(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属薄膜上に誘電体層を配置し、その反対側に光透過媒質からなる光結合器を配置し、励起光源を用いて誘電体層と金属薄膜界面に単一あるいは多重の表面プラズモンを励起して金属薄膜上を伝搬させ、誘電体層の変化によって伝搬する表面プラズモンの信号を変化させ、変化した表面プラズモンと光結合器の共鳴による放射光変化の信号を用いることを特徴とする表面プラズモンによる信号処理の方法。
【請求項２】
金属薄膜上に誘電体層を配置し、その反対側に光透過媒質からなる光結合器を配置した構成とし、励起光源を用いて誘電体層と金属薄膜界面に単一あるいは多重の表面プラズモンを励起して金属薄膜上を伝搬させ、誘電体層の変化によって伝搬する表面プラズモンの信号を変化させ、この表面プラズモンの信号変化を、前記配置の光結合器を介して放射光の変化より得るように構成したことを特徴とする表面プラズモンによる信号処理素子。
【請求項３】
前記誘電体層に接する金属薄膜の膜厚を、取り扱う表面プラズモンの振動数に対応する光波長の１０〜５０分の１程度に薄くし、前記金属薄膜をはさんで誘電体層と反対側に光透過媒質を置き、誘電体層と金属薄膜の界面で励起し伝搬する表面プラズモンを誘電体層の変化によって変化させ、この伝搬する表面プラズモンの信号変化を放射光変化として得られることが可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項１記載の表面プラズモンによる信号処理の方法。
【請求項４】
前記誘電体層に接する金属薄膜の膜厚を、取り扱う表面プラズモンの振動数に対応する光波長の１０〜５０分の１程度に薄くし、前記金属薄膜をはさんで誘電体層と反対側に光透過媒質を置き、誘電体層と金属薄膜の界面で励起し伝搬する表面プラズモンを誘電体層の変化によって変化させ、この伝搬する表面プラズモンの信号変化を放射光変化として得られることが可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項２記載の表面プラズモンによる信号処理素子。
【請求項５】
前記金属薄膜はアルミニウム層とし、その上の誘電体層はシアニン色素を分散したポリビニルカルバゾール層とし、その反対側の前記光透過媒質はＢＫ７ガラス製の半円柱プリズムとして、アルミニウム薄膜の厚さは励起光波長の１０〜５０分の１程度とし、前記金属薄膜と前記誘電体層界面で表面プラズモンが励起伝搬し、前記誘電体層の変化で前記光結合器を介して放射光の変化を得ることが可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項３記載の表面プラズモンによる信号処理の方法。
【請求項６】
前記金属薄膜はアルミニウム層とし、その上の誘電体層はシアニン色素を分散したポリビニルカルバゾール層とし、その反対側の前記光透過媒質はＢＫ７ガラス製の半円柱プリズムとして、アルミニウム薄膜の厚さは励起光波長の１０〜５０分の１程度とし、前記金属薄膜と前記誘電体層界面で表面プラズモンが励起伝搬し、前記誘電体層の変化で前記光結合器を介して放射光の変化を得ることが可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項４記載の表面プラズモンによる信号処理素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属表面に励起され伝搬する表面プラズモンを制御し、放射光の変化として信号処理に利用する方法及びこれを信号処理装置として利用できる信号処理素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
遠隔場光を用いる光素子は用いる光波長程度よりも小型の素子は原理上構成できず、近接場光を用いた小型の光素子が考えられているが、近接場光は物質表面近傍に局在しているのでこれを観測し利用するための装置等が必要になっている。
【０００３】
また、金属薄膜上に誘電体層を配置し、その反対側にプリズムを配置した構成で、レーザー光の照射によって誘電体層と金属薄膜界面に多重の表面プラズモンを励起すると表面プラズモンの共鳴による放射光をプリズム側で観測することが可能となっている。
【０００４】
