JPH02306216A - 導波路型電気光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の産業上利用分野） 本発明は導波路型電気光学素子およびその製造方法、さ
らに詳細には電気光学効果を有する光変調素子などの電
気光学素子に関する。

（従来技術および問題点） 電気光学効果は、光学媒体に電界を印加した場合にこの
媒体の屈折率が変化する現象であり、２次の光非線形に
起因する線形電気光学効果（ポッケルス効果）と、３次
の光非線形性に起因する２次電気光学効果（カー効果）
とがある、実用的には、２次の非線形定数の方が３次の
非線形定数に比べて数桁も大きいため、２次の非線形性
を利用した電気光学効果が多く用いられている。この効
果を利用した電気光学素子は光集積回路に組み入れられ
半導体レーザなどの高速外部変調に応用できるため、底
型圧で駆動できる電気光学素子が強く求められている状
況にある。

従来より公知の無機材系（リン酸２水素カリウム（ＫＨ
２ＰＯ４）　、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ０３）など
）に比べ著しく高い電気光学（ポッケルス）定数と著し
く速い応答速度を示す可能性のある有機結晶材料が見い
だされてきている。代表的な材料として２−メチル−４
−二トロアニリン（ＭＮＡ）が最も良く知られている。

電気光学効果の大きさを評価する量としてで定数なるも
のが定義されており（Ａ、Ｆ、Ｇａｒｉｔｏ、　ｅｔ　
ａｌ、、　Ｌａ５ｅｒＦｏｃｕｓｅ、　２月号、５９頁
、１９８２年）、ＭＮＡので定数は、ニオブ酸リチウム
の２０倍とされている。ボッケル定数ｒはｆ定数に比例
するため、ＭＮＡのｒはニオブ酸リチウムの２０倍にも
なり得る。しかしながら、これらの有機結晶材料は無機
結晶のように電気光学素子を作製しようとしても実用に
供しうるような大きさの単結晶が得られにくい上、脆く
、加工性に劣るという欠点を有している。

これに対し、成形加工性に優れた高分子材料を活用しよ
うという試みが行なわれている。これらは高分子材料中
に２次光非線形材料を溶解したもの、または２次光非線
形材料を直接またはスペーサ原子団を介して高分子主鎖
に結合したものである。これら高分子材料は、中心対称
構造を有するなめ２次光非線形性の発現はない。したが
って、直流電圧印加などの手法で分極処理を行ない中心
対称性を解消することが必要である。良く知られた例と
してはポリメチルメタクリレートにアゾ色素をドープし
たもの（Ｋ、ＩＩＳｉｎｇｅｒら、　Ｊｏｕｒｎａｌ　
ｏｆ　０ｐｔｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅ
ｒｉｃａ、　Ｂ　４巻、９６８頁、１９８７年〉がある
。

高効率な光変調を行なうためには電気光学素子の駆動電
圧の低減が必要不可欠である。公知の無機結晶では適当
な方位で結晶を切り出し、Ｔｉイオンなどを内部拡散さ
せ導波路とした上で、駆動に用いる電極対を結晶表面に
配置して駆動しているが、ポッケルス定数が小さいなめ
に十分低い電圧での素子の駆動には成功していない。

一方、前記高分子材料はスピンコード法などの手法で容
易に薄膜導波路化ができ、分極処理用に作製した電極を
用いて光変調を行なうことが可能である。しかしながら
、直流高電圧を用いた分極処理では放電を避けるために
電極間隔を十分広く取るのが通例であり、このため分極
用電極を用いて素子動作を行なわせようとすると駆動電
圧が大きくなるという欠点があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものでその目的は
、大きな２次光非線形感受率を有する化合物が溶解した
、もしくは結合した高分子を分極処理した材料において
、導波路構造で低電圧駆動ができなかった点を解決し、
成形加工性に優れ、かつ大きなポッケルス定数を有する
導波路型電気光学素子を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するため、本発明による導波路型電気
光学素子では、基板に設けられた透明電極の上に、大き
な２次光非線形感受率を有する物質が溶解している、も
しくは結合している高分子をコロナ帯電により分極処理
した材料からなる薄膜導波路層、この導波路層よりも低
屈折率な樹脂層、および電極をこの順に配した構造を取
ることを特徴としている。

