JP7409881B2 - 光学式濃度測定装置および光導波路 - Google Patents
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Description
また、ATR法を利用したセンサでは、上述のように、コア層に導入した光を、エバネッセント波として、回折格子の間の光伝搬部から染み出させて外部の被測定物質に吸収させる必要があるため、光伝搬部(伝搬路)における光の伝搬距離を長くすることが求められる。また、光の入出力を行う回折格子についても、光源や光検出器の大きさに合わせた大きめのサイズが必要となるため、光学的濃度測定装置に用いられる光導波路全体のサイズは、比較的大きめの面積を有している。
したがって、このようなセンサにおいては、光導波路を形成する基板上において、回折格子および光伝搬部などのコア層の設計の自由度を上げ、各要素を効率良く配置することが求められている。
すなわち、本発明は下記の通りである。
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、
光導波路と、
を備える、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であって、
前記光導波路は、
基板と、
延在方向に光が伝搬可能である光伝搬部と、回折格子部と、を有する前記コア層と、
を備え、
前記コア層の一部と前記回折格子部が、前記光導波路の厚さ方向に離隔して存在していることを特徴とする。
基板と、
延在方向に光が伝搬可能である光伝搬部と、回折格子部と、を有するコア層と、
を備え、
前記コア層の一部と前記回折格子部が、前記光導波路の厚さ方向に離隔して存在していることを特徴とする。
本発明の一実施形態に係る光学式濃度測定装置は、後述の本発明の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。
本発明の実施形態に係る光導波路は、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られる光導波路である。また、光導波路は、基板と、延在方向に光が伝搬可能である光伝搬部と、回折格子部と、を有するコア層と、を備え、コア層の一部と回折格子部が、光導波路の厚さ方向に離隔して存在している。さらに、光導波路の回折格子部は、光源より光を受けて、光伝搬部へ光を導出する第1回折格子部と、光伝搬部から光を導入して検出部に光を出力する第2回折格子部を備えることができる。
なお、本明細書において、光導波路の厚さ方向を単に厚さ方向とも称す。
また、コア層の一部と回折格子部が、光導波路の厚さ方向に離隔して存在しているとは、換言すれば、光導波路の平面視において、回折格子部の一部とコア層の一部とが重複していることを指し、厚さ方向に直交する方向から見て、回折格子部とコア層の一部が2階建て構造になっている。回折格子部と、当該回折格子部と離隔するコア層の一部とは、それぞれ光導波路のコア層に含まれるものであるので、光導波路内で同一コア層として接続することもできる。
また、回折格子部と、当該回折格子部と離隔したコア層の一部との間は、回折格子部およびコア層よりも相対的に屈折率の低い物質(空気も含む)が存在していれば、特に限定されず、任意の物質を存在させることができる。また、回折格子部と、コア層の一部との距離も任意にすることができる。
また、コア層の一部とは、例えばコア層の光伝搬部の一部や回折格子部の一部とすることができる。
(1)式の右辺は、一般的に定義されるエバネッセント光の染み出し距離の3倍の値を規定したが、(2)式では、それを当該コア層の一部の膜厚の最小値(d)と、当該コア層の一部と厚さ方向に離隔している当該回折格子部の回折格子長の総和の関数として規定している。
(2)式は下記のように与えられる。例えば文献(2004年 共立出版 左貝潤一 「波動光学」p170)より、光導波路の厚さがdであり、距離がCL離れている2つの平行光導波路の結合長Lc(光がエバネッセント波による結合により、一方の光導波路から他方の光導波路に遷移する距離)は下記(3)式で与えられるが、結合長Lcよりも当該回折格子長LGrが十分短ければ当該コア層の一部から回折格子部に光は遷移せず、さらに再放射も起こることはない。ここでuはコアの横方向規格化伝搬定数、wはクラッドの横方向規格化伝搬定数、γはクラッドの横方向伝搬定数である。なお、以降の説明では、エバネッセント波による結合のことを、単にエバネッセント結合とも称す。
