JP2000266655A

JP2000266655A - 近接場光プローブの製造方法及びその構造

Info

Publication number: JP2000266655A
Application number: JP11073722A
Authority: JP
Inventors: Tomoshi Nishikawa; 智志西川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-03-18
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2000-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】コア部の先端部のテーパ角が、先端部以外の
側面部のテーパ角より大きくなり、光の透過効率の高い
近接場光照射／検出用プローブを、汎用の安価な光ファ
イバを用いて製造する方法を提供する。【解決手段】光ファイバ先端部のコア部をエッチング
して円錐状の第１円錐部を形成するに際し、エッチング
液のメニスカスを用いてエッチングすることにより、ク
ラッド部の先端部も同時に細くすることができ、その後
に光ファイバの先端部をエッチング液に浸してエッチン
グすることにより、第１円錐部の基端側に隣接して円錐
面のテーパ角が第１円錐部より小さい第２円錐部を形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、近接場光を照射、
検出するための近接場光プローブに関し、特に、光ファ
イバを用いた透過効率の高い近接場光プローブの製造方
法及びその構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、微小な開口部から近接場光を
発生する従来構造の近接場光プローブの断面図であり、
図１３は、近接場光プローブの先端部の拡大図である。
これらの図において、近接場光プローブは光ファイバ１
からなる。光ファイバ１は、その中心軸に沿って伸びる
コア部２と、このコア部２の外周面を覆うクラッド部３
とを有する。コア部２は、光ファイバ１の一端におい
て、クラッド部３の端面から突出しており、その突出部
分は略円錐状に尖鋭化されている。この突出部分（尖頭
部２ａ）と、その近傍に位置するクラッド部３の表面部
分は、アルミニウム等の金属被覆層９で覆われている。
ただし、尖頭部２ａの先端を覆う金属被覆層部分は適宜
手段により除かれて露出しており、これにより光の出射
口が形成されている。なお、尖頭部２ａの出射口の大き
さは、コア部２を伝送される光の波長よりも小さく、例
えば、直径５０〜１００ｎｍ程度である。この近接場光
プローブを用いて、例えば、被検体から情報を読み取る
場合、図１２に示すように、光ファイバ１の先端を被検
体に接近して配置する。光ファイバ１の先端と被検体と
の距離は、例えば出射口の径にほぼ等しくする。この状
態で、コア部２を介して伝送された光は、コア部２の先
端出射口を介して、微かな近接場光として出射される。
また、出射した光は被検体の表面で反射し、その反射光
が出射口を介してコア部２に送り戻される。いま、図示
するように、被検体の表面に凹凸が存在する場合、この
被検体から反射した光の強度が、その凹凸に対応して変
化する。従って、コア部２を通じて送り返される光の強
度を光検出器で検出することで、被検体の凹凸、すなわ
ち被検体の情報を読み取ることができる。このような近
接場光プローブは、従来、コア部にＧｅＯ₂をドープし
た可視光用光ファイバを用い、その先端部をエッチング
して尖頭部を形成し、さらに金属層を被覆して得られて
いる。このようにして形成した近接場光プローブが、例
えば、アプライド・フィジックス・レターズ６８巻、２
６１２−２６１４頁（１９９６年）に記載されている。
また、このようにコア部を尖頭化した近接場光プローブ
は、尖頭部のテーパ角（中心軸と外周面とのなす角）が
大きいほど、コア部での伝導損失を小さくでき、先端出
射口から出射される光の強度、すなわち透過効率（先端
出射口から出射される光の強度／光ファイバに導入され
て先端出射口に向かって送られる光の強度）が大きくな
ることが報告されている。そこで、先端出射口近傍のテ
ーパ角を大きくするために、先端出射口の近傍に第１の
テーパ角を有する第１の円錐部を形成すると共に、この
第１の円錐部の基端側（先端出射口と反対側）に第１の
テーパ角よりも小さな第２のテーパ角を有する第２の円
錐部を隣接して形成し、これにより透過効率を改善した
もの（２段テーパ構造）が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような２
段テーパ構造を得るためには、第１の円錐部と第２の円
錐部に対応して、コア部分にドープするＧｅＯ₂の量を
変えなければならない。しかし、コア部分にドープする
ＧｅＯ₂の量を局部的に変えることは容易ではないし、
そのような汎用性に欠ける光ファイバの製造は極めて高
価である。また、ＧｅＯ₂のドープされた光ファイバは
紫外線を吸収する。そのため、このような光ファイバ
は、紫外線を利用した検出には利用できない。逆に、紫
外線を利用した検出を可能にするために、コア部に石英
ガラスを用いた光ファイアでは、第１のテーパ角を十分
に大きくすることができず、そのために実質的に２段テ
ーパ構造は得られなかった。以上のことから、従来の近
接場光プローブでは、光ファイバの内部を尖頭部に向か
って伝送される光の強度に対する、この尖頭部の出射口
を介して光ファイバから出射される光の強度が極めて小
さく（約１０⁵分の１程度）、具体的に、光源に半導体
レーザを用いた場合、近接場光の強度は、ｎＷからμＷ
以下の微弱なものであった。

【０００４】そこで、本発明は、コア部の先端部のテー
パ角が、先端部以外の側面部のテーパ角より大きくな
り、光の透過効率の高い近接場光照射／検出用プローブ
を、汎用の安価な光ファイバを用いて製造する方法を提
供することを目的とする。特に、コア部にＧｅＯ₂が添
加されない紫外光用プローブの製造にも適用できる方法
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、発明者は鋭意研
究の結果、光ファイバ先端部のコア部をエッチングして
円錐状の第１円錐部を形成するに際し、エッチング液の
メニスカスを用いてエッチングすることにより、クラッ
ド部の端部も同時に細くすることができ、その後に光フ
ァイバの先端部をエッチング液に浸してエッチングする
ことにより、第１円錐部の基端側に隣接して第１円錐部
よりもテーパ角の小さい第２円錐部を形成できることを
見出し、本発明を完成した。

