JP2004325222A - 光ファイバプローブの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造プロセスを簡単化することで、製造時間の短縮及び製造コストの低減化を図ることができる光ファイバプローブの製造方法を提供する。
【解決手段】コア３とクラッド５からなる光ファイバ１の一端をクラッド５の外周からコア３の中心にかけて端部の先端角度が所定角となるように円錐研磨する円錐研磨工程と、円錐状に先鋭化された先端部７の研磨面を熱源で溶融する加熱溶融工程と、加熱溶融されたコアの先端部をエッチングにより先鋭化して、テーパ面の断面直径を光の波長以上とする検出端部を形成する先鋭化工程により光ファイバプローブを製造することで、従来の製造方法と比較し、製造コスト及び製造時間を短縮及び低減させることができる。
【選択図】 図１
【解決手段】コア３とクラッド５からなる光ファイバ１の一端をクラッド５の外周からコア３の中心にかけて端部の先端角度が所定角となるように円錐研磨する円錐研磨工程と、円錐状に先鋭化された先端部７の研磨面を熱源で溶融する加熱溶融工程と、加熱溶融されたコアの先端部をエッチングにより先鋭化して、テーパ面の断面直径を光の波長以上とする検出端部を形成する先鋭化工程により光ファイバプローブを製造することで、従来の製造方法と比較し、製造コスト及び製造時間を短縮及び低減させることができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローブ走査顕微鏡の１つである近接場光学顕微鏡において、エバネッセント光を検出又は照射する光プローブとして使用される光ファイバプローブの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光の波長以下、即ちナノスケールの構造体を測定する顕微鏡としてニアフィールド光学顕微鏡（Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下、ＮＳＯＭという）が用いられている。
【０００３】
ＮＳＯＭは、一般的な光学顕微鏡がレンズを用いて結像を行うのに対し、光ファイバプローブを用いて光の波長より小さい分解能で光学像を結像するものである。
【０００４】
図５（ａ）は、ＮＳＯＭ等の近接場光学顕微鏡の一構成例を示す図である。この顕微鏡は、試料表面からの距離Ｌが光の波長よりも小さい、つまり極めて近接した領域に局在するエバネッセント波をプローブ１０２を介して検出し、試料の形状を測定するものである。
【０００５】
具体的には、全反射条件下で試料にレーザ光を照射することにより生じたエバネッセント波１００を、プローブ１０２の先鋭部１０１（ナノメートルサイズに設計されている）の先端で錯乱させ、錯乱されたこの光を、先鋭部１０１を介して光ファイバのコア内に導き、光ファイバの他端に設けられている検出器で検出することで試料の表面形状を測定している。プローブ１０２を試料全体上で走査させた場合、試料表面の２次元画像を得ることができる。
【０００６】
ここで図５（ｂ），（ｃ）を参照して、従来の光ファイバプローブ１０２の構造を説明する。図５（ｂ）はチッププローブの縦断面図であり、図５（ｃ）は開口プローブの縦断面図である。
【０００７】
チッププローブは、円錐状に形成された先鋭部１０１の先端１０１ａが、ナノメートルサイズに先鋭化されたものである。開口プローブは、先鋭部１０１の先端を除き、その外周が金属等からなる遮光性被覆層１０４で覆われており、遮光性被覆層１０４が形成されていない先端が散乱光の開口部１０４ａとなるものである。この開口部１０４ａは、ナノメートルサイズで開口されており、この状態で光ファイバプローブ１０２として使用される。
【０００８】
近接場光学顕微鏡の分解能は、この光ファイバプロ−ブ先端の開口径に依存する。高分解能を得るためには、チッププローブの場合、試料とプローブ１０２の大きさを近くすること、開口プローブの場合、試料とプローブ１０２の間の距離がプローブ１０２の大きさ以下とすることが必要である。
【０００９】
そこで所定の開口径を得る光ファイバプローブの製造方法を説明する。
図５（ｂ）に示したチッププローブの開口部１０１ａの形成方法は、光ファイバの一端を化学エッチング液に浸漬し、光ファイバの外周から中心にかけて一端を円錐状に先鋭化することで開口部１０１ａを形成する。
【００１０】
このとき先端の開口径が小さく、且つ、分解能の高いプローブを得るためには、先鋭部１０１の先鋭角θをできるだけ小さくし鋭い形状とすることが必要である。しかし、先鋭角θを小さくし過ぎると、先鋭部１０１での光の損失が大きくなり、透過効率が低下する。そのため先鋭角θを無闇に小さくするわけにはいかず、分解能の向上に限界がある。
【００１１】
一方、開口プローブの開口部１０４ａの作製方法は、光ファイバの一端に上記円錐状の先鋭部１０１を形成した後、例えば真空蒸着法により先鋭部１０１の先端を除いてその外周に遮光性被覆層１０４を形成することで開口部１０４ａを形成する。
【００１２】
このような開口プローブは、先鋭部１０１の断面直径が波長以下となる領域（以下、先端部から断面直径が波長と等しくなる位置までの寸法をチップ長Ｌとする）において、光が金属に著しく吸収され透過効率が低下する。そこで透過効率を確保するために先鋭部１０１の先鋭角θを大きくし、チップ長Ｌを短くすることが必要である。しかし先鋭角θを大きくすると、遮光性被覆層１０４の開口部近傍での遮光性被覆層１０４の厚みが薄くなり、光が十分に遮蔽されないため実質的に開口径が大きくなることから分解能の低下を招くという問題がある。
【００１３】
上記方法で先鋭化されたチッププローブや開口プローブは、透過効率と分解能の両立が難しい。そこで高透過効率を有しつつ高分解能が得られる光ファイバープローブの製造方法が提案された。
【００１４】
図６は、特許第３２６０３００号公報記載の上記効果を有する光ファイバプローブの製造方法を示す工程図である。
【００１５】
図６（ａ）に示す図は、加工前の光ファイバの断面図である。同図に示すように、光ファイバ１１０は、コア径が１０μｍ、クラッド径が１２５μｍの一般的なシングルモード光ファイバである。
【００１６】
次いでこの光ファイバ１１０を、図６（ｂ）に示すように、一端をエッチング液に浸漬して、クラッド１１２の外周に形成されるエッチング液のメニスカスを利用して傾斜部１１３を形成する。
【００１７】
このエッチング液は、液面上にこのエッチング液よりも比重の小さい液体が滴下されており、この液体を浮かせてなる浮遊層との２層からなる。その中に光ファイバ１１０を挿入することで、挿入した位置から表面張力により光ファイバ側面上に伝い上ってきたエッチング液（メニスカス）でクラッドの外周を溶解する。ここで具体的に浮遊層とは、エッチング液の蒸発を防止するためのものであり、例えば低粘度ジメチルシリコーンオイル等の有機溶液が用いられる。
【００１８】
このようにエッチング液と接触しているクラッド１１２のみがエッチングにより溶解されるため、これによりクラッド１１２の直径が減少する。このときメニスカスの高さは、光ファイバ１１０の直径が減少するにつれて低くなるので、メニスカスの初期高さに相当する位置ではエッチング液と接触する時間が短く、それより下側になる程エッチング液と接触する時間が長くなる。
【００１９】
従って、図６（ｂ）に示すように、メニスカスの初期高さＳに相当する位置から下側では下に行くほど直径が小さくなり、外周から内周に向かって傾斜する傾斜部１１３が形成される。
【００２０】
このようにしてクラッド１１２に傾斜部１１３を形成した後、図６（ｃ）に示す第１先鋭化工程により、コア１１１の一端をクラッド１１２から突出させると共に円錐状に先鋭化する。
【００２１】
つまり第１先鋭化工程では、コア１１１のエッチング速度をＲ１２とし、クラッド１１２のエッチング速度をＲ２２とした場合に、Ｒ１２＜Ｒ２２となるようなエッチング条件のエッチング溶液を生成し、このエッチング液で先鋭化を行う。
【００２２】
