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Dokumentenidentifikation DE60313403T2 06.09.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001385175
Titel Design einer Sondenspitze für ein optisches Nahfeldmikroskop
Anmelder President of Gifu University, Gifu, JP
Erfinder Tanaka Kazuo, Gifu-shi,Gifu 501-3104, JP;
Tanaka Masahiro, Gifu-shi,Gifu 502-0932, JP
Vertreter TBK-Patent, 80336 München
DE-Aktenzeichen 60313403
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.07.2003
EP-Aktenzeichen 032546244
EP-Offenlegungsdatum 28.01.2004
EP date of grant 25.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.09.2007
IPC-Hauptklasse G12B 21/06(2006.01)A, F, I, 20070327, B, H, EP

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine für optische Nahfeld-Rastermikroskope und optische Datenaufzeichnungsgeräte geeignete Lichtwellenleitereinrichtung.

In den letzten Jahren wird einer Nahfeldlicht (Licht, das Entfernungsbereiche kürzer als die Wellenlänge von Licht erreicht) nutzenden Technologie als Technologie zur Ermöglichung einer optischen Aufbereitung von Licht in einem Bereich kleiner als die Wellenlänge von Licht (sichtbares Licht: 0,4 bis 0,8 Mikrometer) größte Aufmerksamkeit geschenkt. So wird beispielsweise auf dem Gebiet von optischen Nahfeld-Rastermikroskopen eine aus einer Lichtleitfaser mit einer winzigen Öffnung gebildete optische Sonde als Lichtwellenleitereinrichtung verwendet. Die Größe der Öffnung ist kleiner als die Wellenlänge von Licht. Bei der Beobachtung einer winzigen Fläche auf einer Probenoberfläche befindet sich die winzige Öffnung der optischen Sonde nahe dieser Fläche, so dass das aus der Öffnung tretende Lichtfeld (Nahfeld) die Oberfläche der Probe kontaktiert. Dann wird die mit dem Nahfeld gekoppelte winzige Fläche der Probe mit Nahfeldlicht bestrahlt. Reflektiertes Licht, Streulicht und Durchlicht von der Probe werden zur lokalen Beobachtung und Bewertung der Fläche detektiert. Herkömmlich werden verschiedene Arten von optischen Sonden für eine reduzierte Größe von Datenpits optischer Aufzeichnungsmedien wie CDs und zur Evaluierung von Halbleiterfertigungsprozessen mit Submikrometerbearbeitung verwendet.

Die Größe der distalen Öffnung einer optischen Sonde ist kleiner als die Wellenlänge von Licht. Daher beträgt beispielsweise in einem Beleuchtungsmodus die Intensität von aus der winzigen Öffnung austretendem Nahfeldlicht nur ein Tausendstel des in die optische Sonde eingeleiteten Lichts. Licht einer derartigen optischen Sonde reicht nicht für das Schnellschreiben oder Schnelllesen von optischen Datenaufzeichnungsgeräten. Es ist daher notwendig, die Stärke von aus der winzigen Öffnung der optischen Sonde austretendem Nahfeldlicht zu erhöhen. Wird jedoch eine lichtstarke Lichtquelle mit zur Erhöhung der Intensität von Nahfeldlicht verwendet, steigen die Kosten. Andererseits wird bei einer Vergrößerung der distalen Öffnung das Licht in einem weiteren Bereich gestreut und die Auflösung verschlechtert. Unzulänglichkeiten in der Praxis sind daher auf keinen Fall auszuschließen.

Die EP 0 185 782 offenbart eine Lichtwellenleitereinrichtung zur Leitung von Licht entlang einer ersten Richtung, die senkrecht zu einer zweiten und dritten Richtung verläuft, wobei die zweite und die dritte Richtung senkrecht zueinander verlaufen.

U. Schröter, A. Dereux: „Surface Plasmon Polaritons on Metal Cylinders with Dielectric Core" PHYSICAL REVIEW B., Vol. 64, 11. September 2001 (2001-09-11), S. 125420-1-125420-10, XP002259671, offenbaren Wellenleiter für ein optisches Nahfeldmikroskop.

Die WO 02 10830 offenbart Mehrfachquellenanordnungen für Nahfeldmikroskopie mit angemessenen linearen Schlitzen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Daher liegt ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer optischen Lichtwellenleitereinrichtung zur Erhöhung der Stärke von durch einen Lichtwellenleiter geleitetem Lichts zu reduzierten Kosten ohne Ausweitung der Lichtfläche.

Um die vorstehenden und andere Ziele zu erreichen, ist in Übereinstimmung mit den Zwecken der vorliegenden Erfindung eine optische Lichtwellenleitereinrichtung gemäß Anspruch 1 und den davon abhängigen Ansprüchen vorgesehen.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den angeschlossenen Zeichnungen hervor, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung sowie ihre Ziele und Vorteile gehen am besten aus der folgenden Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen hervor, worin:

1 eine perspektivische Ansicht einer an eine Lichtleitfaser angeschlossenen Lichtwellenleitereinrichtung oder optischen Sonde gemäß einer ersten Ausführungsform ist;

2 eine Vorderansicht der in 1 gezeigten Lichtwellenleitereinrichtung ist;

3(a) eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A der 2 ist;

3(b) eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B der 2 ist;

4 eine Querschnittsansicht zur Erläuterung der Kopplung von elektrischen Feldern von Oberflächenplasmonen ist;

5 anhand eines Diagramms die Beziehung zwischen der Breite eines schmalen Abschnitts und der Phasengeschwindigkeit von Oberflächenplasmonen zeigt;

6(a) eine Vorderansicht der ersten Ausführungsform ist;

6(b) eine Vorderansicht eines Vergleichsbeispiels 1 ist;

6(c) eine Vorderansicht eines Vergleichsbeispiels 2 ist;

7 anhand eines Diagramms die Lichtstärkenverteilung auf einer imaginären Ebene entlang einer X-Achse von durch die winzige Öffnung der 6(a) bis 6(c) geleitetem Licht zeigt;

8 anhand eines Diagramms die Lichtstärkenverteilung auf einer imaginären Ebene entlang einer Y-Achse von durch die winzige Öffnung der 6(a) bis 6(c) geleitetem Licht zeigt;

9 in einer perspektivischen Ansicht eine an eine Lichtleitfaser angeschlossene optische Sonde gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;

10 eine Vorderansicht der in 1 gezeigten Lichtwellenleitereinrichtung ist;

11(a) eine Vorderansicht eines Vergleichsbeispiels ist;

11(b) eine Vorderansicht der zweiten Ausführungsform ist;

12 in einer perspektivischen Ansicht eine an eine Lichtleitfaser angeschlossene optische Sonde zeigt;

13(a) eine Vorderansicht eines Vergleichsbeispiels ist;

13(b) eine Vorderansicht eines Vergleichsbeispiels ist;

14 in einer perspektivischen Ansicht eine an eine Lichtleitfaser angeschlossene optische Sonde gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;

15(a) eine Vorderansicht einer Modifikation mit einer unterschiedlich gestalteten winzigen Öffnung ist;

15(b) eine Vorderansicht einer Modifikation mit einer unterschiedlich gestalteten winzigen Öffnung ist;

16(a) eine Vorderansicht einer Modifikation mit einer unterschiedlich gestalteten winzigen Öffnung ist;

16(b) eine Vorderansicht einer Modifikation mit einer unterschiedlich gestalteten winzigen Öffnung ist;

16(c) eine Vorderansicht einer Modifikation mit einer unterschiedlich gestalteten winzigen Öffnung ist;

17(a) eine Vorderansicht einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;

17(b) eine Querschnittsansicht entlang der Line A-A der 17(a) ist;

18(a) eine Vorderansicht einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;

18(b) eine Querschnittsansicht entlang der Line A-A der 18(a) ist;

19(a) eine Vorderansicht einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;

19(b) ein Grundriss der 19(a) ist;

20(a) eine Vorderansicht einer anderen, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;

20(b) ein Grundriss der 20(a) ist;

21(a) eine Vorderansicht einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;

21(b) ein Grundriss der 21(a) ist;

22(a) eine Querschnittsansicht einer Modifikation ist, bei der ein Lichtwellenleiter einen unterschiedlichen Querschnitt aufweist, der eine Licht leitende Richtung schneidet;

23 eine Querschnittsansicht einer Modifikation ist, bei der ein Lichtwellenleiter einen unterschiedlichen Querschnitt aufweist, der eine Licht leitende Richtung schneidet;

24 eine Querschnittsansicht einer Modifikation ist, bei der ein Lichtwellenleiter einen unterschiedlichen Querschnitt aufweist, der eine Licht leitende Richtung schneidet;

25 in einer perspektivischen Ansicht eine vierte Ausführungsform zeigt, in der die vorliegende Erfindung bei einer Belichtungsmaske zum Einsatz kommt;

26 eine perspektivische Ansicht der Belichtungsmaske der 25 in Verwendung ist;

27(a) eine Vorderansicht eines Vergleichsbeispiels ist;

27(b) eine Vorderansicht eines Vergleichsbeispiels ist;

27(c) eine Vorderansicht der vierten Ausführungsform ist;

27(d) eine Vorderansicht eines Vergleichsbeispiels ist;

28(a) und 28(b) anhand von Diagrammen die Lichtstärkenverteilung auf einer imaginären Ebene entlang einer vertikalen Richtung (inneren Längsrichtung) von durch die winzige Öffnung der 27(a) bis 27(d) geleitetem Licht zeigen;

29(a) eine Vorderansicht einer Modifikation der vierten Ausführungsform ist;

29(b) eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Lichtstärkenverteilung der Modifikation der 29(a) ist;

30(a) eine Vorderansicht einer Modifikation der vierten Ausführungsform ist;

30(b) eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Lichtstärkenverteilung der Modifikation der 30(a) ist;

31 eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform ist, in der die vorliegende Erfindung bei einem Polarisator zum Einsatz kommt;

32 anhand eines Diagramms die Beziehung zwischen der Energie von Durchlicht und dem Winkel der einfallenden Polarisationsebene der Lichtwellenleitereinrichtung gemäß der fünften Ausführungsform zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 wird nun eine Lichtwellenleitereinrichtung 11 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. In dieser Ausführungsform ist die Lichtwellenleitereinrichtung eine optische Sonde.

Wie in 1 gezeigt, enthält die Lichtwellenleitereinrichtung (optische Sonde) 11 der vorliegenden Ausführungsform einen Hauptkörper 12 in Form einer rechteckigen Metallplatte. Der Hauptkörper 12 ist aus einem dielektrischen Medium mit einem negativen Wert für den Realteil der relativen komplexen Permittivität hergestellt. Das heißt, der Hauptkörper 12 ist aus einem negativen dielektrischen Medium (Plasmone aktivierenden Medium) hergestellt. In dieser Ausführungsform beträgt die Wellenlänge von Durchlicht 488 nm und der Hauptkörper 12 ist aus Silber (Ag), wobei der Realteil der relativen komplexen Permittivität –7,38 beträgt. Die relative komplexe Permittivität eines dielektrischen Mediums wird durch das Verhältnis der Permittivität des dielektrischen Mediums zur Permittivität in Vakuum dargestellt.

Wie in den 1, 3(a) und 3(b) gezeigt, ist ein Lichtwellenleiter 13 zum Leiten von Licht im Hauptkörper 12 durch die Dickenrichtung ausgebildet. Daher sind die Innenflächen des Hauptkörpers 12 definierende Oberflächen zur Festlegung des Lichtwellenleiters 13. An die proximale Öffnung des Lichtwellenleiters 13 oder eine hintere Öffnung 14 des Lichtwellenleiters 13 ist eine Lichtleitfaser F angeschlossen. Die Lichtleitfaser F ist auch an eine (nicht dargestellte) Lichtquelle angeschlossen und lässt das Licht der Lichtquelle in den Lichtwellenleiter 13 eintreten. Die Lichtleitfaser F hat eine herkömmliche Licht begrenzende Struktur und einen Kern mit einem hohen Brechungsindex sowie eine Hülle mit einem niedrigen Brechungsindex. Das distale Ende des Kerns ist mit der hinteren Öffnung 14 des Lichtwellenleiters 13 verbunden, um Licht zu durchzulassen. Die Dicke des Hauptkörpers 12 ist vorzugsweise gleich oder größer als ein Zwanzigstel, bevorzugter gleich oder größer als ein Viertel, der Wellenlänge von durch den Lichtwellenleiter 13 durchgelassenem Licht, so dass an der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 Oberflächenplasmone erzeugt wird.

Eine winzige Öffnung 15 ist in einem vorderen Teil 12a des Hauptkörpers 12 ausgebildet. Die Breite der winzigen Öffnung 15 ist kleiner als die Wellenlänge von Licht. Die winzige Öffnung 15 fungiert als distale Öffnung (Endöffnung) des Lichtwellenleiters 13. Ein Querschnitt des Lichtwellenleiters 13 senkrecht zu der Richtung, entlang welcher Licht durch den Lichtwellenleiter 13 geleitet wird (der Z-Richtung gemäß 1 und 2), ist wie folgt gestaltet.

Wie in den 1 und 2 gezeigt, besitzt die winzige Öffnung 15 einen schmalen Abschnitt 16 und ein Paar breiter Abschnitte 17. Der schmale Abschnitt 16 befindet sich im Wesentlichen in der Mitte der vorderen Teils 12a. Die breiten Abschnitte 17 befinden sich über und unter den schmalen Abschnitt 16 wie in 1 zu sehen. Die Breite des schmalen Abschnitts 16 und der breiten Abschnitte 17 ist jeweils als Maß entlang der Polarisationsrichtung von durch den Lichtwellenleiter 13 geleitetem Licht, oder als Maß entlang einer X-Richtung gemäß 1 und 2, definiert. Der schmale Abschnitt 16 und die breiten Abschnitte 17 sind entlang einer Richtung senkrecht zur Breitenrichtung, oder entlang einer Y-Richtung gemäß 1 und 2, fortlaufend ausgebildet. Die definierenden Oberflächen umfassen ein Paar als erste gegenüberliegende Teile fungierende Oberflächen (Innenteile 18) und zwei Paare als zweite gegenüberliegende Teile fungierende Oberflächen. Die ersten gegenüberliegenden Teile liegen entlang der X-Richtung im schmalen Abschnitt 16 einander gegenüber. Die zweiten gegenüberliegenden Teile liegen entlang der X-Richtung in jedem der breiten Abschnitte 17 einander gegenüber. Zwar ist die tatsächliche Größe der winzigen Öffnung 15 im Vergleich zur Größe des Hauptkörpers 12 (und des vorderen Teils 12a) signifikant klein, doch ist die Größe der winzigen Öffnung 15 in 1 und anderen Figuren übertrieben dargestellt, damit die einzigartige Form der winzigen Öffnung 15 leicht erkennbar ist.

