(57)【要約】【課題】装置構成を簡素化すると共に光の利用効率を向上させることを可能にした屈折率測定方法を提供する。【解決手段】屈折率測定方法は、測定光Ｌに対応する出力信号を出力する半導体受光素子部４と、半導体受光素子部４上に配置された回折格子部６と、を備える屈折率測定装置１の回折格子部６上に被測定物Ｍを配置する工程Ｓ２と、被測定物Ｍを配置した後に、被測定物Ｍに対して測定光Ｌを照射することにより、測定光Ｌの波長λと、測定光Ｌが照射されたときに半導体受光素子部４から出力される出力信号とが関連付けられた分光感度特性を得る工程Ｓ５と、分光感度特性を利用して被測定物Ｍの屈折率ｎを得る工程Ｓ６と、を有する。【選択図】図５
2015055495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光に対応する信号を出力する半導体受光素子部と、前記半導体受光素子部上に配置され直線状の溝が複数形成された回折格子部と、を備える屈折率測定装置の前記回折格子部上に被測定物を配置する工程と、
前記被測定物を配置した後に、前記被測定物に対して測定光を照射することにより、前記測定光の波長と、前記測定光が照射されたときに前記屈折率測定装置から出力される信号とが関連付けられた分光感度特性を得る工程と、
前記分光感度特性を利用して前記被測定物の屈折率を得る工程と、を有する屈折率測定方法。
【請求項２】
前記被測定物の屈折率を得る工程は、
前記分光感度特性を利用して前記信号のピーク値及び前記ピーク値に対応する前記測定光のピーク波長を取得する工程と、
前記ピーク値、及び前記ピーク波長と前記回折格子部の格子ピッチとの組み合わせ、の少なくとも一方を利用して前記被測定物の屈折率を得る工程と、を有する請求項１に記載の屈折率測定方法。
【請求項３】
前記分光感度特性を得る工程は、
互いに異なる波長を有する前記測定光を前記被測定物に照射することにより、前記測定光の波長と、前記波長を有する前記測定光に対応する信号との組み合わせを複数取得する工程と、
複数の前記組み合わせを利用して前記分光感度特性を得る工程と、を有する請求項２に記載の屈折率測定方法。
【請求項４】
前記被測定物が配置されていない前記回折格子部に対して基準測定光を照射することにより、前記基準測定光の波長と、前記基準測定光が照射されたときに前記屈折率測定装置から出力される基準出力信号とが関連付けられた基準分光感度特性を得る工程と、を更に有し、
前記分光感度特性を得る工程は、
前記基準分光感度特性を利用して基準ピーク波長を取得する工程と、
前記被測定物に対して前記基準ピーク波長を有する前記測定光を照射して、比較出力信号を取得する工程と、
前記基準分光感度特性における基準ピーク信号と、前記比較出力信号との差異を利用して前記分光感度特性を得る工程と、を有する請求項２に記載の屈折率測定方法。
【請求項５】
前記回折格子部に対して前記測定光を斜めに照射する請求項１〜４の何れか一項に記載の屈折率測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
屈折率の測定は、農業、化学、生物学及び医学などの様々な分野において応用が期待されている。屈折率を測定する技術として、特許文献１〜３には、表面プラズモン共鳴を利用した屈折率の測定装置及び測定方法が記載されている。
【０００３】
特許文献１には、試料の屈折率を容易に且つ高精度で求める屈折率計が記載されている。この屈折率計を用いて屈折率を測定する場合には、導波モード共鳴格子に対して測定光を所定の入射角で入射し、このときの導波モード共鳴格子からの反射光を光検出器により検出する。測定光の入射角は、所定角度範囲で走査され、これと連動して検出器に入射する反射光の出射角も入射角と同一になるように検出器の位置も移動させる。
【０００４】
特許文献２には、回折格子を有し、小型化に適する表面プラズモン共鳴センサチップが記載されている。回折格子は弾性変形可能な弾性膜上に形成されている。このチップを用いて屈折率を測定する場合には、試料を回折格子面の近傍に配置した状態で、回折格子に向けて光を出射する。そして、反射光の強度を測定することにより、入射光の共鳴角を検出する。このチップでは、入射光の入射角の走査に代えて、弾性膜を膨出させて回折格子面の格子ピッチを動的に変化させる。
【０００５】
特許文献３には、表面プラズモン共鳴センサが記載されている。このセンサは、測定用の光を入射する導波路コア層と、導波路コア層上に形成された測定用の試料を設けるためのサンプル層を有している。このセンサを用いて屈折率を測定する場合には、サンプル層に試料を設け、導波路コア層に光を入射させて、導波路コア層を透過する光の波長スペクトルあるいは入射角度スペクトルを測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２１０３８４号公報
【特許文献２】特開２００９−１６８４６９号公報
【特許文献３】特開２００４−１７００９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１〜３に記載された屈折率測定方法では、共鳴フィルタから出射された光の強度に基づいて、共鳴ピークを与える共鳴角度を測定し、共鳴角度から屈折率を測定している。しかし、これらの方法によると、共鳴フィルタから出射された光の強度を検出するために、共鳴フィルタとは別体の光検出器が必要である。さらに、光検出器が別体であるために共鳴フィルタから出射された反射光の利用効率が低下するおそれもあった。
