(57)【要約】【課題】本発明は、伝搬損失が小さく、かつ伝搬損失の偏光依存性や波長依存性の小さい光導波路部品を製造する方法を提供する。【解決手段】本発明の光導波路部品の製造方法は、透明材料９の内部にフェムト秒パルスレーザ３を集光照射し、屈折率増加領域を形成する光導波路部品の製造方法であって、フェムト秒パルスレーザ３の集光点７でのピークパワーが所望の値となるように、前記フェムト秒パルスレーザ３の平均出力を調整し、前記透明材料９の内部に集光照射する構成とする。前記フェムト秒パルスレーザ３の集光点７でのピークパワーは６．９×１０１２Ｗ／ｃｍ２以下が好ましく、更に好ましくは８．７×１０１１Ｗ／ｃｍ２以下であり、最も好ましくは８．７×１０８〜８．７×１０１１Ｗ／ｃｍ２である。また前記透明材料９は、ＳｉＯ２を主成分とするガラス材料が好ましく、更に好ましくは石英ガラスである。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明材料の内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射し、屈折率増加領域を形成する光導波路部品の製造方法であって、
フェムト秒パルスレーザの集光点でのピークパワーが所望の値となるように、前記フェムト秒パルスレーザの平均出力を調整し、前記透明材料の内部に集光照射することを特徴とする光導波路部品の製造方法。
【請求項２】
前記フェムト秒パルスレーザの集光点でのピークパワーが、６．９×１０１２Ｗ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路部品の製造方法。
【請求項３】
前記フェムト秒パルスレーザの集光点でのピークパワーが、８．７×１０１１Ｗ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路部品の製造方法。
【請求項４】
前記フェムト秒パルスレーザの集光点でのピークパワーが、８．７×１０８〜８．７×１０１１Ｗ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路部品の製造方法。
【請求項５】
前記透明材料が、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乃至４のいずれかに記載の光導波路部品の製造方法。
【請求項６】
前記ガラス材料が、石英ガラスであることを特徴とする請求項５に記載の光導波路部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野で用いられる光導波路部品の製造方法に関し、特にフェムト秒パルスレーザによるガラスの光誘起屈折率変化を利用した光導波路部品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信などで用いられている光導波路部品の製造方法として、フェムト秒パルスレーザ光を用いた方法が提案されている（特許文献１参照。）。フェムト秒パルスレーザ光は、パルス幅が狭く、高いピーク出力を有し、対物レンズなどで集光することで高いピークパワーを実現できる。
このフェムト秒パルスレーザ光を石英ガラスなどのガラス材料に集光照射すると、レーザ光の集光点にて、選択的にガラス材料の屈折率を増加させることができる。このためガラス材料の内部にフェムト秒パルスレーザ光を集光させ、この集光点を相対的に移動させることで、ライン状の屈折率増加領域（コア）を形成することができ、光導波路部品とすることができる。
【０００３】
このフェムト秒パルスレーザ光を用いて製造された光導波路部品は、１．５５μｍ帯において、伝搬損失が０．３〜０．７ｄＢ／ｃｍ程度であることが報告されている（非特許文献１参照。）。この伝搬損失は、光通信分野で要求される値よりも大きいものであり、この光導波路部品を光通信デバイスとして使用するためには、伝搬損失を低減する必要がある。
【０００４】
そこで、フェムト秒パルスレーザ光を用いて製造された光導波路部品を熱処理し、伝搬損失やこの伝搬損失の偏光依存性を低減する方法が提案されている（特願２００２−０３７１０８号）。
