(57)【要約】  一実施形態に係る光デバイスの製造方法は、Ｇｅを含むガラス部材に水素を注入する水素注入工程と、水素が注入されたガラス部材の内部にフェムト秒レーザからのレーザ光を集光させるレーザ照射工程であって、該レーザ光は、ガラス部材に対して光誘起による屈折率変化を起こさせるエネルギー量を有すると共に１０ｋＨｚ以上の繰返し周波数を有するレーザ照射工程と、ガラス部材に対してレーザ光の集光点位置を相対的に移動させる集光点移動工程と、を備え、レーザ照射工程および集光点移動工程を繰り返すことにより、ガラス部材の内部に連続した屈折率変化領域を形成する。
2019138821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇｅを含むガラス部材に水素を注入する水素注入工程と、
水素が注入された前記ガラス部材の内部にフェムト秒レーザからのレーザ光を集光させるレーザ照射工程であって、前記レーザ光は、前記ガラス部材に対して光誘起による屈折率変化を起こさせるエネルギー量を有すると共に１０ｋＨｚ以上の繰返し周波数を有するレーザ照射工程と、
前記ガラス部材に対して前記レーザ光の集光点位置を相対的に移動させる集光点移動工程と、を備え、
前記レーザ照射工程および前記集光点移動工程を繰り返すことにより、前記ガラス部材の内部に連続した屈折率変化領域を形成することを特徴とする光デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記ガラス部材がＢを含むことを特徴とする請求項１に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記レーザ光の波長は、４００ｎｍから５４０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記レーザ光の波長は、８００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記水素注入工程において、前記ガラス部材は、１０気圧以上の水素雰囲気中に導入されることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の光デバイスの製造方法により製造された光デバイスであって、
前記ガラス部材は、石英系ガラス、リン酸塩系ガラス、ハロゲン化物ガラス、および硫化物ガラスの何れかであることを特徴とする光デバイス。
【請求項７】
請求項１〜５の何れか一項に記載の光デバイスの製造方法により製造された光デバイスであって、
前記連続した屈折率変化領域の屈折率変化は０．０２よりも大きいことを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光デバイスおよび光デバイスの製造方法に関するものである。
本願は、２０１８年１月１１日に出願された日本特許出願第２０１８−００２６５６号による優先権を主張するものであり、その内容に依拠すると共に、その全体を参照して本明細書に組み込む。
【背景技術】
【０００２】
光ネットワーク通信などの技術分野では、クラウドサービスの拡大に伴って、データセンターの大規模化や通信データの大容量化が急激な勢いで進められている。その一例として、例えば、シリコンフォトニクスを利用した光ＩＣ化や、高密度光配線としてのマルチコア光ファイバ（Multi-Core optical Fiber：以下、「ＭＣＦ」と記す）の適用が検討されている。ＭＣＦは、高パワーの光が光ファイバに入射されることで生じるファイバ・フューズ（Fiber Fuse）現象による許容限界を空間分割多重方式により回避する手段となり得るため、次世代の大容量化光ファイバとして注目されている。しかしながら、ＭＣＦ等の光部品の採用には、隣接するＭＣＦ間の接続、あるいはＭＣＦのコアそれぞれから複数のシングルコアファイバへ分岐接続する技術が不可欠である。このような光学部品間の接続を可能にする部品として、例えば、低背カプラ、グレーティングカプラ等が利用可能であるが、中でも、レーザ描画によりガラス内部へ光導波路を形成する三次元光導波路デバイスの製造は、生産性や設計の自由度の観点から注目されている。【０００３】
