JP2006058301A

JP2006058301A - チップサイズ波長検出器

Info

Publication number: JP2006058301A
Application number: JP2005235662A
Authority: JP
Inventors: Peter Kiesel; キーセルピーター; Oliver Schmidt; シュミットオリバー; Oliver H Wolst; エイチウォルストオリバー
Original assignee: Palo Alto Research Center Inc
Current assignee: Palo Alto Research Center Inc
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2006-03-02
Also published as: EP1630532A1; US7701590B2; EP1630532B1; US7310153B2; US20060039009A1; US20070076210A1

Abstract

【課題】従来の分光計及び波長シフト量検出器で必要であった頻繁な校正を不要にしまたそれらをコンパクト且つ頑丈なものにする。
【解決手段】その透過特性がその膜上の横方向位置により異なる横変透過特性膜１００及び光の入射位置を感知できる位置感知型光検出器３００を用いチップサイズ波長検出器１０００を実現する。横変透過特性膜１００を透過し位置感知型光検出器３００に達する波長がその横変透過特性膜１００上の横方向位置により異なるため、横変透過特性膜１００上のどこを透過して位置感知型光検出器３００に達したか即ち位置感知型光検出器３００上のどの横方向位置ｘに光スポットが形成されたかを調べることにより、その光の波長を検出できる。
【選択図】図５

Description

本発明は、分光計及び波長シフト量検出器のコンパクト化に関する。

分光計及び波長シフト量検出器は、科学、学術及び産業の各分野において、多色光に含まれる各種の波長に関する計測のため広く用いられている。このうち分光計は多色光を波長成分毎に分離する装置であり、既存の分光計においては、プリズムや格子といった波長分散手段を用いてこの波長成分分離が行われている。分光計により分離された波長成分の強度を光検出器により計測すれば、光の強度を波長成分毎に知ることができる。

また、波長シフト量検出器も波長分散手段を用いる装置であるが、波長に対する強度の関数を計測によって知るための装置ではなく、一般的には、単一周波数光源から発せられる光の周波数が基準周波数からどれだけずれているかを計測するための装置である。波長シフト量の計測には分光計もしばしば用いられるが、１０^-2ｎｍオーダーといった貧弱な波長分解能しか得られない。高い波長分解能が必要な用途では、マッハツェンダ(Mach-Zehnder)型波長計がしばしば用いられる。

図１に示す従来の分光装置は分光計４０を利用した装置であり、光源１０から発せられた光１１の強度を計測できるよう構成されている。即ち、光源１０から発せられる多色光ビーム１１は結像用レンズ２０によって分光計４０の入射スリット３０上に結像され、この光１１はこの入射スリット３０により画定されている入射経路を通って分光計４０内の光学部品群に達し、例えば分光計４０の出射孔に設けられている光検出器５０によって光の強度が計測される。

図２に、図１に示した装置における分光計４０内外の構成部材をより詳細に示す。ここでは、説明の簡明化のため、光ビーム１１のうち中心に位置する光線のみを図示しており、また分光計４０内の光学部品については波長分散手段３５を除き図示していない。スリット３０を通り抜けた光１１は波長λ１の成分及び波長λ２の成分を含め少なくとも２個の波長成分を含んでおり、この光ビーム１１は波長分散手段３５例えば格子上に入射している。格子３５による反射光は、その格子３５上のどの部位にて反射されたかによって異なる位相角となる。検出器５０は、格子３５による反射光のうち検出器５０の位置にて波頭を強め合うような波長及び位相角を有する光に反応し、その光をある強度の光として検出する。従って、検出器５０を用いることにより、波長と強度との関係を計測でき、従って光源１０のスペクトラム組成に関する情報を得ることができる。

なお、図２に示す光検出器５０は、ディスクリート光感知素子群から構成された検出器、例えば検出器アレイやＣＣＤ(charge coupled device)アレイとして構成することができる。また、光検出器５０の光感知素子それぞれに対し相独立に、コンピュータ等のデータ収集装置からアクセスできるよう、光検出器５０を構成することもできる。

また、図１に示した装置では図２に示すように波長分散手段３５として反射格子を用いることができるが、本件技術分野における習熟者であれば理解できるように、波長分散手段３５として他種のデバイスを用い波長成分毎に光１１を分離することもできる。例えば、その波長に応じ異なる屈折角で光１１の成分を屈折させるプリズムを、波長分散手段３５として用いることもできる。しかしながら、分光計４０にて多色光１１を分散させ波長分離するのにどのような既存の波長分散手段３５を用いたとしても、波長分散手段３５と光検出器５０との距離をある程度長くしなければならないことに変わりはない。即ち、この距離を十分とることができれば光検出器５０にて各波長成分を分離計測できるが、光検出器５０の位置にて波長成分間が空間的に分離していないほどこの距離が短ければ光検出器５０にて各波長成分を分離計測することができない。

多色光１１から波長成分を分離できるデバイスとしては、格子やプリズムの他にファブリペローエタロン(Fabry-Perot etalon)があるが、これは分光計４０等における波長分散手段３５として使用するのに適していない。このことを説明するため、図３にファブリペローエタロンの一例を示す。この図に示すように、既存のファブリペローエタロン７０は、透過性共振子７４の前面及び背面にそれぞれ膜状の反射器即ち反射膜７２又は７６を設けた構成を有している。光源１０からファブリペローエタロン７０に入射される光のうち透過性共振子７４を透過できるのは、その半波長の整数倍が透過性共振子７４の厚みｄと一致する光のみであり、そのような波長（例えば図中のλ２）を有する光は透過性共振子７４を透過していくが、それ以外の波長（例えば図中のλ１）を有する光は反射されることになる。図４に、ファブリペローエタロン７０による反射スペクトラムを示す。この反射スペクトラムにおける窪み（透過ディップ）７８はファブリペローエタロン７０の透過波長にて生じており、これはファブリペローエタロン７０によって多色光から特定の波長成分を分離できることを意味している。しかしながら、ファブリペローエタロン７０は分光計や波長シフト量検出器では一般に用いられていない。それは、ファブリペローエタロン７０に可調性がなく、従ってファブリペローエタロン７０の透過光からスペクトラムに関する情報を得ることやファブリペローエタロン７０の透過波長以外の波長について計測を行うことができないためである。

更に、波長分散手段３５と光検出器５０との間に十分な距離をとる必要があるということは、図１に示した装置における分光計４０が比較的大きくかさばった装置になるということや、スリット３０及び検出器５０に対する格子やプリズム等の波長分散手段３５の角度を調整して動作を最適化する配置調整及び校正操作を分光計４０に頻繁に施さねばならないということを、意味している。更に、その内部の光学部品と検出器５０との間に距離があるため既存の分光計４０は振動に敏感であり、行き届いた管理乃至制御によって安定化された環境でしか使用することができなかった。

分光計における配置調整を不要としまた分光計をコンパクト且つ頑丈なものにする試みとしては、Ｇａｔに付与された米国特許に係る下記特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には、光感知素子によるオプトエレクトロニックモノリシックアレイ及びこのアレイに対し固定的に整列されたリニア可変光学フィルタを有するスペクトラム分解センサが、記載されている。このスペクトラム分解センサを構成するリニア可変光学フィルタの形状はくさび状であり、このくさび形状は、基板を被覆するコーティングの厚みを被覆部位毎に変えることによって、実現されている。

