(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
近接場用光プローブの開口を測定する装置において、
前記光プローブに光を照射する光源と、
前記光プローブの前方に位置し、前記光プローブを通過した光を受光して光度を検出する光検出器と、
前記光源と前記光検出器との間に設けられ、前記光プローブを通過した光のうち特定モードの光だけを透過させるフィルタとを具備することを特徴とする開口測定装置。
【請求項２】
前記特定モードはベッセルガウスモードであることを特徴とする請求項１に記載の開口測定装置。
【請求項３】
前記光プローブと前記フィルタとの間に配置され、屈折率が均一な媒質をさらに具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の開口測定装置。
【請求項４】
近接場用光プローブの開口を測定する装置において、
前記光プローブに光を照射する光源と、
前記光プローブの前方に位置し、前記光プローブを通過した光を受光して光度を検出する光検出器と、
前記光源と前記光検出器との間に設けられ、前記光プローブを通過した光のうち特定モードの光だけを透過するフィルタと、
前記光プローブと前記フィルタとの間に配置され、前記光を伝送する光導波管とを具備することを特徴とする開口測定装置。
【請求項５】
前記光導波管はグレードインデックスウェーブガイドであることを特徴とする請求項４に記載の開口測定装置。
【請求項６】
前記特定モードはエルミートガウスモードであることを特徴とする請求項５に記載の開口測定装置。
【請求項７】
前記光導波管はグレードインデックスファイバであることを特徴とする請求項４に記載の開口測定装置。
【請求項８】
前記特定モードはラゲールガウスモードであることを特徴とする請求項７に記載の開口測定装置。
【請求項９】
前記光導波管はステップインデックスウェーブガイドまたはステップインデックスファイバであることを特徴とする請求項４に記載の開口測定装置。
【請求項１０】
前記特定モードはステップインデックスウェーブガイドモードまたはステップインデックスファイバモードであることを特徴とする請求項９に記載の開口測定装置。
【請求項１１】
近接場用光プローブの開口を測定する装置において、
前記光プローブに光を照射する光源と、
前記光プローブの前方に位置し、前記光プローブを通過した光を受光して光度を検出する光検出器と、
前記光源と前記光検出器との間に設けられ、前記光プローブを通過した光のうち特定モードの光だけを透過するフィルタと、を備え、
前記フィルタは、中心部に前記光の一部を通過させる空洞が形成されたことを特徴とする開口測定装置。
【請求項１２】
特定モードの光を透過させるフィルタを使用する近接場用光プローブの開口測定方法において、
（ａ）所定波長の光を光プローブに照射する段階と、
（ｂ）前記光プローブから入射される光のうち前記フィルタを使用して特定モードの光だけを透過させる段階と、
（ｃ）前記フィルタを通過した光のうちモード数が０である光の第１遠隔場光度分布から第１光度値を検出する段階と、
（ｄ）前記フィルタを通過した光のうちモード数が０でない光の第２遠隔場光度分布から第２光度値を検出する段階と、
（ｅ）光プローブ開口の直径に関する所定の関係式に前記第１及び第２光度値の比を代入して前記光プローブ開口の直径を求める段階とを含むことを特徴とする開口測定方法。
【請求項１３】
（ｂ）段階は、前記光プローブを通過した光を所定媒質にさらに通過させて前記フィルタに入射させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の開口測定方法。
【請求項１４】
前記所定媒質は均一な屈折率を有する媒質であることを特徴とする請求項１３に記載の開口測定方法。
【請求項１５】
（ｂ）段階で、前記特定モードはベッセルガウスモードであることを特徴とする請求項１２または請求項１４に記載の開口測定方法。
【請求項１６】
前記所定媒質はグレードインデックスウェーブガイドであることを特徴とする請求項１３に記載の開口測定方法。
【請求項１７】
（ｂ）段階で、前記特定モードはエルミートガウスモードであることを特徴とする請求項１６に記載の開口測定方法。
【請求項１８】
前記所定媒質はグレードインデックスファイバであることを特徴とする請求項１３に記載の開口測定方法。
【請求項１９】
（ｂ）段階で、前記特定モードはラゲールガウスモードであることを特徴とする請求項１８に記載の開口測定方法。
【請求項２０】
前記所定媒質はステップインデックスウェーブガイドまたはステップインデックスファイバであることを特徴とする請求項１３に記載の開口測定方法。
【請求項２１】
（ｂ）段階で、前記特定モードはステップインデックスウェーブガイドモードまたはステップインデックスファイバモードであることを特徴とする請求項２０に記載の開口測定方法。
【請求項２２】
（ｄ）段階は、前記フィルタを通過した光のうちモード数が２である光の第２遠隔場光度分布から第２光度値を求める段階を含むことを特徴とする請求項１２に記載の開口測定方法。
