JP3788432B2

JP3788432B2 - 光プローブ

Info

Publication number: JP3788432B2
Application number: JP2003024784A
Authority: JP
Inventors: 忠川添; 元一大津
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: JP2004233290A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近接場光を利用して物性を測定する近接場光学顕微鏡等に設けられる光プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、微細加工技術の発展を基盤として、単一分子光メモリ、単一電子デバイスといったナノメートルサイズの微細構造を有する素子が実用化されようとしている。ナノメートルサイズの分解能を有する近接場光学顕微鏡は、上述した素子の開発或いは評価に欠かせない技術として注目されている。この近接場光学顕微鏡は、例えば試料からの発光或いは透過光の光強度、波長、偏光等を検出することにより、試料から得られる発光や透過光から試料の物性を知ることができる。
【０００３】
近接場光学顕微鏡は、コアの周囲にクラッドが設けられた光ファイバの一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部を有し、当該突出部に例えばＡｕやＡｇ等の金属により被覆された光プローブを備え、光の波長を超えた分解能を有する光学像を得ることができる。すなわち、かかる近接場光学顕微鏡を利用することにより、ナノメートル級の分解能で試料の微小領域における物性を測定することに加え、書き込みや読み出し等のメモリ操作、更には光加工等も行うことが可能となる。この近接場光学顕微鏡に用いられる上述の光プローブについては、既に開示されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００４】
ちなみに、この近接場光学顕微鏡により試料の微小領域における物性を測定する場合には、試料表面の光の波長より小さい領域に局在するエバネッセント光を検出して試料の形状を測定する。そして、全反射条件下で試料に光が照射されることにより生じたエバネッセント光を上述した光プローブにより散乱させて伝搬光に変換する。この変換された伝搬光は、光プローブが形成されている突出部を通じて光ファイバのコアに導かれ、光ファイバのもう一方の出射端に接続された検出器により検出される。すなわちこの近接場光学顕微鏡は、突出部の設けられた光プローブにより散乱と検出の双方を行うことができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−０８２７９２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した光プローブは、非対称な突出部を形成することにより、所望の偏光成分のみを選択的に検出することができる。
【０００７】
しかしながら、かかる非対称な突出部を精度よく加工することは困難を極める。また、光プローブの近接場光学顕微鏡への取付位置や取付方向に応じて、かかる光プローブを伝搬する光の偏光方向が変化してしまう。さらに、互いに異なる偏光成分を検出する場合には、一度取り付けた光プローブを近接場光学顕微鏡から取り外し、再度取り付ける必要があり、ユーザに煩雑な作業を課すことになり妥当性を欠く。
【０００８】
本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、検出する光の偏光成分を高精度かつ容易に選択することが可能な光プローブを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明を適用した光プローブは、上述した課題を解決するため、コアの周囲にクラッドが設けられた光ファイバの一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部を有する光プローブにおいて、上記突出部表面に第１の遮光層が形成されるとともに、上記第１の遮光層を覆って強磁性材料からなる磁性体層が形成され、さらに上記磁性体層を覆って第２の遮光層が形成され、上記第１の遮光層と上記磁性体層と上記第２の遮光層とにより量子井戸を形成するようにしたものである。
