JP2000250078A

JP2000250078A - 非線形光学素子

Info

Publication number: JP2000250078A
Application number: JP11054437A
Authority: JP
Inventors: Osamu Maruyama; 修丸山; Shigeaki Omi; 成明近江
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 2000-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】光波長に比べて十分に小さい微粒子を透明マ
トリックス中に分散させた非線形光学材料を利用して、
高速・高効率で動作する非線形光学素子を提供する。【解決手段】非線形光学特性を示す非線形光学材料１
の光入射面側または光出射面側の少なくとも一方に近接
して光を収束するレンズ媒体２，３を設けて、非線形光
学材料より出射する光の広がりを抑制する。非線形光学
材料を、材料の放熱を促すためのヒートシンク６により
複数のドット状あるいは蜂の巣状領域に区画し、レンズ
媒体２を区画した各領域内に光を集束するように配設す
ることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非線形光学材料を
用いた非線形光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光の波長に比べて十分に小さい微粒子を
ガラス、高分子、結晶等、対象とする光線に対して透明
なマトリックス中に分散させた材料において３次の非線
形光学特性が観察されており、当該材料（以下「非線形
光学材料」という）が比較的大きな非線形感受率を示す
こと、また、数ピコ秒という高速の非線形光学応答を示
すことなどが既に報告されている（例えば、Opt.Lett.1
2.832(1987)、Apll.Phys.,A47,347(1988)、J.Chem.Soc.
Japan,101,1340(1993)など参照）。

【０００３】このような数ピコ秒の高速応答によって得
られるデジタル光信号のスイッチング帯域は、テラビッ
ト／秒以上となり、このため非線形光学材料は、光スイ
ッチ素子や光コンピュータなどの材料として注目されて
いる。このような透明マトリックス中に微粒子を分散さ
せた従来の非線形光学材料には、上述した数ピコ秒とい
う非線形光学応答（以下「速い応答」という）のほか
に、数100ピコ秒程度の非線形光学応答（以下「遅い応
答」という）が存在する（J.0pt.Soc.Am.,B7.790（199
0））。

【０００４】このような遅い応答が存在する非線形光学
材料を用いて光スイッチなどの素子を作製すると、前記
の遅い応答のため、デジタル光信号のスイッチング帯域
は高々数ギガビット／秒にとどまる。遅い応答は、入射
光の吸収によって微粒子内に発生した熱が当該微粒子に
蓄えられることによって生じる。そこで、特開平8-3280
62では、微粒子分散層を金属膜などのヒートシンク薄膜
で挟み、微粒子に堆積した遅い応答成分の基である熱成
分を除去する手法が提案されている。また、提案された
非線形光学材料を光導波路の途中に形成した溝に挿入す
る構成による非線形光学素子が提案されいる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記文
献において提案されている非線形光学素子は、図７に示
すように、形成したマッハツェンダー型光導波路の途中
に溝を形成し、その部分に非線形光学材料を挿入した構
成を採っている。このような構成では、非線形光学材料
を厚くすると導波路端から挿入された光は非線形光学材
料を伝搬する間に放射状に広がり、再び光導波路に結合
する際に光損失が発生する。一方、非線形光学材料を薄
くし伝搬中の光損失をほぼ発生させないようにするに
は、材料の厚さを１００μｍ程度にすることが必要とな
り、材料の薄さのため素子形成における取扱が非常に困
難となる。

【０００６】また、低速応答成分を除去するためヒート
シンクを用いる非線形光学材料は、図８に示すような非
線形光学材料とヒートシンクからなる薄膜の多層構造を
有する。この多層構造の材料に信号光および制御光を入
射するときは、膜面の垂直方向から行う。このとき、光
が多層膜を通過するのにともない、発散や反射によって
光損失が発生し光強度の低下が生じる。

【０００７】特に、ヒートシンク層が金属種である場
合、光が通過する際の吸収による損失影響を抑制するた
め、その厚みを100nm以下と制限している。しかし、厚
み100nm以下のヒートシンク層では、ヒートシンク層が
金属の場合の熱伝導度と電気伝導度の関係（ウィーデマ
ン・フランツの法則）から、その電気伝導度はヒートシ
ンク材料のバルク状態に比べ一桁以上も低くなり、ヒー
トシンクとして不十分となる。また、非線形光学材料膜
内に分散している微粒子で特にヒートシンク膜に近いと
ころに存在する微粒子は熱伝導を抑制する効果が得られ
るが、非線形光学材料膜内の中心部に存在する微粒子は
ヒートシンク膜の効果が得られにくくなり、遅い応答成
分が残存する可能性が高い。本発明の目的は、上記問題
を解決し、高速および高効率で動作する非線形光学素子
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の非線形光学素子は、非線形光学特性を示す非線形
光学材料の入出射面の少なくとも一方に近接してレンズ
媒体を設けて出射光の広がりを抑制することを特徴とす
る。本構造によると、光の入出射の際に光損失発生を抑
えることが可能となる。また、２次元配列が可能とな
り、光コンピュータなどへの応用が可能となる。

