JP2001311847A - 屈折率の修正方法、屈折率の修正装置、及び光導波路デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光導波路デバイスのコア部分の屈折率を高精
度で修正してデバイス特性を向上させ、また、長期信頼
性のある光導波路デバイスを作製するための、屈折率の
修正方法を提供する。 【解決手段】 本屈折率の修正方法は、光導波路デバイ
スの屈折率を修正する方法であって、干渉系となってい
る導波路のコア部分に、Ｔｉ：サファイヤレーザから発
振される、パルス幅１５０フェムト秒、パルスエネルギ
ー０. ７μＪ、パルス繰り返し周波数２００ｋＨｚ、波
長８００ｎｍの超短パルスレーザ光３を、２０倍の対物
レンズ４を用いて光導波路のコアの幅とほぼ同じ５. ５
μｍの幅で集光し、コアに沿って幾何学長ΔＬの長さを
０. １ｍｍ／ｓで走査した。レーザ光を１ｍｍ走査した
結果、Δλは１６. ７ｎｍ変化した。また、２ｍｍ走査
した場合は３２. ４ｎｍ、以降、走査距離が１ｍｍ増え
ると、Δλは１６. ７ｎｍ変化していき、ΔｎはＴＥモ
ード、ＴＭモードとも０. ００１６変化していることが
わかった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路デバイス
の光が導波するコア部分、もしくはその周辺の屈折率を
修正する方法、その修正装置と、その方法で屈折率を修
正した光導波路デバイスに関するものである。尚、本発
明において、光導波路デバイスとは、光ファイバーデバ
イスも含むものとして示してあり、また、屈折率の修正
とは、導波路デバイスの光が伝播する導波路部分、導波
路を含む周辺部分、または導波路の一部の屈折率を変化
させて、デバイス特性の修正および調整を行うことを示
している。

【０００２】

【従来の技術】光通信デバイスは、光を伝搬させる手段
として主に光導波路と光ファイバーを用いている。どち
らの場合も、相対的に屈折率の高いコア部分と、屈折率
の低いクラッド部分を有しており、光は屈折率の高いコ
ア部分を導波する。光導波路の場合、コアとクラッドの
境界の屈折率が急峻に変化しているタイプをステップ
型、徐々に変化しているタイプをグレーデット型と呼ん
でいる。

【０００３】代表的なステップ型の光導波路の作製方法
としては、シリカ系のガラス基板上にＧｅＯ₂ 等をドー
プした膜を形成し、リソグラフとエッチングプロセスで
ＧｅＯ₂ ドープ層をリッジ型とし、この上に再度シリカ
系のガラスを製膜して、埋め込み型の光導波路を得る方
法がある。また、シリコン基板上にシリカガラスおよび
ＧｅＯ₂ を含むシリカ系のガラスを積層し、リソグラフ
とエッチングプロセスでコア部分が表面にあるリッジ型
導波路、もしくはコアが内部にある埋め込み型導波路が
形成されている。

【０００４】近年、高分子材料を用いたポリマー系の光
導波路も開発されており、屈折率の異なる膜を製膜し
て、ガラス系の光導波路と同様のプロセスにより平面型
の光導波路が形成されている（例えば特開平１０−２６
８１５２号公報）。また、ガラスにイオンを拡散させ、
拡散させた部分の屈折率を上昇させて、その部分をグレ
ーデッド型の光導波路として応用することができる。例
えばガラス基板内部のＮａ⁺ をＡｇ⁺ と交換することで
屈折率を向上させ、光導波路を作製する方法も行われて
いる。光ファイバーの場合は、コア材料にＧｅＯ₂ がド
ープされたシリカガラス、クラッドはシリカガラスのも
のが、一般的に使用されている。また、プラスチックの
重合度を変化させることでコアを形成した、プラスチッ
クファイバーも作製されている。

【０００５】近年、新しい導波路の形成方法として、ガ
ラス基板中にピークパワーが１０Ｗ／ｃｍ² 以上、繰り
返し周波数１０ｋＨｚ以上で、基板に対して透明な波長
のパルスレーザ光線を集光して走査することで、レーザ
ビームが集光された部分の屈折率を連続的に変化させ、
ガラス基板内部に直接光導波路を形成できることが報告
されている（特開平０９−３１１２３７号公報）。

【０００６】以上に述べたような光導波路、光ファイバ
ーを用いた光導波路デバイスの通信容量を拡大するた
め、一本の光導波路中に多波長の光を導波させ、その中
から特定の波長だけを選択するアレイウエイブガイドグ
レーティングや干渉フィルター、各波長を分離する波長
分波器や方向性結合器等が開発されている。これらの光
導波路デバイスは、光の干渉や回折の効果を利用するた
め、光導波路の厳密な屈折率の制御が必要となる。しか
し、前述した光導波路の作製方法では、目的とする光導
波路デバイスの性能を得るために十分な屈折率の制御を
することはできない。

【０００７】そこで、目的とする光導波路デバイスの仕
様を満たすために、エキシマレーザによる、紫外レーザ
光を光導波路の光が伝搬するコア部分に照射し、屈折率
を上昇させて修正する方法が用いられている（例えば特
開２０００−１６２４５３号公報）。この方法で屈折率
が修正できるのは、光が導波するコア部分のシリカガラ
ス中に酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂ ）がドープされてい
る場合に限られている。その理由は、ガラス中のＧｅイ
オンが関連するＧｅE'センターの生成、またはＧｅに関
連した構造変化にともなう高密度化のために、屈折率が
上昇するからである（西井、金高、応用物理６８巻、１
９９９年、１１４０〜１１４３ページ）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】紫外エキシマレーザ光
を用いて、ＧｅＯ₂ ドープのシリカガラス光導波路の屈
折率を修正する方法は、いくつかの問題点を持ってい
る。第１の問題点は、屈折率を変化させるために長時間
を要することである。例えば、高出力の紫外光発生レー
ザであるＡｒＦエキシマレーザを用いても、屈折率を
０. ００１変化させるために約２０分の時間を要してし
まうことである。第２の問題点は、長時間紫外レーザ光
を照射しても、導波路材料のアブレーションしきい値以
下のパワー密度のレーザ光で照射しなければならないた
め、最大でも屈折率を０. ００１程度しか変化させるこ
とができないことである。そのため、屈折率を大きく修
正したい場合は、紫外光の照射では対応することが非常
に困難である。

【０００９】第３の問題点は、屈折率の変化の変化に伴
い紫外線で生じた電子がＧｅに関連する欠陥にトラップ
され、修正後の光導波路デバイスを高温にすると、この
トラップされていた電子が欠陥から放出し、屈折率が徐
々に修正前の屈折率に戻ってしまうことである。つま
り、屈折率を修正した部分は熱的に不安定であり、屈折
率を修正した後の光導波路デバイスは高温プロセスを行
うことはできない。また、温度変動に対する信頼性が低
い。第４の問題点は、屈折率を変化させるためには、ガ
ラスにＧｅＯ₂ をドープすることが不可欠なことであ
る。そのため、ＧｅＯ₂ を含まないガラスで作製した光
導波路や、その他の導波路、光ファイバーは、紫外光を
照射しても屈折率の修正を行うことはできず、有効な手
段が発明されていなかった。

【００１０】第５の問題点は、紫外レーザ光源にエキシ
マレーザ光を用いた場合、集光性が悪いために、屈折率
を変化させたい導波路のコア部分の幅である５〜１０μ
ｍ程度までビームを絞ることが出来ないことである。そ
のため、修正が必要な部分だけに光が照射されるような
マスクを設ける等の手段を取る必要がある。しかし、光
導波路デバイスの導波路間隔が３０μｍよりも狭い場合
には、マスクを用いても各導波路を個別に修正すること
は非常に困難である。