【００１０】
この光プローブは、光ファイバの一端に先鋭化したコアを突出させた突出部表面に、第１の遮光層が形成されるとともに、第１の遮光層を覆って強磁性材料からなる磁性体層が形成されてなり、さらに磁性体層を覆って第２の遮光層が形成される。
【００１１】
本発明を適用した光プローブは、上述した課題を解決するために、コアの周囲にクラッドが設けられた光ファイバの一端に先鋭化したコアを突出させた突出部を有する光プローブにおいて、突出部表面を覆って、遮光膜と強磁性膜とが交互に繰り返して積層されてなることを特徴とする。
【００１２】
この光プローブは、光ファイバの一端に先鋭化したコアを突出させた突出部表面に、遮光膜と強磁性膜とが交互に繰り返して積層される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明を適用した光プローブ１を示している。この光プローブ１は、例えば試料から得られる発光や透過光に基づいて物性を識別する近接場光学顕微鏡等に用いられ、図１に示すように光導波部１１と、突出部１２とを備える。
【００１５】
光導波部１１は、コア２０の周囲にクラッド２１が設けられた光ファイバより構成される。コア２０及びクラッド２１は、それぞれＳｉＯ_２系ガラスからなり、Ｆ、ＧｅＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３等を添加することにより、コア２０よりもクラッド２１の屈折率が低くなるように組織制御されている。
【００１６】
突出部１２は、光導波部１１の一端においてクラッドから突出させたコア２０ａを先鋭化させることにより構成されている。この突出させたコア２０ａは、図１に示すように先端部１３に至るまで徐々に先細になるような円錐形状として構成される。ちなみにこの突出部１２は、根元径がコア２０の径より短くなるように形成されている。
【００１７】
図２は、突出部１２の詳細な構成を示している。この図２に示すように、突出部１２における突出させたコア２０ａ表面には、第１の遮光層３１が形成されるとともに、先端部１３を除く第１の遮光層３１を覆って磁性体層３２が形成されてなり、さらに磁性体層３２を覆って第２の遮光層３３が形成されている。ちなみに第１の遮光層３１の膜厚は、１０ｎｍであり、また磁性体層３２の膜厚は、１ｎｍであり、さらに第２の遮光層３３の膜厚は、１００ｎｍである。ちなみに、図２では、この先端部１３に各層３１〜３３が形成されることなくコア２０を露出させて開口領域を設けた例を示したが、かかる場合に限定されるものではなく、先端部１３においても各層３１〜３３を形成するようにしてもよい。また磁性体層３２の膜厚についても１ｎｍに限定されるものではなく、例えば５ｎｍ以下に制御してもよい。
【００１８】
第１の遮光層３１並びに第２の遮光層３３は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等の遮光性材料からなる薄膜である。第２の遮光層３３は、外気との接触による酸化促進を抑えるべく、化学的安定性を有するＡｕを特に用いるようにしてもよい。
【００１９】
磁性体層３２は、Ｆｅ、Ｎｉ等の強磁性材料から構成される。また、磁性体層３２は、例えば、Ｎｉ−Ｃｏ合金やＮｅ等によって形成されていても良く、さらに、第１の遮光層３１と第２の遮光層３３とを化合物半導体で構成する場合には、この磁性体層３２を、当該化合物半導体にＭｎをドープすることにより構成してもよい。
【００２０】
ちなみに、この磁性体層３２は、磁気光学効果を有する。このため、光プローブ１では、磁性体層３２に対して特定の方向の磁界を印加することにより、先端部１３から特定の偏光成分の光のみを容易に検出することができる。例えば、磁性体層３２に対して特定の方向の磁界が印加されることにより、光プローブ１の先端部１３を介して、右旋性の円偏光よりも左旋性の円偏光を選択的に検出することができる。
【００２１】
すなわち、本発明を適用した光プローブ１では、磁気光学効果を奏する磁性体層３２が形成されているため、これに磁界を印加することにより、先端部１３を介して検出する偏光成分を選択することが可能となる。検出された各偏光成分の光は、コア２０を伝搬して図示しないフォトダイオードにより光電変換され、解析等に供されることになる。
【００２２】
次に、本発明を適用した光プローブ１の作製方法について図３を用いて説明をする。
