WO2003054597A2 - Procede de formation de guide d'onde optique - Google Patents

Procede de formation de guide d'onde optique Download PDF

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WO2003054597A2
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Tatsuya Suetsugu
Kohei Kadono
Norimasa Kominami
Takeshi Ohtani
Hiroaki Yokoi
Minoru Takada
Takashi Tarumi
Toshihiko Einishi
Tetsuo Yazawa
Original Assignee
Isuzu Glass Co Ltd
Nat Inst Of Advanced Ind Scien
Tatsuya Suetsugu
Kohei Kadono
Norimasa Kominami
Takeshi Ohtani
Hiroaki Yokoi
Minoru Takada
Takashi Tarumi
Toshihiko Einishi
Tetsuo Yazawa
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    • G02—OPTICS
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method

Definitions

  • the present invention relates to a method for forming an optical waveguide and an optical waveguide obtained by the method.
  • Optical waveguide fabrication methods are roughly classified into thin film deposition and ion exchange.
  • the thin film deposition method is a method of depositing an optical waveguide layer containing silica as a main component on a substrate such as silicon, and specifically includes a sputtering method, a CVD method, a flame deposition method, and the like.
  • Methods are known. Each of these methods requires a high vacuum apparatus for manufacturing a waveguide, and has a disadvantage that the manufacturing process is complicated and the cost is high.
  • flame hydrolysis deposition may use hazardous gases such as S i H 4, S i C 1 4, and this is a cause of high cost.
  • the substrate is exposed to a high temperature of about 1200 to 130 ° C. in the manufacturing process, so that the substrate is easily degraded.
  • problems such as the dependence of the polarization of wave light on dogs.
  • the ion exchange method a multi-component glass containing Na + ions is used as a substrate, and this is immersed in a molten salt containing K + ions, T 1 + ions, Ag + ions, etc. Is a method of exchanging the Na + ions of the above with K + , T l + , Ag +, etc. in the molten salt. The speed etc. may be accelerated. According to this method, the optical waveguide layer can be formed by increasing the refractive index of the ion-exchanged portion.
  • the ion exchange method does not require a high vacuum unlike the thin film deposition method, the temperature of the molten salt is usually about 250 to 400 ° C, and the production equipment is inexpensive.
  • the rate of ion exchange divided by the diffusion rate of ions in the glass substrate is affected by the composition and temperature of the molten salt, strict control of the composition and temperature of the molten salt is required.
  • the temperature of ion exchange depends on the melting temperature of the molten salt, when an optical waveguide having a desired refractive index profile is produced by using the ion exchange method using the molten salt, the composition of the molten salt, Advanced know-how is required in determining ion exchange conditions such as temperature and time. It becomes important.
  • the ions introduced by the ion exchange method are monovalent cations
  • the ions used at present are mostly limited to K +, Tl + , Ag +, and the like.
  • these ions merely serve to increase the refractive index of the waveguide section.
  • the optical waveguide fabricated by introducing these ions merely functions to confine light in the waveguide layer and propagate it from one side of the waveguide to the other. It is difficult to make a waveguide with an active optical function.
  • ions and chemical species with high optical nonlinearity. And the like may be dispersed, and an optical waveguide may be manufactured accordingly.
  • an optical waveguide may be manufactured accordingly.
  • Copper (I) ions are examples of ions having such characteristics
  • copper (I) fine particles, copper oxide (I) fine particles, and metallic copper fine particles are examples of chemical species. All of these are chemical species composed of monovalent copper ions or metallic copper generated by the reduction of copper ions. If monovalent copper ions are introduced into glass and a waveguide is produced, There is a possibility that an active waveguide for such light can be manufactured.
  • the main purpose of the present invention does not require a high vacuum such as a thin film deposition method also provides a method for the optical waveguide can be fabricated without using a molten salt, Cu + ions only with good controllability glass substrate in It is an object of the present invention to provide a novel method for manufacturing an optical waveguide which can be dispersed in the optical waveguide.
  • the present inventor has made intensive studies to achieve the above-mentioned object.
  • a reducing atmosphere is required.
  • the copper ions contained in the paste are diffused as CU + ions into the glass substrate, providing active optical functions such as light amplification and switching.
  • the present inventors have found that it is possible to manufacture a waveguide having the same, and have now completed the present invention.
  • the present invention relates to the following optical waveguide forming method, and an optical waveguide formed by the method.
  • a paste containing a copper compound, an organic resin and an organic solvent is applied to the entire surface or in a pattern on a glass substrate containing an alkali metal as a glass component, and is heat-treated at a temperature lower than the softening temperature of the glass substrate.
  • a method of forming an optical waveguide is applied to the entire surface or in a pattern on a glass substrate containing an alkali metal as a glass component, and is heat-treated at a temperature lower than the softening temperature of the glass substrate.
  • glass substrate consisting of S I_rei_2 40 to 82 wt%, B 2 ⁇ 3 12-50 wt%, Na 2 ⁇ , K 2 0, L i 2 ⁇ , R b 2 ⁇ and C s 2 0 2 to 25% by weight of at least one component selected from the group, MgO, CaO, BaO, ZnO, S at least one component 25 wt% or less selected from the group consisting of r O and P B_ ⁇ , A l 2 Rei_3, L a 2 ⁇ 3, Y 2 Rei_3, T a 2 0 3 and Gd 2 Rei_3 at least 20 wt% of one component selected from the group consisting of, Nb 2 ⁇ 5 and Z r 0 10 wt% of at least one component selected from the 2 group consisting of, As 2 0 3, Sb 2 ⁇ 3, and at least one component 5 wt% or less selected from the group consisting of S Itashita, arranged in C l, at least one from 0.05
  • the method of the present invention is a method for forming an optical waveguide on a glass substrate. In this method, it is necessary to use a glass substrate made of glass containing alkali metal as a glass component.
  • the alkali metal in the glass substrate examples include Li, Na, K, Rb, Cs and the like, and among these, Li, Na, K and the like are preferable.
