(57)【要約】【課題】フェムト秒レーザ光の集光照射によって透明材料内部に光導波路を形成する際に、得られる光導波路のモードフィールドの形状を制御できるようにし、モードフィールド径の縦横比を小さくし、これにより光導波路の偏波依存性損失を小さくできるようにすることにある。【解決手段】石英ガラス板５などの透明材料内部にフェムト秒レーザ光を集光照射し、高屈折率領域を誘起することにより光導波路を形成する際、フェムト秒レーザ光のパルス幅を変化させて、形成される光導波路の導波光のモードフィールド径の縦横比を制御する。フェムト秒レーザ光のパルス幅を２００ｆｓ以下とすることで、モードフィールド径の縦横比を１．４以下にでき、これにより偏波依存性損失を光部品として実用レベルである０．５ｄＢ以下にすることが可能になる。【選択図】図１
2004361811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明材料内部にフェムト秒レーザ光を集光照射し、高屈折率領域を誘起することにより光導波路を形成する光導波路の製造方法において、
フェムト秒レーザ光のパルス幅を変化させて、形成される光導波路の導波光のモードフィールド径の縦横比を制御することを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項２】
フェムト秒レーザ光のパルス幅を２００ｆｓ以下と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】
透明材料がＳｉＯ２を主成分とするガラス材料であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
【請求項４】
ガラス材料が石英ガラスであることを特徴とする請求項３記載の光導波路の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の製造方法で製造され、モードフィールド径の縦横比が１．４以下であり、偏波依存性損失が０．５ｄＢ以下であることを特徴とする光導波路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、フェムト秒レーザを用いて石英ガラスなどの透明材料中に光導波路を形成する光導波路の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フェムト秒レーザ光の集光照射によって光導波路を製造する方法は、石英ガラスなどの各種透明材料内部に高強度のフェムト秒レーザ光を集光照射することにより、集光点付近で屈折率が上昇する現象を利用したものである。この現象を利用して、フェムト秒レーザ光を透明材料内部に集光照射し、フェムト秒レーザ光あるいは透明材料を走査することにより、線状の屈折率上昇領域、つまり光導波路を形成することができる（特許文献１参照）。
【０００３】
この方法による光導波路の製造においては、集光照射するフェムト秒レーザ光の「平均出力」、「パルス幅」、「繰り返し周波数」、「中心波長」などの各種パラメータ、フェムト秒レーザ光を集光するための集光レンズの開口数などの集光光学系の条件、フェムト秒レーザ光または透明材料の走査速度などにより、誘起される屈折率変化量や屈折率変化領域の形状が決定される。
【０００４】
近年、フェムト秒レーザ光の各種パラメータの最適化により、集光部の屈折率上昇領域の形状を制御しようとする試みがなされている。例えば、特開２００１−３５００４９号公報（特許文献２）には、石英ガラスを載せたステージの動きに同期させて、集光照射するフェムト秒レーザ光の平均出力を変化させることにより、光導波路の屈折率変化領域の形状をなだらかに変化させることができ、その結果フェムト秒レーザ光の平均出力変化に伴い、光導波路のモードフィールド径を変化させることができ、光導波路と光ファイバとの接続損失を低減できることが記載されている。
【０００５】
ところで、このフェムト秒レーザ光の集光照射によって形成された光導波路を、実際の光部品、例えば光スイッチなどの基板型光導波路部品として使用するには、導波光の偏波方向による損失（偏波依存性損失、ＰＤＬ）が０．５ｄＢ以下としなければ、商品としての実用性を欠くと言われている。
【０００６】
光部品の偏波依存性損失を０．５ｄＢ以下の低い値に抑えるには、その光導波路のモードフィールドの形状をできるだけ円形に近づけることで可能になる。換言すれば、モードフィールドの形状が楕円形や長円形となると、偏波依存性損失が大きくなる。
【０００７】
フェムト秒レーザ光の集光照射によって形成された光導波路のモードフィールドの形状が、必ずしも円形にはならないことは周知であり、これを円形にしようとする試みがなされている。