これまでに報告されているレーザ描画による三次元光導波路デバイスは、ガラス材質や添加物、添加量、Ｔｉ：Ｓによるフェムト秒レーザ（〜８００ｎｍ）の照射条件について検討されている。例えば、非特許文献１によれば、ＴｉＯ２を含有するリン酸塩系ガラスにレーザ光を照射することで、ガラス内部における屈折率変化（母材とレーザ照射領域との屈折率差）Δｎを０．０１５程度まで形成することに成功している（三次元光導波路デバイスの製造）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３１１２３７号公報
【特許文献２】特開平１０−２８８７９９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】外池正清“ＮＥＤＯプロジェクト「三次元光デバイス高効率製造技術」の終了報告”, NEW GLASS Vol.26, No.3, 2011, pp.33-44
【非特許文献２】D.L.Williams, et al., “ENHANCED UV PHOTOSENSITIVITY IN BORON CODOPED GERMANOSILICATE FIBERS”, ELECTRONICS LETTERS, 7th January, 1993, Vol. 29, No. 1, pp.45-47
【非特許文献３】B.I.Greene, et al., Photoselective Reaction of H2 with Germanosilicate Glass”, LEOS'94 (1994), Vol.2, PD-1.2, pp.125-126
【非特許文献４】Junji Nishii, et al., “Ultraviolet-radiation-induced chemical reactions through one- and two-photon absorption process in GeO2-SiO2 glasses”, OPTICS LETTERS, Vol.20, No.10, May 15, 1995, pp.1184-1186
【発明の概要】
【０００６】
本開示の光デバイスの製造方法は、水素注入工程と、レーザ照射工程と、集光点移動工程とを、少なくとも備え、レーザ照射工程および集光点移動工程を繰り返すことにより、レーザ照射対象であるガラス部材の内部に連続した屈折率変化領域を形成する。具体的に、水素注入工程では、Ｇｅを含むガラス部材に水素が注入される。レーザ照射工程では、水素が注入されたガラス部材の内部にフェムト秒レーザからのレーザ光が集光される。なお、フェムト秒レーザからのレーザ光は、ガラス部材に対して光誘起による屈折率変化を起こさせるエネルギー量を有すると共に１０ｋＨｚ以上の繰返し周波数を有する。集光点移動工程では、ガラス部材の設置位置および／またはレーザ光の集光点位置を連続的または断続的に変更することにより、ガラス部材の内部におけるレーザ光の集光点が移動する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示における実施形態に係る光デバイスの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図１に示した光デバイスの製造方法を実施するための製造装置の構成を示す図である。
【図３】ガラス部材を構成する主な異なる材料（ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３）それぞれについて、入射光波長に対する透過率変化の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［本開示が解決しようとする課題］
発明者らは、従来の光導波路デバイスの製造方法について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、上記非特許文献１で開示された方法によっても最大の屈折率変化は、Δｎ＝０．０１５程度であり、光閉じ込めは弱い。必然的に、ガラス内に形成される光導波路の曲率半径が大きくなるため、得られる三次元光導波路デバイスなどの光デバイスのサイズを大きくする必要があった（光デバイスの大型化）。また、上記非特許文献１で開示された方法では、所望の屈折率増加量を得る為に必要なガラス材料へのフェムト秒レーザ光の照射時間を長くする必要があり、フェムト秒レーザ光の走査速度を高速化させるのが困難で製造時間が長くなってしまうため、製造コストが高くなる問題があった。
【０００９】