Die Breite aX des schmalen Abschnitts 16 (siehe 2) ist kleiner als die Wellenlänge von Durchlicht (in der vorliegenden Ausführungsform 488 nm). In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Breite aX weniger als die Hälfte der Wellenlänge (z.B. 31 nm). Die Breite aX wird so bestimmt, dass bei der Generierung von Lichtwellen (elektromagnetischen Wellen) oder Oberflächenplasmonen an der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 (insbesondere den am schmalen Abschnitt 16 einander gegenüberliegenden Teilen 18) das elektromagnetische Feld verstärkt und die Phasengeschwindigkeit verringert werden. Dementsprechend konvergiert das Licht zum schmalen Abschnitt 16. Ein Oberflächenplasmon wird im Allgemeinen als Oberflächenplasmon-Polariton bezeichnet. In dieser Ausführungsform wird es jedoch einfach Oberflächenplasmon genannt.

In der vorliegenden Ausführungsform beträgt das Maß L der winzigen Öffnung 15 (siehe 2) in einer Richtung, entlang welcher der schmale Abschnitt 16 und die breiten Abschnitte 17 fortlaufend ausgebildet sind (der Y-Richtung gemäß 1 und 2), 217 nm. Das Maß L ist mehr als ein Maßberechnungswert. Der Maßberechnungswert wird wie folgt erhalten. Zuerst wird die Phasengeschwindigkeit von im schmalen Abschnitt 16 erzeugten Oberflächenplasmonen durch die Geschwindigkeit von Durchlicht durch Vakuum dividiert. Dann wird das Ergebnis der Division mit der halben Wellenlänge des Durchlichts multipliziert. Das Ergebnis wird als Maßberechnungswert verwendet. Das Maß L wird wie oben bestimmt, weil für den Fall, dass die Breite aX des schmalen Abschnitts 16 weniger als die halbe Wellenlänge von Durchlichts ausmacht, das Durchlicht nicht durch die winzige Öffnung 15 hindurch treten kann, wenn das Maß L kleiner als der Maßberechnungswert ist. Andere Maße (siehe 2) der winzigen Öffnung 15 stehen in keiner speziellen Relation zur Wellenlänge von Durchlicht. In dieser Ausführungsform ist die Länge aY des schmalen Abschnitts 16 gleich der Breite aX, nämlich 31 nm. Die Breite bX jedes breiten Abschnitts 17 beträgt 78 nm. Die Länge bY jedes breiten Abschnitts 17 beträgt 93 nm.

Wie in den 3(a) und 3(b) gezeigt, entspricht ein Querschnitt des Lichtwellenleiters 13 senkrecht zur Richtung der Lichtleitung in der Gestalt der winzigen Öffnung 15 an jedem Abschnitt. Daher besteht die gesamte Innenfläche des Lichtwellenleiters 13, einschließlich der Teile 18, aus Silber (Ag). Auch in der gesamten Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 ist der schmale Abschnitt 16 von der winzigen Öffnung 15 bis zur hinteren Öffnung 14 durchgehend ausgebildet.

Es wird nun eine Wirkungsweise der Lichtwellenleitereinrichtung 11 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Und zwar wird nachstehend ein Beleuchtungsmodus beschrieben. Im Beleuchtungsmodus tritt ein vorbestimmtes Licht in den Lichtwellenleiter 13 der Lichtwellenleitereinrichtung 11 durch die hintere Öffnung 14 ein, und ein Punktlicht tritt aus der winzigen Öffnung 15 aus, die eine distale Öffnung ist. Die Wellenlänge des vorbestimmten Lichts beträgt 488 nm. Das vorbestimmte Licht ist eine ebene Welle mit linearer Polarisation, und die Polarisationsrichtung ist die X-Richtung gemäß 1 und 2.

Wenn das vorbestimmte Licht in den Lichtwellenleiter 13 des Hauptkörpers 12 eintritt, findet das nachstehend beschriebene Phänomen statt. Der Hauptkörper 12, der den Lichtwellenleiter 13 aufweist, ist so aufgebaut, dass der Realteil der relativen komplexen Permittivität –7,38 beträgt, wenn die Wellenlänge des durchfallenden Lichts 488 nm ist. Das heißt, der Hauptkörper 12ist aus einem negativen dielektrischen Medium hergestellt. Daher wirkt der Hauptkörper 12 in einem Lichtwellenbereich als Plasmone aktivierendes Medium und nicht als Leiter. Daher kommt es bei der Induktion von Oberflächenladung an der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 zu einer Schwingung der elektrischen Ladung. Dementsprechend werden Lichtwellen (elektromagnetische Wellen) oder Oberflächenplasmone erzeugt. Die Oberflächenplasmone werden entlang der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 (entlang der Z-Richtung in 2) geleitet.

Das Oberflächenplasmon ist eine Welle, die nicht in einer Richtung senkrecht zu Grenzflächen S (siehe 4) zwischen der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 und den Lichtwellenleiter 13 ausfüllender Luft (Dielektrikum) geleitet wird. Daher wird bei der Generierung von Oberflächenplasmonen ein Magnetfeld parallel zu den Grenzflächen S erzeugt. Das erzeugte Magnetfeld besitzt in erster Linie Komponenten entlang der Y-Richtung der 1 und 2 im schmalen Abschnitt 16. Gleichzeitig wird ein elektrisches Feld senkrecht zu den Grenzflächen S erzeugt. Das erzeugte elektrische Feld verläuft senkrecht zum Magnetfeld und besitzt Komponenten entlang der X-Richtung der 1 und 2.

Im Allgemeinen nimmt die Feldstärke von Oberflächenplasmonen in einem dielektrischen Medium, dessen Realteil der relativen komplexen Permittivität negativ ist, mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche (den Grenzflächen S) exponentiell ab. In der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch das Maß aX des schmalen Abschnitts 16, oder der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Teilen 18, auf einen winzigen Wert, nämlich 31 nm, eingestellt. Daher sind, wie aus 4 ersichtlich, am schmalen Abschnitt 16 elektrische Felder von in den gegenüberliegenden Grenzflächen S erzeugten Oberflächenplasmonen aneinander gekoppelt. Durch die Kopplung der elektrischen Felder steigt die Feldstärke der Oberflächenplasmone am schmalen Abschnitt 16 signifikant an. Das weist darauf hin, dass ein Phänomen ähnlich einer durch Oberflächenplasmone verstärkten Raman-Streuung am schmalen Abschnitt 16 stattfindet. In der Folge nimmt die Intensität von durch den Lichtwellenleiter 13 geleitetem Licht zu, insbesondere an einem Teil, wo die Kopplung von Oberflächenplasmonen stattfindet, welcher Teil den schmalen Abschnitt 16 enthält. In 4 stellt e die Verteilung des elektrischen Felds dar.

Um beispielsweise die Auflösung eines optischen Nahfeld-Rastermikroskops oder die Aufzeichnungsdichte eines optischen Datenaufzeichnungsgeräts zu erhöhen, muss die Divergenzverteilung von aus der winzigen Öffnung 15, d.h. der distalen Öffnung des Lichtwellenleiters 13, ausgestrahltem Licht, reduziert werden. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenplasmone in der Z-Richtung der 1 und 2 und der Breite aX des schmalen Abschnitts 16 im Lichtwellenleiter 13.

In 5 stellt die horizontale Achse die Breite aX des schmalen Abschnitts an der winzigen Öffnung 15 des Lichtwellenleiters 13 dar, und die Skalen sind in Nanometer (nm) angegeben. Die vertikale Achse stellt das Geschwindigkeitsverhältnis der Phasengeschwindigkeit vz von durch den schmalen Abschnitt 16 tretenden Oberflächenplasmonen zur Lichtgeschwindigkeit c dar (vz/c). Die Zahlen auf den Skalen der vertikalen Achse repräsentieren die Werte des Geschwindigkeitsverhältnisses (vz/c), wenn die Lichtgeschwindigkeit (c) mit 1 ausgedrückt ist. Daher steht ein geringerer Wert des Geschwindigkeitsverhältnisses (vz/c) in der vertikalen Achse für eine geringere Geschwindigkeit vz der Oberflächenplasmone.

In 5 stehen die schwarzen Punkte für die Beziehung zwischen der Breite aX des schmalen Abschnitts 16 und der Phasengeschwindigkeit vz der Oberflächenplasmone für den Fall, dass die gesamte Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 aus Silber (Ag) gebildet ist, wobei der Realteil der relativen komplexen Permittivität –7,38 beträgt, wenn die Wellenlänge von Durchlicht 488 nm beträgt. Eine horizontale Linie aus abwechselnd langen und kurzen Strichen befindet sich etwas unterhalb der Skalenlinie des Werts 1. Diese horizontale Linie stellt den Wert des Geschwindigkeitsverhältnisses (vz/c) unter der Annahme dar, dass die Breite aX unendlich (∞) ist.

Wie aus 5 ersichtlich, nimmt das Geschwindigkeitsverhältnis (vz/c) mit geringer werdender Breite aX des schmalen Abschnitts 16 ab. Beträgt die Breite aX weniger als &lgr;/2 (aX < &lgr;/2 oder aX < 244 nm), ist der Grad der Reduktion des Geschwindigkeitsverhältnisses (vz/c) größer, wenn die Breite aX kleiner als 2&lgr;/5 ist (aX < 2&lgr;/5 oder aX < 195,2 nm), als wenn die Breite aX gleich oder größer als 2&lgr;/5 ist (aX > 2&lgr;/5 oder aX > 195,2 nm). Desgleichen ist der Grad der Reduktion des Geschwindigkeitsverhältnisses (vz/v) größer, wenn die Breite aX kleiner als 3&lgr;/10 ist (aX < 3&lgr;/10 oder aX < 146, 4 nm), als wenn die Breite aX gleich oder größer als 3&lgr;/10 ist (aX > 3&lgr;/10 oder aX > 146,4 nm).

Insbesondere wenn die Breite aX kleiner als &lgr;/5 ist (aX < &lgr;/5 oder aX < 97,6 nm), verringert sich das Geschwindigkeitsverhältnis (vz/c) beschleunigt. Ist die Breite aX kleiner als &lgr;/10 (aX < &lgr;/5 oder aX < 48,8 nm), verringert sich das Geschwindigkeitsverhältnis (vz/c) noch weiter beschleunigt. Ist die Breite aX größer als die halbe Wellenlänge von Durchlicht (488 nm), nähert sich das Geschwindigkeitsverhältnis (vz/c) dem durch die horizontale Linie aus abwechselnd langen und kurzen Strichen dargestellten Wert oder dem Wert des Geschwindigkeitsverhältnisses (vz/c) unter der Annahme, dass die Breite aX unendlich ist (aX = ∞).

Wie aus Obigem hervorgeht, ist die Phasengeschwindigkeit von an der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 generierten Oberflächenplasmonen an einem Teil, an dem die Breite aX kleiner als die halbe Wellenlänge von Durchlicht ist, oder an einem Teil, an dem die Breite kleiner als 244 nm ist (aX < 244 nm), signifikant geringer. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Phasengeschwindigkeit am schmalen Abschnitt 16 signifikant reduziert.

Lichtwellen wie Oberflächenplasmone haben die Eigenschaft, in einem Raum zu konvergieren, wo die Phasengeschwindigkeit vz gering ist. Somit werden die über die gesamte Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 einschließlich des schmalen Abschnitts 16 und der breiten Abschnitte 17 generierten Oberflächenplasmone zum schmalen Abschnitt 16 konvergiert, wo die Breite aX kleiner als die Hälfte des Durchlichts ist (aX < 244 nm) ist, so dass die Phasengeschwindigkeit vz abnimmt.

Dementsprechend steigt die Stärke des elektrischen Felds von Oberflächenplasmonen am schmalen Abschnitt 16, ohne dass die Stärke der Lichtquelle erhöht wird. Somit sinkt die Phasengeschwindigkeit vz, und die im Lichtwellenleiter 13 generierten Oberflächenplasmone konvergieren, wodurch die Stärke von durch den Lichtwellenleiter 13 geleitetem Licht zunimmt. Dann tritt das Licht mit erhöhter Stärke aus dem schmalen Abschnitt 16 der winzigen Öffnung 15 als Punktlicht (Nahfeldlicht) aus und wird auf die Probenoberfläche gestreut. Das Streulicht wird mittels eines (nicht abgebildeten) Photodetektors mit externer Linse detektiert.

Es wurden Vergleichsbeispiele 1 und 2 mit jeweils winzigen Öffnungen anderer Gestalt als die winzige Öffnung 15 hergestellt. Dabei wurde die Stärke von durch die winzigen Öffnungen tretendem Licht untersucht. 6(a) ist eine Vorderansicht und zeigt die winzige Öffnung 15 der vorliegenden Ausführungsform. 6(b) ist eine Vorderansicht und zeigt eine winzige Öffnung 25 des Vergleichsbeispiels 1, 6(c) ist eine Vorderansicht und zeigt eine winzige Öffnung 35 des Vergleichsbeispiels 2. Wie in 6(b) gezeigt, ist die winzige Öffnung 25 des Vergleichsbeispiels 1 rechteckig ausgebildet, und ihr Längsmaß und Seitenmaß entsprechen dem Maß L bzw. der Breite aX am schmalen Abschnitt 16 der winzigen Öffnung 15. Wie in 6(c) gezeigt, ist die winzige Öffnung 35 des Vergleichsbeispiels 2 quadratisch, und die Länge jeder Seite ist größer als die Breite bX an jedem breiten Abschnitt 17 der winzigen Öffnung 15der vorliegenden Ausführungsform.

Es wurde die Lichtstärke in einer imaginären Ebene, die den Mittelpunkt 0 jeder winzigen Öffnung 15, 25, 35 enthält, unter identischen Bedingungen untersucht. 7 zeigt die Lichtstärkenverteilung entlang einer imaginären seitlichen Ebene (in der X-Richtung der (6a) bis 6(b)), die den Mittelpunkt 0 jeder winzigen Öffnung 25, 15, 35 enthält. 8 zeigt die Lichtstärkenverteilung entlang einer imaginären vertikalen Ebene (in der Y-Richtung der (6a) bis 6(b)), die den Mittelpunkt 0 jeder winzigen Öffnung 25, 15, 35 enthält. In den 7 und 8 stellt die Kurve a die Stärkenverteilung von durch die winzige Öffnung 15 dieser Ausführungsform hindurch getretenem Licht, die Kurve b die Stärkenverteilung von durch die winzige Öffnung 25 des Vergleichsbeispiels 1 hindurch getretenem Licht und die Kurve c die Stärkenverteilung von durch die winzige Öffnung 35 des Vergleichsbeispiels 2 hindurch getretenem Licht dar.

