JPH0244041B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は屈折率が断面内で中心から周辺に向け
て連続的に減少するような分布をもつ導波路をガ
ラス基板内に一体的に形成する方法に関し、特に
真円に近い導波路断面形状を得るための技術に関
する。

一般に光平面回路は、相対的に低い屈折率もつ
透明ガラス基板内に相対的に高い屈折率の領域か
らなる導波路を用途に応じた種々の回路パターン
で設けたものであり、例えば第１図ないし第３図
に示すように基板１内にそれぞれＹ字状、三角形
状、ダイヤ状などのパターンで導波路２を設け、
これら導波路２の端部（基板側面）にそれぞれ光
フアイバ３……を接続してこれら光フアイバ３…
…のうちの一部を入力用フアイバ３Ａとして導波
路２内に伝送光を導入し、基板内の導波路２で伝
送光を分岐あるいは合流させて残りの導波路２端
に接続された出力用フアイバ３Ｂにそれぞれ入射
させるようにした回路などが一般に使用されてい
る。

上記のような光平面回路を製造する方法として
従来からイオン交換法あるいは電界イオン拡散法
を用いて、屈折率が断面内で中心から周辺に向け
て次第に減少するような屈折率分布をもつ導波路
をガラス基板内に一体的に形成する種々の方法が
提案されている。

しかしながら従来のイオン交換法により製作さ
れた光回路では第４図ａに示すように基板１に設
けられた導波路２の光軸に垂直な断面が半円であ
つたり、第４図ｂに示すように異形であり屈折率
分布も滑らかではなく階段状に変化している。従
つて屈折率分布型光フアイバとの結合の際、フア
イバの光伝送コア部の断面形状と導波路断面形状
の差異及び光フアイバのコアの屈折率分布の差異
により結合損失が大きくなるという問題があつ
た。

例えば従来、ガラス基材中に前述のような屈折
率勾配をもつた導波路を形成する方法として、特
開昭49−30045に溶融塩をガラス基材と接触させ
て両者間でイオン交換を行なわせる方法が記述さ
れている。

この方法は、電子分極率の大きいイオンを基材
表面に設けたマスクの開口を通してガラス中に拡
散させることにより基材ガラス中に最高屈折率部
分が基板面に露出した高屈折率領域をまず形成
し、次いで、マスクを取り除き電子分極率の小さ
いイオンを基材面から拡散させることにより高屈
折率領域を基材ガラス中に埋め込む方法である。

本発明者らは上記二段階イオン交換法に関して
実験研究を重ねた結果、上記開示方法によつても
導波路の形状は円形には程遠い異形となり、また
屈折率分布は階段状となるが、ある特定の条件下
で二段階イオン交換を行なうと断面形状がほぼ真
円の導波路が得られることを見出し、この知見に
基づいて本発明を完成したものである。

すなわち本発明の目的は、導波路の断面形状を
真円ないしは真円に近い形状にでき、しかも必要
且つ充分な屈折率差を導波路に与えることのでき
るイオン交換法による埋め込み型導波回路の製造
方法を提供することにある。

本発明に従つた方法では、ガラス基板の面に所
望の導波路パターンの開口部を残してマスキング
を施し、前記開口部を通して基板ガラスの屈折率
増大に寄与するイオンを基板内に第１段イオン交
換処理で拡散させ、次いでマスキングを除いて第
２段イオン交換処理で基板ガラスの屈折率減少に
寄与するイオンを基板内に拡散させる埋め込み型
導波回路の製造方法において、前記第１段のイオ
ン交換処理で、断面がほぼ半円形であり且つ最大
屈折率差（△n₁）が目的とする光導波路の最大屈
折率差（△n₂）の２倍以上であるような高屈折率
部分を形成し、前記第２段イオン交換処理で基板
ガラスの粘性を10の11.0乗ないし10の14.6乗ポイ
ズの範囲内に保持した状態で基板両面間に2V／
mm以下の電界を印加してイオン交換を行なう。

上述した方法によれば、断面の真円度（長軸・
短軸比）が80％以上のほぼ真円に近い埋め込み導
波路を基板中に一体形成することができる。

以下本発明を図面に示した実施例に基づいて詳
細に説明する。

第５図ａに示すように対向する両面１０Ａ，１
０Ｂを平滑な平行面に仕上げた組成成分として
Na、Ｋなどのような被イオン交換イオンを含む
透明ガラス基板１０を準備する。

