラズモン処理ユニットの後、例えば、図１７のような回折格子を使用することによって、プラズモンをフォトンに変換し、信号の長距離伝送が行われる。この変換は非常に有効な処理である。ＷＤＭシステムにおける１００ＧＨｚの通常のチャネル分割によって、ＬＲ−ＳＰＰを使用して数ＧＨｚのＳＰＰ線幅が達成できる（例えば、グラスバーグ他、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．」７０，１２１０（１９９７）またはＪ．Ｃ．クウェイル（Ｊ．Ｃ．Ｑｕａｉｌ）他、「Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．」８、３７７（１９８３）を参照されたい）。
【０１３０】
上記で言及された素子を使用して、マッハ−ツェンダー干渉計または他の種類の干渉計を形成してもよく、これは干渉効果を使用する直接信号処理のためＳＰＰのルーティングで使用してもよい。このことは例えば、通信システムにおける時分割多重（ＴＤＭ）の場合特に重要であり、センサ応用の場合、例えば電気光学材料または非線形効果を使用することによって干渉計上のＳＰＰパス長を制御すればよい。
【０１３１】
周期ＳＰＰＢＧ構造中で散乱中心を省略、変形、変位または導入することによって二次元結晶中に偏差を形成できる。こうした偏差は、波長以下の規模で定位されたＳＰＰＢＧキャビティまたは偏差状態を生じうる。プラズモン結晶中の偏差状態におけるＳＰＰの定位によって、局所的な界強度は数桁向上できる。理論的には、光をＳＰＰＢＧ偏差状態に連続カップリングすることで界強度は１０４倍まで向上しうる。これによってＳＰＰによるセンサの感度は大きく向上しうる。通常、このような強い界は、単一分子（蛍光）検出器または材料の量が非常に制限されていることの多い生物学／医学システムといった超高感度適用業務で使用可能である。ＳＰＰの性質により、センサは、センサの表面のような界面にピークを有する高強度領域への容易なアクセスを提供する。
【０１３２】
また、本発明はＳＰＰＢＧ構造におけるＳＰＰの能動制御を提供する。図１５に関連して説明された同調可能フィルタは、フィルタを電気的に同調できるという点で外部能動制御を伴う装置である。能動制御を提供するいくつかの他の実施形態を以下説明する。
【０１３３】
ＳＰＰの伝播速度は金属層を保持する誘電体層の屈折率に依存するので、光学的または電気的に屈折率を変調することによって位相シフトを容易に誘発できる。このことは、例えば、ＳＰＰＢＧ構造を応用して、ゲーティング、サンプリング、スイッチング、再生等のために使用可能な干渉計を製造する道を開く。
【０１３４】
別の実施形態では、金属薄層の少なくとも一部分を圧電基板上に保持し、それによってＳＰＰＢＧ構造の寸法と特性を電気的に制御できるようにする。同様に、大きな熱膨張係数を有する基板上に金属層を堆積させ、温度を制御することでＳＰＰＢＧ構造の寸法と特性を制御してもよいが、これは比較的低速の処理である。
【０１３５】
前の段落で説明された実施形態のスキームを逆転させると、ＳＰＰＢＧ導波管は、材料特性、電気、圧力及び温度を感知するセンサとしても使用できる。ＳＰＰはすでに化学物質の分析用に使用されている。本発明によって提供されるＳＰＰ制御によってこうした応用が大きく改善されると予想される。
【０１３６】
参考文献
［１］Ｈ．リーサー（Ｈ．Ｒａｅｔｈｅｒ）、「表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｌａｓｍｏｎｓ）」（スプリンガー、ベルリン（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，Ｂｅｒｌｉｎ）、１９８８）
【０１３７】
［２］Ｓ．Ｃ．キトソン、Ｗ．Ｌ．バーンズ（Ｗ．Ｌ．Ｂａｒｎｅｓ）及びＪ．Ｒ．サムブルズ（Ｊ．Ｒ．Ｓａｍｂｌｅｓ）、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．」７７、２６７０（１９９７）
【０１３８】
［３］Ｓ．Ｉ．ボジェヴォルヌィ（Ｓ．Ｉ．Ｂｏｚｈｅｖｏｌｎｙｉ）及びＦ．Ａ．プドニン（Ｆ．Ａ．Ｐｕｄｏｎｉｎ）、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．」７８、２８２３（１９９７）；Ｓ．Ｉ．ボジェヴォルヌイ及びＶ．コエリョ（Ｖ．Ｃｏｅｌｌｏ）、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．」Ｂ５８、１０８９９（１９９８）
