JPH02221139A - 直埋導波管の製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １艶立且丘且Ｉ 一般に、本発明は、直埋導波管の製作方法および特に電
場支援イオン交換方法による直埋導波管の製作方法に関
する。

＆■立遣１ 光学信号の伝送および操作を含む導波管ｖｔ置は、代表
的には、主信号搬送域の両側の相のものよりも一層高雇
折率を有する主信号搬送域を有する。

ソーダ−石灰−ケイ酸塩ガラス基体上に形成されたこの
ような導波管装置においては、−層高屈折率を有する領
域は、ナトリウムよりも一層高モル屈折率のカチオン、
例えば銀イオン、およびカリウム、ルビジウム、セシウ
ムおよびタリウムのような大？ルカリイオンをナトリウ
に交換することによって通常製作される。さらにこのよ
うな導波管装置において、（１）８屈折率域およびその
近傍の間のかなりはつきりした境界、（２）信号搬送、
−層高屈折率域内の最小光吸収および（３）表面不規則
性および欠陥から散乱するガラス基体の自由表面下に十
分深く埋められた信号搬送高屈折率域は信号を妨げない
利点を有することが既知である。

１９７５年４月２９日付米国特許第３，８８０゜６３０
号明Ｉ書には、電場支援イオン交換方法によってガラス
基体中の直埋光学導波管の形成方法が開示されている。

この特許明細書の教示により、単位体積当たり大きい電
子分極率を有する電場イオンによって拡散して、材料の
残部よりも一層＾屈折率の局地域を精製する第１工程お
よび再び電場によって体積当たり小ざい電子分極率を有
するイオンを拡散させることによって一層＾屈折域を望
まれ深さに移行させる第２工程によって、ガラス基体に
直埋光学導波管が形成される。さらにこの特許明細書は
、銀イオンを第１工程において誘導体基体に拡散される
第１イオンとして使用してもよくまたカリウムイオンを
第２［程において基体中に拡散される第２イオンとして
使用してもよいことを教示している。さらになお、この
特許明細１には導波管を描写するためのマスクの使用が
教示されている。なお、さらに、この特許明細書には、
溶融塩浴からまたは順次形成された第１層および第２層
からの第１イオンおよび第２イオンの拡散が教示されて
いる。さらに困難が生じる。なぜならば、交換層および
未交換域間の境界が平面状でないからである。このこと
は、たとえどの型のマスクを用いるにしても、抵抗を減
少するように電流がそれ自体分布することから起こる。

さらに、この特許用１１１＠には、拡散は基体の軟化点
直下の比較的高温で行なわれることが教示されている。

事実、この特許明細書には、３５０℃を比較的低温と呼
ぶ。比較的高温を用いるこの教示によって、銀イオンの
へモル屈折率は、導波管の形成に用いる好ましい候補と
なることに拘らず、問題が起こる。この問題が生じるの
は、Δｇ２゜の形成の負自由エネルギーが小さい値だか
らである。この結果として、若干の銀イオンが銀金属に
還元される傾向があり、しかもこの傾向は温度と共に上
界する。これは問題である。なぎならば、金属！！原子
は、光学吸収を増大させ、しかもソーダ−石灰−ケイ酸
塩ガラスが多くの用途におい【富酸化銀層が有用な信号
搬送波となるのを妨げるからである。

発明の要約 本発明は、ナトリウムイオンを含有するガラス基体１の
容易に制御される鮮明、明確な境界を有する直埋導波管
の製造方法である。特に、本発明の実／１１態様は、ガ
ラス基体をマスクし、アルカリ含有塩の融点の直上の温
度において銀フィルムからの銀イオンの′Ｘ＠場支援イ
オン交換によって導波管を形成し、次いで塩の融点の直
１の温度においてカリウム塩からカリウムイオンの電場
支援イオン交換によって導波管を埋没することを特徴と
するアルカリイオンを含有するガラス基体中に直埋導波
管の製作方法である。さらに電場は、陽極または陽端子
が、イオンを塩から打ち込む基体表面に隣接して配置さ
れた基体の対向面上に配置された１対の電極に直流電位
を印加することによって生成される。