本発明はまた、上記導波路型電気光学素子の製造方法を
提供するものであり、透明電極を有する基板上に大きな
２次光非線形感受率を有する物質が溶解または結合して
いる高分子を塗布して薄膜とする工程、該薄膜をコロナ
帯電法によって分極処理する工程、該高分子薄膜上にこ
れよりも底屈折率な樹脂を塗布する工程、該低屈折率な
樹脂の上に電極を配する工程からなることを特徴として
いる。

本発明をさらに詳しく説明する。

第１図（ｅ）に示すように、本発明による導波路型電気
光学素子は、ガラス製などの基板１上に透明電極２を設
けると共に、大きな２次光非線形感受率を有する物質が
溶解している、もしくは結合している高分子材料からな
る薄膜３を形成しである。そしてこの高分子薄膜３はコ
ロナ帯電法により分極処理されている。この高分子薄膜
３上にさらに低屈折率樹脂４を積層すると共に、電極５
を形成した構造になっている。

このような光導波路型電気光学素子を製造するには、透
明電極２を有する、たとえばガラス基板１の上に（第１
図（ａ））、大きな２次光非線形感受率を有する物質が
溶解している、もしくは結合している高分子材料からな
る薄膜導波路２を作製しく第１図（ｂ））　、これにコ
ロナ帯電法により分極処理を施して大きな２次光非線形
性を付与した後（第１図（Ｃ））、この導波路２の上に
該高分子材料よりも低屈折率な樹脂３を塗布しく第１図
（ｄ））、さらにその上部に真空蒸着などの手法で電極
を配した（第１図（Ｃ））構造を取ることを特徴として
いる。

下部の透明電極２は、例えばＩＴＯ（酸化インジウム−
錫）などの透明電極薄膜で構成できるが、金属電極に比
べて光吸収の影響が小さく、バッファ層を必要としない
特徴がある。したがって、この透明電極の上に直接導波
路層を形成できる。

一方、上部電極５は特に限定しないが金属蒸着膜が一般
的に用いられる。この場合には光吸収を最小限にするた
めバッファ層が導波路層と上部電極の間に必要であり、
本発明では低屈折率な樹脂を用いた。該樹脂は紫外線硬
化型樹脂や熱硬化型樹脂ではモノマ、熱可塑型樹脂の場
合には溶剤が下部の薄膜を形成している高分子を溶解し
ないものであれば、いずれのタイプの樹脂でも適用でき
る。

また、該樹脂の塗布には界面での平滑性に優れるスピン
コード法が多用される。

導波路層の分極処理にはコロナ帯電を利用した。コロナ
帯電法自体は、自動車バンパーの表面改質や乾式複写機
に用いられている公知の技術であり、本発明ではこれを
高分子薄膜の分極に応用した。

第２図は本発明の他の具体例の製造工程および構成を示
す断面図である。この具体例によれば、第２図（ｅ）よ
り明らかなように、ガラスなどの基板１上に形成された
溝６の底部に透明電極２を形成すると共に、大きな２次
光非線形感受率を有する物質が溶解している、もしくは
結合している高分子材料からなる薄膜３で溝６を埋め、
低屈折率樹脂４で覆うと共に、電極５を形成した構造に
なっている。

このような光導波路型電気光学素子を製造する場合、ま
ず基板１に単一モード条件を満たす膜厚と同程度の深さ
の溝６を形成する。この溝６の底部に透明電極２を形成
するとともに（第２図（ａ））、この溝６を大きな２次
光非線形感受率を有する物質が溶解している、もしくは
結合している高分子材料３で埋め（第２図（ｂ））、コ
ロナ帯電処理を行なう（第２図（Ｃ））、次に低屈折率
樹脂４を積層すると共に（第２図（ｄ））、電極５を形
成する（第２図（Ｃ））。

高効率な光変調を行なうには、単一モード導波路とする
ことが望ましい。単一モード化により光パワーを狭い空
間に閉じ込めて大きな光非線形性を引出し、低電圧駆動
が可能となる。この単一モード化には、透明電極上に薄
膜化した高分子材料層をエツチングしてパターニングを
行なう方法と、第２図で示される製造方法のように、ガ
ラス基板にあらかじめ単一モード条件を満たす膜厚と同
程度の深さにドライエツチングなどで溝加工を施し、こ
の溝の底面に透明電極を蒸着により付けておき、これに
高分子材料を注入して薄膜導波路とした後、この上に低
屈折率な樹脂を塗布し、この上部に電極を装荷する方法
とが考えられる。特に後者は、導波路の境界面の乱れが
前者に比べて小さいために低伝搬損失が実現できる利点
がある。

