JPS6057302A - 埋め込み型光導波回路の製造方法 - 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】 本発明は屈折率が断面内で中心がら周辺に向けて連続的
に減少するような分布をもつ導波路をガラス基板内に一
体的に形成する方法に関し、特に真円に近い導波路断面
形状を得るための技術に関する。

一般に光平面回路は、相対的に低い屈折率をもつ透明ガ
ラス基板内に相対的に高い屈折率の領域からなる導波路
を用途に応じた種々の回路パターンで設けたものであり
、例えば第７図ないし第３図に示すように基板／内にそ
れぞれ７字状、三角形状、ダイヤ状などのパターンで導
波路−を設け、これら導波路−の端部（基板側面）にそ
れぞれ光１７ア、イバ３・・・・・・を接続してこれら
光ファイバ３・・’＃ｌｉｊ・・−のうちの一部を入力
用ファイバ３Ａとして導Ｄ（波路λ内に伝送光を導入し
、基板内の導波路−で一 伝送光を分岐あるいは合流させて残りの導波路一端に接
続された出力用ファイバ３Ｂにそれぞれ入射させるよう
にした回路などが一般に使用されている。

註記のような光平面回路を製造する方法として従来から
イオン交換法あるいは電界イオン拡散法を案されている
。

しかしながら従来のイオン交換法により製作された光回
路では第１図（ａ）に示すように基板／に設けられた導
波路−の光軸に垂直な断面が半円であったり、第１図（
ｂ）に示すように異形であり屈折率分布も滑らかではな
く階段状に変化している。

従って屈折率分布型光ファイバとの結合の際、ファイバ
の光伝送コア部の断面形状と導波路断面形状の差異及び
光ファイバのコアの屈折率分布の差異により結合損失が
大きくなるという問題があった。

昭１Ｉ９−３００１Ｉ３に溶融塩をガラス基材と接触さ
せて両者間でイオン交換を行なわせる方法が記述されて
いる。

この方法は、電子分極率の大きいイオンを基材表・−に
設けたマスクの開口を通してガラス中に拡散、３ｊｌ　
’＋！ることにより基材ガラス中に最高屈折率部分コ濤
基板面に認出した高屈折率領域をまず形成し、次いで、
マスクを取り除き電子分極率の小さいイ゛″、パ第１．
：／を基材面から拡散させることにより高屈折率領域を
基材ガラス中に埋め込む方法である。

１、；声発明者らは上記二段階イオン交換法に関して実
験研究を重ねた結果、上記開示方法によっても導波路の
形状は円形には程遠い異形となり、また屈折率分布は階
段状となるが、ある特定の条件下で二段階イオン交換を
行なうと断面形状がほぼ真円の導波路が得られることを
見い出し、この知見真円ないしは真円に近い形状にでき
、しかも必要且つ充分な屈折率差を導波路に与えること
のできるイオン交換法による埋め込み型導波回路の製造
方法を提供することにある。

本発明に従った方法では、ガラス基鈑の面に所望の導波
路パターンの開口部を残してマスキングを施し、前記開
口部を通して基板ガラスの屈折率増大に寄与するイオン
を基板内に第１段イオン交換処理で拡散させ、次いでマ
スキングを除いてオフ段イオン交換処理で基板ガラスの
屈折率減少にｅ与するイオンを基板内に拡散させる埋め
込み型１１ｊ４波回路の製造方法において、前記オ／段
のイオン交換処理で、断面がほぼ半円形であり且つ最大
屈折率差（△ｎｘ）が目的とする光導波路の最大屈近１
率差（△ｎｇ）の２倍以上であるような高屈折率部′汗
を形成し、前記第２段イオン交換処理で基板Ｈｊｊ／ｆ
’ｌｌ−＋　スｔＤ粘性を７０の／１０采ないし１０の
／Ｌ乙乗ボイズの範囲内に保持した状態で基板両面間に
２Ｖ／ｍｍ以下の電界を印加してイオン交換を行なう。

