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CN1481517A - 光波导及其制造方法 - Google Patents

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CN1481517A
CN1481517A CNA028033574A CN02803357A CN1481517A CN 1481517 A CN1481517 A CN 1481517A CN A028033574 A CNA028033574 A CN A028033574A CN 02803357 A CN02803357 A CN 02803357A CN 1481517 A CN1481517 A CN 1481517A
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Abstract

本发明的光波导由包层1及埋入包层1中的形成波导的芯子20构成，在设定形成芯子20的玻璃材料的热膨胀系数为α1、形成包层1的玻璃材料的热膨胀系数为α2时，上述玻璃材料的热膨胀系数之差(α1－α2)的绝对值在0～9×10－7/℃的范围内。通过直接接合使折射率不同、且热膨胀系数不同的玻璃材料进行接合。此外，通过溅射形成上部包层。与以往的方法相比，由于能够以低温制得光波导，因此能够提供可缩短制造工时及制造时间、传输损耗小、且价格低廉的光波导及其制造方法。

Description

光波导及其制造方法
技术领域
本发明涉及光器件，特别涉及光波导及其制造方法。
背景技术
以往，在光波分合成器及分支插入器等波导系列的光器件中，作为在基板上制成光波导的方法，大致可以分为淀积法及离子交换法等两类。
淀积法是在硅等制成的基板上形成SiO2膜的方法，具体来说有火炎淀积法、等离子化学气相淀积法(P-CVD法)或分子束蒸镀法(MBE法)等。
关于利用淀积法中的火炎淀积法制造光波导的方法，下面用图3进行说明。如图3(a)所示，在石英基板7上淀积数微米厚的添加了氧化锗(GeO2)的微粒状二氧化硅(SiO2)或添加了氧化钛(TiO2)的微粒状二氧化硅(SiO2)后，将它烧结并变成透明状，形成芯层8。然后，如图3(b)所示，利用光刻及干法刻蚀技术，将芯层8形成规定形状的图形，形成芯子81。然后，如图3(c)所示，再利用火炎淀积法，在芯子81及石英基板7上淀积添加了五氧化二磷(P2O5)及氧化硼(B2O3)的二氧化硅(SiO2)，将它烧结并变成透明状，形成上部包层9，制成光波导。
另外，再说明离子交换法的制造方法。在该方法中使用了硼硅玻璃基板，在该基板上利用金属掩膜形成波导图形。然后，将该基板浸渍在含有杂质的熔盐中，利用杂质与玻璃成分的离子交换现象，使杂质向波导图形的玻璃中扩散，在玻璃基板的表面层形成芯层。另外，由于形成金属掩膜的区域不产生离子交换现象，因此仅仅露出的区域部分得到与掩膜图形相同形状的芯层。
再将玻璃基板浸渍在仅包含玻璃基板成份中不是上述杂质成分的熔盐中，加上电场，使表面层形成的芯层中的杂质在玻璃基板内部移动，在玻璃基板内部形成规定形状的芯子。该芯子是形成光波导的高折射率部分。另外，除去金属掩膜后，用低折射率的材料覆盖玻璃基板表面层，使其覆盖构成光波导的芯子，形成将芯子埋入的形状。
但是，在上述淀积法及离子交换法中存在下述的问题。
用淀积法形成的光波导虽然其传输损耗最小，但由于要经过芯子及包层的淀积及烧结步骤，特别是利用光刻的图形形成步骤，因此光波导的制造工时多，而且各步骤需要较长的时间，所以存在生产率方面的问题。例如，芯层的淀积需要1.5小时，烧结需要10小时。
另外，利用离子交换法形成的光波导虽然能够以较短时间制成，但由于是利用离子交换制成芯层，因此在玻璃基板的厚度方向上杂质产生不均匀分布。因此存在的问题是，在厚度方向折射率也产生不均匀分布，导致传输损耗变差。
发明的揭示
本发明正是为了解决上述以往存在的问题完成的发明，其目的在于提供传输损耗小、且能够减少光波导制造工时及制造时间的价格低廉的光波导及其制造方法。
为了达到上述目的，本发明具有以下的构成。
本发明的光波导由包层及埋入在包层中形成波导的芯子构成，在设定形成芯子的玻璃材料的热膨胀系数为α1、形成包层的玻璃材料的热膨胀为α2时，上述玻璃材料的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值在0～9×10-7/℃的范围内。
