ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造、およびその応用
【課題】表面プラズモンポラリトンベースデバイスと誘電体ベースデバイスとの高度混合集積を実現し、多種類の制御可能な光電気集積デバイスを実現すること。
【解決手段】本発明は、誘電体基板層と、前記誘電体基板層上に位置する誘電体導波路層と、前記誘電体導波路層上に位置する結合整合層と、前記結合整合層上に形成された、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンを伝導するためのショートレンジ表面プラズモン導波路部とを含むことを特徴とする、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造である。また、本発明は、下から上に向けて、それぞれ、誘電体基板層と、誘電体導波路層と、結合整合層と、ロングレンジ表面プラズモン導波路部とを含むことを特徴とする、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造である。
【解決手段】本発明は、誘電体基板層と、前記誘電体基板層上に位置する誘電体導波路層と、前記誘電体導波路層上に位置する結合整合層と、前記結合整合層上に形成された、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンを伝導するためのショートレンジ表面プラズモン導波路部とを含むことを特徴とする、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造である。また、本発明は、下から上に向けて、それぞれ、誘電体基板層と、誘電体導波路層と、結合整合層と、ロングレンジ表面プラズモン導波路部とを含むことを特徴とする、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電子技術分野に関するものであり、具体的にはショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造、および、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造、ならびに、当該構造に基づく屈折率センサ、ＴＭ偏光変調器などに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ、ＳＰＰ）は、金属と誘電体との界面に沿って伝播する電磁界である。図１に示されている通り、１は金属（または金属と誘電体との混合物）、２は金属周囲の誘電体、３は界面箇所の表面プラズモンポラリトンであり、金属が十分に薄いと上下表面のＳＰＰに結合が発生し、対称モード、つまりロングレンジ表面プラズモンポラリトン４、または反対称モード、つまりショートレンジ表面プラズモンポラリトン５を形成する。
【０００３】
ＳＰＰは表面波であり、その電磁界エネルギは金属と誘電体との界面付近に集中し、誘電体中において、その電磁界の振幅は界面から離間する距離に伴い指数的に減衰する。金属膜が比較的薄い場合、上下表面のプラズモンポラリトンは結合を生じて、２種類の新たな表面プラズモンポラリトンモードを生成する。
【０００４】
図２に示されている通り、そのうち１種のモードは対称モードであり、そのモードフィールドの大部分は金属以外の誘電体中に分布し、伝播損失は比較的小さく、金属フィルムに沿って比較的長距離伝播可能であり、この種のモードはロングレンジ表面プラズモンポラリトン（ｌｏｎｇ ｒａｎｇｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ、ＬＲＳＰＰ）と称される。
【０００５】
別の１種のモードは反対称モードであり、金属により近接しており、伝播損失が比較的大きく、金属フィルムに沿って非常に短い距離を伝播可能なだけであるため、ショートレンジ表面プラズモンポラリトン（ｓｈｏｒｔ ｒａｎｇｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ、ＳＲＳＰＰ）と称される。
【０００６】
このように、薄い金属または金属ストリップが表面プラズモン導波路（ＳＰＰ導波路）となる。ロングレンジまたはショートレンジの表面プラズモンポラリトンを伝播する際に、ロングレンジまたはショートレンジ表面プラズモン導波路と称される。
【０００７】
金属導波路と誘電体導波路との距離が十分に近いと、一定の条件下で、一般誘電体導波路モードはＳＰＰモードと結合を生じる。ＳＲＳＰＰはＳＰＰおよびＬＲＳＰＰモードに比べて高度に金属に近接する特徴を有しているため、この種のＳＲＳＰＰが誘電体導波路と混合結合する新型の結合現象はデバイスの結合長さをより短く、寸法をより小さくさせ、高度集積のフォトンデバイス、光通信面で広範な応用の用途を有している。
【０００８】
また、ＳＰＰの電磁界エネルギは金属と誘電体との界面付近に集中しているため、金属表面の電磁界は非常に強く、表面の形態、特に屈折率の変化に対して非常に敏感であり、バイオセンサ分野において広範な応用の用途を有している。
【０００９】
しかし、ショートレンジのＳＰＰ波は一般のＳＰＰ波に比べて、ウェーブフィールドがさらに高度に金属表面に近接しており、そのモード特性は金属フィルム周囲の超薄範囲内の誘電体の屈折率変化に対して非常に敏感であるため、金属膜上方の超薄層物質の屈折率に変化が生じると（大多数の生体反応はこの種の超薄層反応に属する）、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンモードと一般誘電体導波路モードとの結合には明らかな変化が生じて、誘電体導波路の出力パワーの激烈な変化が引き起こされる。これは超薄層物質の屈折率の高精度検出のために新たな道を提供している。
【００１０】
従来の表面プラズモンポラリトンのバイオセンサは、プリズム、回転テーブルなどの分離した部品が必要であるため、体積は大きく、調節は困難であるばかりではなく、超薄層物質に対する検知感度が低く、安定性は劣り、コストが高いため、その普及応用が厳しく制限されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
＜ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造＞
本発明の目的は、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造を提供して、表面プラズモンポラリトンベースデバイスと誘電体ベースデバイスとの高度混合集積を実現し、多種類の制御可能な光電気集積デバイスを実現することにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、高度集積のショートレンジ表面プラズモンポラリトン混合カプラを提供し、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路のＴＭ波との高効率結合を利用して、２種類の波の相互転換を実現可能とすることにある。
【００１３】
本発明のさらに別の目的は、高度集積のショートレンジ表面プラズモンポラリトン混合偏光子を提供し、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンの高損失および超短の混合結合長さに基づき、ごく短い伝播距離内でＴＭ波を消去して、ＴＥ偏光波を出力する目的を達成することにある。
【００１４】
本発明のさらにもう１つ別の目的は、高度集積のショートレンジ表面プラズモンポラリトン混合結合センサを提供し、超薄層誘電体屈折率の高感度リアルタイム検出を実現して、従来からの表面プラズモンポラリトン屈折率検出方法における体積が大きく、必要とする部品デバイスが多く、調節は困難で、安定性は劣り、超薄層物質の検知感度が低いなどの問題を解決することにある。
【００１５】
＜ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造＞
本発明の目的は、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を提供し、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンベースデバイスと誘電体ベースデバイスとの高度な集積を実現し、屈折率検知および制御可能な光電気集積デバイスを実現することにある。
【００１６】
本発明の別の目的は、屈折率センサを提供し、屈折率の高感度リアルタイム検出を実現して、従来からの表面プラズモンポラリトンの屈折率検出方法における体積が大きく、必要とする部品デバイスが多く、調節は困難で、安定性が劣るなどの問題を解決することにある。
【００１７】
本発明のさらに別の目的は、低電力消費、高性能な光電気強度変調器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
＜ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造＞
上記発明目的を達成するため、本発明では、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造が提供されており、上記結合構造には、
誘電体基板層と、上記誘電体基板層上に位置する誘電体導波路層と、上記誘電体導波路層上に位置する結合整合層と、上記結合整合層上に形成された、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンを伝導するためのショートレンジ表面プラズモン導波路部とが含まれている。
【００１９】
上記誘電体導波路層の屈折率は、上記誘電体基板層の屈折率よりも大きく、上記結合整合層の屈折率は、上記誘電体導波路層の屈折率よりも小さいことが好ましい。
【００２０】
上記誘電体導波路層の屈折率の選択は、上記誘電体導波路層のＴＭ偏光状態のベースモードの等価屈折率を上記ショートレンジ表面プラズモンポラリトンの等価屈折率と等しくさせるものであることが好ましい。
【００２１】
上記誘電体導波路層の屈折率は１．２〜３．８であり、上記誘電体導波路層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであることが好ましい。
【００２２】
上記結合整合層の厚みは０．０１μｍ〜１０μｍであり、上記結合整合層の屈折率は１．２〜３．８であることが好ましい。
【００２３】
上記ショートレンジ表面プラズモン導波路部は、下から順次形成される誘電体バッファ層と、金属層と、誘電体カバー層とを含むことが好ましい。
【００２４】
上記金属層は、金、銀、アルミニウム、銅、鉄、クロム、ニッケル、チタンのうちの１種または複数種からなる合金であることが好ましい。
【００２５】
上記金属層の厚みは１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、上記誘電体バッファ層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであることが好ましい。
【００２６】
上記誘電体カバー層の屈折率は１．０〜３．８であり、上記誘電体バッファ層の屈折率は１．０〜３．８であることが好ましい。
【００２７】
上記結合整合層と上記誘電体バッファ層との全厚みは、誘電体導波路とショートレンジ表面プラズモンポラリトンとの結合発生を停止させる臨界厚みよりも大きいことが好ましい。
【００２８】
本発明では、さらに上記混合結合構造を応用した混合カプラが提供されており、上記誘電体導波路のＴＭ偏光状態モードは、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと結合を発生し、上記結合長さは１０μｍ〜２０００μｍである。
【００２９】
本発明では、さらに上記混合結合構造を応用した混合偏光子が提供されており、ＴＭ、ＴＥ偏光状態混合入力光が上記誘電体導波路層の端面から入射されると、ＴＭ波はショートレンジ表面プラズモンポラリトンとエネルギ結合を発生して減衰し、出力波はＴＥ偏光波である。
【００３０】
本発明では、さらに上記混合結合構造を応用したＴＭ偏光変調器が提供されており、上記誘電体カバー層上は、金、クロムからなる電極で被覆され、電極とショートレンジ表面プラズモンポラリトン導波路部中の金属層との間に変調電圧を印加し、さらに誘電体導波路のパワー出力に対して変調を実施してＴＭ偏光の変調を実現する。
【００３１】
そのうち、上記誘電体カバー層には、電気光学誘電体材料を採用することが好ましい。
本発明では、さらに上記混合結合構造を応用したセンサが提供されており、誘電体カバー層の屈折率に変化が生じると、誘電体導波路のＴＭモードとショートレンジ表面プラズモンポラリトンとの結合効率に改変が生じ、誘電体導波路の出力パワーの変化を測定することにより上記金属表面上方の誘電体カバー層の屈折率の変化を検出する。
【００３２】
そのうち、上記誘電体カバー層の屈折率の微小な変化には、生体反応または物理的、化学的作用により引き起こされる屈折率の微小な変化が含まれることが好ましい。
【００３３】
そのうち、上記誘電体バッファ層の屈折率および厚みを調整することにより、検知可能な上記誘電体カバー層の屈折率範囲を調節することが好ましい。
【００３４】
そのうち、上記センサが検知可能な誘電体カバー層の厚みは、使用する波長の１／１５〜５００μｍであることが好ましい。
【００３５】
＜ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造＞
上記目的を実現するため、本発明では以下の技術案を採用する。
【００３６】
本発明は、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造であり、上記構造は、下から上に向けて、それぞれ、誘電体基板層と、誘電体導波路層と、結合整合層と、ロングレンジ表面プラズモン導波路部を含んでいる。
【００３７】
上記誘電体導波路層の屈折率は、上記誘電体基板層および上記結合整合層の屈折率よりも大きいことが好ましい。
【００３８】
上記誘電体導波路層の誘電体導波路のＴＭモード等価屈折率は、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンの等価屈折率と等しいことが好ましい。
【００３９】
上記誘電体導波路層の屈折率は１．２〜３．８であり、上記誘電体導波路層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであることが好ましい。
【００４０】
上記結合整合層の屈折率は１．２〜３．８であり、上記結合整合層の厚みは０．０１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。
【００４１】
上記ロングレンジ表面プラズモン導波路部は、下から上に向けて、さらに、誘電体バッファ層と、金属層と、誘電体カバー層とを含むことが好ましい。
【００４２】
上記金属層は、白金、金、銀、アルミニウム、銅、鉄、クロム、ニッケル、チタンのうちの１種または複数種が組み合わされた合金、もしくは上記金属各々の合金、もしくは金属セラミックであることが好ましい。
【００４３】
そのうち、上記金属層の厚みは５ｎｍ〜１００ｎｍであり、上記誘電体バッファ層の厚みは１ｎｍ〜２０μｍであることが好ましい。
【００４４】
上記誘電体バッファ層の屈折率は１．０〜３．８であり、上記誘電体カバー層の屈折率は１．０〜３．８であることが好ましい。
【００４５】
上記結合整合層と上記誘電体バッファ層との全厚みは誘電体導波路ＴＭモードとロングレンジ表面プラズモンポラリトンモードとの結合発生を停止させる臨界厚みよりも大きいことが好ましい。
【００４６】
また、本発明は、上記ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサであり、上記屈折率センサは、主に上記結合構造により構成され、上記構造は、下から上に向けて、それぞれ、誘電体基板層と、誘電体導波路層と、結合整合層と、ロングレンジ表面プラズモン導波路部である。
