JP3925209B2 - Manufacturing method of waveguide - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波路の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図9(a)は従来の導波路の製造方法を示す概念図であり、図9(b)は図9(a)に示した製造方法を適用した導波路の平面図であり、図9(c)は図9(b)に示した導波路の9c−9c線断面における屈折率分布を示す図である。
【0003】
図9(c)において、横軸は屈折率を示し、縦軸は導波路の(9c−9c線上の位置)幅方向の位置を示す。
【0004】
屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含む透明なガラスブロック1内に超短パルスレーザビーム2−1をレンズ3で集光、照射(矢印2−2)することにより、照射部を高屈折率な層すなわち、光伝播層4に改質することが行われている。
【0005】
この超短パルスレーザビーム2−2のパルス幅は200フェムト秒以下と狭くなっている。
【0006】
このような超短パルスレーザビーム2−2を200kHz程度の早い繰り返し周波数でガラスブロック1に照射しながらガラスブロック1を、超短パルスレーザビーム2−2と直交する方向(矢印5方向)に移動させることにより、所望の形状の光伝播層4が形成される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例の導波路には以下のような問題がある。
【0008】
(1)超短パルスレーザビーム照射による高屈折率な光伝播層の形成は容易であるが、光伝播層の界面がレーザビームスポット内のパワー密度分布の不均一性、レーザビームの揺らぎ、パルス幅の繰り返し周波数の低さ、ガラスブロックを移動させるステージの移動速度の不均一性等によって乱れ、光散乱損失の大きい導波路となり、実用的な導波路がまだ得られていない。
【0009】
(2)曲率半径の小さい曲線導波路を形成する場合、光散乱損失が大幅に増加し、従来の導波路で実現されているような低損失な分岐、合流、分波、合波等の光信号処理回路を得ることは難しい。
【0010】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、低光散乱損失の導波路の製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、少なくとも一種類の屈折率制御用添加物を含む透明体に超短パルスレーザビームを照射、集光させると共に超短パルスレーザビーム若しくは透明体を相対移動させることにより集光部の屈折率を透明体の屈折率より高くして光伝播層を形成する導波路の製造方法において、超短パルスレーザビームとして波長が250nmから1600nmの範囲であり、パルス幅が1000フェムト秒以下30フェムト秒以上であり、その繰り返し周波数が300kHz以下50kHz以上であるものを用い、その超短パルスレーザビームを集光、照射した後、光伝播層に透明体に吸収する波長を有する炭酸ガスレーザビームをさらに集光、照射するものである。
【0013】
請求項2に記載の導波路の製造方法は、請求項1に記載の構成に加え、屈折率制御用添加物として、Ge、P、B等の融点を低下させる元素を少なくとも一種類含み、その含有率が8モル%以上30モル%以下のSiO2ガラスを用いるのが好ましい。
【0014】
請求項3に記載の導波路の製造方法は、請求項1または2に記載の構成に加え、炭酸ガスレーザビームとして連続発振するレーザビームを用いるのが好ましい。
【0015】
請求項4に記載の導波路の製造方法は、請求項1から3のいずれかに記載の構成に加え、炭酸ガスレーザビームとして、パワー密度分布が中央部のくぼんだ形状を有し、略TEM01モードを有するものを用いるのが好ましい。
【0017】
請求項5に記載の導波路の製造方法は、請求項1から4のいずれかに記載の構成に加え、透明体内の光伝播層以外の領域にさらに炭酸ガスレーザビームを照射、集光して多数の空孔を有するフォトニックバンドギャップ構造を形成してもよい。
【0018】
本発明によれば、屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含む透明体に超短パルスレーザビームを集光、照射して光伝播層を形成した後、光伝播層に透明体に吸収する波長を有する炭酸ガスレーザビームを集光、照射することにより、光伝播層内の屈折率制御用添加物が熱拡散して光伝播層の幅方向の屈折率分布を変えることができると共に、光伝播層とその周辺部の長手方向の屈折率分布が均一化されるので、光伝播層内における信号光の散乱損失が低下する。
【0019】
屈折率制御用添加物として、Ge、P、B等の融点を低下させる添加物を少なくとも一種類含み、その含有率が8モル%以上30モル%以下のSiO2ガラスを用いることにより、光伝播層内の屈折率制御用添加物が容易に熱拡散して光伝播層の幅方向の屈折率分布を変えると共に、光伝播層とその周辺部の長手方向の屈折率分布を均一にすることができる。すなわち、光伝播層としてのコア層と、コア層の側面の透明体としてのクラッド層との界面を平滑化することができるので、低散乱損失特性が得られる。なお、30モル%を超えると、基板との熱膨張係数とのミスマッチングが生じ、偏光依存性が出てくるので、30モル%以下が好ましい。
【0020】
屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含む透明体に吸収する波長を有する発振波長のレーザビームとして、波長が10.6μm帯の炭酸ガスレーザビームを用いれば、超短パルスレーザの照射条件に応じてその出力パワーを広い範囲から選択して調整することができるので、低散乱損失の導波路の製造が容易となる。
【0021】
屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含んだ透明体に吸収する波長を有するレーザビームとして、連続発振するレーザビームを用いることにより、パルスレーザビームで形成された光伝播層の凹凸を長さ方向に均一にすることができる。
【0022】
屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含んだ透明体に吸収する波長を有するレーザビームのパワー密度分布として、中央部がくぼんだ略TEM01モードのレーザビームを用いることにより、光伝播層の中央部の屈折率をほとんど変えずに光伝播層の周辺部の構造不均一性を重点的に均一にすることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0024】
