(57)【要約】【課題】高い透過効率および偏光度を併せ持つ新しい光ファイバープローブを提供する。【解決手段】光ファイバーの先端部をエッチングすることでコア部を先鋭化して光ファイバープローブとして形成する光ファイバープローブの製造方法において、光ファイバーがコア部（１）と応力付与部（２）とクラッド部（３）とからなる偏波保持光ファイバーであって、光ファイバーの端部を機械研磨することでコア部（１）が最先鋭部にくるように光ファイバーの端部を先鋭形状に形成し、形成された光ファイバーの端部をエッチング液に浸漬することでコア部（１）を更に先鋭化して光ファイバープローブとする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーの先端部をエッチングすることでコア部を先鋭化して光ファイバープローブとして形成する光ファイバープローブの製造方法において、光ファイバーがコア部と応力付与部とクラッド部とからなる偏波保持光ファイバーであって、光ファイバーの端部を機械研磨することでコア部が最先鋭部にくるように光ファイバーの端部を先鋭形状に形成し、形成された光ファイバーの端部をエッチング液に浸漬することでコア部を更に先鋭化して光ファイバープローブとすることを特徴とする光ファイバープローブの製造方法。
【請求項２】
光ファイバーの先端部をエッチングすることでコア部を先鋭化して光ファイバープローブとして形成する光ファイバープローブの製造方法において、光ファイバーがコア部と応力付与部とクラッド部とからなる偏波保持光ファイバーであって、光ファイバーの端部において、コア部の外周部分に断面方向に切れ込みを形成し、光ファイバーを切れ込みの入った部分までエッチング液に垂直に浸漬し、切れ込みの入った部分より先端方向の光ファイバーの自重によりコア部を引き延ばしつつ溶解することで、コア部を先鋭化して光ファイバープローブとすることを特徴とする光ファイバープローブの製造方法。
【請求項３】
請求項１または２の光ファイバープローブの製造方法により製造される光ファイバープローブを光ピンセット用プローブとして用い、偏光に対して相互作用を有する異方性分子群からなる微細材料を、吸着、移動、および、組み立て加工することを特徴とする微細材料加工方法。
【請求項４】
光ファイバープローブに入射する光の偏光方向を切り替えることで、異方性分子の配置方向を制御して組み立て加工を行うことを特徴とする請求項３記載の微細材料加工方法。
【請求項５】
請求項１または２の光ファイバープローブの製造方法により製造される光ファイバープローブを光ピンセット用プローブとして用い、基板上に設置された異方性分子群の配向を制御し、異方性分子群にとって化学活性の高い波長の偏光を光ファイバープローブに入射し、異方性分子群に照射することで、異方性分子間で重合結合を形成することを特徴とする微細材料加工方法。
【請求項６】
異方性分子が、無機分子、有機分子、磁性体分子、液晶分子、あるいは、重合性分子のいずれかである請求項３ないし５のいずれかの微細材料加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、光ファイバープローブの製造方法と微細材料加工方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、偏波保持光ファイバーなどの断面方向に複雑な構造を持つ光ファイバーを光ファイバープローブとして形成するための光ファイバープローブの製造方法とこの光ファイバープローブを用いる微細材料加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
近接場光を用いた光プロービング技術は、回折限界以下（典型的には５００ｎｍ以下）の微小領域における観察、加工、あるいは、マニピュレーションを実現するための技術として注目されている（特開平１０−２９０５、特開平１０−１３２８３１、特開２０００−３２９７７３、または、特開２００１―１３１５４）。光ファイバーを先鋭化し、プローブとして利用することの利点としては、（Ｉ）走査型トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）と異なり電気を利用しないため、絶縁性の物質を対象とした観察または加工が可能であること、（ＩＩ）光は水中も伝搬するため、溶液中の試料を観察することが可能であること、（ＩＩＩ）原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）と異なり、分光および偏光測定が可能であるため、エネルギー状態や光物性等も同時測定することが可能となること、（ＩＶ）近接場光の持つポテンシャル場を利用することで、光ピンセットのようなマニピュレーションとして利用できること、および、（Ｖ）光化学反応を用いることでリソグラフィーとしても使用できること等が挙げられる。