このエッチング液に、先のクラッド傾斜工程で傾斜部１１３が形成された光ファイバ１１０の一端を浸漬すると、光ファイバ１１０の先端側ではクラッド１１２のエッチング速度Ｒ２２がコア１１１のエッチング速度Ｒ１２よりも大きいので、クラッド１１２の方がコア１１１よりも先にエッチングされ、コア１１１がクラッド１１２から突出してくる。光ファイバ１１０の外周面側では、外周面に露出しているクラッド１１２がエッチングされると共に、クラッド１１２がエッチングされることによって先端側からコア１１１の外周面が露出しはじめ、この外周面に露出したコア１１１も引き続きエッチングされる。このときコア１１１の外周面を先端側から露出させることにより、先端側に行く程エッチング量が多くなり直径が小さくなる。このエッチングを一定時間続けることで、図６（ｃ）に示すように、クラッド１１２から突出した円錐状のコア１１１の一端に、先鋭部１１４が形成される。
【００２３】
次いで図６（ｄ）に示すように、第２先鋭化工程で先鋭部１１４の傾斜角を２段階に変化させる先鋭化を行う。まずコア１１１のエッチング速度をＲ１３とし、クラッド１１２のエッチング速度をＲ２３とした場合に、Ｒ１３＞Ｒ２３となるようなエッチング条件のエッチング溶液を生成し、このエッチング液で先鋭化を行う。
【００２４】
このエッチング液に、先の第１先鋭化工程で先鋭部１１４が形成された光ファイバ１１０の一端を浸漬すると、光ファイバ１１０の先端側ではコア１１１のエッチング速度Ｒ１３がクラッド１１２のエッチング速度Ｒ２３よりも大きいので、コア１１１の方がクラッド１１２よりも先にエッチングされ、クラッド１１２から突出するコア１１１の先端部の長さが徐々に短くなっていく。光ファイバ１１０の外周面側では、外周面に露出しているコア１１１がエッチングされると共に、クラッド１１２がエッチングされることによって先端側からコア１１１の外周面が新たに露出し、エッチングされる。このとき、コア１１１の外周面を先端側から露出させることにより、先端側に行く程エッチング量が多くなり傾斜状となる。
【００２５】
これによりコア１１１には、傾斜角が異なる第１のテーパ面１１５と第２のテーパ面１１６が形成され、クラッド１１２には第３のテーパ面１１７が形成される。このようにメニスカスを利用したエッチング方法を、一般にメニスカスエッチング法という。
【００２６】
次に、図７（ａ）〜（ｄ）を参照して、上記製造方法と異なる光ファイバプローブの製造方法を説明する。この製造方法は、光ファイバを溶融延伸して作製することから溶融延伸法といわれている。
【００２７】
まず図７（ａ）に示すように、コア径が１０μｍ、クラッド径が１２５μｍの一般的なシングルモード光ファイバを用意する。
【００２８】
次いで、図７（ｂ）に示すように、光ファイバ１３０の所定部分を熱源を用いて溶融し、光ファイバの両側を引きながら延伸分離する。これにより同図に示すように、クラッド１３２に傾斜部を形成する。
【００２９】
分離後の光ファイバ１３０は、図７（ｃ）に示すように、溶融延伸された一端部のクラッド１３２上に傾斜部１３３を有し、傾斜部１３３よりも先端側で角度の鋭い糸を引いたような形状を有している。このコア１３１は、延伸されたことにより先端部分の開口径が減少しており、先端面がクラッド１３１に埋まった形となっている。
【００３０】
次に図７（ｄ），（ｅ）に示すように、第１先鋭化工程と第２先鋭化工程を行う。これら工程は、図６（ｃ），（ｄ）で説明したメニスカスエッチング法の第１及び第２先鋭化工程と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００３１】
このようにして図７（ｄ）に示すように、コア１３１には、傾斜角が異なる第１のテーパ面１３５と第２のテーパ面１３６が形成され、クラッド１３２には第３のテーパ面１３７が形成される。
【００３２】
【特許文献１】
特許第３２６０３００号公報
【００３３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術で述べたように、光ファイバプローブの作製には、メニスカスエッチング法、或いは溶融延伸法が適用されている。
【００３４】
メニスカスエッチング法を適用した場合は、浮遊層の粘度や石英光ファイバへの漏れ性等でメニスカスの状態が決まることから、自由な傾斜角を得ること難しいという問題がある。
【００３５】
また、図７（ｂ）に示したように、光ファイバを延伸分離した場合は、分離された先端側面の平滑性が劣るため、正常なエッチング処理が行なえず、所望の先端部を得られないという問題がある。
【００３６】
また、エッチング液に光ファイバを浸漬すると、光ファイバとエッチング液が反応し、エッチング液に溶解した反応生成物の作用により、浮遊層とエッチング層の境界の液組成が変化するため、エッチング液を反復使用できず、製造コストが高くつくという問題がある。
【００３７】
一方、溶融延伸法を適用した場合は、溶融延伸法の最大の欠点である傾斜部のコアの細径化が起きるという問題がある。
【００３８】
また、コア１３１を覆うクラッド１３２の厚みが延伸条件により異なるため、その厚みに応じてエッチング速度比の異なるエッチング溶液を生成しなければない。これは非常に手間がかかり煩雑となる他、製造時間及び製造コストが増加するため歩留まりを悪くする。
【００３９】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、製造プロセスを簡単化することで、製造時間及び製造コストを低減することができる光ファイバプローブの製造方法を提供することにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の本発明は、コアとクラッドからなる光ファイバの一端にクラッドの外周からコアの中心にかけて円錐状に先鋭化された検出部を有する光ファイバプローブの製造方法であって、コアとクラッドからなる光ファイバの一端をクラッドの外周からコアの中心にかけてこの一端の先端角度が所定角となる円錐研磨を行う円錐研磨工程と、円錐研磨されてなる先端部のテーパ表面を熱源で溶融する加熱溶融工程と、加熱溶融されたコアの先端部をエッチングにより先鋭化する第１先鋭化工程と、エッチングにより先鋭化されたコアの先端部を、エッチングにより傾斜角を２段階に変化させて、先端部の先端側の第１テーパ面の傾斜角が、この第１のテーパ面に連続した第２のテーパ面の傾斜角よりも小さく、第２テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以上とし、第１テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以下とする第２先鋭化工程とを有することを要旨とする。
【００４１】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の光ファイバプローブの製造方法において、加熱溶融工程は、円錐研磨されてなる先端部を、アーク放電で加熱することを要旨とする。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００４３】
本発明の光ファイバプローブの製造方法は、従来のエッチング法において傾斜部を形成するときはエッチングにより形成していたこと、又、溶融延伸法において傾斜部を形成するときは延伸分離により形成していたことに代えて、円錐研磨により傾斜部を形成する点に特徴がある。
【００４４】
この製造方法は、光ファイバの先端を所望の角度で研磨できることを基本とし、研磨により生じる特有の欠点を消去する作用も含んでいる。
【００４５】
つまり、本発明の製造方法によれば、先端部を自由な選択角で加工することができるという特長を有する反面、後工程のエッチング処理工程において、研磨面に研磨傷が残っているとエッチングにより研磨傷が拡大される恐れがある。
【００４６】
研磨傷が拡大された場合、拡大された傷が亀裂となって破断することや、亀裂部分から欠ける等の問題が生じる可能性がある。そのため研磨面の傷は極力消去しなければならない。また、先端部を自由な選択角で加工できることから極めて鋭く研磨することが可能であるが、その反面、先端部が脆くなり欠ける等の問題が生じる。
【００４７】
そこで本発明の製造方法は、これら２点の欠点を解消するために、研磨後のテーパ表面をアーク放電等により半溶融させることで、研磨による傷を消去すると共に、先端部を曲面化させ先端部の欠けを防止するものである。
【００４８】
具体的には、研磨によって先鋭化したコア先端部が曲面化するようにアーク放電等により研磨したテーパ面を半溶融させる加熱処理を施す。これにより無傷のテーパ表面が得られるほか、他の利点として、先端部の偏心解消効果も得られる。
