JPH0926305A

JPH0926305A - 情報検出デバイスおよびそれを用いたモード干渉型レーザ走査顕微鏡

Info

Publication number: JPH0926305A
Application number: JP7176269A
Authority: JP
Inventors: Keiji Matsuura; 恵二松浦
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-07-12
Filing date: 1995-07-12
Publication date: 1997-01-28

Abstract

(57)【要約】【課題】照明光を０次モードのみで伝搬し、正規分布な
照明光を照射する情報検出デバイスを提供する。【解決手段】基幹導波路５は、波長λの光に対してシン
グルモード導波路であり、波長λ’の光に対して、ダブ
ルモード導波路であるように、導波路幅を設計して形成
する。これにより、光源１から、照明光として波長λの
光を基幹導波路５に入射させると、光は、０次モードの
みで伝搬し、ＳＨＧ領域６によって、波長λ’の光に変
換され、端面７から出射される。被検物体１０からの反
射光が、端面７から基幹導波路５に入射すると、反射光
の強度分布あるいは位相分布の対称性によって、０次モ
ードと１次モードが励振され、検出器１３、１４で検出
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダブルモードチャ
ネル導波路における０次モードの光と１次モードの光と
のモード干渉を利用して、導波路に入射した光の光情報
検出を行う光情報検出デバイス、および、それを用いた
モード干渉型レーザ走査顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信の分野を中心として基板上
に形成した光導波路の利用が行われている。このような
光導波路を全く新しい分野へ応用したものとしては、ダ
ブルモードチャネル導波路におけるモード干渉現象を利
用した光情報検出デバイスがある。この光情報検出デバ
イスは、様々な応用分野が考えられ、そのため、有用な
デバイスとして各方面の注目を集めている。

【０００３】この光情報検出デバイスの基本原理および
レーザー走査顕微鏡への応用については、H.Ooki and
J.Iwasaki,Opt.Commun. 85(1991)177-182および特開平4
-208913号公報に詳述されている。また、光ピックアッ
プへの応用については、特開平4-252444号公報に詳述さ
れている。

【０００４】これらの光情報検出デバイスの基本的な構
造を図３を用いて簡単に説明する。

【０００５】検出すべき光を、図３のダブルモード導波
路２１の端面２０から入射させる。入射光の光強度分布
または位相分布が非対称性である場合には、ダブルモー
ド導波路２１には、０次モードと１次モードが励振さ
れ、両者の干渉光がダブルモード導波路２１内を蛇行し
ながら伝搬する。入射光の強度分布、位相分布が対称で
ある場合には、０次モード光のみが励振されるため、伝
搬光の強度分布も対称である。したがって、ダブルモー
ド導波路を伝搬する光の強度分布の対称性を検出するこ
とにより、入射光の強度分布あるいは位相分布の対称性
が検出できる。

【０００６】図３の構成では、伝搬光の強度分布の対称
性を検出するために、ダブルモード導波路２１を伝搬し
た光を、分岐部２２によって２本のシングルモード導波
路２３、２４に分岐する。このとき、２本のシングルモ
ード導波路２３、２４に入射する光量は、分岐部２２に
達した際の干渉光の片寄りに対応する。検出器２５、２
６は、２本のシングルモード導波路２３、２４を伝搬し
た光の光量を検出する。これにより、ダブルモード導波
路２１の伝搬光の強度分布の対称性が検出できるため、
入射した光の強度分布や位相分布が検出できる。図３の
光情報検出デバイスでは、上述の各導波路を、基板２７
上にチャネル型導波路として形成している。

【０００７】図３ではダブルモードチャネル導波路２１
を伝搬する光の強度分布を検出するために、２本のシン
グルモード導波路２３、２４に光を分岐させたが、この
構成に限らず、ダブルモードチャネル導波路２１の出射
端面に直接、２分割の光検出器または光検出用のアレー
等を接続して、ダブルモードチャネル導波路２１からの
出射光の対称性を直接検出することもできる。

【０００８】上述したように、光情報検出デバイスにお
いて、ダブルモードチャネル導波路２１内の光強度分布
の非対称性をもたらす２つの要素としては、入射光の強
度分布に非対称性がある場合と、入射光の位相分布に非
対称性がある場合とがある。ダブルモード導波路のダブ
ルモードで光が伝搬する領域の長さを適当に選べば、い
ずれの場合の非対称性も効率よく検出できる。光の強度
分布の非対称性は、例えば、反射率に分布がある物体で
光が反射することによって生じるため、これを利用する
ことにより、被検物体の光の反射率の分布等を観察する
ことができる。また、光の位相分布の非対称性は、傾斜
や段差がある物体で光が反射することによって生じるた
め、これを利用することにより、被検物体の傾斜、段差
または高さの分布等を観察することができる。

