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WO2024176840A1 - 光接続部品および光接続部品の製造方法 - Google Patents

光接続部品および光接続部品の製造方法 Download PDF

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WO2024176840A1
WO2024176840A1 PCT/JP2024/004200 JP2024004200W WO2024176840A1 WO 2024176840 A1 WO2024176840 A1 WO 2024176840A1 JP 2024004200 W JP2024004200 W JP 2024004200W WO 2024176840 A1 WO2024176840 A1 WO 2024176840A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
glass member
refractive index
optical waveguide
optical
region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2024/004200
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
重博 長能
学 塩▲崎▼
哲也 中西
芳夫 早崎
智士 長谷川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Utsunomiya University
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Utsunomiya University
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Utsunomiya University, Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Utsunomiya University
Priority to JP2025502262A priority Critical patent/JPWO2024176840A1/ja
Priority to CN202480013019.1A priority patent/CN120712503A/zh
Publication of WO2024176840A1 publication Critical patent/WO2024176840A1/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical connecting component and a method for manufacturing an optical connecting component.
  • Non-Patent Documents 1 to 5 disclose a method for manufacturing such optical connection parts, which is a technique for forming an optical waveguide by a drawing method using a femtosecond laser light source.
  • Non-Patent Document 1 discloses a technique for forming a core that becomes a waveguide by single-scan drawing with femtosecond laser light.
  • Non-Patent Document 2 discloses a technique for forming a core having a square cross-sectional shape by multi-scan drawing with femtosecond laser light.
  • Non-Patent Document 3 discloses a technique for forming a core that becomes an optical waveguide by using multiple branched beams of the same polarization.
  • Non-Patent Document 4 introduces a mechanism for increasing the refractive index by irradiation with femtosecond laser light (compression)
  • Non-Patent Document 5 introduces a mechanism for increasing the refractive index by irradiation with femtosecond laser light (rearrangement of composition)
  • Non-Patent Document 6 introduces a mechanism for forming a nano-grating periodic structure by irradiation with femtosecond laser light.
  • Non-Patent Document 7 also introduces a technique for creating three optical waveguides simultaneously by using multi-point irradiation with a hologram. Note that the technique in Non-Patent Document 8 can be used for beam shaping, and Non-Patent Document 9 reports the formation of a polarization-dependent nanograting by controlling the polarization of a multi-branched beam using two LCoS sheets.
  • the optical connection component disclosed herein comprises a silica-based glass member and an optical waveguide disposed inside the glass member and having a refractive index higher than that of the glass member.
  • one or more modified regions having a refractive index lower than that of the glass member excluding the optical waveguide are formed in the upper layer region of the glass member, and the average correlation length of the nanograting formed in the layer composed of the one or more modified regions is shorter than 100 nm.
  • FIG. 1 is a flow chart for explaining an example of a manufacturing method for an optical connecting component according to the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a manufacturing apparatus for carrying out the manufacturing method of the optical connecting component of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining various beam shaping optical systems.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining laser light scanning for forming an optical waveguide and for explaining one configuration example of an optical connecting part to be manufactured.
  • FIG. 5 is a diagram showing the observation result of the modified shape in the cross section of the optical waveguide.
  • FIG. 6 is a diagram showing the results of calculations for evaluating the side roughness of an optical waveguide.
  • Non-Patent Document 1 has succeeded in forming an optical waveguide by single-scan drawing of femtosecond laser light, but the width of the optical waveguide is not controlled. That is, the shape of the obtained optical waveguide is long with respect to the laser irradiation axis, while the lateral direction of the optical waveguide is narrow, about 2 ⁇ m or less. This increases the coupling loss of light propagating through the optical waveguide.
  • Non-Patent Document 7 discloses a technique in which a single laser beam is divided into multiple diffracted light beams by combining a femtosecond laser and a hologram technique, and multiple optical waveguides are simultaneously written using these multiple diffracted light beams.
  • the sufficient width of the optical waveguide cannot be maintained, so that the coupling loss of light propagating through the optical waveguide increases.
  • Non-Patent Document 2 has succeeded in forming an optical waveguide by multi-scan drawing with femtosecond laser light.
  • multi-scan drawing the femtosecond laser light irradiated along the beam irradiation axis is scanned 20 times while being shifted in a direction perpendicular to the beam irradiation axis, thereby controlling the width of the optical waveguide.
  • the time required to form one optical waveguide is 20 times longer than that of single-scan drawing, which poses the problem of a significant decrease in the productivity of optical connection parts including optical waveguides.
  • the present disclosure provides an optical connection component in which the propagation loss in the optical waveguide is effectively reduced, and provides a manufacturing method for an optical connection component that makes it easy to control the shape of the optical waveguide provided in the optical connection component and allows the productivity of the optical connection component to be significantly increased.
  • an optical connection component can be obtained in which the propagation loss in the optical waveguide is effectively reduced.
  • it is possible to easily control the shape of the optical waveguide provided in the optical glass member and to significantly increase the productivity.
  • the optical connecting part of the present disclosure includes: (1) A silica-based glass member and an optical waveguide provided inside the glass member and having a refractive index higher than that of the glass member.
  • one or more modified regions having a refractive index lower than that of the glass member excluding the optical waveguide are formed in the upper layer region of the glass member, and the average correlation length of the nanograting formed in the layer composed of the one or more modified regions is controlled to be shorter than 100 nm.
  • the upper layer region of the glass member is defined as a region located between the optical waveguide and the laser irradiation surface of the glass member irradiated with laser light for forming the optical waveguide, for example, femtosecond laser light, in a cross section of the glass member perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide.
  • the correlation length of the nanograting means the periodic length of the periodic refractive index fluctuation with respect to the propagation axis coinciding with the longitudinal direction of the optical waveguide in one or more modified regions.
  • a layer composed of one or more modified regions is generated in a region that can be substantially regarded as an optical cladding, and in this optical cladding, various nanogratings having periodicity along the longitudinal direction of the optical waveguide, a direction perpendicular to the longitudinal direction, and a direction inclined to the longitudinal direction, and nanostructures with random periodic directions are formed.
  • nanogratings and nanostructures in the layer composed of such modified regions greatly affects the increase in propagation loss of the optical waveguide in the optical connection component.
  • the average correlation length of the nanogratings formed in the layer of the modified region is controlled to 100 nm or less, and this configuration effectively reduces the increase in propagation loss of the optical waveguide formed in the glass member.
  • one or more modified regions are also created in the upper layer of the actual optical cladding, and in some cases, the various nanogratings and nanostructures with random periodic directions described above are present in some of the interior.
  • the number of modified regions that can be confirmed in the cross section of the glass member may be 100 or less. In this case, too, the increase in propagation loss of the optical waveguide formed in the glass member is effectively reduced.
  • the method for producing an optical connection component includes: (3) The method includes a preparation step, a laser irradiation step, and a focal point moving step.
  • a silica-based glass member is prepared.
  • a laser irradiation step a femtosecond laser with a pulse width of 500 fs or less is used, which has an energy amount that causes a change in the refractive index of the glass member due to photo-induced induction.
  • the plurality of branched beams are condensed and irradiated inside the glass member through a condenser lens.
  • the focal point positions of the plurality of branched beams are moved relative to the glass member.
  • the polarizations of adjacent diffracted beams among the diffracted beams that respectively constitute the plurality of branched beams are different.
  • the beam shaping element may be a DOE (Diffractive Optical Element).
  • DOEs include LCoS (Liquid Crystal on Silicon).
  • a glass type with non-variable refractive index modulation is referred to as a DOE, and a variable type is referred to as an LCoS.
  • LCoS Light Crystal on Silicon
  • the beam shaping element may be composed of multiple LCoS or multiple glass-type DOEs. This configuration makes it possible to selectively change the polarization state of the diffracted light of the multiple branched beams.
  • FIG. 1 is a flow chart for explaining an example of a method for manufacturing the optical connection part 100 of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a manufacturing device for carrying out the method for manufacturing the optical connection part 100 of the present disclosure.
  • the manufacturing apparatus shown in FIG. 2 includes a femtosecond laser 20, a laser driver 25 for driving the femtosecond laser 20, a beam shaping optical system 30 for shaping the beam spot of the femtosecond laser light into an arbitrary shape, an XYZ stage 40, a stage driver 45 for driving the XYZ stage 40, and a controller 50 for controlling the operation of each of these components.
  • the laser driver 25 controls the power and repetition frequency of the pulsed laser light (hereinafter, referred to as "femtosecond laser light”) output from the femtosecond laser 20 according to instructions from the controller 50.
