(57)【要約】【課題】  熱処理を要することなく、ガラス内部に電気光学効果及び非線形光学効果の大きい強誘電体の微結晶を分散析出させた光導波路を含む電気光学素子を得る。【解決手段】  電気光学素子の製造方法は、（ａ）Ｌｉ２Ｏ、Ｋ２Ｏの１種以上と、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５の１種以上と、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、ＴｅＯ２の１種以上を含んだガラス成分と、（ｂ）ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの１種以上と、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２の１種以上と、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２の１種以上を含むガラス成分の一方を主体として含むガラス体を用意するステップと、ガラス成分の基礎吸収端波長より長波長のパルスレーザ光をガラス体の内部に集光照射して微結晶が分散したコア部を形成するステップと、パルスレーザ光を集光照射しながらレーザ光の集光点をガラス体の内部に２次元的又は３次元的に走査してコア部が２次元的又は３次元的に連続する光導波路を形成するステップとを含む。【選択図】      図１
2005132693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）Ｌｉ２Ｏ、Ｋ２Ｏのうち少なくとも１種の成分と、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５のうち少なくとも１種の成分と、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、ＴｅＯ２のうち少なくとも１種の成分とを含んだガラス成分と、（ｂ）ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのうち少なくとも１種の成分と、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２のうち少なくとも１種の成分と、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２のうち少なくとも１種の成分とを含んだガラス成分との内、いずれか一方のガラス成分を主体として含むガラス体を用意するステップと、
前記ガラス成分の基礎吸収端波長より長波長のパルスレーザ光を前記ガラス体の内部に集光照射して微結晶が分散したコア部を形成するステップと、
前記パルスレーザ光を集光照射しながら、前記レーザ光の集光点を前記ガラス体の内部について２次元的又は３次元的に走査して前記コア部が２次元的又は３次元的に連続する光導波路を形成するステップと
を含む、電気光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記ガラス成分（ａ）は、Ｌｉ２Ｏ、Ｋ２Ｏのうち少なくとも１種の成分を５〜２０ｍｏｌ％の割合で含有し、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５のうち少なくとも１種の成分を５〜２０ｍｏｌ％の割合で含有し、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、ＴｅＯ２のうち少なくとも１種の成分を６０〜９０ｍｏｌ％の割合で含有することを特徴とする請求項１に記載の電気光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記ガラス成分（ｂ）は、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのうち少なくとも１種の成分を２５〜４０ｍｏｌ％の割合で含有し、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２のうち少なくとも１種の成分を１０〜２０ｍｏｌ％の割合で含有し、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２のうち少なくとも１種の成分を４５〜６０ｍｏｌ％の割合で含有することを特徴とする請求項１に記載の電気光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記コア部の一部を挟む一対の電極を設けるステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電気光学素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の製造方法により製造された電気光学素子であって、
前記微結晶の粒子径ａと前記光導波路を伝搬させる光の波長λとに関するミー散乱パラメータｑ（＝２πａ／λ）は、下記式、