図1(a)は本発明の導波路の製造方法の一実施の形態を示す概念図であり、図1(b)は図1(a)に示した導波路の1b−1b線断面図であり、図1(c)は図1(b)の1c−1c線断面における屈折率分布を示す図である。図1(c)において、横軸は屈折率を示し、縦軸は導波路の1c−1c線上の位置若しくは1c’−1c’線上の位置(幅方向の位置)を示す。
【0025】
図1(a)を参照して導波路の製造方法について説明する。
【0026】
屈折率制御用添加物を含んだ透明なガラスブロック(SiO2ガラス中にGeO2が14モル%と、P2O5が10モル%共添加されたもの、厚さ:0.5mm)10の内部(表面からの深さ0.1mmの領域)に超短パルスレーザビーム(波長:800nm、平均出力:100mW、パルス幅:160フェムト秒、パルス繰り返し周波数:200kHz)11−1をレンズ12で6μmのビームスポットに保持し、矢印11−2に示すように集光、照射させながらガラスブロック10を、超短パルスレーザビーム11−1と直交する方向(矢印13方向)に例えば100μm/sの速度で移動させることにより、高屈折率の光伝播層14を形成することができる。この超短パルスレーザビーム11−1にほぼ同期させて超短パルスレーザビーム11−1の後から追うように炭酸ガスレーザビーム(波長:10.6μm帯、連続発振出力:5W)15−1をレンズ16で約12μm径のビームスポットに保持して矢印15−2に示すように集光、照射することにより、光伝播層14の屈折率分布形状を実線L1から破線L2で示すように拡げた光伝播層17を得ることができる。
【0027】
超短パルスレーザビーム11−2の照射のみによる光伝播層14の周辺部には超短パルスレーザビーム11−2の揺らぎや、超短パルスレーザビーム11−2による乱れや、ガラスブロック10の移動速度の変動等により凹凸が発生していたが、炭酸ガスレーザビーム15−2の照射後にはその光伝播層17の周辺部を平滑な構造とすることができる(図1(b))。
【0028】
また、光伝播層14の屈折率分布を炭酸ガスレーザビーム15−2の照射によって光伝播層17まで拡げることができ、かつその光伝播層17の屈折率もわずかに低下させることができる(図1(c)の屈折率分布:実線L1及び破線L2)。これは、炭酸ガスレーザビーム15−2の照射によってガラスブロック10内のGeO2、P2O5の一部が光伝播層14内からその周囲へ向かって拡散することによって生じたものと考えることができる。
【0029】
ここで、SiO2にGeO2を15モル%と、B2O3を10モル%とを共添加したガラスブロックを用いて前述と同様の方法で導波路を試作した。その結果、図1(a)〜(c)に示した場合と比べて光伝播層の中央部の屈折率低下は少なくなり、光伝播層の周辺部の屈折率は大きく低下した。これは、光伝播層の周辺部へのB2O3の拡散が影響したことによるものと考えられる。
【0030】
ガラスブロック10内へ添加する屈折率制御用添加物としては、B2O3以外に、PbO、Zn、ZrO2等が挙げられるが、GeO2、P2O5がより効果的である。これらの添加物の添加量はそれぞれ少なくとも8モル%よりも多く添加しておくことが望ましい。添加物を多くすることにより、後方の炭酸ガスレーザビーム15−2の照射による屈折率の制御と構造的均一化工程とを行うことが容易となる。
【0031】
図2(a)、(b)は本発明の導波路の製造方法の他の実施の形態を示す概念図である。
【0032】
これは、ガラスブロック10への超短パルスレーザビーム11−1の集光、照射による光伝播層14の形成(図2(a))と、ガラスブロック10内に吸収する波長の炭酸ガスレーザビーム15−1の集光、照射による光伝播層14の幅方向の屈折率分布の制御と、光伝播層14とその周辺部の長手方向の屈折率分布の均一化とを行って光伝播層17とする成形加工工程(図2(b))とを別々に行うようにした製造方法を示している。
【0033】
このように別々の工程で行うことにより、図2(b)に示したガラスブロック10に吸収される波長の炭酸ガスレーザビーム15−2による光伝播層14の幅方向の屈折率分布の制御と、光伝播層14とその周辺部の長手方向の屈折率分布の形状の均一化成形加工工程時間とを炭酸ガスレーザビーム15−1の出力を高くすることにより速めることができる。これは、例えば炭酸ガスレーザには出力が数Wから数百W程度までのものがあり、その出力を高くすることにより高速加工を実現することができるためである。
【0034】
図3は本発明の導波路の製造方法の他の実施の形態を示す概念図である。
【0035】
これは、屈折率制御用添加物を含んだ透明層10aを基板18上に成膜した積層体を用いた例である。基板18としては、Si、GaAs、InP等の半導体基板、石英、パイレックス(登録商標)等のガラス基板、LiNbO3、LiTaO5等の強誘電体基板、セラミックス、アルミナ等の磁性材料基板、プラスチック基板等を用いることができる。特に、基板18の界面まで超短パルスレーザビーム11−2、15−2照射で高温に加熱されることがないので、上述したような多種の基板を用いることができる。
【0036】
図4は本発明の導波路の製造方法の他の実施の形態を示す概念図である。
【0037】
これは、屈折率制御用添加物を含んだ透明層10aの表面上に光伝播層14a、17aを形成した例である。この実施の形態では超短パルスレーザビーム11−2を照射した後から照射する炭酸ガスレーザビーム15−2による光伝播層14aの幅方向の屈折率分布の制御と、光伝播層14aとその周辺部の長手方向の屈折率分布の均一化成形加工とを行い光伝播層17とすることが、より容易になる。すなわち、光伝播層14aが透明層10aの表面上に形成されているので、炭酸ガスレーザビーム15−2の照射による屈折率制御用添加物の拡散速度を速めることができ、かつ、光伝播層14aとその周辺部の長手方向の屈折率分布の均一化加工も、より容易に行うことができる。
【0038】
図5(a)は本発明の導波路の製造に用いられるレーザビームの模式図であり、図5(b)は図5(a)に示したレーザビームの径方向のパワー密度を示す図であり、図5(c)はパワー密度分布を立体的に示す図である。図5(b)において横軸はレーザビームの径方向の位置を示し、縦軸はパワー密度を示す。
【0039】
これは、炭酸ガスレーザビーム15−1として、TEM01モードのレーザビーム19−1を用い、このレーザビーム19−1をレンズ16で収束させて用いられる(矢印19−2)。
