JP6733062B2 - 光導波路及び光学式濃度測定装置 - Google Patents

光導波路及び光学式濃度測定装置 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年１１月２９日に、日本国に特許出願された特願２０１７−２２９４９７の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。
本発明は、光導波路、光学式濃度測定装置および光導波路の製造方法に関する。
結晶などで形成された薄膜などの構造体の中を伝搬する光は、構造体を形成する材料の屈折率が、構造体の外部の材料の屈折率よりも大きい場合、構造体の外部との界面で全反射を繰り返しながら進行していく。構造体を伝搬する光は、この界面で全反射するとき、屈折率の小さい外部側に染み出している。この染み出しは、エバネッセント波（図３４参照）と呼ばれている。エバネッセント波ＥＷは、光Ｌが伝搬していく過程で構造体５１に隣接している物質５３により吸収されうる。このため、構造体５１を伝搬している光Ｌの強度変化から、構造体５１に接している物質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ＥＷの原理を利用した分析法は、全反射吸収分光法（ＡＴＲ：Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ法）と呼ばれ、物質５３の化学組成分析などに利用されている。伝搬させる光としては赤外線を用いることが一般的である。物質には特定の波長の赤外線を選択的に吸収する特性があるため、被測定物質の吸収スペクトルに合わせた赤外線を伝搬させることで、物質の分析やセンシングを行うことが出来る。
特許文献１には、ＡＴＲ法をセンサに応用した光導波路型センサが提案されている。この光導波路型センサは、基板の上にコア層を形成して光を通し、エバネッセント波を利用してコア層に接する物質を検出するようになっている。
ＡＴＲ法を利用したセンサでは、エバネッセント波と被測定物質との相互作用量を拡大させること、及び、被測定物質以外の材料への光吸収を低減させることによりセンサ感度を向上させることが出来る。したがって近年では、特許文献２にあるような、コア層を支える支持部を光の伝搬に沿った方向に対して断続的に存在させ、コア層の多くの部分を浮かせた浮遊構造の光導波路が提案されている。
ところで、ＡＴＲ法を利用したセンサでは、光源からの光を光導波路のコア層に導入する箇所と、光導波路のコア層から光検出器に向けて取り出す箇所が必要になる。そのため、光源と光導波路の間、光検出器と光導波路との間のそれぞれには、光の光軸を曲げるために回折格子（グレーティング）が設けられることが多い。その際、回折格子での光の損失が少ないほど、光検出器で検出される信号の強度が大きく取れてセンサとしては感度が上がる。
回折格子の大きさは、使用する光源、光検出器の受発光面と同程度であることで、光源から光導波路への光導入効率および導波路から光検出器への光取り出し効率を上げられる。
特開２００５−３００２１２号公報 ＷＯ２０１７／００３３５３Ａ１
赤外線ＬＥＤや赤外線センサなどの受発光素子は、光出力やセンサ感度を大きくするために１００μｍ×１００μｍ以上面積の受発光面を持っていることが多い。そのような受発光素子と光導波路を高効率で結合させるためには、回折格子部のサイズも受発光面に合わせた巨大なサイズにする必要がある。しかしながら、特許文献２に記載の様に、回折格子部まで浮遊している構造で、巨大な回折格子を形成すると、図３５に示す様に、回折格子を形成する細線パターンに撓み（例えば、“特に顕著な撓み”参照）が発生し、隣接する細線との距離が広がったり、狭まったりして適正な周期で回折格子を形成することが出来ない。回折格子は、扱う波長に合わせた周期で形成しなければ、高い回折効率を実現することができないため、このような撓みの発生は回折格子での光の損失となる。本発明の目的は、光導波路において、光源から光導波路への光導入効率および導波路から光検出器への光取り出し効率の向上を図ることが可能な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。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、３０μｍ以上の細線が固定されていない場合に撓みが発生し始め、５０μｍ以上の細線が固定されていない場合に顕著な撓みとなり、７０μｍ以上の細線が固定されていない場合に特に顕著な撓みとなることを発見し、少なくとも、細線を７０μｍ未満に分断する位置において細線の変形を低減させることにより、上記課題を解決出来ることを見出して、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は下記のとおりである。
上記目的を達成するために、本発明の一態様による光導波路は、被測定気体または被測定液体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、基板と、長手方向に延伸し、光が伝搬可能であり、光伝搬部と、細線パターンが形成される回折格子部と、を有するコア層と、前記コア層よりも屈折率の小さい材料で形成され、前記基板の少なくとも一部と前記コア層の少なくとも一部とを接続し前記基板に対して前記コア層を支持する支持部と、前記細線パターンを形成する細線の変形を低減する低減部と、を備え、前記コア層の前記長手方向における少なくとも一部の位置での、該長手方向と垂直な断面において、前記光伝搬部と前記基板との間の全領域には、前記支持部が存在しないことを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明による光学式濃度測定装置は、上記本発明の各態様の何れか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、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、浮遊型の光導波路において、光源から光導波路への光導入効率および導波路から光検出器への光取り出し効率の向上の向上を図ることが可能となる。
本発明を適用する光導波路の端部近傍の例示的な形状を示す図である。 本発明の第１実施形態による光導波路および光導波路を備える光学式濃度測定装置の概略構成を示す図である。 図２の光導波路を光源または光検出器側から見た平面図である。 本発明の第１実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、ＳＯＩ基板の一部の平面図である。 図４のＳＯＩ基板をＡ−Ａ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第１実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部の平面図である。 図６の光導波路主要部をＢ−Ｂ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第１実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、一部をマスク層で覆った光導波路主要部の一部の平面図である。 