JP3067860B2 - 石英系光導波路作成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光計測等に利
用する石英系光導波路作成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光通信等の発達にとものない、光
導波路を基本構造として、いろいろな機能を持った素子
を集積化した光集積回路の必要性が大きくなってきた。
その中でも石英系ガラスの導波路を用いた光受動部品
は、一般の加入者網を光通信化する時に、必須の装置で
ある。それには、光部品の小型化、高密度化、複合化、
低コスト化が必要である。特に、普及レベルの加入者に
対応するためには、低コスト化が再重点課題になってき
た。

【０００３】また、光集積回路を構成する時に、基本構
造としてクラッド−コア−クラッドと積層されたプレン
ナ−光導波路を作成する必要がある。従来、いくつかの
方法が提案されてきた。その作製方法としては、次のよ
うなものが考えられる。 ａ．イオン交換ガラス導波路作製法は、ガラスに外部か
ら他のイオンを相互拡散させることにより、部分的に屈
折率を増加させ、導波路を作成する方法である。そのた
めに、交換するイオンとしては、Ｋ⁺、Ｒｂ⁺、Ｃｓ⁺、
Ｔｌ⁺、Ａｇ⁺等を用いる。 ｂ．スパッタ−ガラス導波路作製法は、基板ガラスの上
に、高周波スパッタリングにより薄膜導波路を作製する
方法である。基板には、石英系ガラス、パイレックス
等、シリコン基板等が用いられる。 ｃ．一般的に最も良く用いられ、考えられるＣＶＤガラ
ス導波路作製法には、次の３種類の堆積法が考えられ
る。

【０００４】即ち、１．火炎堆積法は、光ファイバ−製
造に使用されている技術の応用であり、ＳｉＣｌ₄、Ｔ
ｉＣｌ₄を主成分とする混合ガスを酸化させ、微粉末に
し、基板上に堆積させるものである。その後、熱処理し
ガラス化し、導波路を作製する方法である。屈折率は原
料ガスの組成、モ−ドは堆積量により制限される。 ２．熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法は、熱プラズマＣＶＤ
法で、ＳｉＯ₂薄膜を作成し導波路を作製する方法であ
る。ＳｉＯ₂薄膜は比較的高い屈折率を有し、低い損失
の導波路になる。この方法は、半導体装置作成技術の応
用である。 ３．レ−ザＣＶＤ法は、レ−ザ光掃引により薄膜を基板
上に選択形成して、チャンネル導波路を直接作製する方
法である。 更に、ｄ．一般的には、ゾル−ゲル法による導波路の作
製も考えられ、即ち、ゾル−ゲルを用いると融液状態を
経ることなく、ガラスを作製することができると考えら
れる。

【０００５】これらの考えられる種々の作製方法の中
で、ａのイオン交換ガラス導波路作製方法は、基板に多
成分ガラスを用いるため、ガラスファイバ−に接合する
時に、整合性、安定性に不安があること、装置を集積化
する時に、シリコン等の基板を用いる必要があるが、多
成分ガラス以外では作成できないため、装置の集積化は
困難なことがあり、現在、実用化されていない。また、
ｂのスパッタ−ガラス導波路作成方法は、膜厚が１ミク
ロン程度にしかできないため、厚膜作成が望ましい時
に、問題がある。更に、ｄのゾル−ゲル法による導波路
作製法は、ゲルを乾燥する時に、大幅に堆積収縮が生じ
るため、基板に被覆しても、クラックが入ったり、激し
かったりする等の問題があり、現在、実用化がされてい
ない。

【０００６】従来法で最も実用化されているのは、ｃの
うち、火炎堆積法による導波路作製であり、この技術
は、膜厚、屈折率を制御できる利点があるためである
が、装置作製コストが高くなり、微妙な技術、ノウハウ
が必要なため、どうしてもコストアップとなってしまう
問題がある。これは、普及レベルの一般加入者網に使用
する光学装置としては致命的な問題である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、前
記のように、従来の石英系光導波路作成方法の欠点を解
消し、大幅なコストダウンがはかれる石英系光導波路作
成方法を提供することを目的とする。即ち、本発明は、
原料面でも、製造装置の面でも、製造技術の面でも、簡
単化でき、コストダウンが大きい石英系光導波路作成方
法を提供することを目的とする。また、本発明は、焼成
処理の際に，ガラス・コ−ティングにクラックの生じ難
く、コストダウンが大きい石英系光導波路作成方法を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の技術的
な課題の解決のために、石英系ガラス光導波路の作成方
法において、ゾルゲル法でガラスゲル粉末を作成し、そ
のガラスゲル粉末を原料に用いて、ゲル・ペ−ストを作
成し、次に、乾燥時に発生するクラックを防止するため
に、グリ−ス、ワセリンから選択した塗布剤を塗った基
板表面の上に、前記ゲル・ペ−ストを塗布し、ガラス・
ゲル・コ−ティング層を形成し、その後、その形成され
たガラス・ゲル・コ−ティング層を熱処理し、多孔質ガ
ラス薄膜とし、更に、熱処理し、透明ガラス化し、石英
系光導波路とすることを特徴とする前記石英系光導波路
作成方法を提供する。

