JP2002311466A - Nonlinear optical element and its manufacturing method - Google Patents

Nonlinear optical element and its manufacturing method

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JP2002311466A JP2001119927A JP2001119927A JP2002311466A JP 2002311466 A JP2002311466 A JP 2002311466A JP 2001119927 A JP2001119927 A JP 2001119927A JP 2001119927 A JP2001119927 A JP 2001119927A JP 2002311466 A JP2002311466 A JP 2002311466A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonlinear optical element with low loss, high reliability, a small size and small amount of driving energy and its manufacturing method. SOLUTION: An optical anisotropic area having a locally large nonlinear optical efficient can be formed in a core area 13 by impressing an electric field from DC high voltage 18 in the surface direction of a plane substrate 12 from the outside so as to be orthogonally crossed with an optical waveguide path 11 and simultaneously irradiating short-pulse laser light in the thickness direction of the plane substrate 12. Its mechanism is not interpreted in detail, however, it is predicted that formation of an electric dipole due to various point defects and non-bridging oxygen, etc., is concerned.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、通信、計測、情報
処理等の分野に主に用いられる光素子に関し、特に非線
形光学素子及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical element mainly used in the fields of communication, measurement, information processing, etc., and more particularly to a non-linear optical element and a method of manufacturing the same.

【0002】[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ガラス材料を用
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、複雑な光回路を平面基板上に一括して形成で
きることから最も注目されている。
2. Description of the Related Art With the development of the fields of communication, measurement, and information processing using light, nonlinear elements such as an optical element using a highly functional and highly reliable glass material, an electro-optic effect, and second harmonic generation. There is a demand for development of optical elements having characteristics. In particular, a waveguide-type optical element using a quartz-based material has received the most attention because it can form a complicated optical circuit on a flat substrate in addition to its low loss.

【0003】これらの石英系導波路型光素子は、石英基
板上にゲルマニウムやチタニウムを添加した相対的に屈
折率の高いコア領域と呼ばれる光の伝搬領域を形成し、
この部分をさらに屈折率の低いクラッド領域で覆った構
造をとるのが一般的である。
[0003] In these quartz-based waveguide optical devices, a light propagation region called a core region having a relatively high refractive index doped with germanium or titanium is formed on a quartz substrate.
In general, this portion is covered with a clad region having a lower refractive index.

【0004】ところで一般に、石英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。
In general, inorganic glass such as quartz glass is an optically isotropic substance, and inherently has non-linear optical characteristics such as an electro-optic effect and second harmonic generation due to its inversion symmetry. Have been considered not.

【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。
[0005] However, it has recently been clarified that even in such an optically isotropic glass material, a second-order optical nonlinearity is induced by performing the poling treatment.

【0006】ここで、ポーリング処理とは、高温状態に
おいて試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、試料が室温まで低下した後で
直流電場を解除し、光学的異方性領域を形成する方法で
ある。このようなポーリング処理による非線形光学効果
は、これまでに石英ガラスのほかに、テルライトガラス
やリン酸塩ガラス等種々のガラス材料で確認されてい
る。
Here, the poling treatment means that a DC electric field is applied to a sample at a high temperature, the electric field is kept for a certain period of time while the electric field is applied, and then the heat is released. This is a method of forming an anisotropic region. The nonlinear optical effect due to such poling treatment has been confirmed so far in various glass materials such as tellurite glass and phosphate glass in addition to quartz glass.

【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。
However, the mechanism of inducing the nonlinear optical effect by the polling process has not been elucidated in detail, and it is considered that there are some factors relating to the origin of the nonlinear optical effect.

【0008】まず、不純物として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。
First, due to the drift of mobile proton ions (such as Na + ) as impurities, a cation-deficient region (space charge layer) is formed near the anode during the poling process, and this cation-deficient region is oriented by the electric dipole. May result. In this case, only the surface layer of several tens μm on the anode side mainly serves as an optically anisotropic region.

【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
の要因が材料全体に存在すれば、ポーリング処理により
電場が印加された材料全体にわたって光学的異方性が観
測される。
On the other hand, an electric dipole generated by factors related to the presence of point defects, OH groups, non-crosslinking oxygen, etc., is a material to which an electric field is applied by a poling process if these factors are present in the entire material. Optical anisotropy is observed throughout.

