(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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上記コアを先鋭化することで形成された先鋭部を有し、かつ上記光ファイバを介して伝搬光を検出することにより試料の形状を測定する近接場光学顕微鏡に取り付け可能な光ファイバプローブにおいて、
上記コアは、上記試料に照射された光に基づいて励起された磁場を検出するための超伝導薄膜が上記先鋭部を除いて形成され、
上記先鋭部は、上記試料に光を照射することにより生じたエバネッセント光を散乱させるとともにこれを検出して上記伝搬光とすること
を特徴とする光ファイバプローブ。
【請求項２】
上記先鋭部は、上記コアから伝搬された光を上記試料に照射すること
を特徴とする請求項１記載の光ファイバプローブ。
【請求項３】
上記超伝導薄膜は、特定方向の磁界が印加されてなること
を特徴とする請求項１記載の光ファイバプローブ。
【請求項４】
上記超伝導薄膜は、超伝導臨界温度Ｔｃ以下まで冷却されてなること
を特徴とする請求項１記載の光ファイバプローブ。
【請求項５】
上記超伝導薄膜は、Ｐｂ合金であること
を特徴とする請求項１記載の光ファイバプローブ。
【請求項６】
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上記コアを先鋭化することで形成された先鋭部を有し、かつ磁場の変化を捉える超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）顕微鏡に取り付け可能な光ファイバプローブにおいて、
上記試料に照射された光に基づいて励起された磁場を検出する超伝導体が、上記コアを巻回中心として上記先鋭部にリング状に形成されてなる超伝導コイル部と、
コの字型の超伝導体が上記超伝導コイル部に並設されるように上記先鋭部に至るまでに先細となるように突出させたコア上に形成されてなり、上記超伝導コイル部により検出された磁場の変化を捉えるためのＳＱＵＩＤ接合部と、
上記ＳＱＵＩＤ接合部より狭持された絶縁体とを備え、
上記先鋭部は、上記試料に光を照射することにより生じたエバネッセント光を散乱させるとともにこれを検出して上記伝搬光とすること
を特徴とする光ファイバプローブ。
【請求項７】
上記先鋭部は、上記コアから伝搬された光を上記試料に照射すること
を特徴とする請求項６記載の光ファイバプローブ。
【請求項８】
上記超伝導薄膜は、超伝導臨界温度Ｔｃ以下まで冷却されてなること
を特徴とする請求項６記載の光ファイバプローブ。
【請求項９】
上記超伝導体は、Ｐｂであること
を特徴とする請求項６記載の光ファイバプローブ。
【請求項１０】
上記超伝導コイル部における超伝導体は、直径数十ナノメートルからなること  を特徴とする請求項６記載の光ファイバプローブ。
【請求項１１】
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上記コアを先鋭化することで形成された先鋭部を有する光ファイバプローブにより伝搬光を検出して試料の形状を測定する測定方法において、
上記試料に照射された光に基づいて励起された磁場を、上記先鋭部を除いて形成された超伝導薄膜により検出する磁場検出ステップと、
上記試料に光を照射することにより生じたエバネッセント光を、上記光ファイバプローブの先鋭部により散乱させるとともにこれを検出して上記伝搬光とする光検出ステップとを有すること
を特徴とする測定方法。
【請求項１２】
上記先鋭部から上記光を照射する照射ステップをさらに有すること
を特徴とする請求項１１記載の測定方法。
【請求項１３】
上記磁場検出ステップでは、特定方向の磁界が印加されてなる超伝導薄膜により上記磁場を検出すること
を特徴とする請求項１１記載の測定方法。
【請求項１４】
少なくとも上記磁場検出ステップでは、上記光ファイバプローブを超伝導臨界温度Ｔｃ以下まで冷却させること
を特徴とする請求項１１記載の測定方法。
【請求項１５】
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上記コアを先鋭化することで形成された先鋭部を有する光ファイバプローブにより伝搬光を検出して試料の形状を測定する測定方法において、
上記試料に照射された光に基づいて励起された磁場を、上記コアを巻回中心として上記先鋭部にリング状に形成されてなる超伝導体より構成される超伝導コイル部により検出する磁場検出ステップと、
コの字型の超伝導体が上記超伝導コイル部に並設されるように上記先鋭部に至るまでに先細となるように突出させたコア上に形成されてなるＳＱＵＩＤ接合部と、上記ＳＱＵＩＤ接合部より狭持された絶縁体とからなる干渉素子により、上記超伝導コイル部により検出された磁場の変化を捉えるＳＱＵＩＤ検出ステップと、
上記試料に光を照射することにより生じたエバネッセント光を、上記光ファイバプローブの先鋭部により散乱させるとともにこれを検出して上記伝搬光とする光検出ステップとを有すること
を特徴とする測定方法。
【請求項１６】
上記先鋭部から上記光を照射する照射ステップをさらに有すること
を特徴とする請求項１５記載の測定方法。
【請求項１７】
少なくとも上記磁場検出ステップでは、上記光ファイバプローブを超伝導臨界温度Ｔｃ以下まで冷却させること
を特徴とする請求項１５記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばプローブ走査型顕微鏡の一つである近接場光学顕微鏡や超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）顕微鏡に取り付け可能な光ファイバプローブ並びにこれを利用した測定方法に関する。
