CN111556977A - 光学器件和光学器件的制造方法 - Google Patents

光学器件和光学器件的制造方法 Download PDF

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Abstract

根据实施例的光学器件的制造方法包括：氢加注步骤，向含有Ge的玻璃部件加注氢；激光照射步骤，将来自飞秒激光器的激光会聚到加注有氢的玻璃部件中，该激光具有引起玻璃部件的光致折射率变化的能量，且具有10kHz以上的重复频率；以及聚光点移动步骤，使激光的聚光点位置相对于玻璃部件移动。重复激光照射步骤和聚光点移动步骤以在玻璃部件中形成连续的折射率变化区域。

Description

光学器件和光学器件的制造方法
技术领域
本发明涉及一种光学器件和光学器件的制造方法。
本申请要求2018年1月11日提交的日本专利申请No.2018-002656的优先权，该日本专利申请通过引用整体并入本文。
背景技术
在诸如光网络通信等技术领域，随着云服务的扩展，数据中心的规模和通信数据的容量也在迅速增长。作为实例，例如，正在研究基于硅光子学的光学IC的形成和作为高密度光学布线的多芯光纤(以下称为“MCF”)的应用。MCF作为下一代大容量光纤受到关注，因为MCF可以用作通过空分复用避免由于入射到光纤上的高功率光束所引起的光纤熔融而导致的容许极限的手段。然而，为了采用诸如MCF等光学构件，采用将相邻的MCF之间连接的技术、或将MCF的各芯部分支连接于多个单芯光纤的技术是必不可少的。作为能够在这种光学构件之间进行连接的构件，例如可以使用诸如薄型耦合器、光栅耦合器等。特别地，从生产率和设计灵活性的角度出发，通过激光绘制(laser drawing)在玻璃中形成光波导的三维光波导器件的制造受到关注。
对于这种基于迄今为止已经公布的激光绘制的三维光波导器件，正在研究玻璃材料、掺杂剂、掺杂剂的量、以及基于Ti:S的飞秒激光器(最高800nm)的照射条件。例如，根据非专利文献1，利用激光束照射含有TiO2的磷酸系玻璃，玻璃内的折射率变化(基材与激光照射区域之间的折射率之差)Δn成功地达到0.015左右(制造三维光波导器件)。
引文列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开No.H9-311237
专利文献2：日本专利申请公开No.H10-288799
非专利文献
非专利文献1：Masakiyo Tonoike,“The result of the finished nationalproject on“High-efficiency Processing Technology for 3-D Optical Devices inGlass””,NEW GLASS Vol.26,No.3,2011,pp.33-44
非专利文献2：D.L.Williams等人“ENHANCED UVPHOTOSENSITIVITY IN BORONCODOPED GERMANOSILICATEFIBERS”,ELECTRONICS LETTERS,7th January,1993,Vol.29,No.1,pp.45-47
非专利文献3：B.I.Greene等人“Photoselective Reaction of H2 withGermanosilicate Glass”,LEOS'94(1994),Vol.2,PD-1.2,pp.125-126
非专利文献4：Junji Nishii等人“Ultraviolet-radiation-induced chemicalreactions through one-and two-photon absorption process in GeO2-SiO2glasses”,OPTICS LETTERS,Vol.20,No.10,May 15,1995,pp.1184-1186
