JP6530521B2 - 光導波路及び光学式濃度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は光導波路及び光学式濃度測定装置に関する。

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

図８に示すように、構造体５１の中を伝搬する光Ｌは、構造体５１と物質５３との界面で全反射するとき、構造体５１の内部を伝搬する光の他に屈折率の小さい物質５３側に染み出す。この染み出しは、エバネッセント波と呼ばれ、光Ｌが構造体５１を伝搬していく過程で構造体５１に隣接している物質によって吸収されうる。図８では、構造体５１の内部を伝搬する光Ｌの強度が光強度Ｅ１として図示され、エバネッセント波の強度が光強度Ｅ２として図示されている。このため、構造体５１を伝搬している光Ｌの強度変化から、構造体５１に接している物質５３の検出や同定などが可能になる。上述したエバネッセント波の原理を利用した分析法は、全反射吸収分光（ＡＴＲ：Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）法）と呼ばれ、物質の化学組成分析などに利用されている。

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

ＡＴＲ法を利用したセンサでは、エバネッセント波と被検出物質を干渉させる量を多くさせることで、また、被検出物質以外の材料への光の吸収を少なくさせることでセンサ感度を向上させることができる。したがって近年では、非特許文献１にあるような、コア層の下にある層を極力減らした、いわゆるペデスタル型の構造が提案されている。ペデスタル型の構造を持った光導波路では、コア層の下にクラッド材料による層は、コア層を支持するために必要なエリアを除き除去されている。それにより、被検出物質とエバネッセント波の干渉量を増やし、また光のクラッド材料への吸収を減らすことができ、センサの感度が向上する。

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

特開２００５−３００２１２号公報

Ｐａｏ Ｔａｉ Ｌｉｎ他，"Ｓｉ−ＣＭＯＳ ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｍｉｄ−ＩＲ ｍｉｃｒｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ"， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， Ｖｏｌ． ３， Ｉｓｓｕｅ ９， ｐｐ． １４７４−１４８７（２０１３）

被検出物質は、単発的に検出されたり、ある一定期間継続して検出されたりすることがあるため、センサは、種々の使用態様において高感度かつ継続的に安定して被検出物質を検出できることが求められている。

本発明の目的は、被検出物質を高感度に検出でき、かつ感度の経年劣化を防止することが可能になる光導波路および光学式濃度測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１態様による光導波路は、被測定気体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、前記コア層の表面の少なくとも一部に形成され、膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であり、前記コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、を備え、前記コア層の前記長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、前記コア層の表面全周に前記保護膜が形成されていることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の第２態様による光導波路は、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、前記コア層の表面の少なくとも一部に形成され、膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であり、前記コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、を備え、前記保護膜の少なくとも一部は、気体と接触可能に設けられており、前記コア層の前記長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、前記コア層の表面全周に前記保護膜が形成されていることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の第３態様による光導波路は、被測定気体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、前記コア層の表面の少なくとも一部に形成され、前記コア層を伝搬する光の波長より膜厚が薄く、窒素を含み、前記コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、を備え、前記コア層の前記長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、前記コア層の表面全周に前記保護膜が形成されていることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の第４態様による光導波路は、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、前記コア層の表面の少なくとも一部に形成され、前記コア層を伝搬する光の波長より膜厚が薄く、窒素を含み、前記コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、を備え、前記保護膜の少なくとも一部は、気体と接触可能に設けられており、前記コア層の前記長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、前記コア層の表面全周に前記保護膜が形成されていることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の一態様による光学式濃度測定装置は、上記各態様のいずれか１つの光導波路と、前記コア層に光を入射可能な光源と、前記コア層を伝搬した光を受光可能な検出部と、を備えることを特徴とする。

