JP3207041B2 - ガラス母材の屈折率増加方法 - Google Patents
ガラス母材の屈折率増加方法Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はガラス状材料の屈折率の
増加方法に関し、特に、光導波路グレーティングレーザ
のような光学の素子の製造方法に関する。
増加方法に関し、特に、光導波路グレーティングレーザ
のような光学の素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバのグレーティングの形成は、
ガラス製導波路構造に紫外線の2本の干渉ビームを照射
することにより行われる。これに関しては、米国特許第
4807950号と第4725110号を参照のこと。
一般的に、これらのグレーティングは、Geをドープし
た光ファイバに形成される。
ガラス製導波路構造に紫外線の2本の干渉ビームを照射
することにより行われる。これに関しては、米国特許第
4807950号と第4725110号を参照のこと。
一般的に、これらのグレーティングは、Geをドープし
た光ファイバに形成される。
【0003】本発明は、化学線(UV)により屈折率を
変化させることは、ガラス材料を水素または重水素で処
理することにより強化できることを発見したことに基ず
いている。また、本発明によれば、水素または重水素で
もって処理した(以後水素処理ガラス)では、屈折率は
化学線だけではなく、加熱によっても増加できることを
発見した。
変化させることは、ガラス材料を水素または重水素で処
理することにより強化できることを発見したことに基ず
いている。また、本発明によれば、水素または重水素で
もって処理した(以後水素処理ガラス)では、屈折率は
化学線だけではなく、加熱によっても増加できることを
発見した。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明はガラ
ス状材料の屈折率を増加させるのに、化学線以外の方法
を提供しようとするものである。
ス状材料の屈折率を増加させるのに、化学線以外の方法
を提供しようとするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ガラス
状材料の屈折率を増加させるには、水素でもってガラス
状材料を処理し、さらに、加熱することによって行われ
る。例えば、このガラス状材料を1−80Kg/cm2
(14−11000psi)の範囲の圧力で21−15
0℃の範囲の温度で、水素、または重水素がガラス材料
内に十分に拡散できる時間だけ、水素または重水素に曝
すことにより行われる。その後、このガラス状材料を5
00℃以上の温度に加熱する。例えば、火炎、あるいは
赤外線放射でもって加熱する。加熱時間は、好ましくは
1秒以下である。本発明の方法により、屈折率が長期間
にわたって増加できる。例えば、H2を負荷した市販の
GeO2をドープした光ファイバ(AT&T Accutether
製のシングルモード光ファイバ)を火炎で加熱するこ
とにより、Δn/nの正規化した屈折率は4×10-3で
あった。本発明の方法は光導波路のような様々な素子に
も適用できる。
状材料の屈折率を増加させるには、水素でもってガラス
状材料を処理し、さらに、加熱することによって行われ
る。例えば、このガラス状材料を1−80Kg/cm2
(14−11000psi)の範囲の圧力で21−15
0℃の範囲の温度で、水素、または重水素がガラス材料
内に十分に拡散できる時間だけ、水素または重水素に曝
すことにより行われる。その後、このガラス状材料を5
00℃以上の温度に加熱する。例えば、火炎、あるいは
赤外線放射でもって加熱する。加熱時間は、好ましくは
1秒以下である。本発明の方法により、屈折率が長期間
にわたって増加できる。例えば、H2を負荷した市販の
GeO2をドープした光ファイバ(AT&T Accutether
製のシングルモード光ファイバ)を火炎で加熱するこ
とにより、Δn/nの正規化した屈折率は4×10-3で
あった。本発明の方法は光導波路のような様々な素子に
も適用できる。
【0005】
【実施例】図1において、ステップ(A)においてガラ
ス母材を用意する。この母材は如何なる形状でもかまわ
ない。このプロセスのために好ましいものとしては、図
2、3に示されたものがある。それらの例としては、光
ファイバ、あるいは基板支持の平面状光導波路素子のよ
うな薄い層である。好ましくはこのガラスはGeO2で
ドープしたシリカのような、ゲルマニュムをドープした
透明なガラスである。しかし、Pをドープしたシリカ及
びP−Alをドープしたシリカのような透明なガラスに
適用することもできる。シリカ内のGeO2の濃度は3
−20モル%の範囲である。より高いGeO2の濃度で
はより高い屈折率の変化が観察された。
ス母材を用意する。この母材は如何なる形状でもかまわ
ない。このプロセスのために好ましいものとしては、図
2、3に示されたものがある。それらの例としては、光
ファイバ、あるいは基板支持の平面状光導波路素子のよ
うな薄い層である。好ましくはこのガラスはGeO2で