【００４９】
この偏心解消効果とは、つまり従来のエッチング法によるコアの先鋭化は、コアとクラッドのエッチング液に対する溶解度の差を利用するため光ファイバの平面切断面（クリーブカット、平面研磨など）では、仮にコアが１μｍ偏心していても先鋭化に支障は無いが、研磨法で先端を先鋭化したものでは、研磨による偏心と同時に光ファイバ自身の偏心を含めて研磨先端をコア中心に一致させることは不可能である。この問題の解決方法としては、先鋭化されたコアの先端部をアーク放電等によって半溶融させ曲面化することが効果的である。
【００５０】
このようなことから本発明の製造方法では、コアとクラッドからなる光ファイバの一端をクラッドの外周からコアの中心にかけてこの一端の先端角度が所定角となる円錐研磨を行う円錐研磨工程と、円錐研磨されてなる先端部のテーパ表面を熱源で溶融する加熱溶融工程と、加熱溶融されたコアの先端部をエッチングにより先鋭化する第１先鋭化工程と、エッチングにより先鋭化されたコアの先端部を、エッチングにより傾斜角を２段階に変化させて、先端部の先端側の第１テーパ面の傾斜角が、この第１のテーパ面に連続した第２のテーパ面の傾斜角よりも小さく、第２テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以上とし、第１テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以下とする第２先鋭化工程とで構成することで、光ファイバプローブを作製する。
【００５１】
具体的に、図１を参照して、本発明の製造方法を説明する。
図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明の光ファイバプローブ１の製造方法を示す工程図である。
【００５２】
図１（ａ）は、加工前の光ファイバ１の縦断面図である。同図に示すように、光ファイバ１は、長尺のコア３の外周を覆うようにクラッド５が形成された一般的なシングルモード型光ファイバである。コア３は、二酸化ゲルマニウムがドープされた石英系ガラスであり、クラッド５は純粋石英ガラスである。コア３の外径は１０μｍ程度であり、クラッド５の外径は１２５μｍ程度である。
【００５３】
この光ファイバ１の一端を、図１（ｂ）に示すように、円錐研磨機を用いてクラッド５の外周からコア３の中心にかけて先端角度φ１が５５°となるまで円錐研磨し傾斜部７を形成する。これにより５５°の先端角度を有する円錐状の先端部を形成することができる。
【００５４】
続いて、図１（ｃ）に示すように、円錐状の先端が半溶融する程度にアーク放電によって加熱する。これにより研磨後の傾斜部（テーパ表面）７表面の研磨傷を消去し鏡面化できる共に、円錐状の先端を曲面化することができる。具体的に形成される先端の曲率半径Ｒは３〜１０μｍの範囲となる。
【００５５】
次に、図１（ｄ）に示すように、従来のエッチング法と同様に第１先鋭化工程のエッチングを行うことでクラッド５からコア３を突出させて先鋭部９を形成する。
【００５６】
つまり第１先鋭化工程では、コア３のエッチング速度をＲ１２とし、クラッドのエッチング速度をＲ２２とした場合に、Ｒ１２＜Ｒ２２となるようなエッチング条件のエッチング溶液を生成し、このエッチング液に、先のクラッド傾斜工程で円錐研磨して得た傾斜部７を有する光ファイバ１の一端を浸漬する。
【００５７】
光ファイバ１の先端側では、クラッド５のエッチング速度Ｒ２２がコア３のエッチング速度Ｒ１２よりも大きいので、クラッド５の方がコア３よりも先にエッチングされ、コア３がクラッド５から突出してくる。
【００５８】
光ファイバ１の外周面側では、外周面に露出しているクラッド５がエッチングされると共に、クラッド５がエッチングされることによって先端側からコア３の外周面が露出しはじめ、この外周面に露出したコア３も引き続きエッチングされる。
【００５９】
このときコア３の外周面を先端側から露出させることにより、先端側に行く程エッチング量が多くなり直径が小さくなる。このエッチングを一定時間続けることで、図１（ｄ）に示すように、クラッド５から突出した円錐状のコア３の一端に先鋭部９が形成される。尚、このとき先鋭部９の先鋭角φ２は、８０°である。
【００６０】
次いで、図１（ｅ）に示すように、第２先鋭化工程で先鋭部９の傾斜角を２段階に変化させる先鋭化を行う。
つまり第２先鋭化工程では、コア３のエッチング速度をＲ１３とし、クラッド５のエッチング速度をＲ２３とした場合に、Ｒ１３＞Ｒ２３となるようなエッチグ条件のエッチング溶液を生成し、このエッチング液に、先の第１先鋭化工程で先鋭部９が形成された光ファイバ１の一端を浸漬する。光ファイバ１の先端側では、コア３のエッチング速度Ｒ１３がクラッド５のエッチング速度Ｒ２３よりも大きいので、コア３の方がクラッド５よりも先にエッチングされ、クラッド５から突出するコア３の先端部の長さが徐々に短くなっていく。
【００６１】
光ファイバ１の外周面側では、外周面に露出しているコア３がエッチングされると共に、クラッド５がエッチングされることによって先端側からコア３の外周面が新たに露出し、エッチングされる。
【００６２】
このときコア３の外周面を先端側から露出させることにより、先端側に行く程エッチング量が多くなり傾斜状となる。これによりコア３には傾斜角が異なる第１のテーパ面１１と第２のテーパ面１３が形成され、クラッド５には第３のテーパ面１５が形成される。
【００６３】
上記工程において第１先鋭化工程で行う円錐研磨は、図２に示す様な方法で円錐研磨を行う。
この円錐研磨を行なう研磨機は、円盤状の研磨板２１と、この研磨板２１を回転させる回転制御部（図示せず）と、光ファイバ１を握持する握持部（図示せず）と、この握持部をｘｙｚ方向に自由自在に移動させる移動制御部（図示せず）とを有し、研磨板２１の表面には研磨布又は研磨紙が貼り付けられている。
【００６４】
この研磨機で円錐研磨を行う場合は、まず握持部に光ファイバ１を設定し、移動制御部の制御により光ファイバ１の先端を研磨板２１上に移動させる。このとき光ファイバ１と研磨板２１がなす角θが所定の角度となるように調節する。そして角度調節完了後、研磨板２１の回転を開始し、同時に移動制御部の制御により光ファイバ１の先端を研磨板２１に接触させつつ光ファイバ１自身をコア中心軸を軸にして円周方向に回転させる。これにより光ファイバ１のクラッド５が外周から内周に向って研磨される。このとき移動制御部の制御により、光ファイバ１を研磨板２１に押し付けながら研磨することで先端部が先鋭化されてゆき、最終的に先鋭角φ１を有する先端部が形成される。
【００６５】
また、本発明の加熱溶融工程において、研磨機で研磨された先端部を鏡面化及び曲面化するためには光ファイバ融着器を用いる。図３は、光ファイバ融着器の概略構成を示す図である。
【００６６】
この光ファイバ融着器は、対向配置された電極端子２３と、この電極端子２３に高電圧を供給する電圧供給部（図示せず）と、対向配置された電極端子２３間に光ファイバ１を配置固定させる保持部（図示せず）と、この保持部を移動させる移動制御部とを少なくとも有している。
【００６７】
この光ファイバ融着器で溶融を行う場合は、まず保持部に円錐研磨された光ファイバ１の先端部を設定し、移動制御部の制御により先端部を電極端子２３間に移動させる。次いで、電圧供給部の電圧供給により電極端子２３間に円錐研磨された先端部が半溶融する程度にアーク放電によって加熱すると、円錐研磨された光ファイバ１の研磨面が鏡面化及び曲面化される。
【００６８】
このように円錐研磨された光ファイバ１の先端部をアーク放電を用いて加熱溶融させることで、研磨面が平滑化されると共に、先端部の曲率Ｒを３〜１０μｍ程度に曲面化することができる。
【００６９】
更に、本発明の製造工程において第１先鋭化工程で用いるエッチング液としては、次のようなものが適当である。
濃度４０重量％ＮＨ４Ｆ水溶液：濃度５０重量％ＨＦ酸：Ｈ２Ｏ の体積比が、１０：１：Ｙ（但し、Ｙ＞３０）、或いは１．７：１：Ｙ（但し、Ｙ＞１）の緩衝フッ化水素溶液である。
【００７０】
従って、本発明の製造方法によれば、研磨機を用いて円錐研磨を行うので、光ファイバ１の先端を自由な角度で先鋭研磨することができる。また光ファイバ１の先端角を５５°まで円錐研磨し、その後加熱溶融して曲率半径Ｒ＝３〜２０μｍとし、更にエッチング溶液に浸漬して細径化を行うことで、光ファイバの先端に開口径を５０〜１００ｎｍとする検出部を形成することができる。
