JP4150653B2 - イオン交換型光導波路素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、光通信等で使用される光デバイスであってガラス基板にイオン交換法により光導波路を形成したイオン交換型光導波路素子およびその製造方法に関し、とくに、光進行方向に導波路径が徐々に変化してモードフィールド径が拡大した光導波路を有する光導波回路に適用して有効なものに関する。

光通信等で使用される光デバイスは能動タイプと受動タイプに分けることができる。能動タイプとしては、たとえば発光素子や受光素子などの光電変換素子がある。受動タイプとしては、光アイソーレータ、光サーキュレータ、光合／分波器、光スイッチ、光アッテネータなどがある。一般に、光デバイスでは受動タイプの役割比重が大きい。光通信技術の発展および普及のためには、その受動タイプの光デバイス、とくに光導波回路（光回路）のさらなる小型化、低価格化、および集積化が望まれている。

この要求に応えるため、光回路を基板内に作成した集積型の光導波路デバイスが開発・製品化されている。光導波路デバイスは、光ファイバなどの他の光デバイスに結合（光結合）されて使用される場合が多い。また、集積型の光導波路デバイスでは、基板内の光導波路に介在する溝（あるいはスリット）を形成し、この溝に光フィルタ等の光デバイスを挿入してハイブリッド型（埋め込み型）のデバイスを構成することがよく行われる。

光導波路デバイスは最終的に光ファイバと結合した状態で使用されることが多い。この結合を低損失で行わせるため、光ファイバとの結合部分では、使用する光波長帯でのモードフィールド径を、結合相手である光ファイバのそれと同一にすることが行われる。たとえば、シングルモードの光ファイバでの光波長１．５５μｍでのモードフィールド径は通常９から１０μｍである。この光ファイバと結合をなす光導波路デバイスは、その光ファイバとの結合部分にてモードフィールド径が１０μｍ程度になるように設計されている。

また、光導波路デバイス内にフィルタや非相反部を入れたアイソレータ機能を挿入する、いわゆるハイブリッド（埋め込み）型の光デバイスでは、基板内の光導波路にスリットを介在させる加工が必要となる。この場合、スリットの幅が小さいと、挿入できる機能の種類が制限されてしまう。しかし、スリット幅を大きくすると回折損失が増加してしまう。

回折損失については、特許文献１にて、光導波路をなすコア部を局所的に炭酸ガスレーザ光で加熱溶融して扁平状に変形させ、これによりモードフィールド径を拡大して回折損失を低減させることが開示されている。この特許文献１の開示技術はリッジ型の光導波路に適用されている。リッジ型の光導波路は、シリコンや石英などの基板上にクラッド層を成膜して、このクラッド層上にコア層を成膜した後、そのコア層をフォトリゾグラフィおよびＲＩＥ（反応性イオンエッチング）の技術を用いてパターニングすることにより形成される。

一方、ガラス基板にイオン交換により形成される光導波路すなわちイオン交換型光導波路は、リッジ型に比べて製法が簡単で低コストに形成できる。さらに、そのイオン交換をＮａ（ナトリウム）イオンとＡｇ（銀）イオン間で行わせることにより、複屈折を大幅に低減した光導波路を形成することができる。したがって、イオン交換型光導波路デバイスは、リッジ型等の他タイプの光導波路デバイスに比べて、低価格化および高性能化に適している。

このイオン交換型光導波路について、特許文献２には、モードフィールド径を局所的に拡大した光導波路およびその製造方法が開示されている。また、特許文献３には、熱処理によってモードフィールド径を拡大することが開示されている。

特許文献２に開示のイオン交換型光導波路は、ガラス基板中のＮａイオンをＫ（カリウム）イオンにイオン交換することにより形成されたものであって、そのイオン交換を行った基板表面にはスパッタリングによるガラス薄膜が形成される。これに部分的な熱処理を行い、イオン交換したイオンを熱拡散させることにより、光導波路を形成するＫイオンをスパッリング成膜したガラス薄膜へ拡散させて、フィールドモード径の拡大をはかる。
特開平７−２５３５１６ 特開昭６０−１９１２０８ 特開平７−２３４３８１