【０００９】さらに、上記目的の一つであるヒートシン
クの膜厚を十分厚くしヒートシンク効果を損なうことな
く低速応答成分除去を達成する方法は、ヒートシンク効
果が十分発揮できる厚さ100nm以上のヒートシンク薄膜
に、薄膜を貫通するようにドット状あるいは蜂の巣状に
形成した非線形光学材料を埋め込こんだ構成を持った材
料を用いるものである。上記構成にすることで、ヒート
シンク材料を厚さ100nm以上設けることが可能となり、
十分ヒートシンク効果を発揮できる。ドット状あるいは
蜂の巣状に形成した非線形光学材料は、周知のフォトリ
ソグラフィー技術等を用いることで容易に作製できる。
上記に記載したように、入射光はレンズ媒体を通り、非
線形光学材料へ直接入射されるか、もしくは、レンズ媒
体のある基板を通過した後に非線形光学材料に入射され
る。その後、再びレンズ媒体によって出射される。

【００１０】ここで微粒子を透明マトリックス中に分散
させて得られる非線形光学特性を示す非線形光学材料に
用いられるマトリックス材料は、光吸収係数αが概ね10
cm^-1以下のものが好ましい。光吸収係数αが概ね10cm-1
以下の材料として、シリカガラス，ケイ酸塩ガラス，ホ
ウ酸塩ガラス，リン酸塩ガラス，フッ化物ガラスおよび
カルコゲナイドガラス等のガラスや、二酸化チタン，ニ
オブ酸リチウム，ニオブ酸タンタル，三酸化二アルミニ
ウム等の結晶、そしてポリテトラフルオロエチレン，ポ
リフルオロエチルメタクリレート，ポリ（4-メチル-1-
ペンテン），ポリエチルメタクリレート，ポメチルアク
リレート，ジエチレングリコールビスアリルカーボネー
ト，ポリシクロヘキシルメタクリレート，ポリ（2-クロ
ロエチルメタクリレート），ポリ（2-ブロモエチルメタ
クリレート），スチレン・アクリロニトリルコポリマ
ー，ポリベンジルメタクリレート，ポリカーボネート，
ポリスチレン，ポリ（p-ブロモフェニルメタクリレー
ト），ポリビニルナフタレン，ポリビニルカルバゾー
ル，ペンタブロモフェニルメタクリレート等の高分子材
料など、各種のガラス、結晶および高分子材料が挙げら
れる。

【００１１】本発明の非線形光学材料は、上述したマト
リックス薄膜中に微粒子が分散され、非線形光学特性を
発現し得るものであれば特に限定されるものではない。
ただし、非線形光学材料に非線形光学応答を発現させる
ための光としては、当該非線形光学材料中に分散されて
いる微粒子の吸収ピーク近傍の波長の光を使用すること
が好ましく、また、非線形光学素子を用いた光学系で
は、通常、波長300〜2000nmの光が使用されることか
ら、上記の微粒子は、非線形性を増大させる吸収ピーク
が300〜2000nmの波長域内にあるものが好ましい。

【００１２】従って、微粒子材料としては、金属微粒
子、半導体微粒子の単独もしくは複合微粒子が好まし
く、特に、Cu, Au, Ag, Sn, Pt, Pd, Ni, Co, Rh, Ir,
Al, Fe,Ru, Os, Mn, Mo, W, Nb, Ta, Bi, SbおよびPbか
らなる金属群より選ばれた金属単体あるいは前記金属群
より選ばれた金属同士の合金からなる微粒子、もしくは
Si, Ge, AlSb, InP, GaAs, GaP, ZnS, ZnSe, ZnTe, Cd
S, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, SeTe, CuCl, CuBr,
CuI, TlCl, TlBr, TlI, Si_xGe_(1-x)(0≦x≦1), Zn _xCd_yP
b_(1-x-y)S_zSe_wTe_(1-z-w)(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,0≦
w≦1)およびTl_xCu₍ _1-x)Cl_yBr_zI_(1-y-z)(O≦x≦1,O≦y≦
1,O≦z≦1)からなる半導体群より選ばれた半導体からな
る微粒子であることが好ましい。

【００１３】上述した微粒子は、当該微粒子をマトリッ
クス中に分散させることによって非線形光学材料を得る
ことができるサイズを有するものであればよいが、実用
上は、そのサイズが1〜500nmであるものが好ましい。微
粒子のサイズが1nm未満では、この微粒子をマトリック
スに分散させることによって発現する非線形光学特性が
微弱になり、非線形光学素子に利用することができる非
線形光学材料を得ることが困難になる。

【００１４】一方、微粒子のサイズが500nmを超える
と、この微粒子をマトリックスに分散させることによっ
て発現する非線形光学特性が微弱になる他、当該微粒子
による光散乱が強くなって光損失が増大するので、非線
形光学素子に利用することができる非線形光学材料を得
ることが困難になる。微粒子のサイズは1〜100nmである
ことが特に好ましい。ここで、本明細書でいう微粒子の
サイズとは、微粒子の形状が球形である場合にはその直
径を意味し、微粒子の形状が非球形である場合には長手
方向の長さ（最長寸法）を意味する。

