JPH0861912A - 干渉計および光走査型トンネル顕微鏡および光集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光源の波長よりも非常に小さい領域の光の強
度，位相の情報が安定して得られ、これまで測定方法が
無かった光導波路に閉じ込められた光の波面を測定でき
る小型の干渉計を提供する。 【構成】 光源１２１と、光源１２１からの放射光を複
数の光に分割する分割手段１２４と、分割された光の少
なくとも一つの振動数を変化させる周波数シフト手段Ｓ
ＡＷ１２６と、分割された複数の光を干渉させる干渉手
段１２５，１３０，１３１，１３５〜１４０と、干渉に
より発生したビートを検出する検出手段１２７〜１２
９，１３２〜１３４と、発生させたビートから分割され
た光に関する情報を抽出する抽出手段１４１とを有する
干渉計において、光源と分割手段と周波数シフト手段と
干渉手段と検出手段とが、一枚のチップ上に集積化され
て光集積回路１４３となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、干渉計および光走査型
トンネル顕微鏡および光集積回路に係り、特に、試料表
面の微細構造を光学的に観察する光走査型トンネル顕微
鏡と、光学素子の特性を測定する干渉計と、前記光走査
型トンネル顕微鏡または干渉計に適用するに好適な光集
積回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光走査型トンネル顕微鏡には、例
えば、特開平4 −77605号，特開平4−162340号等に記載
された顕微鏡がある。また、光走査型トンネル顕微鏡に
ついては、日本光学会発行『光学』第21巻，11号(1992
年11月)の780ページや、応用物学会発行『応用物理』第
61巻(1992)の612ページに記載がある。一方、干渉光学
系を集積化した光集積回路としては、日本光学会発行
『光学』第17巻，8号(1988年6月)の285ページに記載が
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】光走査型トンネル顕微
鏡は、非常に微小な領域の光を観察する手段であるが、
これまでの光走査型トンネル顕微鏡は、光の強度を測定
し、その光強度に基づいて表面形状を計測することしか
できず、光の位相や光路長を測定できなかった。また、
光導波路内を伝播する光の位相を測定する手段がなかっ
た。

【０００４】光走査型トンネル顕微鏡は、一般にレーザ
光源，レンズ，光検出器等の個別の光学部品を使用して
いる。したがって、これら光学部品の相互の位置は、製
造時に正確に調整しても、時間の経過とともにずれてし
まい、性能の維持および試料表面の安定した観察が困難
であった。さらに、個別の光学部品で組上げた場合、例
えば、縦600mm×横600mm×長さ900mm程度の大きさにな
り、その運搬や設置にはかなりの労力と時間を要し、し
かも、所定の性能を発揮させるため、内部の温度を均一
化しつつ一定に保つには、さらに多くの周辺装置を備え
る必要があった。

【０００５】一方、これまで提案されていた集積型のヘ
テロダイン干渉計は、基板に誘電体結晶を用いているの
で、光検出器を別に用意し取り付ける必要があり、この
場合も、誘電体結晶と光検出器との間に時間の経過とと
もに位置ずれが生じ、高精度の計測結果を安定して得る
ことが難しかった。

【０００６】本発明の目的は、小型で、光検出器も一体
的に形成されて、光学部品間の経時的位置ずれが本質的
に無く、微小領域の光の位相情報や光導波路に閉じ込め
られた光の位相を測定する手段を備えた光走査型トンネ
ル顕微鏡を提供することである。

【０００７】本発明の他の目的は、光検出器も一体的に
形成されて、光学部品間の経時的位置ずれが本質的に無
く、微小領域の光を安定して計測する手段を備えた干渉
計を提供することである。

【０００８】本発明の別の目的は、光検出器も一体的に
形成されて、光学部品間の経時的位置ずれが本質的に無
く、前記光走査型トンネル顕微鏡または干渉計に適用す
るに最適な光集積回路を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明が上記目的を達成
するために提案する第１発明は、光源と、光源からの放
射光を複数の光に分割する分割手段と、分割された光の
少なくとも一つの振動数を変化させる周波数シフト手段
と、分割された複数の光を干渉させる干渉手段と、干渉
により発生したビートを検出する検出手段と、発生させ
たビートから分割された光に関する情報を抽出する抽出
手段とを有する干渉計において、光源と分割手段と周波
数シフト手段と干渉手段と検出手段とが、一枚のチップ
の上に集積化されている干渉計である。

【００１０】本発明が上記目的を達成するために提案す
る第２発明は、光源と、光源からの放射光を複数の光に
分割する分割手段と、分割された光の少なくとも一つの
振動数を変化させる周波数シフト手段と、分割された複
数の光を干渉させる干渉手段と、干渉により発生したビ
ートを検出する検出手段と、発生させたビートから分割
された光に関する情報を抽出する抽出手段とを有する干
渉計において、検出手段が、半導体基板上に形成された
少なくとも一つのＰＮ接合からなり、電気光学効果，ピ
エゾ圧電効果，または音響光学効果を有する物質からな
る光導波路が、半導体基板上に設けられ、光源が、放射
光が光導波路に結合するように半導体基板に取り付けら
れた半導体レーザからなり、分割手段と干渉手段と周波
数シフト手段とが、光導波路上に設けられている干渉計
である。

【００１１】本発明が上記目的を達成するために提案す
る第３発明は、光源と、光源からの放射光を複数の光に
分割する分割手段と、分割された各々の光の振動数を互
いに異なる振動数に変化させる複数の周波数シフト手段
と、分割された複数の光を干渉させる干渉手段と、干渉
により発生したビートを検出する検出手段と、発生させ
たビートから分割された光に関する情報を抽出する抽出
手段とを有する干渉計において、光源と分割手段と周波
数シフト手段と干渉手段と検出手段とが、一枚のチップ
の上に集積化されている干渉計である。

【００１２】本発明が上記目的を達成するために提案す
る第４発明は、光源と、光源からの放射光を複数の光に
分割する分割手段と、分割された各々の光の振動数を互
いに異なる振動数に変化させる複数の周波数シフト手段
と、分割された複数の光を干渉させる干渉手段と、干渉
により発生したビートを検出する検出手段と、発生させ
たビートから分割された光に関する情報を抽出する抽出
手段とを有する干渉計において、検出手段が、半導体基
板上に形成された少なくとも一つのＰＮ接合からなり、
電気光学効果，ピエゾ圧電効果，または音響光学効果を
有する物質からなる光導波路が、半導体基板上に設けら
れ、光源が、放射光が光導波路に結合するように半導体
基板に取り付けられた半導体レーザからなり、分割手段
と干渉手段と周波数シフト手段とが、光導波路上に設け
られている干渉計である。

【００１３】本発明が上記目的を達成するために提案す
る第５発明は、光源と、光源からの放射光を複数の光に
分割する分割手段と、複数の光を干渉させる干渉手段
と、干渉させた光を検出する検出手段とを有する干渉計
において、光源からの放射光の波長よりも小さい領域か
ら分割手段により分割された光の少なくとも一つを選択
的に取り出す光プローブを少なくとも１個有し、干渉手
段が、光プローブで取り出した光と分割手段で分割され
た光とを干渉させる手段であり、光源と分割手段と干渉
手段と検出手段とが、一枚のチップの上に集積化されて
いる干渉計である。

【００１４】本発明が上記目的を達成するために提案す
る第６発明は、光源と、光源からの放射光を複数の光に
分割する分割手段と、複数の光を干渉させる干渉手段
と、干渉させた光を検出する検出手段とを有する干渉計
において、光源からの放射光の波長よりも小さい領域か
ら分割手段により分割された光の少なくとも一つを選択
的に取り出す光プローブを少なくとも１個有し、干渉手
段が、光プローブで取り出した光と分割手段で分割され
た光とを干渉させる手段であり、検出手段が、半導体基
板上に形成された少なくとも一つのＰＮ接合からなり、
半導体基板上に光導波路が設けられ、光源が、放射光が
光導波路に結合するように半導体基板に取り付けられた
半導体レーザからなり、分割手段と干渉手段とが、光導
波路上に設けられている干渉計である。

【００１５】本発明が上記目的を達成するために提案す
る第７発明は、光源と、複数の光を干渉させる干渉手段
と、干渉させた光を検出する検出手段とを有する干渉計
において、空間の一部の領域から光源からの放射光を選
択的に取り出す光プローブを複数個有し、干渉手段が、
光プローブで取り出された光を干渉させる手段であり、
光プローブの内の少なくとも１個が光を選択的に取り出
す領域の大きさが、光源からの放射光の波長よりも小さ
く、光源と干渉手段と検出手段とが、一枚のチップの上
に集積化されている干渉計である。

【００１６】本発明が上記目的を達成するために提案す
る第８発明は、光源と、複数の光を干渉させる干渉手段
と、干渉させた光を検出する検出手段とを有する干渉計
において、空間の一部の領域から光源からの放射光を選
択的に取り出す光プローブを複数個有し、干渉手段が、
光プローブで取り出された光を干渉させる手段であり、
光プローブの内少なくとも１個が光を選択的に取り出す
領域の大きさが、光源からの放射光の波長よりも小さ
く、検出手段が、半導体基板上に形成された少なくとも
一つのＰＮ接合からなり、光導波路が、半導体基板上に
設けられ、光源が、放射光が光導波路に結合するように
半導体基板上に取り付けられた半導体レーザからなり、
干渉手段が、光導波路上に設けられている干渉計であ
る。

【００１７】本発明が上記目的を達成するために提案す
る第９発明は、光源と、光源からの放射光を複数の光に
分割する分割手段と、分割された光の少なくとも一つの
振動数を変化させる周波数シフト手段と、分割された複
数の光を干渉させる干渉手段と、干渉により発生したビ
ートを検出する検出手段と、発生させたビートから分割
された光に関する情報を抽出する抽出手段とを有する干
渉計において、光源から放射される光の波長よりも小さ
い領域から分割手段により分割された光の少なくとも一
つを選択的に取り出す光プローブを少なくとも１個有
し、干渉手段が、光プローブで取り出された光と分割手
段で分割された光とを干渉させる手段であり、周波数シ
フト手段が、干渉手段で干渉させる光の少なくとも一つ
の振動数を変化させる手段であり、光源と分割手段と周
波数シフト手段と干渉手段と検出手段とが、一枚のチッ
プの上に集積化されている干渉計である。

【００１８】本発明が上記目的を達成するために提案す
る第１０発明は、光源と、光源からの放射光を複数の光
に分割する分割手段と、分割された光の少なくとも一つ
の振動数を変化させる周波数シフト手段と、分割された
複数の光を干渉させる干渉手段と、干渉により発生した
ビートを検出する検出手段と、発生させたビートから分
割された光に関する情報を抽出する抽出手段とを有する
干渉計において、光源からの放射光の波長よりも小さい
領域から分割手段により分割された光の少なくとも一つ
を選択的に取り出す光プローブを少なくとも１個有し、
干渉手段が、光プローブで取り出された光と分割手段で
分割された光を干渉させる手段であり、周波数シフト手
段が、干渉手段で干渉させる光の少なくとも一つの振動
数を変化させる手段であり、検出手段が、半導体基板上
に作られた少なくとも一つのＰＮ接合からなり、電気光
学効果，ピエゾ圧電効果，または音響光学効果を有する
物質からなる光導波路が、半導体基板上に設けられ、光
源が、放射光が光導波路に結合するように半導体基板に
取り付けられた半導体レーザからなり、分割手段と干渉
手段と周波数シフト手段とが、光導波路上に設けられて
いる干渉計である。

【００１９】本発明が上記目的を達成するために提案す
る第１１発明は、光源と、光源からの放射光を複数の光
に分割する分割手段と、分割された各々の光の振動数を
互いに異なる振動数に変化させる複数の周波数シフト手
段と、分割された複数の光を干渉させる干渉手段と、干
渉により発生したビートを検出する検出手段と、発生さ
せたビートから分割された光に関する情報を抽出する抽
出手段とを有する干渉計において、光源から放射される
光の波長よりも小さい領域から分割手段により分割され
た光の少なくとも一つを選択的に取り出す光プローブを
少なくとも１個有し、干渉手段が、光プローブで取り出
された光と分割手段で分割された光とを干渉させる手段
であり、光源と分割手段と周波数シフト手段と干渉手段
と検出手段とが、一枚のチップの上に集積化されている
干渉計である。

