JPWO2015079986A1 - 反射型光センサ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 熱や歪みの感度を向上させることが可能なＦＢＧセンサ用のグレーティング素子を提供することである。【解決手段】 反射型光センサ素子９は、支持基板１０、支持基板上に設けられ、厚さ０．５μｍ以上、３．０μｍ以下の光学材料層１１、半導体レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射面を有するリッジ型光導波路、光導波路内に形成された凹凸からなるブラッググレーティング１２、および入射面とブラッググレーティング１２との間に設けられている伝搬部１３を備える。式（１）〜式（３）の関係が満足される。０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）：２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ・・・（２）：ｎｂ≧１．８・・・（３）【選択図】 図１
Description
本発明は、反射型光センサ素子に関するものである。
センサネットワークの進展により、ビルや橋梁などの構造物に光ファイバを張り巡らし、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を利用することにより、温度や歪を測定するシステムの開発が活発化している（非特許文献１、非特許文献２）。
ＦＢＧセンサは、温度や歪の変化を光波長の変化として検出できる。ＦＢＧに光が入射すると、屈折率が周期的に変化している部分の反射は、（１）式に示したブラッグ波長で反射し（△λG）、その他の波長は透過するという特性を持つ。ただし、ｎeffは実効屈折率、Λはグレーティング周期を示す。
ＦＢＧに温度や歪が加わると、ＦＢＧの実効屈折率ｎeffとグレーティング周期Λの両方に影響し、その変化に応じて反射波長が変化する。ＦＢＧを利用した温度センサ、歪みセンサは、このＦＢＧからの反射光の波長をモニターすることにより、温度や歪みをセンシングしている。
例えば、温度センサの場合には、温度変化がある場合には、ブラッグ波長は下記のように表すことができる。
このセンサでは、ブラッグ波長が1.55μｍの場合には、温度感度△λG＝△Tは約9.5pm／℃といわれている。また、歪みの影響を補正するために、歪みが加わらない実装構造、あるいは歪みを補償する実装構造が必要となっている。
一方、歪みセンサの場合には、歪みによるブラッグ波長の変化は（５）式で表すことができる。
この場合、ブラッグ波長が1.55μｍの場合に、歪み感度△λG／εz＝λG（１−Pe）は約1.2pm／μεといわれている。
温度センサ、歪みセンサは、それぞれ歪みや温度の影響を補正する必要がある。これらについては、温度センサの場合、ＦＢＧに歪みがかからない、あるいはそれを補償するような実装を行うことで影響を除去している。また、歪みセンサの場合、温度の影響を補正するために無歪み状態のダミー（供試体と同材料）にＦＢＧを貼り付け、温度影響分の波長変化を差し引くなどの方策がとられている。
「FBGセンサ」 共和技法 根本 勇、他，No.533，p.4109-4114，12月，2005年
ナショナル インスツルメンツ WEB発行資料 発行日: Sep 20, 2012 | 1 Ratings | 3.00 out of 5
特開２００７−２９３２１５
しかし、従来のＦＢＧセンサは、熱や歪みの感度に限界があり、感度を高くすることが可能な構造のＦＢＧセンサが望まれる。
本発明の課題は、熱や歪みなどの環境変化に対する感度を向上させることが可能なＦＢＧセンサ用の反射型光センサ素子を提供することである。
本発明に係る反射型光センサ素子は、
支持基板、
前記支持基板上に設けられ、厚さ０．５μｍ以上、３．０μｍ以下の光学材料層、
半導体レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射面を有するリッジ型光導波路、
このリッジ型光導波路内に形成された凹凸からなるブラッググレーティング、および
前記入射面と前記ブラッググレーティングとの間に設けられている伝搬部を備えており、下記式（１）〜式（３）の関係が満足されることを特徴とする。
０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ ・・・（２）
ｎｂ≧１．８ ・・・（３）
（式（１）において、△λGは、ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅である。