そこで、金属薄膜上に誘電体層を配置し、その反対側に光透過媒質からなる光結合器を配置した構成とし、励起光源を用いて誘電体層と金属薄膜界面に単一あるいは多重の表面プラズモンを励起して金属薄膜上を伝搬させ、誘電体層の変化による表面プラズモンの信号変化を、前記配置の光結合器を介して放射光の変化として得られる場合、これを用いて信号処理素子を構築できる可能性がある。
【０００５】
ここで、誘電体層に接する金属薄膜の膜厚を、取り扱う表面プラズモンの振動数に対応する空気中の光波長程度に厚くした場合、光透過媒質を置かない場合や光透過媒質の屈折率が１程度の場合、表面プラズモンは励起されず、あるいは励起しても光透過媒質から放射光の信号を得ることが不可能である。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑み、誘電体層と金属薄膜の界面で単一あるいは多重の表面プラズモンを励起し伝搬させ、誘電体層の変化による表面プラズモンの信号変化を放射光の変化として信号処理する方法及び信号処理素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。
【０００８】
金属薄膜１上に誘電体層２を配置し、その反対側に光透過媒質３からなる光結合器を配置し、励起光源４，５を用いて誘電体層２と金属薄膜１界面に単一あるいは多重の表面プラズモンを励起して金属薄膜１上を伝搬させ、誘電体層２の変化によって伝搬する表面プラズモンの信号を変化させ、変化した表面プラズモンと光結合器の共鳴による放射光変化の信号を用いることを特徴とする表面プラズモンによる信号処理の方法に係るものである。
【０００９】
また、金属薄膜１上に誘電体層２を配置し、その反対側に光透過媒質３からなる光結合器を配置した構成とし、励起光源４，５を用いて誘電体層２と金属薄膜１界面に単一あるいは多重の表面プラズモンを励起して金属薄膜１上を伝搬させ、誘電体層２の変化によって伝搬する表面プラズモンの信号を変化させ、この表面プラズモンの信号変化を、前記配置の光結合器を介して放射光６の変化より得るように構成したことを特徴とする表面プラズモンによる信号処理素子に係るものである。
【００１０】
また、前記誘電体層２に接する金属薄膜１の膜厚を、取り扱う表面プラズモンの振動数に対応する光波長の１０〜５０分の１程度に薄くし、前記金属薄膜１をはさんで誘電体層２と反対側に光透過媒質３を置き、誘電体層２と金属薄膜１の界面で励起し伝搬する表面プラズモンを誘電体層２の変化によって変化させ、この伝搬する表面プラズモンの信号変化を放射光変化として得られることが可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項１記載の表面プラズモンによる信号処理の方法に係るものである。
【００１１】
また、前記誘電体層２に接する金属薄膜１の膜厚を、取り扱う表面プラズモンの振動数に対応する光波長の１０〜５０分の１程度に薄くし、前記金属薄膜１をはさんで誘電体層２と反対側に光透過媒質３を置き、誘電体層２と金属薄膜１の界面で励起し伝搬する表面プラズモンを誘電体層２の変化によって変化させ、この伝搬する表面プラズモンの信号変化を放射光変化として得られることが可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項２記載の表面プラズモンによる信号処理素子に係るものである。
【００１２】
また、前記金属薄膜１はアルミニウム層とし、その上の誘電体層２はシアニン色素を分散したポリビニルカルバゾール層２とし、その反対側の前記光透過媒質３はＢＫ７ガラス製の半円柱プリズムとして、アルミニウム薄膜１の厚さは励起光波長の１０〜５０分の１程度とし、前記金属薄膜１と前記誘電体層２界面で表面プラズモンが励起伝搬し、前記誘電体層２の変化で前記光結合器を介して放射光６の変化を得ることが可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項３記載の表面プラズモンによる信号処理の方法に係るものである。
【００１３】
また、前記金属薄膜１はアルミニウム層とし、その上の誘電体層２はシアニン色素を分散したポリビニルカルバゾール層２とし、その反対側の前記光透過媒質３はＢＫ７ガラス製の半円柱プリズムとして、アルミニウム薄膜１の厚さは励起光波長の１０〜５０分の１程度とし、前記金属薄膜１と前記誘電体層２界面で表面プラズモンが励起伝搬し、前記誘電体層２の変化で前記光結合器を介して放射光６の変化を得ることが可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項４記載の表面プラズモンによる信号処理素子に係るものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
