(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-18
(45)【発行日】2022-10-26
(54)【発明の名称】光導波路および光学式濃度測定装置
(51)【国際特許分類】
G01N 21/17 20060101AFI20221019BHJP
G02B 6/122 20060101ALI20221019BHJP
G02B 6/124 20060101ALI20221019BHJP
【ＦＩ】
G01N21/17 N
G02B6/122 311
G02B6/124
【請求項の数】
22
(21)【出願番号】P 2018187570
(22)【出願日】2018-10-02
(65)【公開番号】P2020056685
(43)【公開日】2020-04-09
【審査請求日】2021-07-01
(73)【特許権者】
【識別番号】303046277
【氏名又は名称】旭化成エレクトロニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100181272
【弁理士】
【氏名又は名称】神 紘一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100132045
【弁理士】
【氏名又は名称】坪内 伸
(72)【発明者】
【氏名】古屋 貴明
(72)【発明者】
【氏名】八木 立志
【審査官】井上 徹
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－１４６５６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２６８７３１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－８４０８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３０９２６１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第８７１８４３２（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】HATTASAN et al.，High-Efficiency SOI Fiber-to-Chip Grating Couplers and Low-Loss Waveguides for the Short-Wave Infrar，IEEE Photonics Technology Letters，米国，IEEE，2012年09月01日，Vol.24, No.17，pp.1536-1538
【文献】D. Vermeulen et.al. ，High-efficiency fiber-to-chip grating couplers realized using an advanced CMOS-compatible Silicon-On-Insulator platform，Optics Express，2010年08月，Vol.18 No.17，P.18278-18283
【文献】EMMONS, Robert and HALL, Dennis，Buried-Oxide Silicon-on-Insulator Structures II: Waveguide Grating Couplers，IEEE Journal of Quantum Electronics，米国，IEEE，1992年01月，Vol.28, No.1，pp.164-175
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／００－Ｇ０１Ｎ ２１／０１
Ｇ０１Ｎ ２１／１７－Ｇ０１Ｎ ２１／６１
Ｇ０２Ｂ ６／１２－Ｇ０２Ｂ ６／１４
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、第一膜厚を有する第一部分、前記第一膜厚未満の第二膜厚を有する第二部分、前記第二膜厚以下の第三膜厚を有する第三部分、前記第一部分と前記第二部分との間を接続する第四部分、および前記第二部分と前記第三部分との間を接続する第五部分を有し、光を伝搬可能なコア層を備え、
前記第一部分は回折格子部を有し、
前記第二部分および前記第三部分は光伝搬部を有し、
前記第四部分は、該第四部分の前記第一部分側の端から前記第二部分側に向かって膜厚が一定である等厚部分と、前記第二部分側から前記第一部分側へ向けて膜厚が漸次増加している部分とを有し、
前記等厚部分の長手方向の長さは、（７）式によって定義される結合長Ｌの４割未満又は０．７μｍ未満であり、
（１）式によって定義されるカットオフ膜厚ｔｃｏが、（２）式および（３）式を満たす
光導波路。
【数1】
前記第一膜厚≧ｔｃｏ （２）
前記第二膜厚＜ｔｃｏ （３）
【数2】
【請求項2】
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、第一膜厚を有する第一部分、前記第一膜厚未満の第二膜厚を有する第二部分、前記第二膜厚以下の第三膜厚を有する第三部分、前記第一部分と前記第二部分との間を接続する第四部分、および前記第二部分と前記第三部分との間を接続する第五部分を有し、光を伝搬可能なコア層を備え、
前記第一部分は回折格子部を有し、
前記第二部分および前記第三部分は光伝搬部を有し、
前記第四部分は、該第四部分の前記第一部分側の端から前記第二部分側に向かって膜厚が一定である等厚部分と、前記第二部分側から前記第一部分側へ向けて膜厚が漸次増加している部分とを有し、
前記等厚部分の長手方向の長さは、（７）式によって定義される結合長Ｌの４割未満又は０．７μｍ未満であり、
（４）式によって定義される、みなしカットオフ膜厚ｔ’ｃｏが、（５）式および（６）式を満たす
光導波路。
【数3】
前記第一膜厚≧ｔ’ｃｏ （５）
前記第二膜厚＜ｔ’ｃｏ （６）
【数4】
【請求項3】
前記第三膜厚は、前記第二膜厚と等しい請求項１または２に記載の光導波路
【請求項4】
前記第三膜厚は、前記第二膜厚未満であり、前記第五部分において、前記第三部分側から前記第二部分側へ向けて膜厚が漸次増加する
請求項１または２に記載の光導波路。
【請求項5】
前記第一部分は複数の膜による積層構造を有している請求項１から４のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項6】
基板と、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合する支持部をさらに備える
請求項１から５のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項7】
前記コア層の少なくとも一部は、前記支持部に接合されておらず浮遊している請求項６に記載の光導波路。
【請求項8】
前記等厚部分の長手方向の長さは、前記結合長Ｌの３割未満である請求項１から７のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項9】
前記等厚部分の長手方向の長さは、０．５μｍ未満である請求項１から８のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項10】
前記第四部分および前記第五部分の少なくとも一方において、漸次増加する膜厚の最大傾斜角が１０°以上４５°以下である請求項４から９のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項11】
前記第四部分および前記第五部分の少なくとも一方において、漸次増加する膜厚の平均傾斜角は３０°以下である請求項４から１０のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項12】
前記回折格子部は凹部を有し、前記凹部の深さは、前記第三膜厚よりも大きい
請求項１から１１のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項13】
前記回折格子部は凹部を有し、前記凹部の膜厚は、前記第三膜厚よりも大きい
請求項１から１２のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項14】
前記回折格子部の平均膜厚は、前記第三膜厚よりも大きい請求項１から１３までの何れか一項に記載の光導波路。
【請求項15】
前記回折格子部は凸部を有し、前記凸部の膜厚は、前記第二膜厚よりも大きい
請求項１から１４のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項16】
前記回折格子部の膜厚方向から、伝搬する光が入力される請求項１から１５のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項17】
前記回折格子部の膜厚方向に、伝搬した光が出力される請求項１から１６のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項18】
前記コア層は単結晶で形成されている請求項１から１７のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項19】
前記コア層の少なくとも一部は露出しており、被測定気体または被測定液体と接触可能である、または、前記コア層の少なくとも一部は、該コア層を伝搬する光の真空波長の１／４よりも薄い薄膜により被覆されており、前記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る、請求項１から１８までのいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項20】
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１９までのいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項21】
請求項１から２０のいずれか１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。
【請求項22】
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２１に記載の光学式濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光導波路および光学式濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
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出している。この染出しは、エバネッセント波（図２１参照）と呼ばれている。エバネッセント波Ｅ２は、光Ａ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Ａ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Ｅ２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。
【0003】
