JP2002228861A - 光導波路素子及びその製造方法 - Google Patents
光導波路素子及びその製造方法Info
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Abstract
導波路を、ガラス基板に安価に安定的に形成できる光導
波路素子及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 Na2 O−B2 O3 −Al2 O3 −Si
O2 系ガラスであって、Na2 Oを5〜13モル%含有
する多成分系ガラス材料に、イオン交換によりAgをド
ープすることで光導波路が形成されている光導波路素子
である。ここでガラス組成は、SiO2 :60〜75モ
ル%、Al2 O3 :2〜10モル%、B2O3 :10〜
20モル%、Na2 O:5〜13モル%、Li2 O:0
〜1モル%、As2 O3 :0〜0.5モル%、Sb2 O
3 :0〜0.5モル%(但しAs2O3 +Sb2 O3 :
0.01〜1モル%)とするのが好ましい。
Description
オン交換法でAgをドープすることにより光導波路を形
成した光導波路素子及びその製造方法に関するものであ
る。
イオン交換法によって、ガラス基板に光導波路を形成す
る技術は、従来公知である。Agイオンを使用し、ガラ
ス材料中のNaイオンとイオン交換にする技術も、既に
報告されている。
大きく、複屈折性の低い光導波路が形成できるばかりで
なく、交換速度が大きく生産性に優れている利点があ
る。しかし、Naイオン以外のアルカリ金属イオンとの
イオン交換による複屈折性の発生、Agコロイド化によ
る着色及び吸収等の問題が指摘されている。
低応力光導波路を形成するために、ガラス材料としてF
(フッ素)置換ガラスや非架橋酸素の少ないガラスの使
用(特開平4−219341号参照)が提案されてい
る。
ス溶解の低温化、屈折率の低下を実現できるという利点
がある反面、揮発性の高いフッ素による屈折率の不均一
性が顕著であり、ガラスの生産性が悪く(低収率)、基
板(ウエハ)を大口径化し難い点が問題となっている。
は、揮発成分は多くないがアルカリ成分が多く(約20
モル%以上)、そのために耐候性に劣るばかりでなく、
高屈折率であり、光ファイバとのモードフィールド整合
が困難となる。また、光導波路と光ファイバとの結合部
での反射光量を増大することにもなる。更に、前記特許
公開公報においても、着色性の回避のために、添加物を
入れることが述べられており、それによる屈折率の上昇
が不可避となっている。
路素子の製造においては、イオン交換速度や埋め込み制
御性を考慮する材料設計が必要である。しかし、これら
については、従来公表されている特許公報あるいは文献
などに十分な記述が無く、着色性、生産性、組成の相関
は解明されていなかった。
低損失且つ低応力光導波路を、ガラス材料に安価に安定
的に形成することができる光導波路素子及びその製造方
法を提供することである。
2 O3 −Al2 O3 −SiO2 系ガラスであって、Na
2 Oを5〜13モル%含有する多成分系ガラス材料に、
イオン交換によりAgをドープすることで光導波路が形
成されている光導波路素子である。
%)からなる組成のものが好ましい。
しては、 SiO2 :63〜72モル% B2 O3 :10〜18モル% Al2 O3 :2〜8モル% Na2 O:7〜13モル% Li2 O:0〜1モル% As2 O3 :0〜0.5モル% Sb2 O3 :0〜0.5モル% (但し、As2 O3 +Sb2 O3 :0.01〜1モル
%)とすることである。
考慮して、波長1200〜1650nmの近赤外線に対す
る屈折率が、1.50以下であることが望ましい。ま
た、使用するガラス材料は、厚さ5mm以下の基板状とし
て、少なくとも一面が表面粗さRaが0.001〜0.
1μmの鏡面状態であることが望ましい。
材料の表面に設けてもよいが、ガラス材料内部にAgイ
オンドーピング領域を埋め込む構成が好ましい。
して、Agイオンのイオン交換は、例えば200〜35
0℃で、Agイオンを含有する処理浴で行う。
ためには、 (1)単一モード導波に十分な屈折率変化 (2)低複屈折性 (3)低吸収特性 (4)優れた耐候性 (5)高生産性(ガラスウエハの収率、光導波路形成条
件) (6)光ファイバとの低損失接続(光ファイバとのモー
ドフィールド整合)が非常に重要となる。なお、上記
(5)の高生産性はイオン交換速度が関係し、 (6)の低損失接続性は屈折率の整合が関係している。
このため、ガラス成分の特徴を活かした組成設計が必要
となる。
O3 −Al2 O3 −SiO2 系のガラスである。各成分
の果たす作用は次の如くであり、それに伴い成分比率は
次のように規定するのがよい。SiO2 は、ガラス骨格
を形成する主成分であり、低濃度ではガラスが化学的に
不安定で、耐水性や耐酸性などが乏しくなり、高濃度で
は溶融温度が高くなる。そこで、60〜75モル%とす
ることが好ましく、より好ましくは63〜72モル%と
する。B2 O3 は、ガラス骨格を形成すると共に、ガラ
スの溶融温度、成形温度を低下させるため必ず含ませる
必要がある。低濃度では溶融温度低下の効果が乏しくな
り、高濃度では溶融、成形時に揮発しやすく、組成変動
によって脈理や失透などの欠陥が生じやすくなる。そこ
で、10〜20モル%とすることが好ましく、より好ま
しくは10〜18モル%とする。Al2 O3 は、ガラス
を化学的に安定にすると共に、イオン交換を促進する。
低濃度ではイオン交換促進の効果が小さく、高濃度では
