JPS60191208A - Optical circuit element and its production - Google Patents

Optical circuit element and its production

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JPS60191208A
JPS60191208A JP59047980A JP4798084A JPS60191208A JP S60191208 A JPS60191208 A JP S60191208A JP 59047980 A JP59047980 A JP 59047980A JP 4798084 A JP4798084 A JP 4798084A JP S60191208 A JPS60191208 A JP S60191208A
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diffusion
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potassium
glass
waveguide
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馬場 一隆
Kazuo Shiraishi
和男 白石
Shozaburo Kawakami
川上 彰三郎
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    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/134Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by substitution by dopant atoms
    • G02B6/1342Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by substitution by dopant atoms using diffusion

Abstract

PURPOSE:To obtain an optical waveguide which has optional spread from a visible part to an IR region with less light loss by diffusing potassium as a dopant on a glass substrate and forming a glass film thereon then diffusing again the potassium. CONSTITUTION:An Al layer 4 including a groove 6 is formed on a glass substrate 1 contg. Na ion and is immersed in molten KNO3 7 to diffuse K ions into the part of the groove 6. A glass film 2 is formed by RF sputtering on the substrate 1. The substrate 1 is heated to diffuse again the K ion, thus forming a diffused region 3 having a high refractive index. The diffused region 3a having ununiform spread is also formable by using a carbon dioxide laser and performing locally distributed heating. The optical waveguide having optional spread from the visible part to IR part with less light loss is thus obtd.

Description

【発明の詳細な説明】 (7) 技 術 分 野 この発明は光集積回路に用いられる、進行方向に沿って
必ずしも一様でない導波路を有する光回路素子とその製
造方法に関する。
Detailed Description of the Invention (7) Technical Field The present invention relates to an optical circuit element used in an optical integrated circuit and having a waveguide that is not necessarily uniform along the direction of propagation, and a method for manufacturing the same.

光集積回路に於て、従来用いられてきた導波構造は、誘
電体、又は半導体の一部に不純物をドーピングして屈折
率を局所的に高めたものであり、進行方向に一様な導波
路であった。
The waveguide structure conventionally used in optical integrated circuits is one in which the refractive index is locally increased by doping a part of a dielectric or semiconductor with impurities, and the waveguide structure is made by doping a part of a dielectric or semiconductor with impurities to locally increase the refractive index. It was a wave path.

一様な幅の導波路を、結合、或いは分岐させて、各種の
機能を果すようにしている。
Waveguides of uniform width are combined or branched to perform various functions.

しかしながら、放射損失の小さい分岐回路、高効率のレ
ーザ・ファイバ結合器、又は、単一モード光ファイバ・
薄膜光回路結合などを実現するには、伝搬方向に必ずし
も一様でない導波構造が要求される。
However, branch circuits with low radiation loss, high efficiency laser fiber couplers, or single mode optical fiber
In order to realize thin-film optical circuit coupling, etc., a waveguide structure that is not necessarily uniform in the propagation direction is required.

導波路のパラメータが、進行方向に沿って、光の波長の
1倍から100倍程度の短い距離に於て変化する様な回
路の作製技術や、新しい回路機能を実現する光立体回路
技術の確立か望まれる。
Establishment of technology for fabricating circuits in which waveguide parameters change over short distances from 1 to 100 times the wavelength of light along the propagation direction, and optical three-dimensional circuit technology to realize new circuit functions. or desired.

(イ) 従 来 技 術 本発明者は、銀イオンをガラスの中へ拡散させ、温度を
導波路方向に於て変化させる事により拡散の程度を変え
、これにより、幅が変化する先導波路を作製した。
(B) Prior art The present inventor diffused silver ions into glass and changed the degree of diffusion by changing the temperature in the waveguide direction, thereby creating a leading waveguide with a varying width. Created.

昭和58年電子通信学会総合全国大会(1983年3月
、講演番号1078 、予稿集4−164ページ)に於
て、この導波路及び作製方法について発表した。
This waveguide and its manufacturing method were presented at the 1983 National Conference of the Institute of Electronics and Communication Engineers (March 1983, lecture number 1078, Proceedings, pages 4-164).

これは、硼硅酸カラスに、適当なマスクをし、(lth
酸#融液中に漬け、カラス中のNa+イオンをAg+イ
オンで置換する拡散を行い、これをさらに加熱して再拡
散するものである。加熱する際、一様に行わず、分布を
持つようにする。強く加熱した部分は再拡散か早く進行
し、弱く加熱した部分は再拡散か遅いので、導波路の幅
が進行方向に異なるものが製作できる。
This is done by applying an appropriate mask to the borosilicate crow and (lth
It is immersed in an acid #melt solution to perform diffusion to replace the Na+ ions in the glass with Ag+ ions, which is then further heated and re-diffused. When heating, do not heat it uniformly, but with a distribution. Re-diffusion progresses quickly in strongly heated areas, while re-diffusion progresses slowly in weakly heated areas, making it possible to manufacture waveguides with different widths in the direction of propagation.

