CN112262331A - 光学器件的制造方法 - Google Patents

光学器件的制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112262331A
CN112262331A CN201980039340.6A CN201980039340A CN112262331A CN 112262331 A CN112262331 A CN 112262331A CN 201980039340 A CN201980039340 A CN 201980039340A CN 112262331 A CN112262331 A CN 112262331A
Authority
CN
China
Prior art keywords
glass member
refractive index
hydrogen
laser
glass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201980039340.6A
Other languages
English (en)
Inventor
长能重博
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Publication of CN112262331A publication Critical patent/CN112262331A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C21/00—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface
    • C03C21/007—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface in gaseous phase
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
    • C03C23/0005—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
    • C03C23/0025—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation by a laser beam
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明提供一种光学器件的制造方法，包括氢注入工序、激光照射工序以及焦点移动工序，通过交替地反复实施激光照射工序和焦点移动工序，或者并行实施激光照射工序和焦点移动工序，在玻璃构件的内部形成连续的折射率变化区域。在氢注入工序中，在以P2O5为主成分的玻璃构件中注入氢。在激光照射工序中，对注入了氢的玻璃构件的内部聚光照射具有10kHz以上的重复频率的飞秒激光，从而使玻璃构件产生基于光诱导的折射率变化。在焦点移动工序中，使飞秒激光的焦点位置对玻璃构件相对地移动。

Description

光学器件的制造方法
技术领域
本公开涉及光学器件的制造方法。本申请基于2018年6月12日申请的日本申请第2018-111777号要求优先权，引用上述日本申请所记载的全部内容。
背景技术
在光网络通信等技术领域中，伴随着云服务的扩展，正在迅速推进数据中心的大规模化、通信数据的大容量化。作为其中的一个例子，正在研究例如利用硅光子学的光IC化、作为高密度光布线的多芯光纤(Multi-Core optical Fiber：以下记为“MCF”)的应用。由于MCF能够通过空分复用方式来规避高功率的光入射至光纤产生的光纤熔合(FiberFuse)现象导致的适用限制，所以MCF作为下一代的大容量光纤备受瞩目。然而，为了采用MCF等光学部件，连接相邻的MCF之间的技术，或者从MCF的纤芯分别向多根单芯光纤进行分路连接的技术是不可或缺的。作为能够实现这样的光学部件之间的连接的部件，能够利用例如低高度光耦合器(Low profile coupler)、光栅耦合器等，尤其是从生产率、设计自由度的观点出发，利用激光描绘在玻璃内部形成光波导的三维光波导器件的制造备受瞩目。
在迄今为止所报道的利用激光描绘的三维光波导器件中，对玻璃材质、添加材料、添加量、利用钛蓝宝石(Ti∶S)激光的飞秒激光(800nm)的照射条件进行了研究。例如，专利文献1公开了如下方法：通过对不含有SiO2成分而包含P2O5成分的玻璃照射飞秒激光从而使诱发了折射率变化的区域(折射率调制区域)在空间上分布。在该方法中，通过在玻璃中添加碱金属氧化物、碱土金属等，使玻璃的熔点降低，易于成型加工。此外，通过在玻璃中添加除Si以外的第14族元素、Ti、Zr的氧化物来提高化学耐久性。进而，专利文献1还公开了在玻璃中添加有助于高的折射率变化的B2O3、GeO2等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开2010-70399号公报。
