JP2000231128A

JP2000231128A - 非線形光学素子、それを用いた非線形光学装置、及び非線形光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP2000231128A
Application number: JP11033392A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Kanbara; 浩久神原; Hiroki Ito; 弘樹伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2000-08-22

Abstract

(57)【要約】【課題】ガラス材料を用いた二次の非線形光学素子に
対して、長尺化による高効率化を達成する。【解決手段】光を伝搬させるガラス部材を有し、該ガ
ラス部材は、擬似位相整合法によるポーリングにより形
成された周期的非線形構造を有する二次の非線形光学素
子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光データ・情報処
理あるいは光通信システムの分野において、波長変換、
モード変換、位相変調、および、光スイッチングなどを
行うための非線形光学素子およびそれを用いた非線形光
学装置、および非線形光学素子の製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムの構築に有効と考えられ
ている波長多重技術を支えるキーデバイスの一つとして
二次の非線形光学材料からなる波長変換素子が期待され
ており、数々の非線形材料系での研究開発が精力的に進
められている。なかでも、ＳｉＯ₂ 系ガラスの非線形材
料は、易加工性、高い光透過性あるいは高い光耐性の点
で優れていることに加えて、最近では、高い非線形性が
見い出され始めたことから注目を集めるようになった。

【０００３】しかしながら、ＳｉＯ₂ 系のガラス材料に
おいては、その二次非線形効果を発現させる方法をどう
するかによって、得られる二次非線形定数ｄに大きな差
異が生じることが知られている。従来の多くの方法は、
例えば、ガラス材料を高温に加熱し、それと同時に高電
圧を印加するポーリング法によるものであり、それによ
り誘起される非線形性は高々０．５ｐｍ／Ｖ程度に止ま
っていた。ところが、ＧｅＯ₂ を高濃度に含むＳｉＯ₂
系のガラス材料を用いて、紫外光のエキシマレーザ（波
長０．１９３μｍ）を照射し、それと同時に高電圧を印
加するポーリング法によれば、ｄ＝３．４ｐｍ／Ｖとい
う高い非線形性を実現できることが報告された（Ｔ．Ｆ
ｕｊｉｗａｒａｅｔａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔ．７１，１０３２（１９９
７）．）。

【０００４】したがって、ＳｉＯ₂ 系のガラス材料を用
いて波長変換素子などの二次非線形デバイスを構成する
ためには、上記レーザ照射ポーリングを用いることが有
望と考えられるが、今までに提案された方法だけでは、
素子としての効率は必ずしも期待できない。その理由
は、励起光によって非線形光学媒質中の各々の位置に励
振される非線形分極の位相が、過去に非線形分極から発
生して伝搬してきた出力光の位相とずれているために、
各位置で発生する出力光はお互いに干渉しあうからであ
る。つまり、コヒーレント長と呼ばれる距離で互いに完
全に打ち消し合いが行われ、結果として出力光強度が０
になってしまうので、媒質長（素子長）を長くすること
によって高効率化を図ることが困難であるという問題点
があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
した従来法により作製されたＳｉＯ₂ 系のガラスの抱え
る問題点、すなわち、長尺化による素子の高効率化が図
り難いことを解決して、高効率な非線形光学素子および
かかる非線形光学素子を用いた非線形光学装置を提供す
ることにある。

【０００６】本発明の他の目的は、二次非線形性の波長
変換のみならず、これを拡張して、光スイッチング動作
をも高効率に行うことのできる非線形光学素子およびか
かる非線形光学素子を用いた非線形光学装置を提供する
ことにある。

【０００７】本発明のさらに他の目的はかかる非線形光
学素子を製造する方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】長尺化による高効率化を
図るという課題を解決するための手段として、本発明
は、擬似位相整合（ＱＰＭ）法、つまり、（１）コヒー
レント長に一致させて非線形性を示す部分（ポーリング
した部分）と非線形性を示さない部分（ポーリングさせ
ない部分）とを交互に作り出す方法（以下、ＱＰＭ−
（Ｉ）法という）と、（２）ポーリング方向をコヒーレ
ント長を周期として反転させる方法（以下、ＱＰＭ−
（ＩＩ）法という）を用いる。

【０００９】ここで、請求項１に記載の発明は、光を伝
搬させるガラス部材を有し、該ガラス部材は、擬似位相
整合法によるポーリングにより形成された周期的非線形
構造を有することを特徴とする。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１記載の
非線形光学素子において、前記周期的非線形構造は、コ
ヒーレント長に一致させてポーリングした部分と、ポー
リングさせない部分とを交互に有することを特徴とす
る。

【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項１記載の
非線形光学素子において、コヒーレント長を周期とし
て、前記ポーリングを交互に反転して行うことにより前
記周期的非線形構造を形成したことを特徴とする。

