(57)【要約】【課題】  光の伝播におけるモ−ドフィールドを略円形にすることができ、光ファイバとの接合損失および偏波依存損失が小さく、製造が容易であり生産性に優れるイオン交換型光導波路およびその製造方法を提供すること【解決手段】  ガラス基板１の一方の表面近傍に熱イオン交換により所定パターンの高屈折率部１０を形成し、当該形成側の面に屈折率調整層２を設ける。光ファイバを接続して光の伝播を行う高屈折率部１０は、第１のイオン交換工程（ｂ）を行った後に、屈折率の上昇に寄与するイオンを含有しない溶融塩６０の中にガラス基板１を浸して加熱する第２のイオン交換工程（ｃ）により侵攻，拡散させて形成する。屈折率調整層２は無機物やエポキシ，アクリル等の高分子膜などの部材により厚さを略５μｍ以上に形成し、屈折率等の物性をガラス基板１に対して適正に設定することにより光の伝播モードを補正する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板の中に、イオン交換法により所定パターンの高屈折率部を形成して、当該高屈折率部に光を伝播させるイオン交換型光導波路において、
前記高屈折率部を形成した側の表面に、伝播させる光について透過性，等方性であり前記ガラス基板に対する物性の差異によって光の伝播モードを補正する屈折率調整層を設けることを特徴とするイオン交換型光導波路。
【請求項２】
前記高屈折率部は、イオン交換法による第１のイオン交換を行った後に、屈折率の上昇に寄与するイオンを含有しない溶融塩の中に前記ガラス基板を浸して加熱する第２のイオン交換工程により侵攻，拡散させて形成することを特徴とする請求項１に記載のイオン交換型光導波路。
【請求項３】
前記屈折率調整層の屈折率ｎ１は１．０より大きく、
前記ガラス基板の屈折率ｎ０との関係では（ｎ１−ｎ０）＝Δｎと定める屈折率差はΔｎ≦０とし、
（Δｎ／ｎ０）と定める屈折率比は０．０１〜０．０２程度に設定することを特徴とする請求項１または２に記載のイオン交換型光導波路。
【請求項４】
前記屈折率調整層は、無機物やエポキシ，アクリル等の高分子膜の少なくとも１種類以上の部材により厚さを略５μｍ以上に形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン交換型光導波路。
【請求項５】
前記ガラス基板に予め含ませるアルカリイオンは、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ中の１種類以上であり、
前記高屈折率部をなす交換イオンは、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ，Ｔｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｃｅ中の１種類以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン交換型光導波路。
【請求項６】
前記高屈折率部における光の伝播がシングルモードであり、当該シングルモードの伝播特性はイオン交換法におけるマスク層の開口幅の調整により設定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のイオン交換型光導波路。
【請求項７】
ガラス基板中のアルカリイオンをイオン交換により置き換えて所定パターンの高屈折率部を形成し、当該高屈折率部に光を伝播させるイオン交換型光導波路の製造方法であって、
前記ガラス基板には一方の表面に所定パターンの開口部を有するマスク層を形成し、
銀などの一価イオンを含有する溶融塩の中に前記ガラス基板を浸して加熱する第１のイオン交換工程を行い、
前記開口部についてイオン交換の侵攻，拡散により高屈折率部を形成させ、
次に前記マスク層を除去し、屈折率の上昇に寄与するイオンを含有しない溶融塩の中に前記ガラス基板を浸して加熱する第２のイオン交換工程を行い、
この後、当該ガラス基板には前記高屈折率部の形成面側に、伝播させる光について透過性，等方性であり前記ガラス基板に対する物性の差異によって光の伝播モードを補正する屈折率調整層を設けることを特徴とするイオン交換型光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換型光導波路およびその製造方法に関するもので、より具体的には、光を伝播させるためイオン交換法によりガラス基板の中に形成した高屈折率部における屈折率分布の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板に光導波路を形成する方法として、イオン交換法と呼ばれる技術がよく知られている。これは、ガラス基板中のアルカリイオンを溶融塩中の金属イオンに置き換えることで屈折率の高い部位（高屈折率部）を形成するものであり、高屈折率部では屈折率の差により光が全反射し、入射光を伝播させることができる。