非专利文献
非专利文献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年，第19-24页；
非专利文献2：D.L.Williams等人,“ENHANCED UV PHOTOSENSITIVITY IN BORONCODOPED GERMANOSILICATE FIBERS”,ELECTRONICS LETTERS,1月7日，1993年，第29卷，第1号，第45-47页；
非专利文献3：B.I.Greene等人,Photoselective Reaction of H2 withGermanosilicate Glass”，LEOS'94(1994年)，第2卷，PD-1.2，第125-126页；
非专利文献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第26卷，第3号，2011年，第33-44页；
非专利文献5：Junji Nishi等人，“Ultraviolet-radiation-induced chemicalreactions through one-and two-photon absorption process in GeO2-SiO2glasses”，OPTICS LETTERS，第20卷，第10号，5月15日，1995年，第1184-1186页。
发明内容
本公开的光学器件的制造方法包括氢注入工序、激光照射工序以及焦点移动工序，通过交替地反复实施激光照射工序和焦点移动工序，或者并行实施激光照射工序和焦点移动工序，在玻璃构件的内部形成连续的折射率变化区域。在氢注入工序中，在以P2O5为主成分的玻璃构件中注入氢。在激光照射工序中，对注入了氢的玻璃构件的内部聚光照射具有10kHz以上的重复频率的飞秒激光，从而使玻璃构件产生基于光诱导的折射率变化。在焦点移动工序中，使飞秒激光的焦点位置对玻璃构件相对地移动。
附图说明
图1为用于说明本公开的光学器件的制造方法的流程图。
图2为示出用于实施本公开的光学器件的制造方法的制造装置的结构的图。
图3为针对构成玻璃构件的不同的主要材料(P2O5、GeO2、B2O3)，分别示出相对于入射光波长的透射率变化的测定结果的图。
具体实施方式
[本公开要解决的问题]
本发明人对现有的光波导器件的制造方法进行了研究，结果发现了如下问题。即，在上述专利文献1所公开的方法中，通过照射飞秒激光产生的折射率调制区域的结构不稳定，折射率会随着时间产生较大变化。此外，飞秒激光的照射区域与非照射区域的折射率的差小，因此光封闭性弱，结果是难以实现器件尺寸小型化。
本公开是为了解决上述那样的问题而完成的，其目的在于提供一种用于在玻璃内部形成稳定的高折射率区域、增大飞秒激光的照射区域与非照射区域的折射率的差的光学器件的制造方法。
[本公开的效果]
根据本公开，能够提供一种用于在玻璃内部形成稳定的高折射率区域、增大飞秒激光的照射区域与非照射区域的折射率的差的光学器件的制造方法。
[本公开的实施方式的说明]
下面分别单独列举说明本公开的实施方式。一个实施方式的光学器件的制造方法包括氢注入工序、激光照射工序以及焦点移动工序，通过交替地反复实施激光照射工序和焦点移动工序，或者并行实施激光照射工序和焦点移动工序，从而在玻璃构件的内部形成连续的折射率变化区域。在氢注入工序中，在以P2O5为主成分的玻璃构件中注入氢。在激光照射工序中，对注入了氢的玻璃构件的内部聚光照射具有10kHz以上的重复频率的飞秒激光，使玻璃构件产生基于光诱导的折射率变化。在焦点移动工序中，使飞秒激光的焦点位置对玻璃构件相对地移动。
另外，在本说明书中，“基于光诱导的折射率变化”是指通过激光等光照射而在玻璃内部诱导的折射率变化。此外，“折射率变化”规定为以光照射区域以外的折射率为基准，产生折射率变化的光照射区域内的折射率的最大折射率差Δn。通过光照射而在玻璃内诱导的折射率变化Δn是折射率变化Δnp(以下记为“压力导致的折射率变化”)与折射率变化Δnd(以下记为“结构导致的折射率变化”)的合计，上述折射率变化Δnp是由于玻璃内部所残留的压力(压缩应力和/或拉伸应力)导致的，上述折射率变化Δnd是由于在玻璃内部产生的添加材料的键合缺陷、玻璃内部的组成变化导致的。