以下、実施例に基づいて本発明を説明する。

（実施例１） ポリメチルメタクリレートに４−　Ｎ、Ｎジエチルアミ
ノ−４−二トロスチルベンを２．０％溶解したものを、
第３図に示したようにマツハーツエンダー型干渉計のパ
ターンとなるようパイレックスガラス基板１の一部をド
ライエツチングにより凹形の溝加工を行ない、形成され
た溝６の一部の底部にＩＴＯ電極２を装荷した。この透
明電極２に大きな２次光非線形感受率を有する物質が溶
解している、もしくは結合している高分子材料３を厚さ
１．４μｍにコートし、コロナ帯電による分極処理を施
した。この三次元導波路上に含フツ素紫外線硬化樹脂４
を厚さ１．５μｍ塗布し硬化した後、アルミニウムを蒸
着して電極５とした。この導波路に波長０．６３３μｍ
のレーザ光を入射しながら電極間に変調信号を入力した
ところ、約１０Ｖの駆動電圧で光変調ができることがわ
かった。

（実施例２） 次に示すような化合物（式Ｉ）を合成した。これを第３
図に示したようにマツハーツエンダー型干渉計のパター
ンとなるよう一部をエツチングにより凹形に溝加工を行
ない、溝の一部の底部にＩＴｏ電極を装荷したパイレッ
クスガラス基板上に、厚さ１．３μｍにコートし、コロ
ナ帯電による分極処理を施した。この三次元導波路上に
含フツ素紫外線硬化樹脂を厚さ１．５μｍ塗布し硬化し
た後、アルミニウムを蒸着して電極とした。この導波路
に波長０．６３３μｍのレーザ光を入射しながら電極間
に変調信号を入力したところ約５■の駆動電圧で光変調
ができることがわかった。

（以下余白） 式■ Ｈ３ Ｏ２ （発明の効果） 以上説明したように、本発明の導波路型電気光学素子は
成形加工が可能でコロナ帯電により容易に分極できる高
分子材料を用いているため、低い駆動電圧において高効
率に光変調ができるという利点を有する。

図面の簡単な説明 第１図は本発明による光導波路型電気光学素子の具体例
の構成および製造工程を示す図、第２図は本発明による
光導波路型電気光学素子の他の具体例の構成および製造
工程を示す図、第３図は実施例の斜視図である。

１・・・ガラス基板、２・・・透明電極、３・・・２次
光非線形感受率を有する物質が溶解もしくは結合してい
る高分子材料、４・・・低屈折率樹脂、５・・・上部電
極、６・・・溝。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板に設けられた透明電極の上に、大きな２次光
   非線形感受率を有する物質が溶解している、もしくは結
   合している高分子をコロナ帯電により分極処理した材料
   からなる薄膜導波路層、この導波路層よりも低屈折率な
   樹脂層、および電極をこの順に配した構造を取ることを
   特徴とする導波路型電気光学素子。
2. （２）前記基板に単一モード条件を満たす膜厚と同程度
   の深さの溝を有し、かつこの溝の底面に透明電極を配し
   、この溝内に該高分子材料を配したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の導波路型電気光学素子。
3. （３）透明電極を有する基板上に大きな２次光非線形感
   受率を有する物質が溶解または結合している高分子を塗
   布して薄膜とする工程、該薄膜をコロナ帯電法によって
   分極処理する工程、該高分子薄膜上にこれよりも低屈折
   率な樹脂を塗布する工程、該底屈折率な樹脂の上に電極
   を配する工程からなる導波路型電気光学素子の製造方法
   。
4. （４）前記高分子の薄膜化の工程が、単一モード条件を
   満たす膜厚と同程度の深さの溝を有する基板の溝の底面
   に透明電極を有する構造の基板を用い、該溝内に該高分
   子薄膜を塗布する工程であることを特徴とする特許請求
   の範囲第３項に記載の導波路型電気光学素子の製造方法
   。