(57)【要約】【課題】共振器構造により増幅された強電場の光を光プローブに効率よく伝達させることが可能な，光プローブ素子および近接場光の発生方法を提供する。【解決手段】本発明によれば，先端部に微細開口部を有する光プローブ１１０と，光プローブ１１０が連結される光導波路１２０とを備え，上記光導波路１２０は，当該光導波路に入射する光の波長よりも小さい厚みを有し，上記光プローブ１１０は，上記光導波路１２０に対して，上記光の光軸と垂直な方向に連結されることを特徴とする光プローブ素子１００が提供される。これにより，入射された光の光パワーを効率よく光プローブ１１０の先端部まで到達させることができる。【選択図】図１
2007141390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に微細開口部を有する光プローブと；
前記光プローブが連結される光導波路と；
を備え，
前記光導波路は，当該光導波路に入射する光の波長よりも小さい厚みを有し，
前記光プローブは，前記光導波路に対して，前記光の光軸と垂直な方向に連結されることを特徴とする，光プローブ素子。
【請求項２】
前記光導波路には，共振器構造が形成され，
前記光プローブは，前記共振器構造が形成される光導波路において光パワーが最大となる位置に連結されることを特徴とする，請求項１に記載の光プローブ素子。
【請求項３】
前記光プローブが前記光導波路に連結される部位における前記光プローブの幅は，前記光の波長を，前記光導波路の屈折率で割った値の略半分であることを特徴とする，請求項１または２に記載の光プローブ素子。
【請求項４】
前記光導波路から前記光プローブの先端を経由して前記光導波路に戻ってくる前記光の位相は，２πの整数倍となっていることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の光プローブ素子。
【請求項５】
前記光プローブは，高屈折率の誘電体から形成されることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の光プローブ素子。
【請求項６】
前記光プローブは，金属から形成されることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の光プローブ素子。
【請求項７】
前記光導波路は，フォトニック結晶を用いて形成される光導波路であることを特徴とする，請求項１〜６のいずれかに記載の光プローブ素子。
【請求項８】
基板上に，アレイ状に複数設けられることを特徴とする，請求項１〜７のいずれかに記載の光プローブ素子。
【請求項９】
先端部に微細開口部を有する光プローブを，光導波路に連結し，当該光導波路に光を入射することによって，前記光プローブの先端部近傍に近接場光を発生させる近接場光の発生方法であって：
前記光導波路は，当該光導波路に入射する光の波長よりも小さい厚みを有し，
前記光プローブは，前記光導波路に対して，前記光の光軸と垂直な方向に連結されることを特徴とする，近接場光の発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，光プローブ素子および近接場光の発生方法に関し，さらに詳細には，光パワーを効率よく光プローブの先端まで到達させることが可能な光プローブ素子および近接場光の発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，社会の取り扱う情報が飛躍的に大きくなり，大容量の情報を保存することが可能なＤＶＤ等の光ディスクの開発が必要となってきている。ＤＶＤ等の光ディスクに情報を書き込むためには光を利用するが，光ディスクに書き込むことのできる情報の量は，用いる光の波長に依存することが知られている。
【０００３】
通常の光を用いて光ディスクに情報を書き込む場合，光は波としての性質を持っているために回折とよばれる現象が起こり，用いる光の波長程度よりも狭い領域に情報を書き込むことができない。これを，回折限界という。しかし，光ディスクの大容量化を図るためには，この回折限界を超えて情報を光ディスクに書き込む技術が必要となってくる。そこで，近年では，近接場光と呼ばれる光を用いて，上記の回折限界を超えて光波長よりも狭い領域に情報を書き込むための研究・開発が盛んに行われている。
【０００４】
上記の近接場光を発生させるためには，光プローブと呼ばれる道具を用いることが必要だが，特に，サブミクロン領域の光波長よりも狭い領域に光を集中して上記の近接場光を発生させ，光と物質との相互作用を研究するために用いられる近接場光プローブは，近年のナノテクノロジーの発展に伴い，その活躍の場を広げつつある。
【０００５】
最も基本的な光プローブの構造は，光ファイバーの一端をテーパ状に加工して，先端を細くした構造となっている。そして，この先鋭化された光ファイバーを金属で被覆し，先端に金属で覆われていない微細開口を設けている。この光プローブに光を入射した場合，光が開口部に達するまでに，反射によって光パワーが減衰してしまい，光プローブの先端に設けられた開口部まで光が効率良く到達しないという問題があった。
【０００６】