【０００８】
そこで、本発明は、装置構成を簡素化すると共に光の利用効率を向上させることを可能にした屈折率測定方法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】
【０００９】
本発明に係る屈折率測定方法は、入射した光に対応する信号を出力する半導体受光素子部と、半導体受光素子部上に配置され直線状の溝が複数形成された回折格子部と、を備える屈折率測定装置の回折格子部上に被測定物を配置する工程と、被測定物を配置した後に、被測定物に対して測定光を照射することにより、測定光の波長と、測定光が照射されたときに屈折率測定装置から出力される信号とが関連付けられた分光感度特性を得る工程と、分光感度特性を利用して被測定物の屈折率を得る工程と、を有する。
【００１０】
このような屈折率測定方法によれば、被測定物を透過した測定光が回折格子部に入射し、回折格子部において特定波長の測定光が捉えられる。光電変換部は、捉えられた測定光に対応する電流を出力するため、測定光の波長と出力信号値とが関連付けられた分光感度特性が得られる。ここで、発明者らの知見によれば、分光感度特性は回折格子部と半導体受光素子部との間における位相整合条件に関連し、さらに、位相整合条件は回折格子部上に配置された被測定物の屈折率に対応しているため、分光感度特性を利用して被測定物の屈折率を得ることができる。従って、この屈折率測定方法では、外部の光検出器を不要として装置構成を簡素化すると共に、回折格子部で捉えた測定光を回折格子部と一体化された光電変換部で電流に変換することにより光の利用効率を向上させることができる。
【００１１】
ここで、被測定物の屈折率を得る工程は、分光感度特性を利用して信号のピーク値及びピーク値に対応する測定光のピーク波長を取得する工程と、ピーク値、及びピーク波長と回折格子部の格子ピッチの組み合わせ、の少なくとも一方を利用して被測定物の屈折率を得る工程と、を有する。発明者らの知見によれば、分光感度特性におけるピーク信号値と屈折率との間には対応関係がある。また、分光感度特性におけるピーク波長及び格子ピッチと、屈折率との間にも対応関係がある。従って、これらの対応関係のいずれかを利用することにより、屈折率を容易に得ることができる。
【００１２】
ここで、分光感度特性を得る工程は、互いに異なる波長を有する測定光を被測定物に照射することにより、測定光の波長と、波長を有する測定光に対応する信号との組み合わせを複数取得する工程と、複数の組み合わせを利用して分光感度特性を得る工程と、を有する。この工程によれば、被測定物が回折格子部上に配置されたときの分光感度特性を直接得ることができる。従って、屈折率を容易に得ることができる。
【００１３】
また、本発明に係る屈折率測定方法は、被測定物が配置されていない回折格子部に対して基準測定光を照射することにより、基準測定光の波長と、基準測定光が照射されたときに屈折率測定装置から出力される基準出力信号とが関連付けられた基準分光感度特性を得る工程と、を更に有し、分光感度特性を得る工程は、基準分光感度特性を利用して基準ピーク波長を取得する工程と、被測定物に対して基準ピーク波長を有する測定光を照射して、比較出力信号を取得する工程と、基準分光感度特性における基準ピーク信号と、比較出力信号との差異を利用して分光感度特性を得る工程と、を有する。これらの工程によれば、被測定物を回折格子上に配置していない状態の分光感度特性と、被測定物を回折格子上に配置したときの分光感度特性との関係を精度よく得ることができる。従って、屈折率を精度良く得ることができる。
【００１４】
また、本発明に係る屈折率測定方法は、回折格子部に対して測定光を斜めに照射する。この方法によれば、屈折率に対する感度を向上させることが可能となり、屈折率測定の精度を更に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る屈折率測定方法によれば、装置構成を簡素化すると共に光の利用効率を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る屈折率測定方法に用いる屈折率測定装置の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示された光電変換部の要部断面図である。
【図３】測定光と導波路モードとの格子整合条件の関係を示す図である。
【図４】屈折率とピーク波長及びピーク値との関係を示すグラフである。
【図５】第１実施形態及び第２実施形態に係る屈折率測定方法のフロー図である。
【図６】分光感度特性を得る方法を示すグラフである。
【図７】第２実施形態の屈折率測定方法に用いる屈折率測定装置の要部断面図である。
【図８】回折格子部の格子ピッチとピーク波長との関係を示すグラフである。
【図９】分光感度特性を得る方法を示すグラフである。
【図１０】第３実施形態に係る屈折率測定方法のフロー図である。
【図１１】ピーク値の変化を得る方法を示すグラフである。
【図１２】屈折率と正規化光電流との関係を示すグラフである。
【図１３】入射光の波長と導波路モードの波長との関係を示すグラフである。
【図１４】ゲート絶縁層に溝を有する屈折率測定装置の要部断面図である。
【図１５】屈折率とピーク波長との関係を示すグラフである。
【図１６】回折格子部を有する屈折率測定装置における屈折率とピーク波長との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
［第１実施形態］
