JP4220421B2 - Waveguide type light source - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン細線コアよりなる光導波路から構成されて励起光により発光する導波路型光源に関するものである。 The present invention relates to a waveguide type light source that is composed of an optical waveguide composed of a silicon fine wire core and emits light by excitation light.
物質の特性を知る分析法に、物質の赤外スペクトルを測定する赤外分光法がある。赤外分光法の一つに、ZnSeなどのATR(Attenuated Total Reflection)結晶プリズムを用いた全反射吸収スペクトル法(ATR法)がある。ATR法は、赤外線がATR結晶プリズムの中を全反射する際に、試料が接しているプリズムの外側にわずかにしみ出す光(エバネッセント光)を利用するものであり、固体試料の表面や水溶液試料中の成分を高感度に分析することを可能としている。 As an analysis method for knowing the characteristics of a substance, there is infrared spectroscopy that measures the infrared spectrum of the substance. One of the infrared spectroscopic methods is the total reflection absorption spectrum method (ATR method) using an ATR (Attenuated Total Reflection) crystal prism such as ZnSe. The ATR method uses light (evanescent light) that slightly oozes out of the prism in contact with the sample when infrared light is totally reflected inside the ATR crystal prism. This makes it possible to analyze the components inside with high sensitivity.
ATR法による分析では、より感度を向上させるために、多数回の全反射が生じるように構成している(非特許文献1参照)。また、ATR法により、採血やセンサを埋め込むことなどを必要とせずに、人体の血中のグルコースの濃度を簡便に測定する分析システムなども開発されている(特許文献1参照)。
一方、上述したATR結晶プリズムを用いる代わりに、シリコン光導波路の一部のシリコンコアを露出させることで、同様の測定を行う技術も提案されている。シリコン光導波路を用いる分析方法によれば、より微細なセンサを構成することが可能となる。
In the analysis by the ATR method, in order to further improve the sensitivity, it is configured so that multiple total reflections occur (see Non-Patent Document 1). In addition, an analysis system that simply measures the concentration of glucose in the blood of a human body without the need for blood sampling or embedding a sensor by the ATR method has been developed (see Patent Document 1).
On the other hand, instead of using the above-described ATR crystal prism, a technique has been proposed in which the same measurement is performed by exposing a part of the silicon core of the silicon optical waveguide. According to the analysis method using the silicon optical waveguide, a finer sensor can be configured.
ところで、上述した分析では、光源が必要となる。シリコンは、間接遷移型半導体であるため、発光素子を実現することが容易ではないが、希土類元素を添加することでフォトルミネッセンスやエレクトロルミネッセンス現象が生じることが確認されている。希土類元素は、4f電子の殻内遷移により発光するため、母材の影響を受けにくく、各種の半導体材料に添加され、発光が確認されている。 By the way, the above-described analysis requires a light source. Since silicon is an indirect transition semiconductor, it is not easy to realize a light-emitting element, but it has been confirmed that addition of rare earth elements causes photoluminescence and electroluminescence. Rare earth elements emit light by intra-shell transitions of 4f electrons, and thus are hardly affected by the base material, and are added to various semiconductor materials, and light emission has been confirmed.
加えて、シリコンを母材とした場合、希土類元素とともに、酸素,ホウ素,フッ素,及び炭素などの電気陰性度の大きい軽元素を同時に添加することで、発光強度が増加することも報告されている(非特許文献2参照)。
従って、希土類元素の添加による発光を利用することで、光源とセンサとをモノリシックに集積したセンサユニットの実現が可能である。
In addition, when silicon is used as the base material, it has also been reported that the light emission intensity increases by adding light elements with high electronegativity such as oxygen, boron, fluorine, and carbon together with rare earth elements. (Refer nonpatent literature 2).
Therefore, it is possible to realize a sensor unit in which a light source and a sensor are monolithically integrated by using light emission by addition of rare earth elements.