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。
【0004】
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を相互作用させる量を多く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。エバネッセント波を増やすには、光が伝搬するコア層の膜厚を薄くすることが求められる。
【0005】
一方、図２１に示したように、ＡＴＲ法を利用したセンサでは、光源（不図示）からの光Ａを光導波路のコア層となる構造体５１に導入する箇所と、構造体５１から光検出器（不図示）に向けて取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Ａ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。
【0006】
非特許文献１および特許文献２には、回折格子における光の取出し効率を向上させるための、回折格子の設計方針が開示されている。非特許文献１には、回折格子を構成するコア層の厚さを、コア層を構成する材料中での光の波長の１／２の整数倍にすることによって、回折格子における光の取出し効率を上げることが開示されている。このようにコア層の膜厚を設計することによって、コア層表面の凹凸によって直接上方に散乱される光の位相と、下方に散乱されてからコア層の裏面で反射されて戻ってくる光の位相とが揃うため、回折格子における光の取出し効率が向上する。また、特許文献２には、回折格子の溝の周期および溝の深さについて、最適値があることが開示されている。回折格子の溝の周期を導波路を伝搬する光の真空波長の０．４倍とし、溝の深さを導波路を伝搬する光の真空波長の０．０９７倍とすることにより、ＴＥモードおよびＴＭモード共に最も効率良く光の取出しが行える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開２００５－３００２１２号公報
【文献】特開２０１１－４３６９９号公報
【非特許文献】
【0008】
【文献】Ｒ．Ｍ．Ｅｍｍｏｎｓ ａｎｄ Ｄ．Ｇ．Ｈａｌｌ，"Ｂｕｒｉｅｄ－Ｏｘｉｄｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒｅｓ ＩＩ：Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｃｏｕｐｌｅｒｓ"， ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ， Ｖｏｌ．２８， ＮＯ．１， ＪＵＬＹ １９９２， ｐｐ． １６４－１７５．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明の目的は、伝搬光のエバネッセント波の染出し効率および光の入出力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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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、第一膜厚を有す
る第一部分、前記第一膜厚未満の第二膜厚を有する第二部分、前記第二膜厚以下の第三膜
厚を有する第三部分、前記第一部分と前記第二部分との間を接続する第四部分、前記第二
部分と前記第三部分との間を接続する第五部分を有し、光を伝搬可能なコア層を備え、前
記第一部分は回折格子部を有し、前記第二部分および前記第三部分は光伝搬部を有し、前記第四部分は、該第四部分の前記第一部分側の端から前記第二部分側に向かって膜厚が一定である等厚部分と、前記第二部分側から前記第一部分側へ向けて膜厚が漸次増加している部分とを有し、前記等厚部分の長手方向の長さは、（７）式によって定義される結合長Ｌの４割未満又は０．７μｍ未満であり、
（１）式によって定義されるカットオフ膜厚ｔｃｏが、（２）式および（３）式を満た
すことを特徴とする。
（１）式において、λ０は伝搬光の真空波長であり、ｎｃｏｒｅはコア層の屈折率であり、ｎｃｌａｄはクラッド層の屈折率であり、
前記第一膜厚≧ｔｃｏ （２）
前記第二膜厚＜ｔｃｏ （３）
（７）式において、β
０
はコア層を伝搬する光における膜厚方向に対する０次モードの伝搬方向波数であり、β
１
はコア層を伝搬する光における膜厚方向に対する１次モードの伝搬方向波数である。
また、本発明の別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、第一膜厚を有する第一部分、前記第一膜厚未満の第二膜厚を有する第二部分、前記第二膜厚以下の第三膜厚を有する第三部分、前記第一部分と前記第二部分との間を接続する第四部分、および前記第二部分と前記第三部分との間を接続する第五部分を有し、光を伝搬可能なコア層を備え、前記第一部分は回折格子部を有し、前記第二部分および前記第三部分は光伝搬部を有し、前記第四部分は、該第四部分の前記第一部分側の端から前記第二部分側に向かって膜厚が一定である等厚部分と、前記第二部分側から前記第一部分側へ向けて膜厚が漸次増加している部分とを有し、前記等厚部分の長手方向の長さは、（７）式によって定義される結合長Ｌの４割未満又は０．７μｍ未満であり、
（４）式によって定義される、みなしカットオフ膜厚ｔ’ｃｏが、（５）式および（６）式を満たすことを特徴とする。
（４）式において、λ０は伝搬光の真空波長であり、ｎｃｏｒｅはコア層の屈折率であり
前記第一膜厚≧ｔ’ｃｏ （５）
前記第二膜厚＜ｔ’ｃｏ （６）
（７）式において、β
０
はコア層を伝搬する光における膜厚方向に対する０次モードの伝搬方向波数であり、β
１
はコア層を伝搬する光における膜厚方向に対する１次モードの伝搬方向波数である。
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、第一膜厚を有す
る第一部分、前記第一膜厚未満の第二膜厚を有する第二部分、前記第二膜厚以下の第三膜
厚を有する第三部分、前記第一部分と前記第二部分との間を接続する第四部分、前記第二
部分と前記第三部分との間を接続する第五部分を有し、光を伝搬可能なコア層を備え、前
記第一部分は回折格子部を有し、前記第二部分および前記第三部分は光伝搬部を有し、前記第四部分は、該第四部分の前記第一部分側の端から前記第二部分側に向かって膜厚が一定である等厚部分と、前記第二部分側から前記第一部分側へ向けて膜厚が漸次増加している部分とを有し、前記等厚部分の長手方向の長さは、（７）式によって定義される結合長Ｌの４割未満又は０．７μｍ未満であり、
（１）式によって定義されるカットオフ膜厚ｔｃｏが、（２）式および（３）式を満た
すことを特徴とする。
【数5】
前記第一膜厚≧ｔｃｏ （２）
前記第二膜厚＜ｔｃｏ （３）
【数6】
また、本発明の別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、第一膜厚を有する第一部分、前記第一膜厚未満の第二膜厚を有する第二部分、前記第二膜厚以下の第三膜厚を有する第三部分、前記第一部分と前記第二部分との間を接続する第四部分、および前記第二部分と前記第三部分との間を接続する第五部分を有し、光を伝搬可能なコア層を備え、前記第一部分は回折格子部を有し、前記第二部分および前記第三部分は光伝搬部を有し、前記第四部分は、該第四部分の前記第一部分側の端から前記第二部分側に向かって膜厚が一定である等厚部分と、前記第二部分側から前記第一部分側へ向けて膜厚が漸次増加している部分とを有し、前記等厚部分の長手方向の長さは、（７）式によって定義される結合長Ｌの４割未満又は０．７μｍ未満であり、
（４）式によって定義される、みなしカットオフ膜厚ｔ’ｃｏが、（５）式および（６）式を満たすことを特徴とする。
【数7】
前記第一膜厚≧ｔ’ｃｏ （５）
前記第二膜厚＜ｔ’ｃｏ （６）
【数8】
【0011】
また、上記目的を達成するために、本発明の一態様によるによる光学式濃度測定装置は、上記本発明の各態様のいず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。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、伝搬光のエバネッセント波の染出し効率および光の入出力効率の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の一実施形態による光導波路ならびに光学式濃度測定装置の概略構成と、光学式測定装置１を利用したＡＴＲ法によるセンシングを示す図である。
【図6】三層対称スラブ導波路にＴＥモードの光を伝搬させた場合において、カットオフ膜厚またはみなしカットオフ膜厚と伝搬光の真空波長との関係を、クラッド層の屈折率別に示したグラフである。
【図7】第四部分の等厚部分の長さを長めにとった場合の、第一部分から第四部分に向かって伝搬していく赤外線ＩＲの様子を示す図である。
【図8】三層対称スラブ導波路にＴＥモードの光を伝搬させた場合において、伝搬光の真空波長と、結合長Ｌまたは伝搬方向波数β0、β1との関係を示したグラフである。
【図9】三層対称スラブ導波路にＴＥモードの光を伝搬させた場合において、第四部分の等厚部分の長さに対する、第四部分における伝搬光の伝搬効率を示したシミュレーション結果である。
【図10】第四部分の等厚部分の長さを、結合長Ｌの５割、４割、３割、２割と変化させた構成にそれぞれにおいて、赤外線ＩＲの伝搬する様子を示す図である。
【図14】図１の光導波路１０を説明する図であって、異なる膜厚領域を持つコア層の接続部において、光がコア層の第三部分（薄膜側）からコア層の第二部分および第一部分（厚膜側）に導入された時の例を示す図である。
【図15】バーズビークを説明するための図である。
【図21】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。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
＜光導波路＞
本発明の実施形態に係る光導波路は、光を伝搬可能なコア層を備えている。コア層は、第一部分、第二部分、第三部分、第四部分、および第五部分を有している。第一部分は、第一膜厚を有する。第二部分は、第一膜厚未満の第二膜厚を有する。第三部分は、第二膜厚以下の第三膜厚を有する。言換えると、第二部分および第三部分は等しい膜厚を有していてもよい。第四部分は、第一部分と第二部分との間を接続する。第五部分は、第二部分と第三部分との間を接続する。第一部分は、回折格子部を有する。第二部分および第三部分は、光伝搬部を有する。
本発明の実施形態に係る光導波路は、光を伝搬可能なコア層を備えている。コア層は、第一部分、第二部分、第三部分、第四部分、および第五部分を有している。第一部分は、第一膜厚を有する。第二部分は、第一膜厚未満の第二膜厚を有する。第三部分は、第二膜厚以下の第三膜厚を有する。言換えると、第二部分および第三部分は等しい膜厚を有していてもよい。第四部分は、第一部分と第二部分との間を接続する。第五部分は、第二部分と第三部分との間を接続する。第一部分は、回折格子部を有する。第二部分および第三部分は、光伝搬部を有する。
【0016】