上記特許文献２に開示されているのは、Ｎａ−Ｋのイオン交換により形成された光導波路のモードフィールド径を拡散させる技術であって、ＮａイオンとＡｇイオンとのイオン交換技術により形成される光導波路には、そのままでは有効に適用できない。また、光デバイスにおいてとくに要求の強い低価格化には適していないことが判明した。

すなわち、従来技術において、Ｎａ−Ａｇのイオン交換で作成した光導波路の場合、ガラス薄膜の作成中にＡｇがコロイド化して損失の原因となることが報告されている。つまり、ガラス薄膜への拡散によるモードフィールド径の拡大は、Ｎａ−Ａｇのイオン交換で作成された光導波路には必ずしも有効に適用できない。また、ガラス薄膜の作成には特別に高価な真空設備を必要とし、工程も複雑となるため、低コスト化には適さない。

特許文献３には、湿式電解イオン交換法で作成した光導波路のモードフィールド径が熱により拡大させられることが開示されている。しかし、そのモードフィールド径がどのような形態で拡大されるかについては、とくに開示されていない。

この発明は以上のような技術背景下でなされたものであり、その主な目的は、ガラス基板にイオン交換法により形成される光導波路を用いたイオン交換型光導波路デバイスにおいて、低コストに作成するのに適した構成であるとともに、光の進行方向に導波路径を変化させてモードフィールド径を大きく、かつ再現性良く変化させることができる光導波路デバイスおよびその製造方法を提供することにある。

さらに、上記に加えて、光導波路を形成するためのイオンとしてＡｇイオンを用いたイオン交換型光導波路デバイスに適用としてとくに有効な技術を提供することを目的とする。

本発明は、ガラス基板内にイオン交換により光導波路が形成されてなるイオン交換型光導波路素子であって、
１価のＮａイオンを含むとともに当該ＮａイオンがＡｇイオンに置換されてなる光導波路が形成された第１のガラス基板と、この第１のガラス基板における前記光導波路の形成側面で当該光導波路の経路方向の一部に熱圧着されて当該第１のガラス基板と光学的に接合された第２のガラス基板とを有し、
前記光導波路は、第１のガラス基板が加熱温度下でＡｇイオンを含む溶融塩中に選択的に浸漬されることで表面のＮａイオンが光導波路の経路に沿ってＡｇイオンに置換された後、当該基板の厚さ方向に電界が印加されることで前記置換部分が基板内に埋め込まれてなり、
前記第１のガラス基板と第２のガラス基板とが光学的に接合されている部分は、第１のガラス基板にて置換されている前記Ａｇイオンが前記熱圧着によって第２のガラス基板側までイオン拡散され、前記光導波路の経路の一部が両ガラス基板にまたがる拡大光導波路部に形成され、
当該拡大光導波路部は、使用する光波長帯でのモードフィールド径が２０μｍ以上であるイオン交換型光導波路素子としている。

上記イオン交換型光導波路素子において、前記第１のガラス基板に形成された前記光導波路が使用する光波長帯にてシングルモードの光導波路を形成していればより好ましい。

本発明は、光導波路素子の製造方法にも及んでおり、当該製造方法は、１価のＮａイオンを含む第１のガラス基板を加熱温度下でＡｇイオンを含む溶融塩中に選択的に浸漬して表面のＮａイオンを光導波路となる経路に沿ってＡｇイオンに置換する第１ステップと、
第１ステップに次いで、前記第１のガラス基板の厚さ方向に電界を印加することで前記Ａｇイオンに置換した部分を基板内に埋め込んで光導波路を形成する第２ステップと、
第１のガラス基板における前記光導波路の形成側面で当該光導波路の経路方向の一部に第２のガラス基板を熱圧着して前記第１のガラス基板と前記第２のガラス基板を光学的に接合するとともに、前記光導波路の前記Ａｇイオンを第２のガラス基板側までイオン拡散させることで、当該光導波路の経路の一部を、両ガラス基板にまたがるとともに光波長帯でのモードフィールド径が２０μｍ以上となる拡大光導波路部に形成する第３ステップと
を含んでいる。

