JP2012088063A - 近接場プローブおよびそれを備えた近接場顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】近接場光の発生効率を向上させるとともに、同一点で偏光依存性なく光を励起または検出する。
【解決手段】導波路１１の端面にコア３２とクラッドとの境界Ｂをまたぐように、少なくとも２つの金属構造体４１を配置する。上記２つの金属構造体４１は、先端がコア３２側に位置し、後端がクラッド３３側に位置して、後端から先端に向かって細くなる先細り形状でそれぞれ形成されているとともに、後端から先端に向かう方向が互いに直角となるように配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、近接場光を発生させる近接場プローブと、その近接場プローブを備えた近接場顕微鏡とに関するものである。

従来、近接場光を導入・検出するための近接場プローブとして、例えば特許文献１、２に開示されたものがある。特許文献１の近接場プローブでは、高屈折率差導波路の光射出側端面に、導波路によって導波された光を受けて近接場光を発生する金属構造体を配置している。この金属構造体は、上記端面において、コアとクラッドとの境界をまたぐように配置されているとともに、コア側からクラッド側に向けて先細りとなる形状で形成されている。

コアとクラッドとの境界面に対して垂直方向に電界成分を持つ光を導波路で導波させる場合、コアとクラッドとの境界付近に強い電界分布が生じる。したがって、上記のように金属構造体を配置することにより、発生する近接場の電界強度を強めることができ、近接場光の発生効率を向上させることができる。

また、特許文献２の近接場プローブは、導波路コアから伝送された光を利用して近接場光を発生させる固体含浸ミラーを備えている。固体含浸ミラーの光射出側の端面には、金属薄膜からなる反射部が設けられ、その反射部には開口部が設けられている。そして、上記金属薄膜の一部を該開口部の中心に向かって突出させることによって突出部が形成されている。突出部を構成する金属薄膜の材質を導電性の高い金属（例えばＡｕ）とすることにより、突出部を構成する金属薄膜に表面プラズモン励起が起き、これによって、近接場光の強度を高めることが可能となっている。

国際公開第２０１０／０５０２９９号パンフレット（請求項１、段落〔００１７〕、図５等参照） 特開２００７−１０９３７３号公報（請求項１０、１１、段落〔００４２〕〜〔００４５〕、図４Ａ、図４Ｂ等参照）

ところが、特許文献１の近接場プローブは、金属構造体を１個のみ導波路端面に配置した構成であるため、金属構造体の先端付近で、特定方向の偏光（上記の例では境界面に垂直な方向に振動するＴＭ波）しか励起することができず、互いに垂直な偏光を励起することはできない。近接場顕微鏡（ＳＮＯＭ；Scanning Near-Field Optical Microscope）や光スイッチへの応用を考えると、近接場プローブは、互いに垂直な偏光を略同一位置で同位相で励起したり、検出できる構成であることが望まれる。

また、特許文献２の近接場プローブにおいても、近接場光を発生させる突出部は１個または２個であり、２個の突出部を設ける場合でも、これらが対向するように（各々の突出方向が平行となるように）設けているため、特定方向の偏光（例えばＴＥ波）しか励起することができず、事情は上記と同じである。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、近接場光の発生効率を向上させるとともに、偏光依存性なく光を略同一位置で励起したり、検出することが可能な近接場プローブと、その近接場プローブを備えた近接場顕微鏡とを提供することにある。

本発明の近接場プローブは、コアと、前記コアに接するクラッドとを有する導波路と、前記導波路の端面に前記コアと前記クラッドとの境界をまたぐように配置され、前記導波路によって導波された光を受けて近接場光を発生する少なくとも２つの金属構造体とを備え、前記２つの金属構造体は、先端が前記コア側に位置し、後端が前記クラッド側に位置して、後端から先端に向かって細くなる先細り形状でそれぞれ形成されているとともに、後端から先端に向かう方向が互いに直角となるように配置されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、少なくとも２つの金属構造体は、導波路端面でコアとクラッドとの境界をまたぐように配置されているので、発生する近接場の電界強度を強めることができ、これによって近接場光の発生効率を向上させることができる。

また、２つの金属構造体は、クラッド側からコア側に向けて細くなる先細り形状でそれぞれ形成されているとともに、後端から先端に向かう方向が互いに直角となるように配置されている。なお、上記の直角は、完全な直角も含むし、略直角も含む。これにより、偏光方向（電界方向）の互いに垂直な光を、２つの金属構造体の各先端付近で励起（入力）したり、検出（出力）することが可能となる。つまり、導波路端面におけるコア内側のほぼ同一点で、偏光依存性なく光を入出力することが可能となり、偏光依存性のない近接場プローブを実現することができる。

