(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】2023-12-25
(45)【発行日】2024-01-09
(54)【発明の名称】光学式濃度測定装置および光導波路
(51)【国際特許分類】
G01N 21/17 20060101AFI20231226BHJP
【ＦＩ】
G01N21/17 N
【請求項の数】
19
(21)【出願番号】P 2020004486
(22)【出願日】2020-01-15
(65)【公開番号】P2020160047
(43)【公開日】2020-10-01
【審査請求日】2022-10-11
(31)【優先権主張番号】P 2019057277
(32)【優先日】2019-03-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(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】100181272
【弁理士】
【氏名又は名称】神 紘一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100180655
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 俊樹
(72)【発明者】
【氏名】坂本 敏郎
(72)【発明者】
【氏名】八木 立志
【審査官】井上 徹
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／０７５７４４（ＷＯ，Ａ２）
【文献】特表２０１３－５１４５５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平７－２２７００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特許第６４２０９３２（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】Yunhong DING et al.，On-chip grating coupler array on the SOI platform for fan-in/fan-out of MCFs with low insertion loss and crosstalk，Optics Express，2015年02月09日，Vol. 23，No. 3，PP.3292-3298
(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
Ｇ０２Ｆ １／００－Ｇ０２Ｆ １／１２５
Ｇ０２Ｆ １／２１－Ｇ０２Ｆ ７／００
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【請求項2】
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、下記（１）式を満たす、請求項１に記載の光学式濃度測定装置。【数1】
【請求項3】
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、（２）式を満たす、請求項１に記載の光学式濃度測定装置。【数2】
【請求項4】
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。
【請求項5】
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。
【請求項6】
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。
【請求項7】
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。
【請求項8】
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。
【請求項9】
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。
【請求項10】
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。
【請求項11】
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。
【請求項12】
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。
【請求項13】
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。
【請求項14】
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。
【請求項15】
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。
【請求項16】
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。
【請求項17】
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、下記（３）式を満たす、請求項１６に記載の光導波路。【数3】
【請求項18】
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、（４）式を満たす、請求項１６に記載の光導波路。【数4】
【請求項19】
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。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学式濃度測定装置および光導波路に関する。
【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み出している。この染み出しは、エバネッセント波（図１６参照）と呼ばれている。エバネッセント波ＥＷは、光Ｌが伝搬していく過程で構造体５１に隣接している物質５２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Ｌの強度変化から、構造体５１に接している物質５２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ＥＷ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５２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できる。
【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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００５－３００２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、ＡＴＲ法を利用したセンサでは、光源からの光を光導波路のコア層に導入する箇所と、光導波路のコア層から光検出器に向けて取り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。
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。
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。
【0006】
そこで、本発明は、設計の自由度を向上させることが可能な光学式濃度測定装置および光導波路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、回折格子部と、当該回折格子部とは別の部分のコア層の一部とを、光導波路の厚さ方向で離隔させることで、上記課題を解決できることを見出して、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は下記の通りである。
すなわち、本発明は下記の通りである。
【0008】
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、
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。
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。
【0009】
また、上記目的を達成するために、本発明の他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。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、設計の自由度を向上させることが可能な光学式濃度測定装置および光導波路を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置および光導波路の概略構成を示す図である。