式（２）において、ｔｄは、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さである。
式（３）において、ｎｂは、前記ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率である。）
支持基板、
前記支持基板上に設けられ、厚さ０．５μｍ以上、３．０μｍ以下の光学材料層、
半導体レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射面を有するリッジ型光導波路、
このリッジ型光導波路内に形成された凹凸からなるブラッググレーティング、および
前記入射面と前記ブラッググレーティングとの間に設けられている伝搬部を備えており、下記式（１）〜式（３）の関係が満足されることを特徴とする。
０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ ・・・（２）
ｎｂ≧１．８ ・・・（３）
（式（１）において、△λGは、ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅である。
式（２）において、ｔｄは、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さである。
式（３）において、ｎｂは、前記ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率である。）
本願構造は、非常に薄い、屈折率１．８以上の高屈折率材料からなる光学材料層を使用し、これに特定深さの凹凸を設けることでグレーティングを形成したものをＦＢＧに適用したものである。
これにより、グレーティング部に温度変化、歪み変化が生じたときにブラッグ反射波長の変化を大きくでき、従来のFBGよりも高感度化することができる。また、短いグレーティング長で大きな反射率を得ることができるので、小型なセンサが実現できる。
図１〜図３に示すように、反射型光センサ素子９には、半導体レーザ光Ａが入射する入射面１１ａと所望波長の出射光Ｂを出射する出射面１１ｂを有する光学材料層１１が設けられている。Ｃは反射光である。光学材料層１１の光導波路１８内には、ブラッググレーティング１２が形成されている。光学材料層１１の入射面１１ａとブラッググレーティング１２との間には、回折格子のない伝搬部１３が設けられている。７Ｂは、光学材料層１１の入射面側に設けられた無反射膜であり、７Ｃは、光学材料層１１の出射面側に設けられた無反射膜である。光導波路１８はリッジ型光導波路であり、基板１０上に設けられている。光導波路１８は、ブラッググレーティング１２と同一面に形成されていてもよく、相対する面に形成されていてもよい。
無反射層７Ｂ、７Ｃの反射率は、グレーティング反射率よりも小さい値であればよく、さらに０．１％以下が好ましい。しかし、端面における反射率がグレーティング反射率よりも小さい値であれば、無反射層はなくてもよい。
図２、図３に示すように、本例では、支持基板１０上に接着層１５、下側バッファ層１６を介して光学材料層１１が形成されており、光学材料層１１上に上側バッファ層１７が形成されている。光学材料層１１には例えば一対のリッジ溝１９が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型の光導波路１８が形成されている。
本例では、リッジ溝が完全に切り込まれていない。すなわち、各リッジ溝１９下にはそれぞれ肉薄部１１ｅが形成されており、各肉薄部１１ｅの外側に延在部１１ｆが形成されている。本発明においては、リッジ溝１９は光学材料層１１を完全に切り込まず、リッジ溝１９の底面とバッファ層との間に肉薄部１１ｅを残留させる。
この場合、ブラッググレーティングは平坦面１１ｃ面に形成していてもよく、１１ｄ面に形成していてもよい。ブラッググレーティング、およびリッジ溝の形状ばらつきを低減するという観点では、ブラッググレーティングを１１ｃ面上に形成することによって、ブラッググレーティングとリッジ溝１９とを基板の反対側に設けることが好ましい。
また、図４に示す素子９Ａでは、基板１０上に接着層１５、下側バッファ層１６を介して光学材料層１１が形成されており、光学材料層１１上に上側バッファ層１７が形成されている。光学材料層１１の支持基板１０側には、例えば一対のリッジ溝１９が形成されており、リッジ溝１９の間にリッジ型の光導波路１８が形成されている。この場合、ブラッググレーティングは平坦面１１ｃ側に形成していてもよく、リッジ溝のある１１ｄ面に形成していてもよい。ブラッググレーティング、およびリッジ溝の形状ばらつきを低減するという観点では、ブラッググレーティングを平坦面１１ｃ面側に形成することによって、ブラッググレーティングとリッジ溝１９とを基板の反対側に設けることが好ましい。また、上側バッファ層１７はなくてもよく、この場合、空気層が直接グレーティングに接することができる。これによりグレーティング溝が有る無しで屈折率差を大きくすることができ、短いグレーティング長で反射率を大きくすることができる。
