(57)【要約】  半導体のシリコン基板７上に形成された埋め込み絶縁層８上に半導体層９，１１，１２及びゲート絶縁層１３を備えると共に、複数の溝部６ａが２次元格子状に形成された回折格子部６をゲート絶縁層１３上に有するフォトダイオード３に対して、光源装置２から出射された測定光Ｌが、光弾性変調器２０を含む光学系３０Ａにより導かれて入射する。測定光Ｌは所定の波長を有する直線偏光の状態で光源装置２から出射され、光学系３０Ａによって、２つの直交する向きの直線偏光となる状態を繰り返すように所定の周波数で変換される。そして、測定光Ｌが当該２つの直交する向きの直線偏光となる状態におけるフォトダイオード３からの電気信号をロックイン検出する。
2016132991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体又は金属から成る基板、
前記基板上に形成された埋め込み絶縁層、
前記埋め込み絶縁層上の所定領域に沿って並んで形成されたｐ型半導体層及びｎ型半導体層を含む半導体層、
前記半導体層上に形成されたゲート絶縁層、及び、
前記ゲート絶縁層上に配置され、平面状の導電部材に溝部が２次元的に形成された回折格子部、
を有するフォトダイオードと、
所定の波長を有する直線偏光の光を出射する光源と、
光弾性変調器を含み、前記光を、２つの直交する向きの直線偏光となる状態を所定の周波数で繰り返すように変換し、当該変換された光を前記フォトダイオードへ導く光学系と、
前記光が前記光学系を介して前記フォトダイオードへ入射したことに応じて前記フォトダイオードから出力される電気信号を、前記光が２つの直交する向きの直線偏光となる各時刻において前記所定の周波数でロックイン検出する信号検出部と、
を備える屈折率測定装置。
【請求項２】
前記ロックイン検出した前記電気信号に基づき屈折率を算出する屈折率算出部を更に備える請求項１に記載の屈折率測定装置。
【請求項３】
前記回折格子部は、前記溝部が２次元格子状に形成され、所定の光源の波長及び所定の基準屈折率に対して前記２つの直交する向きの直線偏光の前記光に対する前記電気信号が等しくなるように、前記溝部の周期、及び、前記光の前記回折格子部に対する入射角度が設定され、
前記信号検出部は、前記光が前記２次元格子状に形成された前記溝部の２つの直交する配列方向に沿った向きの直線偏光となる時刻において、前記電気信号をロックイン検出する請求項１又は２に記載の屈折率測定装置。
【請求項４】
前記光学系は、前記光源と前記光弾性変調器との間、及び、前記光弾性変調器と前記フォトダイオードとの間の少なくとも一方に１／４波長板を備える請求項１〜３の何れか一項に記載の屈折率測定装置。
【請求項５】
前記フォトダイオードの後段に、前記電気信号を対数変換する対数変換回路を更に備える請求項１〜４の何れか一項に記載の屈折率測定装置。
【請求項６】
前記回折格子部は、２次元的に形成された前記溝部の２つの配列方向が互いに直交し、
前記信号検出部の前段に、前記配列方向に沿った向きの直線偏光となる各時刻における前記電気信号をサンプル／ホールドするサンプル／ホールド回路を更に備える請求項１〜５の何れか一項に記載の屈折率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
屈折率の測定は、農業、化学、生物学、バイオテクノロジー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、導波モード共鳴や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、導波モード共鳴フィルタの導波層端面に測定光を導入し、このときの導波モード共鳴フィルタの格子で回折した出射光を光検出器により検出する。測定光の出射角度は、検出器の位置を移動させることにより所定角度範囲で走査される。これにより、屈折率に対応した共鳴出射角度が求められる。【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入射する。従来の表面プラズモン共鳴センサチップでは、入射光の入射角度を走査して回折光の強度を測定していた。これに対し、このチップでは入射光の入射角度の走査に代えて、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ことにより、屈折率に対応した共鳴ピッチを求める。【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、金属薄膜と、誘電体膜と、誘電体膜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とを有している。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装置では、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、共鳴波長、又は共鳴ピッチを測定し、測定結果から屈折率を算出している。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り、装置構成が煩雑化する。更に、光検出器が別体であるため共鳴フィルタから出射された反射光の利用効率が低下し、光の強度の検出精度が悪化することで、屈折率の測定精度が悪化する傾向があった。【０００８】
そこで、本発明の一形態は、装置構成を簡素化すると共に屈折率の測定精度を向上させることを可能にした屈折率測定装置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】
本発明の一形態に係る屈折率測定装置は、半導体又は金属から成る基板、基板上に形成された埋め込み絶縁層、埋め込み絶縁層上の所定領域に沿って並んで形成されたｐ型半導体層及びｎ型半導体層を含む半導体層、半導体層上に形成されたゲート絶縁層、及び、ゲート絶縁層上に配置され、平面状の導電部材に溝部が２次元的に形成された回折格子部、を有するフォトダイオードと、所定の波長を有する直線偏光の光を出射する光源と、光弾性変調器を含み、光を、２つの直交する向きの直線偏光となる状態を所定の周波数で繰り返すように変換し、当該変換された光をフォトダイオードへ導く光学系と、光が光学系を介してフォトダイオードへ入射したことに応じてフォトダイオードから出力される電気信号を、光が２つの直交する向きの直線偏光となる各時刻において所定の周波数でロックイン検出する信号検出部と、を備える。【００１０】
この屈折率測定装置は、基板上に形成された埋め込み絶縁層上に半導体層及びゲート絶縁層を備える。また、この屈折率測定装置では、溝部が２次元的に形成された回折格子部をゲート絶縁層上に有するフォトダイオードに対して、光源から出射された光が光学系により導かれて入射する。ここで、光源から出射される光は、所定の波長を有する直線偏光の状態であり、光学系に含まれる光弾性変調器によって、フォトダイオードに入射する光が２つの直交する向きの直線偏光となる状態を繰り返すように所定の周波数で変換される。そして、２つの直交する向きの直線偏光の光が、溝部が２次元的に形成された回折格子部に繰り返し入射され、当該光が各向きの直線偏光となる状態におけるフォトダイオードの各電気信号が検出される。これにより、回折格子部上に被測定物が配置されている場合、各電気信号に基づいて被測定物の屈折率を得ることができる。このような構成により、別体の光検出器を用いることなく屈折率を測定できるため、装置構成を簡素化することができる。しかも、フォトダイオードに入射する光の利用効率が向上することで光の強度の検出精度が向上する。また、同一の被測定物に対し同一の光源及び光学系から光を入射し、同一の回折格子部及びフォトダイオードによって電気信号に変換することで、電気信号に誤差が生じることが抑制される。更に、信号検出部において電気信号をロックイン検出することで信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比が向上する。その結果、被測定物の屈折率の測定精度を向上できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一形態によれば、装置構成を簡素化すると共に屈折率の測定精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る屈折率測定装置を示す概略構成図である。