【図6】本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いられる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。
【図7】本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いられる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。
【図8】本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いられる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。
【図9】本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いられる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。
【図10】本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いられる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。
【図11】本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いられる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。
【図12】本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いられる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。
【図13】本発明の第１実施形態による光学式濃度測定装置に用いられる光導波路の製造方法を説明するための、光導波路主要部の一部を示す断面図である。
【図14】本発明の第２実施形態による光学式濃度測定装置に用いられる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。
【図15】本発明の光学式濃度測定装置における、近接配置を説明するための図である。
【図16】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。
【図17】（ａ）は、発光素子の発光面よりも回折格子を大きくした例示的な回折格子を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）中のＣ－Ｃ線で切断した断面を、当該回折格子が受けた光の一部が再放射している様子を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
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。
【0013】
＜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、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。
【0014】
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。
【0015】
＜光導波路＞
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。
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。
【0016】
本実施形態に係る光導波路によれば、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。離隔させる光導波路の厚さ方向とは、例えば、回折格子部よりも光導波路の厚さ方向基板側である。
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。
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。
【0017】
ここで、本実施形態において、延在方向とは、少なくとも１方向に沿って延びるように存在している方向である。例えば、三次元構造物において、一つの端部から他の端部（あるいは一つの任意の点から他の任意の点）に向けて当該三次元構造物に触れながら最短距離で進む経路は延在方向となる。あるいは、一つの端部から他の端部（あるいは一つの任意の点から他の任意の点）に向けて断面積の変化量が最も小さくなるように進行する方向も延在方向となる。延在方向は、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。
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。
【0018】
ところで、本実施形態において、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、厚さ方向に沿って測った離隔距離ＣＬが、下記（１）式を満たすことができる。
（１）式において、λは光の真空中における波長の平均値であり、ｎcoreは当該コア層の一部を形成する材料の屈折率であり、ｎcladは、当該回折格子部と、当該回折格子部と離隔する当該コア層の一部との離隔部分に存在する材料の屈折率である。（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倍の値を規定している。エバネッセント光の染み出し距離とは、光のエネルギーが、当該コア層の一部の表面におけるエネルギー値から１／ｅに減衰する位置を示した、当該コア層の一部の表面からの厚さ方向の距離である。すなわち、（１）式の示すＣＬは、光のエネルギーが、当該コア層の一部の表面におけるエネルギー値から（１／ｅ）3以下に減衰する位置を、当該コア層の一部の表面からの距離として示している。
【数1】
【0019】
また、本実施形態において、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、厚さ方向に沿って測った離隔距離ＣＬが、（２）式を満たすことができる。
（２）式において、λは光の真空中における波長の平均値であり、ｎcoreは当該コア層の一部を形成する材料の屈折率であり、ｎcladは、当該回折格子部と、当該回折格子部と離隔する当該コア層の一部との離隔部分に存在する材料の屈折率であり、ｄは当該コア層の一部の膜厚の最小値であり、ＬGrは当該コア層の一部と厚さ方向に離隔する当該回折格子部の回折格子長の総和である。なお、ここでの「コア層の一部と厚さ方向に離隔する当該回折格子部の回折格子長の総和」とは、平面視で、回折格子部の回折格子の取込部（取込部については後述する）のうち、コア層の一部と重複する部分について長さであり、複数の回折格子の取込部が重複する場合には当該重複する部分の長さの総和である。また、当該長さは、コア層の一部の延在方向に沿って測った長さである。
（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。
ここで、ＬGr＜Ｌcであり、また十分に光が当該コア層の一部内に閉じ込められてエバネッセント結合が弱い極限状態としてｄ＞＞λを想定場合、下記（４）式、（５）式、（６）式が与えられる。
この（４）式、（５）式、（６）式を用い、（３）式を変形・整理することで（２）式が得られる。
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。
【数2】
（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。
【数3】
【数4】
【数5】
【数6】
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。
【0020】
また、本実施形態において、離隔距離ＣＬを０．７μｍ以上とすることもできる。例えば環境中に浮遊する代表的なガスであるＣＯ2を検出するための光学的濃度測定装置では、光として、真空中における波長約４．３μｍの赤外線を用いることが一般的であるが、上述の様に、ｎcoreを３．４、ｎcladを１．４で構成した場合、（１）式の右辺は約０．６６μｍとなり、ＣＬを０．７μｍ以上とすることで、当該コア層の一部と当該回折格子部のエバネッセント結合を回避することができる。
【0021】