【００４７】
そのうち、上記誘電体バッファ層の屈折率および厚みを調整することにより、検知可能な上記誘電体カバー層の屈折率範囲を調節することが好ましい。
【００４８】
また、本発明は、上記ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気強度変調器であり、上記光電気強度変調器は、主に上記結合構造により構成され、上記結合構造の誘電体カバー層上は金属電極で被覆されている。
【００４９】
そのうち、上記金属電極とロングレンジ表面プラズモン導波路部中の金属層との間に変調電圧を印加することが好ましい。
【００５０】
そのうち、上記誘電体カバー層には、光電子誘電体材料を採用することが好ましい。
【発明の効果】
【００５１】
＜ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造＞
本発明が提供するョートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造は、薄層物質の屈折率の高精度検出を実現し、上記構造はカプラ、偏光子および屈折率検知コアチップに応用され、従来からの検出方法における体積が大きく、必要とする部品デバイスが多く、調節は困難で、安定性は劣り、超薄層物質の検知感度が低いなどの問題を解決する。
【００５２】
＜ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造＞
１．本発明が提供するロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造は、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンベースデバイスと誘電体ベースデバイスとの高度な集積の実現、並びに屈折率検知および制御可能な光電気集積デバイスの実現のために基礎を提供する。
【００５３】
２．本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサコアチップは、感度が高く、上記結合構造を応用することにより、上記センサは、体積が小さく、必要とする部品デバイスが少なく、調節が容易で、安定性が高くなる。
【００５４】
３．本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気強度変調器は、感度が高く、低い駆動電圧により出力パワーに対して効果的な変調を実施可能で、電力消費は低く、性能は高い。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】表面プラズモンポラリトンの概念図である。
【図２】表面プラズモンポラリトンの概念図である。
【図３】ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合カプラの核心導波路構造を示す図である。
【図４】本発明における１つのショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合集積カプラの立体構造見取図である。
【図５】図４の側面図である。
【図６】本発明における別のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合集積カプラの立体構造見取図である
【図７】図６の側面図である。
【図８】本発明における別の制御可能なショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合集積カプラの立体構造見取図である。
【図９】図８の側面図である。
【図１０】本発明における１つのショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合屈折率検出コアチップの立体構造見取図である。
【図１１】図１０の側面図である。
【図１２】本発明における１つのショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合屈折率検出コアチップの出力パワーの被測定物質の屈折率に伴う変化関係図である。
【図１３】本発明における別のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合屈折率検出コアチップの出力パワーの被測定物質の屈折率に伴う変化関係図である。
【図１４】本発明におけるさらに別のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合屈折率検出コアチップの出力パワーの被測定物質の屈折率に伴う変化関係図である。
【図１５】本発明におけるロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造の構造見取図である。
【図１６】本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造における金属層と誘電体導波路層との構造見取図である。
【図１７】本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造における金属層と誘電体導波路層との構造見取図である。
【図１８】本発明におけるロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造の屈折率センサの構造見取図である。
【図１９】本発明におけるロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造の屈折率センサの構造見取図である。
【図２０】ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサの出力パワーの被測定物質の屈折率に伴う変化関係図である。
【図２１】別のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサの出力パワーの測定対象物質の屈折率に伴う変化関係図である。
【図２２】ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気可変減衰器の構造見取図である。
【図２３】ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気可変減衰器の構造見取図である。
【図２４】本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気強度変調器の構造見取図である。
【図２５】本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気強度変調器の構造見取図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
＜ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造＞
以下においては実施例に基づき本発明について説明するが、それは本発明の範囲を制限するものではない。
【００５７】
本発明ではショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造が提供されており、上記結合構造には、誘電体基板層と、当該誘電体基板層上に位置する誘電体導波路層と、当該誘電体導波路層上に位置する結合整合層と、当該結合整合層上に形成された、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンを伝導するためのショートレンジ表面プラズモン導波路部とが含まれている。
【００５８】
そのうち、上記誘電体導波路層の屈折率は、上記誘電体基板層の屈折率よりも大きく、上記結合整合層の屈折率は、上記誘電体導波路層の屈折率よりも小さい。
【００５９】
また、上記誘電体導波路層の屈折率の選択は、当該誘電体導波路層のＴＭ偏光状態のベースモードの等価屈折率を当該ショートレンジ表面プラズモンポラリトンの等価屈折率と近接または等しくさせるものである。
【００６０】
好適には、上記誘電体導波路層の屈折率は１．２〜３．８であり、上記誘電体導波路層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍである。
【００６１】
そのうち、上記ショートレンジ表面プラズモン導波路部は、下から順次形成される誘電体バッファ層と、金属層と、誘電体カバー層とを含む。
【００６２】
上記金属層は、金、銀、アルミニウム、銅、鉄、クロム、ニッケル、チタンのうちの１種または複数種からなる合金である。
【００６３】
上記金属層の厚みは１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、上記誘電体バッファ層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍである。
【００６４】
上記誘電体バッファ層の屈折率は１．２〜３．８であり、上記誘電体カバー層の屈折率は１．２〜３．８である。
【００６５】
上記結合整合層は均一の誘電体材料であり、上記結合整合層と上記誘電体バッファ層との全厚みは、誘電体導波路とショートレンジ表面プラズモンポラリトンとの結合発生を停止させる臨界厚みよりも大きい。
【００６６】
好適には、上記結合整合層の厚みは０．１μｍ〜１０μｍであり、上記結合整合層の屈折率は１．２〜３．８である。
【００６７】
また、誘電体導波路のＴＭ偏光状態モードとショートレンジ表面プラズモンポラリトンとが結合を生じる結合長さは１０μｍ〜２０００μｍである。
【００６８】
図３に示されているのは、上記混合結合構造を利用したカプラの核心導波路構造である。図内の金属導波路（ＳＲＳＰＰ）ストリップ６と誘電体ストリップ７とは垂直に配列され、金属導波路ストリップ６および誘電体ストリップ７の幅および厚みが一定の条件を満足すると、金属導波路および誘電体導波路により伝導されるモードの伝播定数は基本的に等しくなり、中間の結合整合層および誘電体バッファ層の厚みを調節することにより、２つのモードに結合が生じて、エネルギが金属導波路ストリップ６と誘電体ストリップ７との間で転移する。
【００６９】
複数の結合長さを経過した後、ＳＲＳＰＰモードの損失が比較的大きくなるため、ＴＭ波のエネルギは急速に減衰する。また金属ストリップのＳＲＳＰＰ導波路が伝導するのはＴＭ偏光モードであるため、誘電体導波路モードとＳＲＳＰＰ導波路とのエネルギ結合はＴＭ偏光だけに限られ、誘電体ストリップから入力されるＴＥ偏光波については、金属アームに結合せず、当該誘電体ストリップに沿って伝送されるだけであり、最終的には誘電体導波路から出力される。
【００７０】
そのため、混合カプラの２種類の偏光状態に対する異なる伝送特性を利用すると、非常に容易に新型の偏光子を実現することができる。また、そのうち１つのアームは金属ストリップであるため、ＳＲＳＰＰ導波路として以外に、電気的な金属導線と見なすこともできる。このように、金属導線に対して電圧を印加することにより、金属膜周囲の誘電体の電気光学効果または熱光学効果を利用してその屈折率を改変して、ＴＭ偏光の２つのアーム間における結合を制御し、ＴＭ偏光の出力に対する制御を実現することができる。
【００７１】
他方、金属膜上方の誘電体の屈折率に変化が生じると、誘電体アームから出力される光パワーに変化が生じ、それに加えてＳＲＳＰＰのモードフィールドが金属膜表面に高度に近接するため、金属周囲の比較的薄い範囲内における屈折率の変化を効果的に検知することができ、高感度の超薄誘電体屈折率センサのために可能性を提供している。その他、ＳＲＳＰＰのモードフィールド特性が金属導波路の上下誘電体の屈折率差から受ける影響が比較的大きいため、金属フィルムの上下誘電体の屈折率差が比較的大きいとＳＲＳＰＰモードは停止される。そのため、金属膜下方の誘電体バッファ材料層の屈折率または厚みを改変することにより、ＳＲＳＰＰモード非停止条件の等価屈折率およびモードフィールド分布を改変することができるとともに、誘電体導波路モードとＳＲＳＰＰモードとの結合効率も改変することができ、さらに当該センサの金属上方における誘電体材料の屈折率の検知中心および動的範囲を調整することができる。
【００７２】
図４に示されているのは、ショートレンジ表面プラズモン導波路と誘電体導波路との混合カプラの立体構造見取図である。選択される誘電体基板層１０および誘電体カバー層１１の材料はＳｉＯ2であり、基板上にスパッタリングまたは蒸着およびフォトエッチング法により幅１μｍ、厚み２２０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップ７と、材料がいずれもＳｉＯ2で、厚みが１．２μｍの結合整合層８および誘電体バッファ層９と、幅２μｍ、厚み１５ｎｍのＡｕストリップ６とが作製される。カプラの長さは５０μｍである。入射されたＴＭ（実線矢印）およびＴＥ（破線矢印）光が同時に下辺の誘電体ストリップ７から入力されると、ＴＭモードのエネルギが距離十数から数十μｍ内において上辺の金属導波路中に迅速に結合する。ＴＥ光は結合を生じることができず、下辺の誘電体ストリップを直接通過する。そのため、混合カプラにより極めて短い距離内においてＴＭ光とＴＥ光とを分離することができ、高度集積可能な偏光子となる。図５に示されているのは、図４の側面図である。
【００７３】
本実施例におけるＡｕストリップは、銀、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、クロム、鉄のうちのいずれか１種またはそれらの合金に替えることができ、金属セラミックストリップとすることもでき、つまり上記金属および合金とＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの誘電体との混合物である。誘電体導波路ストリップと基板、カバー層および誘電体バッファ層の誘電体材料は、樹脂材料、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどに替えることができるが、誘電体導波路ストリップの屈折率は周囲の誘電体の屈折率よりも大きいことが要求される。材料を変更する際には、金属（セラミック）ストリップおよび誘電体ストリップの幾何学的パラメータは一定の調整を施す必要がある。
【００７４】
図６に示されているのは、別のショートレンジ表面プラズモン導波路と誘電体導波路との混合カプラの立体構造見取図である。選択される誘電体基板層１０および誘電体カバー層１１の材料はＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）であり、その上にスパッタリングまたは蒸着およびフォトエッチング法により幅１．５μｍ、厚み２６０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップ７を作製し、１層の材料は同一で、厚みが１μｍの結合整合層８および誘電体バッファ層９を硬化し、その上に幅２μｍ、厚み１５ｎｍのＡｕストリップ６をスパッタリングする。カプラの長さは２０μｍである。金属導波路ストリップ６に電圧を印加しないと、下辺の誘電体導波路のＴＭモードは上面金属ストリップのＳＲＳＰＰモード（実線矢印に示されている通り）に転化する。金属ストリップに電圧を印加する場合は、導線の発熱により周囲の樹脂材料ＢＣＢの金属ストリップの周囲領域における屈折率が変化するため、ＳＲＳＰＰモード特性に変化が生じる。電圧を印加した場合、入射光はＳＲＳＰＰ導波路に再度結合せず、破線の矢印に沿い下辺の誘電体導波路に沿って出力される。そのため、金属ストリップに対して電圧を印加することによりエネルギの出力を制御することができる。その際、混合カプラは変調器、またはスプリッタ、偏光器として使用することができる。図７は図６の側面図である。
【００７５】
