JPWO2003027736A1 - 光導波路およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

クラッド１と、クラッド１の中に埋め込まれ導波路となるコア部２０とからなり、コア部２０となるガラス材料の熱膨張係数をα１、クラッド１となるガラス材料の熱膨張係数をα２としたとき、これらの熱膨張係数の差（α１−α２）の絶対値が０〜９×１０−７／℃の範囲となるガラス材料の組み合わせとした光導波路からなる。これにより、屈折率が異なり、かつ熱膨張係数が異なるガラス材料を直接接合で接合し、かつ上部クラッド層をスパッタリングにより形成することで、従来方式に比べて低温で光導波路が作製できるので作製工数と作製時間を短縮でき、伝播損失が小さく、かつ安価な光導波路およびその製造方法を提供できる。

Description

技術分野
本発明は、光部品、特に光導波路およびその製造方法に関する。
背景技術
従来、光分波合波器や分岐挿入器等の導波路系の光部品において、基板上に光導波路を作製する方法としては堆積法とイオン交換法の２種類に大別することができる。
堆積法は、シリコン等からなる基板上にＳｉＯ_２膜を形成する方法であり、具体的には火炎堆積法やプラズマ化学気相成長法（Ｐ−ＣＶＤ法）あるいは分子ビーム蒸着法（ＭＢＥ法）等がある。
堆積法のうちの火炎堆積法により光導波路を製造する方法について、図３を用いて説明する。図３（ａ）に示すように、石英基板７上に酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）が添加された微粒子状の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）あるいはチタニア（ＴｉＯ_２）が添加された微粒子状の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を数μｍの厚さに堆積させた後、これを焼結し透明化してコア層８を形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いてコア層８を所定の形状にパターニングしてコア部８１を形成する。その後、図３（ｃ）に示すように、再び火炎堆積法によりコア部８１と石英基板７上に五酸化リン（Ｐ_２Ｏ_５）および酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）が添加された二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を堆積させ、これを焼結し透明化して上部クラッド層９を形成して、光導波路を製造している。
一方、イオン交換法における製造方法について説明する。この方法では、ボロシリケートガラス基板を用いて、この基板上に導波路パターンを金属マスクにより形成する。次いで、この基板をドーパントが含まれた溶融塩中に浸漬し、ドーパントとガラス成分とのイオン交換現象を利用して、導波路パターンのガラス中にドーパントを拡散させて、ガラス基板の表面層にコア層を形成する。なお、金属マスクが形成されている領域はイオン交換現象が生じないので、露出した領域部のみにマスクパターンと同じ形状のコア層が得られる。
さらに、ガラス基板中の成分のうち、上述のドーパントでない成分のみを含む溶融塩中にガラス基板を浸漬し、電界を印加して表面層に形成されていたコア層中のドーパントをガラス基板内部に泳動させて、所定の形状のコア部をガラス基板内部に形成する。このコア部は、光導波路となる高屈折率部である。なお、金属マスクを除去後に光導波路となるコア部を覆うようにガラス基板の表面層を低屈折率の材料を用いて被覆し、コア部が埋め込まれた形状とする。
しかしながら、このような堆積法やイオン交換法においては、以下の問題点がある。
堆積法で形成した光導波路は最も伝播損失が小さいが、コア部およびクラッド層の堆積と焼結工程、さらにフォトリソグラフィーによるパターニング工程を経るため、光導波路の作製工数が多く、しかもそれぞれの工程が長時間必要であるために、生産性に課題を有する。例えば、コア層の堆積には１．５時間、焼結に１０時間を要している。
また、イオン交換法で形成する光導波路は比較的短時間で作製可能であるが、コア層をイオン交換により作製するため、ガラス基板の厚さ方向にドーパントは不均一な分布を生じる。これにより、屈折率においても厚さ方向に分布を生じて伝播損失が悪くなることが課題である。
発明の開示
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、伝播損失が小さく、かつ光導波路の作製工数と作製時間を短縮して安価な光導波路およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は以下の構成を有する。
