JPH0536761B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明はガラス等の基板に光導波路を形成す
る方法に関する。特にグレーデイドインデツクス
型の光フアイバとの結合性が良好である屈折率二
乗分布型の光導波路の形成を目的とする。

この方法はグレーデイドインデツクス型光フア
イバとの結合が良好であるので、光通信用伝送コ
ンポーネント、光IC、光センサ用コンポーネン
トなどの製造に用いる事ができる。このように光
通信、光応用計測制御用のコンポーネント製造技
術として広い用途を持つ。

屈折率二乗分布というのは、コアの屈折率が、
コア中央で高く、中央から離れるに従つて距離ｒ
の２乗に比例して減少する分布を意味する。光フ
アイバにはステツプインデツクス、グレーデイド
インデツクスの２種類ある。前者はコアの屈折率
が一定である。後者はコアの屈折率が２乗分布し
ている。

光フアイバと光導波路とを接合したとき、コア
の径と導波路の径が一致しており、屈折率も同一
であることが望ましい。それだけでなくコア内部
の屈折率分布も同一である方がモード変換ロスが
少ないのでより望ましい。

本発明はグレーデツドインデツクス型フアイバ
と良好に結合できる屈折率二乗分布を有する光導
波路の製造方法に関する。

ガラスはNa⁺イオン、K⁺イオンなどのイオン
を含む。これらイオンの電子分極率が屈折率を決
める。それゆえこれらのイオンをより高い電子分
極率を持つイオンによつて置換すると屈折率を局
所的に高める事ができる。例えばNa⁺，K⁺イオ
ンをAg⁺イオンなどで置換する。屈折率の増加
は、置換量に比例する。それゆえ空間的な屈折率
分布はイオンの置換量分布と等価のものとして論
じることができる。

従来技術 J.Viljanen et al.，“Fabrication of optica
lstrip wave guides with nearly circular cross
section by silver ion migration technique，”
J.Appl.Phys.Vol.51，No.7，p3563（1980） は第１図に示すような光導波路の製造方法を提案
している。これは面対称になるように、２枚のガ
ラス基板の上に光導波路を形成しこれらを貼りあ
わせたものである。半円状の高屈折率領域を作り
貼り合わせるので円状の高屈折率領域ができる。
これは電界の作用によつて銀イオンAg⁺をガラス
内部へ浸透させて高屈折率領域を作る。第２図に
電界印加の構成を示す。１はAgの薄膜パターン、
２はガラス、３はＡの電極である。30Vの電圧
を加え220℃に加熱して銀イオンを移動させてい
る。

製造方法は次のようである。

(1) ソーダガラス２上に厚さ0.2〜1μmの銀の薄
膜パターン１をフオトリソグラフイによつて作
製する。

(2) ガラス２の両面に、アルミニウム層３，３を
蒸着する。これが電極となる。

(3) 220℃に加熱し、銀のある方をプラス極とし
てＡ電極間に30Vの電圧を印加する。Ag⁺イ
オンは正イオンであるから、静電界のためガラ
ス中へ引寄せられる。ソーダガラス中には
12.8wt％のNa₂Ｏが含まれる。このNa₂Ｏが
Ag⁺とイオン交換する。イオン交換といつても
もともとガラス中に存したNa⁺は電界のため陰
極へ引寄され、ここへAg⁺イオンが入つてく
る。Na⁺もAg⁺も進行方向は陽極から陰極に向
う方向である。

(4) 電圧印加を中止する。第３図のグラフC₁
（ｘ，０）が最初のイオン濃度分布を示す。電
界によるマイグレーシヨンであるので角形（階
段形）に近い銀濃度分布が得られる。これは深
さ方向に5μm程度しか拡がつていない。こんど
は温度を220℃から370℃に高めて熱によつてさ
らに同じAg⁺イオンを拡散する。370℃の熱拡
散を２時間（7200秒）行つた。これがC₁（ｘ，
7200）曲線である。第３図の縦軸の1.0という
値は、ソーダガラス中に約12.8重量％存在して
いる全Na⁺イオンが全てAg⁺イオンと交換され
ていることを示す。(4)の操作はAg⁺イオン濃度
が高くなりすぎるのでこれを矯正するためであ
る。