このようなリッジ型の光導波路は、リッジ溝を完全に切り込んだ構造（肉薄部１１ｅが設けられておらず、延在部１１ｆが形成されている構造）と比較して、光の閉じ込めを弱くすることができる。このため光のスポット形状が大きくなっても横モード：マルチモードが励振されにくく、基本モードを励振することができる。このためマルチモードの影響がなくノイズの小さいセンサを実現できる。
ＦＢＧセンサは、温度や歪の変化を光波長の変化として検出するものである。図１０に一般的な構成を示す。
まず、センサ本体２３内に本発明の反射型光センサ素子２４を設置する。広帯域光２１を反射型光センサ素子２４に入射する。入射側には、ブラッグ波長の反射光２２が反射され、また出射側にもブラッグ波長の出射光２５が出射する。この際、屈折率が周期的に変化している部分の反射は、前述したように、（１）式に示したブラッグ波長で反射し（λG）、その他の波長は透過するという特性を持つ。そして、測定対象の温度、歪みなどに応じて反射光の波長が変化するので、この波長変化から測定対象の温度、歪みなどの環境変化をセンシングできる。
以下、本発明の前記条件について更に述べる。
本発明では、厚さＴｓ（図３、図４参照）が０．５μｍ以上、３．０μｍ以下の極めて薄く、光の閉じ込めの強い光学材料層を前提とする。
本発明では、厚さＴｓ（図３、図４参照）が０．５μｍ以上、３．０μｍ以下の極めて薄く、光の閉じ込めの強い光学材料層を前提とする。
この上で、光導波路の材質の屈折率ｎｂは１．８以上とする。これにより屈折率の温度変化を大きくでき、温度センサとして高感度化可能である。また、前記（８）式の応力による屈折率の変化を大きくすることができ、湿度センサとして高感度化できる。この観点からは、ｎｂは１．９以上であることが更に好ましい。また、ｎｂの上限は特にないが、グレーティングピッチが小さくなりすぎて形成が困難になることから４以下であるが、さらに３．６以下であることが好ましい。また、同じ観点で光導波路の等価屈折率は３．３以下であることが好ましい。
グレーティング素子をセンサに使用する場合には、出力光がガウス分布の光スポット形状が必要であり、横モードが基本モードとなることが望まれる。したがって、グレーティング素子の光導波路は、レーザ光によってマルチモードが励振されないように、基本モード導波路であることが好ましい。
図１１は、光学材料層をＴａ２Ｏ５として屈折率２．０８、厚みＴｓ＝１．２μｍ、リッジ幅Ｗｍ＝３μｍの場合に溝深さＴｒを０．１μｍから１．２μｍにしたとき、波長８００ｎｍにおける光導波路の横モード：基本モードの実効屈折率（等価屈折率）の計算結果である。
この結果から、Ｔｒが０．１から０．４μｍまでは基板に光が漏れ基板モードで光伝搬している。Ｔｒが０．５から１．１μｍまでは実効屈折率が変化せず、リッジ導波モードで伝搬する。しかし、完全に切り込まれたＴｒが１．２μｍでは、実効屈折率が増加して閉じ込めが強くなることがわかる。
図１２は、図１１で計算した光導波路の基本モードの水平方向と垂直方向のスポットサイズの計算結果である。この結果から、Ｔｒを大きくすると、水平方向のスポットサイズは小さくなり、閉じ込めが強くなることがわかる。その後、Ｔｒが０．５μｍから完全に切り込まれた１．２μｍまで水平方向のスポット形状はほとんど変化しない。また、垂直方向はＴｒに依存せず、ほぼ一定値になることがわかる。
センサの場合、レーザ光がグレーティング素子の基本モードを効率よく励振するために、グレーティング素子の光スポット形状はレーザ光のスポット形状よりも大きくすることが好ましく、光学材料層の厚みは０．５μｍ以上が好ましい。また、厚みが大きいとマルチモードの影響を抑えることが難しくなり、この観点で光学材料層の厚みは３μｍ以下が好ましく、さらに２．５μｍ以下が好ましい。
溝深さＴｒは、前述した観点からは、光学材料層の材質を変更した場合にも、光学材料層の厚みＴｓで規格化することができることを確認した。すなわち、Ｔｒ／Ｔｓは０．４以上が好ましく、０．９以下であることが好ましい。
センサにグレーティング素子を使用する場合には、前述のように横モード：基本モードが好ましい。しかし、レーザ光の導波路への結合を高効率にするためには光学材料層の厚みは０．５μｍ以上が好ましく、導波路はマルチモード化しやすくなる。