図８の光導波路主要部をＣ−Ｃ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第１実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、ＢＯＸ層の一部を除去した光導波路主要部の一部の平面図である。 図１０の光導波路主要部をＤ−Ｄ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第２実施形態による光導波路を光源または光検出器側から見た平面図である。 本発明の第２実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、一部をマスク層で覆った光導波路主要部の一部の平面図である。 図１３の光導波路主要部をＥ−Ｅ線で切断した断面を示す端面図である。 図１３の光導波路主要部をＦ−Ｆ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第２実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、ＢＯＸ層の一部を除去した光導波路主要部の一部の平面図である。 図１６の光導波路主要部をＧ−Ｇ線で切断した断面を示す端面図である。 図１６の光導波路主要部をＨ−Ｈ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第３実施形態による光導波路を光源または光検出器側から見た平面図である。 図１９の回折格子部の拡大図である。 本発明の第３実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部の平面図である。 図２１の光導波路主要部をＩ−Ｉ線で切断した断面を示す端面図である。 図２１の光導波路主要部をＪ−Ｊ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第３実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、ＢＯＸ層の一部を除去した光導波路主要部の一部の平面図である。 図２４の光導波路主要部をＫ−Ｋ線で切断した断面を示す端面図である。 図２４の光導波路主要部をＬ−Ｌ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第４実施形態による光導波路および光導波路を備える光学式濃度測定装置の概略構成を示す図である。 本発明の第４実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部の平面図である。 図２８の光導波路主要部をＭ−Ｍ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第４実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、コア層にハーフエッチングを施した光導波路主要部の一部の平面図である。 図３０の光導波路主要部をＮ−Ｎ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第４実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、ＢＯＸ層の一部を除去した光導波路主要部の一部の平面図である。 図３２の光導波路主要部をＯ−Ｏ線で切断した断面を示す端面図である。 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。 巨大な浮遊型回折格子に撓みが発生している様子を説明するための図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
＜光導波路＞
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、基板と、長手方向に延伸し且つ光が伝搬可能であり、光伝搬部と、細線パターンが形成される回折格子部と、を有するコア層と、コア層よりも屈折率の小さい材料で形成され、基板の少なくとも一部とコア層の少なくとも一部とを接続し基板に対してコア層を支持する支持部と、細線パターンを形成する細線の変形を低減する低減部と、を備え、コア層の長手方向における少なくとも一部の位置での、当該長手方向と垂直な断面において、光伝搬部と基板との間の全領域には支持部が存在しない。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、細線とは、回折格子部の一部に形成された互いに隣接する溝または孔の間に画成される部分である。溝が形成された構成において、細線は段状である。孔が形成された構成において、細線は柱状である。細線は、直線状であってもよく、曲線状であってもよい。また、細線パターンは複数の細線を含んでよい。また、屈折率は、任意の波長の光に対して、あるいは特定の波長の光に対する屈折率である。特定の波長の光は、特に光学式濃度測定装置において、コア層を伝搬する光である。低減部は、細線パターン内における細線の撓みを低減する機能を持ったものであれば形態を問わないが、撓みを低減する機能を持たない空気などは低減部には該当しない。また、低減部は、回折格子部および基板の間に設けられる支持部を含んでよい。細線は、基板との間に支持部が存在する第１領域と支持部が存在しない第２領域を有してよい。第２領域の最大長さは７０μｍ未満であってよく、好ましくは５０μｍ未満であってよく、さらに好ましくは３０μｍ未満であってよい。低減部は、互いに隣接する細線の間に設けられる仕切り部を含んでよい。互いに隣接する細線とは、任意の細線の長手方向に隣接する細線である。仕切り部は細線パターンと一体に形成されていてよい。少なくとも一部の細線の連続的または断続的な合計長さは３０μｍ以上であってよい。低減部は、細線を７０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられていてよく、好ましくは５０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられていてよく、さらに好ましくは３０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられていてよい。なお、細線の連続的または断続的な合計長さが７０μｍに満たない細線パターンに対しては、低減部は、細線を当該細線の長さ未満に分断する位置に設けることとする。また、コア層の長手方向と垂直な断面は、例えば、矩形であるが、矩形に限定されない。なお、支持部が存在しないとは、コア層が、長手方向において互いに隣接する、２つの支持部の間に架渡されていることである。さらには、支持部が存在しないとは、コア層の基板に対向する全領域は、長手方向において互いに隣接する２つの支持部の間で、空隙、または、コア層が伝搬する光の吸収率が支持部よりも低い媒質を、基板との間に有することである。
