JPH0277003A - 光導波管の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は陽子交換による光導波管の製造方法に関する。

更に詳細には、本発明は陽子供与体源として硫酸を使用
する方法に関する。

［従来の技術］ 光透過性の基板で光導波管を製造することができること
は殆どの元系通信システムにとって必須要件であると思
われる。この場合、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸
リチウムが最も好ましい光透過性基板材料として広く使
用されている。このような光導波管を製造するための慣
用方法のうちの一つは、金属（例えば、チタン）を基板
表面に拡散させることからなる。基板表面に拡散された
金属は拡散表面の基板の屈折率を増大させ、基板中を伝
搬する光信号が導波領域を伝送しにくくする。この方法
の基本的な原理は１９８１年８月１８日にジェー・アー
ル・カルザースに付与された米国特許第４２８４８８３
号明細書に開示されている。

別の導波管製造方法はしばしば、陽子交換方法と呼ばれ
ている。この方法によれば、基板を酸浴中に浸漬し、酸
の中に存在する水素イオンを基板材料中のリチウム原子
と位置交換させる。この陽子とリチウム原子の交換は基
板材料の屈折率を変化させる。“アブブライド　フィジ
ックス　レタース”、第４１巻、第７号（１９８２年１
０月）。

６０７〜６０８頁に記載されたジェー・エル・シャツケ
ルらのｒＬｉＮｂｏａによる高屈折率導波管の陽子交換
」という論文には、最適な陽子源として安息香酸を使用
する実施例が開示されている。

この文献に記載されているように、安息香酸が選択され
た理由は、陽子供５体強度が低いことと、基板の主要構
造に損傷を与えることなく厚さ数ミクロンの表面層中の
リチウムを約５０％程度まで置換することのできる能力
のためである。′オプティックス　レタース”、第８巻
、第２号（１９８３年）、１１４〜１１５頁に記載され
たエム・デφミカエリらの「陽子交換されたニオブ酸リ
チウム導波管における屈折率およびプロファイルの独立
制御］という論文中には、交換媒体として、パルミチン
酸も使用可能であると説明されている。

実際、安息香酸およびパルミチン酸の両方とも、ΔＨｅ
＝０．１２の屈折率変化をもたらすことが発見された。

１９８５年１０月１５日にダブリュ・スピルマン、ジュ
ニアらに付与された米国特許１４５４７２６２号明細書
には、この慣用のタンタル酸リチウム基板による安息香
酸陽子交換法を用いる薄膜型導波管構造物の製造方法が
開示されている（スピルマン、ジュニアらの報告によれ
ば、ニオブ酸リチウム基板は陽子移動度が不安定である
という欠点を有する）。また、スピルマン、ジュニアら
は、陽子を基板中に十分に移行させ、有用な深さの先導
波溝を形成するために、交換法の後に、アニール工程を
実施する必要性があると報告している。

［発明が解決しようとする課題］ 陽子交換法で安息香酸源を用いて効果的な導波管構造体
を製造することができるが、製造現場でこの酸を使用す
るには二三の問題がある。第１に、安息香酸はかなりの
弱酸なので、陽子交換を高温度（２００℃以上）で行い
、屈折率の所望の変化率を達成しなければならない。安
息香酸は約１２０℃で昇華するので、２００℃以上の必
要な陽子交換温度で使用期間中（例えば、製造ライン上
で）、安息香酸組成を正確に制御することが困難である
。従って、不可能ではないとしても、基板が製造ライン
中で加工処理される際、基板に再現性のある品質の導波
管を形成することが困難になる。

更に、安息香酸の分解および揮発により著しい危険性が
発生する。このため、多数の作業員が安息香酸蒸気に曝
されるような製造工場では殆ど使用されない。

従って、大量生産工場で実施可能な陽子交換技術による
、導波管の別の製造方法の開発が強く求められている。

［課題を解決するための手段］ 前記のような従来技術の問題点を解決するために、本発
明は、光導波管を製造するための別の陽子交換方法を提
供する。更に詳細には、本発明は、陽子供与体源として
硫酸を使用する陽子交換方法を提供する。