１／５π＜ｑ＜２π
を満たすことを特徴とする電気光学素子。
【請求項６】
（ａ）Ｌｉ２Ｏ、Ｋ２Ｏのうち少なくとも１種の成分と、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５のうち少なくとも１種の成分と、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、ＴｅＯ２のうち少なくとも１種の成分とを含んだガラス成分と、（ｂ）ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのうち少なくとも１種の成分と、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２のうち少なくとも１種の成分と、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２のうち少なくとも１種の成分とを含んだガラス成分との内、いずれか一方のガラス成分を主体として含むガラス体をクラッド部として、前記ガラス体の内部に微結晶が分散したコア部が２次元的又は３次元的に連続する光導波路を備え、
前記コア部の前記微結晶以外の部分の屈折率は、前記クラッド部の屈折率よりも高い、電気光学素子。
【請求項７】
前記微結晶の粒子径ａと前記光導波路を伝搬させる光の波長λとに関するミー散乱パラメータｑ（＝２πａ／λ）は、下記式
１／５π＜ｑ＜２π
を満たすことを特徴とする請求項６に記載の電気光学素子。
【請求項８】
前記コア部が直線、曲線、カプラ又はＹ分岐の少なくとも一つを含むパターンを備えていることを特徴とする請求項６又は７に記載の電気光学素子。
【請求項９】
前記コア部の一部を挟んで電界を印加する一対の電極をさらに備えることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の電気光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微結晶（ナノ結晶）が分散した光導波路を備える電気光学素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの急速な拡大による通信需要の増大に伴って伝送容量の高速大容量化が必要とされ、その対策として波長の異なる多数の光にそれぞれ信号を乗せて伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）通信システムが活躍している。しかし、現在の実用システムに導入されているＷＤＭシステムでも通信需要には応えきれず、そのため波長あたりの伝送容量の増大が必要になってきており、現在までに４０Ｇｂｐｓ（１秒間に４０Ｇｂｉｔ）伝送技術の開発が行われ、数年後には立ち上がろうとしている。４０Ｇｂｐｓ以上のシステムでは、より高速な応答性能が求められるため、既存の半導体ＥＡ（電界吸収型）変調器の適用は難しく、電気光学効果を利用した単結晶ＬｉＮｂＯ３などを基材とした外部変調器が主流になる可能性が高い。この電気光学効果は、従来、ＬｉＮｂＯ３に代表される単結晶材料に特有とされ、これらの材料を用いた機能デバイスの研究開発が行われている。しかし、このＬｉＮｂＯ３等の単結晶材料は、既存のネットワークに施設されている石英ガラスファイバとは異質の材料である。そのため、ＬｉＮｂＯ３と石英ガラスファイバとの接続損失は高く、ファイバとの整合性に乏しいことなどや、高コストなどの課題があり、未だ光ファイバネットワークの主要な制御デバイスに成りえていない。
【０００３】
一方、シリカガラス系材料は、低コストで伝搬特性に優れ、ファイバとの接続損失が低く、広い透過波長域を持つことから、光デバイスの基幹材料として期待されている。しかし、シリカガラス系材料は、本質的に電気光学効果や非線形光学効果を持たないため、フィルタなどの受動的なデバイスに限定されてきた。１９８０年代に入って、ポーリング法によってシリカガラスに光非線形性を誘起させた報告が行われて以来、効果的なポーリング方法の探索が活発に行われている。さらに近年では、紫外光ポーリングによってＬｉＮｂＯ３単結晶に匹敵する電気光学効果および非線形光学効果が発現することが見出されている。実用レベルの電気光学効果および非線形光学効果と、低損失や優れた賦形性、コストパフォーマンスなどのガラス材料本来の優れた特性を併せ持つ材料は、従来にない特徴を有する新フォトニクス材料として期待されている。しかし、ポーリングにより誘起させた電気光学効果及び非線形光学効果は、性能の長期安定性に課題があり、デバイス応用への進展を妨げる要因となっている。
【０００４】