光導波路が横モード：マルチモードであるときに、それぞれの導波モードの実効屈折率に対応して複数のグレーティング反射波長が存在する。このためマルチモードに対応したレーザ発振が起こってしまう。しかし、基本モードと高次モードの実効屈折率の差を大きくし、高次モードの反射波長が光源のレーザの発振波長外にシフトできれば励振されることなく基本モード光でセンシング動作することができる。この観点で基本モードと高次モードの反射波長の差は２．５ｎｍ以上が好ましく、さらに３ｎｍ以上が好ましい。
光源２として半導体レーザを使用する場合には、レーザのゲイン範囲が小さく発振波長範囲が狭いので基本モード光をさらに容易に得ることができる。
一対のリッジ溝を形成した光導波路をグレーティング素子は閉じ込めを弱くすることができるので横モード：マルチモードが発生しにくい。またマルチモードが発生しても基本モードとの差を大きくできマルチモードの励振を抑えることができる。この観点において、Ｔｒ／Ｔｓは下限値として０．４以上が好ましく、さらに０．５５が好ましい。上限値については０．９以下が好ましく、さらに０．７５以下であることが好ましい。
表１には、各種材料のαnとαΛの特性を示す。この結果、FBGに比べて大きく高感度化可能であることがわかる。歪みセンサの場合にも応力による屈折率の変動は、ＦＢＧより大きく、高感度化可能である。
本発明の反射型光センサ素子では、ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅△λGは、０．８ｎｍ以上、６．０ｎｍ以下とする。ブラッグ反射波長を容易に判定するためには、半値全幅△λGが広い方がよく、このため０．８ｎｍ以上とし、１．５ｎｍ以上が好ましい。また、半値全幅が広くなりすぎると、ピークとなる反射率がフラットになり、反射波長を判定できにくくなる。この観点からは、半値全幅△λGを６ｎｍ以下とするが、４ｎｍ以下が好ましい。
なお、λＧはブラッグ波長である。すなわち、横軸にブラッググレーティングによる反射波長をとり、縦軸に反射率をとったとき、反射率が最大となる波長をブラッグ波長とする。またブラッグ波長を中心とするピークにおいて、反射率がピークの半分になる二つの波長の差を半値全幅△λGとする。
本発明では、ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さｔｄは、２０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下とする。ブラッグ反射の反射率を大きくしセンシングの信頼性を上げるという観点からは、凹凸深さｔｄを２０ｎｍ以上とするが、３０ｎｍ以上が更に好ましい。また、光の伝搬損失を低減する観点からは、ｔｄは２５０ｎｍ以下とするが、２００ｎｍ以下が更に好ましい。グレーティングの深さを深くするほど、グレーティング長が短くても大きな反射率を得ることが可能である。
本発明の反射型光センサ素子では、例えば、反射率は３％以上あれば検知が可能であるので、グレーティング長は１０μｍ以上とすることが好ましい。またグレーティング長が１０００μｍを超えると、反射率は１００％以上となるので、これ以上にする必要はなく、グレーティングの損失が大きくなる。したがって、グレーティング長さは１０００μｍ以下とすることが好ましく、小型化するという観点ではグレーティング長が３００μｍ以下であることが更に好ましい。半値全幅を６ｎｍ以下とするという観点からは、グレーティング長は２００μｍ以下がいっそう好ましい。
リッジ型の光導波路は、例えば外周刃による切削加工やレーザアブレーション加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。
ブラッググレーティングは以下のようにして物理的、あるいは化学的なエッチングにより形成することができる。
具体例として、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属膜を光学材料層に成膜し、フォトリソグラフィーにより周期的に窓を形成しエッチング用マスクを形成する。その後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング装置で周期的なグレーティング溝を形成する。最後に金属マスクを除去することにより形成できる。
具体例として、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属膜を光学材料層に成膜し、フォトリソグラフィーにより周期的に窓を形成しエッチング用マスクを形成する。その後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング装置で周期的なグレーティング溝を形成する。最後に金属マスクを除去することにより形成できる。
