JP4887342B2 - Dielectric waveguide and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、誘電体導波路及びその製造方法に係り、特にミリ波と呼ばれる周波数が数10から数100ギガヘルツである電磁波の伝送に必要な誘電体導波路及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a dielectric waveguide and a method for manufacturing the same, and more particularly to a dielectric waveguide required for transmission of an electromagnetic wave having a frequency of several tens to several hundreds of GHz called a millimeter wave and a method for manufacturing the same.
近年、高周波エレクトロニクスの発展により、ミリ波と呼ばれる周波数が数10から数100ギガヘルツの電磁波応用が注目されている。ミリ波技術は、これまで宇宙天文学やプラズマ物理学等の学術分野で活用されてきたが、高周波技術の発展により、最近は車載レーダ、高速無線ＬＡＮ、画像伝送、危険物検査等の民生技術への適用も行われはじめている。 In recent years, with the development of high-frequency electronics, electromagnetic waves with a frequency of several tens to several hundreds of gigahertz, which are called millimeter waves, are attracting attention. Millimeter-wave technology has been used in academic fields such as space astronomy and plasma physics, but with the development of high-frequency technology, it has recently become a consumer technology such as in-vehicle radar, high-speed wireless LAN, image transmission, and dangerous goods inspection. Has begun to be applied.
ミリ波は、光波としての性質が強く、その伝送には光波に対するのと同様に導波路が用いられる。ミリ波の導波には平行２線（レッヘル線）、同軸線、ストリップ線に代表される２導体系伝送路、中空導波管、誘電体導波路等のマイクロ波伝送技術が用いられる。２導体系伝送路及び中空導波管は、導体が電磁波を反射することを利用してミリ波を導波する。誘電体導波路は、屈折率が異なる誘電体の界面で電磁波が反射されることを利用するものであり、光ファイバーと同じ原理によりミリ波を伝送する。これらの従来技術は、たとえば内藤著「マイクロ波・ミリ波工学」（コロナ社、1986年）に示されている。 The millimeter wave has a strong property as a light wave, and a waveguide is used for the transmission in the same manner as for the light wave. Microwave transmission techniques such as two-conductor transmission lines represented by parallel two lines (Lechel lines), coaxial lines, and strip lines, hollow waveguides, dielectric waveguides, and the like are used for millimeter wave guiding. The two-conductor transmission line and the hollow waveguide guide millimeter waves using the fact that the conductor reflects electromagnetic waves. A dielectric waveguide utilizes the fact that electromagnetic waves are reflected at the interface of dielectrics having different refractive indexes, and transmits millimeter waves based on the same principle as that of an optical fiber. These conventional techniques are shown in, for example, “Microwave / millimeter wave engineering” by Naito (Corona, 1986).
ミリ波はマイクロ波より周波数が高いため、２導体系伝送路や導波管等のマイクロ波技術により伝送を行うと伝送損失が大きくなるという問題がある、これは、ミリ波に対しては導体の抵抗はゼロでなく、導体表面でジュール損が発生するためである。
ミリ波の伝送技術としては、これら導体を用いる伝送技術より、導体を用いない誘電体導波路がより適している。誘電体導波路の提案例としては、たとえば特許文献１（特開2005-31574）、特許文献２（特開2004-23697）等がある。誘電体導波路は、屈折率が異なる２種類の誘電体からなり、屈折率が高い誘電体を伝送路（コア）とし、コアの周囲を屈折率の低い誘電体（クラッド）で覆うことにより形成される。誘電体導波路の形成法に関しては、たとえば特許文献３（特開2003-161852）の提案がある。
Since millimeter waves have a higher frequency than microwaves, there is a problem in that transmission loss increases when transmission is performed by microwave technology such as a two-conductor transmission line or a waveguide. This is because the resistance is not zero and Joule loss occurs on the conductor surface.
As a millimeter wave transmission technique, a dielectric waveguide that does not use a conductor is more suitable than a transmission technique that uses these conductors. Examples of proposed dielectric waveguides include, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-31574) and Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-23697). A dielectric waveguide consists of two types of dielectrics with different refractive indices. The dielectric with a high refractive index is used as a transmission line (core), and the periphery of the core is covered with a dielectric with a low refractive index (cladding). Is done. For example, Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-161852) has proposed a method for forming a dielectric waveguide.
誘電体導波路は、一般に伝送損失が小さいが放射損失が大きいという問題点がある。放射損失は、特に屈曲した形状を有する導波路で大きい。放射損失を抑制する誘電体導波路としては、非放射誘電体導波路（Non Radiative Dielectric Guide）が知られている。非放射誘電体導波路は、互いに平行に対向するように配置した２枚の金属板の間に誘電体導波路を保持し、金属板の間隔を導波路中を伝播する電磁波の波長の２分の１以下とした導波路である。非放射誘電体導波路に関しては多くの出願があるが、たとえば特許文献４（特開2004-266380）がある。 A dielectric waveguide generally has a problem that a transmission loss is small but a radiation loss is large. The radiation loss is particularly large in a waveguide having a bent shape. As a dielectric waveguide for suppressing radiation loss, a non-radiative dielectric waveguide (Non Radiative Dielectric Guide) is known. The non-radiating dielectric waveguide holds the dielectric waveguide between two metal plates arranged so as to face each other in parallel, and the distance between the metal plates is one half of the wavelength of the electromagnetic wave propagating in the waveguide. The waveguide is as follows. There are many applications for non-radiating dielectric waveguides, for example, there is Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-266380).
一方、最近では、フォトニック結晶を用いてミリ波をはじめとする高周波を伝送する提案もなされている。フォトニック結晶は、誘電体に空孔を多周期に的に多数形成したものであり、空孔の周期により決まる波長の電磁波を強く反射する。フォトニック結晶のこの性質を利用して電磁波の伝送系を構成した例として、特許文献５（特開2001-230608）がある。 On the other hand, recently, proposals have been made to transmit high frequencies such as millimeter waves using a photonic crystal. A photonic crystal is a dielectric in which a large number of holes are formed in a multi-period, and strongly reflects an electromagnetic wave having a wavelength determined by the period of the holes. Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-230608) is an example in which an electromagnetic wave transmission system is configured using this property of a photonic crystal.
従来の誘電体導波路に関する提案では、導波路コアとクラッドに化学組成が異なる誘電体を用いてコア−クラッド間に屈折率差を形成している。これは、屈折率が化学組成に依存して変化することを利用した提案であるが、異なる誘電体を組み合わせる必要があるため、材料プロセスが複雑であり、複雑な導波路を作成するには適さない。 In the proposal regarding the conventional dielectric waveguide, the refractive index difference is formed between the core and the clad by using dielectrics having different chemical compositions for the waveguide core and the clad. This is a proposal that utilizes the fact that the refractive index changes depending on the chemical composition. However, it is necessary to combine different dielectric materials, so the material process is complicated and suitable for creating a complex waveguide. Absent.
また、フォトニック結晶を用いる導波路は、小型化できないという問題がある。たとえば、空孔の周期性を実現するのに10周期の空孔が必要とすると、60ギガヘルツで波長が５ミリのミリ波に対するフォトニック結晶の長さは5センチとなり、複雑な形状の導波路では必要とされる結晶のサイズはより大きくなる。
このように、従来の誘電体導波路に関する技術は、複雑な形状のミリ波導波路を形成するには適さない。
In addition, there is a problem that a waveguide using a photonic crystal cannot be reduced in size. For example, if 10 holes are required to realize the periodicity of the holes, the length of the photonic crystal for a millimeter wave of 60 GHz and a wavelength of 5 mm is 5 centimeters. Then the required crystal size is larger.
As described above, the conventional technique related to the dielectric waveguide is not suitable for forming a millimeter wave waveguide having a complicated shape.
本発明は、複雑な形状の導波路を形成できるミリ波用誘電体導波路及びその生成方法を提供することにある。 It is an object of the present invention to provide a millimeter-wave dielectric waveguide capable of forming a waveguide having a complicated shape and a method for generating the same.
