专利名称：光波导装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光波导装置，该光波导装置适合于在扫描近场光学显微镜或者光学信息记录装置等中使用。
背景技术：
近年以来，作为在比光的波长(可见光0.4～0.8微米)更微小的领域中可以进行光学处理的技术，利用近场光(仅传递到距离短于光的波长的区域内的光)的技术正受到瞩目。例如，在扫描近场光学显微镜的领域中，如日本专利文献1“特开2002-221478号公报”中记载的那样，使用在前端具有比光的波长小的微小开口的光探针作为光波导装置。在观察试样表面的微小区域时，将所述光探针的微小开口配置于靠近作为观察对象的所述微小区域，使得渗出到微小开口的表面附近的光场(近场)接触到试样的表面。
于是，让只有与该近场耦合的试样表面的所述微小的区域被所述光(近场光)照射，通过检测由该照射引起的来自试样的反射光、散射光、或者穿透光，来局部观察评价所述微小区域。因此，关于这类光波导装置之一的光探针，比如，应该有助于满足CD等光记录媒体中记录存储单元(bit)微小化的要求、或者是进行亚微米的微细加工的半导体制造工艺的评价等。一直以来，各种光探针即被作为光波导装置的方案。
附带说明，如上述日本专利文献1中记载的光探针一样，在探针的前端形成有微小开口，通过该微小开口照射试样的表面，或者通过该微小开口检测来自试样的反射光的光探针被称为开口探针。另一方面，如金属针一样在探针的前端形成曲率半径非常小的尖端，将该探针的前端插入在全反射条件下通过照射试样表面产生的近场光区域，再用另一检测用光探针来检测插入时的散射光，这种光探针被称作非开口探针。
然而，由于开口探针的微小开口比光的波长更小，所以近场光的光强度只能是非常微弱。例如，在将近场光的照射和从试样处得到的光的汇聚光线通过同样的开口进行的光照模式(illumination mode)时，从开口探针的微小开口渗出的近场光的光强度，仅为被导入开口探针的光的光强度的1/1000左右，变得非常微弱。因此，在光信息记录装置中进行高速记录或读取时，有可能导致光量不足从而引起故障。因此，在实际应用开口探针时，有必要增强从所述微小开口渗出的近场光的光强度。
但是，为了增强近场光的光强度，如果增强光源就会引起成本增加。另一方面，如果扩大前端开口，从该开口渗出的光的扩散就会增大从而引起解像度降低。也就是说，无论何种情况，都不能很好地避免使用开口探针时存在的问题。另一方面，虽然非开口探针的解像度(分辨能力)比开口探针能够有所提高。但是，实际上将非开口探针的前端插入近场光区域时，散射光不仅在探针的前端产生，也会在探针的前端以外的部分产生。因此，非开口探针的S/N比(信号/噪音比)要差于使用开口探针的情况，有可能使得检测灵敏度降低。另外，使用非开口探针时，需要另外准备检测用的光探针，成本也会增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光波导装置，该光波导装置对于通过光波导路径传递的光，不会引起该光的扩散增大，且维持良好的S/N比，并能够以低成本增强其光强度。
为达成上述目的，本发明提供如下的光波导装置。该装置包括装置本体，该装置本体具有将具有一定波长的光可以沿第一方向传输的光波导路径。第一方向垂直相交于互相垂直相交的第二方向和第三方向。所述光在所述第二方向上偏振。所述光波导路径具有允许所述光导出的出口。所述出口具有在第二方向的宽度小于所述光的波长的窄幅部。划定所述光波导路径的划定面，包含在所述第二方向上彼此相对的一对对向面部分。那些对向面部分，至少在与所述窄幅部对应的部分由等离激元活性物质构成。在所述装置本体中，设有略呈锥形的凸部。所述出口开口于所述凸部，使得所述窄幅部的至少一部分位于所述凸部的前端。所述开口具有在所述第二方向彼此相对的一对开口边缘。那些开口边缘，在对应于所述凸部的前端的部位在所述第一方向上仅错开比所述光的波长小的距离。
图1为对光探针具体化后的本发明的第一实施例中，将光纤连接于光波导装置的状态时的立体图。
图2为图1的光波导装置的主视图。
图3a为图2的A-A方向剖视图。
图3b为图2的B-B方向剖视图。
图4为对图1的光波导装置中表面等离激元的电场耦合进行说明的要部概略剖视图。
图5为图1的光波导装置中窄幅部的宽度尺寸与表面等离激元的相位速度的对应关系图。
图6a为图1的光波导装置的主视图。
图6b为对照例的主视图。
图7为图6a、图6b的通过各微小开口的光在X轴方向的假想平面上的光强度分布图。
图8为图6a、图6b的通过各微小开口的光在Y轴方向的假想平面上的光强度分布图。
图9为对光探针具体化后的本发明的第二实施例中，将光纤连接于光波导装置的状态时的立体图。
图10为图9的光波导装置的主视图。
图11a为图10的A-A方向的剖视图。
图11b为图10的B-B方向的剖视图。
图12a至图12e为图9的光波导装置的制造过程的说明图。
