WO1999046632A1 - Procede de fabrication d'un guide d'ondes optique a couche mince non lineaire et guide d'ondes optique a couche mince non lineaire - Google Patents

Procede de fabrication d'un guide d'ondes optique a couche mince non lineaire et guide d'ondes optique a couche mince non lineaire Download PDF

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WO1999046632A1
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optical
waveguide
gap
electrodes
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Takumi Fujiwara
Akira Ikushima
Osamu Komeda
Original Assignee
Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Toyota School Foundation
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    • G—PHYSICS
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing an optical non-linear thin film waveguide using a glass substrate and an optical non-linear thin film waveguide, and more particularly to control of the shape of a waveguide having optical non-linearity.
  • an optical functional element utilizing second-order optical nonlinearity has been known, and is usually formed using a crystalline material.
  • optical fibers and the like are made of a glass material, and there is a demand that the optical functional element be made of a glass material in consideration of compatibility with the optical fiber and cost.
  • a flat type element is suitable, and an optical function element using a glass substrate is desired.
  • a method of manufacturing a planar optical waveguide using a glass material there is a method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-146475.
  • a fine particle-dispersed glass film is deposited on a glass substrate, and a resist mask is formed above a portion to be a core by using a photoresist.
  • the fine particle-dispersed glass film not covered with the resist mask is removed by reactive ion etching.
  • an optical waveguide portion (core portion) is formed.
  • a glass film serving as a clad portion is deposited so as to cover the core.
  • Such a method of manufacturing a planar optical waveguide requires an etching step of leaving a resist film corresponding to the core portion.
  • this core is thin, it is difficult to etch only this part.
  • the optical nonlinearity obtained by this method is of the third order, not of the second order. Therefore, there is a problem that the magnitude of the nonlinearity is small and it is difficult to obtain an operation sufficient to perform a sufficient function as an optical element.
  • a planar waveguide is proposed.
  • a pair of electrodes is formed on the surface of a glass substrate.
  • Ge is added to the surface of the glass substrate through a gap between the electrodes, and this is used as a core.
  • a high voltage is applied between the electrodes while irradiating the ultraviolet rays, and the core is subjected to ultraviolet polling.
  • second-order optical nonlinearity is imparted to the core.
  • Optical nonlinearity due to ultraviolet poling is quite large almost the same as the optical nonlinear crystalline material, such as L i N b 0 3. Therefore, it is considered that various functional optical waveguides can be produced using this planar waveguide.
  • a functional optical waveguide such as an optical switch or an optical modulator in optical communication, optical measurement, optical information processing, or the like, must propagate and operate in a single optical mode.
  • the propagation constants (refractive index corresponding to each mode) of each mode are different. Therefore, the operating voltages for switching and the like using the light interference effect also differ. Therefore, in order to perform operations such as switching, the optical waveguide must be shaped so as to enable single-mode light propagation.
  • the optical waveguide shape is determined by the combination of the refractive index and its three-dimensional structure dimensions.
  • the thickness of the optical waveguide (depth from the substrate surface) formed by UV-excited poling is controlled by changing the intensity of ultraviolet light using the light absorption of the substrate. It had been.
  • the intensity of ultraviolet light must be reduced.
  • the developed second-order optical nonlinearity also depends on the ultraviolet light intensity, the waveguide shape and the emerging optical nonlinearity cannot be independently controlled.
  • the larger the intensity of the ultraviolet light the larger the value of the optical nonlinearity. Therefore, if a large optical nonlinearity is given, the size of the waveguide becomes large, and there is a problem that single-mode propagation cannot be realized.
  • the present invention relates to an optical non-linear waveguide using a glass material, which has a sufficiently large second-order optical non-linearity and can appropriately form a three-dimensional waveguide. It is an object of the present invention to provide a waveguide manufacturing method and an optical nonlinear waveguide.
