JP2013250193A - 光導波路及び分析素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、小型であり且つ気体又は液体成分を高精度で測定できる光導波路及び分析素子を提供する。
【解決手段】本発明の光導波路は、光導波路のコア層及びクラッド層が共にＳｉＯ_２系材料から構成されるＳｉＯ_２系導波路であって、前記光導波路の光導波路構造がハイメサ構造であり、前記コア層と前記クラッド層との比屈折率差が２．５％であり、前記光導波路の導波路幅が２．５μｍ以下であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体又は液体の試料を分析することを目的とした光導波路及び分析素子に関し、より詳細には、小型であり且つ気体又は液体成分を高精度で測定できる光導波路及び分析素子に関する。

近年の医療研究の進展に伴い、人間の息に含まれる成分に着目した健康診断方法が確立されつつある。例えば内臓に疾患がある場合、どのような疾患に対してどのような成分ガスが呼気に含まれるのか、という呼気分析診断研究が進展してきた。呼気分析は、患者（被験者）の血液検査時の注射器などのような物理的ストレスも無く、気軽に試料採集できるという特徴を有しており、既に、質量分析器を使った胃中のピロリ菌分析手法が医療診断技術として実用化されている。呼気中には更に多くの健康情報を含んでいることが最近分かっており、今後の普及発展が期待される。

さらに、血液等の微量の液体成分を分析できる技術の進歩も望まれる。また、生体試料に限られることはなく、たとえば、大気中に含まれる微量のガスを測定するための技術開発も盛んに行われている。

特開２００５−３００２１２号公報 特開平６−２８１５６８号公報

Manfred Murtz, "Breath Diagnostics Using Laser Spectroscopy", Optics & Photonics News,２００５年, vol.16, No.1, p.30-35. Tom Yen-Ting Fan他, "Compact arrayed-waveguide grating using air trench and high mesa structures", Technical Digest of IPRA, ２００６年, IMB3. 松永泰成他、「ＳＯＩハイメサ光導波路を用いた赤外線吸収分光の検討」、電子情報通信学会エレクトロソサイエティ大会、２００８年、C-3-72. アラム インテカブ他、「ＳＯＩハイメサ光導波路を用いた赤外線吸収分光の検討」、電子情報通信学会技術研究報告、２００８年、OCS2008-68.

上述の呼気分析は、実用化された質量分析器による手法においては、呼気採集や分析に相当の時間を必要とし、その場で直ぐに計測・診断できる手法ではなかった。ところが最近、呼気に対して、赤外線を使った透過吸収分光法により、リアルタイムでオンライン計測ができることが非特許文献１に報告された。これは、呼気に含まれる微量ガス成分に赤外線吸収を生じされる赤外透過吸収分光法を用いるもので、対象微量ガス成分の吸収波長光の透過吸収計測により、ｐｐｂ〜ｐｐｍオーダーの極微量ガスに対しても、瞬時にガス種とその絶対量を計測することが可能である。

しかしながら、現状の赤外線吸収計測では、実験室環境において計測ができるに留まっており、実験室定盤上に光学部品から構築されたレーザー光源を含む光学系のみならず、一般に数１０ｃｍ（上述の非特許文献１の報告で用いられたものは５０ｃｍ）もの長さを有する「ガスセル」と呼ばれる部品（被測定対象ガスを閉じ込め、赤外吸収を生じさせる領域）を有しており、医療現場に気軽に持ち込めるような可搬性が無い、という課題を有していた。

従って、本発明が解決しようとする課題の１つは、オンライン計測型呼気分析システムにおいて、特に、携行するうえで大きな障害となる、ガスセルのサイズの小型化に関する。

また、透過吸収分光法とは異なる分光方法として、特許文献１に記載のような、全反射吸収分光法（ＡＴＲ法）を用いた手法が報告されている。特許文献１に記載の手法では、ＡＴＲ法に用いるための検出部分を光導波路とすることによってガスセルを小型化している。

特に、特許文献１に記載の手法では、光導波路の上部クラッド領域の代わりに被測定対象物を塗布し、被測定対象物の屈折率を利用して光導波路の一部として機能させる一方、被測定対象物に分布している光に対して吸収を生じさせ、結果として全反射吸収分光が行うことができる。

特許文献１に記載の手法は、ある程度の屈折率を有する塗布可能な物質に対しては有効であるが、微量ガスに対して測定を行うことを考えた場合、層方向の光分布に不均一が生じ、基板側への光放射が生じ易いなど、安定した伝搬状態が作り難い構造となっている。加えて、実際の光導波路の加工を想定した場合、コア層が直接上面に表出した構造となっており、製造工程において容易に入ると想定される微少なスクラッチ等によって過大な導波損失が生じてしまうという課題もある。

