JPS6238404A - 光導波路の製造方法 - 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〕 本発明は石英系光導波路の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の光通信分野の大発展をみこして、光導波路を用い
た先導波素子の研究が現在さかんに行なわれている。そ
のなかでも石英系光導波路はその化学的安定性、低損失
性、石英系光ファイバとの整合性、石英系光ファイバと
の接続性などの点で特にすぐれている。石英系光導波路
の製造方法としては湾内らによる火炎直接堆積法や伊沢
らによる熱酸化法などの気相法を用いたものが開発され
報告されている（　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　、　Ｌｅｔｔ、
１９　、５８３　（１９ａＪ３）　、Ａｐｐｌ、Ｐｂｙ
ｓ、Ｌｅｔｔ、、Ｌａ、４８３（１９８１））が、最近
になって山田らによってゾル−ゲル法を用いた方法が新
たに報告され、注目を集めた。

（微小光学研究グループ機関誌、ユ、２６（１９８４）
）ゾル−ゲル法は、基板も同時に合成できること、任意
の形状に成形できること、組成制御が容易なこと、収率
が良いこと、低温合成（１０００〜１６００℃）ができ
るので省エネルギーの精神にのっとっていること、安価
に製造できること、高純度なガラスが容易に得られるこ
となどの点で気相法に比べて優れており、将来の石英系
光導波路の製造方法として主流になる可能性を秘めてい
る。

ところが従来のゾル−ゲル法による石英系光導波路の製
造方法では７００°Ｃでの焼成しか行なっていないため
、完全にガラス化させるのは困難でありそのため次の問
題があった。すなわち化学的安定性が低いこと、ファー
クラッドの界面、ファー空気層の界面での光損失が大き
いこと、石英系光ファイバと融着接続するときヒビわれ
等がおこりやすいこと、石英系光ファイバと融着接続す
るとき発泡しやすいこと等の問題である。

本発明は従来のゾル−ゲル法による石英系光導波路の製
造方法の問題点を解決す葛もので、その目的は、化学的
安定性、低損失性、石英系光ファイバとの整合性、石英
系光ファイバとの接続性にすぐれた高品質の石英系光導
波路を大きなサイズまで、低コストで、省エネルギー精
神にのっとった形で製造する方法を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の光導波路の製造方法はドーパントをモル比で０
％以上含む酸性のアルキルシリケート（ｓｌ（ｏＲ）＋
　　）加水分解溶液に、ドーパントをモル比で０％以上
含んだシリカ微粒子を均一に添加してなるゾル溶液を、
前記ゾル溶液中のドーパント濃度を変えて少なくとも２
種類作り、そのうち透明ガラスとしたときにクラッドｆ
ｉ：兼ねた基板となる第一のゾル溶液を型に流し込みゲ
ル化させ、その後透明ガラスとしたときにコアとなる第
二σ）ゾル溶液をその上に薄く流しゲル化させ、クラッ
ドを兼ねた基板とコアが一体となったウェットゲルを作
る工程、前記ウェットゲルを乾燥してドライゲルを作る
工程、および前記ドライゲルを焼結して透明ガラス化す
る工程からなることを特徴とする。（第１図） また本発明の光導波路の製造方法は、ドーパントをモル
比で０％以上含む酸性のアルキルシリケート加水分解溶
液に、ドーパントをモル比で０％以上含んだシリカ微粒
子を均一に添加してなるゾル溶液を、前記ゾル溶液中の
ドーパント濃度を変えて少なくとも２種類以上作り、そ
のうち透明ガラスとしたときに基板となる笥−のゾル溶
液を型に流し込みゲル化させた後、透明ガラスとしたと
きにクラッドとなる第三のゾル浴液をその上に流しゲル
化させ、その後透明ガラスとしたときにコアとなる第二
のゾル溶液をその上に薄く流しゲル化させ、基板とクラ
ッドとコアが一体となったウェットゲルを作る工程、前
記ウェットゲルを乾燥してドライゲルを作る工程、およ
び前記ドライゲルを焼結して透明ガラス化する工程から
なることをも特徴とする（第２図）。