まず、屈折率測定方法に用いる屈折率測定装置について説明する。図１に示されるように、屈折率測定装置１は、被測定物Ｍに測定光Ｌを照射することにより被測定物Ｍの屈折率を得る装置である。屈折率測定装置１は、被測定物Ｍへ測定光Ｌを照射する光源装置２と、被測定物Ｍを透過した測定光Ｌに対応する出力信号を生成する光電変換部３と、光電変換部３の出力信号を処理して被測定物Ｍの屈折率を得る処理装置５と、を備えている。
【００１９】
光源装置２は、所定の帯域に含まれる特定波長の測定光Ｌを出射するものである。また、光源装置２は、光電変換部３に対する測定光Ｌの入射角度θ（図３参照）が調整可能であり、本実施形態の光源装置２は、測定光Ｌが光電変換部３に対して斜めに入射するように配置されている。
【００２０】
光電変換部３は、測定光Ｌの光強度に対応する出力信号を生成する半導体受光素子部４と、半導体受光素子部４上に設けられた回折格子部６とを備えている。なお、以下の説明においては、光電変換部３を構成する各層の積層方向をＺ軸方向とし、後述する回折格子部６に形成された各格子の配列方向をＹ軸方向とし、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に垂直な方向、すなわち、格子に沿った方向をＸ軸方向とする。
【００２１】
光電変換部３の半導体受光素子部４は、いわゆるＭＯＳ構造の横型ｐｎ接合ダイオードであり、シリコン基板７と、シリコン基板７上に配置され埋め込み絶縁層８と、埋め込み絶縁層８上に配置された半導体層９，１１，１２と、半導体層９，１１，１２上に配置されたゲート絶縁層１３と、を有している。埋め込み絶縁層８は酸化シリコンからなり、半導体層９，１１，１２は所定のドーパントを含むシリコンからなり、ゲート絶縁層１３は酸化シリコンからなる。従って、半導体受光素子部４は、シリコン基板７をサブストレートとしたＳＯＩ（Silicon  On  Insulator）構造を有している。
【００２２】
半導体層９，１１，１２は、埋め込み絶縁層８上の矩形状の所定領域において、Ｘ軸方向に沿って、この順で隣接して設けられている。光導波路及び光吸収層として機能する半導体層１１は、深さ方向（Ｚ方向）の大部分が空乏化し、シリコンに対して低濃度でボロンやリン等のｐ型不純物又はｎ型不純物が添加されている。アノード電極及びカソード電極である半導体層９，１２は、それぞれ、埋め込み絶縁層８上において半導体層１１をＸ軸に沿った方向から挟むように、半導体層１１とほぼ同一の厚さでｐ＋型半導体層及びｎ＋型半導体層として形成されている。このｐ＋型半導体層９及びｎ＋型半導体層１２は、それぞれ、シリコンに対して高濃度（１０１９ｃｍ−３以上）でボロン等のｐ型不純物及びリン等のｎ型不純物が添加されており、半導体層１１に並設されることでアノード電極及びカソード電極として機能する。これらの半導体層９，１１，１２上には、半導体層９，１１，１２を覆うようにゲート絶縁層１３が形成されている。
【００２３】
このような光電変換部３によって測定光Ｌを検出する際には、回折格子部６にゲート電圧Ｖｇが印加され、シリコン基板７に基板電圧Ｖｓｕｂが印加される。ゲート電圧Ｖｇ及び基板電圧Ｖｓｕｂを調整することで、半導体層１１の上下の界面における電子又は正孔の密度を広範囲で制御することができる。特に、ゲート電圧Ｖｇ及び基板電圧Ｖｓｕｂは、ゲート絶縁層１３に接する半導体層１１の界面と、埋め込み絶縁層８に接する半導体層１１の界面における電子又は正孔の密度が半導体層１１の真性キャリア密度よりも十分に大きくなるように設定されることが好ましい。
【００２４】
ゲート絶縁層１３上の少なくとも半導体層１１を覆う領域には回折格子部６が配置されている。従って、回折格子部６は、ゲート絶縁層１３を介して半導体層１１を覆っており、半導体層９，１１，１２から電気的に絶縁されている。回折格子部６は、平面状の導電部材である金属膜に、半導体層１１を覆う領域に亘ってＸ軸方向に沿ってゲート絶縁層１３の表面まで貫通する複数の直線状の貫通溝６ａ（図２参照）が複数形成されている。そして、これら貫通溝６ａは、Ｙ軸方向に一定の格子ピッチＰで並設されている。このような回折格子部６の材料としては、例えば、チタン（Ｔｉ）の付着力強化層上に形成した金（Ａｕ）等の導電性金属が用いられる。この回折格子部６は、所定波長を有する測定光Ｌを半導体層１１へ導く役割、ゲート電極としての役割、及び被測定物Ｍを配置するための配置部としての役割を有する。
【００２５】
光電変換部３では、回折格子部６に測定光Ｌが照射されると、半導体層１１の導波路モードとの間で位相整合条件を満たす特定波長の測定光Ｌが最も効率よく半導体層１１に捉えられる。半導体層１１に捉えられた測定光Ｌは、半導体層１１中において吸収されて電子・正孔対を生成する。そして、生成され分離された電子と正孔の量に対応する光電流がカソードからアノードへ流れるため半導体層１２から出力信号が取り出される。
【００２６】
この半導体層１１における導波路モードの伝搬波長λｇは、式（１）により示される。ここで、λは測定光Ｌの波長であり、ｎｓは半導体層１１の屈折率であり、ｔｓは半導体層１１の厚さであり、ｎｉは埋め込み絶縁層８及びゲート絶縁層１３の屈折率である。
【数１】
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【００２７】