【０００６】即ち、本発明は、コア部とクラッド部とか
らなる光ファイバの先端部をエッチングして略円錐状の
尖頭部を形成し、次に上記尖頭部を被覆し、続いて上記
尖頭部の頂点を露出させる近接場光プローブの製造方法
であって、上記尖頭部を形成する工程が、上記クラッド
部に対するエッチング速度が上記コア部に対するエッチ
ング速度より大きいエッチング液と、上記エッチング液
より比重が小さくかつ上記エッチング液に対して非混和
性の有機溶媒とを１つの容器内に準備する工程と、上記
光ファイバの一端をほぼ垂直下方に移動してエッチング
液に接触させて、上記光ファイバの周囲にメニスカスを
形成しながら持ち上げた状態で保持し、これによりコア
部の先端に第１テーパ角を有する第１円錐部を形成する
とともに、上記クラッド部の先端を、端部が細くなった
円錐状とする第１エッチング工程と、上記光ファイバの
一端をこれがエッチング液と有機溶媒との界面から所定
の距離下方に位置するように上記エッチング液に浸け、
これにより上記コア部の先端であって第１円錐部の基端
側にこれと隣接して第１テーパ角よりも小さな第２テー
パ角を有する第２円錐部を形成する第２エッチング工程
とを備えることを特徴とする近接場光プローブの製造方
法である。かかる製造方法を用いることにより、従来方
法のように、コア部に添加するＧｅＯ₂の濃度を変える
ことなく、先端部のテーパ角（２θ１）が、基端部のテ
ーパ角（２θ２）よりも大きくなる２段テーパ構造の近
接場光プローブを作製することが可能となるからであ
る。特に、従来方法が適用できなかった、コア部が酸化
ケイ素からなる紫外線用マルチモードファイバにも本製
造方法を適用することができ、２段テーパ構造の近接場
光プローブを作製することが可能となる

【０００７】上記第１エッチング工程は、上記メニスカ
スを形成した状態で、上記光ファイバを上昇させながら
上記先端部をエッチングして、上記コア部をエッチング
して上記第１円錐部とするとともに、上記クラッド部の
先端部を表面が凸面状の円錐状にエッチングする工程で
あり、上記第１エッチング後に上記第２のエッチングを
行うことにより、上記第２円錐部を、表面が凸面状の円
錐部とするものであっても良い。第２円錐部をこのよう
な形状とすることにより、試料表面の走査時に障害とな
る部位がプローブ先端にない構造が得られるとともに、
伝搬光を基端部のコア部側面で反射させることにより先
端方向に伝搬する伝搬光の量を増加させ、光の透過効率
が高い近接場光プローブを形成することができるからで
ある。

【０００８】上記第２エッチング工程は、上記光ファイ
バの先端部を、上記コア部のエッチング速度に対する上
記クラッド部のエッチング速度の比が順に大きくなるよ
うに選択した複数のエッチング溶液に浸して、少なくと
も上記コア部を、端部から順にテーパ角が小さくなるよ
うに連続した複数の円錐部にエッチングする工程である
っても良い。かかる製造方法により、コア部を、その円
錐面の中心軸に対するテーパ角が、端部から順に小さく
なるように連続した複数の円錐部にエッチングすること
により、試料表面の走査時に障害となる部位がプローブ
先端にない構造が得られるとともに、基端部のコア部側
面で反射され先端方向に伝搬する光量を増加させ、光の
透過効率が高い近接場光プローブを形成することができ
るからである。

【０００９】また、本発明は、コア部とクラッド部とか
らなる光ファイバの先端部をエッチングして略円錐状の
尖頭部を形成し、次に上記尖頭部を被覆し、続いて上記
尖頭部の頂点を露出させる近接場光プローブの製造方法
であって、上記尖頭部を形成する工程が、上記クラッド
部に対するエッチング速度が上記コア部に対するエッチ
ング速度より大きい複数のエッチング液を準備する工程
と、上記光ファイバの先端部を、上記コア部のエッチン
グ速度に対する上記クラッド部のエッチング速度の比が
順に大きくなるように選択した複数の上記エッチング液
に順に浸して、上記コア部を、そのテーパ角が、端部か
ら順に小さくなるように連続した複数の円錐部にエッチ
ングすることを特徴とする近接場光プローブの製造方法
でもある。かかる製造方法を用いることによっても、コ
ア部を、その円錐面の中心軸に対するテーパ角が、端部
から順に小さくなるように連続した複数の円錐部にエッ
チングすることが可能となるからである。

【００１０】上記連続した複数の円錐部は、ほぼ表面が
凸面状の円錐部として形成することが好ましい。基端部
のコア部側面で反射され先端方向に伝搬する光量を増加
させ、光の透過効率が高い近接場光プローブを形成する
ことができるからである。

【００１１】上記複数のエッチング液は、第１エッチン
グ液と、上記コア部に対する上記クラッド部のエッチン
グ速度の比が上記第１エッチング液より大きい第２エッ
チング液とからなり、上記光ファイバの先端部を第１エ
ッチング液に浸し、上記コア部の端部を、第１テーパ角
を有する第１円錐部にエッチングする工程と、上記光フ
ァイバの先端部を第２エッチング液に浸し、上記第１円
錐部の基端側にこれに隣接して上記第１テーパ角よりも
小さい第２テーパ角を有する第２円錐部を形成する工程
とを備えるものであっても良い。かかる製造方法を用い
ることによっても、従来方法のように、コア部に添加す
るＧｅＯ₂の濃度を変えることなく、先端部分のテーパ
角（２θ１）が、基端部のテーパ角（２θ２）よりも大
きくなる２段テーパ構造の近接場光プローブを作製する
ことが可能となるからである。

【００１２】また、本発明は、上記光ファイバの先端部
を被覆金属層で覆い、上記コア部の円錐部頂点が露出す
るように上記被覆金属層を開口する工程を備える製造方
法でもある。