【請求項２３】
（ｅ）段階は、
（ｅ−１）特定媒質による特定モードに対応するモード解を求める段階と、
（ｅ−２）前記モード解に対応するカップリング定数を算出し、前記カップリング定数の前記光プローブ開口直径に関する関係式を求める段階と、
（ｅ−３）（ｃ）段階で測定した第１光度値と（ｄ）段階で測定した第２光度値との比を前記関係式に代入して前記光プローブの開口直径を導出する段階とを含むことを特徴とする請求項１２に記載の開口測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は近接場用光プローブの開口測定装置及び方法に係り、より詳細にはフィルタを使用して近接場用光プローブの開口直径を正確に測定できる測定装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、近接場用光プローブは物質表面の高分解能測定装置または超高密度記録装置のような近接場顕微鏡（ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）用装置に使われる。
物質表面の分解能測定装置で、分解能Ｒは一般的に分解できる二点間の距離で定義され、波長λに比例し、レンズまたは絞りの開口直径に反比例する数式１の関係式を有する。
【０００３】
【数１】
0003802860.tif 000002
従来の遠隔場顕微鏡では、光の波長が短くなるほど分解能が小さくなる必要があるが、光の回折によって分解能がこれ以上小さくなれない限界がある。このような従来の遠隔場顕微鏡の波長による回折限界は近接場走査顕微鏡（ＮＳＯＭ；Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、以下ＮＳＯＭという）では現れなくて物質表面の高分解能測定装置の製作が可能である。
【０００４】
ＮＳＯＭで、近接場顕微鏡を使用して波長より小さな大きさ、すなわち、サブ波長大きさの光プローブの近接場に位置するサンプルの高分解能測定をするためには光プローブ開口の正確な大きさを分からねばならない。
ＮＳＯＭで光プローブの開口直径はサブ波長の大きさを有し、すなわち、波長λが４００−１０００ｎｍである可視光線を使用する近接場顕微鏡で５０−３００ｎｍ程度の直径ｄを有する。このようなサブ波長分解能はサンプルが光プローブの近接場に位置した場合に行われうる。
【０００５】
従来のＮＳＯＭでは、光プローブ開口の直径を求めるためにＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；走査型電子顕微鏡）や、測定専用装置（例えば、特許文献１を参照）を使用する。
ＳＥＭは電子銃から生成される電子線束を数個の電子レンズを使用して数Åから数百Åの直径の電子線束に縮小させてサンプルに照射した後、サンプルから放出される２次電子またはサンプルを透過した電子を検出してオシロスコープ上で時系列的に輝度を変調してサンプルの表面を測定する装置である。
【０００６】
ＳＥＭは正確に光プローブの開口を測定できるが、装置が高価で測定時間が長いために測定コストが高い。
ＳＥＭを使用して光プローブの開口直径を測定するためには、不導体である光プローブの終端に導電性物質をコーティングせねばならない。コーティングされた光プローブを使用して測定した後、測定が終わった光プローブをＮＳＯＭに使用すれば、光プローブの終端に形成されたコーティングによりこのＮＳＯＭは性能が落ちる。したがって、ＳＥＭで測定した光プローブは再使用が難しいので、実際に使われる光プローブの正確な開口直径を測定し難い。
【０００７】
図１は特許文献１に開示された測定装置を示した図面である。図１を参照すれば、従来の光プローブ開口測定装置は光を照射する光源１１と、前記光を偏光させる偏光器１３と、光プローブ１０に向かって前記光を集束させる集束レンズ１５と、光プローブ１０を通過した光を検出器１９に集束させる線形分析器１７と、前記光を光電変換して信号を検出する光検出器１９とを具備する。
【０００８】
従来の開口測定装置では、所定角度で光プローブ１０の開口を通過した光を受光して光検出器１９から光度に該当する信号を検出した後、前記信号をＤＡＵ（Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ）２３またはコンピュータ２５に伝送して分析することによって開口の直径を導出する。
示されたように、従来の開口測定装置では、線形分析器１７と光検出器１９とが装着されたモータ２１が光プローブの終端を中心に−１６５゜から＋１６５゜まで回転しながら開口を通過して伝播される光度の遠隔場での角度による分布を測定することによって光プローブの開口直径を測定する方法を提案する。
【０００９】