【０１３９】
［４］ＤＭＥ−デュアルスコープ（ＴＭ）、ハーレブ、デンマーク（Ｈｅｒｌｅｖ，Ｄｅｎｍａｒｋ）
【０１４０】
［５］Ａ．Ｖ．シチェグロフ（Ａ．Ｖ．Ｓｈｃｈｅｇｒｏｖ）、Ｉ．Ｖ．ノヴィコフ（Ｉ．Ｖ．Ｎｏｖｉｋｏｖ）、及びＡ．Ａ．マラドゥジン（Ａ．Ａ．Ｍａｒａｄｕｄｉｎ）、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．」７８、４２６９（１９９７）
【図面の簡単な説明】
【図１】
先行技術による、金属−ガラス界面にカップリングされ、その上で伝播するＳＰＰの断面図。
【図２】
Ａ〜Ｆは、本発明による装置中の周期パターン散乱中心の、種々の種類及び位置の断面図。
【図３】
ＡおよびＢは、製造の異なった段階での本発明によるＳＰＰＢＧ導波管装置の実施形態を示す写真であり、ＲＩＥエッチングの前のレジストへの電子ビーム書き込みパターンを示す。
【図４】
図３Ｂのエッチング穴を伴うガラス−空気界面の走査型電子顕微鏡（Ｓ電磁）画像。
【図５】
共振励起ＳＰＰと、ＳＰＰＢＧ構造の散乱中心上のＳＰＰの散乱によって形成される全電界強度分布のニアフィールド・イメージングの断面図。
【図６】
図３Ａまたは図３Ｂの導波管中を伝播するＳＰＰの全電界強度振幅を示すニアフィールド画像。
【図７】
Ａ〜Ｄは、４５ｎｍ厚金膜上のレジスト・マスク層中に形成される線偏差を伴う４００ｎｍ周期三角形格子の種々の領域の走査型電子顕微鏡画像。
【図８】
Ａ〜Ｄは、Ａのトポグラフィ画像と、λ〜Ｂ：７８２、Ｃ：７９２及びＤ：８１５ｎｍで得られたニアフィールド光画像（１０．５×１０．５μｍ２）とのグレースケールを示す。ΓＫ方向を有する線偏差を伴う周期構造は図７Ａに示されるレジスト構造に対応する。トポグラフィ画像の深度は９０ｎｍである。光画像のコントラスト、すなわち最大及び最小検出光信号の相対差は〜９８％である。
【図９】
Ａ〜Ｄは、Ａのトポグラフィ画像と、λ〜Ｂ：７８２及びＣ：７９２ｎｍで得られたニアフィールド光画像（１５×１５μｍ２）とのグレースケールを、対応する光画像上に付した直線に沿った断面図Ｄと共に示す。ΓＭ方向を有する２つの線偏差を伴う周期構造は図７Ｂに示されるレジスト構造に対応する。トポグラフィ画像の深度は１５０ｎｍである。光画像のコントラストは〜９７％である。
【図１０】
Ａ〜Ｄは、Ａのトポグラフィ画像と、λ〜Ｂ：７８２及びＣ：８１５ｎｍで得られたニアフィールド光画像（１３×１３μｍ２）とのグレースケールを、対応する光画像上に付した直線に沿った断面図Ｄと共に示す。ΓＭ方向を有する２つの線偏差を伴う周期構造は図７ｃに示されるレジスト構造に対応し、ΓＫ方向の幅広い偏差は図７ｄに示されている。トポグラフィ画像の深度は１７０ｎｍである。光画像のコントラストは〜９８％である。
【図１１】
Ａ〜Ｃは、図１０に示される画像と同じ界面範囲からのＡのトポグラフィ画像と、λ〜Ｂ：７８２及びＣ：８１５ｎｍで得られたニアフィールド光画像（７×１７．５μｍ２）とのグレースケールを示す。トポグラフィ画像の深度は１０５ｎｍである。光画像のコントラストは（ｂ）９５％及び（ｃ）９０％である。
【図１２】
誘電体多層を有するＬＲ−ＳＰＰ構造の断面図。
【図１３】
誘電体材料が界面上を伝播するＳＰＰを増幅する利得媒体を含む本発明による実施形態の断面図。
【図１４】
誘電体材料が界面上を伝播するＳＰＰを増幅する利得媒体を含む本発明による実施形態の断面図。
【図１５】
界面上を伝播するＳＰＰのコヒーレント分散ポンピングを可能にする本発明による実施形態の断面図。
【図１６】
本発明のＳＰＰＢＧ素子の実施形態によるＹ結合器の例示。
【図１７】
本発明のＳＰＰＢＧ素子の実施形態による３方向スプリッタの例示。
【図１Ａ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004505294.tif 000069
2004505294.tif 000070
【国際調査報告】
2004505294.tif 000071
2004505294.tif 000072
2004505294.tif 000073