JP3557434B2

JP3557434B2 - Optical waveguide

Info

Publication number: JP3557434B2
Application number: JP29122794A
Authority: JP
Inventors: 啓司常友
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1994-11-25
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2019-08-25
Also published as: JPH08146475A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光導波路に関し、特に超高速の光スイッチ、リミッタあるいは光論理素子など、非線形光学効果を用いた導波路型の光制御素子を実現するための、非線形光学材料からなる光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路は、光通信の分野で広く使用されており、たとえば、光分配器や光結合器のような受動型のデバイスあるいは電極を装荷した光変調器のような電気光学制御デバイスとして利用されている。
【０００３】
光導波路の材料としては、高分子薄膜、ガラス、強誘電体結晶などがあり、材料の種類によりさまざまな方法で作製されている。光導波路を形成する方法も導波路材料により異なるが、たとえば、ある種のイオンを含むガラスでは、イオン交換法によりガラス表面近傍に屈折率の高い領域を形成し、これを光導波領域とすることで、光導波路を実現している。
【０００４】
一方、非線形特性を有する光材料で光導波路を作製すると、光スイッチやリミッタとして利用できる。ここでいう非線形特性とは、非線形ガラス等の非線形光学材料にレーザー光などの光を入射すると、入射光強度により前記ガラスの屈折率が変化する効果である。この屈折率変化は、非線形光学材料の３次の非線形光学効果によって引き起こされる。
【０００５】
非線形ガラスとして、たとえば半導体微粒子分散ガラスやカルコゲナイドガラスが用いられる。前者の半導体微粒子分散ガラスは色ガラスフィルターとして知られており、一般に溶融法により作製され、微粒子原料としてはＣｄＳやＣｄＳｅおよびその混晶系が使用される。後者のカルコゲナイドガラスの例としてはＡｓ_２Ｓ_３やＴｅ等がある。
【０００６】
非線形ガラスをもちいて光スイッチ等の光非線形導波路を作製した例として図２のように、前記色ガラスフィルターにイオン交換法により導波路を作製し、さらに２本の導波路間で光結合が起きるような構造（方向性結合器）を作製した例がある（Ｓｔｅｇｅｍａｎｅｔａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５３，１１４４（１９８８））。
【０００７】
非線形ガラスの作製法としては上記の溶融法以外に、ゾルゲル法、スパッタ法あるいは真空蒸着法といった薄膜作製技術が最近盛んに利用されている。これらの中で、スパッタ法や真空蒸着法は微粒子の膜中濃度を増加させることができるという特徴を持っており、単位体積あたりの光学非線形特性が増大することが期待されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、その微粒子密度の増加は光学非線形特性を増加させるだけでなく、試料の吸収係数をも増加させることになる。したがって、このような材料で光非線形導波路を作製する場合、光がこの非線形光学材料中を通過する長さを短くしなければならない。また、スパッタ法や真空蒸着法で作製した非線形ガラスでは、必ずしもガラス中にナトリウムやカリウム等のイオンを含まないので、前述したようなイオン交換法を用いることができない場合がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような吸収係数の大きな非線形光学材料を使用して、光非線形導波路を作製することを目的としたもので、コアの一部のみに選択的に非線形光学特性を持たせ、それ以外のコア部分での吸収損失を低減させることを特徴としている。本発明は、高パワーのレーザー光を照射することにより非線形光学特性が変化する材料をコアとして使用することを特徴とする。本発明は、コアの一部のみに選択的に非線形光学特性を有する領域を作製することを特徴とする。
【００１０】
本発明の光導波路のコアに使用される微粒子分散ガラス中に含まれる微粒子として、半導体微粒子あるいは金属微粒子あるいは半導体微粒子と金属微粒子の両方からなる微粒子を使用することことができる。その半導体超微粒子原料として、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）をはじめとし、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）など２−６族化合物およびその混晶、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）などの３−５族化合物半導体などが使用できる。また、金属超微粒子原料としては、金、銀あるいは銅が使用できる。
【００１１】