本発明の近接場プローブは、前記コアの一部が露出する開口部を有し、前記開口部以外の領域で前記導波路の端面を覆う金属薄膜をさらに備えており、前記各金属構造体は、前記金属薄膜を前記開口部の内側に引き出すことによってそれぞれ形成されていることが望ましい。

この構成では、金属薄膜の開口部以外の領域で不要な伝搬光を遮光することができ、不要光によるノイズを低減することができる。また、各金属構造体は、金属薄膜を開口部の内側に引き出すことによって形成されるので、例えば金属薄膜のパターニングによって各金属構造体を容易に形成することができる。

本発明の近接場プローブにおいて、前記導波路は、光射出側の光スポットのサイズを光入射側の光スポットのサイズよりも小さく変換するスポットサイズ変換部を有していることが望ましい。

この構成では、例えば、導波路の光入射側端面に光ファイバを結合する場合には、大きいスポット径で両者を結合することができる。これにより、結合効率（光の伝搬効率）を上げることができ、導波路の光入射側端面の中心と、上記端面に入射する光のスポットの中心との位置ずれの許容範囲（許容誤差）も大きくとることができる。また、スポット径の大きい光ファイバを用いる構成であっても、スポットサイズ変換部でのスポットサイズの変換により、小さいスポット径で金属構造体を照射して近接場光を効率よく発生させることができる。

本発明の近接場顕微鏡は、上述した本発明の近接場プローブを備えていてもよい。

本発明の近接場プローブは、同一点で偏光依存性なく、光を入出力することが可能であり、また、効率よく近接場光を発生させることができる。このような近接場プローブは、近接場光を試料に当てて、試料からの光を検出することによって試料の物性を評価する近接場顕微鏡に好適である。

なお、本発明の近接場プローブは、以下のように構成されてもよい。

本発明の近接場プローブにおいて、前記導波路は、シングルモード光ファイバであってもよい。

本発明の近接場プローブにおいて、前記コアを第１のコアとすると、前記スポットサイズ変換部は、前記第１のコアと、前記第１のコアよりも屈折率が低い前記クラッドと、前記第１のコアよりも屈折率が低く、かつ、前記クラッドよりも屈折率が高い第２のコアとを有しており、前記第２のコアに入力された光を前記第１のコアを介して出力する構成であってもよい。

本発明の近接場プローブにおいて、前記第１のコアは、光入力側から光出力側に向かうに従って幅が広くなる形状で形成されていてもよい。

本発明によれば、少なくとも２つの金属構造体は、導波路端面でコアとクラッドとの境界をまたぐように配置されているので、発生する近接場の電界強度を強めることができ、近接場光の発生効率を向上させることができる。また、２つの金属構造体は、クラッド側からコア側に向けて細くなる先細り形状でそれぞれ形成されているとともに、後端から先端に向かう方向が互いに直角となるように配置されている。これにより、導波路端面におけるコア内側のほぼ同一点で、偏光依存性なく光を入出力することが可能となり、偏光依存性のない近接場プローブを実現することができる。

本発明の実施の一形態に係る近接場顕微鏡の概略の構成を模式的に示す説明図である。 他の近接場顕微鏡の概略の構成を模式的に示す説明図である。 （ａ）は、上記近接場顕微鏡に適用される近接場プローブの導波路を構成するスポットサイズ変換部の斜視図であり、（ｂ）は、上記スポットサイズ変換部のＺＸ断面での断面図であり、（ｃ）は、上記スポットサイズ変換部のＹＺ断面での断面図である。 （ａ）は、上記導波路の光射出側端面を模式的に示すものであって、上記光射出側端面に金属構造体を形成する前の状態を示す平面図であり、（ｂ）は、上記光射出側端面に金属構造体を形成した後の状態を示す平面図である。 （ａ）は、上記導波路の光射出側端面を模式的に示すものであって、上記光射出側端面に金属構造体および金属薄膜を形成する前の状態を示す平面図であり、（ｂ）は、上記光射出側端面に金属構造体および金属薄膜を形成した後の状態を示す平面図である。 上記導波路の光射出側端面における、電界分布の解析を行うための座標軸を示す説明図である。 （ａ）は、ＸＹ平面内での電界Ｅｘの振幅を等高線表示したグラフであり、（ｂ）は、Ｙ＝０におけるＸ軸方向に沿った電界｜Ｅｘ｜のプロファイルを示すグラフであり、（ｃ）は、Ｘ＝０におけるＹ軸方向に沿った電界｜Ｅｘ｜のプロファイルを示すグラフである。 （ａ）は、ＸＹ平面内での電界Ｅｚの振幅を等高線表示したグラフであり、（ｂ）は、Ｙ＝０におけるＸ軸方向に沿った電界｜Ｅｚ｜のプロファイルを示すグラフであり、（ｃ）は、Ｘ＝０におけるＹ軸方向に沿った電界｜Ｅｚ｜のプロファイルを示すグラフである。 （ａ）は、ＸＹ平面内での磁界Ｈｙの振幅を等高線表示したグラフであり、（ｂ）は、Ｙ＝０におけるＸ軸方向に沿った磁界｜Ｈｙ｜のプロファイルを示すグラフであり、（ｃ）は、Ｘ＝０．１５におけるＹ軸方向に沿った磁界｜Ｈｙ｜のプロファイルを示すグラフである。 （ａ）は、ＸＹ平面内での磁界Ｈｚの振幅を等高線表示したグラフであり、（ｂ）は、Ｙ＝０．１５におけるＸ軸方向に沿った磁界｜Ｈｚ｜のプロファイルを示すグラフであり、（ｃ）は、Ｘ＝０．１５におけるＹ軸方向に沿った磁界｜Ｈｚ｜のプロファイルを示すグラフである。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば以下の通りである。