本発明の光導波路は、クラッドと、クラッドの中に埋め込まれ導波路となるコア部とからなり、コア部となるガラス材料の熱膨張係数をα１、クラッドとなるガラス材料の熱膨張係数をα２としたとき、これらの熱膨張係数の差（α１−α２）の絶対値が０〜９×１０^−７／℃の範囲となるガラス材料の組み合わせとした構成からなる。
これにより、屈折率が異なり、かつ熱膨張係数が異なるガラス材料を用いて下部クラッド層とコア部との直接接合が可能となるので、界面の光学特性が良好で、しかも接合強度を大きくすることができる。さらに、上部クラッド層をスパッタリングにより形成すれば、従来方式に比べて低温で光導波路が作製できるので、材料の選択の自由度が増加するだけでなく、低コスト化も可能である。
また、本発明の光導波路は、クラッドと、クラッドの中に埋め込まれ導波路となるコア部とからなり、コア部となるガラス材料の熱膨張係数をα１およびその屈伏点をＡｔ１、クラッドとなるガラス材料の熱膨張係数をα２およびその屈伏点をＡｔ２としたとき、これらの熱膨張係数の差（α１−α２）の絶対値が０〜９×１０^−７／℃の範囲で、かつコア部となるガラス材料の屈伏点がクラッドとなるガラス材料の屈伏点よりも７０℃以上高いガラス材料の組み合わせとした構成を有する。
これにより、上部クラッド層をスパッタリングで形成できるだけでなく、クラッド層となるガラス板を用いて熱プレスによりコア部を埋め込むようにしながら下部クラッド層と一体化する作製法も可能となり、工数および時間を大幅に短縮して低コスト化が可能となる。
また、本発明の光導波路は、コア部のガラス材料がホウケイ酸クラウンガラスで、その組成が二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）、アルカリ金属酸化物（Ｒ_２Ｏ）および二価金属の酸化物（ＬＯ）（Ｒ：アルカリ金属、Ｌ：二価金属）からなり、クラッドのガラス材料がフッ素クラウンガラスで、その組成が二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）およびフッ素化合物とからなる構成を有し、したがって伝播損失特性が良好で、しかも低コストにできる。
また、本発明の光導波路は、コア部およびクラッドのガラス材料が、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）およびフッ素化合物とからなるフッ素クラウンガラスであり、コア部の屈折率がクラッドの屈折率より大きな材料の組み合わせとした構成からなり、伝播損失特性が良好で、低コストにできる。
また、本発明の光導波路の製造方法は、下部クラッド層となるガラス板の光学研磨面とコア層となるガラス板の光学研磨面とを対向して圧着し加熱することにより直接接合して接合基板を形成する工程と、この接合基板のコア層表面を研削と研磨によりコア部として必要な厚さに加工する工程と、コア層をエッチングして導波路となるコア部を形成する工程と、コア部を含み下部クラッド層上にガラスをスパッタリングにより成膜して上部クラッド層を形成するとともに、コア部を上部クラッド層と下部クラッド層とからなるクラッド中に埋め込む工程とからなる方法であり、ガラス材料からなる光導波路が良好な特性を有しながら、かつ簡単に製造できる。
また、本発明の光導波路の製造方法は、下部クラッド層となるガラス板の光学研磨面とコア層となるガラス板の光学研磨面とを対向して圧着し加熱することにより直接接合して接合基板を形成する工程と、接合基板のコア層表面を研削と研磨によりコア部として必要な厚さに加工する工程と、コア層をエッチングして導波路となるコア部を形成する工程と、このコア部上にこのコア部の屈伏点よりも低い屈伏点を有するガラス板からなる上部クラッド層を配置し、少なくとも上部クラッド層の屈伏点の温度以上に加熱するとともに加圧し、コア部の形状を保持しながら上部クラッド層と下部クラッド層とを接合一体化してコア部をクラッド中に埋め込む熱プレス工程とからなる方法であり、光学特性の良好な光導波路を簡単な工程で、かつ短時間に製造できる。
また、本発明の光導波路の製造方法は、コア部となるガラス材料の熱膨張係数をα１、クラッドとなるガラス材料の熱膨張係数をα２としたとき、これらの熱膨張係数の差（α１−α２）の絶対値が０〜９×１０^−７／℃の範囲となるガラス材料を用いる方法であり、直接接合やダイシング等の工程を経てもクラックや剥離が生じない光導波路を容易に製造することができる。
また、本発明の光導波路の製造方法は、記コア部となるガラス材料の熱膨張係数をα１およびその屈伏点をＡｔ１、クラッドとなるガラス材料の熱膨張係数をα２およびその屈伏点をＡｔ２としたとき、これらの熱膨張係数の差（α１−α２）の絶対値が０〜９×１０^−７／℃の範囲で、かつコア部となるガラス材料の屈伏点がクラッドとなるガラス材料の屈伏点より７０℃以上高いガラス材料を用いる方法であり、上部クラッド層を熱プレスしてもコア部の形状精度が安定な光導波路を量産性良く製造できる。