また本発明の石英系光導波路の製造方法は、ドーパント
をモル比で０％以上含む酸性のアルキルシリケート加水
分解溶液に、ドーパントをモル比で０％以上含んだシリ
カ微粒子を均一に添加してなるゾル溶液を、前記ゾル溶
液中のドーパント濃度を変えて少なくとも２種類以上作
り、そのうち透明ガラスとしたときに下部クラッドを兼
ねた基　−板となる第一のゾル溶・液を型に流し込みゲ
ル化させた後、透明ガラスとしたときにコアとなる第二
のゾを溶液をその上に薄く流しゲル化させ、その後透明
ガラスとしたときに上部クラッドとなる第四のゾル溶液
をその上に流しゲル化させ、下部り２ツドを兼ねた基板
とコアと上部クラッドが一体となったウェットゲルを作
る工程、前記ウェットゲルを乾燥してドライゲルを作る
工程、および前記ドライゲルを焼結して透明ガラス化す
る工程からなることをも特徴とする（第５図）。

また本発りＪの光導波路の製造方法は、ドーパントをモ
ル比で０％以上含む酸性のアルキルシリケート加水分解
溶液に、ドーパントをモル比で０％以上含んだシリカ微
粒子を均一に添加してなるゾル溶液を、前記ゾル溶液中
のドーパント濃度を変えて少なくとも２種類以上作り、
そのうち透明ガラスとしたときに基板となる第一のゾル
溶液を型に流し込みゲル化させた後、透明ガラスとした
ときに下部クラッドとなる第三のゾル溶液をその上に流
しゲル化させて、さらに透明ガラスとしたときにコアと
なる第二のゾル溶液をその上に薄く流しゲル化させ、そ
の後透明ガラスとしたときに上部クラッドとなる第四の
ゾル溶液をその上に流しゲル化させ、基板と下部クラッ
ドとコアと上部クラッドが一体となったウェットゲルを
作る工程、前記ウェットゲルを乾燥してドライゲルを作
る工程、および前記ドライゲルを焼結して透明ガラス化
する工程からなることも特徴とする。（第４図本発明は
上記に記載したように、酸性の加水分解溶液に微粒子を
均一に添加したゾル溶液を用いた構成を有するため、微
粒子を添加しない従来のゾル−ゲル法よりも焼結時にわ
れにくくなっている。この理由は当社特許（特願昭５８
−２３７５７７）に詳しいが、簡単に説明すると、微粒
子を添加することによって、初めて焼結時にわれにくい
ゲル、すなわち大きな細孔を多量に有する、いわゆる多
孔性のゲルが得られるからである。そのため高温（１０
［］Ｏ〜１６００℃）での焼結が容易に行なえ、ゲルを
完全にガラス化することが初めて可能となり、従来法の
問題点を完全に解決することができる。すなわち化学的
安定性が高く、ファークラッドの界面、ファー空気層の
界面での光損失がほとんどなく、石英系光ファイバと融
着接続してもヒビわれ等がおこらず、また石英系光７ア
イパと融着したときも発泡しない石英系光導波路が製造
できる。また同じ理由から、従来のゾル−ゲル法では作
製することが困離であった例えば２０ｃｒｎ０のガラス
まで歩留りよく作製することができるので、結局、実用
的な大きさの石英系光導波路を安価に製造できる。

本発明において、ガラスの反応性スパッタエツチングや
ゲルのレーザビーム照射等のパターン化手段を併用する
と、線路状の光導波路をも製造できる。

また本発明の微粒子を添加するという手法を応用すると
、前述した報告（微小光学研究グループ機関紙、２．２
６（１９８４））に記載されているプラスチックコア光
導波路、回折格子をはじめ、種々の構造をもった微小光
学デバイスを従来より高品質に、しかも容易に製造する
ことができる本発明において、酸性の加水分解溶液に微
粒子を均一に添加する際、一度溶媒に均一に分散させ、
分散溶液として添加する方法を用いると、高品質な石英
系光導波路が容易に得られる。なぜならば、微粒子を起
源とする異物を微粒子を酸性の加水分解溶液に添加する
以前にフィルタレ−ジョン等によって容易に除くことが
でき、本方法ｙｒ：用いないときに比べて、微粒子添加
後のゾルの精製が容易になり、結局高品質なゾルを容易
に作ることができるからである。

