JPH10161164A - 非線形光学素子及びその製造方法 - Google Patents
非線形光学素子及びその製造方法Info
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- JPH10161164A JPH10161164A JP8323924A JP32392496A JPH10161164A JP H10161164 A JPH10161164 A JP H10161164A JP 8323924 A JP8323924 A JP 8323924A JP 32392496 A JP32392496 A JP 32392496A JP H10161164 A JPH10161164 A JP H10161164A
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Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 低損失で信頼性が高く小型で駆動エネルギー
の小さい非線形光学素子及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 基板１２上に屈折率の高いＧｅドープの
ＳｉＯ2 ガラスからなるコア領域１３を形成し、コア領
域１３を屈折率の低いクラッド領域１４で囲んで光導波
路１１を形成する際に、コア領域１３と交差するように
外部から直流高電圧の電場を印加すると同時に電場及び
コア領域１３と交差するように波長５５０ｎｍ以下の励
起光を照射することによりコア領域１３に光学的異方性
領域を形成することができ、低損失で信頼性が高く小型
で駆動エネルギーの小さい非線形光学素子が得られる。
の小さい非線形光学素子及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 基板１２上に屈折率の高いＧｅドープの
ＳｉＯ2 ガラスからなるコア領域１３を形成し、コア領
域１３を屈折率の低いクラッド領域１４で囲んで光導波
路１１を形成する際に、コア領域１３と交差するように
外部から直流高電圧の電場を印加すると同時に電場及び
コア領域１３と交差するように波長５５０ｎｍ以下の励
起光を照射することによりコア領域１３に光学的異方性
領域を形成することができ、低損失で信頼性が高く小型
で駆動エネルギーの小さい非線形光学素子が得られる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、非線形光学素子及
びその製造方法に関する。
びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】光を利用した通信、計測、情報処理の分
野の発展に伴い、高機能で信頼性の高いＳｉＯ2 −Ｇｅ
Ｏ2 ガラスを用いた光学素子や、電気光学効果や第二高
調波発生等の非線形特性を有する光学素子の開発が求め
られている。特に石英系材料を用いた導波路型の光素子
は、その低損失性に加え複雑な回路を平面基板上に一括
して形成できる可能性があることから最も注目を集めて
いる。
野の発展に伴い、高機能で信頼性の高いＳｉＯ2 −Ｇｅ
Ｏ2 ガラスを用いた光学素子や、電気光学効果や第二高
調波発生等の非線形特性を有する光学素子の開発が求め
られている。特に石英系材料を用いた導波路型の光素子
は、その低損失性に加え複雑な回路を平面基板上に一括
して形成できる可能性があることから最も注目を集めて
いる。
【０００３】これら導波路型の光素子は、バッファ層
（下側クラッド層）と呼ばれる低屈折率層を有するＳｉ
基板や、石英基板上に、相対的に屈折率の高いコアと呼
ばれる光の伝搬領域を形成し、このコア部分をさらに低
屈折率のクラッド層で覆った構造をとるのが一般的であ
る。特にコア部分の材料組成は、光ファイバの低損失コ
ア材料として実績のあるＳｉＯ2 −ＧｅＯ2 組成ガラス
が有効とされている。
（下側クラッド層）と呼ばれる低屈折率層を有するＳｉ
基板や、石英基板上に、相対的に屈折率の高いコアと呼
ばれる光の伝搬領域を形成し、このコア部分をさらに低
屈折率のクラッド層で覆った構造をとるのが一般的であ
る。特にコア部分の材料組成は、光ファイバの低損失コ
ア材料として実績のあるＳｉＯ2 −ＧｅＯ2 組成ガラス
が有効とされている。
【０００４】ところで、一般に、シリカガラスのような
無機ガラスは光学的に等方性物質であり、その反転対称
性のために本来、電気光学効果や第二高調波発生等の非
線形光学特性を持たないと考えられてきた。
無機ガラスは光学的に等方性物質であり、その反転対称
性のために本来、電気光学効果や第二高調波発生等の非
線形光学特性を持たないと考えられてきた。
【０００５】しかし、最近このような光学的等方体であ
るガラス材料でも、ポーリング処理を行うことによって
二次の光非線形性が誘起されることが明らかにされた。
るガラス材料でも、ポーリング処理を行うことによって
二次の光非線形性が誘起されることが明らかにされた。
【０００６】ここで、ポーリング処理とは、高温状態に
おいて試料、すなわちガラス材料に直流電場を加え、電
場を印加したまま一定時間保持した後放熱させ、光導波
路が室温まで低下した後で直流電場を解除する処理であ
る。このようなガラス材料の非線形光学効果は、これま
でにシリカガラスの他にテルライトガラスやリン酸塩ガ
ラス等種々のガラスにおいて確認されている。
おいて試料、すなわちガラス材料に直流電場を加え、電
場を印加したまま一定時間保持した後放熱させ、光導波
路が室温まで低下した後で直流電場を解除する処理であ
る。このようなガラス材料の非線形光学効果は、これま
でにシリカガラスの他にテルライトガラスやリン酸塩ガ
ラス等種々のガラスにおいて確認されている。
【０００７】しかしながら、ポーリング処理による非線
形光学効果の誘起のメカニズムは詳細に解明されておら
ず、この非線形光学効果の起源に関する要因は幾つか存
在するものと考えられている。すなわち、ポーリング処
理によりガラス中に誘起される電気双極子には、ガラス
の構造、組成、ポーリング処理条件等によって以下のよ
うな幾つかの異なる種類があると考えられる。
形光学効果の誘起のメカニズムは詳細に解明されておら
ず、この非線形光学効果の起源に関する要因は幾つか存
在するものと考えられている。すなわち、ポーリング処
理によりガラス中に誘起される電気双極子には、ガラス
の構造、組成、ポーリング処理条件等によって以下のよ
うな幾つかの異なる種類があると考えられる。
【０００８】まず、不純物としての可動プロトンイオン
（Ｎａ+ 等）のドリフトにより、ポーリング処理時に陽
極近傍での陽イオン欠乏領域（空間電荷層）が形成さ
れ、この陽イオン欠乏領域が電気双極子の配向をもたら
すことがある。この場合には主に陽極側数十μｍの表面
層のみが光学的異方性領域となる。
（Ｎａ+ 等）のドリフトにより、ポーリング処理時に陽
極近傍での陽イオン欠乏領域（空間電荷層）が形成さ
れ、この陽イオン欠乏領域が電気双極子の配向をもたら
すことがある。この場合には主に陽極側数十μｍの表面
層のみが光学的異方性領域となる。
【０００９】これに対し、点欠陥、ＯＨ基、非架橋酸素
等の存在に関連した要因で生じる電気双極子は、これら
の要因が光導波路全体に存在すれば、ポーリング処理に
より電場を印加した光導波路全体にわたって光学的異方
性が観測される。
等の存在に関連した要因で生じる電気双極子は、これら
の要因が光導波路全体に存在すれば、ポーリング処理に
より電場を印加した光導波路全体にわたって光学的異方
性が観測される。
【００１０】このように光学的等方性であるガラス材料
に異方性特徴を組み込むという新しい試みが、ますます
学問的、実用的な興味を集めるようになった。特にＳｉ
Ｏ2を主成分とするシリカガラスは、低損失性、信頼性
の点で現在のオプトエレクトロニクスの中枢部を担う材
料であり、既に光ファイバ化や平面光導波路化の製造技
術も確立している。また、シリカガラスは特にバンドギ
ャップが広く、通信分野以外でも紫外領域、遠紫外領域
での素子として将来的におおいに期待できる材料であ
る。
に異方性特徴を組み込むという新しい試みが、ますます
学問的、実用的な興味を集めるようになった。特にＳｉ
Ｏ2を主成分とするシリカガラスは、低損失性、信頼性
の点で現在のオプトエレクトロニクスの中枢部を担う材
料であり、既に光ファイバ化や平面光導波路化の製造技
術も確立している。また、シリカガラスは特にバンドギ