図８に示されているのは、別のショートレンジ表面プラズモン導波路と誘電体導波路との混合カプラの立体構造見取図である。選択される基板誘電体材料１０はＢＣＢであり、その上にスパッタリングまたは蒸着およびフォトエッチング法により幅１．５μｍ、厚み２６０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップ７を作製し、１層の材料は同一で、厚みが１μｍの結合整合層８および誘電体バッファ層９を硬化し、その上に幅２μｍ、厚み１５ｎｍのＡｕストリップ６をスパッタリングするとともに接地し、Ａｕストリップの上方に１層の電気光学ポリマー材料を誘電体カバー層１１として硬化し、最後に１層のＡｕ膜１２を正電極として再度蒸着する。カプラの長さは２０μｍである。金属導波路ストリップ６と金属膜１２との間に印加される電圧が変化すると、誘電体カバー層１１材料の屈折率が電気光学効果によりそれに伴い変化を生じ、下辺の誘電体導波路のＴＭモードと金属導波路ストリップ６とのＳＲＳＰＰモードの転化効率は改変されて、誘電体導波路のパワー出力を改変する。そのため、カバー層に対する電圧の印加により、パワーの出力を制御することができる。その際、混合カプラは変調器、またはスプリッタ、偏光器として使用することができる。図９は図８の側面図である。
【００７６】
図１０に示されているのは、ショートレンジ表面プラズモン導波路と誘電体導波路との混合結合検知コアチップの構造図である。選択される誘電体基板層１０の材料はＳｉＯ2であり、その上にスパッタリングまたは蒸着およびフォトエッチング法により幅８μｍ、厚み２２０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップ７、１層の厚み１．５μｍのＳｉＯ2結合整合層８を作製した後、１層の厚み５００ｎｍの低屈折率樹脂材料を硬化して誘電体バッファ層９を形成し、その上に１層の厚み３０ｎｍのＡｕ膜６をスパッタリングする。コアチップの伝播方向長さは８０μｍである。金属膜６の上方は水環境下における被検知物質であり、その屈折率に物理的（温度、湿度、圧力、電磁界など）または生物的、化学的要因（生化学反応）に伴い変化が生じると、下辺の誘電体アームが上辺の金属膜に結合するエネルギが金属膜上方の被検知物質の屈折率変化に伴い変化を生じる。誘電体カバー層１１の屈折率は誘電体のＴＭモードとショートレンジ表面プラズモンポラリトンとの間の結合に影響を及ぼし、さらに誘電体導波路のＴＭ出力パワーの大きさに影響を及ぼすため、当該誘電体導波路の出力パワーの変化を測定することにより当該金属表面上方の誘電体カバー層１１の屈折率の変化を検出することができる。上記誘電体カバー層の屈折率の微小な変化は等価な厚みの抗体、抗原などの生体反応により引き起こされるか、または物理的、化学的などの作用により引き起こされる当該誘電体カバー層１１の屈折率の微小な変化であるとすることができる。当該誘電体バッファ層の屈折率および厚みを調整することにより検知可能な当該誘電体カバー層の屈折率範囲を調節することができる。ショートレンジ表面プラズモンポラリトンのウェーブモードフィールドが高度に金属膜表面に近接しており、金属周囲の比較的薄い範囲内における屈折率変化を効果的に検知することができるため、被検出誘電体が薄層物質であると、検知感度は依然として非常に高く、測定対象誘電体の厚みは１００ｎｍ以下まで薄くすることができる。
【００７７】
例えば、誘電体バッファ層の材料ＣＹＴＯＰの屈折率が１．４２、誘電体カバー層１１の厚みが３００ｎｍであると、誘電体導波路の入力が０ｄＢｍの条件下において、誘電体導波路から出力されるパワーの誘電体カバー層１１の屈折率変化に伴う関係は図１２中の丸点曲線に示されている通りであり、誘電体アームが出力する光強度の変化に基づき被検知誘電体の屈折率変化の情報を得ることができ、その際、検知中心の位置は１．５３８であり、バッファ層の材料を基板材料および結合整合層と同一とする、つまり１．４４４であると、検知中心は１．５２に移動し、同時に検知の動的範囲も増大するが、感度は、図１２内の三角曲線に示されている通り、一部低下する。引き続き誘電体バッファ層材料の屈折率を１．４６まで増大させると、検知中心は引き続き低屈折率方向に向けて、図１２内の四角曲線に示される通り、１．４８に移動し、かつ、動的範囲は引き続き増大し、感度はさらに低下する。
【００７８】
本実施例におけるＡｕストリップは、銀、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、クロム、鉄のうちのいずれか１種またはそれらの合金に替えることができ、金属セラミックストリップとすることもでき、つまり上記金属および合金とＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの誘電体との混合物である。誘電体導波路ストリップと基板、カバー層および誘電体バッファ層の誘電体材料は、樹脂材料、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどに替えることができるが、誘電体導波路ストリップの屈折率は周囲の誘電体の屈折率よりも大きいことが要求される。材料を変更する際には、金属（セラミック）ストリップおよび誘電体ストリップの幾何学的パラメータは一定の調整を施す必要がある。
【００７９】
ショートレンジ表面プラズモン導波路と誘電体導波路との混合結合検知の例は以下に述べる通りである。第７、８、１０層は図１０と同一である。第６層の金属膜の厚みは１５ｎｍで、第９層の結合整合層の屈折率は１．３８である。誘電体カバー層１１の厚みは依然として３００ｎｍであり、伝播方向長さは７０μｍである。出力パワーの被検知物の屈折率に伴う変化は図１３に示されている通りである。その際、検知中心は１．３８付近まで低下している。
【００８０】
さらに別のショートレンジ表面プラズモン導波路と誘電体導波路との混合結合検知の例は以下に述べる通りである。入射光の波長は６３３ｎｍであり、誘電体基板層１０の材料の選択は屈折率が１．４のポリマー材料であり、基板上にフォトエッチングおよびスパッタリングまたは堆積法を運用して幅１０μｍ、厚み１５０ｎｍのＡｌ2Ｏ3ストリップ７を作製する。Ａｌ2Ｏ3ストリップ上に１層の厚み２５０ｎｍで第１０層と同一材料のポリマーを結合整合層として硬化し、その上にさらに１層の厚み５０ｎｍ、屈折率１．３６の樹脂材料（ＣＹＴＯＰ）をバッファ層９として硬化する。最後に厚み１５ｎｍのアルミニウム膜を第９層の上にスパッタリングし、アルミニウム膜の上方は水環境下における厚み５０ｎｍの測定対象物であり、コアチップの伝播方向長さは５０μｍである。出力パワーの被検知物の屈折率に伴う変化は図１４に示されている通りである。当該検知波長がさらに短く、検知物がさらに薄い場合にも、依然として高い感度を得ることができ、相応の検知中心は１．３７付近に位置する。
【００８１】
以上の実施方式は本発明について説明するためだけのものであり、本発明を制限するものではなく、当業者であれば、本発明の精神および範囲から乖離することなく、各種の変化を施すことは可能であるため、すべての同等な技術案はいずれも本発明の範疇に属するものとし、本発明の特許保護範囲は特許請求範囲により限定されるものとする。
【００８２】
＜ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造＞
本発明が提供するロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造およびその応用について、添付図および実施例に基づき以下の通り詳細に説明する。
【００８３】
（実施例１）
本発明が提供するロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造について、図１６、図１７に示されている通り、当該構造は、下から上に向けて、誘電体基板層１０と、誘電体導波路層７と、結合整合層８と、当該結合整合層上に形成された、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンを伝導するためのロングレンジ表面プラズモン導波路部とを含む。
【００８４】
そのうち、誘電体導波路層７の屈折率は、誘電体基板層１０の屈折率よりも大きく、また結合整合層８の屈折率よりも大きい。誘電体導波路層７の屈折率の選択は、当該誘電体導波路のＴＭ偏光ベースモードの等価屈折率を、当該ロングレンジ表面プラズモンポラリトンの等価屈折率と等しいかまたは比較的近接させるものである。好適には、誘電体導波路層７の屈折率は１．２〜３．８、厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであり、結合整合層８の屈折率は１．２〜３．８、厚みは０．０１μｍ〜１０μｍである。
【００８５】
そのうち、ロングレンジ表面プラズモン導波路部は、下から順次、誘電体バッファ層９と、金属層６と、誘電体カバー層１１とに区分される。金属層６は、白金、金、銀、アルミニウム、銅、鉄、クロム、ニッケル、チタンのうちの１種または複数種からなる合金であり、金属セラミックでもよく、つまり上記金属および合金とＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの誘電体との混合物であり、誘電体導波路層７と誘電体基板層１０、誘電体カバー層１１および誘電体バッファ層９の誘電体材料は、樹脂材料、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどとすることができる。金属層６の厚みは５ｎｍ〜１００ｎｍであり、誘電体バッファ層９の厚みは１０ｎｍ〜２０μｍであり、誘電体カバー層１１および誘電体バッファ層９の屈折率は１．０〜３．８である。結合整合層８と誘電体バッファ層９との全厚みは誘電体導波路のＴＭモードとロングレンジ表面プラズモンポラリトンモードとの結合発生を停止させる臨界厚みよりも大きい。
【００８６】
図１５に示されている通り、金属層（ＬＲＳＰＰ導波路）６を構成する金属導波路ストリップと、誘電体導波路層７を構成する誘電体ストリップとの、２本のストリップは垂直に配列される。両層の幅および厚みを調節してＬＲＳＰＰ導波路および誘電体導波路伝導モードの伝播定数が基本的に同一であることを満足している場合は、誘電体導波路層７および誘電体バッファ層９の厚みを調節することにより、ＬＲＳＰＰモードと誘電体導波路のＴＭモードとの間に結合を生じさせて、エネルギを両層の間で転移させることができる。
【００８７】
金属層６上方の誘電体の屈折率に変化が発生すると、ＬＲＳＰＰモードの損失およびモードフィールド特性は金属層６下方の誘電体の屈折率が劣ることの影響を受け、かつ、金属層６の上下誘電体の屈折率の差が若干大きいとＬＲＳＰＰモードは停止される。ＬＲＳＰＰの存在および特性の変化は誘電体導波路のＴＭモードとＬＲＳＰＰモードとの間の結合に直接影響を及ぼし、さらに誘電体導波路のＴＭ出力パワーの大きさを改変する。そのため、当該誘電体導波路の出力パワーの変化を測定することにより、当該金属層６上方の誘電体カバー層１１の屈折率の変化を検出することができる。金属層６の上下誘電体の屈折率が非常に接近しているとモード間の結合効率が最大となるため、金属層６下方の誘電体バッファ層９の材料の屈折率を改変する事ことにより、本発明の結合構造を応用した屈折率センサの金属層上方の誘電体材料の屈折率の検知中心を調整することができる。
【００８８】
また、金属層上方の誘電体の屈折率を能動的に改変すると、誘電体導波路のＴＭモードも制御することができる。金属層６はＬＲＳＰＰ導波路として以外に、電気の金属導線であると見なすこともできるため、金属導線に電圧を印加することにより、金属層６周囲の誘電体の電気光学効果または熱光学効果などを利用してその屈折率を改変して、ＴＭ偏光の２つの層の間における結合を制御し、ＴＭ偏光の出力に対する制御を実現することができる。
【００８９】
（実施例２）
図１８および図１９に示されているのは、本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサの構造図であり、当該屈折率センサは、主に上記結合構造により構成される。そのうち、誘電体基板層１０の材料はＳｉＯ2であり、誘電体基板層１０上に紫外線フォトエッチングおよび化学気相成長法により作製された誘電体導波路層７は幅２μｍ、厚み２２０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップであり、結合整合層８および誘電体バッファ層９はいずれも屈折率１．４５のＳｉＯ2で、全厚みは６μｍであり、さらに紫外線フォトエッチングおよびスパッタリング法により作製された金属層６は、幅５μｍ、長さ６４０μｍ、厚み２５ｎｍのＡｌストリップである。
【００９０】
金属層６の上方は測定対象物質、つまり誘電体カバー層であり、その屈折率に物理的（温度、湿度、圧力、電磁界など）、化学的（生化学反応）などの要因に伴い変化が生じると、下辺の誘電体導波路層７が上辺のＡｌストリップに結合するエネルギがＡｌストリップ上方の被検知物質の屈折率変化に伴い変化を生じる。
【００９１】
波長１．５５μｍ、強度０ｄＢｍのＴＭ波が誘電体導波路層７から入力された際の、出力パワーＰoutの金属層６上方の誘電体カバー層１１に伴う屈折率の変化ｎdetは図２０に示されている通りである。当該屈折率センサの検知中心、つまり曲線中の最低点は、１．４５付近に位置し、つまり誘電体バッファ層９の屈折率付近に位置する。検知領域は１．４４４〜１．４４６で、検知感度は５×１０−７に達することが可能である。
【００９２】
本実施例における金属層６で示されるＡｌストリップは、金、銀、銅、チタン、ニッケル、クロム、鉄のうちの１種またはそれらの合金に替えることができ、金属セラミックストリップ、つまり上記金属および合金とＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの誘電体との合金とすることもできる。誘電体導波路層７と誘電体基板層１０、誘電体カバー層１１および誘電体バッファ層９の誘電体材料は、樹脂材料、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどに替えることができるが、誘電体導波路層７の材料の屈折率は周囲の誘電体の屈折率よりも大きいことが要求される。材料を変更する際には、金属（セラミック）ストリップおよび誘電体ストリップの幾何学的パラメータは一定の調整を施す必要がある。
【００９３】
（実施例３）
図１８および図１９に示されているのは、本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサの構造図であり、当該屈折率センサは、主に上記結合構造により構成される。そのうち、誘電体基板層１０の材料はＳｉＯ2であり、基板上に紫外線フォトエッチングおよび化学気相成長法により作製された誘電体導波路層７は、幅５μｍ、厚み１２０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップであり、結合整合層８は厚み３μｍのＳｉＯ2であり、誘電体バッファ層９は厚み４μｍで、屈折率１．３８のＣＹＴＯＰ樹脂層であり、金属層６は、幅２０μｍ、長さ１０５０μｍ、厚み３０ｎｍのＡｕストリップである。
【００９４】
金属層６上方の誘電体カバー層１１の屈折率に物理的（温度、湿度、圧力、電磁界など）、化学的（生化学反応）などの要因に伴い変化が生じると、下辺の誘電体導波路層７が上辺の金属層６に結合するエネルギが金属層６上方の誘電体カバー層１１の屈折率変化に伴い変化を生じる。
【００９５】
波長１．５５μｍ、強度０ｄＢｍのＴＭ波が誘電体導波路層から入力された際の、出力パワーＰoutの金属上方の誘電体カバー層１１に伴う屈折率の変化ｎdetは図２１に示されている通りである。その検知中心、つまり曲線中の最低点は、１．３８付近に位置し、つまり誘電体バッファ層９の屈折率付近に位置する。検知領域は１．３８０〜１．３８２で、検知感度は６×１０−７に達することが可能である。
