JP4217570B2 - 近接場光源装置、該近接場光源装置を有する光ヘッド、光学装置、露光装置、顕微鏡装置 - Google Patents
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Description
また、特許文献2では、近接場光を増強する技術として、微小開口の近傍に周期的に変化する表面形状を有し、前記金属フィルムの一つの表面に入射する光が前記金属フィルムの少なくとも一つの表面上の表面プラズモンモードと相互作用し、その結果、前記金属フィルムの少なくとも一つの開口を通ずる光伝送を強化するものが開示されている。
すなわち、本発明の近接場光源装置は、複数の直線状導波路とこれらの導波路を接続するコーナーミラー部とによるリング型の光共振器を備えた半導体レーザと、前記コーナーミラー部の一つに波長サイズ以下の微小開口が形成された遮光膜と、を有する近接場光源装置であって、前記遮光膜上に回折格子が形成され、前記半導体レーザによるレーザモードで発振された光が前記回折格子で回折され、該回折格子による高次の回折光が前記リング型の光共振器における周回モードと結合するように構成されることを特徴としている。ここで、高次の回折光として、0次以外あるいは+1次以上、−1次以下の高次の回折光が前記リング型の光共振器における周回モードと結合するように構成することができる。
また、本発明の近接場光源装置は、前記微小開口を、回折格子の溝に沿った方向に長いスリット状の開口とすることができる。
また、本発明の近接場光源装置は、前記リング型の光共振器における周回方向が、異なる二つの独立した周回モードを有し、これらの周回モードの間の結合状態が強結合となっていることを特徴としている。そして、前記高次の回折光がこの二つの周回モードにおける同一方向あるいは逆方向の周回モードと結合するように構成することができる。
また、本発明の近接場光源装置は、前記回折格子による高次の回折光が、前記遮光膜上に表面プラズモンポラリトンを励起し、前記微小開口近傍の近接場光の強度を増強するようにした構成を採ることができる。その際、前記半導体レーザによるレーザ光の電界ベクトルは、該半導体レーザにおける積層構造の面内方向に沿っており、且つ前記回折格子において界面に垂直な成分を有している構成とする。
また、本発明の近接場光源装置は、半導体レーザにおける活性層の利得ピーク波長が、前記表面プラズモンポラリトンを励起する共鳴波長よりも長波長側にデチューンされているように構成することができる。
また、本発明の近接場光源装置は、前記リング型の光共振器の2つの独立な周回方向のうちの一つの周回方向のモードに対して、光を反射してもう一つの周回方向のモードに結合させる反射面を有するように構成することができる。
また、本発明の近接場光源装置は、少なくとも上記遮光膜の形成された上記コーナーミラーを延長した平面よりも外側(リング共振器型半導体レーザから離れた側)の基板が除去されている構成を採ることができる。
また、本発明の浮上型光ヘッドは、上記したいずれかに記載の近接場光源装置を有し、該近接場光源装置を記録媒体面上に浮上させて前記開口部近傍に発生する光で記録・再生・消去のいずれか一つ、またはそれらの複数、あるいはそれらの全部を行うことを特徴としている。
また、本発明の浮上型光ヘッドは、前記近接場光源装置を搭載したスライダを有し、このスライダを記録媒体面上に浮上させるように構成することができる。
また、本発明の浮上型光ヘッドは、前記半導体レーザの端子間電圧の変化から再生信号を得るように構成することができる。
また、本発明の浮上型光ヘッドは、前記半導体レーザの近傍に配した受光素子から再生信号を得るように構成することができる。
また、本発明の光学装置は、上記したいずれかに記載の近接場光源装置を有し、該近接場光源装置によって記録・再生・消去のいずれか一つ、またはそれらの複数、あるいはそれらの全部を行うことを特徴としている。
また、本発明の露光装置は、上記したいずれかに記載の近接場光源装置を有し、該近接場光源装置をウェハステージに近接させ、前記開口部近傍に発生する光で露光を行うことを特徴としている。また、この露光装置は上記近接場光源装置を支持するカンチレバーを有する構成を採ることができる。
また、本発明の顕微鏡装置は、上記したいずれかに記載の近接場光源装置を有し、該近接場光源装置を試料台に近接させ、前記開口部近傍に発生する光を試料に照射して試料の観察をすることを特徴としている。また、この顕微鏡装置は上記近接場光源装置を支持するカンチレバーを有する構成を採ることができる。