图13a至图13d为图9的光波导装置的另一制造过程的说明图。
具体实施例方式
以下，对于本发明，即作为对光探针具体化后的一种光波导装置，就其第一实施例，结合图1～图8进行说明。如图1所示，本实施例的光波导装置(光探针)11具有从正面看呈矩形的金属制的装置本体12。装置本体12的表面部12a上，隆起形成有接近锥形(本实施例为接近方锥形)的凸部13。所述装置本体12以及凸部13，由相对复介电常数的实数部分为负值的电介质、即负电介质(等离激元活性介质)构成。另外，在本实施例中，对被传输的光的波长即一定的波长为488nm(纳米)的情况(以下相同)进行举例说明，作为一个例子，用相对复介电常数的实数部分的值为负7.38的银(Ag)构成所述装置本体12及凸部13。另外，电介质的介电常数相对于真空的介电常数的比值被表示为相对复介电常数(relativedielectric constant)。
另外，如图1及图3a、图3b所示，所述凸部13的前端形成于所述表面部12a的近乎中央位置，在与该凸部13对应的所述装置本体12的部分上形成有用来传输具有所述一定波长的光的光波导路径14，该光波导路径14在该装置本体12的厚度方向(作为第一方向的Z方向)延伸、从装置本体12的里面贯穿至凸部13的表面。装置本体12的内表面具有划定光波导路径14的划定面55的功能。在作为光波导路径14的基端开口的里面开口15处连接有与图中未显示的光源相连接的光纤F，使得光源发出的光可以入射到光波导路径14内。另外，该光纤F具有公知的光封闭型波导路径构造(light containment type waveguide structure)，即以高折射率的介质作为芯体(core)42(参照图12e)、以低折射率的介质作为金属包层(clad)43。芯体前端42a(参照图12e)连接于光波导路径14的里面开口15内使得光可以传输。所述光波导路径14的长度，大于或等于光波导路径14内传输的光的波长的至少1/4左右，最好使得该光波导路径14的划定面55上产生表面等离激元。
另一方面，在所述装置本体12的表面中所述凸部13的表面上，形成有作为光波导路径14的前端开口(端部开口)的微小开口16，该微小开口16的彼此面对面的一对内面之间的尺寸、即内面宽度尺寸(X方向的尺寸)的大小小于光的波长。该微小开口16为光波导路径14的出口，允许在光波导路径14内被传输的光导出。然后，关于该微小开口16，与通过光波导路径14传输的光的传输方向(在图1及图2当中为作为Z方向的第一方向)垂直相交的截面的形状(在微小开口16中，为该开口的形状)，是如下说明的特殊形状。即，如图l及图2所示，该微小开口16形成为，位于所述表面部12a的近乎中央位置的窄幅部17、和比该窄幅部17内面宽度尺寸大的两个宽幅部18交互相连的开口形状。也就是说，在该微小开口16上，如果将通过所述光波导路径14传输的光的偏振方向(图1及图2中作为X方向的第二方向)作为宽度方向，所述窄幅部17和宽幅部18在与该宽度方向垂直相交的方向(图l及图2中作为Y方向的第三方向)上，形成为交错连续相连的形状。窄幅部17位于沿Y方向(第三方向)的两个宽幅部18之间。另外，所述微小开口16的大小，与装置本体12(及其表面部12a)的大小相比极其微小，为了便于理解在图1等中的微小开口16的开口形状的特征，对微小开口16作了夸大于实际的图示。
此外，所述微小开口16上的所述窄幅部17的内面宽度尺寸ax(参照图2)，被设定为小于在光波导路径14内被传输的光的波长(本实施例中为488nm)。在本实施例中，将所述内面宽度尺寸ax设定为小于该光的波长的1/2的值(例如16nm)。换言之，作为光波导路径14的内表面的划定面55，包含对应于窄幅部17的部分即一对对向面部分19，两个对向面部分19之间的间隔(X方向的间隔)为内面宽度尺寸ax。光波导路径14的划定面55中的至少两个对向面部分19，由等离激元活性介质(Ag)形成。在本实施例中，光波导路径14的整个划定面55由Ag形成。对于所述内面宽度尺寸ax，设定为此种条件的理由是为了在光波导路径14的划定面55(特别是，在划定面55中的窄幅部17的宽度方向(作为第二方向的X方向)上彼此相对的一对对向面部分19)产生表面等离激元这种光波(电磁波)时，加强其电场、同时延迟其相位速度使光束汇聚于窄幅部17。另外，对于表面等离激元，通常也称为表面等离极化激元(surface plasmon polariton)，但在本说明书中，将其记载为表面等离激元。