【００２３】
先ずステップＳＴ１において、光導波部１１に対して、選択化学エッチングを施すことにより、突出部１２を作製する。この選択化学エッチングは、例えばＮＨ_４Ｆ、ＨＦ、Ｈ_２０からなる緩衝ふっ酸溶液中に光ファイバを約１時間浸し、クラッド２１端部を除去することによりコア２０を選択的に先鋭化する。また本発明では、例えば特開平１０−８２７９１号公報に提案されている手法を採用することにより、エッチング液の組成と、光ファイバを構成する材料により溶解速度を制御して、コア２０の先端を例えば先端曲率半径１０ｎｍまで先鋭化させてもよい。
【００２４】
次にステップＳＴ２へ移行し、突出部１２上に第１の遮光層３１を被覆する。この被覆については、例えば高真空（１×１０^−６Ｔｏｒｒ）のチャンバ内で、原料の金属粉末を乗せたボートに電流を流し、当該金属粉末の沸点以上の温度で加熱する。その結果、金属粉末は蒸発して突出部１２上に被覆されてゆくことになる。ちなみに被覆される第１の遮光層３１の膜厚は、チャンバ内に設けられた図示しない膜厚計により制御される。
【００２５】
次にステップＳＴ３へ移行し、第１の遮光層３１上に磁性体層３２を被覆する。具体的には、第１の遮光層３１が被覆された突出部１２に、磁性体層３２として例えばＦｅを蒸着する。
【００２６】
次にステップＳＴ４へ移行し、磁性体層３２上に第２の遮光膜３３を被覆する。この第２の遮光膜３３の形成方法は、第１の遮光膜３１と同様の手法を適用し、説明を省略する。ちなみに、このステップＳＴ４の終了後、上述の如く先鋭化させた突出部１２の先端につき、必要に応じて集束イオンビームを用いてイオン照射することによって切断することにより、開口部の大きさを調整するようにしてもよい。またこの開口部の形成は、例えば、適切な粘度からなる感光性樹脂をレジストとし、ＫＩ−Ｉ_２−Ｈ_２Ｏ系緩衝液によって金属膜を溶解させるＳＲＣ法や、シェアフォースフィードバックを用いて基板と光ファイバとの距離を制御した状態で基板に高周波を与えることにより先端を折る方法等により行ってもよい。
【００２７】
次に、このような構成からなる光プローブ１により各偏光成分を検出する場合につき説明をする。
【００２８】
図４は、光プローブ１により検出した各偏光成分における偏光消光比を示している。偏光消光比は、この光プローブ１における磁性体層３２に磁界を印加すると同時に、先端部１３から右旋性の円偏光と左旋性の円偏光とを入射させ、それぞれ光強度Ｉmax、Ｉminを測定して、両者の比（＝Ｉmax／Ｉmin）を算出することにより求められる。各磁束密度毎にこの偏光消光比を求めた結果、磁束密度０．３５Ｔ付近において、約１１程度の高い消光比が得られることが分かる。
【００２９】
この磁性体層３２に対して特定方向の磁界を印加することにより、右旋性の円偏光と左旋性の円偏光とのうち、いずれかの偏光成分のみ先端部１３から入射され易くなる。すなわち、本発明を適用した光プローブ１では、磁性体層３２に対して特定方向の磁界を印加することにより、先端部１３から特定の偏光成分のみを高い精度で選択的に検出することができる。また従来の如く非対称な突出部を加工する場合と比較しても各偏光成分の検出精度を大幅に向上させることができる。また互いに異なる偏光成分を検出する場合においても、磁界の印加方向を制御すれば足りるため、ユーザの労力の負担を解消することができる。
【００３０】
ちなみに、このような高い消光比に基づく偏光選択性が得られる光プローブ１では、偏光面が磁界に比例して回転するいわゆる磁気光学効果を利用している。この磁気光学効果により、例えば図５(a)に示すように、磁性体層３２における電子状態は、偏光成分に応じて互いに異なるようになる。右旋性の円偏光と、左旋性の円偏光とのエネルギー帯の差分は、各偏光成分における吸収特性或いは反射特性の差異として現れることになる。
【００３１】
本発明を適用した光プローブ１における磁性体層３２は、第１の遮光層３１と、第２の遮光層３３との間で挟まれて積層されているため、これらの遮光層３１、３３との間でいわゆる量子井戸を形成していることになる。このような量子井戸を形成する磁性体層３２の内部には、量子サイズ効果に基づき、定在波が閉じ込められるため、上述したエネルギー帯を図５(b)に示すように狭めることができ、これを量子井戸準位レベルとして現されることになる。その結果、右旋性の円偏光と左旋性の円偏光とのエネルギー帯において重複領域が生じることなく、各偏光成分をさらに高精度に検出することが可能となる。ちなみに、この量子サイズ効果は、磁性体層３２の膜厚が５ｎｍ以下の場合に、特に１ｎｍ以下の場合においてより顕著に現れる。このため、検出を望む偏光成分に応じて、磁性体層３２の膜厚を適宜調整するようにしてもよい。
