JPH09257814A - 光導波路プローブおよび光システム - Google Patents
光導波路プローブおよび光システムInfo
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- JPH09257814A JPH09257814A JP8063446A JP6344696A JPH09257814A JP H09257814 A JPH09257814 A JP H09257814A JP 8063446 A JP8063446 A JP 8063446A JP 6344696 A JP6344696 A JP 6344696A JP H09257814 A JPH09257814 A JP H09257814A
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- G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
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- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/86—Scanning probe structure
- Y10S977/862—Near-field probe
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- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 光導波損失が少なく調整も簡単な光導波路プ
ローブおよび光システムを実現する。 【解決手段】 平面的に光導波路を形成し、光導波路の
先端を尖鋭化し、圧電的な検出機構を設けた光導波路プ
ローブを形成した。
ローブおよび光システムを実現する。 【解決手段】 平面的に光導波路を形成し、光導波路の
先端を尖鋭化し、圧電的な検出機構を設けた光導波路プ
ローブを形成した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、物質間に働く原子
間力を利用して、計測物質の表面形状を観察するととも
に、光伝搬体からなるプローブによって、同時に計測物
質の微細領域での光学特性を観察する走査型近視野原子
間力顕微鏡ならびに光記録媒体に対して、近視野におい
て、光書き込みや読み出しを行う光システムに関する。
間力を利用して、計測物質の表面形状を観察するととも
に、光伝搬体からなるプローブによって、同時に計測物
質の微細領域での光学特性を観察する走査型近視野原子
間力顕微鏡ならびに光記録媒体に対して、近視野におい
て、光書き込みや読み出しを行う光システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、走査型近視野顕微鏡においては、
光ファイバーを加工することによって、先端を尖鋭化さ
せ、光導波路プローブとして利用している。この近視野
光学効果は、走査型近視野顕微鏡の他、高密度の記録装
置への利用も可能であるが、光ファイバーを加工する方
法では、量産性に問題がある。
光ファイバーを加工することによって、先端を尖鋭化さ
せ、光導波路プローブとして利用している。この近視野
光学効果は、走査型近視野顕微鏡の他、高密度の記録装
置への利用も可能であるが、光ファイバーを加工する方
法では、量産性に問題がある。
【０００３】このため、薄膜プロセスを用いた原子間力
制御型の導波路プローブに関する発明が、藤平( 特開平
05-099641)等、J.P.Fillard (WO 95/03561) 等、C.F.Qu
ate(US 5,354,985)等によって開示されている。これら
の発明は、いづれも試料に対して水平となる基板上に形
成した導波路から、基板上に突起として形成したプロー
ブの先端にかけて導波路を形成させるものである。
制御型の導波路プローブに関する発明が、藤平( 特開平
05-099641)等、J.P.Fillard (WO 95/03561) 等、C.F.Qu
ate(US 5,354,985)等によって開示されている。これら
の発明は、いづれも試料に対して水平となる基板上に形
成した導波路から、基板上に突起として形成したプロー
ブの先端にかけて導波路を形成させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この種の構造の導波路
プローブで問題となるのは、導波路が、立体的に屈曲し
た構造をとるために、導波路の導波特性を高効率に維持
することが難しいという点である。また、光導波路プロ
ーブの位置制御のために、光学的な検出方法を利用する
場合、近視野光で使用する光に対して、外乱光となると
ともに、位置制御のための光軸合わせが必要となるとい
う問題もある。
プローブで問題となるのは、導波路が、立体的に屈曲し
た構造をとるために、導波路の導波特性を高効率に維持
することが難しいという点である。また、光導波路プロ
ーブの位置制御のために、光学的な検出方法を利用する
場合、近視野光で使用する光に対して、外乱光となると
ともに、位置制御のための光軸合わせが必要となるとい
う問題もある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】基板部、および、装置側
光導波路端面および試料側光導波路端面を有する光導波
部から構成され、試料あるいは媒体に対して、近接した
距離で、光の照射あるいは検出を行うための光導波路プ
