(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板中に部分的に埋め込まれ、光の波長以下の幅と高さを有する酸化膜よりなる極微小光導波路において、金属基板が、コアを陽極酸化加工するための陽極酸化が容易で酸化物の光透過性が高く高屈折率の金属層と表面プラズモンポラリトンを伝搬するための光吸収の小さい金属層との異種金属の複合積層膜より形成されることを特徴とする極微小光導波路。
【請求項２】
金属基板のうち、コアを陽極酸化加工するための金属層がチタンにより、表面プラズモンポラリトンを伝搬するための金属層が銀により形成されることを特徴とする請求項１記載の極微小光導波路。
【請求項３】
酸化膜の厚さまたは幅に変調を与えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の極微小光導波路。
【請求項４】
コアを陽極酸化加工するための金属層の表面を原子間力顕微鏡又は近接場光学顕微鏡の探針先端を用いて陽極酸化して酸化膜導波路を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の極微小光導波路の製造方法。
【請求項５】
印加電圧等の陽極酸化条件を制御することにより酸化膜の厚さまたは幅に変調を与えることを特徴とする請求項３記載の極微小光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光通信の分野における、光ルーターなどの超小型・超高速・高効率の光スイッチングを必要とする光回路部品の一部として、または、将来の光コンピューター、光による量子コンピューターなどの部品として、利用可能な極微小導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から光導波路は光通信の分野では古くから用いられており、光ファイバーはその典型である。また、平面型導波路は光通信デバイスのパッケージングに利用されている。これらに共通しているのは、屈折率の異なる誘電体を接合して、その屈折率差により光を閉じ込めるという点にある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の導波路では、上記光閉じ込めの原理に起因して導波路コアの断面サイズは光の波長の数倍を要してしまう。また、導波路と導波路を平行して配置すると、導波路コア部からの光の漏れが大きいために、導波路間の干渉が起きてしまうという問題点があった。
【０００４】
本発明は、
（１）光の回折限界を超えて微小サイズの光導波路に光伝搬させる装置を提供する、
（２）微小な導波路と外部伝搬光とを接続する光入出力装置を提供する、
（３）光の波長以下のサイズを有する光導波路を製造する方法を提供する、
ことを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の極微小光導波路は、金属基板中に部分的に埋め込まれ、光の波長以下の幅と高さを有する酸化膜よりなることを特徴とする。
また、本発明の極微小光導波路は、金属基板がチタン、アルミニウム、銀等の異種金属の複合積層膜より形成されることを特徴とする。
また、本発明の極微小光導波路は、酸化膜の厚さまたは幅に変調を与えたことを特徴とする。
また、本発明の極微小光導波路の製造方法は、金属基板表面を原子間力顕微鏡等の探針先端を用いて陽極酸化して酸化膜を形成することを特徴とする。
また、本発明の極微小光導波路の製造方法は、印加電圧等の陽極酸化条件を制御することにより酸化膜の厚さまたは幅に変調を与えることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を実施例に基づき説明する。
図１は、光伝搬を実証するために作製した酸化膜導波路構造の断面模式図を示したものであり、ガラス基板１上に２種類の第１の金属２と第２の金属３を蒸着する。その後、適当な印加バイアス電圧（約40V）を用いて第２の金属３を部分的に陽極酸化することにより極微小光導波路４を作製する。導波路４の左端にはさらに高い印可電圧（約５０Ｖ）を用いて陽極酸化加工を行い、光入出力部５を作製する。
極微小光導波路４を作製する金属基板としては、▲１▼陽極酸化が容易であること、▲２▼酸化物の光透過性が高く、また、光閉じ込めを効果的に行うために高い屈折率であること、▲３▼表面プラズモンポラリトンを用いるため、光吸収の小さい金属であること、が望ましいがこれらを同時に満たす金属が存在しないため複合金属薄膜を用い、コアを酸化加工するための金属層と表面プラズモンポラリトンを伝搬するための金属層を別種の金属としている。
【０００７】
図１のａ−ａ’断面を示したのが図２であり、第２の金属３の酸化部分は隆起しているが、金属内部へも酸化が進行していることが分かる。
図３は、図１のｂ−ｂ’断面を示したものであり、この部分では第２の金属３とともに第１の金属２も酸化されている。
この例では、第１の金属２として銀を、第２の金属３としてはチタンを用いている。銀は光吸収の小さい金属であり、表面プラズモンポラリトン（SPP）伝搬に最適である。チタンは酸化加工が容易であり、また酸化チタンは透明であるとともに、高屈折率を有するため光の閉じ込めに都合がよい。
【０００８】
図４は、極微小光導波路４の製造および評価を行う装置を示したものである。
この例では、導波路加工と評価が同時にできるように導電性探針を有する近接場光学顕微鏡を使用しているが、製造に関しては通常の原子間力顕微鏡を用いた場合と全く同等である。
製造に当たっては、まず、探針１２を金属薄膜試料１１に数nmまで近接させる。距離の制御は、探針に取り付けられた原子間力検出器１３、圧電素子駆動装置１４と試料位置制御用圧電素子１５により行われる。この状態でバイアス電源１７よりバイアス電圧を印加して陽極酸化加工を行う。電圧は0〜50Vまで可変として断面構造を制御している。バイアス印加状態で圧電素子１５により試料を数nm/secの速度で移動することにより図１ないし図３に示した線状の酸化膜導波路４構造を作製する。さらに探針１２を固定してバイアス電圧を〜50Vとして数十秒おいてドット状の大きな酸化膜（たとえば、図１の左端部の凸部）を作製する。
