(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
近接場光プローブからなり、
上記近接場光プローブは、少なくとも突起部を有し、当該突起部の外面は金属被膜によって覆われているとともに、当該突起部の頂点部は金属被膜が形成されず開口部とされており、
上記突起部とは反対側から所定の波長の光が入射されると、波長が変換された光を上記突起部の開口部から出射すること
を特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
上記近接場光プローブは、光ファイバープローブであり、
上記光ファイバープローブは、コア部と当該コア部の周囲に配されたクラッド部とからなる光ファイバーの一端部が略円錐形状の突起部とされ、当該突起部の外面は金属被膜によって覆われているとともに、当該突起部の頂点部は金属被膜が形成されず開口部とされていること
を特徴とする請求項１記載の波長変換素子。
【請求項３】
上記波長が変換された光は、第二高調波であること
を特徴とする請求項１記載の波長変換素子。
【請求項４】
少なくとも突起部を有し、当該突起部の外面は金属被膜によって覆われているとともに、当該突起部の頂点部は金属被膜が形成されず開口部とされてなる近接場光プローブを波長変換素子として用い、
上記近接場光プローブの突起部とは反対側から所定の波長の光を入射させると、波長が変換された光が上記突起部の開口部から出射されること
を特徴とする波長変換方法。
【請求項５】
上記近接場光プローブとして、光ファイバープローブを用い、
上記光ファイバープローブは、コア部と当該コア部の周囲に配されたクラッド部とからなる光ファイバーの一端部が略円錐形状の突起部とされており、当該突起部の外面は金属被膜によって覆われているとともに、当該突起部の頂点部は金属被膜が形成されず開口とされてなること
を特徴とする請求項４記載の波長変換方法。
【請求項６】
上記波長が変換された光は、第二高調波であること
を特徴とする請求項４記載の波長変換方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近接場光プローブを用いた波長変換素子及び波長変換方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
第二高調波発生は、物質の共鳴波長に光波長を変換する場合や波長多重通信を行う場合など光の波長を変換する場合に非常に良く用いられる。第二高調波を発生させる技術としては、非線形結晶に伝播光を入射させ、非線形結晶の二次の非線形性を利用して第二高長波を発生させる技術がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の方法で第二高調波を得る場合、１００μｍ以上の厚さを持つ非線形結晶を透過させなければならない。また、そのとき必要な光のパワー密度も数ＭＷ／ｃｍ２程度必要であり、レンズにより回折限界まで集光させたとしても、１０ｍＷ程度のパワーが必要になる。しかも、通常伝播光はフォーカス位置からずれるに従ってスポットサイズが大きくなるので、十分な第二高調波変換効率を得るためには、１Ｗ近いパワーを必要とする。
【０００４】
第二高調波変換効率を上げる手段としては、第二高調波発生のための共振器を組み、その共振効果によって発生効率を上げる手段もあるが、装置が複雑化し、大型化してしまう。そのような大型素子では将来予想されている光集積回路の一部に組み込むことができない。
【０００５】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、光の波長以下のサイズでの第二高調波発生素子を実現し光集積回路に組み込むことのできるサイズの波長変換素子及び波長変換方法を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の波長変換素子は、近接場光プローブからなり、上記近接場光プローブは、少なくとも突起部を有し、当該突起部の外面は金属被膜によって覆われているとともに、当該突起部の頂点部は金属被膜が形成されず開口部とされている。そして、本発明の波長変換素子は、上記近接場光プローブの突起部とは反対側から所定の波長の光が入射されると、波長が変換された光、特に第二高調波を上記突起部の開口部から出射することを特徴とする。
【０００７】
