JP4096060B2 - 近接場光学顕微鏡及びそれを用いた偏光評価方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光導波路の欠陥観察などに使用できる、近接場光学顕微鏡及びそれを用いた偏光評価方法に関する。
従来、半導体レーザーダイオード、光集積回路、光変調器などに用いられている光導波路の観察は主にプリズムカプラーを用いた汎用の光学顕微鏡を用いて行われてきた。
図８は従来のプリズムカプラーによる光導波路の観察方法を模式的に示す図である。図８において、光導波路１００のコア部１００ａにプリズムカプラー１０１を押し当てて、屈折率差を無くして光を取り出している。また、図８下部にその光導波路のコア部１００ａ及びプリズムカプラー１０１の断面図を示している。光導波路を伝播する光１０３において、例えば、光導波路にある欠陥部１０４がある場合には、その欠陥による散乱光１０５がプリズムカプラー１０１を介して出射光１０５となり、汎用の光学顕微鏡で観察される。
図８は従来のプリズムカプラーによる光導波路の観察方法を模式的に示す図である。図８において、光導波路１００のコア部１００ａにプリズムカプラー１０１を押し当てて、屈折率差を無くして光を取り出している。また、図８下部にその光導波路のコア部１００ａ及びプリズムカプラー１０１の断面図を示している。光導波路を伝播する光１０３において、例えば、光導波路にある欠陥部１０４がある場合には、その欠陥による散乱光１０５がプリズムカプラー１０１を介して出射光１０５となり、汎用の光学顕微鏡で観察される。
しかしながら、最近の波長多重通信技術の発展により、それに用いる光導波路は、伝播させる光の波長よりも短い領域を、さらに高い空間分解能で観察する必要が生じてきた。光導波路の外観検査としては走査型電子顕微鏡や原子間力顕微鏡が用いられるようになってきたが、内部の欠陥や屈折率異常が光の伝播状態に与える影響については、光を用いて直接観察するしかない。
最近になり、近接場光学顕微鏡を用いた導波路−集光モードによる観察が報告され、光導波路の欠陥が散乱を引き起こすことが明らかになった（非特許文献１参照）。ここで、近接場光とは、光の波長よりも短い開口端へ入射するか又は出射する光であり、近年光波長以下の分解能を有する光源や、光波長よりも短い領域からへの光を検知するプローブとしての応用研究が推進されている。
最近になり、近接場光学顕微鏡を用いた導波路−集光モードによる観察が報告され、光導波路の欠陥が散乱を引き起こすことが明らかになった（非特許文献１参照）。ここで、近接場光とは、光の波長よりも短い開口端へ入射するか又は出射する光であり、近年光波長以下の分解能を有する光源や、光波長よりも短い領域からへの光を検知するプローブとしての応用研究が推進されている。
Ｓ．Ｂｏｕｒｚｅｉｘ他８名, "Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ"，（１９９８），Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７３，ｐｐ．１０３５−１０３７
しかしながら、従来の光導波路の観察においては、プリズムカプラーなどを用いるために、光導波路を伝播させる光よりも短い分解能は得られないという課題がある。
また、近接場光学顕微鏡を用いた光導波路の観察により光導波路の欠陥が散乱を起こすことが報告されているが、従来の光ファイバーでは伝播する光の偏光状態が保持されないので偏光を検出できないという課題がある。
本発明は以上の点に鑑み、被観察物からの偏光を観察できる新規な近接場光学顕微鏡及びそれを用いた偏光評価方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明の近接場光学顕微鏡は、偏光制御部及び偏光保持ファイバーを介して偏光光を被観察物へ入射する入射光学系と、被観察物を載置し走査する走査部ステージと、被観察物からの近接場光が入射され、近接場光信号を得る近接場光検出光学系と、走査部ステージを制御し、近接場光信号が入力される制御系と、を備え、近接場光検出光学系が、被観察物からの近接場光を検出するためにその先端を近接場光探針とした偏光保持ファイバープローブと、偏光保持ファイバープローブの出力側に配置される偏光子と、偏光子からの偏光を検出する光検知器と、から成り、入射光学系から被観察物に対し偏光光が入射され、被観察物からの近接場光の偏光成分を偏光保持ファイバープローブにより取り出し、偏光子で分離した偏光を光検出器で検出し、走査部ステージの位置データと光検知器により検出された近接場光信号データとにより被観察物からの偏光近接場光分布を得ることを特徴とする。
この構成によれば、偏光光を被観察物に入射させ、被観察物からの散乱光の偏光成分を偏光保持ファイバープローブにより取り出し、さらに偏光子で分離を行って偏光を検出する。この偏光の光強度分布は、偏光保持ファイバーを走査することにより得ることができる。
したがって、本発明の近接場光学顕微鏡によれば、偏光保持ファイバープローブを極小のプリズムカプラーとして用いることにより光の波長よりも短い領域を高い空間分解能で観察することができる。
この構成によれば、偏光光を被観察物に入射させ、被観察物からの散乱光の偏光成分を偏光保持ファイバープローブにより取り出し、さらに偏光子で分離を行って偏光を検出する。この偏光の光強度分布は、偏光保持ファイバーを走査することにより得ることができる。
したがって、本発明の近接場光学顕微鏡によれば、偏光保持ファイバープローブを極小のプリズムカプラーとして用いることにより光の波長よりも短い領域を高い空間分解能で観察することができる。
また、上記構成において、好ましくは、偏光保持ファイバープローブの先端部がカンチレバーを兼ねるように構成され、さらに、制御部がカンチレバーの高さを検出するための高さ検出手段とを備え、高さ検出手段の出力が走査部ステージの制御部に入力されてフィードバック制御され、走査部ステージの位置データと高さデータとにより被観察物からの原子間力像を得る。