しかし、熱処理では屈折率増加領域の断面形状を調整することができないため、熱処理によって低減できる伝搬損失量には限界がある。このため、実用レベルの伝搬損失や伝搬損失の偏光依存性の小さい光導波路部品を実現するためには、熱処理前に、あらかじめフェムト秒パルスレーザ光を用いて伝搬損失や伝搬損失の偏光依存性の小さい屈折率増加領域を形成する必要がある。
【０００５】
また、フェムト秒パルスレーザ光を用いて光導波路部品を製造する方法としては、フェムト秒パルスレーザ光の照射条件を変化させながら集光点を走査し、これによりモードフィールド径などの形状が、光の伝搬方向になだらかに変化した屈折率増加領域を形成する方法も開示されている（特許文献２参照。）。
この方法で製造された光導波路部品は、モードフィールド径が異なる光部品を接続する際に、その接続部となるコアの端面部でモードフィールド径を整合することができ、接続損失を低減することができる。しかし、フェムト秒パルスレーザ光を用いて、伝搬損失や伝搬損失の偏光依存性の小さい屈折率増加領域を形成し、光導波路部品とする方法については、報告されていないのが現状である。
【０００６】
【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】
藤原誠司，外３名，「第６２回応用物理学会学術講演会　講演予稿集」２００１年９月，ｐ．８５５，講演番号１４ａ−ＺＭ−５
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわちフェムト秒パルスレーザの照射条件を最適化して石英ガラスに集光照射し、これにより伝搬損失が小さく、かつ伝搬損失の偏光依存性や波長依存性の小さい光導波路部品を製造する方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【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、透明材料の内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射し、屈折率増加領域を形成する光導波路部品の製造方法であって、
フェムト秒パルスレーザの集光点でのピークパワーが所望の値となるように、前記フェムト秒パルスレーザの平均出力を調整し、前記透明材料の内部に集光照射することを特徴とする光導波路部品の製造方法である。
【０００９】
請求項２にかかる発明は、前記フェムト秒パルスレーザの集光点でのピークパワーが、６．９×１０１２Ｗ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路部品の製造方法である。
【００１０】
請求項３にかかる発明は、前記フェムト秒パルスレーザの集光点でのピークパワーが、８．７×１０１１Ｗ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路部品の製造方法である。
【００１１】
請求項４にかかる発明は、前記フェムト秒パルスレーザの集光点でのピークパワーが、８．７×１０８〜８．７×１０１１Ｗ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路部品の製造方法である。
【００１２】
請求項５にかかる発明は、前記透明材料が、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乃至４のいずれかに記載の光導波路部品の製造方法である。
【００１３】
請求項６にかかる発明は、前記ガラス材料が、石英ガラスであることを特徴とする請求項５に記載の光導波路部品の製造方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本実施形態の光導波路部品の製造方法において使用される製造装置の一例を示す概略構成図である。符号１は、チタンサファイアレーザなどを用いたレーザ装置を示す。このレーザ装置１のレーザ出射口と対向するように、ＮＤフィルタ２が設置されており、レーザ装置１から出射されたフェムト秒パルスレーザ光３の平均出力を調整できるようになっている。
【００１５】
ＮＤフィルタ２を透過したフェムト秒パルスレーザ光３の経路上には、ミラー４が設置されており、フェムト秒パルスレーザ光３の進行経路を調整できるようになっている。また、対物レンズ５は、ミラー４にて進行経路が調整されたフェムト秒パルスレーザ光３を集光するものである。