米国特許第５１６６７５５号明細書

しかしながら、特許文献１に記載されている装置の構成要素の中には比較的高価なものが含まれているのに、この装置で得られる波長弁別能力は貧弱なものである。

そこで、本発明においては、検出器として光の入射位置を感知できる位置感知型(position-sensitive)光検出器を用いると共に、この光検出器へと光を透過させる膜として横変透過特性(laterally varying transmission properties)膜、即ち入射してくる光に及ぶ透過特性がその光がその膜のどこに（より厳密にはどの横方向位置乃至座標に）入射したかによって変わる膜を少なくとも１個設け、光源からの光をこの膜に通し位置感知型光検出器に送ってその波長を計測するようにしている。本発明は、例えば、横変透過特性素材乃至物体により被覆された位置感知型光検出器を用い、チップサイズの分光計或いは波長シフト量検出器として実施できる。この装置にて使用する位置感知型光検出器は、例えば、その光検出器の光感知面上における光スポットの位置に応じた（例えば光スポット位置に対し比例的又は直線的に変化する）出力を発生させる均質なデバイスである。この光検出器から出力されるのは、例えば、その正規化差動分が当該光検出器上の光スポットの位置に応じた値になる（例えば光スポット位置に対し比例的又は直線的に変化する）二種類の電流である。このような構成を有する装置を用いれば、単色光源から発せられる光の波長を計測でき、また光源における波長シフト量を精密に判別できる。

本発明の構成要素のうち位置感知型光検出器は、ディスクリート光感知素子群のアレイを基体とするアレイ化位置感知型検出器としても実現できるが、一体性及び均質性のある非ディスクリート光感知媒体を基体とする一体均質位置感知型検出器として実現するのが望ましい。一体均質位置感知型検出器は、特にＳｉベースデバイスを使用できない波長領域において、アレイ化位置感知型検出器に比べ遙かに安価である。加えて、アレイ化位置感知型検出器における位置分解能がそのアレイを構成する各ディスクリート光感知素子のサイズにより制限されるのに対し、一体均質位置感知型検出器における位置分解能はその出力精度（上記の如き二種類の電流を出力するタイプであればそれらの差動分の計測精度）により制限されるのみであるから、一体均質位置感知型検出器においては、アレイ化位置感知型検出器よりも高い位置分解能、例えば０．１μｍ未満という精細な位置分解能を実現できる。

本発明の構成要素のうち横変透過特性膜は、例えば、横変厚み（ファブリペロー）共振子即ちその厚みが不均一な（ファブリペロー）共振子や、横変屈折率共振子即ちその屈折率が膜上の横方向位置によって異なる（ファブリペロー）共振子として、実現できる。横変厚み(laterally varying thickness)ファブリペロー共振子は、例えば、くさび状エタロンとして実現することができる。ここでいうくさび状エタロンとは、その厚みが位置感知型光検出器の表面に沿って変化するくさび状の外形を有し、更にこれに隣り合って配置された少なくとも１個の反射層を有する透過性共振子である。くさび状エタロンの伝達関数は、位置感知型光検出器の表面に沿ってそのくさび状エタロンの透過性共振子としての厚みが変化していることから、そのくさび状エタロンを透過した光が当該位置感知型光検出器の表面上のどこに入射するかによって、異なる関数になる。従って、くさび状エタロンへの入射光に波長シフトが生じていると、くさび状エタロンを透過した光が位置感知型光検出器上に形成する光スポットの位置がシフトする。従って、くさび状エタロンを用いることによって、特許文献１に記載されているリニア可変光学フィルタで得られるものより優れた波長選択性を、得ることができる。

更に、透過性共振子上の反射層は、例えば、分散ブラッグ反射器(distributed Bragg reflector:ＤＢＲ)を形成するようその厚み及び屈折率を定めた複数個の薄膜によって、実現することができる。反射率の高いブラッグ反射器乃至ＤＢＲを用いることによって、くさび状エタロンによる波長選択性改善効果を更に強めることができる。

また、横変透過特性膜は、横変屈折率(laterally varying index of refraction)誘電体ファブリペロー共振子として実現することもできる。この横変屈折率誘電体ファブリペロー共振子は、その厚みは均一だが膜を形成する素材の組成が膜上の横方向位置によって異なる膜として、実現することができる。この横変屈折率誘電体ファブリペロー共振子は、例えば、厚みは均一であるけれどもそのＡｌ分が膜上の横方向位置により異なるＡｌＧａＡｓ膜から構成されたファブリペロー共振子として、実現できる。

本発明は、単一周波数光源における波長又は波長シフト量を計測できる装置として、実現することができる。波長シフト量を計測するには、例えば、元々の波長における光スポット位置の検出結果を示す第１信号を計測しておき、シフト分を含む波長における光スポット位置の検出結果を示す第２信号と比較すればよい。このようにすれば、第１及び第２信号に基づき、光源からの光に現れている周波数シフトの量についてその計測値を得ることができる。この波長シフト量は、波長シフト量に対し比例的乃至直線的に変化しているが光の強度には依存していないアナログ出力信号差動分に基づき、判別乃至決定することができる。

図５に、本発明の第１実施形態に係るチップサイズ波長検出器１０００を示す。この図に示すように、チップサイズ波長検出器１０００は、横変透過特性膜たる横変厚みエタロン１００及び位置感知型光検出器３００を有している。チップサイズ波長検出器１０００は、単色光源１０から発せられる光の絶対波長を判別する用途にも、また基準波長に対するその光の波長シフト量を計測する用途にも、使用できる。

これらのうち光の入射位置を感知できる位置感知型光検出器３００は、その出力として又はその出力に基づき、当該光検出器３００の表面上における光スポットの位置に応じた（例えば比例的又は直線的に変化する）信号例えば正規化電流差動分が得られるデバイスとして、構成することができる。例えば、光スポットが位置感知型光検出器３００上の位置＃８に落ちているときと位置＃９に落ちているときとでその出力信号レベルが異なるものになるよう、位置感知型光検出器３００を構成できる。

次に、位置感知型光検出器３００へと光を選択的に透過させる横変透過特性膜は、ここでは、くさび状透過性共振子１０２並びに２個の反射膜１０１及び１０３を有する横変厚みエタロン１００として形成されている。即ち、これら３個の膜１０１、１０２及び１０３によって形成されるエタロン１００はくさび状のファブリペローエタロンであり、更にこのくさび状の外形は、共振子１０２をくさび状とすることによって実現されている。また、くさび状透過性共振子１０２の厚みｄはくさびの横方向位置ｘ沿いの距離に対し関数的に変化しており（ｄ＝ｄ（ｘ）。図の例ではｘに対し直線的に変化する関数）、従ってくさび状エタロン１００の透過波長λも横方向位置ｘに対し関数的に変化している（λ＝λ（ｘ））。即ち、くさび状透過性共振子１０２を形成する素材の屈折率をｎとすると、くさび状エタロン１００の透過波長λは、整数ｋを用い次の式
（数１）
ｋλ（ｘ）＝２ｎｄ（ｘ） … （１）
により与えられる。

くさび状透過性共振子１０２並びに２個の反射膜１０１及び１０３を有しているこの図の横変厚みエタロン１００は、レンズを介し位置感知型光検出器３００に光を入射するよう構成してもよいし、或いは位置感知型光検出器３００に隣り合うよう（例えば積層するよう）配置してもよい。光源１０は、あるときは波長λの光を、またあるときはΔλだけシフトしている波長λ＋Δλの光を出射する。光源１０から波長λの光が出射されると、この光は、くさび状エタロン１００上のある位置においてくさび状エタロン１００を通過し、位置感知型光検出器３００上の例えば位置＃８に射突する一方、位置感知型光検出器３００上の他の位置例えば＃９に対応するくさび状エタロン１００上の位置では反射される。これに対して、光源１０から出射される光が波長シフトしている波長λ＋Δλの光であるときは、この光は、位置感知型光検出器３００上の位置＃９に対応するくさび状エタロン１００上の位置にてくさび状エタロン１００を通過し、位置感知型光検出器３００上の＃９に射突する一方、位置感知型光検出器３００上の他の位置例えば＃８に対応するくさび状エタロン１００上の位置では反射される。従って、位置感知型光検出器３００は、チップサイズ波長検出器１０００に入射する光が波長λの成分を含んでいるときは、位置＃８が光により照らされていること即ち波長λの成分が入射していることを示す信号を出力し、波長λ＋Δλの成分を含んでいるときは、位置＃９が光により照らされていること即ち波長λ＋Δλの成分が入射していることを示す信号を出力する。

