DE60035259T2

DE60035259T2 - Nichtlineares optisches Material und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60035259T2
Application number: DE60035259T
Authority: DE
Inventors: Takumi Toyota School Foundation Nagoya-shi FUJIWARA; Syuji Toyota School Foundation Nagoya-shi MATSUMOTO; Akira Toyota School Foundation Nagoya-shi IKUSHIMA
Original assignee: Toyota School Foundation; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota School Foundation; Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2020-02-17
Also published as: US20010054300A1; KR20010113034A; EP1154313B1; CN1352758A; US6581414B2; JP3981527B2; CA2362162C; DE60035259D1; EP1154313A1; WO2000049459A1; EP1154313A4; AU763097B2; AU2572100A; KR100441716B1; CA2362162A1; CN1135427C

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines optisch nicht linearen Materials.
VERWANDTER STAND DER TECHNIK
Herkömmlicher Weise fand die Informationsübertragung unter der Verwendung von Licht, wie mit der Verwendung von optischen Fasern, eine steigende weitgehende Verwendung für die Informationsübertragung mit großem Volumen. Solche Informationsübertragungssysteme benötigen verschiedene optisch funktionelle Elemente. Um solche optisch funktionellen Elemente herzustellen, sind Materialien mit optischer Nichtlinearität zweiter Ordnung wichtig. Als Materialien mit optischer Nichtlinearität zweiter Ordnung wurden weitgehend kristalline Materialien wie LiNbO₃ eingesetzt. Zwischenzeitlich ist es wünschenswert, ein Glasmaterial aufgrund der stabilen Verbindung mit einer optischen Faser, des niedrigen Verlustes des übertragenen Lichts, der niedrigen Kosten und des breiten Bereiches der übertragbaren Wellenlängen zu verwenden.
Zum Beispiel schlägt die offen gelegte japanische Patentanmeldung Nr. Hei 10-111526 vor, dass UV angeregte Polung an Ge dotiertes auf SiO₂ beruhendes Glas angebracht wird, um darauf eine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung zu verleihen, in welcher eine d-Konstante oder optische Nichtlinearitätskonstante 2,5 pm/V oder größer ist.
Als solches wurde herkömmlicher Weise vorgeschlagen, dass UV angeregte Polung auf Glasmaterialien angebracht wird, um eine bemerkenswert große optische Nichtlinearität zweiter Ordnung darauf zu verleihen. Es gab jedoch weiterhin einen Wunsch, Glasmaterialien mit einer größeren optischen Nichtlinearität der zweiten Ordnung leichter herzustellen.
Das Dokument "Zweit-harmonische Erzeugung in Germaniumsilicatglas gepolt mit ArF Laserbestrahlung" "Second-harmonic generation in germanosilicate glass poled with ArF laser irradiation", Applied Physics Letters, AIP, American Institute of Physics, Melville, NY, US, Band 71, Nr. 8, Seite 25, August 1997 (1997-08-25), Seite 1032, auf welchen der Oberbegriff des beigefügten Patentanspruches 1 beruht, offenbart einen bemerkenswert großen zweitharmonischen Erzeugungseffekt (SHG) in einem Germaniumsilicatglas (15,7 GeO₂-84,3 SiO₂ in Mol-%), welcher durch elektrische Polung induziert wurde, während die Probe mit einem ArF-Laser bei einer Wellenlänge von 193 nm bestrahlt wurde. Der SHG Koeffizient, d, der auf diese Weise induziert wurde, wurde bei verschiedenen elektrischen Polungsfeldstärken der unter Verwendung der Maker-Fringe Technik gemessen. Der Wert von d steigt mit ansteigendem Polungsfeld und sättigt dann um 1,5 × 10⁵ V/cm herum. Der größte d Koeffizienten, der in dieser Arbeit erhalten wurde, welcher 3,4 ± 0,3 pm/V ist, scheint d₂₂ von LiNbO₃ zu übersteigen. Darüber hinaus zeigt die Polarisationsabhängigkeit der induzierten SHG eine Anisotropie des Brechungsindex.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des Vorstehenden erreicht und zielt darauf ab, ein Herstellungsverfahren für ein Material mit verbesserter optischer Nichtlinearität bereitzustellen. Dies wird in Übereinstimmung mit dem in dem beigefügten unabhängigen Patentanspruch definierten Verfahren abgeschlossen. Vorteilhafte Modifikationen werden in den beigefügten abhängigen Patentansprüchen dargelegt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein nicht lineares Material gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die Tatsache gekennzeichnet, dass Mikrokristallteilchen, die durch teilweises Kristallisieren einer Glasfaser erhalten werden, in der Glasphase dispergiert werden. Die Gegenwart von Mikrokristallteilchen ermöglicht die Entwicklung einer großen optischen Nichtlinearität zweiter Ordnung.