本実施形態において、当該離隔距離ＣＬを上記の所定の長さにすることにより、光導波路を用いたセンサにおいて、当該コア層の一部を伝搬する光が、当該コア層の一部から厚さ方向に離隔した位置に存在する回折格子部を形成するコア層と、エバネッセント結合することなく、当該コア層の一部を伝搬させることができる。具体的には、当該離隔距離ＣＬが短い場合には、当該回折格子部と離隔する当該コア層の一部を伝搬する光が、当該コア層の一部からエバネッセント波として染み出て、コア層の一部と離隔する回折格子部に伝搬し、そして、回折格子部から再放射されることがあり、この場合、コア層を伝搬する光の損失となる。しかし、当該離隔距離ＣＬを上記の所定の長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ても、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、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。
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。
【0022】
なお、本実施形態の光導波路において、離隔距離ＣＬは、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が、コア層の一部側の回折格子部の表面から、回折格子部側のコア層の一部の表面までを厚さ方向に沿って測った長さである。また、回折格子部と離隔するコア層の一部の厚さは、回折格子部と当該厚さ方向に離隔する位置において、コア層を厚さ方向に沿って測った長さである。
【0023】
また、本実施形態において、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い。なぜなら、回折格子部と離隔するコア層の一部が光伝搬部として形成された場合などでは、回折格子部と光伝搬部では求められる機能が異なるため、両者を異なる材料で形成することにより、各要素に求められる機能にあった材料を選ぶことができる上に、本実施形態の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、本発明において、材料が異なるとは、元素が異なる場合だけでなく、元素が同一元素であってもその結晶状態が異なる場合も、材料が異なるものとする。光学的には、材料の構成元素が同じであっても、結晶状態が異なれば、光の伝搬現象は異なるからである。
【0024】
ところで、本実施形態においては、コア層の一部である第１部分が、回折格子部と厚さ方向に離隔して存在し、且つ、コア層の一部である第２部分が、当該第１部分と厚さ方向に離隔して、存在する（換言すれば、厚さ方向に直交する方向から見て、回折格子部と第１部分と第２部分とが３階建て構造になる）ように光導波路を形成することもできる。
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。
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。
【0025】
また、上述のように、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。本実施形態において、第１回折格子部が光伝搬部へ光を導出する（換言すれば、光伝搬部が第１回折格子部から光を導入する）、また、光伝搬部が第２回折格子部へ光を導出する（換言すれば、第２回折格子部が光伝搬部から光を導入する）とは、第１、第２回折格子部と光伝搬部との間で光が伝搬可能であれば、それぞれの接続形態は限定されず、例えば、それぞれが同一材料（結晶状態も同一）で途切れることなく連続して接続する場合の他、それぞれが光学的に連続する場合も含む。それぞれが光学的に連続する場合とは、それぞれが、材料が異なる（同一元素でも結晶状態が異なる場合も材料が異なる）ことで不連続になっていても、相互に同一軸線上に位置することで、それぞれが光学的に連続する場合や、それぞれが相互に同一軸線上に位置せず不連続になっていても（それぞれが途切れている）、例えば方向性結合器の様にエバネッセント波によって結合している場合が挙げられる。なお、方向性結合器とは、エバネッセント波を利用して、光が一方から他方に遷移する際に、その遷移の前後で、光の進行方向が変わらないような光学的な結合状態を指す。また、本明細書においては、回折格子部と光伝搬部との間で光が導出、導入可能である状態を、単に、回折格子部と光伝搬部とが接続しているとも称す。
【0026】
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＞＞
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。
＜＜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。
【0027】
コア層の材料は、特に限定されない。例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコン、アモルファスシリコン、窒化シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ガリウムひ素、インジウムリン、インジウムアンチモン、インジウムガリウムひ素、インジウムガリウムリン、フッ化インジウム、ダイヤモンド、サファイア、ニオブ酸リチウム、カルコゲナイドガラス等を含んだコア層が挙げられる。また、コア層は単層の膜でなく、多層膜で構成されていても良い。
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。
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。
【0028】
また、本実施形態において、コア層の少なくとも一部は、露出し、または、薄膜により被覆されていてもよい。これにより、露出しまたは被覆されたコア層の一部は、被測定気体または被測定液体と直接接触可能、または、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となり、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。本実施形態においては、当該被膜は、コア層を伝搬する光の真空中における波長の１／４よりも薄いことが好ましい。
【0029】
また、本実形態において、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、本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、赤外線の真空中における波長は２μｍ以上１２μｍ未満であってもよい。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。
【0030】
また、コア層は曲線状に延びる部分を含んでよい。これにより、コア層全体を平面視した際の、コア層の輪郭のアスペクト比を１に近づけ得るので、光導波路および光学式濃度測定装置が小型化され得る。
【0031】
＜＜＜光伝搬部＞＞＞
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、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。
【0032】
本実施形態において、伝搬路は、延在方向に膜厚を略均一とすることができ、略均一な膜厚とは、例えば膜厚の高低差が２００ｎｍ以下である。また、伝搬路は、延在方向に幅が異なる部分が存在していてもよい。なお、光伝搬部が複数の伝搬路を有する場合には、複数の伝搬路は相互に膜厚や幅が異なっていてもよい。また、光伝搬部の全領域において、コア層の膜厚は均一であってもよく、均一でなくてもよい。
【0033】
＜＜＜回折格子部＞＞＞
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。
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。
【0034】
本実施形態において、第１回折格子部が、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により、本実施形態に係る光導波路は、発光素子と光導波路を高効率で結合させることができる。
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。
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。
【0035】