【０００３】
具体的には、ガラス基板はイオン交換のためのナトリウム等のアルカリイオンを含むガラス材料から形成し、一方の表面に、所定パターンの開口部を有するマスク層を形成しておき、銀などのイオンを含有する溶融塩の中にガラス基板を浸して加熱する。これにより、ガラス基板の中のナトリウムイオンと溶融塩の中の銀イオンが交換し、幅狭の開口部ではガラス基板の内部に侵攻して拡散する状態に高屈折率部ができる。このイオン交換法によれば製造装置が比較的にシンプルで低コストに製造が行えるメリットがある。しかし、上記方法により形成した高屈折率部では屈折率の分布は断面で見てガラス基板の表面側が最も高く、内部に拡散した略半円状の状態になり、これは光ファイバと接合させた際に整合が悪く、屈折率分布は円形にしたいという要求がある。
【０００４】
また、電界アシストによるイオン交換法もよく知られた技術である。これは電界を加えつつ熱イオン交換を行うものであり、上記した熱イオン交換を第１の工程として行った後に、それに続く第２の工程として行うことが多い。
【０００５】
図１は、係る電界アシストによるイオン交換法を示し、従来の第２のイオン交換工程を説明する断面図である。この場合、第１のイオン交換工程が終了したガラス基板１は表面のマスク層を除去し、このガラス基板１は表面に筒状部材３０を固着して周縁を囲い、内部に正極側の溶融塩３１を満たすとともに、この全体をるつぼ３２に浸す。るつぼ３２には負極側の溶融塩３３を満たしておき、これら正負の電極側となる溶融塩３１，３３は何れも屈折率の上昇に寄与するイオンは含まない性状にしている。そして、筒状部材３０内の溶融塩３１に正電極３４、外側の溶融塩３３には負電極３５を配置してガラス基板１に対して電界を加えた状態とし、この状態で熱イオン交換を行う。これにより、屈折率を上昇させるイオンはガラス基板１の内部に引き込まれて拡散し、このため高屈折率部１０の断面形状が円に近いものになっていく。
【０００６】
また、特許文献１に見られるように、熱イオン交換を２段階に行う技術も提案されている。つまり特許文献１の方法は、第２のイオン交換工程では電界アシストを行わずに、高屈折率部の侵攻，拡散を促進する設定により熱イオン交換を行うものであり、第１および第２の熱イオン交換の条件を所定に設定することで屈折率分布が適正化すると説明されている。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−２０６７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、そうした従来のイオン交換型光導波路では以下に示すような問題がある。すなわち、電界アシストによるイオン交換法では、高屈折率部１０における屈折率分布を好ましい略円形にし得るが、ガラス基板１の表裏について溶融塩３１，３３を異ならせて絶縁する必要がある。このため製造装置が複雑になり、筒状部材３０を固着する準備工程に手間がかかって煩雑であり大量生産が難しい。
【０００９】
また、２段階に熱イオン交換を行う特許文献１の場合、光の偏波依存性の考慮が不十分であり、試作実験により確認したところ、高屈折率部の屈折率分布は充分な円形にはできず、表面に接する空気層の影響を受けるため光の伝播におけるモ−ドフィールドが楕円となり、光ファイバとの接合損失および入射光の偏波方向が変わった場合における接合損失の変動（偏波依存損失）が大きいことを確認した。
【００１０】
この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、光の伝播におけるモ−ドフィールドを略円形にすることができ、光ファイバとの接合損失および偏波依存損失が小さく、製造が容易であり生産性に優れるイオン交換型光導波路およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を達成するために、本発明に係るイオン交換型光導波路は、ガラス基板の中に、イオン交換法により所定パターンの高屈折率部を形成して、当該高屈折率部に光を伝播させるイオン交換型光導波路において、前記高屈折率部を形成した側の表面に、伝播させる光について透過性，等方性であり前記ガラス基板に対する物性の差異によって光の伝播モードを補正する屈折率調整層を設けるようにした。
【００１２】
