JP2020038195A - 光導波路及び光学式濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コア層のスティッキングの発生を抑制しながらセンサ感度の低下を抑える。【解決手段】光導波路１０は基板１５とコア層１１と支持部１７と突起部１８とを有する。コア層１１では光が伝搬可能である。支持部１７は基板１５の少なくとも一部とコア層１１の一部とを接続する。支持部１７はコア層１１を支持する。突起部１８を基板１５およびコア層１１に挟まれる空間領域において長手方向に断続的に配置する。突起部１８は基板１５からコア層１１に向かって突出する。【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路及び光学式濃度測定装置に関する。

結晶などで形成された薄膜などの構造体を形成する材料の屈折率が構造体の外部の材料の屈折率よりも大きいとき、構造体の中を伝搬する光は、構造体と構造体の外部との界面で全反射を繰り返しながら進行していく。

図１８に示すように、構造体５１の中を伝搬する光Ｌは、構造体５１と物質５３との界面で全反射するとき、構造体５１の内部を伝搬する光の他に屈折率の小さい物質５３側に染み出す。この染み出しは、エバネッセント波と呼ばれ、光Ｌが構造体５１を伝搬していく過程で構造体５１に隣接している物質によって吸収されうる。図１８では、構造体５１の内部を伝搬する光Ｌの強度が光強度Ｅ１として図示され、エバネッセント波の強度が光強度Ｅ２として図示されている。このため、構造体５１を伝搬している光Ｌの強度変化から、構造体５１に接している物質５３の検出や同定などが可能になる。上述したエバネッセント波の原理を利用した分析法は、全反射吸収分光（ＡＴＲ：Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）法と呼ばれ、物質の化学組成分析などに利用されている。

特許文献１には、ＡＴＲ法をセンサに応用した光導波路型センサが提案されている。この光導波路型センサは、基板の上にコア層を形成して光を通し、エバネッセント波を利用してコア層に接する物質を検出するようになっている。

コア層を伝搬させる光としては赤外線を用いることが一般的である。物質には特定の波長の赤外線を選択的に吸収する特性があるため、被測定物質の吸収スペクトルに合わせた赤外線を伝搬させることで、物質の分析やセンシングを行うことが出来る。

センサの感度を向上させるためには、コア層における光学的損失を小さくし、また、被測定物質とエバネッセント波が相互作用する領域を大きくすることが求められる。その方法として、例えば、断続的に並んだ支持構造体を用いて導波路の一部を基板に対して浮かせる構造等が提案されている。

特開２００５−３００２１２号公報

しかし、導波路の一部を基板に対して浮かせる構造ではセンサの機械的強度が低下してしまい、信頼性が低かった。このように、センサの高感度および高信頼性を備わせることは難しかった。

本発明は、高感度および高信頼性を実現させる光導波路および光学式濃度測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様による光導波路は、
被測定気体または被測定液体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、
基板と、
長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、
前記基板の少なくとも一部と前記コア層の一部とを接続し、前記基板に対して前記コア層を支持する支持部と、
前記基板および前記コア層に挟まれる空間領域において前記長手方向に断続的に配置されており、前記基板から前記コア層に向かって突出する突起部と、を備える。

さらに、上記目的を達成するために、本発明の一態様による光学式濃度測定装置は、上記本発明のいずれかの態様による光導波路と、前記コア層に光を入射可能な光源と、前記コア層を伝搬した光を受光可能な検出部と、を備える。

本発明によれば、センサの高感度および高信頼性を実現させる光導波路および光学式濃度測定装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態による光導波路並びに光学式濃度測定装置１の概略構成と、光学式濃度測定装置を利用したＡＴＲ法によるセンシングとを説明する図である。 本発明の実施形態による光導波路の部分的な構成を示す図であって、光導波路の一部を基板の主面に対して光源または光検出器側から見た平面図である。 本発明の実施形態による光導波路の概略構成を示す図であって、図１中のＡ−Ａ線で切断した光導波路の端面図である。 本発明の実施形態による光導波路の概略構成を示す図であって、図１中のＢ−Ｂ線で切断した光導波路の端面図である。 本発明の実施形態による光導波路の概略構成を示す図であって、図１中のＣ−Ｃ線で切断した光導波路の端面図である。 本発明の実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、ＳＯＩ基板の平面図である。 図６のＳＯＩ基板をＤ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線、Ｆ−Ｆ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の平面図である。 図８の光導波路主要部をＤ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線、Ｆ−Ｆ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、一部をマスクパターンで覆った光導波路主要部の平面図である。 図１０の光導波路主要部をＥ−Ｅ線で切断した断面を示す端面図である。 図１０の光導波路主要部をＦ−Ｆ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、ＢＯＸ層の一部を除去した光導波路主要部の平面図である。 図１３の光導波路主要部をＤ−Ｄ線で切断した断面を示す端面図である。 図１３の光導波路主要部をＥ−Ｅ線で切断した断面を示す端面図である。 図１３の光導波路主要部をＦ−Ｆ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の別の実施形態による光導波路主要部を、図１３中に示す光導波路主要部のＥ−Ｅ線と同じ位置で切断した断面を示す端面図である。 光導波路を伝搬する光のエバネッセント波を説明するための図である。 断続的な支持部を持ち、さらに断続的な支持部の間の全域に亘って突起部を設けた光導波路を説明するための図である。 本発明の実施形態による光導波路を説明するための図であって、支持部および突起部のいずれも設けられないコア層の長手方向の領域を算出するための実験結果を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

