JP2021135301A - 静電気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】静電気に対して安定して動作する、繰り返し使用することが可能な、小型の静電気センサを実現する。【解決手段】静電気センサ（１０１）は、励起光を発する励起光源（１）と、シリコン基板に形成された非線形光学媒質を有し、当該非線形光学媒質に、前記励起光によって励起され、かつ励起波長で共振することにより、前記励起波長を有する光または前記励起波長とは異なる波長を有する光を発生する微小共振器（３１）が設けられている発光素子（３）と、発光素子（３）から出射された光を検出する受光素子（５）と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、電荷により発光状態が変化する現象を利用した静電気センサに関する。

静電気は、様々な要因によって、いたるところに発生する。特に、電子機器は、静電気の影響を受けやすく、動作不良を生じたり、故障したりすることがある。また、工場などの、粉塵や粉体が飛散する環境下、揮発物質の漂う雰囲気下などにおいては、静電気による爆発を誘発する虞がある。このような不具合を回避するためには、帯電物の静電気を検出して除電を行うことが求められる。

従来、静電気の検出には、ハンディ型の検出器が用いられていたが、製造ラインに配置できるように、さらに小型化された検出器も用いられている。しかしながら、半導体デバイスの内部などの狭所に発生した静電気を検出するには、検出器のさらなる小型化が求められる。

このような要求に対する技術として、例えば、特許文献１には、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された絶縁膜とを備えた半導体静電気センサが開示されている。この半導体静電気センサにおいて、絶縁膜の電極に電荷が注入されることで電極の電位が絶縁膜の静電耐圧を超えたとき、絶縁膜が絶縁破壊され、絶縁破壊が生じたときの電極の電位から、電荷量がわかる。このような半導体静電気センサは、シリコンチップに形成できることから、十分な小型化が可能である。

特開平４−１５５６６号公報（１９９２年１月２０日公開）

上記の半導体静電気センサは、静電気を検出する原理にセンサ破壊を用いているため、繰り返し静電気を測定することができない。また、上記の半導体静電気センサは、半導体静電気センサによって検出された電荷量を出力するための他の回路とともにシリコン基板上に形成されることで計測器を構成する。このため、電気によって動作する計測器において、上記の回路を構成する素子は静電気によって破壊されやすいという問題がある。

本発明の一態様は、静電気に対して安定して動作する、繰り返し使用することが可能な、小型の静電気センサを実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る静電気センサは、励起光を発する励起光源と、半導体基板に形成された非線形光学媒質を有し、当該非線形光学媒質に、前記励起光によって励起され、かつ励起波長で共振することにより、前記励起波長を有する光または前記励起波長とは異なる波長を有する光を発生する共振器が設けられている発光素子と、前記発光素子から出射された光を検出する光検出器と、を備えている。

上記の構成によれば、レーザのような強い電場を有する光が非線形光学媒質に入射すると、共振器では、入射した励起光の波長を有する光または前記励起波長とは異なる波長を有する光が発生する。発光素子に電荷を与えると、非線形光学媒質が現す非線形光学効果が低下する。これにより、発光素子が発光を停止したり（無発光）、発光素子が発する光が微弱になったりする。このように、電荷の無い通常の発光時と電荷付与時とで発光素子の発光状態が異なることによって、静電気を検知することができる。また、発光素子は、励起光の入射によって動作するデバイスであって、電気駆動型のデバイスではない。したがって、静電気の影響を受けて破壊されることはない。しかも、非線形光学媒質は、電荷が除去されると、通常の非線形光学効果を現すようになるため、繰り返して静電気を検知することができる。

前記静電気センサにおいて、前記半導体基板には、多数の空孔が形成されたフォトニック結晶構造体が形成され、前記共振器は、前記フォトニック結晶構造体に設けられ、前記励起光により生じたラマン散乱光に対するラマン共振モードを有していてもよい。

上記の構成によれば、共振器において３次の非線形光学効果である誘導ラマン散乱が生じる。共振器は、この誘導ラマン散乱によって得られるラマン利得を利用して、ラマン散乱光を生じさせることができる。ラマン利得は、共振器に入射する光の光密度に対し、線形に変化する。また、共振器の損失は、光密度に依存せずに一定となる。さらに、発生した光は、自由キャリア吸収によって吸収される。このときに生じる自由キャリア損失は、光密度に対して非線形に変化する。共振器は、利得が共振器の損失と自由キャリア損失との和（損失和）を超えると発振する。

発光素子に電荷を与えると、共振器の損失が高くなる。これにより、利得が損失和以下になると、共振器の発振が停止するか、あるいは共振器の共振が微弱になる。それゆえ、発光素子が光を発生しなくなったり、発光素子が発する光が微弱になったりする。このようにして発光素子が発光を停止するか、あるいは発光を弱めることによって、静電気を検知することができる。

