JP6744851B2 - 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１７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１７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。

コア層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。

特開２００５−３００２１２号公報

気体や液体などを検出するセンサは、種々の使用態様において、高感度に安定して被測定物質を検出できることが求められる。

本発明は、センサの感度を低下させることなく、コア層を支えるための支持部を持った光導波路および光学式濃度測定装置を提供することを目的とする。

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、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、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第１の支持部および第２の支持部と、を備え、前記コア層と接続される前記第１の支持部および前記第２の支持部の接続部分は、前記コア層の前記長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れており、前記コア層の幅方向において、中心から一方の端の間に前記第１の支持部の接続部分が位置し、前記中心から他方の端の間に前記第２の支持部の接続部分が位置することを特徴とする。

さらに、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、上記本発明のいずれかの態様による光導波路と、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、センサ感度を低下させることなく、コア層を支えるための支持部を持った光導波路および光学式濃度測定装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態による光導波路並びに光学式濃度測定装置１の概略構成と、光学式濃度測定装置を利用したＡＴＲ法によるセンシングとを説明する図である。 本発明の実施形態による光導波路の概略構成を示す図であって、図１中のＡ−Ａ線、Ｃ−Ｃ線で切断した光導波路の端面図である。 本発明の実施形態による光導波路の概略構成を示す図であって、図１中のＢ−Ｂ線で切断した光導波路の端面図である。 図１の第１の支持部および第２の支持部の配置を説明するための、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基板の平面図である。 図５のＳＯＩ基板をＤ−Ｄ線、Ｆ−Ｆ線、Ｅ−Ｅ線、Ｇ−Ｇ線で切断した断面を示す断面図である。 本発明の実施形態による光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の平面図である。 図７の光導波路主要部をＤ−Ｄ線、Ｆ−Ｆ線、Ｅ−Ｅ線、Ｇ−Ｇ線で切断した断面を示す断面図である。 本発明の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平面図である。 図９の光導波路主要部をＤ−Ｄ線、Ｆ−Ｆ線で切断した断面を示す断面図である。 図９の光導波路主要部をＥ−Ｅ線で切断した断面を示す断面図である。 図９の光導波路主要部をＧ−Ｇ線で切断した断面を示す断面図である。 本発明の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平面図である。 図１３の光導波路主要部をＤ−Ｄ線、Ｆ−Ｆ線で切断した断面を示す断面図である。 図１３の光導波路主要部をＥ−Ｅ線で切断した断面を示す断面図である。 図１３の光導波路主要部をＧ−Ｇ線で切断した断面を示す断面図である。 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。 従来の断続的な支持部を持った光導波路を説明するための図である。 従来の断続的な支持部を持った光導波路を説明するための図であって、図１８中のＨ−Ｈ線で切断した光導波路の断面図である。 本発明の実施形態の変形例による光導波路の概略構成を示す図であって、図１中のＢ−Ｂ線またはＣ−Ｃ線でで切断した光導波路の端面図である。

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、長手方向に沿って延伸し且つ光が伝搬可能なコア層と、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コア層よりも屈折率の小さい材料からなる第１の支持部および第２の支持部と、を備え、コア層と接続される支持部の第１の支持部および第２の支持部の接続部分は、コア層の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れており、コア層の幅方向において、中心から一方の端の間に第１の支持部の接続部分が位置し、中心から他方の端の間に第２の支持部の接続部分が位置する。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、コア層の長手方向に垂直な断面は、例えば、矩形であるが、矩形に限定されない。当該断面は、円形でなく、当該断面の中心から外表面までの距離が当該断面の中心を軸にした回転によって変動する任意の形状であればよい。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。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、さらに言換えると、本実施形態において、基板を形成する６面の中で、面積が最大である面である。第１の支持部の接続部分と第２の支持部の接続部分とが長手方向に沿って断続的に存在してもよい。第１の支持部の接続部分と第２の支持部の接続部分とが長手方向に沿って交互に存在してもよい。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、光学式濃度測定装置において、コア層を伝搬する光の波長より薄い膜厚である。

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増加させること、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できる。被測定物質以外の材料への光吸収を低減させるためには、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露出させることが有効である。