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
しかしながら、シリコン光導波路をATR型センサに用いる場合、分析対象を同定することができるスペクトルが計測できる範囲の帯域幅を持った赤外光を、シリコン光導波路に導入する必要がある。このように、吸収スペクトルを測定するためには、スペクトルを同定できる程度の帯域幅を持った光源が要求されるため、単一波長のレーザ光は利用できない。また、発光ダイオードの発光帯域も、十分な帯域幅が得られる状態ではない。 However, when a silicon optical waveguide is used for an ATR type sensor, it is necessary to introduce infrared light having a bandwidth within a range in which a spectrum capable of identifying an analysis target can be measured into the silicon optical waveguide. As described above, in order to measure the absorption spectrum, a light source having a bandwidth that can identify the spectrum is required, and thus a single wavelength laser beam cannot be used. Further, the light emitting band of the light emitting diode is not in a state where a sufficient bandwidth can be obtained.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シリコン光導波路から構成されたATR型センサに対し、より広い帯域幅を持った光源を導入できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is intended to enable introduction of a light source having a wider bandwidth to an ATR type sensor composed of a silicon optical waveguide. Objective.
本発明に係る導波路型光源は、下部クラッド層の上に形成され、酸素と希土類元素とが添加された単結晶シリコンからなる所定の長さの発光部コアと、発光部コアを覆うように形成された上部クラッドと、発光部コアから構成された光導波路の一端に設けられ励起光が入射する入射端と、光導波路の他端に設けられた発光出射端とを備え、発光部コアは、細線型に形成され、酸素および希土類元素は、発光部コアの厚さ方向の中心部に分布を持つように添加されているようにしたものである。
この光源では、入射端より励起光が入射すると、シリコンからなる発光部コアにおいては、通常の条件では得られない非常に高い光強度密度の光により、希土類元素が、直接あるいはエキシトンを介して間接的に励起されて発光する。
Waveguide type light source according to the present invention is formed on the lower clad layer, a predetermined emission portion core length of single crystal silicon and oxygen and the rare earth element is added, so as to cover the light emitting portion core comprising an upper clad formed, the incident end provided on one end of the configured optical waveguide from the light emitting unit core excitation light is incident, and a light emitting exit end provided at the other end of the optical waveguide, the light emitting unit core Is formed in a thin wire type, and oxygen and rare earth elements are added so as to have a distribution in the central portion in the thickness direction of the light emitting core .
In this light source, when excitation light is incident from the incident end, the light emitting core made of silicon emits rare earth elements directly or indirectly through excitons due to light with a very high light intensity density that cannot be obtained under normal conditions. Excited to emit light.
上記導波路型光源において、希土類元素は、エルビウム,ツリウム,ホルミウム,イッテルビウム,ネオジウム,プラセオジウム,ジスプロシウムの少なくとも1つであればよい。上記導波路型光源において、光導波路は、シングルモード光導波路であり、入力される励起光の径を小さくするスポットサイズ変換部を入射端の側に備えることで、光結合の効率が向上する。なお、光導波路の入射端には、励起光が出射される励起光出射部が、光結合して設けられる。 In the waveguide light source, the rare earth element may be at least one of erbium, thulium, holmium, ytterbium, neodymium, praseodymium, and dysprosium. In the waveguide type light source, the optical waveguide is a single mode optical waveguide, and the efficiency of optical coupling is improved by providing a spot size conversion unit on the incident end side for reducing the diameter of the input excitation light. Note that an excitation light emitting portion from which excitation light is emitted is optically coupled to the incident end of the optical waveguide.
また、上述した導波路型光源において、下部クラッド層の上に形成されて少なくとも一部の面が露出したシリコン単結晶からなるセンサ部コアと、このセンサ部コアから構成された光導波路の光入射端と、光導波路の光出射端とを少なくとも備えてコアの露出した面に分析対象物が接触する分析部が、分析部の光入射端と導波路型光源の発光出射端とが光結合する状態で配置される。 Also, in the above-described waveguide light source, a sensor unit core made of a silicon single crystal formed on the lower cladding layer and having at least a part of the surface exposed, and light incident on an optical waveguide composed of the sensor unit core An analysis unit that includes at least an end and a light output end of an optical waveguide and in which an analysis object contacts the exposed surface of the core optically couples the light input end of the analysis unit and the light emission output end of the waveguide light source Arranged in a state.
