JPH05216079A - 導波路型非線形光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】低損失ガラス導波路と、非線形光学係数やスイ
ッチング速度の面で有利な有機材料系非線形光学材料と
を組み合せ、低損失で高性能な導波路型非線形光学素子
を提供する。 【構成】ガラス導波路２のコア部２ａと非線形光学材料
のコア部３とを光学的に結合させる場合、少なくとも非
線形光学材料のコア部３の光結合部の形状をテーパ状と
する。さらに、非線形光学材料のコア部３を有機高分子
材料で構成し、その２次の非線形光学係数χ⁽²⁾が１０
^-8ｅｓｕ以上であり、３次の非線形光学係数χ⁽³⁾が１
０^-12ｅｓｕ以上であるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気光学効果素子、波
長変換素子、光高調波発生素子、光カーシャッター、光
双安定素子、光スイッチなどの光機能デバイスに利用で
きる導波路型非線形光学素子と、その製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、２次の非線形光学効果を利用した
導波型非線形光学素子を構成する非線形光学材料として
は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）などの無機材料
が一般的であり、２次高調波発生（ＳＨＧ）に代表され
るような和周波数や差周波数発生による波長（周波数）
変換器、電圧印加による屈折率変化（電気光学効果）を
利用した光変調器などの光学素子が実現されている。無
機材料を利用した非線形光学素子は、材料の２次の非線
形光学効果が大きいため入力パワーが小さくてすむ利点
を有するが、オプティカルダメージが大きく、また導波
路作製工程が複雑になるなどの欠点を有する。

【０００３】一方、３次の非線形光学効果を利用した非
線形光学素子を構成する非線形光学材料としては、従
来、半導体や半導体ドープガラスなどが代表的なもので
あり、種々の光スイッチが提案されている。この種の光
スイッチは、材料の３次の非線形光学効果が大きいため
入力パワーが非常に小さくてすむ利点を有するが、スイ
ッチング速度がせいぜい数ｐｓであってこれより高速の
スイッチングを望むことができないという欠点を有す
る。また、半導体や半導体ドープガラスを用いた場合に
は、可視域などの限られた波長領域でしかうまく作動し
ないという欠点がある。

【０００４】これに対し、有機材料からなる非線形光学
材料は、オプティカルダメージに強く、薄膜化などの加
工性に富み、しかも数十ｆｓのスイッチング速度を有
し、広い波長域で３次の非線形光学係数χ⁽³⁾が大きい
など、高性能な非線形光学素子の材料として期待されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、非線形
光学材料として有機材料は種々の利点を有するが、現実
には非線形光学効果の高効率化に有効な導波路化につい
て有機材料からなる非線形光学材料を用いた例はほとん
どなく、このような有機材料を用いた低損失な導波路型
非線形光学デバイスは報告されていない。

【０００６】本発明の目的は、低損失な導波路の作製技
術が現在までにほぼ確立されている低損失ガラス導波路
（参考文献として例えば、河内正夫,"石英系光導波路と
光集積部品への応用",光学,第118巻12号,681頁(1989年)
などがある）と、非線形光学係数やスイッチング速度の
面で有利な有機材料系非線形光学材料とを組み合せ、低
損失で高性能な導波路型非線形光学素子とその製造方法
とを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の導波路型非線形
光学素子は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に設
けられたガラス導波路と、コア部が非線形光学材料から
なりコア部の末端が前記ガラス導波路のコア部と重なり
合うことによって前記ガラス導波路との間に光結合部を
形成した非線形光学材料導波路とを有し、前記非線形光
学材料導波路のコア部の屈折率が前記ガラス導波路のコ
ア部の屈折率も大きい導波路型非線形光学素子におい
て、前記非線形光学材料導波路のコア部の前記光結合部
側の末端の形状がテーパ状であり、前記非線形光学材料
が有機材料からなり、前記非線形光学材料の２次の非線
形光学係数χ⁽²⁾が１０^-8ｅｓｕ以上であり、前記非線
形光学材料の３次の非線形光学係数χ⁽³⁾が１０^-12ｅｓ
ｕ以上であることを特徴とする。