例えば、「フェムト秒レーザ光を用いて作製した光導波路のモードフィールド真円化検討」（第５０回応用物理学関係連合講演会、予稿集２９ａ−ｐ１０−８）（非特許文献１）では、波長８００ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓ、繰り返し周波数２００ｋＨｚのチタンサファイアレーザ光を用いて、純粋シリカガラス中に光導波路を形成する際、レーザ光の平均出力を約８０ｍＷとすると、真円に近い形状のモードフィールドを有する光導波路が得られると報告されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−３１１２３７号公報
【特許文献２】
特開２００１−３５００４９号公報
【非特許文献１】
「フェムト秒レーザ光を用いて作製した光導波路のモードフィールド真円化検討」（第５０回応用物理学関係連合講演会、予稿集２９ａ−ｐ１０−８）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、フェムト秒レーザ光の集光照射によって形成した光導波路のモードフィールドの形状を円形にするための他の有効な手段を得ることにあり、これによりかかる光導波路を有する光部品の偏波依存性損失を０．５ｄＢ以下の低い値に抑えることができるようにすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、透明材料内部にフェムト秒レーザ光を集光照射し、高屈折率領域を誘起することにより光導波路を形成する光導波路の製造方法において、フェムト秒レーザ光のパルス幅を変化させて、形成される光導波路の導波光のモードフィールド径の縦横比を制御することを特徴とする光導波路の製造方法である。
【００１１】
請求項２にかかる発明は、フェムト秒レーザ光のパルス幅を２００ｆｓ以下に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である。
【００１２】
請求項３にかかる発明は、透明材料がＳｉＯ２を主成分とするガラス材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路の製造方法である。
【００１３】
請求項４にかかる発明は、ガラス材料が石英ガラスであることを特徴とする請求項３記載の光導波路の製造方法である。
請求項５にかかる発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の製造方法で製造され、モードフィールド径の縦横比が１．４以下で、偏波依存性損失が０．５ｄＢ以下であることを特徴とする光導波路である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、この発明の光導波路の製造方法を実施するための装置の例を示すもので、図中符号１は、フェムト秒レーザ光源を示す。このフェムト秒レーザ光源１は、例えば波長８００ｎｍ、繰り返し周波数２００ｋＨｚ、パルス幅１５０〜６００ｆｓのフェムト秒レーザ光を発振するものである。
【００１５】
このフェムト秒レーザ光源１からのフェムト秒レーザ光は、ＮＤフィルタ２を経て、その出力が減衰、調整されたのち、ハーフミラー３で反射されて、集光レンズ４に送られるようになっている。
【００１６】
この集光レンズ４は、凸レンズであり、これに入射されたフェムト秒レーザ光は、ここで集光されたうえ出射され、透明材料である石英ガラス板５に入射されるようになっている。この石英ガラス板５は、三次元微動ステージ６上に固定されており、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に微動できるようになっている。透明材料としては、シリカを主成分とするガラスや石英ガラス、あるいは透明高分子材料などが用いられる。
【００１７】
また、図中符号７は、ＣＣＤカメラなどのビデオカメラであって、フェムト秒レーザ光を石英ガラス板５に集光照射した際に、石英ガラス板５内部の集光点から発生する白色光をハーフミラー３を介して受光して撮影し、集光点での反応状態を監視できるようになっている。
【００１８】
このような装置を用いてフェムト秒レーザ光を石英ガラス板５に集光照射する際、本発明では、フェムト秒レーザ光のパルス幅を変化させることにより、得られる光導波路の導波光のモードフィールドの形状を制御する。このフェムト秒レーザ光のパルス幅を変化させる方法には、例えばフェムト秒レーザ光源１においてフェムト秒レーザ光を再生増幅する過程で、一旦パルス幅を広げた後、グレーティングを用いてパルス幅を狭めているが、この時使用するグレーティングの角度および位置を変化させることで、パルス幅を任意に変化させることが可能になる。