  • the manufacturing method according to the present invention includes a step of forming a SiO 2 thin film containing Ge on a glass substrate and a step of forming a metal electrode thin film having a gap having a shape corresponding to the waveguide pattern thereon. If, you and a step of irradiating ultraviolet rays to the S i 0 2 thin film containing G e through the gap while applying a voltage across the gap between the metal electrode thin film, a.
  • S i 0 2 thin film containing G e is formed on the glass substrate.
  • the shape of the electrodes defines a width direction, it is possible to control the depth direction by the thickness of S i 0 2 thin film containing G e, the shape of the optical nonlinear waveguide can be controlled in three dimensions .
  • light can be propagated in the optical nonlinear waveguide in a single mode, and operations such as switching in the optical nonlinear waveguide can be reliably performed.
  • SiO 2 glass is preferable, but it is also possible to use sodium glass or the like.
  • a transparent insulator thin film is provided on the metal electrode thin film so as to cover at least the gap portion. while applying a voltage across the and then irradiating ultraviolet rays to G e to including S i 0 2 thin film through the gap.
  • This insulator thin film needs to have a high voltage at which an insulator breakdown occurs and transmit ultraviolet light. For example, S i 0 2 is preferred.
  • the optical nonlinear thin film waveguide is formed in a vacuum chamber.
  • dielectric breakdown does not occur as in air, so that a sufficiently high voltage can be applied between the electrodes to perform ultraviolet poling.
  • the optical nonlinear thin film waveguide according to the present invention the S i 0 2 thin film containing G e formed on a glass substrate, is formed on the S i 0 2 thin film containing the G e, the waveguide pattern A metal electrode thin film having a gap of a corresponding shape, and a portion of the Si thin film including Ge corresponding to the gap of the metal electrode thin film has second-order optical nonlinearity.
  • the optical nonlinear thin film waveguide according to the present invention is characterized in that a transparent insulator thin film is formed on the metal electrode thin film so as to further cover the gap.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an optical nonlinear thin-film waveguide according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the optical nonlinear thin film waveguide.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating another configuration example of the optical nonlinear thin film waveguide.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the production of an optical nonlinear thin film waveguide in a vacuum chamber.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical nonlinear thin-film waveguide (planar waveguide) according to the present invention.
  • the glass substrate 10 is made of silica glass (SiO 2 glass) formed in a flat plate shape, and a Ge-added SiO 2 thin film 12 which is a SiO 2 thin film containing Ge is formed on the surface thereof. I have.
  • the Ge-added SiO 2 thin film 12 has a thickness of about 1 to 5/111 and a Ge concentration of about 1 to 3 Omo 1%. Specific numerical values are determined according to the specifications of the planar waveguide such as the wavelength used.
  • the electrodes 14 a and 14 b patterned in a predetermined shape are formed on the Ge-added SiO 2 thin film 12 so as to face each other with a predetermined gap therebetween.
  • the electrodes 14a and 14b are formed of, for example, a thin film of aluminum (A1).
  • a transparent insulating thin film 16 is formed so as to cover the electrodes 14a and 14b and the gap therebetween.
  • the insulating thin film 16 is a SiO 2 thin film.
  • a portion corresponding to the gap between the electrodes 14a and 14b of the Ge-doped SiO 2 thin film 12 forms a channel portion 18, and the channel portion 18 is provided with optical nonlinearity by ultraviolet excitation polling. I have. Therefore, the optical properties of the channel section 18 can be controlled by the voltage applied between the electrodes 14a and 14b. Thus, the light passing through the channel 18 is controlled by the voltage applied between the electrodes 14a and 14b, and the planar waveguide operates as an optical functional element.
  • the glass substrate 10 As an example, SiO 2 glass is used, but sodium glass or the like can also be used.
  • a glass substrate 10 made of a flat plate of SiO 2 glass is prepared (S 11). Then, the glass substrate 10 of this is housed in a vacuum chamber to form a G e added S I_ ⁇ 2 thin film 12 on the surface of the glass substrate 10 (S 12).
  • the Ge-added SiO 2 thin film 12 is formed by using an electron beam evaporation method using a sintered material containing 20% of Ge 2 as an evaporation source.
