JPH0350241B2 - - Google Patents

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JPH0350241B2
JPH0350241B2 JP57018473A JP1847382A JPH0350241B2 JP H0350241 B2 JPH0350241 B2 JP H0350241B2 JP 57018473 A JP57018473 A JP 57018473A JP 1847382 A JP1847382 A JP 1847382A JP H0350241 B2 JPH0350241 B2 JP H0350241B2
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JP
Japan
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substrate
ions
refractive index
mask
glass
Prior art date
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JP57018473A
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JPS58136007A (ja
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Tetsuya Yamazaki
Noboru Yamamoto
Eiji Okuda
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
Original Assignee
Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light 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
    • G02B6/13Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/134Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by substitution by dopant atoms
    • G02B6/1342Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by substitution by dopant atoms using diffusion

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガラス基板の表面に平行な方向に向か
つて形成された高屈折率部分がその光軸からの距
離にしたがつて連続的に減少し、高屈折率領域が
略円型である分岐、分波等の光回路を構成するた
めの光導波路を製造する方法に関するものであ
る。
従来からイオン交換法や電界イオン拡散法を用
いてガラス基板に光導波路を形成する方法が各種
提案され、光導波路の光の伝送損失の他の方法に
比較して極めて小さい利点を生かして光分岐回路
あるいは光分波器等が提案されている。しかし、
従来の方法で製作された光ガイドは第1図aに示
すように基板21に設けられた光導波路20分布
の光軸に垂直な断面が半円であつたり第1図bに
示すように異形であり、屈折率分布も比較的段階
状に変化している。従つて屈折率分布型光フアイ
バとの結合の際、光フアイバのコア断面形状と光
ガイド断面形状の差異及び光フアイバのコアの屈
折率分布と光ガイド断面の屈折率分布の差異によ
り結合損失が大きくなり問題があつた。
例えば従来、ガラス基板中に光ガイドを製作す
る方法として特開昭49−30045にイオン拡散法と
して溶融塩を用いた方法が記述されている。又、
イオン拡散源として金属を用いた方法が特開昭50
−136050に記述されている。いずれも電子分極率
の大きいイオンを基板表面に設けたマスクの開口
を通してガラス中に拡散させることによりガラス
中に高屈折率層をまず形成し、次いで、マスクを
