(57)【要約】【課題】容易な方法で伝送効率の向上を図ることを目的とする。【解決手段】光導波路５形成領域にレーザ照射領域の周縁部分が重なるように、光導波路５形成領域の周辺に円弧を描くようにレーザ光を照射しながら、レーザ光の焦点距離をずらしていくことにより、レーザ光の焦点位置を光導波路５形成領域の周囲を螺旋状に移動させながらレーザ光を照射して光導波路５を形成することにより、容易な方法で伝送効率の向上を図ることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を備える対象物にパルス幅が１０ｐｓ以下のレーザ光を照射して光導波路を形成するに際し、
前記光導波路の形成領域を前記レーザ光の照射領域の外縁部に形成される高屈折率領域内に含める状態を維持しながら前記レーザ光の焦点位置を前記光導波路の形成領域を中心に螺旋状に移動させる工程と、
前記焦点位置を移動させる期間中に前記レーザ光を照射する工程と
を有し、前記レーザ光の照射領域の外縁部に形成される高屈折率領域の重なり部分を前記光導波路とすることを特徴とする光導波路の形成方法。
【請求項２】
前記焦点位置を螺旋状に移動させる間に連続的に前記レーザ光の照射を行うことを特徴とする請求項１記載の光導波路の形成方法。
【請求項３】
前記焦点位置の移動を、前記対象物の移動、または前記対象物の移動および前記レーザ光の照射位置と前記対象物との間に配置されるレンズの移動、または前記レーザ光の照射角度の調整および前記対象物または前記レンズの移動のいずれかにより行うことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の光導波路の形成方法。
【請求項４】
前記光導波路が３次元曲線状の光導波路であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光導波路の形成方法。
【請求項５】
前記レーザ光がフェムト秒レーザであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光導波路の形成方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載された方法で一部または全部が形成された光導波路を用いたことを特徴とする光集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
対象物内にフェムト秒レーザを用いて光導波路を形成する方法および光集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信等に用いる導波路型の光集積回路は、固体ガラス中に屈折率の異なる領域を連続的に形成し、低屈折率領域に囲まれた高屈折率領域中を光が伝搬する光導波路を形成することにより製造される。
以下、図８を用いて従来の光導波路の形成方法を説明する。
図８は従来の光導波路の形成方法を説明する図であり、図８（ａ）はレーザを照射する状況を示す斜視図、図８（ｂ）は光導波路の構造を示す断面図である。
【０００３】
固体ガラス等の対象物２中に直線状の光導波路を形成する際には、図８に示すように、まず、光導波路１４の形成装置の載置台７上に対象物２を載置する。次に、形成する光導波路１４の延長方向から光導波路１４の形成領域端部に焦点を合わせてフェムト秒レーザ１５を照射する。フェムト秒レーザ１５の照射により、高屈折率化された光導波路１４の断面構造が形成される。次に、焦点位置を光導波路１４の形成領域に沿って連続的に移動させながら、フェムト秒レーザ１５を照射することにより、高屈折率領域４からなる光導波路１４の断面構造が連続的に形成されて、レーザの照射方向に直線状の光導波路１４が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９４９６６号公報
【特許文献２】特開２００４−１１７５６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のフェムト秒レーザ１５を用いた光導波路１４の形成方法では、焦点をずらしながらフェムト秒レーザ１５を照射するため、焦点位置の光導波路１４方向における重なりを１点に重ねる必要があり、位置合わせが困難であるという問題点を有していた。同時に、さらなる伝送効率の向上も求められている。
本発明の光導波路の形成方法は、上記問題点を解決するために、容易な方法で伝送効率の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の光導波路の形成方法は、透光性を備える対象物にパルス幅が１０ｐｓ以下のレーザ光を照射して光導波路を形成するに際し、前記光導波路の形成領域を前記レーザ光の照射領域の外縁部に形成される高屈折率領域内に含める状態を維持しながら前記レーザ光の焦点位置を前記光導波路の形成領域を中心に螺旋状に移動させる工程と、前記焦点位置を移動させる期間中に前記レーザ光を照射する工程とを有し、前記レーザ光の照射領域の外縁部に形成される高屈折率領域の重なり部分を前記光導波路とすることを特徴とする。