制御部の高さ検出手段は、好ましくは、レーザー光源とレーザー光源の検知器とから成る。また、制御部は、好ましくは、被観察物からの偏光近接場光分布と原子間力像を処理する画像処理部を備える。
上記構成によれば、偏光保持ファイバープローブの先端部がカンチレバーであるので、被観察物の高さデータから被観察物の高さ像をも得ることができる。また、被観察物の高さ像及び偏光近接場光像が、画像処理されるので利便性が向上する。
制御部の高さ検出手段は、好ましくは、レーザー光源とレーザー光源の検知器とから成る。また、制御部は、好ましくは、被観察物からの偏光近接場光分布と原子間力像を処理する画像処理部を備える。
上記構成によれば、偏光保持ファイバープローブの先端部がカンチレバーであるので、被観察物の高さデータから被観察物の高さ像をも得ることができる。また、被観察物の高さ像及び偏光近接場光像が、画像処理されるので利便性が向上する。
また、上記構成において、制御部は、好ましくは、偏光制御部及び偏光子の直線偏光を制御する。上記構成によれば、被観察物への入射光及び偏光保持ファイバープローブにより抽出された被観察物からの光の直線偏光を制御できる。したがって、被観察物内の欠陥や歪に起因する偏光を、精度よく検出することができる。
また、上記構成において、偏光保持ファイバープローブは、コアとクラッドとからなる光ファイバー構造に、さらにコアの両側に応力印加部が上記クラッド中に埋め込まれてなる。
また、上記構成において、偏光保持ファイバープローブは、コアとクラッドとからなる光ファイバー構造に、さらにコアの両側に応力印加部が上記クラッド中に埋め込まれてなる。
また、本発明の近接場光学顕微鏡を用いた偏光評価方法は、偏光制御部及び偏光保持ファイバーを介して偏光光を被観察物へ入射する入射光源系と、先端を近接場光探針とした偏光保持ファイバープローブから被観察物からの近接場光を入射し偏光子を介して光検出器で偏光を検出して近接場光信号を得る近接場光検出光学系と、被観察物を載置し近接場光信号の入力を受ける制御系と、を備えた近接場光学顕微鏡を用いた偏光評価方法であって、偏光制御部及び偏光保持ファイバーを介して照射光源からの偏光光を被観察物に入射させ、被観察物からの近接場光の偏光成分を偏光保持ファイバープローブにより取り出し、偏光子で分離した偏光を光検出器で検出し、偏光の変化を観察することを特徴とする。
上記構成において、被観察物からの偏光は、好ましくは、被観察物からの欠陥又は歪に起因する偏光である。また、好ましくは、被観察物への入射偏光が直線偏光であり、被観察物から偏光保持ファイバープローブに入射されて出力する光が、さらに、偏光子により直線偏光制御される。
上記構成によれば、光導波路などの欠陥や歪に起因する偏光を、本発明の偏光を観察できる近接場光学顕微鏡を用いて光の波長以下の高分解能で検出できる。したがって、従来の方法では検出されず、影響がないものとして考えられていた光導波路近傍の欠陥や光の伝播状態に与える影響を、直接的、かつ鮮明に観察することができる。
これにより、光導波路などの欠陥などに関する詳細な情報を光導波路作製技術へフィードバックし、その作製技術の向上を図ることができる。
上記構成において、被観察物からの偏光は、好ましくは、被観察物からの欠陥又は歪に起因する偏光である。また、好ましくは、被観察物への入射偏光が直線偏光であり、被観察物から偏光保持ファイバープローブに入射されて出力する光が、さらに、偏光子により直線偏光制御される。
上記構成によれば、光導波路などの欠陥や歪に起因する偏光を、本発明の偏光を観察できる近接場光学顕微鏡を用いて光の波長以下の高分解能で検出できる。したがって、従来の方法では検出されず、影響がないものとして考えられていた光導波路近傍の欠陥や光の伝播状態に与える影響を、直接的、かつ鮮明に観察することができる。
これにより、光導波路などの欠陥などに関する詳細な情報を光導波路作製技術へフィードバックし、その作製技術の向上を図ることができる。
本発明の近接場光学顕微鏡によれば、被観察物からの偏光を光の波長よりも短い高い空間分解能で、非破壊で、観察できる近接場光学顕微鏡を提供することができる。
また、本発明の近接場光学顕微鏡を用いた偏光評価方法によれば、既存の技術では問題ないとされていた導波路近傍の欠陥が与えるわずかな影響を、光の波長よりも短い高分解能で観察することができる。
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
最初に、本発明による第１の実施形態に係る近接場光学顕微鏡について説明する。
図１は、本発明に係る第１の実施の形態による近接場光学顕微鏡の構成を示す模式図である。図１において、近接場光学顕微鏡１は、入射光学系１０と、被観察物２からの偏光した近接場光を検出する近接場光検出光学系２０と、近接場光を検出する偏光保持ファイバープローブなどを制御する制御系３０と、被観察物２を載置する走査ステージ３を含み構成されている。
最初に、本発明による第１の実施形態に係る近接場光学顕微鏡について説明する。
図１は、本発明に係る第１の実施の形態による近接場光学顕微鏡の構成を示す模式図である。図１において、近接場光学顕微鏡１は、入射光学系１０と、被観察物２からの偏光した近接場光を検出する近接場光検出光学系２０と、近接場光を検出する偏光保持ファイバープローブなどを制御する制御系３０と、被観察物２を載置する走査ステージ３を含み構成されている。
入射光学系１０は、照明光源１１と、偏光制御部１２と、偏光保持ファイバー１３と、からなり、照明光源１１からの偏光を、偏光制御部１２及び偏光保持ファイバー１３を介して被観察物２へ入射させる。
照明光源１１は、例えばレーザー光源で、出射したレーザー光は、偏光制御部１２によりその偏光が制御される。そして、レンズなどを介して偏光保持ファイバー１３に入射する。レーザー光源の波長は、４００ｎｍから７００ｎｍ程度の波長でよい。ここで、照明光源１１として直線偏光のレーザー光源を用いれば、偏光制御部１２は、省略することができる。
