(57)【要約】【課題】部分毎に適した膜厚をコア層に有させながら、伝搬ロスの増大を抑制する。【解決手段】光導波路１０は光を伝搬可能なコア層１１を有する。コア層１１は互いに膜厚の異なる少なくとも２つの領域を含む。コア層１１の膜厚方向から見た外縁の膜厚は最大膜厚より薄い。【選択図】図１
2020046531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに膜厚の異なる少なくとも２つの領域を含み、膜厚方向から見た外縁の膜厚は最大膜厚より薄く、光を伝搬可能なコア層を備える
光導波路。
【請求項２】
回折格子が形成された回折格子部を有し、光を伝搬可能なコア層を備え、
前記回折格子部は互いに膜厚の異なる少なくとも２つの領域を含み、膜厚方向から見た該回折格子部の外縁の膜厚は該回折格子部の最大膜厚より薄い
光導波路。
【請求項３】
前記コア層の、膜厚方向から見た外縁の膜厚は、前記コア層の最大膜厚より薄い
請求項２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記コア層は、回折格子が形成された回折格子部と、光伝搬部とを有する
請求項１に記載の光導波路。
【請求項５】
前記コア層は、光伝搬部を有する
請求項２または３に記載の光導波路。
【請求項６】
前記回折格子部の少なくとも一部は、前記コア層における最大膜厚を有する
請求項２から５のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項７】
前記回折格子部の凸部の膜厚は、前記光伝搬部の膜厚より大きい
請求項４または５に記載の光導波路。
【請求項８】
前記回折格子部の凹部の溝の深さは、前記光伝搬部の膜厚より大きい
請求項４、５および７のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項９】
（１）式によって定義されるカットオフ膜厚ｔcoが、（２）式または（３）式の少なくとも一つを満たす
請求項４、５、７、８のいずれか１項に記載の光導波路。
【数１】
2020046531.tif 000005
（１）式において、λ0は真空波長であり、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。
前記回折格子部の少なくとも一部のコア層の膜厚≧ｔco        （２）
前記光伝搬部の少なくとも一部のコア層の膜厚＜ｔco          （３）
【請求項１０】
（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）式または（６）式の少なくとも一つを満たす
請求項４、５、７、８のいずれか１項に記載の光導波路。
【数２】
2020046531.tif 000006
（４）式において、λ0は真空波長であり、ｎcoreはコア層の屈折率である。
前記回折格子部の少なくとも一部のコア層の膜厚≧ｔ’co      （５）
前記光伝搬部の少なくとも一部のコア層の膜厚＜ｔ’co        （６）
【請求項１１】
膜厚方向から見た、前記回折格子部の外縁の膜厚は、前記光伝搬部の外縁の膜厚以下である
請求項４、５、および、７から１０のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項１２】
前記コア層において、前記光伝搬部の少なくとも一部の膜厚は最小の膜厚である
請求項４、５、および７から１１のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項１３】
前記コア層において、外縁の領域の膜厚は最小の膜厚である
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】
前記コア層は単結晶で形成されている
請求項１から１３のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項１５】
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１４までのいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項１６】
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１５までのいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項１７】
請求項１から１６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１８】
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１７に記載の光学式濃度測定装置。
【請求項１９】
エッチングによりコア層の膜厚方向から見た該コア層の外縁を形成させるためのマスクを、膜厚方向から見た該マスクの外縁が前記コア層の最大膜厚の領域から外れるように、前記コア層に被せる工程を備える
光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路、光学式濃度測定装置、および製造方法に関する。
【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２８参照）と呼ばれている。エバネッセント波Ｅ２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Ｌ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２８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Ｌ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Ｌ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】