１．誘電体導波路に係る第１の発明は、誘電体間の屈折率差を利用して電磁波を伝送する誘電体導波路であって、電磁波が導入されるコア部とそのコア部の周囲に配置されたクラッド部とを備え、コア部およびクラッド部が結晶相あるいはアモルファス相のいずれかの相を有する金属酸化物で構成され、コア部とクラッド部を構成する金属酸化物の相が互いに異なることを特徴とする。
２．電子部品装着装置に係る第２の発明は、第１の発明において、コア部とそのコア部の両側面に接して設けられたクラッド部を具備してなる薄膜基板を有し、その薄膜基板の一主面とそれに対向する他主面のそれぞれに金属板がコア部とクラッド部を狭持するように設けられ、金属板の各々の間隔で決定される薄膜基板の厚さが、コア部に導入される電磁波の該コア部中での波長の半分以下であることを特徴とする。
３．電子部品装着装置に係る第３の発明は、第１または２の発明において、金属酸化物を構成するイオンの振動数が、金属酸化物の結晶相とアモルファス相で異なり、コア部を構成する金属酸化物相の電磁波に対する屈折率が、クラッド部を構成する金属酸化物相の電磁波に対する屈折率よりも大きいことを特徴とする。
４．電子部品装着装置に係る第４の発明は、第１または２の発明において、コア部に導入される電磁波の周波数が、そのコア部あるいはクラッド部を構成するアモルファス相からなる金属酸化物のイオンの振動数の下限値以下であることを特徴とする。
５．電子部品装着装置に係る第５の発明は、第１または２の発明において、金属酸化物がハフニアであり、コア部に導入される電磁波の周波数が400ギガヘルツ以下であり、コア部がアモルファスハフニアからなり、クラッド部がモノクリニック相結晶ハフニアからなることを特徴とする。
６．電子部品装着装置に係る第６の発明は、第５発明において、コア部の形状が直線型、曲線型及びＹ時型であることを特徴とする。
７．電子部品装着装置に係る第７の発明は、第１の発明において、電磁波がミリ波領域であることを特徴とする。
８．電子部品装着装置に係る第８の発明は、電磁波が導入されるコア部とこのコア部の周囲に配置されたクラッド部とを備えた誘電体導波路の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上にアモルファス金属酸化物を堆積する工程と、アモルファス金属酸化物のクラッド部が形成される予定領域を短時間高温熱処理することにより結晶化する工程と、結晶化されたアモルファス金属酸化物の一主面に金属膜を形成する工程とを有することを特徴とする。
９．電子部品装着装置に係る第９の発明は、第８の発明において、アモルファス金属酸化物が、アモルファスハフニア膜であることを特徴とする。
１０．電子部品装着装置に係る第１０の発明は、第９の発明において、結晶化する工程が、クラッド部が形成される予定領域となる前記アモルファスハフニア膜の表面上に薄膜ヒータあるいは金属板を圧着し、薄膜ヒータを通電加熱あるいは金属板を高周波加熱することにより、薄膜ヒータあるいは金属板が圧着された部分を結晶化する工程であることを特徴とする。
１１．電子部品装着装置に係る第１１の発明は、第９の発明において、金属膜の形成工程は、結晶化されたアモルファスハフニア膜の表面上にアルミニウム薄膜をスパッタリング法あるいは蒸着法により堆積する工程であることを特徴とする。
１２．電子部品装着装置に係る第１２の発明は、第９の発明において、アモルファスハフニア膜上にフォトマスクを配置する工程と、フォトマスク上およびアモルファスハフニア膜上に赤外レーザを照射することにより、アモルファスハフニア膜を選択的に加熱結晶化させる工程と、加熱結晶化工程後のアモルファスハフニア膜上に、基板と同じ化学組成を有する材料層を形成する工程とを有することを特徴とする。
１３．電子部品装着装置に係る第１３の発明は、第１２の発明において、基板がシリコンまたはアルミニウムであることを特徴とする。
1. A first invention related to a dielectric waveguide is a dielectric waveguide that transmits an electromagnetic wave by utilizing a difference in refractive index between dielectrics, and is disposed around a core part into which the electromagnetic wave is introduced and the core part. The core portion and the clad portion are made of a metal oxide having either a crystalline phase or an amorphous phase, and the phases of the metal oxides constituting the core portion and the clad portion are different from each other. It is characterized by.
2. According to a second aspect of the electronic component mounting apparatus, in the first aspect of the invention, the electronic component mounting apparatus includes a thin film substrate including a core portion and a clad portion provided in contact with both side surfaces of the core portion. A metal plate is provided on each of one main surface and the other main surface opposite to the core portion so as to sandwich the core portion and the clad portion, and the thickness of the thin film substrate determined by the interval between the metal plates is It is characterized by being less than half of the wavelength of the electromagnetic wave to be introduced in the core part.
3. According to a third aspect of the electronic component mounting apparatus, in the first or second aspect of the invention, the frequency of ions constituting the metal oxide is different between the crystalline phase and the amorphous phase of the metal oxide, and the metal constituting the core portion The refractive index with respect to the electromagnetic wave of the oxide phase is larger than the refractive index with respect to the electromagnetic wave of the metal oxide phase constituting the cladding part.
4). According to a fourth aspect of the electronic component mounting apparatus, in the first or second aspect of the invention, the frequency of the electromagnetic wave introduced into the core portion is a metal oxide ion composed of an amorphous phase constituting the core portion or the cladding portion. It is characterized by being below the lower limit of the frequency.
5. According to a fifth invention relating to the electronic component mounting apparatus, in the first or second invention, the metal oxide is hafnia, the frequency of the electromagnetic wave introduced into the core part is 400 gigahertz or less, and the core part is made of amorphous hafnia. The clad portion is made of monoclinic phase crystal hafnia.
6). According to a sixth aspect of the electronic component mounting apparatus, in the fifth aspect of the invention, the shape of the core portion is a linear type, a curved type, or a Y-time type.
7). According to a seventh aspect of the electronic component mounting apparatus, in the first aspect, the electromagnetic wave is in a millimeter wave region.
8). An eighth invention according to the electronic component mounting apparatus is a method of manufacturing a dielectric waveguide including a core portion into which electromagnetic waves are introduced and a clad portion disposed around the core portion, and a substrate is prepared A step of depositing an amorphous metal oxide on a substrate, a step of crystallizing a region where an amorphous metal oxide cladding is to be formed by high-temperature heat treatment for a short time, and a crystallized amorphous metal oxide And a step of forming a metal film on one main surface of the object.
9. According to a ninth aspect of the electronic component mounting apparatus, in the eighth aspect, the amorphous metal oxide is an amorphous hafnia film.
10. In a tenth aspect of the electronic component mounting apparatus according to the ninth aspect of the present invention, the step of crystallizing comprises pressing a thin film heater or a metal plate on the surface of the amorphous hafnia film, which is a region where a cladding portion is to be formed. The thin film heater is a step of crystallizing a portion where the thin film heater or the metal plate is pressure-bonded by energization heating of the thin film heater or high frequency heating of the metal plate.
11. In an eleventh aspect of the electronic component mounting apparatus according to the ninth aspect, the metal film forming step is a step of depositing an aluminum thin film on the surface of the crystallized amorphous hafnia film by a sputtering method or a vapor deposition method. It is characterized by that.
12 In a twelfth aspect of the electronic component mounting apparatus according to the ninth aspect of the present invention, the step of disposing a photomask on the amorphous hafnia film and irradiating an infrared laser on the photomask and the amorphous hafnia film The method includes a step of selectively heat-crystallizing the hafnia film and a step of forming a material layer having the same chemical composition as the substrate on the amorphous hafnia film after the heat-crystallization step.
13. In a thirteenth aspect of the electronic component mounting apparatus according to the twelfth aspect of the invention, the substrate is silicon or aluminum.
本発明では、誘電体導波路は、コアとクラッドを同一の金属酸化物で構成するので、材料プロセスが単純であるため、性能向上とともに、プロセスコストを低減でき、歩留まりの向上も図れる。 In the present invention, since the dielectric waveguide has a core and a clad made of the same metal oxide, the material process is simple, so that the performance can be improved, the process cost can be reduced, and the yield can be improved.
また、本発明では、前記誘電体導波路のコアとクラッドを、金属板が両面に対向するように配置された薄膜基板中に金属板にはさまれて形成し、薄膜基板の厚さがコアを導波するコア中での波長の半分以下とすることにより、非放射誘電体導波路として導波路の放射損失を低くできる。 In the present invention, the core and the clad of the dielectric waveguide are formed by being sandwiched between the metal plates in the thin film substrate disposed so that the metal plates face both sides, and the thickness of the thin film substrate is the core. By making the wavelength less than half of the wavelength in the core that guides light, it is possible to reduce the radiation loss of the waveguide as a non-radiating dielectric waveguide.