如上所述，由于采用折射率不同且热膨胀系数不同的玻璃材料，能够使下部包层与芯子直接接合，因此界面的光学特性很好，而且能够增大接合强度。再有，若利用溅射形成上部包层，则与以往方式相比，由于能够以低温制成光波导，因此不仅材料的选择的自由度增加，而且还能够降低成本。
另外，本发明的光波导由包层及埋入在包层中形成波导的芯子构成，在设定形成芯子的玻璃材料的热膨胀系数为α1及其变形温度为At1、形成包层的玻璃材料的热膨胀系数为α2及其变形温度为At2时，上述玻璃材料的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值在0～9×10-7/℃的范围内，且形成芯子的玻璃材料的变形温度比形成包层的玻璃材料的变形温度高70℃以上。
由此，不仅能够利用溅射形成上部包层，还能够采用下述的制造方法，即，采用形成包层的玻璃板，通过热压将芯子埋入其中并同时与下部包层形成一体的方法，这样能够大幅度缩短工时及时间，实现成本的降低。
另外，形成本发明的光波导的芯子的玻璃材料是硼硅酸无铅玻璃，它由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)、碱金属氧化物(R2O)及二价金属氧化物(LO)(R：碱金属，L：二价金属)构成，形成包层的玻璃材料是含氟无铅玻璃，它由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氟化物构成，因而传输损耗特性好，且能够实现低成本。
另外，本发明的光波导的芯子及包层的玻璃材料可以是由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氟化物形成的含氟无铅玻璃，芯子的玻璃材料的折射率大于包层的玻璃材料的折射率，因此，传输损耗特性好，能够实现低成本。
本发明的光波导的制造方法包括下述步骤，即，将形成下部包层的玻璃板的光学研磨面与形成芯层的玻璃板的光学研磨面相对设置并压紧加热，使它们直接接合而形成接合基板的步骤；对该接合基板的芯层表面进行研削及研磨而加工成芯子所需厚度的步骤；对芯层进行刻蚀而形成构成波导的芯子的步骤；以及在包含芯子的下部包层上利用溅射形成玻璃膜构成上部包层的同时，使芯子埋入由上部包层与下部包层构成的包层中的步骤。由玻璃材料构成的光波导具有良好的特性，而且能够以简单的方法制得。
另外，本发明的光波导的制造方法包括下述步骤，即，将形成下部包层的玻璃板的光学研磨面与形成芯层的玻璃板的光学研磨面相对设置并压紧加热，使它们直接接合而形成接合基板的步骤；对该接合基板的芯层表面进行研削及研磨而加工成芯子所需厚度的步骤；对芯层进行刻蚀而形成构成波导的芯子的步骤；以及在该芯子上配置变形温度低于该芯子的变形温度低的玻璃板构成的上部包层，加热到至少高于上部包层的变形温度的温度并加压，在保持芯子形状的同时使上部包层与下部包层接合形成一体而将芯子埋入包层的热压步骤。用该方法能够以简单的步骤在短时间内制得光学特性良好的光波导。
本发明的光波导的制造方法是采用了下述玻璃材料的方法，即，在设定形成芯子的玻璃材料的热膨胀系数为α1、形成包层的玻璃材料的热膨胀系数为α2时，上述玻璃材料的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值在0～9×10-7/℃的范围内。这样即使经过直接接合或切割等步骤，也能够制得不易产生裂纹或剥离的光波导。
本发明的光波导的制造方法是采用了下述玻璃材料的方法，即，在设定形成芯子的玻璃材料的热膨胀系数为α1及其变形温度为At1、形成包层的玻璃材料的热膨胀系数为α2及其变形温度为At2时，上述玻璃材料的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值在0～9×10-7/℃的范围内，且形成芯子的玻璃材料的变形温度比形成包层的玻璃材料的变形温度高70℃以上。这样即使对上部包层进行热压，也能够大批量制得芯子形状的精度稳定的光波导。
本发明的光波导的制造方法中，热压步骤在高于形成包层的玻璃材料的变形温度而低于形成芯子的玻璃材料的变形温度的温度范围内进行加热。通过将热压温度设定在上述范围内，既能够抑制芯子的变形，又能够切实将上部包层与下部包层接合形成一体。
本发明的光波导的制造方法是采用了下述玻璃材料的方法，其中，形成芯子的玻璃材料是硼硅酸无铅玻璃，它由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)、碱金属氧化物(R2O)及二价金属氧化物(LO)(R：碱金属，L：二价金属)构成，形成包层的玻璃材料是含氟无铅玻璃，它由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氟化物构成，这样能够制造易于直接接合、且接合界面的接合强度较大的高可靠性光波导。
