JPH01219804A - 光導波路用ガラス薄膜の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、機能性を有するガラス薄膜の作製方法に関し
、さらに詳しくは、光通信用部品分野において利用価値
の高い平面型ガラス導波路への適用を目的とするもので
あって、光スィッチ、レーザなどの能動素子となる先導
波路を形成するのに好適な機能性を有するガラス薄膜の
作製方法に関する。

〔従来の技術〕

石英ガラス基板やシリコン基板上に形成可能な石英系ガ
ラス導波路は、石英系ファイバとの整合性がよいことか
ら実用的な導波形光部品の実現手段として研究開発が活
発に進められている。上記基板上にガラス光導波路を形
成する方法としては、酸水素トーチを用いた気相成長法
がある。この方法でガラス薄膜を作製するには、まずタ
ーンテーブル上に基板を並べ、これを回転させるととも
に、ガラス微粒子合成トーチに０２ガス、Ｈ２ガスを供
給し、トーチ吹出部に酸水素炎を形成させて基板上に吹
きつける。つぎに、トーチにガラス原料を送入すると、
酸水素火炎中で加水分解反応が生じ、基板上にガラス微
粒子が堆積される。ガラス微粒子を堆積させて多孔質状
のガラス薄膜を形成させた基板を、電気炉などで高温に
加熱して透明なガラス薄膜にする方法である。

このような石英系ガラス導波路では、低損失な光導波路
を形成させることができ、受動素子を形成するうえでは
大きな利点がある。しかし、この反面、光スィッチやレ
ーザなどの能動素子を形成させることができないという
欠点があった。そのため、石英系ガラス導波路を用いて
光ＩＣや０ＥＩＣなどを形成する場合には、シリコン基
板上に別工程で半導体レーザを形成するか、または、基
板上に半導体レーザを接着剤で固着することが行われて
きた。しかし、このようなモノリシックでない光回路を
形成することは工程が煩雑になるので、石英系ガラス導
波路に機能性物質を効果的に添加する方法が必要とされ
てきた。

一方、機能性を有するガラス部品の例として、石英系ガ
ラス光ファイバにおいてコアに希土類元素、を添加した
光ファイバ形レーザが作製されている。なかでも、ネオ
ジウム（Ｎｄ）を添加したファイバレーザの作製につい
ては種々の方法で開発が進められているが、ファイバ形
の部品で光回路の集積化をはかることは極めて困難であ
った。

また、最近、可視領域の色ガラスフィルタとして知られ
ている半導体ドープガラスにおいて、３次の非線形効果
が大きいことが明らかにされ光スィッチへの適用が試み
られている。この色ガラスフィルタは、ケイ酸塩ガラス
に半導体の混晶であるＣｄＳｅ、Ｓニー。をドープした
もので、このＣｄ　Ｓ　ｅｘ　Ｓニー、はガラス中で１
００人程度の大きさで分散している。色ガラスフィルタ
では、微小な半導体における量子サイズ効果とキャリア
の閉じ込め効果により非線形効果が大きくなると考えら
れている。Ｃｄ　Ｓ　ｅＸ　Ｓよ−８をドープしたケイ
酸塩ガラスはバッチ式溶融法により作製される。半導体
用の原料としては金属セレンと硫化カドミウムを用い、
それらをケイ砂、ソーダ灰、炭酸カリ、酸化亜鉛などの
ガラス原料中に混合して溶融し冷却して作製する。この
ガラス冷却過程において、ＣｄＳが微細な結晶核として
析出する。この後。

ガラスを再度熱処理することによって、ｃ　ｄＺ　４−
１ｓ　２−１Ｓｅ”−が拡散し、ＣｄＳの結晶核を中心
にＣｄ５−ＣｄＳｅの混晶形成され発色する。しかし、
このバッチ式溶融法では膜厚を制御したガラス薄膜を作
製することは極めて困難であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、従来技術における薄膜ガラス導波路では受動
素子しか形成できなかったという欠点を解消し、機能性
ガラス導波路を作製する方法を提供し、ガラス導波路に
おける能動素子の形成を可能とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上述した従来技術における問題点を解決するために、本
発明は、ガラス薄膜を作製する工程において、基板上に
堆積させた多孔質ガラス薄膜を、機能性物質が分散もし
くは溶解した液体中に浸漬する方法（液浸法）を用いる
ことを最も主要な特徴とするものである。これは、酸水
素炎を用いて気相成長法によって生成したガラス微粒子
からなる多孔質体が、非常にポーラスなものであって通
気性がよいことを利用したものである。本発明の液浸法
によれば、ガラス微粒子からなる多孔質体に高濃度で機
能性物質を添加することができる。

