JPH05500574A - 位相マッチングされた二次高調波生成用ポリマー導波デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 位相マツチングされた二次高調波生成用ポリマー導波デバイス本発明は、米国国 防省（ＤｅｐａｒＬｍｅｎｔ　ｏｒ　Ｄｅｆｅｎｓｅ）により許諾された契約第 Ｆ３０６０２−８７−Ｃ−０２１８号による米国政府の支持によりなされたもの である。米国政府は、本発明にある権利を保有する１゜（関連特許出願の相互参 照） 本願の主題は、１９８８年１１月９日出願の米国特許出願第２６９．８０２号に 開示されたものと関連している。

（発明の背景） 改善されたデータ記憶域、検索記憶密度およびデータ捕捉率による光デイスク技 術の強化の如き進歩した用途のため４００乃至５００頁ｍの範囲内のコンパクト なダイオード・レーザ光源の開発における関心が増しつつある。

将来性のある短波長ダイオード・レーザ光源に対する幾つかの可能な研究がある 。１口、Ｇａ、Ａｓ、Ａ　１．Ｐおよびｓｂの三元および四元化合物の如き伝統 的なダイオード素材は、短波長レーザを生じるに充分な大きさの直接エネルギ・ ギャップを持たない。青の波長領域におけるダイオード・レーザ光源の開発のた め、多くの他のレーザ素材が研究されてきた。これらの素材は、ＩＩ〜Ｖｌ族の 半導体、量子ウェル（ｗｅｌｌ）物質および硫化カドミウム（ＣｄＳ）の如き他 の広いバンドギャップの半導体を含む。、青の量子ウェル構造はレーザ発光の波 長を短くするが、レーザ発光のための低温条件を必要とする３、また、スペクト ルの青−縁領域におけるダイオード発光の達成を１１標とする■１〜Ｖｌ族の広 いギャップの超格子の研究も行われてきたが、これらの素材は液体窒素温度にお ける冷却を必要とする光ボンブト・レーザを生じるに止まった。４５０〜５００ 頁ｍ領域においてレーザ光を生じることが知られる他の半導体は、ＣｄＳ、Ｚｎ ５ｅ、ＺｎＣｄ５およびＣｄＳｅ５である。これら素材のレーザは、その動作の ためには光または電子ビームのポンピングを必要とする。

直接ダイオード・レーザ光源の実用性のないことから、魅力的な代替策として周 波数層逓倍あるいはパラメトリック・アップコンバージョンによる入手可能なダ イオード・レーザ光源の周波数変換が含まれる。伝統的な周波数変換技術は、リ ン酸二水素カリウ１１（ＫＤＰおよびＫＤ＊Ｐ）、Ｌ　ｉ　ＮｂＯ，、およびＬ ｉ１Ｏ，。

の値が比較的低く、またダイオードのビーム強度が低いため、二次チ高調波テン ソル（ｔｅｎｓｏｒ）への良好なパワー変換を達成するためには例外的に長い単 結晶が要求される。このような大きな結晶寸法は、コンパクトで高耐久性の光記 録システムの設計および製造の妨げとなる。更に、大きな無機物の結晶を提供す ることは困難であり高価につ（。

一般に、古典的な位相マツチング法（例えば、角度同調あるいは熱的同調による ）は、固有の複屈折および屈折率の分散のある組合わせを必要とする。Ｇａｒｉ ｔｏ他のｒＡＣ３Ｓｙｍｐｏｓ　ｉｕｍＪ　（シリーズ第２３３号、１〜２６頁 、１９８３年）の如き文献には、高い二次高調波感受率を有する新しい小さな分 子屋の結晶が報告されている。これらの有機物は通常、高い固有の複屈折および 強い分散を呈し、その結果位相マツチングは単結晶で達成できる。例え高い非線 形の光感受車を有する新しい種類の有機物で位相マツチングが得られても、ダイ オード・レーザの低いビーム・パワーはパワーｌ変換効率を著しく制限する。有 機物の高い複屈折はまた、ビームのウオークオフ（ｗａ　１　ｋ−ｏ　ｆ　ｆ） の故に変換効率を低下させる。。

位相マツチングされた条件を達成する別の手段は、導波路における異なるモード に対する分散特性を用いることである。エネルギは側方には狭く絞られた空間に 閉じ込められるため、高い光強度は比較的低パワーの光源で起り得る。このよう な試みにおいては、通常基本ビー１１の低次モードを励起し、生じた二次高調波 がより高次のモードで伝搬する４、もし導波路の形状と、導波領域およびクラツ ディング領域の屈折率とが下式で表わされるならば、Δβ＝β。（ω、）−β、 （ω２）−βＩ（ωｌ）　＝Ｏ（１）位相マツチング条件が確立される。ここで 、β１は１次のモードの伝搬定数である１、変換効率は、２つのモート間の重な り積分に略々二次的に依存する３、即ち、Ｆ＝ｆＥ、（（ＩＪ、Ｉ、Ｚ）　Ｅ、 、（ω２．　ｚ）　Ｅｌ　（（ＪＪＩ、ｚ）　ｄｚ但し、Ｅは導波路に跨るモー ドの＋ｌＥ規化電化電界る４、一般に、導波路モード間の重なりは制限され、重 なり積分の値もまた小さい。このような試みは、Ｈｅｗｉｇ他のｒｏｐＬｉｃｓ 　Ｃｏｍｍｕｎ、Ｊ　（＋ヱ、３４７．１９８３年）に報告される如き有機物か ら得られた導波路における位相マツチングのため利用される。

しかし、二次高調波変換効率のレヘルは、実際の周波数層逓倍用途に対しては低 すぎる。

本発明にとって特に関心事は、電磁エネルギの周波数変換のための空間的に周期 的な非線形構造に関する文献である。この文献とは、Ｔａｎｇ他のｒｌ　ＥＥＥ Ｊ、ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔ、Ｊ　（ｑ旦二旦、（第１号）９．１９ ７３年）、Ｌｅｖｉｎ６他のｒＡｐｐ　１．Ｐｈｙｓ、Ｌｅ　ｔ　ｔ、Ｊ　２旦 、３７５．１９７５年）、Ｆｃｎｇ他のｒＡｐｐ　１．Ｐｂｙｓ、Ｌｃ　ｔ　ｔ 、ｊ　（３ヱ（７）。