図６に、図５に示した横変厚みエタロン１００における理想的反射スペクトラムの例を示す。横変厚みエタロン１００は、透過波長を除く全波長をほぼ１００％の効率で反射し、透過波長（及びその近傍の波長）をほぼ１００％の効率で透過させる。具体的には、図中に示されているように、位置感知型光検出器３００上の位置＃８（図５参照）に対応する横変厚みエタロン１００上の第１位置では、波長λ（ここではλ＝約８００ｎｍ）における横変厚みエタロン１００の反射率がほぼ０であるため波長λの光がその強度でいってほぼ１００％、横変厚みエタロン１００を透過するが、波長λ＋Δλ（ここではλ＋Δλ＝約８１０ｎｍ）における横変厚みエタロン１００の反射率がほぼ１００％であるため波長λ＋Δλの光は原理上全て反射される。これに対して、位置感知型光検出器３００上で位置＃８の隣にある位置＃９（図５参照）に対応する横変透過特性膜１００上の第２位置では、横変透過特性膜１００は、波長λ＋Δλ（約８１０ｎｍ）の光をほぼ全て透過させ、波長λ（約８００ｎｍ）の光をほぼ全て反射させる。従って、位置感知型光検出器３００から得られ位置感知型光検出器３００上の光スポットの位置に応じ（例えば比例的又は直線的に）その値が変化する信号から判断して、光スポットの位置が位置＃８であるなら波長λの光が到来しているということであり、位置＃９であるなら波長λ＋Δλの光が到来しているということであるから、光スポット位置を計測しその結果を後述の通り事前取得済の校正曲線に照らせば波長λ又はλ＋Δλを計測することができ、また位置＃８から位置＃９までの光スポット変位量を計測しその結果を同じく校正曲線に照らせば波長シフト量Δλを計測することができる。

図７Ａに、図５に示したくさび状エタロン１００のくさび状透過性共振子１０２を製造するのに使用できる製造環境を示す。この図に示す製造環境においては、位置感知型光検出器３００を基板とし、この基板の表面上に直接、下側反射膜１０３、くさび状透過性共振子１０２及び上側反射膜１０１（図示せず）それぞれに係る堆積種又は堆積素材（以下「堆積種」）を堆積させているが、下側反射膜１０３、くさび状透過性共振子１０２及び上側反射膜１０１それぞれに係る堆積種を透明基板上に堆積させ、その後これを位置感知型光検出器３００上に取り付けてもよい。

その厚みが横変しているエタロン即ちくさび状エタロン１００を形成するには、位置感知型光検出器３００からの距離が最短になるライン（即ち位置感知型光検出器３００の対称軸）からずれた場所に堆積種源５００が位置することとなるよう、位置感知型光検出器３００及び堆積種源５００を配置すればよい。“距離最短ライン乃至対称軸上に配置する”ということは、位置感知型光検出器３００の中心（位置感知型光検出器３００の両端から計ってちょうど中間にある点）と堆積種源５００とを通るライン即ち位置感知型光検出器３００から見た堆積種源５００の方向を示すライン上に位置感知型光検出器３００を配置し、且つその位置感知型光検出器３００の表面がそのラインに直交するよう位置感知型光検出器３００を配置する、ということであり、“距離最短ライン乃至対称軸からずらして配置する”ということは、堆積種源５００がこのラインからずれるよう位置感知型光検出器３００を配置する、ということである。図７Ａに示されているのは、堆積種源５００に対する位置感知型光検出器３００の向き乃至姿勢のずらし方及びずれ幅の一例である。

このように配置した場合、堆積種源５００に近い部位ほど多くの堆積種流束を受け止めることとなるため、位置感知型光検出器３００のうち堆積種源５００に近い部位には、堆積種源５００から遠い部位に形成される膜に比べて、厚い膜が形成されることになる。ＭＢＥ(molecular beam epitaxy)システムにて斯様な構成を実現するには、共振子形成期間中にウェハ回転を停止させるという簡便な操作を行うのみでよい。また、距離最短ライン乃至対称軸からずらして配置するのに代え、位置感知型光検出器３００に至る通常の堆積種軌跡に対し位置感知型光検出器３００を傾けて配置することによっても、くさび状透過性共振子１０２を形成できる。何れの配置を採るにせよ、位置感知型光検出器３００の向き（角度乃至姿勢）や位置は、適当なくさび角α（図５参照）を有するくさび状透過性共振子１０２が形成されるよう設定しておく。後に説明する実施形態においては、このくさび角αを１０^-4度未満としている。

実現すべき（或いは実現するのか望ましい）くさび角αが非常に小さいことからすれば、横変厚み光学膜１００上の横方向位置ｘの変化に対する透過波長シフト量Δλの例を、掲げておくのが望ましいであろう。例えば、後に説明する図７Ｃの例では、くさび角αを約２×１０^-4度とすることにより１ｃｍ当たり約３０ｎｍの透過波長シフト量Δλを実現している。このようなくさび状透過性共振子１０２をＧａＡｓにより形成しファブリペロー被覆１００を得るには、従来からあるＭＢＥシステムを用い単に共振子成長期間中は基板回転を停止させておくだけでよい。また、従来手法によりＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂を堆積させて形成する際には、基板例えば位置感知型光検出器３００の位置（垂直乃至通常入射角に対する傾きや変位中心の位置乃至傾き）について広範囲に亘る選択肢があるため、横変厚み光学膜１００特にそのくさび状透過性共振子１０２は、その用途に応じ、横方向位置ｘによる透過波長シフト量Δλが小さくなるよう（例えば１ｎｍ／ｃｍ未満になるよう）形成することも、大きくなるよう（例えば１００ｎｍ／ｃｍになるよう）形成することもできる。横変厚み光学膜１００特にそのくさび状透過性共振子１０２を堆積形成する素材をどちらの方向から堆積させるか即ち堆積角は、実験的に決めればよい。即ち、その堆積種を堆積させてくさび状透過性共振子１０２を形成し、これを含む膜１００の透過特性を計測し、そしてその結果に基づき適当な値を決定すればよい。

横変厚み光学膜１００を形成する方法としては、以上の他に、堆積種の堆積速度が位置感知型光検出器３００の表面における位置により異なる速度になるよう、シャドーマスクを用い又は温度勾配を付与することによって、くさび状透過性共振子１０２を形成する、という方法もある。