このように(1)〜(4)の方法で得られた対称のガラ
ス２枚を重ねて貼り合わせる。こうして第１図に
示すような光導波路が得られる。これはガラスの
丁度中央の深さに導波路を作ることができる。

しかしこの方法は、完全に面対称である位置に
Ag⁺の分布を持つた２枚のガラスを作らなければ
ならない。これが難しいことはいうまでもない。
また２枚のガラスを貼り合わせても空隙が生ずる
ので光の伝搬損失が大きくなる。接着剤の屈折率
が導波路の屈折率と異なる場合は境界で光が散乱
される。

このような難点の他に、屈折率の２乗分布をこ
れによつて作るのは難しいという事がある。

T.Izawa et al.，“Optical waveguide
formed by electrically induced migration of
ions in glass plates，”Appl.Phys.Lett.，
Vol.21，No.12，p584（1972） は溶融塩の中にガラス基板を浸漬し電界を加えて
Ag，Ｔイオンをガラス基板中に輸送する方法
を提案している。第４図にその構成を示す。容器
１１の中にAgイオン、あるいはＴイオンを含
んだ溶融塩（AgNO₃融液、ＴNO₃融液）１２
が入つている。この中にガラス１３が漬けられて
いる。ガラス１３の下方の液中に電極１４（ptな
ど）がある。ガラス１３に窪みを作りここにも溶
融塩が入つており、ここにもうひとつの電極１５
を設ける。熱電対１６によつて溶融塩の温度を監
視している。この方法は基板を加熱しておいて電
界の作用によりAgイオンなどを基板中へ輸送す
るものである。

(A) 溶融塩１２の中に（ナトリウムガラス又はカ
リウムガラスである）ガラス１３を入れる。陽
極１４と陰極１５との間に電圧を印加する。
液、ガラスともに加熱する。加熱されているの
でガラス中でのイオンの移動度が高まり、Ag⁺
イオン、Ｔ⁺イオンが電界の作用でガラス内
部に入つてゆく。このようにして第５図ａに示
すような屈折率分布が得られる。Ag⁺イオンな
どの濃度が屈折率にほぼ比例するから、Ag⁺イ
オン濃度のかわりに屈折率を縦軸としている。

(B) 溶融塩を取り替える。ガラス中にもともと存
在したナトリウム又はカリウムのイオンを含む
溶融塩とする。固体原料を同じように加熱し同
じように電界をかける。これによつて再びイオ
ン交換が行われる。Ag⁺イオンがガラス基板中
を上方へ移動し、Na⁺イオンが基板下面から進
入してくる。すると第５図ｂに示すような屈折
率分布ができる。

この方法は電界輸送を２回用いてガラスの内部
に局所的な高屈折領域を作ることを可能にする。
しかし電界による輸送であるから、イオン分布が
ある領域で一定値になり、第５図ｂのように、極
大部が平坦なグラフになる。これではグレーデイ
ドインデツクス型光フアイバとの結合性が悪い。
ステツプインデツクス型光フアイバに対してはこ
れでよいのであるが、本発明はグレーデイドイン
デツクス型光フアイバとの結合性を問題にするの
でこれではいけない。

特公昭50−38342号は熱拡散を否定する。熱拡
散では表面近傍のみに銀イオンが高濃度に存在し
ガラスの内部まで入つてゆかないからである。そ
こで電界によるイオン輸送を２回行う。溶融塩の
中にガラスを漬けて、上下に設けた電極に電圧を
印加し、電界の力によつて銀イオンをガラス中へ
導入する。すると階段函数的な銀イオンの分布が
得られる。ついで溶融塩をNaNO₃，KNO₃など
にかえて同じ電界輸送を行う。するとやはり第５
図ｂに示すように平坦な屈折率分布の高まりを得
ることができる。

発明者（伊澤達夫）が前記のAppl.Phys.Lett.，
vol.21，No.12，p584（1972）に合致するので両者
は同じ発明思想を表わしているものと考えられ
る。

これは電界輸送を２度行つて角形の高屈折率領
域分布を作り出している。これらは熱拡散を否定
している。また電界を時間の函数として変化させ
るという思想は全くない。

発明の開示 そこで本発明者は、２乗分布屈折率領域を作る
ため、第１段階では電圧を時間とともに直線的に
増加させて、高分極率を有するイオンを電界輸送
によりガラス中に導入し、第２段階ではNa，Ｋ
などの溶融塩中で熱拡散により表面近くにNa，
Ｋなど低分極率イオンを導入し、同時に内部の
Agなどのイオン濃度分布を２乗分布に近づける
ようにした。つまり時間変化する電界輸送＋熱拡
散の２段階法である。