【特許文献１】特開２００５−３００２１２号公報
【特許文献２】特開２０１１−４３６９９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】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、コア層が部分毎に適した膜厚を有しながら、伝搬ロスの増大を抑制し得る光導波路、光学式濃度測定装置、および光導波路の製造方法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、互いに膜厚の異なる少なくとも２つの領域を含み、膜厚方向から見た外縁の膜厚は最大膜厚より薄く、光を伝搬可能なコア層を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の他の態様による光導波路は、回折格子が形成された回折格子部を有し、光を伝搬可能なコア層を備え、前記回折格子部は互いに膜厚の異なる少なくとも２つの領域を含み、膜厚方向から見た該回折格子部の外縁の膜厚は当該回折格子部の最大膜厚より薄いことを特徴とする。
【００１２】
また、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、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。
【００１３】
また、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の製造方法は、エッチングによりコア層の膜厚方向から見た当該コア層の外縁を形成させるためのマスクを、膜厚方向から見た該マスクの外縁が前記コア層の最大膜厚の領域から外れるように、前記コア層に被せる工程を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、コア層が部分毎に適した膜厚を有しながら、伝搬ロスの増大を抑制し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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２】膜厚の異なるコア層の膜厚方向から見た外縁をエッチングにより形成する際にコア層にノッチングが発生する原理を説明するための図である。
【図３】図１の光導波路のグレーティングカプラ付近の部分を基板の主面に対して光源側または光検出器側から見た平面図である。
【図４】図１の光導波路の製造方法を説明するためのＳＯＩ基板の一部の平面図（その１）である。
【図５】図４のＳＯＩ基板をＡ−Ａ線で切断した断面を示す断面図である。
【図６】図１の光導波路の製造方法を説明するためのＳＯＩ基板の一部の平面図（その２）である。
【図７】図６のＳＯＩ基板をＢ−Ｂ線で切断した断面を示す断面図である。
【図８】図１の光導波路の製造方法を説明するためのＳＯＩ基板の一部の平面図（その３）である。
【図９】図８のＳＯＩ基板をＣ−Ｃ線で切断した断面を示す断面図である。
【図１０】図１の光導波路の製造方法を説明するためのＳＯＩ基板の一部の平面図（その４）である。
【図１１】図１０のＳＯＩ基板をＤ−Ｄ線で切断した断面を示す断面図である。
【図１２】図１の光導波路の製造方法を説明するためのＳＯＩ基板の一部の平面図（その５）である。
【図１３】図１２のＳＯＩ基板をＥ−Ｅ線で切断した断面を示す断面図である。
【図１４】図１の光導波路の製造方法を説明するためのＳＯＩ基板の一部の平面図（その６）である。
【図１５】図１４のＳＯＩ基板をＦ−Ｆ線で切断した断面を示す断面図である。
【図１６】図１の光導波路の製造方法を説明するためのＳＯＩ基板の一部の平面図（その７）である。
【図１７】図１６のＳＯＩ基板をＧ−Ｇ線で切断した断面を示す断面図である。
【図１８】図１の光導波路の製造方法を説明するためのＳＯＩ基板の一部の平面図（その８）である。
【図１９】図１８のＳＯＩ基板をＨ−Ｈ線で切断した断面を示す断面図である。
【図２０】図１の光導波路の製造方法を説明するためのＳＯＩ基板の一部の平面図（その９）である。
【図２１】図２０のＳＯＩ基板をＩ−Ｉ線で切断した断面を示す断面図である。
【図２２】図１の光導波路の製造方法を説明するためのＳＯＩ基板の一部の平面図（その１０）である。
【図２３】図２２のＳＯＩ基板をＪ−Ｊ線で切断した断面を示す断面図である。
【図２４】図１の光導波路の製造方法を説明するためのＳＯＩ基板の一部の平面図（その１１）である。
【図２５】図２４のＳＯＩ基板をＫ−Ｋ線で切断した断面を示す断面図である。
【図２６】図１の光導波路の製造方法を説明するためのＳＯＩ基板の一部の平面図（その１２）である。
【図２７】図２６のＳＯＩ基板をＬ−Ｌ線で切断した断面を示す断面図である。
【図２８】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】
【００１６】
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。
【００１７】
＜光導波路＞
本発明の第１実施態様に係る光導波路は、光を伝搬可能なコア層を備えている。コア層は、互いに膜厚の異なる少なくとも２つの領域を含む。膜厚方向から見たコア層の外縁の膜厚は、コア層の最大膜厚より薄い。なお、コア層の外縁とは、膜厚方向から見た外縁を画定するコア層の端である。
【００１８】
本発明の第１実施態様に係る光導波路によれば、コア層が互いに膜厚の異なる少なくとも２つの領域を含む。これにより、第１実施態様に係る光導波路では、コア層の部分毎の機能に適した異なる膜厚を有し得る。
【００１９】
ただし、膜厚の異なる領域を含むコア層を有する光導波路では、均等な膜厚を有する構成に比べて、コア層の表面ラフネスが悪化することがある。表面ラフネスの悪化は、コア層の外縁の形成に際し、外縁の中で最大膜厚の部分も含めて形成できるようにエッチングを行うため、最大膜厚未満の領域においてはオーバーエッチによるノッチングにより引起こされると考えられる。
