JP3928042B2

JP3928042B2 - 回折格子およびその製造方法

Info

Publication number: JP3928042B2
Application number: JP2002280321A
Authority: JP
Inventors: 準治西井; 健二金高; 宏昭西山; 宮本　　勇; 悦二大村; 智一佐野
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: JP2004117774A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱に対して安定な回折格子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
SiO₂系ガラス材料に紫外線によって回折格子を書き込む技術は、1980年前後から盛んに研究され、1990年代には光ファイバー中に書き込んだ回折格子が光通信用バンドパスフィルターやファイバーの分散補償デバイスとして、実用化された。
【０００３】
通常、光ファイバーや平面導波路のコアには、ＧｅＯ_２が添加されており、２４０ｎｍ付近を中心にして強い吸収帯が存在するので、紫外レーザーを効率よく吸収して屈折率が上昇する。その屈折率の上昇量は、０．０００１％前後であり、ブラッグ回折格子を形成するには小さすぎるので、１００気圧以上の高圧水素雰囲気下にガラスを数日間放置して、水素分子をガラスマトリックス内に充填した後、紫外線を照射する。この水素処理によって、通常、屈折率の上昇量は一桁上昇し、効率の高い回折格子が形成できる。
【０００４】
しかしながら、上記の水素処理を伴う方法は、回折格子の製造コストを増大させるので、最近、GeO₂とともにB₂O₃を添加することが提案されている。この技術により、水素処理を行うことなく、0.001％以上の屈折率上昇が実現された。しかしながら、GeO₂単独添加ガラス或いはGeO₂とB₂O₃との共添加ガラスに書き込まれた回折格子は、耐熱性が悪く、使用可能温度の上限は、せいぜい80℃程度である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、耐熱温度をさらに上げることにより、回折格子を利用する光デバイスの信頼性を向上させることを主な目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決するために、鋭意研究を行った結果、特定組成のガラスに紫外線照射を行って予め回折格子を形成した後、当該回折格子を熱処理する場合には、80℃を上回る耐熱性を備えた回折格子が得られることを見出した。
【０００７】
すなわち、本発明は、下記の回折格子および回折格子の形成方法を提供する。１．GeO₂、B₂O₃およびSiO₂からなるガラス材料に紫外線を照射することにより、ガラス材料の屈折率を周期的に変化させた後、当該材料を熱処理することを特徴とする回折格子の製造方法。
２．ガラス材料の組成がモル％比で、1≦GeO₂≦20、1≦B₂O₃≦14および66≦SiO₂≦98である上記項１に記載の回折格子の製造方法。
３．ガラス材料の熱処理を、510〜1100℃において、1分間〜６時間行う上記項１に記載の回折格子の製造方法。
４．ガラス材料に照射する紫外線が、波長150〜400nmの紫外レーザーであり、そのパワー密度が10mJ/cm²以上である上記項１に記載の回折格子の製造方法。
５．ガラス材料に紫外レーザーを照射するに際し、位相マスクあるいは二光束干渉法による干渉縞を利用して、格子の周期を0.1〜5μmに制御する上記項１に記載の方法。
６．プラズマCVD法を用いて作製したガラス材料を用いる上記項１に記載の回折格子の製造方法。
７．上記項１から６のいずれかに記載された方法により製造された回折格子。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明による基礎ガラス材料は、GeO₂、B₂O₃およびSiO₂からなる。ガラス材料中の各成分の組成比(モル％比)は、通常、1≦GeO₂≦20、1≦B₂O₃≦14および66≦SiO₂≦98である。この三成分の相対的な比が、規定範囲を外れる場合には、所望の特性を備えたガラス材料は得られない。例えば、GeO₂の量が少なすぎる場合には、紫外レーザーエネルギーに対する感応性が低くなり、目的とする回折格子が得られない。これに対し、GeO₂の量が過剰となる場合には、ガラスの耐候性が低下する。また、B₂O₃についても同様の傾向が認められる。三成分の相対的比は、より好ましくは、3≦GeO₂≦16、3≦B₂O₃≦9および75≦SiO₂≦94である。
