特許 7322876 光デバイスの製造方法、光デバイス、及び光デバイスの製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-31

(45)【発行日】2023-08-08

(54)【発明の名称】光デバイスの製造方法、光デバイス、及び光デバイスの製造装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/13 20060101AFI20230801BHJP

【ＦＩ】

G02B6/13

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020522162

(86)(22)【出願日】2019-05-24

(86)【国際出願番号】 JP2019020745

(87)【国際公開番号】W WO2019230609

(87)【国際公開日】2019-12-05

【審査請求日】2022-04-21

(31)【優先権主張番号】P 2018105071

(32)【優先日】2018-05-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100136722

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼木 邦夫

(74)【代理人】

【識別番号】100174399

【弁理士】

【氏名又は名称】寺澤 正太郎

(72)【発明者】

【氏名】長能 重博

【審査官】野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１９５４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０７０３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０１９１２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５１５９４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２１６９６７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０３２０５２９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００５－０９２１７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０３３９９３７７（ＣＮ，Ａ）

【文献】KURITA et al.，Shape Control of Element Distribution inside a Glass by Simultaneous Irradiation with Femtosecond Laser Pulses at Multiple Spots，2013 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEOPR)，日本，IEEE，2013年06月30日，WPE-8

【文献】WU et al.，Study of waveguide directly writing in LiNbO3 crystal by high repetition rate femtosecond laser，Proceedings of SPIE 10027, Nanophotonics and Micro/Nano Optics III，米国，SPIE，2016年11月04日，Vol. 10027，pp. 100271H-1～pp. 100271H-8

【文献】外池正清，ＮＥＤＯプロジェクト「三次元光デバイス高効率製造技術」の終了報告，New Glass，日本，一般社団法人ニューガラスフォーラム，2011年，Vol.26, No.3，pp.33-44

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／１２－６／１４

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ゲルマニウム及びチタンを含むガラス部材の内部にパルス状の第１レーザ光及び第２レーザ光を集光して、前記ガラス部材に対して光誘起による屈折率変化を起こさせるレーザ照射工程と、
前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の集光位置を前記ガラス部材に対して相対的に移動する集光位置移動工程と、を備え、
前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光のそれぞれは、１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有し、
前記レーザ照射工程では、前記第１レーザ光を点状の集光領域に集光し、前記第２レーザ光を前記第１レーザ光の前記集光領域を囲む環状の集光領域に集光し、
前記第１レーザ光の中心波長は４００ｎｍより大きく７００ｎｍ以下であり、前記第２レーザ光の中心波長は８００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であり、
前記レーザ照射工程及び前記集光位置移動工程を交互に繰り返す若しくは並行して実施することにより、連続した屈折率変化領域を前記ガラス部材の内部に形成する、光デバイスの製造方法。

【請求項2】

前記ガラス部材がホウ素を更に含み、且つ、前記レーザ照射工程で照射される前記第１レーザ光の中心波長が５３０ｎｍ以下である、
請求項１に記載の光デバイスの製造方法。

【請求項3】

前記レーザ照射工程の前に、前記ガラス部材に水素を注入する工程を更に備える、
請求項１又は請求項２に記載の光デバイスの製造方法。

【請求項4】

前記水素を注入する工程において、前記ガラス部材は１０気圧以上の水素雰囲気中に導入される、
請求項３に記載の光デバイスの製造方法。

【請求項5】

前記水素を注入する工程の後且つ前記レーザ照射工程の前に、前記水素が注入された前記ガラス部材を－１０℃以下で低温保管する工程を更に備える、
請求項３又は請求項４に記載の光デバイスの製造方法。

【請求項6】

前記ガラス部材はリン酸塩系ガラス又はケイ酸塩系ガラスである、
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。

【請求項7】

前記第１レーザ光のパルス幅は前記第２レーザ光のパルス幅よりも長い、
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。

【請求項8】

前記第１レーザ光のパルス幅は５００フェムト秒より長く５０ピコ秒以下であり、前記第２レーザ光のパルス幅は５００フェムト秒以下である、
請求項７に記載の光デバイスの製造方法。

【請求項9】

前記集光位置移動工程において、前記第２レーザ光の集光環を含む平面と交差する方向に、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の集光位置を前記ガラス部材に対して相対的に移動する、
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。

【請求項10】

前記ガラス部材の内部に前記連続した屈折率変化領域を形成した後、エージング処理及び残留水素の除去のための熱処理を前記ガラス部材に対して行う工程を更に備える、
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。

【請求項11】

ガラス部材の内部に連続した屈折率変化領域を形成するための光デバイスの製造装置であって、
中心波長が４００ｎｍより大きく７００ｎｍ以下であり且つ１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有する第１レーザ光を出力するように構成された第１レーザ光源と、
中心波長が８００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であり且つ１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有する第２レーザ光を出力するように構成された第２レーザ光源と、
前記第２レーザ光源から出射される前記第２レーザ光の光路上に配置され、前記第２レーザ光のビームプロファイルを環状に変換するように構成された変換素子と、
前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の光路上に配置され、前記第１レーザ光と、前記変換素子で前記ビームプロファイルが変換された前記第２レーザ光とを合成するように構成された波長合成器と、
前記波長合成器で合成されるレーザ光を前記ガラス部材の所定の加工位置に集光するように構成された集光光学系と、
を備える、光デバイスの製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光デバイスの製造方法、光デバイス、及び光デバイスの製造装置に関する。
本出願は、２０１８年５月３１日出願の日本出願第２０１８－１０５０７１号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用する。

【背景技術】

【0002】

光ネットワーク通信などの技術分野では、クラウドサービスの拡大に伴って、データセンターの大規模化及び通信データの大容量化が急激な勢いで進められている。その一例として、例えば、シリコンフォトニクスを利用した光ＩＣ化、又は、高密度光配線としてのマルチコア光ファイバ（Multi-Core optical Fiber：以下、「ＭＣＦ」と記す）の適用が検討されている。ＭＣＦは、高パワーの光が光ファイバに入射されることで生じるファイバ・フューズ（Fiber Fuse）現象による許容限界を空間分割多重方式により回避する手段となり得るため、次世代の大容量化光ファイバとして注目されている。しかしながら、ＭＣＦ等の光部品の採用には、互いに隣接するＭＣＦ間を接続する技術、或いはＭＣＦの複数のコアそれぞれから複数のシングルコアファイバへ分岐接続する技術が不可欠である。このような光学部品間の接続を可能にする部品として、例えば、低背カプラ、又はグレーティングカプラ等が利用可能である。レーザ描画によりガラス内部へ光導波路を形成する三次元光導波路デバイスの製造は、生産性や設計の自由度の観点から注目されている。

【0003】

これまでに報告されているレーザ描画による三次元光導波路デバイスについて、ガラス材質、添加材料、添加量、又はチタンサファイアレーザによるフェムト秒レーザ（例えば波長８００ｎｍ以下）の照射条件が検討されている。例えば、非特許文献１によれば、ＴｉＯ_２を含有するリン酸塩系ガラスにレーザ光を照射することで、ガラス内部における屈折率差（すなわち屈折率変化）Δｎを０．０１５程度まで形成することに成功している。特許文献１によれば、ＧｅＯ_２：５重量％の組成をもつ石英ガラスにレーザ光を照射することで、ガラス内部における屈折率を０．０２上昇させることに成功している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平９－３１１２３７号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】外池正清“ＮＥＤＯプロジェクト「三次元光デバイス高効率製造技術」の終了報告”, NEW GLASS Vol.26, No.3, 2011, pp.33-44.