＜光導波路＞
本発明の実施態様に係る光導波路は、被測定気体または被測定液体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、基板と、長手方向に沿って延伸し且つ光が伝搬可能なコア層と、基板の少なくとも一部とコア層の一部とを接続し基板に対してコア層を支持する支持部と、基板およびコア層に挟まれる空間領域において長手方向に断続的に配置されており基板からコア層に向かって突出する突起部と、を備えている。なお、長手方向とは、少なくとも１方向に沿って延伸している形状の三次元構造物における、最も長く延びている方向であって、直線状の方向だけでなく、曲線状の方向を含む。さらに、コア層は曲線状に延びる部分を含み、かつ突起部はコア層の曲線状に延びる部分と基板とに挟まれる空間領域、言い換えると、突起部はコア層の曲線状に延びる部分の直下に配置さていてよい。なお、直下とは、コア層から基板に向かう方向を上下方向と定めた場合における、まっ直ぐ下であることを意味する。また、コア層の幅方向における、突起部が最大高さとなる位置は、コア層の中央位置から外れていてよい。幅方向とは、本実施態様において、コア層の長手方向に垂直且つ基板の主面に平行な方向である。基板の主面とは、基板の板厚方向に垂直な表面であって、さらに言換えると、本実施態様において、基板を形成する６面の中で、面積が最大である面である。

ＡＴＲ法を利用したセンサでは、エバネッセント波と被測定物質との相互作用量を増加させること、及び、被測定物質以外の材料への光吸収を低減させることによりセンサ感度を向上させることができる。被測定物質以外の材料への光吸収を低減させるためには、コア層を支える支持部を、コア層の基板に相対する面の一部に部分的に存在させ、コア層の多くの部分を露出させることが有効である。支持部に接続されずに基板に対して浮いているコア層の部分には、結露などにより当該一部と基板の間に生じる水分によるメニスカス力により、当該一部が基板上に張付くスティッキングが発生し得る。スティッキングが発生すると、導波路の一部浮かせた構成を維持できず、センサの感度が著しく低下する。これに対して、基板の面に構造物を設けることによりスティッキング発生の可能性は低減する。また、スティッキングは従来、可動部を有するいわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスにおいて問題視されることが多いが、先述のようなメニスカス力に起因するスティッキングについては、可動部を有していない構造においても対策することが求められる。

このような構成の光導波路として、基板と、基板上に配置されたコア層と、基板とコア層の一部とを接続し基板に対してコア層を断続的に支持する支持部と、基板からコア層に向かって突出する突起部と、を備える光導波路が考えられる。このような構成の光導波路では、突起部によりコア層の基板への張付きが防がれるので、スティッキングの発生の可能性が低減する。ただし、基板とコア層との間に突起部を確実に形成するために、コア層から染み出したエバネッセント波が突起部によって光吸収される虞がある。

本実施態様に係る光導波路によれば、突起部はコア層の長手方向に断続的に配置されている。つまり、長手方向において、コア層および基板の間に突起部が設けられない領域が設けられている。これにより、本実施態様に係る光導波路によれば、突起部が設けられる領域においてコア層のスティッキング発生を抑制しながら、突起部が設けられない領域においてエバネッセント波の光吸収を低減させ得る。このため、本実施態様に係る光導波路を備える光学式濃度測定装置において、スティッキングによる光導波路の故障の可能性を低減させながら測定感度を向上させることが可能になり、高感度および高信頼性が実現され得る。また、突起部は、コア層の曲線状に延びる部分と基板とに挟まれる空間領域に配置されている。これにより、本実施態様に係る光導波路は、直線状の部分よりスティッキングが発生し易い曲線状の部分における、スティッキングの発生を抑制し得る。また、コア層の幅方向における、突起部が最大高さとなる位置が、コア層の幅方向の中央位置から外れている。つまり、突起部の中でコア層に最も近づく部分が、光が主に伝搬するコア層の幅方向の中心から離れた位置に設けられている。これにより、本実施態様に係る光導波路によれば、コア層の幅方向の中央位置から外れた位置において最大高さとなる突起部が設けられているので、突起部によるエバネッセント波の光吸収をより低減させ、測定感度をより向上させることが可能になる。また、本実施態様に係る光導波路では、コア層は可動部を有していなくてもよい。

以下、光導波路を構成する各構成要件について、具体例を挙げて説明する。

＜コア層＞
コア層は、長手方向に沿って延伸し且つ光が長手方向に沿って伝搬可能であれば特に制限されない。具体的には、シリコン（Ｓｉ）やガリウムひ素（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等で形成されたコア層が挙げられる。なお、長手方向とは、少なくとも１方向に沿って延伸している形状の三次元構造物における、最も長く延びている方向であって、直線状の方向だけでなく、曲線状の方向を含む。コア層の長手方向に沿った任意の位置における垂直な断面は、円形に限定されず、当該断面の中心から外表面までの距離が当該断面の中心を軸にした回転によって変動する任意の形状、例えば矩形であってよい。したがって、コア層は、本実施態様において長尺の板状である。

また、コア層の少なくとも一部は、露出することにより被測定気体または被測定液体と直接接触可能、または、コア層を伝搬する光の真空波長の１／４よりも薄い薄膜に被覆されることにより当該薄膜を介して被測定気体または被測定液体と接触可能であってもよい。これにより、エバネッセント波と被測定気体または被測定液体を相互作用させ、被測定気体または被測定液体の濃度を測定することが可能となる。

また、コア層は曲線状に延びる部分を含んでよい。これにより、コア層全体を平面視した際の、コア層の輪郭のアスペクト比を１に近づけ得るので、光導波路および光学式濃度測定装置が小型化され得る。また、コア層の長手方向における少なくとも一部には、長手方向と垂直な断面においてコア層および基板の間の全領域に、後述の支持部が存在しなくてもよい。これにより、コア層から染み出すエバネッセント波と周囲の気体または液体との相互作用量を増加させることが可能となる。なお、支持部が存在しないとは、コア層が、長手方向において互いに隣接する、２つの支持部の間に架渡されていることである。さらには、支持部が存在しないとは、コア層の基板に対向する全領域は、長手方向において互いに隣接する２つの支持部の間で、空隙、または、コア層が伝搬する光の吸収率が支持部よりも低い媒質を、基板との間に有することである。