【0040】
同図(c)に示すように中央部がくぼんだTEM01モードのレーザビーム19−2を用いれば、光伝播層14(14a)の中央部の屈折率分布を大きく変えることなく、光伝播層14aとその周辺部の長手方向の屈折率分布の不均一性を改善して均一な形状の光伝播層17(17a)を実現することができる。
【0041】
図6(a)は本発明の導波路の製造方法の他の実施の形態を示す概念図であり、図6(b)は図6(a)に示した導波路の6b−6b線断面における屈折率分布と6b’−6b’線断面における屈折率分布とを重ね合わせた図である。図6(b)において横軸は屈折率を示し、縦軸は導波路の6b−6b線上若しくは6b’−6b’線上の位置(厚さ方向の位置)を示す。
【0042】
図6(a)に示す製造方法は、図5(c)に示すパワー密度分布を有するTEM01モードのレーザビーム19−1を、透明層10aへの超短パルスレーザビーム11−2の照射によって形成された光伝播層14に、さらに照射する方法である。
【0043】
レーザビーム11−2の照射により図6(b)の実線L3に示すような屈折率分布が形成され、レーザビーム19−2の照射により図6(b)の破線L4に示すような屈折率分布になる。
【0044】
このような製造方法を用いても低光散乱損失の導波路を得ることができる。
【0045】
本発明は前述した実施の形態に限定されない。
【0046】
まず、後方のレーザビーム15−1、19−1としては、炭酸ガスレーザビーム以外に、真空紫外域や紫外域のレーザビーム、例えばエキシマレーザビームを用いることができる。また、連続発振以外にパルス発振レーザを用いてもよい。この場合には熱的な影響が少なくなる。
【0047】
本発明の導波路の製造方法を適用した導波路を用いて、従来知られているような光方向性結合器、光Y分岐回路、リング共振器、光フィルタ回路、光スイッチ回路等を構成してもよい。また、光伝播層として、直線状パターン、曲線状パターン或いはこれらを組合せたパターンを用いた光信号処理回路を構成してもよい。
【0048】
さらに、図7(a)〜(c)に示すように、屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含んだ透明体からなる透明層10aの上面に透明体より屈折率の低い低屈折率層20−1を形成し、超短パルスレーザビームを集光、照射した後、光伝播層に透明体に吸収する波長を有する炭酸ガスレーザビームをさらに集光、照射して光伝播層17を構成してもよく(図7(a))、透明層10aの下面に透明体より屈折率の低い低屈折率層20−2を形成し、超短パルスレーザビームを集光、照射した後、光伝播層に透明体に吸収する波長を有する炭酸ガスレーザビームをさらに集光、照射して光伝播層17を構成してもよく(図7(b))、或いは透明層10aの上下両面(図7(c))に透明体より屈折率の低い低屈折率層20−1、20−2をそれぞれ形成し、超短パルスレーザビームを集光、照射した後、光伝播層に透明体に吸収する波長を有する炭酸ガスレーザビームをさらに集光、照射して光伝播層17を構成してもよい。
【0049】
低屈折率層20−1、20−2としては例えば、F、B、P等を少なくとも一種類含むのが望ましい。
【0050】
図7(a)〜(c)は本発明の導波路の製造方法を適用した他の導波路の構造図である。
【0051】
さらに、屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含んだ透明体を少なくとも一層多く積層させておき、それぞれの層内に光伝播層を形成してもよく、それぞれの層内に光伝播層が伝播するように形成してもよい。このようにしておくことによって、より一層の高集積化を図ることができ、多機能化も期待できる。
【0052】
超短パルスレーザビームの波長も800nm以外に、260nmから1600nmの範囲から選ぶことができる。
【0053】
さらに、屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含んだ透明体の材料として、例えばポリイミド、ポリシラン、シリコーン、エポキシ樹脂等を用いてもよい。本発明の導波路の製造方法は、図8(a)〜(c)に示すようなフォトニック結晶構造に適用してもよい。
【0054】
図8(a)はフォトニック結晶構造の導波路の側面図であり、図8(b)は図8(a)の8b−8b線断面図であり、図8(c)は8c−8c線断面における屈折率分布を示す図である。図8(c)において横軸は屈折率を示し、縦軸は導波路の8c−8c線上の位置(幅方向の位置)を示す。
【0055】
基板21の上に透明体からなる透明層22より屈折率が低いかほぼ等しい低屈折率層23が形成され、その低屈折率層23の上に低屈折率層23よりも屈折率が高く、屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含んだ透明層22を形成し、その透明層22の上に透明層22より屈折率が低いかほぼ等しい他の低屈折率層24を形成した構造の透明な積層体の透明層22内の光伝播層が形成されない領域に直径d(1μm以下)の空孔25を所望間隔s(1μm以下)で縦横にフォトニックバンドギャップ構造が形成されるように設ける。この空孔25はレーザビーム15−2、19−2のエネルギーを大きくすることにより形成することができる。
【0056】
空孔25の形成されない領域に、波長が250nmから1600nmの範囲で、パルス幅が1000フェムト秒以下30フェムト秒以上で、繰り返し周波数が300kHz以下50kHz以上の超短パルスレーザビーム(図示せず。)を集光、照射することにより集光部の屈折率を高くして光伝播層26を形成する際に、超短パルスレーザビームを集光、照射した後に透明体に吸収する波長を有するレーザビームを集光、照射することにより、光伝播層26内の屈折率制御用添加物を熱拡散させてその屈折率分布を変えると共に、光伝播層の周辺部の形状を均一にすることができる。
【0057】
なお、上記実施の形態では透明体を移動させる場合で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、超短パルスレーザビーム及び炭酸ガスレーザビームを移動させることにより光伝播層を形成するようにしてもよい。
【0058】
以上において、本発明は以下のような効果を示す。
【0059】