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、ガラス内部への高屈折率領域の形成を可能にするとともに、三次元光導波路デバイスなどの光デバイスのサイズ縮小を可能にするための、および製造コストを抑制できる光デバイスの製造方法、および該製造方法により得られる光デバイスを提供することを目的としている。
［本開示の効果］
【００１０】
本開示によれば、ガラス内部への高屈折率領域の形成が可能になるとともに、三次元光導波路デバイスなどの光デバイスのサイズ縮小が可能になる。
【００１１】
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。
【００１２】
（１）本開示の光デバイスの製造方法は、その一態様として、水素注入工程と、レーザ照射工程と、集光点移動工程とを、少なくとも備え、レーザ照射工程および集光点移動工程を繰り返すことにより、レーザ照射対象であるガラス部材の内部に連続した屈折率変化領域を形成する。具体的に、水素注入工程では、Ｇｅを含むガラス部材に水素が注入される。水素が注入されるガラス部材は、Ｇｅ以外のドーパントを含まないガラスまたはＢおよびＧｅが共添加されたガラスであるのが好ましい。レーザ照射工程では、水素が注入されたガラス部材の内部にフェムト秒レーザからのレーザ光が集光される。なお、フェムト秒レーザからのレーザ光は、ガラス部材に対して光誘起による屈折率変化を起こさせるエネルギー量を有すると共に１０ｋＨｚ以上の繰返し周波数を有する。集光点移動工程では、ガラス部材の設置位置および／またはレーザ光の集光点位置を連続的または断続的に変更することにより、ガラス部材の内部におけるレーザ光の集光点が移動する。
【００１３】
なお、本明細書において、「光誘起による屈折率変化」とは、レーザ光などの光照射によりガラス内部で誘起される屈折率変化を意味する。また、「屈折率変化」は、光照射領域以外の屈折率を基準とした、屈折率変化が生じた光照射領域内における最大屈折率差Δｎで規定される。光照射によりガラス内で誘起される屈折率変化Δｎは、ガラス内部に残留する圧力（圧縮応力および／または引張応力）に起因した屈折率変化Δｎｐ（以下、「圧力由来の屈折率変化」と記す）と、ガラス内部で生じる添加材料の結合欠陥やガラス内部における組成変動に起因した屈折率変化Δｎｄ（以下、「構造由来の屈折率変化」と記す）との組み合わせである。
【００１４】
圧力由来の屈折率変化Δｎｐは、例えば、上記非特許文献１に記載されたような、レーザ照射によるガラス内部における特定部位の高密度領域化により形成され、最大値は０．０１５程度である。また、構造由来の屈折率変化Δｎｄは、例えば上記非特許文献２〜４に記載されたような、ファイバグレーティングの製造等で利用されている屈折率増加メカニズムにより形成される。
【００１５】
上記特許文献１および特許文献２では、感光性材料Ｇｅを添加した石英ガラスにフェムト秒レーザを照射して、高い屈折率変化Δｎ（＝Δｎｐ＋Δｎｄ）を形成しているが、それでも０．０２程度と不十分である。屈折率変化Δｎを更に増大させるためには、照射前にＨ２の注入が必要となる。
【００１６】
このようにＨ２を注入された、Ｇｅを含むガラス部材に対してフェムト秒レーザからのレーザ光を照射することで、レーザ光照射領域（光誘起領域）の屈折率変化Δｎが増大させられ、該屈折率変化Δｎの形成速度が速められる。換言すれば、レーザ光照射領域では圧力由来の屈折率変化Δｎｐと構造由来の屈折率変化Δｎｄの双方が生じるが、その際、Ｈ２の注入により構造由来の屈折率変化Δｎｄの更なる増大が可能となり、より大きな屈折率変化Δｎが形成される（光閉じ込め効率の向上）。その結果、ガラス部材内に形成される屈折率変化領域（光導波路領域）での曲率半径をより小さく設計できることから、得られる光デバイスの小型化が可能になる。また、適切な添加材料の選択により製造時間の短縮も可能になる。
【００１７】
（２）本実施形態の一態様として、ガラス部材は元素Ｂを含んでもよい。また、本実施形態の一態様として、屈折率変化領域の屈折率変化は、０．０２よりも大きいのが好ましい。本実施形態の一態様として、フェムト秒レーザからのレーザ光の波長は、４００ｎｍから５４０ｎｍの範囲、または、８００ｎｍ以下であるのが好ましい。この場合、フェムト秒レーザからのレーザ光が照射されたガラス部材内部の同一位置において、圧力由来の屈折率変化Δｎｐと構造由来の屈折率変化Δｎｄの双方を生じさせることが可能になる。
【００１８】
（３）本実施形態の一態様として、水素注入工程において、ガラス部材は、１０気圧以上の水素雰囲気中に導入されるのが好ましい。
