JPH0588226A - 非線形光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非線形性を示すことが知られていなかった材
料を用いて非線形光学素子を得る。 【構成】 シリカ系ガラスを原子、分子またはそのクラ
スタの状態で基板１上に堆積させることによりガラス薄
膜２を形成し、このガラス薄膜２に強い電界を印加して
非線形光学特性を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は導波路型の非線形光学素
子に関する。本発明は、光二次高調波発生素子、光変調
器、光スイッチその他に利用するに適する。

【０００２】

【従来の技術】光学的な非線形性を利用した素子として
は、従来から、非線形光学結晶を用いたものが知られて
いる。特にＬｉＮｂＯ₃ は、Ｔｉ拡散やプロトン交換に
より容易に低損失の光導波路を形成できることから、二
次高調波発生素子（ＳＨＧ）や光変調器として既に実用
化されている。

【０００３】また、有機非線形光学材料を使用すること
も考えられている。すなわち、二次の非線形性をもつ有
機分子を含む材料で高分子薄膜を形成し、これに電界処
理を施すことにより二次の非線形性を誘起させることに
より、その高分子薄膜を非線形光導波路として利用でき
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＬｉＮｂＯ₃
などの非線形光学結晶は高価であり、また、高分子薄膜
は安定性その他の問題があるため現在のところ十分な特
性のものは得られていない。

【０００５】本願発明者らは、有機非線形光学材料に対
する基板の影響を調べていたところ、従来は非線形光学
効果を示すと考えられていなかった材料がある処理を施
すと非線形光学効果を示すことを発見し、本発明を完成
するに至った。

【０００６】すなわち本発明は、きわめて安価な材料を
用いた非線形光学素子の製造方法を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の非線形光学素子
は、ＳｉＯ₂ を成分として含むガラス材料（以下「シリ
カ系ガラス」という）を原子、分子またはそのクラスタ
の状態で基板上に堆積させて薄膜を形成し、この薄膜に
直流電界を印加してその薄膜を構成する誘電体材料の分
極を配向させて形成されたことを特徴とする。具体的に
は、シリカ系ガラスをターゲットとしてスパッタリング
により薄膜を形成し、これにコロナポーリングによって
直流電界を印加する。

【０００８】本明細書において「上」とは、基板から遠
ざかる方向をいう。

【０００９】

【作用】本願発明者らの研究では、アモルファスでマク
ロ的には異方性が無いはずのシリカ系ガラスであって
も、 （１）分子状態またはそれに近い状態にしてから基板に
堆積させ、 （２）得られた薄膜にｋＶ／ｃｍオーダの電界を印加す
る ことにより、光学的な非線形性、特に二次の非線形性が
発現することが判明した。このような現象が生じる理由
は明らかではないが、薄膜内の欠陥が関与しているので
はないかと考えられる。また、網目修飾イオン（カチオ
ン）と非架橋酸素との間で構成される双極子の電界配向
が関与しているのかもしれないが、石英ガラスを用いた
場合にも非線形性が確認されており、その可能性は小さ
いのではないかと考えられる。

【００１０】シリカ系ガラスのうちアルカリイオンを含
むものでは、非架橋酸素とアルカリイオンとの間で構成
される双極子が電界により配向することが知られてい
る。しかし、それを利用して光学的な非線形性を実現す
る方法は現在のところ知られていない。また、ＧｅＯ₂
を添加したシリカ系光ファイバでは、Ｎｄ添加ＹＡＧレ
ーザからの波長１０６４ｎｍのレーザ光をポンプ光とし
て入射したとき、初期の段階では二次高調波は発生しな
いが、数時間にわたってポンプ光を入射し続けると、二
次高調波の強度が指数関数的に増大し、やがて飽和する
現象が知られている。この現象も上述した理由が関係し
ているのではないかと考えられるが、ポンプ光の入射に
より得られる現象であり、恒久的に非線形性が得られる
わけではない。

