JPH03150239A - 低損失埋込み導波路の製造方法 - 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〉 本発明は、低損失な埋込み導波路の製造方法に間し、特
に単一モードファイバとの直接結合の結合損失が小さく
伝搬損失が低い単一モード導波路の製造方法に関する。

〈従来の技術〉 光ファイバ通信システムを構成するために、種々の機能
を持った単一モード導波路デバイスが必要とされている
。イオン交換法はこの様なデバイスを安価に製造できる
方法のひとつである。本発明者らは既にこのために２段
熱イオン交換法を新しく提案しその有効性を実証した。

その製造法はエレクトロニクスレターズ誌（Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）１９８８年第２４巻１
２５８頁に述べられており、さらに特願昭６２−３９８
９１　（特開昭６３−２０６７０９＞には望ましい作製
条件を詳しく開示した。この方法を使えば、モードフィ
ールド径が約９μｍの標準的な単一モードファイバに対
して結合損失が０．２５〜０．３５ｄＢで、伝搬損失が
（Ｌ　　１〜０−　２ｄＢ／ｃｍ程度の単一モード導波
路を比較的簡単に製造することができる。

〈発明の解決しようとする間運点〉 しかし、前述の従来方法では結合損失がやや高い問題点
があった。このため過剰損失が１ｄ８以下の極めて低損
失なデバイスを製造するのはやや困難であった。この問
題点は従来公知の電界印加イオン交換法、特に２段電界
イオン交換法（少なくとも第２段のイオン交換の最中に
電界を印加する方法）を使えば解決できるが、そのため
にはかなり面倒な製造方法を使う必要があり、安価な大
量生産が不可能であった。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は前記の従来方法の問題点を解決するために、簡
便な新しいイオン交換法を提供するものであり、本発明
による低損失場込み導波路の製造方法は３段階の工程か
らなっている。

第１段ではガラス基板上に成膜され所定の導波路パター
ンが形成されたイオン交換制御膜を通して熱イオン交換
を行なう、導波路パターンは、マスクを用いるフォトリ
ソグラフィもしくは電子ビーム直接描画のフォトリソグ
ラフィとエッチング法とにより形成できる。ガラス基板
はイオン交１０に適するような組成であることが望まし
く、Ｎａイオン、Ｋイオン等の１価イオンを一定量含有
していることが必要である。溶融塩はドーブする第１の
１価イオン、例えばガラス基板の屈折率を増加させる・
１価イオン（ＴＩイオン、Ａｇイオン等）あるいは減小
させる１価イオン（Ｎａイオン、Ｋイオン等）を一定量
含有することが必要である。

溶融塩としては硝酸塩と硫酸塩のいずれでも使用できる
。この塩はイオン交換温度で溶融していることが必要で
あり、このため適当な組成が採用される。イオン交換中
は溶融塩の均質性を得るため撹拌することが望ましく、
また均質性や再現性の向上のため溶融塩の温度は場所に
よらず均一であることが望ましい。

第２段では、イオン交換温度膜を除去した後、溶融塩に
浸漬せず第１段のイオン交換の温度に近い温度において
ガラス基板に垂直に電界を印加してアニールする。電界
の印加方向は導波路作製側を正電位、反対側を負電位と
する。この工程により、第１段イオン交換でほぼ等方的
に拡散された第１の１価イオンをガラス基板の深さ方向
にさらに押し下げることを行う、この工程は、ガラス基
板を負電位に接続した金属の電極板の上に導波路側を上
にして乗せ、正電位に接続した金属の電極板をガラス基
板の上に乗せ電界を印加することで容易に実現できる。

こ九以外に、対向させた平行電極板の間に配置しても同
様の効果を実現できる。

また、電極として基板から独立した電極板の代わりに、
基板に成膜した金属薄膜を用いることもできる。なお、
特殊な効果を生じさせるために、電極板を平行でなくす
ることも用いられる。

第３段では、第１段のイオン交換の温度に近い温度にお
いてガラスの全面を通して熱イオン交換を行なう、この
時、溶融塩は第１段でドーブした第１の１価イオンと置
き替わって屈折率を反対方向に変える別の１価イオン、
例えば屈折率を減少させるためにはにイオン、Ｎａイオ
ン、Ｌｉイオン等を、例えば屈折率を増加させるために
はＴＩイオン、Ａｇイオン等を一定量含有することが必
要である。

本発明にかかる低損失埋込み導波路の製造方法は、従来
全く知られていない新しい方法である。

特公昭６１−１４４８８ｒ光導波路の製造方法」には、
金属薄膜をガラス等の表面から内部へ加熱時に電界をか
けて浸透させる技術が開示されているが、本発明とは次
の点で異なる。第１に、本発明では金属膜ではなく第１
段のイオン交換でガラス内部に第１の１価イオンをまず
拡散させる。第２に、電界印加吠態のアニールで拡散さ
れたイオンをガラス内部へ押し下げるが、本発明では最
も高い屈折率のところ（あるいは最も低い屈折率のとこ
ろ）は依然としてガラス表面付近である。第３に、本発
明では第２段のイオン交換により初めて表面の高い屈折
率（あるいは低い屈折率）の部分が取り去られ、ガラス
基板内部に結果的に高い屈折率の部分が形成される。