この液浸法では、基板上に堆積したガラス微粒子からな
る多孔質薄膜の嵩密度を０．２〜１．３ｇ／ａｌ？の範
囲に調節することが望ましい。なぜならば、嵩密度が上
記範囲より高い場合には、機能性物質を含む液体が多孔
質ガラス薄膜中に充分に浸入せず、高濃度の機能性物質
をガラス薄膜中に添加することができないからである。

一方、嵩密度が上記範囲より低い場合には、液浸するこ
とによって多孔質ガラス薄膜が割れたり、基板から剥が
れたりするので好ましくない。嵩密度は、多孔質ガラス
薄膜を堆積させる際のバーナの温度、または、液浸の前
に行なう多孔質ガラス薄膜の仮焼結の温度によって調節
することが可能である。

本発明の機能性を有するガラス薄膜の作製方法について
、さらに詳しく説−明すると、本発明では、基板上にガ
ラスの多孔質体を堆積させるが、この基板の材質は基本
的にその種類が限定されるものではなく、基板上に形成
するガラスのガラス化温度より高温の軟化温度または融
点を有する材料であれば良い。また、基板上に堆積させ
るガラス微粒子（ホストガラス）についても、本発明に
おいては、基本的にその材質が限定されるものではなく
、例えば、石英ガラス（Ｓｉｎ２）　、二酸化ゲルマニ
ウム（Ｇ　ｅ　Ｏ２）などを好適に利用することができ
る。

また、ホストガラス微粒子には、ドーパントを分散させ
ることが可能である。このドーパントの種類についても
、本発明では限定されるものではなく、たとえばガラス
の軟化温度を下げるような、Ｇｅ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、ＡＱ、
Ｔｉ、Ｓｂ−Ｚｎなどから選ばれる少なくとも１種の元
素をホストガラスに添加することができる。

また、本発明では、機能性材料を毛細管現象によりガラ
ス多孔質体に取り込むものであるから、添加する機能性
物質は溶媒に溶質として溶けているか、または、超微粒
子として液体中に分散している必要がある。液浸法にお
いて用いる液体については、液浸後にガラス多孔質体を
乾燥およびガラス化工程を施すので、少なくともガラス
化温度では蒸発するものでなくてはならない。

本発明で用いられる機能性物質には、まず、レーザ発振
用の希土類元素および遷移金属元素がある。希土類元素
および遷移金属元素の塩化物はアルコールに可溶であり
、液浸によって多孔質ガラス薄膜中に添加することがで
きる。

また、上述したごとく、ガラス薄膜中の半導体超微粒子
または金属の超微粒子も機能性を有している。液浸法を
応用して、ガラス薄膜に半導体超微粒子を添加するには
、以下に示す二つの方法で行うことができる。

（１）直径０．１μｌ以下の半導体超微粒子をアルコー
ルなどに分散し、多孔質ガラス薄膜を液浸する。

（２）半導体原材料をアルコールに溶かし、その中に多
孔質ガラス薄膜を液浸する。

上記（１）の方法では、直径十止から数ｎ＋ｍの半導体
または金属の超微粒子を真空蒸着法で作製することが可
能で、Ｓｉ、Ｇｅなどの単元素半導体に有効である。上
記（２）の方法は、ＣｄＳｅなどの多元素半導体を添加
する場合に有効であり、Ｃｄを含む化合物とＳｅを含む
化合物とを、別々に溶かし順次液浸する。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を挙げ、図面を参照しながら、
さらに詳細に説明する。

（実施例　１） 本実施例では、ガラス薄膜にＮｄをドープして導波路形
のレーザを作製した。第１図は、本実施例におけるガラ
ス導波路を作製する手順を示す工程図である。図に示す
ごとく、まず、酸水素トーチを用いてガラス原料の加水
分解反応により酸化物微粒子を基板１上に堆積させた。