また、横変透過特性膜に対して求められる基本的な性質は、その透過特性例えば光学的厚みがその膜上の横方向位置により変化するという横変透過特性である。光学的厚みをその膜上の横方向位置により変化させることは、図５に示した横変厚みエタロン１００を構成するくさび状透過性共振子１０２のように横変透過特性膜を構成する共振子の実体的厚みを不均一にすること（例えば徐変させること）だけでなく、共振子の屈折率を膜上の横方向位置により変えることや、それらの組合せによっても、実現できる。そこで、図７Ｂに、本発明における横変透過特性膜の一実施形態である横変屈折率エタロン即ちその厚みは均一だがその屈折率が膜上の横方向位置により異なるエタロンを製造できる製造環境を示す。この製造環境においては、共振子を形成する素材の組成を膜上の横方向位置により変えることにより、共振子の屈折率を膜上の横方向位置により変えている。即ち、この環境においては、位置感知型光検出器３００からの距離が最短になるライン乃至位置感知型光検出器３００の対称軸に沿い位置感知型光検出器３００の上方に堆積種源５１０が対称的に配置されているため堆積種源５１０から到来する堆積種によって位置感知型光検出器３００上に均一厚み膜が形成される一方、この距離最短ライン乃至対称軸からずれた位置に合金又はドーパント素材源５２０が配置されているため当該相対的にずれた位置にある合金又はドーパント素材源５２０からの合金又はドーパントが堆積種と同時に又は相前後して到来し、この合金又はドーパントによりこの膜の組成がこの膜上の横方向位置によって異なる組成になる。図中の１１２は、このようにして形成されつつあり形成後には横変屈折率透過性共振子として使用される均一厚み膜である。先に述べた手順と同様の手順によって上側反射膜１０１及び下側反射膜１０３と同様の上側反射膜（図示せず）及び下側反射膜１１３を設ければ、横変屈折率透過性共振子１１２並びに上側反射膜（図示せず）及び下側反射膜１１３を有する横変屈折率エタロンが、位置感知型光検出器３００上に形成されることとなる。このような横変屈折率エタロンを形成するには、横変屈折率透過性共振子１１２を堆積・成長させる際、例えば、ＧａＡｓ又はガラスを供給できる堆積種源５１０及びＡｌ又はＧｅを供給できる合金又はドーパント素材源５２０を用いればよい。特にドーパントを含まない（又は意図的な操作を加えずにドーピングした）ＧａＡｓの屈折率は波長＝１μｍにおいて３．４であり、またＡｌ分を３０％含むＡｌＧａＡｓの屈折率はそれより高い３．２５であるから、上述のような環境を用い横方向位置によってＡｌ分の比率を変えるようにすれば、横変屈折率透過性共振子１１２（例えば横方向位置による屈折率変化が直線的で光学的効果面等でくさび状エタロンと等価な横変屈折率エタロン）が得られる。なお、一般に、膜を形成する素材としてどのようなものを選びまた膜の透過特性をどのような特性にするかは、その用途に応じて適宜定めればよい。

図７Ｃに、図７Ａに示したものと同様の製造環境でＭＢＥにより製造されたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓファブリペロー構造の伝達特性乃至透過特性についての計測結果を示す。この図に示すように、横変厚み光学膜１００の透過パワー乃至透過率は波長の関数であり、膜１００上の位置毎にそれぞれ異なる波長でピークを呈している。また、この図に示す計測結果は位置感知型光検出器３００の表面上にある１１通りの位置について、透過パワー乃至透過率を調べたものであり、この計測結果から各位置で透過パワー乃至透過率がピークになる波長即ち透過波長乃至ピーク波長を知ることができる。この図から読み取れるように、透過波長乃至ピーク波長は１番目の位置から１１番目の位置にかけて９３２．５ｎｍから９６７．５ｎｍまでの３５ｎｍに亘り変化しており、また１番目の位置から１１番目の位置までの距離は凡例に示すように約５００ｍｉｌであるから、膜１００上の横方向位置による透過波長乃至ピーク波長の変化勾配即ち後述する校正曲線の勾配は、３５ｎｍ／約５００ｍｉｌ＝約０．０７ｎｍ／ｍｉｌ＝約３ｎｍ／ｍｍとなる（１ｍｉｌ＝１／１０００インチ＝約２．５４×１０^-5ｍ）。即ち、この図に示した特性を有する横変厚みエタロン１００（或いはこれに等価な横変屈折率エタロン）を備えるデバイスによれば、位置感知型光検出器３００の表面上における光スポットが約３μｍ横方向に移動したことを以て、０．０１ｎｍというわずかな量の波長シフトを容易に検出できる。

横変厚みエタロン１００のパワー分解能即ちフィネッスは、部分的に、その前面及び背面の反射率に依存している。即ち、反射膜１０１及び１０３の反射率を向上させれば、横変厚みエタロン１００のフィネッスも向上し、ひいては横変厚みエタロン１００の反射特性における窪み（透過ディップ）の半値幅(full width half maximum:ＦＷＨＭ)も狭くなる。反射膜１０１及び１０３の反射率を向上させるには、これら反射膜１０１及び１０３を、反射率の高いＤＢＲを用いて構成すればよい。

ブラッグ反射器は、互いに屈折率が異なる二種類の誘電体素材層を対をなすよう交互に配置した多層構造を有する反射器である。ブラッグ反射器を構成するｉ番目の素材層の厚みｄｉは、およそ次の式
ｄｉ＝λ／（４ｎｉ） … （２）
により与えられる。この式中、λはこのブラッグ反射器のフィルタとしての最適化対象たる中心注目波長（但しその自由空間波長）であり、ｎｉはこの波長λにおけるｉ番目の素材層の屈折率である。光の遮断によって高反射率を実現する金属製の反射器と異なり、ブラッグ反射器はわずかに内部吸収を呈する反射器であり、その高反射率は多重干渉効果によりもたらされている。

ＤＢＲを使用する理由の一つは、膜の対数やその屈折率差を選定することにより、積層された膜による反射率を概ね任意に高められることにある。高反射率を得るには、誘電体層の純度を高純度として（誘電体層内の欠陥を少なくして）吸収を抑える必要があり、各層の厚みを精密に制御するのが望ましく、そして素材界面を滑らかにして光散乱を抑えるのが望ましい。産業界においては、高反射率ＤＢＲを得るための技術として、通常、熱蒸着や電子ビーム蒸着等の真空膜堆積技術が使用されている。

図８に、本発明の第２実施形態に係るチップサイズ波長検出器１２００を示す。本実施形態におけるくさび状エタロン１２０は、くさび状透過性共振子１２２並びに２個の反射膜１２１及び１２３を有している。図中の１５は単一周波数光源である。各反射膜１２１及び１２３はそれら自体が多層膜であり、反射膜１２１又は１２３を構成する個別の膜の厚み及び屈折率は、上述のＤＢＲが構成されるよう選択・設定されている。製造するに当たっては、位置感知型光検出器３００上に直接、下側反射膜１２３、くさび状透過性共振子１２２及び上側反射膜１２１を堆積・成長させてもよいし、下側反射膜１２３、くさび状透過性共振子１２２及び上側反射膜１２１を薄い基板上に堆積・成長させ、その後これを位置感知型光検出器３００上に取り付けてもよい。

ＤＢＲ膜１２１及び１２３を形成するには、例えば、図示の例の如くＧａＡｓ層及びＡｌＡｓ層を交互に配置すればよい。ＧａＡｓ層及びＡｌＡｓ層によってくさび状エタロン１２０を形成するには、ＭＢＥによってＧａＡｓ基板（例えば位置感知型光検出器３００）上にＧａＡｓ層及びＡｌＡｓ層を堆積させればよい。基板及び各層の種別（左欄）、素材、対数及び性質（中欄）並びに厚み（右欄）の例を、表１に示す。なお、素材層を交互に堆積・形成する手法としては、ＭＢＥの他に、ＭＯＣＶＤ(metal organic chemical vapor deposition)、電子ビーム蒸着、スパッタリング等がある。

表１に示した素材及び層厚は一例に過ぎない。即ち、使用する素材は数ある素材の中から用途に応じて選べばよいし、層厚も用途に応じて定めればよい。表２に、使用できる素材の例を示す。

表２に示した如き素材特性があるため、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂を用いたＤＢＲ構造は、表３に示すように、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓを用いたＤＢＲ構造に比べて良好な特性を呈するものとなる。