コア層を伝搬する光はアナログ信号としての赤外線であってもよい。ここでアナログ信号としての赤外線とは、光のエネルギーの変化を０（低レベル）および１（高レベル）の２値で判定するのではなく、光のエネルギーの変化量を扱う信号であることを意味する。これにより、各実施態様に係る光導波路をセンサや分析装置に適用することができる。またこの場合、赤外線の真空波長は２μｍ以上１２μｍ以下であってもよい。この波長帯は環境に代表的に浮遊するガス（ＣＯ₂、ＣＯ、ＮＯ、Ｎ₂Ｏ、ＳＯ₂、ＣＨ₄、Ｈ₂Ｏ、Ｃ₂Ｈ₆Ｏ等）が吸収する波長帯である。これにより各実施態様に係る光導波路をガスセンサとして利用することができる。

＜基板＞
基板は、基板上に支持部、突起部、及びコア層を形成可能であれば特に制限されない。具体的には、シリコン基板やＧａＡｓ基板等が挙げられる。基板の主面とは、基板の水平方向（膜厚方向に垂直な方向）の表面を指す。基板の表面は、必ずしも露出していなくてもよく、一部が支持部および突起部と同じ材料の薄膜により覆われていてもよい。なお、基板の表面が露出していない場合、後述する突起部の高さとは、基板の表面を基準とした突起部表面の高さではなく、コア層直下の領域における当該薄膜表面のうち、最も低くなる位置を基準とした場合の突起部表面の高さを指す。

＜支持部＞
支持部は、基板の少なくとも一部とコア層の一部とを接続する。また、支持部は、基板に対してコア層を支持するようになっている。

また、支持部は、基板及びコア層を接合可能であれば特に制限されないが、好ましくは任意の波長の光またはコア層を伝搬する光に対してコア層よりも屈折率が小さい材料である。一例として、支持部の形成材料として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）やシリコン（Ｓｉ）、ガリウムひ素（ＧａＡｓ）等が挙げられる。屈折率は、任意の波長の光に対して、あるいは特定の波長の光に対する屈折率である。特定の波長の光は、特に光学式濃度測定装置において、コア層を伝搬する光である。これにより、支持部は、支持部との接続部分においてもコア層を伝播する光を全反射させ得る。

また、支持部とコア層との接続部分は、コア層の基板と対向する面における、いずれの位置であってもよく、例えば、幅方向の中央位置であってよい。さらには、支持部とコア層との接続部分は、コア層の幅方向の端面におけるいずれの位置であってもよい。また、支持部のコア層との接続部分は、コア層の長手方向に沿って断続的に存在させてもよい。これにより、コア層は長手方向において一部に支持部に接触しない外表面が増加するので、エバネッセント波と被測定気体または被測定液体との相互作用領域を拡大し得る。また、支持部のコア層との接続部分は、コア層の幅方向におけるコア層の端から該コア層の中央位置に近づくにつれて、コア層の長手方向に広がる形状であってもよい。このような形状であることにより、コア層の長手方向に沿って、支持部の無い領域から支持部の有る領域に向かう場合（またはその逆の場合）に、コア層の周囲の状況が段階的に変化する。その結果、コア層を伝搬する光にとって急激な周囲状況の変化を抑制できるため、コア層を伝搬する光の散乱損失を抑えることが可能となる。

支持部の形成方法の一例としては、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の埋め込み酸化膜（ＢＯＸ：Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層（ＳｉＯ₂層）をエッチングすることで、コア層（Ｓｉ層）と基板（Ｓｉ層）をＢＯＸ層で支持する構造を形成することができる。

＜突起部＞
突起部は、基板およびコア層に挟まれる空間領域においてコア層の長手方向に断続的に配置されている。また、突起部は、基板からコア層に向かって突出する。

また、突起部は、支持部と同一の材料で形成されていてよい。これにより、コア層の厚さ方向において、支持部と重複する領域に配置される突起部がリソグラフィ技術およびエッチング技術などを用いて、容易に形成され得る。また、突起部は山形状であってよい。これにより、長手方向に垂直な面内でコア層が例えば矩形形状である構成では、突起部が山形状であるとコア層の底面と突起部の表面とが平行にならず、コア層と突起部の間でのスティッキングが発生しにくくなる。突起部が山形状でない構成でも、コア層の底面と、突起部のコア層に対向する表面とが平行でないことで、同様の効果が得られる。なお、突起部の山形状は、コア層の厚さ方向に垂直な任意の方向、例えば、コア層の長手方向から見た形状である。また、突起部はコア層の幅方向において非対称であってもよいが、好ましくは対称であってよい。コア層の幅方向において対称とは、当該幅方向に垂直な直線を対称軸とした線対称を意味する。これにより、コア層が幅方向に対称な構造をしている場合、突起部も幅方向に対称構造をしていることで、コア層の直下方向に突起部の無い領域のコア層から、コア層の直下方向に突起部が有る領域のコア層に光が進行して行く際に、光のモード変換が起こりにくくなり、モード変換による伝搬ロスが小さくなる。また、突起部の最大高さは、コア層および基板の間隔の１／２０以上であってよい。これにより、コア層のスティッキング発生がより抑制され得る。また、突起部の最大高さは、１００ｎｍ以上であってよい。これにより、コア層のスティッキング発生がいっそう抑制され得る。また、コア層の長手方向において、任意の突起部の周囲には、突起部及び支持部が存在しない領域、言換えると、長手方向において互いに隣接する２つの突起部に挟まれる領域、または長手方向において互いに隣接する突起部および支持部に挟まれる領域があってよい。当該突起部及び支持部が存在しない領域の長手方向における長さは
以下であってよい。ここで、Ｅはコア層のヤング率［Ｎ／ｍ²］、ｈはコア層と基板との間の浮遊距離［ｍ］、ｔはコア層の厚さ［ｍ］、αは実験学的比較パラメータ：４５．２３４５×１０^-6［Ｎ／ｍ］である。また、突起部および支持部が存在しない領域の長手方向における長さは７１μｍ以下であってよい。これにより、支持部および突起部のいずれも設けられないコア層の長手方向の領域が、スティッキング発生の可能性が高まる
以下、または７１μｍ以下に抑えられるので、光導波路においてスティッキング発生が低減され得る。また、コア層の幅方向における、突起部が最大高さとなる位置は、コア層の幅方向の中央位置から外れていてよい。ただし、突起部は、コア層の長手方向の全域に亘って、コア層の幅方向の中央位置から外れた位置で最大高さでなくてよい。例えば、突起部は、コア層の長手方向の少なくとも一部の領域においてコア層の幅方向の中央位置から外れた位置で最大高さであって、別の一部の領域においてコア層の幅方向の中央位置で最大高さであってよい。

