JPH10206660A - 光学素子、光学素子の作成方法、情報記録再生装置および走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光の波長よりも小さい領域に選択的に光を照射
する光学素子として、先鋭化した光ファイバの先端に開
口を設けた形態のものがある。従来の開口作成方法では
開口の大きさの制御が困難であった。 【解決手段】先端部を先鋭化した光ファイバを金属膜で
被覆して、収束イオンビーム等の粒子ビームで被覆及び
先鋭化した部分の一部を切除して開口を作成する。 【効果】本発明によれば、特に光の波長よりも小さい領
域について、その領域に選択的に光を照射したり、その
領域から選択的に光を取り出す光学素子を、その領域の
大きさを制御した状態で作成する事ができる。また、光
の波長よりも小さいパターンを光学的に読み取る光学素
子において、信号光量の大きい光学素子を実現する事が
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光を空間の特定の
領域に照射したり、特定の場所から取り出す光学素子、
走査型近接場光学顕微鏡に用いられる光プローブに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光を、その波長よりも小さい領域につい
て、その領域に光を照射したり、その領域から光を取り
出したりする光学素子、もしくは光学素子の作成方法に
ついては、例えば、第４３回応用物理学関係連合講演会
講演予稿集27a-Z-3や特開平５−２４１０７６号公報に
記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】光を空間の特定の領域
に照射しようとした場合、照射する領域の大きさは制御
できる事が望ましい。光を、その波長よりも小さい領域
に照射したり、または波長よりも小さい領域から取り出
す場合についても同様である。これまでも、特定の大き
さの領域について、光を照射したり、光を取り出したり
する素子を作成する方法が考案されてきたが、特定の大
きさ以外の大きさに光を照射または光を取り出す光学素
子を作成する事は困難であった。

【０００４】本発明の目的は、光を空間の特定の領域に
照射したり、特定の領域から取り出したりする光学素子
において、その領域の大きさの制御が容易な光学素子の
作成方法を提案する事にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】先端部を所定の角度で突
出させたコア部を有する光ファイバ素子と、前記コア部
及びクラッド部を被覆する薄膜からなり、前記突出させ
たコア部の頂点近傍において、前記コア部を露出させ、
前記露出部分から光を空間の特定の領域に照射する構造
とした。また、前記所定の角度で突出させた部分の頂点
近傍において、前記コアの露出している部分の表面と、
前記薄膜の表面とが、実質的に同一平面になるように構
成した光学素子とした。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１から図３を用いて、本発明の
第１の実施例について説明する。

【０００７】図１は本発明を用いた開口の作成方法の説
明図、図２は開口の大きさの制御方法の説明図、図３は
光ストレージへの応用の形態の説明図である。

【０００８】図１（ａ）に示すよう本実施例の光学素子
は、コア３、クラッド４及びそれらを覆う遮光膜から構
成される光ファイバ素子１である。ここで、コア３はSi
O2を主成分としており、ドーパントとしてGeO2が20mol%
程度ドープされている。クラッド４は純粋なSiO2であ
る。なお、本実施例で用いた光ファイバ１はクラッドの
径が125μm、コアの径が3μmのものである。

【０００９】まず、突出部のない光ファイバ１の端面を
HF50%水溶液と純水とHN4F40%水溶液を体積比で1:1:5の
割合で混合した混合水溶液に浸してエッチングすること
で、図１（ａ）のようにコア３を円錐状に先鋭化させる
ことができる。なお、本実施例では室温で上記水溶液に
１時間程度浸してエッチングすることで、先端尖り角20
から30度程度に先鋭化できた。

【００１０】なお、エッチャントのHN4F40%水溶液の割
合が小さくなるほど尖り角は大きくなることを確認して
いる。

【００１１】コア３を先鋭化させた後、遮光膜２を成膜
することで図１（ａ）の構造を作ることができる。本実
施例では遮光膜２の材質は、不透明なものであれば何で
も良いが、例えば、Au、Al、Cr等の金属材料を用いるこ
とができ、スパッタもしくは蒸着で成膜することができ
る。遮光膜２の厚さは、後で設ける開口が、開口として
十分機能するように光を遮る程度の厚さとする必要があ
る。典型的には100〜200nmとすれば良い。

