(57)【要約】【課題】光ファイバの構造又は組成に拘わらず、高い透過効率を有すると共に、高い分解能が得られる光ファイバプローブ及びその製造方法を提供する。【解決手段】特定波長を有するエバネッセント波を低吸収損失で伝搬させる第１光ファイバと、第１光ファイバの一端に接続され、第１光ファイバのコア屈折率よりも高いコア屈折率を有する第２光ファイバとで構成される光ファイバプローブであって、この第２光ファイバの一端を円錐研磨及びエッチング処理により先鋭化して検出部を形成することで、ＰＡＮＤＡファイバや紫外線用光ファイバのように、それ自体を加工して光ファイバプローブとすることが難しい光ファイバであっても、その構成又は組成に拘わらず、高い透過効率を有すると共に高い分解能が得られる光ファイバプローブを提供することができる。【選択図】      図１
2004325221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアと該コアを覆うクラッドからなる第１光ファイバと、
前記第１光ファイバのコア屈折率よりも大きいコア屈折率を有し、前記第１光ファイバの一端に連結接続される第２光ファイバであって、該第２光ファイバのコアの先端部に先鋭化されてなる検出部が形成された第２光ファイバとから少なくとも構成される光ファイバプローブ。
【請求項２】
前記検出部は、
異なる傾斜角を有する２段階のテーパ面から構成されており、該コアの先端側の第１テーパ面の傾斜角は、該第１のテーパ面に連続した第２のテーパ面の傾斜角よりも小さく、第２テーパ面の後端側の断面直径は光の波長以上であり、第１テーパ面の後端側の断面直径は光の波長以下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３】
前記第１光ファイバは、
コアの長軸方向に対して垂直な端面において、該コアを中心として両側に２本の応力付与部が配置されてなる定偏波型光ファイバであることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバプローブ。
【請求項４】
前記第１光ファイバは、
前記コアが純粋石英からなる紫外線伝搬用光ファイバであることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバプローブ。
【請求項５】
前記第１光ファイバは、
使用波長におけるシングルモード光ファイバ条件を満足するものであり、第２光ファイバは、第１光ファイバのコア径と略同一径を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光ファイバプローブ。
【請求項６】
コアと該コアを覆うクラッドからなる光ファイバの一端を、該クラッドの外周からコアの中心にかけて円錐状に先鋭化し、該コアの先端部に検出部を形成する光ファイバプローブの製造方法であって、
前記コアとクラッドを有する第１光ファイバの一端に、該第１光ファイバのコア屈折率よりも大きいコア屈折率を有する第２光ファイバを溶融接続する溶融接続工程と、
溶融接続された前記第２光ファイバを所定長で切断する切断工程と、
前記第２光ファイバの一端をクラッドの外周からコアの中心にかけて先端角度が所定角度となるまで円錐研磨する円錐研磨工程と、
円錐研磨されてなる先端部のテーパ表面を熱源を用いて所定時間、加熱溶融する加熱溶融工程と、
加熱溶融された該コアの先端部をエッチングにより先鋭化する第１先鋭化工程と、
前記第１先鋭化工程で先鋭化されたコアの先端部を、前記エッチングと異なるエッチングによりテーパ表面の傾斜角を２段階に変化させ、該コアの先端側の第１テーパ面の傾斜角が、該第１のテーパ面に連続した第２のテーパ面の傾斜角よりも小さく、第２テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以上とし、第１テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以下とする第２先鋭化工程と、
を有することを特徴とする光ファイバプローブの製造方法。
【請求項７】
前記加熱溶融工程は、
円錐研磨されてなる先端部をアーク放電で加熱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の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローブ走査顕微鏡の１つである近接場光学顕微鏡において、エバネッセント光を検出又は照射する光プローブとして使用される光ファイバプローブ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光の波長以下、即ちナノスケールの構造体を測定する顕微鏡としてニアフィールド光学顕微鏡（Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下、ＮＳＯＭという）が用いられている。
【０００３】
ＮＳＯＭは、一般的な光学顕微鏡がレンズを用いて結像を行うのに対し、光ファイバプローブを用いて光の波長より小さい分解能で光学像を結像するものである。
【０００４】
図６（ａ）は、ＮＳＯＭ等の近接場光学顕微鏡の一構成例を示す図である。この顕微鏡は、試料表面からの距離Ｌが光の波長よりも小さい、つまり極めて近接した領域に局在するエバネッセント波をプローブ１０２を介して検出し、試料の形状を測定するものである。
【０００５】
具体的には、全反射条件下で試料にレーザ光を照射することにより生じたエバネッセント波１００を、プローブ１０２の先鋭部１０１（ナノメートルサイズに設計されている）の先端で錯乱させ、錯乱されたこの光を、先鋭部１０１を介して光ファイバのコア内に導き、光ファイバの他端に設けられている検出器で検出することで試料の表面形状を測定する。ここでプローブ１０２を試料全面上で走査させた場合、試料表面を２次元画像として得ることができる。
