JP2002501630A - リブ導波管及びそれを製造するプロセス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 リブ導波管（４）の製造プロセスであって、（ａ）結晶への高エネルギの軽いイオンのイオン注入プロセス、（ｂ）ストリップを画成する、結晶の表面（１１．１）へのマスクの適用プロセス、（ｃ）結晶の表面（１１．１）の上のリブ（４１）のエッチングプロセス、に基づく。プロセスステップ（ａ）（イオン注入）は、結晶（１１．１）の表面下に数マイクロメータの深さで低減された屈折率を有する層（１４）の形成を引き起こす。この屈折率バリヤ（１４）によって、結晶の表面と垂直な方向の光は制限される。光の横方向誘導は、リブ（４１）の横方向の限界（４３．１）、（４３．２）によってもたらされる。そのプロセスは、非線形光学的結晶（例えば強誘電性の酸化物（ＫＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、その他）及びホウ酸塩（ＬＢＯ、ＢＢＯ、その他））の導波管の製造に特に好適である。これらの結晶種類は、興味深い非線形光学的結晶特性を有し、周波数変換器の使用に好適である。本発明に従った製造プロセスは、特に、リブ構造のイオン注入及びエッチングの組合わせで、材料の個々の特性に適応され、低い減衰を有するリブ導波管の製造を可能にし、もって結晶の非線形光学的特性が維持される。これは、有効な周波数変換を達成する重要な前提条件である。

Description

【発明の詳細な説明】 リブ導波管及びそれを製造するプロセス 本発明は、独立の請求項の包括的な項に従った、リブ導波管、それを製造する プロセス、その使用及び当該リブ導波管を含む光源に関する。 非線形（ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ）光学作用によるレーザ光の周波数変換が、６ ０年代からいくらか注目されてきている。非線形光学プロセスは、光学周波数（ 波長）で、可干渉性のレーザ光の発生を可能にするが、それは、直接レーザプロ セスによって発生されることができないか、困難だけを有する。一般に、そのよ うな周波数変換プロセスのために、ポンピングソースとしてレーザが利用され、 光ビームは、非線形光学材料を通して伝搬される。レーザビームと材料との間の 非線形光学作用は、ポンピングされた光の部分が、より高いか又はより低い周波 数の光に変換される効果を導く。非線形光学のプロセスの中で、第二高調波発生 （ＳＨＧ）、和周波数発生（ＳＦＧ）、差周波数発生（ＤＦＧ）及び光学のパラ メトリック増幅（ＯＰＡ）は特に重要である。これらのプロセスは、紫外線、可 視、赤外線スペクトルの近傍及び中間レンジ（即ち、０．１〜１０ミクロンの波 長の間）で可干渉性のレーザ放射の発生を可能にする。これらの波長で光を放出 するレーザは、スペクトルスコープ、光学のデータ記憶、薬、生物学等で用途が 見つけられている。 更なる重要な非線形光学のプロセスは、レーザ光の電気光学変調である。これ によって、電場が非線形光学の結晶に加えられ、このレーザ光の強度又は伝搬速 度は、影響される。この効果は、光学のビームに電子信号を伝達するために利用 されることができる。これは、光学システムによって情報の送信を可能にし、そ れは今日、通信技術において広範囲にわたる使用が見出されている。これとは別 に、この電気光学効果は、光スイッチの中で又は非常に短いレーザパルスの発生 用のレーザにおけるＱスイッチ又は光スイッチ等の種々の他の用途に利用されて いる。 非線形な光学的相互作用に好適なたくさんの結晶性物質が調査された。これら の中で、特に強誘電性の酸化物、例えばニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ₃）、ニオ ブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン 酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）及びＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）の種類が注目されて いる。一般に、これらの材料の結晶は、より有効な周波数変換及び電気の光変調 必要な前提条件である材料特性、卓越した非線形光学の感度を表す。特に、その 著しく良好な特性を基礎としてニオブ酸カリウムは、非線形光学的用途に対して 優秀な材料であることがわかった。 興味深い非線形光学的特性を有する材料の更なる種類は、ホウ酸塩化合物に基 づく結晶で、例えばβ−ＢａＢ２Ｏ４（ＢＢＯ）、ＬｉＢ３０５（ＬＢＯ）、Ｃ ｓＢ３Ｏ５（ＣＢＯ）及びＣｓＬｉＢ６Ｏ１０（ＣＬＢＯ）である。非線形光学 的結晶のこのグループは、大部分の強誘電性の酸化物に対比したその光学的透明 度が紫外線のスペクトルの範囲にまで到達する事実によって特徴づけられる。こ の特性を基礎とすると、ホウ酸塩結晶は、紫外線のレーザ放射が発生される周波 数変換に対して興味深い。 非線形プロセスの場合の変換の程度は、ポンピングされたビーム及び結晶の作 用の長さ及びポンピングされたビームの強度と共に増加される。高度な変換を達 成するためには、特に、レーザが連続的波（ｃｗ）モードの中で動作される場合 、ポンピングされたビームの強度を増加させるためには、頻繁な追加の測定がな されなければならない。そのような測定で、上の全ての光学的キャビティ内の共 鳴プロセス、及び光学的導波管の中の変換プロセスを調べた。