WO1998012592A1

WO1998012592A1 - Production d'un guide d'onde planc et guide d'onde planc

Info

Publication number: WO1998012592A1
Application number: PCT/JP1997/003186
Authority: WO
Inventors: Takumi Fujiwara; Akira Ikushima
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha; Toyota School Foundation
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 1998-03-26
Also published as: CA2266682C; AU716343B2; CA2266682A1; JPH1090546A; KR20000036168A; AU4219097A; US6374026B1; EP0927906A1; EP0927906A4

Description

明細書平面導波路の製造方法及び平面導波路

[技術分野]

本発明は、光非線形性を有する平面導波路、特に紫外線励起ボーリングを利用するものに関する。

[背景技術]

近年のコンビユー夕等の情報処理技術の進歩に伴い、大量のデータの高速処理ゃ大容量の情報伝送の必要性はますます高まっている。そして、大容量の情報伝送には、光ファイバ伝送が最も有効であり、広く利用されるようになってきていこの光ファイバ伝送は、光ファイバ中に光信号伝送するものであり、この光フアイバ伝送を行う場合には、光源、受光器、光信号発生器、光スィッチ/力ブラ、伝送光ファイバ等が必要である。また、光信号発生器や光スィッチなどの光機能素子には、電気光学効果（光非線形性）が利用される。この光非線形性は、光

(電磁波）によって物質中に生じる非線形分極が起因となって生じる現象であるこのため、光非線形材料に印加する電界強度などを制御することによって、光非線形材料を透過する光の強度や方向等を変え、光スィツチ素子などが形成されている。

そして、光ファイバに導入される光に対し、このように光機能素子を利用して伝達したい情報に基づいた光変調を施して伝送することによって、受光側でこれを復調して、情報の光ファイバ伝送が達成される。

ここで、このような光非線形材料としては、 L i N b〇₃ や B a T i 0₃ などの結晶材料が用いられる。これは、現在のところ十分な光非線形性が得られる材料としては、これら結晶材料しかないからである。

—方、ガラス製の光ファイバとの安定な接続、透過光に対する低い損失、低コスト化、広い透過波長域等の観点からは、ガラス材料で光スィッチなどの光機能素子を構成することが好ましい。

そこで、ガラス材料に光非線形性を付与しょうとする試みもなされている。例えば、ガラス材料に、 1 0 ⁶ V/ c m程度という高電界を印加した状態で、紫外線光を照射し、紫外線励起ポーリングを行うことが、 ELECTRONICS LETTERS 30 th March 1995 Vol .31 No.7 pp.573-574 j に示されている。

この紫外線励起ポーリングによれば、ガラス材料であっても、結晶材料と同等の光非線形性が得られ、光機能素子に好適に利用できると考えられる。

上述のように、上記従来提案の紫外線励起ポーリングによって、ガラス材料に非線形性を付与できる。しかし、光ファイバのコアの一定の範囲に光非線形性を付与するだけである。従って、光機能素子としての利用の可能性を示すだけであつた。

また、光ファイバを利用した光機能素子は、伝送用の光ファイバとの接続が非常に容易である等の利点があるが、その形状に基づいて機能が限定される。

一方、平面導波路は、複数の導波路を形成することもでき、処理機能の多面化が図れる。特に、ガラス製基板に光非線形性を付与できれば、様々な用途において、好適な平面導波路が得られると考えられる。

[発明の開示]

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ガラス製基板に光非線形性を付与する平面導波路の製造方法及び光非線形性を有する平面導波路を提供することを目的とする。

本発明に係る平面導波路の製造方法は、ガラス製の基板の表面に、導波路のコァ部分に対応する間隙をおいて、一対の導電性材料からなる電極を配置し、その電極間に電圧を掛けた状態で、前記間隙を介して、基板ガラス表面に紫外線を照射し、コア部に紫外線励起ポーリングを施すことを特徴とする。

このように、本発明によれば、ガラス基板の表面のコア部に対し、紫外線励起ポーリング処理を施すことによって、ここに光非線形性を付与する。従って、この光非線形を有するコア部に印加する電界を制御することによって、各種の機能を発揮することができる。また、ガラス基板の一部に非線形性を付与できるため、安価で、またガラス製の光ファイバとの接続が容易である等の効果も得られる。特に、ガラスに対する紫外線励起ポーリングにより、 L i N b 0 ₃ と同様の数 p m/V以上の光非線形係数が得られるため、その電界に対する応答を十分なものにできる。

