JPS6155613A - イオン交換による光学素子の製造方法 - 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、イオン交換１（よってガラス基板中に光導波
路、レンズなど断面内で屈折率勾配をもつ光学素子を一
体に形成する方法に関する。

〔従来技術〕

上記のような基板内埋め込み型の光学素子をつくる場合
、　　　　−−ガラス基板ト の片面を導波路、レンズアレイ等所定のパターンの開口
を設けたイオン透過防止マスク材集で被覆し、この基板
＼のマスク面上に四周側壁材湊を接着暦偽により接合し
て基板灸を底壁とする容器島をつくり、この容器炎内に
タリウム（ＴＪ）イオン、銀（Ａｇ）イオン等基板ガラ
スの屈折率増加に寄与する陽イオンを含む硫酸塩、＠酸
塩等の溶融塩々を溜め、また基板のマスク面とは反対側
の面には他の溶融塩賃を接触させる。そして両溶融塩漬
。

Ｘ中に基板λに対向させてｉｔ極板飼牛＃巷を浸漬配置
し、マスク面側電極板−＾壽を陽極、裏面側電極板５を
陰極として電界を印加する。

上記処理により容器内の溶融塩塔中の陽イオンがマスク
開口を通して基板内に拡散侵入し１且つ）中に浸出する
。

なお陰極側はガラス中イオンの抜は出しを容易化する媒
体として溶融塩きを用いるかわりに銀膜等の固体被膜を
基板面上に施す場合もある。

上記の電界印加イオン交換処理によって基板内には拡散
イオンの濃度分布に対応した屈折率勾配をもつ所期の光
導波路、レンズアレイ等の光学素子が一体形成される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の従来方法では接着剤を使用して陽極側の溶融塩溜
め容器鳴を各基板毎に組み立てるため、生産性が悪く非
能率的であるばかりでなく、電界イオン交換処理は通常
数百度Ｇの高温に維持しつつ行なうので接着剤と基板の
熱膨張係数の違いによってガラス基板が破損したり、接
着部分から溶融塩の液洩れを生じる等の問題があった。

上記間層を解決する方法として　　　　−÷ボ５溶融塩
溜め容器き内を負圧としてこの容器番の開放された下端
に基板−を吸引保持させ、この・状態でイオン交換処理
を打なう方法が提案されている。しかしながら上記の改
良方法忙よっても、イオン交換温度が高くなり基板ガラ
スの粘性ｌＯｇη−／コ〜／Ｊ（転移温度上ｓｏ”ｃ付
近）に低下すると基板表裏面間の圧力差によって基板が
変形するという不都合を生じる。

例えばｓｏｍｍ角で７ｍｍ厚みのソーダライムガラス基
板を使用し、溶融塩溜め容器キ内圧力を６６０　ｍｍＨ
ｇとして温度≠ｊＯ″Ｃのもとで電界イオン交換処理を
行なった場合、処理後のガラス基板は容器ホ内に向けて
わん凸変形し、周縁部と中央付近との間でおよそ２００
μｍの段差を生じる。

一方、上記のような基板ガラスの熱変形を回避すべくイ
オン交換処理温度を下げるとイオンの拡散速度が遅く処
理に時間がかかるという問題を生じる。

〔従来の問題点を解決する手段〕

負圧発生装置に接続され下端側が開口した筒体の開口端
に、間隔をおいて多数の通気孔を設けた熱変形を生じ難
い材質から成る支持板を介して基板を当てがい、上記筒
体内を負圧にして筒体下端に支持板ととも罠基板を吸引
保持させ、この状態で上記筒体内に保持した溶融塩との
接触処理を行なう。

〔発明の作用〕

基板は溶融塩溜め容器内を負圧にすることによりて容器
内に変形しようとするが、支持板の開口を設けていない
部分によって一定間隔おきに均等に支持され、基板全体
にわたる大きな変形が防止される。

〔効　果〕

本発明方法によれば、基板ガラスの熱変形を従来に比べ
て充分小さく抑えることができ、平担度の良好な高品質
の平板型光学素子を得ることができる。

また、従来に比べてイオン交換処理温度を高くすること
ができるのでそれだけ生産性が向上する。

さらに、支持板を介して基板を吸引保持させるだけでよ
いので操作も非常に簡単である。

〔実　施　例〕

以下本発明を図面ＩＣ示した実施例に基づいて詳細に説
明する。

＠／図はイオン交換処理を行なっている状態を示す縦断
面図であり、図中７０はガラス基板、／／は支持板、１
２は溶融塩、／３は溶融塩溜め前基板保持筒体、／ｌｌ
は電極である。