また、本発明の光導波路の製造方法は、熱プレス工程がクラッドとなるガラス材料の屈伏点より高く、コア部となるガラス材料の屈伏点より低い温度で加熱する方法であり、熱プレス温度を上記の範囲に設定することによりコア部の変形を抑制しながら上部クラッド層と下部クラッド層とを確実に接合して一体化できる。
また、本発明の光導波路の製造方法は、コア部のガラス材料がホウケイ酸クラウンガラスで、その組成が二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）、アルカリ金属酸化物（Ｒ_２Ｏ）および二価金属の酸化物（ＬＯ）（Ｒ：アルカリ金属、Ｌ：二価金属）からなり、クラッドのガラス材料がフッ素クラウンガラスで、その組成が二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）およびフッ素化合物とからなる材料を用いる方法であり、直接接合が容易で、かつ接合界面の接合強度が大きく高信頼性の光導波路を製造することができる。
また、本発明の光導波路の製造方法は、コア部およびクラッドのガラス材料が、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）およびフッ素化合物とからなるフッ素クラウンガラスであり、コア部の屈折率がクラッドの屈折率より大きな材料の組み合わせとした方法であり、直接接合が容易で、かつ接合界面の接合強度が大きく高信頼性の光導波路を製造することができる。
また、本発明の光導波路の製造方法は、下部クラッド層とコア層のそれぞれの接合面が、接合する基板面内全面で算術平均表面粗さ（Ｒａ）が０．１ｎｍ〜１ｎｍで、かつ平坦度が０．１μｍ〜１μｍまで研磨した後に直接接合する方法であり、例えば直径が３インチ以上の基板を用いても全面が確実に直接接合ができ、光導波路を生産性良く製造できる。なお、Ｒａは１ｎｍ以下とすれば基板のガラス成分同士の原子間結合を確実に生じさせることが可能であり、また平坦度が１μｍ以下であれば全面均一に基板同士の接触が可能となるので、直接接合が確実に、かつ安定に行える。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して本発明の実施例の光導波路およびその製造方法を詳細に説明する。
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の光導波路の製造工程図である。下部クラッド層１ａとなる基板として直径３インチの円板形状のフッ素クラウンガラスと、コア層２となる基板として同じ形状のホウケイ酸クラウンガラスとを直接接合により接合した。接合した状態を図１（ａ）に示す。直接接合は以下のような手順で行う。最初に、それぞれのガラス基板の片面を表面粗さとして算術平均粗さ（Ｒａ）が１ｎｍで、平坦度が１μｍとなるように光学研磨する。その後、これらのガラス基板を洗浄して、これらのガラス基板に対する水の接触角が５度以下となる清浄度とする。次に、これらのガラス基板の研磨面同士を対向させて圧着した後、２５０℃で１時間熱処理し、下部クラッド層１ａとコア層２とを直接接合により原子レベルで接合して一体化した接合基板１１を形成する。直接接合は、ガラスのような酸化物表面を原子レベルで正常にした状態で対向させ密着させて熱処理を行うと、酸素原子を介してガラス基板の成分原子の結合が生じてバルクと同じ程度の強固な界面を得ることができる。このように直接接合によれば、接着剤を用いることなく組成が異なる異種の大径サイズ材料でも容易に一体化が可能である。
次に、図１（ｂ）に示すように、コア層２の表面から研削と研磨を行い、その最終厚さが５〜７μｍとなるようにする。次に、図１（ｃ）に示すようにスピンコートでフォトレジスト３を塗布した後、図１（ｄ）に示すようにフォトリソグラフィー法でパターニングし、その後ドライエッチングで図１（ｅ）に示すようにコア層２の不要部分をエッチングする。さらに、フォトレジスト３を除去すれば、所定の形状のコア部２０が下部クラッド層１ａ上に形成されたコア部形成基板１１ａが得られる。
その後、下部クラッド層１ａと同じフッ素クラウンガラスをターゲットとし、スパッタリングにより図１（ｆ）に示すコア部２０形成面上にフッ素クラウンガラスを堆積させ上部クラッド層１ｂを形成する。下部クラッド層１ａと上部クラッド層１ｂとは同じ材料であるので、これらが一体化したクラッド１となり、このクラッド１中にコア部２０が埋め込まれた光導波路が得られる。これを、図１（ｇ）にしめす。
以下、具体的な実験例について比較例を参照して説明する。
