JP4237665B2 - Optical waveguide sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、屈折率の異なる界面で光が全反射するときにしみ出す光を利用して分光分析を行う光導波路型センサ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical waveguide sensor that performs spectroscopic analysis using light that oozes out when light is totally reflected at interfaces having different refractive indexes, and a method for manufacturing the same.
結晶などで構成された薄膜などの構造体の中を伝搬する光は、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。界面で全反射をするとき、伝搬する光は屈折率の小さい外部側に波長程度の距離の範囲でしみ出す。このしみ出しは、エバネッセント波と呼ばれ、構造体に接している物質により吸収されるため、構造体を伝搬している光の強度変化から、構造体に接している物質の検出や同定などが可能となる。上述したエバネッセント波の原理を利用した分析法は、全反射吸収分光法(ATR:Attenuated Total Reflection法)と呼ばれ、溶液や表面吸着物の化学組成分析に利用されている(非特許文献1参照)。 Light propagating through a structure such as a thin film composed of crystals or the like proceeds while repeating total reflection at the interface with the outside of the structure. When performing total reflection at the interface, the propagating light oozes out to the outside with a small refractive index within a range of a distance of about a wavelength. This exudation is called an evanescent wave and is absorbed by the substance in contact with the structure. Therefore, detection and identification of the substance in contact with the structure can be performed from the change in the intensity of light propagating through the structure. It becomes possible. The analysis method using the principle of the evanescent wave described above is called total reflection absorption spectroscopy (ATR: Attenuated Total Reflection method), and is used for chemical composition analysis of solutions and surface adsorbates (see Non-Patent Document 1). ).
主に、ATR法では、空気に比べ屈折率が大きい半導体の結晶からなる導波路層の両端を斜めに加工し、斜めに加工した端部から光を導入し、導波路層の表面に触れている物質の分析を行うのが一般的な方法である。
ATR法をセンサに応用したものとして、基板の上に光導波路層を形成して光を通し、光導波路層の上面に接する物質を、エバネッセント波を利用して検出する平面光導波路型センサが提案されている(特許文献1参照)。
Mainly, in the ATR method, both ends of a waveguide layer made of a semiconductor crystal having a higher refractive index than air are processed obliquely, light is introduced from the obliquely processed ends, and the surface of the waveguide layer is touched. It is a common method to analyze the substances present.
As an application of the ATR method to a sensor, a planar optical waveguide sensor is proposed that uses an evanescent wave to detect a substance that forms an optical waveguide layer on a substrate, transmits light, and contacts the upper surface of the optical waveguide layer. (See Patent Document 1).
図7は、平面導波路型センサの基本的な構成例を示す構成図であり、平面導波路型センサは、ガラスや石英などからなる基板701と、基板701の上に形成された光導波路層702と、グレーティング703,704と、レーザ光原705と、光検出部706とを備えている。光導波路層702は、基板701よりも屈折率が大きい窒化シリコン、酸化アルミニウムなどの材料から構成されている。
FIG. 7 is a configuration diagram illustrating a basic configuration example of a planar waveguide sensor. The planar waveguide sensor includes a
図7のように構成されるセンサは、レーザ光原705から出た光を一定の角度でグレーティング703に入射させることで光導波路層702に導入し、基板701の表面に接して配置された試料707に側にしみ出す光を試料707に吸収させる。光導波路層702内を反射して伝搬する光は、グレーティング704により光導波路層702から出射する。出射した光は、光検出部706により強度が測定される。光検出部706により測定された出射光の強度により、試料707による光吸収の量が判り、光吸収の量から試料707の濃度が測定できる。図7に示すセンサは、試料溶液中のグルコースの検出などに利用される。
The sensor configured as shown in FIG. 7 introduces the light emitted from the
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
しかしながら、図7に示した従来のセンサでは、検出感度を向上させるためには、エバネッセント光がしみ出す領域をより広く(長く)し、試料がより多くのエバネッセント光を吸収できるようにする必要がある。このため、平面光導波路に光を伝搬させる場合、感度を向上させるためには、非常に大きな形状とする必要があり、図7に示すセンサでは、小型化が困難であった。また、光導波路層に光を結合するためにグレーティングを用いる方法は、光軸合わせが難しく、また入出力の効率が悪いという問題もあった。 However, in the conventional sensor shown in FIG. 7, in order to improve the detection sensitivity, it is necessary to make the region where evanescent light exudes wider (longer) so that the sample can absorb more evanescent light. is there. For this reason, when light is propagated through the planar optical waveguide, it is necessary to have a very large shape in order to improve sensitivity, and it has been difficult to reduce the size of the sensor shown in FIG. Further, the method of using a grating for coupling light to the optical waveguide layer has problems that it is difficult to align the optical axis and input / output efficiency is poor.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、全反射吸収分光法によるより小型な分析システムが構築できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to make it possible to construct a smaller analysis system based on total reflection absorption spectroscopy.