【００２０】本発明が上記目的を達成するために提案す
る第１２発明は、光源と、光源からの放射光を複数の光
に分割する分割手段と、分割された各々の光の振動数を
互いに異なる振動数に変化させる複数の周波数シフト手
段と、分割された複数の光を干渉させる干渉手段と、干
渉により発生したビートを検出する検出手段と、発生さ
せたビートから、分割された光に関する情報を抽出する
抽出手段とを有する干渉計において、光源から放射され
る光の波長よりも小さい領域から分割手段により分割さ
れた光の少なくとも一つを選択的に取り出す光プローブ
を少なくとも１個有し、干渉手段が、光プローブで取り
出された光と分割手段で分割された光とを干渉させる手
段であり、検出手段が、半導体基板上に作られた少なく
とも一つのＰＮ接合からなり、 電気光学効果，ピエゾ
圧電効果，または音響光学効果を有する物質からなる光
導波路が、半導体基板上に設けられ、光源が、放射光が
光導波路に結合するように半導体基板に取り付けられた
半導体レーザからなり、分割手段と干渉手段と周波数シ
フト手段とが、光導波路上に設けられている干渉計であ
る。

【００２１】本発明が上記目的を達成するために提案す
る第１３発明は、第５ないし１２発明のいずれかの干渉
計において、光プローブを移動させる移動手段を備えた
干渉計である。

【００２２】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第１４発明は、光源と、光源から放射される光を
試料に照射する光学系と、放射光により生ずる試料から
の透過光，反射光，散乱光，または試料近傍に発生する
エバネッセント波を試料表面近傍の一部の領域から選択
的に取り出す光プローブと、光プローブを試料表面に沿
って走査する走査機構と、光プローブを試料表面に対し
て略垂直方向に動かす上下動機構と、光プローブにより
取り出された光を検出する光検出手段と、光検出手段の
出力に基づいて光プローブと試料表面との間隔を求め当
該間隔を一定に保つように上下動機構を駆動する制御回
路と、光プローブを試料表面の所定領域を走査させるよ
うに走査機構を駆動する走査回路と、光プローブの走査
に同期して光検出手段からの計測結果を格納し計測結果
に基づいて試料の情報を抽出する処理回路とを有する光
走査型トンネル顕微鏡において、光源と光検出手段と
が、一枚のチップの上に集積化されている光走査型トン
ネル顕微鏡である。

【００２３】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第１５発明は、光源と、光源から放射される光を
試料に照射する光学系と、放射光により生ずる試料から
の透過光，反射光，散乱光，または試料近傍に発生する
エバネッセント波を試料表面近傍の一部の領域から選択
的に取り出す光プローブと、光プローブを試料表面に沿
って走査する走査機構と、光プローブを試料表面に対し
て略垂直方向に動かす上下動機構と、光プローブにより
取り出された光を検出する光検出手段と、光検出手段の
出力に基づいて光プローブと試料表面との間隔を求め当
該間隔を一定に保つように上下動機構を駆動する制御回
路と、光プローブを試料表面の所定領域を走査させるよ
うに走査機構を駆動する走査回路と、光プローブの走査
に同期して光検出手段からの計測結果を格納し計測結果
に基づいて試料の情報を抽出する処理回路とを有する光
走査型トンネル顕微鏡において、光検出手段が、半導体
基板上に形成された少なくとも一つのＰＮ接合からな
り、光導波路が、半導体基板上に設けられ、光源が、放
射光が光導波路に結合するように半導体基板上に取り付
けられた半導体レーザからなる光走査型トンネル顕微鏡
である。

【００２４】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第１６発明は、光源と、光源から放射される光を
試料に照射する光学系と、放射光により生ずる試料から
の透過光，反射光，散乱光，または試料近傍に発生する
エバネッセント波を試料表面近傍の一部の領域から選択
的に取り出す光プローブと、光プローブを試料表面に沿
って走査する走査機構と、光プローブを試料表面に対し
略垂直方向に動かす上下動機構と、光プローブにより取
り出された光を検出する光検出手段と、試料表面と光プ
ローブの間隔を計測する間隔計測手段と、間隔計測手段
の出力に基づいて間隔を一定に保つように上下動機構を
駆動する制御回路と、光プローブを試料表面の所定の領
域を走査させるように走査機構を駆動する走査回路と、
光プローブの走査に同期して光検出手段からの計測結果
を格納し計測結果に基づいて試料の情報を抽出する処理
回路を有する光走査型トンネル顕微鏡において、光源か
らの放射光を試料に照射する前に測定光と参照光とに分
割する分割手段を有し、測定光の少なくとも一部を試料
に照射し、光プローブにより取り出された光と参照光の
少なくとも一部を干渉させる干渉手段を有し、光検出手
段が、干渉手段で干渉させた光を検出し、光プローブで
取り出された光の位相情報も取り出す手段であり、光源
と分割手段と干渉手段と光検出手段と間隔計測手段と
が、一枚のチップの上に集積化されている光走査型トン
ネル顕微鏡である。

【００２５】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第１７発明は、光源と、光源から放射される光を
試料に照射する光学系と、放射光により生ずる試料から
の透過光，反射光，散乱光，または試料近傍に発生する
エバネッセント波を試料表面近傍の一部の領域から選択
的に取り出す光プローブと、光プローブを試料表面に沿
って走査する走査機構と、光プローブを試料表面に対し
略垂直方向に動かす上下動機構と、光プローブにより取
り出された光を検出する光検出手段と、試料表面と光プ
ローブとの間隔を計測する間隔計測手段と、間隔計測手
段の出力から間隔を一定に保つように上下動機構を駆動
する制御回路と、光プローブを試料表面の所定の領域を
走査させるように走査機構を駆動する走査回路と、光プ
ローブの走査に同期して光検出手段からの計測結果を格
納し、計測結果に基づいて試料の情報を抽出する処理回
路を有する光走査型トンネル顕微鏡において、光プロー
ブを複数個有し、光検出手段が、各々の光プローブで取
り出された光の少なくとも一部を干渉させて検出し、試
料からの透過光，反射光，散乱光，または試料近傍に発
生するエバネッセント波の位相情報も取り出す光検出手
段であり、光源と光検出手段と間隔計測手段とが、一枚
のチップの上に集積化されている光走査型トンネル顕微
鏡である。

【００２６】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第１８発明は、光源と、光源から放射される光を
試料に照射する光学系と、この光により生ずる試料から
の透過光，反射光，散乱光，または試料近傍に発生する
エバネッセント波を試料表面近傍の一部の領域から選択
的に取り出す光プローブと、光プローブを試料表面に沿
って走査する走査機構と、光プローブを試料表面に対し
略垂直方向に動かす上下動機構と、光プローブにより取
り出された光を検出する光検出手段と、試料表面と光プ
ローブの間隔を計測する間隔計測手段と、間隔計測手段
の出力からこの間隔を一定に保つように上下動機構を駆
動する制御回路と、光プローブを試料表面の所定の領域
を走査させるように走査機構を駆動する走査回路と、光
プローブの走査に同期して、光検出手段からの計測結果
を格納し、計測結果に基づいて試料の情報を抽出する処
理回路を有する光走査型トンネル顕微鏡において、光源
からの放射光を試料に照射する前に測定光と参照光に分
割する分割手段を有し、分割された測定光と参照光のど
ちらか片方に対しその周波数を変化させる周波数シフト
手段を有し、測定光の少なくとも一部を試料に照射し、
光プローブにより取り出された光と参照光の少なくとも
一部を干渉させる干渉手段を有し、光検出手段が、干渉
により干渉手段で発生したビートを検出し、ビートから
光プローブで取り出された光の強度と位相の情報を取り
出す光検出手段であり、光源と分割手段と周波数シフト
手段と干渉手段と光検出手段と間隔計測手段とが、一枚
のチップの上に集積化されている光走査型トンネル顕微
鏡である。

【００２７】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第１９発明は、光源と、光源から放射される光を
試料に照射する光学系と、この光により生ずる試料から
の透過光，反射光，散乱光，または試料近傍に発生する
エバネッセント波を試料表面近傍の一部の領域から選択
的に取り出す光プローブと、光プローブを試料表面に沿
って走査する走査機構と、光プローブを試料表面に対し
略垂直方向に動かす上下動機構と、光プローブにより取
り出された光を検出する光検出手段と、試料表面と光プ
ローブの間隔を計測する間隔計測手段と、間隔計測手段
の出力からこの間隔を一定に保つように上下動機構を駆
動する制御回路と、光プローブを試料表面の所定の領域
を走査させるように走査機構を駆動する走査回路と、光
プローブの走査に同期して、光検出手段からの計測結果
を格納し、計測結果に基づいて試料の情報を抽出する処
理回路を有する光走査型トンネル顕微鏡において、光源
からの放射光を、試料に照射する前に測定光と参照光に
分割する分割手段を有し、分割された測定光と参照光の
両方に対しその周波数を互いに異なる周波数に変化させ
る複数の周波数シフト手段を有し、測定光の少なくとも
一部を試料に照射し、光プローブにより取り出された光
と参照光の少なくとも一部を干渉させる干渉手段を有
し、光検出手段が、干渉により干渉手段で発生したビー
トを検出し、ビートから光プローブで取り出された光の
強度と位相の情報を取り出す光検出手段であり、光源と
分割手段と周波数シフト手段と干渉手段と光検出手段と
間隔計測手段とが、一枚のチップの上に集積化されてい
る光走査型トンネル顕微鏡である。

【００２８】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第２０発明は、第１８または１９発明のいずれか
の光走査型トンネル顕微鏡において、周波数シフト手段
が、電気光学効果，ピエゾ圧電効果，または音響光学効
果を有する物質からなる光導波路と、光導波路に表面弾
性波を発生させる表面弾性波発生手段とを有し、参照
光，測定光，または光プローブで取り出された光を光導
波路に閉じ込めて伝播させ、表面弾性波により参照光，
測定光または光プローブで取り出された光の振動数をず
らす周波数シフト手段である光走査型トンネル顕微鏡で
ある。

【００２９】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第２１発明は、第１４または１５発明のいずれか
の光走査型トンネル顕微鏡において、光プローブから光
検出手段に光を導く光ファイバを備えた光走査型トンネ
ル顕微鏡である。

【００３０】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第２２発明は、第１６ないし２０発明のいずれか
の光走査型トンネル顕微鏡において、光プローブから干
渉手段に光を導く光ファイバを備えた光走査型トンネル
顕微鏡である。

【００３１】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第２３発明は、第２２発明の光走査型トンネル顕
微鏡において、干渉手段への入射測定光の光プローブ走
査による位相ずれを検出する位相検出手段と測定光の位
相を変調する位相変調器とを含み、位相検出手段の検出
結果に基づき位相変調器を駆動し、干渉手段への入射測
定光の光プローブ走査による位相ずれをキャンセルする
測定光安定化手段を備えた光走査型トンネル顕微鏡であ
る。

【００３２】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第２４発明は、第２３はつめいの光走査型トンネ
ル顕微鏡において、位相検出手段と位相変調器が、光源
や光検出手段が集積化されているチップと同一チップ上
に集積化されている光走査型トンネル顕微鏡である。

【００３３】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第２５発明は、第２４発明の光走査型トンネル顕
微鏡において、位相変調器が、チップ上に設けられた電
気光学効果を有する物質からなる光導波路と、光導波路
に電場を作用させる電極とからなり、測定光を光導波路
中に閉じ込めて伝播させ、電極により光導波路に電場を
作用させ、光導波路の等価屈折率を変化させて位相変調
を行なう位相変調器である光走査型トンネル顕微鏡であ
る。

【００３４】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第２６発明は、第１４ないし２５発明のいずれか
の光走査型トンネル顕微鏡において、光プローブで光が
取り出される領域の大きさが、光源から放射される光の
波長よりも小さい光走査型トンネル顕微鏡である。