このような構成の光導波路として、基板と、基板上に配置されたコア層と、基板とコア層とを接続し基板に対してコア層を断続的に支持する支持部とを備える光導波路が考えられる。このような構成の光導波路では、基板およびコア層の間には、コア層を支持するために必要な領域を除き所定の層が設けられていない。すなわち、このような構成の光導波路では、支持部が設けられた領域を除き、基板およびコア層の間には空間が形成されている。それにより、被測定物質とエバネッセント波が相互作用する領域を拡大し、また、コア層の基板側に設けられる材料による光Ｌの吸収を減らすことができる。その結果、光導波路を用いたセンサの感度が向上する。ただし、十分な機械的強度でコア層を支持するために、コア層と接続される支持部の接続部分が、コア層の幅方向において光軸ＯＡから外表面までの距離が最短となる位置に存在させることが一般的に考えられるため、支持部によってエバネッセント波が吸収されてしまうという課題を有する。

本実施態様に係る光導波路によれば、コア層と接続される第１の支持部および第２の支持部のそれぞれの接続部分はコア層の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れている。つまり、当該接続部分が、光の伝搬に沿った方向となる長手方向に対して直交し且つ支持部を含む平面内において、光が主に伝搬する中心に最も接近する位置よりも離れた位置に設けられている。これにより、本実施形態に係る光導波路は、第１の支持部および第２の支持部によるエバネッセント波の吸収を抑制しつつ、さらに第１の支持部および第２の支持部の両者に接続されない領域をコア層が有するため、測定用の光の伝搬損失を低減しながら、エバネッセント波と被測定気体または被測定液体との相互作用領域を広くとることができる。さらに、本実施形態に係る光導波路によれば、コア層の幅方向において中心から一方の端の間に第１の支持部の接続部分が位置し、中心から他方の端の間に第２の支持部の接続部分が位置していることで、コア層をマクロで見た時の対称性が良好なため、基板上に支持されるコア層の機械強度を向上し得る。このため、本実施形態に係る光導波路を備える光学式濃度測定装置において、高い機械強度を保ちながら測定感度を向上させることが可能になる。また、第１の支持部の接続部分および第２の支持部の接続部分が長手方向に沿って断続的に存在する。これにより、本実施形態にかかる光導波路は、コア層は長手方向において一部に第１の支持部または第２の支持部に接触しない外表面が増加するので、エバネッセント波と被測定気体または被測定液体との相互作用領域を拡大し得る。また、第１の支持部の接続部分および第２の支持部の接続部分が長手方向に沿って交互に存在する。これにより、本実施形態にかかる光導波路は、エバネッセント波と被測定気体または被測定液体との相互作用領域をさらに拡大し得る。

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、長手方向に沿って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）等で形成されたコア層が挙げられる。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。コア層の長手方向に沿った任意の位置における垂直な断面は、円形ではなく、当該断面の中心から外表面までの距離が当該断面の中心を軸にした回転によって変動する任意の形状、例えば矩形である。したがって、コア層は、本実施形態において長尺の板状である。

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、または、コア層を伝搬する光の波長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であってもよい。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。

また、コア層の長手方向における少なくとも一部は、長手方向と垂直な断面においてコア層および基板の間の全領域に、後述の第１の支持部および第２の支持部が存在しなくてもよい。これにより、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。なお、第１の支持部および第２の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、第１の支持部または第２の支持部と、第１の支持部または第２の支持部との間に架渡されていることである。さらには、第１の支持部および第２の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、第１の支持部または第２の支持部と、第１の支持部または第２の支持部との間で、空隙、または、コア層が伝搬する光の吸収率が第１の支持部および第２の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。

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（ＣＯ₂、ＣＯ、ＮＯ、Ｎ₂Ｏ、ＳＯ₂、ＣＨ₄、Ｈ₂Ｏ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。

＜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。基板の主面とは、基板の水平方向（膜厚方向に垂直な方向）の表面を指す。

＜第１の支持部および第２の支持部＞
第１の支持部および第２の支持部は、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。また、第１の支持部および第２の支持部は、基板に対してコア層を支持するようになっている。第１の支持部および第２の支持部は、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、第１の支持部および第２の支持部の形成材料として、ＳｉＯ₂等が挙げられる。