【図２】屈折率測定装置に用いるフォトダイオードを示す斜視図である。
【図３】フォトダイオードの要部断面図である。
【図４】測定光と導波路モードとの位相整合条件の関係を示す図である。
【図５】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６】入射偏光角に対する量子効率の分光特性を示すグラフである。
【図７】対数変換回路の一例を示す図である。
【図８】被測定物の屈折率とロックイン検出した出力との関係を示すグラフである。
【図９】光電流の対数値と対数変換回路の出力電圧との関係を示すグラフである。
【図１０】第１実施形態における光弾性変調器による変換後の偏光状態の時間変化を示す図である。
【図１１】第１実施形態に係る屈折率測定装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１２】第２実施形態に係る屈折率測定装置を示す概略構成図である。
【図１３】第２実施形態における光弾性変調器による変換後の偏光状態の時間変化を示す図である。
【図１４】第３実施形態に係る屈折率測定装置を示す概略構成図である。
【図１５】第３実施形態における光弾性変調器による変換後の偏光状態の時間変化を示す図である。
【図１６】第４実施形態に係る屈折率測定装置を示す概略構成図である。
【図１７】第４実施形態における光弾性変調器による変換後の偏光状態の時間変化を示す図である。
【図１８】第５実施形態に係る屈折率測定装置を示す概略構成図である。
【図１９】第５実施形態における光弾性変調器による変換後の偏光状態の時間変化を示す図である。
【図２０】第６実施形態に係る屈折率測定装置を示す概略構成図である。
【図２１】第６実施形態における光弾性変調器による変換後の偏光状態の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
［第１実施形態］
図１は第１実施形態に係る屈折率測定装置を示す概略構成図である。本実施形態に係る屈折率測定装置１Ａは、図１に示されるように、被測定物Ｍに測定光（光）Ｌを照射することにより被測定物Ｍの屈折率ｎを得る装置である。屈折率測定装置１Ａは、測定光Ｌの照射により、配置された被測定物Ｍの屈折率ｎ等に応じた電気信号を出力するフォトダイオード３と、測定光Ｌを出射する光源装置（光源）２と、光源装置２から出射された測定光Ｌの偏光状態を変換すると共に当該測定光Ｌをフォトダイオード３へ導く光学系３０Ａと、を備えている。また、屈折率測定装置１Ａは、フォトダイオード３から出力された電気信号を処理及び検出するための構成として、当該電気信号を対数変換する対数変換回路１５と、対数変換回路１５から出力された電気信号をサンプル／ホールドするサンプル／ホールド回路１４と、サンプル／ホールド回路１４から出力された電気信号をロックイン検出する信号検出部１６と、信号検出部１６によってロックイン検出された電気信号に基づき被測定物Ｍの屈折率ｎを算出する屈折率算出部１７とを備えている。
【００１５】
まず、フォトダイオード３の構成について説明する。
【００１６】
図２は屈折率測定装置に用いるフォトダイオードを示す斜視図、図３はフォトダイオードの要部断面図である。図２及び図３に示されるように、フォトダイオード３は、測定光Ｌの光強度に対応する電気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、フォトダイオード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２次元格子状に形成された複数の溝部６ａの配列方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、各軸は互いに直交するものとする。
【００１７】
フォトダイオード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（基板）７と、シリコン基板７上に配置された埋め込み絶縁層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を基板（支持体）としたＳＯＩ（Silicon  On  Insulator）構造を有している。
【００１８】
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軸方向）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。
【００１９】
このようなフォトダイオード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。
【００２０】
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ゲート絶縁層１３の表面まで貫通する複数の溝部６ａが形成されている。各溝部６ａは略正方形状の開口を有する。複数の溝部６ａは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向へそれぞれ配列されて２次元格子状に形成されている。すなわち、複数の溝部６ａはＸ軸方向及びＹ軸方向に一定の格子ピッチ（周期）Ｐで配列されていると共に、複数の溝部６ａのＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った２つの配列方向は互いに直交している。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）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の導電性金属、ｎ型又はｐ型の不純物を高濃度に添加した多結晶シリコン（ポリＳｉ）等が用いられる。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。
【００２１】
フォトダイオード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から電気信号が取り出される。
【００２２】
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。ＴＥモードとは、導波路（すなわち、半導体層１１）を伝搬する光の電界方向が伝搬方向に垂直で導波路平面内にあるモードであり、ＴＭモードとは同じく磁界方向が伝搬方向に垂直で導波路平面内にあるモードであり、各モードに対応して式（１）が異なる。
【数１】
2016132991.tif 000003
【００２３】
位相整合条件について説明する。図４は測定光と導波路モードとの位相整合条件の関係を示す図であり、Ｙ軸に垂直な断面を示している。図４（ａ）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α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×ｓｉｎα）と屈折率ｎと波長λとに起因して、位相差Δ（＝Ｐ（２πｎ／λ）ｓｉｎα）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。図４（ｂ）は加算される場合を示しており、半導体層１１には前進波が伝搬する。減算される場合は、半導体層１１には後進波が伝搬する。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、α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α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】