另外，本发明的光波导的制造方法是采用下述材料的方法，芯子及包层的玻璃材料是由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氟化物构成的含氟无铅玻璃，芯子的玻璃材料的折射率大于包层的玻璃材料的折射率，这样能够制造容易直接接合而且接合界面的接合强度大的高可靠性光波导。
本发明的光波导的制造方法中，下部包层与芯层的各个接合面经过研磨达到在接合的整个基板面内的算术平均表面粗糙度(Ra)为0.1nm～1nm、且平整度为0.1μm～1μm后直接进行接合。这样即使采用直径为3英寸以上的基板，也能够切实进行全面的直接接合，能够以高生产率制得光波导。另外，若使Ra在1nm以下，则能够使基板的玻璃成分相互之间进行原子间结合，若平整度在1μm以下，则基板相互之间能够全面进行均匀接触，因此能够可靠且稳定地进行直接接合。
对附图的简单说明
图1为本发明实施例1的光波导及其制造方法的步骤说明图。
图2为本发明实施例2的光波导及其制造方法的步骤说明图。
图3为采用以往的火炎淀积法的光波导的制造方法的步骤说明图。
实施发明的最佳方式
下面参照附图详细说明本发明的实施例的光波导及其制造方法。
实施例1
图1为本发明实施例1的光波导的制造步骤说明图。将作为形成下部包层1a的基板的直径3英寸的圆片状含氟无铅玻璃与作为形成芯层2的基板的相同形状的硼硅酸无铅玻璃通过直接接合进行接合。图1(a)所示为接合的状态。直接接合通过以下所述的步骤进行。首先，将各玻璃板的单面进行光学研磨，使其作为表面粗糙度的算术平均粗糙度(Ra)达到1nm、平整度达到1μm。然后，将这些玻璃基板进行清洗，直至水与这些玻璃基板的接触角达到5度以下。接着，将这些玻璃基板的研磨面相对设置并压接，再以250℃的温度进行1小时的热处理，使下部包层1a与芯层2通过直接接合以原子级接合，形成一体化的接合基板11。直接接合时，若将玻璃等氧化物表面以原子级在正常状态下相对设置并贴紧后进行热处理，则能够通过氧原子实现玻璃基板的成分原子的结合，得到与块状体相同程度牢固的界面。若通过这样的直接接合，即使采用组成不同的不同种类的大直径材料，也能够不用粘结剂容易地实现一体化。
然后，如图1(b)所示，对芯层2的表面进行研削及研磨，使其最终厚度达到5～7μm。再如图1(c)所示，利用旋涂法涂布光刻胶层3，再如图1(d)所示，利用光刻法形成图形，然后利用干法刻蚀，如图1(e)所示，对芯层2的不需要部分进行刻蚀。再进一步除去光刻胶层3，得到在下部包层1a上形成了规定形状的芯子20的芯子接合基板11a。
然后，将与下部包层1a相同的含氟无铅玻璃作为靶，利用溅射法在图1(f)所示的芯子20形成面上淀积含氟无铅玻璃，形成上部包层1b。由于下部包层1a与上部包层1b采用了相同的材料，因此它们可形成一体化的包层1，得到芯子20埋入该包层1中的光波导。图1(g)所示为该光波导。
下面参照比较例来说明具体的实验例。
作为第1实验例，形成下部包层1a的玻璃采用玻璃变形温度为568℃、折射率为1.4876、热膨胀系数为95×10-7/℃、其组成为SiO2-B2O3-K2O-KHF2的含氟无铅玻璃。另外，形成芯层2的玻璃采用玻璃变形温度为625℃、折射率为1.5164、热膨胀系数为86×10-7/℃、其组成为SiO2-B2O3-Na2O-K2O-BaO的硼硅酸无铅玻璃。各玻璃基板是厚度为1mm、直径为3英寸的圆片状。
对相对的表面进行光学研磨，达到Ra为1nm、平整度为1μm，再进行清洗，使水与各基板的接触角达到5度以下后，将研磨面相互设置并压接，以250℃的温度进行1小时的热处理使两基板直接接合。然后，对形成芯层2的硼硅酸无铅玻璃进行研削及研磨，使其厚度达到7μm。在硼硅酸无铅玻璃上形成光刻胶层3，在其上重叠掩膜图形进行曝光及显影，形成有图形的光刻胶层3。将形成了图形的光刻胶层3作为掩膜进行反应离子刻蚀，形成截面形状为7μm见方的芯子20。接着，溅射20μm的与下部包层1a相同组成的含氟无铅玻璃，形成上部包层1a，制得光波导。下部包层1a与上部包层1b由相同材料构成，具有相同的光学特性，两者构成一体化的包层1。将以上制得的试样称为实验例1。
该实验例1的光波导的芯子20与包层1的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值为9×10-7/℃。但是，直接接合的芯子20与包层1的界面处的接合强度足够大，完全不产生剥离。另外，下部包层1a及芯子20被利用溅射法形成的上部包层1b完全覆盖，在芯子20与下部包层1a的界面或者在芯子20与上部包层1b的界面处也完全看不到易产生的气泡。