〔近接場顕微鏡の構成〕
図１は、本発明の実施の一形態に係る近接場顕微鏡の概略の構成を模式的に示す説明図である。この近接場顕微鏡において、励起光源１から射出された光は、光ファイバ２を介して近接場プローブ３（近接場入出力器）の導波路１１の結合部１１ａに入射する。近接場プローブ３は、ＸＹＺステージ４上で保持された被測定サンプルＳに対して近接場光を照射する。その後、被測定サンプルＳで発生した近接場光は、近接場光を導入したプローブ（導波路１１）とは別のプローブ（導波路１２）で伝搬光に変換され、導波路１２の結合部１２ａを介して光ファイバ５で導光され、光検出器６にて検出される。これにより、主制御回路７は、光検出器６からの検出信号に基づいて、被測定サンプルＳの特性（表面状態、光学特性など）を分析することが可能となる。

より詳しくは、ＸＹＺステージ４の高さ方向（Ｚ方向）の位置は、近接場プローブ３の先端と被測定サンプルＳの表面との距離が一定（例えば２０ｎｍ）となるように、主制御回路７によってシアフォース制御されている。この状態で、主制御回路７は、ステージコントローラ８を介して、Ｚ方向に垂直な平面内で互いに垂直な２方向であるＸ方向およびＹ方向に一定のピッチでＸＹＺステージ４を移動させることにより、近接場強度のＸＹ分布を測定することができ、その測定結果に基づいて被測定サンプルＳの特性を分析することができる。なお、主制御回路７は、励起光源１における光の射出も制御している。

なお、励起光を導入するプローブと光を検出するプローブとに対して、ＸＹＺの全ての方向に走査を行える機構を設けることで、微小な位置調整も可能となる。このときの位置制御については、圧電素子を用いることにより、数ｎｍの精度で行うことができる。また、レーザビームと干渉計とを用いたフィードバック機構によって絶対位置制御を行い、位置の再現性を高める工夫も可能である。

また、図２は、他の近接場顕微鏡の概略の構成を模式的に示す説明図である。同図に示すように、励起光を導入するプローブと光を検出するプローブとを同一のプローブ（導波路１１）で実現することも可能である。この構成では、励起光源１から射出された光は、ビームスプリッタ１３（例えば偏光ビームスプリッタ）および位相板１４（例えば１／４波長板）を介して、光路折り曲げミラー１５で反射されて近接場プローブ３の導波路１１に入射する。導波路１１から被測定サンプルＳに対して近接場光を照射した後、被測定サンプルＳからの光は、同じ導波路１１を導波されて光路折り曲げミラー１５で反射され、位相板１４を介してビームスプリッタ１３に入射し、そこで反射された後、ミラー１６で反射されて光検出器６にて検出される。

〔近接場プローブの詳細〕
次に、上述した近接場プローブ３の詳細について説明する。なお、近接場プローブ３の使用方法としては、近接場光の励起と近接場光の検出とがあるが、ここでは近接場光の励起を例に挙げて説明する。また、使用する波長も、紫外〜可視光〜近赤外〜赤外と任意であるが、ここでは通信波長帯の波長１．５μｍを例に挙げて説明する。

まず、図１のように、光ファイバ２と近接場プローブ３とを結合部１１ａにて結合する構成の場合、光ファイバ２と近接場プローブ３とを結合する際の効率が重要となる。

ここで、光通信で用いられるシングルモード光ファイバでは、コア材料としてＧｅをドープしたＳｉＯ_２を用い、クラッド材料としてＳｉＯ_２を用いてＧｅのドープ量を調整することにより、以下の式で表わされる比屈折率差Δを０．００３程度に設計している。
Δ＝｛（ｎcore）^２−（ｎclad）^２｝／２（ｎcore）^２ ・・・（１）
ただし、
ｎcore：コア材料の屈折率
ｎclad：クラッド材料の屈折率
である。

