JPWO2009116591A1 - 光導波路の製造方法、及び光学部品 - Google Patents

Abstract

ＬｉＴｉＯ３からなる基板（ＬＴ基板）２に対し、該ＬＴ基板２の表面から５０μｍ以内の深さを集光位置Ｆとし、超短パルスのパルス幅（好ましくは、１００ｆｓ以下）を有しかつ所定の繰り返し周波数（好ましくは、１００〜２５０ｋＨｚ）波で出射するレーザ光を１．５μＪ以上のパルスエネギーで前記基板に照射すると共に、前記レーザ光で前記基板を走査し、前記基板よりも屈折率の高い光伝播部を前記集光位置に形成する。また、レーザの照射源としてフェムト秒レーザを使用する。これにより超短パルスのレーザ光を使用した場合であっても、偏光依存性のない光導波路を容易に製造できるようにする。

Description

本発明は光導波路の製造方法、及び光学部品に関し、より詳しくはフェムト秒レーザに代表される超短パルスレーザを使用した光導波路の製造方法、及び該製造方法を使用して製造された光導波路を有する光学部品に関する。

光導波路は、近年、光通信の担い手として盛んに研究開発が行われている。その中でもＬｉＮｂＯ_３（以下、「ＬＮ」という。）やＬｉＴａＯ_３（以下、「ＬＴ」という。）等の一軸結晶からなる強誘電体材料を使用した光導波路は、電界の印加によって屈折率が変化するポッケルス効果（電気光学効果）を発現することから、位相変調器や光スイッチ、アイソレータ、その他各種のオプトエレクトロニクス分野への応用が期待されている。

この種の光導波路の作製方法としては、従来より、Ｔｉ拡散法が知られている。このＴｉ拡散法は、スパッタリング法や電子ビーム蒸着法等の薄膜形成法を使用して強誘電体基板上にＴｉ薄膜を成膜し、約１０００℃の温度で熱処理を行ってＴｉ薄膜を熱拡散させ、前記強誘電体基板上に高屈折率のＴｉ拡散層を形成し、これにより光導波路を作製している。ＬＮやＬＴ等の一軸結晶では、光が入射すると複屈折して常光線と異常光線とに分かれるが、上記Ｔｉ拡散法で作製された光導波路は、常光線及び異常光線共、屈折率を同程度に増加させることができ、これにより光を閉じ込めることができる。

しかしながら、このＴｉ拡散法では、上述した薄膜形成工程や熱拡散工程の他、フォトリソグラフィ技術等を利用して強誘電体基板上に導波路をパターニングしなければならず、このため製造工程が複雑であり、長時間を要し、製造コストも高くなるという欠点があった。

そこで、最近では、上述のような複雑な製造工程が不要で、短時間での製造が可能なレーザ技術、特に超短パルスレーザを使用した作製方法が注目されている。

例えば、非特許文献１には、フェムト秒レーザを使用し、フェムト秒レーザから出射されるレーザ光をＬＮからなる基板（以下、「ＬＮ基板」という。）の内部に集光させて光導波路を作製することが試みられている。

このフェムト秒レーザは、フェムト秒（１０^-15ｓ）レベルのパルス時間幅（以下、「パルス幅」という。）を有する超短パルスのレーザ光を所定の繰り返し周波数で出力することができる。

上記非特許文献１では、レーザ発振器としてＴｉ：サファイア結晶を使用し、パルスエネルギーを０．２μＪ、繰り返し周波数を１ｋＨｚとし、また、倍率が４０倍、開口数が０．６５の対物レンズを使用してＬＮ基板の表面から５０〜１５０μｍの深さを集光位置とし、パルス幅が２２０ｆｓ（フェムト秒）、及び１．１ｐｓ（ピコ秒）のレーザ光をＬＮ基板に照射している。

この非特許文献１によれば、レーザ光の集光位置では、レーザ光からの熱によるダメージを受ける。このため前記集光位置には導波路は形成されないが、集光位置の周囲で歪みが生じ、この歪みにより異常光線の屈折率（以下、「異常光屈折率」という。）ｎｅを増加させている。つまり、ダメージを受けた部分を囲むような形態で光導波路が形成されている。