第１実施態様に係る光導波路によれば、コア層の長手方向における少なくとも一部の位置での、当該長手方向と垂直な断面において、光伝搬部と基板との間の全領域には支持部が存在せず、細線の変形を低減する低減部が設けられる。これにより、第１実施態様に係る光導波路は、長手方向の一部の位置に支持部が存在しない光導波路において巨大な回折格子部で発生する細線パターンの撓みを回避でき、設計寸法通りの適正な周期で回折格子を形成出来る。その結果、回折格子での光の損失を効率的に抑制出来る。このため、第１実施態様に係る光導波路を備える光学式濃度測定装置において、光源から光導波路への光導入効率および導波路から光検出器への光取り出し効率の向上させることが可能になる。さらに、低減部を回折格子部および基板の間に設けられる支持部として具現化することにより、前述の撓みを低減しながら、比較的サイズの大きな回折格子部を基板上に安定的に支持可能である。さらに、少なくとも一部の細線の長さが３０μｍ以上である比較的サイズの大きな回折格子部において、細線の第２領域の最大長さが７０μｍ未満であることにより細線パターンの撓みをさらに確実に回避でき、５０μｍ未満であることにより細線パターンの撓みをいっそう確実に回避でき、３０μｍ未満であることにより細線パターンの撓みをよりいっそう確実に回避出来る。または、低減部を回折格子部内における隣接する細線の間に設けられる仕切り部として具現化することにより、細線が仕切られるため、平行に隣合う細線同士が接近しにくくなり、細線パターンが適正な周期を保ち易くなる。仕切り部には支持部が存在してもよく、存在しなくてもよい。また、仕切り部を細線パターンと一体的に形成することにより、容易且つ製造コストを低減可能である。また、少なくとも一部の細線の連続的または断続的な合計長さが３０μｍ以上である比較的サイズの大きな回折格子部において、低減部は、細線を７０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられることにより細線パターンの撓みをさらに確実に回避でき、５０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられることにより細線パターンの撓みをいっそう確実に回避でき、３０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられることにより細線パターンの撓みをよりいっそう確実に回避出来る。
また、本発明の第２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、基板と、長手方向に延伸し且つ光が伝搬可能であり、光伝搬部と、細線パターンにより形成される回折格子部と、を有するコア層と、コア層よりも屈折率の小さい材料で形成され、基板の少なくとも一部とコア層の少なくとも一部とを接続し基板に対してコア層を支持する支持部と、を備え、コア層の長手方向における少なくとも一部の位置での、当該長手方向と垂直な断面において、光伝搬部と基板との間の全領域には、支持部が存在せず、また、回折格子部において、支持部の少なくとも一部が、細線パターンを形成する細線を分断する位置に、少なくとも設けられている。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、細線とは、回折格子部の一部に互いに平行な直線状または曲線状の溝または孔が直線状に並ぶように削成することにより互いに隣接する当該溝または当該孔の間に画成される段部である。また、屈折率は、任意の波長の光に対して、あるいは特定の波長の光に対する屈折率である。特定の波長の光は、特に光学式濃度測定装置において、コア層を伝搬する光である。また、コア層の長手方向と垂直な断面は、例えば、矩形であるが、矩形に限定されない。また、回折格子部において、少なくとも一部の細線の長さは３０μｍ以上であってよい。回折格子部において、支持部は、細線を７０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられていてよく、好ましくは５０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられていてよく、さらに好ましくは３０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられていてよい。なお、細線の長さが７０μｍに満たない細線パターンに対しては、支持部は、細線を当該細線の長さ未満に分断する位置に設けることとする。
本発明の第２実施態様に係る光導波路によれば、コア層の長手方向における少なくとも一部の位置での、当該長手方向と垂直な断面において、光伝搬部と基板との間の全領域には支持部が存在せず、細線パターンにより形成される回折格子部の、細線を分断する位置に少なくとも支持部の一部が設けられている。これにより本発明の第２実施態様に係る光導波路は、長手方向の一部の位置に支持部が存在しない光導波路において巨大な回折格子部で発生する細線パターンの撓みを回避でき、設計寸法通りの適正な周期で回折格子を形成出来る。その結果、回折格子での光の損失を効率的に抑制出来る。このため、第２実施態様に係る光導波路を備える光学式濃度測定装置において、光源から光導波路への光導入効率および導波路から光検出器への光取り出し効率の向上させることが可能になる。さらに、少なくとも一部の細線の長さが３０μｍ以上である比較的サイズの大きな回折格子部において、支持部は、細線を７０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられることにより細線パターンの撓みをさらに確実に回避でき、５０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられることにより細線パターンの撓みをいっそう確実に回避でき、３０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられることにより細線パターンの撓みをよりいっそう確実に回避出来る。
また、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、基板と、長手方向に延伸し且つ光が伝搬可能であり、光伝搬部と、細線パターン及び当該細線パターンを構成する複数の細線の間に設けられる仕切り部により形成される回折格子部と、を有するコア層と、コア層よりも屈折率の小さい材料で形成され、基板の少なくとも一部とコア層の少なくとも一部とを接続し基板に対してコア層を支持する支持部と、を備え、コア層の長手方向における少なくとも一部の位置での、当該長手方向と垂直な断面において、光伝搬部と基板との間の全領域には、支持部が存在せず、細線の少なくとも一部は基板との間に空隙を有し、回折格子部の少なくとも一部は、支持部によって基板に対して支持されている。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、細線とは、回折格子部の一部に互いに平行な直線状または曲線状の溝または孔が直線状に並ぶように削成することにより互いに隣接する当該溝または当該孔の間に画成される段部である。また、屈折率は、任意の波長の光に対して、あるいは特定の波長の光に対する屈折率である。特定の波長の光は、特に光学式濃度測定装置において、コア層を伝搬する光である。また、コア層の長手方向と垂直な断面は、例えば、矩形であるが、矩形に限定されない。また、回折格子部の少なくとも一部において、複数の細線による細線の延伸方向の長さの総和は３０μｍ以上であってよい。すなわち、回折格子部の少なくとも一部の細線の断続的な合計長さは３０μｍ以上であってよい。また、複数の細線の一つあたりの長さは７０μｍ未満であってよく、好ましくは５０μｍ未満であってよく、さらに好ましくは３０μｍ未満であってよい。なお、複数の細線による細線の延伸方向の長さの総和が７０μｍに満たない細線パターンに対しては、複数の細線の一つあたりの長さは、当該延伸方向の長さの総和未満であることとする。
