JPH09311237A - 光導波路及びその作製方法 - Google Patents
光導波路及びその作製方法Info
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Abstract
より、ガラス材料の内部に光導波路を形成する。 【構成】 ピークパワー強度105 W/cm2 以上,繰
返し周波数10KHz以上のパルスレーザ光2をガラス
試料1に連続的に集光照射する。レーザ照射に際して
は、パルスレーザ光2の光軸方向に沿って試料1を連続
的に移動させ、或いは試料1に対してパルスレーザ光2
の集光点4を連続的に走査させることが好ましい。試料
1には透明度の高い種々のガラス等が使用され、集光点
4が光誘起屈折率変化を起こし、集光点4の軌跡が光導
波路5として試料1の内部に書き込まれる。
Description
ラス材料の内部に屈折率変化領域が連続して形成された
光導波路及びその作製方法に関する。
は、イオン交換法,火炎加水分解法等でガラス等のガラ
ス材料の内部に形成されている。イオン交換法では、金
属膜のスリット状開口からガラス基板表面層にAg+ イ
オンを熱的に侵入させ、ガラス中のNa+ イオンとAg
+ イオンを交換する第1段のイオン交換により表面層に
導波路を形成した後、ガラス基板に均一な電界を印加し
溶融塩中のNa+ イオンをガラス表面に侵入させる。N
a+ イオンは、Ag+ イオンが形成した最表面の高屈折
領域を表面下に移動させる。その結果、導波路がガラス
表面下に埋め込まれ、低伝播損失特性が確保される。こ
の方法で作成された光導波路のコアは、径10〜200
μmの半円形又はほぼ円形の断面をもち、1%前後の比
屈折率差をもつものが多い。
塩化ゲルマニウムの火炎加水分解によりシリコン基板の
表面に下クラッド用及びコア用の二層のガラス微粒子層
を堆積させ、高温加熱により微粒子層を透明ガラス層に
改質する。次いで、フォトリトグラフィ及び反応性エッ
チングにより回路パターンをもつコア部を形成する。こ
の方法で作成された光導波路は、膜厚が数μmと薄い。
折率分布をイオン交換により調整しているため、形成さ
れた導波路構造がガラス表面に近い部分に限られる。導
波路が作成可能なガラスも、イオン交換が可能な材料に
限られる。また、イオン交換に長時間を要することか
ら、生産性も低い。他方、火炎加水分解法は、導波路の
作成工程が複雑であり、使用可能な材料も石英を主成分
とするガラス組成に限られる。更には、基板表面に堆積
した微粒子をガラス層に改質するため、円形の断面をも
つ光導波路の作成が困難である。
は、同一基板上に種々の二次元的パターンをもつ光導波
路を形成できるものの、三次元的に組み合わされた光導
波路を形成することは困難である。そのため、光導波回
路等として使用されるときに制約を受け、複雑な回路構
成をもつ用途に適用できない。本発明は、このような問
題を解消すべく案出されたものであり、ガラス材料の内
部に集光させたレーザ光の集光点を相対的に移動させる
ことにより、屈折率変化をもたらす構造変化をガラス材
料の内部に起こさせ、光導波路を形成することを目的と
する。
の目的を達成するため、レーザ光の集光照射により屈折
率が変化した部分がガラス材料の内部に連続して形成さ
れていることを特徴とする。ガラス材料には、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等が
使用される。酸化物ガラスにはケイ酸塩系,硼酸塩系,
燐酸塩系,弗燐酸塩系,ビスマス系等があり、ハロゲン
化物ガラスにはBeF2 系,ZrF4 系,InF3 系,
Cd−Zn−Cl系等があり、硫化物ガラスにはGa−
La−S系等があり、カルコゲナイドガラスにはSe−
As系等がある。
すエネルギー量をもつレーザ光をガラス材料の内部に集
光し、ガラス材料の内部で集光点を相対移動させ、連続
した屈折率変化領域をガラス材料の内部に形成すること
により製造される。レーザ光としては、ガラスの種類に
よっても異なるが、光誘起屈折率変化を起こすために
は、集光点における105 W/cm2 以上のピークパワ
ー強度をもつことが好ましい。ピークパワー強度は、1
パルス当りの出力エネルギー(J)/パルス幅(秒)の
比で表されるピーク出力(W)を照射単位面積当りで表
した値である。ピークパワー強度が105 W/cm2 に
満たないと有効な光誘起屈折率変化が起こらず、光導波
路が形成されない。ピークパワー強度が高いほど光誘起
屈折率変化が促進され、光導波路が容易に形成される。
しかし、過度に大きなエネルギー量のレーザ光を実用的
に得ることは困難である。そこで、パルス幅を狭くする
ことによりピーク出力を高くしたパルスレーザの使用が
好ましい。ガラス材料の内部に形成される導波路を滑ら
かな構造にするためには、パルスレーザの繰返し周波数
を10KHz以上に設定する。
