JP4348160B2 - Spectrometer - Google Patents

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Description

本発明は、入力された光を分光する分光器に関し、特にスラブ型導波路内に回折格子を有する分光器に関する。   The present invention relates to a spectrometer that splits input light, and more particularly, to a spectrometer having a diffraction grating in a slab waveguide.

近赤外領域の光を分光する技術は、糖鎖、血糖、尿素等の生体物質や、二酸化炭素、NOx(窒素酸化物)等の環境物質の測定に応用することができるほか、農業や食品製造業等のあらゆる分野における成分分析に応用することができる。   Near-infrared light spectroscopy technology can be applied to the measurement of biological substances such as sugar chains, blood sugar, urea, and environmental substances such as carbon dioxide and NOx (nitrogen oxide), as well as agriculture and food. It can be applied to component analysis in all fields such as manufacturing.

波長が1〜4μm程度の近赤外領域の光は、一般に回折格子での反射を利用した分光法や、フーリエ変換赤外分光測定法(FTIR法)によって分光することができる。中でも回折格子を利用した分光法は、この分光法で使用する装置の構造が簡単であることから、様々な分野で利用されている。   Light in the near-infrared region having a wavelength of about 1 to 4 μm can generally be separated by spectroscopy using reflection on a diffraction grating or Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR method). In particular, spectroscopy using a diffraction grating is used in various fields because the structure of the apparatus used in this spectroscopy is simple.

回折格子を利用した分光器としては、例えば図11に示すように、光源50から放射された近赤外領域の光を回折格子52に集めるレンズ51と、回折格子52で反射した光Lを検出するための検出器54とを備えたものが知られている。この分光器では、レンズ51で集められた光が回折格子52で反射された際に、検出器54の位置を移動させることによって、反射された光Lの反射角度が測定されるようになっている。つまり、この分光器では、回折格子52で反射した光Lの角度によって分光器に入射した光の波長が特定されるようになっている。   As a spectroscope using a diffraction grating, for example, as shown in FIG. 11, a lens 51 for collecting near-infrared light emitted from a light source 50 on a diffraction grating 52 and light L reflected by the diffraction grating 52 are detected. What is provided with the detector 54 for doing is known. In this spectroscope, when the light collected by the lens 51 is reflected by the diffraction grating 52, the reflection angle of the reflected light L is measured by moving the position of the detector 54. Yes. That is, in this spectroscope, the wavelength of light incident on the spectroscope is specified by the angle of the light L reflected by the diffraction grating 52.

しかしながら、この分光器では、回折格子52と検出器54との距離を長くとり、しかも複雑な駆動メカニズムによって検出器54の位置決め精度を高めなければ、光の波長分解能を十分に得ることができないという問題があった。そのため、このような分光器は、小型化を図ることが困難であって、縮小化したとしてもデスクトップサイズまでが限界であった。   However, in this spectrometer, the wavelength resolution of light cannot be sufficiently obtained unless the distance between the diffraction grating 52 and the detector 54 is increased and the positioning accuracy of the detector 54 is not increased by a complicated driving mechanism. There was a problem. Therefore, it is difficult to reduce the size of such a spectroscope, and even the size of the spectroscope is limited to the desktop size.

その一方で、マイクロマシン技術を応用して、スラブ型導波路内に回折格子を形成した分光器が知られている(例えば、非特許文献1参照)。この分光器は、回折格子によって分光された光が集まる位置にダイオードアレイ(検出器)が配設されている。したがって、この分光器では、分光された光を検出するために検出器を移動させる必要がないので小型化を図ることができる。
清倉 孝規、分光研究 第51巻 第1号別冊 第23頁〜第25頁「マイクロマシン技術による超小型分光器の開発とその応用」(2002年)
On the other hand, a spectroscope in which a diffraction grating is formed in a slab waveguide by applying micromachine technology is known (see, for example, Non-Patent Document 1). In this spectroscope, a diode array (detector) is disposed at a position where light dispersed by the diffraction grating is collected. Therefore, this spectroscope can be miniaturized because it is not necessary to move the detector in order to detect the dispersed light.
Takanori Kiyokura, Spectroscopic Research Vol. 51, No. 1, Volume 23-25 “Development and application of micro-spectrometers using micromachine technology” (2002)

ところで、この分光器は、回折格子と検出器との距離を短くすれば、さらなる小型化を図ることができるが、回折格子と検出器との距離を短くすると光の波長分解能が低下するという問題がある。そのため、この分光器では、必要な光の波長分解能を保つために、少なくとも29mm×14mm程度の大きさが必要とされ、これ以上に小型化することは困難であった。   By the way, this spectrometer can be further miniaturized if the distance between the diffraction grating and the detector is shortened, but if the distance between the diffraction grating and the detector is shortened, the wavelength resolution of the light is lowered. There is. Therefore, in this spectrometer, in order to maintain the necessary wavelength resolution of light, it is necessary to have a size of at least about 29 mm × 14 mm, and it is difficult to further reduce the size.

そこで、本発明は、光の波長分解能を高く維持しながらも、小型化を図ることができる分光器を提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a spectroscope that can be downsized while maintaining a high wavelength resolution of light.

前記課題を解決するための請求項1に記載の発明は、入力された光がスラブ型導波路内に形成された回折格子によって分光される分光器において、前記回折格子で分光された光のうち、所定の帯域に属する光のみを切り出して伝搬するように基端部が配設された第1チャンネル導波路と、前記第1チャンネル導波路に隣り合うように配設された導波路で構成され、前記所定の帯域に属する当該所定の帯域よりも狭い帯域で共振する共振器と、前記共振器を前記第1チャンネル導波路との間で挟み込むように配設されて、前記共振器で共振する光が引き出されて伝搬する第2チャンネル導波路とを備えることを特徴とする。 The invention according to claim 1 for solving the above-mentioned problem is a spectroscope in which input light is dispersed by a diffraction grating formed in a slab type waveguide, and among the light dispersed by the diffraction grating. A first channel waveguide having a base end disposed so as to cut out and propagate only light belonging to a predetermined band, and a waveguide disposed adjacent to the first channel waveguide. the a resonator you resonate in a narrow band than the predetermined band belonging to a predetermined band, is arranged to sandwich between the resonator of the first channel waveguide, the resonance in the resonator And a second channel waveguide through which the transmitted light is extracted and propagated.

この分光器では、回折格子によって分光された光が、第1チャンネル導波路及び共振器を介して第2チャンネル導波路に引き出される際に、共振器は、その共振現象によって一定の波長間隔で光を取り出すとともに、その光を第2チャンネル導波路に出力する。つまり、この分光器では、共振器が所定の帯域を持ったスペクトルの一部を高精度に分光する。また、このような共振器での分光による光の波長分解能は、従来の分光器のように検出器との回折格子との距離に依存しないので、本発明の分光器によれば、検出器と回折格子との距離を近づけて小型化を図っても波長分解能を高く維持することができる。   In this spectroscope, when the light separated by the diffraction grating is drawn out to the second channel waveguide through the first channel waveguide and the resonator, the resonator has the light at a constant wavelength interval due to the resonance phenomenon. And outputs the light to the second channel waveguide. That is, in this spectrometer, the resonator disperses part of the spectrum having a predetermined band with high accuracy. In addition, since the wavelength resolution of light by spectroscopy in such a resonator does not depend on the distance between the detector and the diffraction grating as in the conventional spectrometer, according to the spectrometer of the present invention, the detector and Even if the distance from the diffraction grating is reduced to achieve miniaturization, the wavelength resolution can be maintained high.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載された分光器において、前記共振器の前記導波路を加熱する加熱器を備えることを特徴とする。   The invention described in claim 2 is the spectrometer according to claim 1, further comprising a heater for heating the waveguide of the resonator.

この分光器では、加熱器によって共振器の導波路が加熱されると、導波路の屈折率が変化する。そして、屈折率が変化すると、共振器の共振波長が変化する。したがって、この分光器によれば、共振器の温度を変化させることによって、共振波長の位置を制御すること、つまり分光することができる。   In this spectroscope, when the waveguide of the resonator is heated by the heater, the refractive index of the waveguide changes. When the refractive index changes, the resonance wavelength of the resonator changes. Therefore, according to this spectrometer, by changing the temperature of the resonator, the position of the resonance wavelength can be controlled, that is, spectroscopy can be performed.

請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載された分光器において、前記共振器が複数配設されており、前記共振器の前記導波路の長さがそれぞれ異なることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the spectrometer according to the first or second aspect, a plurality of the resonators are provided, and the lengths of the waveguides of the resonators are different from each other. Features.

この分光器では、共振器の導波路の長さがそれぞれ異なっているため、共振波長がそれぞれ異なっている。したがって、このような分光器によれば、取り出したい複数の光の波長に応じてそれぞれの導波路の長さを変更すれば、取り出したい複数の光を、第2チャンネル導波路を通じて引き出すことができる。   In this spectrometer, since the lengths of the waveguides of the resonators are different, the resonance wavelengths are different. Therefore, according to such a spectroscope, if the length of each waveguide is changed in accordance with the wavelengths of the plurality of lights to be extracted, the plurality of lights to be extracted can be extracted through the second channel waveguide. .