(1)従来のように、超短パルスレーザビームを屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含んだ透明体の表面上あるいは内部に集光、照射しながら被照射物あるいはレーザビームのいずれかを相対的に移動させてパターニングを行い、光伝播層となる高屈折率のコア層を形成する方法ではコア層の側面の荒れを小さくすることは難しい。これに対して本発明のように、超短パルスレーザビームを集光、照射して光伝播層を形成した後に、透明体に吸収する波長のレーザビームを集光、照射することにより、光伝播層内の屈折率制御用添加物を熱拡散させて、光伝播層の幅方向の屈折率分布を変えると共に、光伝播層とその周辺部の長手方向の屈折率分布の形状を均一にすることができる。この結果、低散乱損失の超低損失導波路を得ることができる。
【0060】
(2)屈折率制御用添加物として、Ge、P、Bのような融点を低下させる添加物を少なくとも一種類、8モル%以上30モル%以下含んだSiO2ガラスを用いれば、光伝播層内の屈折率制御用添加物を容易に熱拡散させてその幅方向の屈折率分布を変えると共に、光伝播層とその周辺部の長手方向の屈折率分布の形状をより均一にすることができる。すなわち、コア層とコア層の側面のクラッド層との界面を平滑化することができるので、より低散乱損失の導波路を得ることができる。
【0061】
(3)屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含んだ透明体に吸収する波長のレーザビームとして、波長が10.6μm帯の炭酸ガスレーザビームを用いれば、超短パルスレーザビームの照射条件に応じてその出力パワーを広い範囲から選択して調整できるので、より効率的に上記効果が得られる。
【0062】
(4)屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含んだ透明体に吸収する波長のレーザビームとして、連続発振するレーザビームを用いることにより、パルスレーザビームで形成した光伝播層の周辺部の凹凸を長手方向に均一にすることができる。
【0063】
(5)屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含んだ透明体に吸収する波長のレーザビームのパワー密度分布として、中央部がくぼんだ略TEM01モードのレーザビームを用いることにより、光伝播層の中央部の屈折率をほとんど変えずに光伝播層の周辺部の長手方向の不均一性を直すことができる。
【0064】
(6)光伝播層として、屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含んだ透明体内に直線パターン、曲線パターン、あるいはそれらを組み合わせたパターンで二次元、あるいは三次元に形成させることにより、種々の光信号処理回路を形成することができる。
【0065】
(7)光伝播層として、光信号を分岐、合流したり、種々の波長の光信号を分波、合波したりする光信号処理回路を形成することもでき、これによって、より低損失な光信号処理回路を実現することができる。
【0066】
(8)屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含んだ透明体を基板上に少なくとも一層形成しておくことにより、基板の上、下或いは内部に種々の電気回路、電子部品、光回路、光素子等を実装した光デバイスを得ることができる。
【0067】
(9)光伝播層を各層の少なくとも一層内に形成することにより、高集積、多機能な光回路を実現することができる。
【0068】
(10)屈折率制御用添加物を少なくとも一種類含んだ透明体をそれよりも屈折率の低い層で覆うことにより、光伝播層により光閉じ込めのよい光回路、外部環境(温度変化、湿度変化等)に左右されない光回路を実現することができる。
【0069】
(11)低損失な導波路を安定して再現性よく、かつ簡単に製造することができる。また、作製した導波路の幅方向の屈折率分布を容易に調整することができる。さらに、光伝播層とその周辺部の長手方向の均一性を、より一層向上させることができる。さらに、超短パルスレーザビーム照射後に照射する後方のレーザビームとして、炭酸ガスレーザや連続発振しているレーザビームを用いることにより、上記効果をさらに一層高めることができる。さらに、後方のレーザビームのパワー密度分布として、TEM01モードのレーザビームを用いれば、光伝播層とその周辺部の長手方向の均一性を向上させることができる。
【0070】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、低光散乱損失の導波路の製造方法の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の導波路の製造方法の一実施の形態を示す概念図であり、(b)は(a)に示した導波路の1b−1b線断面図であり、(c)は(b)の1c−1c線断面における屈折率分布を示す図である。
【図2】(a)、(b)は本発明の導波路の製造方法の他の実施の形態を示す概念図である。
【図3】本発明の導波路の製造方法の他の実施の形態を示す概念図である。
【図4】本発明の導波路の製造方法の他の実施の形態を示す概念図である。
【図5】(a)は本発明の導波路の製造に用いられるレーザビームの模式図であり、(b)は(a)に示したレーザビームの径方向のパワー密度を示す図であり、(c)はパワー密度分布を立体的に示す図である。
【図6】(a)は本発明の導波路の製造方法の他の実施の形態を示す概念図であり、(b)は(a)に示した導波路の6b−6b線断面における屈折率分布と6b’−6b’線断面における屈折率分布とを重ね合わせた図である。
【図7】(a)〜(c)は本発明の導波路の製造方法を適用した他の導波路の構造図である。
【図8】(a)はフォトニック結晶構造の導波路の側面図であり、(b)は(a)の8b−8b線断面図であり、(c)は8c−8c線断面における屈折率分布を示す図である。
【図9】(a)は従来の導波路の製造方法を示す概念図であり、(b)は(a)に示した製造方法を適用した導波路の平面図であり、(c)は(b)に示した導波路の9c−9c線断面における屈折率分布を示す図である。
【符号の説明】
10 透明体
11−1、11−2 超短パルスレーザビーム
12、16 レンズ
14、17 光伝播層
15−1、15−2 レーザビーム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a waveguide.
[0002]
[Prior art]