另外，所述微小开口16，在所述窄幅部17及宽幅部18连续的方向(图l、图2的Y方向)上该微小开口16的形状尺寸L(参照图2)，例如被设定为835nm。而且，关于该形状尺寸L，先用所述传输光在真空中的速度来除在所述窄幅部17产生的表面等离激元的相位速度得到的值、再乘以所述传输光的波长的1/2所得到的值(以下称为“形状尺寸计算值”)，最后将该形状尺寸L的值设定为大于该形状尺寸计算值。将所述形状尺寸L设定为此种条件的理由是因为当将窄幅部17的内面宽度尺寸ax设定为小于传输光的波长的1/2的值时，如果所述形状尺寸L小于所述形状尺寸计算值，则该传输光即无法通过所述微小开口16。另外，关于所述微小开口16的划定面55的其他部位的各个尺寸(参照图2)，在与传输光的波长的关系上，不设特定的条件。顺便说明，在本实施例中，作为一例，窄幅部17的内面长度尺寸ay(Y方向尺寸)被设定为31nm，各个宽幅部18的内面宽度尺寸bx被设定为47nm，各个宽幅部18的内面长度尺寸by被设定为402nm。
在本实施例中，从图3a、图3b可知，沿整个所述光波导路径14，光波导路径14与光传输方向垂直相交的截面的形状形成为和所述微小开口6的开口形状相同。例如，两个对向面部分19之间的间隔ax在与X方向(第一方向)垂直相交的任意截面上是一定的。因此，所述光波导路径14形成为包含窄幅部17的所述对向面部分19的光波导路径14的整个内表面(整个划定面55)由银(Ag)构成，同时沿该整个内表面，所述窄幅部17形成为从所述微小开口16连续延伸至里面开口15。
微小开口16开口于凸部13，使得窄幅部17的至少一部分位于凸部13的前端。所述凸部13包含夹着所述光波导路径14的彼此相对的第一凸片(图2中为左侧凸片)13a和第二凸片(图2中为右侧凸片)13b。微小开口16具有开口边缘53和开口边缘54，开口边缘53形成于在X方向(第二方向)彼此相对的第一凸片13a上，而开口边缘54形成于第二凸片13b上。第一凸片13a的前端51和第二凸片13b的前端52，分别相当于开口边缘53、54中与凸部13的前端对应的部位。第一凸片13a的前端51比第二凸片13b的前端52更靠近图2中Z方向的前侧。即，所述第一凸片13a的前端51和第二凸片13b的前端52，在光波导路径14内的光传输方向(作为第一方向的Z方向)上位置互相错开地形成着。该位置错开的量(距离)被设为小于光的波长(所述一定的波长)值的距离(参照图3)。另外，在本实施例中，第一凸片13a的前端51比第二凸片13b的前端52更向光传输方向(图2的Z方向，即第一方向)突出。第一凸片13a的前端51向着Z方向尖锐突出，第二凸片13b的前端52形成为与Z方向垂直的平面。
接下来，对于本实施例中光波导装置11的作用进行说明。另外，在以下说明中，将对光照模式举例说明，该光照模式为从里面开口15向光波导装置11的光波导路径14内射入一定波长的光，使得从作为前端开口的微小开口16渗出汇聚光(spotlight)，具体而言即近场光的照射和来自试样的汇聚光通过同一开口进行的。另外，关于射入光波导路径14内的一定波长的光，如前所述波长为488nm，偏振方向为图1及图2的X方向(第二方向)的直线偏振的平面波，以此为例进行说明。
于是，当所述一定波长的光通过光纤F射入到装置本体12的光波导路径14内，在该光波导路径14内则会发生以下现象。即，贯穿形成光波导路径14的装置本体12，由相对复介电常数的实数部分的值为负7.38的银(Ag)构成，即装置本体12由负电介质构成。因此，该装置本体12，在光波区域与其说是作为导体、还不如说是作为等离激元活性介质在发挥作用。所以，在光波导路径14的划定面55上，表面电荷被感应的同时出现电荷振动，产生其传输方向为沿该划定面55的方向(图2的Z方向即第一方向)的表面等离激元这种光波(电磁波)。
该表面等离激元为表面波，该表面波不会在所述光波导路径14的划定面55与在该光波导路径14内充满空气(电介质)之间的界面S(参照图4)的垂直方向上传输。因此，当产生该表面等离激元时，在光波导路径14内一方面产生主要与所述界面S平行(即在窄幅部17中主要具有沿图1及图2的Y方向(第三方向)的分量)的磁场，另一方面产生主要与所述界面S垂直(即在窄幅部17中主要具有沿图1及图2的X方向(第二方向)的分量)的电场，使得与该磁场垂直。
通常公知的是，随着与该表面(即界面S)之间的距离增加，负电介质中的表面等离激元的电场强度呈指数函数衰减。但是，在本实施例中，在光波导路径14的划定面55中的窄幅部17处，在宽度方向上相对的对向面部分19的内面宽度尺寸ax被设定为16nm这一微小的间隔。因此，如图4所示，在窄幅部17，在彼此相对的两界面S上各自产生的表面等离激元的电场会互相耦合(相加)。这样，通过电场之间的耦合，光波导路径14内的表面等离激元的电场强度在窄幅部17的部分变得非常强。这可以认为，在所述窄幅部17的部分上，发生所谓与表面等离激元的增强拉曼散射相同的现象。其结果，在光波导路径14内，特别是在包含所述窄幅部17的部分的表面等离激元的电场彼此间发生耦合的部分上，通过该光波导路径14被传输的光的光强度得到增强。另外，在图4中符号e表示电场的强度分布。
