JPS60191208A - 光回路素子とその製造方法 - 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】 （７）　技　術　分　野 この発明は光集積回路に用いられる、進行方向に沿って
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
路であった。

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・ファイバ結合器、又は、単一モード光ファイバ・
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。

導波路のパラメータが、進行方向に沿って、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
技術の確立か望まれる。

（イ）　従　来　技　術 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、幅が変化する先導波路を作製した。

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、硼硅酸カラスに、適当なマスクをし、（ｌｔｈ
酸＃融液中に漬け、カラス中の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か早く進行
し、弱く加熱した部分は再拡散か遅いので、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、スパッタリン
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
へも入ってゆく。

再拡散が進行すると、銀イオンの濃度は、楕円形状に拡
がってゆく。再拡散の温度が高く、時間か長い程等温度
曲線は拡がり、楕円から円に近づいてゆく。従って、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
った。

（つ）銀拡散導波路の欠点 銀を拡散した導波路は、そのままＲＦスパッタリングに
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スパッタの際
のスパッタ粒子のもっ熱エネル−ｔ’　−やターゲット
からの高速二次電子により、銀イオンか還元され、非結
晶が生ずるため、と考えられる。

←）本発明の光導波路 本発明に於てｉｄ、銀イオンをドーノクントとするかわ
りに、カリウムイオンをドーパントトじテ、先導波路を
作製する。

ガラスはＳｉ、、Ｂ、Ａ＃の酸ｆヒ物と、網目修飾酸化
物として、Ｂａ、Ｎａ、、にの酸化物とがらｆｆＱ成さ
れている。Ｎａ、にの酸化物の濃度はガラスによって異
なる。しかし、あるガラスの中では、Ｎａ、に酸化物の
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。

ところか、局所的にに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っている。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、従って光導波路を形成する事ができる
。

本発Ｆ３Ａは、カリウムをドーパントとしてガラス中に
拡散し、再拡散によっ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、図面によって、本発明の詳細な説明する。

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）　スパフタリングにより低損失の薄膜形成が可能
である。

（３）　線膨張係数が小さく、局所的加熱に耐える。

（４）　ガラス中の網目修飾酸化物のす）　ＩＪウムを
カリウムで置換える小によって、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、テンパックス（Ｔｅｍ
ｐａｘ）、マイクロシート（Ｍｉｃｒｏｓｈｅｅｔ　）
なとがある。

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。

第１表　カラスの組成、物性 （組成の佃は＋’％１２ｆｔ物の車量％で示しであるか
哉素以外の元素によって略記している） 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。従って、以下の説明で、カリウムの拡散領域
の小を、高屈折率領域、或いは光導波路と１けぷ事があ
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、通常のフォトリソグラフィー法を用いる。

第１図は、カラス基板１に、アルミニウム層４を蒸雇し
、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って露光し、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か除去さ
れ、溝６が生している。ここでは、直線の溝６を示すが
、任意の形状であっても良い。

次に、アセトンなどによって、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）γｌ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、適当な時間浸ず事によって
行われる。第２図はこれを示す斜視図である。

電気炉の中で温度コントロールしなから、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のない尚６に於て、
カリウムかガラス中のすＩ・リウムと置換されてゆく。

１００％のＫＮＯ３の溶融塩を使っているが、ＫＮＯ３
とＮａＮ０３の混合溶１犠塩としても良い。

拡散温度は４００〜４７０’Ｃ１拡散時間は２０〜８０
時間である。

ＫＮｏ　３の融点は３３３°Ｃである。３５０°Ｃ以上
で、亜−硝酸ガスが発生ずる。このため、電気炉の内部
を排気しながら拡散を行う。

第３図は拡散を終えたカラスの斜視図で、溝６の部分に
、カリウムか拡散された拡散領域３か生している（打点
によって示した）。

イオン交換（拡散）の後、ガラスを、水と希硝酸などで
洗浄し、基板に（４着しているＫＮＯ３を除去する。さ
らにエソチンダ液に漬けて、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か露出しているので、基板と
同じ材質のガラスを表面にコーティングして、拡散領域
３を埋込む。

埋込みは、ＲＦスパッタリングによって行う。

テンバツテクスノｊラスを拡散領域３の設けられた表面
の上へ、ＲＦスパッタリングにより、堆積させてゆく。

スパッタリングによりガラス被膜２が基板１の上へ約２
０〜３０μ７７１の厚みで形成されるようにする。

スパックリングは、アルゴンカスを５〜５　Ｐａの圧力
で容器内へ導入しながら行う。ＲＦパワーは１００Ｗで
あった。スパッタリンク′による被膜の堆積速度は０．
６〜０．７μｍ　／　Ｈｒであった。

スパッタリングされた被膜２が着色する事かある。これ
は、ガラス基板の温度か高くなりすぎ、酸化物が分解し
て、可視光の吸収源となるものかあるからである。

これを避けるため、ガラス基板の放熱を良くしてスパン
クリングすると良い。本発明者は、スパンクリング装置
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１模２によって、拡散領域３を埋込んた状態
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かあ
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
図は一様加熱によって、同−ｊ陥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°Ｃ前後で、再拡散時間は１〜５　
Ｈｒ程度である。