ローブにして、（１）光導波部が基板部上に実質的に平
面的に形成され、（２）基板を試料あるいは媒体に対し
て垂直方向に配置されるよう、試料側光導波路端面が基
板端面に一致するか、あるいは、基板端面から突出する
ようにし、（３）前記試料側光導波路端面部の光導波路
が端面部を先端として尖鋭な形に形成した光導波路プロ
ーブとした。さらに、基板部が弾性的機能を有する構造
にし、この弾性的機能によって、試料側光導波路端面
が、試料面に対して、水平方向あるいは垂直方向に振動
可能にし、基板部の弾性的部分におけるひずみを電気的
に検出可能な圧電体を設置した。
光導波路端面および試料側光導波路端面を有する光導波
部から構成され、試料あるいは媒体に対して、近接した
距離で、光の照射あるいは検出を行うための光導波路プ
ローブにして、（１）光導波部が基板部上に実質的に平
面的に形成され、（２）基板を試料あるいは媒体に対し
て垂直方向に配置されるよう、試料側光導波路端面が基
板端面に一致するか、あるいは、基板端面から突出する
ようにし、（３）前記試料側光導波路端面部の光導波路
が端面部を先端として尖鋭な形に形成した光導波路プロ
ーブとした。さらに、基板部が弾性的機能を有する構造
にし、この弾性的機能によって、試料側光導波路端面
が、試料面に対して、水平方向あるいは垂直方向に振動
可能にし、基板部の弾性的部分におけるひずみを電気的
に検出可能な圧電体を設置した。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施例について
図面を参照し説明する。図１は、本発明による光導波路
プローブの一例を示したものである。図１において、試
料あるいは媒体に対して、近接した距離で、光の照射あ
るいは検出を行うための光導波路プローブ１は、基板部
２、および、装置側光導波路端面５および試料側光導波
路端面６を有するコア部３とクラッド部４からなる光導
波部から構成されており、光導波部は、基板部２上に実
質的に平面的に形成されており、基板２を試料あるいは
媒体に対して垂直方向に配置されるように、試料側光導
波路端面６が基板端面７から突出しているとともに、試
料側光導波路端面部６の光導波路が端面部を先端として
尖鋭な形に形成されている。
図面を参照し説明する。図１は、本発明による光導波路
プローブの一例を示したものである。図１において、試
料あるいは媒体に対して、近接した距離で、光の照射あ
るいは検出を行うための光導波路プローブ１は、基板部
２、および、装置側光導波路端面５および試料側光導波
路端面６を有するコア部３とクラッド部４からなる光導
波部から構成されており、光導波部は、基板部２上に実
質的に平面的に形成されており、基板２を試料あるいは
媒体に対して垂直方向に配置されるように、試料側光導
波路端面６が基板端面７から突出しているとともに、試
料側光導波路端面部６の光導波路が端面部を先端として
尖鋭な形に形成されている。
【０００７】この基板部２は、光導波路プローブの一部
を固定することで、一種のカンチレバーとして機能し、
弾性的機能によって、振動させることが可能である。図
２において、いくつかの振動形態について説明する。ま
ず、図２（ａ）では、基板２は、圧電体であるＺ板水晶
基板をエッチングして形成したもので、このレバー部７
０には、電極が形成されており、電極に交流電圧を印加
することで、レバー部７０を振動させたり、レバー部７
０で振動時に生じたひずみを電気的に検出することが可
能になっている。このレバー部７０においては、光導波
部８は、水晶基板のＺ面上に形成されている。このレバ
ー部７０は、水晶の結晶軸のＸ軸方向、すなわち、試料
面に対して、水平方向に振動可能である。
を固定することで、一種のカンチレバーとして機能し、
弾性的機能によって、振動させることが可能である。図
２において、いくつかの振動形態について説明する。ま
ず、図２（ａ）では、基板２は、圧電体であるＺ板水晶
基板をエッチングして形成したもので、このレバー部７
０には、電極が形成されており、電極に交流電圧を印加
することで、レバー部７０を振動させたり、レバー部７
０で振動時に生じたひずみを電気的に検出することが可
能になっている。このレバー部７０においては、光導波
部８は、水晶基板のＺ面上に形成されている。このレバ
ー部７０は、水晶の結晶軸のＸ軸方向、すなわち、試料
面に対して、水平方向に振動可能である。
【０００８】図２（ｂ）では、基板２は、圧電体である
Ｘ板水晶基板をエッチングして形成したもので、このレ
バー部７０には、電極が形成されており、電極に交流電
圧を印加することで、レバー部７０を振動させたり、レ
バー部７０で振動時に生じたひずみを電気的に検出する
ことが可能になっている。このレバー部７０において
は、光導波部８は、水晶基板のＸ面上に形成されてい
る。このレバー部７０は、水晶の結晶軸のＸ軸方向、す
なわち、試料面に対して、水平方向に振動可能である。
Ｘ板水晶基板をエッチングして形成したもので、このレ
バー部７０には、電極が形成されており、電極に交流電
圧を印加することで、レバー部７０を振動させたり、レ
バー部７０で振動時に生じたひずみを電気的に検出する
ことが可能になっている。このレバー部７０において
は、光導波部８は、水晶基板のＸ面上に形成されてい
る。このレバー部７０は、水晶の結晶軸のＸ軸方向、す
なわち、試料面に対して、水平方向に振動可能である。
【０００９】図２（ｃ）では、基板２は、シリコン基板
であり、シリコン基板上には、圧電体９である酸化亜鉛
薄膜が形成されており、電極に交流電圧を印加すること