【０００９】図４に示した従来の光情報検出デバイス
は、被検物体に光を照射するための光源を備えた、光源
一体型３分岐導波路デバイスである。

【００１０】光源３０から出射した光は中央の枝シング
ルモード導波路３１を伝搬し、分岐領域３２、ダブルモ
ード導波路２１を経て、入出射端面２０から出射され
る。このとき、中央のシングルモード導波路の中心線と
ダブルモード導波路の中心線とが一致している場合に
は、中央のシングルモード導波路からダブルモード導波
路へ入射する光によって、ダブルモード導波路２１で０
次モードのみを励振させることができる。これにより、
強度分布や位相分布が正規分布のスポット光を被検物体
に照射することができる。

【００１１】入出射端面２０から出射した光が被検物体
に集光される集光光学系が、共焦点光学系の場合、被検
物体からの反射光は入出射端面２０に完全再結合され
る。被検物体の表面に段差や反射率分布が存在すると
き、反射光に非対称性が生じるため、上述の２分岐型導
波路の場合と同様に、光検出器２５、２６の出力差から
被検物体の強度分布、あるいは位相分布を観察すること
ができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、図４の
３分岐型情報検出デバイスでは、中央のシングルモード
導波路の中心線とダブルモード導波路の中心線を幾何学
的に一致させることにより、中央のシングルモード導波
路からダブルモード導波路へ入射する光は、ダブルモー
ド導波路で０次モードのみを励振させる。

【００１３】そのため、基板上に導波路を作製する際、
これらの中心線がずれると、ダブルモード領域内に０次
モードの他に１次モードも励振されてしまう可能性があ
る。１次モードが励振された場合、光強度および位相が
正規分布のスポット光が照射されないため、被検物体の
反射光から被検物体の微視的な段差や反射率分布を検出
できなくなる。

【００１４】しかしながら、中央のシングルモード導波
路の中心線とダブルモード導波路の中心線とが完全に一
致するように導波路を製造するのは製造プロセス上困難
である。そのため、製造コストがかかり、情報検出デバ
イスが高価な装置になるという問題点があった。

【００１５】本発明の目的は、容易に製造することが可
能でありながら、照射光を０次モードのみで伝搬するこ
とのできる導波路を備えた光情報検出デバイスを提供す
ることにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第１の態様によれば、基幹導波路と、前記基
幹導波路に光を入射させるための照明手段と、前記基幹
導波路を伝搬してきた光の強度分布の対称性を検出する
ための検出手段とを有し、前記基幹導波路は、波長λの
光に対して、シングルモード導波路であり、かつ、波長
λ’の光に対して、ダブルモード導波路であり、前記照
明手段は、波長λの光を前記基幹導波路に入射させ、前
記検出手段は、波長λ’の光の検出することを特徴とす
る情報検出デバイスが提供される。

【００１７】また、上記目的を達成するための本発明の
第２の態様によれば、被検物体に向けて光を照射し、反
射光の強度分布あるいは位相分布の対称性をモード干渉
を利用して検出する情報検出デバイスと、前記情報検出
デバイスから出射された光を、前記被検物体に対し相対
的に走査させるための走査手段と、前記情報検出デバイ
スから出射された光を、前記被検物体上に集光するため
の集光手段とを有するモード干渉型レーザ走査顕微鏡に
おいて、前記情報検出デバイスと被検物体との間には、
情報検出デバイスから出射された波長λの光を波長１／
２λの光に変換する波長変換素子が配置され、前記情報
検出デバイスは、被検物体に向けて光を出射し、反射光
を伝搬する基幹導波路と、前記基幹導波路に波長λの光
を入射させるための照明手段と、前記基幹導波路を伝搬
してきた波長１／２λの光の強度分布の対称性を検出す
るための検出手段とを有し、前記基幹導波路は、波長λ
の光に対してシングルモード導波路であり、波長１／２
λの光に対して、ダブルモード導波路であることを特徴
とするモード干渉型レーザ走査顕微鏡が提供される。

【００１８】上述の波長変換手段は、前記基幹導波路上
に設けることも可能である。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の光情報検出デバイスは、
基幹導波路から被検物体に照射する光の波長と、被検物
体で反射し、基幹導波路に入射する光の波長とを、波長
変換により異なる波長にして、それぞれ基幹導波路を伝
搬させる。

【００２０】一般に、同一幅の導波路では、波長が短い
程高次モードが励振され易いので、波長λの光に対して
シングルモード導波路、波長λ’(＜λ ）の光に対して
ダブルモード導波路となるように、基幹導波路の幅と、
光の波長とを設定することにより、基幹導波路は、照明
手段からの光（波長λ ）に対してはシングルモード導
波路、被検物体からの反射光（波長λ’ ）に対しては
ダブルモード導波路として、それぞれの光を伝搬させる
ことが可能である。これにより、基幹導波路は、波長λ
の光に対しては常にシングルモード導波路であるの
で、奇モード（１次モード）を励振してしまう恐れは全
くなく、被検物体への照明光は常に０次モードのみで伝
搬して、光強度分布および位相分布が正規分布のスポッ
ト光を被検物体に照射することができる。

