(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成変化を伴わない一様な材料の少なくとも一カ所以上の密度を局所的に変化させ、さらにこの材料を温度勾配をつけて加熱処理することによる、屈折率が長さ方向に対しほぼ線形かつ連続的に変化した部分を持つ光部品の製造方法。
【請求項２】
組成変化を伴わない一様な材料が、ガラスまたは微結晶含有ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の光物品の製造方法。
【請求項３】
材料の密度を変化させる方法が、紫外線、Ｘ線やガンマ線などの高エネルギー線照射による表面高密度化、光照射及び短パルスレーザー照射による高密度化、によることを特徴とする請求項１又は２に記載の光物品の製造方法。
【請求項４】
組成変化を伴わない一様な材料がガラスまたは微結晶含有ガラスであり、加熱処理と同時または加熱処理後に延伸することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光物品の製造方法。
【請求項５】
組成変化を伴わない一様な材料がガラスまたは微結晶含有ガラスであり、加熱処理の低温側と高温側のどちらか一方または両方に、一定温度で処理する部分があることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光部品の製造方法。
【請求項６】
組成変化を伴わない一様な材料がガラスまたは微結晶含有ガラスであり、加熱処理の温度分布が以下の式（１）で表される温度の±２％以内の範囲であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の光部品の製造方法。
【数１】
0003678054.tif 000004
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光演算、光インターコネクション、レーザー装置などの光学機器、光システムに用いられる光部品、特に分布屈折率型光部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光分野では、レンズに代表される屈折型の光部品や、ファイバーのような屈折率差を利用した部品が数多く使用されている。近年、光通信、光演算（光コンピュータ）、光インターコネクション、レーザーなどの光を利用したシステムや装置のめざましい発展により、これらの光学部品にも、高機能化（分布屈折率、波長フィルターなど）や小型化が求められている。これらの光部品では、屈折率分布を制御することで機能を発揮する物が多数ある。
【０００３】
例えば、光通信では導波路型やアレイ型の小型素子として、ＣＶＤなどによる平面光回路（ＰＬＣ）や、加熱によるＧｅのイオン拡散を利用した分布屈折率素子（ＴＥＣ）（例えば、S.Kawakami,K.Shiraishi and Y.Aizawa,Technical Digest,2nd Optoelectronics Conference IEICE Japan (1988) 3C2-3  など）、光インターコネクション、コピー機やスキャナーでは、集積化されたレンズとして、イオン交換を利用したＧＲＩＮレンズアレイ（例えば、M.Oikawa et al.,Jpn.J.Appl.Phys.,20(1981)L296-298 など）が開発されている。これらの素子は、材料の組成によって屈折率が異なり、しかも組成の一部が一定の条件下で拡散する性質を利用している。
【０００４】
また、ファイバー型回折格子に代表される、紫外線や紫外レーザーなどによる屈折率変化部の書き込みも行われ（例えば、K.O.Hill,Y.Fujii,D.C.Johnson and B.S.Kawasaki,Appl.Phys.Lett.32(1978)647  など）、光学部品として市販されている。この方法は、高エネルギー線（一般的には紫外線）照射による材料の高密度化などによって、屈折率が変化する性質を利用しているが、一般的にはＧｅなどの高エネルギー線を吸収しやすい元素を、目的部位にあらかじめ添加している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、これらの分布屈折率型光学部品は、ＣＶＤ法による異種組成の組み合わせ、ＴＥＣ法のようなイオン拡散、ＧＲＩＮレンズのようなイオン交換法で実現されている。