JP3988403B2 - 非線形光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

【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の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光を利用した通信、計測、情報処理の分野の発展に伴い、高機能で信頼性の高い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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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ＳｉＯ₂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。
【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。
【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。
【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の製造方法を提供することにある。
【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。
【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。
【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。
【００１８】
上記目的を達するために、本発明の非線形光学素子の製造方法は、平面基板上にチタニウム、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たコア領域を形成し、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石英ガラスを主成分とする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、レーザ光が照射される上記光導波路内におけるピークパワー強度が１０ ^５ Ｗ／ｃｍ ^２ 以上となるフェムト秒パルスレーザ光を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。
【００１９】
上記構成に加え本発明の非線形素子の製造方法は、フェムト秒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。
【００２０】
上記構成に加え本発明の非線形素子の製造方法は、フェムト秒パルスレーザ光の波長を１．８μｍ未満とし、その繰返し周波数を１００ｋＨｚ以上とするのが好ましい。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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ＣＨＦ₃ガスを用いた反応性イオンエッチング法により矩形断面形状に形成されたものである。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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200ｆｓ、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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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

Claims (6)

1. 平面基板上にチタニウム、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たコア領域を形成し、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石英ガラスを主成分とする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、レーザ光が照射される上記光導波路内におけるピークパワー強度が１０ ^５ Ｗ／ｃｍ ^２ 以上となるフェムト秒パルスレーザ光を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. 上記フェムト秒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１に記載の非線形光学素子の製造方法。
3. 上記フェムト秒パルスレーザ光の波長を１．８μｍ未満とし、その繰返し周波数を１００ｋＨｚ以上とする請求項１又は２に記載の非線形光学素子の製造方法。
4. 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１から３のいずれかに記載の非線形光学素子の製造方法。
5. 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１から４のいずれかに記載の非線形光学素子の製造方法。
6. 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１から５のいずれかに記載の非線形光学素子の製造方法。

Images