(57)【要約】【課題】電気光学効果を用いる電界センサに表面プラズモン共鳴や導波路モード光波の励起を応用することにより、高感度、小型、低コストの電界センサを提供する。【解決手段】本発明における電界センサＥＳ１は、プリズム１の面に、金属層２を形成し、金属層２の表面に電気光学効果を有する電気光学薄膜３を形成し、プリズム１の面で全反射される全反射減衰法を用いて、電界印加による電気光学薄膜３の屈折率の変化による金属層２表面に励起される表面プラズモンの共鳴状態の変化又は電気光学薄膜３内に励起される導波路モード光波の励起状態の変化から電界を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリズムの面に、金属層を形成し、前記金属層の表面に電気光学効果を有する電気光学薄膜を形成し、前記プリズムの面で全反射される全反射減衰法を用いて、電界印加による前記電気光学薄膜の屈折率の変化による前記金属層表面に励起される表面プラズモンの共鳴状態の変化又は前記電気光学薄膜内に励起される導波路モード光波の励起状態の変化から電界を検出する；
電界センサ。
【請求項２】
前記表面プラズモンの共鳴状態の変化又は前記導波路モード光波の励起状態の変化を、前記全反射減衰法における反射光の強度、位相又は共鳴波長の変化により検出する；
請求項１に記載の電界センサ。
【請求項３】
光ファイバ端面又は光透過性基板表面に、局在化表面プラズモンが励起される寸法の金属微粒子層又は金属グレーティング層を形成し、前記金属微粒子層又は前記金属グレーティング層の表面に電気光学効果を有する電気光学薄膜を形成し、前記金属微粒子層又は前記金属グレーティング層からの反射光、透過光又は散乱光を用いて、電界印加による前記電気光学薄膜の屈折率の変化による前記局在化表面プラズモンの共鳴状態の変化から電界を検出する；
電界センサ。
【請求項４】
光ファイバ端面又は光透過性基板表面に、局在化表面プラズモンが励起される寸法の金属微粒子を分散した電気光学効果を有する電気光学薄膜を形成し、前記金属微粒子からの反射光、透過光又は散乱光を用いて、電界印加による前記電気光学薄膜の屈折率の変化による前記局在化表面プラズモンの共鳴状態の変化から電界を検出する；
電界センサ。
【請求項５】
前記局在化表面プラズモンの共鳴状態の変化を、前記反射光、透過光又は散乱光の強度、位相又は共鳴波長の変化により検出する；
請求項３又は請求項４に記載の電界センサ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電界センサと、前記表面プラズモン、前記導波路モード光波又は前記局在化表面プラズモンを励起する光を発光する光源と、前記電界を検出する光検出器と、前記光検出器で検出された電界の状態を記憶し、表示する処理装置とを備える；
電界センシング装置。
【請求項７】
前記プリズムの面を平行に移動可能である；
請求項６に記載の電界センシング装置。
【請求項８】
請求項１に記載の電界センサを準備する工程と、
前記電界センサの前記金属層内に表面プラズモンを又は前記電気光学薄膜内に導波路モード光波を励起して、全反射減衰法を用いて反射光を検出する工程と、
前記電界センサに電界を印加する工程と、
前記電界センサの前記金属層内に表面プラズモンを又は前記電気光学薄膜内に導波路モード光波を励起して、全反射減衰法を用いて反射光の変化を検出する工程と、
前記反射光の変化から電界を検出する工程とを備える；
電界センシング方法。
【請求項９】
請求項３に記載の電界センサを準備する工程と、
前記電界センサの前記金属微粒子層又は前記金属グレーティング層の表面に局在化表面プラズモンを励起して、前記金属微粒子層又は前記金属グレーティング層からの反射光、透過光又は散乱光を検出する工程と、
前記電界センサに電界を印加する工程と、
前記電界センサの前記金属微粒子層又は前記金属グレーティング層の表面に局在化表面プラズモンを励起して、前記金属微粒子層又は前記金属グレーティング層からの反射光、透過光又は散乱光の変化を検出する工程と、
前記反射光、透過光又は散乱光の変化から電界を検出する工程とを備える；
電界センシング方法。
【請求項１０】
請求項４に記載の電界センサを準備する工程と、
