JP4531466B2 - 光伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は光伝送装置に関し、詳細にはプラズモン効果を用い、微細な領域で、入力情報を安定に、かつ高効率に伝送する光伝送装置に関する。

近年、光学システムの集積化が進み、このシステムを構成するための光学素子の更なる微細化が求められている。しかし、従来用いられている、光導波路や光ファイバ、光スイッチといった光学デバイスでは、光源の回折限界のため、伝播光を使っている以上、光源の波長以下の寸法のデバイスを実現することは困難である。また、近年、誘電率の異なる２種類以上の誘電体を光の波長程度の格子定数を持つように周期的構造に形成することによって、ある波長領域の光の伝播が禁止されるフォトニックバンドギャップと呼ばれる現象が発生することが発見された。このようなフォトニックバンドギャップを持つ結晶をフォトニック結晶と呼ぶ。フォトニック結晶の中に光の通路を設けることで形成された光導波路は鋭角に光を曲げることも可能であることが非特許文献１に記載されている。フォトニック結晶内には光が全く進入できないため、効率が１００％に近い光導波が可能になる。しかしながら、このようなフォトニック結晶においても、扱っている光が伝播光であるため、やはり回折限界のため、光源波長以下の寸法で、光の伝達を制御することは困難である。

近年、このような限界を打破するため、局在プラズモン光を利用した微細球配列による電磁波伝送が提案されている。このような伝送方法では、光の回折限界以下の領域で、位置制御された配列に沿った電磁波の伝送を行うことができることが非特許文献２や非特許文献３に記載されている。

一方、従来の光学顕微鏡では、光はレンズを用いて集光させるが、この場合、分解能は光波長により制限される。これに対し、光の回折限界以下の分解能を持つ顕微鏡として、近接場光学顕微鏡が知られている。この近接場光学顕微鏡では、レンズの代わりに、寸法がナノメートルオーダーの微細構造、例えば径が光波長以下の微細開口を用いて光を集光させる。この微細構造に光を当てると、その微細構造近傍には近接場光と呼ばれる局在した光が発生する。この近接場光を試料近傍に近づけ、試料表面上を走査させることにより、微細構造の寸法で決まる分解能で試料の形状や光学特性を測定することができる。また、この近接場光学顕微鏡は、生体試料、半導体量子構造、高分子材料等の形状測定や分光、及び高密度光記録など幅広い分野に応用され始めている。更に、この近接場光の発生効率をさらに上げるために、表面プラズモン光を利用したデバイスが非特許文献４に提案されている。
A.Mekis, J.C.Chen, I.Kurland, S.Fan, P.R.Villeneuve, and J.D.Joannopolous, Physical Review Letters, vol.77, no.18, pp3787, 1996 M.L.Brongersma, J. W.Hartman, and H.A.Atwater, Physical Review B, vol.62, no.24, pp.R16356, 2000 S.A.Maier, M.L.Brongersma, P.G.Kik, S.Meltzer, A.A.G.Requicha, and H.A. Atwater, Adv. Mater., vol.13, no.19, pp.1501, 2001 I. I. Smolyaninov et al., 摘xperimental study of surface-plasmon scattering by individual surface defects Physical Review B, Vol.56, No.3, pp. 1601-1611 (1997)

しかしながら、いずれの非特許文献による提案を、光情報を伝送する光伝送装置に適用しても、高効率にかつ安定に入力情報を含む入力光を伝送することについては不十分であった。

本発明は上述の実情に鑑みてなさたものであり、入射光の波長以下の微細領域で、高効率にかつ安定に入力情報を伝送可能な光伝送装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の光伝送装置は、プラズモンレンズと集光用微細構造と伝送用微細構造とを有している。そして、プラズモンレンズは、所定の規則に基づいて光学的に平坦な基板の上面に形成された金属膜上の配置に形成された複数のレンズ用微細構造を含んで構成され、入力情報である入力光を金属膜に所定の入射角度で照射して金属膜の表面に励起しかつ散乱する表面プラズモン光を集光する。また、集光用微細構造は、プラズモンレンズの集光点に少なくとも１つ設けられ、プラズモンレンズにより集光された表面プラズモン光により局在プラズモン光を励起する。更に、伝送用微細構造は、集光用微細構造の近傍に形成され、集光用微細構造で励起した局在プラズモン光を入力光に対する出力光として伝送する。更に、プラズモンレンズは、表面プラズモン光の波数をｋ、表面プラズモン光の入射方向と集光点とｎ番目のレンズ用微細構造のなす角をα _ｎ としたとき、ｎ番目のレンズ用微細構造が、半径Ｒ上の円弧状に、ｋＲ−ｋＲｃｏｓα _ｎ ＝２πｎなる関係を満たすような所定の規則に基づく位置に配置されて構成されている。よって、金属膜上で発生し、散乱している表面プラズモン光を集光点の集光用微細構造に集光することができ、局在プラズモン光を励起できる。また、プラズモンレンズは、表面プラズモン光の波数をｋ、表面プラズモン光の入射方向と集光点とｎ番目のレンズ用微細構造のなす角をα _ｎ としたとき、ｎ番目のレンズ用微細構造が、半径Ｒ上の円弧状に、ｋＲ−ｋＲｃｏｓα _ｎ ＝２πｎ、かつα _ｎ ＜４５度なる関係を満たすような所定の規則に基づく位置に配置されて構成されている。よって、適切に散乱している表面プラズモン光を集光することができる。