ガラス基板にイオン交換法により形成される光導波路を用いたイオン交換型光導波路デバイスにおいて、低コストに作成するのに適した構成であるとともに、光の進行方向に導波路径を変化させてモードフィールド径を大きく、かつ再現性良く変化させることができる光導波路デバイスを提供することができる。また、本発明は、光導波路を形成するためのイオンとしてＡｇイオンを用いたイオン交換型光導波路デバイスに適用としてさらに有効である。

図１は本発明の実施形態を工程段階別に模式化して示す。同図において、（ａ）は、イオン交換法により光導波路２１が形成された第１のガラス基板１１の平面パターンを示す。（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ（ａ）のＡ矢視部分の側断面と横断面を模式的に示す。（ｅ）（ｆ）はハイブリッド型光導波路デイバスの構成例、（ｇ）（ｈ）は光ファイバ等の他の光デバイスと結合（光結合）させるための構成例をそれぞれ模式的に示す。

（ａ）（ｂ）は第１のガラス基板１１を示すが、このガラス基板１１には次のような工程により光導波路２１が形成されている。
まず、ガラス基板に所定のパターンをなすイオン交換制御膜を形成する。ガラス基板は１価のＮａイオン（アルカリイオン）を含む多成分ガラスを用いる。このガラス基板の表面にフォトリゾグラフィ技術を用いて所定パターンのイオン交換制御膜を形成する。つまり、フォトレジスト・パターニングによる成膜を行う。イオン交換制御膜はたとえばＴｉ（チタン）膜からなるイオン透過防止膜であって、ガラス基板を溶融塩中に浸漬したときに、その溶融塩中のイオンがガラス中に浸透するのを選択的に阻止する。

次に、所定パターンのイオン交換制御膜が形成されたガラス基板をＡｇイオンを含む溶融塩中に浸漬して１段階目のイオン交換処理を行う。このイオン交換は所定の加熱温度（２５０℃〜３５０℃）下で行う。このイオン交換処理により、ガラス基板表面部のＮａイオンが局部的にＡｇイオンに交換される。この局部的なイオン交換は上記イオン交換制御膜のパターンにしたがって行われる。

この後、イオン交換制御膜（Ｔｉ膜）を除去して２段階目のイオン交換処理を行う。このイオン交換も所定の加熱温度（２５０℃〜３５０℃）下で行う。この２段階目のイオン交換処理では、ガラス基板の厚み方向に電界を印加することにより、そのガラス基板の表面部に形成されたＡｇイオン交換部分をガラス基板中に移動させる。つまり、Ａｇイオン交換部分をガラス基板中に埋め込む。このようにしてガラス基板中に埋め込まれたＡｇイオン交換部分は、その周囲の非イオン交換部分すなわちＮａイオン部分よりも光屈折率が選択的に高いことにより、光導波路を形成する。
なお、ガラス基板には１価のＫイオンあるいはＬｉイオンを含む多成分ガラスも使用可能である。また、光導波路はＮａとＡｇのイオン交換以外にも、たとえば、ＫとＴｌのイオン交換によっても形成することができる。

以上のような工程により、所定の光回路パターン（たとえばＭ−Ｚ干渉計）をなす光導波路２１がガラス基板１１に埋込形成される。この段階では、光導波路２１の各部におけるＡｇイオンの拡散径および拡散濃度は互いに同じで、それぞれにシングルモードの光導波路を形成する。この光導波路は、使用する光波長１．５５μｍにて約１０μｍのモードフィールド径を有する。

（ｃ）は、上記第１のガラス基板１１の光導波路形成側面上に第２のガラス基板１２を光学的に接合させた状態を示す。（ｄ）は、第１のガラス基板１１側の光導波路形成イオン（Ａｇイオン）が第２のガラス基板１２側までイオン拡散されることにより、両ガラス基板１１，１２にまたがる拡大光導波路２１ａが形成された状態を示す。

