JPH0690337B2 - 平面光導波路の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光通信システム、光情報処理システム等にお
いて有用な光学部品、特に平面光導波路の簡単で量産性
の点でも有利な製造方法に関するものである。

従来の技術 光通信システム、光情報処理機等を構成するためには、
発光・受光素子、光伝送路（光ファイバなど）、光変調
器、光スイッチ、光分岐・結合回路、光フィルタなど
の、従来の電子回路などでみられた各種機能を果す電子
回路部品と同様に、光波領域で該諸機能を実現する光回
路部品が必要となる。これについては、システムが高度
になり多様化するに従って必要な部品の種類も多様化す
ると共に、より特殊なものも要求されるようになってく
る。また、その製造方法においては、量産性も要求され
るようになっている。

中でも、光導波路は、光ファイバとは異なり短距離の光
案内に使用され、例えば変調、偏光、スイッチ、位相シ
フト、分岐、結合、合波、光電変換などの様々な光回路
素子の光導波手段として、更には、それら光回路素子を
組込んだ光集積回路の子光導波手段としては広く使用さ
れている。

光導波路には、基板に垂直な方向のみに光を閉じ込める
２次元光導波路すなわち平面導波路と、更に光を一定断
面分布の細いビーム状にして導波する３次元導波路とが
あり、両者に共通な基本的構造は、平面導波路である。
そのような光導波路内に閉じ込めるためには光伝搬用通
路は伝搬する光の波長に対しできる限り透明であり、し
かも周囲環境よりも高屈折率の材料で形成される。この
ような構成を実現するためには従来から各種方法が提案
されており、例えば基板上部に高屈折率の光導波路材料
の透明層を形成する方法、あるいはイオン拡散・イオン
注入などの処理によって基板を部分的に屈折率変化させ
る方法などが知られている。

次に従来の光導波路の製造法の典型例を図面を参照して
説明する。

まず、第３図（ａ）ないし（ｄ）に工程図を示す選択光
重合法によるプラスチック光導波路形成の方法がある。
この方法によれば、例えば感光性モノマーからなるフィ
ルム10を形成し（第３図（ａ））、光導波路のパターン
を有するマスク11をフィルム10の表面上に設けた後に紫
外線露光を行なう（第３図（ｂ）。このとき、紫外線が
照射されたモノマーは架橋し、重合する。その後、マス
ク11を除去し、マスク11によって紫外線が照射されなか
った部分の未反応モノマーを除去する（第３図
（ｃ））。さらに、その除去された部分に透明なプラス
チックを充填し、このフィルム10の両面上にクラッド層
12を塗布し（第３図（ｄ））、充填されたプラスチック
の部分を光導波路13として用いる。

また、第４図にその概略を示す火炎堆積法が知られてい
る。この方法においては、例えば、第４図に示すよう
に、回転テーブル14上に複数個の平らな基板15を配列
し、基板15付近をバーナ等の加熱器で加熱しながら、ト
ーチ16の一端からガラス形成用原料ガス17と燃焼ガス17
Aとを導入して火炎加水分解反応させ、ガラス微粒子を
形成し、これらを基板15上に堆積させる。排ガスは排気
管18を通して放出される。なお、回転テーブル14を回転
させることによって連続的に複数の基板15上にガラス微
粒子を堆積させることができる。さらにこのガラス微粒
子堆積層を有する基板を焼結して堆積層を透明化する。

発明が解決しようとする問題点 ところで、第３図に示す選択光重合法は工程が多く、煩
雑で量産性に乏しいものであるとともに、この方法で形
成された光導波路13では光がプラスチック内を伝播する
ことになり、ガラス等に比べて伝播中の光の損失が大き
いという問題がある。

また、第４図に示す火炎堆積法においては、ガラス微粒
子の堆積を、これを透明化する温度以下で実施しなけれ
ば、基板15と回転テーブル14とが融着してしまい、基板
15を回転テーブル14から切り離せなくなってしまう。従
って、ガラス微粒子の堆積後さらに温度を上げて焼結透
明化を行う工程が必要とされ、製造工程が煩雑となる。
また、このとき高温の熱処理を行なうために、通常ガラ
スからなる基板15がしばしば曲ってしまうという問題点
がある。さらに、基板15の正確な温度分布が測定できな
いので、屈折率および膜厚の制御が著しく困難であると
いう問題もある。

このように、従来のプラスチック光導波路は、その製造
工程数が多いだけでなく、その基本的問題として伝搬損
失が大きく、一方、ガラス光導波路は、光導波路の基本
特性である屈折率分布および膜厚の制御が困難であるた
めに、量産性が低かった。

