JP4649595B2

JP4649595B2 - 波長フィルタ、波長フィルタリング方法及び波長フィルタリング装置

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Publication number: JP4649595B2
Application number: JP2006075767A
Authority: JP
Inventors: 健介村井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2026-03-20
Also published as: JP2007249093A

Description

本発明は、特定波長域の光強度を低減するための波長フィルタに関する。

近年の光情報通信は、波長多重通信が主流になってきており、この方式においては、特定の波長の光信号だけに対して伝送路を切り替えたり、遮断する方法が採られている。そのための波長フィルタとして、種々のものが提案されており、代表的なものとして、回折格子を使用するもの（特許文献１）、超格子構造を使用するもの（特許文献２）、リング導波路を使用するもの（特許文献３）、誘電体多層膜を備えたもの（特許文献４）、などがある。

しかしながら、特許文献１のものは、回折格子を使用するので、フィルタリング波長が固定されてしまい、必要なフィルタリング波長毎に回折格子を作成しなければならない。特許文献２，３のものは、超格子構造、リング状導波路を使用する結果、製造コストが高くなる。また、特許文献４のものは、電気光学効果を有する層を介在させて電界負荷によりフィルタリング波長を変化させフィルタリング特性を広帯域化する工夫をしているのであるが、電界負荷のための装置類を必要とするため、結局製造コストが高くなる。
一方、表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance; ＳＰＲ）は、金属表面の電
子波である表面プラズモンポラリトン（または単に表面プラズモン）が光と相互作用した結果、特異な吸収を起こす共鳴現象として知られている（例えば、非特許文献１〜４）。しかしながら、表面プラズモン共鳴による吸収波長の幅は５０ｎｍ程度と広く、波長多重通信への使用可能性が低いなど、用途が制限されたものとなっていた。
特開２００４−１２６５８号公報特開２００３−６６３８６号公報特開２００４−２７９９８２号公報特開２００１−２１８５２号公報 M. OsterfeldらのApplied Physics Letter, 第62巻 (1993年) 第2310-2312頁 X.-M.ZhuらのSensors and Actuators B, 第84巻 (2002年) 第106-112頁 K. KurosawaらのPhysical Review B, 第33巻 (1986年) 第789-798頁 S. EkgasitらのApplied Spectroscopy, 第59巻 (2005年) 第661-667頁

本発明は、これらの従来技術の問題点を解消し、低コストで且つ狭帯域の波長フィルタリングが可能な波長フィルタ、及び該波長フィルタを使用した波長フィルタリング方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するため、特定波長の反射光強度を低減する波長フィルタであって、入射部、出射部、及び前記入射部からの入射光に対する反射面を備えた光透過性部材と、前記反射面の外側に設けられた金属薄膜と、該金属薄膜の外側に設けられた誘電体薄膜とを備え、前記金属薄膜の厚さが１０〜１００ｎｍであり、前記誘電体薄膜の厚さが２００〜２００００ｎｍであることを特徴とする波長フィルタを提供するものである。

本発明はまた、前記目的を達成するため、前記波長フィルタを用い、前記反射面で全反射を生じるように前記入射部から光を入射させ、前記反射面における表面プラズモン共鳴に付帯するリーキーモードの反射光を前記出射部から出射させることを特徴とする波長フィルタリング方法を提供するものである。

本発明はまた、前記目的を達成するため、前記波長フィルタ、及び入射光と前記反射面とのなす角度を変えるように設けられた角度調節装置とを備えたことを特徴とする波長フィルタリング装置を提供するものである。

本発明に係る波長フィルタは、入射部、出射部、及び前記入射部からの入射光に対する反射面を備えた光透過性部材と、前記反射面の外側に設けられた金属薄膜と、該金属薄膜の外側に設けられた誘電体薄膜とを備えている。したがって、この波長フィルタに対し、反射面で全反射を生じるように入射部から光を入射させると、反射面において表面プラズモン共鳴を発生させることができる。

