33 る。
2 Δ
34
3 － 5 試料作製とモード数の決定
3－5－1 PMMA を用いた試料作製
試料の作製工程は以下のとおりである。手順の概略を図3－3に示した。
1. 石 英 基 板 (19.5mm × 19.5mm × 1mmt) に ポ リ メ チ ル メ タ ク リ レ ー ト (Polymethylmetacrylat：PMMA)(MicroChem Corp.製 950PMMA)を膜厚6.5μmとな るように塗布した。
2.前章4節で述べたスピンコーター(ミカサ株式会社製1H-D7)にて、1350rpmで30秒間ス ピンコートした。
3.ドライオーブン(井内社製DO-300)にて、120℃で2分間ベークを行った。
なお、PMMAの屈折率は、波長589.3nmにおいて1.518である。
図3－3 PMMAを用いたときの屈折率分布 SiO2基板
PMMA
35
3－5－2 伝搬可能なモード数の決定
作製した試料において計算により観測されるモード数を求めた。コアの屈折率を n1、下 クラッドの屈折率をn3として、(3－21)式、(3－25)式を用いると、
1 . 518 1 . 458 27 . 26 10
5 . 10 6 8 . 632
14 . 3 2
2
6 2 29 2
3 2
1
d n n
V
9 1 26 . 14 27 . 3 1 1
1
V
M
となる。よって、伝搬可能なモード数は9 であることが分かる。ただし、コアを PMMA、
下クラッドを石英基板とし、石英基板の屈折率を波長589.3 nmにおいて1.458とした。ま た、モード判定に用いるコアとクラッドの屈折率を、表3－1に示す。
表3－1 モード判定に用いるコアとクラッドの屈折率
3 － 6 導波評価に用いた測定系
PMMA を用いた導波特性の測定系を図 3－4に、試料を乗せたときの状態の概観図を、
図3－5に示す。波長632.8 nmのHe-Neレーザ(独国ラソス社製LGK7628)から放射され るレーザ光を、偏光子によってTE偏波にし、基板に対して平行方向に電界を振動させるよ うにした。そして、レンズ、ミラー、プリズムを通してサンプルに集光させ、PMMA層内 に入射させるようにした。PMMA層に入った光をプリズムによって取り出して、スクリー ンに照射させることにより、モードラインを観測することにした。
なお、入射角の調整を容易にするために、ミラーは角度を変えられるものを用いた。ま た、角度を変えたときでもサンプルに集光できる点を固定するために、レンズは左右に動 かせるものを、ステージの位置を前後左右に動かせるものを用いた。プリズムの屈折率は、
波長632.8nmにおいて、1.71021である。
コア (PMMA)
クラッド (石英基板)
1.518 1.458
36
図3－4 PMMAの導波測定の測定系
図3－5 試料を乗せた状態の測定系(プリズム1個の場合)
レンズ F=22cm
偏光子 (TE 波)
サンプル ミラー( 角度可変)
プリズム
（屈折率：1.71021 ） ステージ
( 位置可変)
スクリーン He-Neレーザ (λ =632.8nm)
偏光子
凸レンズ(左右可変)
ミラー(角度可変) He-Ne レーザ
(λ =632.8nm)
試料ステージ(前後左右可変) スクリーン
37
3 － 7 導波評価の結果
図3－5に示した測定系でのPMMAを用いた光導波の結果を、図3－6に示す。
図3－6 PMMAの光導波の結果
図3－6では、モードラインが出ていないのが確認できる。これは、プリズムとサンプル の間にわずかに空気の層があり、そこで光の散乱が発生していることにより、モードライ ンが観測できなかったのではないかと考えた。そこで、空気の層を埋めるためにマッチン グ液を用いることにした。用いたマッチング液はFUSED SILICA MATCHING LIQUID CODE 50350(CARGILE LAB. Inc. 製)である。この液体の屈折率は、波長632.8nmにお いて、1.4571である。マッチング液を使用したときの光導波の結果を図3－7に示す。
図3－7 マッチング液を使用したときの光導波の結果
図3－7を見ると、モードラインが3本見えていることが確認できた。下からTE0モード、
TE1モードとして、各モードに対して、本章3節で示した方法により等価屈折率を求めた結 果を、表3－2に示す。
38
表3－2 図3－7における各モードと等価屈折率
モード 等価屈折率 モード 等価屈折率
TE0 1.454 TE2 1.450
TE1 1.454
表3－1を見ると、TE0モードからTE2モードまでの全ての等価屈折率に対して、放射モ ードになっていることが確認できた。その原因として、マッチング液の屈折率が低かった ことが挙げられるのではないかと考えた。そこで、PMMA、石英基板より屈折率の高いマ ッチングジェルを用いることにした。マッチングジェルは、SMART GEL OCK-451(Nye Lubricants Inc.製)である。この物質の屈折率は波長589.3nmにおいて、1.5182である[19]。
マッチングジェルを使用したときの光導波の結果を、図3－8に示す。
図3－8 マッチングジェルを使用したときの光導波の結果
図3－8を見ると、モードラインが 13本観測されているのが確認できる。このモードラ インを、下からTE0モード、TE1モードとして、各モードに対して、本章3節で示した方 法で等価屈折率を求めた結果を、表3－3に示す。