以下、ポーリングによらず電気光学効果及び非線形光学効果を有する結晶を形成する先行例の非特許文献及び特許文献に関して説明する。まず、ガラスに結晶を析出させる方法としては、ＵＶレーザ光を照射することでガラス表面に直径４０〜６０ｎｍのナノ結晶を析出させる事例がある（例えば、非特許文献１参照。）。この事例では結晶析出に用いられたガラスの組成は１５Ｋ２Ｏ−１５Ｎｂ２Ｏ５−７０ＴｅＯ２である。このガラスは、電気光学効果や非線形光学効果が大きい強誘電体結晶ＫＮｂＯ３の構成元素をガラス組成に含み、またガラス骨格を形成するためのＴｅＯ２が含まれている。このガラスの表面に、波長λ＝３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光を位相マスクを介して照射することにより、非線形光学効果を有するナノ結晶をガラス表面に析出させている。レーザ光は位相マスクを通過する際に干渉光が生じ、高強度のレーザ光がガラス表面の局所領域に照射されてナノ結晶が析出する。
【０００５】
次に、ガラス材料内部にのみ所定パターンで微結晶を選択析出させる微結晶分散ガラスおよびその製造方法について説明する（例えば、特許文献１参照。）。この例では、光源から出射させたパルスレーザ光をレンズ等の集光装置によって所定の深さのガラス内部に集光照射することにより、ガラス組成に含んでいる金属イオンを光還元して変質域を生成させる。次いで、熱処理を行って、上記変質域を核として微結晶をガラス内部に選択的に析出させている。微結晶領域は、集光点の相対移動やレーザ光のオン・オフにより所定の位置にパターン形成される。金属イオンには、Ａｕイオン、Ａｇイオン、Ｃｕイオン、Ｐｔイオン等が挙げられている。
【０００６】
【非特許文献１】「ＵＶ−Ｌａｓｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｐｅｒｉｏｄｉｃ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｉｎ  Ｔｅｌｌｕｒｉｔｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ」  Ｘ ＩＸ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｇｒｅｓｓ  ｏｎ  Ｇｌａｓｓ，  ＩＣＤ  Ｘ ＩＸ  ,Ｊｕｌｙ １−６,２００１：Ｒｙｏｕ  Ｏｇａｗａ（特にＦｉｇ．１及びＦｉｇ．２）
【特許文献１】特開平１１−７１１３９号公報（第４頁〜第９項、図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ガラスの一部に非線形光学効果の大きい強誘電体結晶を析出させる上記先行技術の場合には、ガラス表面のみに結晶析出が生じ、ガラス内部に結晶を析出させることが出来ない。結晶析出がガラス表面のみに生じる原因は、上記組成のガラスが波長４００〜５００ｎｍ付近に基礎吸収端を持つためと考えられる。照射されたレーザ光の波長がこのガラスの吸収波長領域にあるため、レーザ光はガラス表面近傍で吸収されて、局所領域での結晶化にのみエネルギーが消費されてしまうことによると考えられる。従って、この事例ではガラス内部にレーザ光を入射させて、内部に結晶を析出させることが出来ない。そのため、この結晶析出部分を用いて電気光学素子を作製する際には、例えば、光導波路を形成する場合には、導波路を所定のパターン形状に加工するためのエッチングプロセスが必要になる。さらに、成膜プロセスによるクラッド層形成工程が必要になるという問題があった。
【０００８】
また、上記特開平１１−７１１３９号公報に記載の微結晶分散ガラスの製造方法の場合には、あらかじめ金属イオンを分散させたガラス内部にパルスレーザ光を集光照射して、該金属イオンを光還元して変質域を生成させ、次いで熱処理することによって変質域を核として微結晶を選択的に成長させている。この場合、パルスレーザ光照射の後、熱処理を行うことが必要となる。しかし、ガラスを熱処理するとレーザ光照射によって高められたコア部（非結晶部）の等価屈折率が低下し、屈折率の分布の発生あるいは消失によって導波路の伝搬特性が著しく低下するという問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、熱処理を要することなく、ガラス内部に電気光学効果及び非線形光学効果の大きい強誘電体の微結晶を分散析出させた光導波路を含む電気光学素子を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る電気光学素子は、（１）Ｌｉ２Ｏ、Ｋ２Ｏのうち少なくとも１種の成分と、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５のうち少なくとも１種の成分と、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、ＴｅＯ２のうち少なくとも１種の成分とを含んだガラス成分と、（２）ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのうち少なくとも１種の成分と、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２のうち少なくとも１種の成分と、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２のうち少なくとも１種の成分とを含んだガラス成分との内、いずれか一方のガラス成分を主体として含むガラス体を用意するステップと、