図８に示されているくさび状エタロン１２０を製造する際には、例えば、各種パラメータを表１の通り設定すればよい。表１に示した例では、くさび状透過性共振子１２２は、その代表部位の厚みが約２７０ｎｍ（２６８ｎｍ）のアンドープドＧａＡｓ層として実現されており、また反射膜１２１及び１２３は、それぞれ、約６７．０ｎｍの厚みを有するＧａＡｓ層と約８０．４ｎｍの厚みを有するＡｌＡｓ層とが交互に位置するよう約１５対のＧａＡｓ層及びＡｌＡｓ層を配置した層として実現されている。表２に示す通り、くさび状透過性共振子１２２並びにＤＢＲ構造１２１及び１２３を構成する各ＧａＡｓ層の屈折率は約３．５５であり、ＤＢＲ構造１２１及び１２３を構成する各ＡｌＡｓ層の屈折率は約２．９５である。式（１）にｋ＝２、ｎ＝３．５５及びｄ＝２７０ｎｍ（２６８ｎｍ）を代入するとλ＝９５８．５ｎｍ（９５１．４ｎｍ）となり、式（２）にｎｉ＝３．５５及びｄｉ＝６７．０ｎｍを代入するとλ＝９５１．４ｎｍとなり、式（２）にｎｉ＝２．９５及びｄｉ＝８０．４ｎｍを代入するとλ＝９４８．７ｎｍになることから読み取れるように、表１に示した例は、くさび状エタロン１２０の透過窓が９５０ｎｍ近傍に（又は９５０ｎｍを中心として）開くよう設計した例である。

くさび状透過性共振子１２２のくさび角αは、くさび状エタロン１２０に求められているスペクトラムレンジに応じて決定されている。くさび状透過性共振子１２２のくさび角αを大きくすると、くさび状エタロン１２０のスペクトラムレンジが広くなる反面、チップサイズ波長検出器１２００の分解能は低くなる。従って、くさび角αは、チップサイズ波長検出器１２００に求められているスペクトラムレンジ及び分解能に応じて、翻って位置感知型光検出器３００のダイナミックレンジに応じて、選ぶべきである。

図９に、図８に示した如きＤＢＲ膜１２１及び１２３を有するくさび状エタロン１２０の理想的な反射スペクトラムを示す。この図に示すデータは、くさび状エタロン１２０の表面に沿い点１〜９について計算したものである。このデータによれば、光が透過することを表している窪み（透過ディップ）の半値幅は全体として約１ｎｍであり、くさび状エタロン１２０の正規化反射率Ｒは９９．８％である。また、システムとしての分解能は、位置感知型光検出器３００の分解能力、透過ディップの半値幅、並びにくさび状エタロン１２０上での単位変位量当たりピークシフト量に強く依存している。即ち、透過ディップの半値幅及び単位変位量当たりピークシフト量が小さいほど分解能がよくなり、透過ディップの半値幅及び単位変位量当たりピークシフト量が大きいほどチップサイズ波長検出器１２００によりカバーできるスペクトラムレンジが広くなる。

図９に示す反射曲線を呈するくさび状エタロン１２０を、さしわたしおよそ１０ｍｍの寸法がある位置感知型光検出器３００上に、横方向に延びるよう形成した場合、寸法設定値から図９における合計スペクトラムレンジは約６０ｎｍになり、また式（１）及び表２に示した数値からくさび状透過性共振子１２２のくさび角αは約０．０００１度未満にまたこれに対応する単位変位量当たり波長シフト量は約６ｎｍ／ｍｍになる。このように小さなくさび角αでも（或いは更に小さなくさび角であっても）、ＭＢＥ等の薄膜堆積技術を用いれば容易に実現することができる。

図１０に、本発明の実施形態に係る波長（シフト）検出器例えばチップサイズ波長検出器１２００にて使用できる位置感知型光検出器３００の例を示す。この図に示す位置感知型光検出器３００においては、その検出面（検出に使用する面）上に落ちている光スポットの位置に応じた（例えば比例的又は直線的に変化する）信号を発生させるため、三極半導体デバイスが形成されている。この図の例では、検出面が２個の出力電極に挟まれるよう出力電極及び検出面が配置乃至形成されている。また、この図の例では、バイアス電極から各出力電極へと流れる電流の差動分から、位置感知型光検出器３００上の光スポットの位置を知ることができる。

このような構成を有し位置感知型光検出器３００として使用できる位置センサとしては、例えば、アメリカ合衆国カリフォルニア州レイクフォレスト所在のＯｎ−ＴｒａｋＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．により製造されている１Ｌ１０がある。この位置感知型光検出器３００は、ｎ型シリコン基板（低ドープｎ層）３３１の表裏にｐｎ接合を挟んで２個の抵抗層３３５及び３３６を設けた構成を有している。それらの抵抗層のうち基板３３１の表側にある抵抗層３３５は、イオンインプランテーションにより形成されたｐ型抵抗層であり、このｐ型抵抗層３３５には、当該ｐ型抵抗層３３５を挟んで差し向かいとなるよう何対かのコンタクト乃至出力電極３３２及び３３４が形成されている。また、基板３３１の裏側にある抵抗層３３６は、イオンインプランテーションにより形成されたｎ型抵抗層であり、本デバイス用のバイアス電極３３３として機能している。本デバイスを一軸位置センサとして構成する場合は、ｐ型抵抗層３３５を差し挟むように電極３３２及び３３４を一対形成し、バイアス電極と合わせて三極の構造とする。シリコンのスペクトラムレンジに属する光により検出面上即ちｐ型抵抗層３３５表面に光スポットが形成されると、それに伴い、抵抗層３３５及び３３６を通り入射点３３８直下から電極３３２及び３３４へと光電流Ｉ２，Ｉ１が流れる。ｐ型抵抗層３３５における抵抗分布はきわめて均一であるため、電極３３２及び３３４に流れ込む光電流Ｉ２，Ｉ１の値は、入射点３３８からその電極（３３２又は３３４）までの距離に反比例する値になる。この位置感知型光検出器３００の長さは例えば１０ｍｍであり、位置感度（位置分解能）は例えばおよそ０．１μｍを下回るほどにも精細な値になる。

また、検出面上に落ちる光スポットの位置を二次元的に検出したい場合は、位置感知型光検出器３００を五極半導体デバイスにより実現し二軸位置センサとして構成すればよい。即ち、２対の出力電極により検出面が挟まれるよう位置感知型光検出器３００の表側に２対の出力電極及び検出面を配置乃至形成することにより、位置感知型光検出器３００の裏側にある１個のバイアス電極と合わせて五極の構造とする。このようにすれば、位置感知型光検出器３００上における光スポット位置を二次元的に検出できる。また、このように光スポット位置を二次元的に検出可能な位置感知型光検出器３００を用いる際には、横変透過特性膜として、その光がその膜のどの横方向二次元位置乃至座標に入射したかによってその入射光に及ぶ透過特性が異なる二次元横変透過特性膜を、用いるのが望ましい。二次元横変透過特性膜における透過特性の変化勾配は、例えば一方の軸については比較的急峻にし他方の軸についてはよりなだらかにする。

また、簡明化のためこの図には示していないが、本件技術分野における習熟者であれば理解できるように、位置感知型光検出器３００は、出力ピンと位置感知型光検出器３００本体との間を電気的に接続する機能を有する集積回路用ハウジング内に、作り込むことができる。そのようにすれば、ハウジングの外に現れている出力ピンをケーブル又は配線を介しコンピュータ等のデータ収集装置に接続することによって、位置感知型光検出器３００の出力信号を当該データ収集装置に供給することができる。更に、位置感知型光検出器３００のうち位置センサ部分から出力される二種類の電流の差動分を求める手段は、位置感知型光検出器３００に電子回路を内蔵することによって、又は位置感知型光検出器３００に演算増幅器等の電子回路を外付けすることによって、或いは位置感知型光検出器３００の接続先のコンピュータ等によって、実現できる。そのための技術としては本件技術分野において周知の技術を使用できるため、それらについてはこの図における記載を省略しまた以下の欄における説明を省略している。

