(57)【要約】【課題】光集積回路と光ファイバとの結合が容易となる光集積回路要素、及び、光デバイスを提供する。【解決手段】光スイッチ等の光路制御用の光集積回路に適する成分を含む膜をガラス等の材料の上に付け、薄膜の上からレーザ等による光を照射して、薄膜の中に所定の熱処理相を形成する。前記レーザ光は、主に基板においてそのエネルギーが吸収され、その吸収されたエネルギーによる熱で、薄膜を熱処理する。パターンニングが可能で、光スイッチ等の光デバイスに応用できる。基板は、所定の範囲の波長の光を吸収でき、耐熱性があり、熱膨張が低い材料からなることが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
光エネルギーを吸収可能な材料と、前記材料の上に形成された非晶質膜とを備える光学部材において、前記非晶質膜は、前記材料において吸収された光エネルギーにより変質化された部分を含むことを特徴とする光学部材。
【請求項２】
前記変質化された部分は、屈折率、結晶化度、熱力学的相のいずれか若しくはこれらの組み合わせにおいて、変化されたことを特徴とする請求項１に記載の光学部材。
【請求項３】
前記変質化された部分は、Ｂａ２ＴｉＳｉ２Ｏ８、Ｂａ２ＴｉＧｅ２Ｏ８、ＢｉＢＯ３、ＢａＢ２Ｏ４、（Ｓｒ，Ｂａ）２Ｎｂ２Ｏ６、ＬａＢＯ２ＭｏＯ４、ＬａＢＧｅＯ５、Ｎｄ（ＭｏＯ４）３、Ｓｍ２（ＭｏＯ４）３、Ｇｄ２（ＭｏＯ４）３、ＢａＴｉ（ＢＯ３）２、Ｂａ３Ｔｉ３Ｏ６（ＢＯ３）２、ＬｉＢＧｅＯ４、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、ＫＴｉＯＰＯ４からなる結晶群の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学部材。
【請求項４】
前記非晶質膜は、前記材料に吸収される光エネルギーを実質的に透過することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光学部材。
【請求項５】
前記非晶質膜は、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＴｅＯ２、Ｇａ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＷＯ３から選ばれる少なくとも１種のガラス形成酸化物と、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移元素、及び希土類元素から選ばれる少なくとも１種と、を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光学部材。
【請求項６】
前記材料は、所定の範囲内の波長からなる光に対して、１０ｃｍ−１以上の吸光係数を持つことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光学部材。
【請求項７】
前記材料は、１００〜３００℃の温度範囲において、−３０〜＋３０×１０−７／℃の範囲の熱膨張係数を持つことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光学部材。
【請求項８】
前記材料は、そのガラス転位点、融点、又は結晶化温度のいずれかが５００℃以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光学部材。
【請求項９】
前記材料は、ガラス、ガラスセラミックス、エンジニアリングセラミックスのいずれかであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光学部材。
【請求項１０】
前記光エネルギーの源は、特定の波長を持つレーザ光を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の光学部材。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載の光学部材を含んでなる、光増幅器、波長変換素子、光スイッチ、光拡散部品、光フィルタ、マイクロレンズアレイ、及び光導波路からなる群から選択される光学部品。
【請求項１２】
所定の範囲内の波長からなる光に対して、５ｃｍ−１以下の吸光係数を持つ非晶質膜であって、当該非晶質膜を透過した光エネルギーにより加熱可能に備えられた密着する耐熱性の無機化合物の熱により変質化された部分を含むことを特徴とする光学用非晶質膜。
【請求項１３】
非晶質膜の面内の所定の位置に、変質化された領域を作る加工方法であって、
光エネルギーを吸収可能な材料の上に非晶質膜を形成し、前記材料の上に形成された前記非晶質膜を透過する光エネルギーをその所定の位置に照射し、前記基板の対応する位置にある部分を加熱し、
その加熱された部分から伝達される熱により前記非晶質膜のその所定の位置にある領域を変質化することを特徴とする加工方法。
【請求項１４】
前記変質化は、屈折率、結晶化度、熱力学的相のいずれか若しくはこれらの組み合わせにおいて、変化させることを特徴とする請求項１３に記載の加工方法。
【請求項１５】
前記変質化された領域は、Ｂａ２ＴｉＳｉ２Ｏ８、Ｂａ２ＴｉＧｅ２Ｏ８、ＢｉＢＯ３、ＢａＢ２Ｏ４、（Ｓｒ，Ｂａ）２Ｎｂ２Ｏ６、ＬａＢＯ２ＭｏＯ４、ＬａＢＧｅＯ５、Ｎｄ（ＭｏＯ４）３、Ｓｍ２（ＭｏＯ４）３、Ｇｄ２（ＭｏＯ４）３、ＢａＴｉ（ＢＯ３）２、Ｂａ３Ｔｉ３Ｏ６（ＢＯ３）２、ＬｉＢＧｅＯ４、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、ＫＴｉＯＰＯ４からなる結晶群の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の加工方法。
【請求項１６】
