JPS61145511A - 集積光部品およびその製造方法 - 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】 本発明は集積光ガラス部品に関するものである。

先導波路通信技術の発展にともなって、光ファイバから
出て行（またはそれに入る光信号を処理する機能を有す
る新しい光（ｏｐｔｉｃａｌ）または光電子（ｏｐｔｏ
−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ）部品が設計されるに至った。

受動光部品は、光電子、光磁気または光熱効果に基づく
光電気変換を含む能動光部品とは区別されうる。

受動部品は、（ａ）２本のファイバを損失が最少となる
ようにして接続するためのコネクタ、（ｂｌ少なくとも
３本のファイバを接続しかつ異なるファイバ間でパワー
を分割するカプラ、（Ｃ）種々のファイバ間でパワーを
分割しかつある波長を選択するカプラ／マルチプレクサ
を含む。

能動部品は、光フアイバ中を伝播するパワーの極少部分
を取り出すカプラ／モニタ、カプラ／増幅器、光電子変
換器、およびスイッチまたは変調器を含む、最初の三種
は、光電気変換を行うためにフォトダイオドのような少
なくとも１つの「能動素子」を含む。

先部分は、光通路内で単一モードの伝播が生ずるかそれ
とも多モード伝播が生ずるかによっても特徴づけられる
。

これらの部品を作成するために多数の技術が提案されて
いる。これらの能動または受動部品を製造するために、
場合によっては小規模化されて、古典的な光学技術が用
いられている。それによって優れた性能が実現されては
いるが、それらの技術は、１ミクロン以下の裕度をもっ
て種々の要素を整列させなければならず、高価であり、
そのような整列を実現するのはきわめて困難である。

受動部品の場合には、ファイバ間を結合するためにファ
イバ融着またはファイバ・ラッピング技術を用いること
が可能である。これらの技術は実用化するのがデリケー
トであり、広（適用することはできない０例えば多数の
ポートを有するカプラを製造するのは困難である。結合
比の制御も困難である。又、能動部品の集積化は実際上
不可能である。

既に提案されている他の技術としては、プレナー集積オ
プティックス（ｐｌａｎａｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　
ｏｐｔｉｃｓ）がある、この技術は、光を案内するため
のより高い屈折率の領域を形成することにより誘電体材
料中に先導波路を形成することを含む、光学的「印刷回
路」と等価なものがその方法によって作成されうる。ガ
ラス、Ｓｉ、ＡｓＧａまたはＬｉＮｂＯ５のような材料
が提案されている。基体表面に単一モードまたは多モー
ド導波路が形成されうる。このような導波路は、基体の
屈折率を増大させるイオン（例えば、ガラス内のに３、
Ａｇ”　、Ｔｌ’　、Ｌ　１Ｎｂｏｉ内のＴｉ）のイオ
ン拡散またはイオン・インプランテーションによりある
いは基体上により大きい屈折率を有する層（Ｓ　ｉ、Ａ
ｓＧａ）を形成することによって得ることができる。ガ
ラスは、安価であり、かつ強い分極性イオンを拡散させ
て表面または埋設導波路を形成することが容易であるか
ら、関心をもたれている。拡散工程は、化学焼きもどし
で知られている溶融塩浴法を用いて生じうる。（ジエイ
・ボニルほか、Ｂｅ１ｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈ、　
Ｊ、　、　Ｖｏｌ。

４８、ｐ、３４４５／３４４８　　（１９６９）および
エイチ・オスチルバーブはか、Ｊ、　ｏｆ　　Ｏｐｔ。

ｏｆ　　Ａｍｅｒｉｃａ％Ｖｏ１．　５４．９．１０７
８／１０８４　（１９６４）参照、）溶融塩浴拡散法は
その浴の強い分極性イオン濃度を調節することによって
導波路の屈折率を制御できるという利点を有する。導波
路をガラス表面の下方に埋設することによって導波路損
失を減少させることができる。

このことは、ガラス内に最初に存在したイオン（または
分極性の小さいイオン）を含有する溶融塩浴内での第２
のイオン交換を電極の存在下で実施することによって達
成されうる０表面導波路は基体の内側に移動するであろ
う。米国特許第３８８０６３０号にはこのような技術が
記載されている。この埋設導波路技術によれば、実験室
で良好な性能を有する興味のある部品、特にカプラを製
造することができる（例えば日本板硝子テクニカル・レ
ポート１／１９８３第３〜６ページ参照）。