【０００３】
近年、従来利用されてきたシングルモード光ファイバーに代えて偏波保持光ファイバーを用いることで、回折限界以下の微小領域に直線偏光を照射あるいは集光を行う試みがなされ始めている。しかし、この技術は開発の途上にあり、高い透過効率および偏光度を持つ光ファイバープローブは、未だ実現されていないのが現状である。
【０００４】
現在、主に知られている偏波保持光ファイバーには、図７に示すように、ＰＡＮＤＡ型と楕円型の２種類がある。ＰＡＮＤＡ型の偏波保持光ファイバーは、楕円型の偏波保持光ファイバーと比較して構造が複雑であるが、作製が容易で、かつ、偏光度が高い。また、ＰＡＮＤＡ型の偏波保持光ファイバーは、ファイバーの断面を光学顕微鏡で観察することで、偏波の方向を確認できる。一方、楕円型の偏波保持光ファイバーは、偏波の方向の確認が困難である。これは、コアの大きさが、波長の大きさと同程度か、あるいは、それ以下であり、すなわち、回折限界以下であるため、光学的に観察することが不可能であるためである。
【０００５】
一方、これら２種類のファイバーを用いてプローブを作製する場合、楕円型の偏波保持光ファイバーの方が、都合がよい。これは、楕円型の偏波保持光ファイバーにおいては、プローブを作成する方法として引き伸ばし法およびエッチング法の２種類の方法が使えるためである。ＰＡＮＤＡ型の偏波保持光ファイバーにおいては、引き伸ばし法しか適用することが出来ない。ここで、引き延ばし法とは、図８に示したように、水素炎、レーザー光、アーク放電等の加熱手段（８１）により光ファイバー（８２）を加熱融解し、引き延ばすことにより物理的に光ファイバーを先鋭化する方法である。また、エッチング法とは、図９に示したように、フッ酸等のエッチング液（９１）を用いてエッチングを行うことで光ファイバーのクラッド部（９２）およびコア部（９３）を溶解し、コア部（９３）を化学的に先鋭化する方法である。引き延ばし法のような物理的方法においては工程が簡便であるという利点があるが、エッチング法のような化学的方法を適用した方が透過効率の高いプローブを得ることができる。
【０００６】
ＰＡＮＤＡ型の偏波保持光ファイバーにおいては、図１０に示したように、化学的に先鋭化を施そうとすると、応力付与部が溶け残ってしまうことから、プローブ化することが不可能である。これは、応力付与部には、ベリリウム等の化学的耐性が高い物質がドープされているためである。
【０００７】
前述の通り、ＰＡＮＤＡ型の偏波保持光ファイバーは、ファイバー自体の作製が容易で、かつ、偏光度が高く、さらには、ファイバーの断面を光学顕微鏡で観察することで偏波の方向を確認できるといった特徴を有する。一方で、化学的な方法を適用できないため、ＰＡＮＤＡ型の偏波保持光ファイバーから透過効率の高いプローブを製造することは難しいと考えられ、簡便にプローブを形成するための新しい手法の開発が求められていた。
【０００８】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、高い透過効率および偏光度を併せ持つ新しい光ファイバープローブの製造方法この光ファイバープローブを用いる新しい微細材料加工方法を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、光ファイバーの先端部をエッチングすることでコア部を先鋭化して光ファイバープローブとして形成する光ファイバープローブの製造方法において、光ファイバーがコア部と応力付与部とクラッド部とからなる偏波保持光ファイバーであって、光ファイバーの端部を機械研磨することでコア部が最先鋭部にくるように光ファイバーの端部を先鋭形状に形成し、形成された光ファイバーの端部をエッチング液に浸漬することでコア部を更に先鋭化して光ファイバープローブとすることを特徴とする光ファイバープローブの製造方法を提供する。
【００１０】
また、この出願の発明は、第２に、光ファイバーの先端部をエッチングすることでコア部を先鋭化して光ファイバープローブとして形成する光ファイバープローブの製造方法において、光ファイバーがコア部と応力付与部とクラッド部とからなる偏波保持光ファイバーであって、光ファイバーの端部において、コア部の外周部分に断面方向に切れ込みを形成し、光ファイバーを切れ込みの入った部分までエッチング液に垂直に浸漬し、切れ込みの入った部分より先端方向の光ファイバーの自重によりコア部を引き延ばしつつ溶解することで、コア部を先鋭化して光ファイバープローブとすることを特徴とする光ファイバープローブの製造方法を提供する。
【００１１】