＜光学式濃度測定装置＞
本発明の各実施態様に係る光学式濃度測定装置は、本発明の各実施態様に係る光導波路と、コア層に光を入射可能な光源と、コア層を伝搬した光を受光可能な検出部と、を備える。

以下、光学式濃度測定装置を構成する各構成要件について、具体例を挙げて説明する。

＜光源＞
光源は、コア層に光を入射可能であれば特に制限されない。ガスの測定に赤外線を用いる場合には光源として、白熱電球やセラミックヒータ、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ヒータや赤外線ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などを用いることができる。光源は光導波路と光接続可能な構成であればどのような配置でもよい。例えば、光源は、光導波路と同じ個体内に光導波路に隣接して配置してもよいし、別の個体として光導波路から一定の距離を置いて配置してもよい。また、ガスの測定に紫外線を用いる場合には光源として、水銀ランプや紫外線ＬＥＤなどを用いることができる。また、ガスの測定にＸ線を用いる場合には光源として、電子ビームや電子レーザーなどを用いることができる。

光学式濃度測定装置に備えられる光導波路のコア層を伝搬する光は、アナログ信号としての赤外線であってもよい。ここで、アナログ信号としての赤外線とは、光のエネルギーの変化を０（低レベル）および１（高レベル）の２値で判定するのではなく、光のエネルギーの変化量を扱う信号であることを意味する。これにより、光学式濃度測定装置をセンサや分析装置に適用することができる。またこの場合、赤外線の真空波長は２μｍ以上１２μｍ以下であってもよい。この波長帯は環境に代表的に浮遊するガス（ＣＯ₂、ＣＯ、ＮＯ、Ｎ₂Ｏ、ＳＯ₂、ＣＨ₄、Ｈ₂Ｏ、Ｃ₂Ｈ₆Ｏ等）が吸収する波長帯である。これにより本実施態様に係る光学式濃度測定装置をガスセンサとして利用することができる。

＜検出部＞
検出部は、光導波路のコア層を伝搬した光を受光可能であれば特に制限されない。ガスの測定に赤外線を用いる場合には検出部として、焦電センサ（Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒ）、サーモパイル（Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ）あるいはボロメータ（Ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）等の熱型赤外線センサや、ダイオードあるいはフォトトランジスタ等の量子型赤外線センサ等を用いることができる。また、ガスの測定に紫外線を用いる場合には検出部として、ダイオードやフォトトランジスタ等の量子型紫外線センサ等を用いることができる。また、ガスの測定にＸ線を用いる場合には検出部として、各種半導体センサを用いることができる。

〔実施形態〕
本発明の実施形態による光導波路および光学式濃度測定装置について図１から図１７を用いて説明する。

図１は、本実施形態による光学式濃度測定装置１の概略構成を示す図であるとともに、本実施形態による光導波路１０を利用したＡＴＲ法の概念図でもある。

図１に示すように、光学式濃度測定装置１は、濃度などを検出するガスが存在する外部空間２に設置されて使用される。光学式濃度測定装置１は、本実施形態による光導波路１０と、光導波路１０に備えられたコア層１１に光（本実施形態では赤外線ＩＲ）を入射可能な光源２０と、コア層１１を伝搬した赤外線ＩＲを受光可能な光検出器（検出部の一例）４０とを備えている。

光導波路１０は、基板１５と、赤外線ＩＲ（光の一例）が伝搬可能なコア層１１と、基板１５の少なくとも一部とコア層１１の一部とを断続的に接続することにより、基板１５に対してコア層１１を支持する支持部１７と、基板１５からコア層１１に向かって突出する突起部１８とを備えている。コア層１１および基板１５はシリコン（Ｓｉ）で形成され、支持部１７および突起部１８は二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）で形成されている。

基板１５は例えば板状を有し、コア層１１は、例えば、直方体形状を、部分的に有している。また、図２に示すように、コア層１１は、基板１５の主面に垂直な方向を軸に直方体を湾曲させた、曲線状に延びる部分を有している。

図１に示すように、光導波路１０は、コア層１１の長手方向の一端部に形成されたグレーティングカプラ１１８と、コア層１１の長手方向の他端部に形成されたグレーティングカプラ１１９とを有している。グレーティングカプラ１１８は、光源２０の出射方向に配置されている。なお、本実施形態では、光導波路１０は、積層方向が鉛直方向に平行であり、基板１５の主面が鉛直下方側に向くように設置されている。光源２０の出射方向とは、このように光導波路１０が設置された状態における、光源２０の鉛直下方である。グレーティングカプラ１１８は、光源２０から入射する赤外線ＩＲを、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲに結合するようになっている。グレーティングカプラ１１９は、光検出器４０に対向する方向に配置されている。なお、光検出器４０に対向する方向とは、上述のように光導波路１０が設置された状態における、光検出器４０の鉛直下方である。グレーティングカプラ１１９は、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲを取り出して光検出器４０に向けて出射するようになっている。

図３は図１中のＡ−Ａ線で切断した断面を示す端面図であり、図４は図１中のＢ−Ｂ線で切断した断面を示す端面図である。図５は、図１中のＣ−Ｃ線で切断した断面を示す端面図である。

