WO2011033925A1 - 近接場プローブ、および近接場導入・検出装置 - Google Patents

近接場プローブ、および近接場導入・検出装置 Download PDF

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WO2011033925A1
WO2011033925A1 PCT/JP2010/064687 JP2010064687W WO2011033925A1 WO 2011033925 A1 WO2011033925 A1 WO 2011033925A1 JP 2010064687 W JP2010064687 W JP 2010064687W WO 2011033925 A1 WO2011033925 A1 WO 2011033925A1
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耕 大澤
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コニカミノルタオプト株式会社
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    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • G—PHYSICS
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/107—Subwavelength-diameter waveguides, e.g. nanowires
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1226—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths involving surface plasmon interaction

Definitions

  • the present invention relates to a near-field probe and a near-field introduction / detection device using the near-field probe.
  • near-field probes that can be used for introduction and detection of near-field light are known (for example, Patent Documents 1 and 2).
  • the near-field probe can irradiate a minute region with light or detect a minute light spot of about several tens of nm. Therefore, the near-field probe is used as an irradiating unit for irradiating the sample with light and / or as a condensing unit for collecting near-field light in the vicinity of the sample in a scanning near-field microscope (SNOM: Scanning Near-Field Optical Microscope). Can be used.
  • SNOM Scanning Near-Field Optical Microscope
  • Patent Document 1 discloses a technique for achieving a resolution of several nanometers by using needle-like silicon and further thinning the tip of a silicon fine wire waveguide.
  • Patent Document 2 discloses a technique for improving sensitivity to a plurality of wavelengths and using a plurality of plasmon heads to improve sensitivity to a plurality of polarizations.
  • Patent Document 1 does not mention the principle of performing measurement with a good S / N ratio by selecting a specific wavelength. That is, Patent Document 1 does not describe a specific method for improving the sensitivity to a specific polarization.
  • Patent Document 2 does not describe how to arrange a plurality of plasmon heads with respect to the high refractive index difference waveguide.
  • an object of the present invention is to provide a near-field probe and a near-field introduction / detection device that can satisfactorily form and detect a near-field.
  • the invention of claim 1 is the near-field probe, wherein the optical waveguide having a cladding and a core having a higher refractive index than the cladding, It comprises a plurality of micro metal structures arranged so as to straddle the boundary between the core and the clad.
  • the invention of claim 2 is characterized in that, in the near-field probe according to claim 1, the sizes of the minute metal structures are different from each other.
  • the invention according to claim 3 is the near-field probe according to claim 1 or 2, wherein each of the minute metal structures is disposed so as to straddle a non-parallel core-cladding boundary.
  • the optical waveguide has a low refractive index that introduces light from the outside via a spot size conversion waveguide. It is characterized by being coupled to a difference waveguide.
  • the invention of claim 5 is a near-field introduction / detection device, comprising the near-field probe according to any one of claims 1 to 4.
  • the refractive index of the core of the optical waveguide is higher than the refractive index of the cladding, and the optical waveguide forms a high refractive index difference waveguide.
  • the electric field can be concentrated along the core-cladding boundary.
  • a plurality of fine metal structures are provided on the front end side of the optical waveguide so as to straddle the core-cladding boundary.
  • the near-field probe and the near-field introduction / detection device including the near-field probe can introduce a near field well from a plurality of minute metal structures toward the sample, and the near-field light having the same phase can be introduced at a plurality of locations. It can be excited well.
  • the near-field probe and the near-field introduction / detection apparatus including the near-field probe can detect the near-field light scattered by the sample satisfactorily using a plurality of minute metal structures.
  • fine metal structures having different sizes are used.
  • the light of the wavelength according to the size of each fine metal structure can be detected with high sensitivity. Therefore, a near-field probe with increased wavelength sensitivity can be configured.
  • the coupling efficiency between the high refractive index difference waveguide and the low refractive index difference waveguide can be improved. Therefore, it is possible to improve the irradiation efficiency of near-field light irradiated from the near-field probe and improve the detection efficiency of near-field light (scattered light) detected by the near-field probe.
  • the near-field probe according to any one of claims 1 to 4 is used.
  • the sample can be irradiated with near-field light well, and the near-field light scattered by the sample can be detected well.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line VI-VI in FIG. 2.
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line VII-VII in FIG. 2.
  • FIG. 6 is a sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. 5.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of a normalized electric field Z component distribution in the XY plane of FIG. 6.
  • 7 is a graph showing an example of a normalized distribution of a magnetic field Y component in the XY plane of FIG. 6. It is a graph which shows the relationship between the X coordinate on the line segment L5 of FIG. 13, and the normalized magnetic field Y component. It is a graph which shows the relationship between the normalized magnetic field Y component on the line segment L6 of FIG. 13, and a Y coordinate. 7 is a graph showing an example of a normalized distribution of a magnetic field Z component in the XY plane of FIG. 6. It is a graph which shows the relationship between the X coordinate on the line segment L7 of FIG. 16, and the normalized magnetic field Z component. It is a graph which shows the relationship between the normalized magnetic field Z component on the line segment L8 of FIG.
  • FIG. 23 is a graph showing the relationship between the resonance wavelength of a minute metal structure and the height of the minute metal structure when a minute metal structure is arranged as in FIG. 22.
  • FIG. 24 is a graph showing the relationship between the resonance wavelength of the fine metal structure and the height of the fine metal structure when the fine metal structure is arranged as shown in FIG. It is a perspective view which shows an example of a structure of the near-field probe in the 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of the near-field microscope 1 in the present embodiment.
  • the near-field microscope 1 is an apparatus that observes the measurement object 5 (sample) with a resolution higher than the diffraction limit of light by using near-field light.
  • a near-field introduction / detection device that introduces near-field light to the measurement object 5 and detects near-field light scattered by the measurement object 5 is used.
  • the near-field microscope 1 mainly includes an excitation light source 10, a light detection unit 20, a near-field probe 30, a light guide system 60, an XYZ stage 70, a stage controller 80, and main control.
  • Part 90. 1 and the subsequent drawings have an XYZ orthogonal coordinate system in which the Z-axis direction is a vertical direction and the XY plane is a horizontal plane, as necessary, in order to clarify the directional relationship. .
  • the excitation light source 10 is optically connected to the near-field probe 30 via the light guide system 60.
  • the excitation light source 10 supplies excitation light Le to the near-field probe 30.
  • the wavelength of the excitation light Le emitted from the excitation light source 10 is arbitrary from ultraviolet to visible light to near infrared to infrared, but in the present embodiment, a communication wavelength band (for example, wavelength 1.5 ⁇ m) ) Excitation light Le is used.
  • the light detection unit 20 is optically connected to the near-field probe 30 via the light guide system 60.
  • the light detection unit 20 converts the measured light Lm detected by the near-field probe 30 into an electrical signal corresponding to the light intensity.
  • the near-field probe 30 is disposed above the XYZ stage 70 as shown in FIG.
  • the near-field probe 30 generates near-field light based on the excitation light Le at the tip, and detects the measured light Lm that is scattered and propagated by the measurement object 5 placed in the near-field light. To do.
  • the light guide system 60 introduces the excitation light Le supplied from the excitation light source 10 into the near-field probe 30 and introduces the measured light Lm supplied from the near-field probe 30 into the light detection unit 20.
  • the light guide system 60 mainly includes a beam splitter 61, a phase plate 62, mirrors 63 and 65, and an optical fiber 64.
  • the beam splitter 61 is an optical element that divides an optical path by reflecting and transmitting light.
  • the beam splitter 61 also functions as a polarizer that selectively transmits linearly polarized light having a vibration surface in a specific direction, and converts the excitation light Le emitted from the excitation light source 10 into linearly polarized light.
  • the phase plate 62 is an element having a function of a so-called wave plate, and causes a phase difference between orthogonal polarization components (for example, an X-axis direction component and a Z-axis direction component).
  • a quarter-wave plate that causes a phase difference of ⁇ / 2 (quarter wavelength) between both polarization components may be used.
  • the excitation light Le that has passed through the beam splitter 61 is linearly polarized by the phase plate 62.
  • the excitation light Le converted into circularly polarized light is reflected by the mirror 63 and introduced into the outer core 35 of the near-field probe 30 via the optical fiber 64.
  • the optical fiber 64 is preferably a polarization-maintaining fiber that preserves circularly polarized light.
  • the measured light Lm detected by the near-field probe 30 and supplied to the light guide system 60 is converted from circularly polarized light to linearly polarized light orthogonal to the excitation light Le by the phase plate 62.
  • the measured light Lm that has reached the beam splitter 61 is reflected by the beam splitter 61 without passing through the beam splitter 61.
  • the light to be measured Lm reflected by the beam splitter 61 is reflected by the mirror 65 and introduced into the light detection unit 20.
  • the optical fiber 64 of the present embodiment for example, a single mode optical fiber used in optical communication is adopted, and as a material for forming a core, SiO 2 doped with Ge forms a cladding. As a material for this, SiO 2 is used.
  • the optical fiber 64 of the present embodiment is designed so that the relative refractive index difference ⁇ represented by the formula (1) is about 0.003, and is used as a low refractive index difference waveguide.
  • the XYZ stage 70 has a mounting table 70a, and moves the measurement object 5 mounted on the mounting table 70a up and down, right and left, and up and down, for example.
  • the stage controller 80 outputs a control signal corresponding to the amount of movement of the XYZ stage 70 in each direction (front-rear direction (substantially X-axis direction), left-right direction (substantially Y-axis direction), and upper-lower direction (substantially Z-axis direction)). Transmit to the XYZ stage 70. Therefore, when the mounting table 70a of the XYZ stage 70 is moved based on the control signal, the near-field probe 30 can scan the surface of the measurement object 5.
  • the distance between the surface of the measurement object 5 and the tip of the near-field probe 30 is shear force controlled, and is, for example, about 20 nm (allowable including 20 nm). Within range).
  • the mounting table 70a is described as moving with respect to the near-field probe 30, but the present invention is not limited to this.
  • a configuration in which the mounting table 70a of the XYZ stage 70 is stationary and the near-field probe 30 moves back and forth, right and left, and up and down with respect to the mounting table 70a may be employed. That is, it is sufficient that either one of the mounting table 70a or the near-field probe 30 moves relative to the other.
  • the phase plate 62 may not be used, and a polarization plane preserving fiber may be used for the optical fiber 64, and the excitation light Le may be incident on the near-field probe 30 as linearly polarized light.
  • the beam splitter 61 may be a non-polarizing beam splitter that does not have polarization dependency.
  • the main control unit 90 is electrically connected to the excitation light source 10, the light detection unit 20, and the stage controller 80, and mainly includes a memory 91 and a CPU 92.
  • the memory 91 is a volatile or nonvolatile storage unit, and stores programs, data, and the like.
  • a CPU (Central Processing Unit) 92 controls the operation status of the XYZ stage 70 via the excitation light source 10, the light detection unit 20, and the stage controller 80 in accordance with a program stored in the memory 91. Therefore, the main control unit 90 causes the process of emitting the excitation light Le from the excitation light source 10 and the process of converting the measured light Lm into an electrical signal by the light detection unit 20 at a desired timing.
  • Configuration of near-field probe> 2 and 3 are perspective views showing an example of the configuration of the near-field probe 30 in the present embodiment.
  • 4 is a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG.
  • FIG. 5 is a sectional view taken along line VII-VII in FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
  • the near-field probe 30 has a function of exciting near-field light and a function of detecting near-field light scattered by the measurement object 5.
  • the near-field probe 30 mainly includes a substrate 31, a lower clad 32, an upper clad 33, an outer core 35, a thin wire core 40, and a plasmon head 50 (50a, 50b). And have.
  • the optical waveguide 30 a is configured by the lower and upper clads 32 and 33 and the thin wire core 40 among the elements of the near-field probe 30 described above.
  • the lower cladding 32 is a substantially rectangular SiO 2 layer when viewed from the front, and is laminated on a substrate 31 made of Si.
  • the upper clad 33 is a SiO 2 layer having a substantially rectangular shape when viewed from the front, like the lower clad 32.
  • the upper clad 33 is laminated on the lower clad 32 so as to sandwich the outer core 35 and the fine wire core 40.
  • the “front view” in the present embodiment refers to a case where the YZ plane is viewed in the negative X-axis direction.
  • the outer core 35 is a coupling portion that optically couples the optical fiber 64 of the light guide system 60 and the thin wire core 40 of the near-field probe 30 as shown in FIGS. 1 and 3 to 5.
  • the outer core 35 is made of, for example, SiOx.
  • the outer core 35 is disposed on the lower clad 32 and is formed as a substantially rectangular parallelepiped extending in the Z-axis direction.
  • the thin wire core 40 is a substantially columnar body that is disposed on the lower cladding 32 and extends in the Z-axis direction.
  • the thin wire core 40 is made of, for example, Si.
  • the thin wire core 40 has a member (tip column) on the front end 40a side that is substantially rectangular in front view and a tapered shape in front view, and extends from the front end 40a to the rear end 40b. And a member (rear end column) on the rear end 40b side that becomes narrower toward the rear.
  • the front end column body of the thin wire core 40 is sandwiched between the lower clad 32 and the upper clad 33, and the rear end column body is formed by the lower clad 32 and the outer core 35. It is sandwiched.
  • the thickness of the lower clad 32 (size of the lower clad 32 along the X-axis direction) is the height of the thin wire core 40 (size of the fine wire core 40 along the X-axis direction) from the viewpoint of optical coupling efficiency: It is preferably about the same as (corresponding to symbol Hc in FIG. 6).
  • the height of the thin wire core 40 is substantially constant (about 0.3 ⁇ m) for both the front end column and the rear end column.
  • the width of the thin wire core 40 (the size of the thin wire core 40 along the Y-axis direction and the short direction size in front view: corresponding to the reference symbol Wc in FIG. 6) is substantially constant (about 0). .3 ⁇ m).
  • the rear end column is gradually narrowed from the portion connected to the front end column (about 0.3 ⁇ m) toward the narrowest portion (0.1 ⁇ m or less) on the rear end 40b side.
  • the width (core width) Wc of the thin wire core 40 in the rear end column changes smoothly, and the outer core 35 has a mode field diameter of about 5 ⁇ m on the optical fiber 64 side and 0. It is well converted (enlarged or reduced) between about 3 ⁇ m.