取り除き電子分極率の小さいイオンを拡散させる
ことにより、高屈折率層をガラス中に埋めこむ方
法であり光導波路部の形状は円形には程遠い異形
であり屈折率分布は階段状に近い。あるいは円型
断面をうるため第2図に示すように第1図aに示
すものを上下2枚に貼り合わせて製作されてい
た。このため接合面で光損失が余分に増加した
り、貼り合わせに用いる接着剤のため信頼性に欠
ける面があつた。
本発明は従来の技術を勘案して行なわれたもの
であり、光フアイバーとの接続ロスが小さいほぼ
円形断面の埋め込み型光導波路得るための方法を
提供する。
すなわち本発明は、第1のイオンを含むガラス
基板を用意する工程と、予め定めた光路の平面形
状に開口を残してイオン透過防止マスクで基板面
を被覆する工程と、前記基板ガラスの屈折率増加
に寄与する度合が前記第1のイオンよりも大き
く、また基板ガラス中にイオン拡散可能な第2の
イオンを含むイオン源に基板のマスク面を接触さ
せて基板の両面間に電圧を印加し、マスク開口を
通して前記第2のイオンをガラス中に拡散させる
工程と、前記マスクを除去する工程と、前記第2
イオンの拡散で形成された高屈折率部分のみに限
定して基板面を第2段階のイオン透過防止マスク
で覆う工程と、前記第2イオンよりも基板ガラス
の屈折率増加に寄与する度合が小さく基板ガラス
中にイオン拡散可能な第3のイオンを含むイオン
源に前記第2段階のマスク面を接触させるととも
に基板の両面間に電圧をかけて前記第3のイオン
を基板中に拡散させる工程と、前記イオン拡散後
のガラス基板を変形しない程度に加熱して拡散イ
オンの濃度分布(屈折率分布)を滑らかにする工
程とを含む光回路の製造方法を要旨としている。
以下図面を用いて詳細に説明する。
第3図においてガラス基板1上面を拡散イオン
に対し透過阻止効果のある物質からなるマスク2
で被覆し、マスク2の一部を導波路の平面パター
ンに合せて例えば直線状にとり除き開口部3を設
け、第4図に示すようにマスク面を電子分極率の
大きいイオンを含む溶融塩7に接触させ、塩と基
板を加熱し、マスク面を正極として電界を印加し
塩中のイオンをマスクのない部分に拡散させ、基
板中の一部イオンを外に出し、基板中に高屈折率
部4を形成する。ここでマスク開口部3の幅を充
分狭くすれば、例えば5μ以下とすると得られる
高屈折率部4の断面は、ほぼ半円になる。次いで
マスク2を取り除き、高屈折率部4の上面のみに
望ましくはこの高屈折率部4の基板表面での幅に
対し30%〜100%の幅でマスク5を設け、電子分
極率の小さいイオンを含む塩に接触させ、塩と基
板を加熱し、マスク5面から反対側を向く電界を
印加し、塩中のイオンをマスクのないガラス部分
に拡散させるとほぼ断面が円形に近い高屈折率部
6が得られる。
ここで高屈折率部6の断面がほぼ円形に近くな
るのは、従来の方法と違いマスク5の周辺から電
子分極率の小さいイオンがマスク外だけでなくマ
スク下のガラス中にもイオン拡散してくるが、マ
スク5の中心直下にはその割合が少なく、マスク
周辺ではその割合が大きくなることと、高屈折率
部4を形成している電子分極率の大きいイオンの
部分はガラス中のイオンの移動度が他の部分に比
し小さいため、マスク中央直下は電子分極率の大
きいイオンの濃度が高く、深さも深いためこの部
分の電子分極率の大きいイオンの移動度はマスク
周辺に比し、小さく、周辺は大きいためと考えら
れる。従つて第3図bのように上記マスク5を付
けてのイオン交換処理前に高屈折率部4の断面を
半円に近く形成しておくことが必須条件となる。
この段階で得られた高屈折率部6の屈折率分布は
電界を印火して製作しているため階段状に変化し
ている。そこで基板ガラスが熱変形しない温度に
基板を加熱し、高屈折率部6を形成している電子
分極率の高いイオンと電子分極率の小さい即ち屈
折率の増加の度合の小さい周囲のイオンと相互拡
散させることにより、光軸からの距離に従つて屈
折率が小さくなるように屈折率分布を形成する。
また、この過程で高屈折率部6の断面形状も更に
真円に近いものが得られる。
以下実施例に基づき本発明を詳細に説明する。
ガラス基板としてNa+,K+などのイオンを前記
第1のイオンとして含む一例として厚さ5m/m
のBK7光学ガラスを用い、ガラス基板の上下の