で、レバー部７０を振動させたり、レバー部７０で振動
時に生じたひずみを電気的に検出することが可能になっ
ている。このレバー部７０は、基板の厚み方向、すなわ
ち、試料面に対して、水平方向に振動可能である。ここ
で、圧電体９としては、酸化亜鉛の他にＰＺＴ（ジルコ
ンチタン酸鉛）など、各種圧電体を利用可能である。ま
た、シリコン基板以外のガリウムヒ素等の半導体基板を
基板として用いることもできる。
であり、シリコン基板上には、圧電体９である酸化亜鉛
薄膜が形成されており、電極に交流電圧を印加すること
で、レバー部７０を振動させたり、レバー部７０で振動
時に生じたひずみを電気的に検出することが可能になっ
ている。このレバー部７０は、基板の厚み方向、すなわ
ち、試料面に対して、水平方向に振動可能である。ここ
で、圧電体９としては、酸化亜鉛の他にＰＺＴ（ジルコ
ンチタン酸鉛）など、各種圧電体を利用可能である。ま
た、シリコン基板以外のガリウムヒ素等の半導体基板を
基板として用いることもできる。
【００１０】図２（ｄ）では、基板２は、誘電体結晶で
あるニオブ酸リチウムであり、基板のレバー部７０上に
は、圧電体９である酸化亜鉛薄膜が形成されており、電
極に交流電圧を印加することで、レバー部７０を振動さ
せたり、レバー部７０で振動時に生じたひずみを電気的
に検出することが可能になっている。このレバー部７０
は、基板の厚み方向、すなわち、試料面に対して、水平
方向に振動可能である。誘電体結晶としては、タンタル
酸リチウムなど他の結晶材料も使用できる。また、この
構造では、ガラス基板を用いることもできる。ガラス基
板材料としては、石英系ガラス、多成分系ガラス、重金
属酸化物ガラス、カルコゲナイドガラスなどが利用でき
る。
あるニオブ酸リチウムであり、基板のレバー部７０上に
は、圧電体９である酸化亜鉛薄膜が形成されており、電
極に交流電圧を印加することで、レバー部７０を振動さ
せたり、レバー部７０で振動時に生じたひずみを電気的
に検出することが可能になっている。このレバー部７０
は、基板の厚み方向、すなわち、試料面に対して、水平
方向に振動可能である。誘電体結晶としては、タンタル
酸リチウムなど他の結晶材料も使用できる。また、この
構造では、ガラス基板を用いることもできる。ガラス基
板材料としては、石英系ガラス、多成分系ガラス、重金
属酸化物ガラス、カルコゲナイドガラスなどが利用でき
る。
【００１１】図２（ｅ）では、基板２は、圧電体である
Ｚ板水晶基板をエッチングして形成したもので、このレ
バー部７０には、電極が形成されており、電極に交流電
圧を印加することで、レバー部７０を振動させたり、レ
バー部７０で振動時に生じたひずみを電気的に検出する
ことが可能になっている。このレバー部７０において
は、光導波部８は、水晶基板のＺ面上に形成されてい
る。このレバー部７０は、水晶の結晶軸のＸ軸方向、す
なわち、試料面に対して、垂直方向に振動可能である。
この基板上において、導波路８は、装置側光導波路端面
５から試料側光導波路端面６に向かって、９０度向きを
変えるが、導波路を十分にゆるやかな屈曲形状にするこ
とができる。
Ｚ板水晶基板をエッチングして形成したもので、このレ
バー部７０には、電極が形成されており、電極に交流電
圧を印加することで、レバー部７０を振動させたり、レ
バー部７０で振動時に生じたひずみを電気的に検出する
ことが可能になっている。このレバー部７０において
は、光導波部８は、水晶基板のＺ面上に形成されてい
る。このレバー部７０は、水晶の結晶軸のＸ軸方向、す
なわち、試料面に対して、垂直方向に振動可能である。
この基板上において、導波路８は、装置側光導波路端面
５から試料側光導波路端面６に向かって、９０度向きを
変えるが、導波路を十分にゆるやかな屈曲形状にするこ
とができる。
【００１２】また、この光導波路部分については、図２
（ｆ）のように光導波路上にグレーティング３０を形成
し、ミラーとして機能させることで方向を変えることも
できる。さらに、同様のプローブ形状において、導波路
部分は、図２（ｇ）に示すように、試料面に対して垂直
に直線的に配置することも可能である。
（ｆ）のように光導波路上にグレーティング３０を形成
し、ミラーとして機能させることで方向を変えることも
できる。さらに、同様のプローブ形状において、導波路
部分は、図２（ｇ）に示すように、試料面に対して垂直
に直線的に配置することも可能である。
【００１３】図２（ｈ）では、基板２は、圧電体である
Ｙ板水晶基板をエッチングして形成したもので、この基
板部には、電極が形成されており、電極に交流電圧を印
加することで、基板２を振動させたり、基板の振動の変
化を電気的に検出することが可能になっている。この基
板２においては、光導波部８は、水晶基板のＹ面上に形
成されている。このレバー部７０は、水晶の結晶軸のＸ
軸方向、すなわち、試料面に対して、垂直方向に振動可
能である。 これまでの実施例において、Ｘ，Ｙ，Ｚ板
については、必ずしも厳密なＸ，Ｙ，Ｚ板である必要は
なく、結晶軸に対して、若干の傾きを持っていても実用
上問題はない。
Ｙ板水晶基板をエッチングして形成したもので、この基
板部には、電極が形成されており、電極に交流電圧を印
加することで、基板２を振動させたり、基板の振動の変
化を電気的に検出することが可能になっている。この基
板２においては、光導波部８は、水晶基板のＹ面上に形
成されている。このレバー部７０は、水晶の結晶軸のＸ
軸方向、すなわち、試料面に対して、垂直方向に振動可
能である。 これまでの実施例において、Ｘ，Ｙ，Ｚ板
については、必ずしも厳密なＸ，Ｙ，Ｚ板である必要は