このように規定することで、当該コア層の一部の膜厚や当該コア層の一部と厚さ方向に離隔している当該回折格子部の回折格子長の総和がいかなる条件となった場合においても、光が当該回折格子部と当該コア層の一部との間でエバネッセント結合しないための離隔距離CLの下限値を規定することができる。なお、(1)式、(2)式において、当該コア層の一部をSiで構成した場合、ncoreは約3.4であり、離隔部分に存在する材料をSiO2で構成した場合、ncladは約1.4である。なお、離隔部分に存在する材料が複数である場合は、離隔部分を構成する材料の中で、屈折率が最も小さい材料の屈折率をncladとして扱ってよい。
また、本実施形態において、回折格子部と離隔するコア層の一部は、当該回折格子部と当該厚さ方向に離隔する位置での厚さを0.3μm以上とすることもできる。このような厚さにすることにより、コア層の一部を伝搬する光がエバネッセント波として染み出す量が低減し、光が回折格子部に伝搬することを抑制することができ、それゆえに、光の損失を防いでセンサの感度を向上させることができる。
本実施形態において、このような構成にすることにより、さらに設計の自由度を向上させることができる。第1部分の回折格子部に対する厚さ方向は、例えば、厚さ方向基板側であり、また、第2部分の第1部分に対する厚さ方向は、例えば、厚さ方向基板側である。
<<コア層>>
本実施形態において、コア層は、延在方向に光が伝搬可能である光伝搬部と、回折格子部と、を有する。
また、回折格子部および光伝搬部と異なる材料で形成されていてもよい。その場合、光伝搬部を形成する材料が単結晶シリコンであり、回折格子部を形成する材料が多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンを含んでいることが好ましい。シリコンは最も一般的な材料であり、このような構成にすることにより、光伝搬部での伝搬ロスを小さくし、且つ容易に回折格子部の加工自由度を向上することができる。
さらに、コア層の延在方向に沿った任意の位置における延在方向に垂直な断面は、例えば、当該断面のコア層の中心から外表面までの距離が変動する形状、例えば矩形であってよく、また、当該断面のコア層の中心から該表面までの距離が変動しない形状、すなわち円形であってもよい。
本実施形態において、光伝搬部は、延在方向に光が伝搬可能である伝搬路を有する。伝搬路は、伝搬路の延在方向に沿った任意の位置における延在方向に垂直な断面が、例えば、当該断面のコア層の中心から外表面までの距離が変動する形状、例えば矩形であってよく、また、当該断面のコア層の中心から該表面までの距離が変動しない形状、すなわち円形であってもよい。
本実施形態において、回折格子部は、光源より光を受けて、光伝搬部へ光を導出する第1回折格子部と、光伝搬部から光を導入して検出部に光を出力する第2回折格子部とを有することができる。また、第1回折格子部は、複数の第1回折格子を有し、複数の当該第1回折格子のうち少なくとも2つの第1回折格子が光源の同一発光面から発せられた光を受けるように位置することができる。また、第2回折格子部は、光伝搬部から光を導入して検出部に光を出力する、少なくとも1つの第2回折格子を有することができる。
具体的には、ATR法を利用したセンサにおいては、使用し得る赤外線LEDなどの光源(発光素子)は、100μm×100μm以上の比較的大きい面積の発光面を持つことが多く、数mm×数mmと巨大になることもある。また、回折格子についても、光導入効率および光取出効率を上げるため、使用する光源、光検出器の受発光面と同程度の大きさで機能することが求められる。そして、このような観点に基づき、光源の発光素子の大きさと回折格子の大きさとを同程度にするためには、回折格子部のサイズを発光面に合わせた巨大なサイズにする必要がある。
そこで、本発明者らは、図17(a)に示すような、発光素子の発光面EFよりも大きい回折格子53を1つ形成したところ、それでは高効率で発光素子と結合できないことを見出した。また、本発明者らは、図17(b)に示すように、回折格子53の光伝搬部への接続側と逆側の末端側の部分で受けた光は、全てが回折格子53の接続側へ伝搬せず、回折格子53の中間で一部が回折格子内からコア層の外側へ再放射されることを見出した。さらに、このような再放射が起こるため、発光素子の発光面と同等のサイズの1つの回折格子を形成するようにはせず、発光素子の発光面よりも小さいサイズの回折格子を複数形成することにより、高効率で発光素子と回折格子を結合できることを見出した。
したがって、本実施形態において、第1回折格子部は、複数の第1回折格子を有し、複数の当該第1回折格子のうち少なくとも2つの第1回折格子が光源の同一発光面から発せられた光を受けることにより、発光素子の発光面よりも大きい回折格子を1つ形成した場合に生じる上記弊害を抑えるとともに、2つ以上の第1回折格子により発光素子と光導波路とを結合できるので、当該結合を高効率にすることができる。