【００２１】よって、基幹導波路に照明光を入射させる
手段と、基幹導波路との接続関係は、伝搬した光を効率
よく受け渡すことができれば十分である。したがって、
厳密な精度で製造する必要はなく、既知の方法により容
易に形成することができる。

【００２２】一方、基幹導波路は、被検物体からの波長
λ’ の反射光に対しては、常にダブルモード導波路で
あるので、反射光の強度分布あるいは位相分布の非対称
性に応じて、０次モードの光と１次モードの光が励振さ
れ、両者を干渉させて、干渉光の強度分布の非対称性を
検出することにより、被検物体の微分情報を得ることが
できる。

【００２３】上述の波長変換では、λ’=１／２λの場
合、即ち、反射光を照明光の第２高調波（以下ＳＨ波と
記す）とすることができる。このとき、波長変換手段
は、基幹導波路上に配置することもできるし、情報検出
デバイス外部に配置することもできる。

【００２４】導波路上で波長変換を行うものについて
は、既に多くの提案がなされており、これらの既知の波
長変換手段を用いることができる。例えば、導波路上
に、分極の反転した領域をグレーテイングのように周期
的に設けることにより、ＳＨ波を疑似的に位相整合させ
る疑似位相整合（以下ＱＰＭと記す）によるＳＨ波発生
（以下ＳＨＧと記す）方法がある。

【００２５】具体的には、基幹導波路を非線形光学効果
を有する材料によって構成し、その一部に、ＳＨＧ係数
（ｄ係数）の反転した領域を周期的に設ける。基本波
（波長λ、周波数ω）の実効屈折率をＮ_ω、ＳＨ波（波
長１／２λ、周波数２ω）実効屈折率をＮ_2ω とした場
合、分極反転領域の周期Λを、下式（数１）を満たすよ
うにする。

【００２６】

【数１】Λ＝（λ／２）／（Ｎ_2ω−Ｎ_ω）ＱＰＭについては、J.A.Armstrong et al.,Phys.Rev.12
7(1962)1918.や、栖原敏明、西原浩：レーザー研究21
（1993）1097や、E.J.Lim,et al.,Electron.Lett.,25,
(1989)731等に記載されているので、ここでは詳細な説
明を省略する。

【００２７】また、情報検出デバイスの外部に波長変換
手段を配置する場合には、波長変換手段として、例え
ば、バルクの非線形結晶を用いた複屈折位相整合タイプ
ＳＨＧ素子を用いることができる。これらの波長変換手
段を、情報検出デバイスから被検物体に照射される照明
光の光路上に配置することにより、基幹導波路を伝搬す
る照明光と、反射光とを異なる波長にすることができ
る。

【００２８】以下、本発明の実施の形態を図面を用いて
説明する。

【００２９】本発明の第１の実施の形態の光情報検出デ
バイスを用いたモード干渉型レーザ走査顕微鏡につい
て、図１を用いて説明する。

【００３０】まず、光情報検出デバイスの構成について
説明する。

【００３１】Ｚカット（主平面がｚ軸に垂直）のニオブ
酸リチウム基板３には、基幹チャネル導波路５と、基幹
チャネル導波路５を３本の枝導波路に分岐する分岐部４
と、分岐部４に接続された３本の枝チャネル導波路２、
１１、１２が形成されている。導波光の伝搬方向は、Ｘ
方向である。各導波路は、基板３をプロトン交換した後
アニールすることにより形成される。

【００３２】基幹チャネル導波路５の端面７、および、
枝チャネル導波路２、１１、１２の端面は、基板３の対
向する端面にそれぞれ配置されている。

【００３３】枝チャネル導波路２の端面には、波長１．
３μｍの直線偏光レーザ光源１が、最も効率良く結合す
るように接続されている。光源１は、導波光がＴＭモー
ドとなるように配置されている。

【００３４】また、枝チャネル導波路１１、１２の端面
には、これらの導波路を伝搬してきた光を検出するため
の光検出器１３、１４が接続されている。光検出器１
３、１４には、減算回路１５が接続されている。

【００３５】基幹チャネル導波路５および枝チャネル導
波路２、１１、１２は、導波路の幅を４μｍとした。こ
れにより、基幹チャネル導波路５は、波長１．３μｍに
対してはシングルモード導波路、波長０．６５μｍに対
してはダブルモード導波路となる。

【００３６】また、基幹チャネル導波路５には、いわゆ
るＱＰＭによるＳＨＧ領域６を設けた。ＳＨＧ領域６
は、図５（ａ）、（ｂ）のように、ニオブ酸リチウムの
ＳＨＧ係数（ｄ係数）の符号を反転させた領域１０１を
周期Λで配置したものである。領域１０１は、ニオブ酸
リチウム基板３にＴｉを内拡散することにより、分極を
反転させた領域である。ＳＨＧ領域６の長さは、必要な
強度の第二次高調波（ＳＨ波：０．６５μｍ）が得られ
る長さにした。また、ＳＨＧ領域６は、基幹チャネル導
波路５の端面７に近い位置に配置した。