【００７１】
また、本発明の製造方法によれば、クラッド傾斜工程（円錐研磨）、加熱工程（先端溶融）及び第１及び第２先鋭化工程で作製することができる。これにより従来のクラッド傾斜工程で必要であったエッチング液と時間のかかるエッチング工程が、本発明では不要となる。その結果、製造コストを低減化することができると共に製造時間を短縮化できる。
【００７２】
更に、本発明の製造方法によれば、円錐研磨後の研磨面をアーク放電で加熱溶融することで、研磨面に刻まれた微小傷を消去することができるので、その後のエッチング工程で研磨傷が拡大することを防止することができる。
【００７３】
また、本発明の製造方法によれば、加熱溶融を行うことで、軸ずれ補正の効果を得ることができる。図４（ａ）は、円錐研磨によりコアの軸ずれが生じた場合の先端部の縦断面図である。同図に示すように、光ファイバ１のコア３は光ファイバ１の中心軸１７に沿って必ずしも正確に設けられておらず、多くの場合、光ファイバの中心軸１７から若干ずれた位置にコア３の中心軸１９がある。そのため、このような光ファイバ１を円錐研磨した場合、コア先端部は必ずしもコアの中心と一致する様には露出されない。
【００７４】
そこで図４（ａ）に示した円錐研磨後の光ファイバ先端部分に、アーク放電を行うと、図４（ｂ）に示すように、先端部が曲面化されてコア先端が全体的に丸みを帯びた状態に均一化されるので、その後のエッチング工程において、ファイバの先端をコアの中心軸１９により近づけた状態で先鋭化することができる。
【００７５】
即ち、曲面化された状態でエッチング処理を行うと、先端部の露出径Ｄ１が大きく取れると共に、露出されたコアの軸方向の長さＤ２が短くなるので、エッチング処理の際に、均一にコア部を突出させることができる。これによりコアの軸ずれを起こしていても、その影響を小さくし、最小限の軸ずれに抑えることができる。
【００７６】
上記実施の形態に係る光ファイバプローブの製造方法は、いわゆるチッププローブの製造方法であったが、光ファイバプローブはこれに限らず、このチッププローブの先鋭部先端を除いたテーパ表面に金属等からなる遮光性被覆層を形成し、遮光性被覆層で覆われていない先端の開口部から光の検出或いは照射を行うようにすることで開口プローブを作製することもできる。
【００７７】
このようにプローブの外周に遮光性被覆層を形成すると、遮光性被覆層が形成された部分では光の入射が遮られ、微小開口でのみ光が選択的に取り込まれるようになるので、分解能が向上し、よりＳ／Ｎ比を改善することができる。
【００７８】
この遮光性被覆層を形成方法は、真空蒸着法やスパッタリング法、無電解めっき法によって先鋭部に遮光性の金属膜を形成した後、この上に先端部を除いてエッチングマスクを形成して、その後エッチング処理を行い、先端部の金属膜を除去することによって形成することができる。
【００７９】
また、この遮光性被覆層の材料としては、遮光性が高く、導電性が高い材質のものが望ましいことから、例えば、アルミニウム、金、銀、白金等が適切であり、中でも、アルミニウムが最も好適である。
【００８０】
（実施例）
以下、本発明の具体的な実施例について実験結果に基づいて説明する。
【００８１】
本実施例において使用する光ファイバは、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）を添加した石英（ＳｉＯ２）からなるコアと、純粋石英からなるクラッドで構成された、外径１２５μｍ、開口数ＮＡが０．２８のシングルモード型光ファイバである。この光ファイバ１の一端に、次のクラッド傾斜工程、加熱工程、第１先鋭化工程、及び第２先鋭化工程を行うことで検出部を形成した。
【００８２】
（１）加工前工程
まず、上記光ファイバの先端のＵＶ樹脂被覆を除去したのち、被覆除去部が１６ｍｍとなるように切断した。
【００８３】
（２）クラッド傾斜工程（円錐研磨）
次いで、被覆を除去した光ファイバ１の一端を円錐研磨機の握持部に設定し、光ファイバ１をｘｙｚ方向に自在に移動・回転が可能な状態にする。次に、光ファイバ１の中心軸と研磨板２１とのなす角θを２７．５°となるように設定し、この調節完了後、研磨板２１の回転を開始させる。これと共に移動制御部の制御により光ファイバ１をコア中心軸を軸に円周方向に回転させ、先端角φ１が５５°となるように円錐研磨した。
【００８４】
（３）加熱工程
続いて、光ファイバ融着器で円錐研磨されたコア先端部をアーク放電により加熱し、研磨後の研磨面に刻まれた研磨傷を消去して鏡面化すると共に、コア先端を曲面化した。このときの加熱溶融による先端曲率半径Ｒは約３．０μｍであった。
【００８５】
（４）第１及び第２先鋭化工程
次いで、鏡面化及び曲面化された光ファイバ１の先端を、濃度４０重量％のフッ化アンモニウム水溶液と、濃度５０重量％のフッ化水酸溶液と、水とからなる、体積比が１０：１：１（３０℃）のエッチング溶液に９０分間浸漬した。
【００８６】
その結果、図１（ｅ）に示すように、円錐状に先鋭化された検出部を有する光ファイバプローブが作製できた。この検出部は、第１のテーパ面１１、第２のテーパ面及び第３のテーパ面を有し、第１のテーパ面で構成される先鋭角αは２０°を有していた。また第２のテーパ面で構成される先鋭角βは１０５°を有していた。更に、第１のテーパ面の後端側の断面直径Ｄ１は０．１μｍであり、光の波長以下であった。また、第２のテーパ面の後端側の断面直径Ｄ２は０．２μｍであり、光の波長以上となった。
【００８７】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、コアとクラッドからなる光ファイバの一端をクラッドの外周からコアの中心にかけて先端角度が所定角となるように円錐研磨を行い、この研磨面に生じた微小傷を加熱溶融することで鏡面化すると共に先端を曲面化することで、従来よりも製造プロセスを簡単化しつつ、従来と同等のコア軸ずれの少ない光ファイバプローブが得られる光ファイバプローブの製造方法を提供することができる。
【００８８】
また、円錐研磨を行うため、コア先端の先鋭角度を目的とする角度に種々調節することができるので、使用目的に適した光ファイバプローブを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバプローブの製造工程を示す図である。
【図２】本発明の第１先鋭化工程における円錐研磨の概略構成図である。
【図３】本発明の加熱溶融工程において円錐研磨した光ファイバの先端部分を半溶融させるための装置の概略構成図である。
【図４】軸ずれ調整の作用を説明するための光ファイバプローブ断面図である。
【図５】近接場光学顕微鏡の原理を示す模式図（ａ）、従来の製造方法で作製されたチッププローブの断面図（ｂ）、従来の製造方法で作製された開口プローブの断面図（ｃ）である。
【図６】従来の光ファイバプローブの製造方法１を示す工程図である。
【図７】従来の光ファイバプローブの製造方法２を示す工程図である。
【符号の説明】
１…光ファイバ，光ファイバプローブ
３…コア
５…クラッド
７…傾斜部
９…先端部
１１…第１のテーパ面
１３…第２のテーパ面
１５…第３のテーパ面
２１…研磨板
２３…電極端子
１００…エバネッセント波
１０１，１１４…先鋭部
１０１ａ…先端
１０２…光ファイバプローブ
１０４…遮光性被覆層
１０４ａ…開口部
１１０，１３０…光ファイバ
１１１，１３１…コア
１１２，１３２…クラッド
１１３，１３３…傾斜部
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローブ走査顕微鏡の１つである近接場光学顕微鏡において、エバネッセント光を検出又は照射する光プローブとして使用される光ファイバプローブの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光の波長以下、即ちナノスケールの構造体を測定する顕微鏡としてニアフィールド光学顕微鏡（Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下、ＮＳＯＭという）が用いられている。
【０００３】
ＮＳＯＭは、一般的な光学顕微鏡がレンズを用いて結像を行うのに対し、光ファイバプローブを用いて光の波長より小さい分解能で光学像を結像するものである。