請求項4に記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載された分光器において、前記第1チャンネル導波路、前記共振器の導波路及び前記第2チャンネル導波路は、クラッド部で取り囲まれたコア部で構成されており、前記コア部は、ガリウムヒ素系化合物、インジウム燐系化合物、シリコン・ゲルマニウム系化合物、亜鉛系半導体、LiNbO3、リチウム・チタン系化合物、窒化シリコン、酸窒化シリコン及び炭化シリコンの少なくとも1種を含み、前記クラッド部は、ガリウムヒ素系化合物、インジウム燐系化合物、酸窒化シリコン系化合物、エポキシ系ポリマー、ポリイミド系ポリマー及び空気の少なくとも1種を含むことを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the spectrometer according to any one of claims 1 to 3, wherein the first channel waveguide, the waveguide of the resonator, and the second channel waveguide are The core portion is surrounded by a clad portion, and the core portion includes a gallium arsenide compound, an indium phosphorus compound, a silicon / germanium compound, a zinc semiconductor, LiNbO 3 , a lithium / titanium compound, nitriding Including at least one of silicon, silicon oxynitride, and silicon carbide, and the cladding includes at least one of a gallium arsenide compound, an indium phosphorus compound, a silicon oxynitride compound, an epoxy polymer, a polyimide polymer, and air. It is characterized by including.

この分光器では、コア部に前記したような高屈折率を示す材料が使用されているので、光をマイクロメータ(μm)オーダを下回る狭い領域に閉じ込めることができる。また、この分光器では、コア部に高屈折率を示す材料が使用されているので、コア部で形成された導波路が急峻に曲がるようにレイアウトされたとしても、導波路における光の進行が妨げられることがない。したがって、この分光器では、コア部で導波路を形成する際に導波路のパタンの自由度が増大する。   In this spectroscope, since the material having a high refractive index as described above is used for the core portion, light can be confined in a narrow region below the order of micrometers (μm). Also, in this spectrometer, since a material having a high refractive index is used for the core portion, even if the waveguide formed by the core portion is laid out so as to be sharply bent, the light travels in the waveguide. There is no hindrance. Therefore, in this spectroscope, the degree of freedom of the pattern of the waveguide increases when the waveguide is formed in the core portion.

請求項5に記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載された分光器において、前記回折格子に照射する光を導くための入力側チャンネル導波路を備えており、当該入力側チャンネル導波路の光の入力端部、及び前記第2チャンネル導波路の光の出力端部は、それぞれの端に向かうにつれてその形状が先細りになっているとともに、前記入力端部及び前記出力端部は、当該入力端部及び当該出力端部を構成する材料に比べて屈折率が小さい材料で被覆されていることを特徴とする。   Invention of Claim 5 is equipped with the input side channel waveguide for guide | inducing the light irradiated to the said diffraction grating in the spectrometer described in any one of Claim 1 thru | or 4, The light input end of the input side channel waveguide and the light output end of the second channel waveguide are tapered toward the respective ends, and the input end and The output end portion is covered with a material having a smaller refractive index than the material constituting the input end portion and the output end portion.

この分光器では、入力端部及び当該出力端部を構成する材料に比べて屈折率が小さい材料で、先細りになった光の入力端部及び光の出力端部が被覆されているので、分光器の感度が高められる。   In this spectroscope, the input end of light and the output end of light that are tapered are covered with a material having a smaller refractive index than the material constituting the input end and the output end. The sensitivity of the vessel is increased.

請求項6に記載の発明は、入射する光を分光する第1分光部と、前記第1分光部で分光された光をさらに分光する複数の第2分光部とを備える分光器であって、前記第2分光部は請求項1に記載の分光器であることを特徴とする。   The invention according to claim 6 is a spectroscope comprising a first beam splitting unit that splits incident light, and a plurality of second beam splitting units that further split the light split by the first beam splitting unit. The second spectroscopic unit is the spectroscope according to claim 1.

この分光器では、第1分光部で分光された光は、請求項1に記載の分光器である各第2分光部でさらに高精度に分光される。したがって、この分光器によれば、広い帯域の波長を効率的に分光することができる。   In this spectroscope, the light split by the first spectroscopic unit is further spectroscopically split by each second spectroscopic unit which is the spectroscope according to claim 1. Therefore, according to this spectrometer, it is possible to efficiently disperse a wide band of wavelengths.

本発明の分光器によれば、光の波長分解能を高く維持しながらも、小型化を図ることができる。   According to the spectroscope of the present invention, it is possible to reduce the size while maintaining a high wavelength resolution of light.

次に、本発明の実施の形態に係る分光器について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本実施の形態に係る分光器の斜視図、図2(a)は、図1の分光器の上部クラッド層、スポットサイズ変換部材及び熱線を取り除いた様子を示す斜視図、図2(b)は、図1の分光器にスポットサイズ変換部材を取り付けた様子を示す斜視図、図3は、スポットサイズ変換部材の構造を説明するための斜視図、図4は、図1のA−A線における断面図である。   Next, a spectrometer according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. 1 is a perspective view of the spectrometer according to the present embodiment, FIG. 2A is a perspective view showing a state in which the upper cladding layer, the spot size conversion member, and the heat ray of the spectrometer of FIG. 1 are removed, FIG. (B) is a perspective view showing the spot size conversion member attached to the spectrometer of FIG. 1, FIG. 3 is a perspective view for explaining the structure of the spot size conversion member, and FIG. It is sectional drawing in the -A line.

本実施の形態に係る分光器S1は、スラブ構造を利用したものであって、図1に示すように、基板10と、この基板10上に形成された下部クラッド層11と、この下部クラッド層11上に形成されたコア層12と、このコア層12上に形成された上部クラッド層13とを備えている。なお、コア層12は、特許請求の範囲にいう「コア部」に相当し、下部クラッド層11及び上部クラッド層13は、特許請求の範囲にいう「クラッド部」に相当する。この分光器S1では、下部クラッド層11と上部クラッド層13との間に挟み込まれたコア層12に、波長が1〜4μm程度の近赤外領域の光(以下、単に「光」という)を伝搬させるためのいわゆるスラブ型導波路12aが形成されている。   The spectroscope S1 according to the present embodiment uses a slab structure, and as shown in FIG. 1, a substrate 10, a lower cladding layer 11 formed on the substrate 10, and the lower cladding layer. 11 and a core layer 12 formed on the core layer 12 and an upper cladding layer 13 formed on the core layer 12. The core layer 12 corresponds to a “core part” in the claims, and the lower clad layer 11 and the upper clad layer 13 correspond to “clad parts” in the claims. In the spectroscope S1, near-infrared light having a wavelength of about 1 to 4 μm (hereinafter simply referred to as “light”) is applied to the core layer 12 sandwiched between the lower clad layer 11 and the upper clad layer 13. A so-called slab type waveguide 12a for propagation is formed.

この実施の形態では基板10としてシリコンウエハが使用されている。
コア層12の材料としては、屈折率が2以上のものを使用することができ、具体的には、例えば、ガリウムヒ素系化合物、インジウム燐系化合物、シリコン・ゲルマニウム系化合物、亜鉛系半導体、LiNbO3、リチウム・チタン系化合物、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコン等が挙げられる。
In this embodiment, a silicon wafer is used as the substrate 10.
As the material of the core layer 12, a material having a refractive index of 2 or more can be used. Specifically, for example, a gallium arsenide compound, an indium phosphorus compound, a silicon / germanium compound, a zinc semiconductor, a LiNbO 3 , lithium / titanium compounds, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon carbide and the like.

下部クラッド層11及び上部クラッド層13の材料としては、コア層12の材料と比較して屈折率が低いものを使用することができ、具体的には、酸化シリコンや、コア層よりも屈折率を低くした酸窒化シリコン膜、インジウム燐系化合物、ガリウムヒ素系化合物等が挙げられる。また、上部クラッド層13の材料としては、例えば、エポキシ系材料、ポリイミド系材料等の樹脂材料が使用されてもよい。また、上部クラッド層13を設けない構造のように、上部クラッド層13は空気であってもよい。   As the material of the lower cladding layer 11 and the upper cladding layer 13, a material having a lower refractive index than that of the core layer 12 can be used. Specifically, the refractive index is lower than that of silicon oxide or the core layer. Examples thereof include a silicon oxynitride film, an indium phosphorus compound, a gallium arsenide compound, and the like that have a reduced thickness. Moreover, as a material of the upper clad layer 13, for example, a resin material such as an epoxy material or a polyimide material may be used. Further, the upper clad layer 13 may be air as in the structure in which the upper clad layer 13 is not provided.