  • femtosecond laser light the pulsed laser light
  • the femtosecond laser 20 output femtosecond laser light having a pulse width of several hundred femtoseconds or less.
  • the femtosecond laser light having a pulse width set to several hundred femtoseconds or less can have a peak power of 10 5 W/cm 2 or more.
  • the repetition frequency of the output femtosecond laser light may be 10 kHz or more in order to smooth the refractive index and structure of the optical waveguide formed inside the glass material.
  • a glass member 10 to be the main body of the optical component is placed on the device mounting surface of the XYZ stage 40.
  • the glass member 10 is a silica-based glass that can generate a pressure-induced refractive index change ⁇ np and both ⁇ np and structure-induced refractive index change ⁇ nd by laser light irradiation.
  • Silica-based glass is a glass mainly composed of silicon dioxide (SiO 2 ) and contains 50% or more of SiO 2. For example, it may be glass without impurities, germanium (Ge)-doped glass, or glass co-doped with Ge and boron (B). These glasses may also be silica-based glass, phosphate-based glass, halide glass, or sulfide glass.
  • the femtosecond laser light output from the femtosecond laser 20 is focused by the beam shaping optical system 30 on the inside of the glass member 10 placed on the XYZ stage 40, that is, on the focusing point 35 located on the YZ plane.
  • a refractive index change region 15 is formed as an optical waveguide inside the glass member 10, and an optical connection part 100 is obtained.
  • the stage driver 45 drives the XYZ stage 40 in accordance with instructions from the controller 50 so that the device mounting surface of the XYZ stage 40 moves along the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions.
  • This configuration enables laser scanning, and the position of the focal point 35 of the femtosecond laser light moves relative to the glass member 10.
  • the controller 50 controls the operations of the laser driver 25 and the stage driver 45 as described above, thereby creating a refractive index change region 15 of an arbitrary pattern inside the glass member 10.
  • the arbitrary pattern corresponds to the shape of the optical waveguide projected onto the YZ plane taking into account the depth direction information of the X-axis.
  • an optical connection part 100 provided with an optical waveguide is manufactured using a manufacturing apparatus having the above-described structure.
  • the manufacturing method of the optical connection part 100 disclosed herein will be described with reference to the flowchart of FIG. 1.
  • a case will be described in which a three-dimensional optical waveguide device is manufactured in which a refractive index change region 15 of an arbitrary pattern that serves as an optical waveguide is fabricated.
  • the manufacturing method of the optical connection part 100 disclosed herein is composed of a preparation process and an optical waveguide manufacturing process.
  • a glass member 10 such as a parallel plate glass, that will become the optical connection part 100 is prepared (step ST10).
  • a refractive index change region 15 of an arbitrary pattern that will become an optical waveguide is fabricated inside the prepared glass member 10.
  • the prepared glass member 10 is immediately placed on the device mounting surface of the XYZ stage 40 after completion of step ST10, and is irradiated with femtosecond laser light (step ST20).
  • the control unit 50 controls the laser driving unit 25 so that femtosecond laser light having an energy amount that causes a photoinduced refractive index change inside the glass member 10 and a repetition frequency of 10 kHz or more is output from the femtosecond laser 20.
  • the femtosecond laser light output from the femtosecond laser 20 is focused inside the glass member 10 by the beam shaping optical system 30.
  • the beam shaping optical system 30 shapes the beam spot of the input femtosecond laser light into a predetermined shape.
  • a photoinduced refractive index change is formed in the beam irradiation region at the focusing point 35 of this femtosecond laser light.
  • the position of the installation position of the glass member 10, the position of the focal point 35 of the femtosecond laser light, or both the installation position and the focal point position are continuously or intermittently changed, thereby moving the position of the focal point 35 of the femtosecond laser light inside the glass member 10.
  • step ST20 and the focal point movement process in step ST30 are repeated while changing the irradiation conditions or under the same conditions, returning to the point indicated by point C in FIG. 1, until the predesigned optical waveguide pattern is formed inside the glass member 10 (step ST40).
  • step ST40 Once the formation of the refractive index change region 15 in the glass member 10 is completed (step ST40), the glass member 10 is annealed for aging treatment or the like so that the relative refractive index difference ⁇ n does not change for a long period of time (step ST50).
  • FIG. 3 is a diagram for explaining various beam shaping optical systems (marked “beam shaping optical system” in FIG. 3).
  • Beam shaping optical system 30 is composed of a beam shaping element and a condenser lens. Examples of beam shaping elements include a DOE and a hologram optical element using LCoS.
  • the upper part of FIG. 3 shows the configuration of an optical system that includes a DOE as a beam shaping element.
  • the lower part of FIG. 3 shows the configuration of an optical system that includes a hologram optical element as a beam shaping element.
  • a femtosecond laser beam is combined with a beam shaping element such as a hologram optical element to generate multiple branched beams, each of which is composed of diffracted light, from the femtosecond laser beam.
  • the multiple branched beams are focused inside the glass member 10 via a focusing lens, and a refractive index change region 15 that serves as an optical waveguide is formed inside the glass member 10 by moving the XYZ stage.
  • the effective wavelength of the laser beam is in the range of -10 nm or more to +10 nm or less based on 1030 nm, the range of -10 nm or more to +10 nm or less based on 1060 nm, or second harmonic generation (SHG) or third harmonic generation (THG) in each wavelength range.
  • the effective pulse width is 500 fs or less.
  • the effective repetition frequency is 100 kHz or more to 5 MHz or less.
  • the femtosecond laser light is split by a pair of beam shaping elements that generate diffracted light of different polarizations, such as a pair of DOE131A and DOE131B, or a pair of LCoS141A and LCoS141B.
  • a set of PBS (polarizing beam splitters) 133A and PBS 133B, a set of DOE 131A and DOE 131B as beam shaping elements, a set of mirrors 134A and 134B for optical path deflection, and a focusing lens 132 are provided.
  • the 45-degree linear polarization is converted into a 0-degree polarization component and a 90-degree polarization component by PBS 133A.
  • the 0-degree polarization component is input from PBS 133A to DOE 131A
  • the 90-degree polarization component is input from PBS 133B via mirror 134A to DOE 131B.
  • DOE 131A to which the 0-degree polarization component is input produces diffracted light L0 consisting only of the 0-degree polarization component, and diffracted light L0 reaches PBS 133B from DOE 131A.
  • the 90-degree polarized component is input to the DOE 131B, diffracted light L90 consisting only of the 90-degree polarized component is obtained, and the diffracted light L90 travels from the DOE 131B to the mirror 134B and reaches the PBS 133B.
  • the diffracted light L0 and the diffracted light L90 are combined by the PBS 133B, and finally, a plurality of diffracted light groups, in which the polarization state differs by 90 degrees between adjacent diffracted lights, that is, a plurality of branched beams, are generated.
  • the combined plurality of branched beams are focused at the focusing point 35 on the beam waist BW via the focusing lens 132.
  • a pair of LCoS 141A and LCoS 141B are prepared as beam shaping elements, and a condenser lens 142 is prepared.
  • a condenser lens 142 is prepared.
  • LCoS 141A in order to convert only the 0-degree polarization component of the output polarization components into diffracted light L0, the phase distribution of LCoS 141A is formed by controlling the liquid crystal orientation, so that only the 0-degree polarization component is converted into diffracted light L0 and the 90-degree polarization component is reflected as it is. Furthermore, in LCoS 141B, the 0-degree polarized diffracted light L0 is reflected as it is, while only the 90-degree polarization component is converted into diffracted light L90, and finally, multiple diffracted lights with polarization states differing by 90 degrees between adjacent diffracted lights, i.e., multiple branch beams, are generated. The multiple branched beams from LCoS 141B are focused at a focusing point 35 on the beam waist BW via a focusing lens 142.
  • the diffraction gratings of the elements that make up the beam shaping element are adjusted so that the multiple branch beams obtained from a single input laser beam are converted into diffracted beams with linear polarization of 0 degrees and 90 degrees. This allows the polarization state of the diffracted beams that each make up the multiple branch beams to be controlled so that adjacent diffracted beams have different polarization states of 0 degrees and 90 degrees.
  • Non-Patent Document 11 reports that it is possible to control the inclination of radial polarization and linear polarization by inserting a ⁇ /2 wave plate between the first LCoS and the second LCoS and inserting a ⁇ /4 wave plate between the second LCoS and the condenser lens.