【0010】このように光学的等方性であるガラス材料
に異方性の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S
iO 2を主成分とする石英系ガラスは、信頼性、低損失
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。また石英系ガラスは、特にバンド
ギャップが広く、近赤外領域を中心とした通信分野以外
でも紫外領域、遠紫外領域での素子としても将来大いに
期待できる材料である。
The glass material which is optically isotropic as described above
New attempts to incorporate anisotropic features into the
Has gained academic and practical interest. Especially S
iO Two-Based glass with high reliability, low loss
At the heart of optoelectronics today
It is a material that has already been made into optical fibers and planar optical waveguides.
Technology is well established. In addition, quartz glass
Wide gap, other than telecommunications field mainly in near infrared region
However, it will be a great future for devices in the ultraviolet region and far ultraviolet region
It is a promising material.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、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、まだまだ微弱で、光変調器や光スイッチ、あるいは
波長変換素子等実用的な光素子を実現するまでには至っ
ていない。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、非線形領域
の素子長(光導波路のコア領域の長さ)が数十cmも必
要であり、また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LiNbO3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
素子の構造、材料、製法の開発が望まれる。
However, the non-linear optical effects in glass materials that have been reported so far are still weak, and practical optical elements such as optical modulators, optical switches, and wavelength conversion elements are realized. Not yet. At the current level, for example, in order to perform an optical switching operation using the electro-optic effect, the element length of the nonlinear region (the length of the core region of the optical waveguide) is required to be several tens cm, and the guided light is Since the driving voltage to be controlled requires several hundred volts, it is not practical. At least it is desired to realize a nonlinear optical effect comparable to a ferroelectric material such as LiNbO 3 already in practical use as a nonlinear optical element, and to develop an optimum element structure, material, and manufacturing method.

【0012】前述のように、従来は高電圧印加により光
学的異方性領域を形成するポーリング処理は、高温過熱
状態下で行われる方法が主に検討されてきた。本発明で
用いられる光導波路においても、高電圧を印加しながら
光導波路中を全体的あるいは局部的に加熱することによ
って、ポーリング処理することができる。全体加熱の場
合には高温電気炉内に素子を入れ、この中で高電圧印加
すればよい。また局部加熱の場合には、例えば石英など
一般のガラス材料によく吸収される赤外波長帯で発振す
るCO2レーザの照射により、高電圧を印加しながら光
導波路を局部的に過熱することは容易である。しかしな
がら、この熱ポーリングでは、高電圧電場による電気双
極子の配向と同時に、高エネルギーレーザ光の吸収によ
って照射部分が高温状態になり分子振動による電気双極
子の緩和が同時に起こる。その結果大きな非線形効果を
得ることができない。さらにこのような高温加熱処理
は、コア領域内のドーパントを消散させたりあるいは熱
によりコア領域形状を軟化変形させたりするという問題
があった。
As described above, conventionally, a method in which the poling treatment for forming an optically anisotropic region by applying a high voltage is performed under a high-temperature superheated state has been mainly studied. In the optical waveguide used in the present invention as well, the poling process can be performed by heating the entire or local area of the optical waveguide while applying a high voltage. In the case of overall heating, the element may be placed in a high-temperature electric furnace, and a high voltage may be applied therein. In the case of local heating, it is not possible to locally overheat the optical waveguide while applying a high voltage by irradiating a CO 2 laser oscillating in an infrared wavelength band that is well absorbed by a general glass material such as quartz. Easy. However, in this thermal poling, at the same time as the orientation of the electric dipole by the high-voltage electric field, the irradiated portion is brought into a high temperature state by absorption of the high-energy laser light, and the electric dipole is relaxed by molecular vibration. As a result, a large nonlinear effect cannot be obtained. Further, such a high-temperature heat treatment has a problem that the dopant in the core region is dissipated or the shape of the core region is softened and deformed by heat.

【0013】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。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a small-sized nonlinear optical element having low loss, high reliability, small driving energy, and a method of manufacturing the same.

【0014】[0014]

【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、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
を見出さなければならない。
In order to solve the above-mentioned problems, it is necessary to find optimal conditions from all viewpoints, such as the composition of the glass material, the production method, the poling method, and the structure of the optical element.

【0015】本発明者らは、このような観点に立ち各種
ドーパントを添加したガラス材料と、電気双極子の配向
性を高める手段として用いるレーザ照射とに着目した。
ガラス材料は、前述のように低損失、高信頼性あるいは
光回路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があ
る。このような材料を用いて高効率で非線形光学効果を
奏することができれば、さらに多くの光機能素子に応用
することができると考えられる。
In view of the above, the present inventors have paid attention to glass materials to which various dopants have been added and laser irradiation used as a means for improving the orientation of electric dipoles.
Glass materials have many excellent properties such as low loss, high reliability, and workability for forming optical circuits as described above,
Some passive elements have already been put into practical use for communication. If a nonlinear optical effect can be exhibited with high efficiency by using such a material, it can be considered that it can be applied to more optical functional elements.

