JP6292766B2 - Optical filter - Google Patents

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Description

本発明は、表面プラズモン共鳴を用いて特定波長帯域の光を選択的に透過させる光学フィルタに関する。   The present invention relates to an optical filter that selectively transmits light in a specific wavelength band using surface plasmon resonance.

特定の波長帯の光を透過させる光学フィルタには、大きく分けて次の３つのものがある。色素系の材料を用いるもの（たとえば特許文献１）、誘電体多層膜を用いるもの（たとえば特許文献２）、表面プラズモン共鳴を用いるもの（たとえば特許文献３〜８）である。   Optical filters that transmit light in a specific wavelength band are roughly classified into the following three types. Those using a dye-based material (for example, Patent Document 1), those using a dielectric multilayer film (for example, Patent Document 2), and those using surface plasmon resonance (for example, Patent Documents 3 to 8).

色素系の材料を用いた光学フィルタは、カラー液晶ディスプレイなどに広く用いられており、主にＲＧＢ用の可視光領域のものが多い。色素系材料を用いた可視光領域の光学フィルタは、透過率、透過波長のピークの半値幅ともに良好な特性を示す。   Optical filters using pigment-based materials are widely used for color liquid crystal displays and the like, and many are mainly in the visible light region for RGB. An optical filter in the visible light region using a dye-based material exhibits good characteristics in terms of both transmittance and the half-value width of the peak of the transmitted wavelength.

誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、屈折率の異なる誘電体膜を交互に所定の膜厚で積層させた構造であり、多くの光学部品に用いられている。誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、透過率、透過波長のピークの半値幅ともに良好な特性であり、耐環境性にも優れている。また、近赤外領域においても良好な特性が得られる。   An optical filter using a dielectric multilayer film has a structure in which dielectric films having different refractive indexes are alternately laminated with a predetermined thickness, and is used in many optical components. An optical filter using a dielectric multilayer film has good characteristics in both transmittance and half-value width of the peak of the transmission wavelength, and is excellent in environmental resistance. Also, good characteristics can be obtained in the near infrared region.

表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタは、周期的構造を有する金属層を有した構造であり、金属と誘電体との界面で生じる表面プラズモン共鳴を利用するものである。周期的構造の周期長を調整したり、ホールやドットの形状を工夫することによって、所望の透過域を得たり、プラズモン増強による透過率の向上が試みられている。   An optical filter using surface plasmon resonance is a structure having a metal layer having a periodic structure, and utilizes surface plasmon resonance generated at the interface between a metal and a dielectric. Attempts have been made to obtain a desired transmission region by adjusting the period length of the periodic structure or to devise the shape of holes and dots, or to improve the transmittance by enhancing plasmons.

特開２０１０−１３４３５３JP 2010-134353 A 特開２００８−５３８３JP2008-5383 特開２００８−２７００６１JP 2008-270061 A 特表２００６−５０９３５８Special table 2006-509358 特開２０００−１１１８５１JP 2000-111181 A 特開２００７−２５８６５７JP2007-258657A 特開２０１０−１６０２１２JP 2010-160212 A 特開２０１１−１７１５１９JP2011-171519A

しかし、色素系の材料を用いた光学フィルタは、紫外線などによってフィルターの特性が劣化してしまうなど耐環境性に難がある点や、近赤外線領域において良好な透過特性を示す材料がない、といった問題点がある。   However, optical filters using dye-based materials have difficulty in environmental resistance, such as deterioration of filter characteristics due to ultraviolet rays, etc., and there are no materials that exhibit good transmission characteristics in the near infrared region. There is a problem.

また、誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、良好な特性を得るためには薄膜を１０層以上積層させる必要があり、製造に手間がかかり低コスト化が難しい。また厚さ方向に波長依存性があるため、同一の工程で複数の波長フィルタを作製することができない。   In addition, an optical filter using a dielectric multilayer film needs to be laminated with 10 or more thin films in order to obtain good characteristics, which is troublesome to manufacture and difficult to reduce costs. Moreover, since there is wavelength dependency in the thickness direction, it is not possible to produce a plurality of wavelength filters in the same process.

また、表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタは、構成が簡単であり、耐環境性も高いという利点があるが、上記２つの光学フィルタに比べて透過率や透過波長のピークの半値幅など特性が悪いという問題がある。   In addition, the optical filter using surface plasmon resonance has the advantages of simple configuration and high environmental resistance, but has characteristics such as transmittance and half-width of the peak of transmission wavelength compared to the above two optical filters. There is a problem of being bad.

そこで本発明の目的は、表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタにおいて、透過帯域の狭い特性を実現することである。   Therefore, an object of the present invention is to realize a narrow transmission band characteristic in an optical filter using surface plasmon resonance.

