JPH06103363B2 - 光導波回路用ガラス膜の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光通信又は光情報処理に用いる光導波回路に使
用することが可能な高品質のガラス膜を高精度に作製す
る技術に関するものであり、具体的には堆積中のガラス
膜の厚さを作製中に監視し制御できる装置および方法を
与えるものである。

〔従来の技術〕

低損失で効率良く光を導波できる光回路を得るために
は、損失が小さく屈折率が精密に制御されたガラス膜を
製造する必要がある。こうした高品質なガラス膜を製造
する方法として、火炎内で合成したガラス微粒子を石英
ガラス板あるいはシリコン結晶板の上に堆積して多孔質
ガラスの膜を形成した後、これを高温に加熱・焼結し
て、ガラス膜を製造する方法および装置が開発されてい
る（特願昭56-203349）。

第２図はこの従来装置の概略を示す図であり、１は発熱
体であり回転する円板状の形状を有する。２は合成トー
チであり該トーチにガラス原料ガス，可燃性ガスおよび
支燃性ガスを導入し、トーチ先端部の火炎内でガラス原
料を火炎加水分解し、ガラス微粒子４を合成する。５は
発熱体１の上に置かれた石英ガラス板，シリコン結晶板
等からなる基板であり、前記ガラス微粒子４が堆積して
多孔質ガラス層６が形成される。この多孔質ガラス層の
堆積工程の後に該多孔質ガラス層６は、電気炉内で加熱
され透明なガラス膜とされる。

〔発明の解決しようとする問題点〕

第２図に示した従来の製造装置では、多孔質ガラス層の
堆積中の状態、特にその膜厚と焼結度（カサ密度）を堆
積中に監視することができず、原料の供給量，堆積時
間，発熱体の温度等の制御により間接的に制御するしか
なかった。この従来装置によればガラス膜は最初に多孔
質ガラス層として堆積されるために最終的に得られるガ
ラス膜の厚さは堆積される多孔質ガラス層の厚さのみな
らずそのカサ密度にも影響されるために、多孔質ガラス
層の厚さおよびカサ密度を同時に、かつ堆積工程中に検
出する方法の開発が望まれていた。また近年において、
上述のような方法で作製されたガラス膜を用いて、特定
の光の波長に対してその伝播モードが一つしか存在しな
いような単一モード光導波路を作製することが試みられ
ており、最終的に得られるガラス膜厚を１μｍ以下の寸
法精度で作製する必要が生じ、多孔質ガラス層の堆積工
程の制御および監視の必要性が増していた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は堆積中の多孔質ガラス層の膜厚およびカサ密度
を光学的に検出するものである。本発明で測定の対象と
なる多孔質ガラス層は、その表面に凹凸を有するために
測定光を入射しても散乱してしまい、光は有効な測定手
段にならないとされていた。本発明はこのような多孔質
体に対しても20°以下の入射角で光ビームを入射した場
合には表面からの反射光がビーム状でかつ測定しうる強
度となり、またこのときの反射強度が堆積中の多孔質ガ
ラス層のカサ密度に依存することを見い出したことを基
本とする。具体的には堆積に伴う反射ビームの位置の変
位から膜厚を検出し、また反射強度の変化からカサ密度
を検出して両者を監視しようとするものである。また検
出した情報をガラス微粒子の合成系にフィードバックし
て、求める特性の多孔質膜を再現性よく作製しようとす
るものである。

〔作用〕

本発明は、堆積中の多孔質ガラス層の表面に低入射角で
レーザビームを入射し、その反射ビームを受光すること
を基本とする。第３図は多孔質ガラス層の表面に入射し
たレーザビームの反射強度の入射角依存性を多孔質ガラ
ス層のカサ密度（ρ）ごとに測定したものである。カサ
密度22g/cm³の場合は、透明ガラスの場合であり、いわ
ゆるフレネル反射として観測されるものである。この場
合、高入射角まで大きな反射率が得られるのに対し、カ
サ密度の小さい多孔質ガラス層では表面での散乱が大き
くなり、高入射角では反射強度が著しく低下する。しか
し入射角20°以下では、ρ＝0.5g/cm³の場合でも５％程
度反射強度が得られ、表面での散乱によるビームの広が
りも小さいため十分に検出可能である。よって、堆積中
の多孔質ガラス層の表面に一定の入射角で入射するレー
ザビームの反射ビームの位置の変化から多孔質ガラス層
の膜厚の変化を知ることができる。また入射角を一定に
保てば反射率は第３図に示すようにカサ密度の変動によ
り変化するために一定の強度の入射ビームを一定の角度
で入射し、その反射ビームの強度を監視することによ
り、堆積中の多孔質ガラス層のカサ密度の変化を知るこ
とができる。