前記電界センサの前記金属微粒子の表面に局在化表面プラズモンを励起して、前記金属微粒子からの反射光、透過光又は散乱光を検出する工程と、
前記電界センサに電界を印加する工程と、
前記電界センサの前記金属微粒子の表面に局在化表面プラズモンを励起して、前記金属微粒子からの反射光、透過光又は散乱光の変化を検出する工程と、
前記反射光、透過光又は散乱光の変化から電界を検出する工程とを備える；
電界センシング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電界センサに関する。詳しくは電気光学効果を有する材料の電界による屈折率変化を表面プラズモンの共鳴状態又は導波路モード光波の励起状態の変化により検出する電界センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電界が印加された際に電気光学結晶（以下ＥＯ結晶という）中に生じる電気光学効果（以下ＥＯ効果という）を利用した電界センサは非接触による電界の検出が可能であり、広く研究が行われ、一部は実用化もされている。現在用いられている電界センサは、例えば、ＥＯ効果により生じる光の位相遅れを偏光状態の変化として検出している。ＥＯ効果を利用した電界センサには、（１）オシロスコープの信号計測用非接触プローブ、（２）Ｆｓ（Ｆｅｍｔｓｅｃｏｎｄ）パルスレーザーと組み合わせた集積回路の高速非接触サンプリング、（３）ＴＨｚ（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ）帯などの光波計測、のような応用分野がある。この中で、（１）は計測器メーカーを中心にオシロスコープなどのプローブとして実用化されている。また、アンテナ、給電などの分野でも応用が検討されている。（２）では、ＥＯ結晶を回路上に搭載してビームをスキャンすることにより空間的な情報を得るなどの手法が用いられている。そのため、プローブを任意の位置に自由に動かすことはできない。（３）は（２）とほぼ同じ使い方であるが、近年重要性を増している分野である。ＴＨｚイメージングなどの分野へ応用すれば、生体、安全など関連分野への波及効果は大きい。（非特許文献１参照）
【０００３】
他方、表面プラズモンを用いるセンサについては、全反射減衰法を用いた表面プラズモン共鳴測定を利用した手法が用いられているが、プローブ構造の制限が大きく、ＤＮＡのハイブリッド化を検出できるような高い感度を保ったまま、ミクロンサイズあるいはそれ以下のサイズへ微小化することは難しかった。発明者はナノメートルサイズの金属微粒子に励起される局在化プラズモン共鳴を用いて、高い感度を保ったまま、センシング部分のミクロンサイズへの微小化を実現した。（特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１８１２９６号公報（段落００３８〜００６６、図１〜６）
【非特許文献１】アドバンストエレクトロニクス1−１４、光学結晶、３．１（２）超高速ＩＣの計測プローブ、９６−１００頁、宮澤信太郎著、培風館発行、１９９５年７月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＥＯ効果を用いるセンサにおいて高い感度を得るためには、光路長を大きくする必要があるため、高品質の大きなＥＯ結晶を用いる必要がある。そのため、膜厚数１０μｍ〜数１００μｍの結晶が必要である。また、ＥＯ効果により生じる屈折率変化は僅かであるため、従来の電界センサでは、微小な屈折率変化を検出するために、ＥＯ効果を示す非線形光学結晶に対して入射した光の位相変化を利用したり、干渉計を利用したりして感度の向上をはかっている。また、走査光ビームをスキャンすることにより空間的な情報を得ることもできるが、位相差板や偏光板などの光学部品が必要であったり、光導波路を作製したりしなければならず、測定の手軽さやコストの点で満足できるものではなかった。また、プローブを自由に動かすことができない、光学系が単純ではない、などの問題があった。
【０００６】
ところで、発明者達による表面プラズモン共鳴の研究から、表面プラズモン共鳴（局在化表面プラズモン共鳴を含む）の共鳴条件や全反射時のエバネッセント光で励起された導波路モード光波の励起条件が周辺媒質の屈折率変化に敏感であることがわかってきた。このことに着目すれば、ＥＯ効果を示す媒質の屈折率変化を単純な反射率変化として検出できる電界センサを実現できる可能性がある。
