(57)【要約】  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、を備え、レーザ照射工程および集光点移動工程を交互に繰り返す、若しくは並行して実施することにより、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。水素注入工程では、Ｐ２Ｏ５を主成分とするガラス部材に水素を注入する。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、１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有するフェムト秒レーザ光を集光照射して、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。集光点移動工程では、ガラス部材に対してフェムト秒レーザ光の集光点位置を相対的に移動させる。
2019239969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ２Ｏ５を主成分とする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、１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有するフェムト秒レーザ光を集光照射して、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レーザ照射工程と、
前記ガラス部材に対して前記フェムト秒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交互に繰り返す、若しくは並行して実施することにより、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、光デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記ガラス部材は、Ｇｅ及びＢの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記ガラス部材は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの１つ以上を含む、請求項１又は２に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記ガラス部材は、Ｇｅ及びＢの双方を含み、
前記フェムト秒レーザ光の波長は、４２０ｎｍから５３０ｎｍの範囲である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記水素注入工程は、前記ガラス部材を１０６Ｐａ以上の水素雰囲気中に保持する工程を含む、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光デバイスの製造方法に関する。本出願は、２０１８年６月１２日出願の日本出願第２０１８−１１１７７７号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用する。
【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（Low profile coupler）、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、添加材料、添加量、チタンサファイア（Ｔｉ：Ｓ）レーザ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、特許文献１には、ＳｉＯ２成分を含有せずＰ２Ｏ５成分を含んだガラスにフェムト秒レーザを照射することによって、屈折率変化が誘発された領域（屈折率変調領域）を空間的に分布させる方法が開示されている。この方法では、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属等をガラスに添加することによって、ガラスの融点を低下させ、成形加工しやすくしている。また、Ｓｉを除く１４族、Ｔｉ、Ｚｒの酸化物をガラスに添加することにより、化学的耐久性を高めている。さらに、特許文献１には、高い屈折率変化に寄与するＢ２Ｏ３、ＧｅＯ２等をガラスに添加することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開特開２０１０−７０３９９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】石川真二“紫外線書込型長周期ファイバグレーティングの熱緩和特性解析”, 信学技法, 11, 1999, pp.19-24
【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】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５】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】
本開示に係る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、を備え、レーザ照射工程および集光点移動工程を交互に繰り返す、若しくは並行して実施することにより、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。水素注入工程では、Ｐ２Ｏ５を主成分とするガラス部材に水素を注入する。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、１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有するフェムト秒レーザ光を集光照射して、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。集光点移動工程では、ガラス部材に対してフェムト秒レーザ光の集光点位置を相対的に移動させる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示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】本開示に係る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（Ｐ２Ｏ５、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、上記特許文献１に開示された方法において、フェムト秒レーザの照射によって生じる屈折率変調領域では、構造が不安定であり、屈折率の経時変化が大きい。また、フェムト秒レーザの照射領域と非照射領域との屈折率の差が小さいことから、光閉じ込めが弱く、その結果として、デバイスサイズの小型化が困難であった。