なく、結晶軸に対して、若干の傾きを持っていても実用
上問題はない。
【００１４】次に、本発明の光導波路プローブにおける
光導波路部分について詳しく説明する。図３（ａ）は、
本発明の光導波路プローブの側面図を示したものであ
り、図中のＡ−Ａ’断面を図３（ｂ）に示す。図３
（ｂ）は、本発明にの光導波路プローブおける光導波路
が、コア３、クラッド４、光反射層１０から構成されて
いることを示している。
光導波路部分について詳しく説明する。図３（ａ）は、
本発明の光導波路プローブの側面図を示したものであ
り、図中のＡ−Ａ’断面を図３（ｂ）に示す。図３
（ｂ）は、本発明にの光導波路プローブおける光導波路
が、コア３、クラッド４、光反射層１０から構成されて
いることを示している。
【００１５】図３（ｃ）は、図３（ａ）におけるＢ−
Ｂ’の断面を示したもので、光導波路プローブの試料側
光導波路端面部が、実質的にコア部からなり、端面部周
囲が光反射層によって、覆われていることを示してい
る。図３（ｄ）は、図３（ａ）におけるＣ−Ｃ’の断面
を示したもので、光導波路プローブの試料側光導波路端
面に近い突起部が、コア部を中心にして、クラッド層と
光反射層が同心状に覆われていることを示している。
Ｂ’の断面を示したもので、光導波路プローブの試料側
光導波路端面部が、実質的にコア部からなり、端面部周
囲が光反射層によって、覆われていることを示してい
る。図３（ｄ）は、図３（ａ）におけるＣ−Ｃ’の断面
を示したもので、光導波路プローブの試料側光導波路端
面に近い突起部が、コア部を中心にして、クラッド層と
光反射層が同心状に覆われていることを示している。
【００１６】図３（ｅ）は、図３（ａ）におけるＤ−
Ｄ’の断面を示したものである。ここで、光反射膜とし
ては、アルミニウムや金などの金属を用いる。エッチン
グ保護膜と共用する場合などは、金を主に用いる。次
に、光導波路の構成例について述べる。
Ｄ’の断面を示したものである。ここで、光反射膜とし
ては、アルミニウムや金などの金属を用いる。エッチン
グ保護膜と共用する場合などは、金を主に用いる。次
に、光導波路の構成例について述べる。
【００１７】図４（ａ）は、薄膜堆積法によって、導波
路を形成したものであり、下部クラッド層１１を形成し
た後、コア層１２を堆積し、エッチングによってパター
ンを形成し、この上に、上部クラッド層１３を形成す
る。この場合、コア層およびクラッド層としては、ドー
ピングによって、屈折率の異なるガラスや酸化シリコン
などの材料をスッパタリングやＣＶＤ法によって形成す
る。例えば、テトラエトキシシランを原料とするプラズ
マＣＶＤによって、良質の酸化シリコン膜を形成でき
る。フッ化炭素ガスなどフッ素系ガスを導入して、膜形
成することで、クラッド層用の低い屈折率の層を作るこ
とができる。
路を形成したものであり、下部クラッド層１１を形成し
た後、コア層１２を堆積し、エッチングによってパター
ンを形成し、この上に、上部クラッド層１３を形成す
る。この場合、コア層およびクラッド層としては、ドー
ピングによって、屈折率の異なるガラスや酸化シリコン
などの材料をスッパタリングやＣＶＤ法によって形成す
る。例えば、テトラエトキシシランを原料とするプラズ
マＣＶＤによって、良質の酸化シリコン膜を形成でき
る。フッ化炭素ガスなどフッ素系ガスを導入して、膜形
成することで、クラッド層用の低い屈折率の層を作るこ
とができる。
【００１８】なお、この構造は、窒化シリコン、ＰＭＭ
Ａ（ポリメタクリル酸メチル）などの高分子材料や有機
薄膜層で構成することも可能である。図４（ｂ）は、下
部クッラド層１４に対して、イオンドーピングを行いコ
ア層１５を形成し、その上に、上部クラッド層１６を形
成したものである。この構成は、ガラス層や誘電体結
晶、ガリウムヒ素等の半導体結晶などで可能である。
Ａ（ポリメタクリル酸メチル）などの高分子材料や有機
薄膜層で構成することも可能である。図４（ｂ）は、下
部クッラド層１４に対して、イオンドーピングを行いコ
ア層１５を形成し、その上に、上部クラッド層１６を形
成したものである。この構成は、ガラス層や誘電体結
晶、ガリウムヒ素等の半導体結晶などで可能である。
【００１９】図４（ｃ）は、下部クラッド層１７にエッ
チングによって、溝を形成し、この溝の中にコア層１８
および上部クラッド層１９を形成したものである。この
構造は、特に水晶を用いる場合には、水晶の圧電用の電
極と反射膜を共用することができる。
チングによって、溝を形成し、この溝の中にコア層１８
および上部クラッド層１９を形成したものである。この
構造は、特に水晶を用いる場合には、水晶の圧電用の電
極と反射膜を共用することができる。
【００２０】次に、本発明の光導波路プローブのいくつ
かのバリエーションについて説明する。図５は、装置側
光導波路端面部５を２つ有する光導波路プローブであ
り、２つの導波路は、どちらも試料側光導波路端面６に
つながっている。この光導波路プローブでは、片側の装
置側光導波路端面部５から光を入射し、試料側光導波路
端面６から試料表面で散乱して再入射した光をもう一方
の装置側光導波路端面部５から検出できるようになって
おり、試料表面の散乱特性の検出に利用できる。
かのバリエーションについて説明する。図５は、装置側
光導波路端面部５を２つ有する光導波路プローブであ
り、２つの導波路は、どちらも試料側光導波路端面６に
つながっている。この光導波路プローブでは、片側の装
置側光導波路端面部５から光を入射し、試料側光導波路
端面６から試料表面で散乱して再入射した光をもう一方
の装置側光導波路端面部５から検出できるようになって