特許文献２には、ＡＴＲ法を利用した液体成分分析装置が記載されている。特許文献２の図１に記載されているように、この装置では、検出光が、検出光導波路の側面から入射され光導波路内を全反射しながら進行する。しかしながら、この方式では、エバネッセント光の吸収は、光導波路界面で光が全反射する箇所でのみ生じるため、充分な測定感度を実現することが困難であった。また、入射角度が極めて限られているため、光の入射及び出射角度を定めることが困難であるという課題もあった。

以上のように、光導波路を用いる従来例では、微量の気体や液体を検出するのに適した光導波路構造及び分析素子構造ではなかった。

本発明の目的は、小型でありながら、微量の気体又は液体成分を高精度で測定できる光導波路に関する。

本発明の請求項１に記載の光導波路は、光導波路のコア層及びクラッド層が共にＳｉＯ_２系材料から構成されるＳｉＯ_２系導波路であって、前記光導波路の光導波路構造がハイメサ構造であり、前記コア層と前記クラッド層との比屈折率差が２．５％であり、前記光導波路の導波路幅が２．５μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る光導波路は、請求項１に記載の光導波路であって、前記光導波路の導波路幅が２．１μｍ以上であることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の分析素子は、請求項１又は２に記載された光導波路を光検出導波路として使用することを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の分析素子は、本発明の請求項３に記載の分析素子であって、前記光検出導波路が、少なくとも直線導波路から構成されていることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の分析素子は、本発明の請求項３に記載の分析素子であって、前記光検出導波路が、少なくとも直線導波路と曲線導波路から構成されていることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の分析素子は、本発明の請求項４又は５に記載の分析素子であって、前記検出導波路は、テーパー導波路領域を有していることを特徴とする。

本発明の請求項７に記載の分析素子は、本発明の請求項６に記載の分析素子であって、前記テーパー導波路領域が、埋め込み構造であることを特徴とする。

本発明によれば、小型でありながら、気体又は液体成分を高精度で測定できる光導波路及びその光導波路から構成される分析素子が提供される。

上述した目的及びその他の目的並びに特徴及び利点は、以下に述べる好適な実施形態及びそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

本発明の実施例に係る分析素子を示す図である。 本発明の実施例に係る分析素子のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’及びＣ−Ｃ’断面図である。 本発明の実施例に係る分析素子のテーパー導波路領域の構成を示す図である。 本発明の実施例に係る分析素子の光導波路の導波路幅と光気相分布率との関係を示す図である。 本発明の実施例に係る分析素子の製造方法を示す図である。

（実施例）
図１に、本発明の実施例に係る分析素子１００の概略構成を示す。図１に示される分析素子１００は、テーパー導波路領域１１、直線導波路領域１２ａ、及び曲線導波路領域１２ｂで構成された検出光導波路１０を含む。テーパー導波路領域１１の導波路部分は、埋め込み領域１５によって埋め込まれており、テーパー導波路領域１１は、直線埋め込み導波路領域４１、第１のテーパー埋め込み導波路領域４２、及び第２のテーパー埋め込み導波路領域４３で構成される。

図１に示されるように、分析素子１００の検出光導波路１０は、テーパー導波路領域１１が直線導波路領域１２ａに接続され、複数の直線導波路領域１２ａが曲線導波路領域１２ｂを介して繰り返し接続されるように構成されている。

図２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、図１に示される破線Ａ−Ａ’、破線Ｂ−Ｂ’、及び破線Ｃ−Ｃ’における断面図を示す。図２（ａ）には、基板２１と、基板２１上に形成された下部クラッド層２２と、下部クラッド層２２上に形成されたコア層２３と、コア層２３上に形成された上部クラッド層２４とを備えたハイメサ構造の導波路構造が示されている。図２（ａ）に示されるＡ−Ａ’断面部分のコア層２３は、導波路幅ｗを有する。

図２（ｂ）及び（ｃ）には、基板２１上に形成された下部クラッド層２２と、下部クラッド層２２上に形成されたコア層２３と、下部クラッド層２２上でコア層２３を埋め込むように形成された上部クラッド層２４とを備えた埋め込み構造の導波路構造が示されている。図２（ｂ）及び（ｃ）に示されるＢ−Ｂ’及びＣ−Ｃ’断面部分のコア層２３は、導波路幅ｗ１及びｗ３をそれぞれ有し、図２（ｂ）に示されるＢ−Ｂ’断面部分の埋め込み構造は、埋め込み領域の幅ｗ２を有する。

