JP3231675B2 - Optical fiber probe and manufacturing method thereof - Google Patents
Optical fiber probe and manufacturing method thereofInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバの一端
に先鋭部が形成され、この先鋭部が金属薄膜によって被
覆された光ファイバプローブ及びその製造方法に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber probe in which a sharp portion is formed at one end of an optical fiber, and the sharp portion is covered with a thin metal film, and a method of manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光通信、光情報処理システムの高速化、
大容量化の進展には光デバイスの小型化、高集積化が必
要不可欠である。しかし、デバイスを光の半波長サイズ
以下に縮小することができたとしても、光の回折限界か
らそのデバイス内部に伝搬光を閉じこめることは不可能
である。2. Description of the Related Art High speed optical communication and optical information processing systems,
To increase the capacity, miniaturization and high integration of optical devices are indispensable. However, even if a device can be reduced to a half-wavelength size or less of light, it is impossible to confine propagating light inside the device due to the diffraction limit of light.
【０００３】こうした光の回折限界からくる制約を解消
するために、近接場の概念の導入が有効である。[0003] In order to eliminate such restrictions due to the diffraction limit of light, it is effective to introduce the concept of a near field.
【０００４】すなわち、物体表面に全反射条件下で光が
照射されると、この物体表面からの距離が光の波長より
も小さい、極めて近接した領域（近接場）にエバネッセ
ント光と称される電磁波が生ずる。この近接場での光強
度は極めて微小であるが、その光強度を増大させること
ができれば例えば非線形光学現象と組み合わせることに
よってナノメートルサイズの光機能デバイスを実現する
ことができる。That is, when light is irradiated to the surface of an object under the condition of total reflection, an electromagnetic wave called evanescent light is placed in an extremely close area (near field) where the distance from the object surface is smaller than the wavelength of the light. Occurs. Although the light intensity in the near field is extremely small, if the light intensity can be increased, for example, a nanometer-sized optical functional device can be realized by combining with a nonlinear optical phenomenon.
【０００５】また、近接場で生じるエバネッセント光
は、物体の、特に光の波長よりも小さい構造を測定する
のにも用いることができる。このような測定を行うシス
テムは近接場光学顕微鏡と称され、例えば図９に示すよ
うな構成とされる。[0005] Evanescent light generated in the near field can also be used to measure the structure of an object, particularly a structure smaller than the wavelength of light. A system for performing such a measurement is called a near-field optical microscope, and has a configuration as shown in FIG. 9, for example.
【０００６】この顕微鏡は、全反射条件下で物体にレー
ザ光が照射されることにより生じたエバネッセント光３
０を、プローブ３２のナノメートルサイズとなされた先
鋭部３１の先端によって散乱させる。この図で示す顕微
鏡では、プローブが光ファイバで構成されており、プロ
ーブ３２の先鋭部３１によって散乱された光は当該先鋭
部を通じて光ファイバのコアに導かれる。そして、コア
内に導かれた光は、光ファイバのもう一方の端部（出射
端）から出射し、検出器により検出される。This microscope uses evanescent light 3 generated by irradiating an object with laser light under total reflection conditions.
0 is scattered by the tip of the sharpened portion 31 having a nanometer size of the probe 32. In the microscope shown in this figure, the probe is composed of an optical fiber, and the light scattered by the sharp portion 31 of the probe 32 is guided to the core of the optical fiber through the sharp portion. The light guided into the core is emitted from the other end (emission end) of the optical fiber and detected by the detector.
【０００７】また、以上に説明した近接場光学顕微鏡
は、物体上に生成したエバネッセント光をプローブによ
って集めることからコレクションモードと称される。こ
の他に近接場光学顕微鏡としては、プローブの先端に生
じさせたエバネッセント光によって物体を局所的に照ら
して光学画像を得るイルミネーションモードや、プロー
ブの先端に生じせしめたエバネッセント光で物体を局所
的に照らすとともに、プローブの先端によって散乱させ
た光をプローブを通じて検出するイルミネーション・コ
レクションモードが知られている。[0007] The near-field optical microscope described above is called a collection mode because evanescent light generated on an object is collected by a probe. In addition, near-field optical microscopes include an illumination mode in which an object is locally illuminated with evanescent light generated at the tip of the probe to obtain an optical image, and an object locally irradiated with evanescent light generated at the tip of the probe. There is known an illumination collection mode for illuminating and detecting light scattered by the tip of the probe through the probe.
【０００８】ところで、エバネッセント光を用いる光デ
バイスを実現したり、近接場光学顕微鏡での検出感度を
向上させるためには近接場での光強度を増大させる技術
が必要となる。そのような技術のための手法としては、
例えば表面プラズモンとエバネッセント光との相互作用
による方法がある。表面プラズモンは、金属表面電子の
プラズマ振動の量子であり、波長は空気中の伝搬光に比
べて短く、エバネッセント光と強く相互作用する。そし
て、この表面プラズモンが共鳴的に励起されると、表面
の極近傍に光パワーが集中する。このような表面プラズ
モンは、通常、平坦な金属表面上を伝搬する伝搬モード
に対応して存在するが、伝搬光の波長サイズよりも小さ
な金属微粒子や金属薄膜上の突起部の表面に局在する局
在モードもある。このような局在モードの場合では、近
接場での光強度を２桁から５桁程度にまで増大させるこ
とができる。Meanwhile, in order to realize an optical device using evanescent light and to improve detection sensitivity with a near-field optical microscope, a technique for increasing light intensity in a near field is required. Techniques for such techniques include:
For example, there is a method based on the interaction between surface plasmon and evanescent light. Surface plasmons are the quanta of plasma oscillations of metal surface electrons, whose wavelength is shorter than that of propagating light in air, and which interacts strongly with evanescent light. Then, when the surface plasmon is excited in a resonant manner, the optical power is concentrated very near the surface. Such a surface plasmon usually exists corresponding to a propagation mode propagating on a flat metal surface, but is localized on the surface of a metal fine particle or a protrusion on a metal thin film smaller than the wavelength size of the propagating light. There is also a local mode. In the case of such a localized mode, the light intensity in the near field can be increased from two digits to about five digits.
