JP2021096226A - 光学式濃度測定装置および光導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】コア層としての回折格子部および光伝搬部を、共に高性能に形成することが可能な光学式濃度測定装置および光導波路を提供する。【解決手段】本発明の光学式濃度測定装置は、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器と、光導波路と、を備える、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であって、光導波路は、基板と、延在方向に光が伝搬可能である光伝搬部と、回折格子部と、を有するコア層と、を備え、回折格子部が、回折格子領域と当該回折格子領域に接続される延長領域とを有し、回折格子部の少なくとも一部が、光伝搬部と異なる材料であり、コア層を伝搬する光に対して、延長領域が有する第１光結合領域と、光伝搬部が有する第２光結合領域が光学的に結合していることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、光学式濃度測定装置および光導波路に関する。

結晶などで形成された薄膜などの構造体の中を伝搬する光は、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場合、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。構造体を伝搬する光は、この界面で全反射するとき、屈折率の小さい外部側に染み出している。この染み出しは、エバネッセント波（図１５参照）と呼ばれている。エバネッセント波ＥＷは、光Ｌが伝搬していく過程で構造体５１に隣接している物質５２により吸収されうる。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５２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ＥＷの原理を利用した分析法は、全反射吸収分光法（ＡＴＲ：Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ法）と呼ばれ、物質５２の化学組成分析などに利用されている。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できる。

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。

特開２００５−３００２１２号公報

ところで、ＡＴＲ法を利用したセンサでは、光源からの光を光導波路のコア層に導入する箇所と、光導波路のコア層から光検出器に向けて取り出す箇所を有する。そのため、光源からの光を光導波路のコア層に導入する箇所と、光導波路のコア層から光検出器に向けて取り出す箇所のそれぞれには、コア層の一部として、光の光軸を曲げるために回折格子部（グレーティング）が設けられている。そして、かかる回折格子部は、光導波路への光の入力、または光導波路からの光の出力を効率的に行う観点から、光源や光検出器のサイズや形状に合わせた構造が必要となる。

一方当該センサでは、上述のように、コア層に導入した光を、エバネッセント波として、光伝搬部から染み出させて外部の被測定物質に吸収させる必要があるため、光伝搬部（伝搬路）における光の伝搬距離を長くすることが求められる。

したがって、このようなセンサにおいては、コア層として回折格子部と光伝搬部とが設けられるが、回折格子部と光伝搬部とでは、それぞれ求められる機能、それによる形状やサイズ、材料が異なっている。よって、このようなセンサにおいて、単一のコア層内に回折格子部と光伝搬部とを製造する場合には、回折格子部と光伝搬部の両方を高性能に形成することが困難であった。

そこで、本発明は、コア層としての回折格子部および光伝搬部を、共に高性能に形成することが可能な光学式濃度測定装置および光導波路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学式濃度測定装置は、
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器と、
光導波路と、を備える、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であって、
前記光導波路は、
基板と、
延在方向に光が伝搬可能である光伝搬部と、回折格子部と、を有する前記コア層と、
を備え、
前記回折格子部が、回折格子領域と当該回折格子領域に接続される延長領域とを有し、
前記回折格子部の少なくとも一部が、前記光伝搬部と異なる材料であり、
前記コア層を伝搬する光に対して、前記延長領域が有する第１光結合領域と、前記光伝搬部が有する第２光結合領域が光学的に結合していることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の他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られる光導波路であって、
基板と、
延在方向に光が伝搬可能である光伝搬部と、回折格子部と、を有するコア層と、
を備え、
前記回折格子部が、回折格子領域と当該回折格子領域に接続される延長領域とを有し、
前記回折格子部の少なくとも一部が、前記光伝搬部と異なる材料であり、
前記コア層を伝搬する光に対して、前記延長領域が有する第１光結合領域と、前記光伝搬部が有する第２光結合領域が光学的に結合することを特徴とする。

本発明によれば、コア層としての回折格子部および光伝搬部を、共に高性能に形成することが可能な光学式濃度測定装置および光導波路を提供することができる。

本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置および光導波路の概略構成を示す図である。 図１の光導波路を光源または光検出器側から見た模式的な平面図である。 図１の光導波路の第１回折格子部および伝搬路の一部を示す模式的な図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ線で切断した断面を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いる光導波路の変形例を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による光学式濃度測定装置に用いる光導波路を光源または光検出器側から見た模式的な平面図である。 図１３の光導波路の第１回折格子部および伝搬路の一部を示す模式的な図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はＢ−Ｂ線で切断した断面を示す断面図である。 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。

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。

＜光学式濃度測定装置＞
本発明の実施形態に係る光学式濃度測定装置は、後述の本発明の実施形態に係る光導波路と、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器と、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。

＜光導波路＞
本発明の実施形態に係る光導波路は、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る。また、光導波路は、基板と、延在方向に光が伝搬する光伝搬部と、回折格子部と、を有するコア層と、を備えている。また、光導波路では、回折格子部が、回折格子領域と当該回折格子領域に接続される延長領域とを有し、回折格子部の少なくとも一部が、光伝搬部と異なる材料であり、コア層を伝搬する光に対して、延長領域が有する第１光結合領域と、光伝搬部が有する第２光結合領域が光学的に結合する。

本実施形態に係る光学式濃度測定装置および光導波路によれば、回折格子部の少なくとも一部が光伝搬部と異なる材料であるので、コア層としての回折格子部および光伝搬部を、それぞれ別々に、それぞれの機能に合わせたサイズや形状、材料で容易に形成することをことができる。また、この際、延長領域が有する第１光結合領域と、光伝搬部が有する第２光結合領域が、コア層を伝搬する光に対して光学的に結合するので、回折格子部で取り込んだ光源からの光を回折格子部から光伝搬部へ導出し、または、光伝搬部を伝搬した光を光伝搬部から回折格子部へ導入することができる。第１光結合領域および第２光結合領域では、コア層を伝搬する光が、第１光結合領域から第２光結合領域へ、または、第２光結合領域から第１光結合領域へ光学的に結合する。

ここで、本実施形態において、延在方向とは、少なくとも１方向に沿って延びるように存在している方向である。例えば、三次元構造物において、一つの端部から他の端部（あるいは一つの任意の点から他の任意の点）に向けて当該三次元構造物に触れながら最短距離で進む経路は延在方向となる。あるいは、一つの端部から他の端部（あるいは一つの任意の点から他の任意の点）に向けて断面積の変化量が最も小さくなるように進行する方向も延在方向となる。延在方向は、直線状の方向だけでなく、曲線状の方向を含む。

また、本実施形態において、延長領域は、光を伝搬可能であり、具体的には、一端が、回折格子領域に接続し、他端が、他のコア層に接続されることなく終端し、光伝搬部が有する第２光結合領域の延在方向に延在する部分を有している。延長領域と回折格子領域との接続とは、延長領域と回折格子領域とが、回折格子領域を形成する層のうちの少なくとも一つと同一材料で途切れることなく連続している状態を指し、延長領域はその内部において、当該接続箇所と同一材料で形成されている。

なお、本発明において、材料が異なるとは、元素が異なる場合だけでなく、元素が同一元素であってもその結晶状態が異なる場合も、材料が異なるものとする。光学的には、材料の構成元素が同じであっても、結晶状態が異なれば、光の伝搬現象は異なるからである。

また、本実施形態において、コア層を伝搬する光に対して、延長領域が有する第１光結合領域と、光伝搬部が有する第２光結合領域が光学的に結合するとは、延長領域または光伝搬部に伝搬した光を第１光結合領域から第２光結合領域へ、または第２光結合器から第１光結合領域へ、それぞれの光が流れる際、エバネッセント波を利用して、光が一方から他方に遷移すること、または、第１光結合領域と、第２光結合領域を直接接触させることにより、光が一方から他方に遷移することを指す。或いは、第１光結合領域が延長領域の他端に、且つ、第２光結合領域が光伝搬部の端に位置し、さらに、第２光結合領域が、第１光結合領域の延在線上で第１光結合領域の端（延長領域の他端）に隣接配置されることにより、光が一方から他方に流れる場合を指す。

本実施形態において、延長領域が有する第１光結合領域と、光伝搬部が有する第２光結合領域は、光学的に結合すれば具体的な結合形態は限定されないが、コア層を伝搬する光が、第１光結合領域から第２光結合領域への遷移の前後、および／または、第２光結合領域から第１光結合領域への遷移の前後で、進行方向が実質的に変わらないことが好ましい。すなわち、第１光結合領域と第２光結合領域とが、コア層を伝搬する光に対して方向性結合器として機能する状態であることが好ましい。方向性結合器として機能することにより、理想的には１００％の効率で両者を光学的に結合することができる。なお、第１光結合領域と第２光結合領域とが方向性結合器として機能するとは、エバネッセント波を利用して、光が一方から他方に遷移する際に、その遷移の前後で、光の進行方向が実質的に変わらないような光学的な結合状態を指す。

ところで、本実施形態において、回折格子部の延長領域と光伝搬部との位置関係は、延長領域の第１光結合領域と光伝搬部の第２光結合領域とが光学的に結合することができれば任意にすることができ、例えば、延長領域と光伝搬部を、光導波路中において、相互に光伝搬部（第２光結合領域）の延在方向と直交する方向に隣り合うように位置させることができる。或いは、延長領域の少なくとも一部と、光伝搬部の少なくとも一部の両方が、当該光伝搬部の少なくとも一部の延在方向と直交する一つの面に含まれるように位置させることができる。或いは、延長領域と光伝搬部との端が隣接し（第１光結合領域と第２光結合領域とが隣接し）、且つ、延長領域の端（第１光結合領域）が光伝搬部の延在線上に位置するように、延長領域と光伝搬部を配置させることができる。また、延長領域と光伝搬部を、相互に光伝搬部の延在方向と直交する方向に隣り合うように位置させる場合には、光導波路中において、厚さ方向で同じ位置に位置させること、または、厚さ方向で異なる位置に位置させることができる。

