JPH0415602A - 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、光導波路の製造方法↓こ関するものであり、
例えば光ファイバに接続する際二こ、光の伝Ｉｌｌ損失
を低減できる埋込み型光導波路の製造方法に用いられる
ものである。

〔従来の技術〕

従来、例えば、特開平１−１８７５０７号公報に開示さ
れているような光導波路の製造方法がある。

即ち、第６図において、ガラス基板１１の表面上にはマ
スク開口部１２を有する拡散防止マスクＩ３、その表面
上にはＡｇＣ＋膜１４、さらにその表面上には光学的反
応防止材Ｉ５が各々形成されている。この状態で直流電
＃１６の電圧Ｅを印加すると、ＡｇＣ１１１！Ｊ１４は
イオン化し、Ａｇ’がマスク開口部１２を通してガラス
基板１１中にイオン拡散し、拡散防止マスク１３が絶縁
体の役割を果たすことによって、断面がほぼ゛Ｖ内円形
光導波路１７が形成される。

しかしこのような半円形の光導波路１７は、ガラス基板
１１の表面に露出しているので、イオン拡散処理終了後
、拡散防止マスク１３、ＡｇＣ＋膜１４の残留部および
光学的反応防止材１５等を除去して光導波路型デバイス
として利用しようとすると、ガラス基板１１の表面の凹
凸や周囲の埃の影響等によって散乱が生してしまい、光
の伝搬損失が大きくなってしまう。

そこで、従来、第７図に示す工程順における断面図のよ
うに、上述した半円形の光導波路１７が形成されている
ガラス基板１１上に、ＮａＦ膜１８を形成（拡散防止マ
スク等は用いない）した後、２回目のイオン拡散を行っ
て、ガラス基板１１内に埋め込んだ光導波路１９を得て
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが上述した従来の製造方法で、光導波路を埋め込
んで製造しようとすると、イオン拡散を２度行わなけｎ
ばならず、工程の複雑化、およびコストア・ノブを招く
という問題かあった。

そこで本発明は、１回の移入拡散であっても良好に光導
波路を透光性基板内Ｑこ埋め込んで製造することが可能
となる光導波路の製造方法を提供することを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、まず本発明者等は、従来の方法を利用し、かつ
１回のイオン拡散にて光導波路を埋め込んで製造する方
法について検討を行った。以下にそれを示す。

第８図および第９図において、ガラス基板１１の表面に
は、拡散防止マスク１３を形成し、ＡｇＣ１膜１４を少
なくともマスク開口部１２に形成する。即ち、第８図で
はマスク開口部１２および拡散防止マスク１３の全面に
、また第９図ではマスク開口部１２にのみ形成している
。そして、このＡｇＣ＋膜１４の表面トにＮａＦ膜１８
を形成する。

上述！−１こような状態て電圧を印加じながるイオン拡
散を行うと、第１１図乙こ示すように曲玉状となってし
まう。これは、第１Ｏ図に示すように、ガラス基板１１
内部の電界分布が、マスク開口部１２直下りこ集中する
からである。なぜなら拡散防止マスク１３は、イオン流
に対して絶縁体として作用し、マスク開口部１２直下の
イオンはど電界によってガラス基板１１内の奥深くに拡
散させられるので、横方向への拡散速度が小さくなるた
めである。

したがって、ＡｇＣ１膜１４に含まれるＡｇ゛の全てが
拡散し、ＮａＦ膜１８に含まれるＮａ’が拡散したとし
ても、形成される光導波路２０の断面は、第１１図に示
すように曲玉状になってしまうので、光ファイバの接続
には好ましくない結果となってしまう。

故に、本発明者等は、従来の方法を利用し、かつ１回の
イオン拡散にて光導波路を埋め込んで製造する方法を用
いると、拡散防止マスク１３が存在するために、適切な
断面形状を有する埋込み型光導波路を得ることは不可能
であるということをつきとめた。

そこで本発明者等は、上記目的を達成すべく、透光性基
板に移入した場合、前記透光性基板の屈折率を大きくさ
せる第１のイオンを含み、かつ所定の光導波路パターン
を有する第１の薄膜と、前記透光性基板に移入した場合
、少なくとも前記第１のイオンを含んだ状態よりも前記
透光性基板の屈折率を小さくさせる第２のイオンを含む
第２の薄膜とを、前記第１の薄膜上に前記第２の薄膜を
堆積させて、前記通光性基板上に形成する第１工程と、 前記第１のイオンおよび前記第２のイオンを前記透光性
基板内に移入拡散させることにより、先導波路の形成と
この光導波路の埋込みとを行う第２工程と を含むことを特徴とする光導波路の製造方法を採用する
ものである。

