(57)【要約】【課題】低しきい値で、効率が良く、安定した発振モードにより、光強度の変動が少なく、強度のより向上した近接場光を得ることが可能となる近接場光源装置、該近接場光源装置を有する光ヘッド、光学装置、露光装置、顕微鏡装置を提供する。【解決手段】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（１０５〜１０７）とによるリング型の光共振器を備えた半導体レーザ１０１と、前記コーナーミラー部１０５の一つに波長サイズ以下の微小開口１０４が形成された遮光膜（１０２、１０３）と、を有する近接場光源装置１００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する。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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７】
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８】
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９】
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１０】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場光学装置に関し、特にリング共振器型半導体レーザを用いた近接場光源装置、及び該近接場光源装置を用いた光ヘッド、光学装置、露光装置、顕微鏡装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、尖鋭なプローブ先端の１００ｎｍ程度以下の微小開口から染み出すエバネッセント光を用いた光技術、いわゆる近接場（近視野またはニアフィールド）光学系を用いた高分解能観察や次世代用の高密度記録、超微細露光技術等の開発が盛んになってきている。
【０００３】
このような高密度記録に用いる近接場光源として、例えば、特許文献１では、複数の界面で反射してレーザ発振を行うリング状の光共振器を有するリング共振器型半導体レーザにおいて、前記レーザ発振により発生するレーザ光が前記複数の界面のうちの１つの界面において反射される位置に形成された微小開口を有するものが開示されている。
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。
【特許文献１】特開２００１−３２６４２０号公報
【特許文献２】特開２０００−１７１７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述の最近における次世代用の高密度記録や超微細露光技術等の要請に応えるためには、上記特許文献１の従来のリング共振器型半導体レーザ等による近接場光源では、光強度の安定性等において必ずしも満足の行くものではない。また、上記特許文献２のように単に光を増強するだけでは不十分である。
【０００５】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、低しきい値で、効率が良く、安定した発振モードにより、光強度の変動が少なく、強度のより向上した近接場光を得ることが可能となる近接場光源装置、該近接場光源装置を有する光ヘッド、光学装置、露光装置、顕微鏡装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下のように構成した近接場光源装置、該近接場光源装置を有する光ヘッド、光学装置、露光装置、顕微鏡装置を提供するものである。
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。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、低しきい値で、効率が良く、安定した発振モードにより、光強度の変動が少なく、強度のより向上した近接場光を得ることが可能となる近接場光源装置、該近接場光源装置を有する光ヘッド、光学装置、露光装置、顕微鏡装置を実現することができる。また、小型かつ低消費パワーで、効率よく近接場光を発生し、光ヘッドへの搭載に好適な近接場光源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、リング型の光共振器のコーナーミラー部に形成された遮光膜上の回折格子によって、レーザーモードで発振された光を回折するように構成し、この回折格子による高次の回折光を周回モードと結合するようにして、安定した発振モードにより、光強度の変動が少なく、強度のより向上した近接場光を得ることを可能としたものであるが、それは、本発明者らによって初めて見出された、つぎのような知見に基づくものである。
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。
【０００９】
まず最初に、リング共振器型半導体レーザについて簡単に説明する。
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。
【００１０】
ある振動数の光に対するリング共振器の共振モードには、右回り周回モードと左回り周回モードとの二つが存在する。
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。
【００１１】
次に、コーナーミラーに周期的凹凸が形成されている場合には、この凹凸が回折格子として作用する。レーザの発振周波数に合わせて、以下のように凹凸の周期を設計すると、回折格子の−１次回折光が、もとの導波路に逆向きに戻っていくことになる。（図６参照、図中Ｋ＝２π／Λは、回折格子の波数ベクトル）
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【００１２】
ここで、ωはレーザの発振角周波数、ｎｅｆｆ  はスラブ導波路の有効屈折率、ｃは真空中の光速、Λは、凹凸のピッチ、θｉはコーナーミラーへの入射角である。また、この式以下では、入射波の回折格子に平行な波数ｎｅｆｆω／ｃ  ｓｉｎθｉは必ず正の値ととって（０＜＝θｉ＜＝π／２）、この値が大きくなる前方への回折を＋１、＋２、…次の正の次数の回折光とし、この値が小さくなる後方への散乱を−１、−２、…次の回折と呼ぶことにする。式（１）では、回折格子の波数ベクトル２π／Λに係数−１がかかっているので、−１次の回折である。
