JP2818132B2

JP2818132B2 - 光導波路の製造方法

Info

Publication number: JP2818132B2
Application number: JP10958095A
Authority: JP
Inventors: ▲吉▼三小宮山; 鉄也谷岡; 宏孝正木
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1995-05-08
Filing date: 1995-05-08
Publication date: 1998-10-30
Anticipated expiration: 2013-10-30
Also published as: JPH08304649A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光導波路の製造方法
に係り、特に、製造工程を短縮化した光導波路の製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光導波路の製造工程は多くの成膜
工程と繁雑なエッチング工程とを必要としている。以
下、図面を参照して、従来光導波路が製造される際に実
行される工程について説明する。図３は、従来の光導波
路の製造工程の一例を示す図である。（ａ）まず、光導波路の基板に相当するSiウェーハが用
意される。（ｂ）工程（ａ）で用意されたSiウェーハ上に、光導波
路のクラッド層に相当する SiO₂ を数μｍ程度の膜厚に
堆積させる。（ｃ）工程（ｂ）でSi基板上に堆積させた SiO₂ 膜上に
SiO₂ より屈折率の高い物質、例えばGe - SiO₂ を数μ
ｍ程度の膜厚に堆積させる。このGe - SiO₂ が光導波路
のコアに相当する。（ｄ）工程（ｃ）で堆積させたGe - SiO₂ 膜上にフォト
レジストが数μｍ程度の膜厚で塗布される。（ｅ）工程（ｄ）で塗布されたフォトレジスト上に、目
的とする導波路の回路形状となるように別に作成したフ
ォトマスクが配置され、紫外線が照射されて露光され
る。（ｆ）工程（ｅ）で露光されたフォトレジストが現像処
理され、回路形状に相当する部分のみのフォトレジスト
が残存する。（ｇ）工程（ｅ）及び（ｆ）で露光・現像処理されたフ
ォトレジスト上からGe -SiO₂ がエッチング処理され
る。このようにエッチング処理されたGe - SiO₂ は、回
路形状に相当する部分のみが残存する。（ｈ）工程（ｇ）で残存していたフォトレジストを除去
する。（ｉ）光導波路のクラッド層に相当する SiO₂ 膜上、及
びコアに相当するGe - SiO₂ 膜上に光導波路のクラッド
層に相当する SiO₂ が数μｍ程度の膜厚に堆積される。

【０００３】従来では、前記工程の各層を被膜するにあ
たり、各層は火炎堆積法(FHD) 、物理蒸着法(PVD) 、化
学蒸着法(CVD) などのいわゆる堆積によるか、またはゾ
ルゲル法によって被膜されている。また、図３の工程
（ｇ）のエッチング処理は、反応性イオンエッチング(R
IE) などによって実施されている。これらの工程では真
空装置が用いられ、多くの製造時間とコストが必要とさ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】今日の情報化社会で
は、大量の情報が高速に相互通信されることが求めら
れ、そのためには光通信は必要不可欠である。また、Fi
ber To The Home (FTTH)などの言葉に代表されるよう
に、光通信網は各家庭まで伸びようとしている。

【０００５】しかし、光通信に必要不可欠な光導波路は
非常に高精度な部品であり、コア部の形状の安定性、コ
アとクラッドとの境界面の面粗さ、ガラス材料の近赤外
線域(1.3〜 1.5μｍ) の吸収量が少ないことなどが要求
される。また、このような光導波路の製造工程は、多く
の工程数が必要とされ、成膜時間、処理コストなどに多
くの問題がある。そのため光通信網の発達に大きな障害
となっている。