本発明の第３実施態様に係る光導波路によれば、光伝搬部と、細線パターン及び仕切り部により形成される回折格子部を備え、コア層の長手方向における少なくとも一部の位置での当該長手方向と垂直な断面において、光伝搬部と基板との間の全領域には支持部が存在しない。これにより本発明の第３実施態様に係る光導波路は、長手方向の一部の位置に支持部が存在しない光導波路において巨大な回折格子部で発生する細線パターンの撓みを回避でき、設計寸法通りの適正な周期で回折格子を形成出来る。その結果、回折格子での光の損失を効率的に抑制出来る。このため、第３実施態様に係る光導波路を備える光学式濃度測定装置において、光源から光導波路への光導入効率および導波路から光検出器への光取り出し効率の向上させることが可能になる。さらに、少なくとも一部の細線の断続的な合計長さが３０μｍ以上である比較的サイズの大きな回折格子部において、複数の細線の一つあたりの長さを７０μｍ未満とすることにより細線パターンの撓みをさらに確実に回避でき、５０μｍ未満とすることにより細線パターンの撓みをいっそう確実に回避でき、３０μｍ未満とすることにより細線パターンの撓みをよりいっそう確実に回避出来る。
また、コア層の少なくとも一部は、露出、または薄膜により被覆されていてもよい。なお、薄膜は、光学式測定装置において、コア層を伝搬する光の真空波長の１／４よりも薄い膜厚を有する。したがって、コア層は、気体または液体と接触可能である。これにより、エバネッセント波と被測定気体または被測定液体を相互作用させ、被測定気体または被測定液体の濃度を測定することが可能となる。
以下、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、長手方向に延伸し且つ光が長手方向に沿って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）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等で形成されたコア層が挙げられる。コア層は、本実施態様において、例えば、長尺の板状である。
第１実施態様によれば、コア層は、光を伝搬させることを目的とした光伝搬部と、光を光導波路に導入または光導波路から取り出すことを目的とした、細線パターンにより形成される回折格子部とを有しており、細線パターンを形成する細線の変形を低減する低減部が設けられ、コア層の特に光伝搬部の長手方向の少なくとも一部の位置での、当該長手方向に対して垂直な断面において、コア層の特に光伝搬部と基板との間の全領域には支持部が存在しない。支持部が存在しない構成により、コア層からしみ出すエバネッセント波と周囲の気体または液体との相互作用量を増加させることが可能となる。また、低減部を設ける構成により、コア層の膨張収縮による撓みの発生を抑制出来る。
また、第２実施態様によれば、コア層は光を伝搬させることを目的とした光伝搬部と、光を光導波路に導入または光導波路から取り出すことを目的とした、細線パターンにより形成される回折格子部を有しており、コア層の特に光伝搬部の長手方向における少なくとも一部の位置での、当該長手方向と垂直な断面において、コア層の特に光伝搬部と基板との間の全領域には支持部が存在せず、細線パターンを形成する細線を分断する位置において回折格子部は少なくとも支持部に支持されている。
また、第３実施態様によれば、コア層は光を伝搬させることを目的とした光伝搬部と、光を光導波路に導入または光導波路から取り出すことを目的とした回折格子部を有しており、コア層の特に光伝搬部の長手方向における少なくとも一部の位置での、当該長手方向と垂直な断面において、コア層の特に光伝搬部と基板との間の全領域には支持部が存在せず、回折格子部は、複数の細線により構成される細線パターン及び複数の細線の間に設けられる仕切り部により形成されており、回折格子部の細線の少なくとも一部は、基板との間に空隙を有し、回折格子部の少なくとも一部は、支持部によって基板に対して支持されている。
また、コア層の少なくとも一部は、露出することにより被測定気体または被測定液体と直接接触可能に設けられていてもよい。また、コア層の少なくとも一部は、コア層を伝搬する光の真空波長の１／４よりも薄い薄膜に被覆されることにより当該薄膜を介して被測定気体または被測定液体と接触可能に設けられていてもよい。これにより、エバネッセント波と被測定気体または被測定液体を相互作用させ、被測定気体または被測定液体の濃度を測定することが可能となる。
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、各実施態様に係る光導波路をセンサや分析装置に適用することが出来る。またこの場合、赤外線の真空波長は２μｍ以上１２μｍ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（ＣＯ2、ＣＯ、ＮＯ、Ｎ2Ｏ、ＳＯ2、ＣＨ4、Ｈ2Ｏ、Ｃ2Ｈ6Ｏ等）が吸収する波長帯である。これにより各実施態様に係る光導波路をガスセンサとして利用することが出来る。
＜基板＞
基板は、基板上に支持部及び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基板等が挙げられる。基板は、少なくともコア層が設けられる側の主面側で、基板と異なる材料の膜で覆われてもよい。ただし、当該膜は、基板上の領域において、平面視で、コア層と重複しない少なくとも一部に、１μｍ以上の膜厚で存在しなくてよい。言換えると、コア層の膜厚方向から見て、コア層の領域を除いた基板の、コア層側の領域の少なくとも一部を覆う当該膜の膜厚は、１μｍ未満であってよい。好ましくは、当該膜は、基板上の領域において、平面視で、コア層と重複しない少なくとも一部には、０．５μｍ以上の膜厚で存在しなくてよい。言換えると、好ましくは、コア層の膜厚方向から見て、コア層の領域を除いた基板の、コア層側の領域の少なくとも一部を覆う当該膜の膜厚は、０．５μｍ未満であってよい。さらに好ましくは、当該膜は、基板上の領域において、平面視で、コア層と重複しない少なくとも一部には、存在しなくてよい。言換えると、さらに好ましくは、コア層の膜厚方向から見て、コア層の領域を除いた基板の、コア層側の領域の少なくとも一部は、露出していてよい。
本実施態様における光導波路および光学的濃度測定装置では、コア層の一部に支持部が設けられない浮遊型構造である。そのため、切削水を用いた通常のブレードダイシングでは浮遊型構造の維持が困難であるため、光導波路を個片化する際にレーザーを用いたダイシングの適用が考えられる。レーザダイシングにおいて、ダイシングする領域に基板とは異なる材料の膜が厚い膜厚で存在する場合、当該膜がレーザー光の基板内部への進入を妨げ、またダイシング中にデブリを発生させ得る。一方で、本実施態様では、基板が基板とは異なる材料の膜で覆われながらも、当該膜が基板上の領域において平面視でコア層と重複しない少なくとも一部に１μｍ以上の膜厚で存在しないことにより、当該膜によるレーザー光の基板内部への進入の妨害およびデブリの発生が低減され得る。
＜支持部＞
支持部は、基板の少なくとも一部とコア層の少なくとも一部とを接続する。支持部は、任意の波長の光またはコア層を伝搬する光に対してコア層よりも屈折率が小さい材料であり、基板及びコア層を接合可能であれば特に制限されない。一例として、支持部の形成材料として、ＳｉＯ2等が挙げられる。
