JPH0421828A - 第二高調波発生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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は短波長光の発生に利用する。特に、入射光の第
二高調波を発生する第二高調波発生素子に関する。

〔概　要〕

本発明は、有機材料を用いた第二高調波発生素子におい
て、有機材料薄膜に交互電界を印加して先導波路、第二
高調波活性部およびドメイン反転層を同時に形成するこ
とにより、変換効率の高い第二高調波発生素子を得るも
のである。

〔従来の技術〕

第二高調波発生素子は入射光に対する第二高調波を発生
する素子であり、短波長レーザ光の発生源として注目さ
れている。

第二高調波を発生させるには、大きな非線形光学定数を
もつ材料を用い、レーザ光の入射により生じる非線形分
極の効果を利用する。この場合に、基本波（入射光）を
効率よく第二高調波に変換するため、位相整合の条件を
満たすことが必要である。このため、従来の第二高調波
発生素子は、基本波の入射方向と第二高調波の出射方向
とが異なるものが一般的である。

基本波の入射方向と第二高調波の出射方向とを一致させ
た第二高調波発生素子としては、ドメイン反転導波路型
のものが知られている。この型の第二高調波発生素子は
、基本波に対する屈折率と第二高調波に対する屈折率と
を周期的に変化させることにより、同一方向で二つの波
長の位相整合をとっている。例えば、ウェブジェルン他
、ジャーナル・オブ・ライトウニイブ・チクノロシイ、
第７巻第１０号（Ｊ、Ｗｅｂｊｏｅｒｎ、　ｅｔ　ａｌ
、、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆｌ、ｉｇｈｔｖ＋ａｖｅ　
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　　Ｖｏｌ、７．　　Ｎｏ、１
０．　　［ｌｃｔ、１９８９）には、ニオブ酸リチウム
ＬｉＮｂＯ３を用い、コヒーレンス長周期でチタンＴ１
をパクーニングして拡散し、Ｔ１拡散導波路と周期的ド
メイン反転層とを形成した例が示されている。

また、有機非線形光学分子をポリマーに分散させ、電界
を印加することにより二次非線形定数を大きくしている
例も多数知られている。文献としては、シンガー他、ア
プライド・フィジクス・レターズ第４９巻第５号（Ｋ、
Ｄ、Ｓｉｎｇｅｒ　ｅｔ　ａｌ、、　Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、４９（５）、　４　Ａｕｇｕｓｔ
　１９８６）等がある。

さらに、リテル他、アプライド・フィジクス・レターズ
第５２巻第１３号（ＲｏＬｙｔｅｌ　ｅｔ　ａｌ、、　
Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、　５２（１３）、　２８　Ｍａｒ
ｃｈ　１９８６）　　には、ポリマーに分散させた有機
分子に電界を印加し、分子の配向により屈折率を高くし
て三次元導波路を形成した例が示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、ウェブジェルン他が示した素子は、ドメイン反
転層をＬｉＯ２の外拡散およびＴｉ拡散により行ってい
るので、反転層の深さ、先導波路の幅および屈折率差を
精密に制御するために二段階にわたる拡散が必要であり
、製造工程が煩雑となる欠点があった。

また、有機非線形光学分子をポリマーに分散させたもの
は、二次非線形定数は大きいものの、その材料を用いて
位相整合の条件を満足させたものは知られていない。

さらに、有機分子の配向を利用したものは、分布干渉形
変調器や方向性結合器を試作した例が知られているが、
それを利用した第二高調波発生素子は知られていない。

本発明は、以上の課題を解決し、ドメイン反転導波路型
でしかも製造が容易な第二高調波発生素子およびその製
造方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の第一の観点は第二高調波発生素子の製造方法で
あり、第二高調波発生能をもつ有機低分子を機能性高分
子に添加して薄膜化し、得られた薄膜を前記機能性高分
子のガラス転位温度以上に昇温し、その温度で前記薄膜
に実質的にコヒーレント長ｌｃの周期の交互電界を印加
し、この電界印加の状態で前記薄膜を冷却することを特
徴とする。

ただし、コヒーレント長β。は、電界印加により形成さ
れる光導波路の波長λの光に対する屈折率をｎω、波長
λ／２の光の対する屈折率をｎ２．とするとき、 λ で表される長さである。

薄膜化の方法としては、スピンコーティングやキャステ
ィングその他の方法を利用する。

交互電界を印加するためには、機能性高分子の薄膜の近
傍に電極を設ける。ただし、この電極は第二高調波発生
動作時には必ずしも必要ではなく、電極による光の吸収
が問題になる場合等には、エツチングその他の方法によ
り取り除くこともてきる。