  • a metal film 14 is formed on the Ge-added SiO 2 thin film 12 (S 13).
  • A1 is used as the metal, but other metals may be used, and the metal film 14 may be formed by a method other than vapor deposition.
  • a predetermined portion of the metal film 14 is removed by etching to form two electrodes 14a and 14b (S14).
  • a linear gap is formed between both electrodes 14a and 14b.
  • this etching is performed by photolithography or the like. That is, a resist is deposited and formed on the entire surface of the metal film 14, and light is irradiated through a mask pattern for forming a gap to expose a predetermined portion of the resist. Next, the portion corresponding to the gap corresponding to the exposure is removed, and the metal film 14 in that portion is exposed. Then, the exposed portion of the metal film 14 is removed. Finally, the resist is removed to form electrodes 14a and 14b facing each other with a gap therebetween.
  • the insulating thin film 16 is formed on the electrodes 14a and 14b (S15).
  • the insulating thin film 16 is a SiO 2 thin film, and is formed by an electron beam evaporation method using SiO 2 as an evaporation source.
  • the insulating thin film 16 may be formed on the entire surface, but it is necessary to cover at least the gap formed by the electrodes 14a and 14b.
  • the insulating thin film 16 may be made of any material as long as it transmits ultraviolet light and does not easily cause dielectric breakdown. For example, MgO or MgF 2 can be adopted.
  • a voltage of about 1 kV is applied between the electrodes 14a and 14b.
  • an electric field of about 10 6 V / cm is applied to the channel section 18.
  • an Ar F excimer laser (wavelength 193 nm) is irradiated as a pulse, and the channel 18 is irradiated with ultraviolet light.
  • the energy density of this laser is about 36 mJ / cm 2
  • the pulse repetition interval is about 1 O pps (pulses / second)
  • the irradiation time is about 10 to 30 minutes.
  • this portion is covered with the insulating thin film 16.
  • the electric breakdown field of air is about 10 4 V / cm, and when a voltage of 10 6 V / cm is applied to the channel section 18, discharge occurs.
  • Sio 2 transmits ultraviolet light (for example, a wavelength of 193 nm) and has a sufficient insulation breakdown voltage, and is suitable as the insulating thin film 16.
  • the channel section 18 is given second-order optical nonlinearity.
  • the value of 2 pm / V or more can be obtained as the magnitude (d constant) of the second-order optical nonlinearity in the channel section 18 by such an ultraviolet excitation polling process.
  • the Ge-added SiO 2 thin film 12 is formed on the glass substrate 10. Therefore, the secondary optical non-linearity expressed by the ultraviolet excitation poling is limited to the Ge-added SiO 2 thin film 12. Therefore, the width of the waveguide can be defined by the shapes of the electrodes 14 a and 14 b, and the depth direction can be controlled by the thickness of the Ge-doped SiO 2 thin film 12. Can be controlled. Therefore, light can be propagated in the optical nonlinear waveguide in a single mode, and operations such as switching in the optical nonlinear waveguide can be reliably performed.
  • UV excitation polling was applied to only one location, but the glass substrate 10 It is also preferable that independent electrodes 14a and 14b are formed at desired locations, and element regions having optical nonlinearity are formed at various locations on the glass substrate 10. Further, it is also preferable that the Ge-added Si ⁇ ⁇ 2 thin film 12 is subjected to patterning by a photolithography technique or the like to limit the position of the optical waveguide. Also, as described in Japanese Patent Application No. Hei 8-2444965, a region having optical nonlinearity and a normal region are alternately and periodically provided in the channel portion 18, and this is used as a grating portion. It is also preferable to use it.
  • the planar waveguide according to the present invention can be used as various functional members.
  • the channel portion 18 is shaped into a force bra that once merges the forked waveguides and then branches back to the forked portions. It is preferable to arrange them so that a voltage can be applied.
  • the phase of light can be controlled by adjusting the voltage applied to the two converging portions.
