JPH07270634A

JPH07270634A - 光導波路の製造方法及び光導波路基板

Info

Publication number: JPH07270634A
Application number: JP6057049A
Authority: JP
Inventors: Eiichiro Ikeda; 英一郎池田; Hitoshi Yamaura; 均山浦; Yoshiatsu Yokoo; 芳篤横尾
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1994-03-28
Filing date: 1994-03-28
Publication date: 1995-10-20

Abstract

(57)【要約】【目的】作製工程を増やさずに、基板が変形すること
のない光導波路を形成する光導波路の製造方法、および
基板が変形していない光導波路基板を提供する。【構成】ステップ２で、基板１にマスク材３を成膜す
る。ステップ３で、マスク材３を、光導波路幅４μｍ，
マスク幅１５μｍにパターン加工する。ステップ４で、
マスク材３で被覆された基板１を安息香酸５に浸し、イ
オン交換を行う。ステップ５で、電気炉中でアニールを
行い交換イオンを拡散させる。これによって、基板１の
表面では、マスク材３の開口部４ａ、４ｂで光導波路２
ａ、２ｂが形成されるとともに、他の開口部４ｃ、４
ｄ、４ｅでも全てイオン交換される。裏面は全面がイオ
ン交換されている。この結果、表面と裏面とでイオン交
換された部分の面積の差が少なく、基板１が反り等の変
形を起こさない。また、少ない工程で製造することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光導波路の製造方法に関
し、特に基板の表面をマスク材で被覆して、マスク材の
開口部からイオン交換により光導波路を形成する光導波
路の製造方法に関する。また、光導波路を有する光導波
路基板に関し、特にイオン交換により光導波路が形成さ
れた光導波路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な光導波路の製造方法としてイオ
ン交換により光導波路を形成する方法がある。この方法
は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）等の結晶やガ
ラス等の物質は、相対的に屈折率が高いイオンにイオン
交換されると、それらの物質の屈折率も増加するという
性質に基づいている。具体的には、光導波路を形成する
基板上に光導波路パターンを形成したマスク材を設け、
プロトン（Ｈ⁺）等のイオンをマスク材のパターンの開
口部を通して基板中のイオンと交換、および拡散をさせ
ることにより、所望の屈折率をもった光導波路を得るこ
とができる。

【０００３】図６は従来のイオン交換による方法で形成
された光導波路の第１の例を示す断面図である。基板１
１の表面（光導波路が形成される面を表面、その反対側
の面を裏面とする。）は、イオン交換防止用のマスク材
３１のパターンで被覆されており、パターンの開口部４
１ａ、４１ｂにおいて基板１１がイオン交換され光導波
路２１ａ、２１ｂが形成されている。そして、裏面は全
面が露出しており、イオン交換部分２１ｃは、裏面の全
面にわたっている。なお、側面もイオン交換部分２１
ｄ，２１ｅとなる。

【０００４】図７は従来のイオン交換による方法で形成
された光導波路の第２の例を示す断面図である。基板１
２の表面は、イオン交換防止用のマスク材３２ａのパタ
ーンで被覆されており、パターンの開口部４２ａ、４２
ｂにおいて基板１２がイオン交換され光導波路２２ａ、
２２ｂが形成されている。そして、裏面は全面がマスク
材３２ｂで被覆されている。なお、側面はイオン交換部
分２１ｃ，２１ｄとなる。

【０００５】このようにして光導波路を形成することが
できるが、イオン交換の際の侵入イオンと基板を構成す
るイオンとのイオン半径が違うため、イオン交換された
部分において膨張あるいは収縮し、歪みが発生する。上
記の２つの例のように、基板の表面と裏面とでイオン交
換状態が著しく違うと、基板両面での歪み差に基づく応
力で基板に反り等の変形が生じる。この基板の変形が光
導波路の特性の悪化を招く。

【０００６】図８は従来のイオン交換による方法で形成
された光導波路の第３の例を示す断面図である。この例
は、上記の２つの例のような、基板に反り等の変形が生
じるのを防ぐための方法である。

【０００７】図において、基板１３の表面は、イオン交
換防止用のマスク材３３ａのパターンで被覆されてお
り、パターンの開口部４３ａ、４３ｂにおいて基板１３
がイオン交換され、表面に光導波路２３ａ、２３ｂが形
成される。裏面は、表面と同様のマスク材３３ｂのパタ
ーンで被覆されており、パターンの開口部４３ｃ、４３
ｄにおいて基板１３がイオン交換されるため、表面の光
導波路２３ａ、２３ｂと同様のイオン交換部分２３ｃ、
２３ｄが形成される。なお、このイオン交換部分２３
ｃ、２３ｄは、基板１３の反り等の変形を防ぐためだけ
に設けられており、光導波路としては使用されない。な
お、側面もイオン交換部分２３ｅ，２３ｆとなる。