ャップが広く、通信分野以外でも紫外領域、遠紫外領域
での素子として将来的におおいに期待できる材料であ
る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光変調
器や光スイッチ、或いは波長変換素子等実用的な光素子
を実現するためには、これまでに報告されているガラス
材料における非線形光学効果はまだ微弱である。現状の
レベルでは、例えば電気光学効果を利用して光スイッチ
ング動作を行うためには、素子長（光導波路のコア領域
の長さ）が数十ｃｍも必要であり、導波光を制御する駆
動電圧が数百Ｖも必要なため現実的とはいえない。少な
くとも既に非線形光学素子として実用化されているＬｉ
ＮｂＯ3 のような強誘電体材料に匹敵する非線形光学効
果の実現と最適な素子の開発が望まれる。
器や光スイッチ、或いは波長変換素子等実用的な光素子
を実現するためには、これまでに報告されているガラス
材料における非線形光学効果はまだ微弱である。現状の
レベルでは、例えば電気光学効果を利用して光スイッチ
ング動作を行うためには、素子長（光導波路のコア領域
の長さ）が数十ｃｍも必要であり、導波光を制御する駆
動電圧が数百Ｖも必要なため現実的とはいえない。少な
くとも既に非線形光学素子として実用化されているＬｉ
ＮｂＯ3 のような強誘電体材料に匹敵する非線形光学効
果の実現と最適な素子の開発が望まれる。
【００１２】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、低損失で信頼性が高く小型で駆動エネルギーの小さ
い非線形光学素子及びその製造方法を提供することにあ
る。
し、低損失で信頼性が高く小型で駆動エネルギーの小さ
い非線形光学素子及びその製造方法を提供することにあ
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ためには、ガラス材料の組成、製法、ポーリング処理方
法、或いは光素子の構造等あらゆる観点から最適な条件
を見出ださなければならない。
ためには、ガラス材料の組成、製法、ポーリング処理方
法、或いは光素子の構造等あらゆる観点から最適な条件
を見出ださなければならない。
【００１４】本発明は、このような観点に立ちＧｅドー
プのＳｉＯ2 ガラスに着目した。この材料は前述のよう
に低損失、高信頼性或いは素子形成のための加工性等多
くの優れた特性を有し、既に通信用の受動素子として実
用になっているものである。このような材料を用いて高
い効率で非線形光学効果を誘起することができれば、さ
らに多くの光機能素子に応用することができる。しかも
ポーリング処理による非線形光学効果のメカニズムを考
察すれば、ＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスは、他のガラス
材料よりも大きな非線形光学効果が得られることが分か
った。
プのＳｉＯ2 ガラスに着目した。この材料は前述のよう
に低損失、高信頼性或いは素子形成のための加工性等多
くの優れた特性を有し、既に通信用の受動素子として実
用になっているものである。このような材料を用いて高
い効率で非線形光学効果を誘起することができれば、さ
らに多くの光機能素子に応用することができる。しかも
ポーリング処理による非線形光学効果のメカニズムを考
察すれば、ＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスは、他のガラス
材料よりも大きな非線形光学効果が得られることが分か
った。
【００１５】すなわち上記目的を達成するために本発明
の非線形光学素子の製造方法は、基板上に屈折率の高い
ＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスからなるコア領域を形成
し、コア領域を屈折率の低いクラッド領域で囲んで光導
波路を形成する非線形光学素子の製造方法において、光
導波路と交差するように外部から直流高電圧の電場を印
加すると同時に電場及び光導波路と交差するように波長
５５０ｎｍ以下の励起光を照射することによりコア領域
に光学的異方性領域を形成するものである。
の非線形光学素子の製造方法は、基板上に屈折率の高い
ＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスからなるコア領域を形成
し、コア領域を屈折率の低いクラッド領域で囲んで光導
波路を形成する非線形光学素子の製造方法において、光
導波路と交差するように外部から直流高電圧の電場を印
加すると同時に電場及び光導波路と交差するように波長
５５０ｎｍ以下の励起光を照射することによりコア領域
に光学的異方性領域を形成するものである。
【００１６】本発明の非線形光学素子の製造方法は、基
板上に屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスからな
るコア領域を形成し、コア領域を屈折率の低いクラッド
領域で囲んで光導波路を形成する非線形光学素子の製造
方法において、光導波路と交差するように外部から直流
高電圧の電場を印加すると同時に光導波路内に波長５５
０ｎｍ以下の励起光を伝搬させることによりコア領域に
光学的異方性領域を形成するものである。
板上に屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスからな
るコア領域を形成し、コア領域を屈折率の低いクラッド
領域で囲んで光導波路を形成する非線形光学素子の製造
方法において、光導波路と交差するように外部から直流
高電圧の電場を印加すると同時に光導波路内に波長５５
０ｎｍ以下の励起光を伝搬させることによりコア領域に
光学的異方性領域を形成するものである。
【００１７】上記構成に加え本発明の非線形光学素子の
製造方法は、直流高電圧の電場を光導波路に対して交差
する方向に印加すると同時にコア領域に照射されるか或
いはコア領域内を伝搬する励起光の電界の偏光方向が、
直流高電圧の電場の方向と略平行になるようにするのが
好ましい。
製造方法は、直流高電圧の電場を光導波路に対して交差
する方向に印加すると同時にコア領域に照射されるか或
いはコア領域内を伝搬する励起光の電界の偏光方向が、
直流高電圧の電場の方向と略平行になるようにするのが
好ましい。
【００１８】上記構成に加え本発明の非線形光学素子の
製造方法は、コア領域を局所的に高温加熱し、高温状態
において直流高電圧の外部電場を印加すると同時にコア
領域に励起光を照射するか或いはコア領域内を伝搬さ
せ、一定時間経過した後放熱させ、光導波路の温度が室
温まで低下した後に直流高電圧の電場の解除及び励起光
の照射の停止を行うことによりコア領域に光学的異方性
領域を形成するのが好ましい。
製造方法は、コア領域を局所的に高温加熱し、高温状態
において直流高電圧の外部電場を印加すると同時にコア
領域に励起光を照射するか或いはコア領域内を伝搬さ
せ、一定時間経過した後放熱させ、光導波路の温度が室
温まで低下した後に直流高電圧の電場の解除及び励起光
の照射の停止を行うことによりコア領域に光学的異方性
領域を形成するのが好ましい。
【００１９】上記構成に加え本発明の非線形光学素子の
製造方法は、光導波路への直流高電圧の電場の印加と同
時にコア領域に照射されるか或いはコア領域内を伝搬す
る波長５５０ｎｍ以下の励起光はＨｇランプ光、Ａｒレ
ーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレーザ、
Ａｒレーザ或いは色素レーザの第二高調波或いはＮ
ｄ3+：ＹＬＦレーザの第四高調波のいずれかであるのが
好ましい。
製造方法は、光導波路への直流高電圧の電場の印加と同
時にコア領域に照射されるか或いはコア領域内を伝搬す
る波長５５０ｎｍ以下の励起光はＨｇランプ光、Ａｒレ
ーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレーザ、
Ａｒレーザ或いは色素レーザの第二高調波或いはＮ
ｄ3+：ＹＬＦレーザの第四高調波のいずれかであるのが
好ましい。
【００２０】上記構成に加え本発明の非線形光学素子の
製造方法は、直流高電圧を印加するための電極のうちコ
ア領域により近い方の電極を陽極とするのが好ましい。
製造方法は、直流高電圧を印加するための電極のうちコ
ア領域により近い方の電極を陽極とするのが好ましい。
【００２１】上記構成に加え本発明の非線形光学素子の
製造方法は、コア領域は高周波スパッタリング法によっ
て形成されるのが好ましい。
