(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎａ2 Ｏ−Ｂ2 Ｏ3 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 系ガラスであって、
ＳｉＯ2 ：６３〜７２モル％
Ｂ2 Ｏ3 ：１０〜１８モル％
Ａｌ2 Ｏ3 ：２〜８モル％
Ｎａ2 Ｏ：７〜１３モル％
Ｌｉ2 Ｏ：０〜１モル％
Ａｓ2 Ｏ3 ：０〜０．５モル％
Ｓｂ2 Ｏ3 ：０〜０．５モル％
（但し、Ａｓ2 Ｏ3 ＋Ｓｂ2 Ｏ3 ：０．０１〜１モル％）
からなる多成分系ガラス材料（但し、Ｋイオンはガラス成分として含有しない）に、イオン交換によりＡｇをドープすることで光導波路が形成されていることを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
ガラス材料が、波長１２００〜１６５０nmの近赤外線に対する屈折率で、１．５０以下である請求項１記載の光導波路素子。
【請求項３】
ガラス材料が厚さ５mm以下の基板状で、少なくとも一面が表面粗さＲａ：０．００１〜０．１μｍの鏡面状態である請求項１又は２記載の光導波路素子。
【請求項４】
ガラス材料内部にＡｇイオンドーピング領域が埋め込まれている請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子を製造する方法であって、Ａｇイオンのイオン交換を２００〜３５０℃で行う光導波路素子の製造方法。
【請求項６】
Ａｇイオンを含有する処理浴でイオン交換を行う請求項５記載の光導波路素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス材料に、イオン交換法でＡｇをドープすることにより光導波路を形成した光導波路素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路素子及びその製造方法として、イオン交換法によって、ガラス基板に光導波路を形成する技術は、従来公知である。Ａｇイオンを使用し、ガラス材料中のＮａイオンとイオン交換にする技術も、既に報告されている。
【０００３】
Ａｇ−Ｎａイオン交換は、屈折率変化量が大きく、複屈折性の低い光導波路が形成できるばかりでなく、交換速度が大きく生産性に優れている利点がある。しかし、Ｎａイオン以外のアルカリ金属イオンとのイオン交換による複屈折性の発生、Ａｇコロイド化による着色及び吸収等の問題が指摘されている。
【０００４】
そこで、Ａｇイオン交換によって低損失、低応力光導波路を形成するために、ガラス材料としてＦ（フッ素）置換ガラスや非架橋酸素の少ないガラスの使用（特開平４−２１９３４１号参照）が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
Ｆ置換ガラスは、ガラス溶解の低温化、屈折率の低下を実現できるという利点がある反面、揮発性の高いフッ素による屈折率の不均一性が顕著であり、ガラスの生産性が悪く（低収率）、基板（ウエハ）を大口径化し難い点が問題となっている。
【０００６】
提案されている非架橋酸素の少ないガラスは、揮発成分は多くないがアルカリ成分が多く（約２０モル％以上）、そのために耐候性に劣るばかりでなく、高屈折率であり、光ファイバとのモードフィールド整合が困難となる。また、光導波路と光ファイバとの結合部での反射光量を増大することにもなる。更に、前記特許公開公報においても、着色性の回避のために、添加物を入れることが述べられており、それによる屈折率の上昇が不可避となっている。
【０００７】
ところで、実際のイオン交換による光導波路素子の製造においては、イオン交換速度や埋め込み制御性を考慮する材料設計が必要である。しかし、これらについては、従来公表されている特許公報あるいは文献などに十分な記述が無く、着色性、生産性、組成の相関は解明されていなかった。
【０００８】
本発明の目的は、Ａｇイオン交換により、低損失且つ低応力光導波路を、ガラス材料に安価に安定的に形成することができる光導波路素子及びその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｎａ2 Ｏ−Ｂ2 Ｏ3 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 系ガラスであって、Ｎａ2 Ｏを５〜１３モル％含有する多成分系ガラス材料に、イオン交換によりＡｇをドープすることで光導波路が形成されている光導波路素子である。
【００１１】
ここで、多成分系ガラス材料の組成としては、
ＳｉＯ2 ：６３〜７２モル％
Ｂ2 Ｏ3 ：１０〜１８モル％
Ａｌ2 Ｏ3 ：２〜８モル％
Ｎａ2 Ｏ：７〜１３モル％
Ｌｉ2 Ｏ：０〜１モル％
Ａｓ2 Ｏ3 ：０〜０．５モル％
Ｓｂ2 Ｏ3 ：０〜０．５モル％
（但し、Ａｓ2 Ｏ3 ＋Ｓｂ2 Ｏ3 ：０．０１〜１モル％）
とする。
【００１２】
ガラス材料は、用途が光通信用である点を考慮して、波長１２００〜１６５０nmの近赤外線に対する屈折率が、１．５０以下であることが望ましい。また、使用するガラス材料は、厚さ５mm以下の基板状として、少なくとも一面が表面粗さＲａが０．００１〜０．１μｍの鏡面状態であることが望ましい。
【００１３】
ガラス材料に形成する光導波路は、ガラス材料の表面に設けてもよいが、ガラス材料内部にＡｇイオンドーピング領域を埋め込む構成が好ましい。
【００１４】
上記のような光導波路素子を製造するに際して、Ａｇイオンのイオン交換は、例えば２００〜３５０℃で、Ａｇイオンを含有する処理浴で行う。
