(57)【要約】      （修正有）【課題】センサ応用が可能な光導波路構造体を提供する。【解決手段】リブ型のコア層１０６を有する光導波路構造体であって、コア層に光の伝搬方向の一部を貫通するスロット１０８が形成されていることを特徴とする、光導波路構造体が提供される。スロットは、光の伝搬方向に延在し、コア層の幅方向を貫通する開口断面が矩形状の空隙部であり、コア層は、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる群から選択される高屈折率酸化物で形成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リブ型のコア層を有する光導波路構造体であって、該コア層に光の伝搬方向の一部を貫通するスロットが形成されていることを特徴とする、
光導波路構造体。
【請求項２】
前記スロットは、
前記光の伝搬方向に延在し、前記コア層の幅方向を貫通する開口断面が矩形状の空隙部である、
請求項１に記載の光導波路構造体。
【請求項３】
前記スロットの厚みが５ｎｍ〜１００ｎｍである、請求項１または２に記載の光導波路構造体。
【請求項４】
前記コア層が、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる群から選択される高屈折率酸化物で形成されていることを特徴とする、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路構造体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の前記光導波路構造体の前記スロットをセンシング領域とする光導波路型センサ。
【請求項６】
リブ型のコア層に光の伝搬方向の一部を貫通するスロットが形成されている光導波路構造体を製造する方法であって、
アンダークラッド層となる低屈折率層の上にコア層となる高屈折率層を形成する工程と、
前記高屈折率層の上に前記スロットを形成するための犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層を埋め込むように前記高屈折率層を増厚化する工程と、
増厚化された前記高屈折率層の上に前記リブ型のコア層の上面形状に対応するマスク層を形成する工程と、
増厚化された前記高屈折率層の前記マスク層に覆われていない領域を選択的にドライエッチングして、該高屈折率層に埋め込まれた前記犠牲層を露出させる工程と、
前記犠牲層を選択的にウェットエッチングする工程と、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路構造体に関し、より詳細には、センサ応用が可能な光導波路構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
スロット導波路は、２つの高屈折率媒質に挟まれたナノオーダーの低屈折率領域（スロット）に光電界が局在する構造として知られており、従来の誘電体導波路よりも高密度・高強度な光の閉じ込めが可能なことから、様々なセンサ応用が期待されている（例えば、特許文献１、２）。
【０００３】
しかしながら、従来のスロット導波路は、スロットの形成に際して、数十ｎｍオーダーの幅方向の微細加工を要するため、コストや製造装置の制約を受けるという問題があった。
【０００４】
一方、厚さ方向にスロットが形成された水平スロット導波路は、ＴＭモードにおいて、従来のスロット導波路と同等の強い光の閉じ込めが得られることが知られている。ここで、水平スロット導波路では、薄膜蒸着を利用して厚さ方向にスロットを形成することができ、膜厚によってスロット幅を制御できることから、ナノオーダーの制御を比較的容易になしえるという利点がある。
【０００５】
このような、水平スロット導波路の応用展開として、特許文献３は、水平スロット（低屈折領域）に強く閉じこめられた伝搬モードが形成されることを利用した集光体を開示する。しかしながら、水平スロット導波路構造のセンサ応用に関しては未だ報告がない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１６４２７３号公報
【特許文献２】特開２０１８−３１５９３号公報
【特許文献３】特開２０１４−１２０７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、センサ応用が可能な光導波路構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、センサ応用が可能な光導波路構造体の構成につき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。