【０００４】
図５（ａ）は、ＮＳＯＭ等の近接場光学顕微鏡の一構成例を示す図である。この顕微鏡は、試料表面からの距離Ｌが光の波長よりも小さい、つまり極めて近接した領域に局在するエバネッセント波をプローブ１０２を介して検出し、試料の形状を測定するものである。
【０００５】
具体的には、全反射条件下で試料にレーザ光を照射することにより生じたエバネッセント波１００を、プローブ１０２の先鋭部１０１（ナノメートルサイズに設計されている）の先端で錯乱させ、錯乱されたこの光を、先鋭部１０１を介して光ファイバのコア内に導き、光ファイバの他端に設けられている検出器で検出することで試料の表面形状を測定している。プローブ１０２を試料全体上で走査させた場合、試料表面の２次元画像を得ることができる。
【０００６】
ここで図５（ｂ），（ｃ）を参照して、従来の光ファイバプローブ１０２の構造を説明する。図５（ｂ）はチッププローブの縦断面図であり、図５（ｃ）は開口プローブの縦断面図である。
【０００７】
チッププローブは、円錐状に形成された先鋭部１０１の先端１０１ａが、ナノメートルサイズに先鋭化されたものである。開口プローブは、先鋭部１０１の先端を除き、その外周が金属等からなる遮光性被覆層１０４で覆われており、遮光性被覆層１０４が形成されていない先端が散乱光の開口部１０４ａとなるものである。この開口部１０４ａは、ナノメートルサイズで開口されており、この状態で光ファイバプローブ１０２として使用される。
【０００８】
近接場光学顕微鏡の分解能は、この光ファイバプロ−ブ先端の開口径に依存する。高分解能を得るためには、チッププローブの場合、試料とプローブ１０２の大きさを近くすること、開口プローブの場合、試料とプローブ１０２の間の距離がプローブ１０２の大きさ以下とすることが必要である。
【０００９】
そこで所定の開口径を得る光ファイバプローブの製造方法を説明する。
図５（ｂ）に示したチッププローブの開口部１０１ａの形成方法は、光ファイバの一端を化学エッチング液に浸漬し、光ファイバの外周から中心にかけて一端を円錐状に先鋭化することで開口部１０１ａを形成する。
【００１０】
このとき先端の開口径が小さく、且つ、分解能の高いプローブを得るためには、先鋭部１０１の先鋭角θをできるだけ小さくし鋭い形状とすることが必要である。しかし、先鋭角θを小さくし過ぎると、先鋭部１０１での光の損失が大きくなり、透過効率が低下する。そのため先鋭角θを無闇に小さくするわけにはいかず、分解能の向上に限界がある。
【００１１】
一方、開口プローブの開口部１０４ａの作製方法は、光ファイバの一端に上記円錐状の先鋭部１０１を形成した後、例えば真空蒸着法により先鋭部１０１の先端を除いてその外周に遮光性被覆層１０４を形成することで開口部１０４ａを形成する。
【００１２】
このような開口プローブは、先鋭部１０１の断面直径が波長以下となる領域（以下、先端部から断面直径が波長と等しくなる位置までの寸法をチップ長Ｌとする）において、光が金属に著しく吸収され透過効率が低下する。そこで透過効率を確保するために先鋭部１０１の先鋭角θを大きくし、チップ長Ｌを短くすることが必要である。しかし先鋭角θを大きくすると、遮光性被覆層１０４の開口部近傍での遮光性被覆層１０４の厚みが薄くなり、光が十分に遮蔽されないため実質的に開口径が大きくなることから分解能の低下を招くという問題がある。
【００１３】
上記方法で先鋭化されたチッププローブや開口プローブは、透過効率と分解能の両立が難しい。そこで高透過効率を有しつつ高分解能が得られる光ファイバープローブの製造方法が提案された。
【００１４】
図６は、特許第３２６０３００号公報記載の上記効果を有する光ファイバプローブの製造方法を示す工程図である。
【００１５】
図６（ａ）に示す図は、加工前の光ファイバの断面図である。同図に示すように、光ファイバ１１０は、コア径が１０μｍ、クラッド径が１２５μｍの一般的なシングルモード光ファイバである。
【００１６】
次いでこの光ファイバ１１０を、図６（ｂ）に示すように、一端をエッチング液に浸漬して、クラッド１１２の外周に形成されるエッチング液のメニスカスを利用して傾斜部１１３を形成する。
【００１７】
このエッチング液は、液面上にこのエッチング液よりも比重の小さい液体が滴下されており、この液体を浮かせてなる浮遊層との２層からなる。その中に光ファイバ１１０を挿入することで、挿入した位置から表面張力により光ファイバ側面上に伝い上ってきたエッチング液（メニスカス）でクラッドの外周を溶解する。ここで具体的に浮遊層とは、エッチング液の蒸発を防止するためのものであり、例えば低粘度ジメチルシリコーンオイル等の有機溶液が用いられる。
【００１８】
このようにエッチング液と接触しているクラッド１１２のみがエッチングにより溶解されるため、これによりクラッド１１２の直径が減少する。このときメニスカスの高さは、光ファイバ１１０の直径が減少するにつれて低くなるので、メニスカスの初期高さに相当する位置ではエッチング液と接触する時間が短く、それより下側になる程エッチング液と接触する時間が長くなる。
【００１９】
従って、図６（ｂ）に示すように、メニスカスの初期高さＳに相当する位置から下側では下に行くほど直径が小さくなり、外周から内周に向かって傾斜する傾斜部１１３が形成される。
【００２０】
このようにしてクラッド１１２に傾斜部１１３を形成した後、図６（ｃ）に示す第１先鋭化工程により、コア１１１の一端をクラッド１１２から突出させると共に円錐状に先鋭化する。
【００２１】
つまり第１先鋭化工程では、コア１１１のエッチング速度をＲ１２とし、クラッド１１２のエッチング速度をＲ２２とした場合に、Ｒ１２＜Ｒ２２となるようなエッチング条件のエッチング溶液を生成し、このエッチング液で先鋭化を行う。
【００２２】
このエッチング液に、先のクラッド傾斜工程で傾斜部１１３が形成された光ファイバ１１０の一端を浸漬すると、光ファイバ１１０の先端側ではクラッド１１２のエッチング速度Ｒ２２がコア１１１のエッチング速度Ｒ１２よりも大きいので、クラッド１１２の方がコア１１１よりも先にエッチングされ、コア１１１がクラッド１１２から突出してくる。光ファイバ１１０の外周面側では、外周面に露出しているクラッド１１２がエッチングされると共に、クラッド１１２がエッチングされることによって先端側からコア１１１の外周面が露出しはじめ、この外周面に露出したコア１１１も引き続きエッチングされる。このときコア１１１の外周面を先端側から露出させることにより、先端側に行く程エッチング量が多くなり直径が小さくなる。このエッチングを一定時間続けることで、図６（ｃ）に示すように、クラッド１１２から突出した円錐状のコア１１１の一端に、先鋭部１１４が形成される。
【００２３】
次いで図６（ｄ）に示すように、第２先鋭化工程で先鋭部１１４の傾斜角を２段階に変化させる先鋭化を行う。まずコア１１１のエッチング速度をＲ１３とし、クラッド１１２のエッチング速度をＲ２３とした場合に、Ｒ１３＞Ｒ２３となるようなエッチング条件のエッチング溶液を生成し、このエッチング液で先鋭化を行う。
【００２４】
このエッチング液に、先の第１先鋭化工程で先鋭部１１４が形成された光ファイバ１１０の一端を浸漬すると、光ファイバ１１０の先端側ではコア１１１のエッチング速度Ｒ１３がクラッド１１２のエッチング速度Ｒ２３よりも大きいので、コア１１１の方がクラッド１１２よりも先にエッチングされ、クラッド１１２から突出するコア１１１の先端部の長さが徐々に短くなっていく。光ファイバ１１０の外周面側では、外周面に露出しているコア１１１がエッチングされると共に、クラッド１１２がエッチングされることによって先端側からコア１１１の外周面が新たに露出し、エッチングされる。このとき、コア１１１の外周面を先端側から露出させることにより、先端側に行く程エッチング量が多くなり傾斜状となる。
【００２５】
これによりコア１１１には、傾斜角が異なる第１のテーパ面１１５と第２のテーパ面１１６が形成され、クラッド１１２には第３のテーパ面１１７が形成される。このようにメニスカスを利用したエッチング方法を、一般にメニスカスエッチング法という。
【００２６】
次に、図７（ａ）〜（ｄ）を参照して、上記製造方法と異なる光ファイバプローブの製造方法を説明する。この製造方法は、光ファイバを溶融延伸して作製することから溶融延伸法といわれている。
【００２７】