Wie durch die Kurve a in den 7 und 8 veranschaulicht, ist die Lichtstärke nahe dem Mittelpunkt 0 signifikant erhöht. Einer der Gründe dafür ist der, dass Oberflächenplasmone an den Grenzflächen S im schmalen Abschnitt 16 aneinander gekoppelt werden, wodurch die elektromagnetische Stärke erhöht wird. Ein anderer Grund liegt darin, dass die Phasengeschwindigkeit von Oberflächenplasmonen an der Oberfläche des schmalen Abschnitts 16 geringer ist und durch den Lichtwellenleiter 13 geleitetes Licht zum schmalen Abschnitt 16 konvergiert.

Als nächstes wird der Fall der winzigen Öffnung 25 des Vergleichsbeispiels 1 untersucht. Wie durch die Kurven b dargestellt, liegt der Maximalwert der Lichtstärkenverteilung im Mittelpunkt 0 der winzigen Öffnung 25. Einer der Gründe dafür dürfte der sein, dass Oberflächenplasmone an den gegenüberliegenden Grenzflächen aneinander gekoppelt werden. Im Vergleich zur winzigen Öffnung 15 der vorliegenden Ausführungsform, die durch die Kurve a veranschaulicht wird, ist die elektrische Feldstärke im Vergleichsbeispiel 1 gering. Dies deswegen, weil die Gestalt der Öffnung 25 rechteckig mit einer konstanten Breite in Längsrichtung ist. Mit anderen Worten, die winzige Öffnung 25 hat keinen schmalen Abschnitt 16 und keine breiten Abschnitte 17, die fortlaufend ausgebildet sind.

Im Vergleich zur winzigen Öffnung 15 der vorliegenden Ausführungsform ist die Öffnung 25 des Vergleichsbeispiels 1 daher weniger wirksam bei der Absenkung der Phasengeschwindigkeit des Oberflächenplasmons, um Durchlicht zu konvergieren. Die winzige Öffnung 25 ist jedoch ebenso wirksam wie die winzige Öffnung 15 beim Bewirken der Kopplung von an den Grenzflächen generierten Oberflächenplasmonen aneinander, um so die elektrische Feldstärke zu erhöhen. Dementsprechend liegt dem Vergleichsbeispiel 1 derselbe technische Gedanke zugrunde wie der vorliegenden Ausführungsform und kann als Modifikation der Ausführungsform angesehen werden.

Was die winzige Öffnung 35 des Vergleichsbeispiels 2 anlangt, so ist die Lichtstärke an der linken und rechten Grenzfläche, wo Oberflächenplasmone generiert werden, leicht erhöht, wie durch die Kurven c veranschaulicht ist. Die Lichtstärke wird jedoch im Mittelpunkt 0 der winzigen Öffnung 35 kaum erhöht. Das bedeutet, dass die elektrische Feldstärke im Fall der winzigen Öffnung 35 des Vergleichsbeispiels 2 durch die Kopplung von an den Grenzflächen generierten Oberflächenplasmonen nicht erhöht wird. Daher reduziert die winzige Öffnung 35 die Phasengeschwindigkeit von Oberflächenplasmonen nicht, um Durchlicht zu konvergieren, und eignet sich daher nicht zur Verwendung in der Praxis.

Die Lichtwellenleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat die folgenden Vorteile.

  • (1) Der Hauptkörper 12 enthält den Lichtwellenleiter 13 und ist aus Silber, einem Plasmone aktivierenden Medium. Daher werden, wenn Licht in den Lichtwellenleiter 13 eintritt, an der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 (einschließlich der winzigen Öffnung 15) Oberflächenplasmone generiert. Die Breite aX des schmalen Abschnitts 16 des Lichtwellenleiters 13 (der winzigen Öffnung 15) beträgt 31 nm, was weniger als die halbe Wellenlänge des Lichts ist. Daher werden an den einander zugewandten Grenzflächen S des schmalen Abschnitts 16 generierte Oberflächenplasmone aneinander gekoppelt und erhöhen die elektrische Feldstärke. Weiters konvergiert das Licht im Lichtwellenleiter 13 zum schmalen Abschnitt 16, da die Phasengeschwindigkeit der Oberflächenplasmone am schmalen Abschnitt 16 verringert ist. Dementsprechend erhöht der schmale Abschnitt 16 die Intensität eines Punktlichts (Nahfeldlichts), das aus der winzigen Öffnung 15 (der distalen Öffnung des Lichtwellenleiters 13) austritt. Mit anderen Worten, die Stärke des Punktlichts wird mit geringen Kosten erhöht, ohne die Stärke der Lichtquelle zu erhöhen oder die Lichtdivergenz zu erweitern.
  • (2) Das Maß L des Lichtwellenleiters 13 (der winzigen Öffnung 15) entlang einer Richtung, in der der schmale Abschnitt 16 und die breiten Abschnitte 17 fortlaufend ausgebildet sind, ist größer als der vorbestimmte Maßberechnungswert. Der Maßberechnungswert wird wie folgt erhalten. Zuerst wird die Phasengeschwindigkeit vz von im schmalen Abschnitt 16 erzeugten Oberflächenplasmonen durch die Lichtgeschwindigkeit c (die Geschwindigkeit von Durchlicht durch ein Vakuum) dividiert. Dann wird das Ergebnis der Division mit der halben Wellenlänge des durchfallenden Lichts multipliziert. Das Ergebnis wird als Maßberechnungswert verwendet. Daher wird Licht, das von der Lichtleitfaser F in den Lichtwellenleiter 13 eintritt, nicht blockiert und als Punktlicht (Nahfeldlicht) mit erhöhter Stärke aus der winzigen Öffnung 15 hinausgeleitet.
  • (3) Nicht nur der Teil neben der winzigen Öffnung 15, sondern auch die gesamte Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 ist aus Silber (Ag), einem Plasmone aktivierenden Medium. Daher werden Oberflächenplasmone an der gesamten Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 generiert. Weiters ist der schmale Abschnitt 16 von der winzigen Öffnung 15 oder distalen Öffnung durchgehend bis zur hinteren Öffnung 14 ausgebildet. Daher werden an den einander zugewandten Grenzflächen S generierte Oberflächenplasmone entlang der gesamten Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 aneinander gekoppelt, so dass die elektrische Feldstärke erhöht wird. Auch wird das Licht am schmalen Abschnitt 16 entlang der gesamten Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 durch die reduzierte Phasengeschwindigkeit des Lichts konvergiert.
  • (4) Silber (Ag), dessen Realteil der relativen komplexen Permittivität negativ ist, wird als Plasmone aktivierendes Medium verwendet. Somit werden auf wirkungsvolle und zuverlässige Weise Oberflächenplasmone generiert. Die Lichtwellenleitereinrichtung 11 lässt sich durch einfache Ausbildung des Lichtwellenleiters 13 in dem aus dem Plasmone aktivierenden Medium (Ag) hergestellten Hauptkörper (Metallplatte) 12 leicht anfertigen.
  • (5) Die am distalen Ende des Lichtwellenleiters 13 ausgebildete winzige Öffnung 15 weist den schmalen Abschnitt 16 auf, und die Breite aX des schmalen Abschnitts 16 ist kleiner als die Hälfte er Wellenlänge des Durchlichts. Die Innenfläche des Lichtwellenleiters 13, die mit dem schmalen Abschnitt 16 in Verbindung steht, ist aus einem Plasmone aktivierenden Medium gebildet. Daher wird die Lichtwellenleitereinrichtung 11 vorteilhaft als optische Sonde in verschiedenen Arten von optischen Verarbeitungsgeräten wie optischen Nahfeld-Rastermikroskopen und optischen Datenaufzeichnungsgeräten verwendet.

Eine Lichtwellenleitereinrichtung 11A gemäß einer zweiten Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf die 9 bis 11(b) beschrieben. In dieser Ausführungsform ist die Lichtwellenleitereinrichtung 11A eine optische Sonde. Die zweite Ausführungsform ist gleich wie die erste Ausführungsform mit Ausnahme der Gestalt des vorderen Teils 12a des Hauptkörpers 12 und der Maße der winzigen Öffnung 15 (z.B. der Breite aX des schmalen Abschnitts 16). Daher werden nachstehend in erster Linie die Unterschiede zur ersten Ausführungsform erörtert und ähnliche oder gleiche Komponenten wie in der ersten Ausführungsform mit ähnlichen bzw. gleichen Bezugszeichen versehen.

Wie in den 9 und 10 gezeigt, enthält die Lichtwellenleitereinrichtung (optische Sonde) 11A der zweiten Ausführungsform einen Hauptkörper 12. Wie in der ersten Ausführungsform ist der Hauptkörper 12 eine Platte aus Silber. Ein kegel- oder pyramidenförmiger Vorsprung 12b ist am vorderen Teil des Hauptkörpers 12 ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Vorsprung 12b ein glatter Kegel. Der Vorsprung 12b befindet sich im Wesentlichen in der Mitte des vorderen Teils 12a. Ein Lichtwellenleiter 13 ist im Hauptkörper 12 ausgebildet. Der Lichtwellenleiter 13 entspricht dem Vorsprung 12b. Eine winzige Öffnung 15 ist im vorderen Teil 12b des vorderen Teils 12a ausgebildet. In der Vorderansicht teilt die winzige Öffnung 15 den Vorsprung 12b in zwei Hälften. Die Breite der winzigen Öffnung 15 ist kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Die winzige Öffnung 15 fungiert als Endöffnung (distale Öffnung) des Lichtwellenleiters 13.

Wie in den 1 und 2 gezeigt, weist die winzige Öffnung 15 einen schmalen Abschnitt 16 und ein Paar breite Abschnitte 17 auf, die abwechselnd und fortlaufend ausgebildet sind. Der schmale Abschnitt 16 liegt im Wesentlichen in der Mitte des vorderen Teils 12a. Die breiten Abschnitte 17 erstrecken sich jeweils von der Spitze zum Fuß des Vorsprungs 12b. Die Breite der breiten Abschnitte 17 ist größer als jene des schmalen Abschnitts 16. Wie bei der ersten Ausführungsform ist die Breite des schmalen Abschnitts 16 und der breiten Abschnitte 17 jeweils als Maß entlang der Polarisationsrichtung von durch den Lichtwellenleiter 13 geleitetem Licht, oder als Maß in. der X-Richtung gemäß 9 und 10, definiert. Der schmale Abschnitt 16 und die breiten Abschnitte 17 sind fortlaufend entlang einer Richtung senkrecht zur Breitenrichtung, oder entlang einer Y-Richtung gemäß 9 und 10, ausgebildet.

In der ersten Ausführungsform liegt die winzige Öffnung 15 entlang einer Ebene senkrecht zu der Richtung, entlang welcher Licht durch den Lichtwellenleiter 13 geleitet wird. In der zweiten Ausführungsform liegt die winzige Öffnung 15 entlang einer gekrümmten Ebene, die in der Richtung vorsteht, entlang welcher Licht durch den Lichtwellenleiter 13 geleitet wird, oder in der Z-Richtung gemäß den 9 und 10. Genauer gesagt liegt die winzige Öffnung 15 entlang einer gekrümmten Ebene, die einem Querschnitt des konischen Vorsprungs 12b entlang einer Ebene der Y- und Z-Achsen in den 9 und 10 entspricht. Zwar ist die tatsächliche Größe der winzigen Öffnung 15 im Vergleich zur Größe des Hauptkörpers 12 (und des vorderen Teils 12a) signifikant klein, doch ist die Größe der winzigen Öffnung 15 in 9 und anderen Figuren übertrieben dargestellt, damit die einzigartige Form der winzigen Öffnung 15 leicht erkennbar ist.

Die Breite aX (siehe 10) des schmalen Abschnitts 16 der winzigen Öffnung 15 gemäß der zweiten Ausführungsform ist kleiner als die Breite aX (31 nm) des schmalen Abschnitts 16 der ersten Ausführungsform. Beispielsweise beträgt die Breite aX des schmalen Abschnitts 16 in der zweiten Ausführungsform 16 nm. Die Breite bX (siehe 10) der breiten Abschnitte 17 gemäß der zweiten Ausführungsform ist kleiner als die Breite bX (78 nm) der breiten Abschnitte 17 der ersten Ausführungsform. Zum Beispiel beträgt die Breite bX der breiten Abschnitte 17 in der zweiten Ausführungsform 48 nm. Die Länge aY (siehe 10) des schmalen Abschnitts 16 ist gleich der Länge aY (31 nm) des schmalen Abschnitts 16. Die Länge bY jedes breiten Abschnitts 17 ist größer als die Länge bY (93 nm) jedes breiten Abschnitts 17 der ersten Ausführungsform. Beispielsweise beträgt die Länge bY jedes breiten Abschnitts 17 in der zweiten Ausführungsform 402 nm. Die Dicke des Plattenteils des Hauptkörpers 12 beträgt 78 nm. Die Höhe des vom vorderen Teil 12a abstehenden Vorsprungs 12b beträgt 202 nm. Daher beträgt das Maß L (siehe 10) der winzigen Öffnung 15 der zweiten Ausführungsform 835 nm. Das Maß L ist der Durchmesser des Vorsprungs 12b.

Es wird nun eine Wirkungsweise einer Lichtwellenleitereinrichtung 11A der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.

Wie in der ersten Ausführungsform wird bestimmtes Licht mit einer Wellenlänge von 488 nm verwendet. Das bestimmte Licht ist eine ebene Welle mit linearer Polarisation, und seine Polarisationsrichtung ist die X-Richtung gemäß 9 und 10. Bei Eintritt des vorbestimmten Lichts in den Lichtwellenleiter 13 des Hauptkörpers 12 durch die Lichtleitfaser F findet das nachstehend beschriebene Phänomen statt. Das heißt, es werden Oberflächenplasmone (elektromagnetische Wellen) generiert. Die Durchlassrichtung der generierten Oberflächenplasmone ist eine Richtung entlang der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 (entlang der Z-Richtung in 9). Die elektrischen Felder von an den Grenzflächen S generierten Oberflächenplasmonen werden aneinander gekoppelt. In der Folge nimmt die Stärke des elektrischen Felds am schmalen Abschnitt 16 des Lichtwellenleiters 13 zu. An der gesamten Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 einschließlich dem schmalen Abschnitt 16 und den breiten Abschnitten 17 generierte Oberflächenplasmone werden unter Reduktion der Phasengeschwindigkeit vz zum schmalen Abschnitt 16 konvergiert. Daher nimmt wie in der ersten Ausführungsform die Stärke von durch den Lichtwellenleiter 13 geleitetem Licht am schmalen Abschnitt 16 zu. Das Durchlicht mit erhöhter Stärke tritt aus dem schmalen Abschnitt 16 der winzigen Öffnung 15 als Punktlicht (Nahfeldlicht) aus.