光学材料層中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させてもよく、この場合、マグネシウムが特に好ましい。また結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
接着層の材質は、無機接着剤であってよく、有機接着剤であってよく、無機接着剤と有機接着剤との組み合わせであってよい。
また、光学材料層１１は、支持基体上に薄膜形成法によって成膜して形成してもよい。こうした薄膜形成法としては、スパッタ、蒸着、ＣＶＤを例示できる。この場合には、光学材料層１１は支持基体に直接形成されており、上述した接着層は存在しない。
支持基体の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Si、サファイア、窒化アルミニウム、ＳｉＣなどを例示することができる。
無反射層の反射率は、グレーティング反射率以下である必要があり、無反射層に成膜する膜材としては、二酸化珪素、五酸化タンタルなどの酸化物で積層した膜や、金属類も使用可能である。
また、グレーティング素子の各端面は、それぞれ、端面反射を抑制するために斜めカットしていてもよい。また、グレーティング素子と支持基板の接合は、図３の例では接着固定だが、直接接合でもよい。
好適な実施形態においては、感度向上という観点からは、反射型光センサ素子の反射率は３％以上、４０％以下に設定することが好ましい。この反射率は、５％以上が更に好ましく、また、２５％以下が更に好ましい。
好適な実施形態においては、伝搬部の長さＬｍは、１００μｍ以下とする（図１参照）。さらに外部共振器の長さを短くするという観点で４０μｍ以下が好ましい。これによって安定した発振が促進される。また、伝搬部の長さＬｍの下限値は特にないが、１０μｍ以上が好ましく、２０μｍ以上が更に好ましい。
（実施例１）
図１〜図３に示すような素子を作製した。
具体的には、石英基板にスパッタ装置にてTa2O5を1.2μｍ成膜して導波路層を形成した。次に、Ta2O5上にTｉを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりy軸方向にグレーティングパターンを作製した。その後、Tｉパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ232nm、長さLb 5〜 100μｍ、300μｍ、500μｍ、1000μｍのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さは20、40、60、100、160、200、350nmとした。さらにｙ軸伝搬の光導波路を形成するために、上記と同様な方法で反応性イオンエッチングにより、幅Wm3μｍ、Tr0.5μｍの溝加工を実施した。
図１〜図３に示すような素子を作製した。
具体的には、石英基板にスパッタ装置にてTa2O5を1.2μｍ成膜して導波路層を形成した。次に、Ta2O5上にTｉを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりy軸方向にグレーティングパターンを作製した。その後、Tｉパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ232nm、長さLb 5〜 100μｍ、300μｍ、500μｍ、1000μｍのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さは20、40、60、100、160、200、350nmとした。さらにｙ軸伝搬の光導波路を形成するために、上記と同様な方法で反応性イオンエッチングにより、幅Wm3μｍ、Tr0.5μｍの溝加工を実施した。
その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、両端面を0.1％のARコートを形成し、最後にチップ切断を行い、反射型光センサ素子を作製した。素子サイズは幅1mm、長さLwg 500μmとした。
グレーティング素子の光学特性は、広帯域波長光源であるスーパ・ルミネッセンス・ダイオード（SLD）を使用して、グレーティング素子にTEモードの光を入力して出力光を光スペクトルアナライザで分析することにより、その透過特性から反射特性を評価した。測定した反射の中心波長はすべて945±１nmであった。
溝深さが200nmの場合、グレーティング長30μｍ〜70μｍまでの反射特性結果を図５に示す。この結果からグレーティング長が短くなるにつれ、反射率が小さくなることがわかった。