【０００６】そこで、この発明は、上述したような事情
に鑑み成されたものであって、その目的は、光導波路の
製造工程の短縮化、成膜数の削減、エッチング工程の削
減などにより、製造時間、及び製造コストの削減をはか
った光導波路の製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記問題点
に基づきなされたもので、光導波路のコアに相当する第
１のガラス素材上に凸部を形成する第１の工程と、前記
第１の工程で凸部を形成した面に、第１のガラス素材と
屈折率が異なり、光導波路のクラッド層に相当する第２
のガラス素材を隙間なく接合させる第２の工程と、前記
第２の工程で接合された第１及び第２のガラス素材か
ら、前記凸部の少なくとも一部を残して、少なくとも第
１のガラス素材を除去する第３の工程と、前記第３の工
程で少なくとも第１のガラス素材が除去された面に、前
記第２のガラス素材と屈折率がほぼ等しく、光導波路の
クラッド層に相当する第３のガラス素材を接合させる第
４の工程と、を具備する光導波路の製造方法が提供され
る。

【０００８】

【作用】この発明の光導波路の製造方法によれば、第１
のガラス素材の一方の面に光導波路のコア層に相当する
凸部が形成され（第１の工程）、この凸部が形成された
面に光導波路のクラッド層に相当する第２のガラス素材
が接合され（第２の工程）、第１のガラス素材の凸部の
一部又は全部を残存させるように少なくとも第１のガラ
ス素材が除去され（第３の工程）、少なくとも第１のガ
ラス素材が除去された面に第２のガラス素材とほぼ屈折
率が等しいガラス素材を接合させて（第４の工程）所望
の回路形状の光導波路が製造される。従って、従来、実
行されていた真空装置を用いた多くの成膜工程やエッチ
ング工程が不要となり、製造工程の短縮化、及び製造コ
ストの大幅な削減が可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例に
ついて詳細に説明する。図１は、この発明による光学素
子成形装置の一例を概略的に示す断面図である。即ち、
フレーム１の上部から固定軸２が下方に向かって伸びて
おり、その下端には、セラミック製の断熱筒３を介して
上型組み立て４が図示しないボルト等によって取り付け
られている。この上型組み立て４は、金属製のダイプレ
ート５、セラミックや超硬合金などで作られた上型６、
及びこの上型６をダイプレート５に取り付けると共に型
の一部を形成する固定ダイ７からなっている。図５は、
この実施例で使用される上型６の構造を示す図であり、
図５の（ａ）は上型６の平面図、図５の（ｂ）は（ａ）
に示される上型６をＢ−Ｂ断面で切断した断面図をそれ
ぞれ示す。図５に示すように、上型６は、凹部によって
所望する回路形状が形成されている。

【００１０】一方、フレーム１の下部には、電動モー
タ、例えばサーボモータ８ａの回転運動を直線運動推力
に変換するスクリュージャッキなどの駆動装置８が設け
られている。この駆動装置８には、荷重検出器８ｂを介
して移動軸９が取り付けられている。このように駆動装
置８に取り付けられた移動軸９は、固定軸２と対向して
上方に向かって伸びており、上下方向に移動可能であ
る。また、この移動軸は、制御装置２８に入力したプロ
グラムにより、移動速度、位置、及びトルク（プレス
力）の制御が可能である。なお、この実施例では、サー
ボモータ８ａなどの電動モータを利用した駆動装置８を
制御装置により制御しているが、油圧ポンプを利用した
油圧機構が移動軸９の駆動源として利用されても良い。

【００１１】この移動軸９の上端には、断熱筒３と同様
の断熱筒１０が取り付けられている。この断熱筒１０を
介して、移動軸９には下型組み立て１１が取り付けられ
ている。この下型組み立て１１は、上型組み立て４と同
様に、ダイプレート１２、下型１３、及び移動ダイ１４
からなっている。図６は、この実施例で使用される下型
１３の構造を示す図であり、図６の（ａ）は下型１３の
平面図、図６の（ｂ）は（ａ）に示される下型１３をＣ
−Ｃ断面で切断した断面図をそれぞれ示す。図６に示す
ように、下型１３は、平坦な形状に形成されている。

