JP2006329680A - Optical sensor head - Google Patents

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Hiroshi Fukuda
浩 福田
Koji Yamada
浩治 山田
Toshibumi Watanabe
俊文 渡辺
Yasushi Tsuchizawa
泰 土澤
Seiichi Itabashi
聖一 板橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical sensor head enhanced in detection sensitivity and small in size in an inexpensive mass production state. <P>SOLUTION: Slots 121 are formed to a silicon fine wire core 102. The slots 121 are provided to the straight parts of the silicon fine wire core 102 so as to extend in the extending direction (light guide direction) of the silicon fine wire core 102. Further, the slots 121 are formed so that both ends of them are tapered on a plan view. For example, the width G of the widest part of each of the slots 121 is set to 0.05 μm and the width W of the silicon fine wire core 102 is set to 0.41 μm while the height H of the silicon fine wire core 102 is set to 0.3 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

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を利用した光センサヘッドに関する。   The present invention relates to an optical sensor head using light absorption spectroscopy, such as using evanescent light that oozes out when light is totally reflected at interfaces having different refractive indexes.

物質の同定及び定量に、分光技術が盛んに用いられている。これは、同様の計測が可能な質量分析や核磁気共鳴に比較し、装置が簡便で安価に構成できるためであり、分光技術の応用範囲は現在も拡大しつつある。分光技術は、波長帯域によって紫外−可視分光、近赤外分光、遠赤外−マイクロ波分光に大別できる。紫外−可視分光と遠赤外−マイクロ波分光に比較して近赤外分光は歴史が浅い。これは、近赤外スペクトルから有意な情報を引き出す分析が困難であったためであるが、近年のスペクトル分析への計算化学的手法の導入により分析が可能となり、近赤外分光の有用性が大幅に見直されるようになってきている。   Spectroscopic techniques are actively used for identification and quantification of substances. This is because the apparatus can be configured more simply and inexpensively compared to mass spectrometry and nuclear magnetic resonance capable of performing the same measurement, and the application range of the spectroscopic technique is still expanding. Spectroscopic techniques can be broadly classified into ultraviolet-visible spectroscopy, near-infrared spectroscopy, and far-infrared-microwave spectroscopy depending on the wavelength band. Near-infrared spectroscopy has a short history compared to ultraviolet-visible spectroscopy and far-infrared-microwave spectroscopy. This is because it has been difficult to extract significant information from the near-infrared spectrum, but the introduction of computational chemistry techniques into the recent spectrum analysis has made it possible to analyze, greatly increasing the usefulness of near-infrared spectroscopy. Has come to be reviewed.

近赤外分光による分析は、当初では農産物の糖度計測に適用され、この後、化学物質及び薬品などの分析へと適用分野が拡大している。また、近赤外領域は、従来から光通信で使用されている領域でもあり、安価で信頼性の高いレーザ光源及び検出器などのデバイス作製に関して技術的蓄積がある領域でもあり、分光技術が発展する土壌が整っている。   Analysis by near-infrared spectroscopy was initially applied to the measurement of sugar content of agricultural products, and thereafter, the application field has expanded to analysis of chemical substances and chemicals. The near-infrared region is a region that has been used for optical communications in the past, and is a region where there is technical accumulation regarding the production of inexpensive and reliable devices such as laser light sources and detectors, and spectroscopic technology has developed. Soil to be prepared.

近年では、上記のような産業用分析装置としての利用のほかに、以降に説明する理由により、ユビキタス携帯端末へ光センサシステムを搭載するという要求がある。光センサシステムは、高速リアルタイムセンシングが可能であり、センシング対象物質の物理／化学状態を乱すことなくセンシング可能である等の特徴があり、個人の生理情報の監視に最適であるとの判断からである。   In recent years, in addition to use as an industrial analyzer as described above, there is a demand for mounting an optical sensor system on a ubiquitous portable terminal for the reasons described below. The optical sensor system is characterized by being capable of high-speed real-time sensing and sensing without disturbing the physical / chemical state of the sensing target substance. is there.