本発明の各態様によれば、被検出物質を高感度に検出でき、かつ感度の経年劣化を防止することが可能になる。

本発明の第１実施形態および第２実施形態による光導波路１０および光学式濃度測定装置１の概略構成、および光学式濃度測定装置１を利用したＡＴＲ法によるセンシングを説明する図である。 本発明の第１実施形態および第２実施形態による光導波路１０および光学式濃度測定装置１の概略構成を示す図であって、図１中のＡ−Ａ線で切断した光導波路１０および光学式濃度測定装置１の断面図である。 本発明の第１実施形態および第２実施形態による光導波路１０および光学式濃度測定装置１の製造方法を説明するための製造工程断面図（その１）である。 本発明の第１実施形態および第２実施形態による光導波路１０および光学式濃度測定装置１の製造方法を説明するための製造工程断面図（その２）である。 本発明の第１実施形態および第２実施形態による光導波路１０および光学式濃度測定装置１を説明する図であって、ＮＯを含む雰囲気下でシリコンを酸化したときの窒素濃度分布を示す図である。 本発明の第１実施形態および第２実施形態による光導波路１０および光学式濃度測定装置１の他の概略構成、および光学式濃度測定装置１を利用したＡＴＲ法によるセンシングを説明する図である。 本発明の第１実施形態および第２実施形態による光導波路１０および光学式濃度測定装置１の他の概略構成を示す図であって、図６中のＢ−Ｂ線で切断した光導波路１０および光学式濃度測定装置１の断面図である。 光導波路を伝搬する光のエバネッセント波を説明するための図である。

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

＜光導波路＞
本発明の第１実施態様に係る光導波路は、被測定気体または被測定液体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、コア層の表面の少なくとも一部に形成され、膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であり、コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、を備え、コア層の長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、コア層の全ての表面が露出していない。なお、長手方向とは、少なくとも１方向に沿って延伸している形状の三次元構造物における、最も長く延びている方向であって、直線状の方向だけでなく、曲線状の方向を含む。また、幅方向とは、本実施形態において、コア層の長手方向に垂直且つ基板の主面に平行な方向である。基板の主面とは、基板の板厚方向に垂直な表面であって、面積が最大である面である。

第１実施態様に係る光導波路によれば、コア層の表面の少なくとも一部にコア層よりも屈折率が小さい保護膜を形成し、保護膜の膜厚を１ｎｍ以上２０ｎｍ未満とし、且つコア層の長手方向に垂直な断面において、コア層の全ての表面を露出させなくすることにより、コア層から染み出すエバネッセント波と被測定気体または被測定液体との干渉量を大幅に低減させることなく、コア層の表面状態の変化を防止することが可能となる。これにより、第１実施形態に係る光導波路を備えた光学式濃度測定装置の検出感度の劣化を抑制することが可能となる。

本発明の第２実施態様に係る光導波路は、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、コア層の表面の少なくとも一部に形成され、膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であり、コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、を備え、保護層の少なくとも一部は、気体または液体と接触可能に設けられており、コア層の長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、コア層の全ての表面が露出していない。

第２実施態様に係る光導波路によれば、コア層の表面の少なくとも一部にコア層よりも屈折率が小さい保護膜を形成し、保護膜の膜厚を１ｎｍ以上２０ｎｍ未満とし、且つコア層の長手方向に垂直な断面において、コア層の全ての表面を露出させなくすることにより、コア層から染み出すエバネッセント波と気体または液体との干渉量を大幅に低減させることなく、コア層の表面状態の変化を防止することが可能となる。

本発明の第３実施態様に係る光導波路は、被測定気体または被測定液体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、コア層の表面の少なくとも一部に形成され、コア層を伝搬する光の波長より膜厚が薄く、窒素を含み、コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、を備え、コア層の長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、コア層の全ての表面が露出していない。

第３実施態様に係る光導波路によれば、コア層の表面の少なくとも一部に窒素を含み、コア層よりも屈折率が小さい保護膜を形成し、且つコア層の長手方向に垂直な断面において、コア層の全ての表面を露出させなくすることで、コア層の酸化を抑制することができ、コア層の表面状態の変化を防止することが可能となる。これにより、第３実施形態に係る光導波路を備える光学式濃度測定装置の検出感度の劣化を抑制することが可能となる。

本発明の第４実施態様に係る光導波路は、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、コア層の表面の少なくとも一部に形成され、コア層を伝搬する光の波長より膜厚が薄く、窒素を含み、コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、を備え、保護層の少なくとも一部は、気体または液体と接触可能に設けられている。