本発明の実施例に係る分析素子１００では、光入射端面１３及び光出射端面１４と光ファイバーとの光結合損失を抑制するため、光入射端面１３又は光出射端面１４からテーパー導波路領域１１までの領域は、図２（ｂ）及び（ｃ）で示されるように埋め込み構造としている。一方、直線導波路領域１２ａ及び曲線導波路領域１２ｂは、導波光の一部が被検出ガスに吸収されるよう、図２（ａ）で示されるようにハイメサ構造としている。

図３は、本発明の実施例に係る分析素子１００におけるテーパー導波路領域１１の構成を示す。図３に示されるように、テーパー導波路領域１１は、直線埋め込み導波路領域４１、第１のテーパー埋め込み導波路領域４２及び第２のテーパー埋め込み導波路領域４３が直列に接続されて導波領域４４を形成する構成となっている。導波領域４４は埋め込み領域１５によって埋め込まれている。

直線埋め込み導波路領域４１において、導波路幅ｗ３は１４μｍ程度とし、直線埋め込み導波路領域４１の長さＬｓ１は５０００μｍ程度とすることができる。

第１のテーパー埋め込み導波路領域４２において、埋め込み領域の幅ｗ２は２５μｍ程度とし、導波路幅ｗ１は１４〜２．３μｍ程度とすることができ、１４μｍから２．３μｍまで直線的に狭くなっている。第１のテーパー埋め込み導波路領域４２の長さＬｔａｐｅｒ１は３００μｍ程度とすることができる。

第２のテーパー埋め込み導波路領域４３において、埋め込み領域の幅ｗ２は２５μｍ程度から２．３μｍまで直線的に狭くなっていて、導波路幅ｗ１は２．３μｍのままとすることができ、第２のテーパー埋め込み導波路領域４３の長さＬｔａｐｅｒ２は３００μｍ程度とすることができる。

光導波路の長さは、テーパー導波路領域１１が５６００μｍ程度、直線導波路領域１２ａが９０００μｍ程度とし、曲線導波路領域１２ｂを介して直線導波路領域１２ａが複数回、例えば合計１１回（合計９９０００μｍ程度）接続された構造とすることができる。検出光導波路は、ＳｉＯ_２系導波路とすることができる。

本発明の実施例に係る分析素子１００において、所定の強度の検出光が光ファイバーから光入射端面１３に予め導入されており、当該検出光は光入射端面１３を介してテーパー導波路領域１１に導かれ、テーパー導波路領域１１を介して直線導波路領域１２ａ及び曲線導波路領域１２ｂに沿って進行して導波され、光出射端面１４から光ファイバーへ出射される。

吸光係数が既知の気体を分析素子１００上に導入したときに、この出射した光の強度を光検出器により検出する。検出光導波路１０の光入射端面１３に入射した光の強度と、検出光導波路１０の光出射端面１４から出射した光の強度の関係から、気体の吸光度を求めることにより、気体の濃度を算出することができる。

本発明の実施例に係る分析素子１００によって、微量ガス成分を検知する原理について、以下に説明する。本発明の分析素子１００では、微量の気体や液体からなる試料を前提とした透過吸収分光法を用いる。

分析素子１００の直線導波路領域１２ａは、図２（ａ）に示されるようにハイメサ構造で構成されている。光通信に用いられる等の目的の従来のハイメサ構造導波路では、非特許文献２に示されるように、光導波路中の導波光を光導波路中に閉じ込めるために、コア層とクラッド層との比屈折率差を２．５％とした場合には、導波路幅は２．５μｍよりも太くすることが必要とされていた。従って、従来のハイメサ構造導波路では、光導波路中の導波光の殆どが光導波路中に閉じ込められるため、検出光と微量ガス成分との相互作用が生じにくく、また従来のハイメサ構造導波路を用いた分析方法は、光導波路中から漏れ出した導波光を利用するものではなかった。