压力导致的折射率变化Δnp通过例如上述非专利文献4所记载的利用激光照射使玻璃内部的特定部位变成高密度区域来形成(0.015左右)。此外，结构导致的折射率变化Δnd通过例如上述非专利文献2、3、5所记载的在光纤光栅的制造等中所利用的折射率增大机理来形成。
在上述专利文献1中，对添加了感光性材料Ge的石英玻璃照射飞秒激光，形成高折射率变化Δn(＝Δnp+Δnd)，但是其仍然不足，仅为2％左右。为了使折射率变化Δn进一步增大，需要在照射前注入H2。
在本实施方式的一个方案中，通过对注入了H2的以P2O5为主成分的玻璃构件照射飞秒激光，增大激光照射区域(光诱导区域)的折射率变化Δn，加速该折射率变化Δn的形成。在激光照射区域产生了压力导致的折射率变化Δnp和结构导致的折射率变化Δnd这两者。由于玻璃构件以P2O5为主成分，所以能够提高压力导致的折射率变化Δnp。此外，通过H2的注入能够进一步增大结构导致的折射率变化Δnd，形成了更大的折射率变化Δn(提高封闭光的效率)。结果是能够将玻璃构件内所形成的折射率变化区域(光波导区域)的曲率半径设计得更小，因此能够使得到的光学器件小型化。此外，在产生结构导致的折射率变化的情况下，由于注入玻璃的H2的作用，折射率变化区域的稳定性提高。即，能够在玻璃内部形成稳定的高折射率区域。此外，通过选择适当的添加材料，还能够缩短制造时间。
作为本实施方式的一个方案，玻璃构件可以包含元素Ge和元素B中的至少一者。在这种情况下，有助于提高折射率变化区域的折射率，并且有助于降低玻璃构件的熔融温度。
作为本实施方式的一个方案，玻璃构件可以包含碱金属和碱土金属中的一种以上。在这种情况下，有助于降低玻璃构件的熔融温度。
作为本实施方式的一个方案，玻璃构件可以包含Ge和B这两者且飞秒激光的波长的范围为420nm至530nm。在这种情况下，能够在照射了飞秒激光的玻璃构件内部的同一位置产生压力导致的折射率变化Δnp和结构导致的折射率变化Δnd这两者。
作为本实施方式的一个方案，氢注入工序可以包含将玻璃构件保持在106Pa以上的氢环境中的工序。
[本公开的实施方式的详细说明]
以下参考说明书附图对本公开的光学器件的制造方法的具体例子进行详细说明。另外，本发明并不被这些示例限定，本发明由请求保护的范围所示，并且旨在包含与请求保护的范围等同的含义和在范围内的全部变更。此外，在附图的说明中，对相同的要素标记相同的附图标记，省略重复说明。
图1为用于说明本公开的光学器件的制造方法的流程图。此外，图2为示出用于实施本公开的光学器件的制造方法的制造装置的结构的图。
图2所示的制造装置具有：飞秒激光器20、用于驱动该飞秒激光器20的激光器驱动部25、聚光光学系统(聚光透镜)30、X-Y-Z工作台40、用于驱动该X-Y-Z工作台40的工作台驱动部45、以及用于控制上述各个部的动作的控制部50。
激光器驱动部25根据从控制部50发出的指示，控制从飞秒激光器20输出的脉冲激光(以下记为“飞秒激光”)的功率和重复频率。由此，能够从飞秒激光器20输出具有数百飞秒以下的脉冲宽度的飞秒激光。特别是由于脉冲宽度被设定为数百飞秒以下的飞秒激光能够使其峰值功率为105W/cm2以上，因此很有效。此外，为了使在玻璃材料的内部形成的光波导的折射率和结构平滑，优选所输出的飞秒激光的重复频率为10kHz以上。在X-Y-Z工作台40的器件承载面上，放置要制成光学器件的玻璃构件10。
形成玻璃构件10的基板材料不包含SiO2成分，以熔融温度低的P2O5为主成分。“以P2O5为主成分”是指以氧化物基准的质量分数(mass fraction)(即，假定以P2O5的形式包含磷，P2O5的质量相对于基板材料的质量的比例)计，含有总体的51％以上的P2O5。在基板材料中的P2O5以氧化物基准的质量分数计为60％以下的情况下，容易玻璃化。因此，以氧化物基准的质量分数计，P2O5的含量范围优选为约51％～95％，更优选为51％～60％。
材料的熔融温度低有利于形成玻璃。因此，作为使熔融温度降低的添加材料，碱金属、碱土金属等是有效的添加材料。关于碱金属，可举出例如Li2O、Na2O、K2O等。关于碱土金属，可举出MgO、CaO、SrO、BaO等。此外，作为其它有效的添加材料，可举出ZnO。当将碱金属、碱土金属等中的任意一种以上添加至P2O5时，对于使熔融温度降低是有效的。在作为碱金属的Li2O、Na2O、K2O等的添加量(以氧化物基准的质量分数计，下同)为30％以下的情况下，不会观察到化学耐久性的降低。因此，碱金属的添加量范围优选为0～30％，更优选为0～20％。如果作为碱土金属的MgO、CaO、SrO、BaO等的添加量为30％以下，则不会使玻璃的稳定性降低，因此碱土金属的添加量范围优选为0～30％，更优选为0～20％。
作为使玻璃构件的化学耐久性提高的添加材料，可举出SnO2、TiO2、ZrO2等。如果SnO2、TiO2、ZrO2等的添加量为40％以下，则不易使玻璃构件失透，不易引起熔融温度的上升。因此，SnO2、TiO2、ZrO2等的添加量范围优选为0～40％，更优选为0～30％。