図１、図３、図４、図５に示すように、光導波路１０は、支持部１７が設けられた領域を除いて、コア層１１および基板１５の間に、クラッド層などの所定の層を有さずに空隙１３を有する構造をしている。

図３に示すように、コア層１１と接続される支持部１７の接続部分１７１は、コア層１１の幅方向においてコア層１１の中央位置ｃｐと重なっている。また、図１に示すように、支持部１７の接続部分１７１は長手方向に沿って、断続的に存在している。また、図１、図２に示すように、コア層１１の長手方向において、突起部１８は基板１５およびコア層１１に挟まれる空間領域に断続的に配置されている。

また、突起部１８は、当該空間領域の、コア層１１の長手方向において支持部１７とは異なる位置に配置されている。また、図４に示すように、突起部１８は、当該空間領域の、コア層１１の幅方向においてコア層１１の幅方向の中央位置ｃｐに重なる位置に配置されている。また、突起部１８は、コア層１１の長手方向から見て山形状である。また、突起部１８は、コア層１１の幅方向において対称である。また、突起部１８の最大高さは、コア層１１および基板１５の間隔ｇｐの１／２０以上であって、より具体的には１００ｎｍ以上である。また、突起部１８は、図２に示すように、コア層１１の曲線状に延びる部分の直下にも配置されている。また、コア層１１の長手方向において、支持部１７および突起部１８のいずれも設けられない領域、言換えると、コア層１１の長手方向において互いに隣接する２つの突起部１８に挟まれる領域、またはコア層１１の長手方向において支持部１７に隣接する突起部１８と当該支持部１７とに挟まれる領域の長さは
以下、より具体的には７１μｍ以下である。ここで、Ｅはコア層１１のヤング率［Ｎ／ｍ²］、ｈはコア層１１と基板１５の間隔ｇｐ［ｍ］、ｔはコア層１１の厚さ［ｍ］、αは実験学的比例パラメータ：４５．２３４５×１０^-6［Ｎ／ｍ］である。

なお、突起部１８の形状や、コア層１１の幅方向における突起部１８の位置は、以下の方法で確認される。突起部１８の断面形状を確認する場合は、長手方向に垂直な面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することによって確認される。また、幅方向における突起部１８のコア層１１との相対位置に関しては、光導波路１０のコア層１１側から、集束イオンビーム（ＦＩＢ）照射によるダメージ層の形成により、コア層１１の影を基板に転写し、その後で、コア層１１を剥離し、剥離した表面に転写されたコア層１１の影と突起部１８とを電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することにより、幅方向における突起部１８のコア層１１との相対位置が確認される。より詳細に説明すると、コア層１１が空中に浮いている箇所において、基板１５の主面に対して垂直な方向に集束イオンビームを照射することで、集束イオンビームによるダメージ層によってコア層１１の影が基板に転写される。転写された影は、基板の主面と平行な面内におけるコア層１１の位置を示しているため、転写された影と突起部の位置を比較することで、突起部とコア層１１の相対位置を判断することができる。

ここで、本実施形態による光導波路１０の効果について、図１９に示す長手方向全域に亘って突起部１８’が設けられた光導波路１０’と比較しながら説明する。

ＡＴＲ法を用いたセンサは、コア層内ではシングルモードで光を伝搬させることが多い。本実施形態による光学式濃度測定装置１でも、光導波路１０に備えられたコア層１１内ではシングルモードで光（赤外線）を伝搬させる例を挙げている。ただし、マルチモード伝搬させる場合でも、コア層１１の長手方向に光が伝播するため、本発明の効果は得られる。図１に示すように、コア層１１内をシングルモードで赤外線ＩＲを伝播させると、コア層１１の中心から離れるほど強度が低下しながらも、コア層１１の周りにエバネッセント波ＥＷが染み出す。なお、図１９に示す、互いに隣接する支持部１７’間で長手方向の全領域に亘る突起部１８’が設けられた光導波路１０’のコア層１１’を伝搬する赤外線ＩＲのエバネッセント波ＥＷの分布も、本実施形態の光導波路１０と同様である。

ＡＴＲ法を用いたセンサでは、コア層から染み出るエバネッセント波と被測定物質との相互作用領域を拡大させ（つまりコア層の露出部分を拡大させ）、かつ、被測定物質以外の材料への光の吸収（つまり支持部等による光の吸収）を低減させることで、センサとしての感度を上げられる。スティッキングの抑制のために形成される突起部１８’に関して、図１９に示すように、互いに隣接する支持部１７’の間で長手方向の全領域に亘る形状が、最も単純な形状として考えられる。

しかしながら、光導波路１０’では、基板１５’との間が空隙１３になっている長手方向の全領域に亘って、突起部１８’ の形成材料によるエバネッセント波ＥＷの吸収が生じる。その結果、光導波路１０’を用いたセンサの感度が低下してしまう。

これに対し、図１に示すように、本実施形態による光導波路１０は、光導波路１０’と同様に、コア層１１および基板１５の間に挟まれる空間領域に突起部１８を設け、スティッキングを抑制する構造を有している。ただし、図１に示すように、突起部１８は、コア層１１の長手方向に断続的に設けられている。これにより、コア層１１の中心から周囲に染み出すエバネッセント波ＥＷが、突起部１８が設けられない領域においては吸収されないので、光（赤外線）がグレーティングカプラ１１８からグレーティングカプラ１１９まで伝播する間の突起部１８による吸収量が低減する。したがって、本実施形態による光導波路１０は、通常考えられる突起部１８’をコア層１１’の長手方向に連続的に設けた光導波路１０’に比べて、突起部によるエバネッセント波ＥＷの光吸収を低減させ得る。