发明内容
根据本发明的光学器件的制造方法至少包括氢加注步骤、激光照射步骤和聚光点移动步骤。重复激光照射步骤和聚光点移动步骤，在要用激光照射的玻璃部件中形成连续的折射率变化区域。具体而言，在氢加注步骤中，向含有Ge的玻璃部件中加注氢。在激光照射步骤中，将来自飞秒激光器的激光束会聚到加注有氢的玻璃部件中。注意，来自飞秒激光器的激光束具有引起玻璃部件的光致折射率变化的能量，并且具有10kHz以上的重复频率。在聚光点移动步骤中，放置玻璃部件的位置和/或激光的聚光点位置连续或间歇地变化，使激光束的聚光点在玻璃部件内移动。
附图说明
图1是用于描述根据本公开的实施例的光学器件的制造方法的流程图。
图2是示出执行图1所示的光学器件的制造方法的制造装置的结构的图。
图3是示出对于主要形成玻璃部件的不同材料(SiO2、GeO2、B2O3)中的每一种的相对于入射光束的波长的透射率变化的测量结果的曲线图。
具体实施方式
[本公开所要解决的问题]
本发明人对光波导器件的常规制造方法进行了研究，结果发现了以下问题。即，即使利用非专利文献1中公开的方法，折射率的最大变化为约Δn＝0.015，并且光限制较弱。不可避免地，在玻璃中形成的光波导的曲率半径增加，使得必须增加所获得的光学器件(诸如三维光波导器件)的尺寸(光学器件的尺寸增加)。此外，在非专利文献1中公开的方法中，需要延长飞秒激光束对获得期望的折射率增加所必需的对玻璃材料的照射时间，难以提高飞秒激光束的扫描速度，并且制造时间相应地变长，这导致制造成本的增加。
本发明为了解决上述问题而完成，其目的在于提供一种光学器件的制造方法以及通过该光学器件的制造方法获得的光学器件，该光学器件的制造方法能够在玻璃中形成高折射率区域、能够实现诸如三维光波导器件等光学器件的尺寸减小、并且能够实现制造成本的降低。
[本公开的效果]
根据本发明，能够在玻璃内部形成高折射率区域，并且能够减小诸如三维光波导器件等光学器件的尺寸。
[本公开的实施例的描述]
首先，将单独列出和描述本公开的实施例的细节。
(1)作为一个方面，根据本公开的光学器件的制造方法至少包括氢加注步骤、激光照射步骤和聚光点移动步骤。重复激光照射步骤和聚光点移动步骤，在要用激光照射的玻璃部件中形成连续的折射率变化区域。具体而言，在氢加注步骤中，向含有Ge的玻璃部件中加注氢。加注有氢的玻璃部件优选是不含Ge之外的掺杂剂的玻璃或有掺杂有B和Ge的玻璃。在激光照射步骤中，将来自飞秒激光器的激光束会聚到加注有氢的玻璃部件中。注意，来自飞秒激光器的激光束具有引起玻璃部件的光致折射率变化的能量，并且具有10kHz以上的重复频率。在聚光点移动步骤中，放置玻璃部件的位置和/或激光的聚光点位置连续或间歇地变化，使激光束的聚光点在玻璃部件内移动。
注意，“光致折射率变化”在此是指由诸如激光束等光照射引起的玻璃中折射率的变化。此外，“折射率变化”由已经产生折射率变化的光照射区域中的折射率相对于除光照射区域之外的区域的折射率的折射率最大差Δn来限定。由光照射引起的玻璃中的折射率变化Δn是折射率变化Δnp(在后文中，是指“压力引起的折射率变化”)和折射率变化Δnd(在后文中，是指“结构引起的折射率变化”)的组合，折射率变化Δnp由玻璃中残留的压力(压缩应力和/或拉伸应力)引起，折射率变化Δnd由玻璃中出现的掺杂剂材料的键缺陷或玻璃中的成分变动引起。
压力引起的折射率变化Δnp例如通过如非专利文献1中所述的使玻璃中特定区域的密度增加的激光照射而产生，并且Δnp具有约0.015的最大值。此外，结构引起的折射率变化Δnd例如通过在非专利文献2至非专利文献4中描述的光纤光栅等的制造中使用的折射率增加机制而产生。
在专利文献1和专利文献2中，掺杂有光敏材料Ge的石英系玻璃被飞秒激光照射，以产生大的折射率变化Δn(＝Δnp+Δnd)，但折射率变化约为0.02，这是不够的。为了进一步增大折射率的变化Δn，需要在照射之前加注H2。