【００３７】本実施の形態では、波長１．３μｍ、０．
６５μｍの光に対する基幹チャネル導波路５の等価屈折
率（Ｎ_ω、Ｎ_2ω ）は、それぞれ２．１４５９、２．１
９９９となる。したがって、ＳＨＧ領域６でのＱＰＭの
条件を得るための分極反転ドメイン周期Λは、（数１）
より約１２μｍとした。

【００３８】ＳＨＧ領域６と導波路２、５、１１、１２
を基板３に作成する手順としては、最初に、Ｔｉ拡散に
より分極反転領域１０１を形成し、その後、アニールを
施すプロトン交換（以下、ＡＰＥと記す）により、導波
路２、５、１１、１２を形成した。このような順で作製
するのは、導波路形成の後でＳＨＧ領域６を形成する
と、ＳＨＧ領域６の形成時のＴｉ拡散のための高温処理
により、ＡＰＥ導波路の特性が大きく変化してしまうた
めである。

【００３９】以上のような構成の情報検出デバイスを、
基幹チャネル導波路５の端面７が被検物体１０の方に向
くように配置する。端面７と被検物体との間には、ダイ
クロイックミラー１０２と、走査装置８と、集光レンズ
９とが配置される。また、走査装置８と減算回路１５に
は、制御装置１０３が接続され、制御装置１０３には、
表示装置１０４が接続される。これらによって、モード
干渉レーザ走査顕微鏡が構成される。ダイクロイックミ
ラー１０２は、波長１．３μｍの光を反射し、０．６５
μｍの光を透過する。走査装置８は、端面７から出射さ
れた光を被検物体１０上で走査するための装置である。

【００４０】次に、図１のモード干渉レーザ走査顕微鏡
の動作について説明する。

【００４１】直線偏光レーザ光源１から出射した光は、
中央の枝チャネル導波路２をＴＭモードで伝搬し、分岐
領域４を経て基幹チャネル導波路５に導かれ、これを伝
搬する。このとき、中央の枝チャネル導波路２および基
幹チャネル導波路５は、波長１．３μｍの光に対して、
シングルモード導波路であるので、枝チャネル導波路２
から基幹チャネル導波路５に入射した光は、枝チャネル
導波路２の中心線と基幹チャネル導波路５の中心線とが
完全に一致していなくとも、常に０次モードのみで伝搬
する。

【００４２】伝搬した０次モード光は、基幹チャネル導
波路５内のＳＨＧ領域６で、波長０．６５μｍのＳＨ波
に変換される。このとき、基幹チャネル導波路５は、波
長０．６５μｍの光に対して、ダブルモード導波路であ
るが、ＳＨＧ領域６に入射した光が０次モードであるた
め、０次モードのみが励振される。励振された０次モー
ド光は、基幹チャネル導波路５を伝搬し、端面７から出
射される。ＳＨＧ領域６は、端面７に近い部分に設けら
れているため、伝搬している間に１次モード光が励振さ
れるおそれも小さく、端面７からは、強度分布および位
相分布が正規分布のスポット光が被検物体１０に向けて
出射される。

【００４３】端面７からの出射光は、ダイクロイックミ
ラー１０２を通過する。このとき、出射光に含まれる、
ＳＨ波に変換されなかった波長１．３μｍの光は、ダイ
クロイックミラー１０２で反射され、波長０．６５μｍ
のＳＨ波のみが、ダイクロイックミラー１０２を透過
し、走査装置８に至る。

【００４４】光は、走査装置８によって走査され、集光
レンズ９によって、被検物体１０上に集光される。

【００４５】被検物体１０の表面で反射された光は再び
レンズ９、走査装置８を通り、基幹チャネル導波路５の
端面７に集光され、基幹チャネル導波路に入射する。

【００４６】基幹チャネル導波路５は、波長０．６５μ
ｍの光に対してダブルモード導波路であるので、被検物
体１０上に集光したスポット内での段差や反射率の分布
があれば、その分布による反射光の強度分布あるいは位
相分布の非対称性に応じて、基幹チャネル導波路には０
次モードの光および１次モードの光が励振される。両モ
ードは、基幹チャネル導波路５内でモード干渉して、蛇
行しながら伝搬し、分岐領域４で光分配用枝チャネル導
波路２、１１、１２に分岐される。

【００４７】２本の枝チャネル導波路１１、１２の導波
路端に取り付けられた光検出器１３、１４の検出した光
量を、減算回路１５が減算することにより、被検物体１
０の微視的段差や反射率の分布を精度よく検出すること
ができる。制御装置１０３は、走査装置８が走査する光
スポットの位置をとりこみ、この光スポットを照射され
た被検物体の段差や反射分布等の情報に対応する減算回
路１５の出力と、光スポットの位置とを合成し、被検物
体１０の表面画像を表示装置１０４に表示させる。