【０００９】このような表面プラズモンが光デバイス上
で励起されるようにするには、ガラス基材の所定領域に
金属薄膜を設け、この金属薄膜に励起光が入射されるよ
うな機構を持たせれば良い。また、近接場光学顕微鏡の
光ファイバプローブの場合には先鋭部を金属薄膜で覆
い、コアを通じて励起光を先鋭部に導くようにするか、
あるいは金属薄膜に外部から光が入射されるようにす
る。In order to cause such surface plasmons to be excited on an optical device, a metal thin film is provided on a predetermined region of a glass substrate, and a mechanism is provided to allow excitation light to enter the metal thin film. Good. In the case of an optical fiber probe of a near-field optical microscope, the sharp portion is covered with a metal thin film, and the excitation light is guided to the sharp portion through the core,
Alternatively, light is externally incident on the metal thin film.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光ファ
イバプローブに金属薄膜を直接蒸着形成した場合、形成
される蒸着膜は粒径が３０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の微粒
子の集団で構成され、各微粒子同士は密着性が低いた
め、結果として粒径サイズ程度の表面粗さをもった金属
薄膜が形成されてしまう。However, when a metal thin film is directly formed by vapor deposition on an optical fiber probe, the formed vapor deposition film is composed of a group of fine particles having a particle size of about 30 nm to 100 nm. As a result, a metal thin film having a surface roughness of about the particle size is formed as a result.
【００１１】このような表面粗さをもった金属薄膜の場
合、表面プラズモンの局在モードが金属薄膜表面の個々
の突起部に励起される可能性がある。そして、個々の突
起部では形状によって表面プラズモンの励起光波長が異
なることから、複数の場所でそれぞれに固有の励起光波
長に対して局在モードが発生することになる。こうした
場合、プローブにおいては空間分解能が損なわれ、励起
光に対する感度も非常に低いものとなる。In the case of a metal thin film having such a surface roughness, there is a possibility that localized modes of surface plasmons are excited in individual protrusions on the surface of the metal thin film. Since the excitation light wavelength of the surface plasmon differs depending on the shape of each projection, a localized mode is generated at a plurality of locations with respect to the excitation light wavelength unique to each. In such a case, the spatial resolution of the probe is impaired, and the sensitivity to the excitation light is very low.
【００１２】この対策として、熱を加えながら蒸着を行
うことによって金属薄膜を構成する微粒子の粒径サイズ
を大きくすることも考えられるが、そうすると、ガラス
と金属とは密着性が低いために却って金属薄膜表面の凹
凸が増加し、形状が不均一になる。As a countermeasure, it is conceivable to increase the particle size of the fine particles constituting the metal thin film by performing vapor deposition while applying heat. However, in this case, the adhesion between the glass and the metal is low, so that the metal is rather poor. The irregularities on the surface of the thin film increase, and the shape becomes uneven.
【００１３】そこで、本発明はこのような従来の実情に
鑑みて提案されたものであり、先鋭部が平滑な金属薄膜
で覆われ、表面プラズモンが共鳴的に励起される光ファ
イバプローブ及びその製造方法を提供することを目的と
する。Accordingly, the present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and an optical fiber probe in which a sharp portion is covered with a smooth metal thin film and surface plasmons are resonantly excited, and a manufacturing method thereof. The aim is to provide a method.
【００１４】[0014]
【課題を解決するための手段】本発明は上述の目的を達
成するために完成されたものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been completed to achieve the above-mentioned object.
【００１５】すなわち、本発明は、コアの周りにクラッ
ドが設けられてなる光ファイバの一端に形成された先細
り状の先鋭部を有し、表面プラズモンを励起させるため
の金属薄膜により上記先鋭部が被覆された光ファイバプ
ローブであって、上記先鋭部に先端部から根本部に亘っ
て形成されたゲルマニウム膜を有し、上記金属薄膜が、
金又は銀よりなり、上記ゲルマニウム膜上に形成されて
いることを特徴とする。That is, the present invention has a tapered sharp portion formed at one end of an optical fiber having a clad provided around a core, and the sharp portion is formed by a metal thin film for exciting surface plasmons. The coated optical fiber probe, wherein the sharpened portion has a germanium film formed from the tip to the root, the metal thin film,
It is made of gold or silver and is formed on the germanium film.
【００１６】また、本発明は、コアの周りにクラッドが
設けられてなる光ファイバの一端に形成された先細り状
の先鋭部を有し、表面プラズモンを励起させるための金
属薄膜により上記先鋭部が被覆された光ファイバプロー
ブの製造方法であって、上記先鋭部に先端部から根本部
に亘ってゲルマニウム膜を成膜し、上記金属薄膜を金又
は銀により上記ゲルマニウム膜上に成膜することを特徴
とする。Further, the present invention has a tapered sharp portion formed at one end of an optical fiber having a clad provided around a core, and the sharp portion is formed by a metal thin film for exciting surface plasmons. A method for producing a coated optical fiber probe, comprising: forming a germanium film from the tip to the root at the sharp portion; and forming the metal thin film on the germanium film with gold or silver. Features.