集積オプティックスについて解決されるべき最も困難な
問題の１つは、集積部品上にファイバ、光源または検知
器を１ミクロン以下の公差をもって機械的に位置決めす
ることである。実験室ではファイバを部品にエポキシ樹
脂で固着すればよい。

この方法は時間がかかりかつデリケートであるため、そ
れを産業的に利用しうるように大規模化することは困難
である。

集積オプティックス回路通路の端部に隣接して基体に溝
を形成することによって回路通路に対して光ファイバが
整列されていた。このような装置は種々の利点を有して
いる。

■溝は米国特許第３７７４９８７号に教示されている結
晶学的エツチング技術によってシリコン内に正確に形成
されうる。しかしながら、光導波路は、有効に作用する
ためには、導波路よりも屈折率の低い基体または層上に
存在していなければならない、結晶学的エツチングを施
しうるシリコンまたは同様の材料は高い屈折率を有して
いるので、導波通路を形成することのできる低屈折率材
料の層を設けられなければならない、このような装置で
は、基体材料は高価であり、かつ低屈折率材料を表面に
付加する工程が価格をさらに高くする。

米国特許第４２４０８４９号は、■溝は成形によってプ
ラスチック基体に形成されうろことあるいはいわゆる超
音波切断法によってガラス基体に形成されうろことを教
示している０次に、それらの溝内にセメントづけされた
光ファイバと整列される光通路を形成するために、プラ
スチックの層が基体上に設けられる。このようなプラス
チック材料は損失の多い光導波路を生ずる。たとえ基体
の表面上にガラス光通路が沈積されるとしても、そのた
めに用いられなければならない沈積技術は比較的損失の
多い導波路を生ずることになり、このような方法は、沈
積されうる材料の最小厚が問題であるため、単一モード
の導波路を形成する場合に限定されることが多い、成形
によってプラスチック基体に溝を正確に位置することは
できるが、プラスチックは、種々の特性のために、先導
波路材料として用いるのは望ましくない、超音波切断に
よって溝を形成するのは高価すぎて商業的には割りの合
わない方法であり、しかもその方法では、１ミクロンの
精度をもって溝を位置決めすることはできない。

従って、本発明の目的は、従来技術の上述した難点を克
服する集積光部品を提供することである。

他の目的は、溝または空洞が極めて高い精度をもって位
置決めされる集積ガラス光部品を提供することである。

さらに他の目的は、空洞が精度良く成形されうるのに十
分低い軟化点を有しかつイオン交換によって光通路が形
成されうるような組成を有するガラスで上述した性質の
装置を形成し、モノリシック構造を可能にすることであ
る。

さらに詳細には、本発明は少なくとも１つの光回路を具
備したモノリシックガラス本体よりなり、そのガラス本
体が、光回路に整列されたそれの表面の１つにおいて、
その表面内に成形された空洞を有することを特徴とする
集積光部品に関する。

さらに、その光回路はイオン交換により表面内に形成さ
れ、それにより、上記空洞内に配置された光装置が回路
通路に光学的に整列される。このようにして形成された
光回路はガラス本体と同じ成分よりなり、かつそれの屈
折率をガラス本体の屈折率より大きい値に増大させるイ
オンを含んでいる。

好ましい実施例では、上記空洞は■溝である。

しかしながら、集積光部品は、用途に応じて、フィルタ
、検知器、フォトダイオード・クリスタル、あるいはレ
ーザ・クリスタルのような光源等の光部品を正確に位置
決めするために、他の形状の空洞を具備していてもよい
。

光回路は表面に位置決めされうるが、ガラス基体中に埋
設されるのが好ましい、光回路は部品の機能に応じて多
くの構造を有しうろことは明らかであろう。

ガラス本体における空洞は、ヨーロッパ特許出願ＥＰ、
Ａ、００７８６５Ｂに記載されている高精度成形法によ
って形成されうる。米国特許第４４４７５５０号および
第４４３３０６２号ならびに英国特許出Ｉｉ］ＧＢ　　
Ａ２０６９９９４には、このような高精度成形に特に適
した光ガラス組成が開示されている。プレスまたは成形
後に、その成形された本体は、例えば前述した米国特許
第３８８０６３０号に記載されている方法によって光回
路集積工程に付される。