超微粒子を分散させるガラスマトリックスの作製法としては、テトラメトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣＨ_３）_４）あるいはテトラエトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）等のシリコンアルコキシドを原料とする化学的気相合成法（ＣＶＤ法）や、ガラスターゲットを使用した高周波スパッタ法、酸化硅素を原料とする加熱蒸着法、あるいはシリコンアルコキシドを原料とするゾルゲル法などを挙げることができる。
【００１２】
このうちＣＶＤ法においては、原料を分解させる機構として、熱、プラズマ、光を利用することができる。また、ＣＶＤ法の原料となるシリコンアルコキシドは、それぞれ単体で用いられる場合と酸素あるいは酸素ラジカル、さらにはＡｒなどの不活性ガスと混合して使用される場合もある。
【００１３】
【作用】
本発明の光導波路では、コアとなる微粒子分散ガラスの一部のみに非線形光学特性を持たせることができるので、コアの他の部分での吸収損失を小さくすることができる。したがって、非線形光学特性が大きく、かつ吸収係数の大きい材料を使用した光導波路を得ることができる。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１に本発明により作製した光導波路の概略図を示す。基板１上に形成されたコア２とそれを覆うように形成されたクラッド３からなり、該コア２の一部のみが大きな非線形光学特性を有している。（以下では、この非線形光学特性の大きい部分を作用部４とよぶこととする。）
【００１５】
図２は、この光導波路の作製手順の一例である。ガラス基板５上に微粒子分散ガラス膜６を堆積させる。フォトレジスト工程によりコアとなる部分の上部にレジストマスク７を形成する。反応性イオンエッチングによりマスクで覆われていない部分の微粒子分散ガラスを除去する。この工程により光導波部（コア２）が形成される。
【００１６】
次に、レジストマスク７を除去した後、コア２を覆うようにクラッド３となるガラス膜を堆積させる。以上の工程により作製した微粒子分散ガラスをコアとする光導波路８が作製できる。このコア２の一部に高パワーのレーザー光９を照射することにより、その部分の非線形光学特性を変化させ、その部分のみコアの他の部分に比べて大きな非線形光学定数を持つように変質させる。ここで重要なことは、レーザー光９の波長を、コア２が変質するに十分な大きさの吸収係数を有する波長に設定することである。また、コア以外の部分（クラッドや基板）でレーザー光が吸収されないようにすることも必要である。
【００１７】
図２の各部は、具体的には以下の製法により作製した。微粒子分散ガラス薄膜６は、ＣｄＴｅ微粒子とガラスからなるＣｄＴｅ微粒子分散ガラスであり、このうちＣｄＴｅ微粒子はガス中レーザー蒸発法により作製し、ガラスマトリックスはテトラメトキシシランを原料とするプラズマＣＶＤ法により作製した。クラッド３は、テトラメトキシシランを原料とするプラズマＣＶＤ法により作製した。
【００１８】
コア部の非線形光学特性を変化させるためには、波長５９０ｎｍの色素レーザーを使用した。この波長でのＣｄＴｅ微粒子分散ガラスの吸収係数は約５０００ｃｍ^ー１（５００ｍｍ^ー１）である。レーザー光の平均エネルギーは２０ｍＷであり、これをレンズ１０によりコア２上に集光することでコア部の非線形光学定数を変化させるに十分なエネルギー密度を得る。コア部のサイズは、約１０μｍ（横方向）×２μｍ（垂直方向）である。レーザー光を照射した部分の大きさは約３０μｍφであり、このレーザー光を照射した部分の非線形光学定数が大きくなる結果、コアの一部に作用部４が形成される。
【００１９】
図３は、作用部および作用部以外のコアの光吸収スペクトルおよび３次の非線形感受率である。ただし、作用部については面積が非常に小さく実測が困難であるので、ＣｄＴｅ微粒子分散ガラス薄膜の全面を集光したレーザー光で走査して作用部と同様な変化を起こさせ、それを用いて評価をおこなった。
【００２０】
図３より、レーザー光の照射により、作用部では光学吸収端（吸収係数の立ち上がり）が長波長側にシフトしていることがわかる。光学吸収スペクトルの吸収端の短波長側に見られる吸収の肩は、微粒子中での準位の量子化により説明されるが、非線形感受率はこの吸収の肩に共鳴するように最大値をとることが知られている。図３においても、作用部およびそれ以外の部分いずれの場合もその吸収の肩に共鳴して非線形感受率が増大している様子が観測される。ただし、作用部では吸収端の肩自体が長波長側にシフトしているために、それにともなって非線形感受率が最大となる波長も長波長側にシフトしている。
【００２１】
光導波路の動作は、作用部で非線形感受率が最大となる波長付近で確認する（図３で矢印で示した波長）。この波長では作用部以外のコアではほとんど吸収がなく、作用部のみが大きな非線形光学特性を有している。すなわち、吸収損失の小さいコアの一部に非線形光学定数の大きな部分（作用部）が形成されていることになり、図１に示した光導波路が実現されているのである。
【００２２】
図４は、作製した光導波路の光導波特性の導波光強度依存性を測定した結果である。光導波路を透過する光の強度は入射光の強度に対して直線的に変化しないことから、この光導波路が明らかに光非線形特性を有していることがわかる。
【００２３】
（実施例２）