６０７．１９８０年）、および米国特許第３．３８４．４３３号、同第３，４０ ７．３０９号、同第３，６８８，１２４号、同第３．８４２，２８９号、同第３ ゜９３５．４７２号および同第４，０５４，３６２号である。

文献に記載される如き周期的に変調される非線形の光学的な係数を持つ薄膜導波 路は、材料の製造が不利である無機物の光学的な基板であるか、あるいは液晶媒 体または連続的に印加される外部ＤＣ電界を必要とするニトロベンセンの薄膜の 如き液相にある有機物である。

本発明にとって特に関心事は、導波路媒体における１つ以上の物理的パラメータ に関する有効屈折率の変動を規定する分析用語で表わされる如き、ＴＥおよび７ Ｍモードに対する薄膜光導波路の分散特性に関する文献である。関連する文献に は、Ｕｅｓｕｇｉ他の［Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｊ　（４９（９）、４９４５ ．１９７８年）、ＵｅｇｕｇｉのｒＡｐｐ　１．　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅ　ｔ　ｔ、 　Ｊ　（３６（３）、１７８．１９８０年）　、Ｓｔｅｇｅｍａｎ他のｒＮｏｎ ｌｉｎｅａｒ　０ｐｔｉｃｓ：　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎ ｔｅｒｎａｔｉｏｎａＩ　５ｃｈｏｏｌ　ｏｒ　ＭａＬｃｒｉａｌＳ　５ｃｉｅ ｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｂｎｏｌｏｇｙ、Ｅｒ１ｃｃ、５ｉｃｉｌｙ、　Ｊｕｌ Ｙ　１　１４，１９８５Ｊ　（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｃｒｌａｇ、３１〜６５頁 ）　、Ｏｓ　ｔ　ｒｏｗｓｋｙのｒｌｎＬｃｇｒａＬｃｄ　０ｐＬｉｃｓＪ　（ 第４８巻、１４６−１５１頁、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｃｒｌａｇ、１９８５年） 、Ｂａｖａ他のｒｌｎＬｅｇｒａＬｅｄ　０ｐＬｉｃｓＪ　（第４８巻、１９６ 〜２０１　’Ｌ−＋：、Ｓｐ　ｒ　ｉ　ｎｇｃ　ｒ　−Ｖｃ　ｒ　Ｉ　ａ、　ｇ 、１９８５年）、およびＨｃｗａｋ他のｒＡｐｐｌ、Ｏｐｉ、Ｊ　（２５（１２ ）、１９７７．１９８６年）がある。

周波数コンバータおよびパラメトリック発振器および増幅器の如きコンノくクト で効率のよい非線形光デバイスの開発には引続き関心がある。

従って、本発明の目的は、人力レーザ光の周波数を二逓倍するに適した有機物の 非線形光導波デバイスを提供することにある。

本発明の別の目的は、伝搬している波のテンソルの準（ｇｕａｓｉ）位相マツチ ングのための空間的な周期的構造、および基本および生成二次高調波光ビームの 有効な位相マツチングのための屈折率同調手段を備えた非線形のポリマー光導波 デバイスの提供にある。

本発明の他の目的および利点については、以降の記述および図面から明らかにな るであろう。

（発明の説明） 本発明の１つ以上の目的は、二次の非線形光応答を呈するポリマー媒体の薄膜導 波路を含むパラメトリック周波数変換デバイスの提供により達成され、前記光導 波路における二次高調波生成の強さは、下式により定義される。即ち、但し、ω は入射基本光ビームの周波数、μ。およびε。はそれぞれ自由空間の透磁率およ び誘電率、ｄ。、ｌは導波媒体の非線形有効光感受率、ｎ（ω）およびｎ（２ω ）はそれぞれ周波数ωおよび２　ｏノにおける線形屈折率、Ａは九ヒーｔ・の面 積、Ｐ（ω）は尤ビーム・パワー、Ｌは導波媒体における位相マツチング域の長 さ、Ｆは前に定義した如き重なり積分、およびΔには下式により表わされる尤の 壱本波および二次高調波間の位相不整合差である。、即ち、Δに＝ｋ　（２ω） −ｋ（ω）’−ｋ（ω）２但し、ｋ（２ω）は生成された二次高調波光ビーノ・ に対する伝搬定数、およびｋ（ω）１およびｋ（ω）２は非線形偏波を生じる２ つの基本電界モード（ＴＭまたはＴＥ）の伝搬定数である。このデバイスは、上 記式におけるΔｋがゼ唱こ近づくように基本波および二次高調波光ビームの伝搬 定数を位相マツチングさせる、導波媒体の温度同調のための熱制御手段を有する 。

動作中の本発明のデバイスにおける位相マツチングは、導波媒体における温度に 依存する複屈折の温度同調、または空間の周期的導波媒体の温度同調あるいはこ れら両方により行うことができる。

別の実施例において、本発明は、二次非線形光応答を呈し、かつ伝搬するレーザ 光ビームの準位相マツチングのための周期的構造を有するポリマー媒体の薄膜導 波路を含むパラメトリック周波数変換デバイスであって、先導波路における二次 高調波生成の強さが下式により定義されるパラメトリック周波数変換デバイスを 提供する。該下式は即ち、 但し、ωは入射する基本光ビームの周波数、μ０およびε。はそれぞれ自由空間 の透磁率および誘電率、ｄ　ｅｌｌは導波媒体の非線形の有効光感受率、ｎ（ω ）およびｎ（２ω）はそれぞれ周波数ωおよび２ωにおける線形屈折率、Ａは光 ビームの面積、Ｐ（ω）は光ビーム・パワー、Ｌは導波媒体における位相マツチ ング域の長さ、Ｆは前記重なり積分、およびΔには下式により表わされる光の基 本波および二次高調波間の伝搬定数間の位相不整合差である。即ち、Δに＝ｋ（ ２ω）−ｋ（θ））’−ｋ（ω）′！但し７、ｋ（２ω）は生成された二次高調 波）Ｔ′、ビーム（一対する伝搬定数、およびｋ（ω）１およびｋ（ω）“は非 線形偏波を生じる１２つの基本型Ｗモードの伝搬定数である１、このデバイスは 、−１記式におけるΔｋが土ナロに点づ（ようｉｒ活本および二次高調波光ビー ムの伝搬定数を位相マツチングさぜる、導波媒体の温度同調のための熱制御手段 を有する。。