前記非晶質膜は、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＴｅＯ２、Ｇａ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＷＯ３から選ばれる少なくとも１種のガラス形成酸化物と、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移元素、及び希土類元素から選ばれる少なくとも１種と、を含むことを特徴とする請求項１３から１５のいずれかに記載の加工方法。
【請求項１７】
前記光エネルギーを吸収可能な材料は、所定の範囲内の波長からなる光に対して、１０ｃｍ−１以上の吸光係数を持つことを特徴とする請求項１３から１６のいずれかに記載の加工方法。
【請求項１８】
前記光エネルギーを吸収可能な材料は、−３０〜＋３０×１０−７／℃の範囲の熱膨張係数を持つことを特徴とする請求項１３から１７のいずれかに記載の加工方法。
【請求項１９】
前記光エネルギーを吸収可能な材料は、そのガラス転位点、融点、又は結晶化温度のいずれかが５００℃以上であることを特徴とする請求項１３から１８のいずれかに記載の加工方法。
【請求項２０】
前記光エネルギーを吸収可能な材料は、ガラス、ガラスセラミックス、エンジニアリングセラミックスのいずれかであることを特徴とする請求項１３から１９のいずれかに記載の加工方法。
【請求項２１】
前記光エネルギーの源として、特定の波長を持つレーザ光を用いることを特徴とする請求項１３から２０のいずれかに記載の加工方法。
【請求項２２】
請求項１３から２１のいずれかに記載の加工方法を用いることを特徴とする、光増幅器、波長変換素子、光スイッチ、光拡散部品、光フィルタ、マイクロレンズアレイ、及び光導波路からなる群から選択される光学部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部材に関し、より詳しくは、光エネルギーによって変質化された部分を含む光学部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、伝送容量の拡大のために、１本の光ファイバに複数の波長を持つ光信号を合波、又は、複数の光信号に分波する波長多重伝送（ＷＤＭ）技術が注目される。このため、これに利用可能な光集積回路の研究も行われている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
光集積回路は、屈折率の異なる領域を形成し、光を伝播させる光導波路を作り、これを利用して光変調器や光スイッチ等を形成したもの等を含む。この光集積回路は、種々の機能を持つ素子を１回路上に多数集積でき、光ファイバとの組み合わせで広い応用が見込まれる（例えば、特許文献２）。
【０００４】
また、光集積回路と光ファイバとの光結合に用いられる結合回路が必要であるが、光集積回路としてガラス材料が用いられれば、光集積回路と光ファイバとを結ぶ結合回路の簡素化や省略化が可能と考えられている。しかし、ガラスはフォトニクスにおいて非常に重要な材料でありながらも、波長変換、光スイッチ等の能動的な光路制御を可能にする光デバイスに必須である二次光非線形性を有していない。これらのデバイスは、二次光非線形性に基づく電気光学効果を利用するため、二次光非線形性を持つ材料が必要とされる。そのような状況下、ガラス中に結晶を析出させた結晶化ガラスは、材料の熱的・機械的特性を向上させるだけでなく、析出結晶由来の二次光非線形性により光波制御デバイスへ応用できるとされ、所望の結晶の析出が可能で、光集積回路に適するガラス材料が期待されている（例えば、特許文献３、特許文献４、非特許文献１）。
【０００５】
そして、このようなガラスを光集積回路等の光デバイスへ応用し、さらに集積化及び高機能化へと展開させるためには、ガラスの微細加工技術が不可欠であり、その有効な手段としてレーザ光を用いてガラスの位置選択的な結晶化を行うレーザラインパターニングが試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−６４９１５号公報
【特許文献２】特開平１０−１０３６２号公報
【特許文献３】特開２００３−９８５６３号公報
【特許文献４】特開２００８−１９１２３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｈｏｎｍａ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｍｅｔａｌ  ａｔｏｍ  ｈｅａｔ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｆｏｒ  ｗｒｉｔｉｎｇ  ｏｆ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｌｉｎｅｓ  ｉｎ  ｇｌａｓｓ，”  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８８，  ２３１１０５（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、レーザを利用してガラスの中に所望の結晶を位置選択的に析出させる従来の方法によると、レーザ照射によって熱源となり得る希土類、遷移金属等を予めガラス中に添加することが必須であった。しかし、これらの元素は結晶の析出においてその内部に不純物として取り込まれ、結晶の均質性及び光機能性の低減や劣化の原因となっていた。また、前記した光デバイスに使われるガラスは膜状で用いられる場合が多いが、多成分組成のガラスをスパッタリング法等により成膜するにおいて、前記結晶化を誘起する元素をガラス内に均一、かつ所望の量取り込むことも困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、上述する課題に鑑み、光スイッチ等の光路制御用の光集積回路を製造するのに有用な非晶質（ガラスを含む）に、その材料の特性に必ずしも依存する必要の無い所定の処理を行うことにより、光路等に活用が可能な特性の異なる部分が構成された光学部材を提供する。