ガラス基板１０の上表面は光導波路、レンズアレイ等形
成しようとする光学素子の平面パターンに応じたパター
ンの開口を設けたイオン透過防止マスク材／ｊで被覆さ
れており、この基板１０のマスク面上に支持板／／を重
ね、両者ＩＯ，／／を筒体／３の開放下端に吸引保持さ
せるとともに、筒体／３内に溶融塩／２を保持する。支
持板／／はイオン交換処理温度で且つ吸引負荷のもとで
実質的に熱変形を生じないような耐熱性の良好な材料で
形成する。

このように耐熱性が良好で剛性が高く且つ高精度の機械
力Ｕ工が容易なものとして例えば結晶化ガラスの一種の
マフールガラス（コーニンググラスワークス社商品）が
好適である。

支持板／／には第２図に示すように、筒体内の負圧吸引
力を基板に及ぼし且つ基板中へのイオン透過を許すよう
に一定間隔をおいて開孔／乙を設けるＯ この間孔／乙の大きさ・形状は基板表面に設けたイオン
透過防止マスクの開ロバターンに合せて設定される。一
般的には、一つの基板上に光学素子（図示例では光分岐
導波路）を間隔をおいて多数形成するので、これら各光
学素子のパターン開口１７が周囲に若干の余裕をもって
上記支持板通気孔／６にｎ出し、マスクのパターン開口
／７が設けられていない基板部分が支持板の非開孔部／
／Ａで接触支持されるようにしておく。基板／Ｑのマス
ク面と反対側の面には電極膜／ざとして銀膜が蒸着して
あり、溶融塩中に浸漬した電極板／≠を＠極とし銀膜／
！を陰極として電圧が印加され、筒体／３の下端に支持
板／／および基板１０を吸引保持した状態で全体を加熱
炉／９中で読口２０Ａをもち電極板／グのリード線／４
ＺＡが固定される耐蝕金属製の上部＠２０と、溶融塩／
２に接触する石英製の下部筒２／とに分離されており、
両者は筒体１３内の負圧発生によって吸引持続させる。

手順としてはまず予めパターンマスクを施した基板ガラ
スｌＯ上に支持板／ｌを重ね、さらにこの支持板／／上
に両端が開放している下部筒２／を載せ、基板１０．支
持板／ｌおよび下部筒２／の王者を周辺で接着テープ等
により仮止めし、上記筒２／内に固体の塩を入れる。ま
た基板裏面の銀膜／♂と上部筒２０ｎｌＪを金属線２２
等で導電接続する。そして下部筒２／と、電極／≠が仮
固定されている上部筒、！Ｏとを合せて複合筒体／３内
空間を排気する。

これにより上部筒２０．下部筒２／、支持板／／および
基板１０は外気との圧力差で密着固定される。電圧印加
装置２３の陽極を溶融塩中電極ｌグに、陰極を上部筒２
０にそれぞれ接続し、全体を第１図に示すように加熱炉
／９中に入れ、下部筒２／と支持板／Ｉ、基板ＩＯ間の
仮止めを外して加熱炉／９内を所定のイオン交換処理温
度まで昇温する。

そして筒体１３内の塩／２が溶解したら５ＩＪ極個電極
リード線／グＡの仮り止めを外して電極板／Ｉｔ（を溶
融塩１２中に浸漬し、このｉ！極板ｌ≠と金属製上部筒
λＯとの間に電圧を印加する。このとき石英製の下部筒
２／は溶融塩／２を通した短絡通電を防止する役目を果
す。

上記の処理により溶融塩／２中の陽イオンが支持板／／
の通気孔１６およびマスク１５のパターン開口ｌ）を通
して基板ｌＯ内に拡散し、基板ｌＯ内には拡散イオンの
濃度分布に対応した断面屈折率分布をもつ光学素子が形
成される。

第３図に支持板／／の通気孔／４の他の形状例を示す。

本例は屈折率分布型レンズの多数をマトリクス状に配列
して構成したレンズアレイを共通基板中に多数形成する
場合を示し、支持板／／の通気孔ｌ乙を略正方形にして
たて、横方向に間隔をおいて格子状に設けて番孔／ｇに
各単位レンズアレイのマスク開ロア７群が露出するよう
にする。