【０００７】
ここでいう表面プラズモン共鳴とは、電子のプラズマ波が表面の境界条件の特殊性により光波と相互作用を起こす現象をいう。例えば全反射減衰法（ＡＴＲ法；Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ  ｔｏｔａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ法）における表面プラズモン共鳴や金属ナノ微粒子、ナノ構造、粗い金属表面、島状金属における局在化表面プラズモン共鳴などが生じる。共鳴条件は、表面付近の誘電率や誘電体の吸着・結合状態に敏感に反応するという特徴を持つ。他方、導波路モード光波とは、表面プラズモンと同様に全反射減衰法により生じるモードである。全反射減衰法に用いるプリズム底面に１０ｎｍから８０ｎｍの金属薄膜を堆積し、さらにその表面に堆積した誘電体薄膜（厚さは波長程度かそれ以上）中に生じるモードで、導波路モード光波が入射光と共鳴することにより反射率のディップ（鋭い減衰）を生じる。
【０００８】
全反射減衰法における表面プラズモン共鳴および導波路モード光波との共鳴は同じ光学配置で観測されるが、入射角が異なる。また、表面プラズモン共鳴を起こすのは、ｐ−偏光の入射光のみであるが、導波路モード光波との共鳴はｐ−偏光およびｓ−偏光の入射光で起こり、金属表面上の誘電体薄膜の膜厚により異なるが、厚い場合には複数の入射角で共鳴を起こす。
【０００９】
本発明は、電気光学効果を用いる電界センサに表面プラズモン共鳴（局在化表面プラズモン共鳴を含む）や導波路モード光波の励起を応用することにより、高感度、小型、低コストの電界センサ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】
【００１０】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の電界センサＥＳ１は、例えば図１に示すように、プリズム１の面に、金属層２を形成し、金属層２の表面に電気光学効果を有する高分子などの電気光学薄膜３を形成し、プリズム１の面で全反射される全反射減衰法を用いて、電界印加による電気光学薄膜３の屈折率の変化による金属層２表面に励起される表面プラズモンの共鳴状態の変化又は電気光学薄膜３内に励起される導波路モード光波の励起状態の変化から電界を検出する。
【００１１】
ここにおいて、金属層には、金属膜、金属粒子層等が含まれる。また、必ずしも純金属である必要はなく。不純物や結晶欠陥があっても良い。また、金属層には合金層が含まれるものとする。また、電気光学薄膜にはポッケルス効果、カー効果等を示す薄膜が含まれるが、その他屈折率が変わる薄膜であれば良い。また、電界の検出には、電界有無、電位高低の検出だけでなく、定量的な電位測定も含まれる。このように構成すると、ＥＯ効果を用いる電界センサに表面プラズモン共鳴や導波路モード光波の励起を応用することにより、高感度、小型、低コストの電界センサを提供できる。特に、導波路モード光波を用いると、高感度で実用的な電界センサの提供に好適である。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電界センサにおいて、表面プラズモンの共鳴状態の変化又は導波路モード光波の励起状態の変化を、全反射減衰法における反射光５の強度、位相又は共鳴波長の変化により検出する。このように構成すると、電界の変化を高感度に検出でき好適である。
【００１３】
また、請求項３に記載の電界センサは、例えば図９（ｂ）に示すように、光ファイバ１１端面又は光透過性基板表面に、局在化表面プラズモンが励起される寸法の金属微粒子層１４ａ又は金属グレーティング層を形成し、金属微粒子層１４ａ又は金属グレーティング層の表面に電気光学効果を有する電気光学薄膜１５を形成し、金属微粒子層１４ａ又は金属グレーティング層からの反射光１７、透過光又は散乱光を用いて、電界印加による電気光学薄膜１５の屈折率の変化による局在化表面プラズモンの共鳴状態の変化から電界を検出する。
【００１４】
