成果報告書詳細
管理番号20120000000694
タイトル平成18年度~平成22年度成果報告書 三次元光デバイス高効率製造技術
公開日2012/7/19
報告書年度2006 - 2010
委託先名国立大学法人京都大学 浜松ホトニクス株式会社 社団法人ニューガラスフォーラム
プロジェクト番号P06029
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約(1)デバイス化加工用ガラス材料技術1)デバイス加工用ガラス材料技術共通目標:【京都大学】【ニューガラスフォーラム】密度変化による異質相形成(屈折率変化)のメカニズム解明に続き、元素分布形成による屈折率変化の屈折率制御可能性とメカニズム解明を実施した。その結果、元素分布はガラス材料を構成している元素の組み合わせで変化し、SiO2を主成分とするシリケートガラスではSiが中心に集まる傾向にあった。2)三次元光学デバイス用ガラス材料技術:【ニューガラスフォーラム】新規ガラスを開発し、8.5×1013 W/cm2でΔn=0.015を越え、従来のシリカガラスの場合の6.8×1014 W/cm2よりも1/8程度のエネルギーで実現した。3)三次元光回路導波路デバイス用ガラス材料技術:【京都大学】【ニューガラスフォーラム】光伝送損失因子の特定とその低減化検討で、合成石英ガラスおよび一部のホウケイ酸塩ガラスにおいて光伝播損失:0.1 dB/cm の材料を実現した。(2)三次元加工システム技術1)波面制御三次元加工システム技術:【ニューガラスフォーラム】計算領域を適切に絞り込む計算手法で、従来比10倍以上の高速化設計技術を確立した。計算機ホログラフィを基に直線、半円、円を再生する位相ホログラムを設計した。短期間でガラス・ホログラムを作製する手法を開発した。この内、作製プロセスの大半を占める電子線描画時間を従来比で約35%に短縮できた。ホログラム作製における加工精度は、波面制御素子の作製精度±40nmを達成した。これにより、ピクセルサイズ1μm(フェムト秒レーザー波長)、位相8段、ホログラムサイズ13mm×13mmのガラス・ホログラムが作製可能となった。フェムト秒パルスレーザーとガラス・ホログラムを用いて、ガラス内部の一辺60μmの立方体体積内に三次元的に分布する100点の異質相を一括で加工することに成功した。また、加工した点はレーザー光線に沿って2μm以下で異常な伸びを抑制できた。ガラス・ホログラムを用いた一括加工により、全長1cmの直線導波路、半径0.5mm?3mmの半円導波路、半径10μmや半径1mmの円等やこれらの組合わせた結合器やMach-Zehnder型干渉計等のデバイスを合成石英内部に作製した。ガラス等の透明体内部の異質相の屈折率差を非破壊で測定する方法を開発した。2)空間光変調器三次元加工システム技術:【浜松ホトニクス】空間分解能45万画素以上の高精細化、変調速度50 Hz、光位相変調度2πラジアン以上(256レベルの中間値制御も可能)、50 GW/cm2(100 fs、1 KHz)のフェムト秒レーザーパルスへの耐光性を有するフェムト秒レーザー光波面制御モジュールを実現した。(3)三次元加工システム応用デバイス技術1)三次元光学デバイス技術:【ニューガラスフォーラム】従来から使用されている厚み1.5mmの水晶ローパスフィルタよりも薄い0.3mmのガラス基板内部に光学ローパスフィルタを作製できた。このフィルタをデジタルカメラに装着し、モアレの消失を確認できた。2)三次元光回路導波路デバイス技術:【京都大学】【ニューガラスフォーラム】逐次描画による直線導波路において、レーザー照射条件制御で、コア径9μmの直線導波路を描画し、±1μmの加工精度で伝送損失0.1dB/cmの導波路を描画できた。空間変調素子を中心とする波面制御光学系を用いた一括描画システムによる多ライン同時加工で16分岐回折光学素子を作製し、その光伝搬損失と加工精度を確認した。
英文要約(1)Glass Material Technology for 3-D Optical Devices 1)Glass material common-technology for devices:【Kyoto Univ.】【NGF】The refractive index dynamics after the femtosecond laser irradiation inside the glasses were observed by investigating the energy dissipation process. On the basis of the results, the mechanism of the refractive index change with a femtosecond laser was clarified. 2) Glass material technology for 3-D optical devices:【NGF】In developed glass, the refractive index change was over 0.015 at peak power density, 8.5×1013 W/cm2, which was 1/8 of the case in silica glass, 6.8×1014 W/cm2. 3) Glass material technology for 3-D waveguide devices:【Kyoto Univ.】【NGF】By specifying the factors behind waveguide loss and investigating ways of reducing that loss, we obtained the silica-glass and the borate glass waveguide with a loss under 0.1 dB/cm. (2)Fabrication technology for 3-D optical devices 1) Fabrication technology by glass-hologram:【NGF】We achieved more than 10 times speed up calculation time for newly developed phase type hologram design as compared with existing methods. We also confirmed that a 4-level glass-hologram with pixel size of 5 μm was fabricated within an accuracy of 40nm, in terms of pattern width and depth. We fabricated various glass-holograms with 1μm pixel size, 8-level in the 13mm13mm area. By using these glass-holograms, 100 dots were successfully fabricated with one pulse inside 60μm cubic of silica glass, without the optical axial elongation. We also fabricated 1cm-long straight line waveguides, half ring waveguides of 0.5mm~3mm radius and rings of 10mm and 1mm, inside fused silica, with one-shot exposure of femtosecond laser. And also we fabricated optical devices, such as couplers, Mach-Zehnder interferometer, etc. We confirmed the basic functionality of those devices. We developed the methods to measure the refractive index difference with laser irradiation of the glass inside. 2)Fabrication technology by liquid crystal on silicon spatial light modulator (LCOS-SLM) :【HPK】We have developed the optical wavefront control module, which consists of the LCOS-SLM and associated optical components. This module has 800*600 pixels, modulation speed of 50Hz, and phase modulation depth of over 2π radian with 256 levels. And the device can withstand intense femto-second laser pulses of 50 GW/cm2(100fs, 1KHz). (3)3-D Optical Devices Technology: 1)3-D optical devices technology:【NGF】We took a picture of the chart with the digital camera that installed the glass optical low-pass filter made by the glass-hologram and the laser irradiation and confirmed that the moire was decreased in both horizontal and vertical directions.
2)3-D waveguide devices technology:【Kyoto Univ.】【NGF】A holographic laser processing system was constructed to fabricate optical branching devices. This system is being used to test the formation of straight waveguides, Y-branch waveguides and 1:4x4 beam splitters.
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