位相整合条件について説明する。図３に示されるように、回折格子部６に対して測定光Ｌが入射角度θで斜めに入射したとき、回折格子部６における１ピッチあたりに生じる光路長（Ｐ×ｓｉｎθ）と屈折率ｎと波長λとに起因して、位相差Δ（＝Ｐ（２πｎ／λ）ｓｉｎθ）が生じる。そして、位相整合条件は、位相差Δを波数ｋｇ（＝２π／λｇ）で除した値（Δ／ｋｇ）を半導体層１１の伝搬波長λｇに対して加算又は減算した値（＝λｇ±Δ／ｋｇ）が、格子ピッチＰと等しいとして示される。従って、式（２−１）及び式（２−２）が得られる。ここで、λは測定光Ｌの波長であり、ｎは被測定物Ｍの屈折率であり、Ｐは格子ピッチであり、θは測定光Ｌの入射角度である。また、λｇｆは半導体層１１における前進波の伝搬波長であり、λｇｂは半導体層１１における後進波の伝搬波長である。位相整合条件が満たされる場合とは、式（２−１）及び式（２−２）を満足する場合である。式（２−１）及び式（２−２）によれば、位相整合条件を満たす場合とは、格子ピッチＰ、屈折率ｎ、測定光Ｌの波長λ、入射角度θにより規定される値が、導波路モードの伝搬波長λｇｆ，λｇｂと一致する場合であるともいえる。
【数２】
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【００２８】
式（２−１）及び式（２−２）によれば、測定光Ｌの入射角度θが０度以外、換言すると測定光Ｌが回折格子部６に対して斜めに照射された状態で、屈折率ｎの変化が生じると位相整合条件を満たすために測定光Ｌの波長λのシフトが必要になることがわかる。
【００２９】
分光感度特性について説明する。図４に示されるように、分光感度特性は、測定光Ｌの波長λと、その測定光Ｌを照射したときに光電変換部３から出力される出力信号の大きさとの関係であり、波長ごとの出力信号の大きさを示すものである。図４は、分光感度特性の一例を示し、横軸は測定光Ｌの波長λであり、縦軸は出力信号の大きさを示す光電流である。式（２−１）及び式（２−２）の右辺の値が左辺の伝搬波長λｇｆ，λｇｂに近づくほど、出力信号の値が大きくなり、右辺の値と左辺の値が一致したとき（位相整合条件を満たすとき）に出力信号は最大値（ピーク）になる。
【００３０】
屈折率ｎの変化に伴うピーク波長λｐのシフトについてさらに説明する。図４（ａ）は、回折格子部６に対する測定光Ｌの入射角度θが１０度であるときの分光感度特性を示す。図４（ｂ）は、回折格子部６に対する測定光Ｌの入射角度θが２０度であるときの分光感度特性を示す。さらに、図４（ａ）のグラフＧ１及び図４（ｂ）のグラフＧ３は、被測定物Ｍの屈折率がｎ＝１である場合の分光感度特性を示している。グラフＧ１は２個のピークｐｋ１，ｐｋ２を有し、グラフＧ３はピークｐｋ５，ｐｋ６を有している。図４（ａ）のグラフＧ２及び図４（ｂ）のグラフＧ４は、被測定物Ｍの屈折率がｎ＝１．４９３３である場合の分光感度特性を示している。グラフＧ２は２個のピークｐｋ３，ｐｋ４を有し、グラフＧ４はピークｐｋ７，ｐｋ８を有している。
【００３１】
ここで図４（ａ）のピークｐｋ１，ｐｋ３を比較すると、グラフＧ１（ｎ＝１）のピークｐｋ１に対して、グラフＧ２（ｎ＝１．４９３３）のピークｐｋ３は、ピーク波長λｐが長波長側へシフトしていることがわかる。また、グラフＧ１（ｎ＝１）のピークｐｋ２に対して、グラフＧ２（ｎ＝１．４９３３）のピークｐｋ４は、ピーク波長λｐが短波長側へシフトしていることがわかる。また、図４（ａ）のピークｐｋ１，ｐｋ３を比較すると、グラフＧ１（ｎ＝１）のピークｐｋ１に対して、グラフＧ２（ｎ＝１．４９３３）のピークｐｋ３は、ピーク値が減少していることがわかる。また、グラフＧ１（ｎ＝１）のピークｐｋ２に対して、グラフＧ２（ｎ＝１．４９３３）のピークｐｋ４も、ピーク値が減少していることがわかる。
【００３２】
このように、ピーク波長λｐのシフト量と屈折率ｎとの間には所定の関係があり、ピーク値の減少量と屈折率ｎとの間にも所定の関係があることがわかる。従って、ピーク波長λｐのシフト量又はピーク値の減少量を利用して屈折率ｎを得ることができる。
【００３３】
次に、第１実施形態に係る屈折率測定方法を説明する。まず、図５に示されるように、リファレンスとなる基準分光感度特性を得る（工程Ｓ１）。基準分光感度特性とは、基準測定光の波長と、基準出力信号とが関連付けられた特性である。基準分光感度特性は、互いに異なる特性を有する光電変換部３や被測定物Ｍにおいて得られた分光感度特性の一つを選択することができる。また、時系列で被測定物Ｍを変更する場合には、最初に得られた分光感度特性を基準分光感度特性とすることができる。本実施形態の基準分光感度特性は、被測定物Ｍを回折格子部６に配置しないときの分光感度特性である。従って、回折格子部６に被測定物Ｍを配置しない状態で、基準測定光を回折格子部６に対して斜めに照射することにより、基準分光感度特性を得る。通常、この基準分光感度特性は代表例を得ておけばよく、個別の光電変換部３の特性を毎回測る必要は無い。
【００３４】
分光感度特性を得る工程（工程Ｓ５）について説明する。分光感度特性は位相整合条件の影響を受けるため、式（２−１）及び式（２−２）の屈折率ｎが変化すると、図６に示されるように、分光感度特性も変化する。例えば、屈折率ｎの変化は、回折格子部６における被測定物Ｍの有無による。図６のグラフＧ５は、回折格子部６に被測定物Ｍを配置していない状態の基準分光感度特性であり、グラフＧ６は、回折格子部６に第１の被測定物を配置したときの分光感度特性であり、グラフＧ７は、回折格子部６上により屈折率の大きい第２の被測定物を配置したときの分光感度特性である。
【００３５】