本発明は、表面プラズモン共鳴を用いて特定の波長帯域の光を選択的に透過させる光学フィルタの製造方法において、誘電体からなる第１誘電体層上に、第１誘電体層よりも屈折率の高い誘電体からなる第２誘電体層を形成し、第２誘電体層上に、第２誘電体層よりも屈折率の低い誘電体からなる第３誘電体層を形成し、第３誘電体層上に、平面方向に周期的構造を有した金属からなり、第３誘電体層との界面で表面プラズモン共鳴を生じさせる金属層を形成し、第２誘電体層の厚さは、下記数式（１）を満たして透過を制限される波長帯が、表面プラズモン共鳴による透過波長ピークよりも短波長側となるようにし、かつ、下記数式（１）を満たさず透過する波長帯が、表面プラズモン共鳴による透過波長ピークと重なるように設定する、ことを特徴とする光学フィルタの製造方法である。
上記数式（１）において、ｋ０は波数、βは伝搬定数、ｄは第２誘電体層の厚さ、ε１、ε２、ε３はそれぞれ第１誘電体層、第２誘電体層、第３誘電体層の誘電率、ｍは整数を示している。
The present invention provides a method of manufacturing an optical filter that selectively transmits light in a specific wavelength band using surface plasmon resonance, and has a refractive index higher than that of the first dielectric layer on the first dielectric layer made of a dielectric. A second dielectric layer made of a high dielectric is formed, and a third dielectric layer made of a dielectric having a lower refractive index than the second dielectric layer is formed on the second dielectric layer. On the body layer, a metal layer made of a metal having a periodic structure in the plane direction and generating surface plasmon resonance at the interface with the third dielectric layer is formed. The thickness of the second dielectric layer is as follows: The wavelength band that satisfies Equation (1) and whose transmission is restricted is shorter than the transmission wavelength peak due to surface plasmon resonance, and the wavelength band that does not satisfy Equation (1) below is transmitted on the surface. Set to overlap with the transmission wavelength peak due to plasmon resonance, A method of manufacturing an optical filter characterized by and.
In the above equation (1), k0 is the wave number, β is the propagation constant, d is the thickness of the second dielectric layer , ε1, ε2, and ε3 are the first dielectric layer, the second dielectric layer, and the third dielectric, respectively. The dielectric constant of the layer , m is an integer.

第２誘電体層は、第１誘電体層よりも屈折率の高い誘電体であれば任意の材料を用いることができ、無機材料であっても有機材料であってもよいが、作製の容易さ、低コスト化を考えると酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、ＳｉＮ（窒化ケイ素）、などの酸化物や窒化物であることが好ましい。 The second dielectric layer can be made of any material as long as it has a higher refractive index than the first dielectric layer, and may be an inorganic material or an organic material. Considering cost reduction, oxides and nitrides such as titanium oxide (TiO 2 ) and SiN (silicon nitride) are preferable.

第２誘電体層を設けることにより、特定の伝搬モードを透過させないようにでき、その第２誘電体層の厚さを適切に設計することで、透過させたくない波長帯域を抑制することができる。   By providing the second dielectric layer, it is possible to prevent transmission of a specific propagation mode, and by appropriately designing the thickness of the second dielectric layer, it is possible to suppress the wavelength band that is not desired to be transmitted. .

第１、３誘電体層には、第２誘電体層よりも屈折率の小さい任意の材料を用いることができ、無機材料であっても有機材料であってもよい。また、第１誘電体層と第３誘電体層とで異なる材料としてもよいが、構造が簡易となり低コスト化を図ることができるので同じ材料とするのがよい。第１誘電体層、第３誘電体層にはＳｉＯ2 、ＭｇＦ2 などを用いることができる。 For the first and third dielectric layers, any material having a refractive index smaller than that of the second dielectric layer can be used, and it may be an inorganic material or an organic material. Further, different materials may be used for the first dielectric layer and the third dielectric layer, but it is preferable to use the same material because the structure is simplified and the cost can be reduced. For the first dielectric layer and the third dielectric layer, SiO 2 , MgF 2 or the like can be used.

金属層は、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔなどの金属単体やそれらの合金を用いることができる。ＩＴＯ（インジウム酸化スズ）、酸化亜鉛、などの導電性酸化物を用いることもできる。特に、表面プラズモン共鳴の効果が高いＡｌ、Ａｕまたはそれらの合金とすることが望ましい。   For the metal layer, simple metals such as Al, Au, Ag, Cu, Mg, Zr, In, Sn, Fe, Co, Ni, Rh, Ir, and Pt, or alloys thereof can be used. Conductive oxides such as ITO (indium tin oxide) and zinc oxide can also be used. In particular, it is desirable to use Al, Au, or an alloy thereof having a high surface plasmon resonance effect.

金属層の周期的構造は、表面プラズモン共鳴を生じうる任意の周期的構造でよく、正方格子状、三角格子状、ストライプ状などの構造とすることができる。また、溝や孔などの凹部によって周期的構造を構成してもよいし、ドットなどの凸部によって周期的構造を構成してもよい。ドットや孔の形状は、平面視で、円、楕円、正三角形、正方形、正六角形など任意の形状を用いることができ、その形状によって本発明の光学フィルタの特性を制御することも可能である。また、周期的構造の周期によって、本発明の光学フィルタの透過波長のピークを制御することができる。たとえば、ドットまたは孔を正方格子状あるいは三角格子状に配置して、周期を２μｍ以下とすれば、透過波長のピークを４００〜２０００ｎｍの間に制御することができる。   The periodic structure of the metal layer may be any periodic structure capable of generating surface plasmon resonance, and may be a square lattice shape, a triangular lattice shape, a stripe shape, or the like. Further, the periodic structure may be constituted by concave portions such as grooves and holes, or the periodic structure may be constituted by convex portions such as dots. The shape of the dot or hole can be any shape such as a circle, an ellipse, a regular triangle, a square, or a regular hexagon in plan view, and the shape of the optical filter of the present invention can be controlled by the shape. . Moreover, the peak of the transmission wavelength of the optical filter of the present invention can be controlled by the period of the periodic structure. For example, if the dots or holes are arranged in a square lattice shape or a triangular lattice shape and the period is set to 2 μm or less, the peak of the transmission wavelength can be controlled between 400 and 2000 nm.

凹部によって周期的構造を構成する場合、その凹部は空洞としてもよいが、誘電体によって埋めるようにしたほうがよい。金属層の酸化などによる腐食を防止するためである。凸部によって周期的構造を構成する場合も同様である。   When the periodic structure is constituted by the concave portions, the concave portions may be hollow, but it is preferable that the concave portions be filled with a dielectric. This is to prevent corrosion due to oxidation of the metal layer. The same applies to the case where the periodic structure is constituted by the convex portions.

