JP5315409B2 - 光導波路の製造方法、光導波路及びセンサアレンジメント - Google Patents

Description

本発明の一実施形態は、光導波路の製造方法に関する。本発明のさらなる実施形態は、それぞれ、光導波路及びセンサアレンジメントに関する。

導波路は、光を導くために、すなわち、光が伝搬できる空間の範囲を制限するために、空間的に不均一な構造をしている。これは、例えば、長い距離（例えば、通信システムで）光を伝搬するため、光集積チップ（シリコンフォトニクス）上で光を導くために、感知できる長さ（例えば、導波路レーザ及び周波数逓倍器で）で高い光強度を維持するために、高次の横モードを取り除くために、エバネッセントフィールド内（例えば、ある導波路センサ内）で物質を用いて光を導くために、又は光線を分ける又は重ね合わせるために、使用されることが可能である。通常、導波路は、周りの媒体と比較して、屈折指数が増加する領域を含む。しかし、誘導システムはまた、例えば、金属の接触面で反射を使うことによって可能となる。

導波管を組み立てるために多くの異なる技術がある。いくつかの例は、半導体、結晶及びガラス物質を用いたリソグラフィ技術であり、組合せでは、例えば、イオン交換や熱混入、フォーマット済から引き出すことによるファイバの組み立て、更に寸法を減らした導波路内でファイバを引き出すこと、結果としてナノワイヤになること、集光し、かつパルス状のレーザ光線を用いて透過的な媒体内に導波路を書くこと、レーザ誘導分析やエピタキシャルを有効に利用すること、及びプレーナ導波路の組み立て方法を良くすることである。異なる組み立て技術間のトレードオフは、複雑になり得る。それらは、コスト、自由度、製造の再生産性、達成される伝搬損失、（例えば、加熱または不拡散物質を介して）物質上での副次的な効果の可能性、他の導波路にカップリングするための対称性と最適なモードサイズのような観点を含みえる。

プレーナ導波路は、プレーナ形状をもつ導波路である。それらは、ある基板上で増加された屈折指数をもつ層や薄い透明フィルム、あるいは２つの基板の層間に埋め込まれた形でよく組み立てられる。

それゆえ、低い吸収損失で光導波路を製造するための信頼できる製造方法を提供するさらなるマテリアルシステムに対するニーズがまだ存在している。

請求項１，１２及び請求項１８のそれぞれによれば、本目的は、方法、光導波路及びセンサアレンジメントにより解決される。

さらに、実施形態が、従属請求項で定義される。

本発明の更なる詳細は、図面および適正な記載の考察から明らかにされるであろう。

本発明の一実施形態のメインステップを示す。 本発明の更なる実施形態に係る光導波路の断面図を示す。 本発明の更なる実施形態に係る光導波路の断面図を示す。 本発明の更なる実施形態に係る光導波路の断面図を示す。 本発明の更なる実施形態に係るセンサアレンジメントを概略的に示す。 本発明の更なる実施形態に係る光導波路の断面図を示す。 本発明の更なる実施形態に係る光導波路の断面図を示す。 Ｚｎｓ−ＳｉＯ２導波路の実施形態に係る屈折指数の波長依存性を表したグラフを示す。 Ｚｎｓ−ＳｉＯ２導波路の実施形態に係る吸収係数の波長依存性を表したグラフを示す。

以下の詳細な説明では、この一部を形成し、発明が実行され得る特定の実施形態の実例の方法により示される付属の図面にも参照がなされる。これに関して、「トップ（ｔｏｐ）」「ボトム（ｂｏｔｔｏｍ）」「前（ｆｒｏｎｔ）」「後ろ（ｂａｃｋ）」「導く（ｌｅａｄｉｎｇ」」「はう（ｔｒａｉｌｉｎｇ）」等のような方向性のある専門用語は、説明されている図の方向性に関連づけて使用される。本発明の実施形態に係る構成要素は、多数の異なる方向に位置付けられ得るため、前記方向性のある専門用語は、実例の目的のために使われ、何ら制限はない。他の実施形態が利用され得、構造的または論理的な変更が、本発明の範囲を逸脱することなく行なわれうることが理解されるべきである。従って、以下の詳細な記載は、制限された意味に捉えられるものではなく、本発明の範囲は、添付の請求項により定義される。