上述した光センサシステムに適用可能な光センサヘッドとして、２つのテーパ導波路の端面が、間隙を挾んで対面している光センサヘッドが提案されている（特許文献１参照）。この技術では、シリコン微細加工技術を利用して、相互作用長が精密に制御された状態を実現し、検出感度の向上を図ったものである。この特許文献１の技術では、吸光度が大きく異なる物質に対しても、高精度なセンシングが可能とされている。   As an optical sensor head applicable to the optical sensor system described above, an optical sensor head has been proposed in which the end surfaces of two tapered waveguides face each other with a gap therebetween (see Patent Document 1). In this technique, a silicon microfabrication technique is used to realize a state in which the interaction length is precisely controlled to improve detection sensitivity. With the technology of this Patent Document 1, it is possible to perform highly accurate sensing even for substances having greatly different absorbances.

また、シリコンを含む材料からなるコアよりシングルモード導波路を構成し、この一部を露出させ、ここに分析対象物を接触させ、分析対象物における赤外線の吸収などを検出する技術が提案されている（特許文献２参照）。この技術では、相互作用長を大きくすることで、検出感度の向上を図っている。   In addition, a technique has been proposed in which a single-mode waveguide is constituted by a core made of a material containing silicon, a part of the waveguide is exposed, an analysis object is brought into contact therewith, and infrared absorption in the analysis object is detected. (See Patent Document 2). In this technique, the detection sensitivity is improved by increasing the interaction length.

特願２００３−３５８８３５Japanese Patent Application No. 2003-358835 特開２００５−０６１９０４号公報JP 2005-061904 A

しかしながら、まず、特許文献１の技術では、相互作用長に限界があるため、吸光度が著しく小さな物質に対しては定量に限界があった。また、特許文献２の技術では、エバネッセント光を用いていることから、検出感度を向上させるにはセンサヘッド長を長くする必要がある。ところが、シリコンコアの導波路では、２ｄＢ／ｃｍ程度の伝搬損失があるため、センサヘッド長を長くすると信号雑音比が低下し、結果として検出感度の向上には限界があった。   However, first, the technique of Patent Document 1 has a limit in the length of interaction, and thus has a limit in quantification of a substance with extremely small absorbance. Further, since the technique of Patent Document 2 uses evanescent light, it is necessary to increase the sensor head length in order to improve detection sensitivity. However, in a silicon core waveguide, there is a propagation loss of about 2 dB / cm. Therefore, if the sensor head length is increased, the signal-to-noise ratio is lowered, and as a result, improvement in detection sensitivity is limited.

上述したように、現在の光センサヘッドがもつ大きな課題の一つに、検出感度の向上がある。ユビキタス携帯端末での光センサヘッドに関しては小型、安価で信頼性が高いものが求められている。   As described above, one of the major problems of current optical sensor heads is to improve detection sensitivity. As for an optical sensor head in a ubiquitous portable terminal, a small, inexpensive and highly reliable one is required.

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、検出感度が高く小型な光センサヘッドを、安価で大量生産可能な状態で提供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 an object of the present invention is to provide a small optical sensor head with high detection sensitivity and in a state that can be mass-produced at low cost. .

本発明に係る光センサヘッドは、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上面が露出したシリコンからなるコアと、コアから構成された導波路の光入射端と、コアの一部にコアの上面より光の導波方向に延在して形成されたスロットと、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、スロットの幅は高々０．１μｍであり、コアの露出した面に分析対象物が接触するようにしたものである。従って、導波路を導波している光は、コアの露出面よりしみ出し、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。この結果、導波している光が減衰する。また、スロットの部分では、電場強度が増大する。   An optical sensor head according to the present invention includes a lower clad layer, a core made of silicon formed on the lower clad layer and having at least an upper surface exposed, a light incident end of a waveguide composed of the core, A slot partially extending from the upper surface of the core in the light guiding direction and a light emitting end of the waveguide are provided. The waveguide is a single mode waveguide, and the width of the slot is at most It is 0.1 μm, and the analysis object is brought into contact with the exposed surface of the core. Accordingly, the light guided through the waveguide oozes from the exposed surface of the core and is absorbed by the analyte in contact with the exposed surface of the core. As a result, the guided light is attenuated. In the slot portion, the electric field strength increases.

