JPH0677088B2

JPH0677088B2 - 平面光導波路の製造方法

Info

Publication number: JPH0677088B2
Application number: JP15709386A
Authority: JP
Inventors: 章浦野
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1986-07-03
Filing date: 1986-07-03
Publication date: 1994-09-28
Anticipated expiration: 2009-09-28
Also published as: JPS6313005A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、光通信システム、光情報処理システム等にお
いて有用な光学部品、特に平面光導波路の簡単で量産性
の点でも有利な製造方法に関するものである。

従来の技術光通信システムの高度化にともない、光関連部品の多様
化、特殊化が推進され、その製造方法においては量産性
が一層要求されるようになりつつある。

中でも、光導波路は、光ファイバとは異なり短距離の光
案内に使用され、例えば変調、偏光、スイッチ、位相シ
フト、分岐、結合、合波、光電変換などの様々な光回路
素子の光導波手段として、更には、それら光回路素子を
組込んだ光集積回路の光導波手段として広く使用されて
いる。

光導波路には、基板に垂直な方向のみに光を閉じ込める
２次元光導波路すなわち平面導波路と、更に光を一定断
面分布の細いビーム状にして導波する３次元導波路とが
あり、両者に共通な基本的構造は、平面導波路である。
そのような光導波路内に閉じ込めるためには光伝搬用通
路は伝搬する光の波長に対しできる限り透明であり、し
かも周囲環境よりも高屈折率の材料で形成される。

従来の光導波路の製造法の典型例を図面を参照して説明
する。

まず、第３図（ａ）ないし（ｄ）に工程図を示す選択光
重合法によるプラスチック光導波路形成の方法がある。
この方法によれば、例えば感光性モノマーからなるフィ
ルム10を形成し（第３図（ａ））、光導波路のパターン
を有するマスク11をフィルム10の表面上に設けた後に紫
外線露光を行なう（第３図（ｂ））。このとき、紫外線
が照射されたモノマーは架橋し、重合する。その後、マ
スク11を除去し、マスク11によって紫外線が照射されな
かった部分の未反応モノマーを除去する（第３図
（ｃ））。さらに、その除去された部分に透明なプラス
チックを充填し、このフィルム10の両面上にクラッド層
12を塗布し（第３図（ｄ））、充填されたプラスチック
の部分を光導波路13として用いる。

また、第４図にその概略を示す火炎堆積法が知られてい
る。この方法においては、例えば、第４図に示すよう
に、回転テーブル14上に複数個の平らな基板15を配列
し、基板15付近をバーナ等の加熱器で加熱しながら、ト
ーチ16の一端からガラス形成用原料ガス17と燃焼ガス17
Aとを導入して火炎加水分解反応させ、ガラス微粒子を
形成し、これらを基板15上に堆積させる。排ガスは排気
管18を通して放出される。なお、回転テーブル14を回転
させることによって連続的に複数の基板15上にガラス微
粒子を堆積させることができる。さらにこのガラス微粒
子堆積層を有する基板を焼結して堆積層を透明化する。

しかしながら上述の如き方法では、例えば、工程が多く
煩雑なために量産性が悪かったり、加熱によって基板が
変形し歩留りが低下するという問題があった。また、プ
ラスチック系光導波路においては、本質的に伝送損失が
大きいという問題があった。

これらの問題に対し、量産性が高く、加工性に富み、か
つ高品質の平面光導波路を製造する方法として、SiO₂を
主成分とする中空ガラスパイプ外周上にコア及びクラッ
ドを有する導波層構造を形成し、次いで中空ガラスパイ
プ内に耐熱性素材でできた中子を挿入し、これを相互に
密着させて平面化し、後にこれを切り出し平面光導波路
とする製造方法（特願昭61−105185号）が提案されてい
る。この製法では、コア層とクラッド層を連続操作で形
成することができ、堆積と同時に焼結を行えるので、工
程が少なく、量産性に優れている。また、パイプ状態で
延伸することにより、導波層部分の厚さを微妙に調整す
ることができるので、極めて高品質の平面光導波路を容
易に得ることができる。

この方法によれば、例えば出発材の寸法制約により、導
波層構造を形成する部分の面積が十分に取れない場合で
も、導波層をそれぞれ設計された比率を保って厚めに形
成し、形成後にこれを延伸して所定の厚さに調整するこ
とにより、一度に大量の平面光導波路を製造することが
できる。