  • optical nonlinear thin-film waveguide of the present invention a portion having optical nonlinearity can be formed on an arbitrary portion of the glass substrate 10. Therefore, various optical functional members and optical functional circuits can be formed as required. For example, a signal generator, an optical switch / power blur, and the like in a bidirectional optical transmission system can be configured by the optical nonlinear waveguide of the present invention.
  • the planar waveguide is manufactured by vacuum excitation using ultraviolet light in a vacuum.
  • Figure 4 shows the configuration.
  • the vacuum chamber 20 has a cross-shaped pipe, three sides of which are closed, and one of which is connected to an exhaust system such as a vacuum pump.
  • a sample stage 22 is provided in a pipe extending vertically downward, on which a glass substrate 10 on which electrodes 14 a, 14 b and a Ge-added SiO 2 thin film 12 are formed is placed. It is placed.
  • the electrodes 14a and 14b are connected to a power supply outside the vacuum chamber.
  • the upper pipe in the vertical direction is sealed with quartz glass 24, and ultraviolet rays are irradiated through the quartz glass 24.
  • Such devices in a state where ultraviolet rays were irradiated to the G e added S i 0 2 thin film 1 2, a high voltage is applied between the electrodes 1 4 a, 1 4 b.
  • ultraviolet poling can be performed by applying a desired high voltage between the electrodes 14a and 14b, and desired optical nonlinearity can be imparted to the Ge-added thin film 12 between the electrodes. It is preferable that the formation of the Ge-added SiO 2 thin film 12 and the electrodes 14 a and 14 b is also performed in the same vacuum chamber 20.
  • This device A r F excimer laser (wavelength 1 93 nm), the energy density of 1 00mJ / cm 2 1 0 4 pulses (1 0 pp s) were irradiated. Pressure in the vacuum chamber 20 was about 1 0- 6 T 0 rr. Moreover, the polling field is set to 8 xl 0 4 V / cm. As a result, an optical nonlinearity of 3.8 ⁇ 0.3 pm / V was obtained in the channel region.