再将直径3英寸的圆片状玻璃基板上制成的多个光波导切割成一片片的光波导，为了与光纤连接，必须用切片机等将芯子20的端面切断，使其露出。这时，若芯子20与包层1的热膨胀系数之差较大，则切断时在芯子20及包层1、特别是它们的界面部分会产生破碎或裂纹。但是，在实验例1的光波导中，完全没有发现这样的缺陷。
作为第2实验例，其芯层及下部包层1a采用与上述相同的直径3英寸、厚1mm的圆片状含氟无铅玻璃。但是，形成下部包层1a的含氟无铅玻璃的玻璃变形温度为491℃、折射率为1.4816、热膨胀系数为95×10-7/℃、其组成为SiO2-B2O3-AlF3-K2O-Na2O。另外，形成芯层2的含氟无铅玻璃的玻璃变形温度为568℃、折射率为1.4876、热膨胀系数为95×10-7/℃、其组成为SiO2-B2O3-K2O-KF。这些玻璃基板的光波导制造方法及条件与实验例1相同。由上述玻璃制得的试样称为实验例2。
该实验例2的光波导，在直接接合的界面也没有产生翘曲及剥离，在芯子20与包层1的界面没有产生气泡。另外，在切断时没有产生破碎或裂纹。
为了与上述实验例进行比较，下部包层1a采用直径3英寸、厚1mm的含氟无铅玻璃，芯层采用相同形状的硼硅酸无铅玻璃。形成下部包层1a的含氟无铅玻璃是玻璃变形温度为495℃、折射率为1.5112、热膨胀系数为100×10- 7/℃、其组成为SiO2-KF-K2O的玻璃。另外，形成芯层2的硼硅酸无铅玻璃是玻璃变形温度为625℃、折射率为1.5164、热膨胀系数为86×10-7/℃、其组成为SiO2-B2O3-Na2O-K2O-BaO的玻璃。用这些玻璃，通过与实验例1相同的制造方法及条件制得光波导。将以上制得的光波导称为比较例1。
该比较例1的光波导的芯子20与包层1的热膨胀系数(α1-α2)之差的绝对值为14×10-7/℃。
该光波导与实验例1及实验例2相同，在进行直接接合时，未发现基板翘曲、芯层2与下部包层1a的界面处的剥离及芯子20与包层1的界面产生气泡。的现象。但是，在切断时，在芯子20与包层1的界面处产生一部分裂纹。
表1所示为上述3种试样的结果。
                              表1
  实验例1 实验例2 比较例1
变形温度(℃)     包层     568     491     495
    芯子     625     568     625
热膨胀系数(×10-7/℃)     包层     95     95     100
    芯子     86     95     86
  折射率     包层   1.4876   1.4816   1.5112
    芯子   1.5164   1.4876   1.5164
  α1-α2(×10-7/℃)     9     0     14
  变形温度之差(℃)     57     77     130
由表1可知，实验例1的(α1-α2)的值为9×10-7/℃，实验例2的(α1-α2)的值为0，比较例1的(α1-α2)的值为14×10-7/℃。此外，在经过直接接合和切断步骤等步骤后发现有裂纹的试样仅仅是比较例1。利用与上述相同的制造方法，采用各种热膨胀系数不同的材料制成光波导形状，检查裂纹、剥离及气泡发生的情况。其结果是，热膨胀系数之差(α1-α2)在10×10-7/℃以上时，至少在切断时产生裂纹。但是，在9×10-7/℃以下时，完全未发现裂纹等异常情况。
根据以上的结果发现，为了通过直接接合将下部包层1a与芯层2进行接合，再利用溅射形成上部包层1b以制得光波导，芯层2与包层1的热膨胀系数之差必须在0～9×10-7/℃的范围内。
实施例2
图2为本发明实施例2的光波导的制造步骤说明图。将作为形成下部包层4a的基板的直径3英寸圆片状含氟无铅玻璃与作为形成芯层2的基板的相同形状的含氟无铅玻璃通过直接接合进行接合。图2(a)所示为接合的状态。由于进行直接接合的步骤与实施例1相同，因此说明省略。通过将芯层5与下部包层4a直接接合，能够得到芯层5与下部包层4a接合形成一体的接合基板21。
然后，如图2(b)所示，对芯层5的表面侧进行研削及研磨，使芯层5的厚度达到5～7μm。然后，如图2(c)所示，利用旋涂法涂布光刻胶层6，再如图2(d)所示，利用光刻法形成图形，然后如图2(e)所示，利用干法刻蚀，对芯层5的不需要部分进行刻蚀。接着如图2(f)所示，除去光刻胶层6，得到形成了芯子50的芯子接合基板21a。