本発明に係る光導波路型センサは、下部クラッド層と、シリコンを含む材料からなり、下部クラッド層の上に形成されて下部クラッド層の平面方向の幅が下部クラッド層の平面の法線方向の高さより大きいコアと、下部クラッド層とコアとから構成された導波路の光入射端と、導波路の光出射端と、光入射端に連続して配置されて入射する光の径を小さくする第1モードフィールド変換部と、光出射端に連続して配置されて光出射端より出射された光の径を大きくする第2モードフィールド変換部とを少なくとも備え、導波路は、シングルモード導波路であり、コアの一部で検出領域が構成され、第1及び第2モードフィールド変換部は、コアを覆うスポットサイズ変換コアと、スポットサイズ変換コアを覆う上部クラッド層とから構成され、スポットサイズ変換コアに覆われた領域において、コアは、端部に近いほど幅が狭く形成され、スポットサイズ変換コアの屈折率は、コアより小さく上部クラッド層より大きいようにしたものである。
このセンサは、コアからしみ出した光が、検出領域でコアの上に配置された分析対象物により吸収されることを利用したものである。
An optical waveguide sensor according to the present invention comprises a lower clad layer and a material containing silicon, and is formed on the lower clad layer so that the width in the plane direction of the lower clad layer is in the normal direction of the plane of the lower clad layer. A light incident end of a waveguide composed of a core larger than the height, a lower clad layer and a core, a light exit end of the waveguide, and a light incident end arranged continuously from the light incident end to reduce the diameter of incident light. A first mode field conversion unit; and at least a second mode field conversion unit that is arranged continuously at the light emission end and increases the diameter of the light emitted from the light emission end , and the waveguide is a single mode waveguide , and the constructed detection region part of the core, the first and second mode field conversion unit is constituted by a spot-size converter core covering the core, and an upper cladding layer covering the spot size conversion core In the area covered by the spot size conversion core, the core is formed narrower closer to the end portion, the refractive index of the spot size conversion core is obtained by the smaller than the core upper cladding layer is larger than so.
This sensor utilizes the fact that the light oozing out from the core is absorbed by the analysis object arranged on the core in the detection region.
上記光導波路型センサにおいて、コアの高さは、コアの幅の1/5より大きい状態であれば、コアの曲げ半径があまり大きくならない。
また、検出領域のコアの表面に形成された酸化シリコン膜を備えるようにしてもよい。
In the optical waveguide sensor, the core bending radius is not so large if the height of the core is greater than 1/5 of the width of the core.
Further, a silicon oxide film formed on the surface of the core of the detection region may be provided.
本発明に係る光導波路型センサの製造方法は、下部クラッド層の上に、シリコンを含む材料からなり、検出領域では下部クラッド層の平面方向の幅が下部クラッド層の平面の法線方向の高さより大きくされ、光入出射端に連続する所定の領域では端部に近いほど幅が狭くなる先細りとされたコアが形成された状態とする工程と、所定の領域のコアを覆うスポットサイズ変換コアが形成された状態とする工程と、スポットサイズ変換コアを覆う上部クラッド層を形成することで、下部クラッド層とコアとから構成された導波路の光入出射端に連続する所定の領域にモードフィールド変換部が形成された状態とする工程とを少なくとも含む。 The method for manufacturing an optical waveguide sensor according to the present invention is made of a material containing silicon on the lower cladding layer, and the width in the planar direction of the lower cladding layer is high in the normal direction of the plane of the lower cladding layer in the detection region. Halfbeak size rot, a step of state at a predetermined region continuous with the light input and output end is a core which is tapered in width closer to the end portion is narrowed is formed, the spot size conversion covering a core of a predetermined area By forming the core and forming the upper clad layer that covers the spot size conversion core, a predetermined region continuous to the light incident / exit end of the waveguide composed of the lower clad layer and the core is formed. At least a step of forming a mode field conversion unit.
上記製造方法において、コアのモードフィールド変換部となる部分を選択的に覆うように酸窒化シリコンからなるスポットサイズ変換コアが形成された状態とする工程と、コアのモードフィールド変換部となる部分とスポットサイズ変換コアとを選択的に覆うように酸化シリコンからなる上部クラッドを形成し、モードフィールド変換部が形成された状態とする工程とを備えるようにしてもよい。 In the above manufacturing method, a step of forming a spot size conversion core made of silicon oxynitride so as to selectively cover a portion that becomes the mode field conversion portion of the core, and a portion that becomes the mode field conversion portion of the core forming an upper cladding made of silicon oxide to selectively cover the spot size conversion core may be provided with a degree Engineering to state the mode field conversion portion is formed.
