JPWO2019107133A1 - 光導波路及び光学式濃度測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
<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。
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。
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。
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。
<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。
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。
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)。
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。
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。
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 (21)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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、細線パターンにより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、
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、前記支持部が存在せず、
前記支持部の少なくとも一部が、前記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
光導波路。 - 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、細線パターン及び前記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、
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、
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、前記支持部が存在せず、
前記細線の少なくとも一部は、前記基板との間に空隙を有し、
前記回折格子部の少なくとも一部は、前記支持部によって前記基板に対して支持される
光導波路。 - 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14までの何れか一項に記載の光導波路。 - 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14までの何れか一項に記載の光導波路。 - 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14までの何れか一項に記載の光導波路。 - 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17までの何れか一項に記載の光導波路。 - 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18までの何れか一項に記載の光導波路。 - 請求項1から19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。 - 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20に記載の光学式濃度測定装置。
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