JPH109818A

JPH109818A - 光情報検出デバイス

Info

Publication number: JPH109818A
Application number: JP8164861A
Authority: JP
Inventors: Keiji Matsuura; 恵二松浦
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-06-25
Filing date: 1996-06-25
Publication date: 1998-01-16

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】被検物体からの反射光量が比較的小さい場合に
も、被検物体の微小な傾斜を検出できるようにする。【解決手段】光源１と、光入射用シングルモードチャネ
ル導波路２と、他端に光が入出射する入出射端面６を有
するダブルモードチャネル光導波路５と、入出射端面６
から出射して被検物体１０で反射し、再度前記ダブルモ
ードチャネル導波路５を伝搬する光を分配する分岐領域
４と、光分配用チャネル導波路１１、１２と、光検出器
１３、１４とを有し、ダブルモードチャネル導波路５お
よび２本の光分配用チャネル導波路１１、１２はＴＥモ
ードの光とＴＭモードの光を伝搬し、光入射用シングル
モードチャネル導波路はＴＥモードあるいはＴＭモード
のどちらか一方の光のみを伝搬するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダブルモードチャ
ネル導波路における０次モードの光と１次モードの光と
のモード干渉を利用して入射光の光情報検出を行う光情
報検出デバイスおよびそれを用いたモード干渉型レーザ
走査顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信の分野を中心として基板上
に形成した光導波路の利用が行われている。このような
光導波路を全く新しい分野へ応用したものとしては、ダ
ブルモードチャネル導波路におけるモード干渉現象を利
用した光情報検出デバイスがあり、様々な応用分野が考
えられる有用なデバイスとして各方面の注目を集めてい
る。その基本原理およびレーザー走査顕微鏡への応用に
ついては、H.Ooki and J.Iwasaki,Opt.Commun. 85(199
1)177-182および特開平4-208913号公報に詳述されてい
る。また、光ピックアップへの応用については、特開平
4-208913号公報に詳述されている。

【０００３】これらの発明に用いられている光情報検出
デバイスの基本的な構造を図３に示す。入射端面２０に
入射する光に応じて、０次モードの光と１次モードの光
とを励振するダブルモードチャネル導波路２１とダブル
モードチャネル導波路２１に接続されている分岐領域２
２と分岐領域２２で分配された光を伝搬する２本の光分
配用シングルモードチャネル導波路２３、２４と光分配
用シングルモードチャネル導波路２３、２４からの出射
光を検出する光検出器２５、２６とから構成されてい
る。図３ではダブルモードチャネル導波路２１を伝搬す
る光の強度分布を検出するために光分配用シングルモー
ドチャネル導波路２３、２４に光を分配してそれぞれの
出射光を光検出器２５、２６で検出しているが、これは
光分配用のシングルモードチャネル導波路を設けずにダ
ブルモードチャネル導波路２１に直接、２分割の光検出
器または光検出用のアレー等を接続してダブルモードチ
ャネル導波路２１からの出射光を直接検出しても同様に
光の強度分布を検出することができる。

【０００４】このような構造の光情報検出デバイスにお
いて、ダブルモードチャネル導波路２１内の光強度分布
の非対称性をもたらすものとして、２つの要素が考えら
れる。ひとつは入射光の強度分布に非対称性がある場合
であり、もうひとつは入射光の位相分布に非対称性があ
る場合である。ダブルモード領域の長さを適当に選べ
ば、いずれの場合の非対称性も効率よく検出できる。強
度分布の非対称性は、被検物体の光の反射率の分布等を
観察することができ、位相分布の非対称性は被検物体の
傾斜、段差または高さの分布等を観察することができ
る。

【０００５】図４に示す従来の光情報検出デバイスは、
光源一体型３分岐導波路デバイスであり、光源３０から
出射した光は光入射用シングルモードチャネル導波路３
１を伝搬し、分岐領域３２、ダブルモードチャネル導波
路３３を経て、入出射端面３４から出射される。入出射
端面３４から出射した光が被検物体に集光される集光光
学系が共焦点光学系の場合、被検物体からの反射光は入
出射端面３４に完全再結合される。被検物体の表面上に
上述の非対称性をもたらす分布が存在するとき、上述の
２分岐型導波路の場合と同様に、光検出器３７、３８の
出力から被検物体の強度分布、あるいは位相分布を観察
することができる。