また、本実施形態において、回折格子部と厚さ方向に離隔して存在するコア層の一部が光伝搬部である場合には、回折格子部中の各回折格子をより密に形成することができ、発光素子と光導波路との結合をより高効率にすることができる。なぜなら、回折格子は光伝搬部の伝搬路に接続するので、回折格子部が複数の回折格子を有し、回折格子部と厚さ方向に離隔して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必要があるからである。これに対して、本実施形態のように、回折格子部と厚さ方向に離隔して光伝搬部が存在すれば、回折格子と、当該回折格子と厚さ方向に離隔して位置する伝搬路に接続する他の回折格子とを接近させて配置することができ、回折格子に接続される伝搬路の形成位置に関わらずそれぞれの回折格子の配置を密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。
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。
【0036】
また、本実施形態において、回折格子部と厚さ方向に離隔して存在するコア層の一部が、光伝搬部である場合には、当該光伝搬部の複数の伝搬路が回折格子部中の回折格子と厚さ方向に離隔して存在するようにすることができる。これにより、回折格子部が複数の回折格子を有する場合において、各回折格子を密に配置することができる。
【0037】
なお、上述したように、本実施形態において、第１回折格子部が、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が、複数の第１回折格子のうちの全ての第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構成でもよい。また、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とは、平面視（光導波路の厚さ方向表層側から視た場合）で、配置される光源の発光面のうち、同一発光面とみなせる範囲を、当該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内に、複数の第１回折格子のうち少なくとも２つの第１回折格子が存在することを指し、少なくとも２つの第１回折格子の全てが当該範囲内に存在しなくても、第１回折格子の、後述する取込部（凹凸部）が少なくとも存在していればよい。また、同一発光面とみなせる範囲とは、必ずしも１つの発光面であるとは限らず、発光面が複数あった場合においても、複数の発光面から出力されるそれぞれの光が、共通の駆動系で同期して制御される場合においては、複数の発光面を合計した範囲を同一発光面とみなす。さらに、同一発光面内の各点から出射される光の波長分散性は、全て等しくてもよい。すなわち、同一発光面内の各点からは、同じ波長帯の光が出射されていてもよい。なお、光源の発光面とは、光が出射される面のうち、被測定気体または被測定液体に接することが可能な面である。
【0038】
ここで、本実施形態において、第１回折格子は外部からの光をコア層に取り込ませる光取込部を、また、第２回折格子はコア層の外部へ光を取り出させる光取出部を、有することができる。本実施形態では、当該光取込部や光取出部は、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であってもよく、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、コア層を切り離す構成であってもよい。そのような構成において、凸部は不連続で島状に形成されていることになる。
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。
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。
【0039】
また、本実施形態において、回折格子の平面視での形状は任意にすることができるが、例えば、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の頂部を頂点とする、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。具体的には、第１回折格子および第２回折格子の光取込部や光取出部の形状にもよるが、第１回折格子および第２回折格子の頂部を中心とする扇形の他、第１回折格子および第２回折格子の頂部を中心とする三角形（例えば二等辺三角形）や、頂部を頂点し、頂部から取込部や取出部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、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、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。
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。
【0040】
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以下とすることができ、好ましくは１０λ以下、より好ましくは５λ以下である。少なくとも１つの第１回折格子の回折格子長の最大値を２０λ以下とすることにより、発光素子と光導波路をより高効率で結合させることができる。なお、上記の「λ」はコア層を伝搬する光の真空中における波長の平均値である。
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。
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。
【0041】
ここで、第１回折格子の回折格子長は、上述の第１回折格子の取込部の凹部または凸部を区画する壁面のうち、最も、光伝搬部への接続側に位置する壁面について、当該壁面の延在方向の特定の位置を起点に測定する。そして、回折格子長は、当該起点から末端側へ、当該特定の位置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上に沿って、当該仮想線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）までを測った長さを指す。第１回折格子の回折格子長は、当該第１回折格子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回折格子の回折格子長の最大値とは、上記の回折格子長のうち最も大きい長さを指す。
【0042】
なお、本実施形態においては、第１回折格子の回折格子長の最小値は、１λ以上であることが好ましい。１λの回折格子長は、光源から発せられる光に対して、特定の波長帯を選択するために最低限必要な距離である。
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。
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。
【0043】
ところで、本実施形態においては、第１回折格子部中の第１回折格子は４個以上とすることができ、好ましくは８個以上、より好ましくは１６個以上である。これにより、発光素子と光導波路をより高効率で結合させることができる。
【0044】
また、本実施形態において、第１回折格子部中の第１回折格子は、平面視で、配置方向に周期性をもたせるようには配置することができる。周期性のある配置方向とは、例えば、複数存在する第１回折格子の向きが交互になるように配置することである。また、第１回折格子部中の第１回折格子は、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てもよい。このように配置することで、面積を効率良く使うことが可能になる。
【0045】
さらに、本実施形態において、第１回折格子部中の複数の第１回折格子のうち少なくとも２つの第１回折格子は、光導波路の平面視で、第１回折格子から光伝搬部への接続方向が相互に反対になるように配置することができる。具体的には、複数の第１回折格子を平面視した際に、少なくとも２つの第１回折格子が左右方向、または上下方向から光伝搬部へ接続されている。すなわち、少なくとも２つの第１回折格子の光伝搬部との接続方向が１８０度ずれている。また、第１回折格子部中の第１回折格子は、光導波路の平面視で、配置が、空間群ｐ２、ｐ２ｍｍ、ｐ２ｍｇ、ｐ２ｇｇ、ｃ２ｍｍに加え、空間群ｐ１、ｐｍ、ｐｇ、ｃｍのいずれかで表現されてもよい。このように配置することで、面積を効率良く使うことが可能になる。
【0046】