屈折率を上げるAg⁺イオンなどを熱拡散によつ
てガラスの中に導入することは、表面近くのみで
イオン濃度が高くなるので、内部に光導波路を作
るためには役に立たない方法であると思われてき
た。実際そうなのである。だから第１段階でAg⁺
イオンなどをガラス中に導入するためには電界輸
送を用いる。しかし第２段階でもとのイオンNa⁺
などを表面近傍に導入するためには熱拡散を用い
るのである。Na⁺イオンなどを導入するのは表面
近傍の屈折率を下げて高屈折率部分を内部へ閉じ
こめるためである。だから、Na⁺イオンなどは表
面からあまり遠くへまで拡がる必要はない。熱拡
散の難点は表面から遠い地点までイオンを運ぶこ
とができないというところにある。しかしNa⁺な
どもともとガラスに含まれ屈折率を下げるための
イオンは遠くまで拡がる必要がないのであるか
ら、熱拡散でよいのである。

熱拡散を第２段階に行うことの利点は、実は先
にガラス中に入つた高分極率イオン（Ag⁺，Ｔ
^＋など）の鋭い分布を次第に円やかな分布に矯正
し、これを２乗分布に近付けるところにある。

また第１段階の高分極率イオンの電界輸送の
際、電界を時間とともに増加させ次第にイオン流
を増やしてゆくという事も本発明の特徴のひとつ
である。電界を一定にするとイオンの分布が階段
函数的になり、２乗分布になりにくい。そこで電
界を時間とともに増加させる。こうすると第１段
階の電界輸送によつて片側が２乗分布に近いイオ
ン濃度分布を作り上げることができる。

以下図面により本発明の方法を説明する。

第６図は本発明の方法を実施するための装置の
断面を示す。第６図Ａはガラス基板２０を示す。
これはガラス基板２０の上にアルミニウム蒸着膜
２１を有する。第６図Ｂは正電極用アルミニウム
板を示す。これは矩形状の電極部とこれにＬ形に
つながる部分をもつ。また電極部中央に孔を有す
る。

第６図に於て、テフロン板２５，２５，２５が
ガラス基板２０、アルミニウム蒸着膜２１の上下
に積層される。ガラス基板２０の上に２枚のテフ
ロン板２５があり、下に１枚のテフロン板２５が
ある。テフロン板２５，２５、ガラス基板２０、
アルミニウム蒸着膜２１、テフロン板２５の上と
下には真鍮板２６，２６が重ねられる。これら全
ての板をボルト２７が挿通しており、ナツトで締
めている。

また上方の真鍮板２６、第１テフロン板２５、
第２テフロン板２５を貫いていくつかの穴が穿た
れる。ひとつは熱電対挿入孔２９である。ここに
はテフロン円筒２８が挿入してありここへ熱電対
の先端が入れる。さらにひとつは硝酸銀装入孔３
０である。もうひとつは先述の正電極用アルミニ
ウム板２２を通す穴である。２番目のテフロン板
２５の一部がくり抜かれている。この空間は硝酸
銀融液２４を貯溜する。閉じられた空間に硝酸銀
融液２４が存する。この融液２４はガラス基板２
０の上面に接する。融液２４の上には正電極用ア
ルミニウム板がある。ガラス基板２０下面のアル
ミニウム蒸着膜２１は負電極となる。電極２１，
２２の間に直流電圧を加える。

すると硝酸銀融液２４からガラス基板２０の方
へ向う静電界が生ずる。Ag⁺イオンは静電界の力
でガラスの内部へ入つてゆく。硝酸銀は融液の状
態でなければならない。だから硝酸銀はその融点
以上に加熱しておかなくてはいけない。イオンの
移動度をμとすると、イオンはガラス基板中を
μEの速度で進行する。温度が高いほど移動度μ
は大きくなる。

移動度μを大きくするという点では高温である
ことが望ましい。しかし高温にすると熱拡散の影
響が大きくなりすぎて分布がなまつてくるのでか
えつてよくない。これはイオンの移動度μと拡散
係数Ｄの間にアインシユタインの関係Ｄ＝（kT／
ｑ）μが成立し、高熱になるとＤがμの増加より
も大きい速さで増大するという事による。ここで
ｋはボルツマン定数、ｑはイオンの電荷、Ｔは絶
対温度である。