図２は、従来の開口測定装置を使用して角度による光度の分布を示したグラフである。図２を参照すれば、光源１１から照射される光の波長が６３３ｎｍであり、偏光角が９０度である場合、開口直径が各々６０ｎｍ、３８０ｎｍ、３.２μｍ（本開口直径はＳＥＭを利用してあらかじめ測定したものである）である光プローブを通過して伝播される光度の遠隔場分布は０度で最高光度値を示し、±１８０゜に近づくほど減少するガウス分布形態を示している。
【００１０】
示されたように、開口直径が減少するほど順次ＦＷＨＭ（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）が広くなることが分かる。ここで、ＦＷＨＭは最高光度値の半分の光度値に該当する二角度間の差を意味するものである。
図２を参照すれば、光プローブの開口直径ｄ（＝２ａ）が６０ｎｍである場合、ＦＷＨＭは光度０.５に該当する二角度＋６０゜と−６０゜との差、すなわち１２０゜となる。光プローブの開口直径ｄ（＝２ａ）が３８０ｎｍである場合、ＦＷＨＭは同じ原理で＋３０゜と−３０゜との差、すなわち６０゜となる。
【００１１】
図２を参照して、図３の光プローブの開口直径によるＦＷＨＭのグラフを示しうる。図３で（ａ）はキルヒホップ（Ｋｉｒｃｈｏｆｆ）の理論によるグラフであり、（ｂ）はベーテ（Ｂｅｔｈｅ）の限界理論によるグラフであり、（ｃ）は従来の測定装置によるグラフである。
図３のグラフを利用して任意の開口直径を有する光プローブを通過した光の光度分布からＦＷＨＭを求めた後、図６で対応するＦＷＨＭ値を探して光プローブの開口直径を求めうる。
【００１２】
前記従来の開口測定装置は、光プローブの開口直径を測定するために回転する別の装置を必要とする。従来の開口測定装置は、光プローブの開口を中心に回転しながら光プローブから伝播される光度を測定するので、回転が精密でない場合に開口直径を正確に測定し難い。また、従来の開口測定装置では光プローブの終端を回転中心に正確に位置させ難いので開口直径の測定時にエラーが発生しやすい。
【００１３】
さらに、従来の開口測定装置はモータを回転させながら複数の角度で測定してグラフ化させねばならないので、測定時間が長くて測定装置固有の測定限界によってλ／６以下の開口直径を測定し難い短所がある。
【００１４】
【特許文献１】
米国特許第５，６６３，７９８号
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の光プローブ測定装置及び方法とは大別されるものであって、光プローブを損傷させずに測定を正確に行い、製造及び構成が簡単な光プローブ開口測定装置及び方法を提供するところにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するために本発明は、近接場用光プローブの開口を測定する装置において、前記光プローブに光を照射する光源と、前記光プローブの前方に位置し、前記光プローブを通過した光を受光して光度を検出する光検出器と、前記光源と前記光検出器との間に設けられ、前記光プローブを通過した光のうち特定モードの光だけを透過させるフィルタとを具備することを特徴とする開口測定装置を提供する。
【００１７】
ここで、光源とフィルタとの間が自由空間であるか、屈折率が均一な媒質である場合、前記特定モードはベッセルガウスモードである。
自由空間である場合にも、屈折率が１である媒質として屈折率が均一な媒質の一つである。
前記技術的課題を達成するために本発明はまた、近接場用光プローブの開口を測定する装置において、前記光プローブに光を照射する光源と、前記光プローブの前方に位置し、前記光プローブを通過した光を受光して光度を検出する光検出器と、前記光源と前記光検出器との間に設けられ、前記光プローブを通過した光のうち特定モードの光だけを透過するフィルタと、前記光プローブと前記フィルタとの間に配置され、前記光を伝送する光導波管とを具備することを特徴とする開口測定装置を提供する。
【００１８】
前記光導波管がグレードインデックスウェーブガイドである場合、前記特定モードはエルミートガウスモードであることを特徴とする。
前記光導波管がグレードインデックスファイバである場合、前記特定モードはラゲールガウスモードであることを特徴とする。
前記光導波管がステップインデックスウェーブガイドまたはステップインデックスファイバである場合、前記特定モードはステップインデックスウェーブガイドモードまたはステップインデックスファイバモードであることを特徴とする。
【００１９】
前記技術的課題を達成するために本発明はまた、近接場用光プローブの開口を測定する装置において、前記光プローブに光を照射する装置と、前記光プローブの前方に位置し、前記光プローブを通過した光を受光して光度を検出する光検出器と、前記光源と前記光検出器との間に設けられ、前記光プローブを通過した光のうち特定モードの光だけを透過するフィルタと、を備え、前記フィルタは、中心部に前記光の一部を通過させる空洞が形成されたことを特徴とする開口測定装置を提供する。
【００２０】
ここで、前記特定モードはマスクモードである。