製造方法は、コア領域は高周波スパッタリング法によっ
て形成されるのが好ましい。
【００２２】上記構成に加え本発明の非線形光学素子の
製造方法は、光導波路が形成された基板を高温水素雰囲
気或いは高圧水素雰囲気に一定時間保持するか或いは光
導波路の少なくとも一部を酸水素バーナーによって炙っ
た後、直流高電圧の外部電場を印加すると同時に光導波
路内部のコア領域に励起光を照射するか或いはコア領域
内に伝搬させるのが好ましい。
製造方法は、光導波路が形成された基板を高温水素雰囲
気或いは高圧水素雰囲気に一定時間保持するか或いは光
導波路の少なくとも一部を酸水素バーナーによって炙っ
た後、直流高電圧の外部電場を印加すると同時に光導波
路内部のコア領域に励起光を照射するか或いはコア領域
内に伝搬させるのが好ましい。
【００２３】上記構成に加え本発明の非線形光学素子の
製造方法は、高電圧印加用電極の材料に、アルミニウム
或いは透明導電体を用いるのが好ましい。
製造方法は、高電圧印加用電極の材料に、アルミニウム
或いは透明導電体を用いるのが好ましい。
【００２４】上記構成に加え本発明の非線形光学素子の
製造方法は、高電圧印加用電極のうち少なくとも一方を
透明電極とし、直流高電圧印加と同時にこの透明電極を
透過して光導波路に対し交差する方向から励起光を照射
するのが好ましい。
製造方法は、高電圧印加用電極のうち少なくとも一方を
透明電極とし、直流高電圧印加と同時にこの透明電極を
透過して光導波路に対し交差する方向から励起光を照射
するのが好ましい。
【００２５】本発明の非線形光学素子は、基板上に形成
された屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスからな
るコア領域と、コア領域を囲んだ屈折率の低いクラッド
領域とからなる光導波路を備えた非線形光学素子におい
て、コア領域に光学的異方性領域を形成するために使用
した高電圧印加用電極を、そのまま或いはその一部を光
導波路のコア領域を伝搬する光を制御するための駆動電
極として利用したものである。
された屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスからな
るコア領域と、コア領域を囲んだ屈折率の低いクラッド
領域とからなる光導波路を備えた非線形光学素子におい
て、コア領域に光学的異方性領域を形成するために使用
した高電圧印加用電極を、そのまま或いはその一部を光
導波路のコア領域を伝搬する光を制御するための駆動電
極として利用したものである。
【００２６】本発明の非線形光学素子は、屈折率の高い
ＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスからなるコア領域と、コア
領域を囲む屈折率の低いクラッド領域とを備えた非線形
光学素子において、少なくとも一対の駆動電極が同一面
上に形成されており、駆動電極により外部から直流高電
圧の電場を光導波路と交差する方向に印加し導波光の伝
搬を制御するようにしたものである。
ＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスからなるコア領域と、コア
領域を囲む屈折率の低いクラッド領域とを備えた非線形
光学素子において、少なくとも一対の駆動電極が同一面
上に形成されており、駆動電極により外部から直流高電
圧の電場を光導波路と交差する方向に印加し導波光の伝
搬を制御するようにしたものである。
【００２７】本発明の非線形光学素子は、屈折率の高い
ＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスからなるコア領域と、コア
領域を囲む屈折率の低いクラッド領域とを備えた非線形
光学素子において、コア領域を囲む周辺のクラッド領域
の断面形状が、側面が傾斜した台形形状をなし、少なく
とも一対の駆動電極がこの傾斜した側面上に形成されて
おり、駆動電極により光導波路に対して交差する方向に
外部電場を印加して導波光の伝搬を制御するようにした
ものである。
ＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスからなるコア領域と、コア
領域を囲む屈折率の低いクラッド領域とを備えた非線形
光学素子において、コア領域を囲む周辺のクラッド領域
の断面形状が、側面が傾斜した台形形状をなし、少なく
とも一対の駆動電極がこの傾斜した側面上に形成されて
おり、駆動電極により光導波路に対して交差する方向に
外部電場を印加して導波光の伝搬を制御するようにした
ものである。
【００２８】本発明の非線形光学素子は、屈折率の高い
ＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスからなるコア領域と、コア
領域を囲む屈折率の低いクラッド領域とを備えた非線形
光学素子において、コア領域の下方部には低抵抗半導体
層或いは金属電極が形成され、コア領域の上方部には透
明電極或いは金属電極が形成され、導波光の伝搬を制御
する外部電場を光導波路に対して厚さ方向に印加するよ
うにしたものである。
ＧｅドープのＳｉＯ2 ガラスからなるコア領域と、コア
領域を囲む屈折率の低いクラッド領域とを備えた非線形
光学素子において、コア領域の下方部には低抵抗半導体
層或いは金属電極が形成され、コア領域の上方部には透
明電極或いは金属電極が形成され、導波光の伝搬を制御
する外部電場を光導波路に対して厚さ方向に印加するよ
うにしたものである。
【００２９】本発明によれば、ガラス導波路内に大きな
非線形光学係数をもつ光学的異方性領域を実現すること
ができる。そのメカニズムは以下のように推測される。
非線形光学係数をもつ光学的異方性領域を実現すること
ができる。そのメカニズムは以下のように推測される。
【００３０】前述のように種々のガラス材料は、ポーリ
ング処理することにより非線形光学効果が誘起される。
その要因として可動プロトンイオンや点欠陥、ＯＨ基、
非架橋酸素等種類の異なった電気双極子の形成が関与し
ていると考えられる。
ング処理することにより非線形光学効果が誘起される。
その要因として可動プロトンイオンや点欠陥、ＯＨ基、
非架橋酸素等種類の異なった電気双極子の形成が関与し
ていると考えられる。
【００３１】本発明のＳｉＯ2 −ＧｅＯ2 ガラスにおけ
る非線形光学効果は、これらの種々の要因のうち主にＳ
ｉＯ2 −ＧｅＯ2 ガラス中の酸素欠乏欠陥を利用したも
のである。
る非線形光学効果は、これらの種々の要因のうち主にＳ
ｉＯ2 −ＧｅＯ2 ガラス中の酸素欠乏欠陥を利用したも
のである。
【００３２】ＧｅＯ2 をドープしたＳｉＯ2 ガラスは、
５ｅＶ帯に吸収をもつ２種類のＮＯＶ（中性酸素欠陥）
及びＧＬＰＣ（Ｇｅの孤立電子対）と呼ばれる酸素欠乏
欠陥が存在する。このうちＮＯＶは、化１式で表される
構造をもつ欠陥であり、エキシマレーザのような紫外光
やＡｒレーザ等の青緑光を照射すると化２式で表される
光化学反応が進行し、ＧｅＥ´センタと呼ばれる常磁性
中心と電気双極子とが同時に生成する。
５ｅＶ帯に吸収をもつ２種類のＮＯＶ（中性酸素欠陥）
及びＧＬＰＣ（Ｇｅの孤立電子対）と呼ばれる酸素欠乏
欠陥が存在する。このうちＮＯＶは、化１式で表される
構造をもつ欠陥であり、エキシマレーザのような紫外光
やＡｒレーザ等の青緑光を照射すると化２式で表される
光化学反応が進行し、ＧｅＥ´センタと呼ばれる常磁性
中心と電気双極子とが同時に生成する。
【００３３】
【化１】
【００３４】
【化２】
【００３５】ところでＧｅＥ´センタの生成に関して
は、前述のＮＯＶによる構造変化だけでなく、高光子密
度の紫外光によって４配位Ｇｅの電子捕獲中心（ＧＥ
Ｃ）への変化を経て、さらにその一部がＧｅＥ´センタ
に構造変化するという過程や、＝Ｇｅ: の構造をもつＧ
ＬＰＣと水素分子Ｈ2 との反応によって、ＮＯＶへの構
造変化を経由してＧｅＥ´センタが生成するという過程
も存在すると考えられる。ＧｅＥ´センタは６．３ｅＶ
帯に吸収ピークをもち、吸収帯の変化に従って屈折率が
増加する。このＧｅＥ´センタが生成される現象は、現
在光誘起により光ファイバ等にグレーティングを書き込
むことに広く利用されている。
は、前述のＮＯＶによる構造変化だけでなく、高光子密
度の紫外光によって４配位Ｇｅの電子捕獲中心（ＧＥ
Ｃ）への変化を経て、さらにその一部がＧｅＥ´センタ
に構造変化するという過程や、＝Ｇｅ: の構造をもつＧ
ＬＰＣと水素分子Ｈ2 との反応によって、ＮＯＶへの構