【０００８】これによって、基板の表面と裏面とで同様
のイオン交換状態が得られるため、基板が変形すること
がない。このような例として特公平５−５５０４１号が
ある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図８に示した
方法では基板の裏面にもマスク材のパターンを形成しな
ければならない。マスク材のパターンを形成するには、
成膜技術やフォトリソグラフィ技術を用いる必要があ
り、このような技術を基板の裏面にまで用いることは作
製工程の増加につながる。

【００１０】また、光導波路を形成する表面は、導波光
の散乱や吸収を防ぐために、鏡面研磨を行い、ゴミの付
着等の汚れのない清潔な表面状態を保つ必要がある。上
記のような方法では裏面にも加工を施すため、加工の際
の治具等の使用時には細心の注意が必要である。

【００１１】このように、作製工程の増加による作製時
間の増加やコストの増加、あるいは清潔な表面状態を保
つことが困難なことによる歩留りへの悪影響等の問題が
あった。

【００１２】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、作製工程を増やさずに、基板を変形させずに
光導波路が形成できる光導波路の製造方法を提供するこ
とを目的とする。また、本発明の他の目的は、基板が変
形せず、光導波路の伝搬損失が抑制された光導波路基板
を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、基板の表面をマスク材で被覆し、基板の
裏面と、前記マスク材の開口部に対応する基板の表面部
とをイオン交換することによって、前記表面部に光導波
路を形成する光導波路の製造方法において、被覆部が表
面の面積の１０％以内で、かつ光導波路から実質的に導
波光の漏れを抑制し得る幅の前記マスク材を使用して、
光導波路を形成する光導波路の製造方法が提供される。

【００１４】また、光導波路を有する光導波路基板にお
いて、表面は光導波路が形成されるとともに全体の９０
％以上がイオン交換され、裏面全体がイオン交換された
ことを特徴とする光導波路基板が提供される。

【００１５】

【作用】被覆部が表面の面積の１０％以内で、かつ光導
波路から実質的に導波光の漏れを抑制し得る幅のマスク
材を使用することにより、イオン交換される部分の面積
が表面の面積の９０％以上になるため、表面と裏面との
イオン交換部分の面積の差が少なくなり基板の変形を防
止できる。

【００１６】また、イオン交換される部分の面積が表面
の面積の９０％以上である光導波路基板とすることによ
り、基板が変形していない光導波路基板となる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図２は本発明により作製されたマッハツェンダ
型（ＭＺ型）光導波路の平面図である。基板１上には、
光導波路２が両端においては１本で、途中で２つに分岐
し、再び結合するように形成されている。このようなＭ
Ｚ型光導波路は、電気光学効果を利用した光変調器に用
いることができる。電気光学効果とは、印加電界により
屈折率が変化する現象である。光導波路２の分岐した一
方に電界を印加すると電気光学効果により、光導波路を
通る光の光路長が変化する。これにより出力端における
光の位相を制御し、位相変調器あるいは光スイッチが構
成される。

【００１８】図１は本発明の光導波路の製造方法の工程
を示す図である。この実施例は、ＭＺ型光導波路を作製
するものであり、図２に示すＭＺ型光導波路のＡ−Ａ断
面図を表している。手順はステップ１からステップ５ま
での５段階に分かれており、図ではステップ番号をＳ１
〜Ｓ５で表示する。

【００１９】ステップ１でタンタル酸リチウム（ＬｉＴ
ａＯ₃）を材料とした基板１を用意する。ステップ２で
基板１にイオン交換防止用のマスク材３を真空蒸着法に
より成膜する。マスク材３にはアルミニウム（Ａｌ）を
使用する。

【００２０】ステップ３で、成膜されたマスク材３をフ
ォトリソグラフィ技術で、光導波路幅４μｍ，マスク幅
１５μｍのパターンに加工する。ステップ４で、マスク
材３により被覆された基板１を２４０℃に熱した安息香
酸５に２５分間浸し、安息香酸中のプロトン（Ｈ⁺）と
基板中のリチウムイオン（Ｌｉ⁺）とを交換する。