【0016】さらに、ポーリング処理に短パルス高ピー
クパワー強度を有するレーザを用いることによって、極
めて高いレーザパワー強度のレーザ光を照射するにも拘
わらず、発熱をほとんど伴わず、照射部分に十分なエネ
ルギーを与えることができる。その結果、分子振動によ
る電気双極子の配向性の緩和を抑え、石英系のガラス材
料でも大きな非線形光学効果を得ることができる。
Further, by using a laser having a short pulse high peak power intensity for the poling process, despite the irradiation of a laser beam having an extremely high laser power intensity, the irradiated portion hardly generates heat and has sufficient energy. Can be given. As a result, relaxation of the orientation of the electric dipole due to molecular vibration can be suppressed, and a large nonlinear optical effect can be obtained even with a quartz glass material.

【0017】上記目的を達成するために本発明の非線形
光学素子は、平面基板と、平面基板上に形成されたコア
領域と、コア領域よりも相対的に屈折率が低くコア領域
を覆うクラッド領域とを備えた非線形光学素子におい
て、コア領域局所的に大きな非線形光学係数を有する光
学的異方性領域が形成されているものである。
In order to achieve the above object, a nonlinear optical element according to the present invention comprises a planar substrate, a core region formed on the planar substrate, and a cladding region which has a lower refractive index than the core region and covers the core region. And an optically anisotropic region having a large nonlinear optical coefficient locally in the core region.

【0018】本発明の非線形光学素子の製造方法は、平
面基板上にコア領域を形成し、コア領域を該コア領域よ
りも相対的に屈折率の低いクラッド領域で覆って光導波
路を形成する非線形光学素子の製造方法において、光導
波路と直交するように平面基板の面方向に外部から直流
高電圧の電場を印加すると同時に、電場及び光導波路と
直交するように平面基板の厚さ方向に短パルスレーザ光
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。
According to the method of manufacturing a nonlinear optical element of the present invention, a core region is formed on a flat substrate, and the core region is covered with a cladding region having a lower refractive index than the core region to form an optical waveguide. In the manufacturing method of the optical element, an electric field of DC high voltage is applied from the outside in the plane direction of the plane substrate so as to be orthogonal to the optical waveguide, and at the same time, a short pulse is applied in the thickness direction of the plane substrate so as to be orthogonal to the electric field and the optical waveguide. By irradiating a laser beam, an optically anisotropic region is formed in the core region.

【0019】上記構成に加え本発明の非線形素子の製造
方法は、短パルスレーザ光の電界の偏光方向と、電場の
方向とが略平行になるようにするのが好ましい。
In addition to the above configuration, in the method of manufacturing a nonlinear element according to the present invention, it is preferable that the polarization direction of the electric field of the short pulse laser beam and the direction of the electric field are substantially parallel.

【0020】上記構成に加え本発明の非線形素子の製造
方法は、短パルスレーザ光の波長を1.8μm以下と
し、その繰返し周波数を100kHz以上とし、短パル
スレーザ光が照射される光導波路内におけるそのピーク
パワー強度を105W/cm2以上とするのが好ましい。
In addition to the above structure, the method of manufacturing a nonlinear element according to the present invention is characterized in that the wavelength of the short pulse laser beam is 1.8 μm or less, the repetition frequency is 100 kHz or more, and the short pulse laser beam It is preferable that the peak power intensity be 10 5 W / cm 2 or more.

【0021】上記構成に加え本発明の非線形素子の製造
方法は、光導波路として、石英ガラスを主成分とし、コ
ア領域にゲルマニウム、チタニウム、スズ、リン、ホウ
素、テルビウム、エルビウムのいずれかの元素が添加さ
れているものを用いるのが好ましい。
In addition to the above-described structure, the method for manufacturing a nonlinear element according to the present invention is characterized in that the optical waveguide has quartz glass as a main component and any one of germanium, titanium, tin, phosphorus, boron, terbium and erbium in the core region. It is preferable to use the one added.

【0022】上記構成に加え本発明の非線形素子の製造
方法は、高電圧印加用の電極の少なくとも一部を、コア
領域内の信号光の制御用の電極として残すのが好まし
い。
In addition to the above configuration, in the method of manufacturing a nonlinear element of the present invention, it is preferable that at least a part of the electrode for applying a high voltage is left as an electrode for controlling signal light in the core region.

【0023】上記構成に加え本発明の非線形素子の製造
方法は、高電圧印加用の電極の少なくとも一部をガラス
材料で覆うのが好ましい。
In addition to the above configuration, in the method of manufacturing a nonlinear element of the present invention, it is preferable that at least a part of the electrode for applying a high voltage is covered with a glass material.

