JPH0531123B2

JPH0531123B2 -

Info

Publication number: JPH0531123B2
Application number: JP59047980A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Baba; Kazuo Shiraishi; Shozaburo Kawakami
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1984-03-12
Filing date: 1984-03-12
Publication date: 1993-05-11
Also published as: JPS60191208A

Description

【発明の詳細な説明】

(ア) 技術分野この発明は光集積回路に用いられる、進行方向
に沿つて必ずしも一様でない導波路を有する光回
路素子とその製造方法に関する。光集積回路に於て、従来用いられてきた導波構
造は、誘電体、又は半導体の一部に不純物をドー
ピングして屈折率を局所的に高めたものであり、
進行方向に一様な導波路であつた。一様な幅の導波路を、結合、或いは分岐させ
て、各種の機能を果すようにしている。しかしながら、放射損失の小さい分岐回路、高
効率のレーザ・フアイバ結合器、又は、単一モー
ド光フアイバ・薄膜光回路結合などを実現するに
は、伝搬方向に必ずしも一様でない導波構造が要
求される。さらに1/4波長板、1/2波長板、デポラ
ライザを薄膜回路として作るためには複屈折材料
が必要である。導波路のパラメータが、進行方向に沿つて、光
の波長の１倍から100倍程度の短い距離に於て変
化する様な回路の作製技術や、新しい回路機能を
実現する光立体回路技術の確立が望まれる。 (イ) 従来技術特開昭58−134609号はガラス基板に銀イオンを
電界輸送によつて導入し、これにもうひとつのガ
ラス基板を接着し反対向きに電界をかけて、接着
されたガラスにも銀イオンを輸送して円形断面の
導波路を作つている。この方法はガラスを貼り合
わせるので空隙ができやすいし精度が悪い。量産
に適さない。またこの光導波路は複屈折性がな
い。本発明者は、銀イオンをガラスの中へ拡散さ
せ、温度を導波路方向に於て変化させる事により
拡散の程度を変え、これにより、幅が変化する光
導波路を作製した。昭和58年電子通信学会総合全国大会（1983年３
月、講演番号1078、予稿集４−164ページ）に於
て、この導波路及び作製方法について発表した。これは、硼珪酸ガラスに、適当なマスクをし、
硝酸銀融液中に漬け、ガラス中のNa⁺イオンを
Ag⁺イオンで置換する拡散を行い、これをさらに
加熱して再拡散するものである。加熱する際、一
様に行わず、分布を持つようにする。強く加熱し
た部分は再拡散が早く進行し、弱く加熱した部分
は再拡散が遅いので、導波路の幅が進行方向に異
なるものが製作できる。こうして、例えば、モード整合素子、光分岐な
どを作る事ができる。実際には、ガラス基板に銀を拡散した後、スパ
ツタリングにより、表面に同じガラスを付けて、
導波路をガラス中に埋込んでしまう。加熱して、
銀イオンを再拡散すると、銀イオンは、基板の中
へも入るが、ガラス被膜の方へも入つてゆく。再拡散が進行すると、銀イオンの濃度は、楕円
形状に拡がつてゆく。再拡散の温度が高く、時間
が長い程等温度曲線は拡がり、楕円から円に近づ
いてゆく。従つて、再拡散の温度又は時間を進行
方向に於て変化させれば、進行方向に関し異なる
幅の光導波路構造を得る事ができる。しかし、銀を拡散した光導波路には次のような
欠点があつた。 (ウ) 銀拡散導波路の欠点銀を拡散した導波路は、そのままRFスパツタ
リングにより埋込むと、銀拡散部に黄褐色の着色
が起こり、可視域での損失が増大する。これは、ガラス中の銀イオンのコロイド化に起
因するものと思われる。コロイド化の原因は、
RFスパツタの際のスパツタ粒子のもつ熱エネル
ギーやターゲツトからの高速二次電子により、銀
イオンが還元され、銀結晶が生ずるため、と考え
られる。 (エ) 本発明の光導波路本発明に於ては、銀イオンをドーパントとする
かわりに、カリウムイオンをドーパントとして、
光導波路を作製する。ガラスはSi、Ｂ、Alの酸化物と、網目修飾酸
化物として、Ba、Na、Ｋの酸化物とから構成さ
れている。Na、Ｋの酸化物の濃度はガラスによ
つて異なる。しかし、あるガラスの中では、Na、
Ｋ酸化物の濃度は一定で、この為屈折率はガラス
内で一定なのである。ところが、局所的にＫイオンをドーピングし
て、Naイオンと置換すると、Ｋイオン、Naイオ
ンの電子分極率が異なるため、局所的に屈折率が
異なつている。Ｋイオンはガラス中にドーピング
されると誘電率を高めるので、屈折率が上り、従
つて光導波路を形成する事ができる。この光導波
路は複屈折性を示す。本発明は、カリウムをドーパントしてガラス中
に拡散し、再拡散によつて任意の分布を有する光
回路を作製するところに特徴がある。以下、図面によつて、本発明の方法を説明す
る。基板となるガラスは、次のような条件を満足す
る必要がある。 (1) 拡散型導波路の作製が可能である。 (2) スパツタリングにより低損失の薄膜形成が可
能である。 (3) 線膨脹係数が小さく、局所的加熱に耐える。 (4) ガラス中の網目修飾酸化物のナトリウムをカ
リウムで置換える事によつて、屈折率を高める
のであるから、Na₂O濃度がある程度高くなけ
ればならない。これらの条件を満すものとして、テンパツクス
（Tempax）、マイクロシート（Microsheet）な
どがある。第１表にこれらの組成、物性を示す。以下、本発明による光導波路の作製方法を説明
する。