【００９６】
材料のその他の選択は、実施例２と同一である。
（実施例４）
図１８および図１９に示されているのは、本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサの構造図である。そのうち、誘電体基板層１０の材料には屈折率１．４５のガラス材料を選択し、基板上にフォトエッチングおよびイオン交換法を運用して幅２μｍ、屈折率１．４６の誘電体導波路層７を作製する。結合整合層８は厚み１μｍのＳｉＯ2であり、その上に厚み１μｍ、屈折率１．３６の樹脂材料を誘電体バッファ層９として堆積し、金属層６は長さ６４０μｍ、厚み３０ｎｍのＡｌ膜である。
【００９７】
Ａｌ膜の上方は厚み０．５μｍの誘電体カバー層１１であり、その屈折率に物理的（温度、湿度、圧力、電磁界など）、化学的（生化学反応）などの要因に伴い変化が生じると、下辺の誘電体導波路層７が上辺のＡｌ膜に結合するエネルギが金属膜上方の被検知物質の屈折率変化に伴い変化を生じる。
【００９８】
波長０．６３３μｍ、強度０ｄＢｍのＴＭ波が誘電体導波路層から入力された際の、出力パワーの金属上方の誘電体検知層に伴う屈折率の変化は図２０、図２１に類似している。異なる点は、その検知中心、つまり曲線中の最低点は、１．３６付近に位置し、つまり誘電体バッファ層の屈折率付近に位置する点である。検知領域は１．３５９〜１．３６１で、検知感度は５×１０−７に達することが可能である。
【００９９】
材料のその他の選択は、実施例２と同一である。
（実施例５）
図２２および図２３に示されているのは、本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した熱光学可変減衰器の基本構造である。当該熱光学減衰器は主に上記結合構造により構成され、そのうち、誘電体基板層１０の材料はＳｉＯ2であり、その上にスパッタリングまたは蒸着およびフォトエッチング法により幅２μｍ、厚み２２０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップを誘電体導波路層７として作製し、引き続き１層の厚み６μｍのＳｉＯ2を結合整合層８および誘電体バッファ層９として堆積し、その上にスパッタリングされた金属層６は幅５μｍ、厚み２５ｎｍのＡｌストリップで、その長さは１１４０μｍであり、最後に厚み１０μｍの屈折率がＳｉＯ2と非常に接近した屈折率が温度に伴い変化する樹脂材料を誘電体カバー層１１として被覆する。
【０１００】
波長１．５５μｍ、強度０ｄＢｍのＴＭ波を誘電体導波路層７から入力し、金属層６に電圧を印加しない場合、下辺の誘電体導波路のＴＭモードが上面のＡｌストリップのＬＲＳＰＰモード（実践の矢印が示す通り）に転化する。Ａｌストリップに電圧を印加した場合は、導線の発熱により周囲の誘電体カバー層１１のＡｌストリップの周囲領域における屈折率が変化するため、ＬＲＳＰＰモード特性に変化が生じる。電圧を印加した場合、入射光はＬＲＳＰＰ導波路に再度結合せず、破線の矢印に沿い下辺の誘電体導波路に沿って出力される。そのため、Ａｌストリップに対して電圧を印加することにより誘電体導波路層７の出力パワーＰoutの大きさを制御することができる。
材料のその他の選択は、実施例２と同一である。
【０１０１】
（実施例６）
図２４および図２５に示されているのは、本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気強度変調器の基本構造である。当該変調器は主に上記結合構造により構成される。そのうち、誘電体基板層１０の材料はＳｉＯ2であり、その上にスパッタリングまたは蒸着およびフォトエッチング法により幅２μｍ、厚み２２０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップを誘電体導波路層７として作製し、引き続き１層の厚み６μｍのＳｉＯ2を結合整合層８および誘電体バッファ層９として堆積し、その上にＡｌがスパッタリングされた金属層６は、幅５μｍ、厚み２５ｎｍ、長さ１１４０μｍであり、その後、厚み４μｍの屈折率がＳｉＯ2と非常に接近した電気光学材料１１を誘電体カバー層１１とし、Ａｕ膜を金属電極１２とする。
【０１０２】
波長１．５５μｍ、強度０ｄＢｍのＴＭ波を誘電体導波路層７から入力する。金属層６とＡｕ膜金属電極１２との間に印加される電力が変化すると、誘電体カバー層１１の材料の屈折率が電気光学効果によりそれに伴い変化するため、下辺の誘電体導波路のＴＭモードが金属層６のＬＲＳＰＰモードと結合し、さらに誘電体導波路のパワー出力を改変する。そのため、誘電体カバー層１１に変調電圧を印加することにより誘電体導波路の出力パワーに対して強度変調を実施することができる。
【０１０３】
本実施例におけるロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造は、変調器、またはスプリッタ、偏光器としても使用することができる。
【０１０４】
材料のその他の選択は、実施例２と同一である。
以上の実施方式は本発明について説明するためだけのものであり、本発明を制限するものではなく、当業者であれば、本発明の精神および範囲から乖離することなく、各種の変化および変形を施すことは可能であるため、すべての同等な技術案はいずれも本発明の範疇に属するものとし、本発明の特許保護範囲は特許請求範囲により限定されるものとする。
【符号の説明】
【０１０５】
１ 金属（または金属と誘電体との混合物）、２ 金属周囲の誘電体、３ （界面箇所における）表面プラズモンポラリトン、４ ロングレンジ表面プラズモンポラリトン、５ ショートレンジ表面プラズモンポラリトン、６ 金属導波路ストリップ（金属層）、７ 誘電体ストリップ（誘電体導波路層）、８ 結合整合層、９ 誘電体バッファ層、１０ 誘電体基板層、１１ 誘電体カバー層、１２ 金属膜（金属電極）、１３ 被検知物（測定対象誘電体層）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電子技術分野に関するものであり、具体的にはショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造、および、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造、ならびに、当該構造に基づく屈折率センサ、ＴＭ偏光変調器などに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ、ＳＰＰ）は、金属と誘電体との界面に沿って伝播する電磁界である。図１に示されている通り、１は金属（または金属と誘電体との混合物）、２は金属周囲の誘電体、３は界面箇所の表面プラズモンポラリトンであり、金属が十分に薄いと上下表面のＳＰＰに結合が発生し、対称モード、つまりロングレンジ表面プラズモンポラリトン４、または反対称モード、つまりショートレンジ表面プラズモンポラリトン５を形成する。
【０００３】
ＳＰＰは表面波であり、その電磁界エネルギは金属と誘電体との界面付近に集中し、誘電体中において、その電磁界の振幅は界面から離間する距離に伴い指数的に減衰する。金属膜が比較的薄い場合、上下表面のプラズモンポラリトンは結合を生じて、２種類の新たな表面プラズモンポラリトンモードを生成する。
【０００４】
図２に示されている通り、そのうち１種のモードは対称モードであり、そのモードフィールドの大部分は金属以外の誘電体中に分布し、伝播損失は比較的小さく、金属フィルムに沿って比較的長距離伝播可能であり、この種のモードはロングレンジ表面プラズモンポラリトン（ｌｏｎｇ ｒａｎｇｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ、ＬＲＳＰＰ）と称される。
【０００５】
別の１種のモードは反対称モードであり、金属により近接しており、伝播損失が比較的大きく、金属フィルムに沿って非常に短い距離を伝播可能なだけであるため、ショートレンジ表面プラズモンポラリトン（ｓｈｏｒｔ ｒａｎｇｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ、ＳＲＳＰＰ）と称される。
【０００６】
このように、薄い金属または金属ストリップが表面プラズモン導波路（ＳＰＰ導波路）となる。ロングレンジまたはショートレンジの表面プラズモンポラリトンを伝播する際に、ロングレンジまたはショートレンジ表面プラズモン導波路と称される。
【０００７】
金属導波路と誘電体導波路との距離が十分に近いと、一定の条件下で、一般誘電体導波路モードはＳＰＰモードと結合を生じる。ＳＲＳＰＰはＳＰＰおよびＬＲＳＰＰモードに比べて高度に金属に近接する特徴を有しているため、この種のＳＲＳＰＰが誘電体導波路と混合結合する新型の結合現象はデバイスの結合長さをより短く、寸法をより小さくさせ、高度集積のフォトンデバイス、光通信面で広範な応用の用途を有している。
【０００８】
また、ＳＰＰの電磁界エネルギは金属と誘電体との界面付近に集中しているため、金属表面の電磁界は非常に強く、表面の形態、特に屈折率の変化に対して非常に敏感であり、バイオセンサ分野において広範な応用の用途を有している。
【０００９】
しかし、ショートレンジのＳＰＰ波は一般のＳＰＰ波に比べて、ウェーブフィールドがさらに高度に金属表面に近接しており、そのモード特性は金属フィルム周囲の超薄範囲内の誘電体の屈折率変化に対して非常に敏感であるため、金属膜上方の超薄層物質の屈折率に変化が生じると（大多数の生体反応はこの種の超薄層反応に属する）、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンモードと一般誘電体導波路モードとの結合には明らかな変化が生じて、誘電体導波路の出力パワーの激烈な変化が引き起こされる。これは超薄層物質の屈折率の高精度検出のために新たな道を提供している。
【００１０】
従来の表面プラズモンポラリトンのバイオセンサは、プリズム、回転テーブルなどの分離した部品が必要であるため、体積は大きく、調節は困難であるばかりではなく、超薄層物質に対する検知感度が低く、安定性は劣り、コストが高いため、その普及応用が厳しく制限されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
＜ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造＞
本発明の目的は、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造を提供して、表面プラズモンポラリトンベースデバイスと誘電体ベースデバイスとの高度混合集積を実現し、多種類の制御可能な光電気集積デバイスを実現することにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、高度集積のショートレンジ表面プラズモンポラリトン混合カプラを提供し、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路のＴＭ波との高効率結合を利用して、２種類の波の相互転換を実現可能とすることにある。
【００１３】
本発明のさらに別の目的は、高度集積のショートレンジ表面プラズモンポラリトン混合偏光子を提供し、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンの高損失および超短の混合結合長さに基づき、ごく短い伝播距離内でＴＭ波を消去して、ＴＥ偏光波を出力する目的を達成することにある。
【００１４】
本発明のさらにもう１つ別の目的は、高度集積のショートレンジ表面プラズモンポラリトン混合結合センサを提供し、超薄層誘電体屈折率の高感度リアルタイム検出を実現して、従来からの表面プラズモンポラリトン屈折率検出方法における体積が大きく、必要とする部品デバイスが多く、調節は困難で、安定性は劣り、超薄層物質の検知感度が低いなどの問題を解決することにある。
【００１５】
＜ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造＞
本発明の目的は、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を提供し、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンベースデバイスと誘電体ベースデバイスとの高度な集積を実現し、屈折率検知および制御可能な光電気集積デバイスを実現することにある。
【００１６】
本発明の別の目的は、屈折率センサを提供し、屈折率の高感度リアルタイム検出を実現して、従来からの表面プラズモンポラリトンの屈折率検出方法における体積が大きく、必要とする部品デバイスが多く、調節は困難で、安定性が劣るなどの問題を解決することにある。
【００１７】
本発明のさらに別の目的は、低電力消費、高性能な光電気強度変調器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
＜ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造＞
上記発明目的を達成するため、本発明では、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造が提供されており、上記結合構造には、
誘電体基板層と、上記誘電体基板層上に位置する誘電体導波路層と、上記誘電体導波路層上に位置する結合整合層と、上記結合整合層上に形成された、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンを伝導するためのショートレンジ表面プラズモン導波路部とが含まれている。
【００１９】
上記誘電体導波路層の屈折率は、上記誘電体基板層の屈折率よりも大きく、上記結合整合層の屈折率は、上記誘電体導波路層の屈折率よりも小さいことが好ましい。
【００２０】
上記誘電体導波路層の屈折率の選択は、上記誘電体導波路層のＴＭ偏光状態のベースモードの等価屈折率を上記ショートレンジ表面プラズモンポラリトンの等価屈折率と等しくさせるものであることが好ましい。
【００２１】
上記誘電体導波路層の屈折率は１．２〜３．８であり、上記誘電体導波路層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであることが好ましい。
【００２２】
上記結合整合層の厚みは０．０１μｍ〜１０μｍであり、上記結合整合層の屈折率は１．２〜３．８であることが好ましい。
【００２３】
上記ショートレンジ表面プラズモン導波路部は、下から順次形成される誘電体バッファ層と、金属層と、誘電体カバー層とを含むことが好ましい。
【００２４】
上記金属層は、金、銀、アルミニウム、銅、鉄、クロム、ニッケル、チタンのうちの１種または複数種からなる合金であることが好ましい。
【００２５】
上記金属層の厚みは１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、上記誘電体バッファ層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであることが好ましい。
【００２６】
上記誘電体カバー層の屈折率は１．０〜３．８であり、上記誘電体バッファ層の屈折率は１．０〜３．８であることが好ましい。
【００２７】
上記結合整合層と上記誘電体バッファ層との全厚みは、誘電体導波路とショートレンジ表面プラズモンポラリトンとの結合発生を停止させる臨界厚みよりも大きいことが好ましい。
【００２８】
本発明では、さらに上記混合結合構造を応用した混合カプラが提供されており、上記誘電体導波路のＴＭ偏光状態モードは、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと結合を発生し、上記結合長さは１０μｍ〜２０００μｍである。
【００２９】