特に、本発明においては、金属薄膜の厚さを１０〜１００ｎｍとすることにより表面プラズモン共鳴の発生を確実にし、その上で、誘電体薄膜の厚さを２００〜２００００ｎｍとすることにより、表面プラズモン共鳴に付帯するリーキーモード（Leaky Mode）を出現させ、このリーキーモードの入射角と波長の関係（分散特性）を利用する。単色レーザを使用したリーキーモードについては、非特許文献１に紹介されている。リーキーモードにおける吸収波長帯域は狭小であるので、前記反射面での反射光は、特定狭帯域のみの強度が低減される。したがって、この波長フィルタは、波長多重通信など、狭帯域での波長フィルタリングを必要とする用途に最適である。なお、これら金属薄膜及び誘電体薄膜の適正膜厚及びその効果については、後の実施形態の説明において詳述する。

また、この波長フィルタは、光透過性部材に金属薄膜と誘電体薄膜とを形成すればよいので、製造コストが低いという利点がある。さらに、後述するように、波長フィルタにおける誘電体薄膜の膜厚を変えることにより、種々の波長吸収特性が得られるので、用途に応じた波長フィルタの設計を容易に行なうことができる。また、前記反射面に対する入射角を変えるだけで吸収波長域を大きく変化させることができるので、１つの波長フィルタで状況に応じたフィルタリングを簡便に行なうことができる。

上記波長フィルタリング方法は、本発明の波長フィルタにおけるリーキーモードの反射光を出射光として利用することにより、上記波長フィルタの特徴を生かしたフィルタリングを行なうことができる。

また、上記波長フィルタリング装置は、入射光と前記反射面とのなす角度を変える角度調節装置を、本発明の１個又は複数の波長フィルタに組み合わせて構成するという簡単な構造で、吸収波長域の変更を状況に応じて迅速に行なうことができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。図面中の同一又は同種の部分については、同じ番号を付して説明を省略することがある。

図１は、本発明に係る波長フィルタの一実施形態を概略的に示す図である。この実施形態においては、光透過性部材（基板）として石英ガラスのプリズム４を用い、プリズム４の一方の側面を入射部４１，他方の側面を出射部４２，底面を入射光に対する反射面４３としている。反射面４３の外側には金属薄膜３が設けられ、該金属薄膜の外側に誘電体薄
膜２が設けられている。さらに、この例では、入射部４１に偏光素子５が設けられており、入射光源１からの白色光の内、Ｐ偏光が偏光素子５を通過することになる。光源１からは平行光のビームが、反射面４３で全反射するように出射される。これらの部分は、表面プラズモン共鳴や付帯するリーキーモードの分散特性を算出する上での層構造に該当し、空気（媒質１）、誘電体薄膜（媒質２）、金属薄膜（媒質３）、光透過性部材（媒質４）が各層を構成する。分散特性の算出については、後述する。

プリズム４（光透過性部材）を構成する材料としては、石英ガラスの他、種々のガラス、プラスチックなどの光透過性材料を用いることができる。光透過性部材の形態は、上記プリズムに限らず、入射光を反射面に導くことができればよく、板状、ブロック状など種々の形態とすることができる。また、プリズムなどの光透過性部材本体の面に扁平な光透過性のプレートを接合し、該プレートの外面を反射面とすることもできる。該プレートは、光透過性部材本体と同種の材質とするのが望ましいが、他の材質とすることもできる。

光源１から偏光素子５を経てプリズム４に入射した光は、反射面４３で全反射される。このとき、反射面の外側には、金属薄膜３及び誘電体薄膜２が設けられているので、金属表面の電子波と光との相互作用により表面プラズモン共鳴を生じる。反射面４３での表面プラズモン共鳴を確実に得るために、金属薄膜３は、厚さが１０〜１００ｎｍとされる。金属薄膜３の厚さが１０ｎｍ未満では、金属電子の作用が低く十分な表面プラズモン共鳴が得られない。また、その厚さが１００ｎｍを越えると、金属層内を伝搬するエバネッセント波の減衰量が多くなり、やはり十分な表面プラズモン共鳴が得られない。

誘電体薄膜２を形成する材料としては、種々のガラス、プラスチックなどの光透過性材料を用いることができる。また、誘電体薄膜は、光透過性部材と屈折率が同等乃至近いものが望ましい。これは、表面プラズモン共鳴の分散特性における波長と角度の関係が直線的になりやすいためである。この観点から、誘電体薄膜を光透過性部材と同じ材質とするのが望ましい。

