JP2005061904A - 光導波路型センサ - Google Patents

Abstract

【課題】より小型な分析システムが構築できるようにする。
【解決手段】
検出領域には、シリコン細線コア１０５と、シリコン細線コア１０５の両脇を埋めるように形成されたクラッド層１０６が形成され、導波路が構成されている。シリコン細線コア１０５は、断面の寸法が約１μｍ角程度となっている。また、シリコン細線コア１０５の基板部１１１側の下面と両側面は、酸化シリコンに覆われ、上面は、露出した状態の導波路となっている。シリコン細線コア１０５は、断面寸法が１μｍ角程度としてあるので、導波路は、波長４μｍ以下の光がシングルモードで伝搬する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、屈折率の異なる界面で光が全反射するときにしみ出すエバネッセント光を利用するなどの光吸収分光による分析に用いる光導波路型センサに関する。

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。

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）。

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。
特公表２００２−５２７１３６号公報 実用分光法シリーズ（４）分光学の医学応用，１９９９年９月３０日発行、（株）アイピーシー

しかしながら、従来のＡＴＲ法による分析では、ＡＴＲ結晶プリズムを小型化することが容易ではなく、分析システム（装置）の小型化が困難であった。
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、より小型な分析システムが構築できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光導波路型センサは、下部クラッド層と、この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を含む材料からなるコアと、このコアから構成された導波路の光入射端と、導波路の光出射端とを少なくとも備え、導波路は、シングルモード導波路であり、コアの露出した面に分析対象物が接触するものである。
このセンサは、コアからしみ出した光が、コアの露出した面に接触している分析対象物により吸収されることを利用したものである。

上記光導波路型センサにおいて、光入射端に光結合して配置された第１光ファイバーと、光出射端に光結合して配置された第２光ファイバーとを備え、第１光ファイバーによりコアよりなる導波路に光を導入し、導波路より出射する光を第２光ファイバーにより取り出すようにしてもよい。この構成において、第１光ファイバーの出射端と光入射端との間に配置され、第１光ファイバーより出射された光の径を小さくする第１スポットサイズ変換部と、第２光ファイバーの入射端と光出射端との間に配置され、光出射端より出射された光の径を大きくする第２スポットサイズ変換部とを少なくとも備える構成とし、光結合効率を向上させるようにしてもよい。スポットサイズ変換部におけるコアの光出射端及び光入射端では、端部に近いほど幅が狭く形成されていればよい。

また、上記光導波路型センサにおいて、光入射端に設けられた発光素子と、光出射端に設けられた受光素子とを備え、発光素子の発光光は、光入射端に光結合し、光出射端より出射する光は、受光素子に受光されるように構成してもよい。

以上説明したように、本発明では、下部クラッド層の上にシリコンを含む材料からなるコアを形成し、このコアよりシングルモード導波路を構成し、これらの一部において少なくともコアの上面を露出させ、ここに分析対象物を接触させることで、分析対象物における赤外線の吸収などを検出する分光法による分析を可能とした。従って、本発明によれば、従来のＡＴＲ法における結晶プリズムに代えて、シングルモード導波路を用いることによって、分析システムの小型化を図ることができる。また、小さな曲げ半径で導波方向が変更できる導波路で検出領域が構成できるので、感度を向上させることができるだけの長い導波路を小さな検出領域に配置できるようになる。このように、本発明によれば、感度を低下させることが無く、より小型な分析システムが構築できるようになるという優れた効果が得られる。

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光導波路型センサの構成例を示す平面図である。
このセンサ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、出射側の光ファイバー３００の端部が固定されるＶ字状の溝１０２が設けられている。溝１０１，１０２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。

これら溝１０１，１０２に続いてスポットサイズ変換領域が配置され、スポットサイズ変換領域には、入射側に配置されたスポットサイズ変換コア１０３と、出射側に配置されたスポットサイズ変換コア１０４とを備えている。スポットサイズ変換コア１０３，１０４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、スポットサイズ変換コア１０４には、光ファイバー３００の光ファイバーコア３０１が接続している。