  • the coupling efficiency between the optical waveguide 30a and the optical fiber 64 can be improved. Therefore, the irradiation efficiency of the near-field light introduced from the near-field probe 30 to the plasmon head 50 can be improved, and the detection efficiency of the scattered light detected by the near-field probe 30 can be improved.
  • the outer core 35 in the present embodiment can be used as a spot size conversion waveguide for converting the spot diameter (spot size) of the excitation light Le and the measured light Lm. Therefore, the optical fiber 64 and the near-field probe 30 can be coupled well. Further, in positioning of the optical fiber 64 with respect to the outer core 35, the allowable width of alignment can be increased.
  • the width and height of the thin wire core 40 in the vicinity of the tip 40a are smaller than the wavelength of the excitation light Le emitted from the excitation light source 10. Therefore, a near field is formed near the tip 40a of the optical waveguide 30a.
  • the basic performance of the near-field probe 30 is that the spot diameter of the irradiated near-field light can be set smaller.
  • the basic performance is that the optical waveguide 30a is a high refractive index difference waveguide (an optical waveguide having a large relative refractive index difference ⁇ ) in which light confinement can be performed well, and the mode field diameter is further reduced. Is realized.
  • the relative refractive index difference ⁇ is theoretically 0 ⁇ ⁇ 0.5 from the equation (1), but the value of the relative refractive index difference ⁇ in the optical waveguide 30a is 0.2 ⁇ ⁇ ⁇ 0. 5 is preferable.
  • the calculation of the single mode condition can be executed by using any one of methods such as an equivalent refractive index method, a finite difference method, and a finite element method in the case of a three-dimensional rectangular waveguide.
  • examples of the dielectric material used for the optical waveguide 30a include the following. Further, the numbers written in parentheses after each material (element symbol) indicate the refractive index of the corresponding material.
  • Si In the wavelength band (wavelength 1.5 ⁇ m band) of the excitation light Le emitted from the excitation light source 10, Si (3.48) is the lower material as the material of the thin wire core 40 (hereinafter simply referred to as “core material”).
  • core material As the material of the upper clads 32 and 33 (hereinafter simply referred to as “clad material”), SiOx (1.4 to 3.48), Al 2 O 3 (1.8), or the like can be used.
  • the value of the relative refractive index difference ⁇ can be designed in the range of 0.001 ⁇ ⁇ ⁇ 0.42.
  • the core material is GaAs (3.3) or Si (3.7)
  • the cladding material is Ta 2 O 5 (2.5) or SiOx (1.4).
  • To 3.7) etc. can be used respectively.
  • the value of the relative refractive index difference ⁇ can be designed in the range of 0.001 ⁇ ⁇ ⁇ 0.41.
  • high refractive index materials that can be used for other core materials include diamond (visible region); III-V semiconductors: AlGaAs (near infrared, red), GaN (green, blue), GaAsP ( Red, orange, blue), GaP (red, yellow, green), InGaN (blue green, blue), AlGaInP (orange, yellow orange, yellow, green); II-VI group semiconductor: ZnSe (blue).
  • low refractive index thin layer materials that can be used for other cladding materials include silicon carbide (SiC), calcium fluoride (CaF), silicon nitride (Si 3 N 4 ), titanium oxide (TiO 2 ), diamond (C And the like.
  • ⁇ can be freely designed to some extent by combining a plurality of materials such as TiO 2 , SiN, ZnS, or taking a photonic crystal structure.
  • the above-mentioned materials are appropriately selected so that the refractive index of the core material is about 3.5 and the relative refractive index difference ⁇ is about 0.4, so that the optical waveguide 30a is a high refractive index difference waveguide. Then, the mode field diameter of the optical waveguide 30a can be reduced to about 0.5 ⁇ m.
  • a plurality (two in the present embodiment) of the plasmon heads 50 (50a, 50b) have a minute metal structure provided in the vicinity of the tip 40a of the optical waveguide 30a, as shown in FIGS.
  • Each plasmon head 50 (50a, 50b) is formed, for example, by laminating Au in the Z-axis direction.
  • each plasmon head 50 (50a, 50b) in plan view has a substantially triangular shape. That is, each plasmon head 50 (50a, 50b) tapers from the thin wire core 40 side toward the upper clad 33 side in a plan view.
  • “plan view” in the present embodiment refers to a case where the XY plane is viewed in the negative Z-axis direction.
  • a vertex 51 a disposed on the far side of the thin wire core 40 is provided on the upper clad 33.
  • the apex 51b arranged on the far side of the thin wire core 40 among the plural (three in the present embodiment) apexes of the plasmon head 50b is provided on the upper clad 33.
  • the bases 52 a and 52 b corresponding to the vertices 51 a and 51 b are provided on the thin wire core 40.
  • the perpendicular line connecting the apex 51a and the base 52a is substantially parallel to the Y axis.
  • the perpendicular line connecting the vertex 51b and the base 52b is substantially parallel to the Y axis. That is, the plasmon head 50 (50a, 50b) is provided at a position facing each other with the fine wire core 40 interposed therebetween.
  • the plasmon head 50 (50a, 50b) is disposed so as to straddle the boundary between the upper clad 33 and the thin wire core 40 in a plan view on the distal end 40a side of the optical waveguide 30a. Further, in plan view, directions in which the thin wire core 40 is viewed from the vertices 51a and 51b of the plasmon heads 50 (50a and 50b) (corresponding to the X-axis positive direction and the negative direction, respectively) are substantially parallel to each other. Furthermore, the apex 51a of the plasmon head 50a is disposed on the opposite side of the apex 51b of the plasmon head 50b with the fine wire core 40 interposed therebetween.
  • a near field formed near the tip 40 a of the optical waveguide 30 a is introduced into the plasmon head 50, surface plasmons are excited on the surface of the plasmon head 50. Then, near-field light having a spot diameter of about several tens of nanometers is excited at the apexes 51a and 51b of the plasmon heads 50a and 50b.
  • the plasmon head 50 (50a, 50b) of the present embodiment further reduces the excitation light Le (mode field diameter: about 0.3 ⁇ m) in the thin wire core 40 to a spot diameter of about several tens of nm. It can be.
  • the combination of the outer core 35 (spot size conversion waveguide) and the plasmon head 50 can reduce the spot diameter of light (near field light) irradiated to the measurement object 5 to several tens of nm.
  • the near-field probe 30 of the present embodiment is manufactured by the following process, for example, by a semiconductor lithography technique.
  • the lower clad 32, the thin wire core 40, the outer core 35, and the upper clad 33 are laminated in the positive direction of the X axis.
  • the plasmon head 50 (50a, 50b) is stacked in the positive Z-axis direction.
  • SiO 2 is laminated on the Si substrate 31 in the positive direction of the X axis to form the lower clad 32.
  • Si is laminated on the lower clad 32 in the positive direction of the X axis to form the thin wire core 40.
  • SiOx is laminated in the X-axis positive direction so as to cover the rear end 40b of the tapered thin wire core 40, thereby forming the outer core 35. .
  • SiO 2 is laminated in the X-axis positive direction so as to cover the outer core 35 and the fine wire core 40, thereby forming the upper clad 33.
  • FIGS. 7 to 18 are graphs showing an example of mode analysis performed on the optical waveguide 30a of FIG.
  • the optimal arrangement of the plasmon head 50 is examined based on the electric field intensity on the optical waveguide 30a calculated by the mode analysis.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of the distribution of the normalized electric field Z component Ez in the XY plane.
  • FIG. 10 is a graph showing an example of the distribution of the normalized electric field X component Ex in the XY plane of FIG.
  • FIG. 13 is a graph showing an example of the distribution of the normalized magnetic field Y component Hy in the XY plane of FIG.
  • the normalization in FIGS. 13 to 15 is executed by dividing each value (absolute value) of the magnetic field Y component Hy by the maximum value (absolute value) of Hy.
  • FIG. 16 is a graph showing an example of the distribution of the normalized magnetic field Z component Hz in the XY plane of FIG.
  • a finite difference method (FDM) is used as a mode analysis method.
  • FDM finite difference method
  • modal analysis (1) The wavelength of the excitation light Le introduced into the optical waveguide 30a is 1.5 ⁇ m, (2) The width Wc (see FIG. 6) of the thin wire core 40 is 300 nm, (3) The height Hc (see FIG.
  • the material of the lower clad 32 is SiO 2 (refractive index: 1.44), (5) The material of the upper clad 33 is SiO 2 (refractive index: 1.44), (6) The material of the thin wire core 40 is Si (refractive index: 3.48), (7)
  • the electric field component of the excitation light Le introduced into the optical waveguide 30a oscillates in the ZX plane (that is, the excitation light Le oscillates only in the direction parallel to the incident surface and is p-polarized. As a result, the calculation was executed.
  • the optical waveguide 30a satisfies the single mode condition. That is, the optical waveguide 30a is a TM mode single mode waveguide and is suitable for high-speed signal transmission. In this case, the relative refractive index difference ⁇ of the optical waveguide 30a is 0.41, which is a high refractive index difference waveguide.
  • the electric field strength on the fine wire core 40 side is “E core ”
  • the electric field strength on the lower and upper clads 32 and 33 side is “E clad ”
  • the refractive index of the fine wire core 40 is “n core ”
  • the lower and upper clad 32. , 33 is set to “n clad ”
  • the equation (2) is established from the boundary condition of the electric flux density.
  • Equation (3) the range of relative refractive index difference ⁇ for concentrating the electric field on the lower and upper claddings 32 and 33 side is obtained (Equation (4)).
  • the electric field component of the excitation light Le is a) the portion on the lower and upper clad 32, 33 side from the core-clad boundary, and b) It concentrates on the part along the direction perpendicular to the vibration surface.
  • FIG. 19 and 20 are diagrams for illustrating an analysis example regarding the arrangement of the plasmon head 50.
  • FIG. 19 shows the normalized electric field strength of the near-field light at the vertex 51 when the distance between the boundary between the lower cladding 32 and the thin wire core 40 and the vertex 51 of the plasmon head 50 is ⁇ X. It is a graph which shows the relationship between the calculated value of EI, and distance (DELTA) X.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining the distance ⁇ X in FIG.
  • the finite difference time domain method (FDTD method: Finite Difference Time Domain Method) is used as an analysis method.
  • the material constituting the plasmon head 50 is Au
  • the thickness (size along the Z-axis direction) of the plasmon head 50 is 40 nm
  • the shape of the plasmon head 50 is a substantially isosceles triangle whose angle at the vertex 51 is 40 (deg)
  • the length L (see FIG. 20) of the perpendicular line dropped from the apex 51 of the plasmon head 50 to the base 52 is 300 nm or 500 nm
  • the wavelength ⁇ of light introduced into the optical waveguide 30a is 1.5 ⁇ m
  • the width Wc see FIG.
  • the thickness Hc (see FIG. 6) of the thin wire core 40 is 300 nm, (7) The height Hc (see FIG. 6) of the thin wire core 40 is 300 nm, (8) The material of the lower clad 32 is SiO 2 (refractive index: 1.44), (9) The material of the upper clad 33 is SiO 2 (refractive index: 1.44), (10) The material of the thin wire core 40 is Si (refractive index: 3.48), (11) The calculation based on the FDTD method is performed on the assumption that the electric field component of the excitation light Le introduced into the optical waveguide 30a vibrates in the ZX plane (that is, the excitation light Le is p-polarized).
  • each value of the normalized electric field strength EI is the electric field strength of the near field formed near the apex 51 of the plasmon head 50, and the tip of the optical waveguide 30a when the plasmon head 50 is not provided. It is obtained by dividing by the electric field strength of the near field formed in the vicinity of 40a.
  • the plasmon head 50 is arranged at the boundary between the upper clad 33 and the thin wire core 40.
  • the maximum value of the normalized electric field strength EI of the plasmon head 50 in which the perpendicular length L is set to 500 nm is smaller than that of the plasmon head 50 in which the perpendicular length L is set to 300 nm.
  • the size of the plasmon head 50 for example, the length L of the perpendicular line of the plasmon head 50
  • the wavelength of the excitation light Le introduced into the optical waveguide 30a and the refractive indexes of both the clads 32 and 33 and the thin wire core 40. This is probably because the resonance condition determined by
  • the plasmon head 50 when the plasmon head 50 satisfies the resonance condition, the plasmon head 50 is disposed across the thin wire core 40 and the clads 32 and 33, thereby forming a near field formed in the vicinity of the vertex 51 of the plasmon head 50. Can be maximized.
  • the electric field in the optical waveguide 30a when the electric field component of the excitation light Le introduced into the optical waveguide 30a oscillates in the ZX plane (in the case of X polarization), the electric field in the optical waveguide 30a has core-cladding boundaries 41 to 44 (see FIG. 6). Of these, it concentrates on the core-cladding boundaries 41 and 42 substantially parallel to the main surface of the lower cladding 32. Therefore, by arranging the plasmon head 50 so as to straddle the core-cladding boundaries 41 and 42 (for example, like the plasmon heads 50c and 50d in FIG. 21), the electric field strength formed in the plasmon head 50 is maximized. can do.
  • the electric field in the optical waveguide 30a is the lower cladding among the core-cladding boundaries 41 to 44. It concentrates on the core-clad boundaries 43 and 44 substantially perpendicular to the main surface of 32. Accordingly, the plasmon head 50 is disposed so as to straddle the core-cladding boundaries 43 and 44 (for example, like the plasmon heads 50a and 50b in FIG. 2), thereby maximizing the electric field strength formed in the plasmon head 50. It can be.
  • FIG. 22 shows the normalized electric field strength EI and the wavelength ⁇ of the excitation light Le (electromagnetic wave) incident on the plasmon head 50 when the plasmon head 50 is disposed so as to straddle the boundary between SiO 2 and air. It is a graph which shows the relationship.
  • FIG. 23 is a graph showing the relationship between the normalized electric field intensity EI and the wavelength ⁇ of the excitation light Le incident on the plasmon head 50 when the plasmon head 50 is disposed so as to straddle the boundary between Si and air. .
  • the normalized electric field strength EI when the height L of the plasmon head 50 is changed to 200 nm, 300 nm, 400 nm, 500 nm, and 600 nm, respectively, is plotted. Yes.
  • the FDTD method is used as in the case of FIG.