【０００９】
ガラス材料を作製する方法としては、特に限定されないが、プラズマCVD法によることが好ましい。例えば、原料として、Si、Ge或いはBをそれぞれ含有する公知の有機金属液体(テトラエトキシシラン、テトラメトキシゲルマニウム、トリメトキシボロンなど)を用いて、パワー250Wの高周波プラズマ中で、温度250〜500℃程度に加熱された基板上にガラス材料を形成することができる。基板の種類は、上記加熱温度に耐える限り特に限定されないが、例えばSiO₂、Si、耐熱性結晶化ガラスなどを使うことができる。
【００１０】
次いで、上記組成領域のガラス材料に対し、位相マスクを介して紫外レーザーを照射するかあるいは紫外レーザーの干渉縞を照射すると、屈折率がマスクパターンあるいは干渉縞に応じて変化し、回折格子が形成される。当該回折格子の回折強度は、レーザー照射条件により、制御することができる。紫外レーザー照射条件は、通常レーザー波長が150〜400nm程度(より好ましくは190〜270nm程度)であり、そのパワー密度が10mJ/cm²以上(より好ましくは50〜200 J/cm²程度である。紫外線の波長が上記値よりも短いかあるいは長い場合、或いはレーザーパワー密度が上記下限値よりも低い場合には、十分な回折強度の回折格子が得られない。また、レーザーパワー密度が強すぎる場合には、ガラス表面がアブレーションで損傷する危険性がある。
【００１１】
また、回折格子の周期は、後述の熱処理により回折効率を上昇させるために、格子の周期(高屈折率部分の巾と隣接する低屈折率部分の巾との和)は0.1〜5μmの範囲内でなければならない。格子の周期が大きすぎる場合には、所定温度までの昇温過程で消失した格子が再び現れることがなくなる。これに対し、格子の周期が小さすぎる場合には、書き込みに使用するレーザーの波長と近い値となるので、鮮明な回折格子を描くことができず、また、熱処理による回折効率の上昇も認められない。
【００１２】
熱処理(アニール)は、大気中あるいは窒素中で行うことができ、その温度は510〜1100℃程度の範囲内にある。加熱時間は、この温度範囲の低温域(510〜600℃程度)では1〜6時間程度、高温域(600〜1100℃程度)では1〜数十分程度である。熱処理に際しては、昇温速度を制御することが望ましい。より具体的には、低温域および高温域の双方において、0.1〜100℃/分程度(より好ましくは、0.5〜50℃/分程度)で、所定の熱処理温度まで昇温することが好ましい。昇温速度を制御しない場合には、基板材料が割れるなどの弊害を生じる。
【００１３】
熱処理が不十分である(温度が低すぎる/または時間が短すぎる)場合には、耐熱性の高い回折格子が得られないのに対し、熱処理が過度となる(温度が高すぎるおよび/または時間が長すぎる)場合には、ガラスが軟化してしまい、一旦形成された回折格子が消失する。
【００１４】
また、実施例１にも示す様に、8≦GeO₂≦17、4≦B₂O₃≦10および73≦SiO₂≦88という組成のガラス材料については、550〜650℃程度の温度で1時間アニールした後、750〜850℃程度の温度で1時間程度アニールを繰り返すことにより、さらに高効率の回折格子が得られる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、GeO₂、B₂O₃−SiO₂系ガラス材料において、レーザー照射とその後の熱処理により、回折格子を形成することができる。
【００１６】
この様にして得られた回折格子は、従来技術では実現不可能であった80℃よりも高い温度でも回折効率が低下しないという極めて高度の耐熱性を発揮する。
【００１７】
この様な優れた特性を有する本発明の回折格子は、熱光学効果を利用した可変バンドパスフィルター、高温領域での温度/圧力などを検知するセンサーなどに極めて有用である。
【００１８】
【実施例】
以下に、実施例を示し、本発明の特徴とするところをさらに明確にする
実施例１
14GeO₂-7B₂O₃-79SiO₂(mol%)という組成のガラスをシリカ基板上に成膜した。すなわち、有機金属からなる原料(テトラエトキシシラン、テトラメトキシゲルマニウムおよびトリメトキシボロン)を85℃で気化させ、250Wの高周波(RF)酸素プラズマ中で分解させて、400℃のシリカ基板上に成膜した。