【０００９】
すなわち、本発明によれば、リブ型のコア層を有する光導波路構造体であって、該コア層に光の伝搬方向の一部を貫通するスロットが形成されていることを特徴とする光導波路構造体が提供される。
【００１０】
また、本発明によれば、前記光導波路構造体の前記スロットをセンシング領域とする光導波路型センサが提供される。
【発明の効果】
【００１１】
上述したように、本発明によれば、センサ応用が可能な光導波路構造体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の光導波路構造体の構造を模式的に示す図。
【図２】本実施形態の光導波路構造体の製造方法を説明するための図。
【図３】解析に用いた光導波路構造の模式的な断面図。
【図４】リブ型導波路およびスロット付き導波路の光強度分布を示す図。
【図５】リブ型導波路およびスロット付き導波路の規格化光強度分布を示す図。
【図６】スロットの厚みに対して光強度のピークパワーをプロットした図。
【図７】等価屈折率の変化率Δｎｅｆｆ（％）と構造パラメータの関係を示す図。
【図８】本実施形態の光導波路構造体の変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。
【００１４】
図１（ａ）は、本実施形態の光導波路構造体１００の構造を模式的に示す。図１（ａ）に示すように、本実施形態の光導波路構造体１００は、基板１０２と、低屈折率材料で形成されたアンダークラッド層１０４と、高屈折率材料で形成されたコア層１０６を含んで構成されている。
【００１５】
ここで、本実施形態は、基板１０２の材料を限定するものではなく、アンダークラッド層１０４の材料は、適切な低屈折率材料を適宜選択すればよい。一方、コア層１０６の材料は、後述するエッチング条件を満たす高屈折率材料であればよく、このような高屈折率材料としては、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）などの高屈折率酸化物誘電体を挙げることができる。
【００１６】
コア層１０６は、その底部にスペーサー層１０６ａを備えるリブ型の光導波路であり、本実施形態の光導波路構造体１００は、コア層１０６に、光の伝搬方向（ｚ方向）の一部をリブの幅方向（ｘ方向）に貫通するスロット１０８が形成されていることを特徴とする。ここで、スロット１０８は、光の伝搬方向（ｚ方向）に延在する空隙部であって、その開口断面は矩形状であって、ナノオーダーの厚み（ｙ方向の厚み）を有する。
【００１７】
本実施形態の光導波路構造体１００では、図１（ｂ）に示すように、コア層１０６をｚ方向にＴＭ偏光が伝搬するときに、コア層１０６に形成されたスロット１０８内に強い光の閉じこめが起こるため、この現象を利用して、光導波路構造体１００を光導波路型センサとして用いることができ、この場合、スロット１０８がセンシング領域となる。具体的には、コア層１０６をｚ方向にＴＭ偏光が伝搬する状態において、スロット１０８内にセンシング対象Ｓを含む流体（ガスまたは液体）が充填されると、センシング対象Ｓの存在に起因して光導波路の屈折率が変化し、これにより出力特性がシフトする。光導波路構造体１００を用いた光導波路型センサでは、この屈折率変化による出力特性のシフトを検知することで、極微量なセンシング対象Ｓを検出する。なお、屈折率変化を利用するセンサとしては、光導波路構造体１００を組み込んだマッハ・ツェンダー干渉計導波路センサやＤＢＲ共振器型センサ、リング共振器型センサを例示することができる。
【００１８】
加えて、本実施形態の光導波路構造体１００は、非線形相互作用を利用した光導波路型センサとして用いることもできる。具体的には、スロットの壁面に極微量の蛍光物質が付着した際に、スロット１０８に閉じこめられた高い強度の光と蛍光物質の非線形相互作用が生じる。光導波路構造体１００を用いた光導波路型センサでは、この非線形相互作用を利用して極微量な蛍光物質を検出することが可能となる。このような用途では、コア層１０６を可視光透過性の高屈折率材料で形成することで、スロット１０８内で発生した可視光領域の蛍光がコア層１０６内を伝搬して出力側の光ファイバを導波し、検出器で検出される。なお、可視光透過性の高屈折率材料としては、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）など例示することができる。
【００１９】