第４実施態様に係る光導波路によれば、コア層の表面の少なくとも一部に窒素を含み、コア層よりも屈折率が小さい保護膜を形成し、且つコア層の長手方向に垂直な断面において、コア層の全ての表面を露出させなくすることで、コア層の酸化を抑制することができ、コア層の表面状態の変化を防止することが可能となる。
以下、本発明の各実施形態に係る光導波路を構成する各構成要件について、具体例を挙げて説明する。

＜コア層＞
コア層は、光が伝搬可能であれば特に制限されない。具体的には、シリコン（Ｓｉ）やガリウムひ素（ＧａＡｓ）等で形成されたコア層が挙げられる。なお、コア層が窒素を含まない材料で構成されることで、本発明の効果はより得られやすくなる。

コア層の表面は、光の伝搬方向であるコア層の長手方向に垂直な断面において、露出している領域が無くてもよい。露出している領域があると、その領域が例えば自然酸化されていくなどして表面状態が劣化していく。したがって、コア層の長手方向に垂直な断面において、コア層の表面は露出することなく、後述する支持部や保護膜が存在している、もしくは、コア層の表面全周に保護膜が形成されていることが好ましい。

コア層を伝搬する光はアナログ信号としての赤外線であってもよい。ここでアナログ信号としての赤外線とは、光のエネルギーの変化を０（低レベル）および１（高レベル）の２値で判定するのではなく、光のエネルギーの変化量を扱う信号であることを意味する。これにより、各実施形態に係る光導波路をセンサや分析装置に適用することができる。またこの場合、赤外線の波長は２μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。この波長帯は環境に代表的に浮遊するガス（ＣＯ_２、ＣＯ、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、ＳＯ_２、ＣＨ_４、Ｈ_２Ｏ等）が吸収する波長帯である。これにより各実施形態に係る光導波路をガスセンサとして利用することができる。

＜保護膜＞
保護膜は、コア層の表面に形成可能であり、コア層よりも屈折率が小さければ特に制限されない。具体的には、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜等で形成された保護膜が挙げられる。保護膜は、単層の膜であってもよく、また複数の膜で構成されていてもよい。

また、保護膜は窒素を含んでいてもよい。これにより、コア層の酸化をより抑制することが可能となる。窒素を含む膜は、単層膜であってもよいし、窒素を含む膜と窒素を含まない膜との積層膜であってもよい。保護膜の窒素含有率が高い程、酸化抑止効果が高くなる。保護膜は、窒素を含む膜の少なくとも一部の領域において、１％以上の窒素含有率をもつ膜であってもよい。

例えばコア層がシリコンで形成される場合、保護膜の材料としてはシリコン窒化膜やシリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜であってもよい。窒素を含む膜は酸化を抑制する効果がある。また、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜は、シリコンよりも屈折率が十分に小さいためクラッド層の形成材料としても優れている。さらに、特にシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜は、赤外線の吸収も少ない。これにより、コア層の表面に保護膜を形成した場合に、被測定気体または被測定液体の検出感度の低下を抑えられる。

また、保護膜の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であってもよい。これにより、コア層から染み出すエバネッセント波と、コア層の周囲の気体または液体との干渉量を大幅に低減させることなく、コア層の表面状態の変化を防止することが可能となる。

膜厚が１ｎｍ以上であることで、コア層の表面に自然酸化膜が形成されることを抑制することが可能となる。また、膜厚が２０ｎｍ未満であることで、コア層から染み出すエバネッセント波と、コア層の周囲の気体または液体との干渉量を大幅に低減させることがない。膜厚の下限は、２ｎｍであってもよく、膜厚の上限は、５ｎｍであってもよい。

ここで、シリコン等の物質は、空気中に放置した場合、表面にシリコン酸化膜が自然形成されることがある。この自然酸化膜は、膜厚が１ｎｍ未満であり、窒素を含まないため、これらの点で本発明における保護膜とは区別される。

また、保護膜の少なくとも一部は、光学式濃度測定装置によって濃度が測定される被測定気体または被測定液体と接触可能に設けられていてもよい。これにより、保護膜の少なくとも一部が被測定気体または被測定液体と接触していない場合と比較して、コア層から染み出すエバネッセント波と被測定気体または被測定液体との干渉量を増加させることができる。つまり、保護膜の少なくとも一部が被測定気体または被測定液体と接触可能に設けられていると、コア層から染み出すエバネッセント波と被測定気体または被測定液体との干渉量が低減することを防止できる。