【表】本発明に於て、ガラス中のナトリウムをカリウ
ムに置換して、局所的に高屈折率の領域を形成
し、これを光導波路とする。従つて、以下の説明
で、カリウムの拡散領域の事を、高屈折率領域、
或いは光導波路と呼ぶ事がある。まず、ガラス基板に、アルミニウムのマスクを
形成する。このため、通常のフオトリソグラフイ
ー法を用いる。第１図は、ガラス基板１に、アルミニウム層４
を蒸着し、さらにレジスト５を塗布して、これを
導波路パターンを描いたマスクを使つて露光し、
レジストを現像した後の状態を示す斜視図であ
る。ここでは、導波路を形成すべき部分のレジス
トが除去され、溝６が生じている。ここでは、直
線の溝６を示すが、任意の形成であつても良い。次に、アセトンなどによつて、レジスト５を除
去する。アルミニウム層４が基板１の上に残留し
ている。次に、イオン交換の工程に入る。これは、適当
な温度で溶融したKNO₃７の中に、適当な時間浸
す事によつて行われる。第２図はこれは示す斜視
図である。電気炉の中で温度コントロールしながら、イオ
ン交換する。これはKNO₃のカリウムをガラス基
板１の中へ拡散させるもので、アルミニウム層４
のない溝６に於て、カリウムがガラス中のナトリ
ウムと置換されてゆく。 100％のKNO₃の溶融塩を使つているが、
KNO₃とNaNO₃の混合溶融塩としても良い。拡散温度は400〜470℃、拡散時間は20〜80時間
である。 KNO₃の融点は333℃である。350℃以上で、亜
硫硝酸ガスが発生する。このため、電気炉の内部
を排気しながら拡散を行う。第３図は拡散を終えたガラスの斜視図で、溝６
の部分に、カリウムが拡散された拡散領域３が生
じている（打点によつて示した）。イオン交換（拡散）の後、ガラスを、水の希硝
酸などで洗浄し、基板に付着しているKNO₃を除
去する。さらにエツチング液に漬けて、マスクの
アルミニウム層４を除去する。第４図はこの状態を示している。このままでは、拡散領域３が露出しているの
で、基板と同じ材質のガラスを表面にコーテイン
グして、拡散領域３を埋込む。埋込みは、RFスパツタリングによつて行う。
テンパツテクスガラスを拡散領域３の設けられた
表面の上へ、RFスパツタリングにより、堆積さ
せてゆく。スパツタリングによりガラス被膜２が
基板１の上へ約20〜30μｍの厚みで形成されるよ
うにする。スパツタリングは、アルゴンガスを５〜6Paの
圧力で容器内へ導入しながら行う。RFパワーは
100Wであつた。スパツタリングによる被膜の堆
積速度は0.6〜0.7μｍ／Hrであつた。スパツタリングされた被膜２が着色する事があ
る。これは、ガラス基板の温度が高くなりすぎ、
酸化物が分解して、可視光の吸収源となるものが
あるからである。これを避けるため、ガラス基板の放熱を良くし
てスパツタリングすると良い。本発明者は、スパ
ツタリング装置のホルダと基板の間に、放熱を良
くする為、グリスを塗布した。こうすると、被膜
２が着色する、という事がない。第５図は被膜２によつて、拡散領域３を埋込ん
だ状態の斜視図である。次に、基板１を加熱し、カリウムイオンを再拡
散させる。これは一様加熱による場合と分布加熱
による場合がある。一様加熱は、基板１、被膜２の全体を同一温度
に加熱して、ドーパントを一様に再拡散させるも
のである。第６図は一様加熱によつて、同一幅の
導波路を形成したものの斜視図である。一様加熱の場合は、電気炉の中へ基板を入れ
て、再拡散させる。温度は400℃前後で、再拡散
時間は１〜5Hr程度である。再拡散によつて、扁平な拡散領域が上下方向に