【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、ガラス内部への安定した高屈折率領域の形成を行い、フェムト秒レーザの照射領域と非照射領域との屈折率の差を大きくするための光デバイスの製造方法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、ガラス内部への安定した高屈折率領域の形成を行い、フェムト秒レーザの照射領域と非照射領域との屈折率の差を大きくするための光デバイスの製造方法を提供することができる。
【００１１】
[本開示の実施形態の説明]
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。一実施形態に係る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、を備え、レーザ照射工程および集光点移動工程を交互に繰り返す、若しくは並行して実施することにより、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。水素注入工程では、Ｐ２Ｏ５を主成分とするガラス部材に水素を注入する。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、１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有するフェムト秒レーザ光を集光照射して、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。集光点移動工程では、ガラス部材に対してフェムト秒レーザ光の集光点位置を相対的に移動させる。
【００１２】
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。
【００１３】
圧力由来の屈折率変化Δｎｐは、例えば、上記非特許文献４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る（０．０１５程度）。また、構造由来の屈折率変化Δｎｄは、例えば上記非特許文献２，３，５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。
【００１４】
上記特許文献１では、感光性材料の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２％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。
【００１５】
本実施形態の一態様では、Ｈ２を注入された、Ｐ２Ｏ５を主成分とするガラス部材に対してフェムト秒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。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。ガラス部材がＰ２Ｏ５を主成分としているため、圧力由来の屈折率変化Δｎｐを高めることができる。また、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）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、構造由来の屈折率変化が生じた場合に、ガラスに注入されたＨ２の効果によって屈折率変化領域の安定性が向上する。すなわち、ガラス内部への安定した高屈折率領域の形成を行うことができる。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。
【００１６】
本実施形態の一態様として、ガラス部材は元素Ｇｅ及び元素Ｂの少なくとも一方を含んでもよい。この場合、屈折率変化領域における屈折率の向上に寄与するとともに、ガラス部材の溶融温度の低下に寄与する。
【００１７】
本実施形態の一態様として、ガラス部材は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの１つ以上を含んでもよい。この場合、ガラス部材の溶融温度の低下に寄与する。
【００１８】
本実施形態の一態様として、ガラス部材は、Ｇｅ及びＢの双方を含み、フェムト秒レーザ光の波長は、４２０ｎｍから５３０ｎｍの範囲であってもよい。この場合、フェムト秒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。
【００１９】
本実施形態の一態様として、水素注入工程は、ガラス部材を１０６Ｐａ以上の水素雰囲気中に保持する工程を含んでもよい。
【００２０】
[本開示の実施形態の詳細]
本開示に係る光デバイス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。
【００２１】
図１は、本開示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、本開示に係る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。
【００２２】
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。
【００２３】
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／ｃｍ２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。
【００２４】
ガラス部材１０を形成する基板材料は、ＳｉＯ２成分を含んでおらず、溶融温度の低いＰ２Ｏ５を主成分とする。「Ｐ２Ｏ５を主成分とする」とは、酸化物基準の質量分率（mass fraction）（すなわち、リンがＰ２Ｏ５の形で含まれていると仮定して、基板材料の質量に対するＰ２Ｏ５の質量の割合）で全体の５１％以上含有されていることを意味する。基板材料のＰ２Ｏ５では、酸化物基準の質量分率で６０％以下の場合にガラス化が容易となる。そのため、Ｐ２Ｏ５の含有量範囲は、酸化物基準の質量分率で約５１％〜９５％であってよく、より好ましくは５１％〜６０％であってよい。
【００２５】