2016132991.tif 000004
【００２４】
式（２−１）及び式（２−２）によれば、測定光Ｌの入射角度α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。
【００２５】
光電流の分光特性について説明する。図５は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に示されるように、光電流の分光特性は、測定光Ｌの波長λと、その測定光Ｌを照射したときにフォトダイオード３から出力される電気信号の大きさとの関係である。光電流の分光特性は、波長λごとの電気信号の大きさを示す。図５において、横軸は測定光Ｌの波長λであり、縦軸は電気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、電気信号の値が大きくなる。そして、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、電気信号は最大値（ピーク）になる。フォトダイオード３に入った測定光が光電流に変換される効率（すなわち、量子効率）は、光電流を、１秒間にフォトダイオード３に入る光子数及び電気素量で割算して得られる。
【００２６】
屈折率ｎの変化に伴うピーク波長λｐのシフトについて更に説明する。図５（ａ）は、回折格子部６に対する測定光ＬのＺ−Ｘ平面内で傾けた入射角度αが１０度であるときの光電流の分光特性を示す。図５（ｂ）は、回折格子部６に対する測定光Ｌの入射角度αが２０度であるときの光電流の分光特性を示す。更に、図５（ａ）のグラフＧ１及び図５（ｂ）のグラフＧ３は、被測定物Ｍの屈折率がｎ＝１である場合の光電流の分光特性を示している。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。２個のピークのうち、長波長のピーク（すなわち、ピークｐｋ１，ｐｋ５）が後進波に対応し、短波長のピーク（すなわち、ピークｐｋ２，ｐｋ６）が前進波に対応する。図５（ａ）のグラフＧ２及び図５（ｂ）のグラフＧ４は、被測定物Ｍの屈折率がｎ＝１．４９３３である場合の光電流の分光特性を示している。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。同じく、長波長のピーク（すなわち、ピークｐｋ３，ｐｋ７）が後進波に対応し、短波長のピーク（すなわち、ピークｐｋ４，ｐｋ８）が前進波に対応する。
【００２７】
ここで図５（ａ）の後進波のピーク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、前進波のピークに関しては、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５（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。
【００２８】
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。
【００２９】
測定光Ｌの偏光状態の変化に伴って生じるピークの分裂について更に説明する。図６は入射偏光角に対する量子効率の分光特性を示すグラフである。図６では、回折格子部６の複数の溝部６ａのＸ軸方向及びＹ軸方向における各格子ピッチＰがそれぞれ３００ｎｍ、回折格子部６に対する測定光の入射角度αが１０度であるときの量子効率の分光特性が示されている。グラフＧ５は、直線偏光である測定光Ｌの電界の振動方向（すなわち、直線偏光の向き）がＹ軸方向である場合の量子効率の分光特性を示し、グラフＧ６は、直線偏光である測定光Ｌの電界の振動方向がＸ軸方向である場合の量子効率の分光特性を示している。グラフＧ５は例えばＴＥモードに対応するピークｐｋ９，ｐｋ１０、及びＴＭモードに対応するピークｐｋ１１を有し、グラフＧ６は例えばＴＥモードに対応するピークｐｋ１２、及びＴＭモードに対応するピークｐｋ１３，ｐｋ１４を有している。例えば直線偏光である測定光Ｌの電界の振動方向がＸ軸方向からＹ軸方向に変換された場合、ＴＥモードに対応するグラフＧ６のピークｐｋ１２は、波長の異なる２つのピークに分裂してグラフＧ５のピークｐｋ９，ｐｋ１０となることがわかる。また、例えば直線偏光である測定光Ｌの電界の振動方向がＹ軸方向からＸ軸方向に変換された場合、ＴＭモードに対応するグラフＧ５のピークｐｋ１１は、波長の異なる２つのピークに分裂してグラフＧ６のピークｐｋ１３，ｐｋ１４となることがわかる。なお、このときの被測定物Ｍの屈折率ｎを基準屈折率ｎ０とし、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２つの直交する向きの直線偏光の測定光Ｌに対する量子効率（すなわち、光電流による電気信号）が等しくなるように、格子ピッチＰ及び入射角度αが設定される。図６では、ＴＭモードのピークｐｋ１１に対する長波長側の波長λ１、及び短波長側の波長λ２に対してＰ＝３００ｎｍ、α＝１０度が設定されることが示されている。
【００３０】
ここで、分裂するピーク波長λｐの幅と被測定物Ｍの屈折率ｎとの間には所定の関係があり、屈折率ｎと基準屈折率ｎ０との差が大きいほど分裂するピーク波長λｐの幅は大きくなる。このため、測定光Ｌの波長を同一とした場合、屈折率ｎと基準屈折率ｎ０との差が大きいほど量子効率の違いが大きくなる。従って、この量子効率の違いを評価することで、被測定物Ｍの屈折率ｎを得ることができる。
【００３１】
続いて、光源装置２及び光学系３０Ａの構成について説明する。
【００３２】
光源装置２は、所定の帯域に含まれる特定波長を有する測定光Ｌを出射するものである。測定光Ｌは、直線偏光の状態で出射される。また、光源装置２は、光学系３０Ａと協働して、フォトダイオード３の回折格子部６に対する測定光Ｌの入射角度α（図４（ａ）参照）を調整可能である。光源装置２及び光学系３０Ａでは、測定光ＬがＺ−Ｘ平面に沿って進行し、Ｚ軸に対する入射角度αを１０度として回折格子部６へ入射するように配置されている。
【００３３】
光学系３０Ａは、光源装置２から出射された測定光Ｌの偏光状態を変換すると共に、フォトダイオード３へ導くものである。光学系３０Ａは、光弾性変調素子１８及び交流電源１９を有する光弾性変調器２０と、下流側１／４波長板（１／４波長板）２２と、を備えている（図１参照）。光源装置２から出射された測定光Ｌは、光弾性変調素子１８、下流側１／４波長板２２の順に通過してフォトダイオード３へ入射する。
【００３４】
光弾性変調器２０は、測定光Ｌの偏光状態を、印加電圧に応じたリタデーション（位相差）を生じるように変換するものである。例えば、光弾性変調器２０は、直線偏光と円偏光との間の相互変換、直線偏光から方向の異なる直線偏光への変換、及び円偏光から回転方向の異なる円偏光への変換等を行うことができる。光弾性変調器２０の光弾性変調素子１８は、交流電源１９に接続されている。交流電源１９は、光弾性変調器２０がλ／４又はλ／２の最大リタデーションを正負で交互に繰り返すような交流電圧を光弾性変調素子１８に印加する。このように交流電源１９による電圧変動に連動して変動するリタデーション（位相差）を測定光Ｌに生じさせることで、光弾性変調器２０は測定光Ｌの偏光状態を周期的に変換する。なお、本実施形態においては、光弾性変調器２０の進相軸及び遅相軸は、光源装置２から出射される測定光Ｌの直線偏光の方向に対してそれぞれ±４５度ずつ角度がずれた状態となっている。
【００３５】