【００２０】
また、第１実施態様に係る光導波路では、膜厚方向から見たコア層の外縁の膜厚が、コア層の最大膜厚より薄い。これにより、第１実施態様に係る光導波路によれば、コア層の外縁における膜厚の高低差が、コア層全体の膜厚の高低差未満となる。したがって、第１実施態様に係る光導波路によれば、コア層の異なる部分それぞれの膜厚が異なっていても、コア層の外縁における膜厚の高低差を低減し得る。その結果、第１実施態様に係る光導波路によれば、部分毎に膜厚を相違させたコア層の外縁の形成に際するオーバーエッチを低減し得るので、表面ラフネスの悪化が抑制される。表面ラフネスの悪化が抑制されるので、第１実施態様に係る光導波路は、表面ラフネスに影響される伝搬ロスを低減させ得る。なお、コア層の外縁の膜厚は均一であっても、均一でなくてもよい。また、第１実施態様に係る光導波路においてより好ましくは、膜厚方向から見たコア層の全ての外縁の膜厚が、コア層の最大膜厚より薄い。また、第１実施態様に係る光導波路において最も好ましくは、膜厚方向から見たコア層の全ての外縁の膜厚が、コア層の最大膜厚よりも薄く、かつ均一である。
【００２１】
本発明の第２実施態様に係る光導波路は、光を伝搬可能なコア層を備えている。コア層は、回折格子が形成された回折格子部を有している。回折格子部において、コア層は互いに膜厚の異なる少なくとも２つの領域を含む。膜厚方向から見た回折格子部の外縁の膜厚は、回折格子部におけるコア層の最大膜厚より薄い。なお、回折格子部の外縁とは、膜厚方向から見たコア層の外縁を画定するコア層の端のうち、回折格子部を確定するコア層の端である。
【００２２】
本発明の第２実施態様に係る光導波路によれば、コア層は回折格子が形成された回折格子部を有する。これにより、第２実施態様に係る光導波路は、回折格子を用いて光を入出力させ得る。
【００２３】
また、第２実施態様に係る光導波路によれば、回折格子部において、コア層が互いに膜厚の異なる少なくとも２つの領域を含む。これにより、第２実施態様に係る光導波路では、回折格子部において、コア層が部分毎の機能に適した異なる膜厚を有し得る。
【００２４】
また、第２実施態様に係る光導波路では、膜厚方向から見た回折格子部の外縁の膜厚が、回折格子部におけるコア層の最大膜厚より薄い。これにより、第２実施態様に係る光導波路によれば、回折格子部内部の領域おけるコア層の膜厚が、回折格子部以外の領域におけるコア層の膜厚よりも厚く形成された構成においても、回折格子部の外縁の膜厚と、回折格子部以外の領域におけるコア層の外縁の膜厚との差が、コア層全体の膜厚の高低差未満となる。すなわち、回折格子部および他の領域の外縁における膜厚の高低差を低減し得る。なお、回折格子部の外縁の膜厚は均一であっても、均一でなくてもよい。また、第２実施態様に係る光導波路においてより好ましくは、膜厚方向から見た回折格子部の全ての外縁の膜厚が、回折格子部におけるコア層の最大膜厚より薄い。また、第２実施態様に係る光導波路において更に好ましくは、膜厚方向から見た回折格子部の全ての外縁の膜厚が、回折格子部におけるコア層の最大膜厚より薄く、かつ均一である。さらに、第２実施態様に係る光導波路では、コア層の外縁の膜厚は均一であっても、均一でなくてもよい。また、膜厚方向から見たコア層の外縁の膜厚は、コア層の最大膜厚よりも薄くてよい。第２実施態様に係る光導波路において最も好ましくは、膜厚方向から見たコア層の全ての外縁の膜厚が、コア層の最大膜厚より薄く、かつ均一である。これにより、第２実施態様に係る光導波路によれば、コア層の外縁における膜厚の高低差が、コア層全体の膜厚の高低差未満となる。その結果、第２実施態様に係る光導波路によれば、回折格子部および他の部分毎に膜厚を相違させたコア層の形成に際するオーバーエッチを低減し得るので、表面ラフネスの悪化が抑制される。表面ラフネスの悪化が抑制されるので、第２実施態様に係る光導波路は、表面ラフネスに影響される伝搬ロスを低減させ得る。
【００２５】
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＞
第１実施態様および第２実施態様において、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。
【００２６】
第１実施態様において、コア層は、互いに膜厚の異なる少なくとも２つの領域を含む。膜厚方向から見たコア層の外縁の膜厚は、コア層の最大膜厚より薄い。言換えると、コア層は、膜厚方向から見たコア層の外縁の内部に、最大膜厚である領域を有する。これにより、コア層の外縁を形成するエッチング時におけるコア層の表面ラフネスの悪化が抑制されるので、表面ラフネスに影響される伝搬ロスが低減され得る。また、より好ましい態様としては、膜厚方向から見たコア層の全ての外縁の膜厚は、コア層の最大膜厚より薄くてよい。また、コア層の外縁の膜厚は均一であっても、均一でなくてもよく、最良の態様としては、膜厚方向から見たコア層の全ての外縁の膜厚が、コア層の最大膜厚よりも薄く、かつ均一な構成である。また、コア層は、回折格子が形成された回折格子部を有してよい。さらに、コア層は、光を伝搬する光伝搬部を有してよい。
【００２７】
または、第２実施時態様において、コア層は、回折格子が形成された回折格子部を有する。回折格子部において、コア層は互いに膜厚の異なる少なくとも２つの領域を含む。膜厚方向から見た回折格子部の外縁の膜厚は、回折格子部におけるコア層の最大膜厚より薄い。好ましくは、膜厚方向から見た回折格子部の全ての外縁の膜厚は、回折格子部におけるコア層の最大膜厚より薄い。また、回折格子部の外縁の膜厚は均一であっても、均一でなくてもよく、更に好ましくは、膜厚方向から見た回折格子部の全ての外縁の膜厚が、回折格子部におけるコア層の最大膜厚より薄く、かつ均一である。さらに、膜厚方向から見たコア層の外縁の膜厚はコア層の最大膜厚より薄くてよく、好ましくは膜厚方向から見たコア層の全ての外縁の膜厚は、コア層の最大膜厚より薄くてよい。また、コア層の外縁の膜厚は均一であっても、均一でなくてもよく、最も好ましくは、膜厚方向から見たコア層の全ての外縁の膜厚が、コア層の最大膜厚より薄く、かつ均一である。また、コア層は、光を伝搬する光伝搬部を有してよい。