しかし、これらの方法を用いた光部品は、屈折率変化を作り出すために異種材料を組み合わせる必要があり、作製方法が煩雑で製造に時間がかかる上に、三次元集積化や多品種少量生産が困難である。例えば、ＴＥＣ法を用いた光部品では、Ｇｅが添加できる材料であり、かつＧｅが所定の条件で拡散しなければならず、しかもあらかじめＧｅを材料の所定の領域に導入しなければならないため、材料組成や形状に制限があった。また、イオン交換法を用いた光部品では、材料の組成がイオン交換可能なガラス組成に限定され、しかもイオン交換速度の制約から作製速度に大きな制約があった。さらに、これらの方法を用いて三次元集積化光部品を作製するためには、さらに何段階もの加工手順を必要とし、現実的でない。
【０００６】
また、紫外線や紫外レーザーによる書き込みでは、屈折率が連続的に変化する領域を作り出すことは困難である。例えば、連続的に屈折率が増加する線を書き込もうとすると、連続的に光強度を変化させて書き込むか、あるいは極微少な領域で照射する回数や時間を制御しなければならず、面倒である。さらに、光強度を変化させた場合には、一定の光強度以下では書き込みが不十分になるため、永続的な屈折率変化を起こしにくくなる。このため、紫外線書き込みによって連続的に屈折率を変化させた光部品は市販されていない。
【０００７】
【課題を解決するための具体的手段】
本発明者らは、前記問題を解決するため鋭意検討の結果、組成変化を伴わずに局所的に密度変化させた材料を、所定の温度分布で加熱処理することで密度変化を連続的に緩和し、屈折率を制御性よく連続的に変化させる方法を見いだし、本発明に到達した。
【０００８】
例えば本発明は、組成変化を伴わない一様な材料に、平面状、線状、棒状、点状、球状などの密度変化部分を作製し、適切な温度分布、加熱温度、加熱時間で処理、または加熱と共に延伸することにより、屈折率が長さ方向に対しほぼ線形かつ連続的に変化した部分をもつ光部品を得る方法及び該光物品を提供するものである。
【０００９】
以下、本発明について詳述する。
【００１０】
本発明の最大の特徴は、組成の変化を伴わない一様な材料で、所望の屈折率分布を持った光部品を提供できる点にある。これまでに作製されている分布屈折率型の光部品は、前述した問題があるため、材料の制限、形状の制限、作製時間の制限があった。本発明では、組成の変化を伴わない密度変化を材料に与えるだけでよいので、材料や形状の制限がないだけでなく、三次元集積化に対する制約がない。また、作製方法が簡便なので、作製コストも低減できる。
【００１１】
本発明において使用する材料は、密度変化を起こすことができればどんな物でも良いが、使用する波長域である程度透明なことが望ましい。要求される透明性は、部品のサイズや設計にもよるが、透過損失が１０ｄＢ／ｃｍ以下であることが好ましく、特に光通信用途では、透過損失が１ｄＢ／ｃｍ以下であることが好ましい。このような材料としては、ガラス、微結晶析出ガラス、結晶、緻密な焼結体などが挙げられる。
【００１２】
ガラスの種類としては、特に限定するものではないが、石英系ガラス、ビスマス酸塩系ガラス、亜テルル酸塩系ガラス、アルミネート系ガラス、ホウ酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラスなどの酸化物ガラス、フッ化物ガラス、フツリン酸塩ガラス、塩化物ガラス、臭化物ガラス、ヨウ化物ガラスなどのハロゲン化合物ガラス、硫化物ガラス、セレン化物ガラス、テルル化物ガラスなどのハライドガラスまたはそれらの混合組成ガラスが挙げられる。また、これらのガラス材料の中間組成のガラスや、複数のガラスを接合したガラス材料を用いても良い。
【００１３】
微結晶析出ガラスとしては、特に限定するものではないが、金や銅などの金属や硫化物などの結晶を析出させたガラスが挙げられる。
【００１４】