電場支援イオン交換両工程には、銀イオンの還元の機会
を減少するために低温を保つのが重要である。例えば、
本発明の１実施態様においては、銀交換は温度的２１０
℃において行われる。銀の還元を避けるために低温が必
要である故に、イオンの移動度は非常に低く、しかも電
場を用いて交換速度を増進させる。さらに、本発明の好
ましい実１１１ｉ態様においては、交換の温度は、共融
の組み合せを用いてさらに低下できる。特に、銀交換の
第１工程は、（ＮＨ，−ＡＱ）ＮＯ３共融液を用いて行
うことができる。ソーダ−石灰−ケイ酸塩ガラス中の銀
およびナトリウムがほぼ同等の移動度１°ある故に、基
体中の！１層とナトリウムとの間の境界がかなり鮮明で
ある。

銀交換後、基体を冷却し、次いで銀塩または共融銀塩の
組み合せは、再び低温において、基体を溶融されたカリ
ウム融液に導入する前に除去される。さらに、好ましい
態様においては、基体を（Ｃａ−Ｋ）ＮＯ３の共有組成
物に導入して、−層低温を確実に使用できる。ソーダ−
石灰−ケイ酸塩ガラス中においてカリウムはカルシウム
よりもはるかに易動性である故に、カリウムは塩から交
換した唯一のイオンである。他方、カリウムは、銀より
もはるかに移動しにくく、従って、銀−カリウム界面に
おいてはつきりした濃度分布が生じる。

前記のように、イオン交換両工程に用いる低温は、共融
液からのイオン交換を有利に行うことによって一層低く
できる。このことによって、さらに銀イオンの還元の「
■能性が減少する。さらにイオン交換が陽極から起こる
ことによって、銀イオンの還元を起こし得る任意の過剰
の電子が確実に除去されるので有利である。結果として
、本発明の方法によって、銀が１価カブオンどして保た
れる１（＋ｉ銀イオンでドーピングされた高インデック
スガラスの比較的はっきりした層が有利に与えられる。

直埋導波管に対する一層はっきりした横方向の鮮明度を
有利に与える本発明のこれ以上の態様において、塩から
のイオンが、ナトリウムイオンを銀イオンと同時にガラ
スに打ち込むことができる溶融ナトリウム塩で打ち込む
ガラスシートの表面上に銀金属フィルムが蒸着または形
成される。ソーダ石灰シリカガラスにおいて、Ｎａ＋お
よびＡｇ”イオンの移動度の僅かの差がある故に、ガラ
ス中の電場はガラス面に垂直であり、しかもＡ（Ｊ”Ｎ
ａ＋境界ははっきりしている。銀フィルムの形状は望む
ように選択できる。

図面において、理解を容易にするために、同一の参照数
字を用いて図に共通の要素を示す。

詳細な記載 以下に、第１図を参照して、本発明の方法の態様を説明
する。マスキング材料の層を、基体１０、例えばＪ−ニ
ング・グラスから得られるマイクロシート（ＨｉＣｒＯ
３ｈｅｅｔ”）の表面ｈｔｑ当業者゛に既知の方法によ
り蒸着または形成される。次いで、マスキング材料の層
を、当業者に既知の方法により写真石版術でエツチング
してマスク２０を形成する。マスキング材料は、銀およ
びカリウムイオンの拡散に不浸透性である。代表的なマ
スキング材料は、（１）銀と同様な高さの移動度を有し
ない２価または３価金属および（２）Ｓｉ０２のような
カリウムの拡散に不浸透性の酸化物である。特に、拡散
マスクは、陽極処理されたアルミニウムまたは鉄から製
作してらよい。さらに陽極処理されたアルミニウムは、
アルミニウムを室温においてシュウ酸にさらすことによ
って製作してもよい。

マスクされた基体１０は、例えば金属蒸着またはエポキ
シ樹脂によって、マスク２０から対向面に貼付された電
ｔｋ３０を有する。次いで、マスクされた基体１ｏを、
容器５０の溶融銀塩浴４０に浸漬する。電極６０をマス
ク２０に対向する溶融塩浴４０に入れて、１櫓として働
く。直流給電７０からの直流電圧を電極３０および６０
に印加して、電場を生じる。、直流給電７０の正端子を
、浴４ｏ中の電極６０ＩＰ−接続し、そして負端子を基
体１０に付けた復権３０に接＠する。本発明により印加
した電場は、５０■／間〜数百Ｖ　／　ａｍの範囲内の
大きさをｈする。