また、この非特許文献１では、上述の如く異常光屈折率ｎｅは増加するが、常光線の屈折率（以下、「常光屈折率」という。）ｎｏは変化しなかったことが報告されている。すなわち、異常光屈折率ｎｅが増加することから、磁気ベクトルの振動方向が入射面に垂直なＴＭ（Transverse Magnetic）光（ｐ偏光）の光導波路は得ることができるが、電気ベクトルの振動方向が入射面に垂直なＴＥ（Transverse Electric）光（ｓ偏光）の光導波路は得ることができなかったことが報告されている。

その他の先行技術として、非特許文献２には、超短パルスファイバーレーザ（ファイバー・チャープパルス増幅レーザ）を使用し、繰り返し周波数を１００〜１５００ｋＨｚに設定してレーザ光をＬＮ基板内部に集光させ、光導波路を作製することが試みられている。

この非特許文献２によれば、パルスエネルギーが約２７０ｎＪ、パルス幅が約６００ｆｓの条件で、上記繰り返し周波数でもってレーザ光をＬＮ基板に照射している。そして、繰り返し周波数が１００ｋＨｚの場合は、集光位置がダメージを受け、応力による歪みが生じるが、繰り返し周波数が大きくなると歪みは徐々に減少し、７００ｋＨｚの繰り返し周波数では歪みは大幅に低減し、さらに繰り返し周波数が１０００ｋＨｚ以上になると、歪みは殆ど生じなくなることが報告されている。

また、７００ｋＨｚの繰り返し周波数で導波確認を行ったところ、常光屈折率ｎｏが増加し、ＴＥ光の光導波が観察されている。これは、繰り返し周波数が７００ｋＨｚ程度に大きくなると、超短パルスの発生間隔が短くなり、その結果レーザ光の熱緩和時間が短くなって熱が蓄積され、これにより常光屈折率ｎｏが増加したものと思われる。

また、非特許文献２では、ＴＭ光の光導波も観察されたが、該ＴＭ光はＴＥ光とは異なる光導波路（例えば、ＬＮ基板内に光導波路が上下方向に３個列設されて形成された場合、上段及び下段がＴＥ光導波路、中段がＴＭ光導波路）が観察され、しかも、このＴＭ光は伝播損失が非常に大きいことが指摘されている。

J.Burghoff, S. Noltz, A.Tunnermann 著、「Origins of waveguiding in femtosecond laser-structured LiNbO3」、 Appl. Phys. A89, p.127-132 、2007年 A.H.Nejadmalayeri, P.Herman 著、「Rapid thermal annealing in high repetition rate ultrafast laser waveguide writing in lithium niobate」、Optics Express、 15、p. 10842-10854、2007年

上述したように非特許文献１では、超短パルスレーザをＬＮ基板に照射しても異常光屈折率ｎｅは増加するが、常光屈折率ｎｏは変化せず、したがって、ＴＭ光は導波してもＴＥ光は導波せず、偏光依存性を有するという問題があった。

また、上記非特許文献２は、ＴＥ光及びＴＭ光が導波することは一応確認できたものの、ＴＥ光及びＴＭ光の双方を同一の光導波路で導波させることはできていない。すなわち、同一の光導波路では、ＴＥ光及びＴＭ光のいずれか一方の光しか導波させることができず、非特許文献１と同様、偏光依存性を有するという問題があった。しかも、非特許文献２では、ＴＭ光の伝播損失が非常に大きいという問題もあった。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、超短パルスのレーザ光を使用した場合であっても、偏光依存性のない光導波路を容易に製造することができる光導波路の製造方法、及びこの製造方法を使用して製造された光導波路を有する光学部品を提供することを目的とする。

上記非特許文献１では、超短パルスのレーザ光を照射することにより、集光位置の周囲に歪みが生じ、これにより異常光屈折率ｎｅが増加している。すなわち、一軸結晶の強誘電体基板内部での歪みの形成は、異常光屈折率ｎｅの増加を生じさせると考えられる。