好適と考える本発明の実施の形態（発明をどのように実施するか）を、図面に基づいてその作用効果を示して簡単に説明する。
【００１５】
本発明者は、誘電体層２に接する金属薄膜１の膜厚を、取り扱う表面プラズモンの振動数に対応する光波長の１０〜５０分の１程度に薄くし、前記金属薄膜１をはさんで誘電体層２と反対側に光透過媒質３を置き、誘電体層２と金属薄膜１の界面でほぼ光の速度で伝搬する表面プラズモンを誘電体層２の変化によって変化させ、変化した表面プラズモンの信号変化を放射光変化として得ることができるとの知見を得た。このような知見に基づき本発明がなされたものである。
【００１６】
すなわち、請求項１に記載の発明は、励起光源４，５を用いて誘電体層２と金属薄膜１界面に単一あるいは多重の表面プラズモンを励起して金属薄膜１上をほぼ光の速度で伝搬させ、誘電体層２の変化によって表面プラズモンを変化させ、変化した表面プラズモンと光結合器の共鳴による放射光６の強度変化や放射角度変化、あるいはスペクトル波長の変化として信号処理を行う方法についてのものである。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明は、励起光源４，５を用いて金属薄膜１上に単一あるいは多重の表面プラズモンを励起して金属薄膜１上を伝搬させ、誘電体層２の変化による表面プラズモンの信号変化を、光結合器を介して放射光６の変化より得る信号処理素子についてのものである。
【００１８】
さらに、請求項３〜６に記載の発明は、金属薄膜１は例えばアルミニウム層でその上の誘電体層２は例えばシアニン色素を分散したポリビニルカルバゾール層２であり、その反対側の光透過媒質３は例えばＢＫ７ガラス製の半円柱プリズムであり、アルミニウム層の厚さは励起光波長の１０〜５０分の１程度として、誘電体層２と金属薄膜１の界面で励起され伝搬する表面プラズモンを誘電体層２の変化によって変化させ、光結合器からの放射光変化として得ることで信号処理を行う方法並びに信号処理素子についてのものである。
【００１９】
請求項１に記載の発明においては、励起光源４，５により誘電体層２と金属薄膜１界面に単一あるいは多重の表面プラズモンが励起され金属薄膜１上を伝搬し、誘電体層２を変化させることで表面プラズモンが変化し、表面プラズモンと光結合器の共鳴による放射光６の変化を発生する。
【００２０】
請求項２に記載の発明においては、例えば励起光源４，５の光波長の１０〜５０分の１程度の厚さの金属薄膜１とその上に誘電体層２、そしてその反対側の光透過媒質３で構成する光結合器で、誘電体層２の変化によって金属薄膜１上を励起され伝搬する表面プラズモンを変化させることで、光結合器を介する放射光６の放射角度依存性は変化する。
【００２１】
【実施例】
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本発明の信号処理の方法及び信号処理素子の実施例における断面図を示しており、１は金属薄膜である例えば厚さ約１５ｎｍのアルミニウム薄膜で、２は誘電体層である例えばシアニン色素を分散したポリビニルカルバゾール層、３は光透過媒質である例えばＢＫ７ガラス製の半径１０ｎｍの半円柱プリズム、４は光透過媒質を通しての励起光源である例えば波長４８８ｎｍのアルゴンレーザー、５は誘電体層を直接励起する励起光源である例えば波長４８８ｎｍのアルゴンレーザー、６は信号処理された放射光、７は放射角度の例である。
【００２３】
アルミニウム薄膜１は表面プラズモン励起のために必要であり、その厚さが半分の約８ｎｍや２倍の約３０ｎｍでは表面プラズモンの強い励起や強い放射光６を得ることが困難であり、アルミニウム薄膜１の替わりに銀薄膜や金薄膜を用いる場合では表面プラズモンの励起や放射光６を得るための最適な膜厚は約５０ｎｍであり、銀薄膜や金薄膜の厚さが半分の約２５ｎｍや２倍の約１００ｎｍでは表面プラズモンの強い励起や強い放射光６を得ることが困難である。
【００２４】
シアニン色素を分散したポリビニルカルバゾール層２を誘電体層として機能し、金属薄膜１とシアニン色素を分散したポリビニルカルバゾール層２の界面で表面プラズモンが励起され伝搬し、シアニン色素を分散したポリビニルカルバゾール層２を熱処理することで、表面プラズモンの変化に起因した放射光６の変化の例が図２であり、誘電体層２は表面プラズモンを励起し、伝搬特性を変化できるように金属薄膜１上に配置する。