ところが、本発明の実施例に係る分析素子１００では、コア層とクラッド層との比屈折率差を２．５％とした場合、光導波路幅を２．５μｍ以下としている。図４に、ＳｉＯ_２系ハイメサ光導波路の導波路幅ｗと光気相分布率Г_ａｉｒ（全導波光のうち、光導波路外に分布する光強度の比率）との関係を示す。図４に示される導波路幅ｗと光気相分布率Г_ａｉｒとの関係は、気体・微量ガスとしてＣＯ_２を検知するために、コア層とクラッド層との比屈折率差が２．５％のハイメサ導波路を有する検出光導波路において、波長１５７２ｎｍの検出光を用いた場合を例にして計算したものである。図４に示されるように、光導波路幅を２．５μｍ以下にすると光気相分布率Г_ａｉｒが８〜１０％となり、大凡１０％近くの光が光導波路外に分布することがわかる。

ここで、呼気に含まれる病気診断可能な成分は、そのほとんどが１０ｐｐｍ程度、もしくはそれ以下であることが知られている。光導波路を使った赤外吸収分光法によって１０ｐｐｍ程度以下の微量成分を検知するためには、光気相分布率としては少なくとも８％程度が必要であり、１０％程度以上が望ましいことが、発明者らのこれまでの研究の結果判明している。従って、本願発明で実際に実現しようとしている呼気分析のためには、８％以上、即ち導波路幅としては２．５μｍ以下が必要である。

従って、導波路幅２．５μｍ以下の導波路構造を有する光導波路においては、光気相分布率Г_ａｉｒが８〜１０％と大きくなるため、微量ガス成分と検出光との相互作用を生じさせることが可能となる。その結果、入射光の強度と出射光の強度の関係から気体の吸光度を求め、気体の濃度を算出することが可能となるため、上記のように設計した光導波路を用いて分析素子を構成することが可能である。このように、本発明に係る分析素子１００は、検出部分を光導波路とすることによってガスセルの小型化を図りながら、気体又は液体成分を高精度で測定することができる。

なお、図４に示されるように、コア層とクラッド層との比屈折率差を２．５％とした場合において、導波路幅が２．１μｍ以下では導波モードが存在しなくなるため、導波路幅が少なくとも２．１μｍ以上である必要がある。従って、本発明の分析素子１００においては、コア層とクラッド層との比屈折率差を２．５％とした場合、ハイメサ光導波路の導波路幅ｗは、２．１〜２．５μｍとする必要がある。導波路幅が細ければ細いほど、光気相分布率Г_ａｉｒが高くなって効率が良くなるため、導波モードが存在する条件の元で導波路幅は細いほうが好ましい。

本発明の実施例に係る分析素子１００において、光入射端面１３及び光出射端面１４を埋め込み構造とすることのもう１つのメリットを挙げる。本発明の実施例に係る分析素子１００では、光入射端面１３及び光出射端面１４は光ファイバブロックと端面同士とを接着剤にて接着することを想定している。その場合、直線導波路領域１２ａと同じハイメサ構造が端面にむき出しになっていると、接着剤が光導波路の両脇を表面張力により伝わっていき、両脇に充填されてしまう。これは、光気相分布率を低下させる原因となり、かつ、接着材が曲げ導波路にまで達した場合には、曲げによる放射損失を増大させる原因となり、問題となる。本発明の実施例に係る分析素子１００においては、光入射端面１３及び光出射端面１４を図２（ｃ）に示されるような埋め込み構造とすることによって、接着剤がハイメサ導波路の両脇に回り込むことを回避することができ、これらの問題が解消される点でメリットがある。

次に、図５を参照しながら、本発明の実施例に係る分析素子１００の作製方法について例示する。図５（ａ）に示されるように、シリコンからなる基板２１上に火炎堆積法（ＦＨＤ）を用いて、ＳｉＯ_２を主体とした下部クラッド層２２、ＳｉＯ_２にＧｅＯ_２を添加したコア層２３を堆積して基板上２１にＳｉＯ_２を主体とした二層構造を形成する。各層の厚さは、下部クラッド層２２を１５μｍ程度、コア層２３を３．５μｍ程度とし、コア層と下部クラッド層２２及び上部クラッド層２３との比屈折率差は２．５％としている。

その後、図５（ｂ）に示されるように、通常のフォトリソグラフィ法によって光導波路形状にマスク２５を形成した後、反応性イオンエッチング法により、図５（ｃ）に示されるようにコア層２３を除去する。マスク２５を通常の有機洗浄法により除去した後、図５（ｄ）に示されるように、ＳｉＯ_２を主体とした上部クラッド層２４を堆積することによりコア層２３を埋め込む。上部クラッド層２４は、下部クラッド層２２と上部クラッド層２４との界面から６．５μｍ程度の厚さとすることができる。