Bevorzugt haben die Mikrokristallteilchen einen Durchmesser von 10 μm bis 20 μm.
Ein Verfahren zur Herstellung eines optischen nicht linearen Materials gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die Tatsache gekennzeichnet, dass ein Glasmaterial einer teilweisen Kristallisation unterzogen wird. Die Erzeugung von Mikrokristallteilchen, wie vorstehend, ermöglicht die Entwicklung einer großen optischen Nichtlinearität zweiter Ordnung in dem Glasmaterial.
Ein Verfahren zur Herstellung eines nicht linearen Materials gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die Tatsache gekennzeichnet, dass ein Glasmaterial einer teilweisen Kristallisation, um Mikrokristallteilchen oder teilweise kristallisierte Glasphase zu dispergieren, und dann einer UV angeregten Polung unterzogen wird. Das heißt, wenn ein Glasmaterial der teilweisen Kristallisation im Vorhinein unterzogen wird, kann eine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung in dem Glasmaterial durch UV angeregte Polung unter Verwendung eines relativ niedrigen elektrischen Feldes entwickelt werden.
UV angeregte Polung bei einem nachfolgenden Schritt wird unter Verwendung einer niedrigeren Spannung als der angebracht, welche in der UV angeregten Polung für die teilweise Kristallisation verwendet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vordere Querschnittsansicht, welche eine Struktur einer bevorzugten Entwicklung zeigt.
2 ist eine seitliche Querschnittsansicht, welche eine Struktur einer bevorzugten Entwicklung zeigt.
3A und 3B zeigen eine Struktur eines ebenen Wellenleiters.
4 ist ein Diagramm, welches UV angeregte Polung unter Verwendung einer Vakuumkammer zeigt.
5 ist ein Diagramm, welches Ergebnisse einer Röntgenbeugungsprüfung zeigen.
6 ist ein Diagramm, welches die Korrelation zwischen der Röntgenbeugungsprüfung und einer d-Konstante zeigt.
7 ist ein Diagramm, welches eine d-Konstante zeigt, die von der UV angeregten Polung herrührt, die mehr als zwei Mal angewendet wurde.
8 ist ein Diagramm, welches eine Struktur eines Hybridschaltkreises zeigt.
9 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel einer harmonischen Erzeugung dritter Ordnung (THG) zeigt (vor der UV Polung).
10 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel einer harmonischen Erzeugung dritter Ordnung (THG) zeigt (nach der UV Polung).
11 ist ein Diagramm, welches das Prinzip beschreibt, das bei der Analyse eines THG-Musters angewendet wird.
12 ist ein Diagramm, welches die Abhängigkeit des Wertes X⁽³⁾ auf ein elektrisches Polungsfeld zeigt.
13 ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Wertes X⁽³⁾ auf ein elektrisches Polungsfeld zeigt.
14 ist ein Diagramm, das die Reflexstärke der Röntgenbeugung zeigt.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruhend auf den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die 1 und 2 sind schematische Diagramme, die eine Struktur eines optisch funktionellen Elements unter Verwendung von auf SiO₂ beruhenden Glasmaterialien zeigen, welche gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können. Eine optische Faser 10, die aus zylindrisch gezogenem Silicaglas (SiO₂) gebildet und zum Beispiel mit Germanium (Ge) dotiert wurde, weist einen Licht leitenden Kernabschnitt 10a, an ihrem mittleren Abschnitt mit einem eingestellten Brechungsindex und einen kaschierten Abschnitt 10b in dem äußeren Abschnitt auf.