また、上記製造方法において、下部クラッド層の上に設けられたシリコンを含む材料からなる膜を、酸化シリコンからなるマスクを用いた選択的なエッチングにより加工してコアが形成された状態としてもよい。また、下部クラッド層の上に設けられたシリコンを含む材料からなる膜を、酸化シリコンからなるマスクを用いた選択的なエッチングにより加工し、コアが形成された状態とすると共に、コアの上面にマスクよりなるコアを伝搬する光の波長より薄い酸化シリコン膜が形成された状態としてもよい。また、コアの表面に熱酸化法によりコアを伝搬する光の波長より薄い酸化シリコン膜が形成された状態としてもよい。 In the above manufacturing method, a film made of a material containing silicon provided on the lower cladding layer may be processed by selective etching using a mask made of silicon oxide to form a core. . A film made of a material containing silicon provided on the lower clad layer is processed by selective etching using a mask made of silicon oxide to form a core, and on the upper surface of the core. A silicon oxide film thinner than the wavelength of light propagating through the core made of the mask may be formed. Alternatively, a silicon oxide film thinner than the wavelength of light propagating through the core may be formed on the surface of the core by a thermal oxidation method.
以上説明したように、本発明では、下部クラッド層の上にシリコンを含む材料からなる幅広なコアを形成し、幅広な形状としたコアよりシングルモード導波路を構成し、これらの一部において検出領域を構成し、検出領域の上に分析対象物を配置させることで、分析対象物における赤外線の吸収などを検出する分光法による分析を可能とした。従って、本発明によれば、従来のATR法における結晶プリズムに代えて、シングルモード導波路を用いることによって、分析システムの小型化を図ることができる。 As described above, in the present invention, a wide core made of a material containing silicon is formed on the lower clad layer, and a single-mode waveguide is constituted by the wide shaped core, and detection is performed on a part of these. By configuring the region and placing the analysis object on the detection region, analysis by the spectroscopic method for detecting infrared absorption or the like in the analysis object was made possible. Therefore, according to the present invention, the size of the analysis system can be reduced by using a single mode waveguide instead of the crystal prism in the conventional ATR method.
また、小さな曲げ半径で導波方向が変更できる導波路で検出領域が構成できるので、感度を向上させることができるだけの長い導波路を小さな検出領域に配置できるようになる。加えて、コアを幅広としたので、コアの上面方向にしみ出す光の量が増加する。このように、本発明によれば、感度を低下させることが無く、より小型な分析システムが構築できるようになるという優れた効果が得られる。 In addition, since the detection region can be configured by a waveguide whose waveguide direction can be changed with a small bending radius, a long waveguide capable of improving sensitivity can be arranged in the small detection region. In addition, since the core is wide, the amount of light that oozes out toward the top surface of the core increases. Thus, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that a smaller analysis system can be constructed without lowering the sensitivity.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態における光導波路型センサの構成例を示す平面図である。
このセンサの構成について説明すると、まず、入射側の光ファイバー200の端部が固定されるV字状の溝101、出射側の光ファイバー300の端部が固定されるV字状の溝102が設けられている。溝101,102は、一般に市販されているSOI基板の基板部111に形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing a configuration example of an optical waveguide sensor according to an embodiment of the present invention.