そして、この出願の発明は、第３の発明の態様として、以上の光ファイバープローブの製造方法により製造される光ファイバープローブを光ピンセット用プローブとして用い、偏光に対して相互作用を有する異方性分子群からなる微細材料を、吸着、移動、および、組み立て加工することを特徴とする微細材料加工方法を提供する。この出願の発明は、第４の発明の態様として、上記の微細材料加工方法において、光ファイバープローブに入射する光の偏光方向を切り替えることで、異方性分子の配置方向を制御して組み立て加工を行うことを特徴とする微細材料加工方法を提供する。
【００１２】
さらに、この出願の発明は、第５の発明の態様として、上記の光ファイバープローブの製造方法により製造される光ファイバープローブを光ピンセット用プローブとして用い、基板上に設置された異方性分子群の配向を制御し、異方性分子群にとって化学活性の高い波長の偏光を光ファイバープローブに入射し、異方性分子群に照射することで、異方性分子間で重合結合を形成することを特徴とする微細材料加工方法を提供する。
【００１３】
以上の微細材料加工方法においては、異方性分子が、無機分子、有機分子、磁性体分子、液晶分子、あるいは、重合性分子のいずれかであることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、その実施の形態について説明する。
【００１５】
この出願の発明である光ファイバープローブの製造方法は、ＰＡＮＤＡ型偏波保持光ファイバーや断面方向に複雑な構造を有する光ファイバーを対象としてエッチングを行い、光ファイバーの先端部のコア部を先鋭化して光ファイバープローブとして形成するものである。
【００１６】
図１に、この出願の発明である光ファイバープローブの製造方法の概要について示す。また、図２に、この出願の発明である光ファイバープローブ製造方法による光ファイバープローブの製造工程について示す。
【００１７】
まず、コア部（１）が最先鋭部にくるように、光ファイバーの端部を先鋭形状に機械研磨する。このとき、応力付与部（２）は、コア部（１）よりも後方まで研磨される。そして、先鋭形状に形成された光ファイバーの端部をエッチング液に浸漬することで、クラッド部（３）は完全に溶解され、また、コア部（１）は更に先鋭化され、光ファイバープローブとして形成される。
【００１８】
光ファイバーの端部の機械研磨は、電子工業用機械研磨法により行われる。具体的には、図２に示したように、電子工業用ワックス（２１）などにより、光ファイバー（２２）を研磨定盤（２３）に対して斜め方向に固定して研磨が行われる。機械研磨を行う際の光ファイバー（２２）の設置角度（光ファイバー（２２）と研磨定盤（２３）とのなす角度）は、光ファイバーの構成によって適宜設定されるものであるが、例えば、コア部の直径が４μｍ、クラッド直径が１２５μｍ、応力付与部の直径が４０μｍ、中心から応力付与部の端までの長さが６μｍのＰＡＮＤＡ型偏波保持ファイバーの場合には、設置角度を１〜８°とすることが好ましい。
【００１９】
また、この出願の発明である光ファイバープローブの製造方法においては、図３に示したように、光ファイバーの端部において、コア部（３１）の外周部分に、例えば収束イオンビーム加工法などにより、断面方向に対して切れ込み（３２）を形成し、次いで、光ファイバーを切れ込み（３２）の入った部分までエッチング液（３３）に垂直に浸漬し、切れ込み（３２）より先端方向の光ファイバー（３４）の自重によりコア部（３１）を引き延ばしつつ溶解することで、コア部（３１）を先鋭化して光ファイバープローブとして形成してもよい。このとき、切れ込み（３２）より先端方向の光ファイバー（３４）の長さは、コア部（３１）を引張するための重量が必要とされることから、３ｃｍ程度とすることが好ましい。また、切れ込み（３２）の深さは、光ファイバーの構成や形成したい光ファイバープローブの形状により、適宜に選択されるものであるが、エッチング液に溶解しない応力付与部（３５）が切断されるように、切れ込み（３２）が形成される。
【００２０】
以上で説明したこの出願の発明である光ファイバープローブの製造方法により製造される光ファイバープローブは、様々な用途に利用可能である。以下に、その用途について示し、それらの用途における、この出願の発明である光ファイバープローブ製造方法により製造される光ファイバープローブの利点について説明する。
１）方向制御による分子マニピュレーション
この出願の発明である光ファイバープローブの製造方法により製造される光ファイバープローブを、光ピンセット用プローブとして用いることで、液晶分子等の異方性を持つ分子に対して方向を制御しての運搬および組み立てが可能となり、ナノファブリケーションの分野に新しい展望を与えるものと期待される。
【００２１】