こうして、例えば、モード整合素子、光分岐などを作る
事ができる。
In this way, for example, mode matching elements, optical branches, etc. can be created.

実際には、ガラス基板に銀を拡散した後、スパッタリン
グにより、表面に同じガラスを付けて、導波路をガラス
中に埋込んでしまう。加熱して、銀イオンを再拡散する
と、銀イオンは、基板の中へも入るが、ガラス被膜の方
へも入ってゆく。
In practice, after silver is diffused into a glass substrate, the same glass is attached to the surface by sputtering, and the waveguide is embedded in the glass. When heated to re-diffuse the silver ions, they enter the substrate, but also into the glass coating.

再拡散が進行すると、銀イオンの濃度は、楕円形状に拡
がってゆく。再拡散の温度が高く、時間か長い程等温度
曲線は拡がり、楕円から円に近づいてゆく。従って、再
拡散の温度又は時間を進行方向に於て変化させれば、進
行方向に関し異なる幅の光導波路構造を得る事ができる
As the re-diffusion progresses, the concentration of silver ions expands in an elliptical shape. The higher the re-diffusion temperature and the longer the time, the wider the isothermal curve becomes, moving from an ellipse to a circle. Therefore, by changing the re-diffusion temperature or time in the direction of propagation, optical waveguide structures with different widths in the direction of propagation can be obtained.

しかし、銀を拡散した光導波路には次のような欠点があ
った。
However, the silver-diffused optical waveguide had the following drawbacks.

(つ)銀拡散導波路の欠点 銀を拡散した導波路は、そのままRFスパッタリングに
より埋込むと、銀拡散部に黄褐色の着色が起こり、可視
域での損失が増大する。
(1) Disadvantages of silver-diffused waveguides If a waveguide in which silver is diffused is directly embedded by RF sputtering, yellow-brown coloring occurs in the silver-diffused portion, increasing loss in the visible range.

これは、ガラス中の銀イオンのコロイド化に起因するも
のと思われる。コロイド化の原因は、RFスパッタの際
のスパッタ粒子のもっ熱エネル−t’ −やターゲット
からの高速二次電子により、銀イオンか還元され、非結
晶が生ずるため、と考えられる。
This is thought to be due to colloidal formation of silver ions in the glass. The cause of colloid formation is thought to be that silver ions are reduced by the high thermal energy -t'- of the sputtered particles during RF sputtering and high-speed secondary electrons from the target, resulting in amorphous formation.

←)本発明の光導波路 本発明に於てid、銀イオンをドーノクントとするかわ
りに、カリウムイオンをドーパントトじテ、先導波路を
作製する。
←) Optical waveguide of the present invention In the present invention, instead of using silver ions as a dopant, potassium ions are used as a dopant to produce a leading waveguide.

ガラスはSi、、B、A#の酸fヒ物と、網目修飾酸化
物として、Ba、Na、、にの酸化物とがらffQ成さ
れている。Na、にの酸化物の濃度はガラスによって異
なる。しかし、あるガラスの中では、Na、に酸化物の
濃度は一定で、この為屈折率はガラス内で一定なのであ
る。
The glass is composed of Si, B, A# acid f arsenides, and Ba, Na, etc. oxides as network modifying oxides. The concentration of Na oxide varies depending on the glass. However, in a certain glass, the concentration of Na oxide is constant, and therefore the refractive index is constant within the glass.

ところか、局所的ににイオンをドーピングして、Naイ
オンと置換すると、Kイオン、Naイオンの電子分極率
が異なるため、局所的に屈折率が異なっている。Kイオ
ンはガラス中にドーピングされると誘電率を高めるので
、屈折率が上り、従って光導波路を形成する事ができる
On the other hand, when ions are locally doped and replaced with Na ions, the electronic polarizabilities of K ions and Na ions are different, resulting in locally different refractive indexes. When K ions are doped into glass, they increase the dielectric constant, thereby increasing the refractive index and thus making it possible to form an optical waveguide.

本発F3Aは、カリウムをドーパントとしてガラス中に
拡散し、再拡散によって任意の分布を有する光回路を作
製するところに特徴がある。
The F3A of the present invention is characterized in that potassium is used as a dopant to diffuse into glass, and an optical circuit having an arbitrary distribution can be produced by re-diffusion.

以下、図面によって、本発明の詳細な説明する。Hereinafter, the present invention will be explained in detail with reference to the drawings.

基板と、なるガラスは、次のような条件を満足する必要
がある。
The substrate and the glass must satisfy the following conditions.

(1)拡散型導波路の作製が可能である。(1) It is possible to fabricate a diffused waveguide.

(2) スパフタリングにより低損失の薄膜形成が可能
である。
(2) It is possible to form a thin film with low loss by sputtering.

(3) 線膨張係数が小さく、局所的加熱に耐える。(3) It has a small coefficient of linear expansion and can withstand local heating.