これ以降は、ハイメサ導波路とする直線導波路領域１２ａ及び曲線導波路領域１２ｂと、埋め込み導波路とするテーパー領域１１とで構造が若干異なるため、ハイメサ導波路構造の制作方法については図５（ｅ１）及び（ｆ１）に図示し、テーパー領域の第１の埋め込み導波路領域４２及び第２の埋め込み導波路領域４３の作製方法については図５（ｅ２）及び（ｆ２）に図示し、直線埋め込み領域４１の作製方法については図５（ｅ３）及び（ｆ３）に図示した。

図５（ｄ）に示されるように上部クラッド層２４が堆積された後、図５（ｅ１）、（ｅ２）及び（ｅ３）に示されるように、通常のフォトリソグラフィ法によってマスク２５を形成した後、反応性イオンエッチング法により、上部クラッド層２４及びコア層２３及び下部クラッド層２２の埋め込み領域１５以外の部分を除去し、図５（ｆ１）、（ｆ２）及び（ｆ３）に示される構造をそれぞれ得る。この時、総エッチング量は１５μｍ程度とした。その後、マスク２５は、通常の洗浄法により除去する。

以上により、Ａ−Ａ’断面におけるハイメサ導波路は図５（ｆ１）、Ｂ−Ｂ’断面におけるテーパー埋め込み導波路は図５（ｆ２）、Ｃ−Ｃ’断面における直線埋め込み導波路は図５（ｆ３）に示されるように作製されることとなる。その結果として、図１で示されるような検出光導波路１０が形成され、素子導波路構造の製作が終了する。

以上、図面を参照して本発明の実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。上記実施例では、試料として微量ガスを例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、気体及び液体の混合試料や液体の試料も用いることができる。また、上記において、検知光導波路１２の導波路幅は２．３μｍと例示したが、これに限定されるわけではなく、２．５μｍ以下としていれば本発明は適用可能である。

テーパー導波路領域１１では、光導波路幅ｗ１を１４μｍ程度、埋め込み領域幅ｗ２を２５μｍ程度、第１の埋め込みテーパー導波路領域の長さＬｔａｐｅｒ１及び第２の埋め込みテーパー導波路領域の長さＬｔａｐｅｒ２を共に３００μｍとしているが、これに限定されるわけではない。

また、本発明の実施例に係る分析素子１００の作製方法では、ＳｉＯ_２形成方法として火炎堆積法を用いているが、これに限定されるわけではなく、化学気相成長法やスパッタ法であっても本発明に適用可能である。更に、本発明における製造方法では、反応性イオンエッチング法を用いたが、これに限定されるわけではなく、誘導結合プラズマエッチング法（ＩＣＰ法）であっても、磁気中性線プラズマエッチング法（ＮＬＤ法）であっても本発明に適用可能である。

上記実施例では、ＳｉＯ_２系材料でハイメサ導波路を構成した場合について述べた。しかし、導波路材料はこれに限られることはなく、例えば半導体材料でハイメサ導波路を構成してもかまわない。その際には、光気相分布率を適切な値に設定するために、導波路幅を適宜選択することになる。

１００ 分析素子
１０ 検出光導波路
１１ テーパー領域
１２ａ 直線導波領域
１２ｂ 曲線導波領域
１３ 光入射端面
１４ 光出射端面
１５ 埋め込み領域
２１ 基板
２２ 下部クラッド層
２３ コア層
２４ 上部クラッド層
２５ マスク
４１ 直線埋め込み導波路領域
４２ 第１のテーパー埋め込み導波路領域
４３ 第２のテーパー埋め込み導波路領域
４４ 導波領域

Claims (7)

1. 光導波路のコア層及びクラッド層が共にＳｉＯ_２系材料から構成されるＳｉＯ_２系導波路であって、
   前記光導波路の光導波路構造がハイメサ構造であり、
   前記コア層と前記クラッド層との比屈折率差が２．５％であり、
   前記光導波路の導波路幅が２．５μｍ以下であることを特徴とする光導波路。
2. 前記光導波路の導波路幅が２．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
3. 請求項１又は２に記載された光導波路を光検出導波路として使用することを特徴とする分析素子。
4. 前記光検出導波路が、少なくとも直線導波路から構成されていることを特徴とする請求項３に記載の分析素子。
5. 前記光検出導波路が、少なくとも直線導波路と曲線導波路から構成されていることを特徴とする請求項３に記載の分析素子。
6. 前記検出導波路は、テーパー導波路領域を有していることを特徴とする請求項４又は５に記載の分析素子。
7. 前記テーパー導波路領域が、埋め込み構造であることを特徴とする請求項６に記載の分析素子。

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