支持部の形成方法の一例としては、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の埋め込み酸化膜（ＢＯＸ：Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層（ＳｉＯ2層）をエッチングすることで、コア層（Ｓｉ層）と基板（Ｓｉ層）をＢＯＸ層で支持する構造を形成することが出来る。
＜光学式濃度測定装置＞
本発明の一実施態様に係る光学式濃度測定装置は、本発明の一実施態様に係る光導波路と、コア層に光を入射可能な光源と、コア層を伝搬した光を受光可能な検出部と、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出来る。光源は光導波路と光接続可能な態様であればどのような配置でもよい。例えば、光源は、光導波路と同じ個体内に光導波路に隣接して配置してもよいし、別の個体として光導波路から一定の距離を置いて配置してもよい。また、ガスの測定に紫外線を用いる場合には光源として、水銀ランプや紫外線ＬＥＤなどを用いることが出来る。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出来る。
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出来る。またこの場合、赤外線の真空波長は２μｍ以上１２μｍ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（ＣＯ2、ＣＯ、ＮＯ、Ｎ2Ｏ、ＳＯ2、ＣＨ4、Ｈ2Ｏ、Ｃ2Ｈ6Ｏ等）が吸収する波長帯である。これにより本実施態様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出来る。
＜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出来る。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出来る。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出来る。
＜実施形態＞
本発明は、図１の３つの例に示すような、光伝搬部１０と回折格子部（グレーティング部）１１とを有するコア層１２を備える光導波路に適用する。さらには、光伝搬部１０においてコア層１２の一部は支持部に接続せず、かつ、回折格子部１１の格子または細線パターンを形成する少なくとも一部の細線１３の連続的な長さが３０μｍ以上ある回折格子を有する光導波路に適用する。格子を形成する細線１３の長さとは、格子に沿った長さであり、円弧のように必ずしも直線である必要はない（最下段のコア層１２参照）。
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る光導波路および光導波路を備える光学式濃度測定装置１について図２から図６を用いて説明する。
図２は、第１実施形態による光学式濃度測定装置１４の概略構成を示す図であるとともに、第１実施形態による光導波路１５を利用したＡＴＲ法の概念図でもある。図２に示すように、光学式濃度測定装置１４は、濃度などを検出するガスが存在する外部空間１６に設置されて使用される。光学式濃度測定装置１４は、第１実施形態による光導波路１５と、光導波路１５に備えられたコア層１２に光（第１実施形態では赤外線ＩＲ）を入射可能な光源１７と、コア層１２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）１８とを備えている。
光導波路１５は、基板１９と、赤外線ＩＲ（光の一例）が伝搬可能なコア層１２と、基板１９の少なくとも一部とコア層１２の少なくとも一部を接続し基板１９に対してコア層１２を支持する支持部２０とを備えている。コア層１２および基板１９は例えばシリコン（Ｓｉ）で形成され、支持部２０は例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）で形成されている。
図３は、図２の光導波路１５を光源１７または光検出器１８側から見た平面図である。図３に示すように、基板１９は例えば板状を有し、コア層１２は例えば長手方向に延伸する直方体形状を有している。光導波路１５は、コア層１２の長手方向の一端部に形成された回折格子部１１（グレーティングカプラ）と、コア層１２の長手方向の他端部に形成された回折格子部１１（グレーティングカプラ）と、両端の回折格子部１１を結合している光伝搬部１０とを有している。
図２に示すように、一方の回折格子部１１は、光源１７の出射方向（第１実施形態においては光導波路１５の積層方向が鉛直方向に平行且つ基板１９が鉛直下方側を向くように配置された状態における鉛直下方）に配置されている。この回折格子部１１は、光源１７から入射する赤外線ＩＲをコア層１２に結合するようになっている。他方の回折格子部１１は、光検出器１８に対向する方向（第１実施形態においては光導波路１５の積層方向が鉛直方向に平行且つ基板１９が鉛直下方側を向くように配置された状態における鉛直下方）に配置されている。この回折格子部１１は、コア層１２を伝搬する赤外線ＩＲを取り出して光検出器１８に向けて出射するようになっている。
図２に示すように、光伝搬部１０は、長手方向において断続的に支持部２０と接続されており、支持部２０が設けられた領域を除いて、光伝搬部１０および基板１９の間にクラッド層などの所定の層を有さずに空隙２１を有する構造をしている。一方、図３に示すように、回折格子部１１は光源１７や光検出器１８の受発光面に合わせて巨大な回折格子が形成されている。格子および細線パターンを形成する細線１３の長さは３０μｍ以上あり、回折格子部１１および基板１９の間には支持部２０が存在している。
ここで、第１実施形態による光導波路１５についてより詳細に説明する。ＡＴＲ法を用いたセンサでは、図２に示すように、コア層１２から染み出るエバネッセント波ＥＷと被測定物質との相互作用領域を拡大させる（つまりコア層１２の露出部分を拡大させる）ことで、センサとしての感度を上げられる。しかしながら、特許文献２に記載の構造のように、回折格子部に支持部を設けないと、回折格子を形成する細線が撓むことで、適正な周期で格子を形成できなくなる。この撓みは細線の長さが３０μｍ以上で発生し始め、５０μｍ以上で顕著になり、７０μｍ以上の時に特に顕著になる。そのため、細線の長さが３０μｍ以上となる回折格子部を固定することが好ましい。
これに対し、第１実施形態による光導波路１５は、光伝搬部１０の長手方向における一部に支持部２０を設けず、光受発光素子（光源１７または光検出器１８）との結合部である回折格子部１１は、基板１９との間にコア層１２を支持する支持部２０を有している。回折格子部１１に接続される支持部２０は、回折格子部１１に形成されている細線１３の変形を低減させる低減部として機能し、巨大な回折格子部１１を形成しても、設計通りの撓みのない回折格子を形成出来る。なお、回折格子部１１に接続される支持部２０は、細線１３の延伸方向において当該細線１３を７０μｍ未満に分断する位置、または細線１３が７０μｍ未満である構成においては当該細線１３を分断する任意の位置に少なくとも設けられていればよく、第１実施形態においては、延伸方向の全体に支持部２０が設けられている。