【００２８】
また、第１実施態様および第２実施態様において、回折格子部とは、回折格子を有していて、膜厚方向から見た回折格子の周囲の領域および光伝搬部等への接続領域も含む部分である。なお、接続領域とは、回折格子から光伝搬部等までの間の領域であって、接続領域の一部において回折格子から光伝搬部に向かうに連れて、膜厚と膜厚方向から見た幅との少なくとも一方が変化する領域であってよい。なお、回折格子部は複数の種類が存在してもよい。回折格子は、外部からの光をコア層に取込ませる、あるいはコア層の外部へ光を取出させるように、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であってよい。または、回折格子は、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。これにより、膜厚の薄いコア層であっても、回折格子部を用いて光が入出力され得る。また、回折格子を形成する凹凸パターンにおけるコア層の膜厚に関しては、凸部の膜厚をコア層の膜厚とみなし、凹部の膜厚はコア層の膜厚とはみなさないものとする。また、回折格子を形成する凹凸の凹部の溝が深くなり、コア層を切り離す構成については、当該凹部を画定するコア層の端はコア層の外縁とはみなさないものとする。また、回折格子部の少なくとも一部は、コア層における最大膜厚を有してよい。
【００２９】
また、第１実施態様および第２実施態様において、光伝搬部とは、長手方向に光を伝搬させ、長手方向に膜厚が略均一な領域である。略均一な膜厚とは、例えば膜厚の高低差が２００ｎｍ以下である。なお、光伝搬部は複数の種類が存在してもよい。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。
【００３０】
また、第１実施態様および第２実施態様において、回折格子部の凸部の膜厚または凹部の溝の深さは光伝搬部の膜厚より大きくてよい。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小さいことが好ましいが、光を曲げる回折格子部では、波長に近いオーダーの寸法（ここでは凸部の膜厚または凹部の溝の深さ）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得るからである。つまり、回折格子部の凸部の膜厚または凹部の溝の深さを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。したがって、光伝搬部と回折格子部は、互いに異なるコア層の膜厚を有し、回折格子部の少なくとも一部は、コア層における最大の膜厚を有していてもよい。
【００３１】
また、第１実施態様および第２実施態様において、膜厚方向から見た、回折格子部の外縁の膜厚は、光伝搬部の外縁の膜厚以下であってよい。これにより、膜厚方向から見たコア層の外縁をエッチングにより形成するに際し、光伝搬部におけるオーバーエッチの発生が防がれる。したがって、光の伝搬に大きく寄与する光伝搬部における表面ラフネスの悪化が防がれ、光伝搬部における伝搬ロスの悪化が低減される。
【００３２】
また、第１実施態様および第２実施態様において、回折格子部の少なくとも一部のコア層の膜厚は、カットオフ膜厚ｔco以上、または光伝搬部の少なくとも一部のコア層の膜厚はカットオフ膜厚ｔco未満であってよい。なお、カットオフ膜厚ｔcoは、（１）式により定められている。好ましくは、回折格子部の少なくとも一部のコア層の膜厚はカットオフ膜厚ｔco以上且つ光伝搬部の少なくとも一部のコア層の膜厚はカットオフ膜厚ｔco未満であってよい。更に好ましくは、回折格子部の少なくとも一部のコア層の膜厚はカットオフ膜厚ｔco以上且つ光伝搬部のコア層の最大膜厚はカットオフ膜厚ｔco未満であってよい。これにより、回折格子部において、光の入出力効率が上がり、また光伝搬部において、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。
【００３３】
【数１】
2020046531.tif 000003
【００３４】
（１）式において、λ0は、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は約１．０（空気の屈折率）であり、水中の成分であればｎcladは約１．３（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、実効的なクラッド層の屈折率をｎcladとして扱うことが最も好ましいが、実効的なクラッド層の屈折率が不明の場合、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。
【００３５】
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。
【００３６】
【数２】
2020046531.tif 000004
【００３７】
また、第１実施態様および第２実施態様では、コア層において、光伝搬部の少なくとも一部の膜厚が最小の膜厚であってよい。これにより、コア層の光伝搬部以外の部分の機能を確保しながら、エバネッセント波の染出し効率が向上され得る。
【００３８】
また、第１実施態様および第２実施態様では、コア層において、コア層の外縁の膜厚が最小の膜厚であってよい。これにより、コア層の外縁を形成するエッチングにおいて、エッチングする膜厚を最小化し得る。コア層の外縁を形成するエッチングでは、製造上のエッチングレートにばらつき等が存在することにより、多少なりともオーバーエッチが必要となる。オーバーエッチ量（時間）は被エッチング膜の膜厚を基準にした比率で考えるのが一般的であるため、エッチング膜厚を小さくすることで、製造上必要なオーバーエッチ量（時間）を少なくすることができる。その結果、光の伝搬に大きく寄与する光伝搬部における表面ラフネスの悪化が防がれ、光伝搬部における伝搬ロスの悪化が低減される。