【００１２】請求項４に記載の発明は、前記ガラス部材
がＳｉＯ₂ 系であることを特徴とする。

【００１３】請求項５記載の発明は、前記ガラス部材が
ビスマス系であることを特徴とする。

【００１４】請求項６に記載の発明は、前記ガラス部材
がテルライト系であることを特徴とする。

【００１５】請求項７に記載の発明は、前記ガラス部材
がカルコゲナイドであることを特徴とする。

【００１６】請求項８に記載の発明は、請求項１ないし
７のいずれかに記載の非線形光学素子を偏光子と検光子
の間に配置して構成したことを特徴とする。

【００１７】請求項９に記載の発明は、請求項１ないし
７のいずれかに記載の非線形光学素子を製造する方法に
おいて、前記ガラス部材に紫外光照射と高電圧印加とを
行う紫外光ポーリング法により前記周期的非線形構造を
形成することを特徴とする。

【００１８】請求項１０に記載の発明は、請求項１ない
し７のいずれかに記載の非線形光学素子を製造する方法
において、前記ガラス部材にＸ線照射と高電圧印加とを
行うことにより前記周期的非線形構造を形成することを
特徴とする。

【００１９】請求項１１に記載の発明は、請求項１０記
載の非線形光学素子の製造方法において、前記高電圧印
加を透明電極を用いて行うことを特徴とする。

【００２０】請求項１２に記載の発明は、請求項１１記
載の非線形光学素子の製造方法において、前記透明電極
としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍｔｉｎｏｘｉｄｅ）を
用いることを特徴とする。

【００２１】これらの方法を用いると、出力光強度は減
少することなく増加させることができる。ＱＰＭ−
（Ｉ）法の場合は、非線形分極の位相と出力光との位相
がずれ始めた時に、ポーリングされていない部分を設
け、出力光を減少に転ずることなくコヒーレント長分を
進行させる。そして、コヒーレント長を通過した後に
（そのままでは減少に転じた部分を通過した後に）、再
びポーリングした部分に達し、出力光が増大し始める。
ＱＰＭ−（ＩＩ）法の場合は、非線形分極の位相と出力
光との位相がずれ始めた時に、非線形分極の位相をπず
らせてやることにより、ふたたび出力光の強度が増大し
始める。

【００２２】本発明では、さらに、和周波発生（ＳＦ
Ｇ）過程と差周波発生（ＤＦＧ）過程とのカスケーティ
ングによる光スイッチング動作を行わせることとした。
従来は、ＳｉＯ₂ 系のガラス材料の用途が波長変換素子
に特化され、光スイッチ素子などの用途への有望性は調
べられていなかった。二次非線形効果のカスケーディン
グによる光スイッチは、例えば、以下のようなＳＦＧ・
ＤＦＧ過程を経ることにより実現できる。

【００２３】 ω_Gate＋ω_Signal → ω_SFG ，（１） ω_SFG− ω_Gate → ω_Signal ・（２）第一段階で、ゲート光と信号光とからＳＦＧを起こし、
次いで、第二段階で再び信号光が得られる。ここで、信
号光の位相が変化するために光スイッチとして機能でき
るのである。

【００２４】

【作用】本発明によれば、ＱＰＭ法により周期的ポーリ
ングを施したＳｉＯ₂ 系ガラスを用いることにより、素
子として大幅に効率の向上した非線形光学素子を提供で
きる。さらにまた、本発明では、１つの素子の中で、上
式（１），（２）で説明したように二次非線形効果のカ
スケーディンクを活用することにより、高速かつ高効率
な光スイッチが提供できるという特長をも有している。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は下記実
施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない
範囲において、種々変更であることは言うまでもない。

【００２６】「実施例１」ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ 系ガラス
材料に高電圧を印加し、それと同時にこのガラス材料に
エキシマレーザパルスを照射して、高い二次非線形性を
ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ 系ガラス材料に誘起させた結果につ
いて示す。ＧｅＯ₂ の濃度は１８ｍｏｌ％とした。ガラ
ス材料の形態はバルクとし、素子長は１０ｍｍとした。

【００２７】素子としての効率を上げるためには、周期
構造を有する素子を、擬似位相整合法により作製するこ
とが有効であるが、この場合、周期構造の周期Λは、以
下の各式により求めることができる。

【００２８】 Λ＝２π／Δｋ，（３） Δｋ＝ｋ₁ −ｋ₂ −ｋ₃ ，（４）ｋ_i ＝２πｎ_i ／λ_i ，（５）１／λ₁ ＝１／λ₂ ＋１／λ₃ ．（６）ここで、ｋ_i 、ｎ_i 、λ_i は、それぞれ、光の波数、屈
折率、波長である。

【００２９】図１および図２に、ＱＰＭ−（Ｉ）法によ
るバルク型波長変換素子の作製プロセスの２例を基板の
側面からみた図を示す。

【００３０】図１のプロセスを説明する。

【００３１】工程（Ｉ−１）：ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ 系ガ
ラス材料基板１０（厚み：０．３ｍｍ）の一方の主面に
上記の各式を利用して求めた周期Λのグレーティング１
１を電気的絶縁性フォトレジストにより作製した。

