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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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-
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
16
S1 spectrometer S2 spectrometer S3 spectrometer S4 spectrometer S5 spectrometer
Claims (6)
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. .
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