(57)【要約】 【課題】  通常の光合分岐回路は、光を完全に合分岐させる機能として働くため、複数に並行に並べた光導波路において、高い光気相分布率を与える光フィールドを提供するものではなかった。【解決手段】  合分岐光導波路と、光分布整合領域とが接続されていることを特徴とする。【選択図】  図１
2009069169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
合分岐光導波路と、光分布整合領域とが接続されていることを特徴とする光回路素子。
【請求項２】
請求項１記載の光分布整合領域が光導波路から構成され、前記光導波路が、導波方向に垂直な方向に急峻に接続位置をずらして接続されていることを特徴とする光回路素子。
【請求項３】
請求項１乃至２記載の光回路素子が、複数の光導波路と接続されていることを特徴とする光回路素子。
【請求項４】
請求項１乃至３記載の光回路素子の合分岐光導波路が、合分岐光導波路の理論最適長よりも長い、若しくは短いことを特徴とする光回路素子。
【請求項５】
請求項４記載の光回路素子の合分岐光導波路が、合分岐光導波路の理論最適長よりも１０％乃至５０％以上長い、若しくは１０％乃至５０％以上短いことを特徴とする光回路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光合分岐機能を有する光回路素子に関し、特に複数導波路の光フィールドに適した光フィールド分布を提供するための光回路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の医療研究の進展に伴い、人間の息に含まれる成分に着目した健康診断方法が確立されつつある。例えば内臓に疾患がある場合、どのような疾患に対してどのような成分ガスが呼気に含まれるのか、という呼気分析診断研究が進展してきた。呼気分析は、患者（被験者）の血液検査時の注射器などのような物理的ストレスも無く、気軽に試料採集できるという特徴を有しており、既に、質量分析器を使った胃中のピロリ菌分析手法が医療診断技術として実用化されている。呼気中には更に多くの健康情報を含んでいることが最近分かっており、今後の普及発展が期待される。
【０００３】
さらに、血液等の微量の液体成分を分析できる技術の進歩も望まれる。また、生体試料に限られることはなく、たとえば、大気中に含まれる微量のガスを測定するための技術開発も盛んに行われている。
【特許文献１】特願２００６−０７４４３５
【非特許文献１】Ｍａｎｆｒｅｄ  Ｍuｒｔｚ，Ｏｐｔｉｃｓ  ＆  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｎｅｗｓ，  ｖｏｌ．  １６，Ｎｏ．１，ｐｐ．３０−３５（２００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の呼気分析は、実用化された質量分析器による手法においては、呼気採集や分析に相当の時間を必要とし、その場で直ぐに計測・診断できる手法ではなかった。ところが最近、呼気に対して、赤外線を使った透過吸収分光法によるリアルタイムでオンライン計測ができることが、非特許文献１に報告された。これは、呼気に含まれる微量ガス成分に赤外線吸収を生じされる赤外透過吸収分光法を用いるもので、対象微量ガス成分の吸収波長光の透過吸収計測により、ｐｐｂ〜ｐｐｍオーダーの極微量ガスに対しても、瞬時にガス種とその絶対量を計測することが可能である。
【０００５】
しかしながら、現状の赤外線吸収計測では、実験室環境における計測ができるに留まっており、実験室定盤上に光学部品から構築されたレーザー光源を含む光学系のみならず、一般に数１０ｃｍ（上述の非特許文献１の報告で用いられたものは５０ｃｍ）もの長さを有する「ガスセル」と呼ばれる部品（被測定対象ガスを閉じ込め、赤外吸収を生じさせる領域）を有しており、医療現場に気軽に持ち込めるような可搬性が無い、という課題を有していた。
【０００６】
これに対して、特許文献１では光導波路を用いたガスセルによって、小型化が達成できることが報告されている。特許文献１の手法は、光導波路を複数近接して配置することで、気相中への光分布率（以下、「光気相分布率」と呼ぶ）を高め、高感度に対象試料を分析する手法である。しかしながら、複数本の光導波路を近接させた場合、許容される光フィールドは単独の固有値を有するわけではなく、様々な光フィールド分布が許容されるため、複数本の光導波路へ入射される光フィールドによっては、必ずしも高い光気相分布率が得られる訳ではない、という課題を有していた。
【０００７】