本発明によれば、元基板（例えば、ニオブ酸リチウム）
は適正にマスクされ、そして、一定温度（例えば、１５
０°Ｃ）に維持された硫酸浴中に浸漬される。基板は、
酸からの水素と基板からのリチウムとの必要な交換が行
われるのに十分な時間、硫酸浴中に浸漬され芭。基板を
硫酸浴から取出たら、基板表面を脱イオン水ですすいで
残留している酸を全て除去し、更に、マスクを除去する
。その後、陽子を所定の深さにまで移行させて光導波管
を形成するのに十分な時間にわたって基板を高温度でア
ニールしなければならない。

［作用］ 本発明の硫酸陽子交換法を使用する利点は、この酸が、
室温以下から交換法に必要な温度よりも遥かに高い温度
の範囲にわたって液状のままでいられることである。硫
酸と対照的に、従来の方法で使用される安息香酸は１２
０℃で昇華するので、陽子交換法に必要な高温度（おそ
らく、２００℃以上）で使用するのは危険である。硫酸
を使用する別の利点は、交換法の実施に必要な時間が、
安息香酸を使用する類似の方法に比べて短いことである
。これは、硫酸が安息香酸よりも著しく強酸だからであ
る。

本発明のその他の利点は下記の説明および添付図面を参
照することにより明らかになる。

［実施例コ 以下、図面を参照しながら本発明を更に詳細に説明する
。

ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板に導波管を形成
する実施例について本発明の詳細な説明する。言うまで
もなく、陽子供５体として硫酸を使用する本発明の陽子
交換法は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａ０３）２！板
またはＬ　ｉ　ＸＯＪ　（１）形の他の同様な全ての材
料にも導波管を形成することができる。本発明の方法は
単に、基板中に存在するリチウムを、硫酸中の水素と位
置交換することができるという事実に依拠するだけであ
る。

第１図を参照する。第１図は代表的なニオブ酸リチウム
基板１０の斜視図である。図示されているように、基板
１０はニオブ酸リチウムの平板をＺ方向に襞間すること
により形成されている。Ｚカットニオブ酸リチウムは陽
子交換導波管構造体の製造に諸層的に使用される。なぜ
なら、Ｙカット基板は酸に曝されるとかなりの損傷を受
けることが報告されているからである。第１図に示され
るような構造体の場合、導波管１２（ここでは、スプリ
ッター／カプラーとして図示されている）は基板１０の
上面１４の残りの部分を、硫酸不透過性のマスキング材
料で被覆することにより形成される。この目的に使用可
能な材料の一例は、常用の低温ＣＶＤ技術により蒸着さ
れた二酸化シリコンである。導波管１２は基板のＸ軸方
向に沿って形成される。本発明の陽子交換方法によれば
、マスクされていない（導波管）領域の屈折率Δｎｅが
異常に増大される。通常の屈折率はさほど影響を受けな
い。この異常な屈折率変化により、基板１０の前部端面
１６から進入する全ての光Ｉは導波管１２に沿って伝搬
することができる。例えば、ΔＨｅ＝０．１０の場合、
導波管１２はＴＥモードの光伝搬をサポートすることが
できる。

マスキング処理に続いて、基板１０を硫酸浴に浸漬する
。この場合、酸は例えば、１５０℃の温度に維持されて
いる。言うまでもなく、本発明の陽子交換法は例えば、
１１０″Ｃ〜２１０″Ｃの範囲内のどの温度に維持され
た硫酸浴も使用することができる。この場合、同じ交換
深さを得るために、浸漬時間（Ｔ）だけを温度の関数と
して変化させなければならない。下記に詳細に説明する
ように、基板１０は、陽子とリチウム原子との適正な交
換が行われるのに十分な長さの時間（Ｔ）にわたって硫
酸浴中に浸漬されている。更に、浸漬時間Ｔと硫酸浴温
度ｔにより深さｄ、（第１図参照）が決定される。この
深さｄ／は交換が基板１０の下部表面１４に達する深さ
である。

