(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域を形成し、該コア領域を屈折率の低いクラッド領域で囲んだ光導波路に光学的異方性領域を形成した非線形光学素子の製造方法において、上記光導波路と交差するように外部から直流高電圧の電場を印加すると同時に電場及び光導波路と交差するように波長５５０ｎｍ以下の励起光を照射することによりコア領域に光学的異方性領域を形成する際に、上記励起光の電界の偏光方向が、上記直流高電圧の電場の方向と略平行になるようにしたことを特徴とする非線形光学素子の製造方法。
【請求項２】
基板上に屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域を形成し、該コア領域を屈折率の低いクラッド領域で囲んだ光導波路に光学的異方性領域を形成した非線形光学素子の製造方法において、上記光導波路と交差するように外部から直流高電圧の電場を印加すると同時にコア領域内に波長５５０ｎｍ以下の励起光を伝搬させることによりコア領域に光学的異方性領域を形成する際に、上記励起光の電界の偏光方向が、上記直流高電圧の電場の方向と略平行になるようにしたことを特徴とする非線形光学素子の製造方法。
【請求項３】
基板上に屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域を形成し、該コア領域を屈折率の低いクラッド領域で囲んだ光導波路に、上記光導波路と交差するように外部から直流高電圧の電場を印加すると同時に波長５５０ｎｍ以下の励起光を上記コア領域に照射するか又は上記コア領域を伝播させることによって光学的異方性領域を形成する非線形光学素子の製造方法において、上記コア領域を高周波スパッタリング法によって形成することを特徴とする非線形光学素子の製造方法。
【請求項４】
基板上に屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域を形成し、該コア領域を屈折率の低いクラッド領域で囲んだ光導波路に、上記光導波路と交差するように外部から直流高電圧の電場を印加すると同時に波長５５０ｎｍ以下の励起光を上記コア領域に照射するか又は上記コア領域を伝播させることによって光学的異方性領域を形成する非線形光学素子の製造方法において、上記光導波路が形成された基板を高温水素雰囲気或いは高圧水素雰囲気に一定時間保持するか或いは上記光導波路の少なくとも一部を酸水素バーナーによって炙った後、直流高電圧の外部電場を印加すると同時に光導波路内部のコア領域に励起光を照射するか或いはコア領域内に伝搬させることを特徴とする非線形光学素子の製造方法。
【請求項５】
コア領域を局所的に高温加熱し、高温状態において直流高電圧の外部電場を印加すると同時にコア領域に励起光を照射するか或いはコア領域内を伝搬させ、一定時間経過した後放熱させ、光導波路の温度が室温まで低下した後に直流高電圧の電場の解除及び励起光の照射の停止を行うことによりコア領域に光学的異方性領域を形成する請求項１〜４いずれかに記載の非線形光学素子の製造方法。
【請求項６】
上記光導波路への直流高電圧の電場の印加と同時にコア領域に照射されるか或いはコア領域内を伝搬する波長５５０ｎｍ以下の励起光はＨｇランプ光、Ａｒレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレーザ、Ａｒレーザ或いは色素レーザの第二高調波或いはＮｄ３+：ＹＬＦレーザの第四高調波のいずれかである請求項１〜４いずれかに記載の非線形光学素子の製造方法。
【請求項７】
直流高電圧を印加するための電極のうちコア領域により近い方の電極を陽極とする請求項１〜４いずれかに記載の非線形光学素子の製造方法。
【請求項８】
高電圧印加用電極の材料に、アルミニウム或いは透明導電体を用いた請求項１〜４いずれかに記載の非線形光学素子の製造方法。
【請求項９】
高電圧印加用電極のうち少なくとも一方を透明電極とし、直流高電圧印加と同時にこの透明電極を透過して光導波路に対し交差する方向から励起光を照射する請求項１、３、４いずれかに記載の非線形光学素子の製造方法。
【請求項１０】
屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域と、該コア領域を囲む屈折率の低いクラッド領域とを備えた光導波路に光学的異方性領域を形成した非線形光学素子において、少なくとも一対のアルミニウム或いは透明導電体を用いた駆動電極が同一面上に形成されており、該駆動電極により外部電場を光導波路と交差する方向に印加し導波光の伝搬を制御するようにしたことを特徴とする非線形光学素子。
【請求項１１】
屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域と、該コア領域を囲む屈折率の低いクラッド領域とを備えた光導波路に光学的異方性領域を形成した非線形光学素子において、上記コア領域を囲む周辺のクラッド領域の断面形状が、側面が傾斜した台形形状をなし、少なくとも一対の駆動電極がこの傾斜した側面上に形成されており、該駆動電極により光導波路に対して交差する方向に外部電場を印加して導波光の伝搬を制御するようにしたことを特徴とする非線形光学素子。
【請求項１２】
屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域と、該コア領域を囲む屈折率の低いクラッド領域とを備えた光導波路に光学的異方性領域を形成した非線形光学素子において、上記コア領域の下方部には低抵抗半導体層が形成され、コア領域の上方部には透明電極或いは金属電極が形成され、導波光の伝搬を制御する外部電場を光導波路に対して厚さ方向に印加するようにしたことを特徴とする非線形光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非線形光学素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光を利用した通信、計測、情報処理の分野の発展に伴い、高機能で信頼性の高いＳｉＯ２−ＧｅＯ２ガラスを用いた光学素子や、電気光学効果や第二高調波発生等の非線形特性を有する光学素子の開発が求められている。特に石英系材料を用いた導波路型の光素子は、その低損失性に加え複雑な回路を平面基板上に一括して形成できる可能性があることから最も注目を集めている。
【０００３】
これら導波路型の光素子は、バッファ層（下側クラッド層）と呼ばれる低屈折率層を有するＳｉ基板や、石英基板上に、相対的に屈折率の高いコアと呼ばれる光の伝搬領域を形成し、このコア部分をさらに低屈折率のクラッド層で覆った構造をとるのが一般的である。特にコア部分の材料組成は、光ファイバの低損失コア材料として実績のあるＳｉＯ２−ＧｅＯ２組成ガラスが有効とされている。
【０００４】
ところで、一般に、シリカガラスのような無機ガラスは光学的に等方性物質であり、その反転対称性のために本来、電気光学効果や第二高調波発生等の非線形光学特性を持たないと考えられてきた。
【０００５】
しかし、最近このような光学的等方体であるガラス材料でも、ポーリング処理を行うことによって二次の光非線形性が誘起されることが明らかにされた。
【０００６】
ここで、ポーリング処理とは、高温状態において試料、すなわちガラス材料に直流電場を加え、電場を印加したまま一定時間保持した後放熱させ、光導波路が室温まで低下した後で直流電場を解除する処理である。このようなガラス材料の非線形光学効果は、これまでにシリカガラスの他にテルライトガラスやリン酸塩ガラス等種々のガラスにおいて確認されている。
【０００７】
しかしながら、ポーリング処理による非線形光学効果の誘起のメカニズムは詳細に解明されておらず、この非線形光学効果の起源に関する要因は幾つか存在するものと考えられている。すなわち、ポーリング処理によりガラス中に誘起される電気双極子には、ガラスの構造、組成、ポーリング処理条件等によって以下のような幾つかの異なる種類があると考えられる。
【０００８】
まず、不純物としての可動プロトンイオン（Ｎａ+等）のドリフトにより、ポーリング処理時に陽極近傍での陽イオン欠乏領域（空間電荷層）が形成され、この陽イオン欠乏領域が電気双極子の配向をもたらすことがある。この場合には主に陽極側数十μｍの表面層のみが光学的異方性領域となる。
【０００９】
これに対し、点欠陥、ＯＨ基、非架橋酸素等の存在に関連した要因で生じる電気双極子は、これらの要因が光導波路全体に存在すれば、ポーリング処理により電場を印加した光導波路全体にわたって光学的異方性が観測される。
【００１０】
このように光学的等方性であるガラス材料に異方性特徴を組み込むという新しい試みが、ますます学問的、実用的な興味を集めるようになった。特にＳｉＯ２を主成分とするシリカガラスは、低損失性、信頼性の点で現在のオプトエレクトロニクスの中枢部を担う材料であり、既に光ファイバ化や平面光導波路化の製造技術も確立している。また、シリカガラスは特にバンドギャップが広く、通信分野以外でも紫外領域、遠紫外領域での素子として将来的におおいに期待できる材料である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光変調器や光スイッチ、或いは波長変換素子等実用的な光素子を実現するためには、これまでに報告されているガラス材料における非線形光学効果はまだ微弱である。