また、前記技術的課題を達成するために本発明は、特定モードの光を透過させるフィルタを使用する近接場用光プローブの開口測定方法において、（ａ）所定波長の光を光プローブに照射する段階と、（ｂ）前記光プローブから入射される光のうち前記フィルタを使用して特定モードの光だけを透過させる段階と、（ｃ）前記フィルタを通過した光のうちモード数が０である光の第１遠隔場光度分布から第１光度値を検出する段階と、（ｄ）前記フィルタを通過した光のうちモード数が０でない光の第２遠隔場光度分布から第２光度値を検出する段階と、（ｅ）光プローブ開口の直径に関する所定の関係式に前記第１及び第２光度値の比を代入して前記光プローブ開口の直径を求める段階とを含むことを特徴とする開口測定方法を提供する。
【００２１】
（ｂ）段階は、前記光プローブを通過した光を所定媒質にさらに通過させて前記フィルタに入射させる段階をさらに含む。
ここで、前記所定媒質が均一な屈折率を有する媒質である場合、（ｂ）段階で前記特定モードはベッセルガウスモードである。
ここで、前記所定媒質がグレードインデックスウェーブガイドである場合、（ｂ）段階で前記特定モードはエルミートガウスモードである。
【００２２】
ここで、前記所定媒質がグレードインデックスファイバである場合、（ｂ）段階で、前記特定モードはラゲールガウスモードである。
ここで、前記所定媒質がステップインデックスウェーブガイドまたはステップインデックスファイバである場合、（ｂ）段階で、前記特定モードはステップインデックスウェーブガイドモードまたはステップインデックスファイバモードである。
【００２３】
（ｂ）段階は、前記光プローブを通過した光を中心部に空洞が形成されたマスクにさらに通過させて前記フィルタに入射させる段階をさらに含む。ここで、（ｂ）段階の前記特定モードはマスクモードである。
（ｄ）段階は、前記フィルタを通過した光のうちモード数が２である光の第２遠隔場光度分布から第２光度値を求める段階を含む。
【００２４】
ここで、（ｅ）段階は、（ｅ−１）特定媒質による特定モードに対応するモード解を求める段階と、（ｅ−２）前記モード解に対応するカップリング定数を算出し、前記カップリング定数の前記光プローブ開口直径に関する関係式を求める段階と、（ｅ−３）（ｃ）段階で測定した第１光度値と（ｄ）段階で測定した第２光度値との比を前記関係式に代入して前記光プローブの開口直径を導出する段階とを含むことが望ましい。
【００２５】
（ｅ−１）段階で、前記特定媒質がグレードインデックスウェーブガイドである場合、前記特定モードはエルミートガウスモードである。
（ｅ−２）段階で、前記モード解に対応するカップリング定数の前記光プローブ開口直径に関する関係式を求める。
（ｅ−３）段階で、（ｄ）段階で測定した第２光度値がモード数２である光に対応する光度値である場合、所定の関係式から光プローブの開口直径を導出できる。
【００２６】
光の波長より小さな開口直径を有する光プローブを利用して光学的情報貯蔵をするか、前記光プローブを具備する顕微鏡でサンプルを観察する場合、記録された情報を再生するか、サンプル表面のイメージを正確に再生するためには光プローブの開口直径を正確に知っている必要がある。
本発明は、近接場用光プローブの開口直径を測定する従来の方法、すなわち、ＳＥＭまたは別の測定装置を利用する方法に比べて簡単に開口直径を測定でき、光プローブに損傷を与えずに開口直径を測定できて、測定後に条件に合う光プローブを選択して使用できる。また、測定装置の構成が従来の装置に比べて簡単で測定コストを節減でき、既存方法では測定し難かった開口直径λ／６以下の大きさも測定できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による近接場用光プローブ開口直径測定装置の実施例を添付した図面を参照して詳細に説明する。
図４は、本発明の近接場用光プローブ開口測定装置の第１実施例を概略的に示した断面図である。図４を参照すれば、本発明の第１実施例は、光プローブ３３に光を照射する光源３１と、光プローブ３３の前方に位置し、光プローブ３３を通過した光を受光して光度を検出する光検出器３７と、光源３１と光検出器３７との間に設けられ、光プローブ３３を通過した光のうち特定モードの光だけを透過させるフィルタ３５ａとを具備する。ここで、光プローブ３３とフィルタ３５ａとの間に屈折率が一定である均一な媒質がさらに備わりうる。
【００２８】
光源３１はＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を使用し、光プローブの開口直径が約５０〜１００ｎｍである場合、６３０ｎｍ程度の波長を有するレーザーを光源とする。
光プローブ３３は、光ファイバを、示したように終端がとがっている円錐形に製作してクラッド層の外部カバー層をアルミニウムでコーティングしたものである。近接場用光プローブ３３の開口直径は光源３１から照射される波長より小さくなければならないが、これは光の波長による回折限界を乗り越えるためである。すなわち、粒子が光の波長より小さな場合、光の波長による回折限界により前記粒子は検出できなくなるので、光の波長より小さな粒子を検出するためには光の波長より小さな開口直径を有する光プローブを通じて光を照射せねばならない。