【００１５】前述したマトリックスに分散させる微粒子
は、その材質からみて1種であってもよいし複数種であ
ってもよい。また、非線形光学材料に占める微粒子の割
合は、目的とする非線形光学材料の用途、微粒子の材
質、マトリックスの材質等に応じて適宜変更可能であ
る。

【００１６】また、光の入出射の際に用いるレンズ媒体
は、光が通過するため、その材料としては光吸収係数α
が概ね10cm^-1以下のものが好ましい。好ましい材料とし
ては、前述した微粒子を分散するマトリックス材料と同
様のものが挙げられる。特に有効な材料は、非線形光学
材料に用いるマトリックス材料と同等の材料を用いるこ
とが望ましい。同等材料を用いることで、レンズ媒体材
料の屈折率と非線形光学材料の屈折率の差が発生しない
ため、反射損失がないものが得られることとなる。

【００１７】レンズ媒体の形状は、凸形状のレンズのほ
か、基板内に埋め込まれた埋め込み型レンズなどでも良
く、入出射光を制御できれば形状には拘らない。また、
グレーティングレンズなどを用いても、あるいは上記レ
ンズの組合わせでも良い。凸形状のレンズを非線形光学
材料の表面につける代わりに、レンズが形成された基板
を非線形光学材料の光入射面側または光出射面側に設け
ることがより望ましい。このような構成では、非線形光
学材料が薄い場合でもより丈夫な基板が存在するため非
線形光学素子として十分な強度が得られまた素子の取り
扱いが容易になり、さらにレンズの主面と非線形光学材
料との間隔をほぼ基板の厚み分長くとれるのでレンズの
焦点距離に余裕を持たせることができるからである。な
お、基板にレンズが設けられている場合、その基板と非
線形材料を近接させることにより非線形光学材料とレン
ズを近接させることができる。したがって、本発明の技
術的思想上、基板を含めてレンズ媒体と考えることがで
きる。

【００１８】ヒートシンク材料は遅い応答の原因である
熱を除去するため、その熱伝導率は20W/mK以上あること
が好ましい。熱伝導率が20W/mK以上ある薄膜材質として
具体的に、Ag, Al, Au, Cd, Co, Cr, Fe, In, Mg, Ni,
Sr, V, Cu, Ga, Ir, Mo, Si,Ti, Zn,ダイヤモンド,GaA
s, GaP, InP, SiC, A1₂0₃, YAG, MgOおよびY₂0₃などが
挙げられる。中でもAg, Al, Au, Cr, Cu, Si, Ti, ダイ
ヤモンド, SiC, A1₂0₃, MgO およびY₂0₃が好ましい。

【００１９】なお、ドット状あるいは蜂の巣状に配列さ
れた微粒子分散材料の境界にヒートシンク層を設けてい
るため、信号光および制御光がこの部分を通過する際、
そのヒートシンク部分の吸収や屈折率差による反射・発
散によって損失の原因となる。そこでその損失をよりよ
く抑制するため、ヒートシンク材料としては、マトリッ
クス材料と同等の屈折率を持ち、信号光および制御光に
対して吸収の小さい材料が好ましい。このため、可視域
から近赤外で吸収の低いダイヤモンド, A1₂0₃,MgOおよ
びY₂0₃が特に好ましい。

【００２０】上記ヒートシンク膜内に構成するドット状
あるいは蜂の巣状に形成された非線形光学材料のサイズ
はより小さくしヒートシンク膜と近接するようにして、
微粒子に堆積する熱成分がヒートシンク伝達され易くす
ることが望ましい。しかしながら、その径は使用する信
号光および制御光の波長以上を必要とする。波長以下で
あると光が通過しないため非線形光学材料として機能し
ない。

【００２１】また、隣り合うドットあるいは蜂の巣形状
の非線形光学材料との間隔はより近くして、密に微粒子
分散材料部を形成することが望ましい。より密接にする
ことで、信号光および制御光のヒートシンク膜における
吸収などによる損失を防ぐことが可能となる。しかし、
ヒートシンク膜が微粒子に堆積する熱成分を除去する効
果を発揮するため、少なくとも100nm以上の間隔を必要
とする。なお、ヒートシンク膜内に構成する非線形光学
材料の形状は、蜂の巣状の方が好ましい。蜂の巣状であ
れば、パターン化された非線形光学材料間に存在するヒ
ートシンクの幅が一定となるため、熱的および電気的な
揺らぎが発生しにくくなるからである。

