(57)【要約】　　　（修正有）【課題】８０℃を超える高温度に曝された場合においても、その回折強度が劣化しない回折格子型光素子を提供する。【解決手段】光信号を導波する光路の途中に、当該光路に沿ってブラッグ回折格子が形成され、その格子の回折による透過ピークあるいは反射ピークを利用する回折格子型光機能素子であって、平面基板上の高屈折率ガラス材料層に対する紫外線照射と、５１０〜８５０℃で１０分〜２４時間の熱処理により回折格子を形成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を導波する光路の途中に、当該光路に沿ってブラッグ回折格子が形成され、その格子の回折による透過ピークあるいは反射ピークを利用する回折格子型光機能素子であって、８０℃よりも高温に加熱してもその回折強度が低下しない回折格子型光機能素子。
【請求項２】
光信号が導波する光路およびその周囲の低屈折率材料が、平坦な基板上に形成された平面導波路の形状をしている請求項１に記載の回折格子型光機能素子。
【請求項３】
平面基板上に低屈折率ガラス材料層と高屈折率ガラス材料層からなる光路とを備えており、当該光路中に高屈折率ガラス材料層に対する紫外線照射とそれに続く５１０〜８５０℃の温度域かつ１０分間〜２４時の時間範囲での熱処理により回折格子が形成されている請求項１〜２のいずれかに記載の回折格子型光機能素子。
【請求項４】
高屈折率ガラス材料層に照射する紫外線が、波長１９８〜２６６ｎｍのレーザーであり、照射する際に位相マスクを使うか、あるいは二光束干渉光を使う請求項１〜３のいずれかに記載の回折格子型光機能素子。
【請求項５】
熱処理された回折格子が存在する領域に、格子と直交する方向にリッジ型の光導波路が形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の回折格子型光機能素子。
【請求項６】
回折格子が形成されている光路の上表面およびその側面を光路が低屈折率ガラス材料で被覆されており、埋め込み型の光導波路が形成されている請求項１〜５のいずれかに記載の回折格子型光機能素子。
【請求項７】
回折格子を書き込んだ領域の温度を変化させることにより、回折波長を制御しうる請求項１〜６のいずれかに記載の回折格子型光機能素子。
【請求項８】
光信号が導波する光路がＧｅＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２の３成分系のガラスからなり、その光路の周囲が屈折率のより低い材料で覆われており、全体としての耐熱温度が４５０℃以上である請求項１に記載の回折格子型光機能素子。
【請求項９】
回折格子が形成される部分のガラス材料の組成がモル％比で、３≦ＧｅＯ２≦２０、１≦Ｂ２Ｏ３≦１２および６８≦ＳｉＯ２≦９６であり、当該ガラス材料がプラズマＣＶＤ法を用いて作製される請求項１〜８のいずれかに記載の回折格子型光機能素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温状態に曝された後にも、回折強度などの特性を維持し続ける回折格子型光機能素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーあるいは光導波路中に回折格子を形成した素子は、光通信用バンドパスフィルター、ファイバーの分散補償デバイス、レーザー共振ミラーなどに多く利用されている。
【０００３】
通常、光ファイバーや平面導波路のコアには、ＧｅＯ２が添加されており、２４０ｎｍ付近に酸素欠陥による吸収が存在するので、その吸収帯をレーザーなどで励起すれば、屈折率が上昇する。しかしながら、その屈折率上昇量は、僅か０．０００１％程度であり、回折格子の形成には小さすぎるので、１００気圧以上の高圧水素雰囲気化にガラスを数日間放置して、水素分子をガラスマトリックス内に充填した後、紫外線を照射する方法がとられる。この水素処理によって、屈折率変化は０．００１％程度まで上昇する。
【０００４】