【００２９】
前記光プローブ３３は近接場用顕微鏡、レーザー、光学的情報貯蔵及び光学的トラッピング等の多様な分野に利用される。特に光学的情報貯蔵のための光ピックアップ技術にこのような光プローブ３３を使用する場合、光スポットを極小化して既存の光プローブ３３の情報記録密度よりはるかに高い記録密度を有する光気録媒体を製造できる。
【００３０】
光検出器３７は、一般のＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を使用する。ただし、光プローブ３３とフィルタ３５ａとの間に配置される媒質の種類によって性能が異なる光検出器３７を使用せねばならない。例えば、本発明の第１実施例による光プローブ開口直径測定装置では光プローブ３３とフィルタ３５ａとの間が自由空間であるため、光の伝達効率が導波管や光ファイバを配置する場合より高くなくて性能がより優秀な光検出器３７を具備せねばならない。
【００３１】
フィルタ（ＳＭＦ；Ｓｐａｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｆｉｌｔｅｒ）３５ａは光プローブ３３とフィルタ３５ａとの間に配置される媒質の種類によって特定モードの光だけを通過させる機能をする。
本発明の第１実施例による光プローブ開口測定装置で、フィルタ３５ａは光プローブ３３とフィルタ３５ａとの間が自由空間であるか、屈折率が一定である均一な媒質が配置された場合にベッセルガウスモードを有する光だけを透過させる。
【００３２】
一般的に、媒質中で伝播される光の伝播方程式は数式２の通りである。ここで、媒質は均一な媒質（ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｍｅｄｉｕｍ）か、あるいは屈折率が漸進的に変わる不均一な媒質（ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｍｅｄｉｕｍ）である。
【００３３】
【数２】
0003802860.tif 000003
数式３はコーティングされたか、またはコーティングされていない光プローブにより形成された開始平面ｚ＝０で光の波長より小さい、すなわち、サブ波長の大きさのスポットの場合に該当するヘルムホルツ方程式である。
【００３４】
ここで、光プローブ３３から出射される光は特性が知られた媒質、例えば、自由空間、ステップインデックスウェーブガイドまたはステップインデックスファイバ、グレードインデックスウェーブガイドまたはグレードインデックスファイバなどを通じて伝播していくので、正確な波動方程式の解が分かる。
【００３５】
【数３】
0003802860.tif 000004
ここで、ｃmはモード定数であり、Ψmはモード解である。媒質で電場はｚ方向に進行するので、この時、電波方程式は数式４の通りである。
【００３６】
【数４】
0003802860.tif 000005
自由空間の場合、フィルタ３５ａで選択されるベッセルガウスモードの光は数式５のようなモード解として現れる。ここでＪmはベッセル関数である。
【００３７】
【数５】
0003802860.tif 000006
ここで、モード定数ｃmは数式６のように与えられる。
【００３８】
【数６】
0003802860.tif 000007
ここで、γm0はＪm（ｘ）＝０での根であり、Ｒは自由空間でフィルタの半径である。数式６のカップリング定数ｃmと光検出器から検出される光の強度値との関係から光プローブ３３の開口直径に関する所定の関係式を導出して光プローブ３３の開口直径を求めうる。
【００３９】
図８は、屈折率ｎが１である自由空間または屈折率ｎが２である媒質で開口直径ｗａに対するモード強度ｑ比のグラフを示している。使用した光の波長λは６５０ｎｍである。ここで、Ｒは５μｍである。
示したように、開口直径ｗａが０である場合、相対的なモード強度ｑは１になり、開口数が増加するほどモード強度ｑ比の値は次第に減少し、屈折率ｎが１である自由空間では開口直径が０.７μｍでほとんど０に近い値を有し、屈折率ｎが２である媒質では開口直径が０.５μｍでほとんど０に近い値を有する。すなわち、屈折率ｎが大きいほどモード強度ｑ比の値の減少傾斜度がさらに大きいことが分かる。
【００４０】
図９は、相異なるモード定数の比で開口直径ｗaに対するモード強度ｑ比のグラフを示している。ここで、屈折率ｎは１であり、Ｒは５μｍである。グラフの形態は図８と類似しており、モード強度比がｃ5／ｃ1の場合のグラフが、モード強度比がｃ2／ｃ1の場合のグラフより減少傾斜度がさらに大きい。減少傾斜度が大きいほど感度がより大きくなる。
【００４１】
図５は、本発明の第２実施例による光プローブの開口直径測定装置を概略的に示した断面図である。図５を参照すれば、本発明の第２実施例による光プローブの開口測定装置は、光プローブ３３に光を照射する光源３１と、光プローブ３３の前方に位置して前記光プローブを通過した光を受光して光度を検出する光検出器３７と、光源３１と光検出器３７との間に設けられて光プローブ３３を通過した光のうち特定モードの光だけを透過するフィルタ３５ｂと、光プローブ３３とフィルタ３５ｂとの間に配置されて光を伝送する光導波管３９とを具備する。