【０００６】
エバネッセント波とは、屈折率の異なる界面で光が全反射する際に、界面から染み出す光のことである。エバネッセント波の強度は界面からの距離に依存しており、指数関数的に減衰する。このエバネッセント波は、界面近傍のみに存在する特殊な光であり、この光を利用して、上述のように物質の表面・界面における構造や反応等の様々な現象に関して、他の方法では得られない或いは得ることが困難な情報を得ることができる。
【０００７】
次に図６（ｂ），（ｃ）を参照して、従来の光ファイバプローブ１０２の構造を説明する。図６（ｂ）はチッププローブの縦断面図であり、図６（ｃ）は開口プローブの縦断面図である。
【０００８】
図６（ｂ）に示すチッププローブは、円錐状に形成された先鋭部１０１の先端１０１ａが、ナノメートルサイズに先鋭化されたものである。一方、図６（ｃ）に示す開口プローブは、先鋭部１０１の先端を除きその外周が、金属等からなる遮光性被覆層１０４で覆われており、遮光性被覆層１０４が形成されていない先端が散乱光の開口部１０４ａとなるものである。この開口部１０４ａは、ナノメートルサイズで開口されており、この状態で光ファイバプローブ１０２として使用される。
【０００９】
近接場光学顕微鏡の分解能は、この光ファイバプロ−ブ先端の開口径に依存する。高分解能を得るためには、チッププローブの場合、試料とプローブ１０２の大きさを近くすること、開口プローブの場合、試料とプローブ１０２の間の距離がプローブ１０２の大きさ以下とすることが必要である。
【００１０】
そこで所定の開口径を得る光ファイバプローブの製造方法を説明する。
チッププローブの開口部１０１ａの製造方法は、光ファイバの一端を化学エッチング液に浸漬し、光ファイバの外周から中心にかけて一端を円錐状に先鋭化することで開口部１０１ａを形成する。
【００１１】
このとき先端の開口径が小さく、且つ、分解能の高いプローブを得るためには、先鋭部１０１の先鋭角θをできるだけ小さくして、鋭い形状とすることが必要である。しかし、先鋭角θを小さくし過ぎると、先鋭部１０１での光の損失が大きくなり、透過効率が低下する。そのため先鋭角θを無闇に小さくするわけにはいかず、分解能の向上に限界がある。
【００１２】
一方、開口プローブの開口部１０４ａの製造方法は、光ファイバの一端に上記円錐状の先鋭部１０１を形成した後、例えば真空蒸着法により先鋭部１０１の先端を除いてその外周に、遮光性被覆層１０４を形成することで開口部１０４ａを形成する。
【００１３】
このような開口プローブは、先鋭部１０１の断面直径が波長以下となる領域（以下、先端部から断面直径が波長と等しくなる位置までの寸法をチップ長Ｌとする）において、光が金属に著しく吸収され透過効率が低下する。そこで透過効率を確保するために先鋭部１０１の先鋭角θを大きくし、チップ長Ｌを短くすることが必要である。しかし、先鋭角θを大きくすると、遮光性被覆層１０４の開口部近傍での遮光性被覆層１０４の厚みが薄くなり、光が十分に遮蔽されないため実質的に開口径が大きくなることから、分解能の低下を招くという問題がある。
【００１４】
上記方法で先鋭化されたチッププローブや開口プローブは、透過効率と分解能の両立が難しい。そこで高透過効率を有しつつ高分解能が得られる光ファイバープローブの製造方法が提案された。
【００１５】
図７は、特許第３２６０３００号公報記載の上記問題を考慮した光ファイバプローブの製造方法を示す工程図である。
【００１６】
図７（ａ）に示す図は、加工前の光ファイバの断面図である。この光ファイバ１１０は、コア径が１０μｍ、クラッド径が１２５μｍの一般的なシングルモード光ファイバである。
【００１７】
この光ファイバ１１０を、図７（ｂ）に示すように、一端をエッチング液に浸漬して、クラッド１１２の外周に形成されるエッチング液のメニスカスを利用して傾斜部１１３を形成する。
【００１８】
このエッチング液は、液面上にこのエッチング液よりも比重の小さい液体が滴下されており、この液体を浮かせてなる浮遊層との２層からなる。このエッチング液の中に光ファイバ１１０を挿入すると、挿入した位置から光ファイバ側面上にエッチング液が表面張力の作用により伝い上ってくる。この伝い上がってきたエッチング液（メニスカス）でクラッドの外周が溶解されるので、これにより先端が円錐化される。ここで具体的に浮遊層とは、エッチング液の蒸発を防止するためのものであり、例えば低粘度ジメチルシリコーンオイル等の有機溶液が用いられる。
【００１９】
このようにエッチング液と接触しているクラッド１１２のみがエッチングにより溶解されるため、クラッド１１２の直径が徐々に減少する。このときメニスカスの高さは、光ファイバ１１０の直径が減少するにつれて低くなるので、メニスカスの初期高さに相当する位置ではエッチング液と接触する時間が短く、それより下側になる程エッチング液と接触する時間が長くなる。
【００２０】
従って、図７（ｂ）に示すように、メニスカスの初期高さＳに相当する位置から下側では下に行くほど直径が小さくなり、外周から中心に向かって傾斜する傾斜部１１３が形成される。
【００２１】
このようにしてクラッド１１２に傾斜部１１３を形成した後、図７（ｃ）に示す第１先鋭化工程により、コア１１１の一端をクラッド１１２から突出させると共に円錐状に先鋭化する。
【００２２】
つまり第１先鋭化工程では、コア１１１のエッチング速度をＲ１２とし、クラッド１１２のエッチング速度をＲ２２とした場合に、Ｒ１２＜Ｒ２２となるようなエッチング条件のエッチング溶液を生成し、このエッチング液で先鋭化を行う。
【００２３】