以下に、これらについて、詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態における近接場光源の構成を示す図である。
図1において、100は近接場光源装置、101はリング共振器型半導体レーザである。リング共振器型半導体レーザ101は、直線状導波路と、コーナーミラー105、106、107で構成されている。
本実施の形態では、このコーナーミラー105を回折格子付コーナーミラーとする。具体的には、遮光膜上に回折格子が形成された構成を得るため、図1に示すように周期的な凹凸が設けられた誘電体膜102と金属膜103からなる多層膜を形成し、これらにより遮光膜を構成する。また、104は金属膜103に形成した微小開口である。
リング共振器型半導体レーザの光共振器は、複数の直線光導波路とこれらを接続するコーナーミラーによる三角形状のものである。図示したような三角形のリング共振器の場合、コーナーミラーへの入射角は上側の二つのコーナーミラーでφ=35度、下側のコーナーミラーでθi=20度となる。AlGaAs/GaAs系の化合物半導体レーザの場合、導波モードの有効屈折3.3に対して、半導体/空気界面での全反射臨界角は17度となる。
コーナーミラーへの入射角は全反射臨界角よりも大きいので、いずれのコーナーミラー部でも、レーザ光は全反射となる。共振器外へ放出される光が少なく損失が小さいので、低しきい値の半導体レーザを構成できる。
導波路やコーナーミラーでの後方散乱が小さい場合には、これら二つのモードは弱結合となる。弱結合の場合には、右回りと左回りの周回モードが、それぞれ独立に存在することが可能となる。すると、微小開口を有するコーナーミラー上では、二つのモードの光による定在波が形成される。二つのモードが独立な弱結合の場合には、この定在波の腹の位置は、変動しやすく、ひいては、近接場強度の変動を生じることもある。
さらに、ここで−2次の回折光および1次の回折光が、コーナーミラー上の金属表面で表面プラズモンを励起するような構成とすることができる。
これは、およそ式(2−1)(1次の回折光が表面プラズモンを励起)、式(2−2)(−2次の回折光が表面プラズモンを励起)が満たされるときである。ただし、表面プラズモン共鳴のQ値は高くないので、この式を満たす条件の近傍であれば、表面プラズモンを励起できる。
(図7参照)
また、KsppとΛの値が、式(1)と式(2−1)を満たすときに、式(2−2)は自動的に満たされる。あるいは、また、KsppとΛの値が、式(1)と式(2−2)を満たすときに、式(2−1)は同時に成り立っている。
ただし、ここで表面プラズモンポラリトンと結合するためには、入射光の偏光は電界ベクトルが半導体レーザの積層構造の面内に沿っていて、回折格子上では界面に垂直な成分を有することが条件となる。半導体レーザに無歪み乃至は圧縮の量子井戸活性層を用いた場合には、このような偏波モードの方が利得が大きく低しきい値となる。量子井戸活性層に伸張歪の量子井戸活性層を用いた場合には、量子井戸のパラメータに応じてこの偏波での利得が大きい場合と、これと垂直な偏波での利得が大きい場合とがある。
この場合、さらに一方の周回モードの0次回折光に対して、これを折り返す反射面を別途形成することで、二つの周回モード間に結合を生じさせ、強結合状態とすることができる。結果として、先の例同様、いったん半導体レーザ内でレーザ発振が始まってしまえば、右回り周回モードと左回り周回モードのうちの一方が支配的になり、リング共振器型半導体レーザ内の発振モードの変動による近接場強度の変動という現象が抑えられる。
ここで、回折光の伝搬方向は角度分散を有するので、この場合も、特定の波長で上記結合の状態となって損失が最大となり、これから波長がずれるときに、損失が低減するような波長依存性を有することになる。すなわち、このような回折格子は、共振器の縦モード間に損失差を与え、縦モード間のモード競合を低減させるので、単一モード動作の安定した半導体レーザとなり、電流−近接場強度の線型性がよく、ノイズの少ない近接場光源となる。
[実施例1]
本発明の実施例1において、まず、図1に示した近接場光源装置の作製例について説明する。図1に示す近接場光源装置100の細部の構成は、前述の図1の説明のとおりである。
本実施例において、近接場光源装置100を、以下のようにして作製した。