【０００８】本発明の導波路型非線形光学素子の製造方
法は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に設けられ
たガラス導波路と、コア部が非線形光学材料からなりコ
ア部の末端が前記ガラス導波路のコア部と重なり合うこ
とによって前記ガラス導波路との間に光結合部を形成し
た非線形光学材料導波路とを有する導波路型非線形光学
素子の製造方法であって、前記非線形光学材料として、
前記ガラス導波路のコア部より屈折率が大きく、２次の
非線形光学係数χ⁽²⁾が１０^-8ｅｓｕ以上であり、３次
の非線形光学係数χ⁽³⁾が１０^-12ｅｓｕ以上である有機
材料を用い、前記シリコン基板上に前記ガラス導波路を
形成し、前記ガラス導波路のコア部の上に相当する部位
の前記ガラス基板のクラッド部をエッチングで除去して
前記コア部の少なくとも一部を露出させ、前記ガラス導
波路の上に、前記非線形光学材料導波路のコア部を配
し、そののち、前記非線形光学材料導波路のコア部およ
び前記ガラス導波路をともに被覆するようにクラッド層
を積層する。

【０００９】

【作用】ガラス導波路と非線形光学材料導波路とを光学
的に結合させる場合に、光結合部において少なくとも非
線形光学材料導波路のコア部の形状をテーパ状とするこ
とにより、ガラス導波路から非線形光学導波路への光の
入射あるいは非線形光学導波路からガラス導波路への光
の出射が行なわれるときの光の損失を低減でき、全体と
して低損失である導波路型非線形光学素子を実現でき
る。この種の導波路型非線形光学素子では、素子の外部
からガラス導波路に入射した光を非線形光学材料導波路
に入射させ、非線形光学材料導波路内で非線形光学効果
を受けた光を再びガラス導波路に導き、このガラス導波
路によって素子の外部に光を出射させるのが一般的な使
用方法であり、したがって、光結合部の非線形光学材料
導波路側すなわち非線形光学材料導波路のコア部の末端
の形状をテーパ状としないと、光結合部の界面での損失
が大きくなって、低損失化を達成できない。

【００１０】また、２次および３次の非線形光学定数χ
⁽²⁾,χ⁽³⁾について、それぞれ１０^{- 8}および１０^-12ｅｓ
ｕ以上とすることにより、非線形光学材料部分の光路長
を短くすることができ、ガラス導波路部分の損失が極め
て低いこととあいまって、全体としての低損失化を図る
ことができる。χ⁽²⁾,χ⁽³⁾について、それぞれ１０^{- 8}
および１０^-12ｅｓｕ以上でない場合には、有効な非線
形光学効果を発揮するための非線形光学材料の光路長が
極端に長くなり、低損失で高機能な非線形光学素子を得
ることができなくなる。したがって、光結合部で非線形
光学材料導波路のコア部の形状をテーパ状とし、非線形
光学材料導波路のコア部を構成する非線形光学材料のχ
⁽²⁾,χ⁽³⁾について、それぞれ１０^-8および１０^-12ｅｓ
ｕ以上することが必要である。

【００１１】本発明で使用される非線形光学材料を構成
する有機材料としては、低損失化が容易で加工の自由度
が大きいという理由から、高分子材料を用いることが望
ましい。このような高分子材料としては、高分子の側鎖
に非線形光学効果を有する有機色素系の機能団を結合さ
せたものや、非線形光学効果を有する有機色素化合物を
高分子材料中に分散させたものが使用できる。機能団を
結合させる高分子、あるいは有機色素化合物を分散させ
る高分子材料としては、例えば、ポリメチルメタクリレ
ート（ＰＭＭＡ）を代表とするアクリル酸エステル系樹
脂、ポリスチレン（ＰＳｔ）系樹脂などの公知の樹脂の
他、これらの樹脂の重水素置換体、あるいは特願平３−
２６９７２８号に記載されているようなフッ素原子を含
有する樹脂も使用できる。