【００１３】上記光ファイバは、コア部が石英ガラスか
らなるものであっても良い。即ち、従来方法とは異な
り、本製造方法は、コア部が酸化ケイ素からなる光ファ
イバにも適用可能である。

【００１４】上記コア部に、酸化ゲルマニウムが均一に
添加されたものであっても良い。即ち、従来方法とは異
なり、本製造方法は、コア部に、酸化ゲルマニウムが均
一の添加された光ファイバにも適用可能である。

【００１５】また、本発明は、近接場光の検出や照射に
用いる近接場光プローブであって、クラッド部より突出
した酸化ケイ素からなるコア部を備えた光ファイバと、
光ファイバの先端部を覆う被覆金属層とからなり、上記
コア部の先端部が、その円錐面が第１テーパ角を有する
第１円錐部と、上記第１円錐部の基端側にこれに隣接し
て連続して形成され、上記第１テーパ角よりも小さい第
２テーパ角を有する第２円錐部からなり、上記第１円錐
部の頂点を、上記被覆金属層に設けた開口部から露出さ
せたことを特徴とする近接場光プローブでもある。かか
る２段テーパ構造の近接場光プローブでは、第１円錐部
のテーパ角（２θ１）が大きくなっているので、光ファ
イバの内部を伝搬する光は、減衰を受ける伝搬距離が小
さく、減衰を小さくし、光の透過効率を高くすることが
できる。また、第２円錐部のテーパ角（２θ２）が小さ
くなっているので、凹凸の大きい試料表面の走査時に障
害となる部位がプローブ先端になく良好に走査できる。

【００１６】上記コア部は、酸化ゲルマニウムが均一に
添加されたものであっても良い。

【００１７】上記第２円錐部の表面は、凸面状の曲面で
あっても良い。

【００１８】上記クラッド部は、先端部において、その
端部ほど細くなったことが好ましい。凹凸の大きい試料
表面の走査時に障害となる部位がなく、良好に走査でき
るからである。

【００１９】

【発明の実施の形態】実施の形態１．本発明の実施の形
態１について、図１から図３を参照して説明する。これ
らの図は、本発明に係る近接場光プローブの製造方法及
びそれに使用する製造装置の概略を示す。製造装置２３
は容器２４を有する。容器２４には、エッチング液４
（例えば、フッ化水素酸）と、このエッチング液４より
も比重が小さくかつこのエッチング液に対して非混和性
の有機溶媒５（例えば、ｎ−テトラデカン）を収容して
いる。なお、図中、エッチング液４と有機溶媒５の界面
が、符号６で表わされている。容器２４の側部には、光
ファイバ１を鉛直方向に向けて保持すると共に、この光
ファイバ１を鉛直方向に微動させるための垂直微動機構
８が設けてある。光ファイバ１には、例えば、コア部２
が石英ガラスで作られたものを用いる。一方、クラッド
部には、コア部との屈折率差を設けるために、クラッド
部の石英ガラスにフッ素等がドープされている。従っ
て、エッチング液を選択することにより、両者のエッチ
ング速度を異なるようにすることができる。光ファイバ
１は、マルチモード光ファイバでもよいし、シングルモ
ード光ファイバでもよい。

【００２０】近接場光プローブの製造にあたって、まず
図１（ａ）に示すように、容器２４が用意され、これに
上述のエッチング液４と有機溶媒５が収容される。光フ
ァイバ１は、垂直微動機構８により、有機溶媒５上でほ
ぼ垂直に保持される。

【００２１】次に、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、
垂直微動機構８を作動し、光ファイバ１を下降する。な
お、光ファイバ１の端面７と界面６との間隔が約０．５
ｍｍ程度になるまでは、目視により観察しながら下降さ
せることができる。しかし、間隔がその値より小さくな
ると、垂直微動装置８で光ファイバ１を下降し、光ファ
イバ１の端面７をほぼ界面６に一致させる。その結果、
表面張力によりエッチング液５が光ファイバ１の先端側
外周面に沿って上昇し、その回りにメニスカス２２が形
成される。

【００２２】次に、図２（ｃ）に示すように、クラッド
径１２５μｍの光ファイバを用いる場合、垂直微動機構
８により光ファイバ１を例えば６０μｍだけ引き上げ
る。引き上げ距離は微小であるため、光ファイバ１の側
面に形成されたエッチング液５のメニスカス２２は維持
されたままである。かかる状態で、例えば、９９０秒間
保持することにより、光ファイバ１の先端部のエッチン
グを行う。

【００２３】この結果、図２（ｄ）に示すように、コア
部２の端部がクラッド部３から突出し、その突出部に第
１テーパ角を有する第１円錐部が形成され、またクラッ
ド部の側壁にも端部が細くなるようにテーパが形成され
る。このように、光ファイバ１の先端部において、コア
部２は円錐状にエッチングされる。これは、コア部２の
エッチング速度がクラッド部３のエッチング速度より小
さいために、光ファイバ１の先端面で、クラッド部３の
上昇速度（エッチング速度）とコア部２の上昇速度（エ
ッチング速度）との間に差が生じ、これによりコア部２
の側壁が露出されて、側壁方向からもコア部２がエッチ
ングされるためである。一方、光ファイバ１の先端部に
おいて、クラッド部３は端部が細くなったテーパ状にエ
ッチングされる。これは、メニスカス２２の高さは、光
ファイバ１の直径に比例するため、光ファイバ１のエッ
チングが進んで光ファイバ１の直径が小さくなると、メ
ニスカス２２の高さも低くなり、光ファイバ１の先端部
でエッチング液５に接触している高さも徐々に低くなっ
てくるからである。従って、光ファイバ１の先端部のク
ラッド部３の側壁では、エッチングが進んで光ファイバ
１が細くなるに従って、エッチング液４のメニスカス２
２の上端が下降し、先端部が細くなった円錐状にエッチ
ングされることとなる。