【０００６】ダブルモード領域の長さとは、ダブルモー
ドチャネル導波路の実質的長さである。例えば、図３の
ようにダブルモードチャネル導波路２１に分岐領域２２
で２本の光分配用シングルモードチャネル導波路２３、
２４が接続されている場合、２本の光分配用シングルモ
ードチャネル導波路の間があまり離れていない領域で
は、２本の光分配用シングルモードチャネル導波路の間
で光結合が起こり、この領域では光がダブルモードで伝
搬することがある。従って、ダブルモード領域の長さと
は、光が実質的にダブルモードで伝搬している長さをい
う。

【０００７】ダブルモード領域の長さＬが、完全結合長
（０次モードの光と１次モードの光との位相差がπとな
る長さ）をＬ_Cとしたとき、

【０００８】

【数１】Ｌ＝Ｌ_C（ｍ＋１／２）（ｍ＝０、１、２、・・・）（１）で表される長さの時は、入射端に入射した光スポット内
の位相の傾きα（位相情報）のみを検出することがで
き、また、

【０００９】

【数２】Ｌ＝ｍＬ_C （ｍ＝１、２、・・・）（２）で表される長さの時は、入射端に入射した光スポット内
の振幅の傾きａ（振幅情報）のみを検出することができ
る。図３に示される２つの光検出器の一方から得られる
信号強度Ｉ₀ は、ダブルモード領域の長さが（１）式の
場合と（２）式の場合でそれぞれ次のように記述され
る。

【００１０】（１）式の場合

【００１１】

【数３】Ｉ₀＝Ｃ₀ ²＋（−１）^m２αＣ₀Ｃ₁ （３）（２）式の場合

【００１２】

【数４】Ｉ₀＝Ｃ₀ ²−（−１）^m２ａＣ₀Ｃ₁ （４）ここで定数Ｃ₀、Ｃ₁は、前記ダブルモードチャネル導波
路中を励振する０次モードの光及び１次モードの光の振
幅に比例する値（励振効率）をそれぞれ表す。また、ダ
ブルモードチャネル導波路に入射する光の位相情報と振
幅情報の両者を観察したい場合は、ダブルモード領域の
長さを式（１）及び式（２）で表される長さ以外の適度
な長さにすれば良い。このとき、光検出器から得られる
信号強度Ｉ₀ は、ダブルモード領域の長さに応じて式
（３）と式（４）を一定の割合で足した強度となる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述のような３分岐型
の光情報検出デバイスでは、被検物体からの反射光量の
内の一部が光入射用シングルモードチャネル導波路３１
に抜けてしまう。光入射用シングルモードチャネル導波
路３１に導かれる光の多くは０次モードの光であるが、
反射光量が比較的大きい場合には、０次モードの光を抜
くことにより、Ｓ／Ｎ比を向上させる効果がある。しか
しながら、被検物体からの反射光量が比較的小さい場合
には、光入射用シングルモードチャネル導波路に光が抜
けてしまうと、信号光量自体が小さくなり、結果とし
て、被検物体の微小な傾斜が検出できないという問題が
あった。

【００１４】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は光源
と、光源からの光を伝搬する光入射用シングルモードチ
ャネル導波路と、シングルモードチャネル光導波路に一
端が接続され、光入出射用シングルモードチャネル導波
路を伝搬する光を伝搬し、他端に光が入出射する入出射
端面を有するダブルモードチャネル光導波路と、入出射
端面から出射して被検物体で反射し、再度前記ダブルモ
ードチャネル導波路を伝搬する光を分配する分岐領域
と、分岐領域で分岐された光をそれぞれ伝搬する２本の
光分配用チャネル導波路と、２本の光分配用チャネル導
波路を伝搬する光を検出する光検出器とを有し、光検出
器の出力から前記被検物体の表面情報を検出する光情報
検出デバイスにおいて、ダブルモードチャネル導波路お
よび２本の光分配用チャネル導波路はＴＥモードの光と
ＴＭモードの光を伝搬し、光入射用シングルモードチャ
ネル導波路はＴＥモードあるいはＴＭモードのどちらか
一方の光のみを伝搬するようにする（請求項１）。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明者らは、図４に示される従
来の光情報検出デバイスにおいて、被検物体からの反射
光量の一部が光入射用シングルモードチャネル導波路３
１に導かれ、反射光量が比較的小さい場合には、信号光
量自体が小さくなってしまうことを見いだした。