図４に示したように、偏光に対して相互作用を有する複数の異方性分子（４１）からなる微細材料を、この出願の発明である光ファイバープローブ製造方法により製造される光ファイバープローブ（４２）により、吸着、移動、および、組み立て加工する際に、光ファイバープローブ（４２）に入射する光の偏光方向（４３）を切り替えることで、異方性分子（４１）の配置方向を制御して組み立て加工を行うことが可能となる。異方性分子群の配置方向を制御しながらの組み立ては、従来のＳＴＭやＡＦＭにおいては不可能であり、この出願の発明によりはじめて実現するものである。
【００２２】
組み立てが行われる微細材料は、無機分子、有機分子、磁性体分子、液晶分子、あるいは、重合性分子などの異方性分子から構成される。
２）配向制御を伴う重合反応
この出願の発明である光ファイバープローブの製造方法により製造される光ファイバープローブ（５１）を光ピンセット用プローブとして用い、例えば紫外線といった異方性分子群にとって化学活性の高い波長の偏光の偏光方向（５２）を制御しつつ光ファイバープローブ（５１）に入射することで、基板（５３）上に設置された異方性分子群（５４）の配向を制御しつつ、異方性分子間で重合結合を形成することが可能となる。基板上に設置される異方性分子としては、無機分子、有機分子、磁性体分子、液晶分子、あるいは、重合性分子などが挙げられる。この方法により、電子回路や、図５に示すような交互に配向した構造を持つ微細構造などを作製することが可能となる。
３）直線偏光近接場顕微鏡用プローブ
電子線と異なり、光を励起源として用いる物性評価法は、
・荷電を生じないことから絶縁体に対しても適用可能である
・有機物が対象であってもダメージを与えない
・真空を必要としない
・光が水中を伝搬することから生物・生体材料にも使用可能である
と、いった特徴がある。この出願の発明である光ファイバープローブの製造方法により製造される光ファイバープローブは、偏光の制御が可能であることから、近接場光学顕微鏡に適用することで、顕微鏡の性能を飛躍的に向上させるものと期待される。
４）プローブを用いたリソグラフィー等の微細加工
リソグラフィーによる微細加工において、偏波光を用いることで加工品質が向上することが知られているが、１００ｎｍ以下の線幅を持つ回路パターンの作製は、実現困難であるといわれている。この出願の発明である光ファイバープローブ製造方法により製造される光ファイバープローブは、それを実現する要素技術となりうる可能性が高い。
【００２３】
以上は、この出願の発明である光ファイバープローブの製造方法における態様の一例であり、この出願の発明が以上で示した形態に限定されることはなく、その細部について、様々な形態をとりうることが考慮されるべきであることは言うまでもない。
この出願の発明は、以上の特徴を持つものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
【００２４】
【実施例】
実施例１
ＰＡＮＤＡ型偏波保持光ファイバーを電子工業用機械研磨法により斜方に研磨をを行った後、露出したコア部に対してエッチングを施し、光ファイバープローブを作製した。
【００２５】
図６に示したように、偏波保持光ファイバーとして、コア部の直径が４μｍ、クラッド直径が１２５μｍ、応力付与部の直径が４０μｍのものを用いた。偏波保持光ファイバーの中心から応力付与部までの端部までの長さは６μｍであり、また、動作波長は０．６２μｍであった。コア部の材質はＧｅＯ２添加石英であり、クラッド部の材質は純粋石英であり、また、応力付与部の材質はＢ２Ｏ３添加石英であった。クロストークは、伝送後において−３０ｄＢ以下のものを使用した。
【００２６】
この偏波保持光ファイバーの先端を電子工業ワックスにより固定し、５°の角度をつけて斜方より研磨を行った。研磨材としてはそれぞれ粒径が０．３μｍと０．０５μｍのダイヤモンド粒子を用い、鏡面研磨を行った。これにより、応力付与部が存在しない、先端長約６８．６μｍの部分を露出することができた。
【００２７】
この露出した先端部に対して、ＮＨ４Ｆ：ＨＦ：Ｈ２Ｏ＝Ｘ：１：１の組成のフッ酸溶液を用いてエッチングを行った。このとき、２段階化学エッチングを行い、１段目としてＸ＝１．８となるように、さらに、２段目としてＸ＝１０となるように、フッ酸溶液の組成比を調整した。２段階化学エッチングを実施することで、２段テーパ型プローブを作製し、それに金属膜として金をスパッタリングコートした。金属膜の膜厚は、１４０ｎｍである。作製された光ファイバープローブを試料等に接触させることで、先端に、開口径１００ｎｍの微小開口を形成した。
【００２８】
この偏波保持光ファイバープローブの偏光度を測定したところ、従来の楕円型偏波保持光ファイバープローブで実現されていたクロストーク比４：１に対して、１００：１まで向上していることが確認された。この光ファイバープローブを近接場光学顕微鏡で用いたところ、偏光分布測定の性能が、飛躍的に向上したことも確認された。
実施例２
