JP2011232574A - 光導波路型センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出感度が高く、小型な光導波路型センサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に光導波路が形成された光導波路型センサであって、光導波路は、基板の一面上において渦巻状に延設されたコアと、基板の一面上におけるコアと同一層において、コアを挟むようにコアの両側面に接して形成された横クラッドを含んでいる。そして、コアの上面及び下面のうち、少なくとも上面の一部が、光がしみだして被検出対象に吸収される伝播面となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路のコアからしみ出すエバネッセント波を利用する光導波路型センサ及びその製造方法に関するものである。

従来、光導波路のコアからしみ出すエバネッセント波を利用する光導波路型センサとして、例えば特許文献１に記載のものが知られている。

特許文献１では、ＳＯＩ基板を用いて光導波路型センサが構成されている。ＳＯＩ基板の埋め込み酸化層の上に位置するシリコン層を加工してシリコン細線コアが構成され、シリコン細線コアの両脇を埋めるように、酸化シリコンからなるクラッド層が形成されている。

シリコン細線コアは、検出領域において上面が露出している。また、検出領域において、所定の間隔で往復されて配置、すなわち蛇行配置となっている。

特開２００５−６１９０４号公報

特許文献１に記載の発明では、シリコン細線コアを蛇行配置することで体格の増大を抑制しつつ導波路長を稼ぎ、これにより検出感度を向上するようにしている。しかしながら、蛇行配置の場合、小型で長い導波路を実現するためには、導波方向を変更する曲げ部分の曲げ半径を小さくする必要がある。

曲げ半径を小さくすると、曲げ部分において、入射角が臨界角よりも小さくなり、光がコアから透過しやすくなる。このため、特許文献１では、コア（単結晶シリコン）とクラッド（酸化シリコン）の屈折率差を大きくし、これにより反射角（コアとクラッド層との界面に垂直な法線と、上記界面で反射された反射光とのなす角）を小さくして、曲げ部分でも光が透過しにくいようにしている。

しかしながら、このように、コアとクラッドの屈折率差を大きくとることで反射角を小さくすると、界面で生じる散乱による損失が増加する。したがって、特許文献１の構成では、伝播損失が大きくなるため、小型で長い導波路を実現することが困難である。

なお、特許文献１に記載の構成において、曲げ部分の曲げ半径を大きくとれるようにコアとクラッドの屈折率差を小さくすると、上記した伝播損失を低減することができる。しかしながら、蛇行形状のため、各曲げ部分での体格増大が大きく影響し、光導波路型センサの体格が増大してしまう。

本発明は上記問題点に鑑み、検出感度が高く、小型な光導波路型センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に請求項１に記載の発明は、
基板上に光導波路が形成された光導波路型センサであって、
光導波路は、該基板の一面上において延設されたコアと、基板の一面上におけるコアと同一層において、コアを挟むようにコアの両側面に接して形成された横クラッドを含み、
コアは、渦巻状に延設されるとともに、基板とは反対側の面の少なくとも一部が、光がしみだして被検出対象に吸収される伝播面とされていることを特徴とする。

コアの側面は、パターニングしてコアを形成する際の加工面であるため、コアにおける基板とは反対側の面及び基板側の面に比べると、表面が粗い。このため、コアの側面を伝播面とすると、エバネッセント波がしみ出す際に散乱などが生じて伝播損失が大きくなる。

これに対し、本発明では、コアと、該コアと同一層においてコアの両側面に接して形成された横クラッドとを含んで光導波路が構成されており、コアにおける基板とは反対側の面の少なくとも一部が光（エバネッセント波）がしみだして被検出対象に吸収される伝播面となっている。したがって、コアの側面をエバネッセント波の伝播面とする構成に比べて、伝播損失を低減することができる。これにより、光量全体に占めるエバネッセント波の割合を増やして、検出感度を向上することができる。

さらに本発明では、光導波路を構成するコアが渦巻状に延設されている。このような構成とすると、曲げ部分における曲げ半径を大きくしても、従来の蛇行形状に比べて体格を小型化することができる。すなわち、同じ体格であれば導波路長を長くすることができるため、検出感度を向上しつつ小型化することができる。

この点について、本発明者は実際に５ｍｍ□に収まる導波路長を算出して比較した。その際、曲げ部分の半径を４００μｍ、光導波路の幅（コアの両側面に位置する横クラッドの中心間の距離（ピッチ））を１００μｍとした。その結果、導波路長は、従来の蛇行形状で３６ｍｍに対し、本発明で２４２ｍｍとなった。

また、曲げ半径を大きくできるので、コアと横クラッドとの屈折率差を小さくすることができる。これにより、界面で生じる散乱を抑制することができる。このようにコアと横クラッドとの屈折率差を小さくできると、散乱による損失を抑制して、検出感度を向上することができる。