また、本発明は、ガラス製の基板の表面に導電性の金属膜を形成する工程と、形成された金属膜をエッチングし、所定の間隙を隔てた一対の電極を形成するェ程と、形成された電極をマスクとして、所定の元素を上記間隙の下方の基板表面に注入し、コア部を形成する工程と、上記一対の電極間に電圧を印加した状態でコア部に紫外線を照射して紫外線励起ポーリングを行い、コア部に光非線形性を付与する工程と、を含むことを特徴とする。

このように、金属膜をエッチングした後、コア部を形成することで、電極間の間隙の下方に確実にコア部を形成することができ、光導波路の所望の部分に容易かつ確実に紫外線励起ポーリング処理を施すことができる。

また、本発明は、上記コア部に対する紫外線の照射は、所定の位相マスクを介して行い、コア部に光非線形性を有する部分を周期的に形成することを特徴とする。

このように、紫外線の照射を不連続にすることで、コア部にグレーティングを形成することができる。そして、このグレーティングによって、特定波長（ブラッグ波長）の光を反射干渉できる。また、このブラッグ波長は、電圧の印加によつて変化する。そこで、このコア部を波長スィッチなどとして機能させることができる。

特に、本発明によれば、位相マスクを使用し、紫外線の照射部分を限定するという簡単な手段で、グレーティングを容易に形成できる。

また、本発明に係る平面導波路は、ガラス製の基板と、この基板上に所定の間隙を介して形成された一対の電極と、この一対の電極間の間隙の下方の基板表面部に形成され、所定元素の添加により、基板と屈折率が異なるコア部と、を有し、上記コア部は、電気光学係数として、 1 p m/V以上の光非線形性が付与されていることを特徴とする。 [図面の簡単な説明]

図 1は、実施形態に係る平面導波路の構成を示す図である。

図 2は、平面導波路の製造工程を示す図である。

図 3は、グレーティング部を有する平面導波路の構成を示す図である。

図 4は、位相マスクの構成を示す図である。

図 5は、光機能素子の一例を示す図である。

図 6は、光機能素子の一例を示す図である。

図 7は、システム構成例を示す図である。

[発明を実施するための最良の形態]

以下、本発明に好適な実施の形態（以下、実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

図 1は、本発明に係る平面導波路の概略構成図である。ガラス基板 1 0は、シリカガラス（S i 0 ₂ ) を平板状に形成したものであり、その表面には、一対の電極 1 2 a、 1 2 bが形成されている。この電極 1 2 a、 1 2 bは、例えばアルミニゥム（A 1 ) の薄膜で形成されている。また、この一対の電極 1 2 a、 1 2 b間の間隙の下方には、ゲルマニウム（G e ) 等がドープされ、屈折率が調整されたコア部 1 4が形成されている。

そして、このコア部 1 4には、紫外線励起ポーリングにより、光非線形性が付与されている。従って、電極 1 2 a、 1 2 b間に印加する電圧によって、コア部 1 4の光学的性質を制御することができる。そこで、コア部 1 4を導通する光が電極 1 2 a、 1 2 b間に印加する電圧により制御され、平面導波路が光機能素子として動作する。

「製造方法」

このような平面導波路の製造方法について、図 2に基づいて説明する。まず、石英ガラスの平板からなるガラス基板 1 0を用意する（S 1 1 ) 。そして、このガラス基板 1 0の表面に金属膜 1 2を形成する（S 1 2 ) 。例えば、ガラス基板 1 0を真空チャンバ中に収容し、金属をガラス基板 1 0の表面に蒸着することによって行う。蒸着する金属としては、例えばアルミが採用される。なお、金属膜 12の形成は、蒸着以外の方法でも構わない。

次に、金属膜 12の所定部分をエッチングで除去し、 2つの電極 12a、 12 bを形成する（S 13) 。この例では、両電極 12 a、 12b間に直線状の間隙を形成する。ここで、このエッチングは、フォトリソグラフィ等によって行う。すなわち、金属膜 12上の全面にレジストを堆積形成し、ここに間隙を形成するためのマスクパターンを介し、光を照射して、レジストの所定の部分を感光する _£ 次に、感光に対応して間隙に対応する分を除去し、その部分の金属膜 12を露出させる。そして、金属膜 12の露出した部分を除去する。最後にレジストを除去して、間隙を介し対向する電極 12 a、 12bが形成される。