【００１１】第６の問題点は、エキシマレーザを紫外光
の光源に用いた場合、レーザ光を発生するためのガス交
換が必要となるためランニングコストが高く、また、装
置も高価であり、大型なため設置面積が大きい等の課題
がある。エキシマレーザ以外で、屈折率を変化させるた
めの紫外レーザ光源としてはＮｄ：ＹＡＧレーザの発生
する１０６４ｎｍの光の第４高調波である２６６ｎｍが
考えられるが、２６６ｎｍでは屈折率を変化させるため
のＧｅE'が生成する確率が非常に小さいため、レーザ光
をコア部分に集光しても、屈折率の変化に非常に長時間
を必要とするため、実用的で無い。

【００１２】第７の問題点は、エキシマレーザを照射し
てＧｅＯ₂ をドープしたガラスの屈折率を変化させる際
に、レーザ光の一部はガラスに吸収されてしまうため、
温度が上昇してしまうことである。温度が上昇すると、
ガラスの屈折率が変化してしまうため、修正や調整した
後のデバイス特性を測定するためにはデバイスの温度を
常温まで冷却する必要があった。そのため、修正や調整
しながらその場でデバイス特性を測定することができな
かった。

【００１３】本発明の目的は、光導波路デバイスのコア
部分の屈折率を高精度で修正してデバイス特性を向上さ
せ、また、長期信頼性のある光導波路デバイスを作製す
るための、屈折率の修正方法、屈折率の修正装置、ま
た、これらの方法で屈折率を修正した高性能な光導波路
デバイスを提供するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る光導波路デバイスの屈折率の修正方法
は、光導波路デバイスの屈折率を修正する方法であっ
て、３０ピコ秒以下のパルス幅を持つ超短パルスレーザ
光を光導波路デバイスのコア部分、及びクラッド部分の
少なくとも一方に照射して、照射した部分の屈折率を変
化させることを特徴としている。

【００１５】従来の技術で形成された光導波路デバイス
のコア部分を含む領域に、パルス幅が３０ピコ秒以下の
超短パルスレーザ光を照射するとエネルギー密度が高い
ために多光子吸収が生じ、光のエネルギーははじめに電
子に吸収される。その後、熱電子から格子に熱エネルギ
ーが移動し、物質は加熱される。パルス幅が３０ピコ以
下の場合、殆どの材料において、熱電子のエネルギーが
格子に全て移動する前か、移動してもその直後にパルス
の照射は終わってしまう。そのため、電子温度と格子温
度が平衡になることは無い。この場合、レーザ光のエネ
ルギーは光を集光した部分以外への拡散が抑制され、集
光した部分を局所的に加熱することが可能となる。

【００１６】局所的な領域に吸収された光のエネルギー
密度がコア物質を構成する材料を変質させるしきい値を
越えると、コア物質を構成している原子、分子の結合状
態が変化し、気化、融解、変質、熱膨張等が生じる。そ
うすると、この局所的な領域の内部圧力が急峻に上昇す
る。その後、コア物質が冷却し、構造が再編成される場
合は、照射前の状態よりも高密度化される。高密度化が
生じると、屈折率は上昇する。この場合、高密度化され
る部分の周辺は低密度化されるが広く分散するため、屈
折率の変化量は非常に小さく考慮する必要は無い。

【００１７】また、集光部分のレーザ光のパワー密度が
コア物質のアブレーションしきい値を大きく越えた場合
は、レーザ光を集光した中心部分にあった物質は周囲の
物質中に潜り込み、中心部分は低密度化される。さらに
エネルギーが高くなると、中心部分は空孔となる。低密
度化された場合の屈折率は下がり、空孔の場合は１.０
となる。低密度化、もしくは空孔の周囲には高密度化さ
れる部分があるが、広く分散するため屈折率の変化量は
小さく、考慮する必要は無い。

【００１８】以上のような原理により、高密度化、およ
び低密度化された屈折率の変化量は、パルスレーザ光の
エネルギー、パルス繰り返し周波数、照射時間、パルス
数、スキャン速度等を制御することで可能となる。光導
波路のコア部分の変質しきい値は、コア物質の種類によ
って異なる。また、レーザ照射条件を制御することで、
屈折率を変化させると同時に発生する熱により熱処理を
兼ねることが可能であり、屈折率変化時に生じる熱に対
して不安定なカラーセンターをこの熱により除去するこ
とが可能である。

【００１９】３０ピコ以下のパルス幅を持つ超短パルス
レーザで光導波路デバイスの屈折率を変化させるために
照射するレーザ光のエネルギーは、クラッド材料へのレ
ーザ光の吸収を防ぐため、クラッド材料のバンドギャッ
プエネルギーよりも小さくする必要がある。しかしレー
ザ光のエネルギーがバンドギャップエネルギーより小さ
くても、エネルギー密度が高いと多光子吸収が生じ、表
面がアブレーションしてしまう場合がある。そこで、光
のエネルギーをクラッド材料のバンドギャップエネルギ
ーの１／３以下にして、３光子過程でなければ吸収は生
じないようにする。

【００２０】その結果、超短パルスレーザを集光してデ
バイスに照射する際に、表面でのアブレーションを抑制
し、デバイス中で光が集光されたコアの領域だけに多光
子吸収を生じさせて屈折率を変化させることが可能とな
る。また、レーザ光のパワーを調整することで、屈折率
の変化する領域のサイズを制御することが容易となる。

【００２１】３０ピコ秒以下のパルス幅を持つ超短パル
スレーザ光をＧｅＯ₂ ドープガラスで形成されたコア部
分に照射すると、多光子吸収の効果でＡｒＦやＫｒＦエ
キシマレーザの１９３ｎｍ、２４８ｎｍの波長の光を照
射した場合と同じＧｅに関連したガラスの構造変化によ
り屈折率を変化させることができる。

【００２２】超短パルスレーザの場合は、エキシマレー
ザとは違ってビームを集光することができるため、コア
部分に沿ってレーザビームを操作することが可能となる
ため、マスクプロセス等が不要となる。また、エネルギ
ー密度の高い照射がコア部分だけに出来るので、屈折率
の変化を飽和させることができる。屈折率変化が飽和す
るエネルギー密度以上のパルスレーザ光を照射すれば、
屈折率を変化させる導波路コアの長さを変化させること
で導波路の光路長の厳密な制御が可能となる。また、照
射と同時に熱処理もできるため、エキシマレーザ修正の
熱による屈折率変化の問題も解決され、信頼性の高い屈
折率の修正、および調整を行うことが可能となる。

【００２３】パルスレーザ光に強度プロファイルがガウ
シアンライクのビームを用いると、光の回折程度まで集
光でき、屈折率を変化させる部分は回折限界以下にする
ことも可能となる。そのため、導波路間隔が３０μｍ以
下の場合でも、各導波路を１本ずつ修正することが可能
となる。

【００２４】本発明で屈折率を修正した部分には、導波
路コアの材料によっては紫外レーザ光を照射した場合と
同じようなカラーセンターの影響で屈折率が変化する可
能性がある。しかし、カラーセンターが残存していても
素子を熱処理することで、カラーセンターにトラップさ
れていた電子は価電子帯に戻るため、カラーセンターに
よる屈折率変化の影響は無くなる。そして高密度化、低
密度化、もしくは空孔により修正された屈折率の変化だ
けが残る。そのため、本発明で修正した光導波路デバイ
スを熱処理することで、信頼性を高めることが可能とな
る。

【００２５】屈折率を修正するための装置として必要で
ある、超短パルスレーザを発生させるレーザ発振部、そ
のレーザ光を試料まで導く光学系部、および光導波路デ
バイスを保持およびＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させるための
ステージ部を同じ筐体の中に固定すると、外部の振動の
影響を受けずに、パルスレーザ光を光導波路デバイスの
所定のコア部分に照射することが可能となる。また、光
導波路デバイスにあらかじめ光ファイバーを結合し、光
を伝搬させてデバイス特性をモニターしながら屈折率の
修正を行い、最適値からのずれを検知してパルスレーザ
光の照射条件にフィードバックすることで、屈折率の変
化量を仕様値に厳密に調整することが可能となる。