【００２２】本発明によれば、入出射光の損失が発生す
ることなく非線形光学材料を用いた光スイッチ素子など
を作製することができ、かつ、２次元的な配列も可能と
なることから光コンピュータや空間スイッチなどへの応
用も可能となる。また、熱伝導率20W/mK以上のヒートシ
ンク薄膜内に、ドット状あるいは蜂の巣状に微細加工し
た非線形光学材料を導入したことにより、微粒子に蓄積
する熱的成分を高いヒートシンク効果で除去することが
できるためテラビット／秒オーダーでの光スイッチング
動作が実現できることとなる。以上のことより、本発明
の非線形光学材料を用いると、遅い応答を含めた応答時
間が数ピコ秒程度で100Gbit/sの高帯域デジタル光信号
のスイッチングが可能で、しかも、安定性や信頼性の高
い光スイッチ素子の作製が可能になる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明について実施例に基
づき図面を参照して詳細に説明する。本発明の非線形光
学素子は図１に示す構成を基本としており、非線形光学
材料１の入出射面の少なくとも一方にレンズ媒体２，３
を用いたことを特徴とする。入射面にレンズ媒体２を設
けたものは、入射光４が収束しながら非線形光学材料１
に入射するので、発散による損失を抑制することができ
る。また出射面にレンズ媒体３を設けて、非線形光学材
料１からの出射光５にレンズ媒体４が作用するようにす
れば、再び光導波路に結合する場合の光損失を抑制する
ことが可能となる。また、本構成の非線形光学素子は、
図２に示すように２次元配列にした面状機能素子として
形成することが可能になり、光コンピュータなどに容易
に応用できる。

【００２４】また、図３に示すように、本発明の非線形
光学素子は、非線形光学材料を光路に沿って見たとき
に、非線形光学材料１がヒートシンク６により複数の領
域に区画されており、レンズ媒体２が区画された各領域
内に光を集束する作用を持つように構成されていてもよ
い。ヒートシンク６の膜厚を厚くしヒートシンク効果を
十分発揮して低速応答成分除去を達成するためには、図
４に示すように、ヒートシンク薄膜６にドット状（図４
（ａ））あるいは蜂の巣状（図４（ｂ））に形成した非
線形光学材料１を埋め込こんだ構成を持った材料を用い
る。上記構成にすることで、ヒートシンク材料６を厚さ
100nm以上設けることが可能となり、十分ヒートシンク
効果を発揮できる。ドット状あるいは蜂の巣状に形成し
た非線形光学素子は、周知のフォトリソグラフィー技術
等を用いることで容易に作製できる。

【００２５】レンズ媒体２のレンズ光軸が非線形光学素
子１の光軸に合致するように配置して非線形光学材料表
面にエポキシ系接着剤を用いて接着する。また、非線形
光学材料の上下面にそれぞれレンズ媒体２，３を接着す
るときは入出力光の光軸ずれが起こらないように両方の
レンズ光軸が一致するように位置を合わせる。なお、図
５に示すように、集光用レンズ２，３をそれぞれ基板
７，８に埋め込んだ埋め込み型レンズをレンズ媒体とし
て使用することもできる。

【００２６】また、図６に示すように、出射光用レンズ
媒体を使わずに、非線形光学素子の出射面に光ファイバ
９の端面を接合して、直接出射光を導入するようにする
こともできる。入射光４はレンズ媒体２を通り、非線形
光学材料１へ直接入射されるか、もしくは、レンズ媒体
２のある基板を通過した後に非線形光学材料１に入射さ
れる。その後、再びレンズ媒体３によって出射される。
以下、具体例に即して本発明の構成・作用・効果をさら
に詳しく説明する。

【００２７】

【実施例１】直径20μｍ、焦点距離１mmの平板マイクロ
レンズを250μｍピッチで蜂の巣状に備えたSiO₂基板
（厚さ1mm）の平板マイクロレンズを有していない面
に、SiO₂ターゲットとAu薄片の同時スパッタリングによ
って300nmの膜厚のAu微粒子分散SiO₂薄膜を成膜する。
その後、Au微粒子を析出させるために600℃、大気中で
約20時間熱処理を施す。この熱処理によって得られたAu
微粒子サイズは、直径約30nmであった。次に、上述した
平板マイクロレンズを有する基板の平板マイクロレンズ
の存在しない面を非線形光学材料表面に接着する。接着
は光学部品で一般的に使用されるエポキシ系接着剤を用
いて行った。また、接着の際に、入出力光の光軸ずれが
起こらないように各平板マイクロレンズの中心が一致す
るように位置を合わせる。

【００２８】上記方法にて作製した非線形光学素子の入
出射光の損失は、主に非線形光学材料部の微粒子の吸収
によるものであった。平板マイクロレンズ−非線形光学
材料−平板マイクロレンズ試料の適当な２０箇所につい
て光伝搬損失を測定した結果、微粒子の吸収ピーク波長
630nmにおいて2.5〜2.9dBであった。非線形光学材料部
のみの損失は、光吸収スペクトルの結果から、2.1dBと
見積もることができるので、0.4〜0.8が上記非線形光学
材料素子中を光が伝搬する際に余剰的に発生した損失で
あり、素子間のばらつきとなる。この値は、非常に小さ
く非線形光学材料素子として、十分実用化が可能となる
ものである。