然后，准备由与下部包层4a相同的含氟无铅玻璃形成的上部包层4b。如图2(g)所示，将该上部包层4b配置在芯子50上后，以高于上部包层4b的玻璃变形温度20～30℃的温度进行热压，形成将芯子50埋入且将下部包层4a与上部包层4b形成一体的包层4。
上述热压步骤中，在设定形成芯层5的玻璃的变形温度为At1、形成包层的玻璃的变形温度为At2时，满足At1-At2＞70℃。这样能够设定热压时芯子50不出现变形、且上部包层与下部包层可形成一体的加热温度范围。
下面参照比较例来说明具体的实验例。
作为第3实验例，其芯层5及下部包层4a采用经过单面光学研磨并清洗的直径3英寸、厚1mm的含氟无铅玻璃。但是，形成下部包层4a的含氟无铅玻璃是变形温度(At2)为491℃、折射率为1.4816、热膨胀系数(α2)为95×10-7/℃、其组成为SiO2-B2O3-AlF3-K2O-Na2O的玻璃。另外，形成芯层5的含氟无铅玻璃是变形温度(At1)为568℃、折射率为1.4876、热膨胀系数(α1)为95×10-7/℃、其组成为SiO2-B2O3-K2O-KF的玻璃。将下部包层4a的研磨面与芯层5的研磨面相对设定并压接，再以250℃进行1小时的热处理进行直接接合。这时，光学研磨后的Ra、平整度及水与清洗后的基板的接触角与实验例1相同。
然后，对芯层5进行研削及研磨，使厚度达到7μm。接着，在芯层5上涂布光刻胶层6，对其进行规定的曝光，形成有图形的光刻胶层6。将该形成了图形的光刻胶层6作为掩膜，再进行干法刻蚀，形成截面形状近似为7μm见方的芯子50。
接着，在芯子50上配置由与下部包层4a相同的玻璃构成的上部包层4b，以520℃进行30秒钟的热压。利用该热压使上部包层4b变形，将芯子50埋入其中并与下部包层4a接触，形成上部包层4b与下部包层4a一体化的包层4，制得光波导。将以上制得的光波导称为实验例3。
该实验例3的光波导，即使进行热压，芯子50也不产生变形，形状精度非常好。另外，即使经过直接接合或其后的热压等步骤之后，也没有产生基板翘曲及接合界面处的剥离，另外在芯子50与包层的界面处也没有产生气泡。在切断时也完全不产生破碎或裂纹等。
作为第4实验例，其下部包层4a采用直径3英寸、厚1mm、经过单面光学研磨并清洗的含氟无铅玻璃，芯层5采用相同形状并进行相同清洗的硼硅酸无铅玻璃。形成下部包层4a的含氟无铅玻璃是变形温度(At2)为447℃、折射率为1.4644、热膨胀系数(α2)为93×10-7/℃、其组成为SiO2-B2O3-K2O-KHF2的玻璃。形成芯层5的硼硅酸无铅玻璃是变形温度(At1)为625℃、折射率为1.5164、热膨胀系数(α1)为86×10-7/℃、其组成为SiO2-B2O3-Na2O-K2O-BaO的玻璃。用上述玻璃制得光波导，除了热压温度为470℃以外，其他条件与实验例3相同。将以上制得的光波导称为实验例4。
该实验例4的光波导，即使经过直接接合及其后的热压等步骤之后，也没有发现翘曲及剥离，另外在芯子50与包层4的界面处也没有发现气泡产生。再有，也完全没有产生因切断而引起的破碎或裂纹等。另外，即使以470℃的温度进行热压，芯子50也不会出现热变形，形状精度非常好。
然后，制作作为与上述实验例进行比较的比较例2的光波导试样。下部包层4a采用直径3英寸、厚1mm的圆片状的经光学研磨及清洗的含氟无铅玻璃，芯层5采用相同形状并进行相同处理的硼硅酸无铅玻璃。形成下部包层4a的含氟无铅玻璃是变形温度(At2)为568℃、折射率为1.4876、热膨胀系数(α2)为95×10-7/℃、其组成为SiO2-B2O3-K2O-KHF2的玻璃。形成芯层5的硼硅酸无铅玻璃是变形温度(At1)为625℃、折射率为1.5164、热膨胀系数(α1)为86×10-7/℃、其组成为SiO2-B2O3-Na2O-K2O-BaO的玻璃。用这些玻璃制成光波导，除热压温度为590℃以外，其他条件与实验例3相同。
以上制得的光波导，即使经过直接接合或热压步骤等制造步骤之后，也完全没有产生基板翘曲及界面处的剥离，也完全没有产生因切断而引起的破碎或裂纹等。另外，即使热压后，芯子50也不会出现热变形，形状精度非常好。但是，在芯子50与上部包层4b的界面及下部包层4a与上部包层4b的界面处产生了气泡，通过热压进行的覆盖一体化不够充分。
作为比较例3，其下部包层4a采用直径3英寸、厚1mm、经过单面光学研磨并清洗的含氟无铅玻璃。其芯层5则采用相同形状的硼硅酸无铅玻璃。形成下部包层4a的含氟无铅玻璃是变形温度(At2)为495℃、折射率为1.5112、热膨胀系数(α2)为100×10-7/℃、其组成为SiO2-KF-K2O的玻璃。形成芯层5的硼硅酸无铅玻璃是变形温度(At1)为625℃、折射率为1.5164、热膨胀系数(α1)为86×10-7/℃、其组成为SiO2-B2O3-Na2O-K2O-BaO的玻璃。用这些玻璃制得光波导，制造条件与实验例3相同。将以上制得的光波导称为比较例3。