The configuration of this sensor will be described. First, a V-
これら溝101,102に続いてモードフィールドサイズ変換領域(モードフィールド変換部)120が配置され、モードフィールドサイズ変換領域120には、入射側に配置されたスポットサイズ変換コア103と、出射側に配置されたスポットサイズ変換コア104とを備えている。スポットサイズ変換コア103,104は、例えば、シリコン酸窒化物から構成され、断面の形状は一辺が3〜7μm程度の矩形である。スポットサイズ変換コア103には、光ファイバー200の光ファイバーコア201が接続し、スポットサイズ変換コア104には、光ファイバー300の光ファイバーコア301が接続している。
Following these
モードフィールドサイズ変換領域120に続いて検出領域130が設けられ、検出領域130には、シリコン細線コア105からなる導波路が構成されている。シリコン細線コア105の上面には、膜厚20〜30nm程度の薄い酸化シリコン膜106が形成されている。酸化シリコン膜106は、シリコン細線コア105の側面に形成されていてもよい。酸化シリコン膜106は、シリコン細線コア105よりなる導波路を導波する光の波長より薄ければ、エバネッセント光を利用した分析が可能である。なお、酸化シリコン膜106は、必ず必要なものではない。また、窒化シリコンからコアを構成してもよい。
A
シリコン細線コア105は、断面の寸法が幅500nm,高さ150nmとなっている。図2の断面図に示すように、シリコン細線コア105は、検出領域130において、SOI基板の膜厚3〜10μm程度の埋め込み酸化層112の上に配置されている。なお、図2は、図1のAA’断面である。図1,2では、シリコン細線コア105の側部が露出しているが、シリコン細線コア105の側方を埋めるように、例えば酸化シリコンからなるクラッドが形成されていてもよい。
The silicon
図1に示す光導波路型センサの入射側の光ファイバー200に光源を接続し、出射側の光ファイバー300に分光器を接続することで、分光測定のシステムが構成できる。なお、図1では、光の入射端と出射端とを各々設けるようにしているが、これらを同一とした閉回路としてもよい。
By connecting a light source to the
また、シリコン細線コア105の両端は、先端に行くほど幅が狭くなる先細りの形状(テーパ形状)となり、図1及び,図3の断面図にも示すように、上部及び側部をスポットサイズ変換コア103,104に覆われ、この領域がモードフィールドサイズ変換領域120となる。シリコン細線コア105のテーパ形状の部分は、先端部の幅が100nm程度である。スポットサイズ変換コア103,104は、高さ,幅が、光ファイバーコア201,301の半分程度からほぼ同程度までの寸法となっている。
Further, both ends of the silicon
また、モードフィールドサイズ変換領域120は、酸化シリコンからなる上部クラッド層107に覆われている。上部クラッド層107は、膜厚7〜15μmである。また、光ファイバー200、300の端部が固定される領域では、図4の断面図に示すように、基板部111に設けられたV字状の溝101,102に、例えば紫外線硬化型の接着剤などにより固定されている。なお、図3は、図1のBB’断面を示し、図4は、図1のCC’断面を示している。
The mode field
モードフィールドサイズ変換領域120においては、「シリコン細線コア105の屈折率>スポットサイズ変換コア103,104の屈折率>上部クラッド層107の屈折率」となっている。このように構成したモードフィールドサイズ変換領域120により、光ファイバー200を導波してきた赤外線などの光を、損失を低減した状態でスポットサイズを変換し、シリコン細線コア105の一端に結合させることを可能としている。
In the mode field
例えば、検出領域を通過した光が、シリコン細線コア105のテーパ部を光ファイバー300の方向に伝搬するにつれて、コア幅が徐々に狭まり光の閉じこめが弱くなり、モードフィールドサイズが周囲に広がろうとする。ところが、このとき、埋め込み酸化層112より屈折率の高いスポットサイズ変換コア104が、シリコン細線コア105に隣接して存在するため、光パワーの分布は、シリコン細線コア105からスポットサイズ変換コア104へ徐々に移っていく。
For example, as the light passing through the detection region propagates through the tapered portion of the silicon
また、光ファイバー200より入射した光が、スポットサイズ変換コア103に入射すると、入射した光が検出領域130の方向へ進行するにつれ、シリコン細線コア105のテーパ部を介して、検出領域130のシリコン細線コア105へ光の分布が移動する。
このように、シリコン細線コア105をテーパ部によりスポットサイズ変換コア103,104に接続することで、効率の高いモードフィールドサイズ変換を実現することができる。
Further, when light incident from the
As described above, by connecting the silicon
従って、光ファイバー200,300を,スポットサイズ変換コア103、104の端部に接続すれば、検出領域130を構成しているシリコン細線コア105よりなる光導波路にも、光を効率よく入射することができ、検出領域130の光導波路から光ファイバーへ光を効率よく結合させることができる。
なお、下部クラッドとなる埋め込み酸化層112の膜厚は、3μmより薄くてもよいが、基板部111側への光の漏洩が増加して光の伝搬損失が大きくなるので、あまり薄くしない方がよい。
Therefore, if the
The buried
上述した構成において、シリコン細線コア105よりなる導波路に赤外線などの光を導波させた状態で、検出領域130で露出するシリコン細線コア105の上面に分析対象の試料が接触していると、シリコン細線コア105よりしみ出した光が、試料の特性に応じて吸収されるため、この吸収の強さに応じて導波する光の強度が低下する。従って、例えば、シリコン細線コア105から構成されている導波路を導波する光の強度をある波長帯域に対して測定すれば、分析対象の試料による吸収スペクトルが得られる。
In the configuration described above, when the sample to be analyzed is in contact with the upper surface of the silicon
上述したように、シリコン細線コア105は、断面寸法が500×150nm程度としてあるので、上記導波路は、波長1.2〜1.7μmの光がシングルモードで伝搬する。言い換えると、シリコン細線コア105は、これより構成される導波路が、シングルモードとなる寸法に形成されていればよい。なお、シリコンコア105は、扁平となっていればよく、例えば、幅400nm,高さ200nmであってもよい。また、コアの寸法を幅500nm,高さ300nmなど、より高い(厚い)状態とすることで、波長3μmまでの光をシングルモードで伝搬することが可能となる。
As described above, since the silicon