以上から、本発明によれば、検出感度が高く、小型な光導波路型センサを提供することができる。

請求項２に記載のように、コアの屈折率をｎ_１、該屈折率ｎ_１と横クラッドの屈折率ｎ_２との差をΔｎとすると、次式を満たして光導波路が形成されることが好ましい。

０．０２ｎ_１ ^２−０．１７ｎ_１＋０．３６≦Δｎ≦０．５１ｎ_１ ^２−３．１０ｎ_１＋４．９５
屈折率差Δｎが上記式の関係を満たすように光導波路を構成すると、最大透過率を１として規格化した透過率を、最大透過率の１／２倍以上となるようにする、すなわち高透過率とすることができる。光導波路内の透過率が高いということは、伝播損失が小さいということであるので、これにより、検出感度を向上することができる。この点については、本発明者によって確認されている。

請求項３に記載のように、コアの厚みを２．０μｍ以下とすると良い。本発明者が確認したところ、コアの厚みに対する、伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合は、コアの厚みが２μｍを境に大きく変化することが明らかとなった。上記構成とすると、伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合を大きくして、検出感度を向上することができる。

請求項４に記載のように、コアの屈折率ｎ_１を３以下とすると良い。本発明者が確認したところ、コアの屈折率ｎ_１に対する、伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合は、コアの屈折率ｎ_１が３を境に大きく変化することが明らかとなった。上記構成とすると、伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合を大きくして、検出感度を向上することができる。

請求項５に記載のように、横クラッドが、コアとの境界から所定範囲に、コアから離れるにつれて屈折率が連続的若しくは段階的に小さくなる屈折率傾斜部位を有すると良い。

上記したように、コアと、該コアの側面に接して形成された横クラッドとの屈折率差が大きいほど、コアと横クラッドの界面での散乱による伝播損失が増加する。これに対し、本発明では、横クラッドの屈折率が、コアとの界面から連続的若しくは段階的に小さくなっているため、上記した散乱を抑制し、これにより検出感度を向上することができる。

請求項６に記載のように、基板には、一面に開口する除去領域が設けられ、
光導波路を構成するコア及び横クラッドのうち、除去領域を架橋する部位がメンブレンとされ、
メンブレンにおけるコアの、基板とは反対側の面と基板側の面との両面が、伝播面とされた構成とすることが好ましい。

このように、コアにおける基板とは反対側の面と基板側の面との両面を伝播面とすると、伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合を、基板とは反対側の面のみを伝播面とする構成の２倍程度とすることができる。すなわち、検出感度をより向上することができる。

特に、請求項７に記載のように、基板の一面から、該一面とは反対の面にわたって貫通する貫通孔を除去領域とすると、基板の一面側のみに開口する除去領域に比べて、被検出対象が、コアにおける基板側の面に対して配置されやすくなる。

請求項８に記載のように、コアの伝播面は、被検出対象が接触するよう露出されていることが好ましい。これによれば、伝播面からしみ出したエバネッセント波が、被検出対象の特性に応じて効率よく吸収されるため、検出感度を向上することができる。

請求項９に記載のように、コアの伝播面の少なくとも一方に対し、メンブレンを補強するサポート層が接触配置され、
光導波路を導波される光の波長をλ、サポート層の波長λにおける屈折率をｎ_ｓ、サポート層の厚みをｔ_sとすると、
サポート層が、ｎ_ｓ×ｔ_s≦λを満たして形成されると良い。

これによれば、光導波路を構成するコア及び横クラッドが、単体で座屈する恐れがあっても、サポート層により座屈を防ぐことができる。

また、ｎ_ｓ×ｔ_s、すなわち光学長が、波長λよりも小さくなるようにサポート層を構成するので、サポート層を有しながらもエバネッセント波がサポート層を効率よく透過し、エバネッセント波を被検出対象に吸収させることができる。

より好ましくは、請求項１０に記載のように、サポート層が、ｎ_ｓ×ｔ_s≦０．３λを満たして形成されることが好ましい。本発明者が確認したところ、サポート層の屈折率ｎ_ｓに対する、光学長（ｎ_ｓ×ｔ_s）／波長λの値は、０．３で収束する。したがって、上記構成とすると、波長λ及びサポート層の屈折率ｎ_ｓによらず検出感度を向上することができる。

なお、請求項１１に記載のように、基板の一面上には、下部クラッド層を介して、コア及び横クラッドが形成された構成を採用することもできる。この場合、コアにおいて、基板（下部クラッド層）とは反対側の面のみが伝播面となる。

また、請求項１２に記載のように、光導波路型センサが、上記した光導波路とともに、光導波路の入射端に光を入射する光源と、光導波路の出射端から出射された光を検出する光検出器とを備える構成としても良い。

次に、請求項１３に記載の発明は、光導波路型センサを製造する方法であって、
光導波路を形成する工程として、
基板上にコアを形成する工程と、
コアの形成後、基板の一面上におけるコアと同一層において、コアを挟むようにコアの両側面に接して横クラッドを堆積形成する工程と、を含み、
横クラッドを形成する工程において、横クラッドを形成するための原料の組成を連続的若しくは段階的に変化させることで、コアとの境界から所定範囲の部位において、コアから離れるにつれて屈折率が連続的若しくは段階的に変化するように横クラッドを形成することを特徴とする。