図示の実施形態では、第１のガラス基板１１に形成されたイオン交換光導波路２１の一部のみが第２のガラス基板１２側にイオン拡散されて両ガラス基板１１，１２にまたがる拡大光導波路２１ａを形成している。他の部分の光導波路２１は、使用する光波長帯にてシングルモードの光導波路を形成している。また、第１と第２の両ガラス基板１１，１２にまたがって形成された拡大光導波路２１ａの部分は、使用する光波長帯でのモードフィールド径が２０μｍ以上に拡大されている。

（ｃ）（ｄ）において、第２のガラス基板１２は、第１のガラス基板１１と同じ組成のものが使用されている。両基板１１，１２は表面同士が合わさった状態で貼り合わせられる。その貼り合わせ面は、貼り合わせ面の清浄度を高めるために、有機溶剤による超音波洗浄、紫外線照射、オゾン照射などによる有機物除去等を施すことが望ましい。

第１と第２のガラス基板１１，１２を互いに貼り合わせた状態で一定の圧力が加わるように治具等で挟み、２７５℃で４３時間の熱処理を行う。この熱処理において、部分的に熱を加える場合は、部分加熱器で押さえながら加熱を行う。これにより、加熱されていない部分は、第１のガラス基板１１に形成された当初の光導波形状を維持する。加熱された個所は、Ａｇイオンが熱拡散により第２のガラス基板１２側にまで拡散させられる。

この際に、第１のガラス基板１１と第２のガラス基板１２との界面では、原子サイズ単位での相互拡散が生じて、あたかも接合したかのようになる。これにより、光学的な接合が形成されるとともに、光導波路径が拡大してモードフィールド径を拡大させることができる。

なお、光導波路形成のためのイオン交換処理を施していないガラス基板同士を貼り合わせて加圧および熱処理を加えた場合は、ある程度の接合は生じるが界面が存在し、光学的な接合は生じない。光学的な接合とは光散乱を生じない接合である。上記ガラス基板１１，１２の場合は、少なくとも光導波路を熱拡散させた部分にて光学的接合が形成される。

（ｅ）は、ハイブリッド型光導波路デバイスを形成するために、（ａ）〜（ｄ）の工程の後、フィールドモード径が拡大された光導波路２１ａの光進行路を横断する溝（スリット）３１を形成した状態を示す。（ｆ）は、その溝３１に光フィルタ等の埋め込み用光デバイス４１を挿入してハイプリッド型光導波路デバイスを形成した状態を示す。埋め込み用光デバイス４１としては、フィルタ、ファラデー素子、偏光素子などを使用することができる。光導波路２１ａと光デバイス４１との光結合は、その結合部分でのモードフィールド径が拡大されていることにより、その結合部にレンズを使用しなくても、低損失で光結合を行わせることができる。

また、（ｇ）（ｈ）は、光ファイバ等の外付け用光デバイス４２と結合（光結合）させるために、フィールドモード径が拡大された光導波路２１ａをデバイスの端面に出した状態を示す。拡大光導波路２１ａの部分が端面となるように切断・研磨することにより、レンズ不要の導波路コリメータを作製することができる。

図２は、第１と第２のガラス基板１１，１２を互いに貼り合わせた状態で加圧・加熱するために使用する治具５０の構成例を示す。同図に示す治具５０は、一対の金属製加圧／加熱板５１，５２と、この加圧／加熱板５１，５２と上記ガラス基板１１，１２の間に介在するガラス製の介挿板５３，５４を備えている。このような治具５０を用いることにより、高価な真空装置などを用いることなく簡単かつ低コストに、光導波路のモードフィールド径を２枚のガラス基板１１，１２にまたがって拡大させることができる。