このエッチング液に、先のクラッド傾斜工程で傾斜部１１３が形成された光ファイバ１１０の一端を浸漬すると、光ファイバ１１０の先端側ではクラッド１１２のエッチング速度Ｒ２２がコア１１１のエッチング速度Ｒ１２よりも大きいので、クラッド１１２の方がコア１１１よりも先にエッチングされ、コア１１１がクラッド１１２から突出してくる。光ファイバ１１０の外周面側では、外周面に露出しているクラッド１１２がエッチングされると共に、クラッド１１２がエッチングされることによって先端側からコア１１１の外周面が露出しはじめ、この外周面に露出したコア１１も引き続きエッチングされる。このときコア１１１の外周面を先端側から露出させることにより、先端側に行く程エッチング量が多くなり直径が小さくなる。このエッチングを一定時間続けることで、図７（ｃ）に示すように、クラッド１１２から突出した円錐状のコア１１１の一端に、先鋭部１１４が形成される。
【００２４】
次いで図７（ｄ）に示すように、第２先鋭化工程で先鋭部１１４の傾斜角を２段階に変化させる先鋭化を行う。まずコア１１１のエッチング速度をＲ１３とし、クラッド１１２のエッチング速度をＲ２３とした場合に、Ｒ１３＞Ｒ２３となるようなエッチング条件のエッチング溶液を生成し、このエッチング液で先鋭化を行う。
【００２５】
このエッチング液に、先の第１先鋭化工程で先鋭部１１４が形成された光ファイバ１１０の一端を浸漬すると、光ファイバ１１０の先端側ではコア１１１のエッチング速度Ｒ１３がクラッド１１２のエッチング速度Ｒ２３よりも大きいので、コア１１１の方がクラッド１１２よりも先にエッチングされ、クラッド１１２から突出するコア１１１の先端部の長さが徐々に短くなっていく。光ファイバ１１０の外周面側では、外周面に露出しているコア１１１がエッチングされると共に、クラッド１１２がエッチングされることによって先端側からコア１１１の外周面が新たに露出し、エッチングされる。このとき、コア１１１の外周面を先端側から露出させることにより、先端側に行く程エッチング量が多くなり傾斜状となる。
【００２６】
これによりコア１１１には、傾斜角が異なる第１のテーパ面１１５と第２のテーパ面１１６が形成され、クラッド１１２には第３のテーパ面１１７が形成される。このようにメニスカスを利用したエッチング方法を、一般にメニスカスエッチング法という。
【００２７】
但し、上記製造方法で作製される光ファイバプローブは、ある特定の光ファイバを用いて製造したものである。つまり、紫外領域の波長を用いる光ファイバプローブ、或いはラマン散乱の発生を抑制する光ファイバプローブ等は、コアが純粋石英（ＳｉＯ２）からなり、又コアを覆う第１クラッド部はフッ素を含む石英からなり、更にこの第１クラッド部を覆う第２クラッド部は純粋石英からなるように複雑な構造を有しているため、このような構造を有する光ファイバをエッチング法のみで光ファイバプローブにするには、その光ファイバの構造ごとに種々のエッチング液を使い分ける必要がある。
【００２８】
図８に示すような応力付与部を有する定偏波型光ファイバ、いわゆるＰＡＮＤＡファイバは、エッチング手法のみで製造することは不可能である。何故ならＰＡＮＤＡファイバの応力付与部が、ホウ素酸化物（Ｂ２Ｏ３）を含む石英から構成されていることから、エッチングによる挙動がコア（酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）を含有する石英ガラス）と同一とあると、コアの突出と共に応力付与部も突出するためである。
【００２９】
ここで図８及び図９を参照して、ＰＡＮＤＡファイバをエッチング法で先鋭化させた場合の状態を説明する。先ず、図８を参照してＰＡＮＤＡファイバの構造を説明する。図８（ａ）はＰＡＮＤＡファイバの端面断面図であり、図８（ｂ）はＰＡＮＤＡファイバの縦断面図である。
【００３０】
図８（ａ），（ｂ）に示すようにＰＡＮＤＡファイバ１２１は、コア１２３、クラッド１２５、応力付与部１２７から構成される。コア１２３、クラッド１２５部分は基本的にシングルモード光ファイバと同様であり、コア１２３部分の屈折率分布は使用波長でシングルモードとなるように設定されている。
【００３１】
コア１２３の両脇に配置される応力付与部１２７は、ボロン等の熱膨張率が大きい元素が石英ガラスに添加されてなることから、純粋石英からなるクラッド部分よりも熱膨張率が大きくなっている。このため、光ファイバ線引き時に高温となったＰＡＮＤＡファイバが常温まで冷却されると、応力付与部１２７が収縮しようとしてコア１２３に引張応力が加わり、これによりコア１２３に所定の複屈折率を発生させる。
【００３２】
次に、このようなＰＡＮＤＡファイバ１２１の先端をエッチング法で先鋭化させる製造工程を、図９を参照して説明する。
【００３３】
先ず、図９（ｂ）の第１先鋭化工程で、ＰＡＮＤＡファイバの先端部のみを前述したエッチング溶液（Ｒ１２＜Ｒ２２）に浸漬させる。これにより光ファイバのクラッドのみがエッチングされ、コア１２３と応力付与部１２７のみが突出する。
【００３４】
次いで、図９（ｃ）の第２先鋭化工程で、突出された光ファイバのコアを、前述したエッチング溶液（Ｒ１３＜Ｒ２３）に浸漬させる。前工程で突出されたコア１２３の先端は溶解し、コア１２３の外周面が新たに露出されエッチングされる。このときコア１２３の外周面を先端側から露出させることにより、先端側に行くほどエッチング量が多くなる傾斜状となる。即ち、図９（ｃ）に示すように、コア１２３に先鋭部１２９が形成されても応力付与部１２７の溶解が遅いため、先鋭部１２９の両脇に残存する形になる。
【００３５】
【特許文献１】
特許第３２６０３００号公報
【００３６】
【発明が解決しようとする課題】
このように光ファイバプローブは、その検出するエバネッセント波の波長毎に、それぞれ適した光ファイバを使用する必要がある。つまり、被検体に照射する光の波長により、被検体から染み出てくるエバネッセント波の波長は異なるので、この波長若しくは偏光特性に合わせて吸収損失を低く抑えて伝搬することができる光ファイバを適用する必要がある。