【００４８】なお、被検物体１０からの波長０．６５μ
ｍの反射光が基幹導波路５を伝搬する際に、導波光がＳ
ＨＧ領域６を通過するが、ＳＨＧ領域６の周期Λが、波
長０．６５μｍのＳＨ波（波長０．３２５μｍ）の位相
整合条件を満たしていないため、ＳＨ波（波長０．３２
５μｍ）は発生しない。また、本実施の形態では、導波
路基板として、二オブ酸リチウムを用いているため、
０．３２５μｍの波長の光が発生したとしても、この光
は、ほとんど伝搬することがなく、問題はない。

【００４９】また、枝チャネル導波路２の中心線と、基
幹チャネル導波路５の中心線とは、完全に一致している
ことが望ましいが、これらの中心線に製造時にズレが生
じても、本実施の形態の構成を用いることにより、枝チ
ャネル導波路２および基幹チャネル導波路５を、光源１
の光の波長に対して、シングルモード導波路にすること
ができる。これにより、照明光を常に０次モードのみで
伝搬して、強度や位相が正規分布な光を被検物体１０に
向けて出射することができる。また、被検物体１０から
の反射光の波長に対しては、基幹チャネル導波路５は、
ダブルモード導波路であるため、反射光の強度分布ある
いは位相分布の非対称性によって０次モードと１次モー
ドとが励振され、両者のモード干渉を利用して、被検物
体の傾斜や反射率の分布を検出できる。

【００５０】従って、第１の実施例の構成によれば、枝
チャネル導波路２の中心線と、基幹チャネル導波路５の
中心線とが、製造時の工程において、完全に一致させる
ことができなかった情報検出デバイスを使用することが
可能になるため、製造コストを低減することができる。

【００５１】なお、図１の構成において、被検物体１１
１の傾斜や段差等のように、光ビームに非対称な位相分
布を与えるような情報を観察するときには、基幹チャネ
ル導波路５に入射した反射光がダブルモードで伝搬する
長さＬを、

【００５２】

【数２】Ｌ＝Ｌc（２ｍ＋１）／２（ｍ＝０，１，
２，・・・）にすることにより、傾斜や段差を最も効率よく検出する
ことができる。

【００５３】また、被検物体１０の反射率分布等のよう
に、光スポットに非対称な強度分布を与えるような情報
を観察するときには、基幹チャネル導波路５に入射した
反射光がダブルモードで伝搬する長さＬを、

【００５４】

【数３】Ｌ＝ｍ・Ｌc （ｍ＝１，２，・・・）にすることにより、反射率分布等を最も効率よく検出で
きる。

【００５５】但し、Ｌcは、完全結合長（０次モードと
１次モードの位相差がπとなる長さ）である。

【００５６】また、位相分布と強度分布とを合わせて検
出したい場合には、（数２）と（数３）の間の任意の長
さＬにすることにより、位相分布と強度分布とを任意の
比率で合わせて検出することができる。

【００５７】Ｌが、（数２）または（数３）を満足する
ように定めた場合に、位相分布または強度分布が最も効
率よく検出できる理由については、特開平４−２０８９
１３号公報に詳細に記されているので、説明を省略す
る。

【００５８】ここで、基幹チャネル導波路５に入射した
光がダブルモードで伝搬する長さＬとは、基幹チャネル
導波路５の端面から入射したＴＥ光がダブルモードで伝
搬して、枝チャネル導波路１１、１２に分岐するまでの
長さであるが、この長さは、基幹チャネル導波路５の長
さとは一致しない場合がある。

【００５９】というのは、図１では、中央の枝チャネル
導波路２と、両脇の枝チャネル導波路１１、１２とのな
す角θを大きく図示しているが、実際には、分岐部分の
結合効率を高めるために、角θを１／１００ｒａｄ程度
と非常に小さい角度にすることが望ましい。

【００６０】角θをこのように小さい角度にした場合、
基幹チャネル導波路５をダブルモードで伝搬したＴＥモ
ード光は、基幹チャネル導波路５が幾何学的には３本の
枝チャネル導波路２、１１、１２に分岐した後も、３本
の枝チャネル導波路２、１１、１２の間隔が非常に狭い
領域においては、３本の枝チャネル導波路２、１１、１
２をまたぐようにダブルモードで伝搬する。

【００６１】従って、基幹チャネル導波路５の長さを定
める場合には、枝チャネル導波路２、１１、１２をダブ
ルモードで伝搬する領域を考慮して定める必要がある。
具体的には、基幹チャネル導波路５の端面から入射した
反射光が、実際にダブルモードで伝搬する長さ、すなわ
ち、基幹チャネル導波路５の長さと枝チャネル導波路を
ダブルモードで伝搬する領域の長さとを合わせた長さを
Ｌとし、このＬが、（数２）または（数３）を満足する
ように定める。

