WO2018163779A1 - 光導波路及び光学式濃度測定装置 - Google Patents

光導波路及び光学式濃度測定装置 Download PDF

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WO2018163779A1
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optical waveguide
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敏郎 坂本
立志 八木
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旭化成エレクトロニクス株式会社
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    • G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide and an optical concentration measuring device.
  • the refractive index of the material forming the structure such as a thin film made of crystals
  • the refractive index of the material outside the structure When the refractive index of the material forming the structure such as a thin film made of crystals is larger than the refractive index of the material outside the structure, the light propagating in the structure is transmitted between the structure and the outside of the structure. It progresses while repeating total reflection at the interface.
  • the refractive index is small in addition to the light propagating through the structure 51. It oozes out to the substance 53 side.
  • This exudation is called an evanescent wave, and can be absorbed by a substance adjacent to the structure 51 in the process in which the light L propagates through the structure 51.
  • the intensity of the light L propagating through the structure 51 is illustrated as the light intensity E1
  • the intensity of the evanescent wave is illustrated as the light intensity E2.
  • ATR Average Total Reflection
  • Patent Document 1 proposes an optical waveguide sensor in which the ATR method is applied to a sensor.
  • a core layer is formed on a substrate to transmit light, and a substance in contact with the core layer is detected using an evanescent wave.
  • the sensitivity of the sensor can be improved by increasing the amount of interaction between the evanescent wave and the substance to be measured, and reducing the absorption of light into materials other than the substance to be measured. . Therefore, in recent years, a so-called pedestal type structure (see FIG. 36) has been proposed in which the layer under the core layer is reduced as much as possible in Non-Patent Document 1 and a part of the core layer is floated.
  • Infrared rays are generally used as light propagating through the core layer. Since a substance has a characteristic of selectively absorbing infrared light of a specific wavelength, the substance can be analyzed and sensed by propagating infrared light that matches the absorption spectrum of the substance to be measured.
  • Sensors for detecting substances to be measured such as gases and liquids are required to be able to detect substances to be measured stably with high sensitivity in various usage modes.
  • An object of the present invention is to provide an optical waveguide and an optical concentration measuring device capable of detecting a substance to be measured stably with high sensitivity in various usage modes.
  • an optical waveguide is an optical waveguide used in an optical concentration measuring device that measures the concentration of a gas to be measured or a liquid to be measured, and is along the substrate and the longitudinal direction.
  • a core layer capable of propagating light and a material having a refractive index smaller than that of the core layer, and connects at least a part of the substrate and at least a part of the core layer to the substrate.
  • a support portion that supports the core layer, and the connecting portion of the support portion connected to the core layer has the shortest distance from the center to the outer surface in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer. It is deviated from a certain position.
  • an optical waveguide includes a substrate, a core layer that extends along the longitudinal direction and can propagate light, and has a refractive index smaller than that of the core layer.
  • the connecting portion of the support portion that is provided so as to be in contact with gas or liquid and is connected to the core layer has the shortest distance from the center to the outer surface in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer. It is out of position.
  • an optical concentration measurement apparatus includes an optical waveguide according to any aspect of the present invention, a light source capable of entering light into the core layer, and the core. And a detector capable of receiving the light propagated through the layer.
  • each aspect of the present invention it is possible to provide an optical waveguide and an optical concentration measuring apparatus that can detect a substance to be measured stably with high sensitivity in various usage modes.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the optical waveguide 10 and the optical concentration measuring device 1 according to the first embodiment of the present invention, wherein the optical waveguide 10 and the optical concentration measuring device 1 cut along the line AA in FIG. It is an end view.
  • FIG. 6 is a plan view (No. 1) of a manufacturing process of the optical waveguide 10 for explaining the manufacturing method of the optical waveguide 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a manufacturing process end view (No. 1) of the optical waveguide 10 cut along the line BB shown in FIG.
  • FIG. 6 is a plan view (No. 2) of a manufacturing process of the optical waveguide 10 for explaining the manufacturing method of the optical waveguide 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is a manufacturing process end view (No. 2) of the optical waveguide 10 cut along the line BB shown in FIG. 4A for describing the manufacturing method of the optical waveguide 10 according to the first embodiment of the present invention;
  • FIG. 6 is a plan view (part 3) of a manufacturing process of the optical waveguide 10 for explaining the manufacturing method of the optical waveguide 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is a manufacturing process end view (No.
  • FIG. 6 is a plan view (No. 4) of a manufacturing process of the optical waveguide 10 for explaining the manufacturing method of the optical waveguide 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6D is a manufacturing process end view (No. 4) of the optical waveguide 10 cut along the line BB shown in FIG. 6A for describing the manufacturing method of the optical waveguide 10 according to the first embodiment of the present invention; It is a figure for demonstrating the optical waveguide 60 by 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 10 is a plan view (No. 1) of a manufacturing process of the optical waveguide 10 for explaining a manufacturing method of the optical waveguide 70 according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10D is a manufacturing process end view (No. 1) of the optical waveguide 70 cut along the CC line shown in FIG. 9A for describing the manufacturing method of the optical waveguide 70 according to the third embodiment of the present invention;
  • FIG. 9 is a plan view (No.
  • FIG. 10D is a manufacturing process end view (No. 2) of the optical waveguide 70 cut along the CC line shown in FIG. 10A for describing the manufacturing method of the optical waveguide 70 according to the third embodiment of the present invention; It is a figure explaining the schematic structure of the optical waveguide 80 by the 4th Embodiment of this invention and the optical concentration measuring apparatus 8, and the sensing by the ATR method using the optical concentration measuring apparatus 8.
  • FIG. 12 is a diagram showing a schematic configuration of an optical waveguide 80 according to a fourth embodiment of the present invention, and is an end view of the optical waveguide 80 cut along a DD line and an FF line in FIG. 11.
  • FIG. 12 is a diagram showing a schematic configuration of an optical waveguide according to a fourth embodiment of the present invention, and is an end view of the optical waveguide 80 cut along the line EE in FIG.
  • FIG. 12 is a plan view of the optical waveguide 80 as viewed from the light source 20 or the photodetector 40 side, for explaining the arrangement of the first support part 87x and the second support part 87y in FIG. It is a top view of the SOI substrate 100 for demonstrating the manufacturing method of the optical waveguide 80 by 4th Embodiment of this invention.
  • FIG. 16 is an end view showing a cross section of the SOI substrate 100 of FIG. 15 cut along GG line, II line, HH line, and JJ line. It is a top view of the optical waveguide main part 80a for demonstrating the manufacturing method of the optical waveguide 80 by 4th Embodiment of this invention.
  • FIG. 18 is an end view showing a cross section of the optical waveguide main portion 80a of FIG. 17 cut along a GG line, an II line, an HH line, and a JJ line. It is a top view of the optical waveguide main part 80a which one part covered with the mask layer for demonstrating the manufacturing method of the optical waveguide 80 by 4th Embodiment of this invention.
  • FIG. 18 is an end view showing a cross section of the optical waveguide main portion 80a of FIG. 17 cut along a GG line, an II line, an HH line, and a JJ line. It is a top view of the optical waveguide main part 80a which one part covered with the mask layer for demonstrating the manufacturing
  • FIG. 20 is an end view showing a cross section of the optical waveguide main portion 80a of FIG. 19 cut along a GG line and an II line.
  • FIG. 20 is an end view showing a cross section of the optical waveguide main portion 80a of FIG. 19 taken along the line HH.
  • FIG. 20 is an end view showing a cross section of the optical waveguide main portion 80a of FIG. 19 taken along the line JJ. It is a top view of the optical waveguide main part 80a which removed a part of BOX layer 17a for demonstrating the manufacturing method of the optical waveguide 80 by 4th Embodiment of this invention.
  • FIG. 24 is an end view showing a cross section of the optical waveguide main portion 80a of FIG. 23 cut along a GG line and an II line.
  • FIG. 24 is an end view showing a cross section of the optical waveguide main portion 80a of FIG. 23 taken along the line HH.
  • FIG. 24 is an end view showing a cross section of the optical waveguide main portion 80a of FIG. 23, taken along the line JJ. It is an end elevation which shows schematic structure of the optical waveguide 80 by the modification of 4th Embodiment of this invention. It is a figure explaining the schematic structure of the optical waveguide 90 by the 5th Embodiment of this invention, and the optical density
  • FIG. 29 is a diagram showing a schematic configuration of an optical waveguide 90 and an optical concentration measuring device 9 according to a fifth embodiment of the present invention, in which the optical waveguide 90 and the optical concentration measuring device 9 cut along the line KK in FIG. It is an end view. It is a manufacturing process end view (the 1) for demonstrating the manufacturing method of the optical waveguide 90 and the optical concentration measuring apparatus 9 by 5th Embodiment of this invention. It is a manufacturing process end view (the 2) for demonstrating the manufacturing method of the optical waveguide 90 and the optical concentration measuring apparatus 9 by 5th Embodiment of this invention.
  • FIG. 34 is a diagram showing another schematic configuration of the optical waveguide 90 and the optical concentration measuring device 9 according to the fifth embodiment of the present invention, and the optical waveguide 90 and the optical concentration measuring device cut along the line LL in FIG. 33. 9 is an end view of FIG. 9.
  • An optical waveguide according to a first embodiment of the present invention is an optical waveguide used in an optical concentration measuring device that measures the concentration of a gas to be measured or a liquid to be measured, and is extended along the longitudinal direction of the substrate and light.
  • a support portion made of a material having a lower refractive index than the core layer that supports at least a portion of the substrate and at least a portion of the core layer and supports the core layer with respect to the substrate.
  • the connecting portion of the support portion connected to the core layer is out of the position where the distance from the center to the outer surface in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer is the shortest.
  • the longitudinal direction is the longest extending direction in the three-dimensional structure extending along at least one direction, and includes not only a linear direction but also a curved direction.
  • vertical to the longitudinal direction of a core layer is a rectangle, for example, it is not limited to a rectangle.
  • the cross section is not circular, and any distance may be used as long as the distance from the center of the cross section to the outer surface varies with rotation about the center of the cross section.
  • the refractive index is a refractive index for light of an arbitrary wavelength or for light of a specific wavelength.
  • the light of a specific wavelength is light that propagates through the core layer, particularly in an optical concentration measurement device.
  • the width direction is a direction perpendicular to the longitudinal direction of the core layer and parallel to the main surface of the substrate.
  • the main surface of the substrate is a surface perpendicular to the thickness direction of the substrate, and in other words, in this embodiment, the surface having the largest area among the six surfaces forming the substrate.
  • at least a part of the core layer may be provided so as to be in contact with gas or liquid through a film having a thickness smaller than the wavelength of light propagating through the core layer.
  • the connecting portion of the support portion connected to the core layer deviates from the position where the distance from the center to the outer surface in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer is the shortest. Yes. That is, the connection portion is provided at a position farther from the position closest to the center at which light mainly propagates in a plane orthogonal to the longitudinal direction, which is a direction along the propagation of light.
  • the optical waveguide according to the first embodiment can take a wide interaction region between the evanescent wave and the gas to be measured or the liquid to be measured while suppressing the absorption of the evanescent wave by the support portion. For this reason, it becomes possible to improve the measurement sensitivity of the optical concentration measuring apparatus including the optical waveguide according to the first embodiment.
  • An optical waveguide according to the second embodiment of the present invention is formed of a substrate, a core layer extending along the longitudinal direction and capable of propagating light, and a material having a refractive index smaller than that of the core layer. And at least a part of the core layer and supporting the core layer with respect to the substrate, and at least a part of the core layer is provided so as to be in contact with a gas or a liquid. Is connected, the connecting portion of the support portion is out of the position where the distance from the center to the outer surface in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer is the shortest.
  • the longitudinal direction is the longest extending direction in the three-dimensional structure extending along at least one direction, and includes not only a linear direction but also a curved direction.
  • vertical to the longitudinal direction of a core layer is a rectangle, for example, it is not limited to a rectangle.
  • the cross section is not circular, and any distance may be used as long as the distance from the center of the cross section to the outer surface varies with rotation about the center of the cross section.
  • the refractive index is a refractive index for light of an arbitrary wavelength or for light of a specific wavelength.
  • the light of a specific wavelength is light that propagates through the core layer, particularly in an optical concentration measurement device.
  • the width direction is a direction perpendicular to the longitudinal direction of the core layer and parallel to the main surface of the substrate.
  • the main surface of the substrate is a surface perpendicular to the thickness direction of the substrate, and in other words, in this embodiment, the surface having the largest area among the six surfaces forming the substrate. Further, at least a part of the core layer may be provided so as to be in contact with gas or liquid through a film having a thickness smaller than the wavelength of light propagating through the core layer.
  • the connecting portion of the support portion connected to the core layer deviates from the position where the distance from the center to the outer surface in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer is the shortest. Yes. That is, it is provided at a position farther from the position closest to the center at which light mainly propagates in a plane orthogonal to the longitudinal direction, which is the direction along the light propagation.
  • the optical waveguide according to the second embodiment can take a wide interaction region between the evanescent wave and the gas to be measured or the liquid to be measured while suppressing the absorption of the evanescent wave by the support portion. For this reason, the optical waveguide according to the second embodiment can improve the measurement sensitivity of the gas or liquid around the core layer.
  • the support portion may have a first support portion and a second support portion.
  • the connection portions of the first support portion and the second support portion connected to the core layer are out of the position where the distance from the center to the outer surface in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer is the shortest.
  • the connection portion of the first support portion is located between the center and one end, and the connection portion of the second support portion is located between the center and the other end.
  • the connection part of the first support part and the connection part of the second support part may exist intermittently along the longitudinal direction, and the connection part of the first support part and the connection part of the second support part. And may alternately exist along the longitudinal direction.
  • at least a part of the core layer may be exposed or covered with a thin film.
  • the thin film has a thickness smaller than the wavelength of light propagating through the core layer in the optical concentration measurement apparatus.
  • each of the connection portions of the first support portion and the second support portion connected to the core layer extends from the center to the outer surface in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer. It is out of the position where the distance is the shortest.
  • the connection portion is perpendicular to the longitudinal direction, which is the direction along the propagation of light, and in a position farthest from the position closest to the center where the light mainly propagates, in the plane including the support portion. Is provided.
  • the core layer has a region that is not connected to both the first support portion and the second support portion while suppressing the absorption of the evanescent wave by the first support portion and the second support portion.
  • connection portion of the first support portion is located between the center and one end in the width direction of the core layer, and the connection portion of the second support portion is located between the center and the other end.
  • the connection part of a 1st support part and the connection part of a 2nd support part exist intermittently along a longitudinal direction.
  • a predetermined layer is not provided between the substrate and the core layer except for a region necessary for supporting the core layer. That is, in the optical waveguide having such a configuration, a space is formed between the substrate and the core layer except for the region where the support portion is provided. Thereby, the region where the measured substance and the evanescent wave interact with each other can be enlarged, and the absorption of the light L by the material (for example, the material constituting the support portion) provided on the substrate side of the core layer can be reduced.
  • the interaction region between the evanescent wave and the substance to be measured is further expanded, and the optical waveguide
  • the sensitivity of the sensor using the sensor is further improved.
  • the connection part of a 1st support part and the connection part of a 2nd support part exist alternately along a longitudinal direction. Thereby, the symmetry of the optical waveguide with respect to the longitudinal direction is further improved, and the mechanical strength is further improved.
  • the optical waveguide according to the third embodiment of the present invention is an optical waveguide used in an optical concentration measuring device for measuring the concentration of a gas to be measured or a liquid to be measured, and can extend along the longitudinal direction so that light can propagate.
  • a protective film formed on at least a part of the surface of the core layer, having a film thickness of 1 nm or more and less than 20 nm and having a refractive index smaller than that of the core layer, and perpendicular to the longitudinal direction of the core layer In at least some of the cross sections, the entire surface of the core layer is not exposed.
  • the longitudinal direction is the longest extending direction in the three-dimensional structure extending along at least one direction, and includes not only a linear direction but also a curved direction.
  • the width direction is a direction perpendicular to the longitudinal direction of the core layer and parallel to the main surface of the substrate.
  • the main surface of the substrate is a surface that is perpendicular to the thickness direction of the substrate and has the largest area.
  • the test substance may be detected once or continuously for a certain period. Therefore, there is a demand for optical waveguides and optical concentration measuring devices that can detect a substance to be detected with high sensitivity and prevent deterioration of sensitivity over time.
  • a protective film having a refractive index smaller than that of the core layer is formed on at least a part of the surface of the core layer, the protective film has a thickness of 1 nm or more and less than 20 nm, and the core layer
  • the core layer By not exposing the entire surface of the core layer in the cross section perpendicular to the longitudinal direction, the amount of interaction between the evanescent wave that oozes from the core layer and the gas or liquid to be measured is not significantly reduced. It becomes possible to prevent the change in the surface state of the core layer. Thereby, it becomes possible to suppress the deterioration of the detection sensitivity of the optical concentration measuring device including the optical waveguide according to the third embodiment.
  • the optical waveguide according to the fourth embodiment of the present invention is formed in at least a part of the core layer extending along the longitudinal direction and capable of propagating light and the surface of the core layer, and having a film thickness of 1 nm or more and less than 20 nm.
  • a protective film having a refractive index smaller than that of the core layer is formed on at least a part of the surface of the core layer, the protective film has a thickness of 1 nm or more and less than 20 nm, and the core layer In the cross section perpendicular to the longitudinal direction, the entire surface of the core layer is not exposed, so that the amount of interaction between the evanescent wave oozing out from the core layer and the gas or liquid is not significantly reduced. It becomes possible to prevent a change in the surface state.
  • An optical waveguide according to a fifth embodiment of the present invention is an optical waveguide used in an optical concentration measuring device for measuring the concentration of a gas to be measured or a liquid to be measured, and can extend along the longitudinal direction to propagate light.
  • a core layer, and a protective film that is formed on at least a part of the surface of the core layer, has a film thickness thinner than the wavelength of light propagating through the core layer, contains nitrogen, and has a refractive index smaller than that of the core layer, In at least a part of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer, the entire surface of the core layer is not exposed.
  • the protective layer having a refractive index smaller than that of the core layer is formed at least part of the surface of the core layer.
  • the optical waveguide according to the sixth embodiment of the present invention extends along the longitudinal direction and is capable of propagating light, and is formed on at least a part of the surface of the core layer, and the wavelength of light propagating through the core layer.
  • a protective film having a thinner film thickness, containing nitrogen, and having a refractive index smaller than that of the core layer. At least a part of the protective layer is provided so as to be in contact with a gas or a liquid and perpendicular to the longitudinal direction of the core layer. In at least some of the cross sections, the entire surface of the core layer is not exposed.
  • the optical waveguide according to the sixth embodiment in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer, nitrogen is included in at least a part of the surface of the core layer, the protective film having a refractive index smaller than that of the core layer is formed.
  • the core layer is not particularly limited as long as it extends along the longitudinal direction and light can propagate along the longitudinal direction. Specifically, a core layer formed of silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), or the like can be given. Furthermore, the effect in the third to sixth embodiments can be more easily obtained when the core layer is made of a material not containing nitrogen.
  • the longitudinal direction is the longest extending direction in the three-dimensional structure extending along at least one direction, and includes not only a linear direction but also a curved direction.
  • the vertical cross section at an arbitrary position along the longitudinal direction of the core layer is not circular, but an arbitrary shape in which the distance from the center of the cross section to the outer surface is changed by rotation about the center of the cross section, for example, a rectangle It is. Therefore, the core layer has a long plate shape in this embodiment.
  • At least a part of the core layer may be directly contactable with the gas to be measured or the liquid to be measured, for example, by being exposed.
  • at least a part of the core layer is, for example, covered with a thin film having a thickness smaller than the wavelength of light propagating through the core layer, so that the gas to be measured or the liquid to be measured can be contacted through the thin film. There may be.
  • the evanescent wave interacts with the gas to be measured or the liquid to be measured, and the concentration of the gas to be measured or the liquid to be measured can be measured.