【００３７】
そこで紫外線用光ファイバやＰＡＮＤＡファイバを加工して光ファイバプローブとすることが考えられるが、上述したようにＰＡＮＤＡファイバを先鋭化した場合は、コア１２３と応力付与部１２７が接近（応力付与部間距離：約１５〜２０μｍ）するため、応力付与部１２７の突出が障害となってコア１２３でエバネッセント光を検出することができないという問題がある。
【００３８】
また、ＰＡＮＤＡファイバ１２１に代表されるように、エッチング法による光ファイバプローブの製造には、使用する光ファイバの構造によってエッチング限界があるという問題がある。
【００３９】
更に、紫外域用ファイバのように使用波長や光ファイバの開口数ＮＡ等によりコア組成の異なる構成を有する紫外域用光ファイバをエッチングした場合、コア（純粋石英）が先に溶解し、このコアの溶解の後にフッ素ドープ石英の溶解が始まるエッチング溶液が必要である。現時点で純粋石英より遅くフッ素ドープ石英を溶解するようなエッチング溶液の比率割合は報告されておらず、これを見つけるのは非常に困難である。
【００４０】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバの構造又は組成に拘わらず、高い透過効率を有すると共に、高い分解能が得ら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にある。
【００４１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の本発明は、コアとこのコアを覆うクラッドからなる第１光ファイバと、第１光ファイバのコア屈折率よりも大きいコア屈折率を有し、第１光ファイバの一端に連結接続される第２光ファイバであって、この第２光ファイバのコアの先端部に先鋭化されてなる検出部が形成された第２光ファイバとから少なくとも構成されることを要旨とする。
【００４２】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の光ファイバプローブであって、検出部は、異なる傾斜角を有する２段階のテーパ面から構成されており、このコアの先端側の第１テーパ面の傾斜角は、この第１のテーパ面に連続した第２のテーパ面の傾斜角よりも小さく、第２テーパ面の後端側の断面直径は光の波長以上であり、第１テーパ面の後端側の断面直径は光の波長以下であることを要旨とする。
【００４３】
請求項３記載の本発明は、請求項１又は２記載の光ファイバプローブであって、第１光ファイバは、コアの長軸方向に対して垂直な端面において、このコアを中心として両脇に２本の応力付与部が配置されてなる定偏波型光ファイバであることを要旨とする。
【００４４】
請求項４記載の本発明は、請求項１又は２記載の光ファイバプローブであって、第１光ファイバは、コアが純粋石英からなる紫外線伝搬用光ファイバであることを要旨とする。
【００４５】
請求項５記載の本発明は、請求項１乃至４記載の光ファイバプローブであって、前記第１光ファイバは、使用波長におけるシングルモード光ファイバ条件を満足するものであり、第２光ファイバは、第１光ファイバのコア径と略同一径を有することを要旨とする。
【００４６】
請求項６記載の本発明は、コアとこのコアを覆うクラッドからなる光ファイバの一端を、このクラッドの外周からコアの中心にかけて円錐状に先鋭化し、このコアの先端部に検出部を形成する光ファイバプローブの製造方法であって、コアとクラッドを有する第１光ファイバの一端に、この第１光ファイバのコア屈折率よりも大きいコア屈折率を有する第２光ファイバを溶融接続する溶融接続工程と、溶融接続された第２光ファイバを所定長で切断する切断工程と、第２光ファイバの一端をクラッドの外周からコアの中心にかけて先端角度が所定角度となるまで円錐研磨する円錐研磨工程と、円錐研磨されてなる先端部のテーパ表面を熱源を用いて所定時間、加熱溶融する加熱溶融工程と、加熱溶融されたこのコアの先端部をエッチングにより先鋭化する第１先鋭化工程と、第１先鋭化工程で先鋭化されたコアの先端部を、エッチングと異なるエッチングによりテーパ表面の傾斜角を２段階に変化させ、このコアの先端側の第１テーパ面の傾斜角が、この第１のテーパ面に連続した第２のテーパ面の傾斜角よりも小さく、第２テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以上とし、第１テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以下とする第２先鋭化工程とを有することを要旨とする。
【００４７】
請求項７記載の本発明は、請求項６記載の光ファイバプローブの製造方法であって、加熱溶融工程は、円錐研磨されてなる先端部をアーク放電で加熱することを要旨とする。
【００４８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００４９】
本発明の光ファイバプローブは、コアとこのコアを覆うクラッドからなる第１光ファイバと、この第１光ファイバのコア屈折率よりも大きいコア屈折率を有し、第１光ファイバの一端に連結接続される第２光ファイバであって、この第２光ファイバのコアの先端部に先鋭化されてなる検出部が形成されている光ファイバプローブである。
【００５０】
ここで第１光ファイバは、例えば、偏光特性を有する波を検出する場合はＰＡＮＤＡファイバが適用され、紫外領域の波長を検出する場合には紫外線伝搬用光ファイバを適用されることから、第１光ファイバは、検出するエバネッセント波の波長により適宜選択されるものである。従って、第１光ファイバは、上述したＰＡＮＤＡファイバや紫外線用光ファイバに限らず、検出するエバネッセント波の吸収損失を小さく抑えられる光ファイバであれば、上記光ファイバに限定されるものではない。