第４図は、本発明の多孔質ガラス層の厚みおよびカサ密
度測定器の原理を示したものである。第４図で、６は多
孔質ガラス層、５はシリコン結晶板、26は入射ビーム、
27は初期状態（多孔質ガラス層の堆積前の状態）におけ
る反射ビーム、28は厚みｔの多孔質ガラス層表面からの
反射ビーム、またθは、レーザビームの入射角、ｘは反
射ビーム27と反射ビーム28の変位である。第５図は全体
の構成であり、レーザ光源21よりレーザビームを出射
し、多孔質ガラス層６の表面に入射ビーム26として照射
した場合、受光器23の方向に反射光を生じ、これをスリ
ット22を介して受光する。入射角θが20°以下の条件に
おいては、反射ビーム28は入射光同様のビーム状となり
スリット22の移動により反射ビームの位置を検出でき
る。

初期状態における反射ビーム27と厚さｔの多孔質ガラス
層が形成された後の反射ビーム28の間の変位ｘは、次式
（１）で表わされる。

ｘ＝2tcosθ （１） よって ｔ＝x/2cosθ （２） よって変位ｘの測定により膜厚ｔを算定することができ
る。

〔実施例による説明〕 （実施例１）反射ビームの変位ｘを検出する方法およ
びそのための構成 反射光ビームの変位ｘを検出することにより上記第
（２）式より膜厚ｔを算出することができる。第５図は
変位ｘを検出するための基本構成を示す。該構成におい
ては、受光器23の前に反射ビーム径と同程度の開口を有
するスリット22を設置する。21はレーザ光源である。こ
のスリット22を反射ビームの変位に従って移動させ、受
光器23によりビーム位置を検出し変位ｘを求める。

より具体的には、レーザ光源21および受光器23は製造装
置上の固定された位置にあり、基板25およびその上に堆
積した多孔質ガラス層24は回転テーブル状の発熱体の上
にあって、一定時間毎に測定領域に入る。測定対象物で
ある基板５および多孔質ガラス層６が測定領域にない時
は、反射ビーム28は受光器23にまったく到達しない。測
定領域に基板が入った時にスリット22を走査すれば、反
射ビーム28の強度が最大となるスリット位置を検出する
ことができる。

最大強度の得られたスリット位置を基準として、この位
置を次回の測定におけるスリット走査の始点とする。発
熱体が１回転する間に基板は合成トーチにより合成され
たガラス微粒子の堆積領域を通過し、膜厚を増して再び
測定領域に入る。この時の膜厚の変化量は微小であるか
ら、スリットを始点にもどしておいても反射ビームの一
部が受光器23により測定され基板が測定域に入ったこと
を検知できる。よってこれをトリガーとして、基板が測
定域にある間にスリットを膜厚増加方向に走査すれば、
必ず反射強度の最大点を通過する。この最大点のスリッ
ト位置を前回と比較すれば変位ｘを知ることができる。
この位置は次の走査の始点とされる。

第６図は実際の測定例を示す。横軸はスリットの最初の
始点（基板表面からの反射）からのスリット移動量であ
り、（２）式のｘに相当する。１〜３回転目の測定で
は、基板の影響により反射強度が強くその後は、純粋に
多孔質ガラス層からの反射となり一定の反射強度とな
る。本測定においてはレーザ光源21としてビーム径が約
10μｍφで5mwの出力を有するHe-Neレーザを用い入射角
θ＝５°スリット幅を50μｍとすることにより、多孔質
ガラス層からの反射光強度はスリット通過後で約1mwで
あった。この測定結果を（２）式により多孔質ガラス層
の厚さに換算したのが第７図である。