本発明では、さらに上記混合結合構造を応用した混合偏光子が提供されており、ＴＭ、ＴＥ偏光状態混合入力光が上記誘電体導波路層の端面から入射されると、ＴＭ波はショートレンジ表面プラズモンポラリトンとエネルギ結合を発生して減衰し、出力波はＴＥ偏光波である。
【００３０】
本発明では、さらに上記混合結合構造を応用したＴＭ偏光変調器が提供されており、上記誘電体カバー層上は、金、クロムからなる電極で被覆され、電極とショートレンジ表面プラズモンポラリトン導波路部中の金属層との間に変調電圧を印加し、さらに誘電体導波路のパワー出力に対して変調を実施してＴＭ偏光の変調を実現する。
【００３１】
そのうち、上記誘電体カバー層には、電気光学誘電体材料を採用することが好ましい。
本発明では、さらに上記混合結合構造を応用したセンサが提供されており、誘電体カバー層の屈折率に変化が生じると、誘電体導波路のＴＭモードとショートレンジ表面プラズモンポラリトンとの結合効率に改変が生じ、誘電体導波路の出力パワーの変化を測定することにより上記金属表面上方の誘電体カバー層の屈折率の変化を検出する。
【００３２】
そのうち、上記誘電体カバー層の屈折率の微小な変化には、生体反応または物理的、化学的作用により引き起こされる屈折率の微小な変化が含まれることが好ましい。
【００３３】
そのうち、上記誘電体バッファ層の屈折率および厚みを調整することにより、検知可能な上記誘電体カバー層の屈折率範囲を調節することが好ましい。
【００３４】
そのうち、上記センサが検知可能な誘電体カバー層の厚みは、使用する波長の１／１５〜５００μｍであることが好ましい。
【００３５】
＜ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造＞
上記目的を実現するため、本発明では以下の技術案を採用する。
【００３６】
本発明は、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造であり、上記構造は、下から上に向けて、それぞれ、誘電体基板層と、誘電体導波路層と、結合整合層と、ロングレンジ表面プラズモン導波路部を含んでいる。
【００３７】
上記誘電体導波路層の屈折率は、上記誘電体基板層および上記結合整合層の屈折率よりも大きいことが好ましい。
【００３８】
上記誘電体導波路層の誘電体導波路のＴＭモード等価屈折率は、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンの等価屈折率と等しいことが好ましい。
【００３９】
上記誘電体導波路層の屈折率は１．２〜３．８であり、上記誘電体導波路層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであることが好ましい。
【００４０】
上記結合整合層の屈折率は１．２〜３．８であり、上記結合整合層の厚みは０．０１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。
【００４１】
上記ロングレンジ表面プラズモン導波路部は、下から上に向けて、さらに、誘電体バッファ層と、金属層と、誘電体カバー層とを含むことが好ましい。
【００４２】
上記金属層は、白金、金、銀、アルミニウム、銅、鉄、クロム、ニッケル、チタンのうちの１種または複数種が組み合わされた合金、もしくは上記金属各々の合金、もしくは金属セラミックであることが好ましい。
【００４３】
そのうち、上記金属層の厚みは５ｎｍ〜１００ｎｍであり、上記誘電体バッファ層の厚みは１ｎｍ〜２０μｍであることが好ましい。
【００４４】
上記誘電体バッファ層の屈折率は１．０〜３．８であり、上記誘電体カバー層の屈折率は１．０〜３．８であることが好ましい。
【００４５】
上記結合整合層と上記誘電体バッファ層との全厚みは誘電体導波路ＴＭモードとロングレンジ表面プラズモンポラリトンモードとの結合発生を停止させる臨界厚みよりも大きいことが好ましい。
【００４６】
また、本発明は、上記ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサであり、上記屈折率センサは、主に上記結合構造により構成され、上記構造は、下から上に向けて、それぞれ、誘電体基板層と、誘電体導波路層と、結合整合層と、ロングレンジ表面プラズモン導波路部である。
【００４７】
そのうち、上記誘電体バッファ層の屈折率および厚みを調整することにより、検知可能な上記誘電体カバー層の屈折率範囲を調節することが好ましい。
【００４８】
また、本発明は、上記ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気強度変調器であり、上記光電気強度変調器は、主に上記結合構造により構成され、上記結合構造の誘電体カバー層上は金属電極で被覆されている。
【００４９】
そのうち、上記金属電極とロングレンジ表面プラズモン導波路部中の金属層との間に変調電圧を印加することが好ましい。
【００５０】
そのうち、上記誘電体カバー層には、光電子誘電体材料を採用することが好ましい。
【発明の効果】
【００５１】
＜ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造＞
本発明が提供するョートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造は、薄層物質の屈折率の高精度検出を実現し、上記構造はカプラ、偏光子および屈折率検知コアチップに応用され、従来からの検出方法における体積が大きく、必要とする部品デバイスが多く、調節は困難で、安定性は劣り、超薄層物質の検知感度が低いなどの問題を解決する。
【００５２】
＜ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造＞
１．本発明が提供するロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造は、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンベースデバイスと誘電体ベースデバイスとの高度な集積の実現、並びに屈折率検知および制御可能な光電気集積デバイスの実現のために基礎を提供する。
【００５３】
２．本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサコアチップは、感度が高く、上記結合構造を応用することにより、上記センサは、体積が小さく、必要とする部品デバイスが少なく、調節が容易で、安定性が高くなる。
【００５４】
３．本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気強度変調器は、感度が高く、低い駆動電圧により出力パワーに対して効果的な変調を実施可能で、電力消費は低く、性能は高い。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】表面プラズモンポラリトンの概念図である。
【図２】表面プラズモンポラリトンの概念図である。
【図３】ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合カプラの核心導波路構造を示す図である。
【図４】本発明における１つのショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合集積カプラの立体構造見取図である。
【図５】図４の側面図である。
【図６】本発明における別のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合集積カプラの立体構造見取図である
【図７】図６の側面図である。
【図８】本発明における別の制御可能なショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合集積カプラの立体構造見取図である。
【図９】図８の側面図である。
【図１０】本発明における１つのショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合屈折率検出コアチップの立体構造見取図である。
【図１１】図１０の側面図である。
【図１２】本発明における１つのショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合屈折率検出コアチップの出力パワーの被測定物質の屈折率に伴う変化関係図である。
【図１３】本発明における別のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合屈折率検出コアチップの出力パワーの被測定物質の屈折率に伴う変化関係図である。
【図１４】本発明におけるさらに別のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合屈折率検出コアチップの出力パワーの被測定物質の屈折率に伴う変化関係図である。
【図１５】本発明におけるロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造の構造見取図である。
【図１６】本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造における金属層と誘電体導波路層との構造見取図である。
【図１７】本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造における金属層と誘電体導波路層との構造見取図である。
【図１８】本発明におけるロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造の屈折率センサの構造見取図である。
【図１９】本発明におけるロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造の屈折率センサの構造見取図である。
【図２０】ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサの出力パワーの被測定物質の屈折率に伴う変化関係図である。
【図２１】別のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサの出力パワーの測定対象物質の屈折率に伴う変化関係図である。
【図２２】ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気可変減衰器の構造見取図である。
【図２３】ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気可変減衰器の構造見取図である。
【図２４】本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気強度変調器の構造見取図である。
【図２５】本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気強度変調器の構造見取図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
＜ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造＞
以下においては実施例に基づき本発明について説明するが、それは本発明の範囲を制限するものではない。
【００５７】
本発明ではショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造が提供されており、上記結合構造には、誘電体基板層と、当該誘電体基板層上に位置する誘電体導波路層と、当該誘電体導波路層上に位置する結合整合層と、当該結合整合層上に形成された、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンを伝導するためのショートレンジ表面プラズモン導波路部とが含まれている。
【００５８】
そのうち、上記誘電体導波路層の屈折率は、上記誘電体基板層の屈折率よりも大きく、上記結合整合層の屈折率は、上記誘電体導波路層の屈折率よりも小さい。
【００５９】
また、上記誘電体導波路層の屈折率の選択は、当該誘電体導波路層のＴＭ偏光状態のベースモードの等価屈折率を当該ショートレンジ表面プラズモンポラリトンの等価屈折率と近接または等しくさせるものである。
【００６０】
好適には、上記誘電体導波路層の屈折率は１．２〜３．８であり、上記誘電体導波路層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍである。
【００６１】
そのうち、上記ショートレンジ表面プラズモン導波路部は、下から順次形成される誘電体バッファ層と、金属層と、誘電体カバー層とを含む。
【００６２】
上記金属層は、金、銀、アルミニウム、銅、鉄、クロム、ニッケル、チタンのうちの１種または複数種からなる合金である。
【００６３】
上記金属層の厚みは１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、上記誘電体バッファ層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍである。
【００６４】
上記誘電体バッファ層の屈折率は１．２〜３．８であり、上記誘電体カバー層の屈折率は１．２〜３．８である。
【００６５】
上記結合整合層は均一の誘電体材料であり、上記結合整合層と上記誘電体バッファ層との全厚みは、誘電体導波路とショートレンジ表面プラズモンポラリトンとの結合発生を停止させる臨界厚みよりも大きい。
【００６６】
好適には、上記結合整合層の厚みは０．１μｍ〜１０μｍであり、上記結合整合層の屈折率は１．２〜３．８である。
【００６７】
また、誘電体導波路のＴＭ偏光状態モードとショートレンジ表面プラズモンポラリトンとが結合を生じる結合長さは１０μｍ〜２０００μｍである。
【００６８】
図３に示されているのは、上記混合結合構造を利用したカプラの核心導波路構造である。図内の金属導波路（ＳＲＳＰＰ）ストリップ６と誘電体ストリップ７とは垂直に配列され、金属導波路ストリップ６および誘電体ストリップ７の幅および厚みが一定の条件を満足すると、金属導波路および誘電体導波路により伝導されるモードの伝播定数は基本的に等しくなり、中間の結合整合層および誘電体バッファ層の厚みを調節することにより、２つのモードに結合が生じて、エネルギが金属導波路ストリップ６と誘電体ストリップ７との間で転移する。
【００６９】
複数の結合長さを経過した後、ＳＲＳＰＰモードの損失が比較的大きくなるため、ＴＭ波のエネルギは急速に減衰する。また金属ストリップのＳＲＳＰＰ導波路が伝導するのはＴＭ偏光モードであるため、誘電体導波路モードとＳＲＳＰＰ導波路とのエネルギ結合はＴＭ偏光だけに限られ、誘電体ストリップから入力されるＴＥ偏光波については、金属アームに結合せず、当該誘電体ストリップに沿って伝送されるだけであり、最終的には誘電体導波路から出力される。
【００７０】
そのため、混合カプラの２種類の偏光状態に対する異なる伝送特性を利用すると、非常に容易に新型の偏光子を実現することができる。また、そのうち１つのアームは金属ストリップであるため、ＳＲＳＰＰ導波路として以外に、電気的な金属導線と見なすこともできる。このように、金属導線に対して電圧を印加することにより、金属膜周囲の誘電体の電気光学効果または熱光学効果を利用してその屈折率を改変して、ＴＭ偏光の２つのアーム間における結合を制御し、ＴＭ偏光の出力に対する制御を実現することができる。
【００７１】
他方、金属膜上方の誘電体の屈折率に変化が生じると、誘電体アームから出力される光パワーに変化が生じ、それに加えてＳＲＳＰＰのモードフィールドが金属膜表面に高度に近接するため、金属周囲の比較的薄い範囲内における屈折率の変化を効果的に検知することができ、高感度の超薄誘電体屈折率センサのために可能性を提供している。その他、ＳＲＳＰＰのモードフィールド特性が金属導波路の上下誘電体の屈折率差から受ける影響が比較的大きいため、金属フィルムの上下誘電体の屈折率差が比較的大きいとＳＲＳＰＰモードは停止される。そのため、金属膜下方の誘電体バッファ材料層の屈折率または厚みを改変することにより、ＳＲＳＰＰモード非停止条件の等価屈折率およびモードフィールド分布を改変することができるとともに、誘電体導波路モードとＳＲＳＰＰモードとの結合効率も改変することができ、さらに当該センサの金属上方における誘電体材料の屈折率の検知中心および動的範囲を調整することができる。