光される。このとき、ガラス材料の内部に位置するよう
に集光点を調節する。この集光点をガラス材料の内部で
相対移動させることにより、光導波路として働く連続し
た屈折率変化領域がガラス材料の内部に形成される。具
体的には、レーザ光の集光点に対しガラス材料を連続的
に移動させ、或いはガラス材料の内部でレーザ光の集光
点を連続的に移動させることにより、集光点を相対移動
させる。
現象は、光誘起屈折率変化と呼ばれており、P,Ce,
Ge等を添加したシリカガラスの例が知られている。こ
の現象は、紫外域に固有吸収をもつ酸素欠陥がガラス中
に存在しており、吸収波長のレーザ光を照射することに
よって酸素欠陥の一部が構造変化することに起因すると
考えられており、発振波長が紫外域にあるエキシマレー
ザでの研究が進められている。しかし、この方法で使用
されるレーザ光は、10KHz未満の低い繰返し周波数
をもち、照射部分に十分なエネルギーを与えることがで
きない。そのため、屈折率変化領域の形状がスポット的
になり、連続的な屈折率変化を必要とする光導波路を形
成するまでには至らない。また、平均出力が一定の状態
で、強制的に繰返し周波数を大きくした場合、パルス当
りのエネルギーが低くなり、屈折率変化を誘起させるこ
と自体が困難になる。
いピーク出力が得られると、10KHz以上の繰返し周
波数をもつパルスレーザにおいても、ガラス組成に関係
なく、レーザ光の集光点で屈折率が変化する現象を確認
した。この条件下では、ガラスの固有吸収波長以外の波
長をもつパルスレーザであっても、同様に集光点におい
てガラスの光誘起屈折率を変化させる現象が発生する。
また、ガラスの固有吸収波長に一致する波長をもつパル
スレーザであっても、吸収が弱く、集光点における10
5 W/cm2 以上のピークパワー強度が確保されると光
誘起屈折率変化が生じる。屈折率が変化する現象は、発
生メカニズムが不明であるが、光導波路の作製に有効に
利用される。また、繰返し周期が速いことから、ガラス
材料を連続的に走査することにより、集光部分の軌跡に
連続的な屈折率変化領域を形成できる。この屈折率変化
領域は、当初のガラスの屈折率より高いことから光導波
路として利用される。
パルス間隔を狭く、換言すれば繰返し周期を速くし、第
1パルスと第2パルスが可能な限り同時に照射される必
要がある。このことから、本発明ではパルスレーザの繰
返し周波数を10KHz,好ましくは100KHz以上
に設定する。繰返し周波数が小さいとレーザ光が離散的
に照射され、導波路の形成に必要な連続的な屈折率変化
が得られない。なお、ガラス材料又はレーザ光の集光点
の走査速度を遅くすることにより、ガラス材料に対して
連続的にレーザ光を照射できる。しかし、この場合は第
1パルス照射後に一定の時間をおいて第2パルスが重な
った状態で照射されるため、第1パルスで形成された屈
折率変化が第2パルスにより再変化を起こし、十分な屈
折率変化が得られない。上限は、繰返し周波数が無限大
の限りなく連続レーザに近いものである。しかし、繰返
し周波数を大きくすると、一般に1パルス当りのエネル
ギーが弱くなる。そのため、実際にはガラス材料が屈折
率変化を起こす閾値と、使用するレーザの出力によって
繰返し周波数の上限が設定される。
つ石英ガラスから、10mm×10mm×5mmの立方
体形状の試料1を切り出した。この試料に、図1(a)
に示すようにパルスレーザ光2をレンズ3で集光して照
射した。パルスレーザ光2としては、アルゴンレーザ励
起のTi:Al2 O3 レーザから発振されたパルス幅1
50フェムト秒,繰返し周波数200KHz,波長80
0nm,平均出力600mWのレーザを使用した。パル
スレーザ光2をレンズ3で集光し、試料1の内部に集光
点4が生じるように照射させると、集光点4の屈折率が
0.02上昇した。屈折率の変化は、ナノ秒又はピコ秒
オーダの極短時間で生じた。そこで、ガラス又は集光部
分を連続的に移動し、図1(b)に示すように試料1の
内部に直線状の屈折率が高い領域、すなわち光導波路5
を形成した。
可視光を試料に入射し、屈折率変化を起こしている部分
のみに光が伝達されていることで確認した。また、出射
側の近視野像から光導波路の断面が直径20μmの円形
であることが判った。実施例1においてはGeドープし
たシリカガラスを使用した例を説明したが、高純度のシ
リカガラス,リン酸塩ガラス,ホウ酸塩ガラス,フッ化
物ガラス,塩化物ガラス,硫化物ガラス等の他のガラス
においても同様にレーザ照射によって光導波路が形成さ
れた。得られた光導波路は、コアとクラッドとの間に明
確な界面が存在しないことから界面損失が極めて少な
く、光集積回路等における微細な導波路形成法としての
活用が期待される。
3 :5モル%,BaF2:20モル%,NaF:20モ
ル%の組成をもち、20mm×20mm×5mmの立方