また、金属層の厚さは、本発明の光学フィルタの透過率、透過波長のピークの半値幅等に合わせて設計する。つまり、金属層の厚さによって本発明の光学フィルタの透過率や透過波長のピークの半値幅等の制御が可能である。   The thickness of the metal layer is designed in accordance with the transmittance of the optical filter of the present invention, the half width of the peak of the transmission wavelength, and the like. That is, the transmittance of the optical filter of the present invention, the half width of the peak of the transmission wavelength, and the like can be controlled by the thickness of the metal layer.

金属層上には、第４誘電体層をさらに設けてもよい。金属層の酸化等による腐食を防止し、入射光の反射を防止するとともに、第４誘電体層と金属層との界面に生じる表面プラズモン共鳴を利用して本発明の光学フィルタの透過率、透過波長のピークの半値幅を向上させることができる。第４誘電体層は、第３誘電体層と同一材料としてもよい。   A fourth dielectric layer may be further provided on the metal layer. Corrosion due to oxidation or the like of the metal layer is prevented, reflection of incident light is prevented, and the transmittance and transmission of the optical filter of the present invention are utilized by utilizing surface plasmon resonance generated at the interface between the fourth dielectric layer and the metal layer. The half width of the wavelength peak can be improved. The fourth dielectric layer may be made of the same material as the third dielectric layer.

また、金属層は、所定周期の周期的構造を有する第１領域と、第１領域とは異なる周期の周期的構造を有する第２領域とを有する構造とすることができる。この構造により、第１領域を透過する光と第２領域を透過する光とで、透過領域を変えることができる。もちろん、第１、２領域とは周期の異なる第３領域、第１〜３領域とは周期の異なる第４領域、・・・をさらに有する構造としてもよい。   The metal layer may have a structure having a first region having a periodic structure with a predetermined period and a second region having a periodic structure with a period different from that of the first region. With this structure, the transmission region can be changed between light transmitted through the first region and light transmitted through the second region. Of course, it is good also as a structure which further has 3rd area | region with a different period from 1st, 2nd area | region, 4th area | region with a different period from 1st-3rd area, ....

本発明によれば、金属層と第３誘電体層との界面に生じる表面プラズモン共鳴による大域的な波長フィルタリングだけでなく、第２誘電体層を設けたことによる伝搬モードの限定により狭帯域な波長フィルタリングを行うことができる。そのため、狭帯域な光学フィルタを実現することができる。特に、表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタでは従来難しかった近赤外領域に透過波長ピークを有する特性を、本発明の光学フィルタであれば実現可能である。   According to the present invention, not only global wavelength filtering due to surface plasmon resonance occurring at the interface between the metal layer and the third dielectric layer but also a narrow band due to the limitation of the propagation mode due to the provision of the second dielectric layer. Wavelength filtering can be performed. Therefore, a narrow band optical filter can be realized. In particular, the optical filter of the present invention can realize a characteristic having a transmission wavelength peak in the near-infrared region, which has been difficult with an optical filter using surface plasmon resonance.

実施例１の光学フィルタの構成を示した図。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of an optical filter according to the first embodiment. 金属ドット１５の配列パターンを示した図。The figure which showed the arrangement pattern of the metal dot 15. FIG. 他の金属層１３の周期的構造を示した図。The figure which showed the periodic structure of the other metal layer 13. FIG. 他の金属層１３の周期的構造を示した図。The figure which showed the periodic structure of the other metal layer 13. FIG. 他の金属層１３の周期的構造を示した図。The figure which showed the periodic structure of the other metal layer 13. FIG. 実施例１の光学フィルタの透過率波長依存性を示したグラフ。6 is a graph showing the transmittance wavelength dependency of the optical filter of Example 1. FIG. 実施例２の光学フィルタの構成を示した図。FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of an optical filter according to a second embodiment. 金属ドット２５の配列パターンを示した図。The figure which showed the arrangement pattern of the metal dot 25. FIG.

以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。   Specific examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the examples.

図１は、実施例１の光学フィルタの構成を示した図である。実施例１の光学フィルタは、図１のように、ＳｉＯ2 からなる基板１０と、基板１０上に位置する高屈折率層１１と、高屈折率層１１上に位置するギャップ層１２と、ギャップ層１２上に位置する金属層１３と、金属層１３上に位置する保護層１４と、によって構成されている。この光学フィルタは、その面に垂直に保護層１４側から光を入射させ、基板側から出射される光を狭帯域とするものである。基板１０、高屈折率層１１、ギャップ層１２、保護層１４は、それぞれ本発明の第１誘電体層、第２誘電体層、第３誘電体層、第４誘電体層に相当している。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an optical filter according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the optical filter of Example 1 includes a substrate 10 made of SiO 2 , a high refractive index layer 11 located on the substrate 10, a gap layer 12 located on the high refractive index layer 11, and a gap. The metal layer 13 is located on the layer 12 and the protective layer 14 is located on the metal layer 13. In this optical filter, light is incident from the side of the protective layer 14 perpendicularly to the surface thereof, and light emitted from the substrate side is narrowed. The substrate 10, the high refractive index layer 11, the gap layer 12, and the protective layer 14 correspond to the first dielectric layer, the second dielectric layer, the third dielectric layer, and the fourth dielectric layer of the present invention, respectively. .

基板１０は、ＳｉＯ2 からなる。ＳｉＯ2 以外にも、高屈折率層１１よりも屈折率の低い誘電体であれば任意の材料を用いることができる。 Substrate 10 is composed of SiO 2. In addition to SiO 2 , any material can be used as long as it has a lower refractive index than that of the high refractive index layer 11.