次に、本発明の実施形態が説明される。なお、以下のすべての実施形態の説明は、いずれかの方法で組み合わせられ得、すなわち、ある実施形態の説明が他のものと組み合わせられ得ないという制限はないことは重要である。

図１では、ステップＳ１００において、第１の屈折指数をもつ第１の層が与えられる。

ステップＳ１０２において、硫化亜鉛（ＺｎＳ）−二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から形成される導波層を含む導波路構造が、第１の層の屈折指数が導波層の屈折指数よりも低い第１の層上に成膜される。硫化亜鉛−二酸化ケイ素（ＺｎＳ−ＳｉＯ_２）の物質はまた、（ＺｎＳ）_{１００−ｘ}−（ＳｉＯ_２）_ｘとして参照されてもよい。ｘは、シリコン−二酸化物（silicon-dioxide）の重量パーセントを特定する。

この方法では、図２に断面図で描かれているような光導波路２００が得られる。導波路構造２０５は、導波層２２０を含んでいる。図示された実施形態では、導波路構造２０５の内部にさらなる層はない。しかしながら、以下の更なる実施形態に関して説明されるように、導波路構造２０５は、更なる層を含んでもよい。第１の層２１０の屈折指数が導波層２２０の屈折指数よりも低いときのケースでは、導波層２２０内に結合される光は、導波層２２０の内部に残り、もし導波層２２０の吸収係数が低い場合には大幅な損失なく導かれ得る。

導波層に使われるＺｎＳ−ＳｉＯ_２の物質系は、図８ｂに示したように、可視光領域及び近接する赤外領域内で波長に対して低吸収係数を見せる。ＺｎＳ−ＳｉＯ_２は、２つの組成物、すなわち、小さな結晶性グレインとして表され得る硫化亜鉛と、非結晶性二酸化ケイ素の混合である。この物質系の屈折指数は、硫化亜鉛（ＺｎＳ）又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）のそれぞれの量に依存する。もしもっと二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）が存在すれば、屈折指数は低くなる。可視光領域では、他の物質を混ぜ合わせていない硫化亜鉛（ＺｎＳ）の屈折指数は、概ね２．３であり、５０％の硫化亜鉛（ＺｎＳ）及び５０％の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の物質系に対しては、ほぼ直線的に１．８５まで減少する。

第１の層２１０は、例えば、２層領域が与えられるように基板であってもよい。基板は、ガラス又はポリマーから形成されていてもよく、いずれもＺｎＳ−ＳｉＯ_２の屈折指数より低い屈折指数をもつ。基板は、一つの物質から認識されてもよいが、複数の異なる層を具備することも可能である。最上層、すなわち、導波路構造２０５に接触する層は、導波層の屈折指数より低い屈折指数を有する。

第１の層はまた、例えば、窒化酸化ケイ素（ＳｉＯＮ）、ＳｉＣＯＮ）又はＳｉＣＯ_２等のシリコンベースの物質であってもよい。

図３では、第１の層２１０のトップ（ＴＯＰ）に導波層２２０又は導波路構造２０５を成膜する前に、更なる基板３１０上に第１の層２１０を成膜した結果として、光導波路３００が配置されている。本実施形態内では、第１の層２１０は、導波層２２０又は導波路構造２０５と更なる基板３１０との間の中間層として動作する。いくつかの物質、例えば、ポリカーボネート（ｐｏｌｙ−ｃａｒｂｏｎａｔｅ）のような、使用される波長に対して大きな吸収を有する任意のポリマーが、更なる基板３１０として使われ得る。更なる基板３１０と導波層２２０又は導波路構造２０５との間に配置された追加の中間層では、導波層２２０又は導波路構造２０５の内部の吸収損失は、第１の層２１０の厚さｔを適宜選択することによって調整され得る。第１の層は、導波層２２０又は導波路構造２０５内の光の使用された波長に対して低吸収係数を持つべきである。第１の層に対して候補となる物質は、低吸収係数を有し、かつガラス、シリコン又はポリマーで形成された基板上に成膜することが容易なシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）である。