陽子交換法の最後の段階で、形成された導波管は、第２
図に“交換”の表示がされた曲線で示されるような、階
段状の屈折率プロファイルを示す。

第２図に示された事例では、約０．１０の異常な屈折率
（Δｎｅ）変化が基板１０の上面１４から約２．５ミク
ロンの深さｄ／までの導波管領域中に示された。この深
さ（または、陽子交換法により達することにできるあら
ゆる深さ）は人力光信号をカブプリングさせ、そして、
伝搬させるには不十分なので、陽子を適正な深さにまで
移行させるのに十分な時間に亙って基板を高温度でアニ
ールしなければならない。例えば、３６０℃の空気雰囲
気中で４〜５時間アニールすると、上置な陽子移行が行
われ、第２図に“アニール”の表示がされた、傾斜状屈
折率プロファイルの得られることが発見された。第２図
に示されるような、この陽子移行を起こさせるのに使用
された特別なアニール法により、陽子集団の一部が約６
ミクロンの深さｄ２までニオブ酸リチウム基板中を移行
したことになる。また、′アニール”プロファイルは基
板表面における屈折率変化の低減も示している。

すなわち、交換後のΔｎｅＯ，１０からアニール後のΔ
ｎｅ　０．０８まで低下する。この後の値は、陽子交換
導波管によるＴＥモードの適正なガイドなガイドをもた
らすのに十分であることが明らかになった。

陽子交換導波管の製造方法の実施中のニオブ酸リチウム
基板の変性は第３図〜第５図を比較することにより明ら
かにすることができる。第３図は硫酸浴中に浸漬する前
の代表的な未処理ニオブ酸リチウム基板について二次イ
オン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定して得られたチャー
トである。当業者に周知なように、ＳＩＭＳプロファイ
ルは目的物質を構成する様々な元素を特徴付け、物質中
の深さの関数として、各元素の濃度のカウント（カウン
ト／走査単位面積として定義される）をもたらす。第３
図を参照する。この図から明らかなように、未処理のニ
オブ酸リチウムは、基板の全厚さを通して、おおむね同
量のリチウムとニオブ（ｌｘｌｏ’カウント／面積）か
らなる。同様に、量は少ないが（約８ｘｌＯ４カウント
／面積）、酸素も均一に存在する。掻く少量の水素（約
１００カウント／面積）も基板上面に存在する。この水
素は、基板表面に存在する可能性のある溝およびその他
の水素含有汚染物に由来する。第４図に示されるように
、本発明の硫酸陽子交換法によれば、相当量の水素が基
板表面中に導入される。上面１４で約５ｘ１０４カウン
ト／面積のレベルから約０．３５ミクロンの深さｄ、で
１　ｘ　１０Ｊ力ウント／面積のレベルまで水素が導入
される。この特別なＳＩＭＳプロフ１イルは、マスクさ
れた基板を１４４℃の硫酸浴に数時間浸漬（浸漬は３０
分間〜１５時間以上の何れの時間に亙っても行える）す
ることにより形成された陽子交換導波管を分析した結果
である。同様に、第４図から明らかなように、リチウム
濃度は水素による交換を受けた基板部分内で著しい減少
（約１００倍程度）を示す。第５図は３６０℃で約４〜
５時間アニールした後の同じ構造体を例示するものであ
る。図示されているように、水素はニオブ酸リチウム基
板中へ更に移行され、表面から少なくとも１．０ミクロ
ンの深さｄ２まで比較的均一に拡散している。また、こ
のアニール法により、交換層下部に存在するリチウムは
上方へ移行し、表面付近のリチウム濃度は、交換処理前
に存在していたリチウム濃度と大体等しい値になる（第
３図参照）。このリチウムの表面への回帰は、アニール
化されたニオブ酸リチウム構造が比較的安定であり、そ
して、以後の交換に対して抵抗性にするものと思われる
。

前記のように、硫酸浴の温度ｔおよび基板の浸漬時間Ｔ
の双方とも交換法が基板中で行われる深さに影響する。

第６図はこの関係を例証するものである。第６図は、ｔ
＝１０４℃〜ｔ＝２０４℃の範囲内の様々な温度で、浸
漬時間Ｔの平方根の関数として交換深さｄ、をプロット
したものである。第６図から明らかなように、浸漬時間
が増大するにつれて交換深さも増大する場合、ｆ了とｄ
、の間には明確な直線的関係が存在する。更に、温度が
上昇するにつれて、交換深さも同様に明らかに増大する
。換言すれば、陽子交換深さの比率直線の勾配は温度の
上昇につれて大きくなる。例えば、約１時間に亙って１
６４℃で交換法を実施すると、約０．２２ミクロンの交
換深さが得られる。浸漬時間を１時間に維持しながら硫
酸浴の温度を１８４°Ｃに上昇させると、交換深さは０
．４１ミクロンになり、深さが２倍に増大したことにな
る。