【００３９】
また、第１実施態様および第２実施態様において、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、さらに表面のラフネスも小さくなるため、伝搬光のコア層内部での散乱を抑制し、伝搬損失を小さくできる。また、コア層は、単一の層であってもよいし、複数の膜による積層構造を有していてもよい。
【００４０】
また、第１実施態様および第２実施態様において、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よりも膜厚が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。
【００４１】
また、第１実施態様および第２実施態様において、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、各実施態様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。これにより各実施態様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。
【００４２】
＜基板＞
第１実施態様および第２実施態様において、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。
【００４３】
＜支持部＞
第１実施態様および第２実施態様において、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。
【００４４】
第１実施態様および第２実施態様において、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。
【００４５】
＜光学式濃度測定装置＞
本発明の一実施態様に係る光学式濃度測定装置は、本発明の第１実施態様または第２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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。これにより本実施態様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。
【００４８】
＜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。
【００４９】
＜光導波路の製造方法＞
本発明の一実施態様に係る光導波路の製造方法は、エッチングによりコア層の膜厚方向から見た当該コア層の外縁を形成させるためのマスクを、膜厚方向から見た該マスクの外縁がコア層の最大膜厚の領域から外れるように、コア層に被せる工程を備える。これにより、コア層を、膜厚方向から見た外縁の膜厚は最大膜厚より薄く形成することが可能となる。具体的な製造方法については、後述する。
【００５０】
＜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３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３を用いて説明する。
【００５１】
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（本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。
【００５２】
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。
【００５３】
コア層１１は、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を有している。また、コア層１１は、長手方向の両端の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の間に光伝搬部１１７を有している。本実施形態に係る光導波路１０において、光伝搬部１１７のコア層１１の膜厚は均一である。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、本実施形態に係る光導波路１０において、光伝搬部１１７の幅は均一である。なお、幅方向とは、長手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１５、支持部１７、および、コア層１１を積層させた積層方向に平行な方向である。
【００５４】
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。
【００５５】
このように、光源２０側（光入射側）に配置されるコア層１１は一端に、グレーティングカプラ１１８を有し、光検出器４０側（光出射側）に配置されるコア層１１は他端に、グレーティングカプラ１１９を有している。また、コア層１１は長手方向の中央から両端までの間に、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１１７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１１７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。
【００５６】
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。
【００５７】
