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JP7544382B2 - Static Electricity Sensor - Google Patents
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JP7544382B2 - Static Electricity Sensor - Google Patents

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Description

本発明は、電荷により発光状態が変化する現象を利用した静電気センサに関する。 The present invention relates to an electrostatic sensor that utilizes the phenomenon in which the light emission state changes depending on the electric charge.

静電気は、様々な要因によって、いたるところに発生する。特に、電子機器は、静電気の影響を受けやすく、動作不良を生じたり、故障したりすることがある。また、工場などの、粉塵や粉体が飛散する環境下、揮発物質の漂う雰囲気下などにおいては、静電気による爆発を誘発する虞がある。このような不具合を回避するためには、帯電物の静電気を検出して除電を行うことが求められる。 Static electricity is generated everywhere due to various factors. Electronic devices are particularly susceptible to the effects of static electricity, which can cause malfunctions or breakdowns. Furthermore, in environments where dust and powder are flying around, such as factories, or in atmospheres where volatile substances are floating around, there is a risk of static electricity inducing explosions. To avoid such problems, it is necessary to detect the static electricity on charged objects and remove the electricity.

従来、静電気の検出には、ハンディ型の検出器が用いられていたが、製造ラインに配置できるように、さらに小型化された検出器も用いられている。しかしながら、半導体デバイスの内部などの狭所に発生した静電気を検出するには、検出器のさらなる小型化が求められる。 Traditionally, handheld detectors have been used to detect static electricity, but even smaller detectors are now being used so that they can be placed on production lines. However, to detect static electricity generated in narrow spaces such as inside semiconductor devices, detectors need to be made even smaller.

このような要求に対する技術として、例えば、特許文献1には、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された絶縁膜とを備えた半導体静電気センサが開示されている。この半導体静電気センサにおいて、絶縁膜の電極に電荷が注入されることで電極の電位が絶縁膜の静電耐圧を超えたとき、絶縁膜が絶縁破壊され、絶縁破壊が生じたときの電極の電位から、電荷量がわかる。このような半導体静電気センサは、シリコンチップに形成できることから、十分な小型化が可能である。 As a technology that meets such demands, for example, Patent Document 1 discloses a semiconductor electrostatic sensor that includes a silicon substrate and an insulating film formed on the silicon substrate. In this semiconductor electrostatic sensor, when a charge is injected into the electrode of the insulating film, and the potential of the electrode exceeds the electrostatic withstand voltage of the insulating film, the insulating film breaks down, and the amount of charge can be determined from the potential of the electrode at the time of the breakdown. Such a semiconductor electrostatic sensor can be formed on a silicon chip, making it possible to sufficiently miniaturize it.

特開平4-15566号公報(1992年1月20日公開)Japanese Patent Application Laid-open No. 4-15566 (published on January 20, 1992)

上記の半導体静電気センサは、静電気を検出する原理にセンサ破壊を用いているため、繰り返し静電気を測定することができない。また、上記の半導体静電気センサは、半導体静電気センサによって検出された電荷量を出力するための他の回路とともにシリコン基板上に形成されることで計測器を構成する。このため、電気によって動作する計測器において、上記の回路を構成する素子は静電気によって破壊されやすいという問題がある。 The semiconductor electrostatic sensor described above uses sensor destruction as the principle for detecting static electricity, and therefore cannot measure static electricity repeatedly. In addition, the semiconductor electrostatic sensor described above constitutes a measuring instrument by being formed on a silicon substrate together with other circuits for outputting the amount of charge detected by the semiconductor electrostatic sensor. For this reason, there is a problem in that the elements that constitute the above circuit in measuring instruments that operate by electricity are easily destroyed by static electricity.

本発明の一態様は、静電気に対して安定して動作する、繰り返し使用することが可能な、小型の静電気センサを実現することを目的とする。 One aspect of the present invention aims to realize a small electrostatic sensor that operates stably against static electricity and can be used repeatedly.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る静電気センサは、励起光を発する励起光源と、半導体基板に形成された非線形光学媒質を有し、当該非線形光学媒質に、前記励起光によって励起され、かつ励起波長で共振することにより、前記励起波長を有する光または前記励起波長とは異なる波長を有する光を発生する共振器が設けられている発光素子と、前記発光素子から出射された光を検出する光検出器と、を備えている。 In order to solve the above problems, an electrostatic sensor according to one aspect of the present invention includes an excitation light source that emits excitation light, a light-emitting element having a nonlinear optical medium formed on a semiconductor substrate, the nonlinear optical medium being excited by the excitation light and having a resonator that resonates at the excitation wavelength to generate light having the excitation wavelength or light having a wavelength different from the excitation wavelength, and a photodetector that detects the light emitted from the light-emitting element.

上記の構成によれば、レーザのような強い電場を有する光が非線形光学媒質に入射すると、共振器では、入射した励起光の波長を有する光または前記励起波長とは異なる波長を有する光が発生する。発光素子に電荷を与えると、非線形光学媒質が現す非線形光学効果が低下する。これにより、発光素子が発光を停止したり(無発光)、発光素子が発する光が微弱になったりする。このように、電荷の無い通常の発光時と電荷付与時とで発光素子の発光状態が異なることによって、静電気を検知することができる。また、発光素子は、励起光の入射によって動作するデバイスであって、電気駆動型のデバイスではない。したがって、静電気の影響を受けて破壊されることはない。しかも、非線形光学媒質は、電荷が除去されると、通常の非線形光学効果を現すようになるため、繰り返して静電気を検知することができる。 According to the above configuration, when light having a strong electric field such as a laser is incident on the nonlinear optical medium, the resonator generates light having the wavelength of the incident excitation light or light having a wavelength different from the excitation wavelength. When an electric charge is applied to the light-emitting element, the nonlinear optical effect exhibited by the nonlinear optical medium is reduced. This causes the light-emitting element to stop emitting light (no light emission) or to emit weak light. In this way, the light-emitting element's light-emitting state differs between normal light emission without charge and when a charge is applied, making it possible to detect static electricity. Furthermore, the light-emitting element is a device that operates when excitation light is incident on it, and is not an electrically driven device. Therefore, it is not destroyed by the influence of static electricity. Moreover, when the electric charge is removed from the nonlinear optical medium, the normal nonlinear optical effect is exhibited, making it possible to repeatedly detect static electricity.

前記静電気センサにおいて、前記半導体基板には、多数の空孔が形成されたフォトニック結晶構造体が形成され、前記共振器は、前記フォトニック結晶構造体に設けられ、前記励起光により生じたラマン散乱光に対するラマン共振モードを有していてもよい。 In the electrostatic sensor, a photonic crystal structure having a large number of voids is formed on the semiconductor substrate, and the resonator is provided in the photonic crystal structure and may have a Raman resonance mode for Raman scattered light generated by the excitation light.

上記の構成によれば、共振器において3次の非線形光学効果である誘導ラマン散乱が生じる。共振器は、この誘導ラマン散乱によって得られるラマン利得を利用して、ラマン散乱光を生じさせることができる。ラマン利得は、共振器に入射する光の光密度に対し、線形に変化する。また、共振器の損失は、光密度に依存せずに一定となる。さらに、発生した光は、自由キャリア吸収によって吸収される。このときに生じる自由キャリア損失は、光密度に対して非線形に変化する。共振器は、利得が共振器の損失と自由キャリア損失との和(損失和)を超えると発振する。 According to the above configuration, stimulated Raman scattering, which is a third-order nonlinear optical effect, occurs in the resonator. The resonator can generate Raman scattered light by utilizing the Raman gain obtained by this stimulated Raman scattering. The Raman gain changes linearly with respect to the optical density of the light incident on the resonator. The loss of the resonator is constant and does not depend on the optical density. Furthermore, the generated light is absorbed by free carrier absorption. The free carrier loss that occurs at this time changes nonlinearly with respect to the optical density. The resonator oscillates when the gain exceeds the sum of the resonator loss and the free carrier loss (loss sum).

発光素子に電荷を与えると、共振器の損失が高くなる。これにより、利得が損失和以下になると、共振器の発振が停止するか、あるいは共振器の共振が微弱になる。それゆえ、発光素子が光を発生しなくなったり、発光素子が発する光が微弱になったりする。このようにして発光素子が発光を停止するか、あるいは発光を弱めることによって、静電気を検知することができる。 When an electric charge is applied to the light-emitting element, the loss in the resonator increases. As a result, when the gain falls below the sum of the losses, the oscillation of the resonator stops or the resonance of the resonator becomes weak. This causes the light-emitting element to stop emitting light or the light it emits becomes weak. In this way, static electricity can be detected by causing the light-emitting element to stop emitting light or to weaken its emission.

前記静電気センサにおいて、前記共振器は、前記励起光を励起光共振モードで閉じ込め、前記ラマン散乱光をラマン散乱光共振モードで閉じ込め、前記励起光共振モードのQ値として10000以上の第1Q値を有するとともに、前記ラマン散乱光共振モードのQ値として100000以上の第2Q値を有していてもよい。 In the electrostatic sensor, the resonator may confine the excitation light in an excitation light resonance mode, confine the Raman scattering light in a Raman scattering light resonance mode, and have a first Q value of 10,000 or more as the Q value of the excitation light resonance mode, and a second Q value of 100,000 or more as the Q value of the Raman scattering light resonance mode.

上記の構成によれば、共振器のQ値が高いので、共振器の損失が大幅に低下する。これにより、発振器の発光域を広くすることができる。それゆえ、発光時における共振器の損失と、電荷が与えられたときに上昇する共振器の損失との差が大きくなる。したがって、発光素子の静電気検知のレンジを広げることができる。 With the above configuration, the Q value of the resonator is high, so the loss of the resonator is significantly reduced. This allows the light emission range of the oscillator to be widened. Therefore, the difference between the loss of the resonator during light emission and the loss of the resonator that increases when an electric charge is applied becomes large. Therefore, the range of static electricity detection of the light-emitting element can be widened.