最近、ガラスマトリックスに対し上記の水素充填処理を行わなくとも、Ｂ２Ｏ３を添加することにより、同等なレベルの屈折率上昇が達成できることがわかっており、回折格子の製造コストの抑制手段として注目されている。しかしながら、ＧｅＯ２単独添加ガラス或いはＧｅＯ２とＢ２Ｏ３との共添加ガラスに書き込まれた回折格子は、約４５０℃まで加熱するとほぼ完全に消失する。また、それ以下の温度においても、回折効率が徐々に減衰するので、この提案されている回折格子の使用可能温度は、せいぜい８０℃までであり、例えばこの回折格子をヒーターなどで加熱して回折波長が可変なデバイスを作製しても、高い信頼性が得られない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、８０℃を超える高温度に曝された場合においても、その回折強度が劣化しない回折格子型光素子を提供することを主な目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決するために、研究を進めた結果、特定組成のガラスに対し、予め紫外線照射と熱処理を行うことにより、回折格子形成した後、微細加工によって光信号が伝搬するための光路を形成する場合には、上記の課題が解決されることを見出した。
【０００７】
すなわち、本発明は、下記の回折格子型素子を提供する。
１．光信号を導波する光路の途中に、当該光路に沿ってブラッグ回折格子が形成され、その格子の回折による透過ピークあるいは反射ピークを利用する回折格子型光機能素子であって、８０℃よりも高温に加熱してもその回折強度が低下しない回折格子型光機能素子。
２．光信号が導波する光路およびその周囲の低屈折率材料が、平坦な基板上に形成された平面導波路の形状をしている上記項１に記載の回折格子型光機能素子。
３．平面基板上に低屈折率ガラス材料層と高屈折率ガラス材料層からなる光路とを備えており、当該光路中に高屈折率ガラス材料層に対する紫外線照射とそれに続く５１０〜８５０℃の温度域かつ１０分間〜２４時の時間範囲での熱処理により回折格子が形成されている上記項１〜２のいずれかに記載の回折格子型光機能素子。
４．高屈折率ガラス材料層に照射する紫外線が、波長１９８〜２６６ｎｍのレーザーであり、照射する際に位相マスクを使うか、あるいは二光束干渉光を使う上記項１〜３のいずれかに記載の回折格子型光機能素子。
５．熱処理された回折格子が存在する領域に、格子と直交する方向にリッジ型の光導波路が形成されている上記項１〜４のいずれかに記載の回折格子型光機能素子。
６．回折格子が形成されている光路の上表面およびその側面を光路が低屈折率ガラス材料で被覆されており、埋め込み型の光導波路が形成されている上記項１〜５のいずれかに記載の回折格子型光機能素子。
７．回折格子を書き込んだ領域の温度を変化させることにより、回折波長を制御しうる上記項１〜６のいずれかに記載の回折格子型光機能素子。
８．光信号が導波する光路がＧｅＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２の３成分系のガラスからなり、その光路の周囲が屈折率のより低い材料で覆われており、全体としての耐熱温度が４５０℃以上である上記項１に記載の回折格子型光機能素子。
９．回折格子が形成される部分のガラス材料の組成がモル％比で、３≦ＧｅＯ２≦２０、１≦Ｂ２Ｏ３≦１２および６８≦ＳｉＯ２≦９６であり、当該ガラス材料がプラズマＣＶＤ法を用いて作製される上記項１〜８のいずれかに記載の回折格子型光機能素子。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の回折格子型素子は、光信号が導波する光路（コア）の途中に、当該光路に沿ってブラッグ回折格子が形成され、その格子の回折による透過ピークあるいは反射ピークを利用する光機能素子であって、当該機能素子を８０℃よりも高温に加熱してもその機能が失われないという顕著な効果を発揮する。
【０００９】
回折格子型素子としての形状は、平面導波路状であっても良く、光ファイバーのような円柱状であっても良い。以下においては、説明を簡略化するために、平面導波路について説明する。
【００１０】
平面導波路は、コアおよびその周囲の低屈折率材料が平坦な基板上に形成された形状を有している。
【００１１】
平面導波路の製造に際しては、平面基板上に低屈折率材料層（以下「下層」ということがある）を形成した後、屈折率のより高いコア層を形成する。
【００１２】
基板材料としては、特に限定されず、公知の基板用ガラス材料が使用でき、代表的な組成としてＳｉＯ２系ガラス、シリコンなどが例示される。基板の厚さも特に限定されず、公知の光導波路と同様であり、通常０．５〜１ｍｍ程度である。
【００１３】