次に、電極 12a、 12 bをマスクとして、 G e 0₂ (酸化ゲルマニウム）をド一プする（S 14) 。この酸化ゲルマニウムのドーブによって、ドーブされた範囲に、他の部分とは屈折率の異なる導波路として機能するコア部 14が形成される。このようにして、電極に挾まれた部分に確実にコア部が形成される。従つて、後述の紫外線励起ポ一リングを確実にコア部に対して行うことができる。また、各種形状のコア部が容易に形成可能であり、電極の位置は必ずコア部に対応している。

なお、導波路を限定しない素子を形成する場合には、ガラス基板 10全体に酸化ゲルマニウム等を添加し、屈折率を調整しておき、 S 14のようなドープ工程は省略する。なお、この例では、間隙は、 10 m程度に設定してある。

このようにして、電極 12 a、 12 bが形成されたときには、この電極 12 a、 12 b間に所定の高電圧電圧を印加した状態で、紫外線を照射し、コア部 14に対し紫外線励起ポーリング処理を施す（S 15) 。

すなわち、電極 12a、 12 b間に約 1 kVの電圧を印加する。これによつて、コア部 14に、約 10⁶ VZcmの電界が印加される。この状態で、 ArFェキシマレーザ（波長 193nm) をパルスとして照射し、コア部 14に紫外線を照射する。このレーザのエネルギー密度は、 36mJ/cm² 程度、パルスの繰り返し間隔は 1 Opps (パルス Z秒）程度、照射時間は 10〜30分程度とする c なお、電極 12a、 12 bの間隙に面した部分において、放電が生起される危険がある。そこで、この紫外線励起ポーリングを真空中で行うことが好ましい。これによつて、電極 1 2 a、 1 2 b間における放電を防止して、効果的な紫外線励起ポーリングが達成できる。

これによつて、コア部 1 4には、光非線形性が付与される。すなわち、このような紫外線励起ポーリング処理により、コア部 1 4における一次電気光学係数 r として、ほぼ 6 p m/Vが得られる。これは、 L i N b 0 ₃ 等に匹敵する値であり、これを利用して光機能素子を形成できる。

そして、この平面導波路においては、紫外線励起ポ一リングの際の電圧印加に使用した電極 1 2 a、 1 2 bが残っている。従って、この電極 1 2 a、 1 2 bを利用してコア部 1 4に所望の電界を印加できる。そこで、各種機能を達成することが非常に容易になる。

また、この例では、 1力所のみに紫外線励起ポーリングを施したが、ガラス基板 1 0の所望の場所に、独立した電極 1 2 a、 1 2 bを形成し、ガラス基板 1 0 上の各所に光非線形性を有する素子領域を形成することも好適である。

「変形例」

ここで、コア部 1 4に、光非線形性を有する領域と、通常の領域を交互に周期的に設け、ここをグレーティング部として、利用することも好適である。すなわち、図 3に示すように、コア部 1 4に所定問隔で、屈折率が異なり、かつ 2次の光非線形性を有する非線形領域 1 6 aが、長手方向と直交する方向に一定間隔、かつ一定幅で形成され、通常領域 1 6 bとでグレーティング部 1 6が形成されている。従って、コア部 1 4をその長手方向に向けて透過する光は、グレーティング部 1 6によって反射干渉される。

そして、電極 1 2 a、 1 2 b間に印加する電圧を調整することによって、非線形領域 1 6 aの屈折率が変わり、反射干渉される波長が異なったものになる。そこで、透過を遮断する光の波長を印加電圧で制御することができ、波長スィッチや波長選択素子として利用できる。

このような平面導波路は、次のようにして形成できる。すなわち、上述の紫外線励起ポーリングの際に、紫外線レーザ光を位相マスクを介し光ファイバに照射する。この位相マスクの構成例を図 4に示す。このように、板状の基板 2 0の一面側に多数の溝 2 2が形成されている。この溝 2 2は、一定間隔で平行して形成されている。従って、ここに平行光線を透過させることによって、所定の回折現象が生起され、所定間隔において光の強弱が繰り返される。すなわち、光の照射領域と非照射領域が周期的に繰り返す縞模様（ゼブラパターン）が形成される。また、位相マスクを複数配置することで、所望の箇所に所望の紫外線照射が行える。なお、位相マスクの基板 2 0は、紫外線を透過させる石英ガラス（S i 0₂ ) 等で形成される。