以下、本発明の他の実施例を図面に基づいて説明する。図１のコア２として金微粒子分散ガラスを使用した光導波路の作用部および作用部以外のコアの吸収スペクトルおよび３次の非線形感受率を図５に示す。金微粒子分散ガラスおよびクラッドの作製法は実施例１と同様である。ただし、金微粒子を作製する際にガス中レーザー蒸発法の原料をＣｄＴｅから金に変更したこと、および作製時に導入する不活性ガスの量を少なくしたこと、の２点が実施例１と異なっている。
【００２４】
金微粒子分散ガラスでは、金微粒子の表面プラズモン吸収により５３０ｎｍ付近に吸収ピークが現れる。（以下ではこれを表面プラズモンピークとよぶ。）非線形感受率は、この表面プラズモンピークに共鳴して増大することが知られている。ガス中レーザー蒸発法により金微粒子を作製する際に、ガス圧やレーザーパワーを制御することで金微粒子の大きさを小さくすることができる。金微粒子の粒径が小さいときは表面プラズモンピークが小さく、粒径が大きくなるにしたがって、表面プラズモンピークの大きさが増加する。
【００２５】
図５は、作用部以外のコアでは金微粒子径が小さく、作用部ではレーザー光の照射により金微粒子径が増加したことを示している。３次の非線形感受率も、その表面プラズモンピークの大きさが増加するにしたがって増加するため、コアの作用部のみで非線形感受率が大きい光導波路が形成される。
【００２６】
なお、金微粒子分散ガラスをコアとして使用するときの、コアの非線形感受率を変化させるために使用するレーザーとしては、エキシマレーザあるいはＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波あるいは第３高調波が使用できる。光導波路の非線形特性はＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波（波長５３２ｎｍ）を用いて評価する。ただし、このときのレーザー光強度を大きくし過ぎると、コアの作用部以外の部分でも非線形光学定数の変化が生じるので、評価に用いるレーザー光の強度は低く抑えておく必要がある。
【００２７】
金微粒子分散ガラスをコアとする本発明の光導波路においても、実施例１と同様な導波光強度の非線形特性が観測できた。ただし、非線形特性の現れ始めるしきい値は、もちろん実施例１と異なっていた。
【００２８】
（実施例３）
実施例１および実施例２では、コアが１本のみの光導波路について述べたが、本発明は、光結合器のように、コアが２本以上ある場合あるいはコアが途中で２本に分かれる、いわゆるＹ分岐導波路においても同様に使用できる。
【００２９】
図６は、光結合器の結合部（２本のコアが近接して形成されている部分）に本発明の方法により、非線形光学特性を持たせた例である。このときコア２およびクラッド３は実施例１と同様な方法で作製した。
【００３０】
方向性結合器の結合部に非線形光学効果を有する材料を使用すると、入射光強度の増減により、２つの出力ポートにおける出射光強度の比を変化させることができる。（このような光結合器を非線形光結合器という）非線形光結合器では光の出力先を変更することができるので、これは一種の光スイッチと見なすことができる。図７は、図６に示す本発明の方法により作製した非線形光結合器における、入射光強度と２本の出力ポートから出射される光強度の関係を調べた結果である。入射光強度の変化により出力ポートから出射される光の強度比が変化しており、光スイッチングが行えることがわかる。これにより、本発明の光導波路が光結合器に使用できることが確認できた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明では、コアの一部のみに光非線形特性が大きい部分を形成したので、コアの他の部分での吸収損失を低く抑えることができる。同時に、非線形感受率の大きい領域（作用部）を短くすることで、微粒子密度が大きく吸収係数の大きい材料も光導波路として使用できるという効果も有している。
【００３２】
さらに、一旦作製した光導波路の一部にレーザー光を照射するのみで作用部が形成できるので、作製手順がイオン交換法等の他の方法よりも単純で容易である。また、作用部の長さも、レーザー光のスポットサイズを変える、あるいは、集光したレーザー光でコア部を走査することによって容易に変更でき、光導波路を設計をする際の自由度を増大させる効果も有している。
【００３３】
本発明は、レーザー光の波長をクラッドやガラス基板で光が吸収されない波長に選ぶことで、一旦クラッド中に埋め込まれたコア部のみの非線形光学定数を選択的に変化させ、作用部を形成する。したがって、コアとクラッドの界面状態を良好に保つことができ、その部分での散乱損失も低く抑えることができる。
【００３４】
レーザー光の照射により光非線形が変化する材料として、実施例１では、半導体微粒子分散ガラスを使用し、レーザー光照射による吸収端のシフトに付随して非線形感受率のが変化を利用した。また、実施例２では、金属微粒子がレーザ光の照射により粒成長し、それに付随して非線形感受率が増大する効果を利用した。しかし、本発明はこれらの効果に限ることなく、レーザー光を照射して材料の非線形光学特性が変化するさまざまな材料に同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す光非線形導波路の概略図。
【図２】本発明の光導波路を作製する手順を示す概略図
【図３】本発明の光導波路の作用部と作用部以外のコアの部分の吸収スペクトル、および３次の非線形感受率を示すグラフ。