上記の課題を解決するために、本発明の他の態様に係る静電気センサは、励起光を発する励起光源と、半導体基板に形成された非線形光学媒質を有し、当該非線形光学媒質に、前記励起光を通過させるか、または前記励起光を励起波長とは異なる波長を有する光に変換する導波路が設けられている発光素子と、前記発光素子から出射された光を検出する光検出器と、を備えている。 To solve the above problems, an electrostatic sensor according to another aspect of the present invention includes an excitation light source that emits excitation light, a light-emitting element having a nonlinear optical medium formed on a semiconductor substrate, the nonlinear optical medium being provided with a waveguide that passes the excitation light or converts the excitation light into light having a wavelength different from the excitation wavelength, and a photodetector that detects the light emitted from the light-emitting element.

上記の構成によれば、発光素子に電荷を与えると、非線形光学媒質が現す非線形光学効果が低下する。これにより、発光素子が発光を停止したり(無発光)、発光素子が発する光が微弱になったりする。このように、電荷の無い通常の発光時と電荷付与時とで発光素子の発光状態が異なることによって、静電気を検知することができる。また、発光素子は、励起光の入射によって動作するデバイスであって、電気駆動型のデバイスではない。したがって、静電気の影響を受けて破壊されることはない。しかも、非線形光学媒質は、電荷が除去されると、通常の非線形光学効果を現すようになるため、繰り返して静電気を検知することができる。 According to the above configuration, when an electric charge is applied to the light-emitting element, the nonlinear optical effect exhibited by the nonlinear optical medium is reduced. This causes the light-emitting element to stop emitting light (no light emission) or the light emitted by the light-emitting element to become weak. In this way, the light-emitting element's light-emitting state differs between normal light emission without electric charge and when electric charge is applied, making it possible to detect static electricity. Furthermore, the light-emitting element is a device that operates when excitation light is incident on it, and is not an electrically driven device. Therefore, it will not be destroyed by the effects of static electricity. Moreover, when the electric charge is removed, the nonlinear optical medium returns to exhibiting the normal nonlinear optical effect, making it possible to repeatedly detect static electricity.

前記静電気センサは、前記励起光源からの前記励起光を前記発光素子に導く第1光ファイバと、前記発光素子からの光を前記光検出器に導く第2光ファイバと、をさらに備えていてもよい。 The electrostatic sensor may further include a first optical fiber that guides the excitation light from the excitation light source to the light-emitting element, and a second optical fiber that guides the light from the light-emitting element to the photodetector.

上記の構成によれば、発光素子は、第1光ファイバによって励起光源に接続されるとともに、第2光ファイバによって光検出器に接続される。これにより、発光素子を励起光源および光検出器から離れた位置に配置することができる。それゆえ、人が立ち入れない狭所、微小空間などの静電気を検知することができる。 According to the above configuration, the light-emitting element is connected to the excitation light source by the first optical fiber and to the photodetector by the second optical fiber. This allows the light-emitting element to be placed at a position away from the excitation light source and the photodetector. This makes it possible to detect static electricity in narrow spaces and small spaces where people cannot enter.

前記静電気センサは、前記励起光源に接続された単一の前記第1光ファイバを複数の前記第1光ファイバに分岐する光分岐器をさらに備え、前記発光素子、前記第2光ファイバおよび光検出器は、それぞれ複数設けられており、分岐した複数の前記第1光ファイバは、複数の前記発光素子に個々に接続され、複数の前記第2光ファイバは、複数の前記発光素子と複数の前記光検出器とを個々に接続していてもよい。 The electrostatic sensor may further include an optical branching device that branches the single first optical fiber connected to the excitation light source into a plurality of the first optical fibers, and the light-emitting element, the second optical fiber, and the photodetector may each be provided in a plurality of the light-emitting elements, and the plurality of branched first optical fibers may be individually connected to the plurality of the light-emitting elements, and the plurality of the second optical fibers may individually connect the plurality of the light-emitting elements and the plurality of the photodetectors.

上記の構成によれば、励起光源からの励起光は、光分岐器によって単一の第1光ファイバから分岐した複数の第1光ファイバを介してそれぞれの発光素子に伝送される。これにより、単一の励起光源によって、複数箇所の静電気を検知することができる。 According to the above configuration, the excitation light from the excitation light source is transmitted to each light-emitting element via multiple first optical fibers branched from a single first optical fiber by an optical brancher. This makes it possible to detect static electricity at multiple locations using a single excitation light source.

本発明の一態様によれば、静電気に対して安定して動作する、繰り返し使用することが可能な、小型の静電気センサを実現することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to realize a small electrostatic sensor that operates stably against static electricity and can be used repeatedly.

本発明の実施形態1および2に係る静電気センサの構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of an electrostatic sensor according to first and second embodiments of the present invention; 上記静電気センサにおける発光素子の構成を示す平面図である。3 is a plan view showing a configuration of a light-emitting element in the electrostatic sensor. FIG. 上記発光素子を構成するフォトニック結晶の構造を微小共振器を中心に拡大して示す平面図、および上記フォトニック結晶における空孔の間隔が異なる領域に対応するエネルギー準位を示す図である。1A is a plan view showing an enlarged view of the photonic crystal structure constituting the light-emitting device, with a microresonator at the center, and a diagram showing energy levels corresponding to regions of the photonic crystal with different hole spacings. FIG. 上記発光素子におけるラマンレーザの発振および停止のメカニズムを表す、上記微小共振器内のポンプ光密度とラマン利得および損失和との関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the pump light density in the microresonator and the Raman gain and the sum of losses, illustrating the mechanism of Raman laser oscillation and shutdown in the light-emitting device. 上記発光素子のサンプルが静電気によって発振を停止することを検証する実験を行うための実験装置の構成を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the configuration of an experimental apparatus for carrying out an experiment to verify that the light-emitting element sample stops oscillating due to static electricity. 上記実験装置におけるサンプルが帯電するメカニズムを説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the mechanism by which a sample is charged in the above experimental apparatus. 本発明の実施形態2に係る静電気センサにおける発光素子の構成を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing a configuration of a light-emitting element in an electrostatic sensor according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施形態3に係る静電気センサの構成を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of an electrostatic sensor according to a third embodiment of the present invention.

〔実施形態1〕
本発明の実施形態1について図1~図6に基づいて説明すれば、以下の通りである。
[Embodiment 1]
The following will describe a first embodiment of the present invention with reference to FIGS. 1 to 6. FIG.

図1は、実施形態1に係る静電気センサ101の構成を示すブロック図である。 Figure 1 is a block diagram showing the configuration of an electrostatic sensor 101 according to embodiment 1.

図1に示すように、静電気センサ101は、励起光源1と、入射光ファイバ2(第1光ファイバ)と、発光素子3と、出射光ファイバ4(第2光ファイバ)と、受光素子5(光検出器)とを備えている。 As shown in FIG. 1, the electrostatic sensor 101 includes an excitation light source 1, an input optical fiber 2 (first optical fiber), a light-emitting element 3, an output optical fiber 4 (second optical fiber), and a light-receiving element 5 (photodetector).

励起光源1は、発光素子3に含まれる微小共振器31(共振器)を励起する励起光を発する光源である。励起光源1としては、半導体レーザ、スーパールミネッセントダイオード(Super Luminescent Diode)などの光源素子が用いられる。スーパールミネッセントダイオード(以降、「SLD」と称する)は、LEDのようにブロードなスペクトルを有し、かつ半導体レーザのように高輝度の光を発光する光源素子である。 The excitation light source 1 is a light source that emits excitation light that excites the microresonator 31 (resonator) included in the light-emitting element 3. As the excitation light source 1, a light source element such as a semiconductor laser or a super luminescent diode is used. A super luminescent diode (hereinafter referred to as an "SLD") is a light source element that has a broad spectrum like an LED and emits high-brightness light like a semiconductor laser.

入射光ファイバ2は、励起光源1から出射された励起光を発光素子3に導く導光路である。 The input optical fiber 2 is a light guide path that guides the excitation light emitted from the excitation light source 1 to the light-emitting element 3.

発光素子3は、入射光ファイバ2から入射した励起光を、励起光の波長(励起波長)と異なる波長を有する光に変換して出力する波長変換器として動作する。発光素子3については、後に詳しく説明する。なお、発光素子3は、入射光ファイバ2から入射した励起光を、その波長を変えずにそのまま出射してもよい。 The light-emitting element 3 operates as a wavelength converter that converts the excitation light incident from the incident optical fiber 2 into light having a wavelength different from the wavelength of the excitation light (excitation wavelength) and outputs the light. The light-emitting element 3 will be described in detail later. Note that the light-emitting element 3 may directly emit the excitation light incident from the incident optical fiber 2 without changing its wavelength.

出射光ファイバ4は、発光素子3から出力された光を受光素子5に導く導光路である。 The output optical fiber 4 is a light guide path that guides the light output from the light-emitting element 3 to the light-receiving element 5.

受光素子5は、出射光ファイバ4によって導かれた発光素子3の光を受けて検出する素子である。受光素子5は、例えば、フォトダイオードによって構成されている。 The light receiving element 5 is an element that receives and detects the light from the light emitting element 3 guided by the output optical fiber 4. The light receiving element 5 is composed of, for example, a photodiode.