第１の実験例としては、下部クラッド層１ａとなるガラスとして、ガラス屈伏点：５６８℃、屈折率：１．４８７６、熱膨張係数９５×１０^−７／℃で、その組成がＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｋ_２Ｏ−ＫＨＦ_２からなるフッ素クラウンガラスを用いた。また、コア層２となるガラスとして、ガラス屈伏点：６２５℃、屈折率：１．５１６４、熱膨張係数８６×１０^−７／℃で、その組成がＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｎａ_２Ｏ−Ｋ_２Ｏ−ＢａＯからなるホウケイ酸クラウンガラスを用いた。それぞれのガラス基板の厚さは１ｍｍ、直径は３インチの円板形状である。
対向する面のそれぞれをＲａ：１ｎｍ、平坦度：１μｍになるまで光学研磨し、それぞれの基板に対する水の接触角が５度以下になるよう洗浄した後、研磨面同士を対向させて圧着し、２５０℃の温度で１時間熱処理して、両基板同士を直接接合する。次に、コア層２となるホウケイ酸クラウンガラスをその厚みが７μｍになるまで研削し研磨した。次に、ホウケイ酸クラウンガラス上にフォトレジスト３を形成し、これにマスクパターンを重ねて露光・現像してパターン化されたフォトレジスト３を形成した。パターン化されたフォトレジスト３をマスクとして反応性イオンエッチングを行い、断面形状が７μｍ角のコア部２０を形成した。続いて、下部クラッド層１ａと同一組成のフッ素クラウンガラスを２０μｍスパッタリングして上部クラッド層１ｂを形成し、光導波路を作製した。下部クラッド層１ａと上部クラッド層１ｂとは同じ材料からなり、同じ光学特性を有し、両者は一体化したクラッド１を構成する。このようにして作製した試料を実験例１とよぶ。
この実験例１の光導波路のコア部２０とクラッド１の熱膨張係数の差（α１−α２）の絶対値は９×１０^−７／℃である。しかし、直接接合したコア部２０とクラッド１との界面での接合強度は充分大きく、剥離は全く生じなかった。また、下部クラッド層１ａとコア部２０とはスパッタリングにより形成した上部クラッド層１ｂで充分に被覆されており、コア部２０と下部クラッド層１ａ、またはコア部２０と上部クラッド層１ｂとの界面に発生しやすい気泡も全く観察されなかった。
さらに、直径３インチの円板形状のガラス基板に複数個作製した光導波路を個片に切断し、また光ファイバーと結合するためにコア部２０の端面をダイサー等により切断して露出させる必要がある。この時、コア部２０とクラッド１の熱膨張係数の差が大きいと、ダイシング時にコア部２０とクラッド１、特にこれらの界面部分に割れやクラックが発生する。しかし、実験例１の光導波路ではこのような欠陥は全く発生しなかった。
第２の実験例としては、コア層および下部クラッド層１ａとして上記と同様な直径３インチで厚さが１ｍｍの円板形状のフッ素クラウンガラスを用いた。ただし、下部クラッド層１ａとなるフッ素クラウンガラスは、ガラス屈伏点：４９１℃、屈折率：１．４８１６、熱膨張係数９５×１０^−７／℃で、その組成はＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＡｌＦ_３−Ｋ_２Ｏ−Ｎａ_２Ｏである。また、コア層２となるフッ素クラウンガラスは、ガラス屈伏点：５６８℃、屈折率：１．４８７６、熱膨張係数９５×１０^−７／℃で、その組成はＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｋ_２Ｏ−ＫＦである。これらのガラス基板を用いた光導波路の作製方法および条件については、実験例１と同じとした。このようにして作製した試料を実験例２とよぶ。
この実験例２の光導波路についても直接接合した界面でのそりや剥離、およびコア部２０とクラッド１との界面の気泡発生はなかった。さらに、ダイシング時も割れやクラック等は発生しなかった。
上記の実験例と比較するため、下部クラッド層１ａとして直径が３インチで厚さが１ｍｍのフッ素クラウンガラス、コア層２として同じ形状のホウケイ酸クラウンガラスを用いた。下部クラッド層１ａとなるフッ素クラウンガラスは、ガラス屈伏点：４９５℃、屈折率：１．５１１２、熱膨張係数１００×１０^−７／℃で、その組成はＳｉＯ_２−ＫＦ−Ｋ_２Ｏである。また、コア層２となるホウケイ酸クラウンガラスは、ガラス屈伏点：６２５℃、屈折率：１．５１６４、熱膨張係数８６×１０^−７／℃で、その組成はＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｎａ_２Ｏ−Ｋ_２Ｏ−ＢａＯである。これらのガラスを用いて、実験例１と同じ製造方法および条件により光導波路を作製した。このようにして作製した光導波路を比較例１とよぶ。