この問題を克服するための方法の一つとして，特許文献１のような共振器中に光プローブ構造を設けたものが提案されている。また，導波路構造において，この導波路の両端にミラーを設け，このミラーの一つに光プローブを設けた構造が提案されており（例えば，特許文献２。），この構造を半導体レーザ構造に適用すると，光源と光プローブとが一体化したものを得ることができる（例えば，特許文献３。）。上記のような共振器は，マイクロ波の領域では容易に作製することができるため，例えば特許文献４のように，現実的な構造が実現されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２０３８７９号公報
【特許文献２】米国特許第６１２１６０４号明細書
【特許文献３】特開２００３−１４２７７５号公報
【特許文献４】米国特許第５８２１４１０号明細書
【非特許文献１】Ａ．Ｄｅｇｉｒｏｎ，Ｔ．Ｗ．Ｅｂｂｅｓｅｎ，”Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｓｉｎｇｌｅ  ａｐｅｒｔｕｒｅｓ  ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｂｙ  ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎｓ”，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．１６，Ａｕｇｕｓｔ  ２００４，ｐ．３６９４−３７００．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら，上記の特許文献１に記載の方法では，用いる光として，幅の広いコリメート光を用いているために，光プローブに供給される光パワーの割合はわずかなものであり，効果はほとんど得られないものであった。
【０００９】
また，上記の特許文献３に記載の方法では，上記の特許文献１のコリメート光を用いる方法に比べ効率良く光をプローブへ送り込めるものの，ミラー部にプローブを設けるという構造をとるために，ミラーの反射性能を劣化させてしまい，共振器の効果を落としてしまうという問題があった。また，幅の狭い導波路中の更に狭い領域にプローブを作らなくてはならないため，プローブを作製することが困難であった。加えて，反射効率の良いミラーは誘電体多層膜で作製されるが，このミラーはかなりの厚さがあり，プローブの先端へは，やはり光パワーが到達しにくいという欠点を有していた。また，特許文献４のような構造は，光領域では未だ考えられていなかった。
【００１０】
このため，上記のような問題を解決し，入射した光パワーを光プローブの先端まで効率よく到達させることが可能な光プローブの開発が，希求されていた。
【００１１】
そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的は，入射した光パワーを効率よく光プローブの先端まで到達させることが可能な，光プローブ素子および近接場光の発生方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために，本願発明者は鋭意研究を行い，以下のような発明に相当した。すなわち，上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，先端部に微細開口部を有する光プローブと；上記光プローブが連結される光導波路と；を備え，上記光導波路は，当該光導波路に入射した光の波長よりも小さい厚みを有し，上記光プローブは，上記光導波路に対して，上記光の光軸と垂直な方向に連結されることを特徴とする光プローブ素子が提供される。
【００１３】
かかる構成の光プローブ素子は，光プローブが光導波路の末端ではなく，光導波路の側面に連結されることとなるため，光パワーが，従来のように光導波路の末端に位置する光プローブまで到達する間に反射によって減衰してしまう場合と比べて，減衰する割合が減少する。この結果，光プローブの先端まで到達する光パワーは，従来のものよりも高いものとなる。なお，上記の光導波路とは，コア・クラッド構造で光を導波する構造の総称を意味し，以下でも特に断りのない限り，上記の意味で用いることとする。
【００１４】
上記の光導波路には，共振器構造が形成され，上記の光プローブは，上記共振器構造が形成される光導波路において，光パワーが最大となる位置に連結されてもよい。かかる構成により，入射した光は上記の共振器構造によって増幅され，この増幅された光の光パワーが最大となる位置に，光プローブは連結されることになる。この結果，光プローブの先端に到達する光パワーは，従来に比べ，より一層高いものとなる。
【００１５】
上記の光プローブが上記光導波路に連結される部位における，上記光プローブの幅は，上記光の波長を上記光導波路の屈折率で割った値の略半分であってもよい。かかる幅は，光導波路内に生じる定在波において，定在波の山一つ分の幅に相当している。光プローブの連結部位における幅をかかる大きさとすることで，光プローブ中へ，定在波の山一つのみが伝達されることとなる。この結果，光プローブ中で効率よく定在波の光パワーを増幅させることが可能となる。
【００１６】