ガラスの形成を行ううえで、材料の溶融温度が低いことは有用である。そこで、溶融温度を低下させる添加材料としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が有効である。アルカリ金属では、例えば、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ等が挙げられる。アルカリ土類金属では、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ等が挙げられる。また、他の有効な添加材料としてはＺｎＯが挙げられる。アルカリ金属、アルカリ土類金属等のうちのいずれか一つ以上がＰ２Ｏ５に添加されると有効である。アルカリ金属であるＬｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ等は、添加量（酸化物基準の質量分率、以下同じ）が３０％以下の場合に化学的耐久性の低下がみられない。そのため、アルカリ金属の添加量範囲は、０〜３０％であってよく、より好ましくは０〜２０％であってよい。アルカリ土類金属であるＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ等は、添加量が３０％以下であればガラスの安定性を低下させないため、アルカリ土類金属の添加量範囲は、０〜３０％であってよく、より好ましくは０〜２０％であってよい。
【００２６】
ガラス部材の化学的耐久性を向上させる添加材料としては、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２などが挙げられる。ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２などは、添加量が４０％以下の場合であれば、ガラス部材を失透させ難く、溶融温度の上昇を引き起こし難い。そのためＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２などの添加量範囲は、０〜４０％であってよく、より好ましくは０〜３０％であってよい。
【００２７】
フェムト秒レーザを照射した際の屈折率増加に寄与する添加材料としては、Ｂ２Ｏ３、ＧｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、希土類酸化物等が挙げられる。特に、Ｂ２Ｏ３及びＧｅＯ２の少なくとも一つ以上の添加が、高屈折率増加に有効である。Ｂ２Ｏ３、ＧｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、希土類酸化物等は、添加量が４０％以下の場合であれば、ガラス部材を失透させ難く、溶融温度の上昇を引き起こし難い。そのため、Ｂ２Ｏ３、ＧｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、希土類酸化物等の添加量範囲は、０〜４０％であってよく、より好ましくは０〜３０％であってよい。高屈折率化に大きく寄与するＢ２Ｏ３及びＧｅＯ２の添加量を高くすることが考えられるが、ガラスの失透性及び化学的耐久性を考慮した場合、Ｂ２Ｏ３及びＧｅＯ２の適切な添加量は、いずれも０〜２０％である。なお、Ｂ２Ｏ３が添加された場合、ガラス部材の溶融温度を下げる効果が有る。
【００２８】
清澄剤に用いられる添加材料としては、Ｓｂ２Ｏ３が挙げられる。Ｓｂ２Ｏ３の添加量は４０％以下であってよい。
【００２９】
ガラス部材には、あらかじめＨ２が注入されている。ガラス部材への水素注入は、屈折率変化後の安定性、および高屈折率の向上に寄与するため、極めて重要な要素となる。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。
【００３０】
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）。
【００３１】
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。
【００３２】
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９９．９％以上の純度の水素ガスが導入され、当該チャンバー内の気圧が１０気圧（ほぼ１０６Ｐａ）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。硝材の厚さが例えば０．５ｍｍ以上の場合は、Ｈ２の拡散速度の兼ね合いにより、必要に応じて４週間以上とする場合もある。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。
【００３３】
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以上の繰り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。なお、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が連続的に変更される場合には、レーザ照射工程（ＳＴ２０）および集光点移動工程（ＳＴ３０）は並行して実施され得る。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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では、ガラス部材の内部におけるレーザが集光された領域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、百分率表示で１．５％程度となる。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。
【００３９】
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、４２０ｎｍから５３０ｎｍでもよい。８００ｎｍ以下の波長範囲には、安定したフェムト秒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。
【００４０】
第２のメカニズムは、ガラス部材に含まれるＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３などの添加材料の結合手をフェムト秒レーザ光によって切断することにより結合欠陥を生じさせ、この結合欠陥により屈折率を変化させるメカニズムである。結合欠陥が生じることにより、組成変動によるガラスの高密度変化を誘発し、レーザ照射領域の屈折率のみが周囲の領域よりも高められる。すなわち、構造由来の屈折率変化である。なお、この第２のメカニズム（構造由来の屈折率変化）は、例えば光ファイバのコアにグレーティング構造を形成する際にも用いられる。
【００４１】
この第２のメカニズムにおいては、添加材料の結合手を切断するために、添加材料の吸収端波長よりも短い波長のレーザ光を用いてもよい。しかしながらその場合、ガラス部材の光入射面と集光領域との間に存在するガラス材料の領域においても、集光領域に向かう（集光前の）レーザ光を添加材料が吸収し、添加材料の結合手が切断される。したがって、集光領域のみに屈折率変化を生じさせることが難しい。そこで、本実施形態では、多光子吸収（主に２光子吸収）によって集光領域においてのみ添加材料の結合手を切断し、屈折率変化を生じさせる。例えば２光子吸収の場合、２光子吸収が生じた領域ではレーザ光の波長の１／２の波長に相当するエネルギーがガラス材料に与えられる。したがって、レーザ光の波長の１／２が添加材料の吸収端波長よりも短く、レーザ光の波長が添加材料の吸収端波長よりも長くなるようにすれば、２光子吸収が生じる領域のみにおいて添加材料の結合手を切断することが可能となる。なお、光強度が高くなる集光領域においてのみ２光子吸収を生じさせ、ガラス部材の光入射面と集光領域との間に存在するガラス材料の領域において２光子吸収を生じさせないためのレーザ光の照射条件の調整は、極めて容易である。