これによつて、紫外線が照射された部分のみに、光非線形性が付与され、図 3 に示したような平面導波路が形成される。

そして、このような平面導波路に各種波長の光を導通させた状態で電圧を印加した場合、特に負の電圧（数 1 0 0 V程度）を印加すると、これによつて遮断される波長が明らかにシフトする。従って、この平面導波路は、波長スィッチとして利用できる。なお、電圧の正負は、ポーリング電界と反対の向きの電界を正としている。

このように、このグレーティング素子において、特定波長の光の透過強度が減少する。これは、グレーティングにより、ブラッグ反射が起こり、ブラッグ波長の光が反射されるからである。

そして、電圧の印加によって、ブラッグ波長がシフトする。さらに、ブラッグ反射も電圧の印加に従って増減する。これは、紫外線励起ポーリングによって、紫外線照射領域のコア部 1 4が、非線形性を有するようになり、一次の電気光学効果が発生しており、導波光の実効屈折率が変化するためである。

ここで、電気光学効果による屈折率の変化 Δ η _Ε0は、

Δ Π Ε Ο = - n ³ r E / 2

で表される。この式で、 nはファイバのコア領域の屈折率、 rは一次の電気光学効果係数、 Eが電界強度である。

また、ブラッグ波長 λ _Β は、

入 Β 二 2 A n _{e f f}

で表され、 Λはグレーティングのピッチである。また、グレーデイングによる前進及び後進（反射）導波光の結合（力ヅブリング）に基づく考え方において、ビ —ク反射率 Rは、 R = t anh² (K L)

で表され、 338パンド幅厶入は、

厶入 {π² + (K L) ² } °· ⁵ /2n_{ef f} L

で表される。

ここで、 Λ·は前進及び後進（反射）導波光のカップリング係数であり、

で表される。ここで、 Lはグレーティング素子長である。

なお、 n_{ef f} はグレーティング部における導波光の実効的な屈折率、 η。はクラッド部の屈折率、 <5ηは周期構造を形成する屈折率変化の大きさ、 7?は前後伝搬モードにおけるオーバーラヅプインテグラル（重なり積分）である。

そして、 n_{ef f} 、 άη及び r?は、 Δη_Ε0に応じて変化する。

実験により、電圧印加とブラッグ波長の変化の関係から、実効屈折率変化厶 η _Ε0と印加電圧の関係を調べた結果、実効屈折率 n_{cf f} は、印加電圧の変化に対し所定の負の傾きを有し、直線的に変化する。すなわち、電圧の印加によって、実効屈折率が低下し、ブラッグ波長が短波長側にシフ卜する。

なお、上述のような平面導波路では、電界 1 V/〃mに対するブラッグ波長の変化 Δλ_Β は、 0. O l nm程度である。

このように、印加電圧と実効屈折率には、線形な関係があり、 2次の光非線形性に基づく、ポッケルス効果（ 1次の電気光学効果）が得られていることが分かる。

そこで、ブラヅグ波長を電圧の印加により、シフトさせ、レーザ光の透過 '非透過を制御して、所定波長の光をスイッチングすることができる。特に、本実施形態の平面導波路は、ガラス製である。そこで、通常の光ファイバとの接続も容易に行える。すなわち、接着剤、レーザ融着、溶融接続なども容易である。また、素子における光の透過率も十分なものに維持できる。さらに、モードの不整合も発生しない。

また、印加電圧を複数変更することで、ブラッグ波長を複数段階、シフトすることもできる。これによつて、透過する波長を制御して、波長選択素子として利用することもできる。さらに、本実施形態では、グレーティングの間隔は、位相マスクによって、容易に調整できる。そこで、所望のブラッグ波長を持つグレーティング素子を容易に得ることができる。

「その他の構成」

本発明に係る平面導波路は、各種の機能部材として、利用可能である。例えば、図 5に示すように、コア部 1 4を一旦二股に分岐した後再び合流する形状とし、分岐した部分にそれぞれ電極 1 2 a、 1 2 bを配し、電圧を印加できるように形成することが好適である。

