JP4128368B2 - 光導波路部品の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野において多用される光導波路部品の製造方法に関し、特に、基板表面への光導波路の形成が可能な光導波路部品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板型光導波路部品は、一般にシリコンウエハあるいは石英ウエハ上に石英系ガラスや高分子の薄膜で下クラッド層、コア層を形成し、コア層をフォトリソ工程・エッチング工程でパターン形成して、最後に上クラッド層を形成することで作製される。
これに対し、近年フェムト秒パルスレーザ光をレンズによってガラス等の透明材料内部に集光照射することにより屈折率の高い領域を誘起し、これを精密ステージを用いて走査することにより透明材料内部に直接３次元形状光導波路を形成する方法が提案されており、この技術が特開平９−３１１２３７号公報において開示されている。
この方法によって光導波路部品を作製する場合、一般的にはＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に移動可能な精密ステージ、またはさらにその上に水平出し用のθ軸ステージを組み合わせたものを用意し、石英ガラス等の加工対象基板をそのステージ上に真空チャック等を用いて仮固定する。このようにして固定された加工対象基板に対して、フェムト秒レーザを対物レンズを用いて集光照射し、精密ステージを適切な速度、方向に移動させることによって、加工対象基板中に高屈折率領域である３次元導波路コアを形成している。
【０００３】
図５は、この光導波路部品の製造方法で用いる装置の一例を示している。
図５中、符号１は光源であり、符号２は光源１から送られたレーザ光である。レーザ光２は、ハーフミラー３で反射されて対物レンズ４に照射される。対物レンズ４は、レーザ光２を集光するためのもので、対物レンズ４によって集光されたレーザ光２は、導波路が形成される基板５ａに集光照射される。この基板５ａとして、例えば光学研磨されたガラスが用いられるが、これに限定されるものではなく、使用波長帯域において透明であり、レーザ光の集光照射によって屈折率上昇領域を誘起することができるものであれば、石英ガラス、石英を主成分とした石英系ガラス等に限定されず、高分子樹脂等、他の材料を用いてもよい。
【０００４】
符号６は、精密ステージであり、この精密ステージ６は、ＣＣＤカメラ７によって基板５ａの位置がモニタされ、この結果に基づいて位置が調整される。
この精密ステージ６をＸ軸方向、Ｙ軸方向またはＺ軸方向に走査することにより、レーザ光の集光点を基板５ａ内部で相対移動させ、光導波路として機能する連続した高屈折率領域を基板５ａ内部に形成することによって、光導波路部品が製造される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これまでの実験の結果、特開平9-311237号などに開示されている加工方法では、加工対象となるガラス板の表面近傍に導波路を形成することは、次に示す問題点により困難であることが判明した。
一つめの問題点としては、表面でのアブレーションの発生があげられる。例えば、波長800nm、パルス幅170fs、平均出力200mW、繰り返し周波数200ｋHzのフェムト秒レーザ光をＶＡＤ法で作製した石英ガラス基板に、N.A.が0.95の顕微鏡用対物レンズを用いて集光照射したところ、集光点の深さが5μm程度を下回ると表面近傍のガラスが吹き飛び窪みが出来る現象が見られた。これは、アブレーション加工又はドリリング加工と呼ばれる基板穴あけ加工と同等の現象である。
【０００６】
もう一つの問題点は、レーザ光の条件と集光条件の組み合わせによっては、基板表面近傍の領域では、高屈折率領域を誘起することができないことである。波長800nm、パルス幅170fs、平均出力680mW、繰り返し周波数200ｋHzのフェムト秒レーザ光をVAD法で作製した石英ガラス基板にN.A.が1.40の顕微鏡用油浸対物レンズを用いて集光照射したところ、集光点の深さが30μm程度を下回る範囲では高屈折率領域を連続して誘起し光導波路を形成することが出来なかった。光導波路が形成できる場合には集光点近傍で白色光の発生が観察されるが、この条件下では白色光の発生自体が散発的であり、安定したものとならなかった。