【００１７】[0017]
【００１８】光ファイバプローブの先鋭部に、ゲルマニ
ウム膜を介して金または銀よりなる金属薄膜を成膜する
と、先鋭部上に平滑な金属薄膜が形成される。このよう
にして形成された金属薄膜は膜表面が平滑であるため、
励起光を入射させたときに、表面プラズモンの局在モー
ドが複数の場所で励起されるのが抑えられ、先端部にお
いて共鳴的に表面プラズモンが励起される。したがっ
て、この表面プラズモンとエバネッセント光とを相互作
用させると近接場の光強度が大きく増大する。When a metal thin film made of gold or silver is formed on the sharp portion of the optical fiber probe via a germanium film, a smooth metal thin film is formed on the sharp portion. Since the metal thin film thus formed has a smooth film surface,
When the excitation light is made incident, the localized mode of the surface plasmon is suppressed from being excited at a plurality of places, and the surface plasmon is excited resonantly at the tip. Therefore, when the surface plasmon and the evanescent light interact, the light intensity of the near field greatly increases.
【００１９】[0019]
【００２０】[0020]
【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施の形
態について説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described.
【００２１】本発明の光ファイバプローブは、図１に示
すようにコア１の周りにクラッド２が設けられてなる光
ファイバ３よりなり、コア１の一端がクラッド２から突
出し、この突出部が円錐状に先鋭化されることで先鋭部
４が形成されている。上記コア１及びクラッド２は、例
えばＳｉＯ2系ガラスよりなり、Ｆ、ＧｅＯ2、Ｂ2Ｏ3等
の添加によってコア１よりもクラッド２の屈折率が低く
なるように組成制御されている。また、先鋭部先端の曲
率半径は、エバネッセント光を検出するためには例えば
１０ｎｍ以下とされる。The optical fiber probe of the present invention comprises an optical fiber 3 having a clad 2 provided around a core 1 as shown in FIG. 1. One end of the core 1 protrudes from the clad 2, and this protruding portion has a conical shape. The sharpened portion 4 is formed by sharpening the shape. The core 1 and the clad 2 are made of, for example, SiO 2 glass, and the composition is controlled so that the refractive index of the clad 2 is lower than that of the core 1 by adding F, GeO 2 , B 2 O 3 or the like. The radius of curvature at the tip of the sharp portion is, for example, 10 nm or less in order to detect evanescent light.
【００２２】そして、この光ファイバプローブでは特
に、上記先鋭部４に先端部から根本部に亘ってゲルマニ
ウム膜５が形成され、その上に金属薄膜６が形成されて
いる。この金属薄膜６は、他の金属よりもプラズモンの
励起効率が高い金または銀によって構成され、ゲルマニ
ウム膜５を介して先鋭部４に設けられることによって、
先鋭部４上に直接設けられるのに比べて平滑な表面で形
成されている。In this optical fiber probe, in particular, a germanium film 5 is formed on the sharp portion 4 from the tip to the root, and a metal thin film 6 is formed thereon. The metal thin film 6 is made of gold or silver, which has higher plasmon excitation efficiency than other metals, and is provided at the sharp portion 4 via the germanium film 5,
It is formed with a smoother surface than that provided directly on the sharpened portion 4.
【００２３】以上のように構成された光ファイバプロー
ブでは、後端部から励起光を導入し、コア１を通じて先
鋭部４に導くと、先鋭部４の外側にエバネッセント光が
生じるとともに金属薄膜６上に表面プラズモンが励起さ
れる。あるいは、この光ファイバプローブの金属薄膜６
に外部から励起光を入射させると金属薄膜６上に表面プ
ラズモンが励起される。In the optical fiber probe configured as described above, when the excitation light is introduced from the rear end and guided to the sharp part 4 through the core 1, evanescent light is generated outside the sharp part 4 and the metal thin film 6 is formed. Surface plasmon is excited. Alternatively, the metal thin film 6 of this optical fiber probe
When excitation light is incident on the metal thin film 6, surface plasmons are excited.
【００２４】このとき、この光ファイバプローブでは、
金属薄膜表面が平滑であるため、表面プラズモンの局在
モードがこの金属薄膜上の複数箇所で励起されるのが抑
えられ、先端部においてのみ表面プラズモンの局在モー
ドが共鳴的に励起される。したがって、この局在型の表
面プラズモンの共鳴的な励起とエバネッセント光の相互
作用によって近接場の光強度を大きく増大することがで
き、エバネッセント光を利用して物体形状を測定する場
合に、高い検出感度と空間分解能を得ることができる。
また、この光ファイバプローブでは、このように共鳴的
に局在型の表面プラズモンを生じさせることができるの
で、プローブ先端の極微小域に閉じ込められた光によっ
て非線形材料を微小領域毎に光機能化することができ
る。したがって、この光ファイバプローブによれば、様
々な機能を有する光デバイスの開発が可能になる。At this time, in this optical fiber probe,
Since the surface of the metal thin film is smooth, the localized mode of the surface plasmon is suppressed from being excited at a plurality of locations on the metal thin film, and the localized mode of the surface plasmon is resonantly excited only at the tip. Therefore, the interaction between the resonant excitation of the localized surface plasmons and the evanescent light can greatly increase the light intensity of the near field, and when measuring the object shape using the evanescent light, high detection is required. Sensitivity and spatial resolution can be obtained.
In addition, in this optical fiber probe, localized surface plasmons can be generated in a resonant manner as described above. can do. Therefore, according to this optical fiber probe, it is possible to develop optical devices having various functions.
【００２５】このような光ファイバプローブを製造する
には、コアの周りにクラッドが設けられた光ファイバを
用意し、この光ファイバの一端に先鋭部４を形成する。To manufacture such an optical fiber probe, an optical fiber having a clad provided around a core is prepared, and a sharpened portion 4 is formed at one end of the optical fiber.
【００２６】先鋭部４の形成は例えば化学エッチングに
よって行う。この場合、エッチング液としてはクラッド
２のエッチング速度がコア１のエッチング速度よりも大
きくなるようなエッチング液を用い、このエッチング液
に光ファイバの一端を所定時間浸漬する。The sharp portion 4 is formed by, for example, chemical etching. In this case, an etching solution is used such that the etching speed of the clad 2 is higher than the etching speed of the core 1, and one end of the optical fiber is immersed in the etching solution for a predetermined time.