ドープしたシリカのような、ゲルマニュムをドープした
透明なガラスである。しかし、Pをドープしたシリカ及
びP−Alをドープしたシリカのような透明なガラスに
適用することもできる。シリカ内のGeO2の濃度は3
−20モル%の範囲である。より高いGeO2の濃度で
はより高い屈折率の変化が観察された。
【0006】次のステップ(B)においては、水素をガ
ラス母材の一部に拡散し、この一部の屈折率を増加させ
るものである。この拡散はガラス母材を水素(あるいは
重水素)14−11000psiの範囲内の圧力でもっ
て露出することにより行う。好ましくはこの拡散は21
−150℃の温度で行う。
ラス母材の一部に拡散し、この一部の屈折率を増加させ
るものである。この拡散はガラス母材を水素(あるいは
重水素)14−11000psiの範囲内の圧力でもっ
て露出することにより行う。好ましくはこの拡散は21
−150℃の温度で行う。
【0007】拡散時間は水素をドープするガラスの厚さ
及び温度に依存する。標準的なサイズの標準的拡散時間
は21℃で約21日、100℃で約10時間である。半
径rの光ファイバにH2を拡散するのに必要な時間はr2
に比例し、ガス中のH2の拡散係数に反比例する。
及び温度に依存する。標準的なサイズの標準的拡散時間
は21℃で約21日、100℃で約10時間である。半
径rの光ファイバにH2を拡散するのに必要な時間はr2
に比例し、ガス中のH2の拡散係数に反比例する。
【0008】GeO2をドープしたガラスにおいては、
付加されるH2の量(モル%)はGeO2ドープのモル%
に比例すると思われる。シリカ内のGeO2の量は3−
20モル%のオーダである。従って、最大のΔn'を達
成するのに必要なH2のレベルは比例して変化すること
になる。加熱による反応はガラス母材の局部においての
み発生するので、周囲から拡散するH2を用いることが
可能となる。例えば、シングルモード光ファイバにおい
ては、H2の相当な量がクラッド層からGeO2をドーパ
ントされたコア内に拡散する。かくして、H2の濃度が
GeO2の濃度よりも少なくても最大の屈折率変化がコ
ア内に達成できる。反応はGe原子当たり1H原子が還
元する。製造に際し、平衡状態の負荷水素の量は水素の
圧力とexp(2.07Kcal/モル/RT)で変化
する。
付加されるH2の量(モル%)はGeO2ドープのモル%
に比例すると思われる。シリカ内のGeO2の量は3−
20モル%のオーダである。従って、最大のΔn'を達
成するのに必要なH2のレベルは比例して変化すること
になる。加熱による反応はガラス母材の局部においての
み発生するので、周囲から拡散するH2を用いることが
可能となる。例えば、シングルモード光ファイバにおい
ては、H2の相当な量がクラッド層からGeO2をドーパ
ントされたコア内に拡散する。かくして、H2の濃度が
GeO2の濃度よりも少なくても最大の屈折率変化がコ
ア内に達成できる。反応はGe原子当たり1H原子が還
元する。製造に際し、平衡状態の負荷水素の量は水素の
圧力とexp(2.07Kcal/モル/RT)で変化
する。
【0009】(C)ステップは水素負荷ガラスを加熱す
ることである。この加熱は500℃以上の温度で急速に
行われるのが好ましい。300℃のオーダーの低温度で
は、効果的でなく、加熱速度が遅いものは、水素が屈折
率を増加させずにガラスの外に拡散してしまう。好まし
い加熱速度は数秒で数分では好ましくない。
ることである。この加熱は500℃以上の温度で急速に
行われるのが好ましい。300℃のオーダーの低温度で
は、効果的でなく、加熱速度が遅いものは、水素が屈折
率を増加させずにガラスの外に拡散してしまう。好まし
い加熱速度は数秒で数分では好ましくない。
【0010】このような急速加熱が屈折率の変化を引き
起こす。火炎加熱が光ファイバに用いられる。CO2レ
ーザからの熱放射加熱は平面状導波路構造に対しては好
ましい。この加熱は全体的、あるいは局部的の何れでも
良い。集光したCO2レーザからの赤外線放射により局
部加熱は屈折率を増加させる局部領域を規定することが
でき、これにより局部的な導波路構造を形成でき、レー
ザキャビティのような限界光ガイド領域のパス長さを調
整できる。別法として、光ファイバ、または導波路構造
体を長さ方向に沿って周期的に離間した複数の点で局部
的に加熱することにより、グレーティング構造を形成で
きる。
起こす。火炎加熱が光ファイバに用いられる。CO2レ
ーザからの熱放射加熱は平面状導波路構造に対しては好
ましい。この加熱は全体的、あるいは局部的の何れでも
良い。集光したCO2レーザからの赤外線放射により局
部加熱は屈折率を増加させる局部領域を規定することが
でき、これにより局部的な導波路構造を形成でき、レー
ザキャビティのような限界光ガイド領域のパス長さを調
整できる。別法として、光ファイバ、または導波路構造
体を長さ方向に沿って周期的に離間した複数の点で局部
的に加熱することにより、グレーティング構造を形成で
きる。
【0011】本発明の適用例としては、ガラスファイ
バ、またはガラス層の一部の屈折率を増加させて、光導
波路構造を調整できる。光導波路構造は細長いガラス構