拡つて、厚みのある導波路を形成する。再拡散は、単に、屈折率の高い領域を拡大す
る、という事だけではなく、導波路部分の損失を
低減する、という効果がある。例えば、再拡散前に5.2dB／cmの損失のあつた
光導波路が400℃、1.5Hrの再拡散処理によつて、
1.5dB／cmの、低い損失の光導波路になつた。分布加熱は、拡散領域の長手方向に沿つて一様
の温度で加熱するのではなく、温度分布をつけて
加熱する、という事である。高温の部分では、再拡散が早く進行するから、
屈折率の高い拡散領域が広くなる。低温の部分で
は、再拡散が遅く進行し、拡散領域は狭いままで
ある。第７図は分布加熱により再拡散した幅の異なる
拡散領域（高屈折率領域）３ａ〜３ｂを作製した
回路素子の斜視図である。前方の拡散領域３ａでは、高温で拡散させてい
るから、カリウムイオンは最初の位置から遠くま
で拡がつてゆく。後方の拡散領域３ｂは低温に保
持するので、殆んど再拡散は進行しない。温度が拡散領域の長手方向に沿つて異なるよう
に加熱する事を、分布加熱と言う。分布加熱を行
なうためには、もはや電気炉などを用いる事はで
きない。分布加熱を行うためには、局所的にエネルギー
を集中して供給できる熱源を用いなければならな
い。本発明者は、炭酸ガスレーザを局所的加熱を行
う熱源として用いた。炭酸ガスレーザの光は、ガラスの中で短距離内
（20〜30μｍ）で吸収され、必要に応じて細く絞
る事ができるので、自由度の大きな導波路整形が
可能である。炭酸ガスレーザのビームを、導波路に沿つて走
査する。導波路上を一様に走査するのではなく、
導波路上の位置により、走査速度、走査回数、レ
ーザパワーを変化させ、導波路に沿つて温度分布
を作り出し、再拡散の速度を変化させる。本発明者は、走査回数を変える事により、導波
路に沿つて、レーザ光の照射時間（つまり再拡散
時間）を変える事としている。導波路上の一点を起点として、ここからレーザ
光を走査させる。走査距離を段階的に変えて、走
査範囲を広げてゆくと、導波路上で、照射時間の
勾配が生じる。一例を述べる。レーザ出力は2Wで、走査速度
は160μｍ／secとする。起点から、走査範囲を2.0
mm、2.2mm、……、6.4mmと約0.2mmずつ15段階に設
定する。各段階について20回ずつ繰返し走査す
る。合計300回走査する事になる。起点に於て、
照射時間が最も長くなり、起点から離れるに従つ
て照射時間が短かくなつてゆく。このように、分布加熱した試料を、起点から１
mm、11mmの点で切断し、切断面に於けるカリウム
イオンの分布をEPMAを用いて測定した。第８図は起点から11mmの切断面でのカリウム分
布を示す分布図である。基板１と被膜２の境界近
くに、高濃度（5wt％）のカリウムイオンの分布
が残つている。これは再拡散が起つていないとい
う事である。さらに、KNO₃によつてカリウムをガラス中へ
拡散させた後にスパツタリングで付けた被膜２の
中へカリウムが入つてゆかない、という事も分
る。第９図は起点から１mmの切断面でカリウム分布
図である。カリウムは楕円形状の等濃度曲線で表
わされるように、上下左右に再拡散され、被膜２
の中へも入つてゆく。さらに、特に高濃度（5wt
％）の部分が消失している。カリウムが四周に拡
散して、中心部の濃度が低下しているのである。
このようにして、ガラス中の高屈折率領域、つま
り光導波路の領域が拡がる。水平方向の対称性、
上下方向の対称性も良好である。 (オ) カリウム濃度の変化再拡散の効果を調べるため、ガラスの厚み方向