【００１２】次に、図１（ｂ）に示すように、先鋭化さ
れたコア３の側方から収束イオンビーム（以後、収束イ
オンビームを、Focused Ion Beam の頭文字を取って、F
IB、と略す事にする）を照射し、先端部分を切除してコ
ア３を露出させる。FIBは例えばGaイオンを用いる場
合、加速電圧を数十kVとし、ビーム電流を数pA、集束位
置でのビーム径を数十nmとした場合、１分程度の照射で
先端部を切除できる。なお、切除する位置は必要とする
光ビームの径に応じて可変して、所望の大きさの出力光
が得ることができる。

【００１３】なお、光ファイバ１の反対側の端面から光
を入射させ、この露出させた部分を通して、光を空間の
特定の領域に照射したり、光ファイバ１の反対側の端面
に光検出器を設け、特定の領域から取り出した光を検出
することができるの。以後、この露出させた部分を開口
と呼ぶ。開口の大きさが、光を照射したり、光を取り出
したりする領域の大きさを決定し、開口の大きさと、光
を照射したり、光を取り出したりする領域の大きさはほ
ぼ一致する。開口の大きさを、この開口を通して照射し
たり、取り出されたりする光の波長よりも小さくするこ
とは比較的容易であり、光の波長よりも小さい領域に選
択的に光を照射したり、光の波長よりも小さい領域から
選択的に光を取り出したりすることが可能である。光を
空間の特定の領域に照射したり、特定の領域から取り出
したりすることはレンズを用いても行うことができる
が、レンズを用いた場合では、光をその波長より小さい
領域に選択的に照射すること、波長より小さい領域から
選択的に取り出すことは原理的に困難である。

【００１４】先鋭化されたコア３の先端部分を切除する
方法として、FIBの他、収束させた電子ビーム等の粒子
ビームを用いることができる。

【００１５】図２（ａ）に、図１で説明したFIBによる
先端の切除において、切除する部分の先端からの深さ
（以下これを、切り込み量、と呼ぶ）が小さい場合の、
FIBによる切除後の形状を、図２（ｂ）に切り込み量が
多い場合の切除後の形状を示す。前述の通り、コア３は
円錐状に先鋭化されるので、切り込み量の大小によって
開口を制御することが可能である。開口の大きさは、先
端尖り角と遮光膜２の厚さから簡単な幾何学を用いて決
定できる。

【００１６】図３は透明基板上に不透明物質で情報をパ
ターン化して記録したものを、前述の光学素子を用いて
読み出す状態を示したものである。

【００１７】記録媒体５は透明な基板６、パターン７か
らできている。透明な基板６の材質としては例えば石英
やポリカーボネートを用いることができる。パターン７
は不透明な材料、例えばＡｌ等からできており、その不
透明な材料の有無のパターンによって何らかの情報を記
録してある。また、透明な基板の上に光ディスク装置に
用いられる相変化記録膜を設け、結晶の部分と非晶質の
パターンによって情報を記録しても良い。記録媒体５は
開口に対して図中に示した方向に相対運動をしている。
光ファイバ１の、図３に示した端面と反対の端面から光
をコア３に結合させてある。この光は開口を通してパタ
ーン７に照射される。照射された光の一部は記録媒体５
に対して開口と反対側に設けられた光検出器８で検出さ
れる。パターン７の、不透明な部分の直上に開口が位置
する場合、光検出器８で検出される光量は減少し、不透
明な材料が無い部分の直上に開口が位置する場合、光検
出器８で検出される光量は減少する。よって、開口と記
録媒体５を相対運動させるとともに、光ファイバ１のコ
ア３に光を結合させた場合の、光検出器８で検出される
光量から、記録媒体５に記録されている情報を読み出す
ことができる。記録媒体１５が、前述の相変化膜を有す
る媒体であった場合、記録媒体１５に照射する光の強度
を変調することで結晶と非晶質のパターンを形成するこ
とが可能で、情報の記録が可能となる。前述の通り、開
口の大きさはパターン７に照射される光の波長より小さ
くすることが可能であり、パターン７に照射される光の
波長よりも小さいパターンを読み出したり、記録するこ
とが可能である。