その中でも、本実施形態においては、延長領域と光伝搬部が、相互に光伝搬部の延在方向と直交する方向に隣り合い、且つ、厚さ方向で異なる位置に位置することが好ましい。

本実施形態において、延長領域と光伝搬部が、相互に光伝搬部の延在方向と直交する方向に隣り合い、且つ、厚さ方向で異なる位置に位置することにより、異なる機能を有する回折格子部と光伝搬部とを異なる材料で異なる層に容易に位置させることができるので、回折格子部と光伝搬部のそれぞれの機能に合わせた加工をより効率的に施すことができ、且つ、回折格子部と光伝搬部を立体交差させて面積を効率的に使用することができる。

また、本実施形態において、延長領域と光伝搬部が、相互に延長領域の延在方向と直交する方向に隣り合い、且つ、厚さ方向で同じ位置にした場合や、延長領域と光伝搬部との端が隣接し、且つ、光伝搬部の端が延長領域の延在線上に位置するようにした場合でも、異なる機能を有する回折格子部と光伝搬部とを異なる材料で異なる層に位置させることができるので、回折格子部と光伝搬部のそれぞれの機能に合わせた加工を施すことができる。

ここで、本実施形態において、延長領域と光伝搬部が、相互に光伝搬部の延在方向と直交する方向に隣り合うように位置する場合（第１光結合領域と第２光結合領域とが方向性結合器として機能する場合を含む）には、第１光結合領域と第２光結合領域の距離は、下記の式（１）以下であることが好ましい。

ここで、λ₀はコア層を伝搬する光の真空における波長の平均値であり、ｎ_coupは第１光結合領域または第２光結合領域を形成する材料の屈折率であり、ｎ_midは、第１光結合領域と第２光結合領域に挟まれた部分に存在する材料の屈折率である。第１光結合領域と第２光結合領域に挟まれた部分に存在する材料が複数存在する場合は、ｎ_midは、複数の材料の屈折率のうちの最も大きい屈折率とする。この距離は、一般的に定義されるエバネッセント光の染み出し距離の３倍の値を規定している。エバネッセント光の染み出し距離とは、光のエネルギーが、当該コア層の一部の表面におけるエネルギー値から１／ｅに減衰する位置を示した、当該コア層の一部の表面からの厚さ方向の距離である。すなわち、ここで規定した距離は、光のエネルギーが、当該コア層の一部の表面におけるエネルギー値から（１／ｅ）³以下に減衰する位置を、当該コア層の一部の表面からの距離として示している。第１光結合領域と第２光結合領域との距離が上記の式（１）以下であれば、少なからず第１光結合領域と第２光結合領域を光学的に結合することができ、第１光結合領域と第２光結合領域との距離が短くなるほど、小さい面積で両者を効率的に結合させることができる。

なお、第１光結合領域と第２光結合領域との距離とは、第１光結合領域の第２光結合領域に面した外表面の各位置から、第２光結合領域の外表面までの最短距離を指す。また、第１光結合領域と第２光結合領域との距離の下限値は特に限定されず、第１光結合領域と第２光結合領域とが接触していてもよい。第１光結合領域と第２光結合領域とが直接接触している場合は、ｎ_midは定義されないが、第１光結合領域と第２光結合領域との距離が０μｍであるので、上記の式（１）以下の距離に含まれるものとする。

また、第１光結合領域と第２光結合領域の距離は、０．７μｍ以下の距離であることが好ましい。例えば環境中に浮遊する代表的なガスであるＣＯ₂を検出するための光学的濃度測定装置では、コア層を伝搬する光として、真空波長約４．３μｍの赤外線を用いることが一般的であり、このとき、光導波路を構成する最も一般的な材料の組み合わせとしては、コア層がシリコンで、第１光結合領域と第２光結合領域に挟まれた部分がシリコン酸化膜で構成した場合である。この例の場合、ｎ_coupは約３．４、ｎ_midは約１．４となり、上記の式（１）の値は約０．６６μｍとなる。すなわち、０．７μｍ以下となる。ただし、第１光結合領域と第２光結合領域とをより効率的に光学的に結合する場合は、第１光結合領域と第２光結合領域との距離は、０．４μｍ以下、より好ましくは０．２μｍ以下、さらに好ましくは０．１μｍ以下としてもよい。また、第１光結合領域と第２光結合領域に挟まれた部分を構成する材料として、シリコン窒化膜等を用いることも可能であり、例えばシリコン窒化膜を用いた場合、ｎ_midは約２．０となる。

本実施形態において、第１光結合領域と第２光結合領域とは、それぞれ屈折率は任意にすることができるが、コア層を伝搬する光に対して、第１光結合領域の等価屈折率は、第２光結合領域の等価屈折率の０．７〜１．３倍であることが好ましく、より好ましくは０．８〜１．２倍、さらに好ましくは０．９〜１．１倍である。コア層を伝搬する光に対して、第１光結合領域の等価屈折率が、第２光結合領域の等価屈折率の０．７〜１．３倍であり、両者の等価屈折率がより等しいほど、光学的な結合効率が向上する。

また、本実施形態において、第１光結合領域を形成する材料の屈折率は、第２光結合領域を形成する材料の屈折率の０．９〜１．１倍であることが好ましく、より好ましくは０．９５〜１．０５倍である。第１光結合領域を形成する材料の屈折率が、第２光結合領域を形成する材料の屈折率の０．９〜１．１倍であり、第１光結合領域を形成する材料と、第２光結合領域を形成する材料の屈折率がより等しいほど、コア層を伝搬する光に対して、第１光結合領域と第２光結合領域の等価屈折率を合わせやすくなり、光学的な結合効率が向上する。

本実施形態において、第１光結合領域の膜厚は、第２光結合領域の膜厚の０．７〜１．３倍であることが好ましく、より好ましくは０．８〜１．２倍、さらに好ましくは０．９〜１．１倍である。第１光結合領域の膜厚が、第２光結合領域の膜厚の０．７〜１．３倍であり、第１光結合領域と第２光結合領域の膜厚がより等しいほど、コア層を伝搬する光に対して、第１光結合領域と第２光結合領域の等価屈折率を合わせやすくなり、光学的な結合効率が向上する。

なお、本実施形態において、第１光結合領域の膜厚および第２光結合領域の膜厚は、第１光結合領域の膜厚または第２光結合領域の膜厚が、第１光結合領域内または第２光結合領域内で変化している場合は、第１光結合領域と第２光結合領域の間の距離が最短となる部分における、それぞれの膜厚を指す。

本実施形態において、第１光結合領域の幅は、第２光結合領域の幅の０．７〜１．３倍であることが好ましく、より好ましくは０．８〜１．２倍、さらに好ましくは０．９〜１．１倍である。第１光結合領域の幅が、第２光結合領域の幅の０．７〜１．３倍であり、第１光結合領域と第２光結合領域の幅がより等しいほど、コア層を伝搬する光に対して、第１光結合領域と第２光結合領域の等価屈折率を合わせやすくなり、光学的な結合効率が向上する。

なお、本実施形態において、第１光結合領域の幅および第２光結合領域部の幅は、第１光結合領域の幅または第２光結合領域の幅が、第１光結合領域内または第２光結合領域内で変化している場合は、第１光結合領域と第２光結合領域の間の距離が最短となる部分における、それぞれの幅を指す。

ところで、本実施形態において、延長領域は、回折格子領域を構成する材料の少なくとも一つと同一材料で、回折格子領域と連続して繋がっていることが好ましい。このような構造にすることにより、回折格子部内部での意図しない光のロスを回避することができる。

また、本実施形態において、光伝搬部の少なくとも一部は、延長領域と、第１光結合領域と第２光結合領域の間の距離よりも大きい距離離れていることが好ましく、より好ましくは、下記の式（２）よりも大きい距離、または０．７μｍよりも大きい距離離れていることである。

ここで、λ₀はコア層を伝搬する光の真空における波長の平均値であり、ｎ_proは光伝搬部または延長領域を形成する材料の屈折率であり、ｎ_gapは、光伝搬部の少なくとも一部と、延長領域に挟まれた部分に存在する材料の屈折率である。

光伝搬部が、第２光結合領域以外の部分で延長領域と接近して存在すると、延長領域と光伝搬部の間で意図しない光学的な結合が発生する。この意図しない光学的な結合により、光は延長領域から光伝搬部へ、または光伝搬部から延長領域への遷移が発生し、その遷移によって光のロスが発生する。したがって、光伝搬部の少なくとも一部が、延長領域から、第１光結合領域と第２光結合領域の間の距離よりも大きい距離離れていることで、光伝搬部と延長領域の間での意図しない光学的な結合が発生しにくくなり、さらに、光伝搬部の少なくとも一部が、延長領域から、式（２）よりも大きい距離、または０．７μｍよりも大きい距離離れていることで、光伝搬部と延長領域の間での意図しない光学的な結合がより発生しにくくなる。光学的に結合しにくい距離が式（２）で定義される理由は、第１光結合領域と第２光結合領域との距離を規定した式（１）と同様の理屈であるため、詳細な説明は省略する。なお、光伝搬部の少なくとも一部と延長領域との距離は、光伝搬部の少なくとも一部の外表面と、延長領域の外表面との間の距離のうちの最短距離とする。

また、本実施形態において、光伝搬部と延長領域の少なくとも一方は終端部分を有していてもよく、光伝搬部の終端部分と回折格子部との距離、および／または延長領域の終端部分と光伝搬部との距離は、式（２）よりも大きい、または０．７μｍよりも大きいことが好ましい。ただし、ｎ_gapは、光伝搬部の終端部分と回折格子部に挟まれた部分に存在する材料、または延長領域の終端部分と光伝搬部に挟まれた部分に存在する材料の屈折率と読み替える。なお、光伝搬部の終端部分と回折格子部に挟まれた部分に存在する材料、または延長領域の終端部分と光伝搬部に挟まれた部分に存在する材料が複数存在する場合は、複数の材料の屈折率のうちの最も大きい屈折率とする。