  • the surface of the core layer may have no exposed region in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer, which is the light propagation direction. If there is an exposed region, the surface state deteriorates due to, for example, natural oxidation of the region. Therefore, in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer, the surface of the core layer is not exposed, and a support part and a protective film described later exist, or a protective film is formed on the entire surface of the core layer. It is preferable.
  • At least a part of the core layer may be floated without being joined to a support portion described later. This makes it possible to increase the amount of interaction between the evanescent wave that oozes from the core layer and the surrounding gas or liquid.
  • the core layer in the longitudinal direction may not have a support portion described later in the entire region between the core layer and the substrate in a cross section perpendicular to the longitudinal direction. This makes it possible to increase the amount of interaction between the evanescent wave that oozes from the core layer and the surrounding gas or liquid.
  • the absence of the support portion means that the core layer is stretched between the support portion and the support portion, which are adjacent to each other in the longitudinal direction.
  • the absence of the support portion means that the entire region of the core layer facing the substrate is adjacent to each other in the longitudinal direction, and the gap or light of the light propagating through the core layer is between the support portions. In other words, a medium having a lower absorptance than the support is provided between the substrate and the substrate.
  • the light propagating through the core layer may be infrared light as an analog signal.
  • the infrared signal as an analog signal is a signal that deals with the amount of change in light energy, rather than judging the change in light energy from binary values of 0 (low level) and 1 (high level). means.
  • the optical waveguide which concerns on each embodiment is applicable to a sensor or an analyzer.
  • the infrared wavelength may be 2 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • This wavelength band is a wavelength band that is absorbed by gases (CO 2 , CO, NO, N 2 O, SO 2 , CH 4 , H 2 O, etc.) that are typically suspended in the environment.
  • the optical waveguide which concerns on each embodiment can be utilized as a gas sensor.
  • the substrate of the optical waveguide according to the first embodiment and the second embodiment is not particularly limited as long as the support portion and the core layer can be formed on the substrate.
  • the optical waveguide according to the third to sixth embodiments may further include a substrate.
  • the substrate according to the third to sixth embodiments is not particularly limited as long as the core layer can be formed thereon. Specifically, a silicon substrate, a GaAs substrate, etc. are mentioned.
  • the main surface of the substrate refers to the surface of the substrate in the horizontal direction (direction perpendicular to the film thickness direction).
  • the support portion of the optical waveguide according to the first embodiment and the second embodiment connects at least a part of the substrate and at least a part of the core layer.
  • the optical waveguide according to the third to sixth embodiments may further include a support portion.
  • the support part according to the third to sixth embodiments is not particularly limited as long as the substrate and the core layer can be joined.
  • the support part supports a core layer with respect to a board
  • the support portion is a material having a refractive index smaller than that of the core layer with respect to light having an arbitrary wavelength or light propagating through the core layer, and is not particularly limited as long as the substrate and the core layer can be bonded.
  • As an example, as the material of the support portion SiO 2 and the like.
  • the support portion is a position where the distance from the center to the outer surface of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer is the shortest distance from the center of the support layer (in this embodiment, the center in the width direction of the core layer having a rectangular cross section) Position).
  • the support part may have a partially existing structure. That is, it may be an optical waveguide having a floating core layer in which there is a region where no support is present.
  • the support part may have a first support part and a second support part.
  • the connecting portion of the first support portion with the core layer is located between the center and one end in the width direction of the core layer, and the connecting portion of the second support portion with the core layer is the width of the core layer. It is located between the center and the other end in the direction.
  • the connection portions of the first support portion and the second support portion may be intermittently present along the longitudinal direction of the core layer.
  • the connection portions of the first support portion and the second support portion may alternately exist along the longitudinal direction of the core layer.
  • the connecting portion of the first support portion and the second support portion may have a shape that expands in the longitudinal direction of the core layer as it approaches the center of the core layer from the end of the core layer in the width direction of the core layer.
  • a core layer (Si layer) and a substrate (Si layer) are etched by etching a buried oxide (BOX) layer (SiO 2 layer) of an SOI (Silicon On Insulator) substrate. ) Is supported by the BOX layer.
  • BOX buried oxide
  • the core layer may be divided into a plurality of parts.
  • the connection part of the support part may have a plurality of connection parts spatially separated.
  • One of the plurality of connection portions is connected to one of the plurality of separated portions of the core layer, and the other one of the plurality of connection portions is a plurality of separated portions of the core layer. It may be connected to the other one of these.
  • a plurality of core layers may be provided. In this case, one of the plurality of connection portions is connected to one of the plurality of core layers, and the other one of the plurality of connection portions is connected to the other one of the plurality of core layers. It may be connected.
  • a plurality of support portions may be provided. At least one of the plurality of support portions may include a plurality of connection portions that are spatially separated as described above. As described above, by configuring the plurality of core layers or the plurality of core layers and one support portion to be connected, the support portion can be efficiently formed with a small area.
  • the core layer in the optical waveguide according to the first embodiment and the second embodiment is formed on at least a part of the surface of the core layer and has a refractive index higher than that of the protective film or the core layer having a film thickness of 1 nm or more and less than 20 nm.
  • a small protective film may be further provided.
  • the protective layer of the optical waveguide according to the third to sixth embodiments is not particularly limited as long as it can be formed on the surface of the core layer and has a refractive index smaller than that of the core layer.
  • the protective layer according to the third to sixth embodiments may have a thickness of 1 nm or more and less than 20 nm.
  • a protective film formed of a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or the like can be given.
  • the protective film may be a single layer film or may be composed of a plurality of films. This makes it possible to prevent changes in the surface state of the core layer without significantly reducing the amount of interaction between the evanescent wave that oozes from the core layer and the gas or liquid around the core layer.
  • the protective film has a thickness of 1 nm or more, it is possible to suppress the formation of a natural oxide film on the surface of the core layer. Moreover, since the thickness of the protective film is less than 20 nm, the amount of interaction between the evanescent wave that oozes from the core layer and the gas or liquid around the core layer is not significantly reduced.
  • the lower limit of the thickness of the protective film may be 2 nm, and the upper limit of the thickness of the protective film may be 5 nm.
  • the protective film may contain nitrogen.
  • the film containing nitrogen may be a single layer film or a laminated film of a film containing nitrogen and a film not containing nitrogen. The higher the nitrogen content of the protective film, the higher the oxidation inhibition effect.
  • the protective film may be a film having a nitrogen content of 1% or more in at least a partial region of the film containing nitrogen.
  • the protective film material may be a silicon nitride film, a silicon oxide film, or a silicon oxynitride film.
  • a film containing nitrogen has an effect of suppressing oxidation.
  • Silicon oxide films, silicon nitride films, and silicon oxynitride films are also excellent as a cladding layer forming material because their refractive index is sufficiently smaller than that of silicon.
  • silicon nitride films and silicon oxynitride films have little absorption of infrared rays. Thereby, when a protective film is formed on the surface of the core layer, it is possible to suppress a decrease in detection sensitivity of the gas to be measured or the liquid to be measured.
  • a silicon oxide film may be naturally formed on the surface. Since this natural oxide film has a film thickness of less than 1 nm and does not contain nitrogen, it is distinguished from the protective film in the present invention in these respects.
  • At least a part of the protective film may be provided so as to be in contact with a gas to be measured or a liquid to be measured whose concentration is measured by an optical concentration measuring device.
  • This increases the amount of interaction between the evanescent wave that oozes from the core layer and the gas or liquid to be measured, compared to when the protective film is not in contact with the gas or liquid to be measured.
  • the protective film may be formed on the entire surface of the core layer in at least a part of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer, which is the light propagation direction.
  • a protective film is formed around the entire surface of the floating core layer, which effectively reduces the deterioration of the core layer. Can be suppressed.
  • the protective film As a method for forming the protective film, it is possible to use a method such as deposition or oxidation treatment by a thermal chemical vapor deposition (CVD) method.
  • the protective film In the case of a silicon nitride film, the protective film can be formed by a deposition process using a thermal CVD method, and in the case of a silicon oxynitride film, the protective film can be formed by an oxidation process in an atmosphere containing NO or N 2 O. it can.
  • a protective film By forming by a thermal CVD method or an oxidation method, a protective film can be formed on the entire surface of the core layer.
  • the optical concentration measurement apparatus includes an optical waveguide according to each embodiment of the present invention, a light source capable of entering light into the core layer, and a detection unit capable of receiving light propagated through the core layer. And comprising.
  • the light source is not particularly limited as long as light can enter the core layer.
  • an incandescent bulb, a ceramic heater, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) heater, an infrared LED (Light Emitting Diode), or the like can be used as a light source.
  • a mercury lamp, an ultraviolet LED, or the like can be used as a light source.
  • an electron beam, an electron laser, or the like can be used as a light source.
  • the light propagating through the core layer of the optical waveguide provided in the optical concentration measuring device may be infrared light as an analog signal.
  • infrared light as an analog signal is a signal that deals with the amount of change in light energy, rather than judging the change in light energy from binary values of 0 (low level) and 1 (high level). Means.
  • the optical concentration measuring device can be applied to a sensor or an analyzer.
  • the infrared wavelength may be 2 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • This wavelength band is a wavelength band that is absorbed by gases (CO 2 , CO, NO, N 2 O, SO 2 , CH 4 , H 2 O, etc.) that are typically suspended in the environment.
  • the optical concentration measuring device according to this embodiment can be used as a gas sensor.
  • the detection unit is not particularly limited as long as it can receive the light propagated through the core layer of the optical waveguide.
  • a thermal infrared sensor such as a pyroelectric sensor, a thermopile or a bolometer
  • a quantum infrared sensor such as a diode or a phototransistor, etc.
  • ultraviolet rays are used for gas measurement
  • a quantum ultraviolet sensor such as a diode or a phototransistor
  • various semiconductor sensors can be used as the detection unit.
  • FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams showing a schematic configuration of the optical concentration measuring apparatus 1 according to the first embodiment, and are conceptual diagrams of the ATR method using the optical waveguide 10 according to the first embodiment.
  • the optical concentration measuring device 1 is installed and used in an external space 2 where a gas for detecting the concentration or the like exists.
  • the optical concentration measuring apparatus 1 includes an optical waveguide 10 according to the first embodiment, a light source 20 capable of entering light (infrared IR in the first embodiment) into the core layer 11 provided in the optical waveguide 10, and the core layer 11. And a photodetector (an example of a detection unit) 40 capable of receiving the infrared ray IR that has propagated.
  • the optical waveguide 10 connects the substrate 15, the core layer 11 capable of propagating infrared IR (an example of light), at least a part of the substrate 15 and at least a part of the core layer 11, and the core layer 11 is connected to the substrate 15. And a support portion 17 for supporting the.
  • the core layer 11 and the substrate 15 are made of silicon (Si), and the support portion 17 is made of silicon dioxide (SiO 2 ).
  • the substrate 15 has, for example, a plate shape
  • the core layer 11 has, for example, a rectangular parallelepiped shape.
  • the optical waveguide 10 includes a grating coupler 118 formed at one end of the core layer 11 in the longitudinal direction and a grating coupler 119 formed at the other end of the core layer 11 in the longitudinal direction (left and right direction in FIG. 1). Have.
  • the grating coupler 118 is arranged in the emission direction of the light source 20 (in the first embodiment, vertically below in a state where the lamination direction of the optical waveguides 10 is parallel to the vertical direction and the substrate 15 faces vertically downward). ing.
  • the grating coupler 118 is configured to couple the infrared IR incident from the light source 20 to the infrared IR propagating through the core layer 11.
  • the grating coupler 119 faces the photodetector 40 (in the first embodiment, vertically downward in a state where the lamination direction of the optical waveguides 10 is parallel to the vertical direction and the substrate 15 is directed vertically downward). Is arranged.
  • the grating coupler 119 takes out the infrared IR propagating through the core layer 11 and emits it toward the photodetector 40.
  • the optical waveguide 10 has a structure having a space portion 13 without a predetermined layer such as a cladding layer below the core layer 11 except for a region where the support portion 17 is provided. ing.
  • the connecting portion 171 of the support portion 17 connected to the core layer 11 has a position NP where the distance from the center to the outer surface in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer 11 is the shortest (the width of the cross section in the first embodiment). The center position is off.
  • the connection portion 171 of the support portion 17 is located offset from the center to one end (right end in FIG. 2) in the width direction of the core layer 11 (left and right direction in FIG. 2).
  • Sensors using the ATR method often propagate light in a single mode within the core layer.
  • light infrared rays
  • the optical axis OA of the infrared IR is cut in a cross section cut by a plane perpendicular to the longitudinal direction that is the propagation direction of the infrared IR. Located approximately in the middle of the layer 11.
  • the evanescent wave EW that oozes around the core layer 11 increases near the surface of the core layer 11 near the optical axis OA, and the distance from the center of the core layer 11 that overlaps the optical axis OA is the shortest. Most often near the outer surface.
  • the distribution of the evanescent wave EW of infrared IR that propagates through the core layer 11 ′ of the optical waveguide 10 ′ having the conventional structure shown in FIG. 36 is the same as that of the optical waveguide 10 of the first embodiment.
  • the interaction area between the evanescent wave that oozes from the core layer and the substance to be measured is increased, and light is absorbed into a material other than the substance to be measured (that is, the light is absorbed by the support portion). ),
  • the sensitivity as a sensor can be increased.
  • the connecting portion between the core layer and the support portion for supporting the core layer is from the center of the core layer. Is located near the outer surface where the distance is the shortest. For this reason, the vicinity of the outer surface where the distance from the optical axis of the light propagating in the single mode is the shortest overlaps the support portion.
  • the evanescent wave that oozes out around the core layer is the largest near the surface near the optical axis, if the support portion is near the outer surface, many evanescent waves are absorbed by the material forming the support portion. For this reason, the sensor using the optical waveguide having such a structure has a problem that the detection sensitivity of the substance to be measured is deteriorated.
  • the support portion 17 ′ is in a plane orthogonal to the longitudinal direction that is the propagation direction of the light L (that is, the cross section shown in FIG. 36). , Provided between the center of the core layer 11 ′ and the substrate 15 ′.
  • the connecting portion between the core layer 11 ′ and the support portion 17 ′ for supporting the core layer 11 ′ is in the width direction of the core layer 11 ′.
  • the optical waveguide 10 forms the space portion 13 between the core layer 11 and the substrate 15 as in the conventional optical waveguide 10 ′, while the substrate 15
  • the core layer 11 is supported by the support portion 17.
  • the core layer 11 has a symmetrical structure with respect to the center in a cross section perpendicular to the longitudinal direction.
  • the optical axis OA of the infrared IR propagating through the core layer 11 is at the center of the core layer 11. Therefore, as shown in FIG. 2, the support portion 17 is provided to be shifted from the center in the width direction of the core layer 11 to either end (shifted to the right in FIG. 2).
  • the support part 17 can be kept away from the area
  • FIG. 3A shows a plan view of the manufacturing process of the optical waveguide 10
  • FIG. 3B shows an end view of the manufacturing process of the optical waveguide 10 cut along the line BB shown in FIG. 3A
  • FIG. 4A shows a plan view of the manufacturing process of the optical waveguide 10
  • FIG. 4B shows an end view of the manufacturing process of the optical waveguide 10 cut along the line BB shown in FIG. 4A
  • FIG. 5A shows a plan view of the manufacturing process of the optical waveguide 10, and FIG.
  • FIG. 5B shows an end view of the manufacturing process of the optical waveguide 10 cut along the line BB shown in FIG. 5A.
  • 6A shows a plan view of the manufacturing process of the optical waveguide 10
  • FIG. 6B shows an end view of the manufacturing process of the optical waveguide 10 cut along the line BB shown in FIG. 6A.
  • the optical waveguide 10 is manufactured by forming a plurality of main portions of the optical waveguide at the same time on a single support substrate 15a and then separating them. 3A, 3B, 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, and 6B, only one optical waveguide main portion of the plurality of optical waveguide main portions is illustrated.
  • the substrate has a support substrate 15a, a BOX layer 17a formed on the support substrate 15a, and an active substrate 11a formed on the BOX layer 17a.
  • An SOI substrate 100 having a “layer-silicon” structure is formed.
  • the active substrate 11a is etched from the SOI substrate 100 by using a lithography technique and an etching technique to form a rectangular parallelepiped core layer 11.
  • a plate-like support substrate 15a, a plate-like BOX layer 17a formed on the support substrate 15a, and a quadrangular columnar core layer formed on a part of the BOX layer 17a. 11 is formed.
  • a mask layer M1 covering a part of the core layer 11 and the BOX layer 17a is formed.
  • the mask layer M1 is disposed so as to be biased to either end side with respect to the center of the core layer 11 in the width direction.
  • the mask layer M1 may be a photoresist or a hard mask such as a silicon nitride film.
  • a part of the BOX layer 17a of the optical waveguide main portion 10a is removed by wet etching or the like using the mask layer M1 as a mask.
  • FIGS. 6A and 6B a position that is biased to one side (right side in FIG. 6B) with respect to the center in the width direction of the core layer 11 (that is, the width direction from the optical axis OA of infrared rays propagating through the core layer 11
  • the support portion 17 existing at a position shifted in FIG. 2 is formed, and a part of the core layer 11 is floated.
  • the connecting portion 171 of the support portion 17 connected to the core layer 11 is located on the shortest outer surface from the center of the core layer 11 in a plane orthogonal to the longitudinal direction that is the propagation direction of infrared rays (FIG. 6B).
  • the core layer 11 has a shape that is long in the width direction, it is not located at the center in the width direction of the outer surface, and either end side with respect to the center in the width direction of the core layer 11 It is formed to be biased.
  • a space portion 13 is formed between the center of the core layer 11 and the main surface 15 s of the substrate 15.
  • a protective film may be formed on the surface of the core layer 11 after the etching of the mask layer M1.
  • This protective film may be a film containing nitrogen, and the film thickness may be not less than 1 nm and less than 20 nm.
  • a slit-like grating coupler 118 is formed at one end of the core layer 11 in the longitudinal direction, and a slit-like grating coupler 119 is formed at the other end of the core layer 11 in the longitudinal direction (see FIG. 1).
  • the grating coupler 118 and the grating coupler 119 may be formed at the same time as the core layer 11 or may be formed before the core layer 11 is formed.
  • the support substrate 15a is cut in a predetermined region to separate the optical waveguide main portion 10a into individual pieces.
  • the optical waveguide 10 (see FIG. 2) in which the support portion 17 exists at a position deviated from the optical axis OA of the infrared rays propagating through the core layer 11 is completed.
  • a light source 20 is installed so that infrared IR can be incident on the grating coupler 118 of the optical waveguide 10, and a photodetector is provided so that the infrared IR emitted from the grating coupler 119 of the optical waveguide 10 can be received.
  • the optical density measuring device 1 is completed.
  • FIG. 7 shows a cross section of the optical waveguide according to the second embodiment, cut along a plane perpendicular to the longitudinal direction as the light propagation direction.
  • the optical waveguide 60 includes a substrate 15, a core layer 11 formed on the substrate 15, and a plurality of core layers 11 that support the substrate 15 (second embodiment). 2) support portions 17x and 17y.
  • the core layer 11 includes separation parts 111, 112, and 113 separated into a plurality of (three in the second embodiment) parts.
  • the separation unit 111, the separation unit 112, and the separation unit 113 are arranged in close contact with each other.
  • the separation units 111, 112, and 113 are, for example, branched portions of the core layer 11.
  • the support portion 17x has a plurality of (two in the second embodiment) connection portions 171 and 172 that are spatially separated.
  • the connection portions 171 and 172 extend in the longitudinal direction, which is the light propagation direction of the core layer 11.
  • the connection portions 171 and 172 are respectively provided at both end portions in the width direction of the upper surface of the support portion 17x.
  • the connection portion 171 is provided at one end, and the connection portion 172 is provided at the other end.
  • the separation part 111 is connected to the connection part 171, and the separation part 112 is connected to the connection part 172.