本発明のデバイスは、動作温度の同調された位相マツチング・サイクル中導波媒 体に対する直流電界の印加のため近似位置の１組の電極を持つことができる。。

別の実施例においては、本発明は、二次の非線形成応答を呈するポリ７−媒体の 薄膜を含み、伝搬波エネルギの準位相マツチングのための空間の周期的構造を有 する７００〜１３００　ｎ　ｍレーザ・ビームの周波数層逓倍をするための非線 形先導波デバイスであって、周期的ポリマー媒体の空間的周期性Ａが上代により 定義される非線形光導波デバイスを提供する３３譲下式即ち、但し、／ｃはコヒ ーレンズ長さ、Δには下式により表わされる光の基本波および二次高調波の伝搬 定数間の位相不整合差である。即ち、Δに＝ｋ　（２ω）−ｋ（ω）　’−ｋ　 （ω）２但し、ｋ（２ω）は生成された二次高調波光ビームに対する伝搬定数、 ｋ（ω）Ｉおよびｋ（ω）２は非線形偏波を生じる２つの基本電界モードの伝搬 定数、Ｇは前に定義した空間周期性Ａの逆数であり、Ｇ≠Δにの時、Δに’　＝ Δに−Ｇ≠０となり、先導波路における二次高調波の生成の強さは下式により定 義される。即ち、 但し、ωは入射する基本光ビームの周波数、μ。およびε。はそれぞれ自由空間 の透磁率および誘電率、ｄａｔｔは導波媒体の非線形の有効光感受率、ｎ（ω） およびｎ（２ω）はそれぞれ周波数ωおよび２ωにおける線形屈折率、Ａは光ビ ームの面積、Ｐ（ω）は光ビーム・エネルギ、Ｌは導波媒体における位相マツチ ング域の長さ、Ｆは前記重なり積分、およびΔに′は前に定義した如くである４ １本デバイスは、」１記の式におけるΔに′がセロに近づくように導波媒体のが ８位相マツチングの温度同調のための熱制御手段を有する。

別の実施例においては、本発明は、二次非線形光応答を呈するポリマー媒体の薄 膜を含み、伝搬波エネルギの準位相マツチングのための空間の周期的構造を有す る７００〜１３００ｎｍレーザ・ビームの周波数層逓倍をするための非線形光但 し、ムはコヒーレンス長さ、Δには下式により表わされる光の基本および二次高 調波の伝搬定数間の位相不整合差である１、即ち、Δに＝ｋ　（２ω）−ｋ（ω ）　’−ｋ　（ω）２但し、ｋ（２ω）は生成された二次高調波光ビームに対す る伝搬定数、ｋ（ω）１およびｋ（ω）２は非線形偏波を生じる２つの基本電界 モードの伝搬定数、Ｇは前に定義した空間周期性への逆数であり、Ｇ≠Δにの時 、Δに’　＝Δに−Ｇ≠０となり、このポリマー媒体は、二次非線形光感受率を 呈してポリマーの少なくとも２５重二％からなる側鎖を有するポリマーを含み、 この側鎖は、導波面に対して直角をなす外部の場が誘起した分子配向を呈し、こ れにおいて先導波路における二次高調波生成の強さは下式により定義される。即 ち、但し、ωは入射する基本光ビームの周波数、μ、Ｉおよびε。はそれぞれ自 由空間の透磁率および誘電率、ｄ、２．は導波媒体の非線形の有効光感受率、ｎ （ω）およびｎ（２ω）はそれぞれ周波数ωおよび２ωにおける線形屈折率、Ａ は光ビームの面積、［）（ω）は尤ビーｌ、・パワー、Ｌは導波媒体における位 相マソチンク域の長さ、Ｆは前記重なり積分、およびΔに′は前に定義した如く である。本デバイスは、上記の式におけるΔに′がゼロに近づくように導波媒体 の準位相マツチングの温度同調のための熱制御手段を有し、また本デバイスは動 作温度の同調された位相マツチング・サイクル中導波媒体に対する直流電界の印 加のための１組の電極を有する。

更に別の実施例においては、本発明は、非線形の二次高調波生成を里しかっ伝搬 波モードの準位相マツチングのための周期的構造を有する複屈折ポリマー媒体の 単一モート薄膜導波路を含むパランｌ−ＩＪツク周波数変換デバイスにおける光 位相マツチングのための方法を提供し、本方法は、（１）ポリマー導波媒体内に 偏波されたレーザ・ビーｔ１を結合するステップであって、媒体内の二次非線形 の光の′がセロに近づくように周期的導波媒体の温度同調を生じるよう制御され た熱を加えるステップとを含む。但し、Δに′は下式により定義される。即ち、 但し、Ｌはコヒーレンス長さ、Δには下式により表わされる光の基本波および二 次高調波の伝搬定数間の位相不整合差である。即ち、Δに＝ｋ　（２ω）−ｋ（ ω）　’−ｋ　（ω）２但し、ｋ（２ω）は生成された二次高調波光ビームに対 する伝搬定数、ｋ（ω）１およびｋ（ω）２は非線形偏波を生じる２つの基本電 界モードの伝搬定数、Ｇは前に定義した空間周期性への逆数であり、Ｇ≠Δにの 時、Δに’　＝Δに−Ｇ≠０となる。

本発明の導波デバイスにより７００〜１３００ｎｍのレーザ・ビームの周波数を 二逓倍する時、約０．１乃至１ワット間の人力レーザ・ビーム電力は、′しなく とも約１ミリワツトの出力レーザ・ビームパワーを生じる。