【００１１】これに対して薄膜に形成してから電界を印
加する本発明の場合には、アルカリイオンやＧｅＯ₂ を
含まない場合にも非線形性が発現され、しかもその非線
形性が恒久的に維持される。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の非線形光学素子の製造方法を
示す図であり、コロナポーリングによる直流電界の印加
を示す。

【００１３】基板１として「パイレックス」として知ら
れる珪硼酸ガラスを用い、これに、 ＳｉＯ₂ ４９重量％ ＢａＯ ２５重量％ Ｂ₂ Ｏ₃ １５重量％ Ａｌ₂ Ｏ₃ １０重量％ Ａｓ₂ Ｏ₃ １重量％ Ｎａ₂ Ｏ ０．３重量％ の組成をもつシリカ系ガラスをターゲットとして、高周
波スパッタリングによりガラス薄膜２を形成した。基板
１の厚さは約０．５ｍｍ、ガラス薄膜２の厚さはμｍの
オーダであった。続いて、基板１を負極側の平板電極１
１に取り付け、ガラス薄膜２側には正極としてタングス
テン線１２を配置し、コロナポーリングを行った。ポー
リング条件は、大気圧、１００℃、５ｋＶとした。基板
１に用いた珪硼酸ガラスは、ガラス材料としては比較的
抵抗が小さく、コロナポーリング時の電界が有効にガラ
ス薄膜２に印加される。

【００１４】図２ないし図５はコロナポーリング処理さ
れたガラス薄膜２の特性の測定結果を示す。

【００１５】図２はメーカーフリンジ測定による結果を
示す。この測定では、ガラス薄膜２の面に垂直の方向を
０°とし、基本波の入射角に対してガラス薄膜２から発
生する二次高調波の出力強度を測定した。図２では出力
強度を任意単位で示す。この測定結果から、電界処理を
施したガラス薄膜２から二次高調波が発生していること
がわかる。

【００１６】図３はガラス薄膜２の二次の非線形光学定
数ｄ₃₃の分布を示す。この図では、コロナポーリング時
におけるタングステン線１２の真下にあたる部分を原点
とし、ｄ₃₃を任意単位で示した。この例ではタングステ
ン線１２をガラス薄膜２に対して垂直にしてコロナポー
リングを行ったので、原点で最大の電界が印加され、そ
れに対応してｄ₃₃の分布が得られた。

【００１７】図４はガラス薄膜２の膜厚に対する二次の
非線形光学定数ｄ₃₃の変化を示す。膜厚が薄いほどｄ₃₃
の値が大きいのは、コロナポーリング時の電圧印加条件
が同じであり、膜厚が薄いほどガラス薄膜２に大きな電
界が印加されたためと考えられる。測定されたｄ₃₃の値
は０．５ピコメートル程度であり、ＬｉＮｂＯ₃ の値に
比べれば小さいが、製造条件を最適化すればより大きな
値が得られると考えられる。

【００１８】図５はＴＭモードに対するガラス薄膜２の
屈折率の波長分散を示す。この図には、測定値をもとに
導いたセルマイヤーの分散曲線を実線で併記する。ＴＭ
およびＴＥモードに対する屈折率の差は１０^-3のオーダ
では確認されなかった。

【００１９】図６はガラス薄膜２で発生する二次高調波
を測定する方法を示す。ガラス薄膜２を光導波層として
用いるとき、膜厚を選択すれば、基本波に対して位相整
合のとれた二次高調波を得ることができる。これは光導
波路に固有のモード分散性を利用したものであり、基本
波および二次高調波のそれぞれの波長でのモード分散曲
線の交点から位相整合条件を満たす膜厚が求められる。
実際にはガラス薄膜２の膜厚精度には限界があるので、
その膜厚を含むようなテーパ状に形成し、位相整合膜が
容易に得られるようにした。測定は、基本波としてＮ
ｄ：ＹＡＧレーザからの波長１０６４ｎｍの光を用い、
これをＴＭ偏光としてプリズム６１からガラス薄膜２内
に導波させ、その導波光をプリズム６２から取り出すこ
とにより行った。この結果を図７および図８に示す。