上述したような本発明に係る波長変換素子では、近接場光プローブを用いているので、素子の超小型化を実現することができる。特に、このような近接場光プローブとしては、コア部と当該コア部の周囲に配されたクラッド部とからなる光ファイバーの一端部が略円錐形状の突起部とされ、当該突起部の外面は金属被膜によって覆われているとともに、当該突起部の頂点部は金属被膜が形成されず開口部とされているような光ファイバープローブであることが好ましい。
【０００８】
また、本発明の波長変換方法は、少なくとも突起部を有し、当該突起部の外面は金属被膜によって覆われているとともに、当該突起部の頂点部は金属被膜が形成されず開口部とされてなる近接場光プローブを波長変換素子として用いている。そして、本発明の波長変換方法は、上記近接場光プローブの突起部とは反対側から所定の波長の光を入射させると、波長が変換された光、特に第二高調波が上記突起部の開口部から出射されることを特徴とする。
【０００９】
上述したような本発明に係る波長変換方法では、近接場光プローブを波長変換素子として用いているので、素子の超小型化を実現することができる。特に、このような近接場光プローブとして、コア部と当該コア部の周囲に配されたクラッド部とからなる光ファイバーの一端部が略円錐形状の突起部とされ、当該突起部の外面は金属被膜によって覆われているとともに、当該突起部の頂点部は金属被膜が形成されず開口部とされているような光ファイバープローブを用いることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
本発明者等は、鋭意検討の結果、近接場光プローブは、近接場光学顕微鏡に波長以下の分解能を与える基本的な素子であるだけでなく、近接場光プローブ先端の特異な構造は局所的な光閉じこめを実現し、強い電界強度に起因する光学非線形性増大などの興味深い現象を引き起こすことに想到するに到った。
【００１２】
すなわち、本発明では、第二高調波を発生させる波長変換素子として、近接場光プローブを用いている。
【００１３】
図１に近接場光プローブとして、光ファイバープローブの概略図を示す。
【００１４】
この光ファイバープローブ１は、その中心軸に沿って伸びるコア部２と、コア部２の外周面を覆うクラッド部３と、クラッド部３の表面部分を覆う金属被膜４とから構成され、その先端部分が略円錐状に尖鋭化されて突起部５とされている。
【００１５】
コア部２は、光ファイバープローブ１に入射した光が伝播する部分である。このコア部２は、例えば純粋石英（ＳｉＯ２）からなる第１のコア部２ａと、その中心部に例えば二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）がドープされてなる第２のコア部２ｂとからなる２重コア構造となっている。また、コア部２を伝播する光が外部へと漏れるのを防止するために、コア部２の外周面はクラッド部３によって覆われている。
【００１６】
そして、コア部２は、光ファイバプローブ１の一端においてクラッド部３の端面から突出しており、その突出部分は略円錐状に尖鋭化されて突起部５となされている。この突起部５と、その近傍に位置するクラッド部４の表面は、アルミニウム等からなる金属被膜４で覆われている。ただし、突起部５の頂点部分は、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）等の適宜手段により金属被膜が除去されて開口部６が形成されており、コア部２が露出している。この開口部６は光ファイバープローブ１における光の出射口となる。
【００１７】
このような光ファイバープローブ１の、突起部６とは反対側の端部から所定の波長の光が入射されると、波長が変換された光、ここでは１／２波長を有する第二高調波７が上記突起部５の開口部６から出射される。
【００１８】
ところで、通常、第二高調波発生に用いられる結晶としては、空間的に対称でない結晶が用いられている。これは、空間的に対称性の良いバルク結晶を用いた場合には、たとえ材料自身の分極が大きな二次の非線形性を持っていても、第二高調波発生の要因となる二次の非線形振動は第二高調波を発生することなく打ち消されてしまうからである。空間的に対称でない結晶を用いることで、二次の非線形分極による第二高調波が発生する。
【００１９】
上述したような光ファイバープローブ１は、尖鋭化されたプローブ先端形状や、プローブ表面をコートしている金属被膜など複雑な形状を有する。光ファイバーの材料や金属それ自身は対称な構造を持ってはいるが、各部位間での界面や空気との界面ではそれぞれの空間を構成する材料の組成が異なるために対称性がないといえる。すなわち、この対称性のない界面では、光ファイバーの材料や金属の持つ二次の非線形分極による第二高調波発生が見込まれる。