本実施態様に係る光導波路によれば、第一部分において光の入出力効率を向上させ且つ第二部分および第三部分において伝搬光のエバネッセント波の染出し効率を向上させながらも、コア層から外部への光の漏出を低減させ得る。したがって、本発明の実施態様に係る光導波路によれば、伝搬光のエバネッセント波の染出し効率ならびに光の入出力効率の向上を図ることが可能になる。
【0017】
また、本実施態様に係る導波路によれば、第一部分は回折格子部を有し、第二部分および第三部分は光伝搬部を有する。これにより、光導波路は、光が第二部分および第三部分を伝搬する際のエバネッセント波の染出し効率と、光を第一部分から入力および出力する際の入出力効率を向上させ得る。
【0018】
また、第一部分、第二部分、第三部分、第四部分、および第五部分は、長手方向に延伸するコア層の任意の位置に存在してよく、言い換えると、長手方向に延伸するコア層の端部でも中間部でもよい。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、第一部分、第二部分、第三部分、第四部分、および第五部分は、それぞれが複数存在してよい。さらに、第一部分は複数の膜による積層構造で構成されていてもよい。
【0019】
なお、第一部分および第四部分の境界は、第一部分が有する回折格子部の第二部分側の端である。回折格子部の第二部分側の端とは、回折格子部を構成する凹部を画定する内壁、および回折格子部を構成する凸部を画定する外壁の少なくとも一方の中で最も第二部分側にある壁面である。また、第二部分および第四部分の境界は、第二部分から第四部分に向かって、第二膜厚からのコア層の膜厚変化量が、第四部分における第一部分側の端のコア層の膜厚と第二膜厚の差の５％変化した点とする。また、第二部分および第五部分の境界は、第二部分から第五部分に向かって、第二膜厚からのコア層の膜厚変化量が、第二膜厚と第三膜厚の差の５％変化した点とする。また、第三部分および第五部分の境界は、第三部分から第五部分に向かって、第三膜厚からのコア層の膜厚変化量が、第二膜厚と第三膜厚の差の５％変化した点とする。なお、第二部分は、実質的に第二膜厚を有する部分であり、第三部分は実質的に第三膜厚を有する部分である。
【0020】
また、第三膜厚は、第二膜厚未満であってよい。また、第二部分の第二膜厚を有する部分および第三部分の第三膜厚を有する部分は、長手方向に１μｍ以上の長さで存在してよい。また、第四部分では、第四部分の一部において第二部分側から第一部分側へ向けて膜厚が漸次増加する傾斜部分を有してよく、他の一部において膜厚が均一な等厚部分を有してよい。なお、第四部分において、第一部分側の端から第二部分に向かって、コア層の膜厚変化量が、第四部分における第一部分側の端のコア層の膜厚と第二膜厚の差の５％以内の部分を等厚部分とみなす。または、第四部分では、第四部分のすべての部分において傾斜部分を有してもよい。さらに、第五部分において、第三部分側から第二部分側へ向けて膜厚が漸次増加していてよい。なお、第一膜厚、第二膜厚、第三膜厚、第四膜厚、第五膜厚の測定方法については、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、光導波路を第一部分、第二部分、第三部分、第四部分および第五部分のいずれかを含む断面で断面視を行い、測定する事ができる。
【0021】
これにより、コア層の各部分において互いの膜厚の差が大きくなり、言換えると、良好な光の入出力効率および染出し効率を奏し得る第一部分および第三部分を有する光導波路が、容易に製造され得る。
【0022】
また、第一膜厚は、（１）式により定められるカットオフ膜厚ｔco以上、または第二膜厚はカットオフ膜厚ｔco未満であってよい。好ましくは、第一膜厚はカットオフ膜厚ｔco以上、且つ第二膜厚はカットオフ膜厚ｔco未満であってよい。
【0023】
【数1】
【0024】
（１）式において、λ0は、伝搬光の真空波長であり、ｎcoreはコア層の屈折率であり、ｎcladは、クラッド層の屈折率である。クラッド層とは、コア層よりも低屈折率の材料で構成され、コア層に接しながらコア層の周囲に存在する層である。コア層をＳｉで構成した場合、クラッド層としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、等が挙げられる。屈折率はそれぞれ、シリコン酸化膜：約１．４、シリコン窒化膜：約２．０である。なお、クラッド層が層として設けられず、コア層の周囲に被測定物質が直接存在する構成においては、被測定物質の存在する媒質をクラッド層とみなし、その媒質の屈折率をｎcladとして扱う。例えば、被測定物質が空気中の成分であればｎcladは空気の屈折率であり、水中の成分であればｎcladは水の屈折率である。また、クラッド層が複数の材料で構成される場合は、クラッド層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。
【0025】
さらに、十分にｎcore＞ｎcladである構成では、カットオフ膜厚ｔcoは近似的に、（２）式により定められるみなしカットオフ膜厚ｔ’ coとみなせ得る。なお、十分にｎcore＞ｎcladである構成とは、（１）式の分母がｎcoreの８割以上となる場合を指す。
【0026】
【数2】
【0027】
さらに、第四部分が等厚部分を有する構成において当該等厚部分の長手方向の長さは、（３）式により定められる結合長Ｌの４割未満であってよく、好ましくは３割未満であってよい。また、第四部部における等厚部分の長手方向の長さは、０．７μｍ未満であってよく、好ましくは０．５μｍ未満であってよい。
【0028】
【数3】
【0029】
（３）式において、β0はコア層を伝搬する光における０次モードの伝搬方向波数、β1はコア層を伝搬する光における１次モードの伝搬方向波数である。なお、伝搬方向とは本願でいう長手方向を意味する。ただし、β0は０よりも大きく、（４）式、（５）式、（６）式、（７）式の連立方程式の解として与えられるもののうちで最小のものである。また、β1は０よりも大きく、（８）式、（９）式、（１０）式、（１１）式の連立方程式の解として与えられるもののうちで最小のものである。
【0030】
【数4】
【0031】
（４）式、（５）式、（６）式、（７）式、（８）式、（９）式、（１０）式、（１１）式において、ｕおよびｗは横方向規格化伝搬定数、ｖは規格化周波数、ｋ0は伝搬光の真空における波数、ｄはコア層の膜厚である。なお、横方向とは、本願でいう膜厚方向を意味する。
【0032】
後に詳述するように、第一膜厚がカットオフ膜厚ｔco以上であることにより、第一部分において、光の入出力効率が向上する。また、第二膜厚がカットオフ膜厚ｔco未満であることにより、第二部分において光が膜厚方向にシングルモードで伝搬され、第二部分と第三部分を接続する第五部分における光のモード変換ロスを抑制し得る。また、第四部分における等厚部分の長さが結合長Ｌの４割未満、または３割未満であること、もしくは第四部分における等厚部分の長さが０．７μｍ未満、または０．５μｍ未満であることにより、第一部分において入力した光が第二部分まで到達するまでの間に伝搬光のモード変換が抑制され、モード変換による伝搬光の低下が抑制され得る。
【0033】
また、第四部分および第五部分の少なくとも一方において、漸次増加する膜厚の最大傾斜角が１０°以上４５°以下であってよい。
【0034】
ここで第四部分における最大傾斜角は、光導波路を第一部分、第二部分、および第四部分を含む断面で断面視を行い、以下の手順で求める。また、第五部分における最大傾斜角は、光導波路を第二部分、第三部分、および第五部分を含む断面で断面視を行い、以下の手順で求める。
【0035】
まず、第四部分において、水平方向（本願でいう長手方向）の寸法を、第四部分内の膜厚の高低差の５％～２５％の値で分割する。また、第五部分において、水平方向（本願でいう長手方向）の寸法を、第二部分および第三部分の膜厚の差の５％～２５％の値で分割する。
【0036】
次に、分割された各水平区間内における第四部分および第五部分の縁の形状を一次関数で近似する。一次関数での近似については、水平区間内における第四部分および第五部分それぞれの端点同士を線分で結んだものとする。
【0037】
ここで、各水平区間の一次関数のうち、水平方向に対して最も傾斜が大きい一次関数の角度を最大傾斜角と定義する。
【0038】
なお、上述の最大傾斜角の算出方法については、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた画像解析により算出する事ができる。
【0039】
例えば、第二部分および第三部分の膜厚の差が２５０ｎｍの場合、第三部分の水平方向の寸法を１２．５ｎｍ～６２．５ｎｍ間隔の区間に分割し、分割された各水平区間内における第五部分の縁の形状を一次関数で近似する。そして、各区間の一次関数のうち、水平方向に対して最も傾斜が大きい一次関数の角度を最大傾斜角として算出する。
【0040】
このように算出された最大傾斜角が１０°以上４５°以下であることにより、第四部分や第五部分において、コア層の外部への伝搬光の漏出が抑制される。その結果、エバネッセント波の染出し効率と光の入出力効率が共により優れた光導波路を提供する事が可能となる。
【0041】
また、第四部分および第五部分の少なくとも一方において、漸次増加する膜厚の平均傾斜角は３０°以下であってよい。
【0042】
ここで第四部分の平均傾斜角は、光導波路を第一部分、第二部分、および第四部分を含む断面で断面視を行い、以下の手順で求める。また、第五部分の平均傾斜角は、光導波路を第二部分、第三部分、および第五部分を含む断面で断面視を行い、以下の手順で求める。
【0043】
まず、第四部分の基板とは反対側の縁を形成する線において、第二部分側の端を始点とし、第一部分側の端を終点とする。また、第五部分の基板とは反対側の縁を形成する線において、第三部分側の端を始点とし、第二部分側の端を終点とする。
【0044】
次に、前述の始点と終点を直線で結び、この直線の水平方向（本願でいう長手方向）に対する傾斜角を平均傾斜角と定義する。
【0045】
例えば、第二部分および第三部分の膜厚の差が２５０ｎｍの場合、第五部分の縁を形成する線において、第三部分および第五部分の境界である、第三膜厚から膜厚が１２．５ｎｍ変化した点を始点とする。また、第二部分および第五部分の境界である、第二膜厚から膜厚が１２．５ｎｍ変化した点を終点として、始点と終点を直線で結ぶ。その直線の水平方向に対する角度を平均傾斜角として算出する。
【0046】
なお、上述の平均傾斜角の算出方法については、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた画像解析により算出する事ができる。
【0047】
このように算出された平均傾斜角が３０°以下であることにより、第四部分や第五部分において、コア層の外部への伝搬光の漏出がさらに抑制され、エバネッセント波の染出し効率と光の入出力効率がさらに優れた光導波路を提供する事が可能となる。
【0048】