また前記分散溶液とてて、主としてアルキルシリケート
を塩基性試薬で加水分解して得られる主としてシリカ微
粒子を溶液中に含む溶液を用いるとさらに高品質な石英
系光導波路が容易に得られる。なぜならば、微粒子の分
散溶液、酸性の加水分解溶液の原料はともにすべて金属
イオン等の不純物、ゴミ、チリ等の異物が除かれた高純
度な液体原料を用いることができるので、高品質なゾル
をさらに容易に作ることができるからである。

本発明は、屈折率の異なる領域を内部に含む構造をもっ
た高品質な石英系ガラス体を、ドーパントを０％以上含
む酸性の加水分解溶液にドーパントを０％以上含む微粒
子を添加したゾルを少なくとも２種類以上作り、それら
をつぎつぎにゲル化するという手法を用いて実現したも
のであるが、屈折率と変化させるドーパントをはじめ、
ガラスを安定化させるドーパント、ガラスの整合性を良
くするドーパント、ガラスの膨張率をおさえるためのド
ーパントは酸性の加水分解溶液のみに加えても、微粒子
のみに加えても、あるいはその両方に加えても良い。

以下実施例により本発明の光導波路の製造方法を詳しく
説明する。

〔実施例１〕 ■　ゾルの調終 エチルシリケート６４２．５２に０．０２規定の塩酸４
４４．６　ｆを加えよく攪拌し、加水分解溶液Ａとした
。

エチルシリケート１２′！Ｌ５ｒに０．２規定の塩酸１
＆Ｏｆを加え、激しく攪拌しながら反応させ、溶液が透
明になったところでテトラエトキシゲルマニウム４五１
ｔを少しずつ加えよく攪拌した。

３０分反応させた後、この反応溶液に０．２規定の塩酸
２４７Ｆを加え反応させ、さらに水４２．７ｒを加えよ
く攪拌させ加水分解溶液Ｂとした。なお加水分解溶液Ｂ
を作る工程中反応溶液は１０℃以下に保った。

エチルシリケー）　９８１．６　ｆ　、無水エタノール
５２４６　ｍ　ｔ＊アンモニア水（２９％）　１５７　
ｍＬ、水５５９．６　？を混合し、２時間激しく攪拌し
た後、冷暗所にて一晩静置し、シリカ微粒子を含む溶液
を合成した。この溶液を減圧濃縮した後、溶液中のアル
コール分を水と置換した。その後、希塩酸を用いてＰＨ
値を４．０に調整し、つづいて０４μｍのメンブランフ
ィルタ−を用いて濾過し、０．０７μｍの平均粒径をも
つシリカ微粒子分散溶液とした。（約７００洛ｔ） つぎに加水分解溶液Ａとシリカ微粒子分散溶液の５分の
４を混合し、ｌ］、２規定のアンモニア水と水を用いて
’ＰＨ値を４．６９に調整し、かつ体積を１８７２ｍｔ
に調整し、ゾル溶液Ａとした。

また加水分解溶液Ｂとシリカ微粒子分散溶液の５分の１
を混合し、Ｑ、２規定のアンモニア水と水を用いてＰＨ
値を４．４５にし、ゾル溶液Ｂとした。このとき液温を
１５℃以下に保った。なぜなら１５°Ｃ以上にするとゲ
ル化時間があまりにも短かくなって（４〜５分以下）操
作上不利だからである。