下流側１／４波長板２２は１／４波長板からなり、通過する測定光Ｌの偏光方向に応じてλ／４の位相差を生じさせる。例えば、下流側１／４波長板２２は、直線偏光と円偏光との間の相互変換等を行うことができ、本実施形態においては円偏光を直線偏光に変換する。
【００３６】
サンプル／ホールド回路１４は、フォトダイオード３から出力される電気信号に混ざっている不要な信号を除去するため、所定の周期で電気信号の出力をサンプリングし、次のサンプリングのタイミングまで当該出力値を維持する回路である。具体的には屈折率測定装置１Ａの構成では、サンプル／ホールド回路１４は、光弾性変調器２０のリタデーションが±λ／４となるタイミングで発せられる、交流電源１９の周波数に同期したサンプリングパルスに同期して、電気信号の出力をサンプル／ホールドする。すなわち、サンプル／ホールド回路１４は、測定光Ｌが回折格子部６における複数の溝部６ａの２つの直交する配列方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に沿った向きの直線偏光となる各時刻における電気信号の出力をサンプル／ホールドすることとなる。
【００３７】
対数変換回路１５は、フォトダイオード３から出力される電気信号を対数変換する回路である。図７は対数変換回路の一例を示す図、図８は被測定物の屈折率とロックイン検出した出力との関係を示すグラフである。対数変換回路１５は、一例として、図７に示されるように構成される。図７において、ＰＤはフォトダイオード３、Ｍ１は第１ＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、Ｍ２は第２ＭＯＳＦＥＴ、ＲＬは抵抗素子を表す。フォトダイオード３は、アノードが接地されると共に、カソードが第１ＭＯＳＦＥＴのソース（電流端子）に接続されている。また、第１ＭＯＳＦＥＴは、ソースが第２ＭＯＳＦＥＴのゲート（制御端子）に接続されると共に、ドレイン（電流端子）及びゲートが電源に接続されて電圧が印加されている。第２ＭＯＳＦＥＴは、ソースが出力端子Ｖｏに接続されると共に抵抗素子ＲＬを介してグランドに接続され、ドレインが電源に接続されて電圧が印加されている。この対数変換回路１５の出力は、当該出力端子Ｖｏよりサンプル／ホールド回路１４を介して信号検出部１６に出力される。上述したように、屈折率測定装置１Ａは、基準屈折率ｎ０の場合に、２つの直交する向きの直線偏光となる状態の測定光Ｌのフォトダイオード３への入射によりフォトダイオード３から出力される各光電流ＩＰＤの差が０となるように構成されている。また、図８に示されるように、各光電流ＩＰＤの差は、屈折率ｎの基準屈折率ｎ０付近における変化に応じて略線形に変化する。ここで、光電流ＩＰＤの強度は光源装置２からの測定光Ｌの強度に依存し、測定光Ｌが弱くなると光電流ＩＰＤの強度も弱くなる。このため、被測定物Ｍの屈折率ｎと基準屈折率ｎ０との間に差がある場合であっても、測定光Ｌが弱い場合、２つの直交する向きの直線偏光となる状態における各光電流ＩＰＤの差が小さく検出が困難となり、屈折率の測定精度の悪化の一因となる。
【００３８】
ここで、対数変換回路１５によって対数変換された各光電流ｌｏｇ（ＩＰＤ）の差は、各光電流ＩＰＤの比を対数変換したものに対応する。このため、各光電流ｌｏｇ（ＩＰＤ）の差は光電流ＩＰＤの絶対的な強度に依存しないため、この差を用いることにより、２つの直交する向きの直線偏光となる状態における各光電流ＩＰＤの比を精度良く検出できる。なお、図９は光電流ＩＰＤの対数値と対数変換回路の出力電圧Ｖ０との関係を示すグラフである。図９に示されるように、領域Ｒ１では光電流ｌｏｇ（ＩＰＤ）と出力電圧Ｖ０との関係が略線形に近似できる。従って、領域Ｒ１の範囲の出力電圧Ｖ０を用いることで、更に各光電流ＩＰＤの比を精度良く検出できる。
【００３９】
信号検出部１６は、対数変換回路１５から出力され、サンプル／ホールド回路１４でサンプル／ホールドされた電気信号をロックイン検出するものである。上述したように、信号検出部１６に入力される電気信号は、測定光Ｌが光学系３０Ａを介してフォトダイオード３に入射したことに応じてフォトダイオード３から出力される電気信号に対し、対数変換回路１５及びサンプル／ホールド回路１４を介して出力された電気信号である。信号検出部１６はロックインアンプを含んで構成されることで、対数変換された電気信号の差を検出する。信号検出部１６は、所定の周波数で光弾性変調器２０のリタデーションが±λ／４となる２つのタイミング（すなわち、測定光Ｌが回折格子部６における複数の溝部６ａの２つの直交する配列方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に沿った向きの直線偏光となる各時刻）で発せられるサンプリングパルスに同期して動作する。これにより、信号検出部１６は、上記２つのタイミングでの電気信号の差分電圧を検出する。このため、電気信号に含まれる雑音の影響を大幅に減らすことができる。なお、ロックインアンプとしては公知の回路構成としてよい。
【００４０】
屈折率算出部１７は、信号検出部１６においてロックイン検出した電気信号に基づき、被測定物Ｍの屈折率ｎを算出するものである。屈折率算出部１７は、上述したように、屈折率ｎと基準屈折率ｎ０との差に応じた量子効率の違いを評価することで被測定物Ｍの屈折率ｎを算出する。
【００４１】
図１０は第１実施形態における光弾性変調器による変換後の偏光状態の時間変化を示す図である。図１０の下の部分には、光弾性変調器２０に入る光の２種類の偏光状態に対応して、変換後の偏光状態が模式的に示されている（以下、図１３、１５、１７、１９，２１も同様）。時刻０で示される変換後の偏光状態は入る光の偏光状態に等しい。図１０に示されるように、屈折率測定装置１Ａでは、光源装置２から出射された測定光Ｌは、光弾性変調器２０の進相軸及び遅相軸に対してそれぞれ４５度ずれた向きの直線偏光である。当該測定光Ｌは、光弾性変調器２０を通過する際に円偏光に変換される。光弾性変調器２０の最大リタデーションはλ／４に設定されている。円偏光に変換された測定光Ｌは、光弾性変調器２０のリタデーションが±λ／４のときに互いに反対回りの円偏光となる。続いて、円偏光に変換された測定光Ｌは、下流側１／４波長板２２を通過する際に直線偏光に変換される。具体的には、測定光Ｌは、光弾性変調器２０のリタデーションが±λ／４のときの互いに反対回りの円偏光の状態で下流側１／４波長板２２を通過すると、フォトダイオード３の複数の溝部６ａの配列方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った向きの直線偏光となる。
【００４２】
以上により、光源装置２から出射された測定光Ｌは、光学系３０Ａを通過することで２つの直交する向きの直線偏光となる状態を、交流電源１９における電圧変動の周波数に連動して繰り返すように変換されることとなる。このとき、光学系３０Ａを通過した測定光Ｌの直線偏光の２つの直交する向きは、フォトダイオード３の回折格子部６における複数の溝部６ａの２つの直交する配列方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に対応するように調整される。
【００４３】
続いて、測定光Ｌがフォトダイオード３に入射したときのフォトダイオード３の動作について説明する。
【００４４】
上述したように、屈折率測定装置１Ａでは、測定光Ｌの有する波長において、基準屈折率ｎ０に対してＸ軸方向及びＹ軸方向の２つの直交する向きの直線偏光の測定光Ｌに対する量子効率が等しくなるように、格子ピッチＰ及び入射角度αが設定されている（図６参照）。そして、測定光Ｌが回折格子部６における複数の溝部６ａの２つの直交する配列方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に沿った向きの直線偏光を繰り返すように、光学系３０Ａを調整する。この状態で回折格子部６に測定光Ｌを照射した場合、測定光Ｌの直線偏光の向きが周期的に変換されても、フォトダイオード３から出力される電気信号は略一定となる。なお、基準屈折率ｎ０としては、特定物質を回折格子部６に配置した状態での屈折率ｎとしてもよく、回折格子部６に何も配置していない状態での屈折率ｎとしてもよい。