【００１６】
このミラー４の後方には、ＣＣＤカメラ６などが設置され、位置合わせ用のマーキング（図示省略）を観察したり、フェムト秒パルスレーザ光３の集光点７付近で発生する発光中に含まれる可視光をモニタできるようになっている。
符号８は、ＸＹＺステージを示し、このＸＹＺステージ８は、石英ガラス基板９などの基材となる透明材料を積載し、これを精密にｘ、ｙ、ｚ軸方向に移動できるようにするものである。
【００１７】
この光導波路部品の製造装置では、レーザ装置１にて、フェムト秒パルスレーザ光３の波長、パルス幅、繰り返し周波数などの照射条件を調整することによって、所望のフェムト秒パルスレーザ光３が出射される。
【００１８】
フェムト秒パルスレーザ光３は、まずＮＤフィルタ２を透過する。このＮＤフィルタ２の透過率を調整することで、フェムト秒パルスレーザ光３の平均出力が制御される。
次に、フェムト秒パルスレーザ光３は、ミラー４にて反射される。このミラー４の反射面の角度を調整することで、フェムト秒パルスレーザ光３の進行経路は、所望の方向となる。更にフェムト秒パルスレーザ光３は、対物レンズ５にて集光され、ＸＹＺステージ８上の石英ガラス基板９に照射される。
【００１９】
このような製造装置を用いて、本実施形態では、光導波路部品を以下のようにして製造する。
基材となる透明材料には、ＳｉＯ２を主成分とするケイ酸塩系ガラスからなる石英ガラス基板９を使用する。この石英ガラス基板９をＸＹＺステージ８に固定する。石英ガラス基板９の上表面のうち、形成されるべき屈折率増加領域の始点に、位置決め用のマーキング（図示省略）が設けられ、このマーキングにピントが合うように、ＣＣＤカメラ６で観察しながら、ＸＹＺステージ８のｚ軸方向の位置を調整する。このようにして、位置決め用のマーキングを石英ガラス基板９の表面の基準として認識する。
【００２０】
そして、ｚ軸方向の位置を調整し、集光点７が所望の深さの位置となるようにする。ここで、石英ガラス基板９の屈折率をｎとし、石英ガラス基板９がないときの集光点７の深さをＨ１とすると、石英ガラス基板９内部におけるフェムト秒パルスレーザ光３の屈折の影響により、実際の集光点７の深さＨ２は、Ｈ１×ｎとなる。この石英ガラス基板９の屈折率の影響を考慮し、ｚ軸方向の位置を調整する。
【００２１】
次に、石英ガラス基板９の位置を走査して、集光点７を相対移動させることにより、コアとして機能する連続した屈折率増加領域を石英ガラス基板９の内部に形成する。これにより光導波路部品が製造される。
この集光点７の相対移動は、ＸＹＺステージ８のｘ軸方向又はｙ軸方向に走査することで行う。また同時にｚ軸方向にも走査することにより、三次元に集光点７を相対移動させることもできる。
【００２２】
本実施形態では、集光点７でのピークパワーは６．９×１０１２Ｗ／ｃｍ２以下であり、好ましくは８．７×１０１１Ｗ／ｃｍ２以下であり、更に好ましくは８．７×１０８〜８．７×１０１１Ｗ／ｃｍ２である。このとき、伝搬損失が小さく、かつ伝搬損失の偏光依存性や波長依存性の小さい光導波路部品が実現できる。
【００２３】
この集光点７でのピークパワーが６．９×１０１２Ｗ／ｃｍ２よりも大きい場合、伝搬損失と、伝搬損失の偏光依存性や波長依存性が大きくなるため好ましくない。また集光点７でのピークパワーが８．７×１０８Ｗ／ｃｍ２未満の場合、屈折率増加領域を形成できず、好ましくない。
【００２４】
この集光点７でのピークパワーは、対物レンズ５を通過する前のフェムト秒パルスレーザ光３のピークパワーと、そのビーム径、集光点７のスポット径から以下の式（１）より算出される。またこの集光点７のスポット径は、以下の式（２）で算出される。
【００２５】
（集光点でのピークパワー）＝（フェムト秒パルスレーザ光のピークパワー）×（スポット径）／（フェムト秒パルスレーザ光のビーム径）　（１）
【００２６】
（スポット径）＝｛（フェムト秒パルスレーザ光のビームプロファイルのガウシアン分布からのずれ）×（フェムト秒パルスレーザ光の波長）｝／｛（対物レンズの開口数）×π｝　（２）
【００２７】