現状のレベルでは、例えば電気光学効果を利用して光スイッチング動作を行うためには、素子長（光導波路のコア領域の長さ）が数十ｃｍも必要であり、導波光を制御する駆動電圧が数百Ｖも必要なため現実的とはいえない。少なくとも既に非線形光学素子として実用化されているＬｉＮｂＯ３のような強誘電体材料に匹敵する非線形光学効果の実現と最適な素子の開発が望まれる。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、低損失で信頼性が高く小型で駆動エネルギーの小さい非線形光学素子及びその製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するためには、ガラス材料の組成、製法、ポーリング処理方法、或いは光素子の構造等あらゆる観点から最適な条件を見出ださなければならない。
【００１４】
本発明は、このような観点に立ちＧｅドープのＳｉＯ２ガラスに着目した。この材料は前述のように低損失、高信頼性或いは素子形成のための加工性等多くの優れた特性を有し、既に通信用の受動素子として実用になっているものである。このような材料を用いて高い効率で非線形光学効果を誘起することができれば、さらに多くの光機能素子に応用することができる。しかもポーリング処理による非線形光学効果のメカニズムを考察すれば、ＧｅドープのＳｉＯ２ガラスは、他のガラス材料よりも大きな非線形光学効果が得られることが分かった。
【００１５】
すなわち上記目的を達成するために本発明の非線形光学素子の製造方法は、基板上に屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域を形成し、該コア領域を屈折率の低いクラッド領域で囲んだ光導波路に光学的異方性領域を形成した非線形光学素子の製造方法において、上記光導波路と交差するように外部から直流高電圧の電場を印加すると同時に電場及び光導波路と交差するように波長５５０ｎｍ以下の励起光を照射することによりコア領域に光学的異方性領域を形成する際に、上記励起光の電界の偏向方向が、上記直流高電圧の電場の方向と略平行になるようにしたものである。
【００１６】
本発明の非線形光学素子の製造方法は、基板上に屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域を形成し、該コア領域を屈折率の低いクラッド領域で囲んだ光導波路に光学的異方性領域を形成した非線形光学素子の製造方法において、上記光導波路と交差するように外部から直流高電圧の電場を印加すると同時にコア領域内に波長５５０ｎｍ以下の励起光を伝搬させることによりコア領域に光学的異方性領域を形成する際に、上記励起光の電界の偏向方向が、上記直流高電圧の電場の方向と略平行になるようにしたものである。
【００１７】
本発明の非線形光学素子の製造方法は、基板上に屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域を形成し、該コア領域を屈折率の低いクラッド領域で囲んだ光導波路に、上記光導波路と交差するように外部から直流高電圧の電場を印加すると同時に波長５５０ｎｍ以下の励起光を上記コア領域に照射するか又は上記コア領域を伝播させることによって光学的異方性領域を形成する非線形光学素子の製造方法において、上記コア領域を高周波スパッタリング法によって形成するものである。
【００１８】
本発明の非線形光学素子の製造方法は、基板上に屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域を形成し、該コア領域を屈折率の低いクラッド領域で囲んだ光導波路に、上記光導波路と交差するように外部から直流高電圧の電場を印加すると同時に波長５５０ｎｍ以下の励起光を上記コア領域に照射するか又は上記コア領域を伝播させることによって光学的異方性領域を形成する非線形光学素子の製造方法において、上記光導波路が形成された基板を高温水素雰囲気或いは高圧水素雰囲気に一定時間保持するか或いは上記光導波路の少なくとも一部を酸水素バーナーによって炙った後、直流高電圧の外部電場を印加すると同時に光導波路内部のコア領域に励起光を照射するか或いはコア領域内に伝搬させて形成したものである。
【００１９】
上記構成に加え本発明の非線形光学素子の製造方法は、コア領域を局所的に高温加熱し、高温状態において直流高電圧の外部電場を印加すると同時にコア領域に励起光を照射するか或いはコア領域内を伝搬させ、一定時間経過した後放熱させ、光導波路の温度が室温まで低下した後に直流高電圧の電場の解除及び励起光の照射の停止を行うことによりコア領域に光学的異方性領域を形成するのが好ましい。
【００２０】
