JPH05313032A - 光導波路の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エバネッセント結合による導波路型光センサ
に有用な低損失の光導波路をイオン交換により作製する
方法を提供する。 【構成】 最初にガラス基板２に第１のイオン交換制御
マスク４を形成し、このマスクに導波路パターンの開口
４Ａを設け、この基板２を屈折率を上昇させ得る陽イオ
ンを含む溶融塩に浸漬して第１のイオン交換を行う。し
かる後基板２からマスク４を除去し、形成されている光
導波路１の一部分に、第２のイオン交換制御マスク５を
形成する。例えば回折格子状のパターンをガラス基板２
の中央付近に光導波路１に沿って５ｍｍの長さにわたっ
て作製する。第２マスク５が作製されたガラス基板２の
両面をそれぞれ独立に、屈折率を下降させ得る陽イオン
を含む溶融塩に接触させ、マスク５の付いている側を正
電位として、ガラス基板２に電界を印加して第２のイオ
ン交換を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオン交換による光導
波路の作製方法に関し、特にエバネッセント結合による
導波路型光センサ等に有用な低損失の光導波路を作製す
る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラス基板中に光導波路を作製する方法
として二段電界印加イオン交換法が知られている。この
方法では、最初にガラス基板表面をイオン透過防止機能
のある被膜で被覆するとともに、この被膜に所定の光導
波路パターンの開口を設けて第１のイオン交換制御マス
クとする。次に、このマスク被覆ガラス基板を、基板ガ
ラスの屈折率を上昇させ得る陽イオンを含む溶融塩に浸
漬して第１段のイオン交換処理を行う。この第１段イオ
ン交換処理の後、基板からマスク被膜を除去する。

【０００３】次いで、基板のマスクで被覆されていた面
及び裏面をそれぞれ独立に、屈折率を下降させ得る陽イ
オンを含む溶融塩に接触させ、マスクで被覆されていた
面を正電位として基板に電界を印加して第２段イオン交
換処理を行うことにより導波路を基板肉厚内に埋め込
む。

【０００４】上述した二段電界印加イオン交換法による
と、標準的な単一モード光ファイバとの結合損失が一箇
所当たり０．２ｄＢ以下、伝搬損失が０．１ｄＢ／ｃｍ
以下の極めて低損失な単一モード導波路が作製可能であ
り、光ファイバ通信に用いる分岐合流等の導波路デバイ
スの製作に適用されていた。この方法で作製した光導波
路の側断面図を図２に示す。導波路１は断面円形でガラ
ス基板２中に一様に埋め込まれ、埋め込み深さは基板表
面から１５〜２０μｍ程度である。

【０００５】一方、エバネッセント結合による導波路型
光センサ等には従来、ニオブ酸リチウム結晶基板にＴｉ
拡散で作製した単一モード導波路や、前述した二段イオ
ン交換法のうちの第１段のイオン交換処理工程のみで作
製した単一モード導波路が用いられていた。一例とし
て、後者の方法で作製した光導波路の側断面を図３に示
す。導波路１は半円形でガラス基板２の表面に作製され
ており、油などの被測定物質３が導波路１の表面に付着
した場合は、強いエバネッセント結合が得られ、導波路
の挿入損失が大きく変化するため、高感度な光センサが
作製可能であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図２に示した従来の光
導波路は極めて低損失であるため、光ファイバ通信用に
は特に不具合は生じず、良好な分岐合流器等の光デバイ
スが作製できていた。しかし光センサ用に使用する場合
は、導波路が埋め込まれていてエバネッセント波の基板
表面への滲み出しが非常に小さいため、被測定物質が導
波路の表面に付着しても導波路の挿入損失はほとんど変
化せず、光センサとして使用できなかった。

【０００７】前述した二段イオン交換法の第２段イオン
交換処理工程の条件を調整して、埋め込み深さを数μｍ
〜１０μｍにすれば、エバネッセント波の基板表面への
滲み出しが大きくなって光センサとして使用できるが、
導波路のモードフィールド径が楕円になるため、単一モ
ードファイバとの結合損失が一箇所当たり０．３〜０．
５ｄＢに増加する問題があった。また光センサの感度
は、導波路の埋め込み深さと被測定物質の屈折率によっ
て決まるため、被測定物質の種類によって第２イオン交
換処理工程の条件を調整しなければならないという問題
があった。

【０００８】一方、図３に示したタイプの光導波路で
は、高感度が得られるものの、単一モードファイバとの
結合損失が一箇所当たり０．５〜０．８ｄＢ、伝搬損失
が０．２〜０．３ｄＢ／ｃｍと大きく、表面に被測定物
質が付着した場合の光導波路の挿入損失増加も５〜１０
ｄＢと非常に大きい問題があった。従って、光センサを
多段に直列に接続したシステムでは伝送マージンが小さ
くなり、接続個数が制限されてしまう問題があった。