【００１２】高分子の側鎖に結合される有機色素系の機
能団としては、例えば、下記式(1)〜(37)に示すような
骨格を有するスチルベン化合物、アゾ化合物あるいはア
ゾメチン化合物がある。

【００１３】

【化１】

【００１４】

【化２】

【００１５】

【化３】

【００１６】

【化４】

【００１７】

【化５】

【００１８】

【化６】

【００１９】

【化７】

【００２０】

【化８】

【００２１】

【化９】

【００２２】

【化１０】 上記式(1)〜(37)において、lは１〜１２、kは０〜１１
の任意の整数である。

【００２３】上記に例示される機能団を、高分子、例え
ばポリメチルメタクリレートを代表とするアクリル酸エ
ステル系樹脂、ポリスチレン系樹脂さらに、これらの樹
脂の重水素置換体やフッ素置換体、の側鎖に結合させる
ことにより、例えば下記式(38)〜(50)に示されような、
本発明で有効に使用できる非線形光学材料を得ることが
できる。なお、下記式(38)〜(50)において、Ｒは、上記
に例示されるような非線形光学効果を有する機能団を表
わしている。

【００２４】

【化１１】

【００２５】

【化１２】

【００２６】

【化１３】

【００２７】

【化１４】

【００２８】

【化１５】

【００２９】

【化１６】 上記式(38)〜(50)において、mおよびnは任意の正の整数
である。

【００３０】また、高分子材料に非線形光学効果を有す
る有機色素化合物を分散させる場合、このような有機色
素化合物としては、例えば、２−メチル−４−ニトロア
ニリン（ＭＮＡ）や、あるいは上記式(1)〜(37)で示し
た機能団の末端（各式中、左上の結合部位）をＨ（水素
原子）でつぶしたものなどが使用できる。

【００３１】以上、本発明に有効に使用できる非線形光
学材料の例について説明したが、これらの非線形光学材
料の合成方法については、例えば、特願平３−１８４０
８０号や、Applied Phys. Letters（アプライド・フィ
ジックス・レターズ）,第51巻,1頁(1987年)に記載があ
る。

【００３２】本発明の導波路型非線形光学素子におい
て、非線形光学材料導波路に使用されるクラッド部の材
料としては、コア部を構成する上記のような非線形光学
材料よりも屈折率が小さいものであれば特に限定される
ものではないが、例えばエポキシ系あるいはアクリル系
の紫外線硬化樹脂を挙げることができる。

【００３３】本発明の導波路型非線形光学素子を用い
て、２次高調波発生（ＳＨＧ）に代表されるような和周
波数・差周波数発生による波長変換素子や、電圧印加に
よる屈折率変化（電気光学効果）を利用した光変調器な
ど、２次の非線形光学効果を利用した光学素子を構成す
る場合には、この導波路型非線形光学素子を一対の電極
間に挟み込み、有機材料からなる非線形光学材料導波路
のコア部のガラス転移温度（約１００〜１５０℃）以上
に加熱し、電極間に高電圧を印加して、コア部の非線形
光学材料の電場配向を行なう。そののち、高電圧を印加
したまま徐々に冷却して配向を凍結させる。このように
することにより、非線形光学材料導波路のコア部に２次
の非線形光学性を付与、発現させることができる。

【００３４】

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。図１および２は本発明の導波路型非線形光学
素子の典型的な構成例を示す斜視図である。

【００３５】図１に示した導波路型非線形光学素子は、
シリコン平面基板１と、このシリコン平面基板１の上に
設けられたガラス導波路２と、ガラス導波路２上に設け
られ有機高分子材料からなる非線形光学材料のコア部３
と、ガラス導波路２と非線形光学材料のコア部３をとも
に被覆するよう積層されたクラッド材料層４とからなっ
ている。