  • the alkali metal may exist in an ion state, or may exist as an oxide. As the alkali metal, only one kind may be present, or two or more kinds may be present simultaneously.
  • the content of the alkali metal in the glass substrate is suitably about 2% by weight or more in terms of oxide, preferably about 5% by weight or more, more preferably about 10% by weight or more. preferable.
  • the upper limit of the metal is not particularly limited, but is suitably about 40% by weight in terms of oxide, preferably about 30% by weight, and more preferably about 20% by weight. preferable.
  • a glass containing Al metal can be used without any particular limitation.
  • silicate glass, borosilicate glass, phosphate glass, or the like can be used.
  • the specific composition of these glasses is not particularly limited, and is a glass having a known composition such as a gate acid glass, a borosilicate glass, a phosphate glass, or the like, and containing the alkali metal described above. I just want it.
  • Specific examples of such a glass composition include, for example, about 70 to 74% by weight of SiO 2 in terms of oxide, L i 2 0, N a 2 0 and K 2 ⁇ least one component 13 about to 16 wt% selected from the group consisting of a type CaO, also less selected from the group consisting of Mg_ ⁇ and B A_ ⁇ about components 10 to 13 wt%, and a 1 2 0 3 1. 5 ⁇ 2 5 wt% as Kei glasses including degrees;.
  • S I_ ⁇ about 2 60 to 80 wt%, B 2 0 3. 10 to 28 wt% of, L i 2 0, N a 2 ⁇ Pi K 2 0, at least one kind of component 5 to 10 wt% of selected from the group consisting of and a l 2 ⁇ 3 about 5 wt% or less borate silicofluoride glasses comprising; [rho 2 0 5 20 to 50 wt% of, S I_ ⁇ 2 3 to 35% by weight approximately, A 12 O 3 about 10 to 35 wt%, and L i 2 ⁇ , N a 2 0 and phosphate glass can be exemplified comprising at least one component 5 about 10 weight percent selected from the group consisting of K 2 ⁇ .
  • a glass substrate containing such an alkali metal is used, a paste containing a copper compound is applied thereto, and heat treatment is performed at a temperature lower than the softening point of the glass substrate.
  • a paste obtained by dispersing a copper compound and an organic resin in an organic solvent is used.
  • any paste-like substance containing a copper compound having an appropriate viscosity applicable to a glass substrate and capable of diffusing copper ions by heat treatment can be used. it can.
  • the copper compound contained in the paste exchanges with the alkali metal in the glass substrate and diffuses into the glass substrate as CU + ions.
  • the reason why the copper in the paste diffuses as monovalent ions in this manner is considered to be that the organic resin contained in the paste is carbonized to form a reducing atmosphere, and monovalent copper ions are formed.
  • the copper compound contained in the pace Bok may be any monovalent copper compound and a divalent copper compound, Cu S 0 4 As specific examples, CuF 2, CuC and CuC l 2, CuB r, CuB r 2, Cu 2 ⁇ , Cu_ ⁇ , mention may be made of Cu (NOs) 2, CuS and the like.
  • the copper compounds can be used alone or as a mixture of two or more.
  • a resin that decomposes at a heat treatment temperature may be used. Preferably, such a resin is easily removed by washing with water, and specific examples include cellulose resin, acrylic resin, petroleum resin, and the like.
  • Can be The organic resins can be used alone or in combination of two or more.
  • the organic solvent used in the paste is preferably a solvent that easily volatilizes during drying, and more specifically, a solvent that is liquid at room temperature and volatilizes at about 50 to 200 ° C. preferable.
  • a solvent that is liquid at room temperature and volatilizes at about 50 to 200 ° C. preferable.
  • Specific examples of such a solvent include alcohols such as methanol and ethanol; and ketones such as dimethyl ether and acetone.
  • the organic solvent may be used alone or in combination of two or more.
  • the content of each component in the paste is not particularly limited, but is usually about 20 to 70% by weight, preferably about 30 to 55% by weight of the copper compound based on the entire paste.
  • the organic resin may be about 10 to 30% by weight, preferably about 15 to 25% by weight, and the organic solvent may be about 3 to 20% by weight, preferably about 5 to 10% by weight. .
  • additives include, for example, Na 2 S for the purpose of lowering the melting point of the paste.
  • K 2 S_ ⁇ 4, N a N_ ⁇ 3, KN_ ⁇ 3, N a C l, N a B r, can be used KC 1, KB r like.
  • the amount of these additives is preferably about 20% by weight or less, more preferably about 15% by weight or less, as the content in the paste.
  • the method for applying the paste to the glass substrate is not particularly limited, and a known coating method may be appropriately employed. For example, a method such as spin coating, spray coating, or dip coating may be used. Applicable.
  • the coating thickness of the paste is not particularly limited, and varies depending on the type and content of the copper compound contained in the paste, but is usually about 0.5 mm to 1.5 mm.
  • the coating is usually dried prior to heat treatment.
  • the drying conditions are not particularly limited, and drying may be performed so that the solvent components are sufficiently removed.In general, drying is efficiently performed by heating at about 150 to 300 ° C for about 30 minutes to 1 hour. can do.
  • the dried coating film is heat-treated.
  • the heat treatment temperature is in a temperature range of about 450 to 700 ° C, preferably about 500 to 600 ° C, and may be lower than the softening point of the glass substrate.
  • the heat treatment time is usually about 6 to 48 hours, preferably about 12 to 24 hours.
  • the heat treatment atmosphere is not particularly limited, and may be any of an oxygen-containing atmosphere, an inert atmosphere, a reducing atmosphere, and the like. Usually, it may be in an oxygen-containing atmosphere such as air, which is advantageous in that it is not necessary to use a reducing atmosphere.
  • the copper ions diffuse into the glass substrate as Cu + ions.
  • the diffused copper ions vary depending on the processing conditions, but are present as Cu + ions, Cu 20 , metallic copper fine particles, etc., which have a different refractive index from that of the glass substrate and become an optical waveguide. Is formed.
  • the paste After the heat treatment, the paste is usually allowed to cool to room temperature, and the paste residue remaining on the substrate is washed with water.