造変化を経由してＧｅＥ´センタが生成するという過程
も存在すると考えられる。ＧｅＥ´センタは６．３ｅＶ
帯に吸収ピークをもち、吸収帯の変化に従って屈折率が
増加する。このＧｅＥ´センタが生成される現象は、現
在光誘起により光ファイバ等にグレーティングを書き込
むことに広く利用されている。
【００３６】本発明はＧｅＥ´センタの存在よりも、む
しろ同時に生成される電気双極子の生成に着目しこれを
利用するものである。
しろ同時に生成される電気双極子の生成に着目しこれを
利用するものである。
【００３７】しかしながらＧｅＥ´センタ生成過程にお
いて、ＧｅＥ´センタと電気双極子とは対をなして生成
されるので、結果として誘起される非線形光学効果はＧ
ｅＥ´センタの濃度に比例することになる。
いて、ＧｅＥ´センタと電気双極子とは対をなして生成
されるので、結果として誘起される非線形光学効果はＧ
ｅＥ´センタの濃度に比例することになる。
【００３８】本発明は、以上のような電気双極子生成の
メカニズムを利用し、最も効率よく非線形光学効果を誘
起するものである。そのための着眼のポイントを以下に
述べる。
メカニズムを利用し、最も効率よく非線形光学効果を誘
起するものである。そのための着眼のポイントを以下に
述べる。
【００３９】まず、ＮＯＶやＧＬＰＣの酸素欠乏欠陥そ
のものの絶対量を増加させる必要がある。次にＧｅＥ´
センタへの構造変化を促進し電気双極子の生成効率を高
めなければならない。そして電気双極子の生成と同時に
強力な外部電場により規則的な電気双極子の配向性によ
り光学的異方性を誘起させることが重要である。
のものの絶対量を増加させる必要がある。次にＧｅＥ´
センタへの構造変化を促進し電気双極子の生成効率を高
めなければならない。そして電気双極子の生成と同時に
強力な外部電場により規則的な電気双極子の配向性によ
り光学的異方性を誘起させることが重要である。
【００４０】このような観点から本発明が提案されたの
である。
である。
【００４１】酸素欠乏欠陥の絶対量はＧｅの濃度だけで
なく、ガラスの製法によっても大きく異なる。ＧｅＯ2
を含有したＳｉＯ2 をターゲットとした高周波スパッタ
リング法によって形成したＧｅドープＳｉＯ2 ガラス膜
は、電子ビーム蒸着やガラスの微粒子を溶融させて形成
する方法よりも酸素欠乏欠陥が多く含まれていることが
分かった。また波長５５０ｎｍ以下の励起光をＧｅドー
プＳｉＯ2 ガラス膜の近傍から照射したり、導波構造を
とるコア領域内を伝搬させることにより高エネルギー密
度を実現し、電気双極子の発生効率を高めることができ
る。また前述のようにＧＬＰＣとＨ2 との反応によって
もＧｅＥ´センタと電気双極子とが生成されるので、こ
の反応を促進させるために高温或いは高圧水素雰囲気中
に光導波路を一定時間保持する工程、或いは光導波路の
少なくとも一部を酸水素バーナで炙る工程を経て、直流
高電圧の電場を印加すると同時にコア領域に励起光を照
射するか或いはコア領域内に伝搬させてもよい。
なく、ガラスの製法によっても大きく異なる。ＧｅＯ2
を含有したＳｉＯ2 をターゲットとした高周波スパッタ
リング法によって形成したＧｅドープＳｉＯ2 ガラス膜
は、電子ビーム蒸着やガラスの微粒子を溶融させて形成
する方法よりも酸素欠乏欠陥が多く含まれていることが
分かった。また波長５５０ｎｍ以下の励起光をＧｅドー
プＳｉＯ2 ガラス膜の近傍から照射したり、導波構造を
とるコア領域内を伝搬させることにより高エネルギー密
度を実現し、電気双極子の発生効率を高めることができ
る。また前述のようにＧＬＰＣとＨ2 との反応によって
もＧｅＥ´センタと電気双極子とが生成されるので、こ
の反応を促進させるために高温或いは高圧水素雰囲気中
に光導波路を一定時間保持する工程、或いは光導波路の
少なくとも一部を酸水素バーナで炙る工程を経て、直流
高電圧の電場を印加すると同時にコア領域に励起光を照
射するか或いはコア領域内に伝搬させてもよい。
【００４２】電気双極子の規則的な配向性を高めるた
め、本発明では光導波路に印加する直流高電圧の電場の
方向とコア領域に照射されるか或いはコア領域内を伝搬
する励起光の電界の偏光方向が略平行になるようにし
た。また直流高電圧の電場の印加及び励起光の照射と同
時に、基板を高温状態に保持し、これにより電気双極子
の配向を促進させている。
め、本発明では光導波路に印加する直流高電圧の電場の
方向とコア領域に照射されるか或いはコア領域内を伝搬
する励起光の電界の偏光方向が略平行になるようにし
た。また直流高電圧の電場の印加及び励起光の照射と同
時に、基板を高温状態に保持し、これにより電気双極子
の配向を促進させている。
【００４３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。
図面に基づいて詳述する。
【００４４】図１は本発明の非線形光学素子の製造方法
の一実施の形態を示す概念図である。
の一実施の形態を示す概念図である。
【００４５】非線形光学素子としての光導波路１１は、
石英基板１２の上に形成されＧｅがドープされたＳｉＯ
2 ガラスからなるコア領域１３と、コア領域１３より低
い屈折率を有しコア領域１３を囲むクラッド領域１４と
で構成されている。
石英基板１２の上に形成されＧｅがドープされたＳｉＯ
2 ガラスからなるコア領域１３と、コア領域１３より低
い屈折率を有しコア領域１３を囲むクラッド領域１４と
で構成されている。
【００４６】コア領域１３は、ＧｅＯ2 を含有したＳｉ
Ｏ2 をターゲットとして高周波スパッタリング法によっ
て石英基板１２上に形成されたコア膜がホトリソグラフ
ィ法によって導波路のパターニングが行われ、ＣＨＦ3
ガスを用いた反応性イオンエッチング法により矩形断面
形状に形成されたものである。
Ｏ2 をターゲットとして高周波スパッタリング法によっ
て石英基板１２上に形成されたコア膜がホトリソグラフ
ィ法によって導波路のパターニングが行われ、ＣＨＦ3
ガスを用いた反応性イオンエッチング法により矩形断面
形状に形成されたものである。
【００４７】クラッド領域１４は、火炎堆積法でコア領
域１３が形成された後、石英基板１２の上全体に火炎加
水分解反応によりＳｉＯ2 にＰ（リン）とＢ（ホウ素）
とを添加したガラス微粒子が堆積され、石英基板１２ご
と１３００℃の高温で焼結されて、微粒子が透明ガラス
化されたものである。
域１３が形成された後、石英基板１２の上全体に火炎加
水分解反応によりＳｉＯ2 にＰ（リン）とＢ（ホウ素）
とを添加したガラス微粒子が堆積され、石英基板１２ご
と１３００℃の高温で焼結されて、微粒子が透明ガラス
化されたものである。
【００４８】ＰをＳｉＯ2 に添加するとＳｉＯ2 の屈折
率が高くなり、ＢをＳｉＯ2 へ添加すると逆にＳｉＯ2
の屈折率が低くなる。ＰとＢとの量を調整することによ
りクラッド領域１４の屈折率は石英基板１２の屈折率と
略等しくなる。本実施の形態においては、コア領域１３
の断面寸法を約５×５μｍとし、コア領域１３とクラッ
ド領域１４との比屈折率差を０．８％とした。
率が高くなり、ＢをＳｉＯ2 へ添加すると逆にＳｉＯ2
の屈折率が低くなる。ＰとＢとの量を調整することによ
りクラッド領域１４の屈折率は石英基板１２の屈折率と
略等しくなる。本実施の形態においては、コア領域１３
の断面寸法を約５×５μｍとし、コア領域１３とクラッ
ド領域１４との比屈折率差を０．８％とした。
【００４９】このようにして形成されたクラッド領域１
４の表面にコア領域１３を挟むように両側に一対の電極
１５，１６を形成した。
４の表面にコア領域１３を挟むように両側に一対の電極
１５，１６を形成した。
【００５０】これら二つの電極１５，１６を直流高電圧
電源１７に接続すると、電場が光導波路１１のコア領域
１３に対して横方向に発生する。電場の発生と同時にコ
ア領域１３及び電場に対し交差する方向（図では上方か
ら）に励起光を矢印Ａ方向に照射することにより、光導
波路１１のコア領域１３に光学的異方性領域が形成され
る。
電源１７に接続すると、電場が光導波路１１のコア領域
１３に対して横方向に発生する。電場の発生と同時にコ
ア領域１３及び電場に対し交差する方向（図では上方か
ら）に励起光を矢印Ａ方向に照射することにより、光導
波路１１のコア領域１３に光学的異方性領域が形成され
る。
【００５１】励起光は、図示しないシリンドリカルレン
ズにより線状に集光されコア領域１３の長手方向にわた
って照射される。尚、励起光をレンズによって集光し得