【0024】上記構成に加え本発明の非線形素子の製造
方法は、コア領域の周辺のクラッド領域を略台形断面形
状に形成し、クラッド領域の上底の位置を高電圧印加用
の電極の位置よりも高くするのが好ましい。
In addition to the above structure, the method of manufacturing a nonlinear element according to the present invention comprises forming a cladding region around a core region into a substantially trapezoidal cross-sectional shape, and positioning the upper bottom of the cladding region from the position of an electrode for applying a high voltage. Is also preferably high.

【0025】本発明によれば、光導波路と直交するよう
に平面基板の面方向に外部から直流高電圧電源からの電
場を印加すると同時に、電場及び光導波路と直交するよ
うに平面基板の厚さ方向に短パルスレーザ光を照射する
ことにより、コア領域内に大きな非線形光学係数を有す
る光学的異方性領域を形成することができる。そのメカ
ニズムは詳細に解明されていないが、種々の点欠陥や非
架橋酸素等による電気双極子の形成が関与していると推
測される。
According to the present invention, an electric field from a DC high-voltage power supply is externally applied in the plane direction of the plane substrate so as to be orthogonal to the optical waveguide, and at the same time, the thickness of the plane substrate is orthogonal to the electric field and the optical waveguide. By irradiating the short pulse laser beam in the direction, an optically anisotropic region having a large nonlinear optical coefficient can be formed in the core region. Although the mechanism has not been elucidated in detail, it is presumed that formation of an electric dipole due to various point defects, non-bridging oxygen and the like is involved.

【0026】[0026]

【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。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

【0027】図1は本発明の非線型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。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing one embodiment of a method for manufacturing a nonlinear optical element according to the present invention.

【0028】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、各種ドーパントが添加された
石英系ガラスからなるコア領域13と、コア領域13より相
対的に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。
An optical waveguide 11 as a nonlinear optical element is formed on a quartz substrate 12 and has a core region 13 made of silica-based glass to which various dopants are added, and has a relatively lower refractive index than the core region 13. Cladding region surrounding the core region 13
It consists of 14 and.

【0029】コア領域13は、まずゲルマニウムなどのド
ーパントを含有した石英板をターゲット材として、高周
波スパッタリング法によって石英基板12上にコア膜を形
成し、次にフォトリソグラフィ法により導波路のパター
ニングを行い、さらにCHF 3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。
First, the core region 13 is made of a material such as germanium.
-Using a quartz plate containing punt as the target material,
Core film on quartz substrate 12 by microwave sputtering
And then pattern the waveguide by photolithography.
And CHF ThreeReactive ion using gas
Formed into a rectangular cross-sectional shape by etching
is there.

【0030】クラッド領域14の形成には火炎堆積法が用
いられる。このクラッド領域14はコア領域13が形成され
た後、石英基板12の上面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
で燒結してガラス微粒子をガラス化したものである。
The cladding region 14 is formed by a flame deposition method. After the core region 13 is formed in the clad region 14, glass fine particles obtained by adding P (phosphorus) and B (boron) to SiO 2 are deposited on the entire upper surface of the quartz substrate 12 by a flame hydrolysis reaction. The glass particles are vitrified by sintering the entire substrate 12 at a high temperature of 1300 ° C.

【0031】ここで、リンを石英に添加すると、屈折率
が高くなり、ホウ素を添加すると逆に屈折率が低くな
る。従ってリンとホウ素との添加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の屈折率とほ
ぼ等しくなる。本実施の形態においては、コア領域13の
断面寸法を約6×6μmとし、コア領域13とクラッド領
域14(あるいは石英基板12)との比屈折率差を0.8%
とした。
Here, when phosphorus is added to quartz, the refractive index increases, and when boron is added, the refractive index decreases. Therefore, by adjusting the amount of addition of phosphorus and boron, the refractive index of the cladding region 14 becomes substantially equal to the refractive index of the quartz substrate 12. In the present embodiment, the cross-sectional dimension of the core region 13 is about 6 × 6 μm, and the relative refractive index difference between the core region 13 and the cladding region 14 (or the quartz substrate 12) is 0.8%.
And