回折格子部の付近に光伝搬部の終端部分が存在している場合は、回折格子部を伝搬する光が、光伝搬部の終端部分付近を通過する際に、回折格子部の等価屈折率が急激に変化することで、回折格子部を伝搬している光に反射や散乱などの乱れをもたらす。また、同様に、光伝搬部の付近に延長領域の終端部分が存在している場合は、光伝搬部を伝搬する光が、延長領域の終端部分付近を通過する際に、光伝搬部の等価屈折率が急激に変化することで、伝搬している光に反射や散乱などの乱れをもたらす。これらの乱れは、伝搬光の意図しないロスとなるため、光伝搬部の終端部分と回折格子部との距離、および／または延長領域の終端部分と光伝搬部との距離は一定距離離して位置させておくことが好ましい。式（２）で定義される距離または０．７μｍという距離は、光伝搬部と回折格子部のうち、一方のコア層を伝搬している光のエバネッセント波が、他方のコア層に光学的に結合しにくい距離となっている。なお、光伝搬部の終端部分と回折格子部との距離は、光伝搬部の終端部分の外表面と、回折格子部の外表面との間の距離のうちの最短距離とする。また延長領域の終端部分と光伝搬部との距離は、延長領域の終端部分の外表面と、光伝搬部の外表面との間の距離のうちの最短距離とする。

また、本実施形態において、平面視において回折格子部と光伝搬部が重複する領域において、回折格子領域から第１光結合領域に近づく方向に回折格子部と光伝搬部の距離が短くなる第１距離変化領域を備えていてもよい。さらに、第１距離変化領域は、光伝搬部との距離が、式（２）よりも大きい距離、または０．７μｍよりも大きい距離から、式（１）以下の距離、または０．７μｍ以下の距離に漸次変化する部分を有していても良い。ただし、ｎ_gapは、光伝搬部と回折格子部の少なくとも一部に挟まれた部分に存在する材料の屈折率と読み替える。なお、光伝搬部と回折格子部の少なくとも一部に挟まれた部分に存在する材料が複数存在する場合は、複数の材料の屈折率のうちの最も大きい屈折率とする。また、第１距離変化領域の光伝搬部に対する最大確度は４５°以下であることが好ましい。

平面視において回折格子部と光伝搬部が重複する領域において、回折格子領域から第１光結合領域に近づく方向に回折格子部と光伝搬部の距離が短くなる第１距離変化領域を備えていることで、回折格子部の少なくとも一部と光伝搬部とが段階的に接近する構造となる。そのため、伝搬光に対して、回折格子部の少なくとも一部と光伝搬部の等価屈折率が急激に変化することなく、回折格子部と光伝搬部とが、第１光結合領域および第２光結合領域にて効率よく光学的に結合することができる。また、第１距離変化領域において、回折格子部の少なくとも一部と光伝搬部との距離が、両者が光学的に結合しない距離である式（２）よりも大きい距離、または０．７μｍよりも大きい距離から、両者が光学的に結合する距離である式（１）以下の距離、または０．７μｍ以下の距離に漸次変化することで、第１光結合領域および第２光結合領域以外の部分での意図しない光学的結合を回避しながら、第１光結合領域および第２光結合領域での効率の良い光学的結合を実現することが出来る。なお、第１距離変化領域における回折格子部の少なくとも一部と光伝搬部との距離とは、第１距離変化領域において、回折格子部の外表面の各位置から、光伝搬部の外表面までの最短距離を指す。

また、第１距離変化領域の光伝搬部に対する最大確度が４５°以下であることで、第１距離変化領域での光のロスを小さくすることができ、より好ましくは３０°以下である。また、あまりに緩い角度であると、回折格子部の少なくとも一部と光伝搬部の間に適正な距離を取るのに、第１距離変化領域が大きく（または長く）なってしまうため、第１距離変化領域の光伝搬部に対する最大確度は１０°以上であることが好ましく、より好ましくは１５°以上である。

続いて、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＞＞
本実施形態において、コア層は、延在方向に光が伝搬する光伝搬部と、回折格子部と、を有する。

コア層は、延在方向に光を伝搬可能である。

コア層の材料は、特に限定されない。例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコン、アモルファスシリコン、窒化シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ガリウムひ素、インジウムリン、インジウムアンチモン、インジウムガリウムひ素、インジウムガリウムリン、フッ化インジウム、ダイヤモンド、サファイア、ニオブ酸リチウム、カルコゲナイドガラス等を含んだコア層が挙げられる。また、コア層は単層の膜でなく、多層膜で構成されていても良い。

また、本実施形態では、上述のように、回折格子部の少なくとも一部が光伝搬部と異なる材料である。特に、光伝搬部を形成する材料が単結晶の材料であり、回折格子部を形成する材料が多結晶またはアモルファスの材料を含んでいることが好ましい。そして最も好ましくは、光伝搬部を形成する材料が単結晶シリコンであり、回折格子部を形成する材料が多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンを含んでいることである。

回折格子部と光伝搬部とで、コア層を形成する材料が異なることで、形状、サイズ、屈折率、表面ラフネス等について、各々のコア層に求められる機能に合わせて、最適にコア層を形成できるようになる。また、回折格子部と光伝搬部とで、コア層を形成する材料が異なることで、各々のコア層に対して独立した加工を行う事もでき、一方の状況に制限されずに、他方の加工を施すことができ、加工の自由度を向上させることもできる。

より具体的には、例えば、被測定物質を検知する部分である光伝搬部おいては、エバネッセント波をコア層から多く染み出させるために、コア層の膜厚を、コア層を伝搬する光の波長（コア層内での波長）よりも十分小さく形成することが好ましい。また、被測定物質の検出感度を向上させるために、光伝搬部における光の伝搬距離を長くすることが求められる。光を長距離伝搬させることを目的とした光伝搬部では、伝搬ロスを極力小さくするために、コア層の表面ラフネスが小さい単結晶材料が好まれる。単結晶材料として最も一般的で加工しやすいコア層の材料は単結晶シリコンであり、単結晶シリコンを含んで光伝搬部を形成することで、最も安価に好適に光伝搬部を形成することが出来る。

一方、光源からの光をコア層に導入する部分である回折格子部においては、光の導入効率を上げるために、コア層は、コア層を伝搬する光の波長（コア層内での波長）と同程度の膜厚を有していることが好ましい。回折格子部の膜厚が薄すぎると、コア層への光の導入が極めて困難になる。また、回折格子部の回折格子領域の表面には、ランダム性のある細かい凹凸（ラフネス）が形成されていることが好ましい。その理由は、本実施形態における光学式濃度測定装置では、被測定物質の吸収スペクトルに合わせた光を伝搬させることで被測定物質を検知しており、伝搬させる光の波長帯は、被測定物質の吸収スペクトルと同程度の波長帯であることが好ましいからである。例えば、回折格子領域が厳密にきれいな周期パターンとして形成されると、回折格子領域によって、より単一な波長が選択され、線スペクトルに近づいていく。すなわち、厳密にきれいな回折格子領域を形成するほど選択波長帯は狭くなる。一方、物質の有する光の吸収波長範囲は、ある程度の幅を持っており、厳密な単一波長であることはない。例えば、環境に浮遊するガスであるＣＯ₂の代表的な吸収波長は約４．２０〜４．３５μｍと比較的広範囲に分布している。つまり、厳密な単一波長にまで光を過剰選択してしまうと、濃度測定に有効な波長領域を捨てることになるので、光学式濃度測定装置としては好ましくない。特に、本実施形態における光学式濃度測定装置では、後述するように、光源として、ＬＥＤ等のインコヒーレント光源を用いることを可能にしており、インコヒーレント光源からの一定の波長範囲（波長帯）を持った光を有効に利用する観点から、回折格子領域で選択される波長帯も一定の幅を有していることが好ましい。すなわち、本実施形態において、回折格子部の回折格子領域の表面には、ランダム性のある細かい凹凸（ラフネス）が形成されていることで、光導波路として発光素子と光導波路の結合をより高効率化することができる。回折格子部を形成するコア層の材料として、多結晶やアモルファスを用いることで、コア層の表面に適正なラフネスを生じさせることが出来る。多結晶材料またはアモルファス材料として最も一般的で加工しやすいコア層の材料は多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンであり、単結晶シリコンまたはアモルファスシリコンを含んで回折格子部を形成することで、最も安価に好適に回折格子部を形成することが出来る。なお、回折格子領域の表面に形成するランダム性のある細かい凹凸（ラフネス）は、後述の回折格子領域を形成する周期的な凹凸とは異なるものである。

また、本実施形態において、コア層の延在方向に沿った任意の位置における延在方向に垂直な断面は、例えば、当該断面のコア層の中心から外表面までの距離が変動する形状、例えば矩形であってよく、また、当該断面のコア層の中心から該表面までの距離が変動しない形状、すなわち円形であってもよい。

また、本実施形態において、コア層の少なくとも一部は、露出し、または、薄膜により被覆されていてもよい。これにより、露出しまたは被覆されたコア層の一部は、被測定気体または被測定液体と直接接触可能、または、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となり、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。本実施形態においては、当該薄膜は、コア層を伝搬する光の真空波長の１／４よりも薄いことが好ましい。

また、本実施形態において、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、本実施形態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未満であってもよい。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。これにより各実施形態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。

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、上述のように、光導波路の回折格子部は、光源より光を受けて、光伝搬部へ光を導出する第１回折格子部と、光伝搬部から光を導入して検出器に光を出力する第２回折格子部を備えることができる。