【文献】D.L.Williams, et al., “ENHANCED UV PHOTOSENSITIVITY IN BORON CODOPED GERMANOSILICATE FIBERS”, ELECTRONICSLETTERS, 7th January, 1993, Vol. 29, No. 1, pp.45-47.

【文献】B.I.Greene, et al., “Photoselective Reaction of H2 with Germanosilicate Glass”, LEOS'94 (1994),Vol.2, PD-1.2, pp.125-126.

【文献】Junji Nishii, et al., “Ultraviolet-radiation-induced chemical reactions through one- andtwo-photon absorption process in GeO2-SiO2 glasses”, OPTICS LETTERS,Vol.20, No.10, May 15, 1995, pp.1184-1186.

【発明の概要】

【0006】

本開示は、光デバイスの製造方法を提供する。この光デバイスの製造方法は、ゲルマニウム及びチタンを含むガラス部材の内部にパルス状の第１レーザ光及び第２レーザ光を集光して、ガラス部材に対して光誘起による屈折率変化を起こさせるレーザ照射工程と、第１レーザ光及び第２レーザ光の集光位置をガラス部材に対して相対的に移動する集光位置移動工程と、を備える。第１レーザ光及び第２レーザ光のそれぞれは、１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数（すなわち一秒毎のパルス数）を有する。レーザ照射工程では、第１レーザ光を点状の集光領域に集光し、第２レーザ光を第１レーザ光の集光領域を囲む環状の集光領域に集光する。第１レーザ光の中心波長は４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下であり、第２レーザ光の中心波長は８００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下である。レーザ照射工程及び集光位置移動工程を交互に繰り返す若しくは並行して実施することにより、連続した屈折率変化領域をガラス部材の内部に形成する。

【0007】

本開示は、光デバイスを提供する。この光デバイスは、ゲルマニウム及びチタンを含むガラス部材を備える。ガラス部材は、光誘起による連続した屈折率変化領域を内部に有する。屈折率変化領域は、線状に延びる第１の領域と、第１の領域を内包する筒状の第２の領域とを含む。第１の領域の屈折率は、屈折率変化領域の周囲の領域の屈折率よりも大きい。第２の領域の屈折率は、屈折率変化領域の周囲の領域の屈折率よりも小さい。

【0008】

本開示は、光デバイスの製造装置を提供する。この光デバイスの製造装置は、連続した屈折率変化領域をガラス部材の内部に形成するための光デバイスの製造装置であって、第１レーザ光源と、第２レーザ光源と、変換素子と、波長合成器と、集光光学系とを備える。第１レーザ光源は、中心波長が４００ｎｍより大きく７００ｎｍ以下であり且つ１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有する第１レーザ光を出射するように構成される。第２レーザ光源は、中心波長が８００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であり且つ１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有する第２レーザ光を出射するように構成される。変換素子は、第２レーザ光源から出射される第２レーザ光の光路上に配置され、第２レーザ光のビームプロファイルを環状に変換するように構成される。波長合成器は、第１レーザ光及び第２レーザ光の光路上に配置され、第１レーザ光と、変換素子でビームプロファイルが変換される第２レーザ光とを合成するように構成される。集光光学系は、波長合成器で合成されたレーザ光をガラス部材の所定の加工位置に集光するように構成される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、光デバイス１の構造を示す断面図であって、光デバイス１が有する光導波路２の延在方向に沿った断面を示す。

【図2】図２は、光デバイス１の構造を示す断面図であって、光導波路２の延在方向に垂直な断面（すなわち図１のII－II断面）を拡大して示す。

【図3】図３は、光導波路２の径方向における屈折率分布を示すグラフである。

【図4】図４は、光デバイス１を製造するための製造装置の構成を概略的に示す図である。

【図5A】図５Ａは、レーザ形状変換素子１４に入力される第２レーザ光Ｐ２の断面形状を示す図である。

【図5B】図５Ｂは、レーザ形状変換素子１４から出力される第２レーザ光Ｐ２の断面形状を示す図である。

【図6A】図６Ａは、レーザ形状変換素子１４に入力される第２レーザ光Ｐ２のビームプロファイルの例を示すグラフである。

【図6B】図６Ｂは、レーザ形状変換素子１４から出力される第２レーザ光Ｐ２のビームプロファイルの例を示すグラフである。

【図7】図７は、光デバイス１の製造方法を示すフローチャートである。

【図8】図８は、集光光学系１６の光軸に垂直なガラス部材３の断面における、第１レーザ光Ｐ１の集光領域Ｃ１及び第２レーザ光Ｐ２の集光領域Ｃ２を示す図である。

【図9】図９は、ガラス部材を構成する材料（例えば、ＳｉＯ_２、ＧｅＯ_２、又はＢ_２Ｏ_３）それぞれについて、入射光波長に対する透過率変化の測定結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

［本開示が解決しようとする課題］
本発明者は、従来の光導波路デバイスの製造方法について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、上記特許文献１、或いは上記非特許文献１に開示された方法によっても、最大の屈折率変化は｜Δｎ｜＝０．０２０程度であり、光閉じ込めは弱い。必然的に、ガラス内に形成される光導波路の曲率半径が大きくなるため、得られる三次元光導波路デバイスなどの光デバイスのサイズを大きくする、すなわち光デバイスを大型化する必要がある。

【0011】

［本開示の効果］
本開示によれば、ガラス内部への光導波路の形成を可能にするとともに、屈折率変化を大きくして三次元光導波路デバイスなどの光デバイスのサイズ縮小を可能にできる。