上述した方法によれば、断面の真円度（長軸・短軸比）
がざ０％以上のほぼ真円に近い埋め込み導波路を基板中
に一体形成することができる。

以下本発明を図面に示した実施例に基づいて肝細に説明
する。

第５図（ａ）に示すように対向する両面／にＩＡ。

１０Ｂを平滑な平行面に仕上げた組成成分としてＮａ　
＋になどのような被イオン交換イオンを含む透明ガラス
基板ｉｏを準備する。

次にこの基板１０の片面１０Ａを、第７図ないし第３図
に例示した如き所望の導波路パターンの開口ｌ／を残し
てイオン透過防止効果のある物質例えばチタン膜からな
るマスク／、２でマスキングする。

ここでマスク／２の開口／／の幅Ｗ１の選定は非も′０
．５μｍ以上、より好ましくは７μｍ以上とすると、第
７段イオン交換処理で形成される高屈折率領域の断面形
状は扁平な半楕円形となり、第２イオン交換処理によっ
ても上記形状があまり是正されず最終的に良好な真円度
の導波路が得られなくなるのでＷｌは所望導波路の少な
くとも５分のｌ以下、より好ましくは７分のｌ以下に設
定することが望ましい。

典型的な数値例を示すと、径が５ｏ−ｔｒｏμｍφの導
波路を形成しようとする場合、マスク開口幅Ｗ１は夕〜
ざμ程度に形成するのがよい。

次にマスク開口／／を通して基板ガラスの屈折率増大に
寄与するイオンを含む物質例えば溶融塩な接触させ、上
記外部からのイオンとガラス中のイオンとを交換させる
ことにより上記外部からのイオン／３をガラス中に拡散
させる。

このイオン交換を以下第７段イオン交換処理とい向けて
次第に減少する濃度分布となり、この濃度分布に基づい
て基板ガラス内にはマスク開口／／の、軸線に垂直な断
面内で屈折率が開口７７部分で最；抜で周辺に向けて次
第に減少するような屈折率分布をもった高屈折率領域／
４’が形成される。

そしてこの高屈折率領域／Ｉｌの断面形状は前述したよ
うにマスク開口幅Ｗ１　を設定することにより、マスク
開口／／の軸線に垂直な断面内で基板表面に平行方向の
半径と深さ方向の半径との比がおよそ０．７ないし／、
４の範囲内に入るほぼ半円形状となる。

ここで第７段イオン交換処理を終了した時点での最大屈
折率差△ｎ１は、導波路の径によっても異なるが一般に
は最終的に導波路に与えるべき最大屈折率差△ｎ２の少
なくとも一倍以上、好ましくは２．５以上にしておく必
要がある。

すなわち、後述の第２段イオン交換処理において高屈折
率領域１で分布を形成しているイオンがさらに拡散する
ことによって屈折率差が減少し、△ｎ］か△ｎ２の２倍
未満では必要とする屈折率差−の良好な充分大な開口数
（ＮＡ）を確保するためＬζは△ｎ１は△ｎ２の約３倍
前後にすることが望まして１ｊ してはタリウム、銀、セシウム、リチウムなどのイオン
が使用可能であるが、特に大きな屈折率差が得られるも
のとしてタリウムイメンまたは銀イオンが好適である。

クリラムイオンは、通常のアルカリ含有カラスにおいて
アルカリイオンとイオン交換することにより、クリラム
イオン／　ｍｏｌ当り約０．０／／の屈折率増加が見ら
れ屈折率差△ｎ１を０．２！；ｆＪ近まで高めることが
可能である。

また銀イオンは／ｍｏｌ当り約ｏ、ｏｏｑの割合でガラ
スの屈折率を増加させ、屈折率差へｎｌを０．．２０付
近まで高めることが可能である。

第７段イオン交換処理を行なうに当っては基板のマスク
面を前述の屈折率分布形成用のイオンを含む硫酸塩、硝
酸塩などの溶融塩に接触させ、マスり面を陽極として電
界を印加する。

・−の場合、印加電圧があまり小さい場合あるいは、−
レ交換を継続すると屈折率差は増大するものの高屈折率
部分が必要以上に拡大したりあるいは変形・することに
もなるので印加電圧は基板厚み７ｍｍ２２当１Ｊ３０．
　／〜２Ｖの範囲内とするのが望ましい。

次いでマスク７．２を取り除き、この基板面／ＤＡにＮ
ａイオン、にイオンなど基板ガラスの屈折率を相対的に
低下するイオンを含む溶融塩に接触させ、高屈折率領域
／４’側の基板面１０Ａを陽極。