本発明の目的は、小型でありながら、気体または液体成分を高精度で測定できる光導波路型ガスセルにおいて、高い光気相分布率を実現し、高感度に分析できる性能を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の光回路素子は、合分岐光導波路と、光分布整合領域とが接続されていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記記載の光回路素子の光分布整合領域が光導波路から構成され、前記光導波路が、導波方向に垂直な方向に急峻に接続位置をずらして接続されていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記記載の光回路素子が、複数の光導波路と接続されていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記記載の光回路素子の合分岐光導波路が、合分岐光導波路の理論最適長よりも長い、若しくは短いことを特徴とする。
【００１２】
また、前記記載の光回路素子の合分岐光導波路が、合分岐光導波路の理論最適長よりも１０％乃至５０％以上長い、若しくは１０％乃至５０％以上短いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による効果は、光導波路を用いたガスセルにおいて高い光気相分布率が得られ、高感度に試料測定できることにある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施例に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【実施例】
【００１５】
本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１を参照すると、本発明の実施形態として、光回路素子の光導波路構成概要図が示されている。第一の光導波路１０１と、多モード干渉光導波路１０２と、第二の光導波路１０３と、第三の光導波路１０４と、第四の光導波路１０５とが集積されている。使用波長帯は１．５５μｍとしている。
【００１７】
第一の光導波路１０１、第二の光導波路１０３、第三の光導波路１０４、及び第四の光導波路１０５の導波路幅は０．９μｍ程度、多モード干渉光導波路１０２の導波路幅は４μｍ程度としている。
【００１８】
第二の光導波路１０３の間隔は０．９μｍ程度、第三の光導波路１０４の間隔は０．１μｍ程度、第四の光導波路１０５の間隔は０．９μｍ程度としている。
【００１９】
第一の光導波路１０１の長さは５０μｍ程度、多モード干渉光導波路１０２の長さは２０μｍ程度、第二の光導波路１０３及び第三の光導波路１０４の長さは０．５μｍ程度、第四の光導波路１０５の長さは５０μｍ程度としている。
【００２０】
また、図１のＡ−Ａ’で示される光導波路断面構造は、図２で示されるような、通常のハイメサ構造となっている。
【００２１】
その断面構造は、Ｓｉ基板２０１上に、ＳｉＯ２第一クラッド層２０２、Ｓｉコア層２０３、及びＳｉＯ２第二クラッド層２０４から構成されている。
【００２２】
また、各層の厚さは、ＳｉＯ２第一クラッド層２０２が１０００ｎｍ程度、Ｓｉコア層２０３が２８０ｎｍ程度、ＳｉＯ２第二クラッド層２０４が１０００ｎｍ程度、となっている。
【００２３】
以下、本発明による実施形態の光回路素子によって、高い気相分布率が得られる原理を説明する。
【００２４】
図３は、図１のＢ−Ｂ’断面を示したもので、二重ハイメサ光導波路が並行に並べられた構造を示す。
【００２５】
図３に示すように、複数本の光導波路を近接して平行に並べると、互いの光フィールドが気相中に引き出され、結果として比較的高い光気相分布率が得られることになる。
【００２６】
但し、複数本の光導波路を近接して平行に並べた場合、その光フィールドとしては様々な形状が許容されるため、複数本の光導波路への入射光を、元々高い光気相分布率が得られるような光フィールドとして与える必要性がある。
【００２７】
図４は、本実施例で示す二重ハイメサ光導波路の場合の取り得る光フィールド形状を示す図である。
【００２８】
シミュレーションにより、図４の実線で示す光フィールド状態を作り出すことで、高い光気相分布率を得ることができることが分かった。図４の実線で示すように、光導波路中に強いピークが２つ見られること、光導波間の谷に、その左右の強いピークの裾と中心に弱いピークがあることを仮定する。そうすると、二重ハイメサ光導波路の伝搬光は、ほぼ５つのガウシアンビームの重ねあわせとして近似できる。
【００２９】
図１に示す光回路素子は、この５つのガウシアンビームの重ね合わせ状態を作り出すよう設計したものである。
【００３０】
この光回路素子は、左右の通常のハイメサ光導波路に、急峻に横方向で短距離間のみ内側に２本の光導波路を付加すること（光分布整合領域１１０）で、最初の４ピークを表現することができる。
【００３１】
また、真ん中の弱いピークについては、ＭＭＩ領域長を、理論的最適値よりも若干短め、若しくは若干長めにすることで、本来は左右の光導波路にだけ光が結合するところ、一部の光が真ん中にも現れる、という効果を利用することができる。
【００３２】
本実施例では、ビート長：Ｌπ、実効導波路幅：Ｗｅ 、ｎｒ： 導波領域の屈折率、λ：波長とした時、多モード干渉光導波路長ＬＭＭＩを下記理論計算式：
【００３３】
【数１】