  • the propagation conditions in the optical waveguide 30a are affected by the core material and the clad material constituting the optical waveguide 30a. Therefore, in the calculation of the normalized electric field strength EI, in order to examine separately the influence of the core material and the cladding material constituting the optical waveguide 30a and the wavelength dependence of the normalized electric field strength EI, (2) The calculation of the normalized electric field strength EI is performed by a simplified model in which the plasmon head 50 is arranged at the boundary between air and the core material or the cladding material.
  • the shape of the distribution curve of the normalized electric field strength EI corresponding to each height L is convex upward.
  • the shape of the distribution curve of the normalized electric field strength EI corresponding to each height L is upward. It becomes convex.
  • the distribution curve of the normalized electric field strength EI corresponding to each height L has a maximum value in the range where the wavelength ⁇ is 0.5 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less.
  • the distribution curve of the normalized electric field strength EI corresponding to each height L has a maximum value in the range where the wavelength ⁇ is 0.5 ⁇ m or more and 7.0 ⁇ m or less.
  • the maximum value of the distribution curve corresponding to the height L of the plasmon head 50 of 200 nm, 300 nm, 400 nm, 500 nm, and 600 nm is defined as the resonance wavelength ⁇ r of each plasmon head 50.
  • the amplification factor of the electric field strength at the plasmon head 50 is maximized.
  • FIG. 24 is a graph showing the relationship between the resonance wavelength ⁇ r of the plasmon head 50 and the height L of the plasmon head 50 (see FIG. 20) when the plasmon head 50 is arranged as shown in FIG. “ ⁇ ” (black circle) in FIG. 24 is a plot of the resonance wavelength ⁇ r corresponding to the height L of the plasmon head 50.
  • the solid line in FIG. 24 is an approximate straight line AL1 obtained by applying the least square method to each plot point.
  • the length L of the plasmon head 50 is set to 380 nm, whereby the resonance wavelength ⁇ r of the plasmon head 50 is set.
  • the wavelength of the excitation light Le can be made equal to 1.5 ⁇ m.
  • the resonance wavelength ⁇ r changes linearly with respect to the height L of the plasmon head 50, and the inclination “a ′” of the approximate straight line AL1 is 3.1.
  • the variable “a” is expressed by It is defined as (5).
  • the value of the variable “a” and the slope “a ′” of the approximate straight line AL1 are substantially the same value. Therefore, when the shape of the plasmon head 50 is a substantially isosceles triangle, it is considered that resonance of the hypotenuse of the plasmon head 50 is related.
  • FIG. 25 is a graph showing the relationship between the resonance wavelength ⁇ r of the plasmon head 50 and the height L (see FIG. 20) of the plasmon head 50 when the plasmon head 50 is arranged as shown in FIG. “ ⁇ ” in FIG. 25 is a plot of the resonance wavelength ⁇ r corresponding to the height L of the plasmon head 50, as in FIG. Further, the solid line in FIG. 25 is an approximate straight line AL2 obtained by applying the least square method to each plot point.
  • the length L of the plasmon head 50 is set to 130 nm, so that the resonance wavelength ⁇ r of the plasmon head 50 is It can be made to coincide with 1.5 ⁇ m which is the wavelength of the excitation light Le.
  • the height L of the plasmon head 50 is 380 nm (see FIG. 24).
  • the resonance wavelength ⁇ r of the plasmon head 50 and the wavelength of the excitation light source 10 can be matched.
  • the resonance wavelength ⁇ r of the plasmon head 50 can be estimated from the medium of the optical waveguide 30a and the height L (size) of the plasmon head 50. Therefore, the wavelength of the excitation light Le emitted from the excitation light source 10 or the height L of the plasmon head 50 is set so that the generation efficiency of the near field generated at the vertex 51 of the plasmon head 50 is maximized. Can do.
  • the plasmon head 50 As a material for the plasmon head 50, gold can be given.
  • the plasmon resonance also affects the resonance in the plasmon head 50.
  • gold exhibits a high electric field strength amplification factor for light of any wavelength.
  • gold has an advantage that it is difficult to be oxidized.
  • Examples of the material of the plasmon head 50 other than gold include aluminum (Al), copper (Cu), and silver (Ag). These materials have a high electric field strength amplification factor in plasmon resonance, and are suitable for the material of the plasmon head 50.
  • platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium, osmium and the like are listed as materials that have good thermal and chemical properties and are not easily oxidized at high temperatures and do not cause chemical reaction with the substrate material. These materials have a low thermal conductivity compared to other metals, and have a property that it is difficult to transfer heat generated near the apex 51 (tip) of the plasmon head 50 to the surroundings. Therefore, platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium, and osmium are suitable for the material of the plasmon head 50.
  • the refractive index (Si: 3.48) of the thin wire core 40 of the optical waveguide 30a is greater than the refractive index (SiO 2 : 1.44) of both clads 32 and 33.
  • the optical waveguide 30a forms a high refractive index difference waveguide. Thereby, the electric field can be concentrated along the core-cladding boundary.
  • a plurality of plasmon heads 50 are provided on the distal end 40a side of the optical waveguide 30a so as to straddle the boundaries between the clads 32 and 33 and the thin wire core 40. Yes.
  • the near-field probe 30 (and the near-field microscope 1 including the near-field probe 30) can introduce a near field well from each plasmon head 50 toward the measurement target 5, and can transmit near-field light having the same phase. Good excitation can be achieved at a plurality of locations.
  • the optical waveguide 30a is a high refractive index difference waveguide
  • the plurality of plasmon heads 50 are both clad 32.
  • 33 and the thin wire core 40 are provided on the front end 40a side of the optical waveguide 30a. Therefore, the near-field probe 30 (and the near-field microscope 1 including the near-field probe 30) can detect the near-field light scattered by the measurement object 5 using the plurality of plasmon heads 50. it can.
  • the near-field probe 30 having a function for exciting near-field light and a function for detecting scattered near-field light is advantageous for application to an optical switch or the like.
  • the size of the near-field probe 30 (for example, the height L of the plasmon head 50) of the first embodiment can be set according to the wavelength of the excitation light Le emitted from the excitation light source 10. Therefore, the generation efficiency of the near field generated in the plasmon head 50 can be further improved.
  • the near-field microscope 100 according to the second embodiment is the same as the near-field microscope 1 according to the first embodiment except that the configuration of the near-field probe is different. Therefore, in the following, this difference will be mainly described.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a near-field microscope 100 in the present embodiment.
  • FIGS. 26 and 27 are perspective views showing an example of the configuration of the near-field probe 130 in the present embodiment. Similar to the near-field probe 30 of the first embodiment, the near-field probe 130 has a function of exciting near-field light and a function of detecting near-field light scattered by the measurement object. ing.
  • the near-field probe 130 mainly includes a substrate 31, a lower cladding 32, an upper cladding 33, an outer core 35, a thin wire core 140 (140a, 140b), and a plasmon head 150. (150a to 150d).
  • the optical waveguide 130a is formed by the lower and upper claddings 32 and 33 and the thin wire core 140a, and the lower and upper claddings 32 and 33 and the thin wire core 140b.
  • Each of the optical waveguides 130b is configured.
  • the outer core 35 is a coupling portion that optically couples the optical fiber 64 of the light guide system 60 and the thin wire core 140 (140 a, 140 b) of the near-field probe 130. .
  • the plurality of thin wire cores 140 (140a, 140b) are arranged in an array with respect to the single outer core 35.
  • Each of the thin wire cores 140a and 140b is a substantially columnar body extending in the Z-axis direction, and has the same hardware configuration as that of the thin wire core 40 of the first embodiment.
  • a plurality (four in the present embodiment) of plasmon heads 150 have a minute metal structure provided in the vicinity of the tip of the corresponding thin wire core 140 (140a, 140b). As shown in FIGS. 26 and 27, each plasmon head 150 is integrated at the tip of the corresponding thin wire core 140 (140a, 140b). Each plasmon head 150 (150a to 150d) is formed, for example, by stacking Au in the Z-axis direction.
  • each plasmon head 150a to 150d in a plan view has a substantially triangular shape, and has the same shape as the plasmon heads 50a and 50b of the first embodiment. .
  • the arrangement of the plasmon heads 150 (150a to 150d) in the vicinity of the tips of the optical waveguides 130a and 130b is the same as the arrangement of the first embodiment.
  • the plasmon head 150 (150a to 150d) is disposed so as to straddle the boundary between the upper clad 33 and the corresponding thin wire cores 140a and 140b in a plan view on the distal end side of the optical waveguides 130a and 130b. .
  • the near-field probe 130 of the present embodiment is formed by a semiconductor lithography method, like the near-field probe 30 of the first embodiment, and each thin wire core 140 (140a, 140b) is formed of a lower cladding. 32 is positioned with high accuracy.
  • each plasmon head 150 of the near-field probe 130 performs well to irradiate light toward the quantum dots in which the structures are periodically arranged and to detect light emitted from the quantum dots. it can.
  • each optical waveguide 130a is a high refractive index difference waveguide.
  • the plurality of plasmon heads 150 are provided on the front end side of the corresponding optical waveguides 130a and 130b so as to straddle the boundary between the clads 32 and 33 and the corresponding thin wire cores 140a and 140b.
  • each thin wire core 140 (140a, 140b) is optically coupled to a single outer core 35.
  • the near-field probe 130 (and the near-field microscope 100 including the near-field probe 130) can introduce a near field well from each plasmon head 150 toward the measurement target 5, and can transmit near-field light having the same phase. Good excitation can be achieved at a plurality of locations.
  • the near-field probe 130 (and the near-field microscope 100 including the near-field probe 130) can detect the near-field light scattered by the measurement object 5 using the plurality of plasmon heads 150. it can.
  • the near-field microscope 200 according to the third embodiment is compared with the near-field microscope 1 according to the first embodiment.
  • the configuration of the light guide system is different,
  • the second embodiment is the same as the first embodiment except that the near-field light is introduced and detected by the two near-field probes 30. Therefore, in the following, this difference will be mainly described.
  • FIG. 28 is a diagram showing an example of the configuration of the near-field microscope 200 in the present embodiment. Similar to the near-field microscope 1 of the first embodiment, the light detection unit 20 is an apparatus that observes the measurement object 5 with a resolution higher than the diffraction limit of light by using near-field light.
  • the near-field microscope 200 mainly includes an excitation light source 10, a light detection unit 20, a plurality of near-field probes 230 (230a and 230b), a light guide system 260, an XYZ stage 70, A stage controller 80 and a main controller 90 are included.
  • Each of the plurality of near-field probes 230 has the same hardware configuration as that of the near-field probe 30 of the first embodiment.
  • the near-field probe 230a generates near-field light based on the excitation light Le at its tip.
  • the near-field probe 230b detects the measured light Lm that is scattered and propagated by the measurement object 5 placed in the near-field light.
  • the drive mechanism 237 (237a, 237b) moves the corresponding near-field probes 230a, 230b in the front-rear direction (substantially X-axis direction), the left-right direction (substantially Y-axis direction), and the upper-lower direction (substantially Z-axis direction). . As shown in FIG. 28, the drive mechanism 237a and the near-field probe 230b are coupled to the near-field probe 230a and the near-field probe 230b, respectively.
  • Each drive mechanism 237a, 237b is configured using, for example, a piezoelectric element. Thereby, each drive mechanism 237a, 237b can move the corresponding near-field probes 230a, 230b in each direction with a repeat accuracy of about several nanometers, and fine position adjustment is possible.
  • a feedback mechanism using a laser beam and an interferometer may be employed as the absolute position control of the drive mechanisms 237a and 237b.
  • the drive mechanisms 237a and 237b can further improve the position reproducibility of the corresponding near-field probes 230a and 230b.
  • the light guide system 260 introduces the excitation light Le supplied from the excitation light source 10 into the near-field probe 230a and introduces the measured light Lm supplied from the near-field probe 230b into the light detection unit 20. As illustrated in FIG. 28, the light guide system 260 mainly includes optical fibers 261 and 262.
  • the optical fibers 261 and 262 are designed to have a relative refractive index difference ⁇ of about 0.003, for example, like the optical fiber 64, and are used as low refractive index difference waveguides. As shown in FIG. 28, the optical fiber 261 optically connects the excitation light source 10 and the outer core 35 of the near-field probe 230a. On the other hand, the optical fiber 262 optically connects the light detection unit 20 and the outer core 35 of the near-field probe 230b.
  • the near-field probes 230a and 230b have the same hardware configuration as that of the near-field probe 30 of the first embodiment. Therefore, the near-field probe 230a (and the near-field microscope 200 including the near-field probe 230a) can introduce a near field toward the measurement object 5 and can efficiently produce near-field light having the same phase at a plurality of locations. Can be excited. In addition, the near-field probe 230b (and the near-field microscope 200 including the near-field probe 230b can detect well near-field light scattered by the measurement object 5 in a good manner.
  • the optical fibers 261 and 262 are separate, and the excitation light Le and the measured light Lm pass through different transmission paths (optical fibers 261 and 262). .
  • the near-field microscope 200 is more stable in the coupling between the excitation light source 10 and the near-field probe 230a, and the light detection unit 20 and the near-field probe 230b. Bond stability can be increased.
  • a near-field probe 230a for excitation and a near-field probe 230b for detection are arranged apart from each other (not arranged adjacent to each other). Even a hardware configuration can be realized.
  • the plurality of plasmon heads 50 and 150 are all core-cladding boundaries 43 and 44 that are substantially perpendicular to the main surface of the lower cladding 32. Although described as being arranged (see FIG. 6), the present invention is not limited to this.
  • FIG. 29 is a plan view showing another example of the arrangement of the plasmon head 50. Although only the arrangement of the plasmon head 50 is shown in FIGS. 29 to 32, the same arrangement as the plasmon head 50 can be adopted for the plasmon head 150.
  • the plasmon head 50e is disposed at the core-cladding boundary 42, and the plasmon head 50f is disposed at the core-cladding boundary 44, respectively. That is, the plasmon heads 50e and 50f are arranged so as to straddle the core-cladding boundaries 42 and 44 that are non-parallel to each other (substantially perpendicular in the case of FIG. 29).
  • the shapes of the plasmon heads 50e and 50f are substantially the same.
  • “non-parallel” does not include the case of being substantially parallel (for example, the angle between the two is greater than 0 degree and not more than several degrees).