このような構成によって、 2つの分岐部分に対する印加電圧を調整することによって、分岐した 2つの光の位相を制御することができる。従って、両者の位相を 1 8 0 ° ずらし、出力する光を減衰することなどができ、光の強度変調を行うことができる。

また、電極の配置は、図 5の構成に限らず、図 6のようにコア部 1 4上に電極 1 2 c、 1 2 dを配置してもよい。この場合、電極 1 2 c、 1 2 dは、紫外線ポ —リングの際に使用した電極 1 2 a、 1 2 bを除去した上で、形成すればよい。このような構成によって、上述と同様の変調が行える。

本発明の平面導波路によれば、ガラス基板 1 0の任意の部分に光非線形性を有する部分を形成できる。従って、要求に応じて、各種の光機能部材、光機能回路を形成することができる。

例えば、図 7に示すような双方向光伝送システムにおける信号発生器、光スィヅチ /力ブラ等を本発明の平面導波路により構成することができる。すなわち、図 7のシステムでは、 2つの端末 1 0 0が示してある（通常のシステムでは端末 1 0 0は多数ある）。そして、これら端末 1 0 0は、光ファイノ、 1 0 2と交換器 1 0 4を介し接続されている。交換器 1 0 4は、所望の光ファイバ 1 0 2同士の接続を制御する。

そして、各端末 1 0 0内は、光源 1 0 0 a、信号発生器 1 0 0 b、光スイッチ /力ブラ 1 0 0 c、受光器 1 0 0 dを有している。光源 1 0 0 aは所定の光線を発生するレーザ光源であり、信号発生器 1 0 0 bは、光源 1 0 0 aからの光線を伝送したい情報に基づき光変調する。光スィツチ/力ブラ 1 0 0 cは、送信時において、信号発生器 1 0 0 bからの光信号を伝送光ファイバ 1 0 2に向けて出力し、受信時は、伝送光ファイバ 1 0 2から送られてくる光信号を受光器 1 0 0 d に供給する。受光器 1 0 0 dは、入力されてくる光信号を電気信号に変換する。なお、図示は省略したが、受光器 1 0 0 dで得られた電気信号を復調することで、送信されてきた情報を復調することができる。なお、光コネクタ 1 0 6は、端末 1 0 0と伝送光ファイバ 1 0 2の接続を行うためのものである。

このようにして、光ファイバを利用した伝送システムが構築できるが、この信号発生器 1 0 0 b、光スィツチ/力ブラ 1 0 0 c等に、本発明による平面導波路が好適に利用できる。

[産業上の利用の可能性]

光ファイバを利用した伝送システムにおける光信号発生器や光スィツチ/力プラなどの光機能素子に利用される。

Claims

請求の範囲

1 . ガラス製の基板の表面に、導波路のコア部分に対応する間隙をおいて、一対の導電性材料からなる電極を配置し、

その電極間に電圧を掛けた状態で、前記間隙を介して、基板ガラス表面に紫外線を照射し、コア部に紫外線励起ポーリングを施すことを特徴とする平面導波路の製造方法。

2 . ガラス製の基板の表面に導電性の金属膜を形成する工程と、

形成された金属膜をエッチングし、所定の間隙を隔てた一対の電極を形成する工程と、

形成された電極をマスクとして、所定の元素を上記間隙の下方の基板表面に注入し、コア部を形成する工程と、

上記一対の電極間に電圧を印加した状態でコア部に紫外線を照射して紫外線励起ポーリングを行い、コア部に光非線形性を付与する工程と、

を含むことを特徴とする平面導波路の製造方法。

3 . 請求項 2に記載の方法において、

上記コア部に対する紫外線の照射は、所定の位相マスクを介して行い、コア部に光非線形性を有する部分を周期的に形成することを特徴とする平面導波路の製造方法。

4 . ガラス製の基板と、

この基板上に所定の間隙を介して形成された一対の電極と、

この一対の電極間の間隙の下方の基板表面部に形成され、所定元素の添加により、基板と屈折率が異なるコア部と、

を有し、

上記コア部は、電気光学係数として、 1 p m/V以上の光非線形性が付与されていることを特徴とする平面導波路。