られた円形ビームを、コア領域１３の長手方向に走査さ
せながら照射しても特定の長さの光学的異方性領域がコ
ア領域１３の内部に形成される。本実施の形態では電極
１５，１６によってコア領域１３に印加される電場の強
さを約１０6 〜１０7Ｖ／ｃｍとした。
ズにより線状に集光されコア領域１３の長手方向にわた
って照射される。尚、励起光をレンズによって集光し得
られた円形ビームを、コア領域１３の長手方向に走査さ
せながら照射しても特定の長さの光学的異方性領域がコ
ア領域１３の内部に形成される。本実施の形態では電極
１５，１６によってコア領域１３に印加される電場の強
さを約１０6 〜１０7Ｖ／ｃｍとした。
【００５２】直流高電圧の印加と同時にコア領域１３に
照射される励起光には、１００〜２００ｍＪ、１０ｐｐ
ｓのＫｒＦエキシマレーザが用いられ、その照射時間は
２０〜３０分間とした。尚、励起光は、これに限定され
ず、波長５５０ｎｍ以下のＨｇランプ光、Ａｒレーザ、
ＡｒＦエキシマレーザ、Ａｒレーザ、色素レーザの第二
高調波或いはＮｄ3+：ＹＬＦレーザの第四高調波によっ
ても同様な非線形光学効果が得られる。
照射される励起光には、１００〜２００ｍＪ、１０ｐｐ
ｓのＫｒＦエキシマレーザが用いられ、その照射時間は
２０〜３０分間とした。尚、励起光は、これに限定され
ず、波長５５０ｎｍ以下のＨｇランプ光、Ａｒレーザ、
ＡｒＦエキシマレーザ、Ａｒレーザ、色素レーザの第二
高調波或いはＮｄ3+：ＹＬＦレーザの第四高調波によっ
ても同様な非線形光学効果が得られる。
【００５３】ここで、低エネルギーのＨｇランプ励起の
場合は、１光子吸収過程により酸素欠乏欠陥ＮＯＶがＧ
ｅＥ´に構造変化し、Ａｒレーザ励起の場合は同様の構
造変化が２光子吸収過程によって行われると考えられ
る。また、エキシマレーザ等の高エネルギー密度の紫外
励起光照射の場合には、２光子吸収過程による無欠陥構
造のＧＥＣへの変化と、さらにその一部がＧｅＥ´セン
タに変化する２段階反応も寄与していると考えられる。
場合は、１光子吸収過程により酸素欠乏欠陥ＮＯＶがＧ
ｅＥ´に構造変化し、Ａｒレーザ励起の場合は同様の構
造変化が２光子吸収過程によって行われると考えられ
る。また、エキシマレーザ等の高エネルギー密度の紫外
励起光照射の場合には、２光子吸収過程による無欠陥構
造のＧＥＣへの変化と、さらにその一部がＧｅＥ´セン
タに変化する２段階反応も寄与していると考えられる。
【００５４】また、この励起光照射のときの電気双極子
の配向性を高めるために、励起光の電界の偏光方向が直
流高電圧電場の電気力線と略平行になるようにした。さ
らにポーリング処理時、すなわち直流高電圧の印加と同
時に行われる励起光照射の間（２０〜３０分間）は、石
英基板１２全体を約３００℃に保持することによっても
コア領域１３に誘起される光学的異方性が増強される傾
向が見られ、ポーリング処理時の高温保持も有効であ
る。
の配向性を高めるために、励起光の電界の偏光方向が直
流高電圧電場の電気力線と略平行になるようにした。さ
らにポーリング処理時、すなわち直流高電圧の印加と同
時に行われる励起光照射の間（２０〜３０分間）は、石
英基板１２全体を約３００℃に保持することによっても
コア領域１３に誘起される光学的異方性が増強される傾
向が見られ、ポーリング処理時の高温保持も有効であ
る。
【００５５】また電気双極子の生成過程の効率を高める
ために、直流高電圧電場を発生させると同時に光導波路
１１内のコア領域１３に励起光を照射する工程の前処理
として、高温或いは高圧水素雰囲気に光導波路１１を石
英基板１２ごと一定時間保持する工程、或いは光導波路
１１の少なくとも一部を酸水素バーナによって炙る工程
を経ても光学的異方性が増強される効果がみられる。こ
れは前述のようにＧＬＰＣと水素分子との反応によって
ＧｅＥ´センタが生成するという過程が促進されるため
と考えられる。
ために、直流高電圧電場を発生させると同時に光導波路
１１内のコア領域１３に励起光を照射する工程の前処理
として、高温或いは高圧水素雰囲気に光導波路１１を石
英基板１２ごと一定時間保持する工程、或いは光導波路
１１の少なくとも一部を酸水素バーナによって炙る工程
を経ても光学的異方性が増強される効果がみられる。こ
れは前述のようにＧＬＰＣと水素分子との反応によって
ＧｅＥ´センタが生成するという過程が促進されるため
と考えられる。
【００５６】尚、本実施の形態ではコア領域１３が前述
のようにＧｅＯ2 をターゲットとした高周波スパッタリ
ング法により形成されている。コア領域１３を形成する
ためのＧｅドープＳｉＯ2 層は、本実施の形態のような
スパッタリング法だけでなく、電子ビーム蒸着法や火炎
堆積法を用いて形成してもよい。しかし、コア領域１３
内の欠陥の量はコア層の形成方法に大きく依存するの
で、検討の結果、本実施の形態で採用した高周波スパッ
タリング法が最も有効であることが分かった。
のようにＧｅＯ2 をターゲットとした高周波スパッタリ
ング法により形成されている。コア領域１３を形成する
ためのＧｅドープＳｉＯ2 層は、本実施の形態のような
スパッタリング法だけでなく、電子ビーム蒸着法や火炎
堆積法を用いて形成してもよい。しかし、コア領域１３
内の欠陥の量はコア層の形成方法に大きく依存するの
で、検討の結果、本実施の形態で採用した高周波スパッ
タリング法が最も有効であることが分かった。
【００５７】図１に示した実施の形態では励起光として
エネルギー密度の高いＫｒＦエキシマレーザを用いた。
レーザ光は主にコア領域に照射されるが、その一部は電
極１５，１６にも照射されるので、電極１５，１６が熱
的な損傷を受けるおそれがある。この熱的な損傷を防止
するため電極の材料としてアルミニウムを採用した。エ
キシマレーザの波長帯での金属の反射率は、例えば金を
材料とした場合では約３２．９％であるのに対し、アル
ミニウムを材料とした場合では約９２．４％と非常に高
く、金属材料の中ではアルミニウムが吸収による熱的損
傷が最も起こりにくい。尚、電極１５，１６の材料とし
ては、アルミニウムのように反射によって熱的損傷を防
止する以外に、ＩＴＯ(indium-tin-oxide)等の透明電極
材料を用いても励起光照射による電極１５，１６の損傷
を防止するのに有効である。
エネルギー密度の高いＫｒＦエキシマレーザを用いた。
レーザ光は主にコア領域に照射されるが、その一部は電
極１５，１６にも照射されるので、電極１５，１６が熱
的な損傷を受けるおそれがある。この熱的な損傷を防止
するため電極の材料としてアルミニウムを採用した。エ
キシマレーザの波長帯での金属の反射率は、例えば金を
材料とした場合では約３２．９％であるのに対し、アル
ミニウムを材料とした場合では約９２．４％と非常に高
く、金属材料の中ではアルミニウムが吸収による熱的損
傷が最も起こりにくい。尚、電極１５，１６の材料とし
ては、アルミニウムのように反射によって熱的損傷を防
止する以外に、ＩＴＯ(indium-tin-oxide)等の透明電極
材料を用いても励起光照射による電極１５，１６の損傷
を防止するのに有効である。
【００５８】図１に示した電極１５，１６は、コア領域
１３に光学的異方性領域を形成するために使用した高電
圧印加用の電極であるが、これはそのまま直流高電圧電
源１７を適当な制御用電源に取り替えれば、光導波路１
１のコア領域１３を伝搬する導波光を高速で制御する駆
動電極として使用することができる。
１３に光学的異方性領域を形成するために使用した高電
圧印加用の電極であるが、これはそのまま直流高電圧電
源１７を適当な制御用電源に取り替えれば、光導波路１
１のコア領域１３を伝搬する導波光を高速で制御する駆
動電極として使用することができる。
【００５９】図２は、本発明の非線形光学素子の製造方
法の他の実施の形態を示す概念図である。
法の他の実施の形態を示す概念図である。
【００６０】図１に示した実施の形態との相違点は、ク
ラッド領域２２の形状が台形断面形状となっており、ク
ラッド領域２２の両斜面上に電極２３，２４が形成され
ている点であり、非線形光学効果の誘起効率、或いは導
波光を制御するための駆動電圧印加効率をさらに向上さ
せることを目的としたものである。
ラッド領域２２の形状が台形断面形状となっており、ク
ラッド領域２２の両斜面上に電極２３，２４が形成され
ている点であり、非線形光学効果の誘起効率、或いは導
波光を制御するための駆動電圧印加効率をさらに向上さ
せることを目的としたものである。
【００６１】光導波路２１は、図１に示した光導波路１