【００１９】
（４）本開示の光デバイスは、上述の態様の何れか、またはそれらの組み合わせにより製造される。特に、当該光デバイスの一態様として、ガラス部材は、石英系ガラス、リン酸塩系ガラス、ハロゲン化物ガラス、および硫化物ガラスの何れかであるのが好ましい。
【００２０】
以上、この[本開示の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。
【００２１】
[本開示の実施形態の詳細]
本開示の光デバイスおよびその製造方法の具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、これら例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、また、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２２】
図１は、本開示における実施形態に係る光デバイスの製造方法を説明するためのフローチャートである。また、図２は、図１に示した光デバイスの製造方法を実施するための製造装置の構成を示す図である。
【００２３】
図２に示された製造装置は、フェムト秒レーザ２０と、該フェムト秒レーザ２０を駆動させるためのレーザ駆動部２５と、集光光学系（集光レンズ）３０と、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ４０と、該Ｘ−Ｙ−Ｚステージ４０を駆動させるためのステージ駆動部４５と、これら各部の動作を制御するための制御部５０と、を備える。
【００２４】
レーザ駆動部２５は、制御部５０からの指示に従って、フェムト秒レーザ２０から出力されるパルスレーザ光（以下、「フェムト秒レーザ光」と記す）のパワーおよび繰り返し周波数を制御する。これにより、フェムト秒レーザ２０からは、数百フェムト秒以下のパルス幅を有するフェムト秒レーザ光が出力可能である。特に、パルス幅が数百フェムト秒以下に設定されたフェムト秒レーザ光は、そのピークパワーを１０５Ｗ以上にすることができるため有効である。また、出力されるフェムト秒レーザ光の繰り返し周波数は、ガラス材料の内部に形成される光導波路の屈折率および構造を滑らかにする為には１０ｋＨｚ以上であるのが好ましい。Ｘ−Ｙ−Ｚステージ４０のデバイス搭載面上には、光デバイスとなるべきガラス部材１０が置かれる。ガラス部材１０は、レーザ光照射により圧力由来の屈折率変化Δｎｐと構造由来の屈折率変化Δｎｄの双方を生じさせるため、Ｇｅを含む。より具体的には、Ｇｅ以外のドーパントを含まないガラス、ＢおよびＧｅが共添加されたガラスからなる。また、これらのガラスは、石英系ガラス、リン酸塩系ガラス、ハロゲン化物ガラス、および硫化物ガラスである。ガラス部材には、あらかじめＨ２が注入されている。フェムト秒レーザ２０から出力されたフェムト秒レーザ光は、集光光学系３０により、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ４０上に設置されたガラス部材１０の内部（集光点位置３５）に集光される。これにより、ガラス部材１０の内部に屈折率変化領域１５（光導波路）が形成される。
【００２５】
ステージ駆動部４５は、制御部５０からの指示に従って、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ４０のデバイス搭載面が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向それぞれに沿って移動するよう、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ４０を駆動させる。この構成により、ガラス部材１０に対してフェムト秒レーザ光の集光点位置３５が相対的に移動することになる。制御部５０は、上述のようにレーザ駆動部２５およびステージ駆動部４５の各動作を制御することにより、ガラス部材１０の内部に任意パターン（Ｚ軸の深さ方向情報を加味したＸ−Ｙ平面上に投影された光導波路の形状に一致）の屈折率変化領域１５を作り込む（光デバイスとしての光導波路デバイスの製造）。
【００２６】
次に、上述のような構成を有する製造装置を利用して光デバイス（本実施形態に係る光デバイス）を製造する、本実施形態に係る光デバイスの製造方法を図１のフローチャートに沿って説明する。なお、以下の説明では、一例として、任意パターンの光導波路（屈折率変化領域）が作りこまれた三次元光導波路デバイス（光デバイス）を製造する場合について説明する。