本実施形態においては、上述のように、回折格子部が回折格子領域と延長領域とを有し、回折格子部の少なくとも一部が、光伝搬部と異なる材料であり、コア層を伝搬する光に対して、延長領域が有する第１光結合領域と光伝搬部が有する第２光結合領域が、光学的に結合している。しかし、本実施形態においては、第１回折格子部および第２回折格子部のうち一方が、上記のように、第１光結合領域を有する延長領域と接続する回折格子領域を有し、延長領域が光伝搬部と光学的に結合するものとなっていれば、他方は、第１光結合領域を有する延長領域と接続する回折格子領域を有しないものとするなど、任意にすることができる。また、第１回折格子部中に複数の回折格子領域、または第２回折格子部中に複数の回折格子領域が存在する場合には、そのなかの少なくとも１つの回折格子領域が第１光結合領域を有する延長領域と接続し、残りの回折格子領域は第１光結合領域を有する延長領域と接続しないようにするなど、任意にすることもできる。

＜＜＜光伝搬部＞＞＞
本実施形態において、光伝搬部は、延在方向に光が伝搬可能である伝搬路を有する。伝搬路は、伝搬路の延在方向に沿った任意の位置における延在方向に垂直な断面が、例えば、当該断面のコア層の中心から外表面までの距離が変動する形状、例えば矩形であってよく、また、当該断面のコア層の中心から該表面までの距離が変動しない形状、すなわち円形であってもよい。

本実施形態において、伝搬路は、延在方向に膜厚を略均一とすることができ、略均一な膜厚とは、例えば膜厚の高低差が２００ｎｍ以下である。また、伝搬路は、延在方向に幅が異なる部分が存在していてもよい。なお、光伝搬部が複数の伝搬路を有する場合には、複数の伝搬路は相互に膜厚や幅が異なっていてもよい。また、光伝搬部の全領域において、コア層の膜厚は均一であってもよく、均一でなくてもよい。

また、光伝搬部は複数の層で形成されていても良いが、単一の層で形成されている方が好ましい。光伝搬部が複数の層で形成された場合、光の伝搬過程において、一の層から他の層に光の遷移が生じたり、伝搬モードの変換が行われたりして、伝搬ロスが大きくなることがあるためである。

＜＜＜回折格子部＞＞＞
本実施形態において、回折格子部は、光源より光を受けて、光伝搬部へ光を導出する第１回折格子部と、光伝搬部から光を導入して検出器に光を出力する第２回折格子部とを有することができる。

ここで、本実施形態において、第１回折格子部は外部からの光をコア層に取り込ませる回折格子領域を、また、第２回折格子部はコア層の外部へ光を取り出させる回折格子領域を、有することができる。本実施形態では、当該回折格子領域は、表面に特定の周期（周期は複数であっても可）で凹凸が形成されている部分であってもよく、または、凹部と凸部を含む平面で光導波路を断面視した場合に、凹凸の凹部の溝が深くなり、コア層を切り離す構成であってもよい。そのような構成において、凸部は不連続で島状に形成されていることになる。

回折格子領域は、平面視において、それぞれ平行に凹凸を形成するパターンが直線状や円弧状に延びるように設けることができるが、凹凸の延在の形状は任意にすることができる。なお、回折格子部の有する回折格子領域は、その内部に凹凸が形成されている領域として区画される。詳細には、回折格子部の有する回折格子領域は、凸部を画定する外壁および凹部を画定する内壁の少なくとも一方の最も外側にある壁面で挟まれる内側の領域である。

また、本実施形態において、回折格子領域の平面視での形状は任意にすることができるが、例えば、回折格子領域の延長領域側から延長領域とは反対の末端側に向かって幅が広がる部分を有する形状とすることができる。具体的には、回折格子部の延長領域内に中心を持ち延長領域とは反対の末端側に向かって広がる扇形等がある。回折格子領域の形状としては、接続側から末端側に向かう方向に沿う任意の仮想線に対して線対称の形状が好ましい。

また、本実施形態において、第２回折格子部の構造は第１回折格子部の構造と同じ、または第２回折格子部の構造は第１回折格子部の構造から変換したものとすることができる。第１回折格子部の構造から変換したものとは、第２回折格子部が有する回折格子領域の形状および構成、回折格子領域の配置等が、第１回折格子部が有する回折格子領域の形状および構成、回折格子領域の配置等に対して、回転した形態、拡大した形態、縮小した形態、平行移動した形態、線対称である形態、点対称である形態になっていることを意味する。なお、それぞれの構造が、コア層を伝搬する光の真空中における波長以内、好ましくは１μｍ以内の寸法で異なることは許容される。第２回折格子部の構造を第１回折格子部の構造と同じ、または第２回折格子部の構造を第１回折格子部の構造から変換したものとすることで、第１回折格子部における波長選択性と第２回折格子部における波長選択性を略等しくすることができるため、第１回折格子部と第２回折格子部で波長選択性が異なる場合に発生する光損失を避けることができる。

＜＜基板＞＞
本実施形態において、基板は、基板上にコア層を形成可能であれば特に制限されず、基板上に後述の支持層を形成することもできる。具体的には、基板は、シリコン基板やＧａｓ基板等が挙げられる。

＜＜支持層＞＞
本実施形態においては任意に支持層を設けることができる。支持層は、基板の少なくとも一部とコア層の少なくとも一部とを接続する。支持層は、基板およ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、支持層の形成材料として、ＳｉＯ₂などが挙げられる。本発明において、支持層は必須の構成ではない。コア層は支持層によって基板と接合されてもよく、基板上に直接コア層が形成されていてもよい。また、支持層が部分的に存在してもよく、コア層の少なくとも一部は、支持層に接合されておらず浮遊していてもよい。すなわち、このような構成の光導波路では、支持層が設けられた領域を除き、基板およびコア層の間には空間が形成されている。コア層の一部を浮遊させることで、エバネッセント波と被測定物質を相互作用させる量を多くさせることができ、センサ感度を向上させることができる。

本実施形態において、支持層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。

＜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。すなわち、インコヒーレント光源であってよい。光源は光導波路と光接続可能な形態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。

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未満であってもよい。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など）が吸収する波長帯である。これにより本実施形態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。

＜検出器＞
検出器は、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器として、焦電センサ（Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒ）、サーモパイル（Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ）あるいはボロメータ（Ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）など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などの量子型赤外線センサなど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器として、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などを用いることができる。

〔本発明の実施形態に係る光学式濃度測定装置〕
本発明の実施形態の光学式濃度測定装置について図１を用いて説明する。

本実施形態の光学式濃度測定装置１４は、濃度などを検出するガスが存在する外部空間１６に設置されて使用される。光学式濃度測定装置１４は、後述の実施形態の光導波路１５と、コア層１２に光を入射可能な光源１７と、コア層１２を伝搬した光を受光可能な光検出器１８と、を備える。また、光学式濃度測定装置１４は、光源１７から光を導入して光伝搬部１０に光を出力する第１回折格子部１１を備え、また、光伝搬部１０から光を導入して光検出器１８に光を出力する第２回折格子部１３をさらに備える。

本実施形態の光学式濃度測定装置１４では、光源１７は波長が２μｍ以上１２μｍ未満の赤外線をコア層１２に対して出射している。上記の赤外線を用いることにより、コア層１２から染出すエバネッセント波ＥＷが外部空間１６に存在する被測定物質、例えばＣＯ₂、ＣＯ、ＮＯ、Ｎ₂Ｏ、ＳＯ₂、ＣＨ₄、Ｈ₂Ｏ、Ｃ₂Ｈ₆Ｏなどのガスに吸収され、被測定物質の濃度を検知することができる。

なお、本実施形態の光学式濃度測定装置１４は、後述の本発明の実施形態に係る光導波路１５を製造し、さらに、図１に示すように、光導波路１５の一方の回折格子部１１（グレーティングカプラ）に赤外線ＩＲを入射できるように光源１７を設置し、光導波路１５の他方の回折格子部１３（グレーティングカプラ）から出射する赤外線ＩＲを受光できるように光検出器１８を配置することにより、得られる。

〔本発明の実施形態に係る光導波路〕
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る光導波路について図１から図４を用いて説明する。

図１は、上述の通り本実施形態による光学式濃度測定装置１４の概略構成を示す模式的な図であるとともに、第１実施形態による光導波路１５を利用したＡＴＲ法の概念図でもある。

光導波路１５は、基板１９と、赤外線ＩＲ（光の一例）が伝搬可能なコア層１２と、基板１９の少なくとも一部とコア層１２の少なくとも一部を接続し基板１９に対してコア層１２を支持する支持層２０と、を備えている。コア層１２および基板１９は例えばシリコン（Ｓｉ）で形成され、支持層２０は例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）で形成されている。基板１９および支持層２０は例えば板状を有している。なお、支持層２０は、図１に示すように、支持層２０がコア層１２の全部を支持していてもよく、コア層１２の少なくとも一部を支持するようにしてもよく、例えば、支持層２０が、回折格子部１１、１３の全部と、光伝搬部１０の一部を延在方向において断続的に支持するようにすることができる（その結果、光導波路１５は、光伝搬部１０が、延在方向で断続的に支持層２０に接続され、支持層２０が設けられた領域を除いて、光伝搬部１０および基板１９の間にクラッド層などの所定の層を有さずに空隙を有する）。

コア層１２は、図２の本実施形態による光導波路１５の概略構成を示す模式的な図に示すように、延在方向の一端に形成された第１回折格子部（一例としてグレーティングカプラ）１１、および他端に形成された第２回折格子部（一例としてグレーティングカプラ）１３を有している。また、コア層１２は、延在方向の両端の第１回折格子部１１および第２回折格子部１３の間に光伝搬部１０を有している。本実施形態に係る光導波路１５において、光伝搬部１０の膜厚は均一である。また、本実施形態に係る光導波路１５において、光伝搬部１０の幅は均一である。なお、幅方向とは、延在方向および厚さ方向に垂直な方向である。また、厚さ方向とは、基板１９、支持層２０、および、コア層１２を積層させた積層方向に平行な方向である。