この比較例１の光導波路の場合、コア部２０とクラッド１との熱膨張係数（α１−α２）の差の絶対値は１４×１０^−７／℃である。
この光導波路については、直接接合を行ったときに基板のそりやコア層２と下部クラッド層１ａとの界面での剥離、およびコア部２０とクラッド１との界面の気泡発生は、実験例１及び実験例２と同様に観察されなかった。しかし、ダイシング時にコア部２０とクラッド１との界面において一部クラックが発生した。
これらの３種類の試料についての結果を表１に示す。

表１からわかるように、実験例１の（α１−α２）の値は９×１０^−７／℃、実験例２の（α１−α２）の値は０、比較例１の（α１−α２）の値は１４×１０^−７／℃である。一方、直接接合やダイシング工程等の工程を経た後にクラックが観察された試料は比較例１のみであった。さらに、上記と同じ製造方法により、種々の熱膨張係数の異なる材料を用いて光導波路形状を作製してクラックや剥離、気泡発生を調べた。その結果、熱膨張係数の差（α１−α２）が１０×１０^−７／℃以上では、少なくともダイシング時にクラックが発生した。しかし、９×１０^−７／℃以下の場合には、クラック等の異常は全く見られなかった。
以上の結果より、下部クラッド層１ａとコア層２とを直接接合により接合し、上部クラッド層１ｂをスパッタリングによって形成する光導波路を作製するためには、コア層２とクラッド１との熱膨張係数の差が０〜９×１０^−７／℃の範囲とする必要があることが見出された。
（実施例２）
図２は本発明の実施例２の光導波路の製造工程図である。下部クラッド層４ａとなる基板として直径３インチの円板形状のフッ素クラウンガラスと、コア層２となる基板として同じ形状のフッ素クラウンガラスとを直接接合により接合した。接合した状態を図２（ａ）に示す。直接接合を行う手順は実施例１と同じであるので、説明は省略する。コア層５と下部クラッド層４ａとを直接接合することにより、コア層５と下部クラッド層４ａとが接合されて一体化した接合基板２１が得られる。
次に、図２（ｂ）に示すように、コア層５の厚みが５〜７μｍとなるまでコア層５の表面側から研削し研磨する。次に、図２（ｃ）に示すようにフォトレジスト６をスピンコートで塗布した後、図２（ｄ）のようにフォトリソグラフィー法でパターニングし、その後ドライエッチングによりコア層５の不要部分をエッチングする。これを、図２（ｅ）に示す。次いで、フォトレジスト６を除去すれば、コア部５０が形成されたコア部形成基板２１ａが得られる。これを、図２（ｆ）に示す。
この後、下部クラッド層４ａと同じ材料のフッ素クラウンガラスからなる上部クラッド層４ｂを用意する。この上部クラッド層４ｂを図２（ｇ）に示すようにコア部５０上に配置した後、上部クラッド層４ｂのガラス屈伏点より２０〜３０℃高い温度で熱プレスして、コア部５０を埋め込み、かつ下部クラッド層４ａと上部クラッド層４ｂとを一体化したクラッド４を形成する。
なお、この熱プレスにおいては、コア層５となるガラスの屈伏点をＡｔ１とし、クラッドとなるガラスの屈伏点をＡｔ２としたとき、Ａｔ１−Ａｔ２＞７０℃となるような材料の組み合わせとする。このようにすることにより、熱プレス時にコア部５０の変形が生じず、かつ上部クラッド層と下部クラッド層との一体化が行える加熱温度範囲を設定することができる。
以下、具体的な実験例について比較例を参照して説明する。
第３の実験例としては、コア層５および下部クラッド層４ａとして、片面を光学研磨し、洗浄した直径３インチ、厚さ１ｍｍのフッ素クラウンガラスを用いた。ただし、下部クラッド層４ａとなるフッ素クラウンガラスは、屈伏点（Ａｔ２）：４９１℃、屈折率：１．４８１６、熱膨張係数（α２）：９５×１０^−７／℃で、その組成はＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＡｌＦ_３−Ｋ_２Ｏ−Ｎａ_２Ｏである。また、コア層５となるフッ素クラウンガラスは、屈伏点（Ａｔ１）：５６８℃、屈折率：１．４８７６、熱膨張係数（α１）：９５×１０^−７／℃で、その組成はＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｋ_２Ｏ−ＫＦである。下部クラッド層４ａの研磨面とコア層５の研磨面とを対向させて圧着し、２５０℃で１時間熱処理し、直接接合した。このときの光学研磨後のＲａ、平坦度および洗浄後の基板に対する水の接触角は実施例１と同様の値とした。
次に、コア層５を厚さが７μｍになるまで研削し、研磨した。その後、コア層５上にフォトレジスト６を塗布し、これに所定の露光を行いパターン化されたフォトレジスト６を形成した。このパターン化されたフォトレジスト６をマスクとしてドライエッチングを行い、断面形状がほぼ７μｍ角のコア部５０を形成した。