【００３２】
また、この遮光層と磁性体層を例えば図６に示すように、いわゆる多重量子井戸構造とすることにより電子状態をさらに離散化し、上述した量子サイズ効果をさらに高めることができる。この多重量子井戸構造を有する光プローブでは、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等の遮光性材料からなる遮光膜４１と、Ｆｅ、Ｎｉ等の強磁性材料からなる強磁性膜４２が交互に繰り返して積層されてなる。このような光プローブ４では、所定の偏光成分の光のみをより高精度に検出することが可能となる。
なお、本発明を適用した光プローブ１は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば、磁力顕微鏡に取り付けて使用することにより、試料を光によって励起しながら、当該試料の磁力分布を測定することも可能となる。
【００３３】
また、本実施の形態では、光ファイバ１２を使用してプローブ１を製造したが、本発明に係るプローブは、光透過性を有する材料であれば、光ファイバ以外の材料を使用して製造しても良く、例えば、ダイヤモンドを使用して製造しても良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明を適用した光プローブは、光ファイバの一端に先鋭化したコアを突出させた突出部表面に、第１の遮光層が形成されるとともに、第１の遮光層を覆って強磁性材料からなる磁性体層が形成されてなり、さらに磁性体層を覆って第２の遮光層が形成される。
【００３５】
これにより、本発明を適用した光プローブでは、磁性体層に対して特定方向の磁界を印加することにより、特定の偏光成分のみを高い精度で選択的に検出することができる。
【００３６】
以上詳細に説明したように、本発明を適用した光プローブは、光ファイバの一端に先鋭化したコアを突出させた突出部表面に、遮光膜と強磁性膜とが交互に繰り返して積層される。
【００３７】
これにより、本発明を適用した光プローブでは、量子サイズ効果を増大させることによりさらに高い精度で偏光成分を選択的に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した光プローブの構成を示した図である。
【図２】突出部の詳細な構成を説明するための図である。
【図３】本発明を適用した光プローブの作製方法について説明するための図である。
【図４】本発明を適用した光プローブにより検出した各偏光成分における偏光消光比を示す図である。
【図５】磁気光学効果につき説明するための図である。
【図６】遮光層と磁性体層を、いわゆる多重量子井戸構造とする場合につき説明するための図である。
【符号の説明】
１光プローブ、１１光導波部、１２突出部、２０コア、２１クラッド、３１第１の遮光層、３２磁性体層、３３第２の遮光層、４１遮光膜、４２強磁性膜

Claims

コアの周囲にクラッドが設けられた光ファイバの一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部を有する光プローブにおいて、
上記突出部表面に第１の遮光層が形成されるとともに、上記第１の遮光層を覆って強磁性材料からなる磁性体層が形成され、さらに上記磁性体層を覆って第２の遮光層が形成され、
上記第１の遮光層と上記磁性体層と上記第２の遮光層とにより量子井戸を形成してなる光プローブ。
上記各層は、上記先鋭化された端部を除いて形成されてなることを特徴とする請求項１記載の光プローブ。
上記磁性体層は、Ｆｅであることを特徴とする請求項１記載の光プローブ。
上記磁性体層の膜厚は、５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の光プローブ。
コアの周囲にクラッドが設けられた光ファイバの一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部を有する光プローブにおいて、
上記突出部表面を覆って、交互に繰り返し積層された遮光膜と強磁性膜とにより多重量子井戸を形成したことを特徴とする光プローブ。