【００１２】固定軸２には図示しない駆動装置によって
上下動されるブラケット１５が移動可能に係合されてい
る。このブラケット１５には、対をなす上下の型組み立
て４、１１の周囲を囲む透明石英管１６が取り付けられ
ている。この透明石英管１６の下端部は、移動軸９が貫
通している中間プレート１ａに気密に当接され、型組み
立て４、１１の周囲を大気から遮断させる成形室１７が
形成されている。また、このブラケット１５には外筒１
８が取り付けられ、この外筒１８の内面には加熱機構と
してのランプユニット１９が取り付けられている。この
外筒１８の内面に取り付けられたランプユニット１９
は、赤外線ランプ２０、この赤外線ランプ２０の後方に
配置され、赤外線を石英管側に反射させる反射ミラー２
１、及び反射ミラー２１の外面に配置され、反射ミラー
２１を冷却するための水冷パイプ２２から構成されてい
る。また、このランプユニット１９は、制御装置２８に
設定されたプレス温度で型組み立て４、１１を加熱す
る。この温度は、下型組み立て１１の下端部に設けられ
た温度検出用熱電対２７によって検出される。

【００１３】なお、この実施例では、加熱機構として赤
外線ランプ加熱が利用されているが、高周波誘導加熱な
どの他の手段が利用されても良い。固定軸２、移動軸
９、及びブラケット１５には、成形室１７内を不活性ガ
ス雰囲気にしたり、型組み立て４、１１を冷却するため
のガス供給路２３、２４、２５が設けられ、図示しない
流量コントロール計を介して、不活性ガスが所定流量で
成形室１７に供給できる。成形室１７へ供給された不活
性ガスは、排気口２６から排気される。

【００１４】次に、この発明の光導波路の製造方法につ
いて説明する。図２は、この実施例で製造される光導波
路の一例を示す図である。図２の（ａ）は、所望する光
導波路、例えば４分岐光導波路の一例を示した平面図、
図２の（ｂ）は、（ａ）に示された光導波路をＡ−Ａ断
面で切断した断面図をそれぞれ示す。

【００１５】図４は、この発明の光導波路の製造工程を
示す図である。以下、図４に示されている製造工程に従
って、この発明の光導波路の製造方法について説明す
る。（ａ）まず、光導波路のコア層に相当する両面平坦な第
１のガラス素材、例えばＢＫ７( SCHOTT社製；屈折率
1.51680、転移点 557℃、軟化点 719℃）が用意され
る。（ｂ）前記工程（ａ）で用意されたガラス素材ＢＫ７
が、図１に示す光学素子成形装置の図６及び図７に示す
上下金型６及び１３の間に配置され、加熱・プレス成形
される。このプレス成形によって、型に形成されていた
凹状の光導波路の回路形状がガラス素材に転写される。
このプレス成形時の加熱温度に相当するプレス温度は、
第１のガラス素材の軟化点付近の温度であり、加圧変形
可能な温度である。この実施例では、プレス温度は 705
℃、また、プレス力は 500Kgf でプレス成形されてい
る。（ｃ）前記工程（ｂ）でプレス成形された成形品を示
す。光導波路の回路部分、すなわちコアに相当する部分
が、凸状に形成される。（ｄ）この工程では、前記工程（ｃ）に示したプレス成
形品の凸部側の全面に、コア層のＢＫ７とは異なる屈折
率を有する第２のガラス素材、例えばＢＫ７より屈折率
が小さく、軟化点が低いガラス素材であるＦＫ３( SCHO
TT社製；屈折率 1.46450、転移点 364℃、軟化点 622
℃) を載置し、図１に示す光学素子成形装置の上下型６
及び１３の間に配置される。この型の間に配置されたガ
ラス素材は、加熱・プレス成形され、両者のガラス素材
を隙間なく接合させる。この時、プレス温度は、第１の
ガラス素材の転移点付近の温度であり、且つ第２のガラ
ス素材が加圧変形可能な温度である。また、プレス力
は、ガラス素材が破損しない程度の微小な圧力が良い。
この実施例では、プレス温度は 565℃、また、プレス力
は200Kgf でプレス成形されている。なお、このプレス
成形工程で使用される上下の型６及び１３は、共に、図
６に示すような平面形状の型が使用される。（ｅ）前記工程（ｂ）でプレス成形されたＢＫ７の一
部、或いはＢＫ７及び前記工程（ｄ）でＢＫ７上にプレ
ス接合されたＦＫ３の一部が、所望の光導波路のコア形
状となるまで研磨、研削等の機械加工によって除去され
る。なお、この工程は、エッチング処理などの化学処理
によって成されてもよい。（ｆ）この工程では、前記工程（ｅ）でＢＫ７、或いは
ＢＫ７及びＦＫ３の一部が除去された面に、前記工程
（ｄ）でプレス接合された第２のガラス素材と同一、ま
たはほぼ同一の屈折率を有するガラス素材、例えばＦＫ
３が載置され、図１に示す光学素子成形装置の上下型６
及び１３の間に配置される。この型の間に配置されたガ
ラス素材は、加熱・プレス成形され、両者のガラス素材
を接合させる。この時、プレス温度は、第１のガラス素
材の転移点付近の温度である。また、プレス力は、ガラ
ス素材が破損しない程度の微小な圧力で良い。この実施
例では、プレス温度は 565℃、また、プレス力は 50Kgf
でプレス成形されている。なお、このプレス成形工程で
使用される上下の型６及び１３は、共に、図６に示すよ
うな平面形状の型が使用される。（ｇ）前記工程（ａ）乃至（ｆ）の製造工程で製造され
た光導波路の断面を示す。これらの製造工程により、前
記工程（ｂ）でプレス成形されたガラス素材ＢＫ７にコ
ア層の役割、前記工程（ｄ）のプレス成形でＢＫ７に接
合されたガラス素材ＦＫ３にクラッド層の役割、前記工
程（ｆ）でプレス接合されたガラス素材ＦＫ３にクラッ
ド層の役割を持たせた光導波路が完成する。