【００１６】シングルモードチャネル導波路３１に導か
れる光は分岐点３２の近傍においてダブルモードチャネ
ル導波路３３の中心付近を伝搬している光である。一般
に０次モードの光の振幅強度はダブルモードチャネル導
波路の中心付近が最大となり、１次モードの光の振幅強
度はダブルモードチャネル導波路の両端付近で最大とな
る。従って、ダブルモードチャネル導波路の中心付近を
伝搬する光の殆どは０次モードの光となる。ここで、式
（３）或いは式（４）のＣ₀ ²の項はオフセット成分で有
り他の項は信号成分である。つまり、シングルモードチ
ャネル導波路３１に０次モードの光が導かれることによ
り、信号成分とは関係のないＣ₀ ²の項を減らすことがで
きる。しかし、０次モードの光が減るということは、式
（３）または式（４）のＣ₀ ²の項（オフセット成分）が
小さくなるとともに、式（３）の（−１）^m２αＣ₀Ｃ₁
または式（４）の（−１）^m２ａＣ₀Ｃ₁の項（信号成
分）も小さくなるので、信号光量が小さくなってしま
う。反射光量が比較的大きい場合には、Ｃ₀ ²の項が小さ
くなる効果が支配的となり、結果としてＳ／Ｎ比が向上
するという効果があるが、反射光量が比較的小さい場合
には、信号光量が小さくなる効果が支配的となり、結果
として被検物体の微小な傾斜が検出できなくなるのであ
る。そこで、本発明では被検物体で反射した反射光を光
入射用のチャネル導波路に入射させないようにした。

【００１７】図１は、本発明の第１の実施の形態を示す
概略構成図であり、光情報検出デバイスをモード干渉型
レーザ走査顕微鏡に用いたものである。モード干渉型レ
ーザ走査顕微鏡では、直線偏光レーザ光源１は、レーザ
光が光入射用シングルモードチャネル導波路２に最も効
率良く結合するようにニオブ酸リチウム基板３に接続さ
れ、導波光がＴＥモードとなるように配置した。直線偏
光レーザ光源１から出射した光は、光入射用シングルモ
ードチャネル導波路２を伝搬し、分岐領域４を経て、基
幹ダブルモードチャネル導波路５に導かれ、入出射端面
６から出射される。入出射端面６から出射した光は、４
分の１波長板７、ＸＹ走査手段８、レンズ９を通り、被
検物体１０の表面上に集光される。被検物体１０の表面
で反射された光は、再びレンズ９、ＸＹ走査手段８、４
分の１波長板７を通り、基幹ダブルモードチャネル導波
路５に入射する。ここで、基幹ダブルモードチャネル導
波路５および光分配用シングルモードチャネル導波路１
１、１２は、Ｘカットのニオブ酸リチウム基板３にＴｉ
拡散を行うことによって形成し、光入射用シングルモー
ドチャネル導波路２はプロトン交換を行い、その後アニ
ールを施すことによって形成し、導波光の伝搬方向が結
晶軸のＹ軸に並行となるようにした。基幹ダブルモード
チャネル導波路５の幅は７μｍとし、光分配用シングル
モードチャネル導波路１１、１２、および光入射用シン
グルモードチャネル導波路２の幅は４μｍとした。基幹
ダブルモードチャネル導波路５の領域では、Ｔｉ拡散ダ
ブルモードチャネル導波路５と光入射用プロトン交換シ
ングルモードチャネル導波路２のそれぞれの中心線が一
致するように重ねて形成した。

【００１８】光情報検出デバイスと被検物体１０の間に
４分の１波長板７があるために、被検物体１０からの反
射光の偏光方向は、光情報検出デバイスの出射光の偏光
方向と垂直になるように変換され、被検物体１０からの
反射光は基幹ダブルモードチャネル導波路５内でＴＭモ
ードの光を励振する。被検物体１０からの反射光は、被
検物体１０上に集光したスポット内での段差または反射
率の変化に応じて、基幹ダブルモードチャネル導波路５
内で０次モードの光及び１次モードの光を励振し、モー
ド干渉しながら伝搬し、分岐領域４で光分配用枝チャネ
ル導波路１１、１２に分岐される。光入射用シングルモ
ードチャネル導波路２はＴＥモード（異常光）のみ伝搬
するので、ＴＭモード（常光）である反射光は、分岐領
域４で光入射用シングルモードチャネル導波路２に抜け
ることなく、２本の光分配用シングルモードチャネル導
波路１１、１２に分岐される。２本の光分配用シングル
モードチャネル導波路１１、１２の導波路端に取り付け
られた光検出器１３、１４から得られた減算回路１５の
出力から、反射率の比較的低い被検物体１０の微視的傾
斜を検出することができた。