電界によつてイオンを輸送する場合、従来、電
界強度は時間によらず一定としたものである。

しかし本発明では電圧を変え電流を変化させて
いる。第７図は硝酸銀融液の温度を220℃〜240℃
とし、電極２１，２２の間に直流電圧を加え、銀
イオンをガラス中へ導入した時の60分後のガラス
中の銀イオン分布を示す。横軸はガラス表面から
の深さ（μm）である。縦軸は銀濃度分率である。
このソーダガラスの中には12.8重量％のNa₂Ｏが
含まれる。Na₂ＯのNa⁺イオンの全てがAg⁺イオ
ンに置換えられた状態が銀濃度分率＝1.0という
ことである。

アは電圧を一定に保つた場合の分布である。電
流Ｊが一定（Ｊ＝ｃ）というふうに表わすことも
できる。6μm程度の深さまでほぼ一様に銀イオン
が分布する。単に階段函数にならず角がとれてな
めらかな曲線になるのは熱拡散が同時に進行する
からである。少なくとも０〜4μmまで銀濃度がほ
ぼ100％で一定である。この深さまで分布が平坦
である。平坦部が広過ぎる。

コア径が例えば５〜10μmのグレーデイツドイ
ンデツクス型光フアイバをこの導波路に結合した
とする。コアに対応する部分で屈折率が一定値を
とつてしまう。このため光導波路と光フアイバの
間でモード変換がおこる。光導波路の高屈折率部
の平坦部が広すぎる。グレーデイツドインデツク
ス型光フアイバに対応した２乗分布屈折率になら
ない。平坦部が０〜4μmまであるというのは広す
ぎる。

イは60分間の間一定の比率で電圧を増加させた
場合の銀濃度分布である。Ｊ＝ct／60という式で
表現できる。これは電圧をはじめ低くし徐々に上
げてゆくものである。深さ方向の拡りがアの場合
より浅くなる。しかし高屈折率の領域が狭くなつ
て、深さ０〜4μmの範囲でも銀濃度が徐々に減少
していつている。コア径が５〜10μmのグレーデ
イツドインデツクス型フアイバに於ては4μm程度
中央から離れるとかなり屈折率が下るものでなけ
ればならない。これはグレーデイツドインデツク
ス型光フアイバと良好に結合するものである。本
発明はこのようにＪ＝ctというふうに時間ととも
に電圧、電流を増加させてゆくものを採用する。

ウは最初に最大の電圧を加え、60分間の間少し
ずつ電圧を下げ電流を時間とともに減らした場合
を示す。Ｊ＝ｃ（１−ｔ／60）という式によつて
示すことができる。これは濃度の勾配がより低く
なり、二乗分布からより遠ざかる。本発明ではこ
れを採用しない。

以上が１段階目の電界輸送である。これまで公
知例として説明したものは、２段階目も電界輸送
して低分極率イオン（Na⁺，K⁺）をガラス表面
から導入するものであつた。しかし本発明はそう
でない。２段階目では電界をかけず熱拡散のみを
行う。

つまり上記のガラス基板を硝酸ナトリウム
（NaNO₃）の融液に浸漬する。融液であるから当
然融点以上に加熱されている。Na⁺イオンがガラ
スの表面から内部に向つて熱拡散してゆく。反対
にガラスの内部からいつたん進入したAg⁺イオン
が表面側へ向けて、或は内奥部へ向けて拡散す
る。表面側からAg⁺イオンの一部はNaNO₃の融
液に入る。他の一部は内奥部へ進む。Ag⁺分布の
ピークが低くなる。

全体として丸みを帯びた銀イオンの分布ができ
る。もしも２段階目も電界輸送とすると、角ばつ
た分布函数を十分に丸みを帯びた形状に整形する
ことができない。熱拡散の場合、十分な時間経過
したあとはガウス分布になる。ガウス分布のピー
クは本質的には２乗函数である。exp（−x²／
4Dt）という項を含み、これがｘの小さいときに
x²の項をもたらすからである。