第１回折格子部１１は、光源１７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１５は、積層方向が鉛直方向に平行であり、基板１９の主面が鉛直下方と直交するように設置されている。基板１９の主面とは、基板１９の板厚方向に垂直な表面であって、さらに言換えると、本実施形態において、基板１９を形成する６面の中で、面積が最大である面である。すなわち、光源１７の出射方向とは、このように光導波路１５が設置された状態における、光源１７の鉛直下方である。この第１回折格子部１１は、光源１７から入射する赤外線ＩＲをコア層１２に導入するようになっている。したがって、第１回折格子部１１の厚さ方向から、コア層１２を伝搬する光が入力される。第２回折格子部１３は、光検出器１８に対向する方向に配置されている。なお、光検出器１８に対向する方向とは、上述のように光導波路１５が設置された状態における、光検出器１８の鉛直下方である。この第２回折格子部１３は、コア層１２を伝搬する赤外線ＩＲを取出して光検出器１８に向けて出射するようになっている。したがって、第２回折格子部１３の厚さ方向に、コア層１２を伝搬する光が出力される。

このように、光源１７側（光入射側）に配置されるコア層１２は一端に、第１回折格子部１１を有し、光検出器１８側（光出射側）に配置されるコア層１２は他端に、第２回折格子部１３を有している。また、コア層１２は延在方向の中央から両端までの間に、第１回折格子部１１から入射して第２回折格子部１３から出射される赤外線ＩＲが伝搬する光伝搬部１０を有している。コア層１２から染出すエバネッセント波ＥＷは主に、光伝搬部１０において外部空間１６に存在する被測定物質に吸収される。

ここで、第１実施形態による光導波路１５についてより詳細に説明する。

ＡＴＲ法を用いたセンサでは、図１に示すように、コア層１２から染み出るエバネッセント波ＥＷと被測定物質との相互作用領域を拡大させる（つまりコア層１２の露出部分を拡大させる）ことで、センサとしての感度を向上させることができる。また、ＡＴＲ法を利用したセンサでは、上述のように、コア層に導入した光を、エバネッセント波として、光伝搬部１０から染み出させて外部の被測定物質に吸収させる必要があるため、光伝搬部１０（伝搬路１０１）における光の伝搬距離を長くすることが求められる。また、光の入出力を行う回折格子部についても、光導波路への光の入力、または光導波路からの光の出力を効率的に行う観点から、光源や光検出器のサイズや形状に合わせた構造が必要となる。したがって、このようなセンサにおいては、共にコア層である回折格子部と光伝搬部１０とは、それぞれ求められる機能が異なっており、それぞれの機能に合わせたサイズや形状、材料で形成することが望まれている。

これに対して、第１実施形態の光導波路１５では、図３に例示するように、第１回折格子部１１が、回折格子領域１１１と当該回折格子領域１１１に接続される延長領域１１１ａとを有し、回折格子領域１１１と、延長領域１１１ａの全てが、光伝搬部１０と異なる材料であり、コア層１２を伝搬する光に対して、延長領域１１１ａが有する第１光結合領域１１１ｂと、光伝搬部１０が有する第２光結合領域１０１ａが光学的に結合している。第１光結合領域１１１ｂと第２光結合領域１０１ａの光学的結合面は、基板１９の主面に対して垂直ではない形態が例示される。例えば、光学的結合面は、基板１９の主面に対して平行であり得る。また、図示は省略するが、第２回折格子部１３も、回折格子領域１３１と当該回折格子領域１３１に接続される延長領域１３１ａとを有し、回折格子領域１３１と、延長領域１３１ａの全てが、光伝搬部１０と異なる材料であり、コア層１２を伝搬する光に対して、延長領域が有する第１光結合領域１３１ｂと、光伝搬部１０が有する第２光結合領域１０１ａが光学的に結合している。

したがって、第１実施形態の光導波路１５では、回折格子領域１１１、１３１、および回折格子領域１１１、１３１に接続する延長領域１１１ａ、１３１ａの全てが、光伝搬部１０と異なる材料であるので、コア層１２としての第１回折格子部１１、第２回折格子部１３および光伝搬部１０を、それぞれの機能に合わせたサイズや形状、材料で形成することができる。また、この際、コア層１２を伝搬する光に対して、延長領域１１１ａ、１３１ａが有する第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと、光伝搬部１０が有する第２光結合領域１０１ａが光学的に結合するので、第１回折格子部１１で取り込んだ光源からの光を第１回折格子部１１から光伝搬部１０へ導出し、光伝搬部１０を伝搬した光を光伝搬部１０から第２回折格子部１３へ導入することができる。

ここで、第１実施形態の光導波路１５は、具体的には、図２に示すように、第１回折格子部１１および第２回折格子部１３はそれぞれ１個ずつ回折格子領域１１１、１３１を有しており、第１回折格子部１１および第２回折格子部１３の間に、１本の伝搬路１０１を有する光伝搬部１０が存在している。また、第１回折格子部１１および第２回折格子部１３は、図３に示すように（第２回折格子部１３については省略）、それぞれ延長領域１１１ａ、１３１ａを有し、各延長領域１１１ａ、１３１ａが、回折格子領域１１１、１３１を形成する材料の一つと同一材料であり、且つ回折格子領域１１１、１３１、および延長領域１１１ａ、１３１ａの全ては、光伝搬部１０の伝搬路１０１と異なる材料になっている。さらに、各延長領域１１１ａ、１３１ａが第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂを有し、伝搬路１０１がその両末端部付近に第２光結合領域１０１ａを有し、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂおよび第２光結合領域１０１ａを伝搬する光に対して、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａが光学的に結合している。

また、第１実施形態の光導波路１５では、具体的には、図３に示すように、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０が、光導波路１５中において、相互に光伝搬部１０の延在方向と直交する方向であって、相互に厚さ方向に異なる位置（図示の例では光伝搬部１０は延長領域１１１ａに対して厚さ方向基板側に位置）に位置している。換言すれば、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０が、光伝搬部１０の延在方向で相互に重複するとともに、異なる層にそれぞれ位置する。さらに、図示の例で、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０が、光導波路１５中において、相互に厚さ方向に離隔している。

第１実施形態の光導波路１５では、延長領域１１１ａ、１３１ａが有する第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと、光伝搬部１０が有する第２光結合領域１０１ａは、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂおよび第２光結合領域１０１ａを伝搬する光に対して、光学的に結合すれば具体的な結合形態は限定されないが、上記のように、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０が、光導波路１５中において、相互に光伝搬部１０の延在方向と直交する方向に位置することで、図３に示すように、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａとが方向性結合器として機能することができる。方向性結合器として機能することにより、高効率で光学的に両者を結合することができる。

また、第１実施形態では、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０を、相互に光伝搬部１０の延在方向と直交する方向で、且つ相互に厚さ方向に異なる位置に位置させることにより、コア層１２を形成する異なる機能を有する部分同士が異なる層に位置することができ、第１回折格子部１１、第２回折格子部１３、光伝搬部１０に対し、それぞれの機能に合わせた加工を効率的に施すことができる。

なお、第１実施形態の光導波路１５では、第１回折格子部１１の延長領域１１１ａや第２回折格子部１３の延長領域１３１ａと、光伝搬部１０との位置関係は、延長領域１１１ａ、１３１ａの第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと、光伝搬部１０の第２光結合領域１０１ａとが、光学的に結合することができれば任意にすることができ、例えば、図３とは異なり、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０を、光導波路１５中において、厚さ方向で同じ位置に位置させることもできる。或いは、図４に示すように、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０との端が隣接し（第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａとが隣接し）、且つ、延長領域１１１ａ、１３１ａの端（第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂ）が光伝搬部１０の延在線上に位置するように、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０を配置させることができる。

また、図３に示す例では、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０が相互に離隔して延在しているが、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０、より具体的には、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａは、接触していてもよい。

ところで、第１実施形態の光導波路１５において、延長領域１１１ａ、１３１ａの形態は、特に限定されるものではないが、図３（ａ）に示すように、第１回折格子部１１の延長領域１１１ａは、その一端が、回折格子領域１１１と途切れることなく連続的に接続し、他端が、他のコア層１２に接続されることなく終端している（第２回折格子部１３の図示については省略）。さらに、延長領域１１１ａ、１３１ａの形態は、延長領域１１１ａ、１３１ａの第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと、伝搬路１０１の第２光結合領域１０１ａとを含む面での断面図（図示の例では図３（ｂ）に示すような厚さ方向での断面図）に示すように、光学的に結合する部分である、延長領域１１１ａ、１３１ａの第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと、伝搬路１０１の第２光結合領域１０１ａとが接近するように、延長領域１１１ａ、１３１ａの第１距離変化領域１１１ｃ、１３１ｃが、伝搬路１０１に向かって湾曲している。この第１距離変化領域１１１ｃ、１３１ｃ（すなわち湾曲している部分）は、伝搬路１０１との距離が、延長領域１１１ａと伝搬路１０１とが光学的に結合しにくい距離（式（２）よりも大きい距離、または０．７μｍよりも大きい距離）から、光学的に結合する距離（式（１）以下の距離、または０．７μｍ以下の距離）に漸次変化している。ここで、ｎ_gapは、伝搬路１０１と第１距離変化領域１１１ｃ、１３１ｃに挟まれた部分に存在する材料の屈折率である。そして、第１距離変化領域１１１ｃ、１３１ｃは第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと連続している。この湾曲している部分の最大角度は、光の損失を避けるために、基板１９の主面に対して４５°以下であることが好ましく、３０°以下であることがより好ましい。また、あまりに緩い角度であると、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａとを接近させるまでに多くの距離を有してしまうため、湾曲している部分の最大角度は、基板１９の主面に対して１０°以上であることが好ましく、１５°以上であることがより好ましい。

さらに、伝搬路１０１と延長領域１１１ａ、１３１ａとは平面視で相互に平行に延在している部分を有している。すなわち、延長領域１１１ａ、１３１ａは、延長領域１１１ａ、１３１ａの一端（回折格子領域１１１、１３１との接続部分）から他端（終端部分）に向かって、延長領域１１１ａ、１３１ａと伝搬路１０１との距離が、延長領域１１１ａ、１３１ａと伝搬路１０１との間で光学的に結合可能な距離まで漸減するように湾曲している第１距離変化領域１１１ｃ、１３１ｃがあり、次いで、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂにおいて、延長領域１１１ａ、１３１ａ（第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂ）と伝搬路１０１（第２光結合領域１０１ａ）が一定の距離を保ちながら延在している部分があり、さらに、延長領域１１１ａ、１３１ａと伝搬路１０１との距離が漸増するように湾曲している第２距離変化領域１１１ｄ、１３１ｄがあり、最終的に他端部にて終端している。