以上説明したように、本発明では、酸素などとともに希土類元素が添加されたシリコンからなる発光部コアで光導波路を構成したので、入射端より入射した励起光により、希土類元素の発光によるより広い帯域の発光が得られるようになる。従って、本発明によれば、シリコン光導波路から構成されたATR型センサに対し、より広い帯域幅を持った光源を導入できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, in the present invention, since the optical waveguide is configured by the light emitting portion core made of silicon to which rare earth elements are added together with oxygen or the like, a wider band due to emission of rare earth elements by excitation light incident from the incident end. Light emission can be obtained. Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that a light source having a wider bandwidth can be introduced into an ATR type sensor constituted by a silicon optical waveguide.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態における導波路型光源の構成例を示す平面図である。
この光源の構成について説明すると、まず、入射側の光ファイバー200の端部が固定されるV字状の溝101を備え、溝101は、一般に市販されているSOI基板の基板部111に形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing a configuration example of a waveguide light source according to an embodiment of the present invention.
The configuration of this light source will be described. First, a V-
溝101に続いてスポットサイズ変換部が配置され、スポットサイズ変換部には、入射側に配置されたスポットサイズ変換コア103を備えている。スポットサイズ変換コア103は、例えば、シリコン酸窒化物から構成されている。スポットサイズ変換コア103には、光ファイバー200の光ファイバーコア201が接続している。
A spot size conversion unit is disposed following the
スポットサイズ変換部に続いて発光領域が設けられ、発光領域には、シリコン細線コア105と、シリコン細線コア105を埋めるように形成された上部クラッド層106が形成され、光導波路が構成されている。発光領域においては、シリコン細線コア105に、希土類元素であるエルビウム(Er)と酸素原子とが添加されている。シリコン細線コア105は、断面の寸法が約0.3μm角程度となっている。図2の断面図に示すように、シリコン細線コア105は、SOI基板の埋め込み酸化層112の上に配置されている。なお、図2は、図1のAA’断面である。
A light emitting region is provided subsequent to the spot size conversion unit. In the light emitting region, a silicon
発光領域において、シリコン細線コア105には、エルビウムと酸素原子とが添加されている。なお、シリコン細線コア105の表面に、数nmから数10nm程度の酸化膜が形成されていてもよい。上述したように、シリコン細線コア105は、断面寸法が0.3μm角程度としてあるので、上記光導波路は、波長1.3〜1.7μm程度の光がシングルモードで伝搬する。言い換えると、シリコン細線コア105は、これより構成される光導波路が、シングルモードとなる寸法に形成されていればよい。
In the light emitting region, erbium and oxygen atoms are added to the silicon
また、このシリコン細線コア105から構成された光導波路は、最小曲げ半径が約15μm以下と、非常に小さい曲率で導波方向を変更することが可能である。従って、図1の平面図に示すように、シリコン細線コア105を、狭い間隔で往復させて配置させることが可能となり、狭い領域内で、発光する領域をより長くすることが可能となる。図1に示す本実施の形態の導波路型光源では、シリコン細線コア105の全長は、約7.4mmである。
In addition, the optical waveguide composed of the silicon
図1,2に示すように、シリコン細線コア105は、SOI構造の基板のシリコン層を加工することで形成されている。シリコン層は、SOI構造の基板の最上層に配置され、基板部111の上の埋め込み酸化層112の上に形成される。シリコン層に、コアとなる領域を挟むように埋め込み酸化層112にまで貫通する溝を形成することで、シリコン細線コア105が形成されている。また、上記溝に例えば酸化シリコンなどを充填しかつシリコン細線コア105を覆うようにすることで、上部クラッド層106が形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the silicon
シリコン細線コア105のスポットサイズ変換部側の一端は、先端に行くほど幅が狭くなる先細りの形状となり、図3の断面図にも示すように、上部及び側部をスポットサイズ変換コア103に覆われている。シリコン細線コア105の先細りの部分と、先細りの部分を覆うスポットサイズ変換コア103とにより、スポットサイズ変換部が構成されている。スポットサイズ変換部は、シリコン細線コア105より構成された光導波路の励起光入射端に設けられている。スポットサイズ変換コア103は、高さ,幅が、光ファイバーコア201の半分程度からほぼ同程度までの寸法となっている。