【００４５】
従って、回折格子部６に屈折率ｎの被測定物Ｍを配置すると（すなわち、屈折率ｎが基準屈折率ｎ０ではない値とされると）、量子効率の分光特性が変化する。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。これにより、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に関する情報を有した電気信号を得ることができる。
【００４６】
続いて、フォトダイオード３から出力された電気信号の処理及び検出について説明する。図１１は第１実施形態に係る屈折率測定装置の動作を示すタイミングチャートである。
【００４７】
測定光のＬの偏光状態は、光弾性変調器２０において直線偏光から円偏光に変換される。しかしながら、測定光Ｌが円偏光の状態となるのは光弾性変調器２０のリタデーションが±λ／４の場合に限られる。これらの過渡期間において測定光Ｌは楕円偏光等の状態となっている。このため、過渡期間においてフォトダイオード３から出力される電気信号には不要な信号が混ざっており、屈折率の測定精度の悪化の一因となる。
【００４８】
図１１では、横軸に示される時間のうち、矢印Ａ１によって示される期間内において基準屈折率ｎ０とは異なる屈折率ｎを有する被測定物Ｍが回折格子部６に配置された場合の、屈折率測定装置１Ａの動作が示されている。回折格子部６に被測定物Ｍが配置される前において、サンプル／ホールドされた電気信号は相対的に高い値で一定となっている。一方、被測定物Ｍが配置された後にサンプル／ホールドされた電気信号においては、光弾性変調器２０のリタデーションが＋λ／４となるタイミングで発せられるサンプリングパルスに同期してサンプリングされた電気信号の出力は、相対的に高い値で一定に維持されている。また、光弾性変調器２０のリタデーションが−λ／４となるタイミングで発せられるサンプリングパルスに同期してサンプリングされた電気信号の出力は、相対的に低い値で一定に維持されている。このように、サンプル／ホールド回路１４を設けることによって、電気信号の出力が必要な期間に亘って一定に維持されるため、フォトダイオード３から出力される電気信号に混ざっている不要な信号が除去される。
【００４９】
フォトダイオード３から出力された電気信号は、上述したように、対数変換回路１５に入力されて対数変換された後、サンプル／ホールド回路１４に入力しても良い。サンプル／ホールド回路１４の出力は、信号検出部１６に入力されてロックイン検出される。その後、信号検出部１６においてロックイン検出された電気信号に基づき、屈折率算出部１７において、屈折率ｎと基準屈折率ｎ０との差に応じた量子効率の違いを評価することで被測定物Ｍの屈折率ｎが算出される。
【００５０】
このような構成とすることで、第１実施形態に係る屈折率測定装置１Ａには以下のような利点がある。すなわち、光弾性変調器２０の、測定光Ｌの光路に対する下流側に下流側１／４波長板２２が配置されているため、光学系３０Ａの調整時に、寸法及び重量の大きい光弾性変調器２０を移動させる必要がなく調整の手間が軽減される。また、光弾性変調器２０のリタデーションが±λ／４となる状態で電気信号をサンプリングしており、この状態における滞在時間が互いに同等であるため、信号検出部１６における電気信号の検出を容易に行うことができる。更に、この状態における滞在時間が相対的に長いため、電気信号をサンプリングする時間を相対的に長く確保でき、信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比の低下を抑制できる。なお、過渡期間における不要な信号の強度が小さい場合には、サンプル／ホールド回路１４を取り除くことも可能となる。
【００５１】
以上説明したように、第１実施形態に係る屈折率測定装置１Ａは、半導体のシリコン基板７上に形成された埋め込み絶縁層８上に半導体層９，１１，１２及びゲート絶縁層１３を備える。また、屈折率測定装置１Ａでは、複数の溝部６ａが２次元格子状に形成された回折格子部６をゲート絶縁層１３上に有するフォトダイオード３に対して、光源装置２から出射された測定光Ｌが光学系３０Ａにより導かれて入射する。ここで、光源装置２から出射される測定光Ｌは所定の波長を有する直線偏光の状態であり、光学系３０Ａに含まれる光弾性変調器２０によって、フォトダイオード３に入射する測定光Ｌが２つの直交する向きの直線偏光となる状態を繰り返すように所定の周波数で変換される。そして、２つの直交する向きの直線偏光の測定光Ｌが、複数の溝部６ａが２次元格子状に形成された回折格子部６に繰り返し入射され、当該測定光Ｌが各向きの直線偏光となる状態におけるフォトダイオード３の各電気信号が検出される。これにより、回折格子部６上に被測定物Ｍが配置されている場合、各電気信号に基づいて被測定物Ｍの屈折率ｎを得ることができる。このような構成により、別体の光検出器を用いることなく屈折率ｎを測定できるため、装置構成を簡素化することができる。しかも、フォトダイオード３に入射する測定光Ｌの利用効率が向上することで測定光Ｌの強度の検出精度が向上する。また、同一の被測定物Ｍに対し同一の光源装置２及び光学系３０Ａから測定光Ｌを入射し、同一の回折格子部６及びフォトダイオード３によって電気信号に変換することで、電気信号に誤差が生じることが抑制される。更に、信号検出部１６において電気信号をロックイン検出することで信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比が向上する。その結果、被測定物Ｍの屈折率ｎの測定精度を向上できる。
【００５２】
また、屈折率測定装置１Ａは、ロックイン検出した電気信号に基づき屈折率ｎを算出する屈折率算出部１７を更に備えているため、上記作用効果を好適に実現することができる。
【００５３】
また、回折格子部６は、所定の基準屈折率ｎ０に対して２つの直交する向きの直線偏光の光に対する電気信号が等しくなるように、２次元格子状に形成された複数の溝部６ａの格子ピッチＰ、及び、測定光Ｌの回折格子部６に対する入射角度αが設定され、信号検出部１６は、測定光Ｌが２次元格子状に形成された複数の溝部６ａの２つの直交する配列方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に沿った向きの直線偏光となる時刻において、電気信号をロックイン検出する。これにより、基準屈折率ｎ０においてロックイン検出された出力がゼロとなるため、ロックイン検出の増幅率を高めることができる。よって、基準屈折率ｎ０からの屈折率変化に対応した電気信号の強度が増大し、屈折率ｎの測定精度を向上できる。
【００５４】
また、光学系３０Ａは、光弾性変調器２０とフォトダイオード３との間に下流側１／４波長板２２を備えているため、後述する他の実施形態を含めた光学系の多様な構成に対応できる。
【００５５】
また、屈折率測定装置１Ａは、フォトダイオード３の後段に、電気信号を対数変換する対数変換回路１５を更に備えている。それぞれ対数変換された各電気信号の差を評価することは、各電気信号の比を対数変換したものを評価することに相当する。このため、対数変換回路１５を備えることで、光源装置２からの測定光Ｌの強度の変動に影響を受け難い。従って、対数変換された各電気信号の差を評価することにより屈折率ｎの測定精度を向上できる。
【００５６】
