(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。水素注入工程では、Ｂ２Ｏ３を含み、ＧｅＯ２の含有量が酸化物基準の質量分率で１０％未満であ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。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂ２Ｏ３を含み、ＧｅＯ２の含有量が酸化物基準の質量分率で１０％未満であ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、光デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記ガラス部材は、ＳｉＯ２を主成分とし、ＧｅＯ２を含まない、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、質量分率で６０％以上９５％以下のＳｉＯ２を含む、請求項１に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項４】
Ｂ２Ｏ３の質量分率が１０％以上５０％未満である、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つ以上の元素を含む、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。
【請求項６】
前記ガラス部材は、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２のうちの１つ以上の元素を含む、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記フェムト秒レーザ光の波長は、２６５ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の範囲内である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項８】
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７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２０１８−１１１７７９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（約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。また、特許文献１は、Ｓｉを含有した材料において、レーザ光を照射した領域の屈折率が低下することを開示している。他方、非特許文献１に開示の方法では、純石英ガラス又はＧｅ添加石英ガラスに対してフェムト秒レーザを照射することによって、屈折率変化を０．０３としている。この屈折率が増大した領域では、ＮＢＯＨＣ’ｓ（nonbridging oxygen hole centers）、ＳｉＥ’の欠陥が生じてい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２０１０−７０３９９号公報
【特許文献２】特開平９−３１１２３７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】K.M.Davis, et al.,“Writing waveguides in glass with a femtosecond laser”, OPTICS LETTERS, Vol.21, No.21 November 1, 1996, pp.1729-1731
【非特許文献２】Y. Ikuta, et al.,“Effects of H2 impregnation on excimer-laser-induced oxygen-deficient center formation in synthetic SiO2 glass”, APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.80, No.21 May 27, 2002, pp.3916-3918
【非特許文献３】生田順亮, et al.,“真空紫外光用合成石英ガラス”, Reports Res. Lab. Asahi Glass Co., Ltd., 54, 2003, pp.31-35
【非特許文献４】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５】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６】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７】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
【非特許文献８】K. Hirao, et al., “Writing Waveguides in Silica-related Glasses with Femtosecond Laser”, Jpn. J. APPL. PHYS.、 Vol.37, suppl.37-1, 1998, pp.49-52
【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。水素注入工程では、Ｂ２Ｏ３を含み、ＧｅＯ２の含有量が酸化物基準の質量分率で１０％未満であ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（ＳｉＯ２、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］
【０００９】
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、純石英にフェムト秒レーザを照射した際に生じるＮＢＯＨＣ’ｓ、ＳｉＥ’の欠陥は、外乱に弱く、不安定な状態であり、安定性に問題がある。また、欠陥、組成変形等を生じるには、ＳｉＯ２、添加材料の結合手を切断するエネルギーが必要である。そのため、波長４００ｎｍよりも短い波長、例えば、波長２００ｎｍが有効である。しかし、ガラス部材に添加されているＧｅによって波長４００ｎｍ程度からレーザ光の吸収が生じるため、レーザ光の波長を４００ｎｍ以上とする必要がある。すなわち、４００ｎｍよりも短い波長を使用することは困難である。４００ｎｍ以上のレーザ光を使用した場合、必要なエネルギーが不足することによって屈折率変化を生じさせる効率が低下する虞がある。また、純石英ガラスやＧｅ添加の石英ガラスでは、溶融温度が１１００℃以上と高く、ガラス形成加工における熱処理等の影響によって、ガラス表層から外部へＧｅが拡散し、ガラス表層とガラス内部とにＧｅ濃度分布が生じる。これにより、ガラスに歪みが生じ、光学研磨、切断等の加工の際にガラスにクラック等が入る虞がある。