【００２６】本発明に係る光導波路デバイスの屈折率の
修正方法は、光導波路デバイスの屈折率の修正装置であ
って、光導波路デバイスを保持してＸ、Ｙ及びＺ軸方向
に可動するステージ部と、コア部分の屈折率を修正する
ために用いる３０ピコ秒以下のパルス幅のレーザ光を発
生するレーザ装置部と、そのレーザ装置から発生する光
を光導波路デバイスのコア部分に照射することができる
光学系部の３部が、同じ筐体内に固定されており、請求
項１から１２のうちのいずれか１項に記載の屈折率の修
正方法によって光導波路デバイスの屈折率を修正する機
能を有することを特徴としている。

【００２７】３０ピコ秒以下の超短パルスレーザ光を集
光した部分を、クラックや欠陥を生じさせずに高密度
化、低密度化、もしくは空孔を形成して屈折率を修正す
ることができる材料としては、ガラス状の無定形物質、
もしくは高分子有機材料であるポリマーが考えられる。
高密度化、低密度化、または空孔が形成されたガラス
は、ガラス転位点まで安定して存在する。例えばシリカ
ガラス（ＳｉＯ₂ ）の軟化点は１５００℃であるので、
通常の光導波路デバイスの使用環境である、０℃〜１０
０℃の範囲では、屈折率は変動することは無い。そのた
め、温度変化に対するデバイスの信頼性が向上する。

【００２８】また、高分子が重合しているポリマー材料
の光導波路の場合は、パルス光の照射による高分子の重
合度や、構造、組成等の変化により、屈折率が上下す
る。この場合の温度に対する屈折率の安定性はポリマー
の組成や重合度に依存するが、ポリイミド系の材料の場
合は２００℃程度までは安定している。その他、半導体
の材料等でも物質の状態が結晶では無く、アモルファス
状態のコア材料であれば、本発明を適応することが可能
となる。

【００２９】シングルモードの光ファイバーのコア径
は、クラッドとの屈折率差で決るが、現在使用されてい
るものは７〜１０μｍ程度である。この光ファイバーと
光導波路デバイスをロス無く結合するためには、光導波
路のコア径も光ファイバーと同程度にする必要がある。
しかし、光導波路デバイスを集積化したり、光伝搬ロス
を抑制したりするためには、コア径を小さくする方が望
ましい場合がある。そこで、光導波路デバイスの入出力
端面のコアを含むクラッド部分の屈折率を超短パルスレ
ーザを用いて上昇させ、テーパー状のコアを入出力端面
に形成することで、光ファイバーからの入出力を、ファ
イバーのコア径よりも細い光導波路デバイスのコアにロ
ス無く、結合することが可能となる。

【００３０】超短パルスレーザを用いて、光導波路のコ
ア中に空孔を形成すれば、その部分の屈折率は１. ０と
なるため、屈折率差が非常に大きい。そのため、この空
孔をコア中に規則的に配列することで、回折効率の良い
グレーティングを形成することが可能となる。空孔の形
状は球状、楕円状、また、照射条件を調整することで、
棒状にすることも可能であり、この形状と配置を調整す
ることで、回折させる光の波長や方向を制御することが
可能となる。

【００３１】シリカガラスのクラッド層に挟まれたシリ
カガラスにＧｅをドープした層である平面導波路に２０
ピコ秒以下のパルスレーザ光を走査することにより、走
査した部分だけの屈折率を上昇させることができ、平面
導波路からチャンネル導波路を形成することができる。
平面導波路に導入された光が平面導波路内を伝播してい
くと、屈折率の高い部分に集まり、チャンネル導波路か
ら出力させることが可能となる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。 ＜実施例１＞本実施例は、請求項１の実施形態を具体的
に図を用いて説明する。図１は、シリカガラス基板１の
クラッド中にＧｅＯ₂ をドープして形成した光導波路の
コア部分２を有する埋め込み型のマッハツェンダー型干
渉系光導波路の干渉系となっている部分の一部を拡大し
た図である。コア部分の屈折率ｎは１. ４７４である。
まず、光源に１. ５５μｍに中心波長を持つエルビウム
ドープファイバーのブロードな波長を持つ光を用い、こ
のマッハツェンダー型干渉系の干渉波長の測定を行っ
た。その結果、干渉する波長は１. ５６μｍであること
がわかった。

【００３３】次に、干渉系となっている導波路のコア部
分に、Ｔｉ：サファイヤレーザから発振される、パルス
幅１５０フェムト秒、パルスエネルギー０. ７μＪ、パ
ルス繰り返し周波数２００ｋＨｚ、波長８００ｎｍの超
短パルスレーザ光３を、２０倍の対物レンズ４を用いて
光導波路のコアの幅とほぼ同じ５. ５μｍの幅で集光
し、コアに沿って幾何学長ΔＬの長さを０. １ｍｍ／ｓ
で走査した。尚、走査は基板を動かすことにより行っ
た。照射された部分の屈折率の変化の大きさΔｎは、干
渉波長の変化Δλとレーザ光を走査して屈折率を調整し
た長さΔＬにより、式（１) で表される。 Δｎ＝−（ｍ＋１／２） Δλ／ΔＬ (１) ｍは干渉系がもともと持っていた光路差であり、ｍ＝９
５の導波路で評価した。

【００３４】レーザ光を１ｍｍ走査した結果、Δλは１
６. ７ｎｍ変化した。また、２ｍｍ走査した場合は３
２. ４ｎｍ、以降、走査距離が１ｍｍ増えると、Δλは
１６.７ｎｍ変化していき、式（１）よりΔｎはＴＥモ
ード、ＴＭモードとも０. ００１６変化していることが
わかった。このように、パルスエネルギーを一定にして
走査距離を変えることで、所定の長さだけ光路長を調整
することが可能であった。また、パルスエネルギーを変
化させて同じ実験を試みたところ、パワーを０. ７〜２
μＪ程度にすれば、変化する屈折率の大きさは変わらな
いことがわかり、屈折率の変化は飽和していることがわ
かった。

【００３５】パルスの繰り返し周波数を８０ＭＨｚにし
てパルスエネルギーを１. ８ｎＪとし、他は同じ条件で
実験を試みたところ、走査距離あたりの光路長の変化は
１２ｎｍ／ｍｍとなった。そこで、８０ＭＨｚでパルス
エネルギーを２. ５ｎＪにしたところ、１６ｎｍ／ｍｍ
となり、２００ｋＨｚの場合とほぼ同じ結果が得られ
た。

【００３６】修正した素子を３００℃に加熱し、２４時
間保持した後、常温に冷却し、再度光路長を測定したと
ころ、熱処理前と変化していないことがわかり、熱処理
しても屈折率は変化しないことがわかった。この結果、
屈折率の修正と同時に熱処理も行われていることが確認
された。

【００３７】また、別途、直線導波路を用いて上記修正
で用いたのと同じ条件でレーザ光を照射し、照射前後で
のロスの変化を測定する実験を試みたところ、ロスの変
化は無かった。導波路のコア部分の周囲も屈折率が変化
している場合には、光が導波路から漏れたり、導波路の
伝播損失が増えるためロスは増加することが予想された
が、ロスが無かったことにより、屈折率の修正されてい
る部分は導波路のコア部分だけであることがわかった。

【００３８】＜比較例１＞実施例１と同じ実験構成によ
り、レーザ光のパルス幅を５０ピコ秒に変化させて他は
同じ条件で屈折率の修正を試みた。その結果、干渉波長
は変化しておらず、集光したコア部分の屈折率は変化し
ていないことがわかった。そこで、レーザ光のパルスエ
ネルギーを０. ７μＪから徐々に上昇させたところ、
５. ０μＪの時に集光した部分は、屈折率が変化する前
に誘電破壊が生じてしまった。