面は平行かつ平坦に仕上げ、ガラス基板の一面に
チタンなどの金属を高周波スパツタ法で2μm程
度の膜厚に形成し、フオトリソグラフイー技術を
用いて開口部3が5μ程度の幅で倒えば第5図に
示すような所期の光路パターンとなるようにTi
膜を一部エツチングしてマスク2とする。
次いでマスク2の両側を例えば、電子分極率が
大きくガラスに対する屈折率の寄与の大きいTl+
イオンを含む塩7に浸す。
この塩はTl+,Cs+,Li+,Li+,Ag+などを少
なくとも一種含む硝酸塩や硫酸塩などの溶液であ
ればさしつかえなく、容器11に入れられてい
る。
次に、ガラス基板のマスクを形成した反対側の
面に例えば粘土層とKNO3をペースト状にしてつ
けた導電ペースト層8を介して電極9を密着さ
せ、この電極9を直流電源12の陰極側に接続
し、溶融塩7中に設けられた電極10を電源12
の陽極に接続して直流電圧を印加する。溶融塩
7、ガラス基板1の温度を基板ガラスの軟化温度
より少しひくい例えば550℃に設定し直流電圧と
して30Vを印加すると十数mAの電流が流れ約1
時間の処理でガラス基板面に垂直な面で半円形の
直径45μ程度の高屈折率部4が得られる。
次にガラス基板に残つているマスク2をエツチ
ングや研磨等で取り除き、高屈折率部4が露出し
ている面に、前述したのと同様にTi等の金属マ
スクをスパツター等で形成したのちフオトリソグ
ラフイーの技術を用いて高屈折率部4の上面の
み、即ち、上記例では45μの幅を残して他の部分
はエツチングして取り除いて第2段イオン交換処
理用のマスク5とする。次いで、マスク5の側の
基板面を電子分極率の小さい即ちのラスに対する
屈折率の寄与の小さいNa+,K+の少なくとも一
種を含む硝酸塩や硫酸塩に浸して直流電圧を印加
し、10Vで約2時間程度の処理を行なうとガラス
基板1表面に垂直な断面においてほぼ直径45μの
円形の高屈折率部6が形成される。次いで溶融塩
からガラス基板をとりだし、マスク5をとり除
き、空気中雰囲気で570℃で約4時間の処理を行
ない、高屈折率部6の部分に拡散した電子分極率
の大きいイオンと高屈折率部6の周囲にある電子
分極率の小さなイオンとを相互拡散させることに
より、高屈折率部6の基板表面に垂直な断面内で
の屈折率分布をその光軸からの距離に従つて屈折
率が略2乗分布に近い屈折率分布のものを形成す
ることができる。この熱処理工程で高屈折率部6
の断面は若干広がり上述例の場合約50μの径とな
る。
以上のようにして得られた基板との屈折率差が
約1%である光路6の両端面に、コア径50μで中
心と外周の屈折率差が1%の屈折率分布型光フア
イバーをそれぞれ直接接続し、波長0.83μmの光
を上記光フアイバーを通して光路6内に導き、こ
の光路中での伝播損失を測定したところ
0.02dB/cm以下の低損失値が得られた。同時に
光フアイバーとの接続損失を測定したところ
0.1dB以下と極めて低損失であつた。
以上の実施例では陰極側に粘土のKNO3のペー
スト状のものを用いて説明したが、例えばガラス
基板を箱形に形成して陰極側に溶融塩を用いても
さしつかえない。また電子分極率の大きいイオン
源として上述実施例では溶融塩を用いたが、例え
ばガラス基板にAgを蒸着し、不必要な部分をエ
ツチングしてイオン源となし、この上からAlを
蒸着するかまた圧着して電極とし、これに電圧を
印加してもさしつかえない。
また、第5図には光路が全長にわたり同一幅の
例について示したが、入射端面から光路断面が漸
次拡大するようなホーン構造のもの、平行に多数
の光路を設けたものなど任意のパターンで光路を
つくることができる。
又、光屈折率部の直径はイオン拡散時間、マス
ク開口寸法、熱処理時間を選定することにより
10μφ〜1mmφ程度のものまで製作可能であり、
直径10μφのものはシングルモードフアイバーと
の接続が容易であり、一方、径の大きいものは、
単なる光回路としてだけでなく、屈折率分布型レ
ンズとしても機能する。
又、光路の屈折率差は、電子分極率の大きいイ
オン源としてTl+イオンを含む塩を用いると、例
えばTl2SO4,K2SO4にZnSO4を加えた溶融塩で
ZnSO440モル%一定としてTl2SO4/R2SO4の比