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における、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光伝搬部１１７では、膜厚が薄く形成されている。さらに、本実施形態において、光伝搬部１１７の少なくとも一部の膜厚は、コア層１１全体の中で最小の膜厚であってよい。一方、コア層１１における、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では、膜厚が光伝搬部１１７より厚く形成されている。したがって、コア層１１は、互いに膜厚の異なる少なくとも２つの領域を含む。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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、回折格子の光取出し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。
【００６２】
これに対して、本実施形態による光導波路１０は、赤外線ＩＲの伝搬に適した膜厚を有する光伝搬部１１７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１１８およびグレーティングカプラ１１９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取出し効率の向上を図ることが可能となる。
【００６３】
ここで、光伝搬部１１７における膜厚について説明する。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領域（すなわち光伝搬部）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、コア層１１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、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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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、上記の膜厚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コア層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。
【００６７】
一方、光をコア層１１に入出力する領域（回折格子部）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、回折格子部の少なくとも一部のコア層１１の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、光伝搬部の少なくとも一部のコア層１１の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、回折格子部において光の入出力効率が上がり、また光伝搬部１１７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。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態による光導波路１０では、回折格子部の少なくとも一部のコア層１１の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、光伝搬部の少なくとも一部のコア層の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未満である。これにより、光導波路１０は、光の入出力効率および感度の高い光学式濃度測定装置を実現できる。
【００６９】
また、後述するように、膜厚方向、本実施形態においては、光導波路１０の積層方向から見た、コア層１１の外縁は、ドライエッチングにより形成されることが一般的である。膜厚の異なるパターンを一度にエッチングする際には、エッチングされる膜厚が最大となる領域に合わせてエッチング量を決め、そのエッチング量にて膜厚のより薄い領域もエッチングされる。図２に示すように、最小膜厚の部分におけるパターンＰthinの形成に必要なエッチングが終わった後にも、最大膜厚の部分におけるパターンＰthickの形成に更なるエッチングが必要であるため、最大膜厚の部分におけるパターンＰthickの形成に必要なエッチングが完了するまでの間、最小膜厚の部分におけるパターンＰthinでは過剰なオーバーエッチが適用される。この過剰なオーバーエッチングにより異常なパターン形状、すなわちノッチングＮｃが発生し得る。コア層１１で発生したノッチングＮｃはコア層１１の表面ラフネスを悪化させる。表面ラフネスが悪化した表面部分からは伝搬する光が漏れやすく、光導波路の伝搬ロスを増大させ得る。それゆえ、膜厚が互いに異なる少なくとも２つの領域を有しながらも、表面ラフネスの悪化を低減させることが求められる。
【００７０】
そこで、本実施形態の光導波路１０では、膜厚方向から見たコア層１１の外縁の膜厚の高低差を低減すべく、図１、図３に示すように膜厚方向から見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の外縁ｅｄの膜厚は、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の最大膜厚領域Ａｔより薄く形成されている。なお、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の最大膜厚領域Ａｔとは、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の外縁ｅｄと、光伝搬部１１７に囲まれる領域の中で最大膜厚となる領域であり、本実施形態において、コア層１１の最大膜厚である。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の最大膜厚領域Ａｔのコア層１１の膜厚とは、凹凸により形成される回折格子の最大膜厚を含んでいる。さらには、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の外縁ｅｄを含む、コア層１１の全ての外縁の膜厚は、コア層１１の最大膜厚である当該最大膜厚領域Ａｔより薄くなるように、形成されている。なお、本実施形態の光導波路１０では、コア層１１の外縁の膜厚は均一である。