作为有助于照射飞秒激光时的折射率增大的添加材料，可举出B2O3、GeO2、Al2O3、Ga2O3、In2O3、Bi2O3、稀土氧化物等。特别是B2O3和GeO2中的至少一种以上的添加对于高折射率增大很有效。如果B2O3、GeO2、Al2O3、Ga2O3、In2O3、Bi2O3、稀土氧化物等的添加量为40％以下，则不易使玻璃构件失透，不易引起熔融温度的上升。因此，B2O3、GeO2、Al2O3、Ga2O3、In2O3、Bi2O3、稀土氧化物等的添加量范围优选为0～40％，更优选为0～30％。虽然可以考虑提高非常有助于高折射率化的B2O3和GeO2的添加量，但是考虑到玻璃的失透性和化学耐久性，B2O3和GeO2的适当的添加量均为0～20％。另外，在添加B2O3的情况下，具有降低玻璃构件的熔融温度的效果。
作为可用作澄清剂的添加材料可举出Sb2O3。Sb2O3的添加量优选为40％以下。
在玻璃构件中预先注入H2。向玻璃构件注入氢有助于提高折射率变化后的稳定性和高折射率的提高，因此是极其重要的要素。从飞秒激光器20输出的飞秒激光通过聚光光学系统30聚光于放置在X-Y-Z工作台40上的玻璃构件10的内部(焦点位置35)。由此，在玻璃构件10的内部形成了折射率变化区域15(光波导)。
工作台驱动部45根据从控制部50发出的指示来驱动X-Y-Z工作台40，使X-Y-Z工作台40的器件承载面分别沿X轴方向、Y轴方向及Z轴方向移动。通过该结构，飞秒激光的焦点位置35对玻璃构件10相对地移动。控制部50通过如上述方式控制激光器驱动部25和工作台驱动部45各自的动作，在玻璃构件10的内部刻入了任意图案(与加入了Z轴深度方向信息的在X-Y平面上投影的光波导的形状一致)的折射率变化区域15(作为光学器件的光波导器件的制造)。
接着，根据图1的流程图，对利用具有上述结构的制造装置制造光学器件(本实施方式的光学器件)的本实施方式的光学器件的制造方法进行说明。另外，在以下的说明中，作为一个例子，对制造刻入了任意图案的光波导(折射率变化区域)的三维光波导器件(光学器件)的情况进行说明。
本实施方式的光学器件的制造方法由准备工序和光波导制造工序构成。首先，在准备工序中，准备要制成三维光波导器件的玻璃构件10(例如平行平板玻璃)，暂时将其放置在腔室内。在放置了玻璃构件10的状态下，在腔室内导入纯度99.9％以上的氢气，将该腔室内的气压维持在10个大气压(大致为106Pa)以上。氢注入时间为1日以上且4周以内。在玻璃材料的厚度为例如0.5mm以上的情况下，考虑到H2的扩散速度，有时根据需要也会为4周以上。由此，在玻璃构件10中注入氢(步骤ST10)。另外，在进行步骤ST10的氢注入工序之后不立即进行光波导制造工序的情况下，为了抑制从玻璃构件10中脱离的氢量，将该注入了氢的玻璃构件10在-10℃以下低温保存(步骤ST15)。另外，步骤ST15(低温保存工序)在图1中的点A～点B所示的期间实施。
在光波导制造工序中，在注入了氢的玻璃构件10的内部刻入任意图案的光波导(折射率变化区域15)。具体而言，将注入了氢的玻璃构件10在结束步骤ST10后立即放置在X-Y-Z工作台40的器件承载面上，照射飞秒激光(步骤ST20)。控制部50控制激光器驱动部25，以使得飞秒激光器20输出具有可在玻璃构件10的内部产生光诱导带来的折射率变化的能量并且具有10kHz以上的重复频率的飞秒激光。从飞秒激光器20输出的飞秒激光通过聚光光学系统30聚光在玻璃构件10的内部，在该飞秒激光的焦点位置35附近(聚光区域)形成基于光诱导的折射率变化。当玻璃构件10中的规定部位的激光照射结束时，控制部50控制工作台驱动部45，使放置在X-Y-Z工作台40的器件承载面上的玻璃构件10的位置移动(步骤ST30)。像这样，在焦点移动工序(步骤ST30)中，通过连续地或者间断地变更玻璃构件10的放置位置和/或飞秒激光的焦点位置35，从而玻璃构件10内部的飞秒激光的焦点位置35发生移动。另外，在连续地变更玻璃构件10的放置位置和/或飞秒激光的焦点位置35的情况下，可以并行实施激光照射工序(ST20)和焦点移动工序(ST30)。
另外，直到在玻璃构件10的内部形成预先设计好的光波导图案为止，返回图1中的点C所示的时间点，变更照射条件或者在相同条件下重复进行上述步骤ST20的激光照射工序和步骤ST30的焦点移动工序、即利用控制部50对激光器驱动部25和工作台驱动部45的动作的控制(步骤ST40)。当向玻璃构件10刻入光波导(折射率变化区域15)的工作完成时(步骤ST40)，为了进行老化处理、除去残留氢而对玻璃构件10进行退火，以使Δn长期不发生变化(步骤ST50)。经过以上的工序(步骤ST10～ST50，或者包括步骤ST15的步骤ST10～步骤ST50)来得到三维光波导器件。