この分光器S1は、図2(a)を併せて参照すると明らかなように、下部クラッド層11上でコア層12が所定の形状で削り出されることによって形成された、入力側チャンネル導波路14、切り出しチャンネル導波路15、共振器16を構成するリング状導波路16a、及び出力側チャンネル導波路18を備えている。なお、切り出しチャンネル導波路15は、特許請求の範囲にいう「第1チャンネル導波路」に相当し、出力側チャンネル導波路18は、特許請求の範囲にいう「第2チャンネル導波路」に相当する。これらの導波路は、図2(b)に示すように、これら導波路14,15,16a,18には、上部クラッド層13が覆い被さっており、これら導波路14,15,16a,18の周囲は、下部クラッド層11と上部クラッド層13とで取り囲まれている。また、分光器S1は、下部クラッド層11上でコア層12が所定の形状で削り取られた窪み17aに、図1に示す上部クラッド層13を構成するシリコン酸化膜が嵌り込んで形成された回折格子17を備えている。以下に、入力側チャンネル導波路14、回折格子17、切り出しチャンネル導波路15、共振器16、及び出力側チャンネル導波路18の順番で説明する。   As is apparent from FIG. 2A, the spectroscope S1 is formed by cutting the core layer 12 in a predetermined shape on the lower clad layer 11, and the input-side channel waveguide 14 is formed. A cut-out channel waveguide 15, a ring-shaped waveguide 16 a constituting the resonator 16, and an output-side channel waveguide 18. The cut-out channel waveguide 15 corresponds to a “first channel waveguide” in the claims, and the output-side channel waveguide 18 corresponds to a “second channel waveguide” in the claims. . As shown in FIG. 2B, these waveguides 14, 15, 16 a, 18 are covered with an upper cladding layer 13, and the waveguides 14, 15, 16 a, 18 The periphery is surrounded by the lower cladding layer 11 and the upper cladding layer 13. Further, the spectroscope S1 has a diffraction pattern in which a silicon oxide film constituting the upper clad layer 13 shown in FIG. 1 is fitted into a recess 17a in which the core layer 12 is cut in a predetermined shape on the lower clad layer 11. A grid 17 is provided. Hereinafter, the input side channel waveguide 14, the diffraction grating 17, the cutout channel waveguide 15, the resonator 16, and the output side channel waveguide 18 will be described in this order.

入力側チャンネル導波路14は、図2(a)に示すように、下部クラッド層11上でコア層12が棒状に削り出されたものであり、その断面形状が矩形になっている。この入力側チャンネル導波路14には、分光器S1の縁部近傍で光が入力される入力端部14aが形成されている。この入力端部14aは、分光器S1の縁部、つまりに入力端部14aの端に向かうにつれて徐々に先細りになっている。そして、入力側チャンネル導波路14は、下部クラッド層11に沿って入力端部14aから直線状に延びた後、延びる方向を回折格子17に向かう方向に変えて折れ曲がっている。そして、入力側チャンネル導波路14の入力端部14aから延びた先端部14bは、回折格子17の格子面17bに向き合うようになっている。   As shown in FIG. 2A, the input-side channel waveguide 14 is obtained by cutting the core layer 12 into a rod shape on the lower cladding layer 11, and has a rectangular cross-sectional shape. The input-side channel waveguide 14 is formed with an input end 14a through which light is input in the vicinity of the edge of the spectroscope S1. The input end 14a is gradually tapered toward the edge of the spectroscope S1, that is, the end of the input end 14a. The input-side channel waveguide 14 extends linearly from the input end portion 14 a along the lower cladding layer 11, and is bent by changing the extending direction to the direction toward the diffraction grating 17. The tip end portion 14 b extending from the input end portion 14 a of the input-side channel waveguide 14 faces the grating surface 17 b of the diffraction grating 17.

回折格子17は、前記したように、コア層12を回折格子17の外形を象るように削り取った窪み17aに上部クラッド層13を構成する材料が嵌り込んで形成されたものであり、入力側チャンネル導波路14の先端部14bと向き合う格子面17bには、コア層12の厚み方向に延びる微細な溝17cが等間隔で平行に多数形成されている。この回折格子17は、入力側チャンネル導波路14の入力端部14aから入力されて、その先端部14bから照射される光を格子面17bで受けると、切り出しチャンネル導波路15の基端部15aに向けて受けた光を反射する際にこの受けた光を単波長成分に分離(分光)するように構成されている。   As described above, the diffraction grating 17 is formed by fitting the material constituting the upper clad layer 13 into the recess 17a obtained by scraping the core layer 12 so as to represent the outer shape of the diffraction grating 17, A large number of fine grooves 17c extending in the thickness direction of the core layer 12 are formed in parallel at equal intervals on the lattice surface 17b facing the tip portion 14b of the channel waveguide 14. When the diffraction grating 17 is input from the input end portion 14 a of the input side channel waveguide 14 and receives light irradiated from the tip end portion 14 b at the grating surface 17 b, the base end portion 15 a of the cut-out channel waveguide 15 receives the light. When reflecting the light received toward, it is comprised so that the received light may be separated (spectroscopic) into a single wavelength component.

切り出しチャンネル導波路15は、回折格子17によって分光された光のうち、後記するように所定の帯域の光のみを切り出して伝搬させるものである。この切り出しチャンネル導波路15は、下部クラッド層11上でコア層12が棒状に削り出されたものであり、その断面形状が矩形になっている。この切り出しチャンネル導波路15は、回折格子17の格子面17bで反射された光を受け入れる基端部15aから分光器S1の縁部に向かって下部クラッド層11に沿って直線状に延びるように形成されている。   The cut-out channel waveguide 15 cuts and propagates only light in a predetermined band from the light dispersed by the diffraction grating 17 as described later. The cut-out channel waveguide 15 is obtained by cutting the core layer 12 into a rod shape on the lower cladding layer 11 and has a rectangular cross-sectional shape. The cut-out channel waveguide 15 is formed so as to extend linearly along the lower cladding layer 11 from the base end 15a that receives the light reflected by the grating surface 17b of the diffraction grating 17 toward the edge of the spectroscope S1. Has been.

共振器16は、切り出しチャンネル導波路15と隣り合うように配置されたリング状導波路16aで構成されている。このリング状導波路16aは、下部クラッド層11上でコア層12がリング状に削り出されたものであり、その断面形状が矩形になっている。この共振器16は、多くの共振点を有し、共振波長の間隔は一定となっている。そして、この共振器16では、後記するように共振現象によって一定の波長間隔で、光を取り出すことができるようになっている。   The resonator 16 includes a ring-shaped waveguide 16 a that is disposed adjacent to the cut-out channel waveguide 15. The ring-shaped waveguide 16a is obtained by cutting the core layer 12 into a ring shape on the lower clad layer 11, and its cross-sectional shape is rectangular. The resonator 16 has many resonance points, and the interval between resonance wavelengths is constant. The resonator 16 can extract light at a constant wavelength interval by a resonance phenomenon as will be described later.

出力側チャンネル導波路18は、下部クラッド層11上で共振器16を切り出しチャンネル導波路15との間で挟み込むように配設されている。この出力側チャンネル導波路18は、下部クラッド層11上でコア層12が棒状に削り出されたものであり、その断面形状が矩形になっている。出力側チャンネル導波路18は、分光器S1の縁部から共振器16に近接するように延びた後、折り返して再び分光器S1の縁部の近傍まで延びている。この出力側チャンネル導波路18には、後記するように、回折格子17によって分光され、そして切り出しチャンネル導波路15に切り出された光の帯域と、共振器16によって共振する光の帯域とが重なる帯域の光のみが伝搬するようになっている。そして、分光器S1の縁部の近傍まで延びた出力側チャンネル導波路18の先端には、出力側チャンネル導波路18を伝搬した光が出力される出力端部18aが形成されている。この出力端部18aは、分光器S1の縁部、つまり出力端部18aの端に向かうにつれて徐々に先細りになっている。   The output-side channel waveguide 18 is disposed on the lower cladding layer 11 so as to cut out the resonator 16 and sandwich it between the channel waveguide 15. The output side channel waveguide 18 is obtained by cutting the core layer 12 into a rod shape on the lower clad layer 11 and has a rectangular cross-sectional shape. The output-side channel waveguide 18 extends from the edge of the spectroscope S1 so as to be close to the resonator 16, and then turns back and extends again to the vicinity of the edge of the spectroscope S1. As will be described later, the output-side channel waveguide 18 is a band in which a band of light that is split by the diffraction grating 17 and cut out by the cut-out channel waveguide 15 overlaps a band of light that resonates by the resonator 16. Only the light of the light propagates. An output end 18a from which light propagated through the output side channel waveguide 18 is output is formed at the tip of the output side channel waveguide 18 extending to the vicinity of the edge of the spectroscope S1. The output end 18a is gradually tapered toward the edge of the spectrometer S1, that is, the end of the output end 18a.