【００２７】エッチング液に光ファイバの一端を浸漬す
ると、光ファイバの先端側ではクラッドのエッチング速
度がコアのエッチング速度よりも大きいので、クラッド
の方がコアよりも先にエッチングされ、コアがクラッド
から突出してくる。When one end of the optical fiber is immersed in an etching solution, the cladding is etched earlier than the core because the etching rate of the clad is higher than the etching rate of the core on the tip side of the optical fiber. Protrude.
【００２８】また、光ファイバの外周面側では、外周面
に露出しているクラッド２がエッチングされるととも
に、クラッドがエッチングされることによって先端側か
らコアの外周面が露出しはじめ、この外周面に露出した
コアも引き続きエッチングされる。このとき、コアの外
周面は先端側から露出することによって、先端側にいく
程エッチング量が多くなり、直径が減少する。したがっ
て、このエッチングを一定時間続けることにより、コア
１の一端にクラッド２から突出した円錐状の先鋭部４が
形成される。On the outer peripheral surface side of the optical fiber, the clad 2 exposed on the outer peripheral surface is etched, and the outer peripheral surface of the core starts to be exposed from the distal end side by etching the clad. The exposed core is also etched. At this time, since the outer peripheral surface of the core is exposed from the front end side, the etching amount increases toward the front end side, and the diameter decreases. Therefore, by continuing this etching for a certain period of time, a conical sharp portion 4 protruding from the clad 2 is formed at one end of the core 1.
【００２９】なお、エッチング液としては、具体的には
フッ化アンモニウム、フッ化水素及び水よりなる緩衝フ
ッ化水素溶液等が用いられる。As the etching solution, specifically, a buffered hydrogen fluoride solution comprising ammonium fluoride, hydrogen fluoride and water is used.
【００３０】このようにして先鋭部４を形成した後、こ
の先鋭部４にゲルマニウム膜５を成膜し、さらにこの上
に金または銀よりなる金属薄膜６を成膜する。このゲル
マニウム膜５と金属薄膜６の成膜方法としては、スパッ
タリング法や蒸着法等の物理的気相成長法等が用いら
れ、被着粒子の直進性が高いことから蒸着法を用いるの
が望ましい。After forming the sharpened portion 4 in this manner, a germanium film 5 is formed on the sharpened portion 4, and a metal thin film 6 of gold or silver is further formed thereon. As a method for forming the germanium film 5 and the metal thin film 6, a physical vapor deposition method such as a sputtering method or a vapor deposition method is used, and it is preferable to use a vapor deposition method since the adhered particles have high straightness. .
【００３１】ゲルマニウム膜５に対して金属薄膜６の成
膜を行うと、金属の蒸発粒子はガラスに対するよりもゲ
ルマニウムに対して強く密着するので、凹凸が少なく、
強度の高い金属薄膜６が形成される。なお、例えば蒸着
法によって成膜を行う場合、蒸着中あるいは蒸着後に加
熱を行うようにしても良い。加熱によって、金属薄膜を
構成する金属粒子の粒径が大きくなるとともにゲルマニ
ウム膜と金属薄膜との界面で合金化が促進され、より平
滑な金属薄膜６が形成できる。When the metal thin film 6 is formed on the germanium film 5, the evaporated particles of the metal adhere more strongly to the germanium than to the glass.
A metal thin film 6 having high strength is formed. Note that, for example, when film formation is performed by an evaporation method, heating may be performed during or after evaporation. The heating increases the particle size of the metal particles constituting the metal thin film, promotes alloying at the interface between the germanium film and the metal thin film, and can form a smoother metal thin film 6.
【００３２】以上、光ファイバプローブの一例を説明し
たが、本発明の光ファイバプローブの形態はこれに限る
ものではない。例えば、図２に示すようにクラッド２の
端面が、外周部から内周部に亘って傾斜する傾斜面とさ
れていても良い。この場合にも、先鋭部にゲルマニウム
膜５を介して金または銀よりなる金属薄膜６を形成する
ことによって金属薄膜が平滑な表面で形成され、先端部
において共鳴的に表面プラズモンが励起される。Although an example of the optical fiber probe has been described above, the form of the optical fiber probe of the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 2, the end surface of the clad 2 may be an inclined surface that is inclined from the outer peripheral portion to the inner peripheral portion. Also in this case, the metal thin film 6 made of gold or silver is formed on the sharp portion with the germanium film 5 interposed therebetween, so that the metal thin film is formed on a smooth surface, and the surface plasmon is excited resonantly at the tip.
【００３３】[0033]
【００３４】[0034]
【００３５】[0035]
【００３６】[0036]
【００３７】[0037]
【００３８】[0038]
【００３９】[0039]
【００４０】[0040]
【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について実験
結果に基づいて説明する。EXAMPLES Hereinafter, specific examples of the present invention will be described based on experimental results.
【００４１】実施例１ この実施例は平坦なガラス基材上に金属薄膜を形成した
例である。 Embodiment 1 This embodiment is an example in which a metal thin film is formed on a flat glass substrate.
【００４２】まず、平坦なガラス基板を用意し、このガ
ラス基板上に、蒸着法によってゲルマニウム膜を膜厚１
ｎｍで成膜し、その上に金または銀よりなる金属薄膜を
膜厚３０ｎｍで成膜した。First, a flat glass substrate was prepared, and a germanium film having a thickness of 1 was formed on the glass substrate by vapor deposition.
and a metal thin film made of gold or silver was formed thereon to a thickness of 30 nm.
【００４３】そして、この金属薄膜の密着性を、ＪＩＳ
Ｒ ３２５５に規定されるスクラッチ法で求められる
臨界荷重値及びこの臨界荷重値より得られるベンジャミ
ン・ウェーバー力によって評価した。また、比較とし
て、ガラス基板上に直接形成された金属薄膜についても
同様にして密着性の評価を行った。その結果を表１、表
２に示す。The adhesion of the metal thin film was measured according to JIS.