かくして、本発明の目的は、低損失で歩留まりが長く、
しかも量産可能な平面光導波路の製造方法を提供するこ
とである。

問題点を解決するための手段 本発明者は平面導波路の製造方法の上記の如き現状に鑑
みて、簡単かつ量産性に優れた製法を開発すべく種々検
討した結果、基板として中空ガラス管を用い、その内面
又は外面に屈折率の異る複数の層を堆積させ、これを軟
化点近傍にて整形することが上記目的達成のために極め
て有効であることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明の平面導波路の製造方法は、SiO_２を主成
分とする中空ガラス管内壁又は外壁に、ガラスからなる
コア層および少なくとも一層のガラスからなるクラッド
層を、該コア層が中間層となり且つ該コア層の屈折率が
該コア層と接する層の屈折率より高くなるように形成
し、次いで該中空ガラス管内に、耐熱材でできた中子を
挿入し、これらを相互に密着させて形成し、これを切出
して平面光導波路を得ることを特徴とする。

本発明の方法において、コア層あるいはクラッド層とな
るガラス堆積層の形成は化学気相反応性（内付けCVD法
など）を利用することが有利であるが、これに限定され
ず、光CVD、プラズマCVD又はPOD（プラズマ外付法）な
どを用いることも勿論可能である。

基板としての中空ガラス管としてはSiO_２を主成分とす
る石英ガラス管、パイコールガラス管、パイレックスガ
ラス管などを例示できる。

また、コア層は、ガラス形成原料ガスとしてSiCl_４また
はSiHCl_３等のシラン系ガスもしくは、アルコラート等
を主として用い、場合によっては、屈折率を高めるため
の添加材例えばPOCl_３、GeCl_４、TiCl_５、TaCl_５、SbCl
_３もしくはこれらの水素化物、アルコラート等を組合せ
て使用することにより得ることができる。これら添加材
は２種以上の混合物として使用することもでき、更に前
記アルコラートの他、揮発性有機溶媒、例えばメタノー
ル、エタノール、アセトン等に溶解性のLiOC_２Ｈ_５、Nb
（OC_２Ｈ_５）_５などの有機溶媒や、水溶性金属ハロゲン
化物（ZnCl_２など）の水溶液をアトマイザーや超音波を
利用して霧化し、これらを基板としてのガラス管あるい
はプマズマ形成トーチに導入することによりコア層とな
る高屈折率ガラス層を得ることができる。これらの添加
材はガラス形成原料そのものとしても使用することがで
きることはいうまでもない。

更に、クラッド層はコア層との関係で、ガラス形成原料
にコア層の屈折率よりも低屈折率となる添加物（これに
は前記添加物原料の他に、SF_６、CF_４等のフッ化物系ガ
スやBCl_３、BBr_３等の硼素のハロゲン化物、水素化物、
アルコラート等を含む）を適宜選択して使用し、少なく
とも一層形成するが、グレーディッドインデックス型の
光ファイバと同様に、複数の層を順次屈折率が低下する
ように形成することもできる。

またガラス管部分は最終的にクラッド層として機能する
場合もあるので、堆積膜から得られるクラッド層はガラ
ス管と同一組成であってもよい。

これらのガラス形成用原料もしくは添加材との混合物
は、例えば化学気相反応法では、反応用可燃ガスとして
のＨ_２および助燃剤としてのＯ_２と共に反応管ともなる
中空ガラス管内に導入され、そこで外部から適当な加熱
手段により加熱され、分解・反応してガラス微粒子とし
てガラス管内面に堆積し、同時に焼結されて透明ガラス
層となる。

又、例えばPOD法では、前記ガラス形成用原料もしくは
添加剤との混合物は、プラズマ形成用ガスとしてのArお
よび反応ガスとのＯ_２と共にプラズマトーチに導入さ
れ、該プラズマトーチ外周にセットされた高周波コイル
によって印加される高周波によって励起・分解して反応
してガラス微粒子を形成しガラス管外壁に堆積し、同時
にプラズマフレームにより焼結されて透明ガラス層とな
る。

これらガラス形成用原料ガスの混合比等は必要に応じて
適当に選択され、特に制限はない。また、加熱手段とし
ては各種方法が知られており、いずれを使用することも
できるが、酸水素バーナー、プロパン、都市ガスバーナ
ー等による直接加熱が最も好ましい。尚、反応管（中空
ガラス管）の加熱は適当な速度で回転させつつ行うこと
が有利である。バーナー以外の加熱手段としては抵抗加
熱炉、高周波誘導加熱炉などを用いる方法がある。

かくして、中空ガラス管に所定の屈折率を付与したコア
層および少なくとも１層のクラッド層をなす堆積層を形
成した後、平面部を有する耐熱性材料製の中子を中空ガ
ラス管内に入れ、中空ガラス管を適当な手段で周囲から
加熱することにより、該ガラス管が中心方向に収縮し、
中子と密着する。