FIG. 9A is a conceptual diagram showing a conventional waveguide manufacturing method, FIG. 9B is a plan view of a waveguide to which the manufacturing method shown in FIG. 9A is applied, and FIG. (c) is a figure which shows the refractive index distribution in the 9c-9c line cross section of the waveguide shown in FIG.9 (b).
[0003]
In FIG. 9C, the horizontal axis indicates the refractive index, and the vertical axis indicates the position of the waveguide in the width direction (position on the 9c-9c line).
[0004]
An ultrashort pulse laser beam 2-1 is condensed by a
[0005]
The pulse width of the ultrashort pulse laser beam 2-2 is as narrow as 200 femtoseconds or less.
[0006]
The
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional waveguide described above has the following problems.
[0008]
(1) Although it is easy to form a light propagation layer having a high refractive index by irradiation with an ultrashort pulse laser beam, the interface of the light propagation layer is uneven in the power density distribution in the laser beam spot, the fluctuation of the laser beam, the pulse A waveguide having a large light scattering loss is disturbed by the low repetition frequency of the width, the non-uniformity of the moving speed of the stage for moving the glass block, and a practical waveguide has not yet been obtained.
[0009]
(2) When a curved waveguide with a small radius of curvature is formed, the light scattering loss is greatly increased, and light such as branching, merging, demultiplexing, and multiplexing with low loss as realized by conventional waveguides. It is difficult to obtain a signal processing circuit.
[0010]
Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems and provide a method for manufacturing a waveguide with low light scattering loss.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention described in
[0013]
The method for manufacturing a waveguide according to
[0014]
Method for producing a waveguide according to
[0015]
Method for producing a waveguide according to
[0017]
Method for producing a waveguide according to
[0018]
According to the present invention, after forming a light propagation layer by condensing and irradiating an ultrashort pulse laser beam on a transparent body containing at least one kind of refractive index control additive, the wavelength that is absorbed by the transparent body in the light propagation layer condensing the carbon dioxide gas laser beam having, by irradiating, it is possible to change the refractive index distribution in the width direction of the light propagation layer with the refractive index control additives of the light propagation layer is thermally diffused, the light propagation Since the refractive index distribution in the longitudinal direction of the layer and its peripheral part is made uniform, the scattering loss of signal light in the light propagation layer is reduced.