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、光が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。コア層は単一の材料から形成されてもよく、複数の材料が積層されて形成されてもよい。一例として、単結晶シリコンの表面に多結晶シリコンやシリコン窒化膜を形成し、その多層膜をコア層としてよい。より詳細には、例えば、単結晶シリコン上に多結晶シリコン等を体積して、その多結晶シリコン膜等に後述の回折格子部の凹部や凸部を形成したものをコア層としてもよい。ただし、後述の基板や支持部は、内部に光を伝搬させることを主機能としていないため、コア層とはみなさない。
＜コア層＞
コア層は、光が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。コア層は単一の材料から形成されてもよく、複数の材料が積層されて形成されてもよい。一例として、単結晶シリコンの表面に多結晶シリコンやシリコン窒化膜を形成し、その多層膜をコア層としてよい。より詳細には、例えば、単結晶シリコン上に多結晶シリコン等を体積して、その多結晶シリコン膜等に後述の回折格子部の凹部や凸部を形成したものをコア層としてもよい。ただし、後述の基板や支持部は、内部に光を伝搬させることを主機能としていないため、コア層とはみなさない。
【0049】
コア層は、第一部分、第二部分、第三部分、第四部分、および第五部分を有している。第一部分は、第一膜厚を有する。第二部分は、第一膜厚未満の第二膜厚を有する。第三部分は、第二膜厚以下の第三膜厚を有する。言換えると、第二部分および第三部分は同じ膜厚を有していてもよい。第四部分は、第一部分と第二部分との間を接続する。第五部分は、第二部分と第三部分との間を接続する。第一部分は、回折格子部を有する。第二部分および第三部分は、光伝搬部を有する。
【0050】
ここで第一膜厚とは、コア層が有する第一部分のうち、回折格子部が形成されている部分を断面視した際に最大とみることができる膜厚を指す。すなわち、回折格子を形成する凹凸の凹部の膜厚は第一膜厚とはならない。
【0051】
また、第一部分、第二部分、第三部分、第四部分、および第五部分は、長手方向に延伸するコア層の任意の位置に存在してよく、言い換えると、長手方向に延伸するコア層の端部でも中間部でもよい。また、第一部分、第二部分、第三部分、第四部分、および第五部分は、それぞれが複数存在してよい。一例として、コア層は、光入力用の回折格子部を有する第一部分を含む第一部分から第五部分の組と、光出力用の回折格子部を有する第一部分を含む第一部分から第五部分の組と、をそれぞれ有してもよい。またこの場合、第三部分は互いに共通としてもよい。さらに、第一部分は複数の膜による積層構造で構成されていてもよい。
【0052】
ここで回折格子部とは、コア層の表面に特定の周期（周期は複数であっても可）で凹凸が形成されている部分を意味する。または、凹部と凸部を含む平面で光導波路を断面視した場合に、凹凸の凹部の溝が深くなり、コア層を切り離す状態であってもよい。その場合は、凸部は不連続で島状に形成されていることになる。また、回折格子部は複数の膜による積層構造で構成されていてもよい。
【0053】
第三膜厚は、第二膜厚未満であってよい。また、第二部分の第二膜厚を有する部分および第三部分の第三膜厚を有する部分は、長手方向に１μｍ以上の長さで存在してよい。また、第四部分では、第四部分の一部において第二部分側から第一部分側へ向けて膜厚が漸次増加する傾斜部分を有してよく、他の一部において膜厚が均一な等厚部分を有してよい。または、第四部分では、第四部分内のすべての部分において傾斜部分を有してよい。さらに、第五部分において、第三部分側から第二部分側へ向けて膜厚が漸次増加していてよい。これにより、良好な光の入出力効率および染出し効率を奏し得る第一部分および第三部分を有する光導波路が、容易に製造され得る。
【0054】
第一膜厚は、（１）式により定められるカットオフ膜厚ｔco以上、または第二膜厚はカットオフ膜厚ｔco未満であってよく、好ましくは、第一膜厚はカットオフ膜厚ｔco以上、且つ第二膜厚はカットオフ膜厚ｔco未満であってよい。また、（１）式において、十分にｎcore＞ｎcladである構成では、カットオフ膜厚ｔcoは近似的に、（２）式により定められるみなしカットオフ膜厚ｔ’ coとみなせ得る。
【0055】
さらに、第四部分が等厚部分を有する構成における当該等厚部分の長手方向の長さは、（３）式により定められる結合長Ｌの４割未満であってよく、好ましくは３割未満であってよい。また、第四部部における等厚部分の長手方向の長さは、０．７μｍ未満であってよく、好ましくは０．５μｍ未満であってよい。これにより、第一部分において光の入出力効率が上がる。また、これにより、第二部分および第三部分において膜厚方向にシングルモードで光が伝搬されながら、第四部分での伝搬光のモード変換が抑制され、モード変換による伝搬光の低下が抑制され得る。
【0056】
第四部分および第五部分の少なくとも一方において、漸次増加する膜厚の最大傾斜角が１０°以上４５°以下であってよい。これにより、コア層の外部への伝搬光の漏出が抑制され、エバネッセント波の染出し効率と光の入出力効率が共により優れた光導波路を提供する事が可能となる。
【0057】
第四部分および第五部分の少なくとも一方において、漸次増加する膜厚の平均傾斜角は３０°以下であってよい。これにより、コア層の外部への伝搬光の漏出がさらに抑制され、エバネッセント波の染出し効率と光の入出力効率がさらに優れた光導波路を提供する事が可能となる。
【0058】
回折格子部は、凹部を有してよい。凹部の深さは、光伝搬部を有する第三部分の第三膜厚よりも大きくてもよい。その理由は、エバネッセント波を効率的にコア層から染出させるためには、コア層の光伝搬部はコア層を形成する材料中での光の波長よりも十分に小さいことが好ましいが、回折格子で光を曲げる領域では、コア層を形成する材料中での光の波長に近いオーダーの寸法（ここでは溝の深さ）で回折格子が形成されていると、効率良く光を回折させることが出来るからである。つまり、回折格子部の凹部の深さをコア層の光伝搬部の膜厚よりも大きくすることは、エバネッセント波を用いたセンサのセンサ感度を向上させることに繋がる。
【0059】
凹部の膜厚は、光伝搬部を有する第三部分の第三膜厚よりも大きくてもよい。その理由は、コア層からエバネッセント波を効率的に染出させるためには、コア層の光伝搬部はコア層を形成する材料中での光の波長よりも十分に小さいことが好ましいが、回折格子で光を曲げる領域では、コア層を形成する材料中での光の波長に近いオーダーの寸法（ここでは凹部の膜厚）で回折格子が存在していることで、効率良く光を回折させることが出来るからである。つまり、回折格子部の凹部の膜厚をコア層の光伝搬部の膜厚よりも大きくすることは、エバネッセント波を用いたセンサのセンサ感度を向上させることに繋がる。
【0060】
回折格子部の平均膜厚は、光伝搬部を有する第三部分の第三膜厚よりも大きくてもよい。その理由は、コア層からエバネッセント波を効率的に染出させるためには、光伝搬部として機能する第三部分の膜厚はコア層を形成する材料中での光の波長よりも十分に小さいことが好ましいが、回折格子で光を曲げる領域では、コア層を形成する材料中での光の波長に近いオーダーの寸法（ここでは平均膜厚）で回折格子が存在していることで、効率良く光を回折させることが出来るからである。つまり、回折格子部の平均膜厚を第三膜厚よりも大きくすることは、エバネッセント波を用いたセンサのセンサ感度を向上させることに繋がる。なお、回折格子部の平均膜厚とは、回折格子を形成する凹凸パターンにおいて、凸部の膜厚と凸部の占有率との積と、凹部膜厚と凹部の占有率との積の平均値である。
【0061】
回折格子部は凸部を有してよい。凸部の膜厚は、光伝搬部を有する第二部分の第二膜厚よりも大きくてよい。その理由は、コア層からエバネッセント波を効率的に染出させるためには、光伝搬部として機能する第二部分の第二膜厚はコア層を形成する材料中での光の波長よりも十分に小さいことが好ましいが、回折格子で光を曲げる領域では、コア層を形成する材料中での光の波長に近いオーダーの寸法（ここでは凸部の膜厚）で回折格子が存在していることで、効率良く光を回折させることが出来るからである。つまり、回折格子部の凸部の膜厚を第二膜厚よりも大きくすることは、エバネッセント波を用いたセンサのセンサ感度を向上させることに繋がる。
【0062】
回折格子部は、回折格子部の膜厚方向（膜厚が増加する方向及び減少するいずれかの方向）から、光伝搬部を伝搬する光が入力されるように構成されてよい。このとき、光の入力方向が完全に膜厚方向と一致している必要はなく、膜厚方向が主方向成分であればよい。膜厚方向が主方向成分となる構成とは、光の入力方向を、膜厚方向の成分と、膜厚方向と直交する方向の成分に分配した場合に、膜厚方向の成分が最も大きくなる構成である。これにより、光が回折格子部を介して光導波路に入力され得る。膜厚方向は、光伝搬部が光を伝搬させる方向と直交してよい。
【0063】
回折格子部は、回折格子部の膜厚方向（膜厚が増加する方向及び減少するいずれかの方向）に、光伝搬部を伝搬した光が出力されるように構成されてよい。これにより、光が回折格子部を介して光導波路から出力され得る。
【0064】
コア層は、単結晶で形成されていてよい。これによりコア層内の結晶欠陥を低減させ、伝搬光のコア層内部での散乱を抑制し、さらに表面のラフネスも小さくなるため、伝搬損失を小さくできる。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
＜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、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。
【0068】
＜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、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。
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。
【0069】
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できる。
【0070】
＜保護膜＞
本発明の一実施態様に係る光導波路は、コア層の表面の少なくとも一部に形成されて膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であり、屈折率が前記コア層を形成する材料よりも小さい保護膜をさらに備えてもよい。保護膜の膜厚が１ｎｍ以上であることで、コア層の表面に自然酸化膜が形成されることを抑制することが可能となる。また、保護膜の膜厚が２０ｎｍ未満であることで、コア層から染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大幅に低減させることがない。これにより、コア層から染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大幅に低減させることなく、コア層の表面状態の変化を防止することが可能となる。