本発明者らは、局所熱処理によりこのような特性の異なる部分を構成する場合、この非晶質（処理相）と、熱源となる部分（加熱相）とを分離することで、上述のような特性の異なる部分をこの非晶質内に形成することができることを見出した。即ち、この非晶質の該当部分を間接的に加熱するという、処理相及び加熱相の特性（例えば物性）に合わせた構成を実現できるのである。例えば、熱エネルギー源としてレーザ等の径を絞った光エネルギーを熱源となる材料（加熱相）に照射して高温にし、熱伝導（界面においては熱伝達）により、前記材料に付着された非晶質膜（処理相）の近接部分を熱処理してかかる特性の異なる部分を形成する。これは、当該光エネルギーを殆ど吸収しない非晶質膜を通して、当該光エネルギーを吸収し易い下地材料の比較的浅いところ（加熱相）に焦点を合わせるようにすれば、この加熱相を主に高温にすることが可能である。この加熱相からの熱は、今度は格子振動（フォノン）による熱伝導で周囲（非晶質膜との界面及び非晶質膜内部を含む）に伝えられるのである。いうなれば、フォトンで注入されたエネルギーをフォノンで再び表面の非晶質膜へ伝達させるのである。
【００１０】
より具体的には、以下のようなものを提供することができる。
（１）光エネルギーを吸収可能な材料と、前記材料の上に形成された非晶質膜とを備える光学部材において、前記非晶質膜は、前記材料において吸収された光エネルギーにより変質化された部分を含むことを特徴とする光学部材を提供することができる。
【００１１】
ここで、光エネルギーを吸収可能な材料とは、所定の範囲の波長の光エネルギーの吸収係数が所定の数値以上である材料であってよい。特に、変質化させる温度条件を実現可能な程に光エネルギーを吸収できる吸収係数を持つことが好ましい。また非晶質膜は、Ｘ線回折による解析で結晶質と認められないものからなる膜を意味してよく、ガラス膜を含んでよい。膜厚は、光学部材として機能するために十分な厚みであればよいので用途に応じて適宜選択することができる。例えば、０．１μｍ以上が好ましく、０．５μｍ以上がより好ましく、１μｍ以上が更に好ましい。厚すぎると、変質化が十分行われない可能性もあるので、５００μｍ以下が好ましく、４００μｍ以下がより好ましく、３００μｍ以下が更に好ましい。膜が広がる面積は、光エネルギーを吸収可能な材料を超えないことが好ましい。従って、それより小さい面積であってもよい。また、光学部材として十分機能する面積であればよい。例えば、変質化部分の幅が比較的大きい現状においては、１ｍｍ２以上が好ましく、１０ｍｍ２以上がより好ましく、１００ｍｍ２以上が更に好ましい。しかしながら、極超微細加工が可能な技術が生まれた場合は、この限りではない。上述の光エネルギーを吸収可能な材料と非晶質膜の構成において、非晶質膜（処理相）には、光スイッチ等の光路制御用の光集積回路を製造するのに有用な成分及び物性等が、光透過性（膜がエネルギー源となる光の波長の半分程度と特に薄い場合はそれほど重要ではない）と共に要求される。そして、下地の基材には、光エネルギーの高い吸収性及び高温に耐え得る耐熱性が要求される。例えば、１μｍ程度の波長の光エネルギーを吸収し易い遷移元素を非晶質膜が含まなくても、遷移元素を含ませた材料を前記非晶質膜に付着又は接触させれば、非晶質膜の局所熱処理が可能となる。また、光エネルギーの界面での散乱や熱伝達のロスを考慮すれば、これら非晶質薄膜と基板との密着性が高いことが望ましい。このような膜の付着方法としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法、イオンビーム法等のＰＶＤ法や、ＣＶＤ法等を例としてあげることができる。
【００１２】
（２）前記変質化された部分は、屈折率、結晶化度、熱力学的相のいずれか若しくはこれらの組み合わせにおいて、変化されたことを特徴とする上記（１）に記載の光学部材を提供することができる。
【００１３】
ここで、熱力学的相とは、熱力学的に安定若しくは準安定な物質の状態を意味することができる。例えば、相として、気体、液体、固体などの、物質の状態を含むことができる。また、準安定な状態としては、過冷却状態の液体や、ガラス状態、準安定的な結晶相も含まれてよい。即ち、熱力学的相は、ガラス相や結晶相等のように、その構造や、熱力学的な安定性などによって差別化できる状態及びそのような状態にある領域を意味することができる。そのような相の転位（状態の変化）により、屈折率等の物性に変化が生じる場合がある。
【００１４】
特に非晶質膜内部の変質化した領域の屈折率が非晶質膜自体のそれより高い場合、この屈折率の高い領域に光の閉じ込めや伝播が可能であり、光導波路の機能を有することとなる。更に変質化された部分が後述する結晶群である場合、これら結晶が有する非線形光学効果により波長変換や光スイッチ等の機能を非晶質薄膜に付与することが可能と考えられる。
【００１５】
（３）前記変質化された部分は、Ｂａ２ＴｉＳｉ２Ｏ８、Ｂａ２ＴｉＧｅ２Ｏ８、ＢｉＢＯ３、ＢａＢ２Ｏ４、（Ｓｒ，Ｂａ）２Ｎｂ２Ｏ６、ＬａＢＯ２ＭｏＯ４、ＬａＢＧｅＯ５、Ｎｄ（ＭｏＯ４）３、Ｓｍ２（ＭｏＯ４）３、Ｇｄ２（ＭｏＯ４）３、ＢａＴｉ（ＢＯ３）２、Ｂａ３Ｔｉ３Ｏ６（ＢＯ３）２、ＬｉＢＧｅＯ４、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、ＫＴｉＯＰＯ４からなる結晶群の少なくとも１種を含むことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の光学部材を提供することができる。
【００１６】
これらの結晶群は、構造的に対称中心を欠く点群に属する結晶、すなわち圧電性結晶であり、周波数ωを持つ入射光に対して２ω成分の光を発生する第二高調波発生や電圧印加により屈折率が変化する電気光学効果といった二次光非線形性に基づく現象を発現する。これらの現象は波長変換や光スイッチなど能動的な光波制御デバイスの構築に不可欠である。