一方、上記非特許文献２では、繰り返し周波数を大きくして超短パルスの発生間隔を短くすることにより、レーザ光の熱緩和時間が短くなって熱が蓄積され、これにより常光屈折率ｎｏが増加している。すなわち、熱の蓄積は常光屈折率ｎｏの増加を生じさせると考えられる。

本発明者らはこのような点に着目し、ＬＮよりも融点の高いＬＴを使用し、歪みを残存させつつ、熱が蓄積するような所定の繰り返し周波数で、レーザ光をＬＴ基板に照射して鋭意研究を行ったところ、ＬＴ基板の表面から５０μｍ以内の深さを集光位置として、１．５μＪ以上のパルスエネルギーで超短パルスのレーザ光を照射することにより、光導波路の断面形状が良好で、しかも同一導波路内でＴＥ光及びＴＭ光の双方が導波可能な光導波路を得ることができるという知見を得た。

本発明はこのような知見に基づきなされたものであって本発明に係る光導波路の製造方法は、ＬＴ基板に対し該基板の表面から５０μｍ以内の深さを集光位置とし、超短パルスのパルス幅を有しかつ所定の繰り返し周波数で出射するレーザ光を１．５μＪ以上のパルスエネギーで前記基板に照射すると共に、前記レーザ光で前記基板を走査し、前記基板よりも屈折率の高い光伝播部を前記集光位置に形成することを特徴としている。

尚、本発明で、「超短パルス」とは、フェムト秒レベルのパルス幅を有するパルスをいう。

また、本発明の光導波路の製造方法は、前記繰り返し周波数を、１００〜２５０ｋＨｚとすることを特徴としている。

さらに、本発明の光導波路の製造方法は、前記集光位置が、前記所定深さが少なくとも２０μｍ以上であることを特徴としている。

また、本発明の光導波路の製造方法は、前記超短パルスが、パルス時間幅が１００ｆｓ以下であることを特徴としている。

さらに、本発明の光導波路の製造方法は、前記レーザ光の出射源が、フェムト秒レーザであることを特徴としている。

また、本発明に係る光学部品は、上述の製造方法を使用して製造された光導波路を有することを特徴としている。

本発明の光導波路の製造方法によれば、ＬＴ基板の表面から５０μｍ以内の深さを集光位置とし、超短パルスのパルス幅（好ましくは、１００ｆｓ以下）を有しかつ所定の繰り返し周波数（好ましくは、１００〜２５０ｋＨｚ）波で出射するレーザ光を１．５μＪ以上のパルスエネギーで前記基板に照射すると共に、前記レーザ光で前記基板を走査し、前記基板よりも屈折率の高い光伝播部を前記集光位置に形成するので、断面形状が良好で、ＴＥ光及びＴＭ光の双方を導波させることのできる光導波路を得ることができ、これにより偏光依存性のない光導波路を製造することができる。したがって、偏光面を回転させたりスイッチングさせることのできる各種光学部品に適した光導波路を容易に得ることができる。

また、前記集光位置が、前記所定深さが少なくとも２０μｍ以上であるので、集光位置はＬＴ基板の表面から適度な深さを有しており、レーザ照射しても基板表面がアブレーションを起こすこともない。

さらに、前記レーザ光の出射源が、フェムト秒レーザであるので、レーザ光の射出条件を容易に調整することができ、Ｔｉ拡散法のような複雑な製造工程を要することなく、短時間でかつ安価な製造コストでもって偏光依存性のない所望の光導波路を得ることができる。

また、本発明の光学部品は、上述の製造方法を使用して製造された光導波路を有するので、位相変調器、光スイッチ、アイソレータ等、所望の各種光学部品を安価かつ簡便に得ることが可能となる。