はじめに、素子断面図A−A’に示す半導体多層構造を有機金属気相成長法によって成膜した。すなわち、n−GaAs基板111上に、n−AlGaAsクラッド層112、AlGaAs/AlGaAs量子井戸活性層113、p−AlGaAsクラッド層114、p−GaAsキャップ層115を結晶成長した。フォトレジストを塗布し、マスクパタンを露光、現像してリング共振器形状のレジストパタンを形成した。塩素ガスを用いたリアクティブイオンエッチングによって、p−クラッド層114の一部を除去してリング状のリッジ導波路を形成した。例えば、p−クラッドの残し厚を0.1umとした。引き続いてコーナーミラー部のマスクパタンを再度形成して、活性層よりも1um程度深くエッチングして、図B−B’断面に示すようにコーナーミラーを形成した。このとき、コーナーミラー105においては、コーナーミラー上に周期的な凹凸パタンを形成し、後に回折格子としてはたらく凹凸の下地としている。導波モードはリッジ幅よりも広がっているので、コーナーミラー幅はリッジ導波路の幅よりも大きくしている。
また、このときレーザの偏波モードは、電界がレーザの積層面内に沿った、いわゆるTEモードであった。
微細な開口のサイズとして、例えば、幅50nm、長さ500nmの細長いスリット形状とし、スリットの長手方向を、回折格子の山と平行にした。
スラブ導波路の有効屈折率3.3、レーザ発振の波長0.85um、入射角20度のとき、上記式(1)によって、回折格子のピッチΛを386nmとすればよいことがわかる。
入射角θiが異なるときも、上記式(1)に従って、ピッチΛを設定できる。
次に、−2次の回折光が表面プラズモンを励起する条件は、真空中の波長0.85umの光に対する表面プラズモンの波数Ksppを用いて、上記式(1)、上記式(2−2)から式(3)のように求めることができる。
ただし、−2次および1次の回折光が表面プラズモンを励起する条件と完全に一致してしまうと、共振器モードに寄与する−1次の回折効率は低下してしまい、半導体リングレーザのしきい値が上昇してしまうことになる。そこで、ここに述べたような共振器および回折格子の設計に対して、活性層の利得ピーク波長を、長波長側にシフトしておくと、−1次の回折効率の立ち上がる波長でのレーザ発振が得られ、低しきい値かつ、強い光近接場強度の得られる近接場光源とすることができる。
301は、光磁気ディスクまたは、微小ピット、相変化記録などの光ディスクである。302はスライダであり、アーム(不図示)によってディスク301から所定の間隔だけ浮上して保持される。ここで、所定の間隔とは、概ね近接場光源の開口のサイズ以下である。スライダ302は、アクチュエータ(不図示)によって光ディスク301上の所定の範囲を往復運動する。スライダ302上には、近接場光源装置303が搭載されていて、近接場光源のリング共振器型半導体レーザがレーザ発振すると、光ディスク上に微小な光スポットが形成される。
図2に、本発明の実施例2における近接場光源装置の構成を示す。本実施例では、右回り周回モードと左回り周回モードのそれぞれが、回折格子による−1次光を介して実現されるように構成されている。
図2において、200は本発明による近接場光源装置であり、誘電体膜201と金属膜202からなるミラー上の遮光膜には周期的凹凸が形成されていて、回折格子として作用する。この金属膜上に微小開口203が形成されている。また、205は、後に詳しく説明する反射面である。
206は回折格子付のコーナーミラー、207、208はリング共振器を構成する平面状コーナーミラーである。
半導体レーザとしての層構成、作製方法などは、実施例1と同様である。
はじめに、左回り周回モードを例として説明する。
左回り周回モードは、入射角θiccwにて入射する。回折格子における−1次の回折光が出射角θicwで出射するとき、直線導波路に結合してコーナーミラー208の方向に伝搬して行く。
一方、右廻り周回モードは、入射角θicwにて入射し、回折格子における−1次の回折光が出射角θiccwで出射するとき、直線導波路に結合してコーナーミラー208の方向に伝搬して行く。
0次を除く高次の回折光の出射角は、光の角周波数(真空中波長)に依存するので、このリング共振器は上に述べたように−1次の回折光で二つの直線導波路が結合されるような特定の角周波数(真空中波長)で低損失の共振器となり、これ以外の波長では損失が大きくなる。
すなわち、このような構成においては、実施例1の半導体リングレーザと比べて、波長選択性が高い。
