JPS6259556A - 特殊基材ガラスからCs+イオンでイオン交換することにより製造される光導波管 - Google Patents

特殊基材ガラスからCs+イオンでイオン交換することにより製造される光導波管

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JPS6259556A
JPS6259556A JP61011805A JP1180586A JPS6259556A JP S6259556 A JPS6259556 A JP S6259556A JP 61011805 A JP61011805 A JP 61011805A JP 1180586 A JP1180586 A JP 1180586A JP S6259556 A JPS6259556 A JP S6259556A
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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) 本発明ハ、S! 02 /B203 /AQ203 /
に20/F−ガラス系の特殊基材ガラス中に存在するア
ルカリイオンをCs  イオンで一部交換することによ
り該ガラスから製造される光導波管(lightWaV
e−i)Uide )に関する。
(従来の技術) 今日の技術情況は、各種刊行物に明らか−である。
ジー・ステーワード(G、S丁EすARD)著、ジャー
ナルオブ ノンークリスタライン ソリッドス(J。
urnal of Nori−crystalline
 5olids)第47巻、191〜200頁(198
2年〉に一般的総説が記載されている。この方法によれ
ば、光導波管は、L!2O−1Na20−、に20−含
有基材ガラス類からイオン交換方法により製造すること
ができる。イオン交換可能なイオンとして、Ll  、
ia  。
K  、TΩ および八〇 が記載されている。
これらイオンのイオン交換方法により製造される先導波
管は、次の刊行物に記載されている:イー、つ4−ゲス
等著 アイイーイーイー ジャーナル オブ クオント
、エレクトリ)、(E、VOGES et al、、I
[EE JOIJrnal of Quant、 El
eCtr、 ) QE−18,1877(1982)、
ジー、エッチ、ヂψ−ティアー等箸エレク1ヘロニクス
 レター(G、H,CIl八RへT I E I?et
  al、、  Electroriics  Let
t、)  13、 763  (1977)  、ティ
ー、イザワ、エッチ、ナカゴメ著、アプル・フィシ、 
レター (T、IZ八へA、H,NAKAGOHE  
八ppl 、Phys、 Lett、)21,584 
(1972) 、アール・ジー、ヴオルカー、シー、デ
ー、ダブリュ、ウィルキンソン、ジエイ・エイ・エッチ
・ウイルギンソン著 アプル・オブディクス(R,G、
ΔALKEI?、 C,D、 W、 WILKINSO
N、J、 へ、11.WILにlN5ON、^pp1.
 0ptics  )  22.1923(1983)
この方法によれば、平型光導波管は、屈折率増加イオン
Li、Ag およびTΩ でイオン交換法によりガラス
から製造することができる。基材ガラス材料として、商
業上の一般的な窓ガラス顕微鏡用カバーガラスおるいは
仙の標準ガラスが使用される。リチウムでイオン交換さ
れたガラスから光導波管を製造すること1よ、リチウム
と交換されるガラス中の1価イオンと比較すると、l−
i“イオンのイオン半径が本質的に小さいために問題を
含んでいる。このために、イオン交換後の冷却工程にお
いて大部分のガラスは、網状構造の破壊、すなわち、ガ
ラス表面が破壊してしまう。もし実際の破壊がなければ
、先導波管は、多くの場合には不利益効果で必る極めて
大きな応力複屈折を示すであろう。リチウム−イオン交
換により得られる屈折率の増加は、Δn=o。015で