本発明では２段階目は熱拡散としているので丸
みを帯びたピークとすることができる。このよう
に２段階目の整形が重要である。

第８図は第７図のア，イ，ウの分布について熱
拡散をした後のAg濃度分布を示す。

アは平坦部が広く残る。ピークの近傍に関して
二乗分布にはなるが光フアイバのコア径のように
小さい範囲で変化する二乗分布でない。したがつ
てシングルモードグレーデイドインデツクス型フ
アイバとの結合性が悪い。

イはピークがより丸くなる。グレーデイツドイ
ンデツクス光はフアイバの屈折率分布に近似した
二乗分布となりうる。これが最も望ましいもので
ある。

ウは屈折率の増大部が少なくて光の閉じこめが
不完全になることがある。

以上のべたように本発明は、電流量を徐々に増
大させる電界輸送と、熱拡散とによつて異種イオ
ンをガラスの中へ進入させる。これによつてグレ
ーデイツドインデツクス型光フアイバのコアの屈
折率変化に対応した屈折率変化を有する光導波路
を得る。つまりGI型光フアイバとの結合損失の
少ない光導波路を作ることができる。すぐれた発
明である。

【図面の簡単な説明】

第１図はJ.Viljanenらが提案した光導波路の模
式図。第２図はJ.Viljanenらが提案したAg⁺イオ
ンをガラスの中へ電界輸送する構成を示す断面
図。第３図は第２図の構造によつてJ.Viljanenら
が作つた導波路の銀濃度分布図。C₁（ｘ，０）は
電界輸送直後のグラフである。C₁（ｘ，7200）は
電界輸送後7200秒熱拡散した（イオン種を変えな
い）後の銀濃度分布図。第４図はT.Izawaらが提
案した、溶融塩の中にガラスを漬けて電界を加え
てイオンをガラス中に進入させる構成を示す断面
図。第５図はT.Izawaらが第４図の構造で得たガ
ラス中の屈折率分布曲線である。第５図ａは電界
輸送をした直後の分布曲線。第５図ｂは溶融塩を
ガラス中のイオン種を含むものにとりかえて、再
び電界輸送をしたあとの屈折率分布曲線。第６図
は本発明を実施するための電界輸送機構の概略断
面図。第７図は電界、電流を時間的に変化させあ
るいは変化させないときの銀濃度分率のグラフ。
いづれも60分間AgNO₃融液中で電界輸送してい
る。アは電界強度が一定である。電流も一定でＪ
＝ｃとかける。イは電界を時間とともに増加する
もので、電流もリニアに増加しＪ＝ct／60とかけ
る。ウは電流をリニアに低減したものでＪ＝ｃ
（１−ｔ／60）とかける。第８図は第７図の銀濃
度分布を有するガラスをNaNO₃融液中で熱拡散
処理したあとの銀濃度分布である。 １……銀の薄膜、２……ガラス、３……アルミ
ニウム薄膜、１１……溶融塩槽、１２……溶融
塩、１３……ガラス、１４……陽極、１５……陰
極、１６……熱電対、２０……ガラス基板、２１
……アルミニウム蒸着膜、２２……正電極用アル
ミニウム板、２３……負電極用銅板、２４……硝
酸銀融液、２５……テフロン板、２６……真鍮
板、２７……ボルト、２８……熱電対挿入孔、２
９……硝酸銀装入孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガラス状物質の基板中に高い屈折率層を作製
   する光導波路の製造方法において、高分極率イオ
   ンを含む溶融塩中に基板を漬け電界を印加し注入
   電流を時間とともに直線的に増加させて該基板の
   イオンと溶融塩中のイオンを交換し、次いで熱拡
   散イオン交換法によつて該基板に元来含まれてい
   たイオンを含む溶融塩中でこのイオンを該基板中
   に拡散させて基板中の屈折率分布を整形すること
   を特徴とする光導波路の製造方法。 ２ 該ガラス状物質がソーダガラスである特許請
   求の範囲第１項に記載の光導波路の製造方法。 ３ 溶融塩中で電界を印加して該基板中に浸透す
   べきイオンおよび該基板に元来含まれていたイオ
   ンを調整するためにそれぞれ硝酸銀および硝酸ナ
   トリウムを用いる、特許請求の範囲第１項または
   第２項に記載の光導波路の製造方法。 ４ 該ガラス状物質が石英ガラスである、特許請
   求の範囲第１項に記載の光導波路の製造方法。