  • the support part 17 x connects at least a part of the separation part 111 and at least a part of the separation part 112 and at least a part of the substrate 15 to support the separation parts 111 and 112 with respect to the substrate 15. .
  • the connecting portion 171 is located on the shortest outer surface from the center of the separation portion 111 of the core layer 11 in a plane perpendicular to the longitudinal direction as the light propagation direction and including the separation portion 111 of the core layer 11 (see FIG. 7, when the separation portion 111 of the core layer 11 has a shape that is long in the width direction, it is not located at the center in the width direction of the outer surface, and the center in the width direction of the separation portion 111. Are formed so as to be biased toward either end. For this reason, the optical waveguide 60 has a space portion 13 a below the separation portion 111 of the core layer 11 without having a predetermined layer such as a cladding layer.
  • the connecting portion 172 is located on the shortest outer surface from the center of the separating portion 112 of the core layer 11 in a plane perpendicular to the longitudinal direction as the light propagation direction and including the separating portion 112 of the core layer 11 (see FIG. 7, when the separation part 112 of the core layer 11 has a shape that is long in the width direction, it is not located at the center of the outer surface in the width direction), and is not located in the width direction of the separation part 112. Are formed so as to be biased toward either end. For this reason, the optical waveguide 60 has a space portion 13b below the separation portion 112 of the core layer 11 without having a predetermined layer such as a cladding layer.
  • a support portion 17y is provided.
  • the separation portion 113 of the core layer 11 is connected to the connection portion 173 of the support portion 17y.
  • the support part 17 y connects at least a part of the separation part 113 and at least a part of the substrate 15 to support the separation part 113 with respect to the substrate 15.
  • the connecting portion 173 is located on the shortest outer surface from the center of the separation portion 113 of the core layer 11 in a plane perpendicular to the longitudinal direction that is the light propagation direction and including the separation portion 113 of the core layer 11 (see FIG.
  • the optical waveguide 60 has a space portion 13 c below the separation portion 113 of the core layer 11 without having a predetermined layer such as a cladding layer.
  • the space portions 13a, 13b, and 13c are filled with a gas or a liquid to be measured.
  • the optical waveguide 60 is configured such that the amount of interaction between the substance to be measured and the evanescent wave in the separation unit 111, the amount of interaction between the substance to be measured and the evanescent wave in the separation unit 112, and the substance to be measured and the evanescent wave in the separation unit 113.
  • the amount of interaction with can be increased.
  • the optical waveguide 60 can reduce infrared absorption by the support portions 17x and 17y. As a result, the sensitivity of the optical concentration measuring device using the optical waveguide 60 is improved.
  • the support portions 17x and 17y can be efficiently provided with a small area by connecting the separation portions 111 and 112 of the plurality of separation portions 111, 112, and 113 of the core layer 11 and one support portion 17x. Can be formed.
  • the optical waveguide 60 includes the core layer 11 having the three separated separation portions 111, 112, and 113, but is not limited thereto.
  • the optical waveguide 60 may include a plurality (three in the second embodiment) of core layers. In this case, for example, of the three core layers, two adjacent core layers are connected to the connection portions 171 and 172 of the support portion 17x, and the remaining one core layer is connected to the connection portion 173 of the support portion 17y. The Thereby, the same effect as the case where the optical waveguide 60 is provided with the core layer 11 which has the three isolation
  • the optical waveguide 60 may be laid out by folding one long optical waveguide.
  • connection portions 171 and 172 of the support portion 17x are connected to the connection portions 171 and 172 of the support portion 17x in the region where the three core layers laid back and arranged are arranged, and the remaining one core layer is connected to the support portion 17y. Connected to the connecting portion 173. Thereby, the same effect as the case where the optical waveguide 60 is provided with the core layer 11 which has the three isolation
  • the manufacturing method of the optical waveguide 60 according to the second embodiment is the same as that of the optical waveguide 10 according to the first embodiment except that the shapes of the mask layers for forming the core layer 11 and the support portions 17x and 17y are different. Therefore, the description is omitted.
  • optical waveguide according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8, 9A, 9B, 10A, and 10B.
  • the optical waveguide according to the third embodiment is characterized in that light propagates in a multimode through the core layer.
  • a schematic configuration of the optical waveguide 70 according to the third embodiment will be described with reference to FIG.
  • the optical waveguide 70 connects the substrate 15, the core layer 11 provided on the substrate 15, at least a part of the substrate 15 and at least a part of the core layer 11 to the substrate 15. And a support portion 17 that supports the core layer 11.
  • the optical waveguide 70 is configured such that light (infrared rays in the third embodiment) propagates through the core layer 11 through a plurality (three in the third embodiment) of optical axes OA1, OA2, and OA3.
  • connection portion 171 of the support portion 17 connected to the core layer 11 is provided between the three optical axes OA1, OA2, and OA3 of light that propagates in multimode (infrared rays in the third embodiment) in the width direction.
  • the connection portion 171 of the support portion 17 is provided between the optical axis OA2 and the optical axis OA3.
  • the connection portion 171 of the support portion 17 connected to the core layer 11 is not provided between the optical axes OA1, OA2, OA3 of the light and the main surface 15s of the substrate 15.
  • the optical axis OA2 substantially coincides with the center of the core layer 11.
  • connection portion 171 of the support portion 17 connected to the core layer 11 is located on the shortest outer surface from the center of the core layer 11 in a plane orthogonal to the longitudinal direction as the light propagation direction (see FIG. 8, when the core layer 11 has a shape that is long in the width direction, it is not positioned at the center in the width direction of the outer surface, and is either end relative to the center in the width direction of the core layer 11. It is formed to be biased to the side.
  • the optical waveguide 70 is provided between the optical axes OA1 and OA2 of infrared rays propagating through the core layer 11 and the main surface 15s of the substrate 15, and is filled with the measured substance MO, And a space 13b provided between the optical axis OA3 and the main surface 15s of the substrate 15 and filled with the substance to be measured MO.
  • the optical waveguide 70 can keep the support part 17 away from the region where the evanescent wave EW is most concentrated. Therefore, the optical waveguide 70 can prevent the detection characteristics of the substance to be measured MO from being deteriorated by the support portion 17.
  • FIG. 9A shows a plan view of the manufacturing process of the optical waveguide 70
  • FIG. 9B shows an end view of the manufacturing process of the optical waveguide 70 cut along the CC line shown in FIG. 9A
  • 10A shows a plan view of the manufacturing process of the optical waveguide 70
  • FIG. 10B shows an end view of the manufacturing process of the optical waveguide 70 cut along the line CC shown in FIG. 10A.
  • the optical waveguide 70 is manufactured by forming a plurality of main portions of the optical waveguide at the same time on a single support substrate 15a and then separating them. 9A, 9B, 10A, and 10B, only one optical waveguide main portion of the plurality of optical waveguide main portions is illustrated.
  • SiO is formed on one or both of the support substrate 15a formed of silicon and finally the substrate 15 and the active substrate 11a formed of silicon and on which the core layer 11 is formed.
  • Two films are formed, and the support substrate 15a and the active substrate 11a are bonded to each other so as to sandwich the SiO 2 film and bonded by heat treatment.
  • the thickness of the active substrate 11a is adjusted by grinding and polishing the active substrate 11a to a predetermined thickness.
  • the substrate has a support substrate 15a, a BOX layer 17a formed on the support substrate 15a, and an active substrate 11a formed on the BOX layer 17a.
  • An SOI substrate 100 having a “layer-silicon” structure is formed.
  • the SOI substrate 100 is etched with the active substrate 11a using the lithography technique and the etching technique to form the rectangular parallelepiped core layer 11.
  • a plate-like support substrate 15a, a plate-like BOX layer 17a formed on the support substrate 15a, and a quadrangular columnar core layer formed on a part of the BOX layer 17a. 11 is formed (corresponding to the optical waveguide main portion 10a in FIG. 4).
  • a mask layer M2 in which the center line Cm is disposed between the axes a1, a2, and a3 where the optical axes OA1, OA2, and OA3 are formed in the future is formed.
  • the mask layer M2 may be a photoresist or a hard mask such as a silicon nitride film.
  • the support portion 17 corresponds to the center line Cm of the mask layer M2 and between the axes a2 and a3 where the optical axes OA2 and OA3 are formed in the future.
  • a part of the core layer 11 is floated.
  • connection portion 171 of the support portion 17 connected to the core layer 11 is the shortest from the center of the core layer 11 in a plane orthogonal to the longitudinal direction that is the propagation direction of light (infrared rays in the third embodiment).
  • the connection portion 171 of the support portion 17 connected to the core layer 11 is between the main surface 15s of the substrate 15 connected to the support portion 17 and the axes a2 and a3 corresponding to the optical axes OA2 and OA3 of the light.
  • a space 13a is formed between the axes a1 and a2 that propagate through the core layer 11 and become the optical axes OA1 and OA2 of the multimode light in the future and the main surface 15s of the substrate 15, and the optical axis OA3 of the light
  • a space portion 13 b is formed between the axis a ⁇ b> 3 and the main surface 15 s of the substrate 15.
  • a protective film may be formed on the surface of the core layer 11 after the etching of the mask layer M2.
  • This protective film may be a film containing nitrogen, and the film thickness may be not less than 1 nm and less than 20 nm.
  • a slit-like input side grating coupler similar to the grating coupler 118 shown in FIG. 1 is formed at one end portion in the longitudinal direction of the core layer 11, and the other end portion in the longitudinal direction of the core layer 11 is shown in FIG.
  • a slit-like output side grating coupler similar to the illustrated grating coupler 119 is formed.
  • the grating coupler 118 and the grating coupler 119 may be formed at the same time as the core layer 11 or may be formed before the core layer 11 is formed.
  • the support substrate 15a is cut in a predetermined region to separate the optical waveguide main portion 70a into individual pieces.
  • the optical waveguide 70 in which the connection portion 171 of the support portion 17 exists at a position between the optical axis OA2 and the optical axis OA3 of the light propagating through the core layer 11 is completed.
  • the light source 20 is installed so that infrared rays can be incident on the input-side grating coupler of the optical waveguide 70, and the photodetector 40 can receive the infrared rays emitted from the output-side grating coupler of the optical waveguide 70.
  • the optical waveguide 70 has a structure in which the connection portion 171 of the support portion 17 that supports the core layer 11 is shifted from the optical axes OA1, OA2, and OA3 of the light propagating through the core layer 11 in the width direction. Further, it is possible to prevent the detection characteristic of the substance to be measured MO from being lowered by the support portion 17.
  • an optical waveguide and an optical concentration measuring device having a support portion for supporting the core layer are provided without reducing the sensitivity of the sensor. be able to.
  • the optical waveguide according to the first to third embodiments increases the amount of interaction between the evanescent wave of light propagating through the core layer and the substance to be measured, and decreases the amount of absorption of the evanescent wave by the support portion. be able to.
  • the optical waveguides according to the first to third embodiments can detect a substance to be measured stably with high sensitivity in various specification modes.
  • FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of the optical concentration measuring device 8 according to the fourth embodiment, and is also a conceptual diagram of the ATR method using the optical waveguide 80 according to the fourth embodiment.
  • the optical concentration measuring device 8 is installed and used in an external space 2 where a gas for detecting a concentration or the like exists.
  • the optical concentration measuring device 8 includes an optical waveguide 80 according to the fourth embodiment, a light source 20 capable of entering light (infrared IR in the fourth embodiment) into the core layer 11 provided in the optical waveguide 80, and the core layer 11.
  • a photodetector an example of a detection unit 40 capable of receiving the infrared ray IR that has propagated.
  • the optical waveguide 80 connects the substrate 15, the core layer 11 capable of propagating infrared IR (an example of light), and at least a part of the substrate 15 and at least a part of the core layer 11 to connect the substrate 15 to the core layer.
  • 11 is provided with a first support part 87x and a second support part 87y that intermittently support 11.
  • the core layer 11 and the substrate 15 are made of silicon (Si), and the first support part 87x and the second support part 87y are made of silicon dioxide (SiO 2 ).
  • the substrate 15 has, for example, a plate shape
  • the core layer 11 has, for example, a rectangular parallelepiped shape.
  • the optical waveguide 80 includes a grating coupler 118 formed at one end portion in the longitudinal direction of the core layer 11 and a grating coupler 119 formed at the other end portion in the longitudinal direction of the core layer 11.
  • the grating coupler 118 is disposed in the emission direction of the light source 20 (in the fourth embodiment, vertically below in a state where the lamination direction of the optical waveguide 10 is parallel to the vertical direction and the substrate 15 is directed vertically downward). ing.
  • the grating coupler 118 is configured to couple the infrared IR incident from the light source 20 to the infrared IR propagating through the core layer 11.
  • the grating coupler 119 faces the photodetector 40 (in the fourth embodiment, vertically downward in a state where the lamination direction of the optical waveguides 10 is parallel to the vertical direction and the substrate 15 is directed vertically downward). Is arranged.
  • the grating coupler 119 takes out the infrared IR propagating through the core layer 11 and emits it toward the photodetector 40.
  • FIG. 12 is an end view showing a cross section cut along line DD and FF in FIG. 1
  • FIG. 13 is an end view showing a cross section cut along line EE in FIG.
  • FIG. 14 is a plan view of the optical waveguide 80 as viewed from the light source 20 or the photodetector 40 side, for explaining the arrangement of the first support part 87x and the second support part 87y.
  • the optical waveguide 80 is provided between the core layer 11 and the substrate 15, except for the region where the first support portion 87 x or the second support portion 87 y is provided.
  • a structure having a gap 13 without a predetermined layer such as a cladding layer is employed.
  • connection portion 871 of the first support portion 87x connected to the core layer 11 has a position NP where the distance from the center to the outer surface in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer 11 is the shortest. It deviates from (the center position in the width direction of the cross section in the fourth embodiment).
  • connection portion 871 of the first support portion 87x is offset from the center to one end (the right end in FIG. 12) in the width direction of the core layer 11.
  • the connection part 871 of the 1st support part 87x exists intermittently along a longitudinal direction.
  • connection portion 872 of the second support portion 87y connected to the core layer 11 has a position NP where the distance from the center to the outer surface in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer 11 is the shortest. It deviates from (the center position in the width direction of the cross section in the fourth embodiment). Further, the connection portion 872 of the second support portion 87y is between the end opposite to the connection portion 871 of the first support portion 87x (the left end in FIG. 13) in the width direction of the core layer 11. It is biased. Moreover, as shown in FIG. 11, the connection part 872 of the 2nd support part 87y exists intermittently along a longitudinal direction.
  • connection portions 871 and 872 of the first support portion 87x and the second support portion 87y exist alternately along the longitudinal direction of the core layer 11. Furthermore, as shown in FIGS. 11 and 14, the first support portions 87 x and the second support portions 87 y exist alternately along the longitudinal direction of the core layer 11.
  • Sensors using the ATR method often propagate light in a single mode within the core layer.
  • an example is given in which light (infrared rays) is propagated in a single mode in the core layer 11 provided in the optical waveguide 80.
  • the optical axis OA of the infrared IR is a cross section cut along a plane orthogonal to the longitudinal direction that is the propagation direction of the infrared IR.
  • the evanescent wave EW that oozes around the core layer 11 increases near the outer surface of the core layer 11 near the optical axis OA, and the distance from the center of the core layer 11 that overlaps the optical axis OA is the shortest. It becomes most near the outer surface.
  • the distribution of the evanescent wave EW of infrared IR that propagates through the core layer 11 ′ of the optical waveguide 10 ′ having the conventional structure shown in FIG. 36 is the same as that of the optical waveguide 80 of the fourth embodiment.
  • the interaction area between the evanescent wave that oozes from the core layer and the substance to be measured is expanded (that is, the exposed part of the core layer is enlarged), and light to the material other than the substance to be measured
  • the sensitivity as a sensor can be increased by reducing the absorption of light (that is, absorption of light by a support portion or the like).
  • the connecting portion between the core layer and the support portion for supporting the core layer in the cross section obtained by cutting the core layer along a plane perpendicular to the light propagation direction, the connecting portion between the core layer and the support portion for supporting the core layer. However, it is located near the outer surface where the distance from the center of the core layer is the shortest.
  • the support portion 17 ′ is orthogonal to the longitudinal direction, which is the propagation direction of the light L, and is in a plane including the support portion 17 ′ (that is, FIG. 36 is provided between the center of the core layer 11 ′ and the substrate 15 ′.
  • the connecting portion between the core layer 11 ′ and the support portion 17 ′ for supporting the core layer 11 ′ is in the width direction of the core layer 11 ′.
  • the optical waveguide 80 has a gap between the core layer 11 and the substrate 15 as in the conventional optical waveguide 10 ′.
  • the core layer 11 is supported by the first support portion 87x and the second support portion 87y with respect to the substrate 15.
  • the core layer 11 has a symmetrical structure with respect to the center in a cross section perpendicular to the longitudinal direction.
  • the optical axis OA of the infrared IR that propagates through the core layer 11 overlaps the center of the core layer 11. Therefore, as shown in FIGS.
  • the first support portion 87x and the second support portion 87y are shifted to either end from the center in the width direction of the core layer 11 (right in FIG. 12). Are shifted to the left in FIG. 13).
  • the 1st support part 87x and the 2nd support part 7y8 can be kept away from the area
  • the first support portion 87 x and the second support portion 87 y are provided intermittently along the longitudinal direction, and the mechanical strength of the optical waveguide 80 is further increased.
  • the connection portions 871 and 872 of the first support portion 87x and the second support portion 87y that are intermittently positioned to strengthen the core layer 11 are in the longitudinal direction of the core layer 11, that is, in the propagation direction of the infrared IR. Alternatingly arranged along.
  • the optical concentration measuring device 8 including the optical waveguide 10 increases the mechanical strength while preventing the decrease in the detection characteristic of the substance to be measured MO due to the presence of the first support portion 87x and the second support portion 87y as much as possible. Can be strong.
  • FIG. 15 shows a plan view of the manufacturing process of the optical waveguide 80.
  • FIG. 16 is a manufacturing process end view of the optical waveguide 80 cut along the GG line, the II line, the HH line, and the JJ line shown in FIG.
  • FIG. 17 shows a plan view of the manufacturing process of the optical waveguide 80.
  • FIG. 18 is a manufacturing process end view of the optical waveguide 80 cut along the GG line, the II line, the HH line, and the JJ line shown in FIG.
  • FIG. 19 shows a plan view of the manufacturing process of the optical waveguide 80.
  • FIG. 20 is a manufacturing process end view of the optical waveguide 80 cut along the GG line and the II line shown in FIG.
  • FIG. 21 is a manufacturing process end view of the optical waveguide 80 cut along the line HH shown in FIG.
  • FIG. 22 shows an end view of the manufacturing process of the optical waveguide 80 cut along the line JJ shown in FIG.
  • FIG. 23 shows a plan view of the manufacturing process of the optical waveguide 80.
  • FIG. 24 is a manufacturing process end view of the optical waveguide 80 cut along the GG line and the II line shown in FIG.
  • FIG. 25 shows an end view of the manufacturing process of the optical waveguide 80 cut along the line HH shown in FIG.
  • FIG. 26 shows an end view of the manufacturing process of the optical waveguide 80 cut along the line JJ shown in FIG.
  • the substrate has a support substrate 15a, a BOX layer 17a formed on the support substrate 15a, and an active substrate 11a formed on the BOX layer 17a.
  • An SOI substrate 100 having a “layer-silicon” structure is formed.
  • the active substrate 11a is etched from the SOI substrate 100 by using a lithography technique and an etching technique to form a rectangular parallelepiped core layer 11.
  • a plate-like support substrate 15a, a plate-like BOX layer 17a formed on the support substrate 15a, and a quadrangular columnar core layer formed on a part of the BOX layer 17a. 11 is formed.
  • a mask layer M ⁇ b> 3 that covers a part of the core layer 11 and the BOX layer 17 a is formed.