これによれば、請求項５に記載の光導波路型センサを形成することができる。

第１実施形態に係る光導波路型センサの概略構成を示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 第１実施形態に係る光導波路型センサの製造方法を示す断面図であり、（ａ），（ｂ），（ｃ）の順に移行する。 第２実施形態に係る光導波路型センサの概略構成を示す断面図である。 サポート層の屈折率ｎ_ｓと、波長λとサポート層の光学長との比との関係を示す図である。 変形例を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。 第３実施形態に係る光導波路型センサにおいて、コアと横クラッドの屈折率差Δｎと規格化透過率との関係を示す図である。 規格化透過率０．５のときの、コアの屈折率ｎ_１とコアと横クラッドの屈折率差Δｎとの関係を示す図である。 コアの厚さと、エバネッセント波の、光量全体に占める割合との関係を示す図である。 コアの屈折率ｎ_１と、エバネッセント波の、光量全体に占める割合との関係を示す図である。 第３実施形態に係る光導波路型センサの光強度分布を示す図である。 比較例１の光強度分布を示す図である。 比較例２の光強度分布を示す図である。 第３実施形態に係る光導波路型センサ、比較例１，２の伝播損失を示す図である。 第３実施形態に係る光導波路型センサ、比較例１，２の、光量全体に占めるエバネッセント波の割合を示す図である。 第４実施形態に係る光導波路型センサにおいて、特徴部分であるコアと横クラッドの構成を説明するための図である。 第４実施形態に係る光導波路型センサの製造方法を示す断面図であり、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）の順に移行する。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。
（第１実施形態）
以下においては、基板１１の厚み方向、すなわち、基板１１におけるコア１３及び横クラッド１４の配置面に垂直な方向を単に厚み方向と示す。また、特に断りのない限り、各構成要素の厚みは、上記厚み方向に沿う厚さを指すものとする。

光導波路型センサ１０は、図１及び図２に示すように、基板１１と、該基板１１上に形成された光導波路を有するものである。光導波路は、少なくとも、基板１１の一面上において渦巻状に延設されたコア１３と、基板１１の一面上におけるコア１３と同一層において、コア１３を挟むようにコア１３の両側面１３ａに接して形成された横クラッド１４を含む。また、コア１３の表面のうち、基板１１とは反対側の面１３ｂ（以下、上面１３ｂと示す）の少なくとも一部が、エバネッセント波（エバネッセント光とも言う）がしみ出して被検出対象に吸収される伝播面をなしている。

本実施形態では、単結晶シリコンからなる基板１１の一面に、一面全域を覆うように酸化シリコンからなる下部クラッド層１２が配置されている。そして、下部クラッド層１２における基板１１とは反対側の面に、コア１３と横クラッド１４が並設されている。

コア１３は、下部クラッド層１２及び横クラッド１４よりも屈折率の高い材料なり、本実施形態では窒化シリコンからなる。そして、図１に示すように渦巻状、すなわち、一端１３ｄを最内周位置、他端１３ｅを最外周位置とし、周回ごとに光路長が長くなる配置となっている。

コア１３の両端１３ｄ，１３ｅのうち、一方は光導波路の入射端、他方は光導波路の出射端となる。本実施形態では、コア１３における内周側の端部１３ｄが入射端とされ、外周側の端部１３ｅが出射端となっている。なお、図１に示す符号１５は、光源からの光を、光導波路の入射端に導くための結合器である。この結合器１５は、例えば基板１１の直上に配置された光源からの光を反射して、コア１３に導く。また、図１では、光源と、光導波路の出射端から出射された光を検出する光検出器との図示を省略している。

横クラッド１４は、コア１３の側面１３ａから光が漏れ出ないように、コア１３の延設方向にわたって側面１３ａ全域に接している。本実施形態では、横クラッド１４が、コア１３と同じ厚さを有しており、下部クラッド層１２とは反対側の面がコア１３の上面１３ｂと面一となっている。また、横クラッド１４が、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）からなる。

上記した光導波路型センサ１０では、コア１３と、コア１３の側面１３ａに接触して配置された横クラッド１４と、コア１３の上面１３ｂとは反対側の面１３ｃ（以下、下面１３ｃと示す）に接触して配置された下部クラッド層１２とにより、光導波路が構成されている。そして、コア１３の上面１３ｂが露出されており、この露出された上面１３ｂが、エバネッセント波のしみ出す伝播面として機能するようになっている。

したがって、光源から光を出射し、光導波路に光を導波させると、コア１３の上面１３ｂから光の一部としてエバネッセント波がしみ出し、上面１３ｂに接触している被検出対象としての気体又は液体に吸収される。この被検出対象による光吸収の程度に応じて、光導波路を導波する光の強度が低下するため、光導波路を導波する光の強度を、被測定対象の吸収特性に応じた所定の波長帯域に対して測定することで、被検出対象を分析することができる。

なお、上記した光導波路型センサ１０は、以下に示す製造方法により形成することができる。先ず、単結晶シリコンからなる基板１１を準備し、基板１１の一面上に、熱酸化法、化学気相成長法（ＣＶＤ）などにより、酸化シリコンからなる下部クラッド層１２を形成する。次いで、下部クラッド層１２上に、ＣＶＤなどにより、窒化シリコン膜２３を堆積形成する。以上が、図３（ａ）に示す工程である。