は、多くの場合には不十分である。銀塩浴中のイオン交
換により製造される光導波管は、イオン交換されていな
い基材ガラス体と比較すると、しばしば著しく半透明に
なっている。この高い吸収は、高温にあける1価銀イオ
ンの不安定によるものである。
250℃以上では、使用される銀塩溶液または塩浴が分
解し、金属銀が溶液から析出する。もしこの分解が基材
ガラス体の表面で起るならば、より大きな光損失を生ず
る散乱中心が生じる。ざらに銀塩の価格が高いために、
工程上の不利益がある。
溶融タリウム塩浴中でイオン交換された塞材ガラス体は
、高品質先導波管となる。しかしながら、周知の毒性の
高い化合物の作業は、特に600”C,以上の高温にお
いて、種々の困難さを生ずる。洗浄溶液の非毒性化、必
要な高価な保護方法と同様に使用浴は、多額の費用を必
要としかつ作業員を危険に陥れるために、この方法は一
般的な製造方法としては不適である。ドイツ公告特許第
2456894号に記載された方法は、屈折率の低下を
生じ、かつここに記載された光導波管の製造に適してい
ない。
だから、C3イオンのイオン交換による先導波管の製造
を制御することはまだできない。
明らかに、Cs  イオン交換法を記載した文献がある
[ジー・エッチ・フリッシャット、エッチ。
ジエイ、フラネック著、グラシュテヒン、ベル(G、 
H,FRISCH酊、H,J、FRANEK、GIas
techri、Ber、) 54.243(1981)
 ]が、それらの場合に得られた交換層は、先導波管用
に適してはいなかった。
光導波管用とX十分な層厚は、極めて長い交換時間また
は極めて高温を適用することによって達成されるだけで
ある。表面に2〜3μmの厚みの腐食の跡がめれば、そ
れら表面は、先導波管としての使用には不適当である。
(発明が解決しようとする問題点) 本発明の先導波管は、C5+イオン交換法用に特に改良
されたガラス系に関する。主要成分3i02、B203
 、AUz03 、に20を含−み、かつ02−をF−
で部分置換したこれら基材ガラスは、比較的低温かつ比
較的短い交換時間でCS塩浴中でイオン交換法により、
屈折率がΔn=0.05まで増加した十分な厚みの層を
与える。このようにして得られた光導波管は、基材ガラ
ス体と比較してもCS  イオンの安定性のために著し
く半透明が増加することはない。本発明の基材がラスは
、02−イオンのめる部分がF−イオンで置換されるこ
とにより、従来から使用されていガラスとは本質的に区
別される。F−イオンはガラスの網状構造を失なわせる
ので比較的大きなCs  イオンを基材ガラス体中に拡
散ざぜることは容易である。
jqられる交換時間の短いことおよび温度の低いことは
、溶融した攻撃的なCS塩浴によるガラス表面の攻撃を
妨げるから、欠点のない表面構造を有する先導波管が得
られる。イオン交換法は、転移温度付近で行なわれるた
め、徐冷後、応力のない光導波管が得られる。
(問題点を解決するための手段) 本発明は、次の組成(モル%)の基材ガラスから製造さ
れ、そのガラス中に存在する02− イオンの一部が1
〜15%のF−イオンで置換されており:    S!
(h     45〜728203     8〜25 八〇203    1〜25 L!20    0〜1 N820     0〜2 に2 0       6〜18 M0         O〜1 (MO=MQ O,Ca O,Sr o。
Ba O,Zn O,Pb O) かつその先導波管域がK”、u+および/またはNa 
 インオンのC5イオンのイオン交換により製造される
ことを特徴とする先導波管により達成される。
本発明の先導波管は、該基材ガラスがざらに次の酸化物
を合計で最大5モル%まで含有する:Ti 02 、 
Zr 02 、 P205 、 Ge 02 、 Y2
O3、La2O3,Nt1205.Ta205.WO2
、・Sn 02 、AS203.5t)203 、B!