上記光センサヘッドにおいて、スロットの端部は、先細りに形成されているとよい。また、スロットの端部は、コアの側方に屈曲してコアの側面で開口しているようにしてもよい。   In the optical sensor head, the end of the slot may be tapered. The end of the slot may be bent to the side of the core and open at the side of the core.

以上説明したように、本発明によれば、コアの一部にコアの上面より光の導波方向に延在して形成された幅が高々１μｍのスロットを設け、この部分における電場強度が増大するようにしたので、検出感度が高く小型な光センサヘッドを、安価で大量生産可能な状態で提供できるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, a slot having a width of 1 μm at most is formed in a part of the core so as to extend in the light guiding direction from the upper surface of the core, and the electric field strength in this part is increased. As a result, it is possible to obtain an excellent effect that a small optical sensor head having high detection sensitivity can be provided at a low cost and in a mass-produceable state.

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センサヘッドの構成例を模式的に示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ），（ｃ）である。この光センサヘッドは、まず、酸化シリコンから構成された下部クラッド層１０１の上に、例えば単結晶シリコンから構成されたシリコン細線コア１０２を備えている。シリコン細線コア１０２は、多結晶シリコンやアモルファスシリコンから構成されていてもよ。シリコン細線コア１０２は、検出領域１１０において、側面及び上面が露出している。また、シリコン細線コア１０２は、検出領域１１０において、所定の間隔で往復されて配置されている。ここで、下部クラッド層１０１の表面で形成される平面に接触しているシリコン細線コア１０２の面を下面とし、これに対向しているシリコン細線コア１０２の面を上面とし、これらに隣接して上記平面にほぼ垂直なシリコン細線コア１０２の面を側面とする。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a plan view schematically showing a configuration example of an optical sensor head in an embodiment of the present invention, and FIG. The optical sensor head includes a silicon thin wire core 102 made of, for example, single crystal silicon on a lower clad layer 101 made of silicon oxide. The silicon thin wire core 102 may be made of polycrystalline silicon or amorphous silicon. In the detection region 110, the side surface and the upper surface of the silicon fine wire core 102 are exposed. In addition, the silicon fine wire core 102 is reciprocated at a predetermined interval in the detection region 110. Here, the surface of the silicon fine wire core 102 that is in contact with the plane formed on the surface of the lower clad layer 101 is the lower surface, and the surface of the silicon fine wire core 102 facing this is the upper surface, adjacent to these. A surface of the silicon fine wire core 102 substantially perpendicular to the plane is defined as a side surface.

また、シリコン細線コア１０２の入力端及び出力端には、例えば酸窒化シリコンから構成されたスポットサイズ変換コア１０３及びスポットサイズ変換コア１０４が配置され、スポットサイズ変換コア１０３には、入力側の光ファイバ１０５が光接続し、スポットサイズ変換コア１０４には、出力側の光ファイバ１０６が光接続している。また、スポットサイズ変換コア１０３の領域において、シリコン細線コア１０２は、先端に行くほど幅が狭くなる先細りの形状とされている。同様に、スポットサイズ変換コア１０４の領域において、シリコン細線コア１０２は、先端に行くほど幅が狭くなる先細りの形状とされている。また、スポットサイズ変換コア１０３，スポットサイズ変換コア１０４の形成領域には、これらを覆うように形成された上部クラッド層１０７が配置されている（図１（ｃ））。   In addition, a spot size conversion core 103 and a spot size conversion core 104 made of, for example, silicon oxynitride are disposed at the input end and the output end of the silicon fine wire core 102. The spot size conversion core 103 includes light on the input side. The fiber 105 is optically connected, and the output side optical fiber 106 is optically connected to the spot size conversion core 104. Further, in the region of the spot size conversion core 103, the silicon fine wire core 102 has a tapered shape whose width becomes narrower toward the tip. Similarly, in the region of the spot size conversion core 104, the silicon fine wire core 102 has a tapered shape whose width becomes narrower toward the tip. Further, an upper clad layer 107 formed so as to cover the spot size conversion core 103 and the spot size conversion core 104 is disposed (FIG. 1C).