前記ガラス成分の基礎吸収端波長より長波長のパルスレーザ光を前記ガラス体の内部に集光照射して微結晶が分散したコア部を形成するステップと、
前記パルスレーザ光を集光照射しながら、前記レーザ光の集光点を前記ガラス体の内部について２次元的又は３次元的に走査して前記コア部が２次元的又は３次元的に連続する光導波路を形成するステップと
を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る電気光学素子の製造方法によれば、パルスレーザ光の集光照射によってその集光点にのみ電気光学効果及び非線形光学効果を有する微結晶が分散するコア部を形成できるので、所望の箇所にコア部を形成できる。また、パルスレーザ光の集光点を２次元的又は３次元的に走査することで、コア部が複雑な２次元又は３次元構造を有する光導波路を容易に形成することができる。さらに、本発明に用いたガラスの組成によれば、パルスレーザ光の集光照射のみでガラス体の内部に微結晶を分散析出させることができる。そのため、熱処理を必要とせず、ガラス体及びコア部の寸法を歪ませることなく、また、熱処理を行わないのでコア部の微結晶以外の部分の屈折率を高いままに維持できる。また、熱処理工程を要しないので製造コストを低減できる。また、電気光学素子の製造にあたって、レーザ光の集光点を走査した部分にコア部を形成でき、該コア部の周囲がクラッド部となるので、クラッド層を形成するための加工プロセスや成膜プロセス等の後工程を実施する必要がなく製造コストを大幅に低減できる。
【００１２】
本発明に係る電気光学素子は、光導波路の伝搬光の波長λ＝８００ｎｍ〜１，５５０ｎｍよりも小さい粒径の電気光学結晶を分散析出させた光導波路を備えたものである。具体的には、微結晶の粒子径ａと前記光導波路を伝搬させる光の波長λとに関するミー散乱パラメータｑ（＝２πａ／λ）は、次式、１／５π＜ｑ＜２πを満たす。そこで、ミー散乱を抑制した電気光学素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態に係る電気光学素子及びその製造方法について図面に基づいて説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【００１４】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る電気光学素子の製造方法を図１及び図２を用いて説明する。この電気光学素子の製造方法は、以下の過程を含んでいる。
（ｉ）（ａ）Ｌｉ２Ｏ、Ｋ２Ｏのうち少なくとも１種の成分と、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５のうち少なくとも１種の成分と、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、ＴｅＯ２のうち少なくとも１種の成分とを含んだガラス成分と、（ｂ）ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのうち少なくとも１種の成分と、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２のうち少なくとも１種の成分と、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２のうち少なくとも１種の成分とを含んだガラス成分との内、いずれか一方のガラス成分を主体として含むガラス体を用意する。
なお、ガラス組成（ａ）は、Ｍ（１）２Ｏ−Ｍ（２）２Ｏ５−Ｍ（３）Ｏ２の複合酸化物組成で表すことができる。ここで、Ｍ（１）はＬｉ，Ｋのうち少なくとも一つの元素、Ｍ（２）はＮｂ，Ｔａのうち少なくとも一つの元素、Ｍ（３）はＳｉ，Ｇｅ，Ｔｅのうち少なくとも一つの元素をそれぞれ表している。また、ガラス組成（ｂ）は、Ｍ（１）Ｏ−Ｍ（２）Ｏ２−Ｍ（３）Ｏ２の複合酸化物組成で表すことができる。ここで、Ｍ（１）はＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａのうち少なくとも一つの元素、Ｍ（２）はＴｉ，Ｚｒのうち少なくとも一つの元素、Ｍ（３）はＳｉ，Ｇｅのうち少なくとも一つの元素をそれぞれ表している。
（ｉｉ）上記ガラス成分の基礎吸収端波長より長波長のパルスレーザ光を上記ガラス体の内部に集光照射して微結晶が分散したコア部を形成する。
（ｉｉｉ）パルスレーザ光を集光照射しながら、レーザ光の集光点をガラス体の内部について２次元的又は３次元的に走査してコア部が２次元的又は３次元的に連続する光導波路を形成する。
【００１５】