次に、第１実施形態による光導波路１５の製造方法について図４から図１１を用いて説明する。図４は、光導波路１５の製造工程平面図を示している。図５は、図４中に示すＡ−Ａ線で切断した光導波路１５の製造工程端面図を示している。図６は、光導波路１５の製造工程平面図を示している。図７は、図６中に示すＢ−Ｂ線で切断した光導波路１５の製造工程端面図を示している。図８は、光導波路１５の製造工程平面図を示している。図９は、図８中に示すＣ−Ｃ線で切断した光導波路１５の製造工程端面図を示している。図１０は、光導波路１５の製造工程平面図を示し、図１１は、図１０中に示すＤ−Ｄ線で切断した光導波路１５の製造工程端面図を示している。
まず、図４、図５に示すように、シリコンで形成され最終的に基板１９となる支持基板１９ａと、シリコンで形成されコア層１２が形成される活性基板１２ａのいずれか一方、または両方にＳｉＯ2膜を形成し、このＳｉＯ2膜を挟むようにして支持基板１９ａおよび活性基板１２ａを貼り合わせて熱処理して結合する。その後、活性基板１２ａを所定の厚さまで研削・研磨するなどして活性基板１２ａの膜厚を調整する。これにより、支持基板１９ａと、支持基板１９ａ上に形成されたＢＯＸ層２０ａと、ＢＯＸ層２０ａ上に形成された活性基板１２ａとを有し、「シリコン−絶縁層−シリコン」構造を有するＳＯＩ基板１５ａが形成される。
次に、ＳＯＩ基板１５ａをリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて活性基板１２ａをエッチングし、光伝搬部１０および回折格子部１１によって構成されるコア層１２を形成する。これにより、図６、図７に示すように、板状の支持基板１９ａと、支持基板１９ａ上に形成され板状のＢＯＸ層２０ａと、ＢＯＸ層２０ａ上の一部に形成され四角柱状のコア層１２とを有する光導波路主要部１５ｂを形成する。
次に、図８、図９に示すように、コア層１２およびＢＯＸ層２０ａの一部を覆うマスク層Ｍ１を形成する。マスク層Ｍ１は支持部２０としてＢＯＸ層２０ａを残したい領域を覆うように配置する。例えば、第１実施形態において、光伝搬部１０の長手方向における支持部２０を形成すべき位置を中心に、光伝搬部１０の幅方向の長さより長く且つ設計上の支持部２０の長手方向の長さより長い矩形の領域を覆うようにマスク層Ｍ１を配置する。また、例えば、第１実施形態において、回折格子部１１全体よりも大きな矩形の領域を覆うようにマスク層Ｍ１を配置する。マスク層Ｍ１は、フォトレジストでもよいし、シリコン窒化膜等のハードマスクでもよい。
次に、マスク層Ｍ１をマスクとして光導波路主要部１５ｂのＢＯＸ層２０ａの一部をウェットエッチングなどで除去する。等方成分のあるエッチングを行うことにより、コア層１２の幅の細い部分である光伝搬部１０の下にあるＢＯＸ層２０ａは除去され、マスク層Ｍ１の下にあるＢＯＸ層２０ａは支持部２０として残る。これにより、図１０、図１１に示すように、光伝搬部１０の長手方向における一部の位置に支持基板１９ａとの間に空隙２１を有し、連続的な長さ３０μｍ以上の細線１３が形成された回折格子部１１全体が支持部２０により固定されるように支持される構造を実現出来る。
その後、マスク層Ｍ１をエッチングすることで、図２、図３に示すように、第１実施形態の光導波路１５に相当する構造の光導波路主要部１５ｂが得られる。
次に、支持基板１９ａを所定領域で切断して光導波路主要部１５ｂを個片化する。これにより、光伝搬部１０の長手方向における一部の位置において基板１９との間に空隙２１を有し、長さ３０μｍ以上の細線１３によって形成された回折格子部１１全体が固定されている光導波路１５（図３参照）が完成する。
さらに、図２に示すように、光導波路１５の一方の回折格子部１１（グレーティングカプラ）に赤外線ＩＲを入射出来るように光源１７を設置し、光導波路１５の他方の回折格子部１１（グレーティングカプラ）から出射する赤外線ＩＲを受光出来るように光検出器１８を配置することにより、光学式濃度測定装置１４が完成する。
〔第２実施形態〕
第２実施形態は、第１実施形態の回折格子部の下に形成する支持部以外は第１実施形態と同様であるため、同様な箇所の説明は省略する。以下、第１実施形態と同じ構造の部位には同じ符号を付して説明する。第２実施形態では、第１実施形態のように回折格子部を全て支持部により支持せず、部分的に支持する構造をとる。
第２実施形態では、図１２に示す様に、光導波路１５０の回折格子部１１において、細線１３を７０μｍ未満に分断する位置、または細線１３が７０μｍ未満である構成においては当該細線１３を分断する任意の位置に支持部２００を断続的に形成する。言換えると、細線１３において、基板１９との間に支持部２００が存在しない領域（第２領域）の最大長さは７０μｍ未満である。したがって、当該支持部２００は、回折格子部１１に形成されている細線１３の変形を低減させる低減部として機能する。こうすることで、撓みが特に顕著に発生する７０μｍ以上連続した、細線１３の非固定状態の形成を回避でき、その結果、回折格子部１１のサイズが巨大であっても設計通りの撓みのない適正な回折格子を形成することが出来る。
次に、第２実施形態による光導波路１５０の製造方法について図１３から図１８を用いて説明する。図１３は、光導波路１５０の製造工程平面図を示している。図１４は、図１３中に示すＥ−Ｅ線で切断した光導波路１５０の製造工程端面図を示している。図１５は、図１３中に示すＦ−Ｆ線で切断した光導波路１５０の製造工程端面図を示している。図１６は、光導波路１５０の製造工程平面図を示している。図１７は、図１６中に示すＧ−Ｇ線で切断した光導波路１５０の製造工程端面図を示している。図１８は、図１６中に示すＨ−Ｈ線で切断した光導波路１５０の製造工程端面図を示している。
第２実施形態では、第１実施形態におけるＢＯＸ層２０ａ上にコア層１２を形成する工程（図６、図７参照）の後、図１３に示すように、光導波路主要部１５０ｂのコア層１２およびＢＯＸ層２０ａの一部を覆うマスク層Ｍ２を形成する。第２実施形態においては、図１３から図１５に示すように、マスク層Ｍ２は回折格子部１１全体を覆うのではなく、回折格子を形成する細線１３を７０μｍ未満に分断する位置、または細線１３が７０μｍ未満である構成においては当該細線１３を分断する任意の位置に断続的に形成する。マスク層Ｍ２は、フォトレジストでもよいし、シリコン窒化膜等のハードマスクでもよい。
次に、マスク層Ｍ２をマスクとして光導波路主要部１５０ｂのＢＯＸ層２０ａの一部をウェットエッチングなどで除去する。等方成分のあるエッチングを行うことにより、コア層１２の幅の細い部分である光伝搬部１０の下にあるＢＯＸ層２０ａは除去され、マスク層Ｍ２およびコア層１２の幅の太い部分の下にあるＢＯＸ層２０ａは支持部２００として残る。これにより、図１６から図１８に示すように、光伝搬部１０の長手方向における一部の位置に支持基板１９ａとの間に空隙２１を有し、連続的な長さ３０μｍ以上の細線１３が形成された回折格子部１１は細線１３を７０μｍ未満に分断する位置、または細線１３が７０μｍ未満である構成においては当該細線１３を分断する任意の位置において支持部２００により固定されるように支持される構造を実現出来る。
その後、マスク層Ｍ２をエッチングすることで、図１２に示すように、第２実施形態の光導波路１５０に相当する構造の光導波路主要部１５ｂが得られる。