2009069169.tif 000003
【００３４】
に対して、凡そ２０％程度短い長さとなるよう設計しており、一部の光が真ん中に現れている。
【００３５】
このようにして、本実施例の光回路素子により、５つのガウシアンビームの重ね合わせ状態を作り出すことができる。特に、光分布整合領域１１０を付加し、理論的最適値から僅かに長さをずらした多モード干渉光導波路１０２を用いることにより、高い光気相分布率を得ることが可能となる。
【００３６】
なお、本発明では多モード干渉光導波路１０２の長さを数１に対して２０％程度短い長さに設定したが、必ずしも２０％である必要は無く、多モード干渉光導波路の理論的最適値からずらし、必要とする光フィールドが得られるように多モード干渉光導波路１０２の長さを調整しさえすれば、本発明は適用可能である。望ましい値は理論的最適値±１０％乃至５０％である。例えば理論的最適値が２５μｍの場合は、１２．５μｍ乃至２２．５μｍ、若しくは２７．５乃至３７．５μｍが望ましい。
【００３７】
また、波長は１．５５μｍ帯としているが、必ずしもこれに限るわけではなく、あらゆる波長帯で本発明は適用可能である。
【００３８】
また材料系をＳｉＯ２／Ｓｉ系としているが、もちろんこれに限るわけではなく、例えば化合物半導体でも良いし、ポリマー導波路としても本発明は適用可能である。
【００３９】
次に、図５および図６を参照して実施の形態の製造方法を説明する。
【００４０】
始めに、通常のＳＯＩ基板５０１上に、熱ＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２膜５０２を堆積する（図５（ａ））。
【００４１】
次に、ステッパ（縮小投影露光）によるフォトリソグラフィ法を用いて導波路形状にマスク５０３を形成する（図５（ｂ））。
【００４２】
このマスクを用いて、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）法によりエッチングを施し、ハイメサ６０１を形成する（図６（ａ））。
【００４３】
この後、ハイメサ６０１直上のマスク５０３を有機溶剤およびアッシング法により除去する（図６（ｂ））。
【００４４】
この後、素子を切り出し、端面を研磨して、素子の製造を終了する。
【００４５】
なお、本実施の形態では、リソグラフィにステッパを用いているが、これに限るわけではなく、例えば電子ビーム露光であっても適用可能である。
【００４６】
またＳｉＯ２膜５０２形成法に熱ＣＶＤ法を用いているが、例えばプラズマＣＶＤ法であっても、スパッタ法であっても適用可能である。
【００４７】
また、メサ形成工程方法についてもＩＣＰ法に限るわけではなく、例えばＮＬＤ法やＲＩＥ法であっても適用可能である。
【００４８】
また、本実施の形態では、エッチングをＳｉ基板層２０１にまで到達させたハイメサ構造としているが、必ずしもＳｉ基板層２０１にまでエッチングを施す必要は無く、Ｓｉコア層２０３がエッチングされていれば、本願発明は適用可能である。
【００４９】
また、本実施の形態では、ＳＯＩ基板５０１を用い、コア層をＳｉ、クラッド層をＳｉＯ２とする光導波路構造としているが、基本的には光導波路が構成される材料系であればこれに限定する必要は無い。例えば、基板をＳｉ、クラッド層をＳｉＯ２、コア層をＳｉＮとしても良いし、化合物半導体系として基板をＩｎＰ、クラッドをＩｎＰ、コア層をＩｎＧａＡｓＰとしても本願発明は適用可能である。
【００５０】
また本実施の形態では、素子を切り出した後研磨しているが、へき開を行っても本願発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態を示す、光回路素子の光導波路構成概要図。
【図２】図１のＡ−Ａ’ で示される光導波路断面構造図。
【図３】図１のＢ−Ｂ’ で示される光導波路断面構造図。
【図４】本発明の最良の実施形態の光回路素子の動作を説明する図。
【図５】本発明の最良の実施形態の光回路素子の製造方法を示す工程図で、（ａ）はＣＶＤ工程直後の断面図、（ｂ）はマスク形成後の断面図。
【図６】本発明の最良の実施形態の光回路素子の製造方法を示す工程図で、（ａ）はＩＣＰエッチング工程後の断面図、（ｂ）はマスク除去後の断面図。
【符号の説明】
【００５２】
１０１  第一の光導波路
１０２  多モード干渉光導波路
１０３  第二の光導波路
１０４  第三の光導波路
１０５  第四の光導波路
１１０  光分布整合領域
２０１  Ｓｉ基板
２０２  ＳｉＯ２第一クラッド層
２０３  Ｓｉコア層
２０４  ＳｉＯ２第二クラッド層
５０１  ＳＯＩ基板
５０２  ＳｉＯ２膜
５０３  マスク
６０１  ハイメサ
【図１】
2009069169.tif 000004
【図２】
2009069169.tif 000005
【図３】
2009069169.tif 000006
【図４】
2009069169.tif 000007
【図５】
2009069169.tif 000008
【図６】
2009069169.tif 000009