【００２０】
さらに、プローブ表面をコートしている金属被膜４が、第二高調波の発生に大きな役割を果たしていると考えられる。金属被膜を持たない光ファイバープローブでは測定可能な第二高調波信号は得られていない。これは、金属表面での表面プラズモンに起因する第二高調波発生は過去に多くの報告例があることから、この光ファイバープローブ１においても同様に、金属被膜４の表面プラズモンに起因して第二高調波が発生しているものと考えられる。
【００２１】
また、第二高調波の変換効率は、プローブの形状等にも強く依存する。プローブ先端から放出される第二高調波の強度は、伝播光の基本波強度に対し最大１０−４倍程度となる。また、プローブ先端部での変換効率は、金属表面での変換効率に比べて数桁以上も大きい。これは、光ファイバープローブ１の鋭角な先端形状が光学非線形性を増大させるためと考えられる。
【００２２】
以上のように、近接場光プローブを用いることでも、第二高調波を発生させることができる。そして、この近接場プローブ先端は光の波長以下の大きさであり、第二高調波発生素子としては極めて小型である。すなわち、近接場プローブを波長変換素子として用いることで、光集積回路等に組み込むことが可能となるような超小型の波長変換素子を実現することができる。従って、このような超小型の波長変換素子を用いることで光集積回路等の大容量集積化が可能となる。
【００２３】
なお、上述した実施の形態では、近接場光プローブとして、光ファイバープローブを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば基板上に突起部が形成されてなるようなプローブなど、一般に近接場光プローブとして用いられているものに対しても広く適用可能である。
【００２４】
また、上述した実施の形態では、近接場光プローブによって第二高調波を発生させる場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、近接場光プローブを、波長を変換させる波長変換素子として用いる場合にも広く適用可能である。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認すべく行った実施例について説明する。なお、以下に示す実施例では具体的な数値等を挙げて説明しているが、本発明はこれらの例に限定されるものではないことは言うまでもなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００２６】
まず、以下に示すようにして、光ファイバープローブを作製した。
【００２７】
光ファイバーとしては、直径３μｍの純粋石英コアの中心に、直径０．１６μｍのゲルマニウムドープコアを有する二重コア型ファイバーを用いた。この光ファイバーの先端部分をエッチングにより尖鋭化して突起部とした。
【００２８】
次に、この突起部近傍を中心とする光ファイバーの外周面に、アルミニウムを約５００ｎｍの厚さに蒸着させて金属被膜を形成した。そして、選択的イオンエッチングによって突起部の頂点部分の金属被膜を除去して、当該突起部の頂点部分を金属被膜から露出させて開口部を形成した。このようにして図１に示すような光ファイバープローブを作製した。
【００２９】
そして、以上のようにして作製された光ファイバープローブを用いて、第二高調波の発生メカニズムについて検証、検討した。
【００３０】
まず、光ファイバープローブの先端より放出される光のスペクトル測定を行った。波長６８３ｎｍの半導体レーザを光源として用いた。光ファイバープローブの先端より放出される光のスペクトルを図２に示す。なお、図２中には、入力光の波長（６８３ｎｍ）付近を挿引した結果も挿入されている。
【００３１】
図２から、３４１．５ｎｍ付近に大きなピークが存在していることがわかる。これにより、６８３ｎｍの波長を有する入力光のほぼ１／２波長をもつ信号、すなわち、第二高調波が光ファイバープローブの先端から発生していることがわかる。
【００３２】
つぎに、第二高調波の発生するプローブ上の部位を特定するため、図３に示すように、２つの光ファイバープローブ１０，１１を向かい合わせて配置し、シアフォース１２により位置制御を行い二次元スキャンを行った。
【００３３】
光源１３には波長４８８ｎｍのＡｒ＋レーザを用い、検出には光電子増倍管（浜松ホトニクスＲ１６６ＵＨ）１４と、近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）１５を用いた。この光電子増倍管１４は、第二高調波の発生する波長領域（２４４ｎｍ）の光に対してのみ十分な感度を持っており、第二高調波の強度分布が測定可能である。