前記静電気センサにおいて、前記共振器は、前記励起光を励起光共振モードで閉じ込め、前記ラマン散乱光をラマン散乱光共振モードで閉じ込め、前記励起光共振モードのＱ値として１００００以上の第１Ｑ値を有するとともに、前記ラマン散乱光共振モードのＱ値として１０００００以上の第２Ｑ値を有していてもよい。

上記の構成によれば、共振器のＱ値が高いので、共振器の損失が大幅に低下する。これにより、発振器の発光域を広くすることができる。それゆえ、発光時における共振器の損失と、電荷が与えられたときに上昇する共振器の損失との差が大きくなる。したがって、発光素子の静電気検知のレンジを広げることができる。

上記の課題を解決するために、本発明の他の態様に係る静電気センサは、励起光を発する励起光源と、半導体基板に形成された非線形光学媒質を有し、当該非線形光学媒質に、前記励起光を通過させるか、または前記励起光を励起波長とは異なる波長を有する光に変換する導波路が設けられている発光素子と、前記発光素子から出射された光を検出する光検出器と、を備えている。

上記の構成によれば、発光素子に電荷を与えると、非線形光学媒質が現す非線形光学効果が低下する。これにより、発光素子が発光を停止したり（無発光）、発光素子が発する光が微弱になったりする。このように、電荷の無い通常の発光時と電荷付与時とで発光素子の発光状態が異なることによって、静電気を検知することができる。また、発光素子は、励起光の入射によって動作するデバイスであって、電気駆動型のデバイスではない。したがって、静電気の影響を受けて破壊されることはない。しかも、非線形光学媒質は、電荷が除去されると、通常の非線形光学効果を現すようになるため、繰り返して静電気を検知することができる。

前記静電気センサは、前記励起光源からの前記励起光を前記発光素子に導く第１光ファイバと、前記発光素子からの光を前記光検出器に導く第２光ファイバと、をさらに備えていてもよい。

上記の構成によれば、発光素子は、第１光ファイバによって励起光源に接続されるとともに、第２光ファイバによって光検出器に接続される。これにより、発光素子を励起光源および光検出器から離れた位置に配置することができる。それゆえ、人が立ち入れない狭所、微小空間などの静電気を検知することができる。

前記静電気センサは、前記励起光源に接続された単一の前記第１光ファイバを複数の前記第１光ファイバに分岐する光分岐器をさらに備え、前記発光素子、前記第２光ファイバおよび光検出器は、それぞれ複数設けられており、分岐した複数の前記第１光ファイバは、複数の前記発光素子に個々に接続され、複数の前記第２光ファイバは、複数の前記発光素子と複数の前記光検出器とを個々に接続していてもよい。

上記の構成によれば、励起光源からの励起光は、光分岐器によって単一の第１光ファイバから分岐した複数の第１光ファイバを介してそれぞれの発光素子に伝送される。これにより、単一の励起光源によって、複数箇所の静電気を検知することができる。

本発明の一態様によれば、静電気に対して安定して動作する、繰り返し使用することが可能な、小型の静電気センサを実現することができる。

本発明の実施形態１および２に係る静電気センサの構成を示すブロック図である。 上記静電気センサにおける発光素子の構成を示す平面図である。 上記発光素子を構成するフォトニック結晶の構造を微小共振器を中心に拡大して示す平面図、および上記フォトニック結晶における空孔の間隔が異なる領域に対応するエネルギー準位を示す図である。 上記発光素子におけるラマンレーザの発振および停止のメカニズムを表す、上記微小共振器内のポンプ光密度とラマン利得および損失和との関係を示す図である。 上記発光素子のサンプルが静電気によって発振を停止することを検証する実験を行うための実験装置の構成を示す図である。 上記実験装置におけるサンプルが帯電するメカニズムを説明するための図である。 本発明の実施形態２に係る静電気センサにおける発光素子の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態３に係る静電気センサの構成を示すブロック図である。

〔実施形態１〕
本発明の実施形態１について図１〜図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。

図１は、実施形態１に係る静電気センサ１０１の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、静電気センサ１０１は、励起光源１と、入射光ファイバ２（第１光ファイバ）と、発光素子３と、出射光ファイバ４（第２光ファイバ）と、受光素子５（光検出器）とを備えている。

励起光源１は、発光素子３に含まれる微小共振器３１（共振器）を励起する励起光を発する光源である。励起光源１としては、半導体レーザ、スーパールミネッセントダイオード（Super Luminescent Diode）などの光源素子が用いられる。スーパールミネッセントダイオード（以降、「ＳＬＤ」と称する）は、ＬＥＤのようにブロードなスペクトルを有し、かつ半導体レーザのように高輝度の光を発光する光源素子である。

入射光ファイバ２は、励起光源１から出射された励起光を発光素子３に導く導光路である。

発光素子３は、入射光ファイバ２から入射した励起光を、励起光の波長（励起波長）と異なる波長を有する光に変換して出力する波長変換器として動作する。発光素子３については、後に詳しく説明する。なお、発光素子３は、入射光ファイバ２から入射した励起光を、その波長を変えずにそのまま出射してもよい。