【００７２】
図４に示されているのは、ショートレンジ表面プラズモン導波路と誘電体導波路との混合カプラの立体構造見取図である。選択される誘電体基板層１０および誘電体カバー層１１の材料はＳｉＯ2であり、基板上にスパッタリングまたは蒸着およびフォトエッチング法により幅１μｍ、厚み２２０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップ７と、材料がいずれもＳｉＯ2で、厚みが１．２μｍの結合整合層８および誘電体バッファ層９と、幅２μｍ、厚み１５ｎｍのＡｕストリップ６とが作製される。カプラの長さは５０μｍである。入射されたＴＭ（実線矢印）およびＴＥ（破線矢印）光が同時に下辺の誘電体ストリップ７から入力されると、ＴＭモードのエネルギが距離十数から数十μｍ内において上辺の金属導波路中に迅速に結合する。ＴＥ光は結合を生じることができず、下辺の誘電体ストリップを直接通過する。そのため、混合カプラにより極めて短い距離内においてＴＭ光とＴＥ光とを分離することができ、高度集積可能な偏光子となる。図５に示されているのは、図４の側面図である。
【００７３】
本実施例におけるＡｕストリップは、銀、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、クロム、鉄のうちのいずれか１種またはそれらの合金に替えることができ、金属セラミックストリップとすることもでき、つまり上記金属および合金とＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの誘電体との混合物である。誘電体導波路ストリップと基板、カバー層および誘電体バッファ層の誘電体材料は、樹脂材料、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどに替えることができるが、誘電体導波路ストリップの屈折率は周囲の誘電体の屈折率よりも大きいことが要求される。材料を変更する際には、金属（セラミック）ストリップおよび誘電体ストリップの幾何学的パラメータは一定の調整を施す必要がある。
【００７４】
図６に示されているのは、別のショートレンジ表面プラズモン導波路と誘電体導波路との混合カプラの立体構造見取図である。選択される誘電体基板層１０および誘電体カバー層１１の材料はＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）であり、その上にスパッタリングまたは蒸着およびフォトエッチング法により幅１．５μｍ、厚み２６０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップ７を作製し、１層の材料は同一で、厚みが１μｍの結合整合層８および誘電体バッファ層９を硬化し、その上に幅２μｍ、厚み１５ｎｍのＡｕストリップ６をスパッタリングする。カプラの長さは２０μｍである。金属導波路ストリップ６に電圧を印加しないと、下辺の誘電体導波路のＴＭモードは上面金属ストリップのＳＲＳＰＰモード（実線矢印に示されている通り）に転化する。金属ストリップに電圧を印加する場合は、導線の発熱により周囲の樹脂材料ＢＣＢの金属ストリップの周囲領域における屈折率が変化するため、ＳＲＳＰＰモード特性に変化が生じる。電圧を印加した場合、入射光はＳＲＳＰＰ導波路に再度結合せず、破線の矢印に沿い下辺の誘電体導波路に沿って出力される。そのため、金属ストリップに対して電圧を印加することによりエネルギの出力を制御することができる。その際、混合カプラは変調器、またはスプリッタ、偏光器として使用することができる。図７は図６の側面図である。
【００７５】
図８に示されているのは、別のショートレンジ表面プラズモン導波路と誘電体導波路との混合カプラの立体構造見取図である。選択される基板誘電体材料１０はＢＣＢであり、その上にスパッタリングまたは蒸着およびフォトエッチング法により幅１．５μｍ、厚み２６０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップ７を作製し、１層の材料は同一で、厚みが１μｍの結合整合層８および誘電体バッファ層９を硬化し、その上に幅２μｍ、厚み１５ｎｍのＡｕストリップ６をスパッタリングするとともに接地し、Ａｕストリップの上方に１層の電気光学ポリマー材料を誘電体カバー層１１として硬化し、最後に１層のＡｕ膜１２を正電極として再度蒸着する。カプラの長さは２０μｍである。金属導波路ストリップ６と金属膜１２との間に印加される電圧が変化すると、誘電体カバー層１１材料の屈折率が電気光学効果によりそれに伴い変化を生じ、下辺の誘電体導波路のＴＭモードと金属導波路ストリップ６とのＳＲＳＰＰモードの転化効率は改変されて、誘電体導波路のパワー出力を改変する。そのため、カバー層に対する電圧の印加により、パワーの出力を制御することができる。その際、混合カプラは変調器、またはスプリッタ、偏光器として使用することができる。図９は図８の側面図である。
【００７６】
図１０に示されているのは、ショートレンジ表面プラズモン導波路と誘電体導波路との混合結合検知コアチップの構造図である。選択される誘電体基板層１０の材料はＳｉＯ2であり、その上にスパッタリングまたは蒸着およびフォトエッチング法により幅８μｍ、厚み２２０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップ７、１層の厚み１．５μｍのＳｉＯ2結合整合層８を作製した後、１層の厚み５００ｎｍの低屈折率樹脂材料を硬化して誘電体バッファ層９を形成し、その上に１層の厚み３０ｎｍのＡｕ膜６をスパッタリングする。コアチップの伝播方向長さは８０μｍである。金属膜６の上方は水環境下における被検知物質であり、その屈折率に物理的（温度、湿度、圧力、電磁界など）または生物的、化学的要因（生化学反応）に伴い変化が生じると、下辺の誘電体アームが上辺の金属膜に結合するエネルギが金属膜上方の被検知物質の屈折率変化に伴い変化を生じる。誘電体カバー層１１の屈折率は誘電体のＴＭモードとショートレンジ表面プラズモンポラリトンとの間の結合に影響を及ぼし、さらに誘電体導波路のＴＭ出力パワーの大きさに影響を及ぼすため、当該誘電体導波路の出力パワーの変化を測定することにより当該金属表面上方の誘電体カバー層１１の屈折率の変化を検出することができる。上記誘電体カバー層の屈折率の微小な変化は等価な厚みの抗体、抗原などの生体反応により引き起こされるか、または物理的、化学的などの作用により引き起こされる当該誘電体カバー層１１の屈折率の微小な変化であるとすることができる。当該誘電体バッファ層の屈折率および厚みを調整することにより検知可能な当該誘電体カバー層の屈折率範囲を調節することができる。ショートレンジ表面プラズモンポラリトンのウェーブモードフィールドが高度に金属膜表面に近接しており、金属周囲の比較的薄い範囲内における屈折率変化を効果的に検知することができるため、被検出誘電体が薄層物質であると、検知感度は依然として非常に高く、測定対象誘電体の厚みは１００ｎｍ以下まで薄くすることができる。
【００７７】
例えば、誘電体バッファ層の材料ＣＹＴＯＰの屈折率が１．４２、誘電体カバー層１１の厚みが３００ｎｍであると、誘電体導波路の入力が０ｄＢｍの条件下において、誘電体導波路から出力されるパワーの誘電体カバー層１１の屈折率変化に伴う関係は図１２中の丸点曲線に示されている通りであり、誘電体アームが出力する光強度の変化に基づき被検知誘電体の屈折率変化の情報を得ることができ、その際、検知中心の位置は１．５３８であり、バッファ層の材料を基板材料および結合整合層と同一とする、つまり１．４４４であると、検知中心は１．５２に移動し、同時に検知の動的範囲も増大するが、感度は、図１２内の三角曲線に示されている通り、一部低下する。引き続き誘電体バッファ層材料の屈折率を１．４６まで増大させると、検知中心は引き続き低屈折率方向に向けて、図１２内の四角曲線に示される通り、１．４８に移動し、かつ、動的範囲は引き続き増大し、感度はさらに低下する。
【００７８】
本実施例におけるＡｕストリップは、銀、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、クロム、鉄のうちのいずれか１種またはそれらの合金に替えることができ、金属セラミックストリップとすることもでき、つまり上記金属および合金とＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの誘電体との混合物である。誘電体導波路ストリップと基板、カバー層および誘電体バッファ層の誘電体材料は、樹脂材料、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどに替えることができるが、誘電体導波路ストリップの屈折率は周囲の誘電体の屈折率よりも大きいことが要求される。材料を変更する際には、金属（セラミック）ストリップおよび誘電体ストリップの幾何学的パラメータは一定の調整を施す必要がある。
【００７９】
ショートレンジ表面プラズモン導波路と誘電体導波路との混合結合検知の例は以下に述べる通りである。第７、８、１０層は図１０と同一である。第６層の金属膜の厚みは１５ｎｍで、第９層の結合整合層の屈折率は１．３８である。誘電体カバー層１１の厚みは依然として３００ｎｍであり、伝播方向長さは７０μｍである。出力パワーの被検知物の屈折率に伴う変化は図１３に示されている通りである。その際、検知中心は１．３８付近まで低下している。
【００８０】
さらに別のショートレンジ表面プラズモン導波路と誘電体導波路との混合結合検知の例は以下に述べる通りである。入射光の波長は６３３ｎｍであり、誘電体基板層１０の材料の選択は屈折率が１．４のポリマー材料であり、基板上にフォトエッチングおよびスパッタリングまたは堆積法を運用して幅１０μｍ、厚み１５０ｎｍのＡｌ2Ｏ3ストリップ７を作製する。Ａｌ2Ｏ3ストリップ上に１層の厚み２５０ｎｍで第１０層と同一材料のポリマーを結合整合層として硬化し、その上にさらに１層の厚み５０ｎｍ、屈折率１．３６の樹脂材料（ＣＹＴＯＰ）をバッファ層９として硬化する。最後に厚み１５ｎｍのアルミニウム膜を第９層の上にスパッタリングし、アルミニウム膜の上方は水環境下における厚み５０ｎｍの測定対象物であり、コアチップの伝播方向長さは５０μｍである。出力パワーの被検知物の屈折率に伴う変化は図１４に示されている通りである。当該検知波長がさらに短く、検知物がさらに薄い場合にも、依然として高い感度を得ることができ、相応の検知中心は１．３７付近に位置する。
【００８１】
以上の実施方式は本発明について説明するためだけのものであり、本発明を制限するものではなく、当業者であれば、本発明の精神および範囲から乖離することなく、各種の変化を施すことは可能であるため、すべての同等な技術案はいずれも本発明の範疇に属するものとし、本発明の特許保護範囲は特許請求範囲により限定されるものとする。
【００８２】
＜ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造＞
本発明が提供するロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造およびその応用について、添付図および実施例に基づき以下の通り詳細に説明する。
【００８３】
（実施例１）
本発明が提供するロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造について、図１６、図１７に示されている通り、当該構造は、下から上に向けて、誘電体基板層１０と、誘電体導波路層７と、結合整合層８と、当該結合整合層上に形成された、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンを伝導するためのロングレンジ表面プラズモン導波路部とを含む。
【００８４】
そのうち、誘電体導波路層７の屈折率は、誘電体基板層１０の屈折率よりも大きく、また結合整合層８の屈折率よりも大きい。誘電体導波路層７の屈折率の選択は、当該誘電体導波路のＴＭ偏光ベースモードの等価屈折率を、当該ロングレンジ表面プラズモンポラリトンの等価屈折率と等しいかまたは比較的近接させるものである。好適には、誘電体導波路層７の屈折率は１．２〜３．８、厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであり、結合整合層８の屈折率は１．２〜３．８、厚みは０．０１μｍ〜１０μｍである。
【００８５】
そのうち、ロングレンジ表面プラズモン導波路部は、下から順次、誘電体バッファ層９と、金属層６と、誘電体カバー層１１とに区分される。金属層６は、白金、金、銀、アルミニウム、銅、鉄、クロム、ニッケル、チタンのうちの１種または複数種からなる合金であり、金属セラミックでもよく、つまり上記金属および合金とＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの誘電体との混合物であり、誘電体導波路層７と誘電体基板層１０、誘電体カバー層１１および誘電体バッファ層９の誘電体材料は、樹脂材料、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどとすることができる。金属層６の厚みは５ｎｍ〜１００ｎｍであり、誘電体バッファ層９の厚みは１０ｎｍ〜２０μｍであり、誘電体カバー層１１および誘電体バッファ層９の屈折率は１．０〜３．８である。結合整合層８と誘電体バッファ層９との全厚みは誘電体導波路のＴＭモードとロングレンジ表面プラズモンポラリトンモードとの結合発生を停止させる臨界厚みよりも大きい。
【００８６】
図１５に示されている通り、金属層（ＬＲＳＰＰ導波路）６を構成する金属導波路ストリップと、誘電体導波路層７を構成する誘電体ストリップとの、２本のストリップは垂直に配列される。両層の幅および厚みを調節してＬＲＳＰＰ導波路および誘電体導波路伝導モードの伝播定数が基本的に同一であることを満足している場合は、誘電体導波路層７および誘電体バッファ層９の厚みを調節することにより、ＬＲＳＰＰモードと誘電体導波路のＴＭモードとの間に結合を生じさせて、エネルギを両層の間で転移させることができる。
【００８７】
金属層６上方の誘電体の屈折率に変化が発生すると、ＬＲＳＰＰモードの損失およびモードフィールド特性は金属層６下方の誘電体の屈折率が劣ることの影響を受け、かつ、金属層６の上下誘電体の屈折率の差が若干大きいとＬＲＳＰＰモードは停止される。ＬＲＳＰＰの存在および特性の変化は誘電体導波路のＴＭモードとＬＲＳＰＰモードとの間の結合に直接影響を及ぼし、さらに誘電体導波路のＴＭ出力パワーの大きさを改変する。そのため、当該誘電体導波路の出力パワーの変化を測定することにより、当該金属層６上方の誘電体カバー層１１の屈折率の変化を検出することができる。金属層６の上下誘電体の屈折率が非常に接近しているとモード間の結合効率が最大となるため、金属層６下方の誘電体バッファ層９の材料の屈折率を改変する事ことにより、本発明の結合構造を応用した屈折率センサの金属層上方の誘電体材料の屈折率の検知中心を調整することができる。
【００８８】
また、金属層上方の誘電体の屈折率を能動的に改変すると、誘電体導波路のＴＭモードも制御することができる。金属層６はＬＲＳＰＰ導波路として以外に、電気の金属導線であると見なすこともできるため、金属導線に電圧を印加することにより、金属層６周囲の誘電体の電気光学効果または熱光学効果などを利用してその屈折率を改変して、ＴＭ偏光の２つの層の間における結合を制御し、ＴＭ偏光の出力に対する制御を実現することができる。
【００８９】
（実施例２）