In der zweiten Ausführungsform ist die Divergenz des aus der winzigen Öffnung 15 austretenden Punktlichts (Nahfeldlichts) noch geringer als in der ersten Ausführungsform. Dieser Punkt wird nachstehend erörtert. Wie in der ersten Ausführungsform ist 11(a) eine Vorderansicht einer Lichtwellenleitereinrichtung 11, die einen Hauptkörper 12 mit einem flachen vorderen Teil 12a aufweist. Eine winzige Öffnung (distale Öffnung) 15 eines Lichtwellenleiters 13 ist im vorderen Teil 12a ausgebildet. 11(b) ist eine Vorderansicht und zeigt die Lichtwellenleitereinrichtung 11A gemäß der zweiten Ausführungsform. Der konische Vorsprung 12b ist am vorderen Teil des Hauptkörpers 12 ausgebildet. Die winzige Öffnung (distale Öffnung) 15 des Lichtwellenleiters 13 ist im Vorsprung 12b ausgebildet. Links von jeder winzigen Öffnung 15 ist eine helle Zone 20a strichliert in den 11(a) und 11(b) dargestellt. Jede helle Zone 20a stellt die Verteilung des aus dem schmalen Abschnitt 16 jeder winzigen Öffnung 15 austretenden Punktlichts dar. Desgleichen ist Peripherlicht um jede helle Zone 20a strichpunktiert dargestellt. Die mit strichpunktierten Linien angemerkten Bereiche werden als Zwielichtzonen 20b bezeichnet.

Wie aus einem Vergleich zwischen den 11(a) und 11(b) hervorgeht, ist die Größe der hellen Zone 20a des aus jeder winzigen Öffnung 15 austretenden Punktlichts bei der Lichtwellenleitereinrichtung 11A der in 11(b) gezeigten, zweiten Ausführungsform kleiner als bei der in 11(a) gezeigten Lichtwellenleitereinrichtung 11. Desgleichen ist die Größe der Zwielichtzone 20b des Peripherlichts um das Punktlicht etwas ausgedehnter in der Längsrichtung der winzigen Öffnung bei der in 11(a) gezeigten Lichtwellenleitereinrichtung 11, wohingegen die Zwielichtzone 20b bei der Lichtwellenleitereinrichtung 11A gemäß der in 11(b) gezeigten, zweiten Ausführungsform relativ klein und ähnlich der hellen Zone 20a ist. Daher ist die Divergenz von aus der winzigen Öffnung 15 der Lichtwellenleitereinrichtung 11A gemäß der zweiten Ausführungsform austretendem Licht relativ klein. Das heißt, die helle Zone 20a des Punktlichts mit größerer Stärke und die Zwielichtzone 20b rund um die helle Zone 20a sind beide klein. Das ist günstig für eine erhöhte Auflösung und Datenaufzeichnungsdichte bei der optischen Verarbeitung.

Die Gründe dafür sind wie folgt zu sehen. Die elektrischen Felder von an der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13generierten Oberflächenplasmonen werden aneinander gekoppelt, und zwar vorwiegend an den Grenzflächen S der schmalen Abschnitte. Weiters findet in anderen Bereichen zwischen den Grenzflächen (z.B. in Bereichen zwischen den Grenzflächen entsprechend jedem breiten Abschnitt 17) eine elektrische Feldkopplung statt, und die elektrische Feldstärke wird erhöht, wenn auch nur um einen geringeren Grad als im Bereich zwischen den Grenzflächen S des schmalen Abschnitts 16. Solche Oberflächenplasmone konvergieren zum schmalen Abschnitt 16, wo die Phasengeschwindigkeit vz gesenkt wird. Somit erhöhen Oberflächenplasmone die Stärke von Durchlicht und bewirken, dass das Licht aus dem schmalen Abschnitt 16 als Punktlicht austritt. Andererseits wird aus der winzigen Öffnung 15 ausgesendetes Durchlicht (enthaltend das Punktlicht und das Peripherslicht) mit zunehmender Entfernung von der winzigen Öffnung 15 allmählich schwächer. In einer bestimmten Entfernung von der winzigen Öffnung 15 erlischt das Durchlicht.

In der zweiten Ausführungsform weist die Lichtwellenleitereinrichtung 11A den konischen Vorsprung 12b auf und ist die winzige Öffnung 15 am Vorsprung 12b ausgebildet. Die winzige Öffnung 15 liegt entlang einer Oberfläche, die in der Richtung, in welcher das Durchlicht ausgestrahlt wird, gekrümmt ist. Bei dieser Konstruktion wird das Licht der Zwielichtzone 20b des Peripherlichts schwächer und erlischt am Fuß des Vorsprungs 12b aufgrund der Abschwächung nach der Emission. In der hellen Zone 20a des Punktlichts wird die Lichtstärke durch Oberflächenplasmone erhöht, die von der gesamten Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 zum schmalen Abschnitt 16 konvergieren. Vom Fuß des Vorsprungs 12b zur Spitze nimmt jedoch die Länge der Innenfläche jedes breiten Abschnitts 17 ab. Daher ist die Zone, in der die Lichtstärke erhöht wird (d.h. die helle Zone 20a) klein.

Weiters ist die Phasengeschwindigkeit von Licht (Oberflächenplasmonen), das entlang der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 zur winzigen Öffnung 15 wandert, geringer als die Phasengeschwindigkeit beim Passieren eines Raums außerhalb der winzigen Öffnung 15 oder von Luft. Somit ist zu erwarten, dass es in der Lichtleitrichtung zu einer Reflexion an der Grenzfläche zwischen der winzigen Öffnung 15, d.h. des Auslasses des Lichtwellenleiters 13, und der Außenluft kommt, und zwar aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindexe der beiden Medien (Silber und Luft). Im Allgemeinen kann Licht reflektiert werden, wenn es eine Grenzfläche mit einem größeren Winkel erreicht (im Extremfall wird das Licht total reflektiert). Somit wird Licht (Oberflächenplasmone), das entlang der Innenfläche jedes am Fuß des konischen Vorsprungs 12b gelegenen breiten Abschnitts 17 zur winzigen Öffnung 15 gewandert ist, an der Grenzfläche signifikant reflektiert. Das Licht wird daher von den breiten Abschnitten 17 der winzigen Öffnung 15 kaum emittiert. Das reflektierte Licht wird danach von den Grenzflächen weiter reflektiert, die in Bezug auf die Lichtleitrichtung geneigt sind und zum Mittelpunkt der winzigen Öffnung 15 konvergieren, an welcher der schmale Abschnitt 16 ausgebildet ist (oder zum distalen Ende des Vorsprungs 12b). Daher werden, wie aus einem Vergleich der 11(a) und 11(b) hervorgeht, in der Lichtwellenleitereinrichtung 11A mit dem konischen Vorsprung 12b mit der winzigen Öffnung 15 sowohl die helle Zone 20a als auch die Zwielichtzone 20b minimiert.

Dementsprechend weist die Lichtwellenleitereinrichtung 11A neben den Vorteilen (1) bis (5) der Lichtwellenleitereinrichtung 11 der ersten Ausführungsform die folgenden Vorteile auf.

  • (6) In dieser Ausführungsform wird die Divergenzverteilung des von der winzigen Öffnung 15, d.h. der distalen Öffnung des Lichtwellenleiters 13, emittierten Lichts minimiert. Mit anderen Worten, es werden sowohl die helle Zone 20a als auch die Zwielichtzone 20b minimiert. Das ergibt eine höhere Auflösung und eine höhere Datenaufzeichnungsdichte bei der optischen Verarbeitung.
  • (7) In der vorliegenden Ausführungsform ist die winzige Öffnung 15 des Lichtwellenleiters 13 nicht im flachen vorderen Teil 12a des Hauptkörpers 12 ausgebildet, sondern im konischen Vorsprung 12b. Durchlicht tritt aus der winzigen Öffnung 15 am schmalen Abschnitt 16 als Punktlicht (Nahfeldlicht) aus. Der schmale Abschnitt 16 befindet sich an der Spitze des Vorsprungs 12b. Daher ist es einfach, das Punktlicht beispielsweise bei der optischen Feinverarbeitung unter Verwendung eines optischen Nahfeld-Rastermikroskops auf eine Probe zu strahlen. Die Einrichtung 11 der zweiten Ausführungsform ist daher praktisch.

Es wird nun eine Lichtwellenleitereinrichtung 11B unter Bezugnahme auf die 12 und 13(b) beschrieben. Die Lichtwellenleitereinrichtung 11B ist eine optische Sonde. Es ist die gleiche wie in der zweiten Ausführungsform mit Ausnahme der Gestalt der im Vorsprung 12b des vorderen Teils 12a des Hauptkörpers 12 ausgebildeten winzigen Öffnung 15. Daher werden nachstehend in erster Linie Unterschiede zur ersten und zweiten Ausführungsform erörtert und ähnliche oder gleiche Komponenten wie in der ersten und zweiten Ausführungsform mit ähnlichen bzw. gleichen Bezugszeichen versehen.

Wie in 12 gezeigt, enthält die Lichtwellenleitereinrichtung (optische Sonde) 11B einen Hauptkörper 12. Wie in der zweiten Ausführungsform ist der Hauptkörper 12 eine Platte aus Silber. Der kegelförmige Vorsprung 12b ist wie bei der zweiten Ausführungsform am vorderen Teil des Hauptkörpers 12 ausgebildet. Ein Lichtwellenleiter 13 ist im Hauptkörper 12 ausgebildet. Der Lichtwellenleiter 13 entspricht dem Vorsprung 12b. Eine winzige Öffnung 15 ist im Vorsprung 12b des vorderen Teils 12a ausgebildet. In der Vorderansicht teilt die winzige Öffnung 15 die Vorsprünge 12b in zwei Hälften. Die Breite der winzigen Öffnung 15 ist kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Die winzige Öffnung 15 fungiert als Endöffnung (distale Öffnung) des Lichtwellenleiters 13.

Im Gegensatz zu der in der Lichtwellenleitereinrichtung 11A gemäß der zweiten Ausführungsform ausgebildeten winzigen Öffnung 15 besitzt die winzige Öffnung 15 der Lichtwellenleitereinrichtung 11B keine breiten Abschnitte. Das heißt, die winzige Öffnung 15 ist ein lang gestrecktes Rechteck mit konstanter Breite in Längsrichtung. Wie in der zweiten Ausführungsform ist die Breite der winzigen Öffnung 15 als Maß entlang der Polarisationsrichtung von durch den Lichtwellenleiter 13 geleitetem Licht, oder als Maß entlang einer X-Richtung gemäß 12, definiert. Die winzige Öffnung 15 ist als Rechteck ausgebildet, das in einer Richtung senkrecht zur Breitenrichtung, oder entlang der Y-Richtung gemäß 12, lang gestreckt ist. Wie in der zweiten Ausführungsform liegt die winzige Öffnung 15 entlang einer gekrümmten Ebene, die in der Richtung vorsteht, entlang welcher Licht durch den Lichtwellenleiter 13 geleitet wird, oder in der Z-Richtung gemäß 12. Zwar ist die tatsächliche Größe der winzigen Öffnung 15 im Vergleich zur Größe des Hauptkörpers 12 signifikant klein, doch ist die Größe der winzigen Öffnung 15 in den 12 bis 13(b) aus denselben Gründen wie oben übertrieben dargestellt.

Die Breite aX der winzigen Öffnung 15 oder die Breite des schmalen Abschnitts 16 beträgt 16 nm, d.h. ist gleich der Breite aX des schmalen Abschnitts 16 der winzigen Öffnung 15 gemäß der zweiten Ausführungsform. Die Länge der winzigen Öffnung 15 (und des schmalen Abschnitts 16) oder das Längsmaß der winzigen Öffnung beträgt 402 nm, was dem Maß bY (siehe 10) jedes breiten Abschnitts 17 entspricht. Das heißt, der Durchmesser des Vorsprungs 12b beträgt 402 nm. Wie in der zweiten Ausführungsform beträgt die Dicke des Plattenteils des Hauptkörpers 12 78 nm. Die Höhe des vom vorderen Teil 12a vorragenden Vorsprungs 12b beträgt 202 nm.

Wie in den vorherigen Ausführungsformen wird bestimmtes Licht mit einer Wellenlänge von 488 nm verwendet. Das bestimmte Licht ist eine ebene Welle mit linearer Polarisation, und seine Polarisationsrichtung ist die X-Richtung gemäß 12. Bei Eintritt des bestimmten Lichts in den Lichtwellenleiter 13 des Hauptkörpers 12 durch die Lichtleitfaser F findet das nachstehend beschriebene Phänomen statt. Das heißt, es werden wie in den vorherigen Ausführungsformen Oberflächenplasmone an der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 generiert. Die elektrischen Felder der Oberflächenplasmone werden aneinander gekoppelt. In der Folge nimmt die elektrische Feldstärke zu. Daher steigt aufgrund der Kopplung der elektrischen Felder die Stärke von durch den Lichtwellenleiter 13 geleitetem Licht. Das Durchlicht mit höherer Stärke tritt aus der winzigen Öffnung 15 (insbesondere aus einem Bereich an der Spitze des Vorsprungs 12b) als Punktlicht (Nahfeldlicht) aus.