基板１には外径７５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのシリコン基
板を用いた。酸水素トーチには、０２：　８１２／ｍｉ
ｎ、Ｈ２：２．５Ｑ／ｍｉｎを供給した。ガラス原料は
、それぞれ次の条件でトーチに供給した。ｉ）バッファ
層２：Ｓ１ＣＱ４：　２５０ｃｃ／ｗｉｎ、　Ｂ　ＣＱ
、：　１０ｃｃ／ｗｉｎ、　ＰＣＱ　３：　２５ｃｃ／
ｗｉｎ、　　ｉｉ　）コアＭ３：５ｉ（１２４：２５０
ｃｃ／ｗｉｎ、　ＧｅＣＱ４：　４０ｃｃ／ｗｉｎ、　
Ｐ　Ｃ２，：　２０ｃｃ／ｍｉｎ。各々の層における酸
化物微粒子の堆積時間は、バッファ層２：３０分、コア
層３：２０分とした〔第１図（ａ）〕。

基板１に堆積したバッファ層２とコア層３からなる多孔
質ガラス薄膜（２重構造）を、電気炉でＨｅと０２の混
合ガス雰囲気で仮焼結した。このとき、電気炉温度は１
２７０℃で１時間保持した〔第１図（ｂ）〕。

仮焼結した後、多孔質ガラス薄膜の液浸を行った。液浸
に用いた液は、ＮｄＣＱ、を溶かしたエタノール溶液で
、Ｎｄの濃度を１ｗｔ％とした。液浸後、大気中で１日
乾燥し、続いて電気炉でＨｅと０２の混合ガス雰囲気中
で加熱して透明ガラス化処理を行った。このとき、電気
炉温度は１３８０℃とした。透明ガラス化処理後の厚さ
は、バッファ層２が３０μｍ、コア層３が８μｍで、コ
ア層３とバッファ層２の屈折率差は０．３％であった〔
第１図（ｃ））。

次に、シリコン基板１上のガラス薄膜に導波路部分のマ
スキングを行い、Ａｒガスによるプラズマエツチングに
より直線の導波路５を形成した。

導波路５の幅は１０μｍ、長さは７５ｍｍとした〔第１
図（ｄ）〕。導波路の上には、バッファ層２と同じ堆積
条件でクラッドＭ４を堆積し、続いて透明ガラス化処理
をした〔第１図（ｅ）〕。

上記の手順により作製したガラス導波路の両端面に多層
膜ミラーを蒸着した。ミラーの特性は、０．８５　ｐ　
ｍの透過率が９７％、１．０６μｍの反射率が９９％で
あった。発振波長０．８５μｍの半導体レーザを用いて
、作製したガラス導波路のレーザ発振特性を調べた。そ
の結果、半導体レーザの出力１０ｍＷで、波長１．０６
μｍのレーザ発振が観測され、本発明の有効性が確認で
きた。

（実施例　２） 本実施例では、Ｓ、ｉ微結晶（平均粒径０．１μｍ）を
ガラス導波路に添加した。多孔質ガラス薄膜の作製は実
施例１と同様である。Ｓｉ微結晶を添加するには、Ｓｉ
微結晶を分散させたエタノールに多孔質ガラス薄膜を液
浸した。この方法によれば、粒径の大きなＳｉ微結晶が
存在しても多孔質ガラス薄膜の中に進入しないというメ
リットがある。

Ｓｉ微結晶の粒径調節のため、透明ガラス化の前に０２
雰囲気の電気炉中で１１００℃で５時間保持してＳｉ微
結晶の表面を酸化させた。ガラス導波路の形成は実施例
１と同じ方法で行った。

本実施例において作製したガラス導波路では、波長１．
１２μｍにＳｉのバンドギャップによる吸収端が観測さ
れ、半導体微粒子の添加が可能で本発明の有効性を確認
した。

（実施例　３） 本実施例では、ガラス導波路に半導体であるＣ　ｄ　Ｓ
、ｅを添加した。まず、５ｉ０２基板上にバッファ層と
なる多孔質ガラス薄膜°を堆積し、透明ガラス化処理を
行った。堆積条件と透明ガラス化条件は実施例１と同様
である。次に、コア層となる多孔質ガラス薄膜を堆積さ
せ仮焼結を行った。コア層にＣｄＳｅを添加するには、
５ｅＣＱ４を０．５ｗｔ％エタノールに溶解し、ＣｄＣ
Ｑ２を０．５ｗｔ％蒸留水に溶かし、それぞれの溶液中
にＳｉｎ、基板ごと順次液浸した。その後、透明ガラス
化処理を行い、実施例１と同様の方法でエツチングを行
いガラス導波路を形成した（ミラーは蒸着しなかった）
。

ＣｄＳｅをドープしたガラスにおいて非線形効果を大き
くするためには、ＣｄＳｅの微結晶をガラス中に析出さ
せる必要がある。そのため、ＣｄＳｅをドープしたガラ
ス導波路を６００℃で１０分間保持するアニーリング処
理を行った。