【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。ナノメートルオーダー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コアを先鋭化することで形成された先鋭部を有し、当該先鋭部に例えばＡｕやＡｇ等の金属により被覆されたプローブを備え、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。
【０００４】
ちなみに、この近接場光学顕微鏡により試料の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、プローブが形成されている先鋭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、先鋭部に設けられた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】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光通信、光情報処理システムの高速化、大容量化の進展を加速させるためには、デバイスを数十ナノメートル級の分解能で物質操作、物性測定を行う必要がある。しかしながら、上述した従来の近接場光学顕微鏡では、数十ナノメートルのスケールで、高精度な測定を実現することが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は上述した従来の実情に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、数十ナノメートル級の分解能で高精度な物性測定等を実現することが可能な近接場光学顕微鏡やＳＱＵＩＤ顕微鏡に取付可能な光ファイバプローブ、及びこれを利用した測定方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明を適用した光ファイバプローブは、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コアを先鋭化することで形成された先鋭部を有し、かつ光ファイバを介して伝搬光を検出することにより試料の形状を測定する近接場光学顕微鏡に取り付け可能な光ファイバプローブにおいて、コアは、試料に照射された光に基づいて励起された磁場を検出するための超伝導薄膜が先鋭部を除いて形成され、先鋭部は、試料に光を照射することにより生じたエバネッセント光を散乱させるとともにこれを検出して伝搬光とする。
【０００８】
本発明を適用した光ファイバプローブは、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上記コアを先鋭化することで形成された先鋭部を有し、かつ磁場の変化を捉える超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）顕微鏡に取り付け可能な光ファイバプローブにおいて、試料に照射された光に基づいて励起された磁場を検出する超伝導体が、コアを巻回中心として先鋭部にリング状に形成されてなる超伝導コイル部と、コの字型の超伝導体が超伝導コイル部に並設されるように先鋭部に至るまでに先細となるように突出させたコア上に形成されてなり、超伝導コイル部により検出された磁場の変化を捉えるためのＳＱＵＩＤ接合部と、ＳＱＵＩＤ接合部より狭持された絶縁体とを備え、先鋭部は、試料に光を照射することにより生じたエバネッセント光を散乱させるとともにこれを検出して伝搬光とする。
【０００９】
本発明を適用した測定方法は、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コアを先鋭化することで形成された先鋭部を有する光ファイバプローブにより伝搬光を検出して試料の形状を測定する測定方法において、試料に照射された光に基づいて励起された磁場を、先鋭部を除いて形成された超伝導薄膜により検出する磁場検出ステップと、試料に光を照射することにより生じたエバネッセント光を、光ファイバプローブの先鋭部により散乱させるとともにこれを検出して伝搬光とする光検出ステップとを有する。
【００１０】
本発明を適用した測定方法は、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上記コアを先鋭化することで形成された先鋭部を有する光ファイバプローブにより伝搬光を検出して試料の形状を測定する測定方法において、試料に照射された光に基づいて励起された磁場を、コアを巻回中心として先鋭部にリング状に形成されてなる超伝導体より構成される超伝導コイル部により検出する磁場検出ステップと、コの字型の超伝導体が超伝導コイル部に並設されるように先鋭部に至るまでに先細となるように突出させたコア上に形成されてなるＳＱＵＩＤ接合部と、ＳＱＵＩＤ接合部より狭持された絶縁体とからなる干渉素子により、超伝導コイル部により検出された磁場の変化を捉えるＳＱＵＩＤ検出ステップと、試料に光を照射することにより生じたエバネッセント光を、光ファイバプローブの先鋭部により散乱させるとともにこれを検出して伝搬光とする光検出ステップとを有する。
【００１１】
【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。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施の形態における光ファイバプローブ１を示している。この光ファイバプローブ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、先鋭部１２とを備える。