【００１３】
このような、コーナーミラーでは後方散乱が大きく、右回り周回モードと左回り周回モードとの間が強結合となる。この場合、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るので、定在波の変調が浅くなる。そこで、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。また、−１次回折光が、もとの導波路に戻っていくような波長の光と、これと僅かに波長の異なる光を比べると、高次モードを共振器外に放出しないことで、前者のモードの損失が相対的に低くなり、この波長でレーザ発振しやすくなる。このことも、安定した動作の近接場光源にとって有利に働く。
【００１４】
コーナーミラー上の金属膜１０３の一部を除去して、微細な開口１０４を形成する。開口の形状は、対称性の高い円形であっても良いが、レーザモード光の磁界方向に沿って長く伸びたスリット状の形状とすると、微小開口近傍の近接場を効率的に発生させることができる。
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）
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【００１５】
ここで、Ｋｓｐｐは、角周波数ωの金属表面プラズモンポラリトンの波数ベクトルである。
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。
【００１６】
このようにして、回折格子によって表面プラズモンポラリトンを励起して、微小開口近傍の近接場の強度を増強させることができる。また、先に述べたように強結合状態では共振器内のレーザモードが、主に右回りないし左回りのいずれかであり、回折格子近傍での定在波による変調が浅くなる。すると、回折格子表面で励起される表面プラズモンは、右ないし左の特定方向に伝搬する成分が支配的になる。そこで、回折格子と微小開口との位相関係による影響が弱いものとなる。プラズモンの伝搬の上流側からのエネルギー輸送によって、近接場強度は増強される。
【００１７】
このようなリング共振器型半導体レーザによる近接場光源の別の形態として、右回り周回モードと左回り周回モードのそれぞれにおいて、コーナーミラーにおける回折格子の−１次回折光が、第１の直線導波路から入射した光を第２の直線導波路に結合させる、というものがある。この場合には、回折光の伝搬方向は角度分散を有するので、特定の波長で上記結合の状態となる。すなわち、単一縦モード動作の半導体レーザとなり、電流−近接場強度の線型性のよい近接場光源となる。
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。
【００１８】
このようなリング共振器型半導体レーザによる近接場光源のさらに別の形態として、右回り周回モードと左回り周回モードのそれぞれにおいて、コーナーミラーにおける回折格子の−１次回折光が、表面プラズモンポラリトンを励起して、微小開口近傍の近接場の強度を増強させるようにしてもよい。
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】
【００１９】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［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。
【００２０】
誘電体膜１１６および１０２としてＳｉＮｘを成膜し、リッジ上部にのみコンタクト窓を開けた。このとき、コーナーミラー面上の誘電体膜１０２の厚さは１００ｎｍとした。Ｃｒ／Ａｕを蒸着して、ｐ−電極１１７とした。このとき、ミラー面上の誘電体の上には、成膜しないよう、斜め蒸着を用いた。次に、Ａｇのスパッタによって、コーナーミラー１０５の遮光膜１０３を誘電体膜上に形成した。ウェハの下側にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着してｎ−電極１１０とする。水素雰囲気中でアロイ化して、ｐ、ｎの電極と半導体の界面をオーミック接触とする。コーナーミラーの位置でウェハを劈開する。ＦＩＢ加工によって、コーナーミラー上の金属膜１０３の一部を除去して、微細な開口１０４を形成する。
【００２１】
ｐ−電極１１７、ｎ−電極１１０をレーザ駆動ドライバに接続して、発振しきい値電流を越えた一定電流で駆動すると、リング共振器型半導体レーザ１０１はレーザ発振した。本実施例のように全面を金属電極で覆った構成の素子の場合、レーザ発振しきい値は、電流Ｉと素子の微分抵ｄＶ／ｄＩとをプロットしたＩ−ｄＶ／ｄＩカーブのキンクとして確認できる。あるいはまた、コーナーミラー部の電極の一部を除去して、光取り出し窓を形成すれば、コーナーミラーからの散乱光を遠視野まで取り出すことができる。このように光取り出し窓を形成した素子に対しては、通常の端面出射半導体レーザと同様に電流Ｉと光出力ＬとをプロットしたＩ−Ｌカーブの折れ曲がりとして、発振しきい電流を測定することができた。ただし、このときの光出力は全反射ミラーでの散乱光によるものであるため、通常の端面発光レーザの光出力と比べて１／１０００程度ときわめて小さいものである。
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。
【００２２】
次に、回折格子付のリングレーザのパラメータについて例示する。
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。
2005092913.tif 000005
【００２３】
ここで、最後の不等号は、レーザ光の角周波数ωがプラズマ振動の角周波数ωｐよりも小さいときに、Ｋｓｐｐ＞〜ｎｅｆｆ  ω／ｃであることを用いた結果である。概ね、ｓｉｎθｉ〜１／３の近傍で、この条件を満たすことがわかる。ちなみに図１に示したリング共振器ではｓｉｎ２０（ｄｅｇ）＝０．３４２  と、なっており、この条件に近いものである。
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。