  • the mask layer M3 is arranged to be deviated to either end side with respect to the center of the core layer 11 in the width direction, and is alternately arranged alternately. Note that, as shown in FIG. 22, a part in the longitudinal direction is not covered with the mask layer M3, and the core layer 11 and the BOX layer 17a are exposed.
  • the mask layer M3 may be a photoresist or a hard mask such as a silicon nitride film.
  • connection portions 871 and 872 of the first support portion 87x and the second support portion 87y connected to the core layer 11 are orthogonal to the longitudinal direction that is the direction of propagation of infrared rays and are the first support portions.
  • the location of the shortest outer surface from the center of the core layer 11 (when the core layer 11 has a long shape in the width direction as shown in FIGS. 24 and 25) The center of the outer surface in the width direction), and is biased toward one end with respect to the center in the width direction of the core layer 11, and the connection portions 871 and 872 propagate infrared rays. It is formed intermittently and alternately along the direction.
  • a gap 13 is formed between the center of the core layer 11 and the main surface 15 s of the substrate 15.
  • the mask layer M3 is etched.
  • the formation of the grating coupler is omitted.
  • the formation of the core layer 11 shown in FIG. 118 and 119 may be formed, and then a mask layer M3 shown in FIG. 19 may be formed.
  • a slit-like grating coupler 118 is formed at one end of the core layer 11 in the longitudinal direction and a slit-like grating coupler 119 is formed at the other end of the core layer 11 in the longitudinal direction, the structure shown in FIG. 11 is obtained.
  • the support substrate 15a is cut in a predetermined region to separate the optical waveguide main portion 80a into individual pieces.
  • the first support portion 87x and the second support portion 87y intermittently and alternately exist at positions deviated from the infrared optical axis OA propagating through the core layer 11 in the width direction of the core layer 11. 80 (see FIGS. 11, 12, 13, and 14) is completed.
  • the light source 20 is installed so that the infrared IR can be incident on the grating coupler 118 of the optical waveguide 80, and the photodetector can receive the infrared IR emitted from the grating coupler 119 of the optical waveguide 10.
  • the optical density measuring device 8 is completed.
  • the first support portion 87x and the second support portion 87y that support the core layer 11 overlap with the center of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer 11 (propagating through the core layer 11).
  • the first The mechanical strength can be increased after preventing the detection characteristics of the substance to be measured MO from being deteriorated by the support portion 87x and the second support portion 87y.
  • the first support portion 87x and the second support portion 87y are formed in different cross sections in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the core layer 11, but are shown in FIG. As described above, even if the core layer 11 is formed in the same cross section in the direction perpendicular to the longitudinal direction, the same effect can be obtained.
  • the optical waveguide 80 having the first support portion 87x and the second support portion 87y for supporting the core layer 11 without reducing the sensitivity of the sensor, and An optical density measuring device 8 can be provided.
  • the optical waveguide 80 according to the fourth embodiment increases the amount of interaction between the evanescent wave EW of the light propagating through the core layer 11 and the substance to be measured MO, and the first support portion 87x and the second support portion 87y.
  • the amount of absorption of the evanescent wave EW can be reduced.
  • the optical waveguide 80 according to the fourth embodiment can stably detect the substance to be measured MO with high sensitivity in various specification modes.
  • the optical waveguide 90 according to the fifth embodiment will be described using silicon as a core material, but is not limited to silicon as long as the material exhibits a function as an optical waveguide, such as GaAs.
  • 28 and 29 are diagrams showing a schematic configuration of the optical concentration measuring device 9 according to the fifth embodiment, and are conceptual diagrams of the ATR method using the optical waveguide 90 according to the fifth embodiment.
  • the optical concentration measuring device 9 is installed and used in an external space 2 where a gas for detecting the concentration or the like exists.
  • the optical concentration measuring device 9 includes an optical waveguide 90 according to the fifth embodiment, a light source 20 capable of entering light (infrared IR in the fifth embodiment) into a core layer 91 provided in the optical waveguide 90, and a core layer 91. And a photodetector (an example of a detection unit) 40 capable of receiving the infrared ray IR that has propagated.
  • the optical waveguide 90 includes a core layer 91 capable of propagating infrared IR (an example of light) in the longitudinal direction (left and right direction in FIG. 28), and a protective film 14 (details) formed on at least a part of the surface of the core layer 91.
  • the optical waveguide 90 includes a substrate 15, a clad layer (an example of a support portion) 97 formed on the substrate 15, and a core layer 91 formed on the clad layer 97.
  • the clad layer 97 joins the substrate 15 and the core layer 91.
  • the core layer 91 and the substrate 15 are made of silicon (Si), and the cladding layer 97 is made of silicon dioxide (SiO 2 ).
  • the substrate 15 and the clad layer 97 have a plate shape, and the core layer 91 has a rectangular parallelepiped shape.
  • the optical waveguide 90 has a grating coupler 118 formed at one end portion in the longitudinal direction of the core layer 91 and a grating coupler 119 formed at the other end portion in the longitudinal direction of the core layer 11.
  • the grating coupler 118 is disposed below the light source 20.
  • the grating coupler 118 is configured to couple the infrared IR incident from the light source 20 to the infrared IR propagating through the core layer 91.
  • the grating coupler 119 is disposed below the photodetector 40.
  • the grating coupler 119 takes out the infrared IR that propagates through the core layer 91 and emits it toward the photodetector 40.
  • FIG. 29 shows a cross section of the optical concentration measuring device cut along the line KK shown in FIG.
  • the optical waveguide 90 according to the fifth embodiment is formed between a core layer 91 in which light (infrared rays in the fifth embodiment) propagates in the longitudinal direction and a substance to be detected existing in the external space 2.
  • the core layer 91 is made of silicon.
  • the purpose of providing the protective film 14 is to suppress the natural oxidation of the surface of the core layer 91, and it is preferable that the protective film 14 exists without exposing the surface of the core layer 91. Therefore, as long as the protective film 14 is a layer that can suppress the natural oxidation of the surface of the core layer 91, any material may be used.
  • the protective film 14 may be formed of a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film, or the like.
  • the film containing nitrogen has an effect of suppressing oxidation of the surface of the core layer 91.
  • the protective film 14 may be a film having a nitrogen content of 1% or more in at least a partial region of the film containing nitrogen.
  • a silicon nitride film or a silicon oxynitride film is excellent as a material for forming a cladding layer because it has a large refractive index difference from silicon. Furthermore, since the silicon nitride film and the silicon oxynitride film have little absorption of infrared rays, it is possible to suppress the deterioration of the detection sensitivity of the substance to be detected by forming the protective film 14 on the surface of the core layer 91 as much as possible.
  • the film thickness of the protective film 14 is preferably thin as long as the natural oxidation of the core layer 91 can be suppressed. The reason is that the thinner the protective film 14 is, the larger the interaction area between the evanescent wave and the substance to be detected can be. If the protective film 14 is formed too thick, the deterioration of the characteristics of the optical waveguide 90 can be prevented, but the amount of interaction between the evanescent wave and the substance to be detected is reduced. In the first place, the sensitivity is reduced. Therefore, the thickness of the protective film 14 may be 1 nm or more and less than 20 nm, or 2 nm or more and less than 5 nm.
  • the lower limit of 1 nm of the film thickness of the protective film 14 is a film thickness that is necessary for roughly stopping the growth of the natural oxide film on the surface of the core layer 91.
  • the upper limit of 20 nm of the film thickness of the protective film 14 is a film thickness that takes into account that the effect of suppressing the formation of the natural oxide film varies depending on the material and method of forming the protective film 14.
  • the optical concentration measuring device 9 detects gas in the external space 2 using the ATR method.
  • ATR method infrared light is introduced from one grating coupler into an optical waveguide, the infrared light propagated through the optical waveguide is taken out from the other grating coupler side, and the amount of infrared light is detected by a photodetector ahead of it. It has become.
  • the infrared IR emitted from the light source 20 is incident on a grating coupler 118 provided in the optical waveguide 190.
  • the grating coupler 118 diffracts incident infrared IR, introduces it into the core layer 91 at a predetermined angle, and couples it to the infrared IR propagating through the core layer 91.
  • the infrared IR guided through the core layer 91 is repeatedly reflected at the interface between the core layer 91 and the protective film 14 and the interface between the core layer 91 and the cladding layer 97 and reaches the grating coupler 119.
  • an evanescent wave EW is generated in the external space 2 through the protective film 14.
  • the amount of the evanescent wave EW that oozes out to the external space 2 (the depth of oozing) varies depending on the substance to be detected that exists in the external space 2, and the amount that the evanescent wave EW is absorbed also in the external space 2 It depends on the detection substance. For this reason, the intensity of the infrared IR that propagates through the core layer 91 and reaches the grating coupler 119 differs depending on the substance to be detected that exists in the external space 2.
  • the grating coupler 119 diffracts the infrared IR that has arrived and takes it out to the external space 2 toward the photodetector 40. By analyzing the intensity of the infrared IR detected by the photodetector 40, the concentration of the substance to be detected existing in the external space 2 can be detected.
  • FIG. 30 is a manufacturing process end view of the optical waveguide 90 cut along the line KK shown in FIG.
  • the substrate has a support substrate 15a, a BOX layer 17a formed on the support substrate 15a, and an active substrate 11a formed on the BOX layer 17a.
  • An SOI substrate 100 having a “silicon” structure is formed.
  • the active substrate 11a is etched from the SOI substrate 100 by using a lithography technique and an etching technique to form a rectangular parallelepiped core layer 91.
  • a lithography technique and an etching technique to form a rectangular parallelepiped core layer 91.
  • the plate-like substrate 15, the plate-like clad layer 97 formed on the substrate 15, and the quadrangular columnar core layer 11 formed on a part of the clad layer 97 are provided.
  • An optical waveguide main portion 90a is formed.
  • a nitride film is deposited by thermal CVD, or an oxidation treatment is performed in an atmosphere containing NO or N 2 O to form a film containing nitrogen on the surface of the core layer 91.
  • This nitride film is formed to have a film thickness of, for example, 1 nm or more and less than 20 nm.
  • the protective film 14 is formed on the three side surfaces of the core layer 91 except for the side surfaces in contact with the cladding layer 97.
  • the protective film 14 containing nitrogen is formed on the surface of the core layer 91 by oxidation in an atmosphere containing NO or N 2 O.
  • FIG. 32 is a graph showing, for example, the nitrogen concentration when the silicon surface is oxidized under an atmosphere containing NO to form an oxynitride film having a thickness of 3 nm.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 32 indicates the depth (nm) based on the surface of the oxynitride film, and the vertical axis of the graph indicates the nitrogen concentration (%) in the oxynitride film and silicon. Yes.
  • nitrogen is distributed at a concentration of several percent near the interface between silicon and the oxynitride film.
  • the nitrogen concentration in the oxynitride film can be adjusted by changing the NO gas flow rate during oxidation.
  • a slit-like grating coupler 118 is formed at one end of the core layer 91 in the longitudinal direction, and a slit-like grating coupler 119 is formed at the other end of the core layer 91 in the longitudinal direction.
  • an optical waveguide 90 having a protective film 14 containing nitrogen and having a thickness of 1 nm or more and less than 20 nm on the surface of the core layer 91 is completed. Note that the process of forming the grating coupler and the process of forming a film containing nitrogen on the surface of the core layer 91 may be reversed in the order described above.
  • the light source 20 is installed so that the infrared IR can be incident on the grating coupler 118 of the optical waveguide 90, and the photodetector 40 can receive the infrared IR emitted from the grating coupler 119 of the optical waveguide 90.
  • the optical density measuring device 9 is completed.
  • FIGS. 33 and 34 show an optical waveguide 90 and an optical density measuring device 9 according to another configuration example.
  • FIG. 34 shows the optical density measuring device 9 cut along the line LL shown in FIG.
  • an optical waveguide 90 includes a floating core layer 91 in which a support portion 98 that supports the core layer 91 is only partially present. Specifically, the core layer 91 is supported by a plurality of columnar support portions 98 formed on the substrate 15 at predetermined intervals.
  • the optical waveguide 90 having the floating core layer 91 is formed, an additional process is performed after the quadrangular columnar core layer 91 is formed on the BOX layer 17a shown in FIG. 30 (that is, corresponding to FIG. 31). carry out. Specifically, except for a region where the core layer 11 is supported by the support portion 98, the BOX layer 17a is partially removed by using lithography, wet etching, or the like, and a plurality of portions between the core layer 91 and the substrate 15 are removed. The support part 98 is partially formed. As a result, the core layer 91 can be floated in the air by the support portion 98, and a space is partially formed between the core layer 91 and the substrate 15.
  • the optical waveguide 90 in the optical waveguide 90 according to another configuration example, air present in the space between the core layer 91 and the substrate 15 functions as a cladding layer. Further, as shown in FIGS. 33 and 34, the optical waveguide 90 according to another configuration example may have a structure in which the adjacent support portions 98 are connected by the etching residue of the BOX layer 17a existing on the substrate 15. Good.
  • a nitride film is deposited by thermal CVD, or an oxidation treatment is performed in an atmosphere containing NO or N 2 O to form a film containing nitrogen on the surface of the core layer 91.
  • the protective film 14 can be formed on the entire surface of the core layer 91 in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core layer 91 as shown in FIG. Can be suppressed.
  • the optical waveguide 90 having the floating core layer 91 and the optical concentration measuring device 9 shown in FIG. Complete.
  • the effects of the optical waveguide 90 and the optical concentration measurement device 9 according to the fifth embodiment will be described.
  • the more the surface of the core layer that forms the optical waveguide is exposed the more the evanescent wave can interact with the substance to be detected, so the sensitivity as the sensor is improved.
  • the surface state of the core layer changes unexpectedly due to the influence of the external environment, and the sensor performance changes over time.
  • One of changes in the surface state of the core layer due to the external environment is natural oxidation. As shown in FIG.
  • the evanescent wave is most abundant at the interface between the structure 51 (corresponding to the core layer in the case of the optical waveguide) and the external substance 53. E2 decreases. For this reason, the sensitivity as a sensor is more susceptible to a change in state in a region near the interface between the structure 51 and the substance 53. Therefore, the influence of the natural oxide film generated on the outermost surface of the structure 51 is fatal for a sensor that requires high accuracy.
  • the optical waveguide 90 includes the protective film 14 on the surface of the core layer 91.
  • the optical waveguide 90 is configured such that the core layer 91 does not directly contact the external space 2. Thereby, the surface state of the core layer 91 does not change with the passage of time and can maintain the initial state. As a result, the optical waveguide 90 and the optical concentration measuring device 9 can prevent deterioration over time.
  • the protective film 14 is formed of a silicon nitride film or a silicon oxynitride film that absorbs less infrared light, and has a thickness of 1 nm or more and less than 20 nm. Thereby, the optical waveguide 90 can prevent a reduction in the amount of interaction between the evanescent wave and the substance to be detected. As a result, the optical waveguide 90 and the optical concentration measuring device 9 can detect the substance to be detected with high sensitivity.
  • the protective film is provided on the surface of the core layer. Therefore, it is possible to prevent deterioration of the surface state of the core layer caused by the external environment. As a result, the optical waveguide and the optical concentration measurement device according to the fifth embodiment can detect a substance to be detected with high sensitivity and can prevent deterioration of sensitivity over time.