また、偏光制御部１２は、偏光子やカプラーなどで構成されている。この偏光制御部１２は、制御系３０により制御されてもよい。
なお、偏光保持ファイバー１３は接着剤４などで固定されている。また、この偏光保持ファイバー１３の出射側は、レンズや屈折率を整合させる光学ジェルなどの集光部材５を介して被観察物２と結合されている。
照明光源１１は、例えばレーザー光源で、出射したレーザー光は、偏光制御部１２によりその偏光が制御される。そして、レンズなどを介して偏光保持ファイバー１３に入射する。レーザー光源の波長は、４００ｎｍから７００ｎｍ程度の波長でよい。ここで、照明光源１１として直線偏光のレーザー光源を用いれば、偏光制御部１２は、省略することができる。
また、偏光制御部１２は、偏光子やカプラーなどで構成されている。この偏光制御部１２は、制御系３０により制御されてもよい。
なお、偏光保持ファイバー１３は接着剤４などで固定されている。また、この偏光保持ファイバー１３の出射側は、レンズや屈折率を整合させる光学ジェルなどの集光部材５を介して被観察物２と結合されている。
図２は、本発明に用いる偏光保持ファイバーの構造を示す断面図である。
図に示すように、偏光保持ファイバー１３は、コア１３ａとクラッド１３ｂと被覆１３ｃとからなる光ファイバー構造に、さらに、コア１３ａを中心とするＸＹ座標のＸ軸方向で、かつ、コア１３ａの両側に円状の応力印加部１３ｄ，１３ｄが、クラッド１３ｂ中に埋め込まれた構造であり、ＰＡＮＤＡファイバー（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ＡＮＤ Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｏｐｉｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ）とも呼ばれている。この偏光保持ファイバー１３は、応力印加部１３ｄ，１３ｄからの応力により、光が伝播するコア１３ａ部分には屈折率の異方性が生じる。この際、進相軸（Ｙ軸方向）と遅相軸（Ｘ軸方向）に平行な直線偏光成分は保持される。また、応力が引加されていないシングルモードファイバーでは、入射する光の直線偏光成分を保ちながら伝播させることができない。
図に示すように、偏光保持ファイバー１３は、コア１３ａとクラッド１３ｂと被覆１３ｃとからなる光ファイバー構造に、さらに、コア１３ａを中心とするＸＹ座標のＸ軸方向で、かつ、コア１３ａの両側に円状の応力印加部１３ｄ，１３ｄが、クラッド１３ｂ中に埋め込まれた構造であり、ＰＡＮＤＡファイバー（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ＡＮＤ Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｏｐｉｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ）とも呼ばれている。この偏光保持ファイバー１３は、応力印加部１３ｄ，１３ｄからの応力により、光が伝播するコア１３ａ部分には屈折率の異方性が生じる。この際、進相軸（Ｙ軸方向）と遅相軸（Ｘ軸方向）に平行な直線偏光成分は保持される。また、応力が引加されていないシングルモードファイバーでは、入射する光の直線偏光成分を保ちながら伝播させることができない。
ここで、被観察物２は、走査ステージ３に載置されている。走査ステージ３は、被観察物２の平面走査（図１のＸ，Ｙ方向参照）と、後述する偏光保持ファイバープローブ２１の高さ方向走査（図１のＺ方向参照）を行うために、微小距離の移動が可能な圧電素子などを用いたアクチュエータなどにより構成されている。このアクチュエータは、粗い位置決めを行うために、図示しないＸＹＺステージをさらに備えていてもよい。
次に、被観察物からの近接場光を検出する近接場光検出光学系について説明する。
近接場光検出光学系２０は、偏光保持ファイバープローブ２１と、偏光子２２と、光検知器２３とからなっている。
偏光保持ファイバープローブ２１は、偏光保持ファイバー１３を用い、その先端が被観察物２に近接する近接場光探針となるように、その先端部２１ａが細く加工されている。被観察物２からの近接場光は、その偏光が保持されて偏光保持ファイバープローブ２１を伝播し、偏光子２２へ出射する。そして、偏光子２２により所定の偏光成分だけが、光検
知器２３に入射し、増幅される。
近接場光検出光学系２０は、偏光保持ファイバープローブ２１と、偏光子２２と、光検知器２３とからなっている。
偏光保持ファイバープローブ２１は、偏光保持ファイバー１３を用い、その先端が被観察物２に近接する近接場光探針となるように、その先端部２１ａが細く加工されている。被観察物２からの近接場光は、その偏光が保持されて偏光保持ファイバープローブ２１を伝播し、偏光子２２へ出射する。そして、偏光子２２により所定の偏光成分だけが、光検
知器２３に入射し、増幅される。
偏光保持ファイバープローブ２１は、形状的には先端が折れ曲がったベンディングタイプのプローブとする。この偏光保持ファイバープローブ２１は、後述するが、炭酸ガスレーザーを用いた溶融引き伸ばし法により製作することができる。そのとき先端２１ａを曲げることで原子間力顕微鏡のカンチレバーの役目を兼ねさせることが好適である。また、偏光子２２は、偏光子やカプラーなどで構成されていて、制御系３０により制御されてもよい。
上記の近接場光検出光学系は、偏光保持ファイバープローブ２１を用いているので、被観察物２からの偏光を有する近接場光が、偏光保持ファイバープローブ２１によりその偏光が保持されて偏光保持ファイバープローブ２１を伝播し、偏光子２２に出射する。偏光子２２により所定の偏光成分だけが光検知器２３へ入射し増幅されて、近接場光信号２３ａとなる。