【００２９】

【比較例１】平板マイクロレンズを用いないこと以外
は、実施例１と同様にして、非線形光学材料素子を作製
した。実施例１と同様にして光損失を測定したところ、
任意の１０カ所における光損失は9.7〜10.4dBであっ
た。非線形光学材料部分の損失を差し引くと、7.6〜8.3
dBであり、光損失が大きく非線形光学材料素子とは不十
分であることがわかった。

【００３０】

【実施例２】非線形光学材料を蜂の巣状にパターン化し
その隙間にアルミニウムを用いてヒートシンク膜を形成
する以外は、実施例１と同様にして、平板マイクロレン
ズ付非線形光学材料素子を作製した。非線形光学材料を
蜂の巣状に形成する方法として、フォトリソグラフィー
技術を用いた。まず、平板マイクロレンズを有する基板
の平板マイクロレンズの存在しない面に、直径0.8μｍ
でドット状に0.2μｍピッチの円形開口レジストパター
ン（レジスト厚600nm）を作製する。その後、レジスト
パターンを設けた基板の裏面上に、実施例１で用いた方
法で非線形光学材料を形成する。形成後に、基板をアセ
トンなどの有機溶剤中に浸しレジストパタ−ン部を除去
する。そうすることにより平板マイクロレンズパタ−ン
と同位置に所望の微粒子分散薄膜を設けることができ
る。その後、熱処理を実施しAu微粒子を析出させる。

【００３１】次に、再びフォトリソグラフィー技術によ
り非線形光学材料パターン上へのみ、厚さ2μｍのレジ
ストパターンを形成する。そして、その上層にAlを蒸着
する。このときAlの膜厚は非線形光学材料と同じにして
いる。蒸着後、アセトン中に全体を浸しレジスト膜を除
去する。レジスト上に成膜したAlも同時に剥離でき、微
粒子分散薄膜パターンの間にAlが埋った状態となる。最
後に、上述した平板マイクロレンズを有する基板の平板
マイクロレンズの存在しない面を微粒子分散薄膜とAlの
面に当て、各微粒子薄膜パターンの中心と各平板マイク
ロレンズの中心が一致して信号光および制御光の損失に
ならないように平板マイクロレンズの位置合わせを行
い、２つの基板をエポキシ系接着剤等にて硬化させる。

【００３２】上記方法にて作製した非線形光学素子にお
いてヒートシンク膜の形成にともなう入出射光の損失は
0.8dBであった。これは、ヒートシンク膜に金属であるA
lを採用したことにより、光の吸収が発生したためであ
る。任意の２０カ所で光伝搬損失を測定した結果、微粒
子の吸収ピーク波長630nmにおいて3.3〜3.7dBであっ
た。非線形光学材料部のみの損失は、2.1dBであること
から、1.2〜1.6dBが過剰損失となった。

【００３３】次に、この非線形光学材料素子の非線形応
答速度をポンプ−プローブ法の測定装置を用いて測定し
た。その結果、波長600nmのポンプ光（パルス幅100フェ
ムト秒）と白色光（パルス幅100フェムト秒）を入射し
て、透過光の強度変化から非線形応答を測定したが、応
答時間2ピコ秒を越える遅い応答は観測されなかった。
また、上記100フェムトパルス光を10ピコ秒間隔で入射
し続け、上述と同様に非線形応答挙動を測定したが、非
線形応答上述の単パルス入射測定の場合と同様であっ
た。したがって、この非線形光学材料は、100Gbit/sの
高帯域デジタル光信号のスイッチング動作が可能である
ことが実証された。

【００３４】

【比較例２】Au微粒子分散SiO₂薄膜およびAlヒートシン
ク膜の厚さを50nmとする以外は、実施例１と同様にし
て、平板マイクロレンズ付非線形光学材料素子を作製し
た。光損失は、実施例１と同等であった。ポンプ−プロ
ーブ法の測定装置を用いて上記材料の非線形応答速度を
測定した。波長600nmのポンプ光（パルス幅100フェムト
秒）と白色光（パルス幅100フェムト秒）を入射して透
過光の強度変化から非線形応答を測定した結果、応答時
間２ピコ秒を越える遅い応答時間80ピコ秒が観測され
た。Alヒートシンク膜厚が薄すぎて熱伝導が十分に機能
しないためである。よって、この非線形光学材料は、10
0Gbit/sの高帯域デジタル光信号のスイッチング動作はS
/N比の面から不十分であることがわかった。

【００３５】

【比較例３】パターン化した非線形光学材料薄膜部の一
つの径を20μｍとする以外は、実施例１と同様にして、
平板マイクロレンズ付非線形光学材料素子を作製した。
その結果、ヒートシンク形成にともなう光損失が回避さ
れた。ポンプ−プローブ法の測定装置を用いて上記材料
の非線形応答速度を測定した。波長600nmのポンプ光
（パルス幅100フェムト秒）と白色光（パルス幅100フェ
ムト秒）を入射して透過光の強度変化から非線形応答を
測定したところ、応答時間2ピコ秒を越える遅い応答時
間150ピコ秒が観測された。また、上記100フェムトパル
ス光を10ピコ秒間隔で繰り返し入射して、上述と同様に
非線形応答挙動を測定したが、上述の単パルス入射時よ
り遅い応答時間250ピコ秒が観測された。よって、この
非線形光学材料は、100Gbit/sの高帯域デジタル光信号
のスイッチング動作はS/N比の面から不十分であること
がわかった。