この人力レーザ・ビームは、典型的には横磁気（ＴＭ）−波モードにあり、人力 波エネルギの伝搬モードはゼロ次である。

本発明の光学的周波数コンバータは、下記の材料仕様で設計することができる９ ゜即ち、 非線形光感受率Ｘ　（２）　Ｉ　Ｘ　１０−Ｈ静電ｊｉｊ位（ｅｓｕ）コヒーレ ンス長さ　９．５μｍ 屈折率　１．５８ 吸収遮断周波数　４５０　ｎ　ｍ 本発明の光学的周波数変換システムは、入力レーザ光エネルギの効率の良い周波 数層逓倍、高いパワー密度の提供のための伝搬波エネルギの閉じ込め、および基 本波および高調波の周波数間の温度同調位相マツチングを特徴とする。

（図面の簡単な説明） 図１は、本発明による周波数層逓倍ポリマー薄膜導波路の斜視図、図２は、空間 の周期的構造を有する極化された（ｐｏｌｅｄ）ポリマー導波媒体による本発明 のデバイスにおける二次非線形の光相互作用の位相マツチング状態を示すグラフ 、 図３は、事例■に記載する、周期的に極化された導波路による位相マツチングさ れた二次高調波生成のグラフである。

図１における薄膜導波路１０は、非線形の光活性ポリマー膜１１を担持する基板 １２の複合構造体である。ポリマー１ｍ１ｌの直線状部分は、周期的な非線形光 変調区域１３からなっている。

実際には、薄膜導波路１０は、７００〜１３００ｎｍの入力レーザ・ビーム１５ を提供する横磁気（ＴＭ）偏波レーザ光放射源１４と、レーザ・ビーム１５をポ リマー膜１１に結合する１対のプリズム結合装置１６と、光ディスクのデータ記 録装置の如き利用装置１８との組合わせで使用される。

ビーノ、・スプリッタ１９を用いて、フィードバック増幅諸２１を駆動する検出 器２（）に対して出力信号の一部を指向させる１、ヒータ装ｆｉ２２は±０．５ ℃の範囲内に温度制御され、温度は信号検出装置により監視される如き最大位相 マツチングされたｘ　”生成点に維持される。。

人力されるＴＭ偏波されたコヒーレントな電磁波放射は、７００乃至１３００ｎ ｎ＋の範囲内の波長を持つグイオード−レーザにより生成される如きレーザ・ビ ームであることが望ましい、。

ｌ１ｉｆ記結合装置は、高い屈折率を持つ５ｃｈｏｔＬ　ＳＦ、光学ガラスの如 き１対のプリズム結合器からなるものでよい、）光の結合および減結合はまた、 米国特許第３．６７４．３３５号、同第３．８７４，７８２号および同第３．　 ９９０゜７７５号に記載された如き薄膜導波路の表面−にに直接形成される光回 折格子で行うことができる。別の結合装置は、導波構造の切離された（ｃｌｅａ ｖｅｄ）端面による３゜ 図１に示された如き基板１２は、プラスチック、ガラスまたはシリコンの如きい ずれかの都合の良い不導媒体から構成することができる。

ヒータ装置２２は、典型的には、セラミックその他の無機物媒体、あるいはエポ キシ樹脂の如きポリマー媒体中に密閉される。

本発明の光周波数変換デバイスのポリマー薄膜導波媒体は透明で、液晶かあるい は物理的特性において等方性であり、非線形の光応答を呈する。このポリマー媒 体は、支持基板よりも高い屈折率（例えば、１．５）を持ち、あるいはクラプデ ィング層がポリマー媒体と支持基板間に合成されるならばオフラッド層（例えば 、スパッタ蒸着されたシリカ）より高い屈折率を持つ。

この透明なポリマー媒体は、スピン・コーティング、スプレイング、Ｌａｎｇｍ ｕ　ｉ　ｒ−Ｂ　ｌｏｄｇｅ　Ｌ　を被着などの如き従来の方法により支持基板 に対して付着させることができる。。

本文において用いられる用語「透明（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ）Ｊとは、入射す る光の基本周波数および生成光の周波数に関して透明即ち光を透過するポリマー 薄膜導波媒体を指す。本発明の周波数変換導波デバイスにおいては、このポリマ ーの薄膜非線形光媒体は入射光および射出光の画周波数に対して透明である１７ 本文において用いられる用語「等方性」とは、全てのテンソル方向において光学 的特性が等価である透明なポリマー薄膜導波媒体を指す。

本文において用いられる用語「外部の場」とは、移動ポリマー分子の基板に対し て加えられ、該場に平行なポリマー分子の双極的な整合を誘起する電気的、磁気 的あるいは機械的な応力の場を指す。

本文において用いられる用語「パラメトリック」とは、入力信号における時間的 変化が非線形性のパラメータにより定まる如き出力信号における異なる時間的変 化に変換される光媒体における光エネルギ状態における相互作用を指す。

本発明のポリマー薄膜導波媒体は、非線形の光応答を呈する側鎖の櫛形構造を有 するポリマーであることが望ましい。この種の化学的構造は、下記の構造式と対 応する循環単量体単位を特徴とする熱可塑性ポリマーにより例示される。即ち、 但し、Ｐ′はポリマーの主鎖単位、Ｓ′は約２乃至２０原子間の直鎖長さをもつ 可撓性に富むスペーサ・グループ、Ｍ′は二次非線形の光感受車を呈するペンダ ント・グループであり、このペンダント・グループは少なくとも約２５重量％の ポリマーを含み、このポリマーは約４０℃以上のガラス転移温度即ち軟化点を有 する。

望ましい種辺の側鎖ポリマーには、下記の構造式と対応する循環単量体ｍ位を特 徴とするものが含まれる。即ち、 または 但し、ｍは少な（とも５の整数であり、ｎは約４乃至２０間の整数、Ｘは−ＮＲ −１−〇−１または−５−１Ｒは水素またはＣＩ　Ｃ４アルキル、２は−ＮＯ□ 、−ＣＮ、−ＣＦ、、−ＣＨ＝　Ｃ（ＣＮ　）　２、−Ｃ（ＣＮ）＝Ｃ（ＣＮ） ２あるいは一３Ｏ２ＣＦ１である。