【００３９】＜実施例２＞請求項２の実施形態を具体的
に図を用いて説明する。シリカガラス光導波路のクラッ
ド材料に使用されるシリカガラスと、コア材料に使用さ
れるＧｅＯ₂ をドープしたシリカガラスのバンドギャッ
プを吸収スペクトルにより測定した結果を図２に示す。
シリカガラスのバンドギャップ６のエネルギーは７. ５
５ｅＶであった。また、ＧｅＯ₂ ドープのシリカガラス
のバンドギャップ７は７. １３ｅＶであった。また、シ
リカガラスは５ｅＶ付近に欠陥バンド８が存在している
ことがわかった。

【００４０】実施例１で用いたパルスレーザ光の波長は
８００ｎｍであり、光子のエネルギーは１. ５５ｅＶで
ある。そのため、図２中に示すように、価電子帯９から
２光子過程では光の吸収は生じず、３光子過程で欠陥バ
ンドに到達するため、光のエネルギーが吸収された。３
光子吸収は超短パルスレーザ光を集光して高エネルギー
密度になった部分だけに生じるため、焦点から焦点のビ
ーム径程度の領域だけの屈折率が変化した。

【００４１】次に、実施例１に於いて用いた超短パルス
レーザ光の８００ｎｍ光の第二高調波である４００ｎｍ
の光を非線形光学素子で発生させ、パルスエネルギーは
０.７μＪとして、実施例１と同じ条件で実験を試み
た。図２より、４００ｎｍの光のフォトンエネルギーは
３. １１ｅＶであり、３光子吸収でバンッドギャップに
到達し、２光子吸収でも欠陥バンド８に吸収が生じるこ
とがわかった。実験の結果、この３光子吸収および２光
子吸収は８００ｎｍの実験と同様レーザ光の集光点近傍
にしか生じないため、この部分だけの屈折率が変化する
ことがわかった。

【００４２】４００ｎｍの光では、８００ｎｍの光と比
較してエネルギーが吸収されやすいため光路長の走査距
離あたりの変化量は２４ｎｍ／ｍｍ、屈折率変化Δｎは
０.００２４となり、８００ｎｍの場合の約１. ５倍で
あった。１５０フェムト秒のパルス光を発生するチタン
サファイヤレーザは、波長を７００〜１０００ｎｍまで
可変で発生することが可能である。この光の第２、第３
高調波により、２３３〜５００ｎｍの光を得ることがで
きる。そこで、実施例１と同じ実験を、波長を短波長に
徐々に変化させて調べたところ、クラッドのバンドギャ
ップの１／２である、３. ５６ｅＶ以下のエネルギーの
光であれば、２光子吸収が生じてもシリカガラスのバン
ドギャップを越えず、集光点近傍だけに３光子吸収、も
しくは欠陥への２光子吸収によりレーザ光のエネルギー
を吸収させて、屈折率を変化させることができた。

【００４３】＜比較例２＞実施例１で用いた８００ｎｍ
の超短パルスレーザ光と、その第２高調波である４００
ｎｍの光混合を非線形光学素子で行い、８００ｎｍの第
３高調波となる２６６ｎｍを得た。この波長の１５０フ
ェムト秒のパルス幅を持つ超短パルスレーザ光を用い
て、実施例１と同じ実験を試みた。パルスエネルギーは
０. １μＪとした。その結果、図２に示すように２６６
ｎｍの光の光子エネルギーは４. ６８ｅＶであり、２光
子吸収でシリカガラスのバンドギャップ６を超え、ま
た、１光子でも欠陥バンドによる吸収が生じた。

【００４４】そのためレーザ光は集光点近傍だけではな
く、光導波路デバイス中の光路全体に吸収されてしま
い、集光点近傍だけの屈折率の変化を生じさせることが
出来なかった。そこで、パルスエネルギーを上昇させて
いったところ、１. ０μＪに達したところで集光部分に
誘電破壊が生じてしまった。また、４００ｎｍの第２高
調波である２００ｎｍで同じ実験を試みたところ、図２
に示すように光子エネルギーは６. ２３ｅＶとなり、１
光子で欠陥バンドによる吸収、２光子ではバンドギャッ
プを超えてしまうため、レーザ光が透過した光路全体に
光が吸収されてしまい２６６ｎｍの場合と同様に集光点
近傍の領域の屈折率を変化させることが出来なかった。

【００４５】＜実施例３＞請求項３の実施形態を具体的
に図を用いて説明する。図３にはシリカガラス基板１の
クラッド中に、ＧｅＯ₂ をドープした光導波路のコア２
が形成してある、光導波路デバイスの断面図を示す。コ
アの断面は７μｍ角である。屈折率修正部分５を、集光
した超短パルスレーザの光路１０とともに図３に示す。
５０倍の対物レンズで集光した８００ｎｍの波長の超短
パルスレーザ光１１による屈折率の修正領域はコア部分
だけであり、クラッド部分は変化していないことがわか
った。

【００４６】そこで、１００倍の対物レンズで集光した
８００ｎｍの波長の超短パルスレーザ光１２で修正した
ところ、図３のようにコア中の１部分だけの屈折率を変
化させることができた。この、コアの一部を修正した導
波路から出射される導波光の透過ロスは１％以内であ
り、屈折率の変化量Δｎは０. ０１となった。実施例１
よりも屈折率が上昇したのは、コア中のパルスレーザ光
のエネルギー密度が高くなったため、高密度化による屈
折率の変化が得られたためである。波長を変化させて、
同じ実験を試みたところ、３５５〜１０００ｎｍの波長
の範囲では、レーザ光のパルスエネルギーを調整するこ
とで、コア部分だけ、もしくはコア部分の一部だけのガ
ラスの屈折率を変化させることが可能であった。

【００４７】＜比較例３＞実施例３と同じ実験で、５０
倍の対物レンズで集光した２６６ｎｍの波長の超短パル
スレーザ光１３を用いて行った。その結果、レーザ光の
吸収する領域１４は、デバイス中を透過する超短パルス
レーザ光の光路全体となるため、集光した部分だけにエ
ネルギーを集中させることができず、コア部分の屈折率
を変化させることが出来なかった。波長を変化させて実
験を行ったところ、１９０〜３５５ｎｍの範囲の波長で
は、２６６ｎｍの場合と同じように光路全体に光が吸収
されてしまい、屈折率を変化させることができなかっ
た。

【００４８】＜実施例４＞請求項４の実施形態を具体的
に図を用いて説明する。図４にはシリカガラス基板１の
クラッド中に、ＧｅＯ₂ をドープした光導波路のコア２
が形成してある、光導波路デバイスの断面図を示す。コ
アの断面は７μｍ角である。実施例１と同じ実験構成お
よびレーザ条件で、パルスパワーを２. ５μＪに調整し
て、２０倍の対物レンズで集光した８００ｎｍの波長の
超短パルスレーザ光１５による屈折率の修正領域は、コ
ア部分の周囲を含む縦１５μｍ、横１０μｍの楕円体領
域であった。この、コアの周囲を含む領域を修正した導
波路から出射される導波光の透過ロスは２％以内であ
り、屈折率の変化量は０. ０１となり、実施例３で示し
たコアだけを修正した場合と同程度であった。

【００４９】＜実施例５＞請求項５の実施形態を、具体
的に図を用いて説明する。実施例１では、パルスレーザ
光を導波路に沿って走査する距離により、屈折率の変化
量を調整して光路長を制御する方法を示した。屈折率が
飽和する前のパルスエネルギーでは、同じコア部分を２
回走査することでも、屈折率をさらに上昇させることが
可能であった。図５に、実施例１の条件でパルスエネル
ギーを０. ５μＪとした場合の屈折率の修正を行った際
の走査距離と走査回数による、光路長の変化を示す。