出射光ファイバ４は、発光素子３から出力された光を受光素子５に導く導光路である。

受光素子５は、出射光ファイバ４によって導かれた発光素子３の光を受けて検出する素子である。受光素子５は、例えば、フォトダイオードによって構成されている。

続いて、発光素子３について、詳細に説明する。図２は、静電気センサ１０１における発光素子３の構成を示す平面図である。図３は、発光素子３を構成するフォトニック結晶の構造を微小共振器３１を中心に拡大して示す平面図、およびフォトニック結晶における空孔３ｂの間隔が異なる領域に対応するエネルギー準位を示す図である。

図２に示すように、発光素子３は、２次元フォトニック結晶構造体（フォトニック結晶構造体）を備えるフォトニック結晶光回路である。２次元フォトニック結晶構造体は、例えば厚さ約２００ｎｍのシリコン基板３ａ（半導体基板）に多数の空孔３ｂが周期的に配列されることで２次元フォトニック結晶が形成された構造体である。２次元フォトニック結晶は、非線形光学媒質である。なお、半導体基板としては、シリコン基板３ａ以外にも、ガラス基板、サファイア基板などを用いることができる。

２次元フォトニック結晶構造体には、入射部３ｃと、出射部３ｄとが設けられている。入射部３ｃは、入射光ファイバ２からの励起光が入射する部分であり、出射部３ｄは、出射光ファイバ４に微小導波路３３で発生した光を出射する部分である。

２次元フォトニック結晶構造体には、入射部３ｃからｘ方向に伸びるように続く空孔３ｂが塞がれた部分（以降、線欠陥と称する）が形成されている。この部分は、微小導波路３２として機能する。２次元フォトニック結晶構造体には、出射部３ｄから逆ｘ方向に伸びるように続く線欠陥が形成されている。この部分は、微小導波路３３として機能する。

また、２次元フォトニック結晶構造体のフォトニックバンドの構造は、空孔３ｂの直径、間隔（フォトニック結晶の格子定数）、形状等により制御される。本実施形態では、空孔３ｂの間隔を２段階に異ならせることにより、２段階の異なるフォトニックバンド構造を得ている。

具体的には、空孔３ｂのｙ方向の間隔は一律７１０ｎｍであり、空孔３ｂのｘ方向の間隔は、それぞれ４１０ｎｍ，４２０ｎｍと異なっている。また、空孔３ｂの直径は２６０ｎｍである。なお、微小導波路３２は、空孔３ｂのｙ方向の間隔７８１ｎｍの幅を有し、波長λ（Ｅ）の入射光を透過する導波路として形成されている。微小導波路３３は、空孔３ｂのｙ方向の間隔６２５ｎｍの幅を有し、波長λ（Ｒ）の出射光を透過する導波路として形成されている。

シリコン基板３ａの面内には、微小導波路３２，３３のそれぞれからｙ方向（発光素子３の幅方向）に数個の空孔３ｂを隔てた位置に、ｘ方向に隣接する数個の空孔３ｂを埋めた点欠陥領域が設けられている。その点欠陥領域は、微小共振器３１として機能する。微小共振器３１は、特定の波長λ（Ｒ）（励起波長）で共振する。

微小共振器３１は、励起光の波長λ（Ｅ）に対する共振モード（励起共振モード）と、微小共振器３１が発するラマン散乱光に対する共振モード（ラマン共振モード）とを有している。これにより、微小共振器３１は、波長λ（Ｅ）によって励起されて、波長λ（Ｒ）のラマン散乱光を発する。

なお、微小共振器３１は、点欠陥が連なることにより、短い線状となっている。ここでも、微小導波路３２，３３を形成する上述の「線欠陥」と明確に区別するため、微小共振器３１を構成する点欠陥が連なった短い線状の欠陥部分を敢えて「点欠陥」と表現する。

ここで、発光素子３における空孔３ｂの間隔を部分的に異ならせることの効果について説明する。図３は、発光素子３を構成するフォトニック結晶の構造を微小共振器３１（点欠陥領域）を中心に拡大して示す平面図と、フォトニック結晶における空孔３ｂの間隔が異なる領域に対応するエネルギー準位を示す図とを含んでいる。

図３の上段に示すように、フォトニック結晶において、上述の点欠陥による微小共振器３１が形成される範囲を、中央の中央範囲Ａ０と、中央範囲Ａ０の図中左側の第１範囲Ａ１と、中央範囲Ａ０の図中右側の第２範囲Ａ２とに区分されているものとする。

点欠陥領域の中央範囲Ａ０では、モードギャップ差を利用した光閉じ込めが実現される。これは、点欠陥領域内の中央範囲Ａ０において、伝搬波長の帯域をずらすように周囲の構造を変化させることで生じるフォトニックバンドギャップによって、一対の光反射面を形成することにより実現される。具体的には、光反射面の領域のフォトニック結晶の空孔３ｂの大きさを変化させたり、空孔３ｂの位置や間隔を僅かに変化させたりする（例えば、導波路に近づけたり、遠ざけたりする）ことにより、周囲のフォトニック結晶の構造を変化させることができる。