最初に、所定組成のガラス成分を含むガラス体を用意するステップについて説明する。ここでは、ガラス組成（ａ）として１５Ｋ２Ｏ−１５Ｎｂ２Ｏ５−７０ＴｅＯ２のガラス基板と、ガラス組成（ｂ）として３０ＢａＯ−１５ＴｉＯ２−５５ＧｅＯ２のガラス基板を用意する場合の実施例について具体的に説明する。まず、ガラス基板の製造方法について説明する。組成（ａ）のガラスの製造には、原料として、Ｋ２ＣＯ３：１２．０３１ｇ、Ｎｂ２Ｏ５：２３．１３８ｇ、ＴｅＯ２：６４．８３２ｇを使用し、組成（ｂ）のガラスには、原料としてＢａＣＯ３：４５．９９３ｇ、ＴｉＯ２：９．３０８ｇ、ＧｅＯ２：４４．６９８ｇを使用し、それぞれらいかい機により処理して得たそれぞれ総重量１００ｇの混合粉末を使用した。この混合粉末を、組成（ａ）のガラスでは金坩堝に入れて電気炉内で９５０℃／３０ｍｉｎ、組成（ｂ）のガラスでは白金坩堝に入れて電気炉内で１３００℃／３０ｍｉｎで熱処理し、融液化した。この融液を、予め３００℃に加熱した鉄板にキャストしてクエンチし、ガラスを得た。この後、歪点周辺温度で再熱処理してガラス内部の歪を除去した。冷却後、ガラスを、厚さ２ｍｍ、２５ｍｍ角の板型に切断加工し、両面を光学研磨処理して組成（ａ）及び組成（ｂ）のそれぞれのガラス基板１３を得た。
【００１６】
次に、ガラス基板１３にパルスレーザ光１１を照射してガラス基板１３内部に微結晶が分散析出したコア部１５を形成するステップと、パルスレーザ光１１を集光照射しながら、レーザ光１１の集光点１４をガラス体１３の内部について２次元的又は３次元的に走査してコア部１５が２次元的又は３次元的に連続する光導波路を形成するステップについて説明する。図１の（ａ）は、パルスレーザ光１１をガラス基板１３内部に集光照射して微結晶（ナノ結晶）１７を内部に分散析出させたコア部１５を有する光導波路を作製する過程を示す概略図である。図１の（ｂ）は、コア部１５の内部に分散析出しているナノ結晶１７を示す概略図である。パルスレーザ光１１の光源として、フェムト秒レーザを用いた例を図２に基づいて説明する。図２は、フェムト秒レーザを用いてガラス基板１３に光導波路を書き込む基本装置のブロック図である。
【００１７】
（１）フェムト秒レーザ装置から出射されたパルスレーザ光１１は、光軸上に設置した集光レンズ１２によって、ガラス基板１３の内部領域で、直径数μｍのスポットに絞り込まれる。集光用レンズ１２は、導波路形状を球形状にするために、４０〜１００倍率の対物レンズを使用してもよい。この集光照射領域は、ガラス基板１３のアブレーションを防ぐため、表面より３０μｍ以上の深さ位置に設定される。具体的には、図２に示すように、ＹＡＧレーザ光（波長λ＝５３２ｎｍ）２１を励起光源として、モードロックＴｉ：Ａｌ２Ｏ３レーザ２１を再生増幅して得た波長８１０ｎｍのレーザ光は、アンプ２３により増幅され、アッテネータ２４によって平均出力を数１００ｍＷオーダの適正値に調整された後、対物レンズ１２を介してガラス基板１３内部の領域１４に集光照射される。また、フェムト秒レーザ光照射装置によるガラス内部への集光照射において、上記以外の条件としては、パルス幅：１７０〜２２０ｆｓ、レーザビーム径：３ｍｍ、繰り返し周波数：２５０ｋＨｚ、パルスエネルギー：４μＪ（１パルス分のエネルギー積算値）とした。
【００１８】
（２）次に、ガラス内部に集光照射を行うとともに、可動ステージ上に設置したガラス基板１３を平行移動させることにより、直線状に連続するコア部１５を形成することができる。なお、コア部１５のパターンとしては、直線に限られず、曲線、Ｙ字状等の２次元、３次元に連続する様々なパターンを形成できる。具体的には、図２に示すように、コンピュータ２７によって可動ステージ２６を制御し、ガラス基板１３をレーザ光の光軸に対して、２次元的に平行および垂直、曲線、あるいは３次元的に移動させることによって光導波路を形成する。走査速度は、１０μｍ／ｓｅｃ〜５００μｍ／ｓｅｃの範囲で行うことができる。また、光導波路が形成される様子を、ＣＣＤカメラ２８によって検知し、テレビモニター２９で観察できる。
【００１９】
ここで、上記パルスレーザ光は、用いたガラス基板を構成するガラス材料の基礎吸収端波長より長い波長を有するものを用いている。ガラス材料の組成とレーザ光の吸収との関係について図３を用いて説明する。図３は、作製した組成（ａ）および組成（ｂ）のガラスの透過率を示すグラフである。組成（ａ）のＴｅＯ２系ガラスおよび組成（ｂ）のＧｅＯ２系ガラスは赤外透過性に優れていることから、非線形光学ガラスの中でも特に通信用ガラス材料に適している。組成（ａ）のガラスは波長λ＝４００ｎｍ〜５００ｎｍに基礎吸収端を持ち、組成（ｂ）のガラスでは波長λ＝３５０ｎｍ〜４００ｎｍに基礎吸収端を持つ。このため、ガラス内部への集光照射に用いるレーザ光には、この基礎吸収端波長よりも長波長のレーザ光を使用する必要がある。今回行った実験では、波長λ＝８１０ｎｍのレーザ光を使用したので、ガラス表面および内部における吸収を最小にすることができる。なお、ここでは、レーザ光源にフェムト秒レーザを用いた場合について説明したが、ピコ秒レーザであってもよく、上記と同様の効果が得られる。