ここにおいて、局在化表面プラズモンが励起される寸法の金属微粒子層１４ａとは直径１５ｎｍから１５０ｎｍの金属の微粒子を表面に単層、あるいは数層に固定化したものをいい、局在化表面プラズモンが励起される寸法の金属グレーティング層とは金属の表面に光の波長程度（１００ｎｍから１５００ｎｍ）の周期的な凹凸構造の持つものをいう。このように構成すると、ＥＯ効果を用いる電界センサに局在化表面プラズモン共鳴を応用することにより、高感度、小型、低コストの電界センサを提供できる。特に、光ファイバ端面に形成したセンサは、微小領域の電界の検出に好適である。
【００１５】
また、請求項４に記載の電界センサは、例えば図９（ａ）に示すように、光ファイバ１１端面又は光透過性基板表面に、局在化表面プラズモンが励起される寸法の金属微粒子１４を分散した電気光学効果を有する電気光学薄膜１５を形成し、金属微粒子１４からの反射光１７、透過光又は散乱光を用いて、電界印加による電気光学薄膜１５の屈折率の変化による局在化表面プラズモンの共鳴状態の変化から電界を検出する。
【００１６】
ここにおいて、局在化表面プラズモンが励起される寸法の金属微粒子１４とは直径１５ｎｍから１５０ｎｍの金属の微粒子をいう。また、金属微粒子の分散は、典型的には電気光学効果を有する電気光学薄膜中で一様に分散しているが、これに限られず、例えば光ファイバ端面側に偏って分散していても良い。このように構成すると、ＥＯ効果を用いる電界センサに局在化表面プラズモン共鳴を応用することにより、高感度、小型、低コストの電界センサを提供できる。特に、光ファイバ端面に形成したセンサは、微小領域の電界の検出に好適である。
【００１７】
また、請求項５に記載の発明は、請求項３又は請求項４に記載の電界センサにおいて、前記局在化表面プラズモンの共鳴状態の変化を、反射光、透過光又は散乱光の強度、位相又は共鳴波長の変化により検出する。このように構成すると、電界の変化を高感度に検出でき好適である。
【００１８】
また、請求項６に記載の電界センシング装置は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電界センサＥＳ１と、表面プラズモン、導波路モード光波又は局在化表面プラズモンを励起する光を発光する光源と、電界を検出する光検出器６と、光検出器６で検出された電界の状態を記憶し、表示する処理装置とを備える。ここにおいて、処理装置とはコンピュータをいい、ここでは記憶手段、表示手段を有する。このように構成すると、ＥＯ効果を用いる電界センサに表面プラズモン共鳴等を応用することにより、高感度、小型、低コストの電界センシング装置を提供できる。
【００１９】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の電界センシング装置において、例えば図７に示すように、プリズム１の面を平行に移動可能である。このように構成すると、集積回路などの平面に構成された回路における電界の検出に好適である。
【００２０】
また、請求項８に記載の電界センシング方法は、例えば図４に示すように、請求項１に記載の電界センサを準備する（Ｓ００１）工程と、電界センサＥＳ１の金属層２内に表面プラズモンを又は電気光学薄膜３内に導波路モード光波を励起して（Ｓ００２）、全反射減衰法を用いて反射光を検出する（Ｓ００３）工程と、電界センサＥＳ１に電界を印加する（Ｓ００４）工程と、電界センサＥＳ１の金属層２内に表面プラズモンを又は電気光学薄膜３内に導波路モード光波を励起して（Ｓ００５）、全反射減衰法を用いて反射光の変化を検出する（Ｓ００６）工程と、反射光５の変化から電界を検出する（Ｓ００７）工程とを備える。
【００２１】
ここにおいて、反射光の変化とは典型的には工程Ｓ００３と工程Ｓ００６との間での反射光の変化をいうが、工程Ｓ００３で一度電界の無い状態での反射光を検出しておけば、工程Ｓ００４における電界や位置を変化させて工程Ｓ００４〜工程Ｓ００７を繰り返し行ない、その間での反射光の変化を追跡すれば、電圧値を追跡できるので、電界や位置を変化させた場合の反射光の変化を含めても良い。また、電界の検出とは、典型的には電界の有無の検出をいうが、電圧値の検出も含む。電界の有無の検出は反射光の変化の検出をもって行っても良い。また、電圧値の検出は反射光の変化から演算により行っても良く、キャリブレーション値と比較して行っても良い。また、工程Ｓ００２における、表面プラズモン又は導波路モード光波の励起を工程Ｓ００５まで持続した状態で、工程Ｓ００４で電界センサＥＳ１を電界内に出し入れしても良い。このように構成すると、ＥＯ効果を用いる電界センサに表面プラズモン共鳴や導波路モード光波の励起を応用することにより、高感度、小領域、低コストの電界センシング方法を提供できる。