１と同様に、屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ2 ガラス
からなるコア領域１３と、このコア領域１３を囲む屈折
率の低いクラッド領域２２とで構成されている。コア領
域１３を囲む周辺のクラッド領域２２の断面形状は側面
が傾斜をもった台形形状をなし、この傾斜した側面上に
非線形光学効果を誘起させるための高電圧印加用の電極
２３，２４が形成されている。
１と同様に、屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ2 ガラス
からなるコア領域１３と、このコア領域１３を囲む屈折
率の低いクラッド領域２２とで構成されている。コア領
域１３を囲む周辺のクラッド領域２２の断面形状は側面
が傾斜をもった台形形状をなし、この傾斜した側面上に
非線形光学効果を誘起させるための高電圧印加用の電極
２３，２４が形成されている。
【００６２】ポーリング処理時の励起光の照射方法等は
図１に示した場合と同様に、電極２３，２４間に直流高
電圧を印加すると同時に矢印Ｂ方向に励起光を照射する
ことである。コア領域１３を囲む周辺のクラッド領域２
２の断面形状を側面が傾斜をもった台形状にするために
は、図１に示した実施の形態と同様に火炎堆積法により
平坦なクラッド層を形成した後、コア領域１３の上部を
マスクし、例えば反応性イオンエッチング等を用いるこ
とにより形成できる。コア領域１３を囲むクラッド領域
２２の側面の傾斜角度はマスクのサイドエッチングによ
って異なるが、マスクの材料或いはエッチング条件によ
って決定される。台形断面形状のクラッド領域２２の形
成方法は、平坦化に適した火炎堆積法及びエッチング加
工を用いる以外にも、例えばバイアススパッタリング法
を用いても可能である。バイアススパッタリングは火炎
堆積法よりも平坦化作用は小さく、ＳｉＯ2 をコア上部
に堆積させるだけで直接図２に示したような形状を形成
することができる。同図に示したような構造は、ポーリ
ング処理時に非線形光学効果の誘起効率を高めるだけで
なく、高電圧印加用の電極２３，２４をそのまま導波光
を制御するための駆動電極として使用すれば、より小さ
な電圧で導波光を制御することができる。
図１に示した場合と同様に、電極２３，２４間に直流高
電圧を印加すると同時に矢印Ｂ方向に励起光を照射する
ことである。コア領域１３を囲む周辺のクラッド領域２
２の断面形状を側面が傾斜をもった台形状にするために
は、図１に示した実施の形態と同様に火炎堆積法により
平坦なクラッド層を形成した後、コア領域１３の上部を
マスクし、例えば反応性イオンエッチング等を用いるこ
とにより形成できる。コア領域１３を囲むクラッド領域
２２の側面の傾斜角度はマスクのサイドエッチングによ
って異なるが、マスクの材料或いはエッチング条件によ
って決定される。台形断面形状のクラッド領域２２の形
成方法は、平坦化に適した火炎堆積法及びエッチング加
工を用いる以外にも、例えばバイアススパッタリング法
を用いても可能である。バイアススパッタリングは火炎
堆積法よりも平坦化作用は小さく、ＳｉＯ2 をコア上部
に堆積させるだけで直接図２に示したような形状を形成
することができる。同図に示したような構造は、ポーリ
ング処理時に非線形光学効果の誘起効率を高めるだけで
なく、高電圧印加用の電極２３，２４をそのまま導波光
を制御するための駆動電極として使用すれば、より小さ
な電圧で導波光を制御することができる。
【００６３】図１及び図２に示した実施の形態では、直
流高電圧の電場が印加され、同時に励起光が光導波路１
１（２１）のコア領域１３に対して交差する方向（図で
は上部方向）から照射する場合で説明したが、これに限
定されず励起光をコア領域１３内に伝搬させてもよい。
流高電圧の電場が印加され、同時に励起光が光導波路１
１（２１）のコア領域１３に対して交差する方向（図で
は上部方向）から照射する場合で説明したが、これに限
定されず励起光をコア領域１３内に伝搬させてもよい。
【００６４】尚、励起光としてエキシマレーザを用いた
が、これに限定されず、波長約４８８ｎｍのＡｒレーザ
を導波路に入射してもよい。図１或いは図２に示したよ
うに励起光を導波路と交差する方向に照射する方法で
は、Ａｒレーザの方がより高光エネルギーを有するエキ
シマレーザよりも非線形光学効果を誘起する効率は小さ
い。
が、これに限定されず、波長約４８８ｎｍのＡｒレーザ
を導波路に入射してもよい。図１或いは図２に示したよ
うに励起光を導波路と交差する方向に照射する方法で
は、Ａｒレーザの方がより高光エネルギーを有するエキ
シマレーザよりも非線形光学効果を誘起する効率は小さ
い。
【００６５】しかし、光導波路１１（２１）のコア領域
１３内を励起光が伝搬すれば、その光エネルギー密度は
数ＭＷ／ｃｍ2 にも達するため、２光子吸収過程によっ
て高い効率で光学的異方性領域を誘起できる。但し、こ
の場合も光導波路１１（２１）のコア領域１３に伝搬さ
れる励起光の電界の偏光方向が、直流高電圧の電場の方
向と平行になるようにした方が非線形光学効果の誘起効
率を高めることができる。
１３内を励起光が伝搬すれば、その光エネルギー密度は
数ＭＷ／ｃｍ2 にも達するため、２光子吸収過程によっ
て高い効率で光学的異方性領域を誘起できる。但し、こ
の場合も光導波路１１（２１）のコア領域１３に伝搬さ
れる励起光の電界の偏光方向が、直流高電圧の電場の方
向と平行になるようにした方が非線形光学効果の誘起効
率を高めることができる。
【００６６】図３は本発明の非線形光学素子の製造方法
の他の実施の形態を示す概念図である。
の他の実施の形態を示す概念図である。
【００６７】図１に示した実施の形態との相違点は、直
流高電圧が石英基板１２の厚さ方向に印加され、直流高
電圧電場と交差する方向の励起光がコア領域１３に照射
される点である。
流高電圧が石英基板１２の厚さ方向に印加され、直流高
電圧電場と交差する方向の励起光がコア領域１３に照射
される点である。
【００６８】石英基板１２、コア領域１３及びクラッド
領域３１からなる光導波路３２の石英基板１２の上部及
び下部に電極３３，３４が形成され、石英基板１２の厚
さ方向（図では上下方向）に直流高電圧を印加すると同
時にコア領域１３へコア領域１３の長手方向と交差する
方向（図では矢印Ｃ方向）に励起光が照射される。この
ような構造のため光導波路３２に電極を形成するのが容
易となる。尚、一般に、二つの電極間に直流高電圧を印
加してポーリング処理する場合、陽極側の方が光学的異
方性領域を形成しやすいことが知られている。そのため
図３に示す実施の形態ではコア領域１３の真上にある電
極３３が陽極側になるように設定されている。照射され
る励起光の電界の方向は、前述と同様に印加される直流
高電圧電場の電気力線の方向と平行になるように設定さ
れている。電極３３，３４の材料としてはアルミニウム
が用いられる。
領域３１からなる光導波路３２の石英基板１２の上部及
び下部に電極３３，３４が形成され、石英基板１２の厚
さ方向（図では上下方向）に直流高電圧を印加すると同
時にコア領域１３へコア領域１３の長手方向と交差する
方向（図では矢印Ｃ方向）に励起光が照射される。この
ような構造のため光導波路３２に電極を形成するのが容
易となる。尚、一般に、二つの電極間に直流高電圧を印
加してポーリング処理する場合、陽極側の方が光学的異
方性領域を形成しやすいことが知られている。そのため
図３に示す実施の形態ではコア領域１３の真上にある電
極３３が陽極側になるように設定されている。照射され
る励起光の電界の方向は、前述と同様に印加される直流
高電圧電場の電気力線の方向と平行になるように設定さ
れている。電極３３，３４の材料としてはアルミニウム
が用いられる。
【００６９】この光導波路３２の場合、図１に示した実
施の形態のように励起光をコア領域１３の上方から照射
することはできない。そのため図３に示すようにコア領
域１３の側面から励起光を照射しているが、光導波路３
２の側面とコア領域１３との間の距離Ｌが長いと、励起
光が側面からコア領域に達するまでにビーム径が拡がっ
てしまい高いエネルギー密度で照射できないことがあ
る。
施の形態のように励起光をコア領域１３の上方から照射
することはできない。そのため図３に示すようにコア領
域１３の側面から励起光を照射しているが、光導波路３
２の側面とコア領域１３との間の距離Ｌが長いと、励起
光が側面からコア領域に達するまでにビーム径が拡がっ
てしまい高いエネルギー密度で照射できないことがあ