(4) ガラス中の網目修飾酸化物のす) IJウムを
カリウムで置換える小によって、屈折率を高めるのであ
るから、Na2O濃度がある程度高くなければならない
(4) Network-modifying oxide in glass) Since the refractive index is increased by replacing IJ with potassium, the Na2O concentration must be high to some extent.

これらの条件を満すものとして、テンパックス(Tem
pax)、マイクロシート(Microsheet )
なとがある。
Tempax (Tempax) satisfies these conditions.
pax), Microsheet
There is a meaning.

第1表にこれらの組成、物性を示す。Table 1 shows their compositions and physical properties.

以下、本発明による光導波路の作製方法を説明する。Hereinafter, a method for manufacturing an optical waveguide according to the present invention will be explained.

第1表 カラスの組成、物性 (組成の佃は+’%12ft物の車量%で示しであるか
哉素以外の元素によって略記している) 本発明に於て、ガラス中のナトリウムをカリウムに置換
して、局所的に高屈折率の領域を形成し、これを光導波
路とする。従って、以下の説明で、カリウムの拡散領域
の小を、高屈折率領域、或いは光導波路と1けぷ事があ
る。
Table 1 Composition and physical properties of glass (Tsukuda in the composition is expressed in +'%% by weight of a 12ft object or is abbreviated using elements other than glass.) In the present invention, sodium in the glass is replaced with potassium. , a locally high refractive index region is formed, and this is used as an optical waveguide. Therefore, in the following explanation, the potassium diffusion region may be referred to as a high refractive index region or an optical waveguide.

まず、ガラス基板に、アルミニウムのマスクを形成する
。このため、通常のフォトリソグラフィー法を用いる。
First, an aluminum mask is formed on a glass substrate. For this purpose, a normal photolithography method is used.

第1図は、カラス基板1に、アルミニウム層4を蒸雇し
、さらにレジスト5を塗布して、これを導波路パターン
を描いたマスクを使って露光し、レジストを現像した後
の状態を示す斜視図である。
Figure 1 shows the state after an aluminum layer 4 is vapor-coated on a glass substrate 1, a resist 5 is further applied, this is exposed using a mask with a waveguide pattern, and the resist is developed. FIG.

ここでは、導波路を形成すべき部分のレジストか除去さ
れ、溝6が生している。ここでは、直線の溝6を示すが
、任意の形状であっても良い。
Here, a portion of the resist where a waveguide is to be formed is removed, leaving a groove 6. Although a straight groove 6 is shown here, it may have any shape.

次に、アセトンなどによって、レジスト5を除去する。Next, the resist 5 is removed using acetone or the like.

アルミニウム層4が基板1の上に残)γlしている。An aluminum layer 4 remains on the substrate 1.

次に、イオン交換の工程に入る。これは、適当な温度で
溶融したKNO37の中に、適当な時間浸ず事によって
行われる。第2図はこれを示す斜視図である。
Next, the process of ion exchange begins. This is done by soaking in molten KNO37 at a suitable temperature for a suitable period of time. FIG. 2 is a perspective view showing this.

電気炉の中で温度コントロールしなから、イオン交換す
る。これはKNO3のカリウムをガラス基板1の中へ拡
散させるもので、アルミニウム層4のない尚6に於て、
カリウムかガラス中のすI・リウムと置換されてゆく。
The temperature is controlled in an electric furnace and ions are exchanged. This is to diffuse potassium in KNO3 into the glass substrate 1, and in case 6 without the aluminum layer 4,
It is replaced by potassium or lithium in glass.

100%のKNO3の溶融塩を使っているが、KNO3
とNaN03の混合溶1犠塩としても良い。
I am using 100% KNO3 molten salt, but KNO3
A mixed solution of NaN03 and NaN03 may be used as a sacrificial salt.

拡散温度は400〜470’C1拡散時間は20〜80
時間である。
Diffusion temperature is 400-470'C1 Diffusion time is 20-80'C
It's time.

KNo 3の融点は333°Cである。350°C以上
で、亜−硝酸ガスが発生ずる。このため、電気炉の内部
を排気しながら拡散を行う。
The melting point of KNo 3 is 333°C. At temperatures above 350°C, nitrite gas is generated. For this reason, diffusion is performed while evacuating the inside of the electric furnace.

第3図は拡散を終えたカラスの斜視図で、溝6の部分に
、カリウムか拡散された拡散領域3か生している(打点
によって示した)。
FIG. 3 is a perspective view of the crow after diffusion, and a diffusion region 3 in which potassium has been diffused is formed in the groove 6 (indicated by a dot).

イオン交換(拡散)の後、ガラスを、水と希硝酸などで
洗浄し、基板に(4着しているKNO3を除去する。さ
らにエソチンダ液に漬けて、マスクのアルミニウム層4
を除去する。
After ion exchange (diffusion), the glass is washed with water and dilute nitric acid to remove KNO3 adhering to the substrate (4).Furthermore, it is immersed in Esotynda solution to remove the aluminum layer 4 of the mask.
remove.

第4図はこの状態を示している。FIG. 4 shows this state.