スポットサイズ変換領域に続いて検出領域が設けられ、検出領域には、シリコン細線コア１０５と、シリコン細線コア１０５の両脇を埋めるように形成されたクラッド層１０６が形成され、導波路が構成されている。シリコン細線コア１０５は、断面の寸法が約１μｍ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、検出領域において、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。

検出領域において、シリコン細線コア１０５の基板部１１１側の下面と両側面とは、酸化シリコンに覆われ、上面は露出した状態の導波路となっている。なお、シリコン細線コア１０５の露出している上面に、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１μｍ角程度としてあるので、上記導波路は、波長４μｍ以下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。例えば、波長１．５μｍの光をシングルモードとする場合、コアの断面寸法は、０．３μｍ角程度とすればよい。

入射側の光ファイバー２００に光源を接続し、出射側の光ファイバー３００に分光器を接続することで、分光測定のシステムが構成できる。なお、図１では、光の入射端と出射端とを各々設けるようにしているが、これらを同一とした閉回路としてもよい。

このようなシステムにおいて、シリコン細線コア１０５よりなる導波路に赤外線を導波させた状態で、検出領域で露出するシリコン細線コア１０５の上面に分析対象の試料が接触していると、シリコン細線コア１０５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、シリコン細線コア１０５から構成されている導波路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。

また、この導波路は、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、狭い検出領域内で、試料と接触する領域をより長くすることが可能となる。

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１１３を加工することで形成されている。シリコン層１１３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の上に形成されている。シリコン層１１３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することで、クラッド層１０６が形成されている。

シリコン細線コア１０５の両端は、先端に行くほど幅が狭くなる先細りの形状となり、図３，４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１０３，１０４に覆われ、この領域がスポットサイズ変換領域となる。スポットサイズ変換コア１０３，１０４は、高さ，幅が、光ファイバーコア２０１，３０１の半分程度からほぼ同程度までの寸法となっている。また、スポットサイズ変換領域は、酸化シリコンからなる上部クラッド層１０７に覆われている。また、光ファイバー２００、３００の端部が固定される領域では、図５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１０１，１０２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’断面を示し、図４は、図１のＣＣ’断面を示し、図５は、図１のＤＤ’断面を示している。

スポットサイズ変換領域においては、「シリコン細線コア１０５の屈折率＞スポットサイズ変換コア１０３，１０４の屈折率＞上部クラッド層１０７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領域により、光ファイバー２００を導波してきた赤外線を、損失を低減した状態でスポットサイズを変換し、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。

次に、上述した光導波路型センサ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。

上述したＳＯＩ基板のシリコン層が、図１〜３に示すシリコン層１１３に対応する。上述したようなＳＯＩ基板を用意したら、シリコン層１１３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、検出領域では、シリコン細線コア１０５となる領域を挟むように溝を形成し、スポットサイズ変換領域では、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、３００が固定されるファイバー固定領域では、シリコン層１１３が除去されて埋め込み酸化層１１２が露出する。

次に、検出領域においては酸化シリコンを堆積し、図６（ａ）に示すように、シリコン細線コア１０５の両脇を埋め込むように、シリコン酸化膜１０６ａが形成された状態とする。検出領域においては、この後、例えば化学的機械的研磨法などによりシリコン細線コア１０５の上の部分を除去して平坦化し、図６（ｂ）に示すように、シリコン細線コア１０５の両脇が、クラッド層１０６により埋め込まれた状態とする。なお、このとき、クラッド層１０６は、スポットサイズ変換領域及びファイバー固定領域にわたって形成された状態である。

次に、検出領域の全域及びスポットサイズ変換領域のシリコン細線コア１０５の上部を隠すマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとしてクラッド層１０６を選択的にエッチングする。このことにより、スポットサイズ変換領域においては、シリコン細線コア１０５の側面が露出する。次いで、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によるステンシルマスクを用いた選択的な堆積により、スポットサイズ変換領域におけるシリコン細線コア１０５を覆うシリコン酸窒化膜を形成する。このシリコン酸窒化膜を、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、スポットサイズ変換コア１０３，１０４を形成する。