【００２４】次に、図３（ｅ）に示すように、光ファイ
バ１を下げて、先端部を界面６より下に位置させてエッ
チング液４に浸し、それまで有機溶媒に接していたため
にエッチングされなかった部分も含めてエッチングを行
う。エッチング時間は、例えば、９９０秒間である。こ
の時、クラッド部３の先端側の円錐状部分の存在によ
り、第１円錐部の基端側（図の上端側）にあるコア部２
のエッチング量に差を生じることにより、光ファイバ１
の先端部には、テーパ角（２θ１）の第１円錐部と、か
かる第１円錐部の基端側に隣接し、テーパ（２θ２）の
第２円錐部とを備えた２段テーパ構造が形状される。

【００２５】図３（ｆ）は、図１（ａ）（エッチング
前）、図２（ｄ）、図３（ｅ）の各工程終了時の光ファ
イバ先端部の形状を示し、矢印（ａ）、（ｄ）、（ｅ）
で示す線は各工程終了後の形状を示す。

【００２６】最後に、エッチング液４から光ファイバ１
を取り出し、水、次にアルコールを用いて光ファイバ１
を順に洗浄する。

【００２７】エッチング終了後、この上に金属被覆層９
を成膜する。金属被覆層９の材料としては、例えば、ア
ルミニウムを用いることができ、バックグラウンドの光
を遮光できるように、膜厚は約２００ｎｍとする。成膜
は、真空蒸着、スパッタ、無電解メッキ等を用いて行な
うことができる。真空蒸着の場合、成膜は光ファイバを
回転させながら光ファイバ１の側面から行う。これによ
り、光ファイバ１のプローブ先端の金属被覆の膜厚が小
さくなるように成膜することができる。その後、金属被
覆層９に微小な開口部１０を形成する。開口部１０の開
口径は、光の波長より小さく、例えば、１００ｎｍ程度
であることが好ましい。開口部１０の形成はイオンビー
ム加工やエッチング、機械的加工などを用いて金属被覆
層９の先端を除去して開口することにより行なう。

【００２８】このような製造方法を用いることにより、
従来方法のように、コア部２に添加するＧｅＯ₂の濃度
を変えることなく、先端部の第１円錐部のテーパ角（２
θ１）が、第１円錐部の基端側に隣接して設けた第２円
錐部のテーパ角（２θ２）よりも大きくなる２段テーパ
形状の近接場光プローブを作製することが可能となる。
かかる２段テーパ構造の近接場光プローブでは、光ファ
イバ１の内部を伝搬する光は、２段テーパの先端部で非
伝搬光となって減衰を受けつつ開口部１０に達するが、
先端部のテーパ角（２θ１）が大きくなっているので、
減衰を受ける伝搬距離が小さく、減衰を小さくし、光の
透過効率を高くすることができる。

【００２９】一方、基端部のテーパ角（２θ２）が小さ
くなっているので、凹凸の大きい試料表面に対しても、
従来の単一円錐形状を有するプローブ（図１２）と同様
に、試料表面の走査時に障害となる部位がプローブ先端
になく良好に走査できる。

【００３０】また、基端部の側面で反射され先端方向に
伝搬する光量が増加するので、全入射光に対する出射光
の割合、即ち光の透過効率を高くすることができる。こ
のように、光の利用効率の高い近接場光プローブを形成
することができる。

【００３１】このような２段テーパ構造のプローブは、
ＧｅＯ₂を、ＳｉＯ₂からなるコア部に、均一に添加した
ファイバを用いても形成できる。ＧｅＯ₂を添加した光
ファイバの場合、エッチング液４には、フッ化水素酸溶
液ではなく、フッ化水素酸、水、ＮＨ₄Ｆ水溶液の混合
液を用いる。フッ化水素酸の濃度は４８ｗｔ％、ＮＨ₄
Ｆ水溶液の濃度は４０ｗｔ％である。ＮＨ₄Ｆ水溶液の
混合比を変えることにより、Ｇｅ₂Ｏを添加したコア部
のエッチング速度が変わり、円錐部のテーパ角（２θ
１）を調整することができる。フッ化水素酸、水、ＮＨ
₄Ｆ水溶液の体積比を、1：１：Ｘとした場合、Ｘ＞１．
７の範囲で、Ｘが大きくなるほど円錐部のテーパ角（２
θ１）が小さくなる。図３（ｇ）に示す２段テーパ構造
のプローブは、ＧｅＯ₂が添加されたコア部のテーパ角
（２θ１）が、基端側のテーパ角（２θ２）より大きく
なるようにエッチングされる条件に混合比を調整した場
合、即ち、例えば、１．７＜Ｘ＜３とした場合に得られ
る。

【００３２】実施の形態２．本発明の実施の形態２につ
いて、図２を参照して説明する。図１に示す部材、部分
と同一に部材、部分には、同一の符号を付す。光ファイ
バ１には、例えば、コア部にＧｅＯ₂が添加されていな
い紫外光用のマルチモードファイバを用いる。

【００３３】本実施の形態にかかる製造方法では、上述
の実施の形態１と同様に、まず、図４（ａ）に示すよう
に、光ファイバ１を界面６に対して鉛直方向になるよう
に、垂直微動装置８で設置する。続いて、界面６と光フ
ァイバ端面７との間隔が、目視で０.５ｍｍ程度となる
まで、光ファイバ１を下降させ、その後、垂直微動機構
８によって徐々に両者の間隔を近づけ、両者が接触した
時点で停止させる。

【００３４】このように、光ファイバ１の端面７を界面
６に接触させることにより、図４（ｂ）に示すように、
エッチング液４のメニスカス２２が、光ファイバ１の側
面に形成される。この場合、メニスカス２２の高さｈ
は、上述のようにファイバ径に比例し、ｈ＝ｋ×ｄ（μｍ）と表すことができる。ここで、本実施の形態の場合、ｋ＝３．１２ｄ：ファイバ径１２５μｍである。定数ｋの値は、エッチング液４と有機溶媒５の
組み合わせによって決定される。