一般的なステップ型シングルモード光ファイバにおいて、波長１．５μｍにおけるモードフィールド径（ＭＦＤ）は１０μｍ程度である。したがって、近接場プローブで数十ｎｍの微小領域に光を導入するためには、光ファイバの上記モードフィールド径は大きすぎる。このため、本実施形態では、近接場プローブの導波路をスポットサイズ変換部で構成するとともに、これに後述する金属構造体（プラズモンヘッド）を組み合わせた構成とすることで、結合効率（光の伝搬効率）を向上させながら、光のスポットを数十ｎｍまで小さくしている。

図３（ａ）は、本実施形態の近接場プローブ３の導波路１１（結合部１１ａ）を構成するスポットサイズ変換部２１の斜視図であり、図３（ｂ）は、スポットサイズ変換部２１のＺＸ断面での断面図であり、図３（ｃ）は、スポットサイズ変換部２１のＹＺ断面での断面図である。なお、＋Ｚ方向は、光の伝搬方向を示し、Ｘ方向はＺ方向に垂直で基板２２にも垂直な方向を示し、Ｙ方向はＺ方向およびＸ方向に垂直な方向を示す。

スポットサイズ変換部２１は、光射出側の光スポットのサイズを光入射側の光スポットのサイズよりも小さく変換するものであり、基板２２と、下部クラッド２３と、細線コア２４（第１のコア）と、外部コア２５（第２のコア）と、上部クラッド２６とを有して構成されている。基板２２は、例えばＳｉ基板で構成されている。下部クラッド２３は、例えばＳｉＯ_２で構成されており、基板２２上に設けられている。

細線コア２４は、例えばＳｉで構成されており、下部クラッド２３上の中央付近から光出力側に向けて設けられている。細線コア２４の高さ（Ｘ方向の長さ）は、光入力側（外部コア２５側）から光出力側にかけて一定であるが（図３（ｂ）参照）、細線コア２４の幅（Ｙ方向の長さ）は、光入力側で例えば０．１μｍ以下であり、光出力側で例えば０．３μｍとなっており、光入力側から光出力側にかけて徐々に広くなるように変化している（図３（ｃ）参照）。

外部コア２５は、例えばＳｉＯｘ（ｘは任意）で構成され、細線コア２４の光入力側の一部を覆うように、下部クラッド２３上で光入力側（光ファイバ２との結合側）に形成されている。つまり、外部コア２５の幅Ｗは、細線コア２４の幅よりも大きく、外部コア２５の高さＨは、細線コア２４の高さよりも大きい。上部クラッド２６は、例えばＳｉＯｙ（ｙは任意）で構成され、細線コア２４および外部コア２５を覆うように、これらに接しながら下部クラッド２３上に形成されている。

また、下部クラッド２３、細線コア２４、外部コア２５、上部クラッド２６の各屈折率は、細線コア２４の屈折率＞外部コア２５の屈折率＞上部クラッド２６の屈折率、かつ、細線コア２４の屈折率＞外部コア２５の屈折率＞下部クラッド２３の屈折率となるように設定されている。

上記のような細線コア２４の幅の滑らかな変化により、伝搬方向に従って徐々にスポットサイズが縮小され、モードフィールド径が変換される。すなわち、モードフィールド径５μｍ程度の光スポットでスポットサイズ変換部２１に入射した光は、外部コア２５から徐々に細線コア２４に集中するように光結合してモードフィールド径を小さくし、モードフィールド径０．３μｍ程度の光スポットに変換されて出力される。

以上のように、導波路１１がスポットサイズ変換部２１で構成されることにより、光ファイバ２と導波路１１との良好な結合を実現できると同時に、結合部１１ａにおける光ファイバ２と導波路１１との位置合わせの許容幅を大きくすることができる。

〔金属構造体について〕
上述のように、スポットサイズ変換部２１の光出力部は細線コア２４で構成され、そのモードフィールド径は例えば０．３μｍであるが、数十ｎｍの領域を励起するためには、より小さな光スポットが望まれる。また、量子ドットから発生した近接場光を取り込むためには、空間的に同一の点で偏光依存性がないことが望ましい。このとき、１個の金属構造体を導波路端面に設ける構成では、偏光依存性が強く、特定方向の偏光しか取り込むことができない。そこで、本実施形態では、同一点での偏光依存性を取り除くために、スポットサイズ変換部２１の光出力側端面に、少なくとも２つの微小な金属構造体を略垂直に配置するようにしている。以下、詳細に説明する。