本発明に係る光導波路の製造方法を使用して製造された光学部品の一実施の形態を示す斜視図である。 図１の縦断面図である。 本発明に係る光導波路の製造方法に使用される光導波路製造装置を模式的に示した図である。 フェムト秒レーザから出力されるパルス波形の一例を示す図である。 フェムト秒レーザから出力されるパルス波形の他の例を示す図である。 実施例試料の断面形状の評価基準となる光導波路の断面形状を模式的に示した図である。 実施例試料の偏光無依存性の確認に使用した装置を模式的に示した図である。 半波長板を第１の位置に設定して導波確認した場合の試料番号１１のＣＣＤ画像である。 半波長板を第２の位置に設定して導波確認した場合の試料番号１１のＣＣＤ画像である。 半波長板を第１の位置に設定して導波確認した場合の試料番号５のＣＣＤ画像である。 半波長板を第２の位置に設定して導波確認した場合の試料番号５のＣＣＤ画像である。

符号の説明

２ ＬＴ基板
３ 光導波路
４ フェムト秒レーザ
５ レーザ光

次に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳説する。

図１は本発明に係る光導波路の製造方法を使用して製造された光学部品の一実施の形態を示す斜視図であり、図２はその縦断面図である。

すなわち、この光学部品１は、ＬＴ結晶からなる基板（ＬＴ基板）２の内部に、常光屈折率ｎｏ及び異常光屈折率ｎｅの双方が該ＬＴ基板２よりも高い光導波路３が形成されている。

この光導波路３は、具体的には、ＬＴ基板２の主面（表面）２ａからの深さｄをレーザ光の集光位置とした場合、該深さｄが５０μｍ以内の位置となるように、前記ＬＴ基板２の主面２ａと平行に形成され、断面形状が円形形状乃至楕円形状とされてＴＭ光及びＴＥ光が高効率に伝播可能とされている。

図３は、上記光導波路３の製造に使用される光導波路製造装置の一実施の形態を模式的に示した概略図である。

すなわち、この光導波路製造装置は、超短パルスレーザとしてのフェムト秒レーザ４と、該フェムトレーザ４からのレーザ光５をＬＴ基板２の集光位置Ｆに集光させる対物レンズ６とを備えている。

フェムト秒レーザ４は、具体的には、Ｔｉ：サファイア結晶等のレーザ媒質を有する超短パルス発振器７と、該超短パルス発振器７で得られたレーザ光のパルス幅を一旦伸張するパルス伸張器８と、パルス伸張器８で伸張されたパルスを増幅するパルス増幅器９と、該パルス増幅器９を励起させる励起レーザ１０と、パルス増幅器９で増幅されたパルスを前記超短パルスに圧縮するパルス圧縮器１１とを主要部として備えている。

そして、励起源（不図示）からのレーザ光（例えば、波長λが５３２ｎｍのグリーン光）が超短パルス発振器７に入力されると、該超短パルス発振器７からはフェムト秒レベル（例えば、１００ｆｓ）のパルス幅を有するレーザ光が出力される。すなわち、この超短パルス発振器７では、複数の縦モードが互いに干渉するように位相を同期させてモード間の位相をロックしながら連続発振し、位相が重なり合うように動作して尖鋭な超短パルスのレーザ光を生成する。

このレーザ光は、出力エネルギーが低いため、該出力エネルギーを増幅する必要があるが、レーザ光自体は、上述のようにパルス幅が超短であり、尖鋭でピーク出力が高い。したがって、このままの状態で増幅すると光路中に配された各種の光学素子が損傷するおそれがある。そこで、パルス伸張器８でレーザ光のパルス幅をピコ秒レベル（例えば、１００ｐｓ）に一旦伸張して尖鋭なピーク出力を抑えた状態とし、その後、励起レーザ（例えば、波長λが５３２ｎｍのグリーン光）を介して励起されたパルス増幅器９で出力エネルギーを増幅する。この後、パルス圧縮器１１で再びパルス幅をフェムト秒レベル（例えば、１００ｆｓ）に圧縮し、高出力エネルギーで超短パルスのパルス幅を有するレーザ光がフェムト秒レーザから出射される。

対物レンズ６は、ＬＴ基板２の主面２ａから深さｄが５０μｍ以内の位置に集光するような集光光学系で構成され、例えば、倍率５０〜１００、開口数０．８〜１．４０に設計されたレンズ群を使用することができる。