また、本実施形態において、第２回折格子部の構造は第１回折格子部の構造と同じ、または第２回折格子部の構造は第１回折格子部の構造から変換したものとすることができる。第１回折格子部の構造から変換したものとは、第２回折格子部が有する第２回折格子の形状および構成、第２回折格子の配置等が、第１回折格子部が有する第１回折格子の形状および構成、第１回折格子の配置等に対して、回転した形態、拡大した形態、縮小した形態、平行移動した形態、線対称である形態、点対称である形態になっていることを意味する。なお、それぞれの構造が１λ以内、好ましくは１μｍ以内で異なることは許容される。第２回折格子部の構造を第１回折格子部の構造と同じ、または第２回折格子部の構造を第１回折格子部の構造から変換したものとすることで、第１回折格子部における波長選択性と第２回折格子部における波長選択性を略等しくすることができるため、第１回折格子部と第２回折格子部で波長選択性が異なる場合に発生する光損失を避けることができる。
【0047】
＜＜基板＞＞
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、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。
【0048】
＜＜支持部＞＞
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。
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。
【0049】
本実施形態において、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。
【0050】
＜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。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。
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。
【0051】
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、赤外線の真空中における波長は２μｍ以上１２μｍ未満であってもよい。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。
【0052】
本実施形態において、光源の発光面は第１回折格子部に対向して近接配置することができる（換言すれば、第１回折格子部は、光源の発光面と対向して近接配置することができる）。これにより、光源から第１回折格子部に向けて出力された光の、第１回折格子部に到達する割合が大きくなる（光源から第１回折格子部を見たときに、第１回折格子部が作る立体角が広くなる）ため、効率よく光導波路に光を導入することができる。
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。
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。
【0053】
本実施形態において、光源の発光面の面積に対する、当該発光面が覆う第１回折格子の合計の面積の割合は６０％以上とすることができる。これにより、発光素子と光導波路を高効率で結合させることができる。
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。
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。
【0054】
＜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。
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。
【0055】
本実施形態において、検出部は第２回折格子部に対向して近接配置することができる（換言すれば、第２回折格子部は、検出部と対向して近接配置することができる）。これにより、第２回折格子部から検出部に向けて出力された光の、検出部に到達する割合が大きくなる（第２回折格子部から検出部を見たときに、検出部が作る立体角が広くなる）ため、効率よく検出部に光を導入することができる。
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。
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。
【0056】
〔本発明の実施形態に係る光学式濃度測定装置〕
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。
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。
【0057】
より詳細には、本実施形態の光学式濃度測定装置１４は、後述の本発明の実施形態に係る光導波路１５を製造し、さらに、図１に示すように、光導波路１５の一方の回折格子部１１（グレーティングカプラ）に赤外線ＩＲを入射できるように光源１７を設置し、光導波路１５の他方の回折格子部１３（グレーティングカプラ）から出射する赤外線ＩＲを受光できるように光検出器１８を配置することにより得られる。
【0058】
本実施形態の光学式濃度測定装置１４では、第１回折格子部１１が光源１７の発光面と対向して近接配置されている。具体的には、光源１７の発光面の光導波路側の下端から、光導波路１５の厚さ方向で、最も光源１７の発光面側に位置する第１回折格子部１１までを、厚さ方向に沿って測った長さが１ｍｍ以下、または光源１７の同一発光面の面積Ｓｓに対し、√Ｓｓ以下である。また、当該長さは好ましくは５００μｍ以下または０．５×√Ｓｓ以下であり、より好ましくは２００μｍ以下または０．２×√Ｓｓ以下である。このように、当該長さを１ｍｍ以下または√Ｓｓ以下とすることにより、光源１７から第１回折格子部１１に向けて出力された光の、第１回折格子部１１に到達する割合が大きくなる（光源１７から第１回折格子部１１を見たときに、第１回折格子部１１が作る立体角が広くなる）ため、効率よく光導波路１５に光を導入することができる。
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。
【0059】
ここで、近接配置の当該長さについて、詳細に説明する。上記に示した適切な当該長さを説明するために、光学シミュレーションにより該当長さを変化させた際の光の到達割合の数値計算結果を図１５に示す。図１５は、ランバーシアン光源の同一発光面の形状を一辺の長さがＡの正方形と仮定し（すなわち同一発光面の面積はＡの２乗）、当該長さをＤとしたときに、光源の同一発光面から発せられた光が第１回折格子部に到達する割合をＤ／Ａの関数として示している。なお、ここでは光源から発せられた光を受ける第１回折格子部の面積が、光源の同一発光面の面積と同じであると仮定している。図１５に示されるように、Ｄ／Ａ＞１の領域（すなわちＤ＞Ａとなる遠方に光源を配置した場合）では、光の第１回折格子部への到達割合は、当該長さＤに対して逆２乗の法則で近似される。これは遠方においては、光が第１回折格子部へ到達した際に、その到達光の作る投影面積が、当該長さＤの２乗に比例して大きくなり、それにしたがって、放射照度が減衰することによる。一方、Ｄ／Ａ＜１の領域（すなわちＤ＜Ａとなる近傍に光源を配置した場合）では、Ｄ／Ａが小さくなるほど、到達光の割合が最大値で飽和傾向を示していく。つまり該当長さＤをＡ（同一発光面の面積の平方根）以下、好ましくは０．５Ａ以下、より好ましくは０．２Ａ以下とすることで効率よく光導波路１５に光を導入することができる。なお、本原理は、後述する第２回折格子部と光検出器の受光面に対しても同様に成り立つ。その際、第２回折格子部の面積が上述の光源の同一発光面の面積に相当し、光検出器の受光面の面積が上述の第１回折格子部の面積に相当する。また、光源の同一発光面の面積と光検出器の受光面の面積は１ｍｍ2やそれ以上の大きさを有することもある。
【0060】
本実施形態の光学式濃度測定装置１４では、第２回折格子部１３が光検出器１８と対向して近接配置されている。具体的には、光検出器１８の光導波路側の下端から、光導波路１５の厚さ方向で、最も光検出器１８側に位置する第２回折格子部１３までを、厚さ方向に沿って測った長さが１ｍｍ以下、または光検出器１８の受光面の面積Ｓｄに対し、√Ｓｄ以下である。また、当該長さは好ましくは５００μｍ以下または０．５×√Ｓｄ以下であり、より好ましくは２００μｍ以下または０．２×√Ｓｄ以下である。このように、当該長さを１ｍｍ以下または√Ｓｄ以下とすることにより、第２回折格子部１３から光検出器１８に向けて出力された光の、光検出器１８に到達する割合が大きくなる（第２回折格子部１３から光検出器１８を見たときに、光検出器１８が作る立体角が広くなる）ため、効率よく光検出器１８に光を導入することができる。
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。
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。
【0061】