裏面ｌＯＢ側を陰極として電界を印加する。

この牙一段イオン交換処理により半円形の高屈折率領域
／ｌを形成しているイオン／３は全体的に基板の深部方
向へ移動し、一方基板而からは溶融塩中のイオン１５が
一様に拡散浸入してくる。

この過程で半円形の高屈折率領域ｌｌの上面両端近傍は
も、ともと低屈折率であったところにさらに屈折率低下
イオンが拡散してくることにより大きく低下し、中央近
傍では相対的にあまり屈折率が低下しないので結果とし
て等屈折率線は高屈折率領域の上部で上向き凸形の半円
形輪郭になり、結果として基板表面から一定の深さの点
において屈、４率が最大であり、周辺に向けて二乗近似
で屈折訓ト（連続的に減少する分布をもつほぼ円形の高
屈ｌ罷ト領域からなる導波路／乙が得られる。

ニー’の牙２段イオン交換処理で重要なことは印加電ｐ
−ＭＴ４基板ガラスの粘性である。

、　、　、：、ｊｌ−圧があまり大きい場合には最大屈
折率部分ｊ’：ｔ！、に）′あるイオンの深部への移動
速度が速すぎて、最・〜−大゛屈折率部分が形状中心よ
りも深部寄りに偏った導波路となる。

この屈折率中心の偏心のない全半径方向に均等勺 屈折率無配を得るためには少なくとも印加電圧基板厚み
７ｍｍ当り２■以下にすることが必要であり、へ５Ｖ以
下することが望ましい。

一方、印加電圧があまり小さいときは高屈折率イオンの
深部への移動が充分に行なわれないため、高屈折率部分
の上部が半円形から外れた偏平な形状となるのでオフ段
イオン交換に４〕ける印加電圧は基板厚み７ｍｍ　当り
Ｏ，ＳＶ以上にすることが望ましい。

また牙２段イオン交換処理においてガラス基板の粘性が
あまり高いと基板ガラス内にある屈折率増加イオンの深
部への移動および表面からの屈折率低下イオンの拡散が
十分に行なわれず、前述したように高屈折率領域の半円
形から円形への移行が冒腓ト部への移動速度が場所によ
りアンバランスとｆｆす、結果として最高屈折率部分が
導波路の断面形状中心よりも下方管りに飼心することに
なるの１−’；５ＴＴ　１４ｊｉ第２イオン交換処理に
おける基板ガラスの粘−ｌヨ７ｉＱｉ　／　０の７７乗
ボイスないし１０の／１．６乗ボ、ｚｕｎｌ−７ｊとな
るよう加熱温度、ガラスの組成等の条件を選ぶ必要があ
り、さらに１０の７２乗ないし、１０の７３．５乗ボイ
ズの範囲内が望ましい。

上記の第２段イオン交換処理を終了した時点で形成され
る円形断面の導波路に刊与されているべき最大屈折率差
△ｎ２（最大屈折率と基板ガラス屈折率との差）は接続
するファイバの開口数（’ＮＡ）に応じて設定する必要
があるが、本発明のように珂・／段イオン交換処理によ
って△ｎ１を△ｎ２の２倍以上に付けておけば、牙コ段
処理で断面完全円形化するまで必要且つ充分な電圧印加
およびイオン交換時間をかけることによりこの過程でイ
オン拡散による最高屈折率部分の屈折率低下を生じても
、最終的に必要とする上記△ｎ２を余裕をもって確保す
ることができる。

典型的な数値例を挙げると、断面形状が直径約５０μで
真円度（短軸／長軸比）がｇｏ％以上であり、且−）Ｎ
Ａが０．．２（△ｎ２−０．０／グ）の導波路：’：亜
１ｉ−成する場合△ｎ１は約ｏ、ｏｌＩ！；　とするの
が望ま・１謂ト・。

排１だ上記条件の導波路でＮＡ＝０．３　（△ｎ２−ｏ
、□Ｊ９）、−とす、る場合は△ｎ１は約０．０９とす
るのが望ましい。

１１、・舅、上火雄側に基づいて説明した本発明方法に
よ；）　ｈ、にｒ：、断面がほぼ真円で且つ屈折率差の
大きい屈心にほぼ一致した偏心のほとんど無い均等分布
のものが得られる。

