テーパー型導波路によるギャッププラズモン集光

4.3.1 テーパー型ギャップ導波路によるギャッププラズモン励起構造の概要

金ナノストライプへ局在している表面プラズモンを用いてギャッププラズモンを励起させる構 造として，テーパー型ギャップ導波路による集光を採用した。図4.4に，テーパー型導波路を用い たギャッププラズモン励起構造の概略図およびテーパー構造断面の電界強度分布を示す。

(a)テーパーを介した集光構造の概略図

(b) テーパー構造の拡大図

81

(c) 金ナノストライプへ局在した表面プラズモンの電界強度分布，(d)および(e) テーパー構造を介 したギャッププラズモンモードへの集光

図4.4 テーパー型導波路を用いたギャッププラズモン励起構造

4.2 節で示した過程で金ナノストライプへ局在した表面プラズモンは，ナノストライプの角へ電 界強度ピークを有するモードを形成して局在する〔図4.4(c)〕。ここで，テーパー構造を用いてギャ ッププラズモンモードの実効屈折率を増大させることで，ギャッププラズモンを高効率で励起させ ることが可能となる。以上の原理を用いることで，誘電体導波路に沿って伝播する表面プラズモン または光信号を用いて，直交する偏光方向で励振するギャッププラズモンを励起することができる。

82

4.3.2 ギャップモード実効屈折率の構造パラメータ依存性と励起効率のテーパー角度依存性

テーパー構造を用いてギャッププラズモンモードの実効屈折率を調節することを目的として，ギ ャッププラズモンモード実効屈折率の導波路ギャップ幅および高さ依存性を解析的に評価した。図 4.5に，実効屈折率のギャップ幅および高さ依存性を示す。

図4.5 ギャッププラズモンモード実効屈折率のギャップ幅および高さ依存性

図4.5中の破線は，金と空気界面の条件で(2.55)式を解くことで求めた，導波路高さが無限大の条 件における実効屈折率のギャップ幅依存性を示している。解析結果より，ギャップ幅が小さいほど 実効屈折率が指数関数的に増大することを確認した。また，ギャップ幅を 100 nmより大きくした 場合，空気と酸化シリコンの中間の実効屈折率へ集束するような特性を示すことが予想される。続 いて，金ナノストライプの実効屈折率𝑛_effについて同様に評価を行い（幅および高さが100 nmの条

件），𝑛_eff~1.4であることを解析的に確認した。これらの結果より，25～100 nmの各導波路高さtに

おいて，ギャップ幅100 nm以下の条件で金ナノストライプより高い実効屈折率を有するギャップ 導波路を形成可能であることを確認した。よって，テーパー構造を用いてギャップモード実効屈折 率を調節して屈折率マッチングを行うことで，高効率でギャッププラズモンを励起できる可能性を 確認した。

83

続いて，金ナノストライプとギャップ導波路間の実効屈折率マッチングを目的として，テーパー 構造の設計を行った。ここで，テーパー構造の入力側の幅は，表面プラズモンモードフィールド径 を考慮して250 nmとし，テーパーの長さを変化させることでテーパー角度を調節した。図4.6に，

テーパー構造および金ナノストライプを介したギャッププラズモン透過率のテーパー角度 θ 依存 性を示す。

図4.6 透過率のテーパー角度依存性

図4.6は，誘電体導波路を伝播する表面プラズモンの電界強度に対する，透過したギャッププラ ズモンの相対的な強さのテーパー角度依存性を示している。入出力部の電界強度は，導波路断面の 電界強度を波長1周期に渡って時間平均化することで評価した。ここで，テーパー角度はテーパー 長を変更することで調節しているが，テーパー長が短い（角度が大きい）とオーミック損失に起因 する伝播損失は低減するが反射率が高くなる関係にあるため，損失と反射率が比較的低くなる最適 なテーパー角が存在する。また，図4.6中に示した値は，各ギャップ導波路幅および高さ（t = g = 25, 50, 75, 100 nm）の最適なテーパー角度（θ = 10, 15, 20, 25 deg.）において算出した励起効率であ る。以上の結果より，最大79 %の励起効率でギャッププラズモンが直交励起できることを解析的に 確認した。

84