本実施形態の光学式濃度測定装置１４では、光源１７の発光面の面積に対する、当該発光面が覆う第１回折格子１１１の合計の面積の割合が６０％以上であり、より好ましくは８０％以上である。これにより、発光素子と光導波路１５を高効率で結合させることができる。
【0062】
本実施形態の光学式濃度測定装置１４では、光源１７は波長が２μｍ以上１２μｍ未満の赤外線をコア層１２に入射している。上記の赤外線をコア層１２に入射することにより、コア層１２から染出すエバネッセント波ＥＷが外部空間１６に存在する被測定物質、例えばＣＯ2、ＣＯ、ＮＯ、Ｎ2Ｏ、ＳＯ2、ＣＨ4、Ｈ2Ｏ、Ｃ2Ｈ6Ｏなどのガスに吸収され、被測定物質の濃度を検知することができる。
【0063】
【0064】
図１は、本実施形態による光学式濃度測定装置１４の概略構成を示す図であるとともに、第１実施形態による光導波路１５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１４は、濃度などを検出するガスが存在する外部空間１６に設置されて使用される。光学式濃度測定装置１４は、本実施形態による光導波路１５と、光導波路１５に備えられたコア層１２に光（本実施形態では赤外線ＩＲ）を入射可能な光源１７と、コア層１２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）１８とを備えている。
【0065】
光導波路１５は、基板１９と、赤外線ＩＲ（光の一例）が伝搬可能なコア層１２と、基板１９の少なくとも一部とコア層１２の少なくとも一部を接続し基板１９に対してコア層１２を支持する支持部２０と、を備えている。コア層１２および基板１９は例えばシリコン（Ｓｉ）で形成され、支持部２０は例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）で形成されている。基板１９および支持部２０は例えば板状を有している。なお、支持部２０は、図１に示すように、支持部２０がコア層１２の全部を支持していてもよく、コア層１２の少なくとも一部を支持するようにしてもよく、例えば、支持部２０が、回折格子部の全部と、延在方向で断続的に光伝搬部１０の一部を支持するようにすることができる（その結果、光導波路１５は、光伝搬部１０が、延在方向で断続的に支持部２０に接続され、支持部２０が設けられた領域を除いて、光伝搬部１０および基板１９の間にクラッド層などの所定の層を有さずに空隙を有する）。
【0066】
コア層１２は、延在方向の一端に形成された第１回折格子部（一例としてグレーティングカプラ）１１、および他端に形成された第２回折格子部（一例としてグレーティングカプラ）１３を有している。また、コア層１２は、延在方向の両端の第１回折格子部１１および第２回折格子部１３の間に光伝搬部１０を有している。本実施形態に係る光導波路１５において、光伝搬部１０の膜厚は均一である。また、本実施形態に係る光導波路１５において、光伝搬部１０の幅は均一である。なお、幅方向とは、延在方向および膜厚方向に垂直な方向である。また、膜厚方向とは、基板１９、支持部２０、および、コア層１２を積層させた積層方向に平行な方向である。
【0067】
第１回折格子部１１は、光源１７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１５は、積層方向が鉛直方向に平行であり、基板１９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１９の主面とは、基板１９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１９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１７の出射方向とは、このように光導波路１５が設置された状態における、光源１７の鉛直下方である。この回折格子部は、光源１７から入射する赤外線ＩＲをコア層１２に結合するようになっている。したがって、第１回折格子部１１の膜厚方向から、コア層１２を伝搬する光が入力される。第２回折格子部１３は、光検出器１８に対向する方向に配置されている。なお、光検出器１８に対向する方向とは、上述のように光導波路１５が設置された状態における、光検出器１８の鉛直下方である。この回折格子部は、コア層１２を伝搬する赤外線ＩＲを取出して光検出器１８に向けて出射するようになっている。したがって、第２回折格子部１３の膜厚方向に、コア層１２を伝搬する光が出力される。
【0068】
このように、光源１７側（光入射側）に配置されるコア層１２は一端に、第１回折格子部１１を有し、光検出器１８側（光出射側）に配置されるコア層１２は他端に、第２回折格子部１３を有している。また、コア層１２は延在方向の中央から両端までの間に、第１回折格子部１１から入射して第２回折格子部１３から出射される赤外線ＩＲが伝搬する光伝搬部１０を有している。コア層１２から染出すエバネッセント波ＥＷは主に、光伝搬部１０において外部空間１６に存在する被測定物質に吸収される。
【0069】
ここで、第１実施形態による光導波路１５についてより詳細に説明する。ＡＴＲ法を用いたセンサでは、図１に示すように、コア層１２から染み出るエバネッセント波ＥＷと被測定物質との相互作用領域を拡大させる（つまりコア層１２の露出部分を拡大させる）ことで、センサとしての感度を向上させることができる。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、光学式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。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、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。
【0070】
これに対して、第１実施形態の光導波路１５では、図２、図３に例示するように、回折格子部１１、１３よりも光導波路の厚さ方向基板側に、当該回折格子部１１、１３と当該厚さ方向に離隔して、コア層１２の一部が存在している。
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。
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。
【0071】
また、第１実施形態では、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、厚さ方向に沿って測った離隔距離ＣＬが、下記（１）式または（２）式を満たすことが好ましい。
（１）式において、λは光の真空中における波長の平均値であり、ｎcoreは当該コア層の一部を形成する材料の屈折率であり、ｎcladは、当該回折格子部と、当該回折格子部と離隔する当該コア層の一部との離隔部分に存在する材料の屈折率である。
（２）式において、λは光の真空中における波長の平均値であり、ｎcoreは当該コア層の一部を形成する材料の屈折率であり、ｎcladは、当該回折格子部と、当該回折格子部と離隔する当該コア層の一部との離隔部分に存在する材料の屈折率であり、ｄは当該コア層の一部の膜厚の最小値であり、ＬGrは当該コア層の一部と厚さ方向に離隔する当該回折格子部の回折格子長の総和である。
【数7】
【数8】
【0072】
または、当該離隔距離ＣＬを０．７μｍ以上とすることも好ましく、より好ましくは１．０μｍ以上である。このように、当該離隔距離ＣＬを上記の所定の長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ても、回折格子部１１に伝搬することを抑制することができ（図３（ｂ）の破線矢印を抑制）、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、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、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。
【0073】
ここで、第１実施形態では、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。図示の例では、第１回折格子部１１と、当該第１回折格子部１１と離隔したコア層１２の一部との間はシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）が存在している。
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。
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。
【0074】