なお本実施例で用いた原料はすべて蒸留、ｐ過等の精製
を行ない、工程はすべてクリーン度クラス１００（［ｌ
Ｌ５μｍ）のクリーンルーム内で行なった。

■　ウェットゲルの作製 ゾル溶液Ａを内容積１　ｔ（１００ｍｍＸ２００ｍｍＸ
５０ｍ深さ）のテフロン容器に深さ１０ｍｍ流し入れ、
フタをして静置したところ４０分でゲル化した。ゲル化
して５分後に、ゾル溶液Ｂをその上から厚み１００μｍ
になる量だけ流し入れ、フタをして静置したところ流し
入れてから２５分たったところでゾル溶液Ｂ（Ｆ）成分
はゲル化して、クラッドを兼ねた基板とコアが一体にな
ったウェットゲルが得られた。なおゲル化は、防振構造
を有し、かつ水平度が保たれている台の上で行なわなけ
ればいけないのは言うまでもない。

■乾燥 同様な方法で作製したウェットゲル８コをテフロン容器
のなかで密閉状態のままで５２℃で２日間熟成し、つづ
いて０．１％の開口率をもったポリプロピレン乾燥容器
に移し入れた。この乾燥容器を６０℃の乾燥機に入れ、
ウェットゲルを乾燥したところ１５日間で、室温に放置
しても割れない安定なドライゲル（比重約ｆＪ、７５）
が歩留り１００％で８コ得られた。

■焼結 次にこのドライゲルを石英製管状焼結炉に入れ昇温速度
５０°Ｃ／　ｈ　ｒで５０℃から２００℃まで加熱し、
この温度で５時間保持し、つづいて昇温速度３０℃／　
ｈ　ｒで２００℃から３００℃まで加熱し、この温度で
５時間保持して脱吸着水を行なった。つづいて昇温速度
５０℃／　ｈ　ｒで５００℃から９５０℃まで加熱し、
この温度で２時間保持して、脱炭素、脱塩化アンモニウ
ム処理、脱水綜合反応の促進処理を行なった。つづいて
８００℃まで降温し、Ｈｅ　２１７ｍ　、　Ｃ！　Ｌ、
　０．２１／　ｍの混合ガスを流しながら３０分間保持
し、その後昇温速度６０°Ｃ／ｈｒで９００℃まで加熱
し、その温度で１時間保持し、その後昇温速度６０℃／
　ｈ　ｒで１０００″Ｃまで加熱し、その温度で３時間
保持し、脱ＯＨ基処理を行なった。つづいてＨａ２４／
ｉに対してＯｘＱ、４Ｚ／ｍの混合ガスを流しながら昇
温速度６０°Ｃ／ｈ、ｒで１１００℃まで加熱し、この
温度で２０時間保持して脱塩素処理を行なった。つづい
てＨｅのみを流しなから昇温速度３０℃／　ｈ　ｒで１
２５０℃まで加熱し、この温度で５０分保持して閉孔化
処理を行なった。つづいて試料を１２５０℃から昇温速
度６０℃／　ｈ　ｒで１４００℃まで加熱し、この温度
で１時間保持すると無孔化し、透明ガラスとなりた。こ
の透明ガラスを切断、研磨して、基板の大きさ４６ｍｍ
Ｘ９２■Ｘ　４．６　ｒｔａｎ厚、コアの厚み４６μｍ
、コアの比屈折率差Δ１％、　Ｎ　Ａ　０．２のスラブ
型光導波路が歩留り１００％で８コ得られた。（第１図
）この石英系光導波路のコアの端面からＨａ−Ｎｅレー
ザ光を入射して先導波特性を計画したところ十分低損失
（０，４ａＢ／α）　であることが確認されたが基板部
（クラッド部）での損失がＱ、　１　ｄＢ／α以下であ
ることから考えてもさらに改善されよう。また基板部は
比重２．２、屈折率１．４５８　、ビクカース硬度７９
０に？／−１熱膨張係数５．４×１０″″γであり、は
ぼ完全に石英ガラス化しており、本実施例で作られたガ
ラスは化学的安定性にすぐれていると推察される。また
本実施例の光導波路は石英系光ファイバ（Ｇニー５６）
と再現住良く良好に融着接続できた。その際、ヒビわれ
ることもなく、発泡することもなかった。また屈折率ミ
スマツチングもなく、光７アイパのコアと光導波路のコ
アの寸法のミスマツチもほとんどなく、石英系光ファイ
バーとの整合性はすぐれていた。