また、分光器S1は、このような入力側チャンネル導波路14、回折格子17、切り出しチャンネル導波路15、共振器16、及び出力側チャンネル導波路18のほかに、図1に示すように、スポットサイズ変換部材20a,20bと、熱線19とを備えている。なお、この熱線19は、特許請求の範囲にいう「加熱器」に相当する。   In addition to the input-side channel waveguide 14, the diffraction grating 17, the cut-out channel waveguide 15, the resonator 16, and the output-side channel waveguide 18, the spectroscope S1 includes a spot as shown in FIG. Size conversion members 20 a and 20 b and a heat wire 19 are provided. The hot wire 19 corresponds to a “heater” in the claims.

ここで図2(a)及び図2(b)を併せて参照すると明らかなように、スポットサイズ変換部材20aは、入力側チャンネル導波路14の入力端部14aに配設され、スポットサイズ変換部材20bは、出力側チャンネル導波路18の出力端部18aに配設されている。   2A and 2B, the spot size conversion member 20a is disposed at the input end portion 14a of the input-side channel waveguide 14 and is spot size conversion member. 20 b is disposed at the output end 18 a of the output-side channel waveguide 18.

スポットサイズ変換部材20a及びスポットサイズ変換部材20bは、図3に示すように、下部クラッド層11上で入力端部14a及び出力端部18aを被覆する第1被覆部材21と、下部クラッド層11上で第1被覆部材21を被覆する第2被覆部材22とで構成されている。   As shown in FIG. 3, the spot size conversion member 20 a and the spot size conversion member 20 b include a first covering member 21 that covers the input end portion 14 a and the output end portion 18 a on the lower cladding layer 11, and the lower cladding layer 11. And the second covering member 22 that covers the first covering member 21.

第1被覆部材21は、下部クラッド層11と比較して屈折率が大きく、かつ入力端部14a及び出力端部18aを構成するコア層12と比較して屈折率が小さい材料で構成されている。この第1被覆部材21の材料は、下部クラッド層11及び上部クラッド層13の前記材料から適宜選択すればよい。   The first covering member 21 is made of a material having a higher refractive index than the lower cladding layer 11 and a lower refractive index than the core layer 12 constituting the input end portion 14a and the output end portion 18a. . The material of the first covering member 21 may be appropriately selected from the materials for the lower cladding layer 11 and the upper cladding layer 13.

第2被覆部材22は、第1被覆部材21と比較して屈折率がやや小さい材料で構成されている。この第2被覆部材22の材料は、下部クラッド層11及び上部クラッド層13の前記材料から適宜選択すればよい。   The second covering member 22 is made of a material having a slightly lower refractive index than that of the first covering member 21. The material of the second covering member 22 may be appropriately selected from the materials for the lower cladding layer 11 and the upper cladding layer 13.

このようなスポットサイズ変換部材20aには、分光器S1の側面で露出する第1被覆部材21の端面21a(図1及び図3参照)に図示しない光ファイバが接続されるようになっている。なお、スポットサイズ変換部材20aの第1被覆部材21の端面21aの大きさは、その幅及び高さが光ファイバのコア部(図示せず)の直径の半分程度から略同じ長さになるように設定すればよい。   Such a spot size conversion member 20a is connected to an optical fiber (not shown) on the end surface 21a (see FIGS. 1 and 3) of the first covering member 21 exposed on the side surface of the spectroscope S1. The end face 21a of the first covering member 21 of the spot size conversion member 20a has a width and a height that are substantially the same from about half the diameter of the core portion (not shown) of the optical fiber. Should be set.

そして、スポットサイズ変換部材20bには、分光器S1の側部で露出する第1被覆部材21の端面21b(図1参照)に、例えばこの分光器S1の外部に配設されたPINフォトダイオード(PD)等の検出器(図示せず)に接続するための光ファイバ(図示せず)が接続されるようになっている。また、この分光器S1では、図5(a)に示すように、この光ファイバに代えて、端面21bにPINフォトダイオード(PD)等の検出器24が接続されていてもよい。なお、この分光器S1では、図5(a)に示すように、出力端部18aにスポットサイズ変換部材20bを介して検出器24が接続されるような構造になっているが、出力端部18aに検出器24を直接配設する場合には、スポットサイズ変換部材20bを省略してもよい。   The spot size conversion member 20b includes, for example, a PIN photodiode (external to the spectroscope S1) disposed on the end surface 21b (see FIG. 1) of the first covering member 21 exposed at the side of the spectroscope S1. An optical fiber (not shown) for connection to a detector (not shown) such as a PD) is connected. Further, in the spectrometer S1, as shown in FIG. 5A, a detector 24 such as a PIN photodiode (PD) may be connected to the end face 21b instead of the optical fiber. In this spectrometer S1, as shown in FIG. 5A, the detector 24 is connected to the output end 18a via the spot size conversion member 20b. When the detector 24 is directly disposed on 18a, the spot size conversion member 20b may be omitted.

熱線19は、共振器16を加熱するものであり、図1に示すように、共振器16の平面形状と略同じ形状の熱線部分19aを有している。この熱線19は、図1及び図4に示すように、共振器16の平面形状と略同じ形状の熱線部分19aが、共振器16の上方に位置するように上部クラッド層13の表面に形成されている。   The hot wire 19 heats the resonator 16, and has a hot wire portion 19a having substantially the same shape as the planar shape of the resonator 16, as shown in FIG. As shown in FIGS. 1 and 4, the hot wire 19 is formed on the surface of the upper cladding layer 13 so that a hot wire portion 19 a having substantially the same shape as the planar shape of the resonator 16 is located above the resonator 16. ing.

次に、本実施の形態に係る分光器S1の動作について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図5(a)は、本実施の形態に係る分光器の動作を説明する概念図、図5(b)は、回折格子によって分光された光から切り出しチャンネル導波路によって切り出された光の波長と分光光強度との関係を示すグラフ、図5(c)は、共振器によって一定の波長間隔で取り出された光の波長と分光光強度との関係を示すグラフ、図5(d)は、切り出しチャンネル導波路を伝搬する光のうち、共振器を介して出力側チャンネル導波路に吸い上げられた光の波長と分光光強度との関係を示すグラフ、図6は、共振器を加熱した際に、共振器の共振波長が変化する様子を示したグラフである。   Next, the operation of the spectrometer S1 according to the present embodiment will be described with reference to the drawings as appropriate. In the drawings to be referred to, FIG. 5 (a) is a conceptual diagram for explaining the operation of the spectrometer according to the present embodiment, and FIG. 5 (b) is cut out from the light separated by the diffraction grating by the channel waveguide. FIG. 5C is a graph showing the relationship between the wavelength of the reflected light and the spectral light intensity. FIG. 5C is a graph showing the relationship between the wavelength of the light extracted by the resonator at a constant wavelength interval and the spectral light intensity. d) is a graph showing the relationship between the wavelength of the light propagating through the output channel waveguide through the resonator and the spectral light intensity among the light propagating through the cut-out channel waveguide, and FIG. It is the graph which showed a mode that the resonant wavelength of a resonator changed when it heated.

まず、スポットサイズ変換部材20aに接続された光ファイバ23にスペクトル分析に供せられる光25が伝搬すると、この光25は、スポットサイズ変換部材20aを介して入力側チャンネル導波路14に入力される。このときスポットサイズ変換部材20aは、前記したように先細りになった入力端部14a(図3参照)を第1被覆部材21及び第2被覆部材が覆うような構造になっているため、光ファイバ23の直径が数μm〜数十μm程度の微細なものであったとしても、この分光器S1は、光ファイバ23と入力側チャンネル導波路14とを高い変換効率で結合することができる。したがって、この分光器S1では、その感度が高められる。   First, when light 25 used for spectrum analysis propagates to the optical fiber 23 connected to the spot size conversion member 20a, the light 25 is input to the input side channel waveguide 14 through the spot size conversion member 20a. . At this time, the spot size conversion member 20a is structured such that the first coating member 21 and the second coating member cover the tapered input end portion 14a (see FIG. 3) as described above. Even if the diameter of 23 is as small as several μm to several tens of μm, the spectroscope S1 can couple the optical fiber 23 and the input side channel waveguide 14 with high conversion efficiency. Therefore, the sensitivity of the spectroscope S1 is increased.