本発明の一実施態様に係る光導波路は、コア層の表面の少なくとも一部に形成されて膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であり、屈折率が前記コア層を形成する材料よりも小さい保護膜をさらに備えてもよい。保護膜の膜厚が１ｎｍ以上であることで、コア層の表面に自然酸化膜が形成されることを抑制することが可能となる。また、保護膜の膜厚が２０ｎｍ未満であることで、コア層から染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大幅に低減させることがない。これにより、コア層から染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大幅に低減させることなく、コア層の表面状態の変化を防止することが可能となる。
【0071】
膜厚の下限としては、２ｎｍであってよく、膜厚の上限としては、５ｎｍであってよい。
【0072】
保護膜として、具体的にはシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜等が挙げられる。保護膜は、単層の膜であってもよく、また複数の膜で有する積層膜であってもよい。
【0073】
また、保護膜は窒素を含んでいてもよい。これにより、コア層の酸化をより抑制することが可能となる。窒素を含む膜は、単層膜であってもよいし、窒素を含む膜と窒素を含まない膜との積層膜であってもよい。保護膜の窒素含有率が高い程、酸化抑止効果が高くなる。保護膜は、窒素を含む膜の少なくとも一部の領域において、１％以上の窒素含有率をもつ膜であってもよい。
【0074】
例えばコア層がシリコンで形成される場合、保護膜の材料としてはシリコン窒化膜やシリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜であってもよい。窒素を含む膜は酸化を抑制する効果がある。また、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜は、シリコンよりも屈折率が十分に小さいためクラッド層の形成材料としても優れている。さらに、特にシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜は、赤外線の吸収も少ない。これにより、コア層の表面に保護膜を形成した場合に、被測定気体または被測定液体の検出感度の低下を抑えられる。
【0075】
保護膜の形成方法としては、熱化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による堆積や酸化処理といった方法を用いることが可能である。保護膜は、シリコン窒化膜の場合は熱ＣＶＤ法による堆積処理を用いて形成することができ、シリコン酸窒化膜の場合はＮＯやＮ２Ｏを含む雰囲気下での酸化処理によって形成することができる。
【0076】
＜光学式濃度測定装置＞
本発明の一実施形態に係る光学式濃度測定装置は、本発明の一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。
本発明の一実施形態に係る光学式濃度測定装置は、本発明の一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。
【0077】
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。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。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。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。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。
【0078】
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など）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。
【0079】
＜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）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。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。
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。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。
【0080】
＜実施形態＞
本発明の一実施形態に係る光導波路について図１から図２０を用いて説明する。まず、本実施形態に係る光導波路１０および光導波路１０を備える光学式濃度測定装置１並びにこれらを用いたＡＴＲ法による被測定物質の検出方法について図１から図１５を用いて説明する。
本発明の一実施形態に係る光導波路について図１から図２０を用いて説明する。まず、本実施形態に係る光導波路１０および光導波路１０を備える光学式濃度測定装置１並びにこれらを用いたＡＴＲ法による被測定物質の検出方法について図１から図１５を用いて説明する。
【0081】
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（第１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。
【0082】
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の少なくとも一部を接続し基板１５に対してコア層１１を支持する支持部１７とを備えている。コア層１１および基板１５は例えばシリコン（Ｓｉ）で形成され、支持部１７は例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）で形成されている。基板１５および支持部１７は例えば板状を有している。
【0083】
コア層１１は、第一部分１１ａ、第二部分１１ｂ、第三部分１１ｃ、第四部分１１ｄ、および第五部分１１ｅを有している。第一部分１１ａは、第一膜厚を有する。第二部分１１ｂは、第一膜厚未満の第二膜厚を有する。第三部分１１ｃは、第二膜厚未満の第三膜厚を有する。第四部分１１ｄは、第一部分１１ａと第二部分１１ｂとの間を接続する。第五部分１１ｅは、第二部分１１ｂと第三部分１１ｃとの間を接続する。
【0084】
本実施形態において、第一部分１１ａは、コア層１１の両端のそれぞれからコア層１１の長手方向の中心に向かう一定の領域である第一領域に設けられている。第一部分１１ａは、コア層１１の２箇所に設けられている。第一部分１１ａの第二部分１１ｂ側の端は、後述するグレーティングカプラ１１８およびグレーティングカプラ１１９の第四部分１１ｄ側の端である。グレーティングカプラ１１８およびグレーティングカプラ１１９の第四部分１１ｄ側の端とは、図２に示すように、グレーティングカプラ１１８およびグレーティングカプラ１１９を構成する凹部を画定する内壁の中で最も第二部分１１ｂ側の壁面である。または、グレーティングカプラ１１８およびグレーティングカプラ１１９の第四部分１１ｄ側の端とは、図３に示すように、グレーティングカプラ１１８およびグレーティングカプラ１１９を構成する凸部を画定する外壁の中で最も第二部分１１ｂ側の壁面である。
【0085】
本実施形態において、第二部分１１ｂは、第一の領域よりもコア層１１の長手方向の中心側に寄った位置からコア層１１の長手方向の中心に向かう一定の領域である第二領域に設けられている。第二部分１１ｂは、コア層１１の２箇所に設けられており、第二膜厚を有する部分は長手方向に１μｍ以上の長さで存在している。図２、３に示すように、第二部分１１ｂの第一部分１１ａ側の端は、第四部分１１ｄの第一部分１１ａ側の端の膜厚と第二膜厚との差Δ１の５％に相当する膜厚が、第二膜厚から増加した箇所である。また、図４に示すように、第二部分１１ｂの第三部分１１ｃ側の端は、第二膜厚と第三膜厚との差Δ２の５％に相当する膜厚が、第二膜厚から減少した箇所である。
【0086】
第三部分１１ｃは、コア層１１の長手方向の中心から両端部に向かう一定の領域である第三領域に設けられている。第三部分１１ｃは、コア層１１の１箇所に設けられており、第三膜厚を有する部分は長手方向に１μｍ以上の長さで存在している。図４に示すように、第三部分１１ｃの第二部分１１ｂ側の端は、第二膜厚と第三膜厚との差Δ２の５％に相当する膜厚が、第三膜厚から増加した箇所である。
【0087】
第四部分１１ｄは、第一領域および第二領域の間の一定の領域である第四領域に設けられている。第四部分１１ｄもコア層１１の２箇所に設けられている。図２、３に示すように、第四部分１１ｄは、膜厚が小さな第二部分１１ｂ側から膜厚が大きな第一部分１１ａ側へ向けて膜厚が漸次増加する傾斜部分１１ｄ１を一部に有する。さらに、第四部分１１ｄは、傾斜部分１１ｄ１よりもさらに第一部分１１ａ側に、傾斜部分から第一部分１１ａ側に向かって膜厚が一定である等厚部分１１ｄ２を有する。等厚部分１１ｄ２の第二部分１１ｂ側の端は、第四部分１１ｄの第一部分１１ａ側の端の膜厚と第二膜厚の差Δ１の５％に相当する膜厚が、第四部分１１ｄの第一部分１１ａ側の端の膜厚から減少した箇所である。
【0088】
第五部分１１ｅは、第二領域および第三領域の間の一定の領域である第五領域に設けられている。第五部分１１ｅもコア層１１の２箇所に設けられている。第五部分１１ｅでは、膜厚が小さな第三部分１１ｃ側から膜厚が大きな第二部分１１ｂ側へ向けて膜厚が漸次増加する。詳細は後述するが、第四部分１１ｄおよび第五部分１１ｅでは、最大傾斜角が１０°以上４５°以下となるように形成されている。また、第四部分１１ｄおよび第五部分１１ｅは、平均傾斜角が３０°以下に形成されている。
【0089】
なお、第二膜厚および第三膜厚は等しくてもよく、等しい構成においては、図５に示すように、第二部分１１ｂ、第五部分１１ｅ、および第三部分１１ｃは、同じ膜厚を有する部分として共通化されている。
【0090】
光導波路１０は、コア層１１の長手方向の一端に形成されたグレーティングカプラ（回折格子部の一例）１１８、および他端に形成されたグレーティングカプラ（回折格子部の一例）１１９を有する。グレーティングカプラ１１８は、光源２０の出射方向に配置されている。なお、本実施形態では、光導波路１０は、積層方向が鉛直方向に平行であり、基板１５の主面が鉛直下方と直交するように設置されている。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、本実施態様において、基板を形成する６面の中で、面積が最大である面である。すなわち、光源２０の出射方向とは、このように光導波路１０が設置された状態における、光源２０の鉛直下方である。この回折格子部は、光源２０から入射する赤外線ＩＲをコア層１１に結合するようになっている。したがって、グレーティングカプラ１１８の膜厚方向から、コア層１１を伝搬する光が入力される。グレーティングカプラ１１９は、光検出器４０に対向する方向に配置されている。なお、光検出器４０に対向する方向とは、上述のように光導波路１０が設置された状態における、光検出器４０の鉛直下方である。この回折格子部は、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲを取出して光検出器４０に向けて出射するようになっている。したがって、グレーティングカプラ１１９の膜厚方向に、コア層１１を伝搬する光が出力される。