  • the near-field probes 30, 130, and 230 with increased sensitivity to light corresponding to each vibration surface with respect to a plurality of vibration surfaces that are non-parallel to each other (for example, substantially orthogonal to each other).
  • the near-field probe 30 can detect both the X polarization and the Y polarization.
  • FIG. 30 is a plan view showing another example of the arrangement of the plasmon head 50. As shown in FIG. 30, the plasmon head 50g is disposed so as to straddle the core-cladding boundary. On the other hand, the plasmon head 50 h is disposed so as to straddle the core-cladding boundary 43.
  • the sizes of the plasmon heads 50g and 50h are different from each other. . Therefore, the near-field probe 30 shown in FIG. 30 is sensitive to a plurality of lights having different wavelengths and vibration surfaces, and can detect the plurality of lights.
  • the plasmon head 50 has been described as being provided in total at two positions sandwiching the thin wire core 40 and facing each other. It is not limited to this.
  • FIG. 31 is a plan view showing another example of the arrangement of the plasmon head 50.
  • a plurality (three in FIG. 31) of plasmon heads 50 (50i to 50k) are arranged along the core-cladding boundary.
  • a plurality of (three in FIG. 31) plasmon heads 50 (50 m, 50 n, 50 q) are arranged along the core-cladding boundary 41.
  • the plasmon heads 50i to 50k have substantially the same shape and the same size.
  • the plasmon heads 50m, 50n, and 50q have substantially the same shape and the same size.
  • each of the plasmon heads 50i to 50k is different from each of the plasmon heads 50m, 50n, and 50q at least in terms of shape or size.
  • the detection sensitivity of two wavelengths (resonance wavelengths) corresponding to the size of these plasmon heads 50 is set high, and the sensitivity other than the two wavelengths is set low. can do. That is, light with a wavelength corresponding to the size of each plasmon head 50 can be detected with high sensitivity.
  • the plasmon heads 50i to 50k are arranged so that the directions of the plasmon heads 50i to 50k (for example, the direction of the perpendicular line extending from the apex on the upper clad 33 side to the base) are substantially the same. May be.
  • each plasmon head 50i-50k can detect only a specific polarization (in this case, X polarization).
  • the plasmon heads 50m, 50n, and 50q are arranged so that the directions of the plasmon heads 50m, 50n, and 50q (for example, the direction of a perpendicular line extending from the apex on the lower clad 32 side to the base) are substantially the same. 50n and 50q may be arranged. By arranging in this way, each plasmon head 50m, 50n, 50q can detect only a specific polarization (in this case, X polarization).
  • FIG. 32 is a plan view showing another example of the arrangement of the plasmon head 50. As shown in FIG. 32, a plurality (three in FIG. 32) of plasmon heads 50 (50r to 50t) are arranged along the core-cladding boundary. On the other hand, the plasmon head 50 is not disposed on the core-cladding boundary 41 opposite to the core-cladding boundary 42 across the fine wire core 40.
  • near-field light having the same phase can be excited at a plurality of locations (near the apexes of the plasmon heads 50r to 50t). Further, the near-field light scattered by the measurement object can be favorably detected using each plasmon head 50 (50r to 50t).
  • the plasmon heads 50 and 150 taper from the thin wire cores 40 and 140 toward the clads 32 and 33, respectively, and sharpened portions (for example, the plasmon heads 50 and 150)
  • the near field is formed near the apex 51), but the shape of the plasmon heads 50 and 150 is not limited to this.
  • FIG. 33 is a plan view showing another example of the shape of the plasmon head 50.
  • the plasmon head 50 (50v, 50w) has a substantially rectangular shape in plan view, and is a substantially columnar body that extends in the Z-axis direction.
  • a substantially C-shaped through-hole 55 in plan view is provided near the center of the plasmon head 50 (50v, 50w) in plan view.
  • the plasmon heads 50v and 50w are arranged at the core-cladding boundaries 41 and 42 so that the shape of the through hole 55 in plan view is convex toward the thin wire core 40.
  • plasmon head 50 (50v, 50w) near-field light can be excited, and each plasmon head 50 (50v, 50w) can be detected favorably.

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Abstract

　本発明は、良好に近接場を形成および検出できる近接場プローブおよび近接場導入・検出装置を提供することを特徴とする。　近接場プローブ３０は、主として、基板３１と、下部クラッド３２と、上部クラッド３３と、外部コア３５と、細線コア４０と、プラズモンヘッド５０（５０ａ、５０ｂ）と、を有している。また、これら要素のうち、下部および上部クラッド３２、３３、並びに細線コア４０によって、光導波路３０ａが構成される。プラズモンヘッド５０は、光導波路３０ａの先端側での平面視において、上部クラッド３３と、細線コア４０と、の境界を跨ぐように配置されている。

Description

近接場プローブ、および近接場導入・検出装置
　本発明は、近接場プローブ、およびこの近接場プローブを用いた近接場導入・検出装置に関する。
　従来より、近接場光の導入および検出に使用可能な近接場プローブが知られている（例えば、特許文献１および２）。ここで、近接場プローブは、微小な領域に光を照射したり、数十ｎｍ程度の微小な光スポットを検出したりすることができる。そのため、近接場プローブは、近接場顕微鏡（ＳＮＯＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｎｅａｒ－Ｆｉｅｌｄ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）において、試料に光を照射する照射部として、および／または、試料近傍の近接場光を集光する集光部として、使用できる。
　例えば、特許文献１には、針状シリコンを用い、シリコン細線導波路の先端を更に細くすることによって、数ｎｍの分解能を達成するための技術が開示されている。また、特許文献２には、複数のプラズモンヘッドを用いることによって、複数の波長に対する感度を向上させ、複数の偏波に対する感度を向上させるための技術が、開示されている。
特開２００５－１４２４４８号公報 特開２００６－３２３９８９号公報
　しかしながら、特許文献１には、特定の波長を選択してＳＮ比の良い測定を行う原理については言及されていない。すなわち、特許文献１には、特定の偏波に対する感度をどのようにして向上させるかという具体的な手法については、記載されていない。
　また、特許文献２には、高屈折率差導波路に対して複数のプラズモンヘッドをどのように配置させるかということについては、記載されていない。
　そこで、本発明では、近接場の形成および検出を良好にできる近接場プローブおよび近接場導入・検出装置を提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、近接場プローブにおいて、クラッドと、前記クラッドよりも高屈折率のコアとを有する光導波路と、各々が、前記光導波路の先端側において、前記コアと前記クラッドとの境界を跨ぐように配置された複数の微小金属構造とを備えることを特徴とする。
　また、請求項２の発明は、請求項１に記載の近接場プローブにおいて、各微小金属構造体の大きさは、互いに異なることを特徴とする。
　また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の近接場プローブにおいて、各微小金属構造体は、互いに非平行なコア－クラッド境界を跨ぐように配置されていることを特徴とする近接場プローブ。
　また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の近接場プローブにおいて、前記光導波路は、スポットサイズ変換導波路を介して、外部から光を導入する低屈折率差導波路と結合されていることを特徴とする。
　また、請求項５の発明は、近接場導入・検出装置において、請求項１から請求項４のいずれかに記載の近接場プローブを備えることを特徴とする。
　請求項１から請求項７に記載の発明によれば、光導波路のコアの屈折率は、クラッドの屈折率よりも高く、光導波路は、高屈折率差導波路を形成している。これにより、コア－クラッド境界に沿って、電界を集中させることができる。
　また、複数の微小金属構造が、コア－クラッド境界を跨ぐように、光導波路の先端側に設けられている。
　そのため、近接場プローブ、および、この近接場プローブを含む近接場導入・検出装置は、複数の微小金属構造から試料に向けて近接場を良好に導入でき、同位相の近接場光を複数個所で良好に励振させることができる。
　また、近接場プローブ、および、この近接場プローブを含む近接場導入・検出装置は、試料で散乱された近接場光を、複数の微小金属構造を用いて良好に検出することができる。
　特に、請求項４に記載の発明によれば、大きさの異なる微小金属構造体が使用されている。これにより、各微小金属構造体のサイズに応じた波長の光を感度良く検出することができる。そのため、波長感受性を高めた近接場プローブを、構成することができる。
　特に、請求項５に記載の発明によれば、互いに異なった振動面（偏波面）内で振動する光を感度良く検出することができる。そのため、互いに非平行な複数の振動面について、各振動面に対応する光への感受性を高めた近接場プローブを提供することができる。