  • a glass substrate as oxide equivalent weight, S I_ ⁇ 2 40 to 82 wt%, B2 O3 12 to 50 wt%, Na 2 ⁇ , K 2 ⁇ , At least one component selected from the group consisting of L i 20 , Rb 2 ⁇ and C s 2 2 2 to 25 wt%, consisting of MgO, CaO, BaO, ZnO, Sr ⁇ and PbO at least one component 25 wt% or less selected from the group, a 12_Rei 3, L a 2 ⁇ 3, Y 2 ⁇ 3, selected from the group consisting of Ding & 2 ⁇ 3 Oyobi 0 (1 2 0 3 20 wt% at least one component is less, Nb 2 0 5 and Z r 0 10 wt% of at least one component selected from the group consisting of 2 or less, a s 2_Rei_3, 3 2 ⁇ 3 per cent At least one component selected from the group consisting
  • a slab-type optical waveguide can be formed by applying a base containing a copper compound to the entire surface of the glass substrate by the above-described method and performing heat treatment. Furthermore, by forming a predetermined pattern on the glass substrate surface using a paste containing a copper compound, and then performing a heat treatment, it is possible to form a so-called channel-type optical waveguide according to the pattern shape. is there. There is no particular limitation on a method for forming a pattern using a paste containing a copper compound, and a known method may be appropriately applied.
  • a predetermined pattern can be formed by applying a paste containing a copper compound by bringing a template, such as a metal plate, having a target pattern formed thereon into close contact with a glass substrate.
  • a template such as a metal plate
  • a target pattern formed thereon into close contact with a glass substrate.
  • the surface of the glass substrate is patterned with an inorganic film by photolithography, and a paste containing a copper compound is applied to the exposed portion of the glass substrate, followed by heat treatment.
  • a channel-type optical waveguide can be formed. An example of this method is briefly described below.
  • the thickness of the inorganic film to be deposited is not particularly limited, but is preferably about 0.25 to 1 m, more preferably about 0.25 to 0.5 m.
  • a photoresist agent is applied thereon.
  • the photoresist agent an ordinary commercially available organic photoresist agent may be used.
  • the method of application is not particularly limited, but, for example, a method such as spin coating, spray coating, dip coating and the like can be employed.
  • a patterned metal plate is placed on the photoresist, exposed to ultraviolet light, and developed to form a pattern of the photoresist. Thereafter, the exposed portion of the inorganic film is removed by etching or the like according to this pattern, and the photoresist agent is removed, whereby a pattern film of the inorganic film is formed on the glass substrate surface.
  • a paste containing a copper compound is applied to the exposed portion of the glass substrate from above the inorganic film, and heat treatment is performed under the above conditions, whereby a channel-type optical waveguide can be formed.
  • the optical waveguide formed by the method of the present invention is formed by diffusing monovalent copper ions into a glass substrate.
  • the diffused copper ions contain copper oxide (I) fine particles, C It exists in the form of u + , copper (I) halide fine particles, metallic copper fine particles, and the like. These components emit light with high efficiency, and the refractive index depends on the light intensity. It has a variable property, that is, a high optical nonlinearity.
  • copper (I) halide fine particles copper (I) oxide fine particles, metal copper fine particles, etc.
  • highly efficient light emission is possible.
  • the optical waveguide formed by the method of the present invention can be optically amplified by stimulated radiation by utilizing light emission, and can be switched by light by utilizing optical nonlinearity. It will be very useful as a waveguide with various optical functions.
  • an optical waveguide can be formed by a simple operation of applying a paste containing a copper compound and heating it in the air or the like. According to this method, an optical waveguide can be formed at a low cost without a complicated manufacturing process because a high vacuum is not required unlike the thin film deposition method. In addition, since no molten salt is used, strict control of the molten salt is not required, and further, the deterioration of the substrate due to the molten salt does not occur.
  • CU + ions can be dispersed in a glass substrate with good controllability without requiring a reducing atmosphere, and have an active light function such as light amplification and switching.
  • a waveguide can be easily formed.
  • FIG. 1 is a graph showing the refractive index of the glass substrate portion (1) and the waveguide layer portion (2) of the slab type optical waveguide formed when the glass substrate of No. 1 is used in Example 1. It is.
  • FIG. 2 is a graph showing the absorbance of the optical waveguide formed in Example 2.
  • FIG. 3 is a graph showing the absorbance of an optical waveguide formed in Example 3 using a No. 2 glass substrate.
  • FIG. 4 is a graph showing the absorbance of an optical waveguide formed when a No. 1 glass substrate was used in Example 4.
  • An optical waveguide was formed by the following method using (made by the melting method, size 15 ⁇ 15 ⁇ 3 mm) as a glass substrate.
  • each glass substrate made of CuS_ ⁇ 4 55 wt%, Na 2 S_ ⁇ 4 10 by weight%, the acrylic resin 15 wt%, 10 wt% cellulose resins and alcohols 1 0 wt%
  • the paste was applied to a thickness of 1 mm.
  • the glass substrate coated with the paste was dried at 200T for 30 minutes, and then heat-treated at 510 ° C for 48 hours in air.
  • Figure 1 shows the refractive indices of the glass substrate part (1) and the copper-nodulated copper part (2) for No. 1 glass substrate.
  • Example 2
  • borosilicate glass of the same composition prepared by the melting method, size 15X15X3mm was used as the glass substrate, and the light guide was obtained by the following method. A wave path was formed.
  • the metal plate was removed, the glass substrate coated with the paste was dried at 200 ° C for 30 minutes, and then heat-treated in air at 510 ° C for 48 hours.
  • FIG. 2 shows the absorbance of a thin line portion where Cu 2 ⁇ ⁇ is diffused.
  • An optical waveguide was formed by the following method using borosilicate glass (size 15 X 15 X 3 mm) of each composition of No.:! To No. 6 described in Table 1 of Example 1 as a glass substrate. .
  • the metal plate was removed, the glass substrate coated with the paste was dried at 200 ° C for 30 minutes, and then heat-treated at 5101 in air for 48 hours.