【０００９】現在実用化されている火炎堆積法は、一般
に、ガスの組成、流量を調整して、ガラスにした時に、
必要な屈折率、膜厚を有する多孔質ガラス薄膜を作製
し、その後、加熱してガラス薄膜を作製する方法であ
る。このとき、この多孔質ガラスを作製するために、高
価な装置とノウハウを必要とするために、どうしても、
高コストになってしまう。

【００１０】そこで、本発明者らは、低コストで、容易
に多孔質ガラスを作製する方法を開発したものである。
これは、出発原料にゲルから作成したガラスゲル粉末を
用い、ガラス化したときに、必要な屈折率になるよう
に、配合し、均一に混合できるものを使用することがで
きる。更に、本発明によると、バインダ−等を用い、ガ
ラス化した時に、必要な膜厚になるように、基板上に、
塗布し、乾燥させるものである。塗布、乾燥した後に、
熱処理することにより、その薄膜を焼結し、ガラス化し
た時に、必要な屈折率、膜厚になるような配合の多孔質
ガラス膜を作製が可能である。その後、熱処理し、ガラ
ス化し、導波路形成にする。

【００１１】然し乍ら、コスト面では、ゾル・ゲル法が
最も有利である。それは、Ａ．ゾル−ゲル法で作成した
薄膜は、１１００〜１２００℃でガラス化するため、高
温まで上げる必要がなく、高価な電気炉、ガス炉等を必
要としない：Ｂ．原料のアルコシキドが安価である：
Ｃ．簡単な器具でゲル薄膜の作成することができる。然
し乍ら、実用化されないのは、ゲルペ−ストを塗布した
後に、乾燥する時に、大幅に収縮するために、ゲル・コ
−ティング厚膜を作成するときに、クラックが入ってし
まうためである。

【００１２】このようなクラックが発生する理由は、２
つある。１つは、ウエットゲルが乾燥する時に、大幅に
収縮するためである。もう１つは、基板のゲルとゲル表
面とで収縮率が異なるので、薄膜内部に応力が発生し、
クラックになるためである。然し乍ら、ゾル−ゲル法
で、バルク石英ガラスは、作成されている。体積が大き
く、収縮による応力が大きい筈であるが、クラックは入
らない。それは、ゲルが、容器の中で乾燥するときに、
容器表面とゲルとの間に摩擦が余りないため、均一にゲ
ルが収縮するためである。

【００１３】そこで、基板とゲルとの摩擦を小さくする
ために、グリ−ス等を塗り、ゲル膜を小さくするため
に、グリ−ス等を塗り、ゲル膜を作成し、乾燥したとこ
ろ、膜全体が均一に収縮し、クラックの発生が防止する
ことができた。このようなゲル膜を達成し、ガラス化
し、石英系ガラス導波路を作成した。

【００１４】本発明のよる石英系光導波路作成方法の工
程は、図１に示す順で行なわれる。

【００１５】本発明によると、図１に示すように、先
ず、原料に金属アルコキシドを用い、ゾル−ゲル法によ
り、酸化珪素、酸化チタンの粉末を作製する。作製した
粉末は、全て１ミクロン以下の粒径であった。その粉末
にバインダ−を添加し、塗布するために適当な粘度を有
するペ−ストにする。このペ−ストを、表面をグリ−ス
等で塗ったシリコンウエハ−上に、厚さ１５〜５０ミク
ロンで均一に塗布する。塗布したシリコンウエハ−を十
分に乾燥させ、シリコニット又はカンタル線ヒ−タ−の
電気炉で、１０００〜１２００℃に加熱する。これによ
り、バインダ−を飛散させ、粉体同志を固相反応させ
る。特に、ゾル−ゲル法で得られた粉体は、粒子が非常
に細かいので、従来法よりも低温で固相反応し、簡単に
多孔質ガラス膜を作製することができる。

【００１６】次に、電気炉を用いヘリウム雰囲気中で、
塗布面を加熱し、多孔質ガラスを溶融させ、ガラスに
し、ガラスコ−ティング層を作製する。 そして、最後
に、作成されたガラス厚膜層を、エッチングして、３次
元導波路を作製するものである。