誘電体薄膜２の厚さは２００〜２００００ｎｍとされる。このように厚い誘電体層を設けることにより、表面プラズモン共鳴に付帯するリーキーモードを出現させることができる。図２は、プリズムに誘電体薄膜を設けない場合（ａ）と、設けた場合（ｂ）との表面プラズモン共鳴の状態を示すグラフである。グラフは、横軸に反射面４３に対する入射角、縦軸に入射光の波長をとっており、曲線状の黒い部分は、反射光強度の低い帯域、すなわち吸収波長帯域を示している。誘電体薄膜を設けない場合（ａ）は、表面プラズモン共鳴による吸収帯域（ＳＰＲ）のみが生じる。一方、誘電体薄膜を設けると、表面プラズモン共鳴による吸収帯域ＳＰＲがグラフ上で右へ移動し、リーキーモードによる吸収帯域が出現する。そして、誘電体薄膜の膜厚を厚くするほどこれらの曲線が右へ移動し、１次、２次、…ｎ次のリーキーモードが次々とグラフ上で左から出現する。図２（ｂ）の状態は、表面プラズモン共鳴による吸収帯域ＳＰＲが右へ移動してグラフの表示範囲外へ消え、１次リーキーモード（ＬＭ１）及び２次リーキーモード（ＬＭ２）が出現した状態を示している。この例（ｂ）では、石英プリズムの反射面に銀薄膜（厚さ５０ｎｍ）を設け、その上に石英の誘電体薄膜（厚さ５００ｎｍ）を設けている。

図３は、石英プリズムに銀薄膜（５０ｎｍ）及び石英薄膜を設けた場合について、入射角を６０°とし、石英薄膜の厚さを変えた場合の吸収特性を示している。横軸は石英薄膜の膜厚を示し、左の縦軸はフィルタピーク波長（吸収度の極大値を示す波長）で実線のグラフ曲線に対応し、右の縦軸はスペクトル幅（吸収波長帯域の幅）で破線のグラフ曲線に対応している。このグラフに見られるように、石英薄膜の膜厚が５０ｎｍの場合は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）による吸収となり、その吸収帯域はスペクトル幅（半値幅）が５０ｎｍ程度と広い。これに対し、石英薄膜の厚さが３００ｎｍを越える場合のリーキー
モード（ＬＭ１，ＬＭ２，ＬＭ３）では、スペクトル幅がほぼ１０ｎｍ以下と狭くなっており、狭帯域での吸収が可能である。この点は、図７及び図８によっても示すことができる。図７及び図８は、図３の場合に用いたのと同じ対象について、入射角を６０°とした場合の波長（横軸）と反射率（縦軸）との関係を表しており、図７は石英薄膜の厚さが５００ｎｍでのリーキーモード（ＬＭ１）による吸収波長帯域（右側の粗い点線のグラフ）を示し、図８は石英薄膜の厚さが５０ｎｍでの表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）による吸収波長帯域を示している。これらの図にも示されているとおり、石英薄膜の膜厚が５０ｎｍと薄い場合は、吸収帯域のスペクトル幅が４０ｎｍ程度と広く、石英薄膜の厚さが５００ｎｍの場合は、そのスペクトル幅が１０ｎｍ程度かそれ以下と狭くなっている。

図４は、図３に示した特性を誘電体薄膜の膜厚（縦軸）とピーク角度（吸収度の極大値を示す入射角・横軸）との関係で示したグラフである。効率的な吸収は、このグラフに従って誘電体薄膜の膜厚を設定して入射角を選択することによって得ることができる。また、図５（ａ）は、１次及び２次のリーキーモードＬＭ１、ＬＭ２の吸収帯域が、８００ｎｍを越えて延びることを示し、図５（ｂ）は、１次リーキーモードの吸収帯域が近赤外光通信帯域１７００ｎｍにまで延びていることを示している。図５の例では、石英プリズムの反射面に銀薄膜（厚さ５０ｎｍ）を設け、その上に石英の誘電体薄膜（厚さ１０００ｎｍ）を設けている。