【００１６】次に、図５に示されている上型６の凹部
と、図４の工程（ｃ）に示されたプレス成形品の凸部と
の転写性を評価した。図７は、図５に示した上型６の凹
部を拡大した拡大図である。図８は、この発明の実施例
でプレス成形されたプレス成形品の凸部を有する面を拡
大した拡大図である。測定機器は、ZYGO社製 NEW VIEW1
00 を用いた。図７、及び図８に示したように、その転
写性の評価は良好であった。

【００１７】また、図４の工程（ｄ）に示されるプレス
接合で接合されたＢＫ７とＦＫ３との接合面の接合状態
を観察した。図９は、この発明の光導波路の製造方法で
接合された接合部におけるガラス素材の断面を拡大した
顕微鏡写真である。この写真に示されているように、Ｂ
Ｋ７とＦＫ３との接合部には、隙間は無く、良好な接合
状態であることが確認された。

【００１８】さらに、この実施例で製造された光導波路
の伝送損失を測定した。製造された光導波路の伝送損失
は、ガラス素材の屈折率、近赤外域の吸収量、コア外周
部に当たる部分の面粗度などにもよるが、測定した一例
を示すと、１．３μｍの波長で１．５ｄＢ／ｋｍ以下で
あった。この数値は、光導波路として十分な役割を果た
すものである。

【００１９】このような製造工程で製造される光導波路
は、１個ずつ個別に製造できるが、図１０に示すような
方法で複数個の光導波路を同時に製造することも可能で
ある。図１０の（ａ）は、加工方法の概要を示す平面図
であり、（ｂ）は、この加工方法で加工される光導波路
の断面図である。この加工方法では、上述したような製
造工程を経て、複数の光導波路が形成された１枚のガラ
ス素材が、ダイヤモンドを用いたスライサーなどで外周
加工される。即ち、図中に示される破線でガラス素材が
カットされることにより、１枚のガラス素材から複数個
の所望する大きさの光導波路が製造される。このような
加工方法は、少ない製造工程数で短時間に複数の光導波
路が効率良く製造できる利点がある。