【００２７】
本実施形態に係る光デバイスの製造方法は、準備工程と、光導波路製造工程により、構成されている。まず、準備工程では、三次元光導波路デバイスとなるべきガラス部材１０（例えば平行平板ガラス）が用意され、一旦、チャンバー内に設置される。ガラス部材１０が設置された状態で、チャンバー内には１００％水素ガスが導入され、当該チャンバー内の気圧が１０気圧以上に維持される。水素注入期間は、1日以上、4週間以内である。これにより、ガラス部材１０に水素が注入される（ステップＳＴ１０）。なお、ステップＳＴ１０の水素注入工程直後に光導波路製造工程が行われない場合は、ガラス部材１０から抜け出る水素量を抑制するため、該水素が注入されたガラス部材１０が−１０℃以下で低温保管される（ステップＳＴ１５）。なお、ステップＳＴ１５（低温保管工程）は、図１中の点Ａ〜点Ｂで示された期間に実施される。
【００２８】
光導波路製造工程では、水素が注入されたガラス部材１０の内部に任意パターンの光導波路（屈折率変化領域１５）が作りこまれる。具体的に、水素が注入されたガラス部材１０は、ステップＳＴ１０の完了後、直ちにＸ−Ｙ−Ｚステージ４０のデバイス搭載面上に設置され、フェムト秒レーザ光が照射される（ステップＳＴ２０）。制御部５０は、フェムト秒レーザ２０から、ガラス部材１０の内部において光誘起による屈折率変化を起こさせるエネルギー量を有するとともに１０ｋＨｚ以上の繰返し周波数を有するフェムト秒レーザ光が出力されるよう、レーザ駆動部２５を制御する。フェムト秒レーザ２０から出力されたフェムト秒レーザ光は、集光光学系３０により、ガラス部材１０の内部に集光され、このフェムト秒レーザ光の集光点位置３５の近傍（集光領域）において光誘起による屈折率変化が形成される。ガラス部材１０における所定部位のレーザ照射が完了すると、制御部５０は、ステージ駆動部４５を制御し、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ４０のデバイス搭載面上に設置されたガラス部材１０の位置を移動させる（ステップＳＴ３０）。このように、集光点移動工程（ステップＳＴ３０）では、ガラス部材１０の設置位置および／またはフェムト秒レーザ光の集光点位置３５を連続的または断続的に変更することにより、ガラス部材１０の内部におけるフェムト秒レーザ光の集光点位置３５が移動する。
【００２９】
なお、上記ステップＳＴ２０のレーザ照射工程およびステップＳＴ３０の集光点移動工程、すなわち、制御部５０によるレーザ駆動部２５およびステージ駆動部４５の動作制御は、ガラス部材１０の内部に予め設計された光導波路パターンが形成されるまで、図１中の点Ｃで示された時点に戻って、照射条件を変更しながら、または同条件で繰り返し行われる（ステップＳＴ４０）。ガラス部材１０への光導波路（屈折率変化領域１５）の作り込みが完了すると（ステップＳＴ４０）、長期間、Δｎが変化しないように、エージング処理や、残留水素を除去するため、ガラス部材１０はアニールされる（ステップＳＴ５０）。以上の工程（ステップＳＴ１０〜ＳＴ５０、または、ステップＳＴ１５を含むステップＳＴ１０〜ステップＳＴ５０）を経て、三次元光導波路デバイスが得られる。
【００３０】
次に、三次元光導波路デバイスを製造するための上記レーザ照射工程（ステップＳＴ２０）について、詳細に説明する。
【００３１】
まず、製造されるべき三次元光導波路デバイスは、ベース材料となるガラス部材にレーザ光を集光させる必要がある。すなわち、レーザ光の集光領域において屈折率を増大させながらガラス部材に対する集光領域（集光点位置３５を含む）の相対位置を移動させることで（レーザ集光領域のスキャン）、ガラス部材内において任意パターンの屈折率変化領域が形成される。このような任意パターンの屈折率変化領域を形成するため、照射系にはレーザ光源および集光光学系が必要となるとともに、集光光学系と連動して動作する稼動ステージが必要となる。図２の例では、レーザ光源としてのフェムト秒レーザ２０およびレーザ駆動部２５、集光光学系３０としての集光レンズ、および、稼動ステージとしてのＸ−Ｙ−Ｚステージ４０およびステージ駆動部４５が設けられている。制御部５０は、これら各部の動作を制御する。
【００３２】
ガラス部材にレーザを集光させることにより該ガラス部材の内部において屈折率を増大させるメカニズムは、以下の２つに分類される。