上記の光導波路から上記光プローブの先端を経由して上記光導波路に戻ってくる光の位相は，２πの整数倍となっていてもよい。かかる構成により，光導波路から光プローブの先端へ進行している光と，光プローブの先端から光導波路へ戻ってくる光とが，強め合うこととなる。その結果，光プローブの先端における光パワーは，従来に比べ高いものとなる。
【００１７】
上記光プローブは，高屈折率の誘電体を用いて形成してもよい。また，上記の光プローブを，金属を用いて形成してもよい。かかる素材を用いて光プローブを形成することにより，光は，効率よく反射しながら，光プローブの先端まで到達できるようになる。その結果，光プローブの先端に到達する光パワーの減衰は抑制される。
【００１８】
上記光導波路は，フォトニック結晶を用いて形成されてもよい。フォトニック結晶を用いて光導波路を形成することにより，光をより強力に光導波路内へ閉じこめることが可能となる。その結果，光プローブの先端まで到達する光が増えることとなる。
【００１９】
また，本発明に係る光プローブ素子を，所定の基板上に，アレイ状に複数設けることも可能である。かかる構成による光プローブ素子は，一度に複数の箇所で，近接場光を発生させることが可能となる。その結果，計測や光メモリに必要とされるアレイ素子を容易に作成することができる。
【００２０】
上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，先端部に微細開口部を有する光プローブを光導波路に連結し，当該光導波路に光を入射させることによって，上記光プローブの先端近傍に近接場光を発生させる近接場光の発生方法であって，上記光導波路は，当該光導波路に入射される光の波長よりも小さい厚みを有し，上記光プローブは，上記光導波路に対して，光の光軸と垂直な方法に連結されることを特徴とする，近接場光の発生方法が提供される。
【００２１】
かかる近接場光の発生方法によれば，光導波路中で増幅された光を，効率よく光プローブの先端部へと到達させることができる。その結果，光プローブの先端近傍に，強い近接場光を発生させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば，共振器構造により増幅された強電場の光を光プローブに効率よく伝達させることが可能な，光プローブ素子および近接場光の発生方法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】
【００２３】
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２４】
図１は，本発明の第１の実施形態に係る光プローブ素子の側面図である。
【００２５】
本実施形態に係る光プローブ素子１００の構造を，図１を用いて以下に詳細に説明する。なお，説明に当たっては，図１に示した座標軸を用いることとする。図１によれば，本実施形態に係る光プローブ素子１００は，光プローブ１１０と，光導波路１２０と，ミラー１３０ａ，１３０ｂとを備える。
【００２６】
光プローブ１１０は，例えば略円錐形形状を有し，先鋭化された光プローブの先端には，用いる光の波長と同程度もしくはそれ以下の径を有する微細開口部１１０ａが形成されている。光プローブ１１０は，例えば，高屈折率の誘電体または金属を用いて形成される。高屈折率の誘電体の例としては，例えばシリコン（Ｓｉ）などがあり，金属の例としては，金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）などの抵抗の小さな金属を挙げることができる。高屈折率の誘電体を用いて光プローブ１１０を作製した場合には，高屈折率の誘電体を用いて略円錐形状を形成した後に，ＡｕやＡｇなどで上記の高屈折率の誘電体を被覆する。その後に，光プローブ１１０の先端部に，微細開口部１１０ａを形成させる。
【００２７】
光導波路１２０は，例えば，Ｓｉ細線を用いたＳｉ細線導波路，あるいは，クラッドとして例えば石英のような低屈折率材料が被覆された化合物半導体などを使用することが可能である。このような物質を用いて光導波路を形成することにより，光閉じ込めの極めて強い光導波路を作製することができる。光導波路１２０は，例えば，図１のように，ｘ方向が長手方向となるように配置される。光導波路１２０の厚み，すなわち，図１のｙ軸に対して平行な方向の厚みは，光導波路１２０に入射する光の波長よりも小さい値であることが好ましい。例えば，コアの屈折率が３．５前後，クラッドの屈折率を１．５以下として光導波路１２０を形成し，光導波路に通信波長帯の波長である波長１．５５μｍの光を入射させる場合には，上記の光導波路１２０の厚さは，０．１５μｍ程度とすることが好ましい。光源（図示せず）から発振された光は，図１のｘ軸負方向から光導波路１２０に入射することとなる。また，光導波路１２０を作製するために化合物半導体を用いた場合には，光導波路にレーザ構造を設けることで，光源自体も組み込むことが可能である。
【００２８】
光プローブ１１０は，光導波路１２０に対して，光導波路１２０に入射される光の光軸と垂直な方向に設けられる。すなわち，図１において，略円錐形形状の光プローブ１１０の中心線１１０ｂが，光軸１２０ａに対して直交するように，光プローブ１１０は，ｙ軸方向に光導波路１２０に設けられる。