この条件は、以下の式(4)で表される。二つの式は等価であるので、実質的には1つの式である。(図8参照)
波長選択性についてさらに詳細に考えると、共振器の波長選択性は、共振器の周回長によって定まる共振器縦モード(周回長を媒質内波長で数えてN−1波長、N波長、N+1波長…となるような波長)の特性と、−1(ないしさらに高次の)回折光で二つの直線導波路間を結合する回折格子ミラーの波長分散特性の両方に支配されていることがわかる。トータルの共振器損失を得るために、縦モードに支配された周回モードの損失と、回折格子ミラーの損失の積を考えればよいのである。
反射光の進行方向は、右回り周回モード、左回り周回モードのそれぞれに応じて、異なった二つの方向があるが、反射面205では、その一方のみにたいして垂直となっており、一部ないし大半の光を反射して逆方向に伝搬させる。
図に示すように、左回り周回モードからの反射光が、反射面205で折り返され、さらにコーナーミラー206で反射されると、この光は右回り周回モードに結合することがわかる。
このように構成することで、左まわり周回モードの光から右回り周回モード光への結合係数を大きくし、二つの周回モード間の結合を強結合とすることができる。
ただし、右回り周回モード光から左回り周回モード光への結合は小さい。このようなレーザでは、レーザ発振は右回り周回モードからはじまり、二つの周回モードが強結合なので、左回り周回モードでのレーザ発振は抑止される。
さらに、実施例1同様に、金属膜202上に表面プラズモンポラリトンを励起する構成が可能である。具体的には、コーナーミラー206における右回り周回モード光の+1次回折光および左回り周回モード光の−2次回折光とが表面プラズモンポラリトンを励起する構成である。
図4に、本発明の実施例3における露光装置の構成を示す。
図4において、1001は本発明による近接場光源、1002はカンチレバー、1003はウェハステージ、1004はピエゾ素子、1005は位置検出用半導体レーザ、1006は2分割センサ、1007はウェハ、1008はウェハ上のレジスト膜である。
近接場光源1001の微小開口近傍の近接場光に感光するレジスト薄膜1008がウェハ1007上に塗布されている。近接場光源1001は、カンチレバー1002に搭載されており、ピエゾ素子1004によって、ウェハステージ1003およびその上に載せたウェハ表面のレジスト膜1008からの距離を制御できる。この距離は、位置検出用半導体レーザ1005からのレーザ光をカンチレバー1002の先端近傍に照射し、その反射光を2分割センサ1006で受光する、光てこの原理によって制御した。
ウェハ1007を載せたウェハステージ1003が2次元方向に走査するタイミングにあわせて、近接場光源1001の駆動電流を制御して近接場光をOn/Offさせることで、所望のレジストパタンを形成することができる。
図5に、本発明の実施例4における顕微鏡の構成を示す。
1101は本発明による近接場光源、1102はカンチレバー、1103は試料ステージ、1104はピエゾ素子、1105はレンズ、1106は干渉フィルタ、1107は光検出器、1108は試料である。
近接場光源1101の微小開口近傍の光近接場を試料のおもて面側から照射し、試料からの反射散乱光をレンズ1105で集光し、干渉フィルタ1106を介して光検出器1107で検出する、いわゆる反射型斜方向光検出構成のSNOMである。近接場光源1101は、カンチレバー1102に搭載されていて、ピエゾ素子1104によって、ウェハステージ1103およびその上に載せた試料1108からの距離を制御できる。
微小開口から滲み出す光近接場の強度は開口からの距離に対して指数関数的に減少するので、試料表面に対して光プローブ先端を100nm以下の距離に近づけたうえで、一定の距離に保つように制御を行う必要がある。このための距離制御方式として、例えば(1)試料面の法線方向と垂直な方向に光プローブを微小振動させ、光プローブ先端が試料表面から受けるファンデルワールス力による振動振幅の減少を一定にするように距離制御を行うシアーフォース方式、(2)光プローブを試料面の法線方向に弾性変形可能な弾性体で支持し、光プローブ先端と試料表面との間に作用するファンデルワールス力により生じる弾性体の弾性変形量が一定になるように距離制御を行うAFM方式などがある。このような方法で、光プローブと試料との間の距離制御を行った状態で、試料1108を取り付けた2次元ステージ1103を駆動し、近接場光源1101にたいして2次元相対走査を行う。2次元走査中の各位置における光検出器1107からの信号の大きさをマッピングし、試料表面の近接場光学顕微鏡像を得る。