本実施例で得られた光導波路は光スターカプラー等のデ
バイスにすぐ応用できるが、反応性スパッタエツチング
や、ゲルのレーザビーム照射等のパターン化手段を併用
すると、光分岐・合流回路等にも応用できる。（適所月
報、■、Ｎ１５　。

１？（１９８５）） 本実施例ではシリカ微粒子分散溶液として、アルキルシ
リケートを塩基性触媒で加水分解して得られる溶液を減
圧濃縮して用いたが、高品質なシリカ微粒子ならなんで
もよく、例えばレオロシル（徳山ソーダ）、アニルジル
、　（Ａｅｒｏｓｉｌ　、デグッサ社製）やキャポシ／
ｌ／　（Ｄ　−Ｃ！　＠３１１１ｃ＆　、　　ダウ・コ
ーニング社製）を水等の溶媒に均一に分散させたものの
使用も可能であった。ただこの場合１μ溝内外のインク
ルージ璽ンが含まれやすく、インクルージｌンを除く特
別な手段を施さないと、光損失に影響をおよぼすので注
意を要する。

本実施例では、［１０７μｍの平均経径をもつシリカ微
粒子を用いたが、これに限定されるものではなく、もっ
と大きいものでももっと小さいもので５よい。ただし大
きすぎると、コアとクラッドの界面が荒れ、光損失に影
響をおよぼし、小さすぎると乾燥・焼結時にわれにくい
多孔性のゲルを作ることが困難となるため、シリカ微粒
子の平均粒径はα００５μｍがら１．　Ｑμｍの範囲か
ら選ぶのが畳ましい。

本実施例の焼結工程では、閉孔化処理を行なうまえに脱
ＯＨ基処理を行なったが、この処理を行なわなくとも高
品質な光導波路が作製できる。ただし融着する時に発泡
しやすくなるので、焼結工程の選定や融着方法によりい
っそうの注意が必要であった。

〔実施例２〕 実施例１と同様な方法でゾル溶液Ａとゾルｆｍ液Ｂを作
製した。それらを次々にゲル化させることによって第２
図〜第４図に示したような構造のウェットゲルを作り、
それらを乾燥、焼結すると同様な構造の光導波路が作製
できた。これらの光導波路は、実施例１で得られた光導
波路と同様に、光スターカプラ、光分岐０合流回路、光
アクセッサ、光合分波器などに広く応用できる。（適所
月報、３８．Ｈ１ｌｓ、１９（１９８５）〔発明の効果
〕 以上述べたように本発明によれば、ドーパントを０％以
上含む酸性のアルキルシリケート加水分解に、ドーパン
トを０％以上含んだシリカ微粒子を均一に添加してなる
ゾル溶液を、前記ゾル溶液中のドーパント濃度を変えて
少なくとも２種類以上作り、それらをつぎつぎにゲル化
させることによりてクラッドとコアが一体となった乾燥
・焼結時に割れることのない多孔性のウェットゲルを作
り、それを乾燥・焼結して石英系光導波路を作るため、
高温で焼結することが可能となり、そのため化学的安定
性、低損失性、石英系光ファイバーとの整合性、石英系
光ファイバとの接続性にすぐれた高品質の石英系光導波
路を大きなサイズまで、低コストで、省エネルギーの精
神にのっとった形で製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光導波路の一実施例を示す主要断面図
。 第２図〜第４図は本発明の光導波路の一実施例を示す主
要断面図。 １・・・・・・石英基板または石英基板兼クラッド２・
・・・・・コ　ア ５・・・・・・クラッド ４・・・・・・クラッド 以上