以上制得的光波导的芯子50，即使进行热压也不会出现热变形，形状精度非常好。另外，即使经过直接接合或热压等步骤，也没有发现基板翘曲及剥离。另外，也没有看到像比较例2那样的因热压而使覆盖一体化不充分，从而导致的芯子50与上部包层4b的界面及上部包层4a与下部包层4b的界面处产生气泡。但是，在切断时，在芯子50与包层1的界面处发现部分产生裂纹。
表2所示为上述3种试样的结果。
                            表2
实验例3 实验例4 比较例2 比较例3
  变形温度(℃)   包层     491     447     568     495
  芯子     568     625     625     625
热膨胀系数(×10-7/℃)   包层     95     93     95     100
  芯子     95     86     86     86
  折射率   包层   1.4816   1.4644   1.4876   1.5112
  芯子   1.4876   1.5164   1.5164   1.5164
  α1-α2(×10-7/℃)     0     7     9     14
    变形温度之差(℃)     77     178     57     130
由表2可知，形状精度好、且不产生裂纹及剥离的试样是实验例3及实验例4，它们的热膨胀系数之差(α1-α2)都在7×10-7/℃以下，而且变形温度之差都在77℃以上。比较例2的热膨胀系数之差(α1-α2)为9×10-7/℃，变形温度之差为57℃。比较例3的变形温度之差较大，为130℃，而膨胀系数之差(α1-α2)也大，为14×10-7/℃。对于该热膨胀系数之差及变形温度之差对形状精度及裂纹等影响的条件进行了研究。
如上所述，比较例2即使经过直接接合或热压等步骤，也不产生基板翘曲及界面处的剥离，另外也不因切断而产生裂纹，但是在芯子50与上部包层4b的界面处发现了气泡。该气泡发生是由于热压不充分所致。因而，若提高热压温度，则覆盖性改善，不产生气泡，但反之芯子50的形状精度大大降低。为了既确保形状精度，又改善利用热压的覆盖性，要注意变形温度之差，采用不同变形温度的玻璃材料的组合，研究了气泡的发生状况。结果发现，上部包层4b与芯子50的变形温度之温度差必须在70℃以上。即，若有70℃以上的温差，则能够将热压温度设定为比上部包层4b的变形温度高20～30℃、且比芯子50的变形温度低的温度，因此能够确保芯子50不变形，且界面处有良好的接合性。即，所述制造方法是利用直接接合将芯层5与下部包层4a进行接合，利用热压将芯子50埋入，同时使上部包层4b与下部包层4a形成为一体，该制造方法中的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值必须在0～9×10-7/℃的范围内，且变形温度之差必须在70℃以上。
另外，在本实施例中，作为硼硅酸无铅玻璃的碱金属，说明了采用钠(Na)及钾(K)的情况，但也可以采用锂(Li)。作为二价金属，说明了采用钡(Ba)的情况，但也可以采用镁(Mg)、钙(Ca)或锶(Sr)。另外，在本实施例中，下部包层与上部包层是采用相同材料，虽然同样为含氟无铅玻璃，但其组成也可以不同。作为含氟无铅玻璃成分的氟化物，说明了采用KHF3及KF的情况，但本发明不限定于此，也可以采用MgF2、CaF2、SrF2、BaF2、LiF或NaF等。
产业上利用的可能性
如上所述，本发明的光波导及其制造方法是通过直接接合使玻璃基板相互之间以原子级结合，利用溅射或热压形成上部包层，获得芯子埋入包层内部的结构，具有制造步骤少、作业时间短、且易于制造具有良好特性的光波导。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.光波导，其特征在于，由包层及埋入在所述包层中形成波导的芯子构成，在设定形成所述芯子的玻璃材料的热膨胀系数为α1、形成所述包层的玻璃材料的热膨胀系数为α2时，所述玻璃材料的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值在0～9×10-7/℃的范围内。