【0012】

［本開示の実施形態の説明］
最初に、本開示の実施形態の内容を列記して説明する。一実施形態に係る光デバイスの製造方法は、ゲルマニウム（Ｇｅ）及びチタン（Ｔｉ）を含むガラス部材の内部にパルス状の第１レーザ光及び第２レーザ光を集光して、ガラス部材に対して光誘起による屈折率変化を起こさせるレーザ照射工程と、第１レーザ光及び第２レーザ光の集光位置をガラス部材に対して相対的に移動する集光位置移動工程と、を備える。第１レーザ光及び第２レーザ光のそれぞれは、１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有する。レーザ照射工程では、第１レーザ光を点状の集光領域に集光し、第２レーザ光を第１レーザ光の集光領域を囲む環状の集光領域に集光する。第１レーザ光の中心波長は４００ｎｍより大きく７００ｎｍ以下であり、第２レーザ光の中心波長は８００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下である。レーザ照射工程及び集光位置移動工程を交互に繰り返す若しくは並行して実施することにより、連続した屈折率変化領域をガラス部材の内部に形成する。

【0013】

この製造方法のレーザ照射工程において、ガラス部材の内部にパルス状の第１レーザ光及び第２レーザ光をそれぞれ集光して、ガラス部材に対して光誘起による屈折率変化を起こさせる。第１レーザ光の中心波長は４００ｎｍより大きく７００ｎｍ以下であり、第１レーザ光は１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有し、ガラス部材は、吸収端波長が４００ｎｍ程度であるＧｅを含む。この場合、光強度が高くなるガラス部材内部の集光領域において第１レーザ光の多光子吸収（主に２光子吸収）が生じる。従って、集光領域における第１レーザ光のエネルギーが波長４００ｎｍの光子の持つエネルギー以上となり、Ｇｅの結合手を切断する。すなわち、添加材料の結合欠陥が生じる。その結果、組成変動によるガラスの高密度化が誘発され、集光領域の屈折率のみが周囲の領域よりも高められる（以下、構造由来の屈折率変化と称する）。一方、第２レーザ光の中心波長は８００ｎｍ以上であり、第２レーザ光は１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有し、ガラス部材はＴｉを含む。この場合、光強度が高くなるガラス部材内部の集光領域において高圧プラズマが発生する。この高圧プラズマの衝撃による動的圧縮に起因して集光領域から外側に圧力波が発生及び伝搬し、弾性拘束により集光領域の中心部に向かって圧縮応力が発生する等によって、ガラスの粗密化が集光領域に生じる。このようなガラスの粗密化によってガラスの屈折率が変動する（以下、圧力由来の屈折率変化と称する）。本発明者の知見によれば、ガラス部材がＴｉを含む場合、圧力由来の屈折率変化はガラスの屈折率を低下させる。

【0014】

そして、この製造方法では、第１レーザ光を点状の集光領域に集光し、第２レーザ光を第１レーザ光の集光領域を囲む環状の集光領域に集光する。第１レーザ光が集光される領域では上記のように構造由来の屈折率変化によって屈折率が増大する。一方、第１レーザ光の集光領域を囲む第２レーザ光の集光領域では上記のように圧力由来の屈折率変化によって屈折率が低下する。従って、高屈折率領域（すなわちコア）と高屈折率領域を囲む低屈折率領域（すなわちクラッド）とからなる光導波路をガラス内部に形成することができるとともに、高屈折率領域と低屈折率領域との間の屈折率差を大きくして光閉じ込め効果を高めることができる。故に、三次元光導波路デバイスなどの光デバイスにおいてガラス内に形成される光導波路の曲率半径を小さくすることが可能となり、サイズ縮小を可能にできる。

【0015】

圧力由来の屈折率変化は第１レーザ光の集光領域にも生じるので、該屈折率変化は第１レーザ光の集光領域の屈折率を低下させる懸念がある。しかし、第１レーザ光の集光領域は第２レーザ光の環状の集光領域に囲まれており、第１レーザ光と第２レーザ光を同期照射することで、第１レーザ光の圧力波と第２レーザ光の圧力波とは相殺される。従って、第１レーザ光の集光領域の圧力由来による屈折率変化は抑制され、多光子吸収による構造由来の屈折率変化が支配的となる。

【0016】

上記の製造方法において、ガラス部材がホウ素（Ｂ）を更に含んでもよく、第１レーザ光の中心波長は５３０ｎｍ以下であってもよい。ホウ素の吸収は２６５ｎｍ付近から始まるので、第１レーザ光の中心波長が５３０ｎｍ以下であれば、多光子吸収（主に２光子吸収）によって第１レーザ光の集光領域におけるエネルギーが波長２６５ｎｍの光子の持つエネルギー以上となり、ホウ素の結合手を切断することができる。すなわち、添加材料の結合欠陥が生じる。その結果、組成変動によるガラスの高密度化をより効果的に誘発し、構造由来の屈折率変化を更に増大することができる。故に、高屈折率領域と低屈折率領域との間の屈折率差を更に大きくすることができる。

【0017】

上記の製造方法は、レーザ照射工程の前に、ガラス部材に水素を注入する工程を更に備えてもよい。これにより、構造由来の屈折率変化によって切断された結合手に水素原子を結合させて、組成変動により高密度化したガラスを安定させることができる。この場合、水素注入工程において、ガラス部材は１０気圧以上の水素雰囲気中に導入されてもよい。これにより、ガラス部材に水素を容易に注入することができる。上記の製造方法は、水素を注入する工程の後且つレーザ照射工程の前に、水素が注入されたガラス部材を－１０℃以下で低温保管する工程を更に備えてもよい。

【0018】

上記の製造方法において、ガラス部材はリン酸塩系ガラス又はケイ酸塩系ガラスであってもよい。この場合、圧力由来の屈折率変化において屈折率をより効果的に低下させることができる。従って、高屈折率領域と低屈折率領域との間の屈折率差を更に大きくすることができる。

【0019】

上記の製造方法において、第１レーザ光のパルス幅は第２レーザ光のパルス幅よりも長くてもよい。これにより、第１レーザ光の集光領域（すなわち高屈折率領域）における圧力由来の屈折率変化を低減して、高屈折率領域の屈折率を更に増大させることができる。この場合、第１レーザ光のパルス幅は５００フェムト秒より長く５０ピコ秒以下であってもよく、第２レーザ光のパルス幅は５００フェムト秒以下であってもよい。

【0020】

上記の製造方法の集光位置移動工程において、第２レーザ光の集光環を含む平面と交差する方向に、第１レーザ光及び第２レーザ光の集光位置をガラス部材に対して相対的に移動してもよい。この場合、既に形成された高屈折率領域に重ねて第２レーザ光を照射すること（或いは、既に形成された低屈折率領域に重ねて第１レーザ光を照射すること）を抑制できるので、既に形成された高屈折率領域及び低屈折率領域の屈折率差を維持することができる。