Ein Paar Seitenlöcher 12a, 12b sind in dem kaschierten Abschnitt 10b gebildet, und Aluminiumdrahtelektroden 14a, 14b werden darin eingesetzt, so dass sie einander gegenüberliegen, wobei der Kernabschnitt 12a zwischengelegt ist, wie in den Zeichnungen gezeigt ist.
Hier wird der Kernabschnitt 10a mit Ge dotiert, so dass eine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung mit einer Größenordnung (oder einer d-Konstante) von 1 pm/V oder größer hervorgerufen wird.
Insbesondere enthält der Kernabschnitt 10a Mikrokristallteilchen oder teilweise kristallisierte Glasphase, die in einer Glasphase dispergiert sind. Die dispergierten Mikrokristallteilchen haben jeweils einen Durchmesser von 10 μm bis 20 μm. Mit solchen Mikrokristallteilchen, die in einer Glasphase dispergiert sind, kann eine ausreichend große optische Nichtlinearität zweiter Ordnung erhalten werden.
Solche Teilchen werden wie folgt hergestellt. Zunächst wird eine optische Faser mit Elektroden 14a und 14b, die jeweils in die Seitenlöcher 12a und 12b eingesetzt werden, hergestellt. Dann wird der Mittelabschnitt der optischen Faser 10 mit Germanium in dem Bereich von mehr als 12 Mol-% bis weniger als 30 Mol-% dotiert. Es ist zu bemerken, dass zur Herstellung der optischen Faser 10 zum Beispiel Vorformen sequenziell laminiert werden, während diese mit verschiedenen Mengen an Ge dotiert werden, um dadurch einen Abschnitt entsprechend eines Kernabschnittes zu bilden, welcher dann dem Faserziehen unter Erhitzen unterzogen wird.
Die optische Faser 10 weist einen Durchmesser von 200 μm auf. Die Seitenlöcher 12a, 12b weisen jeweils einen Durchmesser von ungefähr 40 μm auf. Die Elektroden 14a, 14b weisen jeweils einen Durchmesser von ungefähr 40 μm und eine Länge von ungefähr 4 cm auf. Die Elektroden 14a, 14b werden mit einem Intervall von 8 μm bis 10 μm zwischen einander lokalisiert. Die optische Faser weist eine Länge von ungefähr 10 cm auf.
Hier werden, wie in 1 gezeigt wird, die Elektroden 14a, 14b jeweils in die Seitenlöcher 12a, 12b von verschiedenen Seiten der optischen Faser eingesetzt, so dass die entsprechenden Enden der Elektroden 14a, 14b in verschiedene Richtungen hervorragen. Diese Anordnung wird angewendet, um elektrische Entladung zwischen den Elektroden 14a, 14b zu verhindern. Die Luftdurchschlagspannung ist etwa 10⁴ V/cm. Um ein größeres elektrisches Feld als diese Spannung an den Kernabschnitt 10a anzulegen, muss der längste mögliche Weg, in dem Luft vorhanden ist, sichergestellt werden. Die Struktur der Elektroden 14a, 14b, die in 1 gezeigt wird, ermöglicht die Anlegung eines hohen elektrischen Feldes an den Kernabschnitt 10a.
Eine Spannung wird zwischen den Elektroden 14a, 14b angelegt, um dadurch ein elektrisches Feld von ungefähr 1 × 10⁵ V/cm oder darüber an den Kernabschnitt 10a anzulegen. Unter solchen Umständen wird ein gepulster ArF Eximerlaser (193 nm Wellenlänge) an den Kernabschnitt 10a angelegt, um dabei den Kernabschnitt 10a mit UV zu bestrahlen. Die Energiedichte des Lasers ist ungefähr 20 mJ/cm² bis 100 mJ/cm². Bevorzugt werden Laserpulse ungefähr 10⁴ Mal emittiert.
Mit der vorstehenden UV angeregten Polung werden Mikrokristallteilchen in einer Glasphase am Kernabschnitt 10a erzeugt.