高屈折率層１１は、厚さ１３０ｎｍで、基板１０よりも屈折率の高い誘電体であるＴｉＯ2 からなる。基板１０よりも屈折率の高い誘電体材料であれば、他の材料を用いてもよく、たとえば、ＺｒＯ2 などの酸化物や、ＳｉＮなどの窒化物である。この高屈折率層１１を導入することにより、光の伝搬モードを限定し、所望の帯域の透過率を抑制することができる。詳細については後述する。 The high refractive index layer 11 is made of TiO 2 which is a dielectric having a thickness of 130 nm and a refractive index higher than that of the substrate 10. Other materials may be used as long as the dielectric material has a higher refractive index than that of the substrate 10, for example, an oxide such as ZrO 2 or a nitride such as SiN. By introducing the high refractive index layer 11, the light propagation mode can be limited and the transmittance in a desired band can be suppressed. Details will be described later.

ギャップ層１２は、基板１０と同様にＳｉＯ2 からなり、高屈折率層１１よりも屈折率が低くなっている。ギャップ層１２の厚さは５０ｎｍである。ギャップ層１２は基板１０と同じ材料である必要はなく、高屈折率層１１よりも屈折率の低い材料であればよい。ただし、基板１０と同一の材料を用いることで、高屈折率層１１の厚さの設計が容易となり、実施例１の光学フィルタの構成が簡易となり、また低コスト化を図ることができるので、同一材料もしくは誘電率がおよそ等しい材料とすることが望ましい。 The gap layer 12 is made of SiO 2 like the substrate 10 and has a refractive index lower than that of the high refractive index layer 11. The thickness of the gap layer 12 is 50 nm. The gap layer 12 need not be the same material as that of the substrate 10 and may be a material having a refractive index lower than that of the high refractive index layer 11. However, by using the same material as the substrate 10, the thickness of the high refractive index layer 11 can be easily designed, the configuration of the optical filter of Example 1 can be simplified, and the cost can be reduced. It is desirable to use the same material or materials having substantially the same dielectric constant.

金属層１３は、図２に示すように、平面視において、Ａｌからなる金属ドット１５が正方格子状に配列されたパターンの周期的構造を有している。金属ドット１５の形状は直方体であり、平面視で正方形である。金属層１３の厚さは１００ｎｍである。また、この周期的構造は、周期長（金属ドット１５の中心の間隔）は５００ｎｍ、金属ドット１５の大きさ（正方形の一辺の長さ）は２５０ｎｍである。金属ドット１５間の隙間は、保護層１４によって埋められている。これにより、金属ドット１５が酸化等によって腐食することを防止している。   As shown in FIG. 2, the metal layer 13 has a periodic structure having a pattern in which metal dots 15 made of Al are arranged in a square lattice pattern in a plan view. The shape of the metal dot 15 is a rectangular parallelepiped, and is square in plan view. The thickness of the metal layer 13 is 100 nm. In this periodic structure, the periodic length (interval between the centers of the metal dots 15) is 500 nm, and the size of the metal dots 15 (the length of one side of the square) is 250 nm. A gap between the metal dots 15 is filled with the protective layer 14. This prevents the metal dots 15 from corroding due to oxidation or the like.

なお、金属層１３の周期的構造は、図２に示したものに限るものではなく、表面プラズモン共鳴を生じうる任意の周期的構造であってよい。たとえば、正方格子状以外にも、三角格子状などの任意の周期的パターンに金属ドット１５を形成してもよい。また、金属ドット１５ではなく、金属層１３を貫通する孔を周期的に開けた構造としてもよい。この場合も孔の配列は正方格子状、三角格子状など任意の周期的パターンとすることができる。また、ストライプ状の溝あるいは凸部を設けることで周期的パターンとしてもよい。ただし、ストライプ状とすると、偏光方向がストライプ方向の光成分については、透過できない点に留意する。ドットあるいは孔の平面視での形状は、円、楕円、正三角形、正方形、正六角形など任意の形状を用いることができ、この形状によっても実施例１の光学フィルタの透過率等を制御することができる。また、ドットあるいは孔の側面は、傾斜を有していてもよい。また、ドット間の隙間や孔は、空洞であってもよいが、実施例１の金属層１３のように誘電体（保護層１４）によって埋められていることが望ましい。金属層１３の酸化等の腐食を防止するとともに、光学フィルタの物理的な耐久性、安定性を高めることができるからである。   The periodic structure of the metal layer 13 is not limited to that shown in FIG. 2, and may be any periodic structure that can cause surface plasmon resonance. For example, the metal dots 15 may be formed in an arbitrary periodic pattern such as a triangular lattice shape in addition to the square lattice shape. Moreover, it is good also as a structure which opened the hole which penetrates the metal layer 13 instead of the metal dot 15 periodically. Also in this case, the holes can be arranged in an arbitrary periodic pattern such as a square lattice or a triangular lattice. Moreover, it is good also as a periodic pattern by providing a stripe-shaped groove | channel or convex part. However, it should be noted that the light component whose polarization direction is the stripe direction cannot be transmitted in the stripe shape. As the shape of the dot or hole in plan view, any shape such as a circle, an ellipse, a regular triangle, a square, or a regular hexagon can be used, and the transmittance and the like of the optical filter according to the first embodiment can also be controlled by this shape. Can do. Further, the side surface of the dot or hole may have an inclination. The gaps and holes between the dots may be hollow, but are desirably filled with a dielectric (protective layer 14) like the metal layer 13 of the first embodiment. This is because corrosion such as oxidation of the metal layer 13 can be prevented and the physical durability and stability of the optical filter can be enhanced.