【００７１】
したがって、本実施形態の光導波路１０では、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ならびにコア層１１の他の部分である光伝搬部１１７それぞれの外縁の膜厚の高低差は、コア層１１全体の膜厚の高低差より小さい。なお、本実施形態において、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ならびに光伝搬部１１７それぞれの外縁の膜厚の高低差は、コア層１１の外縁全体の高低差である。したがって、本実施形態の光導波路１０では、コア層１１の各部分の外縁と、当該外縁が囲繞する内部領域とが同じ膜厚である光導波路に比べて、オーバーエッチによるノッチングの影響が小さい。それゆえ、本実施形態の光導波路１０では、互いに膜厚の異なる少なくとも２つの領域を有するコア層１１でありながら、表面ラフネスの悪化が抑制され、伝搬ロスが低減され得る。
【００７２】
特に、本実施形態の光導波路１０では、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の外縁ｅｄは、光伝搬部１１７の中の最小膜厚の領域と同じ膜厚になるように形成されている。したがって、コア層１１の形成に際し、コア層１１へのオーバーエッチが最小化され、表面ラフネスの悪化が最小化され得る。
【００７３】
また、本実施形態の光導波路１０では、グレーティングカプラ１１８は回折格子部分１１８ａおよび接続部分１１８ｂを有している。なお、グレーティングカプラ１１９の構造も、グレーティングカプラ１１８と同様である。回折格子部分１１８ａには、凹凸が形成された回折格子が設けられている。回折格子部分１１８ａの凸部はグレーティングカプラ１１８の最大膜厚であり、かつコア層１１全体でも最大膜厚である。すなわち、回折格子部分１１８ａは、膜厚方向から見て最大膜厚領域Ａｔに位置する。接続部分１１８ｂは、長手方向において、回折格子部分１１８ａから光伝搬部１１７の間を接続する部分である。接続部分１１８ｂは、膜厚方向から見て接続領域に位置する。接続部分１１８ｂの最小膜厚は光伝搬部１１７の膜厚以上である。接続部分１１８ｂの最大膜厚は、最大膜厚領域Ａｔの膜厚以下である。光伝搬部１１７から回折格子部分１１８ａに向かう間の一部において、接続部分１１８ｂの膜厚は、漸次増加している。
【００７４】
また、本実施形態に係る光導波路１０では、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。また、本実施形態に係る光導波路１０では、コア層１１は単一の層としているが、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ならびに光伝搬部１１７などの領域において、コア層１１は複数の膜による積層構造を有していてもよい。
【００７５】
＜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４から図２７を用いて説明する。図４から図２７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４から図２７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。
【００７６】
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、図４、図５に示すように、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。
【００７７】
次に、図６、図７に示すように、ＳＯＩ基板１００の表面に酸化膜６０を形成し、酸化膜６０の表面にシリコン窒化膜７０を形成する。
【００７８】
次に、酸化膜６０上に形成されたシリコン窒化膜７０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８、図９に示すように、第一ハードマスク８０を形成する。第一ハードマスク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において最大膜厚となる領域が含まれる。
【００７９】
次に、図１０、図１１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、第一ハードマスク８０が形成されたＳＯＩ基板１００を熱酸化する。このとき、第一ハードマスク８０のかかっていない領域から、第一ハードマスク８０のかかっている領域に向かって、熱酸化膜６０の膜厚が漸次小さくなるように（活性基板１１０の膜厚が漸次増加するように）、第一ハードマスク８０の境界付近にバーズビーク６５が形成される。バーズビーク６５の形状は、第一ハードマスク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。
【００８０】
次に、熱リン酸により、第一ハードマスク８０を除去する。その後、フッ酸などを用いて酸化膜６０を除去する。酸化膜６０を除去することにより、図１２、図１３に示すように、一部が隆起した活性基板１１０を有するＳＯＩ基板１００が形成される。
【００８１】
酸化膜６０の除去後、図１４、図１５に示すように、再び、ＳＯＩ基板１００の表面に酸化膜６１を形成し、酸化膜６１の表面にシリコン窒化膜７１を形成する。
【００８２】
次に、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１６、図１７に示すように、第二ハードマスク８１を形成する。第二ハードマスク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の最大膜厚領域Ａｔとなる領域およびその周辺の領域と、最終的にコア層１１の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の光伝搬部１１７との接続部分１１８ｂとなる領域とが含まれる。