然而，所述第一凸片13a的前端51在光传输方向上从所述第二凸片13b的前端52延伸。因此，所述表面等离激元的电场强度，位于凸部13的前端51附近，在第一凸片13a的对向面部分19上变得最强，随着与第一凸片13a的对向面部分19的距离增大电场强度呈指数函数衰减(参照图4)。其结果，凸部13的前端51附近在接近第一凸片13a的区域，通过光波导路径14被传输的光的光强度得到增强。
另外，例如为了提高扫描近场光学显微镜的分辨能力，或者为了提高光信息记录装置中的记录密度，需要减小从光波导路径14的前端开口即微小开口16渗出的光的扩散分布的大小。于是，对所述表面等离激元的向图1及图2中Z方向的相位速度的大小、与光波导路径14中所述窄幅部17的内面宽度尺寸ax的大小之间的关系进行研究后，得到如图5所示的结果。
即在图5中，横轴表示光波导路径14(微小开口16)中窄幅部17的内面宽度尺寸ax的大小，其刻度数值为纳米级单位。而纵轴表示速度比(vz/C)、即通过所述窄幅部17的表面等离激元的相位速度vz与光速C的比值，纵轴的刻度数值表示为将传输光的真空中速度(光速C)设为“1”时的速度比(vz/C)的值。因此，纵轴上的速度比(vz/C)的刻度数值越小，意味着表面等离激元的相位速度vz越慢。
另外，在图5中，各黑点表示，在光波导路径14的整个划定面55是由传输光的波长λ为488nm、相对复电介常数的实数部分的值为负7.38的银(Ag)构成的情况下，所述窄幅部17的内面宽度尺寸ax与表面等离激元的相位速度vz的关系。此外，从纵轴最上方的刻度值“1”的略微下方往水平方向(横轴方向)延伸的点划线表示的是，当所述内面宽度尺寸ax的数值为无限大(∞)的情况时所述速度比(vz/C)的大小。
从图5中可以知道，随着窄幅部17的内面宽度尺寸ax减小，所述速度比(vz/C)的数值也显示出逐渐降低的趋势。另外，当内面宽度尺寸ax＜λ/2(即ax＜244nm)时，与ax≥2λ/5(即ax≥195.2nm)的情况相比，在ax＜2λ/5(即ax＜195.2nm)的情况下的所述速度比(vz/C)的降低程度更大。同样，与ax≥3λ/10(即ax≥146.4nm)的情况相比，在ax＜3λ/10(即ax＜146.4nm)的情况下的所述速度比(vz/C)的降低程度更大。
特别是，当内面宽度尺寸ax＜λ/5(即ax＜97.6nm)时，所述速度比(vz/C)开始加速下降。而当内面宽度尺寸ax＜λ/10(即ax＜48.8nm)时，所述速度比(vz/C)进一步大幅度急剧下降。当所述内面宽度尺寸ax被设定为大于输出光的波长λ(488nm)的1/2时，所述速度比(vz/C)逐步接近如图5中点划线表示的内面宽度尺寸ax＝∞情况下的速度比(vz/C)。
因此，从以上所述可知，如本实施例的窄幅部17那样，位于光波导路径14内在内面宽度尺寸ax为小于传输光的波长的1/2(ax＜244nm)的部分，光波导路径14的划定面55上产生的表面等离激元的相位速度vz大幅度地降低。这样，诸如表面等离激元的光波，在其传输中具有汇聚到相位速度vz慢的(小的)的空间的特性。因此，包括光波导路径14的窄幅部17及宽幅部18的整个划定面55上产生的表面等离激元，会汇聚到窄幅部17，在窄幅部17中内面宽度尺寸ax被设定为小于传输光的波长的1/2(ax＜244nm)，从而使得相位速度vz减慢(变小)。
因此，不需要依靠增强光源的方法，在本实施例的光波导装置11中，在所述窄幅部17，表面等离激元的电场强度变强的同时，其相位速度vz变慢使得在光波导路径14内发生的表面等离激元汇聚。因此，通过光波导路径14被传输的光的强度变强。另外，通过光波导路径14被传输的光，根据所述凸部13的前端51周边的电场强度的分布，在凸部13的前端51光线被汇聚到第一凸片13a的前端51附近。像这样光强度被增强，且光线汇聚后的传输光，从所述微小开口16的窄幅部17处作为汇聚光(近场光)渗出，并且该汇聚光在试样的表面被散射，该散射光通过具有图中未显示的外部透镜的光检测装置检测。
此外，作为参考，对于形成于装置本体12的表面部12a的微小开口16的开口形状，通过具有和本实施例的微小开口16不同形状的开口的对照例，对穿过各种微小开口的光的强度进行了对比。图6a是本实施例中的微小开口16的主视图，图6b是对照例的微小开口36的主视图。从图中可以看出，对照例的凸部33形成有相对于光的传输方向不发生位置偏移的第一凸片(图6b中的左侧凸部)33a的前端和第二凸片(图6b中的右侧凸部)33b的前端。另外，所述微小开口36的、和光的传输方向垂直相交的截面形状，与本实施例的微小开口16的、和光的传输方向垂直相交的截面形状为同一形状(X方向上的间隔相同)。而且，两图中在各微小开口16的左侧，表示了从该各微小开口16的窄幅部17渗出的各汇聚光的光分布的、光线集聚区域20a的扩散形状用点划线来表示以供参考。同样，表示了在各光线集聚区域20a周围形成的微亮的周边光的光分布的、微亮区域20b的扩散形状则用双点划线来表示以供参考。
