JPH0791091B2 - 低損失埋込み導波路の製造方法 - Google Patents

低損失埋込み導波路の製造方法

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JPH0791091B2 JP1288511A JP28851189A JPH0791091B2 JP H0791091 B2 JPH0791091 B2 JP H0791091B2 JP 1288511 A JP1288511 A JP 1288511A JP 28851189 A JP28851189 A JP 28851189A JP H0791091 B2 JPH0791091 B2 JP H0791091B2
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    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C21/00—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface
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Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、低損失な埋込み導波路の製造方法に関し、特
に単一モードファイバとの直接結合の結合損失が小さく
伝搬損失が低い単一モード導波路の製造方法に関する。
〈従来の技術〉 光ファイバ通信システムを構成するために、種々の機能
を持った単一モード導波路デバイスが必要とされてい
る。イオン交換法はこの様なデバイスを安価に製造でき
る方法のひとつである。本発明者らは既にこのために2
段熱イオン交換法を新しく提案しその有効性を実証し
た。その製造法はエレクトロニクスレターズ誌(Electr
onics Letters)1988年第24巻1258頁に述べられてお
り、さらに特願昭62−39891(特開昭63−206709)には
望ましい作製条件を詳しく開示した。この方法を使え
ば、モードフィールド径が約9μmの標準的な単一モー
ドファイバに対して結合損失が0.25〜0.35dBで、伝搬損
失が0.1〜0.2dB/cm程度の単一モード導波路を比較的簡
単に製造することができる。
〈発明の解決しようとする問題点〉 しかし、前述の従来方法では結合損失がやや高い問題点
があった。このため過剰損失が1dB以下の極めて低損失
なデバイスを製造するのはやや困難であった。この問題
点は従来公知の電界印加イオン交換法、特に2段電界イ
オン交換法(少なくとも第2段のイオン交換の最中に電
界を印加する方法)を使えば解決できるが、そのために
はかなり面倒な製造方法を使う必要があり、安価な大量
生産が不可能であった。
〈問題点を解決するための手段〉 本発明は前記の従来方法の問題点を解決するために、簡
便な新しいイオン交換法を提供するものであり、本発明
による低損失埋込み導波路の製造方法は3段階の工程か
らなっている。
第1段ではガラス基板上に成膜され所定の導波路パター
ンが形成されたイオン交換制御膜を通して熱イオン交換
を行なう。導波路パターンは、マスクを用いるフォトリ
ソグラフィもしくは電子ビーム直接描画のフォトリソグ
ラフィとエッチング法とにより形成できる。ガラス基板
はイオン交換に適するような組成であることが望まし
く、Naイオン、Kイオン等の1価イオンを一定量含有し
ていることが必要である。溶融塩はドープする第1の1
価イオン、例えばガラス基板の屈折率を増加させる1価
イオン(Tlイオン、Agイオン等)を一定量含有すること
が必要である。溶融塩としては硝酸塩と硫酸塩のいずれ
でも使用できる。この塩はイオン交換温度で溶融してい
ることが必要であり、このため適当な組成が採用され
る。イオン交換中は溶融塩の均質性を得るため撹拌する
ことが望ましく、また均質性や再現性の向上のため溶融
塩の温度は場所によらず均一であることが望ましい。
第2段では、イオン交換制御膜を除去した後、溶融塩に
浸漬せず第1段のイオン交換の温度に近い温度において
ガラス基板に垂直に電界を印加してアニールする。電界
の印加方向は導波路作製側を正電位、反対側を負電位と
する。この工程により、第1段イオン交換でほぼ等方的
に拡散された第1の1価イオンをガラス基板の深さ方向
にさらに押し下げることを行う。この工程は、ガラス基
板を負電位に接続した金属の電極板の上に導波路側を上
にして乗せ、正電位に接続した金属の電極板をガラス基
板の上に乗せ電界を印加することで容易に実現できる。
これ以外に、対向させた平行電極板の間に配置しても同
様の効果を実現できる。また、電極として基板から独立
した電極板の代わりに、基板に成膜した金属薄膜を用い
ることもできる。なお、特殊な効果を生じさせるため
に、電極板を平行でなくすることも用いられる。