【0032】このようにして形成したクラッド領域14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。これら二つの電極15、16の上部には高電圧
印加による絶縁破壊の抑制のため電極保護層17が形成さ
れている。電極15、16は電極保護層17に形成されたスル
ーホールを介して直流高電圧電源18に接続されている。
直流高電圧電源18によって、電場が光導波路11のコア領
域13に対して石英基板の面方向(図では横方向)に発生
する。電場の発生と同時にコア領域13及び電場に対し直
交する方向(図では上方から)に短パルス高ピークパワ
ー強度のレーザ光を矢印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。
A pair of electrodes 15 and 16 are provided on both sides of the clad region 14 thus formed so as to sandwich the core region 13.
Was formed. An electrode protection layer 17 is formed on the upper portions of these two electrodes 15 and 16 to suppress dielectric breakdown due to application of a high voltage. The electrodes 15 and 16 are connected to a DC high-voltage power supply 18 via through holes formed in the electrode protection layer 17.
An electric field is generated by the DC high-voltage power supply 18 in the plane direction (lateral direction in the figure) of the quartz substrate with respect to the core region 13 of the optical waveguide 11. By irradiating a short pulse high peak power intensity laser beam in the direction perpendicular to the core region 13 and the electric field (from above in the figure) in the direction of arrow A simultaneously with the generation of the electric field,
An optically anisotropic region is formed in the core region 13 of the optical waveguide 11.

【0033】短パルス高ピークパワー強度のレーザ光
は、図示しない集光レンズによりコア領域13付近で集光
され、電極15、16間に高電圧が印加されている間、コア
領域13の長手方向に走査させながら照射される。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106〜107V/cmとした。
The laser light having a short pulse and high peak power intensity is condensed in the vicinity of the core region 13 by a condensing lens (not shown), and while a high voltage is applied between the electrodes 15 and 16 in the longitudinal direction of the core region 13. Irradiation while scanning. In the present embodiment, the intensity of the electric field applied to the core region 13 by the electrodes 15 and 16 is set to 10 6 to 10 7 V / cm.

【0034】また、直流高電圧の印加と同時にコア領域
13に照射される短パルス高ピークパワー強度のレーザ光
には、繰返しパルス周波数が200kHz、パルス幅が200
fs、波長が800nmのいわゆるフェムト秒レーザを使
用した。このレーザ光は石英系ガラスにはほとんど吸収
されず、また平均パワーも高々200mW程度であるの
で、コア領域13内の照射領域はほとんど発熱しない。し
かしながら、パルス幅が非常に狭いためピークパワーが
非常に大きくなる。そのため高電圧印加と同時にレーザ
光を照射すると電気双極子はレーザ光のエネルギーによ
って配向が起こる。尚レーザ光の波長は、光導波路を構
成する石英などのガラス材料に対し透明であることが重
要である。一般に波長1.8μm以上の赤外光に対しては
石英系ガラスを含め多くのガラス材料ではレーザ光は吸
収されてしまう。このため、レーザ光のエネルギーのほ
とんどが熱に変換されてしまい。導波路形状の熱変形を
もたらすだけでなく、分子振動による電気双極子の緩和
が同時に起こるため大きな非線形効果を期待することは
できない。
In addition, simultaneously with the application of a high DC voltage, the core region
The laser beam of short pulse high peak power intensity applied to 13 has a repetition pulse frequency of 200 kHz and a pulse width of 200 kHz.
A so-called femtosecond laser having an fs of 800 nm was used. This laser light is hardly absorbed by the quartz glass and the average power is at most about 200 mW, so that the irradiation area in the core area 13 hardly generates heat. However, since the pulse width is very narrow, the peak power becomes very large. Therefore, when a laser beam is irradiated simultaneously with application of a high voltage, the electric dipole is oriented by the energy of the laser beam. It is important that the wavelength of the laser beam is transparent to a glass material such as quartz that constitutes the optical waveguide. In general, for infrared light having a wavelength of 1.8 μm or more, laser light is absorbed by many glass materials including quartz glass. Therefore, most of the energy of the laser light is converted into heat. In addition to causing thermal deformation of the waveguide shape, relaxation of the electric dipole due to molecular vibration occurs simultaneously, so that a large nonlinear effect cannot be expected.

【0035】尚、本実施例では、短パルス高ピークパワ
ー強度のレーザ光照射による電気双極子の配向性を高め
るために、レーザ光の電界の偏光方向が直流高電圧電場
の電気力線とほぼ平行になるようにした。
In this embodiment, the polarization direction of the electric field of the laser light is substantially the same as that of the electric field lines of the DC high-voltage electric field in order to enhance the orientation of the electric dipole by irradiating the laser light with the short pulse high peak power intensity. It was made parallel.

