JPS63169601A

JPS63169601A - 屈折率分布型光学素子

Info

Publication number: JPS63169601A
Application number: JP151087A
Authority: JP
Inventors: Eiji Okuda; 奥田　栄次
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1987-01-07
Filing date: 1987-01-07
Publication date: 1988-07-13

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、ガラス基板中にイオンの濃度分布に基づく屈
折率分布を与えて光導波路等の光学素子を形成する技術
に関する。

〔従来技術の説明〕

ガラス基板中に、ガラスの屈折率に変化を与える一価陽
イオンを、限定された表面領域を通してガラス中の一価
陽イオンとの交換で拡散させ、拡散イオンの一一度分布
に基づく屈折率分布をもった光導波路、レンズ等の光学
素子を基板中に形成する技術が従来から知られている。

以下光導波路を例にとり説明すると、第１図（イ）のよ
うにガラス基板ｌの表面をＴｉ　＋　Ａ／等の金属膜λ
で被覆した後、この膜２に所定の光導波目１）′のパタ
ーンに開口３を設け、この面にガラスの屈折率増大に寄
与するＴ　ｌ　＋　Ｃｓ　ｒ　Ｔ　：Ｌ等の一価の陽イ
オンを含む溶融塩等の媒質を接触させ、この媒９中に含
まれる陽イオンとガラス中のアルカリイオンとの交換で
媒質中のイオンｑをマスク開口３を通して基板内に拡散
させることにより、拡散イオンの濃度分布に基づく屈折
率分布をもった断面がほぼ半円形の光導波路！が得られ
る。

また接続される光ファイバの断面形状に合せて上記光導
波路５の断面形状を円形にするには、第１図（イ）の処
理後に、第１図（ロ）のように基板表面からガラスの屈
折率減少に寄与するアルカリイオン乙を拡ｔＦ’＜させ
る。この２段階イオン交換処理により断面がほぼ円形の
屈折率分布型光導波路ｊが得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の基板ガラスとしては、成形性、耐候性、経済性に
優れたソーダライムガラス（例えばＳ１０，２７／、！
重ｉｔ％、ＣａＯ／２．！；％、Ｎａ２Ｏ／３．’１％
、他２，６％）が使用されているが、上記のようにＮａ
２Ｏとに２０がほぼ同等に含有されている市販のソーダ
ライムガラスを用いてイオン拡散処理を行なった場合、
次のような問題が生じる。

すなわち、第７１７（イ）に示した光導波路５の断面内
で、基板の厚み方向（Ｘ軸方向）及び基板面平行方向（
ｙ軸方向）でのイオン濃度Ｃの分布を測定してみると、
その分布は第２図（イ）の如く拡散始点から離れるほど
曲線勾配が綴やかとなる凹型を成している。

また第１図（ロ）に示した円形タイプの光導波路よでは
、第２図（ロ）に示すように中心から周辺に向けての濃
度勾配はやはり凹型となり、しがも最大濃度は第一図（
イ）の場合に比べてかなり低くなる。

そして屈折率分布は拡散イオンの濃度分布に依存し、第
２図（イ）、（ロ）のような分布形状となる。

一方、一般に使用されている屈折率分布型の光ファイバ
ー（以下ＧＩ　７アイバーとよぶ）では、その断面内の
屈折率分布が第３図に示すように、（Ω）バラポリツク状であり、したがって第２図−のような屈
折率分布形状を持っ光導波路に第３図の屈折率分布をも
つＧＩ　７アイバーを接続した場合、分布形状の差に起
因して大きな伝送光損失を生じてしまう。

また第２図（ロ）の分布形状かられがるように、拡散イ
オンの全体量が少ないため充分な屈折率差を確保し難い
という問題もある。

〔問題点を解決するための手段〕

基板として、アルカリ金属（Ｒ２０）を含有し、Ｒ２０
のうちＮａ２ＯとＫ２Ｏの和がり０モル２以上を古め、
且−）　Ｎａ／　（Ｎａ十Ｋ）−ｏ、ｒ　〜ｏ、りｊの
条件を満たすガラスを使用する。

以下本発明についてさらに詳しく説明する。

従来の基板ガラスを用いた場合のイオン拡散処理後にお
けるイオン濃度分布曲線（第２図（イ））は、一般に知
られている拡Ｗ・の式ｃ−ｃｏｅｒｒｃ＜ｘ／２Ｖ１丁）から予想さレル分布
に近い。

上ａｊｉ式でＣｏは拡散開始点濃度、Ｃはこの点から距
離Ｘの点における濃度、ｔは時間、Ｄは拡散係数、ｅｒ
ｔ”ｃは誤差函数である。つまり従来の場合、拡散係数
りの濃度依存性が小さいことを示している。