用来自飞秒激光器的激光束照射包含Ge并加注有H2的玻璃部件，增加了激光束照射区域(光致区域)的折射率变化Δn，并加速了折射率变化Δn的形成。换言之，压力引起的折射率变化Δnp和结构引起的折射率变化Δnd都在激光束照射区域产生，并且此时，H2加注使得能够进一步增加结构引起的折射率变化Δnd，从而形成更大的折射率变化Δn(增加光限制效率)。结果，可以将形成在玻璃部件中的折射率变化区域(光波导区域)中的曲率半径设计得较小，从而可以减小所获得的光学器件的尺寸。此外，选择适当的掺杂剂使得可以减少制造时间。
(2)作为本实施例的一个方面，玻璃部件可以含有元素B。此外，作为本实施例的一个方面，折射率变化区域的折射率变化优选大于0.02。作为本实施例的一个方面，来自飞秒激光器的激光束的波长优选地在400nm至540nm的范围内，或者在800nm以下。在这种情况下，压力引起的折射率变化Δnp和结构引起的折射率变化Δnd两者都可以在用来自飞秒激光器的激光束照射的玻璃部件内部的相同位置处产生。
(3)作为本实施例的一个方面，在氢加注步骤中，优选将玻璃部件放置10atm以上的氢气氛中。
(4)通过上述实施例中的任一个或实施例的组合来制造根据本公开的光学器件。特别地，作为光学器件的一个方面，玻璃部件优选为石英系玻璃、磷酸盐系玻璃、卤化物玻璃或硫化物玻璃。
如上所述，“本公开的实施例的描述”中列出的每个方面适用于所有其余方面或其余方面的所有组合。
[本公开的实施例的细节]
以下，参照附图对根据本发明的光学器件及其制造方法的具体实例进行详细说明。应当注意，本发明不限于这些实例，并且旨在由权利要求限定，并且旨在包括在权利要求及其等同物的范围内的所有修改。此外，在附图的描述中，相同的构件由相同的附图标记表示，并且将省略冗余的描述。
图1是用于描述根据本公开的实施例的光学器件的制造方法的流程图。此外，图2是示出执行图1所示的光学器件的制造方法的制造装置的结构的图。
图2所示的制造装置包括飞秒激光器20、驱动飞秒激光器20的激光器驱动器25、聚光光学系统(聚光器)30、XYZ台40、驱动XYZ台40的台驱动器45、以及控制各个构件的动作的控制器50。
激光器驱动器25根据来自控制器50的指令控制从飞秒激光器20输出的脉冲激光束(在下文中，称为“飞秒激光束”)的功率和重复频率。这允许飞秒激光器20输出具有几百飞秒或更小的脉冲宽度的飞秒激光束。特别地，脉冲宽度被设定为几百飞秒或更小的飞秒激光束是有效的，因为其峰值功率可以达到105W以上。此外，飞秒激光束输出的重复频率优选地在10kHz以上，以便使在玻璃材料中形成的光波导的折射率和结构平滑。在XYZ台40的器件放置表面上放置有将成为光学器件的玻璃部件10。玻璃部件10含有Ge，以便通过激光束照射产生压力引起的折射率变化Δnp和结构引起的折射率变化Δnd。更具体地说，玻璃部件10由不含Ge以外的掺杂剂的玻璃或掺杂有B和Ge的玻璃制成。这种玻璃是石英系玻璃、磷酸盐系玻璃、卤化物玻璃或硫化物玻璃。将H2预先加注到玻璃部件中。从飞秒激光器20输出的飞秒激光束通过聚光光学系统30会聚到放置在XYZ台40上的玻璃部件10(聚光点位置35)中，这使得在玻璃部件10中形成折射率变化区域15(光波导)。
台驱动器45根据来自控制器50的指令驱动XYZ台40，以沿着X轴、Y轴或Z轴移动XYZ台40的器件放置表面。这样的结构使飞秒激光束的聚光点位置35相对于玻璃部件10相对移动。控制器50如上所述控制激光器驱动器25和台驱动器45中的每一个的动作，从而在玻璃部件10中形成具有所期望的图案(与在包含沿Z轴的深度方向的信息的XY平面上投影的光波导的形状相对应)的折射率变化区域15(用作光学器件的光波导器件的制造)。