【0036】また、本実施例の形態では、コア領域13が
前述のようにゲルマニウムなどのドーパントを含有した
石英板をターゲット材として、高周波スパッタリング法
によって形成されている。 ゲルマニウムは純粋石英よ
りも屈折率を高めるために添加するものであるが、屈折
率を高めるためには、ゲルマニウムに限らず、チタニウ
ムやリンを添加してもよい。さらに非線形光学効果を高
めるために、スズ、リン、ホウ素、テルビウム、エルビ
ウム等の元素を添加することも効果的である。
In the present embodiment, the core region 13 is formed by a high frequency sputtering method using a quartz plate containing a dopant such as germanium as a target material as described above. Germanium is added to increase the refractive index more than pure quartz. However, to increase the refractive index, not only germanium but also titanium or phosphorus may be added. To further enhance the nonlinear optical effect, it is effective to add an element such as tin, phosphorus, boron, terbium, and erbium.

【0037】さらにコア領域13の形成法は、スパッタリ
ング法に限らず、電子ビーム蒸着法や火炎堆積法を用い
てもよい。
The method of forming the core region 13 is not limited to the sputtering method, but may be an electron beam evaporation method or a flame deposition method.

【0038】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、この電極15、16はそのまま直流高電
圧電源18を適当な信号光制御用電源に取り替えれば、光
導波路11のコア領域13を伝搬する信号光を高速で制御す
る駆動電極として使用することができる。
The electrodes 15 and 16 shown in FIG. 1 are electrodes for applying a high voltage used for forming an optically anisotropic region in the core region 13, and these electrodes 15 and 16 are directly applied to a DC high voltage. If the voltage power supply 18 is replaced by an appropriate signal light control power supply, it can be used as a drive electrode for controlling the signal light propagating through the core region 13 of the optical waveguide 11 at high speed.

【0039】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。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing another embodiment of the method for manufacturing a nonlinear optical element according to the present invention.

【0040】図1に示した実施の形態との相違点は、石
英基板22上のコア領域23を囲む周辺のクラッド領域24が
台形断面形状を有しており、このクラッド領域24の上底
の位置を、コア領域23内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25、26の位置よりも
高くした点である。
The difference from the embodiment shown in FIG. 1 is that the surrounding cladding region 24 surrounding the core region 23 on the quartz substrate 22 has a trapezoidal cross-sectional shape. The point is that the position is higher than the positions of the high-voltage application electrodes 25 and 26 used for forming the optically anisotropic region in the core region 23.

【0041】この非線形光学素子としての光導波路21
は、クラッド領域24の上底の位置が電極25、26の位置よ
り高いので、直流高電圧電場を効率良くコア領域23内に
印加すると同時に、直流高電圧電源28からの高電圧印加
による電極25、26間の絶縁破壊をさらに抑制することが
できる。また、図2に示す構造は、ポーリング処理時に
高電圧印加用として使用した電極25、26を、そのまま光
導波路を伝搬する信号光を制御するための駆動用電極と
して使用すれば、より小さな電圧で信号光を制御するこ
とができる。尚、図中27は電極保護層である。
The optical waveguide 21 as this nonlinear optical element
Since the position of the upper bottom of the cladding region 24 is higher than the positions of the electrodes 25 and 26, the DC high voltage electric field is efficiently applied into the core region 23, and at the same time, the electrode 25 is applied by applying a high voltage from the DC high voltage power supply 28. , 26 can be further suppressed. In the structure shown in FIG. 2, if the electrodes 25 and 26 used for applying a high voltage during the poling process are used as driving electrodes for controlling the signal light propagating through the optical waveguide, the structure shown in FIG. The signal light can be controlled. In the figure, reference numeral 27 denotes an electrode protection layer.

【0042】このような台形断面形状を有するクラッド
領域24の形成は、プラズマCVD法あるいは高周波バイ
アススパッタリング法により容易に形成することができ
る。
The cladding region 24 having such a trapezoidal cross section can be easily formed by a plasma CVD method or a high frequency bias sputtering method.

【0043】図3は本発明の非線形光学素子の他の実施
の形態を示す外観斜視図であり、電気光学効果を用いた
Mach-Zehnder型の光変調器31を示したものである。
FIG. 3 is an external perspective view showing another embodiment of the nonlinear optical element of the present invention.
1 shows a Mach-Zehnder type optical modulator 31.