接下来，对用于制造三维光波导器件的上述激光照射工序(步骤ST20)进行详细说明。
首先，要制造的三维光波导器件需要使激光聚光于作为基体材料的玻璃构件。即，通过在激光的聚光区域中一边使折射率增大一边使聚光区域(包含焦点位置35)对玻璃构件的相对位置移动(激光聚光区域的扫描)，从而在玻璃构件内形成任意图案的折射率变化区域。为了形成这样的任意图案的折射率变化区域，在照射系统中需要激光光源和聚光光学系统，并且还需要与聚光光学系统连动动作的工作平台。在图2的例子中，设置了作为激光光源的飞秒激光器20和激光器驱动部25、作为聚光光学系统30的聚光透镜、以及作为工作平台的X-Y-Z工作台40和工作台驱动部45。控制部50控制上述各个部的动作。
通过使激光聚光于玻璃构件来在该玻璃构件的内部使折射率增大的机理分为以下2种。
第一机理为利用Ti∶S激光(波长800nm以下的飞秒激光)来增大折射率的机理。在该利用Ti∶S激光来增大折射率的机理中，在玻璃构件内部的激光被聚光的区域产生高压等离子体。在玻璃构件的激光聚光区域，因高压等离子体的冲击，根据动态压缩产生压力波并传播至外侧，由此在激光聚光区域中玻璃的密度产生变化。进而，在激光照射后，因弹性约束在激光聚光区域的中心部产生压缩应力，由此在玻璃构件的内部形成了高密度玻璃区域。此时，高密度玻璃区域的折射率变化Δn以百分率表示为1.5％左右。通过该第一机理产生的折射率变化相当于压力导致的折射率变化Δnp。
另外，使用的激光波长如上所述可以为800nm左右，也可以为420nm至530nm。在800nm以下的波长范围中，存在可输出稳定的飞秒激光的激光器(例如Ti∶S激光器)。
第二种机理如下：利用飞秒激光切断玻璃构件所包含的GeO2、B2O3等添加材料的原子键来产生键合缺陷，通过该键合缺陷使折射率变化。通过产生键合缺陷，诱发了因组成变化导致的玻璃的高密度变化，相较于周围区域，仅激光照射区域的折射率提高。即为结构导致的折射率变化。另外，该第二机理(结构导致的折射率变化)也可以例如在光纤的纤芯中形成光栅结构时使用。
在该第二机理中，为了切断添加材料的原子键，可以使用比添加材料的吸收限波长更短波长的激光。然而，在这种情况下，在玻璃构件的光入射面和聚光区域之间存在的玻璃材料区域中，添加材料也会吸收射向聚光区域的(聚光前的)激光，添加材料的原子键也会被切断。因此，难以仅使聚光区域产生折射率变化。因此，在本实施方式中，利用多光子吸收(主要是双光子吸收)仅在聚光区域切断添加材料的原子键，产生折射率变化。在例如为双光子吸收的情况下，在产生了双光子吸收的区域，对玻璃材料施加相当于激光波长的1/2波长的能量。因此，如果使激光波长的1/2比添加材料的吸收限波长短、激光波长比添加材料的吸收限波长长，则能够仅在产生了双光子吸收的区域切断添加材料的原子键。另外，用于仅在光强度增高的聚光区域产生双光子吸收、在玻璃构件的光入射面与聚光区域之间存在的玻璃材料的区域不产生双光子吸收的激光的照射条件的调整是极其容易的。
图3为针对构成玻璃构件的材料(P2O5、GeO2、B2O3)分别示出相对于入射光波长的透射率变化的测定结果的图。如图3所示，从125nm至200nm，P2O5的透射率逐渐上升，从200nm至265nm，B2O3的透射率逐渐上升，从350nm至420nm，GeO2的透射率逐渐上升。在玻璃构件10包含GeO2的情况下，为了切断GeO2的原子键，优选通过双光子吸收来产生相当于420nm以下的波长的能量。因此，激光的中心波长的上限为840nm。此外，如果激光的中心波长比420nm大，则能够抑制在玻璃构件10的光入射面与聚光区域之间存在的玻璃材料的区域的折射率变化。因此，激光的中心波长范围大于420nm且为840nm以下。此外，在玻璃构件10包含B2O3的情况下，为了切断B2O3的原子键，优选通过双光子吸收来产生相当于265nm以下的波长的能量。因此，激光的中心波长的上限优选设为530nm。即，在玻璃构件10包含GeO2和B2O3这两者的情况下，激光的中心波长范围是大于420nm且为530nm以下。在这种情况下，通过双光子吸收产生的能量的范围相当于大于200nm且为265nm以下的波长范围。在本实施方式中，作为一个例子，如图3中D1所示将激光的中心波长设为约420nm，由此可以通过双光子吸收来产生相当于D2所示的210nm的波长的能量。另外，在玻璃构件10不包含GeO2和B2O3的情况下，聚光前的激光不会被GeO2和B2O3吸收。因此，通过将飞秒激光的中心波长范围控制在大于200nm且为400nm以下，能够通过双光子吸收来切断P2O5的原子键。