One end of the silicon
また、スポットサイズ変換部は、酸化シリコンからなる上部クラッド層106に覆われている。また、光ファイバー200の端部が固定される領域では、図4の断面図に示すように、基板部111に設けられたV字状の溝101に、例えば紫外線硬化型の接着剤などにより固定されている。なお、図3は、図1のBB’断面の一部を示し、図4は、図1のCC’断面の一部を示し、図5は、図1のDD’断面の一部を示している。
The spot size conversion part is covered with an
スポットサイズ変換部においては、「シリコン細線コア105の屈折率>スポットサイズ変換コア103の屈折率>上部クラッド層106の屈折率」となっている。このように構成したスポットサイズ変換部により、光ファイバー200を導波してきた励起光(例えば波長1.48μmの光)を、低損失でスポットサイズが変換された状態で、シリコン細線コア105の一端に結合させることを可能としている。この場合、光ファイバー200が、励起光出射部となる。
In the spot size conversion section, “refractive index of silicon
また、シリコン細線コア105は、図5に示すように、表面に数nmから数10nm程度の酸化膜121が形成され、また、厚さ方向の中心部に分布を持つように、エルビウムと酸素原子とが添加された添加領域122を有する。添加領域122は、下部クラッドとなる埋め込み酸化層112に接する下面と上面とから、所定距離離間して分布している。なお、添加領域122は、シリコン細線コア105の断面方向の全域に分布するようにしてもよい。
Further, as shown in FIG. 5, the silicon
図1〜5に示した導波路型光源によれば、波長1.5μm,出力3mWのレーザ光を励起光として入射したとき、図6に示すような発光スペクトルが得られる。なお、図6に示す発光スペクトルは、次の条件でエルビウムと酸素とが導入された、全長7.4mmのシリコン細線コア105による導波路型光源の結果である。導入の条件は、加速エネルギー310keV,ドーズ量2×1014cm-2でエルビウムをイオン注入し、加速エネルギー45keV,ドーズ量2×1015cm-2で酸素をイオン注入し、イオン注入の後、620℃で1時間,900℃で30分間の窒素雰囲気における加熱処理を行うものである。
According to the waveguide light source shown in FIGS. 1 to 5, when a laser beam having a wavelength of 1.5 μm and an output of 3 mW is incident as excitation light, an emission spectrum as shown in FIG. 6 is obtained. The emission spectrum shown in FIG. 6 is a result of a waveguide type light source using a silicon
ここで、シリコン細線コア105から構成された発光領域における発光について説明する。希土類元素と酸素とを添加したシリコン細線コア105からなる発光領域を発光させるためには、シリコン細線コア105に添加された希土類元素の発光波長よりも波長の短い光を、励起光として発光領域に導入すればよい。ここで、希土類元素とは、例えば、エルビウム,ツリウム(Tm),ホルミウム(Ho),イッテルビウム(Yb),ネオジウム(Nd),プラセオジウム(Pr),及びジスプロシウム(Dy)などである。
Here, the light emission in the light emitting region constituted by the silicon
発光領域における発光機構は、励起光による光励起と、励起光によりシリコン結晶中に生成されるエキシトン(励起子)が希土類元素センターで再結合することによる励起との、2つがある。シリコン細線コア105からなる光導波路は、コアとクラッドとの屈折率差が大きいため、強い光閉じ込め作用がある。従って、シリコンコアを用いた光導波路では、コア中心部の光強度が、一般的な光ファイバーの場合に比較して1000倍にも達し、非常に高い光強度密度が得られる。従って、励起光がシリコンのバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの赤外光であっても、2光子吸収効果によりエキシトンを生成することができる。
There are two light emission mechanisms in the light emitting region: photoexcitation by excitation light and excitation caused by recombination of excitons (excitons) generated in the silicon crystal by excitation light at the rare earth element center. The optical waveguide composed of the silicon
上述した2つの発光機構を利用することで、シリコン細線コア105に添加された希土類元素を、通常の条件では得られない非常に高い光強度密度の光により、直接あるいはエキシトンを介して間接的に励起することで、発光を得ることができる。上記2つの発光機構を用いた励起によれば、直接励起を用いるエルビウムドープファイバー(EDF)よりも、効率的な発光が可能となる。なお、発光機構をエキシトンによる励起のみに限れば、希土類元素の発光波長よりも長い波長の光を励起光として用いることができる。シリコンコア中を透過でき、かつ、2光子吸収によりエキシトンを励起できる波長は、約1.1〜2.2μmとなる。
By utilizing the two light emission mechanisms described above, the rare earth element added to the silicon