  • Figure 3 shows the absorbance of the thin line where copper (I) halide diffused when No. 2 borosilicate glass was used.
  • a metal plate having a groove having a width of 300 m was placed on the glass substrate, and exposed to ultraviolet light using an ultraviolet laser (output wavelength: 355 nm). After exposure, remove the metal plate, remove the resist agent in the exposed area with a developer, and etch with hydrofluoric acid to remove the SiO 2 film in the developed area, exposing the glass substrate surface I let it.
  • the photoresist is removed coating over the inorganic film, the exposed portion content of the glass substrate CuS0 4 55 wt%, N a 2 S0 4 10M *%, acrylic resin 15 wt%, cellulose resin 10 wt% and the alcohol A paste consisting of 10% by weight was applied to a thickness of lmm.
  • the glass substrate coated with the paste was dried at 200 for 30 minutes, and then heat-treated at 510 ° C for 48 hours in air.
  • FIG. 4 shows the absorbance of the thin line where copper [I] was diffused when No. 1 borosilicate glass was used.

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Description

明 細 書
光導波路の形成方法
技 術 分 野
本発明は、 光導波路の形成方法、 及び該方法によって得られる光導波路に関す る。
背 景 技 術
光導波路の作製法には、 大別して、 薄膜堆積法とイオン交換法がある。
このうちで、 薄膜堆積法は、 シリコンなどの基板上にシリカを主成分とする光 導波層を堆積させる方法であり、 具体的には、 スパッ夕法、 C VD法、 火炎堆積 法などの方法が知られている。 これらの方法は、 いずれも導波路作製のために高 真空装置を必要とし、 製造工程も複雑なためにコス卜が高くなるという欠点があ る。 また、 C VD法や火炎堆積法では、 S i H4、 S i C 1 4などの危険なガス を使用することがあり、 これがコスト高の一因となっている。 更に火炎堆積法で は、 製造プロセスにおいて基板が 1 2 0 0〜 1 3 0 0 °C程度の高温にさらされる ため、 基板が劣化し易く、 更には、 基板中に内部応力が発生し、 導波光の偏波依 存性が犬きくなるなどの問題点も有る。
一方、 イオン交換法は、 基板として N a +イオンを含む多成分ガラスを用い、 これを、 K+イオン、 T 1 +イオン、 A g +イオン等が含まれる溶融塩に浸漬する ことにより、 ガラス中の N a +イオンと、 溶融塩中の K+、 T l +、 A g +等とを交 換させる方法であり、 更に、 イオン交換の際、 電界を印加してイオン交換速度、 イオンの拡散速度等を加速することもある。 この方法によれば、 イオン交換され た部分の屈折率が高くなつて、 光導波層を形成することができる。 イオン交換法 は、 薄膜堆積法のような高真空を必要とせず、 溶融塩の温度も通常 2 5 0〜4 0 0 °C程度であり、 製造設備は安価である。 しかしながら、 イオン交換の速度ゃガ ラス基板中でのイオンの拡散速度等は、 溶融塩の組成、 温度等により影響される ので、 溶融塩の組成、 温度等について厳密な管理が必要となる。 しかも、 イオン 交換の温度は、 溶融塩の溶融温度により左右されるために、 溶融塩によるイオン 交換法を用いて所望の屈折率プロファイルを持つ光導波路を作製する場合には、 溶融塩の組成、 温度、 時間などイオン交換条件決定において高度のノウハウが必 要となる。
更に、 イオン交換法で導入されるイオンは、 1価の陽イオンであるため、 現在 のところ用いられるイオンは、 ほとんどの場合、 K+、 T l+、 Ag+等に限定さ れている。 しかしながら、 これらのイオンは、 単に導波路部分の屈折率を高くす る働きをするだけである。 このため、 これらのイオンを導入することにより作製 された光導波路は、 単に光を導波層に閉じ込めて導波路の一方から他方へ伝播す る働きを持つに過ぎず、 光の増幅、 スイッチングといったアクティブな光機能を もつ導波路とすることは困難である。
光に対してアクティブな機能を持った導波路を作製するためには、 高効率で発 光したり、 光強度により屈折率が変化し得る性質、 即ち高い光学非線形性を持つ たイオン、 化学種等を分散させ、 それにより光導波路を作製すればよい。 これに より、 発光を利用すれば誘導輻射による光増幅が可能になり、 また、 光学非線形 性を利用すれば、 光によるスイッチングが可能になる。 このような特性を持つィ オンとしては銅 （I) イオンがあり、 また化学種としてはハロゲン化銅 （I) 微 粒子、 酸化銅 （I) 微粒子、 金属銅微粒子等ある。 これらはいずれも 1価の銅ィ オンからなる化学種もしくは銅イオンが還元されて生じた金属銅であり、 ガラス 中に 1価の銅イオンを導入し、 それにより導波路を作製すれば、 上述のような光 に対してアクティブな導波路を作製できる可能性が有る。