また、伝送用微細構造は、連続的にかつ互いに近傍となるような配列に形成することにより、励起された局在プラズモン光の電磁波エネルギーを連続的に配列された伝送用微細構造で伝搬していくことができる。

更に、金属膜が、Ａｇ、Ａｕ又はＡｌのうち少なくとも１つの元素を含むことにより、安定かつ高効率に表面プラズモン光を発生できる。

また、金属膜に入射する入力光の偏光方向が、金属膜に対して垂直であることにより、高効率に表面プラズモン光を発生可能である。

更に、レンズ用微細構造、集光用微細構造及び伝送用微細構造は、凹部又は凸部であり、凹部の深さ又は凸部の高さが入力光の入射波長の１０分１以下であることにより、高効率かつ安定に入力光を伝送させることが可能になる。

また、レンズ用微細構造、集光用微細構造及び伝送用微細構造は、Ａｇ、Ａｕ又はＡｌのうち少なくとも１つの元素を含むことにより、高効率かつ安定に入力光を伝送させることが可能になる。

更に、少なくともプラズモンレンズと伝送用微細構造との間の金属膜上に、長手方向に凹構造である凹構造のストッパ層を形成することにより、表面プラズモン光の集光点以外で発生する表面プラズモン光を伝送用微細構造に入射することを防ぐことができ、外乱の影響を軽減でき信号のＳＮ比を向上することができる。

本発明の光伝送装置は、光源からの入力情報を含む入力光をより高効率かつ安定に伝送用微細構造の配列に伝送させることができ、高効率かつ安定に入力光を伝送することが可能になる。

図１は本発明の第１の実施の形態例に係る光伝送装置の構成を示す斜視図である。図２は図１の平面図である。両図に示す本実施の形態例の光伝送装置１０は、光学ガラス等の透明な直方体状の基板１１と、基板１１の上面に形成された金属膜１２とを含んで構成されている。また、金属膜１２の表面で励起された表面プラズモン光を集光するための表面プラズモンレンズを構成するための、金属膜１２上に後述する式（２）で定まるような所定の規則で円弧状に配列された複数のレンズ用微細構造１３が形成されている。この所定の規則に基づいて配列された複数のレンズ用微細構造１３は、小さな窪みでも盛り上がりでもよく、収束イオンビームを用いたり、原子間力顕微鏡あるいはトンネル顕微鏡などで加工することができる。また、金属膜１２上には、金属膜１２の表面で励起された表面プラズモン光がレンズ用微細構造１３で構成する表面プラズモンレンズにより集光用微細構造１４で集光されて、この集光用微細構造１４で励起した局在プラズモン光を伝送するための複数の伝送用微細構造１５−１〜１５−ｍ（ｍは正の整数）が、隣接する互いの伝送用微細構造１５−１〜１５−ｍを回折限界以下の近傍となるようにして、配列されている。なお、基板１１としては石英やポリカーボネート等を用いることができ、金属膜１２としてはＡｕ、Ａｇ、Ａｌなどの金属を用いることができる。ＡｇやＡｕの金属膜１２を形成する時、基板１１が石英系の場合、Ｃｒの下地膜を数ｎｍ程度付けると密着度が向上する。

このような構成を有する光伝送装置１０によれば、入射光は金属膜１２が形成されていない側から特定の入射角度で入射される。金属膜１２に対してｐ偏光で、入射角が一定の条件を満たす場合、金属膜１２と外側の空間の界面に、表面プラズモン光を励起することができる。例えば、金属膜１２の材質をＡｇとし、入射光の真空中における波長λを６３３ｎｍとすると、金属膜１２の屈折率ｎは、０．０６５−４．０ｉとなる。金属膜１２の上面は空気であり、その屈折率は約１．０である。この場合、金属膜１２の表面に励起される表面プラズモン光の伝播定数ｋは、入射光の伝播定数をｋ_０＝２π／λとして、下記の（１）式で与えられる。

