JPS627007A - 光導波回路用ガラス膜の製造方法および製造装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光通信又は光情報処理に用いる光導波回路に使
用することが可能々高品質のガラス膜を高精度に作製す
る技術に関するものであシ、具体的には堆積中のガラス
膜の厚さを作製中に監視し制御できる装置および方法を
与えるものである。

〔従来の技術〕

低損失で効率良く光を導波できる光回路を得るためには
、損失が小さく屈折率が精密に制御されたガラス膜を製
造する必要がある。こうした高品質なガラス膜を製造す
る方法として、火炎内で合成したガラス微粒子を石英ガ
ラス板あるいはシリコン結晶板の上に堆積して多孔質ガ
ラスの膜を形成した後、これを高温に加熱・焼結して、
ガラ、ス膜を製造する方法および装置が開発されている
（特願昭！乙−２０３３’ｌり）。

第２図はこの従来装置の概略を示す図であり、ｌは発熱
体であシ回転する円板状の形状を有する。

コは合成トーチであシ該トーチにガラス原料ガ丙可燃性
ガスおよび支燃性ガスを導入し、トーチ先端部の火炎内
でガラス原料を火炎加水分解し、ガラス微粒子≠を合成
する。ｊは発熱体ｌの上に置かれた石英ガラス板ｔシリ
コン結晶板等からなる基板であシ、前記ガラス微粒子参
が堆積して多孔２質ガラス層ｔが形成される。この多孔
質ガラス層の堆積工程の後に該多孔質ガラス層ｔは、電
気炉内で加熱され透明なガラス膜とされる。

〔発明の解決しようとする問題点〕

第コ図に示した従来の製造装置では、多孔質ガラス層の
堆積中の状態、特にその膜厚と焼結度（カサ密度）を堆
積中に監視することができず、原料の供給量、堆積時間
１発熱体の温度等の制御により間接的に制御するしかな
かった。この従来装置によればガラス膜は最初に多孔質
ガラス層として堆積されるために最終的に得られるガラ
ス膜の厚さは堆積される多孔質ガラス層の厚さのみなら
ずそのカサ密度にも影響されるために、多孔質ガラス層
の厚さおよびカサ密度を同時に、かつ堆積工程中に検出
する方法の開発が望まれていた。ま九近年において、上
述のような方法で作製されたガラス膜を用いて、特定の
光の波長に対してその伝播そ−ドが一つしか存在しない
ような単一モード光導波路を作製することが試みられて
おシ、最終的に得られるガラス膜厚を７２ｍ以下の寸法
精度で作製する必要が生じ、多孔質ガラス層の堆積工程
の制御および監視の必要性が増していた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は堆積中の多孔質ガラス層の膜厚およびカサ密度
を光学的に検出するものである。本発明で測定の対象と
なる多孔質ガラス層は、その表面に凹凸を有するために
測定光を入射しても散乱してしまい、光は有効な測定手
段にならないとされていた。本発明はこのような多孔質
体に対しても２０６以下の入射角で光ビームを入射した
場合には表面からの反射光がビーム状でかつ測定しうる
強度となシ、またこのときの反射強度が堆積中の多孔質
ガラス層のカサ密度に依存することを見い出したことを
基本とする。具体的には堆積に伴う反射ビームの位置の
変位から膜厚を検出し、また反射強度の変化からカサ密
度を検出して両者を監視しようとするものである。また
検出した情報をガラス微粒子の合成系にフィードバック
して、求める特性の多孔質膜を再現性よく作製しようと
するものである。

〔作　用〕

本発明は、堆積中の多孔質ガラス層の表面に低入射角で
レーザビームを入射し、その反射ビームを受光すること
を基本とする。第３図は多孔質ガラス層の表面に入射し
たレーザビームの反射強度の入射角依存性を多孔質ガラ
ス層のカサ密度（・ρ）ごとに測定したものである。カ
サ密度ユ２１／ｃｄの場合は、透明ガラスの場合であシ
、いわゆるフレネル反射として観測されるものである。

この場合、高入射角まで大きな反射率が得られるのに対
し、カサ密度の小さい多孔質ガラス層では表面での散乱
が大きくなシ、高入射角では反射強度が著しく低下する
。しかし入射角２０’以下では、ρ＝０．！ｆ／ａｉの
場合でも３チ程度反射強度が得られ、表面での散乱によ
るビームの広がシも小さいために十分に検出可能である
。よって、堆積中の多孔質ガラス層の表面に一定の入射
角で入射するレーザビームの反射ビームの位置の変化か
ら多孔質ガラス層の膜厚の変化を知ることができる。ま
た入射角を一定に保てば反射率は第３図に示すようにカ
サ密度の変動により変化するために一定の強度の入射ビ
ームを一定の角度で入射し、その反射ビームの強度を監
視することにより、堆積中の多孔質ガラス層のカサ密度
の変化を知ることができる。