本発明の第二の観点は上述の方法に関連して製造される
第二高調波発生素子であり、第二高調波発生能をもつ材
料が導波方向に対して実質的にコヒーレント長ｌｃの周
期で分極方向を反転させながら配置された光導波路型の
第二高調波発生素子において、前記材料は機能性高分子
に第二高調波発生能をもつ有機低分子が添加された有機
材料であり、この有機材料に前記周期で空間的交互電界
を印加する電極を備えたことを特徴とする。

有機材料が薄膜に形成され、電極は、その薄膜の一方の
側に、二列に配置された交互電極または相補的に配置さ
れた二つの模型電極を含むことができる。横型電極を用
いる場合には、薄膜の反対側の全面に電極を設けるか、
または同じ形状の櫛型電極を設けることができる。

薄膜の電極に挟まれた領域を他の部分より厚く形成する
こともできる。

〔作　用〕

有機低分子が添加された機能性高分子を薄膜化し、これ
をガラス転位温度以上に昇温しで電界を印加することに
より、有機低分子の分極が一定方向に揃う。さらに、電
界を印加したままゆっくりと冷却し、電圧を取り除くと
、有機低分子の分極がそのまま残って固定される。この
分極が揃った領域は、分極がランダムな領域と比べると
、その分極方向と平行な偏光に対して屈折率が高くなる
。

これを利用して、チャネル型導波路を形成できる。

また、非線形有機分子の配向を揃えると、これが第二高
調波発生能が活性となり、電界印加下での非線形光学定
数ｄ３３が、 ｄ３３（２ω）　−ＮＦ（ω）Ｆ（２ω）β−−−（２
Ｑ））　Ｌ３（ａ）となる。ただし、 Ｎ　　：非線形光学有機分子の数 Ｆ（ω）：分子の局所場 β２．２二分極率 Ｌ３　　：三次のランジュバン関数であり、電界の大き
さをＥとし、 ａ　−ε　Ｃ（ｎ２＋２）／（ｎ２＋２ｇ）］　　μＥ
／ｋＴとするとき、 Ｌ３（ａ）＝　ａ／　５−　ａ”／１０５　＋−・・で
ある。

さらに、電界印加の方向を周期的に変えることにより、
チャネル型導波路内の分極方向を周期的ニ変換させ、ド
メイン反転層を形成できる。ドメイン反転層の階層をＭ
個とすると、第二高調波強度は、 Ｉ（２ω）＝Ｉ。（２ω）Ｍ２　　　　　　　　　　（
２）となり、層数の二乗に比例する。ただしＩ。（２ω
）は単層（Ａ　Ｃ／２）で発生ずる第二高調波強度であ
る。

また、この第二高調波強度は、入射光パワーをＰ、、、
ビームの断面積をＡとするとき、Ｌ（２ω）　ｏｃ　ｄ
　３３’　Ｐ　−／　Ａ　　　　−−−−（３）である
。

したがって、偏光方向が分極方向と平行な入射光は、有
機低分子が分極した領域を伝搬し、この有機低分子によ
り第二高調波光を発生する。この第二高調波光は、ドメ
イン反転により位相整合をとりながら入射光の進行方向
と同方向に進行する。

基本波と第二高調波とが共に基本モードで伝搬するとき
、第二高調波発生変換効率η５）ＩＣは、となる。ただ
し、 ω：入射波の角周波数 ｆｌ：導波路長 ｄａｆｔ二（２／π）ｄ ｎ（ω）、ｎ（２ω）：それぞれω、２ωに対する導波
路の屈折率 μｏ１ε０　：真空の透磁率、誘電率 Ｐ、：入射光パワー Ｗ：導波路の幅 ｔ：導波路の厚さ である。

〔実施例〕

第１図ないし第３図は本発明第一実施例の第二高調波発
生素子を示す図であり、第１図は一部を切り欠いた斜視
図、第２図は電極配置を表す平面図、第３図は第２図に
Ａ−Ａで示した部分の断面図である。

基板１上には電極２が二列に配置される。電極２の上に
は、バッファ層３を介して有機材料膜４が設けられ、さ
らにキャップ層５が設けられる。

基板１としては、例えばガラスその他の絶縁性基板を用
いる。

電極２は、リフトオフ、エツチングその他によりパター
ニングされ、列内における配列周期がコヒーレント長ｐ
。の半分の長さに等しい。したがって、隣接する電極２
が互いに逆極性となるようにバイアスすることにより、
有機材料膜４に対してコヒーレント長Ｉ。の周期で反転
する電界を印加できる。

有機材料膜４は、大きな非線形光学定数をもつ有機低分
子、すなわち第二高調波発生能のある有機低分子が添加
された高分子材料であり、適当な溶媒に溶かしてスピン
コードやキャスティングを行うことにより形成される。