さらに、イオン交換法によって形成された導波路はＣＶ
Ｄ法等によって形成された導波路に比べ屈折率分布のゆ
らぎが小さい伝送光のモード変換が小さい。

そのため導波路のＮＡが仮りに接続するファイバのＮＡ
より大きいとしても出射ＮＡはあまり大きくならず接続
損失が増大しない。

すなわち本発明方法では導波路のＮＡを接続するファイ
バのＮＡと厳密に合せる必要は無くファイバのＮＡ以上
にしておけばよい。

このことは光回路を製造する上で条件の制約がそれだけ
少なくなり大きな利点となる。

実施例／ ガラス基板としてＮａイオン、にイオンなどの１１−交
換イオンを成分としてＳ重量％以上含む厚さ→Ａ、ｔｎ
ｍのアルカリはうけい酸ガラスを用い、この、ｔｉｌｌ
Ｉｉｌ、にマスクとしてチタン膜を高周波スパッタ法ｃ
ｉより／μｍ程度の膜厚で形成した。

Ｌ　次を−このチタン膜を周知のフォトリソグラフィー
波曲を用いてオ／図に示した導波路平面パターン１：＝
７エ、ツチングして幅Ｓμｍの開口ｌ／を設けた。

Ｍ）、ｉ次、１仲牙乙図に示すようにこのマスク付き基
板をそのマスク面を下にして硫酸タリウム、５′０モル
％。

硫酸カリウム１０モル％、硫ＩＨＨＱ　ｑｏモル％の混
合物からなる溶融塩／７に浸漬し、基板１０のマスク面
とは反対側の面に粘土とＫＮＯ３のベースト状混合物を
塗布して導電層／ざとし、この導電層／ざに電極板／９
Ａを密着させてこの電極板板／９Ｂを電源２０の陽極に
接続して直流電圧←印加した。

溶融塩／７．ガラス基板１０の温度を基板ガラスの粘性
が７０１３ボイス程度になるＳＳＯ℃に設定し直流電圧
として！■を印加し１分間イオン交換処理を行なった結
果、ガラス基板面に垂直な面で幅Ｗ２−４Ｉｓμｍ　、
深さＨ−／ｇμｍｎの最大屈折率差△ｎ１が約０．０乙
の半円形高屈折率領域を形成できた。

′°１扉 ガラス基板表面のチタン膜を除去し、この面艇）酸カリ
ウム＋、２．Ｊ’モル％と硫酸亜鉛５７．５モ、１１Ｎ
？％のＳＳＯ″Ｃに保持した混合溶融塩に浸して直流電
圧を印加し、！■で約７０分間程度の牙２段ｉｔ、ｊ）
：’Ｉ　：ｇｉン交換処理を行なった結果、ガラス基板
表面およ１び光軸に垂直な断面において長軸ＳＳμｍ、
短；、’ｊ、Ｉｉｊ＄啓１１Ｉμｍの真円度約ざ０％の
円形で屈折率が中心で最も大きく半径方向に連続的に減
少する分布をもち、且つ最大屈折率差Δｎ２が約ｏ、ｏ
−２（ＮＡ＝０．２！；）である導波路を形成する○と
ができた。

吹に上記のようにして得た導波路の端部（基板側面）に
コア径がＳＯμｍでＮＡ　−０，２の屈折率分布型光フ
ァイバをそれぞれ接続し、波長０．ざ３μｍの光を上記
光ファイバを通して導波路内に導き挿入損失（ファイバ
との接続損失を含む）を測定しまた導波路断面形状が７
アイバコ了に近いため接続損失は約０．３　（ｉＢ以下
ときわめて低損失であった。

実施例２ 溶融塩を硫酸タリウム５．２モル％、硫酸カリウムざモ
／Ｉ／％、硫酸亜鉛／ＩＯモル％の組成の混塩に変えた
以外は実施例／と同一条件で牙−イオン交町ｉ：円形高
屈折率領域が基板ガラス中に形成され＝＋ｈ’ 次にマスク除去後第２段イオン交換処理を実施例ｉ　／
、と、同一組成の塩を用いて温度！；夕ｏ”ｃ＋直流電
界Ｓ■で約１１０分間行なった結果、光軸に垂直９０％
で屈折率差゛Δｎ２−ｏ、ｏ−である導波路を得ること
ができた。

