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論文

Fabrication of microstructures embedded in SC-CVD diamond with a focused proton microbeam

加田 渉*; 神林 佑哉*; 三浦 健太*; 猿谷 良太*; 久保田 篤志*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 神谷 富裕; 花泉 修*

Key Engineering Materials, 643, p.15 - 19, 2015/05

http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.643.15

Micro-processing procedures have been extensively studied using a Proton Beam Writing (PBW) technique in order to fabricate two or three dimensional microscopic patterns in single-crystal chemical vapor deposition (SC-CVD) diamonds. In this study, various microscopic patterns were drawn on SC-CVD diamonds (3.0 mm $$times$$ 3.0 mm $$times$$ 0.5 mm IIa single-crystal) at various fluences with PBW using 0.75 and 3 MeV proton beams. The beam conditions of PBW other than the beam energy were as follows; a beam size of 1 $$mu$$m, a scanning area of 800 $$mu$$m $$times$$ 800 $$mu$$m and beam current of up to 100 pA. From the result of the observations based on the optical and electrical modification of SC-CVD, the microscopic patterns were fabricated in the diamonds by the micro-processing procedure varying fluence and beam energy. This result demonstrated that the micro-processing procedure with PBW enables us to fabricate the two or three dimensional microscopic patterns, which are optically and electrically modified, in SC-CVD diamonds by optimizing fluence and beam energy.

論文

Development of embedded Mach-Zehnder optical waveguide structures in polydimethylsiloxane thin films by proton beam writing

加田 渉*; 三浦 健太*; 加藤 聖*; 猿谷 良太*; 久保田 篤志*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 石井 保行; 神谷 富裕; 西川 宏之*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 348, p.218 - 222, 2015/04

https://doi.org/10.1016/j.nimb.2014.12.041
 被引用回数：6 パーセンタイル：45.92(Instruments & Instrumentation)

The Mach-Zehnder (MZ) optical structures were previously fabricated in a Poly-methyl-methacrylate (PMMA) thin film by Proton Beam Writing (PBW). The enhancement of optical transmittance in the structures is, however, required for industrial use. In this study, the MZ optical waveguides have been fabricated in a poly-dimethyl-siloxane (PDMS) thin film which has the higher optical permeability. The PDMS films were spin-coated on a silicon wafer (40 $$times$$ 20 $$times$$ 0.5 mm$$^3$$) with a thickness of approximately 30 $$mu$$m. The MZ waveguides were drawn by a 750 keV proton microbeam of 1$$mu$$m in diameter having the penetration depth of 18 $$mu$$m with fluence of 40-100 nC/mm$$^2$$. The beam writing was carried out combining an electric scanner and a mechanical sample-stage. The observation of the single-mode light propagation of 1.55 $$mu$$m fiber-laser in the MZ waveguides indicated that the optical transmittance have been successfully enhanced using PDMS.

口頭

PBW微細加工によるPDMSを基材としたフレキシブル光導波路の開発

猿谷 良太*; 加藤 聖*; 久保田 篤志*; 三浦 健太*; 加田 渉*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 石井 保行; 神谷 富裕; 西川 宏之*; et al.

no journal, , 

本研究では、プロトン・ビーム・ライティング(Proton Beam Writing: PBW)技術を用いて汎用加工素材のPDMS(polydimethylsiloxane)にマッハツェンダー干渉計(Mach-Zehnder Interferometer: MZI)型の光導波路を描画するためのH$$^+$$マイクロビームの照射量を見出すことを目的とした。750keVのH$$^+$$マイクロビームを用いて、Si基板上にスピンコート法で成膜した厚さ30$$mu$$mのPDMS(架橋剤の混合比10:1)の試料に、幅8$$mu$$mのMZI型形状を様々なフルエンスで描画した。これらの試料に光を通した結果、特定な照射量(40$$sim$$100nC/mm$$^2$$程度)で光が導波路中を良好に伝搬することを示すシングルモードの出射光を観察できた。これによってPDMS材料にPBWでMZI型形状の導波路を製作する際に必要な描画時の照射量を見出すことができた。