このままでは、拡散領域3か露出しているので、基板と
同じ材質のガラスを表面にコーティングして、拡散領域
3を埋込む。
In this state, the diffusion region 3 is exposed, so the surface is coated with glass, which is the same material as the substrate, and the diffusion region 3 is buried.

埋込みは、RFスパッタリングによって行う。The embedding is performed by RF sputtering.

テンバツテクスノjラスを拡散領域3の設けられた表面
の上へ、RFスパッタリングにより、堆積させてゆく。
Tenbatuskusnolas is deposited on the surface where the diffusion region 3 is provided by RF sputtering.

スパッタリングによりガラス被膜2が基板1の上へ約2
0〜30μ771の厚みで形成されるようにする。
By sputtering, the glass coating 2 is deposited on the substrate 1 by approximately 2
It should be formed to have a thickness of 0 to 30μ771.

スパックリングは、アルゴンカスを5〜5 Paの圧力
で容器内へ導入しながら行う。RFパワーは100Wで
あった。スパッタリンク′による被膜の堆積速度は0.
6〜0.7μm / Hrであった。
Spackling is performed while introducing an argon gas into the container at a pressure of 5 to 5 Pa. RF power was 100W. The deposition rate of the film by sputterlink' is 0.
It was 6-0.7 μm/Hr.

スパッタリングされた被膜2が着色する事かある。これ
は、ガラス基板の温度か高くなりすぎ、酸化物が分解し
て、可視光の吸収源となるものかあるからである。
The sputtered coating 2 may become colored. This is because the temperature of the glass substrate becomes too high and some oxides decompose and become visible light absorption sources.

これを避けるため、ガラス基板の放熱を良くしてスパン
クリングすると良い。本発明者は、スパンクリング装置
のホルダと基板の間に、放熱を良くする為、グリスを塗
布した。こうすると、被膜2が着色する、という事がな
い。
To avoid this, it is recommended to improve the heat dissipation of the glass substrate and spankling it. The inventor applied grease between the holder of the spankling device and the substrate in order to improve heat dissipation. In this way, the coating 2 will not be colored.

第5図は被1模2によって、拡散領域3を埋込んた状態
の斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view of a state in which the diffusion region 3 is embedded with the cover 1 and the cover 2. FIG.

次に、基板1を加熱し、カリウムイオンを再拡散させる
。これは一様加熱による場合と分布加熱による場合かあ
る。
Next, the substrate 1 is heated to re-diffuse potassium ions. This may be due to uniform heating or distributed heating.

一様加熱は、基板1、被膜2の全体を同一温度に加熱し
て、ドーパントを一様に再拡散させるものである。第6
図は一様加熱によって、同−j陥の導波路を形成したも
のの斜視図である。
Uniform heating is heating the entire substrate 1 and film 2 to the same temperature to uniformly re-diffuse the dopant. 6th
The figure is a perspective view of a -j-shaped waveguide formed by uniform heating.

一様加熱の場合は、電気炉の中へ基板を入れて再拡散さ
せる。温度は400°C前後で、再拡散時間は1〜5 
Hr程度である。
In the case of uniform heating, the substrate is placed in an electric furnace and re-diffused. The temperature is around 400°C and the re-diffusion time is 1-5.
It is about hr.

再拡散によって、扁平な拡散領域が上下方向に拡って、
厚みのある導波路を形成する。
Due to re-diffusion, the flat diffusion area expands in the vertical direction,
Forms a thick waveguide.

再拡散は、単に、屈折率の高い領域を拡大するという事
だけではなく、導波路部分の損失を低減する、という効
果がある。
Rediffusion has the effect of not only enlarging a region with a high refractive index but also reducing loss in the waveguide portion.

例えば、再拡散前に5.2687cmの損失のあった光
導波路が400 ’C、1,5Hrの再拡散処理によっ
て、1.5dν物の、低い損失の光導波路になった。
For example, an optical waveguide that had a loss of 5.2687 cm before rediffusion became an optical waveguide with a low loss of 1.5 dν by rediffusion treatment at 400'C and 1.5 hours.

分布加熱は、拡散領域の長手方向に沿って一様の温度で
加熱するのではなく、温度分布をつけて加熱する、とい
う事である。
Distributed heating is not heating at a uniform temperature along the length of the diffusion region, but heating with a temperature distribution.

高温の部分では、再拡散が早く進行するから、屈折率の
高い拡散領域が広くなる。低温の部分では、再拡散が遅
く進行し、拡散領域は狭いままである。
In high-temperature areas, re-diffusion progresses quickly, so the diffusion region with a high refractive index becomes wider. In the low temperature region, re-diffusion proceeds slowly and the diffusion region remains narrow.

第7図は分布加熱により再拡散した幅の異なる拡散領域
(高屈折率領域)3a〜3bを作製した・ 回路素子の
斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view of a circuit element in which diffusion regions (high refractive index regions) 3a to 3b having different widths are re-diffused by distributed heating.