低屈折率層を構成する材料としては、後述のコア層に対する紫外光照射に際して屈折率が変化しない限り、特に限定されず、Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２、Ｆ２−ＳｉＯ２などのＳｉＯ２系ガラスなどが例示される。低屈折率層の厚さも、公知の光導波路と同様であり、通常１０〜３０ミクロン程度である。低屈折率層は、公知のＣＶＤ法、ＶＡＤ法、ＦＤＨ法、スパッタ法などにより形成することができる。
【００１４】
次いで、上記の様にして形成された低屈折率材料層上に、屈折率がより高い材料からなるコア層を形成する。このコア層形成材料としては、ＧｅＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２の３成分系のガラスが好ましく、通常その組成は、モル％比で、３≦ＧｅＯ２≦２０、１≦Ｂ２Ｏ３≦１２および６８≦ＳｉＯ２≦９６の範囲内にある。チャンネル型光導波路としての機能、光ファイバーとの接続などを考慮すると、ガラス組成は、４≦ＧｅＯ２≦１５、３≦Ｂ２Ｏ３≦９および６６≦ＳｉＯ２≦９３の範囲内にあることが好ましい。コア層は、公知の任意の手法で形成することが可能であり、特に限定されるものではないが、作製の容易さを考慮すれば、プラズマＣＶＤ法により形成することが好ましい。
【００１５】
なお、ＧｅＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２の３成分系のガラスには、合計量で５モル％を超えない範囲で、Ｐ２Ｏ５、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３から選ばれた少なくとも１種を添加することができる。
【００１６】
次いで、平面基板上に低屈折率材料層とコア層とを設けた中間基材に紫外線を照射した後、熱処理を行って、回折格子を形成する。
【００１７】
紫外線は、波長１９８〜２６６ｎｍのレーザーであり、ＡｒＦエキシマレーザー、ＫｒＦエキシマレーザー、ＹＡＧ４倍波、銅蒸気レーザーなどのレーザーが好ましく、Ａｒ２倍波レーザーを使用することもできる。上記中間基材に対するレーザー照射に際しては、位相マスクを介して行うか、あるいは二光束干渉法により行うことにより、それぞれの条件に応じたピッチの回折格子を形成することができる。
【００１８】
レーザー照射後に行う熱処理は、５１０〜８５０℃の温度範囲内で、かつ１０分間〜２４時間の範囲内で、材料の組成に応じて最適な条件を選べばよい。
【００１９】
その後、レーザー照射および熱処理によって形成された回折格子が存在する領域を、格子に対して直交して通過するように、微細加工して、リッジ型の光導波路を形成する。微細加工の手法としては、通常のフォトリソグラフィーとドライエッチングを用いることができ、さらにイオンビーム、ＬＩＧＡなどの手法を採用しても良い。
【００２０】
上記の一連の加工により光導波路を設けた回折格子型素子は、そのまま光機能素子として利用することができる。しかしながら、このままの状態では、周囲の埃や機械的衝撃などの影響を受けやすいので、リッジ型コアの上表面およびその側面を下層部分と同じ低屈折率材料で被覆して、埋め込み型の光導波路にすることにより、素子の信頼性を高めて、実用性を高めることができる。リッジ型コアを有する光導波路は、例えば、実施例に詳細に示す様に、常法に従って容易に作製することができる。
【００２１】
このようにして得られた導波路は、回折格子部分の温度を変化させることにより、回折波長が温度に応じて変化するので、可変フィルターとして機能する。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、回折格子および材料全体が極めて高い耐熱温度を有しているので、光素子において、長期間の高い信頼性を確保することができる。
【００２３】
従って、従来の光素子では８０℃よりも高温での長期的な信頼性が無いため実現不可能であった温度可変型フィルターや、温度センサーなどへの応用が可能になる。
【００２４】
【実施例】
以下に、実施例および比較例を示し、本発明の特徴とするところをさらに明確にする
実施例１
シリカ基板上に、厚さ１５μｍのＳｉＯ２層（下層）　をＣＶＤ法により形成した後、下層上に１２ＧｅＯ２−７Ｂ２Ｏ３−８１ＳｉＯ２（ｍｏｌ％）という組成のガラスを成膜した。すなわち、有機金属からなる原料（テトラエトキシシラン、テトラメトキシゲルマニウムおよびトリメトキシボロン）を８５℃で気化させ、２５０Ｗの高周波（ＲＦ）酸素プラズマ中で分解させて、４００℃のシリカ基板上の下層表面に成膜した。
【００２５】