３次元形状光導波路コアを形成するにあたり、上方に向けて基板表面まで達する光導波路を形成することができないと、図６に示すようなレーザダイオード（以下「ＬＤ」と略記する）またはフォトダイオード（以下「ＰＤ」と略記する）を表面実装した光部品を構築することはできない。図６中、符号１３はＬＤまたはＰＤであり、符号１８は、ガラス基板１９中に形成され、ＬＤまたはＰＤ１３に光を導波するための光導波路コアである。これは、光・電気混載基板などにおいて特に問題となる。
【０００７】
また、高N.A.の油浸対物レンズを用いて加工したい場合に、数μm〜30μm程度の基板表面近傍に光導波路を形成できないと、図７に示すような素子の形成は困難である。
図７は、モニタ用に用いられるタップ導波路を有する光部品の断面を示しており、図７中、符号１１は基板であり、この基板６上には下クラッド１５が形成され、この下クラッド１５上にはコア１６が形成されている。符号１７は、コア１６上に形成された上クラッドであり、この上クラッド１７中には、タップ導波路となる光導波路コア１８が形成されている。このタップ導波路とは、コア１６内を伝搬する光のうち、ごく一部の光のみが分波されて導波されるように形成された導波路のことをいう。
符号１２は溝であり、この溝１２内に受光素子１３が配置されて、タップ導波路によって導波された光の強度をモニタするようになっている。この受光素子１３として、例えばフォトダイオードが用いられる。
【０００８】
以上のような理由により、加工対象であるガラス板の表面近傍に光導波路を形成することができないと、石英系基板型光導波路部品の調整、後加工（トリミング加工）全般も困難となる。
このように、従来開示されている技術内容では基板表面付近に導波路を形成することが困難である。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、基板表面への光導波路形成を可能とする光導波路部品の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、レーザ光を透明材料からなる表面が光学研磨された基板に該表面側から集光照射し、該基板またはレーザ光導入光学系を走査し、該基板に高屈折率領域を連続的に誘起して、該基板の少なくとも前記表面からの深さが３０μｍ以下の領域である表面近傍に光導波路コアを形成する光導波路部品の製造方法において、該基板の前記表面上に透明体を設ける工程と、該透明体を介して該基板に近赤外波長域のフェムト秒のレーザ光を集光照射する工程と、該透明体を除去する工程とを備えたことを特徴とする光導波路部品の製造方法である。これにより、基板表面近傍に３次元光導波路コアを形成することが可能となる。また、これにより、高Ｎ．Ａ．のレンズを用いて集光した場合でも、フェムト秒レーザ光の集光照射で高屈折率領域を連続的に誘起した光導波路コアを基板表面近傍に形成することが可能となる。請求項２記載の発明は、請求項１記載の光導波路部品の製造方法において、前記基板上に設けられた透明体は、非線形光学効果によって、レーザ光が有する近赤外波長の波長スペクトルを可視域以下の短波長領域まで広げる媒質であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の光導波路部品の製造方法において、前記基板上に設けられた透明体は、前記基板と同じ材料からなるダミー基板であることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の光導波路部品の製造方法において、前記基板上に設けられた透明体は、透明グリース剤または透明液体材料であることを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項１、２、３又は４記載の光導波路部品の製造方法において、前記基板はＳｉＯ_２を主成分とするガラス板であることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
図１に、本発明の光導波路部品の製造方法の第１の例を示す。
図１中の符号は、図５における符号と同一符号である場合は同一のものを示す。この例においては、光照射により光導波路が形成されるべき基板５ａの上に、ダミー基板５ｂが配置されている。対物レンズ４によって集光されたレーザ光２は、ダミー基板５ｂを透過した後、導波路が形成される基板５ａに集光照射される。
この基板５ａとして、例えば光学研磨されたガラスが用いられるが、これに限定されるものではなく、使用波長帯域において透明であり、レーザ光の集光照射によって屈折率上昇領域を誘起することができるものであれば、石英ガラス、石英を主成分とした石英系ガラス等に限定されず、高分子樹脂等、他の材料を用いてもよい。