本発明は、金属酸化物の結晶相とアモルファス相の屈折率がミリ波域で異なるという従来にはない知見に基づくものであるので、まずこれについて述べる。 Since the present invention is based on an unprecedented knowledge that the refractive index of a metal oxide crystal phase and an amorphous phase differ in the millimeter wave region, this will be described first.
材料の屈折率は、誘電率の平方根として与えられ、誘電率は、材料に光が入射された場合に、材料に電気的な分極が生じることに起因する。材料の電気的分極には、電磁波の電場により材料を構成するイオンの位置が変化することに起因するイオン分極と、光の電場によりイオンの電子が偏ることに起因する電子分極がある。材料の電気分極は、電磁波の周波数により異なり、ミリ波帯での分極には、イオン分極と電子分極の双方が寄与する。一方、光学域での分極には、電子分極のみが寄与する。電磁波周波数と分極成分の関係は、非特許文献１に詳しく記載されている。
The refractive index of a material is given as the square root of the dielectric constant, and the dielectric constant is due to electrical polarization occurring in the material when light is incident on the material. There are two types of electrical polarization of materials: ion polarization resulting from changes in the position of ions constituting the material due to an electric field of electromagnetic waves, and electron polarization resulting from polarization of ions of electrons due to an electric field of light. The electric polarization of the material depends on the frequency of the electromagnetic wave, and both ion polarization and electronic polarization contribute to the polarization in the millimeter wave band. On the other hand, only electronic polarization contributes to polarization in the optical region. The relationship between the electromagnetic wave frequency and the polarization component is described in detail in
したがって、材料の誘電率は、材料のイオン分極と電子分極が予測できれば計算により予測できることになる。我々は、第一原理法によりイオン分極と電子分極を計算するプログラムを開発し、ミリ波周波数域の誘電率ならびに屈折率を計算し、各種金属酸化物の結晶相とアモルファス相の屈折率を計算した。開発したプログラムは、物質の誘電率（屈折率）を正確に計算できる。
我々が開発し計算に用いたプログラムに関する情報は、非特許文献２に記載されている。
Therefore, the dielectric constant of a material can be predicted by calculation if the ionic polarization and electronic polarization of the material can be predicted. We have developed a program to calculate ion polarization and electronic polarization using the first-principles method, calculate the dielectric constant and refractive index in the millimeter wave frequency range, and calculate the refractive index of the crystalline and amorphous phases of various metal oxides. did. The developed program can accurately calculate the dielectric constant (refractive index) of materials.
Information on the program that we developed and used for the calculation is described in
図１に計算により得られたミリ波周波数域でのアルミナ(Al2O3)の結晶相（α相）とアモルファス相の屈折率実部を示す。アモルファス相の屈折率は、分子動力学計算により得られたモデル構造に対するものである。モデル構造は、分子動力学計算において、溶融状態（温度3000K）のアルミナを室温まで急冷することにより作成している。 FIG. 1 shows the real part of the refractive index of the crystal phase (α phase) and amorphous phase of alumina (Al 2 O 3 ) in the millimeter wave frequency range obtained by calculation. The refractive index of the amorphous phase is relative to the model structure obtained by molecular dynamics calculation. The model structure is created by rapidly cooling alumina in a molten state (temperature 3000K) to room temperature in molecular dynamics calculation.
結晶相及びアモルファス相の屈折率は、静電場に対してはどちらも約3程度であるが、周波数が数10から数100ヘルツのミリ波周波数域では値が異なる。300ギガヘルツ以下では、結晶相のほうが高い屈折率を示し、それ以上ではアモルファス相のほうが高い屈折率を示す。 The refractive indices of the crystalline phase and the amorphous phase are both about 3 for the electrostatic field, but the values are different in the millimeter wave frequency range of several tens to several hundreds of hertz. Below 300 GHz, the crystalline phase shows a higher refractive index, and above that the amorphous phase shows a higher refractive index.
図２に計算により得られたアルミナの屈折率虚部を示す。結晶相の屈折率虚部は、ミリ波周波数域でほとんどゼロであるが、アモルファス相の屈折率虚部は300ギガヘルツ以上でゼロでない。
図３及び４に、同様な計算により得られたハフニア（HfO2）のミリ波周波数域での屈折率の実部及び虚部をそれぞれ示す。
FIG. 2 shows the imaginary part of the refractive index of alumina obtained by calculation. The imaginary part of the refractive index of the crystal phase is almost zero in the millimeter wave frequency range, but the imaginary part of the refractive index of the amorphous phase is 300 GHz or more and is not zero.
3 and 4 show the real part and the imaginary part of the refractive index in the millimeter wave frequency range of hafnia (HfO 2 ) obtained by the same calculation, respectively.
ハフニアのモノクリニック結晶相とアモルファス相の屈折率実部は、1テラヘルツ以下の領域で異なり、結晶相はアモルファス相よりも大きな屈折率を有する。結晶相の屈折率虚部は、高周波域でほとんどゼロであるが、アモルファス相の屈折率虚部は430ギガヘルツ以上でゼロでない。 The real part of the refractive index of hafnia monoclinic crystal phase and amorphous phase differs in the region below 1 terahertz, and the crystal phase has a higher refractive index than the amorphous phase. The imaginary part of the refractive index of the crystal phase is almost zero in the high frequency range, but the imaginary part of the refractive index of the amorphous phase is not less than 430 gigahertz.
金属酸化物の結晶相とアモルファス相が異なる屈折率を有する理由は、これの相でイオンの振動数が異なるためである。アモルファスアルミナ及びハフニアの屈折率実部（図１及び３参照）は、周波数が約１テラヘルツ（1000ギガヘルツ）付近で変動するが、これはアモルファス相に存在する周波数が１テラヘルツ程度のイオン振動によるものである。 The reason why the crystal phase and the amorphous phase of the metal oxide have different refractive indexes is because the frequency of ions is different in these phases. The real part of the refractive index of amorphous alumina and hafnia (see FIGS. 1 and 3) fluctuates in the vicinity of about 1 terahertz (1000 gigahertz). It is.
一方、結晶アルミナ及びハフニアにおけるイオンの振動数は数１０テラヘルツであり、イオンの振動は、結晶のミリ波周波数域での屈折率にほとんど影響しない。結晶アルミナ及びハフニアの屈折率実部（図１及び２参照）がミリ波周波数域でほとんど変化しないのはこのためである。 On the other hand, the frequency of ions in crystalline alumina and hafnia is several tens of terahertz, and the vibration of ions hardly affects the refractive index in the millimeter wave frequency range of the crystal. This is why the real part of the refractive index of crystalline alumina and hafnia (see FIGS. 1 and 2) hardly changes in the millimeter wave frequency range.
金属酸化物の結晶相とアモルファス相のイオン振動数が異なる理由は、これらの相でイオンの配位数（隣接イオン数）が異なるためである。たとえば、結晶アルミナ（α相）のAlイオンの配位数は６であるが、アモルファスアルミナにおけるAlイオンの配位数は４．１から４．８程度である。アモルファス中のAlイオンは、配位数が低く隣接イオンとの相互作用が弱いため、結晶イオンと比較して低い振動数で振動する。 The reason why the crystal frequency of the metal oxide is different from the ion frequency of the amorphous phase is that the coordination number of ions (the number of adjacent ions) is different in these phases. For example, although the coordination number of Al ions in crystalline alumina (α phase) is 6, the coordination number of Al ions in amorphous alumina is about 4.1 to 4.8. Since the Al ions in the amorphous state have a low coordination number and weak interaction with adjacent ions, they vibrate at a lower frequency than the crystal ions.
従来は、金属酸化物のアモルファス相は結晶相と類似の誘電体であり、ミリ波周波数域でも同様な誘電率（屈折率）を有すると考えられてきた。しかし、以上の計算結果は、金属酸化物の結晶相とアモルファス相は異なる誘電体であり、ミリ波周波数域で異なる屈折率を有することを示している。 Conventionally, amorphous phase of the metal oxide is a dielectric of similar crystal phase and s has been thought to have a similar dielectric constant (refractive index) in the millimeter wave frequency range. However, the above calculation results indicate that the crystalline phase and the amorphous phase of the metal oxide are different dielectrics and have different refractive indexes in the millimeter wave frequency range.