次に、支持基板１９ａを所定領域で切断して光導波路主要部１５０ｂを個片化する。これにより、光伝搬部１０の長手方向における一部の位置に基板１９との間に空隙２１を有し、長さ３０μｍ以上の細線１３を７０μｍ未満に分断する位置、または細線１３が７０μｍ未満である構成においては当該細線１３を分断する任意の位置において回折格子部１１が固定されている光導波路１５０（図１２参照）が完成する。
さらに、第１実施形態と同様に（図２参照）、光導波路１５０の一方の回折格子部１１（グレーティングカプラ）に赤外線ＩＲを入射出来るように光源１７を設置し、光導波路１５の他方の回折格子部１１（グレーティングカプラ）から出射する赤外線ＩＲを受光出来るように光検出器１８を配置することにより、光学式濃度測定装置１４が完成する。
〔第３実施形態〕
第３実施形態は、支持部を配置する位置における光伝搬部の形状および回折格子部における細線の形状以外は、第２実施形態と同様であるため、同様な箇所の説明を省略する。以下、第１実施形態または第２実施形態と同じ構造の部位には同じ符号を付して説明する。第３実施形態では、第２実施形態のようにコア層を部分的に支持する構造をとるが、支持部の形成にコア層を利用するところが第２実施形態と異なる点である。
第３実施形態では、図１９、図２０に示す様に、光導波路１５１の回折格子部１１１において、互いの延伸方向に重なる複数のサブ細線２２１によって形成され且つ延伸方向の長さの総和が３０μｍ以上の細線１３１、言い換えると、断続的な合計長さが３０μｍ以上の細線１３１を７０μｍ未満に分断する位置、または細線１３１が７０μｍ未満である構成においては当該細線１３１を分断する任意の位置に、仕切り部２３１および支持部２００を断続的に形成する。なお、仕切り部２３１は、細線１３１の延伸方向に沿った、細線１３１を画定する複数の孔を分断する位置における、孔および溝を形成しない部分である。細線１３１が支持部２００により固定されない長さ部分が７０μｍ未満、細線１３１が７０μｍ未満である構成においては細線１３１が支持部２００により固定されない長さ部分が当該細線１３１の長さ未満となるように、支持部２００および仕切り部２３１を形成する。したがって、当該支持部２００および仕切り部２３１は、回折格子部１１１に形成されている細線１３１の変形を低減させる低減部として機能する。こうすることで、撓みが特に顕著に発生する７０μｍ以上連続した、細線１３１の非固定状態の形成を回避でき、その結果、回折格子部１１１のサイズが巨大であっても設計通りの撓みのない適正な回折格子を形成することが出来る。
次に、第３実施形態による光導波路１５１の製造方法について図２１から図２６を用いて説明する。図２１は、光導波路１５１の製造工程平面図を示している。図２２は、図２１中に示すＩ−Ｉ線で切断した光導波路１５１の製造工程端面図を示している。図２３は、図２１中に示すＪ−Ｊ線で切断した光導波路１５１の製造工程端面図を示している。図２４は、光導波路１５１の製造工程平面図を示している。図２５は、図２４中に示すＫ−Ｋ線で切断した光導波路１５１の製造工程端面図を示している。図２６は、図２４中に示すＬ−Ｌ線で切断した光導波路１５１の製造工程端面図を示している。
第３実施形態では、第１実施形態におけるＳＯＩ基板１５ａを形成する工程（図４、図５参照）の次に、図２１から図２３に示すように、光伝搬部１０１では支持部２００を形成する位置における太幅部２４１、および太幅部２４１以外の部分である細幅部２５１を形成する。太幅部２４１の幅方向の長さは、細幅部２５１の幅方向の長さより長い。また、回折格子部１１１では、回折格子を形成する細線１３１、および細線１３１をサブ細線２２１に分断する仕切り部２３１を形成する。
次に、コア層１２１をマスク層として光導波路主要部１５１ｂのＢＯＸ層２０ａの一部をウェットエッチングなどで除去する。等方成分のあるエッチングを行うことにより、細幅部２５１および細線１３１間の孔の近傍の部分のように、コア層１２１の幅の細い部分の下にあるＢＯＸ層２０ａは除去され、太幅部２４１および当該孔から離れた部分のように、コア層１２１の幅の太い部分の下にあるＢＯＸ層２０ａは支持部２００として残る。これにより、図２４から図２６に示すように、光伝搬部１０の長手方向における一部の位置に支持基板１９ａとの間に空隙２１を有し、連続的な長さ３０μｍ以上の細線１３１が形成された回折格子部１１１における細線１３１を７０μｍ未満に分断する位置、または細線１３１が７０μｍ未満である構成においては当該細線１３１を分断する任意の位置において支持部２００により固定されるように支持されるコア層１２１が形成される。また、一つのサブ細線２２１の長さを７０μｍ未満とし、延伸方向に複数存在する当該サブ細線２２１の長さの総和が３０μｍ以上にさせる仕切り部２３１が形成される。
なお、上記の説明のような第３実施形態の製造方法では、第１実施形態、第２実施形態で使用したマスク層Ｍ１、Ｍ２を使わずにコア層１２１に支持部２００を断続的に形成することができ、製造プロセスを簡略化出来る。
次に、支持基板１９ａを所定領域で切断して光導波路主要部１５１ｂを個片化する。これにより、図１９に示すように、光伝搬部１０の長手方向における一部の位置に基板１９との間に空隙２１を有し、延伸方向に複数存在するサブ細線２２１及び当該複数のサブ細線２２１を区切るための仕切り部２３１が存在する光導波路１５１が完成する。
さらに、第１実施形態と同様に（図２参照）、光導波路１５１の一方の回折格子部１１１（グレーティングカプラ）に赤外線ＩＲを入射出来るように光源１７を設置し、光導波路１５の他方の回折格子部１１１（グレーティングカプラ）から出射する赤外線ＩＲを受光出来るように光検出器１８を配置することにより、光学式濃度測定装置１４が完成する。
〔第４実施形態〕
第４実施形態は、回折格子部における細線の構造以外は、第３実施形態と同様であるため、同様な箇所の説明を省略する。以下、第１実施形態、第２実施形態、または第３実施形態と同じ構造の部位には同じ符号を付して説明する。第４実施形態では、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態のように回折格子部に形成する細線パターンをフルエッチングで形成するのではなく、ハーフエッチングで形成するところが第３実施形態と異なる点である。
第４実施形態では、図２７に示す様に、後述する、回折格子部１１２の細線１３２をハーフエッチングで形成することで、ハーフエッチング後に残ったコア層１２２により、細線パターンが全てつながった構造の光導波路１５２となる。言い換えると、第４実施形態において、細線１３２は、孔でなく溝２６２により画成されている。こうすることで、ハーフエッチング後に残った、互いに隣接する細線１３２間の溝２６２が、支持部２０２形成時のマスク層となって、回折格子部１１２の下には支持部２０２が存在する構造となる。したがって、当該支持部２０２は、回折格子部１１２に形成されている細線１３２の変形を低減させる低減部として機能する。これにより、撓みが特に顕著に発生する７０μｍ以上連続した、細線１３２の非固定状態の形成を回避でき、その結果、回折格子部１１２のサイズが巨大であっても設計通りの撓みのない回折格子を形成出来る。