さらにグレーティング長10μｍ〜1000μｍまでの反射率と反射半値全幅の結果を図６に示す。この結果から、グレーティング長9μｍでは、反射率２％、半値全幅７nmとなるが、10μｍ（17μｍ）以上では、反射率３％（２０％）以上となり、半値全幅は6nm（5nm）以下となる。
グレーティング溝深さが200nmと350nmのグレーティング長100μｍ以上での反射率と半値全幅の結果を図７に示す。この結果から、この深さ、長さでは反射率は１００％、半値全幅も一定値となった。
また、グレーティング溝深さ２０、４０、６０nmにした場合のグレーティング長50〜1000μｍの反射率と半値全幅の結果を図８に示す。この溝深さの領域では、グレーティング長によって大きく反射率を制御できることがわかる。半値全幅はグレーティング長が400μｍ以下では単調増加する傾向がある。深さ２０ｎｍではグレーティング長200μｍ以上になると半値全幅が0.8nmよりも小さくなる。
（実施例２）
ｚ板MgOドープのニオブ酸リチウム結晶基板にTｉを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりy軸方向にグレーティングパターンを作製した。その後、Tｉパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ214nm、長さLb 100μｍのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さは20、40、60nmとした。また、ｙ軸伝搬の光導波路を形成するために、エキシマレーザにて、グレーティング部に、幅Wm3μｍ、Tr0.5μｍの溝加工を実施した。さらに、溝形成面にSiO2からなるバッファ層１７をスパッタ装置で0.5μｍ成膜し、支持基板としてブラックＬＮ基板を使用してグレーティング形成面を接着した。
ｚ板MgOドープのニオブ酸リチウム結晶基板にTｉを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりy軸方向にグレーティングパターンを作製した。その後、Tｉパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ214nm、長さLb 100μｍのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さは20、40、60nmとした。また、ｙ軸伝搬の光導波路を形成するために、エキシマレーザにて、グレーティング部に、幅Wm3μｍ、Tr0.5μｍの溝加工を実施した。さらに、溝形成面にSiO2からなるバッファ層１７をスパッタ装置で0.5μｍ成膜し、支持基板としてブラックＬＮ基板を使用してグレーティング形成面を接着した。
次に、ブラックＬＮ基板側を研磨定盤に貼り付け、グレーティングを形成したＬＮ基板の裏面を精密研磨して1.2μｍの厚み（Ｔｓ）とした。その後、定盤からはずし研磨面をスパッタにてSiO2からなるバッファ層１７を0.5μｍ成膜した。
その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、両端面を0.1％のARコートを形成し、最後にチップ切断を行い、図１および図４に示すグレーティング素子を作製した。素子サイズは幅1mm、長さLwg 500μmとした。
グレーティング素子の光学特性は、広帯域波長光源であるスーパ・ルミネッセンス・ダイオード（SLD）を使用して、グレーティング素子にTEモードの光を入力して出力光を光スペクトルアナライザで分析することにより、その透過特性から反射特性を評価した。結果を図９に示す。
この結果から、LN、Ta205はほぼ同じことがわかる。TEモードに対して中心波長945nm、最大反射率は２０％で、半値全幅△λGは2nmの特性を得た。
（実施例３）
y板MgOドープのニオブ酸リチウム結晶基板にTｉを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりy軸方向にグレーティングパターンを作製した。その後、Tｉパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ224nm、長さLb 100μｍのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さは20、40、60nmとした。また、x軸伝搬の光導波路を形成するために、エキシマレーザにて、グレーティング部に、幅Wm3μｍ、Tr0.5μｍの溝加工を実施した。さらに、溝形成面にSiO2からなるバッファ層１６をスパッタ装置で0.5μｍ成膜し、支持基板としてブラックＬＮ基板を使用してグレーティング形成面を接着した。