入力側チャンネル導波路14に入力された光は、入力側チャンネル導波路14を伝搬することによって、先端部14bから回折格子17に向けて照射される。このとき入力側チャンネル導波路14は、コア層12から削り出されたものであり、前記したような大きい屈折率を示す材料で形成されている。したがって、この分光器S1では、入力側チャンネル導波路14が高屈折率の材料で形成されていることから、光をマイクロメータ(μm)オーダを下回る狭い領域、つまり入力側チャンネル導波路14に閉じ込めることができる。また、この分光器S1では、入力側チャンネル導波路14が高屈折率の材料で形成されていることから、入力側チャンネル導波路14を例えば数μmの半径で急峻に曲がるようにレイアウトされたとしても、入力側チャンネル導波路14内における光の進行が妨げられることがない。したがって、この分光器S1では、入力側チャンネル導波路14のパタンの自由度が増大する。   The light input to the input side channel waveguide 14 is irradiated from the front end portion 14 b toward the diffraction grating 17 by propagating through the input side channel waveguide 14. At this time, the input-side channel waveguide 14 is cut out from the core layer 12 and is formed of a material having a large refractive index as described above. Therefore, in the spectroscope S1, since the input side channel waveguide 14 is formed of a material having a high refractive index, light is confined in a narrow region below the micrometer (μm) order, that is, the input side channel waveguide 14. be able to. Further, in this spectroscope S1, since the input side channel waveguide 14 is formed of a material having a high refractive index, the input side channel waveguide 14 is laid out so as to be sharply bent with a radius of, for example, several μm. In addition, the progress of light in the input side channel waveguide 14 is not hindered. Therefore, in the spectroscope S1, the degree of freedom of the pattern of the input side channel waveguide 14 is increased.

次に、入力側チャンネル導波路14の先端部14bから照射された光は、回折格子17で分光されるとともに、分光された光(スペクトル線)は、切り出しチャンネル導波路15に入力されてこの切り出しチャンネル導波路15を伝搬する。このとき基端部15aを所定の位置に設定することによって、切り出しチャンネル導波路15を伝搬する光26は、図5(b)に示すように、回折格子17で分光されたスペクトル線のうち波長が所定の帯域Fに属する光に限定される。このような光26が伝搬する際に、切り出しチャンネル導波路15は、前記した入力側チャンネル導波路14と同じ高屈折率の材料で形成されているので、光を狭い領域に閉じ込めることができる。   Next, the light irradiated from the tip end portion 14b of the input side channel waveguide 14 is split by the diffraction grating 17, and the split light (spectrum line) is input to the cut channel waveguide 15 and cut out. It propagates through the channel waveguide 15. At this time, by setting the base end portion 15a to a predetermined position, the light 26 propagating through the cut-out channel waveguide 15 has a wavelength among the spectral lines dispersed by the diffraction grating 17, as shown in FIG. Is limited to light belonging to the predetermined band F. When such light 26 propagates, the cut-out channel waveguide 15 is formed of the same high refractive index material as that of the input-side channel waveguide 14 described above, so that the light can be confined in a narrow region.

その一方で、共振器16は、図5(c)に示すように、その共振現象によって一定の波長間隔で光を取り出すが、この分光器S1では、切り出しチャンネル導波路15を伝搬する光26が帯域Fの光に限定されているので、共振器16は、図5(d)に示すように、帯域Fに属する波長λ0の光のみを吸い上げる。 On the other hand, as shown in FIG. 5C, the resonator 16 extracts light at a constant wavelength interval due to the resonance phenomenon. In this spectrometer S1, the light 26 propagating through the cut-out channel waveguide 15 is extracted. Since it is limited to the light of the band F, the resonator 16 sucks up only the light of the wavelength λ 0 belonging to the band F as shown in FIG.

このような共振器16は、前記した入力側チャンネル導波路14と同じ高屈折率の材料で形成されているので、光を狭い領域に閉じ込めることができるとともに、急峻に曲がるようにレイアウトすることができる。したがって、この分光器S1の共振器16は、半径が数μm程度のリング状導波路16a(図1参照)で構成することができる。   Since such a resonator 16 is formed of the same high refractive index material as that of the input side channel waveguide 14 described above, the light can be confined in a narrow region and laid out so as to be bent sharply. it can. Therefore, the resonator 16 of the spectroscope S1 can be constituted by a ring-shaped waveguide 16a (see FIG. 1) having a radius of about several μm.

このような共振器16は、1000〜10000程度のQ値を実現することができるため、共振波長の1/Q程度、つまり0.1〜1nm程度の狭い共振ピークを得ることができる。そして、共振器16の半径を数μm程度に設定にすることによって、共振器16は、共振波長が生じる間隔を100nm程度まで拡げることが可能になる。したがって、分光器S1の共振器16は、ある帯域を持ったスペクトルの一部を高精度に分光することが可能となる。   Since such a resonator 16 can realize a Q value of about 1000 to 10000, a narrow resonance peak of about 1 / Q of the resonance wavelength, that is, about 0.1 to 1 nm can be obtained. By setting the radius of the resonator 16 to about several μm, the resonator 16 can expand the interval at which the resonance wavelength occurs to about 100 nm. Therefore, the resonator 16 of the spectroscope S1 can disperse part of the spectrum having a certain band with high accuracy.

このような共振器16によって吸い上げられた波長長λ0の光は、出力側チャンネル導波路18内を光27として伝搬し、そしてスポット変換部材20bを介して検出器24で検出される。なお、光27が出力側チャンネル導波路18内を伝搬する際に、出力側チャンネル導波路18は、前記した入力側チャンネル導波路14と同じ高屈折率の材料で形成されているので、光を狭い領域に閉じ込めることができる。また、出力側チャンネル導波路18は、高屈折率の材料で形成されているので、急峻に曲がるようにレイアウトすることができる。 The light having the wavelength length λ 0 sucked up by the resonator 16 propagates as light 27 in the output side channel waveguide 18 and is detected by the detector 24 via the spot conversion member 20b. When the light 27 propagates in the output side channel waveguide 18, the output side channel waveguide 18 is formed of the same high refractive index material as that of the input side channel waveguide 14. It can be confined in a narrow area. Further, since the output side channel waveguide 18 is made of a material having a high refractive index, it can be laid out so as to be bent sharply.

その一方で、熱線19(図1及び図4参照)に通電されると、熱線19が発熱するとともに、熱線19から上部クラッド層13を介して伝わった熱によって共振器16(図1参照)は加熱される。そして、リング状導波路16aが加熱されると、リング状導波路16a(コア層12)の屈折率が変化する。   On the other hand, when the hot wire 19 (see FIGS. 1 and 4) is energized, the hot wire 19 generates heat, and the resonator 16 (see FIG. 1) is caused by the heat transferred from the hot wire 19 through the upper cladding layer 13. Heated. When the ring-shaped waveguide 16a is heated, the refractive index of the ring-shaped waveguide 16a (core layer 12) changes.

このように屈折率が変化すると、図6に示すように、共振器16が共振する周波数(波長)が前記した波長の帯域F(図5(b)及び図5(d)参照)を移動する。したがって、共振器16の温度を変化させることによって、共振波長の位置を制御すること、つまり分光することができるようになる。   When the refractive index changes in this way, as shown in FIG. 6, the frequency (wavelength) at which the resonator 16 resonates moves in the above-mentioned wavelength band F (see FIGS. 5B and 5D). . Therefore, by changing the temperature of the resonator 16, the position of the resonance wavelength can be controlled, that is, the light can be dispersed.

さらに具体的に説明すると、リング状導波路16a(コア層12)に例えばシリコンを用いた場合、波長を1%変化させるためには、100Kから150K程度の温度上昇を瞬間的に生じさせる必要がある。リング状導波路16aの温度を瞬間的に温度上昇させ、そしてその温度が元に戻る過程で、波長が変化する現象を利用することによって、この分光器S1は、分光することができる。例えば1500nmの光において波長1%の変化は15nmの帯域に相当する。そして、例えば、リング状導波路16aの径を数十μm以下に設定するとともに、リング状導波路16a(コア層12)の厚みを、マイクロメータ(μm)を下回る厚みに設定することによって、高々数十マイクロJの熱量を数msの間投入することでリング状導波路16aの温度調節が可能となる。このため、大きな外部電力と駆動回路を必要としないので、この分光器S1を組み込んだ分光装置全体を小型化することができる。   More specifically, when, for example, silicon is used for the ring-shaped waveguide 16a (core layer 12), in order to change the wavelength by 1%, it is necessary to instantaneously generate a temperature rise of about 100K to 150K. is there. By using the phenomenon that the wavelength changes in the process of instantaneously raising the temperature of the ring-shaped waveguide 16a and returning to the original temperature, the spectroscope S1 can perform spectroscopy. For example, a change of 1% in wavelength at 1500 nm corresponds to a 15 nm band. For example, the diameter of the ring-shaped waveguide 16a is set to several tens of μm or less, and the thickness of the ring-shaped waveguide 16a (core layer 12) is set to a thickness less than a micrometer (μm), so that at most. The temperature of the ring-shaped waveguide 16a can be adjusted by applying a heat quantity of several tens of micro J for several ms. For this reason, since a large external power and driving circuit are not required, the entire spectroscopic device incorporating the spectroscope S1 can be miniaturized.