のカリウム濃度をEPMAによつて測定した。第
１０図は再拡散前の基板、被膜に於けるカリウム
濃度（K₂Oのwt％）を示すグラフである。横軸
は基板と被膜の境界面を原点にとつて上下方向の
距離を示し、縦軸はK₂Oのwt％である。被膜の
厚みは6.5μｍである。再拡散前に於て、境界面から２〜3μｍの深さ
にカリウム濃度の最大値５％が検出された。被膜
２の方にもカリウム濃度が現われているが、これ
はテンパツクスガラスに初めから含まれている
K₂Oの濃度である。テンパツクスガラスは、１％弱のK₂Oを含んで
いるのである。第１１図は、400℃で２時間再拡散させた後の
基板、被膜の厚み方向のカリウム濃度の測定結果
を示すグラフである。基板１に於けるカリウム濃
度の最大値が低下している。かわりに、基板内、
境界から10μｍ程度の深さの部分にも、カリウム
が拡散している事が分る。さらに、被膜内に於て
も、１〜2μｍの厚さの部分へカリウムが拡散し
ている事も分る。第１２図は400℃で８時間再拡散した後のカリ
ウム濃度（K₂O）の、基板、被膜の厚み方向の変
化を示すグラフである。基板内での、カリウム濃度の最大値はさらに減
少してゆき、10μｍ以上の深さの部分にもカリウ
ムが入つてゆく事がわかる。被膜の方では、境界
から3.5μｍ程度までカリウムの拡散が進行してい
る。このように、カリウム濃度の最大値を与える点
に関し、基板、被膜の別なく左右対称の分布に近
づいている。 (カ) 複屈折とカリウム濃度このようにして製作された光導波路は、ガラス
中のナトリウムイオンをカリウムイオンで交換し
たものである。そこで仮に、ナトリウムカリウム
イオン交換導波路と呼ぶ。ナトリウムカリウム（Na−Ｋと書く）イオン
交換導波路の特徴は、著しい複屈折性である。銀
イオンをドープしたものには見られない性質であ
る。試料の拡散面に垂直な偏波面を有する光に対す
る屈折率Ntの方が、面に平行な偏波面を有する
光に対する屈折率Npより大きい。表面に於ける
両者の屈折率差は７×10^-4である。また、導波路となる拡散領域と基板ガラスの屈
折率差は、カリウムのドーピング量に比例して増
大するが、470℃で32時間の拡散（KNO₃融液中
で）を行つた試料で、3.5×10^-3程度であつた。再拡散によつて、カリウムイオンを試料内部へ
拡散分布させると、複屈折性の最大値は減少し、
複屈折性の現われる領域が拡大している。結局、Ｋ−Naイオン交換により得られる屈折
率変化と、複屈折性はドーパント濃度によく対応
しているものと考えられる。複屈折性を利用して
１／４波長板、1/2波長板、デポラライザなどを薄膜
回路として作ることができる。 (キ) 効果 (1) 拡散、埋込み後、再拡散を行い、再拡散の温
度、時間を局所的に変化させる事により任意の
拡がりを有する光導波路を作製する事ができ
る。 (2) 銀イオンをドープするものは、可視光に於け
る損失が高く、可視光のための光回路素子とし
て使えない。本発明のものは、可視光から赤外
光に対する損失が低い。このため、赤外光及び
可視光に対する光回路素子として有効である。例えば、450℃で19時間、450℃で25時間、
420℃で30時間、KNO₃中でイオン交換（拡散）
し、スパツタリングで被膜をつけたものの、
HeNe光に対する損失は、4.1dB／cm、2.6dB／
cm、2.9dB／cmであつた。再拡散によつて、損
失はさらに低減する。例えば、400℃、３時間の再拡散で、
2.9dB／cmの試料の損失は、1dB／cm以下に低