基板３１０は、半導体物質又はガラス又はポリマー（プラスチック）から形成され得る。

ＺｎＳ−ＳｉＯ_２の屈折係数は約２であり、例えば、ＳｉＯ_２に対して約３０％以下の量であるから、第１の層２１０の第１の屈折係数は、１．３及び２．０の間か、１．４及び１．８の間か、１．４及び１．６の間かで選ばれるかもしれなる。いずれの場合にも、第１の層２１０の屈折係数がＺｎＳ−ＳｉＯ_２の導波層の屈折係数より低いという条件は満たされる。

導波層又は導波路構造は、物理気相成膜プロセス、すなわち、安価で高速なスパッタリングプロセスによって第１の層２１０のトップ（ｔｏｐ）に成膜され得る。スパッタリングでは、一秒間に２ｎｍより大きな成膜レートが達成され得、Ｔａ_２Ｏ_５及びＴｉＯ_２のような他の比較可能な導波路の物質の成膜レートより大きい。導波路構造又は導波層に基づくＺｎＳ−ＳｉＯ_２の減衰は、蒸着プロセスにより成膜されるＴａ_２Ｏ_５及びＴｉＯ_２の層と比較可能である。

スパッタリングプロセス内では、ＺｎＳ又はＺｎＳ−ＳｉＯ_２から形成されたターゲットが用いられてもよい。

４．５ｋＷの典型的なパワー及びＺｎＳサンプルを使った工業的に利用可能なスパッタリング装置では、±２．５％の導波層の厚さの均一性が、１２０ｍｍの直径の基板上で、一秒間に約１３ｎｍのレートで達成される。より小さな基板が用いられる場合には、均一性に対するより良好な値が実現可能である。±０．１１％の屈折指数の均一性がスパッタリングプロセスで達成され得る。

まさにぴったりのイオンプレーティングプロセス、又は化学気相成膜プロセス又はプラズマエンハンスド化学気相成膜プロセスにより導波層又は導波路構造を成膜することも可能である。

導波層２２０内の硫化亜鉛（ＺｎＳ）の含有量は、１０％と９５％との間か、５０％と９０％との間か、７０％と９０％との間であってもよい。１００％より少ない硫化亜鉛の含有量を持った物質系は、もろくなく、それゆえに制御がより容易である。

図４では、導波層２２０又は導波路構造２０５のトップに第２の屈折指数を持った第２の物質の金属被覆層４１０を具備する光導波路４００の更なる実施形態が示されている。第２の屈折指数は、導波層２２０の屈折指数より低い。金属被覆層４１０は、導波層２２０又は導波路構造２０５が、いずれも導波層の屈折指数より低い屈折指数をもつ、２つの層（すなわち、第１の層２１０及び第２の層４１０）の間に配置されることを確かにする。加えて、金属被覆層４１０は、例えば、引き伸ばしや衝撃等の物理的な破壊から導波層２２０又は導波路構造２０５を保護するために用いられ得る。金属被覆層は、例えば、腐食のような化学的効力に対する保護のためか、更なる層に対する接着プロモータとしてか、又は表面粗さを低減するために同様に使用されるかもしれない。金属被覆層４１０は、一つの層又は多数の下位層からなっていてもよい。金属被覆層４１０の厚さは、制限されない。

光導波路２００、３００、４００は、一つの方向、すなわち、層が互いのトップ上に積層されている方向で、光を導くプレーナ導波路構造として図２，３，４に示されている。光は、導波層又は導波路構造内でだけ伝搬されることが可能である。