【００２０】
上述の製造方法によって、図１に示すように、所定組成のガラス基板の内部に微結晶が分散析出したコア部が２次元的又は３次元的に連続する光導波路が得られる。表１は、実施例１（組成（ａ））および実施例２（組成（ｂ））のガラス基板に、光導波路書き込み条件としてパルスレーザ光の平均出力：４００ｍＷ、走査速度：３０μｍ／ｓｅｃ、および、平均出力：６５０ｍＷ、走査速度３０μｍ／ｓｅｃで作製した光導波路に、波長λ＝１，５５０ｎｍの赤外光を伝搬させて伝搬特性を測定した評価結果である。
【００２１】
【表１】
2005132693.tif 000003
【００２２】
また、上記組成（ａ）、組成（ｂ）のガラス基板内部に形成した光導波路のコア部の断面を、透過電子顕微鏡を用いて観察した結果、５００ｎｍ以下の微粒子がコア部断面内に分散していることを確認した。この微粒子は、透過電子顕微鏡による格子像観察およびＥＤＸ分析の結果、組成（ａ）のガラスのコア部内部に析出した微粒子はＫ−Ｎｂ−Ｔｅ−Ｏ系の組成から成るナノ結晶であることが判明した。一方、組成（ｂ）のガラスのコア部内部に析出した微粒子はＢａ−Ｔｉ−Ｇｅ−Ｏ系の組成から成るナノ結晶であることが判明した。
【００２３】
以上の実験結果より、この電気光学素子の製造方法では、ポーリング法に代わってガラス内部にナノ結晶を分散析出させて電気光学効果や非線形光学効果を誘起させている。結晶化に用いられるガラスは、非線形光学効果の大きい強誘電体結晶（例えばＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３など）の構成元素を含んだ組成から成り、このようなガラス材料から発現した電気光学効果や非線形光学効果は、析出した結晶相が起源であることから、その性能をほぼ永久的に持続させることが出来る。また、パルスレーザ光の集光照射のみでガラス内部にナノ結晶を分散析出させることができ、従来例のような５００℃以上の熱処理を行う必要がない。また、パルスレーザ光の照射により形成した光導波路は、レーザ光のエネルギーによって形成したガラス構造の欠陥や密度変化に伴う高屈折率領域を有し、この領域内にナノ結晶が分散析出する。コア部は、この高屈折率領域によって構成されている。通常、コア部の形成後に５００℃以上の熱処理を行えば、コア部の高屈折率領域のガラス構造が緩和され、これに伴って屈折率低下や導波路形状変化が生じてしまい、光伝搬特性に悪影響を与える。本発明によれば、パルスレーザ光を集光照射することによってナノ結晶を分散析出させることができ、熱処理が不要であるため、熱処理によるコア部の屈折率低下および導波路形状変化を抑えることができる。また、熱処理工程を要しないので製造コストを低減できる。
【００２４】
さらに、この電気光学素子の特性及びその応用例について説明する。組成（ａ）および組成（ｂ）のガラスから作製した光導波路の光路長を０．１ｍｍにして、一方の導波路断面からＹＡＧレーザ光（波長λ＝１，０６４ｎｍ）を入射させ、出射端より第２高調波（波長λ＝５３２ｎｍ）の光を検出するメーカフリンジ法によって出力値から非線形光学定数ｄを算出した結果、ＬｉＮｂＯ３単結晶とほぼ同等の電気光学特性が得られた。さらに、これらの光導波路を用いて位相変調器を作製し、石英系ＰＬＣ３ｄＢカプラを導波路の両側に結合して構成したマッハツェンダ型光スイッチを作製した。これらの動作特性から電気光学定数ｒを算出した結果、組成（ａ）のガラスから作製した光導波路では最大１０ｐｍ／Ｖ、組成（ｂ）のガラスから作製した光導波路では最大３０ｐｍ／Ｖが得ら、ＬｉＮｂＯ３単結晶とほぼ同等の特性が得られた。なお、コア部の一部を挟む一対の電極に電界を印加することによって電気光学効果が得られる。
【００２５】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る電気光学素子の製造方法について説明する。この電気光学素子の製造方法では、用いられるガラス基板の組成（ａ）の組成範囲について図４を用いて説明する。本発明者が鋭意検討した結果、Ｍ（１）２Ｏの成分を５ｍｏｌ％〜２０ｍｏｌ％の割合で含み、Ｍ（２）Ｏの成分を５ｍｏｌ％〜２０ｍｏｌ％の割合で含み、Ｍ（３）Ｏ２の成分を６０〜９０ｍｏｌ％の割合で含む図４の斜線部の組成範囲で作製したガラス材料がナノ結晶析出に好ましいガラス組成であることが判明した。図４は、ガラス組成としてＭ（１）２Ｏ−Ｍ（２）２Ｏ５−Ｍ（３）Ｏ２、[Ｍ（１）：ＬｉあるいはＫの少なくとも１種の成分、Ｍ（２）：ＮｂあるいはＴａの少なくとも１種の成分、Ｍ（３）：ＴｅあるいはＳｉ、Ｇｅのうち少なくとも１種の成分]の３元相図であり、ナノ結晶が析出する組成範囲を示している。この斜線部の組成範囲は、クエンチ処理によってガラスが得られる組成範囲であると同時に、パルスレーザ光の集光照射によってナノ結晶が析出する組成範囲である。図中、白丸はナノ結晶が多く析出したガラス組成、斜線模様の丸はナノ結晶の析出が少なかったガラス組成、黒丸はナノ結晶が析出しなかったガラス組成であることを示す。上記組成範囲のガラス材料を主体とするガラス基板は、パルスレーザ光の集光照射のみでガラス内部にナノ結晶を分散析出させることができ、従来例のような熱処理を必要としない。なお、本実施の形態２では、組成（ａ）のそれぞれのＭ（１）、Ｍ（２）、Ｍ（３）は１種類の成分に制限されず、２種類以上の成分が含まれてもよい。