また、保護膜は、光の伝搬方向であるコア層の長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、コア層の表面全周に形成されてもよい。後述する支持部が存在しない領域が存在する、浮遊型のコア層を有する光導波路においては、浮遊しているコア層の表面全周に保護膜が形成されることで、コア層の劣化を効果的に抑制することができる。

保護膜の形成方法としては、熱化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による堆積や酸化処理といった方法を用いることが可能である。保護膜は、シリコン窒化膜の場合は熱ＣＶＤ法による堆積処理を用いて形成することができ、シリコン酸窒化膜の場合はＮＯやＮ_２Ｏを含む雰囲気下での酸化処理によって形成することができる。熱ＣＶＤ法や酸化法で形成することで、コア層の表面全周に保護膜を形成することができる。

＜基板＞
本発明の各実施形態に係る光導波路は、基板をさらに備えてもよい。基板は、その上にコア層を形成可能であれば特に制限されない。具体的にはシリコン基板やＧａＡｓ基板等で形成された基板が挙げられる。

＜支持部＞
本発明の各実施形態に係る光導波路は、支持部をさらに備えてもよい。支持部は、基板およびコア層を接合可能であれば特に制限されない。具体的には、ＳｉＯ_２等で形成された支持部が挙げられる。

支持部は例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の埋め込み酸化膜（ＢＯＸ：Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層（ＳｉＯ_２層）をエッチングすることで、コア層（Ｓｉ層）と基板（Ｓｉ層）とをＢＯＸ層で支持する構造に形成されることができる。

また、支持部は部分的に存在する構造であってもよい。すなわち、支持部が存在しない領域が存在する、浮遊型のコア層を有する光導波路であってもよい。

＜光学式濃度測定装置＞
本発明に係る光学式濃度測定装置は、本発明の各実施形態に係る光導波路のいずれか１つと、コア層に光を入射可能な光源と、コア層を伝搬した光を受光可能な検出部と、を備える。
以下、光学式濃度測定装置を構成する各構成要件について、具体例を挙げて説明する。

＜光源＞
光源は、コア層に光を入射可能であれば特に制限されない。ガスの測定に赤外線を用いる場合には光源として、白熱電球やセラミックヒータ、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ヒータや赤外線ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などを用いることができる。また、ガスの測定に紫外線を用いる場合には光源として、水銀ランプや紫外線ＬＥＤなどを用いることができる。また、ガスの測定にＸ線を用いる場合には光源として、電子ビームや電子レーザーなどを用いることができる。

光学式濃度測定装置に備えられる光導波路のコア層を伝搬する光は、アナログ信号としての赤外線であってもよい。ここで、アナログ信号としての赤外線とは、光のエネルギーの変化を０（低レベル）および１（高レベル）の２値で判定するのではなく、光のエネルギーの変化量を扱う信号であることを意味する。これにより、光学式濃度測定装置をセンサや分析装置に適用することができる。またこの場合、赤外線の波長は２μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。この波長帯は環境に代表的に浮遊するガス（ＣＯ_２、ＣＯ、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、ＳＯ_２、ＣＨ_４、Ｈ_２Ｏ等）が吸収する波長帯である。これにより本実施形態に係る光学式濃度測定装置をガスセンサとして利用することができる。

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

〔第１実施形態および第２実施形態〕
本発明の第１実施形態および第２実施形態による光導波路および光学式濃度測定装置について図１から図７を用いて説明する。
本実施形態による光導波路１０は、コア材料をシリコンとして説明するが、例えばＧａＡｓなど、光導波路としての機能を発揮する材料であればシリコンに限られない。

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

光導波路１０は、長手方向（図１における左右の方向）に赤外線ＩＲ（光の一例）が伝搬可能なコア層１１と、コア層１１の表面の少なくとも一部に形成された保護膜１３（詳細は後述する）とを備えている。光導波路１０は、基板１５と、基板１５上に形成されたクラッド層（支持部の一例）１７と、クラッド層１７上に形成されたコア層１１とを備えている。クラッド層１７は、基板１５及びコア層１１を接合するようになっている。コア層１１および基板１５はシリコン（Ｓｉ）で形成され、クラッド層１７は二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）で形成されている。