共鳴する変換プロ セスは、非線形光学的結晶がキャビティに置かれる場合には、非常に高い程度の 変換を達成する可能性を提供する。しかし、それらは、光学的構成要素の機械的 な調整に関して及びポンピングされたビーム波長の小さい変動に関して非常に敏 感であるという不利益を有する。故に、それらは通常、安定化のための複雑なア クティブフィードバックシステムを必要とする。これに対して、周波数変換のた めの導波管の使用は、単に、導波管の非常に小さい断面領域、及びレーザビーム の横方向の誘導を基礎として、長い相互作用にわたって高強度を確実にし、及び 高度な変換をこのように達成するという利点を有する。このためには、導波管を 通してのポンピングされたビームの単一のパスは既に十分であり、それは、実質 的に、光学的キャビティと比較して、機械的な及び周波数に関連した安定の要求 を低減する。 導波管は、体積結晶と比較して電気光学的の用途に対して利点も提供する。長 い距離にわたって非常に小さい表面に光を制限によって、変調のために加えられ る電圧は、非常に低く保たれることができ、それによって必要な電力は、かなり を低減される。導波管は、更にファイバガラス技術と互換性を有し、それは、今 日の通信システムの中で利用される。 用途に特に重要なものは、リブ導波管、即ち２つの方向に光を誘導し、非常に 小さい表面に制限するチャネル形の導波管である。 上記の説明は、導波管、特に、非線形光学的用途のためのリブ導波管の重要性 を強調する。しかし、そのような導波管の製造プロセスは、しばしば技術的に困 難にあり、対応する材料特性に適していなければならない。この発明は、これら の材料の有利な特性を維持し、非線形光学的結晶の中で良好な光学的品質の導波 管の製造を容認するプロセスに基づく。 非線形光学的結晶における光学的導波管の製造のために、化学的及び物理的の 両方の異なる方法が調べられた。イオン拡散によって、又は非線形光学的結晶に おけるイオン交換プロセスによって、例えば、導波管をＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａ Ｏ３及びＫＴＰで製造することに成功した。好結果として検証されたものは、例 えば、ＬｉＮｂＯ３へのチタン（Ｔｉ）の拡散又は注入であった。Ｔｉ−ドープ された領域内で、屈折率は増加され、同時にＬｉＮｂＯ３の所望の光学的特性は 維持される。しかし、ほとんど全ての他の非線形光学的結晶は、このプロセスに アクセスできない。それは、外側イオン拡散定数及び熱安定が不充分であるから である。また、イオン注入によって押し込まれたドーピングは、目的を達成しな い。その理由は、Ｔｉのような重イオンのイオン注入は、原子の衝撃を通して母 体格子構造を傷つけ、欠陥を作り、使用可能な導波管が生じられないからである 。物理的な方法の中で、とりわけ、Ｈ＋又はＨｅ＋のような光イオンの注入が、 用途が見出された。これらのプロセスによって、結晶性物質は、高エネルギイオ ンの衝撃にさらされる。これは、即ち、結晶の表面下の、低減された屈折率を有 する領域及び導波層への、埋設光学的バリヤの形成を導く。 フラック（Ｆｌｕｃｋ）等は、刊行物の、「複数のエネルギイオン注入による ＫｎｂＯ３内の低損失光学的チャネル導波管」（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７２ （５）（１６７１（１９９２）））で、例えば、ＫＮｂＯ３のような強誘電性の 酸化物へのイオン注入によるリブ導波管の製造が、幾つかの注入ステップを使用 するプロセスで可能であることを説明している。しかし、このように製造される リブ導波管は不利益を有する。それは、リブ導波管が、１つの偏光方向の光を導 くだけであり、それと垂直な偏光を有する光は導波管の中に伝搬しないというこ とである。しかし、ＫＮｂＯ３の中で周波数変換を可能にするために、導波管は 、必然的にまた、水平線偏光と同様に両方の垂直線の光を導かなければならない 。刊行物「新しい設計のｉイオン注入されたチャネル導波管におけるブルーライ ト第二高調波発生」（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９（２７）４１３３（ １９９６））の中で、フラック等は、１つの注入ステップだけでリブ導波管の製 造を可能にする、より単純なプロセスを記載した。このプロセスは、ドイツの特 許の出願の主題である。このプロセスで製造されるリブ導波管は、リブ導波管と 比較するとかなり改良された光学的特性を有し、それは、幾つかの注入ステップ を使用して製造される。しかし、側壁のせまい光学的バリヤをベースとするとそ れらは、比較的に高い減衰を有する。 ローレンツォ等の特許文書「誘電体注入による低損失結晶シリコン導波管の製 造方法」（ＵＳ−４，７８９，６４２）の中で、イオン注入及びエッチングによ ってリブ導波管の製造を可能にするプロセスが記載されている。そうすることで 、シリコン基板が高エネルギの酸素又は窒素イオン衝撃に露出される。シリコン 基板の表面下の一定の深さでのこれらのイオンは、シリコン酸化物（ＳｉＯ２） 又はシリコン窒化物（Ｓｉ３Ｏ４）の水晶のような誘電体層を形成する、そして それは上のシリコン層と比較すると、かなり低減された屈折率を表す。好適な位 置での追加のシリコンのエッチング又はエピタキシャル成長によって、その後、 リブが基板表面の上で形成されることができ、これによって、リブ導波管となる 。しかし、このプロセスは、シリコンの個々の材料特性に基づくもので、そこで 、重イオン（例えば酸素又は窒素）の注入は、結晶性酸化物又は窒化物層の形成 をもたらし、これによって材料は化学変化する。