【００１３】
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、夫々ＳｉＯ２系ガラスからなり、Ｆ、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３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。
【００１４】
先鋭部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に示すように先鋭部１２に至るまで徐々に先細になるように勾配を設けても良い。なお、この突出させたコア２０ａには、先鋭部１２を除いて超伝導薄膜１３が形成されている。
【００１５】
超伝導薄膜１３は、例えばＰｂ等の超伝導材料からなる薄膜である。この超伝導薄膜１３は、極低温で電気抵抗が急激に消失して０になり、またマイスナー効果により完全な反磁性状態になる。以下、この電気抵抗が０になる温度を超伝導臨界温度Ｔｃと称する。なお、この超伝導薄膜１３は、Ｐｂ以外の例えばＩｎ合金等の超伝導材料により構成しても良い。
【００１６】
光ファイバプローブ１を超伝導臨界温度Ｔｃ以下まで冷却することにより、突出させたコア２０ａに形成された超伝導薄膜１３は、マイスナー効果に基づき完全反磁性を示す。かかるマイスナー効果を生じさせた超伝導薄膜１３の近傍に磁場が存在すると、超伝導薄膜１３が形成された光ファイバプローブ１全体に大きな反力がかかる。この反力を例えばシアフォース方式或いはＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）方式により検出することにより、ナノメートル級の分解能で試料の磁力分布を測定することができる。
【００１７】
また第１の実施の形態における光ファイバプローブ１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先鋭部１２を介して検出することにより試料の形状を測定する光励起型の近接場顕微鏡に取り付けることも可能である。例えば、全反射条件下で試料に光を照射することにより生じたエバネッセント光を散乱させて伝搬光に変換する。この変換された伝搬光は、先鋭部１２を通じて光導波部１１へ導かれ、光ファイバのもう一方の出射端に接続された図示しない検出器により検出される。すなわち、本発明は、先鋭部１２が設けられた光ファイバプローブ１により散乱と検出の双方を極めて高い分解能で行うことができる。
【００１８】
さらに第１の実施の形態における光ファイバプローブ１は、上述した超伝導薄膜１３に対して特定の方向の磁界が印加されることにより、該超伝導薄膜１３の反磁性による磁気光学効果に基づき、先鋭部１２から特定の偏光を入射し易くすることができる。例えば、超伝導薄膜１３に対して特定の方向の磁界が印加されることにより、光ファイバプローブ１の先鋭部１２からは、右旋性の円偏光が左旋性の円偏光よりも入射しやすくなる。従って、光ファイバプローブ１に超伝導薄膜１３を形成し、該超伝導薄膜１３に対して磁界を印加することにより、先鋭部１２から入射する偏光を選択することが可能となる。
【００１９】
次に、本発明における第２の実施の形態について説明をする。図２は、本発明の第２の実施の形態における光ファイバプローブ３を示している。この光ファイバプローブ３は、数十ナノメートル級の分解能で磁場の変化を捉えることができる超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）顕微鏡に用いられ、図２に示すように光導波部３１と、先鋭部３２と、超伝導コイル部３３と、ＳＱＵＩＤ接合部３４と、絶縁体３５とを備える。
【００２０】
光導波部３１は、コア４０の周囲にクラッド４１が設けられた光ファイバより構成される。コア４０及びクラッド４１は、夫々ＳｉＯ２系ガラスからなり、Ｆ、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３等を添加することにより、コア４０よりもクラッド４１の屈折率が低くなるように組織制御されている。
【００２１】
先鋭部３２は、光導波部３１の一端においてコア４０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４０ａは、図２に示すように先鋭部３２に至るまで徐々に先細になるように勾配を設けても良い。
【００２２】
超伝導コイル部３３は、突出させたコア４０ａを巻回中心としたリング状の超伝導薄膜からなり、例えば図２に示すように２重コイルを形成するように、上述の突出させたコア４０ａ上に被覆されている。この超伝導コイル部３３は、例えば上述した超伝導薄膜１３が形成された光ファイバプローブ１を集束イオンビームに基づくイオン照射により切断して２重コイル状に成形しても良い。なおこの超伝導コイル部３３は、試料へ光を入出射するために、あくまで先鋭部３２を除いたコア４０ａ上に被覆される。
【００２３】
ＳＱＵＩＤ接合部３４は、超伝導薄膜からなり、超伝導コイル部３３の巻回方向に対して平行方向にコの字型を形成するように、上述の突出させたコア４０ａ上に被覆されている。このＳＱＵＩＤ接合部３４は、例えば上述した超伝導薄膜１３が形成された光ファイバプローブ１を集束イオンビームに基づくイオン照射により切断してコの字型に成形しても良い。ちなみに、このＳＱＵＩＤ接合部３４におけるコの字型の形状は、図２に示すように超伝導薄膜からなるリングの一部を切除するような形状であれば（換言すれば、環状でなければ）いかなる形状であっても良い。なお、このＳＱＵＩＤ接合部３４には電気信号を検出するための図示しない電気信号検出部が接続される。