そして、前記高屈折率部は、イオン交換法による第１のイオン交換を行った後に、屈折率の上昇に寄与するイオンを含有しない溶融塩の中に前記ガラス基板を浸して加熱する第２のイオン交換工程により侵攻，拡散させて形成するようにするとよい。
【００１３】
また、前記屈折率調整層の屈折率ｎ１は１．０より大きく、前記ガラス基板の屈折率ｎ０との関係では（ｎ１−ｎ０）＝Δｎと定める屈折率差はΔｎ≦０とし、（Δｎ／ｎ０）と定める屈折率比は０．０１〜０．０２程度に設定するとよい。
【００１４】
さらに、前記屈折率調整層は、無機物やエポキシ，アクリル等の高分子膜中の少なくとも１種類以上の部材により厚さを略５μｍ以上に形成するとよい。また、前記ガラス基板に予め含ませるアルカリイオンはＮａ，Ｋ，Ｌｉ中の１種類以上であり、前記高屈折率部をなす交換イオンはＮａ，Ｋ，Ｌｉ，Ｔｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｃｅ中の１種類以上にするとなおよい。また、前記高屈折率部における光の伝播がシングルモードであり、当該シングルモードの伝播特性はイオン交換法におけるマスク層の開口幅の調整により設定するとよい。
【００１５】
一方、本発明に係るイオン交換型光導波路の製造方法では、ガラス基板中のアルカリイオンをイオン交換により置き換えて所定パターンの高屈折率部を形成し、当該高屈折率部に光を伝播させるイオン交換型光導波路の製造方法であって、前記ガラス基板には一方の表面に所定パターンの開口部を有するマスク層を形成し、銀などの一価イオンを含有する溶融塩の中に前記ガラス基板を浸して加熱する第１のイオン交換工程を行い、前記開口部についてイオン交換の侵攻，拡散により高屈折率部を形成させ、次に前記マスク層を除去し、屈折率の上昇に寄与するイオンを含有しない溶融塩の中に前記ガラス基板を浸して加熱する第２のイオン交換工程を行い、この後、当該ガラス基板には前記高屈折率部の形成面側に、伝播させる光について透過性，等方性であり前記ガラス基板に対する物性の差異によって光の伝播モードを補正する屈折率調整層を設ける工程手順とした。
【００１６】
係る構成にすることにより本発明では、高屈折率部を形成した側の表面に、伝播させる光について透過性，等方性でありガラス基板に対する物性の差異によって光の伝播モードを補正する屈折率調整層を設けるので、光の伝播におけるモ−ドフィールドを補正することができる。したがって、光の伝播におけるモ−ドフィールドを略円形にすることができる。
【００１７】
また、２段階に熱イオン交換を行うことでは、高屈折率部がガラス基板の内部に侵攻，拡散し、このため高屈折率部での屈折率分布をより円形状に近づけることができる。この２段階の熱イオン交換の工程は電界アシストするのではなく、設定が異なる熱イオン交換を単に２回行うだけなので容易に作業できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るイオン交換型光導波路では、高屈折率部を形成した側の表面に伝播モードを補正する屈折率調整層を設けたため、光の伝播におけるモ−ドフィールドを略円形にすることができる。また、２段階に熱イオン交換を行うことにより、高屈折率部がガラス基板の内部に侵攻，拡散するので、高屈折率部での屈折率分布をより円形状に近づけることができる。その結果、光ファイバとの接合損失および偏波依存損失を低減することができる。
【００１９】
また、本発明に係る製造方法では、２段階の熱イオン交換の工程は電界アシストするのではなく、設定が異なる熱イオン交換を単に２回行うだけなので、製造が容易であり生産性に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図２（ｄ）は、本発明に係るイオン交換型光導波路の第１の実施の形態を示している。本実施の形態において、イオン交換型光導波路は、ガラス基板１の一方の表面近傍に熱イオン交換により所定パターンの高屈折率部１０を形成し、その高屈折率部１０を形成した側の面に屈折率調整層２を設ける構成になっており、高屈折率部１０に光ファイバを接続して光の伝播を行う。
【００２１】
高屈折率部１０は、後述するように、イオン交換法による第１のイオン交換を行った後に、屈折率の上昇に寄与するイオンを含有しない溶融塩６０の中にガラス基板１を浸して加熱する第２のイオン交換工程により侵攻，拡散させて形成する。
【００２２】
屈折率調整層２は、伝播させる光について透過性，等方性でありガラス基板１に対する物性の差異によって光の伝播モードを補正するようになっている。具体的には屈折率調整層２は、無機物やエポキシ，アクリル等の高分子膜中の少なくとも１種類以上の部材により厚さを略５μｍ以上に形成する。屈折率調整層２の屈折率ｎ１は１．０より大きくし、ガラス基板１の屈折率ｎ０との関係では（ｎ１−ｎ０）＝Δｎと定める屈折率差はΔｎ≦０とし、（Δｎ／ｎ０）と定める屈折率比は０．０１〜０．０２程度に設定する。