【００１０】
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、ガラス部材の加工性の低下を抑制し、安定した高屈折率領域を効率よく形成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］
【００１１】
本開示によれば、ガラス部材の加工性の低下を抑制し、安定した高屈折率領域を効率よく形成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。
【００１２】
[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。水素注入工程では、Ｂ２Ｏ３を含み、ＧｅＯ２の含有量が酸化物基準の質量分率（mass fraction）（すなわち、Ｇｅ等のガラスを構成する元素やドーパントが酸化物（たとえばＧｅＯ２）の形で含まれていると仮定して、全体の質量に対する対象の酸化物の質量の割合）で１０％未満であ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。
【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】
本実施形態の一態様では、ガラス部材にＢ２Ｏ３を添加することによって、ガラス部材の溶融温度を５００℃以下にまで下げることができる。また、ガラス部材におけるＧｅＯ２の含有量が酸化物基準の質量分率で１０％未満であるため、Ｇｅ濃度分布による歪みの発生が抑制される。すなわち、ガラス部材の加工性の低下を抑制できる。さらに、水素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）。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水素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、上述の通り、ガラス部材におけるＧｅＯ２の含有量が酸化物基準の質量分率で１０％未満であるため、Ｇｅによる光吸収は極めて小さい、あるいは無視することができる。これにより、照射するレーザ光の波長として、エネルギーの高い、短いレーザ波長を選択することが可能となる。その結果、屈折率増大領域を効率よく形成できる。以上のように、本実施形態の一態様では、ガラス部材の加工性を向上させ、安定した高屈折率領域を効率よく形成することができる。
【００１５】
本実施形態の一態様として、ガラス部材はＳｉＯ２を主成分とし、Ｇｅを含まなくてもよい。この場合、Ｇｅの影響を全く受けない安定したガラス部材を形成することができる。
【００１６】
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。
【００１７】
本実施形態の一態様として、フェムト秒レーザ光の波長は、２６５ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の範囲内であってもよい。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の双方を生じさせることができる。また、構造由来の屈折率変化Δｎｄを効率よく形成できる。
【００１８】
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。
【００１９】
[本願発明の実施形態の詳細]
本願発明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。
【００２０】
図１は、本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、本実施形態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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
ガラス部材１０を形成する基板材料は、ＳｉＯ２を主成分とする。「ＳｉＯ２を主成分とする」とは、酸化物基準の質量分率でＳｉＯ２が全体の５０％よりも多く含有されていることを意味する。一例としてＳｉＯ２の含有量範囲は、酸化物基準の質量分率で約５０〜１００％であってよく、より好ましくは６０％以上９５％以下であってよい。
【００２４】
ガラス部材１０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。本実施形態のガラス部材１０は、溶融温度を下げる作用を有するＢ２Ｏ３を含んでいる。Ｂ２Ｏ３は、添加量が適切な範囲にあるときに、安定なガラスを形成する。一例として、Ｂ２Ｏ３の添加量範囲は、酸化物基準の質量分率で、１０％以上５０％未満であってよく、より好ましくは１０〜４０％であってよい。
【００２５】
また、溶融温度を低下させる更な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。アルカリ金属であるＬｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ等は、添加量が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】
溶融温度を下げる作用を有するＢ２Ｏ３は、フェムト秒レーザを照射した際の屈折率増加にも寄与し得る。このような添加材料としては、Ｂ２Ｏ３以外に、ＧｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、希土類酸化物等が挙げられる。これらの添加材料は、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、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。ただし、ＧｅＯ２は、後述のように４００ｎｍ以下の光を吸収するため、照射されるレーザ光の短波長化を制約する。また、ＧｅＯ２はガラス部材の歪みを発生させる原因になる。そのため、ＧｅＯ２に関しては、ＧｅＯ２の作用が無視できる程度の添加量である必要がある。例えば、ＧｅＯ２の添加量の上限は、酸化物基準の質量分率で１０％未満であり、より好ましくは５〜８％である。一例として、ＧｅＯ２は無添加であってよい。
【００２７】
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。