Wie in der zweiten Ausführungsform ist die Divergenz des aus der winzigen Öffnung 15 austretenden Punktlichts (Nahfeldlichts) noch geringer als in der ersten Ausführungsform. Dieser Punkt wird nachstehend erörtert. Wie 6(b), die das Vergleichsbeispiel 1 zeigt, ist 13(a) eine Vorderansicht einer Lichtwellenleitereinrichtung 11, die einen Hauptkörper 12 mit einem flachen vorderen Teil 12a aufweist. Eine winzige Öffnung (distale Öffnung) 15 eines Lichtwellenleiters 13 ist im vorderen Teil 12a ausgebildet. Die winzige Öffnung 15 der 13(a) ist als lang gestrecktes Rechteck ausgebildet. 13(b) ist eine Vorderansicht und zeigt die Lichtwellenleitereinrichtung 11B. Der konische Vorsprung 12b ist am vorderen Teil des Hauptkörpers 12 ausgebildet. Die winzige Öffnung (distale Öffnung) 15 des Lichtwellenleiters 13 ist im Vorsprung 12b ausgebildet. Die winzige Öffnung 15 der 13(b) hat die Gestalt eines lang gestreckten Rechtecks. Wie in den 11(a) und 11(b) der zweiten Ausführungsform sind eine helle Zone 20a jedes Punktlichts und eine Zwielichtzone 20b des Peripherslichts strichliert bzw. strichpunktiert links von jeder winzigen Öffnung 15 in den 13(a) und 13(b) dargestellt.

Wie aus einem Vergleich zwischen den 13(a) und 13(b) hervorgeht, ist die Größe der hellen Zone 20a des aus der winzigen Öffnung 15 austretenden Punktlichts im Wesentlichen rechteckig entlang der winzigen Öffnung 15 in der in 13(a) gezeigten Lichtwellenleitereinrichtung 11. In der Lichtwellenleitereinrichtung 11B der 13(b) ist die Größe der hellen Zone 20a klein wie in der Lichtwellenleitereinrichtung 11A gemäß der zweiten Ausführungsform. Auch ist die Zwielichtzone 20b der in 13(a) gezeigten Lichtwellenleitereinrichtung 11 entlang der Längsrichtung der winzigen Öffnung 15 lang gezogen. In der Lichtwellenleitereinrichtung 11B der 13(b) ist die Größe der Zwielichtzone 20b klein und die Gestalt ähnlich jener der hellen Zone 20a wie in der Lichtwellenleitereinrichtung 11A der zweiten Ausführungsform.

Auf dieser Weise ist die Divergenz von aus der winzigen Öffnung 15 der Lichtwellenleitereinrichtung 11B gemäß der dritten Ausführungsform austretendem Licht relativ gering. Das heißt, die helle Zone 20a des Punktlichts mit erhöhter Stärke und die Zwielichtzone 20b rund um die helle Zone 20a sind beide klein. Das ist günstig für eine Erhöhung der Auflösung und Datenaufzeichnungsdichte bei der optischen Verarbeitung. Dies deswegen, weil die winzige Öffnung 15 nicht im flachen vorderen Teil 12a ausgebildet ist, sondern im konischen Vorsprung 12b. Eine detaillierte Beschreibung der Wirkungsweise erfolgte bei der zweiten Ausführungsform.

Neben den Vorteilen (1) bis (5) der Lichtwellenleitereinrichtung 11 gemäß der ersten Ausführungsform und den Vorteilen (6) und (7) der Lichtwellenleitereinrichtung 11A gemäß der zweiten Ausführungsform weist die Lichtwellenleitereinrichtung 11B die folgenden Vorteile auf.

  • (8) Bei der Bildung des mit der winzigen Öffnung 15 im Hauptkörper 12 in Verbindung stehenden Lichtwellenleiters 13 müssen kein schmaler Abschnitt 16 und keine breiten Abschnitte mit unterschiedlicher Breite fortlaufend ausgebildet werden. Es wird vielmehr nur der Lichtwellenleiter 13 mit einem lang gestreckten rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Lichtleitrichtung gebildet. Dadurch verringern sich die Herstellungskosten.

Es wird nun eine Lichtwellenleitereinrichtung 11C gemäß einer dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 14 beschrieben. In dieser Ausführungsform ist die Lichtwellenleitereinrichtung 11C eine optische Sonde. Die dritte Ausführungsform ist gleich wie die zweite Ausführungsform mit Ausnahme der Gestalt eines am vorderen Teil 12a des Hauptkörpers 12 ausgebildeten Vorsprungs. Daher werden nachstehend in erster Linie die Unterschiede zur ersten und zweiten Ausführungsform erörtert und ähnliche oder gleiche Komponenten wie in der ersten und zweiten Ausführungsform mit ähnlichen bzw. gleichen Bezugszeichen versehen.

Wie in 14 gezeigt, enthält die Lichtwellenleitereinrichtung (optische Sonde) 11C der vorliegenden Ausführungsform einen Hauptkörper 12 in Form einer Metallplatte. Wie in der zweiten Ausführungsform ist der Hauptkörper 12 aus Silber (Ag) gefertigt. Wie in den vorherigen Ausführungsformen ist ein Lichtwellenleiter 13 im Hauptkörper 12 entlang der Dickenrichtung ausgebildet. Dünne säulenförmige Vorsprünge 12c sind am vorderen Teil 12a angeformt. Die Vorsprünge 12c sind durch weiter reichende Stufenteile gebildet, die den schmalen Abschnitt 16 entlang der Richtung definieren, in welcher Durchlicht aus der winzigen Öffnung 15 emittiert wird. Die Breite und Länge des schmalen Abschnitts 16 und der breiten Abschnitte 17 im Lichtwellenleiter 13 (und in der winzigen Öffnung 15) sind gleich wie bei der Lichtwellenleitereinrichtung 11A gemäß der zweiten Ausführungsform. Die Höhe der Vorsprünge 12c beträgt 202 nm, was der Höhe der Vorsprünge 12b der zweiten Ausführungsform entspricht.

Wie in den vorherigen Ausführungsformen wird bestimmtes Licht mit einer Wellenlänge von 488 nm verwendet. Das vorbestimmte Licht ist eine ebene Welle mit linearer Polarisation, und seine Polarisationsrichtung ist die X-Richtung gemäß 14. Bei Eintritt des vorbestimmten Lichts in den Lichtwellenleiter 13 des Hauptkörpers 12 durch die Lichtleitfaser F findet das nachstehend beschriebene Phänomen statt. Das heißt, es werden wie in den vorherigen Ausführungsformen Oberflächenplasmone an der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 generiert. Die elektrischen Felder der Oberflächenplasmone werden aneinander gekoppelt. In der Folge nimmt die elektrische Feldstärke zu. Daher steigt aufgrund der Kopplung der elektrischen Felder die Stärke von durch den Lichtwellenleiter 13 geleitetem Licht. Das Durchlicht mit erhöhter Stärke tritt aus der winzigen Öffnung 15 (insbesondere aus einem Bereich an den Spitzen der Vorsprünge 12b) als Punktlicht (Nahfeldlicht) aus.

Wie in der zweiten Ausführungsform ist die Divergenz des aus der winzigen Öffnung 15 austretenden Punktlichts (Nahfeldlichts) noch geringer als in der ersten Ausführungsform. Das heißt, die helle Zone des Punktlichts mit erhöhter Stärke und die Zwielichtzone 20b rund um die helle Zone 20a sind beide klein. Das ist günstig für eine Erhöhung der Auflösung und Datenaufzeichnungsdichte bei der optischen Verarbeitung. Die helle Zone und die Zwielichtzone werden aus denselben Gründen wie bei der Lichtwellenleitereinrichtung 11A der zweiten Ausführungsform minimiert. Das bedeutet, dass die winzige Öffnung 15 nicht entlang einer Ebene senkrecht zu der Richtung liegt, entlang welcher Licht durch den Lichtwellenleiter 13 geleitet wird, sondern entlang einer projizierten Ebene, die die distalen Enden der dünnen, säulenförmigen Vorsprünge 12c enthält. Eine detaillierte Beschreibung der Wirkungsweise erfolgte in der zweiten Ausführungsform und wird bei dieser Ausführungsform nicht wiedergegeben.

Die Lichtwellenleitereinrichtung 11C gemäß der dritten Ausführungsform bietet dieselben Vorteile wie die Vorteile (1) bis (5) der Lichtwellenleitereinrichtung 11 gemäß der ersten Ausführungsform und die Vorteile (6) und (7) der Lichtwellenleitereinrichtung 11A gemäß der zweiten Ausführungsform.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen können wie folgt modifiziert werden.

Jede der oben veranschaulichten Ausführungsformen besitzt nur einen schmalen Abschnitt 16. Wie in 15(a) gezeigt, können jedoch auch zwei schmale Abschnitte 16 und drei breite Abschnitte 17 abwechselnd zur Bildung einer Öffnung vorgesehen sein. Bei dieser Konstruktion werden zwei Punktlichter mit erhöhter Lichtstärke erzeugt. Kurz gesagt, solange mindestens ein schmaler Abschnitt 16 angrenzend an die breiten Abschnitte 17 in der winzigen Öffnung 15 vorgesehen ist, kann die Anzahl der schmalen Abschnitte 16 auch mehr als eins betragen.

In jeder der oben veranschaulichten Ausführungsformen ist die winzige Öffnung 15 mit dem schmalen Abschnitt 16 und den breiten Abschnitten 17 geradlinig ausgebildet. Die winzige Öffnung 15 kann jedoch auch mit Kurvenlinien ausgebildet sein. Beispielsweise kann die winzige Öffnung 15 hantelförmig sein wie in 15(b) gezeigt. Alternativ kann die winzige Öffnung 15 durch eine Kombination aus geraden und gekrümmten Linien gebildet sein.

In jeder der oben dargestellten Ausführungsformen ist die winzige Öffnung 15 symmetrisch. Solange jedoch der schmale Abschnitt 16 und die breiten Abschnitte 17 abwechselnd angeordnet sind, kann die Gestalt der Öffnung 15 willkürlich verändert werden. Beispielsweise kann, wie in den 16(a), 16(b) und 16(c) gezeigt, die winzige Öffnung 15 asymmetrisch sein, solange der schmale Abschnitt 16 und die breiten Abschnitte 17 fortlaufend in einer Richtung vorgesehen sind, die die Polarisationsrichtung von Durchlicht schneidet (die Breitenrichtung des schmalen Abschnitts 16 in den 16(a) bis 16(c). Eine übertrieben kurze Länge (wie in 2 durch aY dargestellt) des schmalen Abschnitts 16 schwächt nicht nur die winzige Öffnung 15 mechanisch, sondern hindert auch die Produktion von Oberflächenplasmonen auf den Teilen 18 des schmalen Abschnitts 16. Ist die winzige Öffnung 15 jedoch so gebildet, dass die Teile 18 des schmalen Abschnitts 16 in Längsrichtung versetzt sind wie in 16(c) gezeigt, verringert sich die Länge der einander zugewandten Teile 18, ohne dabei die oben genannte mechanische Schwächung und eine beeinträchtigte Produktion von Oberflächenplasmonen zu bewirken.

In jeder der oben dargestellten Ausführungsformen hat jeder Querschnitt des Lichtwellenleiters 13 senkrecht zur Lichtleitrichtung die gleiche Gestalt wie die winzige Öffnung 15. Der Querschnitt des Lichtwellenleiters 13 variiert jedoch in der Lichtleitrichtung. Wie beispielsweise in den 17(a) und 17(b) gezeigt, kann ein Querschnitt des Lichtwellenleiters 13 im Hauptkörper 12 größer als die winzige Öffnung 15 sein. Ist die Polarisationsrichtung von über die hintere Öffnung 14 eintretendem Licht die Y-Richtung (vertikale Richtung) in 17(a), dann können der schmale Abschnitt 16 und die breiten Abschnitte 17 in der X-Richtung (seitlichen Richtung) fortlaufend sein.

In jeder der oben dargestellten Ausführungsformen liegt der schmale Abschnitt 16 in der Mitte des Querschnitts senkrecht zur Lichtleitrichtung des Lichtwellenleiters 13. Wie in den 18(a) und 18(b) gezeigt, kann der schmale Abschnitt 16 jedoch von der Mitte des Querschnitts des Lichtwellenleiters 13 verlagert sein. Auch kann das Verhältnis zwischen der Breite der breiten Abschnitte 17 zur Breite des schmalen Abschnitts 16 beträchtlich größer als in den oben dargestellten Ausführungsformen sein, solange die Breite des schmalen Abschnitts 16 kleiner als die halbe Wellenlänge des Durchlichts ist. Das heißt, solange die Breite der breiten Abschnitt 17 größer als die Breite des schmalen Abschnitts 16 ist, kann die Breite der breiten Abschnitte 17 unendlich sein.

In jeder der oben dargestellten Ausführungsformen erstreckt sich der Lichtwellenleiter 13 durch den Hauptkörper 12. Das heißt, der Lichtwellenleiter 13 ist tunnelförmig ausgeführt. Wie in den 19(a) und 19(b) gezeigt, kann der Lichtwellenleiter 13 jedoch nutförmig in der Oberfläche des Hauptkörpers 12 ausgebildet sein. In der in den 19(a) und 19(b) gezeigten Modifikation sind ein schmaler Abschnitt 16 von der oberen Oberfläche des Hauptkörpers 12 weg und ein breiter Abschnitt 17 unterhalb des schmalen Abschnitts 16 fortlaufend zu diesem ausgebildet. In der in den 20(a) und 20(b) gezeigten Modifikation ist eine rechteckige Nut mit einem schmalen Abschnitt 16 von der oberen Oberfläche des Hauptkörpers 12 weg ausgebildet. Das Wirkprinzip der in den 20(a) und 20(b) gezeigten Modifikation ist gleich wie jenes des in 6(b) gezeigten Vergleichsbeispiels 1. Daher enthält die distale Öffnung eines erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters nicht nur die distale Öffnung (die in 1 und anderen Figuren gezeigte winzige Öffnung 15) des sich durch den Hauptkörper 12 erstreckenden Lichtwellenleiters 13, sondern auch die distale Öffnung (die in den 19(a) und 20(a) gezeigte distale winzige Öffnung 15) des Lichtwellenleiters 20, welche Öffnung als Nut auf einer Seite des Hauptkörpers 12 ausgebildet ist.

Weiters können, wie in den 21(a) und 21(b) gezeigt, ein breiter Abschnitt 17, ein schmaler Abschnitt 16 und ein breiter Abschnitt 17 durch Bearbeitung von der Oberfläche des Hauptkörpers 12 her in dieser Reihenfolge gebildet werden. In den in 19(a) bis 20(b) gezeigten Modifikationen liegt der schmale Abschnitt 16 des Lichtwellenleiters 13 nahe der Oberfläche des Hauptkörpers 12. In diesem Fall ist die Stärke des Durchlichts an einem Teil nahe der Oberfläche des Hauptkörpers 12 maximiert. Zur Erhöhung der Packungsdichte einer optischen integrierten Schaltung muss eine Anzahl von Lichtwellenleitern mit schmalen Zwischenräumen dazwischen angeordnet werden. Werden nutförmige Lichtwellenleiter in einer derartigen optischen integrierten Schaltung gebildet, können aufgrund des aus den Wellenleitern an der Oberfläche des Hauptkörpers austretenden Lichts Kurzschlüsse entstehen. Bei der Konstruktion der 21(a) und 21(b) liegt einer der breiten Abschnitte 17 frei an der Oberfläche des Hauptkörpers 12. Auch liegt der schmale Abschnitt 16, an dem die Lichtstärke maximal ist, weg von der Oberfläche des Hauptkörpers 12. Diese Konstruktion bietet große Vorteile bei der Verhinderung von Kurzschlüssen zwischen den Lichtwellenleitern 13.