〔作用〕

上記工程により、第１工程では、所定の先導波路パター
ンを有する第１の薄膜と、第２の薄膜とを、第１の薄膜
上に第２の薄膜を堆積させて、透光性基板上に形成じて
いる。

そして第２工程では、第１のイオンおよび第２のイオン
を透光性基板内に移入拡散させることにより、光導波路
の形成とこの先導波路の埋込みとを行う。

故に、先導波路パターンを有する第１の薄膜上に第２の
薄膜を堆積させて、透光性基板上に形成しているので、
拡散防止マスク等を必要としない。

また、第１のイオンの透光性基板内への移入拡散により
光導波路が形成され、第２のイオンの透光性基板内への
移入拡散により形成された光導波路の埋込みが成される
ので、本発明方法である光導波路の製造方法を用いると
、従来の製造方法では不可能であった１回の移入拡散で
光導波路の形成およびその光導波路の埋込みを行うこと
ができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明においては、従来の製造方法の
ように移入拡散を２回も行うことなく、１回の移入拡散
で光導波路の形成およびその光導波路の埋込みを行うこ
とができるので、製造工程を簡素にすることができ、し
かも適切な断面形状を有する光導波路を得ることができ
るという優れた効果がある。

〔実施例〕

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

第１図（ａ）〜（（２）は、本発明の一実施例に係わる
先導波路の製造方法の工程順における断面図である。

以下第１図に基づいて、本発明方法の一実施例の構成お
よび製造工程を説明する。

透光性基板（以下、ガラス基板という）１は、ＳｉＯ□
を主成分として、少なくとも１種以上の１価の陽イオン
（Ｎａ”、Ｋｏ等）を含む多成分系ガラスを用いている
。

故にガラス基Ｆｉ１５こ含まれる第３のイオンニよ、１
価の陽イオン（Ｎａ”、Ｋｏ等）である。

第１の薄膜２は、Ａｇ等の１価の金属、或いはこれらを
含むイオン結合化合物（Ａ　ｇ　Ｚ　Ｓ　Ｏａ、Ｔ１□
Ｓ０４等のイオン結合化合物）を用いている。

二のイオン結合化合物は、高温化においでイオン化し、
ガラス基板ｌ内に含まれる第３のイオン（以下、綱目修
飾イオンという）であるＮａ’に゛等とイオン交換を生
しる。したがって第１の薄膜２には、このイオン交換に
よって、ガラス基板１の屈折率が増加するような、Ｎａ
’、Ｋｏ等より電子分極率の大きな１価の陽イオンを含
むものを用いる必要がある。

故に第１の薄膜２に含まれる第１のイオンは、このよう
なＮａ”、Ｋｏ等より電子分極率の大きな１価の陽イオ
ン（例えばＡｇ”）である。

第２の薄膜４は、Ｋｏ等の１価の陽イオンを含むイオン
結合化合物（Ｋ２ＳＯ４、ＮａｚＳＯ４、Ｎ　ａ　Ｆ等
のイオン結合化合物）を用いている。

このイオン結合化合物は、高温下においてイオン化し、
ガラス基板１内の網目修飾イオンであるＮａ゛、Ｋｏ等
の第３のイオンとイオン交換を生しる。したがって第２
の薄膜４には、カラス基板１の屈折率が減少するか、或
いは増加しても第１の薄膜２に含まれる１価の陽イオン
よりも屈折率を増加させないものを用いる必要がある。

故に第２の薄膜４に含まれる第２のイオンは、このよう
なＮａ”、Ｋｏ等であるか、或いは少なくとも第１の薄
膜２に含まれるｌ個の陽イオンよりもガラス基Ｆｉｌ内
の屈折率を増加させないイオンである。

このように、第１および第２の薄膜に含まれるイオンを
設定するのは、各々がガラス基板１内にイオン拡散した
際、第１の薄膜２に含まれるイオンは光導波路のコア形
成に寄与し、第２の薄膜４に含まれるイオンは先導波路
のクラッドの形成に寄与するので、クラッドの屈折率よ
りもコアの屈折率の方を大きくとる必要があるからであ
る。

金属薄膜５ａ、５ｂは、電極材として用いるので、電気
伝導度の大きな金属を用いる。しかもこの金属は、高温
下で溶出してガラス基板１、第１の薄膜２および第２の
薄膜４中に拡散しないように、高融点の材料（ＡＩ、Ｃ
ｕ、Ｃｒ等）を用いる必要がある。