また、回折格子部６は、信号検出部１６の前段に、２次元格子状に形成された複数の溝部６ａの２つの直交する配列方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に沿った向きの直線偏光となる各時刻における電気信号をサンプル／ホールドするサンプル／ホールド回路１４を更に備えている。このため、光弾性変調器２０によって光の偏光状態が変調される際の過渡期間において生じる電気信号の変動を除去できるため、屈折率ｎの測定精度を向上できる。
【００５７】
ここで、屈折率測定装置１Ａは、バイオテクノロジーの分野においても有用であることを以下に説明する。従来、生化学物質の検出方法として、酵素による発色又は蛍光を検出する手法と、屈折率を測定する手法とが知られている。酵素による発色又は蛍光を検出する手法としては、例えば、酵素免疫吸着測定法（ELISA：  Enzyme-Linked  Immunosorbent  Assay）及び化学発光酵素免疫測定法（CLEIA：  Chemiluminescent  Enzyme  Immunoassay）が挙げられる。一方、屈折率を測定する手法としては、屈折率測定装置１Ａにも用いられている表面プラズモン共鳴（SPR：  Surface  Plasmon  Resonance）が挙げられる。
【００５８】
これらの手法について、例えば、Sandeep  Kumar  Vashist，et  al．  “Comparative  study  of  the  developed  chemiluminescent，  ELISA  and  SPR  immunoassay  formats  for  the  highly  sensitive  detection  of  human  albumin”，  Procedia  Chemistry，  2012，  No．6，  p．184−193には、腎臓、肝臓等の疾患及び炎症のマーカーとなるヒトアルブミンの検出に関して以下の内容が記載されている。すなわち、ヒトアルブミンの検出感度はCLEIA、ELISA、SPRの順に高いものの、SPRによれば、迅速に実時間の測定が可能であること、抗体に対して酵素や蛍光物質で標識付けする必要がないこと、及び、分子間相互作用に関する反応速度（kinetics）、親和性（affinity）等の解析が可能であることが記載されている。
【００５９】
また、例えば、S．  R．  Edupuganti，et  al．  “Biological  and  synthetic  binders  for  immunoassay  and  sensor-based  detection：  generation  and  characterization  of  an  anti-AFB2  single-chain  variable  fragment  （scFv）”，  World  Mycotoxin  Journal，  August  2013，  No.6  (3)，  p．273-280には、食品等に含まれるアフラトキシン（aflatoxin：カビ毒）の検出に関して以下の内容が記載されている。すなわち、アフラトキシンの検出感度は、ELISAに比較してSPRの方が10倍高いことが記載されている。この結果は、アフラトキシンのように効率よく標識付けすることができない分子の検出においては、ELISAに比較してSPRの方が高感度になり得ることを示していると考えられる。
【００６０】
以上のように、検出対象となる分子に効率良く標識付けすることができない場合、或いは、標識付けすることによって検出対象となる分子の性質が変化してしまう場合においても適用可能な屈折率測定装置が、バイオテクノロジーの分野において求められている。
【００６１】
ここで、本実施形態に係る屈折率測定装置１Ａは、検出対象となる分子に標識付けする必要がないため、上述した場合においても適用可能である。従って、屈折率測定装置１Ａは、バイオテクノロジーの分野においても高い有用性を備えている。
【００６２】
［第２実施形態］
図１２は第２実施形態に係る屈折率測定装置を示す概略構成図、図１３は第２実施形態における光弾性変調器による変換後の偏光状態の時間変化を示す図である。第２実施形態に係る屈折率測定装置１Ｂが第１実施形態に係る屈折率測定装置１Ａと相違する点は、構成の異なる光学系３０Ｂを備えている点である。
【００６３】
すなわち、光学系３０Ｂは、図１２に示されるように、上流側１／４波長板（１／４波長板）２１と、光弾性変調器２０と、を備えている。光源装置２から出射された測定光Ｌは、上流側１／４波長板（１／４波長板）２１、光弾性変調器２０の光弾性変調素子１８の順に通過してフォトダイオード３へ入射する。
【００６４】
上流側１／４波長板２１は、下流側１／４波長板２２と同様に、１／４波長板からなる。上流側１／４波長板２１は、通過する測定光Ｌの偏光方向に応じてλ／４の位相差を生じさせ、例えば直線偏光と円偏光との間の相互変換等を行うことができる。
【００６５】
図１３に示されるように、屈折率測定装置１Ｂでは、光源装置２から出射された直線偏光の測定光Ｌは、当該測定光Ｌが上流側１／４波長板２１を通過する際に円偏光に変換される。このとき、円偏光の回転方向は上流側１／４波長板２１の回転角により設定される。続いて、円偏光に変換された測定光Ｌは、光弾性変調器２０を通過する際に直線偏光に変換される。具体的には、光弾性変調器２０の最大リタデーションはλ／４に設定されている。円偏光に変換された測定光Ｌは、光弾性変調器２０のリタデーションが±λ／４のときに、光弾性変調器２０の進相軸及び遅相軸に対してそれぞれ±４５度ずれた向きの直線偏光となる。
【００６６】
以上により、光源装置２から出射された測定光Ｌは、光学系３０Ｂを通過することで２つの直交する向きの直線偏光となる状態を、交流電源１９における電圧変動の周波数に連動して繰り返すように変換されることとなる。このとき、光学系３０Ｂを通過した測定光Ｌの直線偏光の２つの直交する向きは、フォトダイオード３の回折格子部６における複数の溝部６ａの２つの直交する配列方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に対応するように調整される。
【００６７】
このような構成とすることで、第２実施形態に係る屈折率測定装置１Ｂには以下のような利点がある。すなわち、光弾性変調器２０のリタデーションが±λ／４となる状態で電気信号をサンプリングしており、この状態における滞在時間が互いに同等であるため、信号検出部１６における電気信号の検出を容易に行うことができる。また、この状態における滞在時間が相対的に長いため、電気信号をサンプリングする時間を相対的に長く確保でき、信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比の低下を抑制できる。なお、過渡期間における不要な信号の強度が小さい場合には、サンプル／ホールド回路１４を取り除くことも可能となる。
【００６８】
［第３実施形態］
図１４は第３実施形態に係る屈折率測定装置を示す概略構成図、図１５は第３実施形態における光弾性変調器による変換後の偏光状態の時間変化を示す図である。第３実施形態に係る屈折率測定装置１Ｃが第１実施形態に係る屈折率測定装置１Ａと相違する点は、構成の異なる光学系３０Ｃを備えている点である。
【００６９】
すなわち、光学系３０Ｃは、図１４に示されるように、上流側１／４波長板（１／４波長板）２１と、光弾性変調器２０と、を備えている。光源装置２から出射された測定光Ｌは、上流側１／４波長板（１／４波長板）２１、光弾性変調器２０の光弾性変調素子１８の順に通過してフォトダイオード３へ入射する。
【００７０】
図１５に示されるように、屈折率測定装置１Ｃでは、光源装置２から出射された直線偏光の測定光Ｌは、当該測定光Ｌが上流側１／４波長板２１を通過する際に円偏光に変換される。このとき、円偏光の回転方向は上流側１／４波長板２１の回転角により設定される。続いて、円偏光に変換された測定光Ｌは、光弾性変調器２０を通過する際に直線偏光に変換される。具体的には、光弾性変調器２０の最大リタデーションはλ／２に設定されている。円偏光に変換された測定光Ｌは、光弾性変調器２０のリタデーションが過渡的に±λ／４の状態となるときに、光弾性変調器２０の進相軸及び遅相軸に対してそれぞれ±４５度ずれた向きの直線偏光となる。