  • the beam shaping optical system may be constructed by combining the set of LCoS 141A and LCoS 141B shown in the lower part of FIG. 3 with the set of LCoS in Non-Patent Document 11. If the number of LCoS included in the beam shaping optical system increases, it becomes possible to increase the degree of freedom in selecting the polarization of the branched diffracted light.
  • irradiation of multiple branched beams according to the present disclosure with different polarization states between adjacent branched beams acts in a direction that breaks the periodicity of the nanograting formed in the upper layer region 150 adjacent to the optical waveguide, making it possible to reduce propagation loss in the optical waveguide.
  • the beam irradiation according to the present disclosure results in periodicities with different angles being formed in the upper layer region 150 adjacent to the optical waveguide, which is effective in substantially shortening the correlation length of the nanograting.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining laser light scanning for forming an optical waveguide and for explaining one example of the configuration of an optical connection part to be manufactured (in FIG. 4, this is labeled "waveguide formation”).
  • the upper part of FIG. 4 shows a configuration for drawing a refractive index change region 15 that becomes an optical waveguide within a glass member 10 by scanning a laser light across the glass member 10.
  • the lower part of FIG. 4 shows the structure of an optical connection part 100 obtained through laser light scanning.
  • a beam shaping element a DOE, LCoS, etc., as shown in FIG. 3, are used.
  • a plurality of branched beams are irradiated into the inside of the glass member 10 through the laser irradiation surface 10A while being shifted by an interval ⁇ y in the Y-axis direction.
  • These branched beams move relatively along a scanning direction that coincides with the Z-axis direction or a direction shifted by a predetermined angle from the Z-axis, and an optical connection part 100 is obtained in which a refractive index change region 15 that becomes an optical waveguide is formed.
  • This method is effective because it can obtain the width of the optical waveguide as designed.
  • FIG. 4 shows an example of an XY cross section of the refractive index change region 15 provided inside the glass member 10 by this laser irradiation process.
  • the example shown in this XY cross section is near the refractive index change region 15 obtained by irradiating the glass member 10 with a plurality of branched beams whose polarization states are consistent, and a plurality of modified regions 15A are formed in the refractive index change region 15 and the upper layer region 150 adjacent to the refractive index change region 15.
  • multiple modified regions 15B different from modified region 15A are formed in areas closer to the laser irradiated surface 10A than modified region 15A due to interference between adjacent branched beams.
  • the refractive index change region 15 when forming the refractive index change region 15 to be the optical waveguide inside the glass member 10, in addition to paying attention to the light intensity distribution in the vicinity of the focal point 35 that directly contributes to the structure of the optical waveguide, it is also necessary to pay attention to the interference in the overlapping region of the multiple branched beams in the upper layer region 150 between the laser irradiation surface 10A and the focal point 35.
  • Figure 5 shows the results of observing the modified shape at the cross section of the optical waveguide due to laser light scanning (in Figure 5, this is marked as "modified shape of waveguide cross section").
  • the middle of Figure 5 shows the results of observing the modified region 15A when the spacing ⁇ y2 of the 13 branched beams branched by the pair of LCoS141A and LCoS141B shown in the bottom of Figure 3 as beam shaping elements is set to 2.2 ⁇ m.
  • the lower part of Figure 5 shows the observation results of modified region 15A when the spacing ⁇ y3 between the 13 branched beams branched by the pair of LCoS141A and LCoS141B shown in the lower part of Figure 3 as beam shaping elements is set to 4.4 ⁇ m.
  • the NA of the prepared focusing lens is 0.40 or more and 0.55 or less.
  • the wavelength of each branch beam is 515 nm, and the pulse width is 100 fs or more and 450 fs or less.
  • the scanning speed is 0.01 mm/sec or more and 10 mm/sec or less.
  • the pulse energy is 30 nJ or more and 1000 nJ or less.
  • the repetition frequency is 100 kHz or more and 5 MHz or less.
  • the depth from the laser irradiation surface 10A to the inside of the glass member 10 (the distance to the focusing point 35) is 5 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • the modified region corresponding to the refractive index change region 15 that becomes the optical waveguide has a refractive index higher than that of the glass member 10. Between the refractive index change region 15 and the laser irradiation surface 10A, a modified region 15A having a refractive index lower than that of the glass member 10 excluding the refractive index change region 15 is formed. When the modified regions that constitute part of the refractive index change region 15 are connected along the Y-axis direction, an optical waveguide is formed.
  • the sizes of the modified regions that constitute part of the refractive index change region 15 and the modified region 15A become different, and it can be seen that a complex modified structure is formed in the upper layer region 150 located between the laser irradiation surface 10A and the refractive index change region 15.
  • a modified region 15B other than the modified region 15A exists, and it is considered that the state where the modified threshold is exceeded is reflected by the intensification due to the interference of the multiple branched beams.
  • the modified region 15B has a refractive index similar to that of the modified region 15A, that is, a refractive index lower than that of the glass member 10 excluding the refractive index change region 15.
  • a region that is brighter than both the modified region 15A and the modified region 15B and has a brightness similar to that of the refractive index change region 15 can be confirmed between the modified region 15B and the refractive index change region 15.
  • this high brightness region has a refractive index similar to that of the refractive index change region 15, that is, a refractive index higher than that of the glass member 10.
  • the upper layer region 150 between the refractive index change region 15 and the laser irradiation surface 10A will contain a mixture of modified region 15A and modified region 15B, as well as a region with a refractive index similar to that of the refractive index change region 15.
  • the modified region constituting the refractive index change region 15 functions as an optical waveguide, but the modified region 15A and a part of the modified region 15B form a layer with a thickness of about 5 ⁇ m in the upper layer region 150 directly above the refractive index change region 15 that becomes the optical waveguide.
  • various nanogratings having periodicity are formed along the longitudinal direction of the refractive index change region 15 and the direction intersecting the longitudinal direction.
  • a nanostructure with a random directionality of the period is formed. Propagation loss is reduced by shortening the period of the nanograting in the modified region 15A.
  • the number of modified regions 15A and 15B formed directly above the refractive index change region 15 that can be confirmed in the XY cross section may be 10 to 100, 1 to 9, or 0.
  • the modified regions 15A and 15B are confirmed by observing the XY cross section of the refractive index change region 15 provided in the glass member 10 with a microscope while irradiating it with transmitted light.
  • the modified regions 15A and 15B are defined as regions of the glass member 10 that have a brightness that is 10% or more lower than the brightness of the non-modified region excluding the refractive index change region 15, the modified regions 15A, and the modified regions 15B, and have a maximum diameter of 0.5 ⁇ m or more.
  • the total number of modified regions 15A and 15B is determined by counting the number of regions identified by the above-mentioned microscope observation in the XY cross section.
  • FIG. 6 shows the results of calculations for evaluating the side roughness of an optical waveguide (in FIG. 6, this is labeled "Roughness evaluation of waveguide side surface”).
  • the upper part of FIG. 6 shows the specifications of types 1 to 3.
  • the lower part of FIG. 6 shows the relationship between the correlation length Lc and the roughness ⁇ of the optical waveguide side surface.
  • graph G610 shown in the lower part of FIG. 6 shows the calculation results for type 1 shown in the upper part of FIG. 6
  • graph G620 shows the calculation results for type 2
  • graph G630 shows the calculation results for type 3.
  • Non-Patent Document 6 The relationship between the optical propagation loss and the period of different refractive indexes is shown in FIG. 6 as a result of calculation based on the description in Non-Patent Document 10.
  • the roughness ⁇ at which the propagation loss is 0.1 dB/cm was obtained by considering only scattering on the side surface of the optical waveguide.
  • the calculation of roughness ⁇ focuses only on modified region 15A in the upper layer region 150, which is directly related to the transmission loss.
  • the wavelength is 1.55 ⁇ m
  • the cladding refractive index, which corresponds to the refractive index of the glass member 10 is 1.45.
  • d [ ⁇ m] is the waveguide width
  • ⁇ n [%] is the relative refractive index difference of the optical waveguide to the cladding refractive index
  • b is the normalized propagation constant of the optical waveguide
  • ⁇ c [ ⁇ m] is the cutoff wavelength of the optical waveguide
  • MFD [ ⁇ m] is the mode field diameter of the optical waveguide.
  • the horizontal axis is the correlation length Lc, which indicates the periodic length when there is a random fluctuation component periodicity, or the periodic length when there is a roughly constant fluctuation component periodicity.