ところで、 最近、 CU+イオンを導入することにより光導波路を作製しようと いう試みがなされている （F.Gonella, F.Caccavale, L.D.Bogomolova, F.D'Aca pi to and A. Quaranta, J. Appl.Phys.83, 1200 (1998), Jarmila Spirkova, Pa vlina Nebolova, Ivan Jirka, Karel Mach, Vratislav Perina, Anna Mackova and Gabrila Kuncova, SPIE, Photonics West 2001, Conference 4277-47 (Jan uary 2001)) 。 これらの文献によれば、 イオン交換により銅イオンを導入する場 合、 ハロゲン化銅 （I) の溶融塩や CuS04— Na2S04混合溶融塩が用い られている。 しかしながら、 ハロゲン化銅 （I) の溶融塩を用いる場合には、 Cu+イオンは、 空気中で酸化されやすいために、 イオン交換を還元雰囲気中で 行う必要がある。 また、 CuS04— Na2S04混合溶融塩を用いる場合には、 Cu2+が還元されて Cu +となり、 その後イオン交換されるため、 交換速度が 遅く、 その制御も難しいという問題がある。 更に作製された導波路中では、 1価 の銅イオンと 2価の銅イオンが混在しており'、 導波路の屈折率を制御することを 困難にしている。 また、 1価と 2価の銅イオンが混在していると、 両者の拡散速 度の著しい違いのために、 導波路の断面プロファイルの制御も非常に困難となる。 更に、 CU +の存在形態を制御して、 所望の光学的特性を得ることが困難になる などの問題もある。
発 明 の 開 示
本発明の主な目的は、 薄膜堆積法のような高真空を必要とせず、 また、 溶融塩 を用いることなく光導波路を作製できる方法であって、 Cu+イオンのみを制御 性よくガラス基板中に分散させることが可能な新規な光導波路の製造方法を提供 することである。
本発明者は、 上記した如き目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。 その結果、 アルカリ金属を含有するガラスを基板材料として用い、 これに銅化合物と有機樹 脂を有機溶剤に懸濁させたペーストを塗布した後、 熱処理を行う方法によれば、 還元性雰囲気を必要とすることなく、 500°C程度という比較的低い温度で加熱 するだけで、 ペーストに含まれる銅イオンが CU+イオンとしてガラス基板に拡 散して、 光の増幅、 スイッチング等のアクティブな光機能をもつ導波路を作製す ることが可能となることを見出し、 ここに本発明を完成するに至った。
即ち、 本発明は、 下記の光導波路の形成方法、 及び該方法によって形成される 光導波路に関する。
1. アルカリ金属をガラス構成成分として含むガラス基板に、 銅化合物、 有機 樹脂及び有機溶剤を含有するペーストを全面又はパターン状に塗布し、 ガラス基 板の軟化温度より低い温度で熱処理することを特徴とする光導波路の形成方法。
2. ガラス基板が、 アルカリ金属を酸化物換算で 2重量％以上含むケィ酸塩ガ ラス、 ホウケィ酸塩ガラス又はリン酸塩ガラスである上記項 1に記載の光導波路 の形成方法。
3. ガラス基板が、 S i〇2 40〜82重量％、 B2〇3 12〜 50重量 %、 Na2〇、 K20、 L i 2〇、 R b 2〇および C s 20からなる群から選ばれ た少なくとも 1種の成分 2〜 25重量％、 MgO、 C aO、 B aO、 ZnO、 S r Oおよび P b〇からなる群から選ばれた少なくとも 1種の成分 25重量％以下、 A l 2〇3、 L a2〇3、 Y2〇3、 T a 203および Gd2〇3からなる群から選ば れた少なくとも 1種の成分 20重量％以下、 Nb2〇5および Z r 02からなる 群から選ばれた少なくとも 1種の成分 10重量％以下、 As 203、 Sb2〇3、 および S ηθからなる群から選ばれた少なくとも 1種の成分 5重量％以下、 並び に C l、 B r及び Iからなる群から選ばれた少なくとも 1種 0. 05〜10重量 %を含むホウゲイ酸塩ガラス基板である上記項 2に記載の光導波路の形成方法。
4. 上記項 1〜 3のいずれかの方法で得られるスラブ型又はチャネル型光導波 路。 本発明方法は、 ガラス基板に光導波路を形成する方法である。 この方法では、 アルカリ金厲をガラス構成成分として含むガラスからなるガラス基板を用いるこ とが必要である。
該ガラス基板におけるアルカリ金属としては、 L i、 Na、 K、 Rb、 C s等 を例示でき、 これらの内で、 L i、 Na、 K等が好ましい。 アルカリ金属は、 ィ オンの状態で存在しても良く、 或いは、 酸化物として存在しても良い。 アルカリ 金属は、 一種のみ存在しても良く、 或いは、 二種以上が同時に存在しても良い。 該ガラス基板におけるアルカリ金属の含有量は、 酸化物換算で 2重量％程度以 上とすることが適当であり、 5重量％程度以上とすることが好ましく、 10重量 %程度以上とすることがより好ましい。 アル力リ金属の上限については特に限定 的ではないが、 酸化物換算で 40重量％程度とすることが適当であり、 30重量 %程度とすることが好ましく、 20重量％程度とすることがより好ましい。
本発明では、 アル力リ金属を含有するガラスであれば特に限定なく使用できる。 例えば、 ケィ酸塩ガラス、 ホウケィ酸塩ガラス、 リン酸塩ガラスなどを用いるこ とができる。