【００２４】
絶縁体３５は、ＳＱＵＩＤ接合部３４のコの字型により挟持されてなり、例えばＳｉＯ２等の絶縁材料から構成される。すなわち、コの字型のＳＱＵＩＤ接合部３４と、当該ＳＱＵＩＤ接合部３４に挟み込まれた絶縁体３５より、いわゆる超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を構成する。
【００２５】
ちなみに、超伝導コイル部３３及びＳＱＵＩＤ接合部３４に用いられる超伝導薄膜は、例えばＰｂ等の超伝導材料を被覆した薄膜であるが、Ｐｂに限定されるものではなく、他の超伝導材料を被覆しても良い。また、これら被覆される超伝導薄膜は、超伝導臨界温度Ｔｃ以下まで冷却することにより、マイスナー効果に基づき完全反磁性を示す。このため、実際に光ファイバプローブ３を用いる場合には、超伝導臨界温度Ｔｃ以下まで冷却することが必要になる。
【００２６】
このＳＱＵＩＤ接合部３４と絶縁体３５からなるＳＱＵＩＤに対して、図３に示すように、外部から電圧Ｖｃを印加すると、該ＳＱＵＩＤ接合部３４を流れる電流が一定の周期で振動する。ちなみにこの振動の周期は、超伝導薄膜からなるＳＱＵＩＤ接合部３４内を貫く磁束密度に比例する。このため、ＳＱＵＩＤ接合部３４内を流れる電流を検出することにより、ＳＱＵＩＤ接合部３４を貫く磁束密度を識別することができる。従ってＳＱＵＩＤ接合部３４を貫く磁束は、超伝導コイル部３３に基づく磁場により誘導されるため、超伝導コイル部３３介して検出した試料の磁場の変化を高精度に検出することも可能となる。
【００２７】
すなわち、第２の実施の形態における光ファイバプローブ３は、試料の磁場の変化を先鋭部を介して検出する。この検出された磁場の変化は、超伝導コイル部３３を介してＳＱＵＩＤ接合部３４へ伝達される。電圧Ｖｃが印加されているＳＱＵＩＤ接合部３４は、伝達された磁場の変化を電流の振動の周期で捉えこれを、図示しない検出部に送信することができる。
【００２８】
これにより、第２の実施の形態における光ファイバプローブ３は、試料の磁力分布をより精確に検出することが可能となる。またこの光ファイバプローブ３は、コア４０の周囲にクラッド４１が形成された光ファイバの先端に配設されているため、コア４０の先鋭部３２から試料へ光を出射し、磁気光学効果に基づいて試料表面において励起された磁場を検出することができる。
【００２９】
さらに、この光ファイバプローブ３の突出させたコア３０ａに設けられた超伝導コイル部３３のサイズを小さくすることにより、光ファイバプローブ３全体の空間分解能を更に向上させることができる。例えば、超伝導コイル部３３において、下側に位置する（試料に近接する）コイルリングのサイズを直径数十ナノメートルサイズまで小さくすることにより、数十ナノメートル級の分解能で磁場観測を行うことができる。従って、下側に位置するコイルリングのサイズを直径１０ｎｍ程度まで小さくすることにより、１０ｎｍ程度のオーダーで試料の磁場を観測することも可能となる。
【００３０】
なお、この本発明における第１の実施の形態及び第２の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば光を入出射しないプローブに対しても適用可能である。これにより、試料に光を照射する光励起型の観測を必要とせずに単なる磁場観測のみを行う場合にも本発明を適用することが可能となる。かかる場合、コア２０、４０の周囲にクラッド２１、４１が設けられた光ファイバの代替として例えば絶縁性物質からなる材料を用い、また他の構成要素は、全て第１の実施の形態又は第２の実施の形態において説明した部材・要素を適用してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る光ファイバプローブは、先鋭部付近に超伝導薄膜を被覆するため、マイスナー効果を生じさせた超伝導薄膜の近傍の磁力分布をナノメートル級の分解能で高感度に検出することが可能となる。
【００３２】
また、本発明に係る光ファイバプローブは、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先鋭部を介して検出することにより試料の形状を測定することも可能である。
【００３３】
また、本発明に係る光ファイバプローブは、先端に超伝導薄膜が形成されているため、該超伝導薄膜に対して磁界を印加することにより、先鋭部から入射する偏光を選択することが可能となる。
【００３４】
さらに、この光ファイバプローブ３の突出させたコア３０ａに設けられた超伝導コイル部３３のサイズを小さくすることにより、１０ｎｍ程度のオーダーで試料の磁場を観測することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した光ファイバプローブの第１の実施の形態を示した図である。
【図２】本発明を適用した光ファイバプローブの第２の実施の形態を示した図である。
【図３】ＳＱＵＩＤ接合部と絶縁体の磁気回路を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１，３  光ファイバプローブ、１１，３１  光導波部、１２，３２  先鋭部、２０，４０  コア、２１，４１  クラッド、３３  超伝導コイル部、３４  ＳＱＵＩＤ接合部、３５  絶縁体
【図１】
0003597181.tif 000002
【図２】
0003597181.tif 000003
【図３】
0003597181.tif 000004