【００１９】図２は、本発明の第２の実施の形態による
光情報検出デバイスをモード干渉型レーザ走査顕微鏡に
用いた概略構成図である。尚、第１の実施形態と同様な
ものについては同じ符号を付して説明を省略する。第２
の実施形態の構成は、第１の実施形態の構成とほぼ同じ
である。モード干渉型レーザ走査顕微鏡では、直線偏光
レーザ光源１は、レーザ光が光入射用シングルモードチ
ャネル導波路２に最も効率良く結合するようにニオブ酸
リチウム基板３に接続され、導波光がＴＥモードとなる
ように配置した。直線偏光レーザ光源１から出射した光
は、光入射用シングルモードチャネル導波路２を伝搬
し、分岐領域４を経て、基幹ダブルモードチャネル導波
路５に導かれ、入出射端面６から出射される。端面６か
ら出射した光は、４分の１波長板７、ＸＹ走査手段８、
レンズ９を通り、被検物体１０の表面上に集光される。
被検物体１０の表面で反射された光は再びレンズ９、Ｘ
Ｙ走査手段８、４分の１波長板７を通り、基幹ダブルモ
ードチャネル導波路５に入射する。基幹ダブルモードチ
ャネル導波路５及び光分配用の枝チャネル導波路１１、
１２は、Ｘカットのニオブ酸リチウム基板３にＴｉ拡散
を行うことによって形成し、光入射用シングルモードチ
ャネル導波路２はプロトン交換を行い、その後アニール
を施すことによって形成し、導波光の伝搬方向がＹ軸に
並行となるようにした。基幹ダブルモードチャネル導波
路５の幅は７μｍとし、光分配用枝チャネル導波路１
１、１２、および光入射用シングルモードチャネル導波
路２の幅は４μｍとした。光入射用シングルモードチャ
ネル導波路２は、テーパ状に分岐領域４に接続され、そ
の中心線が基幹ダブルモードチャネル導波路５の中心線
と一致するように形成した。

【００２０】第１の実施形態の場合と同様に、被検物体
１０からの反射光は光情報検出デバイスの出射光と偏光
方向が垂直になるように変換され、被検物体１０からの
反射光は基幹ダブルモードチャネル導波路内でＴＭモー
ドの光を励振する。被検物体１０からの反射光は、被検
物体１０上に集光したスポット内での段差または反射率
の変化に応じて、基幹ダブルモード導波路内で０次モー
ドの光及び１次モードの光を励振し、モード干渉しなが
ら伝搬し、分岐領域４で光分配用枝チャネル導波路１
１、１２に分岐される。光入射用シングルモードチャネ
ル導波路２はＴＥモード（異常光）のみ伝搬するので、
ＴＭモード（常光）である反射光は、分岐領域４で光入
射用シングルモードチャネル導波路２に抜けることな
く、２本の光分配用シングルモードチャネル導波路１
１、１２に分岐される。２本の光分配用シングルモード
チャネル導波路１１、１２の導波路端に取り付けられた
光検出器１３、１４から得られた減算回路１５の出力か
ら、反射率の比較的低い被検物体１０の微視的傾斜を検
出することができた。

【００２１】尚、上述の実施形態では、直線偏光レーザ
光源１を基板３に直接接続しているが、レンズを用いて
レーザ光を光入射用シングルモードチャネル導波路２に
結合させてもかまわない。尚、上述の第１、第２の実施
形態では、Ｘカットのニオブ酸リチウム基板を用いてい
るが、基板としてＺカットのニオブ酸リチウム基板を用
い、導波路の伝搬方向を結晶軸のＸ軸と並行とし、直線
偏光レーザー光源がＴＭモードの光を励振するような構
成にしても同様の結果が得られる。