  • the roughness ⁇ required to reduce the propagation loss to 0.1 dB/cm or less is different depending on the conditions shown in the upper part of Figure 6. However, the tendency is roughly consistent, and it can be seen that the propagation loss is most sensitive to the fluctuation of roughness ⁇ in the vicinity of 100 ⁇ m. In other words, the smaller the periodicity of the correlation length Lc is, such as 100 ⁇ m or less, the less sensitive the transmission loss is to the fluctuation of roughness ⁇ .
  • the nanograting period can be shortened, that is, by controlling the average correlation length to be shorter than 100 nm, it becomes possible to achieve low loss in the optical waveguide.
  • the modified region 15A surrounding it can be regarded as an optical cladding.
  • the periodic refractive index fluctuation of this optical cladding increases the propagation loss.
  • This nanograting is known to be formed perpendicular to the incident polarization, and when multiple branched beams have the same polarization, this leads to the growth of the nanograting formation.
  • the length of the periodicity of the nanograting formed in the optical cladding region the so-called correlation length Lc, varies depending on the wavelength, pulse energy, scanning speed, etc. of each branched beam, but it has been reported to be 100 nm or more and 700 nm or less (Non-Patent Document 11).
  • Non-Patent Document 11 shows laser drawing conditions for shortening the correlation length Lc of the nanograting, but even the minimum correlation length has a period of at least about 100 nm, which is insufficient for reducing propagation loss.
  • the manufacturing method disclosed herein controls the average correlation length of various nanogratings formed near the core to be shorter than 100 nm by making the polarization states of adjacent diffracted lights among the diffracted lights that respectively constitute multiple branch beams different.

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Abstract

光接続部品は、ガラス部材と、光導波路と、を備える。ガラス部材の断面において、光導波路と、ガラス部材のレーザ照射面と、の間に位置するガラス部材の上層領域内に、光導波路の屈折率よりも低く、かつ、光導波路を除いたガラス部材の屈折率よりも低い屈折率を有する１またはそれ以上の改質領域（１５Ａ）が形成され、改質領域で構成される層内のナノグレーティングの平均相関長が１００ｎｍよりも短い。

Description

光接続部品および光接続部品の製造方法
　本開示は、光接続部品および光接続部品の製造方法に関するものである。
  本願は、２０２３年２月２２日に出願された日本特許出願第２０２３－０２６４２３号および２０２３年１１月２１日に出願された日本特許出願第２０２３－１９７４６２号による優先権を主張するものであり、その内容に依拠すると共に、その全体を参照して本明細書に組み込む。
　一般に、光接続部品は、光通信における光信号送受部品として利用されている。この光接続部品の製造方法は、例えば、非特許文献１から非特許文献５には、フェムト秒レーザ光源を用いた描画法による光導波路の形成技術が開示されている。具体的に、非特許文献１には、フェムト秒レーザ光のシングルスキャン描画により導波路となるコアを形成する技術が開示されている。また、非特許文献２には、フェムト秒レーザ光のマルチスキャン描画により正方形の断面形状を有するコアを形成する技術が開示されている。非特許文献３には、同一偏波の複数の分岐ビームを利用して光導波路となるコアを形成する技術が開示されている。その他、非特許文献４には、フェムト秒レーザ光の照射による屈折率増大メカニズム（圧縮）、非特許文献５には、フェムト秒レーザ光の照射による屈折率増大メカニズム（組成の再配列）、更に、非特許文献６には、フェムト秒レーザ光の照射によるナノグレーティング周期構造が形成されるメカニズムが、それぞれ紹介されている。
　また、非特許文献７には、ホログラムを利用した多点照射により同時に３本の光導波路を作成する技術が紹介されている。なお、ビーム成形は、非特許文献８の技術が利用可能であり、非特許文献９には、２枚のＬＣｏＳを使用して多分岐されたビームの偏光を制御し、偏波に依存したナノグレーティングの形成が報告されている。
Dezhi Tan, et al., "Femtosecond laser writing low-loss waveguides in silica glass: highly symmetrical mode field and mechanism of refractive index change," Optical Materials Express, Vol.11, No.3 pp.848-857. Y.Nasu, et al., " Low-loss waveguides written with a femtosecond laser for flexible interconnection in a planar light-wave circuit", Optics Letters, Vol.30, pp.723-725 (2005). Henk van wolferen, et al., Lithography: Principles, Processes and Materials ISBN: 978-1-61761-837-6, Editor: Theodore C. Hennessy, pp. 133-148"LASER INTERFERENCE LITHOGRAPHY". E. N. Glezer and E. Mazur, "Ultrafast-laser driven micro-explosions in transparent materials," Appl. Phys. Lett. Vol. 71, No. 7, pp.882-884 (1997). Y. Liu, et al., "Micromodification of element distribution in glass using femtosecond laser irradiation," OPTICS LETTERS, Vol. 34, No. 2, pp. 136-138 (2009). Y. Shimotsuma, et al., "Self-organized nanogratings in glass irradiated by ultrashort light pulses," PHYSICAL REVIEW LETTERS, Vol. 91, No. 24, pp.247405-1 to 247405-4 (2003). S. Masaaki, et