る。
【００７０】そこで、光導波路を細長く切断し、側面か
らの照射でも十分コア領域１３に励起光が照射されるよ
うにしているが、回路構成によっては側面からの効率よ
い照射は難しい場合がある。このような場合には電極３
３，３４としてＩＴＯ等の透明電極を用いることによ
り、励起光を透明電極を透過してコア領域１３の上方か
ら効率よく照射することができる。
らの照射でも十分コア領域１３に励起光が照射されるよ
うにしているが、回路構成によっては側面からの効率よ
い照射は難しい場合がある。このような場合には電極３
３，３４としてＩＴＯ等の透明電極を用いることによ
り、励起光を透明電極を透過してコア領域１３の上方か
ら効率よく照射することができる。
【００７１】尚、励起光をコア領域１３の側面から照射
する代わりに、コア領域１３に直接入射して長手方向に
伝搬させてもよい。
する代わりに、コア領域１３に直接入射して長手方向に
伝搬させてもよい。
【００７２】また、基板として石英基板を用いたが、こ
れに限定されず低抵抗半導体基板を用いてもよい。低抵
抗半導体基板を用いる場合には、電極を光導波路の表裏
に形成し、厚さ方向に直流高電圧電場を印加すればよ
い。この場合、半導体基板は低抵抗であるため陰極とし
て機能し、図３に示すような電極３４を基板裏面にわざ
わざ設ける必要はない。
れに限定されず低抵抗半導体基板を用いてもよい。低抵
抗半導体基板を用いる場合には、電極を光導波路の表裏
に形成し、厚さ方向に直流高電圧電場を印加すればよ
い。この場合、半導体基板は低抵抗であるため陰極とし
て機能し、図３に示すような電極３４を基板裏面にわざ
わざ設ける必要はない。
【００７３】さらに基板に低抵抗Ｓｉ基板を用いた場合
には、Ｓｉ基板上に熱酸化或いはスパッタリングによっ
てＳｉＯ2 膜をバッファ層（下部クラッド層）として形
成するのが好ましい。コア領域１３はバッファ層の上に
形成され、それ以外の構造は図３と同様である。Ｓｉ基
板による導波光の吸収が無視できるように、バッファ層
の厚さは約２０μｍが好ましい。励起光は図３と同様コ
ア領域の側面から照射する。或いはコア領域の上側の電
極に透明電極を用いれば、コア上部からも励起光を照射
することができる。図３に示した実施の形態では石英基
板を用いているため、電極３３と電極３４との間隔は大
きい。そのためコア領域１３内に大きな電場を印加する
には、両電極３３，３４間に非常に高い直流電圧を印加
しなければならない。これに対し、低抵抗半導体基板を
陰極として用いれば、コア領域１３の上側の電極と陰極
（低抵抗基板）との間隔は数十μｍ程度に接近するの
で、より低い電圧の電源を用いてもコア領域１３に大き
な電場を印加することができる。基板に低抵抗半導体基
板を用い、この低抵抗半導体基板を陰極とすることは、
コア領域１３に光学的異方性領域を誘起するポーリング
処理の時だけでなく、導波光を制御する場合にも低い駆
動電圧で動作するので有利である。
には、Ｓｉ基板上に熱酸化或いはスパッタリングによっ
てＳｉＯ2 膜をバッファ層（下部クラッド層）として形
成するのが好ましい。コア領域１３はバッファ層の上に
形成され、それ以外の構造は図３と同様である。Ｓｉ基
板による導波光の吸収が無視できるように、バッファ層
の厚さは約２０μｍが好ましい。励起光は図３と同様コ
ア領域の側面から照射する。或いはコア領域の上側の電
極に透明電極を用いれば、コア上部からも励起光を照射
することができる。図３に示した実施の形態では石英基
板を用いているため、電極３３と電極３４との間隔は大
きい。そのためコア領域１３内に大きな電場を印加する
には、両電極３３，３４間に非常に高い直流電圧を印加
しなければならない。これに対し、低抵抗半導体基板を
陰極として用いれば、コア領域１３の上側の電極と陰極
（低抵抗基板）との間隔は数十μｍ程度に接近するの
で、より低い電圧の電源を用いてもコア領域１３に大き
な電場を印加することができる。基板に低抵抗半導体基
板を用い、この低抵抗半導体基板を陰極とすることは、
コア領域１３に光学的異方性領域を誘起するポーリング
処理の時だけでなく、導波光を制御する場合にも低い駆
動電圧で動作するので有利である。
【００７４】図４は本発明の非線形光学素子の一例を示
す概念図であり、電気光学効果を用いたＭａｃｈ−Ｚｅ
ｈｎｄｅｒ型の光変調器４１を示したものである。
す概念図であり、電気光学効果を用いたＭａｃｈ−Ｚｅ
ｈｎｄｅｒ型の光変調器４１を示したものである。
【００７５】光変調器４１は、石英基板４２上にコア領
域４３が形成され、コア領域４３を囲むようにクラッド
領域４４が形成されている。導波光の入力側及び出力側
にそれぞれＹ分岐４５，４６が形成されている。矢印Ｄ
方向に入射する導波光は入力側のＹ分岐４５で２等分さ
れ、同じ長さの２本の導波路アーム４７，４８を伝搬す
るようになっている。
域４３が形成され、コア領域４３を囲むようにクラッド
領域４４が形成されている。導波光の入力側及び出力側
にそれぞれＹ分岐４５，４６が形成されている。矢印Ｄ
方向に入射する導波光は入力側のＹ分岐４５で２等分さ
れ、同じ長さの２本の導波路アーム４７，４８を伝搬す
るようになっている。
【００７６】クラッド領域４４上の一方の導波路アーム
４７の両側にはこの導波路アーム４７を挟んで二つの電
極４９，５０が形成され、交流電源５１と接続されてい
る。導波路アーム４７内を伝搬する導波光は交流電圧の
電場によって位相変化を受ける。この導波光を出力側の
Ｙ分岐４６で他方の導波路アーム４８を伝搬してきた参
照導波光と合波・干渉させることにより、両導波光の位
相差に対応して出力強度が変化して矢印Ｅ方向に出射す
る。
４７の両側にはこの導波路アーム４７を挟んで二つの電
極４９，５０が形成され、交流電源５１と接続されてい
る。導波路アーム４７内を伝搬する導波光は交流電圧の
電場によって位相変化を受ける。この導波光を出力側の
Ｙ分岐４６で他方の導波路アーム４８を伝搬してきた参
照導波光と合波・干渉させることにより、両導波光の位
相差に対応して出力強度が変化して矢印Ｅ方向に出射す
る。
【００７７】ここで光変調器４１に入射する導波光の偏
光は、交流電場の方向と平行になるようにする。尚、位
相変化を生じさせるための電極４９，５０は、両電極４
９，５０で挟まれた導波路アーム４７のコア内に光学的
異方性領域を誘起させるポーリング処理時に使用した電
極をそのまま使用することができる。ポーリング処理時
には電極４９，５０間に図には示されない直流高電圧電
源が接続され、数百〜数ＫＶの高電圧が印加される。こ
れに対し導波光の伝搬を制御し変調器として動作させる
には、数Ｖの交流電源を接続すれば十分である。
光は、交流電場の方向と平行になるようにする。尚、位
相変化を生じさせるための電極４９，５０は、両電極４
９，５０で挟まれた導波路アーム４７のコア内に光学的
異方性領域を誘起させるポーリング処理時に使用した電
極をそのまま使用することができる。ポーリング処理時
には電極４９，５０間に図には示されない直流高電圧電
源が接続され、数百〜数ＫＶの高電圧が印加される。こ
れに対し導波光の伝搬を制御し変調器として動作させる
には、数Ｖの交流電源を接続すれば十分である。
【００７８】以上において本発明によれば、従来微弱な
非線形光学効果しか実現されていなかったＧｅドープの
ＳｉＯ2 ガラスにおいて、非常に大きな光学的異方性領
域を効率的に誘起できる。これにより、電気光学効果や
第２高調波発生等の非線形光学効果を利用した光のスイ
ッチング、変調、波長変換等の各種機能を石英系の平面
光回路内部に集積できる。その結果、低損失で信頼性が
高く小型で駆動エネルギーの小さい機能性光素子が実現
できる。
非線形光学効果しか実現されていなかったＧｅドープの
ＳｉＯ2 ガラスにおいて、非常に大きな光学的異方性領
域を効率的に誘起できる。これにより、電気光学効果や
第２高調波発生等の非線形光学効果を利用した光のスイ
ッチング、変調、波長変換等の各種機能を石英系の平面
光回路内部に集積できる。その結果、低損失で信頼性が
高く小型で駆動エネルギーの小さい機能性光素子が実現
できる。
【００７９】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。
な優れた効果を発揮する。
【００８０】光導波路と交差するように外部から直流高
電圧の電場を印加すると同時に電場及び光導波路と交差
するように波長５５０ｎｍ以下の励起光を照射すること
により、光導波路のコア領域に光学的異方性領域が形成