続いて、下部クラッド層４ａと同じ材料のガラスからなる上部クラッド層４ｂをコア部５０上に配置して、５２０℃で３０秒間熱プレスを行った。この熱プレスにより、コア部５０を埋め込むように上部クラッド層４ｂが変形し、下部クラッド層４ａに接触して、上部クラッド層４ｂと下部クラッド層４ａとが一体化されたクラッド４が形成され光導波路が作製される。このようにして作製した光導波路を実験例３とよぶ。
この実験例３の光導波路は、熱プレスを行ってもコア部５０の変形が生じず、形状精度も優れていた。また、直接接合やその後の熱プレス等の工程を経た後でも、基板の反りや接合界面での剥離、およびコア部５０とクラッドとの界面での気泡発生もなかった。さらに、ダイシング時においても、割れやクラック等は全く発生しなかった。
第４の実験例としては、下部クラッド層４ａとして直径が３インチで、厚さが１ｍｍ、片面を光学研磨し、洗浄したフッ素クラウンガラス、コア層５として同じ形状で同じ洗浄方法を行ったホウケイ酸クラウンガラスを用いた。なお、下部クラッド層４ａとなるフッ素クラウンガラスは、屈伏点（Ａｔ２）：４４７℃、屈折率：１．４６４４、熱膨張係数（α２）：９３×１０^−７／℃で、その組成はＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｋ_２Ｏ−ＫＨＦ_２である。また、コア層５となるホウケイ酸クラウンガラスは、屈伏点（Ａｔ１）：６２５℃、屈折率：１．５１６４、熱膨張係数（α１）：８６×１０^−７／℃で、その組成はＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｎａ_２Ｏ−Ｋ_２Ｏ−ＢａＯである。これらのガラスを用いて光導波路を作製したが、熱プレス条件を４７０℃とした以外は実験例３と同じ条件とした。このようにして作製した光導波路を実験例４とよぶ。
この実験例４の光導波路は、直接接合やその後の熱プレス等の工程を経た後でも反りや剥離、またはコア部５０とクラッド４との界面での気泡の発生はみられなかった。さらに、ダイシングによる割れやクラック等も全く発生しなかった。また、４７０℃の温度で熱プレスを行っても、コア部５０には熱変形が起こらず、形状精度も良好であった。
次に、上記の実験例の比較用として比較例２の光導波路の試料を作成した。下部クラッド層４ａとして、直径３インチ、厚さが１ｍｍの円板形状で光学研磨し洗浄したフッ素クラウンガラス、コア層５としては同じ形状で同じ処理を行ったホウケイ酸クラウンガラスを用いた。なお、下部クラッド層４ａとなるフッ素クラウンガラスは、屈伏点（Ａｔ２）：５６８℃、屈折率：１．４８７６、熱膨張係数（α２）：９５×１０^−７／℃で、その組成はＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｋ_２Ｏ−ＫＨＦ_２である。また、コア層５となるホウケイ酸クラウンガラスは、屈伏点（Ａｔ１）：６２５℃、屈折率：１．５１６４、熱膨張係数（α１）：８６×１０^−７／℃で、その組成はＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｎａ_２Ｏ−Ｋ_２Ｏ−ＢａＯである。これらのガラスを用いて光導波路を作製したが、熱プレス条件を５９０℃とした以外は実験例３と同じ条件とした。
このようにして作製した光導波路は、直接接合や熱プレス工程等の製造工程を経た後でも、基板の反りや界面での剥離、あるいはダイシングによる割れやクラック等は全く発生しなかった。また、熱プレス後でもコア部５０は熱変形が生じなく形状精度も優れていた。しかし、コア部５０と上部クラッド層４ｂとの界面や下部クラッド層４ａと上部クラッド層４ｂとの界面に気泡が発生しており、熱プレスによる被覆一体化が不充分であった。
次に、第３の比較例としては、下部クラッド層４ａとして直径３インチで、厚さが１ｍｍ、片面を光学研磨し洗浄したフッ素クラウンガラス、コア層５として同じ形状のホウケイ酸クラウンガラスを用いた。なお、下部クラッド層４ａとなるフッ素クラウンガラスは、屈伏点（Ａｔ２）：４９５℃、屈折率：１．５１１２、熱膨張係数（α２）：１００×１０^−７／℃で、その組成はＳｉＯ_２−ＫＦ−Ｋ_２Ｏである。また、コア層５となるホウケイ酸クラウンガラスは、屈伏点（Ａｔ１）：６２５℃、屈折率：１．５１６４、熱膨張係数（α１）：８６×１０^−７／℃で、その組成はＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｎａ_２Ｏ−Ｋ_２Ｏ−ＢａＯである。これらのガラスを用いて光導波路を作製したが、作製条件は実験例３と同じとした。このようにして作成した光導波路を比較例３とよぶ。