図３の上段に示すように、第１範囲Ａ１および第２範囲Ａ２における隣り合う２つの空孔３ｂの間は、間隔ｄで隔てられている。これに対し、中央範囲Ａ０における隣り合う２つの空孔３ｂの間は、間隔ｄよりΔｄ広い間隔ｄ＋Δｄで隔てられている。このように、点欠陥領域では、空孔３ｂの間隔（格子間隔）が、中央範囲Ａ０と第１範囲Ａ１および第２範囲Ａ２とで異なっている。中央範囲Ａ０における空孔３ｂの間隔のみがΔｄだけ広いことにより、ヘテロ構造が形成される。

フォトニックバンドは、図３の下段に示すように設計されている。具体的には、上記のヘテロ構造が形成された領域内には、第１ナノ共振モード（第１共振モード）および第２ナノ共振モード（第２共振モード）が存在する。第２ナノ共振モードは、より高いエネルギー準位に存在し、第１ナノ共振モードは、第２ナノ共振モードが存在するエネルギー準位から１５．６ＴＨｚ（シリコンのラマンシフト周波数）だけ低くなったエネルギー準位に存在する。それぞれのエネルギー準位において、井戸型ポテンシャルが形成されている。

この井戸型ポテンシャルによって、光の閉じ込めが生じる。そして、格子間隔がΔｄだけ広げられた中央範囲Ａ０における点欠陥領域が、２つの上記共振モードによって光を閉じ込める共振器として作用する。ここで、第２ナノ共振モード（励起光共振モード）に対応する励起光が点欠陥領域に入射すると、励起光に対するラマン散乱光が第１ナノ共振モード（ラマン散乱光共振モード）にて閉じ込められ、ラマン散乱光がレーザ発振に至るようになる。

このような構成では、励起光とラマン散乱光との空間的重なりが大きくなる。これにより、励起光（ポンプ光）を閉じ込めるナノ共振モードのＱ値（第１Ｑ値）と、ラマン散乱光（ストークス光）を閉じ込めるナノ共振モードのＱ値（第２Ｑ値）とを、それぞれ１０万以上、１００万以上という非常に高い値にすることが可能となる。さらに、このような構造は、１５．６ＴＨｚの周波数差を、上記利点を損なわずに、光通信波長帯（１．３〜１．６μｍ）の全てにおいて容易に実現できるという利点、すなわち波長設計自由度の高さを備えている。

このようにして形成される微小共振器３１は、励起光源１としてＳＬＤを用いた場合、非レーザ光を出射する。また、微小共振器３１は、励起光源１として半導体レーザを用いた場合、ラマン散乱光増強装置またはラマンレーザ光源として機能する。

続いて、発光素子３による光の取り出しについて説明する。

図１に示すように、発光素子３には、励起光源１から出射された光が、入射光ファイバ２を介して入射部３ｃから微小導波路３２へと入射する。この励起光が微小導波路３２から微小共振器３１に達すると、図２に示すように、微小共振器３１において、エバネッセント光結合により、第２ナノ共振モード（波長λ（Ｅ）に対応）が励起される。これにより、波長λ（Ｅ）の光が微小共振器３１に閉じ込められる。

そして、微小共振器３１において、ラマンシフト周波数だけ低いエネルギーを有するラマン散乱光（波長λ（Ｒ））が生じて閉じ込められる。励起光の強度が一定レベルを超えると、ラマン散乱光がレーザ発振に至ることから、微小共振器３１において、波長λ（Ｒ）でのレーザ発振が生じる。ここでは、例えば間隔ｄを４１０ｎｍとし、Δｄを１０ｎｍとしたとき、１５００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長λ（Ｒ）でレーザ発振が生じる。

なお、励起光の強度が一定レベルに至らず、レーザ発振に至らない場合においても、発光素子３はラマン散乱光増強装置として波長変換された強いラマン散乱光を得ることができる。

上記のようにして微小共振器３１によって生じた光は、発光素子３の出射部３ｄから出射される。この光は、出射光ファイバ４を介して受光素子５に導かれる。受光素子５は、入射する光を電気信号に変換して、光を検出する。

引き続き、静電気センサ１０１による静電気の検知動作について説明する。図４は、発光素子３におけるラマンレーザの発振および停止のメカニズムを表す、微小共振器３１内のポンプ光密度とラマン利得および損失和との関係を示す図である。

微小共振器３１は、ラマン増幅器として機能する。ラマン増幅器は、誘導ラマン散乱の効果により生じるラマン利得に基づく光増幅器である。図４に示すように、微小共振器３１の利得（ラマン利得）は、微小共振器３１に入射する励起光の光密度（ポンプ光子密度）に対し、線形に変化する。