  • optical nonlinear thin-film waveguide of the present invention can be used for a signal generator, an optical switch / power blur, etc. in a bidirectional optical transmission system.

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Description

明 細 書 光非線形薄膜導波路の製造方法及び光非線形薄膜導波路 [技術分野]
本発明は、 ガラス基板を利用した光非線形薄膜導波路の製造方法及び光非線形 薄膜導波路、 特に光非線形性を有する導波路の形状の制御に関する。
従来より、 2次光非線形性を利用した光機能素子が知られており、 通常は結晶 材料を利用して形成されている。 一方、 光ファイバなどはガラス材料で形成され ており、 光ファイバとの相性やコスト面などを考慮すると、 光機能素子もガラス 材料で形成したいという要求がある。 さらに、 各種の光制御 （信号制御） 機能を 達成するためには、 平面型の素子が適しており、 ガラス基板を利用した光機能素 子が望まれる。
ここで、 ガラス材料を利用した平面型光導波路の製造方法として、 特開平 8— 1 4 6 4 7 5号公報に記載のものがある。 この従来例では、 ガラス基板上に微粒 子分散ガラス膜を堆積させ、 フォトレジストによりコアとなる部分の上部にレジ ストマスクを形成する。 次に、 反応性イオンェヅチングによりレジストマスクで 覆われていない部分の微粒子分散ガラス膜を除去する。 この工程により、 光導波 部 （コア部） が形成される。 次に、 レジストマスクを除去した後、 コアを覆うよ うにクラッ ド部となるガラス膜を堆積させる。 そして、 このようにして作成され た光導波路のコア部の一部に高パワーレーザ光を照射することで、 その部分を大 きな光非線形性を持つように変質させている。
このような平面光導波路の製造方法ではコア部に対応するレジスト膜を残すェ ヅチング工程が必要である。 ところが、 このコア部は細いので、 この部分のみ残 すエッチングは難しい。 また、 この方法で得られる光非線形性は、 3次のもので あり 2次のものではない。 そこで、 非線形性の大きさが小さく、 光学素子として 十分な機能を果たすだけの動作を得ることが難しいという問題点があった。
「関連技術」
本出願人は、 特願平 8— 2 4 4 9 6 5号において、 紫外線励起ポーリングによ る平面導波路について提案した。 この方法では、 まずガラス基板の表面に一対の 電極を形成する。 次に、 この電極をマスクとして電極間の間隙を介し、 ガラス基 板の表面に G eを添加し、 ここをコア部とする。 そして、 紫外線を照射した状態 で電極間に高電圧を印加し、 コア部に紫外線ポ一リングを施す。 これによつて、 コア部に 2次光非線形性を付与する。 この紫外線ポーリングによる光非線形性は L i N b 03などの結晶材料の光非線形性とほぼ同等のかなり大きなものである。 従って、 この平面導波路を用いて各種の機能性光導波路の作成が可能と考えられ ている。
ここで、 光通信、 光計測、 光情報処理などにおける光スィッチや光変調器など の機能性光導波路は、 単一光モードの伝搬や動作が必須である。 多数の光モード が存在すると、 各モードの伝搬定数 （各モードに対応する屈折率） は、 それぞれ 異なる。 従って、 光の干渉効果を利用したスイッチングなどの動作電圧も異なる ものになってしまう。 そこで、 スイッチングなどの動作を行わせるためには、 光 導波路は、 単一モ一ドの光伝搬が行えるような形状にしなければならない。
光導波路形状は、 屈折率の大きさとその 3次元構造寸法の組み合わせによって 決定される。 先に提案の方法では、 紫外線励起ポーリングにより形成される光導 波路の厚さ （基板表面からの深さ） の制御は、 基板の光吸収を利用し、 紫外線の 強度を変化させて行うことが想定されていた。
しかし、 単一モードを実現するためには、 光導波路の寸法を可能な限り小さく することが必要であり、 そのためには紫外線の光強度を減少させなければならな い。 ところが、 発現する 2次光非線形性が同じく紫外線光強度に依存するため、 導波路形状と発現する光非線形性を独立制御することができない。 しかも、 光非 線形性は、 紫外線光強度が大きいほど大きな値が得られる。 従って、 大きな光非 線形性を付与すると、 導波路の寸法が大きくなつてしまい、 単一モードの伝搬が 実現できなくなってしまうという問題があつた。
[発明の開示]
本発明は、 ガラス材料を用いた光非線形導波路であって、 十分大きな 2次光非 線形性を有すると共に、 導波路の 3次元形状を適切なものにできる光非線形薄膜 導波路の製造方法及び光非線形導波路を提供することを目的とする。