Die 3A und 3B zeigen eine Struktur eines ebenen Wellenleiters, welcher gemäß der folgenden Erfindung hergestellt werden kann. In dem ebenen Wellenleiter wird ein Ge enthaltender SiO₂ Dünnfilm 22 auf der Oberfläche eines nahezu ebenen Glassubstrates 20 gebildet. Der SiO₂ Dünnfilm 22 weist eine Dicke von 1 μm bis 5 μm und eine Ge-Dichte von 1 Mol-% bis 30 Mol-% auf. Auf dem SiO₂ Dünnfilm 22 liegen die Elektroden 14a, 14b mit einem vorbestimmtem Abstand zwischen ihnen einander gegenüber.
In einem Bereich des SiO₂ Dünnfilms 22, welcher dem Zwischenraum zwischen den Elektroden 14a, 14b entspricht, werden Mikrokristallteilchen durch UV angeregte Polung erzeugt, was hervorruft, dass der Bereich als ein Kanalabschnitt 18 mit optischer Nichtlinearität dient.
Die optischen Eigenschaften des Kanalabschnittes 18 können durch Spannung gesteuert werden, die an den Zwischenraum zwischen den Elektroden 14a, 14b angelegt wird. Dies ruft hervor, dass der ebene Wellenleiter als ein optisch funktionelles Element dient.
Die UV Polung zur Erzeugung von Mikrokristallteilchen in dem Kanalabschnitt des ebenen Wellenleiters wird wünschenswerter Weise in einem Vakuum angebracht. 4 zeigt eine Struktur für eine solche Anordnung. Eine Vakuumkammer 30 umfasst sich überschneidende Leitungen mit drei geschlossenen Enden und einem offenen Ende. Das eine offene Ende ist mit einem Absaugsystem wie einer Vakuumpumpe verbunden. In der Leitung, die sich vertikal abwärts erstreckt, wird eine Probenhaltereinheit 32 untergebracht, auf welcher ein Glassubstrat 20 mit Elektroden 14a, 14b und ein SiO₂ Dünnfilm, der darauf gebildet wurde, untergebracht werden. Die Elektroden 14a, 14b werden mit einer Energieversorgung außerhalb der Vakuumkammer verbunden. Die Leitung, die sich vertikal aufwärts erstreckt, wird durch ein Quarzglas 43 verschlossen, über welches UV in die Leitung eintritt.
Während des Bestrahlens des SiO₂ Dünnfilms 22 mit UV unter Verwendung dieser Vorrichtung wird eine Hochspannung zwischen die Elektroden 14a, 14b angelegt. Im Vakuum, in dem kein Durchschlag erfolgt, abweichend von einem Fall in Luft, kann eine gewünschte hohe Spannung zwischen die Elektroden 14a, 14b für die UV Polung zum Erzeugen von Mikrokristallteilchen angelegt werden, die in dem SiO₂ Dünnfilm 22 dispergiert sind (Kanalabschnitt 18). Mit solchen erzeugten Mikrokristallteilchen kann eine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung auf die Glasmaterialien eingeprägt werden.
Bevorzugt kann der Kanalabschnitt 18 zusammen mit den Elektroden 14a, 14b durch einen SiO₂ Film bedeckt werden, um den Grad der Isolation zwischen den Elektroden 14a, 14b zu erhöhen.
5 ist eine graphische Darstellung, die ein Ergebnis der Röntgenstrahlbeugung in Bezug auf Glasmaterialien zeigt, die auf diese Weise erzeugt wurden (Ge dotiertes SiO₂ Glasmaterial), in welchem die Abszisse einem Beugungswinkel 2 θ/° und die Ordinate der Intensität (Einheit I/beliebige Einheit) entspricht. Die Linienquelle ist CuKα. Es wird aus der Zeichnung gelernt, dass mit den Glasmaterialien, die UV angeregter Polung mit der elektrischen Feldintensität (EP) 3,0 × 10⁵ V/cm und 1,0 × 10⁴ UV Anregungsschüssen von unterzogen wurde, ein Reflex aufgrund eines Kristalls gebildet wird, und dass Mikrokristallteilchen in den Glasmaterialien erzeugt werden. Es wird ebenso daraus gelernt, dass kein Kristallteilchen durch reine UV Bestrahlung (0 V/cm, 1,0 × 10⁴ Schüsse) erzeugt wird. Es ist zu bemerken, dass in der Zeichnung ein Glasmaterial vor dem Unterziehen einer UV Polung bei 5 V/cm, 0 gezeigt wird Schüssen (keine Laserschüsse).