【００２９】
光導波路１２０の一端には，ミラー１３０ａが連結され，光導波路１２０の他端には，ミラー１３０ｂが連結される。これら２つのミラーが共振器を構成することで，光導波路１２０に入射された光は互いに干渉しあい，光導波路中で定在波が生じることとなる。その結果，入射した光の光パワーは増幅される。上記のように，光プローブ１１０は光導波路１２０と垂直に図１のｙ軸方向に連結されるため，従来の光プローブのように光導波路１２０の両端から光を取り出す必要がない。従って，効率よく光を増幅させるためには，ミラー１３０ａ，１３０ｂの反射率を出来る限り高くすることが望ましい。光導波路１２０に，レーザ構造も合わせて設ける場合には，ミラー１３０ａ，１３０ｂとして，例えば誘電体多層膜からなる誘電体ミラーを用いることができる。だが，本発明におけるミラー１３０ａ，１３０ｂは，上記の誘電体ミラーに限定されるわけではなく，光を高反射率で反射することが可能なものであれば，任意のものを使用することができる。
【００３０】
光導波路１２０の両端にミラー１３０ａ，１３０ｂが設けられることにより，この２つのミラー間で光導波路１２０に入射した光は増幅される。光プローブ１１０の先端に到達する光パワーを大きくするためには，光プローブ１１０を，ミラー１３０ａ，１３０ｂからなる共振器中において定在波の電場が最も強い場所に設ける必要がある。例えば，ｘ軸方向に沿った共振器の長さをＬとすると，Ｌはミラー１３０ａと１３０ｂとの間の距離となるが，これはまた，光導波路１２０の長さでもある。今，光導波路１２０に入射された光の波長λと，光導波路１２０の長さＬとの関係を考えると，光導波路１２０の長さＬが（λ／２）のｍ倍であるときには，光導波路１２０中に定在波の腹の位置がｍ箇所存在することになる。すなわち，光導波路１２０の長さＬのｊ／ｍ（ｊはｍを超えない整数。）の場所に光プローブ１１０を設けることで，最も強い電場を有する光が光プローブ１１０へと染み出していくことになる。共振器の長さＬは，短いほど光プローブ１１０設置の最適位置が波長λでずれることが生じにくくなる。また，光波長λを調整して，光プローブ１１０の位置に定在波の腹を合わせ，光パワーが最大となるようにすることも可能である。
【００３１】
光プローブ１１０は，上記の光導波路１２０における最適位置に設けられる。光プローブ１１０が高屈折率の誘電体で形成される場合は，例えば光導波路１２０における最適位置に対して，エピタキシャル成長を用いて形成されることが可能である。また，光プローブ１１０が金属で形成される場合は，例えば金属を光導波路１２０における最適位置に蒸着し，その後蒸着した金属をエッチング等で切削することで，光プローブ１１０とすることが可能である。光導波路１２０に連結している部分における，略円錐形状の光プローブ１１０の底面は，光導波路１２０に入射される光の波長λを光導波路のコアの屈折率で割った値の半分程度の径を有することが好ましい。例えば，光の波長λが１．５５μｍ，コアの屈折率が約３．５である場合には，上記の光プローブ１１０の底面における径は，約２２０ｎｍ程度とすることが好ましい。この径の大きさは，光導波路１２０中に存在する定在波の山一つ分の幅に相当している。光プローブ１１０の底面における径をこのような大きさとすることで，光プローブ１１０中に，定在波の山が一つだけ供給されることになる。その結果，定在波の山が複数光プローブ１１０に供給され，光プローブ１１０中で定在波が打ち消し合ってしまうという現象が生じなくなり，光プローブ１１０の先端まで効率よく光を到達させることができる。
【００３２】
光を，効率よく光プローブ１１０の先端部に集中させるためには，光プローブ１１０の長さを調整する必要がある。ここで，光プローブ１１０の長さとは，光プローブ１１０の先端から底面におろした垂線の長さを意味する。光の通る経路としては，ミラー１３０ａ，１３０ｂ間を直接往復する経路，ミラー１３０ａから光プローブ１１０を経由してミラー１３０ｂに到達しミラー１３０ａに直接戻ってくる経路，ミラー１３０ａから直接ミラー１３０ｂに到達し，光プローブ１１０を経由してミラー１３０ａに戻ってくる経路，ミラー１３０ａから光プローブ１１０を経由してミラー１３０ｂに到達し，光プローブ１１０を経由してミラー１３０ａに戻ってくる経路等が考えられる。光プローブ１１０に効率よく光を集中させるためには，上記の全ての経路に関して，光が強め合う位相となっている必要がある。
【００３３】
光プローブ１１０を，高屈折率の誘電体を用いて形成する場合，上記光導波路１２０から光プローブ１１０の先端を経由して光導波路１２０に戻ってくる光の位相が，２πの整数倍となるように，光プローブ１１０の先端から光導波路１２０との連結部までの長さを調節することが好ましい。光の位相が２πの整数倍となることで，光プローブ１１０内を進行する光は互いに共振し，強め合うことが出来るからである。
【００３４】
光プローブ１１０の先端部で生じている強い光が，入射した光の波長よりも小さな開口部を有する微細開口部１１０ａを通り抜けることで，微細開口部１１０ａの周辺に強い近接場光が発生する。発生した近接場光を用いて，試料１０に対して，様々な処理を施すことが可能となる。