なお、上記の例では、伝搬路１０１には終端部分があり、第２光結合領域１０１ａは伝搬路１０１（光伝搬部１０）の終端部分から離隔して位置しているが、第２光結合領域１０１ａが伝搬路１０１（光伝搬部１０）の終端部分に位置していてもよい。しかしながら、第２光結合領域１０１ａが伝搬路１０１の終端部分に位置している場合より、伝搬路１０１の終端部分から離隔して位置している方が好ましい。第２光結合領域１０１ａが伝搬路１０１の終端部分から離隔して位置していることで、図３（ｂ）に示すように、伝搬路１０１の終端部分と第１回折格子部１１、第２回折格子部１３との距離を、両者が光学的に結合しにくい距離（式（２）よりも大きい距離、または０．７μｍよりも大きい距離）とすることができる。ここで、ｎ_gapは、伝搬路１０１の終端部分と第１回折格子部、第２回折格子部に挟まれた部分に存在する材料の屈折率である。

すなわち、上記の例では、伝搬路１０１は、第２光結合領域以外の部分において、第１回折格子部１１、第２回折格子部１３から、光学的に結合しにくい距離（式（２）よりも大きい距離、または０．７μｍよりも大きい距離）で厚さ方向に離隔している。ここで、ｎ_gapは伝搬路１０１の第２光結合領域以外の部分と、第１回折格子部１１、第２回折格子部１３とに挟まれた部分に存在する材料の屈折率である。

また、第１実施形態では、延長領域１１１ａ、１３１ａ中の第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂの位置は任意にすることができ、延長領域１１１ａ、１３１ａの他端に第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂを位置させることもできるが、図３（ｂ）に示し上記するように、延長領域１１１ａ、１３１ａの中間（図示では延長領域１１１ａと伝搬路１０１の距離が漸減する第１距離変化領域１１１ｃ、１３１ｃと、距離が漸増する第２距離変化領域１１１ｄ、１３１ｄとの間）に第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂがあることが好ましい。換言すれば、延長領域１１１ａ、１３１ａの、回折格子領域１１１、１３１に対して接続する一端と、終端する他端との間にそれぞれの端から離れて第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂが存在することが好ましい。延長領域１１１ａ、１３１ａの中間に第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂがあることにより、図３（ｂ）に示すように、延長領域１１１ａの終端部分と伝搬路との距離は、両者が光学的に結合しにくい距離（式（２）よりも大きい距離、または０．７μｍよりも大きい距離）とすることができる。ここで、ｎ_gapは、延長領域１１１ａの終端部分と伝搬路１０１に挟まれた部分に存在する材料の屈折率である。さらに、延長領域１１１ａ、１３１ａの中間に第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂがあることにより、伝搬路１０１にダメージを与えずに延長領域１１１ａ、１３１ａの終端部分をエッチング加工することができるため、伝搬路１０１での光の伝搬効率を向上させることができる。

第１実施形態において、延長領域１１１ａ、１３１ａは、少なくとも第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂを有するものであれば、その形態は限定されない。

また、本実施形態では、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０が相互に厚さ方向に離隔し、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０との間に、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０とは異なる層が存在しているが、延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０との間には、コア層１２（延長領域１１１ａ、１３１ａと光伝搬部１０を含む）よりも相対的に屈折率の低い物質（空気も含む）を介在させることができ、図示の例では、第１回折格子部１１と、光伝搬部１０との間はシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）が存在している。

第１実施形態において、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａとの距離は、上記の式（１）以下、または０．７μｍ以下であることが好ましい。ここで、λ₀はコア層１２を伝搬する光の真空における波長の平均値であり、ｎ_coupは第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂまたは第２光結合領域１０１ａを形成する材料の屈折率であり、ｎ_midは、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａに挟まれた部分に存在する材料の屈折率である。第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａとの距離が上記距離であることにより、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａの光学的な結合が短い距離で効率的に行われるようにすることができる。

また、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａの光学的に結合する延在方向の長さは、２０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０μｍ以下である。当該長さが上記であることにより、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａを省スペースで光学的に結合することができる。なお、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａの光学的に結合する延在方向の長さは、延長領域１１１ａ、１３１ａと伝搬路１０１との距離が上記の式（１）以下または、０．７μｍ以下となる部分、すなわち第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂおよび第２光結合領域１０１ａと定義される部分の長さを指す。

また、第１実施形態において、延長領域１１１ａ、１３１ａを有する回折格子部１１、１３と、光伝搬部１０とはそれぞれ形成する材料が異なっている。具体的な材料は、任意にすることができるが、図示の例では、回折格子部１１、１３の材料は多結晶シリコンであり、光伝搬部１０の材料は単結晶シリコンとなっている。なお、回折格子部１１、１３を形成する材料や光伝搬部１０を形成する材料はアモルファスシリコンにすることもできる。

さらに、第１実施形態において、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂおよび第２光結合領域１０１ａを伝搬する光に対して、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂの等価屈折率は、第２光結合領域１０１ａの等価屈折率の０．７〜１．３倍であることが好ましく、より好ましくは０．８〜１．２倍、さらに好ましくは０．９〜１．１倍である。第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａとが、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂおよび第２光結合領域１０１ａを伝搬する光に対して、等価屈折率が等しいほど、両者を高効率で光学的に結合することができる。

また、本実施形態において、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂを形成する材料の屈折率は、第２光結合領域１０１ａを形成する材料の屈折率の０．９〜１．１倍であることが好ましく、より好ましくは０．９５〜１．０５倍である。第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂを形成する材料と、第２光結合領域１０１ａを形成する材料の屈折率が等しいほど、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂおよび第２光結合領域１０１ａを伝搬する光に対して、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａの等価屈折率を合わせやすくなり、光学的な結合効率を向上することができる。

さらに第１実施形態では、延長領域１１１ａ、１３１ａや伝搬路１０１の膜厚は任意にすることができるが、図３（ｂ）に示すように、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂの膜厚は、第２光結合領域１０１ａの膜厚の０．７〜１．３倍であることが好ましく、より好ましくは０．８〜１．２倍、さらに好ましくは０．９〜１．１倍である。より具体的には、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂを含む延長領域１１１ａ、１３１ａの膜厚は、第２光結合領域１０１ａを含む伝搬路１０１の膜厚の０．７〜１．３倍であることが好ましく、より好ましくは０．８〜１．２倍、さらに好ましくは０．９〜１．１倍である。第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａの膜厚が等しいほど、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂおよび第２光結合領域１０１ａを伝搬する光に対して、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａの等価屈折率を合わせやすくなり、光学的な結合効率を向上することができる。

なお、第１実施形態において、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂの膜厚および、第２光結合領域１０１ａの膜厚は、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂの膜厚または第２光結合領域１０１ａの膜厚が、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂ内または第２光結合領域１０１ａ内で変化している場合は、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａの間の距離が最短となる部分における、それぞれの膜厚を指す。

第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａとの膜厚は、製造や光学特性の観点から、０．２〜１．０μｍであることが好ましい。

さらに第１実施形態では、延長領域１１１ａ、１３１ａや伝搬路１０１の幅は任意にすることができるが、図３（ａ）に示すように、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂの幅は、第２光結合領域１０１ａの幅の０．７〜１．３倍であることが好ましく、より好ましくは０．８〜１．２倍、さらに好ましくは０．９〜１．１倍である。第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａの幅が等しいほど、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂおよび第２光結合領域１０１ａを伝搬する光に対して、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａの等価屈折率を合わせやすくなり、光学的な結合効率を向上することができる。

なお、第１実施形態において、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂの幅および、第２光結合領域１０１ａの幅は、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂの幅または第２光結合領域１０１ａの幅が、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂ内または第２光結合領域１０１ａ内で変化している場合は、第１光結合領域１１１ｂ、１３１ｂと第２光結合領域１０１ａの間の距離が最短となる部分における、それぞれの幅を指す。

ところで、第１実施形態では、図２、３に示す例では、第１回折格子部１１の回折格子領域１１１および第２回折格子部１３の回折格子領域１３１の形状はともに扇形になっているが、本実施形態においては、回折格子領域１１１、１３１の平面視での形状は任意にすることができる。

＜光導波路の製造方法＞
次に、第１実施形態による光導波路１５の製造方法の一例について、図５から図１２を用いて説明する。図５から図１２は図３（ｂ）に示す箇所の製造方法の一例を示した断面図である。

なお、図５から図１２では、光導波路１５の製造方法の説明の容易化のため、第１回折格子部１１のうち１つの回折格子領域１１１に着目して簡略化し模式的な図となっている。図５から図１２は、図３（ａ）のＡ−Ａ線に対応する位置で切断した光導波路１５の製造工程断面図を示している。

まず、図５に示すように、シリコンで形成され最終的に基板１９となる支持基板１９ａと、シリコンで形成されコア層１２が形成される活性基板１２ａ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１９ａおよび活性基板１２ａを貼り合わせて熱処理して結合する。その後、活性基板１２ａを所定の厚さまで研削・研磨するなどして活性基板１２ａの膜厚を調整する。これにより、支持基板１９ａと、支持基板１９ａ上に形成されたＢＯＸ層２０ａと、ＢＯＸ層２０ａ上に形成された活性基板１２ａとを有し、「シリコン−絶縁層−シリコン」構造を有するＳＯＩ基板１５ａが形成される。

次に、ＳＯＩ基板１５ａ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１２ａをエッチングし、光伝搬部１０を形成する。これにより、図６に示すように、支持基板１９ａと、支持基板１９ａ上に形成されたＢＯＸ層２０ａと、ＢＯＸ層２０ａの上に形成された光伝搬部１０とを有する光導波路主要部を形成する。