6 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Intensität des angelegten elektrischen Feldes bei der UV angeregten Polung und der Reflexintensität (CPS) und einer Reflexfläche (beliebige Einheiten) der Röntgenstrahlen für die Kristallisation und die d-Konstante (pm/V) zeigt, in welcher Δ für die Intensität, • für eine Fläche und ein ♢ für die d-Konstante steht. Wie gezeigt wird, wird gewürdigt, dass das Ausmaß der Kristallisation und die d-Konstante eine gute gegenseitige Beziehung erreichen. Es ist zu bemerken, dass die UV Energie und die Anzahl der Pulse bei der UV angeregten Polung jeweils 100 mJ/cm² und 109 betragen.
In dem Fall, in dem ein Glasmaterial, das einmal eine optische Nichtlinearität aufgrund von UV angeregter Polung entwickelt hat, unter hoher Temperatur wie 500°C gehalten wird, nimmt die einmal entwickelte optische Nichtlinearität graduell ab. Es wird jedoch durch Röntgenbeugung gelernt, dass die in einem solchen Glasmaterial erzeugten Mikrokristalle nicht verschwinden. Das heißt, die Mikrokristallteilchen in der Glasphase verbleiben in dem vorliegenden Zustand, während die einmal entwickelte optische Nichtlinearität abnimmt.
Dann, wenn UV angeregte Polung erneut an ein solches Glasmaterial angebracht wird, kann eine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung erneut in Antwort auf ein elektrisches Feld von relativ kleiner Intensität entwickelt werden. Das heißt, in dem Fall, in dem UV angeregte Polung bei 3 × 10⁵ V/cm und 100 mJ/cm² an das Glasmaterial angebracht wird, wie durch das ♦ in 7 gezeigt wird, und die in dem Glasmaterial entwickelte optische Nichtlinearität zweiter Ordnung verschwindet, ist es möglich, optische Nichtlinearität erneut zu entwickeln, in welcher die d-Konstante 1 pm/V oder darüber beträgt, durch Anlegen eines elektrischen Feldes von etwa 0,5 × 10⁵ V/cm. In der Zeichnung steht • für das Ergebnis einer ersten UV angeregten Polung. Es wird daraus gelernt, dass die d-Konstante in Antwort auf ein elektrisches Feld, das durch Bestrahlung von UV mit 10 mJ/cm² angelegt wird, nicht ansteigt, wie durch O in der Zeichnung dargestellt wird.
Hier ist die Intensität 0,5 × 10⁵ V/cm eines elektrischen Feldes, welche in der zweiten UV angeregten Polung notwendig ist, im Wesentlichen gleich zu der, welche einen Luftdurchschlag erzeugt. Folglich ist es möglich, eine UV angeregte Polung zur Entwicklung einer optischen Nichtlinearität zweiter Ordnung ohne das Hervorrufen eines Durchschlages anzulegen, wenn nur ein einfaches Isolierungsverfahren angewendet wird, wie das Platzieren eines isolierenden Elements zwischen den Elektroden.
Hier, in diesem Fall, in dem ein optisch funktionelles Element aus Glasmaterial gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt und unter hoher Temperatur verwendet wird, kann die optische Nichtlinearität zweiter Ordnung durch periodisches Anlegen von UV angeregter Polung wieder hergestellt werden. Darüber hinaus kann aufgrund der Intensität eines elektrischen Feldes, das in dieser Polung notwendig und signifikant niedrig ist, die UV angeregte Polung in Luft ohne die Notwendigkeit einer Vakuumumgebung angebracht werden.
Darüber hinaus wird für einen ebenen Wellenleiter bevorzugt eine erste UV angeregte Polung in Vakuum angebracht, um Mikrokristallteilchen in einem dünnen Film zu erzeugen, wie vorstehend beschrieben wurde. In diesem Fall kann das Element einer hohen Temperatur aufgrund der nachfolgenden Auslagerung unterzogen werden und die optische Nichtlinearität zweiter Ordnung daher abnehmen. Doch selbst dann ist die optische Nichtlinearität durch Anlegen von UV angeregter Polung wieder herstellbar. Insbesondere wenn das elektrische Feld, das bei der UV angeregten Polung verwendet wurde, angelegt wird, um eine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung herzustellen, klein ist, wie vorstehend beschrieben wurde, gibt es nur eine geringe Möglichkeit, dass die Polung andere Strukturen nachteilig beeinflussen könnte.