図１８および図１９に示されているのは、本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサの構造図であり、当該屈折率センサは、主に上記結合構造により構成される。そのうち、誘電体基板層１０の材料はＳｉＯ2であり、誘電体基板層１０上に紫外線フォトエッチングおよび化学気相成長法により作製された誘電体導波路層７は幅２μｍ、厚み２２０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップであり、結合整合層８および誘電体バッファ層９はいずれも屈折率１．４５のＳｉＯ2で、全厚みは６μｍであり、さらに紫外線フォトエッチングおよびスパッタリング法により作製された金属層６は、幅５μｍ、長さ６４０μｍ、厚み２５ｎｍのＡｌストリップである。
【００９０】
金属層６の上方は測定対象物質、つまり誘電体カバー層であり、その屈折率に物理的（温度、湿度、圧力、電磁界など）、化学的（生化学反応）などの要因に伴い変化が生じると、下辺の誘電体導波路層７が上辺のＡｌストリップに結合するエネルギがＡｌストリップ上方の被検知物質の屈折率変化に伴い変化を生じる。
【００９１】
波長１．５５μｍ、強度０ｄＢｍのＴＭ波が誘電体導波路層７から入力された際の、出力パワーＰoutの金属層６上方の誘電体カバー層１１に伴う屈折率の変化ｎdetは図２０に示されている通りである。当該屈折率センサの検知中心、つまり曲線中の最低点は、１．４５付近に位置し、つまり誘電体バッファ層９の屈折率付近に位置する。検知領域は１．４４４〜１．４４６で、検知感度は５×１０−７に達することが可能である。
【００９２】
本実施例における金属層６で示されるＡｌストリップは、金、銀、銅、チタン、ニッケル、クロム、鉄のうちの１種またはそれらの合金に替えることができ、金属セラミックストリップ、つまり上記金属および合金とＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの誘電体との合金とすることもできる。誘電体導波路層７と誘電体基板層１０、誘電体カバー層１１および誘電体バッファ層９の誘電体材料は、樹脂材料、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどに替えることができるが、誘電体導波路層７の材料の屈折率は周囲の誘電体の屈折率よりも大きいことが要求される。材料を変更する際には、金属（セラミック）ストリップおよび誘電体ストリップの幾何学的パラメータは一定の調整を施す必要がある。
【００９３】
（実施例３）
図１８および図１９に示されているのは、本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサの構造図であり、当該屈折率センサは、主に上記結合構造により構成される。そのうち、誘電体基板層１０の材料はＳｉＯ2であり、基板上に紫外線フォトエッチングおよび化学気相成長法により作製された誘電体導波路層７は、幅５μｍ、厚み１２０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップであり、結合整合層８は厚み３μｍのＳｉＯ2であり、誘電体バッファ層９は厚み４μｍで、屈折率１．３８のＣＹＴＯＰ樹脂層であり、金属層６は、幅２０μｍ、長さ１０５０μｍ、厚み３０ｎｍのＡｕストリップである。
【００９４】
金属層６上方の誘電体カバー層１１の屈折率に物理的（温度、湿度、圧力、電磁界など）、化学的（生化学反応）などの要因に伴い変化が生じると、下辺の誘電体導波路層７が上辺の金属層６に結合するエネルギが金属層６上方の誘電体カバー層１１の屈折率変化に伴い変化を生じる。
【００９５】
波長１．５５μｍ、強度０ｄＢｍのＴＭ波が誘電体導波路層から入力された際の、出力パワーＰoutの金属上方の誘電体カバー層１１に伴う屈折率の変化ｎdetは図２１に示されている通りである。その検知中心、つまり曲線中の最低点は、１．３８付近に位置し、つまり誘電体バッファ層９の屈折率付近に位置する。検知領域は１．３８０〜１．３８２で、検知感度は６×１０−７に達することが可能である。
【００９６】
材料のその他の選択は、実施例２と同一である。
（実施例４）
図１８および図１９に示されているのは、本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサの構造図である。そのうち、誘電体基板層１０の材料には屈折率１．４５のガラス材料を選択し、基板上にフォトエッチングおよびイオン交換法を運用して幅２μｍ、屈折率１．４６の誘電体導波路層７を作製する。結合整合層８は厚み１μｍのＳｉＯ2であり、その上に厚み１μｍ、屈折率１．３６の樹脂材料を誘電体バッファ層９として堆積し、金属層６は長さ６４０μｍ、厚み３０ｎｍのＡｌ膜である。
【００９７】
Ａｌ膜の上方は厚み０．５μｍの誘電体カバー層１１であり、その屈折率に物理的（温度、湿度、圧力、電磁界など）、化学的（生化学反応）などの要因に伴い変化が生じると、下辺の誘電体導波路層７が上辺のＡｌ膜に結合するエネルギが金属膜上方の被検知物質の屈折率変化に伴い変化を生じる。
【００９８】
波長０．６３３μｍ、強度０ｄＢｍのＴＭ波が誘電体導波路層から入力された際の、出力パワーの金属上方の誘電体検知層に伴う屈折率の変化は図２０、図２１に類似している。異なる点は、その検知中心、つまり曲線中の最低点は、１．３６付近に位置し、つまり誘電体バッファ層の屈折率付近に位置する点である。検知領域は１．３５９〜１．３６１で、検知感度は５×１０−７に達することが可能である。
【００９９】
材料のその他の選択は、実施例２と同一である。
（実施例５）
図２２および図２３に示されているのは、本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した熱光学可変減衰器の基本構造である。当該熱光学減衰器は主に上記結合構造により構成され、そのうち、誘電体基板層１０の材料はＳｉＯ2であり、その上にスパッタリングまたは蒸着およびフォトエッチング法により幅２μｍ、厚み２２０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップを誘電体導波路層７として作製し、引き続き１層の厚み６μｍのＳｉＯ2を結合整合層８および誘電体バッファ層９として堆積し、その上にスパッタリングされた金属層６は幅５μｍ、厚み２５ｎｍのＡｌストリップで、その長さは１１４０μｍであり、最後に厚み１０μｍの屈折率がＳｉＯ2と非常に接近した屈折率が温度に伴い変化する樹脂材料を誘電体カバー層１１として被覆する。
【０１００】
波長１．５５μｍ、強度０ｄＢｍのＴＭ波を誘電体導波路層７から入力し、金属層６に電圧を印加しない場合、下辺の誘電体導波路のＴＭモードが上面のＡｌストリップのＬＲＳＰＰモード（実践の矢印が示す通り）に転化する。Ａｌストリップに電圧を印加した場合は、導線の発熱により周囲の誘電体カバー層１１のＡｌストリップの周囲領域における屈折率が変化するため、ＬＲＳＰＰモード特性に変化が生じる。電圧を印加した場合、入射光はＬＲＳＰＰ導波路に再度結合せず、破線の矢印に沿い下辺の誘電体導波路に沿って出力される。そのため、Ａｌストリップに対して電圧を印加することにより誘電体導波路層７の出力パワーＰoutの大きさを制御することができる。
材料のその他の選択は、実施例２と同一である。
【０１０１】
（実施例６）
図２４および図２５に示されているのは、本発明のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気強度変調器の基本構造である。当該変調器は主に上記結合構造により構成される。そのうち、誘電体基板層１０の材料はＳｉＯ2であり、その上にスパッタリングまたは蒸着およびフォトエッチング法により幅２μｍ、厚み２２０ｎｍのＳｉ3Ｎ4ストリップを誘電体導波路層７として作製し、引き続き１層の厚み６μｍのＳｉＯ2を結合整合層８および誘電体バッファ層９として堆積し、その上にＡｌがスパッタリングされた金属層６は、幅５μｍ、厚み２５ｎｍ、長さ１１４０μｍであり、その後、厚み４μｍの屈折率がＳｉＯ2と非常に接近した電気光学材料１１を誘電体カバー層１１とし、Ａｕ膜を金属電極１２とする。
【０１０２】
波長１．５５μｍ、強度０ｄＢｍのＴＭ波を誘電体導波路層７から入力する。金属層６とＡｕ膜金属電極１２との間に印加される電力が変化すると、誘電体カバー層１１の材料の屈折率が電気光学効果によりそれに伴い変化するため、下辺の誘電体導波路のＴＭモードが金属層６のＬＲＳＰＰモードと結合し、さらに誘電体導波路のパワー出力を改変する。そのため、誘電体カバー層１１に変調電圧を印加することにより誘電体導波路の出力パワーに対して強度変調を実施することができる。
【０１０３】
本実施例におけるロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造は、変調器、またはスプリッタ、偏光器としても使用することができる。
【０１０４】
材料のその他の選択は、実施例２と同一である。
以上の実施方式は本発明について説明するためだけのものであり、本発明を制限するものではなく、当業者であれば、本発明の精神および範囲から乖離することなく、各種の変化および変形を施すことは可能であるため、すべての同等な技術案はいずれも本発明の範疇に属するものとし、本発明の特許保護範囲は特許請求範囲により限定されるものとする。
【符号の説明】
【０１０５】
１ 金属（または金属と誘電体との混合物）、２ 金属周囲の誘電体、３ （界面箇所における）表面プラズモンポラリトン、４ ロングレンジ表面プラズモンポラリトン、５ ショートレンジ表面プラズモンポラリトン、６ 金属導波路ストリップ（金属層）、７ 誘電体ストリップ（誘電体導波路層）、８ 結合整合層、９ 誘電体バッファ層、１０ 誘電体基板層、１１ 誘電体カバー層、１２ 金属膜（金属電極）、１３ 被検知物（測定対象誘電体層）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板層と、
前記誘電体基板層上に位置する誘電体導波路層と、
前記誘電体導波路層上に位置する結合整合層と、
前記結合整合層上に形成された、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンを伝導するためのショートレンジ表面プラズモン導波路部と
を含むことを特徴とする、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項２】
前記誘電体導波路層の屈折率は、前記誘電体基板層の屈折率よりも大きく、
前記結合整合層の屈折率は、前記誘電体導波路層の屈折率よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項３】
前記誘電体導波路層の屈折率の選択は、前記誘電体導波路層のＴＭ偏光状態のベースモードの等価屈折率を前記ショートレンジ表面プラズモンポラリトンの等価屈折率と等しくさせるものであることを特徴とする、請求項２に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項４】
前記誘電体導波路層の屈折率は１．２〜３．８であり、前記誘電体導波路層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであることを特徴とする、請求項３に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項５】
前記結合整合層の厚みは０．０１μｍ〜１０μｍであり、前記結合整合層の屈折率は１．２〜３．８であることを特徴とする、請求項１に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項６】
前記ショートレンジ表面プラズモン導波路部は、さらに、下から順次形成される誘電体バッファ層と、金属層と、誘電体カバー層とを含むことを特徴とする、請求項１に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項７】
前記金属層は、金、銀、アルミニウム、銅、鉄、クロム、ニッケル、チタンのうちの１種または複数種からなる合金であることを特徴とする、請求項６に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項８】
前記金属層の厚みは１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、前記誘電体バッファ層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであることを特徴とする、請求項６に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項９】
前記誘電体カバー層の屈折率は１．０〜３．８であり、前記誘電体バッファ層の屈折率は１．０〜３．８であることを特徴とする、請求項６に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項１０】
前記結合整合層と前記誘電体バッファ層との全厚みは、誘電体導波路とショートレンジ表面プラズモンポラリトンとの結合発生を停止させる臨界厚みよりも大きいことを特徴とする、請求項９に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の混合結合構造を応用した混合カプラであり、前記誘電体導波路のＴＭ偏光状態モードは、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと結合を発生し、前記結合の長さは１０μｍ〜２０００μｍであることを特徴とする混合カプラ。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の混合結合構造を応用した偏光子であり、ＴＭ、ＴＥ偏光状態混合入力光が前記誘電体導波路層の端面から入射されると、ＴＭ波はショートレンジ表面プラズモンポラリトンとエネルギ結合を発生して減衰し、出力波はＴＥ偏光波であることを特徴とする偏光子。
【請求項１３】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の混合結合構造を応用したＴＭ偏光変調器であり、前記誘電体カバー層上は、金、クロムからなる電極で被覆され、電極とショートレンジ表面プラズモンポラリトン導波路部中の金属層との間に変調電圧を印加し、さらに誘電体導波路のパワー出力に対して変調を実施してＴＭ偏光の変調を実現することを特徴とするＴＭ偏光変調器。
【請求項１４】
前記誘電体カバー層には、電気光学誘電体材料を採用することを特徴とする請求項１３に記載のＴＭ偏光変調器。
【請求項１５】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の混合結合構造を応用したセンサであり、誘電体カバー層の屈折率に変化が生じると、誘電体導波路のＴＭモードとショートレンジ表面プラズモンポラリトンとの結合効率に改変が生じ、誘電体導波路の出力パワーの変化を測定することにより前記誘電体カバー層の屈折率の変化を検出することを特徴とするセンサ。
【請求項１６】
誘電体カバー層の屈折率の微小な変化には、生体反応または物理的、化学的作用により引き起こされる屈折率の微小な変化が含まれることを特徴とする、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１７】
前記誘電体バッファ層の屈折率および厚みを調整することにより、検知可能な前記誘電体カバー層の屈折率範囲を調節することを特徴とする、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１８】
前記センサが検知可能な誘電体カバー層の厚みは、使用する波長の１／１５〜５００μｍであることを特徴とする、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１９】