前方の拡散領域3aでは、高温で拡散させているから、
カリウムイオンは最初の位置から遠くまで拡がってゆく
。後方の拡散領域3bは低温に保持するので、殆んど再
拡散は進行しない。
In the front diffusion region 3a, diffusion is carried out at high temperature, so
Potassium ions spread far from their initial position. Since the rear diffusion region 3b is kept at a low temperature, re-diffusion hardly progresses.

温度が拡散領域の長手方向に沿って異なるように加熱す
る事を、分布加熱と言う。分布加熱を行なうためには、
もはや電気炉などを用いる事はできない。
Heating so that the temperature varies along the length of the diffusion region is called distributed heating. To perform distributed heating,
It is no longer possible to use electric furnaces.

分布加熱を1テうためには、局所的にエネルギーを集中
して供給できる熱源を用し)なければならない。
In order to achieve distributed heating, it is necessary to use a heat source that can locally concentrate and supply energy.

本発明者は、炭酸カスレーザを局所的加熱を行う熱源と
して用いた。
The inventor used a carbon dioxide gas laser as a heat source for local heating.

炭酸ガスレーザの光は、力゛ラスの中で短距tlfll
(20〜30μ〃1)で1汲収され、必要に応じて細く
絞る4事かできるので、自由度の大きな導波路整形がj
jf能である。
The light of the carbon dioxide laser is transmitted over a short distance within the power laser.
(20-30μ〃1), and can be narrowed down as necessary, allowing for waveguide shaping with a large degree of freedom.
jf is capable.

炭酸ガスレーザのビームを、導波路に沿って走査する。A carbon dioxide laser beam is scanned along the waveguide.

導波路上を一様に走査するのではなく、導波路上の位置
により、走査速度、走査回数、レーザパワーを変化させ
、導波路に沿って温度分布を作り出し、再拡散の速度を
変化させる。
Rather than uniformly scanning the waveguide, the scanning speed, number of scans, and laser power are varied depending on the position on the waveguide, creating a temperature distribution along the waveguide and changing the rate of re-diffusion.

本発明者は、走査回数を変える事により、導波路に沿っ
て、レーザ光の照射時間(つまり再拡散時間)を変える
事としている。
The inventor of the present invention changes the laser light irradiation time (that is, the re-diffusion time) along the waveguide by changing the number of scans.

導波路上の一点を起点として、ここがらレーザ光を走査
させる。走査距離を段階的に変えて、走査範囲を広げて
ゆくと、導波路上で、照射時間の勾配が生じる。
A laser beam is scanned from one point on the waveguide as a starting point. When the scanning distance is changed stepwise to widen the scanning range, a gradient of irradiation time occurs on the waveguide.

一例を述べる。レーザ出力は2wで、走査速度は160
μm/secとする。起点から、走査範囲を2.0朋、
2.2鰭、・・・・・、6.4門と約0.2朋ずつ15
段階にV定する。各段階について20回ずつ繰返し走査
する。合計300回走査する事になる。起点に於て、照
射時間が最も長くなり、起点から離れるに従って照射時
間が短かくなってゆく。
Let me give an example. Laser power is 2W, scanning speed is 160
It is assumed to be μm/sec. From the starting point, the scanning range is 2.0 mm,
2.2 fins, 15 each with 6.4 fins and approximately 0.2 fins
Set V to the stage. Each stage is scanned repeatedly 20 times. A total of 300 scans will be performed. The irradiation time is the longest at the starting point, and the irradiation time becomes shorter as you move away from the starting point.

このように、分布加熱した試料を、起点からl#屑、I
IJFJIの点で切断し、切断面に於けるカリウムイオ
ンの分布をEPMAを用いて測定した。
In this way, the distributed heated sample is heated from the starting point to l# scrap, I
It was cut at the IJFJI point, and the distribution of potassium ions on the cut surface was measured using EPMA.

第8図は起点から11MMの切断面でのカリウム分布を
示す分布図である。基板1と被膜2の境界近<(テ、高
濃度(5wt%)のカリウムイオンの分布か残っている
。これは再拡散が起っていないという事である。
FIG. 8 is a distribution diagram showing the potassium distribution in a cut plane 11 mm from the starting point. A high concentration (5 wt %) potassium ion distribution remains near the boundary between the substrate 1 and the coating 2. This means that no re-diffusion has occurred.

さらに、KNO3によってカリウムをガラス中へ拡散さ
せた後にスパッタリングで付けた被膜2の中ヘカリウム
か入ってゆかない、という事も分る。
Furthermore, it was found that potassium did not enter into the coating 2 which was applied by sputtering after potassium was diffused into the glass by KNO3.

第9図は起点から1朋の切断面でのカリウム分布図であ
る。カリウムは楕円形状の等濃度曲線で表わされるよう
に、上下左右に再拡散され、被膜2の中へも入ってゆく
。さらに、特に高濃度(5wt%)の部分か消失してい
る。カリウムが四周に拡散して、中心部の濃度か低下し
ているのである。
FIG. 9 is a potassium distribution diagram at a cross section one distance from the starting point. Potassium is re-diffused vertically, horizontally, and even into the coating 2, as represented by an elliptical isoconcentration curve. Furthermore, a particularly high concentration portion (5 wt%) has disappeared. Potassium diffuses around the periphery, reducing the concentration in the center.