【０００９】さらに、ＣＶＤ法などでバッファ層として
基板表面に光導波路よりも屈折率の低い物質（例えばＳ
ｉＯ₂など）を数μｍ〜１０μｍ程度付着すれば、被測
定物質付着時の挿入損失の増加を小さくでき、光センサ
の感度や、被測定物質が付着した場合の光導波路の挿入
損失増加量も調整できるが、製作工程が複雑になる問題
があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記従来の問題を解決す
るために本発明では、前述の二段電界印加イオン交換法
による光導波路の作製方法において、第１イオン交換処
理工程後に、基板表面に形成された光導波路の一部に第
２のイオン交換制御マスクを形成して第２イオン交換処
理を行い、第２イオン交換制御マスクを形成した部分の
光導波路の埋め込み深さを他の部分よりも小さくするこ
とにより、光導波路の埋め込み深さを部分的に変化させ
るものである。

【００１１】

【作用】第２のイオン交換制御マスクを形成した部分の
み、光導波路の埋め込み深さを小さくすることにより、
単一モードファイバとの結合損失や伝搬損失が小さく、
かつ、エバネッセント波の基板表面への滲み出しが有
り、光センサとして使用可能な光導波路が実現できる。

【００１２】また、埋め込み深さと、埋め込み深さの小
さい部分の長さを調整することにより、第２イオン交換
処理工程の条件を変更することなく、光センサの感度と
被測定物質が付着した場合の光導波路の挿入損失増加量
を容易に調整できる光導波路を実現できる。

【００１３】

【実施例】以下本発明を図１に示した一実施例に基づき
詳細に説明する。図１の（ａ）は、ガラス基板２に第１
のイオン交換制御マスク４を形成し、このマスクに導波
路パターンの開口４Ａを設けた状態を示している。ガラ
ス基板２は、ＮａイオンとＫイオンを含有するボロシリ
ケート系の光学ガラスであり、屈折率はｎｄ＝１．５１
である。第１のイオン交換制御マスク４はＴｉのスパッ
タ蒸着で成膜した。導波路パターンは直線状であり、フ
ォトリソグラフィとエッチング法により作製した。

【００１４】（ｂ）は、ガラス基板２の屈折率を上昇さ
せ得る陽イオンを含む溶融塩に、（ａ）で第１のイオン
交換制御マスク４が作製されたガラス基板２を浸漬して
第１のイオン交換処理を行った後の状態を示している。
この例では、Ｔｌイオン、Ｋイオン等を含有する溶融塩
を使用し、熱イオン交換をガラス基板２のガラス点より
も約１００℃低い温度で１時間行った。

【００１５】（ｃ）は、（ｂ）の第１イオン交換処理後
のガラス基板２から、（ａ）と同様のエッチャントを使
用して第１イオン交換制御マスク４を除去した後の状態
を示しており、基板表面に半円形の光導波路１が形成さ
れている。

【００１６】（ｄ）は、（ｃ）の第１イオン交換処理で
形成した光導波路１の一部分に、第２のイオン交換制御
マスク５を形成した後の状態を示している。この例で
は、第２イオン交換制御マスク５は、第１マスク４と同
様にＴｉのスパッタ蒸着で成膜し、フォトリソグラフィ
とエッチング法により、回折格子状のパターンをガラス
基板２の中央付近に光導波路１に沿って５ｍｍの長さに
わたって作製した。

【００１７】第２のイオン交換制御マスク５の回折格子
状パターンのマスク部分の幅は２μｍとした。また第２
のイオン交換制御マスク５のうち、両端から０．５ｍｍ
の領域では、回折格子状パターンの開口幅は、パターン
の開口面積が第２のイオン交換制御マスク５の無い部分
の９０％から５０％まで徐々に変化するように設定し
た。さらに、第２のイオン交換制御マスク５のうち、前
記領域以外の領域では、回折格子状パターンの開口幅は
２μｍに設定し、回折格子状パターンの開口面積が５０
％で一定になるようにした。

【００１８】（ｅ）は、（ｄ）で第２のイオン交換制御
マスク５が作製されたガラス基板２の両面をそれぞれ独
立に、屈折率を下降させ得る陽イオンを含む溶融塩に接
触させ、第１のイオン交換制御マスク４の付いていた
側、すなわち第２のイオン交換制御マスク５の付いてい
る側を正電位として、ガラス基板２に電界を印加して第
２のイオン交換を行った後の状態を示している。

【００１９】この例では、Ｋイオンを含有する溶融塩を
使用し、第１のイオン交換よりも約５０℃高い温度で電
界強度＝５０Ｖ／ｍｍで１時間電界印加イオン交換を行
った。