一方、微小共振器３１に生じる損失は、ポンプ光子密度に依存せずに一定となる。また、発生した光は、自由キャリア吸収によって吸収される。このときに微小共振器３１において生じる自由キャリア損失は、ポンプ光子密度に対して非線形に変化する。

微小共振器３１は、図４において、ラマン利得が微小共振器３１の損失と自由キャリア損失との和（一点鎖線にて示す「損失和」）を超える実線にて示す範囲で発振する。一方、微小共振器３１は、図４において、ラマン利得が損失和以下となる破線にて示す範囲で停止する。

また、発光素子３に電荷を与えると、微小共振器３１の損失が高くなるので、損失和が高くなる。これにより、ラマン利得が損失和以下になると、微小共振器３１の発振が停止するので、発光素子３が光を発生しなくなるか、あるいは発光素子３が発する光が微弱になる。それゆえ、受光素子５が光を検出しなくなるか、あるいは微弱な光を検出するので、静電気の存在がわかる。すなわち、電荷が存在しない通常の発光時と、電荷存在時とで、発光素子３の発光状態が異なることにより、静電気を検知することができる。

なお、発光素子３に電荷を与えると、微小共振器３１のすべての共振モードの損失が高くなる。そのため、第２ナノ共振モードを介して発せられる、励起光と同じ波長を有する光の強度も、電荷が存在しない通常時と、電荷存在時とで変化する。したがって、この変化を捉えることにより、静電気を検知することができる。

なお、励起光が波長を固定されたレーザ光である場合、励起に用いる共振モードの共鳴波長がわずかにシフトすることでも、微小共振器３１に励起光が導入されなくなるので、微小共振器３１は発振を停止する。微小共振器３１に電荷を付与すると、共鳴波長はわずかに動くので、微小共振器３１の発振が停止する。したがって、固定波長のレーザ光を励起光として用いた場合、上記の原理によっても静電気を検知することができる。もちろん、励起光の波長をシフトに合わせて動かせば、微小共振器３１の発振が回復するので、静電気センサ１０１を繰り返し使用することができる。

微小共振器３１のＱ値が高いと、微小共振器３１の損失が低下する。これにより、ラマン利得が損失和を超える範囲（図４の実線にて示す範囲）を広くすることができる。これは、Ｑ値が高いほど検知できる静電気のレンジが広くなることを意味している。また、微小共振器３１の発振時と停止時とでは、微小共振器３１の出力に１桁から３桁程度の差が生じる。そのため、信頼性の高い静電気検出を行うことができる。

次に、静電気センサ１０１による静電気の検知について検証する。図５は、発光素子３のサンプル１８が静電気によって発振を停止することを検証する実験を行うための実験装置の構成を示す図である。図６は、実験装置におけるサンプル１８が帯電するメカニズムを説明するための図である。

図５に示すように、実験装置は、波長可変レーザ１１と、入射光学系１２と、出射光学系１３と、ランプ１４と、カメラ１５（光検出器）と、静電気発生装置１６と、メタルチップ１７とを備えている。

サンプル１８は、発光素子３と類似した構造が形成されたシリコンチップである。入射したレーザ光によってラマン散乱光を出射する。このサンプル１８は、発光素子３の微小導波路３３を有していない。このため、微小共振器は、図２に示すｚ方向にラマン散乱光を出射する。また、微小共振器の励起波長は１４２９ｍｍであり、微小共振器が出射するラマン散乱光の波長は１５４４ｍｍである。また、微小共振器の発振閾値は０．５μＷである。

入射光学系１２は、コリメートレンズ１２１と、偏光子１２２と、集光レンズ１２３とを有している。入射光学系１２は、波長可変レーザ１１から出射されたレーザ光（励起光）を、コリメートレンズ１２１によって平行光に変換し、偏光子１２２によって特定の偏光を通過させた後、集光レンズ１２３によって絞り込み、サンプル１８の入射部に入射させる。

出射光学系１３は、コリメートレンズ１３１と、ビームスプリッタ１３２と、ミラー１３３と、集光レンズ１３４と、ロングパスフィルタ１３５とを有している。出射光学系１３は、サンプル１８からのラマン散乱光を、コリメートレンズ１３１によって平行光に変換し、ランプ１４からの光とともにビームスプリッタ１３２を通過させ、ミラー１３３で方向転換させた後、集光レンズ１３４によって絞り込む。また、出射光学系１３は、集光レンズ１３４によって絞り込まれたラマン散乱光のうち、ロングパスフィルタ１３５によって所定の波長より長い波長の成分のみを通過させる。

カメラ１５は、例えば、近赤外線（ＮＩＲ）カメラであり、低光量の画像でも鮮明に撮像することができる。これにより、ロングパスフィルタ１３５を経た微小な光を観測（検出）することができる。