次いで、窒化シリコン膜２３をエッチングし、渦巻状のコア１３を形成する。以上が、図３（ｂ）に示す工程である。この時点で、コア１３の下面１３ｃには下部クラッド層１２が接しており、コア１３の側面１３ａ及び上面１３ｂは露出状態である。

コア１３の形成後、ＣＶＤなどにより、コア１３を覆うように下部クラッド層１２上に酸窒化シリコン膜２４を堆積形成する。本実施形態では、酸窒化シリコン膜２４を形成する際の、チャンバー内のガスのうち、酸素が占める体積比率を一定として酸窒化シリコン膜２４を形成する。以上が、図３（ｃ）に示す工程である。

そして、コア１３の上面１３ｂが露出するように、酸窒化シリコン膜２４をエッチングすることで、上記した光導波路型センサ１０を得ることができる。

次に、本実施形態に係る光導波路型センサ１０の特徴部分の効果について説明する。本実施形態では、コア１３の表面のうち、側面１３ａを伝播面とせず、上面１３ｂを伝播面としている。

コア１３の側面１３ａは、上記したように、パターニングしてコア１３を形成する際の加工面であるため、コア１３の上面１３ｂに比べると表面が粗い。このため、コア１３の側面１３ａを伝播面とすると、エバネッセント波がしみ出す際に、コア１３の側面１３ａと該側面に接触する被検出対象との界面で散乱などが生じて伝播損失が大きくなる。

これに対し、本実施形態では、コア１３の上面１３ｂを伝播面としているので、コア１３の側面１３ａを伝播面とする構成に比べて、散乱、ひいては伝播損失を低減することができる。これにより、光量全体に占めるエバネッセント波の割合を増やして、検出感度を向上することができる。

さらに本実施形態では、コア１３を渦巻状に延設しているため、曲げ部分において、光がコア１３を透過しにくくなるように曲げ半径を大きくしても、従来の蛇行形状に比べて体格を小型化することができる。すなわち、同じ体格であれば導波路長を長くすることができるため、検出感度を向上しつつ小型化することができる。

この点について、本発明者は実際に５ｍｍ□（５ｍｍ×５ｍｍの正方形）に収まる導波路長を算出して比較した。その際、曲げ部分の半径を４００μｍ、光導波路の幅、すなわちコア１３の両側面１３ａにそれぞれ位置する横クラッド１４の中心間の距離（図２に示すピッチＰ１）を１００μｍとした。その結果、導波路長は、従来の蛇行形状が３６ｍｍに対し、本実施形態に示す渦巻状では２４２ｍｍであった。

また、曲げ半径を大きくできるので、コア１３と横クラッド１４との屈折率差を小さくすることができる。同様に、コア１３と下部クラッド層１２との屈折率差を小さくすることができる。これにより、界面で生じる散乱による損失を抑制することができる。このようにコア１３とクラッド１２，１４との屈折率差を小さくし、散乱による損失を抑制すると、検出感度を向上することができる。

以上示したように、本実施形態に係る光導波路型センサ１０によれば、検出感度を高めつつ、小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、コア１３の上面１３ｂが露出されているため、伝播面としての上面１３ｂからしみ出したエバネッセント波が、被検出対象の特性に応じて効率よく吸収される。これにより、検出感度を向上することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、コア１３の上面１３ｂのみが伝播面とされる例を示した。これに対し、本実施形態では、コア１３の上面１３ｂと下面１３ｃが伝播面とされる点を第１の特徴とする。また、メンブレンＭＥＭの座屈を抑制するサポート層１６を備える点を第２の特徴とする。なお、図４，図７−図９に示す各断面は、図２に対応している。

図４に示す光導波路型センサ１０において、基板１１には、コア１３及び横クラッド１４が配置される側の一面１１ａ（以下、上面１１ａと示す）に開口する除去領域１７が設けられている。これにより、光導波路を構成するコア１３及び横クラッド１４のうち、除去領域１７を架橋する部位がメンブレンＭＥＭとなっている。また、コア１３の上面１３ｂだけでなく、メンブレンＭＥＭにおけるコア１３の下面１３ｃが、伝播面となっている。

図４に示す例では、さらに、除去領域１７が、基板１１における上面１１ａとは反対の下面１１ｂ側にも開口しており、基板１１を貫通する貫通孔となっている。そして、コア１３の大部分（外周側の端部１３ｅから所定範囲を除く部分）がメンブレンＭＥＭの領域内に配置されている。

このような除去領域１７（貫通孔）は、コア１３及び横クラッド１４の形成後、サポート層１６をストッパとして、下面１１ｂ側から基板１１をエッチングすることで形成することができる。

また、下部クラッド層１２に代えて、コア１３及び横クラッド１４全域を覆うように、基板１１の上面１１ａとコア１３及び横クラッド１４との間にサポート層１６が介在されている。このサポート層１６は、コア１３を構成する材料及び横クラッド１４を構成する材料に起因する膜応力により、コア１３及び横クラッド１４が座屈するのを抑制するための補強層であり、コア１３の下面１３ｃからしみ出すエバネッセント波の伝播に影響を与えない程度の厚さに設定される。本実施形態では、サポート層１６が窒化シリコンからなる。