また、前記焦点位置を螺旋状に移動させる間に連続的に前記レーザ光の照射を行っても良い。
【０００７】
また、前記焦点位置の移動を、前記対象物の移動、または前記対象物の移動および前記レーザ光の照射位置と前記対象物との間に配置されるレンズの移動、または前記レーザ光の照射角度の調整および前記対象物または前記レンズの移動のいずれかにより行っても良い。
【０００８】
また、前記光導波路が３次元曲線状の光導波路であっても良い。
また、前記レーザ光がフェムト秒レーザであることが好ましい。
さらに、本発明の光集積回路は、前記方法で一部または全部が形成された光導波路を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、光導波路形成領域にレーザ照射領域の周縁部分が重なるように、光導波路形成領域の周辺に円弧を描いてレーザ光を照射しながら、レーザ光の焦点距離をずらしていくことにより、レーザ光の焦点位置を光導波路形成領域の周囲を螺旋状に移動させながらレーザ光を照射して光導波路を形成することができ、容易な方法で伝送効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】フェムト秒レーザの照射による屈折率変化の様子を説明する図
【図２】本発明の光導波路形成装置の構成を示す図
【図３】本発明のレーザ照射領域を示す概略図
【図４】本発明のレーザ照射方法を説明する図
【図５】実施の形態１における焦点距離およびレーザ照射位置を調整する方法を説明する図
【図６】実施の形態２における焦点距離およびレーザ照射位置を調整する方法を説明する図
【図７】実施の形態３における光導波路形成装置の構成を示す図
【図８】従来の光導波路の形成方法を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
一般的に、短いパルス幅のレーザ光をガラス等の対象物に照射すると、照射領域の中心部と周辺部に高屈折率領域が形成される。従来の光導波路では、この中心部の高屈折率領域を光導波路のコアとして光導波路を形成している。
【００１２】
このようなレーザ光として、例えば、パルス幅と定義される一定以上の出力となる振幅がフェムト秒オーダーであるフェムト秒レーザが用いられる。以下、フェムト秒レーザを対象物に照射した時の対象物の屈折率変化の様子について図１を用いて説明する。
【００１３】
図１はフェムト秒レーザの照射による屈折率変化の様子を説明する図であり、図１（ａ）は従来の１本の光導波路を形成した場合の概略図、図１（ｂ）は本発明の４本の光導波路を形成した場合の概略図である。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、フェムト秒レーザ１を対象物２に照射すると、照射領域が瞬間的に高温，高圧になり、照射領域の中心部から外周部に衝撃波が生じ、外周部の元素密度が高くなって外周部に高屈折率領域３が形成される。さらに、照射を停止した瞬間に照射領域の中心部方向に圧縮力が働き、中心部の元素密度が高くなって中心部にも高屈折率領域４が形成される。つまり、高屈折率領域４を中心とし、外延部が高屈折率領域３となる球状の領域が形成される。さらに、焦点位置をレーザ照射方向と平行な方向に移動させてフェムト秒レーザ１を照射する動作を繰り返し、連続的な高屈折率領域を形成する。このようにして、連続的な高屈折率領域４の繋がりをコアとする光導波路５を形成する。
【００１５】
ここで、一般的に、高屈折率領域４に比べて高屈折率領域３の方が屈折率が高くなる。そのため、本発明においては、図１（ｂ）に示すように、光導波路５の形成領域を中心に、その周囲の複数の位置にフェムト秒レーザ１を照射し、高屈折率領域３の重なり部分を光導波路５とする。図では、４本の直線的な高屈折率領域の繋がりを形成し、その中心領域を光導波路５としているが、４本に限らず、複数の直線的な高屈折率領域のつながりの重なり部分を光導波路５としても良い。
【００１６】
以上のように、より高い屈折率を有する高屈折率領域３を光集積回路の光導波路５とすることにより、伝送効率の向上を図ることができる。さらに、複数の高屈折率領域３の重なり部分で、元素の凝集が繰り返されるため、高純度の単一元素で光導波路５が形成され、一層の伝送効率の向上を図ることができる。また、複数のレーザ照射領域の周辺部を光導波路５とするため、レーザの焦点位置の位置合わせを高精度に行う必要性が低減し、より容易に光導波路５を形成することができる。
【００１７】