【００１５】
【発明の実施の形態】
ガラス材料に光導波路を形成するためには、
（１）単一モード導波に十分な屈折率変化
（２）低複屈折性
（３）低吸収特性
（４）優れた耐候性
（５）高生産性（ガラスウエハの収率、光導波路形成条件）
（６）光ファイバとの低損失接続（光ファイバとのモードフィールド整合）
が非常に重要となる。なお、上記（５）の高生産性はイオン交換速度が関係し、（６）の低損失接続性は屈折率の整合が関係している。このため、ガラス成分の特徴を活かした組成設計が必要となる。
【００１６】
本発明におけるガラスは、Ｎａ2 Ｏ−Ｂ2 Ｏ3 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 系のガラスである。各成分の果たす作用は次の如くであり、それに伴い成分比率は次のように規定する。
ＳｉＯ2 は、ガラス骨格を形成する主成分であり、６０モル％未満ではガラスが化学的に不安定で、耐水性や耐酸性などが乏しくなり、７５モル％を超えると溶融温度が高くなる。そこで、６０〜７５モル％とする必要があるが、なかでも良好な特性を発現させるため６３〜７２モル％とする。
Ｂ2 Ｏ3 は、ガラス骨格を形成すると共に、ガラスの溶融温度、成形温度を低下させるため必ず含ませる必要がある。１０モル％未満では溶融温度低下の効果が乏しくなり、２０モル％を超えると溶融、成形時に揮発しやすく、組成変動によって脈理や失透などの欠陥が生じやすくなる。そこで、１０〜２０モル％とする必要があるが、なかでも良好な特性を発現させるため１０〜１８モル％とする。
Ａｌ2 Ｏ3 は、ガラスを化学的に安定にすると共に、イオン交換を促進する。２モル％未満ではイオン交換促進の効果が小さく、１０モル％を超えるとガラスの溶融温度が高くなり、且つガラスも失透しやすくなる。そこで、２〜１０モル％とする必要があるが、なかでも良好な特性を発現させるため２〜８モル％とする。
Ｎａ2 Ｏは、Ａｇイオンと交換してガラスに屈折率変化を生じさせるために５モル％以上の濃度が必要である。しかし、１３モル％を超えるとガラスの耐久性が低下する（ガラス化し難くなる）し、屈折率が大きくなるため、できるだけ少なくする。そこで、５〜１３モル％とする必要があるが、なかでも良好な特性を発現させるため７〜１３モル％とする。
Ｌｉ2 Ｏは、ガラスの溶融性（成形性）を向上させるが高価である。また１モル％を超えても溶融性向上の効果は少ないし、Ａｇイオンとの交換が生じる。そこで、１モル％以下とし、含まれていなくてもよい。
【００１７】
以上の基本成分の他に、本発明の主旨を損なわない範囲で、清澄剤などを添加する。具体的には、
Ａｓ2 Ｏ3 ：０〜０．５モル％
Ｓｂ2 Ｏ3 ：０〜０．５モル％
但し、Ａｓ2 Ｏ3 ＋Ｓｂ2 Ｏ3 ：０．０１〜１モル％
を添加する。これらは、気泡を抜きやすくする作用（脱泡機能）を有し、ほぼ同等の効果を示す。
【００１８】
ところで前記のように、光導波路素子では低複屈折性を実現することが必要であるが、そのためにはＡｇイオンとの交換により応力を生じるＮａイオン以外のアルカリ金属イオンを抑制することが重要である。そこで本発明では、Ｋイオンはガラス成分として含有させていない。
【００１９】
【実施例】
表１に示すような種々の組成のガラス材料で基板を試作し、イオン交換処理した後、必要な測定を行った。
【００２０】
【表１】
0003899825.tif 000002
【００２１】
表１の組成となるようにガラス原料を調合し、白金るつぼ内で溶融し、成形後徐冷して試料を作製した。ウエハ基板状に加工した後、試料ガラス基板を３モル％硝酸銀（ＡｇＮＯ3 ）溶融塩（温度：２８０℃）に５時間浸漬してイオン交換した後、イオン交換速度、屈折率変化、着色特性（吸収特性）、及び複屈折性を評価した。また、基板ガラスの屈折率とガラスの均質化に必要な溶融温度も測定した。
【００２２】
試料番号１〜５は本発明の範囲内のガラス組成で、試料番号６〜１０は本発明の範囲外のガラス組成（比較例）である。試料番号１〜５のガラスは、いずれも単一モード設計に十分な屈折率変化量をもち、且つ透明で複屈折性も低い。またガラス基板の屈折率も低く、且つ溶融温度も１５００℃以下と比較的低温で均質ガラスを作製できた。それに対して試料番号６及び７のガラスは、Ａｌ2 Ｏ3 量が多いため、高温溶融が必要となり、均質ガラスの調製が困難であった。試料番号７のガラスはＢ2 Ｏ3 を含有しない唯一のガラスであるが、着色が生じた。試料番号８は、アルカリ金属酸化物としてＫ2 Ｏを含有するため、複屈折性を示している。また試料番号９のガラスは、アルカリ量が過多のために屈折率が高くなり、光ファイバとの整合が困難になる。試料番号１０のガラスは、逆にアルカリ量が過少のために屈折率変化量が小さく、単一モード設計ができない欠点が生じる。
【００２３】
本発明は、特に例示していないが、ガラス基板に光導波路を形成する様々な構造の光導波路素子に適用できるものであり、各種の受動光平面回路のみならず、能動部を有する光集積回路の一部などにも適用でき、それらの場合も本発明に含まれることは言うまでもない。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によって、大口径の基板を安定的に製造できるガラスに、Ａｇイオン交換によって低損失且つ低応力の光導波路を形成することができる。即ち、単一モード導波に十分な屈折率変化を生じ、低複屈折性並びに低吸収特性で、優れた耐候性を呈し、高生産性で、光ファイバとの低損失接続を実現できる。