2.光波导，其特征在于，由包层及埋入在所述包层中形成波导的芯子构成，在设定形成所述芯子的玻璃材料的热膨胀系数为α1及其变形温度为At1、形成所述包层的玻璃材料的热膨胀系数为α2及其变形温度为At2时，所述玻璃材料的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值在0～9×10-7/℃的范围内，且形成所述芯子的玻璃材料的变形温度比形成所述包层的玻璃材料的变形温度高70℃以上。
3.如权利要求1或2所述的光波导，其特征还在于，所述芯子的玻璃材料是硼硅酸无铅玻璃，它由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)、碱金属氧化物(R2O)及二价金属氧化物(LO)(R：碱金属，L：二价金属)构成，所述包层的玻璃材料是含氟无铅玻璃，它由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氟化物构成。
4.如权利要求1或2所述的光波导，其特征还在于，所述芯子及包层的玻璃材料是由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氟化物构成的含氟无铅玻璃，所述芯子的玻璃材料的折射率大于包层的玻璃材料的折射率。
5.(修改后)光波导的制造方法，包括将形成下部包层的玻璃板的光学研磨面与形成芯层的玻璃板的光学研磨面相对设置并压紧加热、使它们直接接合而形成接合基板的步骤，对所述接合基板的芯层表面进行研削及研磨而加工成芯子所需厚度的步骤，对所述芯层进行刻蚀而形成构成波导的芯子的步骤，以及在包含所述芯子的所述下部包层上利用溅射形成玻璃膜构成上部包层的同时、使所述芯子埋入由所述上部包层与所述下部包层构成的包层中的步骤，其特征在于，在设定形成所述芯子的玻璃材料的热膨胀系数为α1、形成所述包层的玻璃材料的热膨胀系数为α2时，所述玻璃材料的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值在0～9×10-7/℃的范围内。
6.(修改后)光波导的制造方法，包括将形成下部包层的玻璃板的光学研磨面与形成芯层的玻璃板的光学研磨面相对设置并压紧加热、使它们直接接合而形成接合基板的步骤，对所述接合基板的芯层表面进行研削及研磨而加工成芯子所需厚度的步骤，对所述芯层进行刻蚀而形成构成波导的芯子的步骤，以及在所述芯子上配置变形温度低于所述芯子的变形温度的玻璃板构成的上部包层、加热到至少高于所述上部包层的变形温度的温度并加压，在保持所述芯子形状的同时使所述上部包层与下部包层接合形成一体而将所述芯子埋入所述包层的热压步骤，其特征在于，在设定形成所述芯子的玻璃材料的热膨胀系数为α1及其变形温度为At1、形成所述包层的玻璃材料的热膨胀系数为α2及其变形温度为At2时，所述玻璃材料的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值在0～9×10-7/℃的范围内，且形成所述芯子的玻璃材料的变形温度比形成所述包层的玻璃材料的变形温度高70℃以上。
7.(删除)。
8.(删除)。
9.(修改后)如权利要求6所述的光波导的制造方法，其特征还在于，所述热压步骤在高于形成包层的玻璃材料的变形温度而低于形成芯子的玻璃材料的变形温度的温度范围内进行加热。
10.(修改后)如权利要求5、6或9中任一项所述的光波导的制造方法，其特征还在于，所述芯子的玻璃材料是硼硅酸无铅玻璃，它由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)、碱金属氧化物(R2O)及二价金属氧化物(LO)(R：碱金属，L：二价金属)构成，所述包层的玻璃材料是含氟无铅玻璃，它由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氟化物构成。
11.(修改后)如权利要求5、6或9中任一项所述的光波导的制造方法，其特征还在于，所述芯子及包层的玻璃材料是由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氟化物构成的含氟无铅玻璃，所述芯子的玻璃材料的折射率大于所述包层的玻璃材料的折射率。
12.如权利要求5或6所述的光波导的制造方法，其特征还在于，所述下部包层与芯层的各个接合面经过研磨达到在接合的整个基板面内的算术平均表面粗糙度(Ra)为0.1nm～1nm、且平整度为0.1μm～1μm后直接进行接合。

Claims (12)

1.光波导，其特征在于，由包层及埋入在所述包层中形成波导的芯子构成，在设定形成所述芯子的玻璃材料的热膨胀系数为α1、形成所述包层的玻璃材料的热膨胀系数为α2时，所述玻璃材料的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值在0～9×10-7/℃的范围内。