【００２５】
ＢＫ７製の光透過媒質３は屈折率が１．５２で、金属薄膜１をはさんで誘電体層２の反対側に配置することで、励起光源４を用いて誘電体層２と金属薄膜１界面に表面プラズモンを励起し、また伝搬する表面プラズモンからの放射光６を得ている。
【００２６】
実施例の図２では、誘電体層２にシアニン色素を分散したポリビニルカルバゾール層２を用いているが、有機・無機物質に関係なく、熱処理で構造や誘電特性を変化する誘電体層２を用いて良く、また、光照射で構造や誘電特性を変化する誘電体層２を用いても良く、あるいは電気信号で誘電特性を変化する誘電体層２を用いても良く、気体や液体、固体物質を吸着する誘電体層２を用いても良い。
【００２７】
なお、誘電体層２は層状である必要はなく、島状や球状でも良く、金属薄膜１を完全に覆う必要もなく、表面プラズモンを励起する部分や表面プラズモンが伝搬する部分、また放射光６を得る部分でそれぞれ異なる誘電体を用いても良い。
【００２８】
光結合器は、図１の金属薄膜１及び誘電体層２、それに光透過媒質３とで構成されており、光透過媒質３はＢＫ７の半円柱プリズムである必要はなく、励起光源４を用いた場合にこの構成で表面プラズモンが励起可能であれば良く、また、表面プラズモンによる放射光６が得られれば良く、例えば屈折率が１よりもある程度高く光透過できる透明なプラスチック材料でも他のガラス材料でも良く、形状も半円柱である必要はなく直方体や半球型、三角柱型、あるいはそのような形状が光透過できる板の上に多数配置されていても良く、励起光源４の入射側と放射光６の側で異なる光結合器を用いても良い。
【００２９】
また、励起光源４や励起光源５の励起レーザー光の導入、さらに放射光６を導出する場合は光ファイバーを用いても良い。
【００３０】
尚、本発明は、本実施例に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成したから、本発明にかかる請求項１に記載の発明は、励起光源を用いて誘電体層と金属薄膜界面に単一あるいは多重の表面プラズモンを励起して金属薄膜上を伝搬させ、誘電体層の変化によって表面プラズモンの信号を変化させ、変化した表面プラズモンと光結合器の共鳴による放射光の変化として信号処理を行うことができるので、誘電体層の変化に対応した速度で多重の信号処理を行うこともできる表面プラズモンによる信号処理の方法となる。
【００３２】
また、請求項２に記載の発明は、誘電体層と金属薄膜界面に単一あるいは多重の表面プラズモンを励起して金属薄膜上を伝搬させ、誘電体層の変化による表面プラズモンの信号変化を放射光の信号変化とする信号処理素子を構成することができる表面プラズモンによる信号処理素子となる。
【００３３】
また、請求項３，４に記載の発明は、誘電体層に接する金属薄膜の膜厚を、取り扱う表面プラズモンの振動数に対応する光波長の１０〜５０分の１程度に薄くし、誘電体層の変化による表面プラズモンの信号変化を放射光変化として得られることを可能とする光透過媒質３を配置して、確実に前記作用・効果を発揮する極めて優れた表面プラズモンによる信号処理の方法並びに信号処理素子となる。
【００３４】
また、請求項５，６に記載の発明は、金属薄膜はアルミニウム層でその上の誘電体層はシアニン色素を分散したポリビニルカルバゾール層であり、その反対側の光透過媒質３はＢＫ７ガラス製の半円柱プリズムの配置としたので、更に確実に誘電体層の変化で光結合器を介して放射光の変化が得られる表面プラズモンによる信号処理の方法並びに信号処理素子となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施例の概略構成説明図である。
【図２】  本実施例のシアニン色素を分散したポリビニルカルバゾール層は誘電体層として機能し、直接励起レーザーを用いて多重の表面プラズモンが励起されている場合の誘電体層の熱処理前後の放射光の変化の例を示す放射角度−放射光強度を示すグラフであり、太線の熱処理後では放射角度約５０度の放射光強度が強くなっている。
【符号の説明】
１  金属薄膜（アルミニウム薄膜）
２  誘電体層（ポリビニルカルバゾール層）
３  光透過媒質
４  励起光源
５  励起光源
６  放射光
【図１】
0004109888.tif 000002
【図２】
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