【００２４】
図３に、本実施例により作製した上記図１の近接場光源装置を用いた記録再生用の浮上型光ピックアップの構成例を示す。
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。
【００２５】
光ディスクの反射特性の変化をこの光源で読み取るためには、微小開口を介して光共振器にふたたび結合する戻り光量を変化させる。光磁気ディスクの場合には、戻り光の偏波面の回転によって、レーザモードに結合する光量が変化する。この戻り光量の変化は、自己結合型光ピックアップ（ＳＣＯＯＰ）として知られる原理によって検知することができる。すなわち、戻り光が光共振器に結合すると、半導体レーザ内の光強度が変動するので、これを検知する。光強度の変動は、別のコーナーミラー近傍に設けた受光素子で検出したり、半導体レーザの端子間電圧変動から検出することができる。
【００２６】
［実施例２］  
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。
【００２７】
上記した実施例１と大きく異なるのは、回折格子によるコーナーミラー２０６の部分である。
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）
2005092913.tif 000006
【００２８】
これは、回折格子における結合の対称性によるものである。すなわち、ある波長の光で右回り周回モードの−１次回折光が二つの導波路を結合するとき、同じ波長の光が、左廻り周回モードでも、−１次の回折光によって二つの導波路間で結合する。また、上記入射角と出射角を相互に入れ替えた二つの−１次の回折における結合効率は、同じ値となることが知られている。
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。
【００２９】
このように構成されたリング共振器型半導体レーザでのレーザ発振は、共振器の波長選択性によって、単一縦モード発振となる。実施例１で説明した半導体レーザでは、共振器縦モード間の波長選択性が小さく、（縦モード間の周回損失の差が小さい）、レーザ発振しきい値から注入電流を増大させていくと利得ピーク近傍での縦マルチモード発振となっていく。一方、本実施例では、回折格子で定まる条件での単一縦モード発振を維持するので、光出力におけるモード競合雑音、モードホッピング雑音などを抑制でき、安定した近接場光源とすることができる。
【００３０】
さらに、本実施例では、反射面２０５によって、周回モードからはずれて外へ出て行く光の一部ないし大半を、折り返し、もう一方の周回モードに結合させる。反射面２０５は、コーナーミラー２０６における反射光（０次回折光）の進行方向と垂直な面である。
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。
【００３１】
この結果、共振以内での定在波の形成をおさえ、リング共振器型半導体レーザ内の発振モード間の位相変動による近接場強度の変動を抑えて安定して動作する近接場光源が得られる。
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。
【００３２】
それぞれの条件を式で表すと（図９参照）、右回り周回モード光の＋１次回折光にたいする表面プラズモンの励起条件は、つぎの（５）式となり、
2005092913.tif 000007
【００３３】
左回り周回モード光の−２次回折光にたいする表面プラズモンの励起条件は、つぎの（６）となる。
2005092913.tif 000008
【００３４】
これら両方の式から、同じ励起条件として、つぎの（７）式がが導かれる。
2005092913.tif 000009
【００３５】
［実施例３］
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。
【００３６】
［実施例４］
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。
【００３７】
［実施例５］  
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）
2005092913.tif 000010
【００３８】
実施例２と同様に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、式（８）で与えられる波長依存の損失とによって、トータルの共振器損失が定められ、レーザ発振波長が定まる。しきい値から注入電流を増大させても回折格子で定まる条件での単一縦モード発振を維持するので、光出力におけるモード競合雑音、モードホッピング雑音などを抑制でき、安定した近接場光源とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態及び実施例１における近接場光源装置の構成を示す図。
【図２】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図。
【図３】本発明の実施例１における近接場光源装置を用いた記録再生用の浮上型光ピックアップの構成例を示す。
【図４】本発明の実施例３における露光装置の構成を示す図。
【図５】本発明の実施例４における顕微鏡の構成を示す図。
【図６】本発明の実施の形態を説明する回折格子の高次回折光の波数ベクトルを示す図。
【図７】本発明の実施の形態を説明する回折格子の高次回折光の波数ベクトルを示す図。
【図８】本発明の実施例２における回折格子の高次回折光の波数ベクトルを示す図。
【図９】本発明の実施例２における回折格子の高次回折光の波数ベクトルを示す図。
【図１０】本発明の実施例５を説明する回折格子の高次回折光の波数ベクトルを示す図。
【符号の説明】
【００４０】
１００、２００：近接場光源装置
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
【図１】
2005092913.tif 000011
【図２】
2005092913.tif 000012
【図３】
2005092913.tif 000013
【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】
2005092913.tif 000020