ｋ＝ｎ／√（ｎ^２＋１）×ｋ_０ （１）

ここで、金属膜１２の材質をＡｇとし、基板１１の屈折率ｎｆを石英として１．４５７とすると、入射角度θは約４５．１度で表面プラズモン光が励起できる。この方法は、いわゆるクレッチマン（Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ）配置による表面プラズモン光の励起となっている。入射角度θは、Ａｇの他に、例えばＡｕでは４６．２度、Ａｌでは４３．９度となる。本実施の形態例ではＡｇの薄膜を１００ｎｍ蒸着したものを用いた。発生した表面プラズモン光は微細構造によって散乱されるが、レンズ用微細構造１３を後述するように所定の規則に基づいて規則的な配列として形成すると、ある焦点距離を有する点に表面プラズモン光を集光させる表面プラズモンレンズを形成することが可能である。この集光点に設けられた集光用微細構造１４を起点として金属の伝送用微細構造１５−１〜１５−ｍが配列されている。この起点にある集光用微細構造１４に、表面プラズモン光が集中し、局在プラズモン光を励起することができる。ここで、図３において、集光点を原点とし、半径Ｒ上に例えばレンズ用微細構造１３が配置されているとすると、ｙ軸＋∞方向から表面プラズモン光が伝播してきた時、各レンズ用微細構造１３で散乱された表面プラズモン光が原点の集光用微細構造１４上で同位相で重ね合わせることにより、通常よりも増強された局在プラズモン光を得ることができる。ここでα_ｎはｙ軸と半径Ｒ上にあるｎ（ｎは正の整数）番目のレンズ用微細構造１３とのなす角度である。このとき、集光点にある集光用微細構造１４に局在プラズモン光を励起することができる。ここでｎ番目のレンズ用微細構造１３は下記の（２）式の関係がある時、表面プラズモン光を集光するプラズモンレンズを形成することができる。

ｋＲ−ｋＲｃｏｓα_ｎ＝２πｎ （２）

図３に示されているように、ｙ軸右側に対してもｙ軸対称な位置にレンズ用微細構造１３が配置される。この半径は、表面プラズモン光の伝播長以下に設定する必要がある。ここでの伝播長は９．１μｍであったため、半径は３μｍとした。また、ｎ番目の微細構造とｙ軸とのなす角α_ｎは図３に示すように、４５度以下であることが望ましい。

この局在プラズモン光が励起された集光用微細構造１４に隣接し、十分近接した近傍に同様の伝送用微細構造１５−１がある場合、この近傍の伝送用微細構造１５−１に、起点の集光用微細構造１４に生じた電磁波エネルギーが結合する。この現象を繰り返すことで、配列状に形成された伝送用微細構造１５−１〜１５−ｍを電磁波エネルギーが伝搬していくことができる。ここでは図１及び図２に示すように直線状に配置された伝送用微細構造１５−１〜１５−ｍを電磁波エネルギーが伝搬し、すなわち入力された情報が直線配列の伝送用微細構造１５−１から１５−ｍ上を伝送することになる。ここで、レンズ用微細構造１３、集光用微細構造１４及び伝送用微細構造１５は凹部又は凸部の形状をなし、凹部の深さ又は凸部の高さは入射波長より十分小さい時、電子の散乱効果の影響が少なくなり、例えば入射光の波長の１０分の１以下であるとき十分高効率に微細構造の配列に沿った電磁波エネルギーの伝搬が可能になる。また、レンズ用微細構造１３、集光用微細構造１４及び伝送用微細構造１５を構成する各微細構造体は下地の金属膜１２と同じでも、異なったものでも良く、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどのうち少なくとも一つの元素の金属を用いることができる。