In jeder der oben dargestellten Ausführungsformen sind Öffnungen (die hintere Öffnung 14 und die winzige Öffnung 15) an beiden Enden des Lichtwellenleiters 13 ausgebildet. Es kann jedoch nur die winzige Öffnung 15 im Lichtwellenleiter 13 ausgebildet sein. Das heißt, bei der Modifikation nach 17(a) und 17(b) kann die hintere Öffnung 14 geschlossen sein. In diesem Fall wird Licht, das durch die winzige Öffnung 15 in den Lichtwellenleiter 13 eintritt, von der Wand am Boden reflektiert und erzeugt eine stehende Welle. Das Licht wird dann aus der winzigen Öffnung 15 hinausgeführt. Diese Konstruktion ist günstig für einen Beleuchtungssammelmodus.

In jeder der oben dargestellten Ausführungsformen ist der schmale Abschnitt 16 (und die inneren Teile 18) entlang einer Geraden im Lichtwellenleiter 13 ausgeführt. Aufgrund des schmalen Abschnitts 16 können sich Oberflächenplasmonen aneinander koppeln und dadurch die elektrische Feldstärke erhöhen. Der schmale Abschnitt 16 senkt auch die Phasengeschwindigkeit von Oberflächenplasmonen und bewirkt dadurch die Konvergenz von Durchlicht. Wie jedoch in den 17(a), 17(b) und 18(b) durch abwechselnd lang und kurz strichlierte Linien dargestellt, kann der schmale Abschnitt 16 (und die Innenteile 18) im Lichtwellenleiter 13 verzweigt sein. Dabei kann eine zusätzliche distale Öffnung wie die winzige Öffnung 15 vorgesehen sein, die dem distalen Ende des verzweigten schmalen Abschnitts 16 entspricht. Weiters kann der schmale Abschnitt 16 nicht nur in zwei Teile, sondern auch in drei Teile verzweigt sein. Alternativ kann der schmale Abschnitt 16 in eine Anzahl von Teilen an einer Anzahl von Stellen verzweigt sein.

Diese Konstruktion ist äußerst praktisch, wenn der Lichtwellenleiter 13 in einer optischen integrierten Schaltung verwendet wird. In einer optischen integrierten Schaltung müssen Lichtwellenleiter nämlich zur Bildung einer Schaltung mit dünnen optischen Stärkeverteilungen im Bereich von Nanometern in einer zweidimensionalen Ebene geführt (gebogen und verzweigt) sein. Eine Schaltung, bei der Lichtwellenleiter in einer zweidimensionalen Ebene parallel zu einem elektrischen Feld geführt sind, wird als E-Ebene-Schaltung bezeichnet. Eine Schaltung, bei der Lichtwellenleiter in einer zweidimensionalen Ebene parallel zu einem Magnetfeld geführt sind, wird als H-Ebene-Schaltung bezeichnet.

In den 17(a) und 17(b) ist der schmale Abschnitt 16 (und die Innenteile 18) verzweigt. Das elektrische Feld des Lichtwellenleiters 13 liegt hauptsächlich entlang der Y-Richtung, und das Magnetfeld liegt hauptsächlich entlang der X-Richtung. Da der schmale Abschnitt 16 in einer zweidimensionalen Ebene parallel zum Magnetfeld der X-Richtung verzweigt ist, bildet der Lichtwellenleiter 13 eine H-Ebene-Schaltung. In den 18(a) und 18(b) ist der schmale Abschnitt 16 (und die Innenteile 18) verzweigt. Das elektrische Feld des Lichtwellenleiters 13 liegt hauptsächlich entlang der X-Richtung, und das Magnetfeld liegt hauptsächlich entlang der Y-Richtung. Da der schmale Abschnitt 16 in einer zweidimensionalen Ebene parallel zum Magnetfeld der X-Richtung verzweigt ist, bildet der Lichtwellenleiter 13 eine E-Ebene-Schaltung.

In der in den 17(a) und 17(b) dargestellten Lichtwellenleitereinrichtung 11 ist eine H-Ebene-Schaltung gebildet, und die Teile des schmalen Abschnitts 16 liegen entlang der Y-Richtung einander gegenüber. Solange die Breite des schmalen Abschnitts 16 kleiner als die halbe Wellenlänge des Durchlichts ist, wird eine Feinstschaltung entlang dem verzweigten schmalen Abschnitt 16 gebildet, auch wenn die Breite jedes breiten Abschnitts 17 entlang der Y-Richtung unendlich ist. In der in den 18(a) und 18(b) dargestellten Lichtwellenleitereinrichtung 11 ist eine E-Ebene-Schaltung gebildet, und die Teile des schmalen Abschnitts 16 liegen entlang der X-Richtung einander gegenüber. Solange die Breite des schmalen Abschnitts 16 kleiner als die halbe Wellenlänge des Durchlichts ist, wird eine Feinstschaltung entlang dem verzweigten schmalen Abschnitt 16 gebildet, auch wenn die Breite jedes breiten Abschnitts 17 entlang der X-Richtung unendlich ist.

Die in den 19(a) und 19(b) dargestellte Ausführungsform kann modifiziert werden wie in den 22 bis 23 gezeigt. Bei der Modifikation gemäß 22 sind zwei schmale Abschnitte 16 ausgebildet. Die unteren Teile der schmalen Abschnitte 16 sind durch einen einzigen breiten Abschnitt 17 miteinander verbunden. Die Modifikation von 23 ist gleich wie die Modifikation gemäß 22 mit der Ausnahme, dass der Lichtwellenleiter 13 mit einem anderen dielektrischen Medium als Umgebungsluft) gefüllt ist. Beispielsweise ist der Lichtwellenleiter 13 mit Glas gefüllt. In 24 ist der Querschnitt des Lichtwellenleiters 13 durch unregelmäßige Kurvenlinien gebildet. Wie in der Modifikation nach 23 kann der Lichtwellenleiter 13 mit einem dielektrischen Medium wie Glas gefüllt sein.

In jeder der oben dargestellten Ausführungsformen wird Silber (Ag), bei dem der Realteil der relativen komplexen Permittivität –7,38 beträgt, als Plasmone aktivierendes Medium verwendet. Solange der Realteil der relativen komplexen Permittivität einen Minuswert hat, können auch andere Arten von Silber (Ag) verwendet werden. Solange der Realteil der relativen komplexen Permittivität einen Minuswert hat, können Gold (Au), Platin, eine Legierung aus Gold und Platin, andere metallische Werkstoffe oder auch Halbleitermaterialien verwendet werden.

In jeder der oben dargestellten Ausführungsformen ist der gesamte den Lichtwellenleiter 13 umgebende Hauptkörper 12 aus einem Plasmone aktivierenden Medium (Silber Ag) gebildet. Solange die am schmalen Abschnitt 16 einander gegenüberliegenden Innenteile 18 aus einem Plasmone aktivierende Medium (Silber Ag) hergestellt sind, können jedoch andere Teile aus anderen Materialen als einem Plasmone aktivierenden Medium gefertigt sein. Es können nur die einander gegenüberliegenden Teile des schmalen Abschnitts 16, der sich im Lichtwellenleiter 13 von der distalen Öffnung (der winzigen Öffnung 15) zur hinteren Öffnung 14 erstreckt, aus einem Plasmone aktivierenden Medium (Silber Ag) hergestellt sein. Ein Plasmone aktivierendes Medium (Silber Ag) kann auf die Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 einschließlich der Teile 18 des schmalen Abschnitts 16 aufgedampft werden.

In jeder der oben dargestellten Ausführungsformen ist die Breite aX des schmalen Abschnitts 16 der winzigen Öffnung 15 auf einen vorherbestimmten Wert (z.B. 31 nm) eingestellt. Solange die Breite aX kleiner als die halbe Wellenlänge von Durchlicht ist, kann die Breite aX verändert werden. Auch kann das Maß L entlang der Y-Richtung, die die Breitenrichtung (X-Richtung) der winzigen Öffnung 15 schneidet, anders als oben dargestellt sein. Solange das Maß L nämlich größer als der Maßberechnungswert ist, kann das Maß L größer als die halbe Wellenlänge von Durchlicht sein.

In jeder der oben dargestellten Ausführungsformen ist der Querschnitt des Lichtwellenleiters 13 senkrecht zur Lichtleitrichtung gleich wie die winzige Öffnung 15 und zur hinteren Öffnung 14 hin konstant. Die Gestalt des Lichtwellenleiters 13 kann jedoch verändert werden. Beispielsweise kann der Lichtwellenleiter 13 konisch zulaufen, so dass die Querschnittsfläche von der hinteren Öffnung 14 zur distalen winzigen Öffnung 15 hin abnimmt.

In jeder der oben dargestellten Ausführungsformen ist das die Grenzflächen S mit der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 bildende Medium Luft. Wie bei der Modifikation nach 23 vorgeschlagen, kann der Lichtwellenleiter 13 jedoch auch mit einem dielektrischen Medium wie Glas gefüllt sein.

In jeder der oben dargestellten Ausführungsformen ist der schmale Abschnitt 16 entlang der gesamten Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 ausgebildet. Der schmale Abschnitt 16 kann jedoch nur an der winzigen Öffnung 15 ausgebildet sein, die die distale Öffnung des Lichtwellenleiters 13 darstellt. Anstelle der winzigen Öffnung 15 kann ein Teil ähnlich der winzigen Öffnung 15 mit dem schmalen Abschnitt 16 und den breiten Abschnitten 17, welche fortlaufend ausgebildet sind, in der Mitte des Lichtwellenleiters 13 in der Lichtleitrichtung vorgesehen sein. Dabei sind die distale Öffnung und die hintere Öffnung (Rückseite) breiter als die Wellenlänge des Durchlichts.

In der zweiten Ausführungsform ist der Vorsprung 12b konisch. Jedoch solange der Vorsprung 12b wie eine Pyramide ausgebildet ist. In der dritten Ausführungsform ist jeder Vorsprung 12c in Form einer dünnen Säule mit rechteckigem Querschnitt gebildet. Solange jedoch ein schmaler Abschnitt zwischen den Säulen festgelegt ist, kann jeder Vorsprung 12c einen halbkreisförmigen Querschnitt oder einen dünnen lang gestreckten rechteckigen Querschnitt aufweisen.

Es wird nun eine Lichtwellenleitereinrichtung 41 gemäß einer vierten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 25 bis 28 beschrieben. In dieser Ausführungsform ist die Lichtwellenleitereinrichtung 41 eine Belichtungsmaske (mit einer Strichplatte). Eine Belichtungsmaske wird in einem als Stepper bezeichneten Projektionsbelichtungssystem verwendet. Genauer gesagt wird eine Belichtungsmaske dann verwendet, wenn ein Schaltungsmuster auf einem Halbleitersubstrat gebildet wird, auf dem empfindliches Material aufgetragen ist, u.zw. mittels Lithographie oder durch Projektion und Belichtung.

Wie in 25 gezeigt, enthält die Lichtwellenleitereinrichtung (Belichtungsmaske) 41 der vorliegenden Ausführungsform einen Hauptkörper 42 in Form einer rechteckigen Metallplatte. Wie bei den oben dargestellten Ausführungsformen ist der Hauptkörper 12 aus Silber (Ag). Ein Lichtwellenleiter 13 ist im Hauptkörper 42 entlang der Dickenrichtung ausgebildet. Eine winzige Öffnung 15 ist am vorderen Teil 42a und am (nicht dargestellten) hinteren Teil des Hauptkörpers 42 ausgebildet. Die winzige Öffnung 15 fungiert als Endöffnung (eine distale Öffnung und eine proximale Öffnung). Die Breite der winzigen Öffnung 15 ist kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Die winzige Öffnung 15 weist einen schmalen Abschnitt 16 und ein Paar breite Abschnitte 17 auf, die abwechselnd angeordnet sind. Der schmale Abschnitt 16 liegt im Wesentlichen in der Mitte des vorderen Teils 42a. Wie in der ersten Ausführungsform ist die Breite jedes schmalen Abschnitts 16 und der breiten Abschnitte 17 als Maß entlang der Polarisationsrichtung von durch den Lichtwellenleiter 13 geleitetem Licht, oder als Maß entlang der seitlichen Richtung gemäß 25, definiert. Der schmale Abschnitt 16 und die breiten Abschnitte 17 sind fortlaufend entlang einer Richtung senkrecht zur Breitenrichtung ausgebildet. Zwar ist die tatsächliche Größe der winzigen Öffnung 15 im Vergleich zum Hauptkörper 42 (und dem vorderen Teil 42a) signifikant klein, doch ist die Größe der winzigen Öffnung 15 in 25 und anderen Figuren übertrieben dargestellt, damit die einzigartige Form der winzigen Öffnung 15 leicht erkennbar ist.

In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Breite des schmalen Abschnitts 16 16 nm, und die Breite jedes breiten Abschnitts 17 ist 47 nm. Die Länge des schmalen Abschnitts 16 beträgt 280 nm, und die Länge jedes breiten Abschnitts 17 ist 93 nm. Die Dicke des Hauptkörpers 42 beträgt 78 nm. Daher ist die Länge der winzigen Öffnung 15 466 nm.

Es wird nun die Wirkungsweise der Lichtwellenleitereinrichtung 41 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.