【００３６】

【実施例３】直径10μｍ、焦点距離0.5mmの平板マイク
ロレンズを125μｍピッチで蜂の巣状に備えたTiO₂結晶
基板（厚さ0.5mm）の平板マイクロレンズを有していな
い面に、非線形光学材料となるAg微粒子分散TiO₂薄膜を
交互に200nm厚をスパッタリングにて形成する。Ag/TiO₂
交互薄膜は、Ag微粒子6層（10nm／層）とTiO₂マトリッ
クス7層(20nm／層)からなり、成膜中の基板温度は600℃
で、成膜条件は、それぞれAgターゲット、Arガス10scc
m、RF25W、成膜時間5分とTiターゲット、Ar10sccm＋O₂1
0sccm、RF300W、成膜時間60分である。

【００３７】次に、フォトリソグラフィー技術を用い、
蜂の巣状に対角線径１μｍの正六角形パターンを1.2μ
ｍピッチで残存レジストパターンを作製する。その後、
反応性リアクティブイオンエッチング装置にてレジスト
パターンを設けた基板を、CF ₄ガス30sccm、RF300Wにて
エッチングする。エッチング後、レジストパターンを残
したままAl₂O₃薄膜をスパッタリング法によって作製す
る。作製後、アセトン中でレジストを除去すると正六角
形のAg微粒子分散TiO₂膜パターンの隙間にAl₂O ₃を埋め
込んだ形が形成される。最後に、上述した基板と同じ基
板の平板マイクロレンズの存在しない面を、微粒子分散
薄膜とAlヒートシンクからなる面に張り合わせ、信号光
および制御光の損失にならないように平板マイクロレン
ズの位置合わせを行い、２つの基板をエポキシ系接着剤
等にて硬化させる。

【００３８】上記方法にて得られた非線形光学素子の過
剰損失は、0.6dBであった。また、ポンプ−プローブ法
の測定装置を用いて非線形応答速度を測定したところ、
波長520nmのポンプ光（パルス幅100フェムト秒）と白色
光（パルス幅100フェムト秒）を入射して透過光の強度
変化から非線形応答を測定したときに、応答時間2ピコ
秒を越える遅い応答は観測されなかった。また、上記10
0フェムトパルス光を10ピコ秒間隔で繰り返し入射し
て、上述と同様に非線形応答挙動を測定したが上述の単
パルス入射測定の場合と同様であった。したがって、こ
の非線形光学材料は、100Gbit/sスイッチング動作が可
能であることが実証された。

【００３９】

【実施例４】直径25μｍ、焦点距離1mmの平板マイクロ
レンズを125μｍピッチで蜂の巣状に備えたSiO₂基板
（厚さ1mm）の平板マイクロレンズを有していない面
に、CdTe微粒子分散ガラス厚さ0.5mmを紫外線硬化樹脂
を用いて接着する。接着後、CdS分散ガラス面を研磨
し、CdS分散ガラス層を0.1mmとする。次に、反応性リア
クティブイオンエッチング装置にてレジストパターンを
設けた基板を、C₂F₆ガス50sccm、RF450Wにてエッチング
し、CdS分散ガラス層を200nmとする。

【００４０】その後、フォトリソグラフィー技術を用
い、正六角形の対角線径１μｍで蜂の巣状に1.2μｍピ
ッチの残存レジストパターンを作製する。再び、反応性
リアクティブイオンエッチング装置にてレジストパター
ンを設けたCdS分散ガラス面を、C2F₆ガス50sccm、RF450
Wにてエッチングする。エッチングによって得られた正
六角形パターンの隙間にAl薄膜を蒸着によって形成す
る。最後に、上述したSiO₂基板と同じ基板の平板マイク
ロレンズの存在しない面を、微粒子分散薄膜とAlヒート
シンクからなる面に張り合わせ、信号光および制御光の
損失にならないように平板マイクロレンズの位置合わせ
を行い、２つの基板を紫外線硬化樹脂にて硬化させる。

【００４１】上記方法にて得られた非線形光学素子のヒ
ートシンク部における過剰損失は、1.0dBであった。ま
た、ポンプープローブ法の測定装置を用いて非線形応答
速度を測定したところ、波長680nmのポンプ光（パルス
幅100フェムト秒）と白色光（パルス幅100フェムト秒）
を入射して、透過光の強度変化から非線形応答を測定し
たときに応答時間２ピコ秒を越える遅い応答は観測され
なかった。また、上記100フェムトパルス光を10ピコ秒
間隔で入射し続け、上述と同様に非線形応答挙動を測定
したが、上述の単パルス入射測定の場合と同様であっ
た。したがって、この非線形光学材料は、100Gbit/sの
高帯域デジタル光信号のスイッチング動作が可能である
ことが実証された。