結晶としては、特に限定するものではないが、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓなどの半導体、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12（ＹＡＧ）、Ｙ3Ｆｅ5Ｏ12（ＹＩＧ）、Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12（ＧＧＧ）などのガーネット系酸化物結晶、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7、βーＢａＢ2Ｏ4（βーＢＢＯ）、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10（ＣＬＢＯ）、ＫＴｉＯＰＯ4（ＫＴＰ）、ＫＴｉＯＡｓＯ4（ＫＴＡ）、ＬｉＮｂＯ3（ＬＮ）、ＬｉＴａＯ3（ＬＴ）、Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14（ＬＧＳ）などの非線形光学結晶、ＫＧｄ（ＷＯ4）2、ＮａＧｄ（ＷＯ4）2などのタングステン酸塩系結晶、アパタイト系酸化物結晶、ＣａＦ2、ＭｇＦ2、ＬｉＹＦ4（ＹＬＦ）、ＬｉＳｒＡｌＦ6（ＬｉＳＡＦ）、ＬｉＣａＡｌＦ6（ＬｉＣＡＦ）、ＬｉＢａＡｌＦ6（ＬｉＢＡＦ）、ＬｉＧｄＦ4、ＬｉＬｕＦ4などのフッ化物結晶、Ａｓ2Ｓ3、Ｉｎ2Ｓ3、Ｇａ2Ｓ3、Ｌａ2Ｓ3またはその混合系などのカルコゲン化合物結晶などが挙げられる。
【００１５】
緻密な焼結体としては、特に限定するものではないが、微粉末を出発原料とする前出のガーネット系酸化物の多結晶体や、石英ガラス系の透明焼結体が挙げられる。
【００１６】
形状は、局所的に密度変化を起こせればよいので、基本的に制限はない。特に限定するものではないが、例えば、バルク、薄膜、ファイバー状、棒状、板状などが挙げあれる。
【００１７】
組成変化を伴わずに密度を変化させる方法としては、紫外線、Ｘ線やガンマ線などの高エネルギー線照射による表面高密度化や、光照射による高密度化が知られている。近年では、短パルスレーザー照射による永続的な密度変化が報告されている。この方法では、ピコ秒程度より短いパルス幅の超短パルス光を用いることが特に効果的である（例えば、三沢弘明,化学と工業 49(1996)178など）。本発明では、これらの既知の方法を単独で使用しても良いし、組み合わせて使用しても良い。作製速度の高速化、密度変化部分の設計自由度の高さ、透過損失の少なさの観点から、マスクを利用した紫外線照射方法や、高繰り返しの超短パルス光走査による高密度化は特に好ましい。また、密度変化部分が材料の内部、表面のどちらに存在しても良いし、両方に存在しても良い。三次元集積化光部品の場合、表面だけでなく内部にも密度変化部分を作製することが特に好ましい。
【００１８】
加熱処理の温度勾配は、所望の屈折率分布によって最適な勾配が変化するため、一概には規定できない。しかし、分布屈折型の素子として利用する場合は、変化の開始部と終了部以外は、距離と共にほぼ線形に屈折率が変化することが好ましい場合が多い（図１）。特に光通信用途では、挿入損失を低減する意味から、テーパー部では距離と共に屈折率が線形に変化する素子が好ましい。媒質がガラスまたはガラス質の場合は、以下の式（１）で示す温度／距離の関係から摂氏温度で±２％の範囲の温度となるように制御することで、線形に近い屈折率変化をもつ分布屈折素子を作製可能である。
【００１９】
【数２】
0003678054.tif 000002
【００２０】
上記の式（１）の範囲内であれば、原理的にはどんなに緩い温度勾配でもかまわないが、部品のサイズを考慮すると０＜Ａ≦０．９５かつ０＜Ａ×Ｂ≦２．５が好ましい。特に小型化した部品を作製する場合には、大きな温度勾配を必要とするため、０＜Ａ×Ｂ≦１の範囲が好ましい。上記の式（１）のパラメータ及び処理時間は、使用する材料、目的とする屈折率分布、加熱方式にもよるため、一概には規定できないが、処理時間が１０時間以下となるようにパラメータを設定することが実用上好ましい。特に限定するものではないが、緻密なガラス質材料、微結晶析出ガラス質材料、ガラス材料を使用する場合には、低温側の温度（Ｔlow）が少なくとも摂氏温度でガラス転移温度の５０％以上、１００％以下であることが好ましい。この温度範囲以下では、屈折率の変化速度が遅く実用的でなく、この温度範囲以上では一般にガラスが軟化して形状を維持できない。