【００３５】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第２７発明は、第１６ないし２６発明のいずれか
の光走査型トンネル顕微鏡において、光源や光検出手段
が集積化されているチップ上に、ファラデー効果を有す
る物質からなる光導波路を有し、参照光，測定光，また
は光プローブで取り出された光を光導波路に閉じ込めて
伝播させ、さらにコイルを有し、コイルに電流を流して
光導波路に磁場を作用させ、光導波路を伝播する光の偏
光方向を変化させて、干渉手段で干渉させる複数の光の
偏光方向を一致させる偏光調節手段を備えた光走査型ト
ンネル顕微鏡である。

【００３６】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第２８発明は、第１４ないし２７発明のいずれか
の光走査型トンネル顕微鏡において、光源や光検出手段
が集積化されているチップが半導体であり、光検出手段
が、チップ上に作られた少なくとも一つのＰＮ接合から
なる光走査型トンネル顕微鏡である。

【００３７】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第２９発明は、第１４ないし２８発明のいずれか
の光走査型トンネル顕微鏡において、光源が、半導体レ
ーザである光走査型トンネル顕微鏡である。

【００３８】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第３０発明は、第２９発明の光走査型トンネル顕
微鏡において、光源や光検出手段が集積化されているチ
ップに取り付けられ、光源の温度を調節して光源から放
射される光の波長を安定化させる温度調節手段を備えた
事を特徴とする光走査型トンネル顕微鏡である。

【００３９】本発明が上記他の目的を達成するために提
案する第３１発明は、光源と光検出手段を有する第１光
学系と、第１光学系から放射される光を試料に照射する
第２光学系と、この光により生ずる試料からの透過光，
反射光，散乱光，または試料近傍に発生するエバネッセ
ント波を試料表面近傍の一部の領域から選択的に取り出
す光プローブと、光プローブを試料表面に沿って走査す
る走査機構と、光プローブを試料表面に対し略垂直方向
に動かす上下動機構とを有し、光プローブにより取り出
された光を第１光学系を構成している検出器で検出し、
試料表面と光プローブとの間隔を計測する間隔計測手段
と、間隔計測手段の出力から間隔を一定に保つように上
下動機構を駆動する制御回路と、光プローブを試料表面
の所定の領域を走査させるように走査機構を駆動する走
査回路と、光プローブの走査に同期して光検出手段から
の計測結果を格納し計測結果に基づいて試料の情報を抽
出する処理回路を有する光走査型トンネル顕微鏡におい
て、第１光学系が、第１発明ないし第４発明のいずれか
に記載の干渉計である光走査型トンネル顕微鏡である。

【００４０】本発明が上記別の目的を達成するために提
案する第３２発明は、基板と、基板状に設けられた光導
波路と、光源とを有し、光源から放射される光が光導波
路に結合するように光源が基板に低融点金属を用いて取
り付けられ、光導波路上に光学系を有し、光導波路に結
合された光に対して種々の処理を行なう光集積回路にお
いて、基板上の光源を取り付ける位置に光源の外形寸法
よりも小さいくぼみを有し、取り付けに用いる低融点金
属が溶融したときの濡れ性が基板材料よりも劣る材料か
らなる基板側濡れ防止層をくぼみの縁の部分に有し、取
り付けに用いる低融点金属が溶融したときの濡れ性が光
源の材料よりも劣る材料からなる光源側濡れ防止層を光
源の基板側濡れ防止層と対面する部分に有し、取り付け
に用いる低融点金属の溶融時の体積がくぼみの容積以上
であり、取り付けに用いる低融点金属の凝固時の体積が
くぼみの容積よりも小さい光集積回路である。

【００４１】本発明が上記別の目的を達成するために提
案する第３３発明は、基板と、基板状に設けられた光導
波路と、光源とを有し、光源から放射される光が光導波
路に結合するように光源が基板に接着剤を用いて取り付
けられ、光導波路上に光学系を有し、光導波路に結合さ
れた光に対し種々の処理を行なう光集積回路において、
基板上の光源を取り付ける位置に光源の外形寸法よりも
小さいくぼみを有し、取り付けに用いる接着剤の濡れ性
が基板材料よりも劣る材料からなる基板側濡れ防止層を
くぼみの縁の部分に有し、取り付けに用いる接着剤の濡
れ性が光源の材料よりも劣る材料からなる光源側濡れ防
止層を光源の基板側濡れ防止層と対面する部分に有し、
取り付けに用いる接着剤の凝固前の体積がくぼみの容積
以上であり、凝固時の体積がくぼみの容積よりも小さい
光集積回路である。

【００４２】

【作用】本発明においては、試料に照射する測定光の他
に参照光を用意し、測定光と参照光の振動数をずらして
おく。試料に照射された光は、試料により、透過光，反
射光，散乱光，または試料近傍に存在するエバネッセン
ト波となる。光プローブを用いて、これらの光を、試料
近傍の試料表面の一部の領域から選択的に取り出す。こ
の光と参照光を干渉させ、測定光と参照光の振動数の差
の振動数でビートが発生する。このビートから光が取り
出された狭いの領域の光の位相を測定できる。試料表面
の所定の領域について光プローブを走査して各々の場所
の位相を測定すると、所定領域全体の位相の状態を測定
できる。

【００４３】本発明においては、特に、光源，光検出手
段，分割手段，干渉手段等の干渉計の光学部品を一枚の
チップの上に集積化してあるので、干渉計の光学部品相
互の位置ずれが本質的に無くなり、経時的劣化を防止で
きる。

【００４４】同様に、光源，光検出手段，分割手段，干
渉手段等の光走査型トンネル顕微鏡の光学部品を一枚の
チップの上に集積化してあるから、光走査型トンネル顕
微鏡の光学部品相互の位置ずれが本質的に無くなり、経
時的劣化を防止できる。

【００４５】また、光検出手段を含めた光源，分割手
段，干渉手段等の光学部品を一枚のチップの上に集積化
した光集積回路が得られ、例えば縦10mmオーダー×横20
mmオーダーの大きさになり、高周波発生回路，ロックイ
ンアンプ，電子冷却素子，放熱フィン，コリメートレン
ズ等が付属した状態で比較しても、個別の光学部品で組
上げた従来の例えば縦600mm×横600mm×長さ900mm程度
の大きさよりも、はるかに小型化できる。さらに、所定
の恒温に保つことも容易になり、安定した計測結果が得
られる。

【００４６】

【実施例】次に、図１ないし図２２を参照して、本発明
による光走査型トンネル顕微鏡と干渉計とそれらの実現
に好適な光集積回路との実施例を説明する。

【００４７】図１は、本発明による光走査型トンネル顕
微鏡の一実施例の光学系の系統構成を示す図である。図
２は、図１の本発明による光走査型トンネル顕微鏡の一
実施例の全体構成を模式的に示す図である。図２のコン
トローラ１１から光集積回路１に電流を供給すると、光
集積回路１は、レーザ光源１５を有し、光を放射する機
能がある。この放射光は、レンズ１３によりコリメート
され、プリズム１２に入射する。プリズム１２に入射し
た光は、反射面１４で全反射し、反射面１４上にエバネ
ッセント波を発生させる。観察対象の試料２は、反射面
１４上に載せて置かれており、反射面１４上に発生した
エバネッセント波は、試料２により乱される。コントロ
ーラ１１は、ピエゾアクチュエータ５により光プローブ
３を駆動し、光プローブ３で反射面１４上を走査させ
る。光プローブ３は、光ファイバ４の先端をエッチング
により尖鋭化し形成してあり、その先端の曲率半径は、
光集積回路１から放射される光の波長よりも小さく、光
集積回路１の放射光の波長よりも小さい領域から試料２
近傍のエバネッセント波を選択的に取り出せる。

【００４８】取り出された光は、光ファイバ４により光
集積回路１に導かれる。光集積回路１は、光プローブ３
により取り出されて光ファイバ４により光集積回路１に
導かれた光の強度と位相とを計測できる。コントローラ
１１は、上記走査に同期して光集積回路１の計測結果を
内部に備えたメモリに格納する。さらに計測結果を処理
し、試料２についての情報を抽出する。また、光集積回
路１は、光プローブ３と試料２との間隔を計測する機能
を持っている。コントローラ１１は、光プローブ３を走
査するときは、この間隔を一定に保つようにピエゾアク
チュエータ５を駆動して制御する。さらに、光集積回路
１には、熱電対を埋め込んだペルチエ素子９が取り付け
られている。コントローラ１１は、熱電対により光集積
回路１の温度を測定し、ペルチエ素子９を駆動して光集
積回路１の温度を一定に保つように制御する。ペルチエ
素子９には、この素子の動作を補助するために、放熱フ
ィン１０が取り付けられている。

【００４９】図１および図２に示した本発明による光走
査型トンネル顕微鏡の一実施例の重要な構成部材の内
で、光集積回路１の個々の部分の構造および動作につい
ては、図３ないし図１９を参照して説明し、光プローブ
３および関連する部分の構造および動作については、図
２０および図２１を参照して説明する。

【００５０】図３は、図１の実施例において半導体レー
ザ１５を取り付けた部分の構造を拡大して示す図であ
る。半導体レーザ１５は、光集積回路１を構成する半導
体基板５１の上に取り付けられている。半導体基板５１
としては、例えばＳｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ等の基板を使用
できる。半導体基板５１上には、バッファ層５２，導波
層５３，保護層５４が成膜されている。導波層５３の屈
折率は、バッファ層５２および保護層５４の屈折率より
も高くしておく。例えば導波層５３としてＺｎＯを用い
た場合、ＺｎＯの屈折率は、常光線に対して約1.999で
あり、異常光線に対して約2.015であるので、バッファ
層５２および保護層５４としては、例えば屈折率1.766
のＡｌ₂Ｏ₃や屈折率約1.45のＳｉＯ₂を用いればよい。

【００５１】半導体基板５１の半導体レーザ１５を取り
付ける部分は、バッファ層５２，導波層５３，保護層５
４をエッチング等で取り除いてある。また、半導体レー
ザ１５を取り付けたときに、導波層５３と半導体レーザ
１５の活性層５７の位置が一致するように、半導体レー
ザ１５の大きさ全体にわたって半導体基板５１を堀込ん
でおく。さらに、半導体レーザ１５の外形寸法より小さ
い領域に亘り、くぼみ６０を作っておく。段差の部分に
は、はんだが付きにくい材料、例えばＳｉＯ₂等からな
るはんだ濡れ防止層６１を付けておく。半導体レーザ１
５のＰ層５６上のくぼみ６０に対向する部分には、はん
だ５９を盛っておき、はんだ濡れ防止層６１に対向する
部分には、はんだの付きにくい材料からなるはんだ濡れ
防止層５５を付けておく。半導体基板５１の所定の場所
に半導体レーザ１５を置き、加熱してはんだ付けする。
この時、はんだ５９の量は、融解した状態ではくぼみ６
０を満たすが、凝固した状態ではくぼみ６０を満たさな
い程度の量とする。はんだ濡れ防止層５５，６１は、い
ずれもはんだの付きが悪いため、はんだがこれらの間に
は入らず、はんだ付け後の常温に戻ったとき、はんだ５
９が収縮しても、はんだ濡れ防止層５５，６１の部分で
位置決めがなされているので、半導体レーザ１５の位置
がずれない。したがって、高精度に位置決めできる。半
導体レーザ１５の活性層５７の位置と導波層５３の位置
とが一致しているので、光は、屈折率の高い導波層５３
の部分に閉じ込められて伝播する。

【００５２】半導体レーザ１５の前後にはブラッグ反射
器１６，１７が設けられている。ブラッグ反射器１６，
１７は、そのピッチが、半導体レーザ１５からの放射光
と、この放射光が導波層５３中を伝播する場合の透過屈
折率とに基づいて、この光がブラッグ反射を起こすよう
に決める。また、半導体レーザ１５は、ブラッグ反射器
１６，１７でブラッグ反射が起こるモード，波長で発振
する。半導体基板５１の温度を一定に保ち、ブラッグ反
射器１６，１７のピッチを安定に保つと、半導体レーザ
１５の発振波長を安定化できる。半導体レーザ２６の取
り付け方法とブラッグ反射器２７，１１８の機能も、図
３の半導体レーザ１５の取り付け方法とブラッグ反射器
１６，１７の機能とそれぞれ同様である。

【００５３】図４は、図１の実施例におけるビームスプ
リッタ１８の構造を拡大して示す図である。図１のビー
ムスプリッタ１８は、導波層５３を幅ｗおよび深さｈだ
け堀込んで作る。幅ｗおよび深さｈは、いずれも、導波
層５３に閉じ込められて伝播しビームスプリッタ１８に
入射する光に対して、反射光と透過光との強度がほぼ等
しくなるように選ぶ。ビームスプリッタ２８，３０，３
４，３７，３８，４３，４５の構造も同様である。

【００５４】図５は、図１の実施例における全反射ミラ
ー１９の構造を拡大して示す図である。全反射ミラー１
９は、バッファ層５２，導波層５３，保護層５４をエッ
チング等で堀込んで作る。全反射ミラー１９の反射面６
２は、導波層５３に閉じ込められて伝播し反射面６２に
入射する光に対して、全反射をするように反射角を選
ぶ。透過屈折率が√２よりも大きければ、入射角を４５
度にできる。全反射ミラー２９，３１，３５，３６，３
９の構造も同様である。

【００５５】図６ないし図１０は、図１の実施例におけ
るＳＡＷ(Surface Acoustic Wave)すなわち表面弾性波
発生素子２０の構造を拡大して示す図である。ＳＡＷ発
生素子２０の構造を図６から図９を用いて説明する。

【００５６】図６に示すように、まず、導波層５３上に
コンタクトパッド６５，６６，６７，６８を備えた電極
６３，６４を設ける。電極およびコンタクトパッドの材
料としては、Ｃｕ，Ａｌ等を用いる。

【００５７】図７に示すように、その上に保護層５４を
成膜する。次に、図６のコンタクトパッド６５，６６，
６７，６８との導通を確保するためのコンタクトホール
６９，７０，７１，７２をあける。

【００５８】図８に示すように、その上から導電層を成
膜し、エッチングで不要な部分を取り除き、電極７３，
７４，７５，７６を形成する。電極７３，７４，７５，
７６は、コンタクトホール６９，７０，７１，７２を介
して、それぞれコンタクトパッド６５，６６，６７，６
８に導通している。

【００５９】図９に示すように、図６の電極６３，６４
の間に、半導体基板５１まで届く穴７７をあける。

【００６０】導波層５３を構成するＺｎＯは、ピエゾ圧
電効果を示すので、図１０に示すように、電極７５，７
６を介して電極６４に角振動数ωの交流の電圧をかける
と、表面弾性波(ＳＡＷ)が発生する。穴７７は、電極６
３と６４の機械的結合を切るために設けてある。ＺｎＯ
は、音響光学効果も備えているので、ＳＡＷ発生素子２
０に入射する光は、ＳＡＷともなう屈折率変化により回
折される。この時に回折された光は、入射した光よりも
周波数がＳＡＷの振動数ωだけずれる。

【００６１】図１１は、図１の実施例における光検出器
２１の構造を拡大して示す図である。光検出器２１の半
導体基板５１には、Ｐ型またはＮ型にドープされている
半導体基板を使う。以下の実施例では、半導体基板５１
が、例えばＰ型にドープされている場合を説明する。光
検出器２１は、半導体基板５１にＰ，Ｓｂ等をドープし
て作ったＮ型半導体の層すなわちＮ層７９と、回折格子
８０と、電極層８１と、コンタクトホール８２とからな
る。電極層８１とＮ層７９とは、コンタクトホール８２
を介して導通している。電極層８１は、電気を通す物質
であれば何を用いてもよいが、電気抵抗や半導体プロセ
スとの相性等からＣｕやＡｌが望ましい。半導体基板５
１とＮ層７９には、逆バイアスをかけておく。

【００６２】導波層５３に閉じ込められて伝播し光検出
器２１に入射した光は、回折格子８０で回折される。回
折格子８０で半導体基板５１側に回折された光は、半導
体基板５１に吸収され、逆バイアスをかけたＰＮ接合部
を流れる電流となる。半導体基板５１と反対側に回折さ
れた光は、電極層８１で反射され、やはり半導体基板５
１に吸収され、逆バイアスをかけたＰＮ接合部を流れる
電流となる。これらの電流が光検出器２１の出力とな
る。導波層５３中を伝播し光検出器２１に入射した光の
内、半導体基板５１に吸収されず、コンタクトホール８
２の部分まで来てしまった光は、コンタクトホール８２
の壁面についた電極層８１で反射され、再び回折格子８
０で回折される。このように、一つの光検出器を折り返
して使うと、光検出器の効率を高められる。図１の光検
出器２２，２３，２４，２５，３２，３３，４０，４
１，４２，８３も同様の構造である。

【００６３】図１２ないし図１６は、図１の実施例にお
ける偏光調節器４４の構造を拡大して示す図である。

【００６４】図１２に示すように、偏光調節器４４は、
バッファ層５２の中に、電極８４が設けられ、半導体基
板５１および図１４に示す導波層９３とは電気的に絶縁
されている。

【００６５】図１３に示すように、導波層５３の電極８
４の上の部分は、エッチング等の方法で取り除かれてい
る。

【００６６】この取り除かれた部分には、図１４に示す
ように、Ｙ3Ｆｅ5Ｏ12すなわちＹＩＧのようなファラデ
ー効果を有する材料からなる導波路９３が設けられてい
る。

【００６７】さらに、図１５に示すように、その上に、
保護層５３が設けられ、図１２の電極８４のコンタクト
パッド８５から９２に届くまで、コンタクトホール９４
から１０１がそれぞれあけられている。

【００６８】図１６に示すように、コンタクトホール９
４から１０１の上に導電層を成膜し、余分な部分をエッ
チング等で取り除いて、電極１０２を設ける。電極１０
２のコンタクト部１０３から１１０は、それぞれコンタ
クトホール９４から１０１を介して、コンタクトパッド
８５から９２に導通している。

【００６９】このような構造の偏光調節器４４には、図
１６の矢印のように光が伝播する。そこで、コンタクト
部１１０と１１１との間に電流を流すと、光導波路９３
には偏光調整器４４を通る光の伝播する方向の磁場を印
加できる。光導波路９３はファラデー効果を有している
ので、コンタクト部１１０と１１１との間に電流を流す
と、偏光調節器４４を通る光の偏光方向を変更できる。
偏光調節器４６の構造も同様である。

【００７０】図１７は、図１の実施例における位相変調
器４７の構造を拡大して示す図である。位相変調器４７
は、バッファ層５２の中に埋め込まれた電極１１３と保
護層５４上に設けられた電極１１２とからなる。電極１
１２と１１３との間に電位差を与えると、電極１１２と
１１３との間に電界が発生する。導波層５３の材料であ
るＺｎＯは、電気光学効果を有するため、電界を作用さ
せると、屈折率が変化する。したがって、等価屈折率が
変化し、ここを通る光の位相を変えられる。電極１１
２，１１３が導波層５３に直接接していないのは、直接
接すると、導波光が電極１１２，１１３に吸収されてし
まうからである。

【００７１】図１８は、図１の実施例におけるモードイ
ンデックスレンズ４８の構造を拡大して示す図である。
モードインデックスレンズ４８は、レンズ上の領域だけ
導波層５３の厚さが厚くなっている構造をしている。こ
のため、レンズ上の領域の部分に光が入ってくると、厚
くなっている分だけこの部分の等価屈折率が大きくなっ
ているので、光が集光される。モードインデックスレン
ズ４９の構造も同様である。

【００７２】図１９は、ファイバ固定部５０の構造を拡
大して示す図である。ファイバ固定部５０は、光ファイ
バ４の端面１１７のコア１１４の部分がモードインデッ
クスレンズ４９の焦点位置にくるようにＶ溝１１５およ
び段差１１６を備えている。

【００７３】図１の半導体レーザ１５からの放射光は、
ビームスプリッタ１８で二つに分割される。ビームスプ
リッタ１８を透過した光は、ＳＡＷ発生素子２０の電極
６３で発生するＳＡＷで回折される。電極６３には、コ
ントローラ１１の指令によって、高周波発生回路６から
角振動数ω＋Δωの交流電圧が印加されており、周波数
ω＋ΔωのＳＡＷが発生する。このため、ＳＡＷにより
回折される１次回折光は、元の角振動数よりも角振動数
ω＋Δωだけ周波数が高くなる。ここでは、１次回折光
を用いることにする。通常、１次回折光の回折効率は、
１００％にはならない。この場合、０次回折光および高
次の回折光は、不要な光すなわち迷光となる。そこで、
光検出器２１，２２を用いて、迷光を半導体基板５１に
吸収させる。１次回折光のみを光検出器２１，２２の間
から取り出して使うことにする。

【００７４】光検出器２１と２２との間を通り抜けた光
は、ビームスプリッタ３０で分割される。ビームスプリ
ッタ３０で反射された光は、全反射ミラー３１で反射さ
れ、もう一度ビームスプリッタ３０に入射する。この光
の内、反射した光は、光検出器３２に入射し、透過した
光は、光検出器３３に入射する。半導体レーザ１５から
放射され、ビームスプリッタ１８で反射された光は、全
反射ミラー１９で反射され、ＳＡＷ発生素子２０の電極
６４で発生するＳＡＷで回折される。電極６４には、コ
ントローラ１１の指令によって、高周波発生回路６から
角振動数ωの交流電圧が印加されており、周波数ωのＳ
ＡＷが発生する。したがって、ＳＡＷにより回折される
１次回折光は、元の角振動数よりも角振動数ωだけ周波
数が高くなる。ここでは、１次回折光を用いることにす
る。ここでも、一般的には、１次回折光の回折効率は、
１００％にはならないので、不要な光すなわち迷光を光
検出器２３，２５の部分で半導体基板５１に吸収させ
る。

【００７５】光検出器２３と２５との間を通り抜けた光
は、ビームスプリッタ３７で分割される。ビームスプリ
ッタ３７で反射した光は、ビームスプリッタ３０に入射
し、ここで反射した光は、光検出器３３に入射し、透過
した光は、光検出器３２に入射する。光検出器３２，３
３には、同じ半導体レーザ１５から放射され、ＳＡＷで
角振動数がωだけ高くなった光と、ω＋Δωだけ高くな
った光の両方が入射する。半導体レーザは、通常ＴＥモ
ードで発振する。導波層５３を伝播する光もＴＥモード
で伝播する。ビームスプリッタでも、全反射ミラーで
も、ＳＡＷによる回折でも、偏光方向は、変化しないの
で、光検出器３２，３３に入射する光の偏光方向は、一
致している。このため、この両者は干渉し、その角振動
数の差Δωのビートを発生する。すなわち、逆バイアス
をかけた光検出器３２，３３には、角振動数Δωの正弦
波状の電流が流れる。これらの電流出力を適当な方法で
電圧に変換する。光検出器３２の電流出力と光検出器３
３の電流出力とは、逆相になっているので、両者の差信
号をとると、信号の強度を大きくできる。ここでは、こ
のビート信号を第１基準ビートという。

【００７６】光検出器２３と２５との間を通り抜け、ビ
ームスプリッタ３７を透過した光の一部は、ビームスプ
リッタ４３，偏光調節器４４，ビームスプリッタ４５，
偏光調節器４６，位相調節器４７を通り、モードインデ
ックスレンズ４９で光ファイバ４に結合される。光ファ
イバ４は、ファイバ固定部５０で光集積回路１に固定さ
れている。モードインデックスレンズ４９で光ファイバ
４に結合された光は、光ファイバ４内を光プローブ３の
方向へ伝播し、光プローブ３の部分で反射し、光ファイ
バ４内を反対向きに伝播して、ファイバ固定部５０で再
び導波層５３に結合される。この光は、モードインデッ
クスレンズ４９でコリメートされ、位相調節器４７，偏
光調節器４６，ビームスプリッタ４５，偏光調節器４４
を通り、光検出器４２に入射する。ここでは、この光を
第１測定光という。

【００７７】光検出器２１と２２との間を通り抜け、ビ
ームスプリッタ３０を透過した光は、全反射ミラー３５
で反射され、ビームスプリッタ４３を透過し、光検出器
４２に入射する。ここでは、この光を第１参照光とい
う。第１参照光は、ＴＥモードで光検出器４２に入射す
る。第１測定光の偏光方向は、光ファイバ４内を伝播し
ている間や偏光調節器４６を通る間に回転してしまう
が、偏光調節器４４に電流を供給し、ここを通るときに
適当に偏光方向を回転させると、概ねＴＥモードにでき
る。すると、光検出器４２に入射する第１測定光と第１
参照光とは、干渉し、やはり角振動数Δωのビートを発
生する。すると、光検出器４２の電流出力としてやはり
角振動数Δωの正弦波状の出力が得られる。この信号も
適当な方法で電圧に変換する。ここでは、この信号を第
１測定ビートという第１基準ビートと第１測定ビート
は、いずれも図２のロックインアンプ７に入力される。
ロックインアンプ７は、第１基準ビートを参照信号にし
て、第１測定ビートの振幅と位相とを検出し、図２のコ
ントローラ１１に出力する。第１測定ビートの振幅に基
づいて、第１測定光の強度を検出でき、第１測定ビート
の位相に基づいて、第１測定光の位相を検知できる。光
プローブ３を試料２の近傍で走査する場合、試料２と光
プローブ３との間隔が変化すると、光プローブ３での第
１測定光の反射率が変化する。その結果、光検出器４２
に入射する第１測定光の強度が変化する。結局、第１測
定ビートの振幅から、試料２と光プローブ３との間隔が
求められる。

【００７８】既に述べた通り、コントローラ１１は、第
１測定ビートの振幅から試料２と光プローブ３の間隔を
求め、これを一定に保つようにピエゾアクチュエータ５
を駆動する。また、光プローブ３を試料２の近傍で走査
する場合、光ファイバ４に生ずる歪が変化する。通常、
光ファイバの屈折率または光路長は、歪に対し敏感であ
る。そのため、光プローブ３を走査すると、光検出器４
２に入射する第１測定光の位相が変化する。この位相変
化は、第１測定ビートの位相変化となる。コントローラ
１１は、第１測定ビートの位相から第１測定光の位相変
化を求め、第１測定光の位相を一定に保つように、位相
調節器４７に電圧を印加する。このようすると、光ファ
イバ４の光路長と位相調節器４７の光路長とを加えた長
さを一定に保持できる。

【００７９】図１の半導体レーザ２６からの放射光は、
ビームスプリッタ２８で二つに分割される。ビームスプ
リッタ２８を透過した光は、ＳＡＷ発生素子２０の電極
６４で発生するＳＡＷで回折され、１次回折光は、元の
角振動数よりも角振動数ωだけ周波数が高くなる。ここ
でも、１次回折光を用いる。また、不要な光すなわち迷
光は、光検出器２４，２５を用いて、半導体基板５１に
吸収させる。１次回折光のみを光検出器２４，２５の間
から取り出して使うことにする。

【００８０】光検出器２４と２５の間を通り抜けた光
は、ビームスプリッタ３８で分割される。ビームスプリ
ッタ３８で反射された光は、全反射ミラー３９で反射さ
れ、もう一度ビームスプリッタ３８に入射する。この光
の内、反射した光は、光検出器４０に入射し、透過した
光は、光検出器４１に入射する。半導体レーザ２６から
放射されビームスプリッタ２８で反射された光は、全反
射ミラー２９で反射され、ＳＡＷ発生素子２０の電極６
３で発生するＳＡＷで回折され、１次回折光は、元の角
振動数よりも角振動数ω＋Δωだけ周波数が高くなる。
ここでは、１次回折光を用いることにする。ここでも、
不要な光すなわち迷光を光検出器２２，２３の部分で半
導体基板５１に吸収させる。光検出器２２と２３の間を
通り抜けた光は、ビームスプリッタ３４で分割される。

【００８１】ビームスプリッタ３４で反射した光は、ビ
ームスプリッタ３８に入射し、ここで反射した光は、光
検出器４１に入射し、透過した光は、光検出器４０に入
射する。光検出器４０，４１に入射する二つの光は、干
渉を起こし、その角振動数の差Δωのビートを発生す
る。すなわち、逆バイアスをかけた光検出器４０，４１
には、角振動数Δωの正弦波状の電流が流れる。これら
の電流出力を適当な方法で電圧に変換する。光検出器４
０の電流出力と光検出器４１の電流出力とは、逆相にな
っているので、両者の差信号をとると、信号の強度を大
きくできる。このビート信号を第２基準ビートという。

【００８２】光検出器２４と２５の間を通り抜け、ビー
ムスプリッタ３８を透過した光は、モードインデックス
レンズ４８により光集積回路１の端面に集光され、端面
から空間に放射される。この光は、前述の通り、コリメ
ートレンズ１３でコリメートされ、プリズム１４に入射
し、試料２の近傍にエバネッセント波を発生させる。こ
のエバネッセント波は、光プローブ３で取り出され、光
ファイバ４を伝播し、ファイバ固定部５０で導波層５３
に結合される。この光は、モードインデックスレンズ４
９でコリメートされ、位相調節器４７，偏光調節器４６
を通り、ビームスプリッタ４５で反射されて光検出器８
３に入射する。この光を第２測定光という。

【００８３】光検出器２２と２３との間を通り抜け、ビ
ームスプリッタ３４を透過した光は、全反射ミラー３６
で反射され、ビームスプリッタ４５を透過し、光検出器
８３に入射する。この光を第２参照光という。第２参照
光は、ＴＥモードで光検出器４２に入射する。第２測定
光の偏光方向は、光ファイバ４内を伝播している間に回
転してしまうが、偏光調節器４６に電流を供給し、ここ
を通るときに適当に偏光方向を回転させると、概ねＴＥ
モードにできる。すると、光検出器８３に入射する第２
測定光と第２参照光とは、干渉を起こし、やはり角振動
数Δωのビートを発生する。すると光検出器８３の電流
出力としてやはり角振動数Δωの正弦波状の出力が得ら
れる。この信号も適当な方法で電圧に変換する。この信
号を第２測定ビートという。

【００８４】第２基準ビートと第２測定ビートとは、い
ずれも図２のロックインアンプ８に入力される。ロック
インアンプ８は、第２基準ビートを参照信号にして、第
２測定ビートの振幅と位相を検出し、図２のコントロー
ラ１１に出力する。第２測定ビートの振幅より、第２測
定光の強度が、第２測定ビートの位相より第２測定光の
位相を検知できる。前述の通り、光ファイバ４の光路長
と位相調節器４７の光路長を加えたものを一定に保たれ
ているので、第２測定光の強度と位相より、光プローブ
３で取り出されたエバネッセント波の強度と位相が求め
られる。光プローブ３は、微小領域より選択的に光を取
り出す機能があるので、光プローブ３を試料２の近傍で
走査して、各々の場所で光プローブで取り出されたエバ
ネッセント波の強度と位相を分析すると、試料２近傍の
エバネッセント波の強度と位相が求められる。

【００８５】同様に、試料として光導波路を有する光素
子に対しコリメートレンズ１３から放射された光を試料
である光素子の光導波路に結合させ、光導波路近傍に発
生するエバネッセント波を光プローブ３で取り出すと、
光導波路を伝播している導波光の強度と位相を測定でき
る。

【００８６】本実施例では、コリメートレンズ１３，プ
リズム１４，光プローブ３，光ファイバ４を除く全ての
光学部品が半導体基板５１の上に集積化されており、光
学部品の位置調整をする必要がなく、集積化された光学
部品にはずれも発生しないために、安定した計測が可能
となる。

【００８７】図２０は、図１の実施例における光プロー
ブおよび関連する部分の構造を拡大して示す図である。
試料２は、反射面１４の上に載せられている。コリメー
トレンズ１３でコリメートされプリズム１２に入射した
光は、入射面で屈折し、反射面１４で全反射され、出射
面から放射される。この光は、反射面１４で全反射する
ときに、反射面１４の表面近傍と、試料２の表面近傍に
エバネッセント波１５５を発生させる。光プローブ３
は、光ファイバ４のコア１５３の先端の部分に形成さ
れ、その先端の曲律半径が半導体レーザ２６から放射さ
れる光の波長よりも小さい突起１５１が設けられてい
る。光ファイバ４の先端部分は、例えば金等の金属膜１
５２で被覆されており、突起１５１の部分のみに、その
直径が半導体レーザ２６から放射される光の波長よりも
小さい孔があけられている。突起１５１は、光ファイバ
４のコア１５３，クラッド１５４の主成分をＳｉＯ2と
し、コア１５３にＧｅをドープし、クラッド１５４にＦ
をドープし、ＨＦとＮＨ４Ｆの混合水溶液でエッチング
すると、製造できる。突起１５１は、半導体レーザ２６
から放射される光の波長よりも小さい領域から、エバネ
ッセント波１５５を選択的に取り出し、光ファイバ４の
中を伝播させて、光集積回路１に入射させる。既に述べ
た通り、光集積回路１は、光プローブ３の部分から取り
出した光の強度と位相を測定する機能を有しており、試
料２近傍のエバネッセント波１５５の強度と位相を検知
できる。

【００８８】図２１は、図１の実施例における光プロー
ブおよび関連する部分の構造を拡大して示す図である。
すなわち、試料として光導波路１５８を有する光素子１
５６を測定する場合の光プローブ３近傍の拡大図であ
る。光素子１５６は、基板１５７の上に光導波路１５８
を設けて形成してある。光プローブ３自体の構造は、図
２１の例と同じである。コリメートレンズ１３を通った
光は、カプッリングレンズ１６０で集光され、光導波路
１５８に結合され、導波光１５９になる。導波光１５９
は、光導波路１５８の表面にエバネッセント波１５５を
発生させる。光プローブ３は、半導体レーザ２６から放
射される光の波長よりも小さい領域から、エバネッセン
ト波１５５を選択的に取り出し、光ファイバ４の中を伝
播させて、光集積回路１に入射させる。光集積回路１
は、光プローブ３で取り出された光の位相と強度を測定
する機能を持っており、エバネッセント波１５５の位相
と強度を検知できる。エバネッセント波１５５の強度
は、導波光１５９の強度に比例し、エバネッセント波１
５５の位相は、導波光１５９の位相に一致する。したが
って、光プローブ３で取り出された光の強度と位相を測
定すると、導波光１５９の強度と位相を間接的に測定で
きる。

【００８９】図２２は、本発明による干渉計の一実施例
の光学系の系統構成を示す図である。光集積回路１４３
は、光集積回路１と同様に半導体基板と、この上に設け
たバッファ層，導波層，保護層から構成される。バッフ
ァ層，導波層，保護層の屈折率を適切に選択すること、
導波層にピエゾ圧電効果を持たせること、導波層に音響
光学効果を持たせることについては、図１の実施例と同
様である。

【００９０】また、半導体レーザ１２１の取り付け部の
構造、ブラッグ反射器１２２，１２３，ビームスプリッ
タ１２４，１３０，１３５，１３６，全反射ミラー１２
５，１３１，１３７，ＳＡＷ発生素子１２６，光検出器
１２７，１２８，１２９，１３２，１３３，１３４，モ
ードインデックスレンズ１３８の構造および機能も、図
１の実施例と同様である。

【００９１】このような構造の干渉計において、半導体
レーザ１２１から放射された光は、ビームスプリッタ１
２４で分割される。ビームスプリッタ１２４を透過した
光は、ＳＡＷ発生素子１２６で発生した角振動数ω＋Δ
ωのＳＡＷにより回折される。ここでは、１次回折光の
みを使うことにし、０次回折光および高次の回折光は、
不要であるので、光検出器１２７，１２９で半導体基板
に吸収させる。光検出器１２７と１２９との間を通り抜
けた光は、ビームスプリッタ１３０で分割される。光検
出器１２７と１２９との間を通り抜け、ビームスプリッ
タ１３０で反射した光は、全反射ミラー１３１で反射さ
れ、再びビームスプリッタ１３０に入射し、一部は、反
射し、一部は、透過する。再びビームスプリッタ１３０
に入射して反射した光は、光検出器１３２に入射し、透
過した光は、光検出器１３３に入射する。ビームスプリ
ッタ１２４で反射された光は、全反射ミラー１２５で反
射され、ＳＡＷ発生素子１２６で発生した角振動数ωの
ＳＡＷで回折される。ここでも１次回折光のみを使うこ
とにし、０次回折光および高次の回折光は、不要である
ので、光検出器１２８，１２９で半導体基板に吸収させ
る。

【００９２】光検出器１２８，１２９の間を通り抜けた
光は、ビームスプリッタ１３６に入射する。この光の一
部は、ビームスプリッタ１３６で反射され、ビームスプ
リッタ１３０に入射し、透過した光は、光検出器１３２
に入射し、反射した光は、光検出器１３３に入射する。
光検出器１３２，１３３に入射する二つの光は、干渉
し、角振動数Δωのビートが発生する。すなわち、光検
出器１３２，１３３からは、角振動数Δωの正弦波状の
電流出力が得られる。光検出器１３２，１３３の出力
は、逆相になっている。光検出器１３２，１３３の電流
出力は、差動アンプ１４２で電流−電圧変換される。両
者の差信号は、位相測定器１４１に出力される。この信
号を参照ビートという。

【００９３】光検出器１２８，１２９の間を通り抜け、
ビームスプリッタ１３６を透過した光の一部は、ビーム
スプリッタ１３５を透過し、モードインデックスレンズ
１３８で光集積回路１４３の端面に集光され、光集積回
路１４３の外部に放射される。この光は、レンズ１３９
によりコリメートされる。コリメートされた光は、ミラ
ー１４０で反射され、レンズ１３９で集光されて導波層
に結合される。この光は、モードインデックスレンズ１
３８でコリメートされ、ビームスプリッタ１３５で反射
されて光検出器１３４に入射する。この光を測定光とい
う。

【００９４】光検出器１２７，１２９の間を通り抜け、
ビームスプリッタ１３０を透過した光は、全反射ミラー
１３７で反射され、ビームスプリッタ１３５を透過し、
光検出器１３４に入射する。この光を参照光という。測
定光と参照光は、干渉を起こし、角振動数Δωのビート
を発生する。すなわち、光検出器１３４からは、角振動
数Δωの正弦波状の電流出力が得られる。この信号を測
定ビートという。測定ビートは、位相測定器１４１に出
力される。

【００９５】位相測定器１４１は、参照ビートを基準と
して、測定ビートとの位相差を検出する機能を持ってい
る。反射ミラー１４０の位置が変化した場合、光検出器
１３４に入射する測定光の位相が変化し、その結果、測
定ビートの位相が変化する。光検出器１３２，１３３へ
の入射光については、途中で通る光学部品が全て一枚の
チップ状に集積化されているので、その光路長が一定に
保たれており、位相も一定に保たれている。したがっ
て、参照ビートを、安定した基準として使用できる。ま
た、測定光の位相も安定している。その結果、参照ビー
トを基準として測定ビートとの位相差を測定すると、反
射ミラー１４０の変位を測定できる。

【００９６】なお、図１の実施例と図２２の実施例にお
いて、光集積回路１または１４３の半導体基板の大きさ
は、短軸が例えば10mmのオーダーであり、長軸が例えば
20mmのオーダーであるので、図２の高周波発生回路６，
ロックインアンプ７，８，ペルチェ素子９，放熱フィン
１０，コリメートレンズ３等が付属した状態で比較して
も、個別の光学部品で組上げた従来の例えば縦600mm×
横600mm×長さ900mm程度の大きさよりも、はるかに小型
化できる。

【００９７】

【本発明の効果】本発明によれば、光源の波長よりも非
常に小さい領域の光の強度，位相の情報が安定して得ら
れる。また、これまで実験的測定方法が無かった光導波
路に閉じ込められた光の波面を測定できる。

【００９８】基板に半導体を用いているので、光検出器
を他の光学部品および電子部品とともに、基板上に作る
つけることが可能となり、光検出器の経時的位置ずれが
本質的に生じないので、安定した干渉計または光走査型
トンネル顕微鏡またはそれらの実現に好適な光集積回路
が得られる。

【００９９】光検出器を含めて光集積回路を１枚の基板
に集積化したことから、従来の個別部品で組上げていた
干渉計または光走査型トンネル顕微鏡と比較して、大幅
な小型化が可能となり、所定の恒温に保つことも容易に
なり、安定した計測結果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光走査型トンネル顕微鏡の一実施
例の光学系の系統構成を示す図である。

【図２】図１の本発明による光走査型トンネル顕微鏡の
一実施例の全体構成を模式的に示す図である。

【図３】図１の実施例において半導体レーザを取り付け
た部分の構造を拡大して示す図である。

【図４】図１の実施例におけるビームスプリッタの構造
を拡大して示す図である。

【図５】図１の実施例における全反射ミラーの構造を拡
大して示す図である。

【図６】図１の実施例における表面弾性波すなわちＳＡ
Ｗ発生素子の構造を拡大して示す図である。

【図７】図１の実施例における表面弾性波すなわちＳＡ
Ｗ発生素子の構造を拡大して示す図である。

【図８】図１の実施例における表面弾性波すなわちＳＡ
Ｗ発生素子の構造を拡大して示す図である。

【図９】図１の実施例における表面弾性波すなわちＳＡ
Ｗ発生素子の構造を拡大して示す図である。

【図１０】図１の実施例における表面弾性波すなわちＳ
ＡＷ発生素子の構造を拡大して示す図である。

【図１１】図１の実施例における光検出器の構造を拡大
して示す図である。

【図１２】図１の実施例における偏光調節器の構造を拡
大して示す図である。

【図１３】図１の実施例における偏光調節器の構造を拡
大して示す図である。

【図１４】図１の実施例における偏光調節器の構造を拡
大して示す図である。

【図１５】図１の実施例における偏光調節器の構造を拡
大して示す図である。

【図１６】図１の実施例における偏光調節器の構造を拡
大して示す図である。

【図１７】図１の実施例における位相変調器の構造を拡
大して示す図である。

【図１８】図１の実施例におけるモードインデックスレ
ンズの構造を拡大して示す図である。

【図１９】図１の実施例におけるファイバ固定部の構造
を拡大して示す図である。

【図２０】図１の実施例における光プローブおよび関連
する部分の構造を拡大して示す図である。

【図２１】図１の実施例における光プローブおよび関連
する部分の構造を拡大して示す図である。

【図２２】本発明による干渉計の一実施例の光学系の系
統構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 光集積回路 ２ 試料 ３ 光プローブ ４ 光ファイバ ５ ピエゾアクチュエータ ６ 高周波発生回路 ７ ロックインアンプ ８ ロックインアンプ ９ ペルチエ素子 １０ 放熱フィン １１ コントローラ １２ プリズム １３ レンズ １４ 反射面 １５ 半導体レーザ １６，１７ ブラッグ反射器 １８ ビームスプリッタ １９ 全反射ミラー ２０ ＳＡＷ発生素子 ２１，２２，２３，２４，２５ 光検出器 ２６ 半導体レーザ ２７ ブラッグ反射器 ２８ ビームスプリッタ ２９ 全反射ミラー ３０ ビームスプリッタ ３１ 全反射ミラー ３２，３３ 光検出器 ３４ ビームスプリッタ ３５，３６ 全反射ミラー ３７，３８ ビームスプリッタ ３９ 全反射ミラー ４０，４１，４２ 光検出器 ４３ ビームスプリッタ ４４ 偏光調節器 ４５ ビームスプリッタ ４６ 偏光調節器 ４７ 位相変調器 ４８，４９ モードインデックスレンズ ５０ ファイバ固定部 ５１ 半導体基板 ５２ バッファ層 ５３ 導波層 ５４ 保護層 ５５ はんだ濡れ防止層 ５６ Ｐ層 ５７ 活性層 ５９ はんだ ６０ くぼみ ６１ はんだ濡れ防止層 ６２ 反射面 ６３，６４ 電極 ６５，６６，６７，６８ コンタクトパッド ６９，７０，７１，７２ コンタクトホール ７３，７４，７５，７６ 電極 ７７ 穴 ７９ Ｎ層 ８０ 回折格子 ８１ 電極層 ８２ コンタクトホール ８３ 光検出器 ８４ 電極 ８５，８６，８７，８８，８９，９０，９１，９２ コ
ンタクトパッド ９３ 導波層 ９４，９５，９６，９７，９８，９９，１００，１０１
コンタクトホール １０２ 電極 １０３，１０４，１０５，１０６ コンタクト部 １０７，１０８，１０９，１１０，１１１ コンタクト
部 １１２，１１３ 電極 １１４ 光ファイバのコア １１５ Ｖ溝 １１６ 段差 １１７ 光ファイバの端面 １１８ ブラッグ反射器 １２１ 半導体レーザ １２２，１２３ ブラッグ反射器 １２４ ビームスプリッタ １２５ 全反射ミラー １２６ ＳＡＷ発生素子 １２７，１２８，１２９ 光検出器 １３０ ビームスプリッタ １３１ 全反射ミラー １３２，１３３，１３４ 光検出器 １３５，１３６ ビームスプリッタ １３７ 全反射ミラー １３８ モードインデックスレンズ １３９ レンズ １４０ ミラー １４１ 位相測定器 １４２ 差動アンプ １４３ 光集積回路 １５１ 突起 １５２ 金属膜 １５３ コア １５４ クラッド １５５ エバネッセント波 １５６ 光素子 １５７ 基板 １５８ 光導波路 １５９ 導波光 １６０ カップリングレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 勝彦 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 三枝 省三 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 田中 勝之 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、前記光源からの放射光を複数の
   光に分割する分割手段と、分割された光の少なくとも一
   つの振動数を変化させる周波数シフト手段と、分割され
   た複数の光を干渉させる干渉手段と、干渉により発生し
   たビートを検出する検出手段と、発生させたビートから
   分割された光に関する情報を抽出する抽出手段とを有す
   る干渉計において、 前記光源と前記分割手段と前記周波数シフト手段と前記
   干渉手段と前記検出手段とが、一枚のチップの上に集積
   化されていることを特徴とする干渉計。
2. 【請求項２】 光源と、前記光源からの放射光を複数の
   光に分割する分割手段と、分割された光の少なくとも一
   つの振動数を変化させる周波数シフト手段と、分割され
   た複数の光を干渉させる干渉手段と、干渉により発生し
   たビートを検出する検出手段と、発生させたビートから
   分割された光に関する情報を抽出する抽出手段とを有す
   る干渉計において、 前記検出手段が、半導体基板上に形成された少なくとも
   一つのＰＮ接合からなり、 電気光学効果，ピエゾ圧電効果，または音響光学効果を
   有する物質からなる光導波路が、前記半導体基板上に設
   けられ、 前記光源が、放射光が前記光導波路に結合するように前
   記半導体基板に取り付けられた半導体レーザからなり、 前記分割手段と前記干渉手段と周波数シフト手段とが、
   前記光導波路上に設けられていることを特徴とする干渉
   計。
3. 【請求項３】 光源と、前記光源からの放射光を複数の
   光に分割する分割手段と、分割された各々の光の振動数
   を互いに異なる振動数に変化させる複数の周波数シフト
   手段と、分割された複数の光を干渉させる干渉手段と、
   干渉により発生したビートを検出する検出手段と、発生
   させたビートから分割された光に関する情報を抽出する
   抽出手段とを有する干渉計において、 前記光源と前記分割手段と前記周波数シフト手段と前記
   干渉手段と前記検出手段とが、一枚のチップの上に集積
   化されていることを特徴とする干渉計。
4. 【請求項４】 光源と、前記光源からの放射光を複数の
   光に分割する分割手段と、分割された各々の光の振動数
   を互いに異なる振動数に変化させる複数の周波数シフト
   手段と、分割された複数の光を干渉させる干渉手段と、
   干渉により発生したビートを検出する検出手段と、発生
   させたビートから分割された光に関する情報を抽出する
   抽出手段とを有する干渉計において、 前記検出手段が、半導体基板上に形成された少なくとも
   一つのＰＮ接合からなり、 電気光学効果，ピエゾ圧電効果，または音響光学効果を
   有する物質からなる光導波路が、前記半導体基板上に設
   けられ、 前記光源が、放射光が前記光導波路に結合するように前
   記半導体基板に取り付けられた半導体レーザからなり、 前記分割手段と前記干渉手段と周波数シフト手段とが、
   前記光導波路上に設けられていることを特徴とする干渉
   計。
5. 【請求項５】 光源と、前記光源からの放射光を複数の
   光に分割する分割手段と、複数の光を干渉させる干渉手
   段と、干渉させた光を検出する検出手段とを有する干渉
   計において、 光源からの放射光の波長よりも小さい領域から前記分割
   手段により分割された光の少なくとも一つを選択的に取
   り出す光プローブを少なくとも１個有し、 前記干渉手段が、前記光プローブで取り出した光と前記
   分割手段で分割された光とを干渉させる手段であり、 前記光源と前記分割手段と前記干渉手段と前記検出手段
   とが、一枚のチップの上に集積化されていることを特徴
   とする干渉計。
6. 【請求項６】 光源と、前記光源からの放射光を複数の
   光に分割する分割手段と、複数の光を干渉させる干渉手
   段と、干渉させた光を検出する検出手段とを有する干渉
   計において、 光源からの放射光の波長よりも小さい領域から前記分割
   手段により分割された光の少なくとも一つを選択的に取
   り出す光プローブを少なくとも１個有し、 前記干渉手段が、前記光プローブで取り出した光と前記
   分割手段で分割された光とを干渉させる手段であり、 前記検出手段が、半導体基板上に形成された少なくとも
   一つのＰＮ接合からなり、 前記半導体基板上に光導波路が設けられ、 前記光源が、放射光が前記光導波路に結合するように前
   記半導体基板に取り付けられた半導体レーザからなり、 前記分割手段と前記干渉手段とが、前記光導波路上に設
   けられていることを特徴とする干渉計。
7. 【請求項７】 光源と、複数の光を干渉させる干渉手段
   と、干渉させた光を検出する検出手段とを有する干渉計
   において、 空間の一部の領域から前記光源からの放射光を選択的に
   取り出す光プローブを複数個有し、 前記干渉手段が、前記光プローブで取り出された光を干
   渉させる手段であり、 前記光プローブの内の少なくとも１個が光を選択的に取
   り出す領域の大きさが、光源からの放射光の波長よりも
   小さく、 前記光源と前記干渉手段と前記検出手段とが、一枚のチ
   ップの上に集積化されていることを特徴とする干渉計。
8. 【請求項８】 光源と、複数の光を干渉させる干渉手段
   と、干渉させた光を検出する検出手段とを有する干渉計
   において、 空間の一部の領域から前記光源からの放射光を選択的に
   取り出す光プローブを複数個有し、 前記干渉手段が、前記光プローブで取り出された光を干
   渉させる手段であり、 前記光プローブの内少なくとも１個が光を選択的に取り
   出す領域の大きさが、光源からの放射光の波長よりも小
   さく、 前記検出手段が、半導体基板上に形成された少なくとも
   一つのＰＮ接合からなり、 光導波路が、前記半導体基板上に設けられ、 前記光源が、放射光が前記光導波路に結合するように前
   記半導体基板上に取り付けられた半導体レーザからな
   り、 前記干渉手段が、前記光導波路上に設けられていること
   を特徴とする干渉計。
9. 【請求項９】 光源と、前記光源からの放射光を複数の
   光に分割する分割手段と、分割された光の少なくとも一
   つの振動数を変化させる周波数シフト手段と、分割され
   た複数の光を干渉させる干渉手段と、干渉により発生し
   たビートを検出する検出手段と、発生させたビートから
   分割された光に関する情報を抽出する抽出手段とを有す
   る干渉計において、 光源から放射される光の波長よりも小さい領域から前記
   分割手段により分割された光の少なくとも一つを選択的
   に取り出す光プローブを少なくとも１個有し、 前記干渉手段が、前記光プローブで取り出された光と前
   記分割手段で分割された光とを干渉させる手段であり、 前記周波数シフト手段が、干渉手段で干渉させる光の少
   なくとも一つの振動数を変化させる手段であり、 前記光源と前記分割手段と前記周波数シフト手段と前記
   干渉手段と前記検出手段とが、一枚のチップの上に集積
   化されていることを特徴とする干渉計。
10. 【請求項１０】 光源と、前記光源からの放射光を複数
    の光に分割する分割手段と、分割された光の少なくとも
    一つの振動数を変化させる周波数シフト手段と、分割さ
    れた複数の光を干渉させる干渉手段と、干渉により発生
    したビートを検出する検出手段と、発生させたビートか
    ら分割された光に関する情報を抽出する抽出手段とを有
    する干渉計において、 光源からの放射光の波長よりも小さい領域から前記分割
    手段により分割された光の少なくとも一つを選択的に取
    り出す光プローブを少なくとも１個有し、 前記干渉手段が、前記光プローブで取り出された光と前
    記分割手段で分割された光を干渉させる手段であり、 前記周波数シフト手段が、干渉手段で干渉させる光の少
    なくとも一つの振動数を変化させる手段であり、 前記検出手段が、半導体基板上に作られた少なくとも一
    つのＰＮ接合からなり、 電気光学効果，ピエゾ圧電効果，または音響光学効果を
    有する物質からなる光導波路が、前記半導体基板上に設
    けられ、 前記光源が、放射光が前記光導波路に結合するように前
    記半導体基板に取り付けられた半導体レーザからなり、 前記分割手段と前記干渉手段と前記周波数シフト手段と
    が、前記光導波路上に設けられていることを特徴とする
    干渉計。
11. 【請求項１１】 光源と、前記光源からの放射光を複数
    の光に分割する分割手段と、分割された各々の光の振動
    数を互いに異なる振動数に変化させる複数の周波数シフ
    ト手段と、分割された複数の光を干渉させる干渉手段
    と、干渉により発生したビートを検出する検出手段と、
    発生させたビートから分割された光に関する情報を抽出
    する抽出手段とを有する干渉計において、 光源から放射される光の波長よりも小さい領域から前記
    分割手段により分割された光の少なくとも一つを選択的
    に取り出す光プローブを少なくとも１個有し、前記干渉
    手段が、前記光プローブで取り出された光と前記分割手
    段で分割された光とを干渉させる手段であり、 前記光源と前記分割手段と前記周波数シフト手段と前記
    干渉手段と前記検出手段とが、一枚のチップの上に集積
    化されていることを特徴とする干渉計。
12. 【請求項１２】 光源と、前記光源からの放射光を複数
    の光に分割する分割手段と、分割された各々の光の振動
    数を互いに異なる振動数に変化させる複数の周波数シフ
    ト手段と、分割された複数の光を干渉させる干渉手段
    と、干渉により発生したビートを検出する検出手段と、
    発生させたビートから、分割された光に関する情報を抽
    出する抽出手段とを有する干渉計において、 光源から放射される光の波長よりも小さい領域から前記
    分割手段により分割された光の少なくとも一つを選択的
    に取り出す光プローブを少なくとも１個有し、前記干渉
    手段が、前記光プローブで取り出された光と前記分割手
    段で分割された光とを干渉させる手段であり、 前記検出手段が、半導体基板上に作られた少なくとも一
    つのＰＮ接合からなり、 電気光学効果，ピエゾ圧電効
    果，または音響光学効果を有する物質からなる光導波路
    が、前記半導体基板上に設けられ、 前記光源が、放射光が前記光導波路に結合するように前
    記半導体基板に取り付けられた半導体レーザからなり、 前記分割手段と前記干渉手段と前記周波数シフト手段と
    が、前記光導波路上に設けられていることを特徴とする
    干渉計。
13. 【請求項１３】 請求項５ないし１２のいずれか一項に
    記載の干渉計において、 前記光プローブを移動させる移動手段を備えたことを特
    徴とする干渉計。
14. 【請求項１４】 光源と、前記光源から放射される光を
    試料に照射する光学系と、前記放射光により生ずる前記
    試料からの透過光，反射光，散乱光，または試料近傍に
    発生するエバネッセント波を試料表面近傍の一部の領域
    から選択的に取り出す光プローブと、前記光プローブを
    前記試料表面に沿って走査する走査機構と、前記光プロ
    ーブを前記試料表面に対して略垂直方向に動かす上下動
    機構と、前記光プローブにより取り出された光を検出す
    る光検出手段と、前記光検出手段の出力に基づいて前記
    光プローブと前記試料表面との間隔を求め当該間隔を一