いま−次元の拡散を考えると、拡散距離をｘ１拡拡散間
なｔとして濃度分布は、Ｃ−００ｅｒｆＯ（ｘ／　、２　ｆ丁！　’）　　　　
−・・・−（１）の式で与えられる。

このとき拡散係数りの濃度依存性を考慮すると、Ｄ　＝
　Ｄ□　ｅｘｐ（ＥＣ／Ｃｏ）　　　　　　　＝−・・
・（２！１の関係となる。

ここでルの値が濃度分布に与える効果を図で示すと第５
図のようになる。第３図中の各曲線は、ｅＡが２．、ｆ
、’１０．ｊＯの各位のときにおけるｘ／　２　ｆ正と
規格化濃度Ｃ／Ｃｏとの関係を表わしている。

同図からｅＡが大きくなる（Ａが大きくなる）はど濃度
分布が前述の凸型分布となることがわがる。

本発明者らは、拡散イオンの拡散係数のに度依存性が屈
折率分布形状に大きな影響を及ぼしており、濃度依存性
を高めて濃度の高い部分はど拡散速度を速めてやれば凸
型の分布に変えられることに着目し、上記要求を満たす
基板ガラス組成について実験検討を重ねた結果、Ｎａ２
Ｏ／（Ｎａ２０十に２０）の比が０．５ないしｏ、ｑｓ
の範囲内にあるとき、拡散イオンの拡散係数の濃度依存
定数Ｒが最大値を示すことを見い出した。

また本発明ガラスの好ましい組成範囲はモル％で、５ｉ
０２：ｌＩｊ〜ざ５％、Ｒ２０：３〜３５％１Ｂ２０３
’Ｏん７５％、Ａｌ２Ｏ３：０〜７％、ＺｒＯ２：０〜
．２％、ＺｎＯ：Ｏ−ｘ。

％、　ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＢａＯ：（ＩＩ　〜／２％であ
る０〔作　用〕ガラス中に拡散するイオンの拡散係数の濃度依存性が増
大し、つまり拡散するイオンの拡散速度が濃度によって
異なり、濃度の高い部分はど速くなり、結果として分布
曲線の中だるみが持ち上げられた第１）図（イ）、（ロ
）に示すような凸型の屈折率分布曲線が得られる。

［実　飾　例〕第１表に示す各組成をもつ６種類のガラス基板を用意し
、この基板の表面をスパッタリング法で付着させた金属
膜で被５シし、この金属膜に周知のフォトリングラフィ
技術を用いて５〜ｌ０１）ｍ幅の開口を設け、！；５０
°Ｃに保持した硝飯タリウムを約１００分間接触させて
Ｔｌイオンを被膜ｌｊＮ口を通して基板内に拡散させた
。

上記のＴ７？イオン拡散処理を終えた各試料中のＴｌｅ
度分布をＸ線マイクロアナライザ装置を用い第　　　ｌ
　　　表単位モル％て測定し、各試料について前述の（１）式から種々の濃
度での拡散係ＷＩＤを求め、この結果をもとに前述（２
）式から各試料について、拡散係数の濃度依存係数ルを
求めた。

一例として、第１表の＆ｊの試料について規格化拡散濃
度Ｃ／Ｃｏと、拡散係数Ｄ（ぜ／５ｅｃ）との関係を第
７図に示す。同線図を用いてＤ−Ｄ□ｅ、ｒｐ（Ａ　Ｃ／ｃｏ）　　の式から４を求
めるとルー６．２となる。

上記方法で求めたＡ／”＆６試料の）の値を第１表およ
び第６図に示した。

第６図は横軸Ｋ　Ｎａ２Ｏ／　（Ｎａ２０＋　Ｋ２Ｏ）
の比をとり、たて軸にルをとっている。第６図から明ら
力）なように、基板ガラス中のＮａ２Ｏ／　（Ｎａ２０
　＋に２０）の比率が増大するにつれて濃度依存係数は
増大する傾向を示すが、上記比率が０．７！；ないしＯ
ｌを付近で極大値となり、それより大きい組成範囲では
崖の値が急激に減少することがわかる。そして１Ｊａ２
０　／　（ＮａｚＯ十に２０）の比率をｏ、ｓないし０
．９５、ｘｒｒ−１−１／　ＩＪ　／ｌ　／ｆＰｌ＋　
Ｉ　／ｌ　０７７＋ｌ１ＮＲＦ　准Ａことにより、目的
とする凸型を成したバラポリツクに近い濃度分布が得ら
れる。

次に分布是正効果を確認するために以下の実験を行なっ
た。

Ｔｌイオン拡散処理を終えた基板の表面からマスク膜を
除去した後、基板の両面間に約／　Ｖ　／ａｍの弱い直
流電界を印加しつつ、硝酸カリウムの溶融塩を５５０″
Ｃで約１２０分間接触させ、Ｋイオンをガラス内に拡散
させたところ、深さ方向６３μｍ。

幅方向ざ０μｍの断面が円形に近い屈折率分布型光導波
路が得られた。この導波路の断面内でのＴＪイオン濃度
分布は中央５０μｍ径の範囲でほぼ二乗分布であった。

さらにこの導波路端部に、コア径５０μｍ、外径１２５
μｍの市販の屈折率分布型光ファイバ（ＧＩ−ｊＯ）を
接続して損失を測定したところ、０４ｄＢ以下と極めて
小さい値であった。