しかしながら、例えば、プレーナ導波路内で導かれる一つの方向に対して、例えば光を実質的に垂直な、さらなる方向に光を導くことができるリブ導波路のように、更に構造化されたＺｎＳ−ＳｉＯ_２から形成された導波路構造を使用することが、同様に可能かもしれない。

図５には、センサアレンジメント５００が示されている。センサアレンジメント５００は、基板３１０、第１の層２１０及び導波層２２０又は導波路構造２０５を含む光導波路３００を具備し、第１の層の屈折指数は導波層２２０の屈折指数よりも低くなっている。導波層２２０は、屈折指数が約２．０のＺｎＳ−ＳｉＯ_２から形成されている。センサアレンジメントは、光源５１０、センサ５４０及び／又は更なるセンサ５４０Ａ及び／又は５４０Ｂ、及びセンサ５４０又は複数のセンサ５４０，５４０Ａ，５４０Ｂに接続されるプロセッサ５５０を更に具備する。導波層２２０又は導波路構造２０５のトップには、検体５３０が適用されている。

光源５１０からの光５５５は、光回折格子５６０によって導波層２２０又は導波路構造２０５内で結合され、導波層２００又は導波路構造２０５を介して導かれる。検体５３０が導波層２００又は導波路構造２０５の表面に接触する範囲では、光５５５の一部は、検体５３０内でいわゆるエバネッセントフィールドとして現れる。

第２の回折格子５７０は、光５５５を結合するため及び結合された光をセンサ５４０で検出するために供給されてもよく、補助信号がプロセッサ５５０に転送される結果となる。補助信号は、検体（たとえば、その濃度）の特性に依存する。従って、検体は、そのような特性を決定するために使用されるかもしれない。選択的に、検体から結合される光は、更なるセンサ５４０Ａ、５４０Ｂにより直接的に受け取られうる。

導波層２２０又は導波路構造２０５内に光５５５を結合するための他の実施形態は、光を内部結合するためのプリズム又はエッジ−結合方式（ｅｄｇｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅｓ）を具備しうる。

検体の用語は、それ自身により分析されるべき材料として、又は分析されるべき材料を具備するシステム装置としてこの記載の文脈の中で理解されるべきである。検出は、導波層２２０又は導波路構造２０５の表面が、一つ又はそれ以上の溶液と接触される経過中に１ステップ又は複数ステップの分析で達成され得る。使用された溶液の一つは、検出され得る発光物質を具備してもよい。発光物質が、すでに導波路領域に吸収されている場合、検体は、また発光成分を含まなくてもよい。検体は、ｐＨバッファ、塩、酸、下地、界面活性剤、粘着性に影響を及ぼす添加物又は染料のような、更なる成分を含んでいてもよい。

検体は、卵の卵黄、体液又はその成分、特に血、血清、プラズマ又は尿のような生物学的媒体であってもよい。それはまた、表面水分、液剤又は、土又は直物の一部のような自然又は合成物質の媒体からの抽出物、生物学的プロセスからの液体又は尿液であってもよい。検体は、薄められていないか、溶媒を添加して用いられうる。

光は、例えば、発光物質からの放射光、直接的に検出されうる散乱光、又は、検出されうる導波路又は導波路構造の端部で導波路又は導波路構造から放出された光等、異なる位置で同様に検出されることが可能である。

３３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内の波長の発光を有する発光染料（例えば、ローダミン、フルオレセイン誘導体等を含む染料）を機能的にする発光成分が用いられてもよい。