【００２１】
また、緻密な多結晶または単結晶材料を使用する場合は、上記の式（１）のガラス転移温度（Ｔg）を摂氏温度で融点温度（Ｔm）の１０〜３０％とし、式（２）の範囲内の温度を適用することができる。特に限定するものではないが、低温側の温度（Ｔlow）が少なくとも摂氏温度で融点の７０％以上１００％未満であることが好ましい。この温度範囲以下では、屈折率変化が遅く実用的でなく、融点に達すれば形状を維持できない。
【００２２】
【数３】
0003678054.tif 000003
【００２３】
目的の光部品が導波路形状の場合、これらの温度勾配部分の片端または両端に、温度が一定の部分をもうけておくことで、透過光の波面乱れを抑制できる。温度勾配部分と温度一定部分の境界では、温度変化の立ち上がり、立ち下がりによる緩和部分が必然的に形成され、滑らかな屈折率変化をもたらす。特に出射側に温度一定部分をもうけると、出射波面が乱れず、接続損失を小さくできる。
【００２４】
また、マッハツェンダー型の光分配素子やフィルターなどを作成する場合、加熱によって屈折率分布を作成した後または同時に延伸することで、容易に目的の光部品を作成できる。
【００２５】
作成する部品のサイズは、屈折率の変化方向で０．１ｍｍ以上、１０ｃｍ以下であることが好ましい。この範囲以下では所望の温度勾配の実現が困難であり、このサイズ以上では光学部品として大きすぎる。
【００２６】
処理時間は、特に限定するものではないが、１分から１０時間の範囲が好ましい。この範囲以下の時間では、十分な屈折率分布を作れない場合が多く、再現性も乏しくなり、この範囲以上の時間では、製造速度が遅く実用的でない。
【００２７】
加熱処理の加熱方法は、所定の温度勾配と温度が再現性、制御性よく実現できればどんな方法でも良い。特に限定するものではないが、抵抗加熱，高周波誘導加熱、レーザー加熱、プラズマ加熱、赤外線集光加熱などの方法が挙げられる。特に大きな温度勾配を必要とする場合は、レーザー加熱、プラズマ加熱や赤外線集光加熱が適している。
【００２８】
本発明の光部品は、単なる光透過や光屈折の機能だけでなく、希土類や遷移金属を含有させて、光増幅、レーザー、位相共役、フィルター、光路変換、光演算、光スイッチ、波長変換など、様々な機能を持たせることができる。また、使用時に磁界、電界、熱、超音波、光などを使用して、単独では発現しない機能を持たせることができる。例えば、磁界を併用したファラデー素子やアイソレータ、電界や熱を併用したスイッチ素子、超音波を併用した回折素子などが挙げられる。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３０】
実施例１
長さ５ｍｍ×幅５ｍｍ×厚み１ｍｍの溶融石英ガラスの板に、パルス幅１２０フェムト秒、繰り返し１００ｋＨｚのパルスレーザーを倍率４０倍の対物レンズで集光照射しながら、材料を１ｍｍ／秒の速度で走査し、線状の高密度化部分をガラス内部に作製した。その実験装置の概略図を図２に示す。その後、端面を研磨して高密度化部分の断面を露出させ、材料端面から観察できるようにした。高密度化部分を作製直後の、断面屈折率分布を図３に示す。高密度化部分の半値全幅は１０μｍ、中心の屈折率（ｎｄ）は１．５０５、密度変化していない部分の屈折率（ｎｄ）は１．５であった。作製した高密度化部分は高屈折率化しているため、光導波路として機能する。
【００３１】
次にこの材料を、低温端温度＝６００℃、高温端温度＝１０００℃、図４に示す（両端平坦部付き）温度分布で５分間熱処理した。加熱は１０セグメントに分割され、独立に温度制御可能な白金-ロジウムマイクロヒーターを使用した。実際の温度分布は、設定温度±１％以内であった。平坦部以外の温度分布は、Ａ＝０．５９、Ｂ＝４で表される。その結果、入射端と出射端の屈折率分布が図５のように異なる屈折率分布型素子になっていることが確認できた。出射端では導波路中央の屈折率変化量が減少し、導波路直径が大きくなっていることが判る。この導波路の、長手方向の屈折率分布を測定した結果を図６に示す。途中の部分が線形な屈折率変化を示すことが判る。