【００３５】次に、図５（ｃ）に示すように、光ファイ
バの端面７と、界面６とを接触させた後、垂直微動機構
８により、光ファイバ１を長さＬだけ下げて、光ファイ
バ１の先端部をエッチング液４に浸す。かかる状態か
ら、エッチング時間をＴとし、光ファイバ１の上昇速度
を時間ｔの関数としてｆ（ｔ）とした場合、ｆ（ｔ）＝Ｖ₀−αｔ（０≦ｔ≦Ｔ）を満足するように、光ファイバ１を時間Ｔの間だけ、上
昇させる。ここで、Ｖ₀は初期の移動速度、αは移動速
度の変化率である。ここで、移動速度は、Ｖ₀Ｔ−１／２・αＴ²＝Ｌ＋（ｄ−ａ）／２（μ
ｍ）の関係を満たすように設定する。ここでｄは光ファイバ
のクラッド径、ａはエッチングプロセスのパラメータで
あり実験的に定められる値である。更に、時刻Ｔにおい
て、移動速度ｆ（Ｔ）が０になるように、即ち、停止す
るように、 α＝Ｖ₀／Ｔとすることが、基端部の曲面部分の長さを短くして、プ
ローブの透過効率を大きくする上で望ましい。

【００３６】エッチング時間は、メニスカス２２の上端
が光ファイバ１の端部７に達して、エッチングが自動的
に停止するまでの時間であり、エッチング開始時の光フ
ァイバ１の位置設定を注意深く行えば、良好な再現性を
得ることができる。これらのパラメータの値は、具体的
には、 L＝０μｍａ＝５μｍＶ₀＝０．１２１ μｍ／ｓ α＝１．２２ ×１０^-4 μｍ／ｓ² Ｔ＝９９０ｓｅｃとなるように選択することが好ましい。この時、エッチ
ングで形成された光ファイバのクラッド部３の側面は、
図５（ｄ）に示すように円錐面が凸面状の円錐部１１に
なっている。上記パラメータの値を変えることにより、
エッチングにより形成される円錐部１１の形状を制御す
ることができる。例えば、Ｌを大きくすることにより、
円錐部１１が細長い形状になる。尚、円錐部１１の形状
は、放物線状の円錐面を有することが好ましい。

【００３７】次に、図６（ｅ）に示すように、光ファイ
バ１の先端部をエッチング液４に浸してエッチングを行
うことにより、テーパ角（２θ１）の先端部の円錐部
と、かかる円錐部の基端側に隣接し、テーパ角が（２θ
１）より小さい円錐部１２とを備えた近接場光プローブ
が得られる。なお、後半のエッチング（図６（ｅ）に示
すエッチング）を行っても、前半のエッチング（図５
（ｃ）、（ｄ）に示すエッチング）によって形成された
クラッド部３の曲面形状は維持されることとなる。

【００３８】図６（ｆ）に、図４（ａ）エッチング前、
図５（ｄ）、図６（ｅ）の各時点におけるファイバ先端
の形状を示す。図中、矢印（ａ）、（ｄ）、（ｅ）で示
すのは、各エッチング工程終了後の光ファイバ１の先端
部の形状である。尚、あらかじめエッチングまたは延伸
等により、径を細くしたファイバを用いてプローブの作
製を行う場合には、上述した後半のエッチングの時間を
短縮することにより、同様に、テーパ角（２θ１）の円
錐部と、かかる円錐部の基端側に隣接した表面が凸面状
の円錐部とを備えた近接場光プローブを形成することが
できる。

【００３９】エッチング終了後、エッチング液４から光
ファイバ１を取り出し、水、次にアルコールを用いて、
順に、光ファイバ１を洗浄する。その後に、Ａｌ等の金
属からなる、金属被覆層９を蒸着等により形成し、その
先端部をエッチング等により開口して開口部１０を形成
し、近接場光プローブが完成する。

【００４０】本実施の形態にかかる近接場光プローブで
は、上記実施の形態１の場合と同様に先端部のテーパ角
（２θ１）が大きくなっているので、減衰を受ける伝搬
距離が小さく、光の透過効率を高くすることが可能とな
る。また、先端部の円錐部に隣接した基端部のテーパ角
が小さくなっているので、凹凸の大きい試料表面に対し
ても、試料表面の走査時に障害となる部位がプローブ先
端になく、良好に走査できる。また、基端部が、凸面状
の表面を有する円錐となっているため、基端部を光が伝
搬する場合に、側面で反射され先端方向に伝搬する光量
が増加するので、光ファイバ１への全入射光に対する出
射光の割合、即ち、光の透過効率を高くすることができ
る。従って、光の利用効率の高い近接場光プローブを形
成することが可能となる。

【００４１】実施の形態３．本発明の実施の形態３につ
いて、図７を参照して説明する。図１に示す部材、部分
と同一に部材、部分には、同一の符号を付す。又、エッ
チング液１６としては、フッ化水素酸、水、ＮＨ₄Ｆ水
溶液の混合液を用いる。本実施の形態では、光ファイバ
１に、コア部２にＧｅＯ₂を添加した市販のＧｅＯ₂ドー
プコアファイバを用いる。かかるＧｅＯ₂ドープコアフ
ァイバを用いた場合、ＮＨ₄Ｆ水溶液の混合比を変える
ことにより、コア部２の先端部をエッチングして形成し
た円錐部の円錐面のテーパ角を制御できることが報告さ
れている。