メタルチップ１７は、円錐形を成す微小な金属構造体であり、先端の直径は１ｍｍである。メタルチップ１７は、その先端がサンプル１８から１ｃｍ離れた位置に配置されている。静電気発生装置１６は、数ｋＶの電圧をメタルチップ１７に出力する。これにより、メタルチップ１７は、負の電荷または正の電荷をサンプル１８に照射する。

静電気をサンプル１８に照射することにより、カメラ１５による観測画像に光は見られず、サンプル１８の微小共振器が発振を停止したことが確認された。

静電気によって微小共振器の発振が停止する原理について説明する。図６に示すように、メタルチップ１７の先端から電荷が放出されることにより、コロナ放電が生じる。コロナ放電により発生した電荷で、空気中の窒素ガス、酸素ガスなどの分子Ｍをイオン化する。サンプル１８のシリコンチップは、その表面でイオンＩから電荷Ｅを受け取る。電荷Ｅは、シリコンチップにおける空孔１８ｂを除く部分に入り込むことにより、微小共振器のレーザ発振を停止させる。

以上のように、本実施形態に係る静電気センサ１０１は、励起光を発する励起光源１と、入射する励起光と異なる波長の光を発する発光素子３と、発光素子３から出射された光を検出する受光素子５とを備えている。発光素子３は、シリコン基板に形成された非線形光学媒質を有している。また、発光素子３は、非線形光学媒質に、励起光源１からの励起光によって励起され、かつ励起波長で共振することにより、励起波長を有する光を発生する微小共振器３１が設けられている。

上記の構成によれば、発光素子３に電荷が与えられると、レーザのような強い電場を有する光が非線形光学媒質に入射すると、微小共振器３１では、入射した励起光の波長と異なる励起波長を有する光が発生する。発光素子３に電荷を与えると、非線形光学媒質が現す非線形光学効果が低下する。これにより、発光素子３が発光を停止したり（無発光）、発光素子３が発する光が微弱になったりする。このように、電荷の無い通常の発光時と電荷付与時とで発光素子３の発光状態が異なることによって、静電気を検知することができる。

また、発光素子３は、半導体基板としてのシリコン基板３ａに形成されるので、シリコンプロセス技術のような半導体プロセス技術によって製作される半導体デバイスの内部にも組み込むことが可能となる。これにより、半導体デバイス内に生じた静電気を検知することができる。しかも、非線形光学媒質は、電荷が除去されると、通常の非線形光学効果を現すようになる。これにより、静電気センサ１０１は、繰り返して静電気を検知することができる。したがって、静電気に対して安定して動作する、繰り返し使用することが可能な、小型の静電気センサを実現することが可能になる。

また、発光素子３は、励起光の入射によって動作するデバイスであって、電気駆動型のデバイスではない。したがって、静電気の影響を受けて破壊されることはない。また、発光素子３の駆動に電気が用いられないことから、発火しやすい環境下での発光素子３の使用が可能であり、爆発を誘引することがほとんどない。さらに、発光素子３は、可動部分を有していないので、振動環境下においても振動の影響を受けることなく正常に動作する。

除電を目的とする場合など、静電気の存在が確認できればよい。そこで、静電気センサ１０１は、静電気を検知するようにしている。

また、静電気センサ１０１において、シリコン基板３ａには、多数の空孔が形成されたフォトニック結晶構造体が形成されている。微小共振器３１は、フォトニック結晶構造体に設けられ、励起光により生じたラマン散乱光に対するラマン共振モードを有している。

上記の構成によれば、微小共振器３１において３次の非線形光学効果である誘導ラマン散乱が生じる。微小共振器３１は、このラマン散乱によって得られるラマン利得を利用して、ラマン散乱光を生じさせることができる。また、上述したように、微小共振器３１は、損失が高くなることで、ラマン利得が損失和以下になると、発振を停止するか、あるいは微小共振器３１の共振が微弱になる。これにより、発光素子３が発光を停止したり、発光素子３が発する光が微弱になったりすると、受光素子５が光を検出しなくなったり、受光素子５が微弱な光を検出したりするので、静電気を検知することができる。

また、微小共振器３１は、１００００以上かつ３００００００以下の第１Ｑ値を有するとともに、１０００００以上かつ１０００００００以下の第２Ｑ値を有する。また、微小共振器３１は、好ましくは、数万程度の第１Ｑ値を有するとともに、数十万程度の第２Ｑ値を有していてもよい。

上記の構成によれば、微小共振器３１の第１Ｑ値および第２Ｑ値が高いので、微小共振器３１の損失が大幅に低下する。これにより、微小共振器３１の発光域を広くすることができる。それゆえ、励起光の強度を調整することで、幅広い範囲の強さをもつ静電気を検知することが可能となる。つまり、静電気検知感度を調整することができる。