【００４２】
ここで、光源３１及び光検出器３７は本発明の第１実施例による光プローブ開口測定装置の光源３１及び光検出器３７とその構造と機能が同一なのでこれに関する説明は省略する。
本発明の第２実施例による光プローブ開口測定装置に備わる光導波管３９として、グレードインデックスウェーブガイド、グレードインデックスファイバ、ステップインデックスウェーブガイドまたはステップインデックスファイバを使用できる。
【００４３】
グレードインデックスウェーブガイドの屈折率ｎは数式７を満足する。ここで、ｎ0は導波管の軸上の屈折率であり、ωは単位距離に対する屈折率である。
【００４４】
【数７】
0003802860.tif 000008
本発明の第２実施例による光プローブ開口測定装置に備わる光導波管３９としてグレードインデックスウェーブガイドを具備する場合、フィルタ３７はエルミートガウスモードの光だけを透過させる。
【００４５】
この時、エルミートガウスモードのモード解は数式８の通りである。
【００４６】
【数８】
0003802860.tif 000009
前記モード解に対応するカップリング定数ｃmはガウス強度分布を有するスポットに対して数式９のように求められる。
【００４７】
【数９】
0003802860.tif 000010
第１及び第２次数でｃ0とｃ2値は数式１０の通りである。
【００４８】
【数１０】
0003802860.tif 000011
数式１０のｃ0とｃ2値からｑ値を数式１１で求めうる。
【００４９】
【数１１】
0003802860.tif 000012
光プローブ３３の開口直径ｗａに対する式で数式１１を再び整理すれば、数式１２の通りである。
【００５０】
【数１２】
0003802860.tif 000013
図１０は、モード数ｎに対する関数としてモード定数ｃ2nのグラフを示している。モード定数ｃ2nはｎが１０より小さな値でその値が顕著に減少することが分かり、したがってモード強度比ｑを求める場合、１次定数ｃ0に対してｎが１０より大きい値の比を求めることは大きい意味がないことが分かる。
【００５１】
図１１は、開口直径比ｗa／ｗ0に対する関数としてｑがｃ2／ｃ0である場合のグラフを示している。ｗaが０である場合にｑは０.７であり、ｗa値が順次ｗ0値に近づくほどｑ値が減ってｗaとｗ0値が同一になる場合にｑ値が０になることが分かる。
本発明の第２実施例による光プローブ開口測定装置に備わる光導波管３９としてグレードインデックスファイバを具備する場合、フィルタ３７はラゲールガウスモードの光だけを透過させる。
【００５２】
ここで、グレードインデックスファイバは光ファイバのコア部分の屈折率が断面内で中心からの距離によって緩やかな関数になる光ファイバを総称するものである。グレードインデックスファイバの屈折率ｎも数式７のように与えられる。
ラゲールガウスモードのモード解は数式１３の通りである。
【００５３】
【数１３】
0003802860.tif 000014
数式１３のようなモード解で求められるモード定数ｃは１次及び２次に対して数式１４のように与えられる。
【００５４】
【数１４】
0003802860.tif 000015
前記の第１及び第２次数のモード強度比ｑは数式１５のように与えられる。
【００５５】
【数１５】
0003802860.tif 000016
光プローブの開口直径ｗaに対する式で数式１５を再び整理すれば数式１６のように与えられる。
【００５６】
【数１６】
0003802860.tif 000017
図１２は、開口直径に対する関数としてモード強度比ｑ（＝ｃ2／ｃ0）を表したグラフである。
本発明の第２実施例による光プローブ開口測定装置に備わる光導波管３９としてステップインデックスウェーブガイドまたはステップインデックスファイバを具備する場合、フィルタ３７はステップモードの光だけを透過させる。
【００５７】
ここで、ステップインデックスウェーブガイドは屈折率が階段型に変わる平板光導波管を意味し、ステップインデックスファイバはコアとクラッドの屈折率が一定でクラッドの屈折率がコアより高い光ファイバをいう。
ステップモードのモード解は数式１７のように求められる。ここで、βｍは伝播定数であり、ｄはウェーブガイドの厚さであり、ｎ1はコアの屈折率であり、ｎ2はカバーの屈折率である。
【００５８】
【数１７】
0003802860.tif 000018
ここで、水平空間周波数ｋ1は数式１８のように与えられる。
【００５９】
【数１８】
0003802860.tif 000019
数式１７及び１８を満足するカップリング定数ｃmは数式１９のように与えられる。
【００６０】
【数１９】
0003802860.tif 000020