【0091】
グレーティングカプラ１１８およびグレーティングカプラ１１９は、例えば、図１、図２に示すように、平板の主面に凹部１２ｄを設けることにより形成してよい。このような構成において、第一膜厚は凹部１２ｄが設けられる平板そのものの膜厚である。また、グレーティングカプラ１１８およびグレーティングカプラ１１９は、例えば、図３に示すように、平板の主面に凸部１２ｃを設けることにより形成してよい。このような構成において、第一膜厚は凸部１２ｃの膜厚である。
【0092】
このように、光源２０側（光入射側）に配置される第一部分１１ａは、グレーティングカプラ１１８を有し、光検出器４０側（光出射側）に配置される第一部分１１ａは、グレーティングカプラ１１９を有している。また、第二部分１１ｂおよび第三部分１１ｃは、グレーティングカプラ１１８から入射してグレーティングカプラ１１９から出射される赤外線ＩＲが伝搬する光伝搬部を有している。コア層１１から染出すエバネッセント波ＥＷは主に、光伝搬部を有する第二部分１１ｂおよび第三部分１１ｃにおいて外部空間２に存在する被測定物質に吸収される。
【0093】
ここで、コア層１１についてより詳細に説明する。本実施形態に係る光導波路１０を適用したＡＴＲ法を用いたセンサでは、エバネッセント波を被測定物質と相互作用させる領域は、膜厚の薄いコア層を形成して、コア層の周りに染出すエバネッセント波の量を増やすことが望ましい。一方、光をコア層に導入したり、コア層から取出したりする場合には、コア層に回折格子を形成する必要があるが、中赤外領域の光を効率良く曲げる場合、回折格子を形成する領域のコア層の膜厚や回折格子の溝の深さは、ある程度の厚みが必要である。
【0094】
そこで、図１に示すように、本実施形態に係る光導波路１０では、コア層１１は、エバネッセント波ＥＷを染出させて外部空間２に存在する被測定物質と相互作用させることを目的とした領域（第二領域および第三領域）には、膜厚が薄く形成された第二部分１１ｂおよび第三部分１１ｃを有している。一方、コア層１１は、光（本実施形態では赤外線ＩＲ）を導入することを目的とした領域（第一領域）、および光を取出すことを目的とした領域（第一領域）には、第二領域および第三領域それぞれの第二部分１１ｂおよび第三部分１１ｃよりも膜厚が厚く形成された第一部分１１ａを有している。第一部分１１ａの表面には、回折格子（グレーティングカプラ１１８、グレーティングカプラ１１９）を形成するための溝が掘られている。第一部分１１ａの膜厚は、例えば約１０００ｎｍである。第二部分１１ｂの膜厚は、例えば約５００ｎｍであり、第一部分１１ａの膜厚未満である。コア層１１をシリコンで構成し真空波長が４μｍの赤外線を伝搬させる場合、第一部分１１ａの膜厚は、みなしカットオフ膜厚ｔ’co（伝搬する光の真空波長をコア層１１の屈折率３．４で除した値の半値：５８８ｎｍ）以上であり、また第二部分１１ｂの膜厚は、みなしカットオフ膜厚ｔ’co未満となる。第三部分１１ｃの膜厚は例えば約２５０ｎｍであり、第二部分１１ｂの膜厚未満である。また、グレーティングカプラ１１８、グレーティングカプラ１１９の溝の深さは、例えば約６００ｎｍである。
【0095】
コア層１１は、第一領域および第二領域の間の領域である第四領域に、第四部分１１ｄを有している。第四部分１１ｄは、第一部分１１ａと第二部分１１ｂとを接続する接続部としての機能を発揮するようになっている。第四部分１１ｄの一部である傾斜部分１１ｄ１は、第二部分１１ｂが設けられた第二領域側から第一部分１１ａが設けられた第一領域側に向かって、膜厚が緩やかな傾斜をもって厚くなっていてもよい。第四部分１１ｄの、傾斜部分１１ｄ１よりもさらに第一部分１１ａ側の等厚部分１１ｄ２では、膜厚が一定である。なお、第四部分１１ｄは、第二部分１１ｂが設けられた第二領域側の端から第一部分１１ａが設けられた第一領域側の端に向かう全領域に亘って、膜厚が緩やかな傾斜をもって厚くなっていてもよい。
【0096】
コア層１１は、第二領域および第三領域の間の領域である第五領域に、第五部分１１ｅを有している。第五部分１１ｅは、第二部分１１ｂと第三部分１１ｃとを接続する接続部としての機能を発揮するようになっている。第五部分１１ｅは、第三部分１１ｃが設けられた第三領域から第二部分１１ｂが設けられた第二領域に向かって、膜厚が緩やかな傾斜をもって厚くなっていてもよい。
【0097】
また、コア層１１の表面は、グレーティングカプラ１１８、グレーティングカプラ１１９の溝が形成されている箇所を除き、膜厚傾斜がある領域も含めて可能な限りラフネスが小さくてもよい。具体的には、コア層の表面（本実施形態ではコア層の上面側の表面）において、表面ラフネスのＲＭＳ値が１ｎｍ以下であってよい。コア層１１の表面に急峻な膜厚変化がある場合、膜厚の厚い領域から膜厚の薄い領域に光が伝搬する時に、コア層１１から外部に漏れ出ていく光が多くなる。
【0098】
ところで、ＡＴＲ法を用いた従来の光導波路を備える光学式濃度測定装置は、本実施形態による光学式濃度測定装置１と同様に、一方のグレーティングカプラから赤外線を光導波路のコア層に導入し、コア層を伝搬させて、もう一方のグレーティングカプラ側から取出し、その先にある光検出器で赤外線の量を検出するという構成を有している。ＡＴＲ法を用いたセンサでは中赤外領域の波長を取り扱うことが多く、中赤外領域の赤外線に対しては、エバネッセント波を染出させることを目的としたコア層と、回折格子により光を取出すことを目的としたコア層とでは、最適なコア層膜厚が大きく異なる。
【0099】
具体的には、例えばシリコンをコア層として用いる光導波路では、エバネッセント波を効率的に染出させるために、コア層の膜厚を２００ｎｍ程度に薄く形成することがある。一方、膜厚２００ｎｍは、中赤外領域の赤外線を効率よく取出すための回折格子の膜厚としては薄すぎる。例えばシリコンコア層の屈折率が３．４とし、コア層を伝搬させる赤外線の真空波長が４μｍの場合、非特許文献１に記載の方法で回折格子を設計すると、回折格子を形成する領域のコア層の膜厚は約５９０ｎｍが最適膜厚となる。膜厚５９０ｎｍは、エバネッセント波を効率的に染出させるコア層膜厚と大きく異なる。すなわち、エバネッセント波を染出させることを目的とした薄膜のコア層に、そのまま回折格子を形成すると、光の取出し効率が悪くなってしまう。
【0100】
また、例えば伝搬させる赤外線の真空波長が４μｍとし、特許文献２に記載の方法で回折格子の溝の深さを設計すると、約３９０ｎｍの溝の深さが最適値となる。この値は、上述のとおり、エバネッセント波を効率的に染出させるためのコア層膜厚である２００ｎｍよりも大きくなる。このため、上述の条件では、エバネッセント波を染出させることを目的とした薄膜のコア層に、光取出し効率が最適となる溝の深さの回折格子を形成することが出来ない。
【0101】
上述の２つのいずれの例においても、エバネッセント波を染出させることを目的とした薄膜のコア層に、光取出し効率が最適となる回折格子を形成することができないという問題がある。一方、光取出し効率が最適となる回折格子が形成できるコア層では、エバネッセント波を効率的に染出させることができないという問題がある。このように、従来の光導波路では、エバネッセント波の染出し効率と、回折格子の光の入出力効率とはトレードオフの関係にあり、両立させることが困難であるという問題がある。
【0102】
これに対して、本実施形態による光導波路１０は、赤外線ＩＲのエバネッセント波の染出しに適した膜厚を有する第二部分１１ｂおよび第三部分１１ｃと、赤外線ＩＲの入出力に適した膜厚および溝の深さのグレーティングカプラ１１９を有する第一部分１１ａと、第一部分１１ａおよび第二部分１１ｂの間を低損失に光を伝搬可能に調整された第四部分１１ｄと、第二部分１１ｂおよび第三部分１１ｃの間を低損失に光を伝搬可能に調整された第五部分１１ｅとを有するコア層１１を備えている。これにより、光導波路１０は、従来の光導波路の上記問題を解決し、伝搬光のエバネッセント波の染出し効率および光の入出力効率の向上を図ることが可能となる。
【0103】
ここで、光伝搬部（第二部分１１ｂおよび第三部分１１ｃ）における膜厚について説明する。コア層１１において、光を伝搬し且つエバネッセント波を被測定物質と相互作用させる部分（第二部分１１ｂおよび第三部分１１ｃ）では、空間へ染み出すエバネッセント波の量を多くさせるために、膜厚を薄くする必要がある。具体的には、ＴＥモードにおける三層対称スラブ導波路においては、コア層１１の光伝搬部の膜厚を上記（１）式で与えられるカットオフ膜厚値ｔco未満とすることで、当該光伝搬部の膜厚は光波の山ひとつ分のサイズより小さくなり、膜厚方向には光波を閉じ込めることができなくなる。その結果、光伝搬部において、空間に多くのエバネッセント波を染み出させることができる。
【0104】
特に（１）式において、十分にｎcore＞ｎcladである構成において、近似的に（２）式が成り立ち、これは、みなしカットオフ膜厚ｔ’coがコア中の波長の半分の長さ、つまり波の山ひとつ分の大きさである物理描像をあらわす。
【0105】
また、このように膜厚をカットオフ膜厚ｔco未満にする構成では、光波はコア層１１の光伝搬部内に許容されるスペースが山ひとつ分未満の大きさしかないため、必然的に膜厚方向には山がひとつの状態、つまり膜厚方向にシングルモード（０次モード）となる。
【0106】
図６は、三層対称スラブ導波路にＴＥモードの光を伝搬させた場合において、カットオフ膜厚ｔcoまたはみなしカットオフ膜厚ｔ’coと伝搬光の真空波長との関係を、クラッドの屈折率別に示したグラフである。なお、図６は、コアの屈折率を３．４（シリコンの屈折率相当）、クラッドの屈折率を２．０（シリコン窒化膜の屈折率相当）、１．４（シリコン酸化膜の屈折率相当）、１．０（空気の屈折率相当）別に当該関係を示している。また、図６は、クラッドの屈折率をゼロとみなしたカットオフ膜厚と伝搬光と真空波長との関係も示している。図６中に示す◇印は、各真空波長の光に対するｎcore：３．４、ｎclad：２．０の構成のカットオフ膜厚ｔcoを表し、図６中に示す□印は、各真空波長の光に対するｎcore：３．４、ｎclad：１．４の構成のカットオフ膜厚ｔcoを表し、図６中に示す△印は、各真空波長の光に対するｎcore：３．４、ｎclad：１．０の構成のカットオフ膜厚ｔcoを表し、図６中に示す〇印は、各真空波長の光に対するみなしカットオフ膜厚ｔ’coを表している。本実施形態に係る光導波路１０が三層対称スラブ導波路でない一般的な構成では、上記カットオフ膜厚ｔcoおよび、みなしカットオフ膜厚ｔ’coを解析的に明示するのは困難である。しかし、有限要素法、ＦＤＴＤ法などの種々の数値解法を用いることによって、シングルモード伝播からマルチモード伝播へ遷移する膜厚は判然と求めることができる。この遷移する膜厚未満の光伝搬部の膜厚であることにより、空間に多くのエバネッセント波を染み出させることができる。
【0107】