我々は、この知見に基づき、電磁波が導入されるコアとコアの周囲に配置されたクラッドが同一の金属酸化物の結晶相あるいはアモルファス相のいずれかで形成され、コアとクラッドの金属酸化物相が異なることを特徴とする本発明の誘電体導波路を見出した。 Based on this knowledge, the core in which electromagnetic waves are introduced and the clad disposed around the core are formed by either the crystalline phase or the amorphous phase of the same metal oxide, and the core and the metal oxide phase of the cladding are formed. We have found a dielectric waveguide according to the present invention characterized in that
本発明は、ミリ波周波数域での材料の屈折率が未知であるため、第一原理計算に基づいた提案となっている。第一原理計算は実測が可能な周波数域での誘電率（屈折率）を精度よく計算できることが知られており、ミリ波に対する屈折率も同様に計算できると考えてよい。 Since the refractive index of the material in the millimeter wave frequency range is unknown, the present invention has been proposed based on first-principles calculations. The first-principles calculation is known to be able to accurately calculate the dielectric constant (refractive index) in a frequency range where actual measurement is possible, and it can be considered that the refractive index for millimeter waves can be calculated similarly.
本発明の誘電体導波路のコア及びクラッドを構成する材料は、結晶相とアモルファス相のミリ波に対する屈折率が異なるものであれば何でもよく、原理的には、金属酸化物のほか共有結合性材料あるいは分子性結晶材料を用いて構成することも可能である。材料のミリ波に対する屈折率は、材料の電子分極とイオン分極で決まり、前者は材料を構成する原子の種類、後者は原子（イオン）の振動数に依存する。アモルファス相と結晶相は化学組成が同じであり、材料を構成する原子の種類が同じである。したがって、アモルファス相と結晶相のミリ波に対する屈折率の差はそれらの相における原子の振動数差に起因すると考えてよい。共有結合性材料では、アモルファスと結晶を構成する化学結合が同じであるため、原子の振動数はそれらの相でほぼ同じである。このため、共有結合性材料は、結晶相とアモルファス相のミリ波に対する屈折率が小さく、本発明を構成する材料としては適さない。またまた、分子結晶の場合も、アモルファス相と結晶相で化学結合の種類が同じであるため、同様な欠点を有する。一方、金属酸化物では、結晶相とアモルファス相で金属原子の酸素配位数が異なるため、それらの相における金属原子の振動数が大きくことなり、それらの相の間でのミリ波屈折率差が大きい。我々は、金属酸化物のこのような性質に着目し、本発明を構成した。 The material constituting the core and clad of the dielectric waveguide of the present invention may be any material as long as the refractive index of the crystalline phase and the amorphous phase with respect to millimeter waves is different. It is also possible to configure using a material or a molecular crystal material. The refractive index of a material with respect to millimeter waves is determined by the electronic polarization and ionic polarization of the material. The former depends on the type of atoms constituting the material, and the latter depends on the frequency of atoms (ions). The amorphous phase and the crystalline phase have the same chemical composition, and the types of atoms constituting the material are the same. Therefore, it can be considered that the difference in refractive index between the amorphous phase and the crystalline phase with respect to millimeter waves is caused by the difference in the frequency of atoms in those phases. In covalently bonded materials, the chemical bonds that make up the amorphous and the crystal are the same, so the frequency of the atoms is almost the same in those phases. For this reason, the covalent bonding material has a small refractive index with respect to millimeter waves of the crystalline phase and the amorphous phase, and is not suitable as a material constituting the present invention. Also, in the case of molecular crystals, the types of chemical bonds are the same between the amorphous phase and the crystalline phase, and thus have similar disadvantages. On the other hand, in metal oxides, the oxygen coordination number of the metal atoms differs between the crystalline phase and the amorphous phase, so the frequency of the metal atoms in those phases is large, and the millimeter-wave refractive index difference between these phases. Is big. We focused on these properties of metal oxides and constructed the present invention.
一般に誘電体導波路は、伝送損失が低いが放射損失が大きい。本発明では、前記誘電体導波のコアとクラッドを金属板が両面に対抗するように配置された薄膜基板中に形成し、コアとクラッドが金属板にはさまれるようにすることにより、非放射型誘電体導波路（Non Radiative Dielectric Guide）を構成できる。金属板間の距離は、コアを導波する電磁波の波長の半分以下である。これにより、導波光の放射損失を低くすることができる。 In general, a dielectric waveguide has a low transmission loss but a large radiation loss. In the present invention, the core and the clad of the dielectric waveguide are formed in a thin film substrate arranged so that the metal plate opposes both surfaces, and the core and the clad are sandwiched between the metal plates, A radiation type dielectric waveguide can be configured. The distance between the metal plates is less than half the wavelength of the electromagnetic wave guided through the core. Thereby, the radiation loss of guided light can be reduced.
本発明の誘電体導波路は、金属酸化物を構成するイオンの振動数が結晶相とアモルファス相で異なり、コアを構成する金属酸化物相の前記電磁波に対する屈折率が、クラッドを構成する金属酸化物相の前記電磁波に対する屈折率よりも大きいようになっている。
本発明の誘電体導波路を導波する電磁波周波数の上限は、導波コアあるいはクラッドを構成するアモルファス金属酸化物のイオン振動数の下限よりも低く、これによりイオン振動による電磁波の吸収がコア及びクラッド部で起きない。
In the dielectric waveguide of the present invention, the frequency of ions constituting the metal oxide is different between the crystalline phase and the amorphous phase, and the refractive index with respect to the electromagnetic wave of the metal oxide phase constituting the core is the metal oxide constituting the cladding. The refractive index of the physical phase with respect to the electromagnetic wave is larger.
The upper limit of the electromagnetic wave frequency guided through the dielectric waveguide of the present invention is lower than the lower limit of the ionic frequency of the amorphous metal oxide constituting the waveguide core or the clad, so that the electromagnetic wave absorption due to the ionic vibration is absorbed by the core It does not occur in the cladding.
本発明の誘電体導波路を構成する金属酸化物としては、電磁波に対して透明であり、結晶相とアモルファス相の電磁波に対する屈折率が異なり、結晶相とアモルファス相間の相転移が容易に行えるものであれば何でもよい。
前記のアルミナは、電磁波に対して透明であり、図１に示すように結晶相とアモルファス相の屈折率が異なるが、相転移を容易に行うことができない。結晶アルミナは、容易にアモルファス化せず、アモルファスアルミナの結晶化は容易でない。したがって、アルミナは本発明の誘電体導波路を構成する金属酸化物として適さない。
The metal oxide constituting the dielectric waveguide of the present invention is transparent to electromagnetic waves, has a different refractive index with respect to electromagnetic waves of the crystalline phase and the amorphous phase, and can easily perform phase transition between the crystalline phase and the amorphous phase. Anything is acceptable.
The alumina is transparent to electromagnetic waves, and the crystal phase and the amorphous phase have different refractive indexes as shown in FIG. 1, but the phase transition cannot be easily performed. Crystalline alumina does not easily become amorphous, and crystallization of amorphous alumina is not easy. Therefore, alumina is not suitable as a metal oxide constituting the dielectric waveguide of the present invention.
一方、ハフニアは、電磁波に対して透明であり、結晶相とアモルファス相で屈折率が異なり、相転移を加熱により容易に行うことができる。アモルファスハフニアは、750度以上で加熱することによりmonoclinic相に結晶化することが知られている。アルミナは、本発明の誘電体導波路を構成する金属酸化物として適している。 On the other hand, hafnia is transparent to electromagnetic waves, has a different refractive index between the crystalline phase and the amorphous phase, and can easily perform the phase transition by heating. Amorphous hafnia is known to crystallize into a monoclinic phase when heated at 750 ° C. or higher. Alumina is suitable as a metal oxide constituting the dielectric waveguide of the present invention.