そして、回折格子部６に被測定物Ｍが配置されていない状態（グラフＧ５）と、配置された状態（グラフＧ６，Ｇ７）とで、共通のピーク波長λｐと等しい波長λを有する測定光Ｌを照射した場合には、被測定物Ｍの有無により分光感度特性が変化しているため光電変換部３の出力信号の大きさが異なることになる。従って、回折格子部６に被測定物Ｍを配置せずに測定光Ｌを照射した基準ピーク信号値Ｃｐと、回折格子部６に第１及び第２の被測定物Ｍを配置して測定光Ｌを照射した比較出力信号値Ｃ１，Ｃ２とを比較することにより、回折格子部６に第１及び第２の被測定物Ｍを配置したときの分光感度特性（グラフＧ６，Ｇ７）が得られる。
【００３６】
具体的には、この際、測定光Ｌの光強度は基準分光感度特性を測った時（工程Ｓ１）の光強度と厳密に一致している必要は無い。続いて、回折格子部６に被測定物Ｍを配置し（工程Ｓ２）、工程Ｓ５ａで決定した基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌを被測定物Ｍに照射して、出力信号値Ｃ１を得る（工程Ｓ５ｂ）。ここで、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌを被測定物Ｍに照射する状態では、被測定物Ｍを配置したことにより位相整合条件が変化しているため、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌは位相整合条件を満たすものではなくなっている。従って、基準ピーク信号値Ｃｐよりも出力信号値Ｃ１は小さい値になる。続いて、基準ピーク信号値Ｃｐと出力信号値Ｃ１とを利用して、公知の数学的手法により第１の被測定物Ｍを配置した状態における分光感度特性（グラフＧ６）を得る（工程Ｓ５ｃ）。
【００３７】
また、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌをより屈折率の大きい第２の被測定物Ｍに照射した場合には、出力信号値Ｃ２が得られる。そして、基準ピーク信号値Ｃｐと出力信号値Ｃ２とを利用して、公知の数学的手法により第２の被測定物Ｍを配置した状態における分光感度特性を示すグラフＧ７を得る。
【００３８】
分光感度特性を利用して被測定物Ｍの屈折率ｎを得る（工程Ｓ６）。位相整合条件を定める式（式（２−１）及び式（２−２））には、屈折率ｎと測定光Ｌの波長λが含まれている。従って、式（２−１）及び式（２−２）において、導波モードの伝搬波長λｇｆ，λｇｂ、格子ピッチＰ、測定光Ｌのピーク波長λｐ及び測定光Ｌの入射角度θが既知の場合に、屈折率ｎが算出可能であることがわかる。
【００３９】
本実施形態では、導波モードの伝搬波長λｇｆ，λｇｂ、格子ピッチＰ及び測定光Ｌの入射角度θが屈折率測定装置１の構成から決定できる値であるため、ピーク波長λｐを得る工程（工程Ｓ６ａ）を実施した後に、屈折率ｎを算出する（工程Ｓ６ｂ）。より詳細には、工程Ｓ６ｂでは、式（２−１）及び式（２−２）に伝搬波長λｇｆ，λｇｂ、格子ピッチＰ、測定光Ｌのピーク波長λｐ及び測定光Ｌの入射角度θを代入し、式（２−１）及び式（２−２）を満たす屈折率ｎを算出する。
【００４０】
このような屈折率測定方法によれば、被測定物Ｍを透過した測定光Ｌが回折格子部６に入射し、回折格子部６において特定波長の測定光Ｌが捉えられる。光電変換部３は、捉えられた測定光Ｌに対応する出力信号を出力するため、測定光Ｌの波長λと出力信号の大きさを示す電流値とが関連付けられた分光感度特性が得られる。ここで、分光感度特性は回折格子部６における位相整合条件に関連し、さらに、位相整合条件は回折格子部６上に配置された被測定物Ｍの屈折率ｎに対応しているため、分光感度特性を利用して被測定物Ｍの屈折率ｎを得ることができる。従って、この屈折率測定方法では、外部の光検出器を不要として屈折率測定装置１の構成を簡素化すると共に、回折格子部６で捉えた測定光Ｌを回折格子部６と一体化された光電変換部３で光電流に変換することにより測定光Ｌの利用効率を向上させることができる。
【００４１】
また、分光感度特性におけるピーク波長λｐと屈折率ｎとの間には、式（２−１）及び式（２−２）に示されるような対応関係がある。従って、これらの対応関係を利用することにより、被測定物Ｍの屈折率ｎを容易に得ることができる。
【００４２】
また、この屈折率測定方法では、出力信号値Ｃ１もしくは出力信号値Ｃ２を測定する直前に測定した基準ピーク信号値Ｃｐを基準として屈折率ｎを得ているため、測定光Ｌの光強度の変化等の影響を抑制することが可能となり、屈折率ｎの測定精度を向上させることができる。
【００４３】
また、この屈折率測定方法によれば、単一の格子ピッチＰを有する回折格子部６により分光感度特性を得ることができる。従って、屈折率測定装置１の構成を簡易にすることができる。更に、本実施形態に係る屈折率測定方法によれば、単一のピーク波長λｐの測定光Ｌにより屈折率ｎを測定することが可能である。従って、光源装置２の構成が簡易になるため、屈折率測定装置１の全体構成を更に簡易にすることができる。
【００４４】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る屈折率測定方法を説明する。第２実施形態に係る屈折率測定方法では、第１実施形態に係る屈折率測定方法とは異なる測定装置を用いる点で第１実施形態に係る屈折率測定方法と相違する。より詳細には、図７に示されるように、屈折率測定装置１Ｂは、同一の埋め込み絶縁層８上に形成された第１の半導体層１１Ａとゲート絶縁層１３Ａ及び第２の半導体層１１Ｂとゲート絶縁層１３Ｂを有している。第１の半導体層１１Ａ上には、ゲート絶縁層１３Ａを介して格子ピッチＰ１の回折格子部６Ａが形成されている。また、第２の半導体層１１Ｂ上には、ゲート絶縁層１３Ｂを介して格子ピッチＰ２の回折格子部６Ｂが形成されている。