第１の支持部および第２の支持部は、コア層との接続部分がコア層の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置（本実施形態では断面が矩形であるコア層における幅方向の中央位置）から外れている。また、第１の支持部のコア層との接続部分は、コア層の幅方向において中心から一方の端の間に位置し、第２の支持部のコア層との接続部分はコア層の幅方向において中心から他方の端の間に位置している。第１の支持部および第２の支持部の接続部分は、コア層の長手方向に沿って断続的に存在させてもよい。第１の支持部および第２の支持部の接続部分は、コア層の長手方向に沿って交互に存在させてもよい。第１の支持部および第２の支持部の接続部分は、コア層の幅方向におけるコア層の端から該コア層の中心に近づくにつれて、コア層の長手方向に広がる形状であってもよい。このような形状であることにより、コア層の長手方向に沿って、第１の支持部または第２の支持部の無い領域から第１の支持部または第２の支持部の有る領域に向かう場合（またはその逆の場合）に、コア層の周囲の状況が段階的に変化する。その結果、コア層を伝搬する光にとって急激な周囲状況の変化を抑制できるため、コア層を伝搬する光の散乱損失を抑えることが可能となる。

第１の支持部および第２の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）の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できる。

＜光学式濃度測定装置＞
本発明の各実施形態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（ＣＯ₂、ＣＯ、ＮＯ、Ｎ₂Ｏ、ＳＯ₂、ＣＨ₄、Ｈ₂Ｏ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。

〔実施形態〕
本発明の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１６を用いて説明する。

図１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、基板１５と、赤外線ＩＲ（光の一例）が伝搬可能なコア層１１と、基板１５の少なくとも一部とコア層１１の少なくとも一部とを接続し基板１５に対してコア層１１を断続的に支持する第１の支持部１７および第２の支持部１８とを備えている。コア層１１および基板１５はシリコン（Ｓｉ）で形成され、第１の支持部１７および第２の支持部１８は二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）で形成されている。

基板１５は例えば板状を有し、コア層１１は例えば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１１８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１１９とを有している。グレーティングカプラ１１８は、光源２０の出射方向（本実施形態においては光導波路１０の積層方向が鉛直方向に平行且つ基板１５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。グレーティングカプラ１１８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１１９は、光検出器４０に対向する方向（本実施形態においては光導波路１０の積層方向が鉛直方向に平行且つ基板１５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。グレーティングカプラ１１９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中のＡ−Ａ線、Ｃ−Ｃ線で切断した断面を示す端面図であり、図３は図１中のＢ−Ｂ線で切断した断面を示す端面図である。図４は、第１の支持部１７および第２の支持部１８の配置を説明するための、光導波路１０を光源２０または光検出器４０側から見た平面図である。

図１、図２、図３に示すように、光導波路１０は、第１の支持部１７または第２の支持部１８が設けられた領域を除いて、コア層１１および基板１５の間に、クラッド層などの所定の層を有さずに空隙１３を有する構造をしている。

図２に示すように、コア層１１と接続される第１の支持部１７の接続部分１７１は、コア層１１の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置ＮＰ（本実施形態における当該断面の幅方向の中央位置）から外れている。また、第１の支持部１７の当該接続部分１７１は、コア層１１の幅方向において中心から一方の端（図２における右側の端）の間に偏って位置している。また、図１に示すように、第１の支持部１７の接続部分１７１は長手方向に沿って、断続的に存在している。

図３に示すように、コア層１１と接続される第２の支持部１８の接続部分１８１は、コア層１１の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置ＮＰ（本実施形態における当該断面の幅方向の中央位置）から外れている。また、第２の支持部１８の当該接続部分１８１は、コア層１１の幅方向において、第１の支持部１７の接続部分１７１とは反対側の端（図３における左側の端）の間に偏って位置している。また、図１に示すように、第２の支持部１８の接続部分１８１は長手方向に沿って、断続的に存在している。

第１の支持部１７および第２の支持部１８それぞれの、少なくとも接続部分１７１、１８１はコア層１１の長手方向に沿って、交互に存在する。さらには、図１、４に示すように、第１の支持部１７および第２の支持部１８は、コア層１１の長手方向に沿って交互に存在する。