第3段では、第1段のイオン交換の温度に近い温度にお
いてガラスの全面を通して熱イオン交換を行なう。この
時、溶融塩は第1段でドープした第1の1価イオンと置
き替わって屈折率を減少させる別の1価イオン、例えば
Kイオン、Naイオン、Liイオン等を、一定量含有するこ
とが必要である。
本発明にかかる低損失埋込み導波路の製造方法は、従来
全く知られていない新しい方法である。特公昭61−1448
8「光導波路の製造方法」には、金属薄膜をガラス等の
表面から内部へ加熱時に電界をかけて浸透させる技術が
開示されているが、本発明とは次の点で異なる。第1
に、本発明では金属膜ではなく第1段のイオン交換でガ
ラス内部に第1の1価イオンをまず拡散させる。第2
に、電界印加状態のアニールで拡散されたイオンをガラ
ス内部へ押し下げるが、本発明では最も高い屈折率のと
ろこは依然としてガラス表面付近である。第3に、本発
明では第2段のイオン交換により初めて表面の高い屈折
率の部分が取り去られ、ガラス基板内部に結果的に高い
屈折率の部分が形成される。
特開昭60−256101の「ガラス部材への光学素子形成方
法」では、ガラス部材を加熱した状態で電界を印加して
イオンの分布を変化させる方法が開示されているが、こ
の方法だけでは、本発明の導波路は作製できない。ま
た、この方法はもともとガラス内部に含有されるイオン
を電界で移動させるだけの方法であり、本発明のイオン
拡散、イオン移動、イオン除去の3段階からなる方法と
は考え方が全く異なる。
〈作用〉 本発明によれば、面倒な製造方法を必要とする電界印加
イオン交換法を使わずに、単一モードファイバに対しそ
れとほぼ同等の結合特性有しかつ低損失な導波路を簡単
に製造することができる。
〈実施例〉 第1図(a)ないし(d)は、本発明による低損失埋込
み導波路の製造方法を段階的に示す断面図である。図の
(a)は基板にイオン交換制御膜を形成する工程、
(b)は第1のイオン交換工程、(c)は電界印加アニ
ール工程、(d)は第2のイオン交換工程を表してい
る。図中10はNaイオンとKイオンを含有するボロシリケ
ート系のガラスの基板である。この基板10はFeイオン等
の不純物の含有の極めて少ない光学級の透明ガラスであ
る。11はTiのスパッタ蒸着で成膜されたイオン交換制御
膜であり、図に示されていないマスクの所定の導波路パ
ターンをフォトリソグラフィとエッチング法で転写され
てなる開口部12を持っている。1は溶融塩2、6を入れ
る耐熱容器である。2は基板10の屈折率を増加させるTl
イオンを少量含有し、その他にKイオン等も含有する第
1の溶融塩である。3はイオン交換中のイオン濃度の空
間分布を一定に保持するために溶融塩2を撹拌するスタ
ーラである。13、14はイオン交換制御膜11を除去した基
板10を挟む様に配置された金属の第1、第2の電極板で
ある。15、16は電極板13、14にそれぞれ接続された導線
である。導線15、16の終端には直流電圧源5が接続され
ており、第1の電極板13に正電位を、第2の電極14に負
電位を印加する。6は屈折率が増加された基板1の屈折
率を低減するKイオンを一定量含有する第2の溶融塩で
ある。
実施例では、第1のイオン交換条件はイオン交換温度を
ガラス転移点温度付近とし、イオン交換時間t1を第1の
1価イオンの見かけの拡散定数をDとして、D・t1=12
(μm2)であるように定めた。電界印加アニール工程
では、温度を第1のイオン交換工程の温度より30℃さげ
た温度で、基板1の厚み3mmに対して600Vの電圧即ち200
V/mmの電界を20分間印加した。
第2のイオン交換条件はイオン交換温度を第1のイオン
交換工程の温度と同一にして、イオン交換時間t2を第1
の1価イオンの見かけの拡散定数をDとして、D・t2=
5.5(μm2)であるように定めた。
第1、第2のイオン交換温度はガラス転移温度の+10°
ないし−80°範囲が使用される。これ以上高い温度では
イオン交換中のガラス基板の変形が大きく、これ以上低
い温度ではイオン交換が遅すぎて時間がかかってしま
う。t1とt2の選定については、D・t1>D・t2とするこ
とが望ましい。この条件が満たされない場合は、ガラス
基板内に形成される屈折率分布領域の屈折率差Δnが小
さすぎ十分な導波が実現されない。電界印加アニール工
程の温度はイオン交換温度もしくはそれ以下の温度が望
ましい。一般にこの電界印加アニール工程では、その温
度での1価イオンの自然拡散よりも電界を印加した方向
へのイオンの移動の効果が大きくなるように、温度と印
加電界の大きさと時間を設定することが必要である。
第2図(a)ないし(c)は、第1図の本発明の製造工
程において基板1の導波路の垂直断面における第1の1
価イオンの濃度分布の等濃度線を示す図である。図
(a)は第1のイオン交換工程後、(b)は電界印加ア
ニール工程後、(c)は第2のイオン交換工程後の状態
を表している。
上記の実施例において、第1のイオン交換過程により、