【００４５】
まず、回折格子部６の格子ピッチＰとピーク波長λｐとの関係について説明する。図８は、互いに異なる格子ピッチＰを有する回折格子部６を備えた光電変換部３の波長特性を示している。なお、測定光Ｌの偏光状態は、ＴＭ偏光（測定光Ｌの電界ベクトルが回折格子の方向に対して垂直）である。図８の横軸は測定光Ｌの波長λを示し、縦軸は外部量子効率を示す。グラフＧ８は、格子ピッチＰが２６０ｎｍである場合の分光感度特性であり、グラフＧ９は、格子ピッチＰが２８０ｎｍである場合の分光感度特性であり、グラフＧ１０は、格子ピッチＰが３００ｎｍである場合の分光感度特性であり、グラフＧ１１は、格子ピッチＰが３２０ｎｍである場合の分光感度特性であり、グラフＧ１２は、格子ピッチＰが３４０ｎｍである場合の分光感度特性である。なお、グラフＧ１３は、回折格子部６を有しない場合の分光感度特性である。
【００４６】
図８に示されるように、回折格子部６の格子ピッチＰを大きくするに従って、量子効率のピーク波長λｐも大きくなるとことがわかる。従って、単一波長の測定光Ｌを照射した場合であっても、回折格子部６の格子ピッチＰが異なる場合には、分光感度特性が変化する。
【００４７】
続いて、第２実施形態に係る屈折率測定方法を説明する。まず、図９に示されるように、第１の光電変換部３Ａにおける第１の基準分光感度特性（グラフＧ１４に相当）と、第２の光電変換部３Ｂにおける第２の基準分光感度特性（グラフＧ１６に相当）とを得る（図５の工程Ｓ１）。
【００４８】
続いて、分光感度特性を得る工程（工程Ｓ５）を実施する。より詳細には、まず、第１の基準分光感度特性を利用して、被測定物Ｍを配置していない状態における第１の基準ピーク波長λｐを決定し、この波長において第１の基準ピーク信号値Ｃｂ１と第２の基準信号値Ｃｂ２を測る（図５の工程Ｓ５ａ）。次に、回折格子部６Ａ，６Ｂ上に被測定物Ｍを配置する（図５の工程Ｓ２）。さらに、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌを、第１の格子ピッチＰ上に配置された被測定物Ｍに照射して第１の出力信号値Ｃ１を得ると共に、第２の格子ピッチＰ上に配置された被測定物Ｍに照射して第２の出力信号値Ｃ２を得る（図５の工程Ｓ５ｂ）。
【００４９】
ここで、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌを、第１の格子ピッチＰ上に配置された被測定物Ｍに照射した状態では、被測定物Ｍを配置したことにより位相整合条件が変化しているため（グラフＧ１４，Ｇ１５参照）、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌは位相整合条件を満たすものではなくなっている。従って、第１の基準ピーク信号値Ｃｂ１よりも第１の出力信号値Ｃ１は小さい値になる。一方、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌを、第２の格子ピッチＰ上に配置された被測定物Ｍに照射した状態では、被測定物Ｍを配置したことにより位相整合条件に近づくように分光感度特性が変化している（グラフＧ１６，Ｇ１７）。従って、第２の基準ピーク信号値Ｃｂ２よりも第２の出力信号値Ｃ２は大きい値になる。
【００５０】
続いて、第１の基準ピーク信号値Ｃｂ１に対する第１の出力信号値Ｃ１の減少量と、第２の基準ピーク信号値Ｃｂ２に対する第２の出力信号値Ｃ２の増加量と、を利用して被測定物Ｍを第１の格子ピッチＰ上に配置した状態における分光感度特性（グラフＧ１５）を得る（工程Ｓ５ｃ）。そして、この分光感度特性を利用して被測定物Ｍの屈折率ｎを得る（図５の工程Ｓ６）。
【００５１】
この屈折率測定方法によれば、１個の被測定物Ｍを異なる格子ピッチＰ上に配置し、それぞれの分光感度特性を利用して屈折率ｎを得ている。従って、１個の分光感度特性を利用した場合に比べて屈折率ｎの測定精度を高めることができる。なお、図５の工程Ｓ５ａは必要に応じて実施すればよく、省いて簡略化することも可能である。
【００５２】
［第３実施形態］
第３実施形態に係る屈折率測定方法を説明する。第３実施形態に係る屈折率測定方法は、屈折率ｎの変化に伴うピーク値を利用して屈折率ｎを得る点で、第１実施形態および第２実施形態に係る屈折率測定方法と相違している。
【００５３】
まず、図１０に示されるように、リファレンスとなる基準分光感度特性を得る（工程Ｓ１）。この実施形態ではピーク値の変化を捉えやすくするため、被測定物Ｍの屈折率が変化してもピーク波長が変化しないように、測定光Ｌを垂直（θ＝０）に入射する。
【００５４】
次に、分光感度特性を得る工程（工程Ｓ５）について説明する。より詳細には、この工程Ｓ５では、分光感度特性におけるピーク値の変化を得る。まず、基準分光感度特性（図１１のグラフＧ１８に相当）を利用して、被測定物Ｍを配置していない状態における基準ピーク波長λｐを決定し、この波長において基準ピーク信号値Ｃｐを測る（工程Ｓ５ａ）。続いて、回折格子部６に被測定物Ｍを配置し（工程Ｓ２）、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌを被測定物Ｍに照射して、出力信号値Ｃ１を得る（工程Ｓ５ｂ）。図１１には、被測定物Ｍの屈折率が異なる（より大きい）場合の分光感度特性Ｇ２０ならびに、出力信号値Ｃ２も示している。図１１によれば、測定光Ｌを垂直（θ＝０）に入射させた場合には、ピーク波長は変わらず、ピーク値が被測定物Ｍの屈折率に対応して変化することがわかる。