【００３３】
第１のメカニズムは、Ｔｉ：Ｓレーザ（波長８００ｎｍ以下のフェムト秒レーザ）による屈折率増大メカニズムである。このＴｉ：Ｓレーザによる屈折率増大メカニズムによれば、レーザが集光されたガラス部材の内部に高圧プラズマが発生する。ガラス部材のレーザ集光領域では、高圧プラズマの衝撃により動的圧縮から外側に圧力波が発生・伝搬することで、レーザ集光領域においてガラスの粗密化が生じる。更にレーザ照射後には、弾性拘束によりレーザ集光領域の中心部に圧縮応力が発生することで、ガラス部材の内部に高密度ガラス領域が形成される。このとき、高密度ガラス領域における屈折率変化Δｎは、０．０１５程度となる（上記非特許文献１参照）。この第１のメカニズムにより生じる屈折率変化が、圧力由来の屈折率変化Δｎｐに相当する。
【００３４】
なお、使用されるレーザ波長は、上述のように８００ｎｍ程度でもよいし、４００ｎｍから５４０ｎｍでもよい。８００ｎｍ以下の波長範囲には、安定したレーザ光を出力するレーザ（たとえば、Ｔｉ：Ｓレーザ）が存在する。波長４００ｎｍから５４０ｎｍに有効性については、後述する。ただし、上記の高圧プラズマを起点として屈折率変化を生じさせる第１のメカニズム（高圧プラズマによるΔｎ生成法）では、更なる屈折率変化Δｎの増大は難しい。そこで、本実施形態は、ファイバグレーティングに用いられているΔｎ生成法（第２のメカニズム）を導入する。
【００３５】
第２のメカニズムでは、ＧｅＯ２などが添加されたガラス部材を水素の高圧雰囲気中に導入することで、該ガラス部材内に水素が注入される。その後、水素が注入されたガラス部材に対して２５０ｎｍ程度のＵＶレーザが照射される。２５０ｎｍ程度のＵＶレーザが使用される理由は、ＧｅＯ２などの添加材料の結合手を切断させるとともに（添加材料の結合欠陥）、Ｈ２、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｏの組成変動によるガラスの高密度変化を誘発させるためである（上記非特許文献３および上記非特許文献４参照）。また、元素Ｂの効果により屈折率変化Δｎの形成速度が早められ、生じた屈折率変化Δｎは０．０１程度となる（上記非特許文献２および非特許文献４参照）。この第２のメカニズムによる生じる屈折率変化が、構造由来の屈折率変化Δｎｄに相当する。
【００３６】
本実施形態は、ガラス部材の内部に圧力由来の屈折率変化Δｎｐを生じさせる第１のメカニズムと、ガラス部材の内部に構造由来の屈折率変化Δｎｄを生じさせる第２のメカニズムとを組み合わせることで、最大で０．０２よりも大きい屈折率変化（光誘起による屈折率変化）Δｎが期待される。このように、本実施形態によれば、従来技術よりも大きな屈折率変化をガラス部材の内部に生じさせることが可能になるため、すなわち、ガラス部材の内部に形成された高屈折率領域（光導波路）の光閉じ込め効率が向上するため、三次元光導波路デバイスなどの光デバイスのサイズ縮小化が可能になる。また、製造速度の向上も可能になる。
【００３７】
（レーザ光の波長）
本実施形態に係る光デバイスとして製造されるべき、例えば上述のような三次元光導波路デバイスに適用されるガラス部材は、ガラス全体に添加物を均一に含んでいる必要がある。そのため、たとえばファイバグレーティングのように、屈折率を増大させたい領域（コア）のみにＧｅＯ２などの添加物を添加することはできない。全体にＧｅＯ２などが添加されたガラス部材に対してＵＶ光が照射された場合、所望の位置に集光できる照射光学系が構築されたとしても、ガラス部材の内部にＵＶ光が入射した直後から吸収が始まり、ＵＶ光の集光領域に必要なエネルギーを集中させることができない。仮に、ＵＶ光の集光領域に必要なエネルギーを集中させることができたとしても、ガラス部材の入射面からＵＶ光の集光領域までの領域全体に亘って屈折率が増大してしまうことになり、所望の光導波路をガラス部材の内部に作り込むことは困難になる。
【００３８】
そこで、本実施形態は、上記ＵＶ光に替えて、波長２５０ｎｍ程度のエネルギー相当となる２光子吸収を活用する。すなわち、本実施形態は、波長５００ｎｍ程度の高ピークパワーのレーザ光をガラス部材に入射させることで、該ガラス部材のレーザ集光領域における光子密度を増大させる。このように２光子吸収の確率が増大すれば、波長２５０ｎｍ程度のエネルギーで添加材料（ＧｅＯ２など）の結合手が切断され、組成変動を誘発させることが可能になる。ここで、レーザ集光領域における光子密度を高めるためにも、集光レンズの焦点距離は、１００ｍｍ以下であるのが好ましい。また、集光レンズには、短パルスレーザによる多波長成分による色収差を抑制することができるアクロマティックレンズが有効となる。照射光の波長８００ｎｍ以上においては、３光子吸収、あるいはそれ以上の多光子吸収を効率的に発生させる必要があるため、集光レンズはｆ＝１００ｍｍ以下が好適である。