  • Optical density measuring device 2 External space 10, 60, 70, 80, 90, 10 ′ Optical waveguide 10a, 70a, 80a, 90a Optical waveguide main part 11, 91, 11 ′ Core layer 11a Active substrate 13 , 13a, 13b, 13c Space 14 Protective film 15, 15 'Substrate 15a Support substrate 15s Main surface 17, 17x, 17y, 97, 98, 17' Support (cladding layer) 87x, 87y 1st support part, 2nd support part 17a BOX layer 20
  • Light source 40 40 Photo detector 51 Structure 53 Substance 100 SOI substrate 111,112,113 Separation part 118,119 Grating coupler 171,172,173 Connection part 871, 872 First support portion connection portion, second support portion connection portion a1, a2, a3 Axis Cm on which optical axes OA1, OA2, OA3 will be formed in the future Centerline OA, OA1, of mask layer OA2, OA3 Optical axis EW Evanescent

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Abstract

光導波路１０は、基板１５と、長手方向に沿って延伸し、赤外線ＩＲが伝搬可能なコア層１１と、コア層１１よりも屈折率の小さい材料で形成され、基板１５の少なくとも一部とコア層１１の少なくとも一部とを接続し基板１５に対してコア層を支持する支持部１７とを備え、コア層１１と接続される支持部１７の接続部分１７１は、コア層１１の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れている。

Description

光導波路及び光学式濃度測定装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１７年３月６日、２０１７年３月２８日、および２０１７年１１月２９日にそれぞれ、日本国に特許出願された特願２０１７－０４１７９９、特願２０１７－０６３３８５、および特願２０１７－２２９４９３の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。
　本発明は、光導波路及び光学式濃度測定装置に関する。
　結晶などで形成された薄膜などの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とき、構造体の中を伝搬する光は、構造体と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。
　図３５に示すように、構造体５１の中を伝搬する光Ｌは、構造体５１と物質５３との界面で全反射するとき、構造体５１の内部を伝搬する光の他に屈折率の小さい物質５３側に染み出す。この染み出しは、エバネッセント波と呼ばれ、光Ｌが構造体５１を伝搬していく過程で構造体５１に隣接している物質によって吸収されうる。図３５では、構造体５１の内部を伝搬する光Ｌの強度が光強度Ｅ１として図示され、エバネッセント波の強度が光強度Ｅ２として図示されている。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の原理を利用した分析法は、全反射吸収分光（ＡＴＲ：Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ　Ｔｏｔａｌ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）法と呼ばれ、物質の化学組成分析などに利用されている。
　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。
　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、及び、被測定物質以外の材料への光の吸収を少な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。したがって近年では、非特許文献１にあるような、コア層の下にある層を極力減らしてコア層の一部を浮かした、いわゆるペデスタル型の構造（図３６参照）が提案されている。
　コア層を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。
特開２００５－３００２１２号公報
Ｐａｏ　Ｔａｉ　Ｌｉｎ他，"Ｓｉ－ＣＭＯＳ　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｆｏｒ　ｍｉｄ－ＩＲ　ｍｉｃｒｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ"，　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ，　Ｖｏｌ．　３，　Ｉｓｓｕｅ　９，　ｐｐ．　１４７４－１４８７（２０１３）
　気体や液体などの被測定物質の検出用センサは、種々の使用態様において高感度に安定して被測定物質を検出できることが求められている。
　本発明は、種々の使用態様において高感度に安定して被測定物質を検出し得る光導波路および光学式濃度測定装置を提供することを目的とする。
　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、被測定気体または被測定液体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、基板と、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、前記コア層よりも屈折率の小さい材料で形成され、前記基板の少なくとも一部と前記コア層の少なくとも一部とを接続し前記基板に対して前記コア層を支持する支持部と、を備え、前記コア層と接続される前記支持部の接続部分は、前記コア層の前記長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れていることを特徴とする。
　また、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、基板と、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、前記コア層よりも屈折率の小さい材料で形成され、前記基板の少なくとも一部と前記コア層の少なくとも一部とを接続し前記基板に対して前記コア層を支持する支持部と、を備え、前記コア層の少なくとも一部は、気体または液体と接触可能に設けられており、前記コア層と接続される前記支持部の接続部分は、前記コア層の前記長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れていることを特徴とする。
　さらに、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、上記本発明のいずれかの態様による光導波路と、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。
　本発明の各態様によれば、種々の使用態様において高感度に安定して被測定物質を検出し得る光導波路および光学式濃度測定装置を提供することが可能となる。
本発明の第１実施形態による光導波路１０並びに光学式濃度測定装置１の概略構成と、光学式濃度測定装置１を利用したＡＴＲ法によるセンシングとを説明する図である。 本発明の第１実施形態による光導波路１０並びに光学式濃度測定装置１の概略構成を示す図であって、図１中のＡ－Ａ線で切断した光導波路１０および光学式濃度測定装置１の端面図である。 本発明の第１実施形態による光導波路１０の製造方法を説明するための、光導波路１０の製造工程平面図（その１）である。 本発明の第１実施形態による光導波路１０の製造方法を説明するための、図３Ａ中に示すＢ－Ｂ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図（その１）である。 本発明の第１実施形態による光導波路１０の製造方法を説明するための、光導波路１０の製造工程平面図（その２）である。 本発明の第１実施形態による光導波路１０の製造方法を説明するための、図４Ａ中に示すＢ－Ｂ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図（その２）である。 本発明の第１実施形態による光導波路１０の製造方法を説明するための、光導波路１０の製造工程平面図（その３）である。 本発明の第１実施形態による光導波路１０の製造方法を説明するための、図５Ａ中に示すＢ－Ｂ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図（その３）である。 本発明の第１実施形態による光導波路１０の製造方法を説明するための、光導波路１０の製造工程平面図（その４）である。 本発明の第１実施形態による光導波路１０の製造方法を説明するための、図６Ａ中に示すＢ－Ｂ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図（その４）である。 本発明の第２実施形態による光導波路６０を説明するための図である。 本発明の第３実施形態による光導波路７０を説明する図であって、マルチモードでコア層１１を光が伝搬している様子を示す図である。 本発明の第３実施形態による光導波路７０の製造方法を説明するための、光導波路１０の製造工程平面図（その１）である。 本発明の第３実施形態による光導波路７０の製造方法を説明するための、図９Ａ中に示すＣ－Ｃ線で切断した光導波路７０の製造工程端面図（その１）である。 本発明の第３実施形態による光導波路７０の製造方法を説明するための、光導波路７０の製造工程平面図（その２）である。 本発明の第３実施形態による光導波路７０の製造方法を説明するための、図１０Ａ中に示すＣ－Ｃ線で切断した光導波路７０の製造工程端面図（その２）である。 本発明の第４実施形態による光導波路８０並びに光学式濃度測定装置８の概略構成と、光学式濃度測定装置８を利用したＡＴＲ法によるセンシングとを説明する図である。 本発明の第４実施形態による光導波路８０の概略構成を示す図であって、図１１中のＤ－Ｄ線、Ｆ－Ｆ線で切断した光導波路８０の端面図である。 本発明の第４実施形態による光導波路８０の概略構成を示す図であって、図１１中のＥ－Ｅ線で切断した光導波路８０の端面図である。 図１１の第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙの配置を説明するための、光導波路８０を光源２０または光検出器４０側から見た平面図である。 本発明の第４実施形態による光導波路８０の製造方法を説明するための、ＳＯＩ基板１００の平面図である。 図１５のＳＯＩ基板１００をＧ－Ｇ線、Ｉ－Ｉ線、Ｈ－Ｈ線、Ｊ－Ｊ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第４実施形態による光導波路８０の製造方法を説明するための、光導波路主要部８０ａの平面図である。 図１７の光導波路主要部８０ａをＧ－Ｇ線、Ｉ－Ｉ線、Ｈ－Ｈ線、Ｊ－Ｊ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第４実施形態による光導波路８０の製造方法を説明するための、一部をマスク層で覆った光導波路主要部８０ａの平面図である。 図１９の光導波路主要部８０ａをＧ－Ｇ線、Ｉ－Ｉ線で切断した断面を示す端面図である。 図１９の光導波路主要部８０ａをＨ－Ｈ線で切断した断面を示す端面図である。 図１９の光導波路主要部８０ａをＪ－Ｊ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第４実施形態による光導波路８０の製造方法を説明するための、ＢＯＸ層１７ａの一部を除去した光導波路主要部８０ａの平面図である。 図２３の光導波路主要部８０ａをＧ－Ｇ線、Ｉ－Ｉ線で切断した断面を示す端面図である。 図２３の光導波路主要部８０ａをＨ－Ｈ線で切断した断面を示す端面図である。 図２３の光導波路主要部８０ａをＪ－Ｊ線で切断した断面を示す端面図である。 本発明の第４実施形態の変形例による光導波路８０の概略構成を示す端面図である。 本発明の第５実施形態による光導波路９０および光学式濃度測定装置９の概略構成、および光学式濃度測定装置９を利用したＡＴＲ法によるセンシングを説明する図である。 本発明の第５実施形態による光導波路９０および光学式濃度測定装置９の概略構成を示す図であって、図２８中のＫ－Ｋ線で切断した光導波路９０および光学式濃度測定装置９の端面図である。 本発明の第５実施形態による光導波路９０および光学式濃度測定装置９の製造方法を説明するための製造工程端面図（その１）である。 本発明の第５実施形態による光導波路９０および光学式濃度測定装置９の製造方法を説明するための製造工程端面図（その２）である。 本発明の第５実施形態による光導波路９０および光学式濃度測定装置９を説明する図であって、ＮＯを含む雰囲気下でシリコンを酸化したときの窒素濃度分布を示す図である。 本発明の第５実施形態による光導波路９０および光学式濃度測定装置９の他の概略構成、および光学式濃度測定装置９を利用したＡＴＲ法によるセンシングを説明する図である。 本発明の第５実施形態による光導波路９０および光学式濃度測定装置９の他の概略構成を示す図であって、図３３中のＬ－Ｌ線で切断した光導波路９０および光学式濃度測定装置９の端面図である。 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。 従来のペデスタル型の構造を持った光導波路１０’のコア層１７’をシングルモードで光Ｌが伝搬している様子を示す断面図である。
　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。
＜光導波路＞
　本発明の第１実施態様に係る光導波路は、被測定気体または被測定液体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、基板と、長手方向に沿って延伸し且つ光が伝搬可能なコア層と、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し基板に対してコア層を支持するコア層よりも屈折率の小さい材料からなる支持部と、を備え、コア層と接続される支持部の接続部分は、コア層の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れている。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、コア層の長手方向に垂直な断面は、例えば、矩形であるが、矩形に限定されない。当該断面は、円形でなく、当該断面の中心から外表面までの距離が当該断面の中心を軸にした回転によって変動する任意の形状であればよい。また、屈折率は、任意の波長の光に対して、あるいは特定の波長の光に対する屈折率である。特定の波長の光は、特に光学式濃度測定装置において、コア層を伝搬する光である。また、幅方向とは、本実施態様において、コア層の長手方向に垂直且つ基板の主面に平行な方向である。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。また、コア層の少なくとも一部は、コア層を伝搬する光の波長よりも薄い膜厚の膜を介して気体または液体と接触可能に設けられていてもよい。
　第１実施態様に係る光導波路によれば、コア層と接続される支持部の接続部分は、コア層の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れている。つまり、当該接続部分が、光の伝搬に沿った方向となる長手方向に対して直交する平面内において、光が主に伝搬する中心に最も接近する位置よりも離れた位置に設けられている。これにより、第１実施態様に係る光導波路は、支持部によるエバネッセント波の吸収を抑制しつつ、エバネッセント波と被測定気体または被測定液体との相互作用領域を広くとることができる。このため、第１実施態様に係る光導波路を備える光学式濃度測定装置の測定感度を向上させることが可能になる。
　本発明の第２実施態様に係る光導波路は、基板と、長手方向に沿って延伸し且つ光が伝搬可能なコア層と、コア層よりも屈折率の小さい材料で形成され、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し基板に対してコア層を支持する支持部と、を備え、コア層の少なくとも一部は、気体または液体と接触可能に設けられており、コア層と接続されると支持部の接続部分は、コア層の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れている。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、コア層の長手方向に垂直な断面は、例えば、矩形であるが、矩形に限定されない。当該断面は、円形でなく、当該断面の中心から外表面までの距離が当該断面の中心を軸にした回転によって変動する任意の形状であればよい。また、屈折率は、任意の波長の光に対して、あるいは特定の波長の光に対する屈折率である。特定の波長の光は、特に光学式濃度測定装置において、コア層を伝搬する光である。また、幅方向とは、本実施態様において、コア層の長手方向に垂直且つ基板の主面に平行な方向である。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。また、コア層の少なくとも一部は、コア層を伝搬する光の波長よりも薄い膜厚の膜を介して気体または液体と接触可能に設けられていてもよい。
　第２実施態様に係る光導波路によれば、コア層と接続される支持部の接続部分は、コア層の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れている。すなわち、光の伝搬に沿った方向となる長手方向に対して直交する平面内において、光が主に伝搬する中心に最も接近する位置よりも離れた位置に設けられている。これにより、第２実施態様による光導波路は、支持部によるエバネッセント波の吸収を抑制しつつ、エバネッセント波と被測定気体または被測定液体との相互作用領域を広くとることができる。このため、第２実施態様に係る光導波路は、コア層の周囲にある気体または液体の測定感度を向上させることが可能になる。
　また、第１実施態様および第２実施態様において、支持部は第１の支持部と第２の支持部を有していてもよい。コア層と接続される第１の支持部および第２の支持部の接続部分は、コア層の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れており、コア層の幅方向において、中心から一方の端の間に第１の支持部の接続部分が位置し、中心から他方の端の間に第２の支持部の接続部分が位置している。第１の支持部の接続部分と第２の支持部の接続部分とが長手方向に沿って断続的に存在してもよく、第１の支持部の接続部分と第２の支持部の接続部分とが長手方向に沿って交互に存在してもよい。また、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てもよい。なお、薄膜は、光学式濃度測定装置において、コア層を伝搬する光の波長より薄い膜厚である。
　このような構造の光導波路によれば、コア層と接続される第１の支持部および第２の支持部のそれぞれの接続部分はコア層の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れている。つまり、当該接続部分が、光の伝搬に沿った方向となる長手方向に対して直交し且つ支持部を含む平面内において、光が主に伝搬する中心に最も接近する位置よりも離れた位置に設けられている。これにより、第１の支持部および第２の支持部によるエバネッセント波の吸収を抑制しつつ、さらに第１の支持部および第２の支持部の両者に接続されない領域をコア層が有するため、測定用の光の伝搬損失を低減しながら、エバネッセント波と被測定気体または被測定液体との相互作用領域を広くとることができる。さらに、コア層の幅方向において中心から一方の端の間に第１の支持部の接続部分が位置し、中心から他方の端の間に第２の支持部の接続部分が位置していることで、コア層をマクロで見た時の対称性が良好なため、基板上に支持されるコア層の機械強度を向上し得る。このため、本光導波路を備える光学式濃度測定装置において、高い機械強度を保ちながら測定感度を向上させることが可能になる。また、第１の支持部の接続部分および第２の支持部の接続部分が長手方向に沿って断続的に存在する。断続的に支持部が存在する構成の光導波路では、基板およびコア層の間には、コア層を支持するために必要な領域を除き所定の層が設けられていない。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。それにより、被測定物質とエバネッセント波が相互作用する領域を拡大し、また、コア層の基板側に設けられる材料（例えば支持部を構成する材料）による光Ｌの吸収を減らすことができる。すなわち、コア層は長手方向において一部に第１の支持部または第２の支持部に接触しない外表面が増加するので、エバネッセント波と被測定物質との相互作用領域がさらに拡大し、光導波路を用いたセンサの感度がより向上する。また、第１の支持部の接続部分および第２の支持部の接続部分が長手方向に沿って交互に存在する。これにより、光導波路は、長手方向に対する対称性がさらに良くなり、機械的強度がさらに向上する。
　本発明の第３実施態様に係る光導波路は、被測定気体または被測定液体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、コア層の表面の少なくとも一部に形成され、膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であり、コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、を備え、コア層の長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、コア層の全ての表面が露出していない。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、幅方向とは、本実施態様において、コア層の長手方向に垂直且つ基板の主面に平行な方向である。基板の主面とは、基板の板厚方向に垂直な表面であって、面積が最大である面である。
　ＡＴＲ法を利用したセンサの種々の使用態様において、被験出物質を単発的に検出したり、ある一定期間継続して検出することがある。それゆえ、被検出物質を高感度に検出可能でありながら、感度の経年劣化を防止することが光導波路および光学式濃度測定装置に求められている。
　第３実施態様に係る光導波路によれば、コア層の表面の少なくとも一部にコア層よりも屈折率が小さい保護膜を形成し、保護膜の膜厚を１ｎｍ以上２０ｎｍ未満とし、且つコア層の長手方向に垂直な断面において、コア層の全ての表面を露出させなくすることにより、コア層から染み出すエバネッセント波と被測定気体または被測定液体との相互作用量を大幅に低減させることなく、コア層の表面状態の変化を防止することが可能となる。これにより、第３実施態様に係る光導波路を備えた光学式濃度測定装置の検出感度の劣化を抑制することが可能となる。
　本発明の第４実施態様に係る光導波路は、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、コア層の表面の少なくとも一部に形成され、膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であり、コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、を備え、保護層の少なくとも一部は、気体または液体と接触可能に設けられており、コア層の長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、コア層の全ての表面が露出していない。
　第４実施態様に係る光導波路によれば、コア層の表面の少なくとも一部にコア層よりも屈折率が小さい保護膜を形成し、保護膜の膜厚を１ｎｍ以上２０ｎｍ未満とし、且つコア層の長手方向に垂直な断面において、コア層の全ての表面を露出させなくすることにより、コア層から染み出すエバネッセント波と気体または液体との相互作用量を大幅に低減させることなく、コア層の表面状態の変化を防止することが可能となる。
　本発明の第５実施態様に係る光導波路は、被測定気体または被測定液体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、コア層の表面の少なくとも一部に形成され、コア層を伝搬する光の波長より膜厚が薄く、窒素を含み、コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、を備え、コア層の長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、コア層の全ての表面が露出していない。
　第５実施態様に係る光導波路によれば、コア層の表面の少なくとも一部に窒素を含み、コア層よりも屈折率が小さい保護膜を形成し、且つコア層の長手方向に垂直な断面において、コア層の全ての表面を露出させなくすることで、コア層の酸化を抑制することができ、コア層の表面状態の変化を防止することが可能となる。これにより、第５実施態様に係る光導波路を備える光学式濃度測定装置の検出感度の劣化を抑制することが可能となる。