【００３２】工程（Ｉ−２）：このグレーティング１１
を有する主面にアルミニウム電極１２を蒸着した。ま
た、グレーティング１１を有さない他方の主面にもアル
ミニウム電極１３を蒸着した。

【００３３】工程（Ｉ−３）：電極１２と１３との間に
高電圧源１４より高電圧を印加するとともに、エキシマ
レーザをアルミニウム電極１２，１３の蒸着されていな
い基板１０の側面（図面に垂直な方向）に照射した。こ
こで、エキシマレーザの波長は０．１９３μｍ、パルス
幅は１０ｎｓ、繰り返し周波数は１０Ｈｚ、入射パワー
は１００ｍＪ／ｃｍ² とした。照射時間は１５分間と
し、電圧源１４からの印加電圧は３ｋＶとした。

【００３４】ついで、残存しているアルミニウム電極１
２，１３およびフォトレジスト１１の部分を除去する
と、ポーリングにより二次非線形効果の発現した基板部
分１５が得られた。

【００３５】図２のプロセスを説明する。

【００３６】工程（Ｉ−１）：ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ 系ガ
ラス材料基板１０（厚み：０．３ｍｍ）の一方の主面に
上記の各式を利用して求めた周期Λのグレーティング１
１を２層の電気的絶縁性フォトレジスト１１Ａおよび１
１Ｂにより作製した。

【００３７】工程（Ｉ−２）：このグレーティング１１
を有する主面にアルミニウム電極１６，１７を蒸着し
た。

【００３８】工程（Ｉ−３）：２層のフォトレジスト１
１Ａおよび１１Ｂのうち、上層のフォトレジスト１１Ｂ
をそのうえに蒸着されているアルミニウム電極１６とと
もに除去した。これにより基板１０の上面には、フォト
レジスト１１Ａとアルミニウム電極１７とからなるグレ
ーティングが作形成された。そして、グレーティングを
有さない他方の主面にアルミニウム電極１８を蒸着し
た。

【００３９】工程（Ｉ−４）：電極１７と１８との間に
高電圧源１４から高電圧を印加するとともに、エキシマ
レーザをアルミニウム電極１７，１８の蒸着されていな
い基板１０の側面に照射した。ここで、エキシマレーザ
の波長は０．１９３μｍ、パルス幅は１０ｎｓ、繰り返
し周波数は１０Ｈｚ、入射パワーは１００ｍＪ／ｃｍ²
とした。照射時間は１５分間とし、電圧源１４からの印
加電圧は３ｋＶとした。

【００４０】ついで、残存しているアルミニウム電極１
７，１８およびフォトレジスト１１Ａの部分を除去する
と、ポーリングにより二次非線形効果の発現した基板部
分１９が得られた。

【００４１】なお、図１および図２のいずれにおいて
も、フォトレジスト１１または１１Ａとアルミニウム電
極１２または１７とによるグレーティングの周期Λは、
ガラス材料基板１０のわずかな屈折率の差異により大き
く変わるため、実験誤差を考慮し、上式から得られるΛ
値近傍においていくつかのパターンを検討した。

【００４２】波長変換実験としてＤＦＧ実験を行った。
その実験系を図３に示す。

【００４３】図３において、２０は波長０．７７５μｍ
のｃｗ−チタンサファイアレーザによるゲート光源、２
１は波長掃引が容易な波長１．５４μｍ帯のＮａＣｌ：
ＯＨカラーセンタレーザ（パルス幅３５ｐｓ，繰り返し
１００ＭＨｚ）による信号光源である。光源２０および
２１からのゲート光および信号光をダイクロイックミラ
ー２２により合成してからレンズ２３Ａを介して、図１
または図２の方法により製造した二次非線形性を発現し
たＱＰＭガラス素子２４に導く。このガラス２４からの
出力光をレンズ２３Ｂを介してダイクロイックミラー２
５に導き、このミラー２５からの反射光をＤＦＧモニタ
ー用パワーメータ２６に入射させ、およびミラー２５か
らの透過光をゲート光モニター用パワーメータ２７に入
射させる。

【００４４】このようにしてパワーメータ２６および２
７への入射光に基づいて、図４に示すようなＤＦＧ強度
の信号光波長に対する依存性を測定した。

【００４５】図４は、図２のプロセスで作製したＱＰＭ
素子におけるＤＦＧ強度（アベレージ強度）の信号光波
長依存性をプロットした結果である。なお、図１のプロ
セスで作製した素子もほぼ同様の特性が得られた。以下
の実施例においても同様であった。

【００４６】計算により求めたＤＦＧ強度の波長依存性
を実線で示すが、実測値と計算値との半値全幅がほぼ一
致したことから、ここで用いたＱＰＭ素子は、その全長
がＤＦＧに寄与したとみなせることが判明した。規格化
ＤＦＧ効率ηは、信号の波長１．５４０μｍの時に見積
もったところ、０．１％／Ｗを得た。規格化ＤＦＧ効率
は、ゲート光のパワーを１Ｗに規格化して、信号光のパ
ワーに対するＤＦＧのパワーの割合を表わすものであ
り、通常はパーセントで表示する。ここで、波長１．５
４０μｍの信号光は、波長１．５６０μｍに波長変換さ
れている。グレーティングの周期Λは３８μｍであっ
た。