発明が解決しようとする問題点上述の平面光導波路の製造方法においては、平面化を行
う際、或いは延伸を行うことによって導波層の厚さを調
整する際に、外部から加熱されて最外層であるクラッド
層が徐々に揮散されてしまうという現象がしばしばみら
れた。このため、最終段階で所定の厚さのクラッド層を
得られないという問題があった。

この現象はクラッド層に屈折率調整用の添加材が大量に
添加されている場合に特に顕著であるが、添加剤が微量
であっても加熱時間が長くなると顕在化し、クラッド層
が所定の厚さより数10μｍ程度薄くなることが確認され
ている。

そこで、本発明は、簡易で量産性に優れかつ加熱加工時
にも導波層構造を損なうことのない平面光導波路の製造
方法を提供せんとするものである。

問題点を解決するための手段本発明者は平面導波路の製造方法の上記の如き現状に鑑
みて、簡単で量産性に優れかつ所定の導波層構造を精度
よく実現するための製法を開発すべく種々検討した結
果、基板として中空ガラス管を用い、外面に屈折率の異
なる複数の層を堆積させ、更に最外層として高純度石英
ガラス層を形成し、これを軟化点近傍にて整形すること
が上記目的達成のために極めて有効であることを見出
し、本発明を完成した。

即ち、本発明の平面導波路の製造方法は、SiO₂を主成分
とする中空ガラス管外壁に、ガラスからなるコア層およ
び少なくとも一層のガラスからなるクラッド層を、該コ
ア層が中間層となり且つ該コア層の屈折率が該コア層と
接する層の屈折率より高くなるように形成し、更に、高
純度石英ガラスからなる最外層を形成し、次いで該中空
ガラス管内に耐熱材でできた中子を挿入し、これらを相
互に密着させて成形し、これを切出して平面光導波路を
得ることを特徴とする。

本発明の方法において、コア層、クラッド層あるいは高
純度石英ガラス層となるガラス堆積層の形成は、化学気
相反応性を利用することが有利である。例えばPOD（プ
ラズマ外付法）などを用いることが可能である。

基板としての中空ガラス管としてはSiO₂を主成分とする
石英ガラス管、パイコールガラス管、パイレックスガラ
ス管などを例示できる。

また、コア層は、ガラス形成原料ガスとしてSiCl₄また
はSiHCl₂等のシラン系ガスもしくは、アルコラート等を
主として用い、場合によっては、屈折率を高めるための
添加材例えばPOCl₂、CaCl₄、TiCl₅、TaCl₃、SbCl₃もし
くはこれらの水素化物、アルコラート等と組合せて使用
することにより得ることができる。これら添加材は２種
以上の混合物として使用することもでき、更に前記アル
コラートの他、揮発性有機溶媒、例えばメタノール、エ
タノール、アセトン等に溶融性のLiOC₂H₅、Nb(OC₂H₅)₅
などの有機溶媒や、水溶性金属ハロゲン化物（ZnCl₂な
ど）の水溶液をアトマイザーや超音波を利用して霧化
し、これらをプラズマ形成トーチに導入することにより
コア層となる高屈折率ガラス層を得ることができる。こ
れらの添加材はガラス形成原料そのものとしても使用す
ることができることはいうまでもない。また、コア層
は、同一屈折率のガラスの単一層で構成してもよいが、
グレーディッドインデックス型の光ファイバと同様に、
複数の層を順次屈折率が低下するように形成することも
できる。

更に、クラッド層はコア層との関係で、ガラス形成原料
にコア層の屈折率よりも低屈折率となる添加物（これに
は前記添加物原料の他に、SF₆、CF₄等のフッ化物系ガス
やBCl₃、BBr₃等の硼素ハロゲン化物、水素化物、アルコ
ラート等を含む）を適宜選択して使用し、少なくとも一
層形成する。

またガラス管部分が最終的にクラッド層として機能する
場合には、堆積膜から得られるクラッド層はガラス管と
同一組成であってもよい。

これらのガラス形成用原料もしくは添加材との混合物
は、例えばPOD法では、プラズマ形成用ガスとしてのAr
および反応ガスとしてのO₂と共にプラズマトーチに導入
され、該プラズマトーチ外周にセットされた高周波コイ
ルによって印加される高周波によって励起・分解し反応
してガラス微粒子を形成しガラス管外壁に堆積し、同時
にプラズマフレームにより焼結されて透明ガラス層とな
る。