本発明の実施例5では、右回り周回モードと左回り周回モードがそれぞれ、回折格子による−1次光によって遮光膜上に表面プラズモンポラリトンを励起する近接場光源装置を構成した。
近接場光源装置の構成、作製方法などは実施例1と同様である。
入射角θiにて入射する左回り周回モードは、−1次の回折を介して、遮光膜表面を左に伝搬する表面プラズモンを励起する。また、右回り周回モードも、−1次の回折を介して、遮光膜表面を右に伝搬する表面プラズモンを励起する。二つの条件は、同一であり、以下の式(8)で表される。(図10参照)
101:リング共振器型半導体レーザ
102、201:誘電体膜
103、202:金属膜
104、203:開口
106、107、207、208:コーナーミラー
105、206:回折格子付コーナーミラー
205:反射面
301:光ディスク
302:スライダ
1001、1101:近接場光源装置
1002、1102:カンチレバー
1003、1103:ウェハステージ
1004、1104:ピエゾ素子
1005:位置検出用半導体レーザ
1006:2分割センサ
1007:ウエハ
1008:レジスト膜
1105:レンズ
1106:干渉フィルタ
1107:光検出器
1108:試料
Claims (10)
- 複数の直線状導波路とこれらの導波路を接続するコーナーミラー部とによるリング型の光共振器を備えた半導体レーザと、前記コーナーミラー部の一つに波長サイズ以下の微小開口が形成された遮光膜と、を有する近接場光源装置であって、
前記遮光膜上に回折格子が形成され、前記半導体レーザによるレーザモードで発振された光が前記回折格子で回折され、該回折格子による高次の回折光が前記リング型の光共振器における周回モードと結合するように構成されていることを特徴とする近接場光源装置。 - 前記微小開口が、回折格子の溝に沿った方向に長いスリット状の開口であることを特徴とする請求項1に記載の近接場光源装置。
- 前記リング型の光共振器における周回方向が、異なる二つの独立した周回モードを有し、これらの周回モードの間の結合状態が強結合となっていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の近接場光源装置。
- 前記二つの周回モードにおいて、前記高次の回折光が同一方向あるいは逆方向の周回モードと結合することを特徴とする請求項3に記載の近接場光源装置。
- 前記回折格子による高次の回折光が、前記遮光膜上に表面プラズモンポラリトンを励起し、前記微小開口近傍の近接場光の強度を増強することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の近接場光源装置。
- 前記半導体レーザによるレーザ光の電界ベクトルが、該半導体レーザにおける積層構造の面内方向に沿っており、且つ前記回折格子において界面に垂直な成分を有していることを特徴とする請求項5に記載の近接場光源装置。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の近接場光源装置を有し、該近接場光源装置を記録媒体面上に浮上させて前記開口部近傍に発生する光で記録・再生・消去のいずれか一つ、またはそれらの複数、あるいはそれらの全部を行うことを特徴とする浮上型光ヘッド。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の近接場光源装置を有し、該近接場光源装置によって記録・再生・消去のいずれか一つ、またはそれらの複数、あるいはそれらの全部を行うことを特徴とする光学装置。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の近接場光源装置を有し、該近接場光源装置をウェハステージに近接させ、前記開口部近傍に発生する光で露光を行うことを特徴とする露光装置。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の近接場光源装置を有し、該近接場光源装置を試料台に近接させ、前記開口部近傍に発生する光を試料に照射して試料の観察をすることを特徴とする顕微鏡装置。
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