【００２３】
次に、上記した構成のイオン交換型光導波路の製造方法の第１の実施の形態を説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、イオン交換法による製造プロセスを順に説明する断面図である。
【００２４】
イオン交換型光導波路の製造では、ガラス基板１はイオン交換のためのナトリウム等のアルカリイオンを含むガラス材料から形成している。ガラス基板１に予め含ませるアルカリイオンは、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ中の１種類以上であり、高屈折率部１０をなす交換イオンはＮａ，Ｋ，Ｌｉ，Ｔｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｃｅ中の１種類以上である。
【００２５】
このガラス基板１には、図２（ａ）に示すように、一方の表面にＴｉ等からなるマスク層３をスパッタ法などにより形成し、そして当該表面に所定パターンの開口部４をフォトリソグラフィやドライエッチングにより形成する。この溝状の開口部４の底部分が後述するようにイオン交換により高屈折率部となり光導波路となる。
【００２６】
図２（ｂ）は、第１のイオン交換工程を示している。この行程では、るつぼ５には銀などの一価イオンを含有する溶融塩５０を満たしておき、このるつぼ５は図示しない電気炉内に設置する。そして、るつぼ５内の溶融塩５０の中に、ガラス基板１を浸して加熱する。これにより熱イオン交換が起き、ガラス基板１の中のナトリウムイオンと溶融塩５０の中の銀イオンが交換し、幅狭の開口部４ではガラス基板１の内部に侵攻して拡散する状態に高屈折率部１０ができる。つまり、高屈折率部１０では、屈折率の分布は断面で見てガラス基板１の表面側が最も高く、内部に拡散した略半円状の状態になっている。この高屈折率部１０における光の伝播はシングルモードであり、当該シングルモードの伝播特性はイオン交換法におけるマスク層３の開口部４の幅を調整することにより設定する。
【００２７】
第１のイオン交換工程が終了したガラス基板１は、表面のマスク層３を除去する。そして、図２（ｃ）に示す第２のイオン交換工程を行なう。すなわち、この行程では、るつぼ６には、屈折率の上昇に寄与するイオンを含有しない溶融塩６０を満たしておき、このるつぼ６も図示しない電気炉内に設置する。そして、このるつぼ６内の溶融塩６０の中に、マスク層３を除去したガラス基板１を浸して加熱する。このとき、高屈折率部１０の銀イオンが溶融塩６０の中に拡散し、ガラス基板１の表面近傍の屈折率が低下するとともに、ガラス基板１の内部に向かって拡散していくので高屈折率部１０の断面形状は円形状に近づいていく。
【００２８】
この第２のイオン交換工程を終了した時点では、ガラス基板１に形成した高屈折率部１０は完全な円形ではなく、楕円に近いような形状となる。図３は、第２のイオン交換工程を終了したガラス基板１の断面について屈折率分布を示すグラフであり、縦軸の０．０がガラス基板１の表面であって単位はμｍである。このように、ガラス基板１の断面での屈折率分布は高屈折率部１０の部分が扁平な同心円状の分布になり、ガラス基板１の表面に接した楕円形状になる。
【００２９】
そして次の工程において、ガラス基板１には図２（ｄ）に示すように、高屈折率部１０の形成面側に、屈折率調整層２を所定に形成して製造を完了する。高屈折率部１０における光の伝播は、ガラス基板１の屈折率ｎ０と屈折率調整層２の屈折率ｎ１との相互の関係に応じて性状が大きく変化し、屈折率の絶対値や比率、および屈折率調整層２の物性や厚みなどを適正に調整する必要がある。
【００３０】
図４から図６は、光導波路（高屈折率部１０）の出射端での光強度分布を示すグラフであり、高屈折率部１０に対して一方端では整合接続した光ファイバから光を入射し、充分な長さを通過した他方の出射端での光強度分布を数値計算したものである。
【００３１】
図４に示す光強度分布は、屈折率ｎ０，屈折率ｎ１の関係を、ｎ０＜ｎ１とした条件での分布であり、この場合は出射端では光は上側の屈折率調整層２にほとんど漏れてしまい、ガラス基板１内で導波することができない状態になっている。
【００３２】
図５に示す光強度分布は、屈折率ｎ０，屈折率ｎ１の関係を、ｎ０＝ｎ１とした条件での分布であり、屈折率の相互の関係をこのように調整することではガラス基板１の表面近傍にほぼ真円に近い強度分布を得ることができる。したがって光ファイバとの結合が良好に得られる。