図４は本発明の第２の実施の形態例に係る光伝送装置の構成を示す斜視図である。図５は図４の平面図である。両図に示す本実施の形態例の光伝送装置２０は、光学ガラス等の透明な直方体状の基板２１と、基板２１の上面に形成された金属膜２２とを含んで構成されている。更に、金属膜２２上に上述した式（２）で定まるような所定の規則に基づいて円弧状に配列された複数のレンズ用微細構造２３が形成されている。なお、このレンズ用微細構造２３の詳細構造は図１に示したものと同様である。また、基板２１としては図１に示した第１の実施の形態例同様、石英やポリカーボネート等を用いることができ、金属膜２２としてはＡｕ、Ａｇ、Ａｌのうち少なくとも一つの元素の金属を用いることができる。本実施の形態例の光伝送装置２０は、図５に示すように、配列上に配置された伝送用微細構造２５−１〜２５−ｍが途中で配置を９０度折り曲げたＬ字状に配置されている。すなわち、局在プラズモン光が励起された集光用微細構造２４に、隣接して十分近接した、つまり回折限界以下の近傍に同様の伝送用微細構造２５−１がある場合、この近傍の伝送用微細構造２５−１に、起点の集光用微細構造２４に生じた電磁波エネルギーが結合する。この現象を繰り返すことで、配列状に形成された伝送用微細構造２５−１〜２５−ｍを電磁波エネルギーが伝搬していくことができる。したがって、隣接する伝送用微細構造の配置を配列している列の方向に対して適当な角度を付け、次の隣接している伝送用微細構造を配置すれば、伝達の方向を直線状からＬ字状、あるいは任意の形で設定することができる。すなわち、金属膜２２上を自由に配線することが可能になる。ここでも図１に示した第１の実施の形態例同様、レンズ用微細構造２３、集光用微細構造２４及び伝送用微細構造２５は凹部又は凸部の形状をなし、凹部の深さ又は凸部の高さは入射波長より十分小さい時、電子の散乱効果の影響が少なくなり、例えば入射光の波長の１０分の１以下であるとき十分高効率に微細構造の配列に沿った電磁波エネルギーの伝搬が可能になる。また、レンズ用微細構造２３、集光用微細構造２４及び伝送用微細構造２５を構成する各微細構造体は下地の金属膜２２と同じでも、異なったものでも良く、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどのうち少なくとも一つの元素の金属を用いることができる。

図６は本発明の第３の実施の形態例に係る光伝送装置の構成を示す斜視図である。図７は図６の正面図である。両図に示す本実施の形態例の光伝送装置３０は、光学ガラス等の透明な直方体状の基板３１と、基板３１の上面に形成された金属膜３２とを含んで構成されている。更に、金属膜３２上に上述した式（２）で定まるような所定の規則に基づいて円弧状に配列された複数のレンズ用微細構造３３が形成されている。なお、このレンズ用詳細構造３３は図１に示したものと同様である。また、基板３１としては図１に示した第１の実施の形態例同様、石英やポリカーボネート等を用いることができ、金属膜３２としてはＡｕ、Ａｇ、Ａｌのうち少なくとも一つの元素の金属を用いることができる。本実施の形態例の光伝送装置３０は、図３に示すように、配列上に配置された伝送用微細構造３５は途中で２方向に分岐されＴ字状に配置されている。すなわち、局在プラズモン光が励起された集光用微細構造３４に、隣接して十分近接した、つまり回折限界以下の近傍に同様の伝送用微細構造３５−１がある場合、この近傍の伝送用微細構造３５−１に、起点の集光用微細構造３４に生じた電磁波エネルギーが結合する。この現象を繰り返すことで、配列状に形成された伝送用微細構造３５−１〜３５−ｍを電磁波エネルギーが伝搬していくことができる。したがって、隣接する伝送用微細構造の配置を配列している列の方向に対して適当な角度を付け、次ぎの隣接している複数の伝送用微細構造を配置すれば、伝達の方向を直線状からＴ字状あるいは任意の形で分岐するよう設定することができる。ここでも図１の第１の実施の形態例同様、レンズ用微細構造３３、集光用微細構造３４及び伝送用微細構造３５は凹部又は凸部の形状をなし、凹部の深さ又は凸部の高さは入射波長より十分小さい時、電子の散乱効果の影響が少なくなり、例えば入射光の波長の１０分の１以下であるとき十分高効率に微細構造の配列に沿った電磁波エネルギーの伝搬が可能になる。また、レンズ用微細構造３３、集光用微細構造３４及び伝送用微細構造３５を構成する各微細構造体は下地の金属膜３２と同じでも、異なったものでも良く、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどのうち少なくとも一つの元素の金属を用いることができる。

図８は本発明の第４の実施の形態例に係る光伝送装置の構成を示す斜視図である。図９は図８の平面図である。両図に示す本実施の形態例の光伝送装置４０は、光学ガラス等の透明な直方体状の基板４１と、基板４１の上面に形成された金属膜４２とを含んで構成されている。更に、金属膜４２上に上述した式（２）で定まるような所定の規則に基づいて円弧状に配列された複数のレンズ用微細構造４３が形成されている。なお、このレンズ用微細構造４３の詳細構造は図１に示したものと同様である。また、基板４１としては図１に示した第１の実施の形態例同様、石英やポリカーボネート等を用いることができ、金属膜４２としてはＡｕ、Ａｇ、Ａｌのうち少なくとも一つの元素の金属を用いることができる。本実施の形態例の光伝送装置４０は、図９に示すように、少なくともレンズ用微細構造４３と伝送用微細構造４５の間に長手方向に凹構造であるストッパ層４６が形成されている。このストッパ層４６は金属膜４２を部分的に除去した凹構造である。よって、金属膜４２の表面を伝搬している集光に寄与しないプラズモン成分を阻止することが可能になり、外乱等が伝送用微細構造４５に入射してノイズ成分となるのを防ぐことができる。