問題となる側鎖ポリマーについては、米国特許第４．６９４，０６６号に記載さ れている。側鎖ポリマー種の一例は、ポリ［６−（４−ニトロビフェニルオキシ ）へキシルメタクリレ−トコ、ポリ（Ｌ−Ｎ−ｐ−二トロフェニル−２−ピペリ ジンメチルアクリレート）、および下記の如きスチルベン含有ポリマーである。

即ち、 本発明の周波数変換導波デバイスの望ましい特徴は、図１に示される如き周期的 な非線形光変調区域１３である。導波路の非線形光ＮＬＯ変調区域の周期性は、 電界の方向と平行なポリマー側鎖の分子配向を得るように電界で極化することに より達成される。この極化は、ポリマー媒体の極化された領域における巨視的な 非中心対称性を誘発して、ポリマー媒体中に二次非線形光感受性を確立する。

薄膜導波媒体の極化は、好都合にも媒体をその融解点またはガラス転移温度付近 またはそれ以上に加熱し、次いでＤＣ電界（例えば、５０〜１５０Ｖ／μｒｎ） を媒体に加えて分子の双極子を一軸配向状態に整列させることにより行うことが できる。次に、媒体は、印加されたＤＣ電界の作用下にある間に冷却される。こ のように、安定した恒久的な分子配向が、極化された領域内で剛体構造に固定さ れる。

極化は、一方が格子形態を持つ上下の電極ユニットの適当な配置により、基板で 支持されるポリマー媒体に対して与えることができる。。

以下の事例は、本発明の更なる例示である。デバイスの構成要素は典型例として 示されるものであり、設計および動作における種々の変更は本発明の範囲内のこ れまでの開示に照らして可能である。

この事例は、本発明による光周波数変換導波モノニールの構造および動作を例示 する１、 格子電極を持つ二酸化ケイ素でコーティングされたシリコン・ウェーハが、下記 の製造手順により作られる。

市販される二酸化ケイ素被覆シリコン・ウェーハが、Ｖａｒｉａｎの電子ビーム 真空蒸着システム内に置かれる。、９９．９９９％純度のアルミニウムの０．１ μｍ層かウェーハ上に被着される１゜ Ａ１１５１８ポンチイブ・フォトレジスト（Ｈｏｅｃｈｓｔ）が、５ｏｌｉｔｅ ｃモデル５１００コーテイング装随によりアルミニウム被覆ウェーハ」二にスピ ン・コートされる。１．５μｍの７オトレンスト・コーティングが、３０秒間５ ０００　ｒ　ｐｍでスピンさせて得られる１、この７オトレンスト・コーティン グは、真空炉中で９０℃で３０分間乾燥される。

フォトレジスト・コーティングは、Ｋａｒｌ　５ｕｓＳモデルＭ　Ｊ　Ｂ　３マ スク。

アライナにウェーハを所要の形状のマスクと密着して置き、マスクされたコーテ ィングを４０５μｍの放射（７０＋ｎＪ、／′’ｃｍ２）に露光すること１ごよ りパターン化される４゜ マスクは除去されて、シリコンの薄片（１ｃｍＸ２ｃｍ）が、保護シールドとし てパターン化されたフォトレジストの表面上に配置され、この組合わせが４０５ μｍの７０ｍＪ／ａｍ２の放射に露光される。パターン化されたフォトレジスト は、水（１：　１）中で６０秒の期間にわたりＡＺ現像機で現像され、現像サイ クルは脱イオン水で洗浄することにより終了する。

ウェーハの７オトレジスト・コーティングは、１２０”Ｃで４５分間真空炉内で 焼成される。、露光されたアルミニウム・パターンは、５０℃で２０秒間タイプ Ａエッチャント（Ｔｒａｎｓｅｎｅ社）によりエツチングされ、該エツチングさ れた表面は脱イオン水で濯がれ、７オトレノストはアセトンにより除去される。

。 次に、ウェーハのアルミニウム格子電極面が、３０分間５０００ｒｐｍのスピン ・コーティングにより、水中で２０％のポリビニル・アルコール（７５％加水分 解）の１゜５μｍのクラツディング層で覆われ、このクラプディング層は１１０ ℃で２時間真空炉内で乾燥される。

厚さ１．６５μｎｌの非線形光活性有機層が、３０００ｒｐｍでクラツディング 層上にスピン・コートされる。このスピン・コート媒体は、トリクロロプロパン 中のメチルメタクリレート／４−（メタクリロイルオキシ−２−ヘキソキシ）− ４′−二トロスチルヘンのコポリマー（５０１５０）の２０％溶液である。この 有機物層は１６０℃で１時間真空炉内で乾燥される。

厚さが１．５μｍ層の上部クラツディング層が、ポリシロキサン（ＧＲ−６５１ −Ｌ、Ｏｗｅｎｓ−１１１１ｎｏｉｓ社、１−ブタノール中２５％固体）の媒体 を３０秒間３５００ｒｐｍでスピン・コートすることにより付加される。このク ラツディング層は、１１０℃で３５分間真空炉内で乾燥される。アルミニウムの ０．０５５μｍのコーティングが、電極層として上部クラツディング層−Ｌに被 着される１゜ 導波路構造が対向端部でＩＪＪ離されて（ｅ　１ｃａｖｃ）、ポリマー導波層中 およびこれから出て（る尤を結合する２つの鋭利な商を提供する。