【００２２】また、図１、２には図示していないが、減
算回路１５からの出力を画像制御手段に入力して、この
画像制御手段によって被検物体１０上の光の反射分布ま
たは段差等をモニター上に映像化してもよい。また、Ｘ
Ｙ走査手段８を用いて、レンズ９によって被検物体１０
に集光される光スポットをＸＹ方向に走査するとき、光
スポットの位置を不図示の画像制御手段に記憶させてお
き、同時に光スポットの位置に対応する減算回路１５か
らの信号も画像制御手段に入力しておき、光スポットの
位置に対応する被検物体１０の光の反射分布または段差
等をモニター上に映像化することで、被検物体１０の全
体像を得ることもできる。

【００２３】尚、図１、２には図示していないが、導波
路近傍に電圧印加用の電極を設け、ニオブ酸リチウム基
板の電気光学効果を用いて、光情報検出デバイスのダブ
ルモード領域の長さを等価的に変化させ、被検物体の特
性に応じた最良のコントラストの画像を得ることができ
る。以上のようにして、光入射用シングルモード導波路
として、ＴＥモードあるいはＴＭモードのどちらか一方
の光のみを伝搬する導波路を用い、入射光と反射光の偏
光を変換することで、比較的反射率の低い被検物体の微
視的な段差、あるいは反射率の変化を検出することがで
きた。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、ＴＥモードあるいはＴ
Ｍモードのどちらか一方の偏光モードのみを伝搬する光
入射用シングルモードチャネル導波路を含む光情報検出
デバイスを用い、光情報検出デバイスと被検物体の間に
４分の１波長板を挿入して入射光と反射光の偏光を垂直
に変換することで、反射光の信号成分減少を大幅に抑制
し、反射率の比較的低い被検物体の微視的傾斜を検出す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による光情報検出デバ
イスを用いたモード干渉型レーザ走査顕微鏡を示す概略
構成図である。

【図２】本発明の第２の実施形態による光情報検出デバ
イスを用いたモード干渉型レーザ走査顕微鏡を示す概略
構成図である。

【図３】従来の光情報検出デバイスを示す概略構成図で
ある。

【図４】従来の光情報検出デバイスを示す概略構成図で
ある。

【符号の説明】

１、３０・・・レーザ光源２、３１・・・光入射用シングルモードチャネル導波路３・・・ニオブ酸リチウム基板４、２２、３２・・・分岐領域５、２１、３３・・・基幹ダブルモードチャネル導波路６、２０、３４・・・入出射端面７・・・４分の１波長板８・・・ＸＹ走査装置９・・・レンズ１０・・・被検物体１１、１２、２３、２４、３５、３６・・・光分配用シ
ングルモードチャネル導波路１３、１４、２５、２６、３７、３８・・・光検出器１５・・・減算回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、該光源からの光を伝搬する光入射
用シングルモードチャネル導波路と、該シングルモード
チャネル光導波路に一端が接続され、該光入出射用シン
グルモードチャネル導波路を伝搬する光を伝搬し、他端
に光が入出射する入出射端面を有するダブルモードチャ
ネル光導波路と、該入出射端面から出射して被検物体で
反射し、再度前記ダブルモードチャネル導波路を伝搬す
る光を分配する分岐領域と、前記分岐領域で分岐された
光をそれぞれ伝搬する２本の光分配用チャネル導波路
と、該２本の光分配用チャネル導波路を伝搬する光を検
出する光検出器とを有し、該光検出器の出力から前記被
検物体の表面情報を検出する光情報検出デバイスにおい
て、前記ダブルモードチャネル導波路および前記２本の光分
配用チャネル導波路はＴＥモードの光とＴＭモードの光
を伝搬し、前記光入射用シングルモードチャネル導波路
はＴＥモードあるいはＴＭモードのどちらか一方の光の
みを伝搬することを特徴とする光情報検出デバイス。
【請求項２】前記光入射用シングルモードチャネル導波
路はテーパ状に前記ダブルモードチャネル導波路に接続
されることを特徴とする請求項１記載の光情報検出デバ
イス。
【請求項３】前記光入射用シングルモードチャネル導波
路の中心線と前記ダブルモードチャネル導波路の中心線
とは略一致していることを特徴とする請求項１または２
に記載の光情報検出デバイス。
【請求項４】前記被検物体と前記入出射端面との間に配
置された１／４波長板を有することを特徴とする請求項
１、２または３に記載の光情報検出デバイス。