【００３６】ガラス導波路２は、コア部２ａとコア部２
ａを包囲するクラッド部２ｂとからなっているが、コア
２ａの上面にあたる部位にはクラッド部２ｂは設けられ
ていない。そして、コア部２ａは、この導波路型非線形
光学素子の一辺から素子の中央部に延びて設けられてい
る。コア部２ａの前記中央部側の末端は先細りのテーパ
状となっている。一方、非線形光学材料のコア部３は、
この導波路型非線形光学素子においてクラッド部２ｂの
上に設けられ、ガラス導波路２のコア部２ａとは反対側
の辺から素子の中央部に延び、中央部において、末端が
先細りのテーパ状となっている。そして、素子のこの中
央部において、ガラス導波路２のコア部２ａと非線形光
学材料のコア部３が重なり合い、光結合部を構成してい
る。クラッド材料層４は、ガラス導波路２のコア部２ａ
およびクラッド部２ｂのそれぞれ上面と、非線形光学材
料のコア部３を被覆している。結局、非線形光学材料の
コア部３とクラッド材料層４（と非線形光学材料のコア
部３の下面に接するクラッド部２ｂ）とは、非線形光学
材料導波路を構成することのなる。

【００３７】ここで、非線形光学材料のコア部を構成す
る有機高分子材料の２次の非線形光学係数χ⁽²⁾は１０
^-8ｅｓｕ以上であり、３次の非線形光学係数χ⁽³⁾は１
０^-12ｅｓｕ以上である。

【００３８】図２に示した導波路型非線形光学素子は、
図１に示したものとほぼ同様の構成であるが、ガラス導
波路２のコア部２ａがこの素子の一辺から対向する辺に
まで延びており、非線形光学材料のコア部３は、素子の
中央部から前記対向する辺にまで、ガラス導波路２のコ
ア部２ａの上に乗りかかるように設けられている。非線
形光学材料のコア部３の素子の中央部側の末端は、先細
りのテーパ状となっている。そして、クラッド材料層４
は、ガラス導波路２のコア部２ａおよびクラッド部２ｂ
の上面と、非線形光学材料のコア部３を被覆するように
設けられている。この導波路型非線形光学素子でも、非
線形光学材料のコア部３の２次および３次の非線形光学
係数χ⁽²⁾,χ⁽³⁾がそれぞれ、１０^-8および１０^-12ｅｓ
ｕ以上となっている。

【００３９】次に、このような導波路型非線形光学素子
の製造方法について、図３(a)〜(c)により説明する。こ
こでは、図１に示したタイプ（ガラス導波路２のコア部
２ａが途中で途切れているもの）の製造方法について説
明するが、図２に示したもの（コア部２ａが途切れてい
ないもの）の製造方法も以下に述べるものと同様であ
る。

【００４０】まず、シリコン基板１の表面を平面に研磨
し、この上に公知の方法によってガラス導波路２を形成
する。このガラス導波路２は、コア部２ａを有し、コア
部２ａは、例えば長方形断面であって、クラッド部２ｂ
に埋め込まれた状態になっている［図３(a)］。このよ
うにガラス導波路２を形成するには、例えば、シリコン
基板１の上にクラッド部２ｂを構成する材料を積層し、
続いてコア部２ａを構成する材料を積層し、コア部２ａ
を構成する材料をコア部２ａの形状に合わせてエッチン
グし、再度、クラッド層２ｂを構成する材料を積層する
方法がある。

【００４１】次に、エッチングにより、コア部２ａの上
面を含む平面より上側のクラッド層２ｂを除去する［図
３(b)］。これにより、コア部２ａの上面が露出する。

【００４２】そして、上部のクラッド部２ｂが除去され
たガラス導波路の上に、非線形光学材料のコア部３を形
成する［図３(c)］。このコア部３は、有機高分子材料
からなり、その末端がテーパ状となっている。そして、
ガラス導波路２のコア部２ａと非線形光学材料のコア部
３とは、それぞれテーパ状となった末端どうしが、光学
的に結合して光結合部を形成するようになっている。