体形状をもつフッ化物ガラスを試料1として使用した。
試料1の内部に焦点4を結ぶ(図2a)ように、パルス
幅120フェムト秒,繰返し周波数50KHz,波長1
μm,平均出力150mWのパルスレーザ光2を集光照
射した。集光点4を円弧状に移動させたところ、図2
(b)に示すように周囲とは明確に異なるラインが集光
点4の軌跡に沿って試料1の内部に形成さていることが
光学顕微鏡による観察で確認された。形成されたライ
ン、すなわち光導波路5は、直径12μmの円形断面を
もっていた。
光を入射したところ、光導波路5の他端面からレーザ光
が出射されることを近視野像の光強度分布で確認し、レ
ーザ照射によって形成されたラインが周囲に比較して屈
折率が高く、光導波構造になっていることが判った。ま
た、光導波路5に繰返しレーザ光を集光照射すると、光
導波路5の端面から出射される光強度も増加し、レーザ
照射の繰返しにより屈折率変化も増大することが確認さ
れた。また、パルス幅及び繰返し周波数を一定に保ち、
レーザ光の波長を400nmから2μmまで変化させな
がらフッ化物ガラスに照射し、光導波路を形成した。こ
の場合も、光出射端面の近視野像の光強度分布から、同
様な光導波路がガラス内部に形成されていることが判っ
た。
は、ピーク出力値が高いパルスレーザをガラス等のガラ
ス材料に照射し、集光点の屈折率を変化させることによ
り、ガラス材料の内部に光導波路を書き込んでいる。こ
の方法は、複雑な工程を経ることなく、しかも簡単に光
導波路を形成できる利点をもっている。また、パルスレ
ーザの光軸方向に対するガラス材料の走査方向、或いは
ガラス材料に対する集光点の移動方向を変えることで光
導波路の形状も任意に制御でき、複雑な回路構造をもつ
光集積回路等に適した三次元的な光導波路も容易に作製
される。
(a)、ガラス内部に作成した光導波路(b)
(a)、ガラス内部に作成した光導波路(b) 1:ガラス試料 2:パルスレーザ光 3:集光レ
ンズ 4:集光点 5:光導波路
パルス間隔を狭く、換言すれば繰返し周期を速くし、第
1パルスと第2パルスが可能な限り同時に照射される必
要がある。このことから、本発明ではパルスレーザの繰
返し周波数を10KHz,好ましくは100KHz以上
に設定する。繰返し周波数が小さいとレーザ光が離散的
に照射され、導波路の形成に必要な連続的な屈折率変化
が得られない。なお、ガラス材料又はレーザ光の集光点
の走査速度を遅くすることにより、ガラス材料に対して
連続的にレーザ光を照射できる。しかし、この場合は第
1パルス照射後に一定の時間をおいて第2パルスが重な
った状態で照射されるため、第1パルスで形成された屈
折率変化が第2パルスにより再変化を起こし、十分な屈
折率変化が得られない。上限は、繰返し周波数が無限大
の限りなく連続レーザに近いものである。しかし、繰返
し周波数を大きくすると、一般に1パルス当りのエネル
ギーが弱くなる。そのため、実際にはガラス材料が屈折
率変化を起こす閾値と、使用するレーザの出力によって
繰返し周波数の上限が設定される。光導波路のコア径
は、照射するパルスレーザのパワーや集光スポット径を
変えることにより制御可能である。パルスレーザのパワ
ー又は集光スポット径が大きくなるほど、コア径も大き
くなる。また、パルスレーザの走査回数によってコア部
分の屈折率の変化量を制御することでき、走査回数を多
くするほど、コア径一定のままで屈折率の変化量を大き
くすることができる。
Claims (8)
- 【請求項1】 レーザ光の集光照射により屈折率が変化
した部分がガラス材料の内部に連続して形成されている
光導波路。 - 【請求項2】 ガラス材料が酸化物ガラス,ハロゲン化
物ガラス,硫化物ガラス又はカルコゲナイドガラスであ
る請求項1記載の光導波路。 - 【請求項3】 光誘起屈折率変化を起こすエネルギー量
をもつレーザ光をガラス材料の内部に集光し、ガラス材
料の内部で集光点を相対移動させ、連続した屈折率変化
領域をガラス材料の内部に形成する光導波路の作製方
法。 - 【請求項4】 集光点におけるピークパワー強度が10
5 W/cm2 以上のレーザ光を使用する請求項3記載の
光導波路の作製方法。 - 【請求項5】 繰返し周波数10KHz以上のパルスレ
ーザ光を使用する請求項3又は4記載の光導波路の作製
方法。 - 【請求項6】 ガラス材料として酸化物ガラス,ハロゲ
ン化物ガラス,硫化物ガラス又はカルコゲナイドガラス
を使用する請求項3〜5の何れかに記載の光導波路の作
製方法。 - 【請求項7】 レーザ光の集光点に対しガラス材料を連
続的に移動させる請求項3〜6の何れかに記載の光導波
路の作製方法。 - 【請求項8】 ガラス材料の内部でレーザ光の集光点を
連続的に移動させる請求項3〜6の何れかに記載の光導
波路の作製方法。
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