また、突起部１８は、コア層１１の長手方向から見て山形状である。これにより、長手方向に垂直な面内でコア層１１が矩形形状をしている本実施形態では、突起部１８が山形状であるとコア層１１の底面と突起部１８の表面とが平行にならず、コア層１１と突起部１８の間でのスティッキングが発生しにくくなる。また、突起部１８は、コア層１１の幅方向において対称である。これにより、コア層１１が幅方向に対称な構造をしている本実施形態では、突起部１８も幅方向に対象構造をしていることで、コア層１１の直下方向に突起部１８の無い領域のコア層１１から、コア層１１の直下方向に突起部１８が有る領域のコア層１１に光が進行して行く際に、光のモード変換が起こりにくくなり、モード変換による伝搬ロスが小さくなる。また、突起部１８の最大高さは、コア層１１および基板１５の間隔ｇｐの１／２０以上であって、より具体的には１００ｎｍ以上である。これにより、コア層１１のスティッキング発生がより抑制され得る。また、光導波路１０全体の小型化のために、コア層１１は曲線状に延びる部分を有しており、突起部１８は当該曲線状に延びる部分の直下に配置されている。このように、光導波路１０は、直線状の部分よりスティッキング耐久性の低い曲線状の部分におけるコア層１１の、スティッキング耐久性を向上し得る。また、コア層１１の長手方向において、支持部１７および突起部１８の何れも設けられない領域の長さは
以下、より具体的には７１μｍ以下である。ここで、Ｅはコア層１１のヤング率［Ｎ／ｍ²］、ｈはコア層１１と基板１５の間隔ｇｐ［ｍ］、ｔはコア層１１の厚さ［ｍ］、αは実験学的比例パラメータ：４５．２３４５×１０^-6［Ｎ／ｍ］である。これにより、支持部１７および突起部１８のいずれも設けられないコア層１１の長手方向の領域が、スティッキング発生の可能性が高まる
以下、または７１μｍ以下に抑えられるので、光導波路１０においてスティッキング発生が低減され得る。

ここで、本実施形態による光導波路１０の、コア層１１の長手方向において、支持部１７および突起部１８のいずれも設けられないコア層１１の長手方向の領域が、より詳細に説明される。

本発明では、長手方向において、突起部１８はコア層１１の下に断続的に配置されている。突起部１８が断続的に配置されているということは、基板１５に対して浮いた構造のコア層１１を有する光導波路１０において、任意の突起部１８の周囲に他の突起部１８および支持部１７が存在しない領域がある、ということである。ここで任意の突起部１８の周囲に他の突起部１８および支持部１７が存在しない領域としては、以下の２通りが考えられる。
Ｉ：任意の突起部１８から隣の突起部１８までの領域
ＩＩ：任意の突起部１８から支持部１７までの領域
ここで、スティッキングの防止効果としては、突起部１８よりも支持部１７の方が高いため、ＩよりもＩＩの距離の方を長く取ることができる。したがって、突起部１８を断続的に有する光導波路１０において、突起部１８が存在しなくてもスティッキングが発生しない距離の最大値はＩＩの距離から見積もることができる。すなわち、コア層１１が２つの支持部１７によって支持され、基板１５に対して浮いた構造を有する光導波路１０において、２つの支持部１７の間に突起部１８が存在しない状態で、どれだけ支持部間距離を離した場合に、どれくらいの範囲でスティッキングが発生するかを調べることにより、任意の突起部１８の周囲に他の突起部１８や支持部１７が存在しなくてもよい最大距離を見積もることができる。

図２０は、コア層１１（シリコン）の厚さ：２２０ｎｍ、コア層１１の幅：２μｍ、コア層１１から基板１５までの間の浮遊距離（すなわち基板１５の表面からの支持部１７の高さ）：３μｍ、支持部１７間の距離：１５０μｍ、の光導波路１０を、コア層１１の下に突起部１８を作らないで作成した時の顕微鏡観察画像（平面視）である。図２０では、コア層１１の１５０μｍの支持部１７間の距離のうち中央付近の４５μｍがスティッキングにより基板１５に接触している（残りのコア層１１の部分は浮遊している）。なお、図２０において、コア層１１の左右にあるひし形の領域には、コア層１１と基板１５の間に支持部１７があり、両ひし形に挟まれるコア層１１の細線領域におけるコア層１１と基板１５の間には、支持部１７も突起部１８も存在しない。この測定結果から、スティッキングを発生させない場合における、突起部１８と支持部１７の最大距離ｌ_pを（１）式と決定することができる。

ここで、Ｅは梁（すなわちコア層１１）を構成する部材のヤング率［Ｎ／ｍ²］、ｈはコア層１１と基板１５の間隔ｇｐ［ｍ］、ｔは梁（コア層１１）の厚さ［ｍ］、αは実験学的比例パラメータ：４５．２３４５×１０^-6［Ｎ／ｍ］である。

（１）式を得るために、上記の光導波路１０を矩形断面の両端固定梁とし、製造プロセス中に、コア層１１と基板１５の間にたまるプロセス薬液の表面張力に起因するラプラス圧力を均一荷重とするモデルにより解析すると、たわみ量は（２）式、（３）式、（４）式のように計算される（引用１：２００２年、日刊工業新聞、『製品開発のための材料力学と強度設計のノウハウ』鯉渕興二ら編著、ｐ１８。引用２：２０１２年、日本機械学会論文集７８巻７９０号 『二平面間に形成された液体架橋のメニスカス力（厳密解と近似式との比較）』田浦 裕生ら）。

（２）から（４）式において、ｖ（ｘ）は片方の端からの距離ｘにおけるたわみ量、ｐは単位長さあたりの荷重、ｌは梁（つまりコア層１１の浮遊部分）の全長、Ｉは断面２次モーメント、ｗは梁の幅、γは表面張力、θは接触角である。前述の図２０に示した光導波路１０の寸法（すなわち、コア層１１の厚さ：２２０ｎｍ、コア層１１の幅：２μｍ、コア層１１から基板１５までの間の浮遊距離：３μｍ、支持部間距離：１５０μｍ）において、コア層１１のヤング率を単結晶シリコンのヤング率（１９３ＧＰａ）とするとき、たわみ量が浮遊距離ｈ（すなわち３μｍ）よりも大きい値となるｘ領域の長さ（つまり基板１５に接触した状態となる距離）が４５μｍになるように荷重ｐを決定することができる。