【００４７】なお、本実施例では、電圧の印加とレーザ
光照射とを同時に行ったが、レーザ照射を行い、その
後、直ちに電圧を印加しても、得られる非線形性は２０
％程度の減少に止まることが分かった。

【００４８】「実施例２」ＳｉＯ₂ 系ガラスにおいてＧ
ｅＯ₂ を高濃度に含む部分をコア部とする導波路素子に
対して本発明を適用した実施例のプロセスを図５に示
す。図５において、４０はＧｅＯ₂ を高濃度に含む、厚
さ０．３ｍｍのコア部４０Ａとその周囲のクラッド部４
０Ｂとから成るＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ ガラス導波路であ
る。この導波路の断面を図６に示す。コア部４０Ａにお
けるＧｅＯ₂ の濃度は実施例１と同じ１８ｍｏｌ％と
し、導波路長は１０ｍｍとした。導波路４０において信
号光をシングルモード伝搬とするべくクラッド部４０Ｂ
の屈折率制御も微細に行った。

【００４９】図２の実施例と同様にして，ガラス導波路
４０の一方の主面に同期Λのグレーティング４１を２層
の電気的絶縁性フォトレジスト４１Ａおよび４１Ｂによ
り作製した。図２の実施例と同様に処理して、導波路４
０の上面には、フォトレジスト４１Ａとアルミニウム電
極４２とから成るグレーティングを形成し，他方の主面
にもアルミニウム電極４３を蒸着した。電極４２と４３
との間に電圧源１４から高電圧を印加するとともに、エ
キシマレーザをアルミニウム電極４２，４３の蒸着され
ていない導波路４０の側面から照射した。ここでもエキ
シマレーザの波長は０．１９３μｍ、パルス幅は１０ｎ
ｓ、繰り返し周波数は１０Ｈｚ、入射パワーは１００ｍ
Ｊ／ｃｍ² とした。照射時間は１５分間とし、電圧源１
４からの印加電圧は３ｋＶとした。ついで、残存してい
るアルミニウム電極４２，４３およびフォトレジスト４
１Ａの部分を除去すると、ポーリングにより二次非線形
効果の発現した導波路部分４４が得られた。

【００５０】ＤＦＧ実験も実施例１と同様に行ったが、
規格化ＤＦＧ効率ηは、信号光の波長１．５４０μｍの
時に１４％／Ｗに達することが分かった。同じ素子長１
０ｍｍを有する実施例１のバルク型のＱＰＭ素子では高
々η＝０．１％／Ｗであったことから、本実施例の場合
には導波路を用いた利点が示された。この導波路素子に
おけるビームの直線偏波の偏光保持率は、ゲート光およ
び信号光ともに３０ｄＢ以上と良好であった。

【００５１】「実施例３」図７にＱＰＭ−（ＩＩ）法に
よる波長変換素子の作製プロセスを示す。ここで用いた
ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ 系ガラス基板５０もＧｅＯ₂ の濃度
を１８ｍｏｌ％とした。形態はバルクとし、素子長は１
０ｍｍとした。

【００５２】工程（ＩＩ−１）：ガラス材料基板５０
（厚み：０．３ｍｍ）の一方の主面に同期Λのグレーテ
ィング５１を２層のフォトレジスト５１Ａおよび５１Ｂ
により作製した。

【００５３】工程（ＩＩ−２）：このグレーティング５
１を有する主面にアルミニウム電極５２を蒸着し、フォ
トレジスト５１Ｂの上に蒸着されたアルミニウム電極５
２はフォトレジスト５１Ｂとともに除去した。また、フ
ォトレジストのグレーティングを有さない他方の主面に
アルミニウム電極５３を蒸着した。

【００５４】工程（ＩＩ−３）：電極５２と５３との間
に電圧源１４から高電圧を印加するとともに、エキシマ
レーザをアルミニウム電極５２，５３の蒸着されていな
い基板５０の側面に照射した。ここで、エキシマレーザ
の波長は０．１９３μｍ、パルス幅は１０ｎｓ、繰り返
し周波数は１０Ｈｚ、入射パワーは１００ｍＪ／ｃｍ²
とした。照射時間は１５分間とし、印加電圧は３ｋＶと
した。ついで、残存しているアルミニウム電極５２，５
３およびフォトレジスト５１Ａの部分を除去すると、ポ
ーリングにより二次非線形効果の発現した基板部分５４
が得られた。

【００５５】工程（ＩＩ−４）：フォトレジスト５１Ｂ
とアルミニウム電極５２，５３とを除去後、今度は、工
程（ＩＩ−１）においてフォトレジスト５１Ａ，５１Ｂ
を設けなかった他方の主面において、ポーリングを行っ
た基板部分５４を覆うように、２層のフォトレジスト５
５Ａおよび５５Ｂを塗布した。