次にこの基板１０の片面１０Ａを、第１図ない
し第３図に例示した如き所望の導波路パターンの
開口１１を残してイオン透過防止効果のある物質
例えばチタン膜からなるマスク１２でマスキング
する。ここでマスク１２の開口１１の幅W₁の選
定は非常に重要であり、幅W₁があまり小さいと
イオン交換処理において溶融塩が表面張力の作用
でマスク開口１１内に入り難くなり、必要とする
イオン交換が行なわれなくなるので上記W₁は少
なくとも0.5μm以上、より好ましくは1μm以上と
するのが望ましい。

また、マスク開口１１の幅W₁をあまり大きく
とると、第１段イオン交換処理で形成される高屈
折率領域の断面形状は扁平な半楕円形となり、第
２イオン交換処理によつても上記形状があまり是
正されず最終的に良好な真円度の導波路が得られ
なくなるのでW₁は所望導波路の少なくとも５分
の１以下、より好ましくは７分の１以下に設定す
ることが望ましい。

典型的な数値例を示すと、径が50〜50μmφの
導波路を形成しようとする場合、マスク開口幅
W₁は５〜8μ程度に形成するのがよい。

次にマスク開口１１を通して基板ガラスの屈折
率増大に寄与するイオンを含む物質例えば溶融塩
を接触させ、上記外部からのイオンとガラス中の
イオンとを交換させることにより上記外部からの
イオン１３をガラス中に拡散させる。

このイオン交換を以下第１段イオン交換処理と
いう。

この第１段イオン交換処理によつて、外部から
拡散・浸入したイオンは基板ガラス中においてマ
スク開口１１部分で最も高く基板内部および両側
に向けて次第に減少する濃度分布となり、この濃
度分布に基づいて基板ガラス内にはマスク開口１
１の軸線に垂直な断面内で屈折率が開口１１部分
で最大で周辺に向けて次第に減少するような屈折
率分布をもつた高屈折率領域１４が形成される。
そしてこの高屈折率領域１４の断面形状は前述し
たようにマスク開口幅W₁を設定することにより、
マスク開口１１の軸線に垂直な断面内で基板表面
に平行方向の半径と深さ方向の半径との比がおよ
そ0.7ないし1.4の範囲内に入るほぼ半円形状とな
る。

ここで第１段イオン交換処理を終了した時点で
の最大屈折率差△n₁は、導波路の径によつても異
なるが一般には最終的に導波路に与えるべき最大
屈折率差△n₂の少なくとも２倍以上、好ましくは
2.5以上にしておく必要がある。

すなわち、後述の第２イオン交換処理において
高屈折率領域１４で分布を形成しているイオンが
さらに拡散することによつて屈折率差が減少し、
△n₁が△n₂の２倍未満では必要とする屈折率差が
得られなくなるためである。

特にマルチモード用の径がほぼ50μmφの導波
路を形成する場合、フアイバ接続効率および伝送
効率の良好な充分大な開口数（NA）を確保する
ためには△n₁は△n₂の約３倍前後にすることが望
ましい。

本発明において、第１段イオン交換処理でガラ
ス内に拡散させる屈折率分布形成用のイオン１３
としてはタリウム、銀、セシウム、リチウムなど
のイオンが使用可能であるが、特に大きな屈折率
差が得られるものとしてタリウムイオンまたは銀
イオンが好適である。

タリウムイオンは、通常のアルカリ含有ガラス
においてアルカリイオンとイオン交換することに
より、タリウムイオン1mol当り約0.011の屈折率
増加が見られ屈折率差△n₁を0.25付近まで高める
ことが可能である。

また銀イオンは1mol当り約0.009の割合でガラ
スの屈折率を増加させ、屈折率差△n₁を0.20付近
まで高めることが可能である。

第１段イオン交換処理を行なうに当つては基板
のマスク面を前述の屈折率分布形成用のイオンを
含む硫酸塩、硝酸塩などの溶融塩に接触させ、マ
スク面を陽極として電界を印加する。

この場合、印加電圧があまり小さい場合あるい
は電圧印加を行なわず自然拡散で処理すると、充
分な屈折率差△n₁が付かないうちに目的とする寸
法の半円形高屈折率領域が形成され、以後さらに
イオン交換を継続すると屈折率差は増大するもの
の高屈折率領域が必要以上に拡大したりあるいは
変形することにもなるので印加電圧は基板厚み１
mm当り0.1〜2Vの範囲内とするのが望ましい。