ところで、第１実施形態では、図２に示すように、第１回折格子部１１は、複数の第１回折格子１１１を有し、複数の当該第１回折格子１１１のうち少なくとも２つの第１回折格子１１１が光源１７の同一発光面から発せられた光を受ける。具体的には、図２の範囲Ｒ１は、平面視で、配置される光源１７の発光面のうち、同一発光面とみなせる範囲を、当該発光面に直交する方向に沿って第１回折格子部１１に対して投影した範囲であり、その範囲Ｒ１内に少なくとも２つの第１回折格子１１１が存在する。このようにすることにより、第１回折格子１１１を比較的小さいサイズにすることができ、図１７（ａ）で示すような大きな回折格子５３で生じていた回折格子内での再放射が抑制され、発光素子と光導波路を高効率で結合することができる。
【0075】
なお、図２の例では、範囲Ｒ１の中に第１回折格子部１１の第１回折格子１１１の全てが存在するが、当該範囲Ｒ１の外側に存在する第１回折格子１１１が存在していてもよい。範囲Ｒ１の外側に当該第１回折格子１１１が位置していても、または、範囲Ｒ１の外側に第１回折格子１１１の一部があっても、光は光源１７の発光面から広がりがあるため、外側に位置する第１回折格子や外側に位置する部分でも光をコア層１２に取り込むことができる。
【0076】
また、第１実施形態では、上述のように第１回折格子部１１が第１回折格子１１１を複数有し、また、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存在するコア層１２の一部が光伝搬部１０となっていることにより、第１回折格子部１１中の各第１回折格子１１１をより密に形成することができ、発光素子と光導波路との結合をより高効率にすることができる。
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。
【0077】
なお、第１実施形態では、光伝搬部１０の複数の伝搬路１０３が第１回折格子１１１よりも厚さ方向基板側に存在している。また、第１回折格子部１１および第２回折格子部１３のいずれもがコア層１２の一部と厚さ方向に離隔して存在している。
【0078】
なお、図３（ｂ）に示すように、第１回折格子１１１と光伝搬部１０（の伝搬路１０３）とは、方向性結合器を利用して接続されている。具体的には、第１回折格子１１１が、その接続側の頂部１１１ｔの付近に接続部１１１ａを有しており、当該接続部１１１ａは、伝搬路１０３の第１回折格子側の端部１０３ａと僅かな距離で離隔し、平面視で重複しつつ平行に延びている。接続部１１１ａと伝搬路１０３の端部１０３ａとが延在方向で所定の長さで重複することで、それぞれが光学的に接続し（エバネッセント結合し）、第１回折格子１１１で受けた光を、第１回折格子１１１から伝搬路１０３へ導出することができる。
【0079】
ここで、第１実施形態の光導波路１５では、図２に示すように、光導波路１５の光伝搬部１０は、１つの第１回折格子１１１が受けた光を導入して伝搬し、１つの第２回折格子１３１へ当該光を導出する、伝搬路１０３としての線状伝搬路１０１を少なくとも１本有している。当該線状伝搬路１０１は、全体として線状になっており、１つの第１回折格子１１１に対して１つの第２回折格子１３１を対応させる形状となっている。これにより、後述の第２実施形態に記載した分岐状伝搬路１０２を形成するよりも、分岐状伝搬路１０２における、合波や分波時に発生する光の損失を抑制することができ、より効率的に光を利用することができる。
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。
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。
【0080】
また、図２の例では、第１回折格子１１１および第２回折格子１３１の形状はともに第１回折格子１１１および第２回折格子１３１の頂部１１１ｔを中心とする扇形（図４（ａ））になっているが、本実施形態においては、回折格子の平面視での形状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。
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。
【0081】
また、第１実施形態において、複数の第１回折格子１１１のうち少なくとも１つの第１回折格子１１１（図示の例では全て）が、回折格子長の最大値ＧＬＭを２０λ以下である。これにより、発光素子と光導波路１５をより高効率で結合させることができる。なお、λは光の真空中における波長の平均値であり、例えば、被測定気体としてＣＯ2を想定する場合、λは約４．３μｍである。
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。
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。
【0082】
なお、図２の例では、第１回折格子１１１の数は１５個であるが、任意の数にすることができ、本実施形態においては、例えば、第１回折格子部１１中の第１回折格子１１１は回折格子長の最大値ＧＬＭが８０μｍ以下の回折格子を４個以上とすることが好ましい。
【0083】
本実施形態では、図２に示すように、第１回折格子部１１中の第１回折格子１１１は、平面視で、配置方向が交互に周期性をもって配置されている。さらに、本実施形態において、第１回折格子部１１中の複数の第１回折格子１１１のうち少なくとも２つの第１回折格子１１１は、光導波路１５の平面視で、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なるように配置されている。
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。
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。
【0084】
なお上記の第１実施形態では、第１回折格子部１１中の第１回折格子１１１として、全て同じ大きさ、形状の回折格子を設けていたが、第１回折格子１１１として、大きさや形状の異なる回折格子を設けてもよい。大きさや形状の異なる回折格子を設けることで、光導波路１５に多機能を持たせたりすることができる。多機能の具体例としては、例えば、それぞれの第１回折格子１１１毎に、回折格子を形成する凹凸の周期を異ならせ、多波長を選択できるようにする等である。
【0085】
また、本実施形態において、複数の当該第１回折格子１１１のうち少なくとも２つの第１回折格子１１１は、５×５ｍｍの範囲内に存在することが好ましく、より好ましくは１×１ｍｍの範囲内に存在することであり、さらに好ましくは５００×５００μｍの範囲内に存在することである。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。
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。
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。
【0086】
本実施形態において、第２回折格子部１３の構造は、任意にすることができる。具体的には、図示の例では第２回折格子部１３の構造は第１回折格子部１１の構造と同じになっているが異なるようにすることもできる。また、図２の範囲Ｒ２は、光導波路１５の基板１９の平面視で（基板１９に向かって視た場合）、配置される検出部の範囲を、当該検出部の検出面に直交する方向に沿って第２回折格子部１３に対して投影した範囲であるが、第２回折格子部１３は例えば検出部によって回折格子の大きさを変化させたり、配置を変化させたり、任意にすることができる。
【0087】
次に、第１実施形態による光導波路１５の製造方法の一例について、図６から図１３を用いて説明する。図６から図１３は図３（ｂ）に示す箇所の製造方法の一例を示した断面図である。
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、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。
【0088】
まず、図６に示すように、シリコンで形成され最終的に基板１９となる支持基板１９ａと、シリコンで形成されコア層１２が形成される活性基板１２ａ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１９ａおよび活性基板１２ａを貼り合わせて熱処理して結合する。その後、活性基板１２ａを所定の厚さまで研削・研磨するなどして活性基板１２ａの膜厚を調整する。これにより、支持基板１９ａと、支持基板１９ａ上に形成されたＢＯＸ層２０ａと、ＢＯＸ層２０ａ上に形成された活性基板１２ａとを有し、「シリコン－絶縁層－シリコン」構造を有するＳＯＩ基板１５ａが形成される。
【0089】
次に、ＳＯＩ基板１５ａ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１２ａをエッチングし、コア層１２の一部を含む光伝搬部１０を形成する。これにより、図７に示すように、支持基板１９ａと、支持基板１９ａ上に形成されたＢＯＸ層２０ａと、ＢＯＸ層２０ａの上に形成された光伝搬部１０（コア層１２の一部を含む）とを有する光導波路主要部を形成する。