したがって、図４に示す光導波路型センサ１０では、コア１３の上面１３ｂからしみ出すエバネッセント波が、上面１３ｂに接する被検出対象に吸収されるとともに、コア１３の下面１３ｃからしみ出すエバネッセント波が、サポート層１６を介して被検出対象に吸収されるようになっている。このように、コア１３における上面１３ｂと下面１３ｃの両面を伝播面とすると、伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合を、上面１３ｂのみを伝播面とする構成の２倍程度とすることができる。すなわち、検出感度をより向上することができる。

また、基板１１の除去領域１７を貫通孔としているので、コア１３の下面１３ｃ側にも被検出対象が配置されやすい構成となっている。

また、サポート層１６の厚さを、下面１３ｃからしみ出すエバネッセント波の伝播に影響を与えない程度の厚さとするので、メンブレンＭＥＭ（コア１３及び横クラッド１４）の座屈を抑制しつつ、検出感度を向上することができる。

なお、エバネッセント波の伝播に影響を与えない程度の厚さとは、コア１３とサポート層１６の界面での反射が生じない程度の厚さとも言える。具体的には、光導波路を導波される光の波長をλ、サポート層１６の波長λにおける屈折率をｎ_ｓ、サポート層１６の厚みをｔ_sとすると、ｎ_ｓ×ｔ_s≦λを満たして設定される厚みｔ_sである。

このように、ｎ_ｓ×ｔ_s、すなわち光学長が、波長λよりも小さくなるようにサポート層１６を構成すると、サポート層１６を有しながらもエバネッセント波がサポート層１６を効率よく透過し、エバネッセント波を被検出対象に吸収させることができる。

より好ましくは、ｎ_ｓ×ｔ_s≦０．３λを満たしてサポート層１６の厚みｔ_sが設定されると良い。本発明者のシミュレーションにより、サポート層１６の屈折率ｎ_ｓに対する、光学長（ｎ_ｓ×ｔ_s）／波長λの値は、図５に示すように０．３で収束することが明らかとなった。したがって、上記構成とすると、波長λ及びサポート層１６の屈折率ｎ_ｓによらず、検出感度を向上することができる。

なお、図４では、コア１３の下面１３ｃ側（基板１１とコア１３及び横クラッド１４の間）にサポート層１６が介在される例を示したが、図６に示すように、コア１３及び横クラッド１４全域を覆うように、コア１３の上面１３ｂ側にサポート層１６が配置される構成としても良い。この構成では、コア１３の上面１３ｂからしみ出すエバネッセント波が、サポート層１６を介して被検出対象に吸収され、コア１３の下面１３ｃからしみ出すエバネッセント波が、下面１３ｂに接する被検出対象に吸収される。

また、基板１１の除去領域１７としては、図４に示す貫通孔に限定されるものではない。例えば、図７に示すように、基板１１の上面１１ａ及び下面１１ｂのうち、上面１１ａ側のみに開口する凹部を、除去領域１７として採用することもできる。この除去領域１７は、コア１３及び横クラッド１４の形成後、メンブレンＭＥＭ構成部分であって光導波路に影響のない横クラッド１４の部分を貫通するエッチングホール１８を通じて、基板１１を上面１１ａ側からエッチングすることで形成することができる。なお、エッチングホール１８はサポート層１６も貫通している。また、図示しないが、複数個所に設けられている。この構成において、サポート層１６をコア１３の上面１３ｂ側に設けることもできる。

さらには、座屈する恐れがない場合には、図８に示すように、サポート層１６を有さず、メンブレンＭＥＭがコア１３及び横クラッド１４からなる構成とすることもできる。この構成では、コア１３の上面１３ｂ及び下面１３ｃのいずれも露出面となるので、サポート層１６を有する構成に比べて、被検出対象に吸収されるエバネッセント波を増すことができる。

（第３実施形態）
本発明者は、上記第１実施形態及び第２実施形態で示した構成において、シミュレーションによって、より好ましい形態についての検討を行った。本実施形態はこの検討結果に基づくものである。なお、以下のシミュレーションにおいては、図８に示すように、コア１３の上面１３ｂ及び下面１３ｃがともに露出面とされた光導波路型センサ１０の構成をモデルとした。

先ず、コア１３の屈折率と横クラッド１４の屈折率の好ましい関係について説明する。ここで、コア１３の屈折率をｎ_１、横クラッド１４の屈折率ｎ_２（＜ｎ_１）、コア１３と横クラッド１４の屈折率差をΔｎ（＝ｎ_１−ｎ_２）とする。

図９は、光導波路を導波される光の波長λ＝４．５μｍにおいて、コア１３の屈折率ｎ_１を３水準（２．０、２．５、３．０）とり、それぞれにおいて屈折率差Δｎと規格化透過率との関係を示したものである。なお、規格化透過率とは、コア１３の各屈折率における透過率の最大値を１として規格化した透過率である。コア１３の屈折率ｎ_１が２．０では屈折率差Δｎが０．２で最大透過率（規格化透過率１）となっており、コア１３の屈折率ｎ_１が２．５では屈折率差Δｎが０．１で最大透過率（規格化透過率１）となっている。また、コア１３の屈折率ｎ_１が３．０では屈折率差Δｎが０．０５で最大透過率（規格化透過率１）となっている。