【００５０】走査回数が増す度に屈折率は増加していっ
たが、４回目の走査では屈折率の変化に飽和が見られ
た。この図のように、走査距離および走査回数を制御す
ることで、光導波路の光路長を厳密に制御できることが
わかった。尚、この実験では導波路に含まれるGe濃度が
実施例１とは違うため、Δｎの変化量は実施例１とは異
なっている。

【００５１】＜実施例６＞請求項６の実施形態を、図を
用いて説明する。図６に３層に積層された光導波路デバ
イス１６の断面図を示す。クラッドはシリカガラス基板
１、コア部分２はＧｅＯ₂ をドープしたシリカガラスで
形成されている。コア部分の断面は７×７μｍ角であ
り、各導波路は２０μｍ間隔で形成されている。実施例
１と同じ条件で集光レンズに５０倍の対物レンズ４を用
いて１５０フェムト秒のパルス幅を持つ超短パルスレー
ザ光３の焦点を、最下層のコアに沿って１ｍｍ／ｓで１
ｍｍの距離を走査した。その結果、レーザ光が透過する
第１、２層目のコア部分の屈折率は変化せず、第３層目
のコア部分５の屈折率だけを実施例１と同様に修正する
ことができた。

【００５２】＜実施例７＞請求項７の実施形態を、図を
用いて説明する。実施例４において、超短パルスレーザ
を照射して屈折率を修正したコア部分のラマンスペクト
ルを顕微分光で測定したところ、シリカガラスが３％高
密度化された場合に観測されるピークのシフトが見られ
た。この結果、屈折率の変化は、シリカガラスの高密度
化により生じていることがわかった。図７に、高密度化
により屈折率が変化した光導波路のコア部分１７を示
す。

【００５３】＜実施例８＞実施例１と同じ光導波路デバ
イスの屈折率の修正に、Ｔｉ：サファイヤレーザから発
振される、パルス幅１５０フェムト秒、パルスエネルギ
ー２. ５μＪ、パルス繰り返し周波数１ｋＨｚ、波長４
００ｎｍの光を用いた。ビームはスキャンせず、１００
倍の対物レンズで集光した波長４００ｎｍの超短パルス
レーザ光１８を、光導波路のコアの中心に集光点がくる
ようにして１ 発照射した。その結果、図８に示すよう
に、直径約３００ｎｍの球状の空孔１９がコア中に形成
された。

【００５４】また同じ条件で、２０倍の対物レンズで集
光した４００ｎｍの波長の超短パルスレーザ光２０を用
いて実験を試みたところ、幅２ ５０ｎｍで長さがちょ
うどコア部分を貫通する７μｍとなる円柱形の空孔２１
が形成された。屈折率を修正した部分まで試料を研磨
し、原子間力顕微鏡で表面を観察したところ、修正した
部分は中空となっていることが確かめられ、修正部分の
屈折率は１. ０であることがわかった。修正後の光導波
路の透過ロスを調べたところ、修正前と比較して殆ど変
化していないことがわかった。

【００５５】＜実施例９＞シリカガラスにゲルマニウム
をドープしてある光導波路のコア部分に、実施例８と同
様の超短パルスレーザ光を１００倍の対物レンズで集光
して照射したところ、空孔の周辺に欠陥が生じ、図９に
示すようにコア材料のバンドギャップ２２の中に、欠陥
バンド２３が新たに形成されることが、スペクトル測定
の結果わかった。この欠陥バンド２３には、４００ｎｍ
の光の３光子吸収２４で生成した自由電子２５がトラッ
プされる場合があり、このトラップされた電子２６は、
屈折率変化を起こすことがわかった。

【００５６】しかし、屈折率修正後に、デバイスを２０
０℃で１時間加熱することにより、トラップされた電子
は価電子帯に緩和した。図中に熱処理で緩和した電子２
７を示す。この熱処理によりカラーセンターによる屈折
率変化はなくなり、コア材料の密度変化による屈折率変
化だけとなることがわかった。熱処理後の光導波路デバ
イスは温度変化に対する信頼性が良く、０〜１００℃の
範囲ではデバイス特性が変化することはなかった。

【００５７】＜実施例１０＞請求項１３の実施形態を、
図を用いて説明する。光導波路デバイス２８を保持する
ｘ、ｙ、ｚ可動ステージ部２９と、３０ピコ秒以下のパ
ルス光を発生することのできるパルスレーザ装置部３０
と、そのレーザ光から発生する光を光導波路デバイスの
コアの部分に照射することができる集光光学系部３１の
３部が一つの筐体３２内に固定されている屈折率修正装
置３３を図１０に示す。ステージ部２９はｘ、ｙ、ｚの
各方位に±０. １μｍ以上の精度で最高１００ｍｍ／ｓ
の速度で可動する。また、光学系は、請求項１〜１２の
屈折率の修正方法に必要な超短パルスの集光照射が可能
である。

【００５８】各部分が同一の筐体に固定されているた
め、外部の振動の影響を受けにくく、目的とする導波路
のコア部分に沿って、正確にレーザビームを走査するこ
とが可能であった。この装置で屈折率を修正した後の光
導波路の光伝播ロスは０. ０５ｄＢであり、修正前と比
べて殆ど変化しなかった。

【００５９】＜実施例１１＞請求項１４の実施形態を、
図を用いて説明する。図１１に、シリカガラス基板１の
クラッドと、シリカガラスにＧｅＯ₂ がドープされた幅
７μｍのコア部分２で光導波路が形成された、マッハツ
ェンダー型の干渉フィルター３４を示す。このフィルタ
ーは１本のファイバ中に存在する多波長の光を、各干渉
計で強度が強くなる波長だけが分岐して各導波路から出
力される。各干渉計の光路長を所定の光が干渉するよう
に、図１０の屈折率修正装置を用いて屈折率を修正する
際に、光導波路デバイスの入出力面にあらかじめ光ファ
イバー３５を結合させた。

【００６０】そして多波長光源３６から出射された１.
５５０〜１. ５５８μｍで０. ８ｎｍ間隔の計１１種類
の光を光ファイバーでデバイスに入力し、分岐した各干
渉計からの出力を光スペクトルアナライザー３７でモニ
ターしながらレーザ光を照射した。照射条件は実施例１
と同じとし、１５０フェムト秒のパルス幅を持つ超短パ
ルスレーザ光３をコア部分に沿って０. １ｍｍ／ｓで走
査した。また、パルスエネルギーは０. ７μＪとした。
モニターした出力強度が最高値に達したら、走査および
レーザ光の照射が自動的に終了するように光スペクトル
アナライザーの信号をレーザ光のシャッターにフィード
バックシステムを設定した。

【００６１】その結果、各導波路とも３秒以内で最適値
に屈折率を修正することが可能となり、分岐した光導波
路路からは所定の波長の光を出力させることができた。
出力側の光導波路と光ファイバーの結合はオイルマッチ
ングとすることで、容易に次に評価する光導波路と結合
させることができ、１１本全ての干渉計の屈折率を最適
値に修正するために要した時間は約５分であった。分岐
した各導波路から出力される光の強度の合計から光導波
損失を見積もったところ、０. １ｄＢ以下であり、損失
が小さいことがわかった。

【００６２】＜実施例１２＞請求項１６の実施形態を、
図を用いて説明する。図１２に、シリカガラス基板１上
に製膜された屈折率が１. ５００のポリメタクリル酸メ
チル（ＰＭＭＡ）のポリマー薄膜３８中にこのポリマー
よりも屈折率が０. ００１大きなＰＭＭＡ誘導体のポリ
マーにより７×７μｍの導波路のコア３９が形成されて
いる、光導波路素子を示す。このコア部分に、実施例１
と同様に１５０フェムト秒のレーザ光を同じように照射
して０. １ｍｍ／ｓで１ｍｍ走査した。パルスエネルギ
ーは０. ０２μＪとした。その結果、コア部分のポリマ
ーの重合率が変化して高密度化が生じ、屈折率の変化は
０. ００１となり、屈折率を修正できることがわかっ
た。