【００２２】
また、請求項９に記載の電界センシング方法は、例えば図１１に示すように、請求項３に記載の電界センサＥＳ３を準備する工程（Ｓ１０１）と、電界センサＥＳ３の金属微粒子層１４ａ又は金属グレーティング層の表面に局在化表面プラズモンを励起して（Ｓ１０２）、金属微粒子層１４ａ又は金属グレーティング層からの反射光１７、透過光又は散乱光を検出する（Ｓ１０３）工程と、電界センサＥＳ３に電界を印加する（Ｓ１０４）工程と、電界センサＥＳ３の金属微粒子層１４ａ又は金属グレーティング層の表面に局在化表面プラズモンを励起して（Ｓ１０５）、金属微粒子層１４ａ又は金属グレーティング層からの反射光５、透過光又は散乱光の変化を検出する（Ｓ１０５）工程と、反射光５、透過光又は散乱光の変化から電界を検出する（Ｓ１０７）工程とを備える。
【００２３】
ここにおいて、工程Ｓ１０２における、局在化表面プラズモンの励起を工程Ｓ１０５まで持続した状態で、工程Ｓ１０４で電界センサＥＳ３を電界内に出し入れしても良い。このように構成すると、ＥＯ効果を用いる電界センサに局在化表面プラズモン共鳴を応用することにより、高感度、小領域、低コストの電界センシング方法を提供できる。
【００２４】
また、請求項１０に記載の電界センシング方法は、例えば図１１に示すように、請求項４に記載の電界センサＥＳ２を準備する工程（Ｓ１０１）と、電界センサＥＳ２の金属微粒子１４の表面に局在化表面プラズモンを励起して（Ｓ１０２）、金属微粒子１４からの反射光１７、透過光又は散乱光を検出する（Ｓ１０３）工程と、電界センサＥＳ２に電界を印加する（Ｓ１０４）工程と電界センサＥＳ２の金属微粒子１４の表面に局在化表面プラズモンを励起して（Ｓ１０５）、金属微粒子１４からの反射光１７、透過光又は散乱光の変化を検出する（Ｓ１０６）工程と、反射光１７、透過光又は散乱光の変化から電界を検出する（Ｓ１０７）工程とを備える。
【００２５】
ここにおいて、工程Ｓ１０２における、局在化表面プラズモンの励起を工程Ｓ１０５まで持続した状態で、工程Ｓ１０４で電界センサＥＳ１を電界内に出し入れしても良い。このように構成すると、ＥＯ効果を用いる電界センサに局在化表面プラズモン共鳴を応用することにより、高感度、小領域、低コストの電界センシング方法を提供できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、電気光学効果を用いる電界センサに表面プラズモン共鳴や導波路モード光波の励起を応用することにより、高感度、小型、低コストの電界センサを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態は、全反射減衰（ＡＴＲ）法を用い、表面プラズモンの共鳴状態の変化から電界を検出する例を説明する。
【００２９】
図１に、第１の実施の形態における電界センサＥＳ１の構成例を示す。図１において、プリズム１の底面に金（Ａｕ）等の金属薄膜２を形成し、その上にＥＯ効果を有する高分子（以後、ＥＯポリマーという）等の電気光学薄膜３を塗布等により形成する。金属薄膜２の厚さは例えば３０〜８０ｎｍである。ＥＯポリマーなどの電気光学薄膜３の厚さは１００ｎｍ〜数１０μｍ程度と従来のＥＯセンサに用いられる電気光学結晶より薄い。電界センサＥＳ１は、これらプリズム１、金属薄膜２、電気光学薄膜３により構成される。測定はＡＴＲ法で行う。入射光４をプリズム１を介して金属薄膜２に入射し、金属薄膜２からの全反射による反射光５を光検出器６により検出する。また、電界センサＥＳ１のプリズム１の底面に平行に基板７が配置され、電界センサＥＳ１と基板７の間隔は例えば２０μｍである。基板７に搭載された２つの平行な信号線８ａ、８ｂ間に電圧が印加されると、電気光学薄膜３が電界内に置かれる。
【００３０】