【００４２】そこで、本実施の形態にかかる製造方法で
は、図７（ａ）において、エッチング液１６として、Ｎ
Ｈ₄Ｆ水溶液の混合比の異なる２種類のエッチング液を
準備する。そして、まず第１に、円錐面のテーパ角が大
きくなるような混合比としたエッチング液を用いて、光
ファイバ１の先端部のエッチングを行う。エッチング時
間は、最初１２５μｍ程度であったクラッド部の直径
が、６０μｍ程度に減少するまで行う。かかるエッチン
グ後において、コア部２は、円錐面が所定のテーパ角を
有する第１円錐部にエッチングされている。

【００４３】次に、円錐面のテーパ角が大きくなるよう
な混合比にしたエッチング液を用いて、光ファイバ１の
先端部を再度エッチングする。エッチングが進むにつれ
て、第１円錐部の基端側に隣接したコア部２が、円錐面
のテーパ角の小さい円錐にエッチングされ、第２円錐部
が形成される。これにより、テーパ角の異なる第１円錐
部と第２円錐部とが隣接して形成された２段テーパ構造
のコア部２を形成することができる。図７（ｂ）は、エ
ッチング前、最初のエッチング後、エッチング終了後の
光ファイバ１の先端部の形状を示したものである。図か
らわかるように、光ファイバ１の先端部は、エッチング
が進むにつれて円錐状となり、小さくなる。ここで、プ
ローブ内での光の伝送損失を小さくし、透過効率を高く
するためには、クラッド部の直径が伝搬モードが存在で
きる径より大きい部分（基端側）では、テーパ角の小さ
い円錐状とし、クラッド部の直径が伝搬モードが存在で
きる径より小さい部分（先端側）では、テーパ角の大き
い円錐状とすることが好ましい。本実施の形態では、エ
ッチング液の濃度や、エッチング時間を調節することに
より、このうように透過効率の高いプローブ形状とする
ことが可能となる。特に、エッチングに際して、実施の
形態１と同じように、エッチング液１６とともに、エッ
チング液１６より比重が小さく非混和性の有機溶媒を用
いることが好ましい。これにより、エッチング液１６か
らフッ化水素酸が蒸発するのを防止することができるか
らである。尚、金属被覆層および開口部（図示せず）の
形成は、実施の形態１と同様の方法で行う。

【００４４】かかる製造方法を用いることにより、図７
（ｂ）に示すような、２段テーパ構造の近接場光プロー
ブを作製することができる。光ファイバ内部を伝搬する
光は、プローブの先端部で非伝搬光となって減衰しつつ
開口部に達すが、本実施の形態にかかるプローブでは、
基端部のテーパ角を小さく、先端部のテーパ角を大きく
形成しているので、減衰を受ける伝搬距離が短くなり、
光の透過効率を高くすることができる。また、基端部の
テーパ角が小さくなっているので、凹凸の大きい試料表
面に対しても良好に走査することができる。また、上記
実施の形態２の場合と同様に、基端部で反射され先端方
向に伝搬する光の量が増加するため、全入射光に対する
出射光の割合、即ち透過効率を高くすることができる。
このように、本実施の形態にかかる製造方法を用いるこ
とにより、光の透過効率の高い近接場光プローブを作製
することが可能となる。

【００４５】実施の形態４．本発明の実施の形態４につ
いて、図８を参照して説明する。本実施の形態では、上
記実施の形態３と同じ工程により近接場光プローブを作
成するが、実施の形態３では２工程であったエッチング
工程を、本実施の形態４では３工程以上とする。それぞ
れのエッチング工程には、ＮＨ₄Ｆの混合率の異なるエ
ッチング液が用いられる。混合比の異なる複数のエッチ
ング液は、光ファイバ１をエッチングした場合、円錐面
のテーパ角がしだいに小さくなるような順で用いられ
る。

【００４６】このように、光ファイバ１の先端部のエッ
チングに用いるエッチング液の種類を増加させて、順に
エッチングを行うと、エッチング液の種類の数だけ、テ
ーパ角を順に変えた円錐面を得ることができる。エッチ
ング液をより多く使用することにより、プローブの表面
形状を、放物線状に近づけることができる。図８は、４
種類のエッチング液を用いて、順次、エッチングを行っ
た場合の、各エッチング工程における光ファイバ１の先
端部の形状を示すものである。エッチング終了後のコア
部２の先端部は、ほぼ、表面が凸面状の円錐体となって
いる。尚、金属被覆層および開口部（図示せず）は、実
施の形態１と同様に方法により形成する。

【００４７】このように、コア部２の形状が、ほぼ、表
面が凸面状の円錐体形状になっているプローブ、特に、
放物線状になっているプローブでは、コア部２を伝搬す
る伝搬光を、その凸面の焦点の位置に集光することがで
き、光の利用効率を増大させることができる。加えて、
光の集光位置に開口部を設けることにより、出射光の強
度が増大し、入射光に対する出射光の割合、即ち透過効
率の高いプローブを形成することができる。

【００４８】実施の形態５．本発明の実施の形態５につ
いて、図９から図１１を参照して説明する。図１に示す
部材、部分と同一に部材、部分には、同一の符号を付
す。１６はフッ化水素酸と水とＮＨ₄Ｆ水溶液の混合液
からなるエッチング液であり、フッ化水素酸の濃度は４
８ｗｔ％、ＮＨ₄Ｆ水溶液の濃度は４０ｗｔ％である。

【００４９】本実施の形態にかかる製造方法では、図９
（ａ）に示すように、エッチング液１６は、光ファイバ
１の先端部がエッチングされて形成される円錐体のテー
パ角が小さくなるような組成（例えば、フッ化水素酸：
水：ＮＨ₄Ｆ＝１：１：１０（体積比））に調整する。
光ファイバ１には、例えば、可視光用のシングルモード
ＧｅＯ₂ドープコアファイバを用いる。まず、図９
（ａ）に示すように、エッチング液１６と有機溶媒５と
の界面６に対して光ファイバ１を鉛直方向に設置する。
続いて、界面６と光ファイバ１の端面７との間隔が０.
５ｍｍ程度まで、目視により接近させ、その後、垂直微
動機構８を用いて両者の間隔を近づけ、両者が接触した
時点で移動を停止する。

