JPS6313005A - 平面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、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 光通信システムの高度化にともない、光関連部品の多様
化、特殊化が推進され、その製造方法においては量産性
が一層要求されるようになりつつある。

中でも、先導波路は、光ファイバ声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光導波手段として広く使用されて
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＊角通
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。

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）ないしく６）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を形成しく第３図（ａ））、先導波路のパター
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（社））。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
フト層１２を塗布しく第３図（ｄ））、充填されたプラ
スチックの部分を先導波路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
、回転チープル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１７Ａ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。

しかしながら上述の如き方法では、例えば、工程が多く
煩雑なために量産性が悪かったり、加熱によって基板が
変形し歩留りが低下するという問題があった。また、プ
ラスチック系光導波路においては、本質的に伝送損失が
大きいという問題があった。

これらの問題に対し、量産性が高く、加工性に富み、か
つ高品質の平面光導波路を製造する方法として、５ｉｎ
２を主成分とする中空ガラスパイプ外周上にコア及びク
ラッドを有する導波層構造を形成し、次いで中空ガラス
パイプ内に耐熱性素材でできた中子を挿入し、これを相
互に密着させて平面化し、後にこれを切り出し平面光導
波路とする製造方法（特願昭６１−１０５１８５号）が
提案されている。この製法では、コア層とクラッド層を
連続操作で形成することができ、堆積と同時に焼結を行
えるので、工程が少なく、量産性に優れている。

また、パイプ状態で延伸することにより、導波層部分の
厚さを微妙に調整することができるので、極めて高品質
の平面光導波路を容易に得ることができる。

この方法によれば、例えば出発材の寸法制約により、導
波°層構造を形成する部分の面積が十分に取れない場合
でも、導波層をそれぞれ設計された比率を保って厚めに
形成し、形成後にこれを延伸して所定の厚さに調整する
ことにより、一度に大量の平面光導波路を製造すること
ができる。

発明が解決しようとする問題点 上述の平面光導波路の製造方法においては、平面化を行
う際、或いは延伸を行うことによって導波層の厚さを調
整する際に、外部から加熱されて最外層であるクラッド
層が徐々に揮散してしまうという現象がしばしばみられ
た。このため、最終段階で所定の厚さのクラッド層を得
られないという問題があった。

この現象はクラッド層に屈折率調整用の添加材が大量に
添加されている場合に特に顕著であるが、添加剤が微量
であっても加熱時間が長くなると顕在化し、クラッド層
が所定の厚さより数１０μｍ程度薄くなることが確認さ
れている。

そこで、本発明は、簡易で量産性に優れかつ加熱加工時
にも導波層構造を損なうことのない平面光導波路の製造
方法を提供せんとするものである。

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、簡単で量産性に優れかつ所定の導波層構造を精度
よく実現するための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、外面に屈折率の異な
る複数の層を堆積させ、更に最外層として高純度石英ガ
ラス層を形成し、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、５ｉ０２を主
成分とする中空ガラス管外壁に、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、更に
、高純度石英ガラスからなる最外層を形成し、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成形し、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、クラッド層あるいは高
純度石英ガラス層となるガラス堆積層の形成は、化学気
相反応性を利用することが有利である。例えばＰＯＤ　
（プラズマ外付法）などを用いることが可能である。

基板としての中空ガラス管としてはＳｉ〇２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５ｉＣ１４
またはＳｉ　ＨＣＩ□等のシラン系ガスもしくは、アル
コラード等を主として用い、場合によっては、屈折率を
高めるための添加材例えばＰ　０Ｃ１２、ＣａＣｌ４、
ＴｉＣ１ｓ　、ＴａＣｌ３．５ｂＣ１３もしくはこれら
の水素化物、アルコラード等と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ドの
他、揮発性有機溶媒、例えばメタノール、エタノーノベ
アセトン等に溶融性のしｉ　０　Ｃ２Ｈｓ、Ｎｂ　（○
ＣｚＨｓ）ｓなどの有機溶媒や、水溶性金属ハロゲン化
物（ＺｎＣ１２など）の水溶液をアトマイザ−や超音波
を利用して霧化し、これらをプラ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。

また、コア層は、同一屈折率のガラスの単一層で構成し
てもよいが、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。

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、、ＣＦ、等のフッ化物
系ガスやＢＣｌ３　、ＢＢｒ２等の硼素ハロゲン化物、
水素化物、アルコラード等を含む）を適宜選択して使用
し、少なくとも一層形成する。

またガラス管部分が最終的にクラッド層として機能する
場合には、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ＰＯＤ法では、プラズマ形成用ガスとしてのＡ
ｒおよび反応ガスとしての０２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
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。

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、少なくとも１層のクラッド層及び高純度石英ガラス
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。

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 本発明の製造方法によれば、クラッド層の屈折率がコア
層の屈折率よりも低くなるように、石英ガラスに屈折率
を低下させるフッ素又はＢ２Ｏ３を適宜添加する。屈折
率の他に熱膨張係数を調整する目的で、ＧｅＯ２、Ｔｉ
Ｏ２、Ｐ２Ｏ６等を少量添加する場合もある。これらの
添加剤は、製品の用途に応じて使い分けられる。