本発明の誘電体導波路は、金属酸化物としてハフニアを用い、コア部にアモルファスハフニア、クラッド部にモノクリニック相結晶ハフニアを用いることにより構成される。アモルファスハフニアのイオン振動数下限は、図４に示す屈折率虚部の立ち上がり周波数で与えられ、その値は約430ギガヘルツである。コア部に導入される電磁波を、アモルファスハフニアのイオン振動数下限より低い400ギガヘルツとすることにより、損失の少ない導波が可能である。図３が示すように、400ギガヘルツ以下では、アモルファスハフニアはモノクリニック相結晶ハフニアより屈折率が大きく、電磁波はコア部を導波する。 The dielectric waveguide of the present invention is configured by using hafnia as the metal oxide, using amorphous hafnia for the core and monoclinic phase crystal hafnia for the cladding. The lower limit of the ion frequency of amorphous hafnia is given by the rising frequency of the imaginary part of the refractive index shown in FIG. 4, and its value is about 430 gigahertz. By setting the electromagnetic wave introduced into the core part to 400 gigahertz, which is lower than the lower limit of the ion frequency of amorphous hafnia, it is possible to guide with less loss. As shown in FIG. 3, below 400 gigahertz, amorphous hafnia has a higher refractive index than monoclinic phase crystal hafnia, and electromagnetic waves are guided through the core.
ここで、430ギガヘルツというイオン振動数の下限値は、酸素欠損を有しない化学量論的なアモルファスハフニアに対する値であり、酸素欠損を含むアモルファスハフニアでは値が異なる可能性がある。酸素欠損を含むハフニアを用いて本発明の誘電体導波路を構成する場合、電磁波の周波数は欠損を含むアモルファスハフニアのイオン振動数下限以下である。欠損を含むアモルファスハフニアのイオン振動数の下限は、第一原理計算、あるいはテラヘルツ分光法による実験による値である。 Here, the lower limit of the ion frequency of 430 gigahertz is a value for a stoichiometric amorphous hafnia that does not have an oxygen deficiency, and the value may be different for an amorphous hafnia that includes an oxygen deficiency. When the dielectric waveguide of the present invention is configured using hafnia containing oxygen vacancies, the frequency of the electromagnetic wave is lower than the lower limit of the ion frequency of amorphous hafnia containing vacancies. The lower limit of the ion frequency of amorphous hafnia containing defects is a value obtained by first-principles calculations or experiments using terahertz spectroscopy.
本発明の誘電体導波路の形状は任意であり、コアの形状はたとえば直線状、曲線状あるいはＹ字状である。コアが曲線状あるいはＹ字状である場合は、非放射型誘電体導波路とすることにより、屈曲部での放射損失を低くできる。
本発明の誘電体導波路形成法では、アモルファス金属酸化物からなる薄膜基板を部分的に加熱して結晶化させることにより、この薄膜基板中に誘電体導波路に必要な屈折率差を前記薄膜基板中に形成する。
The shape of the dielectric waveguide of the present invention is arbitrary, and the shape of the core is, for example, linear, curved or Y-shaped. When the core is curved or Y-shaped, the radiation loss at the bent portion can be reduced by using a non-radiation type dielectric waveguide.
In the dielectric waveguide forming method of the present invention, a thin film substrate made of amorphous metal oxide is partially heated and crystallized, whereby the difference in refractive index required for the dielectric waveguide is reduced in the thin film substrate. Form in the substrate.
加熱は、アモルファス金属酸化物からなる薄膜基板の結晶化すべき部分の両面に薄膜ヒータあるいは金属板を平行に対向するように圧着し、薄膜ヒータを通電加熱あるいは金属板を高周波加熱することにより、ヒータあるいは金属板が圧着された部分を加熱結晶化させることにより行う。 Heating is performed by pressing a thin film heater or a metal plate on both sides of a portion to be crystallized of a thin film substrate made of amorphous metal oxide so that the thin film heater or the metal plate faces each other in parallel, and heating the thin film heater or heating the metal plate at a high frequency. Alternatively, it is carried out by heating and crystallizing the portion to which the metal plate is bonded.
アモルファス金属酸化物からなる薄膜基板は、SiO2基板上にアモルファス金属酸化物膜をスパッタ法、CVD法、あるいはゾルゲル法により形成した後、フッ酸水溶液により基板をエッチング除去して得られる。金属酸化物は、フッ酸溶液によりエッチングされないので、基板のみが除去され、アモルファス金属酸化物からなる薄膜基板が得られる。 A thin film substrate made of an amorphous metal oxide is obtained by forming an amorphous metal oxide film on a SiO 2 substrate by a sputtering method, a CVD method, or a sol-gel method, and then etching and removing the substrate with an aqueous hydrofluoric acid solution. Since the metal oxide is not etched by the hydrofluoric acid solution, only the substrate is removed, and a thin film substrate made of an amorphous metal oxide is obtained.
本発明の誘電体導波路形成法を用いて、ハフニアにより構成される本発明の誘電体導波路を形成するには、上記の加熱方法を用い、アモルファスハフニア薄膜基板の結晶化すべき部分を結晶化温度よりも高くすればよい。アモルファスハフニアの温度はアモルファス中の酸素欠損の濃度により変動するが、典型的なアモルファスハフニアでは、結晶化温度は750度程度である。加熱部分の温度を750度以上とすることにより、同部分の屈折率が結晶化により変化し、本発明の誘電体導波路が作成される。
加熱処理を行った後、スパッタリング法あるいは蒸着法を用いてハフニア薄膜基板の両面にアルミナ層対向して形成することにより、非放射型の本発明の誘電体導波路が作成される。ただし、この場合アルミナ層の間隔、すなわち薄膜基板の厚さは、アモルファスハフニアにより構成されるコアを導波する電磁波の波長の半分以下でなければならない。
In order to form the dielectric waveguide of the present invention composed of hafnia using the dielectric waveguide forming method of the present invention, the above-described heating method is used to crystallize the portion to be crystallized of the amorphous hafnia thin film substrate. It may be higher than the temperature. The temperature of amorphous hafnia varies depending on the concentration of oxygen vacancies in the amorphous material. In typical amorphous hafnia, the crystallization temperature is about 750 degrees. By setting the temperature of the heated portion to 750 ° C. or higher, the refractive index of the heated portion changes due to crystallization, and the dielectric waveguide of the present invention is created.
After the heat treatment, the non-radiation type dielectric waveguide of the present invention is formed by forming the alumina layer opposite to both surfaces of the hafnia thin film substrate by sputtering or vapor deposition. However, in this case, the interval between the alumina layers, that is, the thickness of the thin film substrate, must be not more than half the wavelength of the electromagnetic wave guided through the core made of amorphous hafnia.
加熱は、赤外レーザ加熱により行うことも可能である。レーザ加熱による方法では、基板の上にアモルファスハフニア膜を形成し、フォトマスクを用いて結晶化すべき膜の部分にのみレーザ光を照射し加熱する。レーザ光照射後、基板と対向するハフニア膜の面上に基板と同じ材料層を形成することにより、本発明の誘電体導波路が形成作成される。基板を構成する材料は、シリコンまたはアルミナである。基板にアルミナを用いる場合、ハフニア膜の膜厚を適切に調節することにより、非放射型誘電体導波路を得ることができる。 Heating can also be performed by infrared laser heating. In the laser heating method, an amorphous hafnia film is formed on a substrate, and only a portion of the film to be crystallized is irradiated and heated using a photomask. After the laser light irradiation, the same material layer as the substrate is formed on the surface of the hafnia film facing the substrate, whereby the dielectric waveguide of the present invention is formed and created. The material constituting the substrate is silicon or alumina. When alumina is used for the substrate, a non-radiative dielectric waveguide can be obtained by appropriately adjusting the thickness of the hafnia film.