誘電体薄膜２の厚さを２００〜２００００ｎｍとするのは、上記のようなリーキーモードの出現形態を考慮したものであり、誘電体薄膜の厚さが２００ｎｍ未満ではリーキーモードが適切に得られず、膜厚が２００００ｎｍを越えるとリーキーモードでの吸収特性が十分に得られないからである。この観点から、誘電体薄膜の厚さは、３００〜２０００ｎｍとするのがより望ましく、４００〜１２００ｎｍとするのがさらに望ましい。

金属薄膜を形成する金属としては、銀が最もよい吸収特性を示し、金、アルミニウム、銅もそれに次ぐ吸収特性を示す。銀、アルミニウム及び銅は金に比べて化学的に安定度が低いが、本発明においては金属薄膜が誘電体薄膜に覆われるので、これらの金属についても酸化などに対する安定性が確保される。

金属薄膜は、前述のとおり、十分な表面プラズモン共鳴を得るために厚さが１０〜１００ｎｍとされる。但し、その厚さの設定に応じて、フィルタリング特性を選択することができる。以下、図６を参照しつつ説明する。図６は、銀薄膜の厚さ（横軸）と最小反射率（左側の縦軸）及び最小反射率における入射角（右側の縦軸）との関係を示しており、実線のグラフ曲線が左側の縦軸、破線のグラフ曲線が右側の縦軸に対応している。ここでは、誘電体薄膜を石英ガラスで厚さ５００ｎｍに形成している。この図に示すように、例えば、入射角を６０°に設定し、銀薄膜の厚さを１０ｎｍ又は９０ｎｍとすることにより、最小反射率を約８５％とすることができる。また、その厚さを２５又は７０ｎｍ、３５又は６０ｎｍ、４０乃至５５ｎｍとすることにより、各々最小反射率を約５０％、約２０％、約１０％以下とすることができる。他の入射角の場合、及び他の金属の場合にも図６と同様のグラフを得ることができ、それに基づいて、所望の最小反射率を得るための膜厚を設定することができる。なお、本明細書及び特許請求の範囲において述べる反射率は、特に断らない限り、光透過性部材の反射面での反射率を言う。

さらに、波長フィルタの反射面に対する入射角を変更することにより、吸収波長帯域を変えることができる。図７は、波長（横軸）と反射率（縦軸）との関係を３つの入射角について示している（３種類の線で示す）。このグラフに見られるように、入射角を６０°、６５°、７０°と変更することにより、吸収波長帯域を約６３０ｎｍ、約５４５ｎｍ、約４６０ｎｍと変えることができる。したがって、波長フィルタを回転させるなどの手段で入射角を変更すれば、１つの波長フィルタで、複数種類の吸収波長帯域への切換えを簡
便に行なうことが可能となる。なお、ここで用いた波長フィルタは、石英プリズムの反射面に銀薄膜を４５ｎｍ、石英薄膜を５００ｎｍで形成している。

波長フィルタはまた、誘電体薄膜の膜厚を変更することによって、吸収波長帯域を変えることができる。図９は、波長（横軸）と反射率（縦軸）との関係を３種類の誘電体薄膜厚さについて示している（３種類の線で示す）。このグラフに見られるように、誘電体薄膜の厚さを５００ｎｍ、２０００ｎｍ、３０００ｎｍと変更することにより、吸収波長帯域を変えることができる。ここでは石英プリズムに銀薄膜を５０ｎｍの厚さで形成し、反射面に対する入射角は６０°に設定されている。

さらに、波長フィルタを複数個組み合わせることにより、減衰させる波長の選択性を拡げることができる。図１０は、１つの入射光に対して２個の波長フィルタを直列に配置し、各々の反射面への入射角を６０°及び５８°に設定したときの反射光の波長（横軸）と反射率（縦軸）との関係を示している。この組合せにより、櫛歯状に並ぶ複数の吸収波長帯域を、２個の波長フィルタの各々から得て交互に並べることができる。その結果、吸収波長帯域の配列を緻密化することができ、吸収波長帯域の選択性が広がる。