【００２６】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る電気光学素子の製造方法について説明する。この電気光学素子の製造方法では、用いられるガラス基板の組成（ｂ）の組成範囲について図５を用いて説明する。本発明者が鋭意検討した結果、Ｍ（１）Ｏの成分を２５ｍｏｌ％〜４０ｍｏｌ％の割合で含み、Ｍ（２）Ｏ２の成分を１０ｍｏｌ％〜２０ｍｏｌ％の割合で含み、Ｍ（３）Ｏ２の成分を４５〜６０ｍｏｌ％の割合で含む図５の斜線部の組成範囲で作製したガラス材料がナノ結晶析出に好ましいガラス組成であることが判明した。図５は、ガラス組成（ｂ）としてＭ（１）Ｏ−Ｍ（２）Ｏ２−Ｍ（３）Ｏ２、[Ｍ（１）：ＭｇあるいはＣａ、Ｓｒ、Ｂａの少なくとも１種の成分、Ｍ（２）：ＴｉあるいはＺｒの少なくとも１種の成分、Ｍ（３）：ＳｉあるいはＧｅのうち少なくとも１種の成分]の３元相図であり、ナノ結晶が析出する組成範囲を示している。この斜線部の組成範囲は、クエンチ処理によってガラスが得られる組成範囲であると同時に、パルスレーザ光の集光照射によってナノ結晶が析出する組成範囲である。図中、白丸はナノ結晶が多く析出したガラス組成、斜線模様の丸はナノ結晶の析出が少なかったガラス組成、黒丸はナノ結晶が析出しなかったガラス組成であることを示す。上記組成範囲のガラス材料を主体とするガラス基板は、パルスレーザ光の集光照射のみでガラス内部にナノ結晶を分散析出させることができ、従来例のような熱処理を必要としない。なお、本実施の形態３では、Ｍ（１）、Ｍ（２）、Ｍ（３）は１種類の成分に制限されず、２種類以上の成分が含まれていてもよい。
【００２７】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る電気光学素子について図６を用いて説明する。図６の（ａ）は、この実施の形態４に係る電気光学素子のナノ結晶１７が分散した構造を備えたコア部１５を含む光導波路を有する電気光学素子１０の概略図である。また図６の（ｂ）は、コア部１５の断面構造を示す断面図である。コア部１５は、レーザ光照射によって形成されたガラス構造の欠陥や密度変化に伴う高屈折率領域１６と、この領域内に分散したナノ結晶１７とから構成される。
【００２８】
以下に、ガラス組成（ａ）として１５Ｋ２Ｏ−１５Ｎｂ２Ｏ５−７０ＴｅＯ２の場合のガラス基板を用いた電気光学素子を例に挙げて具体的に説明する。表２は、ガラス内部にフェムト秒レーザ光を６通り（実施例３〜８）の集光照射条件によってナノ結晶を分散析出させて形成したコア部を含む光導波路を有する電気光学素子の、結晶粒径および散乱光強度等の評価結果である。
【００２９】
【表２】
2005132693.tif 000004
【００３０】
ここで、表２中の、各光導波路の内部に析出した結晶の粒径は、透過電子顕微鏡にて導波路断面を観察することにより測定した。また光導波路の散乱光強度は、直線状のコア部を有する光導波路に波長λ＝１，５５０ｎｍの光信号を伝搬させ、光ファイバをプローブに用いて導波路に接近させた先端を角度と導波路からの距離を一定に保ちながら導波光伝搬に沿って散乱光強度分布を測定して検出した。表中の結果より、伝搬光の波長よりも大きい粒径の結晶が析出した場合（実施例６）には、散乱光強度は大きくなった。この他の照射条件（実施例３〜５、実施例７、８）においては、概ね散乱光強度が低い結果となった。また、実施例４は粒子径が伝搬光の波長の１／１０以下となりレイリー散乱領域であったが、導波路の光路長が短いため、その影響は小さかった。以上の結果より、光導波路の内部に形成する結晶の粒径を、光導波路を伝搬する光の波長λ＝８００ｎｍ〜１，５５０ｎｍよりも小さくすることによって、伝搬光の散乱を極めて小さくすることができる。そこで、ナノ結晶１７の直径ａは、光導波路に伝搬させる光信号の波長λ＝８００〜１，５５０ｎｍよりも小さく、ミー散乱が発生しない粒子サイズ範囲に粒度分布をもつことが好ましい。具体的には、ナノ結晶の粒子径ａと光導波路に伝搬させる光の波長λとに関するミー散乱パラメータｑ（＝２πａ／λ）について次式、１／５π＜ｑ＜２πを満たすことが好ましい。