【００３５】
また，光プローブ１１０を金属を用いて形成する場合，光プローブ１１０の長さを，表面プラズモンが共鳴可能な寸法とすることが好ましい。例えば，光プローブ１１０の長さを数十ｎｍとすることで，光と表面プラズモンとが共鳴し，強度の強い近接場光を発生させることが可能となるからである。
【００３６】
第２図は，本発明の第１の実施形態に係る光プローブ素子についての，シミュレーション結果を示したグラフ図である。
【００３７】
図２は，ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法と呼ばれるシミュレーション法を用いて，本発明の第１の実施形態に係る光プローブ素子での電場の増強の様子をシミュレートした結果である。なお，シミュレーションに際し，シミュレーションに必要なパラメータを，以下の表１のように設定した。
【００３８】
【表１】
2007141390.tif 000003
【００３９】
なお，図２に示したシミュレーションでは，光の励起を容易とするために，ミラー１３０ａの外部，すなわち図２のｘ軸負方向側に，さらに入力用の光導波路を設けた構造としている。同様に，ミラー１３０ｂの外側，すなわちｘ軸正方向側にも，光導波路を設けた構造としている。
【００４０】
共振器の全長（すなわち中央部分に位置する光導波路１２０の全長）は，光波長の１倍である約０．４７μｍとした。これは前述のｍが２に相当する場合である。これより，前述のｊ／ｍの関係から，ｊ＝１の場所，すなわち，光導波路１２０の全長の１／２の位置に光プローブ１１０を設けるのが良いことがわかる。これより，本シミュレーションでは，光プローブ１１０を光導波路１２０の１／２の位置に設けることとした。また，シミュレーションでは，光プローブ１１０と光導波路１２０との間で，光がちょうど１波長入るように，光プローブ１１０の長さを約０．５μｍと設定した。
【００４１】
本シミュレーションでは，ミラー１３０ａ，１３０ｂの作用は，導波路部分である光導波路１２０のコアと，クラッドとの屈折率差を利用している。ミラー１３０ａ，１３０ｂの反射率を５０％とした場合に，共振器における共振の鋭さの目安となるフィネスは２０程度となり，本実施形態に係る光導波路１２０が，共振器として充分な作用を示すことがわかる。
【００４２】
図２に示した本シミュレーションにおいて，光は，図２のｘ軸方向に沿って，本実施形態に係る光プローブ素子に対してｘ軸負方向側の光導波路の左端から入射したと設定した。本実施形態に係る共振器（光導波路１２０）および光導波路１２０の両端に別途設けられた光導波路において，光の定在波の電場が強くなっている部分（図２においてａで示した部分）と，電場が弱くなっている部分（図２においてｂで示した部分）とが交互に存在することが明らかとなった。これは，光導波路および共振器中で，入射した光が共振を起こし，光導波路中に定在波が発生していることを示している。また，共振器中において，入射した光の電場は，１０倍以上程度に増強されていることが明らかとなった。さらに，上記のｊ／ｍについての考察の通り，光導波路１２０における光プローブ１１０を設置した部位においては，非常に強い電場が生じていることが明らかとなった。
【００４３】
また，光プローブ１１０内においても，光プローブ１１０の先端近傍において，光の定在波の電場が非常に強くなっていることが明らかとなった。光プローブ１１０を経由する光の経路の光パワーは，入射した光の光パワーに対して約１割程度とわずかであるが，本シミュレーションにより，光プローブ１１０の先端近傍において，入射した光パワーとほぼ同強度の光電場が発生することが明らかとなった。
【００４４】
図３は，本発明の第１の実施形態に係る光プローブ素子の変形例を概略的に示した側面図であり，図４は，本発明の第１の実施形態に係る光プローブ素子の変形例のシミュレーション結果を示したグラフ図である。
【００４５】
図３に示したように，本変形例に係る光プローブ素子１５０は，光プローブ１１０と，光導波路１４０と，ミラー１３０ａ，１３０ｂとから構成される。光プローブ１１０の形状や，この光プローブ１１０の製造に用いられる素材は，上記の第１の実施形態の場合と同様である。光導波路１４０は，図３に示したように，曲線状の形状を有する。光導波路１４０の両端には，ミラー１３０ａ，１３０ｂが設けられ，共振器として機能するようになっている。ミラー１３０ａ，１３０ｂには，第１の実施形態と同様に，例えば誘電体多層膜を用いたミラーを使用することができる。
【００４６】
光プローブ１１０は，第１の実施形態と同様に，光導波路１４０中で定在波の電場が最も強い位置に設ける必要がある。本変形例の場合も，光プローブ１１０は，光プローブ１１０の中心線１１０ｂが，光プローブ１１０が設けられる位置での光軸に対して垂直となるように，光導波路１４０に連結される。
【００４７】
曲線状の光導波路１４０を伝搬する光は，光導波路１４０の曲率半径の中心とは反対側の外縁，すなわち，光プローブ１１０が連結される側の外縁に，光の界分布が偏って伝搬される。その結果，光プローブ１１０へ供給される光導波路１４０からの光パワーは，直線状の光導波路に比べて増大する。
【００４８】