　本発明の第６実施態様に係る光導波路は、長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、コア層の表面の少なくとも一部に形成され、コア層を伝搬する光の波長より膜厚が薄く、窒素を含み、コア層よりも屈折率が小さい保護膜と、を備え、保護層の少なくとも一部は、気体または液体と接触可能に設けられ、コア層の長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、コア層の全ての表面が露出していない。
　第６実施態様に係る光導波路によれば、コア層の表面の少なくとも一部に窒素を含み、コア層よりも屈折率が小さい保護膜を形成し、且つコア層の長手方向に垂直な断面において、コア層の全ての表面を露出させなくすることで、コア層の酸化を抑制することができ、コア層の表面状態の変化を防止することが可能となる。
　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＞
　コア層は、長手方向に沿って延伸し且つ光が長手方向に沿って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）等で形成されたコア層が挙げられる。さらに、コア層が窒素を含まない材料で構成されることで、第３実施態様から第６実施態様における効果はより得られやすくなる。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。コア層の長手方向に沿った任意の位置における垂直な断面は、円形ではなく、当該断面の中心から外表面までの距離が当該断面の中心を軸にした回転によって変動する任意の形状、例えば矩形である。したがって、コア層は、本実施態様において長尺の板状である。
　また、コア層の少なくとも一部は、例えば、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であってよい。または、コア層の少なくとも一部は、例えば、コア層を伝搬する光の波長よりも薄い膜厚の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であってもよい。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。
　コア層の表面は、光の伝搬方向であるコア層の長手方向に垂直な断面において、露出している領域が無くてもよい。露出している領域があると、その領域が例えば自然酸化されていくなどして表面状態が劣化していく。したがって、コア層の長手方向に垂直な断面において、コア層の表面は露出することなく、後述する支持部や保護膜が存在している、もしくは、コア層の表面全周に保護膜が形成されていることが好ましい。
　また、コア層の少なくとも一部は、後述の支持部に接合されておらず浮遊していてもよい。これにより、コア層からしみ出すエバネッセント波と周囲の気体または液体との相互作用量を増加させることが可能となる。
　また、コア層の長手方向における少なくとも一部は、長手方向と垂直な断面においてコア層および基板の間の全領域に、後述の支持部が存在しなくてもよい。これにより、コア層からしみ出すエバネッセント波と周囲の気体または液体との相互作用量を増加させることが可能となる。なお、支持部が存在しないとは、コア層が、長手方向において互いに隣接する、支持部と支持部との間に架渡されていることである。さらには、支持部が存在しないとは、コア層の基板に対向する全領域は、長手方向において互いに隣接する、支持部と支持部との間で、空隙、または、コア層が伝搬する光の吸収率が支持部よりも低い媒質を、基板との間に有することである。
　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、赤外線の波長は２μｍ以上１０μｍ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。
＜基板＞
　第１実施態様および第２実施態様に係る光導波路の基板は、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。また、第３実施態様から第６実施態様に係る光導波路は、基板をさらに備えてよい。第３実施態様から第６実施態様に係る基板は、その上に、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。基板の主面とは、基板の水平方向（膜厚方向に垂直な方向）の表面を指す。
＜支持部＞
　第１実施態様および第２実施態様に係る光導波路の支持部は、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。第３実施態様から第６実施態様に係る光導波路は、支持部をさらに備えてよい。第３実施態様から第６実施態様に係る支持部は、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。また、支持部は、基板に対してコア層を支持するようになっている。支持部は、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り、基板及びコア層を接合可能であれば特に制限されない。一例として、支持部の形成材料として、ＳｉＯ２等が挙げられる。支持部は、コア層との接続部分がコア層の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置（本実施態様では断面が矩形であるコア層における幅方向の中央位置）から外れている。また、支持部は部分的に存在する構造であってもよい。すなわち、支持部が存在しない領域が存在する、浮遊型のコア層を有する光導波路であってもよい。
　支持部は、第１の支持部および第２の支持部を有してよい。また、第１の支持部のコア層との接続部分は、コア層の幅方向において中心から一方の端の間に位置し、第２の支持部のコア層との接続部分はコア層の幅方向において中心から他方の端の間に位置している。第１の支持部および第２の支持部の接続部分は、コア層の長手方向に沿って断続的に存在させてもよい。第１の支持部および第２の支持部の接続部分は、コア層の長手方向に沿って交互に存在させてもよい。第１の支持部および第２の支持部の接続部分は、コア層の幅方向におけるコア層の端から該コア層の中心に近づくにつれて、コア層の長手方向に広がる形状であってもよい。このような形状であることにより、コア層の長手方向に沿って、第１の支持部または第２の支持部の無い領域から第１の支持部または第２の支持部の有る領域に向かう場合（またはその逆の場合）に、コア層の周囲の状況が段階的に変化する。その結果、コア層を伝搬する光にとって急激な周囲状況の変化を抑制できるため、コア層を伝搬する光の散乱損失を抑えることが可能となる。
　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。
　また、コア層が複数の部分に分かれていてもよい。この場合、支持部の接続部分は、空間的に分離された複数の接続部分を有していてもよい。複数の接続部分のうちの１つは、コア層の分離された複数の部分のうちの１つと接続され、複数の接続部分のうちの他の１つは、コア層の分離された複数の部分のうちの他の１つと接続されていてもよい。また、複数のコア層が設けられていてもよい。この場合、複数の接続部分のうちの１つは、複数のコア層のうちの１つと接続され、複数の接続部分のうちの他の１つは、複数のコア層のうちの他の１つと接続されていてもよい。
　支持部は、複数備えられていてもよい。複数の支持部のうちの少なくとも１つは、上述のように空間的に分離された複数の接続部分を有していてもよい。このように、コア層の複数の部分または複数のコア層と１つの支持部が接続されるように構成することにより、少ない面積で効率良く支持部を形成することができる。
＜保護膜＞
　第１実施態様および第２実施態様に係る光導波路におけるコア層は、コア層の表面の少なくとも一部に形成され、且つ膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満である保護膜またはコア層よりも屈折率が小さい保護膜をさらに備えてもよい。第３実施態様から第６実施態様に係る光導波路の保護層は、コア層の表面に形成可能、且つコア層よりも屈折率が小さければ特に制限されない。または、第３実施態様から第６実施態様に係る保護層は、膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であってよい。具体的には、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜等で形成された保護膜が挙げられる。保護膜は、単層の膜であってもよく、また複数の膜で構成されていてもよい。これにより、コア層から染み出すエバネッセント波と、コア層の周囲の気体または液体との相互作用量を大幅に低減させることなく、コア層の表面状態の変化を防止することが可能となる。
　保護膜の膜厚が１ｎｍ以上であることで、コア層の表面に自然酸化膜が形成されることを抑制することが可能となる。また、保護膜の膜厚が２０ｎｍ未満であることで、コア層から染み出すエバネッセント波と、コア層の周囲の気体または液体との相互作用量を大幅に低減させることがない。保護膜の膜厚の下限は、２ｎｍであってよく、保護膜の膜厚の上限は、５ｎｍであってよい。
　また、保護膜は窒素を含んでいてもよい。これにより、コア層の酸化をより抑制することが可能となる。窒素を含む膜は、単層膜であってもよいし、窒素を含む膜と窒素を含まない膜との積層膜であってもよい。保護膜の窒素含有率が高い程、酸化抑止効果が高くなる。保護膜は、窒素を含む膜の少なくとも一部の領域において、１％以上の窒素含有率をもつ膜であってもよい。
　例えばコア層がシリコンで形成される場合、保護膜の材料としてはシリコン窒化膜やシリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜であってもよい。窒素を含む膜は酸化を抑制する効果がある。また、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜は、シリコンよりも屈折率が十分に小さいためクラッド層の形成材料としても優れている。さらに、特にシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜は、赤外線の吸収も少ない。これにより、コア層の表面に保護膜を形成した場合に、被測定気体または被測定液体の検出感度の低下を抑えられる。
　ここで、シリコン等の物質は、空気中に放置した場合、表面にシリコン酸化膜が自然形成されることがある。この自然酸化膜は、膜厚が１ｎｍ未満であり、窒素を含まないため、これらの点で本発明における保護膜とは区別される。
　また、保護膜の少なくとも一部は、光学式濃度測定装置によって濃度が測定される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、保護膜の少なくとも一部が被測定気体または被測定液体と接触していない場合と比較して、コア層から染み出すエバネッセント波と被測定気体または被測定液体との相互作用量を増加させることができる。つまり、保護膜の少なくとも一部が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ると、コア層から染み出すエバネッセント波と被測定気体または被測定液体との相互作用量が低減することを防止できる。
　また、保護膜は、光の伝搬方向であるコア層の長手方向に垂直な少なくとも一部の断面において、コア層の表面全周に形成されてもよい。後述する支持部が存在しない領域が存在する、浮遊型のコア層を有する光導波路においては、浮遊しているコア層の表面全周に保護膜が形成されることで、コア層の劣化を効果的に抑制することができる。
　保護膜の形成方法としては、熱化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による堆積や酸化処理といった方法を用いることが可能である。保護膜は、シリコン窒化膜の場合は熱ＣＶＤ法による堆積処理を用いて形成することができ、シリコン酸窒化膜の場合はＮＯやＮ２Ｏを含む雰囲気下での酸化処理によって形成することができる。熱ＣＶＤ法や酸化法で形成することで、コア層の表面全周に保護膜を形成することができる。
＜光学式濃度測定装置＞
　本発明の各実施態様に係る光学式濃度測定装置は、本発明の各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。
　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。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。
　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、赤外線の波長は２μｍ以上１０μｍ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等）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。
＜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）等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等の量子型赤外線センサ等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等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。
〔第１実施形態〕
　本発明の第１実施形態による光導波路および光学式濃度測定装置について図１から図６を用いて説明する。
　図１および図２は、第１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、第１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、第１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（第１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。
　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はシリコン（Ｓｉ）で形成され、支持部１７は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成されている。
　基板１５は例えば板状を有し、コア層１１は例えば直方体形状を有している。光導波路１０は、コア層１１の長手方向の一端部に形成されたグレーティングカプラ１１８と、コア層１１の長手方向（図１における左右の方向）の他端部に形成されたグレーティングカプラ１１９とを有している。グレーティングカプラ１１８は、光源２０の出射方向（第１実施形態においては光導波路１０の積層方向が鉛直方向に平行且つ基板１５が鉛直下方側を向くように配置された状態における鉛直下方）に配置されている。グレーティングカプラ１１８は、光源２０から入射する赤外線ＩＲを、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲに結合するようになっている。グレーティングカプラ１１９は、光検出器４０に対向する方向（第１実施形態においては光導波路１０の積層方向が鉛直方向に平行且つ基板１５が鉛直下方側を向くように配置された状態における鉛直下方）に配置されている。グレーティングカプラ１１９は、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲを取り出して光検出器４０に向けて出射するようになっている。
　図２に示すように、光導波路１０は、支持部１７が設けられた領域を除いて、コア層１１の下方にクラッド層などの所定の層を有さずに空間部１３を有する構造をしている。コア層１１と接続される支持部１７の接続部分１７１は、コア層１１の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置ＮＰ（第１実施形態における当該断面の幅方向の中央位置）から外れている。つまり、支持部１７の接続部分１７１は、コア層１１の幅方向（図２における左右の方向）において中心から一方の端（図２における右側の端）の間に偏って位置している。
　ここで、第１実施形態による光導波路１０の効果について図３６に示す従来のペデスタル構造の光導波路１０’と比較しながら説明する。
　ＡＴＲ法を用いたセンサは、コア層内ではシングルモードで光を伝搬させることが多い。第１実施形態による光学式濃度測定装置１でも、光導波路１０に備えられたコア層１１内ではシングルモードで光（赤外線）を伝搬させるようになっている。ただし、マルチモード伝搬させる場合でも、コア層１１の中央を伝搬する光成分は存在するため、本発明の効果は得られる。図２に示すように、コア層１１内をシングルモードで赤外線ＩＲを伝搬させると、赤外線ＩＲの光軸ＯＡは、赤外線ＩＲの伝搬方向である長手方向に直交する平面で切断した断面において、コア層１１のほぼ中央に位置する。また、このとき、コア層１１の周りにしみ出すエバネッセント波ＥＷは、光軸ＯＡに近いコア層１１の表面付近で多くなり、光軸ＯＡと重なるコア層１１の中心からの距離が最短となる外表面付近で最も多くなる。なお、図３６に示す、従来構造の光導波路１０’のコア層１１’を伝搬する赤外線ＩＲのエバネッセント波ＥＷの分布も、第１実施形態の光導波路１０と同様である。
　ＡＴＲ法を用いたセンサでは、コア層から染み出るエバネッセント波と被測定物質との相互作用領域を多くさせ、かつ、被測定物質以外の材料への光の吸収（つまり支持部等による光の吸収）を少なくさせることで、センサとしての感度を上げられる。しかしながら、図３６に示す構造では、コア層を光の伝搬方向に対して直交する平面で切断した断面において、コア層とコア層を支えるための支持部との接続部分が、コア層の中心からの距離が最短となる外表面付近に位置している。このため、シングルモード伝搬する光の光軸からの距離が最短となる外表面付近と、支持部とが重なってしまう。コア層の周りにしみ出すエバネッセント波は、光軸に近い表面付近で最も多くなるため、当該外表面付近に支持部があると、多くのエバネッセント波は支持部を形成する材料に吸収される。このため、このような構造を有する光導波路を用いたセンサは、被測定物質の検出感度が悪くなるという問題がある。
　ここで、従来の光導波路の上記問題について図３６を用いて説明する。図３６に示すように、従来のペデスタル構造の光導波路１０’では、支持部１７’は、光Ｌの伝搬方向である長手方向に対して直交する平面内（すなわち図３６に示した断面）において、コア層１１’の中心と基板１５’との間に設けられている。このように、光Ｌの伝搬方向に直交する平面で切断した断面において、コア層１１’とコア層１１’を支えるための支持部１７’との接続部分が、コア層１１’の幅方向における中心に位置していると、支持部１７’の形成材料によるエバネッセント波ＥＷの吸収が生じたり、支持部１７’の領域が妨げとなってエバネッセント波ＥＷと被測定物質との相互作用領域が減少したりする。その結果、光導波路１０’を用いたセンサの感度が低下してしまう。
　これに対し、図２に示すように、第１実施形態による光導波路１０は、従来の光導波路１０’と同様に、コア層１１および基板１５の間に空間部１３を形成しつつ、基板１５に対してコア層１１を支持部１７で支持する構造を有している。コア層１１は長手方向に垂直な断面における中心に関して対称構造を有している。コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲがシングルモードの場合、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲの光軸ＯＡはコア層１１の中央になる。そこで、図２に示すように、支持部１７は、コア層１１の幅方向における中心からどちらかの端にずらされて（図２では右にずらされている）設けられている。これにより、エバネッセント波ＥＷが最も集中する領域から支持部１７を遠ざけることができる。すなわち、コア層１１との支持部１７の接続部分１７１は、長手方向に垂直な断面においてコア層１１の中心から最短となる外表面付近に位置させない。このように、光導波路１０は、一部が浮いているコア層１１にアナログ信号を通す光導波路となる。したがって、光導波路１０を備える光学式濃度測定装置１は、支持部１７の存在による被測定物質の検出特性の低下を極力防ぐことができる。
　次に、第１実施形態による光導波路１０の製造方法について図１および図２を参照しつつ図３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂを用いて説明する。図３Ａは、光導波路１０の製造工程平面図を示し、図３Ｂは、図３Ａ中に示すＢ－Ｂ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図を示している。図４Ａは、光導波路１０の製造工程平面図を示し、図４Ｂは、図４Ａ中に示すＢ－Ｂ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図を示している。図５Ａは、光導波路１０の製造工程平面図を示し、図５Ｂは、図５Ａ中に示すＢ－Ｂ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図を示している。図６Ａは、光導波路１０の製造工程平面図を示し、図６Ｂは、図６Ａ中に示すＢ－Ｂ線で切断した光導波路１０の製造工程端面図を示している。光導波路１０は、１枚の支持基板１５ａ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３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂでは、複数の光導波路主要部のうちの１つの光導波路主要部のみ図示されている。
　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１５ａと、シリコンで形成されコア層１１が形成される活性基板１１ａ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１５ａおよび活性基板１１ａを貼り合わせて熱処理して結合する。その後、活性基板１１ａを所定の厚さまで研削・研磨するなどして活性基板１１ａの膜厚を調整する。これにより、図３Ａ，３Ｂに示すように、支持基板１５ａと、支持基板１５ａ上に形成されたＢＯＸ層１７ａと、ＢＯＸ層１７ａ上に形成された活性基板１１ａ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。
　次に、ＳＯＩ基板１００をリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて活性基板１１ａをエッチングし、直方体形状のコア層１１を形成する。これにより、図４Ａ，４Ｂに示すように、板状の支持基板１５ａと、支持基板１５ａ上に形成され板状のＢＯＸ層１７ａと、ＢＯＸ層１７ａ上の一部に形成され四角柱状のコア層１１とを有する光導波路主要部１０ａを形成する。
　次に、図５Ａ，５Ｂに示すように、コア層１１およびＢＯＸ層１７ａの一部を覆うマスク層Ｍ１を形成する。マスク層Ｍ１はコア層１１の幅方向の中心に対してどちらかの端側に偏って配置される。マスク層Ｍ１は、フォトレジストでもよいし、シリコン窒化膜等のハードマスクでもよい。
　次に、マスク層Ｍ１をマスクとして光導波路主要部１０ａのＢＯＸ層１７ａの一部をウェットエッチングなどで除去する。これにより、図６Ａ，６Ｂに示すように、コア層１１の幅方向における中心に対して片側（図６Ｂにおいて右側）に偏った位置（すなわちコア層１１を伝搬する赤外線の光軸ＯＡから幅方向においてずれた位置）に存在する支持部１７が形成され、コア層１１の一部が浮遊した構造となる。つまり、コア層１１と接続される支持部１７の接続部分１７１は、赤外線の伝搬方向である長手方向に対して直交する平面内において、コア層１１の中心から最短の外表面の場所（図６Ｂのようにコア層１１が幅方向に長い形状をしている場合には、当該外表面の幅方向における中心）に位置せずに、コア層１１の幅方向における中心に対してどちらか端側に偏って位置して形成される。コア層１１の中心と基板１５の主面１５ｓとの間には、空間部１３が形成される。
　その後、マスク層Ｍ１をエッチングする。マスク層Ｍ１のエッチングの後に、コア層１１の表面に保護膜を形成してもよい。この保護膜は、窒素を含む膜であってよく、膜厚は１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であってよい。コア層１１の表面に保護膜を有することで、光導波路１０の被測定物質の測定感度を保ちながら、自然酸化などによるコア層１１の表面の劣化を防止することができる。
　さらにその後、コア層１１の長手方向の一端部にスリット状のグレーティングカプラ１１８を形成し、コア層１１の長手方向の他端部にスリット状のグレーティングカプラ１１９を形成する（図１参照）。なお、グレーティングカプラ１１８、グレーティングカプラ１１９の形成は、コア層１１の形成と同時に形成してもよく、コア層１１の形成よりも前に形成してもよい。
　次に、支持基板１５ａを所定領域で切断して光導波路主要部１０ａを個片化する。これにより、支持部１７がコア層１１を伝搬する赤外線の光軸ＯＡから偏った位置に存在する光導波路１０（図２参照）が完成する。
　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ＩＲ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ＩＲ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。