【００６３】＜実施例１３＞請求項１７の実施形態を、
図を用いて説明する。図１３には、０. ５ｍｍ厚のシリ
コン基板４０上に製膜した厚さ２０μｍのシリカガラス
薄膜４１中にＧｅＯ ₂ をドープしたシリカガラスで５.
５×５. ５μｍの導波路のコアが形成してある、光導波
路デバイスである。この光導波路のコア部分２に実施例
１と同様の超短パルスレーザ光３を２０倍の対物レンズ
で集光、走査することで、実施例１と同様に屈折率を修
正することができた。シリコン基板から５μｍ以上、上
部に光導波路のコア部分が形成されていれば、シリコン
基板にダメージを生じさせずにコア部分の屈折率を修正
できることがわかった。

【００６４】＜実施例１４＞請求項１８の実施形態を、
図を用いて説明する。図１４は、図１３に示したシリコ
ン上に製膜された厚さ約２０μｍのシリカガラス薄膜中
に、Ｇｅをドープしたシリカガラスにより幅５. ５μｍ
の光導波路のコア２が形成された波長分波用光導波路デ
バイス４２である。このデバイスは、１本のファイバー
中に伝搬する１. ５４０〜１. ５５７２μｍで０. ８ｎ
ｍ間隔の波長を持ったレーザ光４３から０. ８ｎｍ間隔
の各波長に分波された出力４４を得ることが可能であ
る。それぞれの導波路の間隔は、最も広い部分でも２０
μｍと非常に狭い。この分岐した各光導波路から所定の
波長の光が最大出力となるように、屈折率の修正を実施
例１と同じ条件のレーザを用い、実施例１１で述べたフ
ィードバック機能を有した屈折率修正装置を用いて、透
過光をモニターしながら修正を行った。

【００６５】屈折率の修正領域４５の導波路間隔が２０
μｍ以下でも、集光されるビームの直径は２０倍の対物
レンズを用いることで、導波路幅と同じ５. ５μｍに調
整できた。その結果、他の導波路に影響を与えること無
く、各光導波路を所定の性能が得られる屈折率に調整す
ることが可能であった。

【００６６】＜実施例１５＞請求項１９の実施形態を、
図を用いて説明する。従来の技術で述べた、超短パルス
レーザをガラス中で走査することにより形成された光導
波路は、ガラス中にＧｅＯ₂ をドープする必要がない。
この方法でシリカガラス中に形成された光導波路デバイ
スを図１５に示す。この超短パルスで直描された光導波
路のコア部分４６の屈折率を修正するために、実施例３
と同様の実験を試みたところ、ＧｅＯ₂ をドープしたシ
リカガラスの場合と同様、屈折率の修正を行うことが可
能であった。またレーザで直描した部分のレーザによる
修正は、屈折率が変化する部分とのボリュームマッチン
グが非常に良く、屈折率の修正による導波光のロスは殆
ど生じないことがわかった。

【００６７】＜実施例１６＞請求項２０の実施形態を、
図を用いて説明する。図１６は、図１３に示したよう
に、シリコン基板４０上に製膜されたシリカガラス薄膜
４１中にＧｅＯ₂ をドープして形成された、幾何学長２
０ｍｍの光導波路のコア部分２を含む断面図である。コ
ア部分は５μｍ角に形成されている。図３、４で示した
ように、超短パルスレーザ３で屈折率を修正する領域
は、集光レンズや入力するレーザパワーを調整すること
により、コアの一部分やコアの周囲を含む領域に変化さ
せることができる。そこで、光源には実施例４と同じレ
ーザを用い、図１６の光が入出力するコア端面部分から
２０倍の対物レンズで集光した光を照射し、レーザの平
均パワーを３００ｍＷから１００ｍＷに変化させなが
ら、０. １ｍｍ／ｓで１０ｍｍの長さをスキャンした。

【００６８】その結果、コア周囲を含む領域の屈折率が
修正され、図１６に示すように、入出力端面はコア径が
８μｍ、修正した終端は径約５μｍで光導波路のコア径
と一致した。このように、スポットサイズ変換光導波路
４７とした屈折率修正部分４に、コア径が７μｍの光フ
ァイバーを結合し、伝搬ロスを測定したところ０. １ｄ
Ｂ以下であった。この結果、入出力端面のコア部分をテ
ーパー形状に修正することで、異なるコア径の光ファイ
バーと光導波路をロス無く接合することができることが
わかった。

【００６９】＜実施例１７＞請求項２１の実施形態を、
図を用いて説明する。図１７は、シリコン基板上に形成
したシリカガラス薄膜４１中にＧｅＯ₂ をドープした光
導波路のコア部分２がＴ字状に形成されているデバイス
を上から見た図である。このＴ字状の分岐部分に、実施
例８で示した１ｋＨで４００ｎｍの超短パルスレーザを
２０倍の対物レンズで集光して形成した径２５０ｎｍで
長さ７μｍの円柱状の空孔を図１７の下部に示したよう
にブラッグの条件を満たすように形成することを試み
た。コア中の波長λはλ／ｎとなり、ｎはコアの屈折率
で１. ４７５、入力する波長λ₁ 、λ₂ は１. ５５０μ
ｍと１. ３００μｍであり、そのうち１. ５５０μｍの
波長だけを回折させるためのｄは式（２）で計算され、 ｄ＝λ／（ｎ ・２siｎ４５゜）＝７４３ｎｍ （２） となる。

【００７０】そこで、図１７の下図に示すｄの間隔を７
４３ｎｍに設定し、この面上に棒状の空孔を約５００ｎ
ｍ間隔で形成した。そして２波長を入力したところ、
１. ５５０μｍの光の入力に対し、１５％がグレーティ
ングにより垂直方向に回折して、分岐した導波路から出
射された。透過した１. ３００μｍの透過ロスは１％以
内であった。また、ｄの間隔を６２３ｎｍにすること
で、１. ３００μｍの光を９０回折させ、分岐した光導
波路から出力することができ、この場合の回折効率も１
５％であった。

【００７１】図１８は、シリコン基板４０上のシリカガ
ラス薄膜４１中にＧｅＯ₂ がドープされた光導波路のコ
ア部分２が形成されている、光導波路の断面を横から見
た図である。このコア中に、図１７でグレーティングを
形成したときと同じ超短パルスレーザ３を斜め方向から
照射し、４５゜傾いた空孔を形成した。空孔の間隔は
１. ５５０μｍが回折されるように設定した。１. ５５
０μｍと１. ３００μｍの光を伝搬させたところ、１.
５５０μｍの光の１０％がコア部分から上部方向に回折
され、クラッドを通ってデバイスの表面に出力された。
１. ３００μｍの光は１％以内であった。

【００７２】＜実施例１８＞請求項１２の実施の形態を
図で説明する。図１９に示したように、シリコン基板４
０上のシリカガラス薄膜４１中にＧｅＯ₂ がドープされ
た光導波路のコア部分２が形成されている光導波路デバ
イスの表面が凸状に突起していたので、表面にクラッド
材料と屈折率が同じシリコン樹脂４９を表面に塗布し
た。その上から厚さ５０μｍで屈折率がコア材料と同じ
カバーガラス５０をかぶせた。その後、実施例１と同様
の超短パルスレーザ光３の照射実験を試みたところ、ビ
ームは導波路の凸部分で方向が変わることなく導波路の
コア部分に導入されて、コア部分の屈折率を０. ００１
６変化させ、デバイス特性を修正することが可能となっ
た。

【００７３】＜実施例１９＞請求項２２の実施の形態を
図で説明する。図２０に示したように、シリコン基板４
９上のシリカガラス薄膜４１中に高濃度にＧｅＯ₂ がド
ープされた平面導波路部分５１が形成されている光導波
路デバイスに、実施例１と同様の長短パルスレーザ光３
を集光照射してスキャンしたところ、平面導波路でレー
ザが照射された部分の屈折率が０. ００４変化した。こ
の変化した導波路部分はチャンネル導波路として使用で
きることがわかった。また、平面導波路の一方から入射
された横幅の広い光は平面導波路を伝播中にチャンネル
導波路に集光され、他方の端面からはチャンネル導波路
から出射されることがわかった。このデバイスにレーザ
ダイオードの光を入射することで、多チャンネルの導波
路に出力を分配することができた。