    定に保つように前記上下動機構を駆動する制御回路と、
    前記光プローブを前記試料表面の所定領域を走査させる
    ように前記走査機構を駆動する走査回路と、前記光プロ
    ーブの走査に同期して前記光検出手段からの計測結果を
    格納し計測結果に基づいて前記試料の情報を抽出する処
    理回路とを有する光走査型トンネル顕微鏡において、 前記光源と前記光検出手段とが、一枚のチップの上に集
    積化されていることを特徴とする光走査型トンネル顕微
    鏡。
15. 【請求項１５】 光源と、前記光源から放射される光を
    試料に照射する光学系と、前記放射光により生ずる前記
    試料からの透過光，反射光，散乱光，または試料近傍に
    発生するエバネッセント波を試料表面近傍の一部の領域
    から選択的に取り出す光プローブと、前記光プローブを
    前記試料表面に沿って走査する走査機構と、前記光プロ
    ーブを前記試料表面に対して略垂直方向に動かす上下動
    機構と、前記光プローブにより取り出された光を検出す
    る光検出手段と、前記光検出手段の出力に基づいて前記
    光プローブと前記試料表面との間隔を求め当該間隔を一
    定に保つように前記上下動機構を駆動する制御回路と、
    前記光プローブを前記試料表面の所定領域を走査させる
    ように前記走査機構を駆動する走査回路と、前記光プロ
    ーブの走査に同期して前記光検出手段からの計測結果を
    格納し計測結果に基づいて前記試料の情報を抽出する処
    理回路とを有する光走査型トンネル顕微鏡において、 前記光検出手段が、半導体基板上に形成された少なくと
    も一つのＰＮ接合からなり、 光導波路が、前記半導体基板上に設けられ、 前記光源が、放射光が前記光導波路に結合するように前
    記半導体基板上に取り付けられた半導体レーザからなる
    ことを特徴とする光走査型トンネル顕微鏡。
16. 【請求項１６】 光源と、前記光源から放射される光を
    試料に照射する光学系と、放射光により生ずる前記試料
    からの透過光，反射光，散乱光，または試料近傍に発生
    するエバネッセント波を試料表面近傍の一部の領域から
    選択的に取り出す光プローブと、前記光プローブを試料
    表面に沿って走査する走査機構と、前記光プローブを試
    料表面に対し略垂直方向に動かす上下動機構と、前記光
    プローブにより取り出された光を検出する光検出手段
    と、試料表面と光プローブの間隔を計測する間隔計測手
    段と、前記間隔計測手段の出力に基づいて前記間隔を一
    定に保つように前記上下動機構を駆動する制御回路と、
    前記光プローブを試料表面の所定の領域を走査させるよ
    うに前記走査機構を駆動する走査回路と、前記光プロー
    ブの走査に同期して前記光検出手段からの計測結果を格
    納し計測結果に基づいて試料の情報を抽出する処理回路
    を有する光走査型トンネル顕微鏡において、 前記光源からの放射光を試料に照射する前に測定光と参
    照光とに分割する分割手段を有し、 測定光の少なくとも一部を試料に照射し、光プローブに
    より取り出された光と前記参照光の少なくとも一部を干
    渉させる干渉手段を有し、 前記光検出手段が、前記干渉手段で干渉させた光を検出
    し、光プローブで取り出された光の位相情報も取り出す
    手段であり、 前記光源と前記分割手段と前記干渉手段と前記光検出手
    段と前記間隔計測手段とが、一枚のチップの上に集積化
    されていることを特徴とする光走査型トンネル顕微鏡。
17. 【請求項１７】 光源と、前記光源から放射される光を
    試料に照射する光学系と、放射光により生ずる前記試料
    からの透過光，反射光，散乱光，または試料近傍に発生
    するエバネッセント波を試料表面近傍の一部の領域から
    選択的に取り出す光プローブと、前記光プローブを試料
    表面に沿って走査する走査機構と、前記光プローブを試
    料表面に対し略垂直方向に動かす上下動機構と、前記光
    プローブにより取り出された光を検出する光検出手段
    と、試料表面と光プローブとの間隔を計測する間隔計測
    手段と、前記間隔計測手段の出力から前記間隔を一定に
    保つように前記上下動機構を駆動する制御回路と、前記
    光プローブを試料表面の所定の領域を走査させるように
    前記走査機構を駆動する走査回路と、前記光プローブの
    走査に同期して前記光検出手段からの計測結果を格納
    し、計測結果に基づいて試料の情報を抽出する処理回路
    を有する光走査型トンネル顕微鏡において、 前記光プローブを複数個有し、 前記光検出手段が、各々の光プローブで取り出された光
    の少なくとも一部を干渉させて検出し、試料からの透過
    光，反射光，散乱光，または試料近傍に発生するエバネ
    ッセント波の位相情報も取り出す光検出手段であり、 前記光源と前記光検出手段と前記間隔計測手段とが、一
    枚のチップの上に集積化されていることを特徴とする光
    走査型トンネル顕微鏡。
18. 【請求項１８】 光源と、前記光源から放射される光を
    試料に照射する光学系と、この光により生ずる前記試料
    からの透過光，反射光，散乱光，または試料近傍に発生
    するエバネッセント波を試料表面近傍の一部の領域から
    選択的に取り出す光プローブと、前記光プローブを試料
    表面に沿って走査する走査機構と、前記光プローブを試
    料表面に対し略垂直方向に動かす上下動機構と、前記光
    プローブにより取り出された光を検出する光検出手段
    と、試料表面と光プローブの間隔を計測する間隔計測手
    段と、前記間隔計測手段の出力からこの間隔を一定に保
    つように前記上下動機構を駆動する制御回路と、前記光
    プローブを試料表面の所定の領域を走査させるように前
    記走査機構を駆動する走査回路と、前記光プローブの走
    査に同期して、前記光検出手段からの計測結果を格納
    し、計測結果に基づいて試料の情報を抽出する処理回路
    を有する光走査型トンネル顕微鏡において、 前記光源からの放射光を試料に照射する前に測定光と参
    照光に分割する分割手段を有し、 分割された測定光と参照光のどちらか片方に対しその周
    波数を変化させる周波数シフト手段を有し、 測定光の少なくとも一部を試料に照射し、光プローブに
    より取り出された光と前記参照光の少なくとも一部を干
    渉させる干渉手段を有し、 前記光検出手段が、干渉により前記干渉手段で発生した
    ビートを検出し、前記ビートから光プローブで取り出さ
    れた光の強度と位相の情報を取り出す光検出手段であ
    り、 前記光源と前記分割手段と前記周波数シフト手段と前記
    干渉手段と前記光検出手段と前記間隔計測手段とが、一
    枚のチップの上に集積化されていることを特徴とする光
    走査型トンネル顕微鏡。
19. 【請求項１９】 光源と、前記光源から放射される光を
    試料に照射する光学系と、この光により生ずる前記試料
    からの透過光，反射光，散乱光，または試料近傍に発生
    するエバネッセント波を試料表面近傍の一部の領域から
    選択的に取り出す光プローブと、前記光プローブを試料
    表面に沿って走査する走査機構と、前記光プローブを試
    料表面に対し略垂直方向に動かす上下動機構と、前記光
    プローブにより取り出された光を検出する光検出手段
    と、試料表面と光プローブの間隔を計測する間隔計測手
    段と、前記間隔計測手段の出力からこの間隔を一定に保
    つように前記上下動機構を駆動する制御回路と、前記光
    プローブを試料表面の所定の領域を走査させるように前
    記走査機構を駆動する走査回路と、前記光プローブの走
    査に同期して、前記光検出手段からの計測結果を格納
    し、計測結果に基づいて試料の情報を抽出する処理回路
    を有する光走査型トンネル顕微鏡において、 前記光源からの放射光を、試料に照射する前に測定光と
    参照光に分割する分割手段を有し、 分割された測定光と参照光の両方に対しその周波数を互
    いに異なる周波数に変化させる複数の周波数シフト手段
    を有し、 測定光の少なくとも一部を試料に照射し、光プローブに
    より取り出された光と前記参照光の少なくとも一部を干
    渉させる干渉手段を有し、 前記光検出手段が、干渉により前記干渉手段で発生した
    ビートを検出し、前記ビートから光プローブで取り出さ
    れた光の強度と位相の情報を取り出す光検出手段であ
    り、 前記光源と前記分割手段と前記周波数シフト手段と前記
    干渉手段と前記光検出手段と前記間隔計測手段とが、一
    枚のチップの上に集積化されていることを特徴とする光
    走査型トンネル顕微鏡。
20. 【請求項２０】 請求項１８または１９のいずれか一項
    に記載の光走査型トンネル顕微鏡において、 前記周波数シフト手段が、電気光学効果，ピエゾ圧電効
    果，または音響光学効果を有する物質からなる光導波路
    と、前記光導波路に表面弾性波を発生させる表面弾性波
    発生手段とを有し、参照光，測定光，または光プローブ
    で取り出された光を前記光導波路に閉じ込めて伝播さ
    せ、表面弾性波により参照光，測定光または前記光プロ
    ーブで取り出された光の振動数をずらす周波数シフト手
    段であることを特徴とする光走査型トンネル顕微鏡。
21. 【請求項２１】 請求項１４または１５のいずれか一項
    に記載の光走査型トンネル顕微鏡において、 前記光プローブから光検出手段に光を導く光ファイバを
    備えたことを特徴とする光走査型トンネル顕微鏡。
22. 【請求項２２】 請求項１６ないし２０のいずれか一項
    に記載の光走査型トンネル顕微鏡において、 前記光プローブから干渉手段に光を導く光ファイバを備
    えたことを特徴とする光走査型トンネル顕微鏡。
23. 【請求項２３】 請求項２２に記載の光走査型トンネル
    顕微鏡において、 前記干渉手段への入射測定光の前記光プローブ走査によ
    る位相ずれを検出する位相検出手段と測定光の位相を変
    調する位相変調器とを含み、前記位相検出手段の検出結
    果に基づき前記位相変調器を駆動し、前記干渉手段への
    入射測定光の前記光プローブ走査による位相ずれをキャ
    ンセルする測定光安定化手段を備えたことを特徴とする
    光走査型トンネル顕微鏡。
24. 【請求項２４】 請求項２３に記載の光走査型トンネル
    顕微鏡において、 前記位相検出手段と前記位相変調器が、前記光源や前記
    光検出手段が集積化されている前記チップと同一チップ
    上に集積化されていることを特徴とする光走査型トンネ
    ル顕微鏡。
25. 【請求項２５】 請求項２４に記載の光走査型トンネル
    顕微鏡において、 前記位相変調器が、前記チップ上に設けられた電気光学
    効果を有する物質からなる光導波路と、前記光導波路に
    電場を作用させる電極とからなり、測定光を前記光導波
    路中に閉じ込めて伝播させ、前記電極により前記光導波
    路に電場を作用させ、前記光導波路の等価屈折率を変化
    させて位相変調を行なう位相変調器であることを特徴と
    する光走査型トンネル顕微鏡。
26. 【請求項２６】 請求項１４ないし２５のいずれか一項
    に記載の光走査型トンネル顕微鏡において、 前記光プローブで光が取り出される領域の大きさが、光
    源から放射される光の波長よりも小さいことを特徴とす
    る光走査型トンネル顕微鏡。
27. 【請求項２７】 請求項１６ないし２６のいずれか一項
    に記載の光走査型トンネル顕微鏡において、 前記光源や前記光検出手段が集積化されているチップ上
    に、ファラデー効果を有する物質からなる光導波路を有
    し、参照光，測定光，または光プローブで取り出された
    光を前記光導波路に閉じ込めて伝播させ、さらにコイル
    を有し、前記コイルに電流を流して前記光導波路に磁場
    を作用させ、前記光導波路を伝播する光の偏光方向を変
    化させて、前記干渉手段で干渉させる複数の光の偏光方
    向を一致させる偏光調節手段を備えたことを特徴とする
    光走査型トンネル顕微鏡。
28. 【請求項２８】 請求項１４ないし２７のいずれか一項
    に記載の光走査型トンネル顕微鏡において、 前記光源や前記光検出手段が集積化されているチップが
    半導体であり、 前記光検出手段が、前記チップ上に作られた少なくとも
    一つのＰＮ接合からなることを特徴とする光走査型トン
    ネル顕微鏡。
29. 【請求項２９】 請求項１４ないし２８のいずれか一項
    に記載の光走査型トンネル顕微鏡において、 前記光源が、半導体レーザであることを特徴とする光走
    査型トンネル顕微鏡。
30. 【請求項３０】 請求項２９に記載の光走査型トンネル
    顕微鏡において、 前記光源や前記光検出手段が集積化されているチップに
    取り付けられ、前記光源の温度を調節して前記光源から
    放射される光の波長を安定化させる温度調節手段を備え
    た事を特徴とする光走査型トンネル顕微鏡。
31. 【請求項３１】 光源と光検出手段を有する第１光学系
    と、前記第１光学系から放射される光を試料に照射する
    第２光学系と、この光により生ずる前記試料からの透過
    光，反射光，散乱光，または試料近傍に発生するエバネ
    ッセント波を試料表面近傍の一部の領域から選択的に取
    り出す光プローブと、前記光プローブを試料表面に沿っ
    て走査する走査機構と、前記光プローブを試料表面に対
    し略垂直方向に動かす上下動機構とを有し、前記光プロ
    ーブにより取り出された光を前記第１光学系を構成して
    いる検出器で検出し、前記試料表面と前記光プローブと
    の間隔を計測する間隔計測手段と、前記間隔計測手段の
    出力から前記間隔を一定に保つように前記上下動機構を
    駆動する制御回路と、前記光プローブを前記試料表面の
    所定の領域を走査させるように前記走査機構を駆動する
    走査回路と、前記光プローブの走査に同期して前記光検
    出手段からの計測結果を格納し計測結果に基づいて試料
    の情報を抽出する処理回路を有する光走査型トンネル顕
    微鏡において、 前記第１光学系が、請求項１ないし４のいずれか一項に
    記載の干渉計であることを特徴とする光走査型トンネル
    顕微鏡。
32. 【請求項３２】 基板と、前記基板状に設けられた光導
    波路と、光源とを有し、前記光源から放射される光が前
    記光導波路に結合するように前記光源が前記基板に低融
    点金属を用いて取り付けられ、前記光導波路上に光学系
    を有し、前記光導波路に結合された光に対して種々の処
    理を行なう光集積回路において、 前記基板上の前記光源を取り付ける位置に前記光源の外
    形寸法よりも小さいくぼみを有し、 取り付けに用いる低融点金属が溶融したときの濡れ性が
    基板材料よりも劣る材料からなる基板側濡れ防止層を前
    記くぼみの縁の部分に有し、 取り付けに用いる低融点金属が溶融したときの濡れ性が
    前記光源の材料よりも劣る材料からなる光源側濡れ防止
    層を前記光源の前記基板側濡れ防止層と対面する部分に
    有し、 取り付けに用いる低融点金属の溶融時の体積が前記くぼ
    みの容積以上であり、 取り付けに用いる低融点金属の凝固時の体積が前記くぼ
    みの容積よりも小さいことを特徴とする光集積回路。
33. 【請求項３３】 基板と、前記基板状に設けられた光導
    波路と、光源とを有し、前記光源から放射される光が前
    記光導波路に結合するように前記光源が前記基板に接着
    剤を用いて取り付けられ、前記光導波路上に光学系を有
    し、前記光導波路に結合された光に対し種々の処理を行
    なう光集積回路において、 前記基板上の前記光源を取り付ける位置に前記光源の外
    形寸法よりも小さいくぼみを有し、 取り付けに用いる接着剤の濡れ性が基板材料よりも劣る
    材料からなる基板側濡れ防止層を前記くぼみの縁の部分
    に有し、 取り付けに用いる接着剤の濡れ性が前記光源の材料より
    も劣る材料からなる光源側濡れ防止層を前記光源の前記
    基板側濡れ防止層と対面する部分に有し、 取り付けに用いる接着剤の凝固前の体積が前記くぼみの
    容積以上であり、 凝固時の体積が前記くぼみの容積よりも小さいことを特
    徴とする光集積回路。