【００１８】こうした光ストレージへの応用において
は、光検出器８で検出される光量を大きくすることが、
Ｓ／Ｎ比を向上させる上で重要である。遮光膜２の材質
は、十分な遮光特性を得る為には、金属等の屈折率に虚
部を有する材質を用いることが有用である。しかしなが
ら、この場合光は遮光膜２に吸収されてしまう。光は、
屈折率の実部の大きい方へ行こうとする性質があるた
め、コア３内を伝播する光はパターン７に照射されるま
での間、できる限りコア３の中にいることが望ましい。
少なくとも、空気や真空中よりは、コア３の方が屈折率
が大きいからである。また、開口から放射された光は回
折により広がってしまうので、パターン７に照射される
光の波長よりも小さいパターンを読み取ろうとした場
合、開口はパターン７に十分接近させる必要がある。コ
ア３をできる限りパターン７に接近させ、光をできる限
りコア３内を伝播させようした場合、開口部分のコア３
の表面形状、およびその近傍の遮光膜２の表面形状は同
一平面であることが望ましい。これは記録媒体５の表面
が平面である場合のことであるが、記録媒体５の表面が
曲面の場合でも、これに照射される光の波長程度、もし
くはこれより小さい領域で考えれば、通常の場合十分な
精度で平面と近似し得る。

【００１９】図４を用いて、本発明の第２の実施例につ
いて説明する。図４は本発明を用いた開口の作成方法の
説明図である。

【００２０】光ファイバ１の構造、コア３の先鋭化の方
法、遮光膜２の成膜については、本発明の第１の実施例
の場合と全く同様である。この例においては、図４
（ａ）に示すように、FIBの照射が頂点における法線方
向から為されている。よって、FIBの照射後の形状は図
４（ｂ）のようになる。この方法では、照射するFIBの
ビーム径を制御することで、開口の大きさを制御するこ
とが可能である。

【００２１】図５を用いて、本発明の第３の実施例につ
いて説明する。図５は光ストレージの説明図である。

【００２２】図５の光源１１から放射された光は光ファ
イバ１２に結合される。光ファイバ１２の端部は、第１
の実施例で説明した構造と同じ構造をしている光学素子
１３となっている。光源１１から放射された光は、光学
素子１３に設けられている開口を通して記録媒体１５に
照射される。記録媒体１５は円盤状の形状をしており、
スピンドルモータ１６によってその中心軸回りに回転す
る。記録媒体１５上には第１の実施例と同じ形態で情報
が記録されている。このため、記録媒体１５に対し光学
素子１３と反対側に位置している光検出器１４によっ
て、記録媒体１５を透過した光を検出することで記録媒
体１５上に記録されている情報を再生することができ
る。記録媒体１５には、記録媒体１５上での光学素子１
３の位置を示す情報が記録されている。図５には記載し
ていないシステムコントローラを通じて、装置外部から
装置に命令が入力される。この命令では、情報を記録、
または再生すべき、記録媒体１５上での位置が指定され
ている。システムコントローラは、記録媒体１５上に記
録されている光学素子１３の位置を示す情報と装置外部
から入力された情報を比較する。システムコントローラ
はこの比較した結果に基づいて、機構系１７を駆動して
光学素子１３を記録媒体１５の半径方向に移動させ、情
報を記録また再生すべき位置に光学素子１３を位置決め
する。位置決めされた位置において情報の記録または再
生を行う。

【００２３】図６を用いて、本発明の第４の実施例につ
いて説明する。図６は走査型近接場光学顕微鏡の説明図
である。

【００２４】図６の光源２１から放射された光は光ファ
イバ２２に結合される。光ファイバ２２の端部は、実施
の形態の第１の例で説明した構造と同じ構造をしている
光学素子２３となっている。光学素子２３の開口を通し
て光を試料２４に照射する。光検出器２６は試料２４か
らの透過光、反射光もしくは散乱光を検出する。光検出
器２６はフォトダイオード、もしくはフォトマルを用い
ることができ、適当なＮＡのレンズで光を集光する。機
構系２７は光学素子２３を透明な物質からなる試料ホル
ダ２８の面内で操作する。光学素子２３と試料２４の間
隔は、図６には陽には記載していないシアフォース検出
系で検出され、アクチュエータ２７により走査の間一定
に保たれる。走査した時の光学素子２３の位置及び出力
は、アクチュエータの駆動信号や光学素子の出力等を図
６には記載していない記録手段によって記録される。ア
クチュエータとしては例えば、トライポッド型のピエゾ
圧電素子やステッピングモータを用いたｘｙｚステージ
を用いることができ、記録手段としては例えば磁気ディ
スクを用いることができる。走査される時の光学素子２
３の位置と、その位置にいるときの光検出器２６での検
出光量が記録手段で記録される。光学素子２３の位置
と、そこでの光検出器２６の検出光量を比較すること
で、試料２４の形状や性質を調べることが可能となる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、特に光の波長よりも小
さい領域について、その領域に選択的に光を照射した
り、その領域から選択的に光を取り出す光学素子を、そ
の領域の大きさを制御した状態で作成することができ
る。また、光の波長よりも小さいパターンを光学的に読
み取る光学素子において、信号光量の大きい光学素子を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を用いた開口の作成方法の説明図