このため、集光点７でのピークパワーを所望の値とするためには、フェムト秒パルスレーザ光３の照射条件、平均出力を調整し、フェムト秒パルスレーザ光３のピークパワーを所望の値とすることと、フェムト秒パルスレーザ光３の波長と対物レンズ５の開口数（Ｎ．Ａ．）を調整し、集光点７のスポット径を所望の値とすることが必要である。
本実施形態では、まず、フェムト秒パルスレーザ光３の中心波長、繰り返し周波数、パルス幅などの照射条件と、対物レンズ５の開口数とを適宜決定する。
【００２８】
フェムト秒パルスレーザ光３の中心波長は、使用する透明材料の反応性などに応じて適宜決定できる。
石英ガラスを使用した場合、通常８００ｎｍである。このときフェムト秒パルスレーザ光３を基材となる石英ガラス基板９に照射することで、効率良く屈折率を増加させることができる。
フェムト秒パルスレーザ光３の繰り返し周波数、パルス幅などの照射条件は、特に限定されず適宜決定される。
【００２９】
また、対物レンズ５の開口数は、解像度や焦点深度などを決定するパラメータであり、集光点７のスポット径が所望の値となるように、光導波路部品の製造装置の装置構成などを考慮し、適宜決定できる。
【００３０】
次に、フェムト秒パルスレーザ光３の平均出力を調整して、集光点７でのピークパワーを制御する。
このフェムト秒パルスレーザ光３の平均出力は、ＮＤフィルタを用いることにより集光点７のピークパワーを精度良く所望の値とすることができ、伝搬損失が小さく、かつ伝搬損失の偏光依存性や波長依存性の小さい光導波路部品が実現できる。
【００３１】
以上のように、本実施形態では、ピークパワーを所望の範囲とすることによって、伝搬損失が小さく、かつ伝搬損失の偏光依存性や波長依存性の小さい光導波路部品が実現できる。
また、基材となる透明材料は、ＳｉＯ２を主成分とするケイ酸塩系ガラスからなる石英ガラス基板９であり、耐薬品性、耐環境性に優れ、比較的安価で入手しやすく、かつパルスレーザ光３による屈折率の増加量が大きい。これにより光導波路部品を安価で、容易に製造できる。更に石英ガラスを用いることによって、光学特性に優れた光導波路部品を製造できる。
【００３２】
なお、光導波路部品の基材となる透明材料としては、フェムト秒パルスレーザ光３を照射して誘起され、屈折率が増加するものが使用でき、例えば光学用高分子材料、ガラス材料などが挙げられる。
ガラス材料としては、ケイ酸塩系ガラス、硼酸塩系ガラス、燐酸塩系ガラス、弗燐酸塩系ガラス、ビスマス系ガラス、ハロゲン化物ガラス、硫化物ガラス、カルコゲナイドガラスなどが使用できる。
【００３３】
ケイ酸塩系ガラスとしては、ＳｉＯ２で表される石英ガラスなどが使用できる。ハロゲン化物ガラスとしては、ＢｅＦ２、ＺｒＦ４、ＩｎＦ３、Ｃｄ−Ｚｎ−Ｃｌ系ガラスなどが使用できる。硫化物ガラスとしては、Ｇａ−Ｌａ−Ｓ系ガラスなどが使用でき、またカルコゲナイドガラスとしては、Ｓｅ−Ａｓ系ガラスなどが使用できる。
【００３４】
また上記したガラス材料は、ゲルマニウム、アルミニウム、リン、フッ素からなるドーパント群のうち少なくとも１種、又は２種以上をドーパントとして添加され、所望の屈折率となるように調整されていても構わない。
【００３５】
またフェムト秒パルスレーザ光３の平均出力を調整する方法として、ＮＤフィルタ２以外に、ミラー４に所望量の光を透過又は反射する機能を付与し、このミラー４を用いて平均出力を調整する方法でも構わない。
【００３６】
更に、本実施形態では、上述したフェムト秒パルスレーザ光３の中心波長などの照射条件や平均出力、対物レンズ７の集光条件などを所望の値に調整した後、フェムト秒パルスレーザ光３を石英ガラス基板９の内部に集光照射してもよいが、フェムト秒パルスレーザ光３を石英ガラス基板９の内部に集光照射後、上記した照射条件、集光条件を調整しても構わない。
【００３７】
このとき条件を調整する前に形成した光導波路部品を切り取ることで、一定の光学特性の光導波路部品とすることができる。またフェムト秒パルスレーザ光３を集光照射しながら、照射条件、集光条件を長手方向の各位置にて所望の値に調整することによって、モードフィールド径などの光学特性が長手方向に変化する光導波路部品を製造できる。
【００３８】
また本実施形態では、集光点７を複数回走査しても構わない。形成した屈折率増加領域に、再度フェムト秒パルスレーザ光３を集光照射することによって、石英ガラス基板９を再び誘起させ、更に屈折率を増加させることができる。このため所望の回数走査することで、屈折率増加領域の屈折率を所望の値として、光導波路部品を製造できる。