ここで本発明で使用する基板ガラス組成の望ましい範囲
について詳述すると、５１０２はガラスの骨格となる成
分であり、１５％未満ではガラスの耐久性、安定性が減
少し、！ｊ％を越えると溶融温度が上昇し、また他の構
成成分の必要量が確保されず大きな屈折率差をもつレン
ズが得られなくなるのでｉｔｓ〜ｌｒ５％の範囲内とす
ることが望ましい。

Ｂ２Ｏ３は添加することによってガラスの溶解が容易に
なるが、あまり多回に入れると揮発による脈理が発生し
たり、イオン交換によってレンズ部分の変形が生じたり
するので、含有テの範囲は０〜７５％が望ましい。Ｚｎ
Ｏはガラス化範囲を広げ溶融温度を低下させ、耐失透性
、耐久性の向上に寄与するほか、イオン交換−１度を遅
くする影響が他の二価の修＃酸化物に比べて小さい。し
かし２０５ｇを越えると耐久性が悪くなるので０−２０
％の範囲内とすることが望ましい。ＺｒＯ２はガラスの
耐候性を向上させる効果がきわめて大であるが、２％を
越えると不溶解を生じやすくなるので、その含有量範囲
はＯ−２％が望ましい。Ａｌ２Ｏ３はｚｒｏ２と同様ガ
ラスの耐候性、イオン交換時の耐溶融塩性向上に寄与す
るが、７％を越えると溶解性を悪化させるので０〜７％
の範囲内とすることが望ましく、ざらに０−５％の範囲
内が好ましい。

ＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯはガラス化ｆｆｉ囲を広げガラ
スの耐久性向上に寄与し、これらの合計量でＯ〜／−％
の範囲内で含有させることが望ましい。

本発明に係るガラス組成として、上記成分以外にｓｒｏ
、ｐｂｏ、’ｒｉｏ２．Ｌａ２Ｏ３から選んだ一秤また
は二種以上の成分を合計量でｒ％以下の範囲で含有させ
ることができる。これら成分はガラス化範囲の拡大とガ
ラスの溶解性向上のために効果があるが、上記範囲を越
えて多量に入れるとイオン交換が円滑に進行しにくくな
る。

さらに本発明に係るガラスは、ガラス溶解時の清澄剤と
して使用される５ｂ２ｏ３やＡＳ２０３を０１５％以下
の範囲で含有していてよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、屈折率分布形状が光ファイバのそれと
ほぼ等しい光導波路を得ることができ、したがって分岐
・合流、分波・合波等の光導波回路を低損失で容易に実
現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）、（ロ）はイオン交換拡散で基数ガラス内
に光導波路を形成する方法を示す断面図、第２図（イ）
、（ロ）は従来の基板ガラスを用いた場合の拡散処理後
のｒ度分布を示す図、第３図は屈折率分布型光ファイバ
に才５ける屈折率分布形状を示す図、第グ図（イ）、（
ロ）は本発明の基板ガラスで得られる拡散一度分布を示
す図、第５図は、拡散係数ＤＫ濃度壽依存係娶ｌｌを導入したとき崖の値が濃度分布に与える
効果を示す図、第６図は基板ガラス中のＮａ２ＯとＫ２
Ｏの含有量比を種々変えた場合の上記濃度依存係数ルを
実測データから求めた結果を示す図、第７図は第６図の
ルの値の算出に用いた拡散濃度と拡だｆ係数との関係線
図の一例を示す図である。／　・・ガラス基板　２・・・マスク膵３・・・開　ロ
　り、計・・・・拡散イオンｊ・　先導波路Ｃ−プＩＩＩへ弘１第１図第２図（１）　　　　　　　　　　　　　（ロ）第３図第４図（’ｒ）　　　　　　　　　　　　　Ｃ口）２Ｍπ 第７図規格化拡散濃度　Ｃ／Ｃ。手　　続　　補　　正　　書

Claims

【特許請求の範囲】

（１）アルカリ金属酸化物（Ｒ＿２Ｏ）を含有し、Ｒ＿
２ＯのうちＮａ＿２ＯとＫ＿２Ｏの和が９０モル％以上
を占め、且つＮａ／（Ｎａ＋Ｋ）＝０．５〜０．９５で
ある組成をもつ基板ガラス中に、一価の陽イオンの濃度
分布で屈折率分布を形成したことを特徴とする屈折率分
布型光学素子。
（２）前記基板の組成がモル％で、ＳｉＯ＿２＝４５〜
８５％、Ｒ＿２Ｏ＝３〜３５％、Ｂ＿２Ｏ＿３＝０〜１
５％、Ａｌ＿２Ｏ＿３＝０〜７％、ＺｒＯ＿２＝０〜２
％、ＺｎＯ＝０〜２０％、ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＢａＯ＝０
〜１２％である特許請求の範囲第１項記載の屈折率分布
型光学素子。
（３）前記屈折率分布領域が基板の断面内で略円形を成
した光導波路である特許請求の範囲第１項記載の屈折率
分布型光学素子。