この結果から、発熱体の１回転ごとに約2.5μｍの厚さ
の膜が形成されたことがわかる。測定の精度は約±１μ
ｍであった。

（実施例２）反射光ビームの変位ｘを検出する他の方
法 反射光ビームの変位ｘを検出するには実施例１のように
スリットを走査する方法の他に、スリットを固定してお
いても可能である。

すなわち、反射光ビームとスリットの位置がずれた場
合、両者のずれ量ｘ′に対する受光量の変化は第８図の
ようになる。よって、堆積初期のスリットの位置をＡに
固定しておけば多孔質ガラス層の堆積の進行により、受
光量はａからｂにほぼ直線的に減少する。よって第８図
の曲線を検量線としてｘを知ることができる。この場合
の測定精度も約±１μｍであった。

（実施例３）反射ビームの変位ｘを検出する他の方法 反射光ビームの変位ｘを検出する他の方法としては、半
導体素子を用いる方法がある。たとえば1m×6mm程度の
大きさの受光面を有するシリコン製の半導体素子で、該
受光面上に照射された光ビームの中心位置を電気信号と
して出力する素子（半導体位置検出素子:PSD）を使用し
た場合、１μｍ以下の精度で、反射ビームの変位ｘを検
出できた。

（実施例４）堆積する多孔質ガラス層のカサ密度を検
出する方法 実施例１〜３は堆積する膜厚を検出する方法について述
べたが次に堆積する多孔質ガラス膜のカサ密度の変化を
検出する方法の実施例を述べる。

装置の構成は、実施例１と同一である。第６図の測定例
では各回転ごとの測定反射光のピーク強度は、測定開始
時にシリコン基板からの反射が得られることを除けば堆
積中は一定の値となる。これは堆積される多孔質ガラス
のカサ密度が一定に保たれていることを示す。これに対
して入射角が一定の場合のカサ密度と反射強度の間には
第３図のような関係があるので、堆積中にカサ密度が変
化した場合には各測定におけるピーク強度が変化する。
第９図は堆積とともにカサ密度が大きくなった場合、第
10図は逆に小さくなった場合を示す。よって各回転ごと
の反射光ピーク値の変動を検出すれば、カサ密度の変化
を検出することができる。

（実施例５）フィードバック系を有する装置の構成例 第１図は、膜厚およびカサ密度の検出結果をガラス微粒
子合成系にフィードバックする構成を有する装置の構成
例である。39はスリット22および受光器23を含む受光系
である。311はガラス微粒子合成トーチ２を横方向に移
動させるための位置調整器、310は合成トーチ２へ原料
ガスおよび火炎用ガスを供給，制御するための火炎・原
料用ガス供給装置、312は受光系39による測定信号を処
理し、これを設定基準値と比較して制御信号を発生する
ための演算装置である。カサ密度の変動に関する情報は
ガス供給装置310の、主に燃焼ガスである水素ガスの制
御系にフィードバックされる。これは合成トーチ２に供
給される水素ガス量を増減させることにより火炎の温度
が変化し、火炎中で合成されるガラス微粒子の粒径が変
わり最終的に基板５上に堆積される多孔質ガラス膜のカ
サ密度を制御できるからである。具体的には水素流量を
増加させることにより火炎の温度が上昇し、多孔質ガラ
ス膜のカサ密度を上昇させる。水素流量を減少させた時
はこの逆である。

大型の基板上に多孔質ガラス膜を形成する場合には位置
調整器311により、合成トーチ２をターンテーブル状の
発熱体１の半径方向に移動させながら堆積を行う。この
場合には一組の測定系で測定できる膜厚は、基板上のご
く一部にすぎないから、複数の測定系を設け膜厚の基板
内での不均一を検出するか、一組の測定系を光源と受光
系の位置関係を一定に保ったまま移動して複数点での膜
厚の情報を得、これを演算装置312で処理して、位置調
整器311にフィードバックする方法が有効である。

このようなフィードバック系を有する装置を用いて所定
の厚さを有する多孔質ガラス層を精度良く作製し、さら
に、高温・焼結後、高品質な光導波用ガラス膜が製造で
きた。本実施例における光導波用ガラス膜の作製精度
は、透明ガラス化した後の所定値とのずれ±0.1μｍ以
下、また膜厚均一生（100mmφのシリコン結晶板を使用
した場合）は±0.1μｍ以下であった。