The critical load value determined by the scratch method specified in R3255 and the Benjamin-Weber force obtained from the critical load value were evaluated. For comparison, adhesion was also evaluated for a metal thin film directly formed on a glass substrate in the same manner. The results are shown in Tables 1 and 2.
【００４４】[0044]
【表１】 [Table 1]
【００４５】[0045]
【表２】 [Table 2]
【００４６】表１、表２に示すように、ゲルマニウム膜
上に成膜された金属薄膜は、ガラス基板上に直接成膜さ
れた金属薄膜に比べて、臨界荷重値及びベンジャミン・
ウェーバー力が大きい。As shown in Tables 1 and 2, the metal thin film formed on the germanium film has a critical load value and a benjamin / metal content smaller than the metal thin film formed directly on the glass substrate.
Large Weber force.
【００４７】このことから、ガラス基板上にゲルマニウ
ム膜を介して金属薄膜を成膜すると、密着性の高い金属
薄膜が形成できることがわかった。From this, it was found that when a metal thin film was formed on a glass substrate via a germanium film, a metal thin film having high adhesion could be formed.
【００４８】なお、ゲルマニウム膜を設けることによる
表面プラズモンの励起条件への影響を調べるために、全
反射減衰法に基づき、金属薄膜が形成された側とは反対
側の面から、シングルモードのレーザ光（ｐ偏光）を全
反射の臨界角以上で入射させ、その入射角に対する反射
光強度の変化を求めることで表面プラズモンの励起条件
を調べた。In order to investigate the effect of the germanium film on the surface plasmon excitation conditions, a single-mode laser was applied from the side opposite to the side on which the metal thin film was formed, based on the total reflection attenuation method. Light (p-polarized light) was incident at a critical angle of total reflection or more, and the change in reflected light intensity with respect to the incident angle was determined to examine the surface plasmon excitation conditions.
【００４９】その結果、励起条件は、ゲルマニウム膜の
膜厚が１ｎｍ以下の範囲ではゲルマニウム膜を設けた場
合と設けない場合とでほとんど変わらず、ゲルマニウム
膜による励起効率の劣化は認められないことが確認され
た。As a result, the excitation conditions are almost the same between the case where the germanium film is provided and the case where the germanium film is not provided when the thickness of the germanium film is 1 nm or less, and the deterioration of the excitation efficiency due to the germanium film is not observed. confirmed.
【００５０】実施例２ この実施例は光ファイバプローブの先鋭部上に金属薄膜
を形成した例である。 Embodiment 2 This embodiment is an example in which a metal thin film is formed on a sharp portion of an optical fiber probe.
【００５１】光ファイバを用意し、この光ファイバの一
端を、フッ化アンモニウムとフッ化水素及び水よりなる
緩衝フッ化水素溶液によってエッチングし、先に図１で
示したような先鋭部を形成した。なお、先鋭部先端の曲
率半径は１０ｎｍ以下である。An optical fiber was prepared, and one end of the optical fiber was etched with a buffered hydrogen fluoride solution consisting of ammonium fluoride, hydrogen fluoride, and water to form a sharp portion as shown in FIG. . The radius of curvature at the tip of the sharp portion is 10 nm or less.
【００５２】そして、この光ファイバの先鋭部に、フィ
ラメントによる輻射加熱下、蒸着法によって膜厚１．１
ｎｍのゲルマニウム膜を成膜し、その上に膜厚４０ｎｍ
の金よりなる金属薄膜を成膜した。蒸着条件は以下の通
りである。Then, a film thickness of 1.1 was formed on the sharp portion of the optical fiber by vapor deposition under radiant heating by a filament.
a germanium film having a thickness of 40 nm and a thickness of 40 nm
A thin metal film made of gold was formed. The deposition conditions are as follows.
【００５３】 真空チャンバの真空度：５×１０-4Ｐａ ゲルマニウム膜の成膜速度：２〜３ｎｍ／分 金属薄膜の成膜速度：１０〜２０ｎｍ／分 なお、この蒸着に際しては、先鋭部のどの面に対しても
均質に蒸着が行われるように、光ファイバを回転機構上
に取り付けられた保持台に保持し、中心軸を回転軸とし
て回転させるようにした。Degree of vacuum in the vacuum chamber: 5 × 10 −4 Pa Germanium film deposition rate: 2-3 nm / min. Metal thin film deposition rate: 10-20 nm / min. The optical fiber was held on a holding table mounted on a rotation mechanism so that the evaporation was performed evenly on the surface, and the optical fiber was rotated about the central axis as the rotation axis.
【００５４】そして、このようにしてゲルマニウム膜
と、金属薄膜を蒸着形成した後、光ファイバを、輻射加
熱下で約３時間放置した。After the germanium film and the metal thin film were formed by vapor deposition, the optical fiber was left under radiant heating for about 3 hours.
【００５５】このようにして作製された光ファイバプロ
ーブの走査顕微鏡写真を図３、図４に示す。また、比較
として光ファイバの先鋭部に直接金属薄膜を成膜した光
ファイバプローブの走査顕微鏡写真を図５、図６に示
す。なお、これら走査顕微鏡写真において、図４は図３
の白枠内を拡大したものであり、図６は図５の白枠内を
拡大したものである。FIGS. 3 and 4 show scanning micrographs of the optical fiber probe thus manufactured. For comparison, FIGS. 5 and 6 show scanning micrographs of an optical fiber probe in which a metal thin film is directly formed on a sharp portion of an optical fiber. In these scanning micrographs, FIG.
6 is an enlarged view of the inside of the white frame of FIG. 5, and FIG. 6 is an enlarged view of the inside of the white frame of FIG.