次に、表面プラズモン光を用いた微細構造の形成方法について説明する。図１０は表面プラズモン光を用いた近接場露光による微細構造形成工程の一例を示す工程断面図である。先ず、図１０の（ａ）に示すように、基板５１上に感光性材料からなるフォトレジストをスピンコート法あるいはスプレイ法により順次塗布してフォトレジスト層５２を形成する。一方、ガラス等の誘電体からなるマスク基板６１上に上述した第１〜第４の実施の形態例の金属の微細構造のパターン６２を形成したマスク６０を用意する。このマスク６０は、マスク基板６１上にレジストを塗布し、電子線描画装置で露光した後、リフトオフ法などにより金、銀などの金属の微細構造を作製したものである。次に、図１０の（ｂ）に示すように、マスク基板６１上のパターン６２を基板５１側に対向させてマスク６０をフォトレジスト層５２に密着させる。そして、図１０の（ｃ）に示すように、基板５１にマスク６０を重ねた状態で、マスク基板６１の裏面側方からｉ線（３６５ｎｍ）等の光７０を照射し、マスク基板６１上の微細構造のパターン６２にｐ偏光で光源からの光７０が入射させる。この時の入射角度βはマスク基板鉛直方向に対して７０度〜９０度が望ましい。すると、図１０の（ｃ）に示すように、ｉ線等の光７０の照射によりパターン６２の金属が形成されている部分に局在プラズモン光が発生し、金属の微細構造の近傍の入射光電界強度が増強される。この増強された電場によりフォトレジストに露光が行なわれ、露光されたフォトレジスト層５２の部分が感光する。感光後、図１０の（ｄ）に示すように、マスク６０を基板５１から外し、フォトレジスト層５２を現像液で現像することにより、露光された露光部分５３が現像溶媒に可溶となり、ポジ型パターンを形成する。アスペクト比が小さい構造については以上の方法で簡便に形成することができる。また、マスク基板６１上に入射光に対する反射防止膜（図示せず）を形成することにより、入射光量を減少させることがなく、また基板内での多重反射の影響を軽減させることができ、良好な微細構造形成が可能になる。このような反射防止膜をしては、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ、ＣｅＦ_３などが使用可能である。また、マスク基板６１上に形成された微細構造のパターン６２に発生する局在プラズモン光の広がりは、その構造程度であるため、基板５１上に形成された感光性材料からなるフォトレジスト層５２の厚さは１００ｎｍ以下が望ましい。更に、マスク６０の基板６１上に形成された微細構造のパターン６２に局在プラズモン光を発生させるため、入射する光の偏光方向がマスク６０の基板６１に対してｐ偏光である必要がある。

図１１は表面プラズモン光を用いた近接場露光による微細構造形成工程の別の例を示す工程断面図である。同図において、図１０と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。先ず、図１１の（ａ）に示すように、基板５１上に感光性材料からなるフォトレジストをスピンコート法あるいはスプレイ法により順次塗布してフォトレジスト層５２を形成する。一方、ガラス等の誘電体からなるプリズム６３の底面に上述した第１〜第４の実施の形態例の金属の微細構造のパターン６２を形成したマスク６０を用意する。このマスク６０は、プリズム６３の底面上にレジストを塗布し、電子線描画装置で露光した後、リフトオフ法などにより金、銀などの金属の微細構造を作製したものである。次に、図１１の（ｂ）に示すように、プリズム６３の底面に形成されたパターン６２を基板５１側に対向させてマスク６０をフォトレジスト層５２に密着させる。図１１の（ｃ）で、このように基板５１にマスク６０を重ねた状態で、プリズム６３の側面方向からｉ線（３６５ｎｍ）等の光７０を照射する。このとき、プリズム６３の底面で入射光が全反射するため、プリズム６３の底面上の微細構造のパターン６２にエバネッセント光が照射される。この時、微細構造のパターン６２に局在プラズモン光を励起するためにｐ偏光で光源からの光７０を入射させることが必要である。すると図１１の（ｃ）に示すように、ｉ線等の光照射によりプリズム６３の底面のパターン６２の金属が形成されている部分に局在プラズモン光が発生し、金属の微細構造の近傍の入射光電界強度が増強される。この増強された電場により露光が行われ、露光されたフォトレジスト層５２が感光する。感光後、図１１の（ｄ）に示すように、マスク６０を基板５１から外し、フォトレジスト層５２を現像液で現像することにより、露光された露光部分５３が現像溶媒に可溶となり、ポジ型パターンを形成する。アスペクト比が小さい構造については以上の方法で簡便に形成することができる。また、プリズム６３の側面に入射光に対する反射防止膜（図示せず）を形成することにより、入射光量を減少させることがなく良好な微細構造形成が可能になる。このような反射防止膜をしては、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ、ＣｅＦ_３などが使用可能である。また、プリズム６３の底面上に形成された微細構造のパターン６２に発生する局在プラズモン光の広がりは、その構造程度であるため、基板５１上に形成された感光性材料からなるフォトレジスト層５２の厚さは１００ｎｍ以下が望ましい。また、プリズム６３の底面上に形成された微細構造のパターン６２に局在プラズモン光を発生させるため、入射する光の偏光方向がマスク６０の底面に対してｐ偏光である必要がある。