口頭

プロトンビーム描画技術による単結晶CVDダイヤモンド内部への微細構造形成技術の開発

神林 佑哉*; 加田 渉*; 猿谷 良太*; 久保田 篤志*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 石井 保行; 神谷 富裕; 三浦 健太*; 花泉 修*

no journal, , 

本研究では、CVDダイヤモンド内に光学顕微鏡を使用して観察できる微細構造の形成を目的に、ProtonBeamWriting (PBW)を用いた照射技術の開発を行っている。今回、予備的実験としてビーム照射による試料の着色等の光学的変化の有無を調べるため、H$$^+$$ビーム(1$$mu$$m)を用い、ビームエネルギー(0.75, 1.2, 3MeV)とフルエンス(0.1, 1.0, 10pC/$$mu$$m$$^2$$)を変えて、CVDダイヤモンド基盤にテスト形状(ライン&スペースとドット)を描画した。照射後の試料を反射型と透過型光学顕微鏡で観察したところ、ビームエネルギーに関係無く、フルエンス10pC/$$mu$$m$$^2$$では、反射型顕微鏡によりテスト形状部の着色が観測された。一方、0.1及び1.0pC/$$mu$$m$$^2$$では、着色は確認されず透過光顕微鏡によりテスト形状部の屈折率の変化が観測された。すなわちビーム照射によりCVDダイヤモンド内に光学顕微鏡で観察できる光学的変化が生じることを確認できた。さらに、フルエンスにより光学的変化を制御できる可能性が示唆された。

口頭

PDMSを基材とした埋込型マッハツェンダー光導波路の開発

三浦 健太*; 加田 渉*; 猿谷 良太*; 花泉 修*; 石井 保行; 江夏 昌志; 横山 彰人; 佐藤 隆博; 神谷 富裕

no journal, , 

ビーム技術開発課では、これまでにPBW (Proton Beam Writing)技術を用いて、シリコン基板上のPMMA (poly-methyl-methacrylate)にマッハツェンダー型光導波路及びこれに熱電極を付加した光スイッチを製作し、低消費電力(43.9mW)での光スイッチ動作を実現した。しかし、導波路外への光リークが多く、信号対雑音比が数dB程度と小さいため、光スイッチとしての性能が不十分であった。本研究では、光学特性の優れたPDMS(poly-dimethyl-siloxane)を材料とし、この薄膜内にマッハツェンダー(MZ)形状を埋め込んだ光導波路を製作した。先ず、PDMSの基材及び架橋剤を10:1で混合して、スピンコートによりシリコン基板上に厚さ30$$mu$$m程度を成膜した。この試料に、TIARAの軽イオンマイクロビームラインで形成したH$$^+$$マイクロビーム(750keV、径1$$mu$$m)を用いて、スキャナーによる走査と照射チャンバー内に設置した真空ステージによる試料移動との組み合わせにより、40mm$$times$$20mmの範囲にコア径8$$mu$$mのMZ形状光導波路を描画した。光導波路の評価のため、ファイバーレーザーを用いて、光導波路の片側に中心波長$$lambda$$=1.55$$mu$$mの光を導入し、反対側でその透過光像を観察した。この結果、100nC/mm$$^2$$程度のフルエンスで描画した光導波路では、漏れ光によるにじみのほとんどない単一のスポットが観測でき、PMMAを用いた場合よりも光伝播特性が良いことが分かった。

口頭

Development of Mach-Zehnder optical waveguide embedded in PDMS thin films by proton beam writing

加田 渉*; 三浦 健太*; 猿谷 良太*; 加藤 聖*; 久保田 篤志*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 石井 保行; 神谷 富裕; 西川 宏之*; et al.