【００３１】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る電気光学素子について図７を用いて説明する。この電気光学素子は、実施の形態１から４に係る電気光学素子の応用例である。図７の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれこの実施の形態に係る電気光学素子の例を示す概略図である。図７（ａ）は、ガラス基板１３の内部に作製した２つの方向性結合型３ｄＢカプラ３１ａ、３１ｂから成るマッハツェンダ構造の光回路３０である。この光回路３０は、２本のアーム３２ａ、３２ｂが２箇所で互いに近接して形成された方向性結合型３ｄＢカプラ３１ａ、３１ｂを有している。さらに、２つの３ｄＢカプラ３１ａ、３１ｂの間のそれぞれのアーム３２ａ、３２ｂの一部に電界を印加する制御用電極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄを備えている。この光回路３０の特性は、素子損失は１．０ｄＢ以下、分岐比は３ｄＢ±０．５ｄＢであった。
【００３２】
また、図７（ｂ）は同様に上記ガラス基板１３の内部に作製した２つのＹ分岐型３ｄＢカプラ４１ａ、４１ｂを有するマッハツェンダ構造の光回路４０である。この光回路４０は、１本のアームが一方のＹ分岐型３ｄＢカプラ４１ａで２本のアーム４２ａ、４２ｂに分岐し、２本のアーム４２ａ、４２ｂが他方のＹ分岐型３ｄＢカプラ４１ｂで１本のアームに結合されている。さらに、２つの３ｄＢカプラ４１ａ、４１ｂの間のそれぞれのアーム４２ａ、４２ｂの一部に電界を印加する制御用電極４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを備えている。この光回路４０の特性は、伝搬損失１．０ｄＢ以下、分岐比は３ｄＢ±０．５ｄＢであった。
【００３３】
なお、上記マッハツェンダ構造の光回路は、アーム３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂ部分に形成した制御用電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄから制御用電気信号を印加して光信号を制御する光変調器、光スイッチ、さらにグレーティングによる波長可変グレーティング、Ａｄｄ−Ｄｒｏｐ型光フィルターなどの電気光学素子に適用することができる。また、この実施の形態５では、マッハツェンダ型光回路を作製した場合について説明したが、ガラス基板内に光回路を３次元的に形成することもでき、さらに上記電気光学素子の機能を集積化した構造を作製することも出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る電気光学素子の製造方法の概略図であり（ｂ）は、コア部の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る電気光学素子の製造方法で用いるレーザ照射装置のブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る電気光学素子に用いるガラス材料の透過率の波長依存性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態２に係る電気光学素子の製造方法で用いるガラス材料の組成（ａ）の組成範囲を示す３元相図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る電気光学素子の製造方法で用いるガラス材料の組成（ｂ）の組成範囲を示す３元相図である。
【図６】（ａ）は、本発明の実施の形態４に係る電気光学素子の光導波路構造を示す概略図であり、（ｂ）は、コア部の断面図である。
【図７】（ａ）は、本発明の実施の形態５に係る電気光学素子である方向性結合型３ｄＢカプラを備えた光回路の概略図であり、（ｂ）は、Ｙ分岐型３ｄＢカプラを備えた光回路の概略図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  電気光学素子、１１  パルスレーザ光、１２  集光レンズ、１３  ガラス基板、１４  集光点、１５  コア部、１６  高屈折率領域、１７  ナノ結晶、２０  パルスレーザ照射システム、２１  ＹＡＧレーザ、２２  Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３レーザ、２３  アンプ、２４  アッテネータ、２５  ミラー、２６  可動ステージ、２７  コンピュータ、２８  ＣＣＤカメラ、２９  テレビモニタ、３０  方向性結合器、３１ａ、３１ｂ  方向性結合型３ｄＢカプラ、３２ａ、３２ｂ  アーム、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ  制御用電極
４０  マッハツエンダ型光回路、４１ａ、４１ｂ  Ｙ分岐型３ｄＢカプラ、４２ａ、４２ｂ  アーム、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ  制御用電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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