図４（ａ）（ｂ）は、導波路１１（スポットサイズ変換部２１）の光射出側端面を模式的に示す平面図であって、図４（ａ）は、上記光射出側端面に後述する金属構造体４１を形成する前の状態を示し、図４（ｂ）は、上記光射出側端面に金属構造体４１を形成した後の状態を示している。なお、図４（ｂ）では、他の部材との区別を明確にするため、便宜上、金属構造体４１を斜線のハッチングで示している。以下の平面図でも同様に図示するものとする。

図４（ａ）に示すように、導波路１１は、基板３１上に、伝搬光を導波するコア３２と、このコア３２に接して光を閉じこめるクラッド３３とを形成して構成されている。なお、基板３１は、上述したスポットサイズ変換部２１の基板２２および下部クラッド２３に対応しており、コア３２は、細線コア２４に対応しており、クラッド３３は、上部クラッド２６に対応している。

そして、本実施形態では、図４（ｂ）に示すように、導波路１１の光射出側端面に、複数（ここでは４つ）の金属構造体４１が形成されている。各金属構造体４１は、導波路１１によって導波された光を受けて、プラズモン共鳴により近接場光を発生するものであり、導波路１１の端面にコア３２とクラッド３３との境界Ｂをまたぐように配置されている。

より詳細には、各金属構造体４１は、先端がコア３２側に位置し、後端がクラッド３３側に位置して、後端から先端に向かって細くなる先細り形状でそれぞれ形成されている。本実施形態では、各金属構造体４１は、後端となる底辺がクラッド３３側に位置し、先端となる頂点がコア３２側に位置する二等辺三角形状で形成されているが、このような形状に限定されるわけではない。また、隣り合う２つの金属構造体４１は、後端から先端に向かう方向が互いに直角となるように配置されている。なお、ここでの直角とは、完全な直角も含むし、完全な直角に近い略直角も含む。

各金属構造体４１を構成する金属材料としては、例えば金（Ａｕ）が挙げられる。金は、あらゆる波長の光に対して高いプラズモン電界増幅率を示す材料であり、プラズモン共鳴によって近接場光を発生させる金属構造体４１に好適である。また、金は、酸化され難い利点も持つ。また、金属構造体４１を構成する別の金属材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）がある。これらの金属材料もプラズモン増幅率が高く、近接場プローブに適している。

その他、熱的性質や化学的性質がよく、高温でも酸化されにくく、基板材料との化学反応も起さない特徴がある材料を用いて金属構造体４１を構成することもできる。上記材料としては、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミニウム（Ｏｓ）などがある。これらの材料は、金属の中では熱伝導率が小さく、発生した熱を周りに伝えにくい性質を持っているため、金属構造体４１の材料として適している。

上記のように、各金属構造体４１は、導波路１１の端面でコア３２とクラッド３３との境界Ｂをまたぐように配置されているので、発生する近接場の電界強度を最大化でき、近接場光の発生効率を向上させることができる。なお、この効果は、後で示す電界分布を参照することによって、より明らかとなる。しかも、各金属構造体４１は、クラッド３３側からコア３２側に向けて先細り形状でそれぞれ形成されているので、プラズモン共鳴により、コア３２側の先端付近で強い近接場光を発生させることができる。

また、隣り合う２つの金属構造体４１は、後端（クラッド３３側）から先端（コア３２側）に向かう方向が互いに直角となるように配置されている。これにより、２つの金属構造体４１の各先端付近に、互いに垂直な偏光を同位相で入力（励起）することが可能となる。しかも、金属構造体４１の先端は、コア３２の内側を向き、互いに近づくので、コア３２の内側のほぼ同一点に偏光依存性なく光を入力することができる。つまり、光射出側端面のほぼ同一点で偏光依存性のない近接場プローブ３を実現することができ、近接場顕微鏡や光スイッチ等への応用に有利となる。

なお、近接場プローブ３を近接場の励起と検出との両方に用いる場合でも（図２の構成であっても）、上記と同様に、２つの金属構造体４１の各先端付近で、互いに垂直な偏光を検出（出力）することが可能となり、入出力端面のほぼ同一点で偏光依存性のない近接場プローブ３を実現することができる。

〔金属薄膜について〕
ところで、信号光は微弱であることが多いため、不要な伝搬光は取り込まないことが重要である。この場合、導波路１１の光出力側端面にさらに金属薄膜を設けることが望ましい。以下、この構成について説明する。なお、導波路１１の光射出側端面は、光の入力および出力を両方行う端面であってもよく、以下では光射出側端面を光入出力端面と置き換えて読むこともできる。