また、この導波路は、最小曲げ半径が約100μm以下と、非常に小さい曲率で導波方向を変更することが可能である。従って、図1の平面図に示すように、シリコン細線コア105を、狭い間隔で往復させて配置させることが可能となり、狭い検出領域130内で、試料と接触する領域をより長くすることが可能となる。例えば、図1に示す構成とすることで、長さ100mmの導波路からなるセンサヘッドを、5mm角のセンサ領域内に配置することが可能であり、分析対象の試料との接触距離をより長くでき、小型で感度の高いセンサが得られる。
In addition, this waveguide can change the waveguide direction with a very small curvature, ie, a minimum bending radius of about 100 μm or less. Accordingly, as shown in the plan view of FIG. 1, the silicon
加えて、図1に示す光導波路型センサでは、シリコン細線コア105の断面を扁平な形状としたので、次に説明するようにより高感度な分析を可能としている。
シリコン細線コア105の断面を高さhに比較して幅wの広い扁平な四角形(h<w)にすることで、上下方向の光の閉じこめが弱くなり、導波路中を光が進行するときシリコン細線コア105の上面にしみ出す光が多くなる。この結果、シリコン細線コア105の上面に接する分析対象試料による吸収量をより大きくでき、測定感度を向上させることができる。
In addition, in the optical waveguide sensor shown in FIG. 1, since the cross section of the silicon
When the cross section of the silicon
図5に、上記光導波路型センサを用いた尿素の分析(検出)例について示す。図5では、幅400nm,高さ200nmのシリコン細線コアからなる光導波路型センサの結果を黒丸で示し、幅500nm,高さ150nmのシリコン細線コアからなる光導波路型センサの結果を白丸で示す。また、図5では、横軸が、検出領域に付着する尿素の厚みを示す。 FIG. 5 shows an example of urea analysis (detection) using the optical waveguide sensor. In FIG. 5, the result of the optical waveguide sensor composed of a silicon fine wire core having a width of 400 nm and a height of 200 nm is indicated by a black circle, and the result of the optical waveguide sensor comprising a silicon fine wire core having a width of 500 nm and a height of 150 nm is indicated by a white circle. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the thickness of urea attached to the detection region.
図5から明らかなように、付着する尿素の厚みとともに、吸収損失が増加している。吸収損失の増加は、白丸の方が大きい。また、黒丸は、尿素厚が200nm程度で損失の増加が飽和し、白丸は、尿素厚が500nm程度で損失の増加が飽和している。
この結果は、コアの扁平度の大きい幅500,高さ150nmのシリコン細線コアからなる光導波路型センサの方が、検出領域において、シリコン細線コアを伝搬している光のしみ出す強度や距離がより大きいことを示している。このことからも明らかなように、シリコン細線コアは、シングルモードが得られる範囲内で、より扁平度の大きい方がよいことが判る。
As is apparent from FIG. 5, the absorption loss increases with the thickness of the adhering urea. The increase in absorption loss is greater for the white circles. The black circle indicates that the increase in loss is saturated when the urea thickness is approximately 200 nm, and the white circle indicates that the increase in loss is saturated when the urea thickness is approximately 500 nm.
As a result, the optical waveguide sensor composed of a silicon fine wire core with a width of 500 nm and a height of 150 nm with a large flatness of the core has a greater intensity and distance of light propagating through the silicon fine wire core in the detection region. It is larger than that. As is clear from this, it is understood that the silicon thin wire core should have a higher flatness within a range where a single mode can be obtained.
また、上述した結果より、シリコン細線コアを伝搬している光が、シリコン細線コアの上部にしみ出る距離は、数百nm程度であり、シリコン細線コア105の上面に酸化シリコン膜106が形成されていても、検出にあまり影響のないことが判る。
図5の結果は、扁平度(w/h)が大きい導波路ほど、コア上部にしみ出す光の量は大きく、センサとしての感度向上が期待できることを示している。
Further, from the above results, the distance that the light propagating through the silicon fine wire core oozes out to the upper part of the silicon fine wire core is about several hundred nm, and the
The result of FIG. 5 shows that the greater the flatness (w / h), the greater the amount of light that oozes out to the upper part of the core, and the improvement in sensitivity as a sensor can be expected.