以上の説明では、短いパルス幅のレーザ光としてフェムト秒レーザ１を例に説明したが、光導波路５の形成に用いるレーザ光としては、パルス幅が１０ｐｓ以下のレーザ光を用いることができる。
【００１８】
また、光導波路５を形成する対象物は、ガラスやプラスチック等を用いることができ、内部にレーザ光を照射することができる透光性の固体や非晶質を用いることができる。対象物としては、例えば、珪酸塩系、硼酸塩系、燐酸塩系、弗燐酸塩系、ビスマス系等の酸化物ガラスや、ＢｅＦ２系、ＺｒＦ４系、ＩｎＦ４系、Ｃｄ−Ｚｎ−Ｃｌ系等のハロゲン化物ガラス、Ｇａ−Ｌａ−Ｓ系等の硫化物ガラス、Ｓｅ−Ａｓ系等のカルコゲナイドガラスを用いることができる。
【００１９】
また、複数の直線的な高屈折率領域のつながりを形成する代わりに、光導波路５の形成領域を中心に、螺旋状にレーザ光を照射して光導波路５を形成しても良い。
【００２０】
以下、螺旋状にレーザ光を照射することにより光導波路５を形成する方法について、短いパルス幅のレーザ光としてフェムト秒レーザを用いる場合の実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
まず、図２〜図５を用いて実施の形態１に係る光導波路の形成方法におけるレーザ照射方法について説明する。
【００２１】
図２は本発明の光導波路形成装置の構成を示す図、図３は本発明のレーザ照射領域を示す概略図であり、図３（ａ）はレーザ照射領域の構成を示す断面図、図３（ｂ）は光導波路とレーザ照射領域の位置関係を断続的に示す図である。図４は本発明のレーザ照射方法を説明する図であり、光導波路に対するレーザ照射位置中心の推移を示す概略図である。図５は実施の形態１における焦点距離およびレーザ照射位置を調整する方法を説明する図である。
【００２２】
図２に示すように、本発明の光導波路の形成方法に用いる形成装置は、フェムト秒レーザ等のレーザ光８を照射するレーザ照射器６と、光導波路５を形成するガラス等の対象物２を載置する載置台７と、レーザ光８の焦点距離を対象物２内部の所定の位置に調整するレンズ９とから構成される。このような光導波路形成装置において、レーザ照射器６はフェムト秒レーザ等のパルス幅が１０ｐｓ以下のレーザ光を照射する。また、実施の形態１においては、レーザ光８の焦点距離を調整するためにレンズ９がレーザ光８の出射方向と平行な方向に可変であり、載置台７がレーザ光８の出射方向と直交する方向に可変である。
【００２３】
図２〜図５に示すように、上記光導波路形成装置を用いて光導波路を形成する際には、まず、対象物２を載置台７上に載置する。次に、光導波路５形成領域の中心に対して出射方向と直行する方向に所定の距離ｓだけ離れた位置にレーザ光８の焦点が位置するようにレンズ９および載置台７を調整し、レーザ光８を対象物２に照射する。距離ｓはレーザ照射領域の半径より小さく、レーザ照射領域の外縁部の高屈折率領域内に光導波路５形成領域の中心が含まれるような距離とする。その後、光導波路５形成領域を中心に円弧を描くようにレーザ光８の照射位置を移動させると共に、焦点距離を出射方向に平行な方向に移動させることにより、光導波路５形成領域を中心に螺旋を描くようにレーザ光８を照射する。これにより、レーザ照射領域の外縁部の高屈折率領域の重なる位置を光導波路５として形成することができる。
【００２４】
このように光導波路５をレーザ照射領域の外縁部の高屈折率領域３を重ね合わせて形成することにより、レーザ照射領域の中央部より屈折率が高くなるレーザ照射領域の外縁部を光導波路５とすることができるため、光信号の損失を低減することができ、伝送効率を向上させることができる。また、複数本の直線的なレーザ照射を用いて光導波路５を形成する場合には、隣接する直線的なレーザ照射領域との相対的な位置関係を正確に制御する必要があったが、螺旋状にレーザ光８を照射して光導波路５を形成する場合にはそのような相対的な位置関係を考慮する必要がなく、螺旋半径の調整のみで容易に光導波路５を形成することができる。特に、レーザ照射領域の中央部の高屈折率領域４を用いて光導波路５を形成する場合に比べて、レーザ照射位置の精度を高くする必要がないため、容易に曲線状の光導波路５を形成することができる。
【００２５】
図３，図４に示すように、例えば、レーザ照射領域の断面は、半径ｒが１０μｍの円形状であり、中心部には高屈折率領域４が形成され、外縁部には高屈折率領域３が形成される。高屈折率領域３の幅ｌは約２μｍである。このようなレーザ照射により、断面の直径が２μｍの光導波路５を形成する。この半径ｒおよび高屈折領域３の幅ｌは対象物の材質とレーザ照射条件によって調整することができる。
【００２６】