光検知器２３としては、上記の近接場光を検知できる高感度検知器を用いることが好ましい。例えば、光電子倍増管（フォトマルチプライヤ）やアバランシェフォトダイオードなどを使用できる。光検知器２３は、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）を向上させるために、雑音を減らすように、例えば、液体窒素やペルチェ素子を使用した冷却装置で冷却してもよい。
光検知器２３としては、上記の近接場光を検知できる高感度検知器を用いることが好ましい。例えば、光電子倍増管（フォトマルチプライヤ）やアバランシェフォトダイオードなどを使用できる。光検知器２３は、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）を向上させるために、雑音を減らすように、例えば、液体窒素やペルチェ素子を使用した冷却装置で冷却してもよい。
制御系３０は、走査ステージ制御部３１とパーソナルコンピュータなどからなる電子計算機３２と画像処理装置３３などを備えている。走査ステージ制御部３１は、被観察物２の位置を走査すると共に、偏光保持ファイバープローブの先端部２１ａと被観察物２との高さ（Ｚ）を一定に保つ制御を行う。このために、偏光保持ファイバープローブ２１の先端部以外の所定部分には、その高さ（Ｚ）を検出する高さ検出手段３５を備えている。
この高さ検出手段３５は、レーザー光源３６とレーザー光源３６の検知器であるフォトダイオード３７とから構成されている。偏光保持ファイバープローブ２１の先端部以外の所定部分へレーザ光源３６を照射し、その反射レーザー光をフォトダイオード３７で検知し、その出力３７ａが走査ステージ制御部３１に入力される。そして、偏光保持ファイバープローブの先端部２１ａと被観察物２との高さ（Ｚ）が一定となるようにフィードバック制御されている。
また、上記パーソナルコンピュータ３２には、近接場光信号２３ａが入力される。この近接場光信号２３ａによるデータ及び上記走査データの平面（Ｘ，Ｙ）データ、即ち位置データが、パーソナルコンピュータ３１で画像処理され、被観察物２からの偏光による近接場光像が得られる。
さらに、フィードバック制御による上記高さ（Ｚ）データ及び走査位置（Ｘ，Ｙ）データ、即ち位置データがパーソナルコンピュータ３１で画像処理されることにより被観察物２の表面高さ像、すなわち原子間力像が得られ、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）として動作する。これにより、本発明の近接場光学顕微鏡１によれば、被観察物２からの偏光した近接場光像及び表面高さ像が得られる。
次に、本発明の近接場光学顕微鏡の動作について説明する。
被観察物２に照射される光は、照明光源１１からの光が偏光制御部１２により所定の偏光に制御され、偏光保持ファイバー１３の一端に入射される。そして、偏光保持ファイバーの他端から出射した光が、被観察物２に入射される。被観察物２からの偏光成分は、偏光保持ファイバープローブ２１により近接場光として検知され、その偏光成分が偏光保持ファイバープローブ２１の出力側に配置された偏光子２２で分離され、光検知器により増幅され近接場光信号２３ａとなる。この近接場光信号２３ａの強度分布は、被観察物２の走査（Ｘ，Ｙ）により各測定点の近接場光信号２３ａを取得することで得られる。このため、本発明の近接場光学顕微鏡１は、偏光近接場光学顕微鏡として動作する。
被観察物２に照射される光は、照明光源１１からの光が偏光制御部１２により所定の偏光に制御され、偏光保持ファイバー１３の一端に入射される。そして、偏光保持ファイバーの他端から出射した光が、被観察物２に入射される。被観察物２からの偏光成分は、偏光保持ファイバープローブ２１により近接場光として検知され、その偏光成分が偏光保持ファイバープローブ２１の出力側に配置された偏光子２２で分離され、光検知器により増幅され近接場光信号２３ａとなる。この近接場光信号２３ａの強度分布は、被観察物２の走査（Ｘ，Ｙ）により各測定点の近接場光信号２３ａを取得することで得られる。このため、本発明の近接場光学顕微鏡１は、偏光近接場光学顕微鏡として動作する。
この際、偏光保持ファイバープローブの先端部分２１ａは、被観察物２との高さ（Ｚ）が、一定となるように走査ステージ制御部３１によりフィードバック制御されているので、被観察物２の高さ像を得ることができる。
このように、本発明の近接場光学顕微鏡１は、偏光近接場光学顕微鏡及び原子間力顕微鏡として動作する。これにより、被観察物からの偏光を、近接場光で光の波長以下の高分解能で観察することができる。また、被観察物の高さ像を同時に得ることができる。したがって、近接場光像と高さ像を対比することにより、被観察物からの偏光の発生箇所を容易に観察できる。
このように、本発明の近接場光学顕微鏡１は、偏光近接場光学顕微鏡及び原子間力顕微鏡として動作する。これにより、被観察物からの偏光を、近接場光で光の波長以下の高分解能で観察することができる。また、被観察物の高さ像を同時に得ることができる。したがって、近接場光像と高さ像を対比することにより、被観察物からの偏光の発生箇所を容易に観察できる。
次に、本発明の近接場光学顕微鏡による偏光評価方法に係る第２の実施の形態を示す。ここで、偏光評価の被観察物２としては、故意に欠陥を導入した光導波路４０を例として説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態の近接場光学顕微鏡を用いた偏光評価方法に用いる故意に欠陥を導入した光導波路を模式的に示す図であり、（ａ）は光導波路に欠陥を導入する斜視図、（ｂ）は、欠陥導入部の拡大平面図である。
図において、被観察物２である光導波路４０は、光導波路となるコア部４０ａとクラッド部４０ｂとから成る。そのクラッド部４０ｂに、ビッカース硬度計のダイヤモンド圧子４２を用いて圧痕（インデンテーション）４３を打ち込んで、光導波路となるコア部４０ａ近傍に欠陥４４を導入している。なお、この欠陥４４は、コア部４０ａの右側面に導入されるものとして、以下説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態の近接場光学顕微鏡を用いた偏光評価方法に用いる故意に欠陥を導入した光導波路を模式的に示す図であり、（ａ）は光導波路に欠陥を導入する斜視図、（ｂ）は、欠陥導入部の拡大平面図である。
図において、被観察物２である光導波路４０は、光導波路となるコア部４０ａとクラッド部４０ｂとから成る。そのクラッド部４０ｂに、ビッカース硬度計のダイヤモンド圧子４２を用いて圧痕（インデンテーション）４３を打ち込んで、光導波路となるコア部４０ａ近傍に欠陥４４を導入している。なお、この欠陥４４は、コア部４０ａの右側面に導入されるものとして、以下説明する。
上記光波路近傍に欠陥を導入した光導波路４０を、図１に示す本発明の近接場光学顕微鏡１を用いて観察する偏光評価方法について説明する。
図４は、偏光近接場光学顕微鏡像の模式図であり、それぞれ、（ａ）は入射光が水平偏光（ＴＥ）波の場合を、（ｂ）は入射光が垂直偏光（ＴＭ）波の場合を示している。
図において、入射光４５は、圧痕４３が導入された光導波路のコア部４０ａに入射し、その出力光が偏光子２２（図１参照）により取り出される際の様子を示している。図では、入射光４５の直線偏光を水平偏光波４６，垂直偏光波４７とし、また、偏光子２２の取り込み偏光４８が０°，偏光子２２の取り込み偏光４９を９０°として示している。
図４（ａ）は、入射光４５が水平偏光４６の場合であり、偏光子による取り込み偏光４８，４９が０°及び９０°の場合を示している。
いずれの取り込み偏光４８，４９の場合も、光導波路のコア部４０ａにおいて、近接場光５０の欠陥近傍光５０ａ及び欠陥のない領域５０ｂの近接場光強度分布は、ほぼ同じである。これは、水平偏光４６と、欠陥４４が同一面にないためである。
図４は、偏光近接場光学顕微鏡像の模式図であり、それぞれ、（ａ）は入射光が水平偏光（ＴＥ）波の場合を、（ｂ）は入射光が垂直偏光（ＴＭ）波の場合を示している。
図において、入射光４５は、圧痕４３が導入された光導波路のコア部４０ａに入射し、その出力光が偏光子２２（図１参照）により取り出される際の様子を示している。図では、入射光４５の直線偏光を水平偏光波４６，垂直偏光波４７とし、また、偏光子２２の取り込み偏光４８が０°，偏光子２２の取り込み偏光４９を９０°として示している。
図４（ａ）は、入射光４５が水平偏光４６の場合であり、偏光子による取り込み偏光４８，４９が０°及び９０°の場合を示している。
いずれの取り込み偏光４８，４９の場合も、光導波路のコア部４０ａにおいて、近接場光５０の欠陥近傍光５０ａ及び欠陥のない領域５０ｂの近接場光強度分布は、ほぼ同じである。これは、水平偏光４６と、欠陥４４が同一面にないためである。
これに対して、図４（ｂ）は入射光４５が垂直偏光４７の場合であり、偏光子による取り込み偏光４８，４９が０°及び９０°の場合を示している。入射偏光が垂直偏光４７の場合は、取り込み偏光４８が０°の条件で圧痕４３による欠陥４４に近い側５０ａで近接場光の強度が強くなり、欠陥４４のない領域５０ｂでの光強度が弱くなる。一方、取り込み偏光４９が９０°の条件では、欠陥４４に近い側５０ａで近接場光５０の強度が弱くなり、欠陥４４のない領域５０ｂでの近接場光５０の強度が強くなる。
この現象は、上記の水平偏光４６の場合とは異なり、垂直偏光４７と、欠陥４４が同一面にあるためである。これにより、垂直偏光４７が、欠陥４４とが相互干渉し、近接場光５０の強度が変化する。
この現象は、上記の水平偏光４６の場合とは異なり、垂直偏光４７と、欠陥４４が同一面にあるためである。これにより、垂直偏光４７が、欠陥４４とが相互干渉し、近接場光５０の強度が変化する。
このようにして、偏光保持ファイバープローブ２１を近接場光への極小プリズムカプラ
ーとして用いることで、光導波路４０に欠陥４４がある場合に、欠陥４４における偏光の変化を光導波路４０に生じる近接場光５０の偏光強度変化として検出することができる。このため、光の波長よりも短い領域を高い空間分解能で観察することができる。
ここで、偏光保持ファイバープローブ２１の大きさ、即ち分解能は１０ｎｍ〜３０ｎｍとすることができるので、通常の光学顕微鏡の場合の波長オーダー（例えば、０．５μｍ）よりも、著しく高い分解能を得ることができる。したがって、光導波路４０に生じている欠陥４４の発生個所やその数を、直ちに判別することができる。
ーとして用いることで、光導波路４０に欠陥４４がある場合に、欠陥４４における偏光の変化を光導波路４０に生じる近接場光５０の偏光強度変化として検出することができる。このため、光の波長よりも短い領域を高い空間分解能で観察することができる。
ここで、偏光保持ファイバープローブ２１の大きさ、即ち分解能は１０ｎｍ〜３０ｎｍとすることができるので、通常の光学顕微鏡の場合の波長オーダー（例えば、０．５μｍ）よりも、著しく高い分解能を得ることができる。したがって、光導波路４０に生じている欠陥４４の発生個所やその数を、直ちに判別することができる。
また、この際、欠陥４４における偏光変化は入射光の偏光制御部１２及び偏光子２２による取り込み偏光により調節することができる。また、偏光制御部１２、偏光子２２及び画像の記録やデータ処理は、制御系３０のパーソナルコンピュータにより迅速に行うことができる。
上述した本発明に係る第２の近接場光学顕微鏡を用いた偏光評価方法の実施形態においては、光導波路の場合について説明した。
さらに、光導波路以外には、光通信用の発光・受光素子，波長分波・合波素子，光スイッチング素子，光演算用集積回路，フォトニクス結晶などに生じる欠陥や歪を偏光評価方法により評価することができる。
これにより、本発明の近接場光学顕微鏡を用いた偏光評価方法によれば、外観検査では観察することができない内部の亀裂や、光の伝播に影響を与える屈折率分布変化のような、形状からは観察できない欠陥や歪に起因する偏光を観察することができる。具体的には光導波路や光集積回路の研究や製品検査に用いることができる。
さらに、光導波路以外には、光通信用の発光・受光素子，波長分波・合波素子，光スイッチング素子，光演算用集積回路，フォトニクス結晶などに生じる欠陥や歪を偏光評価方法により評価することができる。