【００５６】まず、図３、図４を見ると、先鋭部上にゲ
ルマニウム膜を介して成膜された金属薄膜は粒子の粒径
が大きく表面に凹凸が少ないのがわかる。また、金属薄
膜が成膜された状態の先鋭部は、先端部の曲率半径が約
４０ｎｍであり、先端形状が理想的な半円球状になって
いた。First, referring to FIGS. 3 and 4, it can be seen that the metal thin film formed on the sharp portion via the germanium film has a large particle diameter and few irregularities on the surface. Further, the sharp portion where the metal thin film was formed had a radius of curvature of about 40 nm at the tip, and the tip had an ideal semi-spherical shape.
【００５７】これに対して、図５、図６を見てわかるよ
うに、先鋭部に直接成膜された金属薄膜は粒子の粒径が
小さく表面に多数の凹凸が形成されている。On the other hand, as can be seen from FIGS. 5 and 6, the metal thin film formed directly on the sharp portion has a small particle diameter and many irregularities are formed on the surface.
【００５８】このことから、光ファイバプローブの先鋭
部上にゲルマニウム膜を介して金属薄膜を成膜すると、
密着性が高く凹凸の少ない金属薄膜が形成できることが
わかった。From this, when a metal thin film is formed on the sharp portion of the optical fiber probe via a germanium film,
It was found that a metal thin film having high adhesion and little unevenness could be formed.
【００５９】次に、先鋭部にゲルマニウム膜と金の薄膜
を形成した実施例２の光ファイバプローブで励起される
表面プラズモンのモードを、図７に示す評価システムを
用いて調べた。Next, the mode of the surface plasmon excited by the optical fiber probe of Example 2 in which the germanium film and the gold thin film were formed at the sharp portion was examined using the evaluation system shown in FIG.
【００６０】この評価システムは、直角プリズム１０に
光を導入するための照射系１１と、プリズム１０に生じ
たエバネッセント光を検出するための検出系１２よりな
り、照射系１１は色素レーザ光源（色素：ローダミン６
Ｇ）１３、チョッパー１４、ハーフミラー１５、反射ミ
ラー１６、偏光子１７によって構成され、検出系１２は
光ファイバプローブ１８と光電子増倍管１９によって構
成されている。This evaluation system comprises an irradiation system 11 for introducing light into the right-angle prism 10 and a detection system 12 for detecting evanescent light generated in the prism 10. The irradiation system 11 is a dye laser light source (dye). : Rhodamine 6
G) 13, a chopper 14, a half mirror 15, a reflection mirror 16, and a polarizer 17; and the detection system 12 includes an optical fiber probe 18 and a photomultiplier tube 19.
【００６１】この評価システムでは、光源１３から出射
した色素レーザ光は、ハーフミラー１５によって一部が
パワーメータ２０側に反射される。この反射したレーザ
光は偏光子２１によってｐ偏光成分とされた後、パワー
メータ２０で光強度が検出される。一方、ハーフミラー
１５を透過したレーザ光は反射ミラー１６によって偏光
子１７側に曲げられ、ｐ偏光成分のみが偏光子１７を通
過する。偏光子１７を通過したｐ偏光はプリズム１０内
に導入され、一面１０ａにおいて空気との界面で全反射
し、その際にプリズムの外側でエバネッセント光が発生
する。In this evaluation system, a part of the dye laser light emitted from the light source 13 is reflected by the half mirror 15 to the power meter 20 side. After the reflected laser light is converted into a p-polarized component by the polarizer 21, the light intensity is detected by the power meter 20. On the other hand, the laser light transmitted through the half mirror 15 is bent toward the polarizer 17 by the reflection mirror 16, and only the p-polarized light component passes through the polarizer 17. The p-polarized light that has passed through the polarizer 17 is introduced into the prism 10, and is totally reflected at one surface 10a at an interface with air, and at that time, evanescent light is generated outside the prism.
【００６２】一方、光ファイバプローブ１８は、ｐ偏光
が全反射するプリズム１０の一面１０ａに対して光の波
長よりも狭い距離（約５ｎｍ）まで接近して配置され
る。プリズム１０で生じたエバネッセント光は、この光
ファイバプローブ１８の先鋭部２２から取り込まれ、伝
搬光に変換される。伝搬光は、コアを通じて光ファイバ
の後端に接続された光電子増倍管１９に導入され、電気
信号に変換されて光強度がロックイン検出される。On the other hand, the optical fiber probe 18 is arranged close to the one surface 10a of the prism 10 where p-polarized light is totally reflected, to a distance (about 5 nm) smaller than the wavelength of light. The evanescent light generated by the prism 10 is taken in from the sharp portion 22 of the optical fiber probe 18 and is converted into propagating light. The propagating light is introduced into the photomultiplier tube 19 connected to the rear end of the optical fiber through the core, is converted into an electric signal, and the light intensity is lock-in detected.
【００６３】なお、上記色素レーザ光源１３は波長可変
とされており、ここではこのレーザ波長を５７０〜６３
０ｎｍの範囲で変化させた。各波長での強度の半値幅は
約０．１６ｎｍである。但し、波長を操作する際には、
パワーメータ２０で検出される光強度が一定になるよう
に色素レーザ光源１３の出力を制御した。プリズム１０
への入射光強度は約１４０μＷである。The dye laser light source 13 is variable in wavelength, and here the laser wavelength is 570-63.
It was changed in the range of 0 nm. The half width of the intensity at each wavelength is about 0.16 nm. However, when manipulating the wavelength,
The output of the dye laser light source 13 was controlled so that the light intensity detected by the power meter 20 became constant. Prism 10
The incident light intensity on the light is about 140 μW.
【００６４】また、プローブ−プリズム間の間隔は、プ
ローブ−プリズム間のシェアフォースが一定となるよう
にプローブを位置制御する回路を組むことで約５ｎｍに
維持されるようにした。The distance between the probe and the prism was maintained at about 5 nm by setting up a circuit for controlling the position of the probe so that the shear force between the probe and the prism was constant.