これに対して、例えば強誘電性 の酸化物（例えばＫＮｂＯ３）又はホウ酸塩（例えばＬＢＯ）への陽子又はヘリ ウム等の光イオン注入は、原子衝撃によって、部分的に又は完全にアモロファス 損傷領域の形成を導くが、材料の化学的変化は導かない。これはまた、重イオン 注入にも適用できる。ローレンツォ等のプロセスは、故に強誘電性の酸化物又は ホウ酸塩に移転することができない。加えて、この特許文書は、１．３〜１．６ μｍの光波長での通信技術の中の出願に対して排他的にシリコン製の導波管に言 及している。しかし、シリコンの特性のため、これらの導波管は、周波数変換プ ロセスのために利用されることができない。 結晶（特に、強誘電性の酸化物又はホウ酸塩）の中で、良好な光学的品質のリ ブ導波管を作ることが、発明の目的である。更に、そのような導波管の製造を可 能にするプロセスを示すことも本発明の目的である。更に、半導体ダイオードレ ーザの及び固体レーザの有効な周波数変換に、これらのリブ導波管の使用を説明 することも本発明の目的である。加えて、少なくとも１つの主要な光源によって 放出される光が効率的に周波数変換される光源を作ることも本発明の目的である 。 その目的は、独立の請求項で定義されるようにリブ導波管、製造工程及び光源 によって達成される。 本発明に従ったリブ導波管は、結晶から製造される。それは、結晶の中に屈折 率が結晶の屈折率より低いバリヤ層を有し、結晶の所定の表面に垂直な方向にリ ブ導波管を制限する。加えて、それは、上記表面にリブを有し、その壁部は、上 記表面と平行な方向にリブ導波管を制限する。 本発明に従ったプロセスは、非線形光学的結晶（例えばＫＮｂＯ３）内のリブ 導波管の製造の中で上記の言及した困難を大いに回避する。本質的に、それは３ つのプロセスステップからなる。（ａ）非線形光学的結晶への高エネルギ光イオ ンの注入、（ｂ）結晶の表面上のマスクのホトリソグラフィックの生産又は、適 切に予め組み立て（ｐｒｅ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ）されたマスク（例えばシリ コン）の使用、及び（ｃ）表面上でのマスクの使用によって遮蔽されるリブを形 成するための、表面からの結晶のエッチング、これによってリブ導波管における 光の横方向の誘導が、確実にされる。 イオン注入の当該方法は、イオンでの衝撃で基材中に引き起こされる永久的な 放射線損傷を利用する。光イオン（例えばＨ＋、Ｈｅ＋又はＨｅ＋＋）の使用の 場合、引き起こされた放射線損傷は、イオンパスの終わりに集中される。表面の 近くの領域は、比較的僅かな損傷である。損傷の結果として、深い部分の結晶内 部は、低い屈折率を表す。このように結晶表面と損傷された深い内部との間で光 を誘導することが可能である。イオン注入は、正確に制御可能なプロセスパラメ ータ（イオン注入及びエネルギ）によって、非常に特殊な用途に対しても適合し た導波管を製造することができるという利点を提供する。導波層の厚さ（材料に おける光学的バリヤの位置）は、イオンエネルギを通して限定することができ、 また光学的バリヤの屈折率はイオン注入量によって限定される。 非線形光学的プロセス導波管の有用性の重要な前提条件は、材料の非線形光学 的特性が導波管の製造中に維持されるという事実にある。正確にイオン拡散又は イオン交換プロセスは強く非線形性を低減する可能性があり、又は完全にそれを 破壊する可能性がある。ここでも、イオン注入は利点を有する。それは、表面の 近くの層（即ち、導波領域での）の材料に対する損傷は、比較的に小さく、イオ ン衝撃に続くので、部分的又は完全にさえ逆にされることができるという利点を 提供するからである。 続くリブ導波管の製造のためのマスク生産用のフォトリソグラフィープロセス の使用は、結晶の表面上に非常に正確なパターンを組み立てることができるとい う利益を提供する。ホトグラフィックラッカーマスクは、特殊な化学的又は物理 的なプロセスを使用して硬化されることができ、後続のエッチングプロセスに、 更なる耐性を有するようになる。 予め組み立てられたマスクの使用は、マスク構造、特に、マスク厚さは、ホト グラフィックラッカーの特性と独立に後続のエッチングプロセスに適応すること ができるという利点を有する。マスク材料として市販されているものは、好まし くはシリコンで、しかし、金属又はガラスでできているワイヤ又はホイルがマス クとして使用されることもできる。 表面からの結晶のエッチング及びこのように作られた結晶の表面のリブは、現 行プロセスと比較して、重要な利点を表すリブ導波管の製造と導く。特に、この 方法によって、光の横方向の誘導は、上記のプロセスの場合のように注入プロセ スによって達成されず、傾斜側壁を有する複数の注入又は単一の注入を利用する 。その結果、材料の応力といった導波管に好適でない影響を有する効果が避けら れることができる。更に、エッチングプロセスは、材料の特殊な特性に適合され ることができ、それによって、ウエット及びドライエッチングプロセスが利用さ れることができる。 本発明に従ったリブ導波管は、光学的周波数変換器、電気の光変調器及びスイ ッチにおいて使用されることができる。特に、本発明に従ったリブ導波管は、ダ イオードレーザ又は固体レーザと協働して光学的周波数多重化和周波又は差周波 の発生及び、光学的パラメータの増幅又は振動の発生に利用される。 本発明に従ったリブ導波管は、光学的周波数変換器、電気光学変調器、スイッ チの用途で好適である。