【００２０】なお、この発明の光導波路の製造方法にお
いて、この実施例では、工程（ｂ）のプレス成形によっ
て第１のガラス素材に凸部が形成されたが、エッチング
処理によって凸部が形成されても良い。また、この工程
（ｂ）は、少なくとも一方が所望する凸部を形成するに
必要な形状寸法に加工された凹部を有する上下一対の型
間にガラス素材を配置し、任意の加熱装置により加熱
し、型の自重、及びこの型上に載置される重しなどの自
重の少なくとも一方の自重によって、前記ガラス素材が
加圧され、凸部が形成されても良い。なお、前記加熱装
置は、赤外線ランプや高周波誘導加熱などの加熱ユニッ
ト内にガラス素材と型が固定的に配置されるものに限ら
ず、加熱ゾーンから冷却ゾーンまでを連続して配置した
連続式炉であり、ガラス素材が型と共に加熱ゾーンから
冷却ゾーンまで移動する方式の装置としても良い。

【００２１】また、この実施例では、工程（ｄ）及び
（ｆ）で図１に示すような光学素子成形装置を用いてプ
レス成形されるが、工程（ｄ）及び（ｆ）の少なくとも
一方の工程でガラス素材が他の方法で成形されても良
い。例えば、ガラス素材が物理蒸着法（ＰＶＤ）、火炎
堆積法（ＦＨＤ）、及び化学蒸着法（ＣＶＤ）などのい
わゆる堆積処理によって被膜形成されても良い。また、
上述したような機械的な強制プレスの代わりに、例え
ば、下型が平坦な型上か、或いは平坦な面を有する上下
一対の型間にガラス素材を配置して、ガラス素材を任意
の加熱装置により加熱し、このガラス素材の自重、この
ガラス素材上に載置された型の自重、及びこの型上に載
置される重しなどの自重の少なくとも１つの自重によっ
て、前記ガラス素材が加圧され、接合されても良い。な
お、前記加熱装置は、赤外線ランプや高周波誘導加熱な
どの加熱ユニット内にガラス素材と型が固定的に配置さ
れるものに限らず、加熱ゾーンから冷却ゾーンまでを連
続して配置した連続式炉であり、ガラス素材が型と共に
加熱ゾーンから冷却ゾーンまで移動する方式の装置とし
ても良い。

【００２２】さらに、この実施例では、ガラス素材の種
類は、ＢＫ７とＦＫ３との例について説明したが、屈折
率などが光導波路として利用できれば、材質はこの実施
例に限定されるものではなく、他の組み合わせであって
も良い。また、この実施例では光導波路の埋め込み型の
製造工程について説明したが、この発明は、他の種類の
光導波路、例えばストリップ型、レンズ型などの光導波
路の製造工程としても適用可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の光導波
路の製造方法によれば、従来実施されれてきた煩雑なエ
ッチング工程や成膜工程の削減が可能となり、光導波路
の製造時間が短縮され、製造コストの削減をはかること
ができる。また、一旦、光導波路の回路形状を備えた型
を製作すれば、複雑な光導波路でも容易に、且つ正確に
製造することができ、安定して安価に大量の光導波路を
生産することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の光導波路の製造方法で使用
される光学素子成形装置を概略的に示す断面図である。