[0019]
By using at least one additive that lowers the melting point such as Ge, P, and B as the refractive index control additive and using SiO 2 glass with a content of 8 mol% or more and 30 mol% or less, light propagation The refractive index control additive in the layer can be easily thermally diffused to change the refractive index distribution in the width direction of the light propagation layer and to make the refractive index distribution in the longitudinal direction of the light propagation layer and its peripheral part uniform. it can. That is, since the interface between the core layer as the light propagation layer and the cladding layer as the transparent body on the side surface of the core layer can be smoothed, low scattering loss characteristics can be obtained. In addition, when it exceeds 30 mol%, mismatching with a thermal expansion coefficient with the substrate occurs, and polarization dependency appears, so 30 mol% or less is preferable.
[0020]
As Les Zabimu the oscillation wavelength having a wavelength of absorbing refractive index control additives transparent body comprising at least one wavelength is the use of the carbon dioxide gas laser beam of 10.6μm band, depending on the irradiation conditions of the ultrashort pulse laser Since the output power can be selected and adjusted from a wide range, a waveguide with low scattering loss can be easily manufactured.
[0021]
By using a continuously oscillating laser beam as a laser beam having a wavelength that is absorbed by a transparent body containing at least one additive for controlling the refractive index, the unevenness of the light propagation layer formed by the pulsed laser beam is lengthened. Can be made uniform.
[0022]
As a power density distribution of a laser beam having a wavelength that is absorbed by a transparent body containing at least one kind of refractive index control additive, a substantially TEM 01 mode laser beam with a recessed central portion is used, so that the center of the light propagation layer is It is possible to make uniform the structure non-uniformity in the peripheral part of the light propagation layer with little change in the refractive index of the part.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0024]
FIG. 1A is a conceptual diagram showing an embodiment of a method for manufacturing a waveguide according to the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line 1b-1b of the waveguide shown in FIG. FIG. 1C is a diagram showing a refractive index distribution in the cross section taken along line 1c-1c in FIG. In FIG. 1C, the horizontal axis indicates the refractive index, and the vertical axis indicates the position on the 1c-1c line or the position on the 1c′-1c ′ line (position in the width direction) of the waveguide.
[0025]
A method for manufacturing a waveguide will be described with reference to FIG.
[0026]
10 transparent glass block containing an additive for controlling the refractive index (14 mol% GeO 2 and 10 mol% P 2 O 5 co-added in SiO 2 glass, thickness: 0.5 mm) Ultra-short pulse laser beam (wavelength: 800 nm, average output: 100 mW, pulse width: 160 femtoseconds, pulse repetition frequency: 200 kHz) 11-1 inside the lens (region having a depth of 0.1 mm from the surface) is 6 μm by the
[0027]
In the periphery of the
[0028]
Further, the refractive index distribution of the
[0029]
Here, a waveguide was prototyped by the same method as described above using a glass block in which 15 mol% of GeO 2 and 10 mol% of B 2 O 3 were co-added to SiO 2 . As a result, compared with the case shown in FIGS. 1A to 1C, the refractive index decrease in the central portion of the light propagation layer was reduced, and the refractive index in the peripheral portion of the light propagation layer was greatly decreased. This is considered to be due to the influence of the diffusion of B 2 O 3 to the periphery of the light propagation layer.
[0030]
Examples of the refractive index control additive to be added into the
[0031]
2 (a) and 2 (b) are conceptual diagrams showing another embodiment of the waveguide manufacturing method of the present invention.
[0032]
This is because the ultrashort pulse laser beam 11-1 is focused on the
[0033]
Thus, by performing in separate steps, control of the refractive index distribution in the width direction of the
[0034]
FIG. 3 is a conceptual diagram showing another embodiment of the waveguide manufacturing method of the present invention.
[0035]
This is an example using a laminate in which a transparent layer 10a containing a refractive index control additive is formed on a
[0036]
FIG. 4 is a conceptual diagram showing another embodiment of the waveguide manufacturing method of the present invention.
[0037]
This is an example in which the light propagation layers 14a and 17a are formed on the surface of the transparent layer 10a containing the refractive index control additive. In this embodiment, control of the refractive index distribution in the width direction of the light propagation layer 14a by the carbon dioxide laser beam 15-2 irradiated after the irradiation with the ultrashort pulse laser beam 11-2, and the light propagation layer 14a and its peripheral portion are performed. It becomes easier to make the
[0038]
FIG. 5A is a schematic view of a laser beam used for manufacturing the waveguide of the present invention, and FIG. 5B is a diagram showing the power density in the radial direction of the laser beam shown in FIG. FIG. 5C is a diagram showing the power density distribution three-dimensionally. In FIG. 5B, the horizontal axis indicates the radial position of the laser beam, and the vertical axis indicates the power density.