次に、光導波路の各製造工程を第１図に基づいて説明す
る。

工程（ａ）では、まずガラス基板１の表面に第１の薄膜
２を蒸着等により形成する。

工程（ｂ）では、周知のフォトリソグラフィ法を利用し
て、蒸着した第１の薄膜２の表面上にフォトレジスト等
から成るエツチング防止マスク３を形成する。

そして工程（Ｃ）において、エツチング防止マスク３を
用いた所定の光導波路パターンをエンチングにより形成
する。その後、第１の薄膜２の表面からエツチング防止
マスク３を除去する。

工程（ｄ）では、エンチング防止マスク３を用いてパタ
ーニングした第１の薄膜２を覆うように、第２の薄膜４
を蒸着等により形成する。なお、工程（ａ）、（ｂ）、
（Ｃ）、（ｄ）は請求項記載の第１工程を成している。

工程（ｅ）では、第２の薄膜４とガラス基板１の裏面と
に金属薄膜５ａ、５ｂを形成し、工程（ｆ）にて、この
金属薄膜５ａ、５ｂに電圧印加用電線６を介して電源７
を接続する。

その後工程（粉にて、工程げ）で接続した電源７の電圧
を金属薄膜５ａ、５ｂに印加してイオン拡散を行った後
、ガラス基板１の表裏両面に形成された全てのものを除
去する。すると、ガラス基板１の断面には、光導波路８
が表れる。なおこの工程（川は、請求項記載の第２工程
に相当するものである。

また図示されていないが、工程げ）において、電源７を
除くガラス基板１およびガラス基板工の表裏両面に形成
された全てのものは、電気炉等の高温雰囲気中に置かれ
ている。

上述したように、第１図・工程（ｆ）で高温雰囲気中に
てイオン拡散を行うと、所定パターンで形成された第１
の薄膜２からは、ガラス基板】の屈折率か増加する陽イ
オンがイオン交１１！！！；こよりガラス基板１内に移
入される。一方、第２の薄膜４からは、ガラス基板Ｉの
屈折率が減少、或いは少なくとも第１の薄膜２に含まれ
る陽イオンよりもガラス基板１の屈折率を増加させない
陽イオンがイオン交換によりガラス基板ｌ内に移入され
る。

故にこの製造方法を用いると、１回のイオン拡散工程に
より埋め込み先導波路が形成できる。

また、従来のように絶縁体としての拡散防止マスクを用
いて、ストリップ状のパターンを実現しているわけでな
いから、上述したような曲玉状の断面形状になることは
ない。なぜなら本実施例では、電界はガラス基板全面に
印加されるからである。

次に、上述した本発明方法による光導波路と従来の製造
方法による光導波路との断面形状比較をンミュレーシゴ
ンを行って比較する。

まず、イオン拡散によって得られる光導波路の断面形状
を求める際に用いられる拡散方程式について説明する。

第５図は、拡散方程式を求める際に用いられる座標系を
表す説明図である。第５図５こ示す座標系を用いると、
ガラス基板１内のイオン４度ｕＱこ対する拡散方程式は
、以下の弐で表される。

ｙ ここでＤば拡散係数、μはイオンの移動度、Ｅは電界強
度である。また、この拡散係数りは、以下の式で表すこ
とができる。

（２）、（３）弐において、ｋはボルツマン定数、ｅは
電子の電荷、Ｑは活性化エネルギー、Ｒは気体定数、Ｔ
は絶対温度である。

すると（１）式の解は、変数分離法によって、以下のよ
うに求めることができる。

ｕ＝ｕｏｃ１ ｅｒｆ　　（ ２Ｆ丁τ ）〕 但し、ｕｏはイオン拡散源直下のイオン濃度である。第
１のイオンに対する境界条件は、以下のように表すこと
ができる。

ｕ＝０ （Ｘｏ〈 ｘ　　　、Ｏ＜ｙ、、ｔ＝０） θｙ したがって上記境界条件から（４）式のうち、ｅｒｆ　
　（ ）第０ ２Ｊ１τ ・・・・・・（６） となる。

故に、上述した（４）、（５）、（６）および（７）式
を用いてイオン濃度ｕの分布に関するシミュレーション
を行うと、第３図および第４図で表される分布図となる
。但し、第３図は上記一実施例のイオン濃度分布図、第
４図は従来例のイオン濃度分布図である。