また、スポットサイズ変換コア１０３，スポットサイズ変換コア１０４は、高さ，幅が、光ファイバ１０５及び光ファイバ１０６のコアの半分程度からほぼ同程度までの寸法となっている。これらのように構成されたスポットサイズ変換領域においては、「シリコン細線コア１０２の屈折率＞スポットサイズ変換コア１０３，スポットサイズ変換コア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１０５を導波してきた光（赤外線）は、損失が低減された状態でスポットサイズが変換され、シリコン細線コア１０２の一端に結合される。同様に、シリコン細線コア１０２を出射した光は、損失が低減された状態でスポットサイズが変換され、光ファイバ１０６へ結合される。   Further, the spot size conversion core 103 and the spot size conversion core 104 have a height and a width that are about half of the cores of the optical fiber 105 and the optical fiber 106 to substantially the same size. In the spot size conversion region configured as described above, “refractive index of silicon fine wire core 102> refractive index of spot size conversion core 103 and spot size conversion core 104> refractive index of upper cladding layer 107”. . With the spot size conversion region configured in this way, the light (infrared rays) guided through the optical fiber 105 is converted in spot size with a reduced loss and coupled to one end of the silicon fine wire core 102. Similarly, the light emitted from the silicon fine wire core 102 is converted in spot size in a state where loss is reduced, and is coupled to the optical fiber 106.

加えて、図１に示す光センサヘッドは、シリコン細線コア１０２にスロット１２１が形成されている。スロット１２１は、シリコン細線コア１０２の直線部分に設けられ、シリコン細線コア１０２の延在方向（光の導波方向）に延在して設けられている。また、スロット１２１は、両端が平面視先細りに形成されている。また、図１（ｂ）に示すように、下部クラッド層１０１の平面の法線方向（膜厚方向）に、シリコン細線コア１０２の上面からシリコン細線コア１０２の底面にかけて貫通して形成されている。例えば、スロット１２１の最も広い部分の幅Ｇは、０．０５μｍに形成され、シリコン細線コア１０２の幅Ｗは、０．４１μｍに形成され、シリコン細線コア１０２の高さＨは、０．３μｍに形成されている。なお、図１では、検出領域１１０においては、シリコン細線コア１０２の側方が開放されてシリコン細線コア１０２の側面が露出しているが、これに限るものではない。例えば、シリコン細線コア１０２の側部が、より屈折率の低い材料からなるクラッドで充填され、シリコン細線コア１０２の側面がクラッドで被覆され、シリコン細線コア１０２の上面が露出しているようにしてもよい。   In addition, the optical sensor head shown in FIG. 1 has a slot 121 formed in the silicon fine wire core 102. The slot 121 is provided in a straight line portion of the silicon fine wire core 102 and is provided so as to extend in the extending direction of the silicon fine wire core 102 (light guiding direction). Further, the slot 121 is formed such that both ends are tapered in plan view. Further, as shown in FIG. 1B, the lower cladding layer 101 is formed so as to penetrate from the upper surface of the silicon fine wire core 102 to the bottom surface of the silicon fine wire core 102 in the normal direction (film thickness direction) of the plane of the lower cladding layer 101. . For example, the width G of the widest portion of the slot 121 is formed to 0.05 μm, the width W of the silicon fine wire core 102 is formed to 0.41 μm, and the height H of the silicon fine wire core 102 is set to 0.3 μm. Is formed. In FIG. 1, in the detection region 110, the side of the silicon fine wire core 102 is open and the side surface of the silicon fine wire core 102 is exposed, but the present invention is not limited to this. For example, the side of the silicon fine wire core 102 is filled with a clad made of a material having a lower refractive index, the side surface of the silicon fine wire core 102 is covered with the clad, and the upper surface of the silicon fine wire core 102 is exposed. Also good.