【0044】光変調器31は、石英基板32上にコア領域33
が形成され、コア領域33を囲むようにクラッド領域34が
形成されている。信号光の入力側及び出力側にそれぞれ
Y分岐35、36が形成されている。矢印C方向に入射する
信号光は入力側のY分岐35で2等分され、同じ長さの2
本の導波路アーム37、38を伝搬する。一方の導波路アー
ム37のクラッド領域34上の両側には、この導波路アーム
37を挟んで二つの電極39、40が形成されている。両電極
39、40は交流電源41に接続されている。導波路アーム37
内を伝搬する信号光は、交流電圧の電場によって位相変
化を受ける。この信号光を出力側のY分岐36で他方の導
波路アーム38を伝搬してきた信号光と合波させることに
より、両信号光の位相差に対応して出力強度が変化して
矢印D方向に出射する。
The optical modulator 31 has a core region 33 on a quartz substrate 32.
Is formed, and a cladding region 34 is formed so as to surround the core region 33. Y branches 35 and 36 are formed on the input side and output side of the signal light, respectively. The signal light incident in the direction of arrow C is divided into two equal parts by the Y branch 35 on the input side and
The light propagates through the waveguide arms 37 and 38. This waveguide arm is provided on both sides of the cladding region 34 of one waveguide arm 37.
Two electrodes 39 and 40 are formed with 37 interposed therebetween. Both electrodes
39 and 40 are connected to an AC power supply 41. Waveguide arm 37
The signal light propagating inside undergoes a phase change due to the electric field of the AC voltage. By combining this signal light with the signal light propagating through the other waveguide arm 38 at the Y branch 36 on the output side, the output intensity changes in accordance with the phase difference between the two signal lights, and Emit.

【0045】ここで、光変調器31に入射する信号光の偏
光方向は、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39、40は、両電極
39、40で挟まれた導波路アーム37のコア内に光学的異方
性を誘発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
39、40間には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。これに対し信号光の伝搬を制御
し変調器として動作させるには、高々数Vの交流電源を
接続すれば十分である。
Here, the polarization direction of the signal light incident on the optical modulator 31 is set to be parallel to the direction of the AC electric field.
The electrodes 39 and 40 for causing a phase change are both electrodes.
The electrode used during the poling process for inducing optical anisotropy in the core of the waveguide arm 37 sandwiched between 39 and 40 can be used as it is. Electrode during polling process
DC high voltage power supply is connected between 39 and 40, several hundred to several kV
Is applied. On the other hand, in order to control the propagation of signal light and operate as a modulator, it is sufficient to connect an AC power supply of at most several volts.

【0046】以上において本発明によれば、次のような
優れた効果を発揮する。
As described above, according to the present invention, the following excellent effects are exhibited.

【0047】光導波路と直交するように、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
直交するように、短パルス高ピークパワー強度のレーザ
光を照射することによって、従来微弱な非線形光学効果
しか実現されていなかったガラス材料を用いた光導波路
において、非常に大きな光学的異方性領域を効率的に誘
発できる。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、
波長変換など、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型光学素子を実現することができ
る。
Conventionally, by applying a DC high-voltage electric field from the outside so as to be orthogonal to the optical waveguide and simultaneously irradiating a laser beam with a short pulse and high peak power intensity so as to be orthogonal to the electric field and the optical waveguide, In an optical waveguide using a glass material in which only a nonlinear optical effect is realized, a very large optically anisotropic region can be efficiently induced. Thus, switching, modulation, and the like of light utilizing the non-linear optical effect such as the electro-optical effect and the second harmonic generation
It is possible to realize a small-sized non-linear optical element having low loss, high reliability, small driving energy, such as wavelength conversion.

【0048】[0048]

【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。
In summary, according to the present invention, the following excellent effects are exhibited.

【0049】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提供を実
現することができる。
It is possible to provide a small-sized nonlinear optical element having low loss, high reliability, small driving energy, and a method of manufacturing the same.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の非線型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。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing one embodiment of a method for manufacturing a nonlinear optical element of the present invention.

【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。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing another embodiment of the method for manufacturing a nonlinear optical element of the present invention.

【図3】本発明の非線形光学素子の他の実施の形態を示
す外観斜視図である。
FIG. 3 is an external perspective view showing another embodiment of the nonlinear optical element of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11、21 光導波路 12、22、32 石英基板 13、23、33 コア領域 14、24、34 クラッド領域 15、16、25、26、39、40 電極 17、27 電極保護層 18、28 直流高電圧電源 31 光変調器 35、36 Y分岐 37、38 導波路アーム 41 交流電源 11, 21 Optical waveguide 12, 22, 32 Quartz substrate 13, 23, 33 Core region 14, 24, 34 Cladding region 15, 16, 25, 26, 39, 40 Electrode 17, 27 Electrode protective layer 18, 28 DC high voltage Power supply 31 Optical modulator 35, 36 Y branch 37, 38 Waveguide arm 41 AC power supply