添加される有機低分子としては、２メチル４ニトロアニ
リンＯ２ などを用いることができる。

バッファ層３、キャップ層５は、有機材料膜４として使
用する材料や構造により、その有無、材質が選択される
。

この素子を第二高調波発生素子として使用するには、有
機材料膜４内に先導波路、第二高調波活性部およびドメ
イン反転層を形成する必要がある。

そのためには、この素子を高分子材料のガラス転位温度
まで昇温し、その温度で電極２から有機材料膜４にコヒ
ーレント長ｌｃの周期で交互電界を印加し、適当な時間
が経過した後に、電界を印加したままゆっくりと室温に
冷却し、電界を取り除く。温度、電圧、時間、降温速度
は、使用材料により決定される。

このようなポーリング工程により、第２図に示したよう
に、非線形有機低分子が互いに逆向きに配向し、永久双
極子が周期的に並んだドメイン反転構造が得られる。こ
こで、波長λのＴＥ光を周期方向に平行に入射する。二
列の電極２の間では、有機低分子の分極が一定方向に揃
っているので、この部分がチャネル型導波路となる。ま
た、非線形有機低分子の配向が揃うことから、第二高調
波発生能が活性となる。さらに、非線形低分子の配向が
コヒーレント長ｊ１！、の周期で反転するため、これが
ドメイン反転層となる。

すなわち、上述したポーリング工程により、光導波路、
第二高調波活性部およびドメイン反転層が同時に形成さ
れる。

ここで、入射光の波長λ−１，３μｍ、有機材料膜４の
非線形光学定数ｄ＋３＝　６　Ｘｌ０−’（ｅｓｕ）　
、１．３μｍの入射光に対する屈折率ｎ（ω）　＝　１
．５２３と仮定し、さらに、０．６５μｍの光に対する
屈折率ｎ（２ω）とｎ（ω）との差がｎ（２ω）−ｎ（
ω）＝０．０１であると仮定する。このとき、単一層Ｂ
＝βｃ／２）での変換効率は、上述した（４）式より、 η５ｎｃ−３，５０８ｘｌＯ−”’　ｘ　（Ｐ、、／Ｗ
−ｔ）となる。Ｐ、、、＝１００ｍＷ　、　Ｗ＝　ｔ　
＝１０μｍとすると、ηＳＨＧ　＝　３．５０８Ｘ１．
Ｏ−６となり、ドメイン反転層の数を１００　とすると
、η５ＨＧ−３．５０８Ｘ１０−６Ｘ１００２＝　３．
５　（％）となる。

第４図および第５図は本発明第二実施例の第二高調波発
生素子を示す図であり、第４図は電極部分の平面図、第
５図は第４図にＢ−Ｂで示した部分の断面図である。

この実施例は電極の形状が第一実施例と異なる。

すなわち、有機材料膜４の一方の側に、相補的に配置さ
れた二つの横型電極２１を備えている。この横型電極２
１は互いに逆電圧にバイアスされ、有機材料膜４に対し
て厚さ方向の成分を有する電界を印加する。したがって
、この素子はＴＭ光に対して第二高調波を発生する。

第６図および第７図は本発明第三実施例の第二高調波発
生素子を示す図であり、第６図は平面図、第７図は第６
図にＣ−Ｃで示した部分の断面図である。

この実施例素子は、二個一組の櫛型電極２１．２２を有
機材料膜４の両側にそれぞれ一組含むことが第二実施例
と異なる。櫛型電極２１．２２は、有機材料膜４を挟ん
で対向する部分が逆極性にバイアスされ、有機材料膜４
に対して実質的に厚さ方向の電界を印加する。したがっ
て、有機低分子の配向が第二実施例に比較して強くなる
。

第８図、第９図はそれぞれ本発明第四実施例、第五実施
例の第二高調波発生素子の導波方向の断面図を示す。

これらの実施例は、有機材料膜４を挟む電極のうち一方
の電極が、その面の実質的に全面に電極が設けられたこ
とが第三実施例と異なる。すなわち、第四実施例の場合
にはキャップ層５の上の電極が平板電極２３として形成
され、第五実施例の場合には基板１上の電極が平板電極
２４として形成される。これらの平板電極２３．２４は
零電位にバイアＤ スされ、対向する電極２１または２４との間で、有機材
料膜４に対して実質的に厚さ方向の電界を印加すること
ができる。

これらの実施例は、平板電極２３．２４を形成するため
のバターニング工程が不要となり、製造工程が簡単とな
る。

第１０図は本発明第六実施例の第二高調波発生素子の平
面図を示し、第１１図はその一例の断面図、第１２図は
別な例の断面図を示す。

有機材料膜４の電極２に挟まれた領域４１が、他の部分
より厚く形成されていることが第一実施例と異なる。す
なわち、有機材料膜４に形状的な導波路を形成し、光の
閉じ込め効果を高める。これにより、第二高調波変換効
率を高めることができる。