なお、本実施形態の光導波路構造体１００のスロット１０８の厚みは、その用途に応じて任意の厚みを設定することができ、その厚みは、５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で設定することが好ましい。
【００２０】
以上、本実施形態の光導波路構造体１００の構造について説明してきたが、続いて、図２を参照しながら光導波路構造体１００の製造方法を説明する。なお、以下では、アンダークラッド層（低屈折率層）をＳｉＯ２で形成し、コア層（高屈折率層）をＮｂ２Ｏ５層で形成する場合を例にとって説明する。
【００２１】
（工程１）
Ｓｉ基板の上面にＳｉＯ２層が成膜された成膜基板１０を用意する。この場合、成膜基板１０のＳｉＯ２層が後にアンダークラッド層（低屈折率層）となる。
【００２２】
（工程２）
反応性ＤＣスパッタリングにより、成膜基板１０のＳｉＯ２層（低屈折率層）上にＮｂ２Ｏ５をスパッタリングしてＮｂ２Ｏ５層１２（高屈折率層）を形成する。その後、反応性ＤＣスパッタリングにより、Ｎｂ２Ｏ５層１２の上にＳｉＯ２をスパッタリングしてＳｉＯ２層１３を形成する。このとき、ＳｉＯ２層１３の厚みｄが、目的のスロットの厚みに一致するようにＳｉＯ２層１３を形成する。
【００２３】
（工程３）
ＳｉＯ２層１３の上に、矩形のレジストパターン１４を形成する。このとき、レジストパターン１４の長さＬが、目的のスロットの光の伝搬方向（ｚ方向）の長さに一致するようにレジストパターン１４を形成する。
【００２４】
（工程４）
形成されたレジストパターン１４をマスクとして、希釈フッ酸を用いて、レジストパターン１４に覆われていない領域を選択的にウェットエッチングし、ＳｉＯ２層１３をパターンニングする。
【００２５】
（工程５）
パターンニングされたＳｉＯ２層１３の上に残存するレジストパターン１４を除去する。その結果、厚みｄ、長さＬを有する直方体状のＳｉＯ２層１３がＮｂ２Ｏ５層１２の長手方向の一部に延在するように形成される。本実施形態では、このパターンニングされたＳｉＯ２層１３がスロットのスペースを形成するための犠牲層として機能する。
【００２６】
（工程６）
パターン形成されたＳｉＯ２層１３（犠牲層）を埋め込むように、Ｎｂ２Ｏ５層１２の上にＮｂ２Ｏ５をスパッタリングして増厚化する。これにより、Ｎｂ２Ｏ５層１５が形成される。
【００２７】
（工程７）
反応性ＤＣスパッタリングにより、Ｎｂ２Ｏ５層１５の上にＳｉＯ２をスパッタリングしてＳｉＯ２層１６を形成する。
【００２８】
（工程８）
２層レジストを用いて、ＳｉＯ２層１６の上に、リブ型のコア層（光導波路）の上面形状に対応するスリットを有するレジストパターン１７を形成する。
【００２９】
（工程９）
レジストパターン１７をマスクとして、ＳｉＯ２層１６の上にＣｒ（クロム）を蒸着する。
【００３０】
（工程１０）
レジストパターン１７をリフトオフする。これにより、リブ型のコア層（光導波路）の上面形状に対応する形状を持ったＣｒ薄膜パターン１８がＳｉＯ２層１６の上に現れる。本実施形態では、このＣｒ薄膜パターン１８がドライエチングのマスク層として機能する。
【００３１】
（工程１１）
Ｃｒ薄膜パターン１８をマスクとして、Ｃｒ薄膜パターン１８に覆われていない領域をＲＩＥにより選択的にドライエッチングする。このとき、Ｎｂ２Ｏ５層１５と一緒に、その中に埋め込まれていたＳｉＯ２層１３もエッチングされ、エッチング面にＳｉＯ２層１３の断面が露出する。なお、このエッチング工程では、成膜基板１０の上面に高さｈのＮｂ２Ｏ５層１５がスペーサー層として残される。
【００３２】
（工程１２）
最後に、希釈フッ酸を用いて、Ｃｒ薄膜パターン１８が蒸着したＳｉＯ２層１６とＮｂ２Ｏ５層１５の中に埋め込まれたＳｉＯ２層１３（犠牲層）をウェットエッチングする。このとき、ＳｉＯ２のエッチングレートが７８[ｎｍ／ｍｉｎ]であるのに対し、Ｎｂ２Ｏ５のそれが０．３６[ｎｍ／ｍｉｎ]であることから、ＳｉＯ２層１３が選択的にエッチングされる。その結果、ＳｉＯ２層１３が占有していた領域が空隙（すなわち、スロット１０８）として形成され、光導波路構造体１００が得られる。
【００３３】
上述した製造方法は、スロットのスペースを形成するための犠牲層が埋め込まれた高屈折率層を、犠牲層とともにドライプロセスで一括エッチングした後に、エッチング面に露出した犠牲層のみをウェットプロセスで選択エッチングするところに特徴がある。したがって、上述した高屈折率層および犠牲層の材料は、以下の条件を満たす必要がある。
【００３４】