　特に、請求項６に記載の発明によれば、高屈折率差導波路と低屈折率差導波路との結合効率を向上させることができる。そのため、近接場プローブから照射される近接場光の照射効率を向上させるとともに、近接場プローブにより検出される近接場光（散乱光）の検出効率を向上させることができる。
　特に、請求項７に記載の発明によれば、請求項１から請求項４のいずれかに記載の近接場プローブが使用されている。そのため、試料に近接場光を良好に照射でき、試料で散乱された近接場光を良好に検出することができる。
本発明の第１および第２の実施の形態における近接場顕微鏡の構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における近接場プローブの構成の一例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態における近接場プローブの構成の一例を示す斜視図である。 図２のVI－VI線から見た断面図である。 図２のVII－VII線から見た断面図である。 図５のVIII－VIII線から見た断面図である。 図６のＸＹ平面内において、規格化された電界Ｚ成分の分布の一例を示すグラフである。 図７の線分Ｌ１上におけるＸ座標と、規格化された電界Ｚ成分と、の関係を示すグラフである。 図７の線分Ｌ２上における規格化された電界Ｚ成分と、Ｙ座標と、の関係を示すグラフである。 図６のＸＹ平面内において、規格化された電界Ｘ成分の分布の一例を示すグラフである。 図１０の線分Ｌ３上におけるＸ座標と、規格化された電界Ｘ成分と、の関係を示すグラフである。 図１０の線分Ｌ４上における規格化された電界Ｘ成分と、Ｙ座標と、の関係を示すグラフである。 図６のＸＹ平面内において、規格化された磁界Ｙ成分の分布の一例を示すグラフである。 図１３の線分Ｌ５上におけるＸ座標と、規格化された磁界Ｙ成分と、の関係を示すグラフである。 図１３の線分Ｌ６上における規格化された磁界Ｙ成分と、Ｙ座標と、の関係を示すグラフである。 図６のＸＹ平面内において、規格化された磁界Ｚ成分の分布の一例を示すグラフである。 図１６の線分Ｌ７上におけるＸ座標と、規格化された磁界Ｚ成分と、の関係を示すグラフである。 図１６の線分Ｌ８上における規格化された磁界Ｚ成分と、Ｙ座標と、の関係を示すグラフである。 微小金属構造の頂点における規格化電界強度の演算値と、コア－クラッド境界および微小金属構造の頂点の間の距離と、の関係を示すグラフである。 図１９の距離を説明するための図である。 微小金属構造の配置の一例を示す平面図である。 酸化ケイ素および空気の境界を跨ぐように微小金属構造を配置した場合において、規格化電界強度と、微小金属構造に入射する電磁波の波長と、の関係を示すグラフである。 ケイ素および空気の境界を跨ぐように微小金属構造を配置した場合において、規格化電界強度と、微小金属構造に入射する電磁波の波長と、の関係を示すグラフである。 図２２のように微小金属構造を配置した場合において、微小金属構造の共鳴波長と、微小金属構造の高さと、の関係を示すグラフである。 図２３のように微小金属構造を配置した場合において、微小金属構造の共鳴波長と、微小金属構造の高さと、の関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態における近接場プローブの構成の一例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態における近接場プローブの構成の一例を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態における近接場顕微鏡の構成の一例を示す図である。 微小金属構造の配置の他の例を示す平面図である。 微小金属構造の配置の他の例を示す平面図である。 微小金属構造の配置の他の例を示す平面図である。 微小金属構造の配置の他の例を示す平面図である。 微小金属構造の形状の他の例を示す平面図である。
　以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
　＜１．第１の実施の形態＞
　　＜１．１．近接場顕微鏡の構成＞
　図１は、本実施の形態における近接場顕微鏡１の構成の一例を示す図である。近接場顕微鏡１は、近接場光を用いることによって、光の回折限界以上の分解能で計測対象物５（試料）を観察する装置である。例えば近接場顕微鏡１としては、計測対象物５に対して近接場光を導入するとともに計測対象物５で散乱された近接場光を検出する近接場導入・検出装置が、使用される。
　図１に示すように、近接場顕微鏡１は、主として、励起光源１０と、光検出部２０と、近接場プローブ３０と、導光系６０と、ＸＹＺステージ７０と、ステージコントローラ８０と、主制御部９０と、を有している。なお、図１および以降の各図には、それらの方向関係を明確にすべく必要に応じて適宜、Ｚ軸方向を鉛直方向とし、ＸＹ平面を水平面とするＸＹＺ直交座標系が付されている。
　励起光源１０は、図１に示すように、導光系６０を介して、近接場プローブ３０と光学的に接続されている。励起光源１０は、近接場プローブ３０に対して、励起光Ｌｅを供給する。なお、励起光源１０から出射される励起光Ｌｅの波長としては、紫外～可視光～近赤外～赤外と任意であるが、本実施の形態では、通信波長帯（例えば、波長１．５μｍ）の励起光Ｌｅが使用されている。
　ここで、波長が１．５μｍの光を出射するレーザ照射装置の中には、比較的安価なものが存在する。そのため、この安価なレーザ照射装置が励起光源１０として採用されることによって、近接場顕微鏡１の製造コストおよび保守コストが低減される。
　光検出部２０は、図１に示すように、導光系６０を介して、近接場プローブ３０と光学的に接続されている。光検出部２０は、近接場プローブ３０で検出された被測定光Ｌｍを、光強度に応じた電気信号に変換する。
　近接場プローブ３０は、図１に示すように、ＸＹＺステージ７０の上方に配置されている。近接場プローブ３０は、その先端に励起光Ｌｅに基づいた近接場光を発生させるとともに、この近接場光の中に置かれた計測対象物５にて散乱され、伝播する被測定光Ｌｍを検出する。
　導光系６０は、励起光源１０から供給される励起光Ｌｅを近接場プローブ３０に導入するとともに、近接場プローブ３０から供給される被測定光Ｌｍを光検出部２０に導入する。図１に示すように、導光系６０は、主として、ビームスプリッタ６１と、位相板６２と、ミラー６３、６５と、光ファイバ６４と、を有している。
　ビームスプリッタ６１は、光の反射および透過によって、光路を分割する光学素子である。また、ビームスプリッタ６１は、特定方向の振動面を有する直線偏光を選択透過する偏光子としても機能し、励起光源１０から出射された励起光Ｌｅを直線偏光に変換する。
　位相板６２は、いわゆる波長板の機能を有する素子であり、直交する偏光成分（例えば、Ｘ軸方向成分およびＺ軸方向成分）の間に位相差を生じさせる。本実施の形態において、位相板６２としては、両偏光成分間にπ／２（四分の一波長）の位相差を生じさせる四分の一波長板が用いられてもよい。
　これにより、位相板６２が、直線偏光に変換された励起光Ｌｅに対して所望の姿勢（角度）で固定されると、ビームスプリッタ６１を通過した励起光Ｌｅは、位相板６２によって、直線偏光から円偏光に変換される。そして、円偏光に変換された励起光Ｌｅは、ミラー６３で反射され、光ファイバ６４を介し、近接場プローブ３０の外部コア３５に導入される。なお、光ファイバ６４は、円偏光を保存する偏波面保存ファイバであることが好ましい。
　一方、近接場プローブ３０で検出され、導光系６０に供給される被測定光Ｌｍは、位相板６２によって、円偏光から励起光Ｌｅと直交する直線偏光に変換される。これにより、ビームスプリッタ６１に到達した被測定光Ｌｍは、その大部分がビームスプリッタ６１を透過することなく、ビームスプリッタ６１で反射される。そして、ビームスプリッタ６１で反射された被測定光Ｌｍは、ミラー６５で反射され、光検出部２０に導入される。
　ここで、本実施の形態の光ファイバ６４としては、例えば光通信で用いられるシングルモード光ファイバが採用されており、コアを形成するための材料としてはＧｅをドープしたＳｉＯ２が、クラッドを形成するための材料としてはＳｉＯ２が、それぞれ使用されている。
　また、コアの屈折率を「ｎｃｏｒｅ」、クラッドの屈折率を「ｎｃｌａｄ」、とそれぞれした場合、比屈折率差Δは、式（１）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　本実施の形態の光ファイバ６４は、式（１）で表される比屈折率差Δが０．００３程度となるように設計されており、低屈折率差導波路として使用される。
　ＸＹＺステージ７０は、載置台７０ａを有しており、載置台７０ａに載置された計測対象物５を、例えば前後左右上下に移動させる。ステージコントローラ８０は、各方向（前後方向（略Ｘ軸方向）、左右方向（略Ｙ軸方向）、および上下方向（略Ｚ軸方向））におけるＸＹＺステージ７０の移動量に応じた制御信号を、ＸＹＺステージ７０に向けて送信する。したがって、制御信号に基づいてＸＹＺステージ７０の載置台７０ａが移動させられると、近接場プローブ３０は、計測対象物５の表面を走査することができる。
　ここで、本実施の形態において、計測対象物５の表面と近接場プローブ３０の先端との間の距離（上下方向の距離）は、シアフォース制御されており、例えば２０ｎｍ程度（２０ｎｍを含む許容範囲内）とされる。
　また、本実施の形態では、近接場プローブ３０に対して載置台７０ａが移動するものとして説明したが、これに限定されるものでない。例えば、ＸＹＺステージ７０の載置台７０ａが静止しており、近接場プローブ３０が載置台７０ａに対して前後左右上下に移動する構成が採用されてもよい。すなわち、載置台７０ａおよび近接場プローブ３０のいずれか一方が他方に対して相対的に移動すれば十分である。
　なお、導光系６０については、位相板６２を採用せず、かつ光ファイバ６４に偏波面保存ファイバを用い、励起光Ｌｅを直線偏光のまま近接場プローブ３０に入射させてもよい。また、ビームスプリッタ６１については、偏光依存性を有しない無偏光ビームスプリッタとしてもよい。
　なお、近接場プローブ３０の詳細な構成については、後述する。
　主制御部９０は、励起光源１０、光検出部２０、およびステージコントローラ８０と電気的に接続されており、主として、メモリ９１およびＣＰＵ９２を有している。メモリ９１は、揮発性または不揮発性の記憶部であり、プログラムやデータ等を記憶する。ＣＰＵ（Central Processing Unit）９２は、メモリ９１に記憶されているプログラムに従い、励起光源１０、光検出部２０、およびステージコントローラ８０を介したＸＹＺステージ７０、の稼働状況を制御する。したがって、主制御部９０は、励起光源１０から励起光Ｌｅを出射する処理、光検出部２０により被測定光Ｌｍを電気信号に変換する処理等を、所望のタイミングで実行させる。
　　＜１．２．近接場プローブの構成＞
　図２および図３は、本実施の形態における近接場プローブ３０の構成の一例を示す斜視図である。図４は、図２のVI－VI線から見た断面図である。図５は、図２のVII－VII線から見た断面図である。図６は、図５のVIII－VIII線から見た断面図である。
　上述のように、近接場プローブ３０は、近接場光を励起させる機能と、計測対象物５により散乱させられた近接場光を検出する機能と、を有している。図２ないし図６に示すように、近接場プローブ３０は、主として、基板３１と、下部クラッド３２と、上部クラッド３３と、外部コア３５と、細線コア４０と、プラズモンヘッド５０（５０ａ、５０ｂ）と、を有している。
　なお、本実施の形態では、上述の近接場プローブ３０の要素のうち、下部および上部クラッド３２、３３、並びに細線コア４０によって、光導波路３０ａが構成される。
　下部クラッド３２は、正面視略矩形のＳｉＯ２層であり、Ｓｉにより形成された基板３１上に積層されている。上部クラッド３３は、下部クラッド３２と同様に正面視略矩形のＳｉＯ２層である。上部クラッド３３は、外部コア３５および細線コア４０を挟むように、下部クラッド３２上に積層されている。ここで、本実施の形態の「正面視」とは、ＹＺ平面を、Ｘ軸負方向に見た場合を言うものとする。
　外部コア３５は、図１、および図３ないし図５に示すように、導光系６０の光ファイバ６４と、近接場プローブ３０の細線コア４０と、を光学的に結合する結合部である。外部コア３５は、例えばＳｉＯｘにより形成されている。また、図３ないし図５に示すように、外部コア３５は、下部クラッド３２上に配置されるとともに、Ｚ軸方向に延伸する略直方体として形成されている。
　細線コア４０は、図３ないし図５に示すように、下部クラッド３２上に配置されるとともに、Ｚ軸方向に延伸する略柱体である。細線コア４０は、例えばＳｉにより形成されている。また、図４および図５に示すように、細線コア４０は、正面視略矩形とされた先端４０ａ側の部材（先端柱体）と、正面視先細り形状とされ、先端４０ａから後端４０ｂに向かって幅狭となる後端４０ｂ側の部材（後端柱体）と、から構成されている。
　また、図４および図５に示すように、細線コア４０のうちの先端柱体は、下部クラッド３２および上部クラッド３３により挟まれており、後端柱体は、下部クラッド３２および外部コア３５により挟まれている。なお、下部クラッド３２の厚さ（Ｘ軸方向に沿った下部クラッド３２のサイズ）としては、光結合効率の観点から、細線コア４０の高さ（Ｘ軸方向に沿った細線コア４０のサイズ：図６の符号Ｈｃに対応）と同程度であることが好ましい。
　また、図３、図４、および図６に示すように、細線コア４０の高さは、先端柱体および後端柱体とも、略一定（約０．３μｍ）とされている。
　さらに、細線コア４０の幅（Ｙ軸方向に沿った細線コア４０のサイズであり、正面視における短手方向サイズ：図６の符号Ｗｃに対応）は、先端柱体においては略一定（約０．３μｍ）となっている。一方、後端柱体においては、先端柱体と接続する部分（約０．３μｍ）から後端４０ｂ側の最幅狭部分（０．１μｍ以下）に向かって、徐々に狭くなる。
　したがって、後端柱体における細線コア４０の幅（コア幅）Ｗｃは、滑らかに変化し、外部コア３５は、モードフィールド径を、光ファイバ６４側における５μｍ程度と、細線コア４０側の０．３μｍ程度と、の間で、良好に変換（拡大または縮小）する。
　このように、外部コア３５および光ファイバ６４より高屈折率差の光導波路３０ａは、外部コア３５を介して、光ファイバ６４（低屈折率差導波路：比屈折率差Δ＝０．００３程度）と結合されている。
　これにより、光導波路３０ａと光ファイバ６４との結合効率を向上させることができる。そのため、近接場プローブ３０からプラズモンヘッド５０に導入される近接場光の照射効率を向上させるとともに、近接場プローブ３０により検出される散乱光の検出効率を向上させることができる。
　また、上述のように、本実施の形態における外部コア３５は、励起光Ｌｅおよび被測定光Ｌｍのスポット径（スポットサイズ）を変換するスポットサイズ変換導波路として使用できる。そのため、光ファイバ６４および近接場プローブ３０を良好に結合できる。また、外部コア３５に対する光ファイバ６４の位置決めにおいて、位置合わせの許容幅を大きくすることができる。