[0039]
This uses the TEM 01 mode laser beam 19-1 as the carbon dioxide laser beam 15-1, and the laser beam 19-1 is converged by the lens 16 (arrow 19-2).
[0040]
If a TEM 01 mode laser beam 19-2 having a recessed central portion is used as shown in FIG. 5C, the light propagation layer is not significantly changed without significantly changing the refractive index distribution in the central portion of the light propagation layer 14 (14a). The light propagation layer 17 (17a) having a uniform shape can be realized by improving the non-uniformity of the refractive index distribution in the longitudinal direction of 14a and its peripheral part.
[0041]
6A is a conceptual diagram showing another embodiment of the waveguide manufacturing method of the present invention, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line 6b-6b of the waveguide shown in FIG. It is the figure which superimposed the refractive index distribution and the refractive index distribution in a 6b'-6b 'line cross section. In FIG. 6B, the horizontal axis indicates the refractive index, and the vertical axis indicates the position (position in the thickness direction) on the 6b-6b line or 6b′-6b ′ line of the waveguide.
[0042]
In the manufacturing method shown in FIG. 6A, the TEM 01 mode laser beam 19-1 having the power density distribution shown in FIG. 5C is irradiated with the ultrashort pulse laser beam 11-2 on the transparent layer 10a. In this method, the formed
[0043]
A refractive index distribution as shown by a solid line L3 in FIG. 6B is formed by irradiation with the laser beam 11-2, and a refractive index distribution as shown by a broken line L4 in FIG. 6B by irradiation with the laser beam 19-2. become.
[0044]
Even with such a manufacturing method, a waveguide with low light scattering loss can be obtained.
[0045]
The present invention is not limited to the embodiment described above.
[0046]
First, as the rear laser beams 15-1 and 19-1, a laser beam in a vacuum ultraviolet region or an ultraviolet region, for example, an excimer laser beam can be used in addition to the carbon dioxide laser beam. In addition to continuous oscillation, a pulsed laser may be used. In this case, the thermal influence is reduced.
[0047]
An optical directional coupler, an optical Y branch circuit, a ring resonator, an optical filter circuit, an optical switch circuit, and the like as conventionally known are configured by using a waveguide to which the waveguide manufacturing method of the present invention is applied. May be. Moreover, you may comprise the optical signal processing circuit using a linear pattern, a curvilinear pattern, or the pattern which combined these as a light propagation layer.
[0048]
Further, as shown in FIGS. 7A to 7C, a low
[0049]
For example, the low refractive index layers 20-1 and 20-2 preferably include at least one kind of F, B, P, and the like.
[0050]
FIGS. 7A to 7C are structural views of other waveguides to which the waveguide manufacturing method of the present invention is applied.
[0051]
Furthermore, at least one more transparent body containing at least one additive for controlling the refractive index may be laminated, and a light propagation layer may be formed in each layer, and the light propagation layer propagates in each layer. You may form so that it may do. By doing in this way, further higher integration can be achieved, and multi-functionalization can also be expected.
[0052]
The wavelength of the ultrashort pulse laser beam can be selected from the range of 260 nm to 1600 nm in addition to 800 nm.
[0053]
Further, for example, polyimide, polysilane, silicone, epoxy resin or the like may be used as a transparent material containing at least one kind of refractive index control additive. The waveguide manufacturing method of the present invention may be applied to a photonic crystal structure as shown in FIGS.
[0054]
8A is a side view of a waveguide having a photonic crystal structure, FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line 8b-8b of FIG. 8A, and FIG. 8C is a line 8c-8c. It is a figure which shows the refractive index distribution in a cross section. In FIG. 8C, the horizontal axis indicates the refractive index, and the vertical axis indicates the position (position in the width direction) of the waveguide on the 8c-8c line.
[0055]
A low
[0056]
An ultrashort pulse laser beam (not shown) having a wavelength in the range of 250 nm to 1600 nm, a pulse width of 1000 femtoseconds or more and 30 femtoseconds or more, and a repetition frequency of 300 kHz or less and 50 kHz or more in a region where the
[0057]
In the above embodiment has been described in the case of moving the transparent member, the present invention is not limited thereto, form a light propagation layer by moving the ultrashort pulse laser beam and carbonic acid gas laser beam You may make it do.
[0058]
In the above, the present invention has the following effects.
[0059]
(1) As in the prior art, either an object to be irradiated or a laser beam is focused while irradiating and irradiating an ultrashort pulse laser beam on or inside a transparent body containing at least one kind of refractive index control additive. It is difficult to reduce the roughness of the side surface of the core layer by a method of patterning by relatively moving and forming a core layer having a high refractive index that becomes a light propagation layer. On the other hand, after the light propagation layer is formed by condensing and irradiating the ultrashort pulse laser beam as in the present invention, the light propagation is performed by condensing and irradiating the laser beam having a wavelength that is absorbed by the transparent body. The refractive index control additive in the layer is thermally diffused to change the refractive index distribution in the width direction of the light propagation layer and to make the shape of the refractive index distribution in the longitudinal direction of the light propagation layer and its peripheral part uniform. Can do. As a result, an ultra-low loss waveguide with low scattering loss can be obtained.