【００１７】本発明において、上記のように、多孔質ガ
ラスコ−ティングの作成が特に、重要であり、ガラス・
ゲル・ペ−スト塗る前に、基板の表面にグリ−ス等を塗
布する。そうすると、バインダ−除去のための高温処理
の際に、その薄膜に、クラックが発生することなく、熱
処理することができる。また、一般的に、ゲルガラス
は、共沈降法、或いはオ−トクレ−ブを利用して、作成
することができる。

【００１８】多孔質ガラス層をガラス化する温度は、１
１００〜１２００℃である。多孔質ガラスが焼結して、
多孔が消えることが必要である。このように、本発明に
よる石英系光導波路作成方法では、低温でガラス化が可
能であり、非常に経済的な方法である。

【００１９】塗布する方法としては、バインダ−と混合
された作成したゲルペ−ストを、ドクタ−ブレ−ドで、
塗布することが好適である。これに限らず、スピンコ−
ト、吹き付け塗布、溶射塗布、刷毛塗布等を用いて行な
うことができる。

【００２０】次に、本発明を具体的に実施例により説明
するが、本発明はそれらによって限定されるものではな
い。

【００２１】

【実施例】先ず、所定のシリコン、チタニウムの配合割
合になる割合の金属アルコキシドを、溶媒に溶解し、加
水分解をし、ゲル化させる。得られたゲル・ペ−スト
に、６〜１０重量％のポリビニルブチラ−ルをバインダ
−として添加した。次に、表面を酸化処理したシリコン
ウエハ−の端に、１ミリ程度の壁を作り、ゲル・ペ−ス
トが、シリコンウェハ−からこぼれ落ちないようにす
る。

【００２２】次に、シリコングリ−スをシリコンウェハ
−と壁の表面に均一に塗布する。これにより、ゲルとシ
リコンウェハ−が反応して、結合することを防止する。
図２Ａに示すように、ゲル・ペ−スト２をシリコンウェ
ハ−１の表面に流し込み、温度を制御した容器の中で、
１〜７日間乾燥させる。その後、電気炉中で、１２００
℃で、焼成し、図２Ｂに示すように、ゲルをガラス化さ
せる。

【００２３】同様な工程により、更に、屈折率を変えた
ガラスコ−ティングを積層させる。更に、エッチングを
して、導波路を作製し、同様な工程で、図２Ｅに示すよ
うに、ガラスコ−ティングを導波路上にコ−ティング
し、石英系ガラスの光導波路を作製する。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の石英系光
導波路作成方法により、次のような顕著な技術的効果が
得られた。第１に、原料として、ゲルから作成した粉末
を用いているため、生成粒子の径を容易に調整できるた
めに、ゲルから作成したガラス粒子は従来方法よりも低
い温度で固相反応が起こり、多孔質ガラスが得易く、こ
のために、多孔質ガラスを作製するのに、低コストの電
気炉の使用で可能であり、大幅なコスト低減できる石英
系光導波路作成方法を提供する。即ち、ガラス粉末を配
合、混合して、屈折率を調整することができるため、作
製方法は簡単で、簡単な器具により、容易に作製するこ
とが可能である。また、主に、原料として、珪素のアル
コシキドを用いるために、原料が非常に安価で、大幅に
低減できるコストで作製できる。更に、以上のような種
々のコストダウンが可能になり、且つ、加入者光装置を
作製するのに最大の問題になるコストダウンが可能にな
る。

【００２５】第２に、ＳｉＯ₂にＴｉ成分を添加するこ
とにより屈折率を変化させる等の場合のように、多成分
を配合するときに、均一に混合され、セラミックを安価
に自由に膜厚が容易に自由にできる石英系ガラス光導波
路が作成される。第３に、また、本発明の方法では、簡
単な容器で作製できるため、大幅なコストダウンにでき
る石英系光導波路作成方法を提供する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の石英系光導波路作成方法を説明するた
めの説明図である。

【図２】本発明の石英系光導波路作成方法を説明するた
めの工程順に示す断面図である。

【符号の説明】

１ Ｓｉ基板 ２ ゲルペ−スト ３ 多孔質ガラス ４ ガラス層

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 石英系ガラス光導波路の作成方法におい
   て、 ゾルゲル法でガラスゲル粉末を作成し、そのガラスゲル
   粉末を原料に用いて、ゲル・ペ−ストを作成し、次に、
   乾燥時に発生するクラックを防止するために、グリ−
   ス、ワセリンから選択した塗布剤を塗った基板表面の上
   に、前記ゲル・ペ−ストを塗布し、ガラス・ゲル・コ−
   ティング層を形成し、その後、その形成されたガラス・
   ゲル・コ−ティング層を熱処理し、多孔質ガラス薄膜と
   し、更に、熱処理し、透明ガラス化し、石英系光導波路
   とすることを特徴とする前記石英系光導波路作成方法。