【００２０】（ｆ）は、（ｅ）の第２のイオン交換後の
ガラス基板２から、（ａ）と同様のエッチャントを使用
して第２のイオン交換制御マスク５を除去した後の状態
を示している。この例では、光導波路の埋め込み深さ
は、第２イオン交換制御マスク５の無かった部分で約１
５μｍ、第２のイオン交換マスク５の中心部分で約７μ
ｍであった。

【００２１】上述した実施例において作製された光導波
路は、波長１．３μｍで単一モードであり、３５ｍｍの
長さの導波路の過剰損失は約１．０ｄＢと低損失であっ
た。損失の内訳は、単一モードファイバとの結合損失が
一箇所あたり０．１５ｄＢ、伝搬損失が０．０６ｄＢ／
ｃｍ、埋め込み深さが変化している領域での放射損失が
一箇所あたり０．２５ｄＢであった。また、導波路に屈
折率ｎｄ＝１．５２の油を塗布した結果、光導波路の挿
入損失が約１．０ｄＢ増加した。

【００２２】本実施例では、第２のイオン交換制御マス
ク５の中心部分の開口面積は、第２のイオン交換制御マ
スク５の無い部分の５０％としたが、開口面積が３０％
から８０％の範囲では、導波路の埋め込み深さが開口面
積とほぼ比例するので、光センサシステムの伝送マージ
ンや雑音、及び被測定物質の屈折率に応じて、必要な感
度が得られるように開口面積を決めればよい。

【００２３】また、第２のイオン交換制御マスク５の長
さは５ｍｍとしたが、センサの感度及び、被測定物質が
付着した場合の光導波路の挿入損失増加量は、第２のイ
オン交換制御マスク５の長さにほぼ比例するので、前記
開口面積と同様に光センサシステムの伝送マージンや雑
音と被測定物質の屈折率に応じて、第２のイオン交換制
御マスク５の長さを決めればよい。

【００２４】すなわち、第２のイオン交換制御マスク５
の中心部の開口面積と長さを調整することにより、導波
路の作製工程を変更することなく種々の光センサシステ
ムや被測定物質に応じた低損失の導波路型光センサが簡
単に実現できる。

【００２５】なお本実施例では、光導波路の埋め込み深
さが変化している領域での放射損失は一箇所あたり０．
２５ｄＢであったが、第２のイオン交換制御マスク５の
開口面積を変化させている領域の長さを長くして、埋め
込み深さの変化をより緩やかにすれば低減できる。

【００２６】以上本発明を一つの実施例に基づいて説明
したが、実施例以外に種々の作製方法を採り得る。例え
ば、本実施例では第２のイオン交換制御マスク５として
Ｔｉ膜を使用したが、ＳｉＯ₂のように光導波路１より
も屈折率が小さく、イオン透過防止機能をもつ物質であ
れば、第２のイオン交換処理を行った後、第２のイオン
交換制御マスク５を除去しないで使用することができ
る。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、エバネッセント結合に
よる導波路型光センサを低損失化でき、また、光センサ
システムや被測定物質の屈折率に応じて、センサ感度や
被測定物質が付着した場合の挿入損失増加量の調整が容
易な光導波路を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）ないし（ｆ）は本発明の一実施例を段階
的に示す断面図

【図２】従来の二段電界印加イオン交換法により作製し
た光導波路を示す横断面及び側断面図

【図３】従来の一段の熱イオン交換処理で作製した光導
波路を示す横断面及び側断面図

【符号の説明】

１ 光導波路 ２ ガラス基板 ３ 被測定物質 ４ 第１のイオン交換制御マスク ４Ａ パターン開口 ５ 第２のイオン交換制御マスク

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラス基板表面をイオン透過防止機能の
   ある被膜で被覆するとともに、該被膜に所定の光導波路
   パターンの開口を設けて第１のイオン交換制御マスクと
   し、このマスク被覆ガラス基板を、基板ガラスの屈折率
   を上昇させ得る陽イオンを含む溶融塩に浸漬してイオン
   交換処理を行った後、前記基板から前記マスクを除去し
   て基板表面に光導波路を形成する第１のイオン交換処理
   工程と、前記基板のマスクで被覆されていた面及び裏面
   をそれぞれ独立に、屈折率を下降させ得る陽イオンを含
   む溶融塩に接触させ、前記マスクで被覆されていた面を
   正電位として基板に電界を印加してイオン交換を行うこ
   とにより導波路を基板肉厚内に埋め込む第２のイオン交
   換処理工程、とからなる二段電界印加イオン交換法によ
   る光導波路の作製方法において、第１のイオン交換工程
   終了後に形成された光導波路の一部に第２のイオン交換
   制御マスクを形成して前記第２のイオン交換を行うこと
   により、光導波路の埋め込み深さを部分的に変化させる
   ことを特徴とする光導波路の作製方法。