【００４３】最後に、ガラス導波路２および非線形光学
材料のコア部３をともに被覆するように、クラッド材料
層４を積層する。クラッド材料層４を紫外線硬化樹脂で
構成する場合には、硬化前の樹脂を塗布し、その後、紫
外線を照射して硬化させればよい。

【００４４】次に、本発明の導波路型非線形光学素子に
ついて、具体的に各種の光機能デバイスに応用した例を
示し、さらに詳しく説明する。

【００４５】［実施例１］本発明の導波路型非線形光学
素子を用い、図４に示した方向性結合器型の光スイッチ
１０を作製した。

【００４６】この光スイッチは、ガラス導波路１２の４
本のコア部１２ａ〜１２ｄと、非線形光学材料の２本の
コア部１３ａ,１３ｂを有している。非線形光学材料の
２本のコア部１３ａ,１３ｂは、単一モード導波路を構
成し、一定の長さにわたって相互に近接して平行に配置
されて方向性結合器を構成している。そして、これら各
コア部１３ａ,１３ｂの末端は、それぞれこの光スイッ
チ１０の内部にあって、テーパ状となっている。一方、
ガラス導波路１２の４本のコア部１２ａ〜１２ｄは、非
線形光学材料のこれら２本のコア部１３ａ,１３ｂの各
末端にそれぞれ対応して設けられ、対応する末端と光結
合部を形成し、これら末端と光スイッチ１０の外辺とを
接続している。ガラス導波路１２のこれら４本のコア部
１２ａ〜１２ｄは、非線形光学材料の各コア部１３ａ,
１３ｂにこの光スイッチ１０の外部からの光を入射さ
せ、また光スイッチ１０の外部にこれらの光を取り出す
ためのものである。ガラス導波路１２の４本のコア部１
２ａ〜１２ｄの、非線形光学材料のコア部１３ａ,１３
ｂと接続する側（光結合部側）の末端は、それぞれテー
パ状となっていて、非線形光学材料のコア部１３ａ,１
３ｂと重なり合っている。

【００４７】次にこの光スイッチ１０の製造方法につい
て説明する。まず、シリコン基板１１上にガラス導波路
１２を形成した。このガラス導波路１２の上に、ガラス
導波路１２の４本のコア部１２ａ〜１２ｄの末端をそれ
ぞれ接続するように、２本の非線形光学材料のコア部１
３ａ,１３ｂを形成した。この２本のコア部１３ａ,１３
ｂは、下記式(51)で表わされる有機高分子材料からな
る。そしてガラス導波路１２と非線形光学材料のコア部
１３ａ,１３ｂをともに被覆するように、クラッド材料
層１４を積層した。この非線形光学材料の合成方法とし
ては、例えば、Applied Phys. Letters（アプライド・
フィジックス・レターズ）,第51巻,1頁(1987年)に記載
がある。また、非線形光学材料のコア部１３ａ,１３ｂ
は、その２次の非線形光学係数χ⁽²⁾は１０^-8ｅｓｕ以
上であり、３次の非線形光学定数χ⁽³⁾は１０^-12ｅｓｕ
以上であった。そしてこのコア部１３ａ,１３ｂの方向
性結合器としての結合長が１０ｍｍであり、方向性結合
部におけるコア部１３ａ,１３ｂの間隔は６μｍであ
り、コア部１３ａ,１３ｂの幅と厚みはそれぞれ８μｍ
であった。また、非線形光学材料のコア部１３ａ,１３
ｂと周囲のクラッド材料層１４との屈折率の差は０.３
％程度であった。