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）ドーパントをモル比で０％以上含む酸性のアルキ
   ルシリケート（Ｓｉ（ＯＲ）＿４）加水分解溶液に、ド
   ーパントをモル比で０％以上含んだシリカ微粉子を均一
   に添加してなるゾル溶液を、前記ゾル溶液中のドーパン
   ト濃度を変えて少なくとも２種類作り、そのうち透明ガ
   ラスとしたときにクラッドを兼ねた基板となる第一のゾ
   ル溶液を型に流し込みゲル化させ、その後透明ガラスと
   したときにコアとなる第二のゾル溶液をその上に薄く流
   しゲル化させ、クラッドを兼ねた基板とコアが一体とな
   ったウェットゲルを作る工程、前記ウェットゲルを乾燥
   してドライゲルを作る工程、および前記ドライゲルを焼
   結して透明ガラス化する工程からなることを特徴とする
   光導波路の製造方法。
2. （２）ドーパントをモル比で０％以上含む酸性のアルキ
   ルシリケート加水分解溶液に、ドーパントをモル比で０
   ％以上含んだシリカ微粒子を均一に添加してなるゾル溶
   液を、前記ゾル溶液中のドーパント濃度を変えて少なく
   とも２種類以上作り、そのうち透明ガラスとしたときに
   基板となる第一のゾル溶液を型に流し込みゲル化させた
   後、透明ガラスとしたときにクラッドとなる第三のゾル
   溶液をその上に流しゲル化させ、その後透明ガラスとし
   たときにコアとなる第二のゾル溶液をその上に薄く流し
   ゲル化させ、基板とクラッドとコアが一体となったウェ
   ットゲルを作る工程、前記ウェットゲルを乾燥してドラ
   イゲルを作る工程、および前記ドライゲルを焼結して透
   明ガラス化する工程からなることを特徴とする光導波路
   の製造方法。
3. （３）ドーパントとモル比で０％以上含む酸性のアルキ
   ルシリケート加水分解溶液に、ドーパントをモル比で０
   ％以上含んだシリカ微粒子を均一に添加してなるゾル溶
   液を、前記ゾル溶液中のドーパント濃度を変えて少なく
   とも２種類以上に作り、そのうち透明ガラスとしたとき
   に下部クラッドを兼ねた基板となる第一のゾル溶液を型
   に流し込みゲル化させた後、透明ガラスとしたときにコ
   アとなる第二のゾル溶液をその上に薄く流しゲル化させ
   、その後透明ガラスとしたときに上部クラッドとなる第
   四のゾル溶液をその上に流しゲル化させ、下部クラッド
   を兼ねた基板とコアと上部クラッドが一体となったウェ
   ットゲルを作る工程、前記ウェットゲルを乾燥してドラ
   イゲルを作る工程、および前記ドライゲルを焼結して透
   明ガラス化する工程からなることを特徴とする光導波路
   の製造方法。
4. （４）ドーパントをモル比で０％以上含む酸性のアルキ
   ルシリケート加水分解溶液に、ドーパントをモル比で０
   ％以上含んだシリカ微粒子を均一に添加してなるゾル溶
   液を、前記ゾル溶液中のドーパント濃度を変えて少なく
   とも２種類以上作り、そのうち透明ガラスとしたときに
   基板となる第一のゾル溶液を型に流し込みゲル化させた
   後、透明ガラスとしたときに下部クラッドとなる第三の
   ゾル溶液をその上に流しゲル化させて、さらに透明ガラ
   スとしたときにコアとなる第二のゾル溶液をその上に薄
   く流しゲル化させ、その後透明ガラスとしたときに上部
   クラッドとなる第四のゾル溶液をその上に流しゲル化さ
   せ、基板と下部クラッドとコアと上部クラッドが一体と
   なったウェットゲルを作る工程、前記ウェットゲルを乾
   燥してドライゲルを作る工程、および前記ドライゲルを
   焼結して透明ガラス化する工程からなることを特徴とす
   る光導波路の製造方法。
5. （５）ドーパントをモル比で０％以上含む酸性の加水分
   解溶液に、ドーパントをモル比で０％以上含むシリカ微
   粒子を均一に添加する際、一度前記シリカ微粒子を溶媒
   に均一に分散させ、分散溶液として添加することを特徴
   とする特許請求の範囲第一項〜第四項記載の光導波路の
   製造方法。
6. （６）前記分散溶液として主としてアルキルシリケート
   を塩基性試薬で加水分解して得られる主としてシリカ微
   粒子を溶液中に含む溶液を用いたことを特徴とする特許
   請求の範囲第５項記載の光導波路の製造方法。