al., "Improved phase hologram design for generating symmetric light spots and its application for laser writing of waveguides," OPTICS LETTERS, Vol.36, No. 7, April 1, 2011, pp.1065-1067. Keiji Fuse, "Beam Shaping for Advanced Laser Materials Processing," Laser Technik Journal, pp.19-22 (2015). S. Hasegawa, et al., "Holographic vector wave femtosecond laser processing," International Journal of Optomechatronics, p.73(2014). Payne. F .P.,　et al.,"A theoretical analysis of scattering loss from planar optical waveguides," Optical and Quantum Electronics, vol.26(1994)pp.977-986. Weijia Yang, et al.,"Self-assembled periodic sub-wavelength structures by femtosecond laser direct writing," Vol. 14, No. 21 / OPTICS EXPRESS (2006)10117.
　本開示の光接続部品は、シリカ系のガラス部材と、ガラス部材の内部に設けられた、ガラス部材の屈折率よりも高い屈折率を有する光導波路と、を備える。また、ガラス部材の上層領域内には、光導波路を除いたガラス部材の屈折率よりも低い屈折率を有する１またはそれ以上の改質領域が形成され、１またはそれ以上の改質領域で構成される層内に形成されるナノグレーティングの平均相関長が１００ｎｍより短い。
図１は、本開示の光接続部品の製造方法の一例を説明するためのフローチャートである。 図２は、本開示の光接続部品の製造方法を実施するための製造装置の一構成例を示す図である。 図３は、種々のビームシェーピング光学系を説明するための図である。 図４は、光導波路を形成するためのレーザ光走査を説明するとともに製造される光接続部品の一構成例を説明するための図である。 図５は、光導波路の断面における改質形状の観察結果を示す図である。 図６は、光導波路の側面粗さを評価するための計算結果を示す図である。
　［本開示が解決しようとする課題］
  発明者らは、上述の従来技術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、非特許文献１に開示された技術は、フェムト秒レーザ光のシングルスキャン描画による光導波路の形成に成功しているが、光導波路の幅が制御されていない。すなわち、得られた光導波路の形状は、レーザ照射軸に対して長尺である一方、光導波路の横方向は２μｍ程度以下と狭い。このことから、光導波路内を伝搬する光の結合ロスが大きくなる。なお、非特許文献７には、フェムト秒レーザとホログラム技術を組み合わせて１本のレーザ光を複数の回折光ビームに分割し、これら複数の回折光ビームを利用して同時に複数の光導波路を書き込む技術が開示されているが、この場合も、光導波路の十分な幅が維持できないため、光導波路内を伝搬する光の結合ロスが大きくなる。
　これに対し、非特許文献２の技術は、フェムト秒レーザ光のマルチスキャン描画による光導波路の形成に成功している。マルチスキャン描画では、ビーム照射軸に沿って照射されるフェムト秒レーザ光を、ビーム照射軸に直交する方向にずらしながら２０回スキャンさせることで、光導波路の幅を制御している。しかしながら、一本の光導波路を形成する時間は、シングルスキャン描画と比較して２０倍になってしまい、光導波路を含む光接続部品の生産性が著しく低下するという課題があった。
　本開示は、光導波路における伝搬ロスが効果的に低減された光接続部品を提供し、光接続部品内に設けられる光導波路の形状の制御を容易にするとともに光接続部品の生産性を大幅に増大させることを可能にする光接続部品の製造方法を提供する。
　［本開示の効果］
  本開示によれば、光導波路における伝搬ロスが効果的に低減された光接続部品がえられる。また、光ガラス部材内に設けられる光導波路の形状の制御が容易になるとともに、生産性を大幅に増大させることが可能になる。
　[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それぞれ個別に列挙して説明する。
　本開示の光接続部品は、
  （１）シリカ系のガラス部材と、ガラス部材の内部に設けられた、ガラス部材の屈折率よりも高い屈折率を有する光導波路と、を備える。また、ガラス部材の上層領域内には、光導波路を除いたガラス部材の屈折率よりも低い屈折率を有する１またはそれ以上の改質領域が形成され、１またはそれ以上の改質領域で構成される層内に形成されるナノグレーティングの平均相関長が１００ｎｍより短くなるよう制御されている。なお、ガラス部材の上層領域は、光導波路の長手方向に直交するガラス部材の断面において、光導波路と、光導波路を形成するためのレーザ光、例えばフェムト秒レーザ光が照射されたガラス部材のレーザ照射面と、の間に位置する領域として定義される。また、ナノグレーティングの相関長は、１またはそれ以上の改質領域において、光導波路の長手方向に一致する伝搬軸に対して周期的な屈折率揺らぎの周期長を意味する。
　レーザ光から複数の分岐ビームを生成し、これら複数の分岐ビームをガラス部材内に集光照射することによりガラス部材内へ光導波路を形成する構成では、ガラス部材の上層領域における１またはそれ以上の改質領域の発生を完全に回避することは難しい。この場合、１またはそれ以上の改質領域で構成される層は、実質的に光学クラッドと見做すことができる領域に生成され、この光学クラッド内には、光導波路の長手方向、長手方向に直交する方向、および長手方向に対して傾斜した方向に沿って周期性を有する種々のナノグレーティングや、周期の方向がランダムなナノ構造が形成される。このような改質領域で構成される層のナノグレーティングやナノ構造の存在は、光接続部品における光導波路の伝搬ロスの増大に大きく影響する。これに対し、本開示の光接続部品は、改質領域の層内に形成されるナノグレーティングの平均相関長が１００ｎｍ以下に制御されており、この構成により、ガラス部材内に形成される光導波路の伝搬ロスの増大が効果的に低減される。なお、その実質的な光学クラッドの上層にも１またはそれ以上の改質領域が生成されるケースがあり、その内部の一部には上述の種々のナノグレーティングや周期の方向がランダムなナノ構造が存在するケースもある。
　（２）上記（１）において、ガラス部材の断面において確認できる改質領域の個数は、１００個以下であってもよい。この場合も、ガラス部材内に形成される光導波路の伝搬ロスの増大が効果的に低減される。
　本開示の光接続部品の製造方法は、
  （３）準備工程と、レーザ照射工程と、集光点移動工程と、を備える。準備工程では、シリカ系のガラス部材が準備される。レーザ照射工程では、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エネルギー量を有する、パルス幅５００ｆｓ以下のフェムト秒レーザが利用される。このフェムト秒レーザ光から１またはそれ以上のビーム成形素子を利用して複数の分岐ビームが生成された後、集光レンズを介して複数の分岐ビームがガラス部材の内部に集光照射される。集光点移動工程では、ガラス部材に対して複数の分岐ビームそれぞれの集光点位置が相対的に移動させられる。また、複数の分岐ビームをそれぞれ構成する回折光のうち隣接する回折光の偏波は異なっている。レーザ照射工程および集光点移動工程を連動させることにより、光導波路として機能する連続した屈折率変化領域が、ガラス部材の内部に形成される。この場合、光導波路近傍に形成される改質領域の層内のナノグレーティングの平均相関長が１００ｎｍ以下に制御されるため、ガラス部材内に形成される光導波路の伝搬ロスの増大が効果的に低減される。
　（４）上記（３）において、ビーム成形素子は、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element）であってもよい。ＤＯＥは、ＬＣｏＳ（Liquid Crystal on Silicon）を含む。ここでは、屈折率変調が非可変であるガラス型をＤＯＥ、可変可能型をＬＣｏＳと表記する。このようなビーム成形素子の利用は、簡単な光学系により、任意のビーム配置パターンを構成する複数の分岐ビームの出射を可能にする。
　（５）上記（３）において、ビーム成形素子は、複数のＬＣｏＳまたは複数のガラス型ＤＯＥにより構成されてもよい。このような構成により、複数の分岐ビームの回折光の偏波状態を選択的に変更させることが可能になる。
　以上、この[本開示の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。
　［本開示の実施形態の詳細］