また、静電気センサ１０１は、励起光源１からの励起光を発光素子３に導く入射光ファイバ２と、発光素子３からの光を受光素子５に導く出射光ファイバ４とを備えている。

上記の構成によれば、発光素子３が、入射光ファイバ２によって励起光源１と接続されるとともに、出射光ファイバ４によって受光素子５と接続される。これにより、発光素子３を励起光源１および受光素子５から離れた位置に配置することができる。それゆえ、遠隔地における静電気を検知することができる。例えば、これまでは困難であった、ロケット、海底ケーブルなどにおいて、静電気のリモートセンシングが可能になる。

また、半導体製造の分野では、帯電したシリコン基板を除電するために、除電器（イオナイザなど）によって、シリコン基板の帯電の極性と逆極性に帯電したイオンを帯電箇所に照射する。これにより、シリコン基板の帯電箇所は電気的に中和されることで除電される。従来、除電の前には、シリコン基板における帯電状況を検知するが、その検知の空間分解能が低いために、イオンの照射範囲を特定することが難しい。このため、十分に除電を行えないという不都合が生じることがある。これに対し、静電気センサ１０１を用いることにより、空間電荷を計測することができる。したがって、シリコン基板の表面の帯電状況も容易に検知することができる。

なお、上記のように構成される実験装置は、本発明の静電気センサとして適用できる。

ここで、本実施形態の変形例について説明する。

本実施形態に係る静電気センサ１０１において、発光素子３は、誘導ラマン散乱として３次の非線形光学効果を現す微小共振器３１を有している。本発明に係る静電気センサは、このような微小共振器３１に限らず、他の非線形光学効果を現す共振器を有する発光素子を含んでいてもよい。

例えば、静電気センサは、誘導ブリルアン錯乱という非線形光学効果を表す微小共振器を有する発光素子を含んでいてもよい。また、静電気センサは、テーパファイバ結合微小球共振器を有する発光素子を含んでいてもよい。テーパファイバ結合微小球共振器は、テーパファイバによってガラス製などの透明な微小球に入射した光を、微小球の内面での全反射により微小球内を周回させて、位相の揃う波長の光のみを高いＱ値で閉じ込める。また、静電気センサは、単一周波数のレーザ光が入射すると位相変調を加えることで測帯波が発生して、櫛状の周波数スペクトルの光（光周波数コム）を出射するレーザ共振器を有する発光素子を含んでいてもよい。これらの静電気センサについても、電荷が付与されることによって、非線形光学効果が低下する。

〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について、図１および図７に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態１にて説明した構成要素と同じ機能を有する構成要素については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

図７は、静電気センサ１０２における発光素子３Ａの構成を示す平面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る静電気センサ１０２は、上述した静電気センサ１０と同じく、励起光源１と、入射光ファイバ２と、出射光ファイバ４と、受光素子５とを備えている。また、静電気センサ１０２は、静電気センサ１０１における発光素子３に代えて発光素子３Ａを備えている。

ここで、図１には示さないが、発光素子３Ａは、発光素子３と異なり、微小共振器３１を有していない。図７に示すように、発光素子３Ａは、発光素子３と同じく２次元フォトニック結晶構造体（フォトニック結晶構造体）を備えるフォトニック結晶光回路である。

２次元フォトニック結晶構造体には、入射部３ｃと、出射部３ｄとが設けられている。２次元フォトニック結晶構造体には、入射部３ｃから出射部３ｄまでにｘ方向に伸びるように続く線欠陥が形成されている。この部分は、微小導波路３４（導波路）として機能する。

このように構成される静電気センサ１０２において、発光素子３Ａには、励起光源１から出射された光が、入射光ファイバ２を介して入射部３ｃから微小導波路３４へと入射する。この励起光は、微小導波路３４を通過して出射部３ｄから出射される。

また、発光素子３Ａに電荷を与えると、微小導波路３４を通過する光の損失が増えるか、または非線形光学媒質が現す非線形光学効果が低下する。これにより、発光素子３Ａが発光を停止したり（無発光）、発光素子３Ａが発する光が微弱になったりする。このように、電荷の無い通常の発光時と電荷付与時とで発光素子３Ａの発光状態が異なることによって、静電気を検知することができる。

なお、発光素子３は、微小共振器３１を有することで感度を高くすることができる。これに対し、発光素子３Ａは、微小共振器３１を有していないので、発光素子３ほど高い感度を得ることができない。しかしながら、発光素子３Ａは、励起光の光量を増やしたり、微小導波路３４を長く形成したりすることにより、感度をある程度高めることができる。

また、励起光が微小導波路３４に入射すると、同じ波長の励起光がそのまま出射される。これに対し、非線形光学効果を用いた光導波路による光の波長変換はすでに実現されている。特に、ラマン散乱光を光導波路で発生することについては、研究が行われており、原理的には可能である。したがって、発光素子３Ａは、入射した励起光を励起波長と異なる波長を有する光に変換して出射してもよい。

〔実施形態３〕
本発明の実施形態３について、図８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態１および２にて説明した構成要素と同じ機能を有する構成要素については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