一方、光をコア層１１に入出力する部分（第一部分１１ａ）においては、光が膜厚方向にマルチモードで伝搬できる膜厚（膜厚方向に複数の伝搬モードが存在できる膜厚）以上とすることで、光の入出力効率が上がっていく。すなわち、回折格子部（グレーティングカプラ１１８およびグレーティングカプラ１１９）を有する第一部分１１ａにおいては、コア層１１の膜厚が（１）式または（２）式でそれぞれ与えられるカットオフ膜厚ｔcoまたはみなしカットオフ膜厚ｔ’co以上であることが好ましい。つまり、第一部分１１ａの第一膜厚をカットオフ膜厚ｔcoまたはみなしカットオフ膜厚ｔ’co以上、第二部分１１ｂの第二膜厚および第三部分１１ｃの第三膜厚をカットオフ膜厚ｔcoまたはみなしカットオフ膜厚ｔ’co未満とすることで、第一部分１１ａにおいて光の入出力効率が上がり、また第二部分１１ｂおよび第三部分１１ｃにおいて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。
【0108】
次に、コア層１１において、光伝搬部と回折格子部との間の部分（第四部分１１ｄ）について説明する。回折格子部（グレーティングカプラ１１８、レーティングカプラ１１９）を有する第一部分１１ａにおいて、コア層１１の膜厚を（１）式または（２）式でそれぞれ与えられるカットオフ膜厚ｔcoまたはみなしカットオフ膜厚ｔ’co以上で形成すると、光を導入してから光伝搬部に到達するまでの間、または光伝搬部から光を取出す領域に到達するまでの間に、膜厚方向においてマルチモード伝搬が生じうる。図７は、第四部分１１ｄの等厚部分１１ｄ２の長さを長めにとった場合の、第一部分１１ａから第四部分１１ｄに向かって伝搬していく赤外線ＩＲの様子を表している。第四部分１１ｄにおいて、コア層１１の膜厚がカットオフ膜厚ｔcoまたはみなしカットオフ膜厚ｔ’co以上である部分の長さが結合長Ｌ以上長く存在すると、赤外線ＩＲは、膜厚方向においてマルチモードで伝搬していく。前述のように、第二部分１１ｂおよび第三部分１１ｃは膜厚方向においてシングルモード伝播であることが望ましいが、マルチモード伝搬からシングルモード伝搬およびシングルモード伝搬からマルチモード伝搬への接続は、一般に反射や放射損失を伴い効率が悪く、伝搬する光の量が減少する。伝搬する光の量が減少すると、センサの感度が低下する。それゆえ、光伝搬部においては、モード変換を生じさせないことが望ましい。
【0109】
そこで、本実施形態に係る光導波路１０では、光を導入する部分または光を取出す部分（第一部分１１ａ）と、光を伝搬する部分（第二部分１１ｂ）との間の部分（第四部分１１ｄ）において、第一部分１１ａ側の端から第二部分１１ｂ側に向かって膜厚が一定である部分の長さを、伝搬光が０次モードから１次モードへ遷移する長さである結合長Ｌの４割未満、より好ましくは３割未満にすること、もしくは０．７μｍ未満、より好ましくは０．５μｍ未満にすることにより、膜厚方向において、第一部分１１ａから入射されるモードから大部分が変換せずに、光を第一部分１１ａから第二部分１１ｂ、もしくは第二部分１１ｂから第一部分１１ａに伝搬させることができる。具体的には、ＴＥモードにおける三層対称スラブ導波路においては、第四部分１１ｄの等厚部分１１ｄ２の長さを、（３）式で与えられる結合長Ｌの４割未満、より好ましくは３割未満にすること、もしくは０．７μｍ未満、より好ましくは０．５μｍ未満にすることにより、モードが膜厚方向においてシングルモードからマルチモードに変換せずに、光を第一部分１１ａから第二部分１１ｂ、もしくは第二部分１１ｂから第一部分１１ａに伝搬させることができる。すなわち、第四部分１１ｄにおいて、伝搬光の損失を抑えた第一部分１１ａと第二部分１１ｂの接続が可能となる。
【0110】
図８は、ｄ：１μｍ、ｎcore：３．４、ｎclad：１．０の構成における三層対称スラブ導波路にＴＥモードの光を伝搬させた場合において、伝搬光の真空波長と、結合長または伝搬方向波数との関係を示したグラフである。なお、図８において結合長は、前述のように、（３）式により求められている。また、図８において伝搬方向波数に関しては、０よりも大きく（４）式、（５）式、（６）式、（７）式の連立方程式の解として与えられるもののうちで最小のものである０次モードの伝搬方向波数β0、および０よりも大きく（８）式、（９）式、（１０）式、（１１）式の連立方程式の解として与えられるもののうちで最小のものである１次モードの伝搬方向波数β1別に当該関係が示されている。図８中に示す◇印は左縦軸を参照し、各真空波長の光に対する結合長Ｌを表している。図８中に示す□印は右縦軸を参照し、各真空波長の光に対する０次モードの伝搬方向波数β0を表している。図８中に示す△印は右縦軸を参照し、各真空波長の光に対する１次モードの伝搬方向波数β1を表している。図８からわかるように、真空波長が長波長になった場合でも、結合長Ｌは約１．７μｍで飽和する。すなわち、結合長Ｌの最小値は１．７μｍである。本実施形態に係る光導波路１０が三層対称スラブ導波路でない一般的な構成では、０次モードの伝搬方向波数β0、１次モードの伝搬方向波数β1、およびそれらから求められる結合長Ｌを解析的に明示するのは困難である。しかし、有限要素法、ＦＤＴＤ法、ＢＰＭなどの種々の数値解法を用いることによって、β0、β1、結合長Ｌは判然と求めることができる。
【0111】
図９は、ｎcore：３．４、ｎclad：１．０の構成における三層対称スラブ導波路にＴＥモードの光を伝搬させた場合において、第四部分１１ｄの等厚部分１１ｄ２の長さに対する、第四部分１１ｄにおける伝搬光（真空波長４．２μｍ）の伝搬効率を示したシミュレーション結果である。なお、図９の縦軸は、最大値で規格化している。シミュレーションでは、第四部分１１ｄの等厚部分１１ｄ２の膜厚を１μｍ、第二部分１１ｂの第二膜厚を０．５μｍ、傾斜部分１１ｄ１を、一定の傾斜角度４５°で構成した構造を用いた。なお、（６）式、（７）式、（１０）式、（１１）式におけるコア層の膜厚ｄは、本実施形態において、第四部分１１ｄの等厚部分１１ｄ２の膜厚となる。横軸は、第四部分１１ｄの等厚部分１１ｄ２の長さを結合長Ｌに対する倍率で表現している。図１０は、第四部分１１ｄの等厚部分１１ｄ２の長さを、結合長Ｌの５割、４割、３割、２割と変化させた構成のそれぞれにおいて、赤外線ＩＲ（真空波長４．２μｍ）の伝搬する様子を示している。図９、図１０に示すように、第四部分１１ｄの等厚部分１１ｄ２の長さを、結合長Ｌの４割未満、より好ましくは３割未満にすることにより、第四部分１１ｄにおいて損失を抑えた伝搬が可能となる。結合長Ｌが最小値（１．７μｍ）となる場合においては、結合長Ｌの４割は０．７μｍに相当し、結合長Ｌの３割は０．５μｍに相当する。なお、図９、図１０のシミュレーションにおける結合長Ｌの値は約１．８μｍである。
【0112】
以上説明したように、本実施形態による光導波路１０では、第一部分１１ａの第一膜厚はカットオフ膜厚ｔcoまたはみなしカットオフ膜厚ｔ’co以上、第二部分１１ｂの第二膜厚および第三部分１１ｃの第三膜厚はカットオフ膜厚ｔcoまたはみなしカットオフ膜厚ｔ’co未満であり、第四部分１１ｄの等厚部分１１ｄ２の長さは結合長Ｌの４割未満、より好ましくは３割未満、もしくは０．７μｍ未満、より好ましくは０．５μｍ未満である。これにより、光導波路１０は、伝搬光の入出力効率、伝搬効率、エバネッセント波の染出し効率の向上を図ることが可能となる。
【0113】
ここで、膜厚が漸次変化する部分において、コア層の傾斜角度に対するコア層から外部に漏れ出る光の光量について図１１および図１２を用いて説明する。図１１および図１２は、真空波長４．２６μｍの赤外線を、膜厚７５０ｎｍのコア層から膜厚２５０ｎｍのコア層に伝搬させた時のシミュレーション結果である。図１１中上段および図１２中上段には、シミュレーションに用いたコア層の概略形状が図示され、図１１中下段及び図１２中下段には、コア層を伝搬する赤外線の状態が図示されている。図１１中下段および図１２中下段に示す図では、図中、右から左に向かって赤外線をコア層に伝搬させた状態が示されている。図１１は、膜厚傾斜のある接続部（例えば、第五部分１１ｅ）の水平距離（すなわち長手方向の距離）を５００ｎｍとし、膜厚２５０ｎｍの第三部分１１ｃから膜厚７５０ｎｍの第二部分１１ｂにかけてサイン波で接続した場合の結果を示す図である。第五部分１１ｅの最大傾斜角は、約５８°であり、平均傾斜角は４５°である。図１２は、接続部（例えば、第五部分１１ｅ）の水平距離（すなわち長手方向の距離）を２０００ｎｍとし、膜厚２５０ｎｍの第三部分１１ｃから膜厚７５０ｎｍの第二部分１１ｂにかけてサイン波で接続した場合の結果を示す図である。第五部分１１ｅの最大傾斜角は２１°であり、平均傾斜角は１４°である。
【0114】
【0115】
次に、接続部（例えば、第五部分１１ｅ）の形状をサイン波形状から１次関数形状に徐々に変化させることで最大傾斜角と平均傾斜角を変化させ、様々な傾斜角において、コア層外部に漏れ出る光の割合（図１３の説明では「漏れ光割合」と称する場合がある）を調査したシミュレーション結果を図１３に示す。横軸は接続部の最大傾斜角（°）を示し、縦軸は漏れ光割合（％）を示している。図１３中に示す◇印は、接続部の平均傾斜角が４５°での漏れ光割合を表し、図１３中に示す□印は、接続部の平均傾斜角が２７°での漏れ光割合を表している。図１３中に示す△印は、接続部の平均傾斜角が１８°での漏れ光割合を表し、図１３中に示す×印は、接続部の平均傾斜角が１４°での漏れ光割合を表し、図１３中に示す＊印は、接続部の平均傾斜角が１１°での漏れ光割合を表している。平均傾斜角のそれぞれにおいて、漏れ光割合の結果が５個表されている。図１３では、同じ平均傾斜角同士では、５個の漏れ光割合の結果のうち、右側にあるほどサイン波形状に近く、左側にあるほど１次関数形状に近いものとなっている。なお、１番右側はサイン波形状と等しく、１番左側は１次関数形状と等しい。
【0116】
図１３より分かるように、コア層の外部に漏れ出ていく光の割合は、異なる膜厚間の接続部の最大傾斜角にほぼ依存し、最大傾斜角が４５°以下になる領域から減少していく。また、最大傾斜角は１０°まで小さくすることで、外部に漏れ出る光量が１％以下になり、膜厚傾斜部での漏れの影響をほとんど無くすことが出来る。接続部の傾斜を緩やかにし過ぎると、第二部分１１ｂおよび第三部分１１ｃの膜厚差をつけるために必要なスペース（長さ）が多く必要になるため、最大傾斜角が１０°未満の状態は逆に好ましくない。
【0117】
また、平均傾斜角の影響もある。最大傾斜角が４５°以下の領域において、同程度の最大傾斜角同士の点を比べる平均傾斜角が小さい方が、コア層外部に漏れ出る光の割合が小さくなる。この効果は平均傾斜角が３０°以下の時に見られてくる。
【0118】
次に、コア層の膜厚の薄い領域から膜厚の厚い領域に光を伝搬させ、その先にグレーティングカプラが形成されている系や、コア層が終端されている系について考える。図１４に示すように、グレーティングカプラ１１９では、光（赤外線ＩＲ）を様々な方向に散乱させるため、例えば領域α１において、必ず逆方向に伝搬する反射光ＲＬが存在している。また、コア層１１の終端部（領域α２）でも反射光ＲＬは必ず発生する。このとき、これらの反射光ＲＬは、コア層１１の膜厚の厚い領域（第一部分１１ａ）から膜厚の薄い領域（第二部分１１ｂ）を介して、さらに膜厚の薄い領域（第三部分１１ｃ）に向かって伝搬することになるため、最大傾斜角が急峻であると、第一部分１１ａから第二部分１１ｂに、および第二部分１１ｂから第三部分１１ｃに赤外線ＩＲを伝搬させるときと同様に、外部に漏出ていく量が増えてしまう。したがって、膜厚の異なるコア層１１を接続する領域では、最大傾斜角を１０°以上４５°以下としてよく、平均傾斜角を３０°以下としてもよい。