  以下、本開示の光接続部品の製造方法の具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、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および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
　図１は、本開示の光接続部品１００の製造方法の一例を説明するためのフローチャートである。図２は、本開示の光接続部品１００の製造方法を実施するための製造装置の一構成例を示す図である。
　図２に示された製造装置は、フェムト秒レーザ２０と、フェムト秒レーザ２０を駆動させるためのレーザ駆動部２５と、フェムト秒レーザ光のビームスポットを任意形状に整形するためのビームシェーピング光学系３０と、ＸＹＺステージ４０と、ＸＹＺステージ４０を駆動させるためのステージ駆動部４５と、これら各部の動作を制御するための制御部５０と、を備える。
　レーザ駆動部２５は、制御部５０からの指示に従って、フェムト秒レーザ２０から出力されるパルスレーザ光（以下、「フェムト秒レーザ光」と記す）のパワーおよび繰り返し周波数を制御する。これにより、フェムト秒レーザ２０から、数百フェムト秒以下のパルス幅を有するフェムト秒レーザ光が出力可能である。特に、パルス幅が数百フェムト秒以下に設定されたフェムト秒レーザ光は、そのピークパワーを１０５Ｗ／ｃｍ２以上にすることができる。また、出力されるフェムト秒レーザ光の繰り返し周波数は、ガラス材料の内部に形成される光導波路の屈折率および構造を滑らかにするためには１０ｋＨｚ以上であってもよい。ＸＹＺステージ４０のデバイス搭載面上には、光部品の本体となるべきガラス部材１０が置かれる。ガラス部材１０は、レーザ光照射により圧力由来の屈折率変化Δｎｐや、Δｎｐと構造由来の屈折率変化Δｎｄの双方を生じさせることが可能なガラス、シリカ系のガラスである。シリカ系のガラスとは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を主成分とし、ＳｉＯ２を５０％以上含む。例えば、不純物が添加されていないガラス、ゲルマニウム（Ｇｅ）添加ガラス、Ｇｅとホウ素（Ｂ）の共添加ガラス等であってもよい。また、これらのガラスは、石英系ガラス、リン酸塩系ガラス、ハロゲン化物ガラス、および硫化物ガラスであってもよい。フェムト秒レーザ２０から出力されたフェムト秒レーザ光は、ビームシェーピング光学系３０により、ＸＹＺステージ４０上に設置されたガラス部材１０の内部、すなわちＹＺ平面上に位置する集光点３５に集光される。これにより、ガラス部材１０の内部に光導波路として屈折率変化領域１５が形成され、光接続部品１００が得られる。
　ステージ駆動部４５は、制御部５０からの指示に従って、ＸＹＺステージ４０のデバイス搭載面が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向それぞれに沿って移動するよう、ＸＹＺステージ４０を駆動させる。この構成により、レーザ走査が可能になり、ガラス部材１０に対してフェムト秒レーザ光の集光点３５の位置が相対的に移動することになる。制御部５０は、上述のようにレーザ駆動部２５およびステージ駆動部４５の各動作を制御することにより、ガラス部材１０の内部に任意パターンの屈折率変化領域１５が作り込まれる。なお、任意パターンは、Ｘ軸の深さ方向情報を加味したＹＺ平面上に投影された光導波路の形状に一致している。以上の工程を経て、光部品としての光接続部品１００が製造される。
　次に、上述のような構造を有する製造装置を利用して光導波路が設けられた光接続部品１００が製造される。本開示の光接続部品１００の製造方法を図１のフローチャートに沿って説明する。なお、以下の説明では、光接続部品１００の製造方法の一例として、光導波路となる任意パターンの屈折率変化領域１５が作り込まれた三次元光導波路デバイスを製造する場合について説明する。
　本開示の光接続部品１００の製造方法は、準備工程と、光導波路製造工程により、構成されている。まず、準備工程では、光接続部品１００となるべきガラス部材１０、例えば平行平板ガラスが用意される（ステップＳＴ１０）。
　光導波路製造工程では、準備されたガラス部材１０の内部に、光導波路となる任意パターンの屈折率変化領域１５が作り込まれる。具体的に、準備されたガラス部材１０は、ステップＳＴ１０の完了後、直ちにＸＹＺステージ４０のデバイス搭載面上に設置され、フェムト秒レーザ光が照射される（ステップＳＴ２０）。制御部５０は、フェムト秒レーザ２０から、ガラス部材１０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以上の繰返し周波数を有するフェムト秒レーザ光が出力されるよう、レーザ駆動部２５を制御する。フェムト秒レーザ２０から出力されたフェムト秒レーザ光は、ビームシェーピング光学系３０により、ガラス部材１０の内部に集光される。なお、ビームシェーピング光学系３０は、入力されるフェムト秒レーザ光のビームスポットを所定形状に整形する。このフェムト秒レーザ光の集光点３５におけるビーム照射領域において光誘起による屈折率変化が形成される。ガラス部材１０における所定部位のレーザ照射が完了すると、制御部５０は、ステージ駆動部４５を制御し、ＸＹＺステージ４０のデバイス搭載面上に設置されたガラス部材１０の位置を移動させる（ステップＳＴ３０）。このように、集光点移動工程（ステップＳＴ３０）では、ガラス部材１０の設置位置、フェムト秒レーザ光の集光点３５の位置、または設置位置および集光点位置の双方を連続的または断続的に変更することにより、ガラス部材１０の内部におけるフェムト秒レーザ光の集光点３５の位置が移動する。
　なお、上記ステップＳＴ２０のレーザ照射工程およびステップＳＴ３０の集光点移動工程、すなわち、制御部５０によるレーザ駆動部２５およびステージ駆動部４５の動作制御は、ガラス部材１０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１中のＣ点で示された時点に戻って、照射条件を変更しながら、または同条件で繰り返し行われる（ステップＳＴ４０）。ガラス部材１０への屈折率変化領域１５の作り込みが完了すると（ステップＳＴ４０）、長期間、比屈折率差Δｎが変化しないように、エージング処理等のため、ガラス部材１０はアニールされる（ステップＳＴ５０）。以上の工程を経て、内部に光導波路が設けられた光接続部品が得られる。
　図３は、種々のビームシェーピング光学系を説明するための図である（図３中、「ビームシェーピング光学系」と記す）。ビームシェーピング光学系３０は、ビーム成形素子と集光レンズにより構成される。ビーム成形素子としては、ＤＯＥ、ＬＣoＳを使用したホログラム光学素子等が挙げられる。なお、図３の上段（図３中、「ＤＯＥ」と記す）には、ビーム成形素子としてＤＯＥを含む光学系の構成が示されている。図３の下段（図３中、「ホログラム光学素子」と記す）には、ビーム成形素子としてホログラム光学素子を含む光学系の構成が示されている。
　なお、本開示の例では、フェムト秒レーザ光にホログラム光学素子のようなビーム成形素子を組合せ、フェムト秒レーザ光からそれぞれが回折光で構成される複数の分岐ビームを生成する。複数の分岐ビームは集光レンズを介してガラス部材１０の内部に集光され、ＸＹＺステージの移動により、ガラス部材１０の内部に光導波路となる屈折率変化領域１５が形成される。レーザ光波長は、１０３０ｎｍを基準として－１０ｎｍ以上＋１０ｎｍ以下の範囲、１０６０ｎｍを基準として－１０ｎｍ以上＋１０ｎｍ以下の範囲、またはそれぞれの波長範囲における第二高調波発生（ＳＨＧ）や第三高調波発生（ＴＨＧ）が有効である。パルス幅は、５００ｆｓ以下が有効である。繰返し周波数は、１００ｋＨｚ以上５ＭＨｚ以下が有効である。なお、フェムト秒レーザ光の分割は、互いに異なる偏波の回折光を生成するビーム成形素子の組、例えばＤＯＥ１３１ＡとＤＯＥ１３１Ｂの組、または、ＬＣｏＳ１４１ＡとＬＣｏＳ１４１Ｂの組等により実行される。
　図３の上段に示された例では、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）１３３ＡとＰＢＳ１３３Ｂの組と、ビーム成形素子としてＤＯＥ１３１ＡとＤＯＥ１３１Ｂの組と、光路偏向用のミラー１３４Ａとミラー１３４Ｂの組と、集光レンズ１３２が用意される。４５度の直線偏波は、ＰＢＳ１３３Ａによって０度偏波成分と９０度偏波成分に変換される。０度偏波成分はＰＢＳ１３３ＡからＤＯＥ１３１Ａへ入力され、９０度偏波成分はＰＢＳ１３３Ｂからミラー１３４Ａを経てＤＯＥ１３１Ｂに入力される。０度偏波成分が入力されたＤＯＥ１３１Ａでは、０度偏波成分のみを回折光Ｌ０が得られ、回折光Ｌ０はＤＯＥ１３１ＡからＰＢＳ１３３Ｂに到達する。一方、９０度偏波成分が入力されたＤＯＥ１３１Ｂでは、９０度偏波成分のみの回折光Ｌ９０が得られ、回折光Ｌ９０はＤＯＥ１３１Ｂからミラー１３４Ｂを経てＰＢＳ１３３Ｂに到達する。回折光Ｌ０と回折光Ｌ９０はＰＢＳ１３３Ｂにて合波され、最終的に、隣接する回折光間において偏波状態が９０度異なる複数の回折光群、すなわち複数の分岐ビームが生成される。合波された複数の分岐ビームは、集光レンズ１３２を介してビームウエストＢＷ上の集光点３５に集光される。