基板１５およびクラッド層１７は板状を有し、コア層１１は直方体形状を有している。光導波路１０は、コア層１１の長手方向の一端部に形成されたグレーティングカプラ１１１と、コア層１１の長手方向の他端部に形成されたグレーティングカプラ１１３とを有している。グレーティングカプラ１１１は、光源２０の下方に配置されている。グレーティングカプラ１１１は、光源２０から入射する赤外線ＩＲをコア層１１を伝搬する赤外線ＩＲに結合するようになっている。グレーティングカプラ１１３は、光検出器４０の下方に配置されている。グレーティングカプラ１１３は、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲを取り出して光検出器４０に向けて出射するようになっている。

図２は、図１中に示すＡ−Ａ線で切断した光学式濃度測定装置の断面を示している。図２に示すように、本実施形態による光導波路１０は、長手方向に光（本実施形態では赤外線）が伝搬するコア層１１と、外部空間２中に存在する被検出物質との間に形成された保護膜１３を有しており、コア層１１の長手方向に垂直な少なくとも一部の断面（Ａ−Ａ線で切断した断面、すなわち図２に示す断面）において、コア層１１の全ての表面を露出させない構造をしている。本実施形態では、コア層１１は、シリコンで形成されている。保護膜１３が設けられている目的は、コア層１１の表面の自然酸化を抑制することであり、コア層１１の表面が露出することなく、保護膜１３が存在していることが好ましい。そのため、保護膜１３は、コア層１１の表面の自然酸化を抑制することができる層であれば形成材料は問わない。保護膜１３は、例えばコア層１１の形成材料がシリコンである場合、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜などで形成されていてもよい。窒素を含む膜は、コア層１１の表面の酸化を抑制する効果があり、窒素含有率が高いほど酸化抑制の効果が高くなる。保護膜１３は、窒素を含む膜の少なくとも一部の領域において、１％以上の窒素含有率をもつ膜であってもよい。シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜は、シリコンとの屈折率差が大きいため、クラッド層の形成材料としても優れている。さらに、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜は、赤外線の吸収が少ないため、コア層１１の表面に保護膜１３を形成することによる被検出物質の検出感度の劣化を極力抑えられる。

保護膜１３の膜厚は、コア層１１の自然酸化を抑制することができる膜厚であれば薄い方がよい。その理由は、保護膜１３の膜厚が薄いほどエバネッセント波と被検出物質との干渉領域を多くとることができるためである。保護膜１３の膜厚を厚く形成し過ぎると、光導波路１０の特性劣化は防止できるものの、エバネッセント波と被検出物質との干渉量が減ってしまい、光学式濃度測定装置１の検出装置としてのそもそもの感度が減ってしまう。したがって、保護膜１３の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であってよく、２ｎｍ以上５ｎｍ未満であってもよい。保護膜１３の膜厚の下限値の１ｎｍは、コア層１１の表面での自然酸化膜の成長をおおよそ止めるために必要となる膜厚である。保護膜１３の膜厚の上限値の２０ｎｍは、保護膜１３を形成する材料や形成方法によって、自然酸化膜形成の抑制効果が変わることを考慮した膜厚である。

次に、光導波路１０および光学式濃度測定装置１の動作について図１を用いて説明する。光学式濃度測定装置１は、ＡＴＲ法を利用して外部空間２中のガスを検出するようになっている。ＡＴＲ法では、一方のグレーティングカプラから赤外線を光導波路に導入し、光導波路を伝搬させた赤外線を、もう一方のグレーティングカプラ側から取り出し、その先にある光検出器で赤外線の量を検出するようになっている。

より具体的に、図１に示すように、光源２０が出射した赤外線ＩＲは、光導波路１０に設けられたグレーティングカプラ１１１に入射する。グレーティングカプラ１１１は、入射した赤外線ＩＲを回折して所定角度でコア層１１に導入し、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲに結合する。