続いて、発光素子3について、詳細に説明する。図2は、静電気センサ101における発光素子3の構成を示す平面図である。図3は、発光素子3を構成するフォトニック結晶の構造を微小共振器31を中心に拡大して示す平面図、およびフォトニック結晶における空孔3bの間隔が異なる領域に対応するエネルギー準位を示す図である。 Next, the light-emitting element 3 will be described in detail. Figure 2 is a plan view showing the configuration of the light-emitting element 3 in the electrostatic sensor 101. Figure 3 is a plan view showing an enlarged view of the photonic crystal structure that constitutes the light-emitting element 3, with the microresonator 31 at the center, and a diagram showing the energy levels corresponding to regions with different spacing between the holes 3b in the photonic crystal.

図2に示すように、発光素子3は、2次元フォトニック結晶構造体(フォトニック結晶構造体)を備えるフォトニック結晶光回路である。2次元フォトニック結晶構造体は、例えば厚さ約200nmのシリコン基板3a(半導体基板)に多数の空孔3bが周期的に配列されることで2次元フォトニック結晶が形成された構造体である。2次元フォトニック結晶は、非線形光学媒質である。なお、半導体基板としては、シリコン基板3a以外にも、ガラス基板、サファイア基板などを用いることができる。 As shown in FIG. 2, the light-emitting element 3 is a photonic crystal optical circuit equipped with a two-dimensional photonic crystal structure (photonic crystal structure). The two-dimensional photonic crystal structure is a structure in which a two-dimensional photonic crystal is formed by periodically arranging a large number of holes 3b in a silicon substrate 3a (semiconductor substrate) having a thickness of, for example, about 200 nm. The two-dimensional photonic crystal is a nonlinear optical medium. Note that, in addition to the silicon substrate 3a, a glass substrate, a sapphire substrate, etc. can also be used as the semiconductor substrate.

2次元フォトニック結晶構造体には、入射部3cと、出射部3dとが設けられている。入射部3cは、入射光ファイバ2からの励起光が入射する部分であり、出射部3dは、出射光ファイバ4に微小導波路33で発生した光を出射する部分である。 The two-dimensional photonic crystal structure has an input section 3c and an output section 3d. The input section 3c is a section where excitation light from the input optical fiber 2 is input, and the output section 3d is a section where light generated in the micro-waveguide 33 is output to the output optical fiber 4.

2次元フォトニック結晶構造体には、入射部3cからx方向に伸びるように続く空孔3bが塞がれた部分(以降、線欠陥と称する)が形成されている。この部分は、微小導波路32として機能する。2次元フォトニック結晶構造体には、出射部3dから逆x方向に伸びるように続く線欠陥が形成されている。この部分は、微小導波路33として機能する。 The two-dimensional photonic crystal structure has a portion (hereafter referred to as a line defect) in which the air holes 3b are blocked and continue to extend from the input portion 3c in the x direction. This portion functions as a micro-waveguide 32. The two-dimensional photonic crystal structure has a line defect that continues to extend from the output portion 3d in the reverse x direction. This portion functions as a micro-waveguide 33.

また、2次元フォトニック結晶構造体のフォトニックバンドの構造は、空孔3bの直径、間隔(フォトニック結晶の格子定数)、形状等により制御される。本実施形態では、空孔3bの間隔を2段階に異ならせることにより、2段階の異なるフォトニックバンド構造を得ている。 The photonic band structure of the two-dimensional photonic crystal structure is controlled by the diameter, spacing (lattice constant of the photonic crystal), shape, etc. of the holes 3b. In this embodiment, the spacing of the holes 3b is made different in two stages to obtain two different photonic band structures.

具体的には、空孔3bのy方向の間隔は一律710nmであり、空孔3bのx方向の間隔は、それぞれ410nm,420nmと異なっている。また、空孔3bの直径は260nmである。なお、微小導波路32は、空孔3bのy方向の間隔781nmの幅を有し、波長λ(E)の入射光を透過する導波路として形成されている。微小導波路33は、空孔3bのy方向の間隔625nmの幅を有し、波長λ(R)の出射光を透過する導波路として形成されている。 Specifically, the spacing between the air holes 3b in the y direction is uniformly 710 nm, and the spacing between the air holes 3b in the x direction is different, 410 nm and 420 nm, respectively. The diameter of the air holes 3b is 260 nm. The micro-waveguide 32 has a width of 781 nm between the air holes 3b in the y direction, and is formed as a waveguide that transmits incident light of wavelength λ (E). The micro-waveguide 33 has a width of 625 nm between the air holes 3b in the y direction, and is formed as a waveguide that transmits output light of wavelength λ (R).

シリコン基板3aの面内には、微小導波路32,33のそれぞれからy方向(発光素子3の幅方向)に数個の空孔3bを隔てた位置に、x方向に隣接する数個の空孔3bを埋めた点欠陥領域が設けられている。その点欠陥領域は、微小共振器31として機能する。微小共振器31は、特定の波長λ(R)(励起波長)で共振する。 In the plane of the silicon substrate 3a, a point defect region is provided in which several adjacent vacancies 3b in the x direction are filled, at positions separated by several vacancies 3b in the y direction (width direction of the light-emitting element 3) from each of the micro-waveguides 32 and 33. The point defect region functions as a micro-resonator 31. The micro-resonator 31 resonates at a specific wavelength λ(R) (excitation wavelength).

微小共振器31は、励起光の波長λ(E)に対する共振モード(励起共振モード)と、微小共振器31が発するラマン散乱光に対する共振モード(ラマン共振モード)とを有している。これにより、微小共振器31は、波長λ(E)によって励起されて、波長λ(R)のラマン散乱光を発する。 The microresonator 31 has a resonance mode (excitation resonance mode) for the wavelength λ (E) of the excitation light, and a resonance mode (Raman resonance mode) for the Raman scattered light emitted by the microresonator 31. As a result, the microresonator 31 is excited by the wavelength λ (E) and emits Raman scattered light of wavelength λ (R).

なお、微小共振器31は、点欠陥が連なることにより、短い線状となっている。ここでも、微小導波路32,33を形成する上述の「線欠陥」と明確に区別するため、微小共振器31を構成する点欠陥が連なった短い線状の欠陥部分を敢えて「点欠陥」と表現する。 The microresonator 31 is formed in a short line shape by a series of point defects. Here again, to clearly distinguish it from the above-mentioned "line defects" that form the microwaveguides 32 and 33, the short line defect portion formed by a series of point defects that constitute the microresonator 31 is deliberately referred to as a "point defect."

ここで、発光素子3における空孔3bの間隔を部分的に異ならせることの効果について説明する。図3は、発光素子3を構成するフォトニック結晶の構造を微小共振器31(点欠陥領域)を中心に拡大して示す平面図と、フォトニック結晶における空孔3bの間隔が異なる領域に対応するエネルギー準位を示す図とを含んでいる。 Here, we will explain the effect of partially varying the spacing of the voids 3b in the light-emitting element 3. Figure 3 includes a plan view showing the structure of the photonic crystal constituting the light-emitting element 3, with the microresonator 31 (point defect region) enlarged and centered, and a diagram showing the energy levels corresponding to regions in the photonic crystal where the spacing of the voids 3b is different.

図3の上段に示すように、フォトニック結晶において、上述の点欠陥による微小共振器31が形成される範囲を、中央の中央範囲A0と、中央範囲A0の図中左側の第1範囲A1と、中央範囲A0の図中右側の第2範囲A2とに区分されているものとする。 As shown in the upper part of FIG. 3, in the photonic crystal, the area in which the microresonator 31 due to the above-mentioned point defect is formed is divided into a central area A0 in the center, a first area A1 on the left side of the central area A0 in the figure, and a second area A2 on the right side of the central area A0 in the figure.

点欠陥領域の中央範囲A0では、モードギャップ差を利用した光閉じ込めが実現される。これは、点欠陥領域内の中央範囲A0において、伝搬波長の帯域をずらすように周囲の構造を変化させることで生じるフォトニックバンドギャップによって、一対の光反射面を形成することにより実現される。具体的には、光反射面の領域のフォトニック結晶の空孔3bの大きさを変化させたり、空孔3bの位置や間隔を僅かに変化させたりする(例えば、導波路に近づけたり、遠ざけたりする)ことにより、周囲のフォトニック結晶の構造を変化させることができる。 In the central range A0 of the point defect region, light confinement is achieved by utilizing the mode gap difference. This is achieved by forming a pair of light reflecting surfaces in the central range A0 of the point defect region using a photonic band gap that is generated by changing the surrounding structure to shift the band of the propagation wavelength. Specifically, the structure of the surrounding photonic crystal can be changed by changing the size of the holes 3b in the photonic crystal in the light reflecting surface region, or by slightly changing the position or spacing of the holes 3b (for example, by moving them closer to or further away from the waveguide).

図3の上段に示すように、第1範囲A1および第2範囲A2における隣り合う2つの空孔3bの間は、間隔dで隔てられている。これに対し、中央範囲A0における隣り合う2つの空孔3bの間は、間隔dよりΔd広い間隔d+Δdで隔てられている。このように、点欠陥領域では、空孔3bの間隔(格子間隔)が、中央範囲A0と第1範囲A1および第2範囲A2とで異なっている。中央範囲A0における空孔3bの間隔のみがΔdだけ広いことにより、ヘテロ構造が形成される。 As shown in the upper part of FIG. 3, two adjacent vacancies 3b in the first region A1 and the second region A2 are separated by a distance d. In contrast, two adjacent vacancies 3b in the central region A0 are separated by a distance d+Δd, which is Δd wider than the distance d. Thus, in the point defect region, the distance (lattice distance) between the vacancies 3b is different between the central region A0 and the first region A1 and second region A2. A heterostructure is formed because only the distance between the vacancies 3b in the central region A0 is wider by Δd.