それを適当な手段、例えば旋盤、ダイヤモンドカッター
等で切出すことにより所定の寸法、形状の平面導波路を
得ることができる。

この際の加熱手段としては上記化学気相反応法において
述べた各種方法がいずれも利用できるが、この場合には
むしろ抵抗加熱炉、高周波誘導加熱炉の方がより均一な
加熱が期待できるので好ましい。

本発明の方法により得られる平面光導波路は、例えば第
２図（ａ）及び（ｂ）に示すようなものである。ここ
で、該光導波路は、基板としてのガラス層１と、高屈折
率の光伝播用ガラスのコア層２と、コア層２よよりも低
屈折率薄いガラス層のクラッド層３とで構成される。

なお中子材料としては、例えばカーボン、ボロンナイト
ライド、アルミナ、ベリリア、シリコンカーバイトなど
を例示することができる。

また、中子の形状は各種のものであり得、三角柱、四角
柱、その他の多角柱からなどいずれであってもよい。

作用 以上のように本発明の方法によれば、まず必要なコア
層、クラッド層用のガラス層を一連の連続した工程でガ
ラス管の内壁又は外壁に形成し（添加材の種類の変更あ
るいはその供給量を変化させるだけて屈折率を変えるこ
とができ、また焼結透明ガラス化も同時に行えるので、
殆ど連続操作でコア層、クラッド層を形成することが可
能である）、次いで中子を用いて成形し、更に中子との
密着の結果得られる成形品を単に切断するだけで、容易
に平面光導波路を簡単に形成することが可能となる。

更に、上記のように連続した工程によりコア層とクラッ
ド層を形成できるだけでなく、それら層を形成する際、
第４図の従来例のように基板15と回転テーブル14との融
着の問題がないので、ガラス管に透明なコア層及びクラ
ッド層を直接形成することができる。従って、ガラス微
粒子堆積工程と透明化工程を分離する必要がないので、
工程を簡略化できる。

更に、コア層やクラッド層を、内付けCVDやプラズマCVD
外付け法などによって形成するならば、ガラス管の温度
をほぼ一定に維持することができるので、原料供給量の
調整により、堆積層の屈折率や膜厚を容易に制御でき
る。

加えて、塊状の中子にガラス管を密着させているので、
そ中子の各面を平坦にしておくことにより、平坦なガラ
ス層が得られる。従って、平坦性の優れた平面光導波路
を切り出すことができる。

従って、従来法に見られたような独立した堆積操作が必
要なく、工程が簡略化され、容易に量産化でき、製品の
作製コスト低下の上で極めて効果がある。

このように、本発明の方法によれば光通信システム、光
情報処理システム等の各種光応用機器において有用な各
種形状の、平面光導波路を有利に製造することができる
ので、本発明の方法は光応用分野において極めて有用な
技術といえる。

実施例 以下実施例により本発明の平面光導波路の製造方法を更
に具体的に説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実
施例により何等制限されない。

実施例１ 第１図（ａ）ないし（ｃ）は本発明の一実施例に係る平
面光導波路の製造方法の工程図である。まず、ガラス層
１の一端から管内に、ガラス形成原料（SiCl_４）添加材
（GeCl_４）および助燃剤（Ｏ_２）の混合ガスを夫々50
0、30、1000cc/分なる流量で導入し、同時に酸水素バー
ナー等の加熱手段によりガラス管１を外周部から加熱
（約1000℃）して、ガラス微粒子を形成すると共にガラ
ス管１の内壁に堆積させ、透明ガラス化し、コア層２を
形成する。反応後の排ガスはガラス管の他端から放出さ
れるか、後処理装置（図示せず）に送られる。

ガラス微粒子の堆積量は、ガラス管が酸水素バーナーの
加熱により、ほぼ一定温度に維持されるので、ガラス形
成用原料のガス流量を調節することにより制御でき、ま
た堆積量の膜厚はガラス管１を軸方向に所定の回転速度
で回転させることにより、より均一なものとすることが
できる。

同様にSiCl_４およびＯ_２を夫々500、1000cc/分なる流量
で導入し、クラッド層３を形成した。

コア層２およびクラッド層３の夫々の膜厚は50および10
μｍとした。

かくして得られる中間製品４は、第１図（ａ）に示すよ
うな構成を有する。中間製品４はこれと密着する平面を
有している耐熱材料（カーボン）で作られた中子５を、
第１図（ｂ）に示したように第１図（ａ）の中間製品４
内部に挿入し、該中間製品４の外周から加熱手段６によ
って加熱（1500℃）することにより中間製品４が収縮し
（第１図（ｃ）参照）、中子５の形状に応じた成形体が
得られ、これを切出すことにより第２図（ａ）に示した
ような構成の平面光導波路が容易に得られる。