除此之外，作为对激光光源所要求的条件，脉冲宽度窄于1皮秒、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或者波长转换波长是有效的。特别是由于数百飞秒以下的脉冲宽度能够使峰值功率为105W/cm2以上，所以是有效的。此外，为了缩短制造时间，从激光光源所输出的脉冲激光的重复频率优选为10kHz以上。
在以上说明的光学器件的制造方法中，通过对注入了H2的、包含P2O5成分的玻璃构件照射来自飞秒激光器的激光，从而使激光照射区域(光诱导区域)的折射率变化Δn增大、并且使该折射率变化Δn的形成速度加快。在激光照射区域中，产生了压力导致的折射率变化Δnp和结构导致的折射率变化Δnd这两者。在本实施方式中，由于玻璃构件以P2O5为主成分，所以能够提高压力导致的折射率变化Δnp。此外，由于H2的注入能够进一步增大结构导致的折射率变化Δnd，形成了更大的折射率变化Δn(提高封闭光的效率)。结果是，能够将玻璃构件内所形成的折射率变化区域(光波导区域)的曲率半径设计得更小，因此能够使得到的光学器件小型化。此外，通过选择适当的添加材料，还能够缩短制造时间。
此外，在将注入了H2的样品(氢处理)与未注入H2的样品(非氢处理)进行比较的情况下，未注入H2的样品的通过飞秒激光的照射增大的折射率增大部分的弛豫速度更快。即，由于非氢处理的样品的活化能比氢处理的样品的活化能小，所以从反应速度的观点出发，可认为在非氢处理的样品中写入的折射率增大区域不稳定。在本实施方式中，可认为通过进行氢处理，被飞秒激光的照射切断的原子键被氢封端。由此，能够使在添加了GeO2、B2O3等的玻璃材料的内部所形成的折射率变化区域稳定化。如此，在产生了结构导致的折射率变化的情况下，通过在玻璃中所注入的H2的作用，折射率变化区域的稳定性提高。即，能够在玻璃内部形成稳定的高折射率区域。
此外，在玻璃构件包含元素Ge和元素B中的至少一者的情况下，有助于提高折射变化区域的折射率，并且有助于降低玻璃构件的熔融温度。通过降低玻璃构件的熔融温度，能够容易加工玻璃构件。
此外，在玻璃构件包含碱金属和碱土金属中的一种以上的情况下，有助于提高折射变化区域的折射率，并且有助于降低玻璃构件的熔融温度。通过降低玻璃构件的熔融温度，能够容易加工玻璃构件。
此外，优选玻璃构件包含Ge和B这两者且飞秒激光的波长的范围为420nm至530nm。在这种情况下，能够在照射了来自飞秒激光器的激光的玻璃构件内部的同一位置产生压力导致的折射率变化Δnp和结构导致的折射率变化Δnd这两者。
此外，优选氢注入工序包含将玻璃构件保持在106Pa以上的氢环境中的工序。在这种情况下，能够适当地实施对玻璃构件10的氢注入。
本发明的光学器件的制造方法并不限定于上述的实施方式，能够进行其它各种变形。例如，虽然示出了在玻璃构件中添加至少GeO2、B2O3的例子，但是添加在玻璃构件中的添加材料也可以是示例的其它材料。在这种情况下，飞秒激光的中心波长可以设定为通过双光子吸收能够切断添加材料的原子键的波长。
此外，虽然示出了不包含SiO2的玻璃构件的例子，但是只要是例如小于40％左右的少量，玻璃构件也可以包含SiO2。
附图标记说明
10：玻璃构件、15：折射率变化区域(光波导)、20：飞秒激光器、25：激光器驱动部、30：聚光光学系统(聚光透镜)、35：焦点位置、40：X-Y-Z工作台、45：工作台驱动部、50：控制部。

Claims (5)

1.一种光学器件的制造方法，包括：
氢注入工序，在以P2O5为主成分的玻璃构件中注入氢，
激光照射工序，对注入了氢的所述玻璃构件的内部聚光照射具有10kHz以上的重复频率的飞秒激光，使所述玻璃构件产生基于光诱导的折射率变化，以及
焦点移动工序，使所述飞秒激光的焦点位置对所述玻璃构件相对地移动，
通过交替地反复实施所述激光照射工序和所述焦点移动工序，或者并行实施所述激光照射工序和所述焦点移动工序，在所述玻璃构件的内部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，所述玻璃构件包含Ge和B中的至少一者。
3.根据权利要求1或2所述的光学器件的制造方法，其中，所述玻璃构件包含碱金属和碱土金属中的一种以上。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的光学器件的制造方法，其中，所述玻璃构件包含Ge和B这两者，
所述飞秒激光的波长的范围为420nm至530nm。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的光学器件的制造方法，其中，所述氢注入工序包括将所述玻璃构件保持在106Pa以上的氢环境中的工序。