入射側の光ファイバ１０５に光源を接続し、出射側の光ファイバ１０６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。このような図１に示す光センサヘッドを用いた分析システムにおいて、検出領域１１０に分析対象の試料を接触させると、検出領域１１０で露出するシリコン細線コアの上面及び両側面に分析対象の試料が接触することになる。ここで、シリコン細線コア１０２よりなる導波路に赤外線を導波させると、シリコン細線コア１０２よりしみ出した光（エバネッセント光）が、接触している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１０２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。   By connecting a light source to the incident side optical fiber 105 and connecting a spectroscope to the outgoing side optical fiber 106, a spectroscopic measurement system can be configured. In FIG. 1, the light incident end and the light exit end are provided, but a closed circuit in which these are the same may be used. In the analysis system using the optical sensor head shown in FIG. 1, when the sample to be analyzed is brought into contact with the detection region 110, the sample to be analyzed is formed on the upper surface and both side surfaces of the silicon fine wire core exposed in the detection region 110. Will be in contact. Here, when infrared light is guided through a waveguide formed of the silicon fine wire core 102, light (evanescent light) that has oozed out of the silicon fine wire core 102 is absorbed according to the characteristics of the contacting sample. The intensity of the guided light decreases according to the intensity of absorption. Therefore, for example, if the intensity of light guided through the waveguide constituted by the silicon thin wire core 102 is measured with respect to a certain wavelength band, an absorption spectrum by the sample to be analyzed can be obtained.

また、スロット１２１を設けたシリコン細線コア１０２によれば、図２に示すように、スロット１２１の部分における電場強度が、スロットのないコアに比較して著しく増大する。従って、図１に示す光センサヘッドによれば、分析対象の試料が接触する検出領域１１０におけるシリコン細線コア１０２の光強度を著しく大きくすることが可能となる。また、分析対象の試料（物質）が検出領域１１０に接触することで、図３の斜視図に示すように、シリコン細線コア１０２のスロット１２１に分析対象の物質３０１が充填されるようになる。この状態では、物質３０１は、電場強度が最も増強される部分に配置されることになる。これらの結果、図１に示す光センサヘッドによれば、検出感度を向上させることが可能となる。なお、図２において、スロット１２１を備えたシリコン細線コア１０２（導波路）の断面方向（図１のｂｂ線方向）の電場強度が実線で示され、スロットのないコア（導波路）の電場強度が、波線で示されている。   Further, according to the silicon thin wire core 102 provided with the slot 121, as shown in FIG. 2, the electric field strength in the slot 121 portion is remarkably increased as compared with the core without the slot. Therefore, according to the optical sensor head shown in FIG. 1, it is possible to remarkably increase the light intensity of the silicon fine wire core 102 in the detection region 110 in contact with the sample to be analyzed. Further, when the sample (substance) to be analyzed comes into contact with the detection region 110, as shown in the perspective view of FIG. 3, the substance 301 to be analyzed is filled in the slot 121 of the silicon fine wire core 102. In this state, the substance 301 is disposed in a portion where the electric field strength is most enhanced. As a result, according to the optical sensor head shown in FIG. 1, the detection sensitivity can be improved. In FIG. 2, the electric field strength in the cross-sectional direction (bb line direction in FIG. 1) of the silicon fine wire core 102 (waveguide) provided with the slot 121 is indicated by a solid line, and the electric field strength of the core (waveguide) without the slot. Is indicated by a wavy line.

また、図４に示すように、スロット１２１の幅が０．１μｍを超えると、この部分における電場強度の増大効果が、あまり得られなくなる。図４において、縦軸の値（電場強度2）が１は、スロットがないシリコン細線コアの値を示している。従って、スロット１２１の幅は、高々０．１μｍ（０．１μｍ以下）とすればよい。 Also, as shown in FIG. 4, when the width of the slot 121 exceeds 0.1 μm, the effect of increasing the electric field strength in this portion is not obtained so much. In FIG. 4, the value of the vertical axis (electric field intensity 2 ) of 1 indicates the value of the silicon fine wire core having no slot. Therefore, the width of the slot 121 may be at most 0.1 μm (0.1 μm or less).