金属層１３の周期的構造の一例を図３〜５に示す。図３は、金属層１３を貫通する正方形の孔１７を正方格子状に配列したパターンである。図４は、正方形の金属ドット１５を三角格子状に配列したパターンである。図５は、ストライプ状の金属からなる凸部１８を設けたパターンである。   An example of the periodic structure of the metal layer 13 is shown in FIGS. FIG. 3 shows a pattern in which square holes 17 penetrating the metal layer 13 are arranged in a square lattice pattern. FIG. 4 shows a pattern in which square metal dots 15 are arranged in a triangular lattice pattern. FIG. 5 shows a pattern in which convex portions 18 made of striped metal are provided.

たとえば、透過波長のピークを４００〜２０００ｎｍの間にするには、孔またはドットが三角格子状あるいは正方格子状に配列したパターンとし、その周期（ドット間の距離または孔間の距離）を２００μｍ以下とすることで可能となる。また、透過率や半値幅は、金属層１３の厚さ、孔およびドットの大きさと形状によって制御可能であるが、透過率を６０％以上とするには、金属層１３の厚さを２００ｎｍ以下、孔およびドットを円または多角形とし、その直径を周期の２／３以下とすることで達成できる。   For example, in order to make the peak of the transmission wavelength between 400 and 2000 nm, it is a pattern in which holes or dots are arranged in a triangular lattice shape or a square lattice shape, and its period (distance between dots or distance between holes) is 200 μm or less. This is possible. Further, the transmittance and the half width can be controlled by the thickness of the metal layer 13 and the size and shape of the holes and dots, but in order to achieve a transmittance of 60% or more, the thickness of the metal layer 13 is 200 nm or less. This can be achieved by making the holes and dots into circles or polygons and having a diameter of 2/3 or less of the period.

また、金属層１３の材料はＡｌに限るものではなく、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔなどの金属単体やそれらの合金を用いることができる。ＩＴＯ（インジウム酸化スズ）、酸化亜鉛、などの導電性酸化物を用いることもできる。特に、表面プラズモン共鳴の効果が高いＡｌ、Ａｕまたはそれらの合金とすることが望ましい。   Further, the material of the metal layer 13 is not limited to Al, and simple metals such as Au, Ag, Cu, Mg, Zr, In, Sn, Fe, Co, Ni, Rh, Ir, and Pt, or alloys thereof are used. be able to. Conductive oxides such as ITO (indium tin oxide) and zinc oxide can also be used. In particular, it is desirable to use Al, Au, or an alloy thereof having a high surface plasmon resonance effect.

保護層１４は、ＳｉＯ2 からなり、金属層１３を封止して酸化等の腐食を防止するための層である。また、光学フィルタの透過率を高めるための層である。ギャップ層１２と金属層１３との界面で生じる表面プラズモン共鳴だけでなく、金属層１３と保護層１４との界面で生じる表面プラズモン共鳴を利用することができるため、透過率を高めることができる。保護層１４は金属層１３上に位置するとともに、金属層１３の金属ドット１５の隙間を埋めている。保護層１４はギャップ層１２と異なる材料であってもよいが、透過波長の半値幅を狭くするためには、ギャップ層１２と保護層１４は同一材料とするか、もしくは誘電率がおよそ等しい材料とすることが望ましい。この保護層１４は必ずしも必要ではないが、上記利点のため設けることが好ましい。また、金属ドット１５の隙間を埋める部材を保護層１４と異なるものとしてもよい。 The protective layer 14 is made of SiO 2 and is a layer for sealing the metal layer 13 to prevent corrosion such as oxidation. Moreover, it is a layer for increasing the transmittance of the optical filter. Since not only the surface plasmon resonance generated at the interface between the gap layer 12 and the metal layer 13 but also the surface plasmon resonance generated at the interface between the metal layer 13 and the protective layer 14 can be used, the transmittance can be increased. The protective layer 14 is located on the metal layer 13 and fills the gaps between the metal dots 15 of the metal layer 13. The protective layer 14 may be made of a material different from that of the gap layer 12. However, in order to narrow the half-value width of the transmission wavelength, the gap layer 12 and the protective layer 14 are made of the same material, or a material having approximately the same dielectric constant Is desirable. This protective layer 14 is not necessarily required, but is preferably provided for the above advantages. Further, the member that fills the gap between the metal dots 15 may be different from the protective layer 14.

なお、金属層１３以外の各構成の材料、つまり基板１０、高屈折率層１１、ギャップ層１２は、無機材料であってもよいし、有機材料であってもよい。フレキシブルな有機材料を用いることで、フィルム状の光学フィルタとすることも可能である。   In addition, the material of each structure other than the metal layer 13, that is, the substrate 10, the high refractive index layer 11, and the gap layer 12 may be an inorganic material or an organic material. By using a flexible organic material, a film-like optical filter can be obtained.

また、保護層１４上に、入射光の反射を防ぐ膜、たとえばＡＲコート膜を形成してもよい。   Further, a film that prevents reflection of incident light, such as an AR coating film, may be formed on the protective layer 14.

実施例１の光学フィルタは、以下の製造方法によって作製する。まず、基板１０上に、スパッタや真空蒸着、ＣＶＤなどの方法によって誘電体層１１、ギャップ層１２を順に形成する。次に、ギャップ層１２上に、スパッタや真空蒸着などの方法によって金属層を形成し、その上にＥＢ描画、ナノインプリントなどを用いてレジストをパターニングする。そして、ＩＣＰエッチングなどを用いて金属層をエッチングすることで、周期的構造を有する金属層１３を形成する。その後、金属層１３上にスパッタ、真空蒸着、ＣＶＤなどの方法によって保護層１４を形成する。以上によって実施例１の光学フィルタが作製される。   The optical filter of Example 1 is manufactured by the following manufacturing method. First, the dielectric layer 11 and the gap layer 12 are sequentially formed on the substrate 10 by a method such as sputtering, vacuum deposition, or CVD. Next, a metal layer is formed on the gap layer 12 by a method such as sputtering or vacuum deposition, and a resist is patterned thereon using EB drawing, nanoimprint, or the like. Then, the metal layer 13 having a periodic structure is formed by etching the metal layer using ICP etching or the like. Thereafter, the protective layer 14 is formed on the metal layer 13 by a method such as sputtering, vacuum deposition, or CVD. Thus, the optical filter of Example 1 is manufactured.