【図２】 開口の大きさの制御方法の説明図

【図３】 光ストレージへの応用の形態の説明図

【図４】 本発明を用いた開口の作成方法の説明図

【図５】 光ストレージの説明図。

【図６】 走査型近接場光学顕微鏡の説明図。

【符号の説明】

１…光ファイバ、２…遮光膜、３…コア、４…クラッ
ド、５…記録媒体、６…基板、７…パターン、８…光検
出器、１１…光源、１２…ファイバ、１３…光学素子、
１４…光検出器、１５…記録媒体、１６…スピンドルモ
ータ、１７…機構系、２１…光源、２２…光ファイバ、
２３…光学素子、２４…試料、２６…光検出器、２７…
アクチュエータ、２８…試料ホルダ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 和恭 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 伊藤 顕知 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 新谷 俊通 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コア部分を所定の角度でクラッド部から鋭
   角に突出させ、これらを遮光膜で覆い、前記突出させた
   コアの一部を露出させた光学素子において、、 前記コアの露出している部分の表面と、前記遮光膜の表
   面とが、略同一平面に形成されていることを特徴とする
   光学素子。
2. 【請求項２】コアとクラッドとこれを被覆する薄膜から
   なり、前記薄膜に設けられた開口を通して、光を空間の
   特定の領域に照射したり、空間の特定の領域から光を取
   り出す光学素子において、 前記開口が、中空で、柱状の形状をしている事を特徴と
   する光学素子。
3. 【請求項３】コアとクラッドとこれを被覆する薄膜から
   なり、前記薄膜に設けられた開口を通して、光を空間の
   特定の領域に照射したり、空間の特定の領域から光を取
   り出す光学素子の作製方法において、 エッチングによりコア部分を鋭角に露出させ、前記コア
   とクラッド部を遮光性の薄膜で覆い、その後前記鋭角に
   突出した部分に粒子ビームを照射することで開口を形成
   することを特徴とする光学素子の作成方法。
4. 【請求項４】情報が光学的方法で記録または再生可能な
   形態で記録されている記録媒体と、これと相対運動し、
   前記記録媒体に対して情報を記録または再生を行う光学
   素子と、前記光学素子に光を供給する光源と、前記光学
   素子と前記記録媒体とを相対運動させる機構系と、装置
   外部からの命令と前記光学素子から再生した情報に基づ
   いて前記機構系を駆動し、前記記録媒体の所定の位置に
   前記光学素子を位置決めし、情報の記録または再生を行
   うシステムコントローラとを有する情報記録再生装置に
   おいて、 前記光学素子が、コア部分を所定の角度でクラッド部か
   ら鋭角に突出させ、これらを遮光膜で覆い、前記突出さ
   せたコアの一部を露出させ、前記コアの露出している開
   口の表面と、前記遮光膜の表面とが、略同一平面に形成
   したものであり、開口を通して照射した光もしくは、開
   口から取り出した光を用いて情報の記録または再生を行
   う事を特徴とする情報記録再生装置。
5. 【請求項５】光源と、前記光源から放射された光を試料
   に照射する光学素子と、前記光学素子を前記試料に対し
   て相対運動させる機構系と、試料に照射された光の透過
   光、反射光または散乱光を検出する光検出器と、前記光
   学素子と前記試料の相対位置と前記光検出器で検出され
   た光量を記録する記録手段を有する走査型プローブ顕微
   鏡において、前記光学素子が、コア部分を所定の角度で
   クラッド部から鋭角に突出させ、これらを遮光膜で覆
   い、前記突出させたコアの一部を露出させ、前記コアの
   露出している開口の表面と、前記遮光膜の表面とが、略
   同一平面に形成したものであり、前記開口を通して光を
   試料に照射する事を特徴とする走査型プローブ顕微鏡。