【図２】図２は、この発明の実施例で製造される光導波
路の一例を概略的に示す図である。

【図３】図３は、従来の光導波路の製造工程を示す図で
ある。

【図４】図４は、この発明の光導波路の製造工程を示す
図である。

【図５】図５は、図２に示す光導波路を製造するための
プレス成形で使用される上型の構造を示す図である。

【図６】図６は、図２に示す光導波路を製造するための
プレス成形で使用される下型の構造を示す図である。

【図７】図７は、図５に示した上型の凹部を拡大した拡
大図である。

【図８】図８は、この発明の実施例でプレス成形された
プレス成形品の凸部を有する面を拡大した拡大図であ
る。

【図９】図９は、この発明の実施例でプレス接合された
接合部におけるガラス素材の断面を拡大した顕微鏡写真
である。

【図１０】図１０は、この発明の光導波路の製造方法に
おける外周加工方法の一例を概略的に示す図である。

【符号の説明】

１…フレーム２…固定台４…上型組み立て５…ダイプ
レート６…上型７…固定ダ
イ８…駆動装置８ａ…サーボ
モータ８ｂ…荷重検出器９…移動
軸１１…下型組み立て１２…ダイ
プレート１３…下型１４…移動
ダイ１５…ブラケット１６…透明
石英管１７…成形室１９…ラン
プユニット２０…赤外線ランプ２３、２４、２５…ガス
供給路２７…温度検出用熱電対２８…制御
装置部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路のコアに相当する第１のガラス素
材上に凸部を形成する第１の工程と、前記第１の工程で凸部を形成した面に、第１のガラス素
材と屈折率が異なり、光導波路のクラッド層に相当する
第２のガラス素材を隙間なく接合させる第２の工程と、前記第２の工程で接合された第１及び第２のガラス素材
から、前記凸部の少なくとも一部を残して、少なくとも
第１のガラス素材を除去する第３の工程と、前記第３の工程で少なくとも第１のガラス素材が除去さ
れた面に、前記第２のガラス素材と屈折率がほぼ等し
く、光導波路のクラッド層に相当する第３のガラス素材
を接合させる第４の工程と、を具備したことを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項２】前記第１、第２および第４の工程のうち、
少なくとも１つの工程が、上下一対の型間にガラス素材
を配置して加熱装置で加熱し、プレス成形することによ
り成されることを特徴とする請求項１に記載の光導波路
の製造方法。
【請求項３】前記第３のガラス素材は、第２のガラス素
材と同一であり、第１のガラス素材より軟化点が低いガ
ラス素材であることを特徴とする請求項１又は２に記載
の光導波路の製造方法。
【請求項４】赤外線ランプ加熱及び高周波誘導加熱のい
ずれか一方の加熱機構と、電動モータ又は油圧機構を駆
動源とし、プレス温度や、プレス軸の位置、プレス力及
びプレス速度を任意に制御する制御装置とを具備した光
学素子成形装置によりプレス成形が行われることを特徴
とする請求項２又は３に記載の光導波路の製造方法。
【請求項５】第１のガラス素材上に凸部を形成する第１
の工程が、エッチング処理により行われることを特徴と
する請求項１に記載の光導波路の製造方法。
【請求項６】前記第１、第２及び第４の工程のうち、第
１の工程においては、少なくとも一方が所望する凸部を
形成するのに必要な形状に加工された凹部を有する上下
一対の型間に、第２及び第４の工程においては、下型が
平坦な型上か、或いは平坦な面を有する上下一対の型間
に、ガラス素材を配置して加熱装置で加熱し、ガラス素
材の自重、ガラス素材上に載置された型の自重、及びこ
の型上に載置された重しの自重のうち、少なくとも１つ
の自重によって加圧されることにより、前記第１、第
２、及び第４の工程のうち少なくとも１つの工程が行わ
れることを特徴とする請求項１に記載の光導波路の製造
方法。
【請求項７】前記加熱装置が、加熱ゾーンから冷却ゾー
ンまでを連続して配置した連続式炉であり、ガラス素材
が下型、又は上下型と共に、加熱ゾーンから冷却ゾーン
まで移動するように構成されていることを特徴とする請
求項２、３、４、及び６のいずれか１つに記載の光導波
路の製造方法。
【請求項８】第３の工程が、研削、研磨及びエッチング
のうち少なくとも１つにより実行されることを特徴とす
る請求項１乃至７のいずれか１つに記載の光導波路の製
造方法。
【請求項９】第２及び第４の工程のうち少なくとも一方
の工程が、堆積処理により実行されることを特徴とする
請求項１乃至８のいずれか１つに記載の光導波路の製造
方法。