図５（ａ）（ｂ）は、導波路１１の光射出側端面を模式的に示す平面図であって、図５（ａ）は、上記光射出側端面に金属構造体４１および金属薄膜４２を形成する前の状態を示し、図５（ｂ）は、上記光射出側端面に金属構造体４１および金属薄膜４２を形成した後の状態を示している。なお、図５（ｂ）では、他の部材との区別を明確にするため、便宜上、金属構造体４１および金属薄膜４２を斜線のハッチングで示している。以下の平面図でも同様に図示するものとする。

金属薄膜４２は、開口部４２ａを有しており、開口部４２ａ以外の領域で導波路１１の光射出側端面を覆っている。金属薄膜４２の開口部４２ａは、コア３２の一部が露出するように形成されている。したがって、金属薄膜４２によって覆われる部分は、少なくとも、コア３２の露出部以外の部分、コア３２とクラッド３３との境界Ｂ、基板３１とコア３２との境界、基板３１とクラッド３３との境界を含む。

上述した各金属構造体４１は、金属薄膜４２を開口部４２ａの内側に引き出すことによって形成されている。つまり、各金属構造体４１は、金属薄膜４２における開口部４２ａの一部をコア３２内側に引き出して、金属薄膜４２をコア３２内側に突出させることによって形成されており、金属薄膜４２と一体的に形成されている。

このように、金属薄膜４２が開口部４２ａ以外の領域で導波路１１の光射出側端面を覆っているので、各金属構造体４１の先端以外には近接場光が発生せず、また、不要な伝搬光も金属薄膜４２で遮断されるので、Ｓ／Ｎを向上させることができる。したがって、本実施形態の近接場プローブ３は、微小領域への近接場光の導入に適したものとなる。

また、金属薄膜４２の開口部４２ａの一部をコア３２内側に引き出して各金属構造体４１を形成し、各金属構造体４１と金属薄膜４２とを一体化した構成とすることにより、導波路１１の光射出側端面の全面に金属薄膜を成膜した後、これをパターニングすることにより、開口部４２ａを有する金属薄膜４２および複数の金属構造体４１を同時に形成することができる。

〔導波路の設計の詳細について〕
ところで、近接場ヘッドへの応用を考えた場合、導波路１１の光射出側のスポットサイズは小さいことが望ましい。光の閉じ込めを強くして光スポットを小さくするためには、導波路１１は上述した式（１）で定義される比屈折率差Δが０．２以上の高屈折率差導波路であることが望ましい。

また、高速信号伝搬の際に波形が乱れる分散の影響を避けるためには、伝搬モードが単一であるシングルモード条件を満たしていることが望ましい。２次元のスラブ導波路におけるシングルモード条件は、非特許文献（岡本勝就、フォトニクスシリーズ 光導波路の基礎、コロナ社、1992. ）に記述されている。３次元矩形導波路の場合は、等価屈折率法、有限差分法、有限要素法などの手法を用いてシングルモード条件を求めることができる。

ここで、導波路１１に用いられる誘電体材料（屈折率）について示すと、波長１．５μｍ帯においては、コア３２の材料としてＳｉ（３．４８）、クラッド３３の材料としてＳｉＯｘ（１．４〜３．４８）やＡｌ_２Ｏ_３（１．８）などがあり、比屈折率差Δは、概ね０．００１〜０．４２の範囲で設計することができる。また、波長４００ｎｍ〜８００ｎｍの可視域においては、コア３２の材料としてＧａＡｓ（３．３）、Ｓｉ（３．７）などがあり、クラッド３３の材料としてＴａ_２Ｏ_５（２．５）、ＳｉＯｘ（１．４〜３．７）を用いることができ、比屈折率差Δは、概ね０．００１〜０．４１の範囲で設計することができる。

コア３２に用いることができる他の高屈折率材料（波長域）の例としては、ダイヤモンド（可視全域）、III−Ｖ族半導体（ＡｌＧａＡｓ（近赤外、赤）、ＧａＮ（緑、青）、ＧａＡｓＰ（赤、橙、青）、ＧａＰ（赤、黄、緑）、ＩｎＧａＮ（青緑、青）、ＡｌＧａＩｎＰ（橙、黄橙、黄、緑））、II−VI族半導体（ＺｎＳｅ（青））が挙げられる。つまり、近赤外において、コア３２の材質はＳｉに限定されない。

また、クラッド３３に用いることができる他の低屈折率薄層材料としては、炭化シリコン（ＳｉＣ）、弗化カルシウム（ＣａＦ）、チッ化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、ダイヤモンド（Ｃ）などを例示することができる。