言うまでもなく、第６図の特性図に示した結果は単なる
例示であり、本発明の硫酸陽子交換法を用いることによ
りその他の様々な結果を得ることができる。特に、その
他の様々な硫酸浴温度、浸漬時間、アニール温度および
アニール時間を用いることにより、基板材料中に導波管
を形成するのに十分な屈折率ΔＨｅを変化させることが
できる。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明の交換法では陽子供与体源
として硫酸を使用する。硫酸は従来の安息香酸に比べて
沸点が著しく高いので、交換法を実施する際、高温加熱
しても気化することが少なく、極めて安全である。また
、硫酸は安息香酸よりも遥かに強酸なので、交換法の実
施に必要な時間を大幅に短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により形成された陽子交換導波管を含む
代表的なＺカットニオブ酸リチウム基板の斜視図である
。 第２図は本発明により形成された代表的な陽子交換導波
管における、深さの関数としての、屈折率プロファイル
を示す特性図である。一方のプロファイル（“交換”と
表示されているもの）は、陽子交換後の屈折率を示し、
別のプロファイル（“アニール”と表示されているもの
）は、アニール後の屈折率を示す。 第３図は未処理ニオブ酸リチウム基板の二次イオン質量
分析法（ＳＩＭＳ）による測定チャートである。 第４図は本発明の陽子交換法で処理された後のニオブ酸
リチウム基板のＳＩＭＳ測定チャートである。 第５図は本発明のアニール法で処理された後のニオブ酸
リチウム基板のＳＩＭＳ測定チャートである。 第６図は、１０４℃〜２０４°Ｃの範囲内の様々な硫酸
浴温について、交換時間の平方根の関数として交換膜厚
を測定した特性図である。 出願人：アメリカン　テレフォン　アンドテレグラフ　
カムバニー ＦＩＧ、　Ｉ ＦＩｏ、２ 「 ＦＩＧ、３ 未燃理基改 ＦＩＧ、４ ＦＩＧ、５ 深さ（ミクロン） Ｆｌθ６ １四−

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ａ）ＬｉＸＯ＿３の組成の光基板を形成し、前
   記基板は該基板中に光導波管を形成するための主要な上
   面を有し； （ｂ）マスクされていない領域が所望の光導波管領域を
   形作るように、工程（ａ）で形成された基板の主要な上
   面をマスクし； （ｃ）工程（ｂ）のマスクされた基板を、硫酸の陽子と
   光基板のリチウムとの間で交換が行われるのに十分な所
   定温度ｔの硫酸浴中に浸漬し； （ｄ）前記主要上面から前記基板中に所定の深さｄ＿１
   まで交換が行われるのに十分な所定時間Ｔに亙って浸漬
   した後、交換基板を浴から取出し； （ｅ）前記主要上面からマスクを除去し； （ｆ）交換深さｄ＿１よりも大きなアニール深さｄ＿２
   まで交換陽子を移行させるのに十分な高温度と時間で、
   交換基板を加熱し、前記アニール深さは光導波管と形成
   するのに十分な深さである；工程からなる光導波管の製
   造方法。
2. （２）工程（ｃ）を行う場合、硫酸浴は約１１０℃〜約
   ２１０℃の範囲内の一定温度に維持されている請求項１
   記載の光導波管製造方法。
3. （３）工程（ｄ）を行う場合、所定時間は３０分間〜８
   時間の範囲内である請求項１記載の光導波管製造方法。
4. （４）工程（ｆ）を行う場合、交換基板は３００〜４０
   ０℃の範囲内の温度で、４〜５時間の範囲内の時間に亙
   って加熱される請求項１記載の光導波管製造方法。
5. （５）工程（ａ）を行う場合、ＬｉＸＯ＿３基板はＬｉ
   ＮｂＯ＿３およびＬｉＴａＯ＿３からなる群から選択さ
   れる請求項１記載の光導波管製造方法。
6. （６）工程（ａ）を行う場合、ＬｉＮｂＯ＿３基板を形
   成する請求項５記載の光導波管製造方法。
7. （７）工程（ａ）を行う場合、ＬｉＸＯ＿３基板はＺカ
   ットＬｉＸＯ＿３結晶から形成される請求項１記載の光
   導波管製造方法。