円柱レンズを用いて、１．３４μｍの放射（０，０１ｍＪ、１０ナノ秒幅のパル ス）を導波路に対して収束して結合する３、導波路は、±０．５”℃の温度制御 装置を有するホット・ステージ上に置かれる１、このホット・ステージは、格子 の有効周期性を変更できるように回転股上に取付けられている３、電線が導波路 の上下の電極に取付けられ、電源と接続される１、電界（８５ｖ／７１ｔｎ）が 導波路に跨って印加される１１回転段は、位相マツチング角度に近く設定される が、大量の二次高調波は観察されない。この回転段の温度は、徐々に（１℃７／ 分）上げられ、二次高調波の強さが監視される。７６℃に達すると、（図３の温 度同調カーブに示される如く）二次高調波の強さの急激な上昇が生じて、導波路 の少なくとも１ｍ−にわたり位相マツチングが生じたことを示す。ＳＨＧの増減 は０．６℃の範囲内で生じる。入出力放射の偏波はＴＭであり、ｄＪｌを経て相 互作用が生じることを示す（図２の位相マツチングの相互作用において表わされ る如く、ＴＭ″’／’　Ｔ　Ｍ″’−ＴＭ２″′）。温度同調は可逆的であり、 即ち、温度が低下すると、図３に示されるカーブが再現される１、この非線形の 光の相互作用は周期的格子の存在を必要とする。

温度が更に上昇すると、７６℃ものとは別の位相がマツチングした相互作用が９ ５℃の対比し得る強さで観察される。しかし、この相互作用はｄ３□のテンソル 要素を含む。人力偏波は４５°であり（即ち、ＴＥ″′／ＴＭ″′）、出力はＴ Ｅ”′である６、ＳＨＧのこの温度依存性もまた図３に示される１、この非線形 の光の相互作用は、極化により導波路に誘起された格子および複屈折の双方の存 在の結果である。

位相マツチングが生じた距離りは、下記の計算により温度同調カーブの幅ΔＴか ら評価することができる３゜ 温度の依存性は、主として位相マツチング関数から生じる。即ち、周期的に極化 される導波路の場合は、Δに′−Δに−にとなる。Ｇは、ミクロンの逆での導波 路の空間周期性の逆数であり、Δには但し、ｎは導波路における実効屈折率、λ は基本光ビートの波長である。３位相マツチングが行われる時Δに’　−〇とな り、温度が位相マ・ツチング温度から変化する時Δに′はゼロから変化するが、 Ｇは一定に留まる。これは、Ｇがシリコン基板上の周期的電極により制御される ためである。シリコン基板はポリマーと比較して低い熱膨張係数を有するものと 仮定される１、従って、Δに′における変化は専ら導波路のΔｋから生じる。

位相マツチングが生じ得る温度範囲ΔＴの測定値は、二次高調波の生成がそのピ ーク値の半分まで減少する温度により匂、えられる。これは、Δに’Ｌ−π７／ ２の時に生じ、下記の関係を表わすことができる。即ち、但し、α−ｄ　［ｎ　 （２ω）−〇（ω）コ／’ｄＴは、導波路における０ノおよび２ωにおける有効 屈折率の差に対する温度依存性である。

上記の式は、ΔＴおよびａに対するしの依存性を明瞭に示す。ΔＴが実験から得 られるので、Ｌの計算のためにはαを決定することが必要である４、αは、温度 に関する、導波路の基本および高調波の両波長における有効屈折率の変化から計 算される。これらの変化は、材料の屈折率の変化の故に、また導波路の厚さの故 に生じる。

この計算は、先に作られた導波路に対して行われた。第１に、基本および高調波 の周波数におけるポリマー導波層に対する材料のパラメータｄ　ｎ　／　ｄ　Ｔ につ０で評価が得られた４、第２に、温度に関する導波路の厚さの増加が熱膨張 係数から計算された４、第３に、温度の関数としてモ世なスラブ（ｓｌａｂ）導 波路の式を用いて、導波路における有効屈折率を計算するためこの２つの値が用 いられた１゜α−−１，３２Ｘ１０−’、／”Ｃ（Δｋがゼロに近づ（速度）で あることが判った４、実験的に得たαおよびΔＴの計算値を用いて、約１ｆｆ＋ −以上の距離上にわたり位相マツチングが生じたと判定された。。

旦 永久に極化された導波路が、下記の方法で得られる１１位相マツチング温度およ び極化する電界が確立される。次いで、位相マツチング状態を近似するため、極 化する電圧に小さな調整を行いながら温度を徐々に低下させる。電界における小 さな調整は、屈折率における小さな変化を生じる。この手順により、導波路が位 相マツチング状態に近いまま室温まで冷却される。温度または電圧における小さ な調整は、位相マツチング効率を微細に同調させるためデバイスの動作中に行わ れる。

事例Ｉ！ この事例は、本発明による光周波数変換のための２次元のリブ（ｒｉｂ）導波路 の構造および動作を示す。

事例Ｉの手順に従って、二酸化シリコン基板（Ｓｌ」−で２ミクロンの５ＩＯＪ が、アルミニウムの格子電極でコーティングされる。薄い（１０００人）ポリシ ロキサン層が、４０００　ｒ　ｐｍで７％の溶液からスピン・コートされ、１１ ０℃で４５分間硬化された。スピン・コートされたマスター・ポンドＵＶｌｌ− ４Ｍ１エポキシ（Ｍａｓｔｅｒ　Ｂｏｎｄ社）の２ミクロン厚さの層が、３００ ０ｒｐｍでのスピン・コーティングと、２５ｍｗ／ｃｍ”のＵＶ水銀キセノン・ アーク灯の下で２０分間硬化することにより被着される。表向は、反応性イオン ・エツチング装置中で５ワツトのＲＦ酸素プラズマに５秒間露呈することにより 処理され、事例Ｉにおける如く非線形の光活性有機層（１，２５ミクロン）でコ ーティングされる。第２のエポキシ層が上記の如く付着され、５分間硬化される 。

上部クラッド層はアルミニウム・マスキング層（２０００人）でコーティングさ れる。秋いＡＺ−１５１８７オトレンストのりホン状Ｊ１（幅が５．５ミクロン ）が、ラミネートされた構造の導波方向にアルミニウム」二にコーティングされ る１゜フォトレシスｉ・により覆われなかったアルミニウムは、事例１における 如く除去される６、導波路構造の一１１部面は、フォトレジストで覆われたリボ ン状片を除いて多層を底部のポリシロキサン層まで除去するため、反応性イオン ・エツチングに露呈される。このエツチング・（）−イクルはまた、アルミニウ ム片からフォトレジスト−コーティングをも除去する９、このアルミニウム・コ ーティングは、多層のリボン状片から除去される１３基板および上部面の多層片 は、２５０Ｏｒｐｍでマスター・ホントＵＶｌｌ−４Ｍ］エボギシでスピン・コ ートされ、このコーティングは上記の条件により硬化される。