これにより、本発明の近接場光学顕微鏡を用いた偏光評価方法によれば、外観検査では観察することができない内部の亀裂や、光の伝播に影響を与える屈折率分布変化のような、形状からは観察できない欠陥や歪に起因する偏光を観察することができる。具体的には光導波路や光集積回路の研究や製品検査に用いることができる。
実施例１として、本発明による近接場光学顕微鏡１を製作した。図１を参照して、その主要部分について説明する。
入光光学系１０において、照明光源１１として半導体レーザーダイオード励起によるＮｄ：ＹＡＧレーザーによる第２次高調波（波長５３２ｎｍ）を用い、偏光制御部１２において直線偏光を得て、偏光保持ファイバー１３に入光させた。この偏光保持ファイバー１３は、直径１２５μｍの石英製のＰＡＮＤＡファイバーであり、Ｇｅを添加したコア部の直径が３．５μｍ±１μｍ、Ｂ2 Ｏ3 を添加した応力引加部の直径が４０μｍである。走査ステージ３には、平板型ピエゾスキャナーを用い、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の走査を行った。
入光光学系１０において、照明光源１１として半導体レーザーダイオード励起によるＮｄ：ＹＡＧレーザーによる第２次高調波（波長５３２ｎｍ）を用い、偏光制御部１２において直線偏光を得て、偏光保持ファイバー１３に入光させた。この偏光保持ファイバー１３は、直径１２５μｍの石英製のＰＡＮＤＡファイバーであり、Ｇｅを添加したコア部の直径が３．５μｍ±１μｍ、Ｂ2 Ｏ3 を添加した応力引加部の直径が４０μｍである。走査ステージ３には、平板型ピエゾスキャナーを用い、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の走査を行った。
近接場光検出光学系２０の偏光保持ファイバープローブ２１は、上記の偏光保持ファイバー１３と同じＰＡＮＤＡファイバーを用い、その先端部２１ａを炭酸ガスレーザーを用いた溶融引き伸ばし法により製作した。
図５は、溶融引き伸ばし法による、（ａ）偏光保持ファイバープローブ２１の製作方法を模式的に示す図と、（ｂ）製作した偏光保持ファイバープローブの先端部２１ａの拡大写真である。
図５（ａ）に示すように、炭酸ガスレーザー６０の焦点６０ａにＰＡＮＤＡファイバー１３Ａを通すことで熱溶融させ、下方へ引き伸ばすことで先鋭化した（図５（ａ）の下向き矢印↓参照）。そのとき先端を曲げることで原子間力顕微鏡のカンチレバーの役目を果たさせた（図５（ａ）の右側の図参照）。このようにして製作した偏光保持ファイバープローブの先端部２１ａの表面は、スパッター装置によりＣｏ，Ａｌ，Ａｕをそれぞれ、数ｎｍ、数１００ｎｍ、数１００ｎｍの厚さに斜め蒸着し、反射層とした（図５（ｂ）参照）。
図５は、溶融引き伸ばし法による、（ａ）偏光保持ファイバープローブ２１の製作方法を模式的に示す図と、（ｂ）製作した偏光保持ファイバープローブの先端部２１ａの拡大写真である。
図５（ａ）に示すように、炭酸ガスレーザー６０の焦点６０ａにＰＡＮＤＡファイバー１３Ａを通すことで熱溶融させ、下方へ引き伸ばすことで先鋭化した（図５（ａ）の下向き矢印↓参照）。そのとき先端を曲げることで原子間力顕微鏡のカンチレバーの役目を果たさせた（図５（ａ）の右側の図参照）。このようにして製作した偏光保持ファイバープローブの先端部２１ａの表面は、スパッター装置によりＣｏ，Ａｌ，Ａｕをそれぞれ、数ｎｍ、数１００ｎｍ、数１００ｎｍの厚さに斜め蒸着し、反射層とした（図５（ｂ）参照）。
上記のようにして製作した偏光保持ファイバープローブ２１の偏光度は、プローブになっていない他端へ、半導体レーザーダイオード励起のＮｄ：ＹＡＧレーザーによる２倍波（波長：５３２ｎｍ）を入射させ、先端部２１ａから出てくる光を観察することで評価した。直接観察する方法及び透過光を集光し検出器で計測する方法で行い、Ｘ−Ｙ方向の直線偏光（図２参照）が得られることを確認した。また、３０：１の良好な偏光度が得られた。
次に、上記実施例１の近接場光学顕微鏡を用いて、図３で説明した光導波路の観察を行った。
被観察物２である有機光導波路４０は、シリコン（Ｓｉ）基板上に、スピンコート法、光リソグラフィ法、そして反応性イオンエッチング法などを用いて作製した。有機光導波路４０の材料は重水素化フッ素化ポリメチルメタクリレート（ｄ−ＰＦＭＡ）であり、クラッド部４０ｂを含めた膜厚は２５μｍであり、導波路となるコア部４０ａの幅及び厚さは６μｍである。そして、欠陥からの影響を調べるために、試料表面側から光導波路のコア部４０ａ近傍にビッカース硬度計の圧子４２を用いて圧痕４３を打ち込んだ。打ち込み時の配置は、圧子４２の菱面が導波路に平行になるように打ち込み、コア部４０ａの右側面に欠陥４４を導入した（図３参照）。
また、有機光導波路４０は、作製後に光導入部を除いて観察する領域のみを再度エッチングし、この部分に偏光保持ファイバープローブ２１を接近させ観察を行った。また、偏光保持ファイバー１３の偏光出力の被観察物となる有機光導波路４０への導光は、偏光保持ファイバー１３の出力端を有機光導波路４０に直結することで行った。具体的には、半導体励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（波長５３２ｎｍ）からの光を入射させ、偏光保持ファイバー１３の調芯後、屈折率を整合させる光学ジェル５を界面に塗布し、低収縮エポキシ系接着剤４で偏光保持ファイバー１３を固定した。
被観察物２である有機光導波路４０は、シリコン（Ｓｉ）基板上に、スピンコート法、光リソグラフィ法、そして反応性イオンエッチング法などを用いて作製した。有機光導波路４０の材料は重水素化フッ素化ポリメチルメタクリレート（ｄ−ＰＦＭＡ）であり、クラッド部４０ｂを含めた膜厚は２５μｍであり、導波路となるコア部４０ａの幅及び厚さは６μｍである。そして、欠陥からの影響を調べるために、試料表面側から光導波路のコア部４０ａ近傍にビッカース硬度計の圧子４２を用いて圧痕４３を打ち込んだ。打ち込み時の配置は、圧子４２の菱面が導波路に平行になるように打ち込み、コア部４０ａの右側面に欠陥４４を導入した（図３参照）。