波長フィルタにおける誘電体薄膜は、光透過性部材と同じ材質又は屈折率の近い材質とするのが、表面プラズモン共鳴の分散特性における波長と角度の関係が直線的になりやすい点で望ましい。しかし、異なる材質とした場合であってもある程度良好な吸収帯域を得ることができる。図１１は、光透過性部材として石英及びアクリルを用い、各々に銀薄膜を５０ｎｍの厚さで形成し、その上に設ける誘電体薄膜を石英及びアクリルとし、全ての材質の組合せについて分散特性を示したものである。グラフは、横軸に入射角、縦軸に波長をとっており、描かれた曲線は吸収波長帯域を示している。これらのグラフに示すように、光透過性部材及び誘電体薄膜のいずれの材質の組合せにおいても、１次リーキーモード（ＬＭ１）及び２次リーキーモード（ＬＭ２）が良好に発生している。

波長フィルタの金属薄膜を形成するに際しては、表面プラズモン共鳴を生ずべき金属と光透過性部材との間に他の金属を介在させることもでき、介在させる金属を選択することにより、光透過性部材に対する金属薄膜の結合性を良好にすることができる。例えば、非特許文献４では、ガラスと金薄膜の結合性向上のためにクロム膜を介在させている。
介在金属層の厚さは、結合性向上効果が得られ、且つ目的とする金属薄膜による表面プラズモンの励起を妨げない程度とされる。

図１２は、石英プリズムに対し金の介在層を経て５０ｎｍの銀薄膜を形成し、その上に石英薄膜を５００ｎｍの厚さで形成した波長フィルタにについて、入射角を６０°とし、介在層の厚さを１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍとしたときの分散特性を示したものである。この図が示すように、介在層の厚さが３０ｎｍとなっても反射率を約６０％まで押さえることができる。

図１３は、図１２の場合と同じ構成において、介在金属をアルミニウムとし、介在層の厚さを１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍとしたときの分散特性を示す。この図が示すように、介在層の厚さが１０ｎｍとなっても反射率を約５０％まで押さえることができる。

以上に説明した本発明に係る波長フィルタを用いれば、反射面で全反射を生じるように入射部から光を入射させ、反射面における表面プラズモン共鳴に付帯するリーキーモードの反射光を出射部から出射させるという波長フィルタリング方法を実行することができ、これにより、狭帯域での波長フィルタリングを低コストで行なうことができる等の効果を得ることができる。

また、上記本発明の波長フィルタを用い、入射光と反射面とのなす角度を変えるように角度調節装置を備えることにより、波長フィルタリング装置を構成することができ、簡単な構造で、吸収波長域の変更を状況に応じて迅速に行なうことが可能となる。

図１４は、断面が平行四辺形の光透過性部材４’の１つの面に金属薄膜３及び誘電体薄膜２を形成し、隣り合う面に偏光素子５を設けた波長フィルタを用いた波長フィルタリング装置の一例を概略的に示している。この波長フィルタリング装置は、入射光及び反射光を含む平面（入射面）に垂直に延びた回転軸６を備え、該回転軸は波長フィルタに結合され図外の駆動装置により回転軸を中心に波長フィルタを所望の角度に回転させるように構成されている。回転軸６は、波長フィルタの光透過性部材４’に直接結合されてもよいし、波長フィルタを支持する部材に取り付けられてもよい。波長フィルタへの入射光（Σλ）は、反射面４３’で吸収波長帯域（λ1）がフィルタリングされた状態となって、出力
光（Σλ−λ1）が得られる。そして、回転軸６を中心として波長フィルタを或る角度回
転させれば、反射面４３’に対する入射光の入射角を変更することができ、これに伴って吸収波長帯域（λ1）が変わり、その結果、異なるカット波長を含む出力光（Σλ−λ1）が得られることとなる。

さらに、本発明に係る波長フィルタの特性を利用して、様々な波長フィルタリングを行なうことができる。図１５はその例としての波長フィルタリング装置を示している。図１５（ａ）の装置では、光透過性部材４ａ（基板）の断面形状がくさび形とされ、入射側から出射側へテーパとなっている。一方の側面には、一定厚さの金属薄膜３ａ及び誘電体薄膜２ａが設けられ、入射側端面には、必要に応じて偏光素子５が配置される。光透過性部材４ａの端面から入射した光は、向き合う側面間で全反射を繰り返す毎に進行角度を変える。すなわち、金属薄膜３ａへの入射角が次々と変わり、これに伴って吸収波長帯域も次々と変化する。その結果、光路中で作用した吸収波長帯域（λ1〜λn）がカット乃至低減された光が、出力光として得られる。なお、図１５中に記載された「λ1」〜「λn」の各々は、波長フィルタ内での１つの反射箇所で得られる複数の吸収波長帯域をまとめて表しており、添え字１〜ｎは、入射光に対する反射箇所の順番を示している。