次いでマスク１２を取り除き、この基板面１０
ＡにNaイオン、Ｋイオンなど基板ガラスの屈折
率を相対的に低下するイオンを含む溶融塩に接触
させ、高屈折率領域１４側の基板面１４Ａを陽
極、裏面１０Ｂ側を陰極として電界を印加する。

この第２段イオン交換処理により半円形の高屈
折率領域１４を形成しているイオン１３は全体的
に基板の深部方向へ移動し、一方基板面からは溶
融塩中のイオン１５が一様に拡散浸入してくる。

この過程で半円形の高屈折率領域１４の上両端
近傍はもともと低屈折率であつたところにさらに
屈折率低下イオンが拡散してくることにより大き
く低下し、中央近傍では相対的にあまり屈折率が
低下しないので結果として等屈折率線は高屈折率
領域の上部で上向き凸形の半円形輪郭になり、結
果として基板表面から一定の深さの点において屈
折率が最大であり、周辺に向けて二乗近似で屈折
率が連続的に減少する分布をもつほぼ円形の高屈
折率領域からなる導波路１６が得られる。

この第２段イオン交換処理で重要なことは印加
電圧と基板ガラスの粘性である。

印加電圧があまり大きい場合には最大屈折率部
分にあるイオンの深部への移動速度が速すぎて、
最大屈折率部分が形状中心よりも深部寄りに偏つ
た導波路となる。

この屈折率中心の偏心のない全半径方向に均等
な屈折率勾配を得るためには少なくとも印加電圧
を基板厚み１mm当り2V以下にすることが必要で
あり、1.5V以下することが望ましい。

一方、印加電圧があまり小さいときは高屈折率
イオンの深部への移動が充分に行なわれないた
め、高屈折率部分の上部が半円形から外れた偏平
な形状となるので第２段イオン交換における印加
電圧は基板厚み１mm当り0.5V以上にすることが
望ましい。

また第２段イオン交換処理においてガラス基板
の粘性があまり高いと基板ガラス内にある屈折率
増加イオンの深部への移動および表面からの屈折
率低下イオンの拡散が十分に行なわれず、前述し
たように高屈折率領域の半円形から円形への移行
が不完全となり、またあまりガラス基板の粘性が
低い場合には前述の如く高屈折率領域を成すイオ
ンの深部への移動速度が場所によりアンバランス
となり、結果として最高屈折率部分が導波路の断
面形状中心よりも下方寄りに偏心することになる
ので、第２イオン交換処理における基板ガラスの
粘性が10の11乗ポイズないし10の14.6乗ポイズと
なるよう加熱温度、ガラスの組成等の条件を選ぶ
必要があり、さらに10の12乗ないし、10の13.5乗
ポイズの範囲内が望ましい。

上記の第２段イオン交換処理を終了した時点で
形成される円形断面の導波路に付与されているべ
き最大屈折率差△n₂（最大屈折率と基板ガラス屈
折率との差）は接続するフアイバの開口数
（NA）に応じて設定する必要があるが、本発明
のように第１段イオン交換処理によつて△n₁を△
n₂の２倍以上に付けておけば、第２段処理で断面
完全円形化するまで必要且つ充分な電圧印加およ
びイオン交換時間をかけることによりこの過程で
イオン拡散による最高屈折率部分の屈折率低下を
生じても、最終的に必要とする下記△n₂を余裕を
もつて確保することができる。

典型的な数値例を挙げると、断面形状が直径約
50μで真円度（短軸／長軸比）が80％以上であ
り、且つNAが0.2（△n₂＝0.014）の導波路を形成
する場合△n₁は約0.045とするのが望ましい。

また上記条件の導波路でNA＝0.3（△n₂＝
0.029）とする場合は△n₁は約0.09とするのが望ま
しい。

以上実施例に基づいて説明した本発明方法によ
れば、断面がほぼ真円で且つ屈折率差の大きい屈
折率勾配型の導波路を容易に形成することができ
しかも導波路内での最高屈折率中心が断面形状中
心にほぼ一致した偏心のほとんど無い均等分布の
ものが得られる。