図４は，本発明の第１の実施形態に係る光プローブ素子の変形例において，曲線状の光導波路１４０の曲率半径を例えば５００ｎｍとした場合についての，ＦＤＴＤ法によるシミュレーション結果を示したグラフ図である。本シミュレーションに用いたパラメータ等は，上記の図２の場合と同様である。このシミュレーションの結果から，第１の実施形態に係る直線形状の光導波路に比べて，非常に多くの光が光プローブ１１０内へ供給されており，５０％程度の結合効率となることがわかった。また，光プローブ１１０の先端部において，非常に強い光の電場が発生していることが明らかとなった。
【００４９】
図５は，光導波路をフォトニック結晶を用いて形成した，本発明の第２の実施形態に係る光プローブ素子の斜視図である。図５の構造等について，図中に示した座標軸を用いて，以下に詳細に説明する。
【００５０】
フォトニック結晶とは，屈折率の異なる誘電体を用いて３次元的な周期構造を作ることにより，この周期構造と同程度の波長をもつ電磁波に対して，特定の方向からは電磁波が完全に反射され，この特定の方向からずれるに従い，電磁波が透過するようにした結晶のことをいう。
【００５１】
フォトニック結晶を用いて形成した光導波路（以下，フォトニック結晶光導波路と略記する。）では，スラブに設けた格子中に構造欠陥部を設け，この構造欠陥部を共振器とすることが行われている。具体的には，光導波路中に円孔や円柱などの構造欠陥部を設けることで，構造欠陥部がブラッグ反射器として機能する。その結果，構造欠陥部がミラーの役割を果たし，構造欠陥部を共振器とすることができる。
【００５２】
図５に示した本発明の第２の実施形態に係る光プローブ素子２００は，スラブ２１０の表面に，光プローブ２５０が突出形成された構造を有する。フォトニック結晶光導波路は，スラブ２１０と，スラブ２１０に設けられた複数の円孔２２０とを含んで形成される。この円孔２２０が，上記の構造欠陥部として機能する。スラブ２１０には，複数の円孔２２０が周期的に形成されるが，スラブ２１０の一部には，円孔２２０が形成されていない部分２３０および２４０が形成される。例えば，スラブ２１０のうち図３のｙ軸方向に沿って直線状に円孔２２０が形成されていない部分２３０は，直線光導波路として機能する。また，例えば，ｙ軸方向に沿って局所的に円孔２２０が設けられていない部分２４０は，共振器として機能する。なお，スラブ２１０は，例えば，Ｓｉなどの高屈折率の誘電体や，化合物半導体を用いて形成することができる。光プローブ２５０は，この共振器２４０に突出形成される。光プローブ２５０の形状，寸法，および材質等，ならびに光プローブ２５０の形成方法等は，第１の実施形態と同様に行うことが可能である。
【００５３】
円孔２２０が形成された部分では，回折により光は進入することが出来ない。円孔２２０が形成されていない部分では，周囲に存在する円孔２２０がミラーの役割を果たし，回折により光は閉じこめられる。図５において，上下方向，すなわち，図５のｚ軸方向では，光は高屈折率のスラブ２１０に閉じこめられている。図３中のｙ軸負方向から直線光導波路２３０に入射した光は，図５中の矢印の方向に沿って進行するが，その一部は共振器２４０へ漏れだして，共振器２４０中に光を励起する。共振器２４０のｙ軸およびｘ軸方向に沿った幅を，共振条件を満たすように設定することで，共振器２４０中に閉じこめられた光は増幅され，強大な光パワーを有するようになる。第１の実施形態と同様にして，定在波の電場が最大となる位置に光プローブ２５０を設けることで，強大な光パワーを有する光を，第１の実施形態と同様に，光プローブ２５０の先端まで導くことが可能となる。この強大な光パワーを有する光が，光プローブ２５０の先端に設けられた微細開口部２５０ａを通り抜ける際に，光プローブ２５０の先端部近傍に，強い近接場光が発生する。
【００５４】
例えば，直線光導波路２３０に入射する光を，通信波長帯である１．５５μｍの波長の光とした場合，円孔２２０の格子間隔，すなわち，相隣接する円孔２２０間の間隔は例えば３００〜４００ｎｍ程度，円孔２２０の直径は上記格子間隔に対して例えば３０〜４０％程度とすることが好ましい。また，直線光導波路２３０のｘ軸方向に沿った幅は，円孔１格子分，すなわち，３００〜４００ｎｍ程度とし，共振器２４０のｙ軸方向に沿った幅は，円孔３〜４格子分，すなわち，１．２〜１．６μｍ程度とすることが好ましい。なお，図１に示した第１の実施形態に係る光プローブ素子１００の寸法は，上記の値に適合するものである。
【００５５】
上記のように，本実施形態に係る光プローブ素子２００も，光プローブ２５０が，光軸（ｙ軸方向）に対して垂直（ｚ軸方向）となるように設けられる。
【００５６】
図６は，本発明の第３の実施形態に係る光プローブ素子３００を概略的に示した斜視図である。以下に，図６中に示した座標軸を用いて，本実施形態に係る光プローブ素子３００を詳細に説明する。
【００５７】
本実施形態に係る光プローブ素子３００は，半導体レーザ構造と光プローブとを組み合わせ，光プローブを複数個アレイ状に設けたものである。本実施形態に係る光プローブ素子３００は，基板３１０と，半導体レーザ部分と，光プローブとを備える。
【００５８】