上記ヨーロッパ特許比１１［ＥＰ、Ａ。

００７８６５８に記載されているような高精度成形法の
みが満足しうる結果を生じうる。■溝のような空洞は１
ミクロンよりも良好な公差をもって位置決めされなけれ
ばならない、他方、空洞の端面、例えばＶ溝の三角形端
面は平面であり、かつ３Ｇ’より良好な精度をもって空
洞の軸線と直交しなければならない、この面の表面品質
は、拡散または散乱により光損失が生じないようなもの
でなければならない、これらの面上で０．０５ミクロン
よりも良好な表面状態が実現された。

部品を形成するガラスはそれが完全に受容できるために
は次のような基準を満足することが好ましい。

−そのガラスの屈折率は結合を最小限に抑えるだめに用
いられる光ファイバのクラッドの屈折率に近いことが好
ましい。はとんどの高品質ファイバのクラッドはシリカ
で形成されているので、そのガラスの屈折率は、シリカ
の屈折率に近い値、すなわち約１．４６でなければなら
ない。

−埋設光回路の好ましい場合には、そのガラスは、埋設
導波路を作るための二重イオン交換処理に付されるため
にＮ　ａ　”　、Ｋ”　、Ｌ　１　’等のようなアルカ
リイオンを含有しているべきである。

−そのガラスは、光伝送を低下させる１１”　ｅ　３　
＋またばＣｕ”のような金属イオンあるいは水酸基イオ
ンＯＨ−の含有量が最小限（数１０ｐｐｒａ以下）に抑
えられるべきである。

−そのガラスは、特に光回路を形成するためのプロセス
に用いられる溶融塩浴の存在下で良好な耐久性を呈すべ
きである。

−　そのガラスは、可能な最低温度で成形されるために
できるだけ低い変態温度を有しているべきである。この
ような低い温度は高価な高精度型に受容可能な寿命を与
えることになるとともに、所要の高い生産性を実現する
点で重要である。一般的に言えば、これらのガラスは約
５００℃以下の、好ましくは４５０℃以下の軟化点を有
していなければならない。

このようなガラスの例としては、フン化リン酸塩または
フン化ケイ酸塩のようなフッ素含有ガラスがある。フッ
化ケイ酸塩ガラスはより良好な耐久性を有しているので
好ましい。

本発明によるガラス・モノリシック部品は、重合体また
は重合体／ガラス複合部品に比較して大きな利点を有し
ている。特に、これらの部品は、付加的な損失の原因と
なる眉間剥離や寸法変化を受けない。

以下図面を参照して本発明の実施例につき説明しよう。

第１図は、対向面のそれぞれにＶ溝を有する、コネクタ
を製造するための直方体状ガラス本体を精密成形する場
合を示している０図示を明瞭にするために、Ｖ溝５の寸
法とそのＶの角度は非常に誇張して示されている。

上記ヨーロッパ特許出願ＥＰ、Ａ、７８６５８の第１図
に示されている成形装置が用いられうる。

第１図の上型１および下型２は上記ヨーロッパ特許出願
ＥＰ、Ａ、７８６５Ｂの型１および型２にそれぞれ対応
しており、１つの平面と互いに整列された小さなウェッ
ジ３を有する１つの平面を提供している。

次に、成形されたガラス本体が、埋設された光回路を形
成する処理に付され、この場合、その光回路の端部はＶ
溝５の端面に対して直交関係にある。この光部品をコネ
クタとして用いるためには、接続されるべきファイバを
Ｖ溝５内に配置しかつ例えば接着剤のような適当な手段
によって不動にする。

■溝に対する正しい寸法を選択しかつ正しい場所に光回
路を形成することによって、ファイバを光回路の端部に
合致させて位置決めすることが容易となる。第２図はこ
のようなコネクタの動作状態を示している。この図では
、ファイバ７は埋設された光回路６の端部に配置されて
いる。

ガラス本体４を作成するのに有用なガラスは例えば、重
量％で、５ｉＯ＝：４８％、Ａｌｔｏｓ：１４．２％、
Ｂ１０１　　：　１７．４％、ＮａｚＯ：２．４％、Ｋ
ｚＯ：　１２　、ｅ％オよびＦ　：　５．４％の組成を
有するガラスである。このガラスはｄナトリウム線の波
長での屈折率が１．４６５である。このガラスを用いて
、直径４０鶴、厚さ３日の円板が作成され、次の温度お
よび圧力サイクルを用いて、上記ヨーロッパ特許出願Ｅ
Ｐ−Ａ−７８６５８に記載された高精密成形処理に付さ
れる。