ここで、本実施形態による光導波路１０の効果について、図１８、図１９に示す従来構造の光導波路８０と比較しながら説明する。

ＡＴＲ法を用いたセンサは、コア層内ではシングルモードで光を伝搬させることが多い。本実施形態による光学式濃度測定装置１でも、光導波路１０に備えられたコア層１１内ではシングルモードで光（赤外線）を伝搬させる例を挙げている。ただし、マルチモード伝搬させる場合でも、コア層１１の中央を伝搬する光成分は存在するため、本発明の効果は得られる。図２、図３に示すように、コア層１１内をシングルモードで赤外線ＩＲを伝搬させると、赤外線ＩＲの光軸ＯＡは、赤外線ＩＲの伝搬方向である長手方向に直交する平面で切断した断面において、コア層１１のほぼ中心に位置する。また、このとき、コア層１１の周りにしみ出すエバネッセント波ＥＷは、光軸ＯＡに近いコア層１１の外表面付近で多くなり、光軸ＯＡと重なるコア層１１の中心からの距離が最短となる外表面付近で最も多くなる。なお、図１９に示す、従来構造の光導波路８０のコア層８０３を伝搬する赤外線ＩＲのエバネッセント波ＥＷの分布も、本実施形態の光導波路１０と同様である。

ＡＴＲ法を用いたセンサでは、コア層から染み出るエバネッセント波と被測定物質との相互作用領域を拡大させ（つまりコア層の露出部分を拡大させ）、かつ、被測定物質以外の材料への光の吸収（つまり支持部等による光の吸収）を低減させることで、センサとしての感度を上げられる。しかしながら、図１８、図１９に示す構造では、後述するように、コア層を光の伝搬方向に対して直交する平面で切断した断面において、コア層とコア層を支えるための支持部との接続部分が、コア層の中心からの距離が最短となる外表面付近に位置している。このため、シングルモード伝搬する光の光軸からの距離が最短となる外表面付近と、支持部とが重なってしまう。コア層の周りにしみ出すエバネッセント波は、光軸に近い表面付近で最も多くなるため、当該外表面付近に支持部があると、多くのエバネッセント波は支持部を形成する材料に吸収される。このため、このような構造を有する光導波路を用いたセンサは、被測定物質の検出感度が悪くなるという問題がある。

ここで、従来の光導波路８０の上記問題について図１８、図１９を用いて説明する。図１８、図１９に示すように、従来構造の光導波路８０では、支持部８０５は、光Ｌの伝搬方向である長手方向に対して直交し且つ支持部８０５を含む平面内（すなわち図１９に示した断面）において、コア層８０３の中心と基板８０１との間に設けられている。このように、光Ｌの伝搬方向に直交する平面で切断した断面において、コア層８０３とコア層８０３を支えるための支持部８０５との接続部分が、コア層８０３の幅方向における中心に位置していると、支持部８０５の形成材料によるエバネッセント波ＥＷの吸収が生じたり、支持部８０５の領域が妨げとなってエバネッセント波ＥＷと被測定物質との相互作用領域が減少したりする。その結果、光導波路８０を用いたセンサの感度が低下してしまう。

これに対し、図１、図２、図３、図４に示すように、本実施形態による光導波路１０は、従来の光導波路８０と同様に、コア層１１および基板１５の間に空隙１３を形成しつつ、基板１５に対してコア層１１を第１の支持部１７および第２の支持部１８で支持する構造を有している。コア層１１は長手方向に垂直な断面における中心に関して対称構造を有している。コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲがシングルモードの場合、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲの光軸ＯＡはコア層１１の中央に重なる。そこで、図２、図３に示すように、第１の支持部１７および第２の支持部１８は、コア層１１の幅方向における中心からそれぞれどちらかの端にずらされて（図２では右に、図３では左にずらされている）設けられている。これにより、エバネッセント波ＥＷが最も集中する領域から第１の支持部１７および第２の支持部１８を遠ざけることができる。すなわち、コア層１１との第１の支持部１７および第２の支持部１８それぞれの接続部分１７１、１８１は、長手方向に垂直な断面においてコア層１１の中心から最短となる外表面付近に位置させない。また、コア層１１の露出量を高く取るために、第１の支持部１７および第２の支持部１８は長手方向に沿って断続的に設けられており、さらに、光導波路１０の機械強度を強くするために断続的に位置する第１の支持部１７および第２の支持部１８それぞれのコア層１１との接続部分１７１、１８１は、コア層１１の長手方向、すなわち赤外線ＩＲの伝搬方向に沿って交互に配置されている。このように、光導波路１０を備える光学式濃度測定装置１は、第１の支持部１７および第２の支持部１８の存在による被測定物質ＭＯの検出特性の低下を極力防ぎながら、機械強度を強くすることができる。

次に、本実施形態による光導波路１０の製造方法について図１、図２、図３を参照しつつ図５から図１６を用いて説明する。図５は、光導波路１０の製造工程平面図を示している。図６は、図５中に示すＤ−Ｄ線、Ｆ−Ｆ線、Ｅ−Ｅ線、Ｇ−Ｇ線で切断した光導波路１０の製造工程断面図を示している。図７は、光導波路１０の製造工程平面図を示している。図８は、図７中に示すＤ−Ｄ線、Ｆ−Ｆ線、Ｅ−Ｅ線、Ｇ−Ｇ線で切断した光導波路１０の製造工程断面図を示している。図９は、光導波路１０の製造工程平面図を示している。図１０は、図９中に示すＤ−Ｄ線、Ｆ−Ｆ線で切断した光導波路１０の製造工程断面図を示している。図１１は、図９中に示すＥ−Ｅ線で切断した光導波路１０の製造工程断面図を示している。図１２は、図９中に示すＧ−Ｇ線で切断した光導波路１０の製造工程断面図を示している。図１３は、光導波路１０の製造工程平面図を示している。図１４は、図１３中に示すＤ−Ｄ線、Ｆ−Ｆ線で切断した光導波路１０の製造工程断面図を示している。図１５は、図１３中に示すＥ−Ｅ線で切断した光導波路１０の製造工程断面図を示している。図１６は、図１３中に示すＧ−Ｇ線で切断した光導波路１０の製造工程断面図を示している。

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ＳｉＯ₂膜を形成し、このＳｉＯ₂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５、６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７、８に示すように、板状の支持基板１５ａと、支持基板１５ａ上に形成され板状のＢＯＸ層１７ａと、ＢＯＸ層１７ａ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。

次に、図９から図１１に示すように、コア層１１およびＢＯＸ層１７ａの一部を覆うマスク層Ｍ１を形成する。マスク層Ｍ１はコア層１１の幅方向の中心に対してどちらかの端側に偏って配置され、且つ、断続的に交互に配置する。なお、図１２に示すように、長手方向における一部では、マスク層Ｍ１で覆われず、コア層１１およびＢＯＸ層１７ａを露出させている。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１０ａのＢＯＸ層１７ａ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１３から１６に示すように、コア層１１の幅方向における中心に対して両端側（図１４において右側、図１５において左側）に偏った位置（すなわちコア層１１を伝搬する赤外線の光軸ＯＡから幅方向においてずれた位置）に存在する第１の支持部１７および第２の支持部１８が、断続的に交互に形成され、コア層１１の一部が基板１５から離れた構造となる。つまり、コア層１１と接続される第１の支持部１７および第２の支持部１８それぞれの接続部分１７１、１８１は、赤外線の伝搬方向である長手方向に対して直交し且つ第１の支持部１７または第２の支持部１８を含む平面内において、コア層１１の中心から最短の外表面が位置する、幅方向の中心に位置せずに、コア層１１の幅方向における中心に対してどちらか端側に偏って位置しており、且つ、接続部分１７１、１８１は赤外線の伝搬方向に沿って、断続的に且つ交互に形成される。コア層１１の中心と基板１５の主面１５ｓとの間には、空隙１３が形成される。

その後、マスク層Ｍ１をエッチングする。なお、本実施形態ではグレーティングカプラの形成を省略したが、図１に示すようなグレーティングカプラ１１８、１１９を形成する場合は、図７に示すコア層１１の形成と当時もしくはその前後にグレーティングカプラ１１８、１１９を形成し、その後、図９に示すマスク層Ｍ１を形成するとよい。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１１８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１１９を形成すると図１に示した構造となる。