フォトニックバンドは、図3の下段に示すように設計されている。具体的には、上記のヘテロ構造が形成された領域内には、第1ナノ共振モード(第1共振モード)および第2ナノ共振モード(第2共振モード)が存在する。第2ナノ共振モードは、より高いエネルギー準位に存在し、第1ナノ共振モードは、第2ナノ共振モードが存在するエネルギー準位から15.6THz(シリコンのラマンシフト周波数)だけ低くなったエネルギー準位に存在する。それぞれのエネルギー準位において、井戸型ポテンシャルが形成されている。 The photonic bands are designed as shown in the lower part of Figure 3. Specifically, within the region in which the heterostructure is formed, a first nanoresonant mode (first resonant mode) and a second nanoresonant mode (second resonant mode) exist. The second nanoresonant mode exists at a higher energy level, and the first nanoresonant mode exists at an energy level that is 15.6 THz (the Raman shift frequency of silicon) lower than the energy level in which the second nanoresonant mode exists. A well-shaped potential is formed at each energy level.

この井戸型ポテンシャルによって、光の閉じ込めが生じる。そして、格子間隔がΔdだけ広げられた中央範囲A0における点欠陥領域が、2つの上記共振モードによって光を閉じ込める共振器として作用する。ここで、第2ナノ共振モード(励起光共振モード)に対応する励起光が点欠陥領域に入射すると、励起光に対するラマン散乱光が第1ナノ共振モード(ラマン散乱光共振モード)にて閉じ込められ、ラマン散乱光がレーザ発振に至るようになる。 This well-shaped potential causes light to be trapped. The point defect region in the central range A0, where the lattice spacing is expanded by Δd, acts as a resonator that traps light using the two above-mentioned resonance modes. When excitation light corresponding to the second nanoresonance mode (excitation light resonance mode) is incident on the point defect region, the Raman scattered light corresponding to the excitation light is trapped in the first nanoresonance mode (Raman scattered light resonance mode), and the Raman scattered light leads to laser oscillation.

このような構成では、励起光とラマン散乱光との空間的重なりが大きくなる。これにより、励起光(ポンプ光)を閉じ込めるナノ共振モードのQ値(第1Q値)と、ラマン散乱光(ストークス光)を閉じ込めるナノ共振モードのQ値(第2Q値)とを、それぞれ10万以上、100万以上という非常に高い値にすることが可能となる。さらに、このような構造は、15.6THzの周波数差を、上記利点を損なわずに、光通信波長帯(1.3~1.6μm)の全てにおいて容易に実現できるという利点、すなわち波長設計自由度の高さを備えている。 In this configuration, the spatial overlap between the excitation light and the Raman scattered light is large. This makes it possible to set the Q value (first Q value) of the nanoresonant mode that confines the excitation light (pump light) and the Q value (second Q value) of the nanoresonant mode that confines the Raman scattered light (Stokes light) to extremely high values of over 100,000 and over 1,000,000, respectively. Furthermore, this structure has the advantage that a frequency difference of 15.6 THz can be easily achieved across the entire optical communication wavelength band (1.3 to 1.6 μm) without compromising the above-mentioned advantages, i.e., it has a high degree of freedom in wavelength design.

このようにして形成される微小共振器31は、励起光源1としてSLDを用いた場合、非レーザ光を出射する。また、微小共振器31は、励起光源1として半導体レーザを用いた場合、ラマン散乱光増強装置またはラマンレーザ光源として機能する。 The microresonator 31 thus formed emits non-laser light when an SLD is used as the excitation light source 1. When a semiconductor laser is used as the excitation light source 1, the microresonator 31 functions as a Raman scattering light enhancer or a Raman laser light source.

続いて、発光素子3による光の取り出しについて説明する。 Next, we will explain how light is extracted by the light-emitting element 3.

図1に示すように、発光素子3には、励起光源1から出射された光が、入射光ファイバ2を介して入射部3cから微小導波路32へと入射する。この励起光が微小導波路32から微小共振器31に達すると、図2に示すように、微小共振器31において、エバネッセント光結合により、第2ナノ共振モード(波長λ(E)に対応)が励起される。これにより、波長λ(E)の光が微小共振器31に閉じ込められる。 As shown in FIG. 1, in the light-emitting element 3, light emitted from the excitation light source 1 is incident on the microwaveguide 32 from the incident part 3c via the incident optical fiber 2. When this excitation light reaches the microresonator 31 from the microwaveguide 32, as shown in FIG. 2, the second nanoresonant mode (corresponding to wavelength λ(E)) is excited in the microresonator 31 by evanescent optical coupling. As a result, the light of wavelength λ(E) is confined in the microresonator 31.

そして、微小共振器31において、ラマンシフト周波数だけ低いエネルギーを有するラマン散乱光(波長λ(R))が生じて閉じ込められる。励起光の強度が一定レベルを超えると、ラマン散乱光がレーザ発振に至ることから、微小共振器31において、波長λ(R)でのレーザ発振が生じる。ここでは、例えば間隔dを410nmとし、Δdを10nmとしたとき、1500nm~1600nmの波長λ(R)でレーザ発振が生じる。 Then, in the microresonator 31, Raman scattered light (wavelength λ(R)) having energy lower than the Raman shift frequency is generated and trapped. When the intensity of the excitation light exceeds a certain level, the Raman scattered light leads to laser oscillation, and laser oscillation at wavelength λ(R) occurs in the microresonator 31. Here, for example, when the spacing d is 410 nm and Δd is 10 nm, laser oscillation occurs at a wavelength λ(R) of 1500 nm to 1600 nm.

なお、励起光の強度が一定レベルに至らず、レーザ発振に至らない場合においても、発光素子3はラマン散乱光増強装置として波長変換された強いラマン散乱光を得ることができる。 Even if the intensity of the excitation light does not reach a certain level and does not result in laser oscillation, the light-emitting element 3 can function as a Raman scattering light enhancer to obtain strong wavelength-converted Raman scattering light.

上記のようにして微小共振器31によって生じた光は、発光素子3の出射部3dから出射される。この光は、出射光ファイバ4を介して受光素子5に導かれる。受光素子5は、入射する光を電気信号に変換して、光を検出する。 The light generated by the microresonator 31 in the above manner is emitted from the emission section 3d of the light-emitting element 3. This light is guided to the light-receiving element 5 via the emission optical fiber 4. The light-receiving element 5 converts the incident light into an electrical signal and detects the light.

引き続き、静電気センサ101による静電気の検知動作について説明する。図4は、発光素子3におけるラマンレーザの発振および停止のメカニズムを表す、微小共振器31内のポンプ光密度とラマン利得および損失和との関係を示す図である。 Next, the operation of detecting static electricity by the static electricity sensor 101 will be described. Figure 4 shows the relationship between the pump light density in the microresonator 31 and the Raman gain and sum of losses, which represents the mechanism of Raman laser oscillation and stoppage in the light-emitting element 3.

微小共振器31は、ラマン増幅器として機能する。ラマン増幅器は、誘導ラマン散乱の効果により生じるラマン利得に基づく光増幅器である。図4に示すように、微小共振器31の利得(ラマン利得)は、微小共振器31に入射する励起光の光密度(ポンプ光子密度)に対し、線形に変化する。 The microresonator 31 functions as a Raman amplifier. A Raman amplifier is an optical amplifier based on the Raman gain generated by the effect of stimulated Raman scattering. As shown in FIG. 4, the gain of the microresonator 31 (Raman gain) changes linearly with the optical density (pump photon density) of the excitation light incident on the microresonator 31.

一方、微小共振器31に生じる損失は、ポンプ光子密度に依存せずに一定となる。また、発生した光は、自由キャリア吸収によって吸収される。このときに微小共振器31において生じる自由キャリア損失は、ポンプ光子密度に対して非線形に変化する。 On the other hand, the loss occurring in the microresonator 31 is constant and does not depend on the pump photon density. Also, the generated light is absorbed by free carrier absorption. At this time, the free carrier loss occurring in the microresonator 31 changes nonlinearly with respect to the pump photon density.

微小共振器31は、図4において、ラマン利得が微小共振器31の損失と自由キャリア損失との和(一点鎖線にて示す「損失和」)を超える実線にて示す範囲で発振する。一方、微小共振器31は、図4において、ラマン利得が損失和以下となる破線にて示す範囲で停止する。 The microresonator 31 oscillates in the range indicated by the solid line in FIG. 4 where the Raman gain exceeds the sum of the loss of the microresonator 31 and the free carrier loss (the "loss sum" indicated by the dashed line). On the other hand, the microresonator 31 stops oscillating in the range indicated by the dashed line in FIG. 4 where the Raman gain is equal to or less than the loss sum.

また、発光素子3に電荷を与えると、微小共振器31の損失が高くなるので、損失和が高くなる。これにより、ラマン利得が損失和以下になると、微小共振器31の発振が停止するので、発光素子3が光を発生しなくなるか、あるいは発光素子3が発する光が微弱になる。それゆえ、受光素子5が光を検出しなくなるか、あるいは微弱な光を検出するので、静電気の存在がわかる。すなわち、電荷が存在しない通常の発光時と、電荷存在時とで、発光素子3の発光状態が異なることにより、静電気を検知することができる。 Furthermore, when a charge is applied to the light-emitting element 3, the loss in the microresonator 31 increases, and the loss sum increases. As a result, when the Raman gain falls below the loss sum, the oscillation of the microresonator 31 stops, and the light-emitting element 3 stops emitting light, or the light emitted by the light-emitting element 3 becomes weak. Therefore, the light-receiving element 5 stops detecting light, or detects weak light, and the presence of static electricity is detected. In other words, static electricity can be detected because the light-emitting state of the light-emitting element 3 differs between normal light emission when no charge is present and when a charge is present.

