共同Nb₂O₅-Siハイブリッド水平スロット導波路の検討

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る。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る。本研究では、五酸化ニオブ(Nb₂O₅)とシリコン(Si)の2つの異なる高屈折率材料に挟まれた低屈折率領域に光を閉じ込めるNb₂O₅-Siハイブリッド水平スロット導波路を製作するために、3種類の材料を一度に加工するドライエッチング条件の検討を目的とした。

Nb₂O₅-Siハイブリッド水平スロット導波路の構造図を図１に示す。電子デバイスとの集積化も可能なSi導波路をベースとし、上部の高屈折率材料にNb₂O₅を用いている構造である。低屈折率領域を二酸化シリコン(SiO₂)としたSiO₂-slotの間に中空のAir-slotを形成することで、センサとしての応用が可能となる。

先行研究をもとにNb₂O₅のリブ型導波路エッチング条件の検討を行った。高パワー(500W)で行うことにより底面荒れを抑え、ガス圧(6Pa)用いて条件出しを行った。エッチング条件では主に流量比(CF4:Ar[sccm])を変え、Arガスを増やしてドライエッチングを行うことで垂直性の良い条件を検討した。検討を行った結果を図2に示す。

この結果から垂直性もよく底面荒れも少ない条件(b)を用いて次の研究を行った。

Nb₂O₅-Siハイブリッド水平スロット導波路はSi- SiO₂- Nb₂O₅の三層構造を一度にドライエッチングを行って形成する。これらの材料はそれぞれドライエッチング時の削れ方が異なるため、３層を一度に削ることのできるドライエッチング条件が必要である。はじめにNb₂O₅単体で比較的、底面のラフネスが少なく、導波路の垂直性が良いガス雰囲気CF4:Ar=3:7[sccm], 6[Pa],RF(Radio Frequency)電力500[W]の条件でNb₂O₅-Siハイブリッド導波路ドライエッチングを行った。結果、図3(a)では二つの材料を使っているため材料の違いにより垂直性が側壁角度約70°となった。そのためガス流量比を変更して検討を行った。結果を図3の(b)(c)(d)に示す。

側壁角度はそれぞれ、約70°、約73°、約68°となった。次に図3(a)(d)のガス圧を変更した。ガス流量比でドライエッチング後のSEM観察を図4に示す。

図4より、ガス圧を6Paよりも高くすることより垂直性が改善する。一方、ガス圧を高くすると、底面荒れが大きくなる傾向にあることが分かった。

Grating構造は導波路パターンと同時形成できるVertica Gratingとし、Gratingの同期はFEMC(Finite-Element-Method)により見積も等価屈折率(n=1,…)を用いてBragg波長が1525nmとなるようにΛ=350nmとした。ドライエッチング後の導波路断面を図5(a)にAir Slot形成後のGratingのSEM観察を図5(b)に示す。

結果として、Grating部分のAir-slotの形成に成功した。

Nb₂O₅とNb₂O₅ 𝑆iハイブリッド水平スロット導波路のドライエッチング条件を検討し、従来よりも垂直の良好な条件が得られた。また、Grating構造を有する水平スロット導波路の一部分にAir-Slotを形成することに成功した。今後はGrating構造を有するハイブリッド水平スロット導波路のセンサとしての展開が見込まれる。