【００５５】
次に、屈折率ｎを得る（工程Ｓ６）。ここで、ピーク値と屈折率ｎとの関係について説明する。図１２は、屈折率ｎとピーク値との関係を示すグラフであり、横軸が屈折率ｎを示し、縦軸がピーク値を示す。このグラフでは、ピーク値として、屈折率ｎが１であるときの光電流値を基準とした正規化された光電流値を用いている。また、図１２のグラフＧ２１は、格子ピッチＰが３００ｎｍであり、金からなる格子の幅が１５０ｎｍであり、酸化シリコンからなるゲート絶縁層１３の厚さｔ１が１００ｎｍであり、ＳＯＩフォトダイオードをなす半導体層１１の厚さが１００ｎｍであるとし、垂直に入射される測定光Ｌの波長λを７０３ｎｍとした計算モデルを用いたシミュレーション結果である。なお、この計算モデルには、ゲート絶縁層１３に溝１３ａは形成されていない。グラフＧ２１に示されるように、屈折率ｎが１〜１．９の範囲において、屈折率が増加すると正規化光電流はほぼ線形的に減少することがわかる。従って、このグラフＧ２１の傾きをシミュレーションや実験により得ておくことにより、傾きと正規化光電流から屈折率ｎを算出することができることがわかる。
【００５６】
なお、回折格子部６に測定光Ｌが垂直に照射された場合に、ピーク値の変化が生じる理由は次のとおりである。すなわち、回折格子部６に測定光Ｌを垂直（θ＝０）に入射した場合における、測定光Ｌの波長λと導波路モードの伝搬波長λｇｆ，λｇｂとの関係は、式（１）及び図１３に示される。図１３において、グラフＧ２２はＴＭ偏光の測定光Ｌ（電界ベクトルが回折格子の方向に対して垂直）であって式（１）におけるｍが０の場合の関係であり、グラフＧ２３はＴＥ偏光の測定光Ｌ（電界ベクトルが回折格子の方向に対して平行）であって式（１）におけるｍが０の場合の関係である。また、グラフＧ２４はＴＭ偏光の測定光Ｌであって式（１）におけるｍが１の場合の関係であり、グラフＧ２５はＴＥ偏光の測定光Ｌであって式（１）におけるｍが１の場合の関係である。
【００５７】
そして、式（２−１）及び式（２−２）によると、回折格子部６に測定光Ｌが垂直に入射された場合（θ＝０）、導波路モードの伝搬波長λｇｆ，λｇｂと格子ピッチＰが等しいとき（λｇｆ，λｇｂ＝Ｐ）に、位相整合条件を満たす。そして、例えば、伝搬波長λｇｆ，λｇｂと格子ピッチＰが３００ｎｍであって、ＴＭ偏光の測定光Ｌを照射する場合には、被測定物Ｍの屈折率に関わり無く測定光Ｌの波長λが７００ｎｍである場合に出力電流はピーク値を取る、すなわちピーク波長は変わらない。
【００５８】
屈折率ｎを得る工程Ｓ６では、工程Ｓ５ａで得たピーク値Ｃｂと、工程Ｓ５ｂで得たピーク値（Ｃ１もしくはＣ２）を用いて、事前に算出した屈折率ｎとピーク値（即ち光電流値）との関係を利用して、ピーク値を屈折率ｎに換算する（工程Ｓ６ｂ）。
【００５９】
この方法によれば、屈折率ｎの変化に伴うピーク波長λｐの変化を生じさせるために測定光Ｌを斜めに照射する必要がなく、回折格子部６に対して垂直に測定光Ｌを照射することができる。回折格子部６に対して垂直に測定光Ｌを照射する構成によれば、回折格子部６に対して斜めに測定光Ｌを照射する構成に対して装置構成を簡易にすることができる。
【００６０】
［変形例］
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。屈折率測定方法は、農業、化学、生物学及び医学等の分野において実施される屈折率の測定に利用することができる。例えば、屈折率測定方法は、医学分野において所定のウイルスを検出する方法に利用することができる。
【００６１】
この場合には、回折格子部６に検出したいウイルスに対応する抗体を予め配置しておき、ウイルスを含む可能性のある被測定物Ｍを回折格子部６に配置する。そして、屈折率ｎを測定すると、被測定物Ｍがウイルスを含む場合には屈折率ｎの変化が生じるため、被測定物Ｍに所定のウイルスが含まれていることがわかる。また、屈折率ｎの変化量は、回折格子部６の抗体に捉えられたウイルスの量と関係がある。従って、屈折率ｎの変化量を利用して、被測定物Ｍに含まれているウイルスの量を推定することも可能である。
【００６２】
また、分光感度特性を得る工程Ｓ５では、測定光Ｌの波長λを連続的に変化させつつ、それぞれの測定光Ｌに対応する出力信号と測定光Ｌの波長λとの組み合わせを複数取得することにより、分光感度特性を示すグラフを得てもよい。この方法によれば、精度のよい分光感度特性が得られるため、屈折率ｎの測定精度を高めることができる。
【００６３】
また、図１４に示されるように、屈折率測定装置１は、回折格子部６の貫通溝６ａがゲート絶縁層１３にまで延在していてもよい。前述した実施形態では、光吸収層である半導体層１１が埋め込み絶縁層８とゲート絶縁層１３とに挟まれ、ゲート絶縁層１３の厚さｔ１が例えば１００ｎｍであった（図２参照）。この場合には、ゲート絶縁層１３の厚さｔ１は、半導体層１１の導波路モードの算定において略無限大と同等に扱うことができる。一方、本変形例に係る屈折率測定装置１では、回折格子部６の貫通溝６ａと連通する溝１３ａがゲート絶縁層１３に形成され、溝１３ａが形成された領域では、半導体層１１上のゲート絶縁層１３の厚さｔ２が薄くなる。この場合には、ゲート絶縁層１３の厚さｔ２は、半導体層１１の導波路モードの算定において厚さが無限大の場合と同等に扱うことができなくなり、導波モード自体が被測定物Ｍの屈折率に応じて変化することになる。