このようにして作製した光導波路のコア部５０は熱プレスしても熱変形が生じず、形状精度も良好であった。また、直接接合や熱プレス等の工程を経ても、基板の反りや剥離は見られなかった。また、比較例２のように熱プレスでの被覆一体化が不充分であることにより生じるコア部５０と上部クラッド層４ｂとの界面や、上部クラッド層４ａと下部クラッド層４ｂとの界面での気泡発生も観察されなかった。しかし、ダイシング時に、コア部５０とクラッド１との界面に部分的にクラックが生じることが見出された。
これらの３種類の試料についての結果を表２に示す。

表２からわかるように、形状精度が良好で、かつクラックや剥離等が発生しない試料は実験例３と実験例４であり、これらは熱膨張係数の差（α１−α２）が７×１０^−７／℃以下で、かつ屈伏点の差が７７℃以上である。一方、比較例２は熱膨張係数の差（α１−α２）は９×１０^−７／℃であるが、屈伏点の差が５７℃である。さらに、比較例３は、屈伏点の差は１３０℃と大きいが、熱膨張係数の差（α１−α２）も１４×１０^−７／℃と大きい。この熱膨張係数の差と屈伏点の差が形状精度やクラック等に影響する条件について調べた。
比較例２は、上記したように直接接合や熱プレス等の工程を経ても、基板の反りや界面での剥離、またダイシングによるクラックも生じなかったが、コア部５０と上部クラッド層４ｂとの界面に気泡が観察された。この気泡発生は、熱プレスが不十分であることによる。したがって、熱プレス温度を上げれば被覆性は改善されて気泡は生じなくなるが、一方コア部５０の形状精度は大きく劣化する。形状精度を確保しながら、熱プレスによる被覆性を改善するために屈伏点差に注目して、屈伏点の異なるガラス材料の組み合わせを用いて、気泡の発生状況を調べた。その結果、上部クラッド層４ｂとコア部５０との屈伏点の温度差が７０℃以上が必要であることが見出された。すなわち、７０℃以上の温度差があれば、熱プレス温度を上部クラッド層４ｂの屈伏点より２０〜３０℃高く、かつコア部５０の屈伏点より低い温度に設定できるので、コア部５０の変形が生じず、かつ界面での良好な接合性を確保できることがわかった。すなわち、直接接合でコア層５と下部クラッド層４ａとを接合し、上部クラッド層４ｂを熱プレスによりコア部５０を埋め込みながら下部クラッド層４ａと一体化する作製法においては、熱膨張係数の差（α１−α２）の絶対値が０〜９×１０^−７／℃の範囲で、かつ屈伏点の差が７０℃以上とすることが必要であることを見出した。
なお、本実施例においては、ホウケイ酸クラウンガラスのアルカリ金属としてナトリウム（Ｎａ）とカリウム（Ｋ）の場合について説明したが、さらにリチウム（Ｌｉ）を用いてもよい。また、二価金属としてバリウム（Ｂａ）の場合について説明したが、さらにマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）またはストロンチウム（Ｓｒ）を用いてもよい。また、本実施例においては、下部クラッド層と上部クラッド層とは同じ材料を用いたが、同じフッ素クラウンガラスであれば、その組成は異なっていてもよい。さらに、フッ素クラウンガラスの成分であるフッ素化合物として、ＫＨＦ_３とＫＦの場合について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２、ＬｉＦやＮａＦ等を用いてもよい。
産業上の利用可能性
以上説明したように本発明の光導波路およびその製造方法は、ガラス基板同士を直接接合により原子間レベルで結合させ、スパッタリングまたは熱プレスにより上部クラッド層を形成することで、コア部をクラッド内部に埋め込む構成であり、製造工程数が少なく、かつ作業時間が短縮でき、しかも良好な特性を有する光導波路を容易に製造できるという大きな効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施例１における光導波路およびその製造方法を示す工程図
図２は、本発明の実施例２における光導波路およびその製造方法を示す工程図
図３は、従来の火炎堆積法による光導波路の製造方法を示す工程図

Claims (12)

1. クラッドと、前記クラッドの中に埋め込まれ導波路となるコア部とからなり、前記コア部となるガラス材料の熱膨張係数をα１、前記クラッドとなるガラス材料の熱膨張係数をα２としたとき、これらの熱膨張係数の差（α１−α２）の絶対値が０〜９×１０^−７／℃の範囲となるガラス材料の組み合わせとしたことを特徴とする光導波路。
2. クラッドと、前記クラッドの中に埋め込まれ導波路となるコア部とからなり、前記コア部となるガラス材料の熱膨張係数をα１およびその屈伏点をＡｔ１、前記クラッドとなるガラス材料の熱膨張係数をα２およびその屈伏点をＡｔ２としたとき、これらの熱膨張係数の差（α１−α２）の絶対値が０〜９×１０^−７／℃の範囲で、かつ前記コア部となるガラス材料の屈伏点が前記クラッドとなるガラス材料の屈伏点よりも７０℃以上高いガラス材料の組み合わせとしたことを特徴とする光導波路。