　一方、図３の下段に示された例では、ビーム成形素子としてＬＣｏＳ１４１ＡとＬＣｏＳ１４１Ｂの組と、集光レンズ１４２が用意される。ＬＣｏＳ１４１Ａに４５度の直線偏波を有するレーザ光が入力されると、ＬＣｏＳ１４１Ａから０度偏波成分と９０度偏波成分が生成される。ＬＣｏＳ１４１Ａでは、出力される偏波成分のうち０度偏波成分のみを回折光Ｌ０に変換させるため、液晶方位を制御することでＬＣｏＳ１４１Ａの位相分布が形成されており、これにより、０度偏波成分のみが回折光Ｌ０に変換され、９０度偏波成分はそのまま反射される。更に、ＬＣｏＳ１４１Ｂでは、０度偏波の回折光Ｌ０はそのまま反射される一方、９０度偏波成分のみが回折光Ｌ９０に変換され、最終的に、隣接する回折光間において偏波状態が９０度異なる複数の回折光、すなわち複数の分岐ビームが生成される。ＬＣｏＳ１４１Ｂからの複数の分岐ビームは、集光レンズ１４２を介してビームウエストＢＷ上の集光点３５に集光される。
　以上のように、入力される１本のレーザ光から得られる複数の分岐ビームを、０度と９０度の直線偏波の回折光に変換されるようにビーム成形素子を構成する素子のそれぞれの回折格子が調整される。これにより、それぞれが複数の分岐ビームを構成する回折光の偏波状態は、隣接する回折光が０度と９０度の異なる偏波状態となるように制御され得る。
　その他、非特許文献１１では、１枚目のＬＣｏＳと２枚目のＬＣｏＳとのの間にλ／２波長板を挿入するとともに２枚目のＬＣｏＳと集光レンズの間にλ／４波長板を挿入し、ラジアル偏光や直線偏光の傾きを制御することが可能であることが報告されている。例えば、ビームシェーピング光学系は、図３の下段に示されたＬＣｏＳ１４１ＡとＬＣｏＳ１４１Ｂの組と、非特許文献１１のＬＣｏＳの組を組み合わせることにより構成されてもよい。ビームシェーピング光学系に含まれるＬＣｏＳの枚数が増加すれば、その分、分岐された回折光の偏波選択の自由度を高めることが可能になる。この場合、生成された分岐ビームを構成される回折光のオーバーラップがガラス部材１０の上層領域１５０（図４参照）に生じても、非干渉あるいは損傷閾値を下回るように干渉効果の低減が可能になる。これは、光導波路となるべき領域に所望のエネルギーを照射することが可能になることを意味する。また、複数の分岐ビームとして、隣接する回折光間で偏波状態の異なる回折光群の照射は、オーバーラップ領域での誘起される表面プラズモンによる電子波と電場ベクトルが異なる。そのため、隣接する分岐ビーム間で偏波状態が異なる本開示の複数の分岐ビーム照射は、光導波路に隣接する上層領域１５０に形成されるナノグレーティングの周期性が崩れる方向に作用し、光導波路における伝搬ロスの低減を可能にする。あるいは、本開示のビーム照射は、異なる角度を有した周期性が光導波路に隣接する上層領域１５０に形成されることとなり、実質的にはナノグレーティングの相関長を短尺化することに繋がり有効である。
　図４は、光導波路を形成するためのレーザ光走査を説明するとともに製造される光接続部品の一構成例を説明するための図である（図４中、「導波路形成」と記す）。図４の上段（図４中、「レーザ光走査」と記す）には、ガラス部材１０に対してレーザ光を走査させることによりガラス部材１０内に光導波路となる屈折率変化領域１５を描画する構成が示されている。図４の下段（図４中、「光接続部品」と記す）には、レーザ光走査を経て得られた光接続部品１００の構造が示されている。ビーム成形素子としては、図３に示されたＤＯＥ、ＬＣｏＳ等が利用される。
　図４の上段の例では、レーザ照射工程において、Ｙ軸方向に間隔Δｙだけずらした状態で複数の分岐ビームが、レーザ照射面１０Ａを介してガラス部材１０の内部に照射される。これら複数の分岐ビームは、Ｚ軸方向に一致するか、またはＺ軸から所定角度だけずれた方向に一致する走査方向に沿って相対的に移動し、光導波路となる屈折率変化領域１５が形成された光接続部品１００が得られる。この方法は、設計通りの光導波路の幅が得られることから有効である。なお、図４の下段には、このレーザ照射工程によりガラス部材１０の内部に設けられた屈折率変化領域１５のＸＹ断面の一例が示されている。このＸＹ断面に示された例は、それぞれの偏波状態が一致した複数の分岐ビームがガラス部材１０内に照射されることにより得られた屈折率変化領域１５近傍であって、屈折率変化領域１５と、屈折率変化領域１５に隣接した上層領域１５０内に複数の改質領域１５Ａが形成されている。その他に、改質領域１５Ａよりもレーザ照射面１０Ａに近い部分において、隣接する分岐ビームの干渉の影響により改質領域１５Ａとは異なる複数の改質領域１５Ｂが形成されるケースも想定される。
　ガラス部材１０のレーザ照射面１０Ａに照射された複数の分岐ビームの間隔Δｙが十分に広い場合、設計通りの光強度分布が得られる。逆に、その間隔Δｙが狭まってくると、其々の偏波は同一偏波であるために、複数の分岐ビームのオーバーラップした領域は干渉が生じることが、例えば非特許文献３等で理解できる。このオーバーラップ領域で生じた干渉の影響の詳細については図５を用いて説明するが、図５の改質領域１５Ａを除いた上層領域１５０がこの干渉の影響によって生じた改質層である。このことから、ガラス部材１０の内部に光導波路となるべき屈折率変化領域１５を形成する場合、光導波路の構造に直接的に寄与する集光点３５の近傍の光強度分布に注目することの他に、レーザ照射面１０Ａと集光点３５の間の上層領域１５０での複数の分岐ビームのオーバーラップ領域での干渉にも注視する必要がある。
　図５は、レーザ光走査に起因する、光導波路の断面における改質形状の観察結果を示す図である（図５中、「導波路断面の改質形状」と記す）。図５の上段（図５中、「Δｙ１＝１．３μｍ」と記す）には、ビーム成形素子として図３の下段に示されたＬＣｏＳ１４１ＡとＬＣｏＳ１４１Ｂの組により分岐された１３本の分岐ビームの間隔Δｙ１が１．３μｍに設定されたときの改質領域１５Ａの観察結果が示されている。図５の中段（図５中、「Δｙ２＝２．２μｍ」と記す）には、ビーム成形素子として図３の下段に示されたＬＣｏＳ１４１ＡとＬＣｏＳ１４１Ｂの組により分岐された１３本の分岐ビームの間隔Δｙ２が２．２μｍに設定されたときの改質領域１５Ａの観察結果が示されている。図５の下段（図５中、「Δｙ３＝４．４μｍ」と記す）には、ビーム成形素子として図３の下段に示されたＬＣｏＳ１４１ＡとＬＣｏＳ１４１Ｂの組により分岐された１３本の分岐ビームの間隔Δｙ３が４．４μｍに設定されたときの改質領域１５Ａの観察結果が示されている。
　用意された集光レンズのＮＡは０．４０以上０．５５以下である。各分岐ビームの波長は５１５ｎｍであり、パルス幅は１００ｆｓ以上４５０ｆｓ以下である。走査速度は０．０１ｍｍ／ｓｅｃ以上１０ｍｍ／ｓｅｃ以下である。パルスエネルギーは３０ｎＪ以上１０００ｎＪ以下である。繰返し周波数は１００ｋＨｚ以上５ＭＨｚ以下である。レーザ照射面１０Ａからのガラス部材１０の内部までの深さ（集光点３５までの距離）は５μｍ以上５００μｍ以下である。
　図５の上段から下段に示されたように、分岐ビームの間隔（Δｙ１＜Δｙ２＜Δｙ３）が大きい場合、複数の分岐ビームにそれぞれ対応した２種類の改質領域がより明確に確認できる。光導波路となる屈折率変化領域１５に相当する改質領域は、ガラス部材１０の屈折率よりも高い屈折率を有する。屈折率変化領域１５とレーザ照射面１０Ａの間には、屈折率変化領域１５を除いたガラス部材１０の屈折率よりも低い屈折率を有する改質領域１５Ａが形成される。屈折率変化領域１５の一部を構成する改質領域をＹ軸方向に沿って繋ぎ合わせると、光導波路が形成される。ただし、複数の分岐ビームの間隔を狭めていくと、屈折率変化領域１５の一部を構成する改質領域と改質領域１５Ａのサイズはバラバラになり、レーザ照射面１０Ａと屈折率変化領域１５の間に位置する上層領域１５０では、複雑な改質構造が形成されることが分かる。例えば、図５の上段および中段に示された例では、改質領域１５Ａとは別の改質領域１５Ｂが存在しており、複数の分岐ビームの干渉により強められたことにより、改質閾値を上回った状態が反映されたものと考えられる。なお、改質領域１５Ｂは、改質領域１５Ａの屈折率と同程度の屈折率、すなわち、屈折率変化領域１５を除いたガラス部材１０の屈折率よりも低い屈折率を有する。また、改質領域１５Ｂが改質領域１５Ａから離れてレーザ照射面１０Ａに近い位置に形成される場合、改質領域１５Ｂと屈折率変化領域１５との間には、改質領域１５Ａおよび改質領域１５Ｂのいずれよりも明るく、屈折率変化領域１５と同程度の輝度を有する領域が確認できる。図５の上段および中段において、この高輝度領域は、屈折率変化領域１５の屈折率と同程度の屈折率、すなわち、ガラス部材１０の屈折率よりも高い屈折率を有する。したがって、単純にビーム間隔を狭めた場合、屈折率変化領域１５とレーザ照射面１０Ａとの間の上層領域１５０には、改質領域１５Ａおよび改質領域１５Ｂの他、屈折率変化領域１５の屈折率と同程度の屈折率を有する領域が混在することになる。
