共同Nb₂O₅とSiを用いた水平スロット導波路の製作

光導波路の屈折率変化を利用する導波路形センサは小型・高感度・迅速な検出という点から注目されています。スロット導波路は2つの高屈折率媒質に挟まれたナノメートルの低屈折率領域(スロット)に光電界が局在する構造で、従来の誘電体導波路より高密度・高強度な光の閉じ込めが可能なため、様々なセンサへの応用が期待できます。薄膜により厚さ方向にスロット導波路構造を形成する水平スロット導波路は、各領域の微細化・均質化が比較的容易です。本研究では、酸化物誘電体Nb₂O₅とSiを用いたハイブリッドな水平スロット導波路構造を考案し、光導波路センサ応用に向けた基礎研究を行いました。

有限要素法(FEM)をベースにしたFemSIMというシミュレータを用いて断面光強度分布の解析を行った。導波路断面のモデル図を図1、断面光強度分布を図2に示す。素子のパラメータを決定するために導波路幅w、Nb₂O₅厚x、スロット層厚hをそれぞれ変更して解析を行った。固定値としてSi層220nm、Si層の削り量150nmとした。解析結果を図3に示す。

解析の結果、ピーク強度はスロット層厚に依存し、スロット層が薄いほど高い値を得る。導波路幅400nm、Nb₂O₅膜厚300nmで高いピーク強度を得られた。スロット層厚が薄いと観察が困難であるためスロット層厚を20nmに設定して導波路製作を行う。決定したパラメータでのモデル図を図4、分布図を図5に示す。

Nb₂O₅、SiO₂、Siの異なる材料を削るためエッチング時間の検討を行った。条件をCF₄:Ar=8:2sccm、ガス圧6Pa、RF電力100Wとした。時間をそれぞれ35分、30分、27分で行った。結果、35分では平均580nm、30分では平均466nm、27分では平均406nmであった。設計した450nmに近い30分で製作を行った。

DCスパッタリング装置でSi層220nmのSOIウェハにSiO₂20nm、Nb₂O₅300nm成膜した。エッチング条件をガス圧6Pa、雰囲気CF₄:Ar=８:2sccm、RF電力100Wエッチング時間35分と30分でドライエッチングを行った。35分の基板は素子長6.6mm波長1525nm1575nmのTMモードでの測定結果を図6、7に30分の基板は素子長6.5mm同条件での測定結果を図8、9に示す。

Nb₂O₅-Si水平スロット導波路で光の導波を実証した。

理論解析ではNb₂O₅-Si水平スロット導波路においてスロット層での光の閉じ込めを確認した。また、Nb₂O₅-Siのハイブリッド構造のSiO₂-Slot導波路において光の導波の実証をした。
今後の課題として、低損失化とセンサデバイスとして動作させるために底面荒れの少ないエッチング条件の検討が必要である。