本発明に係る製造方法は、 ガラス基板上に G eを含む S i O 2薄膜を形成するェ 程と、 その上に導波路パターンに対応する形状の間隙を有する金属電極薄膜を形 成する工程と、 その金属電極薄膜の間隙を挟んで電圧を印加しながらその間隙を 通して G eを含む S i 0 2薄膜に紫外線を照射する工程と、 を含むことを特徴とす る。
このように、 ガラス基板上には、 G eを含む S i 0 2薄膜が形成されている。 従 つて、 紫外線励起ポ一リングによって、 2次光非線形性が発現されるのは、 この G eを含む S i 0 2薄膜内に限定される。 従って、 電極の形状により幅方向を規定 し、 G eを含む S i 0 2薄膜の厚さで深さ方向を制御することができ、 光非線形導 波路の形状を 3次元で制御することができる。 そこで、 光非線形導波路における 光の伝搬を単一モードにすることができ、 光非線形導波路におけるスィツチング などの動作を確実に行うことができる。 なお、 ガラス基板としては、 S i 0 2ガラ スが好適であるが、 ナトリゥムガラスなども使用することが可能である。
また、 本発明に係る光非線形薄膜導波路の製造方法は、 前記金属電極薄膜の上 に、 さらに少なくとも前記間隙の部分を覆うように透明の絶縁物薄膜を設け、 そ の後金属電極薄膜の間隙を挟んで電圧を印加しながらその間隙を通して G eを含 む S i 0 2薄膜に紫外線を照射することを特徴とする。 絶縁物薄膜を設けることに より、 間隙を挟んだ金属電極に電圧を印加し、 紫外線ポーリングを行う際に、 絶 縁破壊による放電が生起されるのを防止することができる。 この絶縁物薄膜は、 絶縁物破壊が生じる電圧が高く、 かつ紫外線を透過させる必要がある。 例えば、 S i 02が好適である。
また、 光非線形薄膜導波路を真空チャンバ内において行うことが好適である。 真空中では、 空気中のような絶縁破壊が起こらないため、 電極間に十分な高電圧 を印加して紫外線ポーリングを行うことができる。
また、 本発明に係る光非線形薄膜導波路は、 ガラス基板上に形成された G eを 含む S i 0 2薄膜と、 この G eを含む S i 0 2薄膜上に形成され、 導波路パターン に対応する形状の間隙を有する金属電極薄膜と、 を有し、 金属電極薄膜の間隙に 対応する G eを含むシリ力薄膜の部分が 2次光非線形性を持つことを特徴とする。 また、 本発明に係る光非線形薄膜導波路は、 金属電極薄膜の上に、 さらに前記 間隙の部分を覆うように透明の絶縁物薄膜を形成したことを特徴とする。
[図面の簡単な説明]
図 1は、 実施形態に係る光非線形薄膜導波路の構成を示す図である。
図 2は、 光非線形薄膜導波路の製造工程を示す図である。
図 3は、 光非線形薄膜導波路の他の構成例を示す図である。
図 4は、 真空チャンバ内における光非線形薄膜導波路の製造を示す図である。
[発明を実施するための最良の形態]
以下、 本発明の実施の形態について、 図面に基づいて説明する。
「光非線形薄膜導波路の構成」
図 1は、 本発明に係る光非線形薄膜導波路 （平面導波路） の概略構成図である。 ガラス基板 10は、 シリカガラス （S i 02 ガラス） を平板状に形成したもので あり、 その表面には、 Geを含む S i 02薄膜である Ge添加 S i02薄膜 12が 形成されている。 この Ge添加 S i 02薄膜 12は、 厚みが 1〜5/ 111程度、 Ge 濃度は 1~3 Omo 1%程度に設定される。 具体的な数値は、 使用波長など平面 導波路の仕様に応じて決定される。 そして、 この G e添加 S i 02薄膜 12の上に 所定形状にパ夕一ニングされた電極 14 a、 14 bが所定の間隙を介して対向す るように形成されている。 この電極 14 a、 14bは、 例えばアルミニウム （A 1) の薄膜で形成されている。 さらに、 この電極 14 a、 14 b及びこれらの間 隙を覆って透明の絶縁薄膜 1 6が形成されている。 この例では、 絶縁薄膜 16は、 S i 02薄膜である。
そして、 Ge添加 S i 02薄膜 12の電極 14 a、 14 bの間隙に対応する部分 はチャンネル部 18を形成しており、 このチャンネル部 18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 14 a、 14b間に印加 する電圧によって、 チャンネル部 18の光学的性質を制御することができる。 そ こで、 チャンネル部 18を導通する光が電極 14 a、 14b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。 なお、 ガラス基板 10 としては、 S i 02ガラスを採用したが、 ナトリウムガラスなども使用することが できる。