次に、実施例１の光学フィルタの動作について説明する。   Next, the operation of the optical filter of Example 1 will be described.

実施例１の光学フィルタは、その光学フィルタの主面に垂直に保護層１４表面側から光を入射させ、基板１０裏面側から光を透過させて取り出すものである。光を光学フィルタの主面に垂直に、保護層１４側から入射させると、保護層１４と金属層１３の金属ドット１５との界面、および金属ドット１５とギャップ層１２との界面において生じる表面プラズモン共鳴によって、所定の波長帯のみが透過される。つまり、所望の波長に透過率のピークを有した透過特性を有する。   In the optical filter of Example 1, light is incident from the surface side of the protective layer 14 perpendicularly to the main surface of the optical filter, and light is transmitted from the back surface side of the substrate 10 to be extracted. When light is incident from the protective layer 14 side perpendicularly to the main surface of the optical filter, surface plasmons generated at the interface between the protective layer 14 and the metal dots 15 of the metal layer 13 and at the interface between the metal dots 15 and the gap layer 12 are generated. By resonance, only a predetermined wavelength band is transmitted. That is, it has a transmission characteristic having a transmittance peak at a desired wavelength.

この表面プラズモン共鳴を利用した波長フィルタリングでは、ピークよりも短波長側において十分に透過率を低減することができない。   In wavelength filtering using this surface plasmon resonance, the transmittance cannot be sufficiently reduced on the shorter wavelength side than the peak.

この短波長側の光は、高屈折率層１１を設けたことで抑制される。高屈折率層１１は、高屈折率層１１よりも屈折率の低い基板１０とギャップ層１２との間に設けた層であり、この高屈折率層１１を設けたことで、下記数式１を満たす伝搬モードのみが高屈折率層１１内を平面方向に伝搬することができる。なお、光学フィルタの主面に垂直に光を入射しているにもかかわらず、高屈折率層１１を平面方向に伝搬する光が存在するのは、金属層１３の周期的構造による回折のためである。   The light on the short wavelength side is suppressed by providing the high refractive index layer 11. The high refractive index layer 11 is a layer provided between the substrate 10 having a refractive index lower than that of the high refractive index layer 11 and the gap layer 12. By providing the high refractive index layer 11, the following formula 1 is obtained. Only the propagation mode that is satisfied can propagate in the plane direction in the high refractive index layer 11. Note that the light propagating in the plane direction in the high refractive index layer 11 despite the incidence of light perpendicular to the main surface of the optical filter is due to diffraction by the periodic structure of the metal layer 13. It is.

上記数式１において、ｋ０は波数、βは伝搬定数、ｄは高屈折率層１１の厚さ、ε１、ε２、ε３はそれぞれ基板１０、高屈折率層１１、ギャップ層１２の誘電率、ｍは整数を示している。   In Equation 1, k0 is the wave number, β is the propagation constant, d is the thickness of the high refractive index layer 11, ε1, ε2, and ε3 are the dielectric constants of the substrate 10, the high refractive index layer 11, and the gap layer 12, respectively, and m is Indicates an integer.

実施例１の光学フィルタでは、基板１０とギャップ層１２とで同一材料を用いているため、ε１＝ε３であり、数式１は次の数式２のようになる。   In the optical filter of Example 1, since the same material is used for the substrate 10 and the gap layer 12, ε1 = ε3, and Equation 1 is expressed as Equation 2 below.

ギャップ層１２を透過して高屈折率層１１に入射した光のうち、この数式２を満たす伝搬モードの光は高屈折率層１１中にトラップされ、高屈折率層１１を透過して基板１０へと入射することはない。したがって、基板１０、高屈折率層１１、ギャップ層１２の３層の積層構造は、数式２を満たす波長帯を透過させない波長フィルタとして動作する。   Of the light that has passed through the gap layer 12 and entered the high refractive index layer 11, the light in the propagation mode that satisfies Equation 2 is trapped in the high refractive index layer 11 and transmitted through the high refractive index layer 11. It is not incident on. Therefore, the three-layered structure of the substrate 10, the high refractive index layer 11, and the gap layer 12 operates as a wavelength filter that does not transmit a wavelength band that satisfies Equation 2.

この数式２を満たす伝搬モードにおいて許容される波長帯と、表面プラズモン共鳴による波長フィルタリングでの透過波長ピークより左側の帯域とが重なるようにし、かつ、数式２の伝搬モードにおいて禁止される波長帯域（つまり高屈折率層１１を透過する波長帯域）と、表面プラズモン共鳴による波長フィルタリングでの透過波長ピークとが重なるように、高屈折率層１１の厚さｄを設計する。実施例１の光学フィルタでは、高屈折率層１１の厚さを１３０ｎｍとすることで、７５０〜８５０ｎｍの帯域を透過させないように設計している。これにより、表面プラズモン共鳴による波長フィルタリングで十分に抑制されなかった透過波長ピークの短波長側を、高屈折率層１１の導入による波長フィルタリングによって抑制することができる。また、透過波長ピークの半値幅も、これにより一層狭くすることができる。   The wavelength band allowed in the propagation mode satisfying Equation 2 overlaps with the band on the left side of the transmission wavelength peak in the wavelength filtering by surface plasmon resonance, and is prohibited in the propagation mode of Equation 2 ( That is, the thickness d of the high refractive index layer 11 is designed so that the wavelength band transmitted through the high refractive index layer 11 and the transmission wavelength peak in wavelength filtering by surface plasmon resonance overlap. The optical filter of Example 1 is designed not to transmit the band of 750 to 850 nm by setting the thickness of the high refractive index layer 11 to 130 nm. Thereby, the short wavelength side of the transmission wavelength peak that has not been sufficiently suppressed by wavelength filtering by surface plasmon resonance can be suppressed by wavelength filtering by introducing the high refractive index layer 11. Further, the half-value width of the transmission wavelength peak can be further narrowed by this.