励起光は、シリコン細線コア105からなる光導波路の光入力端に光結合するように配置した光ファイバー200を介し、外部から入力すればよい。また、光ファイバー200の代わりに、半導体レーザより出射されたレーザを直接光結合し、スポットサイズ変換領域を介して光結合させ、光結合効率を向上させるようにしてもよい。この場合、半導体レーザが励起光出射部となる。
Excitation light may be input from the outside through the
次に、上述した導波路型光源の製造方法について、簡単に説明する。
まず、SOI(Silicon on Insulator)基板を用意する。SOI基板は、埋め込み絶縁層(埋め込み酸化層)の上のシリコン層(単結晶シリコン層)が、高抵抗p形あるいは高抵抗n形であればよい。また、シリコン層は、所望の厚さより薄い高抵抗p形の単結晶シリコン層の上に、ノンドープの単結晶シリコンを結晶成長させて所望の厚さとしたものでもよい。同様に、シリコン層は、所望の厚さより薄い高抵抗n形の単結晶シリコン層の上に、ノンドープの単結晶シリコンを結晶成長させて所望の厚さとしたものでもよい。
Next, a method for manufacturing the above-described waveguide light source will be briefly described.
First, an SOI (Silicon on Insulator) substrate is prepared. In the SOI substrate, the silicon layer (single crystal silicon layer) on the buried insulating layer (buried oxide layer) may be a high resistance p-type or a high resistance n-type. Further, the silicon layer may have a desired thickness by crystal growth of non-doped single crystal silicon on a high resistance p-type single crystal silicon layer thinner than the desired thickness. Similarly, the silicon layer may have a desired thickness by crystal growth of non-doped single crystal silicon on a high resistance n-type single crystal silicon layer thinner than the desired thickness.
上述したようなSOI基板を用意したら、シリコン層を、公知のリソグラフィ技術とエッチング技術とにより微細加工し、発光領域では、シリコン細線コア105となる領域を残し、スポットサイズ変換部では、シリコン細線コア105の先端部分のパターンを形成する。これらのことにより、シリコン細線コア105が形成される。また、光ファイバー200が固定されるファイバー固定領域では、シリコン層が除去されて埋め込み酸化層112が露出する。
Once the SOI substrate as described above is prepared, the silicon layer is finely processed by a known lithography technique and etching technique, leaving a region that becomes the silicon
次に、図7(a)に示すように、シリコン細線コア105の表面に、熱酸化法により膜厚が数nmの酸化膜121が形成された状態とする。
次に、図1の領域301で囲われた部分が開口したレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとし、酸素と希土類元素であるエルビウムとを選択的にイオン注入し、シリコン細線コア105の中にエルビウムと酸素とを導入する。
Next, as shown in FIG. 7A, an
Next, a resist pattern in which a portion surrounded by the
イオン注入による注入エネルギーは、各イオンの投影飛程が、コアの厚さ方向の中央付近となるようにし、図7(b)に示すように、添加領域122が形成された状態とする。例えば、コア厚が0.3μmのシリコン細線コア105に、エルビウムをイオン注入する場合、注入エネルギーは、300〜400keVとすればよい。また、酸素をイオン注入する場合、注入エネルギーは、40〜60keVとすればよい。図8は、上述した各条件により、エルビウム,酸素をイオン注入したときの、各イオンの深さ(膜厚)方向の分布を示す分布図である。
The implantation energy by ion implantation is such that the projected range of each ion is near the center in the thickness direction of the core, and the added
以上のようにして各イオン注入をした後、結晶性の回復のための620℃・1時間、欠陥低減とエルビウム周囲への酸素の析出のための900℃・30分の熱処理を行う。
イオン注入法によりエルビウム,酸素を導入する場合、イオン注入をした後に、シリコン細線コア105の埋め込み酸化層112側に、イオン注入によるダメージのない単結晶領域が残存しているようにする。イオン注入の後の熱処理により、残存している単結晶領域を種として、固相エピタキシャル回復により、シリコン細線コア105の全体を単結晶化することができる。
After each ion implantation as described above, heat treatment is performed at 620 ° C. for 1 hour to restore crystallinity, and at 900 ° C. for 30 minutes to reduce defects and precipitate oxygen around erbium.