ここで、深さｄを５０μｍ以内に設定したのは、深さｄが５０μｍを超えてしまうと、光導波路３の断面形状がＬＴ基板２の厚み方向（図３中、矢印Ｔで示す。）に長く延びてしまい、所望の断面形状を有する光導波路３を形成するのが困難になるからである。これはＬＴ基板２を通過するレーザ光に収差の影響が生じるためと考えられる。

尚、深さｄの上限は特に限定されるものではないが、好ましくは２０μｍ以上である。すなわち、前記深さｄが２０μｍよりも浅くなると、レーザ光５をＬＴ基板２に照射した場合、所謂「アブレーション」が生じ、ＬＴ基板２の表面が破壊されてしまうおそれがある。したがって、前記深さｄは２０μｍ以上が好ましい。

また、本実施の形態では、フェムト秒レーザ４から出射される超短パルスのパルスエネルギーは、１．５μＪ以上に設定される。以下、その理由を述べる。

すなわち、例えば、パルスエネルギーが０．５μＪ未満の場合は、パルスエネルギーが小さすぎるため、異常光屈折率ｎｅを増加させるのに効果的な歪みを生じさせることができない。また、この場合、繰り返し周波数を大きくしても常光屈折率ｎｏを増加させるのに効果的な熱蓄積が十分になされず、光導波路３を形成するのが困難である。

また、パルスエネルギーを０．５以上１．５μＪ未満に増やした場合は、集光位置Ｆには或る程度の歪みが生じ、異常光屈折率ｎｅを増加させることは可能である。しかし、断面形状が細長くなり、所望断面形状の光導波路３を形成するのは困難となる。また、熱を十分に蓄積されるにはパルスエネルギーが低く、このため異常光屈折率ｎｅを増加させることはできても、常光屈折率ｎｏを増加させるのは困難であり、偏光依存性を有することとなる。

したがって、パルスエネルギーは少なくとも１．５μＪ以上が必要である。

また、集光位置Ｆがダメージを受けることなく所望の歪みを形成することができ、かつ所望の熱蓄積なされるように、所定の繰り返し周波数を設定する必要があるが、この所定の繰り返し周波数は、好ましくは１００〜２５０ｋＨｚに設定される。

以下、この好ましい範囲について説明する。

図４及び図５は、フェムト秒レーザ４から出射されるレーザ光５のパルス波形を示す一例であり、横軸が時間ｔ、縦軸は出力強度Ｉであり、図中、ｔ１、ｔ２がパルス幅（ｆｓ）、ｆ１、ｆ２が繰り返し周波数（ｋＨｚ）を示し、ｔ１＜ｔ２、ｆ１＞ｆ２である。

繰り返し周波数をｆ、パルスエネルギーをＥとすると、出力エネルギーＰ（１秒間当たりのエネルギー）は、数式（１）で表される。

Ｐ＝ｆ・Ｅ …（１）
また、集光位置Ｆの面積をＳとすると、レーザ強度Ｉは、数式（２）で表される。

Ｉ＝Ｅ／Ｓ・ｔ …（２）
したがって、出力エネルギーＰが一定の場合は、繰り返し周波数ｆを低くすると、パルスエネルギーＥは大きくなり、図４に示すように、パルス形状は尖鋭で出力強度Ｉは非常に大きくなる。すなわち、繰り返し周波数ｆが１００ｋＨｚ未満、例えば、非特許文献１のように１ｋＨｚと低い場合は、パルス形状は尖鋭でしかもレーザ強度Ｉは非常に大きくなるため、ＬＴ基板２は集光位置Ｆでの熱によるダメージを受けやすく、好ましくない。しかも、この場合はパルスの発生間隔も長いため、レーザ光の照射による熱の緩和時間も長く、したがって熱が蓄積されないため、常光屈折率ｎｏを増加させることもできない。

一方、例えば、繰り返し周波数ｆを１００ｋＨｚ以上に高くした場合、パルスエネルギーＥは、少なくとも１．５μＪ以上の範囲で比較的小さくなり、図５に示すように、レーザ強度Ｉも小さく、パルスの尖鋭度も緩やかになる。