おり、試料表面の散乱特性の検出に利用できる。
【００２１】図６は、試料側光導波路端面６を複数有す
る光導波路プローブを示したものであり、基板は、ニオ
ブ酸リチウムで形成されている。導波路のパターンに
は、光変調素子が構成されており、光のスイッチングを
行うことができる。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＥ−
Ｅ’断面の模式図を示したもので、導波路３上の電極１
８に電圧を加えることによって、光を一方の導波路から
もう一方の導波路に移行させることができる。図中の矢
印は、結晶面方位を示している。
る光導波路プローブを示したものであり、基板は、ニオ
ブ酸リチウムで形成されている。導波路のパターンに
は、光変調素子が構成されており、光のスイッチングを
行うことができる。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＥ−
Ｅ’断面の模式図を示したもので、導波路３上の電極１
８に電圧を加えることによって、光を一方の導波路から
もう一方の導波路に移行させることができる。図中の矢
印は、結晶面方位を示している。
【００２２】光変調素子としては、誘電体結晶や水晶な
どにおける音響光学効果による回折角の変化を利用する
ことも可能である。図７（ａ）は、半導体発光素子１９
と半導体光検出素子２０，２１を基板上に構成した光導
波路プローブの構成例を示したものである。半導体光検
出素子２０は、半導体発光素子１９の発光出力をモニタ
するもので、半導体光検出素子２１は、試料表面の散乱
特性をモニタするためのものである。ここで基板は、ガ
リウムヒ素結晶基板を用い、発光素子として、発光ダイ
オードを形成している。光検出素子は、基板上に形成し
たアモルファスシリコン層にフォトダイオードを形成し
たものである。発光素子としては、発光ダイオードの
他、半導体レーザー素子を利用することもできる。この
構造の光プローブにおいては、装置側光導波路端面は、
発光素子上に位置することになる。
どにおける音響光学効果による回折角の変化を利用する
ことも可能である。図７（ａ）は、半導体発光素子１９
と半導体光検出素子２０，２１を基板上に構成した光導
波路プローブの構成例を示したものである。半導体光検
出素子２０は、半導体発光素子１９の発光出力をモニタ
するもので、半導体光検出素子２１は、試料表面の散乱
特性をモニタするためのものである。ここで基板は、ガ
リウムヒ素結晶基板を用い、発光素子として、発光ダイ
オードを形成している。光検出素子は、基板上に形成し
たアモルファスシリコン層にフォトダイオードを形成し
たものである。発光素子としては、発光ダイオードの
他、半導体レーザー素子を利用することもできる。この
構造の光プローブにおいては、装置側光導波路端面は、
発光素子上に位置することになる。
【００２３】図７（ｂ）は、複数の試料側導波路端面を
有する構成の光導波路プローブの例を示したものであ
り、半導体発光素子１９上に形成した導波路は、各試料
側導波路端面に分岐する形で形成されており、試料側導
波路端面からそれぞれの端面に対応した半導体光検出素
子２１まで、それぞれ光導波路が形成されている。
有する構成の光導波路プローブの例を示したものであ
り、半導体発光素子１９上に形成した導波路は、各試料
側導波路端面に分岐する形で形成されており、試料側導
波路端面からそれぞれの端面に対応した半導体光検出素
子２１まで、それぞれ光導波路が形成されている。
【００２４】なお、図７に示すような半導体発光素子と
半導体光検出素子を含む構造は、図２（ｅ，ｆ，ｇ）で
示したような試料表面に対して垂直方向に弾性的機能を
有するような光導波路プローブにおいても形成可能であ
る。続いて、本発明の光導波路プローブの先端の尖鋭化
の方法について、説明する。
半導体光検出素子を含む構造は、図２（ｅ，ｆ，ｇ）で
示したような試料表面に対して垂直方向に弾性的機能を
有するような光導波路プローブにおいても形成可能であ
る。続いて、本発明の光導波路プローブの先端の尖鋭化
の方法について、説明する。
【００２５】図８（ａ）は、図８（ｂ）におけるＦ−
Ｆ’断面を示したもので、コア３、クラッド４、光反射
層１０、絶縁層７２、圧電素子用電極７１、基板２から
なる。図８に示す尖鋭化の方法は、図８（ｂ）から図８
（ｃ）のプロセスで示される。（１）基板２の端の部分
をエッチングによって除去して、導波路部分だけを残
し、（２）残った導波路部分の金属の反射膜部分をバン
ド状２２に除去する。この部分の導波路を図８（ｃ）に
波線で示すようにエッチングすることで、先端を尖鋭化
させる。さらに、図８（ｄ）に示すように、（３）試料
側導波路端面６が形成されるように、斜め蒸着法によっ
て、反射膜部分２３を再度形成する。なお、圧電素子用
電極７１に対向する電極は図中では省略されている。
Ｆ’断面を示したもので、コア３、クラッド４、光反射
層１０、絶縁層７２、圧電素子用電極７１、基板２から
なる。図８に示す尖鋭化の方法は、図８（ｂ）から図８
（ｃ）のプロセスで示される。（１）基板２の端の部分
をエッチングによって除去して、導波路部分だけを残
し、（２）残った導波路部分の金属の反射膜部分をバン
ド状２２に除去する。この部分の導波路を図８（ｃ）に
波線で示すようにエッチングすることで、先端を尖鋭化
させる。さらに、図８（ｄ）に示すように、（３）試料
側導波路端面６が形成されるように、斜め蒸着法によっ
て、反射膜部分２３を再度形成する。なお、圧電素子用
電極７１に対向する電極は図中では省略されている。