【００５１】
第２光ファイバは、第１光ファイバの一端に溶融接続される光ファイバであって、後にエバネッセント波を検出する検出部として加工されるものである。この第２光ファイバの性質は、検出部としての加工性と製品としての信頼性を考慮して、屈折率は第１光ファイバコアよりも大きく、且つ、Ｈｉｇｈ  ＮＡを有する光ファイバであることが望ましい。具体的には、第１光ファイバコアよりも高屈折率を有し、且つ、Ｈｉｇｈ  ＮＡを有するシングルモード光ファイバが好適である。また、第２光ファイバも第１光ファイバと同様に、上記構成のシングルモード光ファイバに限らず、第１光ファイバとの融着性が高く、高透過効率及び高分解能を有するものであれば、これに限定するものではない。尚ここでＨｉｇｈＮＡとは、ゲルマニウムのドープ量が多いことをいう。ゲルマニウムのドープ量によりエッチングで得られる角度は変わる。つまり、同じ製造工程で検出部を作製した場合に、ゲルマニウムの量が少ないと先端長が短くなり、ゲルマニウムの量が多いと先端長が長くなる。またゲルマニウムのドープ量が多いと、第１光ファイバとの融着の際に、第２光ファイバのコア径を加熱により容易に拡大させることができるので、径の異なるコアを融着し易くなる。
【００５２】
光ファイバプローブの検出部は、２段階の傾斜部を有する構成からなり、このうち先端部の先端側に形成される第１テーパ面の傾斜角は、第１のテーパ面に連続した第２のテーパ面の傾斜角よりも小さい。また、第２テーパ面の後端側の断面直径は光の波長以上とし、第１テーパ面の後端側の断面直径は光の波長以下とするように形成されている。これにより光の波長以下を有するナノスケールの構造体であっても測定することが可能となる。
【００５３】
（製造方法）
次に、図１を参照して、上記光ファイバプローブの製造方法を説明する。
本発明の光ファイバプローブの製造方法は、第１光ファイバの一端に第２光ファイバを溶融接続する溶融工程と、溶融接続された第２光ファイバを所定長で切断する切断工程と、第２光ファイバの開放端をクラッドの外周からコアの中心にかけて円錐状に研磨する円錐研磨工程と、円錐研磨されたコア先端部を加熱溶融する加熱溶融工程と、加熱溶融により曲面化されたコア先端部をエッチングする第１先鋭化工程と、このコア先端部を別のエッチング液でエッチングする第２先鋭化工程とからなる。
【００５４】
本発明の製造方法は、光ファイバの先端を先鋭化するために円錐研磨を行なうことから、所望の角度を得ることができるという特徴を有するが、その一方で研磨により研磨傷が形成される。この研磨傷が残っている状態で次工程のエッチングが行なわれると、この研磨傷が拡大され亀裂となり破断等を起こす原因となる。そのため研磨後のテーパ表面をアーク放電により半溶融させることで、研磨による傷を消去し無傷化すると共に、先端部を曲面化することで先端部の欠けを皆無にする。
【００５５】
具体的には、先鋭化したコア先端部の曲率半径Ｒをアーク放電溶融により１０μｍ以下とする。これにより無傷のテーパ表面を得られるほか、他の利点として、先端部の偏心解消効果も得られる。この偏心解消効果については後で詳述する。
【００５６】
具体的に、図１を参照して、本発明の製造方法を説明する。
図１（ａ）〜（ｆ）は、本発明の光ファイバプローブ１の製造方法を示す工程図である。
【００５７】
図１（ａ）は、加工前のＰＡＮＤＡファイバ１の縦断面図である。同図に示すように、ＰＡＮＤＡファイバ１は、長尺のコア３と、このコア３を挟んで両脇に配置される応力付与部７と、コア３と応力付与部７の外周を覆うクラッド５で構成される定偏波型光ファイバである。
【００５８】
次に図１（ｂ）に示すように、ＰＡＮＤＡファイバ１の一端にシングルモード光ファイバ（以下、単にＳＭＦ（ｓｉｎｇｌｅ  ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒ）という）を融着接続し、このＳＭＦを所定長で切断する。この所定長は５０μｍ〜３００μｍ程度である。またこのＳＭＦは、コア９に二酸化ゲルマニウムがドープされ、クラッド５が純粋石英ガラスからなる。
【００５９】
続いて、図１（ｃ）に示すように、融着接続されたＳＭＦの端部を、円錐研磨機を用いてクラッド１１の外周からコア９の中心にかけて先端角度φ１が６０°〜５５°となるまで円錐研磨し傾斜部１３を形成する。
【００６０】
次いで、図１（ｄ）に示すように、研磨されてなる先端部を光ファイバ融着器を用いて加熱する。このときの加熱条件は円錐研磨した表面部分のみが瞬間的に半溶融する程度にアーク放電条件を調節して行なう。これにより研磨後の傾斜部（テーパ表面）１３に刻まれた傷を消去し鏡面化できる共に先端部の先端を曲面化することができる。具体的に先端の曲率半径Ｒは３〜１０μｍ程度である。
【００６１】
次に、図１（ｅ）に示すように、従来のエッチング法と同様に第１先鋭化工程のエッチングを行うことでクラッド１１からコア９を突出させて先鋭部１５を形成する。
【００６２】
つまり第１先鋭化工程では、コア９のエッチング速度をＲ１２とし、クラッド１１のエッチング速度をＲ２２とした場合に、Ｒ１２＜Ｒ２２となるようなエッチング条件のエッチング溶液を生成し、このエッチング液に、先のクラッド傾斜工程で円錐研磨して得た傾斜部１３を有する光ファイバの一端を浸漬する。
【００６３】
光ファイバの先端側では、クラッド１１のエッチング速度Ｒ２２がコア９のエッチング速度Ｒ１２よりも大きいので、クラッド１１の方がコア９よりも先にエッチングされ、コア９がクラッド１１から突出してくる。
【００６４】
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１１がエッチングされると共に、クラッド１１がエッチングされることによって先端側からコア９の外周面が露出しはじめ、この外周面に露出したコア９も引き続きエッチングされる。