−印加圧力なしに、１０℃／分の割合で周囲温度から４
７０℃まで加熱する。

−印加圧力なしに４７０℃に１７分間保持する。

−上型に１１０バールの圧力を印加して４７０℃に５分
間保持する。

−圧力を印加圧力がなくなるまで緩やかに釈放しながら
、２．５℃／分の割合で３８０℃まで冷却する。

−５℃／分の割合で２８０℃まで冷却する。

−２０℃／分の割合で周囲温度まで冷却する。

埋設光回路は次の例に従って作成される。真空蒸着を用
いて、Ｖ溝５を有するガラス本体４の上面に厚さ３００
０人のＴｉ被覆が沈積される。従来のマイクロフォトリ
トグラフ法を用いて、幅２０ミクロンのチャンネルが上
記Ｔｉ被覆に形成される。このチャンネルＶ溝の軸線に
正確に整列される。ガラス本体のＴｉを被覆された面は
、チャンネル表面上のガラスに存在するアルカリイオン
をＡｇ４イオンで置換するために、３７５℃の溶融塩浴
と３時間接触される。これによってガラスの屈折率が局
部的にかつ表面的に変更されるであろう。次に、ガラス
本体は溶融塩浴から取り出され、そしてマスクが例えば
重フン化アンモニウムを用いた化学エツチングによって
注意深く除去される。

ガラス本体の背面には金庫電性被覆が設けられ、かつ活
性側が、ＫＮＯ３Ｂ５モル％およびＮａＮＯｓ　　１７
モル％よりなる３６５℃の溶融塩浴に４時間１５分のあ
いだ接触される。同時に浴内のプラチナ電極とガラス本
体の背面金被覆との間に３３Ｖ／ｍの電界が印加される
。その浴は金被覆に対し正に分極される。この処理の目
的は光回路を「埋設」しかつ直径が５０ミクロンで、ガ
ラス表面の下方２５ミクロンのところに位置した単円形
の多モード導波路を得ることである。

この導波路の寸法、Ｎ、Ａ、および「埋設」深さ等が、
所望の結果を得るように制御されうるパラメータの関数
であることは極めて明白である。

最も重要なパラメータは下記のものである。

−最初のイオン交換浴の性質および組成。

Ａｇ’のかわりに、ＴＪ”　　（より高い屈折率となる
）またはに′″　（より低い屈折率となる）を用いても
よい、導波路の屈折率勾配は最初の浴における活性イオ
ン（Ａｇ”　、ＴＩ’　Ｋ”″その他）濃度にほぼ比例
する。

−　マスク内に形成される初期チャンネルの幅。

−最初のイオン交換時の電界の存否、電界を用いた場合
には、より高い屈折率の導波路が得られる。

−二回目のイオン交換工程のパラメータ（温度、時間、
組成、電界）。

この方法によれば、グレーデッド・インデクス型レンズ
も形成されうろことに注目すべきである。

高精密成形のために用いられる型は炭化タングステンで
作成されうる。上型はガラス本体のＶ溝を形成するため
の断面三角形状のウェッジ３を有する。直径１２５ミク
ロンの光ファイバを接続するためには、この実施例にお
ける各ウェッジは幅２５７ミクロン、高さ１２９ミクロ
ンである。各ウェッジは長さが８鶴である。このような
型は超精密ＣＮＣグラインダで機械加工することによっ
て作成されうる。上記ヨーロッパ特許出願ＥＰ。

Ａ、７８６５８の第１図に示されている装置を用いれば
、１ミクロンよりも良好な公差（標準偏差）をもってガ
ラス本体におけるウェッジの正確なネガ・レプリカを実
現することができる１種々の直径のファイバに対して、
■溝または空洞の寸法は変更されうろことは明らかであ
ろう。

フィルタや検知器等のような他の部品を配置するための
他の形状または空洞をガラス本体に形成するためにも、
型は変更されうる。

第３図〜第８図は種々の部品が本発明に従ってどのよう
に形成されうるかを示している。

第３図はガラス本体４と、埋設されたＹ型光回路１６と
、この光回路の各端におけるＶ溝５を含むカプラ／分割
器を示している。Ｙ分岐の角度θは約１”である、（図
面ではこの角度は明瞭にするために誇張して示されてい
る。） 第４図は単一モード近接カブラを示している。