また、このように熱線19で共振器16を加熱する際に、上部クラッド層13(図1参照)の厚みを数μmに設定することによって、熱線19での発熱量は、数mJ〜数十mJ程度に低く抑えることができる。また、下部クラッド層11(図1参照)の厚みを低減することによって、共振器16に加えた熱は、基板10(図1参照)に向けて迅速に拡散する。その結果、共振波長の間隔での波長掃引は数ms程度で行うことができる。   Further, when the resonator 16 is heated with the hot wire 19 in this way, the amount of heat generated by the hot wire 19 is set to several mJ to several tens by setting the thickness of the upper cladding layer 13 (see FIG. 1) to several μm. It can be kept as low as mJ. Further, by reducing the thickness of the lower cladding layer 11 (see FIG. 1), the heat applied to the resonator 16 is quickly diffused toward the substrate 10 (see FIG. 1). As a result, the wavelength sweep at the resonance wavelength interval can be performed in about several ms.

以上のように、本実施の形態に係る分光器S1によれば、従来の近赤外分光法で用いられている分光器では、小型化しても高々数cm2止まりである大きさを、数百分の1の大きさの数mm2に小型化することができる。また、この分光器S1によれば、小型化してもなお波長の分解能を高く維持することができる。つまり、この分光器S1によれば、従来の分光器では実現できない、特定の狭い帯域の光のみを切り出すことができるため、高精度の分光が可能となる。 As described above, according to the spectroscope S1 according to the present embodiment, the spectroscope used in the conventional near-infrared spectroscopy has a size that stops at most several cm 2 even if it is downsized. it can be miniaturized to the number mm 2 in size of hundredths of a. Further, according to the spectroscope S1, the wavelength resolution can be maintained high even when the size is reduced. That is, according to the spectroscope S1, it is possible to cut out only a specific narrow band of light that cannot be realized with a conventional spectroscope, and therefore, high-precision spectroscopy is possible.

次に、本実施の形態に係る分光器S1の製造方法について適宜図面を参照しながら説明する。なお、ここではシリコンのコア層12を備える分光器S1の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the spectrometer S1 according to the present embodiment will be described with reference to the drawings as appropriate. Here, a manufacturing method of the spectroscope S1 including the silicon core layer 12 will be described.

まず、SOI(Silicon on Insulator)基板を用意する。このSOI基板は、図2(a)に示すように、シリコンウエハからなる基板10上に形成された酸窒化シリコン膜からなる下部クラッド層11と、この下部クラッド層11上に形成されたシリコン膜からなるコア層12とを備えたものである。コア層12を構成するシリコン膜は、高抵抗p型または高抵抗n型の単結晶シリコンからなる膜であればよい。   First, an SOI (Silicon on Insulator) substrate is prepared. As shown in FIG. 2A, the SOI substrate includes a lower clad layer 11 made of a silicon oxynitride film formed on a substrate 10 made of a silicon wafer, and a silicon film formed on the lower clad layer 11. And a core layer 12 made of The silicon film constituting the core layer 12 may be a film made of high-resistance p-type or high-resistance n-type single crystal silicon.

また、シリコン膜は、所望の厚さより薄い高抵抗p型または高抵抗n型の単結晶シリコン膜の上に、ノンドープのシリコンの結晶を成長させて所望の厚さとしたものでも良い。なお、コア層12を構成するシリコン膜は、光を導波することができれば、単結晶及び多結晶のいずれであってもよいし、ポリシリコンであってもかまわない。   Alternatively, the silicon film may have a desired thickness by growing a non-doped silicon crystal on a high-resistance p-type or high-resistance n-type single crystal silicon film thinner than the desired thickness. The silicon film constituting the core layer 12 may be either single crystal or polycrystalline as long as it can guide light, and may be polysilicon.

次に、図2(a)に示すように、入力側チャンネル導波路14、回折格子17を埋め込むための窪み17a、切り出しチャンネル導波路15、共振器16、及び出力側チャンネル導波路18を、コア層12を削ることによって形成する。これらの削り出しには、公知のリソグラフィグラフィ技術及びエッチング技術が採用されればよい。   Next, as shown in FIG. 2A, the input-side channel waveguide 14, the recess 17a for embedding the diffraction grating 17, the cut-out channel waveguide 15, the resonator 16, and the output-side channel waveguide 18 are formed as a core. Formed by scraping layer 12. A known lithographic technique and an etching technique may be employed for the cutting.

次に、図2(b)に示すように、入力側チャンネル導波路14の入力端部14a及び出力側チャンネル導波路18の出力端部18a(図2(a)参照)を覆うようにスポットサイズ変換部材20a及びスポットサイズ変換部材20bを形成する。なお、このようなスポットサイズ変換部材20a及びスポットサイズ変換部材20bは、図3に示すように、入力端部14a及び出力端部18aのそれぞれに、第1被覆部材21を構成する材料をCVD法やスパッタリング法によって堆積させて第1被覆部材21を形成した後、この第1被覆部材21に、第2被覆部材22を構成する材料をCVD法やスパッタリング法によって堆積させて第2被覆部材22を形成することによって形作ることができる。   Next, as shown in FIG. 2B, the spot size covers the input end portion 14 a of the input side channel waveguide 14 and the output end portion 18 a (see FIG. 2A) of the output side channel waveguide 18. The conversion member 20a and the spot size conversion member 20b are formed. In addition, as shown in FIG. 3, such a spot size conversion member 20a and a spot size conversion member 20b are formed by using a CVD method to form the first covering member 21 at each of the input end portion 14a and the output end portion 18a. After the first covering member 21 is formed by depositing by sputtering or sputtering, the material constituting the second covering member 22 is deposited on the first covering member 21 by CVD or sputtering to form the second covering member 22. Can be shaped by forming.

そして、このようにしてスポットサイズ変換部材20a及びスポットサイズ変換部材20bを形成した後、図2(b)に示すように、上部クラッド層13を構成する材料をCVD法やスパッタリング法によって堆積させることによって、上部クラッド層13を形成する。このように上部クラッド層13を形成することによって、窪み17aには、上部クラッド層13を構成する材料が嵌り込むことによって、回折格子17が形成されるとともに、入力側チャンネル導波路14、切り出しチャンネル導波路15、共振器16、及び出力側チャンネル導波路18は、下部クラッド層11上で上部クラッド層13に埋め込まれる。そして、スポットサイズ変換部材20aに光ファイバ23(図5(a)参照)を取り付けるとともに、スポットサイズ変換部材20bに、前記したような外部に配設された検出器と接続するための光ファイバ(図示せず)や、あるいは検出器24(図5(a)参照)を取り付けることによって、分光器S1は完成する。   And after forming the spot size conversion member 20a and the spot size conversion member 20b in this way, as shown in FIG.2 (b), the material which comprises the upper clad layer 13 is deposited by CVD method or sputtering method. Thus, the upper clad layer 13 is formed. By forming the upper clad layer 13 in this manner, the material constituting the upper clad layer 13 is fitted into the recess 17a, whereby the diffraction grating 17 is formed, and the input side channel waveguide 14 and the cut-out channel are formed. The waveguide 15, the resonator 16, and the output side channel waveguide 18 are embedded in the upper cladding layer 13 on the lower cladding layer 11. Then, an optical fiber 23 (see FIG. 5A) is attached to the spot size conversion member 20a, and an optical fiber for connecting to the spot size conversion member 20b with an external detector as described above ( By attaching the detector 24 (not shown) or the detector 24 (see FIG. 5A), the spectroscope S1 is completed.

このような分光器S1の製造方法によれば、LSIを量産するためのプロセスのように、大口径のウエハ上に複数の分光器S1を作り込むことができるため、分光器S1を容易に量産することができる。その結果、分光器S1の生産コストを低減することができる。   According to such a method for manufacturing the spectroscope S1, a plurality of spectroscopes S1 can be formed on a large-diameter wafer as in a process for mass-producing LSIs. Therefore, the spectroscope S1 can be easily mass-produced. can do. As a result, the production cost of the spectrometer S1 can be reduced.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施の形態には限定されない。例えば、本発明に係る分光器は、図7乃至図9に示すような分光器であってもよい。図7乃至図9は、他の実施の形態に係る分光器を示す模式図である。なお、前記実施の形態に係る分光器S1と同一の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. For example, the spectrometer according to the present invention may be a spectrometer as shown in FIGS. 7 to 9 are schematic views showing a spectrometer according to another embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element same as spectrometer S1 which concerns on the said embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted.

図7に示す分光器S2は、切り出しチャンネル導波路15が延びる方向に沿うように、4つの共振器16が配設されている。また、共振器16のそれぞれを切り出しチャンネル導波路15との間で挟み込むように、4つの出力側チャンネル導波路18が配設されている。   In the spectrometer S2 shown in FIG. 7, four resonators 16 are arranged along the direction in which the cut-out channel waveguide 15 extends. Further, four output-side channel waveguides 18 are disposed so that each of the resonators 16 is cut out and sandwiched between the channel waveguides 15.

そして、共振器16を構成するリング状導波路16a(図1参照)の径(周の長さ)は、それぞれ異なっている。   And the diameter (circumference length) of the ring-shaped waveguide 16a (refer FIG. 1) which comprises the resonator 16 is different, respectively.