【0021】

上記の製造方法は、ガラス部材の内部に屈折率変化領域を形成した後、エージング処理及び残留水素の除去のための熱処理をガラス部材に対して行う工程を更に備えてもよい。

【0022】

一実施形態に係る光デバイスは、Ｇｅ及びＴｉを含むガラス部材を備える。ガラス部材は、光誘起による連続した屈折率変化領域を内部に有する。屈折率変化領域は、線状に延びる第１の領域と、第１の領域を内包する筒状の第２の領域とを含む。第１の領域の屈折率は、屈折率変化領域の周囲の領域の屈折率よりも大きい。第２の領域の屈折率は、屈折率変化領域の周囲の領域の屈折率よりも小さい。この光デバイスによれば、第１の領域（すなわち高屈折率領域）と該第１の領域を内包する第２の領域（すなわち低屈折率領域）とによってガラス部材の内部に光導波路を構成することができる。上述した製造方法によれば、ガラス内部に光導波路が形成された上記の光デバイスの作製が可能となる。そして、この光デバイスによれば、屈折率変化を大きくしてサイズ縮小を可能にできる。

【0023】

上記の光デバイスでは、屈折率変化領域の延在方向に垂直な断面における第１の領域の形状は円形状であってもよく、当該断面における第２の領域の形状は円環形状であってもよい。当該断面における第２の領域の中心は、当該断面における第１の領域の中心と一致していてもよい。当該断面における第２の領域の内縁は、当該断面における第１の領域の外縁と一致していてもよい。

【0024】

一実施形態に係る光デバイスの製造装置は、連続した屈折率変化領域をガラス部材の内部に形成するための光デバイスの製造装置であって、第１レーザ光源と、第２レーザ光源と、変換素子と、波長合成器と、集光光学系とを備える。第１レーザ光源は、中心波長が４００ｎｍより大きく７００ｎｍ以下であり且つ１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有する第１レーザ光を出射するように構成される。第２レーザ光源は、中心波長が８００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であり且つ１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有する第２レーザ光を出射するように構成される。変換素子は、第２レーザ光源から出射される第２レーザ光の光路上に配置され、第２レーザ光のビームプロファイルを環状に変換するように構成される。波長合成器は、第１レーザ光及び第２レーザ光の光路上に配置され、第１レーザ光と、変換素子でビームプロファイルが変換される第２レーザ光とを合成するように構成される。集光光学系は、波長合成器で合成されたレーザ光をガラス部材の所定の加工位置に集光するように構成される。

【0025】

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る光デバイスの製造方法、光デバイス、及び光デバイスの製造装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0026】

図１及び図２は、本実施形態に係る光デバイスの製造方法を用いて製造される光デバイス１の構造を示す断面図である。図１は光デバイス１が有する光導波路２の延在方向に沿った断面を示し、図２は光導波路２の延在方向に垂直な断面（すなわち図１のII－II断面）を拡大して示す。図１及び図２に示されるように、光デバイス１はガラス部材３を備える。ガラス部材３の外形は例えば直方体状である。ガラス部材３は、リン酸塩系ガラス又はケイ酸塩系ガラスを主に含み、一実施例では添加材料を含むリン酸塩系ガラス又はケイ酸塩系ガラスからなる。ガラス部材３は、ゲルマニウム（Ｇｅ）及びチタン（Ｔｉ）を添加材料として含む。具体的には、ＧｅはＧｅＯ_２としてガラス部材３の内部に存在し、ＴｉはＴｉＯ_２としてガラス部材３の内部に存在する。ガラス部材３は、更にホウ素（Ｂ）を添加材料として含んでもよい。具体的には、ホウ素はＢ_２Ｏ_３としてガラス部材３の内部に存在する。これらの添加材料は、ガラス部材３の全体にわたって均一に分布している。

【0027】

ガラス部材３の内部には、光導波路２が形成されている。光導波路２は、光誘起による連続した屈折率変化領域である。後述するように、光導波路２は、パルス状のレーザ光をガラス部材３の内部に集光させるとともにその集光位置を連続的に移動させることによって形成された領域である。光導波路２は、ガラス部材３の内部において任意の方向に延びており、三次元の立体構造を成している。光導波路２は、線状に延びる高屈折率領域２ａと、高屈折率領域２ａを内包する筒状の低屈折率領域２ｂとを含む。図２に示されるように、延在方向（すなわち光導波路２の光軸方向）に垂直な断面における高屈折率領域２ａの形状は例えば円形であり、同断面における低屈折率領域２ｂの形状は例えば円環状である。円形状の高屈折率領域２ａの中心は、円環状の低屈折率領域２ｂの中心と一致してもよい。高屈折率領域２ａの直径Ｌ１は、例えば０．５μｍ以上１５．０μｍ以下の範囲内であり、一例では３μｍである。低屈折率領域２ｂの直径Ｌ２は、例えば１０．０μｍ以上２０．０μｍ以下の範囲内であり、一例では１５．０μｍである。高屈折率領域２ａの外縁は、低屈折率領域２ｂの内縁と一致してもよく、該内縁から離れていてもよい。或いは、高屈折率領域２ａの外縁部は、低屈折率領域２ｂの内縁部と僅かに重なってもよい。

【0028】

図３は、光導波路２の径方向における屈折率分布を示すグラフである。図３において、範囲Ａ１は高屈折率領域２ａに相当し、範囲Ａ２は低屈折率領域２ｂに相当する。図３に示されるように、高屈折率領域２ａにおいては、外縁での屈折率が光導波路２の周囲の領域の屈折率（すなわちガラス部材３の屈折率）と同等であり、中心に向けて次第に屈折率が大きくなり、中心において屈折率がピークとなる。例えば、高屈折率領域２ａの径方向における屈折率の変化を示す形状は、ガウス分布形状、或いはステップ形状である。一方、低屈折率領域２ｂにおいては、内縁及び外縁での屈折率が光導波路２の周囲の領域の屈折率（すなわちガラス部材３の屈折率）と同等であり、内縁と外縁との中間線に向けて次第に屈折率が小さくなり、内縁と外縁との中間線において屈折率が極小となる。例えば、低屈折率領域２ｂの径方向における内縁と外縁との間の屈折率の変化を示す形状は、ガウス分布を反転した形状、或いはスッテプインデックス形状を反転した形状である。

【0029】

高屈折率領域２ａにおける最大の屈折率と、光導波路２の周囲の領域の屈折率（すなわちガラス部材３の屈折率）との屈折率差Δｎ１は、例えば０．００１以上０．０４０以下の範囲内である。一方、低屈折率領域２ｂにおける最小の屈折率と、光導波路２の周囲の領域の屈折率との屈折率差Δｎ２は、例えば０．００１以上０．０４０以下の範囲内である。従って、高屈折率領域２ａにおける最大の屈折率と、低屈折率領域２ｂにおける最小の屈折率との屈折率差Δｎ（＝Δｎ１＋Δｎ２）は、例えば０．００２以上０．０８０以下の範囲内となる。