【００７１】
以上により、光源装置２から出射された測定光Ｌは、光学系３０Ｃを通過することで２つの直交する向きの直線偏光となる状態を、交流電源１９における電圧変動の周波数に連動して繰り返すように変換されることとなる。このとき、光学系３０Ｃを通過した測定光Ｌの直線偏光の２つの直交する向きは、フォトダイオード３の回折格子部６における複数の溝部６ａの２つの直交する配列方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に対応するように調整される。
【００７２】
このような構成とすることで、第３実施形態に係る屈折率測定装置１Ｃには以下のような利点がある。すなわち、光弾性変調器２０のリタデーションが±λ／４となる状態で電気信号をサンプリングしており、この状態における滞在時間が互いに同等であるため、信号検出部１６における電気信号の検出を容易に行うことができる。
【００７３】
［第４実施形態］
図１６は第４実施形態に係る屈折率測定装置を示す概略構成図、図１７は第４実施形態における光弾性変調器による変換後の偏光状態の時間変化を示す図である。第４実施形態に係る屈折率測定装置１Ｄが第１実施形態に係る屈折率測定装置１Ａと相違する点は、構成の異なる光学系３０Ｄを備えている点である。
【００７４】
すなわち、光学系３０Ｄは、図１６に示されるように、光弾性変調器２０と、下流側１／４波長板（１／４波長板）２２と、を備えている。光源装置２から出射された測定光Ｌは、光弾性変調器２０の光弾性変調素子１８、下流側１／４波長板２２の順に通過してフォトダイオード３へ入射する。
【００７５】
図１７に示されるように、屈折率測定装置１Ｄでは、光源装置２から出射された測定光Ｌは、光弾性変調器２０の進相軸及び遅相軸に対してそれぞれ４５度ずれた向きの直線偏光である。当該測定光Ｌは、光弾性変調器２０を通過する際に円偏光に変換される。光弾性変調器２０の最大リタデーションはλ／２に設定されている。円偏光に変換された測定光Ｌは、光弾性変調器２０のリタデーションが±λ／４のときに互いに反対回りの円偏光となる。続いて、円偏光に変換された測定光Ｌは、下流側１／４波長板２２を通過する際に直線偏光に変換される。具体的には、測定光Ｌは、光弾性変調器２０のリタデーションが±λ／４のときの互いに反対回りの円偏光の状態で下流側１／４波長板２２を通過すると、フォトダイオード３の複数の溝部６ａの配列方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った向きの直線偏光となる。
【００７６】
以上により、光源装置２から出射された測定光Ｌは、光学系３０Ｄを通過することで２つの直交する向きの直線偏光となる状態を、交流電源１９における電圧変動の周波数に連動して繰り返すように変換されることとなる。このとき、光学系３０Ｄを通過した測定光Ｌの直線偏光の２つの直交する向きは、フォトダイオード３の回折格子部６における複数の溝部６ａの２つの直交する配列方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に対応するように調整される。
【００７７】
このような構成とすることで、第４実施形態に係る屈折率測定装置１Ｄには以下のような利点がある。すなわち、光弾性変調器２０の、測定光Ｌの光路に対する下流側に下流側１／４波長板２２が配置されているため、光学系３０Ｄの調整時に、寸法及び重量の大きい光弾性変調器２０を移動させる必要がなく調整の手間が軽減される。また、光弾性変調器２０のリタデーションが±λ／４となる状態で電気信号をサンプリングしており、この状態における滞在時間が互いに同等であるため、信号検出部１６における電気信号の検出を容易に行うことができる。
【００７８】
［第５実施形態］
図１８は第５実施形態に係る屈折率測定装置を示す概略構成図、図１９は第５実施形態における光弾性変調器による変換後の偏光状態の時間変化を示す図である。第５実施形態に係る屈折率測定装置１Ｅが第１実施形態に係る屈折率測定装置１Ａと相違する点は、構成の異なる光学系３０Ｅを備えている点である。
【００７９】
すなわち、光学系３０Ｅは、図１８に示されるように、上流側１／４波長板（１／４波長板）２１と、光弾性変調器２０と、下流側１／４波長板（１／４波長板）２２と、を備えている。光源装置２から出射された測定光Ｌは、上流側１／４波長板（１／４波長板）２１、光弾性変調器２０の光弾性変調素子１８、下流側１／４波長板２２の順に通過してフォトダイオード３へ入射する。
【００８０】
図１９に示されるように、屈折率測定装置１Ｅでは、光源装置２から出射された直線偏光の測定光Ｌは、当該測定光Ｌが上流側１／４波長板２１を通過する際に円偏光に変換される。このとき、円偏光の回転方向は上流側１／４波長板２１の回転角により設定することもできる。続いて、円偏光に変換された測定光Ｌは、光弾性変調器２０を通過する際に状態の異なる円偏光に変換される。具体的には、光弾性変調器２０の最大リタデーションはλ／２に設定されている。円偏光に変換された測定光Ｌは、光弾性変調器２０のリタデーションが０、又は±λ／２のときに互いに反対回りの円偏光の状態となる。続いて、光弾性変調器２０を通過した測定光Ｌは、下流側１／４波長板２２を通過する際に直線偏光に変換される。具体的には、測定光Ｌは、互いに反対回りの円偏光の状態で下流側１／４波長板２２を通過すると、フォトダイオード３の複数の溝部６ａの配列方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った向きの直線偏光となる。
【００８１】
以上により、光源装置２から出射された測定光Ｌは、光学系３０Ｅを通過することで２つの直交する向きの直線偏光となる状態を、交流電源１９における電圧変動の周波数の２倍に連動して繰り返すように変換されることとなる。このとき、光学系３０Ｅを通過した測定光Ｌの直線偏光の２つの直交する向きは、フォトダイオード３の回折格子部６における複数の溝部６ａの２つの直交する配列方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に対応するように調整される。電気信号は、光弾性変調器２０のリタデーションが０及び±λ／２となる状態でサンプリングする必要がある。
【００８２】
このような構成とすることで、第５実施形態に係る屈折率測定装置１Ｅには以下のような利点がある。すなわち、光弾性変調器２０の、測定光Ｌの光路に対する下流側に下流側１／４波長板２２が配置されているため、光学系３０Ｅの調整時に、寸法及び重量の大きい光弾性変調器２０を移動させる必要がなく調整の手間が軽減される。同様に、光源装置２の下流側であって光弾性変調器２０の上流側に上流側１／４波長板２１が配置されているため、光学系３０Ｅの調整時に、光源装置２を移動させる必要がなく調整の手間が軽減される。
【００８３】
［第６実施形態］
図２０は第６実施形態に係る屈折率測定装置を示す概略構成図、図２１は第６実施形態における光弾性変調器による変換後の偏光状態の時間変化を示す図である。第６実施形態に係る屈折率測定装置１Ｆが第１実施形態に係る屈折率測定装置１Ａと相違する点は、構成の異なる光学系３０Ｆを備えている点である。
【００８４】
すなわち、光学系３０Ｆは、図２０に示されるように、光弾性変調器２０を備えている。光源装置２から出射された測定光Ｌは、光弾性変調器２０の光弾性変調素子１８を通過してフォトダイオード３へ入射する。
【００８５】
図２１に示されるように、屈折率測定装置１Ｆでは、光源装置２から出射された測定光Ｌは、光弾性変調器２０の進相軸及び遅相軸に対してそれぞれ４５度ずれた向きの直線偏光である。当該測定光Ｌは、光弾性変調器２０を通過する際に周期的に向きが変化する直線偏光に変換される。具体的には、光弾性変調器２０の最大リタデーションはλ／２に設定されている。測定光Ｌは、光弾性変調器２０のリタデーションがそれぞれ０、又は±λ／２のときに、光弾性変調器２０の進相軸及び遅相軸に対してそれぞれ±４５度ずれた向きの直線偏光となる。
【００８６】
以上により、光源装置２から出射された測定光Ｌは、光学系３０Ｆを通過することで２つの直交する向きの直線偏光となる状態を、交流電源１９における電圧変動の周波数の２倍に連動して繰り返すように変換されることとなる。このとき、光学系３０Ｆを通過した測定光Ｌの直線偏光の２つの直交する向きは、フォトダイオード３の回折格子部６における複数の溝部６ａの２つの直交する配列方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に対応するように調整される。電気信号は、光弾性変調器２０のリタデーションが０及び±λ／２となる状態でサンプリングする必要がある。
【００８７】
このような構成とすることで、第６実施形態に係る屈折率測定装置１Ｆには以下のような利点がある。すなわち、光弾性変調器２０のみで直線偏光の向きを調整可能であるため、光学系３０Ｆの構成を簡素化することができる。
【００８８】
なお、本発明に係る屈折率測定装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、フォトダイオード３に半導体のシリコン基板７を用いているが、金属から成る基板を用いてもよい。
【００８９】
また、回折格子部６に形成された複数の溝部６ａは、ゲート絶縁層１３の表面まで貫通していなくてもよく、またゲート絶縁層１３の内部まで掘り込まれていてもよい。
【００９０】
また、複数の溝部６ａは、２次元的に形成されていれば、あらゆる形状を採用できる。すなわち、複数の溝部６ａは、必ずしも２次元格子状に形成されていなくてもよく、また必ずしも２次元的に形成された前記溝部の２つの配列方向が互いに直交していなくてもよい。例えば、複数の溝部６ａの配列は、長方格子状、六方格子状、斜方格子状、面心長方格子状、又は三角格子状等であってもよい。
【００９１】
ここで、屈折率測定装置は、ロックイン検出した電気信号に基づき屈折率を算出する屈折率算出部を更に備えてもよい。この場合、上記作用効果を好適に実現することができる。
【００９２】
また、回折格子部は、溝部が２次元格子状に形成され、所定の光源の波長及び所定の基準屈折率に対して２つの直交する向きの直線偏光の光に対する電気信号が等しくなるように、溝部の周期、及び、光の回折格子部に対する入射角度が設定され、信号検出部は、光が２次元格子状に形成された溝部の２つの直交する配列方向に沿った向きの直線偏光となる時刻において、電気信号をロックイン検出してもよい。この場合、基準屈折率においてロックイン検出された出力がゼロとなるため、ロックイン検出の増幅率を高めることができる。よって、基準屈折率からの屈折率変化に対応した電気信号の強度が増大し、屈折率の測定精度を向上できる。
【００９３】
また、光学系は、光源と光弾性変調器との間、及び、光弾性変調器とフォトダイオードとの間の少なくとも一方に１／４波長板を備えてもよい。この場合、１／４波長板と光弾性変調器との組み合わせを変更することで、光学系の多様な構成に対応できる。
【００９４】
また、屈折率測定装置は、信号検出部の前段に、電気信号を対数変換する対数変換回路を更に備えてもよい。それぞれ対数変換された各電気信号の差を評価することは、各電気信号の比を対数変換したものを評価することに相当する。このため、上記構成を採用した場合、光源からの光の強度の変動に影響を受け難い。従って、対数変換された各電気信号の差を評価することにより屈折率の測定精度を向上できる。
【００９５】
また、回折格子部は、２次元的に形成された溝部の２つの配列方向が互いに直交し、信号検出部の前段に、配列方向に沿った向きの直線偏光となる各時刻における電気信号をサンプル／ホールドするサンプル／ホールド回路を更に備えてもよい。この場合、光弾性変調器によって光の偏光状態が変調される際の過渡期間において生じる電気信号の変動を除去できるため、屈折率の測定精度を向上できる。
【符号の説明】
【００９６】
１Ａ〜１Ｆ…屈折率測定装置、２…光源装置（光源）、３…フォトダイオード、６…回折格子部、６ａ…溝部、７…シリコン基板（基板）、８…埋め込み絶縁層、９，１１，１２…半導体層、１３…ゲート絶縁層、１６…信号検出部、２０…光弾性変調器、３０Ａ〜３０Ｆ…光学系、Ｌ…測定光（光）。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成28年8月4日(2016.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体又は金属から成る基板、
前記基板上に形成された埋め込み絶縁層、
前記埋め込み絶縁層上の所定領域に沿って並んで形成されたｐ型半導体層及びｎ型半導体層を含む半導体層、
前記半導体層上に形成されたゲート絶縁層、及び、
前記ゲート絶縁層上に配置され、平面状の導電部材に溝部が２次元的に形成された回折格子部、
を有するフォトダイオードと、
所定の波長を有する直線偏光の光を出射する光源と、
光弾性変調器を含み、前記光を、２つの直交する向きの直線偏光となる状態を所定の周波数で繰り返すように変換し、当該変換された光を前記フォトダイオードへ導く光学系と、
前記光が前記光学系を介して前記フォトダイオードへ入射したことに応じて前記フォトダイオードから出力される電気信号を、前記光が２つの直交する向きの直線偏光となる各時刻において前記所定の周波数でロックイン検出する信号検出部と、
を備え、
前記溝部は、第１方向に所定の第１格子ピッチで配列されていると共に、前記第１方向と交差する第２方向に所定の第２格子ピッチで配列されている屈折率測定装置。
【請求項２】
前記ロックイン検出した前記電気信号に基づき屈折率を算出する屈折率算出部を更に備える請求項１に記載の屈折率測定装置。
【請求項３】
前記回折格子部は、前記溝部が２次元格子状に形成され、所定の光源の波長及び所定の基準屈折率に対して前記２つの直交する向きの直線偏光の前記光に対する前記電気信号が等しくなるように、前記溝部の周期、及び、前記光の前記回折格子部に対する入射角度が設定され、
前記信号検出部は、前記光が前記２次元格子状に形成された前記溝部の２つの直交する配列方向に沿った向きの直線偏光となる時刻において、前記電気信号をロックイン検出する請求項１又は２に記載の屈折率測定装置。
【請求項４】
前記光学系は、前記光源と前記光弾性変調器との間、及び、前記光弾性変調器と前記フォトダイオードとの間の少なくとも一方に１／４波長板を備える請求項１〜３の何れか一項に記載の屈折率測定装置。
【請求項５】
前記フォトダイオードの後段に、前記電気信号を対数変換する対数変換回路を更に備える請求項１〜４の何れか一項に記載の屈折率測定装置。
【請求項６】
前記回折格子部は、２次元的に形成された前記溝部の２つの配列方向が互いに直交し、
前記信号検出部の前段に、前記配列方向に沿った向きの直線偏光となる各時刻における前記電気信号をサンプル／ホールドするサンプル／ホールド回路を更に備える請求項１〜５の何れか一項に記載の屈折率測定装置。
【請求項７】
前記第１方向と前記第２方向とは、互いに直交している請求項１〜６の何れか一項に記載の屈折率測定装置。
【請求項８】
前記第１格子ピッチと前記第２格子ピッチとは、互いに等しい請求項１〜７の何れか一項に記載の屈折率測定装置。
【請求項９】
前記溝部は、正方形状の開口を有する請求項１〜８の何れか一項に記載の屈折率測定装置。
【国際調査報告】
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