JP4294261B2 - 集光型光スプリッタ及びその作製方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、ガラス内部に回折格子，マイクロレンズが一体的に作り込まれた集積型光スプリッタ及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来技術及び問題点】
一つの光を複数の光に分岐する素子である光スプリッタには、光導波路型，回折格子とマイクロレンズの組合せによる方式等がある。光導波路型は、Ｙ字を多段に連結させた導波路を作りこむことにより作製される。光導波路型光スプリッタの作製には、フォトリソグラフィー技術が採用されており、基板上に堆積させたガラス膜をエッチングすることにより導波路パターンを形成し、更にその上にクラッド層を堆積させている。
【０００３】
回折格子とマイクロレンズの組合せによる方式では、回折格子で分岐した光をマイクロレンズによって光ファイバに集光・結合させている。回折格子及びマイクロレンズはそれぞれ別個に作製され、パッケージ内に実装される。回折格子の作製には、フォトリソグラフィーが採用されている。マスクパターンを用いてフォトレジストにパターンを転写した後、エッチングすることにより回折格子となる。他方、マイクロレンズの作製には、イオン交換法等が採用される。回折格子，マイクロレンズの実装は、位置決めの許容誤差が数μｍと厳しいため人手に頼っている現状である。
このように、光導波路型，回折格子，マイクロレンズの作製には多数の工程が必要とされ、生産性の改善が要求されている。また、素子の組合せに際しては、素子相互を極めて高精度で位置決めする熟練した技術が要求される。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、ガラス内部に集光点を設定したパルスレーザの照射により集光点近傍の屈折率が変化することを利用し、回折格子，マイクロレンズを単一の光学ガラス内部に書き込むことにより、工程を簡略化し、熟練した高度技術も必要とすることなく、高精度の集積型光スプリッタを提供することを目的とする。
【０００５】
本発明の集積型光スプリッタは、その目的を達成するため、パルスレーザ光の集光照射で形成された複数の屈折率変化領域が単一のガラス内部に形成されており、屈折率変化領域の少なくとも一つを回折格子，残りの屈折率変化領域の少なくとも一つをマイクロレンズとしている。この集積型光スプリッタは、集光点を光学ガラスの内部に調節したパルスレーザ光で光学ガラスを一方向にスキャンして回折格子をガラス内部に書き込んだ後、ガラス厚み方向（Ｚ軸方向）に集光点を移動させ、Ｚ軸周りに光学ガラスを相対的に回転させながらパルスレーザ光で集光照射してマイクロレンズを書き込むことにより、単一のガラス内部に回折格子及びマイクロレンズを一体的に書き込んで作製される。
【０００６】
【作用】
パルスレーザの集光点をレンズ等の集光装置によってガラス内部に設定し、光学ガラスをパルスレーザで照射すると、ガラス表面を疵付けることなく集光点近傍の屈折率が変化する。このパルスレーザの集光照射によってガラス内部に任意のパターンで屈折率変化領域が形成されるため、屈折率変化のラインを周期的に書き込むことにより、光分岐用のDammann型グレーティングや集光用のバイナリ−レンズをガラス内部に直接形成できる（特願2001−202300号，特願2001−224862号）。
【０００７】
本発明は、Dammann型グレーティング（光分岐用素子）やバイナリ−レンズ（集光素子）を単一のガラス内部に直接書き込むことにより集積型光スプリッタの作製を可能にしたものである。この集積型光スプリッタにおいては、入射光がDammann型グレーティングで任意個数の光に分岐され、バイナリ−レンズによって光ファイバに集光・結合される。しかも、単独のプロセス内で光学的精度でDammann型グレーティング，バイナリ−レンズが単一のガラス内部に一体的に書き込まれるため、Dammann型グレーティング，バイナリ−レンズ相互の位置関係も高精度に維持される。
【０００８】
集積型光スプリッタの作製に際しては、先ずDammann型グレーティングをガラス内部に書き込む（図１ａ）。すなわち、ＸＹＺステージ１にガラス試片Ｓを載置する。ガラス試片Ｓを照射するパルスレーザ光Ｌは、コンピュータ２で開閉動作が制御されるシャッター３を経て対物レンズ４を透過する。コンピュータ２は、シャッター３の開閉をＸＹＺステージ１の移動と同期させる。
【０００９】
対物レンズ４は、集光点がガラス試片Ｓの内部に位置するようにパルスレーザ光Ｌを絞り込む。集光点がガラス試片Ｓ内部に設定されたパルスレーザ光Ｌでガラス試片Ｓを集光照射しながらＸＹＺステージ１をＸ軸方向に移動し、パルスレーザ光Ｌの集光照射を繰り返すと、屈折率が変化した複数の直線部が平行に配列した屈折率変化領域からなる一次元のDammann型グレーティングＧが集光点近傍に形成される。均一な屈折率変化を誘起させるためには、パルスレーザ光Ｌの強度を適切な値に調節する必要がある。たとえば、石英ガラスをガラス試片Ｓに使用する場合、ピークパワー密度を１０15Ｗ／ｃｍ2以下に調整することによりクラックの入らない均一な屈折率変化領域が書き込まれる。
【００１０】