「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、 S i 02ガラスの平板からなるガラス基板 10を用意する （S 1 1) 。 そして、 こ のガラス基板 10を真空チャンバ内に収容し、 ガラス基板 10の表面に G e添加 S i〇2薄膜 12を形成する （S 12) 。 例えば、 Ge〇2を 20 %含む焼結材料 を蒸発源に用いた電子ビーム蒸着法を利用して Ge添加 S i 02薄膜 12を形成す る。 ここで、 膜の緻密化のために、 A r +ビームをアシストビームとして利用する アシスト法を採用することが好ましい。 なお、 他の成膜法を利用することもでき る。
Ge添加 S i 02薄膜 12上に、 金属膜 14を形成する （S 13) 。 金属として は、 A 1を用いるが他の金属でもよく、 また金属膜 14の形成は、 蒸着以外の方 法でも構わない。
次に、 金属膜 14の所定部分をエッチングで除去し、 2つの電極 14 a、 14 bを形成する （S 14) 。 この例では、 両電極 14 a、 14 b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 14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 14を露出 させる。 そして、 金属膜 14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 14 a、 14bを形成する。
次に、 電極 14 a、 14 b上に、 絶縁薄膜 16を形成する （S 15) 。 この絶 縁薄膜 16は、 S i02薄膜であり、 S i 02を蒸発源とした電子ビーム蒸着法な どにより形成する。 この絶縁薄膜 16は全面に形成してもよいが、 少なくとも電 極 14 a、 14 bで形成される間隙部分を覆う必要がある。 なお、 この絶縁薄膜 16は、 紫外線を透過させ、 かつ絶縁破壊しにくいものであれば、 どのような材 料でもよい。 例えば、 MgOや MgF2などを採用することもできる。
このようにして、 電極 14 a、 14 bの間隙を絶縁薄膜 16で覆った後、 電極 14 a、 14 b間に所定の高電圧を印加した状態で、 紫外線を照射し、 電極 14 a、 14 間の06添加3 i 02薄膜 12に対し紫外線励起ポーリング処理を施し、 チャンネル部 18を形成する （S 1 6)
すなわち、 電極 14 a、 14 b間に約 1 kVの電圧を印加する。 これによつて、 チャンネル部 18に、 約 106 V/ cmの電界が印加される。 この状態で、 Ar Fエキシマレ一ザ （波長 193 nm) をパルスとして照射し、 チャンネル部 18 に紫外線を照射する。 このレ一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 O pp s (パルス/秒） 程度、 照射時間は 10〜30 分程度とする。
ここで、 このような高電圧を電極 14 a、 14bに印加すると、 これらの間隙 に面した部分において、 放電が生起される危険がある。 ところが、 本実施形態で は、 この部分が絶縁薄膜 16で覆われている。 これによつて、 空気の絶縁破壊に よる電極 14 a、 14 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。 なお、 空気の絶縁破壊電場は、 104V/cm程度であり、 1 06 V/ cmという電圧をチャンネル部 18に印加した場合には、 放電が起きてし まう。 S i 02は、 紫外光 （例えば、 波長 193 nm) を透過させ、 また十分な絶 縁破壊電圧を有しており、 絶縁薄膜 16として好適である。
これによつて、 チャンネル部 18には、 2次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、 チャンネル部 18における 2 次光非線形性の大きさ （d定数） として、 2 pm/V以上の値が得られる。
このように、 本実施形態によれば、 ガラス基板 10上には、 Ge添加 S i02薄 膜 12が形成されている。 従って、 紫外線励起ポーリングによって、 2次光非線 形性が発現されるのは、 この Ge添加 S i 02薄膜 12内に限定される。 従って、 電極 14 a、 14 bの形状により導波路の幅を規定し、 Ge添加 S i 02薄膜 12 の厚さで深さ方向を制御することができ、 光非線形導波路の形状を 3次元で制御 することができる。 そこで、 光非線形導波路における光の伝搬を単一モードにす ることができ、 光非線形導波路におけるスィツチングなどの動作を確実に行うこ とができる。