ハフニア用いて構成されるスラブ状の本発明の誘電体導波路の実施例について述べる。図５は、本実施例の説明図、図６は本実施例の断面説明図である。１はアモルファスハフニアで構成されるコア、2はモノクリニック相結晶ハフニアで構成されるクラッド、3は空気で構成されるクラッド、4は１に入射される電磁波である。4の周波数は４００ギガヘルツ以下であり、周波数は1のイオン振動数の下限（４３０ギガヘルツ）以下である。図２に示す２の断面構造は、4が2をシングルモードあるいはマルチモードで導波するように設定されている。図１３に、1と2の４に対する屈折率（実部）及びtanδを表１にとして示す。屈折率及びtanδの値は、第一原理計算による値である。tanδは物質による電磁波の吸収の度合いを示す指数である。tanδが大きいほど吸収が大きく、tanδがゼロであれば吸収が生じない。1と2のtanδはどの周波数でもほぼゼロであり、1と2は4を吸収しない。１は2よりも大きな屈折率を有している。本実施例は、伝送損失が少ない誘電体導波路としての機能を有する。 An embodiment of a slab-shaped dielectric waveguide of the present invention constituted by using hafnia will be described. FIG. 5 is an explanatory view of the present embodiment, and FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view of the present embodiment. 1 is a core composed of amorphous hafnia, 2 is a clad composed of monoclinic phase crystal hafnia, 3 is a clad composed of air, and 4 is an electromagnetic wave incident on 1. The frequency of 4 is 400 gigahertz or lower, and the frequency is lower than the lower limit (430 gigahertz) of the ion frequency of 1. The cross-sectional structure of 2 shown in FIG. 2 is set so that 4 guides 2 in single mode or multimode. FIG. 13 shows the refractive index (real part) and tan δ for 4 of 1 and 2 as Table 1. The values of the refractive index and tan δ are values according to the first principle calculation. tanδ is an index indicating the degree of electromagnetic wave absorption by the substance. The larger tan δ is, the larger the absorption is. If tan δ is zero, no absorption occurs. The tanδ of 1 and 2 is almost zero at any frequency, and 1 and 2 do not absorb 4. 1 has a refractive index greater than 2. This example has a function as a dielectric waveguide with little transmission loss.
実施例１に類似した非放射型の本発明の誘電体導波路の実施例についてのべる。図７は、本実施例の説明図、図８は本実施例の断面説明図である。5はアモルファスハフニアにより構成されるコア、6はモノクリニック相結晶ハフニア、7は金属板、8は5に入射される周波数が400ギガヘルツ以下の電磁波である。5の周波数は5のイオン振動数下限（430ギガヘルツ）以下である。本実施例は、ハフニアで構成されるコア及びクラッドが対向する金属板にはさまれて形成されている点を除けば実施例１と同様な誘電体導波路であり、5及び6の電磁波物性は、1及び２とそれぞれ同じである。本実施例では、図８に示す7の間隔dが5を導波する電磁波の波長の半分以下となっている。本実施例では、dが5及び6の間隔と等しい。8の周波数とdの上限値の関係は、図１４で示す表２のようになっている。本実施例は、非放射誘電体導波路として機能であり、放射損失が実施例１より小さい。 A non-radiation type dielectric waveguide of the present invention similar to that of the first embodiment will be described. FIG. 7 is an explanatory view of the present embodiment, and FIG. 8 is a cross-sectional explanatory view of the present embodiment. 5 is a core composed of amorphous hafnia, 6 is a monoclinic phase crystal hafnia, 7 is a metal plate, and 8 is an electromagnetic wave having a frequency incident on 5 of 400 GHz or less. The frequency of 5 is below the ion frequency lower limit of 5 (430 GHz). This example is a dielectric waveguide similar to Example 1 except that the core and clad made of hafnia are sandwiched between opposing metal plates. Are the same as 1 and 2, respectively. In this embodiment, the distance d of 7 shown in FIG. 8 is half or less of the wavelength of the electromagnetic wave guided through 5. In this embodiment, d is equal to the interval between 5 and 6. The relationship between the frequency of 8 and the upper limit value of d is as shown in Table 2 shown in FIG. This embodiment functions as a non-radiating dielectric waveguide, and the radiation loss is smaller than that of the first embodiment.
本実施例は、図示はしないが、円弧状のコアを有する実施例１類似の誘電体導波路である。コアの形状が円弧状である点を除けば実施例１と構成が同じである。 Although not shown, this embodiment is a dielectric waveguide similar to that of the first embodiment having an arc-shaped core. The configuration is the same as that of the first embodiment except that the core has an arc shape.
本実施例は、図示はしないが、Ｙ字状のコアを有する実施例１類似の誘電体導波路である。コアの形状がＹ字状である点を除けば実施例１と構成が同じである。 Although not shown, this example is a dielectric waveguide similar to Example 1 having a Y-shaped core. The configuration is the same as that of the first embodiment except that the core is Y-shaped.
本実施例は、図示はしないが、円弧状のコアを有する実施例２類似の誘電体導波路である。コアの形状が円弧状である点を除けば実施例２と構成が同じである。本実施例は、実施例３と同じ機能を示すが、非放射誘電体導波路であるので、円弧状のコア部分での放射損失が実施例3より小さい。 Although not shown, this example is a dielectric waveguide similar to Example 2 having an arc-shaped core. The configuration is the same as that of the second embodiment except that the core has an arc shape. This example shows the same function as Example 3, but since it is a non-radiating dielectric waveguide, the radiation loss at the arc-shaped core portion is smaller than that of Example 3.
本実施例は、図示はしないが、Ｙ字状のコアを有する実施例２類似の誘電体導波路である。コアの形状がＹ字状である点を除けば実施例２と構成が同じである。本実施例は、実施例４と同じ機能を示すが、非放射誘電体導波路であるので、Ｙ字分岐部分での放射損失が実施例４より小さい。
Although not shown, this embodiment is a dielectric waveguide similar to that of
図９は、電気ヒータによる加熱を用いる本発明の誘電体導波路作成法により、実施例１の導波路を作成する本実施例の断面説明図である。9はアモルファスハフニアからなる薄膜基板、10は導波路を作成するために結晶化すべき9の部分、11は導波路を作成するために結晶化すべきでない9の部分、12は10の部分の両面に平行に対向するように圧着されている電気ヒータ、13は12と接続されている12を10に圧着させるためのステージ、14は空隙、15は12に電力を供給するための電源、16は12と15を接続する電源ケーブルであり13を貫通して12と15を接続する。11は実施例１における１となる部分であり、10は実施例1における2となる部分である。10と1１の形状は実施例１の1及び２とそれぞれ同じ形状なっている。9と12は圧着をやめることにより分離できるようになっている。 FIG. 9 is a cross-sectional explanatory view of this example in which the waveguide of Example 1 is created by the dielectric waveguide creation method of the present invention using heating by an electric heater. 9 is a thin film substrate made of amorphous hafnia, 10 is 9 parts that should be crystallized to create a waveguide, 11 is 9 parts that should not be crystallized to create a waveguide, and 12 is on both sides of 10 parts Electric heaters are crimped so as to face each other in parallel, 13 is a stage for crimping 12 connected to 12 to 10, 14 is a gap, 15 is a power source for supplying power to 12, and 16 is 12 Is a power cable that connects 15 and 15 and connects 12 and 15 through 13. 11 is a portion that becomes 1 in the first embodiment, and 10 is a portion that becomes 2 in the first embodiment. The shapes of 10 and 11 are the same as those of Examples 1 and 2, respectively. 9 and 12 can be separated by stopping the crimping.
9のアモルファスハフニア薄膜基板は、ガラス基板上にアモルファスハフニアを蒸着法、スパッタ法あるいはゾル・ゲル法を用いて形成した後、フッ酸でガラス基板を除去することにより得る。
15により12を通電加熱すると12が圧着されている10の部分の温度が上昇する。10の温度がアモルファスハフニアの結晶化温度である750度以上となると10の部分がモノクリニック相に結晶化する。一方、11の部分は加熱されないため結晶化せずアモルファス状態を維持する。
The amorphous hafnia thin film substrate of 9 is obtained by forming amorphous hafnia on a glass substrate by vapor deposition, sputtering, or sol-gel method, and then removing the glass substrate with hydrofluoric acid.
When 12 is energized and heated by 15, the temperature of 10 portion where 12 is pressure-bonded increases. When the temperature of 10 becomes 750 ° C., which is the crystallization temperature of amorphous hafnia, the portion of 10 crystallizes into a monoclinic phase. On the other hand, since the
加熱処理後の9の断面構造を図10に示す。図７において、11は結晶化せずに残った9の部分、17は加熱によりモノクリニック相結晶ハフニアとなった9の部分である。11は実施例１における１、17は実施例１における2となっている。 FIG. 10 shows a cross-sectional structure of 9 after the heat treatment. In FIG. 7, 11 is a 9 portion remaining without being crystallized, and 17 is a 9 portion that has become monoclinic phase crystal hafnia by heating. 11 is 1 in the first embodiment, and 17 is 2 in the first embodiment.