【０００９】
伝搬の評価では探針１２に繋がれた光ファイバー１９にレーザー１８から波長830nmの光を導入し、探針１２先端に生じた近接場光により極微小光導波路４に表面プラズモンポラリトン（SPP）を励起する。導波路４を伝搬した表面プラズモンポラリトン（SPP）がドット状酸化膜構造により基板下側へ放出された光を光検出器２０により観測し、その強度を探針１２位置の関数として測定する。一連の加工、計測はコンピューター１６によって制御される。
【００１０】
図５は、製造された酸化膜導波路構造の原子間力顕微鏡像を示したもので、本実験ではガラス基板上に銀30nm、チタン30nmを順に蒸着した試料を用いている。酸化により幅300nm、長さ7μmの導波路が作製され、酸化部分は40nm隆起しているが、金属内部へも酸化が進行しており、酸化膜の厚さが70nmであると推測される。また導波路(a)ではドットが作製されており、この部分では高さは80nmに達しており、銀薄膜部分も酸化されている。
図６は、近接場光学顕微鏡像を示したもので、ドットのない導波路(b)では透過光強度は導波路部分とそれ以外の部分で大きな差がないのに対し、ドットを有する導波路(a)では、導波路に沿って、ドットに向かうに従って透過光強度が増大している。この結果は探針から導波路中に励起された表面プラズモンポラリトン（SPP）が導波路を伝搬し、ドットから再放射されているためである。
【００１１】
図７は、導波路に沿った透過光強度の変化を示したもので、導波路(a)と(b)の差異は明らかである。導波路(a)における減衰曲線は導波路の伝搬損失を意味しており、均一な減衰定数を仮定すると伝搬距離として6μmが求められた。
【００１２】
上記したように、探針と金属基板間に電圧を印加して探針直下の金属のみを酸化する手法を用い、酸化膜の光透過性を利用してこれを光導波路のコアとしている。導波路構造は、探針を金属表面上で移動することにより自由に作製可能である。このような導波路構造では、誘電体コアと金属の表面に表面プラズモンポラリトンが発生するため、微小な導波路構造においても光伝搬が可能となる。また、金属中への光の滲み込みは小さいため（100nm）、導波路コアを接近させても干渉は起きない。
また、表面プラズモンポラリトンは導波路中の凹凸構造（上記したドットも凹凸構造の一種である。）により外部へと散乱され、伝搬光へと変換される。凹凸構造を適当に周期配置することで変換効率、伝搬光の方向性などを自由に制御することが可能となる。本発明における光導波路の製造方法においては、凹凸構造は陽極酸化時の印加電圧の制御のみで容易に実現することができる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明は、以下の効果を奏する。
（１）従来技術において用いられている光導波路では、高さ１ミクロン、幅数ミクロンであるのに対し、本発明における導波路ではその約１／１０にすることが可能である。そのため、光は高速であるものの、従来のものでは回路サイズが大きいため、小型化の可能な電子回路と比較するとその利点が削がれていたが、本発明のサイズならば、ほぼ電子回路の配線サイズに匹敵しており、光通信等においてこれを用いれば、電子回路をより超高速・高効率な光回路に置き換えることも可能となる。
（２）光スイッチング素子として近年注目されている「半導体量子構造」では、そのサイズが従来の光導波路と比較して非常に小さいため、導波路中の光を制御する効率が低いが、本発明の導波路ではその断面がスイッチング素子のサイズと同程度となるため、制御光率が格段に向上する。
（３）金属中への光の滲み込みは小さいため、導波路コアを接近させても干渉が起きることはない。
（４）酸化膜の厚さまたは幅に変調を与える（凹凸構造を適当に配置する）ことにより、変換効率、伝搬光の方向性などを自由に制御することが可能となる。
（５）金属表面を原子間力顕微鏡等の探針先端を用いて陽極酸化して酸化膜を形成することにより、極微小光導波路を容易に製造することができる。
（６）陽極酸化時の印加電圧の制御のみで酸化膜の厚さまたは幅に変調を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る極微小光導波路の断面図である。
【図２】図１のａ−ａ’断面図である。
【図３】図１のｂ−ｂ’断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る極微小光導波路の製造装置・評価装置の概略図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る極微小光導波路の原子間力顕微鏡像を示した図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る極微小光導波路の近接場光学顕微鏡像を示した図である。
【図７】図６の矢印で示された導波路上の光透過強度を探針の位置に対して表示した図である。
【符号の説明】
１  ガラス基板
２  第１の金属
３  第２の金属
４  極微小光導波路
５  光入出力部
１１  金属薄膜試料
１２  探針
１３  原子間力検出器
１４  圧電素子駆動装置
１５  試料位置制御用圧電素子
１６  コンピューター
１７  バイアス電源
１８  レーザー
１９  光ファイバー
２０  光検出器
【図１】
0003876303.tif 000002
【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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