【００６５】このような評価システムに実施例２で作製
された光ファイバプローブを組み込み、プリズムに入射
させる光の波長と、光ファイバプローブで検出される光
強度の関係を調べた。その結果を図８に示す。図８中、
各プロットは実測値であり、実線はそのフィッティング
曲線である。The optical fiber probe manufactured in Example 2 was incorporated in such an evaluation system, and the relationship between the wavelength of light incident on the prism and the light intensity detected by the optical fiber probe was examined. FIG. 8 shows the result. In FIG.
Each plot is an actual measurement, and the solid line is the fitting curve.
【００６６】図８からわかるように、先鋭部にゲルマニ
ウム膜と金の薄膜を形成した実施例２の光ファイバプロ
ーブで検出される光強度は、プリズムに入射させた光の
波長に依存して変化し、５８７ｎｍ付近にピークが存在
する。As can be seen from FIG. 8, the light intensity detected by the optical fiber probe of the second embodiment in which the germanium film and the gold thin film are formed at the sharp portion changes depending on the wavelength of the light incident on the prism. And a peak exists around 587 nm.
【００６７】一方、比較として、ゲルマニウム膜と金属
薄膜のいずれも設けていない光ファイバプローブについ
ても同様の評価を行ったが、この場合の検出強度は入射
光の波長に依存せず、いずれの波長においても同じ程度
の検出強度になった。On the other hand, as a comparison, the same evaluation was performed for an optical fiber probe provided with neither a germanium film nor a metal thin film. In this case, the detection intensity does not depend on the wavelength of the incident light. , The detection intensity was about the same.
【００６８】ここで、先鋭部にゲルマニウム膜と金の薄
膜を形成した光ファイバプローブにおいて検出強度に波
長依存性が見られるのは、この光ファイバプローブ先端
で、特定波長において局在型の表面プラズモンが共鳴的
に励起され、近接場の光強度が増大するからである。Here, the wavelength dependence of the detection intensity in the optical fiber probe in which the germanium film and the gold thin film are formed at the sharp portion is that the localized surface plasmon at a specific wavelength at the tip of the optical fiber probe. Is resonantly excited, and the light intensity of the near field increases.
【００６９】すなわち、球形の金属微粒子に発生する表
面プラズモンの局在モードは理論的には εm＝（ω）＝−ε0（ｎ＋１）／１ ω ：励起光の周波数 εm（ω）：金属の誘電率 ε0 ：誘電体の誘電率、 ｎ ：自然数 で与えられるこの式に金の誘電率を代入すると共鳴時の
励起光波長は約４８０ｎｍと算出される。That is, the localized mode of the surface plasmon generated in the spherical metal fine particles is theoretically ε m = (ω) = − ε 0 (n + 1) / 1 ω: frequency of pump light ε m (ω): Substituting the dielectric constant of gold into this equation given by the dielectric constant of metal ε 0 : dielectric constant of dielectric substance, n: natural number, the excitation light wavelength at resonance is calculated to be about 480 nm.
【００７０】また、金属粒子が回転楕円体である場合の
表面プラズモンの共鳴条件は、 １＋（εm−１）Ａ＝０ で与えられ、長軸と短軸の比率が３：１であるときには
Ａ＝０．１となり、この場合の共鳴時の励起光波長は約
５９３ｎｍとなる。さらに、理論解析結果では共鳴時の
励起光波長は５３０ｎｍ程度である。The surface plasmon resonance condition when the metal particles are spheroids is given by 1+ (ε m -1) A = 0, and when the ratio of the major axis to the minor axis is 3: 1. A = 0.1, and the excitation light wavelength at the time of resonance in this case is about 593 nm. Further, according to the theoretical analysis result, the excitation light wavelength at the time of resonance is about 530 nm.
【００７１】一方、実施例２で作製された光ファイバプ
ローブで測定された検出強度のピークは約５８７ｎｍで
あり、この波長は金属粒子が回転楕円体である場合の共
鳴時の励起光波長に近い値である。On the other hand, the peak of the detection intensity measured by the optical fiber probe manufactured in Example 2 is about 587 nm, and this wavelength is close to the excitation light wavelength at the time of resonance when the metal particles are spheroids. Value.
【００７２】つまり、この作製された光ファイバプロー
ブでは、入射光の波長が約５８７ｎｍであるときに、回
転楕円体の金属粒子上に生ずるのと同じようなモードで
表面プラズモンが共鳴的で励起され、これによって近接
場の光強度が増大されたものと示唆される。なお、この
場合、近接場における光強度の増強度は、理論的な計算
によって３．３×１０3と見積もられる。That is, in the manufactured optical fiber probe, when the wavelength of the incident light is about 587 nm, the surface plasmon is excited by resonance in the same mode as that generated on the spheroidal metal particles. This suggests that the near-field light intensity was increased. In this case, the increase in light intensity in the near field is estimated to be 3.3 × 10 3 by theoretical calculation.
【００７３】[0073]
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明では、光ファイバプローブの先鋭部の表面にゲルマニ
ウム膜を形成し、このゲルマニウム膜を介して金属薄膜
を形成する。このようにゲルマニウム膜上に形成された
金属薄膜は表面が非常に平滑であるので、表面プラズモ
ンの局在モードが複数の箇所で励起されるのが抑えら
れ、共鳴的に表面プラズモンが励起される。したがっ
て、このような光ファイバプローブや光集積回路では、
表面プラズモンによって近接場の光強度を大きく増大す
ることができ、エバネッセント光の検出における感度や
空間分解能が向上できるとともに各種光デバイスにおい
てエバネッセント光による動作を行うことが可能にな
る。As is apparent from the above description, in the present invention, a germanium film is formed on the surface of the sharp portion of the optical fiber probe, and a metal thin film is formed via the germanium film. The metal thin film thus formed on the germanium film has a very smooth surface, so that the localized mode of the surface plasmon is suppressed from being excited at a plurality of locations, and the surface plasmon is excited resonantly. . Therefore, in such an optical fiber probe and an optical integrated circuit,
The surface plasmon can greatly increase the light intensity of the near field, improve the sensitivity and spatial resolution in detecting evanescent light, and enable various optical devices to operate with evanescent light.