なお、発光素子3に電荷を与えると、微小共振器31のすべての共振モードの損失が高くなる。そのため、第2ナノ共振モードを介して発せられる、励起光と同じ波長を有する光の強度も、電荷が存在しない通常時と、電荷存在時とで変化する。したがって、この変化を捉えることにより、静電気を検知することができる。 When an electric charge is applied to the light-emitting element 3, the loss in all resonant modes of the microresonator 31 increases. Therefore, the intensity of the light having the same wavelength as the excitation light emitted through the second nanoresonant mode also changes between normal times when no electric charge is present and when electric charge is present. Therefore, by capturing this change, static electricity can be detected.

なお、励起光が波長を固定されたレーザ光である場合、励起に用いる共振モードの共鳴波長がわずかにシフトすることでも、微小共振器31に励起光が導入されなくなるので、微小共振器31は発振を停止する。微小共振器31に電荷を付与すると、共鳴波長はわずかに動くので、微小共振器31の発振が停止する。したがって、固定波長のレーザ光を励起光として用いた場合、上記の原理によっても静電気を検知することができる。もちろん、励起光の波長をシフトに合わせて動かせば、微小共振器31の発振が回復するので、静電気センサ101を繰り返し使用することができる。 When the excitation light is a laser light with a fixed wavelength, even a slight shift in the resonant wavelength of the resonant mode used for excitation will prevent the excitation light from being introduced into the microresonator 31, causing the microresonator 31 to stop oscillating. When a charge is applied to the microresonator 31, the resonant wavelength moves slightly, causing the microresonator 31 to stop oscillating. Therefore, when a laser light with a fixed wavelength is used as the excitation light, static electricity can also be detected by the above principle. Of course, if the wavelength of the excitation light is moved in accordance with the shift, the oscillation of the microresonator 31 will be restored, and the static electricity sensor 101 can be used repeatedly.

微小共振器31のQ値が高いと、微小共振器31の損失が低下する。これにより、ラマン利得が損失和を超える範囲(図4の実線にて示す範囲)を広くすることができる。これは、Q値が高いほど検知できる静電気のレンジが広くなることを意味している。また、微小共振器31の発振時と停止時とでは、微小共振器31の出力に1桁から3桁程度の差が生じる。そのため、信頼性の高い静電気検出を行うことができる。 When the Q value of the microresonator 31 is high, the loss of the microresonator 31 decreases. This makes it possible to widen the range in which the Raman gain exceeds the sum of the losses (the range shown by the solid line in Figure 4). This means that the higher the Q value, the wider the range of static electricity that can be detected. In addition, there is a difference of one to three orders of magnitude in the output of the microresonator 31 between when the microresonator 31 is oscillating and when it is stopped. This allows for highly reliable static electricity detection.

次に、静電気センサ101による静電気の検知について検証する。図5は、発光素子3のサンプル18が静電気によって発振を停止することを検証する実験を行うための実験装置の構成を示す図である。図6は、実験装置におけるサンプル18が帯電するメカニズムを説明するための図である。 Next, we will verify the detection of static electricity by the electrostatic sensor 101. Figure 5 is a diagram showing the configuration of an experimental device for conducting an experiment to verify that a sample 18 of a light-emitting element 3 stops oscillating due to static electricity. Figure 6 is a diagram for explaining the mechanism by which the sample 18 in the experimental device becomes charged.

図5に示すように、実験装置は、波長可変レーザ11と、入射光学系12と、出射光学系13と、ランプ14と、カメラ15(光検出器)と、静電気発生装置16と、メタルチップ17とを備えている。 As shown in FIG. 5, the experimental apparatus includes a tunable laser 11, an input optical system 12, an output optical system 13, a lamp 14, a camera 15 (photodetector), a static electricity generator 16, and a metal tip 17.

サンプル18は、発光素子3と類似した構造が形成されたシリコンチップである。入射したレーザ光によってラマン散乱光を出射する。このサンプル18は、発光素子3の微小導波路33を有していない。このため、微小共振器は、図2に示すz方向にラマン散乱光を出射する。また、微小共振器の励起波長は1429mmであり、微小共振器が出射するラマン散乱光の波長は1544mmである。また、微小共振器の発振閾値は0.5μWである。 Sample 18 is a silicon chip formed with a structure similar to that of the light-emitting element 3. It emits Raman scattered light in response to incident laser light. This sample 18 does not have the micro-waveguide 33 of the light-emitting element 3. Therefore, the micro-resonator emits Raman scattered light in the z direction shown in Figure 2. The excitation wavelength of the micro-resonator is 1429 mm, and the wavelength of the Raman scattered light emitted by the micro-resonator is 1544 mm. The oscillation threshold of the micro-resonator is 0.5 μW.

入射光学系12は、コリメートレンズ121と、偏光子122と、集光レンズ123とを有している。入射光学系12は、波長可変レーザ11から出射されたレーザ光(励起光)を、コリメートレンズ121によって平行光に変換し、偏光子122によって特定の偏光を通過させた後、集光レンズ123によって絞り込み、サンプル18の入射部に入射させる。 The incident optical system 12 has a collimating lens 121, a polarizer 122, and a condensing lens 123. The incident optical system 12 converts the laser light (excitation light) emitted from the tunable laser 11 into parallel light by the collimating lens 121, passes a specific polarized light by the polarizer 122, and then focuses the light by the condensing lens 123 and makes it incident on the entrance part of the sample 18.

出射光学系13は、コリメートレンズ131と、ビームスプリッタ132と、ミラー133と、集光レンズ134と、ロングパスフィルタ135とを有している。出射光学系13は、サンプル18からのラマン散乱光を、コリメートレンズ131によって平行光に変換し、ランプ14からの光とともにビームスプリッタ132を通過させ、ミラー133で方向転換させた後、集光レンズ134によって絞り込む。また、出射光学系13は、集光レンズ134によって絞り込まれたラマン散乱光のうち、ロングパスフィルタ135によって所定の波長より長い波長の成分のみを通過させる。 The output optical system 13 has a collimating lens 131, a beam splitter 132, a mirror 133, a condensing lens 134, and a long-pass filter 135. The output optical system 13 converts the Raman scattered light from the sample 18 into parallel light by the collimating lens 131, passes the light through the beam splitter 132 together with the light from the lamp 14, changes the direction of the light by the mirror 133, and then focuses the light by the condensing lens 134. The output optical system 13 also passes only components of the Raman scattered light focused by the condensing lens 134 that have wavelengths longer than a predetermined wavelength by the long-pass filter 135.

カメラ15は、例えば、近赤外線(NIR)カメラであり、低光量の画像でも鮮明に撮像することができる。これにより、ロングパスフィルタ135を経た微小な光を観測(検出)することができる。 The camera 15 is, for example, a near-infrared (NIR) camera, and can capture clear images even in low light conditions. This makes it possible to observe (detect) minute amounts of light that pass through the long-pass filter 135.

メタルチップ17は、円錐形を成す微小な金属構造体であり、先端の直径は1mmである。メタルチップ17は、その先端がサンプル18から1cm離れた位置に配置されている。静電気発生装置16は、数kVの電圧をメタルチップ17に出力する。これにより、メタルチップ17は、負の電荷または正の電荷をサンプル18に照射する。 The metal tip 17 is a tiny metal structure in a cone shape, with a tip diameter of 1 mm. The tip of the metal tip 17 is positioned 1 cm away from the sample 18. The static electricity generator 16 outputs a voltage of several kV to the metal tip 17. This causes the metal tip 17 to irradiate the sample 18 with a negative or positive charge.

静電気をサンプル18に照射することにより、カメラ15による観測画像に光は見られず、サンプル18の微小共振器が発振を停止したことが確認された。 By irradiating sample 18 with static electricity, no light was observed in the image observed by camera 15, confirming that the microresonator in sample 18 had stopped oscillating.

静電気によって微小共振器の発振が停止する原理について説明する。図6に示すように、メタルチップ17の先端から電荷が放出されることにより、コロナ放電が生じる。コロナ放電により発生した電荷で、空気中の窒素ガス、酸素ガスなどの分子Mをイオン化する。サンプル18のシリコンチップは、その表面でイオンIから電荷Eを受け取る。電荷Eは、シリコンチップにおける空孔18bを除く部分に入り込むことにより、微小共振器のレーザ発振を停止させる。 The principle by which static electricity stops the oscillation of a microresonator is explained below. As shown in Figure 6, corona discharge occurs when an electric charge is released from the tip of the metal tip 17. The electric charge generated by the corona discharge ionizes molecules M of nitrogen gas, oxygen gas, etc. in the air. The silicon tip of the sample 18 receives an electric charge E from the ions I on its surface. The electric charge E penetrates into the silicon tip except for the voids 18b, stopping the laser oscillation of the microresonator.

以上のように、本実施形態に係る静電気センサ101は、励起光を発する励起光源1と、入射する励起光と異なる波長の光を発する発光素子3と、発光素子3から出射された光を検出する受光素子5とを備えている。発光素子3は、シリコン基板に形成された非線形光学媒質を有している。また、発光素子3は、非線形光学媒質に、励起光源1からの励起光によって励起され、かつ励起波長で共振することにより、励起波長を有する光を発生する微小共振器31が設けられている。 As described above, the electrostatic sensor 101 according to this embodiment includes an excitation light source 1 that emits excitation light, a light-emitting element 3 that emits light of a different wavelength from the incident excitation light, and a light-receiving element 5 that detects the light emitted from the light-emitting element 3. The light-emitting element 3 has a nonlinear optical medium formed on a silicon substrate. The light-emitting element 3 also has a microresonator 31 in the nonlinear optical medium that is excited by the excitation light from the excitation light source 1 and resonates at the excitation wavelength, thereby generating light having the excitation wavelength.