【0119】
一方、コア層１１の表面のラフネスも非常に重要である。コア層１１の表面にラフネスの大きい領域があると、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲが乱反射してコア層１１の外に漏れ出てしまうためである。詳細は後述するが、本実施形態では、第四部分１１ｄおよび第五部分１１ｅの形成に、図１５に示すような、熱酸化時に形成されるいわゆるバーズビークを利用している。熱酸化法を用いているため、第四部分１１ｄおよび第五部分１１ｅに非常に緩やかな傾斜を持たせながら、コア層の表面（本実施形態では上面側の表面）において、表面ラフネスの小さいコア層表面を実現することが出来る。具体的には、表面ラフネスのＲＭＳ値が１ｎｍ以下のコア層表面を実現することが可能である。表面ラフネスは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いることで測定可能である。
【0120】
なお、上述の、膜厚が変化する部分でのコア層から外部に漏れ出る光の説明では、おもに第五部分１１ｅの膜厚が例として用いられたが、第四部分１１ｄの膜厚においても、同様に適用され得る。
【0121】
以上のことから、第四部分１１ｄおよび第五部分１１ｅの最大角度は１０°以上４５°以下であってよく、１０°以上３０°以下であってもよい。また、第四部分１１ｄおよび第五部分１１ｅの平均傾斜角は３０°以下であってもよい。さらに、コア層１１は結晶欠陥の少ない単結晶であってもよい。結晶欠陥の少ない単結晶であることで、コア層１１の内部での伝搬光の散乱が抑えられ、さらに表面のラフネスも小さくなるため、コア層１１の伝搬損失を小さく出来る。
【0122】
以上説明したように、コア層１１の表面に最大傾斜角が１０°以上４５°以下の傾斜をつけ、第三部分１１ｃに対して第二部分１１ｂの膜厚を厚く、また第二部分１１ｂに対して第一部分１１ａの膜厚を厚く形成することで、コア層１１の外部に期待せずに漏出していく光を抑制し、ＡＴＲ法によるセンサの性能を向上させることができる。
【0123】
＜光導波路および光学式濃度測定装置の製造方法＞
次に、本実施形態に係る光導波路および光学式濃度測定装置の製造方法について、図１を参照しつつ、図１６から図２０を用いて説明する。図１６から図２０は、光導波路１０の製造工程断面図を示している。光導波路１０は、１枚の支持基板１５０に同時に複数の光導波路主要部を形成した後に個片化して製造される。図１６から図２０では、形成される複数の光導波路のうちの１つの光導波路のみの製造工程が図示されている。
次に、本実施形態に係る光導波路および光学式濃度測定装置の製造方法について、図１を参照しつつ、図１６から図２０を用いて説明する。図１６から図２０は、光導波路１０の製造工程断面図を示している。光導波路１０は、１枚の支持基板１５０に同時に複数の光導波路主要部を形成した後に個片化して製造される。図１６から図２０では、形成される複数の光導波路のうちの１つの光導波路のみの製造工程が図示されている。
【0124】
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１５０と、シリコンで形成されコア層１１が形成される活性基板１１０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１５０および活性基板１１０を貼り合わせて熱処理して結合する。その後、活性基板１１０を所定の厚さまで研削・研磨するなどして活性基板１１０の膜厚を調整する。これにより、支持基板１５０と、支持基板１５０上に形成されたＢＯＸ層１７０と、ＢＯＸ層１７０上に形成された活性基板１１０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。
【0125】
次に、ＳＯＩ基板１００の表面にシリコン酸化膜６０を形成し、シリコン酸化膜６０の表面にシリコン窒化膜を形成する。次に、シリコン酸化膜６０上に形成されたシリコン窒化膜に対して、リソグラフィ技術、エッチング技術およびアッシング技術を施して、図１６に示すように、ハードマスク８０を形成する。ハードマスク８０が形成される領域は、最終的にコア層１１の第一部分１１ａおよび第四部分１１ｄの一部のそれぞれが形成される第一領域および第四領域の一部（図１参照）に相当する。ハードマスク８０を開口させてシリコン酸化膜６０が露出している領域は、最終的にコア層１１の第二部分１１ｂ、第三部分１１ｃ、第四部分１１ｄの一部、および第五部分１１ｅのそれぞれが形成される第二領域、第三領域、第四領域の一部、および第五領域（図１参照）に相当する。
【0126】
次に、図１７に示すように、例えば８００℃以上の水蒸気を含む酸素雰囲気下で、ハードマスク８０が形成されたＳＯＩ基板１００を熱酸化する。このとき、最終的に第一部分１１ａが形成される第一領域と最終的に第二部分１１ｂが形成される第二領域の接続部にあたり、最終的に第四部分１１ｄが形成される第四領域（図１参照）にバーズビーク６５が形成される。バーズビーク６５の形状は、ハードマスク８０として用いるシリコン窒化膜の膜厚によってある程度、制御できる。当該シリコン窒化膜の膜厚を薄くすると、バーズビーク６５の底面の傾斜角を緩やかにすることが出来る。
【0127】
次に、熱リン酸により、ハードマスク８０を除去する。その後、フッ酸などを用いてシリコン酸化膜６０を除去する。シリコン酸化膜６０の除去後、再び、ＳＯＩ基板１００の表面にシリコン酸化膜６１を形成し、シリコン酸化膜６１の表面にシリコン窒化膜を形成する。次に、シリコン酸化膜６１上に形成されたシリコン窒化膜に対して、リソグラフィ技術、エッチング技術およびアッシング技術を施して、図１８に示すように、ハードマスク８１を形成する。ハードマスク８１が形成される領域は、最終的にコア層１１の第一部分１１ａ、第二部分１１ｂ、第四部分１１ｄ、および第五部分１１ｅの一部のそれぞれが形成される第一領域、第二領域、第四領域、および第五領域の一部（図１参照）に相当する。ハードマスク８１を開口させてシリコン酸化膜６１が露出している領域は、最終的にコア層１１の第三部分１１ｃおよび第五部分１１ｅの一部のそれぞれが形成される第三領域および第五領域の一部（図１参照）に相当する。
【0128】
次に、図１９に示すように、例えば８００℃以上の水蒸気を含む酸素雰囲気下で、ハードマスク８１が形成されたＳＯＩ基板１００を熱酸化する。このとき、最終的に第二部分１１ｂが形成される第二領域と最終的に第三部分１１ｃが形成される第三領域の接続部にあたり、最終的に第五部分１１ｅが形成される第五領域（図１参照）にバーズビーク６５が形成される。第五領域に形成されるバーズビーグの形状の制御に関しては、第四領域に形成されるバーズビーグと同じである。
【0129】
次に、熱リン酸により、ハードマスク８１を除去する。その後、フッ酸などを用いてシリコン酸化膜６１を除去する。このようにして、ＳＯＩ基板１００のＴＯＰシリコン層の表面、すなわち活性基板１１０の表面には、最終的に第一部分１１ａが形成される領域に設けられた第一平坦面１１０ａと、最終的に第二部分１１ｂが形成される領域に設けられた第二平坦面１１０ｂと、最終的に第三部分１１ｃが形成される第三平坦面１１０ｃと、最終的に第四部分１１ｄが形成される領域に設けられ第一平坦面１１０ａと第二平坦面１１０ｂを接続する第一接続面１１０ｄ（平坦面および傾斜面で構成されている。）と、最終的に第五部分１１ｅが形成される領域に設けられ第二平坦面１１０ｂと第三平坦面１１０ｃを接続する第二接続面１１０ｅ（傾斜面で構成されている。）とが形成される。
【0130】
その後、グレーティングカプラ１１８、グレーティングカプラ１１９の凹部となる領域のみを開口させたマスク（不図示）を用いてリソグラフィ、エッチングおよびアッシングを行い、図２０に示すように、ＳＯＩ基板１００のＴＯＰシリコン層の第一平坦面１１０ａにグレーティングカプラ１１８、グレーティングカプラ１１９の溝を形成する。
【0131】
次に、活性基板１１０に対してリソグラフィ、エッチングおよびアッシングを実施し、ＢＯＸ層１７０上に個別化されたコア層１１を形成する。
【0132】
次に、支持基板１５０を所定領域で切断してＳＯＩ基板１００を個片化する。これにより、光導波路１０（図１参照）が完成する。
【0133】
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。
【0134】
なお、コア層１１のパターンを先に形成した後に、グレーティングカプラ１１８，グレーティングカプラ１１９の溝を形成する製造工程順としても良い。また、ＳＯＩ基板１００の一部を浮かせたいわゆるペデスタル構造のコア層を形成する場合は、コア層１１を形成した後に、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層１７０をエッチングする工程を追加してもよい。さらに、コア層１１の表面に保護膜を形成してもよい。
【0135】
以上説明したように、本実施形態による光導波路の製造方法および光学式濃度測定装置の製造方法によれば、特別な製造技術を用いずに、コア層の光伝搬部の膜厚と、グレーティングカプラ１１８およびグレーティングカプラ１１９を設ける領域の膜厚とを最適化することができる。これにより、本実施形態による光導波路の製造方法および光学式濃度測定装置の製造方法によれば、伝搬光のエバネッセント波の染出し効率および光の入出力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製造することができる。
【符号の説明】
【0136】
１ 光学式濃度測定装置
２ 外部空間
１０ 光導波路
１１ コア層
１１ａ 第一部分
１１ｂ 第二部分
１１ｃ 第三部分
１１ｄ 第四部分
１１ｄ１ 傾斜部分
１１ｄ２ 等厚部分
１１ｅ 第五部分
１２ｃ 凸部
１２ｄ 凹部
１５ 基板
１７ 支持部
２０ 光源
４０ 光検出器
５１ 構造体
５３ 物質
６０，６１ シリコン酸化膜
６５ バーズビーク
８０，８１ ハードマスク
１００ ＳＯＩ基板
１１０ 活性基板
１１０ａ 第一平坦面
１１０ｂ 第二平坦面
１１０ｃ 第三平坦面
１１０ｄ 第一接続面
１１０ｅ 第二接続面
１１８，１１９ グレーティングカプラ
１５０ 支持基板
１７０ ＢＯＸ層
Ａ 光
ＥＷ エバネッセント波
ＩＲ 赤外線
Ｌ 結合長
ＲＬ 反射光
α１，α２ 領域
２ 外部空間
１０ 光導波路
１１ コア層
１１ａ 第一部分
１１ｂ 第二部分
１１ｃ 第三部分
１１ｄ 第四部分
１１ｄ１ 傾斜部分
１１ｄ２ 等厚部分
１１ｅ 第五部分
１２ｃ 凸部
１２ｄ 凹部
１５ 基板
１７ 支持部
２０ 光源
４０ 光検出器
５１ 構造体
５３ 物質
６０，６１ シリコン酸化膜
６５ バーズビーク
８０，８１ ハードマスク
１００ ＳＯＩ基板
１１０ 活性基板
１１０ａ 第一平坦面
１１０ｂ 第二平坦面
１１０ｃ 第三平坦面
１１０ｄ 第一接続面
１１０ｅ 第二接続面
１１８，１１９ グレーティングカプラ
１５０ 支持基板
１７０ ＢＯＸ層
Ａ 光
ＥＷ エバネッセント波
ＩＲ 赤外線
Ｌ 結合長
ＲＬ 反射光
α１，α２ 領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】