しかも、本実施の形態では、非特許文献１及び２に記載のＬＮ基板を使用せずに、ＬＴ基板２を使用しており、これにより繰り返し周波数が１００ｋＨｚであっても、熱によるダメージを排して歪みのみを形成することができ、異常光屈折率ｎｅを増加させることが可能となる。

すなわち、ＬＮ基板の融点は１１８０℃であるのに対し、ＬＴ基板２の融点は１６５０℃と高い。このようにＬＮ基板の場合、融点が１１８０℃と低いため、尖鋭で出力強度Ｉの大きなレーザ光を照射すると、ＬＴ基板に比べ熱によるダメージを受け易いと考えられる。

これに対しＬＴ基板２は、ＬＮ基板に比べ、融点が高く耐熱性に優れており、レーザ照射の熱によるダメージを受け難い。すなわち、繰り返し周波数が１００ｋＨｚであっても、ＬＮ基板とは異なり、熱によるダメージを受けず、歪みのみを形成することができると考えられる。

しかも、繰り返し周波数を１００ｋＨｚ以上とすることにより、パルスの発生間隔が長くなることから、熱の緩和時間が短くなり、その結果、熱が蓄積され易くなり、常光屈折率ｎｏを増加させることが可能となる。

このように繰り返し周波数を１００ｋＨｚ以上とすることにより、熱によるダメージを受けることなく歪みのみが残り、かつ、熱の緩和時間が短くなって熱を蓄積することができる。

そして、これにより常光屈折率ｎｏ、及び異常光屈折率ｎｅの双方を増加させることが可能となり、偏光依存性のない偏光無依存性の光導波路３を形成することが可能となる。

尚、繰り返し周波数ｆの上限は特に限定されるものでないが、実用的には２５０ｋＨｚ以下が好ましい。

また、超短パルスのパルス幅ｔについても、フェムト秒レベルであれば特に限定されないが、所望の尖鋭なパルスで集光位置Ｆにレーザ光を照射するためには、１００ｆｓ以下が好ましい。

このように本実施の形態では、１．５μＪ以上のパルスエネルギーを有する超短パルスのレーザ光が、所定の繰り返し周波数（好ましくは、１００〜２５０ｋＨｚ）でもってＬＴ基板２に照射され、かつＬＴ基板２を走査することにより、ＴＥ光及びＴＭ光の双方の導波が可能な光導波路３を形成することができる。

すなわち、本実施の形態によれば、ＬＴ基板２の表面から５０μｍ以内の深さを集光位置Ｆとし、超短パルスのパルス幅（好ましくは、１００ｆｓ以下）を有しかつ所定の繰り返し周波数（好ましくは、１００〜２５０ｋＨｚ）波で出射するレーザ光を１．５μＪ以上のパルスエネギーで前記基板に照射すると共に、前記レーザ光で前記基板を走査し、前記基板よりも屈折率の高い光伝播部を前記集光位置に形成するので、断面形状が良好でＴＥ光及びＴＭ光の双方を導波させることのできる光導波路３を得ることができ、これにより偏光依存性のない光導波路３を製造することができ、偏光面を回転させたりスィッチングさせることのできる各種光学部品に適した光導波路３を得ることができる。

また、前記集光位置Ｆが、前記所定深さが少なくとも２０μｍ以上であるので、集光位置ＦはＬＴ基板２の主面２ａから適度な深さを有しており、レーザ照射してもＬＴ基板２の表面がアブレーションを起こすこともない。

さらに、前記レーザ光５の出射源が、フェムト秒レーザであるので、レーザ光の射出条件を容易に制御することができ、Ｔｉ拡散法のような複雑な製造工程を要することなく、短時間で安価な製造コストでもって所望の光導波路を得ることができる。

そして、上述の製造方法を使用して製造された光導波路を有するので、位相変調器、光スィッチ、アイソレータ等、所望の各種光学部品を安価かつ簡便に得ることが可能となる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態では、超短パルスレーザとしてＴｉ：サファイア結晶をレーザ媒質としたフェムト秒レーザを使用しているが、超短パルスのレーザ光を出射できるものであればよく、例えば、超短パルスファイバーレーザを使用することもできる。