【００５０】かかる状態では、図９（ｂ）に示すよう
に、界面６と端部７との接触により、光ファイバ１の側
面に、エッチング液１６のメニスカス２２が形成され
る。

【００５１】次に、図１０（ｃ）に示すように、垂直微
動機構８によって光ファイバ１を一定距離、例えば６０
μｍだけ引き上げる。引き上げ距離が小さいため、光フ
ァイバ１の側面に形成されたメニスカス２２は、そのま
ま維持されている。この状態のまま、一定時間、例えば
１２０分間保持し、第１エッチングを行う。

【００５２】かかる第１エッチングは、実施の形態１で
説明したメカニズムと同じメカニズムで進行し、図１０
（ｄ）に示すように、光ファイバ１のコア部２の先端部
が円錐状にエッチングされる。一方、クラッド部３は、
メニスカス２２の下降にともない先端部が細くなった円
錐状にエッチングされる。

【００５３】このように、一定時間、第１エッチングを
続けた後、エッチング液の組成を、エッチングにより形
成される円錐面のテーパ角が大きくなるような組成（例
えば、フッ化水素酸：水：ＮＨ₄Ｆ＝１：１：１．７
（体積比））に変えて、光ファイバ１の先端部をエッチ
ングする。即ち、一定時間第１エッチングを行った後、
ＮＨ₄Ｆの濃度の小さい順にエッチング液１６を変え
て、第２エッチングから第５エッチングまでを行う。エ
ッチング液の組成は、フッ化水素酸：水：ＮＨ₄Ｆの体
積比が、１：１：１．７から１：１：１０の範囲で選択
される。それぞれのエッチング液の組成とエッチング時
間の一例を以下の表１に示す。

【００５４】表１

【００５５】第５エッチング終了後、エッチング液から
光ファイバ１を取り出し、水中、次にアルコール中で順
に洗浄する。

【００５６】以上のようなエッチング処理によって、光
ファイバ１は、先端部の円錐部と、円錐部の基端側に隣
接した凸面状の表面からなる円錐部とに加工される。図
１１は、エッチングの進行にともなう光ファイバ１の先
端部の形状変化を示すものである。最終的には、エッチ
ング終了時として表示した形状になる。最後に、かかる
光ファイバ１の先端部の上に、実施の形態１と同様の方
法で金属被覆層および開口部（図示せず）を形成する。

【００５７】かかる製造方法を用いることにより、テー
パ角の小さな先端部の円錐部と、円錐部の基端側に隣接
した凸面状の表面の円錐部からなるコア部を備えた近接
場光プローブが得られる。光ファイバ１の内部を伝搬す
る光は、プローブの先端円錐部で非伝搬光となって減衰
を受けつつ開口部に達し、開口部からは、開口径程度の
領域にしか存在しない近接場光を形成する。図１１に示
すプローブでは、先端部のテーパ角が大きくなっている
ので、減衰を受ける伝搬距離が小さく、光の透過効率が
高くなる。また、凹凸の大きい試料表面に対しても良好
に走査できる。また、基端部が凸面状の表面からなる円
錐部からなるため、側面で反射され先端方向に伝搬する
光量が増加し、全入射光に対する光の透過効率を高くす
ることができる。先端円錐部分のテーパ角は、第１エッ
チングのエッチング液組成、エッチング時間を変えるこ
とにより、より大きくすることができる。即ち、テーパ
角が小さい場合には、先端の開口部を形成することが容
易になり、テーパ角が大きい場合には光の透過効率が向
上する。

【００５８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
にかかる製造方法を用いることにより、コア部に添加す
るＧｅＯ₂の濃度を変えることなく、先端部に形成され
たテーパ角（２θ１）の円錐体と、先端部の基端側に隣
接して設けられ、（２θ１）よりも小さいテーパ角（２
θ２）の円錐体とを備えた２段テーパ構造の近接場光プ
ローブを作製することが可能となる。

【００５９】特に、本発明にかかる製造方法は、コア部
にＧｅＯ₂が添加されない紫外光用のマルチモードファ
イバを用いた近接場光プローブの製造にも適用すること
が可能である。

【００６０】また、本発明にかかる近接場光プローブで
は、先端部分のテーパ角（２θ１）が大きくなっている
ので、減衰を受ける伝搬距離が小さくなり、光の透過効
率を高くすることができる。

【００６１】また、本発明にかかる近接場光プローブで
は、基端部のテーパ角（２θ２）が小さくなっているの
で、試料表面の走査時に障害となる部分が少なく、凹凸
の大きい試料表面に対しても、良好に走査することがで
きる。

【００６２】また、本発明にかかる近接場光プローブで
は、テーパ角を持った基端部の側面で伝搬される光が反
射され、先端方向に伝搬する光の量が増加するため、光
の透過効率が高くなり、光の利用効率を高くすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１にかかる近接場光プロ
ーブの製造工程図である。