【００５６】工程（ＩＩ−５）：フォトレジスト５５Ａ
および５５Ｂによるグレーティング５５を有する主面に
アルミニウム電極５６を蒸着し、フォトレジスト５５Ｂ
およいその上に蒸着されたアルミニウム電極５６を除去
した。また、フォトレジストのグレーティング５５を有
さない主面にもアルミニウム電極５７を蒸着した。

【００５７】工程（ＩＩ−６）：電極５６と５７との間
に電圧源５８から電圧源１４とは逆方法に高電圧を印加
するとともに、エキシマレーザをアルミニウム電極５
６，５７の蒸着されていない基板５０の側面に照射し
た。ここで、エキシマレーザの波長は０．１９３μｍ、
パルス幅は１０ｎｓ、繰り返し周波数は１０Ｈｚ、入射
パワーは１００ｍＪ／ｃｍ² とした。照射時間は１５分
間とし、電圧源５８からの印加電圧は電圧源１４とは逆
バイアスで３ｋＶとした。

【００５８】ついで、残存しているアルミニウム電極５
６，５７およびフォトレジスト５５Ｄの部分を除去する
と、ポーリングにより二次非線形効果の発現した基板部
分５９が得られた。

【００５９】作製したバルク型の波長変換素子を実施例
１と同様に評価したところ、規格化ＤＦＧ効率ηは、信
号光の波長１．５４０μｍの時に見積もったところ、
０．１６％／Ｗであることが分かった。

【００６０】なお、ＳｉＯ₂ 系ガラスにおいてＧｅＯ₂
を高濃度に含むコア部を有する、図５および図６と同様
の構成の導波路素子に対しても本発明を適用した。ここ
で、ＧｅＯ₂ の濃度は１８ｍｏｌ％とし、導波路長は１
０ｍｍとした。

【００６１】ＤＦＧ実験も実施例１と同様に行った結
果、規格化ＤＦＧ効率ηは、信号光の波長１．５４０μ
ｍの時に２２％／Ｗに達することが分かった。同じ素子
長１０ｍｍを有するバルク型のＱＰＭ素子では高々η＝
０．１６％／Ｗであったことから、本実施例でも導波路
を用いた利点が示された。

【００６２】さらに加えて、実施例１と２で示した作製
方法よりも、本実施例の方が有効であることも判明し
た。導波路素子におけるビームの直線偏波の偏光保持率
は、ゲート光、信号光ともに３０ｄＢ以上であった。

【００６３】「実施例４」この実施例では電極としてア
ルミニウム電極の代わりに透明電極を用いて、より有効
な素子作製を行った。すなわち、上記実施例１〜３で
は、電極としてアルミニウムを用いたので、エキシマレ
ーザの照射はアルミニウム電極の蒸着されていない基板
または導波路の側面から行わなければならなかった。こ
れに対し本実施例では、透明電極を用いることによっ
て、電極の配置されている主面にレーザを照射できるの
で、例えば、導波路を複数本並設してある素子におい
て、その複数本の導波路に均等にレーザ光を到達させる
ことができる。なお、上記実施例１に示したように、レ
ーザ光を照射して、その後に高電圧を印加するという手
法を用いれば、複数本の導波路に均等にレーザ光を到達
させることは可能であるが、ただし、非線形効果が低下
する。

【００６４】図８に、ＱＰＭ−（Ｉ）法による本実施例
の波長変換素子の作製プロセスを示す。

【００６５】工程（Ｉ−１）：ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ ガラ
ス材料基板６０（厚み：０．３ｍｍ）の一方の主面にグ
レーティング６１を２層のフォトレジスト６１Ａおよび
６１Ｂにより作製する。

【００６６】工程（Ｉ−２）：このグレーティングを有
する主面に透明電極として、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍｔ
ｉｎｏｘｉｄｅ）薄膜６２を蒸着（あるいはスパッタ
リング）により形成し、フォトレジスト６１Ｂの上に蒸
着されたＩＴＯ薄膜６２をこのフォトレジスト６１Ｂと
ともに除去した。また、グレーティングを有さない主面
にもＩＴＯ薄膜６３を蒸着した。

【００６７】工程（Ｉ−３）：電極６２と６３との間に
高電圧源１４より高電圧を印加するとともに、エキシマ
レーザをＩＴＯ薄膜６２または６３の主面越しに基板６
０に照射した。ここで、エキシマレーザの波長は０．１
９３μｍ、パルス幅は１０ｎｓ、繰り返し周波数は１０
Ｈｚ、入射パワーは１５０ｍＪ／ｃｍ² とした。照射時
間は１５分間とし、印加電圧は３ｋＶとした。ついで、
残存しているアルミニウム電極６２，６３およびフォト
レジスト６１Ａの部分を除去すると、ポーリングにより
二次非線形効果の発現した基板部分６４が得られた。