【００３２】
比較例１
実施例１と同様に密度変化部分を書き込んだ溶融石英ガラスの板を、図４に点線で示すリニアな温度分布で５分間熱処理した。加熱方法は実施例１と同じである。その結果、低温端と高温端で図７に示すような屈折率、導波路直径変化を観測した。この導波路の、長手方向の屈折率分布を測定した結果を図６に点線で示す。途中の部分が非線形な屈折率変化を示し、光学用途として適当でないことが判る。
【００３３】
実施例２
Ｚｒ系重金属フッ化物ガラスのコアなしファイバー２本をあらかじめ融着し、実施例１と同様な方法で、導波路形状の密度変化部分をファイバー中央に書き込んだ。このファイバーを図８の温度分布で実施例１と同様の方法で加熱し、密度変化の緩和を行うと同時に中央部分を軟化、延伸した。この導波路の開口数とコア直径の長手方向の変化を図９に示す。中央部分では屈折率差がほとんどないため、正確な開口数、コア径測定はできなかった。中央の光結合部分は長さ２７０μｍ、断面の短径は４．７μｍであった。また、クラッドの屈折率は波長１．５５μｍに対して１．４９、波長２μｍに対して１．４３であった。このファイバーの中央部分に波長２μｍに対して屈折率１．４２のＵＶ硬化樹脂をコーティングした。この作製したファイバー素子の概略図を図１０に示した。この素子に１．５５μｍと２μｍの光信号を混合して入射すると、出射側で分波され、波長選択素子として機能することが判った。入射、出射スペクトルを図１１に示す。
【００３４】
比較例２
コアにＧｅが添加された石英ファイバーを、一般的な光ファイバーカプラと同じ方法で融着延伸し、１．５５μｍと１．３μｍの光分波素子を作成した。しかし、中央部分のコア直径が１μｍ以下と非常に細く、またＧｅの拡散制御が困難なため、安定した分波特性を得られなかった。
【００３５】
比較例３
Ｚｒ系重金属フッ化物ガラスのファイバー（開口数＝０．１１、コア径＝８μｍ）を、一般的な光ファイバーカプラと同じ方法で融着延伸し、１．５５μｍと２μｍの光分波素子を作成した。しかし、結合部でのコア直径が１μｍ以下と細いため結晶化が起こり、挿入損失が極端に増大した。この導波路に１．５５μｍと２μｍの光信号を混合して入射すると、光がほとんど透過しなかった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の光部品を用いることにより、種々の機能を持った低挿入損失、低接続損失の分布屈折率型光部品を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】素子の長さと線形及び非線形な屈折率の変化の関係を示すグラフ。
【図２】実施例１で用いた装置の概略を示す側面図。
【図３】実施例１で高密度化部分作成後の断面のコア径と屈折率分布との関係を示すグラフ。
【図４】実施例１及び比較例１の設定温度分布を示すグラフ。
【図５】実施例１の加熱処理後の低温端および高温端断面のコア径と屈折率分布との関係を示すグラフ。
【図６】実施例１及び比較例１における導波路長手方向の屈折率分布を示すグラフ。
【図７】比較例１の加熱処理後の断面のコア径と屈折率分布との関係を示すグラフ。
【図８】実施例２の設定温度分布を示すグラフ。
【図９】実施例２の導波路の開口数とコア直径の長手方向の変化の関係を示すグラフ。
【図１０】実施例２で作製したファイバー素子の概略を示す断面図。
【図１１】実施例２のファイバー素子を用いた１．５５μｍと２μｍの混合信号の分波特性を示すグラフ。
【図１】
0003678054.tif 000005
【図２】
0003678054.tif 000006
【図３】
0003678054.tif 000007
【図４】
0003678054.tif 000008
【図５】
0003678054.tif 000009
【図６】
0003678054.tif 000010
【図７】
0003678054.tif 000011
【図８】
0003678054.tif 000012
【図９】
0003678054.tif 000013
【図１０】
0003678054.tif 000014
【図１１】
0003678054.tif 000015