図１１に、本発明の第３実施形態に係り図１０に示した通り位置センサ部分を含む位置感知型光検出器３００を使用するチップサイズ波長検出器１２００を示す。この図に示したチップサイズ波長検出器１２００は、位置感知型光検出器３００の表面上にくさび状エタロン１２０を配置乃至形成した構成を有している。くさび状エタロン１２０は、図８に示したものと同様、くさび状透過性共振子１２２とＤＢＲ膜（図８でいう１２１及び１２３）とを積層した構成を有している。例えば、くさび状透過性共振子１２２はＧａＡｓから形成された共振子、各ＤＢＲ膜はＡｌＡｓ層及びＧａＡｓ層を交互に重ねた積層膜であり、これらは皆ＭＢＥにより堆積・形成されている。くさび状ファブリペローエタロン１２０を構成するくさび状透過性共振子１２２上の幅方向位置によって透過ピークになる波長が異なるため、位置感知型光検出器３００に達する透過光の強度が最強になる位置は、位置感知型光検出器３００の表面に沿って、且つ波長に対して関数的に、シフトする。

図１２に、チップサイズ波長検出器１２００の校正及び試験に使用できまた単一周波数光源から発せられる光の波長の計測にも使用できる環境乃至装置を示す。まず、先に図８に示したチップサイズ波長検出器１２００は高分解能であるため、これを校正するには平行光線をチップサイズ波長検出器１２００に照射するのが望ましい。平行光線は、この図に示すように、単一周波数レーザ光源１２から発せられた光をコリメーティングレンズ２３により平行化することによって、得ることができる。単一周波数レーザ光源１２は、例えば、半導体のＶＣＳＥＬ(vertical cavity surface emitting laser)によって実現できる。ＶＣＳＥＬを構成する半導体デバイスの動作温度を調整すれば、単一周波数レーザ光源１２から発せられる光の波長λを約９４２〜約９４７ｎｍの範囲で調整することができる。単一周波数レーザ光源１２の線幅Δνは約１００ＭＨｚであり、出力パワーＰは約２ｍＷである。なお、簡明化のためこの図ではくさび状エタロン１２０を単なるくさび形として模式的に表しているが、自明なことに、くさび状エタロン１２０は図８に詳細に示した通り様々な構成要素を含んでいる。更に、ここではこの図に示した環境を校正との関係で説明するが、本件技術分野における習熟者にとっては自明なことに、これと全く同じ環境を用い、光源１２から発せられる光の波長を計測することができる。

位置感知型光検出器３００は集積回路用ハウジング内に実装することができ、くさび状エタロン１２０はこの位置感知型光検出器３００上に直に作り込むことができる。従って、位置感知型光検出器３００やくさび状エタロン１２０をより複雑な電子検出システムに集積化・一体化することは、本願による開示に基づき直ちに行えることである。例えば、チップサイズ波長検出器１２００を用いれば、スペクトラム解析の結果を用いて光源１２の特性乃至性能を変化させることが可能なインタラクティブ検出システムを、容易に実現することができる。また、後段の又は隣にある位置感知型光検出器を用い検出システム内で他のイベントを引き起こすこともできる。

図１３Ａに、チップサイズ波長検出器１２００に関し、単一周波数レーザ光源１２から到来する光の波長を変化させつつ、位置感知型光検出器３００から得られる信号乃至電流を計測した結果を示す。即ち、図１１に示した出力電極３３４とバイアス電極３３３との間に流れる電流をＩＬ、出力電極３３２とバイアス電極３３３との間に流れる電流をＩＲとすると、位置感知型光検出器３００から得られる電流ＩＬ及び電流ＩＲ間の差ＩＬ−ＩＲをそれらの和ＩＬ＋ＩＲにより正規化した値である出力電流差動分乃至出力信号差動分
（ＩＬ−ＩＲ）／（ＩＬ＋ＩＲ） … （３）
は、先に図１０に基づき示した説明から明らかなように、光スポット位置３３８に対して直線的に変化する。従って、出力電流差動分の計測結果はそのまま光スポット位置３３８を表すデータとして扱うことができ、或いは出力電流差動分の計測結果について直線的な換算処理を施すことにより光スポット位置３３８を知ることができる。図１３Ａの縦軸はこのようにして得た光スポット位置３３８を所定位置を基準として表したもの（当該所定位置に対する光スポット変位量）であり、従って、横軸はその光スポット位置３３８にて透過光強度がピークになる波長即ち透過波長乃至ピーク波長を表している。厚みの変化が直線的であればくさび状エタロン１２０（又はこれに等価な横変屈折率エタロン）における光スポット位置３３８とピーク波長との関係が理論的乃至原理的に直線的になることを反映して、この図に示す計測結果も直線的関係を示している。チップサイズ波長検出器１２００を用い未知光源からの入射光について波長の計測や各種光源からの光における波長シフト量の計測を行うには、少なくともそれに先立ち、このような計測を行って出力信号差動分又は光スポット位置３３８に対するピーク波長の関係を校正曲線として取得しておく。即ち、チップサイズ波長検出器１２００の校正を実施しておく。波長又は波長シフト量の計測に当たっては、チップサイズ波長検出器１２００又はその位置感知型光検出器３００から得られる出力信号差動分又は光スポット位置３３８を校正時に取得済の校正曲線に照らして、波長を導出する（波長シフト量計測時には波長シフト発生前後の波長を同様にして導出しその差を求める）。これにより、波長や波長シフト量を正確に計測することができる。また、図１３Ａから波長感度（波長分解能）を求めることができる。即ち、まず、光スポット位置対ピーク波長特性を示す直線の勾配は、単位変位量当たりピーク波長シフト量、即ち光スポット位置３３８が単位量変化したときに生じるピーク波長のシフト量を表しており、また、チップサイズ波長検出器１２００の波長シフトに対する感度（分解能）即ち波長感度（波長分解能）は、この単位変位量当たりピーク波長シフト量に、位置感知型光検出器３００の光スポット位置３３８に対する感度（分解能）即ち位置感度（位置分解能）を乗じたものである。この図に示す直線においては、図から読み取れるように計測過程での光スポット位置３３８の総変位幅がさしわたし０．７６ｍｍでありまたピーク波長の総変化幅がさしわたし約９４２．７５ｎｍから約９４５．２５ｎｍに至る約２．５ｎｍであるから、単位変位量当たりピーク波長シフト量は約２．５ｎｍ／０．７６ｍｍ＝約３．３ｎｍ／ｍｍであり（即ち光スポット位置３３８が検出軸方向に沿い１ｍｍ違うとピーク波長が約３．３ｎｍ違うということであり）、また図１０に基づき説明した通り位置感知型光検出器３００の位置感度は約０．１μｍを下回るほどにも精細である（即ち位置感知型光検出器３００の表面上での横方向位置を出力信号差動分に基づき０．１μｍ未満の分解能で判別できる）から、この計測結果におけるチップサイズ波長検出器１２００の波長感度は３．３ｎｍ／ｍｍ×約０．１μｍ＝約０．３３×１０^-3ｎｍを下回るほどにも精細である（即ち位置感知型光検出器３００の表面への入射光の波長を出力信号差動分に基づき約０．３３×１０^-3ｎｍ未満の分解能で判別できる）。なお、単位変位量当たりピーク波長シフト量が１ｎｍ／ｍｍ未満の膜乃至エタロンも容易に製造できるため、上記同様の位置感度の下で１ｎｍ／ｍｍ未満×約０．１μｍ未満＝約１０^-4ｎｍ未満という更に良好な波長感度（波長分解能）を有するチップサイズ波長検出器１２００も、実現可能である。