その断面がほぼ半円形のイオン濃度分布が形成される。
屈折率分布はこの分布とほぼ一致する。この分布の偏平
比(最大濃度の10%となる等濃度線の横方向直径と深さ
の比)は約2.3であった。この時の開口部中心を通る中
心線上の濃度分布は第2図(a)の右側の図の様であ
り、ほぼ補誤差関数で近似できる分布であった。
電界印加アニール工程により、このイオン濃度分布は基
板の深さ方向に押し下げられた第2図(b)の様にな
る。この分布の偏平比(最大濃度の10%となる等濃度線
の横方向直径と深さの比)は約1.2であった。この時の
開口部中心を通る中心線上の濃度分布は第2図(b)の
右側の図の様であり、深さ方向に伸展された補誤差関数
に近い分布であった。
第2のイオン交換工程により、このイオン濃度分布は基
板表面より約8μmの深さに中心を持つほぼ円形の形状
の第2図(c)の様になる。この分布の偏平比(最大濃
度の10%となる等濃度線の横方向直径と縦方向直径の
比)は約1.0であった。この時の開口部中心を通る中心
線上の濃度分布は第2図(c)の右側の図の様であり、
最大値の位置を中心としてほぼ上下に対称な分布であっ
た。
上述した実施例において製造された導波路は単一モード
導波路であり、標準的な単一モードファイバへの直接結
合の結合損失が0.15dBであった。この値は従来の2段階
イオン交換法の同損失より約0.2dB低減した極めて小さ
いものである。伝搬損失は波長1.3μmと1.55μmにお
いて約0.1dB/cmの低い値であった。この低損失性は導波
路が基板10の内部に埋込まれているため表面での散乱損
失を受けないからである。
以上本発明を1つの実施例に基づいて説明したが、実施
例以外に種々の製造条件が当然有り得る。例えば、実施
例では空気中で電界を印加したが、空気以外の絶縁体例
えば真空中で電界を印加してもよい。
また。電界印加アニール工程と第2のイオン交換工程を
連続的に行ってもよい。
〈発明の効果〉 本発明によれば、単一コードファイバとの接続損失が0.
1dB台と小さく伝搬損失も低い単一モード導波路を比較
的簡単に製造できる。この低損失埋込み導波路の製造方
法は特殊な製造装置や部品がいらずに導波路が大量に製
造できるので、製造コストを低く抑えることができる。
実際のコストを比較すると、従来の2段熱イオン交換法
による導波路コストを1.00とした時、本発明の低損失埋
込み導波路の製造方法による導波路コストは1.25である
のに対し、従来の2段電界印加イオン交換法による導波
路コストは3.50であった。
以上の効果からわかるように、本発明の製造方法は低損
失埋込み導波路を提供でき、同時に画期的なコストダウ
ンを実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)ないし(d)は、本発明による低損失埋込
み導波路の製造方法の工程を段階的に示す断面図であ
り、第2図は第1図(b)(c)(d)各工程の後の導
波路の垂直断面の第1の1価イオンの濃度分布を示す図
である。 1……容器 10……基板 11……イオン交換制御膜 12……開口部 2、6……溶融塩 3……スターラ 4……電気炉 5……直流電圧源 13、14……電極板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 茂 大阪府大阪市中央区道修町3丁目5番11号 日本板硝子株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−169601(JP,A) 特開 昭58−167453(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】1価のイオンを含有してイオン交換可能な
    ガラスの基板上に成膜され所定の導波路パターンが形成
    されたイオン交換制御膜を通して、前記基板の屈折率を
    増加させ得る第1の1価のイオンを含有する第1の溶融
    塩に浸漬して熱イオン交換を行なう第1のイオン交換工
    程と、前記基板より前記イオン交換制御膜を除去するエ
    ッチング工程と、前記第1のイオン交換工程の温度と近
    い温度において、溶融塩に浸漬することなしに、前記イ
    オン交換制御膜の付いていた側を正電位として前記基板
    にほぼ垂直に電界を印加し、前記第1の1価イオンを前
    記基板の深さ方向に押し下げる電界印加アニール工程
    と、前記基板の前記第1のイオン交換工程によって屈折
    率の増加した部分の屈折率を下げ得る第2の1価のイオ
    ンを含有する第2の溶融塩に浸漬して、前記基板の全面
    から熱イオン交換を行なう第2のイオン交換工程を、こ
    の順で行なうことを特徴とする低損失埋込み導波路の製
    造方法。
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