第１のガラス基板１１として、アルミノポロシリケート系ガラス基板（１０ｍｏｌ％Ｎａ_２Ｏ−２ｍｏｌ％Ａｌ_２Ｏ_３−１０ｍｏｌ％Ｂ_２Ｏ_３−Ｓｉ_２Ｏ_３）を使用する。このガラス基板にはアルカリイオンとしてＮａイオンのみが含まれている。このガラス基板上に、所定の光導波路パターンの開口を有するＴｉのイオン交換制御膜（イオン交換阻止マスク）を形成する。この後、ＡｇＮＯ_３とＮａＮＯ_３よりなる溶融塩（ＡｇＮＯ_３の濃度１０ｍｏｌ％）中に２８０℃で１２０分間浸漬することにより、ガラス基板のＮａイオンをＡｇイオンでイオン交換する。この第１のイオン交換により、ガラス基板の表面に屈折率増加部分を形成した。

この後、ガラス基板表面のイオン交換制御膜をエッチングにより除去する。この後、ＮａＮＯ_３溶融塩中に２８０℃で２時間浸漬するとともに、１５０Ｖ／ｍｍの電界を印加しながら１２０分間のイオン交換を行う。この第２のイオン交換により、ガラス基板表面に形成された屈折率増加部分を基板内部に埋め込み、埋め込み型の光導波路２１を形成した。このときの光導波路の光波長１．５５μｍでのモードフィールド径は１０μｍであった。

次に、上記光導波路２１を形成した第１のガラス基板１１の表面側に、この第１のガラス基板と同成分の第２のガラス基板１２を載せる。そして、２枚のガラス基板１１，１２を図２に示した治具５０で挟んだ状態で加熱した。加熱温度は２７５℃とし、４３時間加熱を行った。この結果、加熱部分の光導波路２１ａでは、モードフィールド径が５０μｍに拡大していることが確認された。

図３は、上記熱処理の前と後のＮＦＰ（ニア・フィールドパターン）を示す。（ａ）は熱処理前のＮＦＰを示し、（ｂ）は熱処理後のＮＦＰを示す。ＮＦＰは光波長１．５５μｍで測定した。同図に示すように、ＮＦＰは熱処理後に大きく拡大している。

図４は、上記熱処理により拡大した光導波路２１ａ断面の後方散乱電子像（ＢＳＥ像）を示す。同図によれば、Ａｇイオンは第１のガラス基板１１から第２のガラス基板１２へ両基板の接合境界面を超えて拡散している状態がわかる。

ここで、第１のガラス基板１１と第２のガラス基板１２を同一組成としたのは、拡大光導波路２１ａの拡散分布を真円に近づけるためである。両ガラス基板１１，１２の組成を同じにすることにより、Ａｇの拡散速度を同じにすることができ、これにより、拡散分布を楕円から真円に近づけることができる。

しかし、拡散速度を同じにするためには、第１と第２の両ガラス基板１１，１２が必ずしも同じ組成でなくてもよく、たとえば両ガラス基板がアルカリイオンを含んでいれば、同様の効果が得られる。一方、第２のガラス基板１２の組成を操作することでＡｇの拡散速度を制御すれば、楕円など真円以外の所望の拡散形状を作成することが可能である。また、第２のガラス基板１２にもあらかじめイオン交換による光導波路を形成しておけば、さらに多様な形態の拡大導波路が作成でき、たとえば二次元での拡大光導波路アレイも可能となる。

光学的接合の効果を確認するため、温度サイクルによる界面剥がれの試験を行った。試験は、１℃／分の勾配による−４０℃〜８５℃の温度変化と１０分間の温度維持を４２回繰り返すという温度サイクル条件で行った。
実施例１のプロセスにて作成した拡大光導波路２１ａを有する第１のサンプル（本発明）と、第１と第２のどちらのガラス基板もイオン交換による光導波路を形成しなかった第２のサンプル（比較例）とをそれぞれ１０個ずつ作製した。
両サンプルをそれぞれ上記条件にて試験したところ、第２のサンプル（比較例）では１０個とも剥離が観察されたが、第１のサンプル（本発明）では剥離が１個も観察されなかった（剥離ゼロ）。