39
表3－3 図3－8におけるモードと等価屈折率
モード 等価屈折率 モード 等価屈折率
TE0 1.511 TE7 1.488
TE1 1.506 TE8 1.479
TE2 1.499 TE9 1.476
TE3 1.500 TE10 1.466
TE4 1.497 TE11 1.460
TE5 1.493 TE12 1.460
TE6 1.489
表 3－3 を見ると、TE0モードからTE12モードまでの全ての等価屈折率に対して、導波 モードになっていることが確認できたが、計算により算出したモード数を超えていること が確認できた。モード数が13本見えた要因として、マッチングジェルを使用したことによ り、ジェルが導波路のコアと同じ役割を果たしてしまったと考えた。このことから、ジェ ルがコアとしての役割を果たさないよう、測定系の検討を行った。
40
3 － 8 検討後の測定系
検討後の測定系を図3－9に示す。この測定系は、検討前の測定系の違いとして、プリズム を2個使用したことが挙げられる。レンズ、ミラー、入力プリズムによって、PMMA薄膜 に集光し、PMMA薄膜中を導波させる。導波した光を出力プリズムで取り出し、スクリー ンに照射することでモードラインを観測した。入力プリズムと出力プリズムの間に空気の 層(マッチングに使う物質がない領域)を設けることで、マッチング物質が導波路のコアとし ての役割を持つことを防げると判断した。
なお、入力プリズムと出力プリズムの屈折率は、プリズム1個の場合と同様、波長632.8nm において1.71021である。
図3－9 試料を乗せた状態の測定系(プリズム2個の場合)
レンズ F=22cm
偏光子
(TE 波)
サンプル ミラー( 角度可変)
出力プリズム
（屈折率：1.71021 ） ステージ
( 位置可変)
スクリーン He-Neレーザ (λ =632.8nm)
入力プリズム
（屈折率：1.71021 ）
41
3 － 9 検討後の測定系の評価結果
図3－9の測定系で、マッチングジェルを適用したときの光導波の結果を図3－10に示す。
なお、マッチングジェルは、SMART GEL OCK-451(Nye Lubricants Inc.製、屈折率：1.5182 (波長589.3nm))を用いた[19]。
図3－10 マッチングジェルを用いたときの光導波の結果
図 3－10 を見ると、モードラインが出ているようにも見えるが、はっきり出ていないた め、判別できないという結果に至った。
そこで、空気の層を埋めるための物質を、マッチングジェルからヨウ化メチレン(関東化 学株式会社製 屈折率 1.737)に変更し導波特性を行った。ヨウ化メチレンを使用したとき の光導波の結果を、図3－11に示す。
図3－11 ヨウ化メチレンを使用したときの光導波の結果
図3－11を見ると、モードラインが6本観測されているのが確認できる。このモードラ インを、下からTE0モード、TE1モードとして、各モードに対して本章3節で示した方法 で等価屈折率を求めた結果を、表3－4に示す。
42
表3－4 図3－11の各モードにおける等価屈折率
表3－3を見ると、TE0モードからTE5モードまでの全ての等価屈折率に対して、導波モ ードになっていることが確認できた。また、入力プリズムと出力プリズムの間に空間を作 り、マッチングジェルを使わない領域を設けたことにより、ジェルが導波路のコアとして の役割を果たしていた問題は解決したと考えられる。以上の結果から、膜厚と屈折率を算 出することにした。屈折率の算出結果を表3－5に示す。
表3－5 モードラインより算出した膜厚及び屈折率
膜厚 屈折率 4.61 μm 1.503
この結果から、膜厚の測定値、及び屈折率のカタログ値と比較したところ、膜厚は実測 値と異なる値が出たが、屈折率はカタログ値と約1%の誤差があることが分かった。
モード 等価屈折率 モード 等価屈折率
TE0 1.501 TE3 1.481
TE1 1.497 TE4 1.477
TE2 1.489 TE5 1.464
43
3 － 10 まとめ
本章では、プリズムカプラを用いた、測定系の確立を目指した。測定系の確立の判定は、
膜厚6.5μmのPMMA薄膜を塗布した石英基板の導波特性を調べ、算出した屈折率、膜厚
を、それぞれカタログ値、実測値と比較することにした。
プリズムカプラを用いてPMMA薄膜を導波させるときに、試料とプリズム間に何も付け なかったときは、モードラインを観測できなかったが、試料とプリズム間にマッチング液 を付けることで、モードラインを観測できた。しかし等価屈折率を導出した結果、放射モ ードであった。そこで、マッチングに使う物質を屈折率の高いマッチングジェルにしたと ころ、導波モードとなったことから、マッチングに使う物質は屈折率の高い物質にする必 要があることが分かった。マッチングジェルにしたことで、ジェルの層が導波層となって しまい、モードラインが多く出てしまったが、測定系の検討及びマッチングに使う物質を ヨウ化メチレンに変更したことにより、解決することが出来た。
等価屈折率から、屈折率と膜厚を計算し、カタログ値、実測値と比較したところ、屈折 率の誤差が、カタログ値と約1%となった。
この結果から、今後は試料をイオン注入基板にし、プリズムカプラを用いた導波実験の 試みが課題である。
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