上記構成に加え本発明の非線形光学素子の製造方法は、光導波路への直流高電圧の電場の印加と同時にコア領域に照射されるか或いはコア領域内を伝搬する波長５５０ｎｍ以下の励起光はＨｇランプ光、Ａｒレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレーザ、Ａｒレーザ或いは色素レーザの第二高調波或いはＮｄ３+：ＹＬＦレーザの第四高調波のいずれかであるのが好ましい。
【００２１】
上記構成に加え本発明の非線形光学素子の製造方法は、直流高電圧を印加するための電極のうちコア領域により近い方の電極を陽極とするのが好ましい。
【００２２】
上記構成に加え本発明の非線形光学素子の製造方法は、高電圧印加用電極の材料に、アルミニウム或いは透明導電体を用いるのが好ましい。
【００２３】
上記構成に加え本発明の非線形光学素子の製造方法は、高電圧印加用電極のうち少なくとも一方を透明電極とし、直流高電圧印加と同時にこの透明電極を透過して光導波路に対し交差する方向から励起光を照射するのが好ましい。
【００２４】
本発明の非線形光学素子は、屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域と、該コア領域を囲む屈折率の低いクラッド領域とを備えた光導波路に光学的異方性領域を形成した非線形光学素子において、少なくとも一対のアルミニウム或いは透明導電体を用いた駆動電極が同一面上に形成されており、該駆動電極により外部電場を光導波路と交差する方向に印加し導波光の伝搬を制御するようにしたものである。
【００２５】
本発明の非線形光学素子は、屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域と、該コア領域を囲む屈折率の低いクラッド領域とを備えた光導波路に光学的異方性領域を形成した非線形光学素子において、上記コア領域を囲む周辺のクラッド領域の断面形状が、側面が傾斜した台形形状をなし、少なくとも一対の駆動電極がこの傾斜した側面上に形成されており、該駆動電極により光導波路に対して交差する方向に外部電場を印加して導波光の伝搬を制御するようにしたものである。
【００２６】
本発明の非線形光学素子は、屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域と、該コア領域を囲む屈折率の低いクラッド領域とを備えた光導波路に光学的異方性領域を形成した非線形光学素子において、上記コア領域の下方部には低抵抗半導体層が形成され、コア領域の上方部には透明電極或いは金属電極が形成され、導波光の伝搬を制御する外部電場を光導波路に対して厚さ方向に印加するようにしたものである。
【００２７】
本発明によれば、ガラス導波路内に大きな非線形光学係数をもつ光学的異方性領域を実現することができる。そのメカニズムは以下のように推測される。
【００２８】
前述のように種々のガラス材料は、ポーリング処理することにより非線形光学効果が誘起される。その要因として可動プロトンイオンや点欠陥、ＯＨ基、非架橋酸素等種類の異なった電気双極子の形成が関与していると考えられる。
【００２９】
本発明のＳｉＯ２−ＧｅＯ２ガラスにおける非線形光学効果は、これらの種々の要因のうち主にＳｉＯ２−ＧｅＯ２ガラス中の酸素欠乏欠陥を利用したものである。
【００３０】
ＧｅＯ２をドープしたＳｉＯ２ガラスは、５ｅＶ帯に吸収をもつ２種類のＮＯＶ（中性酸素欠陥）及びＧＬＰＣ（Ｇｅの孤立電子対）と呼ばれる酸素欠乏欠陥が存在する。このうちＮＯＶは、化１式で表される構造をもつ欠陥であり、エキシマレーザのような紫外光やＡｒレーザ等の青緑光を照射すると化２式で表される光化学反応が進行し、ＧｅＥ´センタと呼ばれる常磁性中心と電気双極子とが同時に生成する。
【００３１】
【化１】
0003591174.tif 000002
【００３２】
【化２】
0003591174.tif 000003
【００３３】
ところでＧｅＥ´センタの生成に関しては、前述のＮＯＶによる構造変化だけでなく、高光子密度の紫外光によって４配位Ｇｅの電子捕獲中心（ＧＥＣ）への変化を経て、さらにその一部がＧｅＥ´センタに構造変化するという過程や、＝Ｇｅ: の構造をもつＧＬＰＣと水素分子Ｈ２との反応によって、ＮＯＶへの構造変化を経由してＧｅＥ´センタが生成するという過程も存在すると考えられる。ＧｅＥ´センタは６．３ｅＶ帯に吸収ピークをもち、吸収帯の変化に従って屈折率が増加する。このＧｅＥ´センタが生成される現象は、現在光誘起により光ファイバ等にグレーティングを書き込むことに広く利用されている。
【００３４】
本発明はＧｅＥ´センタの存在よりも、むしろ同時に生成される電気双極子の生成に着目しこれを利用するものである。