特開昭６０−２５６１０１の「ガラス部材への光学素子
形成方法」では、ガラス部材を加熱した状態で電界を印
加してイオンの分布を変化させる方法が間示されている
が、この方法だけでは、本発明の導波路は作製できない
、また、この方法はもともとガラス内部に含有されるイ
オンを電界で移動させるだけの方法であり、本発明のイ
オン拡散、イオン移動、イオン除去の３段階からなる方
法とは考え方が全く異なる。

〈作用〉 本発明によれば、面倒な製造方法を必要とする電界印加
イオン交換法を使わずに、単一モードファイバに対しそ
れとほぼ同等の結合特性有しかつ低損失な導波路を簡単
に製造することができる。

〈実施例〉 第１図（ａ）ないしくｄ）は、本発明による低損失埋込
み導波路の製造方法を段階的に示す断面図である。図の
（ａ）は基板にイオン交換中１ｖｓ１１１を形成する工
程、　（ｂ）は第１のイオン交換工程、（Ｃ）は電界印
加アニール工程、　（ｄ）は第２のイオン交換工程を表
している。図中ｌＯはＮａイオンとにイオンを含有する
ボロシリケート系のガラスの基板である。この基板ｌＯ
はＦｅイオン等の不純物の含有の極めて少ない光学級の
透明ガラスである。１１はＴｉのスパッタ蒸着で成膜さ
れたイオン交換制御膜であり、図に示されていないマス
クの所定の導波路パターンをフォトリソグラフィとエッ
チング法で転写されてなる開口部１２を持っている。１
は溶融塩２．６を入れる耐＃８８′器である。２は基板
ｌＯの屈折率を増加させるＴＩイオンを小量含有し、そ
の他ににイオン等も含有する第１の溶融塩である。３は
イオン交換中のイオン濃度の空間分布を一定に保持する
ために溶融塩２を撹拌するスターラである、　　１３．
１４はイオン交換制御膜１１を除去した基板１０−を挟
む様に配置された金属の第１、第２の電極板である、　
　１５．１６は電極板１３．１４にそれぞれ接続された
導線である。導線１５．１６の終端には直流電圧［５が
接続されており、第１の電極板ｌａに正電位を、第２の
電極１４に負電位を印加する。６は屈折率が増加された
基板ｌの屈折率を低減するにイオンを一定量含有する第
２の溶融塩である。

実施例では、３１１１のイオン交換条件はイオン交換温
度をガラス転移点温度付近とし、イオン交換時閏ｔｌｌ
ｔ第１の１価イオンの見かけの拡散定数をＤとして、Ｄ
−ｔｌ＝１２（ａｍ）であるように定めた。電界印加ア
ニール工程では、温度を第１のイオン交換工程の温度よ
り３０℃さげた温度で、基板ｌの厚み３ｍｍに対して６
００ｖの電圧即ち２００Ｖ／ｍｍの電界を２０分間印加
した。

第２のイオン交換条件はイオン交換温度を第１のイオン
交換工程の温度と同一にして、イオン交換温度ｔ２を第
１の１価イオンの見かけの拡散定数をＤとして、Ｄ　−
ｔ　２＝５−　５　（μｍ２）であるように定めた。

第１１　　第２のイオン交換温度はガラス転移温度の＋
ｌＯ°ないし−８０°範囲が使用される。これ以上高い
温度ではイオン交換中のガラス基板の変形が大きく、こ
れ以上低い温度ではイオン交換が遅すぎて時閉がかかつ
てしまう、１１とを２の選定については、Ｄ−ｔｌ＞Ｄ
−ｔ２とすることが望ましい、この条件が満たされない
場合は、ガラス基板内に形成される屈折率分布領域の屈
折率差Δｎが小さすぎ十分な導波が実現されない、電界
印加アニール工程の温度はイオン交換温度もしくはそれ
以下の温度が望ましい、一般にこの電界印加アニール工
程では、その温度での１価イオンの自然拡散よりも電界
を印加した方向へのイオンの移動の効果が大きくなるよ
うに、温度と印加電界の大きさと時閉を設定することが
必要である。

第２図（ａ）ないしくｃ）は、第１図の本発明の製造工
程において基板ｌの導波路の垂直断面における第１の１
価イオンの濃度分布の等濃度線を示す図である。図（＆
）は第１のイオン交換工程後、　（ｂ）は電界印加アニ
ール工程後、　（ｃ）は第２のイオン交換工程後の状態
を表している。