【００１７】
（４）前記非晶質膜は、前記材料に吸収される光エネルギーを実質的に透過することを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載の光学部材を提供することができる。
【００１８】
本発明によると、非晶質自身には光エネルギーを吸収するための物性が要求されないので、所望の結晶相を析出させ得る非晶質の組成を用途に応じて自由に選択することができるが、非晶質側から光エネルギーを付与して、熱源となる材料を加熱する場合は、非晶質自身は光エネルギーの影響を受けずに、利用波長を効果的に前記材料に伝達することが好ましい。実質的に透過するとは、その光エネルギーが殆ど吸収されることなく、非晶質膜を通過することを意味することができる。例えば、実際の非晶質膜における光エネルギーの透過率が、８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましく、９５％以上であることが更に好ましい。
【００１９】
（５）前記非晶質膜は、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＴｅＯ２、Ｇａ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＷＯ３から選ばれる少なくとも１種のガラス形成酸化物と、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移元素、及び希土類元素から選ばれる少なくとも１種と、を含むことを特徴とする上記（１）から（４）のいずれかに記載の光学部材を提供することができる。
【００２０】
非晶質膜におけるこれら各成分の組み合わせは特に限定されず、非晶質自身の光学的特性や機械的、化学的特性を考慮しつつ、熱処理によって所望の結晶相が析出するものを、必要に応じて任意に選択することができる。
【００２１】
ここで、各成分は酸化物基準で表現したものであって、各化合物の化学量論比からのずれは認められてよい。これらの化合物の光学部材の特性に与える効果が実質的に変わらない限りは、厳密な化学量論比は重要な意味をなさない。特に気相法から生成される非晶質膜においては、酸素が欠損する場合も多いからである。例えば、化学量論比からのずれは、ＳｉＯｘにおいて、Ｘは、１．５から２．５までは、ＳｉＯ２と考えてもよい。
【００２２】
（６）前記材料は、所定の範囲内の波長からなる光に対して、１０ｃｍ−１以上の吸光係数を持つことを特徴とする上記（１）から（５）のいずれかに記載の光学部材を提供することができる。
【００２３】
所定の範囲の波長とは、熱エネルギーへの変換が容易な光の波長の範囲を意味することができる。特に、工業的には、波長の範囲が狭い特定の波長の光を用いることが好ましい。吸光係数が高いほど光を吸収し易く、吸収された光エネルギーは通常熱エネルギーに変換されるので、吸光係数が高いほど大きな熱エネルギーが生じることとなる。大きな熱エネルギーは、短期間に加熱相を高温にすることができるので、特に局所的な熱処理には好ましい。吸光係数は、例えば、波長が１．０６μｍの光を利用する場合、該波長に対して１０ｃｍ−１以上が好ましく、２０ｃｍ−１以上がより好ましく、３０ｃｍ−１以上が更に好ましい。
【００２４】
（７）前記材料は、１００〜３００℃の温度範囲において、−３０〜＋３０×１０−７／℃の範囲の熱膨張係数を持つことを特徴とする上記（１）から（６）のいずれかに記載の光学部材を提供することができる。
【００２５】
加熱相を構成する材料は、高温になるために耐熱性が要求されるが、局所的に高温となるので、低い熱膨張が望まれる。短期間に局所的に高温となった場合、周囲の低温部との間に熱応力が生じるからである。例えば、線熱膨張係数は、１００℃から３００℃の範囲で、−３０×１０−７／℃以上が好ましく、−２０×１０−７／℃以上がより好ましく、−１０×１０−７／℃以上が更に好ましい。そして、同温度範囲で、３０×１０−７／℃以下が好ましく、２０×１０−７／℃以下がより好ましく、１０×１０−７／℃以下が更に好ましい。
【００２６】
（８）前記材料は、そのガラス転位点、融点、又は結晶化温度のいずれかが５００℃以上であることを特徴とする上記（１）から（７）のいずれかに記載の光学部材を提供することができる。
【００２７】
ここで、光エネルギーを吸収し熱源となる材料は、耐熱性に優れることが好ましい。例えば、光エネルギーを吸収することにより上昇する温度に耐え、その温度以下で非晶質膜の部分的な変質化を図ることが好ましい。特に、その材料のガラス転位点、融点、又は結晶化温度のいずれかが、５００℃以上であることが好ましく、５５０℃以上であることがより好ましく、６００℃以上であることが更に好ましい。ガラス転位点、融点、又は結晶化温度においては、その材料の熱的な特性が大きく変化し、機械的な影響（例えば、熱応力）を及ぼし易くなるからである。
【００２８】
（９）前記材料は、ガラス、ガラスセラミックス、エンジニアリングセラミックスのいずれかであることを特徴とする上記（１）から（８）のいずれかに記載の光学部材を提供することができる。
【００２９】
光エネルギーを吸収可能な材料は、非晶質膜と共に光学部材を形成してもよく、光学部材として望ましい特性を持つことが好ましい。例えば、ガラスでは、可視光を透過するものが多く、光学部材に適することが多い。また、ガラスセラミックス（結晶化ガラスともいう）においては、特異な特性を部分的に備えながら、ガラスとしての性質も兼ね合わせることができ、光学部材に適することが多い。また、エンジニアリングセラミックスは、耐熱性、耐食性、硬度などセラミックスの特徴を発揮させたエンジン、ガスタービン、機械部品等として、特に金属よりも高温度、高腐食性環境下で構造材料的に用いられるファインセラミックスとも呼ばれ、原料を精製することにより、特に優れた性質を持つことが多い。