【００６２】また、上述の第１の実施例の構成におい
て、図６のように、基幹チャネル導波路５の一部に電圧
を印加するための一対の電極１１１を配置することがで
きる。基板３は、電気光学効果を有するＬｉＮｂＯ₃に
よって構成されているため、基幹チャネル導波路５に電
圧を印加することにより、ＬｉＮｂＯ₃の電気光学効果
によって、印加電圧に応じてＴＥモード光に対する屈折
率が変化する。この屈折率の変化量に応じて、完全結合
長Ｌcが変化する。したがって、基幹チャネル導波路５
の幾何学的な長さＬが一定であっても、電極１１１から
電圧を印加することによってＬcを変化させ、上述の
（数２）または（数３）を満足させることができる。

【００６３】これにより、被検物体の傾斜や段差等の非
対称の位相分布情報を最も感度よく検出したい場合に
は、（数２）を満足する電圧をかけ、光強度分布等を最
も感度よく検出したい場合には、（数３）を満足する電
圧をかける構成にすることができる。また、位相分布情
報と光強度分布情報とを合わせて検出したい場合には、
（数２）および（数３）の間の任意のＬの値に設定する
よう電圧をかけることができる。また、電圧を印加して
いない場合に、（数２）および（数３）のいずれか一方
を満足するようにＬを定め、電圧を印加したときに他方
を満足するような構成にすることもできる。

【００６４】図６の電極１１１は、基幹チャネル導波路
５のうちＳＨＧ領域６以外の部分に電圧を印加するよう
に配置することが望ましい。というのは、ＳＨＧ領域６
に電圧を印加された場合、非線形光学効果によって実効
屈折率が変化するため、位相整合条件が変化し、位相整
合できなくなるおそれがあるためである。

【００６５】尚、第１の実施例ではＳＨＧ領域６のニオ
ブ酸リチウム結晶の分極を反転させた領域１０１を作製
する方法として、Ｔｉ内拡散法を用いたが、その他の方
法、例えば、Ｌｉ2Ｏ外拡散法、ＳｉＯ2装荷熱処理法、
Ｔｉ熱拡散法、電子ビーム走査照射法、電圧印加法等を
用いることができる。Ｌｉ2Ｏ外拡散法は、結晶を加熱
後急冷することにより、結晶表面のＬｉ2Ｏを外部に拡
散させ、分極を反転させる方法である。ＳｉＯ2装荷熱
処理法は、結晶表面にＳｉＯ2薄膜を装荷し、熱処理す
ることにより、装荷部分の分極を反転させる方法であ
る。Ｔｉ熱拡散法は、結晶表面にストライプパターンの
Ｔｉ薄膜を堆積し、熱処理してＴｉをＴｉＯ₂に酸化さ
せ、ＴｉＯ₂とＴｉＯ₂との間の領域の分極を反転させる
方法である。電子ビーム走査照射法は、結晶を接地し、
結晶表面に収束電子ビームを走査して照射することによ
り、走査部分の結晶の分極を反転させる方法である。電
圧印加法は、結晶にパルス電圧を印加することにより、
印加部分の分極を反転させる方法である。

【００６６】分極反転領域１０１は、図５（ｂ）のよう
に、反転していない部分との境界面が、基板３の表面に
垂直に、基幹チャネル導波路５の底部まで達しているこ
とが望ましい。

【００６７】また、分極反転領域１０１は、通常の光学
的方法では、直接観察できないが、弗硝酸混合溶液に浸
して分極方向によって生じるエッチング量の差を観察す
る方法を用いることにより観察することができる。ま
た、結晶表面に薄いＡｕ薄膜を、ＤＣスパッタリングに
より堆積したり、液体トナーをコーテイングすることに
より、分極反転パターンにより明暗コントラストを形成
し、これを観察することができる。

【００６８】次に、本発明の第２の実施例による光情報
検出デバイスを用いたモード干渉型レーザ走査顕微鏡
を、図２を用いて説明する。尚、第１の実施例と同じ構
成のものについては同じ符号を付して説明を省略する。

【００６９】第２の実施例の構成は、第１の実施例とほ
ぼ同じであるが、基幹チャネル導波路５にＳＨＧ領域６
を設けず、端面７とダイクロイックミラー１０２との間
に、ＳＨＧ用のＫＴＰ結晶１６を配置する。基幹チャネ
ル導波路５等の導波路の幅や、形成方法は第１の実施例
と同じである。よって、基幹チャネル導波路５は、波長
１．３μｍの光に対しては、シングルモード導波路であ
り、波長０．６５μｍの光に対してはダブルモード導波
路である。

【００７０】図２の構成のモード干渉型レーザ走査顕微
鏡では、直線偏光レーザ光源１から出射した光は、中央
の枝チャネル導波路２を伝搬し、分岐領域４を経て基幹
チャネル導波路５に導かれ、入出射端面７から出射され
る。基幹チャネル導波路５は、光源１から出射された光
（波長１．３μｍ）に対して、シングルモード導波路で
あるので、端面７からの出射光は、位相分布および強度
分布が正規分布の光である。

【００７１】端面７からの出射光は、ＳＨＧ用ＫＴＰ結
晶１６に入射する。ＫＴＰ結晶１６は、結晶１６内で、
端面７からの出射光（波長１．３μｍ：基本波）が常光
線となるように配置し、基本波から変換された波長０．
６５μｍのＳＨ波（異常光線）を得る。