【００１３】
この例では、フェムト秒レーザを透明材料に集光照射し走査して高屈折率領域を連続的に誘起し光導波路を形成するにあたり、加工対象とする基板５ａの上にさらに加工用のダミー基板５ｂを重ね、この基板間には屈折率整合剤を充填することにより、加工対象である基板５ａの上部表面が加工工程において見えるようにすることで、加工対象である基板表面近傍に光導波路を形成し、あるいはこの基板表面に光導波路の一端が達するようにして光導波路を形成する。
このようなダミー基板５ｂを用いる理由は、基板５ａ表面近傍に光導波路を形成するためには、加工中には当該領域はバルク材料内部であり、加工後に光部品として利用する時にはその部分が表面となっていれば良いからである。つまり、加工対象である基板５ａに、加工中のみ何かをのせてやればよい。のせるものは、加工対象の基板と同等の材質のものが好適であるが、照射するレーザ光を吸収しない透明材料であれば何でも良く、固体でなく液体であっても良い。
【００１４】
ただし、集光点近傍でのレーザ光の波長スペクトルの広がりが光導波路の形成に寄与している可能性を考慮すると、ダミー基板５ｂの材料は、非線形光学現象を生じてレーザ光の近赤外波長の波長スペクトルを可視域以下の短波長領域まで広げるようなものであり、かつ紫外域・可視域での光の吸収ができるだけ小さいものであることが好ましい。
フェムト秒レーザ光の集光照射で高屈折率領域が誘起される原理については、多光子吸収であるとする説が有力であるが、まだ完全に解明されてはいない。
多光子吸収とはいっても、光源波長の800nmに相当するフォトンが多数個同時に吸収されることによりこのような現象が起きているとは限らず、フェムト秒レーザ光を水や石英ガラス等に入射すると、非線形光学効果により波長スペクトルが広がり、より短波長の可視域や紫外域の成分の光が生じ、これが白色光の発生として観察される。従って、これらの800nmよりもエネルギーの大きいより短波長の光子も寄与しているのではないかと考えられる。これが、ダミー基板５ｂの材料として、レーザ光の波長スペクトルを短波長側に広げるものであることが好ましいとする理由である。
【００１５】
次に、本発明の光導波路部品の製造方法の第２の例について説明する。
図２、図３に、本発明の光導波路部品の製造方法の第２の例を示す。
まず、図２に示した例について説明する。
図２中、符号４は対物レンズであり、符号５ａは加工対象物である基板であり、例えば石英ガラス等によって形成されている。符号６は、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向に移動可能な精密ステージであり、基板５ａは、例えば、真空チャック８を用いて精密ステージ６上に仮固定されている。
対物レンズ４と基板５ａとの間には透明グリース剤または透明液体材料９が充填されている。符号１０は、透明グリース剤または透明液体材料９を保持するための囲いである。この例においては、囲い１０は、真空チャック８の周囲を囲むようにして形成されている。
【００１６】
次に、図３に示した例について説明する。
図３中、符号４は対物レンズであり、符号５ａは加工対象物である基板であり、この例においても、基板５ａは、真空チャック８を用いて精密ステージ６上に仮固定されている。この例では、基板５ａ上に囲い１０が設けられ、この囲い１０の中に透明グリース剤または透明液体材料９が充填されている。囲い１０を基板５ａ上に固定する際には、必要に応じてワックス等を用いて仮留めしてもよい。
この第２の例においては、加工対象である基板５ａ上に充填される液体は、フェムト秒レーザ光を基板５ａ内部に集光した際に、白色光の発生か、少なくとも波長スペクトルの可視域への広がりが観察されるものが良く、紫外域・可視域への広がりが観察され、紫外域・可視域での吸収が少ないものが好適である。その一例として、水を用いることができる。
【００１７】
次に、本発明の光導波路部品の製造方法の第３の例について説明する。
図４に、本発明の光導波路部品の製造方法の第３の例を示す。
図４中、符号４は対物レンズであり、この対物レンズ４によってレーザ光２が集光されて、基板５ａに照射される。符号１８は、このレーザ光が集光照射されて形成された光導波路コアである。図４に示すように、加工時の基板５ａの厚さを最終的な板厚よりも厚いものとして基板５ａの内部に３次元の光導波路コア１８を形成し、その後研磨工程などの後加工により光導波路コア１８のある位置まで基板を薄くして、基板５ａの表面付近に光導波路コア１８を形成する。