例えば、ＫＮｂＯ３及びＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓ ダイオードレーザに製造されたリブ導波管の組合わせを通して、光学的周波数を 重複にすることによって４３０〜５５０ｎｍの間のスペクトルの範囲における光 を発生することができる。更なる可能なポンピング光源として、半導体ダイオー ドレーザとは別に、固体レーザも可能である。特に、Ｎｄ及びｃｒドープされた ガーネット、例えば、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、ＧＧＧ（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１ ２）、ＹＳＡＧ（Ｙ３Ｓｃ２Ａｌ３Ｏ１２）、Ｇｓａｇ（Ｇｄ３Ｓｃ２Ａｌ３Ｏ １２）、ＧＳＧＧ（Ｇｄ３Ｓｃ２Ｇａ３Ｏ１２）、ｍＹＶＯ４，ＬｉＳＡＦ、Ｔ ｉ：Ａｌ２Ｏ３である。更なる例として、ダイオードレーザ（例えばＡｌＧａＩ ｎＰ）及びホウ酸塩結晶における導波管の組合わせを通して、１８０〜４３０ｎ ｍの間の波長範囲における紫外線のレーザ放射が、周波数二倍によって発生させ られることができる。ダイオードレーザとは別に、更なる可能なポンピング光源 として、周波数重複の固体レーザも可能である。ホウ酸塩結晶は、より高い階調 （例えば、発生の第３又は第４の調波の発生）の非線形光学的プロセスに好適で あり、それは例えば、言及した固体レーザでポンピングされているであろう。こ れとは別に、２つの異なるレーザソースから生じる２つの光ビームで、導波管の 中で和又は差周波数の発生が達成される。更なる用途として、導波管は、光パラ メータ的振動のために利用されることができる。これらのプロセスは、好適なレ ーザでポンピングすることによって、波長に合わせられた紫外光、可視光又は赤 外光の発生を可能にする。従って、リブ導波管は、用途通信技術、例えば電気光 変調器、スイッチ又は方向カップラーにおいて好適であり、それによって導波管 は、好適な電極構造で結合される。これらの構成要素は、例えば、光ビームの上 へ情報の光学的コーディングを可能にし、又は光をより異なるガラス繊維導波管 の間で光を切り換えること可能にする。 本発明に従った光源は、少なくとも１つの主要な光源及び少なくとも１つの周 波数変換器を含み、主要な光源から放出される光が結合され、それによって、少 なくとも１つの周波数変換器は、本発明に従ったリブ導波管となる。主要な光源 として好ましいものは、半導体ダイオードレーザ（例えばＡｌＧａＡｓ又はＩｎ ＧａＡｓダイオードレーザ）、固体レーザ（例えばＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＯ４ 又はｃｒ：ＬｉＳＡＦ）、導波レーザ又はファイバレーザである。光源は、光学 的周波数多重化（例えば周波数重複）、光パラメトリック増幅又は光パラメトリ ック振動に基づき、主要な光源及び周波数変換器を好ましくは含む。光源は、オ ンの光学的和又は差周波数発生を基礎にしており、好ましくは、２つの主要な光 源及び周波数変換器を含む。主要な光源によって放出される光は、好ましくは直 接にリブ導波管に、又は光学系を通して入力する。リブ導波管の第一及び第二の 前面での結合損失を可能な限り低く保つために、好ましくはリブ導波管の両前面 に反射防止被覆が提供されなければならない。主要な光源からの残留光は、リブ 導波管の中で周波数変換によって発生された光と共に分離され、例えば、重複し た周波数を有する光、リブ導波管の第二の前面を通して、例えば、１以上の幾つ かのレンズの好ましくは光学系によって、小さい発散を有するレーザビームにま とめられる。リブ導波管の第二の前面には、また、反射被覆が提供されているで あろう。周波数変換によって発生させられる光と共にリブ導波管に結合させる光 は、リブ導波管を通してもう一度他の方向に通過されリブ導波管の第一の前面を 通して、次に分離される。 好ましい実施形態の中で、結晶（例えばＫＮｂＯ３）は高エネルギの光イオン （例えば２ＭｅＶエネルギを有するＨｅ＋イオン）で衝突され、表面下に低屈折 率で埋設された損傷を受けた領域を形成する。その後、ホトグラフィックラッカ ーから作られるマスクが、フォトリソグラフィックプロセスによって作られ、せ まい、ストリップ形の領域をカバーする。最後に、結晶は上からエッチングされ 、マスクによってカバーされた領域は、不変のまま残る。その結果、リブがこの 領域の中で形成され、結晶の表面から突出する。エッチングに利用されるものは 、特に物理的エッチングプロセス（スパッタリング）、例えばＡｒ＋イオンを有 するプラズマエッチングである。 第２の実施形態の中で、プロセスステップ（ａ）（プレーナ導波管の注入）に 続き、結晶は、注入中に起こる結晶格子構造の中で欠陥を治すために、一定の期 間ベークされる。この治癒プロセスは、プロセスステップ（ｃ）（リブのエッチ ング）の後にも実行される。 第３の実施形態の中で、提供される非線形光学的結晶は、強誘電性であり、プ ロセスステップ（ａ）（プレーナ導波管の注入）に続き、注入中に作られる強誘 電性ドメインを再設定（ｒｅｏｒｉｅｎｔａｔｅ）し、完全に指定の方向に沿っ て結晶を進めるために外部の電場が、結晶の自然発生的な偏光に沿って加えられ る。 第４の実施形態で、プロセスステップ（ｂ）（マスクの写真平板の生産）に続 いて、ホトリソグラフィックグラフィックマスクを硬化し、後続のエッチングプ ロセスに対してより耐性を有するようにするプロセスが利用される。このプロセ スは、低エネルギのイオンを有する追加の注入ステップを含むことができる。