同一波長の光で、異なる放射波長を有する光によってすべてを励起させることができる、異なるフルオレセイン染料の使用は有利であるかもしれない。

検体は、安定しているとき導波路構造２０５と接触させられるか、又は継続してそれらを透過させることが可能であり、開かれた又は閉じた循環とすることできる。

一過性に励起した発光又は散乱光又は光強度の損失は、フォトダイオード、フォトセル、光電子増倍管、ＣＣＤカメラ、及び、ＣＣＤ列又はＣＣＤアレイのような検出アレイにより検出され得る。光は、それを検出するために、ミラー、プリズム、レンズ、フレネルレンズ、及びグレーテッド−インデックスレンズのような光素子を用いてその素子の方に向けて投影され得る。

図６では、光導波路６００の更なる実施形態が図示されている。導波路構造２０５について既に記載したように、導波層２２０に加えて１又はそれ以上の更なる層が含まれてもよい。この実施形態では、中間層６１０が導波層２２０と第１の層２１０との間に形成されている。この中間層６１０は、第１の層２１０への導波路構造２０５の接着を高めるか、又は粗さのような表面特性を改善し得る。中間層６１０は、一つの層又は複数の下位層からなっていてもよい。

図７では、さらに、光導波路７００の更なる実施形態は図示されている。この実施形態では、導波路構造２０５は、導波層２２０のトップに更なる層７１０を含む。更なる層７１０は、例えば、表面張力、表面粗さのような表面特性を適合するため、耐摩耗性の向上のため、又は、図５のセンサアレンジメント中で検体５３０用に使われた化学薬品に対して導波層２２０を保護するため等に用いられ得る。更なる層７１０は、使用される波長の範囲で低吸収係数を持つ光透過物質であってもよい。例えば、約２．１の屈折指数を持つＴａ_２Ｏ_５（酸化タンタル）の薄膜が、更なる層７１０用に使用されてもよい。この導波路構造２０５の光特性は、ＺｎＳ−ＳｉＯ_２をベースとした単一導波層２２０の光特性と比較することができ、耐化学性が良くなる。更なる層７１０のために他の可能な物質システムが具備され得、ＴｉＯ_２（酸化チタン）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、又はＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）に限られない。更なる層７１０は、一つの層又は複数の下位層からなっていてもよい。

更なる層７１０の厚さは、求められる機能性に依存しているが、最も多くのケースでは、それが導波路の機能性を阻害しないようにできるだけ小さくすべきである。例えば、使われる化学薬品に依存するが、ＺｎＳ−ＳｉＯ_２をベースとした導波層２２０の耐化学性を向上するために、更なる層７１０としてのＴａ_２Ｏ_５の１０ｎｍの層は満足し得る。それゆえ、更なる層７１０の厚さは、１と１０００ｎｍとの間で選ぶことができ、２と２０ｎｍとの間がより好ましい。

更なる層７１０のために用いられる物質は、中間層６１０に対しても同様に用いられ得る。また、導波路構造は、導波層２２０に加えて中間層６１０及び更なる層７１０を含むことができる。

図８ａでは、入力光の波長に依存する屈折指数の測定値の関連が図示されている。６０ｎｍの導波路レイヤの厚さと硫化亜鉛（ＺｎＳ）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）との割合が８０：２０（ｗｔ％）であるサンプルで値が測定されている。グラフは、３５０ｎｍの波長でｎ＝２．４から９５０ｎｍの波長でｎ＝２までの屈折指数の減少を示している。

図８ｂでは、入力光の波長に依存する吸収係数ｋの測定値の関連が図示されている。図８ａと同じサンプル、すなわち、６０ｎｍの導波路レイヤの厚さと硫化亜鉛（ＺｎＳ）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）との割合が８０：２０（ｗｔ％）であるサンプルで値が測定されている。グラフは、３５０ｎｍの波長で１０^−１から９５０ｎｍの波長で１０^−５までの吸収係数の減少を示している。

新規な光導波路及び光導波路を製造する方法が提供され、低吸収損失で高成膜レートの光導波路をもたらす。それゆえ、そのような光導波路の製造コストを効果的に低減することができる。

Claims (18)