于是，在同样条件下，当光通过所述这些各微小开口16、36时，对通过各微小开口16、36中心O的假想平面上的光强度进行了检测。图7显示了在横向(图6中X方向)上通过各微小开口16、36中心O的假想平面上的光的强度分布，图8显示了在纵向(图6中Y方向)上通过各微小开口16、36中心O的假想平面上的光的强度分布。而且在图7中，曲线a表示通过本实施例的微小开口16的光的强度分布曲线，在图8中，曲线b表示通过对照例的微小开口36的光的强度分布曲线。
在本实施例的微小开口16的情况下，从图7中表示的分布曲线a可知，在该微小开口16的横向上，得到在第一凸片13a的前端51的略微延长方向一侧聚光的非常高的光强度。其原因如前文所述可以被认为是，在窄幅部17上相对的两界面S的表面等离激元彼此互相耦合提高了电场强度，或者在所述凸部13的第一凸片13a的前端51和第二凸片13b的前端52相对于光传输的方向上位置错开等。另外，从图8表示的分布曲线a可知，在微小开口16的纵向上该微小开口16的中心O附近得到非常高的光强度。其原因可以被认为是，由于在所述窄幅部17上表面等离激元的相位速度变慢(变小)，导致光波导路径14内传输的光特别集中到所述窄幅部17的中心。
接下来，看一下对照例的微小开口36的情况。在该微小开口36的情况下，从图7中显示的分布曲线b可知，在该微小开口36的横向上，第一凸片33a和第二凸片33b的各对向面部分39的延长方向附近得到非常高的光强度。但是，穿过对照例的微小开口36的光，在该光的偏振方向(X方向)上扩散。其原因可以被认为是，所述第一凸片33a的前端与第二凸片33b的前端相对于在光波导路径34内传输的光的传输方向位置没有错开。此外，从图8显示的分布曲线b可知，在微小开口36的纵向上，表示将该微小开口36的中心O部分作为最大值的光强度分布。其原因可以被认为和前文所述本实施例的微小开口16相同。
因此，从本实施例的微小开口16渗出的光的聚光区域20a，如图6a、图6b所示，与从对照例的微小开口36渗出的光的聚光区域20a相比较，在偏振方向(X方向)上较窄。同样，从本实施例的微小开口16渗出的光的聚光区域20a周围形成的微亮区域20b，与从对照例的微小开口36渗出的光的聚光区域20a周围形成的微亮区域20b相比较，在偏振方向上较窄。另一方面，从本实施例的微小开口16渗出的光的聚光区域20a以及该聚光区域20a周边的微亮区域20b，在与偏振方向垂直相交的方向(图6a、图6b中纵向的Y方向)上，和从对照例的微小开口36渗出的光的聚光区域20a以及该聚光区域20a周边的微亮区域20b具有几乎同等的扩散。
因此，本实施例的光波导装置11具有下列优点。
(1)装置本体12由作为等离激元活性介质的银(Ag)构成，将光射入在装置本体12上贯穿形成的光波导路径14时，在该光波导路径14(包括微小开口16)的内表面即划定面55上产生表面等离激元。因此，在光波导路径14内传输的光的强度，随着该光向微小开口16传输而变强。另外，由于第一凸片13a的前端51，与第二凸片13b的前端52相比较处于突出(远离装置本体12)的位置，所以在凸部13的前端周边，所述光基于在该前端周边的电场强度分布，光线汇聚于第一凸片13a附近。即，光强度非常高的聚光区域20a在光的偏振方向(X方向)可以变得极其狭窄。另外，本实施例的光波导装置11，由于不是上述日本专利文献1等记载的所谓非开口探针，所以可以避免S/N比的恶化，同时避免成本的增加。因此，不会引起通过光波导路径14传输的光的扩散，也可以维持良好的S/N比，并可以用低成本增强传输光的光强度。
(2)光波导路径14(微小开口16)的窄幅部17和宽幅部18在连续方向(Y方向)上的光波导路径14(微小开口16)的形状尺寸L，被设定为大于规定的形状尺寸计算值。即，形状尺寸L的值被设定为大于在窄幅部17产生的表面等离激元的相位速度vz除以传输光在真空中的速度即光速C后再乘以所述传输光的波长的1/2得到的值(形状尺寸计算值)。因此，不会将从光纤F向光波导路径14内射入的光遮挡，可以切实地从光波导路径14的前端的微小开口16导出增强了光强度的汇聚光(近场光等)。
(3)不仅是与微小开口16相连的开口附近的划定面55的部分，光波导路径14的整个划定面55(整个内面)都由作为等离激元活性介质的银(Ag)构成。因此，在光波导路径14的整个划定面55区域可以产生表面等离激元。而且，窄幅部17形成为从前端侧的微小开口16连续到里面开口15。因此，可以在光波导路径14的整个划定面55上得到通过彼此相对的两界面S的表面等离激元的耦合获得的电场强度提高的效果，以及延迟被传输的光的相位速度使得将该光汇聚到窄幅部17的效果。
(4)另外，在本实施例中，作为等离激元活性介质，采用的是作为负电介质的银(Ag)。因此，可以有效地且切实地产生表面等离激元。此外，通过在由相关的等离激元活性介质(Ag等)构成的装置本体12上形成所述光波导路径14，使得光波导装置11的制造变得容易。