すなわち、高屈折率層の材料は、ドライプロセスでエッチングされ、かつ、ウェットプロセスではエッチングされない(エッチングされにくい)材料である必要があり、先に挙げた高屈折率酸化物誘電体（Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ２Ｏ５）は、ウェットエッチングされにくい化学的に安定な材料としてこれに相当する。
【００３５】
一方、犠牲層の材料は、ドライプロセスでエッチングされ、かつ、ウェットプロセスでもエッチングされる(エッチングされやすい)材料である必要がある。なお、犠牲層は、最終的には完全に除去されるものなので、必ずしも低屈折率材料である必要はなく、上述したエッチング条件を満たす限りにおいて、酸化物誘電体の他、金属や半導体、樹脂材料などを用いることができる。犠牲層の材料としては、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、シリコン（Ｓｉ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、アルミニウム（Ａｌ）、酸化ニオブ（ＮｂＯｘ）、ニオブ（Ｎｂ）、ＳｉＣｘＯｙなどを例示することができる。
【００３６】
なお、上述した説明では、ウェットプロセスでエッチング溶液として希釈フッ酸を用いたが、エッチング溶液は、これに限定されず、犠牲層の材料に応じて、それを溶かすことができる溶液（たとえば、塩酸、硫酸、水酸化ナトリウムなど）を適宜選択すればよい。
【００３７】
以上、本実施形態の光導波路構造体１００の製造方法を説明してきたが、続いて、光導波路構造体１００の特性について説明する。
【００３８】
本実施形態の光導波路構造体１００の特性を評価すべく有限要素法を用いて解析を行った。図３は、解析に用いた光導波路構造の模式的な断面図であり、図３（ａ）は、スロットを有しないリブ型の光導波路構造体（以下、リブ型導波路という）の断面構造を示し、図３（ｂ）は、本実施形態の光導波路構造体１００（以下、スロット付き導波路という場合がある）の断面構造を示す。
【００３９】
解析に際し、リブ型導波路については、コア層の高さ８００ｎｍ、導波路幅３００ｎｍ、スペーサー層の高さ１００ｎｍと定義する一方で、スロット付き導波路については、導波路幅をｗ、スロットの厚みをｄ、スロットの上下に位置するコア層の高さをｈｃ、スペーサー層の高さを１００ｎｍと定義した。加えて、リブ型導波路およびスロット付き導波路は、いずれも、アンダークラッド層であるＳｉＯ２層の上にＮｂ２Ｏ５（屈折率：２．３３）で形成されたコア層が配置されているものと仮定して解析を行った。
【００４０】
＜光強度分布解析＞
上部クラッドおよびスロット付き導波路のスロット内の媒質を空気（屈折率：１．００）と仮定して、リブ型導波路およびスロット付き導波路のそれぞれについて、ＴＭモードにおける光強度分布を解析した。なお、光強度分布の計算にあたっては、それぞれの光強度のピーク値が「１」となるように正規化した。
【００４１】
図４（ａ）は、リブ型導波路の光強度分布(Ｅｙ成分)を示し、図４（ｂ）は、ｗ＝３００ｎｍ、ｄ＝１０ｎｍ、ｈｃ＝４００ｎｍと定義した場合におけるスロット付き導波路の光強度分布(Ｅｙ成分)を示す。リブ型導波路では、図４（ａ）に示すように、ｚ方向に伝搬する光がｙ方向に局在していないのに対して、スロット付き導波路では、図４（ｂ）に示すように、ｚ方向に伝搬する光がスロットの位置に閉じこめられていることが見てとれる。
【００４２】
さらに、リブ型導波路とスロット付き導波路の光強度分布を正しく比較するべく、それぞれの導波路内にある光強度の積分値（すなわち、光パワー）が等しくなるように係数をかけて光強度分布を規格化した。以下、これを規格化光強度分布という。なお、規格化にあっては、代表値としてｘ方向の中心位置における光強度分布を計算した。
【００４３】
図５（ａ）は、リブ型導波路の規格化光強度分布を示し、図５（ｂ）は、スロット付き導波路の規格化光強度分布を示す。リブ型導波路では、図５（ａ）に示すように、ブロードなピークが現れたのに対して、スロット付き導波路では、図５（ｂ）に示すように、スロットの位置で非常にシャープなピークが現れ、そのピーク値は、リブ型導波路のそれの約３．８倍であった。
【００４４】
スロットの厚みｄについて、５ｎｍを最小値とし、５ｎｍ刻みで条件を変えて規格化光強度分布を計算したところ、ｄ＝２５ｎｍまでの範囲でスロット内でのモード励起が確認された。図６は、スロットの厚みｄの条件に対して光強度のピークパワーをプロットした図である。図６に示す結果から、スロットの厚みｄが小さくなるほど、光強度のピークパワーが増加することが見てとれる。
【００４５】
＜等価屈折率変化率の構造依存性解析＞