得られたガラス薄膜に対し、ＫｒＦエキシマレーザー（波長３４８ｎｍ、５０ｍＪ／ｃｍ２／パルス）を周期１０６０ｎｍの位相マスクを介して２８０００ショット照射した後、当該材料を６００℃の窒素雰囲気中で１時間熱処理した。
【００２６】
その後、常法に従って、厚さ２００ｎｍクロム薄膜をスパッタ法で成膜し、ポジレジストのスピンコート、線幅８μｍのマスクを介しての水銀ランプ光の照射、レジストの現像およびクロムの湿式エッチングを行うことにより、クロム膜のパターニングを行った。
【００２７】
次いで、得られたクロムマスクパターン化された基板を、Ｃ３Ｆ８ガスを用いたプラズマエッチングによって削り、途中に回折格子が形成されたリッジ型導波路を作製した。
【００２８】
最後に、リッジ型導波路の上表面にＳｉＯ２膜（１５μｍ）　をＣＶＤ法で成膜した後、端面を研磨して、透過スペクトルを測定したところ、図１の（ａ）に示す様に、波長１５２６．４ｎｍ付近に回折による損失ピークが観測された。
【００２９】
次に、上記で得られたリッジ型導波路を３００℃の窒素雰囲気で１時間熱処理し、室温に冷却した後、再び透過スペクトルを測定したところ、図１の（ｂ）に示す様に、回折ピークには全く変化が見られなかった。
【００３０】
また、同様に上記で得られたリッジ型導波路を４００℃の窒素雰囲気で１　　時間熱処理した場合の結果を図１の（ｃ）に示す。この場合にも、やはり回折ピークに変化が無く、極めて耐熱性の高い回折格子型素子が得られていることがわかる。
【００３１】
さらに当該回折素子型素子の温度をペルチェ素子で上昇させながら透過スペクトルを測定したところ、図２に示す様に、回折ピークが温度に応じて長波長側へドリフトし、可逆性の精度も極めて良好であることが明らかとなった。
【００３２】
以上の結果から、本発明による回折格子型光素子は、長期信頼性の高い温度可変フィルター素子として機能することが確認された。
実施例２
実施例１の手法に準じて、１５ＧｅＯ２−９Ｂ２Ｏ３−７５ＳｉＯ２（ｍｏｌ％）からなるガラス材料を使用して、コア層をシリカ基板上に成膜した。ただし、成膜温度は３５０℃、回折格子書き込み後の熱処理温度は５２０℃である。
【００３３】
次いで、実施例１と同様な手法で埋め込み型チャネル導波路を作製したところ、実施例１と同様に４００℃まで回折ピークが消えない耐熱性に優れた回折格子型素子が得られることがわかった。
実施例３
実施例１の手法に準じて、５ＧｅＯ２−１４Ｂ２Ｏ３−７１ＳｉＯ２（ｍｏｌ％）からなるガラス材料を使用して、コア層をシリコン基板上に成膜した。ただし、成膜温度は４００℃、回折格子書き込み後の熱処理温度は８００℃である。
【００３４】
次いで、実施例１とは逆にコア部分の表面のクロムが除去されたパターン、すなわち溝幅８μｍのパターンを形成した後、ドライエッチングやオーバーコートによる埋め込みを行うことなく、その端面を研磨し、透過スペクトルおよび素子の熱処理を行ったところ、実施例１および２と同様に、４００℃まで回折ピークが消えない耐熱性に優れた回折格子素子が得られることがわかった。
【００３５】
これは、クロムが負の誘電率をもつため、クロムが除去された部分の屈折率がクロムコートされた部分よりも高くなるため、チャネル型導波路と類似の導波機能が発現することによる。
比較例１
実施例１の手法に準じて、１５ＧｅＯ２−８５ＳｉＯ２（ｍｏｌ％）からなるガラス材料を用いてコア層をシリカ基板上に成膜した後、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、１００ｍＪ／ｃｍ２／パルス）を周期１０６０ｎｍの位相マスクを介して４００００ショット照射した。
【００３６】
この時点では、回折効率０．０００６％程度の回折格子ができていたが、その後当該材料を５００℃の窒素雰囲気中で１時間熱処理したところ、回折格子は消失した。このため、本発明の実施例のように、その後の微細加工で導波路を形成しても、目的とする回折格子型素子はできなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で得られた回折格子が形成された導波路の透過スペクトルを示し、（ａ）が熱処理前、（ｂ）が３００℃１時間熱処理後、（ｃ）が４００℃１時間熱処理後に、それぞれ室温で測定した透過スペクトルである。
【図２】実施例１で得られた回折格子型素子の温度を変化させ、それぞれの温度での回折ピークの波長位置を温度に対してプロットした結果を示す透過スペクトル図である。
【図１】
2004117810.tif 000002
【図２】
2004117810.tif 000003