y板MgOドープのニオブ酸リチウム結晶基板にTｉを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりy軸方向にグレーティングパターンを作製した。その後、Tｉパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ224nm、長さLb 100μｍのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さは20、40、60nmとした。また、x軸伝搬の光導波路を形成するために、エキシマレーザにて、グレーティング部に、幅Wm3μｍ、Tr0.5μｍの溝加工を実施した。さらに、溝形成面にSiO2からなるバッファ層１６をスパッタ装置で0.5μｍ成膜し、支持基板としてブラックＬＮ基板を使用してグレーティング形成面を接着した。
次に、ブラックＬＮ基板側を研磨定盤に貼り付け、グレーティングを形成したＬＮ基板の裏面を精密研磨して1.2μｍの厚み（Ｔｓ）とした。その後、定盤からはずし研磨面をスパッタにてSiO2からなるバッファ層１７を0.5μｍ成膜した。
その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、両端面を0.1％のARコートを形成し、最後にチップ切断を行いグレーティング素子を作製した。素子サイズは幅1mm、長さLwg 500μmとした。
グレーティング素子の光学特性は、広帯域波長光源であるスーパ・ルミネッセンス・ダイオード（SLD）を使用して、グレーティング素子にTEモードの光を入力して出力光を光スペクトルアナライザで分析することにより、その透過特性から反射特性を評価した。
この結果から、反射率と半値全幅は素子実施例２と同じ結果となった。LN、Ta205はほぼ同じ反射率と半値全幅になることがわかる。このときTEモードに対して中心波長945nm、最大反射率は２０％で、半値全幅△λGは2nmの特性を得た。
また、波長が変わっても600〜1.55μｍの波長領域ではほとんど同じ反射率、半値全幅が得られることがわかった。
また、波長が変わっても600〜1.55μｍの波長領域ではほとんど同じ反射率、半値全幅が得られることがわかった。
Claims (6)
- 支持基板、
前記支持基板上に設けられ、厚さ０．５μｍ以上、３．０μｍ以下の光学材料層、
半導体レーザ光が入射する入射面と所望波長の出射光を出射する出射面を有するリッジ型光導波路、
このリッジ型光導波路内に形成された凹凸からなるブラッググレーティング、および
前記入射面と前記ブラッググレーティングとの間に設けられている伝搬部を備えており、下記式（１）〜式（３）の関係が満足されることを特徴とする、反射型光センサ素子。
０．８ｎｍ≦△λG≦６．０ｎｍ・・・（１）
２０ｎｍ≦ｔｄ≦２５０ｎｍ ・・・（２）
ｎｂ≧１．８ ・・・（３）
（式（１）において、△λGは、ブラッグ反射率のピークにおける半値全幅である。
式（２）において、ｔｄは、前記ブラッググレーティングを構成する凹凸の深さである。
式（３）において、ｎｂは、前記ブラッググレーティングを構成する材質の屈折率である。） - 前記リッジ型光導波路が前記光学材料層に一対のリッジ溝によって形成されていることを特徴とする、請求項１記載の素子。
- 前記リッジ溝の深さＴｒの前記光学材料層の厚さＴｓに対する比率（Ｔｒ／Ｔｓ）が０．４以上、０．９以下であることを特徴とする、請求項２記載の素子。
- 下記式（４）の関係が満足されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の素子。
１０μｍ≦Ｌｂ≦１０００μｍ ・・・（４）
（式（４）において、Ｌｂは、前記ブラッググレーティングの長さである。） - 前記ブラッググレーティングを構成する前記材質が、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化ニオブ、リン化インジウムおよび酸化アルミナからなる群より選択されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の素子。
- 前記リッジ型光導波路の横モードがマルチモードであって、前記反射型光センサを構成した場合に出力する光の横モードが基本モードであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項記載の素子。
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