【００７２】変換されたＳＨ波は、基本波と同一光軸上
で結晶１６から出射され、ダイクロイックミラー１０
２、走査装置８、集光レンズ９を通り、被検物体１０の
表面上に集光される。

【００７３】被検物体１０の表面上で反射された光は再
び集光レンズ９、走査装置８、ダイクロイックミラー１
０２、結晶１６を通り、基幹チャネル導波路５に入射す
る。このとき、結晶１６は、波長０．６５μｍの光のＳ
Ｈ波を発生しないため、基幹チャネル導波路５には、波
長０．６５μｍの光が入射する。基幹チャネル導波路５
は、波長０．６５μｍの反射戻り光に対してダブルモー
ド導波路であるので、反射光は、被検物体１０上に集光
したスポット内での段差または反射率の分布に応じて、
０次モードの光及び１次モードの光を励振し、基幹チャ
ネル導波路５内でモード干渉しながら伝搬し、分岐領域
４で光分配用枝チャネル導波路２、１１、１２に分岐さ
れる。２本の枝チャネル導波路１１、１２の導波路端に
取り付けられた光検出器１３、１４に接続されたら減算
回路１５の出力から、被検物体１０の微視的傾斜を精度
よく検出することができる。

【００７４】尚、第２の実施例では、ＳＨＧ用結晶とし
てＫＴＰ結晶を用いたが、その他のＳＨＧ用結晶、例え
ば、ＫＤＰ結晶、ＬｉＮｂＯ₃結晶、あるいはＫＮｂＯ₃
結晶等を用いてもよい。

【００７５】また、第２の実施例では、基幹チャネル導
波路５から出射された光が、被検物体１０に達する前に
波長を変換したが、被検物体１０で反射され、基幹チャ
ネル導波路５に再び入射する前に波長を変換するよう
に、結晶１６の向きを配置することも可能である。

【００７６】また、基幹チャネル導波路５を波長０．６
５μｍの光がダブルモードで伝搬する長さＬは、第１の
実施例と同様に定めることが望ましい。また、基幹チャ
ネル導波路５に電圧を印加する電極を配置することもも
ちろん可能である。

【００７７】尚、第１、第２の実施例では、直線偏光レ
ーザ光源を基板に直接接続しているが、レンズを用いて
レーザ光を基板上のチャネル導波路に結合させてもかま
わない。

【００７８】以上のようにして、第二次高調波発生（Ｓ
ＨＧ）を用い、被検物体への照明光（基本波）に対して
シングルモード導波路、被検物体からの反射光（ＳＨ
波）に対してダブルモード導波路となる基幹導波路を備
えた光情報検出デバイスを用いることにより、被検物体
の微視的傾斜や反射率の分布を高精度に検出することが
できる。

【００７９】

【発明の効果】本発明の情報検出デバイスは、基幹導波
路は、照明光の波長に対してシングルモード導波路であ
るため、照明光を基幹導波路を常に０次モードで伝搬
し、被検物体の微視的傾斜を精度良く検出することがで
きる。また、基幹導波路に照明光を入射する手段との接
続精度を緩和することができ、製造コストを下げること
ができる。

【００８０】また、この情報検出デバイスをモード干渉
レーザ走査顕微鏡に用いることにより、顕微鏡度検出精
度が向上するとともに、製造コストが低減する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による光情報検出デバイ
スを用いたモード干渉型レーザ走査顕微鏡の構成を示す
説明図。