2.光波导，其特征在于，由包层及埋入在所述包层中形成波导的芯子构成，在设定形成所述芯子的玻璃材料的热膨胀系数为α1及其变形温度为At1、形成所述包层的玻璃材料的热膨胀系数为α2及其变形温度为At2时，所述玻璃材料的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值在0～9×10-7/℃的范围内，且形成所述芯子的玻璃材料的变形温度比形成所述包层的玻璃材料的变形温度高70℃以上。
3.如权利要求1或2所述的光波导，其特征还在于，所述芯子的玻璃材料是硼硅酸无铅玻璃，它由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)、碱金属氧化物(R2O)及二价金属氧化物(LO)(R：碱金属，L：二价金属)构成，所述包层的玻璃材料是含氟无铅玻璃，它由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氟化物构成。
4.如权利要求1或2所述的光波导，其特征还在于，所述芯子及包层的玻璃材料是由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氟化物构成的含氟无铅玻璃，所述芯子的玻璃材料的折射率大于包层的玻璃材料的折射率。
5.光波导的制造方法，其特征在于，包括将形成下部包层的玻璃板的光学研磨面与形成芯层的玻璃板的光学研磨面相对设置并压紧加热，使它们直接接合而形成接合基板的步骤；对所述接合基板的芯层表面进行研削及研磨而加工成芯子所需厚度的步骤；对所述芯层进行刻蚀而形成构成波导的芯子的步骤；以及在包含所述芯子的所述下部包层上利用溅射形成玻璃膜构成上部包层的同时，使所述芯子埋入由所述上部包层与所述下部包层构成的包层中的步骤。
6.光波导的制造方法，其特征在于，包括将形成下部包层的玻璃板的光学研磨面与形成芯层的玻璃板的光学研磨面相对设置并压紧加热，使它们直接接合而形成接合基板的步骤；对所述接合基板的芯层表面进行研削及研磨而加工成芯子所需厚度的步骤；对所述芯层进行刻蚀而形成构成波导的芯子的步骤；以及在所述芯子上配置变形温度低于所述芯子的变形温度的玻璃板构成的上部包层，加热到至少高于所述上部包层的变形温度的温度并加压，在保持所述芯子形状的同时使所述上部包层与下部包层接合形成一体而将所述芯子埋入所述包层的热压步骤。
7.如权利要求5或6所述的光波导的制造方法，其特征还在于，在设定形成所述芯子的玻璃材料的热膨胀系数为α1、形成所述包层的玻璃材料的热膨胀系数为α2时，所述玻璃材料的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值在0～9×10-7/℃的范围内。
8.如权利要求6所述的光波导的制造方法，其特征还在于，在设定形成所述芯子的玻璃材料的热膨胀系数为α1及其变形温度为At1、形成所述包层的玻璃材料的热膨胀系数为α2及其变形温度为At2时，所述玻璃材料的热膨胀系数之差(α1-α2)的绝对值在0～9×10-7/℃的范围内，且形成所述芯子的玻璃材料的变形温度比形成所述包层的玻璃材料的变形温度高70℃以上。
9.如权利要求6或8所述的光波导的制造方法，其特征还在于，所述热压步骤在高于形成包层的玻璃材料的变形温度而低于形成芯子的玻璃材料的变形温度的温度范围内进行加热。
10.如权利要求7～9中任一项所述的光波导的制造方法，其特征还在于，所述芯子的玻璃材料是硼硅酸无铅玻璃，它由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)、碱金属氧化物(R2O)及二价金属氧化物(LO)(R：碱金属，L：二价金属)构成，所述包层的玻璃材料是含氟无铅玻璃，它由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氟化物构成。
11.如权利要求7～9中任一项所述的光波导的制造方法，其特征还在于，所述芯子及包层的玻璃材料是由二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氟化物构成的含氟无铅玻璃，所述芯子的玻璃材料的折射率大于所述包层的玻璃材料的折射率。
12.如权利要求5或6所述的光波导的制造方法，其特征还在于，所述下部包层与芯层的各个接合面经过研磨达到在接合的整个基板面内的算术平均表面粗糙度(Ra)为0.1nm～1nm、且平整度为0.1μm～1μm后直接进行接合。
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