まず図７（ａ）に示すように、コア径が１０μｍ、クラッド径が１２５μｍの一般的なシングルモード光ファイバを用意する。
【００２８】
次いで、図７（ｂ）に示すように、光ファイバ１３０の所定部分を熱源を用いて溶融し、光ファイバの両側を引きながら延伸分離する。これにより同図に示すように、クラッド１３２に傾斜部を形成する。
【００２９】
分離後の光ファイバ１３０は、図７（ｃ）に示すように、溶融延伸された一端部のクラッド１３２上に傾斜部１３３を有し、傾斜部１３３よりも先端側で角度の鋭い糸を引いたような形状を有している。このコア１３１は、延伸されたことにより先端部分の開口径が減少しており、先端面がクラッド１３１に埋まった形となっている。
【００３０】
次に図７（ｄ），（ｅ）に示すように、第１先鋭化工程と第２先鋭化工程を行う。これら工程は、図６（ｃ），（ｄ）で説明したメニスカスエッチング法の第１及び第２先鋭化工程と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００３１】
このようにして図７（ｄ）に示すように、コア１３１には、傾斜角が異なる第１のテーパ面１３５と第２のテーパ面１３６が形成され、クラッド１３２には第３のテーパ面１３７が形成される。
【００３２】
【特許文献１】
特許第３２６０３００号公報
【００３３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術で述べたように、光ファイバプローブの作製には、メニスカスエッチング法、或いは溶融延伸法が適用されている。
【００３４】
メニスカスエッチング法を適用した場合は、浮遊層の粘度や石英光ファイバへの漏れ性等でメニスカスの状態が決まることから、自由な傾斜角を得ること難しいという問題がある。
【００３５】
また、図７（ｂ）に示したように、光ファイバを延伸分離した場合は、分離された先端側面の平滑性が劣るため、正常なエッチング処理が行なえず、所望の先端部を得られないという問題がある。
【００３６】
また、エッチング液に光ファイバを浸漬すると、光ファイバとエッチング液が反応し、エッチング液に溶解した反応生成物の作用により、浮遊層とエッチング層の境界の液組成が変化するため、エッチング液を反復使用できず、製造コストが高くつくという問題がある。
【００３７】
一方、溶融延伸法を適用した場合は、溶融延伸法の最大の欠点である傾斜部のコアの細径化が起きるという問題がある。
【００３８】
また、コア１３１を覆うクラッド１３２の厚みが延伸条件により異なるため、その厚みに応じてエッチング速度比の異なるエッチング溶液を生成しなければない。これは非常に手間がかかり煩雑となる他、製造時間及び製造コストが増加するため歩留まりを悪くする。
【００３９】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、製造プロセスを簡単化することで、製造時間及び製造コストを低減することができる光ファイバプローブの製造方法を提供することにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の本発明は、コアとクラッドからなる光ファイバの一端にクラッドの外周からコアの中心にかけて円錐状に先鋭化された検出部を有する光ファイバプローブの製造方法であって、コアとクラッドからなる光ファイバの一端をクラッドの外周からコアの中心にかけてこの一端の先端角度が所定角となる円錐研磨を行う円錐研磨工程と、円錐研磨されてなる先端部のテーパ表面を熱源で溶融する加熱溶融工程と、加熱溶融されたコアの先端部をエッチングにより先鋭化する第１先鋭化工程と、エッチングにより先鋭化されたコアの先端部を、エッチングにより傾斜角を２段階に変化させて、先端部の先端側の第１テーパ面の傾斜角が、この第１のテーパ面に連続した第２のテーパ面の傾斜角よりも小さく、第２テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以上とし、第１テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以下とする第２先鋭化工程とを有することを要旨とする。
【００４１】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の光ファイバプローブの製造方法において、加熱溶融工程は、円錐研磨されてなる先端部を、アーク放電で加熱することを要旨とする。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００４３】
本発明の光ファイバプローブの製造方法は、従来のエッチング法において傾斜部を形成するときはエッチングにより形成していたこと、又、溶融延伸法において傾斜部を形成するときは延伸分離により形成していたことに代えて、円錐研磨により傾斜部を形成する点に特徴がある。
【００４４】
この製造方法は、光ファイバの先端を所望の角度で研磨できることを基本とし、研磨により生じる特有の欠点を消去する作用も含んでいる。
【００４５】
つまり、本発明の製造方法によれば、先端部を自由な選択角で加工することができるという特長を有する反面、後工程のエッチング処理工程において、研磨面に研磨傷が残っているとエッチングにより研磨傷が拡大される恐れがある。
【００４６】
研磨傷が拡大された場合、拡大された傷が亀裂となって破断することや、亀裂部分から欠ける等の問題が生じる可能性がある。そのため研磨面の傷は極力消去しなければならない。また、先端部を自由な選択角で加工できることから極めて鋭く研磨することが可能であるが、その反面、先端部が脆くなり欠ける等の問題が生じる。
【００４７】
そこで本発明の製造方法は、これら２点の欠点を解消するために、研磨後のテーパ表面をアーク放電等により半溶融させることで、研磨による傷を消去すると共に、先端部を曲面化させ先端部の欠けを防止するものである。
【００４８】
具体的には、研磨によって先鋭化したコア先端部が曲面化するようにアーク放電等により研磨したテーパ面を半溶融させる加熱処理を施す。これにより無傷のテーパ表面が得られるほか、他の利点として、先端部の偏心解消効果も得られる。
【００４９】
この偏心解消効果とは、つまり従来のエッチング法によるコアの先鋭化は、コアとクラッドのエッチング液に対する溶解度の差を利用するため光ファイバの平面切断面（クリーブカット、平面研磨など）では、仮にコアが１μｍ偏心していても先鋭化に支障は無いが、研磨法で先端を先鋭化したものでは、研磨による偏心と同時に光ファイバ自身の偏心を含めて研磨先端をコア中心に一致させることは不可能である。この問題の解決方法としては、先鋭化されたコアの先端部をアーク放電等によって半溶融させ曲面化することが効果的である。
【００５０】
このようなことから本発明の製造方法では、コアとクラッドからなる光ファイバの一端をクラッドの外周からコアの中心にかけてこの一端の先端角度が所定角となる円錐研磨を行う円錐研磨工程と、円錐研磨されてなる先端部のテーパ表面を熱源で溶融する加熱溶融工程と、加熱溶融されたコアの先端部をエッチングにより先鋭化する第１先鋭化工程と、エッチングにより先鋭化されたコアの先端部を、エッチングにより傾斜角を２段階に変化させて、先端部の先端側の第１テーパ面の傾斜角が、この第１のテーパ面に連続した第２のテーパ面の傾斜角よりも小さく、第２テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以上とし、第１テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以下とする第２先鋭化工程とで構成することで、光ファイバプローブを作製する。
【００５１】
具体的に、図１を参照して、本発明の製造方法を説明する。
図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明の光ファイバプローブ１の製造方法を示す工程図である。
【００５２】
図１（ａ）は、加工前の光ファイバ１の縦断面図である。同図に示すように、光ファイバ１は、長尺のコア３の外周を覆うようにクラッド５が形成された一般的なシングルモード型光ファイバである。コア３は、二酸化ゲルマニウムがドープされた石英系ガラスであり、クラッド５は純粋石英ガラスである。コア３の外径は１０μｍ程度であり、クラッド５の外径は１２５μｍ程度である。