【００３５】
しかしながらＧｅＥ´センタ生成過程において、ＧｅＥ´センタと電気双極子とは対をなして生成されるので、結果として誘起される非線形光学効果はＧｅＥ´センタの濃度に比例することになる。
【００３６】
本発明は、以上のような電気双極子生成のメカニズムを利用し、最も効率よく非線形光学効果を誘起するものである。そのための着眼のポイントを以下に述べる。
【００３７】
まず、ＮＯＶやＧＬＰＣの酸素欠乏欠陥そのものの絶対量を増加させる必要がある。次にＧｅＥ´センタへの構造変化を促進し電気双極子の生成効率を高めなければならない。そして電気双極子の生成と同時に強力な外部電場により規則的な電気双極子の配向性により光学的異方性を誘起させることが重要である。
【００３８】
このような観点から本発明が提案されたのである。
【００３９】
酸素欠乏欠陥の絶対量はＧｅの濃度だけでなく、ガラスの製法によっても大きく異なる。ＧｅＯ２を含有したＳｉＯ２をターゲットとした高周波スパッタリング法によって形成したＧｅドープＳｉＯ２ガラス膜は、電子ビーム蒸着やガラスの微粒子を溶融させて形成する方法よりも酸素欠乏欠陥が多く含まれていることが分かった。また波長５５０ｎｍ以下の励起光をＧｅドープＳｉＯ２ガラス膜の近傍から照射したり、導波構造をとるコア領域内を伝搬させることにより高エネルギー密度を実現し、電気双極子の発生効率を高めることができる。また前述のようにＧＬＰＣとＨ２との反応によってもＧｅＥ´センタと電気双極子とが生成されるので、この反応を促進させるために高温或いは高圧水素雰囲気中に光導波路を一定時間保持する工程、或いは光導波路の少なくとも一部を酸水素バーナで炙る工程を経て、直流高電圧の電場を印加すると同時にコア領域に励起光を照射するか或いはコア領域内に伝搬させてもよい。
【００４０】
電気双極子の規則的な配向性を高めるため、本発明では光導波路に印加する直流高電圧の電場の方向とコア領域に照射されるか或いはコア領域内を伝搬する励起光の電界の偏光方向が略平行になるようにした。また直流高電圧の電場の印加及び励起光の照射と同時に、基板を高温状態に保持し、これにより電気双極子の配向を促進させている。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００４２】
図１は本発明の非線形光学素子の製造方法の一実施の形態を示す概念図である。
【００４３】
非線形光学素子としての光導波路１１は、石英基板１２の上に形成されＧｅがドープされたＳｉＯ２ガラスからなるコア領域１３と、コア領域１３より低い屈折率を有しコア領域１３を囲むクラッド領域１４とで構成されている。
【００４４】
コア領域１３は、ＧｅＯ２を含有したＳｉＯ２をターゲットとして高周波スパッタリング法によって石英基板１２上に形成されたコア膜がホトリソグラフィ法によって導波路のパターニングが行われ、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチング法により矩形断面形状に形成されたものである。
【００４５】
クラッド領域１４は、火炎堆積法でコア領域１３が形成された後、石英基板１２の上全体に火炎加水分解反応によりＳｉＯ２にＰ（リン）とＢ（ホウ素）とを添加したガラス微粒子が堆積され、石英基板１２ごと１３００℃の高温で焼結されて、微粒子が透明ガラス化されたものである。
【００４６】
ＰをＳｉＯ２に添加するとＳｉＯ２の屈折率が高くなり、ＢをＳｉＯ２へ添加すると逆にＳｉＯ２の屈折率が低くなる。ＰとＢとの量を調整することによりクラッド領域１４の屈折率は石英基板１２の屈折率と略等しくなる。本実施の形態においては、コア領域１３の断面寸法を約５×５μｍとし、コア領域１３とクラッド領域１４との比屈折率差を０．８％とした。
【００４７】
このようにして形成されたクラッド領域１４の表面にコア領域１３を挟むように両側に一対の電極１５，１６を形成した。
【００４８】
これら二つの電極１５，１６を直流高電圧電源１７に接続すると、電場が光導波路１１のコア領域１３に対して横方向に発生する。電場の発生と同時にコア領域１３及び電場に対し交差する方向（図では上方から）に励起光を矢印Ａ方向に照射することにより、光導波路１１のコア領域１３に光学的異方性領域が形成される。
【００４９】
励起光は、図示しないシリンドリカルレンズにより線状に集光されコア領域１３の長手方向にわたって照射される。尚、励起光をレンズによって集光し得られた円形ビームを、コア領域１３の長手方向に走査させながら照射しても特定の長さの光学的異方性領域がコア領域１３の内部に形成される。本実施の形態では電極１５，１６によってコア領域１３に印加される電場の強さを約１０６〜１０７Ｖ／ｃｍとした。
