説明

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

硫化亜鉛−二酸化ケイ素(ZnS−SiO)の導波層が第1の層(210)上に成膜され、前記第1の層の第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が提案される。プレーナ光導波路と、光源と、センサと、前記プレーナ導波路のトップに検体を与えるためのアプリケーションユニットと、センサに接続されたプロセッサとを具備するセンサアレンジメントが、同様に提供される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
さらに、実施形態が、従属請求項で定義される。
【0008】
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。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一実施形態のメインステップを示す。
【図2】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。
【図3】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。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】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。
【図7】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。
【図8a】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。
【図8b】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。
【発明を実施するための形態】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
ステップS102において、硫化亜鉛(ZnS)−二酸化ケイ素(SiO)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)の物質はまた、(ZnS)100−x−(SiO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。
【0014】
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。
【0015】
導波層に使われるZnS−SiO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)のそれぞれの量に依存する。もしもっと二酸化ケイ素(SiO)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)の物質系に対しては、ほぼ直線的に1.85まで減少する。
【0016】
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。
【0017】
第1の層はまた、例えば、窒化酸化ケイ素(SiON)、SiCON)又はSiCO等のシリコンベースの物質であってもよい。
【0018】
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)である。
【0019】
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。
【0020】
ZnS−SiOの屈折係数は約2であり、例えば、SiO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の導波層の屈折係数より低いという条件は満たされる。
【0021】
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及びTiO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の減衰は、蒸着プロセスにより成膜されるTa及びTiOの層と比較可能である。
【0022】
スパッタリングプロセス内では、ZnS又はZnS−SiOから形成されたターゲットが用いられてもよい。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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(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(酸化チタン)、Si(窒化ケイ素)、又はSiO(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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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)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。
【0045】
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)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。
【0046】
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。



【特許請求の範囲】
【請求項1】
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、硫化亜鉛−二酸化ケイ素(ZnS−SiO)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。
【請求項2】
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1に記載の方法。
【請求項3】
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1または2に記載の方法。
【請求項4】
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1または2に記載の方法。
【請求項5】
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4に記載の方法。
【請求項6】
前記第1の層は、二酸化ケイ素(SiO)から形成されている請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
【請求項7】
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1〜6のいずれか1項に記載の方法。
【請求項8】
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)ターゲットが使用される請求項1〜6に記載の方法。
【請求項9】
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1〜8のいずれか1項に記載の方法。
【請求項10】
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1〜9のいずれか1項に記載の方法。
【請求項11】
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1〜10のいずれか1項に記載の方法。
【請求項12】
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、硫化亜鉛−二酸化ケイ素(ZnS−SiO)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。
【請求項13】
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12に記載の光導波路。
【請求項14】
前記第1の層は、ガラス、二酸化ケイ素(SiO)、半導体物質又はポリマーから形成されている請求項12または13に記載の光導波路。
【請求項15】
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12〜14のいずれか1項に記載の光導波路。
【請求項16】
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12〜15のいずれか1項に記載の光導波路。
【請求項17】
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12〜16のいずれか1項に記載の光導波路。
【請求項18】
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)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。

【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8a】
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【図8b】
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【公表番号】特表2011−521278(P2011−521278A)
【公表日】平成23年7月21日(2011.7.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−505378(P2011−505378)
【出願日】平成21年2月18日(2009.2.18)
【国際出願番号】PCT/EP2009/001145
【国際公開番号】WO2009/132726
【国際公開日】平成21年11月5日(2009.11.5)
【出願人】(595044111)ソニー デーアーデーツェー オーストリア アクチェンゲゼルシャフト (21)
【氏名又は名称原語表記】Sony DADC Austria AG
【Fターム(参考)】