【００４８】

【化１７】 この光スイッチ１０の素子自体としての挿入損失は５ｄ
Ｂ程度であり、ガラス導波路のみで構成された同様の方
向性結合器の挿入損失４ｄＢと比べ、それほど大きな損
失増は観測されなかった。次に、この光スイッチ１０の
スイッチング特性を測定した。ガラス導波路１２の４本
のコア部１２ａ〜１２ｄのうちの１つのコア部１２ａの
端面（光スイッチ１０の外辺にある）から波長１.３μ
ｍのＹＡＧレーザ光を入射し、対応するガラス導波路１
２のコア部１２ｃからの出射光の強度を調べたところ、
入射光強度によって非線形光学材料のコア部１３ａを構
成する材料の屈折率が変化するので、図５のようなスイ
ッチング特性が得られた。

【００４９】［実施例２］本発明の導波路型非線形光学
素子を用い、図６に示した光変調素子２０を作製した。
この光変調素子２０では、ガラス導波路２２のコア部２
２ａは１本であって、光変調素子の２０の１辺から対向
する辺を直線的に結んでいる。ガラス導波路２２の上面
には、非線形光学材料のコア部２３が設けられている。
この非線形光学材料のコア部２３は、光変調素子２０の
内部にあって、その両方の末端ともがガラス導波路２２
のコア部２２ａの上に重なって光結合部を形成してお
り、一方の末端から他方の末端に向け、最初はガラス導
波路２２のコア部２２ａの上にあり、次にＹ字型に２本
に分岐してガラス導波路２２のコア部２２ａからはず
れ、再び１本に合流してガラス導波路２２のコア部２２
ａの上にあるようになっている。非線形光学材料のコア
部２３の両末端すなわちガラス導波路２２のコア部２２
ａとの間で光結合部を形成しているところは、テーパ状
となっている。そして、これらガラス導波路２２と非線
形光学材料のコア部２３をともに被覆するように、クラ
ッド材料層２４が設けられている。さらに、非線形光学
材料のコア部２３の分岐した部分では、その一方のもの
を挟むように、クラッド材料層２４の上にストライプ状
の一対の電極２５が設けられている。

【００５０】次に、この光変調素子２０の製造方法につ
いて説明する。まず、シリコン基板２１上にガラス導波
路２２を形成した。ガラス導波路２２の長さは４０ｍ
ｍ、コア部２３の幅と厚みはそれぞれ８μｍである。次
に、下記式(52)で表わされる有機高分子材料からなる非
線形光学材料のコア部２３を形成した。非線形光学材料
のコア部２３は、単一モード導波路を構成する。次い
で、クラッド材料層２４を積層し、フォトプロセスによ
って電極２５を形成した。そして、シリコン基板２１自
体を１４０℃まで加熱して一対の電極２５の相互間に２
ＭＶ／ｃｍの電界を印加し、電界を印加したまま室温ま
で冷却させて非線形光学材料のコア部２３をポーリング
処理し、光変調素子２０を完成させた。 非線形光学材
料のコア部２３の２次の非線形光学係数χ⁽²⁾は１０^-8
ｅｓｕ以上であり、３次の非線形光学定数χ⁽³⁾は１０
^-12ｅｓｕ以上であった。また、下記式(52)で表わされ
る有機高分子材料の合成方法については、例えば、Appl
ied Phys. Letters（アプライド・フィジックス・レタ
ーズ）,第51巻,1頁(1987年)に記載がある。

【００５１】

【化１８】 この光変調素子２０自体の挿入損失は３ｄＢ程度であ
り、ガラス導波路２２のみの挿入損失２ｄＢと比べ、そ
れほど大きな損失増は観測されなかった。

【００５２】次に、この光変調素子２０を用いて光変調
実験を行なった。まず、この光変調素子２０の端面に、
レーザダイオードからの波長１.３μｍの光を入射させ
た。次に一対の電極２５の相互間に電圧を印加して非線
形光学材料のコア部２３に電場を加え、この非線形光学
材料のコア部２３の屈折率を変化させたところ、図７に
示すような変調特性が得られた。半波長電圧は５Ｖ程度
であった。