図１０は、図９において、規格化透過率が０．５（最大透過率の１／２倍）となる屈折率を抽出し、最小二乗法で二次関数としてフィッティングした図である。図９において、コア１３の各屈折率のデータは、規格化透過率０．５との間に、屈折率差Δｎが小さい交点と、屈折率差Δｎが大きい交点の２点をそれぞれ有する。

コア１３の各屈折率（２．０、２．５、３．０）における屈折率差Δｎが小さい交点を最小二乗法で二次関数としてフィッティングすると、図１０に示すように、Δｎ＝０．０２ｎ_１ ^２−０．１７ｎ_１＋０．３６となる。なお、屈折率ｎ_１が２．０の交点は０．０４４、屈折率ｎ_１が２．５の交点は０．０７２、屈折率ｎ_１が３．０の交点は０．１１である。

一方、コア１３の各屈折率（２．０、２．５、３．０）における屈折率差Δｎが大きい交点を最小二乗法で二次関数としてフィッティングすると、図１０に示すように、Δｎ＝０．５１ｎ_１ ^２−３．１０ｎ_１＋４．９５となる。なお、屈折率ｎ_１が２．０の交点は０．２５５、屈折率ｎ_１が２．５の交点は０．４、屈折率ｎ_１が３．０の交点は０．８である。

コア１３の各屈折率（２．０、２．５、３．０）において、屈折率差Δｎが小さい交点と屈折率差Δｎが大きい交点との間の範囲は、図９に示すように、規格化透過率が０．５よりも大きい範囲である。したがって、下記数式１の関係を満たすようにコア１３及び横クラッド１４を構成すると、規格化透過率を０．５以上（最大透過率の１／２倍以上）とすることができる。
（数１）
０．０２ｎ_１ ^２−０．１７ｎ_１＋０．３６≦Δｎ≦０．５１ｎ_１ ^２−３．１０ｎ_１＋４．９５
本実施形態では、上記数式１の関係を満たしてコア１３及び横クラッド１４が構成されている。すなわち、光導波路内を導波される光の透過率が高い構成となっている。光導波路内の透過率が高いということは、伝播損失が小さいということであるので、これにより、検出感度を向上することができる。

次に、好ましいコア１３の厚みについて説明する。

図１１は、コア１３の厚みと、伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合（後述する図１３参照）との関係を示す図である。なお、図１１では、コア１３の屈折率ｎ_１を３．０、横クラッド１４の屈折率ｎ_２を２．８、光導波路を導波される光の波長λを４．５μｍとした場合を例示している。

図１１に示すように、コア１３の厚みが２μｍを境に大きく変化することが明らかとなった。詳しくは、コア１３の厚みが２μｍ以下において、コア１３の厚みが２μｍよりも大きい場合に比べ、コア１３の厚さに対するエバネッセント波の割合の変化量が大きくなっている。なお、図１１に示すように、コア１３の厚みが１．５μｍ以下において、コア１３の厚さに対するエバネッセント波の割合の変化量がより大きくなっている。

本実施形態では、このシミュレーション結果を踏まえ、コア１３の厚みを２．０μｍ以下としている。したがって、伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合を大きくして、検出感度を向上することができる。なお、コア１３の厚みを１．５μｍ以下とすると、検出感度をさらに向上することができる。

次に、好ましいコア１３の屈折率ｎ_１について説明する。

図１２は、コア１３の屈折率ｎ_１と、伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合との関係を示す図である。なお、図１２では、コア１３と横クラッド１４の屈折率差Δｎを０．２、光導波路を導波される光の波長λを４．５μｍとした場合を例示している。

図１２に示すように、コア１３の屈折率ｎ_１に対する、伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合が、コア１３の屈折率ｎ_１が３を境に大きく変化することが明らかとなった。詳しくは、コア１３の屈折率ｎ_１が３以下において、コア１３の屈折率ｎ_１が３よりも大きい場合に比べ、コア１３の屈折率ｎ_１に対するエバネッセント波の割合の変化量が大きくなっている。

本実施形態では、このシミュレーション結果を踏まえ、コア１３の屈折率ｎ_１を３以下としている。したがって、伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合を大きくして、検出感度を向上することができる。

図１３は、本実施形態に係る（上記した構成を満たす）光導波路型センサ１０の光強度分布を示す図である。具体的には、コア１３の屈折率ｎ_１を２．０、横クラッド１４の屈折率ｎ_２を１．７、屈折率差Δｎを０．３、コア１３の厚さを１．０μｍ、コア１３の幅を２．５μｍ、光導波路を導波される光の波長λを３．５μｍとしている。

図１４，１５は、図１３に示す構成に対する比較例の光強度分布を示す図である。図１４に示す比較例１は、図１３同様、コア１３の両側面１３ａに対して横クラッド１４が配置され、コア１３の上面１３ｂ及び下面１３ｃが伝播面とされた構成において、コア１３の屈折率ｎ_１を３．４、横クラッド１４の屈折率ｎ_２を１．４、屈折率差Δｎを２．０、コア１３の厚さを１．０μｍ、コア１３の幅を２．５μｍ、光導波路を導波される光の波長λを３．５μｍとしている。