その他の実施形態 以上の測定方法および装置の実施例の説明は均一な組成
のガラス膜を一定の厚みで形成することを基本として説
明したが本発明の方法および装置は本質的には多孔質体
の堆積中の状態をリアルタイムで測定する手段を与える
ものであるから、堆積する厚みに従属させて原料の組成
を変化させる制御をすることにより膜厚方向に所望の屈
折率分布を有する膜を形成したり基板内での位置による
堆積量を変化させて所望のテーパーを有する膜を形成す
ることも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、多孔質ガラス層
の厚みを非接触かつ高精度（１μｍ）で測定でき同時
にカサ密度の変動を監視できるため、光導波回路用のガ
ラス膜を所定の寸法で精度良く製造できる利点がある。
また、厚みおよびカサ密度の変動の測定結果を製造条件
にフィードバックすることによって一層高品質なガラス
膜を再現性よく製造できる。本発明の方法は堆積中の膜
厚をリアルタイムで測定するものであるから、厚みの測
定結果に従って多孔質ガラス層の組成を変えることによ
って、グレーデッド型屈折率のガラス膜、あるいはグレ
ーティング等を製造する装置へと目的に応じた応用が可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造装置の概略図、第２図は従来の製
造装置の概略図、第３図は多孔質ガラス層への入射角と
反射強度の関係、第４図は本発明の厚み測定方法の原理
説明図、第５図は厚み測定器の構成図、第６図，第７図
は膜厚の測定例、第８図は他の膜厚測定法の原理説明
図、第９図，第10図はカサ密度の変化の検出例である。 １……発熱体、２……合成トーチ、４……ガラス微粒
子、５……基板、６……多孔質ガラス層、21……レーザ
光源、22……スリット、23……受光器、26……入射ビー
ム、27……初期状態における反射ビーム、28……反射ビ
ーム、39……受光系、310……火炎・原料用ガス供給装
置、311……位置調整器、312……演算装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河内 正夫 茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162番 地 日本電信電話株式会社茨城電気通信研 究所内 (56)参考文献 特開 昭58−105111（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−157062（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−56872（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−85947（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転する発熱体の上に置いた石英ガラス板
   あるいはシリコン結晶板の上に合成用トーチより流出す
   る火炎内で合成したガラス微粒子を回転する毎に、次第
   に堆積させて所定の厚みを有する多孔質ガラス層を形成
   した後、高温に加熱・焼結して、光導波回路用のガラス
   膜を製造する光導波回路用ガラス膜の製造方法におい
   て、該多孔質ガラス層表面に対して、20°以下の角度で
   レーザビームを照射し、かつ反射させると共に、該反射
   ビームの初期状態からの変位および強度を計測すること
   によって形成される該多孔質ガラス層の厚みおよびカサ
   密度を算定し、該多孔質ガラス層の厚みおよびカサ密度
   の算定結果を該多孔質ガラス層の形成条件にフィードバ
   ックし、該形成条件を調整・制御しながら所望の厚みを
   有する多孔質ガラス層を形成することを特徴とする光導
   波回路用ガラス膜の製造方法。
2. 【請求項２】回転する発熱体と、該発熱体に向けて設置
   された合成トーチと、該合成トーチにガラス原料ガス，
   可燃性ガスおよび支燃性ガスを供給制御する火炎・原料
   用ガス供給装置からなり、前記回転する発熱体上に設置
   された基板上に前記合成トーチで合成されたガラス微粒
   子を堆積させる光導波回路用ガラス膜の製造装置におい
   て、前記合成トーチとは離れた位置に、堆積する多孔質
   ガラス層表面に該表面に対して20°以下の角度でレーザ
   光を照射するレーザ光源と、基板上の多孔質ガラス表面
   からの反射光を検出する受光系からなる厚みおよびカサ
   密度測定器を具備し、該厚みおよびカサ密度測定器の測
   定結果を演算する演算器と、該演算器からの出力により
   前記火炎・原料用ガス供給装置を制御するフィードバッ
   クループを備えたことを特徴とする光導波回路用ガラス
   膜の製造装置。