なお、上記シミュレーションは、第１の薄膜２に含まれ
る陽イオンとしてＡｇ゛、第２の薄膜４に含まれる陽イ
オンとしてに゛、およびガラス基板１としてソーダライ
ムガラスという条件を用いた場合のものである。また、
Ａｇ”、Ｋ゛のソーダライムガラスに対する拡散係数り
は、文献（ＩＥＥＥ　　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　　Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ、６、Ｎｏ、６　（１９８Ｂ）
９８４）より引用した。

各イオン濃度分布図は、Ａｇ’のに゛に対する等イオン
濃度線で描かれている。等イオン濃度線は、はぼ等屈折
率線と一致するので、これは先導波路８の断面形状を表
していると考えることができる。

そこで、第３図のマスク線幅Ｗ＝２０（μｍ）、拡散時
間ｔ　第４０　（ｈｏｕｒ）、および印加電圧Ｅ＝２　
（Ｖ／ｍｍ）と、第４図のマスク線幅Ｗ＝２０（μｍ）
、拡散時間Ｌ＋　＋　ｔｚ＝４０　（ｈ　Ｏｕｒ〕、お
よび印加電圧Ｅ　＋　＝　Ｅ　２　＝　２　（Ｖ　／　
ｍ　ｍ　）との同等条件で比較した場合、本発明方法の
方が従来方法よりも等イオン濃度線の本数が多いことか
ら、本発明方法の方が従来方法よりもイオン濃度が高く
得ることができる。

即ち、光導波路とガラス基板との屈折率差が大きくなる
ので、高い開口数（Ｎｕｍｅ　ｒ　ｉ　ｃａ　ＩＡ、ｐ
ｅｒｔｕｒｅ；ＮＡ）を有する光ファイバへの適合性を
良くすることができる。

次に他の実施例について説明する。

第２図（ａ）〜（６）は、本発明の他の実施例に係わる
光導波路の製造方法の工程順における断面図である。上
述した実施例では、第１の１ｇ１Ｍ２をエツチング防止
マスク３を用いてバターニングし、その後第１の薄膜２
を覆うよう↓こ第２のｉ膜４を形成したか、第２図に示
すように第１の薄膜２を蒸着し、さらに第１の薄膜２上
に第２の薄膜４を茎着した後、両者をエツチング防止マ
スク３を用いてパターニングしてもよい。

この場合、第１の薄膜２中のイオンがガラス基板１内に
全て拡散した後に、第２の薄膜４中のイオンが拡散して
、光導波路の埋め込みが成されることとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｇ）は本発明の一実施例に係わる光導
波路の製造方法の工程順における断面図、第２図（ａ）
〜（ｇ）は本発明の他の実施例に係わる光導波路の製造
方法の工程順における断面図、第３図は上記一実施例の
製造方法にて製造した際の光導波路のイオン濃度分布図
、第４図は従来の方法にて製造した際の光導波路のイオ
ン濃度分布図、第５図は拡散方程式を求める際に用いら
れる座標系を表す説明図、第６図は半円形の光導波路を
得る従来の製造方法を示す説明図、第７図：よ光導波路
を埋め込んで製造する従来の製造方法の工程順二こおけ
る断面図、第８図および第９図は本発明者等が検討した
上記従来例を利用して１回のイオン拡散；こて光導波路
を埋め込んで製造する方法を示す説明図、第１０図は本
発明者等が検討した製造方法で製造した際のガラス基板
内部の電界分布を示す説明図、第１１図は本発明者等が
検討した製造方法によって得た光導波路の断面図である
。 １・・・ガラス基板（透光性基Ｆｉ、）、２・・・第１
の薄膜、４・・・第２の薄膜、８・・・光導波路。 代理人弁理士　　岡　部　　　隆 （ほか１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 透光性基板に移入した場合、前記透光性基板の屈折率を
   大きくさせる第１のイオンを含み、かつ所定の光導波路
   パターンを有する第１の薄膜と、前記透光性基板に移入
   した場合、少なくとも前記第１のイオンを含んだ状態よ
   りも前記透光性基板の屈折率を小さくさせる第２のイオ
   ンを含む第２の薄膜とを、前記第１の薄膜上に前記第２
   の薄膜を堆積させて、前記透光性基板上に形成する第１
   工程と、 前記第１のイオンおよび前記第２のイオンを前記透光性
   基板内に移入拡散させることにより、光導波路の形成と
   この光導波路の埋込みとを行う第２工程と を含むことを特徴とする光導波路の製造方法。