造体で、このガラス構造体は高屈折率ガラスのコアと低
屈折率ガラスのクラッド層からなり、このクラッド層は
少なくとも部分的にコアを包囲する。このコアの寸法は
0.4−1.7μmの範囲内である。図2は導波路構造
体として、クラッド層12に包囲された光ファイバ10
と中央部のコア11を有する光ファイバ10が示されて
いる。このような光ファイバ10の長さ方向にわたって
加熱する方法は火炎13によるものである。
バ、またはガラス層の一部の屈折率を増加させて、光導
波路構造を調整できる。光導波路構造は細長いガラス構
造体で、このガラス構造体は高屈折率ガラスのコアと低
屈折率ガラスのクラッド層からなり、このクラッド層は
少なくとも部分的にコアを包囲する。このコアの寸法は
0.4−1.7μmの範囲内である。図2は導波路構造
体として、クラッド層12に包囲された光ファイバ10
と中央部のコア11を有する光ファイバ10が示されて
いる。このような光ファイバ10の長さ方向にわたって
加熱する方法は火炎13によるものである。
【0012】図3は基板20と、この基板20上に配置
されたクラッド層21と、このクラッド層21上に配置
されたコアガラス層22と上部クラッド層23とを有す
る。平面状導波路構造の従来の例としては、C.H.Henry
et al.の論文("Glass Waveguides on Silicon for Hyb
rid Optical Packaging", 7 J. Lightwave Technol.,p
p.1530-39(1989))を参照のこと。コア層の細いストラ
イプを除いてすべてが上部クラッド層を形成する前に、
エッチングで取り除かれて導波路領域を形成する。グレ
ーティングを形成するために、このような素子に本発明
は適用できるが、導波路のパターンを形成するために、
本発明の適用方法を平面層としてコアガラスを示す。
されたクラッド層21と、このクラッド層21上に配置
されたコアガラス層22と上部クラッド層23とを有す
る。平面状導波路構造の従来の例としては、C.H.Henry
et al.の論文("Glass Waveguides on Silicon for Hyb
rid Optical Packaging", 7 J. Lightwave Technol.,p
p.1530-39(1989))を参照のこと。コア層の細いストラ
イプを除いてすべてが上部クラッド層を形成する前に、
エッチングで取り除かれて導波路領域を形成する。グレ
ーティングを形成するために、このような素子に本発明
は適用できるが、導波路のパターンを形成するために、
本発明の適用方法を平面層としてコアガラスを示す。
【0013】平面状導波路構造の一部に加熱する方法は
CO2レーザのようなレーザ24を基板の部分26に向
けて赤外線放射25を照射することである。熱放射は所
望の導波路の形状を規定する部位に当てる。かくして、
導波路構造はコアガラス層22の選択された加熱によ
り、エッチングをせずに規定できる。非常に細い形状が
望ましい場合には、金層(図示せず)のような反射マス
クを上部クラッド層23とレーザ24との間に配置し
て、コアを加熱する放射を反射マスクの開口領域からの
み選択的に当てる。
CO2レーザのようなレーザ24を基板の部分26に向
けて赤外線放射25を照射することである。熱放射は所
望の導波路の形状を規定する部位に当てる。かくして、
導波路構造はコアガラス層22の選択された加熱によ
り、エッチングをせずに規定できる。非常に細い形状が
望ましい場合には、金層(図示せず)のような反射マス
クを上部クラッド層23とレーザ24との間に配置し
て、コアを加熱する放射を反射マスクの開口領域からの
み選択的に当てる。
【0014】実験例1 AT&T Accutether 製の光ファイバを1.9モル%H
2の濃度にH2で付加して、その屈折率プロファイルを測
定した。その後、64mm長さの光ファイバ上に、小さ
な(3mm幅)火炎を12秒以内で急速に通過させ、光
ファイバを熱した。その後、屈折率を再度測定した。
2の濃度にH2で付加して、その屈折率プロファイルを測
定した。その後、64mm長さの光ファイバ上に、小さ
な(3mm幅)火炎を12秒以内で急速に通過させ、光
ファイバを熱した。その後、屈折率を再度測定した。
【0015】図6はこの測定した屈折率プロファイルを
表すグラフである。点線は加熱する前で、実線は加熱後
である。コアガラス内の得られた屈折率の変化はΔn=
0.006であった。外側のP−Fドープしたクラッド
層(11<r<20μm)の屈折率も加熱の間上昇した
が、熱による屈折率の変化はGeO2をドープしたガラ
ス以外のガラスの中で起きたことが分かった。
表すグラフである。点線は加熱する前で、実線は加熱後
である。コアガラス内の得られた屈折率の変化はΔn=
0.006であった。外側のP−Fドープしたクラッド
層(11<r<20μm)の屈折率も加熱の間上昇した
が、熱による屈折率の変化はGeO2をドープしたガラ
ス以外のガラスの中で起きたことが分かった。
【0016】実験例2 実験例1と同様な光ファイバを2.1モル%のD2(重