Ein Glassubstrat wird in einem Teil eines Halbleitersubstrates gebildet, und ein optisch funktionelles Element darauf gebildet wodurch ein bevorzugtes Hybridschaltkreissubstrat gebildet wird. Speziell umfasst dieses Hybridschaltkreissubstrat, wie in 8 gezeigt wird, ein Si Substrat 40 und ein Glassubstrat 20, das in einem Teil des Si Substrates 40 gebildet wurde, und einen Ge dotierten SiO₂ Dünnfilm 22, der auf dem Glassubstrat 20 gebildet wurde. Dann wird UV angeregte Polung an den Kanalabschnitt 18 des SiO₂ Dünnfilms 22 angebracht, um dadurch optische Nichtlinearität auf das vollständige Element aufzuprägen.
Zwischenzeitlich wird ein Photowechselelement und ein Wechselelement wie ein Licht emittierendes Element 40 und ein Licht empfangendes Element 42 im Randbereich des Si Substrats gebildet, so dass Licht durch das Licht emittierende Element übertragen und empfangen werden kann. Das Licht wird unter Verwendung eines optisch funktionellen Elements gesteuert. Ebenso kann in diesem Fall, in dem Fall, in dem eine erste UV angeregte Polung in einem Zustand angebracht wird, in dem kein nachteiliger Effekt auf andere Strukturen ausgeübt wird und die optische Nichtlinearität in dem Kanalabschnitt 18 im nachfolgenden Verarbeiten abnimmt, UV angeregte Polung mit einer relativ niedrigen Spannung angebracht werden.
Es ist zu bemerken, dass, wenn ein Glasmaterial mit einer entwickelten optischen Nichtlinearität zweiter Ordnung bei hoher Temperatur platziert wird, sich die d-Konstante gemäß einer einfachen exponentiellen Funktion entspannt. Diese Tatsache kann ebenso die Gegenwart von Mikrokristallteilchen in dem Glasmaterial belegen. Darüber hinaus stellt eine Betrachtung mit einem TEM-Elektronenmikroskop die Gegenwart von Mikrokristallteilchen sicher.
Hier ermöglicht die Anwendung von UV angeregter Polung die Erzeugung von Mikrokristallen in einem Glasmaterial und das Verleihen von optischer Nichtlinearität zweiter Ordnung darauf. Es wird angenommen, dass dies das Ergebnis von zusammenwirkenden Aktionen zwischen einem elektrischen Feld und einer UV Anregung ist. Zwischenzeitlich wird, vorausgesetzt, dass UV ein polarisiertes Licht mit konstanten Wellenoberflächen ist, angenommen, dass UV Anregung ein elektrisches Feld in einer konstanten Richtung hervorrufen kann, wenn das Licht eine elektromagnetische Welle ist.
Durch Bestrahlung mit solchem polarisierten UV kann optische Nichtlinearität zweiter Ordnung auf ein Glasmaterial ohne die Anwendung eines elektrischen Feldes aufgeprägt werden. Es ist zu bemerken, dass Oberwellen (harmonics) von einem Feststofflaser als solches polarisiertes UV verwendbar sind. Alternativ kann ein solches polarisiertes UV durch Frequenzverdopplung erhalten werden.
Es sollte bemerkt werden, dass die Anwendung eines elektrischen Feldes für die Erzeugung von Mikrokristallteilchen in der Glasphase nicht unerlässlich ist. Das heißt, das Erhitzen von Glasmaterial unter UV Bestrahlung kann ebenso Mikrokristallteilchen erzeugen. In diesem Fall jedoch, obwohl Mikrokristallteilchen erzeugt werden können, kann keine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung ausreichend verliehen werden aufgrund des Fehlens eines ausreichenden elektrischen Feldes. Dann wird die UV Polung an Glasmaterial angebracht, welches darin dispergierte Mikrokristallteilchen enthält, um eine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung darauf zu verleihen. Diese Anordnung ermöglicht die Verwendung eines kleineren elektrischen Feldes, so dass die UV Polung ohne Voraussetzung eines Luftdurchschlages und Wirkungen auf andere Elemente angebracht werden kann.