一方、図１５に示す比較例２は、下部クラッド層１２上にコア１３が配置され、コア１３の両側面１３ａ及び上面１３ｂが伝播面とされた構成において、コア１３の屈折率ｎ_１を３．４、横クラッド１４の屈折率ｎ_２を１．４、屈折率差Δｎを２．０、コア１３の厚さを１．０μｍ、コア１３の幅を２．５μｍ、光導波路を導波される光の波長λを３．５μｍとしている。

これら比較例１，２が、屈折率差Δｎの大きい従来構成に相当する。なお、図１３〜図１５に示す符号Ｃ１は、コア１３の中心位置を示しており、図１３〜図１５では、中心位置Ｃ１での光強度を１．０とした相対強度の分布を示している。また、図１３〜図１５に一点鎖線で示す符号１９は、光のうち、コア１３の伝播面からしみ出したエバネッセント波の部分を示している。図１３〜図１５では、中心位置Ｃ１から遠ざかるほど光強度が低下しており、エバネッセント波の部分１９よりも外側は光強度が０となっている。

図１６及び図１７は、図１３〜図１５に示す結果をまとめたものであり、図１６は、本実施形態に係る光導波路型センサ１０（本例）、比較例１、比較例２の伝播損失を比較した図である。図１７は、本実施形態に係る光導波路型センサ１０（本例）、比較例１、比較例２について、伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合を比較した図である。

図１３〜図１５の比較、及び、図１６、図１７の結果からも明らかなように、本実施形態に係る光導波路型センサ１０によれば、伝播損失を抑制し、これにより伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合を大きくすることができる。すなわち、検出感度を参考例１，２よりも格段に向上することができる。

なお、本実施形態では、コア１３の上面１３ｂ及び下面１３ｃがともに伝播面（且つ露出面）とされた光導波路型センサ１０の構成をモデルとしたが、コア１３の上面１３ｂ及び下面１３ｃのうち、片方のみが伝播面とされた構成についても、参考例１，２に対して検出感度を向上することができる。本実施形態に示す構成において片面のみを伝播面とすると、伝播面からしみ出すエバネッセント波の、光量全体に占める割合は図１３の構成の半分程度（２０〜３０％）となる。

（第４実施形態）
上記実施形態では、コア１３の側面１３ａに接する横クラッド１４の屈折率が単一（一定）である例を示した。これに対し、本実施形態では、図１８に示すように、横クラッド１４が、コア１３との境界から所定範囲に、コア１３（の側面１３ａ）から離れるにつれて屈折率が連続的若しくは段階的に小さくなる屈折率傾斜部位１４ｂを有する点を特徴とする。

図１８は、本実施形態に係る光導波路型センサ１０において、光導波路を構成するコア１３及び横クラッド１４の、位置（コア１３の延設方向に直交する幅方向での位置）と屈折率との関係を模式的に示す図である。横クラッド１４は、所定の屈折率ｎ_２（＜ｎ_１）を有した定屈折率部位１４ａと、該定屈折率部位１４ａとコア１３との間に設けられ、コア１３（の側面１３ａ）から離れるにつれて屈折率がｎ_１からｎ_２に向けて、連続的若しくは段階的に小さくなる屈折率傾斜部位１４ｂと、を有している。

コア１３と横クラッド１４の界面での散乱による伝播損失は、コア１３と、該コア１３の側面１３ａに接して形成された横クラッド１４との屈折率差Δｎが大きいほど増加する。これに対し、本実施形態では、横クラッド１４の屈折率が、コア１３との界面から連続的若しくは段階的に小さくなっているため、上記した散乱を抑制し、これにより検出感度を向上することができる。

なお、上記した光導波路型センサ１０は、例えば以下に示す製造方法により形成することができる。なお、図１９では、便宜上、コア１３を１つのみ示している。

図１９（ａ）に示すコア１３を形成する工程までは、第１実施形態同様である。コア１３の形成に続いて、ＣＶＤにより、コア１３を覆うように下部クラッド層１２上に酸窒化シリコン膜を堆積形成する。この際、酸窒化シリコン膜を形成する際の、チャンバー内のガスのうち、酸素が占める体積比率（濃度）を変化させる。具体的には、酸素が占める体積比率を大きくする方向に変化させる。

例えば図１９（ｂ）では、酸素供給源であるガスが、チャンバー内のガスの２０％を占めるようにし、コア１３を覆うように下部クラッド層１２上に酸窒化シリコン膜２４ａを堆積形成する。そして、エッチングにより、図１９（ｃ）に示すように、酸窒化シリコン膜２４ａのうちのコア１３を被覆する部分のみを残して、下部クラッド層１２を覆う部分を除去する。

次に、酸素供給源であるガスが、チャンバー内のガスの５０％を占めるようにし、酸窒化シリコン膜２４ａを覆うように下部クラッド層１２上に酸窒化シリコン膜２４ｂを堆積形成する。そして、酸窒化シリコン膜２４ａ同様にパターニングする。すなわち、酸窒化シリコン膜２４ｂのうちのコア１３を被覆する部分のみを残して、下部クラッド層１２を覆う部分を除去する。