これらのガラスの具体的な組成については、 特に限定はなく、 ゲイ酸塩ガラス、 ホウケィ酸塩ガラス、 リン酸塩ガラスなどとして公知の組成のガラスであって、 上記したアルカリ金属を含有するものであれば良い。 この様なガラスの組成の具 体例としては、 例えば、 酸化物換算量として、 S i O 2 70〜74重量％程度、 L i 20、 N a20及び K2〇からなる群から選ばれた少なくとも一種の成分 13 〜16重量％程度、 CaO、 Mg〇及び B a〇からなる群から選ばれた少なくと も一種の成分 10〜13重量％程度、 並びに A 1203 1. 5〜2. 5重量％程 度を含むケィ酸塩ガラス； S i〇2 60〜80重量％程度、 B203 10〜28 重量％程度、 L i 20、 N a2〇及ぴ K20からなる群から選ばれた少なくとも一 種の成分 5〜10重量％程度、 並びに A l 2〇3 5重量％程度以下を含むホウ珪 酸塩ガラス； Ρ205 20〜50重量％程度、 S i〇2 3〜35重量％程度、 A 12 O 3 10〜35重量％程度、 並びに L i 2〇、 N a20及び K2〇からなる群 から選ばれた少なくとも一種の成分 5〜 10重量％程度を含むリン酸塩ガラス等 を例示できる。
本発明では、 この様なアルカリ金属を含有するガラス基板を用い、 これに銅化 合物を含有するペーストを塗布し、 ガラス基板の軟化点より低い温度で熱処理を 行う。
ペーストとしては、 銅化合物と有機樹脂を有機溶媒に分散させてペースト状と したものを用いる。 この様なぺ一ストとしては、 ガラス基板に塗布し得る適度な 粘度を有し、 熱処理により銅イオンを拡散させることのできる銅化合物を含有す るペースト状物であれば、 いずれも用いることができる。
この様なペーストをガラス基板に塗布し、 熱処理を行うことによって、 該ぺ一 ス卜に含まれる銅化合物が、 ガラス基板中のアルカリ金属と交換して CU+ィォ ンとしてガラス基板に拡散する。 この様にペースト中の銅が 1価のイオンとして 拡散する理由は、 ペーストに含まれる有機樹脂が炭化されて還元性雰囲気となり、 1価の銅イオンが形成されることによるものと思われる。
該ペース卜に含まれる銅化合物としては、 1価の銅化合物及び 2価の銅化合物 の何れでも良く、 具体例としては Cu S 04、 CuF2、 CuCし CuC l 2、 CuB r、 CuB r 2, Cu2〇、 Cu〇、 Cu (NOs) 2、 CuS等を挙げる ことができる。 銅化合物は、 一種単独又は二種以上混合して用いることができる。 該ぺ一ストに含まれる有機樹脂としては、 熱処理温度において分解する樹脂を 用いればよい。 この様な樹脂は、 水洗により容易に除去されるものであることが 好ましく、 具体例としては、 セルロース樹脂、 アクリル樹脂、 石油樹脂等を挙げ ることができる。 有機樹脂は、 一種単独又は二種以上混合して用いることができ る。
該ペーストにおいて用いる有機溶剤は、 乾燥時に容易に揮発する溶剤であるこ とが好ましく、 具体的には、 室温では液体であって、 5 0〜2 0 0 °C程度で揮発 する溶剤であることが好ましい。 この様な溶剤の具体例としては、 メタノール、 エタノール等のアルコール類；ジメチルエーテル、 アセトン等のケトン類等を挙 げることができる。 有機溶剤は、 一種単独又は二種以上混合して用いることがで さる。
該ぺ一ストにおける各成分の含有量については、 特に限定的ではないが、 通常、 ペースト全体を基準として、 銅化合物を 2 0〜7 0重量％程度、 好ましくは 3 0 〜5 5重量％程度、 有機樹脂を 1 0〜3 0重量％程度、 好ましくは 1 5〜2 5重 量％程度、 及び有機溶剤を 3〜2 0重量％程度、 好ましくは 5〜1 0重量％程度 とすればよい。
該ペーストには、 更に、 必要に応じて、 その他の添加剤を加えても良い。 この 様な添加剤としては、 例えば、 ペーストの融点を低下させる目的等で、 N a 2 S
〇4、 K2 S〇4、 N a N〇3、 KN〇3、 N a C l， N a B r , K C 1、 K B r等 を用いることができる。 これらの添加剤の配合量については、 ペース卜中の含有 量として、 2 0重量％程度以下とすることが好ましく、 1 5重量％程度以下とす ることがより好ましい。
該ぺ一ストをガラス基板に塗布する方法については特に限定はなく、 公知の塗 布方法を適宜採用すれば良く、 例えば、 スピ一ンコ一ト、 スプレーコ一ト、 ディ ップコ一卜等の方法を適用できる。
ペーストの塗布厚については特に限定的ではなく、 ペースト中に含まれる銅化 合物の種類や含有量などによって異なるが、 通常、 0 . 5 mm〜l . 5 mm程度 とすればよい。
ペーストを塗布した後、 通常、 熱処理に先だって塗膜を乾燥する。 乾燥条件に ついては特に限定はなく、 溶剤成分が十分に除去されるように乾燥すればよく、 通常、 1 5 0〜 3 0 0 °C程度で 3 0分〜 1時間程度加熱すれば効率よく乾燥する ことができる。 次いで、 乾燥した塗膜を熱処理する。 熱処理温度は、 450〜700°C程度、 好ましくは 500〜600°C程度の温度範囲であって、 ガラス基板の軟化点を下 回る温度とすればよい。 熱処理時間については、 通常、 6〜48時間程度とすれ ば良く、 好ましくは 12〜24時間程度とすればよい。 熱処理の雰囲気について は、 特に限定はなく、 酸素含有雰囲気、 不活性雰囲気、 還元性雰囲気等のいずれ でも良い。 通常は、 空気中などの酸素含有雰囲気中とすればよく、 還元性雰囲気 とする必要はない点で有利である。
上記した方法によって熱処理を行うことによって、 銅イオンが Cu+イオンと してガラス基板に拡散する。 拡散した銅イオンは、 処理条件によって異なるが、 Cu+イオン、 Cu20、 金属銅微粒子等として存在し、 その部分については、 ガ ラス基板部分とは、 屈折率が異なるものとなつて光導波路が形成される。
熱処理後は、 通常、 室温まで放冷し、 基板上に残っているペースト残留物を水 洗すればよい。
また、 上記方法で光導波路を作製する際に、 特に、 ガラス基板が、 酸化物換算 量として、 S i〇2 40〜82重量％、 B2O3 12〜50重量％、 Na2〇、 K2〇、 L i 20、 Rb2〇および C s 2〇からなる群から選ばれた少なくとも 1 種の成分 2〜25重量％、 MgO、 C aO、 B aO、 ZnO、 S r〇および P b Oからなる群から選ばれた少なくとも 1種の成分 25重量％以下、 A 12〇3、 L a2〇3、 Y2〇3、 丁&2〇3ぉょび0(1203からなる群から選ばれた少なく とも 1種の成分 20重量％以下、 Nb 205および Z r 02からなる群から選ば れた少なくとも 1種の成分 10重量％以下、 A s 2〇3、 3 2〇3ぉょび3110 からなる群から選ばれた少なくとも 1種の成分 5重量％以下、 並びに C 1、 B r 及び Iからなる群から選ばれた少なくとも 1種 0. 05〜 10重量％を含むホウ ケィ酸塩ガラス基板である場合には、 ガラス基板中に拡散した銅イオンが、 ガラ ス基板に含まれる C 1、 B r、 I等のハロゲン原子と反応してハロゲン化銅とな り、 この場合にも、 良好な特性を有する光導波路が形成される。