【００３４】
図４に実験結果を示す。ここで図４（ａ）では走査型電子顕微鏡像を示し、図４（ｂ）ではシアフォース像を示す。また、図４（ｃ）には第二高調波像を示す。図４（ａ）〜図４（ｃ）から、４８８ｎｍの波長の光を入射すると２４４ｎｍの光が発生し、第二高調波が発生していることが確認された。そして、この第二高調波は、開口部近傍、及びアルミニウム金属被膜の外装に沿った領域で発生していることが確認された。光ファイバープローブの先端形状は、この第二高調波の発生機構を解釈する上で重要な情報を含んでいると思われる。
【００３５】
光ファイバープローブは、尖鋭化されたプローブ先端形状や、プローブ表面をコートしている金属被膜など複雑な形状を有する。光ファイバーの材料や金属それ自身は対称な構造を持ってはいるが、各部位間での界面や空気との界面ではそれぞれの空間を構成する材料の組成が異なるために対称性がないといえる。すなわち、この対称性のない界面では、光ファイバーの材料や金属の持つ二次の非線形分極による第二高調波が発生しているものと考えられる。
【００３６】
また、第二高調波の変換効率はプローブの形状等に強く依存しており、プローブ先端から放出される伝播光の基本波強度に対して最大１０−４倍となった。金属表面での第二高調波変換効率に比べ数桁以上も大きく、プローブの鋭角な先端形状が光学非線形性を増大させたためと思われる。
【００３７】
一方、金属被膜を有さない光ファイバープローブでは測定可能な第二高調波は得られていないことが本発明者等の行った実験で確認されている。金属被膜を有する光ファイバープローブにおいてのみ第二高調波が発生するのは、金属表面での表面プラズモンに起因する第二高調波発生は過去に多くの報告例があることから、光ファイバープローブにおいても同様に、金属被膜表面の表面プラズモンに起因する第二高調波が発生しているものと考えられる。これにより、プローブ表面をコートしている金属被膜が、第二高調波の発生に大きな役割を果たしていると考えられる。
【００３８】
また、図５に第二高調波強度の基本波強度に対する依存性を示す。なお、基本波強度はプローブ先端部からの出射成分について測定した。図５より、基本波の伝播光強度が１ｎＷ以下の領域では、第二高調波の強度は基本波強度のほぼ二乗に比例していることがわかる。これにより、第二高調波の発生は二次の光学非線形現象であることがわかった。
【００３９】
以上のように、光ファイバープローブを用いることでも、第二高調波を発生させることができることが確認された。そして、この光ファイバープローブは数μｍのサイズであるため、近接場プローブを波長変換素子として用いることで、従来では数百μｍ程度あった第二高調波発生素子のサイズを極めて小さくすることができることがわかった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明では、近接場プローブを波長変換素子として用いることで、光集積回路等に組み込むことが可能となるような超小型の波長変換素子を実現することができる。従って、本発明では、このような超小型の波長変換素子を用いることで光集積回路等の大容量集積化を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ファイバープローブの一構成例を示す断面図である。
【図２】光ファイバープローブに入射された光と先端より放出された光のスペクトル図である。
【図３】実施例で第二高調波の発生するプローブ上の部位を特定するために用いた実験装置を示す模式図である。
【図４】第二高調波の発生するプローブ先端部についての分析結果を示す図であり、図４（ａ）はプローブ先端部についてのＳＥＭ像を示す図である。図４（ｂ）はプローブ先端部についてのシアフォース像を示す図である。図４（ｃ）はプローブ先端部についてのＳＨＧ像を示す図である。
【図５】プローブ先端部から発生する第二高調波強度と基本波強度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  光ファイバープローブ、  ２  コア部、  ３  クラッド部、  ４  金属被膜、  ５  突起部、  ６  開口部
【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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