【００３９】
次に本発明の具体例を以下に述べる。
図１に示された光導波路部品の製造装置を使用した。照射条件を調整し、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数２００ｋＨｚ、パルス幅１５０ｆｓのフェムト秒パルスレーザ光３をレーザ装置１から出射した。ＮＤフィルタ２にて、このフェムト秒パルスレーザ光３の平均出力を８０〜８００ｍＷに減衰させ、次に開口数０．５の対物レンズ５にて、石英ガラス基板９に集光照射した。
表１は、フェムト秒パルスレーザ光３の平均出力と、集光点７でのピークパワーを示す。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
ＸＹＺステージ８を用いて石英ガラス基板９を移動させ、３０μｍ／ｓの速度で集光点７を走査し、長さが２５ｍｍの光導波路部品を製造した。
図２は、製造された光導波路部品の伝搬損失を示し、また図３は、その伝搬損失の偏光依存性を示す。ここで、図２，３では、１．５２〜１．６３μｍの波長帯での伝搬損失とその偏光依存性の測定値のうち、最大値と最小値を示している。
【００４２】
集光点７でのピークパワーが６．９×１０１２Ｗ／ｃｍ２以下のとき、図２において伝搬損失が０．３ｄＢ／ｃｍ以下と小さく、また伝搬損失の最大値と最小値の差が０．１５ｄＢ／ｃｍ以下であり、伝搬損失の波長依存性が小さいことがわかる。また、このとき図３において伝搬損失の偏光依存性が０．１８ｄＢ／ｃｍ以下と小さいことがわかる。
【００４３】
更に、集光点７でのピークパワーが８．７×１０１１Ｗ／ｃｍ２以下のとき、伝搬損失が０．１８ｄＢ／ｃｍ以下と更に小さく、かつ伝搬損失の最大値と最小値の差が０．１５ｄＢ／ｃｍ以下であり、伝搬損失の波長依存性が更に小さいことがわかる。またこのとき伝搬損失の偏光依存性が０．１ｄＢ／ｃｍ以下と更に小さいことがわかる。
【００４４】
この製造された光導波路部品は、伝搬損失やその偏光依存性が、従来のフェムト秒パルスレーザを用いた方法で製造された光導波路よりも充分小さいものであり、光通信デバイスとしての応用も期待できる。更に伝搬損失の波長依存性が小さいため、波長多重伝送を用いた高速伝送システムにも適用も可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、請求項１乃至５に係る発明によれば、フェムト秒パルスレーザの集光点でのピークパワーが所望の値となるように、フェムト秒パルスレーザの平均出力を調整し、透明材料の内部に集光照射することによって、伝搬損失が小さく、かつ伝搬損失の偏光依存性や波長依存性の小さい光導波路部品が製造できる。
製造された光導波路部品は、光通信デバイスとして応用が期待でき、更に伝搬損失の波長依存性が小さいため、波長多重伝送を用いた高速伝送システムにも適用も可能である。
【００４６】
また請求項４及び５に係る発明によれば、ＳｉＯ２を主成分とするケイ酸塩系ガラスは、耐薬品性、耐環境性に優れ、比較的安価で入手しやすく、かつパルスレーザによる屈折率の増加量が大きいため、光導波路部品を安価で、容易に製造できる。更に石英ガラスを用いることによって、光学特性に優れた光導波路部品を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の光導波路部品の製造方法において使用される製造装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】本実施形態で製造された光導波路部品の伝搬損失と、製造時のフェムト秒パルスレーザのピークパワーとの関係の一例を示す図である。
【図３】本実施形態で製造された光導波路部品の伝搬損失の偏光依存性と、製造時のフェムト秒パルスレーザのピークパワーとの関係の一例を示す図である。
【符号の説明】
３・・・フェムト秒パルスレーザ光，７・・・集光点，９・・・石英ガラス基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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