【００５０】
直流高電圧の印加と同時にコア領域１３に照射される励起光には、１００〜２００ｍＪ、１０ｐｐｓのＫｒＦエキシマレーザが用いられ、その照射時間は２０〜３０分間とした。尚、励起光は、これに限定されず、波長５５０ｎｍ以下のＨｇランプ光、Ａｒレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、Ａｒレーザ、色素レーザの第二高調波或いはＮｄ3+：ＹＬＦレーザの第四高調波によっても同様な非線形光学効果が得られる。
【００５１】
ここで、低エネルギーのＨｇランプ励起の場合は、１光子吸収過程により酸素欠乏欠陥ＮＯＶがＧｅＥ´に構造変化し、Ａｒレーザ励起の場合は同様の構造変化が２光子吸収過程によって行われると考えられる。また、エキシマレーザ等の高エネルギー密度の紫外励起光照射の場合には、２光子吸収過程による無欠陥構造のＧＥＣへの変化と、さらにその一部がＧｅＥ´センタに変化する２段階反応も寄与していると考えられる。
【００５２】
また、この励起光照射のときの電気双極子の配向性を高めるために、励起光の電界の偏光方向が直流高電圧電場の電気力線と略平行になるようにした。さらにポーリング処理時、すなわち直流高電圧の印加と同時に行われる励起光照射の間（２０〜３０分間）は、石英基板１２全体を約３００℃に保持することによってもコア領域１３に誘起される光学的異方性が増強される傾向が見られ、ポーリング処理時の高温保持も有効である。
【００５３】
また電気双極子の生成過程の効率を高めるために、直流高電圧電場を発生させると同時に光導波路１１内のコア領域１３に励起光を照射する工程の前処理として、高温或いは高圧水素雰囲気に光導波路１１を石英基板１２ごと一定時間保持する工程、或いは光導波路１１の少なくとも一部を酸水素バーナによって炙る工程を経ても光学的異方性が増強される効果がみられる。これは前述のようにＧＬＰＣと水素分子との反応によってＧｅＥ´センタが生成するという過程が促進されるためと考えられる。
【００５４】
尚、本実施の形態ではコア領域１３が前述のようにＧｅＯ２をターゲットとした高周波スパッタリング法により形成されている。コア領域１３を形成するためのＧｅドープＳｉＯ２層は、本実施の形態のようなスパッタリング法だけでなく、電子ビーム蒸着法や火炎堆積法を用いて形成してもよい。しかし、コア領域１３内の欠陥の量はコア層の形成方法に大きく依存するので、検討の結果、本実施の形態で採用した高周波スパッタリング法が最も有効であることが分かった。
【００５５】
図１に示した実施の形態では励起光としてエネルギー密度の高いＫｒＦエキシマレーザを用いた。レーザ光は主にコア領域に照射されるが、その一部は電極１５，１６にも照射されるので、電極１５，１６が熱的な損傷を受けるおそれがある。この熱的な損傷を防止するため電極の材料としてアルミニウムを採用した。エキシマレーザの波長帯での金属の反射率は、例えば金を材料とした場合では約３２．９％であるのに対し、アルミニウムを材料とした場合では約９２．４％と非常に高く、金属材料の中ではアルミニウムが吸収による熱的損傷が最も起こりにくい。尚、電極１５，１６の材料としては、アルミニウムのように反射によって熱的損傷を防止する以外に、ＩＴＯ(indium-tin-oxide)等の透明電極材料を用いても励起光照射による電極１５，１６の損傷を防止するのに有効である。
【００５６】
図１に示した電極１５，１６は、コア領域１３に光学的異方性領域を形成するために使用した高電圧印加用の電極であるが、これはそのまま直流高電圧電源１７を適当な制御用電源に取り替えれば、光導波路１１のコア領域１３を伝搬する導波光を高速で制御する駆動電極として使用することができる。
【００５７】
図２は、本発明の非線形光学素子の製造方法の他の実施の形態を示す概念図である。
【００５８】
図１に示した実施の形態との相違点は、クラッド領域２２の形状が台形断面形状となっており、クラッド領域２２の両斜面上に電極２３，２４が形成されている点であり、非線形光学効果の誘起効率、或いは導波光を制御するための駆動電圧印加効率をさらに向上させることを目的としたものである。
【００５９】
光導波路２１は、図１に示した光導波路１１と同様に、屈折率の高いＧｅドープのＳｉＯ２ガラスからなるコア領域１３と、このコア領域１３を囲む屈折率の低いクラッド領域２２とで構成されている。コア領域１３を囲む周辺のクラッド領域２２の断面形状は側面が傾斜をもった台形形状をなし、この傾斜した側面上に非線形光学効果を誘起させるための高電圧印加用の電極２３，２４が形成されている。
【００６０】