水素)で負荷し火炎加熱した。加熱の前後の屈折率のプ
ロファイルは図6に示した。コアガラスの屈折率の変化
はΔn=0.0075であった。このことは屈折率を変
化させるには、H2またはD2の何れも使用できることを
意味する。H2の代わりにD2を使用する利点はD2では
OHの形成を避けることができ、OHによる吸収に起因
する光学損失を回避できる。一方、H2はD2よりも安
く、OHのピークの強さをモニタすることにより、簡単
にモニタでき、溶解したH2またはD2を含まなかった光
ファイバを加熱しても測定しうるほどの屈折率の変化は
起こらなかった。
水素)で負荷し火炎加熱した。加熱の前後の屈折率のプ
ロファイルは図6に示した。コアガラスの屈折率の変化
はΔn=0.0075であった。このことは屈折率を変
化させるには、H2またはD2の何れも使用できることを
意味する。H2の代わりにD2を使用する利点はD2では
OHの形成を避けることができ、OHによる吸収に起因
する光学損失を回避できる。一方、H2はD2よりも安
く、OHのピークの強さをモニタすることにより、簡単
にモニタでき、溶解したH2またはD2を含まなかった光
ファイバを加熱しても測定しうるほどの屈折率の変化は
起こらなかった。
【0017】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、比
較的簡単な方法で屈折率を変化させることができる。
較的簡単な方法で屈折率を変化させることができる。
【図1】本発明のガラス状材料の屈折率の増加方法の各
ステップを表す図。
ステップを表す図。
【図2】本発明の方法が適用される一実施例である光フ
ァイバを表す図。
ァイバを表す図。
【図3】本発明の方法が適用される一実施例である光導
波路を表す図。
波路を表す図。
【図4】本発明により屈折率を変化させるプロセスの影
響を表す図。
響を表す図。
【図5】本発明により屈折率を変化させるプロセスの影
響を表す図。
響を表す図。
10 光ファイバ 11 コア 12 クラッド層 13 火炎 20 基板 21 クラッド層 22 コアガラス層 23 上部クラッド層 24 レーザ 25 赤外線放射 26 部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポール ジョセフ レマイア アメリカ合衆国、07940 ニュージャー ジー、マディソン、ファーンデル ロー ド 18 (72)発明者 ビクター ミズライ アメリカ合衆国、07921 ニュージャー ジー、ベドミンスター、カーディナル レイン 412 (72)発明者 ケネス リー ウォーカー アメリカ合衆国、07974 ニュージャー ジー、ニュー プロビデンス、セントラ ル アベニュー 1003 (56)参考文献 特開 昭55−51729(JP,A)
Claims (10)
- 【請求項1】 (A) ガラスを含む母材を用意するス
テップと、 (B) 前記ガラス母材の一部に水素または重水素を拡
散するステップと、 (C) 前記ガラス母材の一部を前記拡散水素または拡
散重水素が前記ガラスと反応する温度に加熱するステッ
プと、 からなることを特徴とするガラス母材の屈折率増加方
法。 - 【請求項2】 前記(C)のステップは、500℃以上
の温度に加熱することを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項3】 前記(B)のステップは、1−80Kg
/cm2(14−11000psi)の範囲の圧力の水
素または重水素に前記ガラス母材の一部を露出すること
を特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項4】 前記(B)のステップは、21−150
℃の範囲の温度で水素または重水素に前記ガラス母材の
一部を露出することを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項5】 前記ガラスは、GeO2をドープしたシ
リカを有することを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項6】 前記ガラス母材は、光ファイバであるこ
とを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項7】 前記ガラス母材は基板に支持された平面
状ガラス層であることを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項8】 前記(C)のステップは、赤外線放射で
行われることを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項9】 前記(C)のステップは、火炎で行われ
ることを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項10】 前記ガラスは、3−20モル%の範囲
でGeO2をドープしたシリカであることを特徴とする
請求項1の方法。
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