【0030】

図４は、光デバイス１を製造するための製造装置１０の構成を概略的に示す図である。図４に示されるように、製造装置１０は、第１のレーザ光源１１と、第２のレーザ光源１２と、レーザ光源１１及び１２を駆動させるためのレーザ駆動部１３と、レーザ形状変換素子１４と、波長合成器１５と、集光光学系（例えば、集光レンズ）１６と、ＸＹＺステージ１７と、ＸＹＺステージ１７を駆動させるためのステージ駆動部１８と、レーザ駆動部１３及びステージ駆動部１８の動作を制御するための制御部１９と、を備える。

【0031】

レーザ光源１１は、高屈折率領域２ａを形成する為のパルス状の第１レーザ光Ｐ１を出力する。第１レーザ光Ｐ１は、そのパワーの尖頭値（すなわち、ピークパワー）がガラス部材３に対して光誘起による屈折率変化を起こさせるエネルギー量を有すると共に、１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有する。ここで、光誘起による屈折率変化とは、レーザ光などの光照射によりガラス部材３の内部で誘起される屈折率変化を意味する。屈折率変化とは、光照射領域以外の屈折率を基準とした、屈折率変化が生じた光照射領域内における最大屈折率差で規定される。ガラス部材３に対して光誘起による屈折率変化を起こさせるエネルギー量とは、本実施形態の場合、例えば１０^５Ｗ以上のピークパワーをいう。繰り返し周波数が１０ｋＨｚ以上であることにより、ガラス材料の内部に形成される高屈折率領域２ａの屈折率及び構造を滑らかにすることができる。第１レーザ光Ｐ１のパルス幅は、例えば、５００フェムト秒より長く、且つ５０ピコ秒以下である。本実施形態において、パルス幅は、振幅が最大振幅の５０％となる点での時間間隔として定義される。第１レーザ光Ｐ１の中心波長は、４００ｎｍより大きく、且つ７００ｎｍ以下である。ガラス部材３がホウ素を含む場合、第１レーザ光Ｐ１の中心波長は５３０ｎｍ以下であってもよい。レーザ光源１１から出力される第１レーザ光Ｐ１のビームプロファイルは、例えばガウス分布形状といった単峰形状である。このようなレーザ光源１１は、例えばチタンサファイアレーザ又はＹｂドープファイバレーザ等のＳＨＧ(Second Harmonic Generation)レーザといった種類のレーザ装置によって実現可能である。

【0032】

レーザ光源１２は、低屈折率領域２ｂを形成する為のパルス状の第２レーザ光Ｐ２を出力する。第２レーザ光Ｐ２は、第１レーザ光Ｐ１と同様に、第２レーザ光Ｐ２のピークパワーがガラス部材３に対して光誘起による屈折率変化を起こさせるエネルギー量を有すると共に、１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有する。第２レーザ光Ｐ２の場合も、ガラス部材３に対して光誘起による屈折率変化を起こさせるエネルギー量とは、例えば１０^５Ｗ以上のピークパワーをいう。繰り返し周波数が１０ｋＨｚ以上であることにより、ガラス材料の内部に形成される低屈折率領域２ｂの屈折率及び構造を滑らかにすることができる。第２レーザ光Ｐ２のパルス幅は、第１レーザ光Ｐ１のパルス幅よりも短く、例えば５００フェムト秒以下である。第２レーザ光Ｐ２の中心波長は８００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であり、一実施例では８００ｎｍ若しくは１０６３ｎｍである。レーザ光源１２から出力される第２レーザ光Ｐ２のビームプロファイルは、例えばガウス分布形状といった単峰形状である。このようなレーザ光源１２は、例えばチタンサファイアレーザといった種類のレーザ装置によって実現可能である。

【0033】

レーザ駆動部１３は、制御部１９、レーザ光源１１、及びレーザ光源１２と電気的に接続されている。レーザ駆動部１３は、制御部１９からの指示に従って、レーザ光源１１から出力される第１レーザ光Ｐ１のパワー、パルス幅及び繰り返し周波数を制御し、レーザ光源１２から出力される第２レーザ光Ｐ２のパワー、パルス幅及び繰り返し周波数を制御する。レーザ駆動部１３は、例えば大規模集積回路を含む電子回路によって構成され得る。制御部１９は、例えばＣＰＵ及びメモリを備えるコンピュータによって構成され得る。

【0034】

レーザ形状変換素子１４は、レーザ光源１２と光学的に結合されており、レーザ光源１２から出力される第２レーザ光Ｐ２の光路上に配置される。レーザ形状変換素子１４は、レーザ光源１２から出力された第２レーザ光Ｐ２の光強度分布（すなわちビームプロファイル）を変更する。具体的には、第２レーザ光Ｐ２のビームプロファイルを、単峰形状から円環状に変換する。図５Ａは、レーザ形状変換素子１４に入力される第２レーザ光Ｐ２の断面形状を示す図である。図５Ｂは、レーザ形状変換素子１４から出力される第２レーザ光Ｐ２の断面形状を示す図である。図６Ａは、レーザ形状変換素子１４に入力される第２レーザ光Ｐ２のビームプロファイルの例を示すグラフである。図６Ｂは、レーザ形状変換素子１４から出力される第２レーザ光Ｐ２のビームプロファイルの例を示すグラフである。レーザ形状変換素子１４としては、例えばボルテックス素子（すなわち渦巻き状ビーム成形素子）、Ｍ字型ビーム整形素子などが用いられる。アキシコンレンズでは、出力される光の集光領域が環状にならないので、アキシコンレンズは、レーザ形状変換素子１４としては不適である。

【0035】

波長合成器１５は、レーザ光源１１及び１２と光学的に結合されており、レーザ光源１１から出力される第１レーザ光Ｐ１の光路と、レーザ光源１２から出力される第２レーザ光Ｐ２の光路とが互いに交わる位置に設けられている。波長合成器１５は、或る波長域の光を透過し、別の波長域の光を反射する。図４に示される例では、波長合成器１５は、第１レーザ光Ｐ１の波長を含む帯域の光を透過し、第２レーザ光Ｐ２の波長を含む帯域の光を反射する。波長合成器１５は、第１レーザ光Ｐ１の波長を含む帯域の光を反射し、第２レーザ光Ｐ２の波長を含む帯域の光を透過してもよい。波長合成器１５は、透過若しくは反射した第１レーザ光Ｐ１の中心軸線と、反射若しくは透過した第２レーザ光Ｐ２の中心軸線とを相互に一致させる。