no journal, , 

An optical switch with a Mach-Zehnder (MZ) structure was previously fabricated in a Poly-methyl-methacrylate (PMMA) thin film by proton beam writing (PBW). The extinction ratio of the switch, however, needs to be enhanced by higher optical permeability for industrial use. In this study, the MZ optical waveguides have been fabricated in poly-dimethyl-siloxane (PDMS) thin films, which have higher optical permeability than PMMA. A PDMS film of a thickness of approximately 30 $$mu$$m was spin-coated on a silicon wafer (40 $$times$$ 20 $$times$$ 0.5 mm$$^3$$). The MZ waveguides of 8 $$mu$$m in width and total length of 30 mm were drawn in the film by a 750 keV proton microbeam of 1$$mu$$m in diameter having the penetration depth of 18 $$mu$$m with fluence of 40-100 nC/mm$$^2$$. The drawing of the total length was carried out combining an electric scanner and a mechanical sample-stage. A clear spot of 1.55 $$mu$$m single-mode light was observed propagated through the MZ waveguides, which indicated that the enhanced optical transmittance by the use of PDMS leads to their waveguides with higher extinction ratio.

口頭

Fabrication of Mach-Zehnder optical waveguide structures in PDMS thin films using proton beam writing

狩野 圭佑*; 猿谷 良太*; 川端 駿介*; 新木 潤*; 野口 克也*; 加田 渉*; 三浦 健太*; 加藤 聖*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; et al.

no journal, , 

Proton beam writing (PBW) has been applied to fabricate Mach-Zehnder (MZ) optical waveguides which is expected to be an optical switch with small power consumption, because only one processing of PBW enables us to fabricate such waveguides even inside of plastic materials. Such waveguides were fabricated in thin poly-methyl-methacrylate (PMMA) films by PBW. However, they had low transmittance. In order to fabricate MZ optical waveguides with higher transmittance, PBW was applied to poly-dimethyl-siloxane (PDMS) with higher transparency than PMMA. Thirty-micrometer thick PDMS films formed on silicon wafers were irradiated at different beam fluences using a 750-keV proton microbeam which reaches the half depth of the entire film thickness. The single mode propagation of the fabricated optical waveguide was checked by the 1.55-$$mu$$m light. The observation results showed that the single-mode propagation was detected only for the waveguide fabricated with the fluence of 100 nC/mm$$^2$$ and that the propagated light intensity was higher than that of PMMA. The waveguide structure has been successfully fabricated in thin PDMS films by PBW.

口頭

集束陽子ビーム加工によるPDMS薄膜内包型光スイッチング素子の開発

川端 駿介*; 猿谷 良太*; 加藤 聖*; 新木 潤*; 三浦 健太*; 加田 渉*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 石井 保行; 神谷 富裕; et al.

no journal, , 

高集積光処理回路用の光スイッチとして、簡素なプロセスで製造できてしかも省電力のものが要求されている。これまでの我々の研究からこのスイッチの材料として樹脂の薄膜に、プロトン・ビーム・ライティング(Proton Beam Writing: PBW)を用いて導波路形状を直描すると、このプロセスのみで光導波路が形成できることが分かった。更に、この導波路に位相偏光用の熱ヒーター電極を付加することで、樹脂の高い熱応答性により省電力で動作する光スイッチの開発が期待される。今回、光学材料のPDMS(polydimethylsiloxane)を用いて光スイッチを試作して、これの動作実験をした。シリコン基板上にスピンコートにより厚さ約30$$mu$$mの薄膜を作製し、これに750keVの集束陽子ビーム(径1$$mu$$m、到達深度約18$$mu$$m)を用いてPBWによりマッハツェンダー(Mach-Zehnder: MZ)干渉計の原理として用いられている形状を直描した。その後、導波路の薄膜表面にTi-Al合金の熱ヒーター電極を付加して、光スイッチを製作した。このスイッチに波長1.55$$mu$$mのレーザー光を入射して光透過性を調べた結果、ヒーター電極の停止又は作動に対応して透過光の有無が観測され、PDMSを材料としたMZ型光スイッチとして動作することが分かった。

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