事例Ｉの手順に従って、上部アルミニウム格子電極（１０００人）が上部エポキ シ層上に構成され、非線形光活性ポリマー層が、電極間に加えられるＤＣ電界に より分子的に配向される。

導波方向における２つの端面が、２次元の導波チャンネルに出入りする光のエン ド−ファイア（Ｈｌｄ−ｆ　ｉ　ｒｅ）結合のため切離される。永久的に極化さ れた導波路が、事例■において述べた手順に従って得られる、。

Ｆｉｇ、２ 国際調査報告 １ｍｓ＋＊−１１”’ａｌＡｅｅ”ｌ＠””Ｎ”ｉ）ず―ｖ】１Ａｔｅ；ｏｎ／ ｎ（−！−１ｒ）−＝）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．二次非線形光応答を生じるポリマー媒体の薄膜導波路を含むパラメトリック 周波数変換デバイスにおいて、 前記の光導波路における二次高調波の生成の強さは、式▲数式、化学式、表等が あります▼ により定義され、但し、ωは入射基本光ビームの強さ、μｏおよびεｏはそれぞ れ自由空間の透磁率および誘電率、ｄｅｆｆは導波媒体の非線形有効光感受率、 ｎ（ω）およびｎ（２ω）はそれぞれ周波数ωおよび２ωにおける線形屈折率、 Ａは光ビームの面積、Ｐ（ω）は光ビーム・パワー、Ｌは導波媒体における位相 マッチング域の長さ、Ｆは重なり積分、およびΔｋは、式Δｋ＝ｋ（２ω）−ｋ （ω）１−ｋ（ω）２により表わされる光の基本および二次高調波の伝搬定数間 の位相不整合差であり、但し、ｋ（２ω）は生成された二次高調波光ビームに対 する伝搬定数、およびｋ（ω）１しおよびｋ（ω）２は非線形偏波を生じる２つ の基本電界モードの伝搬定数であり、 前記デバイスは、上記式におけるΔｋがゼロに近づくように基本および二次高調 波光ビームの伝搬定数を位相マッチングさせる、導波媒体の温度同調のための熱 制御手段を備えるパラメトリック周波数変換デバイス。 ２．前記位相マッチングが、前記導波媒体における温度に依存する複屈折の温度 同調による請求項１記載のパラメトリック周波数変換デバイス。 ３．前記位相マッチングが、空間の周期的導波媒体の温度同調による請求項１記 載のパラメトリック周波数変換デバイス。 ４．二次的非線形光応答を生じるポリマー媒体の薄膜導波路を含み、伝搬するレ ーザ・ビームの準位相マッチングのための周期的構造を有するパラメトリック周 波数変換デバイスにおいて、 前記の光導波路における二次高調波の生成の強さが、式▲数式、化学式、表等が あります▼ により定義され、但し、ωは入射する基本光ビームの周波数、μνおよびεｏは それぞれ自由空間の透磁率および誘電率、ｄｅｆｆは導波媒体の非線形の有効光 感受率、ｎ（ω）およびｎ（２ω）はそれぞれ周波数ωおよび２ωにおける線形 屈折率、Ａは光ビームの面積、Ｐ（ω）は光ビーム・パワー、Ｌは導波媒体にお ける位相マッチング域の長さ、Ｆは重なり積分、およびΔｋは、式Δｋ＝ｋ（２ ω）−ｋ（ω）１−ｋ（ω）２により表わされる光の基本および二次高調波の伝 搬定数間の位相不整合差であり、但し、ｋ（２ω）は生成された二次高調波光ビ ームに対する伝搬定数、およびｋ（ω）１およびｋ（ω）２は非線形偏波を生じ る２つの基本電界モードの伝搬定数であり、 前記デバイスは、上記式におけるΔｋがゼロに近づくように基本および二次調波 光ビームの伝搬定数を位相マッチングさせる導波媒体の温度同調のための熱制御 手段を備えるパラメトリック周波数変換デバイス。 ５．動作温度の同調された位相マッチング・サイクル中前記導波媒体に対して直 流電界を印加するための１組の電極を有する請求項４記載のパラメトリック周波 数変換デバイス。 ６．二次非線形光応答を生じるポリマー媒体の薄膜を含み、伝搬する光エネルギ の準位相マッチングのための空間の周期的構造を有する７００〜１３００ｎｍの レーザ・ビームの周波数二逓倍をする非線形光導波デバイスにおいて、前記の周 期的ポリマー媒体の周期性Ａが、式▲数式、化学式、表等があります▼ により定義され、但し、ｌｃはコヒーレンス長さ、Δｋは、式Δｋ＝ｋ（２ω） −ｋ（ω）１−ｋ（ω）２により表わされる光の基本および二次高調波の伝搬定 数間の位相不整合差であり、但し、ｋ（２ω）は、生成された二次高調波光ビー ムに対する伝搬定数、ｋ（ω）１およびｋ（ω）２は非線形偏波を生じる２つの 基本電界モードの伝搬定数、Ｇは前記に定義した空間周期性Ａの逆数であり、Ｇ ≠Δｋの時、Δｋ′＝Δｋ−Ｇ≠０となり、 前記の光導波路における二次高調波の生成の強さは、式▲数式、化学式、表等が あります▼ により定義され、但し、ωは入射する基本光ビームの周波数、μｏおよびεｏは それぞれ自由空間の透磁率および誘電率、ｄｅｆｆは導波媒体の非線形の有効光 感受率、ｎ（ω）およびｎ（２ω）はそれぞれ周波数ωおよび２ωにおける線形 屈折率、Ａは光ビームの面積、Ｐ（ω）は光ビーム・パワー、Ｌは導波媒体にお ける位相マッチング域の長さ、Ｆは重なり積分、およびΔｋ′は前記定義したも のであり、 前記デバイスは、上記の式におけるΔｋ′がゼロに近づくように導波媒体の準位 相マッチングの温度同調のための熱制御手段を備える非線形光導波デバイス。 ７．動作温度の同調された位相マッチング・サイクル中前記導波媒体に対して直 流電界を印加するための１組の電極を有する請求項６記載の非線形光導波デバイ ス。 ８．二次非線形光応答を生ずるポリマー媒体の薄膜を含み、伝搬する光エネルギ の準位相マッチングのための空間の周期的構造を有する７００〜１３００ｎｍの レーザ・ビームの周波数二逓倍をする非線形光導波デバイスにおいて、前記の周 期的ポリマー媒体の空間同期性Ａが、式▲数式、化学式、表等があります▼ により定義され、但し、ｌｃはコヒーレンス長さ、Δｋは、式Δｋ＝ｋ（２ω） −ｋ（ω）１−ｋ（ω）２により表わされる光の基本および二次高調波の伝搬定 数間の位相不整合差であり、但し、ｋ（２ω）は生成された二次高調波光ビーム に対する伝搬定数、ｋ（ω）１およびｋ（ω）２は非線形偏波を生じる２つの基 本電界モードの伝搬定数、Ｇは前記定義した空間周期性Ａの逆数であり、Ｇ≠Δ ｋの侍、Δｋ′＝Δｋ−Ｇ≠０となり、 前記ポリマー媒体は、二次非線形光感受率を呈しかつポリマーの少なくとも２５ 重量％からなる側鎖を有するポリマーを含み、該側鎖は導波面と直角をなす外部 の場が誘起した分子配向を有し、 前記の光導波路における二次高調波生成の強さが、式▲数式、化学式、表等があ ります▼ により定義され、但し、ωは入射する基本光ビームの周波数、μｏおよびεｏは それぞれ自由空間の透磁率および誘電率、ｄｅｆｆは導波媒体の非線形の有効光 感受率、ｎ（ω）およびｎ（２ω）はそれぞれ周波数ωおよび２ωにおける線形 屈折率、Ａは光ビームの面積、Ｐ（ω）は光ビーム・パワー、Ｌは導波媒体にお ける位相マッチング域の長さ、Ｆは重なり積分、およびΔｋ′は前記定義したも のであり、前記デバイスは、 上記の式におけるΔｋ′がゼロに近づくように導波媒体の準位相マッチングの温 度同調のための熱制御手段と、 動作温度の同調された位相マッチング・サイクル中導波媒体に対して直流電界を 印加するための１組の電極とを 備える非線形光導波デバイス。 ９．前記ポリマーの薄膜が支持基板上にコーティングされる請求項８記載の導波 デバイス。 １０．前記ポリマーの薄膜が、メソジェニック（ｍｅｓｏｇｅｎｉｃ）の側鎖の 櫛形構造を有し、かつ約４０℃以上のガラス転移温度を有する熱互変性の（ｔｈ ｅｒｍｏｔｒｏｐｉｃ）液晶ポリマーを含む請求項８記載の導波デバイス。 １１．前記ポリマー薄膜が、主鎖ポリビニル構造を持つポリマーを含む請求項８ 記載の導波デバイス。 １２．前記ポリマー薄膜が、主鎖ポリシロキサン構造を持つポリマーを含む請求 項８記載の導波デバイス。 １３．前記ポリマー薄膜が、主鎖ポリオキシアルキレン構造を持つポリマーを含 む請求項８記載の導波デバイス。 １４．前記ポリマー薄膜が、主鎖ポリエステルまたはポリアミド構造を持つポリ マーを含む請求項８記載の導波デバイス。 １５．前記ポリマー薄膜が、構造式 ▲数式、化学式、表等があります▼ と対応する循環単量体単位を特徴とするポリマーを含み、但し、Ｐ′はポリマー の主鎖単位、Ｓ′は約２乃至２０原子間の直線的鎖長さを持つ可撓性スペーサ・ グループ、Ｍ′は二次非線形光感受率を呈するペンダント・グループであり、該 ペンダント・グループの側鎖は少なくとも約２５重量％のポリマーを含み、該ポ リマーは約４０℃以上のガラス転移温度を有する請求項８記載の導波デバイス。 １６．前記のＭ′グループがビフェニル構造を含む請求項１５記載の導波デバイ ス。 １７．前記Ｍ′グループがスチルベン構造を含む請求項１５記載の導波デバイス 。 １８．二次非線形高調波生成を行いかつ伝搬波モードの準位相マッチングのため の周期的構造を有する複屈折ポリマー媒体の単一モードの薄膜導波路を含むパラ メトリック周波数変換デバイスにおける光位相マッチングの方法において、（１ ）前記のポリマー導波媒体内に偏波されたレーザ・ビームを結合し、該媒体内の 二次非線形光相互作用の位相マッチング状態は図２に示される如くであり、ＴＭ ω／ＴＭω→ＴＭ２ω、ＴＭω／ＴＥω→ＴＥ２ωおよびＴＥω／ＴＥω→ＴＭ ２ωとなるステップと、 （２）Δｋ′がゼロに近づくように周期的導波媒体の温度同調を生じるよう制御 された熱を加えるステップであって、Δｋ′は、式▲数式、化学式、表等があり ます▼ により定義され、但し、ｌｃはコヒーレンス長さ、Δｋは、式Δｋ＝ｋ（２ω） −ｋ（ω）１−ｋ（ω）２により表わされる光の基本および二次高調波の伝搬定 数間の位相不整合差であり、但し、ｋ（２ω）は、生成された二次高調波光ビー ムに対する伝搬定数、ｋ（ω）１およびｋ（ω）２は非線形偏波を生じる２つの 基本電界モードの伝搬定数、Ｇは前記定義した空間周期性Ａの逆数であり、Ｇ≠ Δｋの時、Δｋ′＝Δｋ−Ｇ≠０となるステップと を備える方法。