また、有機光導波路４０は、作製後に光導入部を除いて観察する領域のみを再度エッチングし、この部分に偏光保持ファイバープローブ２１を接近させ観察を行った。また、偏光保持ファイバー１３の偏光出力の被観察物となる有機光導波路４０への導光は、偏光保持ファイバー１３の出力端を有機光導波路４０に直結することで行った。具体的には、半導体励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（波長５３２ｎｍ）からの光を入射させ、偏光保持ファイバー１３の調芯後、屈折率を整合させる光学ジェル５を界面に塗布し、低収縮エポキシ系接着剤４で偏光保持ファイバー１３を固定した。
この有機光導波路を本発明の近接場光学顕微鏡１で観察したところ、上記本発明の近接場光学顕微鏡による偏光評価方法に係る第２の実施の形態で説明したように、圧痕４３による欠陥４４の周囲で各偏光の伝播強度が変化していることがわかった（図３及び図４参照）。
図６は、実施例２の有機光導波路の近接場光学顕微鏡像を示す写真であり、それぞれ、（ａ）は表面高さ像、（ｂ）は入射光が水平偏光で取り込み偏光が０°のときの偏光近接場光像、（ｃ）は入射光が水平偏光で取り込み偏光が９０°のときの偏光近接場光像、（ｄ）は入射光が垂直偏光で取り込み偏光が０°のときの偏光近接場光像、（ｅ）は入射光が垂直偏光で取り込み偏光が９０°のときの偏光近接場光像を示している。
図６（ａ）の表面高さ像からは、上部水平方向の光導波路のコア部４０ａと、圧痕４３の大きさは一辺約４０μｍの正方形であることが分かるが、圧痕４３自身は光導波路のコア部４０ａにかかっておらず、外観からは影響が無いと判断される状態である。
図６は、実施例２の有機光導波路の近接場光学顕微鏡像を示す写真であり、それぞれ、（ａ）は表面高さ像、（ｂ）は入射光が水平偏光で取り込み偏光が０°のときの偏光近接場光像、（ｃ）は入射光が水平偏光で取り込み偏光が９０°のときの偏光近接場光像、（ｄ）は入射光が垂直偏光で取り込み偏光が０°のときの偏光近接場光像、（ｅ）は入射光が垂直偏光で取り込み偏光が９０°のときの偏光近接場光像を示している。
図６（ａ）の表面高さ像からは、上部水平方向の光導波路のコア部４０ａと、圧痕４３の大きさは一辺約４０μｍの正方形であることが分かるが、圧痕４３自身は光導波路のコア部４０ａにかかっておらず、外観からは影響が無いと判断される状態である。
また、図６（ｂ）及び（ｃ）から明らかなように、入射光４５が水平偏光（ＴＥ）４６の条件では、取り込み偏光４８，４９が０°及び９０°の何れにおいても圧痕４３に近い部分５０ａと遠い部分５０ｂで近接場光５０の強度に違いが無いことが分かる。
それに対して入射光４５が垂直偏光（ＴＭ）４７の条件では、取り込み偏光４８が０°のときには、圧痕４３による欠陥４４に近い側５０ａで光の強度が強く、遠い側５０ｂでは、近接場光５０の強度が弱くなっていることが分かる（図６（ｄ）参照）。
一方、取り込み偏光４９が９０°のときは、圧痕４３による欠陥４４に近い側５０ａで光の強度が弱く、遠い側５０ｂでは近接場光５０の強度が強くなり、取り込み偏光４８が０°の場合の光強度分布とは、逆転していることが分かる（図６（ｅ）参照）。ここで、注目すべき点は、図６（ｄ）及び（ｅ）で、その光強度分布が反転していることである。従来の光ファイバーではファイバー内の偏光が保持されないので、このような光強度分布が観察できなかった。
一方、取り込み偏光４９が９０°のときは、圧痕４３による欠陥４４に近い側５０ａで光の強度が弱く、遠い側５０ｂでは近接場光５０の強度が強くなり、取り込み偏光４８が０°の場合の光強度分布とは、逆転していることが分かる（図６（ｅ）参照）。ここで、注目すべき点は、図６（ｄ）及び（ｅ）で、その光強度分布が反転していることである。従来の光ファイバーではファイバー内の偏光が保持されないので、このような光強度分布が観察できなかった。
（比較例）
実施例２で説明した有機光導波路４０を汎用の光学顕微鏡により観察した。図７は、比較例による有機光導波路４０の汎用光学顕微鏡像を示す写真である。
図から明らかなように、左右に横断している細い線が有機光導波路のコア部４０ａであり、幅は６μｍである。また、中央の正方形部分が圧痕４３であり、その大きさは一辺約４０μｍの正方形で、それ自身は有機光導波路４０のコア部４０ａにかかっておらず、外観からは影響が無いと判断される状態である。このように汎用光学顕微鏡による外観観察では、圧痕４３により導入した欠陥４４よる有機光導波路４０への影響を観察することができなかった。
実施例２で説明した有機光導波路４０を汎用の光学顕微鏡により観察した。図７は、比較例による有機光導波路４０の汎用光学顕微鏡像を示す写真である。
図から明らかなように、左右に横断している細い線が有機光導波路のコア部４０ａであり、幅は６μｍである。また、中央の正方形部分が圧痕４３であり、その大きさは一辺約４０μｍの正方形で、それ自身は有機光導波路４０のコア部４０ａにかかっておらず、外観からは影響が無いと判断される状態である。このように汎用光学顕微鏡による外観観察では、圧痕４３により導入した欠陥４４よる有機光導波路４０への影響を観察することができなかった。
以上の実施例及び比較例から明らかなように、本発明の近接場光学顕微鏡及びその偏光評価方法によれば、従来の汎用光学顕微鏡による外観観察、原子間力顕微鏡による表面高さ像、シングルモードファイバープローブを用いた近接場光学顕微鏡の何れによっても観察することができなかった欠陥からの影響を鮮明に観察することができる。
本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。上述した実施形態においては、主として直線偏光について説明したが、楕円偏光や円偏光を利用することも可能である。