図１５（ｂ）の装置では、光透過性部材４ｂは平行に向き合う側面を備え、一方の側面には、一定厚さの金属薄膜３ｂと、複数の誘電体薄膜２ｂ1〜２ｂnが設けられている。これらの誘電体薄膜は、入射側から出射側へ並び各々の厚さが順次薄くなる。したがって、光透過性部材４ｂの端面から入射した光は、向き合う側面間で全反射を繰り返す毎に、異なる厚さの誘電体薄膜２ｂ1〜２ｂnの作用を受ける。すなわち、セクション毎に異なる吸収波長帯域を持つ波長フィルタの作用を受けることとなる。その結果、光路中で作用した吸収波長帯域（λ1〜λn）がカット乃至低減された光が、出力光として得られる。

図１５（ｃ）の装置では、光透過性部材４ｃは、平行に向き合う側面を備え、一方の側面には、一定厚さの金属薄膜３ｃと、入射側から出射側へ連続的に厚さを薄くした誘電体薄膜２ｃが設けられている。したがって、光透過性部材４ｃの端面から入射した光は、向き合う側面間で全反射を繰り返す毎に、誘電体薄膜２ｃにおける異なる厚さ部分の作用を受ける。すなわち、部分によって異なる吸収波長帯域（λ1〜λn）を示すフィルタ作用を受けることとなる。その結果、光路中で作用した吸収波長帯域（λ1〜λn）がカット乃至低減された光が、出力光として得られる。

図１５に示した実施形態によれば、多様なフィルタリング機能を１個の波長フィルタで得ることができるので、低コストでありコンパクトな形状が要求される波長多重通信のための波長フィルタとして好適である。これらの実施形態における光透過性部材のテーパの方向、及び誘電体薄膜の厚さ変化の方向は、逆向きとすることもできる。また、図１５の（ａ），（ｂ），（ｃ）における相互に異なる仕様については、それらを適宜組み合わせ
た仕様とすることも可能である。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。前述の図１４及び図１５に示した実施形態においては、光透過性部材の一つの面に金属薄膜及び誘電体薄膜を設けていたが、その面に対向する面にも金属薄膜及び誘電体薄膜を設け、入射光が全反射する毎にフィルタ作用を受けるようにすることもできる。この場合、対向する面に設ける金属薄膜及び誘電体薄膜は、異なる厚さ、テーパ等とすることができ、膜の材質を同等にし、或いは異ならせることもできる。

また、波長フィルタへの入射光は、Ｐ偏光のみならず、Ｓ偏光とすることもできる。但し、Ｐ偏光を用いた場合の方が、優れたフィルタ特性を得ることができる。

さらに、偏光素子は、波長フィルタの入射部の他、出射部に設ける等、入射光及び反射光のいずれかの光路中に設置されていればよい。或いは、入射光としてレーザなどの偏光を用いれば、偏光素子を省略することができる。

以下に、表面プラズモン共鳴や付帯するリーキーモードの分散特性（波長と入射角の関係）の算出方法について説明する。この分散特性は、マックスウェル（Maxwell）の方程
式の解である。マックスウェルの方程式を解く方法として、マトリックス法は多層薄膜における電磁波の反射率の関係を導出できる。反射率を求める方法については非特許文献３に詳しく説明されている。図１６に示すような多層膜のｎ層構造において、ｎ層構造の多層膜中を伝搬する電磁波を仮定する。積層膜はz軸方向に積み重ねられ、xおよびy軸方向
は半無限であるとする。１層目とｎ層のｚ方向はｚ→−∞とｚ→∞になり、中間層としてはｚ₁,ｚ₂,…,ｚ_n-1において結合している。どの層においても誘電率はε(1),ε(2),…,
ε(n)として、j番目の層の厚さは（式１）に与えられる。