作製したガラス導波路では、波長約０．７９μｍにＣｄ
Ｓｅのバンドギャップによる吸収端が観測された。また
、３次の非線形係数ｘ°３゛を屈折率の入射光強度依存
性から求めたところ、ＣｄＳｅドープガラス（バルク）
と同程度（約１Ｏ−１ｌｅｓｕ）であることを確認した
。したがって、本実施例で作製したガラス薄膜が光双安
定用導波路として好適に用いることができることを確認
した。

以上の実施例において、レーザ発振用としてＮｄをガラ
ス導波路に添加したが、同様な方法でＮｄ以外の希土類
元素またはＣｒなとの遷移金属元素を添加したガラス導
波路を作製することができることは言うまでもない。

また、添加する半導体に関しては、上記本発明の実施例
で説明したごとく、Ｃｄ５ｅ＝　ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、Ｇ
ａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓＡＱ、ＩｎＧａＡｓＰなどの
すべての化合物半導体について、それぞれの元素を含む
原料を別々に液体に溶解して、ガラス薄膜中で上記の半
導体の微結晶を析出させることができる。この場合、Ｃ
ｄＳｅニーｘＳｘなどの混晶系でもそれぞれの原料を混
合し溶解した液体を用いることによってガラス薄膜中に
添加することができる。また、ガス中での蒸発法、ボー
ルミルなどによる粉砕法などで微結晶を作製し、これを
液体中に分散させて添加する方法は、半導体だけでなく
金属の微粒子に関しても適用することが可能である。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したごとく、本発明の機能性を有するガ
ラス薄膜の作製方法によれば、例えばガラス導波路に効
率的に非線形媒質を添加することができ、ガラス導波路
を用いたレーザ、光スィッチなどの能動素子を構成する
ことが可能である。

また、本発明の方法は、従来のバッチ式方法とは全く異
なり、高純度のガラス原料を気相成長法で合成するので
、不純物をほとんど含まない多孔質ガラスを合成するこ
とができ、さらに、膜厚が一定で大面積のガラス薄膜の
形成が可能である。

特に、石英系ガラスは耐熱性、耐腐食性などで安定性に
優れているので、高安定の機能性を有するガラス薄膜を
作製することができる。

さらに、ドープする機能性物質に関しても、その分解す
る温度に対してホストガラスに添加するドーパント物質
とその量を変化させることによって、ガラス化温度を適
切に低下させることができ、るので、ドープする機能性
物質を自在に選定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）、（ｄ）、　（、）は１
本発明の実施例１において作製したガラス心波路の作製
手順を示す工程図である。 １・・・基板　　　　　　　２・・・バッファ層３・・
・コア層　　　　　　４・・・クラッド層５・・・導波
路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、任意の基板上に、ガラス微粒子からなる多孔質ガラ
   ス薄膜を堆積させた後、上記基板の耐熱温度以下で上記
   多孔質ガラス薄膜を焼結して透明なガラス薄膜を作製す
   る方法において、上記多孔質ガラス薄膜を焼結する前に
   、上記基板上に形成した多孔質ガラス薄膜を、ガラス薄
   膜に添加する機能性物質を構成する希土類元素または遷
   移金属元素、もしくは半導体元素または金属元素を含む
   化合物を溶解した溶液中に浸漬して、上記多孔質ガラス
   薄膜中に上記機能性物質を構成する化合物を含浸させた
   後、乾燥し焼結することによって機能性物質を添加した
   ガラス薄膜を形成することを特徴とする機能性を有する
   ガラス薄膜の作製方法。 ２、任意の基板上に、ガラス微粒子からなる多孔質ガラ
   ス薄膜を堆積させた後、上記基板の耐熱温度以下で上記
   多孔質ガラス薄膜を焼結して透明なガラス薄膜を作製す
   る方法において、上記多孔質ガラス薄膜を焼結する前に
   、上記基板上に形成した多孔質ガラス薄膜を、ガラス薄
   膜に添加する機能性物質を構成する希土類元素または遷
   移金属元素、もしくは半導体元素または金属元素からな
   る微粒子を溶媒に分散させた液体中に浸漬して、上記多
   孔質ガラス薄膜中に上記機能性物質からなる微粒子を含
   浸させた後、乾燥し焼結することによって機能性物質を
   添加したガラス薄膜を形成することを特徴とする機能性
   を有するガラス薄膜の作製方法。