図２は表面プラズモンによる共鳴吸収を説明するための図である。横軸に光入射角θ（ｄｅｇ）、縦軸に反射率を示す。全反射条件で単色光４を入射（入射角θ）するとある共鳴角θＲで金属薄膜２中に電子波の一種である表面プラズモンが励起される。金属薄膜２に表面プラズモンが励起されると、エバネッセント波が放射され、特定の周波数の光がプラズモンに吸収されて共鳴吸収が生じる。金属薄膜２の表面にＥＯポリマー３が存在する場合は、ＥＯポリマー３の屈折率の影響を受けて共鳴角がシフトする。この状態で、例えば、基板７に搭載された信号線８ａ、８ｂ間に電位差が生じて、ＥＯポリマー３中に電界が印加されると、ＥＯポリマー３中の屈折率が僅かに変化し、これが、共鳴状態の変化となって現れ、その結果、共鳴波長、反射光５の位相、反射率や偏光状態が変化する。
【００３１】
図３に本実施の形態における検出器６から検出された検出信号（以下、ＥＯ信号という）の例を示す。図３において、上欄に信号線８ａ、８ｂ間の電界（Ｖ／μｍ）、下欄にＥＯ信号（ｍＶ）を示す。横軸は時間（ｍｓ）である。実験では、金属薄膜２は膜厚５０ｎｍ±５ｎｍの金薄膜、ＥＯポリマー３は膜厚１．１μｍの高分子薄膜（ＰＭＭＡ−ＤＲ１）で、波長６３５ｎｍの単色光を使用し、基板７はＥＯセンサ面から２０μｍ離して平行に保持し、１ｍｍ間隔の２本の信号線８ａ、８ｂ間にＴＴＬレベル（０〜５Ｖ）の電圧を印加し、約０〜１０ｍＶのＥＯ信号が得られた。
【００３２】
図４に本実施の形態におけるセンシング方法の処理フロー例を示す。まず、電界センサＥＳ１を準備する（Ｓ００１）。次に、電界センサＥＳ１の金属層２内に表面プラズモンを又は電気光学薄膜３内に導波路モード光波を励起して（Ｓ００２）、全反射減衰法を用いて反射光を検出する（Ｓ００３）。次に、電界センサＥＳ１に電界を印加する（Ｓ００４）。次に、電界センサＥＳ１の金属層２内に表面プラズモンを又は電気光学薄膜３内に導波路モード光波を励起して（Ｓ００５）、全反射減衰法を用いて反射光５の変化を検出する（Ｓ００６）。次に、工程Ｓ００３と工程Ｓ００６における反射光５の変化から電界を検出する（Ｓ００７）。なお、工程Ｓ００２における、表面プラズモンを又は導波路モード光波の励起を工程Ｓ００５まで持続した状態で、工程Ｓ００４で電界センサＥＳ１を電界内に出し入れしても良い。
【００３３】
ここでは、表面プラズモン共鳴について、反射光５の強度の変化を検出する例について説明したが、位相の変化、共鳴波長の変化を検出することも可能である。
【００３４】
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、全反射減衰（ＡＴＲ）法を用い、導波路モード光波の励起状態の変化から電界を検出する例を説明する。
【００３５】
図５は導波路モード光波における吸収を説明するための図である。図５（ａ）に波長６３５ｎｍにおけるＡＴＲ配置における反射率の入射角依存性の例を示す。縦軸に反射率、横軸に入射光の入射角θを示す。プリズムは屈折率１．５の直角プリズムを仮定し、ＥＯポリマー３の屈折率は１．５とした。ＥＯポリマー３が薄い場合（約８０ｎｍ以下）では、金属薄膜２に表面プラズモンのみが励起される。ＥＯポリマー３が厚い場合（約０．５μｍ以上）には、金属薄膜２に表面プラズモンが励起される他に、ＥＯポリマー３内に導波路モード光波が励起される。表面プラズモン共鳴の共鳴条件に対応して全反射時のエバネッセント光により導波路モード光波が励起される。図５（ｂ）にＥＯポリマー３内の導波路モード光波を概念的に示す。ＥＯポリマー３内に境界面を反射鏡とする共振波が励起され、反射光５に吸収が表れる。まず、表面プラズモンの共鳴角θＲが現れる。そして、導波路モード光波における基本波（入射角θ１）による吸収が表面プラズモンによる吸収の低入射角側に現れ、ＥＯポリマー３の膜厚が厚くなるにつれて、順次、２次（入射角θ２）、３次（入射角θ３、図示しない）の導波路モードがさらに低入射角側に観測される。
【００３６】
図６に本実施の形態における、種々の波形の電界によるＥＯ信号の例を示す。下欄に信号線８ａ，８ｂ間の電界（Ｖ／μｍ）、上欄にＥＯ信号（ｍＶ）を示す。横軸は時間（ｍｓ）である。図６（ａ）に正弦波、図６（ｂ）に鋸波、図６（ｃ）に矩形波の電界信号の例を示す。いずれもＴＴＬレベル（０〜５Ｖ）の電界信号で、約０〜２０ｍＶのＥＯ信号が得られた。
【００３７】