【００６４】
図１５は、ピーク波長λｐと屈折率ｎとの関係を示す計算結果であり、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成された場合（グラフＧ２７，Ｇ２９）と、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成されていない場合（グラフＧ２６，Ｇ２８）とを比較するものである。なお、グラフＧ２８，Ｇ２９は前進波におけるピーク波長λｐと屈折率ｎとの関係であり、グラフＧ２６，Ｇ２７は後進波におけるピーク波長λｐと屈折率ｎとの関係である。なお、この計算において、格子ピッチＰは３２０ｎｍであり、ゲート絶縁層１３の厚さｔ２は２０ｎｍである。
【００６５】
グラフＧ２６，Ｇ２７を確認すると、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成された場合には、傾きが大きくなっていることがわかる。より詳細には、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成された場合の傾きは、４１．８ｎｍ／ＲＩＵであり、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成されていない場合の傾きは、２６．４ｎｍ／ＲＩＵであった。従って、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成された場合には、屈折率ｎの変化に対するピーク波長λｐの変化が大きくなるため、屈折率感度を向上させ得ることがわかった。
【００６６】
なお、グラフＧ２８，Ｇ２９を確認すると、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成された場合（グラフＧ２９）は、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成されていない場合（グラフＧ２８）よりも傾きが小さくなっている。すなわち、屈折率感度が低下している。しかし、ピーク波長λｐから屈折率ｎを算出する場合には、後進波の特性（グラフＧ２７）のみを用いて算出できるため問題にならない。
【００６７】
また、前述した実施形態では、式（２−１）及び式（２−２）を利用して屈折率ｎを算出したが、この方法に限定されない。図１６は、屈折率ｎとピーク波長λｐとの関係を示すグラフであり、横軸が屈折率ｎを示し、縦軸がピーク波長λｐを示す。グラフＧ３０は測定光Ｌの入射角度θが０度の場合の屈折率ｎとピーク波長λｐの関係である。グラフＧ３１は測定光Ｌの入射角度θが１０度の場合の後進波における屈折率ｎとピーク波長λｐの関係であり、グラフＧ３２は測定光Ｌの入射角度θが１０度の場合の前進波における屈折率ｎとピーク波長λｐの関係である。また、グラフＧ３３は測定光Ｌの入射角度θが２０度の場合の後進波における屈折率ｎとピーク波長λｐの関係であり、グラフＧ３４は測定光Ｌの入射角度θが２０度の場合の前進波における屈折率ｎとピーク波長λｐの関係である。グラフＧ３１〜Ｇ３４に示されるように、屈折率ｎとピーク波長λｐとの間には、比例関係があることがわかる。グラフＧ３１の傾きは３２．０ｎｍ／ＲＩＵであり、グラフＧ３２の傾きは−２３．２ｎｍ／ＲＩＵであり、グラフＧ３３の傾きは５２．８ｎｍ／ＲＩＵであり、グラフＧ３４の傾きは−３０．６ｎｍ／ＲＩＵである。これら傾きとピーク波長λｐから屈折率ｎを算出することができる。この方法によれば、ピーク波長λｐの屈折率ｎへの変換を容易にし、屈折率ｎの測定におけるスループットを向上させることができる。
【００６８】
また、屈折率測定装置１は、アレイ状に配置された複数の光電変換部３を有していてもよい。複数の光電変換部３を有することにより、屈折率ｎの測定におけるスループットを向上させることができる。前述のウイルスを検出する方法においては、異なった種類の抗体をそれぞれの光電変換部３に配置することによって、異なった種類のウイルスを同時に検出することができる。
【００６９】
また、屈折率測定装置１の光電変換部３は、シリコン基板７の代わりにＧｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の半導体、ガラスや合成樹脂等の絶縁体、ステンレスやアルミニウム等の金属から成る基板を用いていてもよい。また、半導体層１１は、不純物を添加していない半導体を用いてもよい。
【００７０】
また、回折格子部６の材料としては、金に限らず、銀、銅、アルミニウム等の金属や、その他の導電性材料、例えばリン、ボロン、砒素等の不純物を添加した多結晶シリコンなどを用いてもよい。それらの金属や導電性材料の下に付着力強化層として、チタン、クロム、パラジウム、酸化タンタル、窒化シリコンなどの薄い層を挿入してもよい。また、回折格子部６の貫通溝６ａが延在する向きは、検出したい偏光の向きに応じて、図１のＸＹ平面内で任意の向きに回転させてもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１…屈折率測定装置、４…半導体受光素子部、６…回折格子部、６ａ…貫通溝、Ｍ…被測定物、Ｌ…測定光、ｎ…屈折率、λ…波長。
【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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