1. 第１の屈折指数をもつ第１の層と、
   前記第１の層上の導波路構造とを備え、
   前記導波路構造は、プレーナ構造であり、硫化亜鉛−二酸化ケイ素（ＺｎＳ−ＳｉＯ_２）を含む導波層を含み、前記導波層は、前記第１の屈折指数より高い屈折指数を持つ光導波路。
2. 基板を更に備え、
   前記第１の層が前記基板と前記導波路構造との間にサンドイッチされ、前記基板は、ガラス、ポリマー又は半導体物質から形成されている請求項１に記載の光導波路。
3. 前記第１の層は、ガラス、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、半導体物質又はポリマーから形成されている請求項１または２に記載の光導波路。
4. 第２の屈折指数をもつ金属被覆層を更に備え、前記導波路構造は、前記金属被覆層と前記第１の層との間にサンドイッチされ、前記第２の屈折指数は、前記導波層の前記屈折指数より低い請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路。
5. 前記導波路構造は、前記導波層と前記第１の層との間に形成された中間層を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導波路。
6. 前記導波路構造は、前記導波層のトップに形成された更なる層を含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の光導波路。
7. プレーナ光導波路と、
   前記プレーナ光導波路に結合される光を供給するように構成された光源と、
   前記光に基づき補助信号を検出するように構成されたセンサと、
   前記センサに接続され、前記補助信号の評価から前記プレーナ光導波路のトップに適用された検体の予め定められたパラメータを決定するように構成されるプロセッサと、
   を備えるセンサアレンジメントであって、
   前記プレーナ光導波路は、
   第１の屈折指数をもつ第１の層と、
   前記第１の層上のトップ上のプレーナ導波路構造と、を含み、
   前記導波路構造は、硫化亜鉛−二酸化ケイ素（ＺｎＳ−ＳｉＯ_２）を含み、かつ、前記第１の屈折指数より高い屈折指数を有する導波層を含むセンサアレンジメント。
8. 第１の屈折指数をもつ第１の層を形成し、
   前記第１の層上に導波路構造を成膜し、
   前記導波路構造は、プレーナ構造であり、硫化亜鉛−二酸化ケイ素（ＺｎＳ−ＳｉＯ_２）の導波層を含み、前記第１の屈折指数は、前記導波層の屈折指数より低い光導波路を製造する方法。
9. 前記導波路構造を成膜する前記ステップの間であって、前記導波層が第１中間層上に成膜される前に、前記第１の中間層が前記第１の層上に成膜される請求項８に記載の方法。
10. 前記第１の層は、ガラス、ポリマー又は半導体物質から形成された基板である請求項８または９に記載の方法。
11. 前記導波路構造を成膜する前記ステップの前に、基板に前記第１の層を成膜することを更に含む請求項８または９に記載の方法。
12. 前記基板は、ガラス、ポリマー又は半導体物質から形成されている請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の層は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から形成されている請求項８〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記導波路構造を成膜する前記ステップは、物理気相成膜プロセス、イオンプレーティングプロセス、蒸着プロセス、化学気相成膜プロセス、プラズマエンハンスド化学気相成膜プロセス、及びスパッタリングプロセスのグループからの一プロセスにより遂行される請求項８〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記導波路構造を成膜する前記ステップは、スパッタリングプロセスにより遂行され、前記スパッタリングプロセス中、硫化亜鉛（ＺｎＳ）ターゲット又は硫化亜鉛−二酸化ケイ素（ＺｎＳ−ＳｉＯ_２）ターゲットが使用される請求項８〜１３に記載の方法。
16. 前記導波層内での硫化亜鉛（ＺｎＳ）の含有量は、７０％と９０％との間である請求項８〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記導波路構造を成膜する前記ステップの間に、更なる層が前記導波層上に成膜される請求項８〜１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記導波路構造のトップに第２の屈折指数をもつ第２の物質の金属被覆層を成膜し、前記第２の屈折指数は、前記導波層の前記屈折指数より低い請求項８〜１７のいずれか１項に記載の方法。

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