When erbium and oxygen are introduced by an ion implantation method, a single crystal region that is not damaged by ion implantation remains on the buried
以上のようにして、シリコン細線コア105に各イオンを注入した後、ECRプラズマCVD法により堆積したシリコン酸窒化膜よりスポットサイズ変換コア103を形成する。また、スポットサイズ変換コア103及びシリコン細線コア105を覆うようにシリコン酸化膜を形成し、上部クラッド層106が形成された状態とする。シリコン酸化膜も、ECRプラズマCVD法により形成できる。
After each ion is implanted into the silicon
次に、発光領域及びスポットサイズ変換部を覆うマスクパターンを形成し、形成したマスクパターンをマスクとしたエッチングを行い、スポットサイズ変換部の垂直な入射端面及び出射端面を形成し、また、ファイバー固定領域の埋め込み酸化層112を選択的に除去する。このエッチングでは、例えばリアクティブイオンエッチングなど、垂直異方性を有するドライエッチング技術を用いればよい。
Next, a mask pattern that covers the light emitting region and the spot size conversion part is formed, and etching is performed using the formed mask pattern as a mask to form a vertical incident end face and an output end face of the spot size conversion part, and fiber fixing The buried
最後に、ファイバー固定領域において、露出している基板部111の所定領域に、V字状の溝101を形成する。溝101は、例えば、開口部の間隔を徐々に広げた複数のマスクパターンによる選択的なエッチングを、繰り返すことで形成できる。また、基板部111として(100)面の単結晶シリコンを用いれば、水酸化カリウムなどのアルカリ溶液によるウエットエッチングで、自動的にV字状の溝が形成できる。
Finally, a V-shaped
なお、製造プロセスの簡略化を考慮した場合、シリコン酸窒化膜を加工してスポットサイズ変換部コア103を形成するとき、発光領域にシリコン酸窒化膜が残るようにしてもよい。シリコン酸窒化膜を除去するときに、シリコン細線コア105にダメージを与えることが抑制できるようになる。また、シリコン細線コア105とシリコン酸窒化膜とのエッチング選択比を大きくすることは、あまり容易ではなく、発光領域にシリコン酸窒化膜を残すようにすることで、プロセスの簡略化が図れる。
In consideration of simplification of the manufacturing process, when the spot
ところで、図1の導波路型光源では、光ファイバーのコア端面を当接させることで光を結合させるようにしたが、これに限るものではない。光ファイバー200の端部と、スポットサイズ変換部のスポットサイズ変換コア103の端部との間に、各々マイクロレンズを設け、光結合効率を向上させるようにしてもよい。
By the way, in the waveguide type light source of FIG. 1, the light is coupled by bringing the core end face of the optical fiber into contact, but the present invention is not limited to this. Microlenses may be provided between the end of the
次に、上述した導波路型光源に、シリコン光導波路より構成されたセンサ部を組み合わせたセンサユニットの構成例について説明する。図9に示すように、センサユニットには、同一の基板部111上に、光ファイバー200が固定される溝101、溝101に続いて配置されたスポットサイズ変換コア103、スポットサイズ変換コア103に一端が接続するシリコン細線コア105、シリコン細線コア105に接続するセンサ部コア905,センサ部コア905の他端(出力端)に接続するスポットサイズ変換コア903,スポットサイズ変換コア903に続いて配置された溝901が、モノリシックに形成されている。
Next, a configuration example of a sensor unit in which the above-described waveguide-type light source is combined with a sensor unit composed of a silicon optical waveguide will be described. As shown in FIG. 9, the sensor unit includes a
希土類と酸素とが導入されたシリコン細線コア105は、上部クラッド106に覆われ、センサ部コア905は、下部クラッドとなる埋め込み酸化層112の上で露出している。また、溝101には、励起光が導入される光ファイバー200が固定され、溝901には、センサ部コア905による光導波路を通過した光を伝搬する光ファイバー900が固定される。
The silicon
光ファイバー200より導入される励起光は、スポットサイズ変換コア103が配置されたスポットサイズ変換部を介し、シリコン細線コア105からなる光導波路に結合される。結合された励起光により、シリコン細線コア105よりなる発光領域は発光し、発光領域で発光した光は、センサ部コア905よりなるセンサ領域を通過し、光ファイバー900に出射する。