レーザ光８（図２参照）の照射は、光導波路５形成領域の中心からレーザ照射方向と直交する方向に所定の距離ｓが９μｍ離れた位置にレーザ照射領域の中心がくるように行う。この時、光導波路５形成領域の中心を支点としてレーザ照射領域の中心を回転させる。それと同時に、レーザ光８（図２参照）の焦点距離をレーザ照射方向と平行な向きに移動させる。レーザ光８（図２参照）の照射は、レーザ照射領域の中心の回転と焦点距離の移動を行いながら連続的に行っても良いし、レーザ照射領域の中心の回転を所定の角度、焦点距離の移動を所定の距離行う毎に、断続的にレーザ光８（図２参照）の照射を行っても良い。連続的にレーザ照射を行う際には、例えば、レーザの周波数を２５０ｋＨｚとしレーザ回転速度を５０μｍ／秒とし、螺旋の送り量を１０μｍ／秒とする。この条件では照射領域の回転角度が約０．００１３°毎にレーザ照射を行うような加工となる。このようにレーザ光８（図２参照）を照射することにより、光導波路５を中心にレーザ照射による焦点位置を螺旋状に移動させながらレーザ照射を行うことができる。レーザ照射領域の中心、あるいはレーザ光８（図２参照）の焦点位置の軌跡１０は、図４に示すように、光導波路５を中心とする螺旋形状を示すこととなる。この所定の距離ｓはレーザ照射領域の半径ｒと形成する光導波路５の径によって決定され、任意の導波路径を形成することができ、容易に違径導波路の接続をすることができる。また、レーザ周波数および送り速度を変更することで重なり量を変更することができ、重なり量ｗを大きくすることで形成される導波路を滑らかにすることができ、重なり量ｗを小さくすることで加工効率を向上させることができる。回路内直線部は従来の直線導波路を形成し、伝搬損失が大きくなる曲線部のみ螺旋導波路を使用する等の利用が考えられる。
【００２７】
また、図５に示すように、レーザ照射による焦点位置を螺旋状に変位させるために、載置台７をレーザ照射方向と直交するＹ，Ｚ方向に移動させて対象物２に対するレーザ照射位置を調整すると共に、レンズ９をＸ方向に移動させて焦点距離を調整する。これにより、レーザ照射による焦点位置を光導波路５を中心に螺旋状に移動させることができる。また、レンズ９を移動させず、載置台７をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させて焦点位置を螺旋状に移動させても良い。さらにレンズだけをＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させてもよい。図では直線の説明であるが、制御方向を組み合わせることで任意の曲線を描くことができる。またレーザの照射方向は横からの照射に限られるものではなく、上方から行ってもよい。
【００２８】
Ｙ、Ｚ方向をレーザ照射の傾きにより行い、Ｘ方向をレンズ又は載置台７を移動させることで行う。効果としてレーザの傾き調整はミラーの傾きを利用して行うので、直線移動による駆動機構よりも安定し、動作速度を高速化することができる。
なお、レーザ光８は、前述のようにパルス幅が１０ｐｓ以下のものを用い、フェムト秒レーザを用いることが好ましい。
（実施の形態２）
図６は実施の形態２における焦点距離およびレーザ照射位置を調整する方法を説明する図である。
【００２９】
実施の形態２は螺旋の円周方向の移動と進行方向の移動を別駆動とするものである。レンズ１１は円周方向の移動を行い、対象物２は焦点位置の移動を行うことで螺旋を描画する。この際レンズ１１は対象物２へ対向したまま円周方向の移動を行う。このため、対象物２の移動方向に垂直になるように三次元的に回転することになり、対象物２は描画したい光導波路５の方向にのみ移動させることができる。こうした構成にすることによって、対象物２の移動を極力簡素化させることで固定が容易となると同時に、レンズ１１および対象物２の移動制御を容易にすることができる。駆動機構としてレンズ１１、対象物双方にＸ，Ｙ，Ｚ駆動がついていることで可能となる。
その他の方法は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００３０】
このように、レンズ１１と対象物２の駆動を分けた構成で光導波路５を中心に螺旋状にレーザ照射を行うことにより、実施の形態１と同様に、光導波路５の伝送効率の向上を図ることができる。また、容易に曲線状の光導波路を形成することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１    フェムト秒レーザ
２    対象物
３    高屈折率領域
４    高屈折率領域
５    光導波路
６    レーザ照射器
７    載置台
８    レーザ光
９    レンズ
１０    軌跡
１１    レンズ
１２    軌跡
１３    レンズ
１４    光導波路
１５    フェムト秒レーザ
【図１】
2013195472.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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