ガラスの溶融温度が高くなり、且つガラスも失透しやす
くなる。そこで、2〜10モル%とすることが好まし
く、より好ましくは2〜8モル%とする。Na2 Oは、
Agイオンと交換してガラスに屈折率変化を生じさせる
ために一定量以上の濃度が必要である。しかし、高濃度
にするとガラスの耐久性が低下する(ガラス化し難くな
る)し、屈折率が大きくなるため、できるだけ少なくす
る。そこで、5〜13モル%とすることが好ましく、よ
り好ましくは7〜13モル%とする。Li2 Oは、ガラ
スの溶融性(成形性)を向上させるが高価である。また
高濃度にしても溶融性向上の効果は少ないし、Agイオ
ンとの交換が生じる。そこで、1モル%以下とすること
が好ましく、含まれていなくてもよい。
なわない範囲で、清澄剤などを添加しても構わない。例
えば、 As2 O3 :0〜0.5モル% Sb2 O3 :0〜0.5モル% 但し、As2 O3 +Sb2 O3 :0.01〜1モル% 添加する。これらは、気泡を抜きやすくする作用(脱泡
機能)を果たす。
低複屈折性を実現することが必要であるが、そのために
はAgイオンとの交換により応力を生じるNaイオン以
外のアルカリ金属イオンを抑制することが重要である。
そこで本発明では、Kイオンはガラス成分として含有さ
せていない。
基板を試作し、イオン交換処理した後、必要な測定を行
った。
し、白金るつぼ内で溶融し、成形後徐冷して試料を作製
した。ウエハ基板状に加工した後、試料ガラス基板を3
モル%硝酸銀(AgNO3 )溶融塩(温度:280℃)
に5時間浸漬してイオン交換した後、イオン交換速度、
屈折率変化、着色特性(吸収特性)、及び複屈折性を評
価した。また、基板ガラスの屈折率とガラスの均質化に
必要な溶融温度も測定した。
組成で、試料番号6〜10は本発明の範囲外のガラス組
成(比較例)である。試料番号1〜5のガラスは、いず
れも単一モード設計に十分な屈折率変化量をもち、且つ
透明で複屈折性も低い。またガラス基板の屈折率も低
く、且つ溶融温度も1500℃以下と比較的低温で均質
ガラスを作製できた。それに対して試料番号6及び7の
ガラスは、Al2 O3 量が多いため、高温溶融が必要と
なり、均質ガラスの調製が困難であった。試料番号7の
ガラスはB2 O3 を含有しない唯一のガラスであるが、
着色が生じた。試料番号8は、アルカリ金属酸化物とし
てK2 Oを含有するため、複屈折性を示している。また
試料番号9のガラスは、アルカリ量が過多のために屈折
率が高くなり、光ファイバとの整合が困難になる。試料
番号10のガラスは、逆にアルカリ量が過少のために屈
折率変化量が小さく、単一モード設計ができない欠点が
生じる。
基板に光導波路を形成する様々な構造の光導波路素子に
適用できるものであり、各種の受動光平面回路のみなら
ず、能動部を有する光集積回路の一部などにも適用で
き、それらの場合も本発明に含まれることは言うまでも
ない。
に製造できるガラスに、Agイオン交換によって低損失
且つ低応力の光導波路を形成することができる。即ち、
単一モード導波に十分な屈折率変化を生じ、低複屈折性
並びに低吸収特性で、優れた耐候性を呈し、高生産性
で、光ファイバとの低損失接続を実現できる。
Claims (8)
- 【請求項1】 Na2 O−B2 O3 −Al2 O3 −Si
O2 系ガラスであって、Na2 Oを5〜13モル%含有
する多成分系ガラス材料に、イオン交換によりAgをド
ープすることで光導波路が形成されていることを特徴と
する光導波路素子。 - 【請求項2】 Na2 O−B2 O3 −Al2 O3 −Si
O2 系ガラスであって、 SiO2 :60〜75モル% B2 O3 :10〜20モル% Al2 O3 :2〜10モル% Na2 O:5〜13モル% Li2 O:0〜1モル% As2 O3 :0〜0.5モル% Sb2 O3 :0〜0.5モル% (但し、As2 O3 +Sb2 O3 :0.01〜1モル
%)からなる多成分系ガラス材料に、イオン交換により
Agをドープすることで光導波路が形成されていること
を特徴とする光導波路素子。 - 【請求項3】 Na2 O−B2 O3 −Al2 O3 −Si
O2 系ガラスであって、 SiO2 :63〜72モル% B2 O3 :10〜18モル% Al2 O3 :2〜8モル% Na2 O:7〜13モル% Li2 O:0〜1モル% As2 O3 :0〜0.5モル% Sb2 O3 :0〜0.5モル% (但し、As2 O3 +Sb2 O3 :0.01〜1モル
%)からなる多成分系ガラス材料に、イオン交換により
Agをドープすることで光導波路が形成されていること
を特徴とする光導波路素子。 - 【請求項4】 ガラス材料が、波長1200〜1650
nmの近赤外線に対する屈折率で、1.50以下である請
求項1乃至3のいずれかに記載の光導波路素子。 - 【請求項5】 ガラス材料が厚さ5mm以下の基板状で、
少なくとも一面が表面粗さRa:0.001〜0.1μ
mの鏡面状態である請求項1乃至4のいずれかに記載の
光導波路素子。 - 【請求項6】 ガラス材料内部にAgイオンドーピング
領域が埋め込まれている請求項1乃至5のいずれかに記
載の光導波路素子。 - 【請求項7】 請求項1乃至6のいずれかに記載の光導
波路素子を製造する方法であって、Agイオンのイオン
交換を200〜350℃で行う光導波路素子の製造方
法。 - 【請求項8】 Agイオンを含有する処理浴でイオン交
換を行う請求項7記載の光導波路素子の製造方法。
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