【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密度変化が生じる。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。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】
第２のメカニズムは、ガラス部材に含まれる材料の結合手を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。結合欠陥や組成変動が生じることにより、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。
【００４０】
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。
【００４１】
図３は、ガラス部材を構成する材料（ＳｉＯ２、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では、ＧｅＯ２についての入射光波長に対する透過率変化の測定結果を破線で示している。図３に示されるように、ＳｉＯ２の透過率は１５０ｎｍから２２０ｎｍ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１０％以上含む場合、ＧｅＯ２の吸収端波長よりも短い波長のレーザ光を照射すると、集光領域のみに屈折率変化を生じさせることが困難となる。本実施形態では、ガラス部材におけるＧｅＯ２の添加量が１０％未満であるため、ＧｅＯ２による光の吸収は生じない、又は極めて小さい。そこで、フェムト秒レーザ光の波長は、ＧｅＯ２の吸収端波長よりも短い４２０ｎｍ未満とすることができる。例えば、フェムト秒レーザ光の波長を４２０ｎｍ（図３にＤ１で示す）とした場合、２光子吸収による波長は２１０ｎｍ（図３にＤ２で示す）となる。この場合、Ｂ２Ｏ３の結合手を切断することができる。ただし、ＳｉＯ２の結合手を効率的に切断することは困難である。
【００４２】
そこで、フェムト秒レーザ光の波長としては、波長３８０ｎｍ以下が有利であり、３６０ｎｍ以下は更に有利である。例えば、フェムト秒レーザ光の中心波長が３６０ｎｍ（図３にＤ３で示す）である場合、２光子吸収によるエネルギーは、１８０ｎｍ（図３にＤ４で示す）の波長の光のエネルギーに相当する。この場合、ＳｉＯ２の結合手を切断することができ、欠陥や組成変形を生じさせる上で有効である。なお、フェムト秒レーザ光の波長がＢ２Ｏ３の吸収端波長よりも短い２６５ｎｍ以下の場合には、集光領域のみに屈折率変化を生じさせることが困難となる。そのため、フェムト秒レーザ光の波長の下限は２６５ｎｍであってよい。
【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、ガラス部材１０にＢ２Ｏ３を添加することによって、ガラス部材１０の溶融温度を５００℃以下にまで下げることができる。また、ガラス部材１０におけるＧｅＯ２の含有量が酸化物基準の質量分率で１０％未満であるため、Ｇｅ濃度分布による歪みの発生が抑制される。すなわち、ガラス部材１０の加工性の低下を抑制できる。さらに、水素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１０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。
【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、Ｂ２Ｏ３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、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る（百分率表示で１．５％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５〜７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。
【００４７】
上記非特許文献５〜７では、ガラス部材にＧｅが添加されているため、４００ｎｍ以下の波長の光は、Ｇｅによって吸収される。特許文献２、非特許文献８によれば、質量分率９５％のＳｉＯ２、質量分率５％のＧｅＯ２からなる石英ガラスに波長８００ｎｍのフェムト秒レーザを照射した場合、その集光領域の屈折率は３％程度上昇する。このような屈折率の上昇は、圧力由来の屈折率変化Δｎｐと、構造由来の屈折率変化Δｎｄが組み合わされた結果であると考えられる。しかし、レーザ波長が８００ｎｍなので、ＧｅＯ２起因の構造由来の屈折率変化Δｎｄを誘発するためには、少なくとも波長８００ｎｍの３光子吸収以上の多光子吸収によるエネルギーが必要である。２光子吸収の発生確率に比べ３光子吸収以上の多光子吸収の発生確率は著しく低い。加えて、形成加工工程での熱処理によって、ガラス部材ではＧｅＯ２の濃度分布に起因する歪みが誘発される。この場合、研磨や切断等の加工性が低下する。
【００４８】
本実施形態では、ガラス部材１０におけるＧｅＯ２の含有量が酸化物基準の質量分率で１０％未満であるため、Ｇｅによる光吸収は低く抑えられ、無視できるレベルとなる。これにより、照射するレーザ光として、エネルギーの高い、短波長のレーザ光を選択することが可能となる。その結果、屈折率増大領域を効率よく形成できる。以上のように、本実施形態の一態様では、ガラス部材１０の加工性を向上させ、安定した高屈折率領域を効率よく形成することができる。
【００４９】
また、ガラス部材１０がＳｉＯ２を主成分とし、Ｇｅを含まない場合、Ｇｅの影響を全く受けない安定したガラス部材を形成することができる。
【００５０】
また、ガラス部材１０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１０の溶融温度の低下に寄与する。ガラス部材１０の溶融温度が低下することによって、ガラス部材１０を容易に加工することができる。
【００５１】
また、フェムト秒レーザ光の波長は、２６５ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の範囲内であってもよい。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の双方を生じさせることが可能になる。また、フェムト秒レーザ光が高いエネルギーを有するため、構造由来の屈折率変化Δｎｄを効率よく形成できる。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【符号の説明】
【００５４】
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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