しかしながら、コアの高さhを小さくして扁平にしすぎると、導波路への光の閉じこめが弱くなり、コアの急峻な曲げができなくなり、センサヘッドを小型にできなくなる。例えば、コアの高さhが幅wの1/5より小さくなると、コアの曲げ半径は150μm以上が必要となり、コアを狭い間隔でより多く往復させて配置させることが不可能となり、小型化を阻害することになる。従って、コア断面は、高さhが幅wの5分の1より大きい状態(w/5<h)である方がよい。なお、感度の点では、h<w/2となっている方がよい。 However, if the height h of the core is reduced to be too flat, the confinement of light into the waveguide becomes weak, the core cannot be bent sharply, and the sensor head cannot be reduced in size. For example, if the height h of the core is smaller than 1/5 of the width w, the bending radius of the core needs to be 150 μm or more, making it impossible to reciprocate the core more frequently at a narrow interval, thereby reducing the size. Will interfere. Therefore, the core cross section should be in a state where the height h is greater than one fifth of the width w (w / 5 <h). In terms of sensitivity, it is better that h <w / 2.
なお、シリコンは水をはじく性質があるため、測定試料が水を含んでいると、シリコン細線コアに試料が密着しにくくなる。これに対し、シリコン細線コア105の表面に酸化シリコン膜106を設けることで、水溶性の試料の密着性を向上させることができる。
また、シリコン細線コア105から構成されている検出領域130に、検出対象の物質を選択的に吸着して濃縮する機能膜を設けることで、上記物質の検出感度をより向上させることが可能である。
Since silicon has a property of repelling water, if the measurement sample contains water, the sample is difficult to adhere to the silicon fine wire core. On the other hand, by providing the
In addition, by providing a functional film that selectively adsorbs and concentrates a substance to be detected in the
次に、上述した光導波路型センサの製造方法について、簡単に説明する。
まず、SOI(Silicon on Insulator)基板を用意する。SOI基板は、例えば、
膜厚3〜10μm程度の埋め込み酸化層112の上に、単結晶シリコンからなるシリコン層113を備えたものである。
Next, a method for manufacturing the above-described optical waveguide sensor will be briefly described.
First, an SOI (Silicon on Insulator) substrate is prepared. The SOI substrate is, for example,
A
上述したようなSOI基板を用意したら、図6(a)に示すように、シリコン層113の上に酸化シリコン層601が形成された状態とする。酸化シリコン層601は、例えば、公知のプラズマCVD法により形成できる。ここで、酸化シリコン層601は、以降に示すシリコン層113の選択的なエッチング処理において、自信の膜厚が20nm程度残る程度の膜厚に形成する。
次に、図6(b)に示すように、公知のリソグラフィ技術により、レジストパターン602が形成された状態とする。レジストパターン602の形状は、図1に示すシリコン細線コア105のパターンと同様の形状としたものである。
When the SOI substrate as described above is prepared, a
Next, as shown in FIG. 6B, a resist
次に、レジストパターン602をマスクとして酸化シリコン層601を選択的にエッチングし、引き続いてレジストパターン602を除去することで、図6(c)に示すように、シリコン層113の上に酸化シリコンパターン603が形成された状態とする。
次に、例えば、ドライエッチング法により酸化シリコンパターン603をマスクとしてシリコン層113を選択的にエッチングし、図6(d)に示すように、シリコン細線コア105と共に酸化シリコン膜106が形成された状態とする。シリコン細線コア105の形成のためのエッチングにより、酸化シリコンパターン603もある程度エッチングされて薄くなり、シリコン細線コア105の上面の薄い酸化シリコン膜106となる。
Next, the
Next, for example, the
次に、例えばECRプラズマCVD法によるステンシルマスクを用いた選択的な堆積により、モードフィールドサイズ変換領域120におけるシリコン細線コア105を覆うシリコン酸窒化膜が形成された状態とする。例えば、SiH4,O2,及びN2ガスを用いたECRプラズマ法により、屈折率が酸化シリコン(1.45)より大きく窒化シリコン(2.0)より小さい範囲のSiON膜を堆積することができる。また、ECRプラズマ法によれば、堆積速度が150nm/min程度と高速であるため、SiON膜の形成に好適である。SiON膜を堆積した後、公知のリソグラフィ技術とエッチング技術とにより微細加工し、図6(e)に示すように、スポットサイズ変換コア103が形成された状態とする。なお、図示していないが、スポットサイズ変換コア104も同時に形成される。
Next, a silicon oxynitride film covering the silicon
次に、モードフィールドサイズ変換領域120において、スポットサイズ変換コア103,104を覆うように酸化シリコンを選択的に堆積し、図6(f)に示すように、上部クラッド層107が形成された状態とする。上部クラッド層107となる酸化シリコンの堆積も、ECRプラズマCVD法によるステンシルマスクを用いた選択的な堆積により行う。この後、検出領域130及びモードフィールドサイズ変換領域120を覆うマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとしたエッチングを行い、モードフィールドサイズ変換領域120の垂直な入射端面及び出射端面を形成し、また、ファイバー固定領域の埋め込み酸化層113を選択的に除去する。このエッチングでは、例えばリアクティブイオンエッチングなど、垂直異方性を有するドライエッチング技術を用いればよい。