【００２０】図７は発生した二次高調波の偏光角度に対
する出力強度を示す。ガラス薄膜２内で発生した二次高
調波はＴＭモードが最も強く、ＴＥモードがほぼ零とな
っていた。図７には、偏光角度θに対する理論式Ｉ＝Ｉ
₀ ｃｏｓ² θの曲線を併記する。

【００２１】図８は入射基本波強度に対する二次高調波
強度を示す。縦軸、横軸共に任意単位である。両対数で
示した入射基本波強度に対する二次高調波強度はほぼ直
線的に変化し、その傾きを最小二乗法で求めたところ
１．９７≒２であった。この値は、二次高調波強度が基
本波強度の二乗に比例するという理論とほぼ一致してい
る。

【００２２】上述の組成以外のガラス、例えばコーニン
グ７０５９をターゲットに用いてガラス薄膜を形成した
場合にも、コロナポーリングを施すことにより同様の結
果が得られた。また、石英ガラスを用いた場合にも二次
の非線形光学定数ｄ₃₃が測定されたが、屈折率の関係で
ガラス薄膜を光導波層とすることはできなかった。

【００２３】本発明の非線形光学素子は、基本的には、
従来からの非線形光学素子、例えばＬｉＮｂＯ₃ を用い
た素子と同等に利用できる。いくつかを例示すると、 （１）光導波路に固有のモード分散を利用した波長変換
素子、 （２）準位相整合を利用した波長変換素子、 （３）チェレンコフ放射型波長変換素子、 （４）本発明の非線形光学素子を電気光学素子として用
いた位相変調器 （５）同じく分岐干渉型変調器、 （６）同じく方向性結合器、 （７）同じく内部全反射スイッチ などがある。モード分散を利用した素子は図６に示した
測定で用いたものと同等であり、２番目ないし７番目の
素子について以下に説明する。

【００２４】図９は本発明の非線形素子を波長変換素子
として使用する場合の製造方法を示す。この例は準位相
整合を利用するものであり、基板９１上にガラス薄膜９
２を形成し、さらに、絶縁バッファ層９３および周期Λ
の櫛形電極９４、９５を形成する。櫛形電極９４、９５
は互いに噛み合うように配置され、これらの間に電圧を
印加すると、ガラス薄膜９２内に、符号が周期的に反転
する二次の非線形光学係数が発現される。したがって、
このガラス薄膜９２を導波層として用いると、見かけ上
の位相整合を得ることができる。

【００２５】図１０は同じく波長変換素子として使用す
る別の素子の製造方法を示す。この例もまた準位相整合
を利用するものであり、基板１０１上に導電バッファ層
１０４を介してガラス薄膜１０２を形成し、さらに、絶
縁バッファ層１０３を介して櫛形電極１０５を形成す
る。導電バッファ層１０４と櫛形電極１０５との間に電
界を印加すると、ガラス薄膜１０２には二次の非線形性
をもつ領域ともたない領域とが周期的に形成される。こ
れにより、波長λの基本波光により誘起される非線形分
極波と波長λ／２の二次高調波との位相のずれを補正で
き、位相整合が可能となる。

【００２６】図１１は図１０に示した例と同等の素子を
製造する方法を示すが、この場合には、基板１１１上に
導電バッファ層１１４を介してガラス薄膜１１２を形成
し、このガラス薄膜１１２の上方に所定の周期の櫛形タ
ングステンニードル１１５を配置し、この櫛形タングス
テンニードル１１５と導電バッファ層１１４との間にコ
ロナポーリングにより電界を印加する。