図１１は、高周波加熱を用いる本発明の誘電体導波路作成法により、実施例１の導波路を作成する場合の断面説明図である。符号9から14の意味は、図９の場合と同じである。18は金属板、19は高周波源、20は19より放射される高周波である。本実施例は、電気ヒータ12の代わりに金属板18を用い、18を20により高周波加熱する点が実施例７と異なる18の材料としては、たとえばニッケルを用いることができる。18以外の部分は非金属で構成されており、20を吸収しないようになっている。高周波の周波数は、30キロヘルツ程度であればよい。本実施例では、9に対して対称に２つの19を配置して20を照射することにより、各18を均一に加熱できるようにしている。19により18を高周波加熱して10の部分を結晶化させることにより、請求項１の誘電体導波路が得られる。
FIG. 11 is a cross-sectional explanatory diagram in the case of producing the waveguide of Example 1 by the dielectric waveguide producing method of the present invention using high-frequency heating. The meanings of
本実施例は、説明はしないが、円弧状のコアを有する実施例１類似の誘電体導波路を実施例7に類似の方法で作成する、本発明の誘電体導波路作成法の実施例である。本実施例では、アモルファスハフニア薄膜基板の結晶化すべきでないコアとなる部分以外の部分を、実施例７類似の方法を用いて加熱して上記誘電体導波路を作成する。加熱は、コアとなる部分以外の部分に、それと同じ形状の電気ヒータを圧着して行う。 Although not explained, this embodiment is an embodiment of the dielectric waveguide creation method of the present invention in which a dielectric waveguide similar to that in Example 1 having an arc-shaped core is produced by a method similar to Example 7. is there. In the present embodiment, the dielectric waveguide is formed by heating the portion other than the core portion that should not be crystallized of the amorphous hafnia thin film substrate by using a method similar to that of the seventh embodiment. Heating is performed by crimping an electric heater having the same shape to a portion other than the core portion.
本実施例は、説明はしないが、円弧状のコアを有する実施例１類似の誘電体導波路を実施例８に類似の方法で作成する、本発明の誘電体導波路作成法の実施例である。加熱は、実施例９と類似の方法で行うが、電気ヒータの代わりにニッケル製の金属板を用い、金属板を高周波加熱する点が実施例９と異なる。 Although not explained, this embodiment is an embodiment of the dielectric waveguide creation method of the present invention in which a dielectric waveguide similar to that of Example 1 having an arc-shaped core is produced by a method similar to Example 8. is there. Heating is performed by a method similar to that in Example 9, except that a nickel metal plate is used instead of an electric heater, and the metal plate is heated at a high frequency.
本実施例は、説明はしないが、Ｙ字状のコアを有する実施例１類似の誘電体導波路を実施例９に類似の方法で作成する、本発明の誘電体導波路作成法の実施例である。
In this embodiment, although not described, an embodiment of the dielectric waveguide forming method of the present invention in which a dielectric waveguide similar to that of
本実施例は、説明はしないが、Ｙ字状のコアを有する実施例１類似の誘電体導波路を実施例１０に類似の方法で作成する、本発明の誘電体導波路作成法の実施例である。 Although this embodiment is not described, an embodiment of the dielectric waveguide manufacturing method of the present invention in which a dielectric waveguide similar to that of the first embodiment having a Y-shaped core is formed by a method similar to the tenth embodiment. It is.
本実施例は、実施例２の誘電体導波路を作成する、本発明の誘電体導波の実施例である。実施例7あるいは8の方法により得られる実施例1の誘電体導波路の両面上にアルミナ層をスパッタ法あるいは蒸着法により形成して、導波路のコアとクラッドが対向するアルミナ層ではさまれるようにすることにより、実施例２の誘電体導波路を形成する。ここで、実施例７あるいは８の方法で使用するアモルファスハフニア薄膜基板の厚さがコアを導波する電磁波の波長の半分以下とすることにより、対向するアルミナ層の間隔を前記電磁波波長の半分以下となるようにする。 The present embodiment is an embodiment of the dielectric waveguide of the present invention in which the dielectric waveguide of the second embodiment is created. An alumina layer is formed on both surfaces of the dielectric waveguide of Example 1 obtained by the method of Example 7 or 8 by sputtering or vapor deposition so that the core and clad of the waveguide are sandwiched by the facing alumina layer. By doing so, the dielectric waveguide of Example 2 is formed. Here, by setting the thickness of the amorphous hafnia thin film substrate used in the method of Example 7 or 8 to be equal to or less than half the wavelength of the electromagnetic wave guided through the core, the distance between the opposing alumina layers is equal to or less than half the wavelength of the electromagnetic wave. To be.
図１２Ａ―Ｃは、レーザ加熱を用いる本発明の誘電体導波路作成法により、実施例１に類似する導波路を作成する場合の断面説明図である。図１２ＡからＣは、本実施例のプロセスを示している。 12A to 12C are cross-sectional explanatory diagrams in the case where a waveguide similar to the first embodiment is formed by the dielectric waveguide forming method of the present invention using laser heating. 12A to 12C show the process of this example.
図１２Ａは、レーザ加熱前の状態を示す。21は高純度シリコン基板、22は21の上に形成されたアモルファスハフニア膜、23はフォトマスクである。22は、蒸着法、スパッタ法、あるいはゾルゲル法で形成される。23の材質は、赤外域での反射率が高い金属であることが望ましく、たとえばアルミニウム、金、銀、あるいは銅である。23は、直線状のコアが22中に形成されるようにパターン化されている。 FIG. 12A shows a state before laser heating. 21 is a high-purity silicon substrate, 22 is an amorphous hafnia film formed on 21, and 23 is a photomask. 22 is formed by a vapor deposition method, a sputtering method, or a sol-gel method. The material of 23 is preferably a metal having a high reflectance in the infrared region, such as aluminum, gold, silver, or copper. 23 is patterned so that a linear core is formed in 22.
図１２Ｂは、レーザ照射により加熱を行う状態を示す。24は波長が1.6μmの赤外レーザ光、25は24により加熱されるハフニア膜、26は23に覆われたハフニア膜である。25はレーザにより温度７５０℃以上まで加熱されmonoclinic相結晶ハフニアとなる。一方、26は24が赤外光を反射するため、レーザ加熱されず、アモルファスハフニア相にとどまる。21は、ほとんど赤外光を吸収しないので24により加熱されない。 FIG. 12B shows a state in which heating is performed by laser irradiation. 24 is an infrared laser beam having a wavelength of 1.6 μm, 25 is a hafnia film heated by 24, and 26 is a hafnia film covered with 23. 25 is heated to a temperature of 750 ° C. or higher by a laser and becomes monoclinic phase crystal hafnia. On the other hand, since 26 reflects infrared light, 26 is not heated by laser and remains in an amorphous hafnia phase. Since 21 hardly absorbs infrared light, it is not heated by 24.
図１２Ｃは、レーザ照射後、23を除去し、25及び26の上に21に対向するように、高純度シリコン層27を設けた構造である。21及び27の周波数が４００ギガヘルツ以下のミリ波に対する屈折率は約3.4、結晶化した25の屈折率は3.9、26の屈折率は約4.8である。26の形状は、22のパターンで決まり、22は26を直線状のコアとするようにパターン化されている。26は周波数が400ギガヘルツ以下のミリ波に対する直線状導波路コア、21、25及び27は導波路クラッドとして作用する。
FIG. 12C shows a structure in which a high-
また、本発明の誘電体導波路作成法では、基板の上に形成されたアモルファスハフニア膜上にフォトマスクを配置して赤外レーザを照射し、当該アモルファスハフニア膜を部分的に加熱結晶化する。レーザ照射後、ハフニア膜上に基板に対向するように基板と同じ材料を形成することにより、本発明の誘電体導波路が形成される。レーザ加熱を用いる方法は、光学的に誘電体導波路に必要な屈折率差を形成できる利点があり、簡便性及び量産性の点において、電気ヒータ加熱及び高周波加熱による方法に比べて優れている。 In the dielectric waveguide fabrication method of the present invention, a photomask is placed on an amorphous hafnia film formed on a substrate and irradiated with an infrared laser, and the amorphous hafnia film is partially heated and crystallized. . After the laser irradiation, the dielectric waveguide of the present invention is formed by forming the same material as the substrate on the hafnia film so as to face the substrate. The method using laser heating has the advantage that the refractive index difference necessary for the dielectric waveguide can be optically formed, and is superior to the method using electric heater heating and high-frequency heating in terms of simplicity and mass productivity. .