【００１８】
この例の光導波路部品の製造方法によると、レーザ光２を透明材料からなる基板５ａに集光照射し、基板５ａまたはレーザ光導入光学系を走査し、基板５ａ内部に高屈折率領域を連続的に誘起して光導波路コアを形成する光導波路部品の製造方法において、基板５ａ上に透明体を設けてレーザ光２を集光照射することにより、基板５ａ表面近傍に３次元光導波路コアを形成することが可能となる。
また、高N.A.のレンズを用いて集光した場合でも、フェムト秒レーザ光の集光照射で高屈折率領域を連続的に誘起した光導波路コアを基板表面近傍に形成することが可能となる。
また、基板５ａ上に設けられた透明体を、非線形光学効果によって、レーザ光２が有する近赤外波長の波長スペクトルを可視域以下の短波長領域まで広げる媒質とすることにより、上記の効果を得ることができる。
また、基板５ａ上に設けられる透明体を、基板５ａと同等の材料からなるダミー基板５ｂとし、または、透明グリース剤または透明液体材料９とすることにより、上記の効果を得ることができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、レーザ光を透明材料からなる基板に集光照射し、基板またはレーザ光導入光学系を走査し、基板内部に高屈折率領域を連続的に誘起して光導波路コアを形成する光導波路部品の製造方法において、基板上に透明体を設けてレーザ光を集光照射することにより、基板表面近傍に３次元光導波路コアを形成することが可能となる。
また、高N.A.のレンズを用いて集光した場合でも、フェムト秒レーザ光の集光照射で高屈折率領域を連続的に誘起した光導波路コアを基板表面近傍に形成することが可能となる。
また、基板上に設けられた透明体を、非線形光学効果によって、レーザ光が有する近赤外波長の波長スペクトルを可視域以下の短波長領域まで広げる媒質とすることにより、上記の効果を得ることができる。
また、基板上に設けられる透明体を、基板と同等の材料からなるダミー基板とし、または、透明グリース剤または透明液体材料とすることにより、上記の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路部品の製造方法の第１の例を示す図である。
【図２】本発明の光導波路部品の製造方法の第２の例を示す図である。
【図３】本発明の光導波路部品の製造方法の第２の例の他の例を示す図である。
【図４】本発明の光導波路部品の製造方法の第３の例を示す図である。
【図５】従来の光導波路部品の製造方法の一例を示す図である。
【図６】導波路型光部品の一例を示す図である。
【図７】導波路型光部品の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１…光源、２…レーザ光、３…ハーフミラー、４…対物レンズ、
５ａ…基板、５ｂ…ダミー基板、６…精密ステージ、
７…ＣＣＤカメラ、９…透明グリース剤または透明液体材料、
１８…光導波路コア。

Claims (5)

1. レーザ光を透明材料からなる表面が光学研磨された基板に該表面側から集光照射し、該基板またはレーザ光導入光学系を走査し、該基板に高屈折率領域を連続的に誘起して、該基板の少なくとも前記表面からの深さが３０μｍ以下の領域である表面近傍に光導波路コアを形成する光導波路部品の製造方法において、
   該基板の前記表面上に透明体を設ける工程と、該透明体を介して該基板に近赤外波長域のフェムト秒のレーザ光を集光照射する工程と、該透明体を除去する工程とを備えたことを特徴とする光導波路部品の製造方法。
2. 前記基板上に設けられた透明体は、非線形光学効果によって、レーザ光が有する近赤外波長の波長スペクトルを可視域以下の短波長領域まで広げる媒質であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路部品の製造方法。
3. 前記基板上に設けられた透明体は、前記基板と同じ材料からなるダミー基板であることを特徴とする請求項１又は２記載の光導波路部品の製造方法。
4. 前記基板上に設けられた透明体は、透明グリース剤または透明液体材料であることを特徴とする請求項１又は２記載の光導波路部品の製造方法。
5. 前記基板はＳｉＯ_２ を主成分とするガラス板であることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の光導波路部品の製造方法。

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