[0060]
(2) If a SiO 2 glass containing at least one additive for lowering the melting point such as Ge, P, and B, such as 8 mol% to 30 mol%, is used as the refractive index control additive, the light propagation layer The refractive index control additive can be easily thermally diffused to change the refractive index distribution in the width direction, and the shape of the refractive index distribution in the longitudinal direction of the light propagation layer and its peripheral part can be made more uniform. . That is, since the interface between the core layer and the cladding layer on the side surface of the core layer can be smoothed, a waveguide with a lower scattering loss can be obtained.
[0061]
(3) If a carbon dioxide laser beam having a wavelength of 10.6 μm is used as a laser beam having a wavelength that is absorbed by a transparent body containing at least one kind of refractive index control additive, it depends on the irradiation condition of the ultrashort pulse laser beam. Since the output power can be selected and adjusted from a wide range, the above effect can be obtained more efficiently.
[0062]
(4) Concavities and convexities on the periphery of the light propagation layer formed by a pulsed laser beam by using a continuous oscillation laser beam as a laser beam having a wavelength that is absorbed by a transparent body containing at least one kind of refractive index control additive Can be made uniform in the longitudinal direction.
[0063]
(5) As a power density distribution of a laser beam having a wavelength that is absorbed by a transparent body containing at least one kind of refractive index control additive, a light propagation layer is formed by using a substantially TEM 01 mode laser beam having a recessed central portion. The longitudinal non-uniformity of the peripheral part of the light propagation layer can be corrected with almost no change in the refractive index of the central part.
[0064]
(6) Various light-transmitting layers can be formed in a two-dimensional or three-dimensional manner using a linear pattern, a curved pattern, or a combination thereof in a transparent body containing at least one kind of refractive index control additive. An optical signal processing circuit can be formed.
[0065]
(7) As the light propagation layer, it is possible to form an optical signal processing circuit for branching and combining optical signals, or for demultiplexing and combining optical signals of various wavelengths. An optical signal processing circuit can be realized.
[0066]
(8) By forming at least one transparent body containing at least one kind of refractive index control additive on the substrate, various electric circuits, electronic components, optical circuits, light on, under or inside the substrate. An optical device mounted with elements and the like can be obtained.
[0067]
(9) By forming the light propagation layer in at least one of the layers, a highly integrated and multifunctional optical circuit can be realized.
[0068]
(10) By covering a transparent body containing at least one kind of refractive index control additive with a layer having a lower refractive index, an optical circuit with better light confinement by the light propagation layer, external environment (temperature change, humidity change) Etc.) can be realized.
[0069]
(11) A low-loss waveguide can be manufactured stably and with good reproducibility. Further, the refractive index distribution in the width direction of the manufactured waveguide can be easily adjusted. Furthermore, the uniformity in the longitudinal direction of the light propagation layer and its peripheral part can be further improved. Further, the above effect can be further enhanced by using a carbon dioxide laser or a continuously oscillating laser beam as the rear laser beam irradiated after the ultrashort pulse laser beam irradiation. Further, if a TEM 01 mode laser beam is used as the power density distribution of the rear laser beam, the uniformity in the longitudinal direction of the light propagation layer and its peripheral portion can be improved.
[0070]
【The invention's effect】
In short, according to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a waveguide with low light scattering loss.
[Brief description of the drawings]
1A is a conceptual diagram showing an embodiment of a method for manufacturing a waveguide according to the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line 1b-1b of the waveguide shown in FIG. (C) is a figure which shows the refractive index distribution in the 1c-1c line cross section of (b).
FIGS. 2A and 2B are conceptual diagrams showing another embodiment of the waveguide manufacturing method of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing another embodiment of the waveguide manufacturing method of the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing another embodiment of the waveguide manufacturing method of the present invention.
5A is a schematic diagram of a laser beam used for manufacturing the waveguide of the present invention, and FIG. 5B is a diagram showing the power density in the radial direction of the laser beam shown in FIG. (C) is a figure which shows a power density distribution in three dimensions.
6A is a conceptual diagram showing another embodiment of the waveguide manufacturing method of the present invention, and FIG. 6B is a refractive index of the waveguide shown in FIG. 6A taken along the line 6b-6b. It is the figure which superimposed the distribution and the refractive index distribution in a 6b'-6b 'line cross section.
7A to 7C are structural views of other waveguides to which the waveguide manufacturing method of the present invention is applied. FIG.
8A is a side view of a waveguide having a photonic crystal structure, FIG. 8B is a sectional view taken along line 8b-8b in FIG. 8A, and FIG. 8C is a refractive index at a section taken along line 8c-8c. It is a figure which shows distribution.
9A is a conceptual diagram showing a conventional waveguide manufacturing method, FIG. 9B is a plan view of a waveguide to which the manufacturing method shown in FIG. 9A is applied, and FIG. It is a figure which shows the refractive index distribution in the 9c-9c line cross section of the waveguide shown to b).
[Explanation of symbols]
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