ところで、シリコン細線コア１０２は、断面寸法が１μｍより小さいので、シリコン細線コア１０２より構成される導波路は、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１０２は、酸化シリコンからなるクラッドと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、近赤外の光をシングルモードとする場合、シリコン細線コア１０２の断面寸法は、縦及び幅が、０．３〜０．４μｍ程度とされていればよい。また、シリコンは、近赤外線に対して屈折率が３．５と大きいため、上記構成とされた導波路によれば、近赤外線を導波させる場合、よく知られているように、最小曲げ半径が数μｍ以下とすることができる。このように、非常に小さい曲率で導波方向を変更することができるので、図１（ａ）に示すように、シリコン細線コア１０２を、狭い間隔で往復させて配置させることが可能となる。このことにより、狭い検出領域１１０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。   By the way, since the cross-sectional dimension of the silicon fine wire core 102 is smaller than 1 μm, light having a wavelength of 4 μm or less propagates in a single mode in the waveguide constituted by the silicon fine wire core 102. In other words, the silicon thin wire core 102 only needs to be formed in such a dimension that a waveguide constituted by a clad made of silicon oxide has a single mode. For example, when the near-infrared light is in a single mode, the cross-sectional dimension of the silicon fine wire core 102 may be about 0.3 to 0.4 μm in length and width. Further, since silicon has a refractive index as large as 3.5 with respect to near infrared rays, according to the waveguide configured as described above, as is well known, when guiding near infrared rays, the minimum bending radius is Can be several μm or less. Thus, since the waveguide direction can be changed with a very small curvature, as shown in FIG. 1A, the silicon fine wire cores 102 can be arranged to reciprocate at a narrow interval. This makes it possible to make the region in contact with the sample longer in the narrow detection region 110.

なお、図１に示す光センサヘッドは、市販されているＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることで容易に製造可能である。例えば、ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層を下部クラッド層１０１として用い、埋め込み絶縁層の上のＳＯＩ層を微細加工することで、シリコン細線コア１０２及びスロット１２１が形成可能である。また、これらの上に、例えばＣＶＤ（化学気相成長）法により酸窒化シリコンの膜を形成し、この膜を微細加工することでスポットサイズ変換コア１０３及びスポットサイズ変換コア１０４が形成された状態とすることができる。また、これらの上に、例えばＣＶＤ法により酸化シリコンの膜を形成し、この膜を微細加工することで、上部クラッド層１０７が形成された状態とすることができる。また、所望の屈折率を備えた有機樹脂を塗布し、この塗布膜を微細加工することで、上部クラッド層１０７が形成された状態としてもよい。なお、上述した微細加工としては、例えば、公知の電子線リソグラフィー技術もしくはフォトリソグラフィー技術と、公知のドライエッチング技術とを用いればよい。   The optical sensor head shown in FIG. 1 can be easily manufactured by using a commercially available SOI (Silicon on Insulator) substrate. For example, the silicon fine wire core 102 and the slot 121 can be formed by using the buried insulating layer of the SOI substrate as the lower cladding layer 101 and finely processing the SOI layer on the buried insulating layer. Further, a silicon oxynitride film is formed thereon by, for example, a CVD (chemical vapor deposition) method, and the spot size conversion core 103 and the spot size conversion core 104 are formed by finely processing the film. It can be. Further, a silicon oxide film is formed thereon by, for example, a CVD method, and the film is finely processed, whereby the upper clad layer 107 can be formed. Alternatively, the upper clad layer 107 may be formed by applying an organic resin having a desired refractive index and finely processing the coating film. In addition, as the fine processing described above, for example, a known electron beam lithography technique or photolithography technique and a known dry etching technique may be used.