【００３０】
（１０）前記光エネルギーの源は、特定の波長を持つレーザ光を含むことを特徴とする上記（１）から（９）のいずれかに記載の光学部材を提供することができる。
【００３１】
一般に、レーザとは、光（電磁波）を増幅し、コヒーレントな光を発生させる装置（レーザ装置）又はその光（レーザ光）を意味する。レーザ光は指向性や収束性に優れており、また、発生する電磁波の波長を一定に保つことができる。レーザ光は、可視光領域の電磁波であるとは限らず、紫外線やＸ線などのより短い波長、また赤外線のようなより長い波長の光も含んでよい。ここで特定の波長のレーザ光としたのは、熱源となる材料によって吸収され易い波長が異なり、非晶質（処理相）及び熱源材料（加熱相）との組合わせで、好ましい波長が決まるからである。レーザ光は、その原理から発信波長が決まった波長となるため、上述の材料において吸光係数を高くできるレーザ光の種類が限られる（後述する表１を参照）。また、レーザは、断続的にレーザ光を出すパルスレーザと、連続的にレーザ光を出すＣＷレーザ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｗａｖｅ  ｌａｓｅｒ）とに区別することができる。前者は、複数の波長で位相を揃えて同時に発振させるモード同期という手法を用いるか、又はＱスイッチという構造を用いて、瞬間的に非常に強いパワーを出すことが可能である。後者はパルス動作と比べると瞬間的なパワーは低いが、高い時間的コヒーレンスを得ることが可能である。いずれのレーザも加工用光源として用いることができるが、加工部位の安定性をより重視する場合は、後者が好ましい。
【００３２】
（１１）上記（１）から（１０）のいずれかに記載の光学部材を含んでなる、光増幅器、波長変換素子、光スイッチ、光拡散部品、光フィルタ、マイクロレンズアレイ、及び光導波路からなる群から選択される光学部品を提供することができる。
【００３３】
光増幅器とは、光信号を電気信号に変換せず、直接光の状態で増幅する増幅器を意味してよい。また、光スイッチとは、光クロスコネクトで利用する基幹部品を意味することができる。このような部品は、入力してきた光信号を鏡などで反射して別の経路に出力する。鏡以外に、気泡を加えることで反射率が変化する物質を利用したり、熱を加えると光信号を屈折する性質を利用した技術も、この光スイッチに利用可能である。
【００３４】
本発明において、レーザ光照射による非晶質薄膜への微細かつ位置選択的な変質化が可能である。そして既往技術のレーザ光を用いたガラスの位置選択的結晶化（特許文献１−４及び非特許文献１）では、熱源となる元素が析出結晶に取り込まれ、光機能性の低下が発生するが、本発明においては非晶質（処理相）と熱源となる部分（加熱相）とを分離していることから、より結晶性や結晶の体積分率、機能性の向上が期待できる。これらの事柄より、簡便かつ高機能な光集積回路の構築及びその光学材料の創製が可能である。
【００３５】
（１２）所定の範囲内の波長からなる光に対して、５ｃｍ−１以下の吸光係数を持つ非晶質膜であって、当該非晶質膜を透過した光エネルギーにより加熱可能に備えられた密着する耐熱性の無機化合物の熱により変質化された部分を含むことを特徴とする光学用非晶質膜を提供することができる。
【００３６】
既往技術においては、ガラスに熱源元素を含んでいる。レーザ光をガラスに照射した時、ガラス中にレーザ光の空間分布が存在することから、より表面に近い照射領域から深さ方向に従って析出結晶の大きさ（直径）が変化してしまうおそれがある。この結晶形状は光ファイバとの接合時において、その両者の形状の違いにより、導波する光の接合損失の原因となる。しかし本発明においては非晶質（処理相）と熱源となる部分（加熱相）とを分離していることと、非晶質薄膜は基板により空間的に制限されていることから、レーザ光照射により変質化する領域の深さ方向への大きさはほぼ変化しない。このことより、既往技術において致命的であった光の接合ロスの改善が可能である。尚、前記非晶質膜を透過して前記材料で光エネルギーを吸収するのであるから、吸光係数のみならず非晶質膜で実際に吸収される光エネルギーの量自体も考慮することが好ましい。即ち、吸光係数が大きくても膜厚が極めて薄ければ、実際に吸収される光エネルギーは少ない。
【００３７】
（１３）非晶質膜の面内の所定の位置に、変質化された領域を作る加工方法であって、光エネルギーを吸収可能な材料の上に非晶質膜を形成し、前記材料の上に形成された前記非晶質膜を透過する光エネルギーをその所定の位置に照射し、前記基板の対応する位置にある部分を加熱し、その加熱された部分から伝達される熱により前記非晶質膜のその所定の位置にある領域を変質化することを特徴とする加工方法を提供することができる。ここで、所定の位置とは、例えば、非晶質膜の面における２次元的な位置を意味することができる。膜厚方向の位置は、膜厚があまり厚くないので、あまり重要ではない。尤も、熱源が基板にあるため、界面近傍の前記所定の位置が主要な変質化された領域となってよい。また、非晶質膜の外側表面まで変質化が均一になされる必要は必ずしもない。
【００３８】
（１４）前記変質化は、屈折率、結晶化度、熱力学的相のいずれか若しくはこれらの組み合わせにおいて、変化させることを特徴とする上記（１３）に記載の加工方法を提供することができる。
【００３９】
（１５）前記変質化された領域は、Ｂａ２ＴｉＳｉ２Ｏ８、Ｂａ２ＴｉＧｅ２Ｏ８、ＢｉＢＯ３、ＢａＢ２Ｏ４、（Ｓｒ，Ｂａ）２Ｎｂ２Ｏ６、ＬａＢＯ２ＭｏＯ４、ＬａＢＧｅＯ５、Ｎｄ（ＭｏＯ４）３、Ｓｍ２（ＭｏＯ４）３、Ｇｄ２（ＭｏＯ４）３、ＢａＴｉ（ＢＯ３）２、Ｂａ３Ｔｉ３Ｏ６（ＢＯ３）２、ＬｉＢＧｅＯ４、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、ＫＴｉＯＰＯ４からなる結晶群の少なくとも１種を含むことを特徴とする上記（１３）又は（１４）に記載の加工方法を提供することができる。