(5)此外，在本实施例中，设置于光波导路径14的前端的微小开口16，具有内面宽度尺寸ax的值被设定为小于传输光的波长的1/2的窄幅部17。光波导装置11，其与窄幅部17相连的光波导路径14的划定面55由等离激元活性介质简单地构成。因此，适合作为诸如扫描近场光学显微镜或者光信息记录装置等各种光学处理装置中的光波导装置(光探针)使用。
接下来，作为和本发明相同的一种光波导装置，对将光探针具体化后的第二实施例，结合图9至图11进行说明。并且，在该第二实施例中，在所述装置本体12的表面部12a的凸部13形成的微小开口16的开口形状，与第一实施例的情况不同，其他的部分和第一实施例具有相同的构造。因此，下面以不同于第一实施例的部分为中心进行说明，对于与第一实施例相同构造的部分，标注相同的符号并省去重复的说明。
如图9及图10所示，本实施例涉及的光波导装置(光探针)11A，包括金属制的装置本体12，该装置本体12由和所述第一实施例的情况中相同的银(Ag)构成，在其表面部12a上隆起形成有接近锥体(本实施例中为接近方锥体)的凸部13。该凸部13的前端形成于所述表面部12a的近乎中央的位置，在与该凸部13对应的位置上，所述装置本体12在其厚度方向上贯穿形成有光波导通路径14。然后，在所述表面部12a的凸部13的部分上形成有微小开口16，该微小开口16作为所述光波导路径14的端部开口(前端开口)从正面看将该凸部13分成二等分，其内面宽度尺寸的大小小于光的波长。
作为本实施例的光波导装置11A的出口的微小开口16，与第一实施例的微小开口16不同，没有所谓的宽幅部，在其较短方向(X方向)的内面宽度尺寸沿微小开口16的整个划定面55形成为宽度相同的纵长方体形状。即，微小开口16仅形成有窄幅部17。此外，和第一实施例相同，如果将通过所述光波导路径14传输的光的偏振方向(图9及图10中为X方向)作为宽度方向，所述微小开口16形成为在与该宽度方向垂直相交的方向(图9及图10中为Y方向)上延伸的纵长方体。然后，和第一实施例的情况一样，在凸部13的表面沿光波导路径14内传输的光的传输方向(图9及图10所示的Z方向)形成有该微小开口16的开口边缘53、54。另外，在本实施例中，所述微小开口16的大小和装置本体12(以及其表面部12a)的大小相比较，实际也是极其微小的，但在图9等中为了使微小开口16的开口形状的特征容易理解，对其大小做了夸大于实际的图示。
另外，本实施例中的微小开口16(窄幅部17)，其内面宽度尺寸ax被设定为与所述第一实施例中的窄幅部17的内面宽度尺寸ax(参照图2)相同的值(16nm)。该微小开口16的内面长度尺寸ay被设定为，与所述第一实施例中的窄幅部17的内面长度尺寸ay(参照图10)和各宽幅部18的内面长度尺寸by(参照图10)的合计尺寸相同的值(835nm)。即，本实施例的微小开口16的形状尺寸L的值被设定为与第一实施例的微小开口16的形状尺寸L(835nm)相同的值。
所述凸部13，夹着所述光波导路径14被第一凸片(图10中的左侧凸部)13a和第二凸片(图10中的右侧凸部)13b所隔开。所述第一凸片13a位于图10中Z方向的靠前位置的前端51和第二凸片13b的前端52，在光波导路径14内的光传输方向上位置互相错开地形成着，该位置错开的量(距离)被设定为小于光的波长的距离(参照图11)。而且，在本实施例中，比起第二凸片13b的前端52，第一凸片13a的前端51位于更靠光传输方向一侧。
接下来，就本实施例中的光波导装置11A的作用进行说明。
通过光纤F将所述一定波长的光(与所述第一实施例的情况一样，波长为488nm、偏振方向为图9及图10中的X方向的直线偏振的平面波的光)入射到装置本体12的光波导路径14内，在该光波导路径14内会发生以下现象。即，产生在沿光波导路径14的划定面55的传输方向(图9的Z方向)上的表面等离激元这种光波(电磁波)。于是，该表面等离激元在所述窄幅部17的两界面S分别发生表面等离激元的电场彼此耦合，其结果在光波导路径14内的窄幅部17处电场强度变得非常强。因此，基于该光波导路径14内的电场强度，在光波导路径14内传输的光的强度随着向微小开口16的传输而变强。
另外，比起第二凸片13b的前端52，所述第一凸片13a的前端51位于更靠光传输方向一侧。这样一来，光波导路径14内的电场，位于凸部13的前端51在第一凸片13a附近变强，并随着与第二凸片13b的距离增大呈指数函数减弱。因此，光波导路径14内传输的光，基于凸部l3的前端51上的电场强度分布，在光线汇聚于第一凸片13a附近的状态从微小开口16渗出。所以，从本实施例的光波导装置11A渗出的光，与从第一实施例的光波导装置11渗出的光的情况一样，可在聚光区域(图示省略)的偏振方向(X方向)上抑制光线扩散。另外，也可在该聚光区域的周围形成的微亮区域(图示省略)的偏振方向上抑制光线扩散。
因此，根据本实施例的光波导装置11A，具有第一实施例的光波导装置11的所述各优点(1)～(5)之外，还具有以下优点。