【００２６】図９に示す尖鋭化の方法は、図９（ａ）に
示す反射層２４上に先端を平面的に尖鋭化した形状に形
成したコア層２５について、図９（ｂ）に示すように先
端部と上面部を保護膜２６で覆い、尖鋭化形状に形成し
てある側面部についてエッチングを行うことによって、
図９（ｃ）立体的に尖鋭なコア層２７を形成するもので
ある。この場合も、金属反射膜を斜め蒸着法によって形
成させることで、試料側導波路端面を形成する。
示す反射層２４上に先端を平面的に尖鋭化した形状に形
成したコア層２５について、図９（ｂ）に示すように先
端部と上面部を保護膜２６で覆い、尖鋭化形状に形成し
てある側面部についてエッチングを行うことによって、
図９（ｃ）立体的に尖鋭なコア層２７を形成するもので
ある。この場合も、金属反射膜を斜め蒸着法によって形
成させることで、試料側導波路端面を形成する。
【００２７】次に、以上で述べた本発明の光導波路プロ
ーブを用いる光システムについて説明する。図１０で
は、本発明の光導波路プローブ１を共振周波数で振動さ
せる励振手段を５２と、プローブの先端と試料表面５０
との間に原子間力が作用した結果生じるプローブの共振
特性の変化を電気的特性変化として検出するための手段
５２と、前記検出手段が出力する検出信号に基づいて、
前記プローブの先端と試料表面の間隔を一定に保つため
の制御手段５３とを有し、ＸＹＺ走査手段５４によっ
て、試料表面の形状を観察することができる。
ーブを用いる光システムについて説明する。図１０で
は、本発明の光導波路プローブ１を共振周波数で振動さ
せる励振手段を５２と、プローブの先端と試料表面５０
との間に原子間力が作用した結果生じるプローブの共振
特性の変化を電気的特性変化として検出するための手段
５２と、前記検出手段が出力する検出信号に基づいて、
前記プローブの先端と試料表面の間隔を一定に保つため
の制御手段５３とを有し、ＸＹＺ走査手段５４によっ
て、試料表面の形状を観察することができる。
【００２８】この場合、励振手段は、カンチレバー部を
電気的に駆動する交流駆動信号を発生するための駆動回
路５２であり、前記検出手段は、原子間力が作用した結
果生じる前記交流駆動信号の電流変化を光導波路プロー
ブに設けられた電極から検出し、前記プローブの先端部
と試料表面との間隔を一定に保つための検出信号を出力
する機能を有する。
電気的に駆動する交流駆動信号を発生するための駆動回
路５２であり、前記検出手段は、原子間力が作用した結
果生じる前記交流駆動信号の電流変化を光導波路プロー
ブに設けられた電極から検出し、前記プローブの先端部
と試料表面との間隔を一定に保つための検出信号を出力
する機能を有する。
【００２９】また、プローブの振動方向は、図２で示し
たように、試料面に対して、水平、あるいは、垂直とな
る。ここで、本発明の光システムでは、光源６１から光
ファイバー６２を介して、光導波路プローブ１の装置側
光導波路端面５に光が導入され、試料側光導波路端面６
から試料５０に光が照射され、レンズ６３を介して、光
検出器６４によって、ＸＹ走査に伴う近視野光学特性の
変化を検出することができる。なお、図７で示すような
光源や光検出器を含む光導波路プローブでは、外部の光
源や検出器を必要としない。
たように、試料面に対して、水平、あるいは、垂直とな
る。ここで、本発明の光システムでは、光源６１から光
ファイバー６２を介して、光導波路プローブ１の装置側
光導波路端面５に光が導入され、試料側光導波路端面６
から試料５０に光が照射され、レンズ６３を介して、光
検出器６４によって、ＸＹ走査に伴う近視野光学特性の
変化を検出することができる。なお、図７で示すような
光源や光検出器を含む光導波路プローブでは、外部の光
源や検出器を必要としない。
【００３０】また、この他、図１１に示すように、励振
手段をカンチレバー部を外部から振動するバイモルフ５
６として、検出手段５７は、バイモルフによって、振動
された結果としてプローブに生じる電荷が、原子間力の
作用によって、変化するのを光導波路プローブの圧電体
の電極から検出し、前記プローブの先端部と試料表面と
の間隔を一定に保つための検出信号を出力する構成も可
能である。
手段をカンチレバー部を外部から振動するバイモルフ５
６として、検出手段５７は、バイモルフによって、振動
された結果としてプローブに生じる電荷が、原子間力の
作用によって、変化するのを光導波路プローブの圧電体
の電極から検出し、前記プローブの先端部と試料表面と
の間隔を一定に保つための検出信号を出力する構成も可
能である。
【００３１】さらに、励振手段の励振信号とプローブの
電極から検出される電気信号との位相を比較すること
で、励振信号の周波数をカンチレバー部の共振周波数に
追従させ、原子間力が発生した結果生じる共振周波数変
化を検出して、この検出信号をもとに共振周波数を一定
に保つよう制御することで、プローブの先端と試料表面
の間隔を一定に保つこともできる。
電極から検出される電気信号との位相を比較すること
で、励振信号の周波数をカンチレバー部の共振周波数に
追従させ、原子間力が発生した結果生じる共振周波数変
化を検出して、この検出信号をもとに共振周波数を一定
に保つよう制御することで、プローブの先端と試料表面
の間隔を一定に保つこともできる。
【００３２】上記の光システムの例では、試料をＸＹＺ
移動機構によって走査する例を示したが、光導波路プロ
ーブ側に移動機構を設けたり、試料を記録媒体にして、
回転させるという構成も可能である。この場合は、特に
図７で示したような、光源と検出器を一体化した光導波
路プローブでは、フライングヘッド構造にして、使用す