を0.2にすると、約1%の屈折率差が得られ、
Tl2SO4とK2SO4を等モルに混合すると、5%の
屈折率差が得られた。又、Tl2SO4とZnSO4と等
モル混合した塩では最大10%の屈折率差のものが
得られた。
次に本発明で得られる光回路の代表的な応用例
を記す。
第5図は光分岐回路の基本である1対2分岐回
路の断面平面図であり同様にして1対N(N≧3)
分岐も可能である。
第6図は10:10のスターカプラーの平面図であ
り、例えばコア径50μで外径125μのフアイバアレ
イが分岐された光路の両端に取りつけられるよう
に設計されている。このスターカプラーの製作
は、まず第一段階の高屈折率部4を形成するとき
は、中央部のミキシング部6Aと両端の光ガイド
部6Bの開口をもつマスク2をガラス基板に形成
し高屈折率部4を形成した後、前記マスク2を取
り除き、両端の光ガイド部6B上のみに第二段階
のマスク5を形成し、電子分極率の小さいイオン
を電界で拡散し熱処理をほどこす。第7図は本発
明による略円形導波路とプレーナ導波路をガラス
基板1中に同時に製作し、入射側光フアイバー1
3から、互いに波長の異なるλ1,λ2とλ3の波長の
混合光を入射側円型断面の光導波路14によりプ
レーナ導波路15に導びき、二次元的にひろがる
光をプレーナ導波路の端面に接合したチヤープト
グレテイング(不等周期回折格子)16で波長に
より異なる位置に回折集光させ、出射側円型断面
の光導波路17……と出射側光フアイバ18……
に、それぞれλ1,λ2,λ3の光を分波させるように
した光分波器の例である。
以上の説明に於いて分岐数、分波数は限定され
るものではない。
【図面の簡単な説明】
第1図a,bおよび第2図は、従来の光回路を
示す横断面図、第3図aないしdは本発明の光回
路を製造する方法を段階的に示す横断面図、第4
図は本発明方法におけるイオン交換工程を示す横
断面図、第5図は本発明方法で製造される光回路
の例を示す断面平面図、第6図は本発明方法で製
造される光回路の他の例を示す断面平面図、第7
図は本発明方法で製造される光回路のさらに別の
応用例を示す断面平面図である。 1……ガラス基板、2……第1段マスク、3…
…開口部、4……高屈折率部、5……第2段マス
ク、6……高屈折率部(光路)、7……溶融塩。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 第1のイオンを含むガラス基板を用意する工
    程と、予め定めた光路の平面形状に開口を残して
    イオン透過防止マスクで基板面を被覆する工程
    と、前記基板ガラスの屈折率増加に寄与する度合
    が前記第1のイオンよりも大きく、また基板ガラ
    ス中にイオン拡散可能な第2のイオンを含むイオ
    ン源に基板のマスク面を接触させて基板の両面間
    に電圧を印加し、マスク開口を通して前記第2の
    イオンをガラス中に拡散させる工程と、前記マス
    クを除去する工程と、前記第2イオンの拡散で形
    成された高屈折率部分のみに限定して基板面を第
    2段階のイオン透過防止マスクで覆う工程と、前
    記第2イオンよりも基板ガラスの屈折率増加に寄
    与する度合が小さく基板ガラス中にイオン拡散可
    能な第3のイオンを含むイオン源に前記第2段階
    のマスク面を接触させるとともに基板の両面間に
    電圧をかけて前記第3のイオンを基板中に拡散さ
    せる工程と、前記イオン拡散後のガラス基板を変
    形しない程度に加熱して拡散イオンの濃度分布
    (屈折率分布)を滑らかにする工程とを含む光回
    路の製造方法。
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FI86226C (fi) * 1990-07-10 1992-07-27 Nokia Oy Ab Foerfarande foer framstaellning av ljusvaogsledare medelst jonbytesteknik pao ett glassubstrat.

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