　また、先端４０ａ付近における細線コア４０の幅および高さは（いずれも約０．３μｍ）、励起光源１０から出射される励起光Ｌｅの波長と比較して小さい。そのため、光導波路３０ａの先端４０ａ付近には、近接場が形成される。
　ここで、近接場プローブ３０の基本性能としては、照射される近接場光のスポット径をより小さく設定できることが挙げられる。また、この基本性能は、光導波路３０ａが、光の閉じ込めが良好に実行できる高屈折率差導波路（比屈折率差Δの値が大きい光導波路）とされ、モードフィールド径がより小さくされることにより実現される。比屈折率差Δは、式（１）より、理論的には０＜Δ＜０．５となるところ、光導波路３０ａにおける比屈折率差Δの値としては、０．２≦Δ＜０．５となることが好ましい。
　また、高速信号伝搬の際に波形が乱れる分散の影響を避けるためには、伝搬モードが単一であるシングルモード条件を満たしていることが望ましい。さらに、シングルモード条件の演算は、３次元矩形導波路の場合は等価屈折率法、有限差分法、および有限要素法等のいずれかの手法を用いることにより実行できる。
　なお、一般的に、光導波路３０ａに用いられる誘電体材料としては、以下のものが挙げられる。また、各材料（元素記号）の後ろのカッコ内に記載された数字は、対応する材料の屈折率を示す。
　励起光源１０から出射される励起光Ｌｅの波長帯（波長１．５μｍ帯）において、細線コア４０の材料（以下、単に、「コア材料」と称する）としてはＳｉ（３．４８）が、下部および上部クラッド３２、３３の材料（以下、単に、「クラッド材料」と称する）としてはＳｉＯｘ（１．４～３．４８）またはＡｌ２Ｏ３（１．８）等が、それぞれ使用できる。そして、比屈折率差Δの値は、０．００１≦Δ≦０．４２の範囲で設計することができる。
　また、波長４００ｎｍ～８００ｎｍの可視域において、コア材料としてはＧａＡｓ（３．３）またはＳｉ（３．７）等が、クラッド材料としてはＴａ２Ｏ５（２．５）またはＳｉＯｘ（１．４～３．７）等が、それぞれ使用できる。そして、比屈折率差Δの値は、０．００１≦Δ≦０．４１の範囲で設計することができる。
　その他のコア材料に使用できる高屈折率材料（波長域）の例としては、ダイヤモンド（可視全域）；III－Ｖ族半導体：ＡｌＧａＡｓ（近赤外、赤）、ＧａＮ（緑、青）、ＧａＡｓＰ（赤、橙、青）、ＧａＰ（赤、黄、緑）、ＩｎＧａＮ（青緑、青）、ＡｌＧａＩｎＰ（橙、黄橙、黄、緑）；II－VI族半導体：ＺｎＳｅ（青）が挙げられる。
　またその他のクラッド材料に使用できる低屈折率薄層材料としては、炭化シリコン（ＳｉＣ）、弗化カルシウム（ＣａＦ）、チッ化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、ダイアモンド（Ｃ）などが例示できる。
　さらに、ここに示した材料に限られず、例えばＴｉＯ２、ＳｉＮ、ＺｎＳなど複数の材料を組み合わせたり、フォトニック結晶構造をとることで、ある程度自由にΔを設計することができる。
　例えば、コア材料の屈折率が３．５程度となり、比屈折率差Δが０．４程度となるように上述の材料が適宜選択されることによって、光導波路３０ａが高屈折率差導波路とされると、光導波路３０ａのモードフィールド径は、０．５μｍ程度まで小さくすることができる。
　複数（本実施の形態では、２つ）のプラズモンヘッド５０（５０ａ、５０ｂ）は、図３ないし図５に示すように、光導波路３０ａの先端４０ａ付近に設けられた微小金属構造である。各プラズモンヘッド５０（５０ａ、５０ｂ）は、例えばＡｕをＺ軸方向に積層させることにより形成されている。
　図２に示すように、平面視における各プラズモンヘッド５０（５０ａ、５０ｂ）は、略三角形状を有している。すなわち、各プラズモンヘッド５０（５０ａ、５０ｂ）は、平面視において、細線コア４０側から上部クラッド３３側に向かって先細りする。ここで、本実施の形態の「平面視」とは、ＸＹ平面を、Ｚ軸負方向に見た場合を言うものとする。
　また、図２に示すように、プラズモンヘッド５０ａの複数（本実施の形態では、３つ）の頂点のうち、細線コア４０の遠方側に配置された頂点５１ａは、上部クラッド３３上に設けられている。また同様に、プラズモンヘッド５０ｂの複数（本実施の形態では、３つ）の頂点のうち、細線コア４０の遠方側に配置された頂点５１ｂは、上部クラッド３３上に設けられている。一方、頂点５１ａ、５１ｂに対応する底辺５２ａ、５２ｂのそれぞれは、細線コア４０上に設けられている。
　さらに、図２に示すように、プラズモンヘッド５０ａにおいて、頂点５１ａおよび底辺５２ａを結ぶ垂線は、Ｙ軸と略平行となる。一方、プラズモンヘッド５０ｂにおいて、頂点５１ｂおよび底辺５２ｂを結ぶ垂線は、Ｙ軸と略平行となる。すなわち、プラズモンヘッド５０（５０ａ、５０ｂ）は、細線コア４０を挟み、互いに対向する位置に設けられている。
　このように、プラズモンヘッド５０（５０ａ、５０ｂ）は、光導波路３０ａの先端４０ａ側での平面視において、上部クラッド３３と、細線コア４０と、の境界を跨ぐように配置されている。また、平面視において、各プラズモンヘッド５０（５０ａ、５０ｂ）の頂点５１ａ、５１ｂから細線コア４０を見た方向（それぞれＸ軸正方向および負方向に対応）は、互いに略平行となる。さらに、プラズモンヘッド５０ａの頂点５１ａは、細線コア４０を挟んで、プラズモンヘッド５０ｂの頂点５１ｂと逆側に配置されている。
　また、光導波路３０ａの先端４０ａ付近に形成された近接場がプラズモンヘッド５０に導入されると、プラズモンヘッド５０の表面に表面プラズモンが励起される。そして、プラズモンヘッド５０ａ、５０ｂの頂点５１ａ、５１ｂに、スポット径が数十ｎｍ程度とされた近接場光が励振される。
　このように、本実施の形態のプラズモンヘッド５０（５０ａ、５０ｂ）は、細線コア４０における励起光Ｌｅ（モードフィールド径：０．３μｍ程度）を、さらに縮小して、数十ｎｍ程度のスポット径とすることができる。
　すなわち、外部コア３５（スポットサイズ変換導波路）およびプラズモンヘッド５０の組み合わせは、計測対象物５に照射される光（近接場光）のスポット径を、数十ｎｍまで縮小することができる。
　なお、本実施の形態の近接場プローブ３０は、例えば、半導体リソグラフィ手法によって、以下の工程により製造される。まず、Ｘ軸正方向に下部クラッド３２、細線コア４０、外部コア３５、および上部クラッド３３が積層される。続いて、Ｚ軸正方向にプラズモンヘッド５０（５０ａ、５０ｂ）が積層される。
　具体的には、まず、Ｓｉの基板３１上にＳｉＯ２がＸ軸正方向に積層されて、下部クラッド３２が形成される。次に、下部クラッド３２上にＳｉがＸ軸正方向に積層されて、細線コア４０が形成される。続いて、細線コア４０が形成された下部クラッド３２上において、テーパ状とされた細線コア４０の後端４０ｂを覆うようにＳｉＯｘがＸ軸正方向に積層されて、外部コア３５が形成される。続いて、細線コア４０および外部コア３５が形成された下部クラッド３２上において、外部コア３５、細線コア４０を覆うようにＳｉＯ２がＸ軸正方向に積層されて、上部クラッド３３が形成される。
　そして、細線コア４０の先端４０ａ側において、細線コア４０と下部クラッド３２および上部クラッド３３との境界を跨ぐようにＡｕがＺ軸方向に積層され、両プラズモンヘッド５０ａ、５０ｂが形成される。
　　＜１．３．光導波路のモード解析＞
　図７ないし図１８は、図６の光導波路３０ａについて実行したモード解析例を示すグラフである。ここでは、モード解析によって演算された光導波路３０ａ上の電界強度に基づいて、プラズモンヘッド５０の最適な配置を検討する。
　ここで、図７ないし図１８について、より具体的に説明すると、図７は、ＸＹ平面内において、規格化された電界Ｚ成分Ｅｚの分布の一例を示すグラフである。図８は、図７の線分Ｌ１（Ｙ＝０（μｍ））上における座標Ｘと、規格化された電界Ｚ成分Ｅｚと、の関係を示すグラフである。図９は、図７の線分Ｌ２（Ｘ＝０（μｍ））上における規格化された電界Ｚ成分Ｅｚと、座標Ｙと、の関係を示すグラフである。なお、図７ないし図９における規格化は、電界Ｚ成分Ｅｚの各値（絶対値）を、Ｅｚの最大値（絶対値）で除することにより実行される。
　また、図１０は、図６のＸＹ平面内において、規格化された電界Ｘ成分Ｅｘの分布の一例を示すグラフである。図１１は、図１０の線分Ｌ３（Ｙ＝０（μｍ））上における座標Ｘと、規格化された電界Ｘ成分Ｅｘと、の関係を示すグラフである。図１２は、図１０の線分Ｌ４（Ｘ＝０．１５（μｍ））上における規格化された電界Ｘ成分Ｅｘと、座標Ｙと、の関係を示すグラフである。なお、図１０ないし図１２における規格化は、電界Ｘ成分Ｅｘの各値（絶対値）を、Ｅｘの最大値（絶対値）で除することにより実行される。
　また、図１３は、図６のＸＹ平面内において、規格化された磁界Ｙ成分Ｈｙの分布の一例を示すグラフである。図１４は、図１３の線分Ｌ５（Ｙ＝０（μｍ））上における座標Ｘと、規格化された磁界Ｙ成分Ｈｙと、の関係を示すグラフである。図１５は、図１３の線分Ｌ６（Ｘ＝０．１５（μｍ））上における規格化された磁界Ｙ成分Ｈｙと、座標Ｙと、の関係を示すグラフである。なお、図１３ないし図１５おける規格化は、磁界Ｙ成分Ｈｙの各値（絶対値）を、Ｈｙの最大値（絶対値）で除することにより実行される。
　さらに、図１６は、図６のＸＹ平面内において、規格化された磁界Ｚ成分Ｈｚの分布の一例を示すグラフである。図１７は、図１６の線分Ｌ７（Ｙ＝０．１５（μｍ））上における座標Ｘと、規格化された磁界Ｚ成分Ｈｚと、の関係を示すグラフである。図１８は、図１６の線分Ｌ８（Ｘ＝０．１５（μｍ））上における規格化された磁界Ｚ成分Ｈｚと、座標Ｙと、の関係を示すグラフである。なお、図１６ないし図１８における規格化は、磁界Ｚ成分Ｈｚの各値（絶対値）を、Ｈｚの最大値（絶対値）で除することにより実行される。
　なお、図７ないし図１８では、モード解析の手法として有限差分法（ＦＤＭ：Finite Differential Method）が用いられている。また、モード解析において、
　（１）光導波路３０ａに導入される励起光Ｌｅの波長は、１．５μｍであり、
　（２）細線コア４０の幅Ｗｃ（図６参照）は、３００ｎｍであり、
　（３）細線コア４０の高さＨｃ（図６参照）は、３００ｎｍであり、
　（４）下部クラッド３２の材料は、ＳｉＯ２（屈折率：１．４４）であり、
　（５）上部クラッド３３の材料は、ＳｉＯ２（屈折率：１．４４）であり、
　（６）細線コア４０の材料は、Ｓｉ（屈折率：３．４８）であり、
　（７）光導波路３０ａに導入される励起光Ｌｅの電界成分は、ＺＸ平面内で振動する（すなわち、励起光Ｌｅは、入射面と平行な方向にのみ振動しており、ｐ偏光とされている）ものとして、演算を実行した。
　また、図７、図１０、図１３、および図１６の各図と、図６と、において、座標軸（Ｘ軸およびＹ軸）、並びに原点位置は、一致するものとする。
　この場合において、光導波路３０ａは、シングルモード条件を満たしている。すなわち、光導波路３０ａは、ＴＭモードのシングルモード導波路であり、高速信号伝達に適している。また、この場合において、光導波路３０ａの比屈折率差Δは０．４１であり、高屈折率差導波路となっている。
　ここで、細線コア４０側の電界強度を「Ｅｃｏｒｅ」、下部および上部クラッド３２、３３側の電界強度を「Ｅｃｌａｄ」、細線コア４０の屈折率を「ｎｃｏｒｅ」、下部および上部クラッド３２、３３の屈折率を「ｎｃｌａｄ」、とそれぞれした場合、電束密度の境界条件より、式（２）が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ｎｃｏｒｅ＞ｎｃｌａｄの場合、式（２）より、コア－クラッド境界に電界強度（電界Ｘ成分Ｅｘ）のギャップ（段差）が存在することになる。そして、このギャップは、図１０および図１１により裏付けられる。
　すなわち、図１０および図１１示すように、下部クラッド３２および細線コア４０の境界（Ｘ＝０（μｍ））、並びに細線コア４０および上部クラッド３３の境界（Ｘ＝０．３（μｍ））において、電界強度（電界Ｘ成分Ｅｘ）の不連続部分が存在する。特に、上述の電界強度Ｅｃｏｒｅ、Ｅｃｌａｄが式（３）を満たす場合、下部および上部クラッド３２、３３側に電界を大きく分布（集中）させることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　そして、式（１）に式（３）を代入することによって、下部および上部クラッド３２、３３側に電界を集中させるための比屈折率差Δの範囲が求められる（式（４））。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（４）より、Δ＞０．２５となる場合、励起光Ｌｅの電界成分は、ａ）コア－クラッド境界から下部および上部クラッド３２、３３側の部分であって、ｂ）この電界成分の振動面と垂直な方向に沿った部分に、集中することになる。
　　＜１．４．プラズモンヘッドの配置＞
　図１９および図２０は、プラズモンヘッド５０の配置に関する解析例を示すための図である。具体的には、図１９は、下部クラッド３２－細線コア４０の境界と、プラズモンヘッド５０の頂点５１と、の間の距離をΔＸとした場合において、頂点５１における近接場光の規格化電界強度ＥＩの演算値と、距離ΔＸとの関係を示すグラフである。図２０は、図１９の距離ΔＸを説明するための図である。
　ここでは、プラズモンヘッド５０の頂点５１における規格化電界強度ＥＩ（電界増強倍率）の解析結果に基づいて、プラズモンヘッド５０の最適な配置を検討する。
　なお、図１９では、解析の手法として有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法：Finite Difference Time Domain Method）が用いられている。
　また、本解析において、
　（１）プラズモンヘッド５０を構成する材料は、Ａｕであり、
　（２）プラズモンヘッド５０の厚さ（Ｚ軸方向に沿ったサイズ）は、４０ｎｍであり、
　（３）プラズモンヘッド５０の形状は、頂点５１における角度が４０（ｄｅｇ）の略二等辺三角形であり、
　（４）プラズモンヘッド５０の頂点５１から底辺５２に下ろした垂線の長さＬ（図２０参照）は、３００ｎｍまたは５００ｎｍであり、
　さらに、上述のモード解析の場合と同様に、
　（５）光導波路３０ａに導入される光の波長λは、１．５μｍであり、
　（６）細線コア４０の幅Ｗｃ（図６参照）は、３００ｎｍであり、
　（７）細線コア４０の高さＨｃ（図６参照）は、３００ｎｍであり、
　（８）下部クラッド３２の材料は、ＳｉＯ２（屈折率：１．４４）であり、
　（９）上部クラッド３３の材料は、ＳｉＯ２（屈折率：１．４４）であり、
　（１０）細線コア４０の材料は、Ｓｉ（屈折率：３．４８）であり、
　（１１）光導波路３０ａに導入される励起光Ｌｅの電界成分は、ＺＸ平面内で振動する（すなわち、励起光Ｌｅはｐ偏光とされている）ものとして、ＦＤＴＤ法による演算を実行した。
　この場合において、近接場光の発生部分は、三角形状とされたプラズモンヘッド５０の頂点５１付近となる。また、以下の説明において、規格化電界強度ＥＩの各値は、プラズモンヘッド５０の頂点５１付近に形成される近接場の電界強度を、プラズモンヘッド５０が設けられていない場合において光導波路３０ａの先端４０ａ付近に形成される近接場の電界強度で除することにより求められる。
