(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板上にＧｅを含むＳｉＯ2薄膜を形成する工程であって、前記Ｇｅを含むＳｉＯ2薄膜を、後に形成される金属電極薄膜の間隙よりも広い領域にわたって形成するＳｉＯ2薄膜形成工程と、
前記Ｇｅを含むＳｉＯ2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金属電極薄膜形成工程と、
前記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Ｇｅを含むＳｉＯ2薄膜に紫外線を照射する紫外線ポーリング工程と、
を含み、
一度の紫外線ポーリング工程によって、光非線形性を付与しつつ、導波路の形状を３次元で制御することを特徴とする光非線形薄膜導波路の製造方法。
【請求項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Ｇｅを含むＳｉＯ2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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、特に光非線形性を有する導波路の形状の制御に関する。
【０００２】
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。
【０００３】
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８−１４６４７５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、反応性イオンエッ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。
【０００４】
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エッ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。
【０００５】
「関連技術」
本出願人は、特願平８−２４４９６５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Ｇｅ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、コア部に紫外線ポーリングを施す。これによって、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ＬｉＮｂＯ3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。
【０００６】
ここで、光通信、光計測、光情報処理などにおける光スイ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、単一モードの光伝搬が行えるような形状にしなければならない。
【０００７】
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。
【０００８】
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ってしまい、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った。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明は、ガラス基板上にＧｅを含むＳｉＯ2薄膜を形成する工程であって、前記Ｇｅを含むＳｉＯ2薄膜を、後に形成される金属電極薄膜の間隙よりも広い領域にわたって形成するＳｉＯ2薄膜形成工程と、前記Ｇｅを含むＳｉＯ2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金属電極薄膜形成工程と、前記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Ｇｅを含むＳｉＯ2薄膜に紫外線を照射する紫外線ポーリング工程と、を含み、一度の紫外線ポーリング工程によって、光非線形性を付与しつつ、導波路の形状を３次元で制御することを特徴とする。
【００１１】
このように、ガラス基板上には、Ｇｅを含むＳｉＯ2薄膜が形成されている。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を含むＳｉＯ2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、Ｇｅを含むＳｉＯ2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イッ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、ＳｉＯ2ガラスが好適であるが、ナトリウムガラスなども使用することが可能である。
【００１２】
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Ｇｅを含むＳｉＯ2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、ＳｉＯ2が好適である。
【００１３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
「光非線形薄膜導波路の構成」
図１は、本発明に係る製造方法により製造された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（ＳｉＯ2 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ＳｉＯ2薄膜であるＧｅ添加ＳｉＯ2薄膜１２が形成されている。このＧｅ添加ＳｉＯ2薄膜１２は、厚みが１〜５μｍ程度、Ｇｅ濃度は１〜３０ｍｏｌ％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Ｇｅ添加ＳｉＯ2薄膜１２の上に所定形状にパターニングされた電極１４ａ、１４ｂ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１４ａ、１４ｂは、例えばアルミニウム（Ａｌ）の薄膜で形成されている。さらに、この電極１４ａ、１４ｂ及びこれらの間隙を覆って透明の絶縁薄膜１６が形成されている。この例では、絶縁薄膜１６は、ＳｉＯ2薄膜である。
【００１６】
そして、Ｇｅ添加ＳｉＯ2薄膜１２の電極１４ａ、１４ｂ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１４ａ、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１４ａ、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、ＳｉＯ2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。
【００１７】
「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、ＳｉＯ2ガラスの平板からなるガラス基板１０を用意する（Ｓ１１）。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Ｇｅ添加ＳｉＯ2薄膜１２を形成する（Ｓ１２）。例えば、ＧｅＯ2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ＳｉＯ2薄膜１２を形成する。ここで、膜の緻密化のために、Ａｒ+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。
【００１８】
Ｇｅ添加ＳｉＯ2薄膜１２上に、金属膜１４を形成する（Ｓ１３）。金属としては、Ａｌ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。
【００１９】
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１４ａ、１４ｂを形成する（Ｓ１４）。この例では、両電極１４ａ、１４ｂ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１４ａ、１４ｂを形成する。
【００２０】
次に、電極１４ａ、１４ｂ上に、絶縁薄膜１６を形成する（Ｓ１５）。この絶縁薄膜１６は、ＳｉＯ2薄膜であり、ＳｉＯ2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１４ａ、１４ｂ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。
【００２１】
このようにして、電極１４ａ、１４ｂの間隙を絶縁薄膜１６で覆った後、電極１４ａ、１４ｂ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１４ａ、１４ｂ間のＧｅ添加ＳｉＯ2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（Ｓ１６）。
【００２２】
すなわち、電極１４ａ、１４ｂ間に約１ｋＶの電圧を印加する。これによって、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、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）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１０ｐｐｓ（パルス／秒）程度、照射時間は１０〜３０分程度とする。
【００２３】
ここで、このような高電圧を電極１４ａ、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。これによって、空気の絶縁破壊による電極１４ａ、１４ｂ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、１０6Ｖ／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。ＳｉＯ2は、紫外光（例えば、波長１９３ｎｍ）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。
【００２４】
これによって、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、２ｐｍ／Ｖ以上の値が得られる。
【００２５】
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ＳｉＯ2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ＳｉＯ2薄膜１２内に限定される。従って、電極１４ａ、１４ｂの形状により導波路の幅を規定し、Ｇｅ添加ＳｉＯ2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イッチングなどの動作を確実に行うことができる。
【００２６】
この例では、１カ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１４ａ、１４ｂを形成し、ガラス基板１０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、Ｇｅ添加ＳｉＯ2薄膜１２をフォトリソグラフィー技術などによってパターニングし、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８−２４４９６５号に記載したように、チャンネル部１８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。
【００２７】
「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１８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カプラの形状とし、分岐した部分にそれぞれ電極１４ａ、１４ｂ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。
【００２８】
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。
【００２９】
本発明の光非線形薄膜導波路によれば、ガラス基板１０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、光スイッチ／カプ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。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
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、光スイッチ／カプラなどに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態にかかる光非線形薄膜導波路の構成を示す図である。
【図２】光非線形薄膜導波路の製造工程を示す図である。
【図３】光非線形薄膜導波路の他の構成例を示す図である。
【図１】
0003628963.tif 000002
【図２】
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【図３】
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