【図１】本発明を適用した光ファイバプローブの一例を
示す要部概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a main part showing an example of an optical fiber probe to which the present invention is applied.
【図２】本発明を適用した光ファイバプローブの他の例
を示す要部概略断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view showing a main part of another example of an optical fiber probe to which the present invention is applied.
【図３】光ファイバプローブの先鋭部に、ゲルマニウム
膜を介して成膜された金属薄膜の金属組織を示す走査顕
微鏡写真である。FIG. 3 is a scanning micrograph showing a metal structure of a metal thin film formed via a germanium film on a sharp portion of an optical fiber probe.
【図４】図３の走査顕微鏡写真を一部拡大した走査顕微
鏡写真である。FIG. 4 is a partially enlarged scanning micrograph of the scanning micrograph of FIG. 3;
【図５】光ファイバプローブの先鋭部に、直接成膜され
た金属薄膜の金属組織を示す走査顕微鏡写真である。FIG. 5 is a scanning microscope photograph showing a metal structure of a metal thin film directly formed on a sharp portion of an optical fiber probe.
【図６】図５の走査顕微鏡写真を一部拡大した走査顕微
鏡写真である。FIG. 6 is a partially enlarged scanning micrograph of the scanning micrograph of FIG. 5;
【図７】表面プラズモンのモードを調べるために用いた
評価システムの構成を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a configuration of an evaluation system used to check a mode of surface plasmon.
【図８】励起光の波長と、光ファイバプローブによって
検出された光強度の関係を示す特性図である。FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the wavelength of the excitation light and the light intensity detected by the optical fiber probe.
【図９】近接場光学顕微鏡の原理を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing the principle of a near-field optical microscope.
１ コア、２ クラッド、３ 光ファイバ、４ 先鋭
部、５ ゲルマニウム膜、６ 金属薄膜1 core, 2 clad, 3 optical fiber, 4 sharp part, 5 germanium film, 6 metal thin film
フロントページの続き (56)参考文献 国際公開95／33207（ＷＯ，Ａ１) 芦野慎、外２名，“表面プラズモン微 少・波動デバイスのためのＡｇ膜端面形 成”，1996年春季第43回応用物理学関係 連合講演会予稿集，応用物理学会，第３ 分冊，1996年３月26日，ｐ866 芦野慎、大津元一，“近接場ナノ分 光、および、極微構造評価のための局在 表面プラズモンプローブの開発”，電気 学会電子材料研究会資料，電気学会, 1997年12月１日，ＥＦＭ−97−８〜11, ｐｐ13−17 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G02B 6/00 - 6/44 G01B 11/30 G01B 7/34 G01B 21/30 H01J 37/28 C03C 25/00 - 25/70 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)Continuation of the front page (56) References International Publication 95/33207 (WO, A1) Shin Ashino, et al., "Formation of Ag film end face for surface plasmon micro / wave device", Spring 1996, 43rd Spring 1996 Proceedings of the Joint Lectures on Applied Physics, The Japan Society of Applied Physics, 3rd Volume, March 26, 1996, p866 Shin Ashino, Motoichi Otsu, "Near-field nanospectroscopy and localization for microstructural evaluation "Development of Surface Plasmon Probe", IEICE Electronics Materials Workshop, IEEJ, December 1, 1997, EFM-97-8-11, pp13-17 (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7 , DB G01N 13/10-13/24 G12B 21/00-21/24 G02B 6/00-6/44 G01B 11/30 G01B 7/34 G01B 21/30 H01J 37/28 C03C 25/00-25/70 JICST file (JOIS)
Claims (3)
光ファイバの一端に形成された先細り状の先鋭部を有
し、表面プラズモンを励起させるための金属薄膜により
上記先鋭部が被覆された光ファイバプローブであって、 上記先鋭部に先端部から根本部に亘って形成されたゲル
マニウム膜を有し、 上記金属薄膜が、金又は銀よりなり、上記ゲルマニウム
膜上に形成されていることを特徴とする光ファイバプロ
ーブ。1. An optical fiber having a tapered sharp portion formed at one end of an optical fiber having a cladding provided around a core, wherein the sharp portion is coated with a metal thin film for exciting surface plasmons. A fiber probe, comprising: a germanium film formed from a tip portion to a root portion at the sharp portion; wherein the metal thin film is made of gold or silver and formed on the germanium film. Optical fiber probe.
光ファイバの一端に形成された先細り状の先鋭部を有
し、表面プラズモンを励起させるための金属薄膜により
上記先鋭部が被覆された光ファイバプローブの製造方法
であって、 上記先鋭部に先端部から根本部に亘ってゲルマニウム膜
を成膜し、 上記金属薄膜を金又は銀により上記ゲルマニウム膜上に
成膜することを特徴とする光ファイバプローブの製造方
法。2. An optical fiber having a tapered sharp portion formed at one end of an optical fiber having a cladding provided around a core, wherein the sharp portion is coated with a metal thin film for exciting surface plasmons. A method for manufacturing a fiber probe, comprising: forming a germanium film on the sharp portion from a tip to a root; and forming the metal thin film on the germanium film using gold or silver. Manufacturing method of fiber probe.
より成膜することを特徴とする請求項２記載の光ファイ
バプローブの製造方法。3. The method according to claim 2, wherein the germanium film and the metal thin film are formed by an evaporation method.
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