【００７４】＜実施例２０＞請求項２３の実施の形態を
図で説明する。図２１に示したようにシリカガラス光導
波路デバイス中に形成された導波路型方向性結合器５２
と主導波路５３の結合部分を含む全体、もしくは一部に
実施例１と同じ条件でレーザ光を照射して屈折率修正部
分４とした。その結果、主導波路から方向性結合器に分
岐する結合比率が変化することがわかった。レーザ光の
照射パラメータを変化させることで、分岐比を制御する
ことが可能であり、入力に対して所定の出力比が得られ
る導波路デバイスに調整できることがわかった。

【００７５】＜実施例２１＞請求項目２４の実施の形態
を図で説明する。図２２に示したように、シリコン基板
４０上の形成されたシリカガラス光導波路のコア部分２
の上部は凸形状になることがある。この凸形状はデバイ
ス形成後の熱処理の温度および時間を制御することで、
所定の形状に成形されることがわかった。そこで、導波
路コア部分の屈折率を修正するために照射する超短パル
スレーザ光３のビームの集光位置が導波路のコアのほぼ
中心になるように表面形状を制御した光導波路デバイス
５３を形成した。このデバイスにレーザ光を請求項１と
同じ条件で照射したところ、コアにおけるビームのエネ
ルギー密度が向上したため、屈折率の変化が表面がフラ
ットな形状の場合と比較して約２０％程度増加すること
がわかった。この例のように、表面形状を変化させるこ
とで同じレーザ光の照射条件でもコア部分に照射される
レーザ光のエネルギー密度を調整することが可能とな
り、屈折率の変化する大きさを調整することが可能であ
った。

【００７６】

【発明の効果】本発明により、光導波路デバイスの光が
導波するコア部分の屈折率を精度よく修正することが可
能となり、信頼性の高い、高性能な光導波路デバイスを
製造することができる。本発明により屈折率が修正され
た光導波路デバイスを、光通信システムに応用すること
で、信頼性の高い大容量高速光通信が実現され、情報通
信産業の発展に大きく貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超短パルスレーザによる光導波路デバイスのコ
ア部分の屈折率の修正。

【図２】シリカガラスおよびＧｅをドープしたシリカガ
ラスのバンドギャップと、各波長の光における吸収。

【図３】超短パルスレーザの波長と屈折率の変化する領
域。

【図４】コア周辺のクラッド部分を含んだ屈折率の修
正。

【図５】超短パルスレーザの走査距離、走査回数と光路
長の変化。

【図６】３次元で形成された光導波路デバイスの下層の
コア部分の屈折率の修正。

【図７】高密度化による屈折率の修正。

【図８】空孔による屈折率の修正。

【図９】熱処理によるカラーセンターの緩和。

【図１０】レーザ発振器、集光光学系、試料ステージが
一体となった、光導波路路の屈折率修正装置。

【図１１】導波路デバイスの透過光強度を超短パルスレ
ーザ光の照射パラメータにフィードバックさせた光導波
路の屈折率修正装置。

【図１２】シリカガラス上に形成されたポリマー樹脂薄
膜中の光導波路のコア部分の屈折率を、超短パルスレー
ザ光で修正した光導波路デバイス。

【図１３】シリコン基板上に製膜されたシリカガラス中
のＧｅがドープされた光導波路のコア部分の屈折率を、
超短パルスレーザ光で修正した光導波路デバイス。

【図１４】導波路間隔が２０μｍ以下のコア部分の屈折
率を、超短パルスレーザ光で個別に修正した光導波路デ
バイス。

【図１５】超短パルスレーザで直描した光導波路のコア
部分の屈折率を、超短パルスレーザ光で修正した光導波
路デバイス。

【図１６】コアの入出力部分にテーパーを設けた光導波
路デバイス。

【図１７】空孔によるグレーティングを用いたＴ字分岐
型光導波路デバイス。

【図１８】空孔によるグレーティングを用いた上部反射
型光導波路デバイス。

【図１９】凸状表面をゲルとカバーガラスでフラットに
して屈折率を修正する方法。

【図２０】Ｇｅドープ平面導波路に超短パルスレーザ光
を走査してチャネル導波路を形成した光導波路デバイ
ス。

【図２１】導波路型方向性結合器の結合比を超短パルス
レーザで調整した光導波路デバイス。

【図２２】表面形状を制御して超短パルスレーザ光の導
波路コアにおけるエネルギー密度を調整して屈折率を修
正した光導波路デバイス。

【符号の説明】

１．シリカガラス基板 ２．光導波路のコア部分 ３．超短パルスレーザ ４．対物レンズ ５．屈折率修正部分 ６．シリカガラスのバンドギャップ ７．ＧｅＯ₂ ドープガラスのバンドギャップ ８．シリカガラスの欠陥バンド ９．価電子帯 １０．超短パルスレーザの光路 １１．５０倍の対物レンズで集光した８００ｎｍの波長
の超短パルスレーザ光 １２．１００倍の対物レンズで集光した８００ｎｍの波
長の超短パルスレーザ光 １３．５０倍の対物レンズで集光した２６６ｎｍの波長
の超短パルスレーザ光 １４．レーザ光の吸収領域 １５．２０倍の対物レンズで集光した８００ｎｍの波長
の超短パルスレーザ光 １６．３層光導波路デバイス １７．高密度化により屈折率が変化した光導波路のコア
部分 １８．１００倍の対物レンズで集光した４００ｎｍの波
長の超短パルスレーザ光 １９．球状の空孔 ２０．２０倍の対物レンズで集光した４００ｎｍの波長
の超短パルスレーザ光 ２１．楕円体形状の空孔 ２２．コア材料のバンドギャップ ２３．超短パルスレーザ照射で生じた欠陥バンド ２４．３光子吸収 ２５．３光子吸収で生じた自由電子 ２６．欠陥にトラップされた電子 ２７．熱処理で緩和した電子 ２８．光導波路デバイス ２９．Ｘ、Ｙ、Ｚ微動ステージ ３０．３０ps以下のパルス光を発生するレーザ発振器 ３１．集光光学系 ３２．筐体 ３３．屈折率修正装置 ３４．マッハツェンダー干渉型光波長フィルター ３５．光ファイバー ３６．多波長光源 ３７．光スペクトルアナライザー ３８．ポリマー樹脂薄膜 ３９．ポリマー光導波路のコア部分 ４０．シリコン基板 ４１．シリカガラス薄膜 ４２．波長分波用光導波路デバイス ４３．多波長入射光 ４４．分派された光 ４５．屈折率修正領域 ４６．超短パルスレーザで直描した光導波路のコア ４７．スポットサイズ変換光導波路の断面 ４８．グレーティング ４９．シリコン樹脂 ５０．カバーガラス ５１．平面導波路部分 ５２．導波路型方向性結合器 ５３．主導波路