なお、本実施形態において、コア層の一部と厚さ方向に離隔して存在する回折格子部は、第1回折格子部および第2回折格子部のいずれでもよく、どちらか一方の回折格子部でも、両方の回折格子部でもよい。
光取込部や光取出部は、平面視において、それぞれ平行に凹凸を形成するパターンが直線状や円弧状に延びるように設けることができるが、凹凸の延在の形状は任意にすることができる。
なお、以下、第1回折格子および第2回折格子の光伝搬部への接続側を、回折格子の接続側、第1回折格子および第2回折格子の光伝搬部への接続側と逆側の末端側を、回折格子の末端側とも称す。
具体的には、例えば発光素子の発光面よりも大きい回折格子では、回折格子の光伝搬部への接続側とは逆側の末端側の部分で受けた光の一部が回折格子内からコア層の外側へ再放射していた。そして、本発明者らが、上記現象について鋭意研究を重ねた結果、当該再放射は、回折格子長を長くするほど、回折格子における波長の選択性が向上するという原理に基づいている、という知見を得た。つまり、回折格子長が長すぎると、より単一な波長が選択され、選択波長から僅かにずれている光でさえも、コア層の外部に再放射されてしまう。すなわち、回折格子長を長くするほど選択波長帯は狭くなり、線スペクトルに近づいていく。そして、発明者らは、当該知見に基づき、第1回折格子について、回折格子長の最大値を20λ以下とすることで、光学式濃度測定装置として有効な波長帯を選択できることを見出した。本実施形態の光導波路を用いることができる光学式濃度測定装置では、被測定物による光の吸収を利用して濃度を測定しているが、物質の有する光の吸収波長範囲は、ある程度の幅を持っており、厳密な単一波長であることはない。例えば、環境に浮遊するガスであるCO2の代表的な吸収波長は約4.20~4.35μmと比較的広範囲に分布している。つまり、厳密な単一波長にまで光を過剰選択してしまうと、濃度測定に有効な波長領域を捨てることになるので、光学式濃度測定装置としては好ましくない。すなわち、本実施形態において、複数の第1回折格子のうち少なくとも1つの第1回折格子は、回折格子長の最大値を20λ以下とすることで、回折格子に導入した光の不要な再放射(過剰な波長選択)を抑制することができ、光導波路として発光素子と光導波路の結合をより高効率化することができる。
また、少なくとも1つの第1回折格子の、回折格子長の最大値は、好ましくは10λ以下、より好ましくは5λ以下であり、当該範囲にすることにより、例えば環境に浮遊するCO2の濃度を測定する場合などにおいて、光学式濃度測定装置として有効な波長帯を選択しつつ不要な再放射(過剰な波長選択)を抑制することができ、それゆえに、光学式濃度測定装置に用いられる光導波路として、発光素子と光導波路の結合をさらに高効率化することができる。
また、複数の第1回折格子のうち、回折格子長の最大値が20λ以下となる少なくとも1つの第1回折格子は、光源の発光面の範囲を投影した範囲内に位置するものであることが好ましい。また、回折格子長の最小値が1λ以上である第1回折格子も、光源の発光面の範囲を投影した範囲内に位置するものであることが好ましい。
本実施形態において、基板は、基板上にコア層を形成可能であれば特に制限されず、基板上に後述の支持部を形成することもできる。具体的には、基板は、シリコン基板やGaAs基板等が挙げられる。
本実施形態においては任意に支持部を設けることができる。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、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が、好ましく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る。一例として、支持部の形成材料として、SiO2などが挙げられる。本発明において、支持部は必須の構成ではない。コア層は支持部によって基板と接合されてもよく、基板上に直接コア層が形成されていてもよい。また、支持部が部分的に存在してもよく、コア層の少なくとも一部は、支持部に接合されておらず浮遊していてもよい。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。コア層の一部を浮遊させることで、エバネッセント波と被測定物質を相互作用させる量を多くさせることができ、センサ感度を向上させることができる。
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。すなわち、インコヒーレント光源であってよい。光源は光導波路と光接続可能な形態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できる。
なお、近接とは、光源の同一発光面の面積をSsとしたときに、1mm以下または√Ss以下の長さを指し、好ましくは500μm以下または0.5×√Ss以下、より好ましくは200μm以下または0.2×√Ss以下の長さを指す。また、当該長さとは、光源の発光面の光導波路側の下端から、光導波路の厚さ方向で、最も光源の発光面側に位置する第1回折格子部までを、厚さ方向に沿って測った長さを指す。なお、光源の発光面と第1回折格子部までの間には、レンズや光ファイバー等の他の部材を存在させず、発光面から出力された光は、僅かな空間を経て直接第1回折格子部に到達することが好ましい。こうすることにより、安価に光学式濃度測定装置を実現することができる。
また、当該割合は80%以上とすることが好ましい。これにより、発光素子と光導波路をさらに高効率で結合させることができる。
なお、発光面が覆う第1回折格子の合計の面積とは、発光面に直交する方向に沿って第1回折格子部に対して投影した範囲に存在する第1回折格子の取込部の面積を指す。
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)など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などの量子型赤外線センサ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などを用いることができる。
なお、近接とは、検出部の受光面の面積をSdとしたときに、1mm以下または√Sd以下の長さを指し、好ましくは500μm以下または0.5×√Sd以下、より好ましくは200μm以下または0.2×√Sd以下の長さを指す。また、当該長さとは、検出部の光導波路側の下端から、光導波路の厚さ方向で、最も検出部側に位置する第2回折格子部までを、厚さ方向に沿って測った長さを指す。なお、第2回折格子部と検出部までの間には、レンズや光ファイバー等の他の部材を存在させず、第2回折格子部から出力された光は、僅かな空間を経て直接検出部に到達することが好ましい。こうすることにより、安価に光学式濃度測定装置を実現することができる。
本発明の実施形態の光学式濃度測定装置について図1を用いて説明する。
本実施形態の光学式濃度測定装置14は、後述の実施形態の光導波路15と、コア層12に光を入射可能な光源17と、コア層12を伝搬した光を受光可能な光検出器(検出部の一例)18と、を備える。また、光学式濃度測定装置14は、光伝搬部10から光を導入して前記光検出器18に光を出力する第2回折格子部13をさらに備える。
また、上記の観点からは当該長さの下限値は限定されず、光源17の発光面と第1回折格子部11が接触していても構わないが、光学式濃度測定装置14を適切に製造する観点からは当該長さは3μm以上が好ましい。なお、光源17の発光面と第1回折格子部11までの間には、レンズや光ファイバーを存在させず、発光面から出力された光は、当該長さの僅かな空間を経て直接第1回折格子部11に到達させている。こうすることにより、安価に光学式濃度測定装置を実現することができる。
また、上記の観点からは当該長さの下限値は限定されず、光検出器18の受光面と第2回折格子部13が接触していても構わないが、光学式濃度測定装置14を適切に製造する観点からは当該長さは3μm以上が好ましい。なお、第2回折格子部13と光検出器18までの間には、レンズや光ファイバーを存在させず、第2回折格子部13から出力された光は、当該長さの僅かな空間を経て直接光検出器18に到達させている。こうすることにより、安価に光学式濃度測定装置を実現することができる。
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態に係る光導波路について図1から図5を用いて説明する。
具体的には、図示の例では、第1回折格子部および伝搬路の一部の断面を拡大して示す断面図である図3(b)に示すように、第1回折格子部11の第1回折格子111よりも厚さ方向基板側に、当該回折格子111と厚さ方向に離隔して、コア層12の一部である光伝搬部10の伝搬路103が存在している(第2回折格子部13についても同様)。
このような構成を有することにより、回折格子部をコア層の一部に対して任意に配置できるので、光導波路、ひいては光導波路を用いた光学式濃度測定装置の設計の自由度を向上させることが可能となる。
また、回折格子部と離隔するコア層の一部は、回折格子部と当該厚さ方向に離隔する位置での厚さを0.3μm以上とすることが好ましく、より好ましくは0.5μm以上である。このような厚さにすることにより、コア層の一部を伝搬する光がエバネッセント波として染み出す量が低減し、光が回折格子部に伝搬することを抑制することができ、それゆえに、光の損失を防いでセンサの感度を向上させることができる。
また、第1実施形態では、コア層の一部の材料と、回折格子部とは任意の材料により形成することができるが、回折格子部とコア層の一部とは、それぞれ形成する材料が異なることが好ましく、このようにすることにより、光導波路をより好適に製造しやすくすることができる。なお、図示の例では、回折格子部の材料は多結晶シリコンであり、コア層の一部の材料は単結晶シリコンとなっている。
なぜなら、回折格子は光伝搬部10(の伝搬路103)に接続するので、回折格子部が複数の回折格子を有し、回折格子部よりも厚さ方向基板側に光伝搬部が存在しない場合には、伝搬路を避けながら回折格子を形成することとなる。しかし、図3(a)に示す第1回折格子部の一部のA-A線での断面図である図3(b)に示すように、第1回折格子部11よりも厚さ方向基板側に、当該第1回折格子部11と厚さ方向に離隔して光伝搬部10が存在すれば、第1回折格子111と、当該第1回折格子111の厚さ方向基板側に位置する伝搬路103に接続する他の第1回折格子111とを接近させて配置することができ、図3(a)に示すように、第1回折格子111に接続される伝搬路103の形成位置に関わらずそれぞれの第1回折格子111の配置を密にすることができる。
なお、図示の例では全てが線状伝搬路101であるが、本実施形態では、少なくとも1本の線状伝搬路101を有していれば、それ以外の伝搬路の形態は任意にすることができる。
具体的には、特に限定されないが例えば、第1回折格子111および第2回折格子131の光伝搬部10への接続側の頂部111tを頂点とする、接続側から末端側に向かって幅が広がる部分を有する形状とすることができる。より具体的には、回折格子および回折格子の頂部111tを中心とする扇形(図4(a)、(b))の他、頂部111tを頂点とする三角形(例えば二等辺三角形(図4(c)))や、頂部111tを頂点とし、接続側から末端側に向かって幅が広がる部分と、当該部分に続く任意の形状、例えば矩形状の部分とを有する形状(図4(d))、とすることができる。回折格子の形状としては、接続側から末端側に向かう方向に沿う任意の仮想線に対して線対称の形状が好ましく、また、頂部111tから取込部や取出部に向かう方向に幅が減少しない形状であることが好ましい。
なお、第1回折格子111は、例えば図4(a)や(d)に示すように、光取込部に対して光伝搬部10への接続側に隣接する部分に、凹凸部形成されていない部分を有することができる(換言すれば、図3(b)や(c)のように回折格子の頂部111t付近まで光取込部が形成されていなくてもよい)。このようにすることにより、頂部111t付近まで光取込部が形成された同じ回折格子長の回折格子に比べて、光取込部の面積を大きくすることができる。
また、図示の例では、回折格子長の最大値GLMが20λ以下となる第1回折格子111が全て範囲R1内に位置しているが、当該範囲R1内に少なくとも1つ位置することが好ましく、当該範囲R1外に位置する、最大値GLMが20λ以下となる第1回折格子111が存在していてもよい。
なお、第1回折格子111の回折格子長GLとは、図5(a)、(b)に示すように、上述の第1回折格子111の取込部の凹部または凸部を区画する壁面のうち、最も、接続側に位置する壁面W1について、当該壁面W1の延在方向の特定の位置を起点に測定する(例えば起点P1)。そして、回折格子長GLは、当該起点P1から末端側へ、当該特定の位置P1における壁面の延在方向に直交する方向に延びる仮想線VL上に沿って、当該仮想線VL上の最も末端側に位置する壁面(取込部の凹部または凸部を区画する壁面のうち最も末端側に位置する壁面)W2までを測った長さを指す(壁面W1の起点P1から、起点P1から延びて仮想線VL上に位置する壁面W2の終点P2まで長さ)。第1回折格子111の回折格子長GLは、当該第1回折格子111の取込部の形状によって変化し得、すなわち、取込部の形状によっては、上記起点からの長さが変化し得る。また、第1回折格子111の回折格子長の最大値GLMとは、上記の回折格子長GLのうち最も長い長さを指す。
具体的には、図2の例では、第1回折格子111が光導波路15の表層側に形成され、伝搬路103が第1回折格子111よりも基層側の層に形成されている。そして、図2に示すように、相互に第1回折格子111の軸線(第1回折格子111の幅方向中心線であり、以下、単に回折格子の軸線とも称す)方向に隣り合う第1回折格子111が、相互に回折格子の軸線をずらしながら列をなしている。また、当該1列の第1回折格子111に対して、図中の左右方向に隣り合う他の1列の第1回折格子111が、相互に配置方向が逆向き(第1回折格子111から光伝搬部10への接続方向が相互に反対)に形成され、全体として、配置方向が交互になっている。このように第1回折格子111が形成されることにより、第1回折格子111がより密に配置されている。
また、本実施形態においては、範囲(5×5mm)内に存在する第1回折格子111の面積の割合が60%以上であることが好ましく、より好ましくは範囲(1×1mm)内に存在する第1回折格子111の面積の割合が60%以上であり、さらに好ましくは範囲(500×500μm)内に存在する第1回折格子111の面積の割合が60%以上である。これにより、発光素子と光導波路15を高効率で結合することができる。
なお、図6~13では、光導波路15の製造方法の説明の容易化のため、第1回折格子部11のうち1つの回折格子に着目して簡略化し模式的な図となっている。図6~13は、図3(a)のA-A線に対応する位置で切断した光導波路15の製造工程断面図を示している。
なお、上記説明では、回折格子部として第1回折格子部11に着目して説明したが、第2回折格子部13も同様に形成することができる。
つづいて、本発明の第2実施形態に係る光導波路について図14を用いて説明する。なお、第1実施形態と共通する構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。
なお、図示の例では、光伝搬部10は1本の分岐状伝搬路102のみを有し、分岐状伝搬路102は、1本の線状部分102aと、第1回折格子部11が有する第1回折格子111と同数の第1回折格子側部分102b(図示の例では15個)と、複数の第1回折格子側部分102bから1本の線状部分102aへ合流するための合流部分102cと、を有している。しかし、第2実施形態では、光伝搬部10が少なくとも1本の分岐状伝搬路102を有していれば、それ以外の伝搬路の形態は任意にすることができる。また、分岐状伝搬路102の複数の第1回折格子側部分102bは、それぞれ1つの第1回折格子111と接続するところ、分岐状伝搬路102が有する第1回折格子側部分102bの数は、第1回折格子部11の第1回折格子111の数と同じであっても、一部であってもよい。
また、図示の例では分岐部分102eを設けているが、分岐部分102eを設けずに、光伝搬部10を1つにし、線状部分102aからの光を、1つの第2回折格子側部分102dを介して第2回折格子部13へ導出させてもよい。
なお、第2実施形態の光伝搬部10の分岐状伝搬路102を、第1実施形態の光導波路15の光伝搬部10に代えてまたは加えて、光導波路15を形成することができる。
101:線状伝搬路
102:分岐状伝搬路
102a:中央に位置する線状部分
102b:第1回折格子側部分
102c:合流部分
102d:第2回折格子側部分
102e:分岐部分
103:伝搬路
103a:伝搬路の端部
11:第1回折格子部
111:第1回折格子
111a:第1回折格子の接続部
12:コア層
13:第2回折格子部
131:第2回折格子
14:光学式濃度測定装置
15:光導波路
15a:SOI基板
15b:光導波路主要部
15c:離隔膜
16:外部空間
17:光源
18:光検出器
19:基板
19a:支持基板
20:支持部
20a:BOX層
21a:ポリシリコン膜(上層)
21b:SiO2膜
21c:ポリシリコン膜(下層)
51:構造体
52:物質
53:回折格子
A:正方形の同一発光面の一辺の長さ
D:第1回折格子部に近接配置された光源と第1回折格子部の長さ
EW:エバネッセント波
IR:赤外線
L:光
M1:マスク層
GL:回折格子長
GLM:回折格子長の最大値
W1、W2:壁面
P1:起点
P2:終点
VL:仮想線
EF:発光面
R1、R2:範囲
Claims (19)
- 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、
光導波路と、
を備える、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であって、
前記光導波路は、
基板と、
延在方向に光が伝搬可能である光伝搬部と、回折格子部と、を有する前記コア層と、
を備え、
前記光伝搬部は少なくとも第一伝搬路と第二伝搬路を有し、
前記回折格子部は少なくとも第一回折格子部を有し、
前記第一伝搬路と前記第一回折格子部とは、前記第一回折格子部が前記光源より光を受けて前記第一伝搬路へ光を導出することで光学的に接続されており、
前記第二伝搬路は前記第一回折格子部および前記第一伝搬路とは光学的に非接続であり、
前記第二伝搬路と前記第一回折格子部が平面視で重なっていて、
かつ前記第二伝搬路と前記第一回折格子部が、前記光導波路の厚さ方向に離隔して存在し、
かつ前記第二伝搬路と前記第一回折格子部の間には、前記第二伝搬路の屈折率及び前記第一回折格子部の屈折率よりも低い屈折率を持つ材料を含む
光学式濃度測定装置。 - 前記第一回折格子部と、前記第二伝搬路とは、前記光導波路の厚さ方向に沿って測った離隔距離CLが0.7μm以上である、請求項1から3のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
- 前記第二伝搬路は、前記第一回折格子部と当該厚さ方向に離隔する位置で、厚さが0.3μm以上である、請求項1から4のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
- 前記第一回折格子部と、前記第二伝搬路とは、それぞれ形成する材料が異なる、請求項1から5のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
- 前記第一回折格子部は、前記光源の発光面と対向して近接配置され、
前記第一回折格子部は、複数の第1回折格子を有し、複数の当該第1回折格子のうち少なくとも2つの第1回折格子が前記光源の同一発光面から発せられた光を受ける、請求項1から6に記載の光学式濃度測定装置。 - 前記第一回折格子部中の前記第1回折格子は、平面視で、配置方向に周期性がある、請求項7に記載の光学式濃度測定装置。
- 複数の前記第1回折格子のうち少なくとも1つの第1回折格子の、回折格子長の最大値は、光の真空中における波長の平均値をλとするとき、20λ以下である、請求項7または8に記載の光学式濃度測定装置。
- 前記第一回折格子部中の複数の前記第1回折格子のうち少なくとも2つの第1回折格子は、平面視で、前記第1回折格子から前記第二伝搬路への接続方向が相互に反対である、請求項7から9のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
- 前記第一回折格子部中の前記第1回折格子は、前記光導波路の平面視で、配置が空間群p2、p2mm、p2mg、p2gg、c2mmのいずれかで表現される、請求項7から10のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
- 前記第一回折格子部中の前記第1回折格子は、前記光導波路の平面視で、配置が空間群p1、pm、pg、cmのいずれかで表現される、請求項7から11のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
- 前記第一回折格子部は、前記光源の発光面の面積に対する、当該発光面が覆う前記第1回折格子の合計の面積の割合が60%以上である、請求項7から12のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
- 前記光源の発光面の面積に対する、当該発光面が覆う前記第1回折格子の合計の面積の割合が80%以上である、請求項7から13のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
- 前記光伝搬部である第1部分が、前記回折格子部と前記光導波路の厚さ方向に離隔して存在し、且つ、前記光伝搬部である第2部分が、当該第1部分と当該厚さ方向に離隔して存在している、請求項1から14のいずれかに記載の光学式濃度測定装置。
- 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られる光導波路であって、
基板と、
延在方向に光が伝搬可能である光伝搬部と、回折格子部と、を有するコア層と、
を備え、
前記光伝搬部は少なくとも第一伝搬路と第二伝搬路を有し、
前記回折格子部は少なくとも第一回折格子部を有し、
前記第一伝搬路と前記第一回折格子部とは、前記第一回折格子部が光源より光を受けて前記第一伝搬路へ光を導出することで光学的に接続されており、
前記第二伝搬路は前記第一回折格子部および前記第一伝搬路とは光学的に非接続であり、
前記第二伝搬路と前記第一回折格子部が平面視で重なっていて、
かつ前記第二伝搬路と前記第一回折格子部が、前記光導波路の厚さ方向に離隔して存在し、
かつ前記第二伝搬路と前記第一回折格子部の間には、前記第二伝搬路の屈折率及び前記第一回折格子部の屈折率よりも低い屈折率を持つ材料を含む
光導波路。 - 前記第一回折格子部と、前記第二伝搬路とは、前記光導波路の厚さ方向に沿って測った離隔距離CLが0.7μm以上である、請求項16から18のいずれかに記載の光導波路。
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