一方で、最大たわみ量ｖ_maxは梁（コア層１１）の中央部（つまりｘ＝ｌ／２）のたわみであり、式（２）、式（３）、および式（４）より、式（５）および式（６）と解くことができる。

測定結果より計算された荷重ｐを用いることにより、実験学的比例パラメータαが求められる。

ところで、突起部１８が、コア層１１が基板１５に接触する地点に存在することにより、スティッキングが防がれる。したがって、少なくとも一点でコア層１１が接触する条件（つまり最大たわみ量ｖ_maxとコア層１１と基板１５の間の浮遊距離ｈが等しい場合）のコア層１１の浮遊部分の全長の半分の長さの位置に突起部１８が存在することにより、スティッキングを防ぐことができる。この条件から式（７）、式（８）、および式（９）のようにｌ_ｐを求めることができる。

特に式（９）から、シリコン製のコア層１１を有する光導波路１０が、図２０の断面寸法（すなわち、コア層１１の厚さ：２２０ｎｍ、コア層１１から基板１５までの間の浮遊距離：３μｍ）である構成において、支持部１７から長手方向に７１μｍ以下の位置に突起部１８を存在させることでスティッキングを防ぐことができる。すなわち、突起部１８を断続的に有する光導波路１０において、突起部１８が存在しなくてもスティッキングが発生しない距離の最大値は７１μｍである。

次に、本実施形態による光導波路１０の製造方法について図１から図５を参照しつつ図６、図１７を用いて説明する。図６は、光導波路１０の製造工程平面図を示している。図７は、図６中に示すＤ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線、Ｆ−Ｆ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図を示している。図８は、光導波路１０の製造工程平面図を示している。図９は、図８中に示すＤ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線、Ｆ−Ｆ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図を示している。図１０は、光導波路１０の製造工程平面図を示している。図１１は、図１０中に示すＥ−Ｅ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図を示している。図１２は、図１０中に示すＦ−Ｆ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図を示している。なお、図１０中に示すＤ−Ｄ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図は、マスクパターンＭ１、マスクパターンＭ２のいずれも存在しないため、図９に示した端面構造と同一となる。図１３は、光導波路１０の製造工程平面図を示している。図１４は、図１３中に示すＤ−Ｄ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図を示している。図１５は、図１３中に示すＥ−Ｅ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図を示している。図１６は、図１３中に示すＦ−Ｆ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図を示している。図１７は、別の実施形態の光導波路主要部を、図１３中に示す光導波路主要部１０ａのＥ−Ｅ線と同じ位置で切断した製造工程端面図を示している。

まず、シリコンで形成され最終的に基板１５となる支持基板１５ａと、シリコンで形成されコア層１１が形成される活性基板１１ａのいずれか一方、または両方にＳｉＯ₂膜を形成し、このＳｉＯ₂膜を挟むようにして支持基板１５ａおよび活性基板１１ａを貼り合わせて熱処理して結合する。その後、活性基板１１ａを所定の厚さまで研削・研磨するなどして活性基板１１ａの膜厚を調整する。これにより、図６、図７に示すように、支持基板１５ａと、支持基板１５ａ上に形成されたＢＯＸ層１７ａと、ＢＯＸ層１７ａ上に形成された活性基板１１ａとを有し、「シリコン−絶縁層−シリコン」構造を有するＳＯＩ基板１００が形成される。

次に、ＳＯＩ基板１００をリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて活性基板１１ａをエッチングし、断面矩形で長手方向に延伸するコア層１１を形成する。これにより、図８、図９に示すように、板状の支持基板１５ａと、支持基板１５ａ上に形成され板状のＢＯＸ層１７ａと、ＢＯＸ層１７ａ上の一部に形成され四角柱状のコア層１１とを有する光導波路主要部１０ａを形成する。

次に、図１０に示すように、コア層１１およびＢＯＸ層１７ａの一部を覆うマスクパターンＭ１、マスクパターンＭ２を、コア層１１の長手方向に断続的に形成する。図１０、図１１に示すように、マスクパターンＭ１は、コア層１１の幅方向の中央位置に対称に配置される。図１０、図１２に示すように、マスクパターンＭ２は、コア層１１の幅方向の中央位置に対称に配置され、マスクパターンＭ１より幅方向に長い。マスクパターンＭ１、マスクパターンＭ２は、フォトレジストでもよいし、シリコン窒化膜等のハードマスクでもよい。また、マスクパターンＭ１とマスクパターンＭ２は、一体（すなわち同一）のマスク層であってもよく、異なるマスク層であってもよい。

次に、マスクパターンＭ１、マスクパターンＭ２をマスクとして光導波路主要部１０ａのＢＯＸ層１７ａの一部をウェットエッチングなどで除去する。これにより、図１３、図１４に示すように、コア層１１の長手方向においてマスクパターンＭ１、マスクパターンＭ２が設けられなかった領域には、支持部１７および突起部１８のいずれもが形成されず、空隙１３が形成される。また、図１３、図１５に示すように、コア層１１の長手方向においてマスクパターンＭ１が設けられた領域には、コア層１１の幅方向における中央位置に存在する突起部１８が形成される。また、図１３、図１６に示すように、コア層１１の幅方向における中央位置に存在する支持部１７が形成される。なお、図１３から図１６では、支持部１７および突起部１８を形成する部分以外のＢＯＸ層１７ａが除去されているが、必ずしも完全に除去されずに、図１７に示す別の実施形態のように、ＢＯＸ層１７ａの残りなどで支持基板１５ａを覆う薄膜１９を形成してよい。なお、このときの突起部１８の最大高さは、コア層１１の直下の領域における当該薄膜１９表面のうち、最も低くなる位置を基準としたときの、突起部１８の山形状の頂点高さである。