次に、図７に示すように、後に形成する第１回折格子部１１の延長領域１１１ａと光伝搬部１０とを離隔するための離隔膜１５ｃを、例えばＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とするＳｉＯ₂膜などを堆積することにより形成する。この離隔膜１５ｃはＢＯＸ層２０ａの上および光伝搬部１０の上に形成された後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を用いるなどして表面を平坦化することで、図７に示すような構造を実現できる。なお、離隔膜１５ｃにより、光伝搬部１０を、第１回折格子部１１と厚さ方向に離隔させることができる。

次に、図８に示すように、離隔膜１５ｃの上にフォトレジストをパターニングし、そのフォトレジストをマスク層Ｍ１として、離隔膜１５ｃを部分的にエッチングする。その際、出来るだけ緩やかな傾斜を形成するために、ＢＨＦ（Ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｉｃ ａｃｉｄ）などを用いてウェットエッチングを行う。ウェットエッチングでは、離隔膜１５ｃとマスク層Ｍ１との界面の密着性を調整することで、より緩やかな傾斜を形成することができる。このようにすることで、図８に示すように、後に形成する第１回折格子部１１の延長領域１１１ａと光伝搬部１０（伝搬路１０１）の端付近を光学的に結合するための穴が離隔膜１５ｃに形成される。

次に、マスク層Ｍ１をエッチングし取り除いた後、図９に示すように、離隔膜１５ｃの穴の形成により露出した光伝搬部１０の一部の表面上にＳｉＯ₂膜を例えば膜厚３０ｎｍ程度形成する。この膜の形成方法はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や酸化等の任意の方法が用いられる。また、この膜は、必ずしもＳｉＯ₂膜である必要はなく、例えばＳｉＮ膜等でもよい。

次に、図１０に示すように、全面にポリシリコン膜（上層）２１ａ／ＳｉＯ₂膜２１ｂ／ポリシリコン膜（下層）２１ｃの３層構造を形成する。２つのポリシリコン膜２１ａ、２１ｃは例えばＣＶＤにて形成する。また、中間層のＳｉＯ₂膜２１ｂは酸化やＣＶＤなどで形成する。下層のポリシリコン膜２１ｃの膜厚は、光伝搬部１０（伝搬路１０１）の膜厚と略等しくすることが好ましく、膜厚が伝搬路１０１と略等しいことで、ポリシリコン膜２１ｃより形成される第１回折格子部１１と光伝搬部１０との光学的な結合を高効率で行うことができる。例えば、下層のポリシリコン膜２１ｃと伝搬路１０１の膜厚は共に０．６μｍである。

次に、図１１に示すように、リソグラフィ技術、エッチング技術を用いて、上層のポリシリコン膜２１ａをエッチングし、第１回折格子部１１を形成するための凹凸パターンを形成する。その際、２つのポリシリコン膜２１ａ、２１ｃの間に形成したＳｉＯ₂膜２１ｂは、エッチング時のストッパー膜として働くため、精度良く凹凸パターンを形成できる他、下層のポリシリコン膜２１ｃを過剰エッチングから保護することができる。凹凸パターンを形成した後、ストッパーとして用いたＳｉＯ₂膜２１ｂはドライエッチングまたはウェットエッチングにより、ＳｉＯ₂膜２１ｂのうち露出している箇所のみを除去する。

次に、図１２に示すように、リソグラフィ技術、エッチング技術を用いて、下層のポリシリコン膜２１ｃをエッチングし、第１回折格子部１１の輪郭を形成する。続いて、図示は省略するが、リソグラフィ技術、エッチング技術を用いて、ガスセンシングを行う光伝搬部１０の一部の表面を露出させるように、離隔膜１５ｃの一部を除去することで、第１実施形態の光導波路１５に相当する構造の光導波路主要部１５ｂが得られる。

次に、支持基板１９ａを所定領域で切断して光導波路主要部１５ｂを個片化する。これにより、第１実施形態による光導波路１５が完成する。

なお、上記説明では、回折格子部として第１回折格子部１１に着目して説明したが、第２回折格子部１３も同様に形成することができる。

＜第２実施形態＞
つづいて、本発明の第２実施形態に係る光導波路について図１３、図１４を用いて説明する。なお、第１実施形態と共通する構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。

第２実施形態では、図１３に示すように、第１回折格子部１１は、複数の回折格子領域１１１を有している。また、第１回折格子部１１は、複数の当該回折格子領域１１１のうち少なくとも２つの回折格子領域１１１が光源１７の同一発光面から発せられた光を受ける。具体的には、図１３の範囲Ｒ１は、平面視で、配置される光源１７の発光面のうち、同一発光面とみなせる範囲を、当該発光面に直交する方向に沿って回折格子部１１に対して投影した範囲であり、その範囲Ｒ１内に少なくとも２つの回折格子領域１１１が存在する。

従来、大きい回折格子領域１つで発光素子から光を受けた場合、発光素子から光導波路（コア層１２）に高効率で光を導入することができないという課題があった。しかし、図１３に示すように、複数の当該回折格子領域１１１のうち少なくとも２つの回折格子領域１１１が光源１７の同一発光面から発せられた光を受けることで、回折格子領域１１１を比較的小さいサイズにすることができ、大きな回折格子領域で生じていた効率低下が抑制され、発光素子からの光を高効率で光導波路に導入することができる。

なお、同一発光面とみなせる範囲とは、必ずしも１つの発光面であるとは限らず、発光面が複数あった場合においても、複数の発光面から出力されるそれぞれの光が、共通の駆動系で同期して制御される場合においては、複数の発光面を合計した範囲を同一発光面とみなす。

なお、図１３の例では、範囲Ｒ１の中に第１回折格子部１１の回折格子領域１１１の全てが存在するが、当該範囲Ｒ１の外側に形成される回折格子領域１１１が存在していてもよい。範囲Ｒ１の外側に当該回折格子領域１１１が位置していても、または、範囲Ｒ１の外側に回折格子領域１１１の一部があっても、光は光源１７の発光面から広がりがあるため、外側に位置する回折格子領域１１１や外側に位置する部分でも光をコア層１２に取り込むことができる。

また、第２実施形態では、図１４に示すように、第１回折格子部１１の回折格子領域１１１が延長領域１１１ａを有し、回折格子領域１１１、および回折格子領域１１１と接続する延長領域１１１ａの全てと、各伝搬路１０１とが異なる材料である。また、延長領域１１１ａと伝搬路１０１とが厚さ方向に離隔している。これにより、図示のように、一の回折格子領域１１１の延長領域１１１ａと光学的に結合する一の伝搬路１０１に対して厚さ方向表面側に、一の伝搬路１０１と離隔して、別の回折格子領域１１１を形成させることができる。このように一の伝搬路１０１に対して厚さ方向表面側に、別の回折格子領域１１１が形成されることで、第１回折格子部１１中の各回折格子領域１１１をより密に配置させることができ、発光素子からの光を高効率で光導波路に導入することができる。

なお、図１３の例では、光伝搬部１０の全ての伝搬路１０１が、第１回折格子部１１の回折格子領域１１１よりも厚さ方向基板側に存在し、全ての伝搬路１０１の第２光結合領域１０１ａが、回折格子領域１１１に接続する延長領域１１１ａの第１光結合領域１１１ｂと光学的に結合している。また、第２回折格子部１３の回折格子領域１３１も、第１回折格子部１１と同様に、全ての伝搬路１０１と全ての回折格子領域１３１とが第１光結合領域１３１ｂおよび第２光結合領域１０１ａを介して光学的に結合している。

しかし、第２実施形態では、回折格子部が複数の回折格子領域を有する場合であっても、一部の回折格子領域において、回折格子領域が延長領域に接続され、延長領域の第１光結合領域と伝搬路１０１の第２光結合領域１０１ａとが光学的に結合するようにし、残りの回折格子領域は第１光結合領域および伝搬路１０１の第２光結合領域１０１ａを介さずに直接伝搬路１０１と接続させてもよい。

ここで、第２実施形態の光導波路１５では、図１３に示すように、光導波路１５の光伝搬部１０は、１つの回折格子領域１１１が受けた光を導入して伝搬し、１つの回折格子領域１３１へ当該光を導出する伝搬路１０１を複数有している。これにより第１回折格子部１１中の各回折格子領域１１１、および第２回折格子部１３中の各回折格子領域１３１をより密に配置させることができ、発光素子からの光を効率的に利用することができる。

なお、図示の例では、複数の伝搬路１０１の全てが、回折格子領域１１１から回折格子領域１３１までの間で、それぞれが並列して存在しているが、本実施形態では、複数の伝搬路１０１は並列である必要はなく、回折格子領域１１１から回折格子領域１３１までの間で、複数の伝搬路１０１が合流したり、分岐したりすることもでき、伝搬路１０１の形態は任意にすることができる。

第２実施形態では、第１回折格子部１１中の回折格子領域１１１は、全て同じ大きさ、同じ形状の回折格子領域１１１を設けていたが、回折格子領域１１１として、大きさや形状の異なる回折格子領域１１１を設けてもよい。大きさや形状の異なる回折格子領域１１１を設けることで、光導波路１５に多機能を持たせたりすることができる。多機能の具体例としては、例えば、それぞれの回折格子領域１１１毎に、回折格子領域１１１を形成する凹凸の周期を異ならせ、多波長を選択できるようにする等である。

また、本実施形態において、複数の当該回折格子領域１１１のうち少なくとも２つの回折格子領域１１１は、５×５ｍｍ²の範囲内に存在することが好ましく、より好ましくは１×１ｍｍ²の範囲内に存在することであり、さらに好ましくは５００×５００μｍ²の範囲内に存在することである。これにより、発光素子と光導波路１５を高効率で結合することができる。 さらに、本実施形態においては、範囲（５×５ｍｍ²）内、または範囲（１×１ｍｍ²）内、または範囲（５００×５００μｍ²）内に存在する回折格子領域１１１の面積の割合が３０％以上であることが好ましく、より好ましくは６０％以上であることである。これにより、発光素子と光導波路１５を高効率で結合することができる。