実施例２ 上述した外付POD法を用いて作製した。高周波プラズマ
フレーム（出力3.4MHz、5.5kV、4.5A）中にSiCl_４及びC
Cl_２Ｆ_２を導入し、この火炎流を軸方向に回転しかつ往
復運動する基板用石英ガラスパイプ１の外面に吹きつ
け、該ガラスパイプ１の外面にクラッド層３、コア層
２、クラッド層３の順序で導波構造を形成し、第１図
（ｄ）に示すような中間製品を製造した。クラッド３を
製造するにあたってSiCl_４とCCl_２Ｆ_４をともに350cc/
分、コア層２を製造するにあたってはSiCl_４だけを50cc
/分の流量でプラズマフレーム中に導入し、石英ガラス
パイプ１の外壁に堆積したガラス微粒子を焼結して各層
を形成した。コア層に対するクラッド層の比屈折率差は
クラッド層とＦを添加することにより−1.0％とした。
また、コア層のクラッド層の厚みはすべて約50μｍであ
った。

更にこのようにして得た中間製品が実施例１と同様の方
法を用いて成形体を得、これを切出して第２図（ｂ）に
示すような平面光導波路を得た。

発明の効果 以上詳しく説明したように、本発明の平面光導波路の製
造方法によれば、まず化学気相堆積法を利用してコア
層、クラッド層を形成しているので、極めて低損失の光
導波路を得ることができ、また中子の使用により操作が
極めて簡略化され、平面光導波路を小型化することが可
能となる。

かくして、本発明の製造方法によれば、光通信システム
等の進歩に十分対応できる形状、性能の平面光導波路を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）ないし（ｄ）、本発明の平面光導波路の製
造方法の工程図であり、 第２図は、本発明により製造された平面光導波路の斜視
図であり、 第３図（ａ）〜（ｄ）は、従来の選択光重合法による製
造方法を示す説明図であり、 第４図は従来の火炎堆積法による製造方法を示す説明図
である。 （主な参照番号） １……ガラス管、２……コア層、 ３……クラッド層、４……中間製品、 ５……中子、６……加熱手段、 10……フィルム、11……マスク、 12……クラッド層、13……光導波路、 14……回転テーブル、15……基板、 16……トーチ、17……ガラス形成用原料ガス、 18……排気管

フロントページの続き (72)発明者 瀬村 滋 神奈川県横浜市戸塚区田谷町１番地 住友 電気工業株式会社横浜製作所内 (56)参考文献 特開 昭54−31750（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−147604（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−93407（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−192225（ＪＰ，Ａ)

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】SiO_２を主成分とする中空ガラス管内壁又
   は外壁に、ガラスからなるコア層および少なくとも一層
   のガラスからなるクラッド層を、該コア層が中間層とな
   り且つ該コア層の屈折率が該コア層と接する層の屈折率
   より高くなるように形成し、次いで該中空ガラス管内
   に、耐熱材でできた中子を挿入し、これらを相互に密着
   させて形成し、これを切出して平面光導波路を得ること
   を特徴とする平面光導波路の製造方法。
2. 【請求項２】前記中空ガラス管と中子との密着が、該中
   空ガラス管を外部から加熱し、収縮させることにより実
   現することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方
   法。
3. 【請求項３】前記コア層と前記クラッド層との形成は、
   前記中空ガラス管内壁または外壁に、前記コア層を形成
   し、次いで、該コア層の上に前記クラッド層を形成する
   ことからなることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の方法。
4. 【請求項４】前記コア層と前記クラッド層との形成は、
   前記中空ガラス管内壁または外壁に、前記クラッド層、
   前記コア層、そして、前記クラッド層をその順番で形成
   することからなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第２項記載の方法。
5. 【請求項５】前記コア層は、同一の屈折率のガラスから
   なる単一の層で構成することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項から第４項までのいずれか１項に記載の方法。
6. 【請求項６】前記コア層は、前記クラッド層に近づくに
   従い屈折率が低下する複数のガラス層で構成することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項から第４項までのいず
   れか１項に記載の方法。
7. 【請求項７】前記中子がカーボン、ボロンナイトライ
   ド、アルミナ、ベリリアまたはシリコンカーバイトでで
   きていることを特徴とする特許請求の範囲第１〜６項の
   いずれか１項に記載の方法。
8. 【請求項８】前記コアおよびクラッド層の形成を化学気
   相堆積法で行うことを特徴とする特許請求の範囲第１〜
   ７項のいずれか１項に記載の方法。
9. 【請求項９】前記コア層またはクラッド層がガラス形成
   用原料ガスと、屈折率調整用添加材との混合ガスの化学
   気相反応により形成されることを特徴とする特許請求の
   範囲第８項記載の方法。