このような分光器S2では、スポットサイズ変換部材20aを介して入力側チャンネル導波路14に入力された光は、回折格子17で分光されるとともに、切り出しチャンネル導波路15に入力されることによって、前記実施の形態に係る分光器S1と同様に、所定の帯域F(図5(b)参照)の光のみになるように切り出される。   In such a spectrometer S2, the light input to the input side channel waveguide 14 via the spot size conversion member 20a is split by the diffraction grating 17 and input to the cut-out channel waveguide 15, Similar to the spectroscope S1 according to the embodiment, the light is cut out so that only light in a predetermined band F (see FIG. 5B) is obtained.

そして、このような光が切り出しチャンネル導波路15を伝搬する際に、それぞれの共振器16は、リング状導波路16aの長さが異なっているため、共振波長(周波数)がそれぞれ異なっている。   When such light propagates through the cut-out channel waveguide 15, each resonator 16 has a different resonance wavelength (frequency) because the length of the ring-shaped waveguide 16 a is different.

したがって、このような分光器S2によれば、切り出しチャンネル導波路15を伝搬する光のうち、取り出したい複数の光の波長に応じてそれぞれのリング状導波路16aの径(周の長さ)を変更すれば、取り出したい複数の光が出力側チャンネル導波路18を通じて引き出されるので、それらの光をスポットサイズ変換部材20bから出力させることができる。   Therefore, according to such a spectroscope S2, the diameter (circumference length) of each ring-shaped waveguide 16a is set according to the wavelengths of a plurality of lights to be extracted out of the light propagating through the cut-out channel waveguide 15. If changed, a plurality of lights to be extracted are drawn out through the output-side channel waveguide 18, so that these lights can be outputted from the spot size conversion member 20b.

図8(a)に示す分光器S3は、切り出しチャンネル導波路15、共振器16、出力側チャンネル導波路18、及びスポットサイズ変換部材20bをそれぞれ3つずつ備えている。そして、それぞれの共振器16に熱線19が配設されている。   The spectroscope S3 illustrated in FIG. 8A includes three cut-out channel waveguides 15, resonators 16, output-side channel waveguides 18, and spot size conversion members 20b. A hot wire 19 is disposed in each resonator 16.

このような分光器S3では、スポットサイズ変換部材20aを介して入力側チャンネル導波路14に入力された光は、回折格子17で分光されるとともに、それぞれの切り出しチャンネル導波路15に入力される。その一方で、それぞれの共振器16を構成するリング状導波路16a(図1参照)が熱線19で加熱されることによって、その屈折率が変更される。   In such a spectroscope S3, the light input to the input-side channel waveguide 14 via the spot size conversion member 20a is split by the diffraction grating 17 and input to each cut-out channel waveguide 15. On the other hand, the refractive index of the ring-shaped waveguide 16a (see FIG. 1) constituting each resonator 16 is changed by heating with the hot wire 19.

したがって、このような分光器S3によれば、熱線19によって、それぞれのリング状導波路16aの温度を変更することによって、それぞれのリング状導波路16aの屈折率を変えれば、それぞれの共振器16の共振波長を変更することができる。つまり、この分光器S3によれば、それぞれのスポットサイズ変換部材20bからリング状導波路16aの温度設定に応じて複数の分光された光を出力させることができる。また、この分光器によれば、1つのリング状導波路16aの温度設定を段階的に変更していくことによって、1つのスポットサイズ変換部材20bから、それらの温度に依存した波長の光を観測することが可能となる。   Therefore, according to such a spectroscope S3, if the refractive index of each ring-shaped waveguide 16a is changed by changing the temperature of each ring-shaped waveguide 16a by the hot wire 19, each resonator 16 is changed. The resonance wavelength can be changed. That is, according to the spectroscope S3, a plurality of dispersed light beams can be output from each spot size conversion member 20b according to the temperature setting of the ring-shaped waveguide 16a. Further, according to this spectrometer, by changing the temperature setting of one ring-shaped waveguide 16a stepwise, light having a wavelength depending on the temperature is observed from one spot size conversion member 20b. It becomes possible to do.

図8(b)に示す分光器S4は、3つの切り出しチャンネル導波路15を備えるとともに、これらの切り出しチャンネル導波路15の位置が、切り取った光の波長の帯域F(図5(b)参照)がそれぞれ異なるように配置されている。そして、それぞれの切り出しチャンネル導波路15に配設される共振器16は、各切り出しチャンネル導波路15が切り出した各帯域Fに相当する共振波長間隔を有するもの、つまり、そのような共振波長間隔を有するようにリング状導波路16aの径(周の長さ)を調節したものが使用されている。そして、それぞれの共振器16には熱線19が配設されている。   The spectrometer S4 shown in FIG. 8B includes three cut-out channel waveguides 15, and the position of these cut-out channel waveguides 15 is the band F of the wavelength of the cut-out light (see FIG. 5B). Are arranged differently. The resonators 16 disposed in the respective cut-out channel waveguides 15 have resonance wavelength intervals corresponding to the respective bands F cut out by the respective cut-out channel waveguides 15, that is, such resonance wavelength intervals are set. The ring-shaped waveguide 16a is adjusted so that the diameter (peripheral length) is adjusted. Each resonator 16 is provided with a hot wire 19.

このような分光器S4によれば、それぞれの切り出しチャンネル導波路15が切り出した光の波長の帯域Fを違えることができ、しかも熱線19でリング状導波路16aを加熱することによって、共振器16の共振波長を変更し、調節することができるので、検出したい波長領域毎に高分解能で分光した光を検出することができる。   According to such a spectroscope S4, the band F of the wavelength of the light cut out by each of the cut-out channel waveguides 15 can be changed, and the ring-shaped waveguide 16a is heated by the hot wire 19 to thereby make the resonator 16 Therefore, it is possible to detect light that has been dispersed with high resolution for each wavelength region to be detected.

図9に示す分光器S5は、第1回折格子17aと、この第1回折格子17aによって分光された光が伝搬する入力側チャンネル導波路14と、この入力側チャンネル導波路14を伝搬した光を受けて分光する第2回折格子17bと、この第2回折格子17bで分光された光を伝搬する切り出しチャンネル導波路15と、この切り出しチャンネル導波路15に隣り合うように配設される共振器16と、この共振器16を切り出しチャンネル導波路15とで挟み込むように配設される出力側チャンネル導波路18とを備えている。そして、この分光器S5は、入力側チャンネル導波路14及び第2回折格子17bをそれぞれ3つ備え、それぞれの第2回折格子17bごとに、切り出しチャンネル導波路15、共振器16及び出力側チャンネル導波路18をそれぞれ3つ備えている。なお、第1回折格子17aは、特許請求の範囲にいう「第1分光部」に相当し、第2回折格子17b、切り出しチャンネル導波路15、共振器16、及び出力側チャンネル導波路18は、特許請求の範囲にいう「第2分光部」に相当する。   The spectroscope S5 shown in FIG. 9 includes a first diffraction grating 17a, an input-side channel waveguide 14 through which light dispersed by the first diffraction grating 17a propagates, and light propagated through the input-side channel waveguide 14. The second diffraction grating 17b that receives and splits the light, the cut-out channel waveguide 15 that propagates the light split by the second diffraction grating 17b, and the resonator 16 that is disposed adjacent to the cut-out channel waveguide 15 And an output-side channel waveguide 18 disposed so as to sandwich the resonator 16 between the cut-out channel waveguide 15. The spectroscope S5 includes three input-side channel waveguides 14 and three second diffraction gratings 17b. For each second diffraction grating 17b, the cut-out channel waveguide 15, the resonator 16, and the output-side channel waveguides. Three waveguides 18 are provided. The first diffraction grating 17a corresponds to a “first beam splitting unit” in the claims, and the second diffraction grating 17b, the cut-out channel waveguide 15, the resonator 16, and the output-side channel waveguide 18 are: This corresponds to a “second beam splitting unit” in the claims.

この分光器S5では、第1回折格子17aで分光された光が、各第2回折格子17bでさらに分光される。そして、第2回折格子17bで分光された光が、切り出しチャンネル導波路15及び共振器16を介して出力側チャンネル導波路18に引き出される際に、共振器16は、その共振現象によって一定の波長間隔で光を取り出すとともに、その光を出力側チャンネル導波路18に出力する。つまり、この分光器S5では、入射された光が第1回折格子17aで分光され、そして、第1回折格子17aで分光された光が第2回折格子17bで分光され、次いで、第2回折格子17bで分光された光の一部を共振器16が高精度に分光する。したがって、このような一連の分光は、第1回折格子17aを始めとし、各第2回折格子17b及び各共振器16において行われる。したがって、この分光器S5によれば、広い帯域の波長を効率的に分光することができる。   In the spectroscope S5, the light split by the first diffraction grating 17a is further split by each second diffraction grating 17b. When the light split by the second diffraction grating 17b is drawn out to the output channel waveguide 18 through the cut-out channel waveguide 15 and the resonator 16, the resonator 16 has a constant wavelength due to the resonance phenomenon. While extracting light at intervals, the light is output to the output-side channel waveguide 18. That is, in the spectroscope S5, the incident light is split by the first diffraction grating 17a, the light split by the first diffraction grating 17a is split by the second diffraction grating 17b, and then the second diffraction grating. The resonator 16 splits a part of the light split at 17b with high accuracy. Therefore, such a series of spectroscopy is performed in each second diffraction grating 17b and each resonator 16 including the first diffraction grating 17a. Therefore, according to the spectroscope S5, it is possible to efficiently split a wide band of wavelengths.