【００４０】
（１６）前記非晶質膜は、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＴｅＯ２、Ｇａ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＷＯ３から選ばれる少なくとも１種のガラス形成酸化物と、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移元素、及び希土類元素から選ばれる少なくとも１種と、を含むことを特徴とする上記（１３）から（１５）のいずれかに記載の加工方法を提供することができる。
【００４１】
（１７）前記光エネルギーを吸収可能な材料は、所定の範囲内の波長からなる光に対して、１０ｃｍ−１以上の吸光係数を持つことを特徴とする上記（１３）から（１６）のいずれかに記載の加工方法を提供することができる。
【００４２】
（１８）前記光エネルギーを吸収可能な材料は、−３０〜＋３０×１０−７／℃の範囲の熱膨張係数を持つことを特徴とする上記（１３）から（１７）のいずれかに記載の加工方法を提供することができる。
【００４３】
（１９）前記光エネルギーを吸収可能な材料は、そのガラス転位点、融点、又は結晶化温度のいずれかが５００℃以上であることを特徴とする上記（１３）から（１８）のいずれかに記載の加工方法を提供することができる。
【００４４】
（２０）前記光エネルギーを吸収可能な材料は、ガラス、ガラスセラミックス、エンジニアリングセラミックスのいずれかであることを特徴とする上記（１３）から（１９）のいずれかに記載の加工方法を提供することができる。
【００４５】
（２１）前記光エネルギーの源として、特定の波長を持つレーザ光を用いることを特徴とする上記（１３）から（２０）のいずれかに記載の加工方法を提供することができる。
【００４６】
（２２）上記（１３）から（２１）のいずれかに記載の加工方法を用いることを特徴とする、光増幅器、波長変換素子、光スイッチ、光拡散部品、光フィルタ、マイクロレンズアレイ、及び光導波路からなる群から選択される光学部品の製造方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００４７】
以上のように、光スイッチ等の光路制御用の光集積回路に適する組成の材料を用いて、光エネルギー吸収特性に限定されることなく、例えば、光集積回路の光路を形成することができる。また、微細な光路を備える非晶質膜を製造することができ、光集積回路への応用が可能となる。そして、そのような非晶質膜（例えば、ガラス膜）では、光ファイバへの結合も容易に実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例に関し、基板表面上に形成された非晶質薄膜の上からレーザ光を当て、基板表面近傍を加熱することにより該薄膜の熱処理を施す原理を示す模式図。
【図２】比較例として、基板自身の表面から少し内部に入ったところで、レーザ光の焦点を合わせて熱処理を施す原理を示す模式図。
【図３】１０８０ｎｍの波長の光に対する吸収係数を銅の濃度に対してプロットした図。
【図４】酸化銅のモル濃度（１％、３％、５％）毎に、光の波長に対する吸収係数の変化を示すグラフ。
【図５】本発明の実施例に関し、基板となる耐熱低熱膨張ガラス単独及びそれに非晶質薄膜を添付させたものを電気炉中で熱処理した後のＸ線回折パターンを示す図。
【図６】特に、５モル％の酸化銅を含む耐熱低熱膨張ガラスセラミックスを用いた場合について、図５のようなＸ線回折パターンにおいて、それぞれのピーク同定を行った図。
【図７】本発明の実施例（その１）に関し、ＣｕＯが５ｍｏｌ％の耐熱性低熱膨張ガラスセラミックス基板上の非晶質膜を通してレーザ（１．８Ｗ）を当てて作られた熱処理領域を示す顕微鏡写真。
【図８】本発明の実施例（その２）に関し、ＣｕＯが３ｍｏｌ％の耐熱性低熱膨張ガラスセラミックス基板上の非晶質膜を通してレーザ（１．９Ｗ）を当てて作られた熱処理領域を示す顕微鏡写真。
【図９】本発明の実施例（その３）に関し、ＣｕＯが１ｍｏｌ％の耐熱性低熱膨張ガラスセラミックス基板上の非晶質膜を通してレーザ（１．９５Ｗ）を当てて作られた熱処理領域を示す顕微鏡写真。
【図１０】本発明の実施例（その４）に関し、ＣｕＯが５ｍｏｌ％の耐熱性低熱膨張ガラスセラミックス基板上の非晶質膜を通してレーザ（１．８Ｗ）を当てて作られた熱処理領域を示す顕微鏡写真。
【図１１】本発明の実施例に関し、非晶質膜の上からレーザ光を当てた結果得られた熱処理領域を示す顕微鏡写真の白黒図。（ａ）は平面図。（ｂ）は断面図。
【図１２】Ｙｂファイバレーザ（波長１０８０ｎｍ）照射後の基板の走査共焦点赤外レーザ顕微鏡写真を示す図。
【図１３】本発明の実施例のレーザ熱処理による非晶質薄膜を応用した光スイッチの模式図。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について詳しく説明するが、以下の記載は、本発明の実施例を説明するためになされるもので、本発明がこれらの実施例に限定されるものではない。また、同一若しくは同種類の要素については、同一若しくは関連性のある符号を用い、重複する説明は省略する。
【００５０】
図１は、本発明の実施例の原理を説明する模式図であり、図２の比較例と比較しつつ、説明する。実施例では、基板１２の上に、非晶質薄膜１４が形成されており、この非晶質薄膜の直下の基板１２の加熱部位１６に焦点を合わせた対物レンズ１８により、レーザ光２０が、非晶質膜１４上から照射される。これにより加熱部位１６の温度が上がり、非晶質薄膜１４において、屈折率等が異なる変質部位が生成される。一方、比較例では、加工対象となる材料２２の所定深さのところの加熱部位１７に焦点を合わせた対物レンズ１８により、レーザ光２０が、材料２２の上方から照射される。これにより、加熱部位１７が変質し、回りに比べて屈折率等が異なるようになる。
【００５１】