Ferner wird, wenn einmal Mikrokristallteilchen in einem Glasmaterial erzeugt wurden, in Nichtlinearität X⁽³⁾ des Glasmaterials aufgrund der Kristalle erhöht. Die 9 und 10 sind Diagramme, welche ein Beispiel der Erzeugung von Oberwellen dritter Ordnung (THG) erklären, welche ein Maker-Fringe Verfahren verwenden, in Bezug auf ein Glasmaterial, das der UV Polung unterzogen wurde. 9 zeigt ein THG Muster vor der Anwendung der UV Polung. 10 zeigt ein THG Muster nach der Anwendung der UV-Polung. Es wird aus diesen Zeichnungen gelernt, dass sich die Form eines THG Musters signifikant aufgrund der UV-Polung ändert, und dass nach der UV Polung eine Fläche mit einem X⁽³⁾ abweichend von der vor der Behandlung erzeugt wird.
11 ist ein Diagramm, welches das Prinzip zeigt, auf dem in der Analyse der THG Muster vertraut wird. Im Übrigen wird das Substrat mit UV Licht auf seiner Oberflächenseite bestrahlt, wodurch die Oberfläche des Substrats kristallisiert wird. Folglich wird angenommen, dass die kristallisierte Fläche auf der Oberfläche einen X⁽³⁾ mit einem abweichenden Wert von dem vor der Bearbeitung aufweisen kann.
Angesichts des Vorstehenden wird angenommen, dass das THG Muster, das in 10 gezeigt wird, eine Kombination eines THG Musters relativ zu dem Substrat und der relativ zu der kristallisierten Oberflächenfläche ist. Folglich ermöglicht die Subtraktion des THG Musters aus 9 von der aus 10 die Abschätzung eines THG Musters für die kristallisierte Fläche. Das Ergebnis wird als Muster in dem oberen Mittelteil von 11 gezeigt, und der Wert von X⁽³⁾ relativ zu der kristallisierten Fläche kann aus dem sich ergebenden Muster gemessen werden.
12 zeigt die Abhängigkeit des Wertes X⁽³⁾ von einem Polungsfeld, in welchem die Ordinate einer Veränderung entspricht, die in der Form eines Verhältnisses ausgedrückt wird, von X⁽³⁾ vor und nach der Polung. Wie gezeigt wird, steigt X⁽³⁾ signifikant für ein Polungsfeld gleich etwa 0,5 × 10⁵ V/cm oder größer an, und wird etwa 15 Mal X⁽³⁾ für ein Polungsfeld das kleiner als etwa 0,5 × 10⁵ V/cm ist. Für ein Polungsfeld von etwa 0,5 × 10⁵ V/cm oder größer, nimmt X⁽³⁾ einmal etwa zehnfach ab und steigt erneut graduell an. Dieser Anstieg ist jedoch kein so großer wie der, welcher vor und nach dem Wert des Polungsfeldes von 0,5 × 10⁵ V/cm auftritt.
13 zeigt zusätzlich den Wert von X⁽³⁾ mit SiO₂ Glasmaterial ohne Ge Dotierung. Wie gezeigt wird, steigt nach der UV-Polung der Wert X⁽³⁾ für Ge dotiertes SiO₂ Glasmaterial etwa 200-fach wie der von SiO₂ Glasmaterial ohne Ge Dotierung an.
Demzufolge ist es aus den vorstehenden experimentellen Ergebnissen offensichtlich, dass Kristallisation durch UV Polung einen Anstieg der optischen Nichtlinearität dritter Ordnung hervorruft.
Die folgenden zwei Gründe können für den Anstieg der optischen Nichtlinearität dritter Ordnung verantwortlich sein.

(1) Die Kristalle, welche erzeugt werden, und welche selbst aus einem unbekannten Material sind, können eine große optische Nichtlinearität dritter Ordnung aufweisen; und
(2) ein Kristall kann einen signifikanteren lokalen elektrischen Feldeffekt oder Konzentration von einfallenden optischen Wellen in einer Fläche mit hohem Brechungsindex (zum Beispiel Kristall) aufweisen, als von dem Kristall erwartet wird, eine höhere Konzentration als die von Glas aufzuweisen, und der Brechungsindex des Kristalls ist daher höher als der von Glas.