実施例１で用いた光ファイバーの先端部に、収束イオンビーム加工法によりコア部の周囲に切れ込みを形成し、応力付与部を切断した状態で、エッチングを行った。このとき、切れ込みは、光ファイバーの末端部より３ｃｍ程度離した位置に形成した。エッチング中においては、末端部より３ｃｍの部分（切れ込みの先方）をエッチング溶液に垂直に浸漬した。エッチング液の液面は、切れ込みの部分に正確に合わせなくとも、毛細管現象により高くなるため、エッチング液の液面が切れ込みに這い上がる寸前の位置に保持する必要がある。エッチングに関しては、実施例１と同様の２段階化学エッチングを行った。
【００２９】
本実施例においては、実施例１よりも光ファイバープローブの作製が容易であり、さらに、エッチング溶液中に浸漬した光ファイバーの重さにより光ファイバープローブとなる部分が垂直な状態に維持されるために品質の高い光ファイバープローブが作製される。
【００３０】
本実施例により作製された偏波保持光ファイバープローブのクロストーク比を測定したところ、２００：１であり、実施例１における光ファイバープローブのクロストークの歩留まりが１％であったのに対して、本実施例においては１９％であり、極めて優れた光ファイバープローブの製造方法であることがわかった。
実施例３
実施例２で作製した偏波保持光ファイバープローブを用いて、ジアセチレン薄膜の局所重合による微細加工を行った。光ファイバープローブは、開口径が５０ｎｍのものを用いた。
【００３１】
スピンコート法によりシリコン基板上に未重合のジアセチレン薄膜を堆積させ、その試料を偏波保持光ファイバープローブにより紫外光を照射しつつ走査し、分子間の重合反応を形成した。照射した紫外光の波長は３２５ｎｍであり、光源としてＨｅ−Ｃｄレーザーを用いた。
【００３２】
偏光方向を、走査方向に対して４５°の角度にセットし、１ラインを往路方向にスキャンし、復路のスキャン時に偏光方向を９０°回転してスキャンを行った。その結果、５０ｎｍ間隔で配向方向が異なる微細構造を作製することができた。これは、従来のＳＴＭなどを用いた方法では、当然不可能である。
【００３３】
さらには、形成された微細構造の１列分がひとつの高分子であり、その長さは全て等しい。通常の化学反応にいては、このように分子量が揃った高分子を重合することは不可能である。
【００３４】
【発明の効果】
この出願の発明によって、以上詳しく説明したとおり、高い透過効率および偏光度を併せ持つ新しい光ファイバープローブが提供される。
【００３５】
この出願の発明は、従来技術では不可能であったＰＡＮＤＡ型偏波保持光ファイバーから高品質の偏波保持光ファイバープローブを、安価に、かつ、簡便に、製造することを実現するものであり、ナノテクノロジーの技術分野において様々に応用される可能性が高いことから、その実用化が強く期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明である光ファイバープローブの製造方法の手順について示した概要図である。
【図２】この出願の発明である光ファイバープローブの製造方法による光ファイバープローブの製造工程について示した概要図である。
【図３】この出願の発明である光ファイバープローブの製造方法の手順について示した概要図である。
【図４】この出願の発明である光ファイバープローブの製造方法により製造される光ファイバープローブの応用手法に関して示した概要図である。
【図５】この出願の発明である光ファイバープローブの製造方法により製造される光ファイバープローブの応用手法に関して示した概要図である。
【図６】この出願の発明の実施例において材料として用いられた偏波保持光ファイバーの構造と作製された偏波保持光ファイバープローブの構造について示した概要図である。
【図７】偏波保持光ファイバーの種類に関して示した概要図である。
【図８】従来の偏波保持光ファイバープローブの作成方法に関して示した概要図である。
【図９】従来の偏波保持光ファイバープローブの作成方法に関して示した概要図である。
【図１０】従来の偏波保持光ファイバープローブの作成方法に関して示した概要図である。
【符号の説明】
１　コア部
２　応力付与部
３　クラッド部
２１　電子工業用ワックス
２２　光ファイバー
２３　研磨定盤
３１　コア部
３２　切れ込み
３３　エッチング液
３４　先端方向の光ファイバー
３５　応力付与部
４１　異方性分子
４２　光ファイバープローブ
４３　入射する光の偏光方向
５１　光ファイバープローブ
５２　偏光方向
５３　基板
５４　異方性分子群
８１　加熱手段
８２　光ファイバー
９１　エッチング液
９２　クラッド部
９３　コア部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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