なお、以上で示した材料に限らず、例えばＴｉＯ_２、ＳｉＮ、ＺｎＳなどを用いて複数の材料を組み合わせたり、フォトニック結晶構造をとることで、ある程度自由にΔを設計することができる。なお、理論的には０＜Δ＜０．５である。コア３２の屈折率を例えば３．５程度にし、Δ＝０．４程度と大きい高屈折率差導波路を用いれば、モードフィールド径を０．５μｍ程度に小さくすることが可能である。

〔電界分布の解析について〕
次に、導波路１１の光射出側端面における電界分布の解析について説明する。本実施形態では、この電界分布の解析に基づき、導波路１１に対する金属構造体４１の配置位置を最適化している。なお、電界分布の解析手法としては、有限差分法（ＦＤＭ；Finite Differential Method）を用いた。

図６は、導波路１１（スポットサイズ変換部２１）の光射出側端面における、電界分布の解析を行うための座標軸を示す説明図である。なお、Ｚ軸は、光の伝搬方向の軸であって、導波路１１の光射出側端面に垂直な軸であり、Ｘ軸は、Ｚ軸に垂直で、かつ、基板３１とコア３２とが接する面に垂直な方向の軸であり、Ｙ軸は、Ｚ軸およびＸ軸に垂直な軸である。ここでは、導波路１１の光射出側端面をＺ＝０とし、導波路１１の光射出側端面上で、基板３１とコア３２との境界におけるコア３２の幅方向の中点を、Ｘ＝Ｙ＝０としている。

解析の具体例として、ここでは、設計波長は、通信波長帯で安価なレーザの存在する１．５μｍとし、導波路１１の基板３１には、ＳｉＯ_２（屈折率１．４４）を用い、コア３２の材料としてはＳｉ（屈折率３．４８）を用い、クラッド３３の材料としては、基板と同じＳｉＯ_２を用いた。そして、コア３２の幅ｗ１および高さｈ１は、ｗ１＝ｈ１＝３００ｎｍとした。上記構成の導波路１１は、シングルモード条件を満たしており、高速信号伝達に適している。また、上記構成の導波路１１の比屈折率差Δは０．４１１であり、高屈折率差導波路となっている。さらに、電界振動方向は、図６でＸ方向であり、導波路１１はＴＭモードのシングルモード導波路となっている。

導波路１１で導波される光の電界振動方向がＸ方向であるとき、金属構造体４１を照射する光においては、電界の主成分はＸ成分（Ｅｘ）とＺ成分（Ｅｚ）であり、磁界の主成分はＹ成分（Ｈｙ）とＺ成分（Ｈｚ）である。

ここで、図７（ａ）は、ＸＹ平面内での電界Ｅｘの振幅を等高線表示したグラフであり、図７（ｂ）は、Ｙ＝０におけるＸ軸方向に沿った電界｜Ｅｘ｜のプロファイルを示すグラフであり、図７（ｃ）は、Ｘ＝０におけるＹ軸方向に沿った電界｜Ｅｘ｜のプロファイルを示すグラフである。同様に、図８（ａ）は、ＸＹ平面内での電界Ｅｚの振幅を等高線表示したグラフであり、図８（ｂ）は、Ｙ＝０におけるＸ軸方向に沿った電界｜Ｅｚ｜のプロファイルを示すグラフであり、図８（ｃ）は、Ｘ＝０におけるＹ軸方向に沿った電界｜Ｅｚ｜のプロファイルを示すグラフである。また、図９（ａ）は、ＸＹ平面内での磁界Ｈｙの振幅を等高線表示したグラフであり、図９（ｂ）は、Ｙ＝０におけるＸ軸方向に沿った磁界｜Ｈｙ｜のプロファイルを示すグラフであり、図９（ｃ）は、Ｘ＝０．１５におけるＹ軸方向に沿った磁界｜Ｈｙ｜のプロファイルを示すグラフである。同様に、図１０（ａ）は、ＸＹ平面内での磁界Ｈｚの振幅を等高線表示したグラフであり、図１０（ｂ）は、Ｙ＝０．１５におけるＸ軸方向に沿った磁界｜Ｈｚ｜のプロファイルを示すグラフであり、図１０（ｃ）は、Ｘ＝０．１５におけるＹ軸方向に沿った磁界｜Ｈｚ｜のプロファイルを示すグラフである。なお、等高線表示およびプロファイルは、いずれも、最大振幅値（絶対値）を１とする正規化した値で示している。また、プロファイルは、最大振幅値を与えるＸＹ座標を中心にしてＸ軸方向、ならびにＹ軸方向の変化を示している。図７（ａ）（ｂ）より、コア３２とクラッド３３、およびコア３２と基板３１との境界近くに強い電界が分布していることがわかる。