マ スクを硬化するための更なる可能な測定として、化学的プロセス、ベーキング又 は紫外線の照射が加えられることができる。 第５の実施形態の中で、プロセスステップ（ｃ）（リブのエッチング）に続き 、低屈折材料の層が、結晶の表面に加えられる。この層は酸化（ｏｘｉｄｉｃ） 化合物（例えばＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５又はＮｂ２Ｏ５）を、特に含 むことができる。この層は、一方は、リブ導波管を機械的な損傷から保護するた めに役に立ち、他方、それは導波管と大気との界面で光学的拡散損失を低減する 目的を有する。 第６の実施形態において、リブ導波管は、別個にこれらの領域の各々に誘導さ れるような態様で、少なくとも２つの領域に分離する。これは、注入又は更なる 率バリヤによって達成され、これによって、これはプロセスステップ（ａ）（プ レーナ導波管の注入）又は（ｃ）（リブのエッチング）に続いて起こる。 第７の実施形態の中で、プロセスステップ（ａ）（プレーナ導波管の注入）に 続き、予め組み立てられたマスクが、ホトグラフィックラッカー製のマスクの代 わりに利用される。この予め組み立てられたマスクは、好ましくはシリコンから なるが、金属又はガラスで作られるワイヤ、ファイバ又はホイルも利用されるこ とができる。 本発明及び技術水準との比較を、図１〜１４をベースにして詳細に説明する。 図１は技術水準に従ったイオン注入による、結晶内のプレーナ導波管の製造を 示した図である。 図２はリブ導波管の後続のエッチング用マスクである。 図３は結晶上のリブのエッチングの図である。 図４は結晶上のリブのイオン注入及びエッチングによって作られた導波管で、 それによって屈折率バリヤがリブの下に配置される。 図５は屈折率バリヤがリブの範囲内にある場合のリブ導波管である。 図６は単一のドメインを作るための強誘電性の結晶を再度進めるプロセスであ る。 図７は後続のエッチングプロセスイオン注入によってホトグラフィックラッカ ーマスクを硬化するプロセスである。 図８は頂部の上で加えられるカバーしている層を有するリブ導波管である。 図９は幾つかのリブ導波管を有する結晶である。 図１０は幾つかの領域に分離され、別個に光を案内するリブ導波管である。 図１１は有効な周波数変換器として、本発明に従って、リブ導波管と共に半導 体ダイオードレーザを利用する光源である。 図１２は有効な周波数変換器として、本発明に従って、リブ導波管と共に、半 導体ダイオードレーザを利用するコンパクトな光源である。 図１３は有効な周波数変換器として、本発明に従って、リブ導波管と共に固体 レーザを利用する光源である。 図１４は有効な周波数変換器として、導波管レーザと共に、本発明に従ってリ ブ導波管を利用する光源である。 明快さのために、図における寸法は、現実のものに対応していない。 イオン注入による、プレーナ導波管の製造の技術の状態を、図１で示す。非線 形光学的結晶１１（例えば、ＫＮｂＯ３）高エネルギの光イオンのイオンビーム １２に露出されている。このようなイオンは、１メガ−電子ボルト（ＭｅＶ）の １０分の１の数倍から数メガ−電子ボルト（ＭｅＶ）範囲（例えば０．３〜３Ｍ ｅＶ）のエネルギを有する例えば陽子（Ｈ＋）又はヘリウムイオン（Ｈｅ＋又は Ｈｅ＋＋）と考える。そのイオンは、結晶に深く入りこみ、結晶の電子及び原子 の相互作用のためにエネルギを失う。表面１３の近くの領域で、結晶は、比較的 に僅かに損傷を受ける。イオンパスの終わりに、―材料の結晶度は、損傷を受け 又は破壊されている領域１４が形成される。この損傷のため、領域１４は、損傷 を受けていない結晶１１より低い屈折率を有する。これによって、上の表面１３ の領域及び下の損傷を受けていない結晶内部に対する屈折率バリヤ１４が、形成 される。屈折率バリヤ１４は、上の表面１３に近い領域に光を誘導することを可 能にする。この領域１３の典型的な厚さｄ１は、数マイクロメータ（μｍ）（例 えば、ＫＮｂＯ３の２ＭｅＶＨｅ＋イオンに対して４．４μｍ）になるが、損傷 を受ける領域１４（屈折率バリヤ）の厚さｄ２は、１μｍの１０分の１の数倍に 達する。完成した構造は、表面の近くに領域１３、屈折率バリヤ１４、及び基板 として役立つ損傷を受けていない結晶内部１５を含み、プレーナ導波管１を形成 している。バリヤ層１４の厚さｄ２を増加させるために、僅かに異なるエネルギ のイオンで、幾つかの注入ステップを実行することが可能である。例えば、ＫＮ ｂＯ３で、２の及び１．８５ＭｅＶのエネルギのイオンで２つの後続の注入ステ ップは、０．８μｍの幅の損傷領域を形成する。広い屈折率バリヤ１４の製造に よって、導波管から基板への光の放射から生ずる導波管の光学的損失は防止され ることができる。導波管の製造のために利用されるその結晶１１は、好ましくは 、光学的品質のために磨かれた表面を有する。しかし、これとは別に、プロセス はまた、結晶の上で自然に成長した表面を有する結晶上に利用されることができ る。結晶軸に対して相対的な結晶の端は、いかなる方向も有することができる。 本発明に従ったプロセスを、図２〜１０に記載する。イオン注入（図１）によ って、非線形光学的結晶１１のプレーナ導波管１の製造した後、ホトグラフィッ クラッカーかまたは好適な他の材料でできたストリップ形のマスク２１が、図２ で示されているようにプレーナ導波管の表面に加えられる。ストリップのその幅 ｂは、数マイクロメータ（例えば５μｍ）に達する。ストリップ形のマスク２１ のフランク２２．１及び２２．２のその勾配は、露光、及びホトグラフィックプ ロセス中のホトグラフィックラッカーの現像時間を通して変えられることができ る。