次に、スポットサイズ変換領域において、スポットサイズ変換コア１０３，１０４をおう上部クラッド層１０７となるシリコン酸化膜を選択的に形成する。このシリコン酸化膜の形成も、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によるステンシルマスクを用いた選択的な堆積により行う。次いで、検出領域及びスポットサイズ変換領域を覆うマスクパターンを形成し、この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領域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１１３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。

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１０１，１０２を形成する。これらの溝は、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（１１１）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。

なお、上述では、クラッド層１０６により、検出領域の上面を平坦化するようにしたが、これに限るものではない。図７の断面図に示すように、下部クラッド層となる埋め込み酸化層１１２の上にシリコン細線コア１０５のみが形成された状態としてもよい。このようにすることで、検出領域におけるシリコン細線コア１０５と分析対象の試料とが接触する面積を増加させることができる。

この場合、シリコン細線コア１０５の露出面に、数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度の厚さの酸化シリコン膜を備えるようにしてもよい。これは、熱酸化法により形成することができる。酸化シリコン膜を備えることで、シリコン細線コア１０５の表面保護と同時に、シリコン細線コア１０５の表面を親水性とし、分析対象の溶液などとの良好な密着性を得ることが可能となる。

ところで、図１の光導波路型センサでは、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。図８に示すように、光ファイバー２００，３００の端部と、スポットサイズ変換領域のスポットサイズ変換コア１０３，１０４の端部との間に、マイクロレンズ４０１，４０２，マイクロレンズ４０３，４０４を設け、光結合効率を向上させるようにしてもよい。

図８に示す光導波路型センサにおいて、スポットサイズ変換コア１０３よりなるスポットサイズ変換部の光軸に光ファイバー２００の光軸を合わせ、これらの間にマイクロレンズ４０１，４０２を配置する。例えば、マイクロレンズ４０１の焦点位置に光ファイバーコア２０１の端面が配置され、マイクロレンズ４０２の焦点位置にスポットサイズ変換コア１０３の入射端が配置されていればよい。光ファイバー２００より出射した光は、マイクロレンズ４０１により平行光とされ、平行光とされた光は、マイクロレンズ４０２によりスポットサイズ変換コア１０３の入射端に集光される。

一方、スポットサイズ変換コア１０４よりなるスポットサイズ変換部の光軸に光ファイバー３００の光軸を合わせ、これらの間にマイクロレンズ４０３，４０４を配置する。例えば、マイクロレンズ４０３の焦点位置にスポットサイズ変換コア１０４の出射端が配置され、マイクロレンズ４０４の焦点位置に光ファイバーコア３０１の端面が配置されていればよい。スポットサイズ変換コア１０４より出射された光は、マイクロレンズ４０３により平行光とされ、平行光とされた光は、マイクロレンズ４０４により光ファイバー３００の入射端光ファイバーコア３０１に集光される。

これらの構成により、光ファイバー２００，３００とシリコン細線コア１０５よりなる導波路とを、低損失で光結合させることができるようになる。なお、上述では、マイクロレンズを２つ用いるようにしたが、１つのマイクロレンズで光結合させるようにしてもよい。

次に、本発明の実施の形態における光導波路センサの他の構成例について、図９，１０を用いて説明する。図９は、本実施の形態における光導波路センサの他の構成例を示す平面図であり、この中のＥＥ’断面を図１０に示す。
図９，１０に示す光導波路センサでは、まず、シリコン細線コア１０５による導波路の入射端の側に半導体レーザなどの発光素子２１０を配置し、発光素子２１０より出射する光が、スポットサイズ変化部２１２を介してスポットサイズ変換コア１０３よりなるスポットサイズ変換部の入射端に結合されるようにする。発光素子２１０は、ドライバＩＣチップ２１１により駆動される。