ることもできる。
移動機構によって走査する例を示したが、光導波路プロ
ーブ側に移動機構を設けたり、試料を記録媒体にして、
回転させるという構成も可能である。この場合は、特に
図７で示したような、光源と検出器を一体化した光導波
路プローブでは、フライングヘッド構造にして、使用す
ることもできる。
【００３３】
【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。平面的
に光導波路を形成した光導波路プローブを形成すること
によって、光の損失や乱れの少ない光導波路プローブを
実現することができた。
施され、以下に記載されるような効果を奏する。平面的
に光導波路を形成した光導波路プローブを形成すること
によって、光の損失や乱れの少ない光導波路プローブを
実現することができた。
【００３４】さらに、圧電的な検出機構を設けること
で、位置検出のために検出光を用いる必要がなく、光軸
合わせの問題や、ノイズ光の問題がなくなった。
で、位置検出のために検出光を用いる必要がなく、光軸
合わせの問題や、ノイズ光の問題がなくなった。
【図１】本発明の光導波路プローブの模式図
【図２】本発明の光導波路プローブの振動モードの説明
図
図
【図３】本発明の光導波路プローブの光導波路部の説明
図
図
【図４】本発明の光導波路プローブの光導波路部の説明
図
図
【図５】本発明の光導波路プローブの他の実施例を示す
図
図
【図６】本発明の光導波路プローブの他の実施例を示す
図
図
【図７】本発明の光導波路プローブの他の実施例を示す
図
図
【図８】本発明の光導波路プローブの先端形成方法を示
す図
す図
【図９】本発明の光導波路プローブの先端形成方法を示
す図
す図
【図１０】本発明の光システムの構成を示す図
【図１１】本発明の光システムの他の構成を示す図
１ 光導波路プローブ ２ 基板部 ３ コア部 ４ クラッド部 ５ 装置側光導波路端面 ６ 試料側光導波路端面 ７ 基板端面 ８ 光導波部 ９ 圧電体 １０ 光反射膜 １８ 電極 １９ 発光素子 ２０，２１ 光検出素子 ３０ グレーティング ５０ 試料 ５２ 励振手段 ５３ 制御手段 ５４ 走査手段 ６１ 光源 ６２ 光ファイバー ６３ レンズ ６４ 光検出器
Claims (27)
- 【請求項１】 基板部、および、装置側光導波路端面お
よび試料側光導波路端面を有する光導波部から構成さ
れ、試料あるいは媒体に対して、近接した距離で光の照
射あるいは検出を行うための光導波路プローブにおい
て、上記光導波部が上記基板部上に実質的に平面的に形
成され、上記基板部を上記試料あるいは媒体に対して垂
直方向に配置されるべく、前記試料側光導波路端面が基
板部端面に一致するか、あるいは、基板部端面から突出
しているとともに、前記試料側光導波路端面の光導波路
が端面部を先端として尖鋭な形に形成されていることを
特徴とする光導波路プローブ。 - 【請求項２】 前記基板部が弾性的機能を有することを
特徴とする請求項１記載の光導波路プローブ。 - 【請求項３】 前記弾性的機能によって、試料側光導波
路端面が、試料面に対して、水平方向に振動可能である
ことを特徴とする請求項２記載の光導波路プローブ。 - 【請求項４】 前記弾性的機能によって、試料側光導波
路端面が、試料面に対して、垂直方向に振動可能である
ことを特徴とする請求項２記載の光導波路プローブ。 - 【請求項５】 前記基板部に前記弾性的機能に関連した
ひずみを電気的に検出可能な圧電体を有することを特徴
とする請求項２から４記載の光導波路プローブ。 - 【請求項６】 前記基板部および圧電体が水晶であるこ
とを特徴とする請求項５記載の光導波路プローブ。 - 【請求項７】 前記圧電体が酸化亜鉛であることを特徴
とする請求項５記載の光導波路プローブ。 - 【請求項８】 前記圧電体がＰＺＴであることを特徴と
する請求項５記載の光導波路プローブ。 - 【請求項９】 前記基板部が半導体結晶であることを特
徴とする請求項７から８記載の光導波路プローブ。 - 【請求項１０】 前記基板部が誘電体結晶であることを
特徴とする請求項７から８記載の光導波路プローブ。 - 【請求項１１】 前記光導波部が、コア層およびクッラ
ド層からなることを特徴とする請求項１から１０記載の
光導波路プローブ。 - 【請求項１２】 前記クラッド層が、光反射層によっ
て、覆われていることを特徴とする請求項１１記載の光
導波路プローブ。 - 【請求項１３】 前記試料側光導波路端面が、実質的に
コア部からなり、端面部周囲が光反射層によって、覆わ
れていることを特徴とする請求項１１記載の光導波路プ
ローブ。 - 【請求項１４】 前記試料側光導波路端面１つについ
て、前記装置側光導波路端面を２つ以上有することを特
徴とする請求項１１から１３記載の光導波路プローブ。 - 【請求項１５】 前記試料側光導波路端面を複数有する
ことを特徴とする請求項１１から１３記載の光導波路プ
ローブ。 - 【請求項１６】 クラッド層およびコア層が酸化シリコ
ン、ガラス、イオンドープされた酸化シリコン、イオン
ドープされたガラス、あるいは、窒化シリコンで形成さ
れることを特徴とする請求項１から９、１１から１５記
載の光導波路プローブ。 - 【請求項１７】 クラッド層およびコア層が半導体体結
晶材料およびイオンドープされた半導体結晶材料で形成
されることを特徴とする請求項１から１５記載の光導波
路プローブ。 - 【請求項１８】 クラッド層およびコア層が高分子材料
で形成されることを特徴とする請求項１から１５記載の
光導波路プローブ。 - 【請求項１９】 クラッド層およびコア層が誘電体結晶