よって、好ましくは、可能な限り大きな勾配（即ち、垂直線フランクを有す るリブ）を得るように努力される。予め組み立てられたマスクを利用することも 可能である。これは、マスク構造、特に、マスク厚さ及びフランク形がホトグラ フィックラッカーの特性を処理することはと独立して適応することができるとい う利益を提供する。マスク材料として市販のものは好ましくはシリコンであるが 、また、ワイヤ又は金属又はガラスでできたワイヤ又はホイルを利用することが できる。図３は、次のプロセスステップを示す。ドライエッチングプロセスによ って、表面の近くの領域１は、イオン３１で、カバーされない２つの領域領域３ ２．１及び３２．２にエッチングされる。ＫＮｂＯ３に対しては、例えば、この ために好ましくは、プラズマからのＡｒ＋イオンが利用され、これによって材料 は、機械的にスパッタリングされる。これらのイオンのエネルギは、好ましくは ０．１〜２０キロ電子ボルト（ｋｅＶ）の範囲に位置する。更なる可能性として 塩素フッ化炭化水素化合物（例えばＣＨ３Ｆ、ＣＣｌ２Ｆ２、ＣＦ４）のイオン が、化学的ドライエッチング材に使用されることができる。エッチングプロセス は、ウエットエッチングプロセスとして、例えば沸化水素酸（ＨＦ）のエッチン グによって実行されることもできる。エッチングによって、カバーされた領域３ ３に関して、カバーされていない領域３２．１及び３２．２は低くされ、リブは 結晶１１の定義された領域１１．１の上に形成される。このようなリブ４１を、 図４に示す。リブ４１からなっている全構造、リブの横方向に隣接する２つの領 域４２．１及び４２．２、屈折率バリヤ１４及び基板として役立つ結晶内部１５ が、リブ導波管４を形成している。この中で、ｄ３は、結晶表面１１．１と横方 向領域４２．１及び４２．２の中の率バリヤとの間の距離を示し、及びｄ４は結 晶の表面と、リブ４１における率バリヤ１４との間の距離を示す。リブ導波管４ は、２つの方向に光を誘導し、結晶表面１１．１と垂直な誘導は、屈折率バリヤ １４によって可能にされ、リブ４１の横の限界４３．１及び４３．２によって結 晶表面１１．１に平行な方向への誘導は可能にされる。リブ４１の表面及びリブ ４２．１及び４２．２の横の領域の上の結晶の表面１１．１の間の距離として定 義されるリブ４１の高さｈは、エッチングの持続時間によって決定される。リブ 導波管４内の横方向誘導を確実にするために、率バリヤ１４へのリブ表面の距離 ｄ４と比較して小さい高さｈ（エッチング深さ）で十分である。例えば、５μｍ の厚さｄ４に対して、リブ導波管４の中で光の横の誘導を達成するためには約０ ．５μｍのリブ高さで十分である。最適の横の誘導を達成するために務めるべき ことは厚さｄ４の２５％〜７５％の間にエッチング深さｈのエッチング深さｈに することである。しかし、エッチングの持続時間は、高さｈがリブ４１の屈折率 バリヤ１４からのリブ表面の距離ｄ４より大きであるかまたは等しいような態様 で選択されることもできる。図５はｈがｄ４より大きなリブ導波管４を示す。 光イオン１２（図１）での結晶１１の衝撃は、表面の近くの照射を受けた領域 １３の中に、結晶格子構造内に欠陥を生じることができる。これらの欠陥は、例 えば、格子構造の位置からの個々のイオンの変位又は格子構造内の酸素の空孔の 形成に関係する。これらの欠点は、光を吸収又は拡散する可能性があり、故にリ ブ導波管の中で誘導される光の望ましくない光学的損失を引き起こす可能性があ る。多くの非線形光学的結晶の中で、そのような欠陥は、イオン注入に続く結晶 の熱処理（焼もどし）によって治癒されることができる。例えば、ＫＮｂＯ３の 場合、１０時間の１８０℃でのそのような焼もどし処理は、最高１０のｄＢｃｍ −１までの導波管の光学的損失の低減に導く。そのような焼もどしステップも、 リブ導波管４（図４）の形成の後、行われるであろう。その焼もどしステップは 、標準的な環境の中で行われるであろう。しかし、酸素空孔を治すために、また 、酸素の過剰の環境で焼もどし処理を行うことも有利であろう。 強誘電性の個々の結晶の場合には、正及び負に充電されたイオンの質量中心は 一致せず、その結果、材料は、結晶の中で好ましい方向を特徴づける自然発生的 な偏光Ｐｓを得る。理想的な強誘電性の結晶の中で、自然発生的な偏光は、全結 晶内で同じ方向を有する。そのような結晶は、単一のドメインとして示される。 強誘電性の結晶の中で自然発生的な偏光が異なる方向を有する幾つかの領域が発 生する場合、結晶はマルチドメインに又は、減極するように示される。光イオン １２を有する強誘電性の結晶１１の衝撃は、照射を受けた領域１３（即ち偏光の 異なる方向を有する領域に）内に強誘電性のドメインの形成を導く。そのような かたよりの減少は、表面１３の近くの領域内の光学的非線形の部分的な損失を導 くことができる。図６は、可能な構成を示し、これによって、結晶への十分に高 い外部の電場（例えばＫＮｂＯ３の場合３ｋＶｃｍ−１）の適用を通して、これ らのドメインの偏光は、再び平行に十分に整列することができる。ポストポーリ ング（ｐｏｓｔ−ｐｏｌｉｎｇ）プロセスはプレーナ導波管１の注入の後、好ま しくは実行される。導波管の製造のために使用されるオリジナル結晶１１の自然 発生的な偏光Ｐｓの好ましい方向を示す。概略的にのみ示される高電圧ソース６ １、及び、及び各々各々結晶１１の頂部及び底部側面に加えられる電極６２．１ 及び６２．２によって、直流電圧Ｖが結晶１１に加えられ、Ｐｓに平行な方向を 有する電場が作られる。