【００１９】
得られたガラス薄膜に対し、KrFエキシマレーザー（波長248nm、50mJ/cm²/パルス）を周期1060nmの位相マスクを介して28000ショット照射した後、当該材料を600℃の窒素雰囲気中で1時間熱処理した。その結果、波長633nmにおいて回折効率0.03％の回折格子が形成された。
【００２０】
得られた回折格子(周期1.06μm)は、熱的に極めて安定であり、室温〜600℃の間での熱処理を繰り返すと、回折効率はむしろ若干上昇し、劣化は全くみられなかった。
【００２１】
図１は、回折格子を所定の温度で1時間熱処理した場合の熱処理温度と回折効率との関係を示す。第1回の熱処理において、600℃で効率が大きく上昇しており、その後は室温〜600℃の間で熱処理を繰り返しても、回折効率は全く劣化しないことが明らかである。
【００２２】
また、上記で得た回折格子(600℃熱処理物)をさらに800℃で1時間熱処理することにより、図２に示す通り、回折効率が著しく上昇した。
実施例２
実施例1の手法に準じて、組成が17GeO₂-12B₂O₃-81SiO₂(mol%)からなるガラスをシリカ基板上に成膜した後、ArFエキシマレーザー（波長198nm、40mJ/cm²/パルス）を周期1060nmの位相マスクを介して30000ショット照射し、その後、600℃の窒素雰囲気中で1時間熱処理した。その結果、波長633nmにおいて回折効率0.03％の回折格子が形成された。
【００２３】
得られた回折格子(周期1.06μm)は、室温〜600℃の間で繰り返して熱処理しても回折効率が劣化しなかった。
実施例３
実施例1の手法に準じて、組成が5GeO₂-14B₂O₃-71SiO₂(mol%)からなるガラスをシリコン基板上に成膜した後、Arレーザー（波長244nm、20mW/cm²）の干渉光（周期530nm）を30分間照射し、その後、850℃の空気雰囲気中で10分熱処理した。その結果、実施例１のガラス材料と同様に回折効率0.02％の回折格子が形成された。
【００２４】
得られた回折格子(周期1.06μm)は、室温〜600℃の間で繰り返して熱処理しても回折効率が劣化しなかった。
比較例１
実施例1の手法に準じて、組成が14GeO₂-86SiO₂(mol%)からなるガラスをシリカ基板上に成膜した後、KrFエキシマレーザー（波長248nm、80mJ/cm²/パルス）を周期1060nmの位相マスクを介して30000ショット照射した。
【００２５】
その時点で得られた回折格子(周期1.06μm)の回折効率は、0.0005％程度であったが、当該材料を500℃の窒素雰囲気中で１時間熱処理したところ、回折格子は消失した。
比較例２
実施例１と同様な組成のガラスをシリカ基板上に成膜した後、実施例1と同様の手法に準じて、周期6μmの回折格子を作製し、500℃以上の温度で熱処理を行ったところ、回折現象は全く生じなくなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１で得られた回折格子の熱処理による回折効率の変化を示すグラフである。
【図２】本発明の実施例１で得られた回折格子の再熱処理による回折効率の著しい上昇を示すグラフである。

Claims

ＧｅＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２からなるガラス材料に紫外線を照射することにより、ガラス材料の屈折率を０．１〜５μｍの周期で変化させた後、当該材料を５１０〜１１００℃において１分間〜６時間熱処理することを特徴とする回折格子の製造方法。
ガラス材料の組成がモル％比で、１≦ＧｅＯ_２≦２０、１≦Ｂ_２Ｏ_３≦１４および６６≦ＳｉＯ_２≦９８である請求項１に記載の回折格子の製造方法。
ガラス材料に照射する紫外線が、波長１５０〜４００ｎｍの紫外レーザーであり、そのパワー密度が１０ｍＪ／ｃｍ^２以上である請求項１に記載の回折格子の製造方法。
ガラス材料に紫外レーザーを照射する場合に、位相マスクあるいは二光束干渉法による干渉縞を利用して、格子の周期を制御する請求項１に記載の方法。
プラズマＣＶＤ法を用いて作製したガラス材料を用いる請求項１に記載の回折格子の製造方法。
請求項１から５のいずれかに記載された方法により製造された回折格子。