次に、第４実施形態による光導波路１５２の製造方法について図２８から図３３を用いて説明する。図２８は、光導波路１５２の製造工程平面図を示している。図２９は、図２８中に示すＭ−Ｍ線で切断した光導波路１５２の製造工程端面図を示している。図３０は、光導波路１５２の製造工程平面図を示している。図３１は、図３０中に示すＮ−Ｎ線で切断した光導波路１５２の製造工程端面図を示している。図３２は、光導波路１５２の製造工程平面図を示している。図３３は、図３２中に示すＯ−Ｏ線で切断した光導波路１５２の製造工程端面図を示している。
第４実施形態では、第１実施形態におけるにおけるＳＯＩ基板１５ａを形成する工程（図４、図５参照）の後、光伝搬部１０１および回折格子部１１２の輪郭のみを形成したパターンマスクを用いて、図２８、図２９に示すように、細線１３２が形成されていないコア層１２２を形成する。光伝搬部１０１では、第３実施形態と同様に、支持部２０２を形成する位置に太幅部２４１を形成することで、支持部２０２を形成するためのマスク層（図８、図９、図１３から図１５の第１実施形態、第２実施形態で使用したマスク層Ｍ１、Ｍ２参照）を使用せずに、支持部２０２を形成することが出来る。
次に、リソグラフィとエッチングにより、図３０、図３１に示す様に、回折格子部１１２に細線１３２を形成する。この時のエッチングでは、被エッチングエリア、すなわち溝２６２を形成する領域において、コア層１２２の膜厚分全てをエッチングしきらずに、コア層１２２を一定膜厚残す、いわゆるハーフエッチングを実施する。
次に、コア層１２２をマスク層として光導波路主要部１５２ｂのＢＯＸ層２０ａの一部をウェットエッチングなどで除去する。これにより、図３２、図３３に示すように、光伝搬部１０１の長手方向における一部の位置に支持基板１９ａとの間に空隙２１を有し、連続的な長さ３０μｍ以上の細線１３２が形成された回折格子部１１１全体が支持部２０２により固定されるように支持される構造を実現出来る。
次に、支持基板１９ａを所定領域で切断して光導波路主要部１５２ｂを個片化する。これにより、長さ３０μｍ以上の細線１３２が形成された回折格子部１１２を備えた光導波路１５２（図２７参照）が完成する。
さらに、図２７に示すように、光導波路１５２の一方の回折格子部１１２（グレーティングカプラ）に赤外線ＩＲを入射出来るように光源１７を設置し、光導波路１５の他方の回折格子部１１２（グレーティングカプラ）から出射する赤外線ＩＲを受光出来るように光検出器１８を配置することにより、光学式濃度測定装置１４２が完成する。
以上説明した様に、第１実施形態から第４実施形態による光導波路１５２によれば、光伝搬部１０１がエバネッセント波ＥＷと被測定物質との相互作用領域を拡大可能な光導波路において、光源１７から光導波路１５２への光導入効率および導波路から光検出器１８への光取り出し効率の向上を実現することが出来る。
１０ 光伝搬部
１１、１１１、１１２ 回折格子部
１２、１２１、１２２ コア層
１２ａ 活性基板
１３、１３１、１３２ 細線
１４、１４２ 光学式濃度測定装置
１５、１５０、１５１、１５２ 光導波路
１５ａ ＳＯＩ基板
１５ｂ、１５０ｂ、１５１ｂ、１５２ｂ 光導波路主要部
１６ 外部空間
１７ 光源
１８ 光検出器
１９ 基板
１９ａ 支持基板
２０、２００、２０２ 支持部
２０ａ ＢＯＸ層
２１ 空隙
２２１ サブ細線
２３１ 仕切り部
２４ 太幅部
２５ 細幅部
２６２ 溝
５１ 構造体
５３ 物質
ＥＷ エバネッセント波
ＩＲ 赤外線
Ｌ 光
Ｍ１、Ｍ２ マスク層

Claims (19)

  1. 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、
    基板と、
    長手方向に延伸し、光が伝搬可能であり、光伝搬部と、細線パターンが形成される回折格子部と、を有するコア層と、
    前記コア層よりも屈折率の小さい材料で形成され、前記基板の少なくとも一部と前記コア層の少なくとも一部とを接続し前記基板に対して前記コア層を支持する支持部と、
    前記細線パターンを形成する細線の変形を低減する低減部と、
    を備え、
    前記コア層の前記長手方向における少なくとも一部の位置での、該長手方向と垂直な断面において、前記光伝搬部と前記基板との間の全領域には、前記支持部が存在しない
    光導波路。
  2. 前記低減部は、前記回折格子部および前記基板の間に設けられる前記支持部を含む
    請求項１に記載の光導波路。
  3. 前記細線は、前記基板との間に前記支持部が存在する第１領域と、該基板との間に前記支持部が存在しない第２領域と、を有する
    請求項２に記載の光導波路。
  4. 前記細線の前記第２領域の最大長さは７０μｍ未満である
    請求項３に記載の光導波路。
  5. 前記細線の前記第２領域の最大長さは５０μｍ未満である
    請求項３に記載の光導波路。
  6. 前記細線の前記第２領域の最大長さは３０μｍ未満である
    請求項３に記載の光導波路。
  7. 前記低減部は、互いに隣接する前記細線の間に設けられる仕切り部を含む
    請求項１から６までの何れか一項に記載の光導波路。
  8. 前記仕切り部は、前記細線パターンと一体に形成されている
    請求項７に記載の光導波路。
  9. 少なくとも一部の前記細線の連続的または断続的な合計長さは３０μｍ以上である
    請求項１から８までの何れか一項に記載の光導波路。
  10. 前記低減部は、前記細線を７０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられる
    請求項１から９までの何れか一項に記載の光導波路。
  11. 前記低減部は、前記細線を５０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられる
    請求項１から９までの何れか一項に記載の光導波路。
  12. 前記低減部は、前記細線を３０μｍ未満に分断する位置に少なくとも設けられる
    請求項１から９までの何れか一項に記載の光導波路。
  13. 平面視において前記コア層と重複しない前記基板上の領域の少なくとも一部には、該基板上に該基板と異なる材料の膜が１μｍ以上の膜厚で存在しない
    請求項１から１２までの何れか一項に記載の光導波路。
  14. 平面視において前記コア層と重複しない前記基板上の領域の少なくとも一部には、該基板上に該基板と異なる材料の膜が０．５μｍ以上の膜厚で存在しない
    請求項１から１２までの何れか一項に記載の光導波路。
  15. 平面視において前記コア層と重複しない前記基板上の領域の少なくとも一部には、該基板上に該基板とは異なる材料の膜が存在しない
    請求項１から１２までの何れか一項に記載の光導波路。
  16. 前記コア層の少なくとも一部は、露出、または、薄膜により被覆されている、
    請求項１から１５までの何れか一項に記載の光導波路。
  17. 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１６までの何れか一項に記載の光導波路。
  18. 請求項１から１７までの何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。
  19. 前記光源は真空波長が２μｍ以上１２μｍ未満の赤外線を前記コア層に入射する
    請求項１８に記載の光学式濃度測定装置。
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