ＸＹＺステージ１の移動方向をＸ−Ｙ平面に取りパルスレーザ光Ｌの集光照射を繰り返すと、屈折率が変化した複数の直線部が市松模様に配列された二次元のDammann型グレーティングも作製できる。二次元のDammann型グレーティングは、二次元的な分岐光の生成を可能にする。また、Dammann型グレーティングＧに代えて、計算機ホログラム等、他の回折格子も同様なパルスレーザ光Ｌの集光照射によって作製できる。
【００１１】
Dammann型グレーティングＧを形成した後、ＸＹＺステージ１をＺ軸方向に移動し、ＸＹＺステージ１をＺ軸周りに回転させながらパルスレーザ光Ｌでガラス試片Ｓを集光照射し、Ｚ軸を中心とする同心円状軌跡に沿って集光点を移動させるとき、ガラス内部のDammann型グレーティングＧから離れた位置にバイナリ−レンズＢが書き込まれる（図１ｂ）。Dammann型グレーティングＧからバイナリ−レンズＢまでの距離は、Ｚ軸方向に沿ったＸＹＺステージ１の移動量によって調整できる。バイナリ−レンズＢの書込みに際しても、クラックの入らない均一な屈折率変化領域が形成されるようにピークパワー密度を１０15Ｗ／ｃｍ2以下に調節することが好ましい。
【００１２】
この方法では、ＸＹＺステージ１をＺ軸方向に移動させる簡単な操作により、Dammann型グレーティングＧに続けてバイナリ−レンズＢが書き込まれる。そのため、従来のように素子相互の位置決めが一切不要になり、Dammann型グレーティングＧ、バイナリ−レンズＢの間に高精度の位置関係が確保され、極めて性能の高い集積型光スプリッタが得られる。
【００１３】
【実施例】
全面研磨された４ｍｍ×４ｍｍ×１０ｍｍの合成石英ガラスをガラス試片Ｓに使用した。４ｍｍ×４ｍｍの面が底面となるように、ガラス試片ＳをＸＹＺステージ１に載置し、底面から０.５ｍｍの位置に対物レンズ４の焦点を調節した。対物レンズ４には、１０×（ＮＡ＝０.３）を用いた。
波長８００ｎｍ，パルス幅１.３×１０-13秒，繰返し周期２００ｋＨｚのパルスレーザ光Ｌを描画に使用した。適切な屈折率変化を誘起させるため、パルスレーザ光Ｌの平均出力を２５０ｍＷ，描画のスキャン速度を２５μｍ／秒に設定した。
【００１４】
パルスレーザ光Ｌの集光照射によって周期４５.６μｍの１×２Dammann型グレーティングＧをガラス内部に書き込んだ。次いで、ＸＹＺステージ１をＺ軸方向に９ｍｍ移動させ、ＸＹＺステージ１を回転させながら同じパルスレーザ光Ｌの集光照射により波長６３３ｎｍで焦点距離９ｍｍのバイナリ−レンズＢを書き込んだ。一般的な光ファイバ用Ｖ溝の間隔が２５０μｍであることから、バイナリ−レンズＢの焦点面において２５０μｍ離れて二つの分岐光が結像するようにDammann型グレーティングＧ及びバイナリ−レンズＢを設計した。
【００１５】
パルスレーザ光Ｌ集光照射後のガラス試片Ｓを観察したところ、ガラス内部にDammann型グレーティングＧ、バイナリ−レンズＢが形成された集積型光スプリッタになっており、ガラス表面には何らの疵付きも検出されなかった（図２）。実際に集積型光スプリッタにＨｅ−Ｎｅレーザを入射させ、出射光をバイナリ−レンズＢの焦点面でＣＣＤカメラにより撮影した。その結果、結像及び強度分布を示す図３にみられるように、設計通り約２５０μｍの間隔で二つの分岐光が確認された。
【００１６】
【発明の効果】
以上に説明したように、集光点をガラス内部に調節したパルスレーザ光の集光照射によってガラス内部の所定位置を局部的に屈折率変化させ、回折格子，マイクロレンズがガラス内部に一体的に書き込まれた集積型光スプリッタを得ている。その結果，フォトリソグラフィーを使用した従来の作製法に比較して工程数を大幅に削減でき、人手による素子相互の位置決めも不要になるため、全体として大幅な製造コストの削減が図られる。更には、回折格子，マイクロレンズ以外の光素子を集積化することも可能であり、三次元光集積素子の展開が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Dammann型グレーティングの書込み（ａ），バイナリ−レンズＢの書込み（ｂ）を説明する図
【図２】 作製された集積型光スプリッタの内部構造を示す斜視図（ａ），Dammann型グレーティング（ｂ）及びバイナリ−レンズ（ｃ）
【図３】 集積型光スプリッタの結像（ａ）及び強度分布（ｂ）を示す写真
【符号の説明】
１：ＸＹＺステージ，２：コンピュータ，３：シャッター，４：対物レンズ
Ｓ：ガラス試片，Ｇ：Dammann型グレーティング，Ｂ：バイナリ−レンズ
Claims (2)
- パルスレーザ光の集光照射で形成された複数の屈折率変化領域が単一のガラス内部に形成されており、屈折率変化領域の少なくとも一つを回折格子，残りの屈折率変化領域の少なくとも一つをマイクロレンズとすることを特徴とする集積型光スプリッタ。
- 集光点を光学ガラスの内部に調節したパルスレーザ光で光学ガラスを一方向にスキャンして回折格子をガラス内部に書き込んだ後、ガラス厚み方向（Ｚ軸方向）に集光点を移動させ、Ｚ軸周りに光学ガラスを相対的に回転させながらパルスレーザ光で集光照射してマイクロレンズを書き込むことにより、単一のガラス内部に回折格子及びマイクロレンズを一体的に書き込むことを特徴とする集積型光スプリッタの作製方法。
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