また、酸素供給源であるガスが、チャンバー内のガスの８０％を占めるようにし、図１９（ｄ）に示すように、酸窒化シリコン膜２４ｂを覆うように下部クラッド層１２上に酸窒化シリコン膜２４ｃを堆積形成する。そして、酸窒化シリコン膜２４ｃ及び酸窒化シリコン膜２４ｂのうち、コア１３の側面１３ａが被覆され、コア１３の上面１３ｂが露出されるように、酸窒化シリコン膜２４ｃ及び酸窒化シリコン膜２４ｂをエッチングする。図１９（ｅ）では、コア１３の上面１３ｂと横クラッド１４が面一となるようにエッチングする。

このように、横クラッド１４を形成するための原料の組成を連続的若しくは段階的に変化させることで、酸窒化シリコン膜２４ｃからなる定屈折率部位１４ａと、酸窒化シリコン膜２４ａ，２４ｂからなる屈折率傾斜部位１４ｂと、を有する横クラッド１４を形成する。そして、上記した光導波路型センサ１０を得ることができる。

なお、上記においては、コア１３の上面１３ｂのみが伝播面とされる構成例を示したが、コア１３の上面１３ｂ及び下面１３ｃが伝播面とされる構成においても、屈折率傾斜部位１４ｂを適用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

１０・・・光導波路型センサ
１１・・・基板
１２・・・下部クラッド層
１３・・・コア
１３ａ・・・側面
１３ｂ・・・上面
１３ｃ・・・下面
１４・・・横クラッド
１６・・・サポート層
１７・・・除去領域
ＭＥＭ・・・メンブレン

Claims (13)

1. 基板上に光導波路が形成された光導波路型センサであって、
   前記光導波路は、該基板の一面上において延設されたコアと、前記基板の一面上における前記コアと同一層において、前記コアを挟むように前記コアの両側面に接して形成された横クラッドを含み、
   前記コアは、渦巻状に延設されるとともに、前記基板とは反対側の面の少なくとも一部が、光がしみだして被検出対象に吸収される伝播面とされていることを特徴とする光導波路型センサ。
2. 前記コアの屈折率をｎ_１、該屈折率ｎ_１と前記横クラッドの屈折率ｎ_２との差をΔｎとすると、
   次式を満たして前記光導波路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路型センサ。
   ０．０２ｎ_１ ^２−０．１７ｎ_１＋０．３６≦Δｎ≦０．５１ｎ_１ ^２−３．１０ｎ_１＋４．９５
3. 前記コアの厚みが２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光導波路型センサ。
4. 前記コアの屈折率ｎ_１が３以下であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の光導波路型センサ。
5. 前記横クラッドは、前記コアとの境界から所定範囲に、前記コアから離れるにつれて屈折率が連続的若しくは段階的に小さくなる屈折率傾斜部位を有することを特徴とする請求項１に記載の光導波路型センサ。
6. 前記基板には、前記一面に開口する除去領域が設けられ、
   前記光導波路を構成する前記コア及び前記横クラッドのうち、前記除去領域を架橋する部位がメンブレンとされ、
   前記メンブレンにおけるコアの、前記基板とは反対側の面と前記基板側の面との両面が、前記伝播面とされていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の光導波路型センサ。
7. 前記除去領域は、前記基板の一面とは反対の面にも開口する貫通孔であることを特徴とする請求項６に記載の光導波路型センサ。
8. 前記コアの伝播面は、被検出対象が接触するよう露出されていることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の光導波路型センサ。
9. 前記コアの伝播面の少なくとも一方に対し、前記メンブレンを補強するサポート層が接触配置され、
   前記光導波路を導波される光の波長をλ、前記サポート層の波長λにおける屈折率をｎ_ｓ、前記サポート層の厚みをｔ_sとすると、
   前記サポート層が、ｎ_ｓ×ｔ_s≦λを満たして形成されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の光導波路型センサ。
10. 前記サポート層が、ｎ_ｓ×ｔ_s≦０．３λを満たして形成されていることを特徴とする請求項９に記載の光導波路型センサ。
11. 前記基板の一面上には、下部クラッド層を介して、前記コア及び前記横クラッドが形成されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の光導波路型センサ。
12. 前記光導波路の入射端に光を入射する光源と、
    前記光導波路の出射端から出射された光を検出する光検出器とを備えることを特徴とすることを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項に記載の光導波路型センサ。
13. 基板上に光導波路が形成された光導波路型センサの製造方法であって、
    前記光導波路を形成する工程として、
    前記基板上にコアを形成する工程と、
    前記コアの形成後、前記基板の一面上における前記コアと同一層において、前記コアを挟むように前記コアの両側面に接して横クラッドを堆積形成する工程と、を含み、
    前記横クラッドを形成する工程において、前記横クラッドを形成するための原料の組成を連続的若しくは段階的に変化させることで、前記コアとの境界から所定範囲の部位において、前記コアから離れるにつれて屈折率が連続的若しくは段階的に変化するように前記横クラッドを形成することを特徴とする光導波路型センサの製造方法。