Excitation light introduced from the
上述した状態で、センサ領域で露出するセンサ部コア905の上面に分析対象の試料が接触していると、センサ部コア905よりしみ出した光が、試料の特性に応じて吸収されるため、この吸収の強さに応じて導波する光の強度が低下する。従って、例えば、センサ部コア905から構成されている光導波路(センサ領域)を導波する光の強度をある波長帯域に対して測定すれば、分析対象の試料による吸収スペクトルが得られる。
In the state described above, if the sample to be analyzed is in contact with the upper surface of the
なお、センサ領域において、センサ部コア905は、下面が埋め込み酸化層112に覆われ、側面と上面とが露出するようにしたが、これに限るものではなく、下面と側面とがクラッドに覆われ、上面のみが露出しているようにしてもよい。センサ領域においては、一部のセンサ部コア905が露出して、試料と接触可能な状態となっていればよい。
In the sensor region, the lower surface of the
ところで、上述では、シリコン細線コア105に、希土類元素としてエルビウムを添加するようにしたが、これに限るものではなく、ツリウムもしくはホルミウムを、酸素とともに添加するようにしてもよい。エルビウムを用いた場合、中心発光波長は1.54μm付近となり、ツリウムを用いた場合、中心発光波長は1.65μm付近となり、ホルミウムを用いた場合、中心発光波長は1.96μm付近となる。また、これらを組み合わせて添加することで、発光波長帯を広くして分析波長領域を拡大することが可能となる。また、酸素の代わりに、ホウ素、フッ素、炭素のいずれかを用いるようにしてもよい。
In the above description, erbium is added as a rare earth element to the silicon
分析波長領域を拡大するために、エルビウム,ツリウム,ホルミウムの3種の希土類元素を、酸素原子とともにシリコン細線コアに添加した場合について、以下に説明する。この例では、発光領域を構成するシリコン細線コアは、厚さ0.2μm幅0.5μmとした。また、各希土類元素は、イオン注入法により導入し、イオン注入の条件は、全て、250keV、3×1013cm-2とする。また、酸素の注入条件は、35keV、1×1015cm-2とする。 A case where three kinds of rare earth elements of erbium, thulium and holmium are added to the silicon wire core together with oxygen atoms in order to expand the analysis wavelength region will be described below. In this example, the silicon fine wire core constituting the light emitting region has a thickness of 0.2 μm and a width of 0.5 μm. Each rare earth element is introduced by an ion implantation method, and the ion implantation conditions are all 250 keV and 3 × 10 13 cm −2 . The oxygen implantation conditions are 35 keV and 1 × 10 15 cm −2 .
上記条件でイオン注入すると、シリコン細線コアにおける各イオンの分布は、図10に示すようになる。3種の希土類元素は、原子番号,質量数が共に近いため、同様の分布となっている。なお、酸素は、希土類元素総量の約5〜10倍となるように注入する。ただし、イオン注入の量が多すぎると、損傷の回復が困難になる。
上述したように、3種の希土類元素をシリコン細線コアに注入することで、同一の励起光源で、各希土類元素からの発光スペクトルが重なった広帯域の光源が得られ、より広い帯域のスペクトル計測が可能となる。
When ions are implanted under the above conditions, the distribution of each ion in the silicon fine wire core is as shown in FIG. Since the three rare earth elements have similar atomic numbers and mass numbers, they have the same distribution. Oxygen is implanted so as to be about 5 to 10 times the total amount of rare earth elements. However, if the amount of ion implantation is too large, recovery of damage becomes difficult.
As described above, by injecting three kinds of rare earth elements into the silicon fine wire core, a broadband light source in which the emission spectra from the rare earth elements are overlapped with the same excitation light source can be obtained. It becomes possible.