その校正曲線を計測すべき膜乃至被覆の分解能が低ければ、ＶＣＳＥＬに代えモノクロメータによっても、校正を行うことができる。図１３Ｂに、本発明の実施形態に係る波長検出器に関し、ハロゲンランプ光をモノクロメータによりスペクトラム的にフィルタリングしその結果得られた光を利用して計測した変位量対波長の関係の例を示す。フィルタリング手段としてモノクロメータを用いれば、ＶＣＳＥＬによる光源を調整する場合に比べ、光の波長を大きく変えることができる。そのため、この図に示すように、図１３Ａに示したものに比べ広い波長レンジについて、変位量対波長直線関係即ち校正曲線をデータとして取得できる。これは、先に説明した高分解能計測を、非常に広いスペクトラムレンジに亘り実行できることを、示唆している。

理論的には、位置感知型光検出器３００から得られる電流ＩＬ及びＩＲの和を監視することにより光強度をも計測することができ、しかもそれはどのような波長についても行うことができる。従って、プラズマ等の多色光源から発せられモノクロメータによりフィルタリングされた光をチップサイズ波長検出器１２００に照射し、チップサイズ波長検出器１２００の出力を監視乃至処理することにより、その光のスペクトル分布（強度対周波数特性）を示す情報を得ることができる。

また、先に述べた通り、光スポット位置３３８を約０．１μｍ未満という高感度乃至高分解能にて計測可能な位置感知型光検出器３００を構成でき、ひいてはピーク波長（及びそのシフト）を１×１０^-4ｎｍ未満という高感度乃至高分解能にて計測可能なチップサイズ波長検出器１２００を構成できる。しかも、このように高感度乃至高分解能の位置感知型光検出器３００及びチップサイズ波長検出器１２００を、非常に簡便且つ低廉な手法によって実現することができる。また、これまでの記述から理解できるように、チップサイズ波長検出器１２００の出力に基づく波長の計測乃至判別結果は光強度が多少変わっても影響を受けないため、普通は各チップサイズ波長検出器１２００による検出結果（波長）を上述の通り既知光源を用いて校正する必要があるとはいえ、高感度乃至高分解能の位置感知型光検出器３００であっても、照射光に対するその位置感知型光検出器３００の応答（即ち検出結果たる波長）のゲインを極端に注意深く校正する必要はない。なお、波長シフト量については波長ほどに正確な校正なしでも精密に決定できることに、留意されたい。

チップサイズ波長検出器１２００用に校正曲線として用いられるのは、例えば、図１３Ａ及び図１３Ｂに示したような曲線、即ち位置感知型光検出器３００上における光スポット位置３３８（基準位置からの変位量）と入射光の波長（基準波長からのシフト量）とを関連付ける曲線である。校正曲線は、本質的には、チップサイズ波長検出器１２００を構成する位置感知型光検出器３００上のくさび状エタロン１２０が詳細にはどのような膜により構成されているかにより、決まるものである。また、従来の分光計とは異なり、くさび状エタロン１２０は位置感知型光検出器３００に対し堅固に付着しているため、普通、振動や衝撃によってくさび状エタロン１２０が位置感知型光検出器３００から外れてしまうことはあり得ない。これらのことからして、図１及び図２に示した格子又はプリズムベースのフルサイズ分光計とは異なり、本発明の実施形態における校正曲線は、チップサイズ波長検出器１２００の向き、衝撃、振動等の外的条件では概ね変化しない。極端な温度にさらされる等のイベントが生じくさび状エタロン１２０の物理的状態が変化したのでない限り、校正曲線を計測し直す必要もない。

図１３Ａ又は図１３Ｂに示したような曲線を校正曲線として用いれば、チップサイズ波長検出器１２００により絶対波長や波長シフト量を高精度で計測することができるが、絶対波長を計測する際には、温度変化が計測結果に及ぼす影響を打ち消すための工夫を施すのがより好ましい。例えば、チップサイズ波長検出器１２００に温度センサを組み込んでおき、この温度センサの出力からみてチップサイズ波長検出器１２００に極端な温度変化が生じたと認められるときにそのチップサイズ波長検出器１２００を校正し（即ちその温度における校正曲線を計測し）その結果を温度センサの出力と関連付けて保存・格納するという処理を、様々な温度にて行えば、様々な温度とその温度における校正曲線とを関連付けるルックアップテーブルを得ることができる。温度センサの出力とこのルックアップテーブルとを利用すれば、様々な動作温度にてその温度における校正曲線を利用しチップサイズ波長検出器１２００の出力から正しい計測結果を得ることができる。なお、ダイオードレーザ出力安定化用熱電クーラと同様の熱電クーラ等を用い、チップサイズ波長検出器１２００を温度に対して安定化させるようにしてもよい。

このように外的条件の影響を受けないため校正曲線をひとたび入手すれば大抵はそれを使用し続けることができるという動作上の性格は、従来からフルサイズ分光計を対象として施されている校正手順を、不要にするものである。即ち、例えば図２に示した従来の装置では、光学部品同士の相対的な位置や姿勢に変化が生じるため、きちんと校正されている状態を確実に維持するには校正手順を頻繁に繰り返して実行する必要があったが、本発明の実施形態においてはそのように校正手順を繰り返す必要はない。更に、チップサイズ波長検出器１２００は、校正し直すことなしに、それまでの動作環境とは異なる動作環境に持ち込むことができる。例えば、外宇宙のような真空環境であれ、また水面下に潜行したときのように周囲の屈折率が普通とは異なる環境であれ、チップサイズ波長検出器１２００は概ね同様に機能しその応答は概ね変化しない。これは、屈折プリズムや回析格子を基本的構成要素としており従ってそれらを取り巻く媒体の屈折率に本質的に依存している従来の分光計とは、対照的である。

例えば図１２に示した環境にて校正されたチップサイズ波長検出器１２００を用いれば、未知の波長シフト量等を計測することができる。図１４に、そのことを検証するための実験環境乃至装置を示す。この実験環境においては、単一周波数光源１３に波長シフト機構（波長シフタ）１４が付設されている。波長シフト機構１４は単一周波数光源１３から発せられる又は発せられた光の波長をある未知の量だけシフトさせる。波長シフト機構１４の例としては、（例えば単一周波数光源１３内の）レーザ共振子乃至発振子の温度や寸法を変化させることによりレーザ発振波長をシフトさせる、という機構を挙げ得る。波長シフト量を計測する際、チップサイズ波長検出器１２００は、単一周波数光源１３から発せられレンズ（例えばコリメーティングレンズ）２５を通った光の波長を、波長シフト機構１４をオンしている状態（即ち波長シフト操作ありの状態）とオフしている状態（波長シフト操作なしの状態）とについて検出する。オン状態での波長とオフ状態での波長との差を調べれば、波長シフト量がわかる。