〔第２実施形態〕
　次に本発明の第２実施形態による光導波路について図７を用いて説明する。第２実施形態による光導波路は、コア層が密集している領域で用いられる点に特徴を有している。図７は、第２実施形態による光導波路を、光の伝搬方向である長手方向に直交する平面で切断した断面を示している。
　図７に示すように、第２実施形態による光導波路６０は、基板１５と、基板１５上に形成されたコア層１１と、基板１５に対してコア層１１を支持する複数（第２実施形態では２つ）の支持部１７ｘ，１７ｙとを備えている。第２実施形態では、コア層１１は、複数（第２実施形態では３つ）の部分に分離された分離部１１１，１１２，１１３を有している。分離部１１１、分離部１１２および分離部１１３は、互いに密接して配置されている。分離部１１１，１１２，１１３は、コア層１１の例えば分岐された部分である。
　支持部１７ｘは、空間的に分離された複数（第２実施形態では２つ）の接続部分１７１，１７２を有している。接続部分１７１，１７２は、コア層１１の光の伝搬方向である長手方向に延在している。接続部分１７１，１７２は、支持部１７ｘの上面の幅方向における両端部にそれぞれ設けられている。接続部分１７１は一方の端部に設けられ、接続部分１７２は他方の端部に設けられている。接続部分１７１には分離部１１１が接続され、接続部分１７２には分離部１１２が接続されている。支持部１７ｘは、分離部１１１の少なくとも一部および分離部１１２の少なくとも一部と、基板１５の少なくとも一部とを接続し基板１５に対して分離部１１１，１１２を支持するようになっている。
　接続部分１７１は、光の伝搬方向である長手方向に対して直交し且つコア層１１の分離部１１１を含む平面内において、コア層１１の分離部１１１の中心から最短の外表面の場所（図７のようにコア層１１の分離部１１１が幅方向に長い形状をしている場合には、当該外表面の幅方向における中心）に位置せずに、分離部１１１の幅方向における中心に対してどちらか端側に偏って位置して形成される。このため、光導波路６０は、コア層１１の分離部１１１下方にクラッド層などの所定の層を有さずに空間部１３ａを有する。
　接続部分１７２は、光の伝搬方向である長手方向に対して直交し且つコア層１１の分離部１１２を含む平面内において、コア層１１の分離部１１２の中心から最短の外表面の場所（図７のようにコア層１１の分離部１１２が幅方向に長い形状をしている場合には、当該外表面の幅方向における中心）に位置せずに、分離部１１２の幅方向における中心に対してどちらか端側に偏って位置して形成される。このため、光導波路６０は、コア層１１の分離部１１２下方にクラッド層などの所定の層を有さずに空間部１３ｂを有する。
　接続部分１７２側の支持部１７ｘの隣には、支持部１７ｙが設けられている。支持部１７ｙの接続部分１７３には、コア層１１の分離部１１３が接続されている。支持部１７ｙは、分離部１１３の少なくとも一部と基板１５の少なくとも一部とを接続し基板１５に対して分離部１１３を支持するようになっている。接続部分１７３は、光の伝搬方向である長手方向に対して直交し且つコア層１１の分離部１１３を含む平面内において、コア層１１の分離部１１３の中心から最短の外表面の場所（図７のようにコア層１１の分離部１１３が幅方向に長い形状をしている場合には、当該外表面の幅方向における中心）に位置せずに、分離部１１３の幅方向における中心に対してどちらか端側に偏って位置して形成される。このため、光導波路６０は、コア層１１の分離部１１３下方にクラッド層などの所定の層を有さずに空間部１３ｃを有する。
　空間部１３ａ，１３ｂ，１３ｃには、被測定物質の気体や液体が満たされる。これにより、光導波路６０は、分離部１１１における被測定物質とエバネッセント波との相互作用量、分離部１１２における被測定物質とエバネッセント波との相互作用量および分離部１１３における被測定物質とエバネッセント波との相互作用量を増やすことができる。さらに、光導波路６０は、支持部１７ｘ，１７ｙによる赤外線の吸収を減らすことができる。その結果、光導波路６０を用いた光学式濃度測定装置の感度が向上する。さらに、コア層１１の複数の分離部１１１，１１２，１１３のうちの分離部１１１，１１２と１つの支持部１７ｘが接続されるように構成することにより、少ない面積で効率良く支持部１７ｘ，１７ｙを形成することができる。
　また、第２実施形態による光導波路６０は、３つの分離された分離部１１１，１１２，１１３を有するコア層１１を備えているが、これに限られない。光導波路６０は、複数（第２実施形態では３つ）のコア層を備えていてもよい。この場合例えば、３つのコア層のうち、隣り合う２本のコア層が支持部１７ｘの接続部分１７１，１７２に接続され、残りの１つのコア層が、支持部１７ｙの接続部分１７３に接続される。これにより、光導波路６０は、３つの分離された分離部１１１，１１２，１１３を有するコア層１１を備えている場合と同様の効果が得られる。また別の例としては、光導波路６０は一つの長い光導波路が折り返されてレイアウトされていてもよい。折り返されてレイアウトされたコア層が３つ並んだ領域のうち、隣り合う２本のコア層が支持部１７ｘの接続部分１７１，１７２に接続され、残りの１つのコア層が、支持部１７ｙの接続部分１７３に接続される。これにより、光導波路６０は、３つの分離された分離部１１１，１１２，１１３を有するコア層１１を備えている場合と同様の効果が得られる。
　第２実施形態による光導波路６０の製造方法は、コア層１１および支持部１７ｘ，１７ｙを形成するためのマスク層の形状が異なる点を除いて、上記第１実施形態による光導波路１０と同様であるため、説明は省略する。
〔第３実施形態〕
　次に、本発明の第３実施形態による光導波路について図８，９Ａ，９Ｂ，１０Ａ，１０Ｂを用いて説明する。第３実施形態による光導波路は、光がコア層をマルチモード伝搬する点に特徴を有している。まず、第３実施形態による光導波路７０の概略構成について図８を用いて説明する。
　図８に示すように、光導波路７０は、基板１５と、基板１５上に設けられたコア層１１と、基板１５の少なくとも一部とコア層１１の少なくとも一部とを接続し基板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。光導波路７０は、コア層１１の中を複数（第３実施形態では３つ）の光軸ＯＡ１，ＯＡ２，ＯＡ３で光（第３実施形態では赤外線）が伝搬するようになっている。
　コア層１１と接続される支持部１７の接続部分１７１は、幅方向において、マルチモード伝搬する光（第３実施形態では赤外線）の３つの光軸ＯＡ１，ＯＡ２，ＯＡ３の間に設けられる。第３実施形態では、支持部１７の接続部分１７１は、光軸ＯＡ２と光軸ＯＡ３との間に設けられている。このように、コア層１１と接続される支持部１７の接続部分１７１は、光の光軸ＯＡ１，ＯＡ２，ＯＡ３と基板１５の主面１５ｓとの間に設けられていない。光軸ＯＡ２はコア層１１の中心とほぼ一致している。このため、コア層１１と接続される支持部１７の接続部分１７１は、光の伝搬方向である長手方向に対して直交する平面内において、コア層１１の中心から最短の外表面の場所（図８のようにコア層１１が幅方向に長い形状をしている場合には、当該外表面の幅方向における中心）に位置せずに、コア層１１の幅方向における中心に対してどちらか端側に偏って位置して形成される。
　このように、光導波路７０は、コア層１１を伝搬する赤外線の光軸ＯＡ１，ＯＡ２と基板１５の主面１５ｓとの間に設けられ被測定物質ＭＯで満たされる空間部１３ａと、当該光の光軸ＯＡ３と基板１５の主面１５ｓとの間に設けられ被測定物質ＭＯで満たされる空間部１３ｂとを備えている。これにより、光導波路７０は、エバネッセント波ＥＷが最も集中する領域から支持部１７を遠ざけることができる。したがって、光導波路７０は、支持部１７による被測定物質ＭＯの検出特性の低下を防ぐことができる。
　次に、第３実施形態による光導波路７０の製造方法について図３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂ，８を参照しつつ図９Ａ，９Ｂ，１０Ａ、および図１０Ｂを用いて説明する。図９Ａは、光導波路７０の製造工程平面図を示し、図９Ｂは、図９Ａ中に示すＣ－Ｃ線で切断した光導波路７０の製造工程端面図を示している。図１０Ａは、光導波路７０の製造工程平面図を示し、図１０Ｂは、図１０Ａ中に示すＣ－Ｃ線で切断した光導波路７０の製造工程端面図を示している。光導波路７０は、１枚の支持基板１５ａ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９Ａ，９Ｂ，１０Ａ，１０Ｂでは、複数の光導波路主要部のうちの１つの光導波路主要部のみ図示されている。
　まず、上記第１実施形態と同様に、シリコンで形成され最終的に基板１５となる支持基板１５ａと、シリコンで形成されコア層１１が形成される活性基板１１ａ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１５ａおよび活性基板１１ａを貼り合わせて熱処理して結合する。その後、活性基板１１ａを所定の厚さまで研削・研磨するなどして活性基板１１ａの膜厚を調整する。これにより、図３Ａ，３Ｂに示すように、支持基板１５ａと、支持基板１５ａ上に形成されたＢＯＸ層１７ａと、ＢＯＸ層１７ａ上に形成された活性基板１１ａ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。
　次に、上記第１実施形態と同様にＳＯＩ基板１００をリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて活性基板１１ａをエッチングし、直方体形状のコア層１１を形成する。これにより、図４Ａ，４Ｂに示すように、板状の支持基板１５ａと、支持基板１５ａ上に形成され板状のＢＯＸ層１７ａと、ＢＯＸ層１７ａ上の一部に形成され四角柱状のコア層１１とを有する光導波路主要部７０ａ（図４の光導波路主要部１０ａに相当）が形成される。
　次に、図９Ａ，９Ｂに示すように、将来的に光軸ＯＡ１，ＯＡ２，ＯＡ３が形成される軸ａ１，ａ２，ａ３の間に中心線Ｃｍが配置されるマスク層Ｍ２を形成する。マスク層Ｍ２は、フォトレジストでもよいし、シリコン窒化膜等のハードマスクでもよい。
　次に、マスク層Ｍ２をマスクとして光導波路主要部７０ａのＢＯＸ層１７ａの一部をウェットエッチングなどで除去する。これにより、図１０Ａ，１０Ｂに示すように、幅方向において、マスク層Ｍ２の中心線Ｃｍ上に相当し将来的に光軸ＯＡ２，ＯＡ３が形成される軸ａ２，ａ３の間に支持部１７が形成され、コア層１１の一部が浮遊した構造となる。つまり、コア層１１と接続される支持部１７の接続部分１７１は、光（第３実施形態では赤外線）の伝搬方向である長手方向に対して直交する平面内において、コア層１１の中心から最短の外表面の場所（図１０Ｂのようにコア層１１が幅方向に長い形状をしている場合には、当該外表面の幅方向における中心）に位置せずに、コア層１１の幅方向における中心に対してどちらか端側に偏って位置して形成される。すなわち、コア層１１と接続される支持部１７の接続部分１７１は、支持部１７に接続される基板１５の主面１５ｓと光の光軸ＯＡ２，ＯＡ３に相当する軸ａ２，ａ３との間に設けられない。コア層１１を伝搬し将来的にマルチモードの光の光軸ＯＡ１，ＯＡ２となる軸ａ１，ａ２と基板１５の主面１５ｓとの間には空間部１３ａが形成され、当該光の光軸ＯＡ３となる軸ａ３と基板１５の主面１５ｓとの間には空間部１３ｂが形成される。
　その後、マスク層Ｍ２をエッチングする。上記第１実施形態と同様に、マスク層Ｍ２のエッチングの後に、コア層１１の表面に保護膜を形成してもよい。この保護膜は、窒素を含む膜であってよく、膜厚は１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であってよい。コア層１１の表面に保護膜を有することで、光導波路７０の被測定物質の測定感度を保ちながら、自然酸化などによるコア層１１の表面の劣化を防止することができる。
　さらにその後、コア層１１の長手方向の一端部に、図１に示すグレーティングカプラ１１８と同様のスリット状の入力側グレーティングカプラを形成し、コア層１１の長手方向の他端部に、図１に示すグレーティングカプラ１１９と同様のスリット状の出力側グレーティングカプラを形成する。なお、グレーティングカプラ１１８、グレーティングカプラ１１９の形成は、コア層１１の形成と同時に形成してもよく、コア層１１の形成よりも前に形成してもよい。
　次に、支持基板１５ａを所定領域で切断して光導波路主要部７０ａを個片化する。これにより、幅方向において、支持部１７の接続部分１７１がコア層１１を伝搬する光の光軸ＯＡ２および光軸ＯＡ３の間の位置に存在する光導波路７０（図８参照）が完成する。
　さらに、図示は省略するが、光導波路７０の入力側グレーティングカプラに赤外線を入射できるように光源２０を設置し、光導波路７０の出力側グレーティングカプラ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が完成する。
　このように、光導波路７０は、コア層１１を支える支持部１７の接続部分１７１が、幅方向において、コア層１１を伝搬する光の光軸ＯＡ１，ＯＡ２，ＯＡ３からずれた構造を有することで、支持部１７による被測定物質ＭＯの検出特性の低下を防止できる。
　以上説明したように、第１実施形態から第３実施形態によれば、センサの感度を低下させることなく、コア層を支えるための支持部を持った光導波路および光学式濃度測定装置を提供することができる。
　また、第１実施形態から第３実施形態による光導波路は、コア層を伝搬する光のエバネッセント波と被測定物質との相互作用量を増加させ、支持部による当該エバネッセント波の吸収量を減少させることができる。これにより、第１実施形態から第３実施形態による光導波路は、種々の仕様態様において高感度に安定して被測定物質を検出することができる。
〔第４実施形態〕
　本発明の第４実施形態による光導波路および光学式濃度測定装置について図１１から図２６を用いて説明する。
　図１１は、第４実施形態による光学式濃度測定装置８の概略構成を示す図であるとともに、第４実施形態による光導波路８０を利用したＡＴＲ法の概念図でもある。
　図１１に示すように、光学式濃度測定装置８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８は、第４実施形態による光導波路８０と、光導波路８０に備えられたコア層１１に光（第４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。
　光導波路８０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の少なくとも一部とを接続し基板１５に対してコア層１１を断続的に支持する第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙとを備えている。コア層１１および基板１５はシリコン（Ｓｉ）で形成され、第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙは二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）で形成されている。
　基板１５は例えば板状を有し、コア層１１は例えば直方体形状を有している。光導波路８０は、コア層１１の長手方向の一端部に形成されたグレーティングカプラ１１８と、コア層１１の長手方向の他端部に形成されたグレーティングカプラ１１９とを有している。グレーティングカプラ１１８は、光源２０の出射方向（第４実施形態においては光導波路１０の積層方向が鉛直方向に平行且つ基板１５が鉛直下方側を向くように配置された状態における鉛直下方）に配置されている。グレーティングカプラ１１８は、光源２０から入射する赤外線ＩＲを、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲに結合するようになっている。グレーティングカプラ１１９は、光検出器４０に対向する方向（第４実施形態においては光導波路１０の積層方向が鉛直方向に平行且つ基板１５が鉛直下方側を向くように配置された状態における鉛直下方）に配置されている。グレーティングカプラ１１９は、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲを取り出して光検出器４０に向けて出射するようになっている。
　図１２は図１中のＤ－Ｄ線、Ｆ－Ｆ線で切断した断面を示す端面図であり、図１３は図１中のＥ－Ｅ線で切断した断面を示す端面図である。図１４は、第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙの配置を説明するための、光導波路８０を光源２０または光検出器４０側から見た平面図である。
　図１１、図１２、図１３に示すように、光導波路８０は、第１の支持部８７ｘまたは第２の支持部８７ｙが設けられた領域を除いて、コア層１１および基板１５の間に、クラッド層などの所定の層を有さずに空隙１３を有する構造をしている。
　図１２に示すように、コア層１１と接続される第１の支持部８７ｘの接続部分８７１は、コア層１１の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置ＮＰ（第４実施形態における当該断面の幅方向の中央位置）から外れている。また、第１の支持部８７ｘの当該接続部分８７１は、コア層１１の幅方向において中心から一方の端（図１２における右側の端）の間に偏って位置している。また、図１１に示すように、第１の支持部８７ｘの接続部分８７１は長手方向に沿って、断続的に存在している。
　図１３に示すように、コア層１１と接続される第２の支持部８７ｙの接続部分８７２は、コア層１１の長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置ＮＰ（第４実施形態における当該断面の幅方向の中央位置）から外れている。また、第２の支持部８７ｙの当該接続部分８７２は、コア層１１の幅方向において、第１の支持部８７ｘの接続部分８７１とは反対側の端（図１３における左側の端）の間に偏って位置している。また、図１１に示すように、第２の支持部８７ｙの接続部分８７２は長手方向に沿って、断続的に存在している。
　第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙそれぞれの、少なくとも接続部分８７１、８７２はコア層１１の長手方向に沿って、交互に存在する。さらには、図１１、１４に示すように、第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙは、コア層１１の長手方向に沿って交互に存在する。
　ここで、第４実施形態による光導波路８０の効果について、図３６，３７に示す従来構造の光導波路１０’と比較しながら説明する。
　ＡＴＲ法を用いたセンサは、コア層内ではシングルモードで光を伝搬させることが多い。第４実施形態による光学式濃度測定装置８でも、光導波路８０に備えられたコア層１１内ではシングルモードで光（赤外線）を伝搬させる例を挙げている。ただし、マルチモード伝搬させる場合でも、コア層１１の中央を伝搬する光成分は存在するため、本発明の効果は得られる。図１２、図１３に示すように、コア層１１内をシングルモードで赤外線ＩＲを伝搬させると、赤外線ＩＲの光軸ＯＡは、赤外線ＩＲの伝搬方向である長手方向に直交する平面で切断した断面において、コア層１１のほぼ中心に位置する。また、このとき、コア層１１の周りにしみ出すエバネッセント波ＥＷは、光軸ＯＡに近いコア層１１の外表面付近で多くなり、光軸ＯＡと重なるコア層１１の中心からの距離が最短となる外表面付近で最も多くなる。なお、図３６に示す、従来構造の光導波路１０’のコア層１１’を伝搬する赤外線ＩＲのエバネッセント波ＥＷの分布も、第４実施形態の光導波路８０と同様である。
　ＡＴＲ法を用いたセンサでは、コア層から染み出るエバネッセント波と被測定物質との相互作用領域を拡大させ（つまりコア層の露出部分を拡大させ）、かつ、被測定物質以外の材料への光の吸収（つまり支持部等による光の吸収）を低減させることで、センサとしての感度を上げられる。しかしながら、図３６，３７に示す構造では、後述するように、コア層を光の伝搬方向に対して直交する平面で切断した断面において、コア層とコア層を支えるための支持部との接続部分が、コア層の中心からの距離が最短となる外表面付近に位置している。このため、シングルモード伝搬する光の光軸からの距離が最短となる外表面付近と、支持部とが重なってしまう。コア層の周りにしみ出すエバネッセント波は、光軸に近い表面付近で最も多くなるため、当該外表面付近に支持部があると、多くのエバネッセント波は支持部を形成する材料に吸収される。このため、このような構造を有する光導波路を用いたセンサは、被測定物質の検出感度が悪くなるという問題がある。
　ここで、従来の光導波路１０’の上記問題について図３６，３７を用いて説明する。図３６，３７に示すように、従来構造の光導波路１０’では、支持部１７’は、光Ｌの伝搬方向である長手方向に対して直交し且つ支持部１７’を含む平面内（すなわち図３６に示した断面）において、コア層１１’の中心と基板１５’との間に設けられている。このように、光Ｌの伝搬方向に直交する平面で切断した断面において、コア層１１’とコア層１１’を支えるための支持部１７’との接続部分が、コア層１１’の幅方向における中心に位置していると、支持部１７’の形成材料によるエバネッセント波ＥＷの吸収が生じたり、支持部１７’の領域が妨げとなってエバネッセント波ＥＷと被測定物質との相互作用領域が減少したりする。その結果、光導波路１０’を用いたセンサの感度が低下してしまう。
　これに対し、図１１、図１２、図１３、図１４に示すように、第４実施形態による光導波路８０は、従来の光導波路１０’と同様に、コア層１１および基板１５の間に空隙１３を形成しつつ、基板１５に対してコア層１１を第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙで支持する構造を有している。コア層１１は長手方向に垂直な断面における中心に関して対称構造を有している。コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲがシングルモードの場合、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲの光軸ＯＡはコア層１１の中央に重なる。そこで、図１２、図１３に示すように、第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙは、コア層１１の幅方向における中心からそれぞれどちらかの端にずらされて（図１２では右に、図１３では左にずらされている）設けられている。これにより、エバネッセント波ＥＷが最も集中する領域から第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部７ｙ８を遠ざけることができる。すなわち、コア層１１との第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙそれぞれの接続部分８７１、８７２は、長手方向に垂直な断面においてコア層１１の中心から最短となる外表面付近に位置させない。また、コア層１１の露出量を高く取るために、第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙは長手方向に沿って断続的に設けられており、さらに、光導波路８０の機械強度を強くするために断続的に位置する第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙそれぞれのコア層１１との接続部分８７１、８７２は、コア層１１の長手方向、すなわち赤外線ＩＲの伝搬方向に沿って交互に配置されている。このように、光導波路１０を備える光学式濃度測定装置８は、第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙの存在による被測定物質ＭＯの検出特性の低下を極力防ぎながら、機械強度を強くすることができる。
　次に、第４実施形態による光導波路８０の製造方法について図１１、図１２、図１３を参照しつつ図１５から図２６を用いて説明する。図１５は、光導波路８０の製造工程平面図を示している。図１６は、図１５中に示すＧ－Ｇ線、Ｉ－Ｉ線、Ｈ－Ｈ線、Ｊ－Ｊ線で切断した光導波路８０の製造工程端面図を示している。図１７は、光導波路８０の製造工程平面図を示している。図１８は、図１７中に示すＧ－Ｇ線、Ｉ－Ｉ線、Ｈ－Ｈ線、Ｊ－Ｊ線で切断した光導波路８０の製造工程端面図を示している。図１９は、光導波路８０の製造工程平面図を示している。図２０は、図１９中に示すＧ－Ｇ線、Ｉ－Ｉ線で切断した光導波路８０の製造工程端面図を示している。図２１は、図１９中に示すＨ－Ｈ線で切断した光導波路８０の製造工程端面図を示している。図２２は、図１９中に示すＪ－Ｊ線で切断した光導波路８０の製造工程端面図を示している。図２３は、光導波路８０の製造工程平面図を示している。図２４は、図２３中に示すＧ－Ｇ線、Ｉ－Ｉ線で切断した光導波路８０の製造工程端面図を示している。図２５は、図２３中に示すＨ－Ｈ線で切断した光導波路８０の製造工程端面図を示している。図２６は、図２３中に示すＪ－Ｊ線で切断した光導波路８０の製造工程端面図を示している。
　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１５ａと、シリコンで形成されコア層１１が形成される活性基板１１ａ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１５ａおよび活性基板１１ａを貼り合わせて熱処理して結合する。その後、活性基板１１ａを所定の厚さまで研削・研磨するなどして活性基板１１ａの膜厚を調整する。これにより、図１５、１６に示すように、支持基板１５ａと、支持基板１５ａ上に形成されたＢＯＸ層１７ａと、ＢＯＸ層１７ａ上に形成された活性基板１１ａ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。