第１１図にはリッジ型の導波路を形成した例、第１２図
にはリブ型の導波路を形成した例をそれぞれ示す。また
、この例では、有機材料膜４を基板１上に直接形成し、
電極２を有機材料膜４の基板１とは反対側に形成してい
る。有機材料膜４の周囲は低屈折率の材料により形成さ
れる。

二列に配置された電極２ではなく、第二実施例ないし第
五実施例のいずれかに示された電極構造を用いてもよい
。

また、基板として圧電材料を用い、これに超音波を印加
することにより周期的な電界を発生させて、反転ドメイ
ンを生成することもできる。すなわち、ニオブ酸リチウ
ムいＮｂＯ３、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ３などの強
誘電体圧電材料に周波数ｆの超音波を伝搬させると、そ
の超音波の伝搬速度をＶとするとき、ｖ／ｆの周期で圧
電材料の上部に極性の異なる電圧が発生する。この電圧
を利用することにより、周期的な反転ドメインを形成で
きる。

この場合には、超音波の周波数ｆを変化させることによ
りドメイン反転の周期を変化させることができ、コヒー
レンス長を可変にすることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の第二高調波発生素子は、
導波路構造をとることから、光の閉じ込め効果が強くな
り、第二変調波変換効率が高められる。また、非線形光
学定数の大きな有機分子を使用するため、高効率となる
。さらに、印加電圧の方向を反対にするだけで容易に反
転ドメインを形成でき、容易に位相整合をとることがで
きる。

本発明の素子は、導波路およびドメイン反転層が電極の
パターンニングにより作られるので、原理的に任意の形
状に製造できる。また、基板材料に限定されることがな
いので、例えばＧａＡｓやＩｎＰ基板上に第二高調波発
生素子を形成でき、レーザ素子などの他の素子とモノリ
シックに集積化できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例第二高調波発生素子の斜視図
。 第２図は第一実施例の平面図。 第３図は第一実施例のＡ−Ａ断面図。 第４図は本発明第二実施例第二高調波発生素子の平面図
。 第５図は第二実施例のＢ−Ｂ断面図。 第６図は本発明第三実施例第二高調波発生素子の平面図
。 第７図は第三実施例のＣ−Ｃ断面図。 第８図は本発明第四実施例第二高調波発生素子の断面図
。 第９図は本発明第五実施例第二高調波発生素子の断面図
。 第１０図は本発明第六実施例第二高調波発生素子の平面
図。 第１１図は第六実施例の一例を示す断面図。 第１２図は第六実施例の別の例を示す断面図。 １・・・基板、２・・・電極、３・・・バッファ層、４
・・・有機材料膜、５・・・キャップ層、２１．２２・
・・櫛型電極、２３．２４・・・平板電極。 特許出願人　光計測技術開発株式会社 代理人　弁理士　井　出　直　孝 第四実施例

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第二高調波発生能をもつ有機低分子を機能性高分子
   に添加して薄膜化し、 得られた薄膜を前記機能性高分子のガラス転位温度以上
   に昇温し、 その温度で前記薄膜に実質的にコヒーレント長ｌ＿ｃの
   周期で交互電界を印加し、 この電界印加の状態で前記薄膜を冷却する 第二高調波発生素子の製造方法。 ただし、コヒーレント長ｌ＿ｃは、電界印加により形成
   される光導波路の波長λの光に対する屈折率をｎ＿ω、
   波長λ／２の光の対する屈折率をｎ＿２＿ωとするとき
   、 ｌ＿ｃ＝λ／２（ｎ＿２＿ω−ｎ＿ω） で表される長さである。 ２、第二高調波発生能をもつ材料が導波方向に対して実
   質的にコヒーレント長ｌ＿ｃの周期で分極方向を反転さ
   せながら配置された光導波路型の第二高調波発生素子に
   おいて、 前記材料は機能性高分子に第二高調波発生能をもつ有機
   低分子が添加された有機材料であり、この有機材料に前
   記周期で空間的交互電界を印加する電極を備えた ことを特徴とする第二高調波発生素子。 ３、前記有機材料が薄膜に形成され、前記電極は前記薄
   膜の一方の側に二列に配置された交互電極を含む請求項
   ２記載の第二高調波発生素子。 ４、前記有機材料が薄膜に形成され、前記電極は前記薄
   膜の一方の側に相補的に配置された二つの櫛型電極を含
   む請求項２記載の第二高調波発生素子。 ５、前記薄膜の前記櫛型電極が設けられた側と反対側に
   は実質的に全面に電極が設けられた請求項４記載の第二
   高調波発生素子。 ６、前記有機材料が薄膜に形成され、前記電極は相補的
   に配置された二個一組の櫛型電極を前記薄膜の両側にそ
   れぞれ一組含む請求項２記載の第二高調波発生素子。 ７、前記薄膜は前記電極に挟まれた領域が他の部分より
   厚く形成された請求項２記載の第二高調波発生素子。