【００６５】
このときコア９の外周面を先端側から露出させることにより、先端側に行く程エッチング量が多くなり直径が小さくなる。このエッチングを一定時間続けることで、図１（ｅ）に示すように、クラッド１１から突出した円錐状のコア９の一端に先鋭部１５が形成される。尚、このとき先鋭部１５の先鋭角φ２は、８０°である。
【００６６】
次いで、図１（ｆ）に示すように、第２先鋭化工程で先鋭部１５の傾斜角を２段階に変化させる先鋭化を行う。
つまり第２先鋭化工程では、コア９のエッチング速度をＲ１３とし、クラッド１１のエッチング速度をＲ２３とした場合に、Ｒ１３＞Ｒ２３となるようなエッチグ条件のエッチング溶液を生成し、このエッチング液に、先の第１先鋭化工程で先鋭部１５が形成された光ファイバの一端を浸漬する。光ファイバの先端側では、コア９のエッチング速度Ｒ１３がクラッド１１のエッチング速度Ｒ２３よりも大きいので、コア９の方がクラッド１１よりも先にエッチングされ、クラッド１１から突出するコア９の先端部の長さが徐々に短くなっていく。
【００６７】
光ファイバの外周面側では、外周面に露出しているコア９がエッチングされると共に、クラッド１１がエッチングされることによって先端側からコア９の外周面が新たに露出し、エッチングされる。
【００６８】
このときコア９の外周面を先端側から露出させることにより、先端側に行く程エッチング量が多くなり傾斜状となる。これによりコア９には傾斜角が異なる第１のテーパ面１７と第２のテーパ面１９が形成され、クラッド１１には第３のテーパ面２１が形成される。
【００６９】
ここで上記製造方法において、溶融工程では、異種光ファイバ同士を溶融接続するため接続部のコアの性質（コア径、コア組成等）により損失が生じる。例えばコア径の違いは、光路面積（モードフィールド）の差が反射損失の主となり、コア組成の違いは屈折率段差による反射損失が主となる。そこで本発明では、溶融接続による損失を低減させる方法として、通常の溶融接続よりも加熱時間を長くすることで、異種光ファイバのコア成分であるドーパントを拡散させ２本の光ファイバのモードフィールド径の一致と屈折率段差の解消を行う。
【００７０】
即ち、屈折率の異なる２種類の光ファイバの端面を突き合わせ、外部からガスバーナ等で炙ったときに、この炙り時間が長くなる程、コア屈折率が拡散して互いの屈折率がテーパ状に滑らかに拡散し合うことから、マルチモード光ファイバ、シングルモード光ファイバ、分散シフト光ファイバ等の構造パラメータが異なる光ファイバをこの融着接続方法で接続することで、低損失の融着接続を実現する。
【００７１】
また、モードフィールドが異なる光ファイバを低損失に接続するためには、光ファイバ中のドーパントを加熱溶融により拡散させコア径を拡大させることで、２本の光ファイバのコア径を一致させる接続を行なうことができる。これらの接続方法によれば、接続損失は０．３５ｄＢ以下まで低減させることができる。
尚、この溶融工程で第２光ファイバの所定長を５０〜３００μｍ程度とした。
【００７２】
これは、検出するエバネッセント波（偏光特性、波長特性を含む）に他からの外乱が影響しないようにするためである。つまり、第２光ファイバ内を伝搬する際に、第２光ファイバの組成によりエバネッセント波が影響を受けたまま特殊光ファイバ内を伝搬すると、検出器で得られる情報が正常の情報と異なってしまうことから、これを防止するために限界値を上記所定長のように規定している。この値は、光ファイバの端面がフラットの光ファイバプローブの場合は接続ファイバ長が５０μｍ以上あれば充分（エッチング量は略３０μｍ）であるが、本発明のように研磨による傾斜端面の場合は、先端角度６０°の場合で、接続ファイバ長は約１００μｍ必要となる。光ファイバプローブ製造工程中の研磨工程における先端の削り量等にもよるが、定偏波型光ファイバは、定偏波性を保つために接続ファイバ長が極力短いことが望ましい。
【００７３】
また本発明の製造方法において、第１先鋭化工程で行う円錐研磨は、図２に示す円錐研磨機を用いて行う。
【００７４】
この円錐研磨機は、円盤状の研磨板２３と、この研磨板２３を回転させる回転制御部（図示せず）と、光ファイバを握持する握持部（図示せず）と、この握持部をｘｙｚ方向に自由自在に移動させる移動制御部（図示せず）とを有し、研磨板２３の表面には研磨布又は研磨紙が貼り付けられている。
【００７５】
この円錐研磨機で円錐研磨を行う場合は、まず握持部に光ファイバを設定し、移動制御部の制御により光ファイバの先端を研磨板２３上に移動させる。このとき光ファイバと研磨板２３がなす角θが２７．５〜３０°となるように調節する。そして調節完了後、研磨板２３の回転を開始し、同時に移動制御部の制御により光ファイバの先端を研磨板２３に接触させつつ光ファイバ自身をコア中心軸を軸にして円周方向に回転させる。これにより光ファイバのクラッド５が外周から内周に向って研磨される。このとき移動制御部の制御により、光ファイバを研磨板２３に押し付けながら研磨することで先端部が先鋭化されてゆき、最終的に先鋭角φ１を有する先端部が形成される。
【００７６】
また、本発明の製造方法において加熱溶融工程で行なう加熱溶融は、図３に示す光ファイバ融着器を用いて行なう。
【００７７】
この光ファイバ融着器は、対向配置された電極端子２５と、この電極端子２５に高電圧を供給する電圧供給部（図示せず）と、対向配置された電極端子２５間に光ファイバを配置固定させる保持部（図示せず）と、この保持部を移動させる移動制御部とを少なくとも有している。
【００７８】
この光ファイバ融着器で溶融を行う場合は、まず保持部に円錐研磨された光ファイバの先端部を設定し、移動制御部の制御によりこの先端部を電極端子２５間に移動させる。次いで、電圧供給部の電圧供給により電極端子２５間にアーク放電を発生させる。これにより円錐研磨された光ファイバの先端部が加熱溶融され、研磨面が鏡面化及び曲面化される。