このようにして、ガラス中の高屈折率領域、つまり光導
波路の領域が拡がる。水平方向の対称性、上下方向の対
称性も良好である。
In this way, the high refractive index region in the glass, ie the region of the optical waveguide, is expanded. The horizontal symmetry and vertical symmetry are also good.

0゛) カリウム濃度の変化 再拡散の効果を調べるため、ガラスの厚み方向のカリウ
ム濃度をEPMAによって測定した。第10図は再拡散
前の基板、被膜に於けるカリウム濃度(K2Oのwt%
)を示すグラフである。横軸は基板と被膜の境界面を゛
原点にとって上下方向の距離を示し、縦軸はに20のw
t%である。被膜の厚みは6.5μmである。
0゛) Change in Potassium Concentration To investigate the effect of re-diffusion, the potassium concentration in the thickness direction of the glass was measured by EPMA. Figure 10 shows the potassium concentration (K2O wt%) in the substrate and film before re-diffusion.
). The horizontal axis indicates the distance in the vertical direction with the origin at the interface between the substrate and the coating, and the vertical axis indicates the distance in the 20 w
t%. The thickness of the coating is 6.5 μm.

再拡散前に於て、境界面から2〜3μmの深さにカリウ
ム濃度の最大値5%が検出された。被膜2の方にもカリ
ウム濃度が現われているが、これはテンパックスガラス
に初めから含まれているに20の濃度である。
Before re-diffusion, a maximum potassium concentration of 5% was detected at a depth of 2-3 μm from the interface. A potassium concentration also appears in Coating 2, which is at a concentration of 20% originally contained in Tempax glass.

テンパックスガラスは、1%弱のに20を含んでいるの
である。
Tempax glass contains just under 1% of 20.

第11メは、400°Cで2時間再拡散させた後の基板
、被膜の厚み方向のカリウム濃度の測定結果を示すグラ
フである。基板1に於けるカリウム濃度の最大値が低下
している。かわりに、基板内、境界から10μmn程度
の深さの部分にも、カリウムが拡散している事が分る。
The 11th graph is a graph showing the measurement results of the potassium concentration in the thickness direction of the substrate and coating after re-diffusion at 400°C for 2 hours. The maximum potassium concentration in the substrate 1 has decreased. Instead, it can be seen that potassium is diffused into the substrate at a depth of about 10 μm from the boundary.

さらに、被膜内に於ても、1〜2μmの厚さの部分へカ
リウムか拡散している事も分る。
Furthermore, it can be seen that potassium diffuses into the 1 to 2 μm thick portion within the film.

第12図は400°Cで8時間再拡散した後のカリウム
濃度(−に20)の、基板、被膜の厚み方向の変化を示
すグラフである。
FIG. 12 is a graph showing changes in potassium concentration (-20) in the thickness direction of the substrate and the coating after re-diffusion at 400°C for 8 hours.

基板内での、カリウム濃度の最大値はさらに減少してゆ
き、10μm以上の深さの部分にもカリウムが入ってゆ
く事がわかる。被膜の方では、境界から3.5μm程度
までカリウムの拡散が進行している。
It can be seen that the maximum potassium concentration within the substrate further decreases, and potassium enters into areas with a depth of 10 μm or more. In the film, potassium diffusion progresses to about 3.5 μm from the boundary.

このように、カリウA a度の最大値を与える点に関し
、基板、被膜の別なく左右対称の分布に近づいている。
In this way, the distribution approaches a bilaterally symmetrical distribution regardless of the substrate or coating with respect to the point giving the maximum value of potassium Aa degrees.

(力) 複屈折とカリウム濃度 このようにして製作された光導波路は、ガラス中のナト
リウムイオンをカリウムイオンで交換したものである。
(Force) Birefringence and Potassium Concentration The optical waveguide fabricated in this way is one in which sodium ions in the glass are replaced with potassium ions.

そこで仮に、ナトリウムカリウムイオン交換導波路と呼
ぶ。
Therefore, it is tentatively called a sodium-potassium ion exchange waveguide.

ナトリウムカリウム(Na−にと書く)イオン交換導波
路の特徴は、著しい複屈折性である。銀イオンをドープ
したものには見られない性質である。
A distinctive feature of sodium-potassium (written Na-) ion exchange waveguides is significant birefringence. This is a property not found in materials doped with silver ions.

試料の拡散部に垂直な偏波面を有する光に対する屈折率
NtO方が、面に平行な偏波面を有する光に対する屈折
率Npより大きい。表面に於ける両者の屈折率差は7×
10 である。
The refractive index NtO for light having a polarization plane perpendicular to the diffusing portion of the sample is larger than the refractive index Np for light having a polarization plane parallel to the plane. The difference in refractive index between the two at the surface is 7×
It is 10.