また、前記実施の形態では、共振器16を構成するリング状導波管16aが円環形状であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図10(a)に示すように、円環を二分した2つの半体16bと、半体16bの間に直線部16cを挿入したいわゆるレーストラック型形状の共振器16(リング状導波管16a)を使用するものであってもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the ring-shaped waveguide 16a which comprises the resonator 16 is an annular shape, this invention is not limited to this, For example, as shown to Fig.10 (a) In addition, two halves 16b obtained by dividing a ring into two parts and a so-called racetrack-type resonator 16 (ring-shaped waveguide 16a) in which a straight part 16c is inserted between the halves 16b are used. Also good.

このような共振器16は、直線部16cの長さを変えることによって、共振波長を変えることができる。   Such a resonator 16 can change the resonance wavelength by changing the length of the straight portion 16c.

また、共振器16は、図10(b)に示すように、円環を二分した半体が連なった波型のものであってもよい。このような波型の共振器16は、波間の距離Wによって共振波長を変更することができる。   Further, as shown in FIG. 10B, the resonator 16 may be a wave type in which halves obtained by dividing an annular ring are connected. Such a wave resonator 16 can change the resonance wavelength according to the distance W between the waves.

本発明の実施の形態に係る分光器の斜視図である。It is a perspective view of the spectrometer which concerns on embodiment of this invention. (a)は、図1の分光器の上部クラッド層、スポットサイズ変換部材及び熱線を取り除いた様子を示す斜視図、(b)は、図1の分光器にスポットサイズ変換部材を取り付けた様子を示す斜視図である。(A) is a perspective view showing a state in which the upper clad layer, spot size conversion member, and heat ray of the spectrometer of FIG. 1 are removed, and (b) shows a state in which the spot size conversion member is attached to the spectrometer of FIG. It is a perspective view shown. スポットサイズ変換部材の構造を説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the structure of a spot size conversion member. 図1のA−A線における断面図である。It is sectional drawing in the AA of FIG. (a)は、本発明の実施の形態に係る分光器の動作を説明する概念図、(b)は、回折格子によって分光された光から切り出しチャンネル導波路によって切り出された光の波長と分光光強度との関係を示すグラフ、(c)は、共振器によって一定の波長間隔で取り出された光の波長と分光光強度との関係を示すグラフ、(d)は、切り出しチャンネル導波路を伝搬する光のうち、共振器を介して出力側チャンネル導波路に吸い上げられた光の波長と分光光強度との関係を示すグラフである。(A) is a conceptual diagram explaining operation | movement of the spectrometer which concerns on embodiment of this invention, (b) is the wavelength and spectral light of the light cut out from the light spectrally divided by the diffraction grating, and cut out by the channel waveguide A graph showing the relationship with intensity, (c) is a graph showing the relationship between the wavelength of light extracted by a resonator at a constant wavelength interval and the intensity of spectral light, and (d) is propagating through a cut-out channel waveguide. It is a graph which shows the relationship between the wavelength of the light absorbed by the output side channel waveguide via the resonator among the light, and spectral light intensity. 共振器を加熱した際に、共振器の共振波長が変化する様子を示したグラフである。It is the graph which showed a mode that the resonance wavelength of a resonator changes, when a resonator is heated. 他の実施の形態に係る分光器を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the spectrometer which concerns on other embodiment. 他の実施の形態に係る分光器を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the spectrometer which concerns on other embodiment. 他の実施の形態に係る分光器を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the spectrometer which concerns on other embodiment. 共振器の変形例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the modification of a resonator. 従来の分光器の模式図である。It is a schematic diagram of the conventional spectrometer.

符号の説明Explanation of symbols

12a スラブ型導波路
14 入力側チャンネル導波路
14a 入力端部
15 切り出しチャンネル導波路(第1チャンネル導波路)
16 共振器
17 回折格子
18 出力側チャンネル導波路(第2チャンネル導波路)
18a 出力端部
19 熱線(加熱器)
S1 分光器
S2 分光器
S3 分光器
S4 分光器
S5 分光器
12a Slab-type waveguide 14 Input-side channel waveguide 14a Input end 15 Cut-out channel waveguide (first channel waveguide)
16 Resonator 17 Diffraction grating 18 Output-side channel waveguide (second channel waveguide)
18a Output end 19 Heat wire (heater)
S1 spectrometer S2 spectrometer S3 spectrometer S4 spectrometer S5 spectrometer

Claims (6)

入力された光がスラブ型導波路内に形成された回折格子によって分光される分光器において、
前記回折格子で分光された光のうち、所定の帯域に属する光のみを切り出して伝搬するように基端部が配設された第1チャンネル導波路と、
前記第1チャンネル導波路に隣り合うように配設された導波路で構成され、前記所定の帯域に属する当該所定の帯域よりも狭い帯域で共振する共振器と、
前記共振器を前記第1チャンネル導波路との間で挟み込むように配設されて、前記共振器で共振する光が引き出されて伝搬する第2チャンネル導波路とを備えることを特徴とする分光器。
In a spectroscope in which input light is split by a diffraction grating formed in a slab waveguide,
A first channel waveguide having a base end portion disposed so as to cut out and propagate only light belonging to a predetermined band out of light dispersed by the diffraction grating;
Is composed of arranged waveguides to be adjacent to the first channel waveguide, a resonator you resonate in a narrow band than the predetermined band belonging to said predetermined band,
A spectroscope comprising: a second channel waveguide disposed so as to sandwich the resonator between the first channel waveguide and light that resonates in the resonator is extracted and propagated. .
前記共振器の前記導波路を加熱する加熱器を備えることを特徴とする請求項1に記載の分光器。   The spectroscope according to claim 1, further comprising a heater for heating the waveguide of the resonator. 前記共振器が複数配設されており、前記共振器の前記導波路の長さがそれぞれ異なることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の分光器。   The spectroscope according to claim 1 or 2, wherein a plurality of the resonators are provided, and the lengths of the waveguides of the resonators are different from each other. 前記第1チャンネル導波路、前記共振器の導波路及び前記第2チャンネル導波路は、クラッド部で取り囲まれたコア部で構成されており、前記コア部は、ガリウムヒ素系化合物、インジウム燐系化合物、シリコン・ゲルマニウム系化合物、亜鉛系半導体、LiNbO3、リチウム・チタン系化合物、窒化シリコン、酸窒化シリコン及び炭化シリコンの少なくとも1種を含み、前記クラッド部は、ガリウムヒ素系化合物、インジウム燐系化合物、酸窒化シリコン系化合物、エポキシ系ポリマー、ポリイミド系ポリマー及び空気の少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の分光器。 The first channel waveguide, the waveguide of the resonator, and the second channel waveguide are configured by a core portion surrounded by a cladding portion, and the core portion includes a gallium arsenide compound and an indium phosphorus compound. , Silicon-germanium compound, zinc-based semiconductor, LiNbO 3 , lithium-titanium compound, silicon nitride, silicon oxynitride, and silicon carbide. 4. The spectroscope according to claim 1, comprising at least one of a silicon oxynitride compound, an epoxy polymer, a polyimide polymer, and air. 前記回折格子に照射する光を導くための入力側チャンネル導波路を備えており、当該入力側チャンネル導波路の光の入力端部、及び前記第2チャンネル導波路の光の出力端部は、それぞれの端に向かうにつれてその形状が先細りになっているとともに、前記入力端部及び前記出力端部は、当該入力端部及び当該出力端部を構成する材料に比べて屈折率が小さい材料で被覆されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の分光器。   An input-side channel waveguide for guiding the light applied to the diffraction grating; and an input end portion of the input-side channel waveguide and an output end portion of the light of the second channel waveguide, The input end and the output end are covered with a material having a refractive index smaller than that of the material constituting the input end and the output end. The spectroscope according to any one of claims 1 to 4, wherein the spectroscope is provided. 入射する光を分光する第1分光部と、前記第1分光部で分光された光をさらに分光する複数の第2分光部とを備える分光器であって、前記第2分光部は請求項1に記載の分光器であることを特徴とする分光器。   A spectroscope comprising: a first beam splitting unit that splits incident light; and a plurality of second beam splitting units that further split light split by the first beam splitting unit, wherein the second beam splitting unit is claimed in claim 1. A spectrometer as described in 1.
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