本発明方法によれば、 上記した方法でガラス基板の全面に銅化合物を含むベー ストを塗布し、 熱処理を行うことによって、 スラブ型の光導波路を形成すること ができる。 更に、 銅化合物を含むペーストを用いてガラス基板表面に所定のパターンを形 成した後、 熱処理を行うことによって、 パターンの形状に応じた、 いわゆるチヤ ネル型の光導波路を形成することも可能である。 銅化合物を含むペーストを用い てパターンを形成する方法については、 特に限定はなく、 公知の方法を適宜適用 すればよい。 例えば、 目的とするパターンを形成した金属板等の型板をガラス基 板に密着させて銅化合物を含むペーストを塗布することにより、 所定のパターン を形成することができる。 また、 より精密なパターンを形成する場合には、 フォ トリソグラフィー法によって、 ガラス基板表面に無機膜によるパ夕一ンニングを 行い、 ガラス基板の露出部分に銅化合物を含むペーストを塗布し、 熱処理するこ とによって、 チャネル型の光導波路を形成することができる。 この方法の一例に ついて、 以下に簡単に説明する。
まず、 ガラス基板上に Aし T i、 A g、 C r等の金属や S i〇2等の酸化物 を蒸着して、 無機膜を形成する。 蒸着される無機膜の厚さについては、 特に限定 的ではないが、 0 . 2 5〜1 m程度とすることが好ましく、 0 . 2 5〜0 . 5 m程度とすることがより好ましい。 無機膜を蒸着した後、 その上にフォトレジ スト剤を塗布する。 フォトレジスト剤としては、 通常の市販されている有機系の フォトレジスト剤を使用すればよい。 塗布方法についても特に制限はないが、 例 えば、 スピ一ンコ一ト、 スプレーコート、 ディップコート等の方法を採用できる。 次にこのフォトレジスト剤の上にパタ一ニングを施した金属板を置き、 紫外線で 露光し、 現像してフォトレジスト剤によるパターンを形成する。 その後、 このパ ターンに従って露出部分の無機膜をエッチング等で剥離し、 フォトレジスト剤を 除去することによってガラス基板表面に無機膜によるパターン皮膜が形成される。 次いで、 ガラス基板の露出部分に該無機膜上から銅化合物を含むペーストを塗布 し、 上記した条件に従って熱処理を行うことによって、 チャネル型の光導波路を 形成することができる。
本発明方法によって形成される光導波路は、 ガラス基板中に 1価の銅イオンが 拡散して形成されるものであり、 ガラス基板中では、 拡散した銅イオンは、 酸化 銅 （I ) 微粒子、 C u +、 ハロゲン化銅 （I ) 微粒子、 金属銅微粒子などの形態 で存在する。 これらの成分は、 高効率で発光する性質や、 光強度により屈折率が 変化し得る性質、 即ち高い光学非線形性を有するものである。 例えば、 ハロゲン 化銅（I )微粒子、 酸化銅（I )微粒子、 金属銅微粒子等として存在する場合には、 優れた非線形光学効果を発揮することが可能であり、 ハロゲン化銅（ I )微粒子、 C u +イオン等として存在する場合には、 高効率発光が可能である。
従って、 本発明方法によって形成される光導波路は、 発光を利用することによ つて誘導輻射により光増幅が可能となり、 また、 光学非線形性を利用すれば光に よるスィッチングが可能となる等、 ァクティブな光機能をもつ導波路として非常 に有用性が高いものとなる。
以上の通り、 本発明方法によれば、 銅化合物を含有するペーストを塗布し、 空 気中等で加熱するという簡単な操作によって、 光導波路を形成することができる。 この方法によれば、 薄膜堆積法のような高真空を必要としないために、 煩雑な製 造工程を要することなく、 低コストで光導波路を形成できる。 また、 溶融塩を用 いないので、 溶融塩の厳密な管理が必要なく、 しかも溶融塩による基板劣化が生 じことがない。
この様な本発明方法によれば、 還元性雰囲気を要することなく、 C U +イオン のみを制御性よくガラス基板中に分散させることができ、 光の増幅、 スィッチン グ等のアクティブな光機能をもつ導波路を容易に形成できる。
図面の簡単な説明
図 1は、 実施例 1において、 N o . 1のガラス基板を用いた場合に形成された スラブ型光導波路のガラス基板部分 （1 ) と導波層部分 （2 ) の屈折率を示すグ ラフである。 図 2は、 実施例 2において形成された光導波路の吸光度を示すダラ フである。 図 3は、 実施例 3において、 N o . 2のガラス基板を用いた場合に形 成された光導波路の吸光度を示すグラフである。 図 4は、 実施例 4において、 N o . 1のガラス基板を用いた場合に形成された光導波路の吸光度を示すグラフ である。
発明を実施するための最良の形態
以下、 実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
実施例 1
下記表 1に示す N o . l〜N o . 6の各組成 （重量％) のホウケィ酸ガラス (溶融法により作製、 大きさ 15 X 1 5X 3mm) をガラス基板として用いて、 下記の方法で光導波路を形成した。
表 1
No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6
Si02 53.7 48.7 49.5 50.4 65 65
B2O3 21.0 27.4 27.9 27 27 24
Figure imgf000012_0001
Na20 6.5 11.5 8.7 6 4
Figure imgf000012_0002
CaO 1.8
BaO 0.5
ZnO 2.8 1.8 0.5