また、本発明の誘電体導波路生成法では、アモルファス薄膜基板のうち加熱・結晶化すべき部分に電気ヒータあるいは金属板を圧着し、電気ヒータを通電加熱あるいは金属板を高周波加熱して前記部を加熱・結晶化する。電気ヒータ及び金属板の形状変えることにより、加熱・結晶化すべき部分の構造を変えることができ、任意の形状の屈折率差の構造を薄膜基板中に形成できる。 In the dielectric waveguide generation method of the present invention, an electric heater or a metal plate is pressure-bonded to a portion to be heated and crystallized in the amorphous thin film substrate, and the electric heater is energized or the metal plate is heated at a high frequency to Heat and crystallize. By changing the shape of the electric heater and the metal plate, the structure of the portion to be heated and crystallized can be changed, and a structure having a refractive index difference of an arbitrary shape can be formed in the thin film substrate.
また、本発明の誘電体導波路作成法は、加熱により容易に結晶化するアモルファスハフニアからなる薄膜基板を用いることができる。非放射型誘電体導波路の作成も容易に行うことができる。 In addition, the dielectric waveguide manufacturing method of the present invention can use a thin film substrate made of amorphous hafnia that is easily crystallized by heating. A non-radiation type dielectric waveguide can be easily produced.
本実施例は、図１２Ａ−Ｃの21及び27に屈折率が3.9のシリコンを用いる実施例１３類似の実施例である。シリコンの屈折率は、不純物濃度変えることにより調節でき、本実施例は、屈折率が25と同じであるシリコンを21及び27に用いている点が実施例１３と異なる。本実施例では、導波路クラッドとして作用する21、25、及び27が同じ屈折率を持つため、26を導波するミリ波の導波特性が実施例１３と比較して優れている。
This embodiment is an embodiment similar to the
本実施例は、図１２Ａ−Ｃの21及び27にアルミニウムを用いる実施例１３に類似する実施例である。22の厚さが26を導波する電磁波の波長の半分以下とすることにより、実施例２の誘電体、導波路が得られる。 This example is an example similar to Example 13 using aluminum in 21 and 27 of FIGS. 12A-C. By setting the thickness of 22 to be equal to or less than half the wavelength of the electromagnetic wave guided through 26, the dielectric and waveguide of Example 2 can be obtained.
1…コア、2…クラッド、3…空気層、4…電磁波、5…コア、6…クラッド、7…金属板、8…電磁波、9…アモルファスハフニア薄膜基板、10…結晶化すべき薄膜基板部分、11…結晶化すべきでない薄膜基板部分、12…電気ヒータ、13…ステージ、14…空隙、15…電源、16…電源ケーブル、17…結晶化した薄膜基板部分、18…金属板、19…高周波源、20…高周波、21…シリコン基板、22…アモルファスハフニア膜、23…フォトマスク、24…赤外レーザ光、25…結晶化したハフニア膜部分、26…アモルファスハフニア膜、27…シリコン層。
1 ... core, 2 ... clad, 3 ... air layer, 4 ... electromagnetic wave, 5 ... core, 6 ... clad, 7 ... metal plate, 8 ... electromagnetic wave, 9 ... amorphous hafnia thin film substrate, 10 ... thin film substrate part to be crystallized, 11 ... Thin film substrate portion that should not be crystallized, 12 ... Electric heater, 13 ... Stage, 14 ... Air gap, 15 ... Power supply, 16 ... Power cable, 17 ... Crystallized thin film substrate portion, 18 ... Metal plate, 19 ...
Claims (13)
電磁波が導入されるコア部と前記コア部の周囲に配置されたクラッド部とを備え、
前記コア部および前記クラッド部が結晶相あるいはアモルファス相のいずれかの相を有する金属酸化物で構成され、前記金属酸化物の結晶相とアモルファス相の屈折率が、ミリ波周波数域で異なり、前記コア部と前記クラッド部を構成する金属酸化物は、同一材料であって、該金属酸化物の相が互いに異なることを特徴とする誘電体導波路。 A dielectric waveguide that transmits electromagnetic waves using a difference in refractive index between dielectrics,
Comprising a core part into which electromagnetic waves are introduced and a clad part arranged around the core part;
The core part and the clad part are composed of a metal oxide having either a crystalline phase or an amorphous phase, and the refractive index of the crystalline phase and the amorphous phase of the metal oxide is different in a millimeter wave frequency range, A dielectric waveguide characterized in that the metal oxide constituting the core part and the clad part are made of the same material, and the phases of the metal oxides are different from each other.
前記薄膜基板の一主面とそれに対向する他主面のそれぞれに金属板が前記コア部と前記クラッド部を狭持するように設けられ、
前記金属板の各々の間隔で決定される薄膜基板の厚さが、前記コア部に導入される電磁波の該コア部中での波長の半分以下であることを特徴とする請求項１記載の誘電体導波路。 A thin film substrate comprising the core portion and the clad portion provided in contact with both side surfaces of the core portion;
A metal plate is provided on each of one main surface of the thin film substrate and the other main surface opposite thereto to sandwich the core portion and the clad portion,
2. The dielectric according to claim 1, wherein the thickness of the thin film substrate determined by the interval between the metal plates is equal to or less than half the wavelength of the electromagnetic wave introduced into the core portion in the core portion. Body waveguide.
前記コア部を構成する金属酸化物相の前記電磁波に対する屈折率が、前記クラッド部を構成する金属酸化物相の前記電磁波に対する屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１または２記載の誘電体導波路。 The frequency of ions constituting the metal oxide is different between the crystal phase and the amorphous phase of the metal oxide,
3. The dielectric according to claim 1, wherein a refractive index of the metal oxide phase constituting the core part with respect to the electromagnetic wave is larger than a refractive index of the metal oxide phase constituting the cladding part with respect to the electromagnetic wave. Body waveguide.
前記コア部がアモルファスハフニアからなり、前記クラッド部がモノクリニック相結晶ハフニアからなることを特徴とする請求項１及び２記載の誘電体導波路。 The metal oxide is hafnia, and the frequency of electromagnetic waves introduced into the core portion is 400 gigahertz or less,
3. The dielectric waveguide according to claim 1, wherein the core portion is made of amorphous hafnia, and the clad portion is made of monoclinic phase crystal hafnia.
基板を準備する工程と、
前記基板上にアモルファス金属酸化物を堆積する工程と、
前記アモルファス金属酸化物の前記クラッド部が形成される予定領域を短時間高温熱処理することにより結晶化する工程と、
ミリ波周波数域で前記アモルファス金属酸化物と異なる屈折率を有する結晶化された前記アモルファス金属酸化物の一主面に金属膜を形成する工程とを有する誘電体導波路の製造方法。 A method of manufacturing a dielectric waveguide comprising a core part into which electromagnetic waves are introduced and a clad part arranged around the core part,
Preparing a substrate;
Depositing an amorphous metal oxide on the substrate;
A step of crystallizing a region where the cladding portion of the amorphous metal oxide is to be formed by high-temperature heat treatment for a short time;
Forming a metal film on one principal surface of the crystallized amorphous metal oxide having a refractive index different from that of the amorphous metal oxide in a millimeter-wave frequency range .
前記薄膜ヒータを通電加熱あるいは前記金属板を高周波加熱することにより、前記薄膜ヒータあるいは前記金属板が圧着された部分を結晶化する工程であることを特徴とする請求項９記載の誘電体導波路の製造方法。 In the step of crystallizing, a thin film heater or a metal plate is pressure-bonded onto the surface of the amorphous hafnia film, which is a region where the cladding portion is to be formed,
10. The dielectric waveguide according to claim 9, wherein the thin-film heater is a step of crystallizing a portion where the thin-film heater or the metal plate is pressure-bonded by energization heating of the thin-film heater or high-frequency heating of the metal plate. Manufacturing method.
前記フォトマスク上および前記アモルファスハフニア膜上に赤外レーザを照射することにより、前記アモルファスハフニア膜を選択的に加熱結晶化させる工程と、
前記加熱結晶化工程後のアモルファスハフニア膜上に、前記基板と同じ化学組成を有する材料層を形成する工程とを有することを特徴とする請求項９の誘電体導波路の製造方法。 Placing a photomask on the amorphous hafnia film;
Irradiating an infrared laser on the photomask and the amorphous hafnia film to selectively heat-crystallize the amorphous hafnia film; and
10. The method of manufacturing a dielectric waveguide according to claim 9, further comprising: forming a material layer having the same chemical composition as the substrate on the amorphous hafnia film after the heat crystallization step.
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