　ガラス部材１０の上層領域１５０で図５の上段（Δｙ１＝１．３μｍ）に示されたような複雑な改質構造が発生することは、上層領域１５０で各分岐ビームのエネルギーが消費されることを意味する。この場合、屈折率変化領域１５を構成する改質領域への必要なエネルギー描画が困難となる。また、レーザ照射面１０Ａと屈折率変化領域を構成する改質領域との間に存在する改質領域１５Ａおよび改質領域１５Ｂでも、屈折率変調が生じることになることから、光散乱や光集光の妨げとなる。この課題を解消する方法として、複数の分岐ビームをそれぞれ構成する回折光のうち隣接する回折光の偏波状態が直交するように制御し、複数の分岐ビーム間の干渉を回避する方法がある。例えば、隣り合う回折光の偏波状態を０度と９０度に直交させる、ラジアル偏光とアジマス偏光等を組み合わせる等、隣接する分岐ビームの偏波状態を直交させることが有効である。
　なお、屈折率変化領域１５を構成する改質領域は光導波路として機能するが、改質領域１５Ａと改質領域１５Ｂの一部とは、上層領域１５０において、光導波路となる屈折率変化領域１５の直上に厚み５μｍ程度の層を形成する。この層内では、屈折率変化領域１５の長手方向、長手方向と交差する方向に沿って周期性を有する種々のナノグレーティングが形成される。あるいは、その周期の方向性がランダムなナノ構造が形成される。改質領域１５Ａにおけるナノグレーティングの周期が短くなることで伝搬ロスは低減される。改質領域１５Ａ以外の上層領域１５０におけるナノグレーティングやナノ構造が小さくなるほど、光導波路を構成する屈折率変化領域１５に必要なエネルギー描画が可能になり、必要な光導波路構造が得られる。また、屈折率変化領域１５の直上に形成される改質領域１５Ａおよび改質領域１５Ｂの、ＸＹ断面で確認できる個数は、１０個以上１００個以下であってもよく、１個以上９個以下であってもよく、０個であってもよい。改質領域１５Ａおよび改質領域１５Ｂは、ガラス部材１０内に設けられた屈折率変化領域１５のＸＹ断面を、透過光を照射しながらの顕微鏡観察により確認される。すなわち、改質領域１５Ａおよび改質領域１５Ｂは、ガラス部材１０のうち、屈折率変化領域１５、改質領域１５Ａおよび改質領域１５Ｂを除いた非改質領域の輝度に対して１０％以上低下した輝度を有し、かつ、最大径が０．５μｍ以上である領域として定義される。改質領域１５Ａおよび改質領域１５Ｂの合計個数は、上述の顕微鏡観察により特定された領域の個数を、ＸＹ断面内でカウントすることにより特定される。
　図６は、光導波路の側面粗さを評価するための計算結果を示す図である（図６中、「導波路側面の粗さ評価」と記す）。図６の上段（図６中、「評価サンプル」と記す）には、タイプ１からタイプ３の諸元が示されている。図６の下段（図６中、「粗さσの相関長依存性」と記す）には、相関長Ｌｃと光導波路側面の粗さσの関係が示されている。なお、図６の下段に示されたグラフＧ６１０は図６の上段に示されたタイプ１の計算結果を示し、グラフＧ６２０はタイプ２の計算結果を示し、グラフＧ６３０はタイプ３の計算結果を示す。
　上述のように、複数の分岐ビーム間の干渉が生じる場合、ガラス部材１０の上層領域１５０内の改質領域１５Ａと改質領域１５Ｂの一部とで構成される層には、数百ｎｍ程度の相関長を有するナノグレーティングが形成されることが知られている。ただし、このナノグレーティングは、入射偏波に対して垂直に形成されることが知られている（非特許文献６）。この屈折率の異なる周期に対する光伝搬ロスの関係は、非特許文献１０の記載に基づいた計算結果が図６に示されている。すなわち、非特許文献１０の式（１）、式（２）、および式（５）式から、光導波路の側面での散乱のみ考慮し、伝搬ロスが０．１ｄＢ／ｃｍとなる粗さσが求められた。ここで、粗さσの算出は、上層領域１５０内の改質領域として伝送損失に直結する改質領域１５Ａのみに着目している。波長は１．５５μｍ、ガラス部材１０の屈折率に相当するクラッド屈折率は１．４５である。その他、図６の上段に示されたように、ｄ［μｍ］は導波路幅、Δｎ［％］はクラッド屈折率に対する光導波路の比屈折率差、ｂは光導波路の正規化伝搬定数、λｃ［μｍ］は光導波路のカットオフ波長、ＭＦＤ［μｍ］は光導波路のモードフィールド径である。
　また、図６の下段において、横軸は相関長Ｌｃであり、ランダムな揺らぎ成分の周期性がある場合のその周期長さ、あるいは、概ね一定の揺らぎ成分の周期性がある場合のその周期長さを指す。図６の上段に示された各条件によって、伝搬ロスを０．１ｄＢ／ｃｍ以下にするために必要な粗さσは異なる結果を示している。ただし、傾向は概ね一致しており、１００μｍ近傍が最も粗さσの揺らぎに伝搬ロスが敏感になることが分かる。すなわち、相関長Ｌｃが１００μｍ程度以下のようにその周期性が小さい程、粗さσの揺らぎに伝送ロスは鈍感となる。ナノグレーティングの周期を１００ｎｍとした場合の伝搬ロス０．１ｄＢ／ｃｍ以下の粗さをσ＿１００ｎｍとした場合、そのナノグレーティングの周期を短周期化できれば、すなわち平均相関長を１００ｎｍより短く制御することにより、光導波路の低損失化が実現可能になる。
　ここで、屈折率変化領域１５コアと仮定した場合、その周囲の一部の改質領域１５Ａは光学クラッドと見做すことができる。この光学クラッドの周期的な屈折率揺らぎがあることで、伝搬ロスは増大する。このナノグレーティングは、入射偏波に垂直に形成されることが知られており、複数の分岐ビームが同一偏波を有する場合、そのナノグレーティング形成を成長させることに繋がる。また、光学クラッド領域に形成されるナノグレーティングの周期性の長さ、いわゆる相関長Ｌｃは、各分岐ビームの波長やパルスエネルギー、走査速度等によって異なるが、１００ｎｍ以上７００ｎｍ以下であることが報告されている（非特許文献１１）。ナノグレーティングは、光学クラッド領域に周期性を以って現れるため、コアにおける伝搬ロスは、ナノグレーティングの相関長Ｌｃに依存した伝搬ロスを含むことが推定される。コアの低損失化を実現するためには、コア周辺に形成される全てのナノグレーティングの相関長Ｌｃを短くすることは有効である。非特許文献１１には、ナノグレーティングの相関長Ｌｃを短尺化するレーザ描画条件が示されているが、最小相関長でも少なくとも１００ｎｍ程度の周期は生じており、伝搬ロスの低減には不十分である。あるいは、１００ｎｍの周期性に抑えられても、パルスエネルギーの制約などで、必要なコアとクラッドのコアの比屈折率差Δｎが維持できない、あるいは、生産性に直結する走査速度等の制約があり問題があった。そこで、本開示の製造方法は、複数の分岐ビームをそれぞれ構成する回折光のうち隣接する回折光の偏波状態を異ならせることで、コア近傍に形成される種々のナノグレーティングの平均相関長を１００ｎｍより短くなるように制御する。
１０…ガラス部材
１０Ａ…レーザ照射面
１５…屈折率変化領域（光導波）
１５Ａ、１５Ｂ…改質領域
２０…フェムト秒レーザ
２５…レーザ駆動部
３０…ビームシェーピング光学系
３５…集光点
４０…ＸＹＺステージ
４５…ステージ駆動部
５０…制御部
１００…光接続部品
１３１Ａ、１３１Ｂ…ＤＯＥ
１３２…集光レンズ
１３３Ａ、１３３Ｂ…ＰＢＳ
１３４Ａ、１３４Ｂ…ミラー
１４１Ａ、１４１Ｂ…ＬＣｏＳ
１４２…集光レンズ
１５０…上層領域
ＢＷ…ビームウエスト。

Claims (5)

  1. 　シリカ系のガラス部材と、
    　前記ガラス部材の内部に設けられ、前記ガラス部材の屈折率よりも高い屈折率を有する光導波路と、
    　を備え、
    　前記光導波路の長手方向に直交する前記ガラス部材の断面において、前記光導波路と、前記光導波路を形成するためのレーザ光が照射された前記ガラス部材のレーザ照射面と、の間に位置する前記ガラス部材の上層領域内に、
    　前記光導波路を除いた前記ガラス部材の屈折率よりも低い屈折率を有する１またはそれ以上の改質領域が形成されており、
    　前記１またはそれ以上の改質領域で構成される層内に形成される周期的な屈折率揺らぎであるナノグレーティングの平均相関長が、１００ｎｍより短い、
    　光接続部品。
  2. 　前記ガラス部材の前記断面において確認できる前記改質領域の個数は、１００個以下である、
    　請求項１に記載の光接続部品。
  3. 　シリカ系のガラス部材を準備する準備工程と、
    　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エネルギー量を有するパルス幅５００ｆｓ以下のフェムト秒レーザ光からビーム成形素子を利用して複数の分岐ビームを生成した後、集光レンズを介して前記複数の分岐ビームを前記ガラス部材の内部に集光照射するレーザ照射工程と、
    　前記ガラス部材に対して前記複数の分岐ビームそれぞれの集光点位置を相対的に移動させる集光点移動工程と、
    　を備え、
    　前記複数の分岐ビームをそれぞれ構成する回折光のうち隣接する回折光の偏波は異なっており、
    　前記レーザ照射工程および前記集光点移動工程を連動させることにより、連続した屈折率変化領域を前記ガラス部材の前記内部に形成する、
    　光接続部品の製造方法。
  4. 　前記ビーム成形素子は、ＬＣｏＳまたはガラス型ＤＯＥである、
    　請求項３に記載の光接続部品の製造方法。
  5. 　前記ビーム成形素子は、複数のＬＣｏＳまたは複数のガラス型ＤＯＥにより構成される、
    　請求項３に記載の光接続部品の製造方法。
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