これらガラス形成用原料ガスの混合比等は必要に応じて
適当に選択され、特に制限はない。

かくして、中空ガラス管に所定の屈折率を付与したコア
層、少なくとも１層のクラッド層及び高純度石英ガラス
層を形成した後、平面部を有する耐熱性材料製の中子を
中空ガラス管内に入れ、中空ガラス管を適当な手段で周
囲から加熱することにより、該ガラス管が中心方向に収
縮し、中子と密着する。それを適当な手段、例えば旋
盤、ダイヤモンドカッター等で切出すことにより所定の
寸法、形状の平面導波路を得ることができる。

なお中子材料としては、例えばカーボン、ボロンナイト
ライド、アルミナ、ベリリア、シリコンカーバイトなど
を例示することができる。

また、中子の形状は各種のものであり得、三角柱、四角
柱、その他の多角柱からなどいずれであってもよい。

作用本発明の製造方法によれば、クラッド層の屈折率がコア
層の屈折率よりも低くなるように、石英ガラスに屈折率
を低下させるフッ素又はB₂O₃を適宜添加する。屈折率の
他に熱膨張係数を調整する目的で、GeO₂、TiO₂、P₂O₅等
を少量添加する場合もある。これらの添加剤は、製品の
用途に応じて使い分けられる。

例えば比較的高い屈折率差が要求される場合には、コア
層にGeO₂を添加した石英ガラス、クラッド層にはフッ素
を添加した石英ガラスを用いる。又、耐放射線性が要求
されるような用途に対しては、コア層として高純度石英
ガラス、クラッド層としてフッ素を添加した石英ガラス
を用いる。いずれの場合も、コア層およびクラッド層の
厚さは、要求される光学的特性及び機械的特性に応じて
設定される。従って、コア層およびクラッド層を中空ガ
ラス管の外周上に形成する場合には、各層厚をそれぞれ
設計層厚の比率通りに製造することが必要である。

しかしながら、前述した如く延伸及び平面化の際に、外
周から加熱することによりクラッド層部分が揮散してし
まい、所定層厚が得られない場合がある。一般に、こう
した揮散量は、加熱温度、加熱時間および層の組成によ
って変化する。高純度石英ガラスの場合、例えば水素80
l、酸素50lの酸水素炎で１時間直接加熱した場合の揮散
量は10数μｍ程度で、極めて揮散量が少なく保護層とし
ての性能は高い。

平面化後、高純度石英ガラス保護層は、ドライエッチン
グ等の方法、フッ酸などの薬品又は機械的研磨などの方
法で取り除くことができる。こうして、最終的に得られ
る平面光導波路を、設計通りに成形することができる。

以上のように、本発明の方法によれば、最外層の高純度
石英ガラス層が保護層の役目を果たし、加熱加工時のク
ラッド層の揮散を防止することができる。

実施例以下、実施例により本発明の平面光導波路の製造方法を
更に具体的に説明する。但し、本発明の範囲は、以下の
実施例により何等制限されない。

第１図（ａ）ないし（ｃ）は本発明の一実施例に係る平
面光導波路の製造方法の工程図である。

上述した外付POD法を用いて作製した。高周波プラズマ
フレーム（出力3.4MHz、5.5kV、4.5A）中にSiCl₄及びCC
l₂F₂を導入し、この火炎流を軸方向に回転しかつ往復運
動する基板用石英ガラスパイプ１の外面に吹きつけ、該
ガラスパイプ１の外周にクラッド層３、コア層２、クラ
ッド層３の順序で導波構造を形成し、更に高純度石英ガ
ラス保護層４を形成した。クラッド３を製造するにあた
ってはSiCl₄とCCl₂F₂をともに、350cc/分、コア層２及
び高純度石英ガラス保護層４を製造するにあたってはSi
Cl₄だけを50cc/分の流量でプラズマフレーム中に導入
し、石英ガラスパイプ１の外壁に堆積したガラス微粒子
を焼結して各層を形成した。コア層に対するクラッド層
の比屈折率差はクラッド層にＦを添加することにより−
1.0％とした。また、コア層、クラッド層及び高純度石
英ガラス保護層の厚さは、すべて約65μｍであった。こ
れを各々の層の厚さがすべて約50μｍになるように、酸
水素バーナで加熱しながら延伸した。

かくして得られる中間製品５は、第１図（ａ）に示すよ
うな構成を有する。中間製品５はこれと密着する平面を
有している耐熱材料（カーボン）で作られた中子６を、
第１図（ｂ）に示したように第１図（ａ）の中間製品５
内部に挿入し、該中間製品５の外周から加熱手段７によ
って加熱（1500℃）することにより中間製品５が収縮し
（第１図（ｃ）参照）、中子６の形状に応じた成形体が
得られ、これを切り出すことにより第２図（ａ）に示し
たような構成の平面光導波路が容易に得られる。