【００５３】［実施例３］本発明の導波路型非線形光学
素子を用い、図８に示した波長変換素子３０を作製し
た。この波長変換素子３０は、ガラス導波路３２の２本
のコア部３２ａ,３２ｂと、１本の非線形光学材料のコ
ア部３３とを有している。非線形光学材料のコア部２３
は、波長変換素子３０の内部にあり、その両末端がテー
パ状となっている。ガラス導波路３２の２本のコア部３
２ａ,３２ｂは、それぞれ非線形光学材料のコア部３３
の末端と波長変換素子３０の外辺とを接続し、その接続
部分では末端がテーパ状となって非線形光学材料のコア
部３３の末端と重なり合い、光結合部を形成している。
ガラス導波路３２と非線形光学材料のコア部３３とを被
覆するように、クラッド材料層３４が設けられ、さら
に、クラッド材料層３４の上面には、非線形光学材料の
コア部３３に対応して、１対のくし型電極３５が設けら
れている。

【００５４】次に、この波長変換素子３０の製造方法に
ついて説明する。まず、シリコン基板３１上にガラス導
波路３２を形成した。このガラス導波路３２の上に、非
線形光学材料のコア部３３を形成した。ガラス導波路３
２の長さは４０ｍｍ、ガラス導波路３２の各コア部３２
ａ,３２ｂの幅と厚みはそれぞれ８μｍである。また、
非線形光学材料のコア部３３は、下記式(53)の有機高分
子材料からなり、単一モード導波路を構成している。次
いで、クラッド材料層３４を積層し、フォトプロセスに
よってくし型電極３５を形成した。そして、シリコン基
板３１自体を１４０℃まで加熱して一対のくし型電極３
５の相互間に２ＭＶ／ｃｍの電界を印加し、電界を印加
したまま室温まで冷却させて非線形光学材料のコア部３
３を周期的にポーリング処理し（周期ピッチは約２μ
ｍ）、波長変換素子３０を完成させた。 非線形光学材
料のコア部２３の２次の非線形光学係数χ⁽²⁾は１０^-8
ｅｓｕ以上であり、３次の非線形光学定数χ⁽³⁾は１０
^-12ｅｓｕ以上であった。また、下記式(52)で表わされ
る有機高分子材料の合成方法については、例えば、Appl
ied Phys. Letters（アプライド・フィジックス・レタ
ーズ）,第51巻,1頁(1987年)に記載がある。

【００５５】

【化１９】 この波長変換素子３０自体の挿入損失は３ｄＢ程度であ
り、ガラス導波路のみの挿入損失２ｄＢと比べ、それほ
ど大きな損失増は観測されなかった。

【００５６】次に、この波長変換素子３０を用いて波長
変換実験を行なった。まず、この波長変換素子３０の端
面に、レーザダイオードからの波長１.３μｍ、強度５
０ｍＷの光を入射させたところ、反対側の端面の下部よ
り波長０.６５μｍの第２高調波（ＳＨＧ）が観測され
た。変換効率としては０.０５％程度であった。位相整
合には周期的ポーリングによる擬位相整合を利用した。

【００５７】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明の非線形光学材料のコア部の形状として使用でき
るものには、上述の直線導波路や方向性結合器のほかに
マッハツェンダー干渉型、ループミラーなどの導波路が
あり、これらの導波路形状も有効に利用できる。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、非線形光
学材料として、２次の非線形光学係数χ⁽²⁾が１０^-8ｅ
ｓｕ以上であり、３次の非線形光学係数χ⁽³⁾が１０^-12
ｅｓｕ以上である有機材料を使用することにより、非線
形光学効果が大きくかつ損失の少ない導波路型非線形光
学素子が得られるという効果があり、この導波路型非線
形光学素子は、例えば波長変換素子、光変調器、光スイ
ッチ、光双安定素子などを組み込んだ装置やシステムを
構築する上で重要な素子となりうる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の導波路型非線形光学素子の典型的な構
成例を示す斜視図である。