次に、本発明の実施例を具体的に説明する。

上述した図３の製造装置を使用し、集光位置が基板表面から２０μｍ、５０μｍ、及び１００μｍとなるように光学系を調整し、ｚ−カットＬＴ基板にレーザ光を照射して試料番号１〜１８の試料を作製した。

尚、フェムト秒レーザとしては、コヒーレント社製RegA9000で再生圧縮したＴｉサファイアモードロックレーザを使用した。

レーザ光の照射条件、及び対物レンズの仕様は、以下の通りである。

〔レーザ光の照射条件〕
パルス幅：８２ｆｓ
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ又は２５０ｋＨｚ
パルスエネルギー：０．５μＪ、１．０μＪ、１．５μＪ、又は２．０μＪ
走査速度：１００μｍ／ｓ
〔対物レンズの仕様〕
倍率：５０倍
開口数：０．８
次に、試料番号１〜１８の各試料の断面を研磨し、偏光顕微鏡で断面形状を観察した。

図６は前記断面形状を模式的に示した図である。

本実施例では、断面形状が対称乃至略対称形状であり、かつ長軸ａと短軸ｂとの比ａ／ｂが１／１〜３／１未満の試料を、光導波路が十分に形成されているとして〇印とし、断面形状が明らかな非対称形状であり、かつ比ａ／ｂが３／１以上の試料を、光導波路は一応形成されているものの不十分であるとして△印とし、光導波路の形成が全く認められなかった試料を×印とし、断面形状を評価した。

また、上記各試料について、試料にレーザ光を照射して、その状態を撮像し、偏光無依存性を評価した。

図７は偏光無依存性確認用装置を模式的に示した装置図である。

この装置は、偏光方向を制御する半波長板１４、対物レンズ１５が、レーザ照射側の光路１２中に配され、試料１３を介してレーザ照射側と対向する光路１６中には、ＣＣＤカメラ１７及び対物レンズ１８が配されている。そして、半波長板１４を第１の位置に設定してレーザ光を照射し、ＴＭ光の導波状態を確認し、次いで半波長板１４を第１の位置から９０°回転させて第２の位置に設定し、ＴＥ光の導波状態を確認した。

すなわち、まず、波長６３３ｎｍの赤色のＨｅ−Ｎｅレーザを、第１の位置に設定された半波長板１４に透過させた後、対物レンズ１５で試料１３中の光導波路形成位置に集光させ、その状態をＣＣＤカメラ１７で撮像し、ＴＭ光の導波が確認されるか否かを調べた。

その後、半波長板１４を前記第１の位置から９０°回転させて第２の位置に設定し、上述と同様の方法でＨｅ−Ｎｅレーザを試料１３中の導波路形成位置に集光させ、その状態をＣＣＤカメラ１７で撮像し、ＴＥ光の導波が確認されるか否かを調べた。

そして、ＴＭ光及びＴＥ光の双方の導波が認められた試料を〇印とし、ＴＭ光及びＴＥ光のいずれか一方の導波しか確認できなかった試料を△印とし、導波が全く確認できなかった試料を×印とし、偏光無依存性を評価した。

表１は光導波路作製時の繰り返し周波数、パルスエネルギー、集光位置、及び断面形状、偏光無依存性の評価結果を示している。

試料１〜１２は、繰り返し周波数を２５０ｋＨｚに設定してＬＴ基板にレーザ光を照射した試料である。

試料番号１〜３はパルスエネルギーが０．５μＪと小さすぎるため、光導波路は形成されず、導波も確認できなかった。

試料番号４〜６はパルスエネルギーが１．０μＪであり、試料番号１〜３よりは大きなパルスエネルギーでＬＴ基板にレーザ光を照射しているが、所望の光導波路を形成するには未だ不十分であった。すなわち、ＴＭ光の導波は確認できたが、ＴＥ光の導波は確認できず、偏光依存性が存在することが分かった。これは、レーザ光の照射により歪が形成され、その結果、異常光屈折率ｎｅは増加し、ＴＭ光は導波したが、パルスエネルギーが１．０μＪが小さいため、集光位置に十分に熱が蓄積されず、このため常光屈折率ｎｏが増加せず、ＴＥ光が導波しなかったものと思われる。