図１２は別の微細構造形成工程の一例を示す工程断面図である。同図において、図１０と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。先ず、図１２の（ａ）に示すように、基板５１上の金属膜５３上に感光性材料からなるフォトレジストをスピンコート法あるいはスプレイ法により順次塗布してフォトレジスト層５２を形成する。一方、ガラス等の誘電体からなるマスク基板６１上に上述した第１〜第４の実施の形態例の微細構造の凸パターン６２を予め形成したＳｉＯ_２製のモールド６４を用意する。次に、図１２の（ｂ）に示すように、モールド６４上のパターン６２を基板５１側に対向させてモールド６４をフォトレジスト層５２に約１．３×１０^７Ｐａの圧力で押し付け、フォトレジスト層５２に圧痕のパターンを転写する。そして、図１２の（ｃ）に示すように、フォトレジスト層５２に形成された圧痕のパターンを、酸素を用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）でエッチング加工して、金属のパターンを形成する。そして、図１２の（ｄ）に示すように、金属のパターンを除去することにより、基板５１上に金属のパターンを形成することができる。アスペクト比が小さい構造については、以上のような微細構造形成工程を用いることにより簡便に形成することができる。

図１３は別の微細構造形成工程の一例を示す工程断面図である。同図において、図１２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。先ず、図１３の（ａ）に示すように、基板５１上に感光性材料からなるフォトレジストをスピンコート法あるいはスプレイ法により順次塗布して塗布膜５２を形成する。一方、ガラス等の誘電体からなるマスク基板６１上に上述した第１〜第４の実施の形態例の微細構造の凸パターン６２を予め形成したＳｉＯ_２製のモールド６４を用意する。次に、図１３の（ｂ）に示すように、モールド６４上のパターン６２を基板５１側に対向させてモールド６４を塗布膜５２に型押しして、塗布膜５２に圧痕のパターンを転写する。そして、図１３の（ｃ）に示すように、塗布膜５２を硬化させた後、モールド６４を取り除くことにより、塗布膜５２に型押しパターン５３が形成される。次に、図１３の（ｄ）に示すように、塗布膜５２の型押しパターン５３を、ＣＦ４ＲＩＥを用いた化学反応イオンエッチングすることによりエッチング後のパターン５４が基板５１の表面に形成することができる。また、塗布膜５２としてシロキサン成分として水素化シルセスキオキサンポリマーなどが用いられ、当該ポリマーによる塗布膜５２を基板５１の表面に形成した後、この塗布面を１５０℃以下という低温でプリベークした後、モールド６４を用いて型押しすることにより、基板５１の表面に微細なＳｉＯ_２のパターン５４を形成することができる。基本的には塗布膜５２を形成する材料としては、従来ＳＯＧ（Spin-on-Glass）技術において利用されていたものを利用できるが、シロキサン成分（Ｒ_ｎＳｉ（ＯＨ）_４−ｎ）（但し、Ｒはアルキル基、ｎは０〜３の整数）と、これを溶解する溶媒、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール、Ｒ_１ＣＯＯＲ_２で表されるエステル類、アセチルアセトンなどのケトン類またはこれらの混合物とからなるものが好ましい。