上述の実施例及び比較例では、一見似たような結果が得られるように見られるが、以下のような大きな違いがある。まず、光学部材として必要な特性は、主に含まれる非晶質（又はガラス）の組成に依存する。また、変質には熱エネルギーを要するが、バルクによる加熱手段（例えば、ヒータ）では、微細加工ができず、レーザ等による局所加熱が好ましい。比較例においては、レーザ等により局所的な加熱を行うためには、レーザ光に対する吸収係数を高める元素が予め材料２２の中に添加されていなくてはならない。例えば、ＹＡＧレーザを利用する場合においては、Ｃｕ等の遷移金属を含むものが好ましい。レーザの種類と、その主な波長及びその波長の光に対して吸収が大きいとされる遷移金属の種類を表１にまとめる。
【００５２】
【表１】
2010150116.tif 000002
【００５３】
しかしながら、気相法（例えば、スパッタリング、蒸着等のＰＶＤ法や、ＣＶＤ法）による薄膜形成では、望ましい元素を望ましい量だけ添加することが必ずしも容易ではない。また、仮に取り込まれたとしても、光デバイスとしての均一性が保てるとは限らず、品質にバラツキが生じるおそれもある。また、レーザ加工により微細な変質化領域を形成した非晶質を光デバイスとして用いる場合、このような遷移金属は、レーザ照射部位に析出させる有用な結晶の中に取り込まれ、光学損失及び光機能損失を生じるおそれがある。
【００５４】
一方、実施例においては、レーザ光を吸収し熱源になる役割を非晶質に接触した別の材料に持たせている。つまり、光デバイスとしての機能を表面の薄膜に担保させ、別材料にかかる光吸収特性を担保させることで、非晶質及び変質化された領域の光学的機能のみを考慮したより好ましい光デバイスの形成が期待される。光デバイスとして期待される薄膜の材料となる非晶質（ガラスを含む）は、フォトニクスにおいて主要な材料である一方、波長変換・光スイッチなど能動的光デバイスとして必須である二次光非線形成を有することが好ましい。また、変質化領域としては熱エネルギー等により変質化が図れるものが好ましい。加熱による変質化の結果生成する化合物として、Ｂａ２ＴｉＳｉ２Ｏ８、Ｂａ２ＴｉＧｅ２Ｏ８、ＢｉＢＯ３、ＢａＢ２Ｏ４、（Ｓｒ，Ｂａ）２Ｎｂ２Ｏ６、ＬａＢＯ２ＭｏＯ４、ＬａＢＧｅＯ５、Ｎｄ（ＭｏＯ４）３、Ｓｍ２（ＭｏＯ４）３、Ｇｄ２（ＭｏＯ４）３、ＢａＴｉ（ＢＯ３）２、Ｂａ３Ｔｉ３Ｏ６（ＢＯ３）２、ＬｉＢＧｅＯ４、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、ＫＴｉＯＰＯ４等を例としてあげることができる。これらは、波長変換・光スイッチなど能動的光デバイスとして必須である二次光非線形成を発現させると考えられるからである。例えば、ＢａＯ−ＴｉＯ２−ＧｅＯ２系ガラス中にＢａ２ＴｉＧｅ２Ｏ８（ＢＴＧ）結晶を析出させることで、これまで困難とされていたガラスに対し、恒久的かつＬｉＮｂＯ３級の二次光非線形性の発現をさせることができる。
【００５５】
また、熱源（実施例では基材として用いている）となる材料は、光エネルギーを効果的に熱に変換できるものであれば特に限定されないが、例えば利用波長に会わせて遷移金属などを含有させることで、レーザ光を吸収し発熱させるようにしてもよい。それに加え、高温となった場合、その加熱部位の熱膨張等により周りのガラス等の材料に不必要な応力（例えば、熱応力）を及ぼすおそれがあるので高温部位を含む基材となる材料は低熱膨張のものが好ましい。例えば非晶質薄膜（ガラス薄膜を含む）の位置選択的な結晶化を行うため、遷移金属添加低熱膨張ガラスセラミックスを基板材料として用いることができる。
【００５６】
ガラスの位置選択的な結晶化を行う場合は、レーザ照射（レーザラインパターニング）を試みることができる。また、この位置選択的結晶化を行う際のレーザ照射については、ホログラム等を用いての一括形成も可能であり、この場合は複雑な形状を短時間で形成可能となる。
【実施例】
【００５７】
［実施例］
（非晶質薄膜作製）
耐熱性低熱膨張ガラス及び赤外線吸収ガラスの表面に、スパッタリングにより、ＢＴＧ系非晶質薄膜を形成した。まず、スパッタリングのターゲット板として、３０ＢａＯ−１５ＴｉＯ２−５５ＧｅＯ２ガラスを溶融急冷法により作製した。このターゲット板を用いて、キャノンアネルバ社製の高周波スパッタ装置（型番：Ｌ−２５０Ｓ−ＦＨ）により、以下の条件でスパッタリングを行った。
基板（直径２インチ）：耐熱性低熱膨張ガラス  及び  赤外線吸収ガラス
成膜圧力：０．５Ｐａ
混合ガス流量比（Ａｒ：Ｏ２）＝１：１
成膜パワー：１００Ｗ
基板ターゲット間距離：７５ｍｍ
成膜時間：４時間
【００５８】
上述のスパッタリングにより、耐熱性低熱膨張ガラス及び赤外線吸収ガラスからなる基板の何れにおいても、表面に、平均膜厚が９６８ｎｍ、平均薄膜組成（ＩＣＰによる分析）が２９ＢａＯ−２３ＴｉＯ２−４８ＧｅＯ２の非晶質薄膜が形成された。ここで、基板に用いた耐熱性低熱膨張ガラスとしては、ＣｕＯをそれぞれ１、３、５ｍｏｌ％添加したＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｌｉ２Ｏ系の極低膨張ガラスセラミックス（ＧＣ）を用いた。一方、近赤外域に吸収を有する赤外線吸収ガラスとしては、ＳＣＨＯＴＴ社製のＫＧ１、ＫＧ２、ＫＧ３、ＫＧ４、ＫＧ５のＩＲカットフィルターを用いた。
【００５９】
（基板ガラスの物性）
耐熱性低熱膨張ガラス及び赤外線吸収ガラスのそれぞれの１０８０ｎｍにおける吸収係数を図３及び図４に図解する。図３から分かるように、ＣｕＯが１ｍｏｌ％の耐熱性低熱膨張ガラスセラミックスでは、ＫＧ１から５の何れのものよりも吸収係数が低いが、ＣｕＯが３ｍｏｌ％の耐熱性低熱膨張ガラスセラミックスでは、ＫＧ１とほぼ等しく、５ｍｏｌ％では、ＫＧ１から５の何れのものよりも吸収係数が高かった。また、図４より波長により、吸収の程度が変わることが分かる。次に、耐熱性低熱膨張ガラスセラミックス及び赤外線吸収ガラスのそれぞれの基礎物性を表２にまとめる。