20s 。
本発明の先導波管は、該基材ガラスが1〜10モル%の
AΩ203を含有する。
本発明の先導波管は、該基材ガラスが10〜25モル%
のAf120sを含有する。
本発明の光導波管は、該基材ガラスがざらにQ。
2−Tニル%のC320を含有する。
本発明め光導波管は、AΩ203  : M20 (M
20−1 i20.Na2O,に20.C320)のモ
ル比が0.8〜1.2の間でおる。
本発明1よ、みがかれまたは火でみがかれ表面を有する
基材ガラス体は、高温で溶融したC3塩中で処理されて
、イオン交換により先導波管域を生産することを特徴と
する先導波管の製造方法である。。
本発明は、該イオン交換は、電界の適用により補助Uら
れることを特徴どする方法である。
界の適用により、第2のイオン交換処理されるの”c、
cs+イオンは、さらにガラス内部に移動し、そして塩
からのK および7/またはNa  イオンはその後、
光導波管域表面に溶は合うことを特徴とする先導波管の
製造方法である。
本発明は、いずれの好適な先導波管構造もイオン交換前
にガラス表面をマスキンダブることにより製造されるこ
とを特徴とする先導波管の1!!!造方法である。
本発明は、光学信号またはデータ伝送用一体光学組成物
としで、前記方法により製造される先導波管の使用方法
または適用法である。
本発明による先導波管製造に使用される材料は、毒性が
高くないので、安全のための保護は必要ではない。銀塩
と比較すると、セシウム塩は、8〜10倍程安価でおる
。本発明による先導波管は、その屈折率プロフィルがい
ずれにも適用可能なために幅広く応用される。屈折率の
最大増加は、基材ガラス中のアルカリイオンを最大可能
なC3C度で置換することにより決定される。本発明に
よるイオン交換処理される基材ガラス体にみいて、この
量は6〜21モル%の間であろう。ガラス中の与えられ
たアルカリ濃度に対して、屈折率プロフィルは、イオン
交換助変数により決定される。
置換時間に関して第1図に示された屈折率プロフィルが
得られる。
多モード導波管は、交換に艮時間費やして1専られるか
、単[−ド導波管は2時間の交換時間で1qられる。第
2図に示すように、屈折率プロフィルは、最終の調節方
法を適用することにより平らにすることができまたは高
めることができる。
屈折率曲線またはプロフィルの計画的な形を許容する他
の可能性は、界磁補助イオン交換法の適用にある。1拡
散速度は、使用する電界強度と伴に増加するので、界磁
補助イオン交換法により、交換温度または交換時間をか
なり減少することができる。温度低下は、C3塩類また
は異なるQS塩類の共融化合物の相対的に高溶融温度に
より制限を受ける。界磁補助イオン交換法は、基材ガラ
ス体上のCS  イオン交換でガラス内部に移動するこ
とにより得られる屈折率プロフィルを作る他の選択の自
由を提供する。この目的のため必要な手段を第3図に示
す。
第1段の方法において、回折率の増加は電界を使用して
、あるいは無しでCs塩浴中でイオン交換により(qら
れる。K塩浴中の第2段のイオン交換法においてCs 
 イオンは、電界中において、K イオノが溶融浴から
追随し、かつ基体ガラス体表面の屈折率を再び下げると
ともにガラス内部に移動させられる。
(実施例) 実施例 1、平型の多、あるいは単モード先導波管59.3モル
%のS!02.18.0モル%の8203.5゜2モル
%の△1203および17゜5モル%のに20の組成で
、02−イオンの一部分がKFの形態で6.8%のF″
′を加えて置換された基材ガラスを、AS203のよう
な清澄剤(0゜2千愼%)を使用する光学ガラスの製造
方法により溶融し、モールド中でキャストしかつ冷却後
、10mmx 20m1TIX 2mmのがラス板に切
断する。これらのガラス板を、表面粗さがλ/10(λ
= 500nm)より良くなるまで磨く。このようにし
て得られたガラス板を、その後441℃の硝酸セシウム
溶融品中に2.4,8.16または24時間保持する。
塩浴から取り出した後、ガラス板を約′IOO〜200
’C/hの速度で冷却し、付着した塩を水で洗い落とし
、そしてガラス板を乾燥する。導波管層側面に鋭いエッ
チを作るべく、基材ガラス体の最終表面を磨いた後、こ
れらのガラス板は、平型光導波管として使用できる。そ
れらの屈折率ブ[コツイルを第7図に示す。
2、平型ストリップ導波管 54.2モル%のSiO2,18,5モル%の8203
.9.9モル%のAl2O3および15゜6モル%のに
20.1.4モル%のNa2O#よび0.4%の1−i
20の組成で、02−イオンの一部分がKFの形態で6
.5%のF−を加えて置換された基材ガラスを、実施例
1のガラスと同様な方法で製造し、調製する。基材ガラ