され、低損失で信頼性が高く小型で駆動エネルギーの小
さい非線形光学素子及びその製造方法の実現を提供する
ことができる。
電圧の電場を印加すると同時に電場及び光導波路と交差
するように波長５５０ｎｍ以下の励起光を照射すること
により、光導波路のコア領域に光学的異方性領域が形成
され、低損失で信頼性が高く小型で駆動エネルギーの小
さい非線形光学素子及びその製造方法の実現を提供する
ことができる。
【図１】本発明の非線形光学素子の製造方法の一実施の
形態を示す概念図である。
形態を示す概念図である。
【図２】本発明の非線形光学素子の製造方法の他の実施
の形態を示す概念図である。
の形態を示す概念図である。
【図３】本発明の非線形光学素子の製造方法の他の実施
の形態を示す概念図である。
の形態を示す概念図である。
【図４】本発明の非線形光学素子の一例を示す概念図で
ある。
ある。
１１ 光導波路 １２ 基板（石英基板） １３ コア領域 １４ クラッド領域 １５，１６ 電極 １７ 直流高電圧電源
Claims (14)
- 【請求項１】 基板上に屈折率の高いＧｅドープのＳｉ
Ｏ2 ガラスからなるコア領域を形成し、該コア領域を屈
折率の低いクラッド領域で囲んで光導波路を形成する非
線形光学素子の製造方法において、上記光導波路と交差
するように外部から直流高電圧の電場を印加すると同時
に電場及び光導波路と交差するように波長５５０ｎｍ以
下の励起光を照射することによりコア領域に光学的異方
性領域を形成することを特徴とする非線形光学素子の製
造方法。 - 【請求項２】 基板上に屈折率の高いＧｅドープのＳｉ
Ｏ2 ガラスからなるコア領域を形成し、該コア領域を屈
折率の低いクラッド領域で囲んで光導波路を形成する非
線形光学素子の製造方法において、上記光導波路と交差
するように外部から直流高電圧の電場を印加すると同時
に光導波路内に波長５５０ｎｍ以下の励起光を伝搬させ
ることによりコア領域に光学的異方性領域を形成するこ
とを特徴とする非線形光学素子の製造方法。 - 【請求項３】 直流高電圧の電場を光導波路に対して交
差する方向に印加すると同時にコア領域に照射されるか
或いはコア領域内を伝搬する励起光の電界の偏光方向
が、直流高電圧の電場の方向と略平行になるようにした
請求項１又は２に記載の非線形光学素子の製造方法。 - 【請求項４】 コア領域を局所的に高温加熱し、高温状
態において直流高電圧の外部電場を印加すると同時にコ
ア領域に励起光を照射するか或いはコア領域内を伝搬さ
せ、一定時間経過した後放熱させ、光導波路の温度が室
温まで低下した後に直流高電圧の電場の解除及び励起光
の照射の停止を行うことによりコア領域に光学的異方性
領域を形成する請求項１又は２に記載の非線形光学素子
の製造方法。 - 【請求項５】 上記光導波路への直流高電圧の電場の印
加と同時にコア領域に照射されるか或いはコア領域内を
伝搬する波長５５０ｎｍ以下の励起光はＨｇランプ光、
Ａｒレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレ
ーザ、Ａｒレーザ或いは色素レーザの第二高調波或いは
Ｎｄ3+：ＹＬＦレーザの第四高調波のいずれかである請
求項１又は２に記載の非線形光学素子の製造方法。 - 【請求項６】 直流高電圧を印加するための電極のうち
コア領域により近い方の電極を陽極とする請求項１又は
２に記載の非線形光学素子の製造方法。 - 【請求項７】 上記コア領域は高周波スパッタリング法
によって形成される請求項１又は２に記載の非線形光学
素子の製造方法。 - 【請求項８】 上記光導波路が形成された基板を高温水
素雰囲気或いは高圧水素雰囲気に一定時間保持するか或
いは上記光導波路の少なくとも一部を酸水素バーナーに
よって炙った後、直流高電圧の外部電場を印加すると同
時に光導波路内部のコア領域に励起光を照射するか或い
はコア領域内に伝搬させる請求項１又は２に記載の非線
形光学素子の製造方法。 - 【請求項９】 高電圧印加用電極の材料に、アルミニウ
ム或いは透明導電体を用いた請求項１又は２に記載の非
線形光学素子の製造方法。 - 【請求項１０】 高電圧印加用電極のうち少なくとも一
方を透明電極とし、直流高電圧印加と同時にこの透明電
極を透過して光導波路に対し交差する方向から励起光を
照射する請求項１又は２に記載の非線形光学素子の製造
方法。 - 【請求項１１】 基板上に形成された屈折率の高いＧｅ
ドープのＳｉＯ2 ガラスからなるコア領域と、該コア領
域を囲んだ屈折率の低いクラッド領域とからなる光導波
路を備えた非線形光学素子において、上記コア領域に光
学的異方性領域を形成するために使用した高電圧印加用
電極を、そのまま或いはその一部を光導波路のコア領域
を伝搬する光を制御するための駆動電極となるように利
用したことを特徴とする非線形光学素子。 - 【請求項１２】 屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ2 ガ
ラスからなるコア領域と、該コア領域を囲む屈折率の低
いクラッド領域とを備えた非線形光学素子において、少
なくとも一対の駆動電極が同一面上に形成されており、
該駆動電極により外部から直流高電圧の電場を光導波路
と交差する方向に印加し導波光の伝搬を制御するように
したことを特徴とする非線形光学素子。 - 【請求項１３】 屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ2 ガ
ラスからなるコア領域と、該コア領域を囲む屈折率の低
いクラッド領域とを備えた非線形光学素子において、上
記コア領域を囲む周辺のクラッド領域の断面形状が、側
面が傾斜した台形形状をなし、少なくとも一対の駆動電
極がこの傾斜した側面上に形成されており、該駆動電極
により光導波路に対して交差する方向に外部電場を印加
して導波光の伝搬を制御するようにしたことを特徴とす
る非線形光学素子。 - 【請求項１４】 屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ2 ガ
ラスからなるコア領域と、該コア領域を囲む屈折率の低
いクラッド領域とを備えた非線形光学素子において、上
記コア領域の下方部には低抵抗半導体層或いは金属電極
が形成され、コア領域の上方部には透明電極或いは金属
電極が形成され、導波光の伝搬を制御する外部電場を光
導波路に対して厚さ方向に印加するようにしたことを特
徴とする非線形光学素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32392496A JP3591174B2 (ja) | 1996-12-04 | 1996-12-04 | 非線形光学素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32392496A JP3591174B2 (ja) | 1996-12-04 | 1996-12-04 | 非線形光学素子及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10161164A true JPH10161164A (ja) | 1998-06-19 |
| JP3591174B2 JP3591174B2 (ja) | 2004-11-17 |
Family
ID=18160154
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32392496A Expired - Fee Related JP3591174B2 (ja) | 1996-12-04 | 1996-12-04 | 非線形光学素子及びその製造方法 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3591174B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2023140516A (ja) * | 2022-03-23 | 2023-10-05 | 株式会社東芝 | 光スイッチ |
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1996
- 1996-12-04 JP JP32392496A patent/JP3591174B2/ja not_active Expired - Fee Related
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