【００３９】
更には、添加材料（ＧｅＯ２など）の吸収を避ける波長と、該添加材料の結合手を切断するエネルギーの観点から、有効なレーザ波長範囲が存在する。図３は、ガラス部材を構成する主な異なる材料（ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３）それぞれについて、入射光波長に対する透過率変化の測定結果を示すグラフである。なお、図３において、Ａ’ラインとＢ’ラインで挟まれた波長範囲Ｒ１は、２光子吸収に相当する波長範囲を示し、ＡラインとＢラインで挟まれた波長範囲Ｒ２は、入射波長範囲を示す。
【００４０】
例えば、ＧｅＯ２のバンドギャップ端は、Ｂ２Ｏ３のバンドギャップに比べて長波長側にあり、４００ｎｍ程度まで光吸収がある。よって、入射波長範囲Ｒ２の短波長端は、材料による光吸収が発生しないＡラインの４００ｎｍ以上が好ましい。波長４００ｎｍは、材料にとっては透明であるため、ガラス部材に入射されるレーザ光は該ガラス部材内の所定位置に集光させられる。波長４００ｎｍの２光子吸収のエネルギーは、２００ｎｍ程度に相当するため、Ｂ２Ｏ３とＧｅＯ２の双方の結合手を切断させることができる。結果、波長４００ｎｍ以上のレーザ光は、ガラス部材内における組成変動の誘発に有効であることが分かる。一方、入射波長範囲Ｒ２の長波長側限界（上限）の条件としては、添加材料全ての結合手を切断することができるエネルギーが必要となることである。この場合、２光子吸収によって得られるエネルギーの波長はＢ２Ｏ３の吸収が始まる２７０ｎｍ以下（波長範囲Ｒ１の長波長側限界）であることから、入射波長範囲Ｒ２の長波長側限界（上限）は５４０ｎｍ以下である必要がある。
【００４１】
以上のことから、Ｂ２Ｏ３とＧｅＯ２の添加材料においては、ガラス部材に入射されるレーザ光の波長（入射波長）は、４００ｎｍから５４０ｎｍの範囲が特に有効である。加えて、レーザ光波長を４００ｎｍから５４０ｎｍに設定することは、圧力由来の屈折率変化Δｎｐと構造由来の屈折率変化Δｎｄの双方が生じる箇所を一致させることができるため、本実施形態のように光デバイスとして三次元光導波路デバイスなどを製造する上で極めて有効となる。
【００４２】
なお、異なる波長のレーザ光を利用しようとすると、通常は、波長４５０ｎｍと波長２２５ｎｍの２種類のレーザ光が集光レンズにより集光されることになる。集光レンズとしてアクロマティックレンズが適用された場合においては、色収差を完全に消去することは困難である（各波長のレーザ光の集光点は異なる）。すなわち、圧力の屈折率変化Δｎｐと構造由来の屈折率変化Δｎｄそれぞれは、ガラス部材内の異なる領域で生じるため、高精度な光導波路（ガラス部材内に形成される高屈折率領域）を設計することは困難である。
【００４３】
また、上述のような波長選択によるレーザ光照射以外には、Ｔｉ：Ｓレーザからの波長８００ｎｍ程度のレーザ光を利用して、プラズマ誘起による圧力由来の屈折率変化Δｎｐと、２光子吸収よりも多い多光子吸収による構造由来の屈折率変化Δｎｄの双方を生じさせることも有効である。
【００４４】
その他、レーザ光源に要求される条件としては、パルス幅は１ピコ秒よりも狭く、高ピークパワーを有している固体レーザやガスレーザ、ファイバレーザ等の基本波長、あるいは、波長変換波長が有効である。特に、数百フェムト秒以下のパルス幅は、ピークパワーを１０５Ｗ以上にすることができるため、有効である。またレーザ光源から出力されるパルスレーザ光の繰り返し周波数は、製造時間の短縮のため、１０ｋＨｚ以上が望ましい。
【符号の説明】
【００４５】
１０…ガラス部材、１５…屈折率変化領域（光導波路）、２０…フェムト秒レーザ、２５…レーザ駆動部、３０…集光光学系（集光レンズ）、４０…Ｘ−Ｙ―Ｚステージ、４５…ステージ駆動部、５０…制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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