下から上に向けて、それぞれ、誘電体基板層と、誘電体導波路層と、結合整合層と、ロングレンジ表面プラズモン導波路部とを含むことを特徴とする、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２０】
前記誘電体導波路層の屈折率は、前記誘電体基板層および前記結合整合層の屈折率よりも大きいことを特徴とする、請求項１９に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２１】
前記誘電体導波路層の誘電体導波路のＴＭモード等価屈折率は、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンの等価屈折率と等しいことを特徴とする、請求項１９に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２２】
前記誘電体導波路層の屈折率は１．２〜３．８であり、前記誘電体導波路層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１９に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２３】
前記結合整合層の屈折率は１．２〜３．８であり、前記結合整合層の厚みは０．０１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする、請求項１９に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２４】
前記ロングレンジ表面プラズモン導波路部は、下から上に向けて、さらに、誘電体バッファ層と、金属層と、誘電体カバー層とを含むことを特徴とする、請求項１９に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２５】
前記金属層は、白金、金、銀、アルミニウム、銅、鉄、クロム、ニッケル、チタンのうちの１種または複数種が組み合わされた合金、もしくは前記金属各々の合金、もしくは金属セラミックであることを特徴とする、請求項２４に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２６】
前記金属層の厚みは５ｎｍ〜１００ｎｍであり、前記誘電体バッファ層の厚みは１ｎｍ〜２０μｍであることを特徴とする、請求項２４に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２７】
前記誘電体バッファ層の屈折率は１．０〜３．８であり、前記誘電体カバー層の屈折率は１．０〜３．８であることを特徴とする、請求項２４に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２８】
前記結合整合層と前記誘電体バッファ層との全厚みは、誘電体導波路のＴＭモードとロングレンジ表面プラズモンポラリトンモードとの結合発生を停止させる臨界厚みよりも大きいことを特徴とする、請求項２４に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２９】
請求項１９〜２８のいずれか１項に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサであり、前記屈折率センサは、主に前記結合構造により構成され、
前記結合構造は、下から上に向けて、それぞれ、誘電体基板層と、誘電体導波路層と、結合整合層と、ロングレンジ表面プラズモン導波路部とを備えることを特徴とする屈折率センサ。
【請求項３０】
前記誘電体バッファ層の屈折率および厚みを調整することにより、検知可能な前記誘電体カバー層の屈折率範囲を調節することを特徴とする、請求項２９に記載の屈折率センサ。
【請求項３１】
請求項１９〜２８のいずれか１項に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気強度変調器であり、前記光電気強度変調器は、主に前記結合構造により構成され、前記結合構造の誘電体カバー層上は金属電極でカバーされていることを特徴とする光電気強度変調器。
【請求項３２】
前記金属電極とロングレンジ表面プラズモン導波路部中の金属層との間に変調電圧を印加することを特徴とする、請求項３１に記載の光電気強度変調器。
【請求項３３】
前記誘電体カバー層には、光電子誘電体材料を採用することを特徴とする、請求項３１に記載の光電気強度変調器。
【請求項１】
誘電体基板層と、
前記誘電体基板層上に位置する誘電体導波路層と、
前記誘電体導波路層上に位置する結合整合層と、
前記結合整合層上に形成された、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンを伝導するためのショートレンジ表面プラズモン導波路部と
を含むことを特徴とする、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項２】
前記誘電体導波路層の屈折率は、前記誘電体基板層の屈折率よりも大きく、
前記結合整合層の屈折率は、前記誘電体導波路層の屈折率よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項３】
前記誘電体導波路層の屈折率の選択は、前記誘電体導波路層のＴＭ偏光状態のベースモードの等価屈折率を前記ショートレンジ表面プラズモンポラリトンの等価屈折率と等しくさせるものであることを特徴とする、請求項２に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項４】
前記誘電体導波路層の屈折率は１．２〜３．８であり、前記誘電体導波路層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであることを特徴とする、請求項３に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項５】
前記結合整合層の厚みは０．０１μｍ〜１０μｍであり、前記結合整合層の屈折率は１．２〜３．８であることを特徴とする、請求項１に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項６】
前記ショートレンジ表面プラズモン導波路部は、さらに、下から順次形成される誘電体バッファ層と、金属層と、誘電体カバー層とを含むことを特徴とする、請求項１に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項７】
前記金属層は、金、銀、アルミニウム、銅、鉄、クロム、ニッケル、チタンのうちの１種または複数種からなる合金であることを特徴とする、請求項６に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項８】
前記金属層の厚みは１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、前記誘電体バッファ層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであることを特徴とする、請求項６に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項９】
前記誘電体カバー層の屈折率は１．０〜３．８であり、前記誘電体バッファ層の屈折率は１．０〜３．８であることを特徴とする、請求項６に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項１０】
前記結合整合層と前記誘電体バッファ層との全厚みは、誘電体導波路とショートレンジ表面プラズモンポラリトンとの結合発生を停止させる臨界厚みよりも大きいことを特徴とする、請求項９に記載のショートレンジ表面プラズモンポラリトンと一般誘電体導波路との混合結合構造。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の混合結合構造を応用した混合カプラであり、前記誘電体導波路のＴＭ偏光状態モードは、ショートレンジ表面プラズモンポラリトンと結合を発生し、前記結合の長さは１０μｍ〜２０００μｍであることを特徴とする混合カプラ。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の混合結合構造を応用した偏光子であり、ＴＭ、ＴＥ偏光状態混合入力光が前記誘電体導波路層の端面から入射されると、ＴＭ波はショートレンジ表面プラズモンポラリトンとエネルギ結合を発生して減衰し、出力波はＴＥ偏光波であることを特徴とする偏光子。
【請求項１３】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の混合結合構造を応用したＴＭ偏光変調器であり、前記誘電体カバー層上は、金、クロムからなる電極で被覆され、電極とショートレンジ表面プラズモンポラリトン導波路部中の金属層との間に変調電圧を印加し、さらに誘電体導波路のパワー出力に対して変調を実施してＴＭ偏光の変調を実現することを特徴とするＴＭ偏光変調器。
【請求項１４】
前記誘電体カバー層には、電気光学誘電体材料を採用することを特徴とする請求項１３に記載のＴＭ偏光変調器。
【請求項１５】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の混合結合構造を応用したセンサであり、誘電体カバー層の屈折率に変化が生じると、誘電体導波路のＴＭモードとショートレンジ表面プラズモンポラリトンとの結合効率に改変が生じ、誘電体導波路の出力パワーの変化を測定することにより前記誘電体カバー層の屈折率の変化を検出することを特徴とするセンサ。
【請求項１６】
誘電体カバー層の屈折率の微小な変化には、生体反応または物理的、化学的作用により引き起こされる屈折率の微小な変化が含まれることを特徴とする、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１７】
前記誘電体バッファ層の屈折率および厚みを調整することにより、検知可能な前記誘電体カバー層の屈折率範囲を調節することを特徴とする、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１８】
前記センサが検知可能な誘電体カバー層の厚みは、使用する波長の１／１５〜５００μｍであることを特徴とする、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１９】
下から上に向けて、それぞれ、誘電体基板層と、誘電体導波路層と、結合整合層と、ロングレンジ表面プラズモン導波路部とを含むことを特徴とする、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２０】
前記誘電体導波路層の屈折率は、前記誘電体基板層および前記結合整合層の屈折率よりも大きいことを特徴とする、請求項１９に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２１】
前記誘電体導波路層の誘電体導波路のＴＭモード等価屈折率は、ロングレンジ表面プラズモンポラリトンの等価屈折率と等しいことを特徴とする、請求項１９に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２２】
前記誘電体導波路層の屈折率は１．２〜３．８であり、前記誘電体導波路層の厚みは１０ｎｍ〜５０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１９に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２３】
前記結合整合層の屈折率は１．２〜３．８であり、前記結合整合層の厚みは０．０１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする、請求項１９に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２４】
前記ロングレンジ表面プラズモン導波路部は、下から上に向けて、さらに、誘電体バッファ層と、金属層と、誘電体カバー層とを含むことを特徴とする、請求項１９に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２５】
前記金属層は、白金、金、銀、アルミニウム、銅、鉄、クロム、ニッケル、チタンのうちの１種または複数種が組み合わされた合金、もしくは前記金属各々の合金、もしくは金属セラミックであることを特徴とする、請求項２４に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２６】
前記金属層の厚みは５ｎｍ〜１００ｎｍであり、前記誘電体バッファ層の厚みは１ｎｍ〜２０μｍであることを特徴とする、請求項２４に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２７】
前記誘電体バッファ層の屈折率は１．０〜３．８であり、前記誘電体カバー層の屈折率は１．０〜３．８であることを特徴とする、請求項２４に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２８】
前記結合整合層と前記誘電体バッファ層との全厚みは、誘電体導波路のＴＭモードとロングレンジ表面プラズモンポラリトンモードとの結合発生を停止させる臨界厚みよりも大きいことを特徴とする、請求項２４に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造。
【請求項２９】
請求項１９〜２８のいずれか１項に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した屈折率センサであり、前記屈折率センサは、主に前記結合構造により構成され、
前記結合構造は、下から上に向けて、それぞれ、誘電体基板層と、誘電体導波路層と、結合整合層と、ロングレンジ表面プラズモン導波路部とを備えることを特徴とする屈折率センサ。
【請求項３０】
前記誘電体バッファ層の屈折率および厚みを調整することにより、検知可能な前記誘電体カバー層の屈折率範囲を調節することを特徴とする、請求項２９に記載の屈折率センサ。
【請求項３１】
請求項１９〜２８のいずれか１項に記載のロングレンジ表面プラズモンポラリトンと誘電体導波路との結合構造を応用した光電気強度変調器であり、前記光電気強度変調器は、主に前記結合構造により構成され、前記結合構造の誘電体カバー層上は金属電極でカバーされていることを特徴とする光電気強度変調器。
【請求項３２】
前記金属電極とロングレンジ表面プラズモン導波路部中の金属層との間に変調電圧を印加することを特徴とする、請求項３１に記載の光電気強度変調器。
【請求項３３】
前記誘電体カバー層には、光電子誘電体材料を採用することを特徴とする、請求項３１に記載の光電気強度変調器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１０−１４５３９９（Ｐ２０１０−１４５３９９Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８３８９１（Ｐ２００９−２８３８９１）
【出願日】平成２１年１２月１５日（２００９．１２．１５）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【出願人】（５０６１６２６８８）清華大學 (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１５日（２００９．１２．１５）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【出願人】（５０６１６２６８８）清華大學 (8)
【Ｆターム（参考）】
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