コア層１１を導光する赤外線ＩＲは、コア層１１と保護膜１３との界面やコア層１１とクラッド層１７との界面で反射を繰り返し、グレーティングカプラ１１３に到達する。赤外線ＩＲがコア層１１と保護膜１３との界面で反射する際に保護膜１３を介して外部空間２にエバネッセント波ＥＷが生じる。エバネッセント波ＥＷが外部空間２に染み出す量（染み出しの深さ）は、外部空間２に存在する被検出物質に応じて異なり、エバネッセント波ＥＷが吸収される量も外部空間２に存在する被検出物質に応じて異なる。このため、コア層１１を伝搬してグレーティングカプラ１１３に到達する赤外線ＩＲの強度は、外部空間２に存在する被検出物質に応じて異なる。

グレーティングカプラ１１３は、到達した赤外線ＩＲを回折して光検出器４０に向けて外部空間２に取り出す。光検出器４０で検出される赤外線ＩＲの強度を解析することにより、外部空間２に存在する被検出物質の濃度などを検出できる。

次に、光導波路１０の製造方法について図１および図２を参照しつつ図３および図４を用いて説明する。図３は、図１中に示すＡ−Ａ線で切断した光導波路１０の製造工程断面図である。

まず、シリコンで形成され最終的に基板１５となる支持基板１５ａと、シリコンで形成されコア層１１が形成される活性基板１１ａのいずれか一方、または両方にＳｉＯ_２膜を形成し、このＳｉＯ_２膜を挟むようにして支持基板１５ａおよび活性基板１１ａを貼り合わせて熱処理して結合する。その後、活性基板１１ａを所定の厚さまで研削・研磨するなどして活性基板１１ａの膜厚を調整する。これにより、図３に示すように、支持基板１５ａと、支持基板１５ａ上に形成されたＢＯＸ層１７ａと、ＢＯＸ層１７ａ上に形成された活性基板１１ａとを有し、「シリコン−絶縁層−シリコン」構造を有するＳＯＩ基板１００が形成される。

次に、ＳＯＩ基板１００をリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて活性基板１１ａをエッチングし、直方体形状のコア層１１を形成する。これにより、図４に示すように、板状の基板１５と、基板１５上に形成され板状のクラッド層１７と、クラッド層１７上の一部に形成され四角柱状のコア層１１とを有する光導波路主要部１０ａを形成する。

その後、熱ＣＶＤによる窒化膜の堆積、またはＮＯやＮ_２Ｏを含む雰囲気下で酸化処理を行い、コア層１１の表面に窒素を含む膜を形成する。この窒化膜は、例えば１ｎｍ以上、２０ｎｍ未満の膜厚となるように形成される。これにより、図２に示すように、クラッド層１７に接する側面を除いて、コア層１１の３つの側面上に保護膜１３が形成される。

窒素を含む膜の形成方法に、熱ＣＶＤによる堆積を用いた場合は、クラッド層１７の表面にも窒素を含む膜が形成される。一方、ＮＯやＮ_２Ｏを含む雰囲気下での酸化を用いた場合は、クラッド層１７の表面には窒素を含む膜は形成されない。本実施形態では、これらの形成方法のうち、ＮＯやＮ_２Ｏを含む雰囲気下での酸化により、コア層１１の表面に窒素を含む保護膜１３が形成されている。

図５は、一例として、ＮＯを含む雰囲気下でシリコン表面を酸化し、膜厚３ｎｍの酸窒化膜を形成したときの、窒素濃度を示すグラフである。図５中に示すグラフの横軸は、酸窒化膜の表面を基準とする深さ（ｎｍ）を示し、当該グラフの縦軸は、酸窒化膜およびシリコン中の窒素濃度（％）を示している。図５に示すように、シリコンと酸窒化膜の界面付近に数パーセントの濃度で窒素が分布していることがわかる。酸窒化膜中の窒素濃度は、酸化中のＮＯガス流量を変更することで調整することができる。

さらにその後、コア層１１の長手方向の一端部にスリット状のグレーティングカプラ１１１を形成し、コア層１１の長手方向の他端部にスリット状のグレーティングカプラ１１３を形成する。これにより、図１に示すように、窒素を含み膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満の保護膜１３をコア層１１の表面に有する光導波路１０が完成する。なお、グレーティングカプラを形成するプロセスと、コア層１１の表面に窒素を含む膜を形成するプロセスは、上述した順番とは逆であってもよい。