更に、高純度石英ガラス保護層４を研磨することにより
取り除き、第２図（ｂ）に示すような平面光導波路を得
た。

比較例上記実施例と比較するために、実施例と同様の操作によ
り、POD法を用いて石英ガラス管の外周にクラッド層、
コア層、クラッド層の順に導波層構造を形成した。但
し、本比較例では、高純度石英ガラス保護層は形成しな
かった。各層の厚さは、すべて80μｍであった。各々の
層厚が約50μｍになるように、酸水素バーナで加熱しな
がら延伸して中間製品を得た。更に上記実施例と同様の
操作を施して、成品としての平面光導波路を得た。

このようにして得た平面光導波路は、干渉顕微鏡法で調
べた結果、コア層の上のクラッド層が消失していること
がわかった。また、コア層とガラス管の間のクラッド層
の厚さは約60μｍであるのに対し、コア層は約50μｍの
厚さしかなく、コア層の一部までが消失していることが
確認された。

発明の効果以上述べたように、本発明の平面光導波路の製造方法に
よれば、最外層である高純度石英ガラス保護層により、
延伸、平面化などの加熱加工時にも導波層構造が損われ
ることなく、精度よく高品質の平面光導波路を製造する
ことができる。

従って、本発明の平面光導波路の製造方法は、広い範囲
にわたって活用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の平面光導波路の製
造方法の工程図であり、第２図は、本発明により製造された平面光導波路の斜視
図であり、第３図（ａ）乃至（ｄ）は、従来の選択光重合法による
製造方法を示す説明図であり、第４図は、従来の火炎堆積法による製造方法を示す説明
図である。（主な参照番号）１……ガラス管、２……コア層、３……クラッド層、４……保護層、５……中間製品、６……中子、７……加熱手段、10……フィルム、 11……マスク、12……クラッド層、 13……光導波路、14……回転テーブル、 15……基板、16……トーチ、 17……ガラス形成用原料ガス、 18……排気管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】SiO₂を主成分とする中空ガラス管外壁に、
ガラスからなるコア層および少なくとも一層のガラスか
らなるクラッド層を、該コア層が中間層となり且つ該コ
ア層の屈折率が該コア層と接する層の屈折率より高くな
るように形成し、更に、高純度石英ガラスからなる最外
層を形成し、次いで該中空ガラス管内に耐熱材でできた
中子を挿入し、これらを相互に密着させて成形し、これ
を切出して平面光導波路を得ることを特徴とする平面光
導波路の製造方法。
【請求項２】上記高純度石英ガラスからなる最外層は、
少なくとも20μｍ以上の厚みをもって形成されることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。
【請求項３】前記中空ガラス管と中子との密着が、該中
空ガラス管を外部から加熱し、収縮させることにより実
現することを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２
項記載の方法。
【請求項４】前記コア層と前記クラッド層と前記高純度
石英ガラスからなる最外層との形成は、前記中空ガラス
管外壁に、前記コア層を形成し、次いで該コア層の上に
前記クラッド層を形成し、次いで該クラッド層の上に前
記高純度石英ガラスからなる最外層を形成することから
なることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項
のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】前記コア層と前記クラッド層と前記高純度
石英ガラスからなる最外層との形成は、前記中空ガラス
管外壁に、前記クラッド層、前記コア層、前記クラッド
層、前記高純度石英ガラスからなる最外層をその順番で
形成することからなることを特徴とする特許請求の範囲
第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】前記コア層は、同一の屈折率のガラスから
なる単一の層で構成することを特徴とする特許請求の範
囲第１項乃至第５項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】前記コア層は、前記クラッド層に近づくに
従い屈折率が低下する複数のガラス層で構成することを
特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか
１項に記載の方法。
【請求項８】前記中子は、カーボン、ボロンナイトライ
ド、アルミナ、ベリリアまたはシリコンカーバイトでで
きていることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第
７項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】前記コア層、クラッド層および高純度石英
ガラスからなる最外層の形成は、化学気相堆積法でなさ
れることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第８項
のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】前記クラッド層は、ガラス形成用原料ガ
スと、屈折率調整用添加材との混合ガスの化学気相反応
により形成されることを特徴とする特許請求の範囲第９
項記載の方法。