上記の構成によれば、発光素子3に電荷が与えられると、レーザのような強い電場を有する光が非線形光学媒質に入射すると、微小共振器31では、入射した励起光の波長と異なる励起波長を有する光が発生する。発光素子3に電荷を与えると、非線形光学媒質が現す非線形光学効果が低下する。これにより、発光素子3が発光を停止したり(無発光)、発光素子3が発する光が微弱になったりする。このように、電荷の無い通常の発光時と電荷付与時とで発光素子3の発光状態が異なることによって、静電気を検知することができる。 According to the above configuration, when an electric charge is applied to the light-emitting element 3, and light having a strong electric field such as a laser is incident on the nonlinear optical medium, the microresonator 31 generates light having an excitation wavelength different from the wavelength of the incident excitation light. When an electric charge is applied to the light-emitting element 3, the nonlinear optical effect exhibited by the nonlinear optical medium is reduced. This causes the light-emitting element 3 to stop emitting light (no light emission) or the light emitted by the light-emitting element 3 to become weak. In this way, static electricity can be detected by the difference in the light-emitting state of the light-emitting element 3 between normal light emission without charge and when a charge is applied.

また、発光素子3は、半導体基板としてのシリコン基板3aに形成されるので、シリコンプロセス技術のような半導体プロセス技術によって製作される半導体デバイスの内部にも組み込むことが可能となる。これにより、半導体デバイス内に生じた静電気を検知することができる。しかも、非線形光学媒質は、電荷が除去されると、通常の非線形光学効果を現すようになる。これにより、静電気センサ101は、繰り返して静電気を検知することができる。したがって、静電気に対して安定して動作する、繰り返し使用することが可能な、小型の静電気センサを実現することが可能になる。 In addition, since the light-emitting element 3 is formed on the silicon substrate 3a as a semiconductor substrate, it can be incorporated inside a semiconductor device manufactured by semiconductor process technology such as silicon process technology. This makes it possible to detect static electricity generated inside the semiconductor device. Furthermore, when the charge is removed, the nonlinear optical medium exhibits the normal nonlinear optical effect. This allows the electrostatic sensor 101 to repeatedly detect static electricity. Therefore, it is possible to realize a small electrostatic sensor that operates stably against static electricity and can be used repeatedly.

また、発光素子3は、励起光の入射によって動作するデバイスであって、電気駆動型のデバイスではない。したがって、静電気の影響を受けて破壊されることはない。また、発光素子3の駆動に電気が用いられないことから、発火しやすい環境下での発光素子3の使用が可能であり、爆発を誘引することがほとんどない。さらに、発光素子3は、可動部分を有していないので、振動環境下においても振動の影響を受けることなく正常に動作する。 The light-emitting element 3 is a device that operates when excitation light is incident on it, and is not an electrically driven device. Therefore, it will not be destroyed by static electricity. Also, since electricity is not used to drive the light-emitting element 3, it is possible to use the light-emitting element 3 in environments where fire is likely to occur, and there is little risk of it inducing an explosion. Furthermore, since the light-emitting element 3 does not have any moving parts, it operates normally even in a vibrating environment without being affected by vibrations.

除電を目的とする場合など、静電気の存在が確認できればよい。そこで、静電気センサ101は、静電気を検知するようにしている。 When the purpose is to eliminate static electricity, it is sufficient to confirm the presence of static electricity. Therefore, the static electricity sensor 101 is designed to detect static electricity.

また、静電気センサ101において、シリコン基板3aには、多数の空孔が形成されたフォトニック結晶構造体が形成されている。微小共振器31は、フォトニック結晶構造体に設けられ、励起光により生じたラマン散乱光に対するラマン共振モードを有している。 In addition, in the electrostatic sensor 101, a photonic crystal structure in which a large number of voids are formed is formed on the silicon substrate 3a. The microresonator 31 is provided in the photonic crystal structure and has a Raman resonance mode for the Raman scattered light generated by the excitation light.

上記の構成によれば、微小共振器31において3次の非線形光学効果である誘導ラマン散乱が生じる。微小共振器31は、このラマン散乱によって得られるラマン利得を利用して、ラマン散乱光を生じさせることができる。また、上述したように、微小共振器31は、損失が高くなることで、ラマン利得が損失和以下になると、発振を停止するか、あるいは微小共振器31の共振が微弱になる。これにより、発光素子3が発光を停止したり、発光素子3が発する光が微弱になったりすると、受光素子5が光を検出しなくなったり、受光素子5が微弱な光を検出したりするので、静電気を検知することができる。 According to the above configuration, stimulated Raman scattering, which is a third-order nonlinear optical effect, occurs in the microresonator 31. The microresonator 31 can generate Raman scattered light by utilizing the Raman gain obtained by this Raman scattering. Also, as described above, when the loss of the microresonator 31 increases and the Raman gain falls below the loss sum, the microresonator 31 stops oscillating or the resonance of the microresonator 31 becomes weak. As a result, when the light-emitting element 3 stops emitting light or the light emitted by the light-emitting element 3 becomes weak, the light-receiving element 5 no longer detects light or detects weak light, so that static electricity can be detected.

また、微小共振器31は、10000以上かつ3000000以下の第1Q値を有するとともに、100000以上かつ10000000以下の第2Q値を有する。また、微小共振器31は、好ましくは、数万程度の第1Q値を有するとともに、数十万程度の第2Q値を有していてもよい。 The microresonator 31 has a first Q value of 10,000 or more and 3,000,000 or less, and a second Q value of 100,000 or more and 10,000,000 or less. The microresonator 31 may preferably have a first Q value of about tens of thousands, and a second Q value of about hundreds of thousands.

上記の構成によれば、微小共振器31の第1Q値および第2Q値が高いので、微小共振器31の損失が大幅に低下する。これにより、微小共振器31の発光域を広くすることができる。それゆえ、励起光の強度を調整することで、幅広い範囲の強さをもつ静電気を検知することが可能となる。つまり、静電気検知感度を調整することができる。 According to the above configuration, since the first Q value and the second Q value of the microresonator 31 are high, the loss of the microresonator 31 is significantly reduced. This allows the light emission range of the microresonator 31 to be widened. Therefore, by adjusting the intensity of the excitation light, it is possible to detect static electricity with a wide range of strengths. In other words, the static electricity detection sensitivity can be adjusted.

また、静電気センサ101は、励起光源1からの励起光を発光素子3に導く入射光ファイバ2と、発光素子3からの光を受光素子5に導く出射光ファイバ4とを備えている。 The electrostatic sensor 101 also includes an input optical fiber 2 that guides the excitation light from the excitation light source 1 to the light-emitting element 3, and an output optical fiber 4 that guides the light from the light-emitting element 3 to the light-receiving element 5.

上記の構成によれば、発光素子3が、入射光ファイバ2によって励起光源1と接続されるとともに、出射光ファイバ4によって受光素子5と接続される。これにより、発光素子3を励起光源1および受光素子5から離れた位置に配置することができる。それゆえ、遠隔地における静電気を検知することができる。例えば、これまでは困難であった、ロケット、海底ケーブルなどにおいて、静電気のリモートセンシングが可能になる。 According to the above configuration, the light-emitting element 3 is connected to the excitation light source 1 by the input optical fiber 2, and is connected to the light-receiving element 5 by the output optical fiber 4. This allows the light-emitting element 3 to be placed at a location away from the excitation light source 1 and the light-receiving element 5. This makes it possible to detect static electricity in remote locations. For example, it will become possible to perform remote sensing of static electricity in rockets, undersea cables, etc., which was previously difficult.

また、半導体製造の分野では、帯電したシリコン基板を除電するために、除電器(イオナイザなど)によって、シリコン基板の帯電の極性と逆極性に帯電したイオンを帯電箇所に照射する。これにより、シリコン基板の帯電箇所は電気的に中和されることで除電される。従来、除電の前には、シリコン基板における帯電状況を検知するが、その検知の空間分解能が低いために、イオンの照射範囲を特定することが難しい。このため、十分に除電を行えないという不都合が生じることがある。これに対し、静電気センサ101を用いることにより、空間電荷を計測することができる。したがって、シリコン基板の表面の帯電状況も容易に検知することができる。 In the field of semiconductor manufacturing, in order to neutralize a charged silicon substrate, a static eliminator (such as an ionizer) irradiates the charged area with ions that are charged with the opposite polarity to the polarity of the charge on the silicon substrate. This electrically neutralizes the charged area of the silicon substrate, thereby eliminating the charge. Conventionally, the charged state of the silicon substrate is detected before static elimination, but because the spatial resolution of this detection is low, it is difficult to identify the range of ion irradiation. This can result in the inconvenience of not being able to sufficiently eliminate static electricity. In response to this, the electrostatic sensor 101 can be used to measure the spatial charge. Therefore, the charged state of the surface of the silicon substrate can also be easily detected.

なお、上記のように構成される実験装置は、本発明の静電気センサとして適用できる。 The experimental device configured as described above can be used as an electrostatic sensor of the present invention.

ここで、本実施形態の変形例について説明する。 Here, we explain a variation of this embodiment.

本実施形態に係る静電気センサ101において、発光素子3は、誘導ラマン散乱として3次の非線形光学効果を現す微小共振器31を有している。本発明に係る静電気センサは、このような微小共振器31に限らず、他の非線形光学効果を現す共振器を有する発光素子を含んでいてもよい。 In the electrostatic sensor 101 according to this embodiment, the light-emitting element 3 has a microresonator 31 that exhibits a third-order nonlinear optical effect as stimulated Raman scattering. The electrostatic sensor according to the present invention is not limited to such a microresonator 31, and may include a light-emitting element having a resonator that exhibits other nonlinear optical effects.