【００６８】本実施例では２０本以上のＱＰＭ導波路を
同時に作製することができ、しかも、それら得られたＱ
ＰＭ導波路全ての波長変換効率は電極としてアルミニウ
ムを用いた場合とほぼ同様であった。バルク型素子にお
いても、アルミニウム電極の場合とほぼ同じ波長変換効
率が得られた。

【００６９】「実施例５」ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ 系ガラス
材料における二次非線形性の発現メカニズムは今のとこ
ろ明確には分かっていないが、Ｇｅの結合が切れること
が原因の一つと考えられている。そこで、エキシマレー
ザよりも短波長の波長を有する光源を用いれば、より短
時間に大きな非線形性が発現することが期待できる。

【００７０】そこで、本実施例では、エキシマレーザの
代わりにＸ線を照射した。作製プロセスは上記実施例１
〜４と同様とした。ガラス基板または導波路コア部の厚
みは０．３ｍｍとした。Ｘ線の照射は、ＣｕＫαを用
い、加速電圧は３５ｋＶ、管電流は２５ｍＡとした。照
射時間は５分間とし、印加電圧は３ｋＶとした。得られ
た素子の波長変換効率はバルク型素子および導波路型素
子のいずれにおいても、エキシマレーザ照射の場合とほ
ぼ同様の結果が得られた。以下の実施例６で示す材料系
を用いても同様野結果が得られた。

【００７１】「実施例６」実施例１〜５では、非線形性
の発現を主にＧｅによって行ってきたが、Ｇｅよりも重
い原子、例えば、ＴｅやＢｉあるいはＰｂなどを用いた
酸化物ガラス、あるいは、Ｏよりも大きなＳやＳｅなど
を用いたカルコゲナイドガラスを用いた方が、より高い
非線形性を生じることが期待できる。その理由は、より
大きな原子の方が電子軌道が広がっており、より小さな
光電場で非線形応答をしやすいと考えられるからであ
る。

【００７２】本実施例では、酸化物ガラスとしてビスマ
ス系のＢｉ₂ Ｏ₃ およびテルライト系のＴｅＯ₂ を用い
たバルク型ガラス、カルコゲナイドガラスとしてＡｓ₂₀
Ｓ₈₀バルクを用い、図２の場合と同様にして、ＱＰＭ−
（Ｉ）法により波長変換素子を作製した。

【００７３】工程（Ｉ−１）：上述したガラス材料によ
る基板１０（厚み：０．３ｍｍ）の一方の主面に上述し
た各式を利用して求めた周期Λのグレーティングを２層
のフォトレジスト１１Ａ，１１Ｂにより作製した。

【００７４】工程（Ｉ−２）：このグレーティング１１
を有する主面にアルミニウム電極１６を蒸着し、フォト
レジスト１１Ｂの上に蒸着されたアルミニウム電極１６
はフォトレジスト１１Ｂとともに除去した。また、グレ
ーティング１１を有さない主面にもアルミニウム電極１
８を蒸着した。

【００７５】工程（Ｉ−３）：電極１７と１８との間に
電圧源１４から高電圧を印加するとともに、エキシマレ
ーザをアルミニウム電極１７，１８の蒸着されていない
基板１０の側面に照射した。ここで、エキシマレーザの
波長は、ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂系に比べて吸収端が長波長
側にシフトしていることに鑑み０．２４８μｍとした。
パルス幅は１０ｎｓ、繰り返し周波数は１０Ｈｚ、入射
パワーは５０ｍＪ／ｃｍ² とした。照射時間は１５分間
とし、印加電圧は３ｋＶとした。

【００７６】作製した波長変換素子を実施例１と同様に
評価したところ、規格化ＤＦＧ効率ηは、信号光の波長
１．５４０μｍの時に、Ｂｉ₂ Ｏ₃ バルクに対して０．
２％／Ｗ、ＴｅＯ₂ バルクに対して０．１８％／Ｗ、カ
ルコゲナイドガラスバルクＡｓ₂₀Ｓ₈₀に対して０．３％
／Ｗとなり、ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ 系の場合よりも高効率
であることが分かった。

【００７７】なおこの他のビスマス系やテルライト系、
およびカルコゲナイド系の場合においても、同様に高効
率な結果が得られた。

【００７８】本実施例では、照射するエキシマレーザの
パワーがＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ の場合より、小さくて済む
ことも利点である。もちろん、これらのガラスでも導波
路型素子を作製することは可能であり、導波路素子にお
けるビームの直線偏波の偏光保持率として、ゲート光、
信号光ともに３０ｄＢ以上であるものを得ることができ
た。本実施例も波長変換素子のみならず、以下の実施例
６で述べる光スイッチに適用することも可能であった。