下した。 (3) 複屈折性を有する光導波路を作ることができ
る。 (ク) 用途本発明により、光の伝搬方向にそつてゆるやか
に導波路幅、厚さが変化する光導波露構造を与え
る事ができる。 (1) 半導体レーザ・光フアイバ間モード整合器 (2) 光フアイバ・薄膜光回路間モード整合器 (3) 薄膜導波路で作つた1/2波長板、1/4波長板、
デポラライザ。などに応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はガラス基板上にアルミニウム層とレジ
ストを付け、適当なマスクパターンを使つて露光
し現像した後の状態を示す斜視図。第２図はレジ
ストを除去し、アルミニウム層によつて導波路と
なるべき領域以外がマスクされたガラス基板を溶
融KNO₃中でイオン交換（拡散）している状態を
示す斜視図。第３図は拡散の後、カリウムイオン
の拡散された領域が形成された状態を示す斜視
図。第４図はアルミニウムを除去したガラス基板
の斜視図。導波路となる部分に拡散領域（カリウ
ムの）が形成されている。第５図はスパツタリン
グによつて基板１の上面に同じ材質のガラスを堆
積させて被膜とし拡散領域を埋込んだ状態を示す
斜視図。第６図は埋込み工程後に、一様に基板
１、被膜２を加熱し、再拡散させた後の拡散領域
の一様な拡がりを示す斜視図。第７図は埋込み工
程度に、温度又は時間を導波路の長手方向に関し
て変化させて分布加熱し、長手方向に幅や厚みの
変化する光導波路を作製した状態を示す斜視図。
第８図は第７図に示すような分布加熱により再拡
散をした場合の、加熱されていない部分での基
板、被膜の縦断面に於けるカリウム濃度（K₂Oの
wt％）分布図。第９図は第７図に示すような分
布加熱により再拡散した場合の、加熱がさかんに
行われた部分での基板、被膜の縦断面に於けるカ
リウム濃度（K₂Oのwt％）分布図。第１０図は
基板、被膜の、再拡散前のカリウム濃度（K₂Oの
wt％）の測定値を示すグラフ。横軸は基板、被
膜の境界からの深さ（μｍ）を示す。縦軸はK₂O
の重量％である。被膜の厚みは65μｍである。第
１１図は400℃で２時間再拡散した場合の基板、
被膜の面に直角な方向のカリウム（K₂Owt％）
濃度の測定値を示すグラフ。第１２図は400℃で
８時間再拡散した場合の基板、被膜の面に直角な
方向のカリウム（K₂Owt％）濃度の測定値を示
すグラフ。１……ガラス基板、２……被膜、３……拡散領
域、光導波路、高屈折率領域、４……アルミニウ
ム層、５……レジスト、６……溝。

Claims

【特許請求の範囲】１光導波路を形成すべき位置にカリウムイオン
が拡散されているナトリウムを含むガラス基板１
と、ガラス基板１の上にスパツタリングによつて
形成されたガラス被膜２と、ガラス基板１に拡散
されたカリウムイオンを、基板１及び被膜２の中
へ再拡散させる事によつて形成された光導波路３
とよりなり複屈折性を有する事を特徴とする光回
路素子。２光導波路を形成すべき位置に溝６を有するマ
スクパターンをナトリウムを含むガラス基板１の
表面に形成し、ガラス基板１をKNO₃を含む融液
に漬け溝６に沿うカリウムイオンの拡散領域３を
作り、さらにガラス基板１の上に同一素材のガラ
スをスパツタリングによつて拡散領域３を埋込む
被膜２を堆積させ、ガラス基板１、被膜２を一様
加熱又は分布加熱してカリウムイオンを再拡散さ
せて、一様な、又は長手方向に幅、厚み、屈折率
が変化し複屈折性を有する光導波路を形成する事
を特徴とする光回路素子の製造方法。