上述したリブ型導波路とスロット付き導波路について、ＴＭモードでの導波解析を行い、等価屈折率の変化率の構造依存性を解析した。解析にあたっては、上部クラッドおよびスロット内に媒質として水（屈折率：１．３３）が充填されているものとし、媒質の屈折率が１．３３から１．３４に変化した場合（変化率０．７５２％）を想定した。
【００４６】
解析にあたっては、スロットの上下に位置するコア層の高さｈｃについて２つの条件（３６０ｎｍ、５００ｎｍ）を設定し、スロットの厚みｄについて３つの条件（１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ）を設定し、導波路幅ｗについて６つの条件（０．３２μｍ、０．３６μｍ、０．４μｍ、０．４４μｍ、０．４８μｍ、０．５２μｍ）を設定した。
【００４７】
都合３６種類の条件（２ｈｃ×３ｄ×６ｗ）のそれぞれにおいて、媒質（水）の屈折率が１．３３の場合のｚ方向に伝搬する光の等価屈折率ｎｅｆｆ＿１．３３と、媒質（水）の屈折率が１．３４の場合の等価屈折率ｎｅｆｆ＿１．３４をそれぞれ計算して両者の差分Δｎｅｆｆを求め、求めたΔｎｅｆｆをｎｅｆｆ＿１．３３に対する百分率で表した値を等価屈折率の変化率Δｎｅｆｆ（％）として求めた。
【００４８】
図７は、６種類の条件（２ｄ×３ｈｃ）のそれぞれにおける、導波路幅ｗの６種類の条件に対する等価屈折率の変化率Δｎｅｆｆ（％）の値をプロットした図であって、等価屈折率の変化率Δｎｅｆｆ（％）と構造パラメータ（ｈｃ、ｄ、ｗ）の関係を示す。図７に示す結果から、等価屈折率の変化率Δｎｅｆｆ（％）は、スロットの厚みｄに対して正の相関を有する一方で、導波路幅ｗおよびコア層の高さｈｃに対して負の相関を有することが見てとれる。
【００４９】
上述した解析結果から、本実施形態の光導波路構造体１００の特性として、以下のことが導かれる。
【００５０】
本実施形態の光導波路構造体１００を、屈折率変化を利用した光導波路型センサとして用いる場合、センサ感度を向上させるためには、等価屈折率の変化率Δｎｅｆｆ（％）を大きくする必要があり、そのためには、スロット内に閉じ込められる光の光強度の総和（積分値）を大きくする必要がある。したがって、そのような用途では、スロットの厚みを大きくする（すなわち、スロットの断面積を大きくする）ように設計することが望ましい。
【００５１】
一方、本実施形態の光導波路構造体１００を、非線形相互作用を利用した光導波路型センサとして用いる場合、センサ感度を向上させるためには、スロット内に閉じ込められる光の光強度を大きくする必要がある。したがって、そのような用途では、スロットの厚みを小さくする（すなわち、スロットの断面積を小さくする）ように設計することが望ましい。なぜなら、そうすることで、高屈折率媒質と低屈折率媒質の境界条件（すなわち、ｙ方向の電束密度が連続するという条件）が満たされて、低屈折率媒質側で増大した電界（ｙ方向成分）をスロット内に強く閉じ込めることできるからである。
【００５２】
以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうるその他の実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【００５３】
例えば、上述した実施形態では、スロット内に充填される媒質（真空、ガス、液体）が上部クラッドとなる構成を示したが、上述したコア層の上に低屈折率材料からなる上部クラッド層を形成してもよく、その場合、上部クラッド層を有しない構造に比べて、スロットの厚みをより大きくすることが可能となる。
【００５４】
図８は、スロット１０８を有するリブ型のコア層（Ｎｂ２Ｏ５層）の上に上部クラッド層（ＳｉＯ２層）が形成された光導波路構造体１００の変形例を示す。図８に示す変形例では、コア層（Ｎｂ２Ｏ５層）の上に上部クラッド層（ＳｉＯ２層）が形成されるとともに、スロット１０８の前にＳｉＯ２層で囲われた流路が形成されているので、流体（ガス、液体）が当該流路を介してスロット１０８に導入されやすくなっており、検出確率の向上が期待できる。
【符号の説明】
【００５５】
１０…成膜基板、
１２…Ｎｂ２Ｏ５層
１３…ＳｉＯ２層
１４…レジストパターン
１６…ＳｉＯ２層
１７…レジストパターン
１８…Ｃｒ薄膜パターン
１００…光導波路構造体
１０２…基板
１０４…アンダークラッド層
１０６…コア層
１０６ａ…スペーサー層
１０８…スロット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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