この電場の影響下で、注入１２及び偏光ベクトルの結果 として作られた表面１３の近くの領域におけるドメインにおける自然発生的な偏 光は、最早Ｐｓに平行ではなく、Ｐｓの方向が結晶表面に必ずし垂直にわたる必 要はないので、また、図６で示すものと別の構成が可能である。例えば、Ｐｓは 、また、結晶表面に平行にわたることができ、電極６２．１及び６２．２が対応 して結晶１１の横方向表面に加えられる。電極６２．１及び６２．２は、接触に 結晶１１を接触された金属板からなることができる。電極を、金属の層（例えば 、堆積又は塗装）の適用によって、等しく生じることができる。更に、電気分解 の液体電極が利用されることができる。電極の異なるタイプの組合わせ（例えば 、下に金属板、及び頂部に堆積金属層）も、可能である。その電圧Ｖは、パルス でも静的でも両方の形で加えられることができる。 更なる製造のステップを、ストリップ形のホトグラフィックラッカーマスク２ １（図２）の形成の後、挿入することができる。低エネルギ７１（ヘリウム０． １〜０．５ＭｅＶ、陽子０．０５〜０．２ＭｅＶの間）の光イオンを有する更な る衝撃によって、図７の中で示すようにイオンのマスク２１内の完全な調整が達 成されることができる。これは、ホトグラフィックラッカーの構造の変化を導き 、それは、機械的又は化学的処理に対する焼入れという結果になる。カバーされ ない２の中で領域７２．１及び７２．２、イオンは、低エネルギのために、結晶 １１の表面のすぐ下の表面７３を通る。ホトグラフィックラッカーの焼入れは、 結晶に相対的なホトグラフィックラッカーのそのエッチングレート比は、改良さ れることができるという結果を有する。これは、結晶１１のエッチングレートが かなり小さいので、非常に重要であり、故に、ホトグラフィックラッカーマスク ２１が、エッチングプロセス中に結晶に対してあまりに急速に腐食することを防 ぐ。他の硬化手段も考慮される。それは、例えばホトグラフィックラッカーを増 加した温度でベークすること、ＵＶ光での照射又は化学的プロセス（例えば例え ばクロロベンゼンでのホトグラフィックラッカーの処理）である。 図８は、エッチングプロセスの後、リブ導波管及び隣接横方向領域４３．１及 び４３．２上にカバー層８１が加える方法を説明する。これは、領域４１、４３ ．２及び４３．２より低い屈折率を有する誘電体材料からなる。このために、特 に、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５又はＮｂＯ５のような酸化物が、考慮さ れる。カバー層８１は、例えば、例えば、真空下での堆積か又はスパッタリング といった従来のプロセスに加えられることができる。そのタスクは、一方で機械 的な損傷からのリブ４１の保護である。他方、リブ導波管４と周囲との間の界面 表面での屈折率飛び越しの低減によって、導波管の光学的拡散損失は、低減され る。 図９は、結晶１１の中で、幾つかのリブのエッチングによって、どのように幾 つかの（例えば２の）リブ導波管４．１及び４．２が生じられるかを示す。その ような構成は、例えば、方向カップラー、光学的スイッチ又は、一体形成された 光学的干渉計に用途が見出される。それの中で、リブ導波管の距離は、リブ幅ｂ の少なくとも半分で最大でも結晶Ｂの全幅である。そのプロセスステップ（ａ） （注入）、（ｂ）（写真平板のマスク生産）及び（ｃ）（エッチング）は、好ま しくは、全ての導波管で同時に起こり、それによって、ロセスステップ（ｂ）の 場合好適なストリップパターンを有するマスクが、利用される。結晶の導波管の その数はまた、例えば１００としても示されている例よりもかなり大きいであろ う。 光を１つのチャネルから他に切り換えるために、光学的スイッチにおける適用 として用途として、他の上に位置する幾つかの導波管を有する構造を生じること が必要であろう。図１０は、そのような２つの重畳回線の構成を示し、１つのリ ブ４１の範囲内で領域１０１．１及び１０１．２を別に誘導している。２つの領 域１０１．１及び１０１．２は、屈折率バリヤ１０２によって切り離さており、 そしてそれは、またイオン注入を通して作られた。この追加の注入ステップは、 最初はプレーナ導波管１（図１）の製造の後に起こるであろう。そうすることで 、第二の注入ステップのために、例えば、半分のエネルギの低エネルギを有する イオンが利用され、それは、プレーナ導波管１のプロスダクション（ｐｒｏｓｄ ｕｃｔｉｏｎ）のために利用された。その後、エッチングプロセスは、先に述べ たように実行される。しかし、同じく、第二の注入もリブ（図４）のエッチング に続いて起こることができるだけである。更に、２つ以上の連続した注入ステッ プを有する幾つかの（例えば８の分離光誘導領域１０１を作ることが可能である 。 発明に従うリブ導波管は、光学的周波数多重化、和−又は差周波数発生及び光 パラメトリック増幅又は振動のために、好ましくは、半導体ダイオードレーザ又 は固体レーザとの組み合わせて利用される。本発明に従った導波管を含む光源の 好ましい実施形態を図１１〜１４に記載する。 図１１及び１２は、どのようにリブ導波管４を有するダイオードレーザ１１１ の組合わせが、コンパクト周波数変換レーザという結果になるかを示す。これを 達成するために、発明４に従うリブ導波管は、例えば、１又は幾つかのレンズ１ １２（図１１）の光学系によるダイオードレーザからの光といった態様で半導体 ダイオードレーザと結合されるか、又は、直接に、導波管４に結合され、周波数 変換される。主要な幾つかの光源（好ましくは２）を利用することも可能である 。リブ導波管４の第一及び／又は第二の前面１１３、１１４には、反射又は反射 防止被覆が提供される。