【図２】本発明の実施の形態１にかかる近接場光プロ
ーブの製造工程図である。

【図３】本発明の実施の形態１にかかる近接場光プロ
ーブの製造工程図である。

【図４】本発明の実施の形態２にかかる近接場光プロ
ーブの製造工程図である。

【図５】本発明の実施の形態２にかかる近接場光プロ
ーブの製造工程図である。

【図６】本発明の実施の形態２にかかる近接場光プロ
ーブの製造工程図である。

【図７】本発明の実施の形態３にかかる近接場光プロ
ーブの製造工程図である。

【図８】本発明の実施の形態４にかかる近接場光プロ
ーブの各製造工程におけるプローブの断面形状である。

【図９】本発明の実施の形態５にかかる近接場光プロ
ーブの製造工程図である。

【図１０】本発明の実施の形態５にかかる近接場光プ
ローブの製造工程図である。

【図１１】本発明の実施の形態５にかかる近接場光プ
ローブの各製造工程におけるプローブの断面形状であ
る。

【図１２】従来構造の近接場光プローブの断面図であ
る。

【図１３】従来構造の近接場光プローブの拡大断面図
である。

【符号の説明】１光ファイバ、２コア部、２ａ尖頭部、３クラ
ッド部、４エッチング液、５有機溶媒、６エッチ
ング液と有機溶媒との界面、７光ファイバの端面、８
光ファイバを固定した垂直微動機構、９金属被覆
層、１０開口部、１１放物面形状、１２凸面形
状、１３近接場光、１４伝搬光、１５被検体、１６
フッ化水素酸、水、ＮＨ₄Ｆ水溶液の混合液、２２
メニスカス部、２３製造装置、２４容器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コア部とクラッド部とからなる光ファイ
バの先端部をエッチングして略円錐状の尖頭部を形成
し、次に上記尖頭部を被覆し、続いて上記尖頭部の頂点
を露出させる近接場光プローブの製造方法であって、上記尖頭部を形成する工程が、上記クラッド部に対するエッチング速度が上記コア部に
対するエッチング速度より大きいエッチング液と、上記
エッチング液より比重が小さくかつ上記エッチング液に
対して非混和性の有機溶媒とを１つの容器内に準備する
工程と、上記光ファイバの一端をほぼ垂直下方に移動してエッチ
ング液に接触させて、上記光ファイバの周囲にメニスカ
スを形成しながら持ち上げた状態で保持し、これにより
コア部の先端に第１テーパ角を有する第１円錐部を形成
するとともに、上記クラッド部の先端を端部が細くなっ
た円錐状とする第１エッチング工程と、上記光ファイバの一端を、これがエッチング液と有機溶
媒との界面から所定の距離下方に位置するように上記エ
ッチング液に浸け、これにより上記コア部の先端であっ
て第１円錐部の基端側にこれと隣接して第１テーパ角よ
りも小さな第２テーパ角を有する第２円錐部を形成する
第２エッチング工程とを備えることを特徴とする近接場
光プローブの製造方法。
【請求項２】上記第１エッチング工程が、上記メニス
カスを形成した状態で、上記光ファイバを上昇させなが
ら上記先端部をエッチングして、上記コア部をエッチン
グして上記第１円錐部とするとともに、上記クラッド部
の先端部を表面が凸面状の円錐状にエッチングする工程
であり、上記第１エッチング後に上記第２のエッチングを行うこ
とにより、上記第２円錐部を、表面が凸面状の円錐部と
することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】上記第２エッチング工程が、上記光ファ
イバの先端部を、上記コア部のエッチング速度に対する
上記クラッド部のエッチング速度の比が順に大きくなる
ように選択した複数のエッチング溶液に浸して、上記コ
ア部を、端部から順にテーパ角が小さくなるように連続
した複数の円錐部にエッチングする工程であることを特
徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】コア部とクラッド部とからなる光ファイ
バの先端部をエッチングして略円錐状の尖頭部を形成
し、次に上記尖頭部を被覆し、続いて上記尖頭部の頂点
を露出させる近接場光プローブの製造方法であって、上記尖頭部を形成する工程が、上記クラッド部に対するエッチング速度が上記コア部に
対するエッチング速度より大きい複数のエッチング液を
準備する工程と、上記光ファイバの先端部を、上記コア部のエッチング速
度に対する上記クラッド部のエッチング速度の比が順に
大きくなるように選択した複数の上記エッチング液に順
に浸して、上記コア部を、そのテーパ角が端部から順に
小さくなるように連続した複数の円錐部にエッチングす
ることを特徴とする近接場光プローブの製造方法。
【請求項５】上記連続した複数の円錐部が、ほぼ表面
が凸面状の円錐部を形成することを特徴とする請求項４
に記載の製造方法。
【請求項６】上記複数のエッチング液が、第１エッチ
ング液と、上記コア部に対する上記クラッド部のエッチ
ング速度の比が上記第１エッチング液より大きい第２エ
ッチング液とからなり、上記光ファイバの先端部を第１エッチング液に浸し、上
記コア部の端部を、第１テーパ角を有する第１円錐部に
エッチングする工程と、上記光ファイバの先端部を第２エッチング液に浸し、上
記第１円錐部の基端側にこれに隣接して上記第１テーパ
角よりも小さい第２テーパ角を有する第２円錐部を形成
する工程とを備えることを特徴とする請求項４に記載の
製造方法。
【請求項７】上記光ファイバの先端部を被覆金属層で
覆い、上記コア部の円錐部頂点が露出するように上記被
覆金属層を開口する工程を備えることを特徴とする請求
項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
【請求項８】上記光ファイバが、コア部が石英ガラス
からなることを特徴とする請求項１〜７に記載の製造方
法。
【請求項９】上記コア部に、酸化ゲルマニウムが均一
に添加されたことを特徴とする請求項８に記載の製造方
法。
【請求項１０】近接場光の検出や照射に用いる近接場
光プローブであって、クラッド部より突出した酸化ケイ素からなるコア部を備
えた光ファイバと、光ファイバの先端部を覆う被覆金属層とからなり、上記コア部の先端部が、その円錐面が第１テーパ角を有
する第１円錐部と、上記第１円錐部の基端側にこれに隣
接して連続して形成され、上記第１テーパ角よりも小さ
い第２テーパ角を有する第２円錐部からなり、上記第１
円錐部の頂点を、上記被覆金属層に設けた開口部から露
出させたことを特徴とする近接場光プローブ。
【請求項１１】上記コア部に、酸化ゲルマニウムが均
一に添加されたことを特徴とする請求項１０に記載の近
接場光プローブ。
【請求項１２】上記第２円錐部の表面が、凸面状の曲
面であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の
近接場光プローブ。
【請求項１３】上記クラッド部が、先端部において、
その端部ほど細くなったことを特徴とする請求項１０〜
１２のいずれかに記載の近接場光プローブ。