基板３１０は，例えば，略直六面体形状を有し，化合物半導体を用いて作製することができる。代表的な化合物半導体として，例えばｎ型にドープされたインジウム・リン半導体（ｎ−ＩｎＰ）がある。基板３１０の上面３１０ａには，下部クラッド層３２０ａ，３２０ｂが設けられる。下部クラッド層３２０ａ，３２０ｂは，例えば略直六面体形状を有し，それぞれの長手方向がｘ軸に対して平行となるように，相互間に空隙３８０を設けて配設される。この相互間に空隙３８０を設けて配設された下部クラッド層３２０ａ，３２０ｂは，ｙ軸方向に沿って，所定の間隔で複数並設される。下部クラッド層３２０ａ，３２０ｂは，例えば，ｎ型にドープされた化合物半導体を用いて形成される。ｎ型にドープされた化合物半導体の例としては，例えばｎ−ＩｎＰがある。
【００５９】
下部クラッド層３２０ａ，３２０ｂの上面には，活性層３３０が積層される。活性層３３０は，例えばドープされていない化合物半導体を用いて形成される。ドープされていない化合物半導体の例として，例えばインジウム・ガリウム・ヒ素・リンからなる半導体（ＩｎＧａＡｓＰ）を挙げることができる。
【００６０】
この活性層３３０の上面に，さらに上部クラッド層３４０が積層される。上部クラッド層３４０は，ｐ型にドープされた化合物半導体を用いて形成される。ｐ型にドープされた化合物半導体の例として，例えば，ｐ−ＩｎＰを挙げることができる。
【００６１】
上記の下部クラッド層３２０ａ，３２０ｂ，活性層３３０，および上部クラッド層３４０は，例えば，エピタキシャル成長，エッチング技術，ウェハーボンディング技術などを組み合わせて使用し，形成されることが可能である。
【００６２】
さらに，上部クラッド層３４０の上面と基板３１０の底面とに，それぞれ電極３５０ａ，３５０ｂが形成される。電極３５０ａ，３５０ｂは，例えばＡｕを用いて形成することができる。上記のように，下部クラッド層３２０ａ，３２０ｂと，活性層３３０と，上部クラッド層３４０とを順に積層することでｐｉｎ（Ｐ−Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−Ｎ）接合を形成させ，このｐｉｎ接合を電極３５０ａ，３５０ｂで挟み込み，電極３５０ａ，３５０ｂ間に電流を注入することで，活性層３３０が発光する。
【００６３】
活性層３３０は，ｘ軸方向を光軸として発光するため，活性層３３０のｘ軸方向に沿った両端面にミラー３９０ａ，３９０ｂを設けることで，活性層３３０自体が共振器として機能する。ミラー３９０ａ，３９０ｂは，活性層３３０のｘ軸方向に沿った両端面に設けられるだけでなく，図４に示したように，例えば本実施形態に係る光プローブ素子３００のｘ軸方向に沿った両端面全てを覆うように設けられてもよい。ミラー３９０ａ，３９０ｂとして，高反射率のミラーを用いることが好ましく，例えば，誘電体多層膜をミラーとして用いることができる。このようにミラー３９０ａ，３９０ｂを設けることで，活性層３３０で発光した光は増幅され，レーザ発振するようになる。このようにして，本実施形態に係る光プローブ素子３００の半導体レーザ部分は，作製される。
【００６４】
なお，本発明に用いられる化合物半導体は，上記のものに限定されるわけではなく，レーザ発振させたい光の波長に応じて，様々なものを使用することができる。また，本発明に用いられる電極金属も，上記のＡｕに限定されるわけではなく，用いられる化合物半導体に応じて，化合物半導体に効率良くキャリアを注入できる物質を，適宜選択することが可能である。
【００６５】
上記のようにして作製された半導体レーザ部分に，さらに光プローブ３６０が形成される。光プローブ３６０を形成するにあたっては，例えば半導体における化学的エッチング技術，特に異方性エッチング技術を用いることが可能である。光プローブ３６０は，光プローブ３６０への光の集中を高めるために，活性層３３０を介して空隙３８０の反対側に設けることが有効である。これは，空隙３８０が低屈折率領域として作用するため，光プローブ３６０の先端で反射され活性層３３０に戻ってくる光を，反射で活性層３３０内に留めることができ，結果として空隙３８０が強光閉じ込め構造として機能するからである。
【００６６】
具体的な光プローブ３６０の形成方法は，以下の通りである。まず基板３１０の上面３１０ａにおいて，下部クラッド層３２０ａ，３２０ｂと，活性層３３０と，上部クラッド層３４０とからなるリッジ部分が形成されていない部分に，例えばポリイミドなどの高分子樹脂を埋め込む。続いて，例えばウェットエッチング法などを用いて，電極３５０ａおよび上部クラッド層３４０とを部分的に取り除き，開口部３７０が形成される。続いて，この開口部３７０に光プローブ３６０を形成する。光プローブ３６０を形成した後に，ポリイミドなどの高分子樹脂をフォトリソグラフィーなどの方法を用いて除去し，本実施形態に係る光プローブ素子３００が形成される。
【００６７】
なお，本発明における高分子樹脂は，上記のポリイミドに限定されるわけではなく，フォトリソグラフィーなどの方法に用いることが可能な高分子樹脂であれば，任意のものを使用することが可能である。
【００６８】
上記のようにして形成された光プローブ素子３００は，光プローブ３６０の先端部に，非常に強い光電場が発生し，この光が光プローブ３６０の先端に設けられた微細開口部３６０ａを通過する際に，光プローブ３６０の先端部近傍に，強い近接場光が発生する。