１：近接場光学顕微鏡
２：被観察物
３：走査ステージ
４：接着剤
５：集光部材（光学ジェル）
１０：入射光学系
１１：照明光源
１２：偏光制御部
１３，１３Ａ：偏光保持ファイバー（ＰＡＮＤＡファイバー）
１３ａ：コア
１３ｂ：クラッド
１３ｃ：被覆
１３ｄ：応力引加部
２０：近接場光検出光学系
２１：偏光保持ファイバープローブ
２１ａ：偏光保持ファイバープローブの先端部
２２：偏光子
２３：光検知器
２３ａ：近接場光信号
３０：制御系
３１：走査ステージ制御部
３２：電子計算機（パーソナルコンピュータ）
３３：画像処理装置
３５：高さ検出手段
３６：レーザ光源
３７：検知器（フォトダイオード）
３７ａ：検知器（フォトダイオード）出力
４０：光導波路（有機光導波路）
４０ａ：光導波路（有機光導波路）のコア部
４０ｂ：光導波路（有機光導波路）のクラッド部
４２：圧子
４３：圧痕
４４：欠陥
４５：入射光
４６：水平（ＴＥ）偏光
４７：垂直（ＴＭ）偏光
４８：取り込み偏光（０°）
４９：取り込み偏光（９０°）
５０：近接場光
５０ａ：欠陥近傍の近接場光
５０ｂ：欠陥のない領域の近接場光
６０：炭酸ガスレーザー
６０ａ：焦点
２：被観察物
３：走査ステージ
４：接着剤
５：集光部材（光学ジェル）
１０：入射光学系
１１：照明光源
１２：偏光制御部
１３，１３Ａ：偏光保持ファイバー（ＰＡＮＤＡファイバー）
１３ａ：コア
１３ｂ：クラッド
１３ｃ：被覆
１３ｄ：応力引加部
２０：近接場光検出光学系
２１：偏光保持ファイバープローブ
２１ａ：偏光保持ファイバープローブの先端部
２２：偏光子
２３：光検知器
２３ａ：近接場光信号
３０：制御系
３１：走査ステージ制御部
３２：電子計算機（パーソナルコンピュータ）
３３：画像処理装置
３５：高さ検出手段
３６：レーザ光源
３７：検知器（フォトダイオード）
３７ａ：検知器（フォトダイオード）出力
４０：光導波路（有機光導波路）
４０ａ：光導波路（有機光導波路）のコア部
４０ｂ：光導波路（有機光導波路）のクラッド部
４２：圧子
４３：圧痕
４４：欠陥
４５：入射光
４６：水平（ＴＥ）偏光
４７：垂直（ＴＭ）偏光
４８：取り込み偏光（０°）
４９：取り込み偏光（９０°）
５０：近接場光
５０ａ：欠陥近傍の近接場光
５０ｂ：欠陥のない領域の近接場光
６０：炭酸ガスレーザー
６０ａ：焦点
Claims (9)
- 偏光制御部及び偏光保持ファイバーを介して偏光光を被観察物へ入射する入射光学系と、
上記被観察物を載置し走査する走査部ステージと、
上記被観察物からの近接場光が入射され、近接場光信号を得る近接場光検出光学系と、
上記走査部ステージを制御し、上記近接場光信号が入力される制御系と、を備え、
上記近接場光検出光学系が、上記被観察物からの近接場光を検出するためにその先端を近接場光探針とした偏光保持ファイバープローブと、該偏光保持ファイバープローブの出力側に配置される偏光子と、該偏光子からの偏光を検出する光検知器と、から成り、
上記入射光学系から上記被観察物に対し偏光光が入射され、上記被観察物からの近接場光の偏光成分を上記偏光保持ファイバープローブにより取り出し、上記偏光子で分離した偏光を上記光検出器で検出し、上記走査部ステージの位置データと上記光検知器により検出された近接場光信号データとにより被観察物からの偏光近接場光分布を得ることを特徴とする、近接場光学顕微鏡。 - 前記偏光保持ファイバープローブの先端部がカンチレバーを兼ねるように構成され、さらに、前記制御部が上記カンチレバーの高さを検出するための高さ検出手段を備え、上記高さ検出手段の出力が前記走査部ステージの制御部に入力されてフィードバック制御され、前記走査部ステージの位置データと上記高さデータとにより前記被観察物からの原子間力像を得ることを特徴とする、請求項１に記載の近接場光学顕微鏡。
- 前記制御部の前記高さ検出手段が、レーザー高原と該レーザー高原の検出器とから成ることを特徴とする、請求項２に記載の近接場光学顕微鏡。
- 前記制御部が、前記被観察物からの前記偏光近接場光分布と前記原子間力像を処理する画像処理部を備えることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の近接場光学顕微鏡。
- 前記制御部が、前記偏光制御部及び偏光子の直線偏光を制御することを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の近接場光学顕微鏡。
- 前記偏光保持ファイバープローブは、コアとクラッドとからなる光ファイバー構造に、さらに上記コアの両側に応力印加部が上記クラッド中に埋め込まれてなることを特徴とする、請求項１に記載の近接場光学顕微鏡。
- 偏光制御部及び偏光保持ファイバーを介して偏光光を被観察物へ入射する入射光源系と、先端を近接場光探針とした偏光保持ファイバープローブから上記被観察物からの近接場光を入射し偏光子を介して光検出器で偏光を検出して近接場光信号を得る近接場光検出光学系と、上記被観察物を載置し上記近接場光信号の入力を受ける制御系と、を備えた近接場光学顕微鏡を用いた偏光評価方法であって、
上記偏光制御部及び上記偏光保持ファイバーを介して上記照射光源からの偏光光を上記被観察物に入射させ、該被観察物からの近接場光の偏光成分を偏光保持ファイバープローブにより取り出し、偏光子で分離した偏光を上記光検出器で検出し、偏光の変化を観察することを特徴とする、近接場光学顕微鏡を用いた偏光評価方法。 - 前記被観察物からの偏光が、前記被観察物からの欠陥又は歪に起因する偏光であることを特徴とする、請求項７に記載の近接場光学顕微鏡を用いた偏光評価方法。
- 前記被観察物への入射偏光が直線偏光であり、前記被観察物からの前記偏光保持ダイバープローブに入射されて出力する光が、さらに、前記偏光子により直線偏光制御されることを特徴とする、請求項７又は８に記載の近接場光学顕微鏡を用いた偏光評価方法。
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