さらに、イオン交換法によつて形成された導波
路はCVD法等によつて形成された導波路に比べ
屈折率分布のゆらぎが小さい伝送光のモード変換
が小さい。

そのため導波路のNAが仮りに接続するフアイ
バのNAより大きいとしても出射NAはあまり大
きくならず接続損失が増大しない。

すなわち本発明方法では導波路のNAを接続す
るフアイバのNAと厳密に合せる必要は無くフア
イバのNA以上にしておけばよい。

このことは光回路製造する上で条件の制約がそ
れだけ少なくなり大きな利点となる。

実施例 １ ガラス基板としてNaイオン、Ｋイオンなどの
被交換イオンを成分として５重量％以上含む厚さ
５mmのアルカリほうけい酸ガラスを用い、このガ
ラス基板の両面は平行且つ平坦に仕上げてその一
面にマスクとしてチタン膜を高周波スパツタ法に
より1μm程度の膜厚で形成した。

次にこのチタン膜を周知のフオトリソグラフイ
ー技術を用いて第１図に示した導波路平面パター
ンでエツチングして幅5μmの開口１１を設けた。

次に第６図に示すようにこのマスク付き基板を
そのマスク面を下にして硫酸タリウム50モル％、
硫酸カリウム10モル％、硫酸亜鉛40モル％の混合
物からなる溶融塩１７に浸漬し、基板１０のマス
ク面とは反対側の面に粘土とKNO₃のペースト状
混合物を塗布して導電層１８とし、この導電層１
８に電極板１９Ａを密着させてこの電極板１９Ａ
を直流電源２０の陰極側に接続し、溶融塩１７中
に基板マスク面に対向させて浸漬設置した電極板
１９Ｂを電源２０の陽極に接続して直流電圧を印
加した。

溶融塩１７、ガラス基板１０の温度を基板ガラ
スの粘性が10¹³ポイズ程度になる550℃に設定し
直流電圧として5Vを印加し４分間イオン交換処
理を行なつた結果、ガラス基板面に垂直な面で幅
W₂＝45μm、深さＨ＝18μmの最大屈折率差△n₁
が約0.06の半円形高屈折率領域を形成できた。

次にガラス基板表面のチタン膜を除去し、この
面を硫酸カリウム42.5モル％と硫酸亜鉛57.5モル
％の550℃に保持した混合蓉融塩に浸して直流電
圧を印加し、5Vで約70分間程度の第２段イオン
交換処理を行なつた結果、ガラス基板表面および
光軸に垂直な断面において長軸55μm、短軸44μm
の真円度約80％の円形で屈折率が中心で最も大き
く半径方向に連続的に減少する分布をもち、且つ
最大屈折率差△n₂が約0.02（NA＝0.25）である導
波路を形成することができた。

次に上記のようにして得た導波路の端部（基板
側面）にコア径が50μmでNA＝0.2の屈折率分布
型光フアイバをそれぞれ接続し、波長0.83μmの
光を上記光フアイバを通して導波路内に導き挿入
損失（フアイバとの接続損失を含む）を測定した
ところ0.7dB以下と極めて低損失であつた。また
導波路断面形状がフアイバコアに近いため接続損
失は約0.5dB以下ときわめて低損失であつた。

実施例 ２ 溶融塩を硫酸タリウム52モル％、硫酸カリウム
８モル％、硫酸亜鉛40モル％の組成の混塩に変え
た以外は実施例１と同一条件で第一イオン交換処
理を行なつた結果、基板表面での幅W₂が45μmで
深さＨが20μm、△n₁＝0.066の断面半円形高屈折
率領域が基板ガラス中に形成された。

次にマスク除去後第２段イオン交換処理を実施
例１と同一組成の塩を用いて温度550℃、直流電
界5Vで約110分間行なつた結果、光軸に垂直な断
面で長軸54μm、短軸48μmの真円度約90％で屈折
率差△n₂＝0.02である導波路を得ることができ
た。

実施例 ３ 溶融塩として硫酸タリウム42モル％、硫酸カリ
ウム18モル％、硫酸亜鉛40モル％の組成の混塩を
使用し、印加電圧を4V、イオン交換処理時間を
６分間とした他は実施例１と同一条件で第１段イ
オン交換処理を行なつたところ、幅W₂＝70μm、
深さＨ＝28μmで屈折率差△n₁＝0.053の半円形高
屈折率領域が基板ガラス中に形成された。