その後、マスクパターンＭ１、マスクパターンＭ２をエッチングする。なお、本実施形態ではグレーティングカプラの形成を省略したが、図１に示すようなグレーティングカプラ１１８、グレーティングカプラ１１９を形成する場合は、図８に示すコア層１１の形成と同時もしくはその前後にグレーティングカプラ１１８、グレーティングカプラ１１９を形成し、その後、図１０に示すマスクパターンＭ１、マスクパターンＭ２を形成するとよい。コア層１１の長手方向の一端部にスリット状のグレーティングカプラ１１８を形成し、コア層１１の長手方向の他端部にスリット状のグレーティングカプラ１１９を形成すると図１に示した構造となる。

次に、支持基板１５ａを所定領域で切断して光導波路主要部１０ａを個片化する。これにより、突起部１８が、コア層１１の長手方向に断続的に存在する光導波路１０（図１から図５参照）が完成する。

さらに、図１に示すように、光導波路１０のグレーティングカプラ１１８に赤外線ＩＲを入射できるように光源２０を設置し、光導波路１０のグレーティングカプラ１１９から出射する赤外線ＩＲを受光できるように光検出器４０を配置することにより、光学式濃度測定装置１が完成する。

このように、光導波路１０は、突起部１８が、コア層１１の長手方向に断続的に存在する構造を有することで、コア層１１におけるスティッキングの発生を抑制しながら、突起部１８による被測定物質ＭＯの検出特性の低下を防止し得る。

以上説明したように、本実施形態によれば、コア層１１におけるスティッキングの発生を抑制しながら、センサの感度の低下を抑える突起部１８を持った光導波路１０および光学式濃度測定装置１を提供することができる。

また、本実施形態による光導波路１０は、突起部１８による当該エバネッセント波ＥＷの吸収量を減少させることができる。これにより、本実施形態による光導波路１０は、種々の仕様態様において高感度に安定して被測定物質ＭＯを検出することができる。

１ 光学式濃度測定装置
２ 外部空間
１０、１０’ 光導波路
１０ａ 光導波路主要部
１１、１１’ コア層
１１ａ 活性基板
１３ 空隙
１５ 基板
１５ａ 支持基板
１７、１７’ 支持部
１７ａ ＢＯＸ層
１８、１８’ 突起部
１９ 薄膜
４０ 光検出器
５１ 構造体
５３ 物質
１００ ＳＯＩ基板
１１８，１１９ グレーティングカプラ
１７１ 支持部の接続部分
Ｅ１ 構造体の内部を伝播する光の強度
Ｅ２ エバネッセント波の強度
ＥＷ エバネッセント波
ＩＲ 赤外線
Ｌ 光
ＭＯ 被測定物質
ＯＡ 光軸

Claims (16)

1. 被測定気体または被測定液体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、
   基板と、
   長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、
   前記基板の少なくとも一部と前記コア層の一部とを接続し、前記基板に対して前記コア層を支持する支持部と、
   前記基板および前記コア層に挟まれる空間領域において前記長手方向に断続的に配置されており、前記基板から前記コア層に向かって突出する突起部と、を備える
   光導波路。
2. 前記支持部は、前記コア層よりも屈折率の小さい材料で形成されている
   請求項１に記載の光導波路。
3. 前記突起部は、前記支持部と同一の材料で形成されている
   請求項１または２に記載の光導波路。
4. 前記突起部は、山形状である
   請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路。
5. 前記突起部は、前記コア層の幅方向において対称である
   請求項１から４のいずれか１項に記載の光導波路。
6. 前記突起部は、前記コア層の幅方向において非対象である
   請求項１から４のいずれか１項に記載の光導波路。
7. 前記突起部の最大高さは、前記コア層および前記基板の間隔の１／２０以上である
   請求項１から６のいずれか１項に記載の光導波路。
8. 前記突起部の最大高さは、１００ｎｍ以上である
   請求項１から７のいずれか１項に記載の光導波路。
9. 前記長手方向に沿って延びる前記コア層は、曲線状に延びる部分を含み、
   前記突起部は、前記曲線状に延びる部分の直下に配置されている
   請求項１から８のいずれか１項に記載の光導波路。
10. 前記長手方向における任意の前記突起部の周囲には、前記突起部及び前記支持部が存在しない領域があり、該突起部及び支持部が存在しない領域の前記長手方向における長さは
    以下である
    請求項１から９のいずれか１項に記載の光導波路。
    ここで、Ｅは前記コア層のヤング率［Ｎ／ｍ²］、ｈは前記コア層と前記基板の間の浮遊距離［ｍ］、ｔは前記コア層の厚さ［ｍ］、αは実験学的比例パラメータ：４５．２３４５×１０^-6［Ｎ／ｍ］である。
11. 前記長手方向における任意の前記突起部の周囲には、前記突起部及び前記支持部が存在しない領域があり、該突起部及び支持部が存在しない領域の前記長手方向における長さは７１μｍ以下である
    請求項１から９のいずれか１項に記載の光導波路。
12. 前記コア層の幅方向における、前記突起部が最大高さとなる位置は、前記コア層の中央位置から外れている
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の光導波路。
13. 前記コア層の少なくとも一部は、露出、または、薄膜により被覆されている、
    請求項１から１２のいずれか１項に記載の光導波路。
14. 前記コア層を伝搬する光はアナログ信号としての赤外線である
    請求項１から１３までのいずれか１項に記載の光導波路。
15. 請求項１から１４までのいずれか１項に記載の光導波路と、
    前記コア層に光を入射可能な光源と、
    前記コア層を伝搬した光を受光可能な検出部と、を備える
    光学式濃度測定装置。
16. 前記光源は真空波長が２μｍ以上１２μｍ未満の赤外線を前記コア層に入射する
    請求項１５に記載の光学式濃度測定装置。