【００４２】
図３は、ガラス部材を構成する材料（Ｐ２Ｏ５、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。図３に示されるように、Ｐ２Ｏ５の透過率は１２５ｎｍから２００ｎｍにかけて次第に上昇しており、Ｂ２Ｏ３の透過率は２００ｎｍから２６５ｎｍにかけて次第に上昇しており、ＧｅＯ２の透過率は３５０ｎｍから４２０ｎｍにかけて次第に上昇している。ガラス部材１０がＧｅＯ２を含む場合、ＧｅＯ２の結合手を切断するためには、４２０ｎｍ以下の波長に相当するエネルギーを２光子吸収により発生させるとよい。したがって、レーザ光の中心波長の上限は８４０ｎｍとなる。また、レーザ光の中心波長を４２０ｎｍより大きくすれば、ガラス部材１０の光入射面と集光領域との間に存在するガラス材料の領域における屈折率変化を抑止できる。したがって、レーザ光の中心波長範囲は４２０ｎｍより大きく８４０ｎｍ以下となる。また、ガラス部材１０がＢ２Ｏ３を含む場合、Ｂ２Ｏ３の結合手を切断するためには２６５ｎｍ以下の波長に相当するエネルギーを２光子吸収により発生させるとよい。したがって、レーザ光の中心波長の上限を５３０ｎｍとするとよい。すなわち、ガラス部材１０がＧｅＯ２及びＢ２Ｏ３の両方を含む場合、レーザ光の中心波長範囲は４２０ｎｍより大きく５３０ｎｍ以下となる。この場合、２光子吸収により発生するエネルギーの範囲は、２００ｎｍより大きく２６５ｎｍ以下の波長範囲に相当する。本実施形態では、一例として、図３にＤ１として示すようにレーザ光の中心波長を約４２０ｎｍとすることによって、Ｄ２として示される２１０ｎｍの波長に相当するエネルギーを２光子吸収により発生させてもよい。なお、ガラス部材１０がＧｅＯ２及びＢ２Ｏ３を含まない場合には、集光前のレーザ光がＧｅＯ２及びＢ２Ｏ３によって吸収されることがない。そのため、フェムト秒レーザ光の中心波長範囲が２００ｎｍより大きく４００ｎｍ以下となるように制御されることによって、Ｐ２Ｏ５の結合手を２光子吸収により切断することができる。
【００４３】
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／ｃｍ２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。
【００４４】
以上説明した光デバイスの製造方法では、Ｈ２を注入された、Ｐ２Ｏ５成分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。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。本実施形態では、ガラス部材がＰ２Ｏ５を主成分としているため、圧力由来の屈折率変化Δｎｐを高めることができる。また、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）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。
【００４５】
また、Ｈ２が注入されたサンプル（水素処理）とＨ２が注入されないサンプル（非水素処理）とを比較した場合、フェムト秒レーザ光の照射によって増大した屈折率増加分の緩和速度は、Ｈ２が注入されていないサンプルの方が速い。すなわち、非水素処理のサンプルの活性化エネルギーは、水素処理のサンプルに比べて小さいため、反応速度の観点から、非水素処理のサンプルに書き込まれた屈折率増加領域は不安定と考えられる。本実施形態では、水素処理が行われていることによって、フェムト秒レーザ光の照射によって切断された結合手が水素で終端されると考えられる。これにより、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３等が添加されたガラス材料の内部に形成された屈折率変化領域を安定化させることが可能となる。このように、構造由来の屈折率変化が生じた場合に、ガラスに注入されたＨ２の効果によって屈折率変化領域の安定性が向上する。すなわち、ガラス内部への安定した高屈折率領域の形成を行うことができる。
【００４６】
また、ガラス部材が元素Ｇｅ及び元素Ｂの少なくとも一方を含んでいる場合、屈折率変化領域における屈折率の向上に寄与するとともに、ガラス部材の溶融温度の低下に寄与する。ガラス部材の溶融温度が低下することによって、ガラス部材を容易に加工することができる。
【００４７】
また、ガラス部材がアルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの１つ以上を含んでいる場合、屈折率変化領域における屈折率の向上に寄与するとともに、ガラス部材の溶融温度の低下に寄与する。ガラス部材の溶融温度が低下することによって、ガラス部材を容易に加工することができる。
【００４８】
また、ガラス部材は、Ｇｅ及びＢの双方を含み、フェムト秒レーザ光の波長は、４２０ｎｍから５３０ｎｍの範囲であってもよい。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とを生じさせることが可能になる。
【００４９】
また、水素注入工程は、ガラス部材を１０６Ｐａ以上の水素雰囲気中に保持する工程を含んでもよい。この場合、ガラス部材１０に対する水素の注入が好適に実施され得る。
【００５０】
本発明による光デバイスの製造方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、ガラス部材に少なくともＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３が添加された例を示したが、ガラス部材に添加される添加材料は例示される他の材料であってもよい。その場合、フェムト秒レーザ光の中心波長は、添加材料の結合手が２光子吸収によって切断され得る波長に設定されてよい。
【００５１】
また、ＳｉＯ２を含まないガラス部材を例示したが、ガラス部材は、例えば４０％未満程度の少量であればＳｉＯ２を含んでもよい。
【符号の説明】
【００５２】
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）、３５…集光点位置、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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