CN201980039340.6A 2018-06-12 2019-06-04 光学器件的制造方法 Pending CN112262331A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018111777 2018-06-12
JP2018-111777 2018-06-12
PCT/JP2019/022207 WO2019239969A1 (ja) 2018-06-12 2019-06-04 光デバイスの製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112262331A true CN112262331A (zh) 2021-01-22

Family

ID=68842206

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980039340.6A Pending CN112262331A (zh) 2018-06-12 2019-06-04 光学器件的制造方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20210088725A1 (zh)
JP (1) JPWO2019239969A1 (zh)
CN (1) CN112262331A (zh)
GB (1) GB2588534A (zh)
WO (1) WO2019239969A1 (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1454326A (zh) * 2000-07-14 2003-11-05 3M创新有限公司 提高玻璃材料光敏度的快速方法
JP2004219998A (ja) * 2002-12-26 2004-08-05 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光回路
JP2004238280A (ja) * 2003-02-03 2004-08-26 Carl-Zeiss-Stiftung 光構造化性物体とガラスおよび／またはガラスセラミック処理方法
JP2010070399A (ja) * 2008-09-16 2010-04-02 Kyoto Univ 組成分布を生じる光学部品用透明材料及びこれを利用する光学部品
WO2016184770A1 (fr) * 2015-05-15 2016-11-24 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Fibre optique ruban en verre photosensible
CN107101575A (zh) * 2017-06-29 2017-08-29 华中科技大学 一种基于纤芯折射率调制线的多模干涉仪及其制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003510656A (ja) * 1999-09-30 2003-03-18 コーニング インコーポレイテッド 石英ガラスの深紫外レーザによる内部誘起緻密化
JP2004505002A (ja) * 2000-07-31 2004-02-19 コーニング　インコーポレイテッド Ｕｖ感光性溶融ゲルマノシリケートガラス

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1454326A (zh) * 2000-07-14 2003-11-05 3M创新有限公司 提高玻璃材料光敏度的快速方法
JP2004219998A (ja) * 2002-12-26 2004-08-05 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光回路
JP2004238280A (ja) * 2003-02-03 2004-08-26 Carl-Zeiss-Stiftung 光構造化性物体とガラスおよび／またはガラスセラミック処理方法
US20040180773A1 (en) * 2003-02-03 2004-09-16 Schott Glas Photostructurable body and process for treating a glass and/or a glass-ceramic
JP2010070399A (ja) * 2008-09-16 2010-04-02 Kyoto Univ 組成分布を生じる光学部品用透明材料及びこれを利用する光学部品