【００４２】

【実施例５】直径20μｍ、焦点距離1mmの平板マイクロ
レンズを250μｍピッチで蜂の巣状に備えたAl₂O₃基板
（厚さ1mm）の平板マイクロレンズを有していない面
に、市販のイオン注入装置を用いてAg+イオンをドーズ
量が1x10^-16イオン／cm²になるまで注入し、この後、Ar
ガス雰囲気中において500℃で12時間熱処理を行い、目
的とする微粒子分散非線形光学材料を得る。

【００４３】次に、フォトリソグラフィー技術を用い、
直径１μｍで蜂の巣状に0.2μｍピッチの残存レジスト
パターンを作製する。その後、反応性リアクティブイオ
ンエッチング装置にてレジストパターンを設けた基板
を、CF₄ガス25sccm、RF350Wにてエッチングし、深さ250
nmの溝を作製する。エッチングによって得られた円形パ
ターンの隙間に、再びフォトリソグラフィー技術を用い
てAl薄膜を蒸着によって250nm厚形成する。後に、上述
した基板と同じ基板の平板マイクロレンズの存在しない
面を、微粒子分散薄膜とAlヒートシンクからなる面に張
り合わせ、信号光および制御光の損失にならないよう
に、２つの基板をエポキシ系接着剤等にて硬化させる。

【００４４】上記方法にて得られた非線形光学素子のヒ
ートシンク部における光損失は、0.7dBであった。ま
た、ポンプープローブ法の測定装置を用いて非線形応答
速度を測定したところ、波長470nmのポンプ光（パルス
幅100フェムト秒）と白色光（パルス幅100フェムト秒）
を入射して、透過光の強度変化から非線形応答を測定し
たときに応答時間3ピコ秒を越える遅い応答は観測され
なかった。また、上記100フェムトパルス光を10ピコ秒
間隔で繰り返し入射して、上述と同様に非線形応答挙動
を測定したが、上述の単パルス入射測定の場合と同様で
あった。したがって、この非線形光学材料は、100Gbit/
sの高帯域デジタル光信号のスイッチング動作が可能で
あることが実証された。

【００４５】次に、実施例６から１２について説明す
る。これら実施例は、主な条件を共通にしいくつかの条
件を変更して作製した非線形光学素子であって、性能を
測定したところ、それぞれ100Gbit/sの高帯域デジタル
光信号のスイッチング動作が可能であることが実証され
た。

【００４６】すなわち、各実施例の非線形光学素子は、
直径20μｍ、焦点距離1mmの平板マイクロレンズを250μ
ｍピッチで蜂の巣状に備えたSiO₂基板（厚さ1mm）の平
板マイクロレンズを有していない面に、長径が（ａ）μ
ｍ、ピッチが（ｂ）μｍの円形パターンを有する厚さ25
0nmの非線形光学材料（成分（ｃ）の微粒子を分散した
微粒子分散SiO₂薄膜）とパターン形成した非線形光学材
料間に形成した材料（ｄ）からなる厚さ250nmのヒート
シンク膜を設けた後、上述した基板と同じ基板の平板マ
イクロレンズの存在しない面を、非線形光学材料とヒー
トシンク材料からなる面に張り合わせ、信号光および制
御光の損失にならないように、２つの基板をエポキシ系
接着剤等にて硬化させて得たものである。

【００４７】上記方法にて得られた非線形光学素子の過
剰損失（ｅ）と、ポンプ−プローブ法の測定装置を用い
て非線形応答速度を測定した応答時間を示す。非線形応
答速度は、測定波長（ｆ）を有するポンプ光（パルス幅
100フェムト秒）と白色光（パルス幅100フェムト秒）を
入射して、透過光の強度変化から非線形応答を測定して
応答時間（ｇ）を求めた。これら実施例では応答時間３
ピコ秒を越える遅い応答は観測されなかった。また、上
記100フェムトパルス光を10ピコ秒間隔で入射し続け、
上述と同様に非線形応答挙動を測定したが、上述の単パ
ルス入射測定の場合と同様であった。したがって、これ
らの非線形光学材料は、100Gbit/sの高帯域デジタル光
信号のスイッチング動作が可能であることが実証され
た。

【００４８】以下、各実施例について、上述した実施例
説明文の（ａ）パターン化した非線形光学材料の直径（ｂ）パターン化した非線形光学材料のピッチ（ｃ）微粒子材料（ｄ）ヒートシンク材料（ｅ）過剰損失値（ｆ）応答時間測定波長（ｇ）応答時間を示して、説明を省略する。