第弘図は、本発明の多孔質ガラス層の厚みおよびカサ密
度測定器の原理を示したものである。第参図で、６は多
孔質ガラス層、！はシリコン結晶板１．２ｔは入射ビー
ム、２７は初期状態（多孔質ガラス層の堆積前の状態）
Ｋおける反射ビーム、コｔは厚みｔの多孔質ガラス層表
面からの反射ビーム、またθは、レーザビームの入射角
、Ｘは反射ビームコアと反射ビーム２ｔの変位である。

第５図は全体の構成であシ、レーザ光源２１よりレーザ
ビームを出射し、多孔質ガラス層乙の表面に入射ビーム
２６として照射した場合、受光器２３の方向に反射光を
生じ、これをスリット、２コを介して受光する。入射角
θが２００以下の条件においては、反射ビーム２ｒは入
射光同様のビーム状となシスリット２２の移動により反
射ビームの位置を検出できる。

初期状態における反射ビーム２７と厚さｔの多孔質ガラ
ス層が形成された後の反射ビーム２♂の間の変位Ｘは、
次式（１）で表わされる。

ｘ＝２　ｔ（２）θ　　　　　（１） よって ｔ＝ｘ／Ｊｃｏｉθ　　　　　（２） よって変位Ｘの測定により膜厚ｔを算定することができ
る。

〔実施例による説明〕

０（実施例１）反射ビームの変位Ｘを検出する方法およ
びそのための構成 反射光ビームの変位Ｘを検出することにより上記第（２
）式よ？）膜厚ｔを算出することができる。

第！図は変位Ｘを検出するための基本構成を示す。該構
成においては、受光器２３の前に反射ビーム径と同程度
の開口を有するスリット２コを設置する。２／はレーザ
光源である。このスリット２２を反射ビームの変位に従
づて移動させ、受光器コ３によりビーム位置を検出し変
位Ｘを求める。

より具体的には、レーザ光源コｌおよび受光器コ３は製
造装置上の固定された位置にあシ、基板２ｊおよびその
上に堆積した多孔質ガラス層コ≠は回転テーブル状の発
熱体の上にあって、一定時間毎に測定領域に入る。測定
対象物である基板！および多孔質ガラス層６が測定領域
にない時は、反射ビーム２ｔは受光器コ３にまったく到
達しない。測定領域に基板が入った時にスリット２２を
走査すれば、反射ビーム２１の強度が最大となるスリッ
ト位置を検出するととができる。

最大強度の得られたスリット位置を基準として、この位
置を次回の測定におけるスリット走査の始点とする。発
熱体が／回転する間に基板は合成トーチにより合成され
たガラス微粒子の堆積領域を通１１−・膜厚２増ｔ−″
′″９０′１定領域　　　。

に入る。この時の膜厚の変化量は微小であるから、スリ
ットを始点にもどしておいても反射ビームの一部が受光
器２３により測定され基板が測定域に入つたことを検知
できる。よってこれをトリガーとして、基板が測定域に
ある間にスリットを膜厚増加方向に走査すれば、必ず反
射友 強度の最千点を通過する。この最大点のスリッ　　　１
ト位置を前回と比較すれば変位Ｘを知ることができる。

この位置は次の走査の始点とされる・　　　−第を図は
実際の測定例を示す。横軸はスリットの最初の始点（基
板表面からの反射）からのスリット移動量であ！Ｄ、（
２１式のＸに相当する。　　　□ｌ〜３回転目の測定で
は、基板の影響により反射強度が強くその後は、純粋に
多孔質ガラス層からの反射となシ一定の反射強度となる
。本測定においてはレーザ光源２／としてビーム径が約
１０μｍφでＪ″ｍｗの出力を有するＨｅ−Ｎｅレーザ
を用い入射角θ＝！０スリット幅を１０μｍとすること
により、多孔質ガラス層からの反射光強度はスリット通
過後で約／ｍｗであった。この測定結果を（２）式によ
り多孔質ガラス層の厚さに換算したのが第７図である。