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光導波路デバイスの屈折率を修正する方
   法であって、 ３０ピコ秒以下のパルス幅を持つ超短パルスレーザ光を
   光導波路デバイスのコア部分、及びクラッド部分の少な
   くとも一方に照射して、照射した部分の屈折率を変化さ
   せることを特徴とする屈折率の修正方法。
2. 【請求項２】 照射する超短パルスレーザ光の光子のエ
   ネルギーが、光導波路デバイスを形成するクラッド材料
   のバンドギャップエネルギーの１／２よりも低いことを
   特徴とする請求項１に記載の屈折率の修正方法。
3. 【請求項３】 屈折率を修正するための超短パルスレー
   ザ光を照射する方法として、コア近傍を含むコア部分、
   コア部分のみ、及びコアの一部分のいずれかにレーザ光
   を集光し、クラッドの部分の屈折率を変化させること無
   く、コア部分又はコア部分の一部だけの屈折率を変化さ
   せることを特徴とする請求項１に記載の屈折率の修正方
   法。
4. 【請求項４】 屈折率を修正するための超短パルスレー
   ザ光を照射する方法として、コア近傍を含むコア部分に
   レーザ光を集光し、コア近傍のクラッド部分の屈折率を
   コア部分の屈折率と共に変化させることを特徴とする請
   求項１に記載の屈折率の修正方法。
5. 【請求項５】 超短パルスレーザ光を光導波路のコア部
   分に沿って、少なくても1 回以上走査しながら照射し
   て、屈折率を修正することを特徴とする請求項１に記載
   の屈折率の修正方法。
6. 【請求項６】 光導波路素子中の屈折率を修正するコア
   部分が、２層以上積層されているか、３次元で形成され
   ている光導波路デバイスの屈折率の修正方法であって、 超短パルスレーザ光を照射する方向から見て上部に形成
   されている光導波路のコア部分の屈折率を変化させるこ
   となく、下部に形成されているコア部分の屈折率を変化
   させることを特徴とする請求項１に記載の屈折率の修正
   方法。
7. 【請求項７】 超短パルスレーザ光を照射した部分を高
   密度化することにより屈折率を上げることを特徴とする
   請求項１に記載の屈折率の修正方法。
8. 【請求項８】 超短パルスレーザ光を照射した部分を低
   密度化させ、又は空孔を生じさせることにより屈折率を
   下げることを特徴とする請求項１に記載の屈折率の修正
   方法。
9. 【請求項９】 屈折率を修正した後に、光導波路デバイ
   スを熱処理することを特徴とする請求項１に記載の屈折
   率の修正方法。
10. 【請求項１０】 コア部分の屈折率の変化が飽和するパ
    ワー密度のレーザ光を照射することを特徴とする請求項
    １に記載の屈折率の修正方法。
11. 【請求項１１】 レーザ照射をしてコア部分の屈折率を
    変化させると同時に照射したレーザ光によりコア部分を
    加熱することで、屈折率を変化させた後の熱処理を不要
    にすることを特徴とする請求項１に記載の屈折率の修正
    方法。
12. 【請求項１２】 レーザ光を照射する光導波路デバイス
    の表面の形状がフラットで無い場合、クラッド部分と同
    じ屈折率を持つ液体、又はゲル状の材料を表面に塗布
    し、さらにその上からレーザ光を透過する透明材料で覆
    って表面をフラットにしてからレーザ光を照射すること
    を特徴とする請求項１に記載の屈折率の修正方法。
13. 【請求項１３】 光導波路デバイスの屈折率の修正装置
    であって、 光導波路デバイスを保持してＸ、Ｙ及びＺ軸方向に可動
    するステージ部と、コア部分の屈折率を修正するために
    用いる３０ピコ秒以下のパルス幅のレーザ光を発生する
    レーザ装置部と、そのレーザ装置から発生する光を光導
    波路デバイスのコア部分に照射することができる光学系
    部とを備え、それら３部が、同じ筐体内に固定されてお
    り、 請求項１から１２のうちのいずれか１項に記載の屈折率
    の修正方法によって光導波路デバイスの屈折率を修正す
    る機能を有することを特徴とする光導波路デバイスの屈
    折率の修正装置。
14. 【請求項１４】 屈折率を修正する光導波路デバイスの
    入出力端面に光ファイバーを結合し、光を導波させなが
    ら屈折率を修正するための超短パルスレーザ光を光導波
    路デバイスのコア部分に照射する機能と、 目的とするコア部分の屈折率変化量を得るために、光導
    波路デバイスからの出力値をレーザ光の照射条件にフィ
    ードバックする機能とを有することを特徴とする請求項
    １３に記載の光導波路デバイスの屈折率の修正装置。
15. 【請求項１５】 請求項１から１２のうちのいずれか１
    項に記載の屈折率の修正方法によって屈折率を修正した
    ことを特徴とする光導波路デバイス。
16. 【請求項１６】 光導波路デバイスのコアおよびクラッ
    ド部分が非晶質、もしくはポリマー分子で構成されてお
    り、このデバイスのコア部分の屈折率を請求項１から１
    ２のうちのいずれか１項に記載の屈折率の修正方法によ
    って修正したことを特徴とする光導波路デバイス。
17. 【請求項１７】 シリコン基板上に製膜された厚さ１０
    ０μｍ以下のガラス薄膜中に光導波路デバイスが形成さ
    れており、この光導波路のコア部分の屈折率を請求項１
    から１２のうちのいずれか１項に記載の屈折率の修正方
    法によって修正したことを特徴とする光導波路デバイ
    ス。
18. 【請求項１８】 ２本以上の光導波路を有する光導波路
    デバイスにおいて、 光導波路の間隔が３０μｍ以下であり、２本以上の光導
    波路のコア部分の屈折率を請求項１から１２のうちのい
    ずれか１項に記載の屈折率の修正方法によって修正した
    ことを特徴とする光導波路デバイス。
19. 【請求項１９】 ガラス系の材料を用いた光導波路デバ
    イスにおいて、 光が導波するコア部分にＧｅＯ₂ を含んでおらず、この
    コア部分の屈折率を請求項１から１２のうちのいずれか
    １項に記載の屈折率の修正方法によって修正したことを
    特徴とする光導波路デバイス。
20. 【請求項２０】 請求項１から１２のうちのいずれか１
    項に記載の屈折率の修正方法によって、光が伝搬するコ
    ア部分の形状をテーパー状に変化させたことを特徴とす
    る光導波路デバイス。
21. 【請求項２１】 光導波路デバイスにおいて、 コア中を伝搬している光を任意の方向に回折させるため
    のグレーティングを、請求項１から１２のうちのいずれ
    か１項に記載の屈折率の修正方法によって、コア中に形
    成したことを特徴とする光導波路デバイス。
22. 【請求項２２】 ガラス光導波路デバイスにおいて、 光が導波するコア部分が平面型導波路になっており、こ
    のコア部分にはＧｅＯ ₂ のがドープされており、この平
    面型のスラブ導波路に請求項１に記載の屈折率の修正方
    法で屈折率を変化させてチャンネル導波路を形成したこ
    とを特徴とする光導波路デバイス。
23. 【請求項２３】 光導波路型の方向性結合器を有する光
    導波路デバイスにおいて、 信号光が伝搬する導波路と導波路型方向性結合器の光を
    結合させる部分のどちらか一方のコア部分の屈折率、両
    方のコア部分の屈折率、及び導波路間の屈折率のいずれ
    かを請求項１に記載の屈折率の修正方法で変化させるこ
    とで、結合比を調整したことを特徴とする光導波路デバ
    イス。
24. 【請求項２４】 請求項１の屈折率の修正方法によって
    屈折率を修正した光導波路デバイスであって、 レーザ光を照射する光導波路デバイスの表面形状を凸面
    にしてレンズの役目を持たせて、照射したレーザ光が効
    率的にレーザ導波路のコア部分に集光するような表面を
    持つことを特徴とする光導波路デバイス。
25. 【請求項２５】 ＷＤＭ光通信に用いられる多重化され
    た光を分波したり、分波された光を合波したりする機能
    をもつアレイウエイブガイドグレーティングを有する光
    導波路デバイスであって、 所定の波長の光が所定の導波路に結合されるように請求
    項１の方法で導波路の屈折率を修正したことを特徴とす
    る光導波路デバイス。
26. 【請求項２６】 特定の波長を回折することのできるフ
    ァイバーグレーティングを有する光導波路デバイスであ
    って、 所定の波長の光が回折するように請求項１の方法でグレ
    ーティングの屈折率を調整したことを特徴とする、光導
    波路デバイス。