【００６０】
【表２】
2010150116.tif 000003
【００６１】
耐熱性低熱膨張ガラスセラミックス及び赤外線吸収ガラスのいずれも５００℃以上の耐熱性を備え、密度及び屈折率がほぼ同等（もしくは、耐熱性低熱膨張ガラスが若干高い）であった。一般に、ＢＴＧ系の結晶化ガラスにおいて、結晶化温度は８００℃程度であるので、それ以上の耐熱性があることがより好ましい。熱膨張特性（１０−６／Ｋ）は、耐熱性低熱膨張ガラスセラミックスが、１．０であり、赤外線吸収ガラスがいずれも５．０以上と、両者に大きな違いがみられた。
【００６２】
（非晶質膜への熱処理）
図１に示すように、非晶質薄膜の上から、約１０８０ｎｍの光を発光するＹｂファイバレーザによりレーザ光を照射して、非晶質薄膜の熱処理を行った。具体的には、長岡技術大学所有のＹｂファイバレーザを用いて、レーザ強度を０．９５Ｗから２．０Ｗにて行った。図７から図１０に種々の条件におけるレーザ熱処理を行ったものの顕微鏡写真を白黒で表示する。これらの図から、少なくとも光学特性（例えば屈折率）の異なる領域が生成されたことが分かる。図７は、ＣｕＯが５ｍｏｌ％の耐熱性低熱膨張ガラスセラミックスを基板に用いたものである（図中バーは、５０μｍを示す）。薄膜形成のためのスパッタリングには、３０ＢａＯ−１５ＴｉＯ２−５５ＧｅＯ２ガラス（ＢＴＧ５５ターゲット）を用いた（以下の実施例で同じ）。レンズ倍率は、×２０で、レーザの強度は１．８Ｗで、走査速度は５μｍ／ｓであった。以下の図で示す実施例のどれよりも好ましい結果が得られた。光学顕微鏡下において均質なパターニング形成に成功したことが分かる（膜厚：約１μｍ）。図８は、ＣｕＯが３ｍｏｌ％の耐熱性低熱膨張ガラスセラミックスを基板に用いたものである（図中バーは、５０μｍを示す）。レンズ倍率は、×２０で、レーザの強度は１．９Ｗで、走査速度は５μｍ／ｓであった。図９は、ＣｕＯが１ｍｏｌ％の耐熱性低熱膨張ガラスセラミックスを基板に用いたものである（図中バーは、１０μｍを示す）。レンズ倍率は、×１００で、レーザの強度は１．９５Ｗで、走査速度は０．５μｍ／ｓであった。図１０は、ＣｕＯが５ｍｏｌ％の耐熱性低熱膨張ガラスセラミックスを基板に用いたものである（図中バーは、３０μｍを示す）。室温にてレーザの強度を１．８Ｗにし、走査速度を０．５μｍ／ｓにしたものである。
【００６３】
尚、熱処理により生成する結晶を把握するために、耐熱性低熱膨張ガラス基板、ＣｕＯが１、３、５ｍｏｌ％のそれぞれの耐熱性低熱膨張ガラス基板に非晶質薄膜を形成したものを７３０℃で３時間電気炉で熱処理を行った。得られたＸ線回折パターンを図５及び図６に示す。この図から、熱処理により、フレスノイト型Ｂａ２ＴｉＧｅ２Ｏ８（ＢＴＧ）結晶及びＢａＧｅ４Ｏ９に帰属されるピークが見られ、結晶化が確認できた。そのため、薄膜においても、これらが生成し、高い二次光非線形性を発現すると考えられる。
【００６４】
上記実施例の内、赤外線吸収ガラス上に形成した薄膜の熱処理の結果を図１１に示す。加熱特性は優れていたが、この図から分かるように、赤外線吸収ガラスでは、熱膨張が大きいため、レーザによる熱処理により基板の熱膨張に起因して照射領域の隆起に伴う薄膜の剥離が生じた。耐熱性低熱膨張ガラスでは、このような剥離は生じなかったので、低熱膨張の効果が明確にあらわれていることが分かった。図１２に５ｍｏｌ％ＣｕＯ添加低膨張ガラスセラミックスに対してレーザ照射を行った結果を走査共焦点赤外レーザー顕微鏡写真を用いて示す。Ｙｂファイバレーザ（波長１０８０ｎｍ）を用いてレーザ強度１．２Ｗ、スキャンスピード５ｍｍ／ｓの条件で行った。耐熱性低熱膨張ガラスではレーザ照射領域はスムーズであり、他のサンプルであるＫＧ１等（赤外線吸収ガラス）で見られた隆起が抑えられている。
【００６５】
ここでは、レーザ光による薄膜への熱処理について、基板と共にその適用が検討されているが、基板を離れた（又は剥離させた）薄膜そのものにおいても、評価することができる。例えば、化学エッチングにより、基板を溶解等させて、薄膜のみを光デバイスとして用いる場合である。
【００６６】
（光デバイスの応用）
上述するようなレーザの熱処理により、例えば、光路パターンを作製後、薄膜内に光回路を形成することが可能である。例えば、図１３に示すような、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型光スイッチにおいては、分岐させた光路の一方に所定の電圧をかけ、それによる変化を、光信号が合体したときに干渉により検出することができる。一般には、このような光スイッチは、ＬＮ単結晶等を用いて行われるが、単結晶を育成するためその費用が膨大となる。しかしながら、耐熱低熱膨張ガラス基板上に薄膜を付け、そこに光路を形成する場合は、比較的安価に製造することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１２    基板
１４    非晶質膜
１６、１７    加熱部位
１８    対物レンズ
２０    レーザ光
２２    加工対象材料
【図１】
2010150116.tif 000004
【図２】
2010150116.tif 000005
【図３】
2010150116.tif 000006
【図４】
2010150116.tif 000007
【図５】
2010150116.tif 000008
【図６】
2010150116.tif 000009
【図１３】
2010150116.tif 000010
【図７】
2010150116.tif 000011
【図８】
2010150116.tif 000012
【図９】
2010150116.tif 000013
【図１０】
2010150116.tif 000014
【図１１】
2010150116.tif 000015
【図１２】
2010150116.tif 000016