Next, in the mode field
最後に、ファイバー固定領域において、露出している基板部111の所定領域に、V字状の溝101,102を形成する。これらの溝は、例えば、開口部の間隔を徐々に広げた複数のマスクパターンによる選択的なエッチングを、繰り返すことで形成できる。また、基板部111として(111)面の単結晶シリコンを用いれば、水酸化カリウムなどのアルカリ溶液によるウエットエッチングで、自動的にV字状の溝が形成できる。
Finally, V-shaped
上述したように、シリコン層113のエッチングマスクに酸化シリコンパターン603を用い、エッチング後に20nm程度残るように厚みを調整しておくことで、測定対象物質の密着性を向上させるための酸化シリコン膜106を、シリコン細線コア105と同時に形成でき、効率的である。なお、マスク用の酸化シリコンパターンをエッチング処理の後にフッ酸などで除去し、熱酸化などで新たに酸化シリコン膜をシリコン細線コア105の表面に形成してもよい。
As described above, by using the
また、スポットサイズ変換コア103にプラズマCVD法によるSiONを用いることで、添加するN2ガスとO2ガスの割合を変えるだけで、屈折率を広く変えることができるため、検出領域130を構成するコアの材料やモードフィールド変換部の大きさが変わった場合でも、作製方法を変更することなしに対応できる。
なお、SOI基板ではなく、アンダークラッドとなる酸化シリコンの上に窒化シリコンを形成した基板を用意すれば、上述と同様の方法で窒化シリコンをコアとする光導波路センサを作製することができる。
Further, by using SiON by plasma CVD for the spot
If a substrate in which silicon nitride is formed on silicon oxide serving as an underclad instead of an SOI substrate is prepared, an optical waveguide sensor having silicon nitride as a core can be manufactured by the same method as described above.
101,102…溝、103,104…スポットサイズ変換コア、105…シリコン細線コア、106…酸化シリコン膜、107…上部クラッド層、111…基板部、112…埋め込み酸化層、120…モードフィールドサイズ変換領域、130…検出領域、200,300…光ファイバー、201,301…光ファイバーコア。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101,102 ... Groove, 103,104 ... Spot size conversion core, 105 ... Silicon fine wire core, 106 ... Silicon oxide film, 107 ... Upper clad layer, 111 ... Substrate part, 112 ... Embedded oxide layer, 120 ... Mode field size conversion Area, 130 ... detection area, 200, 300 ... optical fiber, 201, 301 ... optical fiber core.
Claims (8)
シリコンを含む材料からなり、前記下部クラッド層の上に形成されて前記下部クラッド層の平面方向の幅が前記下部クラッド層の平面の法線方向の高さより大きいコアと、
前記下部クラッド層と前記コアとから構成された導波路の光入射端と、
前記導波路の光出射端と、
前記光入射端に連続して配置されて入射する光の径を小さくする第1モードフィールド変換部と、
前記光出射端に連続して配置されて前記光出射端より出射された光の径を大きくする第2モードフィールド変換部と
を少なくとも備え、
前記導波路は、シングルモード導波路であり、
前記コアの一部で検出領域が構成され、
前記第1及び第2モードフィールド変換部は、
前記コアを覆うスポットサイズ変換コアと、
前記スポットサイズ変換コアを覆う上部クラッド層
とから構成され、
前記スポットサイズ変換コアに覆われた領域において、前記コアは、端部に近いほど幅が狭く形成され、
前記スポットサイズ変換コアの屈折率は、前記コアより小さく前記上部クラッド層より大きい
ことを特徴とする光導波路型センサ。 A lower cladding layer;
A core made of a material including silicon, formed on the lower cladding layer, and having a width in the planar direction of the lower cladding layer larger than a height in a normal direction of the plane of the lower cladding layer;
A light incident end of a waveguide composed of the lower cladding layer and the core;
A light exit end of the waveguide ;
A first mode field conversion unit arranged continuously at the light incident end to reduce the diameter of incident light;
A second mode field converter that is arranged continuously at the light exit end and increases the diameter of the light emitted from the light exit end ;
The waveguide is a single mode waveguide,
A detection region is formed by a part of the core ,
The first and second mode field conversion units are:
A spot size conversion core covering the core;
Upper clad layer covering the spot size conversion core
And consists of
In the region covered with the spot size conversion core, the core is formed narrower as it is closer to the end,
An optical waveguide sensor characterized in that a refractive index of the spot size conversion core is smaller than that of the core and larger than that of the upper cladding layer .