図８は、実施形態２に係る静電気センサ１０３の構成を示すブロック図である。

図８に示すように、静電気センサ１０３は、実施形態１の静電気センサ１０１および実施形態２の静電気センサ１０２と同じく、励起光源１を備えている。また、静電気センサ１０３は、入射光ファイバ２と、発光素子３（または発光素子３Ａ）と、出射光ファイバ４と、受光素子５とを、それぞれ複数備えている。さらに、静電気センサ１０３は、光分岐器６を備えている。なお、以降の説明では、発光素子３Ａについての記載を省略するが、静電気センサ１０３は、発光素子３Ａを備える場合についても、発光素子３を備える場合と同等に動作する。

励起光源１と光分岐器６との間は、単一の入射光ファイバ２によって接続されている。光分岐器６と複数の発光素子３との間は、発光素子３と同数の入射光ファイバ２によって接続されている。光分岐器６は、励起光源１に接続された単一の入射光ファイバ２を複数の入射光ファイバ２に分岐する光学機器である。

発光素子３は、静電気の検知を行う各所に配置される。複数の発光素子３と複数の受光素子５との間は、複数の出射光ファイバ４によって個々に接続されている。複数の受光素子５は、複数の発光素子３の発光状態を１箇所で確認できるように、集約して配置されることが好ましい。

上記のように構成される静電気センサ１０３によれば、励起光源１からの励起光は、光分岐器６によって単一の入射光ファイバ２から分岐した複数の入射光ファイバ２を介してそれぞれの発光素子３に伝送される。これにより、単一の励起光源１によって、複数箇所の静電気を検知することができる。

例えば、製造ラインなどの静電気が発生しやすい複数の箇所に発光素子３を配置することにより、それぞれの発光素子３の発光状況を受光素子５によって確認することができる。これにより、複数箇所の静電気の発生状況を一度に確認することができる。したがって、多数に及ぶ箇所で生じる静電気について、除去、解析などを容易に行うことができる。

また、ロケットにおいては、マトリクス状に配置された発光素子３を入射光ファイバ２および出射光ファイバ４で接続した静電気センサ１０３を、帯電の可能性がある内壁などに配置しておく。静電気センサ１０３の配置箇所が帯電すると、静電気センサ１０３からの発光状態が変化することにより、モニタ側（管制室など）で帯電発生箇所を把握することができる。これにより、ロケットの打ち上げ前に確認された帯電箇所を除電することにより、ロケットの打ち上げ失敗を未然に回避することができる。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 励起光源
２ 入射光ファイバ（第１光ファイバ）
３ 発光素子
３ａ シリコン基板
３ｂ 空孔
４ 出射光ファイバ（第２光ファイバ）
５ 受光素子（光検出器）
６ 光分岐器
１５ カメラ（光検出器）
３１ 微小共振器（共振器）
３４ 微小導波路（導波路）
１０１〜１０３ 静電気センサ

Claims (6)

1. 励起光を発する励起光源と、
   半導体基板に形成された非線形光学媒質を有し、当該非線形光学媒質に、前記励起光によって励起され、かつ励起波長で共振することにより、前記励起波長を有する光または前記励起波長とは異なる波長を有する光を発生する共振器が設けられている発光素子と、
   前記発光素子から出射された光を検出する光検出器と、を備えていることを特徴とする静電気センサ。
2. 前記半導体基板には、多数の空孔が形成されたフォトニック結晶構造体が形成され、
   前記共振器は、前記フォトニック結晶構造体に設けられ、前記励起光により生じたラマン散乱光に対するラマン共振モードを有することを特徴とする請求項１に記載の静電気センサ。
3. 前記共振器は、前記励起光を励起光共振モードで閉じ込め、前記ラマン散乱光をラマン散乱光共振モードで閉じ込め、前記励起光共振モードのＱ値として１００００以上の第１Ｑ値を有するとともに、前記ラマン散乱光共振モードのＱ値として１０００００以上の第２Ｑ値を有することを特徴とする請求項２に記載の静電気センサ。
4. 励起光を発する励起光源と、
   半導体基板に形成された非線形光学媒質を有し、当該非線形光学媒質に、前記励起光を通過させるか、または前記励起光を励起波長とは異なる波長を有する光に変換する導波路が設けられている発光素子と、
   前記発光素子から出射された光を検出する光検出器と、を備えていることを特徴とする静電気センサ。
5. 前記励起光源からの前記励起光を前記発光素子に導く第１光ファイバと、
   前記発光素子からの光を前記光検出器に導く第２光ファイバと、をさらに備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の静電気センサ。
6. 前記励起光源に接続された単一の前記第１光ファイバを複数の前記第１光ファイバに分岐する光分岐器をさらに備え、
   前記発光素子、前記第２光ファイバおよび光検出器は、それぞれ複数設けられており、
   分岐した複数の前記第１光ファイバは、複数の前記発光素子に個々に接続され、
   複数の前記第２光ファイバは、複数の前記発光素子と複数の前記光検出器とを個々に接続していることを特徴とする請求項５に記載の静電気センサ。

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