【００３３】
図６に示す光強度分布は、ｎ１＝１．０とした条件での分布であり、光は上側の屈折率調整層２にはほとんど漏れないが、光強度分布が扁平になり半円に近い分布になるため当該出射端側で光ファイバとの接合に損失が発生し、偏波依存損失も発生する。
【００３４】
また、図７は屈折率の比率に対する接合損失を示すグラフである。同図の縦軸は、光導波路（高屈折率部１０）に接続した光ファイバからの入射光が当該高屈折率部１０を５ｍｍ通過したところでの損失であり、ここでは接合損失と呼ぶことにする。横軸は、（ｎ１−ｎ０）＝Δｎを屈折率差と定めて（Δｎ／ｎ０）とした屈折率比である。
【００３５】
したがって、横軸の０位置は屈折率ｎ１と屈折率ｎ０が同じ場合であり、屈折率ｎ１が屈折率ｎ０よりも大きくなると、つまり屈折率調整層２の側がガラス基板１の側よりも大きくなると接合損失が急激に増加する。
【００３６】
図８は、屈折率の比率に対する偏波依存損失を示すグラフである。同図の縦軸は、光導波路（高屈折率部１０）への入射光の偏波方向が変わった場合における上記した接合損失の変動であり、ここでは偏波依存損失と呼ぶことにする。横軸は、（ｎ１−ｎ０）＝Δｎを屈折率差と定めて（Δｎ／ｎ０）とした屈折率比である。同図から分かるように、偏波依存損失は上記した接合損失と同様であり、屈折率ｎ１が屈折率ｎ０よりも大きくなると偏波依存損失は急激に増加する。また、横軸でマイナス方向に向かっていくと、つまり屈折率調整層２の屈折率ｎ１が１．０（空気）に近づくにしたがって偏波依存損失が増加する。
【００３７】
図９は、屈折率調整層２の厚さに対する接合損失を示すグラフである。また、図１０は、屈折率調整層２の厚さに対する偏波依存損失を示すグラフである。これらのグラフから分かるように、屈折率調整層２の厚さを５μｍ程度にすることにより損失が少なく安定した良好な特性が得られる。
【００３８】
すなわち本発明では、高屈折率部１０を形成した側の表面に、伝播させる光について透過性，等方性でありガラス基板１に対する物性の差異によって光の伝播モードを補正する屈折率調整層２を設けるので、光の伝播におけるモ−ドフィールドを補正することができる。したがって、光の伝播におけるモ−ドフィールドを略円形にすることができる。
【００３９】
また、第１のイオン交換工程，第２のイオン交換工程の２段階に熱イオン交換を行うので、高屈折率部１０がガラス基板１の内部に侵攻，拡散する。このため高屈折率部１０での屈折率分布をより円形状に近づけることができる。
【００４０】
その結果、光ファイバとの接合損失および偏波依存損失を低減することができる。
【００４１】
そして、２段階の熱イオン交換の工程は電界アシストするのではなく、設定が異なる熱イオン交換を単に２回行うだけなので容易に作業でき、製造が容易であり生産性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】電界アシストによるイオン交換法を示し、従来の第２のイオン交換工程を説明する断面図である。
【図２】本発明に係るイオン交換法による製造プロセスを（ａ）〜（ｄ）の順に説明する断面図であり、（ｄ）は本発明に係るイオン交換型光導波路の好適に一実施の形態を示す断面図である。
【図３】図２（ｃ）を完了したガラス基板の断面について屈折率分布を示すグラフである。
【図４】光導波路（高屈折率部）の出射端での光強度分布を示すグラフである。
【図５】光導波路（高屈折率部）の出射端での光強度分布を示すグラフである。
【図６】光導波路（高屈折率部）の出射端での光強度分布を示すグラフである。
【図７】屈折率の比率に対する接合損失を示すグラフである。
【図８】屈折率の比率に対する偏波依存損失を示すグラフである。
【図９】屈折率調整層の厚さに対する接合損失を示すグラフである。
【図１０】屈折率調整層の厚さに対する偏波依存損失を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１  ガラス基板
２  屈折率調整層
３  マスク層
４  開口部
５，６  るつぼ
１０  高屈折率部（光導波路）
５０，６０  溶融塩
ｎ０  ガラス基板の屈折率
ｎ１  屈折率調整層の屈折率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005075706.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005075706.tif 000011
【図１０】
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