　図１９に示すように、垂線の長さＬが３００ｎｍに設定されたプラズモンヘッド５０については、距離ΔＸ＝４５０ｎｍとなる場合に、頂点５１で発生する近接場光の規格化電界強度ＥＩが最大となることが分かる。この場合、プラズモンヘッド５０は、上部クラッド３３と細線コア４０との境界に配置された状態になる。
　これに対して、垂線の長さＬが５００ｎｍに設定されたプラズモンヘッド５０の規格化電界強度ＥＩの最大値は、垂線の長さＬが３００ｎｍに設定されたプラズモンヘッド５０と比較して小さい。これは、プラズモンヘッド５０の大きさ（例えば、プラズモンヘッド５０の垂線の長さＬ）、光導波路３０ａに導入される励起光Ｌｅの波長、並びに、両クラッド３２、３３および細線コア４０の屈折率、により定まる共鳴条件が満たされなくなったためだと考えられる。
　このように、プラズモンヘッド５０が共鳴条件を満たす場合において、プラズモンヘッド５０が細線コア４０および両クラッド３２、３３に跨って配置されることによって、プラズモンヘッド５０の頂点５１付近に形成される近接場の電界強度を最大とすることができる。
　例えば、光導波路３０ａに導入される励起光Ｌｅの電界成分がＺＸ平面内で振動する場合（Ｘ偏波の場合）、光導波路３０ａにおける電界は、コア－クラッド境界４１～４４（図６参照）のうち、下部クラッド３２の主面と略平行なコア－クラッド境界４１、４２に集中する。したがって、プラズモンヘッド５０が、コア－クラッド境界４１、４２を跨ぐように（例えば、図２１のプラズモンヘッド５０ｃ、５０ｄように）配置されることによって、プラズモンヘッド５０に形成される電界強度を最大とすることができる。
　一方、光導波路３０ａに導入される励起光Ｌｅの電界成分がＹＺ平面内で振動する場合（Ｙ偏波の場合）、光導波路３０ａにおける電界は、コア－クラッド境界４１～４４のうち、下部クラッド３２の主面と略垂直なコア－クラッド境界４３、４４に集中する。したがって、プラズモンヘッド５０が、コア－クラッド境界４３、４４を跨ぐように（例えば、図２のプラズモンヘッド５０ａ、５０ｂのように）配置されることによって、プラズモンヘッド５０に形成される電界強度を最大とすることができる。
　　＜１．５．プラズモンヘッドのサイズと励起光の波長の関係＞
　図２２および図２３は、プラズモンヘッド５０の共鳴波長に関する解析例を示すための図である。具体的には、図２２は、ＳｉＯ２および空気の境界を跨ぐようにプラズモンヘッド５０を配置した場合において、規格化電界強度ＥＩと、プラズモンヘッド５０に入射する励起光Ｌｅ（電磁波）の波長λと、の関係を示すグラフである。図２３は、Ｓｉおよび空気の境界を跨ぐようにプラズモンヘッド５０を配置した場合において、規格化電界強度ＥＩと、プラズモンヘッド５０に入射する励起光Ｌｅの波長λと、の関係を示すグラフである。
　ここで、図２２および図２３の各グラフには、プラズモンヘッド５０の高さＬを２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、および６００ｎｍと、それぞれ変化させた場合における規格化電界強度ＥＩが、プロットされている。また、規格化電界強度ＥＩの解析手法としては、図１９の場合と同様に、ＦＤＴＤ法が用いられている。
　また、広帯域の励振を一度に行うため、
　（１）規格化電界強度ＥＩの演算は、励起光Ｌｅがパルス励振であるものとして、実行されている。
　さらに、光導波路３０ａにおける伝播条件は、光導波路３０ａを構成するコア材料およびクラッド材料により影響を受ける。そこで、この規格化電界強度ＥＩの演算では、光導波路３０ａを構成するコア材料およびクラッド材料の影響と、規格化電界強度ＥＩの波長依存性と、を切り分けて検討するため、
　（２）空気と、コア材料またはクラッド材料と、の境界にプラズモンヘッド５０を配置する単純化モデルによって、規格化電界強度ＥＩの演算が実行されている。
　具体的には、（ａ）光導波路３０ａのクラッド材料であるＳｉＯ２と、出射面の空気と、の組み合わせ（図２２参照）、並びに、（ｂ）光導波路３０ａのコア材料であるＳｉと、出射面の空気との組み合わせ（図２３参照）、のそれぞれについて、規格化電界強度ＥＩの演算が実行されている。
　空気とクラッド材料との境界にプラズモンヘッド５０を配置する単純化モデルでは、図２２に示すように、各高さＬに対応する規格化電界強度ＥＩの分布曲線の形状は、上向きに凸となる。同様に、空気とコア材料との境界にプラズモンヘッド５０を配置する単純化モデルでも、図２３に示すように、各高さＬに対応する規格化電界強度ＥＩの分布曲線の形状は、上向きに凸となる。
　また、図２２において、各高さＬに対応する規格化電界強度ＥＩの分布曲線は、波長λが０．５μｍ以上３．０μｍ以下となる範囲で、極大値を持つ。一方、図２３において、各高さＬに対応する規格化電界強度ＥＩの分布曲線は、波長λが０．５μｍ以上７．０μｍ以下となる範囲で、極大値を持つ。
　ここで、図２２および図２３において、プラズモンヘッド５０の高さＬが２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、および６００ｎｍのそれぞれに対応する分布曲線の極大値を、各プラズモンヘッド５０の共鳴波長λｒと定義する。図２２および図２３に示すように、励起光源１０から出射される励起光Ｌｅの波長が、共鳴波長λｒと一致する場合、プラズモンヘッド５０での電界強度の増幅率が最大となる。
　したがって、プラズモンヘッド５０の共鳴波長λｒと、励起光Ｌｅの波長と、が一致するように、プラズモンヘッド５０の高さＬを設定することによって、プラズモンヘッド５０の頂点５１で発生する近接場の発生効率をさらに向上させることができる。
　図２４は、図２２のようにプラズモンヘッド５０を配置した場合において、プラズモンヘッド５０の共鳴波長λｒと、プラズモンヘッド５０の高さＬ（図２０参照）と、の関係を示すグラフである。図２４中の「●」（黒丸）は、プラズモンヘッド５０の高さＬに対応する共鳴波長λｒをプロットしたものである。また、図２４中の実線は、各プロット点に対して最小２乗法を施すことにより得られた近似直線ＡＬ１である。
　図２４に示すように、プラズモンヘッド５０がＳｉＯ２と空気との境界に配置される場合には、プラズモンヘッド５０の長さＬが３８０ｎｍに設定されることによって、プラズモンヘッド５０の共鳴波長λｒを、励起光Ｌｅの波長である１．５μｍに一致させることができる。
　また、図２４に示すように、共鳴波長λｒは、プラズモンヘッド５０の高さＬに対して線形に変化し、近似直線ＡＬ１の傾き「ａ’」は３．１となる。一方、頂点５１で接続される２辺（両辺は略同一長さ）のなす角をθ（図２０参照）、クラッド材料における屈折率を「ｎ」、とした場合において、変数「ａ」を式（５）のように定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（５）の「θ」に４０（ｄｅｇ）を、「ｎ」にＳｉＯ２の屈折率（＝１．４４）を代入すると、変数「ａ」の値は、「３．０６」となる。
　このように、変数「ａ」の値と、近似直線ＡＬ１の傾き「ａ’」とは、略同一の値となる。したがって、プラズモンヘッド５０の形状が略二等辺三角形の場合、プラズモンヘッド５０の斜辺の共鳴が関係していると考えられる。
　図２５は、図２３のようにプラズモンヘッド５０を配置した場合において、プラズモンヘッド５０の共鳴波長λｒと、プラズモンヘッド５０の高さＬ（図２０参照）と、の関係を示すグラフである。図２５中の「●」は、図２４の場合と同様に、プラズモンヘッド５０の高さＬに対応する共鳴波長λｒをプロットしたものである。また、図２５中の実線は、各プロット点に対して最小２乗法を施すことにより得られた近似直線ＡＬ２である。
　図２５に示すように、プラズモンヘッド５０がＳｉと空気との境界に配置される場合には、プラズモンヘッド５０の長さＬが１３０ｎｍに設定されることによって、プラズモンヘッド５０の共鳴波長λｒを、励起光Ｌｅの波長である１．５μｍに一致させることができる。
　以上より、光導波路３０ａの先端４０ａに配置され、ＳｉＯ２のクラッド、およびＳｉのコアの両者と接するように配置されたプラズモンヘッド５０について、プラズモンヘッド５０の高さＬが、３８０ｎｍ（図２４参照）および１３０ｎｍ（図２５参照）の中間の値に設定されることによって、このプラズモンヘッド５０の共鳴波長λｒと、励起光源１０の波長（＝１．５μｍ）とを一致させることができる。
　このように、光導波路３０ａの媒質と、プラズモンヘッド５０の高さＬ（サイズ）と、によって、プラズモンヘッド５０の共鳴波長λｒを見積もることができる。そのため、プラズモンヘッド５０の頂点５１で発生する近接場の発生効率が最大となるように、励起光源１０から出射される励起光Ｌｅの波長、または、プラズモンヘッド５０の高さＬ、を設定することができる。
　なお、プラズモンヘッド５０の材料としては金があげられる。また、プラズモンヘッド５０における共鳴には、プラズモン共鳴も影響している。プラズモン共鳴において、金は、あらゆる波長の光に対して高い電界強度の増幅率を示す。さらに、金は酸化され難い利点をも有している。
　金以外のプラズモンヘッド５０の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）・銅（Ｃｕ）・銀（Ａｇ）が挙げられる。これらの材料は、プラズモン共鳴において高い電界強度の増幅率を有しており、プラズモンヘッド５０の材料に適している。
　その他には、熱的性質や化学的性質が良く高温でも酸化されにくく基板材料との化学反応も起さない特徴がある材料として、白金・ロジウム・パラジウム・ルテニウム・イリジウム・オスミニウムなどがあげられる。これらの材料は、他の金属と比較して低い熱伝導率を有しており、プラズモンヘッド５０の頂点５１（先端）付近で発生した熱を周囲に伝えにくい性質を有している。したがって、白金・ロジウム・パラジウム・ルテニウム・イリジウム・オスミニウムは、プラズモンヘッド５０の材料に適している。
　　＜１．６．第１の実施の形態の近接場プローブおよび近接場顕微鏡の利点＞
　以上のように、第１の実施の形態において、光導波路３０ａの細線コア４０の屈折率（Ｓｉ：３．４８）は、両クラッド３２、３３の屈折率（ＳｉＯ２：１．４４））よりも高く、光導波路３０ａは、高屈折率差導波路を形成している。これにより、コア－クラッド境界に沿って、電界を集中させることができる。
　また、第１の実施の形態の近接場プローブ３０には、複数のプラズモンヘッド５０が、両クラッド３２、３３および細線コア４０の境界を跨ぐように、光導波路３０ａの先端４０ａ側に設けられている。
　そのため、近接場プローブ３０（および、この近接場プローブ３０を含む近接場顕微鏡１）は、各プラズモンヘッド５０から計測対象物５に向けて近接場を良好に導入でき、同位相の近接場光を複数個所で良好に励振させることができる。
　また、第１の実施の形態では、上述のように、（１）近接場プローブ３０において、光導波路３０ａが高屈折率差導波路とされ、（２）複数のプラズモンヘッド５０が、両クラッド３２、３３および細線コア４０の境界を跨ぐように、光導波路３０ａの先端４０ａ側に設けられている。そのため、近接場プローブ３０（および、この近接場プローブ３０を含む近接場顕微鏡１）は、計測対象物５で散乱された近接場光を、複数のプラズモンヘッド５０を用いて良好に検出することができる。
　そして、近接場光を励起させる機能と、散乱された近接場光を検出する機能と、を有する近接場プローブ３０は、光スイッチ等への応用に有利である。
　また、第１の実施の形態の近接場プローブ３０のサイズ（例えば、プラズモンヘッド５０の高さＬ）は、励起光源１０から出射される励起光Ｌｅの波長に応じて設定できる。そのため、プラズモンヘッド５０で発生する近接場の発生効率をさらに向上させることができる。
　＜２．第２の実施の形態＞
　次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態における近接場顕微鏡１００は、近接場プローブの構成が異なる点を除いては、第１の実施の形態の近接場顕微鏡１と同様である。そこで、以下ではこの相違点を中心に説明する。
　なお、以下の説明において、第１の実施の形態の近接場顕微鏡１における構成要素と同様な構成要素については同一符号を付している。これら同一符号の構成要素は、第１の実施の形態において説明済みであるため、本実施の形態では説明を省略する。
　　＜２．１．近接場プローブの構成＞
　図１は、本実施の形態における近接場顕微鏡１００の構成の一例を示す図である。また、図２６および図２７は、本実施の形態における近接場プローブ１３０の構成の一例を示す斜視図である。近接場プローブ１３０は、第１の実施の形態の近接場プローブ３０と同様に、近接場光を励起させる機能と、計測対象物により散乱させられた近接場光を検出する機能と、を有している。
　図２６および図２７に示すように、近接場プローブ１３０は、主として、基板３１と、下部クラッド３２と、上部クラッド３３と、外部コア３５と、細線コア１４０（１４０ａ、１４０ｂ）と、プラズモンヘッド１５０（１５０ａ～１５０ｄ）と、を有している。
　なお、本実施の形態では、上述の近接場プローブ１３０の要素のうち、下部および上部クラッド３２、３３、並びに細線コア１４０ａによって光導波路１３０ａが、下部および上部クラッド３２、３３、並びに細線コア１４０ｂによって光導波路１３０ｂが、それぞれ構成される。
　外部コア３５は、図１および図２７に示すように、導光系６０の光ファイバ６４と、近接場プローブ１３０の細線コア１４０（１４０ａ、１４０ｂ）と、を光学的に結合する結合部である。すなわち、複数の細線コア１４０（１４０ａ、１４０ｂ）が、単一の外部コア３５に対し、配列化して設けられている。
　複数（本実施の形態では、２つ：３つ以上であっても良い）の細線コア１４０（１４０ａ、１４０ｂ）は、図２７に示すように、下部クラッド３２上に配置されている。各細線コア１４０ａ、１４０ｂは、Ｚ軸方向に延伸する略柱体であり、第１の実施の形態の細線コア４０と同様なハードウェア構成を有する。
　複数（本実施の形態では、４つ）のプラズモンヘッド１５０（１５０ａ～１５０ｄ）は、対応する細線コア１４０（１４０ａ、１４０ｂ）の先端付近に設けられた微小金属構造である。図２６および図２７に示すように、各プラズモンヘッド１５０は、対応する細線コア１４０（１４０ａ、１４０ｂ）の先端にて集積化されている。各プラズモンヘッド１５０（１５０ａ～１５０ｄ）は、例えばＡｕをＺ軸方向に積層させることにより形成されている。
　また、図２６に示すように、平面視における各プラズモンヘッド１５０ａ～１５０ｄは、略三角形状を有しており、第１の実施の形態のプラズモンヘッド５０ａ、５０ｂと同様な形状を有している。
　また、図２７に示すように、光導波路１３０ａ、１３０ｂの先端付近における各プラズモンヘッド１５０（１５０ａ～１５０ｄ）の配置は、第１の実施の形態の配置と同様なものとなっている。例えば、プラズモンヘッド１５０（１５０ａ～１５０ｄ）は、光導波路１３０ａ、１３０ｂの先端側での平面視において、上部クラッド３３と、対応する細線コア１４０ａ、１４０ｂと、の境界を跨ぐように配置されている。