上記の実施例において、第１のイオン交換過程によりほ
ぼ半円形のイオン濃度分布が形成される。

屈折率分布はこの分布とほぼ一致する。この分布の偏平
比（最大濃度のｌθ％となる等濃度線の横方向直径と深
さの比）は約２．３であった。この時の開口部中心を通
る中心線上の濃度分布は第２図（ａ）の右側の図の様で
あり、はぼ補誤差ｒす数で近似できる分布であった。

電界印加アニール工程により、このイオン濃度分布は基
板の深さ方向に押し下げられた第２図（ｂ）の様になる
。この分布の偏平比（最大濃度のｌθ％となる等濃度線
の横方向直径と深さの比）は約１、　２であった。この
時の開口部中心を通る中心線上の濃度分布は第２図（ｂ
）の右側の図の様であり、深さ方向に伸展された補誤差
関数に近い分布であった。

第２のイオン交換工程により、このイオン濃度分布は基
板表面より約８μｍの深さに中心を持つほぼ円形の形状
の第２１ｍ（ｃ）の様になる。この分布の偏平比（最大
濃度の１０％となる等濃度線の横方向直径と縦方向直径
の比）は約１、　０であった。この時の開口部中心を通
る中心線上の濃度分布は第２図（Ｃ）の右側の図の様で
あり、最大値の位置を中心としてほぼ上下に対称な分布
であった。

上述した実施例において製造された導波路は単一モード
導波路であり、標準的な単一モードファイバへの直接結
合の結合損失が０．１５ｄＢであった。この値は従来の
２段熱イオン交換法の同損失より約０．２ｄＢ低減した
極めて小さいものである。伝搬損失は波長１、　３μｍ
と１．５５μｍにおいて約０．１ｄＢ／ｃｍの低い値で
あった。

この低損失性は導波路が基板１０の内部に埋込まれてい
るため表面での散乱損失を受けないからである。

以上本発明を１つの実施例に基づいて説明したが、実施
例以外に種々の製造条件が当然有り得る。

例えば、実施例では空気中で電界を印加したが、空気以
外の絶縁体例えば真空中で電界を印加してもよい、また
実施例では第１段で屈折率を増加させるＴＩイオン、第
３段で屈折率を減少させるＩ（イオンを使用したが、こ
れを全く逆にしてもよい。

但しその時は、マスク間口部のパターンは当然異なった
もの、例えば間口部と遮閉部が反転したものとすること
が必要である。また、電界印加アニール工程と第２のイ
オン交換工程を連続的に行ってもよい。

〈発明の効果〉 本発明によれば、単一モードファイバとの接続損失が０
．１ｄＢ台と小さく伝搬損失も低い単一モード導波路を
比較的簡単に製造できる。この低損失埋込み導波路の製
造方法は特殊な！！造装置や部品がいらずに導波路が大
量に製造できるので、製造コストを低く抑えることがで
きる。実際のコストを比較すると、従来の２段熱イオン
交換法による導波路コストを１．００とした時、本発明
の低損失埋込み導波路の製造方法による導波路コストは
１．２５であるの対し、従来の２段電界印加イオン交換
法による導波路コストは３．５０であった。

以上の効果かられかるように、本発明の製造方法は低損
失埋込み導波路を提供でき、同時に画期的なコストダウ
ンを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）ないしくｄ）は、本発明による低損失埋込
み導波路の製造方法の工程を段階的に示す断面図であり
、第２図は第１図（ｂ）（ｃ）（ｄ）各工程の後の導波
路の垂直断面の第１の１価イオンの濃度分布を示す図で
ある。 ｌ・・・・・・・・・・容器 １０・・・・・−・・・・基板 １１・・・・・・・・・・イオン交換制御膜１２・・・
・・・・・・・開口部 ２．６・・・・・・・・・・溶融塩 ３・・・・・・・・・・スターラ ４・・・・・・・・・・電気炉 ５・・・・・・・・・′・直流電圧源 １３．１４・・・・・・・・・・電極板・−”＋Ｖ全２
重 ｊ１！１　図 Ｒｌ／”　　　　　ａ Ｎ　　　　　　　　　　　　　Ｎ　　　ｒ”ｌ”１第２
図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １価イオンを含有してイオン交換可能なガラスの基板上
   に成膜され所定の導波路パターンが形成されたイオン交
   換制御膜を通して、該基板の屈折率を変化させ得る第１
   の１価イオンを含有する第１の溶融塩に浸漬して熱イオ
   ン交換を行なう第１のイオン交換工程と、基板より前記
   イオン交換制御膜を除去するエッチング工程と、前記第
   １イオン交換工程の温度に近い温度において、イオン交
   換制御膜の付いていた側を正電位として基板にほぼ垂直
   に電界を印加する電界印加アニール工程と、基板の屈折
   率に関して第１の１価イオンとは反対の作用を有する第
   ２の１価イオンを含有する第２の溶融塩に浸漬して熱イ
   オン交換を行なう第２のイオン交換工程とからなる低損
   失埋込み導波路の製造方法。