図１３及び図１４はステップモードの開口直径ｗaに対する関数としてモード強度比ｑを表したグラフである。図１３はウェーブガイドの厚さｄが３μｍの場合であり、図１４はウェーブガイドの厚さｄが５μｍの場合である。カバーの屈折率ｎ2が１.５で一定な場合、コアの屈折率ｎ1が各々１.６と２.０の場合のグラフが各々示されている。コアの屈折率ｎ1が２.０の場合のグラフの減少傾斜度が、コアの屈折率ｎ1が１.６の場合のグラフの減少傾斜度より多少大きいことが分かる。
【００６１】
前記本発明の第１及び第２実施例による光プローブの開口測定装置を利用した特定モードの光を透過させるフィルタを使用する近接場用光プローブの開口測定方法は、（ａ）所定波長の光を光プローブに照射する段階と、（ｂ）前記光プローブから入射される光のうち前記フィルタを使用して特定モードの光だけを透過させる段階と、（ｃ）前記フィルタを通過した光のうちモード数が０である光の第１遠隔場光度分布から第１光度値を検出する段階と、（ｄ）前記フィルタを通過した光のうちモード数が０でない光の第２遠隔場光度分布から第２光度値を検出する段階と、（ｅ）光プローブ開口の直径に関する所定の関係式に前記第１及び第２強度値の比を代入して前記光プローブ開口の直径を求める段階とを含む。
【００６２】
（ｅ）段階は、（ｅ−１）特定媒質による特定モードに対応するモード解を求める段階と、（ｅ−２）前記モード解に対応するカップリング定数を算出し、前記カップリング定数の前記光プローブ開口直径に関する関係式を求める段階と、（ｅ−３）（ｃ）段階で測定した第１光度値と（ｄ）段階で測定した第２光度値との比を前記関係式に代入して前記光プローブ開口直径を導出する段階とを含む。
【００６３】
図６は、本発明の第３実施例による光プローブの開口測定装置を概略的に示した断面図である。本発明の第１及び第２実施例による光プローブの開口測定装置で開口直径を測定する方法は、開口直径に対するモード強度の関数を求める方法であるが、本発明の第３実施例による光プローブの開口測定装置で開口直径を測定する方法は、開口直径に対する軸上の光度の減少率の関数から決定する方法である。
【００６４】
図６を参照すれば、本発明の第３実施例による光プローブの開口測定装置は、光プローブ３３に光を照射する光源３１と、光プローブ３３の前方に位置して光プローブ３３を通過した光を受光して光度を検出する光検出器３７と、光プローブ３３を通過した光のうち特定モードの光だけを透過させるフィルタ３５ｃが光源３１と光検出器３７との間に配置され、中心部に前記光の一部を通過させる空洞が形成される。
【００６５】
ここで、光源３１及び光検出器３７は、本発明の第１実施例による光プローブの開口測定装置の光源３１及び光検出器３７とその構造と機能が同一なのでこれに関する説明は省略する。
本発明の第３実施例による光プローブ３３の開口測定装置で、開口測定方法は（ａ）所定波長の光を光プローブ３３に照射する段階と、（ｂ）前記マスクを透過した光の第１遠隔場光度分布から第１光度値を検出する段階と、（ｃ）前記マスクを透過した光の第２遠隔場光度分布から第２光度値を検出する段階及び、（ｄ）光度と光プローブ３３の開口直径に関する所定の関係式に前記第１及び第２光度値を代入して前記光プローブ３３の開口直径を求める段階とを含む。ここで、フィルタ３５ｃは、中心部に空洞が形成されているが、空洞の大きさｓは約６μｍである。
【００６６】
図７は、本発明の第３実施例による開口測定装置を示した構成図である。図７を参照すれば、光源３１から照射された光はレンズ３２とカプラー３４を通過して光ファイバ３６を通じて光プローブ３３に伝えられる。光プローブ３３を通過した光は、空洞が形成されたフィルタ３５ｃを通過しながらマスクモードに該当する特定光だけが出射されて光検出器に受光された後、検出される。ここで参照番号３８は光プローブ３３とフィルタ３５ｃ及び光検出器３７が装着されるステージを示す。
【００６７】
フィルタを具備しない場合の出力光度が２１.３ｍＷである時、光源３１として６５０ｎｍ波長を有するレーザーダイオードを設置して９５ｍＡの電流を印加し、フィルタに形成された空洞が１.２０ｍｍ×１.０１ｍｍの大きさの四角形である条件で実験した光度比の結果を示すグラフが図１５に示されている。
図１５を参照すれば、光プローブ３３とフィルタ３５ｃとの距離ｚが５ｍｍである場合と２０ｍｍである場合の光度比Ｉを光プローブの開口直径ｗaに対してグラフ化すれば、Ｉ値が１３の時に開口直径ｗaは１.６６μｍであることが分かる。
【００６８】
本発明の第３実施例による開口測定装置で測定した光プローブの開口直径をＳＥＭで再測定した光プローブが図１６に示されている。図１６に示された光プローブは、その開口直径が１.６２μｍで、本発明の第３実施例による開口測定装置で測定した開口直径とほとんど一致する。
したがって、本発明の実施例による開口測定装置は正確に開口直径を測定できるということが分かる。
【００６９】
図１７は、光度Ｉ１及びＩ２を数式２０のように定義した時、開口直径ｗaに対する光度の相対的比（γ＝Ｉ2／Ｉ1）を示したグラフである。ここで、ウィンドウの空洞の大きさｗは６μｍであり、光プローブの開口からウィンドウまでの距離ｚは３００μｍである。