この結果から、発熱体の１回転ごとに約２！μｍの厚さ
の膜が形成されたことがわかる。測定の精度は約±１μ
ｍであった。

Ｑ（実施例２）反射光ビームの変位Ｘを検出する他の方
法 反射光ビームの変位Ｘを検出するには実施例１のように
スリットを走査する方法の他に、スリットを固定してお
いても可能である。

すなわち、反射光ビームとスリットの位置がずれた場合
、両者のずれ量Ｘ′に対、する受光量の変化は第を図の
ようになる。よって、堆積初期のスリットの位置を人に
固定しておけば多孔質ガラス層の堆積の進行によ）、受
光量はａからｂにほぼ直線的に減少する。よって第２図
の曲線を検量線としてＸを知ることができる。この場合
の測定精度も釣上／　ｐｍであった。

０（実施例３）反射ビームの変位Ｘを検出する他の方法 反射光ビームの変位Ｘを検出する他の方法としては、半
導体素子を用いる方法がある。たとえば／　惟Ｘ　Ａ　
Ｉｎ程度の大きさの受光面を有するシリコン製の半導体
素子で、該受光面上に照射された光ビームの中心位置を
電気信号として出力する素子（半導体装置検出素子：Ｐ
ｆ９Ｄ）を使用した場合、７μｍ以下の精度で、反射ビ
ームの変位Ｘを検出できた。

０（実施例弘）堆積する多孔質ガラス層のカサ密度を検
出する方法 実施例１〜３は堆積する膜厚を検出する方法について述
べたが次に堆積する多孔質ガラス膜のカサ密度の変化を
検出する方法の実施例を述べる。

装置の構成は、実施例／と同一である。第６図の測定例
では各回転ごとの測定反射光のピーク強度は、測定開始
時にシリコン基板からの反射が得られることを除けば堆
積中は一定の値となる。これは堆積される多孔質ガラス
のカサ密度が一定に保たれていることを示す。これに対
して入射角が一定の場合のカサ密度と反射強度の間には
第３図のような関係があるので、堆積中にカサ密度が変
化した場合には各測定におけるピーク強度が変化する。

第２図は堆積とともにカサ密度が大きくなうた場合、第
１０図は逆に小さくなうた場合を示す。よって各回転ご
との反射光ピーク値の変動を検出すれば、カサ密度の変
化を検出することができる。

０（実施例りフィードバック系を有する装置の構成例 第１図は、膜厚およびカサ密度の検出結果をガラス微粒
子合成系にフィードバックする構成を有する装置の構成
例である。３りはスリット２２および受光器コ３を含む
受光系である。

３１／はガラス微粒子合成トーチコを横方向に移動させ
るための位置調整器、３１０は合成トーチコヘ原料ガス
および火炎用ガスを供給、制御するための火炎・原料用
ガス供給装置、３／コは受光系３２による測定信号を処
理し、これを設定基準値と比較して制御信号を発生する
ための演算装置である。カサ密度の変動に関する情報へ
− はガス供給装置ｓｉｏの主に一焼燃ガスである水素ガス
の制御系にフィードバックされる。これは合成トーチλ
に供給される水素ガス量を増減させることにより火炎の
温度が変化し、火炎中で合成されるガラス微粒子の粒径
が変わシ最終的に基板！上に堆積される多孔質ガラス膜
のカサ密度を制御できるからである。具体的には水素流
量を増加させることにより火炎の温度が上昇し、多孔質
ガラス膜のカサ密度を上昇させる。

水素流量を減少させた時はこの逆である。

大型の基板上に多孔質ガラス膜を形成する場合には位置
調整器３／／により、合成トーチコをターンテーブル状
の発熱体ｌの半径方向に移動させながら堆積を行う。こ
の場合には一組の測定系で測定できる膜厚は、基板上の
ごく一部にすぎないから、複数の測定系を設は膜厚の基
板内での不均一を検出するか、−組の測定系を光源と受
光系の位置関係を一定に保ったまま移動して複数点での
膜厚の情報をｉΣれを演算装置３／２で処理して、位置
調整器３１／にフィードバックする方法が有効である。

このようなフィードバック系を有する装置を用いて所定
の厚さを有する多孔質ガラス層を精度良く作製し、さら
に、高温・焼結後、高品質な光導波用ガラス膜が製造で
きた。本実施例における光導波用ガラス膜の作製精度は
、透明ガラス化した後の所定値とのずれ±０．　／μｍ
以下、また膜厚均一性（１００ｔｓｍφのシリコン結晶
板を使用した場合）は±０．／μｍ以下であった。