次に、本発明の実施の形態における他の光センサヘッドについて説明する。図５は、本発明の実施の形態における他の光センサヘッドの構成例を模式的に示す平面図である。図５に示す光センサヘッドでは、まず、スロット５２１が、シリコン細線コア１０２の直線部分に設けられているようにした。これは、図１に示す光センサヘッドと同様である。加えて、図５に示す光センサヘッドでは、スロット５２１の端の部分が、シリコン細線コア１０２の延在方向からシリコン細線コア１０２の側方に屈曲してシリコン細線コア１０２の側面で開口し、シリコン細線コア１０２の側面よりシリコン細線コア１０２の側部領域に連通している。このようにスロット５２１を設けることで、シリコン細線コア１０２の側部からも、スロット５２１の内部に試料が浸入するようになり、分析対象の試料がスロット５２１の間隙に充填されやすくなる。   Next, another optical sensor head in the embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a plan view schematically showing a configuration example of another optical sensor head in the embodiment of the present invention. In the optical sensor head shown in FIG. 5, first, the slot 521 is provided in the straight portion of the silicon fine wire core 102. This is the same as the optical sensor head shown in FIG. In addition, in the optical sensor head shown in FIG. 5, the end portion of the slot 521 is bent to the side of the silicon fine wire core 102 from the extending direction of the silicon fine wire core 102 and opened on the side surface of the silicon fine wire core 102. The side surface of the silicon fine wire core 102 communicates with the side region of the silicon fine wire core 102. By providing the slot 521 in this way, the sample enters the inside of the slot 521 also from the side of the silicon fine wire core 102, and the sample to be analyzed is easily filled in the gap of the slot 521.

なお、図６の平面図に一部を示すように、一方の端の部分が他方の端の部分と異なる側方に屈曲し、異なる側面で開口して側部領域に連通しているスロット６２１が、シリコン細線コア１０２に形成されていてもよい。また、図１に示す光センサヘッドでは、スロット１２１は、両端が平面視先細りに形成されているようにしたが、これに限るものではない。例えば、図７の平面図に一部を示すように、シリコン細線コア１０２に平面視矩形状のスロット７２１が設けられているようにしてもよい。ただし、スロット７２１は、シリコン細線コア１０２における光の導波方向にほぼ垂直な面が形成され、この面における導波光の内部反射が検出感度の低下を招く場合がある。これに対し、スロット１２１のように先細りとすることで、スロットの端部における導波光の内部反射を低減することができる。また、スロットの端部において、コアの膜厚方向にも先細りとすることで、上述した内部反射の問題をより低減させることができる。   As shown in part in the plan view of FIG. 6, a slot 621 in which one end portion bends to a different side from the other end portion, opens at a different side surface, and communicates with a side region. However, it may be formed in the silicon fine wire core 102. Further, in the optical sensor head shown in FIG. 1, the slot 121 is formed such that both ends thereof are tapered in plan view. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in part in the plan view of FIG. 7, the silicon thin wire core 102 may be provided with a slot 721 having a rectangular shape in plan view. However, the slot 721 is formed with a surface substantially perpendicular to the light guiding direction of the silicon thin wire core 102, and internal reflection of the guided light on this surface may cause a decrease in detection sensitivity. On the other hand, by tapering like the slot 121, the internal reflection of the guided light at the end of the slot can be reduced. Further, the above-described problem of internal reflection can be further reduced by tapering the end of the slot in the film thickness direction of the core.