接下来，将参考图1的流程图来描述根据本实施例的光学器件的制造方法，其中如上所述构造的制造装置被用于制造光学器件(根据本实施例的光学器件)。注意，在以下描述中，将制造形成具有期望图案的光波导(折射率变化区域)的三维光波导器件(光学器件)的情况作为实例来描述。
根据本实施例的光学器件的制造方法包括准备步骤和光波导制造步骤。首先，在准备步骤中，准备将成为三维光波导器件的玻璃部件10(例如，平行平板玻璃)，并将玻璃部件10临时放置在腔室中。在放置玻璃部件10的情况下，将100％的氢气引入到腔室中，并且将腔室中的压力保持在10atm以上。氢加注期在一天到半年的范围内。这使得氢被加注到玻璃部件10中(步骤ST10)。注意，当光波导制造步骤不是在步骤ST10中的氢加注步骤之后立即进行时，将加注了氢的玻璃部件10保持在-10℃以下的温度，以抑制氢从玻璃部件10逸出(步骤ST15)。注意，在图1中的点A和点B所示的时段期间执行步骤ST15(低温保持步骤)。
在光波导制造步骤中，在加注有氢的玻璃部件10中形成具有期望图案的光波导(折射率变化区域15)。具体地说，在步骤ST10之后，将加注有氢的玻璃部件10立即放置在XYZ台40的器件放置表面上，并用飞秒激光束照射(步骤ST20)。控制器50控制激光器驱动器25，以使飞秒激光器20输出飞秒激光束，该飞秒激光束具有引起玻璃部件10的光致折射率变化的能量，并且具有10kHz以上的重复频率。从飞秒激光器20输出的飞秒激光束通过聚光光学系统30会聚到玻璃部件10中，以在该飞秒激光束的聚光点位置35附近(光会聚区域)引起光致折射率变化。当玻璃部件10的预定部分已经被激光照射时，控制器50控制台驱动器45以移动放置在XYZ台40的器件放置表面上的玻璃部件10的位置(步骤ST30)。如上所述，在聚光点移动步骤(步骤ST30)中，放置玻璃部件10的位置和/或飞秒激光束的聚光点位置35连续或间歇地变化，使飞秒激光束的聚光点位置35在玻璃部件10内移动。
注意，重复步骤ST20中的激光照射步骤和步骤ST30中的聚光点移动步骤，即，在返回到图1中的点C时，在固定条件下或改变条件下重复由控制器50执行的激光器驱动器25的动作控制和台驱动器45的动作控制，直到在玻璃部件10中形成预先设计的光波导图案(步骤ST40)。当在玻璃部件10中形成光波导(折射率变化区域15)时(步骤ST40)，对玻璃部件10进行时效处理以长时间保持Δn不变，并对玻璃部件10进行退火以去除残留的氢(步骤ST50)。通过以上步骤(步骤ST10至ST50或包括步骤ST15的步骤ST10至ST50)，获得三维光波导器件。
接下来，将描述用于制造三维光波导器件的激光照射步骤(步骤ST20)的细节。
首先，为了制造三维光波导器件，要求激光束会聚到用作基材的玻璃部件。即，通过在光会聚区域中使折射率增大的同时使激光束的光会聚区域(包括聚光点位置35)相对于玻璃部件移动(扫描激光会聚区域)，在玻璃部件中形成具有期望的图案的折射率变化区域。为了形成具有期望图案的这种折射率变化区域，需要激光光源和聚光光学系统作为照射系统，并且需要与聚光光学系统协同操作的可移动台。在图2所示的实例中，设置有用作激光光源的飞秒激光器20以及激光器驱动器25、用作聚光光学系统30的聚光器、以及用作可移动台的XYZ台40和台驱动器45。控制器50控制每个构件的动作。
通过使激光束会聚到玻璃部件来增加玻璃部件中的折射率的机制被划分为以下两种机制。
第一种机制是使用Ti:S激光器(波长为800nm以下的飞秒激光器)的折射率增加机制。根据使用Ti:S激光器的折射率增加机制，在会聚激光的玻璃部件中产生高压等离子体。在玻璃部件的激光会聚区域中，由高压等离子体的冲击引起的动态压缩产生压力波并使压力波向外传播，从而使激光会聚区域中的玻璃变粗松(coarse)。此外，在激光照射之后，弹性约束向激光会聚区域的中心施加压缩应力，使得在玻璃部件中形成高密度玻璃区域。此时，高密度玻璃区域中的折射率变化Δn为约0.015(参见非专利文献1)。由第一机制引起的折射率变化对应于压力引起的折射率变化Δnp。