Figure imgf000012_0003
Zr02 0.5
CI 1.8 1
Br 3.3 3.5 1 1
I 1.8 1 まず、 各ガラス基板の片面全面に、 CuS〇4 55重量％、 Na2S〇410重 量％、 アクリル樹脂 15重量％、 セルロース樹脂 10重量％及びアルコール類 1 0重量％からなるペーストを厚さ 1mmとなるように塗布した。
次いで、 ペーストを塗布したガラス基板を 200Tで 30分乾燥後、 空気中で 510°Cで 48時間熱処理を行った。
熱処理後の各試料について、 何れも、 ガラス基板の表面から 10 m〜5011 mの範囲にハロゲン化銅が均一に存在することが確認できた。 また、 ハロゲン化 銅が存在する部分については、 ガラス基板部分と比べて屈折率が変化しているこ とが確認できた。
図 1に、 No. 1のガラス基板について、 ガラス基板部分 （1) とノヽロゲン化 銅部分 （2) の屈折率を示す。 実施例 2
表 1に記載した No. 1のガラスから B rを除き、 その他は、 同様の組成のホ ゥケィ酸ガラス （溶融法により作製、 大きさ 15X 15X 3mm) をガラス基板 として用い、 下記の方法で光導波路を形成した。
まず、 ガラス基板の片面上に、 幅 30 O^mの溝を形成した金属板を置き、 そ の上から、 CuS〇4 55重量％、 Na2S〇410重量％、 アクリル樹脂 15重 量％、 セルロース樹脂 10重量％及びアルコール類 10重量％からなるペースト を厚さ lmmとなるように塗布した。
次いで、 金属板を除き、 ペーストを塗布したガラス基板を 200°Cで 30分乾 燥後、 空気中で 510 °Cで 48時間熱処理を行つた。
熱処理後の試料では、 ペーストを塗布した細線部分にのみガラス基板中に Cu
2〇が拡散していることが確認できた。
図 2に、 C u2〇が拡散した細線部分についての吸光度を示す。
実施例 3
実施例 1の表 1に記載の No. ：!〜 No. 6の各組成のホウケィ酸ガラス （大 きさ 15 X 15 X 3mm) をガラス基板として用い、 下記の方法で光導波路を形 成した。
まず、 該ガラス基板の片面に幅 300 の溝を形成した金属板を設き、 その 上から、 CuSC 55重量％、 Na2S〇410重量％、 アクリル樹脂 15重量 %、 セルロース樹脂 10重量％及びアルコール類 10重量％からなるぺ一ストを 厚さ lmmとなるように塗布した。
次いで、 金属板を除き、 ペーストを塗布したガラス基板を 200°Cで 30分乾 燥後、 空気中で 5101で 48時間熱処理を行った。
熱処理後の試料では、 ぺ一ストを塗布した細線部分にのみガラス基板中にハロ ゲン化銅 （I) が拡散していることが確認できた。
図 3に、 No. 2のホウケィ酸ガラスを用いた場合について、 ハロゲン化銅 (I) が拡散した細線部分の吸光度を示す。
実施例 4
実施例 1の表 1に記載の No. ；!〜 No. 6の各組成のホウケィ酸ガラス （大 きさ 15 X 15 X 3mm) をガラス基板として用いて、 下記の方法で光導波路を 形成した。
まず、 ガラス基板表面にスパッタリング法によって、 3 1〇2を約0. 5 /xm 蒸着し、 その上に、 スピンコ一ターを用いて市販のポジ型フォトレジスト剤 （東 京応化株式会社製、 OFPR-8600) を約 1. 1 塗布した。
このガラス基板に幅 300； mの溝を形成した金属板を置き、 紫外線レーザ一 (出力波長 355 nm) を用いて紫外線を照射して露光した。 露光後、 金属板を 除き、 現像液により露光部分のレジスト剤を除去し、 更に、 現像された部分の S i 02膜を取り除くためにフッ化水素酸でエッチングを行ない、 ガラス基板表面 を露出させた。
次いで、 フォトレジスト皮膜を除去し、 無機膜の上から、 ガラス基板の露出部 分に CuS04 55重量％、 N a2S0410M*%, アクリル樹脂 15重量％、 セルロース樹脂 10重量％及びアルコール類 10重量％からなるペーストを厚さ lmmとなるように塗布した。
次いで、 ペーストを塗布したガラス基板を 200でで 30分乾燥後、 空気中で 510°Cで 48時間熱処理を行った。
その結果、 エッチングを行ってガラス基板表面を露出させた細線部分にのみ、 ガラス基板中にハロゲン化銅 （I) が拡散していることが確認できた。
図 4に、 No. 1のホウケィ酸ガラスを用いた場合について、 ハ t [ゲン化銅 (I) が拡散した細線部分の吸光度を示す。

Claims

請 求 の 範 囲
1. アルカリ金属をガラス構成成分として含むガラス基板に、 銅化合物、 有機 樹脂及び有機溶剤を含有するペーストを全面又はパ夕一ン状に塗布し、 ガラス基 板の軟化温度より低い温度で熱処理することを特徴とする光導波路の形成方法。
2. ガラス基板が、 アルカリ金属を酸化物換算で 2重量％以上含むケィ酸塩ガ ラス、 ホウケィ酸塩ガラス又はリン酸塩ガラスである請求項 1に記載の光導波路 の形成方法。
3. ガラス基板が、 S i Os 40〜82重量％、 B2〇3 12〜50重量 %、 Nas〇、 K2〇、 L i 2〇、 Rb 2〇および C s 2Oからなる群から選ばれ た少なくとも 1種の成分 2〜25重量％、 MgO、 CaO、 Ba〇、 ZnO、 S r Oおよび P b〇からなる群から選ばれた少なくとも 1種の成分 25重量％以下、 Α ΐ 2θ3、 L a203、 Υ2〇3、 T a 2〇 3および G d 2〇 3からなる群から選ば れた少なくとも 1種の成分 20重量％以下、 Nb2〇5ぉょびZ r〇2からなる 群から選ばれた少なくとも 1種の成分 10重量％以下、 AS 2〇3、 Sb203、 および SnOからなる群から選ばれた少なくとも 1種の成分 5重量％以下、 並び に C l、 B r及び Iからなる群から選ばれた少なくとも 1種 0. 05〜10重量 %を含むホウケィ酸塩ガラス基板である請求項 2に記載の光導波路の形成方法。
4. 請求項 1〜 3のいずれかの方法で得られるスラブ型又はチャネル型光導波 路。
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