　なお、本実施の形態の近接場プローブ１３０は、第１の実施の形態の近接場プローブ３０と同様に、半導体リソグラフィ手法によって形成されており、各細線コア１４０（１４０ａ、１４０ｂ）は、下部クラッド３２に対して、高精度に位置決めされている。
　そのため、近接場プローブ１３０の各プラズモンヘッド１５０は、構造が周期的に並んだ量子ドットに向けて光を照射すること、および、この量子ドットから照射される光を検出すること、を良好に実行できる。
　　＜２．２．第２の実施の形態の近接場プローブおよび近接場顕微鏡の利点＞
　以上のように、第２の実施の形態において、各光導波路１３０ａは、高屈折率差導波路とされている。また、複数のプラズモンヘッド１５０（１５０ａ～１５０ｄ）は、両クラッド３２、３３と、対応する細線コア１４０ａ、１４０ｂと、の境界を跨ぐように、対応する光導波路１３０ａ、１３０ｂの先端側に設けられている。また、各細線コア１４０（１４０ａ、１４０ｂ）は、単一の外部コア３５と光学的に結合されている。
　そのため、近接場プローブ１３０（および、この近接場プローブ１３０を含む近接場顕微鏡１００）は、各プラズモンヘッド１５０から計測対象物５に向けて近接場を良好に導入でき、同位相の近接場光を複数個所で良好に励振させることができる。
　また、近接場プローブ１３０（および、この近接場プローブ１３０を含む近接場顕微鏡１００）は、計測対象物５で散乱された近接場光を、複数のプラズモンヘッド１５０を用いて良好に検出することができる。
　＜３．第３の実施の形態＞
　次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態における近接場顕微鏡２００は、第１の実施の形態の近接場顕微鏡１と比較して、
　（１）導光系の構成が異なる点と、
　（２）２つの近接場プローブ３０によって近接場光の導入および検出を実行する点と、を除いては、第１の実施の形態と同じである。そこで、以下ではこの相違点を中心に説明する。
　なお、以下の説明において、第１の実施の形態の近接場顕微鏡１における構成要素と同様な構成要素については同一符号を付している。これら同一符号の構成要素は、第１の実施の形態において説明済みであるため、本実施の形態では説明を省略する。
　　＜３．１．近接場顕微鏡の構成＞
　図２８は、本実施の形態における近接場顕微鏡２００の構成の一例を示す図である。光検出部２０は、第１の実施の形態の近接場顕微鏡１と同様に、近接場光を用いることによって、光の回折限界以上の分解能で計測対象物５を観察する装置である。
　図２８に示すように、近接場顕微鏡２００は、主として、励起光源１０と、光検出部２０と、複数の近接場プローブ２３０（２３０ａ、２３０ｂ）と、導光系２６０と、ＸＹＺステージ７０と、ステージコントローラ８０と、主制御部９０と、を有している。
　複数の近接場プローブ２３０（２３０ａ、２３０ｂ）のそれぞれは、第１の実施の形態の近接場プローブ３０と同様のハードウェア構成を有している。近接場プローブ２３０ａは、その先端に励起光Ｌｅに基づいた近接場光を発生させる。一方、近接場プローブ２３０ｂは、近接場光の中に置かれた計測対象物５にて散乱され、伝播する被測定光Ｌｍを検出する。
　駆動機構２３７（２３７ａ、２３７ｂ）は、対応する近接場プローブ２３０ａ、２３０ｂを、前後方向（略Ｘ軸方向）、左右方向（略Ｙ軸方向）、および上下方向（略Ｚ軸方向）に移動させる。図２８に示すように、駆動機構２３７ａは近接場プローブ２３０ａと、駆動機構２３７ｂは近接場プローブ２３０ｂと、それぞれ連動連結されている。
　各駆動機構２３７ａ、２３７ｂは、例えば、圧電素子を用いて構成されている。これにより、各駆動機構２３７ａ、２３７ｂは、対応する近接場プローブ２３０ａ、２３０ｂを、各方向に数ｎｍ程度の繰り返し精度で移動させることができ、微小な位置調整が可能となる。
　また、レーザビームと干渉計を用いたフィードバック機構が、駆動機構２３７ａ、２３７ｂの絶対位置制御として採用されてもよい。これにより、駆動機構２３７ａ、２３７ｂは、対応する近接場プローブ２３０ａ、２３０ｂの位置再現性を、さらに高めることができる。
　導光系２６０は、励起光源１０から供給される励起光Ｌｅを近接場プローブ２３０ａに導入するとともに、近接場プローブ２３０ｂから供給される被測定光Ｌｍを光検出部２０に導入する。図２８に示すように、導光系２６０は、主として、光ファイバ２６１、２６２と、を有している。
　光ファイバ２６１、２６２は、光ファイバ６４と同様に、例えば、比屈折率差Δが０．００３程度となるように設計されており、低屈折率差導波路として使用される。図２８に示すように、光ファイバ２６１は、励起光源１０と、近接場プローブ２３０ａの外部コア３５と、を光学的に接続する。一方、光ファイバ２６２は、光検出部２０と、近接場プローブ２３０ｂの外部コア３５と、を光学的に接続する。
　　＜３．２．第２の実施の形態の近接場プローブおよび近接場顕微鏡の利点＞
　以上のように、第３の実施の形態において、近接場プローブ２３０ａ、２３０ｂは、第１の実施の形態の近接場プローブ３０と同様なハードウェア構成を有している。そのため、近接場プローブ２３０ａ（および、この近接場プローブ２３０ａを含む近接場顕微鏡２００）は、計測対象物５に向けて近接場を良好に導入でき、同位相の近接場光を複数個所で良好に励振させることができる。また、近接場プローブ２３０ｂ（および、この近接場プローブ２３０ｂを含む近接場顕微鏡２００は、計測対象物５で散乱された複数個所の近接場光を良好に検出することができる。
　また、第３の実施の形態において、光ファイバ２６１、２６２は、別個のものであり、励起光Ｌｅおよび被測定光Ｌｍは、異なった伝送路（光ファイバ２６１、２６２）を経由することになる。
　そのため、近接場顕微鏡２００は、第１の実施の形態の近接場顕微鏡１と比較して、励起光源１０および近接場プローブ２３０ａの結合の安定性、並びに、光検出部２０および近接場プローブ２３０ｂの結合の安定性、を高めることができる。
　また、近接場顕微鏡２００は、図２８の場合とは異なり、励起用の近接場プローブ２３０ａと、検出用の近接場プローブ２３０ｂと、が、離隔して配置される（隣接して配置されない）ハードウェア構成であっても、実現することができる。
　＜４．変形例＞
　以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。
　（１）第１ないし第３の実施の形態において、複数のプラズモンヘッド５０、１５０（図２および図２６参照）は、いずれも下部クラッド３２の主面と略垂直なコア－クラッド境界４３、４４（図６参照）に配置されるものとして説明したが、これに限定されるものでない。
　図２９は、プラズモンヘッド５０の配置の他の例を示す平面図である。なお、図２９ないし図３２では、プラズモンヘッド５０の配置のみ示しているが、プラズモンヘッド１５０についても、プラズモンヘッド５０と同様な配置を採用することができる。
　図２９に示すように、プラズモンヘッド５０ｅはコア－クラッド境界４２に、プラズモンヘッド５０ｆはコア－クラッド境界４４に、それぞれ配置されている。すなわち、各プラズモンヘッド５０ｅ、５０ｆは、互いに非平行な（図２９の場合、略垂直な）コア－クラッド境界４２、４４を跨ぐように配置されている。また、プラズモンヘッド５０ｅ、５０ｆの形状は、略同一である。ここで、「非平行」とは、ほぼ平行（例えば、両者のなす角が０度より大きく数度以下）の場合を含まないものとする。
　これにより、互いに異なった振動面（偏波面）内で振動する光を感度良く検出することができる。そのため、互いに非平行な（例えば、互いに略直交する）複数の振動面について、各振動面に対応する光への感受性を高めた近接場プローブ３０、１３０、２３０を提供することができる。例えば、図２９に示すようにプラズモンヘッド５０ｅ、５０ｆが配置される場合、近接場プローブ３０は、Ｘ偏波およびＹ偏波の両者を検出することができる。
　（２）また、図２９において、両プラズモンヘッドの形状は略同一であるものとして説明したが、これに限定されるものでない。図３０は、プラズモンヘッド５０の配置の他の例を示す平面図である。図３０に示すように、プラズモンヘッド５０ｇは、コア－クラッド境界４２を跨ぐように配置されている。一方、プラズモンヘッド５０ｈは、コア－クラッド境界４３を跨ぐように配置されている。
　また、図３０に示すように、プラズモンヘッド５０ｇ、５０ｈの大きさ（例えば、細線コア４０側の底辺の長さや、細線コア４０から遠方側の頂点と該底辺までの距離等）は、互いに異なる。そのため、図３０に示す近接場プローブ３０は、波長および振動面が異なる複数の光に対して感受性を有し、これら複数の光を検出することができる。
　（３）また、第１ないし第３の実施の形態において、プラズモンヘッド５０は、細線コア４０を挟み、互いに対向する位置に、合計２つ設けられるものとして説明したが、対向配置の手法は、これに限定されるものでない。
　図３１は、プラズモンヘッド５０の配置の他の例を示す平面図である。図３１に示すように、複数（図３１では３つ）のプラズモンヘッド５０（５０ｉ～５０ｋ）が、コア－クラッド境界４２に沿って配置されている。また、複数（（図３１では３つ）のプラズモンヘッド５０（５０ｍ、５０ｎ、５０ｑ）が、コア－クラッド境界４１に沿って配置されている。
　また、図３１に示すように、各プラズモンヘッド５０ｉ～５０ｋは、互いに略同一形状および略同一サイズである。また、各プラズモンヘッド５０ｍ、５０ｎ、５０ｑは、互いに略同一形状および略同一サイズである。さらに、図３１に示すように、プラズモンヘッド５０ｉ～５０ｋのそれぞれは、各プラズモンヘッド５０ｍ、５０ｎ、５０ｑのそれぞれと、少なくとも、形状またはサイズの点で互いに異なる。
　このように２種類のプラズモンヘッド５０を用いることで、これらプラズモンヘッド５０のサイズに対応した２つの波長（共鳴波長）の検出感度を高く設定し、かつ、その２つの波長以外の感度を低く設定することができる。すなわち、各プラズモンヘッド５０のサイズに応じた波長の光を感度良く検出できる。
　そのため、ＳＮ比の高い測定が可能となり、波長感受性の高い近接場プローブ３０、１３０、２３０を構成することができる。
　また、図３１に示すように、各プラズモンヘッド５０ｉ～５０ｋの方向（例えば、上部クラッド３３側の頂点から底辺に下ろした垂線の方向）が略同一となるよう、プラズモンヘッド５０ｉ～５０ｋが配置されてもよい。このように配置されることによって、各プラズモンヘッド５０ｉ～５０ｋは、特定の偏波（この場合、Ｘ偏波）のみを検出できる。
　また同様に、図３１に示すように、各プラズモンヘッド５０ｍ、５０ｎ、５０ｑの方向（例えば、下部クラッド３２側の頂点から底辺に下ろした垂線の方向）が略同一となるよう、プラズモンヘッド５０ｍ、５０ｎ、５０ｑが配置されてもよい。このように配置されることによって、各プラズモンヘッド５０ｍ、５０ｎ、５０ｑは、特定の偏波（この場合も、Ｘ偏波）のみを検出できる。
　（４）また、第１ないし第３の実施の形態において、プラズモンヘッド５０、１５０は、細線コア４０、１４０を挟み、互いに対向する位置に設けられるものとして説明したが、プラズモンヘッド５０、１５０の配置の手法は、これに限定されるものでない。図３２は、プラズモンヘッド５０の配置の他の例を示す平面図である。図３２に示すように、複数（図３２では３つ）のプラズモンヘッド５０（５０ｒ～５０ｔ）が、コア－クラッド境界４２に沿って配置されている。一方、細線コア４０を挟んでコア－クラッド境界４２と逆側のコア－クラッド境界４１には、プラズモンヘッド５０が配置されていない。
　そのため、複数個所（各プラズモンヘッド５０ｒ～５０ｔの頂点付近）で、同位相の近接場光を励振することができる。また、計測対象物で散乱された近接場光を、各プラズモンヘッド５０（５０ｒ～５０ｔ）を用いて良好に検出することができる。
　（５）さらに、第１ないし第３の実施の形態において、プラズモンヘッド５０、１５０は、細線コア４０、１４０から各クラッド３２、３３に向かって先細りし、プラズモンヘッド５０、１５０の先鋭部（例えば、頂点５１）付近に近接場が形成されるものとして説明したが、プラズモンヘッド５０、１５０の形状はこれに限定されるものでない。
　図３３は、プラズモンヘッド５０の形状の他の例を示す平面図である。図３３に示すように、プラズモンヘッド５０（５０ｖ、５０ｗ）は、平面視略矩形状であり、Ｚ軸方向に延伸する略柱体である。また、図３３に示すように、平面視におけるプラズモンヘッド５０（５０ｖ、５０ｗ）の中央付近には、平面視略Ｃ字状の貫通孔５５が設けられている。さらに、図３３に示すように、各プラズモンヘッド５０ｖ、５０ｗは、貫通孔５５の平面視形状が細線コア４０側に凸となるように、コア－クラッド境界４１、４２に配置されている。
　この場合も、プラズモンヘッド５０（５０ｖ、５０ｗ）近接場光を励振することができ、各プラズモンヘッド５０（５０ｖ、５０ｗ）を用いて近接場光を良好に検出することができる。
　１、１００、２００　近接場顕微鏡
　５　計測対象物
　１０　励起光源
　２０　光検出部
　３０、１３０、２３０（２３０ａ、２３０ｂ）　近接場プローブ
　３０ａ、１３０ａ、１３０ｂ　光導波路
　３２　下部クラッド
　３３　上部クラッド
　３５　外部コア
　４０、１４０（１４０ａ、１４０ｂ）　細線コア
　４１～４４　コア－クラッド境界
　５０、１５０　プラズモンヘッド
　５１（５１ａ、５１ｂ）　頂点
　５５　貫通孔
　６０、２６０　導光系
　７０　ＸＹＺステージ
　８０　ステージコントローラ
　９０　主制御部
　２３７（２３７ａ、２３７ｂ）　駆動機構
　Ｌｅ　励起光
　Ｌｍ　被測定光

Claims (7)

  1. 　クラッドと、前記クラッドよりも高屈折率のコアと、を有する光導波路と、
    　各々が、前記光導波路の先端側において、前記コアと前記クラッドとの境界を跨ぐように配置された複数の微小金属構造と、
    　を備えることを特徴とする近接場プローブ。
  2. 　前記微小金属構造の形状は二等辺三角形であることを特徴とする請求項１に記載の近接場プローブ。
  3. 　前記微小金属構造は前記コアを挟み、互いに底辺を対向させて配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の近接場プローブ。
  4. 　各微小金属構造体の大きさは、互いに異なることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の近接場プローブ。
  5. 　各微小金属構造体は、互いに非平行なコア－クラッド境界を跨ぐように配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の近接場プローブ。
  6. 　前記光導波路は、スポットサイズ変換導波路を介して、外部から光を導入する低屈折率差導波路と結合されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の近接場プローブ。
  7. 　請求項１から請求項６のいずれかに記載の近接場プローブを備えることを特徴とする近接場導入・検出装置。
PCT/JP2010/064687 2009-09-16 2010-08-30 近接場プローブ、および近接場導入・検出装置 WO2011033925A1 (ja)

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