０その他の実施形態 以上の測定方法および装置の実施例の説明は均一な組成
のガラス膜を一定の厚みで形成することを基本として説
明したが本発明の方法および装置は本質的には多孔質体
の堆積中の状態をリアルタイムで測定する手段を与える
ものであるから、堆積する厚みに従属させて原料の組成
を変化させる制御をすることにより膜厚方向に所望の屈
折率分布を有する膜を形成したシ基板内での位置による
堆積量を変化させて所望のテーパーを有する膜を形成す
ることも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明によれば、多孔質ガラス層
の厚みを非接触かつ高精度（〈７μｍ）で測定でき同時
にカサ密度の変動を監視できるため、光導波回路用のガ
ラス膜を所定の寸法で精度良く製造できる利点がある。

また１、厚みおよびカサ密度の変動の測定結果を製造条
件にフィードバックすることによって一層高品質なガラ
ス膜を再現性よく製造できる。本発明の方法は堆積中の
膜厚をリアルタイムで測定するものであるから、厚みの
測定結果に従って多孔質ガラス層の組成を変えるととく
よって、グレーデッド型屈折率のガラス膜、　　□ある
いはグレーティング等を製造する装置へと目　　　□的
に応じた応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造装置の概略図、第２図は従来の製
造装置の概略図、第３図は多孔質ガラス層への入射角と
反射強度の関係、第１図は本発明の厚み一測定方法の原
理説明図、第！図は厚み測定器の構成図、第６図、第７
図は膜厚の測定例、第を図は他の膜厚測定法の原理説明
図、第２図を第１Ｏ図はカサ密度の変化の検出例である
。 ハ・・発熱体、λ・・・合成トーチ、ｌ・・・ガラス微
粒子、！・・・基板、ｔ・・・多孔質ガラス層１．２／
・・・レーザ光源、コ２用スリッ）１．２ｊ・・・受光
器、コｔ・・・入射ビーム、コア・・・初期状態におけ
る反射ビーム、２ｒ・・・反射ビーム、３り・・・受光
系、３１０・・・火炎・原料用ガス供給装置、Ｊ／／・
・・位置調整器１．？　／　２−を演算装置。 算　７　図 第　？　団 第　４　図 一又り、ト約動量χＯａＯ 第６図 第　７困 ル１寸先ビームヒスリフトのす東χ’（７ｙＱ部　８　
図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転する発熱体の上に置いた石英ガラス板あるい
   はシリコン結晶板の上に合成トーチより流出する火炎内
   で合成したガラス微粒子を回転する毎に、次第に堆積さ
   せて所定の厚みを有する多孔質ガラス層を形成した後、
   高温に加熱・焼結して、光導波回路用のガラス膜を製造
   する光導波回路用ガラス膜の製造方法において、該多孔
   質ガラス層表面に対して、２０°以下の角度でレーザビ
   ームを照射し、かつ反射させると共に、該反射ビームの
   初期状態からの変位および強度を計測することによって
   形成される該多孔質ガラス層の厚みおよびカサ密度を算
   定することを特徴とする光導波回路用ガラス膜の製造方
   法。
2. （２）該多孔質ガラス層の厚みおよびカサ密度の算定結
   果を該多孔質ガラス層の形成条件にフィードバックし、
   該形成条件を調整・制御しながら所望の厚みを有する多
   孔質ガラス層を形成することを特徴とする特許請求範囲
   第１項記載の光導波回路用ガラス膜の製造方法。
3. （３）回転する発熱体と、該発熱体に向けて設置された
   合成トーチと、該合成トーチにガラス原料ガス、可燃性
   ガスおよび支燃性ガスを供給制御する火炎・原料用ガス
   供給装置からなり、前記回転する発熱体上に設置された
   基板上に前記合成トーチで合成されたガラス微粒子を堆
   積させる光導波回路用ガラス膜の製造装置において、前
   記合成トーチとは離れた位置に、堆積する多孔質ガラス
   層表面に該表面に対して２０°以下の角度でレーザ光を
   照射するレーザ光源と、基板上の多孔質ガラス表面から
   の反射光を検出する受光系からなる厚みおよびカサ密度
   測定器を具備し、該厚みおよびカサ密度測定器の測定結
   果を演算する演算器と、該演算器からの出力により前記
   火炎・原料用ガス供給装置を制御するフィードバックル
   ープを備えたことを特徴とする光導波回路用ガラス膜の
   製造装置。