注意，所用激光波长可以是如上所述的约800nm，或者可以在400nm至540nm的范围内。在800nm以下的波长范围内，可以使用输出稳定激光束的激光器(例如，Ti:S激光器)。稍后将描述从400nm到540nm的波长的有效性。然而，对于从高压等离子体开始产生折射率变化的第一机制(利用高压等离子体的Δn产生方法)，难以使折射率变化Δn进一步增大。因此，在本实施例中，采用用于光纤光栅(第二机制)的Δn产生方法。
在第二种机制中，将掺杂有GeO2等的玻璃部件放入氢的高压气氛中，以便将氢加注到玻璃部件中。随后，用约250nm的UV激光照射加注有氢的玻璃部件。使用约250nm的UV激光的原因是，UV激光切断诸如GeO2等掺杂材料的键(掺杂材料的键缺陷)，并由于H2、Ge、Si和O的成分变动而引起玻璃的高密度变化(参见上述非专利文献3和非专利文献4)。此外，通过元素B的作用，折射率变化Δn的形成被加速，并且由此产生的折射率变化Δn变成约0.01(参见上述非专利文献2和非专利文献4)。由第二机制产生的折射率变化对应于结构引起的折射率变化Δnd。
根据本实施例，可以预期的是，在玻璃部件中产生压力引起的折射率变化Δnp的第一机制以及在玻璃部件中产生结构引起的折射率变化Δnd的第二机制的组合产生最大大于0.02的折射率变化(光致折射率变化)Δn。如上所述，根据本实施例，由于能够在玻璃部件中产生与现有技术相比更大的折射率变化，即，能够提高形成于玻璃部件中的高折射率区域(光波导)的光限制效率，因此能够减小诸如三维光波导器件等光学器件的尺寸。这也使得可以提高制造速度。
(激光束的波长)
作为根据本实施例的光学器件而制造的、例如应用于上述三维光波导器件的玻璃部件需要在整个玻璃中均匀地含有掺杂剂。因此，与例如光纤光栅不同，不可能用诸如GeO2等掺杂剂仅掺杂期望增加折射率的区域(芯部)。当用UV光束完全照射掺杂有GeO2等的玻璃部件时，即使构建能够使光束会聚到所需位置的照射光学系统的情况下，UV光束也在进入玻璃部件后立即被吸收；因此，所需的能量不能集中在UV光束的光会聚区域中。即使所需的能量可以集中在UV光束的光会聚区域中，折射率也将在从玻璃部件的入射表面延伸到UV光束的光会聚区域的整个区域增加，这使得难以在玻璃部件中形成期望的光波导。
因此，根据本实施例，使用与具有约250nm波长的能量等价的双光子吸收来代替UV光束。即，根据本实施例，使波长为约500nm的具有高峰值功率的激光束入射在玻璃部件上，以增加玻璃部件的激光会聚区域中的光子密度。当双光子吸收的概率如上所述增加时，掺杂剂材料(诸如GeO2等)的键被具有约250nm波长的能量切断，并且因此可引起成分变动。在此，为了增加激光会聚区域中的光子密度，聚光器的焦距优选地为100mm以下。此外，作为聚光器，能够抑制由短脉冲激光的多波长分量产生的色差的消色差透镜是有效的。当照射光束的波长为800nm以上时，必须有效地产生三个或更多光子吸收；因此，聚光器优选具有f＝100mm或更小。
此外，从防止掺杂材料(诸如GeO2等)被吸收的波长和切断掺杂材料的键的能量的角度来看，存在有效的激光波长范围。图3是示出对于主要形成玻璃部件的不同材料(SiO2、GeO2、B2O3)中的每一种的相对于入射光束的波长的透射率变化的测量结果的曲线图。注意，在图3中，线A'和线B'之间的波长范围R1表示对应于双光子吸收的波长范围，并且线A和线B之间的波长范围R2表示入射波长范围。