WO2016184770A1 (fr) * 2015-05-15 2016-11-24 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Fibre optique ruban en verre photosensible
CN107101575A (zh) * 2017-06-29 2017-08-29 华中科技大学 一种基于纤芯折射率调制线的多模干涉仪及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
GB2588534A (en) 2021-04-28
WO2019239969A1 (ja) 2019-12-19
GB202018507D0 (en) 2021-01-06
US20210088725A1 (en) 2021-03-25
JPWO2019239969A1 (ja) 2021-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5629912B2 (ja) 構造体及びその製造方法
JP5476063B2 (ja) 加工対象物切断方法
CN105531074A (zh) 用于激光切割透明和半透明基底的方法和装置
WO2011013556A1 (ja) 加工対象物切断方法
CN104339081A (zh) 用于在透明材料内执行激光成丝的方法和设备
US20100178007A1 (en) Waveguide device
US6928224B2 (en) Laser-induced crystallization of transparent glass-ceramics
Ebendorff-Heidepriem Laser writing of waveguides in photosensitive glasses
JP2004196585A (ja) レーザビームにより材料内部に異質相を形成する方法、構造物および光部品
US20050167410A1 (en) Methods for creating optical structures in dielectrics using controlled energy deposition
CN112262331A (zh) 光学器件的制造方法
US20080149858A1 (en) Irradiation with high energy ions for surface structuring and treatment of surface proximal sections of optical elements
JP2001051133A (ja) グレーティング並びにグレーティング形成方法及び装置
JP2010102107A (ja) 光導波路およびその製造方法
US20200324376A1 (en) Optical device and method for manufacturing optical device
CN113176628A (zh) 一种基于薄膜材料的大规模光子集成芯片快速制造方法
CN112292625A (zh) 光学器件的制造方法
JP2003215376A (ja) 導波路の製造方法
JP7322876B2 (ja) 光デバイスの製造方法、光デバイス、及び光デバイスの製造装置
JP2005275268A (ja) 透明材料加工方法、透明材料加工装置及び光機能素子
Liu et al. Optical ridge waveguides in Nd3+‐doped fluorophosphate glasses fabricated by carbon ion implantation and femtosecond laser ablation
RU2781465C1 (ru) Способ лазерной записи интегральных волноводов
Will et al. Generation of photoinduced waveguides using a high repetition rate fiber CPA system
Herman et al. Advanced-laser processing of photonic and microelectronic components at Photonics Research Ontario
CN115722793A (zh) 一种飞秒激光直写高透视光子光路的方法及装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20210122

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication