(57)【要約】【課題】小型で浮遊粒子の検知を行うことができるパーティクルカウンタとして機能する光センサを提供する。【解決手段】光を出射する光源と、表面に溝部が形成されている光学チップ部と、光を検出する光検出器と、を有し、前記光学チップ部には、前記光源より出射された光が伝播する入力導波路が形成されており、前記入力導波路は前記溝部に接続されているものであって、前記光検出器は、前記溝部に微粒子が入り込んでいない状態では、前記光源から出射された光が検出されず、前記溝部に微粒子が入り込んでいる状態では、前記光源から出射された光のうち、前記微粒子において散乱された光が検出される位置に設置されていることを特徴とする光センサにより上記課題を解決する。【選択図】  図１
2016197020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光源と、
表面に溝部が形成されている光学チップ部と、
光を検出する光検出器と、
を有し、
前記光学チップ部には、前記光源より出射された光が伝播する入力導波路が形成されており、前記入力導波路は前記溝部に接続されているものであって、
前記光検出器は、前記溝部に微粒子が入り込んでいない状態では、前記光源から出射された光が検出されず、前記溝部に微粒子が入り込んでいる状態では、前記光源から出射された光のうち、前記微粒子において散乱された光が検出される位置に設置されていることを特徴とする光センサ。
【請求項２】
光を出射する光源と、
表面に溝部が形成されている光学チップ部と、
光を検出する光検出器と、
を有し、
前記光学チップ部には、前記光源より出射された光が伝播する入力導波路が形成されており、前記入力導波路は前記溝部に接続されているものであって、
前記光検出器は、前記溝部に微粒子が入り込んでいない状態では、前記光源から出射された光が検出される位置に設置されていることを特徴とする光センサ。
【請求項３】
前記光学チップ部には、前記溝部における前記微粒子において散乱された光または前記入力導波路より前記溝部内に出射された光が入射する出力導波路が形成されており、
前記光検出器は、前記出力導波路を伝播し出射された光を検出するものであって、
前記入力導波路及び前記出力導波路は半導体により形成されており、
前記溝部において前記入力導波路が露出している部分には、不純物元素がドープされている第１のドーピング領域が形成されており、
前記溝部において前記出力導波路が露出している部分には、不純物元素がドープされている第２のドーピング領域が形成されており、
前記第１のドーピング領域と前記第２のドーピング領域との間に電圧を印加する電源が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の光センサ。
【請求項４】
光を出射する光源と、
表面に溝部が形成されている光学チップ部と、
光を検出する第１の光検出器及び第２の光検出器と、
を有し、
前記光学チップ部には、前記光源より出射された光が伝播する入力導波路が形成されており、前記入力導波路は前記溝部に接続されているものであって、
前記第１の光検出器は、前記溝部に微粒子が入り込んでいない状態では、前記光源から出射された光が検出されず、前記溝部に微粒子が入り込んでいる状態では、前記光源から出射された光のうち、前記微粒子において散乱された光が検出される位置に設置されており、
前記第２の光検出器は、前記溝部に微粒子が入り込んでいない状態では、前記光源から出射された光が検出される位置に設置されていることを特徴とする光センサ。
【請求項５】
前記入力導波路は、シリコンにより形成されており、
前記入力導波路は、酸化シリコンにより覆われており、
前記溝部は、前記酸化シリコンをエッチングにより除去することにより形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光センサ。
【請求項６】
前記光学チップ部において、前記溝部は複数形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光センサ。
【請求項７】
前記複数の溝部は、同じ大きさであることを特徴とする請求項６に記載の光センサ。
【請求項８】
前記複数の溝部は、相互に異なる大きさであることを特徴とする請求項６に記載の光センサ。
【請求項９】
前記複数の溝部は、前記光学チップ部に設けられた導波路により直列に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の光センサ。
【請求項１０】
前記入力導波路は複数に分岐された分岐導波路を有しており、
前記複数の溝部には、各々に対応する前記分岐導波路が接続されており、
前記光源より前記入力導波路に入射した光は、前記分岐導波路に分岐され、前記複数の溝部の各々に出射されることを特徴とする請求項７または８に記載の光センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気中を浮遊するＰＭ（particulate matter）２．５やインフルエンザウイルス等の微粒子（浮遊粒子）を検知することが望まれている。大気中の浮遊粒子を検知する方法としては、例えば、浮遊粒子にレーザ光を照射して散乱光を検出することにより、浮遊粒子の大きさや数を計測するパーティクルカウンタが開示されている（例えば、特許文献１）。このようなパーティクルカウンタでは、検出セル、検出セルに接続される噴射ノズル、吸引ノズルを備えており、吸引ノズルはエアポンプに接続されている。このパーティクルカウンタでは、エアポンプを動作させて、吸引ノズルを介し検出セル内の圧力を低下させることにより、噴射ノズルより検出セル内にサンプルエアが供給される。また、このパーティクルカウンタには、検出セル内に供給されたサンプルエアの流れに対し直交する方向が光軸となるように設置されたレーザ光源が設けられている。これにより、レーザ光源から出射されたレーザ光は、サンプルエアに含まれる浮遊粒子に照射され、浮遊粒子からの散乱光を受光素子等によって検出することにより、浮遊粒子の有無等を検出することができる。
【０００３】
このようなパーティクルカウンタは、半導体用クリーンルームや医薬品製造現場における空気清浄度の測定に広く用いられており、最小可測粒径は、０．１μｍ程度であるため、ＰＭ２．５やインフルエンザウイルス等の微粒子も検知することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１４００６０号公報
【特許文献２】特開２００８−２３１５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、引用文献１等に記載されているパーティクルカウンタでは、吸引ノズルや噴射ノズルが設けられた検出セルやエアポンプを備えているため、装置が大型化する傾向にある。このため、小型で浮遊粒子の検知を行うことができるパーティクルカウンタとして機能する光センサが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施の形態の一観点によれば、光を出射する光源と、表面に溝部が形成されている光学チップ部と、光を検出する光検出器と、を有し、前記光学チップ部には、前記光源より出射された光が伝播する入力導波路が形成されており、前記入力導波路は前記溝部に接続されているものであって、前記光検出器は、前記溝部に微粒子が入り込んでいない状態では、前記光源から出射された光が検出されず、前記溝部に微粒子が入り込んでいる状態では、前記光源から出射された光のうち、前記微粒子において散乱された光が検出される位置に設置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
開示の光センサによれば、小型な装置で浮遊粒子の検知を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施の形態における光センサの構造図
【図２】第１の実施の形態における光センサの製造方法の工程図（１）
【図３】第１の実施の形態における光センサの製造方法の工程図（２）
【図４】第１の実施の形態における光センサの製造方法の工程図（３）
【図５】第１の実施の形態における光センサの製造方法の工程図（４）
【図６】第１の実施の形態における光センサの製造方法の工程図（５）
【図７】第１の実施の形態における光センサの製造方法の工程図（６）
【図８】第１の実施の形態における光センサの製造方法の工程図（７）
【図９】第２の実施の形態における光センサの構造図
【図１０】第３の実施の形態における光センサの構造図（１）
【図１１】第３の実施の形態における光センサの構造図（２）
【図１２】第４の実施の形態における光センサの構造図（１）
【図１３】第４の実施の形態における光センサの構造図（２）
【図１４】第５の実施の形態における光センサの構造図
【図１５】第６の実施の形態における光センサの構造図
【図１６】第７の実施の形態における光センサの構造図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００１０】
〔第１の実施の形態〕
（光センサ）
第１の実施の形態における光センサについて図１に基づき説明する。図１（ａ）は、本実施の形態における光センサの上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）において一点鎖線１Ａ−１Ｂにおいて切断した断面図である。
【００１１】
本実施の形態における光センサは、光学チップ部１０、光源３０、光検出器４０等を有している。光学チップ部１０は、基板１１の上に、下部クラッド層１２が形成されており、下部クラッド層１２の上には、入力導波路１３及び入力導波路１３に接続されるグレーティングカプラ１４が形成されている。入力導波路１３及びグレーティングカプラ１４は、上部クラッド層１５により覆われている。基板１１は、Ｓｉ（シリコン）により形成されており、下部クラッド層１２は、膜厚が１μｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）により形成されており、上部クラッド層１５は、膜厚が１μｍのＳｉＯ２により形成されている。入力導波路１３及びグレーティングカプラ１４は、シリコンにより形成されている。形成されている入力導波路１３は、厚さが２２０ｎｍ、幅が５００ｎｍであり、グレーティングカプラ１４は、光源３０からの光を低損失で入力導波路１３に伝播させることができるように形成されている。
【００１２】
光学チップ部１０には、下部クラッド層１２及び上部クラッド層１５の一部を除去することにより溝部２０が形成されている。溝部２０は、入力導波路１３と接続されており、入力導波路１３を伝播した光は、溝部２０内に出射される。溝部２０は、検知される浮遊粒子の大きさに対応した大きさで形成されており、本実施の形態においては、一辺が３μｍの略正方形の形状で形成されている。尚、本願においては、浮遊粒子を微粒子と記載する場合がある。
【００１３】
光源３０は、波長が１５５０ｎｍの光を出射する半導体レーザにより形成されている。光検出器４０は、溝部２０に入った浮遊粒子からの散乱光を検出するためのものであり、溝部２０に入った浮遊粒子からの散乱光を集光する不図示のレンズ系、分光機能を有するグレーティング部、光を受光する受光素子等を有している。
【００１４】
本実施の形態における光センサにおいては、光源３０より出射されたレーザ光が、光学チップ部１０におけるグレーティングカプラ１４を介し入力導波路１３に入射し、入力導波路１３内を伝播した後、溝部２０内に出射される。溝部２０内に浮遊粒子が入り込んでいない場合には、溝部２０内に入射した光は、溝部２０内において散乱されることはなく直進するため、光検出器４０により検出されることはない。これに対し、溝部２０内に、例えば、粒径が２．５μｍの浮遊粒子が入り込んでいる場合には、溝部２０内に入射した光は、溝部２０内に入り込んでいる浮遊粒子に照射され、浮遊粒子において散乱され、散乱された光が光検出器４０に入射し検出される。よって、光検出器４０において光が検出されることにより浮遊粒子が検知される。また、溝部２０の大きさよりも粒径の大きな浮遊粒子は、溝部２０の内部に入り込むことができないため、散乱光が生じることはなく、光検出器４０において光が検出されることはない。例えば、溝部２０が一辺が３μｍの略正方形の形状で形成されている場合には、粒径が５μｍの浮遊粒子は、溝部２０の内部に入り込むことができないため、散乱光が生じることはなく、光検出器４０において光は検出されない。
【００１５】
従って、本実施の形態における光センサにおいては、溝部２０に入り込むことのできる溝部２０の大きさよりも小さな浮遊粒子のみを検知することができる。
【００１６】
（光センサの製造方法）
次に、本実施の形態における光センサの製造方法について、図２から図８に基づき説明する。
【００１７】
最初に、図２に示されるように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１６のシリコン層１３ａの上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１７を成膜する。ＳＯＩ基板１６は、シリコンにより形成された基板１１の上に、下部クラッド層１２となるＢＯＸ層と呼ばれる膜厚が１μｍの酸化シリコン層、ＳＯＩ層と呼ばれる膜厚が２２０ｎｍのシリコン層１３ａが順次積層されている構造のものである。酸化シリコン膜１７は、原料ガスとして、ＳｉＨ４（２０％）／Ｈｅ及びＮ２Ｏを用いたＣＶＤ（chemical vapor deposition）による成膜により形成する。尚、図２（ａ）は、この工程における上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）における一点鎖線２Ａ−２Ｂにおいて切断した断面図である。
【００１８】
次に、図３に示されるように、酸化シリコン膜１７の上に、レジストパターン１８を形成し、レジストパターン１８が形成されていない領域の酸化シリコン膜１７を除去することにより、酸化シリコンによるハードマスクパターン１７ｐを形成する。具体的には、酸化シリコン膜１７の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、レジストパターン１８を形成する。この後、エッチングガスとしてＣＦ４を用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により、レジストパターン１８が形成されていない領域の酸化シリコン膜１７を除去することによりハードマスクパターン１７ｐを形成する。形成されるレジストパターン１８及びハードマスクパターン１７ｐの形状は、シリコン層１３ａを加工することにより形成される入力導波路１３及びグレーティングカプラ１４における凹凸パターンの形状に対応して形成される。尚、図３（ａ）は、この工程における上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）における一点鎖線３Ａ−３Ｂにおいて切断した断面図である。
【００１９】
次に、図４に示されるように、有機溶剤等を用いてレジストパターン１８を除去した後、エッチングガスとしてＨＢｒを用いたＲＩＥにより、ハードマスクパターン１７ｐが形成されていない領域のシリコン層１３ａの一部を除去する。これにより、グレーティングカプラ１４の凹凸パターンが形成される。このエッチングにおいて除去されるシリコン層１３ａの厚さは、例えば、５０ｎｍである。尚、図４（ａ）は、この工程における上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における一点鎖線４Ａ−４Ｂにおいて切断した断面図である。
【００２０】
次に、図５に示されるように、グレーティングカプラ１４を保護するためのレジストパターン１９を形成した後、ハードマスクパターン１７ｐが形成されていない領域のシリコン層１３ａを完全に除去し、下部クラッド層１２となるＢＯＸ層の表面を露出させる。具体的には、ハードマスクパターン１７ｐ及びシリコン層１３ａの上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、グレーティングカプラ１４の凹凸パターンを保護するためのレジストパターン１９を形成する。この後、エッチングガスとしてＨＢｒを用いたＲＩＥにより、レジストパターン１９及びハードマスクパターン１７ｐが形成されていない領域のシリコン層１３ａを完全に除去し、下部クラッド層１２となるＢＯＸ層の表面を露出させる。これにより、残存しているシリコン層１３ａにより、グレーティングカプラ１４及び入力導波路１３が形成される。本実施の形態においては、このようにシリコン層１３ａを分割してエッチングすることにより、即ち、途中までエッチングすることによりグレーティングカプラ１４の凹凸パターンを形成し、完全にエッチングすることにより入力導波路１３を形成することができる。尚、図５（ａ）は、この工程における上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）における一点鎖線５Ａ−５Ｂにおいて切断した断面図である。
【００２１】
次に、図６に示されるように、有機溶剤等を用いてレジストパターン１９を除去し、更に、ハードマスクパターン１７ｐを除去した後、下部クラッド層１２、グレーティングカプラ１４及び入力導波路１３の上に、上部クラッド層１５を形成する。上部クラッド層１５は、原料ガスとして、ＳｉＨ４（２０％）／Ｈｅ及びＮ２Ｏを用いたＣＶＤによる成膜により、１μｍの酸化シリコン膜を成膜することにより形成する。尚、図６（ａ）は、この工程における上面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）における一点鎖線６Ａ−６Ｂにおいて切断した断面図である。
【００２２】
次に、図７に示されるように、上部クラッド層１５及び下部クラッド層１２の一部を除去することにより、溝部２０を形成する。具体的には、上部クラッド層１５の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、溝部２０が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、エッチングガスとしてＣＦ４を用いたＲＩＥにより、レジストパターンが形成されていない領域の上部クラッド層１５及び下部クラッド層１２を除去することにより、溝部２０を形成する。この後、不図示のレジストパターンは有機溶剤等を用いて除去する。これにより、本実施の形態における光センサの光学チップ部１０が作製される。尚、図７（ａ）は、この工程における上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）における一点鎖線７Ａ−７Ｂにおいて切断した断面図である。
【００２３】
次に、図８に示されるように、作製された光学チップ部１０において光が入射するグレーティングカプラ１４の光軸に光が入射するように光源３０を設置する。また、溝部２０に浮遊粒子が入り込んだ状態においては散乱光を検出することができ、溝部２０に浮遊粒子が入り込んでいない状態においては光源３０から出射された光が検出されない位置に光検出器４０を設置する。これにより、本実施の形態における光センサを作製することができる。尚、図８（ａ）は、この工程における上面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）における一点鎖線８Ａ−８Ｂにおいて切断した断面図である。
【００２４】
尚、上記における光センサは、各々の膜厚や幅などの各種パラメータは適宜変更してもよい。例えば、検知する対象となる浮遊粒子の大きさに対応して、溝部２０の幅や深さ、酸化シリコンにより形成される上部クラッド層１５及び下部クラッド層１２の膜厚を変更してもよい。
【００２５】
また、本実施の形態では、入力導波路１３がシリコンにより形成される場合について説明したが、これに限定されるものではなく、入力導波路１３は、窒化物半導体、リン化合物半導体、ヒ素化合物半導体等の化合物半導体により形成してもよい。この際、使用する基板や膜の構造、エッチング条件等は各々の材料に対応して最適なものが用いられる。
【００２６】
また、本実施の形態では、光源３０や光検出器４０を光学チップ部１０とは、別に設けた場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、光学チップ部１０の上に、光源３０となる半導体レーザをフリップチップ実装することにより、光源３０の光軸調整を不要にすることができるとともに、グレーティングカプラ１４の作製も不要にすることができる。
【００２７】
また、入力導波路１３等を窒化物半導体、リン化合物半導体、ヒ素化合物半導体等の化合物半導体により形成した場合には、光源３０を同一の基板上に形成することができるため、光センサをより小型で簡便なものにすることができる。
【００２８】
また、本実施の形態においては、浮遊粒子からの散乱光により、浮遊粒子の検知を行う場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、透過光の測定、即ち、浮遊粒子により光が遮られることにより浮遊粒子の検知を行ってもよく、また、散乱光と透過光の双方を測定することにより浮遊粒子の検知を行ってもよい。また、本実施の形態においては、光源３０からの光を入力導波路１３に低損失に入力させるためにグレーティングカプラ１４を用いた場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、セカンドコア型のスポットサイズ変換器を用いて端面から光結合させてもよい。
【００２９】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態における光センサについて説明する。本実施の形態における光センサは、図９に示されるように、光学チップ部１１０には、光検出器４０に光を導く光導波路が形成されている。
【００３０】
具体的には、光学チップ部１１０は、基板１１の上に形成された下部クラッド層１２の上に、入力導波路１３、グレーティングカプラ１４の他、出力導波路１５３、グレーティングカプラ１５４が形成されている。グレーティングカプラ１４は、入力導波路１３に接続されており、光源３０からの光を低損失で入力導波路１３に伝播させることができるように形成されている。グレーティングカプラ１５４は、出力導波路１５３に接続されており、出力導波路１５３を伝播している光を低損失で光検出器４０に入射させることができるように形成されている。下部クラッド層１２の上に形成された入力導波路１３、グレーティングカプラ１４、出力導波路１５３、グレーティングカプラ１５４は、上部クラッド層１５により覆われている。尚、本実施の形態においては、出力導波路１５３は、入力導波路１３から出射された光が、直接、出力導波路１５３に入射しないような位置に形成されている。
【００３１】
本実施の形態においては、光源３０から出射された光は、グレーティングカプラ１４を介し、入力導波路１３に入射し、入力導波路１３内を伝播し、溝部２０内に出射される。溝部２０内に浮遊粒子が入り込んでいる場合には、溝部２０内に出射された光は、浮遊粒子に照射される。浮遊粒子に照射された光は、浮遊粒子において散乱され、散乱された光が出力導波路１５３に入射し、出力導波路１５３内を伝播し、グレーティングカプラ１５４を介し、光検出器４０に入射し、光検出器４０において検出される。これに対し、溝部２０内に浮遊粒子が入り込んでいない場合には、溝部２０内に出射された光は、そのまま直進するため、出力導波路１５３に光が入射することはなく、光検出器４０において光が検出されることはない。
【００３２】
本実施の形態においては、出力導波路１５３を形成することにより、光検出器４０が設置される位置の自由度を高めることができ、光センサを小型化にすることや所望の形状にすることが可能となる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００３３】
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態における光センサについて説明する。本実施の形態における光センサは、図１０に示されるように、光学チップ部２１０には、大きさの異なる複数の溝部、即ち、第１の溝部２２１、第２の溝部２２２、第３の溝部２２３が形成されている。具体的には、第１の溝部２２１は一辺が２μｍの略正方形の形状で形成されており、第２の溝部２２２は一辺が３μｍの略正方形の形状で形成されており、第３の溝部２２３は一辺が４μｍの略正方形の形状で形成されている。更に、第１の溝部２２１に対応する第１の光源２３１及び第１の光検出器２４１、第２の溝部２２２に対応する第２の光源２３２及び第２の光検出器２４２、第３の溝部２２３に対応する第３の光源２３３及び第３の光検出器２４３が設けられている。
【００３４】
第１の溝部２２１は、第１の入力導波路２１３ａと接続されており、第１の光源２３１から出射された光は、グレーティングカプラ２１４ａを介し、第１の入力導波路２１３ａに入射し、第１の入力導波路２１３ａ内を伝播し、第１の溝部２２１内に出射される。第１の溝部２２１内に浮遊粒子が入り込んでいる場合には、第１の溝部２２１内に出射された光は、浮遊粒子に照射され、浮遊粒子において散乱された光は、第１の光検出器２４１に入射し検出される。これに対し、第１の溝部２２１内に浮遊粒子が入り込んでいない場合には、第１の溝部２２１内に出射された光は、そのまま直進するため、第１の光検出器２４１に入射することはないため、光は検出されない。
【００３５】
第２の溝部２２２は、第２の入力導波路２１３ｂと接続されており、第２の光源２３２から出射された光は、グレーティングカプラ２１４ｂを介し、第２の入力導波路２１３ｂに入射し、第２の入力導波路２１３ｂ内を伝播し、第２の溝部２２２内に出射される。第２の溝部２２２内に浮遊粒子が入り込んでいる場合には、第２の溝部２２２内に出射された光は、浮遊粒子に照射され、浮遊粒子において散乱された光が、第２の光検出器２４２に入射し検出される。これに対し、第２の溝部２２２内に浮遊粒子が入り込んでいない場合には、第２の溝部２２２内に出射された光は、そのまま直進するため、第２の光検出器２４２に入射することはないため、光は検出されない。
【００３６】
第３の溝部２２３は、第３の入力導波路２１３ｃと接続されており、第３の光源２３３から出射された光は、グレーティングカプラ２１４ｃを介し、第３の入力導波路２１３ｃに入射し、第３の入力導波路２１３ｃ内を伝播し、第３の溝部２２３内に出射される。第３の溝部２２３内に浮遊粒子が入り込んでいる場合には、第３の溝部２２３内に出射された光は、浮遊粒子に照射され、浮遊粒子において散乱された光が、第３の光検出器２４３に入射し検出される。これに対し、第３の溝部２２３内に浮遊粒子が入り込んでいない場合には、第３の溝部２２３内に出射された光は、そのまま直進するため、第３の光検出器２４３に入射することがなく、光は検出されない。
【００３７】
本実施の形態における光センサでは、例えば、直径が２．５μｍの浮遊粒子の場合、第２の溝部２２２及び第３の溝部２２３には入り込むことはできるが、第１の溝部２２１には入り込むことはできない。また、直径が３．５μｍの浮遊粒子の場合、第３の溝部２２３には入り込むことはできるが、第１の溝部２２１及び第２の溝部２２２には入り込むことはできない。従って、本実施の形態における光センサでは、第１の溝部２２１、第２の溝部２２２、第３の溝部２２３のうちのどれに浮遊粒子が入り込んでいるかを特定することにより、浮遊粒子の大きさを特定することができる。
【００３８】
また、本実施の形態における光センサは、図１１に示されるように、複数の光源を一つの光源２３０により形成してもよい。具体的には、光源２３０から出射された光は、グレーティングカプラ２１４を介し、入射導波路２１３に入射し、入射導波路２１３内を伝播する。入射導波路２１３は、３つの分岐導波路２１３ｄ、２１３ｅ、２１３ｆに分岐しており、入射導波路２１３内を伝播している光は、３つの分岐導波路２１３ｄ、２１３ｅ、２１３ｆにおいて分岐されて各々伝播する。
【００３９】
図１１に示される光センサにおいては、第１の溝部２２１は、分岐導波路２１３ｄと接続されており、分岐導波路２１３ｄ内を伝播している光は、第１の溝部２２１内に出射される。第２の溝部２２２は、分岐導波路２１３ｅと接続されており、分岐導波路２１３ｅ内を伝播している光は、第２の溝部２２２内に出射される。第３の溝部２２３は、分岐導波路２１３ｆと接続されており、分岐導波路２１３ｆ内を伝播している光は、第３の溝部２２３内に出射される。他は、図１０に示される光センサと同様である。
【００４０】
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。また、本実施の形態は、他の実施の形態と組み合わせてもよい。
【００４１】
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態における光センサについて説明する。本実施の形態における光センサは、図１２に示されるように、光学チップ部３１０には、同じ大きさの溝部が複数形成されており、各々の溝部は光導波路により直列に接続されている構造のものである。本実施の形態においては、例えば、一辺が３μｍの略正方形の形状の第１の溝部２０ａ、第２の溝部２０ｂ、第３の溝部２０ｃが形成されており、第１の溝部２０ａと第２の溝部２０ｂ、第２の溝部２０ｂと第３の溝部２０ｃとは各々光導波路により接続されている。
【００４２】
具体的には、第１の溝部２０ａは、入力導波路１３と接続されており、光源３０から出射された光は、グレーティングカプラ１４を介し、入力導波路１３に入射し、入力導波路１３内を伝播し、第１の溝部２０ａ内に出射される。第１の溝部２０ａと第２の溝部２０ｂとの間には、接続導波路３１３ａが設けられており、入力導波路１３から第１の溝部２０ａに出射された光が直進して、接続導波路３１３ａに入射するように形成されている。第２の溝部２０ｂと第３の溝部２０ｃとの間には、接続導波路３１３ｂが設けられており、接続導波路３１３ａから第２の溝部２０ｂ内に出射された光が直進して、接続導波路３１３ｂに入射するように形成されている。第３の溝部２０ｃは、グレーティングカプラ１５４と接続されている出力導波路１５３が接続されている。接続導波路３１３ｂから第３の溝部２０ｃ内に出射された光は、直進して出力導波路１５３に入射し、出力導波路１５３内を伝播し、グレーティングカプラ１５４を介し、光検出器４０に入射する。
【００４３】
本実施の形態における光センサは、第１の溝部２０ａ、第２の溝部２０ｂ、第３の溝部２０ｃのいずれにも浮遊粒子が入り込んでいない場合には、光源３０から出射された光は、光検出器４０に入射する。即ち、光源３０から出射された光は、入力導波路１３、第１の溝部２０ａ、接続導波路３１３ａ、第２の溝部２０ｂ、接続導波路３１３ｂ、第３の溝部２０ｃ、出力導波路１５３を介し、光検出器４０に入射する。これに対し、第１の溝部２０ａ、第２の溝部２０ｂ、第３の溝部２０ｃのうちのいずれかに浮遊粒子が入り込んでいる場合には、浮遊粒子により光が遮られるため、光源３０から出射された光は、光検出器４０に入射することはない。よって、光検出器４０において検出されていた光が検出されなくなることにより、浮遊粒子を検知することができる。
【００４４】
本実施の形態においては、溝部が複数設けられているため、大気中等に浮遊粒子が微量に存在している場合においても、浮遊粒子を検知することができる。また、本実施の形態における光センサは、図１３に示されるように、接続導波路３１３ａ及び３１３ｂは、光路が曲げられた構造の光導波路により形成してもよい。これにより、光センサの大きさを小型にすることができる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００４５】
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態における光センサについて説明する。本実施の形態における光センサは、図１４に示されるように、光学チップ部４１０には、同じ大きさの溝部が複数形成されており、各々の溝部は光導波路により並列に接続されている構造のものである。即ち、本実施の形態における光センサは、例えば、一辺が３μｍの略正方形の形状の第１の溝部２０ａ、第２の溝部２０ｂ、第３の溝部２０ｃが形成されており、第１の溝部２０ａ、第２の溝部２０ｂ、第３の溝部２０ｃが光導波路により並列に接続されている。
【００４６】
本実施の形態における光センサにおいては、３つに分岐している入力導波路４１３と出力導波路４５３が設けられている。入力導波路４１３は、３つの分岐導波路４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃに分岐しており、出力導波路４５３は、３つの分岐導波路４５３ａ、４５３ｂ、４５３ｃが合流している。
【００４７】
第１の溝部２０ａには、入力導波路４１３の分岐導波路４１３ａと出力導波路４５３の分岐導波路４５３ａが接続されている。第２の溝部２０ｂには、入力導波路４１３の分岐導波路４１３ｂと出力導波路４５３の分岐導波路４５３ｂが接続されている。第３の溝部２０ｃには、入力導波路４１３の分岐導波路４１３ｃと出力導波路４５３の分岐導波路４５３ｃが接続されている。
【００４８】
光源３０から出射された光は、グレーティングカプラ１４を介し、入力導波路４１３に入射し、入力導波路４１３において分岐している３つの分岐導波路４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃに分岐されて各々伝播する。
【００４９】
分岐導波路４１３ａを伝播している光は、第１の溝部２０ａ内に出射され、第１の溝部２０ａ内に浮遊粒子が入り込んでいない場合には、第１の溝部２０ａを介し、出力導波路４５３の分岐導波路４５３ａに入射する。これに対し、第１の溝部２０ａ内に浮遊粒子が入り込んでいる場合には、第１の溝部２０ａ内に出射された光は、浮遊粒子により遮蔽されるため、出力導波路４５３の分岐導波路４５３ａに入射することはない。
【００５０】
分岐導波路４１３ｂを伝播している光は、第２の溝部２０ｂ内に出射され、第２の溝部２０ｂ内に浮遊粒子が入り込んでいない場合には、第２の溝部２０ｂを介し、出力導波路４５３の分岐導波路４５３ｂに入射する。これに対し、第２の溝部２０ｂ内に浮遊粒子が入り込んでいる場合には、第２の溝部２０ｂ内に出射された光は、浮遊粒子により遮蔽されるため、出力導波路４５３の分岐導波路４５３ｂに入射することはない。
【００５１】
分岐導波路４１３ｃを伝播している光は、第３の溝部２０ｃ内に出射され、第３の溝部２０ｃ内に浮遊粒子が入り込んでいない場合には、第３の溝部２０ｃを介し、出力導波路４５３の分岐導波路４５３ｃに入射する。これに対し、第３の溝部２０ｃ内に浮遊粒子が入り込んでいる場合には、第３の溝部２０ｃ内に出射された光は、浮遊粒子により遮蔽されるため、出力導波路４５３の分岐導波路４５３ｃに入射することはない。
【００５２】
この後、分岐導波路４５３ａ、４５３ｂ、４５３ｃに入射した光は、分岐導波路４５３ａ、４５３ｂ、４５３ｃ内を伝播し、出力導波路４５３内において合流し、グレーティングカプラ１５４を介し、光検出器４０に入射する。従って、本実施の形態においては、光検出器４０により検出される光の光量は、複数の溝部に入り込んでいる浮遊粒子の割合に応じて変化する。
【００５３】
即ち、第１の溝部２０ａ、第２の溝部２０ｂ、第３の溝部２０ｃのうちのいずれにも浮遊粒子が入り込んでいない場合には、分岐している３つの分岐導波路４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃ内を伝播している光が合流し、光検出器４０に入射する。この場合、光検出器４０においては、最も強い光量の光が検出される。
【００５４】
また、第１の溝部２０ａ、第２の溝部２０ｂ、第３の溝部２０ｃのうちの１つに浮遊粒子が入り込んでいる場合には、分岐している３つの分岐導波路４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃのうちの２つの分岐導波路内を伝播している光が合流し、光検出器４０に入射する。この場合、光検出器４０においては、２番目に強い光量の光が検出される。
【００５５】
また、第１の溝部２０ａ、第２の溝部２０ｂ、第３の溝部２０ｃのうちの２つに浮遊粒子が入り込んでいる場合には、分岐している３つの分岐導波路４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃのうちの１つの分岐導波路内を伝播している光が、光検出器４０に入射する。この場合、光検出器４０においては、３番目に強い光量の光が検出される。
【００５６】
また、第１の溝部２０ａ、第２の溝部２０ｂ、第３の溝部２０ｃのすべてに浮遊粒子が入り込んでいる場合には、分岐している３つの分岐導波路４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃ内を光は伝播しないため、光検出器４０により光が検出されることはない。
【００５７】
以上のように、本実施の形態においては、光検出器４０において検出される光の光量により、溝部に入り込んでいる浮遊粒子の数を特定することができる。大気中に浮遊している浮遊粒子の濃度と、溝部に入り込んでいる浮遊粒子の数とは、相関関係があるものと考えられるため、光検出器４０において検出された光の光量により、大気中における浮遊粒子の濃度を推測することができる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００５８】
〔第６の実施の形態〕
次に、第６の実施の形態における光センサについて説明する。本実施の形態における光センサは、図１５に示されるように、２つの光検出器が設けられており、更には、光学チップ部５１０には、各々の光検出器に光を導く光導波路が形成されている。
【００５９】
具体的には、本実施の形態における光学チップ部５１０は、第２の実施の形態における光学チップ部１１０に、溝部２０に接続される第２の出力導波路となる出力導波路５５３と、出力導波路５５３に接続されるグレーティングカプラ５５４が設けられている。尚、本実施の形態においては、出力導波路１５３が第１の出力導波路となるものである。また、第２の出力導波路となる出力導波路５５３及びグレーティングカプラ５５４は、出力導波路１５３及びグレーティングカプラ１５４と同様の工程で形成されている。
【００６０】
本実施の形態においては、第２の出力導波路となる出力導波路５５３は、入力導波路１３から出射された光が、直接、出力導波路５５３に入射する位置に形成されている。
【００６１】
これにより、溝部２０に浮遊粒子が入り込んでいる場合には、入力導波路１３から溝部２０内に出射された光は、浮遊粒子により遮られるとともに散乱される。よって、第１の出力導波路となる出力導波路１５３には散乱された光が入射するが、第２の出力導波路となる出力導波路５５３には光は入射しない。このため、第１の光検出器となる光検出器４０においては、光は検出されるが、第２の光検出器となる光検出器５４０では、光は検出されない。
【００６２】
これに対し、溝部２０に浮遊粒子が入り込んでいない場合には、入力導波路１３から溝部２０内に出射された光は、浮遊粒子により遮られることなく直進し、散乱されることはない。よって、第１の出力導波路となる出力導波路１５３には光は入射しないが、第２の出力導波路となる出力導波路５５３には光は入射する。このため、第１の光検出器となる光検出器４０においては、光は検出されないが、第２の光検出器となる光検出器５４０では、光は検出される。
【００６３】
このように、本実施の形態における光センサにおいては、第１の検出器と第２の検出器によりダブルチェックがなされるため、溝部２０に浮遊粒子が入り込んでいるか否かの判断をより確実に行うことができる。尚、上記以外の内容については、第２の実施の形態と同様である。
【００６４】
〔第７の実施の形態〕
次に、第７の実施の形態における光センサについて説明する。本実施の形態における光センサは、図１６に示されるように、光センサの光学チップ部６１０において、溝部２０の両側にはシリコンに不純物元素がドープされたドーピング領域が形成されており、ドーピング領域の各々には電極端子が接続されている。
【００６５】
具体的には、光学チップ部６１０には、入力導波路１３において溝部２０に露出している部分に第１のドーピング領域６６１が形成されており、出力導波路１５３において溝部２０に露出している部分に第２のドーピング領域６６２が形成されている。第１のドーピング領域６６１は電極端子６６３に接続されており、第２のドーピング領域６６２は電極端子６６４に接続されており、電極端子６６３と電極端子６６４との間には、電源６７１と電流計６７２が接続されている。これにより、第１のドーピング領域６６１と第２のドーピング領域６６２との間に、電圧を印加することができる。
【００６６】
溝部２０の大きさと同じ大きさの浮遊粒子が溝部２０に入り込んだ場合、浮遊粒子は、溝部２０において露出している第１のドーピング領域６６１及び第２のドーピング領域６６２と接触する。これにより、浮遊粒子を介し電極端子６６３と電極端子６６４との間に電流が流れるため、電流計６７２において電流が検出され、溝部２０内に浮遊粒子が入り込んでいることを検知することができる。
【００６７】
また、浮遊粒子が導電性を有するか否かに関わらず、溝部２０内に浮遊粒子が入り込むことにより、第１のドーピング領域６６１と第２のドーピング領域６６２との間の容量が変化するため、容量が変化する際に電流計６７２に電流が流れる。これにより、溝部２０内に浮遊粒子が入り込んでいることを検知することも可能である。この場合、溝部２０に入り込んでいる浮遊粒子は、第１のドーピング領域６６１及び第２のドーピング領域６６２に接触していなくともよい。
【００６８】
本実施の形態においては、溝部２０に入り込んでいる浮遊粒子が光学的に検知されるとともに、電気的にも検知されるため、ダブルチェックがなされ、溝部２０に浮遊粒子が入り込んでいるか否かの判断がより確実となる。尚、上記以外の内容については、第２の実施の形態と同様である。
【００６９】
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００７０】
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
光を出射する光源と、
表面に溝部が形成されている光学チップ部と、
光を検出する光検出器と、
を有し、
前記光学チップ部には、前記光源より出射された光が伝播する入力導波路が形成されており、前記入力導波路は前記溝部に接続されているものであって、
前記光検出器は、前記溝部に微粒子が入り込んでいない状態では、前記光源から出射された光が検出されず、前記溝部に微粒子が入り込んでいる状態では、前記光源から出射された光のうち、前記微粒子において散乱された光が検出される位置に設置されていることを特徴とする光センサ。