次にマスク除去後第２段イオン交換処理を実施
例１と同一組成の塩を用いて温度550℃、直流電
界4Vで約150分間行なつた結果、光軸に垂直な断
面で長軸87μm、短軸71μmの真円度約82％で屈折
率差△n₂が約0.02である円形導波路を得ることが
できた。

実施例 ４ マスク開口幅を1.5μmとし、溶融塩として硫酸
タリウム20モル％、硫酸カリウム40モル％、硫酸
亜鉛40モル％の混塩を使用し、温度545℃に保持
して8Vの直流電圧を印加しつつ約１分間の第１
段イオン交換処理を行なつたところ、幅W₂＝
10μmで深さＨが5μmのほぼ完全な半円形断面で
△n₁＝0.02の高屈折率領域が得られた。

次にマスク除去後、第２段イオン交換処理を温
度545℃、直流電界8Vで15分間行なつた結果、長
軸11μm、短軸10μmの真円度90％で屈折率差△n₂
＝0.002の円形導波路が得られた。

本例の導波路は波長λ＝1.55μmでの単一モー
ド伝送用導波路として適している。

以上の実施例では陰極側に粘土とKNO₃のペー
スト状のものを用いて説明したが、例えばガラス
基板を箱形に形成して陰極側に溶融塩を用いても
さしつかえない。また電子分型率の大きいイオン
源として上述実施例では、溶融塩を用いたが例え
ばガラス基板にAgを蒸着し、不必要な部分をエ
ツチングしてイオン源となし、この上からAl等
を蒸着するか、また圧着して電極としこれに電圧
を印加してもさしつかえない。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明方法で製造される
導波回路のパターン例を示す平面図、第４図ａお
よびｂは従来方法による導波回路の断面形状を示
す横断面図、第５図ａないしｄは本発明の一実施
例を段階的に示す横断面図、第６図は第１段イオ
ン交換処理の具体例を示す断面図である。 １，１０……ガラス基板、２，１６……導波
路、３，３Ａ，３Ｂ……光フアイバ、１１……マ
スク開口、１２……マスク、１３……高屈折率イ
オン、１４……高屈折率領域、１５……低屈折率
イオン、１７……溶融塩、１８……ペースト導電
層、１９Ａ，１９Ｂ……電極板、２０……直流電
源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガラス基板の面に所望の導波路パターンの開
   口部を残してマスキングを施し、前記開口部を通
   して基板ガラスの屈折率増大に寄与するイオンを
   基板内に第１段イオン交換処理で拡散させ、次い
   でマスキングを除いて第２段イオン交換処理で基
   板ガラスの屈折率減少に寄与するイオンを基板内
   に拡散させる埋め込み型光導波回路の製造方法に
   おいて、前記第１段のイオン交換処理で、断面が
   ほぼ半円形であり且つ最大屈折率差（△n₁）が目
   的とする光導波路の最大屈折率差（△n₂）の２倍
   以上であるような高屈折率部分を形成し、前記第
   ２段イオン交換処理で基板ガラスの粘性を10の
   11.0乗ないし10の14.6乗ポイズの範囲内に保持し
   た状態で基板両面間に2V／mm以下の電界を印加
   してイオン交換を行なうことを特徴とする導波路
   断面が円形の埋め込み型光導波回路を製造する方
   法。 ２ 特許請求の範囲第１項において、第１段イオ
   ン交換処理でのマスキング開口幅を0.5μm以上で
   且つ目的とする導波路幅の1/5以下にする埋め込
   み型光導波回路の製造方法。 ３ 特許請求の範囲第１項において、第１段イオ
   ン交換処理で基板ガラス内に拡散させるイオンは
   タリウム（Tl）イオンまたは銀（Ag）イオンで
   ある埋め込み型導波路の製造方法。 ４ 特許請求の範囲第１項において、第２段イオ
   ン交換処理で基板ガラス内に拡散させるイオンは
   ナトリウム（Na）イオンまたはカリウム（Ｋ）
   イオンである埋め込み型導波路の製造方法。 ５ 特許請求の範囲第１項において、第１段のイ
   オン交換処理で高屈折率領域を、光軸に垂直な断
   面内で基板表面に平行方向の半径と深さ方向の半
   径との比が0.7ないし1.4の範囲内であるような半
   円形に形成した後、第２段イオン交換処理に付す
   ことを特徴とする埋め込み型光導波路の製造方
   法。