本発明のこの態様の第１工程は銀交換である。

この銀交換を行うために、溶＠塩浴４０はＡｇＮＯ３の
ような銀塩であり、そして容器５０は図示しない電気炉
に入れて、温度を約２１０℃に保つ。本発明の好ましい
態様においては、交換の温度は、例えば（ＮＨ４−ＡＱ
）ＮＯ３のような共融液を用いて、２１０℃以下に低下
できる。

第２図は、９０において、このｒ程から生じる交換され
た領域を示す。

銀交換後、基体１０を冷ＩＩ　Ｌ、次いで塩を除く。

次に電圧を再印加し、次いで基体１ｏを、再び低温、例
えば２１０℃において溶融されたカリウム塩、例えばＫ
ＮＯ、Ｃａ（ＮＯ３）２に導入して、第３図において１
００で示す直埋導波管を形成する。この溶融液からのカ
リウムイオンをガラスに打ち込み、そしてカリｅクムは
ソーダ−石灰−ケイ酸塩ガラス中においてカルシウムよ
りもはるか多く移動し得るので、カリウムイオンは塩か
ら交換した唯一のイオンである。さらに、カリウムは銀
よりもはるかに移動しにくいので、カリウムは銀−カリ
ウム界面において、はっきりした濃度分布を生じる。

電場支援イオン交換の前記工稈俊に、マスク２０および
電極３０を当業者に既知の方法により、基体１０から除
き、次いで直埋導波管を火造りして、良好な端結合を与
える。火造り面はすりみがき面によって与えられるもの
よりも良好な結合を与えるから火造り面が好ましい。

電極３０および６０の配置は、任意の数の異なった方法
で行われることは当業者に明らかであろう。

以下に、第４図、第５図、および第６図を参照して、本
発明のこれ以上のｉ様を説明する。はっきりした境界を
有する直埋導波領域を得るために用いるこの方法は、銀
およびナトリウムの同時拡散による。ここで、厚さ約１
マイクロメートルの銀ストリップ１１０〜１１４を、導
波管が形成されるガラス基体の表面上に蒸着する。この
表面を、陰惨に接続された溶融ナトリウム含有塩に接触
する。次いで、電位差を印加する。銀ストリップにおい
て５、銀はイオン化して、Ａｇ　イオンをガラスに侵入
させ、次いで電場に応答して、陰極に輸送させる。表面
トの他の場所に、ナトリウムイオンをガラスに侵入させ
、次いで電場に応答して陰極に輸送させる。

銀ストリップが消耗したかまたは積算電流が所定の値に
達した後、電位差が終わり、しがち基体に接勇した任意
の残存銀金属を除く。次いで、Ｎａ＋をナトリウム塩か
らまたはＫ　をカリｒシム塩からガラス基体に打ち込む
電場の第２の印加によって、ＡＱ　　イオンをガラスに
一層深く打ち込む。ここで第１交換工程において、銀お
よびナトリウムは、同時に拡散され、しかもこれらはほ
んど等しい移動度を有する故に、電流１ｍ（第４図の１
１５）は表面に垂直である。従って、等電位面は表面に
平行である。本発明のこの態様により、電極１１０〜１
１４を、導波管の横方向範囲に沿って配置したことによ
って、横方向範囲に沿って境界に一層はっきりした鮮明
度を与える。先に記載した初期の交換工程模、交換され
た領域１１６−１１８は第５図に示すように形成される
。次いで、これらの領域は、カリウム塩を第１交換工程
におけるようにナトリウム塩の代わりに使用してもよい
、第６図に図示する第２交換工程で埋没される。

前記の低温交換の結果として、起こり得る１つの潜在的
問題は、残留応力が発生し、しかも単体の曲げを生じる
ことである。これを説明する好ましい方法は、導波管が
打も込まれる表面と対向する基体の表面にカリウムイオ
ンを予備交換することである。このことは、−Ｕ近似し
た対称応カバターンを与える利点を有し、しかも導波管
が形成された後に焼なましによって応力を除く方法より
も好ましい。なぜならば、焼なましは、導波管を曲げ、
しかも銀イオンを還元する危険を賀すからである。

明らかに、当業者は、本発明者のこれ以上の態様が、そ
の教示から逸脱することなく行いうろことが分かる。例
えば、電場存在下では、幅を有する１１１分布の形は交
換イオンの相対移動度および対向面が除去されつつある
イオンによって決まることが知られている。例えば、交
換イオンが除去されつつあるイオンより一層遅い場合、
交換イオンのｓｉについてほぼ段階関数分布が得られる
。