Eine Kombination von diesen zwei Gründen ist ebenso möglich. 14 ist eine graphische Darstellung, die eine Reflexintensität bei der Röntgenbeugung mit SiO₂ Glasmaterial zeigt, welches der UV-Polung unterzogen und auf 320°C erhitzt wurde. Es ist aus der Zeichnung offensichtlich, dass keine Veränderung in der Reflexintensität auftritt, selbst wenn ein solches Glasmaterial bei einer Temperatur von 320°C für mehr als acht Stunden (30 × 10³ Sekunden) platziert wird. Das heißt, Kristalle, die einmal durch UV-Polung erzeugt wurden, zeigen ausreichende Stabilität in Bezug auf die Temperatur. Es wird bestätigt, dass ähnliche Stabilität bis zu einer Temperatur von 500°C gezeigt wird.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die optische Nichtlinearität dritter Ordnung auf Glasmaterial durch UV-Polung verliehen werden. Ein Material mit einer optischen Nichtlinearität dritter Ordnung entwickelt optische Nichtlinearität zweiter Ordnung, wenn es in einem elektrischen Feld platziert wird. Angesichts dieser Tatsache kann das Verbleiben von Polarität usw. in dem Material ein Material mit einer optischen Nichtlinearität zweiter Ordnung zur Verfügung stellen. Das heißt, so lange es eine optische Nichtlinearität dritter Ordnung aufweist, kann jegliches Material, selbst ein Nichtglasmaterial wie vorstehend beschrieben, eine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung durch UV angeregte Polung entwickeln.
Es sollte bemerkt werden, dass Studien und Entwicklung für optische Steuervorrichtungen unter Verwendung optischer Nichtlinearität dritter Ordnung gemacht wurden, und Materialien mit großer optischer Nichtlinearität dritter Ordnung haben Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die am meisten fortgeschrittenen Studie ist so, dass Metalle oder Halbleiterteilchen, die jeweils einen Durchmesser von etwa 1 μm bis 10 μm aufweisen, in Glas dispergiert werden, um ein größeres X⁽³⁾ durch die Wirkung eines lokalen Feldeffektes zu erhalten. Die vorliegende Erfindung kann so verstanden werden, dass sie die Dispersion von solchen Mikroteilchen bewirkt, die in einem Glasmaterial auftreten.
Informationsübertragung, die Licht wie optische Faser anwendet, findet eine breitere Anwendung beim Übertragen von Information von großer Kapazität. In solchen Informationsübertragungssystemen werden optisch funktionelle Elemente benötigt. Ein optisch lineares Material, wie es durch die vorliegende Erfindung hergestellt wird, ist für ein Material verwendbar, welches solche optisch funktionellen Elemente aufbaut.

Claims

Verfahren der Herstellung eines optisch nicht linearen Materials, welches die Schritte umfasst: Unterziehen eines Glasmaterials einer ersten UV-angeregte Polung zum Erreichen teilweiser Kristallisation durch Bestrahlen des Glasmaterials mit UV-Strahlung mit einer UV-Energiedichte von 20 mJ/cm² bis 100 mJ/cm² und durch gleichzeitiges Anlegen einer Spannung, die zu einer elektrischen Feldintensität gleich oder größer als 1 × 10⁵ V/cm führtum ein sich ergebendes Glasmaterial zu erhalten, welches mikrokristalline Teilchen aus einer teilweise kristallisierten Glasphase umfasst, die in der Glasphase dispergiert sind, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Anbringens einer nachfolgenden UV-angeregten Polung auf das sich ergebende Glasmaterial durch Verwendung einer Spannung niedriger als die Spannung, die in der ersten UV-angeregten Polung zur teilweisen Kristallisation verwendet wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner den Schritt des Temperns des sich ergebenden Glasmaterials nach dem Anbringen der ersten UV-angeregten Polung zur teilweisen Kristallisation und vor der nachfolgenden UV-angeregten Polung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste UV-angeregte Polung zur teilweisen Kristallisation in einem Vakuum angebracht wird, und die nachfolgende UV-angeregte Polung in Luft angebracht wird.