Wenn ein Schaltungsmuster durch Projektion und Belichtung unter Verwendung der Lichtwellenleitereinrichtung 41 in Form einer Belichtungsmaske gebildet wird, wird der Hauptkörper 42 der Einrichtung 41 auf einem Halbleitersubstrat 43 gemäß 26 platziert. Zur Bildung einer empfindlichen Materialschicht 44 wird zuvor ein empfindliches Material wie Novolak-Harz auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats 43 aufgetragen. Der Hauptkörper 42 steht in engem Kontakt mit der empfindlichen Materialschicht 44. Dann wird eine transparente Glasplatte 45 auf dem Hauptkörper 42 angeordnet und Projektionslicht darauf gestrahlt. Das heißt, es wird wie bei den oben dargestellten Ausführungsformen Licht mit einer Wellenlänge von 488 nm verwendet. Das Licht ist eine ebene Welle mit linearer Polarisation, und seine Polarisationsrichtung ist die seitliche Richtung wie in 26 ersichtlich. Das Licht tritt als Projektionslicht in den Lichtwellenleiter 13 des Hauptkörpers 42 ein. Zu diesem Zeitpunkt findet das folgende Phänomen im Lichtwellenleiter 13 der Lichtwellenleitereinrichtung 41 statt.

Wie in den vorherigen Ausführungsformen werden nämlich Oberflächenplasmone an der Innenfläche des Lichtwellenleiters 13 generiert. Die elektrischen Felder der Oberflächenplasmone werden aneinander gekoppelt. In der Folge wird die elektrische Feldstärke zwischen den Grenzflächen des schmalen Abschnitts 16 erhöht.

Daher wird aufgrund der Kopplung der elektrischen Felder die Stärke von durch den Lichtwellenleiter 13 geleitetem Licht erhöht. Das Durchlicht mit der höheren Stärke tritt aus dem schmalen Abschnitt 16 der winzigen Öffnung 15 als dünnliniges Punktlicht (Nahfeldlicht) entlang dem länglichen schmalen Abschnitt 16 aus. Dort wird die auf dem Halbleitersubstrat befindliche Schicht 44 aus empfindlichem Material 43 mit dem dünnlinigen Punktlicht belichtet. Danach wird der unnötige Teil der empfindlichen Materialschicht 44 durch herkömmliches Ätzen entfernt. Dementsprechend bildet sich ein Muster auf dem Halbleitersubstrat 43. Ein linearer Teil eines Verdrahtungsmusters des Schaltungsmusters entspricht dem dünnlinigen Punktlicht.

In dieser Ausführungsform variiert aufgrund des Unterschieds zwischen dem Querschnitt des Lichtwellenleiters 13 entlang der Lichtleitrichtung und dem Querschnitt senkrecht zur Lichtleitrichtung (und der Gestalt der winzigen Öffnung 15) die Ableitung (Lichtstärkenverteilung) des aus der winzigen Öffnung 15 austretenden dünnlinigen Punktlichts (Nahfeldlichts). Dieser Punkt wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 27(a) bis 28(b) beschrieben. 27(a) ist eine Vorderansicht einer Lichtwellenleitereinrichtung 41 mit einem Lichtwellenleiter 13 (und einer winzigen Öffnung 15), dessen Querschnitt senkrecht zu einer Lichtleitrichtung eines Hauptkörpers 42 nur aus einem schmalen Abschnitt 16 besteht und ein lang gestrecktes Rechteck ist. Die 27(b) und 27(d) sind Vorderansichten von Lichtwellenleitereinrichtungen 41, von denen jede einen Lichtwellenleiter 13 aufweist, in dem ein schmaler Abschnitt 16 und breite Abschnitte 17 fortlaufend ausgebildet sind. 27(c) ist eine Vorderansicht einer Lichtwellenleitereinrichtung 41 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, umfassend den Lichtwellenleiter 13 und die winzigen Öffnung 15 mit den oben beschriebenen Maßen.

Die Breite der winzigen Öffnung 15 oder Breite des Lichtwellenleiters 13 der in 27(a) dargestellten Lichtwellenleitereinrichtung 41 beträgt 16 nm, was der Breite des schmalen Abschnitts 16 der winzigen Öffnung 15 entspricht. Die Länge der winzigen Öffnung 15 (und des schmalen Abschnitts 16) oder das Längsmaß der winzigen Öffnung 15 ist 280 nm, was dem Maß des schmalen Abschnitts 16 der vorliegenden Ausführungsform entspricht. Die winzige Öffnung 15 des Lichtwellenleiters 13 in der in 27(b) gezeigten Lichtwellenleitereinrichtung 41 ist die gleiche wie in der vorliegenden Ausführungsform mit der Ausnahme, dass die Länge jedes breiten Abschnitts kleiner als bei der vorliegenden Ausführungsform (93 nm) ist, nämlich beispielsweise 62 nm. Die winzige Öffnung 15 des Lichtwellenleiters 13 in der in 27(d) gezeigten Lichtwellenleitereinrichtung 41 ist die gleiche wie in dieser Ausführungsform mit der Ausnahme, dass die Länge jedes breiten Abschnitts größer als in dieser Ausführungsform (93 nm) ist, nämlich beispielsweise 109 nm. Wie in den 11(a) und 11(b) der zweiten Ausführungsform sind eine helle Zone 20a jedes Punktlichts und eine Zwielichtzone 20b des Peripherslichts links von jeder winzigen Öffnung 15 in den 27(a) bis 27(d) strichliert bzw. strichpunktiert dargestellt.

28(a) zeigt die Lichtstärkenverteilung entlang einer imaginären, den Mittelpunkt der winzigen Öffnung 15 jeder der 27(a) bis 27(d) enthaltenden vertikalen Ebene, wenn Licht durch den Lichtwellenleiter 13 der in den 27(a) bis 27(d) gezeigten Lichtwellenleitereinrichtung 42 unter denselben Bedingungen hindurchtritt. Desgleichen zeigt 28(b) die Lichtstärkenverteilung entlang einer imaginären seitlichen Ebene, die den Mittelpunkt der winzigen Öffnung 15 der 27(a) bis 27(d) enthält. In den 28(a) und 28(b) repräsentieren die Kurven a die Lichtstärkenverteilung des durch die in 27(a) dargestellte winzige Öffnung 15 hindurch getretenen Lichts und die Kurven b die Lichtstärkenverteilung des durch die in 27(b) dargestellte winzige Öffnung 15 hindurch getretenen Lichts. Desgleichen repräsentieren die Kurven c die Lichtstärkenverteilung des durch die in 27(c) dargestellte winzige Öffnung 15 hindurch getretenen Lichts und die Kurven d die Lichtstärkenverteilung des durch die in 27(d) dargestellte winzige Öffnung 15 hindurch getretenen Lichts.

In der Lichtwellenleitereinrichtung 41 der 27(a) ist die Lichtstärke in einem den Mittelpunkt der winzigen Öffnung 15 enthaltenden Bereich hoch. Die helle Zone 20a ist jedoch nicht zu den Längsenden der winzigen Öffnung 15 hin verlängert. Die Enden liegen in der Zwielichtzone 20b, und die Lichtstärke ist gering. In der Lichtwellenleitereinrichtung 41 erstreckt sich die helle Zone 20a bis zu den Längsenden der winzigen Öffnung 15. Die Lichtstärke variiert jedoch signifikant entlang der gesamten Länge der winzigen Öffnung 15. In der Lichtwellenleitereinrichtung 41 der 27(d) ist die Lichtstärke maximal an den Längsenden der winzigen Öffnung 15 und geringer in der Mitte. Solche Lichtwellenleitereinrichtungen 41 eignen sich nicht für Belichtungsmasken.

Im Gegensatz zu den Lichtwellenleitereinrichtungen der 27(a), (b) und (d) ist die Lichtstärke der in 27(c) gezeigten Lichtwellenleitereinrichtung 41 relativ hoch und variiert kaum entlang der gesamten Länge des schmalen Abschnitts 16 der winzigen Öffnung 15. Entsprechend den Maßen des schmalen Abschnitts 16 wird nämlich ein Punktlicht mit einer gleichmäßigen Lichtstärke erhalten. Die Breite und die Länge des Punktlichts sind 16 nm bzw. 280 nm. Die 28(a) bis 28(b) zeigen Fälle, wo die Lichtstärke des einfallenden Lichts mit 1.0 dargestellt ist. Wie in den 28(a) und 28(b) veranschaulicht, ist die Stärke des emittierten Lichts 2,3 Mal höher als die von einfallendem Licht.

Dementsprechend weist die Lichtwellenleitereinrichtung 41 der vorliegenden Ausführungsform neben den Vorteilen (1) bis (5) der Lichtwellenleitereinrichtung 11 der ersten Ausführungsform die folgenden Vorteile auf.

Es wird derzeit die Technologie der Bildung von Feinstschaltungsmustern auf einem Halbleitersubstrat 43 mittels Elektronenstrahlkanonen von Excimerlasern vorgeschlagen. Für eine zuverlässige Ausbildung von Feinlinienmuster muss die Excimerlasertechnologie jedoch noch einige technische Hürden überwinden, außerdem ist sie teuer. Im Gegensatz dazu kann bei Verwendung der Lichtwellenleitereinrichtung 41 als Belichtungsmaske ein herkömmliches Projektionsbelichtungssystem (Stepper) verwendet werden, mit dem es möglich ist, feinlineare Schaltungsmuster mittels Lithographie zu niedrigen Kosten herzustellen.

Die Lichtwellenleitereinrichtung 41 gemäß der fünften Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden.

Der Querschnitt des Lichtwellenleiters 13 senkrecht zur Lichtleitrichtung und die winzige Öffnung 15 können in der Vorderansicht L-förmig ausgebildet sein. Das heißt, der Lichtwellenleiter 13 und die winzige Öffnung 15 können zwei schmale Abschnitte 16 aufweisen, die an den Enden miteinander verbunden sind und einen rechten Winkel bilden. Dadurch kann leicht ein senkrechter Teil eines Schaltungsmusters hergestellt werden. Dabei werden die breiten Abschnitte vorzugsweise in der Nähe der senkrechten Verbindung zwischen den schmalen Abschnitten 16 gebildet. Das wird nachstehend erörtert.

Bei der in 29(a) dargestellten Lichtwellenleitereinrichtung 41 ist die winzige Öffnung 15 des Lichtwellenleiters 13 L-förmig gestaltet. Schmale Abschnitte 16 sind unter Bildung eines rechten Winkels miteinander verbunden. Es gibt keinen breiten Abschnitt 17 in der winzigen Öffnung 15. 29(b) zeigt die Verteilung des aus der winzigen Öffnung der 29(a) austretenden Punktlichts. Wie in 29(b) gezeigt, stehen helle Zonen 20a sowie Zwielichtzonen 20b nicht miteinander in Verbindung. Daher kann die Lichtwellenleitereinrichtung 41 gemäß 29(a) nicht zur Bildung von senkrechten Teilen in einem Schaltungsmuster verwendet werden.

Im Fall der in 30(a) gezeigten Lichtwellenleitereinrichtung 41 ist die winzige Öffnung 15 des Lichtwellenleiters 13 L-förmig. Schmale Abschnitte 16 sind unter Bildung eines rechten Winkels miteinander verbunden. Auch ist ein breiter Abschnitt 17 am Ende jedes schmalen Abschnitts 16 ausgebildet. Weiters ist ein breiter Abschnitt 17 an der Verbindungsstelle der schmalen Abschnitte 16 vorgesehen, wo die schmalen Abschnitte 16 einander senkrecht schneiden. Wenn daher eine horizontal polarisierte Welle, deren Polarisationsrichtung die seitliche Richtung in 30(a) ist, und eine vertikal polarisierte Welle, deren Polarisationsrichtung die vertikale Richtung in 30(a) ist, in den Lichtwellenleiter 13 der Lichtwellenleitereinrichtung 41 eintreten, werden helle Zonen 20a und Zwielichtzonen 20b erzeugt, wie in 30(b) veranschaulicht. Entsprechend der Breite und der Länge der schmalen Abschnitt 16 werden nämlich lineare Punktlichter mit gleichmäßiger Lichtstärke erhalten. Die Punktlichter bilden einen Buchstaben L.

Es wird nun eine Lichtwellenleitereinrichtung 51 gemäß einer fünften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 31 und 32 beschrieben. In dieser Ausführungsform ist die Lichtwellenleitereinrichtung 51 ein Polarisator. Ein Polarisator ist eine Vorrichtung zur Schaffung von polarisiertem Licht in einer vorbestimmten Richtung aus Licht enthaltend polarisiertes Licht in allen Richtungen, wie natürlichem Licht. Ein Polarisator wird auch zur Überprüfung der Anwesenheit von polarisiertem Licht verwendet. Ein Polarisator wird beispielsweise als Spektroskop zur Auflösung in Spektren verwendet.

Wie in 31 gezeigt enthält die Lichtwellenleitereinrichtung (Polarisator) 51 der vorliegenden Ausführungsform einen Hauptkörper 52 in Form einer rechteckigen Metallplatte. Wie in den oben dargestellten Ausführungsformen ist der Hauptkörper 12 aus Silber (Ag) gefertigt. Lichtwellenleiter 13 sind im Hauptkörper 52 entlang der Dickenrichtung ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform gibt es drei Lichtwellenleiter 13. Winzige Öffnungen 15 sind am vorderen Teil 52a und am (nicht dargestellten) hinteren Teil des Hauptkörpers 52 ausgebildet. Die winzigen Öffnungen 15 fungieren als Endöffnungen (distale Öffnungen und proximale Öffnungen). Die Breite jeder winzigen Öffnung 15 ist kleiner als die Wellenlänge des Lichts.

Wie die Lichtwellenleitereinrichtung 11B ist jede winzige Öffnung 15 gemäß der fünften Ausführungsform in Form eines lang gestreckten Rechtecks ausgebildet. Das heißt, jede winzige Öffnung 15 hat keine breiten Abschnitte, und ihre Breite ist über die gesamte Länge konstant. Mit anderen Worten, die winzige Öffnung 15 ist ein linearer Schlitz. Die winzigen Öffnungen 15, die jeweils einen schmalen Abschnitt 16 bilden, sind parallel zueinander angeordnet. Die Breite jeder winzigen Öffnung 15 ist als Maß entlang der Polarisationsrichtung von durch den entsprechenden Lichtwellenleiter 13 geleitetem Licht, oder als Maß entlang einer X-Richtung gemäß 31, definiert. Jede winzige Öffnung 15 ist als Rechteck ausgebildet, das in einer

Richtung senkrecht zur Breitenrichtung oder entlang der Y- Richtung gemäß 31 lang gestreckt ist. Zwar ist die tatsächliche Größe jeder winzigen Öffnung 15 im Vergleich zur Größe des Hauptkörpers 52 (und des vorderen Teils 52a) signifikant klein, doch ist die Größe der winzigen Öffnung 15 in Fig. übertrieben dargestellt.