また、シリコン細線コア１０５による導波路の出射端に、フォトダイオードなどの受光素子３１０を光軸を合わせて配置する。受光素子３１０で受光されて光電変換された信号出力は、プリアンプＩＣチップ３１１により増幅されて外部に出力される。
図９，１０の光導波路センサでは、図１に示した光導波路センサのファイバー固定領域を溝などを形成することなく平坦な状態とし、この領域に、発光素子２１０，ドライバＩＣチップ２１１，スポットサイズ変換部２１２，受光素子３１０，プリアンプＩＣチップ３１１を配置する。

なお、上述した実施の形態では、ＳＯＩ基板を用いることで、シリコン（単結晶シリコン）からシリコン細線コアを形成するようにしたが、これに限るものではない。シリコン細線コアは、多結晶や非晶質などの非結晶状態のシリコンから構成するようにしてもよい。また、シリコン細線コアは、窒化シリコン，炭化シリコン，酸窒化シリコンなど、他のシリコンを含む材料から構成してもよい。これらの、シリコンよりバンドギャップの広い材料を用いることにより、可視領域の光を用いた分光分析を行うことができるようになる。また、シリコン細線コアの下部に配置される下部クラッド層には、シリコン細線コアより屈折率の小さい材料が用いられればよい。同様に、シリコン細線コアの側面に充填されるクラッド層は、シリコン細線コアより屈折率の小さい材料から構成されていればよい。

本発明の実施の形態における光導波路センサの構成例を示す平面図である。 実施の形態における光導波路センサの構成例を示す断面図である。 実施の形態における光導波路センサの構成例を示す断面図である。 実施の形態における光導波路センサの構成例を示す断面図である。 実施の形態における光導波路センサの構成例を示す断面図である。 実施の形態における光導波路センサのシリコン細線コアの部分の製造過程を示す工程図である。 本実施の形態における光導波路センサのシリコン細線コア部分の他の例を示す断面図である。 本実施の形態における光導波路センサの他の構成例を示す平面図である。 本発明の実施の形態における光導波路センサの他の構成例を示す平面図である。 本発明の実施の形態における光導波路センサの他の構成例を示す断面図である。

符号の説明

１０１，１０２…溝、１０３，１０４…スポットサイズ変換コア、１０５…シリコン細線コア、１０６…クラッド層、１０７…上部クラッド層、１１１…基板部、１１２…埋め込み酸化層、１１３…シリコン層、２００，３００…光ファイバー、２０１，３０１…光ファイバーコア。

Claims (5)

1. 下部クラッド層と、
   この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を含む材料からなるコアと、
   この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、
   前記導波路は、シングルモード導波路であり、
   前記コアの露出した面に分析対象物が接触する
   ことを特徴とする光導波路型センサ。
2. 請求項１記載の光導波路型センサにおいて、
   前記光入射端に光結合して配置された第１光ファイバーと、
   前記光出射端に光結合して配置された第２光ファイバーと
   を備えたことを特徴とする光導波路型センサ。
3. 請求項２記載の光導波路型センサにおいて、
   前記第１光ファイバーの出射端と前記光入射端との間に配置され、前記第１光ファイバーより出射された光の径を小さくする第１スポットサイズ変換部と、
   前記第２光ファイバーの入射端と前記光出射端との間に配置され、前記光出射端より出射された光の径を大きくする第２スポットサイズ変換部と
   を少なくとも備えたことを特徴とする光導波路型センサ。
4. 請求項３記載の光導波路型センサにおいて、
   前記コアは、前記光出射端及び光入射端において、端部に近いほど幅が狭く形成されている
   ことを特徴とする光導波路型センサ。
5. 請求項１記載の光導波路型センサにおいて、
   前記光入射端に設けられた発光素子と、
   前記光出射端に設けられた受光素子と
   を備え、
   前記発光素子の発光光は、前記光入射端に光結合し、
   前記光出射端より出射する光は、前記受光素子に受光される
   ことを特徴とする光導波路型センサ。
   

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