第二の前面１１４の反射被覆は、第二のパスのリブ導波 管４が、再び周波数変換のため（図１３−１４の実施形態にも可能な）に利用さ れることができることを可能にする。 図１３は、どのようにリブ導波管４を有する固体レーザ１２１の組合わせがコ ンパクトな周波数変換レーザという結果になるかを示す。これを達成するために 、リブ導波管４は、固体レーザ、例えば１つ以上の好適なレンズ１２２といった 光学系によって固体レーザ１２１からの光といった態様で結合され、導波管４に 結合されて周波数変換される。 図１４は、どのように、リブ導波管４を有する導波管レーザ１３２の組合わせ がコンパクト周波数変換器レーザという結果になるかを示す。これを達成するた めに、リブ導波管は、導波管レーザ１３２と、導波管１３２からの光が導波管４ に直接に結合し周波数変換される態様で結合される。好適な導波管レーザはこれ もファイバレーザである。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 するリブ導波管の製造を可能にし、もって結晶の非線形 光学的特性が維持される。これは、有効な周波数変換を 達成する重要な前提条件である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．結晶（１１）から製造されるリブ導波管（４）であって、結晶（１１）のバ リヤ層（１４）によって特徴づけられ、該バリヤ層の屈折率が前記結晶（１１） の屈折率よりも低く、これによって、前記結晶（１１）の一表面（１１．１）と 該一表面（１１．１）上のリブ（４１）に垂直な方向にリブ導波管（４）を制限 し、壁部が、前記表面（１１．１）と平行な方向にリブ導波管（４）を制限する 、結晶（１１）のバリヤ層（１４）によって特徴づけられるリブ導波管。 ２．前記バリヤ層（１４）が非晶質、又は損傷を受けた結晶格子構造を有する材 料からなることを特徴とする請求項１記載のリブ導波管。 ３．前記結晶（１１）が、強誘電性の酸化物又はホウ酸塩であることを特徴とす る請求項１又は２の何れか１項記載のリブ導波管。 ４．少なくとも１つの誘電体カバー層（８１）によって特徴づけられ、その屈折 率が、前記結晶（１１．１）の表面で、前記結晶（１１）の屈折率よりも低い請 求項１−３の何れか１項記載のリブ導波管。 ５．前記結晶表面（１１．１）と垂直な方向のリブ（４１）が、少なくとも２つ の領域（１０１．１、１０１．２）に分離されていることを特徴とする請求項１ −４の何れか１項記載のリブ導波管。 ６．前記結晶（１１）からリブ導波管を製造するプロセスであって、（ａ）前記 結晶（１１）に高エネルギ光イオン（１２）を注入するステップと、（ｂ）前記 結晶（１１）の一表面（１１．１）にマスク（４１）を適用するステップと、（ ｃ）前記表面（１１．１）にリブ（４１）を形成するために前記表面（１１．１ ）から前記結晶（１１）をエッチングするステップと、を含むことを特徴とする プロセス。 ７．前記プロセスステップ（ａ）で、０．３ＭｅＶ〜３ＭｅＶのエネルギを有す るＨｅ＋イオン、Ｈｅ＋＋イオン又はＨ＋イオン（１２）が利用されることを特 徴とする請求項６記載のプロセス。 ８．前記プロセスステップ（ａ）又は（ｃ）に続いて、前記結晶（１１）が、結 晶格子構造の欠陥を治すために増加する温度でベークされることを特徴とする請 求項６又は７の何れか１項記載のプロセス。 ９．強誘電性のドメインを再方向付けして指定の方向に沿って前記結晶（１１） を分極するために、外部電場が前記結晶（１１）に加えられことを特徴とする請 求項６−８の何れか１項記載のプロセス。 １０．前記表面（１１．１）上のマスク（２１）は、フォトリソグラフィックプ ロセスによって作られた請求項６−９の何れか１項記載のプロセス。 １１．前記プロセスステップ（ｂ）で、マスク（２１）が、イオン注入によって 化学的にベークすること、紫外放射で照射することによって硬化されることを特 徴とする請求項１０記載のプロセス。 １２．前記プロセスステップ（ｂ）で、マスク（２１）が別に予め組み立てられ て、前記表面（１１．１）に置かれることを特徴とする請求項６−９の何れか１ 項記載のプロセス。 １３．前記結晶（１１）で、幾つかのリブ導波管（４）が、同時に作られること を特徴とする請求項６−１２の何れか１項記載のプロセス。 １４．周波数多重化、和周波数発生、差周波数発生、又は光パラメトリック振動 のための光学的周波数変換器、又は電気の光変調器、スイッチ又は方向カップラ ーにおける請求項１−５の何れか１項記載のリブ導波管の使用。 １５．少なくとも１つの主要な光源（１１１、１２１、１３２）と、少なくとも １つの主要な光源（１１１、１２１、１３２）から放出される光が結合すること ができる少なくとも１つの周波数変換器とを含み、少なくとも１つの周波数変換 器が請求項１−５の何れか１項記載のリブ導波管（４）であることを特徴とする 光源。 １６．少なくとも１つの主要な光源（１１１、１２１、１３２）が、半導体ダイ オードレーザ（１１１）、固体レーザ（１２１）、導波管レーザ（１３２）又は ファイバレーザであることを特徴とする請求項１５記載の光源。 １７．少なくとも１つの主要な光源（１１１、１２１、１３２）によって放出さ れる光が、少なくとも１つのリブ導波管（４）に直接又は光学系（１１２）を通 して結合することができる請求項１５又は１６の何れか１項記載の光源。 １８．少なくとも１つのリブ導波管（４）が第一及び第二の前面（１１３、１１ ４）を有し、これらの前面（１１３、１１４）のうちの少なくとも１つに反射膜 又は反射防止覆が提供されていることを特徴とする請求項１５−１７の何れか１ 項記載の光源。