(6)根据本实施例，相对于装置本体12形成与微小开口16相连的光波导路径14时，无需连续形成内面宽度尺寸不同的窄幅部17和宽幅部，只需要形成与光传输方向垂直相交的截面的形状为纵长方形形状的光波导路径14即可，这样有助于减少制造成本。
此外，对上述实施例也可以做如下变更。
在上述各实施例中，微小开口16的开口形状，也可以是用曲线形成的开口形状(例如哑铃形状)。此外，微小开口16的开口形状也可以是由直线和曲线组合形成的。
在上述第一实施例中，窄幅部17也可以被设置于从光波导路径14的截面中心偏心的位置。此外，如果光波导路径14其窄幅部17的内面宽度尺寸ax被设定为小于传输光的波长的1/2，则窄幅部17的内面宽度尺寸ax和宽幅部18的内面宽度尺寸bx的尺寸比，也可以远远大于在该实施例中的两者的尺寸比。即，只要满足宽幅部18的内面宽度尺寸bx大于窄幅部17的内面宽度尺寸ax这一条件，宽幅部18的内面宽度尺寸bx可以为无穷大。
在上述各实施例中，光波导路径14也可以是在装置本体12的表面形成为沟槽状切口的光波导路径。在这种情况下，微小开口16的窄幅部17的至少一部分也有必要位于设置于装置本体12的凸部13的前端。
在上述各实施例中，在光波导路径14内也可以填有诸如玻璃等可透光的介质。
在上述各实施例中，光波导路径14还可以形成为，与光传输方向垂直相交的截面的形状可以和微小开口16的开口形状不同的光波导路径。例如，也可以形成为，从里面开口15越朝着前端的微小开口16，其截面形状逐渐变小的、前端呈细锥形的光波导路径。此外，光波导路径也可以是，窄幅部17仅形成于作为光波导路径的前端开口的微小开口16处，在里面开口15上不形成窄幅部17。
在上述各实施例中，光波导路径14也可以是，里面开口15被封闭，仅设置有前端开口的微小开口16的光波导路径。在采用这种构造的情况下，从前端的微小开口16向光波导路径内射入传输光，在该光波导路径内侧的壁面反射后产生驻波，再次从前端的微小开口16导出，适合用于光照汇聚模式(illumination collectionmode)。
在上述各实施例中，只要是相对复介电常数的实数部的值为负的介质，装置本体12及凸部13不限于用银(Ag)，可以用金(Au)或者白金以及它们的合金，或者其它金属材料或半导体材料构成。
在上述各实施例中，在装置本体12中、至少与光波导路径14内的窄幅部17对应的对向面部分19的部位，可以由等离激元活性介质(银Ag)构成。也可以仅是第一凸片13a的前端51和第二凸片13b的前端52由等离激元活性物质构成。另外，也可以仅是在从微小开口16到里面开口15的整个光波导路径14的划定面55上形成的窄幅部17的宽度方向上的彼此相对的部分，由等离激元活性物质(银Ag)构成。另外，也可以采用蒸镀等方式，将所述等离激元活性介质(银Ag)附设于包含所述窄幅部17的对向面部分19等的光波导路径14的划定面55上。
例如，也可以通过将金属涂层蒸镀于硅基板(silicon substrate)上从而制造光波导装置11A。图12a～图12e中，说明了图9的光波导装置11A的制造过程。具体而言，对利用聚焦粒子束加工(focusing ion beam processing，FBI加工)制造光波导装置11A，再将制造好的光波导装置11A安装于光纤F的前端(芯体前端42a)的过程，进行说明。
首先如图12a所示，准备在FIB加工中可以精密加工的硅基板44，通过支撑部45将该硅基板44支撑。然后，通过对硅基板44的表面(图12a中的上面)施以FIB加工后，如图12b所示，即可做成第一凸片13a、第二凸片13b以及光波导路径14。然后，如图12c所示，通过阴极溅镀，将银蒸镀于硅基板44上，做成银镀层61。银镀层61的厚度被设定为例如大于等于30nm。然后，如图12d所示，通过对硅基板44的内面(图12d中的下面)施以FIB加工，来调整硅基板44的厚度、即装置本体12的厚度t。通过这样，可以调整光波导路径14的长度。装置本体12的厚度t被设定为例如90nm。从光波导装置11A的里面到第一凸片13a的前端51的尺寸h(＝第一凸片13a的高度+装置本体12的厚度t，即光波导路径14的长度)设定为例如190nm。该尺寸h相当于光波导路径14的长度。于是，将制造好的光波导装置11A，如图12e所示安装于光纤F的芯体前端42a。再将支撑部45从光波导装置11A切除，整个制造过程即结束。
在上述过程中，在将光波导装置11A安装于光纤F的芯体前端42a之前，调整了装置本体12t的厚度。但是，光波导装置11A的制造过程不限于上述方式，如图13a～13d所示的另一制造方法，也可以在光纤F的芯体前端42a上调整装置本体12的厚度t。