【図４】本発明の光導波路の光導波特性を評価した結果を示す図。
【図５】実施例２に示す光導波路の作用部と作用部以外のコアの部分の吸収スペクトルおよび３次の非線形感受率を示すグラフ。
【図６】実施例３により作製した非線形光結合器の模式図。
【図７】実施例３により作製した非線形光結合器の動作の測定結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１：基板
２：導波路（コア）
３：クラッド
４：作用部（光非線形特性の大きい部分）
５：ガラス基板
６：微粒子分散ガラス
７：レジストマスク
８：微粒子分散ガラスをコアとする光導波
９：レーザー光
１０：レンズ
１１：コア
１２：クラッド
１３：結合部（作用部）
１４：入力ポート
１５：出力ポート[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an optical waveguide, and more particularly, to an optical waveguide made of a nonlinear optical material for realizing a waveguide type optical control element using a nonlinear optical effect, such as an ultra-high-speed optical switch, limiter, or optical logic element.
[0002]
[Prior art]
Optical waveguides are widely used in the field of optical communication, and are used as, for example, passive devices such as optical distributors and optical couplers or electro-optical control devices such as optical modulators loaded with electrodes. I have.
[0003]
Examples of the material of the optical waveguide include a polymer thin film, glass, and a ferroelectric crystal. The method of forming an optical waveguide also differs depending on the waveguide material.For example, in the case of glass containing certain ions, a region having a high refractive index is formed near the glass surface by an ion exchange method, and this is used as an optical waveguide region. Thus, an optical waveguide is realized.
[0004]
On the other hand, if an optical waveguide is made of an optical material having nonlinear characteristics, it can be used as an optical switch or a limiter. Here, the non-linear characteristic is an effect that when light such as laser light is incident on a nonlinear optical material such as nonlinear glass, the refractive index of the glass changes depending on the intensity of the incident light. This change in the refractive index is caused by the third-order nonlinear optical effect of the nonlinear optical material.
[0005]
As the nonlinear glass, for example, semiconductor fine particle dispersed glass or chalcogenide glass is used. The former semiconductor particle-dispersed glass is known as a color glass filter, and is generally produced by a melting method, and CdS, CdSe, or a mixed crystal thereof is used as a particle material. Examples of the latter chalcogenide glass include As ₂ S ₃ and Te.