【0036】

集光光学系１６は、波長合成器１５と光学的に結合されており、波長合成器１５から出力されるレーザ光Ｐ１及びＰ２の光路上に配置される。集光光学系１６は、第１レーザ光Ｐ１をガラス部材３の内部の点状の集光領域Ｃ１に集光し、第２レーザ光Ｐ２をガラス部材３の内部の集光領域Ｃ１を囲む環状の集光領域Ｃ２に集光する。図４では、ガラス部材３と、ガラス部材３の内部に形成される光導波路２の一部とが、図１の断面に対応する断面として示されている。集光領域Ｃ１及びＣ２のそれぞれにおいて、光誘起による屈折率変化が生じる。その結果、集光領域Ｃ１に対応して光導波路２の高屈折率領域２ａが形成され、集光領域Ｃ２に対応して光導波路２の低屈折率領域２ｂが形成される。集光光学系１６としては、例えば、互いに波長の異なるレーザ光Ｐ１及びＰ２の色収差を抑制することができるアクロマティックレンズが用いられる。ガラス部材３内部の集光領域Ｃ１及びＣ２における光子密度を高めるために、集光光学系１６の焦点距離は１００ｍｍ以下であってもよい。

【0037】

ＸＹＺステージ１７は、デバイス搭載面上にガラス部材３を搭載する。デバイス搭載面は、集光光学系１６の光軸と交差（例えば直交）し且つ互いに交差（例えば直交）するＸ方向及びＹ方向、並びに集光光学系１６の光軸に沿ったＺ方向に移動可能に構成されている。デバイス搭載面は、集光光学系１６に対して相対的にガラス部材３を移動させることができる。ガラス部材３の位置を固定して集光光学系１６を移動可能としてもよく、或いはガラス部材３及び集光光学系１６の双方を移動可能としてもよい。ステージ駆動部１８は、制御部１９及びＸＹＺステージ１７と電気的に接続されている。ステージ駆動部１８は、制御部１９からの指示に従って、ＸＹＺステージ１７の位置を制御する。

【0038】

続いて、本実施形態の光デバイス１を製造する方法について説明する。図７は、本実施形態に係る光デバイス１の製造方法を示すフローチャートである。図７に示されるように、本実施形態に係る光デバイス１の製造方法は、準備工程及び光導波路形成工程を含む。まず、準備工程では、ガラス部材３がチャンバ内に配置される。ガラス部材３はリン酸塩系ガラス又はケイ酸塩系ガラスを主に含むとともに、Ｇｅ及びＴｉを添加材料として含む。ガラス部材３はホウ素を添加材料として更に含んでもよい。ガラス部材３が収容された状態で、チャンバ内には１００％水素ガスが導入され、当該チャンバ内の気圧が１０気圧以上に維持される。水素注入期間は、例えば１日以上１２週間以内である。これにより、ガラス部材３に水素が注入される（ステップＳ１１、水素注入工程）。ステップＳ１１の水素注入工程直後に光導波路形成工程が行われない場合は、ガラス部材３から抜け出る水素量を抑制するため、該水素が注入されたガラス部材３が－１０℃以下で低温保管される（ステップＳ１２）。

【0039】

光導波路形成工程では、水素が注入されたガラス部材３の内部に任意パターンの光導波路２を形成する。具体的に、水素が注入されたガラス部材３を、ステップＳ１１の完了後、直ちにＸＹＺステージ１７のデバイス搭載面上に設置し、パルス状のレーザ光Ｐ１及びＰ２を照射する（ステップＳ２１、レーザ照射工程）。制御部１９は、レーザ光源１１及び１２から、ガラス部材３の内部において光誘起による屈折率変化を起こさせるエネルギー量を有するとともに１０ｋＨｚ以上の繰り返し周波数を有するレーザ光Ｐ１及びＰ２がそれぞれ出力されるよう、レーザ駆動部１３を制御する。レーザ光源１２から出力された第２レーザ光Ｐ２は、そのビームプロファイルがレーザ形状変換素子１４によって変換されたのち、波長合成器１５において、レーザ光源１１から出力された第１レーザ光Ｐ１と合成される。そして、合成されたレーザ光Ｐ１及びＰ２は、集光光学系１６によってガラス部材３の内部に同時に集光される。

【0040】

図８は、集光光学系１６の光軸に垂直なガラス部材３の断面における、第１レーザ光Ｐ１の集光領域Ｃ１及び第２レーザ光Ｐ２の集光領域Ｃ２を示す図である。図８には、該断面におけるレーザ光Ｐ１及びＰ２のビームプロファイルが併せて示されている。図８中のＢ１は第１レーザ光Ｐ１のビームプロファイルであり、図８中のＢ２は第２レーザ光Ｐ２のビームプロファイルである。図８に示されるように、ステップＳ２１では、第１レーザ光Ｐ１を点状の集光領域に集光し、第２レーザ光Ｐ２を第１レーザ光Ｐ１の集光領域を囲む環状の集光領域に集光する。これにより、集光領域Ｃ１及びＣ２のそれぞれに光誘起による屈折率変化が生じ、図２及び図４に示された高屈折率領域２ａ及び低屈折率領域２ｂが形成される。ガラス部材３の光入射面からの集光領域Ｃ１及びＣ２のそれぞれの深さは互いに等しい。

【0041】

ガラス部材３における所定部位のレーザ照射が完了すると、制御部１９は、ステージ駆動部１８を制御し、ＸＹＺステージ１７のデバイス搭載面上に設置されたガラス部材３の位置を移動させる（ステップＳ２２、集光位置移動工程）。このとき、第２レーザ光Ｐ２の集光領域Ｃ２を含むＸＹ平面（すなわち図８に示される断面）と交差する方向に、レーザ光Ｐ１及びＰ２の集光位置をガラス部材３に対して相対的に移動する。この移動は、集光領域Ｃ２を含む平面に垂直な方向（すなわち集光光学系１６の光軸方向）への移動に限られず、集光領域Ｃ２を含む平面に対して傾斜した方向への移動を含んでもよい。光導波路２の延在方向を９０°以上曲げる場合には、デバイス搭載面の角度が調整可能であるＸＹＺステージ１７を用い、ガラス部材３を所望の角度だけ傾けながらレーザ光Ｐ１及びＰ２を照射するとよい。このように、ステップＳ２２では、ガラス部材３の位置、及び／又はレーザ光Ｐ１及びＰ２の集光位置を、連続的又は断続的に変更することにより、ガラス部材３の内部における第１レーザ光Ｐ１の集光領域Ｃ１及び第２レーザ光Ｐ２の集光領域Ｃ２が移動する。