以上、本発明をその代表的な実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、イオン交換による光導波路を第１と第２のガラス基板の両方にそれぞれ形成する態様も可能であり、さらに、第１と第２の両ガラス基板にそれぞれに光回路を形成する態様も可能である。また、フィールドモード径を拡大させるための加熱は、炭酸ガスレーザなどを用いてもよい。

ガラス基板にイオン交換法により形成される光導波路を用いたイオン交換型光導波路デバイスにおいて、低コストに作成するのに適した構成であるとともに、光の進行方向に導波路径を変化させてモードフィールド径を大きく、かつ再現性良く変化させることができる光導波路デバイスを提供することができる。また、本発明は、光導波路を形成するためのイオンとしてＡｇイオンを用いたイオン交換型光導波路デバイスに適用としてさらに有効である。

本発明によるイオン交換型光導波路デバイスの実施形態を工程段階別に模式化して示す平面図および断面図である。 本発明の実施に使用して好適な治具の構成例を示す要部断面図である。 加熱処理の前と後におけるニア・モードフィールド径（ＮＦＰ）の状態を示す図である。 熱処理により拡大した光導波路断面の後方散乱電子像（ＢＳＥ像）を示す図である。

符号の説明

１１ 第１のガラス基板
１２ 第２のガラス基板
２１ 光導波路
２１ａ 拡大光導波路
４１，４２ 光デバイス
５０ 治具

Claims (3)

1. ガラス基板内にイオン交換により光導波路が形成されてなるイオン交換型光導波路素子であって、
   １価のＮａイオンを含むとともに当該ＮａイオンがＡｇイオンに置換されてなる光導波路が形成された第１のガラス基板と、この第１のガラス基板における前記光導波路の形成側面で当該光導波路の経路方向の一部に熱圧着されて当該第１のガラス基板と光学的に接合された第２のガラス基板とを有し、
   前記光導波路は、第１のガラス基板が加熱温度下でＡｇイオンを含む溶融塩中に選択的に浸漬されることで表面のＮａイオンが光導波路の経路に沿ってＡｇイオンに置換された後、当該基板の厚さ方向に電界が印加されることで前記置換部分が基板内に埋め込まれてなり、
   前記第１のガラス基板と第２のガラス基板とが光学的に接合されている部分は、第１のガラス基板にて置換されている前記Ａｇイオンが前記熱圧着によって第２のガラス基板側までイオン拡散され、前記光導波路の経路の一部が両ガラス基板にまたがる拡大光導波路部に形成され、
   当該拡大光導波路部は、使用する光波長帯でのモードフィールド径が２０μｍ以上である
   ことを特徴とするイオン交換型光導波路素子。
2. 請求項１において、前記第１のガラス基板に形成された前記光導波路は、使用する光波長帯ではシングルモードの光導波路であることを特徴とするイオン交換型光導波路素子。
3. イオン交換型光導波路素子の製造方法であって、
   １価のＮａイオンを含む第１のガラス基板を加熱温度下でＡｇイオンを含む溶融塩中に選択的に浸漬して表面のＮａイオンを光導波路となる経路に沿ってＡｇイオンに置換する第１ステップと、
   第１ステップに次いで、前記第１のガラス基板の厚さ方向に電界を印加することで前記Ａｇイオンに置換した部分を基板内に埋め込んで光導波路を形成する第２ステップと、
   第１のガラス基板における前記光導波路の形成側面で当該光導波路の経路方向の一部に第２のガラス基板を熱圧着して前記第１のガラス基板と前記第２のガラス基板を光学的に接合するとともに、前記光導波路の前記Ａｇイオンを第２のガラス基板側までイオン拡散させることで、当該光導波路の経路の一部を、両ガラス基板にまたがるとともに光波長帯でのモードフィールド径が２０μｍ以上となる拡大光導波路部に形成する第３ステップと
   を含むことを特徴とするイオン交換型光導波路素子の製造方法。

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