【００４９】

【実施例６】（ａ）0.8μｍ（ｂ）1.1μｍ（ｃ）CdTe微粒子（ｄ）Au（熱伝導率；310W/mK）（ｅ）1.6dB （ｆ）680nm （ｇ）2ps

【００５０】

【実施例７】（ａ）2μｍ（ｂ）2.3μｍ（ｃ）Si微粒子（ｄ）Cu（熱伝導率；400W/mK）（ｅ）1.3dB （ｆ）1064nm （ｇ）2.5ps

【００５１】

【実施例８】（ａ）2.5μｍ（ｂ）2.7μｍ（ｃ）Si微粒子（ｄ）Ti（熱伝導率；21W/mK）（ｅ）1.15dB （ｆ）1064nm （ｇ）2ps

【００５２】

【実施例９】（ａ）2μｍ（ｂ）2.3μｍ（ｃ）Ge微粒子（ｄ）SiC（熱伝導率；490W/mK）（ｅ）1.5dB （ｆ）1064nm （ｇ）2.5ps

【００５３】

【実施例１０】（ａ）1μｍ（ｂ）1.3μｍ（ｃ）Cu微粒子（ｄ）Y₂O₃（熱伝導率；25W/mK）（ｅ）0.4dB （ｆ）590nm （ｇ）2ps

【００５４】

【実施例１１】（ａ）0.8μｍ（ｂ）1.2μｍ（ｃ）Sn微粒子（ｄ）Al₂O₃（熱伝導率；35W/mK）（ｅ）0.7dB （ｆ）532nm （ｇ）2.4ps

【００５５】

【実施例１２】（ａ）0.7μｍ（ｂ）1.0μｍ（ｃ）Ag微粒子（ｄ）MgO（熱伝導率；48W/mK）（ｅ）0.8dB （ｆ）410nm （ｇ）1.8ps

【００５６】

【実施例１３】（ａ）0.7μｍ（ｂ）1.0μｍ（ｃ）CuCl微粒子（ｄ）Si（熱伝導率；148W/mK）（ｅ）1.6dB （ｆ）385nm （ｇ）1.9ps

【００５７】

【実施例１４】（ａ）6μｍ（ｂ）6.2μｍ（ｃ）PbS微粒子（ｄ）Si（熱伝導率；148W/mK）（ｅ）1.0dB （ｆ）1300nm （ｇ）2ps

【００５８】

【実施例１５】（ａ）8μｍ（ｂ）8.3μｍ（ｃ）PbSe微粒子（ｄ）Si（熱伝導率；148W/mK）（ｅ）0.8dB （ｆ）1530nm （ｇ）2.5ps

【００５９】

【実施例１６】（ａ）4μｍ（ｂ）4.4μｍ（ｃ）GaAs微粒子（ｄ）Cr（熱伝導率；90W/mK）（ｅ）1.2dB （ｆ）800nm （ｇ）2.5ps

【００６０】

【発明の効果】本発明の非線形光学素子は、テラビット
／秒オーダーの光スイッチング動作が実現でき１００Gb
it/sの高帯域デジタル光信号のスイッチングが可能なの
で、高速で入出射光の損失の少ない信頼性の高い光スイ
ッチ素子などを作製することができ、２次元的な配列も
可能となることから光コンピュータや空間スイッチなど
に応用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非線形光学素子の１実施例を模式的に
表した構造断面図である。

【図２】本実施例において構成した２次元配置素子を表
す斜視図である。

【図３】本実施例の第２の態様を表す構造断面図であ
る。

【図４】図３の非線形光学素子の態様を表す斜視図であ
る。

【図５】本実施例の第３の態様を表す構造断面図であ
る。

【図６】本実施例の第４の態様を表す構造断面図であ
る。

【図７】従来の非線形光学素子の使用法を表した平面図
である。

【図８】従来の非線形光学素子の例を表した構造断面図
である。

【符号の説明】

１非線形光学材料２，３レンズ媒体４入射光５出射光６ヒートシンク７，８基板９光ファイバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非線形光学特性を示す非線形光学材料
と、光を収束するレンズ媒体を備え、前記非線形光学材
料の光入射面側または光出射面側の少なくとも一方に近
接して前記レンズ媒体が設けられていて、前記非線形光
学材料より出射する光の広がりを抑制することを特徴と
する非線形光学素子。
【請求項２】前記非線形光学材料を前記光入射面また
は光出射面側から見たときに、前記非線形光学材料が、
前記材料の放熱を促すためのヒートシンクにより複数の
領域に区画されており、前記レンズ媒体が前記区画され
た非線形光学材料の各領域内に光を集束するためのもの
であることを特徴とする請求項１に記載の非線形光学素
子。
【請求項３】前記非線形光学材料がドット状あるいは
蜂の巣状に区画されていることを特徴とする請求項２に
記載の非線形光学素子。
【請求項４】前記非線形光学材料の一区画の大きさ
が、使用する光の波長以上であり、かつ１０μｍ以下で
あることを特徴とする請求項２または３に記載の非線形
光学素子。
【請求項５】前記区画された非線形光学材料の各領域
が、熱伝導率が２０W/mK以上かつ厚みが１００nm以上の
ヒートシンクにより１００nm以上の間隔で形成されてい
ることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の非
線形光学素子。
【請求項６】前記非線形光学材料が透明マトリックス
中に微粒子を分散したものであることを特徴とする請求
項１〜５のいずれかに記載の非線形光学素子。