【００５３】
この光ファイバ１の一端を、図１（ｂ）に示すように、円錐研磨機を用いてクラッド５の外周からコア３の中心にかけて先端角度φ１が５５°となるまで円錐研磨し傾斜部７を形成する。これにより５５°の先端角度を有する円錐状の先端部を形成することができる。
【００５４】
続いて、図１（ｃ）に示すように、円錐状の先端が半溶融する程度にアーク放電によって加熱する。これにより研磨後の傾斜部（テーパ表面）７表面の研磨傷を消去し鏡面化できる共に、円錐状の先端を曲面化することができる。具体的に形成される先端の曲率半径Ｒは３〜１０μｍの範囲となる。
【００５５】
次に、図１（ｄ）に示すように、従来のエッチング法と同様に第１先鋭化工程のエッチングを行うことでクラッド５からコア３を突出させて先鋭部９を形成する。
【００５６】
つまり第１先鋭化工程では、コア３のエッチング速度をＲ１２とし、クラッドのエッチング速度をＲ２２とした場合に、Ｒ１２＜Ｒ２２となるようなエッチング条件のエッチング溶液を生成し、このエッチング液に、先のクラッド傾斜工程で円錐研磨して得た傾斜部７を有する光ファイバ１の一端を浸漬する。
【００５７】
光ファイバ１の先端側では、クラッド５のエッチング速度Ｒ２２がコア３のエッチング速度Ｒ１２よりも大きいので、クラッド５の方がコア３よりも先にエッチングされ、コア３がクラッド５から突出してくる。
【００５８】
光ファイバ１の外周面側では、外周面に露出しているクラッド５がエッチングされると共に、クラッド５がエッチングされることによって先端側からコア３の外周面が露出しはじめ、この外周面に露出したコア３も引き続きエッチングされる。
【００５９】
このときコア３の外周面を先端側から露出させることにより、先端側に行く程エッチング量が多くなり直径が小さくなる。このエッチングを一定時間続けることで、図１（ｄ）に示すように、クラッド５から突出した円錐状のコア３の一端に先鋭部９が形成される。尚、このとき先鋭部９の先鋭角φ２は、８０°である。
【００６０】
次いで、図１（ｅ）に示すように、第２先鋭化工程で先鋭部９の傾斜角を２段階に変化させる先鋭化を行う。
つまり第２先鋭化工程では、コア３のエッチング速度をＲ１３とし、クラッド５のエッチング速度をＲ２３とした場合に、Ｒ１３＞Ｒ２３となるようなエッチグ条件のエッチング溶液を生成し、このエッチング液に、先の第１先鋭化工程で先鋭部９が形成された光ファイバ１の一端を浸漬する。光ファイバ１の先端側では、コア３のエッチング速度Ｒ１３がクラッド５のエッチング速度Ｒ２３よりも大きいので、コア３の方がクラッド５よりも先にエッチングされ、クラッド５から突出するコア３の先端部の長さが徐々に短くなっていく。
【００６１】
光ファイバ１の外周面側では、外周面に露出しているコア３がエッチングされると共に、クラッド５がエッチングされることによって先端側からコア３の外周面が新たに露出し、エッチングされる。
【００６２】
このときコア３の外周面を先端側から露出させることにより、先端側に行く程エッチング量が多くなり傾斜状となる。これによりコア３には傾斜角が異なる第１のテーパ面１１と第２のテーパ面１３が形成され、クラッド５には第３のテーパ面１５が形成される。
【００６３】
上記工程において第１先鋭化工程で行う円錐研磨は、図２に示す様な方法で円錐研磨を行う。
この円錐研磨を行なう研磨機は、円盤状の研磨板２１と、この研磨板２１を回転させる回転制御部（図示せず）と、光ファイバ１を握持する握持部（図示せず）と、この握持部をｘｙｚ方向に自由自在に移動させる移動制御部（図示せず）とを有し、研磨板２１の表面には研磨布又は研磨紙が貼り付けられている。
【００６４】
この研磨機で円錐研磨を行う場合は、まず握持部に光ファイバ１を設定し、移動制御部の制御により光ファイバ１の先端を研磨板２１上に移動させる。このとき光ファイバ１と研磨板２１がなす角θが所定の角度となるように調節する。そして角度調節完了後、研磨板２１の回転を開始し、同時に移動制御部の制御により光ファイバ１の先端を研磨板２１に接触させつつ光ファイバ１自身をコア中心軸を軸にして円周方向に回転させる。これにより光ファイバ１のクラッド５が外周から内周に向って研磨される。このとき移動制御部の制御により、光ファイバ１を研磨板２１に押し付けながら研磨することで先端部が先鋭化されてゆき、最終的に先鋭角φ１を有する先端部が形成される。
【００６５】
また、本発明の加熱溶融工程において、研磨機で研磨された先端部を鏡面化及び曲面化するためには光ファイバ融着器を用いる。図３は、光ファイバ融着器の概略構成を示す図である。
【００６６】
この光ファイバ融着器は、対向配置された電極端子２３と、この電極端子２３に高電圧を供給する電圧供給部（図示せず）と、対向配置された電極端子２３間に光ファイバ１を配置固定させる保持部（図示せず）と、この保持部を移動させる移動制御部とを少なくとも有している。
【００６７】
この光ファイバ融着器で溶融を行う場合は、まず保持部に円錐研磨された光ファイバ１の先端部を設定し、移動制御部の制御により先端部を電極端子２３間に移動させる。次いで、電圧供給部の電圧供給により電極端子２３間に円錐研磨された先端部が半溶融する程度にアーク放電によって加熱すると、円錐研磨された光ファイバ１の研磨面が鏡面化及び曲面化される。
【００６８】
このように円錐研磨された光ファイバ１の先端部をアーク放電を用いて加熱溶融させることで、研磨面が平滑化されると共に、先端部の曲率Ｒを３〜１０μｍ程度に曲面化することができる。
【００６９】
更に、本発明の製造工程において第１先鋭化工程で用いるエッチング液としては、次のようなものが適当である。
濃度４０重量％ＮＨ４Ｆ水溶液：濃度５０重量％ＨＦ酸：Ｈ２Ｏ の体積比が、１０：１：Ｙ（但し、Ｙ＞３０）、或いは１．７：１：Ｙ（但し、Ｙ＞１）の緩衝フッ化水素溶液である。
【００７０】
従って、本発明の製造方法によれば、研磨機を用いて円錐研磨を行うので、光ファイバ１の先端を自由な角度で先鋭研磨することができる。また光ファイバ１の先端角を５５°まで円錐研磨し、その後加熱溶融して曲率半径Ｒ＝３〜２０μｍとし、更にエッチング溶液に浸漬して細径化を行うことで、光ファイバの先端に開口径を５０〜１００ｎｍとする検出部を形成することができる。
【００７１】
また、本発明の製造方法によれば、クラッド傾斜工程（円錐研磨）、加熱工程（先端溶融）及び第１及び第２先鋭化工程で作製することができる。これにより従来のクラッド傾斜工程で必要であったエッチング液と時間のかかるエッチング工程が、本発明では不要となる。その結果、製造コストを低減化することができると共に製造時間を短縮化できる。
【００７２】
更に、本発明の製造方法によれば、円錐研磨後の研磨面をアーク放電で加熱溶融することで、研磨面に刻まれた微小傷を消去することができるので、その後のエッチング工程で研磨傷が拡大することを防止することができる。
【００７３】
また、本発明の製造方法によれば、加熱溶融を行うことで、軸ずれ補正の効果を得ることができる。図４（ａ）は、円錐研磨によりコアの軸ずれが生じた場合の先端部の縦断面図である。同図に示すように、光ファイバ１のコア３は光ファイバ１の中心軸１７に沿って必ずしも正確に設けられておらず、多くの場合、光ファイバの中心軸１７から若干ずれた位置にコア３の中心軸１９がある。そのため、このような光ファイバ１を円錐研磨した場合、コア先端部は必ずしもコアの中心と一致する様には露出されない。
【００７４】
そこで図４（ａ）に示した円錐研磨後の光ファイバ先端部分に、アーク放電を行うと、図４（ｂ）に示すように、先端部が曲面化されてコア先端が全体的に丸みを帯びた状態に均一化されるので、その後のエッチング工程において、ファイバの先端をコアの中心軸１９により近づけた状態で先鋭化することができる。
【００７５】
即ち、曲面化された状態でエッチング処理を行うと、先端部の露出径Ｄ１が大きく取れると共に、露出されたコアの軸方向の長さＤ２が短くなるので、エッチング処理の際に、均一にコア部を突出させることができる。これによりコアの軸ずれを起こしていても、その影響を小さくし、最小限の軸ずれに抑えることができる。
【００７６】
上記実施の形態に係る光ファイバプローブの製造方法は、いわゆるチッププローブの製造方法であったが、光ファイバプローブはこれに限らず、このチッププローブの先鋭部先端を除いたテーパ表面に金属等からなる遮光性被覆層を形成し、遮光性被覆層で覆われていない先端の開口部から光の検出或いは照射を行うようにすることで開口プローブを作製することもできる。