図６は、実施例１の光学フィルタについて、透過率の波長依存性を示したグラフである。比較のため、実施例１の光学フィルタから高屈折率層１１を省いた光学フィルタ（以下、比較例の光学フィルタ）についても透過率の波長依存性を示す。なお、図６はシミュレーションにより求めたものである。   FIG. 6 is a graph showing the wavelength dependence of the transmittance of the optical filter of Example 1. For comparison, the wavelength dependency of the transmittance is also shown for an optical filter in which the high refractive index layer 11 is omitted from the optical filter of Example 1 (hereinafter referred to as an optical filter of a comparative example). FIG. 6 is obtained by simulation.

図６のように、実施例１の光学フィルタの透過率の波長依存性は、８６０ｎｍ付近にピークを有した特性であり、そのピークでの透過率は７０％、半値幅はおよそ４０ｎｍである。一方、比較例の光学フィルタの透過率の波長依存性は、８７５ｎｍ付近にピークを有した特性であり、そのピークでの透過率は７０％である。また、半値幅はおよそ６０ｎｍであり、実施例１の光学フィルタに比べて半値幅が大きい特性となっている。実施例１と比較例の光学フィルタでは、その透過特性が次の点で大きく異なっている。７５０〜８５０ｎｍの波長帯域では、実施例１の光学フィルタは１０％程度の透過率であるのに対し、比較例の光学フィルタは３０〜４０％の透過率である。この波長帯域において実施例１の光学フィルタが比較例の光学フィルタよりも透過を抑制できているのは、高屈折率層１１を導入したことによる波長フィルタリングの効果であることが理解できる。また、半値幅も高屈折率層１１の導入により６０ｎｍから４０ｎｍに狭くなっている。   As shown in FIG. 6, the wavelength dependency of the transmittance of the optical filter of Example 1 is a characteristic having a peak near 860 nm, the transmittance at the peak is 70%, and the half-value width is about 40 nm. On the other hand, the wavelength dependency of the transmittance of the optical filter of the comparative example is a characteristic having a peak near 875 nm, and the transmittance at the peak is 70%. Further, the half-value width is about 60 nm, and the half-value width is larger than that of the optical filter of Example 1. The transmission characteristics of the optical filters of Example 1 and the comparative example are greatly different in the following points. In the wavelength band of 750 to 850 nm, the optical filter of Example 1 has a transmittance of about 10%, whereas the optical filter of the comparative example has a transmittance of 30 to 40%. It can be understood that in this wavelength band, the optical filter of Example 1 can suppress the transmission more than the optical filter of the comparative example because of the effect of wavelength filtering by introducing the high refractive index layer 11. Further, the half width is also reduced from 60 nm to 40 nm by the introduction of the high refractive index layer 11.

以上のように、実施例１の光学フィルタは、表面プラズモン共鳴を利用した大域的な波長フィルタリングと、高屈折率層１１を設けて伝搬モードを限定することを利用した波長フィルタリングとを行うものであり、この２つの波長フィルタリング動作によって透過率が高く、透過波長のピークの半値幅の狭い特性を得ることができる。また、実施例１の光学フィルタは、透過波長ピークが近赤外領域（７００〜２５００ｎｍ）にある。従来、近赤外領域に透過波長ピークを有する狭帯域な光学フィルタは、表面プラズモン共鳴を利用したものでは実現が難しかったが、本発明ではこれを実現することができている。   As described above, the optical filter of Example 1 performs global wavelength filtering using surface plasmon resonance and wavelength filtering using the provision of the high refractive index layer 11 to limit the propagation mode. In addition, the two wavelength filtering operations can provide characteristics with high transmittance and a narrow half-value width of the peak of the transmission wavelength. Moreover, the optical filter of Example 1 has a transmission wavelength peak in the near infrared region (700 to 2500 nm). Conventionally, a narrow-band optical filter having a transmission wavelength peak in the near-infrared region has been difficult to realize by using surface plasmon resonance, but this can be realized by the present invention.

図７は、実施例２の光学フィルタの構成を示した図である。実施例２の光学フィルタは、実施例１の光学フィルタの金属層１３を金属層２３に替えたものであり、他の構成は実施例１の光学フィルタと同様である。   FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of the optical filter according to the second embodiment. The optical filter of the second embodiment is obtained by replacing the metal layer 13 of the optical filter of the first embodiment with a metal layer 23, and the other configurations are the same as those of the optical filter of the first embodiment.

金属層２３は、図８に示すように、２つの領域２３Ａ、Ｂがあり、領域２３Ａでは、所定の周期で金属ドット２５が正方格子状に配列されたパターンとなっており、領域２３Ｂでは、領域２３Ａの周期よりも広い周期で、金属ドット２５が正方格子状に配列されたパターンとなっている。このようなパターンは、実施例１の光学フィルタの製造工程において、金属層をエッチングする際のフォトレジストのパターンを替えるだけで作製することができる。   As shown in FIG. 8, the metal layer 23 has two regions 23A and B. In the region 23A, the metal dots 25 are arranged in a square lattice pattern with a predetermined period. In the region 23B, In this pattern, the metal dots 25 are arranged in a square lattice pattern with a period wider than that of the region 23A. Such a pattern can be produced simply by changing the pattern of the photoresist when the metal layer is etched in the manufacturing process of the optical filter of Example 1.