【００７９】「実施例７」本実施例では、実施例４の方
法により作製した導波路型ＱＰＭ素子を用いて図９に示
す光スイッチング装置を構成した。

【００８０】図９において、７０はスイッチングされる
対象の信号光源としてのＤＦＢ半導体レーザであり、そ
の出力光を偏光子７１に入射させる。７２はゲート光源
であり、ＤＦＢ半導体レーザとエルビウムドープ増幅器
とで構成することができる。偏光子７１の出力光とゲー
ト光源７２からのゲート光とをミラー７３を介して、さ
らにレンズ７４Ａを介してＱＰＭ導波路素子７５に導
く。この素子７５の出力光をレンズ７４Ｂを介して、さ
らにフィルタ７６およびλ／４波長板７７を介して検光
子７８に導く。検光子７８からの出力光を検出器７９に
導く。

【００８１】本実施例の光スイッチにおいては、ＱＰＭ
導波路素子７５をクロスニコル配置の偏光子７１と検光
子とによって挟むことを基本構成とし、光スイッチとし
てよく知られている光カーシャッタ（Ｍ．Ａｓｏｂｅ
ｅｔａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２２，２７
４（１９９７）に詳しい）と同様の構成配置とし
た。上記の式（１），（２）に従い、ゲート光源７２か
らのゲート光がミラー７３に照射されたときのみ、位相
の変化した信号光が検光子７８を通過する。導波路素子
７５としては、５×３ｃｍ² の面積を有するガラス基板
上に作製された長さ１ｍのものを用いた。信号光源７０
には、ＤＦＢ半導体レーザ（波長１．５６０μｍ，パル
ス幅１０ｎｓ）を用いた。ゲート光源７２には、波長
１．５４０μｍのＤＦＢ半導体レーザをエルビウムドー
プ増幅器で増幅した光（パルス幅８ｐｓ，繰り返し周波
数１００ＭＨｚ）を用いた。この半導体レーザ７０から
の信号光パルスはゲート光源７２からのゲート光パルス
に同期させた。ゲート光の直線偏波の偏光方向はポーリ
ング方向に平行とし、信号光の偏光方向はゲート光に対
して４５°傾けた。ＱＰＭ導波路素子７５の後方に配置
したフィルタ７６は、ゲート光とＳＦＧ光とを遮断して
信号光のみを透過させる周波数特性を有しており、λ／
４波長板７７は、ＱＰＭ導波路がゲート光が入射しなく
とも有する複屈折性を補償するために設けたものであ
る。

【００８２】図１０および図１１は、それぞれ、ＳＦＧ
強度およびスイッチングされた信号光強度のゲート光強
度（ＱＰＭ導波路出射端で測定したピーク強度で示す）
依存性をプロットした結果である。ＳＦＧ強度は、ゲー
ト光強度が０．２Ｗになるまで単調に増大し、その後、
減少することが分かった。また、信号光強度は、ＳＦＧ
に比べてより多くのゲート光強度を必要とし、２Ｗ程度
まで上昇し、その後、減少に転じることが分かった。こ
の実験結果によれば、本実施例の光スイッチは、半導体
レーザから作られるゲート光によっても位相変化量πを
達成できることがわかる。計算により求められる位相変
化量πに必要なゲート光強度は、ＳＦＧの場合が０．２
Ｗ、スイッチングの場合が２Ｗであった。

【００８３】なお、本発明の光スイッチは、その非線形
メカニズムが非共鳴の純粋な三次非線形効果と同様に本
質的に大変高速である。また、ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ ガラ
スの群遅延分散は本実施例の場合では５ｐｓ程度であ
り、このため、ＱＰＭ導波路の光スイッチング速度は上
記で用いたゲート光パルスに比べて十分に高速であるこ
とが分かった。

【００８４】ここでは、実施例４で示した方法により作
製したＱＰＭ導波路素子７５を用いた例について詳細に
説明したが、実施例１〜３あるいは実施例５で示した方
法により作製した導波路を用いても、それぞれの素子の
効率に相当する光スイッチを構成することができた。
（なお、電極の設けられていない側面に光照射する場合
には、ガラス素材の全域に光が到達するように光照射と
高電圧印加とを何回かに分けて行った。

【００８５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ 系ガラスなどにおいて、それらの易
加工性を活用してバルク型や導波路型の波長変換素子お
よび光スイッチ素子などの非線形光学素子が高効率に構
成できる。が、これら非線形光学素子は産業上も有益な
ＰＬＣ（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃ
ｕｉｔ）にモノリシックに構成できるという利点をも有
する。しかも、本発明による非線形光学素子は、ピコ秒
オーダでの光スイッチング動作が可能であり、１００Ｇ
ｂ／ｓの高速なシステムを構成するのに好適である。さ
らにまた、本発明による非線形光学素子は、吸収のメカ
ニズムによるものでないことから、通信波長帯はもちろ
ん広い波長領域での動作が可能である。本発明による光
スイッチ素子は、和周波発生過程などの波長変換機能を
も同時に有しているので、波長分割多重技術へも十分に
適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１のＱＰＭ−（Ｉ）法によるバ
ルク型波長変換素子の作製プロセスの説明図である。