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2H047 KA04 KB09 LA12 NA02 NA08 PA00 PA03 PA04 PA05 PA21 PA24 QA04 RA08 TA01 TA31 2H079 AA02 BA01 DA05 EA05 EB05 HA12 2K002 CA02 FA30 GA07  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2H047 KA04 KB09 LA12 NA02 NA08 PA00 PA03 PA04 PA05 PA21 PA24 QA04 RA08 TA01 TA31 2H079 AA02 BA01 DA05 EA05 EB05 HA12 2K002 CA02 FA30 GA07

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 平面基板と、該平面基板上に形成された
コア領域と、該コア領域よりも相対的に屈折率が低く上
記コア領域を覆うクラッド領域とを備えた非線形光学素
子において、上記コア領域に局所的に大きな非線形光学
係数を有する光学的異方性領域が形成されていることを
特徴とする非線形光学素子。
1. A nonlinear optical element comprising: a planar substrate; a core region formed on the planar substrate; and a cladding region having a lower refractive index than the core region and covering the core region. A nonlinear optical element wherein an optically anisotropic region having a large nonlinear optical coefficient is locally formed in a core region.
【請求項2】 平面基板上にコア領域を形成し、該コア
領域を該コア領域よりも相対的に屈折率の低いクラッド
領域で覆って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、上記光導波路と直交するように上記平面
基板の面方向に外部から直流高電圧の電場を印加すると
同時に、上記電場及び上記光導波路と直交するように上
記平面基板の厚さ方向に短パルスレーザ光を照射するこ
とにより、上記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。
2. A method for manufacturing a nonlinear optical element, comprising: forming a core region on a planar substrate; and covering the core region with a cladding region having a lower refractive index than the core region to form an optical waveguide. At the same time as applying an electric field of DC high voltage from the outside in the plane direction of the flat substrate so as to be orthogonal to the optical waveguide, a short pulse laser beam is applied in the thickness direction of the flat substrate so as to be orthogonal to the electric field and the optical waveguide. A method for manufacturing a nonlinear optical element, comprising forming an optically anisotropic region in the core region by irradiation.
【請求項3】 上記短パルスレーザ光の電界の偏光方向
と、上記電場の方向とが略平行になるようにする請求項
2に記載の非線形光学素子の製造方法。
3. The method for manufacturing a nonlinear optical element according to claim 2, wherein the direction of polarization of the electric field of the short-pulse laser light is substantially parallel to the direction of the electric field.
【請求項4】 上記短パルスレーザ光の波長を1.8μ
m以下とし、その繰返し周波数を100kHz以上と
し、上記短パルスレーザ光が照射される光導波路内にお
けるそのピークパワー強度を105W/cm2以上とする
請求項2又は3に記載の非線形光学素子の製造方法。
4. The wavelength of the short pulse laser beam is 1.8 μm.
The nonlinear optical element according to claim 2 or 3, wherein the repetition frequency is 100 kHz or more, and the peak power intensity in the optical waveguide irradiated with the short pulse laser light is 10 5 W / cm 2 or more. Manufacturing method.
【請求項5】 上記光導波路として、石英ガラスを主成
分とし、上記コア領域にゲルマニウム、チタニウム、ス
ズ、リン、ホウ素、テルビウム、エルビウムのいずれか
の元素が添加されているものを用いる請求項2から4の
いずれかに記載の非線形光学素子の製造方法。
5. The optical waveguide according to claim 2, wherein said optical waveguide is composed mainly of quartz glass and said core region is doped with any of germanium, titanium, tin, phosphorus, boron, terbium and erbium. 5. The method for manufacturing a nonlinear optical element according to any one of items 1 to 4.
【請求項6】 上記高電圧印加用の電極の少なくとも一
部を、上記コア領域内の信号光の制御用の電極として残
す請求項2から5のいずれかに記載の非線形光学素子の
製造方法。
6. The method for manufacturing a nonlinear optical element according to claim 2, wherein at least a part of the electrode for applying a high voltage is left as an electrode for controlling signal light in the core region.
【請求項7】 上記高電圧印加用の電極の少なくとも一
部をガラス材料で覆う請求項2から6のいずれかに記載
の非線形光学素子の製造方法。
7. The method for manufacturing a nonlinear optical element according to claim 2, wherein at least a part of the high voltage application electrode is covered with a glass material.
【請求項8】 上記コア領域の周辺のクラッド領域を略
台形断面形状に形成し、該クラッド領域の上底の位置を
上記高電圧印加用の電極の位置よりも高くする請求項2
から7のいずれかに記載の非線形光学素子の製造方法。
8. The cladding region around the core region is formed in a substantially trapezoidal cross-sectional shape, and the position of the upper bottom of the cladding region is higher than the position of the electrode for applying high voltage.
8. The method for manufacturing a nonlinear optical element according to any one of items 1 to 7.
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