【００８３】
次に、図１８、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、第二ハードマスク８１が形成されたＳＯＩ基板１００を熱酸化する。このとき、第一ハードマスク８０が形成された状態におけるＳＯＩ基板の熱酸化と同様、バーズビーク６５が形成される。バーズビーク６５の形状の制御に関しては、第一ハードマスク８０が形成されたＳＯＩ基板１００の熱酸化の工程と同じである。
【００８４】
次に、熱リン酸により、第二ハードマスク８１を除去する。その後、フッ酸などを用いて酸化膜６１を除去する。酸化膜６１を除去する。このようにして、図２０、図２１に示すように、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、最大膜厚である第一平坦面ｆｓ１、最小膜厚である第二平坦面ｆｓ２、第一平坦面ｆｓ１より膜厚が薄く且つ第二平坦面ｆｓ２より膜厚が厚い第三平坦面ｆｓ３、第一平坦面ｆｓ１および第三平坦面ｆｓ３の間で緩やかに傾斜する第一傾斜面ｉｓ１、および第二平坦面ｆｓ２および第三平坦面ｆｓ３の間で緩やかに傾斜する第二傾斜面ｉｓ２が形成される。
【００８５】
その後、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２２、図２３に示すように、ＳＯＩ基板１００のＴＯＰシリコン層の第一平坦面ｆｓ１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の溝を形成する。
【００８６】
次に、図２４、図２５に示すように、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、膜厚方向から見たレジストマスク８２の外縁が最終的にコア層１１となる活性基板１１０の最大膜厚の領域（本実施形態における第一平坦面ｆｓ１）から外れるように、レジストマスク８２を形成する。さらに具体的には、膜厚方向から見たレジストマスク８２の外縁が最終的にコア層１１となる活性基板１１０の最小膜厚の領域（本実施形態における第二平坦面ｆｓ２）と重なるように、レジストマスク８２を被せてよい。レジストマスク８２は、以後のエッチング工程において、膜厚方向から見たコア層１１の外縁を形成するためのマスクである。
【００８７】
次に、一部がレジストマスク８２で覆われたＳＯＩ基板１００のＴＯＰシリコン層に、エッチング技術を施して膜厚方向から見たコア層の外縁を形成する。その後、アッシング技術によりレジストマスク８２を除去することにより、図２６、図２７に示すように、ＢＯＸ層１７０上で、膜厚方向から見たコア層１１の外縁を形成することにより、コア層１１は個別化される。
【００８８】
次に、支持基板１５０、ＢＯＸ層１７０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。
【００８９】
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。
【００９０】
なお、コア層１１を個別化した後に、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を個別化した後に、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層１７０を等方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。
【００９１】
なお、膜厚方向から見た活性基板１１０の各領域の膜厚を所望の膜厚に合わせるように形成する工程は、上述の工程に限定されない。膜厚方向から見た活性基板１１０の各領域の膜厚を所望の膜厚に合わせた後に、膜厚方向から見たレジストマスク８２の外縁が最終的にコア層１１となる活性基板１１０の最大膜厚の領域から外れるように、レジストマスク８２を形成し、エッチング技術を施すことにより、本実施形態に係る光導波路１０は製造され得る。
【００９２】
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、コア層が部分毎に適した膜厚を有しながら、コア層の製造時に発生しうるノッチングによる表面ラフネスの悪化が低減され得る。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、コア層が部分毎に適した膜厚を有しながら、伝搬ロスの増大を抑制し得る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】
【００９３】
１  光学式濃度測定装置
２  外部空間
１０  光導波路
１１  コア層
１５  基板
１７  支持部
２０  光源
４０  光検出器
５１  構造体
５３  物質
６０，６１  酸化膜
６５  バーズビーク
７０、７１  窒化膜
８０、８１、８２  第一ハードマスク、第二ハードマスク、レジストマスク
１００  ＳＯＩ基板
１１０  活性基板
１１７  光伝搬部
１１８、１１９  グレーティングカプラ
１１８ａ  回折格子部分
１１８ｂ  接続部分
１５０  支持基板
１７０  ＢＯＸ層
Ａｔ  グレーティングカプラの最大膜厚領域
ｅｄ  グレーティングカプラの外縁
ＥＷ  エバネッセント波
ｆｓ１、ｆｓ２、ｆｓ３  第一平坦面、第二平坦面、第三平坦面
ＩＲ  赤外線
ｉｓ１、ｉｓ２  第一傾斜面、第二傾斜面
Ｌ  光
Ｎｃ  ノッチング
Ｐthick  最大膜厚の部分におけるパターン
Ｐthin  最小膜厚の部分におけるパターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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