【００１９】
本発明では、後述する具体例から明らかなように、フェムト秒レーザ光のパルス幅を変化させることで、形成される光導波路のモードフィールド径の縦横比を変化、制御することができる。
ここで、モードフィールド径の縦横比とは、光導波路の断面において、フェムト秒レーザ光の入射方向を深さ方向とし、これに垂直な方向を幅方向とし、深さ方向および幅方向のニアフィールドパターンから深さ方向のモードフィールド径と幅方向のモードフィールド径を求め、深さ方向のモードフィールド径／幅方向のモードフィールド径をモードフィールド径の縦横比と定義する。
【００２０】
上記ニアフィールドパターンは、作製した光導波路に波長１５５０ｎｍなどの使用波長の光を導波させて、出射光をＣＣＤカメラなどの受像装置で受像して測定することで求められる。ニアフィールドパターンからモードフィールド径を求めるには、下記（１）式を用いる。
【００２１】
【数１】
2004361811.tif 000003
【００２２】
（１）式において、ｒは位置を、ｆ（ｒ）は位置ｒでの電場強度分布を示し、電場強度分布は測定したニアフィールドパターンの光強度を１／２乗して求められる。
【００２３】
このように、本発明ではフェムト秒レーザ光のパルス幅を変化させることで、光導波路のモードフィールド径の縦横比を制御することができるが、さらに、フェムト秒レーザ光のパルス幅を２００ｆｓ以下とすることで、後述する具体例にあるように、光導波路のモードフィールド径の縦横比を１．４以下に抑えることができる。
【００２４】
次に、フェムト秒レーザ光の集光照射によって形成された光導波路のモードフィールド径の縦横比と偏波依存性損失との関係について説明する。
図２は、フェムト秒レーザ光の集光照射によって形成された光導波路のモードフィールド径の縦横比と偏波依存性損失との関係を示したグラフである。このグラフは、円形のモードフィールドを有する光ファイバとモードフィールド径の縦横比が変化した光導波路との接続部における偏波依存性損失を検討した結果に基づくものである。
【００２５】
ここでの偏波依存性損失の算出は、光ファイバと光導波路とのモードフィールド径が同一であると仮定し、光導波路のモードフィールド径の深さ方向または幅方向のいずれか一方のみを変化させて接続部における偏波依存性損失を算出する方法で行った。
接続部における偏波依存性損失は、下記（２）式を用いて、導波光の偏波方向による接続損失の差の２倍として求めた。
【００２６】
【数２】
2004361811.tif 000004
【００２７】
（２）式において、Ｅ１（ｒ）は、光ファイバのニアフィールドパターンから求めた位置ｒでの電場強度、Ｅ２（ｒ）は、光導波路のニアフィールドパターンから求めた位置ｒでの電場強度である。
【００２８】
図２のグラフの結果から、フェムト秒レーザ光の集光照射によって形成された光導波路のモードフィールド径の縦横比が大きくなるに比例して偏波依存性損失が大きくなることがわかる。そして、この結果から、偏波依存性損失を光部品として実用レベルとされる０．５ｄＢ以下とするには、モードフィールド径の縦横比を１．４以下とすることが必要であることがわかり、これからフェムト秒レーザ光のパルス幅を２００ｆｓ以下とすればよいことになる。
【００２９】
本発明の光導波路は、上述の製造方法で製造されたもので、そのモードフィールド径の縦横比が１．４以下とされ、かつ偏波依存性損失が０．５ｄＢ以下とされたものである。したがって、この光導波路を有する基板型光導波路部品などの光部品は、偏波依存性が低く、実用性に富むものとなる。
【００３０】
以下、具体例を示す。
図１に示す装置を使用し、フェムト秒レーザ光源１で中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数２００ｋＨｚ、パルス幅１５０〜６００ｆｓ、平均出力４００〜８００ｍＷのフェムト秒レーザ光を発振させ、このフェムト秒レーザ光の光路中に透過率の異なる数種のＮＤフィルタ２を挿入し、フェムト秒レーザ光の平均出力を減衰させ、開口数０．５の凸レンズからなる集光レンズ４に入射し、ここで集光して厚さ１ｍｍの石英ガラス板５の表面から３０μｍの深さに集光入射した。
【００３１】
石英ガラス板５を載せた三次元微動ステージ６をＸ方向に速度３０μｍ／ｓで移動し、レーザ集光点の位置を相対移動させることで、長さ１３ｍｍの光導波路を作製した。  また、集光レンズ４の通過前後のフェムト秒レーザ光の平均出力をパワーメータで測定した。このフェムト秒レーザ光の平均出力を、表１に示した。また、フェムト秒レーザ光の平均出力からレーザ光の集光点でのエネルギー密度を算出した