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 10 の所望の場所に、 独立した電極 1 4 a、 1 4 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。 さらに、 G e添 加 S i〇2薄膜 1 2をフォトリソグラフィ一技術などによってパ夕一ニングし、 光 導波路の位置を限定することも好適である。 また、 特願平 8— 2 4 4 9 6 5号に 記載したように、 チャンネル部 1 8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。
「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 3に示すように、 チャンネル部 1 8を二股の導波路を一旦合流させた後再び二 股に分岐する力ブラの形状とし、 分岐した部分にそれぞれ電極 1 4 a、 1 4 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つの合流部分に対する印加電圧を調整することに よって、 光の位相の制御などを行うことができる。
本発明の光非線形薄膜導波路によれば、 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、 双方向光伝送システムにおける信号 発生器、 光スィツチ/力ブラ等を本発明の光非線形導波路により構成することが できる。
さらに、 紫外線励起ポーリングによる平面導波路の製造を真空中において行う ことが好適である。 図 4にその構成を示す。 真空チャンバ 2 0は、 十字型の管路 からなつており、 その三方は閉じており、 一方が真空ポンプなどの排気系に接続 されている。 垂直方向の下方に延びる管路には試料載置台 2 2が設けられ、 その 上に電極 1 4 a、 1 4 b及び G e添加 S i 0 2薄膜 1 2が形成されたガラス基板 1 0が載置されている。 電極 1 4 a、 1 4 bは真空チャンバ外部の電源に接続され る。 また、 垂直方向の上方の管路は、 石英ガラス 2 4により封止されており、 こ の石英ガラス 2 4を介し、 紫外線が照射されるようになっている。
このような装置により、 紫外線を G e添加 S i 0 2薄膜 1 2に照射した状態で、 電極 1 4 a、 1 4 b間に高電圧を印加する。 真空中では、 空気中と相違し、 絶縁 破壊が起こらない。 そこで、 電極 14 a、 14 b間に所望の高電圧を印加して紫 外線ポーリングを行うことができ、 電極間の G e添加薄膜 1 2に所望の光非線形 性を付与することができる。 なお、 G e添加 S i 02薄膜 1 2、 電極 14 a、 14 bの形成も同一の真空チャンバ 20内で行うことが好適である。
この装置により、 A r Fエキシマレーザ （波長 1 93 nm) 、 エネルギー密度 1 00mJ/cm2を 1 04パルス （ 1 0 pp s) 照射した。 真空チャンバ 20内 の気圧は、 約 1 0—6T 0 r rとした。 また、 ポーリング電場は、 8 x l 04V/c mとした。 これによつて、 チャンネル領域に 3. 8± 0. 3 pm/Vの光非線形 性が得られた。
[産業上の利用可能性]
本発明の光非線形薄膜導波路は、 双方向光伝送システムにおける信号発生器、 光スィツチ/力ブラなどに利用することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . ガラス基板上に G eを含む S i 0 2薄膜を形成する工程と、
その上に導波路パターンに対応する形状の間隙を有する金属電極薄膜を形成す る工程と、
その金属電極薄膜の間隙を挟んで電圧を印加しながらその間隙を通して G eを 含む S i 0 2薄膜に紫外線を照射する工程と、
を含むことを特徴とする光非線形薄膜導波路の製造方法。
2 . 請求項 1に記載の方法において、
前記金属電極薄膜の上に、 さらに少なくとも前記間隙の部分を覆うように透明 の絶縁物薄膜を設け、 その後金属電極薄膜の間隙を挟んで電圧を印加しながらそ の間隙を通して G eを含む S i 0 2薄膜に紫外線を照射することを特徴とする光非 線形薄膜導波路の製造方法。
3 . 請求項 1に記載の方法において、
前記各工程を真空チャンバ内において行うことを特徴とする光非線形薄膜導波 路の製造方法。
4 . ガラス基板上に形成された G eを含む S i 0 2薄膜と、
この G eを含む S i〇2薄膜上に形成され、 導波路パターンに対応する形状の間 隙を有する金属電極薄膜と、
を有し、
金属電極薄膜の間隙に対応する G eを含むシリ力薄膜の部分が 2次光非線形性 を持つことを特徴とする光非線形薄膜導波路。
5 . 請求項 4に記載の導波路において、
金属電極薄膜の上に、 さらに前記間隙の部分を覆うように透明の絶縁物簿膜を 形成した光非線形薄膜導波路。
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