さらに、図示は省略するが、光導波路１０のグレーティングカプラ１１１に赤外線ＩＲを入射できるように光源２０を設置し、光導波路１０のグレーティングカプラ１１３から出射する赤外線ＩＲを受光できるように光検出器４０を配置することにより、光学式濃度測定装置１が完成する。

ここで、光導波路１０および光学式濃度測定装置１の他の構成例について図６及び図７を用いて説明する。図６及び図７は、他の構成例による光導波路１０および光学式濃度測定装置１を示している。図７は、図６中に示すＢ−Ｂ線で切断した光学式濃度測定装置１を示している。

図６に示すように、他の構成例による光導波路１０は、コア層１１を支持する支持部１８が部分的にしか存在しない浮遊型のコア層１１を有している。具体的に、コア層１１は、基板１５上に所定の間隔で形成された柱状の複数の支持部１８によって支持されている。

浮遊型のコア層１１を有する光導波路１０を形成する場合、図４に示したＢＯＸ層１７ａ上に四角柱状のコア層１１を形成した後に、追加のプロセスを実施する。具体的には、支持部１８によってコア層１１を支持する領域を除いて、リソグラフィ、ウェットエッチングなどを用いて、ＢＯＸ層１７ａを部分的に除去してコア層１１と基板１５の間に複数の支持部１８を部分的に形成する。これにより、支持部１８によってコア層１１を空中に浮かせることができ、コア層１１と基板１５の間には部分的に空間が形成される。他の構成例による光導波路１０では、コア層１１と基板１５との間の空間に存在する空気がクラッド層としての機能を発揮する。また、図６及び図７に示すように、他の構成例による光導波路１０は、基板１５上に存在するＢＯＸ層１７ａのエッチング残りによって隣り合う支持部１８が接続された構造を有する。

支持部１８の形成後、熱ＣＶＤによる窒化膜の堆積、またはＮＯやＮ_２Ｏを含む雰囲気下で酸化処理を行い、コア層１１の表面に窒素を含む膜を形成する。そうすることで、図７に示すような、コア層１１の長手方向に垂直な断面において、コア層１１の表面全周に保護膜１３を形成することが出来、コア層１１の劣化を効果的に抑制することができる。詳細な説明は省略するが、保護膜１３の形成後、上述と同様の製造工程を実施することにより、図６に示す浮遊型のコア層１１を有する光導波路１０及び光学式濃度測定装置１が完成する。

ここで、本実施形態による光導波路１０および光学式濃度測定装置１（他の構成例による光導波路１０および光学式濃度測定装置１も含む）の効果について説明する。ＡＴＲ法を用いたセンサでは、光導波路を形成するコア層の表面がむき出しになっているほど、多くの量のエバネッセント波を被検出物質と干渉させることができるため、センサとしての感度がよくなる。しかしながら、コア層をむき出しにすると、外部環境の影響で、期待せずにもコア層の表面状態が変化していき、センサ性能が経時変化していってしまう。外部環境によるコア層の表面状態の変化の１つに自然酸化があげられる。図８に示すように、エバネッセント波は、構造体５１（光導波路の場合コア層に相当する）と外部の物質５３との界面に最も多く存在し、この界面から遠ざかるほど、エバネッセント波の光強度Ｅ２は低下していく。このため、センサとしての感度は、構造体５１と物質５３との界面に近い領域の状態変化ほど影響を受けやすい。したがって、構造体５１の最表面に発生する自然酸化膜の影響は、高精度を要求されるセンサにとっては致命的となる。

これに対し、光導波路１０は、コア層１１の表面に保護膜１３を備えている。このため、光導波路１０は、コア層１１が外部空間２に直接接触しないように構成されている。これにより、コア層１１の表面状態は、時間の経過とともに変化せず初期状態を維持できる。その結果、光導波路１０および光学式濃度測定装置１は、経年劣化を防止できる。さらに、保護膜１３は、赤外線の吸収が少ないシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜で形成され、かつ膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満に形成されている。これにより、光導波路１０は、エバネッセント波と被検出物質との干渉量の低減を防止できる。その結果、光導波路１０および光学式濃度測定装置１は、被検出物質を高感度に検出できる。

以上説明したように、本実施形態による光導波路および光学式濃度測定装置（他の構成例による光導波路および光学式濃度測定装置も含む）によれば、コア層の表面に保護膜を有しているため、外部環境起因で発生するコア層の表面状態の劣化を防止できる。その結果、本実施形態による光導波路および光学式濃度測定装置は、被検出物質を高感度に検出でき、かつ感度の経年劣化を防止することが可能になる。

以上、第１実施形態および第２実施形態による光導波路１０を備えた光学式濃度測定装置１について説明したが、第３実施形態および第４実施形態による光導波路は、膜厚が異なる点を除いて、光導波路１０と同様の構成を有するように形成される。また、第３実施形態および第４実施形態による光導波路を備えた光学式濃度測定装置は、光導波路に備えられた保護膜の膜厚が異なる点を除いて、第１実施形態および第２実施形態による光学式濃度測定装置１と同様の構成を有するように形成される。このため、第３実施形態および第４実施形態による光導波路および光学式濃度測定装置によれば、コア層の表面に保護膜を有しているため、外部環境起因で発生するコア層の表面状態の劣化を防止できる。その結果、第３実施形態および第４実施形態による光導波路および光学式濃度測定装置は、被検出物質を高感度に検出でき、かつ感度の経年劣化を防止することが可能になる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に記載の技術的範囲には限定されない。上述した実施形態に、多様な変更又は改良を加えることも可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ 光学式濃度測定装置
２ 外部空間
１０ 光導波路
１０ａ 光導波路主要部
１１ コア層
１１ａ 活性基板
１３ 保護膜
１５ 基板
１５ａ 支持基板
１７ クラッド層
１７ａ ＢＯＸ層
１８ 支持部
１００ ＳＯＩ基板
１１１，１１３ グレーティングカプラ
ＥＷ エバネッセント波
ＩＲ 赤外線

Claims (13)

1. 被測定気体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、
   長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、
   前記コア層の表面の少なくとも一部に形成され、膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であり、前記コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、
   を備え、
   前記コア層の前記長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、前記コア層の表面全周に前記保護膜が形成されている
   光導波路。
2. 長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、
   前記コア層の表面の少なくとも一部に形成され、膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であり、前記コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、
   を備え、
   前記保護膜の少なくとも一部は、気体と接触可能に設けられており、
   前記コア層の前記長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、前記コア層の表面全周に前記保護膜が形成されている
   光導波路。
3. 前記保護膜は窒素を含む
   請求項１または２に記載の光導波路。
4. 被測定気体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、
   長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、
   前記コア層の表面の少なくとも一部に形成され、前記コア層を伝搬する光の波長より膜厚が薄く、窒素を含み、前記コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、
   を備え、
   前記コア層の前記長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、前記コア層の表面全周に前記保護膜が形成されている
   光導波路。
5. 長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、
   前記コア層の表面の少なくとも一部に形成され、前記コア層を伝搬する光の波長より膜厚が薄く、窒素を含み、前記コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、
   を備え、
   前記保護膜の少なくとも一部は、気体と接触可能に設けられており、
   前記コア層の前記長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、前記コア層の表面全周に前記保護膜が形成されている
   光導波路。
6. 前記保護膜の膜厚は１ｎｍ以上２０ｎｍ未満である
   請求項４または５に記載の光導波路。
7. 前記保護膜の少なくとも一部は、前記被測定気体と接することが可能な請求項１または請求項４に記載の光導波路。
8. 前記保護膜はシリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜である
   請求項１から７までのいずれか一項に記載の光導波路。
9. 基板をさらに備え、
   前記コア層は、前記基板上に形成されている
   請求項１から８までのいずれか一項に記載の光導波路。
10. 前記基板及び前記コア層を接合する支持部をさらに備える
    請求項９に記載の光導波路。
11. 前記コア層を伝搬する光はアナログ信号としての赤外線である
    請求項１から１０までのいずれか一項に記載の光導波路。
12. 請求項１から１１までのいずれか一項に記載の光導波路と、
    前記コア層に光を入射可能な光源と、
    前記コア層を伝搬した光を受光可能な検出部と、
    を備える光学式濃度測定装置。
13. 前記光源は波長が２μｍ以上１０μｍ未満の赤外線を前記コア層に入射する
    請求項１２に記載の光学式濃度測定装置。

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