なお、上述では、スロットがシリコン細線コアを貫通するように形成されているものとしたが、これに限るものではない。例えば、スロットが、シリコン細線コア１０２の上面よりシリコン細線コア１０２の途中まで形成されているようにしてもよい。また、スロットは、シリコン細線コア１０２の直線部分に配置されている必要はない。曲率半径があまり小さくなければ、シリコン細線コア１０２の屈曲部分にスロットが設けられていてもよい。曲率半径が小さい部分にスロットが設けられていると、光が導波しない場合があるため、曲率半径が小さい部分では、スロットを設けない方がよい。言い換えると、シングルモードで光が導波する範囲であれば、屈曲した部分であってもスロットを設けることが可能である。また、下部クラッド層１０１の平面方向において、スロットは、シリコン細線コア１０２の中央に配置されている必要はない。ただし、シリコン細線コア１０２のほぼ中央にスロットが配置されるようにすることで、電場強度の増大効果が最も高く得られるようになる。   In the above description, the slot is formed so as to penetrate the silicon thin wire core, but the present invention is not limited to this. For example, the slot may be formed from the upper surface of the silicon fine wire core 102 to the middle of the silicon fine wire core 102. Further, the slot does not need to be arranged in a straight portion of the silicon fine wire core 102. If the radius of curvature is not so small, a slot may be provided in the bent portion of the silicon fine wire core 102. If a slot is provided in a portion with a small radius of curvature, light may not be guided. Therefore, it is better not to provide a slot in a portion with a small radius of curvature. In other words, a slot can be provided even in a bent portion as long as light is guided in a single mode. Further, the slot need not be arranged at the center of the silicon fine wire core 102 in the planar direction of the lower cladding layer 101. However, the effect of increasing the electric field strength can be obtained most by arranging the slot at the approximate center of the silicon fine wire core 102.

本発明の実施の形態における光センサヘッドの構成例を模式的に示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ），（ｃ）である。It is the top view (a) and sectional drawing (b), (c) which show typically the structural example of the optical sensor head in embodiment of this invention. スロット１２１が形成されたシリコン細線コア１０２における断面方向の電場強度の分布を示す分布図である。It is a distribution map which shows distribution of the electric field strength of the cross-sectional direction in the silicon | silicone thin wire | line core 102 in which the slot 121 was formed. スロット１２１が形成されたシリコン細線コア１０２の一部を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically a part of silicon | silicone thin wire | line core 102 in which the slot 121 was formed. スロットの幅と電場強度との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the width | variety of a slot, and an electric field strength. 本発明の実施の形態における他の光センサヘッドの構成例を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structural example of the other optical sensor head in embodiment of this invention. スロット６２１が形成されたシリコン細線コア１０２の一部を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically a part of silicon | silicone thin wire | line core 102 in which the slot 621 was formed. スロット７２１が形成されたシリコン細線コア１０２の一部を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically a part of silicon | silicone thin wire | line core 102 in which the slot 721 was formed.

符号の説明Explanation of symbols

１０１…下部クラッド層、１０２…シリコン細線コア、１０３，１０４…スポットサイズ変換コア、１０５，１０６…光ファイバ、１０７…上部クラッド層、１１０…検出領域、１２１…スロット。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Lower clad layer, 102 ... Silicon fine wire core, 103, 104 ... Spot size conversion core, 105, 106 ... Optical fiber, 107 ... Upper clad layer, 110 ... Detection area | region, 121 ... Slot.

Claims (3)

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上面が露出したシリコンからなるコアと、
前記コアから構成された導波路の光入射端と、
前記コアの一部に前記コアの上面より光の導波方向に延在して形成されたスロットと、
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、
前記スロットの幅は、高々０．１μｍ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センサヘッド。 A lower cladding layer;
A core made of silicon formed on the lower clad layer and exposed at least at the upper surface;
A light incident end of a waveguide composed of the core;
A slot formed in a part of the core so as to extend from the upper surface of the core in a light guiding direction;
And at least a light exit end of the waveguide,
The waveguide is a single mode waveguide,
The width of the slot is at most 0.1 μm,
An analysis target object contacts the exposed surface of the core. An optical sensor head. 請求項１記載の光センサヘッドにおいて、
前記スロットの端部は、先細りに形成されている
ことを特徴とする光センサヘッド。 The optical sensor head according to claim 1,
The optical sensor head is characterized in that the end of the slot is tapered. 請求項１記載の光センサヘッドにおいて、
前記スロットの端部は、前記コアの側方に屈曲して前記コアの側面で開口している
ことを特徴とする光センサヘッド。
The optical sensor head according to claim 1,
An end of the slot is bent to the side of the core and is opened on a side surface of the core.
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