例えば比較的高い屈折率差が要求される場合には、コア
層にＧｅｍ２を添加した石英ガラス、クラッド層にはフ
ッ素を添加した石英ガラスを用いる。

又、耐放射線性が要求されるような用途に対しては、コ
ア層として高純度石英ガラス、クラッド層としてフッ素
を添加した石英ガラスを用いる。いずれの場合も、コア
層およびクラッド層の厚さは、要求される光学的特性及
び機械的特性に応じて設定される。従って、コア層およ
びクラッド層を中空ガラス管の外周上に形成する場合に
は、各層厚をそれぞれ設計層厚の比率通りに製造するこ
とが必要である。

しかしながら、前述した如く延伸及び平面化の際に、外
周から加熱することによりクラッド層部分が揮散してし
まい、所定層厚が得られない場合がある。一般に、こう
した揮散量は、加熱温度、加熱時間および層の組成によ
って変化する。高純度石英ガラスの場合、例えば水素８
０Ｉ！、酸素５０βの酸水素炎で１時間直接加熱した場
合の揮散量は１０数μｍ程度で、極めて揮散量が少なく
保護層としての性能は高い。

平面化後、高純度石英ガラス保護層は、ドライエツチン
グ等の方法、フッ酸などの薬品又は機械的研磨などの方
法で取り除くことができる。こうして、最終的に得られ
る平面光導波路を、設計通りに成形することができる。

以上のように、本発明の方法によれば、最外層の高純度
石英ガラス層が保護層の役目を果たし、加熱加工時のク
ラッド層の揮散を防止することができる。

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。但°し、本発明の範囲は、以下
の実施例により何隻制限されない。

第１図（ａ）ないしく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。

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５ｉＣ１＜及びＣＣｌ２Ｆ２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の外周に
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、更に高純度石英ガラス保護層４を形成した
。クラッド３を製造するにあたっては５ｉＣ１，とＣＣ
１□Ｆ２をともに、３５０ＣＣ／分、コア層２及び高純
度石英ガラス保護層４を製造するにあたっては３ｉＣＬ
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にＦを添加することにより
−１，０％とした。また、コア層、クラッド層及び高純
度石英ガラス保護層の厚さは、すべて約６５μｍであっ
た。これを各々の層の厚さがすべ′て約５０μｍになる
ように、°酸水素バーナで加熱しながら延伸した。

かくして得られる中間製品５は、第１図（ａ）に示すよ
うな構成を有する。中間製品５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６を、
第１図ら）に示したように第１図（ａ）の中間製品５内
部に挿入し、該中間製品５の外周から加熱手段７によっ
て加熱（１５００℃）することにより中間製品５が収縮
しく第１図（Ｃ）参照）、中子６の形状に応じた成形体
が得られ、これを切り出すことにより第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。

更に、高純度石英ガラス保護層４を研磨することにより
取り除き、第２図（ｂ）に示すような平面光導波路を得
た。

比較例 上記実施例と比較するために、実施例と同様の操作によ
り、ＰＯＤ法を用いて石英ガラス管の外周にクラッド層
、コア層、クラッド層の順に導波層構造を形成した。但
し、本比較例では、高純度石英ガラス保護層は形成しな
かった。各層の厚さは、すべて８０μｍであった。各々
の層厚が約５０μｍになるように、酸水素バーナで加熱
しながら延伸して中間製品を得た。更に上記実施例と同
様の操作を施して、成品としての平面光導波路を得た。

このようにして得た平面光導波路は、干渉顕微鏡法で調
べた結果、コア層の上のクラッド層が消失していること
がわかった。また、コア層とガラス管の間のクラッド層
の厚さは約６０μｍであるのに対し、コア層は約５０μ
ｍの厚さしかなく、コア層の一部までが消失しているこ
とが確認された。

発明の効果 以上述べたように、本発明の平面光導波路の製造方法に
よれば、最外層である高純度石英ガラス保護層により、
延伸、平面化などの加熱加工時にも導波層構造が損われ
ることなく、精度よく高品質の平面光導波路を製造する
ことができる。

従って、本発明の平面光導波路の製造方法は、広い範囲
にわたって活用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の平面光導波路の製
遣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）乃至（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・・保護層、 ５・・中間製品、　　６・・中子、 ７・・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

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｉ〇＿２を主成分とする中空ガラス管外壁に、
   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、更に、高純度石英ガラスからなる最外
   層を形成し、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成形し、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. （２）上記高純度石英ガラスからなる最外層は、少なく
   とも２０μｍ以上の厚みをもって形成されることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）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項又は第２項記載
   の方法。
4. （４）前記コア層と前記クラッド層と前記高純度石英ガ
   ラスからなる最外層との形成は、前記中空ガラス管外壁
   に、前記コア層を形成し、次いで該コア層の上に前記ク
   ラッド層を形成し、次いで該クラッド層の上に前記高純
   度石英ガラスからなる最外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項乃至第３項のいず
   れか１項に記載の方法。
5. （５）前記コア層と前記クラッド層と前記高純度石英ガ
   ラスからなる最外層との形成は、前記中空ガラス管外壁
   に、前記クラッド層、前記コア層、前記クラッド層、前
   記高純度石英ガラスからなる最外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
   乃至第３項のいずれか１項に記載の方法。
6. （６）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
   項乃至第５項のいずれか１項に記載の方法。
7. （７）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項乃至第５項のいずれか１項に
   記載の方法。
8. （８）前記中子は、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項乃至第７項の
   いずれか１項に記載の方法。
9. （９）前記コア層、クラッド層および高純度石英ガラス
   からなる最外層の形成は、化学気相堆積法でなされるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第８項のいず
   れか１項に記載の方法。
10. （１０）前記クラッド層は、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９項記載
    の方法。