再拡散によって、扁平な拡散領域が上下方向に拡って、
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５．２６８７ｃｍの損失のあった光
導波路が４００　’Ｃ、１，５Ｈｒの再拡散処理によっ
て、１．５ｄν物の、低い損失の光導波路になった。

分布加熱は、拡散領域の長手方向に沿って一様の温度で
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ってゆく
。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っ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１テうためには、局所的にエネルギーを集中
して供給できる熱源を用し）なければならない。

本発明者は、炭酸カ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、力゛ラスの中で短距ｔｌｆｌｌ
（２０〜３０μ〃１）で１汲収され、必要に応じて細く
絞る４事かできるので、自由度の大きな導波路整形がｊ
ｊｆ能である。

炭酸ガスレーザのビームを、導波路に沿って走査する。

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
、導波路に沿っ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、導波路に沿っ
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、ここがらレーザ光を走査
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１６０
μｍ／ｓｅｃとする。起点から、走査範囲を２．０朋、
２．２鰭、・・・・・、６．４門と約０．２朋ずつ１５
段階にＶ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って照射時
間が短かくなってゆく。

このように、分布加熱した試料を、起点からｌ＃屑、Ｉ
ＩＪＦＪＩ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＜（テ、高
濃度（５ｗｔ％）のカリウムイオンの分布か残っている
。これは再拡散が起っていないという事である。

さらに、ＫＮＯ３によってカリウムをガラス中へ拡散さ
せた後にスパッタリングで付けた被膜２の中ヘカリウム
か入ってゆかない、という事も分る。

第９図は起点から１朋の切断面での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の中へも入ってゆく
。さらに、特に高濃度（５ｗｔ％）の部分か消失してい
る。カリウムが四周に拡散して、中心部の濃度か低下し
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。

０゛）　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によって測定した。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゛
原点にとって上下方向の距離を示し、縦軸はに２０のｗ
ｔ％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、これはテンパックスガラス
に初めから含まれているに２０の濃度である。

テンパックスガラスは、１％弱のに２０を含んでいるの
である。

第１１メは、４００°Ｃ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１０μｍｎ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
リウムか拡散している事も分る。

第１２図は４００°Ｃで８時間再拡散した後のカリウム
濃度（−に２０）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ってゆ
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Ａ　ａ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。

（力）　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−にと書く）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。

試料の拡散部に垂直な偏波面を有する光に対する屈折率
ＮｔＯ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　である。

また、導波路となる拡散領域と基板ガラスの屈ＪＪｉ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°Ｃで３２時間の拡散（ＫＮＯ３融液中で）を行
った試料で、３．５　Ｘ　１０　程度であった。

再拡散によって、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。

（ト）　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
る先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°Ｃで１９時間、４５０°Ｃで２５時間
、４２０°Ｃで３０時間、ＫＮＯ３中でイオン交換（拡
散）し、スパッタリングで被膜をつけたものの、ＨｅＮ
ｅ光に対する損失は、４．１　ｄＢ／ｌ−ｍ、２．６　
ｄＢ／ｚ、２．９　ｄＢ々であった。再拡散によって、
損失はさらに低減する。

例えば、４００″Ｇ、８時間の再拡散で、２．９　ｄＢ
／ｃ１ｎの試料の損失は、１　ｄＢ／ａ以下に低下した
。

汐）　用　途 本発明により、光の伝搬方向にそってゆるやかに導波路
幅、厚さが変化する光導波路構造を与える事ができる。

（ｉ）　半導体レーザ・光ファイバ間モード整合器（２
）　光ファイバ・薄膜光回路間モード整合器などに応用
できる。

【図面の簡単な説明】

第１　図ハ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っ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ＩＣによって
導波路となるべき領域以外かマスクされたカラス基板を
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１１ｔ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図はスパッタリングによって基板１の上面に同し拐
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
みの変化する先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（Ｋ
２Ｏのｗｔ％）の測定値を示すグラフ。横軸は基板、被
膜の境昇からの深さくμ？？１）を示す。縦軸はに２０
の屯１往％である。被膜の厚みは６．５μｎ＋である。 第１１図は４００°Ｃ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’Ｃで８時間再拡散した場合の基板、
ｍ　ＩＦＪＯ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　カ　ラ　ス　基　板 ２　・破膜 ３　・　・　拡散領域、光導波路、高屈折率領域４　・
　・　アルミニウム層 ５　・　・　・　し　ジ　ス　ト ロ　・・溝

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　先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って形成された先導波路３とよ
   りなる事を特徴とする光回路素子。
2. （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１０表面に形成
   し、ガラス基板１をＫＮＯ３を含む融液に漬は溝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−素相のガラスをスパッタリングによって
   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、屈折率の
   変化する先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。