3. 前記コア部のガラス材料がホウケイ酸クラウンガラスで、その組成が二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）、アルカリ金属酸化物（Ｒ_２Ｏ）および二価金属の酸化物（ＬＯ）（Ｒ：アルカリ金属、Ｌ：二価金属）からなり、クラッドのガラス材料がフッ素クラウンガラスで、その組成が二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）およびフッ素化合物とからなることを特徴とする請求項１または２記載の光導波路。
4. 前記コア部およびクラッドのガラス材料が、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）およびフッ素化合物とからなるフッ素クラウンガラスであり、前記コア部の屈折率が前記クラッドの屈折率より大きな材料の組み合わせとしたことを特徴とする請求項１または２記載の光導波路。
5. 下部クラッド層となるガラス板の光学研磨面とコア層となるガラス板の光学研磨面とを対向して圧着し、加熱することにより直接接合して接合基板を形成する工程と、前記接合基板のコア層表面を研削と研磨によりコア部として必要な厚さに加工する工程と、前記コア層をエッチングして導波路となるコア部を形成する工程と、前記コア部を含み前記下部クラッド層上にガラスをスパッタリングにより成膜して上部クラッド層を形成するとともに、前記コア部を前記上部クラッド層と前記下部クラッド層とからなるクラッド中に埋め込む工程とからなることを特徴とする光導波路の製造方法。
6. 下部クラッド層となるガラス板の光学研磨面とコア層となるガラス板の光学研磨面とを対向して圧着し、加熱することにより直接接合して接合基板を形成する工程と、前記接合基板のコア層表面を研削と研磨によりコア部として必要な厚さに加工する工程と、前記コア層をエッチングして導波路となるコア部を形成する工程と、前記コア部上に前記コア部の屈伏点よりも低い屈伏点を有するガラス板からなる上部クラッド層を配置し、少なくとも前記上部クラッド層の屈伏点の温度以上に加熱するとともに加圧し、前記コア部の形状を保持しながら前記上部クラッド層と下部クラッド層とを接合一体化して前記コア部を前記クラッド中に埋め込む熱プレス工程とからなることを特徴とする光導波路の製造方法。
7. 前記コア部となるガラス材料の熱膨張係数をα１、前記クラッドとなるガラス材料の熱膨張係数をα２としたとき、これらの熱膨張係数の差（α１−α２）の絶対値が０〜９×１０^−７／℃の範囲となるガラス材料を用いることを特徴とする請求項５または６に記載の光導波路の製造方法。
8. 前記コア部となるガラス材料の熱膨張係数をα１およびその屈伏点をＡｔ１、前記クラッドとなるガラス材料の熱膨張係数をα２およびその屈伏点をＡｔ２としたとき、これらの熱膨張係数の差（α１−α２）の絶対値が０〜９×１０^−７／℃の範囲で、かつ前記コア部となるガラス材料の屈伏点が前記クラッドとなるガラス材料の屈伏点より７０℃以上高いガラス材料を用いることを特徴とする請求項６に記載の光導波路の製造方法。
9. 前記熱プレス工程は、クラッドとなるガラス材料の屈伏点より高い温度で、かつコア部となるガラス材料の屈伏点より低い温度で加熱することを特徴とする請求項６または請求項８に記載の光導波路の製造方法。
10. 前記コア部のガラス材料がホウケイ酸クラウンガラスで、その組成が二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）、アルカリ金属酸化物（Ｒ_２Ｏ）および二価金属の酸化物（ＬＯ）（Ｒ：アルカリ金属、Ｌ：二価金属）からなり、クラッドのガラス材料がフッ素クラウンガラスで、その組成が二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）およびフッ素化合物とからなる材料を用いることを特徴とする請求項７から９までのいずれかに記載の光導波路の製造方法。
11. 前記コア部およびクラッドのガラス材料が、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）およびフッ素化合物とからなるフッ素クラウンガラスであり、前記コア部の屈折率が前記クラッドの屈折率より大きな材料の組み合わせとしたことを特徴とする請求項７から９までのいずれかに記載の光導波路の製造方法。
12. 前記下部クラッド層とコア層のそれぞれの接合面は、接合する基板面内全面で算術平均表面粗さ（Ｒａ）が０．１ｎｍ〜１ｎｍで、かつ平坦度が０．１μｍ〜１μｍまで研磨した後に直接接合することを特徴とする請求項５または６に記載の光導波路の製造方法。

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