【0042】

上記ステップＳ２１のレーザ照射工程及びステップＳ２２の集光位置移動工程、すなわち、制御部１９によるレーザ駆動部１３及びステージ駆動部１８の動作制御は、ガラス部材３の内部に予め設計された光導波路パターンが形成されるまで、図７中の点Ａで示された時点に戻って、照射条件を変更しながら又は同じ照射条件で繰り返し行われる（ステップＳ２３：ＮＯ）。つまり、図１に示される光導波路２がガラス部材３の内部に形成されるまでステップＳ２１とステップＳ２２とが交互に繰り返される。若しくは、光導波路２がガラス部材３の内部に形成されるまでステップＳ２１とステップＳ２２とが並行して行われてもよい。ガラス部材３への光導波路２の形成が完了すると（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、屈折率差Δｎの変化を長期間にわたって抑制するために、エージング処理及び残留水素の除去のための熱処理がガラス部材３に対して行われる（ステップＳ２４）。以上の工程（すなわち、ステップＳ１１、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、及びＳ２４、又は、ステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、及びＳ２４）を経て、図１に示された光デバイス１が得られる。

【0043】

ここで、光誘起による屈折率変化によって光導波路２を形成するレーザ照射工程（ステップＳ２１）について、詳細に説明する。ガラス部材にレーザ光を集光させることにより該ガラス部材の内部において屈折率を変化させるメカニズムは、以下の２つに分類される。

【0044】

第１のメカニズムは、ガラス部材に含まれるＧｅなどの添加材料の結合手をレーザ光によって切断することにより結合欠陥を生じさせ、この結合欠陥により屈折率を変化させるメカニズムである。結合欠陥が生じることにより、組成変動によるガラスの高密度化が誘発され、レーザ照射領域の屈折率のみが周囲の領域よりも高められる。すなわち、構造由来の屈折率変化である。上述した高屈折率領域２ａは、この構造由来の屈折率変化によって形成される。

【0045】

この第１のメカニズムにおいては、添加材料の結合手を切断するために、添加材料の吸収端波長よりも短い波長のレーザ光を用いてもよい。しかしながらその場合、ガラス部材の光入射面と集光領域との間に存在するガラス材料の領域においても、集光領域に向かう（すなわち集光前の）レーザ光を添加材料が吸収し、添加材料の結合手が切断される。従って、集光領域のみに屈折率変化を生じさせることが難しい。そこで、本実施形態では、多光子吸収（主に２光子吸収）によって集光領域においてのみ添加材料の結合手を切断し、屈折率変化を生じさせる。例えば２光子吸収の場合、２光子吸収が生じた領域ではレーザ光の波長の１／２の波長に相当するエネルギーがガラス材料に与えられる。従って、レーザ光の波長の１／２が添加材料の吸収端波長よりも短く、レーザ光の波長が添加材料の吸収端波長よりも長くなるようにすれば、２光子吸収が生じる領域のみにおいて添加材料の結合手を切断することが可能となる。光強度が高くなる集光領域においてのみ２光子吸収を生じさせ、ガラス部材の光入射面と集光領域との間に存在するガラス材料の領域において２光子吸収を生じさせないためのレーザ光の照射条件の調整は、極めて容易である。

【0046】

図９は、ガラス部材を構成する材料（例えば、ＳｉＯ_２、ＧｅＯ_２、又はＢ_２Ｏ_３）それぞれについて、入射光波長に対する透過率変化の測定結果を示すグラフである。図９に示されるように、ＳｉＯ_２の透過率は１５０ｎｍから２２０ｎｍにかけて次第に上昇しており、Ｂ_２Ｏ_３の透過率は２００ｎｍから２６５ｎｍにかけて次第に上昇しており、ＧｅＯ_２の透過率は３５０ｎｍから４００ｎｍにかけて次第に上昇している。本実施形態のガラス部材３は添加材料としてＧｅを含む。Ｇｅの結合手を十分に切断するためには、３５０ｎｍ以下の波長に相当するエネルギーを２光子吸収により発生させるとよい。従って、第１レーザ光Ｐ１の中心波長の上限は７００ｎｍとなる。更に、第１レーザ光Ｐ１の中心波長を４００ｎｍより大きくすれば、ガラス部材３の光入射面と集光領域Ｃ１との間に存在するガラス材料の領域における屈折率変化を抑止できる。従って、第１レーザ光Ｐ１の中心波長範囲は４００ｎｍより大きく７００ｎｍ以下となる。ガラス部材３がホウ素を含む場合、ホウ素の結合手を切断するためには２６５ｎｍ以下の波長に相当するエネルギーを２光子吸収により発生させるとよい。従って、第１レーザ光Ｐ１の中心波長の上限を５３０ｎｍとするとよい。すなわち、第１レーザ光Ｐ１の中心波長範囲は４００ｎｍより大きく５３０ｎｍ以下となる（図９中の波長範囲Ｄ１参照）。この場合、２光子吸収により発生するエネルギーの範囲は、２００ｎｍより大きく２６５ｎｍ以下の波長範囲Ｄ２に相当する。

【0047】

この第１のメカニズム（すなわち構造由来の屈折率変化）は、例えば光ファイバのコアにグレーティング構造を形成する際にも用いられる。

【0048】

第２のメカニズムは、光強度が高くなるガラス部材内部の集光領域において高圧プラズマを発生させ、この高圧プラズマの衝撃による動的圧縮に起因して集光領域から外側に圧力波が発生及び伝搬し、弾性拘束により集光領域の中心部に向かって圧縮応力が発生することによって、ガラスの粗密化を集光領域に生じさせるメカニズムである。このようなガラスの粗密化に起因するガラス内部の残留応力（例えば、圧縮応力及び／又は引張応力）によって、ガラスの屈折率が変動する。すなわち、圧力由来の屈折率変化である。上述した低屈折率領域２ｂは、この圧力由来の屈折率変化によって形成される。本実施形態において、ガラス部材３はＴｉを含む。本発明者の知見によれば、ガラス部材がＴｉを含む場合、圧力由来の屈折率変化はガラスの屈折率を低下させる。非特許文献１には、Ｇｅ、Ｔｉ及びＢを含むリン酸塩系ガラスにレーザ光を照射することによって、屈折率変化Δｎ２が負となり、その絶対値が０．０１５を超えることが記載されている。低屈折率領域２ｂにおいて第２のメカニズムのみを生じさせ、第１のメカニズムを生じさせないために、即ち、第一のメカニズムである二光子吸収では、ＧｅＯ_２の吸収端まで到達せず、二光子吸収に比べて発生確率が低い三光子吸収以上となるように、第２レーザ光Ｐ２の中心波長は８００ｎｍ以上であることが好ましい。