図１４は別の微細構造形成工程の一例を示す工程断面図である。同図の（ａ）に示すように、基板７１上に金属膜７２を形成する。金属膜７２は真空蒸着、スパッタ、ＥＢ蒸着などの方法で形成することができる。この金属膜７２上に上述した第１〜第４の実施の形態例の微細構造となる凸型のパターン７３を、集束イオンビーム装置を用いて形成する。集束イオンビームには、通常、イオン源として電解電離型液体金属が用いられる。集束イオンビームは、通常、イオン注入、イオンビーム支援エッチング、イオンビームリソグラフィー、イオンビームモディフィケーションおよびデポジション等に利用されるが、このような技術の中で微細構造の形成にはデポジションおよびエッチングが特に有用である。集束イオンビームによるデポジションにおいては、例えば、基材表面に吸着したガス分子をイオンビームの照射によって分解させ、生成した不揮発性の解離原子を堆積させる方法により微細構造となるパターン７３を形成することができる。この方法において、原料ガスには、例えば、ジメチルゴールドヘキサフルオロアセチルアセトネート（ＤＭＧＦＡ）を用い、これにＡｒビーム（イオン源：Ａｒ）を照射することによってＡｕの微細構造のパターン７３が形成できる。また、ＤＭＧＦＡを用いる方法において、Ａｒビームの代わりに、Ｇａビーム（イオン源：Ａｕ−ＧａもしくはＧａ）、Ｈｅビーム（イオン源：Ｈｅ）またはＡｕビーム（イオン源：Ａｕ−Ｇａ、Ａｕ−Ｂｅ−ＳｉもしくはＡｕ−Ｓｉ）を用いることができる。以上に挙げたビームの中で、ＡｒビームまたはＡｕが９０％以上を占めるＡｕビームがデポジションにおいてより好ましく用いられる。また、ＤＭＧＦＡを用いる方法において、Ａｒビームの代わりに、Ｇａビーム（イオン源：Ａｕ−ＧａもしくはＧａ）、Ｈｅビーム（イオン源：Ｈｅ）またはＡｕビーム（イオン源：Ａｕ−Ｇａ、Ａｕ−Ｂｅ−ＳｉもしくはＡｕ−Ｓｉ）を用いることができる。以上に挙げたビームの中で、ＡｒビームまたはＡｕが９０％以上を占めるＡｕビームがデポジションにおいてより好ましく用いられる。

一方、集束イオンビームによるデポジションにおいて、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いることもできる。この場合、原料ガスにＡｒビーム、Ｇａビーム、ＨｅビームまたはＡｕビームを照射することによって、Ａｌから微細構造となるパターン７３を形成することができる。

以上に示すように、有機金属化合物からなる原料ガスに集束イオンビームを照射して生成する金属を堆積させることにより、金属薄膜上に、上述した第１〜第４の実施の形態例の微細構造を精度良く、かつ簡便に形成することができる。

また、集束イオンビーム照射装置を使用するので、付属の２次電子像観察機能などを用いてパターンの位置決めを高精度に行うことが容易にできる。この観察手段としては、特に、集束イオンビームや電子ビームなどの粒子線を試料上で走査したときに発生する２次電子を検出して走査像を得る方法がある。この方法では観察時に集束イオンビームを被加工物に照射することになる。しかし、充分に少ない量の粒子線を用いて走査像を得ることで、被加工物のパターニング位置を設定する際の集束イオンビーム照射の影響を実質的に無視することが可能である。

なお、集束イオンビームの照射位置を移動させる方法としては、集束イオンビーム自体をスキャンするなどして照射位置を移動させる方法、被加工物を移動させる方法、あるいはその両者を組み合わせる方法などが挙げられる。ここで集束イオンビーム自体を移動させる方法は装置的に合理的であるが、移動可能な距離に制限があるので、大面積かつ高密度に所望の微細構造となるパターン７３を形成したいときには両者を組み合わせる方法が適していると考えられる。また、被加工物を移動させる方法についても、高精度の位置制御が可能な試料ステージを用いれば可能である。

また、他の例としては電子ビームを用いることも可能であり、この場合には、そのエネルギーとして、１ｋｅＶ以上１０ＭｅＶ未満のものを用いることが好ましい。したがって、電子の加速電圧としては、数ｋＶ〜数ＭＶ程度のものが挙げられる。しかし、この電子ビームのエネルギーおよび加速電圧は特に制限されるものではない。

更に、フェナトレンガス（C₁₄H₁₀）を原料ガスに用い、集束イオンビームを照射することによって分解させ、生成したカーボンを堆積させる方法により微細構造となるパターン７３を形成することができる。この場合は、図１４の（ｃ）に示すように、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）でカーボンの微細構造となるパターン７３をマスクに用い、エッチング加工することにより、金属パターンを形成することができる。この場合、ＲＩＥ後、カーボンが残った場合、プラズマ化したガスとカーボンを反応させ、カーボンを気化させて取り除くことにより、金属からなる微細構造７４を形成することができる。

なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態例に係る光伝送装置の構成を示す斜視図である。 図１の平面図である。 レンズ用微細構造の配置の様子を示す図である。 本発明の第２の実施の形態例に係る光伝送装置の構成を示す斜視図である。 図４の平面図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る光伝送装置の構成を示す斜視図である。 図６の平面図である。 本発明の第４の実施の形態例に係る光伝送装置の構成を示す斜視図である。 図８の平面図である。 別の発明の表面プラズモン光を用いた近接場露光による微細構造形成工程を示す工程断面図である。 別の発明の表面プラズモン光を用いた近接場露光による別の微細構造形成工程を示す工程断面図である。 別の微細構造形成工程の一例を示す工程断面図である。 別の微細構造形成工程の一例を示す工程断面図である。 別の微細構造形成工程の一例を示す工程断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０；光伝送装置、
１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１；基板、
１２，２２，３２，４２，７２；金属膜、
１３，２３，３３，４３；レンズ用微細構造、
１４，２４，３４，４４；集光用微細構造、
１５，１５−１〜１５−ｍ，２５，２５−１〜２５−ｍ，３５，３５−１〜３５−ｍ，３５，４５−１〜４５−ｍ；伝送用微細構造
４６；ストッパ層、５２；フォトレジスト層、５３；露光部分、
６０；マスク、６２，７３；パターン、６３；プリズム、
６４；モールド、７０；光、７４；微細構造。

Claims (8)

1. 所定の規則に基づいて光学的に平坦な基板の上面に形成された金属膜上の配置に形成された複数のレンズ用微細構造を含んで構成され、入力情報である入力光を前記金属膜に所定の入射角度で照射して前記金属膜の表面に励起しかつ散乱する表面プラズモン光を集光するプラズモンレンズと、該プラズモンレンズの集光点に設けられ、前記プラズモンレンズにより集光された前記表面プラズモン光により局在プラズモン光を励起する集光用微細構造と、該集光用微細構造の近傍に形成され、前記集光用微細構造で励起した前記局在プラズモン光を前記入力光に対する出力光として伝送する少なくとも１つの伝送用微細構造とを有する光伝送装置であって、
   前記プラズモンレンズは、前記表面プラズモン光の波数をｋ、表面プラズモン光の入射方向と前記集光点とｎ（ｎは正の整数）番目の前記レンズ用微細構造のなす角をα _ｎ としたとき、ｎ番目の前記レンズ用微細構造が、半径Ｒ上の円弧状に、ｋＲ−ｋＲｃｏｓα _ｎ ＝２πｎなる関係を満たすような前記所定の規則に基づく位置に配置されて構成されていることを特徴とする光伝送装置。
   
2. 所定の規則に基づいて光学的に平坦な基板の上面に形成された金属膜上の配置に形成された複数のレンズ用微細構造を含んで構成され、入力情報である入力光を前記金属膜に所定の入射角度で照射して前記金属膜の表面に励起しかつ散乱する表面プラズモン光を集光するプラズモンレンズと、該プラズモンレンズの集光点に設けられ、前記プラズモンレンズにより集光された前記表面プラズモン光により局在プラズモン光を励起する集光用微細構造と、該集光用微細構造の近傍に形成され、前記集光用微細構造で励起した前記局在プラズモン光を前記入力光に対する出力光として伝送する少なくとも１つの伝送用微細構造とを有する光伝送装置であって、
   前記プラズモンレンズは、前記表面プラズモン光の波数をｋ、表面プラズモン光の入射方向と前記集光点とｎ番目の前記レンズ用微細構造のなす角をα _ｎ としたとき、ｎ番目の前記レンズ用微細構造が、半径Ｒ上の円弧状に、ｋＲ−ｋＲｃｏｓα _ｎ ＝２πｎ、かつα _ｎ ＜４５度なる関係を満たすような前記所定の規則に基づく位置に配置されて構成されていることを特徴とする光伝送装置。
3. 前記伝送用微細構造を、連続的にかつ互いに近傍となるような配列に形成する請求項１又は２に記載の光伝送装置。
4. 前記金属膜が、Ａｇ、Ａｕ又はＡｌのうち少なくとも１つの元素を含む請求項１〜３のいずれかに記載の光伝送装置。
5. 前記金属膜に入射する前記入力光の偏光方向が、前記金属膜に対して垂直である請求項１〜４のいずれかに記載の光伝送装置。
6. 前記レンズ用微細構造、前記集光用微細構造及び前記伝送用微細構造は、凹部又は凸部であり、該凹部の深さ又は該凸部の高さが前記入力光の入射波長の１０分１以下である請求項１〜５のいずれかに記載の光伝送装置。
7. 前記レンズ用微細構造、前記集光用微細構造及び前記伝送用微細構造は、Ａｇ、Ａｕ又はＡｌのうち少なくとも１つの元素を含む請求項１〜６のいずれかに記載の光伝送装置。
8. 少なくとも前記プラズモンレンズと前記伝送用微細構造との間の前記金属膜上に、長手方向に凹構造であるストッパ層を形成する請求項１〜７のいずれかに記載の光伝送装置。

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