ス板表面を磨いた後、約2000への厚みのへ(層を蒸
着し、光ラッカーで被覆し、そしてマスクと接触して3
〜5μ雇巾の薄いストリップを露光する。これらのスト
リップは、例えば第4図に模式的に示される1:8配電
器のように異なった構造であろう。
露光後、光ラッカーまたはフィルムは現像され、露光面
積からそれ自体がはがされる。その後、もはや光ラッカ
ーにより被覆されていないアルミニウムをエツチングに
より除去し、未露光の光ラッカーをはがし、そして洗浄
、乾燥後、基材ガラス板を、70モル%のC8N○3お
よび30モル%のCsClから成る塩浴に395℃で2
時間含浸する。さらに、実施例1と同様に処理する。こ
の方法で、カップリング後、対応する光伝送繊維がマス
ク上でカプラー、配電器または類似部品として使用され
る単モードストリップ(狭い)導波管が得られる。
3、平型埋め込みストリップ導波管 製法は、最初実施例1に記載したように進める。
第1イオン交換俊、A1マスクをはがし、−基材ガラス
板の2つの磨かれたガラス面が420℃で2つの相対的
に電気絶縁KNO3溶融塩でぬらして第2イオン交換を
行う。塩浴中に浸漬されている両方のPt電極へ、50
Vの電圧を約30分間供給する。冷却、洗浄および乾燥
後、ガラス表面下20〜30μmに構造を有するストリ
ップ導波管が得られる。
特許請求の範囲第4項に記載の基材ガラスは、特許請求
の範囲第3項に記載のガラスと前者がより多くのAl2
O3を含有することにおいて区別される。この高いAl
2O3含有但は、特に高アルカリ含有において拡散を促
進するためにイオン交換時間が短縮され、または、好ま
しい時間で好適な拡散厚みが得られる。さらに、より高
いAl2O3含量は、イオン交換塔または構造化工程で
使用される丁ツヂング溶液による化学的攻撃に対・して
ざらに安定化させるので、無傷の表面構造を有する先導
波管が得られる。
高Al2O3含有基材ガラス用実施例 1、平型の多、または単モード光導波管62.90モル
%のSiO2,12,0モル%の8203.12.5モ
ル%のAl2O3,12゜5モル%のに20の組成で、
02−イオンの一部分がA I F3の形態で6.26
%のF−を加えることにより置換されている基材ガラス
を、△S203のような清澄剤(O92硯徂3)を使用
する光学ガラスの製造方法により溶融し、モールドでキ
ャストし、そして冷却後、10mmx 20mmx 2
mmのガラス板に切断する。ガラス板を、表面粗さがλ
/10(λ= 500nm)より良くなるまで磨く。こ
のようにして得られたガラス板を、436°Cでセシウ
ム溶融塩中に2.4,8.16または24時間浸漬する
。塩浴からガラス板を取り出した後、約100〜200
℃/hの速度で冷却し、付着した塩残分を水で洗浄し、
かつ乾燥する。導体層側面にするどいエッチを作り、基
材ガラス体の最終表面を磨いた後に、これらのガラス板
は、平型光導波体として使用できる。屈折率プロフィル
を第1図に示す。
2、平型ストリップ導波管 5335モル%のS!02.8.03モル%の8203
.19.5モル%のAl2O3,18゜0モル%のに2
0および1.0モル%のNa2Oの組成で、02−イオ
ンの一部分がAlF3の形態で7.22%の「−を加え
ることにより置換された基材ガラスは、実施例1のガラ
スと同様な方法で製造されかつ調製される。基材ガラス
板表面を磨いた後、約2000Aの厚みのTi層を蒸着
し、かつ光ラッカーで被覆し、マスクと接触して3〜5
μm巾のうすいストリップを露光する。そのストリップ
は、例えばドイツ連邦共和国特許出願筒o 35018
98.4号の第4図に模式的に示されたある1−8配電
器のようなひろく変化する構造であろう。露光後、光ラ
ッカーまたはフィルムは現像され露光部分からはがされ
る。その後、もはや光フィルムで被覆されていないチタ
ニウムをエツチングで除去し、未露光の光フィルムをは
がし、そして洗浄、乾燥後、基材ガラス板を、70モル
%の05NO3および30モル%のCsCl塩浴に39
5°Cで2時間浸漬する。さらに、実施例1と同様に処
理する。この方法で、カップリング後、対応する光伝送
w4維が、使用されるマスク上でカプラー、配電器また
は類似部品として使用される単モードストリップ導波管
が得られる。
3、平型埋め込みストリップ導波管 製造方法は、まずA1被覆を除いて実施例2に記載され
ている方法である。第1イオン交換後、A1被覆をはが
し、基材ガラス板の二つの磨かれたガラス面を二つの相
対的に電気絶縁である420℃の2HKNO+溶融塩で
ぬらして第2イオン交換を行う。50Vの電圧で約30
分間、溶融塩中に浸漬されている白金電極中に供給する
。冷却、洗浄および乾燥後、ガラス表面下20〜30μ