【００７７】
このようにプローブの外周に遮光性被覆層を形成すると、遮光性被覆層が形成された部分では光の入射が遮られ、微小開口でのみ光が選択的に取り込まれるようになるので、分解能が向上し、よりＳ／Ｎ比を改善することができる。
【００７８】
この遮光性被覆層を形成方法は、真空蒸着法やスパッタリング法、無電解めっき法によって先鋭部に遮光性の金属膜を形成した後、この上に先端部を除いてエッチングマスクを形成して、その後エッチング処理を行い、先端部の金属膜を除去することによって形成することができる。
【００７９】
また、この遮光性被覆層の材料としては、遮光性が高く、導電性が高い材質のものが望ましいことから、例えば、アルミニウム、金、銀、白金等が適切であり、中でも、アルミニウムが最も好適である。
【００８０】
（実施例）
以下、本発明の具体的な実施例について実験結果に基づいて説明する。
【００８１】
本実施例において使用する光ファイバは、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）を添加した石英（ＳｉＯ２）からなるコアと、純粋石英からなるクラッドで構成された、外径１２５μｍ、開口数ＮＡが０．２８のシングルモード型光ファイバである。この光ファイバ１の一端に、次のクラッド傾斜工程、加熱工程、第１先鋭化工程、及び第２先鋭化工程を行うことで検出部を形成した。
【００８２】
（１）加工前工程
まず、上記光ファイバの先端のＵＶ樹脂被覆を除去したのち、被覆除去部が１６ｍｍとなるように切断した。
【００８３】
（２）クラッド傾斜工程（円錐研磨）
次いで、被覆を除去した光ファイバ１の一端を円錐研磨機の握持部に設定し、光ファイバ１をｘｙｚ方向に自在に移動・回転が可能な状態にする。次に、光ファイバ１の中心軸と研磨板２１とのなす角θを２７．５°となるように設定し、この調節完了後、研磨板２１の回転を開始させる。これと共に移動制御部の制御により光ファイバ１をコア中心軸を軸に円周方向に回転させ、先端角φ１が５５°となるように円錐研磨した。
【００８４】
（３）加熱工程
続いて、光ファイバ融着器で円錐研磨されたコア先端部をアーク放電により加熱し、研磨後の研磨面に刻まれた研磨傷を消去して鏡面化すると共に、コア先端を曲面化した。このときの加熱溶融による先端曲率半径Ｒは約３．０μｍであった。
【００８５】
（４）第１及び第２先鋭化工程
次いで、鏡面化及び曲面化された光ファイバ１の先端を、濃度４０重量％のフッ化アンモニウム水溶液と、濃度５０重量％のフッ化水酸溶液と、水とからなる、体積比が１０：１：１（３０℃）のエッチング溶液に９０分間浸漬した。
【００８６】
その結果、図１（ｅ）に示すように、円錐状に先鋭化された検出部を有する光ファイバプローブが作製できた。この検出部は、第１のテーパ面１１、第２のテーパ面及び第３のテーパ面を有し、第１のテーパ面で構成される先鋭角αは２０°を有していた。また第２のテーパ面で構成される先鋭角βは１０５°を有していた。更に、第１のテーパ面の後端側の断面直径Ｄ１は０．１μｍであり、光の波長以下であった。また、第２のテーパ面の後端側の断面直径Ｄ２は０．２μｍであり、光の波長以上となった。
【００８７】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、コアとクラッドからなる光ファイバの一端をクラッドの外周からコアの中心にかけて先端角度が所定角となるように円錐研磨を行い、この研磨面に生じた微小傷を加熱溶融することで鏡面化すると共に先端を曲面化することで、従来よりも製造プロセスを簡単化しつつ、従来と同等のコア軸ずれの少ない光ファイバプローブが得られる光ファイバプローブの製造方法を提供することができる。
【００８８】
また、円錐研磨を行うため、コア先端の先鋭角度を目的とする角度に種々調節することができるので、使用目的に適した光ファイバプローブを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバプローブの製造工程を示す図である。
【図２】本発明の第１先鋭化工程における円錐研磨の概略構成図である。
【図３】本発明の加熱溶融工程において円錐研磨した光ファイバの先端部分を半溶融させるための装置の概略構成図である。
【図４】軸ずれ調整の作用を説明するための光ファイバプローブ断面図である。
【図５】近接場光学顕微鏡の原理を示す模式図（ａ）、従来の製造方法で作製されたチッププローブの断面図（ｂ）、従来の製造方法で作製された開口プローブの断面図（ｃ）である。
【図６】従来の光ファイバプローブの製造方法１を示す工程図である。
【図７】従来の光ファイバプローブの製造方法２を示す工程図である。
【符号の説明】
１…光ファイバ，光ファイバプローブ
３…コア
５…クラッド
７…傾斜部
９…先端部
１１…第１のテーパ面
１３…第２のテーパ面
１５…第３のテーパ面
２１…研磨板
２３…電極端子
１００…エバネッセント波
１０１，１１４…先鋭部
１０１ａ…先端
１０２…光ファイバプローブ
１０４…遮光性被覆層
１０４ａ…開口部
１１０，１３０…光ファイバ
１１１，１３１…コア
１１２，１３２…クラッド
１１３，１３３…傾斜部
Claims (2)
- コアとクラッドからなる光ファイバの一端にクラッドの外周からコアの中心にかけて円錐状に先鋭化された検出部を有する光ファイバプローブの製造方法であって、
コアとクラッドからなる光ファイバの一端をクラッドの外周からコアの中心にかけて該一端の先端角度が所定角となる円錐研磨を行う円錐研磨工程と、
円錐研磨されてなる先端部のテーパ表面を熱源で溶融する加熱溶融工程と、
加熱溶融されたコアの先端部をエッチングにより先鋭化する第１先鋭化工程と、
前記エッチングにより先鋭化されたコアの先端部を、エッチングにより傾斜角を２段階に変化させて、前記先端部の先端側の第１テーパ面の傾斜角が、該第１のテーパ面に連続した第２のテーパ面の傾斜角よりも小さく、第２テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以上とし、第１テーパ面の後端側の断面直径を光の波長以下とする第２先鋭化工程と、
を有することを特徴とする光ファイバプローブの製造方法。 - 前記加熱溶融工程は、
円錐研磨されてなる先端部をアーク放電で加熱することを特徴とする請求項１記載の光ファイバプローブの製造方法。
Priority Applications (1)
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| JP2003119746A JP2004325222A (ja) | 2003-04-24 | 2003-04-24 | 光ファイバプローブの製造方法 |
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100661265B1 (ko) | 2005-04-06 | 2006-12-26 | 김흥기 | 피디피의 전극 테스트용 핀 선단부의 연마장치 |
| JP2008209907A (ja) * | 2007-01-23 | 2008-09-11 | Alcon Inc | 熱に強い照射プローブチップ |
| CN100447603C (zh) * | 2006-12-01 | 2008-12-31 | 哈尔滨工程大学 | 抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法 |
| KR101134265B1 (ko) | 2010-04-23 | 2012-04-12 | 가천대학교 산학협력단 | 광섬유 탐침 제조 방법 및 장치 |
| CN103197380A (zh) * | 2013-03-27 | 2013-07-10 | 合肥工业大学 | 一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法 |
-
2003
- 2003-04-24 JP JP2003119746A patent/JP2004325222A/ja active Pending
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