ポーリング処理時の励起光の照射方法等は図１に示した場合と同様に、電極２３，２４間に直流高電圧を印加すると同時に矢印Ｂ方向に励起光を照射することである。コア領域１３を囲む周辺のクラッド領域２２の断面形状を側面が傾斜をもった台形状にするためには、図１に示した実施の形態と同様に火炎堆積法により平坦なクラッド層を形成した後、コア領域１３の上部をマスクし、例えば反応性イオンエッチング等を用いることにより形成できる。コア領域１３を囲むクラッド領域２２の側面の傾斜角度はマスクのサイドエッチングによって異なるが、マスクの材料或いはエッチング条件によって決定される。台形断面形状のクラッド領域２２の形成方法は、平坦化に適した火炎堆積法及びエッチング加工を用いる以外にも、例えばバイアススパッタリング法を用いても可能である。バイアススパッタリングは火炎堆積法よりも平坦化作用は小さく、ＳｉＯ２をコア上部に堆積させるだけで直接図２に示したような形状を形成することができる。同図に示したような構造は、ポーリング処理時に非線形光学効果の誘起効率を高めるだけでなく、高電圧印加用の電極２３，２４をそのまま導波光を制御するための駆動電極として使用すれば、より小さな電圧で導波光を制御することができる。
【００６１】
図１及び図２に示した実施の形態では、直流高電圧の電場が印加され、同時に励起光が光導波路１１（２１）のコア領域１３に対して交差する方向（図では上部方向）から照射する場合で説明したが、これに限定されず励起光をコア領域１３内に伝搬させてもよい。
【００６２】
尚、励起光としてエキシマレーザを用いたが、これに限定されず、波長約４８８ｎｍのＡｒレーザを導波路に入射してもよい。図１或いは図２に示したように励起光を導波路と交差する方向に照射する方法では、Ａｒレーザの方がより高光エネルギーを有するエキシマレーザよりも非線形光学効果を誘起する効率は小さい。
【００６３】
しかし、光導波路１１（２１）のコア領域１３内を励起光が伝搬すれば、その光エネルギー密度は数ＭＷ／ｃｍ２にも達するため、２光子吸収過程によって高い効率で光学的異方性領域を誘起できる。但し、この場合も光導波路１１（２１）のコア領域１３に伝搬される励起光の電界の偏光方向が、直流高電圧の電場の方向と平行になるようにした方が非線形光学効果の誘起効率を高めることができる。
【００６４】
図３は本発明の非線形光学素子の製造方法の他の実施の形態を示す概念図である。
【００６５】
図１に示した実施の形態との相違点は、直流高電圧が石英基板１２の厚さ方向に印加され、直流高電圧電場と交差する方向の励起光がコア領域１３に照射される点である。
【００６６】
石英基板１２、コア領域１３及びクラッド領域３１からなる光導波路３２の石英基板１２の上部及び下部に電極３３，３４が形成され、石英基板１２の厚さ方向（図では上下方向）に直流高電圧を印加すると同時にコア領域１３へコア領域１３の長手方向と交差する方向（図では矢印Ｃ方向）に励起光が照射される。このような構造のため光導波路３２に電極を形成するのが容易となる。尚、一般に、二つの電極間に直流高電圧を印加してポーリング処理する場合、陽極側の方が光学的異方性領域を形成しやすいことが知られている。そのため図３に示す実施の形態ではコア領域１３の真上にある電極３３が陽極側になるように設定されている。照射される励起光の電界の方向は、前述と同様に印加される直流高電圧電場の電気力線の方向と平行になるように設定されている。電極３３，３４の材料としてはアルミニウムが用いられる。
【００６７】
この光導波路３２の場合、図１に示した実施の形態のように励起光をコア領域１３の上方から照射することはできない。そのため図３に示すようにコア領域１３の側面から励起光を照射しているが、光導波路３２の側面とコア領域１３との間の距離Ｌが長いと、励起光が側面からコア領域に達するまでにビーム径が拡がってしまい高いエネルギー密度で照射できないことがある。
【００６８】
そこで、光導波路を細長く切断し、側面からの照射でも十分コア領域１３に励起光が照射されるようにしているが、回路構成によっては側面からの効率よい照射は難しい場合がある。このような場合には電極３３，３４としてＩＴＯ等の透明電極を用いることにより、励起光を透明電極を透過してコア領域１３の上方から効率よく照射することができる。
【００６９】
尚、励起光をコア領域１３の側面から照射する代わりに、コア領域１３に直接入射して長手方向に伝搬させてもよい。
【００７０】
また、基板として石英基板を用いたが、これに限定されず低抵抗半導体基板を用いてもよい。低抵抗半導体基板を用いる場合には、電極を光導波路の表裏に形成し、厚さ方向に直流高電圧電場を印加すればよい。この場合、半導体基板は低抵抗であるため陰極として機能し、図３に示すような電極３４を基板裏面にわざわざ設ける必要はない。