特に、適度の電場を用いてナトリウムと交換したカリウ
ムによって、通常の電子マイクロプローブ分析による段
階関数から区別できない分布が得られる。従って、銀イ
オンがカリウムとナトリウムの易動度の間の中間である
全基体によって、前記のソーダ−６灰−ケイ酸塩ガラス
における銀−ナトリウム交換によって得られるよりも一
層はっきりした温度分布が得られるであろう。従って、
前記説明に含まれるかまたは添付図面に示された全事項
は例示的であり、限定しないと解釈されるよう意図され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、図解形で、本発明の方法の中間工程において
、溶融塩浴に浸漬されたガラス基体の正面図を示し、 第２図は、図解形で第１図の基体の交換された領域の正
面図を示し、 第３図は、図解形で、第１図の基体にさらに埋没された
第２図の交換領域の正面図を示し、第４図は、図解形で
、電Ｉ伽が、塩からのイオンが打ち込まれる基体の表面
上に形成され、それらの電極が導波管の横方向範囲に沿
って形成された本発明の方法の中間工程におけるガラス
基体の正面図を示し、 第５図は、図解形で、銀交換およびナトリウム塩とカリ
ウム塩との置換後の第４図の基体の正面図を示し、そし
て 第６図は、図解形で第５図の銀交換領域の交換および埋
没模の第５図の領域を示す。 １０：基体 ２０：マスク ３０：電極 ４ｏ：溶融！ｌ塩浴 ５０：容器 ６０：［極 ７０：直流給電 ９０：交換領域 １００：直埋導波管 １１０．１１１，１１２．１１４：銀ストリップ １１５：ｆｌ流線 １１６．１１７．１１８：交換領域 ＦＩＧ、　／

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）基体の表面をマスクし、 マスクされた基体を、第２イオンを含む低温溶融塩に浸
   漬し、 電場を基体に印加し、それによって第２イオンを基体中
   の第１イオンと基体の未マスク部分において置換して、
   導波管を形成し マスクされた基体を、基体中において第１イオンおよび
   第２イオンよりも一層低い移動度を有する第３イオンを
   含む低温溶融塩に浸漬し、次いで基体に電場を印加して
   、直埋導波管を形成することを特徴とする、第１イオン
   を含有する基体上の直埋導波管の製作方法。
2. （２）前記第１イオンを含む前記溶融塩および前記第２
   イオンを含む前記溶融塩が共有組成物である、特許請求
   の範囲第１項の方法。
3. （３）前記基体がガラスであり、前記第１イオンがＮａ
   であり、前記第２イオンがＡｇであり、そして前記第３
   イオンがＫである、特許請求の範囲第２項の方法、
4. （４）１つの共融組成物が（ＮＨ＿４−Ａｇ）ＮＯ＿３
   を含み、かつ他の共融組成物が （Ｃａ−Ｋ）ＮＯ＿３を含む、特許請求の範囲第３項の
   方法。
5. （５）前記ガラスがソーダ−石灰−ケイ酸塩ガラスであ
   る、特許請求の範囲第４項の方法。
6. （６）基体がガラスであり、前記第１イオンがＮａであ
   り、前記第２イオンがＡｇであり、前記第３イオンがＫ
   であり、かつ第１融液が温度２５０℃以下に保たれる、
   特許請求の範囲第１項の方法。
7. （７）前記ガラスがソーダ−石灰−ケイ酸塩ガラスであ
   る、特許請求の範囲第６項の方法。
8. （８）導波管の横方向範囲に沿って配置された基体の表
   面に電極を形成し、 基体の表面をマスクし、 マスクされた基体を、第２イオンを含む低温溶融塩に浸
   漬し、 電位を、電極および追加の電極に印加して、基体に電場
   を形成し、それによつて基体の未マスク部分において第
   ２イオンを基体中の第１イオンと置換して、導波管を形
   成し、 マスクされた基体を、基体中において第１イオンおよび
   第２イオンよりも一層低い移動度を有する第３イオンを
   含む低温溶融塩に浸漬し、次いで電極および追加電極に
   電位を印加し、基体に電場を形成して直埋導波管を形成
   することを特徴とする、第１イオンを含有する基体上の
   直埋導波間の製作方法。