【００７０】
【数２０】
0003802860.tif 000021
図１７を参照すれば、開口直径ｗaが０の時、光度比γは約１５で開口直径ｗaが増加するにつれて順次減少することが分かる。
例えば、光度の相対的な比γ値が７の時、光プローブの開口直径ｗaは約０.２７μｍになることが分かる。
【００７１】
図１８は、相異なる入力光度で光プローブからウィンドウまでの距離ｚに対する関数として軸上の出力光度Ｉoutを示したグラフである。この場合、ウィンドウ空洞の大きさは９ｍｍ×９ｍｍである。入力光度が大きいほど出力光度の値が大きいことが分かる。入力光度が最も大きい場合がｇ１であり、順にｇ２、ｇ３、ｇ４へ行くほど減少する。また入力光度に関係なくｚが大きくなるほどｇ１、ｇ２、ｇ３及びｇ４のグラフで出力光度が小さくなることが分かる。
【００７２】
【発明の効果】
前述したように本発明による光プローブの開口測定装置及び測定方法の長所は、製作が簡単な開口測定装置を提供し、光プローブの損傷なしに光プローブの開口の直径を正確に測定できる光プローブの開口測定方法を提供するということである。
【００７３】
前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、これらは発明の範囲を限定するというよりは、望ましい実施例の例示として解釈されねばならない。
例えば、本発明が属する技術分野で当業者であれば本発明の技術的思想により光プローブと光検出器との間に所定の光学素子とこれによるフィルタとを用意できる。よって、本発明の範囲は説明された実施例によって定められることではなく、特許請求範囲に記載された技術的思想により定められねばならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の光プローブの開口測定装置を示した断面図である。
【図２】  従来の光プローブの開口測定装置で、角度による光度の分布を示したグラフである。
【図３】  従来の光プローブの開口測定装置で、光プローブの開口直径によるＦＷＨＭを示したグラフである。
【図４】  本発明の第１実施例を概略的に示した断面図である。
【図５】  本発明の第２実施例を概略的に示した断面図である。
【図６】  本発明の第３実施例を概略的に示した断面図である。
【図７】  本発明の第３実施例による開口測定装置を示した構成図である。
【図８】  本発明の第１実施例による相異なるモードフィルタで開口直径に対するモード強度の比を示したグラフである。
【図９】  本発明の第２実施例によるモード数に対するモード定数を示したグラフである。
【図１０】  本発明の第２実施例による開口直径の比に対するモード強度の比を示したグラフである。
【図１１】  本発明の第２実施例による開口直径の比に対するモード強度の比を表したグラフである。
【図１２】  本発明の第２実施例による開口直径に対するモード強度の比を示したグラフである。
【図１３】  本発明の第２実施例による開口直径に対するモード強度の比を示したグラフである。
【図１４】  本発明の第３実施例による開口直径に対する光度の比を示したグラフである。
【図１５】  本発明の第３実施例による相異なる入力光度で、光プローブからの距離に対する出力光度を示したグラフである。
【図１６】  本発明の第３実施例による開口測定装置で、測定した光プローブの開口直径をＳＥＭで再測定した光プローブを示した写真である。
【図１７】  開口直径に対する光度の相対的な比を示したグラフである。
【図１８】  本発明の実施例による開口測定装置で、光プローブからウィンドウまでの距離に対する相異なる入射光の光度に対する出力光の光度を示したグラフである。
【符号の説明】
３１  光源
３３  光プローブ
３５ａ  フィルタ
３７  光検出器
【図１】
0003802860.tif 000022
【図２】
0003802860.tif 000023
【図３】
0003802860.tif 000024
【図４】
0003802860.tif 000025
【図５】
0003802860.tif 000026
【図６】
0003802860.tif 000027
【図７】
0003802860.tif 000028
【図８】
0003802860.tif 000029
【図９】
0003802860.tif 000030
【図１０】
0003802860.tif 000031
【図１１】
0003802860.tif 000032
【図１２】
0003802860.tif 000033
【図１３】
0003802860.tif 000034
【図１４】
0003802860.tif 000035
【図１５】
0003802860.tif 000036
【図１６】
0003802860.tif 000037
【図１７】
0003802860.tif 000038
【図１８】
0003802860.tif 000039