In dieser Ausführungsform beträgt die Breite jeder winzigen Öffnung 15, die auch den schmalen Abschnitt 16 darstellt, 16 nm. Die Länge jeder winzigen Öffnung 15 (bzw. jedes schmalen Abschnitts 16), die auch das Maß der winzigen Öffnung ist, beträgt beispielsweise 559 nm. Die Dicke des Hauptkörpers 52 ist beispielsweise 78 nm. Der Abstand zwischen jedem benachbarten Paar von winzigen Öffnungen 15 beträgt 62 nm. Wie in 31 gezeigt, ist ein Glasträger 53 an der Rückseite des Hauptkörpers 52 oder an der dem vorderen Teil 52a gegenüberliegenden Seite befestigt.

Es wird nun die Wirkungsweise der Lichtwellenleiter einrichtung 51 (Polarisator) der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.

Es wird angenommen, dass in 31 durch Pfeile angedeutetes Licht von der Rückseite (dem Glasträger 53) der Lichtwellenleitereinrichtung 51 in den Lichtwellenleiter 13 eintritt und die Wellenlänge des Lichts 488 nm beträgt. Eine Lichtkomponente im einfallenden Licht, die in X-Richtung polarisiert wird, tritt durch den Lichtwellenleiter 13 und wird von den winzigen Öffnungen 15 in der Z-Richtung als Durchlicht emittiert. Eine Lichtkomponente, die in der Y-Richtung gemäß 31 polarisiert wird, wird jedoch nicht durchgelassen und emittiert. Daher fällt Licht, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zur Längsrichtung der winzigen Öffnungen 15 (der Y-Richtung in 31) verläuft, durch und wird von der Einrichtung 51 emittiert.

Die Fläche des Lichtwellenleiters 13 (und der winzigen Öffnungen 15) der Lichtwellenleitereinrichtung (Polarisator) 51ist extrem klein im Vergleich zur Gesamtfläche des vorderen Teils 52a des Hauptkörpers 52. Wie im Fall der Lichtwellenleitereinrichtungen 11, 11A, 11B, 11C und 41 ist der Hauptkörper 52 jedoch aus einem dielektrischen Medium (Plasmone aktivierenden Medium) hergestellt, dessen Realteil der relativen komplexen Permittivität negativ ist, oder aus Silber (Ag), bei dem der Realteil der relativen komplexen Permittivität –7,38 beträgt, wenn die Wellenlänge von Durchlicht 488 nm in dieser Ausführungsform beträgt.

Daher wird die elektrische Feldstärke einer in der X-Richtung polarisierten Lichtkomponente aufgrund der Kopplung der elektrischen Felder von Oberflächenplasmonen in dem in den Lichtwellenleiter 13 eintretenden Licht erhöht (der Winkel der durch die einfallende Polarisationsebene (in 31) und die X-Achse definierten Lichtkomponente ist 0°). Die Lichtkomponente mit der erhöhten Intensität wird als Durchlicht ausgesendet. Der Grund dafür liegt wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen darin, dass die elektrischen Felder von an den Innenflächen jedes Lichtwellenleiters 13 erzeugten Oberflächenplasmonen an den Grenzflächen in der Breitenrichtung aneinandergekoppelt werden. Das in jeden Lichtwellenleiter 13 eintretende Licht enthält Lichtkomponenten. Der durch die einfallende Polarisationsebene und die X-Achse definierte Winkel beträgt bei manchen Lichtkomponenten nicht 0°. Von den Lichtkomponenten mit anderen Winkeln als 0° werden Lichtkomponenten mit einem kleinen Winkel aus der winzigen Öffnung 15 des Lichtwellenleiters 13 schwach emittiert. Dieses Phänomen wird nun unter Bezugnahme auf 32 beschrieben.

In 32 stellt die horizontale Achse den durch die X-Achse der 31 und die einfallende Polarisationsebene von in jeden Lichtwellenleiter 13 eintretendem Licht (polarisiertem Licht) definierten Winkel dar. Beträgt der Winkel des Lichts 90°, dann ist die Polarisationsrichtung des Lichts die Y-Richtung in 31. Beträgt der Winkel des Lichts 0°, dann ist die Polarisationsrichtung des Lichts die X-Richtung in 31. In 32 stellt die vertikale Achse die Energie von Durchlicht durch jeden Lichtwellenleiter 13 (und die winzige Öffnung 15) dar. Genauer gesagt wird die Energie von einfallendem Licht in einer Flächeneinheit jedes Lichtwellenleiters 13 als 1 definiert und die Energie von Durchlicht auf Basis dieses Werts gemessen. In 32 stellen die schwarzen runden Punkte die Ergebnisse einer Simulation dar, die unter der Annahme durchgeführt wurde, dass es nur einen Lichtwellenleiter 13 gibt und die Breite und Länge des Lichtwellenleiters 13 16 nm bzw. 559 nm betragen. Die schwarzen Rechtecke stellen die Ergebnisse einer Simulation dar, die unter der Annahme durchgeführt wurde, dass es zwei parallel Lichtwellenleiter 13 mit denselben Maßen wie bei der ersten Simulation gibt.

Wie aus 32 ersichtlich, ist die Energie von Durchlicht größer, wenn der durch die einfallende Polarisationsebene und die X-Achse festgelegte Winkel näher bei 0° liegt. Diese Tendenz ist stärker im Fall der schwarzen Rechtecke mit den zwei parallel vorgesehenen Lichtwellenleitern 13 als bei den schwarzen runden Punkten, wo nur ein Lichtwellenleiter 13 vorgesehen ist. In den obigen Simulationen wird die Energie mit einer Flächeneinheit gemessen, die entsprechend der Wellenzahl (2&pgr;/Wellenlänge) festgelegt ist. Genauer gesagt ist die Energie in einer Flächeneinheit eines Quadrats, dessen Seiten jeweils 78 nm betragen (Quadrat 78 nm × 78 nm), als 1 definiert. Das beruht darauf, dass die Gleichung (78 × (2&Pgr;/488) = 1) erfüllt ist, wenn jede Seite des Quadrats auf Basis der Wellenzahl festgelegt wird. Im vorliegenden Fall betrug die Energie des einfallenden Lichts in der Lichtwellenleitereinrichtung 51 der Simulation, dargestellt durch schwarze runde Punkte in 32, 1,44. Dabei betrug die Energie von Durchlicht aus der winzigen Öffnung 15 des Lichtwellenleiters 13 1,89.

Diese Ergebnisse entsprechen offensichtlich dem Gesetz von der Erhaltung der Energie. Die Ergebnisse sind jedoch darauf zurückzuführen, das die elektrischen Felder von an den Innenflächen der Lichtwellenleiter 13 mit linearer Öffnung erzeugten Oberflächenplasmonen aneinander gekoppelt werden und somit die Energie von einfallendem Licht, das durch einen Lichtwellenleiter mit einer größeren Querschnittsfläche als der Lichtwellenleiter 13 tritt, konvergiert wird. Zur Erzielung der Polarisationscharakteristika der Lichtwellenleitereinrichtung (Polarisator) 51 mit dem Lichtwellenleiter 13 mit dem oben dargestellten Querschnitt wurde ein herkömmliches Extinktionsverhältnis &PSgr; errechnet. Das Extinktionsverhältnis &PSgr; wurde durch eine Gleichung &PSgr; = P1/P2 = 10 log × 900 errechnet. Das Ergebnis war 30 dB.

In der Gleichung zur Berechnung des Extinktionsverhältnisses &PSgr; stellt P1 die Energie des Durchlichts dar, wenn der durch die einfallende Polarisationsebene und die X-Achse definierte Winkel 0° beträgt. P2 stellt die Energie des Durchlichts dar, wenn der durch die einfallende Polarisationsebene und die X-Achse definierte Winkel 90° beträgt. Desgleichen betrugen im Fall des Lichtwellenleiters 51 mit den durch schwarze Rechtecke dargestellten Simulationsergebnissen die einfallende Energie 2,88 und die Energie des durchgelassenen Lichtes 8,00. Das Extinktionsverhältnis &PSgr; war im Wesentlichen gleich 32 (dB) (&PSgr; = 10 log 1625 = 32 dB).

Daher weist die Lichtwellenleitereinrichtung 51 (Polarisator) der vorliegenden Ausführungsform neben den Vorteilen (1) bis (5) der Lichtwellenleitereinrichtung 11 der ersten Ausführungsform die folgenden Vorteile auf.

Die fünfte Ausführungsform vereinfacht nämlich die Konstruktion des in einem Spektroskop verwendeten Polarisators (Polarisationsplatten) und reduziert somit die Kosten. Auch gestattet die fünfte Ausführungsform eine Erhöhung der Intensität einer polarisierten Lichtkomponente, so dass Licht mit einer erhöhten Stärke ausgesendet wird.

Die Lichtwellenleitereinrichtung 51 gemäß der fünften Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden.

Die Anzahl der Lichtwellenleiter 13 wird willkürlich verändert, solange es einen oder mehr Wellenleiter 13 gibt. Solange die winzigen Öffnungen 15 (schmalen Abschnitte 16) der Lichtwellenleiter 13 parallel sind, brauchen sich die winzigen Öffnungen 15 nicht entlang der X-Richtung in 31 erstrecken. Unter Bezugnahme auf 32 kann sich nämlich jede winzige Öffnung 15, solange eine gewünschte Menge an Energie von Durchlicht erhalten wird, in eine Richtung erstrecken, die die X-Richtung in einem vorherbestimmten Winkel schneidet.

Die vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen sind als illustrativ und nicht einschränkend zu betrachten, und die Erfindung ist nicht auf die hierin angeführten Details beschränkt, sondern kann im Rahmen und der Äquivalenz der angeschlossenen Ansprüche modifiziert werden.


Anspruch[de]
Eine Lichtwellenleitereinrichtung gekennzeichnet durch:

einen Lichtwellenleiter (13), um Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge entlang einer ersten Richtung (Z) zu leiten, welche im rechten Winkel auf eine zweite und eine dritte Richtung (X, Y) steht, wobei die zweite und die dritte Richtung rechtwinkelig zueinander stehen; und

definierende Oberflächen, welche den Lichtwellenleiter definieren, wobei die definierenden Oberflächen ein Paar von sich gegenüberstehenden Teilen (18) enthalten, welche sich gegenüberstehen und welche rechtwinkelig zur zweiten Richtung (X) stehen, wobei die Distanz (aX) zwischen den sich gegenüberliegenden Teilen (18) geringer ist als die halbe Wellenlänge des durch den Lichtwellenleiter (13) geleiteten Lichts und wobei von den definierenden Oberflächen zumindest die sich gegenüberliegenden Teile (18) aus Metall oder einem Halbleitermaterial mit einem negativen Realteil der relativen komplexen Permittivität gemacht sind;

wobei jeder der gegenüberliegenden Teile ein erster gegenüberliegender Teil (18) ist und wobei die definierenden Oberflächen weiters ein Paar von zweiten gegenüberliegenden Oberflächen umfassen, welche einander gegenüberliegen und welche auf die zweite Richtung (X) rechtwinkelig stehen, wobei die Distanz (bX) zwischen den zweiten gegenüberliegenden Teilen größer ist als die Distanz (aX) zwischen den ersten gegenüberliegenden Teilen (18).
Die Lichtwellenleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maß (L) eines Schnittes durch den Lichtwellenleiter (13) entlang einer Ebene, die rechtwinkelig zur ersten Richtung (Z) steht und welche die ersten gegenüberliegenden Teile kreuzt, größer ist als ein vorbestimmter Wert, welcher sich auf die dritte Richtung bezieht, wobei der vorbestimmte Wert berechnet wird durch Teilen der Phasengeschwindigkeit von Oberflächenplasmonen, welche auf den ersten sich gegenüberliegenden Teilen (18) gebildet werden, wenn der Lichtwellenleiter (13) Licht leitet mit einer Wellenlänge, welche zweimal größer ist als die Distanz (aX) zwischen den ersten sich gegenüberliegenden Teilen (18), durch die Vakuumlichtgeschwindigkeit, worauf das Ergebnis der Division mit der Hälfte der Wellenlänge des Lichts multipliziert wird. Die Lichtwellenleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (13) einen Auslass (15) für das durch den Lichtwellenleiter (13) geleitete Licht hat, wobei die ersten sich gegenüberliegenden Teile (18) zumindest zum Teil in Bereichen der definierenden Oberflächen angeordnet sind, welche dem Auslass (15) entsprechen. Die Lichtwellenleitereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schnitt durch den Lichtwellenleiter (13) entlang einer beliebigen Ebene, welche auf die erste Richtung (Z) rechtwinkelig steht, gleich ist wie die Form des Auslasses (15). Die Lichtwellenleitereinrichtung nach Anspruch 3 oder 4 weiters dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Vorsprung aufweist, in welchen der Auslass (15) mündet, wobei der Vorsprung sich in eine Richtung erstreckt, entlang welcher das Licht durch den Lichtwellenleiter (13) geleitet wird, wobei zumindest Teile der ersten sich gegenüberliegenden Teile (18) auf Bereichen der definierenden Oberflächen angeordnet sind, welche Bereichen des Auslasses (15) entsprechen und welche sich am weitesten in die Richtung erstrecken, in welche das Licht geleitet wird. Die Lichtwellenleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz (aX) zwischen den ersten sich gegenüberliegenden Teilen (18) geringer ist als 2/5 der Wellenlänge des Lichts, welches durch den Lichtwellenleiter (13) geleitet wird. Die Lichtwellenleitereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz (aX) zwischen den ersten sich gegenüberliegenden Teilen (18) geringer ist als 3/10 der Wellenlänge des durch den Lichtwellenleiter (13) geleiteten Lichts. Die Lichtwellenleitereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz (aX) zwischen den ersten sich gegenüberliegenden Teilen (18) geringer ist als 1/5 der Wellenlänge des durch den Lichtwellenleiter (13) geleiteten Lichts. Die Lichtwellenleitereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz (aX) zwischen den ersten sich gegenüberliegenden Teilen (18) geringer ist als 1/10 der Wellenlänge des durch den Lichtwellenleiter (13) geleiteten Lichts. Die Lichtwellenleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten sich gegenüberliegenden Teile fortlaufend mit den ersten sich gegenüberliegenden Teilen (18) bezüglich der dritten Richtung (Y) ausgeformt sind. Die Lichtwellenleitereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten sich gegenüberliegenden Teile ein Paar von einer Mehrzahl von Paaren von ersten sich gegenüberliegenden Teilen (18) sind, wobei die ersten sich gegenüberliegenden Teile (18) und die zweiten sich gegenüberliegenden Teile abwechselnd und fortlaufend in Bezug auf die dritte Richtung (Y) angeordnet sind.






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