例えば、静電気センサは、誘導ブリルアン錯乱という非線形光学効果を表す微小共振器を有する発光素子を含んでいてもよい。また、静電気センサは、テーパファイバ結合微小球共振器を有する発光素子を含んでいてもよい。テーパファイバ結合微小球共振器は、テーパファイバによってガラス製などの透明な微小球に入射した光を、微小球の内面での全反射により微小球内を周回させて、位相の揃う波長の光のみを高いQ値で閉じ込める。また、静電気センサは、単一周波数のレーザ光が入射すると位相変調を加えることで測帯波が発生して、櫛状の周波数スペクトルの光(光周波数コム)を出射するレーザ共振器を有する発光素子を含んでいてもよい。これらの静電気センサについても、電荷が付与されることによって、非線形光学効果が低下する。 For example, the electrostatic sensor may include a light-emitting element having a microresonator that exhibits a nonlinear optical effect called stimulated Brillouin scattering. The electrostatic sensor may also include a light-emitting element having a tapered fiber-coupled microsphere resonator. The tapered fiber-coupled microsphere resonator circulates light incident on a transparent microsphere made of glass or the like through a tapered fiber inside the microsphere by total reflection on the inner surface of the microsphere, and confines only light of a wavelength with a uniform phase with a high Q value. The electrostatic sensor may also include a light-emitting element having a laser resonator that generates a sideband wave by adding phase modulation when a single-frequency laser light is incident, and emits light with a comb-shaped frequency spectrum (optical frequency comb). In these electrostatic sensors, the nonlinear optical effect is also reduced by adding an electric charge.

〔実施形態2〕
本発明の実施形態2について、図1および図7に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態1にて説明した構成要素と同じ機能を有する構成要素については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 2]
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to Figures 1 and 7. For ease of explanation, components having the same functions as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

図7は、静電気センサ102における発光素子3Aの構成を示す平面図である。 Figure 7 is a plan view showing the configuration of the light-emitting element 3A in the electrostatic sensor 102.

図1に示すように、本実施形態に係る静電気センサ102は、上述した静電気センサ10と同じく、励起光源1と、入射光ファイバ2と、出射光ファイバ4と、受光素子5とを備えている。また、静電気センサ102は、静電気センサ101における発光素子3に代えて発光素子3Aを備えている。 As shown in FIG. 1, the electrostatic sensor 102 according to this embodiment includes an excitation light source 1, an input optical fiber 2, an output optical fiber 4, and a light receiving element 5, similar to the electrostatic sensor 10 described above. In addition, the electrostatic sensor 102 includes a light emitting element 3A instead of the light emitting element 3 in the electrostatic sensor 101.

ここで、図1には示さないが、発光素子3Aは、発光素子3と異なり、微小共振器31を有していない。図7に示すように、発光素子3Aは、発光素子3と同じく2次元フォトニック結晶構造体(フォトニック結晶構造体)を備えるフォトニック結晶光回路である。 Although not shown in FIG. 1, unlike the light-emitting element 3, the light-emitting element 3A does not have a microresonator 31. As shown in FIG. 7, the light-emitting element 3A is a photonic crystal optical circuit that includes a two-dimensional photonic crystal structure (photonic crystal structure) like the light-emitting element 3.

2次元フォトニック結晶構造体には、入射部3cと、出射部3dとが設けられている。2次元フォトニック結晶構造体には、入射部3cから出射部3dまでにx方向に伸びるように続く線欠陥が形成されている。この部分は、微小導波路34(導波路)として機能する。 The two-dimensional photonic crystal structure has an incident portion 3c and an exit portion 3d. A line defect is formed in the two-dimensional photonic crystal structure, extending in the x-direction from the incident portion 3c to the exit portion 3d. This portion functions as a microwaveguide 34 (waveguide).

このように構成される静電気センサ102において、発光素子3Aには、励起光源1から出射された光が、入射光ファイバ2を介して入射部3cから微小導波路34へと入射する。この励起光は、微小導波路34を通過して出射部3dから出射される。 In the electrostatic sensor 102 configured in this manner, the light emitted from the excitation light source 1 enters the light emitting element 3A from the input section 3c via the input optical fiber 2 into the micro-waveguide 34. This excitation light passes through the micro-waveguide 34 and is output from the output section 3d.

また、発光素子3Aに電荷を与えると、微小導波路34を通過する光の損失が増えるか、または非線形光学媒質が現す非線形光学効果が低下する。これにより、発光素子3Aが発光を停止したり(無発光)、発光素子3Aが発する光が微弱になったりする。このように、電荷の無い通常の発光時と電荷付与時とで発光素子3Aの発光状態が異なることによって、静電気を検知することができる。 Furthermore, when an electric charge is applied to the light-emitting element 3A, the loss of light passing through the micro-waveguide 34 increases, or the nonlinear optical effect exhibited by the nonlinear optical medium decreases. This causes the light-emitting element 3A to stop emitting light (no light emission) or to emit weak light. In this way, the light-emitting element 3A's light-emitting state differs between when it emits light normally without an electric charge and when an electric charge is applied, making it possible to detect static electricity.

なお、発光素子3は、微小共振器31を有することで感度を高くすることができる。これに対し、発光素子3Aは、微小共振器31を有していないので、発光素子3ほど高い感度を得ることができない。しかしながら、発光素子3Aは、励起光の光量を増やしたり、微小導波路34を長く形成したりすることにより、感度をある程度高めることができる。 The light-emitting element 3 can increase its sensitivity by having a microresonator 31. In contrast, the light-emitting element 3A does not have a microresonator 31, so it cannot achieve a sensitivity as high as that of the light-emitting element 3. However, the sensitivity of the light-emitting element 3A can be increased to a certain extent by increasing the amount of excitation light or forming a long microwaveguide 34.

また、励起光が微小導波路34に入射すると、同じ波長の励起光がそのまま出射される。これに対し、非線形光学効果を用いた光導波路による光の波長変換はすでに実現されている。特に、ラマン散乱光を光導波路で発生することについては、研究が行われており、原理的には可能である。したがって、発光素子3Aは、入射した励起光を励起波長と異なる波長を有する光に変換して出射してもよい。 When excitation light enters the micro-waveguide 34, excitation light of the same wavelength is emitted as is. In contrast, wavelength conversion of light using an optical waveguide that uses a nonlinear optical effect has already been achieved. In particular, research has been conducted into generating Raman scattered light in an optical waveguide, and this is possible in principle. Therefore, the light-emitting element 3A may convert the incident excitation light into light having a wavelength different from the excitation wavelength and emit it.

〔実施形態3〕
本発明の実施形態3について、図8に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態1および2にて説明した構成要素と同じ機能を有する構成要素については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 3]
The third embodiment of the present invention will be described below with reference to Fig. 8. For ease of explanation, components having the same functions as those described in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

図8は、実施形態2に係る静電気センサ103の構成を示すブロック図である。 Figure 8 is a block diagram showing the configuration of the electrostatic sensor 103 according to the second embodiment.

図8に示すように、静電気センサ103は、実施形態1の静電気センサ101および実施形態2の静電気センサ102と同じく、励起光源1を備えている。また、静電気センサ103は、入射光ファイバ2と、発光素子3(または発光素子3A)と、出射光ファイバ4と、受光素子5とを、それぞれ複数備えている。さらに、静電気センサ103は、光分岐器6を備えている。なお、以降の説明では、発光素子3Aについての記載を省略するが、静電気センサ103は、発光素子3Aを備える場合についても、発光素子3を備える場合と同等に動作する。 As shown in FIG. 8, the electrostatic sensor 103 includes an excitation light source 1, like the electrostatic sensor 101 of embodiment 1 and the electrostatic sensor 102 of embodiment 2. The electrostatic sensor 103 also includes multiple input optical fibers 2, light-emitting elements 3 (or light-emitting elements 3A), output optical fibers 4, and light-receiving elements 5. The electrostatic sensor 103 also includes an optical splitter 6. Note that in the following explanation, the description of the light-emitting element 3A will be omitted, but the electrostatic sensor 103 operates in the same way when it includes the light-emitting element 3A as when it includes the light-emitting element 3.

励起光源1と光分岐器6との間は、単一の入射光ファイバ2によって接続されている。光分岐器6と複数の発光素子3との間は、発光素子3と同数の入射光ファイバ2によって接続されている。光分岐器6は、励起光源1に接続された単一の入射光ファイバ2を複数の入射光ファイバ2に分岐する光学機器である。 The excitation light source 1 and the optical splitter 6 are connected by a single incident optical fiber 2. The optical splitter 6 and the multiple light-emitting elements 3 are connected by the same number of incident optical fibers 2 as the number of light-emitting elements 3. The optical splitter 6 is an optical device that splits the single incident optical fiber 2 connected to the excitation light source 1 into multiple incident optical fibers 2.

発光素子3は、静電気の検知を行う各所に配置される。複数の発光素子3と複数の受光素子5との間は、複数の出射光ファイバ4によって個々に接続されている。複数の受光素子5は、複数の発光素子3の発光状態を1箇所で確認できるように、集約して配置されることが好ましい。 The light-emitting elements 3 are arranged at various locations where static electricity is to be detected. The multiple light-emitting elements 3 and the multiple light-receiving elements 5 are individually connected by multiple light-emitting optical fibers 4. It is preferable that the multiple light-receiving elements 5 are arranged together so that the light-emitting state of the multiple light-emitting elements 3 can be confirmed at one location.

上記のように構成される静電気センサ103によれば、励起光源1からの励起光は、光分岐器6によって単一の入射光ファイバ2から分岐した複数の入射光ファイバ2を介してそれぞれの発光素子3に伝送される。これにより、単一の励起光源1によって、複数箇所の静電気を検知することができる。 According to the electrostatic sensor 103 configured as described above, the excitation light from the excitation light source 1 is transmitted to each light-emitting element 3 via multiple incident optical fibers 2 branched from a single incident optical fiber 2 by the optical brancher 6. This makes it possible to detect static electricity at multiple locations using a single excitation light source 1.