【００６９】
なお，強光閉じ込め構造３８０を実現するために，下部クラッド層３２０ａ，３２０ｂに，例えばフォトニック結晶構造等を設けることも可能である。
【００７０】
上記のように，本実施形態に係る光プローブ素子３００は，光プローブ３６０を容易にアレイ化することが可能なため，計測や光メモリに必要とされるアレイ素子を容易に作成することが可能となる。
【００７１】
以上説明したように，本発明の各実施形態に係る光プローブ素子は，素子検査が容易となり，光プローブのアレイ化を実現することが可能となる。本発明の各実施形態に係る近接場光を用いた光プローブ素子の応用としては，試料等の計測に使用する用途に加え，将来的には，高密度光メモリやサブミクロン印刷技術などへ利用すること等も考えられる。
【００７２】
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００７３】
例えば，上述した各実施形態においては，光プローブが光導波路に直接連結される場合について説明したが，光プローブと光導波路との間に低屈折率物質を介在させ，エバネッセント波とのカップリングで，光導波路の光が光プローブに移行されるようにしてもよい。また，光プローブが連結された部位の光導波路内にミラーを設けたり，光プローブが設けられた側面と光軸を挟んで反対側に位置する光導波路の側面に突出部を形成したりして，光プローブに光を効率よく移行させるようにしてもよい。
【００７４】
また，光プローブは先鋭化された円錐形状に限定されず，例えば，同心円状のグレイティングの中心に開口を設けた金属膜等も使用可能である。これは，非特許文献１に記載されている表面プラズモン共鳴を利用したものであり，その構造を図７に示す。図７（ａ）は表面プラズモン共鳴を利用した増強機構を有する光プローブ４１０の平面図であり，図７（ｂ）はＡ−Ａ断面での側断面図である。この光プローブ４１０は，光導波路４２０の表面の金属膜に形成された，同心円状のグレイティングの中心を先端部とし，ここに微細開口部４１０ａが形成されている。そしてこの光プローブ４１０の中心線４１０ｂは，光導波路４２０に対して，光の光軸方向と垂直な方向となっている。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は，近接場光を発生させる光プローブ素子に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光プローブ素子を概略的に示した側面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光プローブ素子のシミュレーション結果を示したグラフ図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光プローブ素子の変形例を概略的に示した側面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る光プローブ素子の変形例のシミュレーション結果を示したグラフ図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る光プローブ素子を概略的に示した斜視図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る光プローブ素子を概略的に示した斜視図である。
【図７】表面プラズモン共鳴を利用した光プローブの構造を示した図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０      試料
１００      光プローブ素子
１１０      光プローブ
１１０ａ      微細開口部
１１０ｂ      中心線
１２０      光導波路
１２０ａ      光軸
１３０ａ，１３０ｂ      ミラー
１４０      光導波路
１５０      光プローブ素子
２００      光プローブ素子
２１０      スラブ
２２０      円孔
２３０      直線光導波路
２４０      共振器
２５０      光プローブ
２５０ａ      微細開口部
３００      光プローブ素子
３１０      基板
３１０ａ      上面
３２０ａ，３２０ｂ      下部クラッド
３３０      活性層
３４０      上部クラッド
３５０ａ，３５０ｂ      電極
３６０      光プローブ
３６０ａ      微細開口部
３７０      開口部
３８０      低屈折率領域
３９０ａ，３９０ｂ      ミラー
４１０      光プローブ
４１０ａ      微細開口部
４１０ｂ      中心線
４２０      光導波路
【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図２】
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【図４】
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