次に、支持基板１５ａを所定領域で切断して光導波路主要部１０ａを個片化する。これにより、第１の支持部１７および第２の支持部１８が、コア層１１の幅方向においてコア層１１を伝搬する赤外線の光軸ＯＡから偏った位置に断続的に交互に存在する光導波路１０（図１、図２、図３、図４参照）が完成する。

さらに、図１に示すように、光導波路１０のグレーティングカプラ１１８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１１９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。

このように、光導波路１０は、コア層１１を支える第１の支持部１７および第２の支持部１８が、コア層１１の長手方向に垂直な断面における中心に重なる（コア層１１を伝搬する光の光軸ＯＡに対して最短距離である）外表面からずれて、それぞれコア層１１の幅方向の中心から一方の端側と他方の端側に存在する構造を有することで、第１の支持部１７および第２の支持部１８による被測定物質ＭＯの検出特性の低下を防止したうえで、機械強度を強くすることができる。

なお、本実施形態では、第１の支持部１７と第２の支持部１８とが、コア層１１の長手方向に垂直な方向の異なる断面の中で形成されているが、図２０に示すように、コア層１１の長手方向に垂直な方向の同一の断面の中で形成されても同様の効果が得られる。

以上説明したように、本実施形態によれば、センサの感度を低下させることなく、コア層１１を支えるための第１の支持部１７および第２の支持部１８を持った光導波路１０および光学式濃度測定装置１を提供することができる。

また、本実施形態による光導波路１０は、コア層１１を伝搬する光のエバネッセント波ＥＷと被測定物質ＭＯとの相互作用量を増加させ、第１の支持部１７および第２の支持部１８による当該エバネッセント波ＥＷの吸収量を減少させることができる。これにより、本実施形態による光導波路１０は、種々の仕様態様において高感度に安定して被測定物質ＭＯを検出することができる。

１ 光学式濃度測定装置
２ 外部空間
１０、８０ 光導波路
１０ａ 光導波路主要部
１１、８０３ コア層
１１ａ 活性基板
１３ 空隙
１５、８０１ 基板
１５ａ 支持基板
１５ｓ 主面
１７ 第１の支持部
１８ 第２の支持部
１７ａ ＢＯＸ層
４０ 光検出器
５１ 構造体
５３ 物質
１００ ＳＯＩ基板
１１８，１１９ グレーティングカプラ
１７１ 第１の支持部の接続部分
１８１ 第２の支持部の接続部分
８０５ 支持部
ＥＷ エバネッセント波
ＩＲ 赤外線
Ｌ 光
ＭＯ 被測定物質
ＮＰ 中心から外表面までの距離が最短である位置
ＯＡ 光軸

Claims (9)

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、
   長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、
   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第１の支持部および第２の支持部と、
   を備え、
   前記コア層と接続される前記第１の支持部および前記第２の支持部の接続部分は、前記コア層の前記長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れており、
   前記コア層の幅方向において、中心から一方の端の間に前記第１の支持部の接続部分が位置し、前記中心から他方の端の間に前記第２の支持部の接続部分が位置する
   光導波路。
2. 前記第１の支持部の接続部分と、前記第２の支持部の接続部分とが、前記長手方向に沿って断続的に存在する、
   請求項１に記載の光導波路。
3. 前記第１の支持部の接続部分と、前記第２の支持部の接続部分とが、前記長手方向に沿って交互に存在する、
   請求項１または請求項２に記載の光導波路。
4. 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３のいずれか一項に記載の光導波路。
5. 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における、該長手方向と垂直な断面において、前記コア層および前記基板の間の全領域には、前記第１の支持部および第２の支持部が存在しない
   請求項１から４までのいずれか一項に記載の光導波路。
6. 前記第１の支持部および前記第２の支持部の接続部分は、前記コア層の幅方向における前記コア層の端から該コア層の中心に近づくにつれて、前記コア層の長手方向に広がる形状である
   請求項１から５までのいずれか一項に記載の光導波路。
7. 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６までのいずれか一項に記載の光導波路。
8. 請求項１から７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。
9. 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８に記載の光学式濃度測定装置。

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