[0006]
As an example of manufacturing an optical nonlinear waveguide such as an optical switch using nonlinear glass, as shown in FIG. 2, a waveguide is manufactured by the ion exchange method on the color glass filter, and further, optical coupling between the two waveguides. There is an example in which a structure (directional coupler) that can occur has been produced (Stegeman et al., Appl. Phys. Lett., 53, 1144 (1988)).
[0007]
In addition to the melting method described above, a thin film manufacturing technique such as a sol-gel method, a sputtering method, or a vacuum evaporation method has recently been actively used as a method for manufacturing a nonlinear glass. Among them, the sputtering method and the vacuum evaporation method have a feature that the concentration of fine particles in the film can be increased, and it is expected that the optical nonlinear characteristic per unit volume is increased.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the increase in the fine particle density not only increases the optical nonlinear characteristic, but also increases the absorption coefficient of the sample. Therefore, when an optical nonlinear waveguide is made of such a material, the length of light passing through the nonlinear optical material must be reduced. Further, in the case of a nonlinear glass manufactured by a sputtering method or a vacuum evaporation method, ions such as sodium and potassium are not necessarily contained in the glass, so that the above-described ion exchange method may not be used in some cases.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is directed to fabricating an optical nonlinear waveguide using a nonlinear optical material having a large absorption coefficient as described above, and selectively imparting nonlinear optical characteristics to only a part of the core. The feature is that absorption loss in other core portions is reduced. The present invention is characterized in that a material whose nonlinear optical characteristics change when irradiated with high-power laser light is used as a core. The present invention is characterized in that a region having nonlinear optical characteristics is selectively formed only in a part of a core.
[0010]
As the fine particles contained in the fine particle-dispersed glass used in the core of the optical waveguide of the present invention, semiconductor fine particles, metal fine particles, or fine particles comprising both semiconductor fine particles and metal fine particles can be used. As the semiconductor ultrafine particle raw material, cadmium telluride (CdTe), cadmium selenide (CdSe), cadmium sulphide (CdS), and the like; Group semiconductors and the like can be used. Gold, silver or copper can be used as the raw material of the metal ultrafine particles.
[0011]
As a method for producing a glass matrix in which ultrafine particles are dispersed, a chemical vapor phase using a silicon alkoxide such as tetramethoxysilane (Si (OCH ₃ ) ₄ ) or tetraethoxysilane (Si (OC ₂ H ₅ ) ₄ ) as a raw material is used. Examples thereof include a synthesis method (CVD method), a high-frequency sputtering method using a glass target, a heating evaporation method using silicon oxide as a raw material, and a sol-gel method using silicon alkoxide as a raw material.
[0012]
Among them, in the CVD method, heat, plasma, and light can be used as a mechanism for decomposing a raw material. The silicon alkoxide used as a raw material for the CVD method may be used alone or in a mixture with oxygen or oxygen radicals or an inert gas such as Ar.
[0013]
[Action]
In the optical waveguide of the present invention, since only a part of the fine particle-dispersed glass serving as the core can have nonlinear optical characteristics, the absorption loss in other parts of the core can be reduced. Therefore, it is possible to obtain an optical waveguide using a material having a large nonlinear optical characteristic and a large absorption coefficient.
[0014]
【Example】
(Example 1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic view of an optical waveguide manufactured according to the present invention. A core 2 is formed on a substrate 1 and a clad 3 is formed so as to cover the core 2. Only a part of the core 2 has a large nonlinear optical characteristic. (Hereinafter, a portion having a large nonlinear optical characteristic will be referred to as an action portion 4.)
[0015]
FIG. 2 shows an example of a procedure for manufacturing this optical waveguide. A fine particle-dispersed glass film 6 is deposited on a glass substrate 5. A resist mask 7 is formed on a portion to be a core by a photoresist process. The portion of the glass which is not covered with the mask is dispersed by reactive ion etching. By this step, an optical waveguide (core 2) is formed.