また、図７（ｂ）より、コア３２とクラッド３３、およびコア３２と基板３１との境界付近で大きな不連続部分が存在していることがわかる。これは、マックスウェル方程式より導かれる電束密度の境界面に垂直な成分の境界条件より、境界における電界のＸ成分のコア側Ｅcoreとクラッド側Ｅcladについて、
（ｎcore）^２・Ｅcore＝（ｎclad）^２・Ｅclad ・・・（２）
となることから理解できる。つまり、上述したコア３２およびクラッド３３の各屈折率を式（２）に代入すると、｜Ｅclad／Ｅcore｜＝５．８４となり、これは、図７（ｂ）におけるＸ＝０．００および０．３０（μｍ）付近の電界｜Ｅｘ｜の最大値と最小値との比（およそ５）にほぼ一致している。

なお、ここで言うＸ＝０.００（μｍ）付近の電界｜Ｅｘ｜の最大値と最小値との比とは、Ｘ軸方向の微小量をΔＸ（μｍ）としたときに、Ｘ＝０．００−ΔＸにおける電界Ｅｘ（式（２）でＥcladに相当）の絶対値を、Ｘ＝０．００＋ΔＸにおける電界Ｅｘ（式（２）でＥcoreに相当）の絶対値で割った値である。同様に、Ｘ＝０.３０（μｍ）付近の電界｜Ｅｘ｜の最大値と最小値との比とは、Ｘ軸方向の微小量をΔＸ（μｍ）としたときに、Ｘ＝０．３０＋ΔＸにおける電界Ｅｘ（式（２）でＥcladに相当）の絶対値を、Ｘ＝０．００−ΔＸにおける電界Ｅｘ（式（２）でＥcoreに相当）の絶対値で割った値である。

また、どの程度の比屈折率差Δであれば、クラッド部に電界が大きく分布するかについては、
｜Ｅclad／Ｅcore｜＞２ ・・・（３）
を解くことで得られる。なお、式（３）の右辺の値である“２”は、経験値であり、例えばこれが“１”の場合は、コア３２とクラッド３３、およびコア３２と基板３１との境界で電界に差が生じないことになる。

式（１）（２）（３）より、
｜Ｅclad／Ｅcore｜＝（ｎcore）^２／（ｎclad）^２＝１／（１−２Δ）＞２
となり、比屈折率差Δの範囲を求めると、
Δ＞０．２５
となる。このことから、Δ＞０．２５のときに、電界の振動方向と垂直なクラッド部分において、コア３２とクラッド３３との境界に沿うようにして電界成分が大きく分布すると言える。したがって、上述したように、コア３２とクラッド３３との境界をまたぐように、境界に沿って金属構造体４１を配置することにより、近接場光の発生効率を最大化することができる。

以上、高屈折率差導波路のコアとクラッドとの境界をまたぐように、少なくとも２つの金属構造体を設けることにより、近接場光の発生効率を向上させることができる。しかも、上記２つの金属構造体の向きを互いに垂直に配置することにより、空間的に同一点での偏光依存性がなく、互いに垂直な偏光を同一点で同時に発生させたり、検出することができる。このような近接場プローブは、近接場顕微鏡等の近接場の導入・検出装置に適している。

なお、導波路端面に配置される金属構造体の数は特に限定されないが、少なくとも２つを直角に配置することで、上述した本発明の効果を得ることができる。

本発明の近接場プローブは、近接場顕微鏡をはじめ、量子ドットを用いた情報処理装置や光スイッチに利用可能である。

３ 近接場プローブ
１１ 導波路
２１ スポットサイズ変換部
２４ 細線コア
２５ 外部コア
２６ 上部クラッド
３２ コア
３３ クラッド
４１ 金属構造体
４２ 金属薄膜
４２ａ 開口部
Ｂ 境界

Claims (4)

1. コアと、前記コアに接するクラッドとを有する導波路と、
   前記導波路の端面に前記コアと前記クラッドとの境界をまたぐように配置され、前記導波路によって導波された光を受けて近接場光を発生する少なくとも２つの金属構造体とを備え、
   前記２つの金属構造体は、先端が前記コア側に位置し、後端が前記クラッド側に位置して、後端から先端に向かって細くなる先細り形状でそれぞれ形成されているとともに、後端から先端に向かう方向が互いに直角となるように配置されていることを特徴とする近接場プローブ。
2. 前記コアの一部が露出する開口部を有し、前記開口部以外の領域で前記導波路の端面を覆う金属薄膜をさらに備えており、
   前記各金属構造体は、前記金属薄膜を前記開口部の内側に引き出すことによってそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の近接場プローブ。
3. 前記導波路は、光射出側の光スポットのサイズを光入射側の光スポットのサイズよりも小さく変換するスポットサイズ変換部を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の近接場プローブ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の近接場プローブを備えていることを特徴とする近接場顕微鏡。

Images