【００２１】ステップ５で、電気炉中で４００℃で３０
分間アニールを行いプロトン（Ｈ⁺）を拡散させる。こ
れによって基板１の表面では、マスク材３の開口部４
ａ、４ｂで光導波路２ａ、２ｂが形成されるとともに、
他の開口部４ｃ、４ｄ、４ｅでは全てイオン交換部分２
ｃ、２ｄ、２ｅになる。裏面では、全面がイオン交換部
分２ｆである。このようにして、形成された光導波路２
は、波長６３３ｎｍシングルモード伝搬の光導波路であ
る。そして、上記のように少ない工程で光導波路を作る
ことができる。なお、側面もイオン交換部分２ｇ，２ｈ
となる。

【００２２】図３は基板上に形成されたマスク材のパタ
ーンを示す平面図である。これは、図１のステップ３の
実施後の状態である。基板１上に幅１５μｍのマスク材
３ａ、３ｂ、３ｃが、ＭＺ型光導波路となるべき部分の
周囲を囲むように設けられている。

【００２３】次にマスク材３の幅の決定方法について説
明する。光導波路を伝搬する光は、光導波路近傍に他の
光導波路等の基板より高屈折率の層が存在するとこの層
の方へパワー移行を起こしてしまう。これをエバネッセ
ント結合といい、この結合の状態を表す値として結合係
数がある。結合係数は、光導波路の波長、モード、導波
路幅、屈折率、および導波路の間隔等の諸特性により決
定される。この結合係数の逆数が完全結合長である。完
全結合長は、導波光のパワーを１００％移行するのに必
要な光導波路の長さである。結合によるパワーの移行
は、イオン結合部分と光導波路の間隔が離れているほど
少なく、光導波路の長さが長いほど多くなる。したがっ
て、完全結合長、光導波路長、および光導波路間の許容
移行パワーによって、マスク材の幅の最低値が決まる。

【００２４】マスク材の幅は、完全結合長をＬｐ、光導
波路長をＬｗ、光導波路間の許容移行パワーをＰａ
（％）とすると、Ｌｐ≧（Ｌｗ／Ｐａ）×１００を満たすように値を決定することができる。

【００２５】図４は光導波路の間隔と結合係数との関係
のグラフを示す図である。これは、プロトン交換ＬｉＴ
ａＯ₃光導波路（波長６３３ｎｍ、シングルモード伝
搬）の場合のデータであり、横軸が光導波路の間隔（μ
ｍ）であり、縦軸が結合係数（１／μｍ）である。図の
ように光導波路の間隔が３．０μｍから８．０μｍまで
は急激に結合係数が小さくなる。光導波路の間隔が８．
０μｍ以上の値においても、間隔が大きくなるにともな
い結合係数が小さくなる。

【００２６】そして、光導波路の間隔が１５．０μｍの
ときの結合係数は１．１７×１０^-7である。結合係数の
逆数が完全結合長であるので、このときの完全結合長は
約１０ｍである。図２で示したＭＺ型光導波路の長さは
約５ｃｍである。そのため、マスク材の幅を１５μｍに
したことにより起きるパワー移行は０．５％程度にな
る。０．５％位のパワー移行は許容範囲内であるため、
実用上に影響は無い。このようにして、上記の実施例に
おけるマスク材の幅が決められている。

【００２７】また、イオン交換されていない面積が、基
板の表面の面積の１０％以下であれば基板の変形を防ぐ
ことができる。基板の表面においてイオン交換される面
積が少なすぎると、表面と裏面とでイオン交換部分の面
積の差が大きくなり、基板に反り等の変形を起こす。そ
のため、マスク材の幅を必要以上に広くすることはでき
ない。よって、マスク材で被覆する面積が、基板の表面
の面積の１０％以下であるようにマスク材の幅を決め
る。

【００２８】なお、イオン交換されていない面積が基板
の表面の面積の１０％より広くても、光導波路以外の部
分をもイオン交換させることにより、基板の反りを抑え
る効果が少なからずあるのは勿論である。

【００２９】上記に説明した方法により、全長６０ｍ
ｍ、マスク材の幅１５μｍのＭＺ型光導波路を３インチ
四方の基板内に５本形成した場合、イオン交換されてい
ない部分の総面積は、基板の表面積の約０．１％であ
る。

【００３０】この基板の平面状態を光干渉計で観察した
ところ、反りに起因する干渉縞は全く認められなかっ
た。また、光導波路に光を伝搬させ、その伝搬損失を調
べたが、０．６ｄＢ／ｃｍ程度であった。

【００３１】次に、前述の光導波路と同じ作製条件で、
長さ５０ｍｍの導波路を５０ｍｍ×５ｍｍの基板に１ｍ
ｍ間隔で５本、５００μｍ間隔で１０本、２５０μｍ間
隔で１７本の３種類作製した。これらの各導波路基板の
マスクによってイオン交換されていない領域の基板表面
（裏面）に対する比率は、各々、３％，６％，９．５％
であった。そして、これらの導波路基板についても表面
の平面性を光干渉計で調べたが、干渉縞は、殆ど認めら
れなかった。また、光の伝搬損失を調べたところ何れも
０．６〜０．８ｄＢ／ｃｍ程度であった。

【００３２】次に、比較例として５０ｍｍ×５ｍｍの基
板に２５０μｍの間隔で２０本の導波路を作製した。尚
この基板の表面のイオン交換されていない領域の、表面
（裏面）に対する比率は１３％であった。そして、この
基板の平面性を光干渉計で調べたところ、干渉縞が認め
られ、光損失は１ｄＢ／ｃｍで、上記の実施例に比べる
と高い値になっていた。

【００３３】したがって、このようなイオン交換されて
いない領域の基板表面に対する比率が１０％以下である
光導波路基板は、反り等の変形がなく、光導波路の伝搬
損失を抑制することができる。

【００３４】上記の実施例では、プロトン交換タンタル
酸リチウムのＭＺ型光導波路について説明したが、イオ
ン交換により光導波路を作製するものであれば材料に関
係なく本発明の作製方法を用いることができる。基板と
しては、タンタル酸リチウムの代わりに、ニオブ酸リチ
ウム、Ｎａ又はＫを含むガラスでもよい。

【００３５】図５は本発明により作製された方向性結合
器型光導波路を示す平面図である。これは、イオン交換
ガラスを基板１０とした方向性結合型光導波路であり、
２つの光導波路２０ａ、２０ｂは極めて近接して並置さ
れ、一方の光導波路に光が入射されると、エバネッセン
ト結合により光のパワーは他方の光導波路に移行する。
このような分布結合光導波路間の結合状態を変調すれば
各光導波路からの出射光量が変化し光変調器あるいは光
スイッチとして利用できる。

【００３６】また、マスク材にアルミニウム（Ａｌ）を
使用したが、その代替としてピロリン酸、またはアジピ
ン酸を使用してもよい。また、プロトンイオン以外のイ
オン交換であれば、例えばＲｂイオンを含むＲｂＮ
Ｏ₃、Ｔｌイオンを含むＴｌＮＯ ₃、Ａｇイオンを含む
ＡｇＮＯ₃等を使用してもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では被覆部
が全体の面積の１０％以内で、かつ光導波路から実質的
に導波光の漏れを抑制し得る幅のマスクを使用したた
め、イオン交換される部分の面積が表面の面積の９０％
以上になり、基板の表面と裏面とのイオン交換された部
分の面積の差が少なくなる。これによって、少ない工程
で、基板が変形しない光導波路を製造することができ、
作製時間やコストの低減が可能となるとともに、清潔な
表面状態を保つことが容易になることにより歩留りを向
上させることができる。

【００３８】また、この光導波路を用いて作られた光導
波路基板は、基板が変形しておらず、光導波路の伝搬損
失を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光導波路の製造方法の工程を示す図で
ある。

【図２】本発明により作製されたマッハツェンダ型（Ｍ
Ｚ型）光導波路の平面図である。

【図３】基板上に形成されたマスク材のパターンを示す
平面図である。

【図４】光導波路の間隔と結合係数との関係のグラフを
示す図である。

【図５】本発明により作製された方向性結合器型光導波
路の平面図である。

【図６】従来の方法で形成された光導波路の第１の例を
示す断面図である。

【図７】従来の方法で形成された光導波路の第２の例を
示す断面図である。

【図８】従来の方法で形成された光導波路の第３の例を
示す断面図である。

【符号の説明】

１基板２、２ａ、２ｂ光導波路２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆイオン交換部分３マスク材４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ開口部５安息香酸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の表面をマスク材で被覆し、基板の
裏面と、前記マスク材の開口部に対応する基板の表面部
とをイオン交換することによって、前記表面部に光導波
路を形成する光導波路の製造方法において、被覆部が表面の面積の１０％以内で、かつ光導波路から
実質的に導波光の漏れを抑制し得る幅の前記マスク材を
使用して、光導波路を形成する光導波路の製造方法。
【請求項２】前記マスク材の幅は、完全結合長をＬ
ｐ、光導波路長をＬｗ、基板の表面における導波路と、
他のイオン交換領域との間の許容移行パワーをＰａ
（％）として、Ｌｐ≧（Ｌｗ／Ｐａ）×１００を満たすように決定することを特徴とする請求項１記載
の光導波路の製造方法。
【請求項３】光導波路を有する光導波路基板におい
て、表面は光導波路が形成されるとともに全体の９０％以上
がイオン交換され、裏面全体がイオン交換されたことを
特徴とする光導波路基板。