以上に説明した図示側以外に本発明は種々の変形が可能
である。

例えば図示例では基板両面間に電界を印加するための陰
電極として基板裏面に銀膜を設けたが、要するに導電性
が有り且つ基板ガラスからのイオンの抜は出しを阻害し
ないものであれば構造に制限は無く、他の材質の固体導
電被膜であってもよく、また被膜を設ける代りに溶融塩
を接触させてもよい。

また基板および支持板を吸引保持する溶融溜め筒体は分
離構造とせずに単一部材で形成してもよい。さらに、基
板のマスク面側を支持板と反対側に向けて吸引支持させ
、筒体外にある上記マスク面を、陽電極を浸漬配置した
溶融塩浴に接触させるようにすることもできる。

ただしこの方法では基板が薄い場合、基板と支持板との
間から溶融塩が筒体内に吸い込まれて筒体内の陰極と短
絡する可能性があり、この点で図示例のような配置が有
利である。

また筒体の断面形状は四辺形、円形等任意に選ぶことか
できるが一般には基板の外形状に合せるのが有利である
。

次に本発明の具体的数値例を示す。

ｓｏｍｍ角で厚さ７ｍｍのソーダライムガラス基板上に
チタン膜からなるイオン透過防止マスクを施し、ｒｏｍ
ｍ角のマコールガラス製の支持板を重ねた。

この支持板には単位レンズアレイの大きさに合せて１０
ｍｍの通気孔を、３ｍｍ間隔で設けた。上記の支持板お
よび基板を第７図に示したようなステンレス鋼製の上部
筒と塩を入れた石英製の下部筒からなる筒体の下部に配
置し、筒体内を６乙ｏ　ｍｍＨｇの圧力まで真空ポンプ
で排気して支持板、基板を吸着させ、≠！；０″Ｃに加
熱して電界を印加しつつイオン交換処理を行なった。処
理後における基板の変形量は約ｊＯμｍであり支持板を
使用しないときの変形量２００μｍに比べて大幅な教養
が見られた。

また支持板を使用しても基板内に形成された屈折率分布
レンズの性能の低下は全く認められなかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第２図（イ
）は本発明で使用する支持板の形状例を示す平面図、第
２図（ロ）は上記支持板の開孔部と基板マスクパターン
の関係を示す要部平面図、第３図は支持板の他の例を示
す平面図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガラス基板面を所定パターンの開口を残してマス
   キングし、基板ガラスの屈折率変化に寄与するイオンを
   含む溶融塩を電界印加のもとで前記基板面に接触させて
   塩中のイオンをガラス中に拡散させ、拡散イオンの濃度
   分布に応じた屈折率勾配をもつ光学素子を基板内に一体
   形成する方法において、負圧発生装置に接続され下端側
   が開口した筒体の該開口端に、間隔をおいて多数の通気
   孔を設けた支持板を介して前記基板を筒体内の負圧発生
   により、吸引保持させ、この状態で溶融塩接触処理を行
   なうことを特徴とするイオン交換による光学素子の製造
   方法
2. （２）特許請求の範囲第１項において、基板のパターン
   マスク面を前記支持板面に対向させて両者を筒体に吸着
   保持させるとともに、該筒体中に溶融塩を溜めて支持板
   の通気孔を通して基板の前記面に溶融塩を接触させるよ
   うにしたイオン交換による光学素子の製造方法。
3. （３）特許請求の範囲第２項において、筒体内の溶融塩
   中に陽電極を浸漬配置するとともに、支持板とは反対側
   の基板面に導電膜を施しこれを陰電極とするイオン交換
   による光学素子の製造方法。
4. （４）特許請求の範囲第３項において、前記筒体を長手
   方向に分離した複数の筒部材で構成し、これら筒部材同
   志を筒体内の負圧発生で吸引接続するようにしたイオン
   交換による光学素子の製造方法。
5. （５）特許請求の範囲第４項において、溶融塩と接触す
   る下部筒部材を非導電材料のパイプで形成し、これより
   上方の筒部材を導電材料のパイプで形成するとともに上
   部筒と基板表面の電極膜とを導電接続し、前記溶融塩中
   の電極板と上部筒との間に電圧を印加するようにしたイ
   オン交換による光学素子の製造方法。