mにその構造を有するストリップ導波管を得る。
【図面の簡単な説明】
第1図は、441℃の交換温度、4..8.16および
24時間の交換時間における実施例1のガラスのイオン
交換により実施された屈折率プロフィルを示す図であり
、第2図は追加温度方法により実施された実施例1のガ
ラスの平らな、−または下った屈折率プロフィルを示す
図であり、第3図は複数イオン交換により埋め込んだ先
導波管の製造方法を示す図であり、第3図Aは交換なし
の基材ガラスの説明図、第3図Bは電界あり(1)およ
び電界なしく2)の場合のCS  塩浴中のイオン交換
の説明図、第3図Cは電界を有するK 塩浴中の第2イ
オン交換の説明図であり、第4図はストリップ導波管用
実施例としてのに8導波管に関する概略図を示す図であ
る。 特許出願人 カール ツアイス スティフツンクトレー
ディング アズ ショット グラスヴエルケ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)次の組成(モル%)の基材ガラスから製造され、
    そのガラス中に存在するO^2^−イオンの一部が1〜
    15%のF^−イオンで置換されており;SiO_2 
      45〜72 B_2O_3   8〜25 Al_2O_3  1〜25 Li_2O    0〜1 Na_2O    0〜2 K_2O     6〜18 MO       0〜1 (MO=MgO、CaO、SrO、 BaO、ZnO、PbO) かつその光導波管域がK^+、Li^+および/または
    Na^+イオンのCs^+イオンのイオン交換により製
    造されることを特徴とする光導波管。
  2. (2)該基材ガラスがさらに次の酸化物を合計で最大5
    モル%まで含有することを特徴とする特許請求の範囲第
    1項に記載の光導波管: TiO_2、ZrO_2、P_2O_5、GeO_2、
    Y_2O_3、La_2O_3、Nb_2O_5、Ta
    _2O_5、WO_3、SnO_2、As_2O_3、
    Sb_2O_3、Bi_2O_3。
  3. (3)該基材ガラスが1〜10モル%のAl_2O_3
    を含有することを特徴とする特許請求の範囲第1項に記
    載の光導波管。
  4. (4)該基材ガラスが10〜25モル%のAl_2O_
    3を含有することを特徴とする特許請求の範囲第1項に
    記載の光導波管。
  5. (5)該基材ガラスがさらに0.2モル%のCs_2O
    を含有することを特徴とする特許請求の範囲第1項に記
    載の光導波管。
  6. (6)Al_2O_3:M_2O(M_2O=Li_2
    O、Na_2O、K_2O、Cs_2O)のモル比が0
    .8〜1.2の間であることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項に記載の光導波管。
  7. (7)みがかれまたは火でみがかれ表面を有する基材ガ
    ラス体は、高温で溶融したCs塩中で処理されて、イオ
    ン交換により光導波管域を生産することを特徴とする特
    許請求の範囲第1〜6項のいずれか1項に記載の光導波
    管の製造方法。
  8. (8)該イオン交換は、電界の適用により補助せられる
    ことを特徴とする特許請求の範囲第7項に記載の方法。
  9. (9)特許請求の範囲第7項または第8項に記載した方
    法により製造された光導波管は、Na^+および/また
    はK^+イオンを含有する溶融塩中で、必要により電界
    の適用により、第2のイオン交換処理されるので、Cs
    ^+イオンはさらにガラス内部に移動し、そして塩から
    のK^+および/またはNa^+イオンはその後、光導
    波管域表面に溶け合うことを特徴とする光導波管の製造
    方法。
  10. (10)いずれの好適な光導波管構造もイオン交換方法
    前にガラス表面をマスキングすることにより製造される
    ことを特徴とする特許請求の範囲第7〜第9項のいずれ
    か1項に記載の光導波管の製造方法。
  11. (11)光学信号またはデータ伝送用一体光学組成物と
    して、特許請求の範囲第7〜10項のいずれか1項に記
    載の方法により製造される光導波管の使用方法または適
    用法。
JP61011805A 1985-01-22 1986-01-22 特殊基材ガラスからCs+イオンでイオン交換することにより製造される光導波管 Expired - Lifetime JPH0627015B2 (ja)

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