【図２】本発明の導波路型非線形光学素子の別の典型的
な構成例を示す斜視図である。

【図３】(a)〜(c)はそれぞれ図１の導波路型非線形光学
素子の製造工程を説明する図である。

【図４】実施例１の光スイッチの構成を示す斜視図であ
る。

【図５】図４の光スイッチのスイッチング特性を示す特
性図である。

【図６】実施例２の光変調素子の構成を示す斜視図であ
る。

【図７】図６の光変調素子の光変調特性を示す特性図で
ある。

【図８】実施例３の波長変換素子の構成を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１,１１,２１,３１ シリコン基板 ２,１２,２２,３２ ガラス導波路 ２ａ,１２ａ〜１２ｄ,２２ａ,３２ａ,３２ｂ コア部 ２ｂ クラッド部 ３,１３ａ,１３ｂ,２３,３３ 非線形
光学材料のコア部 ４,１４,２４,３４ クラッド材料層 １０ 光スイッチ ２０ 光変調素子 ２５ 電極 ３０ 波長変換素子 ３５ くし型電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 疋田 真 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 阿部 淳 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 日比野 善典 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 天野 道之 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板と、前記シリコン基板上に
   設けられたガラス導波路と、コア部が非線形光学材料か
   らなりコア部の末端が前記ガラス導波路のコア部と重な
   り合うことによって前記ガラス導波路との間に光結合部
   を形成した非線形光学材料導波路とを有し、前記非線形
   光学材料導波路のコア部の屈折率が前記ガラス導波路の
   コア部の屈折率も大きい導波路型非線形光学素子におい
   て、 前記非線形光学材料導波路のコア部の前記光結合部側の
   末端の形状がテーパ状であり、 前記非線形光学材料が有機材料からなり、前記非線形光
   学材料の２次の非線形光学係数χ⁽²⁾が１０^-8ｅｓｕ以
   上であり、前記非線形光学材料の３次の非線形光学係数
   χ⁽³⁾が１０^-12ｅｓｕ以上であることを特徴とする導波
   路型非線形光学素子。
2. 【請求項２】 ガラス導波路と非線形光学材料導波路と
   の光結合部が前記ガラス導波路のコア部の末端に対応
   し、前記ガラス導波路のコア部の前記光結合部側の末端
   の形状がテーパ状である請求項１記載の導波路型非線形
   光学素子。
3. 【請求項３】 非線形光学材料を構成する有機材料が高
   分子材料である請求項１または２記載の導波路型非線形
   光学素子。
4. 【請求項４】 シリコン基板と、前記シリコン基板上
   に設けられたガラス導波路と、コア部が非線形光学材料
   からなりコア部の末端が前記ガラス導波路のコア部と重
   なり合うことによって前記ガラス導波路との間に光結合
   部を形成した非線形光学材料導波路とを有する導波路型
   非線形光学素子の製造方法であって、 前記非線形光学材料として、前記ガラス導波路のコア部
   より屈折率が大きく、２次の非線形光学係数χ⁽²⁾が１
   ０^-8ｅｓｕ以上であり、３次の非線形光学係数χ⁽³⁾が
   １０^-12ｅｓｕ以上である有機材料を用い、 前記シリコン基板上に前記ガラス導波路を形成し、 前記ガラス導波路のコア部の上に相当する部位の前記ガ
   ラス基板のクラッド部をエッチングで除去して前記コア
   部の少なくとも一部を露出させ、 前記ガラス導波路の上に、前記非線形光学材料導波路の
   コア部を配し、 そののち、前記非線形光学材料導波路のコア部および前
   記ガラス導波路をともに被覆するようにクラッド層を積
   層する導波路型非線形光学素子の製造方法。
5. 【請求項５】 非線形光学材料導波路のコア部の光結合
   部側の末端の形状がテーパ状であり、前記末端が、前記
   ガラス導波路の露出したコア部の上に配される請求項４
   記載の導波路型非線形光学素子の製造方法。