前記コアの高さは、前記コアの幅の1/5より大きい
ことを特徴とする光導波路型センサ。 The optical waveguide sensor according to claim 1, wherein
The optical waveguide sensor, wherein the height of the core is greater than 1/5 of the width of the core.
前記検出領域の前記コアの表面に形成された前記コアを伝搬する光の波長より薄い酸化シリコン膜を備える
ことを特徴とする光導波路型センサ。 The optical waveguide sensor according to claim 1 or 2,
An optical waveguide sensor comprising: a silicon oxide film having a thickness smaller than a wavelength of light propagating through the core formed on the surface of the core in the detection region.
前記所定の領域のコアを覆うスポットサイズ変換コアが形成された状態とする工程と、
前記スポットサイズ変換コアを覆う上部クラッド層を形成することで、前記下部クラッド層と前記コアとから構成された導波路の光入出射端に連続する前記所定の領域にモードフィールド変換部が形成された状態とする工程と
を少なくとも含むことを特徴とする光導波路型センサの製造方法。 On the lower clad layer made of a material containing silicon, in the detection region rot magnitude than the normal direction of the height of the plane of the width of the plane direction of the lower clad layer is the lower cladding layer, successively to light input and output end And a step of forming a tapered core in which the width becomes narrower as it is closer to the end in the predetermined region ,
A step of forming a spot size conversion core covering the core of the predetermined region; and
By forming an upper cladding layer that covers the spot size conversion core , a mode field conversion unit is formed in the predetermined region that is continuous with the light incident / exit end of the waveguide constituted by the lower cladding layer and the core. A method for manufacturing an optical waveguide sensor, comprising:
前記コアの前記モードフィールド変換部となる部分を選択的に覆うように酸窒化シリコンからなる前記スポットサイズ変換コアが形成された状態とする工程と、
前記コアの前記モードフィールド変換部となる部分と前記スポットサイズ変換コアとを選択的に覆うように酸化シリコンからなる前記上部クラッドを形成し、前記モードフィールド変換部が形成された状態とする工程と
を備えることを特徴とする光導波路型センサの製造方法。 In the manufacturing method of the optical waveguide type sensor according to claim 4,
A step of forming the spot size conversion core made of silicon oxynitride so as to selectively cover a portion to be the mode field conversion portion of the core;
Forming the upper cladding comprising the said spot size conversion Core portion serving as the mode field conversion portion of the core of silicon oxide to selectively cover, as engineering into a state in which the mode field conversion portion are formed And a method of manufacturing an optical waveguide sensor.
前記下部クラッド層の上に設けられたシリコンを含む材料からなる膜を、酸化シリコンからなるマスクを用いた選択的なエッチングにより加工して前記コアが形成された状態とする工程
を含むことを特徴とする光導波路型センサの製造方法。 In the manufacturing method of the optical waveguide type sensor according to claim 4,
Including a step of processing a film made of a material containing silicon provided on the lower clad layer by selective etching using a mask made of silicon oxide to form the core. A method for manufacturing an optical waveguide sensor.
前記下部クラッド層の上に設けられたシリコンを含む材料からなる膜を、酸化シリコンからなるマスクを用いた選択的なエッチングにより加工し、前記コアが形成された状態とすると共に、前記コアの上面に前記マスクよりなる前記コアを伝搬する光の波長より薄い酸化シリコン膜が形成された状態とする工程
を含むことを特徴とする光導波路型センサの製造方法。 In the manufacturing method of the optical waveguide type sensor according to claim 6,
A film made of a material containing silicon provided on the lower cladding layer is processed by selective etching using a mask made of silicon oxide to form the core, and the upper surface of the core And a step of forming a silicon oxide film that is thinner than the wavelength of light propagating through the core made of the mask.
前記コアの表面に熱酸化法により前記コアを伝搬する光の波長より薄い酸化シリコン膜が形成された状態とする工程
を備えることを特徴とする光導波路型センサの製造方法。 In the manufacturing method of the optical waveguide type sensor according to claim 4,
A method of manufacturing an optical waveguide sensor, comprising: forming a silicon oxide film thinner than a wavelength of light propagating through the core by a thermal oxidation method on the surface of the core.
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