【００７９】
このように円錐研磨された光ファイバの先端部をアーク放電を用いて加熱溶融させることで、研磨面が平滑化されると共に、先端部の曲率Ｒを３〜１０μｍにすることができる。
【００８０】
更に、本発明の製造工程において第１先鋭化工程で用いるエッチング液としては、次のようなものが適当である。
濃度４０重量％ＮＨ４Ｆ水溶液：濃度５０重量％ＨＦ酸：Ｈ２Ｏの体積比が、１０：１：Ｙ（但し、Ｙ＞３０）、或いは１．７：１：Ｙ（但し、Ｙ＞１）の緩衝フッ化水素溶液である。
【００８１】
従って、本発明の製造方法によれば、研磨機を用いて円錐研磨を行うので、光ファイバの先端を自由な角度で先鋭研磨することができる。また光ファイバの先端角を５５°〜６０°まで円錐研磨し、その後加熱溶融して曲率半径Ｒ＝３〜２０μｍとし、更にエッチング溶液に浸漬して細径化を行うことで、光ファイバの先端に開口径を５０〜１００ｎｍとする検出部を形成することができる。
【００８２】
従って本発明の製造方法によれば、多種多様な光ファイバ（第１光ファイバ）の一端に、先鋭加工し易い光ファイバ（第２光ファイバ）を設け、この光ファイバの先端を２段階の傾斜部からなる検出部に成形し、この検出部の第２テーパ面の後端側断面直径を光の波長以上とし、第１テーパ面の後端側断面直径を光の波長以下とすることで、各種波長及び各種波長特性に応じた光ファイバプローブとすることができる。その結果、従来光ファイバプローブとして加工することができなかった光ファイバであっても、構造パラメータによる違いを無視して光ファイバプローブとして提供することができる。
【００８３】
また、本発明の製造方法によれば、クラッド傾斜工程（円錐研磨）、加熱溶融工程（先端溶融）及び第１及び第２先鋭化工程で作製することができる。これにより従来のクラッド傾斜工程で必要であったエッチング工程が、本発明では不要となる。その結果、製作時間を短縮化することができる。
【００８４】
更に、本発明の製造方法によれば、円錐研磨後の研磨面をアーク放電で加熱溶融することで、研磨面に刻まれた微小傷を消去することができるので、エッチング工程で研磨傷が拡大し、先端が破損することを防止することができる。その結果、製品の歩留まりを向上させることができる。
【００８５】
また、本発明の製造方法によれば、加熱溶融を行うことで、偏心解消効果を得ることができる。従来のエッチング法によるコアの先鋭化は、コアとクラッドのエッチング液に対する溶解度の差を利用するため、光ファイバの平面切断面（クリーブカット、平面研磨など）の場合は仮にコアが１μｍ偏心していても先鋭化に支障は無かったが、本発明のように研磨法で先端部を先鋭化すると、研磨による偏心と同時に光ファイバ自身の偏心を含めて研磨先端をコア中心に一致させることが不可能となる（図４（ａ））。
【００８６】
図４（ａ）に示すように、光ファイバのコア９は光ファイバの中心軸４１に沿って必ずしも精確に設けられておらず、多くの場合、光ファイバの中心軸４１から若干ずれた位置にコア９の中心軸４３がある。そのため、このような光ファイバを円錐研磨した場合、コア先端部は必ずしもクラッド１１から均一に露出されない。
【００８７】
そこで図４（ａ）に示した偏心を補正するために、円錐研磨後にアーク放電を行うことにより、図４（ｂ）に示すように、先端部を曲面化し、丸みの中に中心軸４３を入れることができる。これにより先端が尖った前述の先鋭化状態よりも、先端の領域を広くすることができる。
【００８８】
このように曲面化された状態でエッチング処理を行うと、先端部の露出径Ｄ１が大きく取れると共に、露出されたコアの軸方向の長さＤ２が短くなるので、エッチング処理の際に、均一にコア部を突出させることができる。これによりコアの軸ずれを起こしていても、その影響を小さくし、最小限の軸ずれに抑えることができる。
【００８９】
上記実施の形態に係る光ファイバプローブの製造方法は、いわゆるチッププローブの製造方法であったが、光ファイバプローブはこれに限らず、このチッププローブの先鋭部先端を除いたテーパ表面に金属等からなる遮光性被覆層を形成し、遮光性被覆層で覆われていない先端の開口部から光の検出或いは照射を行うようにすることで開口プローブを作製することもできる。
【００９０】
このようにプローブの外周に遮光性被覆層を形成すると、遮光性被覆層が形成された部分では光の入射が遮られ、微小開口でのみ光が選択的に取り込まれるようになるので、分解能が向上し、よりＳ／Ｎ比を改善することができる。
【００９１】
この遮光性被覆層を形成方法は、真空蒸着法やスパッタリング法、無電解めっき法によって先鋭部に遮光性の金属膜を形成した後、この上に先端部を除いてエッチングマスクを形成して、その後エッチング処理を行い、先端部の金属膜を除去することによって形成することができる。
【００９２】
また、この遮光性被覆層の材料としては、遮光性が高く、導電性が高い材質のものが望ましいことから、例えば、アルミニウム、金、銀、白金等が適切であり、中でも、アルミニウムが最も好適である。
【００９３】
（実施例１）
以下、本発明の製造方法を用いた実施例１を図１と併せて説明する。
【００９４】
まず本実施例において使用する第１光ファイバは、開口数ＮＡが０．２３の６３０ｎｍ用の定偏波型光ファイバである。また、第２光ファイバは、開口数ＮＡが０．２８の６３０ｎｍ用のＳＭＦである。
【００９５】
次いで、光ファイバ融着機を用いて、定偏波型光ファイバの一端にＳＭＦを融着接続し、ＳＭＦを接続位置から１５０μｍの位置で切断した。
【００９６】
次いで、研磨機を用いて、ＳＭＦの先端の頂角が５５°となるまで円錐研磨した後、この研磨面をアーク放電により加熱し、研磨傷を消去した。この時の溶融による先端曲率半径Ｒは３．０μｍであった。