【図２】本発明の第２の実施例のによる光情報検出デバ
イスを用いたモード干渉型レーザ走査顕微鏡の構成を示
す説明図。

【図３】従来の光情報検出デバイスの構成を示す説明
図。

【図４】従来の光情報検出デバイスの構成を示す説明
図。

【図５】図１の情報検出デバイスのＳＨＧ領域の構成を
示す（ａ）上面図、（ｂ）断面図。

【図６】図１の情報検出デバイスに電極を設けた場合の
説明図。

【符号の説明】

１、３０・・・レーザ光源、２・・・中央枝チャネル導
波路、３・・・ニオブ酸リチウム基板、４、２２、３２
・・・分岐領域、５・・・基幹チャネル導波路、６・・
・第２高調波発生（ＳＨＧ）領域、７、２０・・・入出
射端面、８・・・走査装置、９・・・集光レンズ、１０
・・・被検物体、１１、１２・・・光分配用枝チャネル
導波路、１３、１４、２５、２６・・・光検出器、１５
・・・減算回路、１６・・・第２高調波発生用結晶、２
０・・・入射端面、２１・・・ダブルモード導波路、１
０１・・・分極反転領域、１１１・・・電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基幹導波路と、前記基幹導波路に照明光を
入射させるための照明手段と、前記照明光とは逆方向に
前記基幹導波路を伝搬してきた光の強度分布の対称性を
検出するための検出手段とを有し、前記基幹導波路は、波長λの光に対して、シングルモー
ド導波路であり、かつ、波長λ’の光に対して、ダブル
モード導波路であり、前記照明手段は、波長λの光を前記基幹導波路に入射さ
せ、前記検出手段は、波長λ’の光を検出することを特徴と
する情報検出デバイス。
【請求項２】請求項１において、前記波長λ’は、λ’
＝１／２λであり、前記基幹導波路には、波長λの光を波長１／２λの光に
変換するための波長変換手段が備えられていることを特
徴とする情報検出デバイス。
【請求項３】請求項２において、前記基幹導波路は、非
線形光学効果を有する結晶で構成され、前記波長変換手
段は、前記結晶の分極を反転させた領域を周期的に配置
したものであることを特徴とする情報検出デバイス。
【請求項４】請求項３において、前記波長λの光に対す
る前記結晶の実効屈折率をＮ_ω、前記波長１／２λの光
に対する前記結晶の実効屈折率をＮ_2ωとした場合、前記波長変換手段の前記領域が配置される周期Λは、【数１】Λ＝（λ／２）／（Ｎ_2ω−Ｎ_ω）を満たすことを特徴とする情報検出デバイス。
【請求項５】請求項３において、前記結晶は、ニオブ酸
リチウム結晶であり、前記基幹導波路は、前記結晶の光
学軸のｚ軸に垂直な面内に設けられていることを特徴と
する情報検出デバイス。
【請求項６】請求項５において、前記分極を反転させた
領域は、前記結晶にＴｉが拡散した領域であることを特
徴とする情報検出デバイス。
【請求項７】請求項１において、前記照明手段は、光源
と、前記光源から出射された光を伝搬し、前記基幹導波
路に入射させる１本の導波路を有し、前記検出手段は、２つの検出器と、前記２つの検出器に
前記基幹導波路を伝搬してきた光を導く２本の導波路を
有し、前記基幹導波路には、該基幹導波路を伝搬してきた光を
３方向に分岐するための、３つの分岐路を備えた分岐部
が接続され、前記照明手段の１本の導波路は、前記３つの分岐路のう
ち中央の分岐路に接続され、この分岐路を介して前記基
幹導波路に照明光を入射させ、前記検出手段の２本の導波路は、前記３つの分岐路のう
ち両わきの分岐路にそれぞれ接続され、前記分岐路を介
して、前記基幹導波路を伝搬してきた光を前記２つの検
出器に導くことを特徴とする情報検出デバイス。
【請求項８】請求項１において、前記波長λ’は、λ’
＝１／２λであり、前記基幹導波路は、被検物体に向けて前記照明光を出射
し、被検物体からの反射光を入射させるための端面を有
し、前記端面と前記被検物体との光路上には、波長λの光を
波長１／２λの光に変換するための波長変換手段が備え
られていることを特徴とする情報検出デバイス。
【請求項９】被検物体に向けて光を照射し、反射光の強
度分布あるいは位相分布の対称性をモード干渉を利用し
て検出する情報検出デバイスと、前記情報検出デバイス
から出射された光を、前記被検物体に対し相対的に走査
させるための走査手段と、前記情報検出デバイスから出
射された光を、前記被検物体上に集光するための集光手
段とを有するモード干渉型レーザ走査顕微鏡において、前記情報検出デバイスと被検物体との間には、前記情報
検出デバイスから出射された波長λの光を波長１／２λ
の光に変換する波長変換素子が配置され、前記情報検出デバイスは、被検物体に向けて光を出射
し、反射光を伝搬する基幹導波路と、前記基幹導波路に
波長λの光を入射させるための照明手段と、前記基幹導
波路を伝搬してきた波長１／２λの光の強度分布の対称
性を検出するための検出手段とを有し、前記基幹導波路は、波長λの光に対して、シングルモー
ド導波路であり、かつ、波長１／２λの光に対して、ダ
ブルモード導波路であることを特徴とするモード干渉型
レーザ走査顕微鏡。
【請求項１０】被検物体に向けて光を照射し、反射光の
強度分布あるいは位相分布の対称性をモード干渉を利用
して検出する情報検出デバイスと、前記情報検出デバイ
スから出射された光を、前記被検物体に対し相対的に走
査させるための走査手段と、前記情報検出デバイスから
出射された光を、前記被検物体上に集光するための集光
手段とを有するモード干渉型レーザ走査顕微鏡におい
て、前記情報検出デバイスは、被検物体に向けて光を出射
し、反射光を伝搬する基幹導波路と、前記基幹導波路に
波長λの光を入射させるための照明手段と、前記基幹導
波路を伝搬してきた波長１／２λの光の強度分布の対称
性を検出するための検出手段とを有し、前記基幹導波路は、波長λの光に対して、シングルモー
ド導波路であり、かつ、波長１／２λの光に対して、ダ
ブルモード導波路であり、前記基幹導波路には、波長λの光を波長１／２λの光に
変換するための波長変換手段が備えられていることを特
徴とするモード干渉型レーザ走査顕微鏡。