また、上述したように、広帯域の光源が得られる状態としておくことで、励起光の波長を変えることで励起対象元素を制御して発光の波長域を制御し、発光スペクトルを変えて測定対象の物質の吸収スペクトルを計測することが可能となる。 In addition, as described above, by setting a state in which a broadband light source is obtained, the excitation target element is controlled by changing the wavelength of the excitation light to control the emission wavelength range, and the emission spectrum is changed to change the measurement target. It becomes possible to measure the absorption spectrum of a substance.
なお、上述では、3種の希土類元素を同様に添加するようにしたが、これに限るものではない。例えば、発光領域のシリコン細線コアの光導波方向に、励起光入射方向からホルミウム添加領域,ツリウム添加領域、エルビウム添加領域と、異なる希土類元素が添加された領域を設けるようにしてもよい。また、他の希土類元素と組み合わせて添加するようにしてもよい。 In the above description, the three rare earth elements are added in the same manner, but the present invention is not limited to this. For example, a holmium-added region, a thulium-added region, and an erbium-added region from the excitation light incident direction and a region to which different rare earth elements are added may be provided in the optical waveguide direction of the silicon fine wire core in the light emitting region. Moreover, you may make it add in combination with another rare earth element.
101…溝、103…スポットサイズ変換コア、105…シリコン細線コア、106…上部クラッド層、111…基板部、112…埋め込み酸化層、121…酸化膜、122…添加領域、200…光ファイバー、201…光ファイバーコア。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記発光部コアを覆うように形成された上部クラッドと、
前記発光部コアから構成された導波路の一端に設けられ励起光が入射する入射端と、
前記導波路の他端に設けられた発光出射端と
を有し、
前記発光部コアは、細線型に形成され、
前記酸素および希土類元素は、前記発光部コアの厚さ方向の中心部に分布を持つように添加されている
ことを特徴とする導波路型光源。 Is formed on the lower cladding layer, a light emitting unit core having a predetermined length of single crystal silicon and oxygen and the rare earth element is added,
An upper clad formed to cover the light emitting unit core;
An incident end provided at one end of a waveguide composed of the light emitting unit core and receiving excitation light;
Have a light-emitting exit end provided at the other end of said waveguide,
The light emitting core is formed in a thin line shape,
The waveguide-type light source, wherein the oxygen and the rare earth element are added so as to have a distribution in a central portion in the thickness direction of the light-emitting portion core .
前記希土類元素は、エルビウム,ツリウム,ホルミウム,イッテルビウム,ネオジウム,プラセオジウム,及びジスプロシウムの少なくとも1つである
ことを特徴とする導波路型光源。 The waveguide light source according to claim 1, wherein
The waveguide type light source, wherein the rare earth element is at least one of erbium, thulium, holmium, ytterbium, neodymium, praseodymium, and dysprosium.
前記導波路は、シングルモード導波路であり、
入力される励起光の径を小さくするスポットサイズ変換部を前記入射端の側に備える
ことを特徴とする The waveguide type light source according to claim 1 or 2,
The waveguide is a single mode waveguide,
A spot size converter that reduces the diameter of the input excitation light is provided on the incident end side.
前記入射端に光結合して設けられて前記励起光が出射される励起光出射部を備える
ことを特徴とする導波路型光源。 In the waveguide type light source according to any one of claims 1 to 3,
A waveguide-type light source comprising: an excitation light emitting portion that is optically coupled to the incident end and emits the excitation light.
前記下部クラッド層の上に形成されて少なくとも一部の面が露出したシリコン単結晶からなるセンサ部コアと、このセンサ部コアから構成された導波路の光入射端と、前記導波路の光出射端とを少なくとも備えて前記コアの露出した面に分析対象物が接触する分析部が、前記光入射端と前記発光出射端とが光結合する状態で配置される
ことを特徴とする導波路型光源。
In the waveguide type light source according to any one of claims 1 to 4,
A sensor core made of a silicon single crystal formed on the lower cladding layer and having at least a part of the exposed surface, a light incident end of a waveguide composed of the sensor core, and a light emission of the waveguide And an analysis unit that includes at least an end and is in contact with an object to be exposed on the exposed surface of the core, wherein the light incident end and the light emitting end are optically coupled to each other. light source.
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