図１５に、波長シフト発生前後における計測結果の変化を模式的に示す。波長シフトは、例えば（単一周波数光源１３内の）単一モード半導体レーザの周波数を調整すること、より具体的には周波数調整のため当該半導体レーザに実装されている熱電クーラの出力を変えることにより、引き起こすことができる。波長シフト発生前においては、単一周波数光源１３からくさび状エタロン１２０を通って位置感知型光検出器３００に入射する透過光により、位置感知型光検出器３００の表面上にありその透過光の波長に対応する位置に光スポットが形成され、その位置ひいては波長が位置感知型光検出器３００により計測される。波長シフト発生後においては、位置感知型光検出器３００の表面上に形成される光スポットの位置が、位置感知型光検出器３００に入射する透過光の波長が単一周波数光源１３の元々の波長（波長シフト発生前の透過光の波長）に対して有しているシフト分だけ基準位置（波長シフト発生前の光スポット位置）からずれた位置となり、その位置ひいては波長が位置感知型光検出器３００により計測される。従って、位置感知型光検出器３００の出力に基づき波長シフト発生前後における位置感知型光検出器３００上の光スポット位置ひいては波長の差を計測・導出することにより、光スポット位置が変わった原因たる波長シフトの量を計測・判別することができる。

図１６に、図５、図８又は図１１に示したものと同様のチップサイズ波長検出器３３００を校正できる計測システム３０００を示す。この図に示す計測システム３０００は、一例として、ＣＰＵ３１００、可調光源３２００、チップサイズ波長検出器３３００、メモリ３４００及び入出力インタフェース３５００を、例えばバス３６００により相互接続した構成を有している。この図に示す計測システム３０００はバスアーキテクチャを有しているが、他種のハードウェア乃至ソフトウェア資源乃至形態を利用して同等のシステムを実現することもできる。例えば、これら構成部品のうち幾つかを、何個かのＡＳＩＣ(application specific integrated circuit)により実現してもよいし、計測又は校正システム３０００の機能のうち幾つかを、ＣＰＵ３１００により実行されるソフトウェアにより実現してもよい。ここでは位置感知型光検出器３００を用いたチップサイズ波長検出器３３００を想定するが、校正対象又は計測手段を構成する横変透過特性膜は横変厚み膜か横変屈折率膜かを問わない（横変透過特性膜であればよい）。

校正曲線を計測・取得する段階即ち校正段階においては、ＣＰＵ３１００による制御の下に可調光源３２００からの出射光の波長を変化させつつ（例えばスイープさせつつ）、チップサイズ波長検出器３３００からのデータをＣＰＵ３１００が取得するようにすればよい。ここで取得するデータは、例えば、チップサイズ波長検出器３３００を構成する位置感知型光検出器３００の出力信号ＩＬ及びＩＲ又は出力信号差動分であり、ＣＰＵ３１００は、取得したデータを波長に対応づけてメモリ３４００内に保存・格納するか、或いは取得したデータから出力信号差動分若しくは光スポット位置を導出し導出したデータを波長に対応づけてメモリ３４００内に保存・格納する。こういったデータ取得及び保存をＣＰＵ３１００による制御の下に可調光源３２００からの出射光の波長を調整しつつ（例えばスイープさせつつ）繰り返して行うことにより、位置感知型光検出器３００への入射波長に対する位置感知型光検出器３００における光スポット位置の関係を取得し校正曲線を示す情報又は校正曲線を導出可能な情報としてメモリ３４００内に格納することができる。また、先に述べた通り電流ＩＲと電流ＩＬとの和を求め強度計測を行うのであれば、例えば、ＣＰＵ３１００にて可調光源３２００の出力（強度）を監視し、その結果に基づきＣＰＵ３１００にて位置感知型光検出器３００用のゲイン係数を計測し、計測したゲイン係数を用いて位置感知型光検出器３００の出力を訂正する（ゲインを校正する）のが望ましい。ゲイン係数も、メモリ３４００内に格納しておくことができる。

このようにしてチップサイズ波長検出器３３００を校正した後は、波長又は波長シフト量を計測する計測段階に移行できる。例えば、位置感知型光検出器３００上の光スポット位置又はそれを示す出力信号若しくはその差動分を、可調光源３２００を用いて取得済の校正曲線に照らして判別することにより、未知光源からの光によって形成された光スポット内の光の波長を計測することができる。また、このような波長計測のみならず、先に述べた手順によって波長シフト量計測をも実行できる。例えば図１７に示すように可調光源３２００を波長シフト光源３７００に置き換えた実験装置３１５０においては、波長シフト量計測を実行する前に、波長シフト前の光についての計測を行っておく。即ち、波長シフト前の光によりチップサイズ波長検出器３００上に形成されている光スポットの位置を示す又はこれを導出できるデータをチップサイズ波長検出器３３００又はそのチップサイズ波長検出器３００からＣＰＵ３１００へと取得し、ＣＰＵ３１００にて取得したこのデータ又はこのデータから導出したデータをメモリ３４００内に保存・格納しておく。波長シフト量計測の際、即ち波長シフト光源３７００に対して波長シフト機構が作動している状態での計測の際には、波長シフトしている光によりチップサイズ波長検出器３００上に形成されている光スポットの位置を示す又はこれを導出できるデータをチップサイズ波長検出器３３００又はそのチップサイズ波長検出器３００からＣＰＵ３１００へと取得する。ＣＰＵ３１００は、取得したデータにより示される又はこれから導出できる波長シフト後の光スポット位置を、メモリ３４００内のデータにより示される又はこれから導出できる波長シフト前の光スポット位置と比較することにより、波長シフト前後での光スポット変位量を判別・導出し、導出した光スポット変位量を予め格納されている校正曲線即ち光スポット位置（従って光スポット変位量）対ピーク波長関係を示すデータに照らすことによって、波長シフト中の光源３７００における波長シフト量を判別・導出する。なお、波長シフト前後それぞれにてＣＰＵ３１００が取得したデータ又はそれに基づき導出したデータを校正曲線に照らして波長を求め、波長シフト前後における波長の相違分を導出するようにしてもよい。

従来技術に係る分光装置を示す図である。図１に示した分光装置の一部分を示す図である。従来技術に係るファブリペローエタロンを示す図である。図３に示したファブリペローエタロンの反射スペクトラムを示すグラフである。本発明の第１実施形態に係るチップサイズ波長検出器を示す図である。図５に示したチップサイズ波長検出器を構成するくさび状エタロンの反射スペクトラムを示すグラフである。図５に示したチップサイズ波長検出器の製造方法を示す図である。横変屈折率膜を有するチップサイズ波長検出器の製造方法を示す図である。図７Ａに示した環境で製造されたファブリペロー共振子の伝達特性乃至透過特性の計測結果を膜上の横方向位置との関係で示す図である。本発明の第２実施形態に係るチップサイズ波長検出器を示す図である。図８に示したくさび状共振子を有する誘電体ファブリペロー構造の反射スペクトラムを示す図である。本発明の実施形態にて位置感知型光検出器として使用できる位置センサの例を示す図である。本発明の第３実施形態に係るチップサイズ波長検出器にて使用されている図１０に示した位置センサを示す図である。本発明の実施形態に係るチップサイズ波長検出器乃至分光計の校正環境を示す図である。本発明の実施形態に係る波長検出器に関し、単一周波数ＶＣＳＥＬ光源を調整することによって計測した変位量対波長曲線を示す図である。本発明の実施形態に係る波長検出器に関し、モノクロメータにてスペクトラム的にフィルタリングされたハロゲンランプ光を利用し計測した変位量対波長曲線を示す図である。本発明の実施形態に係るチップサイズ波長検出器に関する実験環境を示す図である。波長シフト発生時におけるチップサイズ波長検出器の出力の例を示す図である。本発明の実施形態に係るチップサイズ波長検出器を校正しまたこれにより計測を行うシステムの例を示す図である。本発明の実施形態に係るチップサイズ波長検出器を用い波長シフト光源における波長シフト量を計測するシステムの例を示す図である。

Claims

光の入射位置を感知できる位置感知型光検出器と、
その膜上の横方向位置により異なる透過特性にて位置感知型光検出器へと光を透過させる少なくとも１個の横変透過特性膜と、
を備え、光源からの光の波長を計測する装置。