材料およびイオンドープされた誘電体結晶材料で形成さ
れることを特徴とする請求項１から１５記載の光導波路
プローブ。 - 【請求項２０】 上記基板上に半導体発光素子を有する
ことを特徴とする請求項１から５、７から９、および１
１から１８記載の光導波路プローブ。 - 【請求項２１】 上記基板上に半導体光検出素子を有す
ることを特徴とする請求項１から５、７から９、および
１１から１８記載の光導波路プローブ。 - 【請求項２２】 上記基板上にグレーティング構造を有
することを特徴とする請求項１から８、１０から１６，
および１９記載の光導波路プローブ。 - 【請求項２３】 上記基板上に光変調素子を有すること
を特徴とする請求項１から８、１０から１６，および１
９記載の光導波路プローブ。 - 【請求項２４】 少なくとも請求項２から２０記載の光
導波路プローブを有し、前記プローブの先端部と測定す
べき試料あるいは媒体表面との間隔を、前記プローブの
先端部と前記表面との間に原子間力あるいはその他の相
互作用に関わる力が作用する動作距離以内に近づけた状
態で、前記試料表面を走査することにより、前記表面の
形状に沿って、前記プローブを制御し、前記表面の微小
領域に対して、光照射あるいは光検出を行う際に、前記
圧電体を共振周波数で前記表面に対して水平あるいは垂
直方向に振動させるための励振手段と、前記プローブの
先端と前記表面との間に前記原子間力が作用した結果生
じる前記圧電体の共振特性の変化を前記圧電体の電気的
特性変化として検出するための検出手段と、前記検出手
段が出力する検出信号に基づいて前記プローブの先端部
と前記表面の間隔を一定に保つための制御手段とを有す
ることを特徴とする光システム。 - 【請求項２５】 前記励振手段は前記圧電体を電気的に
駆動する交流駆動信号を発生するための駆動回路であ
り、前記検出手段は前記原子間力が作用した結果生じる
前記交流駆動信号の電流変化を前記電極から検出し、前
記プローブの先端部と試料表面との間隔を一定に保つた
めの検出信号を出力する請求項２４記載の光システム。 - 【請求項２６】 前記励振手段は前記圧電体を振動させ
るバイモルフであり、前記検出手段は前記バイモルフに
よって振動された結果生じる前記圧電体の電圧が、前記
原子間力により変化することを前記電極から検出し、前
記プローブの先端部と試料表面との間隔を一定に保つた
めの検出信号を出力する請求項２４記載の光システム。 - 【請求項２７】 前記検出手段は、前記励振手段の励振
信号と前記圧電体の前記電極から検出される電気的信号
との位相を比較することで、前記励振信号の周波数を前
記圧電体の共振周波数に追従させる手段を備え、前記原
子間力が作用した結果生じる共振周波数の変化を検出し
て検出信号を出力するとともに、前記制御手段は、前記
圧電体の共振周波数を一定に保つよう制御することで前
記プローブの先端と前記試料表面との間隔を一定に保つ
請求項２４記載の光システム。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06344696A JP3260619B2 (ja) | 1996-03-19 | 1996-03-19 | 光導波路プロ−ブおよび光システム |
| US08/797,549 US5969821A (en) | 1996-03-19 | 1997-02-07 | Optical waveguide probe and optical system and atomic force microscope using the optical waveguide probe |
| DE69714107T DE69714107T2 (de) | 1996-03-19 | 1997-02-13 | Optische Wellenleitersonde und optisches System |
| EP97102337A EP0797117B1 (en) | 1996-03-19 | 1997-02-13 | Optical waveguide probe and optical system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06344696A JP3260619B2 (ja) | 1996-03-19 | 1996-03-19 | 光導波路プロ−ブおよび光システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09257814A true JPH09257814A (ja) | 1997-10-03 |
| JP3260619B2 JP3260619B2 (ja) | 2002-02-25 |
Family
ID=13229492
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06344696A Expired - Fee Related JP3260619B2 (ja) | 1996-03-19 | 1996-03-19 | 光導波路プロ−ブおよび光システム |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5969821A (ja) |
| EP (1) | EP0797117B1 (ja) |
| JP (1) | JP3260619B2 (ja) |
| DE (1) | DE69714107T2 (ja) |
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