この構造では、表面プラズモンは光の波数ベクトルｋ_//とともにx軸方向に伝搬する。
振動数ωでｊ番目の層における伝搬の式は（式２）で与えられる。

ここで、積層方向（ｚ軸）方向に沿った波数ｋ_z(j)は（式３）で与えられ、積層面内方向に沿った波数ｋ_//(ｊ)は（式４）で与えられる。

ただし、ｎ_n（またはε_n）はプリズムの波長λに対する屈折率（誘電率）、ｋ₀は入射
光（振動数ω₀）の真空中での波数（2π/λ₀）、cは真空中の光速度、A_μ(j)は反射、B_μ(j)は入射あるいは透過の電場の振幅ベクトルである。

図面内に電場方向があるP偏光 (Transverse Magnetic: TM)の場合、M_TMは（式５）に示す行列であり、（式２）や（式6）により積層構造を考慮して、反射率Rは（式7）で与え
られる。

また、Ｐ偏光（TM）と同様、図面内にある入射面内に垂直な方向に電場方向があるS偏
光(Transverse Electric: TE)の反射率Ｒは、（式8）に示すM_TEを使って計算できる。

本発明に係る波長フィルタの一実施形態を概略的に示す図である。表面プラズモン共鳴の状態を誘電体薄膜の有無に分けて示すグラフである。本発明の波長フィルタに関し、石英薄膜の厚さを変えた場合の吸収特性を示すグラフである。本発明の波長フィルタに関し、誘電体薄膜の膜厚と吸収ピーク角度との関係を示すグラフである。本発明の波長フィルタに関し、（ａ）は１次及び２次リーキーモードの吸収帯域を示すグラフであり、（ｂ）は１次リーキーモードの吸収帯域を示すグラフである。本発明の波長フィルタに関し、銀薄膜の厚さと最小反射率及び最小反射率における入射角との関係を示すグラフである。本発明の波長フィルタに関し、波長と反射率との関係を、異なる入射角について示すグラフである。表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）による吸収波長帯域を示すグラフである。本発明の波長フィルタに関し、波長と反射率との関係を、異なる誘電体薄膜厚さについて示すグラフである。本発明の波長フィルタに関し、２個の波長フィルタを異なる角度で直列に配置したときの波長と反射率との関係を示すグラフである。本発明の波長フィルタに関し、光透過性部材及び誘電体薄膜を同一又は異なる材質としたときの分散特性を示すグラフである。本発明の波長フィルタに関し、プリズムと金属薄膜との間に金の介在層を設けた場合の分散特性を示すグラフである。本発明の波長フィルタに関し、プリズムと金属薄膜との間にアルミニウムの介在層を設けた場合の分散特性を示すグラフである。本発明に係る波長フィルタリング装置の一例を概略的に示す図である。本発明に係る波長フィルタリング装置の他の例を概略的に示す図である。表面プラズモン共鳴及びリーキーモードの分散特性算出のための説明図である。

符号の説明

１光源
２誘電体薄膜
３金属薄膜
４プリズム（光透過性部材）
５偏光素子
４１入射部
４２出射部
４３、４３’ 反射面
ＬＭ１，ＬＭ２，ＬＭ３リーキーモード

Claims

特定波長の反射光強度を低減する波長フィルタであって、入射部、出射部、及び前記入射部からの入射光に対する反射面を備えた光透過性部材と、前記反射面の外側に設けられた金属薄膜と、該金属薄膜の外側に設けられた誘電体薄膜とを備え、前記金属薄膜の厚さが１０〜１００ｎｍであり、前記誘電体薄膜の厚さが２００〜２００００ｎｍであることを特徴とする波長フィルタ。
前記金属薄膜が、銀、金、アルミニウム又は銅であることを特徴とする請求項１に記載の波長フィルタ。
請求項１又は２に記載の波長フィルタを用い、前記反射面で全反射を生じるように前記入射部から光を入射させ、前記反射面における表面プラズモン共鳴に付帯するリーキーモードの反射光を前記出射部から出射させることを特徴とする波長フィルタリング方法。
請求項１又は２に記載の波長フィルタ、及び入射光と前記反射面とのなす角度を変えるように設けられた角度調節装置とを備えたことを特徴とする波長フィルタリング装置。