【００９７】
得られた光ファイバを濃度４０重量％のフッ化アンモニウム水溶液（ＮＨ４Ｆ）と、濃度５０重量％のフッ化水素溶液と水からなる体積比が１０：１：１の３０℃のエッチング液に９０分浸漬した。
【００９８】
得られた光ファイバの先端は、定偏波ファイバの応力付与部の影響を受けることなく、ＳＭＦのコア部分のみが円錐状に先鋭化されてなる検出部として形成することができた。
【００９９】
従って、本発明の光ファイバプローブの製造方法によれば、２種類の異なる屈折率を有する光ファイバを融着接続し、この２本の光ファイバ間の屈折率の不連続性を低減させると共に、先鋭加工し易い光ファイバのコア先端部にエバネッセント波を検出するための検出部を簡易的な製造工程で形成することができる。その結果、光ファイバの構造パラメータに依存しない光ファイバプローブを作製することができる。
【０１００】
（実施例２）
次に、本発明の製造方法を用いた実施例２を図５を参照して説明する。
【０１０１】
まず本実施例において使用する第１光ファイバは、純粋石英（ＳｉＯ２）コア５３とフッ素ドープ石英（ＳｉＯ２Ｆ）クラッド５５で構成される１．３μｍ用のＳＭＦ５１である。また第２光ファイバは、通常のゲルマニウム酸化物（ＧｅＯ２）がドープされた石英系ガラスからなるコア９と、純粋石英（ＳｉＯ２）からなるクラッド１１で構成されるＳＭＦである。
【０１０２】
光ファイバ融着機を用いて、１．３μｍ用のＳＭＦ５１の一端にＳＭＦを融着接続し、ＳＭＦを接続位置から３００μｍの位置で切断した。
【０１０３】
次いで、研磨機を用いて、ＳＭＦの先端の頂角が５５°となるまで円錐研磨した後、研磨面をアーク放電により加熱し、研磨傷を消去した。この時の溶融による先端曲率半径Ｒは３．０μｍであった。
【０１０４】
得られた光ファイバを濃度４０重量％のフッ化アンモニウム水溶液（ＮＨ４Ｆ）と、濃度５０重量％のフッ化水素溶液と水からなる体積比が１０：１：１の３０℃のエッチング液に９０分浸漬した。
【０１０５】
得られた光ファイバの先端は、１．３μｍ用のＳＭＦ５１の影響を受けることなく、通常のＳＭＦのコア部分のみが円錐状に先鋭化されてなる検出部として形成することができた。
【０１０６】
従って、本発明の光ファイバプローブの製造方法によれば、２種類の異なる屈折率を有する光ファイバを融着接続し、この２本の光ファイバ間の屈折率の不連続性を低減させる共に、先鋭加工し易い光ファイバのコア先端部にエバネッセント波を検出するための検出部を簡易的な製造工程で形成することができる。その結果、光ファイバの構造パラメータに依存しない光ファイバプローブを作製することができる。
【０１０７】
【発明の効果】
従って本発明によれば、ＰＡＮＤＡファイバや紫外線用光ファイバのように、それ自体を加工して光ファイバプローブとすることが難しい光ファイバであっても、その光ファイバの一端に加工性の高い光ファイバを融着接続し、これをエバネッセント波を検出することができる検出部に加工することで、光ファイバの構造又は組成に拘わらず、高い透過効率を有すると共に高い分解能が得ら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ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバプローブの製造工程を示す図である。
【図２】本発明の第１先鋭化工程に使用する円錐研磨機の概略構成図である。
【図３】本発明の加熱溶融工程に使用する光ファイバ融着器の概略構成図である。
【図４】軸ずれ調整の作用を説明するための光ファイバプローブ断面図であり、調整前の先端部の縦断面図（ａ）、及び調整後の先端部の縦断面図（ｂ）である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバプローブの製造工程を示す図である。
【図６】近接場光学顕微鏡の原理を示す模式図（ａ）、従来の製造方法で作製されたチッププローブの断面図（ｂ）、及び従来の製造方法で作製された開口プローブの断面図（ｃ）である。
【図７】従来の光ファイバプローブの製造方法を示す工程図である。
【図８】ＰＡＮＤＡファイバの端面の断面図（ａ）、及びＰＡＮＤＡファイバの縦断面図（ｂ）である。
【図９】従来の光ファイバプローブの製造方法を適用してＰＡＮＤＡファイバを先鋭化した場合の製造工程図である。
【符号の説明】
１…光ファイバプローブ（ＰＡＮＤＡファイバ、紫外線用光ファイバ）
３…コア
５…クラッド
７…応力付与部
９…コア
１１…クラッド
１１…コア
１３…傾斜部
１５…先鋭部
１７…第１のテーパ面
１９…第２のテーパ面
２１…第３のテーパ面
２３…研磨板
２５…電極端子
４１…光ファイバ中心軸
４３…コア中心軸
５１…ＳＭＦ（シングルモード光ファイバ）
５３…コア
５５…クラッド
６０…頂角
１００…エバネッセント波
１０１…先鋭部
１０１ａ…先端
１０１ａ…開口部
１０２…光ファイバプローブ
１０４…遮光性被覆層
１０４ａ…開口部
１１０…光ファイバ
１１１…コア
１１２…クラッド
１１３…傾斜部
１１４…先鋭部
１１５…第１のテーパ面
１１６…第２のテーパ面
１１７…第３のテーパ面
１２１…ＰＡＮＤＡファイバ
１２３…コア
１２５…クラッド
１２７…応力付与部
１２９…先鋭部
【図１】
2004325221.tif 000003
【図２】
2004325221.tif 000004
【図３】
2004325221.tif 000005
【図４】
2004325221.tif 000006
【図５】
2004325221.tif 000007
【図６】
2004325221.tif 000008
【図７】
2004325221.tif 000009
【図８】
2004325221.tif 000010
【図９】
2004325221.tif 000011