具体而言，首先如图13a所示，将硅基板44安装于光纤F的芯体前端42a。接下来，如图13b所示，在芯体前端42a上，通过在硅基板44的表面施以FIB加工，从而做成第一凸片13a、第二凸片13b以及光波导路径14。此时，通过FIB加工也可以调整硅基板44的厚度。然后，如图13c所示，通过阴极溅镀将银蒸镀于硅基板44上，从而做成银镀层61。此时，银镀层61将光波导路径14的里面开口15堵塞。然后，如图14d所示，通过FIB加工，再除去堵塞里面开口15的银镀层61的部分，整个过程即结束。
另外，光波导装置11A的制造方法，不限于通过FIB加工进行，例如也可以使用电子束纳米级平板印刷(electron-beam nanolithography)法、或者离子束沉积(ion beam deposition)法来制造光波导装置11A。也就是说，具有比光(可见光)的波长细微的部分的光波导装置11A的制造方法，只要采用了离子或者电子的方法即可。
在上述各实施例中，如果将微小开口16的窄幅部17的内面宽度尺寸ax设定为小于传输光的波长的1/2的尺寸，则不限定为上述各实施例的尺寸。此外，与微小开口16的宽度方向(X方向)交叉的方向(Y方向)的形状尺寸L，也不限定为各实施例中例举的尺寸值，只要被设定为大于所述形状尺寸计算值的数值，所述形状尺寸L也可以大于传输光的波长的1/2。
所述第一凸片13a的前端51与第二凸片13b的前端52，在光波导路径14内的光传输方向(作为第一方向的Z方向)上的位置错开的量(距离)的值，不限定为小于光的波长(所述一定的波长)的值。只要具有将穿过光波导路径14的光汇聚到第一凸片13a的前端51附近这一优点，所述位置错开的量也可以大于光的波长。
在上述各实施例中，凸部13接近呈锥状即可，例如凸部也可以形成为接近呈圆锥状等的任意形状。
权利要求
1.一种光波导装置，包括装置本体，具有可以将一定波长的光沿第一方向传输的光波导路径，所述第一方向垂直相交于互相垂直相交的第二方向以及第三方向，所述光在所述第二方向偏振，所述光波导路径具有允许所述光导出的出口，所述出口具有在所述第二方向的宽度小于所述光的波长的窄幅部；划定面，划定所述光波导路径，所述划定面在所述第二方向上包含彼此相对的一对对向面部分，所述对向面部分中至少在与所述窄幅部相对应的部分，由等离激元活性介质形成；凸部，设置于所述本体装置并接近呈锥形，所述出口开口于所述凸部，使得所述窄幅部的至少一部分位于所述凸部的前端，所述出口在所述第二方向上具有彼此相对的一对开口边缘，那些开口边缘在对应于所述凸部的前端的部位，在所述第一方向上仅错开比所述光的波长小的距离。
2.根据权利要求1记载的光波导装置，其特征在于所述出口具有宽幅部，所述宽幅部在第二方向上的宽度大于所述窄幅部，所述窄幅部以及所述宽幅部沿所述第三方向相连。
3.根据权利要求1记载的光波导装置，其特征在于所述出口具有一对宽幅部，所述宽幅部在第二方向上的宽度大于所述窄幅部，所述窄幅部在所述第三方向上位于两宽幅部之间。
4.根据权利要求1至3的任意一项记载的光波导装置，其特征在于所述两窄幅部的宽度小于所述光的波长的1/2；在所述第三方向上所述出口的尺寸大于一规定值，该规定值为用将所述光传输到光波导路径内时在所述窄幅部产生的表面等离激元的相位速度除以所述光在真空中的速度，再乘以所述光的波长的1/2后得到的乘值。
5.根据权利要求1至4的任意一项记载的光波导装置，其特征在于所述等离激元活性介质为具有实数部为负数的相对复介电常数的电介质。
6.根据权利要求1至5的任意一项记载的光波导装置，其特征在于所述两对向面部分之间的间隔，在与所述第一方向垂直相交的任意截面上是一定的。
7.根据权利要求1至6的任意一项记载的光波导装置，其特征在于所述整个划定面由等离激元活性介质构成。
8.根据权利要求1至7的任意一项记载的光波导装置，其特征在于所述凸部包含夹着所述出口的彼此相对的一对凸片，两凸片的前端在第一方向上错开。
9.根据权利要求8记载的光波导装置，其特征在于所述两凸片的前端在所述第一方向上，仅错开比所述光的波长小的距离。
10.根据权利要求8或者9记载的光波导装置，其特征在于所述两凸片中的一凸片的前端，向着所述第一方向尖锐突起，另一凸片的前端形成为垂直所述第一方向的平面。
全文摘要
在由作为等离激元活性介质的银(Ag)构成的装置本体12上贯穿形成有光波导路径14，将光射入该光波导路径14后，在该光波导路径14(包含微小开口16)的划定面55上产生表面等离激元。因此，在光波导路径14内传输的光的强度，随着该光向微小开口16传输而变强。另外，第一凸片13a的前端由于比第二凸片13b的前端52突出，所以在凸部13的前端部，所述光基于该前端部的电场强度的分布，在第一凸片13a附近聚光。因此，从微小开口16渗出的光在偏振方向上的扩散被抑制。从而通过光波导路径14传输的光不会引起扩散的增大，且维持良好的S/N比，可以采用低成本来增强光强度。
文档编号G02B6/26GK1965226SQ20058001897
公开日2007年5月16日 申请日期2005年6月10日 优先权日2004年6月11日
发明者田中嘉津夫, 田中雅宏 申请人:国立大学法人岐阜大学