（付記２）
前記光学チップ部には、前記溝部における前記微粒子において散乱された光が入射する出力導波路が形成されており、
前記光検出器は、前記出力導波路を伝播し出射された光を検出するものであることを特徴とする付記２に記載の光センサ。
（付記３）
光を出射する光源と、
表面に溝部が形成されている光学チップ部と、
光を検出する光検出器と、
を有し、
前記光学チップ部には、前記光源より出射された光が伝播する入力導波路が形成されており、前記入力導波路は前記溝部に接続されているものであって、
前記光検出器は、前記溝部に微粒子が入り込んでいない状態では、前記光源から出射された光が検出される位置に設置されていることを特徴とする光センサ。
（付記４）
前記光学チップ部には、前記入力導波路より前記溝部内に出射された光が入射する出力導波路が形成されており、
前記光検出器は、前記出力導波路を伝播し出射された光を検出するものであることを特徴とする付記３に記載の光センサ。
（付記５）
前記光学チップ部には、前記溝部における前記微粒子において散乱された光または前記入力導波路より前記溝部内に出射された光が入射する出力導波路が形成されており、
前記光検出器は、前記出力導波路を伝播し出射された光を検出するものであって、
前記入力導波路及び前記出力導波路は半導体により形成されており、
前記溝部において前記入力導波路が露出している部分には、不純物元素がドープされている第１のドーピング領域が形成されており、
前記溝部において前記出力導波路が露出している部分には、不純物元素がドープされている第２のドーピング領域が形成されており、
前記第１のドーピング領域と前記第２のドーピング領域との間に電圧を印加する電源が設けられていることを特徴とする付記１または３に記載の光センサ。
（付記６）
光を出射する光源と、
表面に溝部が形成されている光学チップ部と、
光を検出する第１の光検出器及び第２の光検出器と、
を有し、
前記光学チップ部には、前記光源より出射された光が伝播する入力導波路が形成されており、前記入力導波路は前記溝部に接続されているものであって、
前記第１の光検出器は、前記溝部に微粒子が入り込んでいない状態では、前記光源から出射された光が検出されず、前記溝部に微粒子が入り込んでいる状態では、前記光源から出射された光のうち、前記微粒子において散乱された光が検出される位置に設置されており、
前記第２の光検出器は、前記溝部に微粒子が入り込んでいない状態では、前記光源から出射された光が検出される位置に設置されていることを特徴とする光センサ。
（付記７）
前記光学チップ部には、前記溝部における前記微粒子において散乱された光が入射する第１の出力導波路と、前記入力導波路より前記溝部内に出射された光が入射する第２の出力導波路が形成されており、
前記第１の光検出器は、前記第１の出力導波路を伝播し出射された光を検出するものであって、
前記第２の光検出器は、前記第２の出力導波路を伝播し出射された光を検出するものであることを特徴とする付記６に記載の光センサ。
（付記８）
前記入力導波路、前記第１の出力導波路及び前記第２の出力導波路は半導体により形成されていることを特徴とする付記７に記載の光センサ。
（付記９）
前記入力導波路は、シリコンにより形成されており、
前記入力導波路は、酸化シリコンにより覆われており、
前記溝部は、前記酸化シリコンをエッチングにより除去することにより形成されていることを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の光センサ。
（付記１０）
前記光学チップ部において、前記溝部は複数形成されていることを特徴とする付記１から９のいずれかに記載の光センサ。
（付記１１）
前記複数の溝部は、同じ大きさであることを特徴とする付記１０に記載の光センサ。
（付記１２）
前記複数の溝部は、相互に異なる大きさであることを特徴とする付記１０に記載の光センサ。
（付記１３）
前記複数の溝部は、前記光学チップ部に設けられた導波路により直列に接続されていることを特徴とする付記１１に記載の光センサ。
（付記１４）
前記入力導波路は複数に分岐された分岐導波路を有しており、
前記複数の溝部には、各々に対応する前記分岐導波路が接続されており、
前記光源より前記入力導波路に入射した光は、前記分岐導波路に分岐され、前記複数の溝部の各々に出射されることを特徴とする付記１１または１２に記載の光センサ。
（付記１５）
前記入力導波路を窒化物半導体、リン化合物半導体、ヒ素化合物半導体等の化合物半導体により形成され、前記光源が同一の基板上に形成されていることを特徴とする付記１から１４のいずれかに記載の光センサ。
【符号の説明】
【００７１】
１０        光学チップ部
１１        基板
１２        下部クラッド層
１３        入力導波路
１４        グレーティングカプラ
１５        上部クラッド層
２０        溝部
３０        光源
４０        光検出器
１１０      光学チップ部
１５３      出力導波路
１５４      グレーティングカプラ
【図１】
2016197020.tif 000003
【図２】
2016197020.tif 000004
【図３】
2016197020.tif 000005
【図４】
2016197020.tif 000006
【図５】
2016197020.tif 000007
【図６】
2016197020.tif 000008
【図７】
2016197020.tif 000009
【図８】
2016197020.tif 000010
【図９】
2016197020.tif 000011
【図１０】
2016197020.tif 000012
【図１１】
2016197020.tif 000013
【図１２】
2016197020.tif 000014
【図１３】
2016197020.tif 000015
【図１４】
2016197020.tif 000016
【図１５】
2016197020.tif 000017
【図１６】
2016197020.tif 000018