世界最高の耐熱性を有する光導波路フィルターの開発に成功

　産業技術総合研究所（理事長　吉川弘之）光技術研究部門と大阪大学大学院生産科学専攻の宮本勇教授らの研究グループは、世界最高の耐熱性をもつ回折格子を光導波路中に形成することに成功した。この回折格子は、レーザー照射後に熱処理を施すという極めて単純なプロセスで形成される。このような耐熱性回折格子を形成した導波路は、熱光学効果を利用した可変フィルターや温度センサーなどに応用できる。

　光ファイバーや光導波路に紫外レーザー光の干渉縞を照射すると、光が強く照射された領域の屈折率が上昇し、干渉縞のピッチに応じた回折格子が形成される。一般に光信号が伝搬するコアと呼ばれる領域はGeO₂-SiO₂ガラスで構成されており、光誘起屈折率変化の原因は、Ge原子周辺の構造が変化するためであるといわれている。しかしながら、その変化は一時的なもので、加熱すると容易に元の状態に戻り、回折格子は消えてしまうという問題があった。

　一方、GeO^₂-SiO₂ガラスにB₂O₃を添加するとレーザー光に対して高感度になり、屈折率変化量が増すことが従来から知られていた。今回はプラズマCVD法でB₂O₃を添加したガラスを作製し、得られた回折格子の耐熱性を調べる過程で発見した新現象。すなわち、GeO₂-B₂O₃-SiO₂ガラス薄膜に従来通りの手法でレーザー照射を行うことで回折格子を形成し、その後、500℃まで加熱するとGeO₂-SiO₂ガラスと同様に回折格子が完全に消えてしまうが、600℃に加熱すると全く同じ周期で、かつ回折効率が10倍以上高い新たな格子が形成される。このような熱的に形成された回折格子は、ガラスが軟化する800℃以上の温度まで再加熱しない限り消えない。

　耐熱性回折格子が形成される過程でB₂O₃がどのような役割を担っているのか、原因は今のところはっきり分かっていない。B₂O₃を添加したガラス薄膜では、600℃での熱処理によって紫外域に特異的な強い吸収が生じ、それに伴って屈折率が大きく上昇するが、その吸収強度は熱処理前にレーザーを照射しておくと抑えられる。つまり、レーザーを照射しない方が熱的に誘起される屈折率上昇が大きいのである。したがって、図1に示すようにレーザー誘起格子と熱誘起格子は全く逆の屈折率パターンになっているのではないかと考えられる。このような現象は回折格子の周期が数百ナノメートル以下でなければ現れにくいことから、ナノレベルの極微領域でのみ強調される特異現象といえよう。

　産業技術総合研究所では、今回開発した耐熱回折格子をチャネル型導波路のコアに形成し、図２に示すように期待通りの高い安定性を示すことを確認した。今後は、極めて高い長期信頼性が要求される光通信用可変フィルターや、耐熱性が要求される温度や圧力などのセンサーへの実用化を図る。

図1　屈折率が周期的に変化した耐熱回折格子の形成モデル

図2　試作した導波路フィルターの模式図（左）と実測スペル。 400℃まで加熱した後もスペクトルは全く変化しない