試料番号９及び１２はパルスエネルギーをそれぞれ１．５μＪ、２．０μＪとし、集光位置を１００μｍとした場合を示している。この場合は、パルスエネルギーが１．５μＪ以上であり、十分なパルスエネルギーを有しているため、常光屈折率ｎｏ及び異常光屈折率ｎｅの双方共増加し、ＴＭ光及びＴＥ光の導波が確認され、偏光無依存性を有することは確認できた。しかしながら、集光位置が１００μｍと深く、このため比ａ／ｂが３／１となり、断面形状が過度に細長い形状となって所望の断面形状を得ることができなかった。

これに対し試料番号７、８、１０及び１１は、パルスエネルギーが１．５μＪ以上であり、集光位置も２０μｍ、５０μｍであるため、断面形状は所望形状となり、かつ偏光無依存性の光導波路が得られることが確認された。

また、試料番号１３〜１８は、繰り返し周波数を１００ｋＨｚに設定してＬＴ基板にレーザ光を照射した試料である。

このうち、試料番号１５及び１８はパルスエネルギーがそれぞれ１．５μＪ、２．０μＪであり、十分なパルスエネルギーを有しているため、常光屈折率ｎｏ及び異常光屈折率ｎｅの双方共増加し、ＴＭ光及びＴＥ光の導波が確認され、偏光無依存性を有することが確認された。しかしながら、集光位置が１００μｍと深いため、比ａ／ｂが約４／１となり、断面形状が過度に長細くなって所望の断面形状を得ることができなかった。

これに対し試料番号１３、１４、１６及び１７は、パルスエネルギーが１．５μＪ以上であり、集光位置も２０μｍ、５０μｍであるため、所望の断面形状を有し、かつ偏光無依存性の光導波路が得られることが確認された。

尚、本発明者らは、繰り返し周波数を１０ｋＨｚにして導波路の作製を試みたが、レーザの他の照射条件を変えても、所望の良好な断面形状を得ることはできず、偏光無依存性を有する光導波路を得ることはできなかった。

図８は、半波長板１４を前記第１の位置に設定して導波確認した場合の試料番号１１のＣＣＤ画像であり、図９は半波長板１４を前記第２の位置に設定して導波確認した場合の同試料のＣＣＤ画像である。図中、白色部分が光導波している部分である。

この図８及び図９から明らかなように、試料番号１１ではＴＭ光及びＴＥ光の双方の導波を確認することができ、したがって編光無依存性を有することが分かった。

一方、図１０は、半波長板１４を前記第１の位置に設定して導波確認した場合の試料番号５のＣＣＤ画像であり、図１１は半波長板１４を前記第２の位置に設定して導波確認した場合の同試料のＣＣＤ画像である。図８及び図９と同様、図中、白色部分が光導波している部分である。

この図１０から明らかなように、試料番号５ではＴＭ光の導波は確認できたが、図１１のＣＣＤ画像は真黒であり、ＴＥ光は導波しないことが分った。

Claims (6)

1. ＬｉＴａＯ_３からなる基板に対し該基板の表面から５０μｍ以内の深さを集光位置とし、超短パルスのパルス幅を有しかつ所定の繰り返し周波数で出射するレーザ光を１．５μＪ以上のパルスエネギーで前記基板に照射すると共に、前記レーザ光で前記基板を走査し、前記基板よりも屈折率の高い光伝播部を前記集光位置に形成することを特徴とする光導波路の製造方法。
2. 前記繰り返し周波数を、１００〜２５０ｋＨｚとすることを特徴とする請求項１記載の光導波路の製造方法。
3. 前記集光位置は、前記基板の表面から少なくとも２０μｍ以上の深さであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光導波路の製造方法。
4. 前記超短パルスは、パルス時間幅が１００ｆｓ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の光導波路の製造方法。
5. 前記レーザ光の出射源は、フェムト秒レーザであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の製造方法を使用して製造された光導波路を有することを特徴とする光学部品。