本実施形態において、第２回折格子部１３の構造は、任意にすることができる。具体的には、図示の例では第２回折格子部１３の構造は第１回折格子部１１の構造と同じになっているが異なるようにすることもできる。また、図１３の範囲Ｒ２は、光導波路１５の基板１９の平面視で（基板１９に向かって視た場合）、配置される検出器の範囲を、当該検出器の検出面に直交する方向に沿って第２回折格子部１３に対して投影した範囲であるが、第２回折格子部１３は例えば検出器によって回折格子領域１３１の大きさを変化させたり、配置を変化させたり、任意にすることができる。

＜光導波路の製造方法＞
第２実施形態による光導波路１５の製造方法については、第１実施形態で示した製造方法に対して、リソグラフィで用いるマスクパターンを変更するだけであるので、詳細な説明は省略する。

本発明によれば、コア層としての回折格子部および光伝搬部をより容易に、且つ高性能に形成することを可能な光学式濃度測定装置および光導波路を提供することができる。

１０：光伝搬部
１０１：伝搬路
１０１ａ：第２光結合領域
１１：第１回折格子部
１１１：回折格子領域
１１１ａ：延長領域
１１１ｂ：第１光結合領域
１１１ｃ：第１距離変化領域
１１１ｄ：第２距離変化領域
１２：コア層
１３：第２回折格子部
１３１：回折格子領域
１３１ａ：延長領域
１３１ｂ：第１光結合領域
１３１ｃ：第１距離変化領域
１３１ｄ：第２距離変化領域
１４：光学式濃度測定装置
１５：光導波路
１５ａ：ＳＯＩ基板
１５ｂ：光導波路主要部
１５ｃ：離隔膜
１６：外部空間
１７：光源
１８：光検出器
１９：基板
１９ａ：支持基板
２０：支持層
２０ａ：ＢＯＸ層
２１ａ：ポリシリコン膜（上層）
２１ｂ：ＳｉＯ₂膜
２１ｃ：ポリシリコン膜（下層）
５１：構造体
５２：物質
ＥＷ：エバネッセント波
ＩＲ：赤外線
Ｌ：光
Ｍ１：マスク層
Ｒ１、Ｒ２：範囲

Claims (20)

1. 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器と、
   光導波路と、を備える、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であって、
   前記光導波路は、
   基板と、
   延在方向に光が伝搬可能である光伝搬部と、回折格子部と、を有する前記コア層と、
   を備え、
   前記回折格子部が、回折格子領域と当該回折格子領域に接続される延長領域とを有し、
   前記回折格子部の少なくとも一部が、前記光伝搬部と異なる材料であり、
   前記コア層を伝搬する光に対して、前記延長領域が有する第１光結合領域と、前記光伝搬部が有する第２光結合領域が光学的に結合していることを特徴とする、光学式濃度測定装置。
2. 前記光伝搬部を形成する材料が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、窒化シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ガリウムひ素、インジウムリン、インジウムアンチモン、インジウムガリウムひ素、インジウムガリウムリン、フッ化インジウム、ダイヤモンド、サファイア、ニオブ酸リチウム、カルコゲナイドガラスのうちの一つを含み、前記回折格子部を形成する材料が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、窒化シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ガリウムひ素、インジウムリン、インジウムアンチモン、インジウムガリウムひ素、インジウムガリウムリン、フッ化インジウム、ダイヤモンド、サファイア、ニオブ酸リチウム、カルコゲナイドガラスのうちの他の一つを含む、請求項１に記載の光学式濃度測定装置。
3. 前記光伝搬部を形成する材料が単結晶シリコンであり、前記回折格子部を形成する材料が多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンを含む、請求項１または２に記載の光学式濃度測定装置。
4. 前記第１光結合領域と前記第２光結合領域の光学的結合面の少なくとも一部は、前記基板の主面に対して平行である請求項１から３のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
5. 前記コア層を伝搬する光が、前記第１光結合領域から前記第２光結合領域への遷移の前後、および／または、前記第２光結合領域から前記第１光結合領域への遷移の前後で、進行方向が実質的に変わらない、請求項１から４のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
6. 前記第１光結合領域と前記第２光結合領域の距離は、下記の式（１）以下である、請求項１から５のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
   

   

   ここで、λ₀は前記コア層を伝搬する光の真空における波長の平均値であり、ｎ_coupは前記第１光結合領域または前記第２光結合領域を形成する材料の屈折率であり、ｎ_midは、前記第１光結合領域と前記第２光結合領域に挟まれた部分に存在する材料の屈折率である。
7. 前記第１光結合領域と前記第２光結合領域の距離は、０．７μｍ以下の距離である、請求項１から６のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
8. 前記コア層を伝搬する光に対して、前記第１光結合領域の等価屈折率は、前記第２光結合領域の等価屈折率の０．７〜１．３倍である、請求項１から７のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
9. 前記光伝搬部の少なくとも一部は、前記延長領域と、前記第１光結合領域と前記第２光結合領域の間の距離よりも大きい距離離れている、請求項１から８のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
10. 前記光伝搬部の少なくとも一部は、前記延長領域と、下記の式（２）よりも大きい距離離れている、請求項１から９のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
    

    

    ここで、λ₀は前記コア層を伝搬する光の真空における波長の平均値であり、ｎ_proは前記光伝搬部または前記延長領域を形成する材料の屈折率であり、ｎ_gapは、前記光伝搬部の少なくとも一部と、前記延長領域に挟まれた部分に存在する材料の屈折率である。
11. 前記光伝搬部と前記延長領域の少なくとも一方は終端部分を有しており、
    前記光伝搬部の前記終端部分と前記回折格子部との距離、および／または前記延長領域の前記終端部分と前記光伝搬部との距離は、下記の式（３）よりも大きい距離で離隔している、請求項１から１０のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
    

    

    ここで、λ₀は前記コア層を伝搬する光の真空における波長の平均値であり、ｎ_proは前記光伝搬部または前記延長領域を形成する材料の屈折率であり、ｎ_gapは、前記光伝搬部の前記終端部分と前記回折格子部に挟まれた部分に存在する材料、または前記延長領域の前記終端部分と前記光伝搬部に挟まれた部分に存在する材料の屈折率である。
12. 前記回折格子部の少なくとも一部は、前記光伝搬部と空間的に離隔しており、
    平面視において前記回折格子部と前記光伝搬部が重複する領域において、前記回折格子領域から前記第１光結合領域に近づく方向に前記回折格子部と前記光伝搬部の距離が短くなる第１距離変化領域を備える、請求項１から１１のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
13. 前記第１距離変化領域は、前記光伝搬部との距離が、下記の式（４）よりも大きい距離から下記の式（５）以下の距離に漸次変化する、請求項１２に記載の光学式濃度測定装置。
    

    

    ここで、λ₀は前記コア層を伝搬する光の真空における波長の平均値であり、ｎ_proは前記光伝搬部または前記延長領域を形成する材料の屈折率であり、ｎ_gapは、前記光伝搬部と前記回折格子部の少なくとも一部に挟まれた部分に存在する材料の屈折率である。
    

    

    ここで、λ₀は前記コア層を伝搬する光の真空における波長の平均値であり、ｎ_coupは前記第１光結合領域または前記第２光結合領域を形成する材料の屈折率であり、ｎ_midは、前記第１光結合領域と前記第２光結合領域に挟まれた部分に存在する材料の屈折率である。
14. 前記第１距離変化領域の前記光伝搬部に対する最大確度は４５°以下である、請求項１２または１３に記載の光学式濃度測定装置。
15. 平面視において前記回折格子部と前記光伝搬部が重複する領域において、前記第１光結合領域から前記回折格子領域に遠ざかる方向に前記回折格子部と前記光伝搬部の距離が長くなる第２距離変化領域を備える、請求項１２から１４のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
16. 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られる光導波路であって、
    基板と、
    延在方向に光が伝搬可能である光伝搬部と、回折格子部と、を有するコア層と、
    を備え、
    前記回折格子部が、回折格子領域と当該回折格子領域に接続される延長領域とを有し、
    前記回折格子部の少なくとも一部が、前記光伝搬部と異なる材料であり、
    前記コア層を伝搬する光に対して、前記延長領域が有する第１光結合領域と、前記光伝搬部が有する第２光結合領域が光学的に結合することを特徴とする、光導波路。
17. 前記光伝搬部を形成する材料が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、窒化シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ガリウムひ素、インジウムリン、インジウムアンチモン、インジウムガリウムひ素、インジウムガリウムリン、フッ化インジウム、ダイヤモンド、サファイア、ニオブ酸リチウム、カルコゲナイドガラスのうちの一つを含み、前記回折格子部を形成する材料が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、窒化シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ガリウムひ素、インジウムリン、インジウムアンチモン、インジウムガリウムひ素、インジウムガリウムリン、フッ化インジウム、ダイヤモンド、サファイア、ニオブ酸リチウム、カルコゲナイドガラスのうちの他の一つを含む、請求項１６に記載の光導波路。
18. 前記光伝搬部を形成する材料が単結晶シリコンであり、前記回折格子部を形成する材料が多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンを含む、請求項１６または１７に記載の光導波路。
19. 前記第１光結合領域と前記第２光結合領域の光学的結合面の少なくとも一部は、前記基板の主面に対して平行である請求項１６から１８のいずれかに記載の光導波路。
20. 前記回折格子部の少なくとも一部は、前記光伝搬部と空間的に離隔しており、
    平面視において前記回折格子部と前記光伝搬部が重複する領域において、前記回折格子領域から前記第１光結合領域に近づく方向に前記回折格子部と前記光伝搬部の距離が短くなる第１距離変化領域を備える、請求項１６から１９のいずれかに記載の光導波路。

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