金属層２３の周期的構造の領域２３Ａ、Ｂでの周期の違いから、光が領域２３Ａに入射する場合の透過波長ピークと、領域２３Ｂに入射する場合の透過波長ピークとは異なる。したがって、実施例２の光学フィルタは、１つの光学フィルタにおいて、その光の入射位置の違いによって透過波長ピークを異ならせることができる。   Due to the difference in period between the regions 23A and B of the periodic structure of the metal layer 23, the transmission wavelength peak when light is incident on the region 23A and the transmission wavelength peak when light is incident on the region 23B are different. Therefore, in the optical filter of Example 2, the transmission wavelength peak can be varied depending on the difference in the incident position of the light in one optical filter.

なお、実施例２では金属層２３の周期的構造を、その周期が異なる２つの領域としたが、周期が互いに異なる３つ以上の領域とすることも当然に可能である。   In the second embodiment, the periodic structure of the metal layer 23 is two regions having different periods, but it is naturally possible to have three or more regions having different periods.

本発明の光学フィルタは、フォトダイオードを用いたセンサ装置におけるＳＮ比向上などに利用することができる。   The optical filter of the present invention can be used to improve the SN ratio in a sensor device using a photodiode.

１０：基板
１１：高屈折率層
１２：ギャップ層
１３、２３：金属層
１４：保護層
１５、２５：金属ドット
１７：孔
１８：凸部 10: Substrate 11: High refractive index layer 12: Gap layer 13, 23: Metal layer 14: Protective layer 15, 25: Metal dot 17: Hole 18: Projection

Claims (7)

表面プラズモン共鳴を用いて特定の波長帯域の光を選択的に透過させる光学フィルタの製造方法において、
誘電体からなる第１誘電体層上に、前記第１誘電体層よりも屈折率の高い誘電体からなる第２誘電体層を形成し、
前記第２誘電体層上に、前記第２誘電体層よりも屈折率の低い誘電体からなる第３誘電体層を形成し、
前記第３誘電体層上に、平面方向に周期的構造を有した金属からなり、前記第３誘電体層との界面で表面プラズモン共鳴を生じさせる金属層を形成し、
前記第２誘電体層の厚さは、下記数式（１）を満たして透過を制限される波長帯が、前記表面プラズモン共鳴による透過波長ピークよりも短波長側となるようにし、かつ、下記数式（１）を満たさず透過する波長帯が、前記表面プラズモン共鳴による透過波長ピークと重なるように設定する、
ことを特徴とする光学フィルタの製造方法。
上記数式（１）において、ｋ０は波数、βは伝搬定数、ｄは第２誘電体層の厚さ、ε１、ε２、ε３はそれぞれ第１誘電体層、第２誘電体層、第３誘電体層の誘電率、ｍは整数を示している。 In a method of manufacturing an optical filter that selectively transmits light in a specific wavelength band using surface plasmon resonance,
Forming a second dielectric layer made of a dielectric having a higher refractive index than the first dielectric layer on the first dielectric layer made of a dielectric;
Forming a third dielectric layer made of a dielectric having a refractive index lower than that of the second dielectric layer on the second dielectric layer;
On the third dielectric layer, a metal layer made of a metal having a periodic structure in a planar direction and generating surface plasmon resonance at the interface with the third dielectric layer is formed.
The thickness of the second dielectric layer satisfies the following formula (1) so that the wavelength band whose transmission is restricted is shorter than the transmission wavelength peak due to the surface plasmon resonance, and the following formula: A wavelength band that transmits without satisfying (1) is set to overlap a transmission wavelength peak due to the surface plasmon resonance.
An optical filter manufacturing method characterized by the above.
In the above equation (1), k0 is the wave number, β is the propagation constant, d is the thickness of the second dielectric layer , ε1, ε2, and ε3 are the first dielectric layer, the second dielectric layer, and the third dielectric, respectively. The dielectric constant of the layer , m is an integer. 前記金属層は、所定周期の周期的構造を有する第１領域と、前記第１領域とは異なる周期の周期的構造を有する第２領域と、を有するパターンに形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタの製造方法。   The metal layer is formed in a pattern having a first region having a periodic structure having a predetermined period and a second region having a periodic structure having a period different from that of the first region. Item 2. A method for manufacturing an optical filter according to Item 1. 前記第２誘電体層は、酸化物または窒化物であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学フィルタの製造方法。   The method for manufacturing an optical filter according to claim 1, wherein the second dielectric layer is an oxide or a nitride. 前記第２誘電体層は、酸化チタン、または窒化ケイ素であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光学フィルタの製造方法。   The method for manufacturing an optical filter according to any one of claims 1 to 3, wherein the second dielectric layer is made of titanium oxide or silicon nitride. 前記金属層は、Ａｕ、Ａｌ、またはそれらの合金であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光学フィルタの製造方法。   The method for manufacturing an optical filter according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal layer is made of Au, Al, or an alloy thereof. 前記金属層上に、第４誘電体層をさらに形成することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光学フィルタの製造方法。   The method for manufacturing an optical filter according to claim 1, further comprising forming a fourth dielectric layer on the metal layer. 透過帯域が近赤外領域であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光学フィルタの製造方法。   The method for manufacturing an optical filter according to claim 1, wherein the transmission band is in the near infrared region.
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