【００２７】図１２、図１３は形状的な周期性を用いて
見かけ上の位相整合を得る波長変換素子の二つの構造例
を断面図で示す。これらの素子は、基板１２１上に形成
されコロナポーリング等の電界処理が施されたガラス薄
膜１２２の表面、または基板１３１とガラス薄膜１３２
との界面に、光導波方向に沿って周期的な凹凸構造を備
える。

【００２８】図１４はチェレンコフ放射型波長変換素子
の断面図を示す。基板１４１上にはガラス薄膜１４２が
形成され、このガラス薄膜１４２には電界処理が施され
る。ガラス薄膜１４２の膜厚を適当に選ぶと、非線形分
極波の位相速度が、ガラス薄膜１４２内で発生して基板
１４１側に放射される二次高調波の位相速度より速くな
る。このとき、 Ｎ_eff ＝ｎ_s ｃｏｓθ Ｎ_eff ：基本波の等価屈折率 ｎ_s ：二次高調波に対する基板１４１の屈折率 で定まるθで放射される二次高調波は、自動的に位相整
合が満足される。

【００２９】図１５は位相変調器の一例を示す側面図で
ある。基板１５１上には導電バッファ層１５４を介して
ガラス薄膜１５２が形成され、このガラス薄膜１５２に
は電界処理が施される。電界処理されたガラス薄膜１５
２上には、入射プリズム１５６および出射プリズム１５
７が配置され、その間の伝搬路には絶縁バッファ層１５
３を介して電極１５５が設けられる。電極１５５と導電
バッファ層１５４との間に電圧を印加すると、ガラス薄
膜１５２に垂直な電界によりその方向の屈折率が変化す
る。したがって、入射面に対して４５°傾斜した偏光を
入射プリズム１５６に入射すると、電圧印加により出射
プリズム１５７から出射される光の強度が変調される。

【００３０】図１６は分布干渉型変調器に利用した例を
示す平面図である。基板１６１上に形成され電界処理さ
れたガラス薄膜でＹ分岐導波路１６２を形成し、ＴＭモ
ードの導波光が１対１に分岐され、二つの分岐路を経由
した後に再び合波されるようにする。各分岐路にはバッ
ファ層を介してプレーナ電極１６４、１６５を取り付け
る。このプレーナ電極１６４、１６５間に電圧を印加す
ると、各分岐路でガラス薄膜に垂直方向の屈折率変化が
得られる。この屈折率変化を利用して導波光の位相差を
制御し、干渉により光強度を変調する。この素子は光ス
イッチとしても利用できる。

【００３１】図１７は方向性結合器に利用した例を示す
平面図である。ガラス薄膜により同じ導波路パラメータ
をもつ二つの光導波路１７２−１、１７２−２を近接し
て形成し、結合領域にそれぞれプレーナ電極１７４、１
７５を設ける。プレーナ電極１７４、１７５間に電圧を
印加すると、光導波路１７２−１、１７２−２間の結合
係数が変化し、光導波路１７２−１または１７２−２の
入射光Ｐ_I に対する光導波路１７２−１、１７２−２の
それぞれの出力光Ｐ_A 、Ｐ_B の強度が変化する。また、
印加する電圧を適当に調整すれば、光導波路１７２−
１、１７２−２の一方から導波光を取り出すことができ
る。