【図２】本発明の実施例１のＱＰＭ−（Ｉ）法によるバ
ルク型波長変換素子の作製プロセスの説明図である。

【図３】本発明の実施例１において、ＤＦＧ実験系を示
す構成図である。

【図４】本発明の実施例１において、ＤＦＧ強度の信号
光波長依存性をプロットした結果を示す特性図である。

【図５】本発明の実施例２のＱＰＭ−（Ｉ）法による導
波路型波長変換素子の作製プロセスの説明図である。

【図６】図５に示した導波路型波長変換素子の基板ガラ
スを示す正面図である。

【図７】本発明の実施例３のＱＰＭ−（ＩＩ）法による
バルク型波長変換素子の作製プロセスの説明図である。

【図８】本発明の実施例４において、ＱＰＭ−（Ｉ）法
によるバルク型波長変換素子の作製プロセスの説明図で
ある。

【図９】本発明の実施例６において、導波路型ＱＰＭ素
子を用いて構成した光スイッチの構成例を示す構成図で
ある。

【図１０】本発明の実施例６において、ＳＦＧのゲート
光強度（ピーク強度；導波光強度）依存性をプロットし
た結果を示す特性図である。

【図１１】本発明の実施例６において、スイッチングさ
れた信号光のゲート光強度（ピーク強度；導波光強度）
依存性をプロットした結果を示す特性図である。

【符号の説明】

１０ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ ガラス基板１１フォトレジストによるグレーティング１１Ａフォトレジスト（下層部）１１Ｂフォトレジスト（上層部）１２，１３アルミニウム電極１４高電圧源１５ポーリングにより二次非線形効果が発現した基板
部分１６，１７，１８アルミニウム電極１９ポーリングにより二次非線形効果が発現した基板
部分２０チタンサファイアレーザ２１カラーセンタレーザ２２ダイクロイックミラー２３Ａ，２３Ｂレンズ２４ＱＰＭガラス素子２５ダイクロイックミラー２６ＤＦＧモニター用パワーメータ２７ゲート光モニター用パワーメータ４０ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ ガラス導波路４０Ａコア部４０Ｂクラッド部４１グレーティング４１Ａ，４１Ｂフォトレジスト４２，４３アルミニウム電極４４ポーリングにより二次非線形効果が発現した導波
路（コア部）部分５０ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ ガラス基板５１グレーティング５１Ａ，５１Ｂフォトレジスト５２，５３アルミニウム電極５４ポーリングにより二次非線形効果が発現した基板
部分５５グレーティング５５Ａ，５５Ｂフォトレジスト５６，５７アルミニウム電極５８逆バイアス高電圧源５９ポーリングにより二次非線形効果が発現した基板
部分６０ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ ガラス基板６１グレーティング６１Ａ，６１Ｂフォトレジスト６２，６３ＩＴＯ電極６４ポーリングにより二次非線形効果が発現した基板
部分７０半導体レーザ７１偏光子７２半導体レーザとエルビウム半導体レーザとで構成
した光源７３ミラー７４Ａ，７４Ｂレンズ７５ＱＰＭ導波路７６フィルタ７７ λ／４波長板７８検光子７９検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を伝搬させるガラス部材を有し、該ガ
ラス部材は、擬似位相整合法によるポーリングにより形
成された周期的非線形構造を有することを特徴とする二
次の非線形光学素子。
【請求項２】請求項１記載の非線形光学素子におい
て、前記周期的非線形構造は、コヒーレント長に一致さ
せてポーリングした部分と、ポーリングさせない部分と
を交互に有することを特徴とする非線形光学素子。
【請求項３】請求項１記載の非線形光学素子におい
て、コヒーレント長を周期として、前記ポーリングを交
互に反転して行うことにより前記周期的非線形構造を形
成したことを特徴とする非線形光学素子。
【請求項４】前記ガラス部材がＳｉＯ₂ 系であること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載
の非線形光学素子。
【請求項５】前記ガラス部材がビスマス系であること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載
の非線形光学素子。
【請求項６】前記ガラス部材がテルライト系であるこ
とを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記
載の非線形光学素子。
【請求項７】前記ガラス部材がカルコゲナイドである
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに
記載の非線形光学素子。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれかに記載の非
線形光学素子を偏光子と検光子の間に配置して構成した
ことを特徴とする非線形光学装置。
【請求項９】請求項１ないし７のいずれかに記載の非
線形光学素子を製造する方法において、前記ガラス部材
に紫外光照射と高電圧印加とを行う紫外光ポーリング法
により前記周期的非線形構造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１０】請求項１ないし７のいずれかに記載の
非線形光学素子を製造する方法において、前記ガラス部
材にＸ線照射と高電圧印加とを行うことにより前記周期
的非線形構造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１１】請求項１０記載の非線形光学素子の製
造方法において、前記高電圧印加を透明電極を用いて行
うことを特徴とする非線形光学素子の製造方法。
【請求項１２】請求項１１記載の非線形光学素子の製
造方法において、前記透明電極としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉ
ｕｍｔｉｎｏｘｉｄｅ）を用いることを特徴とする
非線形光学素子の製造方法。