実施例３ 溶融塩として硫酸タリウムＩ１．２モル％、硫酸カリウ
ムｌざモル％、硫酸亜船グＱモル％のｎ１成の混塩を使
用し、印加電圧をｌ／、■、イメン交換処理時間を６分
間とした他は実施例／と同一条件で第７段イオン交換処
理を行なったところ、幅Ｗ２＝７０　μｍｌ深さＨ−，
２ｇ　ｔｔｍで屈折率差△ｎ１＝０．０！；３の半円形
高屈折率領域が基板ガラス中に形成された。

次にマスク除去後第２段イオン交換処理を実施例／と同
一組成の塩を用いて温度ｓｓｏ”ｃ＋直流電界ＵＶで約
１５分間行なった結果、光軸に垂直な断面で長軸ざ７μ
ｎ１　、短軸７１μｍの真円度約ざ２％で屈折率差△ｎ
２が約０．０．２である円形導波路を得ることができた
。

形断面でΔｎ１−　ｏ、ｏ−の高屈折率領域が得られた
。

次にマスク除去後、オ一段イオン交換処理を温度ｓｐｓ
″Ｃ１直流電界ｇＶで約１５分間行なった結果、長軸７
７μｍｌ短軸１０　ｌｔｍ　の真円度ｑＯ％で屈折率差
△ｎ２−ｏ、ｏｏ、２の円形導波路が得られた。

本例の導波路は波長λ−／、３３μｍでの単一モード伝
送用導波路として適している。

以上の実施例では陰極側に粘土とＫＮＯ３のペースト状
のものを用いて説明したが、例えばガラス基板を箱形に
形成して陰極側に溶融塩を用いてもさしつかえない。ま
た電子分極率の大きいイメ゛ンも！、として上述実施例
では、溶融塩を用いたが例えばガラス基板にＡ９を蒸着
し、不必要な部分をエツチングし−（イレン諒となし、
この土からＡｌＡ！′ｉを蒸着するか、また圧着して電
極としこれに電圧を印加してもさしつかえない。

ｉよび（ｂ）は従来方法による導波回路の断面形状ｌ、
段イオン交換処理の具体例を示す断面図である。

′−゛−７−′□ ハ／！シ・・・・・・・ガラス基板　２．／乙・・・・
・・・・導波路／ｑ・・・・・・・高屈折率領域　ｌＳ
・・・・・・・低屈折率イオン／７・・・・・・・・溶
融塩　／ざ・・・・・・・・ペースト導電層／９Ａ、／
９Ｂ・・・・・・・・電極板　−〇・・・・・・・直流
電源特許出願人　工業技術院長 ＃＝＃＃＃＝ ２９　ｒＢ　木ト　都 第１図 第３因 牛 ↓ 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 」　ガラス基板の面に所望の導波路パターンの開口部を
   残してマスキングを施し、前記開口部を通して基板ガラ
   スの屈折率増大に寄与するイオンを基板内に第１段イオ
   ン交換処理で拡散させ、次いてぼ半円形であり且つ最大
   屈折率差（△ｎｌ）が目的とする光導波路の最大屈折率
   差（△ｎｚ）のλ倍製上であるような高屈折率部分を形
   成し、前記第２段イオン交換処理で基板ガラスの粘性を
   １０　の／７．０乗ないし１０の／１１．３乗ボイズの
   範囲内に保持した状態で基板両面間に、２ｖ／ｍｍ以下
   の電界を印加してイオン交換を行なうことを特徴とする
   導波路断面が円形の埋め込み型光導波回路を製造する方
   法。 ２、特許請求の範囲オ／項におＱ）て、チ・７段イオン
   交換処理でのマスキング開口幅を０．５μｍ以」二で且
   つ目的とする導波路幅の／／３以下Ｇこする埋め込み型
   光導波回路の製造方法。 ３）　特許請求の範囲オ１項におｌ／Ａで、チ′／段イ
   オン交換処理で基板ガラス内に拡散させるイオンＧまク
   リラム（Ｔ７）イオンまたは銀（Ａ９）イＡ゛ンである
   ＾蚕基板表面に平行方向の半径と深さ方向の半径との比
   がＣ１，７ないしハｑの範囲内であるような半円形に形
   成した後、オ一段イオン交換処理Ｇこイ寸すことを特徴
   とする埋め込み型光導波路の製造方法。