【００３２】図１８は内部全反射スイッチに利用した例
を示す斜視図である。基板１８１上には導電バッファ層
１８４を介してガラス薄膜１８２を形成し、これに電界
処理を施した後に、ガラス薄膜１８２上にストライプ電
極１８５を設ける。このストライプ電極１８５と導電バ
ッファ層１８４との間に電圧を印加すると、ガラス薄膜
１８２に垂直に電界が生じ、ＴＭ波に対する屈折率が変
化し、導波光に対する等価屈折率が変化する。等価屈折
率が小さくなるような方向に電界を印加すると、ストラ
イプ電極１８５に対する導波光の入射角θを適当に調整
することによりその導波光をストライプ電極１８５の部
分で全反射させることができる。すなわち、印加電圧の
オン、オフにより導波光の経路を変えることができ、ス
イッチ素子として利用できる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の非線形光
学素子は、安価なシリカ系ガラスを用いて簡単な方法に
より製造でき、加工も容易である。また、構造的に光導
波路としての使用に適しており、光導波路を利用した波
長変換素子や電気光学素子に用いて特に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非線形光学素子の製造方法を示す図で
あり、コロナポーリングによる直流電界の印加を示す
図。

【図２】コロナポーリング処理されたガラス薄膜のメー
カーフリンジ測定による結果を示す図。

【図３】ガラス薄膜の二次の非線形光学定数ｄ₃₃の分布
を示す図。

【図４】ガラス薄膜の膜厚に対する二次の非線形光学定
数ｄ₃₃の変化を示す図。

【図５】ＴＭモードに対するガラス薄膜の屈折率の波長
分散を示す図。

【図６】ガラス薄膜で発生する二次高調波を測定する方
法を示す図。

【図７】ガラス薄膜内で発生した二次高調波の偏光角度
に対する出力強度を示す図。

【図８】入射基本波強度に対する二次高調波強度を示す
図。

【図９】本発明を利用した波長変換素子の製造方法を示
す図。

【図１０】波長変換素子の別の例の製造方法を示す図。

【図１１】図１０に示した例と同等の素子を製造する方
法を示す図。

【図１２】形状的な周期性を用いる波長変換素子の構造
例を示す断面図。

【図１３】形状的な周期性を用いる波長変換素子の別の
構造例を示す断面図。

【図１４】本発明を利用したチェレンコフ放射型波長変
換素子を示す断面図。

【図１５】本発明を利用した位相変調器を示す断面図。

【図１６】本発明を利用例した分布干渉型変調器の平面
図。

【図１７】本発明を利用した方向性結合器の平面図。

【図１８】本発明を利用した内部全反射スイッチの斜視
図。

【符号の説明】

１、９１、１０１、１１１、１２１、１３１、１４１、
１５１、１６１、１７１、１８１ 基板 ２、９２、１０２、１１２、１２２、１３２、１４２、
１５２、１８２ ガラス薄膜 １１ 平板電極 １２ タングステン線 ６１、６２ プリズム ９３、１０３、１５３、１８３ 絶縁バッファ層 ９４、９５、１０５ 櫛形電極 １０４、１１４、１５４、１８４ 導電バッファ １１５ 櫛形タングステンニードル １５５ 電極 １５６ 入射プリズム １５７ 出射プリズム １６２ Ｙ分岐導波路 １６４、１６５、１７４、１７５ プレーナ電極 １７２−１、１７２−２ 光導波路 １８５ ストライプ電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 分極が配向した誘電体材料の薄膜導波路
   を基板上に備えた非線形光学素子において、 前記誘電体材料はＳｉＯ₂ を成分として含むガラス材料
   であり、 その分極が少なくとも常温で恒久的に安定していること
   を特徴とする非線形光学素子。
2. 【請求項２】 基板上に誘電体材料の薄膜を形成し、 この薄膜に直流電界を印加してその薄膜を構成する誘電
   体材料の分極を配向させる非線形光学素子の製造方法に
   おいて、 前記誘電体材料はＳｉＯ₂ を成分として含むガラス材料
   であり、 このガラス材料を原子、分子またはそのクラスタの状態
   で基板上に堆積させて前記薄膜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。
3. 【請求項３】 ガラス材料をターゲットとしてスパッタ
   リングにより薄膜を形成する請求項１記載の非線形光学
   素子の製造方法。
4. 【請求項４】 直流電界の印加はコロナポーリングによ
   り行う請求項１記載の非線形光学素子の製造方法。