MIM構造とナノ開孔対を有する円錐台形状の光ファイバ先端における電磁場伝搬の解析－有限要素解析による3次元電磁場と伝搬モードの診断

摘要

プラズモニクスの基礎，応用研究が世界的に進められているのは「SPPを，励起する光波長に比べて十分に小さな空間に集中·伝搬させることができる」からである．これは例えば，金属平面上でサブ波長サイズの断面構造を有する微細な溝において，SPP の長距離伝搬(～数十μm)に成功した報告例があり，近未来の大規模集積回路において電子回路と光回路とを，銅配線のサイズと同等の数十nmの幅を有する配線で高速に結合できる可能性を秘めている．著者等は有限非対称MIM構造(2つの金属層の厚みが異なる)について，実験·シミュレーションの両面から，光波長や入射角，偏光に依存したSPP励起現象とこれに付随した分光反射率のnotch filter特性の理解に努めており，電気光学特性材料を用いるアクティブ光フィルタの開発にも目を向けている．分光反射率のnotch filter特性(図1)すなわち狭帯域の反射率落ち込み(dip特性)では，入射した光波がM層とI層との界面にSPPを励起するという形で高効率に変換·吸収される．このときdip特性の底の状況において，励起されたSPPをMIM層内から高効率に取り出すことができれば，仮に白色照明を入射した際に，monochromaticな電磁場エネルギーのみを取り出せることになる．このエネルギー抽出作業はM層を介するが，M層へ適当なナノ構造(導波路)を付与することで，抽出(＝導波)と空間的な集中高輝度化が期待できる．以上の観点·背景から，single-mode(SM)光ファイバの先端を円錐台に加工し，そこにナノ開孔を有するMIM構造を蓋として付与する工程を経て，新型の光プローブを創成する研究を始めている．本論文では，そうした複雑な構造を有する光ファイバ先端部での光電磁場の振る舞いの，有限要素法(Finite Element Method: FEM)に基づく2次元，3次元の電磁場シミュレーションについて述べる．