【0049】

以上に説明した本実施形態の光デバイス１及びその製造方法によって得られる効果について説明する。本実施形態では、図８に示されたように、第１レーザ光Ｐ１を点状の集光領域Ｃ１に集光し、第２レーザ光Ｐ２を第１レーザ光Ｐ１の集光領域Ｃ１を囲む環状の集光領域Ｃ２に集光する。第１レーザ光Ｐ１が集光される集光領域Ｃ１では構造由来の屈折率変化によって屈折率が増大する。一方、第１レーザ光Ｐ１の集光領域Ｃ１を囲む第２レーザ光Ｐ２の集光領域Ｃ２では圧力由来の屈折率変化によって屈折率が低下する。従って、高屈折率領域２ａ（すなわちコア）と高屈折率領域２ａを囲む低屈折率領域２ｂ（すなわちクラッド）とからなる光導波路２をガラス部材３の内部に形成することができるとともに、高屈折率領域２ａと低屈折率領域２ｂとの間の屈折率差Δｎを大きくして光閉じ込め効果を高めることができる。故に、三次元光導波路デバイスなどの光デバイス１においてガラス部材３内に形成される光導波路２の曲率半径を小さくすることが可能となり、サイズ縮小を可能にできる。

【0050】

圧力由来の屈折率変化は第１レーザ光Ｐ１の集光領域Ｃ１にも生じるので、該屈折率変化は第１レーザ光Ｐ１の集光領域Ｃ１の屈折率を低下させる懸念がある。しかし、第１レーザ光Ｐ１と第２レーザ光Ｐ２を同期照射することで、第１レーザ光Ｐ１の圧力波と第２レーザ光Ｐ２の圧力波は相殺される。従って、第１レーザ光照射領域の圧力由来による屈折率変化は抑制され、多光子吸収による構造由来の屈折率変化が支配的となる。その結果、高屈折率領域２ａと低屈折率領域２ｂとの間の屈折率差Δｎを大きくすることができる。

【0051】

本実施形態のように、ガラス部材３がホウ素を更に含んでもよく、第１レーザ光Ｐ１の中心波長は５３０ｎｍ以下であってもよい。前述したように、ホウ素の吸収は２６５ｎｍ付近から始まるので、第１レーザ光Ｐ１の中心波長が５３０ｎｍ以下であれば、多光子吸収（主に２光子吸収）によって第１レーザ光Ｐ１の集光領域Ｃ１におけるエネルギーが２６５ｎｍ以下相当となり、ホウ素の結合手を切断することができる。その結果、組成変動によるガラスの高密度化をより効果的に誘発し、構造由来の屈折率変化を更に増大することができる。故に、高屈折率領域２ａと低屈折率領域２ｂとの間の屈折率差Δｎを更に大きくすることができる。

【0052】

本実施形態のように、レーザ照射工程の前に、ガラス部材３に水素を注入する水素注入工程を更に実施してもよい。これにより、構造由来の屈折率変化によって切断された結合手に水素原子を結合させて、切断された結合手の再結合を抑制し、組成変動によるガラスの高密度化を安定させることができる。この場合、水素注入工程において、ガラス部材３は１０気圧以上の水素雰囲気中に導入されてもよい。これにより、ガラス部材３に水素を容易に注入することができる。

【0053】

本実施形態のように、ガラス部材３はリン酸塩系ガラス又はケイ酸塩系ガラスを主に含んでもよい。この場合、圧力由来の屈折率変化において屈折率をより効果的に低下させることができる。従って、高屈折率領域２ａと低屈折率領域２ｂとの間の屈折率差Δｎを更に大きくすることができる。

【0054】

本実施形態のように、第１レーザ光Ｐ１のパルス幅は第２レーザ光Ｐ２のパルス幅よりも長くてもよい。これにより、第１レーザ光Ｐ１のパワーのピーク値が抑制され、集光領域Ｃ１（すなわち高屈折率領域２ａ）における圧力由来の屈折率変化を低減して、多光子吸収を支配的にできる。その結果、高屈折率領域２ａの屈折率を更に増大させることができる。集光領域Ｃ１における圧力由来の屈折率変化を低減するために、第１レーザ光Ｐ１のパルス幅は５００フェムト秒より長くてもよい。一方、集光領域Ｃ２における圧力由来の屈折率変化を促進するために、第２レーザ光Ｐ２のパワーのピーク値を高くする必要があることから、パルス幅は５００フェムト秒以下であってもよい。

【0055】

本実施形態のように、集光位置移動工程において、第２レーザ光Ｐ２の集光領域Ｃ２を含むＸＹ平面と交差する方向に、レーザ光Ｐ１及びＰ２の集光位置をガラス部材３に対して相対的に移動してもよい。この場合、既に形成された高屈折率領域２ａに重ねて第２レーザ光Ｐ２を照射すること（或いは、既に形成された低屈折率領域２ｂに重ねて第１レーザ光Ｐ１を照射すること）を抑制できるので、既に形成された高屈折率領域２ａ及び低屈折率領域２ｂの屈折率差Δｎを維持することができる。

【0056】

本実施形態の光デバイス１によれば、高屈折率領域２ａと高屈折率領域２ａを内包する低屈折率領域２ｂとによってガラス部材３の内部に光導波路２を構成することができる。上述した製造方法によれば、ガラス部材３の内部に光導波路２が形成された光デバイス１の作製が可能となる。そして、光デバイス１によれば、高屈折率領域２ａと低屈折率領域２ｂとの屈折率差Δｎを大きくしてサイズ縮小を可能にできる。

【0057】

本発明による光デバイスの製造方法、光デバイス、及び光デバイスの製造装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではレーザ照射工程の前に水素注入工程を実施しているが、水素注入工程は省略されてもよい。上記実施形態ではリン酸塩系ガラス又はケイ酸塩系ガラスを主に含むガラス部材を用いているが、これらを含まないか、若しくは僅かに含むガラス部材（例えば、石英系ガラス、ハロゲン化物ガラス、硫化物ガラス等）に対しても本発明を適用できる。

【符号の説明】

【0058】

１…光デバイス、２…光導波路、２ａ…高屈折率領域、２ｂ…低屈折率領域、３…ガラス部材、１０…製造装置、１１…第１のレーザ光源、１２…第２のレーザ光源、１３…レーザ駆動部、１４…レーザ形状変換素子、１５…波長合成器、１６…集光光学系、１７…ＸＹＺステージ、１８…ステージ駆動部、１９…制御部、Ｃ１，Ｃ２…集光領域、Ｐ１…第１レーザ光、Ｐ２…第２レーザ光、Δｎ…屈折率差。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】