図７は電界センサを基板７上で走査する様子を示す。ＥＳ１は電界センサで、金属薄膜２、ＥＯポリマー３はプリズム１の底面に形成されているが、図面では省略されている。９ａ、９ｂは基板７上に搭載された電極である。導波路モード光波が入射光と共鳴する条件において最も感度が高い入射角θ１で、ｐ−偏光の入射光を照射した際の反射光強度を位置に対して検出する。入射光すなわち電界センサを走査することにより、あるいは、電極すなわち被測定試料を走査することにより、１次元あるいは２次元的な電界の検出を行うことができる。走査方向は基板７表面に平行であり、その方向を図中矢印で示している。
【００３８】
図８に走査時の位置Ｘ（ｍｍ）とＥＯ信号のシフト量ΔＲ（ｍＶ）との関係を示す。この例では、入射光を走査した。電界センサＥＳ１が電極９ａ，９ｂの上にあるときは約０．７ｍＶの高レベルのＥＯ信号が得られ、電界センサＥＳ１が電極９ａ，９ｂ上にないときは約０．１ｍＶの低レベルのＥＯ信号が得られ、ＥＯ信号が電界の位置により変化していることがわかる。なお、第１の実施の形態においても、電界センサを基板上で走査可能である。
【００３９】
本実施の形態におけるセンシング方法の処理フロー例については、図４における第１の実施の形態における処理フロー例と同じである。
また、ここでは、導波路モード光波を用いて、反射波の強度の変化を検出する例について説明したが、位相の変化、共鳴波長の変化を検出することも可能である。
【００４０】
〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態は、局在化表面プラズモンの共鳴状態の変化から電界を検出する例を説明する。
【００４１】
図９に局在化表面プラズモンを利用した電界センサの構成例を示す。図９（ａ）、（ｂ）で構成が異なる。図９（ａ）の電界センサＥＳ２は、光ファイバ１１（コア１２、クラッド１３）の端面に金（Ａｕ），銀（Ａｇ）等の金属ナノ微粒子１４を分散した電気光学効果を有する電気光学材料（以下、ＥＯ材料という）１５を塗布した構成であり、図９（ｂ）の電界センサＥＳ３は、光ファイバ１１（コア１２、クラッド１３）の端面に金Ａｕ，銀Ａｇ等の金属微粒子１４を堆積して、金属微粒子層１４ａを形成し、金属微粒子層１４ａ上にＥＯ材料１５を塗布した構成である。コア１２を通して入射光１６を金属ナノ微粒子１４に照射すると、金属ナノ微粒子１４表面に局在化表面プラズモンが励起される。金属ナノ微粒子１４への入射の際には、特に球状の場合には常に局在化表面プラズモンの共鳴が生じるので、反射光１７に変化が反映される。
【００４２】
金属ナノ微粒子１４表面に励起される局在化表面プラズモンの共鳴状態（反射光の強度、位相、共鳴波長に反映される）は周囲の材料の屈折率により変化するので、ＥＯポリマーのようなＥＯ材料を周囲に配置すれば、電界を検出可能である。局在化表面プラズモンを利用した電界センサＥＳ２，ＥＳ３は光ファイバ１１の先端に構成できるので、微小領域の電界や、隙間部分の電界を検出する場合等に便利である。
【００４３】
図１０に局在化表面プラズモンを利用した電界センサＥＳ２，ＥＳ３を用いる電界検出例を示す。図１０（ａ）は横電界を、図１０（ｂ）は縦電界を検出する例である。基板１８上に搭載した信号線１９ａ，１９ｂ間に電位差を設け、その電界中に電界センサＥＳ２又はＥＳ３の金属ナノ微粒子１４とＥＯ材料１５を含む先端部分を入れると、ＥＯ材料１５の屈折率が変化し、局在化表面プラズモンの共鳴状態が変化するので、電界を検出可能である。
【００４４】
図１１に本実施の形態におけるセンシング方法の処理フロー例を示す。図４における第１の実施の形態における処理フロー例において、工程Ｓ００２における表面プラズモン励起又は導波路モード光波励起が局在化表面プラズモン励起に代わり、電界センサの構成が異なる他は同様なので、説明を省略する。なお、第１の実施の形態における工程Ｓ００１〜Ｓ００７が本実施の形態におけるＳ１０１〜Ｓ１０７に対応する。
【００４５】
ここでは、局在化表面プラズモン共鳴について、反射波の強度の変化を検出する例について説明したが、位相の変化、共鳴波長の変化を検出することも可能である。また、金属ナノ微粒子に代えて、金属の粗い構造やグレーティングを形成しても、局在化表面プラズモン共鳴が生じるので、電界を検出することが可能である。
【００４６】
〔第４の実施の形態〕