また、導波路となる拡散領域と基板ガラスの屈JJi率
差は、カリウムのドーピング量に比例して増大するが、
470°Cで32時間の拡散(KNO3融液中で)を行
った試料で、3.5 X 10 程度であった。
Furthermore, the difference in refractive index between the diffusion region that becomes the waveguide and the substrate glass increases in proportion to the amount of potassium doped;
A sample subjected to diffusion (in a KNO3 melt) at 470°C for 32 hours had a density of about 3.5 x 10 .

再拡散によって、カリウムイオンを試料内部へ拡散分布
させると、複屈折性の最大値は減少し、複屈折性の現わ
れる領域が拡大している。
When potassium ions are diffused and distributed inside the sample by re-diffusion, the maximum value of birefringence decreases and the region where birefringence appears expands.

結局、K −Naイオン交換により得られる屈折率変化
と、複屈折性はドーパント濃度によく対応しているもの
と考えられる。
After all, it is thought that the refractive index change obtained by K-Na ion exchange and the birefringence correspond well to the dopant concentration.

(ト) 効 果 (1)拡散、埋込み後、再拡散を行い、再拡散の温度、
時間を局所的に変化させる事により任意の拡がりを有す
る先導波路を作製する事ができる。
(g) Effects (1) After diffusion and embedding, re-diffusion is performed, and the re-diffusion temperature,
By locally varying the time, it is possible to create a leading wavepath with any desired spread.

(2) 銀イオンをドープするものは、可視光に於ける
損失が高く、可視光のための光回路素子として使えない
。本発明のものは、可視光から赤外光に対する損失が低
い。このため、赤外光及び可視光に対する光回路素子と
して有効である。
(2) Those doped with silver ions have a high loss in visible light and cannot be used as optical circuit elements for visible light. The material of the present invention has low loss from visible light to infrared light. Therefore, it is effective as an optical circuit element for infrared light and visible light.

例えば、450°Cで19時間、450°Cで25時間
、420°Cで30時間、KNO3中でイオン交換(拡
散)し、スパッタリングで被膜をつけたものの、HeN
e光に対する損失は、4.1 dB/l−m、2.6 
dB/z、2.9 dB々であった。再拡散によって、
損失はさらに低減する。
For example, although ion exchange (diffusion) was performed in KNO3 at 450°C for 19 hours, 450°C for 25 hours, and 420°C for 30 hours, and a film was applied by sputtering, HeN
The loss for e light is 4.1 dB/l-m, 2.6
dB/z, 2.9 dB. By re-diffusion,
Losses are further reduced.

例えば、400″G、8時間の再拡散で、2.9 dB
/c1nの試料の損失は、1 dB/a以下に低下した
For example, at 400″G, 8 hours of respreading, 2.9 dB
/c1n sample loss was reduced to less than 1 dB/a.

汐) 用 途 本発明により、光の伝搬方向にそってゆるやかに導波路
幅、厚さが変化する光導波路構造を与える事ができる。
Applications According to the present invention, it is possible to provide an optical waveguide structure in which the waveguide width and thickness gradually change along the propagation direction of light.