単一モード伝播の場合には、導波路が十分に近接してい
れば、エネルギの結合が微小な波を介して生じうる。こ
のカブラは、ガラス本体４と、直径８ミクロン（Ｎ、Ａ
、−０，１）の２つの導波路２６を具備しており、これ
らの導波路は、１．３ミクロンの波長のエネルギを５０
％結合させるために、長さ６■にわたる中央部分におい
て２４ミクロンだけ離間されている。各導波路端にはフ
ァイバを配置するためのＶ溝５が設けられている。

第５図は単一モードのカプラ／マルチプレクサを示して
いる。このカプラは、ガラス本体４と、２つの直線状の
導波路と、それらの導波路３６間に設けられていて共振
器ループを形成する単一モード円形導波路４６を具備し
ている。この場合の結合は波長の選択性が強い。ファイ
バを配置しうるためのＶ溝５が各端に設けられている。

第６図は多モード・カブラ／マルチプレクサを示してい
る。これは、ガラス本体４と、二重イオン交換処理によ
って得られた第１の埋設グレーデッド・インデクス型レ
ンズ４０と、ガラス本体４の成形時に得られた溝内に配
置された薄い板上に設けられた干渉フィルタ４１と、第
２のグレーデッド・インデクス型レンズ４２を具備して
いる。

レンズ４０および４２は長さ２．１鶴、直径５００ミク
ロンであり、０．０２５の放物線屈折率勾配を有してい
る。ファイバを位置決めするためのＶ溝５も設けられて
いる。

第７図は単一モード光ファイバをコリメータ・レンズに
心合させるための集積光部品を示している。これは「コ
リメート・ビーム」または「拡張ビーム」単一モード・
コネクタに対しであるいは半導体レーザからの光を単一
モードのファイバに結合させるのに有用である。この部
品は、二重イオン交換処理によって埋設されたグレーデ
ッド・インデクス型レンズ５０が形成されているガラス
本体４を具備している。Ｖ溝５は、レンズ５０の光学軸
上にファイバを正確に位置決めできるようにする。

第８図は多モード・モニタを示している。これは、各端
部に■溝５を有する主導波路６０を具備している０分岐
６１は導波路６０を通るパワーの約１０％をタフピング
できるようにする０分岐６１は拡大されて、ガラス本体
４の成形時に形成された空洞に通じており、その空洞内
には光検知器６２が配置されている。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はそれ
に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々の
変形変更が可能であることを理解　。

すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による集積光コネクタの成形を概略的に
示す説明図、第２図はそのコネクタの所定の位置にファ
イバを配置した状態を示す斜視図、第３図〜第８図は本
発明による種々の集積部品を示す概略平面図である。 図面において、４はガラス本体、５はＶ溝、１６．２６
．３６．４６．６０．６１は導波路、４０．５０は埋設
されたグレーデッド・インデクス型レンズ、４２はグレ
ーデッド・インデクス型レンズをそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、モノリシックガラス本体と、 前記ガラス本体の１つの表面内に成形された少なくとも
   １つの空洞と、 イオン交換によって前記表面内に形成された光回路通路
   よりなり、この通路は前記ガラス本体と同じ成分よりな
   りかつさらにこの通路の屈折率を前記ガラス本体のそれ
   よりも大きい値に増大させるイオンを含んでおり、かつ
   前記通路は前記空洞で終端しかつその空洞と整列されて
   おり、前記空洞内に配置される光装置が前記回路通路と
   光学的に整列せしめられるようになされていることを特
   徴とする集積光部品。 ２、特許請求の範囲第１項記載の部品において、前記ガ
   ラス本体がフッ素を含んでいる前記部品。 ３、特許請求の範囲第１項記載の部品において、前記ガ
   ラスがフッ化ホウケイ酸塩ガラスである前記部品。 ４、特許請求の範囲第１項記載の部品において、前記空
   洞がＶ溝である前記部品。 ５、特許請求の範囲第４項記載の部品において、前記Ｖ
   溝は前記回路通路に隣接した光学品質端面を有しており
   、前記端面はその端面における前記通路に対して実質的
   に直行関係にある前記部品。 ６、特許請求の範囲第１項記載の部品において、前記本
   体が５００℃よりも低い軟化点温度を有するガラスで形
   成されている前記部品。 ７、少なくとも１つの空洞を１つの表面に有するモノリ
   シックガラス本体を高い精度をもって成形し、 イオン交換技術により前記空洞に整列させて光回路通路
   を前記表面内に形成し、かつ前記通路の一端が前記空洞
   に整列しているようになし、それにより前記空洞内に配
   置された光装置が前記回路通路に対し光学的に整列され
   るようにすることを特徴とする集積光部品の製造方法。