例えば、製造ラインなどの静電気が発生しやすい複数の箇所に発光素子3を配置することにより、それぞれの発光素子3の発光状況を受光素子5によって確認することができる。これにより、複数箇所の静電気の発生状況を一度に確認することができる。したがって、多数に及ぶ箇所で生じる静電気について、除去、解析などを容易に行うことができる。 For example, by arranging the light-emitting elements 3 at multiple locations where static electricity is likely to occur, such as on a production line, the light-emitting status of each light-emitting element 3 can be confirmed by the light-receiving element 5. This makes it possible to check the static electricity generation status at multiple locations at once. Therefore, it is easy to remove and analyze static electricity that occurs at multiple locations.

また、ロケットにおいては、マトリクス状に配置された発光素子3を入射光ファイバ2および出射光ファイバ4で接続した静電気センサ103を、帯電の可能性がある内壁などに配置しておく。静電気センサ103の配置箇所が帯電すると、静電気センサ103からの発光状態が変化することにより、モニタ側(管制室など)で帯電発生箇所を把握することができる。これにより、ロケットの打ち上げ前に確認された帯電箇所を除電することにより、ロケットの打ち上げ失敗を未然に回避することができる。 In addition, in a rocket, electrostatic sensors 103, each of which has a matrix of light-emitting elements 3 connected by an input optical fiber 2 and an output optical fiber 4, are placed on the interior wall or other areas that may become charged. When the location where the electrostatic sensor 103 is placed becomes charged, the light emission state from the electrostatic sensor 103 changes, allowing the monitor (such as a control room) to identify the location where charging has occurred. This makes it possible to prevent rocket launch failures by de-electrifying any charged locations that have been identified before the rocket is launched.

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
[Additional Notes]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims. Embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments are also included in the technical scope of the present invention.

1 励起光源
2 入射光ファイバ(第1光ファイバ)
3 発光素子
3a シリコン基板
3b 空孔
4 出射光ファイバ(第2光ファイバ)
5 受光素子(光検出器)
6 光分岐器
15 カメラ(光検出器)
31 微小共振器(共振器)
34 微小導波路(導波路)
101~103 静電気センサ
1 Excitation light source 2 Incident optical fiber (first optical fiber)
3 Light emitting element 3a Silicon substrate 3b Hole 4 Emission optical fiber (second optical fiber)
5. Light receiving element (photodetector)
6 Optical splitter 15 Camera (photodetector)
31 Microresonator (resonator)
34 Microwaveguide (waveguide)
101-103 Electrostatic sensor

Claims (7)

励起光を発する励起光源と、
半導体基板に多数の空孔が配列されたフォトニック結晶が形成されたフォトニック結晶構造体を有し、当該フォトニック結晶構造体に設けられた入射部から入射する前記励起光によって励起され、かつ励起波長で共振することにより、前記励起波長を有する、または前記励起波長とは異なる波長を有する光を発生する共振器が設けられている発光素子と、
前記フォトニック結晶構造体に設けられた出射部から出射された光を検出する光検出器と、を備え
前記共振器は、前記空孔が埋められた線状の欠陥領域として形成され、前記欠陥領域の線状に伸びる線状方向の中央部における伝搬波長の帯域が、前記中央部の前記線状方向の両側における両側部の伝搬波長の帯域とずれるように、前記中央部周辺の前記フォトニック結晶の構造が前記両側部周辺の前記フォトニック結晶の構造と異なることで生じるフォトニックバンドギャップにより形成される一対の光反射面を有するとともに、前記共振器の損失が、静電気による空間電荷の存在により生じた自由キャリア吸収に基づいて高くなることにより、共振器の発振が停止するか、あるいは共振器の共振が微弱になることで、光の発生が停止され、あるいは発生する光が弱められ、
前記光検出器は、検出した前記光に基づいて静電気を検知することを特徴とする静電気センサ。
an excitation light source that emits excitation light;
a light-emitting device having a photonic crystal structure in which a photonic crystal having a large number of voids arranged in a semiconductor substrate is formed, the light-emitting device being provided with a resonator that is excited by the excitation light incident on an incident portion provided in the photonic crystal structure and resonates at an excitation wavelength to generate light having the excitation wavelength or a wavelength different from the excitation wavelength;
a photodetector for detecting light emitted from an emission portion provided in the photonic crystal structure ,
the resonator is formed as a linear defect region in which the voids are filled, and has a pair of light reflecting surfaces formed by a photonic band gap caused by a structure of the photonic crystal around the central portion being different from a structure of the photonic crystal around both sides, such that a band of propagation wavelengths at a central portion in a linear direction extending linearly in the defect region is shifted from a band of propagation wavelengths at both sides on both sides of the linear direction of the central portion; and when loss in the resonator increases due to free carrier absorption caused by the presence of space charge due to static electricity, oscillation of the resonator stops or resonance of the resonator becomes weak, thereby stopping generation of light or weakening the generated light;
The electrostatic sensor is characterized in that the photodetector detects static electricity based on the detected light .
記共振器は、前記励起光により生じたラマン散乱光に対してラマン共振モードのフォトニックバンドギャップを有するように、前記空孔が形成されることを特徴とする請求項1に記載の静電気センサ。 2. The electrostatic sensor according to claim 1 , wherein the holes are formed so that the resonator has a photonic band gap of a Raman resonance mode for Raman scattered light generated by the excitation light. 前記共振器は、前記励起光を励起光共振モードのフォトニックバンドギャップで閉じ込め、前記ラマン散乱光をラマン散乱光共振モードのフォトニックバンドギャップで閉じ込め、前記励起光共振モードのQ値として10000以上の第1Q値を有するとともに、前記ラマン散乱光共振モードのQ値として100000以上の第2Q値を有するように、前記空孔が形成されることを特徴とする請求項2に記載の静電気センサ。 3. The electrostatic sensor according to claim 2, wherein the holes are formed so that the resonator confines the excitation light in a photonic band gap of an excitation light resonance mode, the Raman scattered light in a photonic band gap of a Raman scattering light resonance mode, the Q value of the excitation light resonance mode being a first Q value of 10,000 or more, and the Q value of the Raman scattering light resonance mode being a second Q value of 100,000 or more. 励起光を発する励起光源と、
半導体基板に多数の空孔が配列されたフォトニック結晶が形成されたフォトニック結晶構造体を有し、前記フォトニック結晶構造体に設けられた入射部から入射する前記励起光を通過させるか、または前記励起光を励起波長とは異なる波長を有する発生光に変換する導波路が設けられている発光素子と、
前記フォトニック結晶構造体に設けられた出射部から出射された発生光を検出する光検出器と、を備え
前記導波路は、前記空孔が埋められた線状の欠陥領域として形成され、通過する光の損失が、静電気による空間電荷の存在により生じた自由キャリア吸収に基づいて増加することにより、光の発生が停止され、あるいは発生する光が微弱になり、
前記光検出器は、検出した前記光に基づいて静電気を検知することを特徴とする静電気センサ。
an excitation light source that emits excitation light;
a light-emitting device having a photonic crystal structure in which a photonic crystal having a large number of voids arranged in a semiconductor substrate is formed, the light-emitting device being provided with a waveguide that passes the excitation light incident on an incident portion provided in the photonic crystal structure or converts the excitation light into generated light having a wavelength different from the excitation wavelength;
a photodetector for detecting generated light emitted from an emission portion provided in the photonic crystal structure ,
The waveguide is formed as a linear defect region in which the voids are filled, and the loss of light passing through the waveguide increases due to free carrier absorption caused by the presence of electrostatic space charge, thereby stopping the generation of light or weakening the light that is generated;
The electrostatic sensor is characterized in that the photodetector detects static electricity based on the detected light .
前記導波路は、前記励起光を励起波長とは異なる波長を有するラマン散乱光に変換することを特徴とする請求項4に記載の静電気センサ。 The electrostatic sensor according to claim 4, characterized in that the waveguide converts the excitation light into Raman scattered light having a wavelength different from the excitation wavelength. 前記励起光源からの前記励起光を前記フォトニック結晶構造体の前記入射部に導く第1光ファイバと、
前記フォトニック結晶構造体の前記出射部からの前記光を前記光検出器に導く第2光ファイバと、をさらに備えていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の静電気センサ。
a first optical fiber that guides the pumping light from the pumping light source to the incident portion of the photonic crystal structure ;
6. The electrostatic sensor according to claim 1, further comprising: a second optical fiber that guides the light from the emission portion of the photonic crystal structure to the photodetector.
前記励起光源に接続された単一の前記第1光ファイバを複数の前記第1光ファイバに分岐する光分岐器をさらに備え、
前記発光素子、前記第2光ファイバおよび前記光検出器は、それぞれ複数設けられており、
分岐した複数の前記第1光ファイバは、複数の前記発光素子のそれぞれおける前記フォトニック結晶構造体の前記入射部に個々に接続され、
複数の前記第2光ファイバは、複数の前記フォトニック結晶構造体の前記出射部と複数の前記光検出器とを個々に接続していることを特徴とする請求項記載の静電気センサ。
an optical splitter that splits the single first optical fiber connected to the pumping light source into a plurality of the first optical fibers;
a plurality of the light emitting elements, a plurality of the second optical fibers, and a plurality of the photodetectors are provided,
the plurality of branched first optical fibers are individually connected to the incident portions of the photonic crystal structures in the plurality of light-emitting elements,
7. The electrostatic sensor according to claim 6 , wherein the second optical fibers connect the emission sections of the photonic crystal structures to the photodetectors, respectively.
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