【0090】
次に、図８に示すように、後に形成する第１回折格子１１１とコア層１２の一部とを離隔するための離隔膜１５ｃを、例えばＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料とするＳｉＯ2膜などを堆積することにより形成する。この離隔膜１５ｃはＢＯＸ層２０ａの上およびコア層１２の一部の上に形成された後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を用いるなどして表面を平坦化することで、図８に示すような構造を実現できる。なお、離隔膜１５ｃにより、コア層１２の一部を、回折格子部１１と厚さ方向に離隔させることができる。
【0091】
次に、図９に示すように、離隔膜１５ｃの上にフォトレジストをパターニングし、そのフォトレジストをマスク層Ｍ１として、離隔膜１５ｃを部分的にエッチングする。その際、出来るだけ緩やかな傾斜を形成するために、ＢＨＦ（Ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｉｃ ａｃｉｄ）などを用いてウェットエッチングを行う。ウェットエッチングでは、離隔膜１５ｃとマスク層Ｍ１との界面の密着性を調整することで、より緩やかな傾斜を形成することができる。このようにすることで、図９に示すように、後に形成する第１回折格子１１１の接続部１１１ａと光伝搬部１０（伝搬路１０３）の端部を光学的に接続するための穴が離隔膜１５ｃに形成される。
【0092】
次に、マスク層Ｍ１をエッチングし取り除いた後、図１０に示すように、離隔膜１５ｃの穴の形成により、露出したコア層１２の一部の表面を酸化することによりＳｉＯ2膜を例えば膜厚３０ｎｍ程度形成する。この膜の形成方法は必ずしも酸化である必要はなく、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の任意の方法でよい。また、この膜は、必ずしもＳｉＯ2膜である必要はなく、例えばＳｉＮ膜等でもよい。
【0093】
次に、図１１に示すように、全面にポリシリコン膜（上層）２１ａ／ＳｉＯ2膜２１ｂ／ポリシリコン膜（下層）２１ｃの３層構造を形成する。２つのポリシリコン膜２１ａ、２１ｃは例えばＣＶＤにて形成する。また、中間層のＳｉＯ2膜２１ｂは酸化やＣＶＤなどで形成する。下層のポリシリコン膜２１ｃの膜厚は、光伝搬部１０（伝搬路１０３）の膜厚と略等しくすることが好ましく、膜厚が伝搬路１０３と略等しいことで、ポリシリコン膜２１ｃより形成される第１回折格子１１１から伝搬路１０３への光接続を高効率で行うことができる。例えば、下層のポリシリコン膜２１ｃと伝搬路１０３の膜厚は共に０．４μｍである。
【0094】
次に、図１２に示すように、リソグラフィ技術、エッチング技術を用いて、上層のポリシリコン膜２１ａをエッチングし、回折格子１１１を形成するための凹凸パターンを形成する。その際、２つのポリシリコン層２１ａ、２１ｃの間に形成したＳｉＯ2膜２１ｂは、エッチング時のストッパー膜として働くため、精度良く凹凸パターンを形成できる他、下層のポリシリコン膜２１ｃを過剰エッチングから保護することができる。凹凸パターンを形成した後、ストッパーとして用いたＳｉＯ2膜２１ｂはドライエッチングまたはウェットエッチングにより、ＳｉＯ2膜２１ｂのうち露出している箇所のみを除去する。
【0095】
次に、図１３に示すように、リソグラフィ技術、エッチング技術を用いて、下層のポリシリコン膜２１ｃをエッチングし、第１回折格子部１１の輪郭を形成する。続いて、図示は省略するが、リソグラフィ技術、エッチング技術を用いて、ガスセンシングを行う光伝搬部１０の一部（第１回折格子部１１から第２回折格子部１３までの間の光伝搬部１０の一部）の表面を露出させるように、離隔膜１５ｃの一部を除去することで、第１実施形態の光導波路１５に相当する構造の光導波路主要部１５ｂが得られる。
【0096】
次に、支持基板１９ａを所定領域で切断して光導波路主要部１５ｂを個片化する。これにより、第１実施形態による光導波路１５が完成する。
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。
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。
【0097】
＜第２実施形態＞
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。
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。
【0098】
第２実施形態では、光伝搬部１０が、中央に位置する線状部分１０２ａと、複数の第１回折格子１１１が受けた光を導入する複数の第１回折格子側部分１０２ｂと、複数の第１回折格子側部分１０２ｂから線状部分１０２ａへ伝搬路が合流する合流部分１０２ｃと、線状部分１０２ａを伝搬した光を第２回折格子部１３へ導出する第２回折格子側部分１０２ｄと、を有する、伝搬路１０３としての分岐状伝搬路１０２を少なくとも１本有している。具体的には、当該分岐状伝搬路１０２は、中央に位置する線状部分１０２ａが１本の伝搬路となっており、また、分岐状伝搬路１０２のなかでも第１回折格子側の第１回折格子側部分１０２ｂが、第１回折格子１１１と接続するための伝搬路となっており、さらに、合流部分１０２ｃが複数の当該第１回折格子側部分１０２ｂから当該線状部分１０２ａへ向かって伝搬路が合流している。
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。
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。
【0099】
また、第２実施形態において、合流部分１０２ｃは、複数の第１回折格子１１１が受けた光を合波して分岐状伝搬路１０２の線状部分１０２ａへ光を導出可能であれば、伝搬路の合流形態は特に限定されない。例えば、図示のように、複数の第１回折格子側部分１０２ｂの伝搬路を段階的に合流してもよく、図示は省略するが、一度に全ての第１回折格子側部分１０２ｂを合流させてもよい。具体的には、図示の例では、第１回折格子側部分１０２ｂから線状部分１０２ａへ向かって、伝搬路が２つずつ合流しており、合流部分１０２ｃ中に、合流点が１４か所存在している。
【0100】
また、第２実施形態では、線状部分１０２ａを伝搬した光を、第２回折格子側部分１０２ｄを介して第２回折格子部１３へ導出することが可能となっている。具体的には、図示の例では、第２回折格子側部分１０２ｄが複数であるとともに、線状部分１０２ａから複数の第２回折格子側部分１０２ｄへ伝搬路が分岐する分岐部分１０２ｅを、線状部分１０２ａと第２回折格子側部分１０２ｄとの間に設けられている。当該分岐部分１０２ｅは、上記の合流部分１０２ｃと同様に、図示のように、複数の第２回折格子側部分１０２ｄへ、伝搬路を段階的に分岐してもよく、図示は省略するが、一度に全ての第２回折格子側部分１０２ｄへ分岐させてもよい。より具体的には、図示の例では、線状部分１０２ａから第２回折格子側部分１０２ｄへ向かって、伝搬路が２つずつ分岐しており、分岐部分１０２ｅ中に、分岐点が１４か所存在している。
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。
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。
【0101】
第２実施形態では、光伝搬部１０が分岐状伝搬路１０２を有することにより、複数の第１回折格子１１１を設けても光伝搬部１０の伝搬路が複雑化せず、省スペース化することができる。
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。
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。
【0102】
第２実施形態による光導波路１５は、上記の第１実施形態による光導波路１５の製造方法と同様な方法により製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【0103】
本発明によれば、設計の自由度を向上させる、より高精度な光学式濃度測定装置および光導波路を提供することができる。
【符号の説明】
【0104】
１０：光伝搬部
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
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
【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】