【００７１】
さらに基板に低抵抗Ｓｉ基板を用いた場合には、Ｓｉ基板上に熱酸化或いはスパッタリングによってＳｉＯ２膜をバッファ層（下部クラッド層）として形成するのが好ましい。コア領域１３はバッファ層の上に形成され、それ以外の構造は図３と同様である。Ｓｉ基板による導波光の吸収が無視できるように、バッファ層の厚さは約２０μｍが好ましい。励起光は図３と同様コア領域の側面から照射する。或いはコア領域の上側の電極に透明電極を用いれば、コア上部からも励起光を照射することができる。図３に示した実施の形態では石英基板を用いているため、電極３３と電極３４との間隔は大きい。そのためコア領域１３内に大きな電場を印加するには、両電極３３，３４間に非常に高い直流電圧を印加しなければならない。これに対し、低抵抗半導体基板を陰極として用いれば、コア領域１３の上側の電極と陰極（低抵抗基板）との間隔は数十μｍ程度に接近するので、より低い電圧の電源を用いてもコア領域１３に大きな電場を印加することができる。基板に低抵抗半導体基板を用い、この低抵抗半導体基板を陰極とすることは、コア領域１３に光学的異方性領域を誘起するポーリング処理の時だけでなく、導波光を制御する場合にも低い駆動電圧で動作するので有利である。
【００７２】
図４は本発明の非線形光学素子の一例を示す概念図であり、電気光学効果を用いたＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型の光変調器４１を示したものである。
【００７３】
光変調器４１は、石英基板４２上にコア領域４３が形成され、コア領域４３を囲むようにクラッド領域４４が形成されている。導波光の入力側及び出力側にそれぞれＹ分岐４５，４６が形成されている。矢印Ｄ方向に入射する導波光は入力側のＹ分岐４５で２等分され、同じ長さの２本の導波路アーム４７，４８を伝搬するようになっている。
【００７４】
クラッド領域４４上の一方の導波路アーム４７の両側にはこの導波路アーム４７を挟んで二つの電極４９，５０が形成され、交流電源５１と接続されている。導波路アーム４７内を伝搬する導波光は交流電圧の電場によって位相変化を受ける。この導波光を出力側のＹ分岐４６で他方の導波路アーム４８を伝搬してきた参照導波光と合波・干渉させることにより、両導波光の位相差に対応して出力強度が変化して矢印Ｅ方向に出射する。
【００７５】
ここで光変調器４１に入射する導波光の偏光は、交流電場の方向と平行になるようにする。尚、位相変化を生じさせるための電極４９，５０は、両電極４９，５０で挟まれた導波路アーム４７のコア内に光学的異方性領域を誘起させるポーリング処理時に使用した電極をそのまま使用することができる。ポーリング処理時には電極４９，５０間に図には示されない直流高電圧電源が接続され、数百〜数ＫＶの高電圧が印加される。これに対し導波光の伝搬を制御し変調器として動作させるには、数Ｖの交流電源を接続すれば十分である。
【００７６】
以上において本発明によれば、従来微弱な非線形光学効果しか実現されていなかったＧｅドープのＳｉＯ２ガラスにおいて、非常に大きな光学的異方性領域を効率的に誘起できる。これにより、電気光学効果や第２高調波発生等の非線形光学効果を利用した光のスイッチング、変調、波長変換等の各種機能を石英系の平面光回路内部に集積できる。その結果、低損失で信頼性が高く小型で駆動エネルギーの小さい機能性光素子が実現できる。
【００７７】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００７８】
光導波路と交差するように外部から直流高電圧の電場を印加すると同時に電場及び光導波路と交差するように波長５５０ｎｍ以下の励起光を照射することにより、光導波路のコア領域に光学的異方性領域が形成され、低損失で信頼性が高く小型で駆動エネルギーの小さい非線形光学素子及びその製造方法の実現を提供することができる。
【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の一実施の形態を示す概念図である。
【図２】本発明の非線形光学素子の製造方法の他の実施の形態を示す概念図である。
【図３】本発明の非線形光学素子の製造方法の他の実施の形態を示す概念図である。
【図４】本発明の非線形光学素子の一例を示す概念図である。
【符号の説明】
１１  光導波路
１２  基板（石英基板）
１３  コア領域
１４  クラッド領域
１５，１６  電極
１７  直流高電圧電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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