　次に、ＳＯＩ基板１００をリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて活性基板１１ａをエッチングし、直方体形状のコア層１１を形成する。これにより、図１７、１８に示すように、板状の支持基板１５ａと、支持基板１５ａ上に形成され板状のＢＯＸ層１７ａと、ＢＯＸ層１７ａ上の一部に形成され四角柱状のコア層１１とを有する光導波路主要部８０ａを形成する。
　次に、図１９から図２１に示すように、コア層１１およびＢＯＸ層１７ａの一部を覆うマスク層Ｍ３を形成する。マスク層Ｍ３はコア層１１の幅方向の中心に対してどちらかの端側に偏って配置され、且つ、断続的に交互に配置する。なお、図２２に示すように、長手方向における一部では、マスク層Ｍ３で覆われず、コア層１１およびＢＯＸ層１７ａを露出させている。マスク層Ｍ３は、フォトレジストでもよいし、シリコン窒化膜等のハードマスクでもよい。
　次に、マスク層Ｍ３をマスクとして光導波路主要部８０ａのＢＯＸ層１７ａの一部をウェットエッチングなどで除去する。これにより、図２３から２６に示すように、コア層１１の幅方向における中心に対して両端側（図２４において右側、図２５において左側）に偏った位置（すなわちコア層１１を伝搬する赤外線の光軸ＯＡから幅方向においてずれた位置）に存在する第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙが、断続的に交互に形成され、コア層１１の一部が基板１５から離れた構造となる。つまり、コア層１１と接続される第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙそれぞれの接続部分８７１、８７２は、赤外線の伝搬方向である長手方向に対して直交し且つ第１の支持部８７ｘまたは第２の支持部８７ｙを含む平面内において、コア層１１の中心から最短の外表面の場所（図２４，２５のようにコア層１１が幅方向に長い形状をしている場合には、当該外表面の幅方向における中心）に位置せずに、コア層１１の幅方向における中心に対してどちらか端側に偏って位置しており、且つ、接続部分８７１、８７２は赤外線の伝搬方向に沿って、断続的に且つ交互に形成される。コア層１１の中心と基板１５の主面１５ｓとの間には、空隙１３が形成される。
　その後、マスク層Ｍ３をエッチングする。なお、第４実施形態ではグレーティングカプラの形成を省略したが、図１１に示すようなグレーティングカプラ１１８、１１９を形成する場合は、図１７に示すコア層１１の形成と当時もしくはその前後にグレーティングカプラ１１８、１１９を形成し、その後、図１９に示すマスク層Ｍ３を形成するとよい。コア層１１の長手方向の一端部にスリット状のグレーティングカプラ１１８を形成し、コア層１１の長手方向の他端部にスリット状のグレーティングカプラ１１９を形成すると図１１に示した構造となる。
　次に、支持基板１５ａを所定領域で切断して光導波路主要部８０ａを個片化する。これにより、第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙが、コア層１１の幅方向においてコア層１１を伝搬する赤外線の光軸ＯＡから偏った位置に断続的に交互に存在する光導波路８０（図１１、図１２、図１３、図１４参照）が完成する。
　さらに、図１１に示すように、光導波路８０のグレーティングカプラ１１８に赤外線ＩＲ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ＩＲ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８が完成する。
　このように、光導波路８０は、コア層１１を支える第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙが、コア層１１の長手方向に垂直な断面における中心に重なる（コア層１１を伝搬する光の光軸ＯＡに対して最短距離である）外表面からずれて、それぞれコア層１１の幅方向の中心から一方の端側と他方の端側に存在する構造を有することで、第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙによる被測定物質ＭＯの検出特性の低下を防止したうえで、機械強度を強くすることができる。
　なお、第４実施形態では、第１の支持部８７ｘと第２の支持部８７ｙとが、コア層１１の長手方向に垂直な方向の異なる断面の中で形成されているが、図２７に示すように、コア層１１の長手方向に垂直な方向の同一の断面の中で形成されても同様の効果が得られる。
　以上説明したように、第４実施形態によれば、センサの感度を低下させることなく、コア層１１を支えるための第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙを持った光導波路８０および光学式濃度測定装置８を提供することができる。
　また、第４実施形態による光導波路８０は、コア層１１を伝搬する光のエバネッセント波ＥＷと被測定物質ＭＯとの相互作用量を増加させ、第１の支持部８７ｘおよび第２の支持部８７ｙによる当該エバネッセント波ＥＷの吸収量を減少させることができる。これにより、第４実施形態による光導波路８０は、種々の仕様態様において高感度に安定して被測定物質ＭＯを検出することができる。
〔第５実施形態〕
　本発明の第５実施形態による光導波路および光学式濃度測定装置について図２８から図３４を用いて説明する。
　第５実施形態による光導波路９０は、コア材料をシリコンとして説明するが、例えばＧａＡｓなど、光導波路としての機能を発揮する材料であればシリコンに限られない。
　図２８および図２９は、第５実施形態による光学式濃度測定装置９の概略構成を示す図であるとともに、第５実施形態による光導波路９０を利用したＡＴＲ法の概念図でもある。
　図２８に示すように、光学式濃度測定装置９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９は、第５実施形態による光導波路９０と、光導波路９０に備えられたコア層９１に光（第５実施形態では赤外線ＩＲ）を入射可能な光源２０と、コア層９１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。
　光導波路９０は、長手方向（図２８における左右の方向）に赤外線ＩＲ（光の一例）が伝搬可能なコア層９１と、コア層９１の表面の少なくとも一部に形成された保護膜１４（詳細は後述する）とを備えている。光導波路９０は、基板１５と、基板１５上に形成されたクラッド層（支持部の一例）９７と、クラッド層９７上に形成されたコア層９１とを備えている。クラッド層９７は、基板１５及びコア層９１を接合するようになっている。コア層９１および基板１５はシリコン（Ｓｉ）で形成され、クラッド層９７は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成されている。
　基板１５およびクラッド層９７は板状を有し、コア層９１は直方体形状を有している。光導波路９０は、コア層９１の長手方向の一端部に形成されたグレーティングカプラ１１８と、コア層１１の長手方向の他端部に形成されたグレーティングカプラ１１９とを有している。グレーティングカプラ１１８は、光源２０の下方に配置されている。グレーティングカプラ１１８は、光源２０から入射する赤外線ＩＲをコア層９１を伝搬する赤外線ＩＲに結合するようになっている。グレーティングカプラ１１９は、光検出器４０の下方に配置されている。グレーティングカプラ１１９は、コア層９１を伝搬する赤外線ＩＲを取り出して光検出器４０に向けて出射するようになっている。
　図２９は、図２８中に示すＫ－Ｋ線で切断した光学式濃度測定装置の断面を示している。図２９に示すように、第５実施形態による光導波路９０は、長手方向に光（第５実施形態では赤外線）が伝搬するコア層９１と、外部空間２中に存在する被検出物質との間に形成された保護膜１４を有しており、コア層の長手方向に垂直な少なくとも一部の断面（Ｋ－Ｋ線で切断した断面、すなわち図２９に示す断面）において、コア層の全ての表面を露出させない構造をしている。第５実施形態では、コア層９１は、シリコンで形成されている。保護膜１４が設けられている目的は、コア層９１の表面の自然酸化を抑制することであり、コア層９１の表面が露出することなく、保護膜１４が存在していることが好ましい。そのため、保護膜１４は、コア層９１の表面の自然酸化を抑制することができる層であれば形成材料は問わない。保護膜１４は、例えばコア層９１の形成材料がシリコンである場合、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜などで形成されていてもよい。窒素を含む膜は、コア層９１の表面の酸化を抑制する効果があり、窒素含有率が高いほど酸化抑制の効果が高くなる。保護膜１４は、窒素を含む膜の少なくとも一部の領域において、１％以上の窒素含有率をもつ膜であってもよい。シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜は、シリコンとの屈折率差が大きいため、クラッド層の形成材料としても優れている。さらに、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜は、赤外線の吸収が少ないため、コア層９１の表面に保護膜１４を形成することによる被検出物質の検出感度の劣化を極力抑えられる。
　保護膜１４の膜厚は、コア層９１の自然酸化を抑制することができる膜厚であれば薄い方がよい。その理由は、保護膜１４の膜厚が薄いほどエバネッセント波と被検出物質との相互作用領域を多くとることができるためである。保護膜１４の膜厚を厚く形成し過ぎると、光導波路９０の特性劣化は防止できるものの、エバネッセント波と被検出物質との相互作用量が減ってしまい、光学式濃度測定装置９の検出装置としてのそもそもの感度が減ってしまう。したがって、保護膜１４の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であってよく、２ｎｍ以上５ｎｍ未満であってもよい。保護膜１４の膜厚の下限値の１ｎｍは、コア層９１の表面での自然酸化膜の成長をおおよそ止めるために必要となる膜厚である。保護膜１４の膜厚の上限値の２０ｎｍは、保護膜１４を形成する材料や形成方法によって、自然酸化膜形成の抑制効果が変わることを考慮した膜厚である。
　次に、光導波路９０および光学式濃度測定装置９の動作について図２８を用いて説明する。光学式濃度測定装置９は、ＡＴＲ法を利用して外部空間２中のガスを検出するようになっている。ＡＴＲ法では、一方のグレーティングカプラから赤外線を光導波路に導入し、光導波路を伝搬させた赤外線を、もう一方のグレーティングカプラ側から取り出し、その先にある光検出器で赤外線の量を検出するようになっている。
　より具体的に、図２８に示すように、光源２０が出射した赤外線ＩＲは、光導波路１９０に設けられたグレーティングカプラ１１８に入射する。グレーティングカプラ１１８は、入射した赤外線ＩＲを回折して所定角度でコア層９１に導入し、コア層９１を伝搬する赤外線ＩＲに結合する。
　コア層９１を導光する赤外線ＩＲは、コア層９１と保護膜１４との界面やコア層９１とクラッド層９７との界面で反射を繰り返し、グレーティングカプラ１１９に到達する。赤外線ＩＲがコア層９１と保護膜１４との界面で反射する際に保護膜１４を介して外部空間２にエバネッセント波ＥＷが生じる。エバネッセント波ＥＷが外部空間２に染み出す量（染み出しの深さ）は、外部空間２に存在する被検出物質に応じて異なり、エバネッセント波ＥＷが吸収される量も外部空間２に存在する被検出物質に応じて異なる。このため、コア層９１を伝搬してグレーティングカプラ１１９に到達する赤外線ＩＲの強度は、外部空間２に存在する被検出物質に応じて異なる。
　グレーティングカプラ１１９は、到達した赤外線ＩＲを回折して光検出器４０に向けて外部空間２に取り出す。光検出器４０で検出される赤外線ＩＲの強度を解析することにより、外部空間２に存在する被検出物質の濃度などを検出できる。
　次に、光導波路９０の製造方法について図２８および図２９を参照しつつ図３０および図３１を用いて説明する。図３０は、図１中に示すＫ－Ｋ線で切断した光導波路９０の製造工程端面図である。
　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１５ａと、シリコンで形成されコア層９１が形成される活性基板１１ａ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１５ａおよび活性基板１１ａを貼り合わせて熱処理して結合する。その後、活性基板１１ａを所定の厚さまで研削・研磨するなどして活性基板１１ａの膜厚を調整する。これにより、図３０に示すように、支持基板１５ａと、支持基板１５ａ上に形成されたＢＯＸ層１７ａと、ＢＯＸ層１７ａ上に形成された活性基板１１ａ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。
　次に、ＳＯＩ基板１００をリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて活性基板１１ａをエッチングし、直方体形状のコア層９１を形成する。これにより、図３１に示すように、板状の基板１５と、基板１５上に形成され板状のクラッド層９７と、クラッド層９７上の一部に形成され四角柱状のコア層１１とを有する光導波路主要部９０ａを形成する。
　その後、熱ＣＶＤによる窒化膜の堆積、またはＮＯやＮ２Ｏを含む雰囲気下で酸化処理を行い、コア層９１の表面に窒素を含む膜を形成する。この窒化膜は、例えば１ｎｍ以上、２０ｎｍ未満の膜厚となるように形成される。これにより、図２９に示すように、クラッド層９７に接する側面を除いて、コア層９１の３つの側面上に保護膜１４が形成される。
　窒素を含む膜の形成方法に、熱ＣＶＤによる堆積を用いた場合は、クラッド層９７の表面にも窒素を含む膜が形成される。一方、ＮＯやＮ２Ｏを含む雰囲気下での酸化を用いた場合は、クラッド層９７の表面には窒素を含む膜は形成されない。第５実施形態では、これらの形成方法のうち、ＮＯやＮ２Ｏを含む雰囲気下での酸化により、コア層９１の表面に窒素を含む保護膜１４が形成されている。
　図３２は、一例として、ＮＯを含む雰囲気下でシリコン表面を酸化し、膜厚３ｎｍの酸窒化膜を形成したときの、窒素濃度を示すグラフである。図３２中に示すグラフの横軸は、酸窒化膜の表面を基準とする深さ（ｎｍ）を示し、当該グラフの縦軸は、酸窒化膜およびシリコン中の窒素濃度（％）を示している。図３２に示すように、シリコンと酸窒化膜の界面付近に数パーセントの濃度で窒素が分布していることがわかる。酸窒化膜中の窒素濃度は、酸化中のＮＯガス流量を変更することで調整することができる。
　さらにその後、コア層９１の長手方向の一端部にスリット状のグレーティングカプラ１１８を形成し、コア層９１の長手方向の他端部にスリット状のグレーティングカプラ１１９を形成する。これにより、図２８に示すように、窒素を含み膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満の保護膜１４をコア層９１の表面に有する光導波路９０が完成する。なお、グレーティングカプラを形成するプロセスと、コア層９１の表面に窒素を含む膜を形成するプロセスは、上述した順番とは逆であってもよい。
　さらに、図示は省略するが、光導波路９０のグレーティングカプラ１１８に赤外線ＩＲを入射できるように光源２０を設置し、光導波路９０のグレーティングカプラ１１９から出射する赤外線ＩＲ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９が完成する。
　ここで、光導波路９０および光学式濃度測定装置９の他の構成例について図３３，３４を用いて説明する。図３３，３４は、他の構成例による光導波路９０および光学式濃度測定装置９を示している。図３４は、図３３中に示すＬ－Ｌ線で切断した光学式濃度測定装置９を示している。
　図３３に示すように、他の構成例による光導波路９０は、コア層９１を支持する支持部９８が部分的にしか存在しない浮遊型のコア層９１を有している。具体的に、コア層９１は、基板１５上に所定の間隔で形成された柱状の複数の支持部９８によって支持されている。
　浮遊型のコア層９１を有する光導波路９０を形成する場合、図３０に示したＢＯＸ層１７ａ上に四角柱状のコア層９１を形成した後（すなわち図３１に相当する）に、追加のプロセスを実施する。具体的には、支持部９８によってコア層１１を支持する領域を除いて、リソグラフィ、ウェットエッチングなどを用いて、ＢＯＸ層１７ａを部分的に除去してコア層９１と基板１５の間に複数の支持部９８を部分的に形成する。これにより、支持部９８によってコア層９１を空中に浮かせることができ、コア層９１と基板１５の間には部分的に空間が形成される。他の構成例による光導波路９０では、コア層９１と基板１５との間の空間に存在する空気がクラッド層としての機能を発揮する。また、図３３及び図３４に示すように、他の構成例による光導波路９０は、基板１５上に存在するＢＯＸ層１７ａのエッチング残りによって隣り合う支持部９８が接続された構造を有してもよい。
　支持部９８の形成後、熱ＣＶＤによる窒化膜の堆積、またはＮＯやＮ２Ｏを含む雰囲気下で酸化処理を行い、コア層９１の表面に窒素を含む膜を形成する。そうすることで、図３４に示すような、コア層９１の長手方向に垂直な断面において、コア層９１の表面全周に保護膜１４を形成することが出来、コア層９１の劣化を効果的に抑制することができる。詳細な説明は省略するが、保護膜１４の形成後、上述と同様の製造工程を実施することにより、図３３に示す浮遊型のコア層９１を有する光導波路９０及び光学式濃度測定装置９が完成する。
　ここで、第５実施形態による光導波路９０および光学式濃度測定装置９（他の構成例による光導波路９０および光学式濃度測定装置９も含む）の効果について説明する。ＡＴＲ法を用いたセンサでは、光導波路を形成するコア層の表面がむき出しになっているほど、多くの量のエバネッセント波を被検出物質と相互作用させることができるため、センサとしての感度がよくなる。しかしながら、コア層をむき出しにすると、外部環境の影響で、期待せずにもコア層の表面状態が変化していき、センサ性能が経時変化していってしまう。外部環境によるコア層の表面状態の変化の１つに自然酸化があげられる。図３５に示すように、エバネッセント波は、構造体５１（光導波路の場合コア層に相当する）と外部の物質５３との界面に最も多く存在し、この界面から遠ざかるほど、エバネッセント波の光強度Ｅ２は低下していく。このため、センサとしての感度は、構造体５１と物質５３との界面に近い領域の状態変化ほど影響を受けやすい。したがって、構造体５１の最表面に発生する自然酸化膜の影響は、高精度を要求されるセンサにとっては致命的となる。
　これに対し、光導波路９０は、コア層９１の表面に保護膜１４を備えている。このため、光導波路９０は、コア層９１が外部空間２に直接接触しないように構成されている。これにより、コア層９１の表面状態は、時間の経過とともに変化せず初期状態を維持できる。その結果、光導波路９０および光学式濃度測定装置９は、経年劣化を防止できる。さらに、保護膜１４は、赤外線の吸収が少ないシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜で形成され、かつ膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満に形成されている。これにより、光導波路９０は、エバネッセント波と被検出物質との相互作用量の低減を防止できる。その結果、光導波路９０および光学式濃度測定装置９は、被検出物質を高感度に検出できる。
　以上説明したように、第５実施形態による光導波路および光学式濃度測定装置（他の構成例による光導波路および光学式濃度測定装置も含む）によれば、コア層の表面に保護膜を有しているため、外部環境起因で発生するコア層の表面状態の劣化を防止できる。その結果、第５実施形態による光導波路および光学式濃度測定装置は、被検出物質を高感度に検出でき、かつ感度の経年劣化を防止することが可能になる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に記載の技術的範囲には限定されない。上述した実施形態に、多様な変更又は改良を加えることも可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
１，８，９　光学式濃度測定装置
２　外部空間
１０，６０，７０，８０，９０，１０’　光導波路
１０ａ，７０ａ、８０ａ，９０ａ　光導波路主要部
１１，９１、１１’　コア層
１１ａ　活性基板
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ　空間部
１４　保護膜
１５，１５’　基板
１５ａ　支持基板
１５ｓ　主面
１７，１７ｘ，１７ｙ，９７，９８，１７’　支持部（クラッド層）
８７ｘ，８７ｙ　第１の支持部、第２の支持部
１７ａ　ＢＯＸ層
２０　光源
４０　光検出器
５１　構造体
５３　物質
１００　ＳＯＩ基板
１１１，１１２，１１３　分離部
１１８，１１９　グレーティングカプラ
１７１，１７２，１７３　接続部分
８７１、８７２　第１の支持部の接続部分、第２の支持部の接続部分
ａ１，ａ２，ａ３　将来的に光軸ＯＡ１，ＯＡ２，ＯＡ３が形成される軸
Ｃｍ　マスク層の中心線
ＯＡ，ＯＡ１，ＯＡ２，ＯＡ３　光軸
ＥＷ　エバネッセント波
ＩＲ　赤外線
Ｌ　光
ＭＯ　被測定物質
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３　マスク層
ＮＰ　中心から外表面までの距離が最短である位置

Claims (16)

  1. 　被測定気体または被測定液体の濃度を測定する光学式濃度測定装置に用いる光導波路であって、
    　基板と、
    　長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、
    　前記コア層よりも屈折率の小さい材料で形成され、前記基板の少なくとも一部と前記コア層の少なくとも一部とを接続し、前記基板に対して前記コア層を支持する支持部と、
    　を備え、
    　前記コア層と接続される前記支持部の接続部分は、前記コア層の前記長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れている光導波路。
  2. 　前記コア層の少なくとも一部は、前記被測定気体または前記被測定液体と接触可能に設けられている
    　請求項１に記載の光導波路。
  3. 　基板と、
    　長手方向に沿って延伸し、光が伝搬可能なコア層と、
    　前記コア層よりも屈折率の小さい材料で形成され、前記基板の少なくとも一部と前記コア層の少なくとも一部とを接続し、前記基板に対して前記コア層を支持する支持部と、
    　を備え、
    　前記コア層の少なくとも一部は、気体または液体と接触可能に設けられており、
    　前記コア層と接続される前記支持部の接続部分は、前記コア層の前記長手方向に垂直な断面における中心から外表面までの距離が最短である位置から外れている光導波路。
  4. 　前記支持部は、空間的に分離された複数の前記接続部分を有する
    　請求項１から３までのいずれか一項に記載の光導波路。
  5. 　前記コア層の少なくとも一部は、前記支持部に接合されておらず浮遊している
    　請求項１から４までのいずれか一項に記載の光導波路。
  6. 　前記コア層は、該コア層の表面の少なくとも一部に形成されて膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満である保護膜を有する
    　請求項１から５までのいずれか一項に記載の光導波路。
  7. 　前記保護膜はシリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜である
    　請求項６に記載の光導波路。
  8. 　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７までのいずれか一項に記載の光導波路。
  9. 　前記支持部は、第１の支持部および第２の支持部を有し、
    　前記コア層の幅方向において、中心から一方の端の間に前記第１の支持部の接続部分が位置し、前記中心から他方の端の間に前記第２の支持部の接続部分が位置する
    　請求項１から８のいずれか一項に記載の光導波路。
  10. 　前記第１の支持部の接続部分と、前記第２の支持部の接続部分とが、前記長手方向に沿って断続的に存在する
    　請求項９に記載の光導波路。
  11. 　前記第１の支持部の接続部分と、前記第２の支持部の接続部分とが、前記長手方向に沿って交互に存在する
    　請求項９または請求項１０に記載の光導波路。
  12. 　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９から１１のいずれか一項に記載の光導波路。
  13. 　前記コア層の前記長手方向における少なくとも一部の位置における、該長手方向と垂直な断面において、前記コア層および前記基板の間の全領域には、前記第１の支持部および第２の支持部が存在しない
    　請求項９から１２のいずれか一項に記載の光導波路。
  14. 　前記第１の支持部および前記第２の支持部の接続部分は、前記コア層の幅方向における前記コア層の端から該コア層の中心に近づくにつれて、前記コア層の長手方向に広がる形状である
    　請求項９から１３のいずれか一項に記載の光導波路。
  15. 　請求項１から１４までのいずれか一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。
  16. 　前記光源は波長が２μｍ以上１０μｍ未満の赤外線を前記コア層に入射する
    　請求項１５に記載の光学式濃度測定装置。
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