(i) 半導体レーザ・光ファイバ間モード整合器(2
) 光ファイバ・薄膜光回路間モード整合器などに応用
できる。
(i) Mode matching device between semiconductor laser and optical fiber (2
) Can be applied to mode matching devices between optical fibers and thin film optical circuits.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1 図ハガラス基板上にアルミニウム層とレジストを
付け、適当なマスクパターンを使って露光し現像した後
の状態を示す斜視図。 第2図はレジストを除去し、アルミニウムICによって
導波路となるべき領域以外かマスクされたカラス基板を
溶融KNO3中でイオン交換(拡散)している状態を示
す斜視図。 第3図は拡11tの後、カリウムイオンの拡散された領
域が形成された状態を示す斜視図。 第4図はアルミニウムを除去したガラス基板の斜視図。 導波路となる部分に拡散領域(カリウムの)が形成され
ている。 第5図はスパッタリングによって基板1の上面に同し拐
質のガラスを堆積させて被膜とし拡散領域を埋込んだ状
態を示す斜視図。 第6図は埋込み工程後に、一様に基板1、被膜2を加熱
し、再拡散させた後の拡散領域の一様な拡がりを示す斜
視図。 第7図は埋込み工程度に、温度又は時間を導波路の長手
方向に関して変化させて分布加熱し、長手方向に幅や厚
みの変化する先導波路を作製した状態を示す斜視図。 第8図は第7図に示すような分布加熱により再拡散をし
た場合の、加熱されていない部分での基板、被膜の縦断
面に於けるカリウム濃度(K2Oのwt%)分布図。 第9図は第7図に示すような分布加熱により再拡散した
場合の、加熱がさかんに行われた部分での基板、被膜の
縦断面に於けるカリウム濃度(K2Oのwt%)分布図
。 第10図は基板、被膜の、再拡散前のカリウム濃度(K
2Oのwt%)の測定値を示すグラフ。横軸は基板、被
膜の境昇からの深さくμ??1)を示す。縦軸はに20
の屯1往%である。被膜の厚みは6.5μn+である。 第11図は400°Cで2時間再拡散した場合の基板、
被膜の面に直角な方向のカリウム(K2Owt%)濃度
の測定値を示すグラフ。 第12図は400’Cで8時間再拡散した場合の基板、
m IFJO面に直角な方向のカリウム(K2Owt%
)濃度の測定値を示すグラフ。 1 カ ラ ス 基 板 2 ・破膜 3 ・ ・ 拡散領域、光導波路、高屈折率領域4 ・
 ・ アルミニウム層 5 ・ ・ ・ し ジ ス ト ロ ・・溝
FIG. 1 is a perspective view showing the state after an aluminum layer and a resist are attached to a glass substrate, exposed to light using an appropriate mask pattern, and developed. FIG. 2 is a perspective view showing a state in which the resist has been removed and the glass substrate, which is masked except for the region to become a waveguide, is being subjected to ion exchange (diffusion) in molten KNO3. FIG. 3 is a perspective view showing a state in which a region in which potassium ions are diffused is formed after the expansion 11t. FIG. 4 is a perspective view of a glass substrate from which aluminum has been removed. A diffusion region (of potassium) is formed in the portion that will become the waveguide. FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the same type of glass is deposited on the upper surface of the substrate 1 by sputtering to form a film and embed a diffusion region. FIG. 6 is a perspective view showing the uniform spread of the diffusion region after the substrate 1 and coating 2 are uniformly heated and rediffused after the embedding process. FIG. 7 is a perspective view showing a state in which distributed heating is performed by varying the temperature or time in the longitudinal direction of the waveguide during the embedding process to produce a guiding waveguide whose width and thickness vary in the longitudinal direction. FIG. 8 is a distribution diagram of potassium concentration (wt% of K2O) in the longitudinal section of the substrate and film in the unheated portion when re-diffusion is performed by distributed heating as shown in FIG. FIG. 9 is a distribution diagram of potassium concentration (wt% of K2O) in a vertical cross section of the substrate and film in a region where heating is actively performed when re-diffusion is caused by distributed heating as shown in FIG. Figure 10 shows the potassium concentration (K) of the substrate and film before re-diffusion.
Graph showing measured values of 2O wt%). The horizontal axis is the depth from the boundary between the substrate and the film, μ? ? 1) is shown. Vertical axis is 20
This is 1% per ton. The thickness of the coating is 6.5 μn+. Figure 11 shows the substrate after re-diffusion at 400°C for 2 hours.
Graph showing the measured potassium (K2Owt%) concentration in the direction perpendicular to the plane of the coating. Figure 12 shows the substrate after re-diffusion at 400'C for 8 hours.
m Potassium in the direction perpendicular to the IFJO plane (K2Owt%
) Graph showing concentration measurements. 1 Crow Substrate 2 ・ Broken membrane 3 ・ Diffusion region, optical waveguide, high refractive index region 4 ・
・ Aluminum layer 5 ・ ・ ・ Groove

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1) 先導波路を形成すべき位置にカリウムイオンが
拡散されているナトリウムを含むガラス基板1と、ガラ
ス基板1の上に形成されたガラス被膜2と、ガラス基板
1に拡散されたカリウムイオンを、基板1及び被膜2の
中へ再拡散させる事によって形成された先導波路3とよ
りなる事を特徴とする光回路素子。
(1) A glass substrate 1 containing sodium in which potassium ions are diffused in the position where a leading waveguide is to be formed, a glass coating 2 formed on the glass substrate 1, and a glass substrate 1 containing potassium ions diffused in the glass substrate 1. , a substrate 1 and a leading waveguide 3 formed by re-diffusion into a coating 2.
(2)光導波路を形成すべき位置に溝6を有するマスク
パターンをナトリウムを含むガラス基板10表面に形成
し、ガラス基板1をKNO3を含む融液に漬は溝6に沿
うカリウムイオンの拡散領域3を作り、さらにガラス基
板1の上に同−素相のガラスをスパッタリングによって
拡散領域3を埋込む被膜2を堆積させ、ガラス基板1、
被膜2を一様加熱又は分布加熱してカリウムイオンを再
拡散させて、一様な又は長手方向に幅、厚み、屈折率の
変化する先導波路を形成する事を特徴とする光回路素子
の製造方法。
(2) A mask pattern having grooves 6 at positions where optical waveguides are to be formed is formed on the surface of the glass substrate 10 containing sodium, and the glass substrate 1 is immersed in a melt containing KNO3 to form a potassium ion diffusion region along the grooves 6. A coating 2 is deposited on the glass substrate 1 to fill the diffusion region 3 by sputtering glass of the same phase.
Manufacture of an optical circuit element characterized by uniformly or distributed heating of the film 2 to re-diffuse potassium ions to form a leading waveguide whose width, thickness, and refractive index vary uniformly or longitudinally. Method.
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