第４の実施の形態は、局在化表面プラズモンの共鳴状態の変化から電界を検出する別の例を説明する。
【００４７】
第３の実施の形態では光ファイバ端面に金ナノ微粒子等とＥＯ材料を形成したが、本実施の形態では、透明な基板上に金ナノ微粒子等とＥＯ材料を形成するものである。すなわち、透明な基板上に金属の粗い構造やグレーティングなどを構築する、あるいは、金ナノ微粒子を固定しておく。これらの構成でも局在化表面プラズモン共鳴が発生する。そこへ、ＥＯポリマーなどＥＯ効果を示す材料を塗布等により形成する。この局在化表面プラズモン共鳴はＥＯ材料の屈折率に敏感であるため、電界の状態は共鳴状態の変化となって検出可能である。
【００４８】
本実施の形態におけるセンシング方法の処理フロー例については、図１１に示す第３の実施の形態における処理フロー例において、電界センサの構成が異なる他は同様なので、説明を省略する。
【００４９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態に種々変更を加えられることは明白である。例えば、以上の実施の形態では、金属層として金を、電気光学薄膜として高分子ポリマーを用いる例を説明したが、これに限定されない。合金でも表面プラズモンの励起を期待でき、電気光学薄膜として誘電体結晶薄膜を用いても良い。また、局在化表面プラズモンの共鳴状態の変化を用いる電界センサの場合には、反射光の変化の検出に限られず、透過光や散乱光の変化を検出しても良い。また、電界センサと、表面プラズモン、導波路モード光波又は局在化表面プラズモンを励起する光を発光する光源と、電界を検出する光検出器と、光検出器で検出された電界の状態を記憶し、表示する処理装置とを備えて電界センシング装置を構成してもよく、また、ＣＣＤカメラを使用して、反射スペクトルを一括処理してもよく、エリプソメトリと組み合わせて反射波の位相を測定し、感度を向上しても良い。
また、電気光学効果を有する材料に代えて、磁気光学効果を有する材料を利用すれば、電界の代わりに磁界を検出できる可能性がある。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、非接触の電界検出に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１の実施の形態における電界センサの構成例を示す図である。
【図２】表面プラズモンによる共鳴吸収を説明するための図である。
【図３】第１の実施の形態における検出信号（ＥＯ信号）の例を示す図である。
【図４】第１の実施の形態におけるセンシング方法の処理フロー例を示す図である。
【図５】導波路モード光波による吸収を説明するための図である。
【図６】第２の実施の形態における、種々の波形の電界によるＥＯ信号の例を示す図である。
【図７】電界センサを基板上で走査する様子を示す図である。
【図８】走査時の位置とＥＯ信号のシフト量との関係を示す図である。
【図９】局在化表面プラズモンセンサの構成例を示す図である。
【図１０】局在化表面プラズモンを利用した電界センサを用いる電界検出例を示す図である。
【図１１】第３の実施の形態におけるセンシング方法の処理フロー例を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１    プリズム
２    金属薄膜
３    電気光学薄膜
４    入射光
５    反射光
６    光検出器
７    基板
８ａ、８ｂ  信号線
９ａ、９ｂ  電極
１１  光ファイバ
１２  コア
１３  クラッド
１４  金属ナノ微粒子
１４ａ  金属微粒子層
１５  電気光学材料
１６  入射光
１７  反射光
１８  基板
１９ａ、１９ｂ  信号線    
ＥＳ１〜ＥＳ３  電界センサ
Ｘ  走査位置
θＲ  共鳴角
θ１、θ２  導波路モード光波の入射角
【図１】
2007255948.tif 000003
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図６】
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【図７】
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