【００３２】
集光点でのフェムト秒レーザ光のエネルギー密度の算出は、以下の計算式（３）、（４）および（５）によって行うことができる。
集光点の径（ｍ）＝フェムト秒レーザ光の光強度分布のガウス分布からのずれ×波長（ｍ）÷集光レンズの開口数÷π  ・・・・（３）
集光前のフェムト秒レーザ光のエネルギー（Ｊ）＝集光レンズ直後のフェムト秒レーザ光の平均出力（Ｗ）÷繰り返し周波数（Ｈｚ）  ・・・・（４）
集光点でのエネルギー密度（Ｊ／ｍ２）＝集光前のフェムト秒レーザ光のエネルギー（Ｊ）÷集光点の面積（ｍ２）  ・・・・（５）
【００３３】
上記（３）式でのフェムト秒レーザ光の光強度分布のガウス分布からのずれは、集光前のフェムト秒レーザ光の光強度分布を測定し、これから計算して求められる。（４）式での集光レンズ直後のフェムト秒レーザ光の平均出力は、パワーメータで実測して求められる。
これ以外のパラメータの値は、使用する装置の諸元等から求められる。
【００３４】
【表１】
2004361811.tif 000005
【００３５】
得られた光導波路について、上述のようにしてモードフィールド径の縦横比を測定、算出して求めた。
図３、図４および図５は、それぞれ集光点におけるフェムト秒レーザ光のエネルギー密度が４６Ｊ／ｃｍ２、４２Ｊ／ｃｍ２および３２Ｊ／ｃｍ２におけるフェムト秒レーザ光のパルス幅とモードフィールド径の縦横比の関係を示したものである。
【００３６】
図３ないし図５に示したグラフの結果から、フェムト秒レーザ光のパルス幅が大きくなるにつれて、モードフィールド径の縦横比が大きくなる傾向があり、レーザ光のエネルギー密度が３２〜４６Ｊ／ｃｍ２の範囲では、パルス幅を２００ｆｓ以下とすることで、モードフィールド径の縦横比を１．４以下に抑えることができることが明らかである。
【００３７】
次に、図２に示したモードフィールド径の縦横比と偏波依存性損失との関係に基づいて、図３ないし図５に示したフェムト秒レーザ光のパルス幅とモードフィールド径の縦横比との関係を、フェムト秒レーザ光のパルス幅と偏波依存性損失との関係のグラフに描き直したものが図６、図７および図８に示したグラフである。
【００３８】
これらの図６ないし図８に示したグラフから、フェムト秒レーザ光の集光照射によって形成された光導波路の偏波依存性損失を０．５ｄＢ以下とするには、フェムト秒レーザ光の集光点でのエネルギー密度が３２〜４６Ｊ／ｃｍ２の範囲において、そのパルス幅を２００ｆｓ以下とすればよいことが明らかになった。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光導波路の製造方法によれば、フェムト秒レーザ光のパルス幅を変化させて、形成される光導波路の導波光のモードフィールド径の縦横比を制御することができる。
【００４０】
そして、パルス幅を２００ｆｓ以下とすることで、モードフィールド径の縦横比を１．４以下にでき、モードフィールド径の縦横比を１．４以下とすることで、光導波路の偏波依存性損失を０．５ｄＢ以下とすることができる。このため、この発明の製造方法で得られた光導波路を有する基板型光導波路部品の偏波依存性損失を０．５ｄＢ以下の実用性のあるものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路の製造方法に用いられる装置の例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の具体例の結果を示す図表である。
【図３】本発明の具体例の結果を示す図表である。
【図４】本発明の具体例の結果を示す図表である。
【図５】本発明の具体例の結果を示す図表である。
【図６】本発明の具体例の結果を示す図表である。
【図７】本発明の具体例の結果を示す図表である。
【図８】本発明の具体例の結果を示す図表である。
【符号の説明】
１・・・フェムト秒レーザ光源、２・・・ＮＤフィルタ、４・・・集光レンズ、５・・・石英ガラス板、６・・・三次元微動ステージ。
【図１】
2004361811.tif 000006
【図２】
2004361811.tif 000007
【図３】
2004361811.tif 000008
【図４】
2004361811.tif 000009
【図５】
2004361811.tif 000010
【図６】
2004361811.tif 000011
【図７】
2004361811.tif 000012
【図８】
2004361811.tif 000013