例如，GeO2的带隙的一端相对于B2O3的带隙位于较长波长侧，并且GeO2吸收高达约400nm的光。因此，入射波长范围R2的较短波长侧的端部优选等于或高于材料不吸收光的线A的400nm。由于400nm的波长对材料是透明的，所以入射到玻璃部件上的激光束会聚到玻璃部件中的预定位置。由于在400nm波长处双光子吸收的能量等同于约200nm，因此可以切断B2O3和GeO2的两者的键。结果，可以看出，波长为400nm以上的激光束有效地引起玻璃部件中的成分变动。另一方面，入射波长范围R2的较长波长侧的极限(上限)的条件是需要可切断所有掺杂剂材料的键的能量。在这种情况下，由于通过双光子吸收获得的能量的波长等于或低于B2O3的吸收开始时的270nm(波长范围R1的较长波长侧的极限)，所以要求入射波长范围R2的较长波长侧的极限(上限)等于或低于540nm。
由以上可知，对于B2O3和GeO2的掺杂材料，入射到玻璃部件上的激光束的波长(入射波长)在400nm至540nm的范围内特别有效。另外，将激光束的波长设定为从400nm到540nm的范围使得可以使产生压力引起的折射率变化Δnp和结构引起的折射率变化Δnd两者的位置彼此一致；因此，如在本实施例中那样，在制造作为光学器件的三维光波导器件等时非常有效。
注意，在使用具有不同波长的激光束的情况下，通常，通过聚光器会聚具有450nm波长和225nm波长的两种类型的激光束。当消色差透镜用作聚光器时，难以完全消除色差(具有各自波长的激光束的聚光点彼此不同)。即，由于压力引起的折射率变化Δnp和结构引起的折射率变化Δnd在玻璃部件中的不同区域中产生，因此难以设计高度精度的光波导(要在玻璃部件中形成的高折射率区域)。
此外，除了基于如上所述的波长选择的激光束照射之外，使用来自Ti:S激光器的具有约800nm的波长的激光束以产生由等离子体导致的压力引起的折射率变化Δnp以及由多于双光子吸收的多光子吸收产生的结构引起的折射率变化Δnd也是有效的。
另外，作为激光光源所要求的条件，脉冲宽度窄于1皮秒并且具有高峰值功率的固体激光器、气体激光器、光纤激光器等的基本波长、波长变换波长是有效的。特别是，若脉冲宽度为数百飞秒以下是有效的，这是因为能够使峰值功率为105W以上。此外，从激光光源输出的脉冲激光束的重复频率优选为10kHz以上，从而缩短制造时间。
附图标记列表
10……玻璃部件；15……折射率变化区域(光波导)；20……飞秒激光器；25……激光器驱动器；30……聚光光学系统(聚光器)；40……XYZ台；45……台驱动器；以及50……控制器。

Claims (7)

1.一种光学器件的制造方法，包括：
氢加注步骤，向含有Ge的玻璃部件中加注氢；
激光照射步骤，将来自飞秒激光器的激光束照射到加注有所述氢的所述玻璃部件中，所述激光束具有引起所述玻璃部件的光致折射率变化的能量，并且具有10kHz以上的重复频率；以及
聚光点移动步骤，使所述激光束的聚光点位置相对于所述玻璃部件而移动，其中，
重复所述激光照射步骤和所述聚光点移动步骤以在所述玻璃部件中形成连续的折射率变化区域。
2.根据权利要求1所述的光学器件的制造方法，其中，
所述玻璃部件含有B。
3.根据权利要求1或2所述的光学器件的制造方法，其中，
所述激光束具有400nm至540nm的波长。
4.根据权利要求1或2所述的光学器件的制造方法，其中，
所述激光束具有800nm以下的波长。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学器件的制造方法，其中，
在所述氢加注步骤中，将所述玻璃部件置于10atm以上的氢气氛中。
6.一种光学器件，其通过根据权利要求1至5中任一项所述的光学器件的制造方法而制造，其中，
所述玻璃部件是石英系玻璃、磷酸盐系玻璃、卤化物玻璃或硫化物玻璃。
7.一种光学器件，其通过根据权利要求1至5中任一项所述的光学器件的制造方法而制造，其中，
所述连续的折射率变化区域的折射率变化大于0.02。
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