[0016]
Next, after removing the resist mask 7, a glass film serving as the clad 3 is deposited so as to cover the core 2. The optical waveguide 8 having the core of the fine particle-dispersed glass manufactured by the above steps can be manufactured. By irradiating a high power laser beam 9 to a part of the core 2, the nonlinear optical characteristic of the part is changed, and only the part is altered so as to have a larger nonlinear optical constant than other parts of the core. . What is important here is that the wavelength of the laser beam 9 is set to a wavelength having an absorption coefficient large enough for the core 2 to be altered. It is also necessary to prevent laser light from being absorbed in portions other than the core (cladding and substrate).
[0017]
Each part in FIG. 2 was specifically manufactured by the following manufacturing method. The fine particle-dispersed glass thin film 6 is a CdTe fine particle-dispersed glass composed of CdTe fine particles and glass. Among these, the CdTe fine particles were prepared by a laser evaporation method in gas, and the glass matrix was prepared by a plasma CVD method using tetramethoxysilane as a raw material. . The clad 3 was produced by a plasma CVD method using tetramethoxysilane as a raw material.
[0018]
To change the nonlinear optical characteristics of the core, a dye laser having a wavelength of 590 nm was used. The absorption coefficient of the CdTe fine particle dispersed glass at this wavelength is about 5000 cm ^-1 (500 mm ^-1 ). The average energy of the laser light is 20 mW, which is condensed on the core 2 by the lens 10 to obtain an energy density sufficient to change the nonlinear optical constant of the core. The size of the core part is about 10 μm (horizontal direction) × 2 μm (vertical direction). The size of the portion irradiated with the laser light is about 30 μmφ, and the nonlinear optical constant of the portion irradiated with the laser light is increased, so that the action portion 4 is formed in a part of the core.
[0019]
FIG. 3 shows the light absorption spectrum and third-order nonlinear susceptibility of the working part and the core other than the working part. However, since the working portion has a very small area and is difficult to measure, the entire surface of the CdTe fine-particle-dispersed glass thin film is scanned with a condensed laser beam to cause a change similar to that of the working portion, and evaluation is performed using the same. Was performed.
[0020]
From FIG. 3, it can be seen that the optical absorption edge (rise of the absorption coefficient) is shifted to the longer wavelength side in the working portion by the irradiation of the laser beam. The absorption shoulder seen on the short wavelength side of the absorption edge of the optical absorption spectrum is explained by the quantization of the levels in the fine particles, but the nonlinear susceptibility has a maximum value that resonates with this absorption shoulder. It is known. Also in FIG. 3, it is observed that the nonlinear susceptibility is increased by resonance with the absorption shoulder in both the action portion and the other portions. However, since the shoulder itself of the absorption end shifts to the longer wavelength side in the working portion, the wavelength at which the nonlinear susceptibility becomes maximum also shifts to the longer wavelength side accordingly.
[0021]
The operation of the optical waveguide is confirmed near the wavelength at which the non-linear susceptibility is maximized in the action section (the wavelength indicated by the arrow in FIG. 3). At this wavelength, the core other than the working portion hardly absorbs, and only the working portion has large nonlinear optical characteristics. That is, a part (action part) having a large nonlinear optical constant is formed in a part of the core having a small absorption loss, and the optical waveguide shown in FIG. 1 is realized.
[0022]
FIG. 4 shows the result of measuring the guided light intensity dependence of the optical waveguide characteristics of the manufactured optical waveguide. Since the intensity of light transmitted through the optical waveguide does not change linearly with the intensity of the incident light, it can be seen that this optical waveguide clearly has optical nonlinear characteristics.
[0023]
(Example 2)
Hereinafter, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 shows the absorption spectrum and the third-order nonlinear susceptibility of the working part and the core other than the working part of the optical waveguide using the gold fine particle dispersed glass as the core 2 in FIG. The method of manufacturing the glass and the clad are shown in FIG. However, different from Example 1 in that the raw material of the laser evaporation method in gas was changed from CdTe to gold when producing fine gold particles, and that the amount of inert gas introduced during the production was reduced. I have.
[0024]
In the gold fine particle dispersed glass, an absorption peak appears at around 530 nm due to the surface plasmon absorption of the gold fine particles. (Hereinafter, this is called a surface plasmon peak.) It is known that the nonlinear susceptibility increases in resonance with the surface plasmon peak. When producing gold fine particles by the laser evaporation method in gas, the size of the gold fine particles can be reduced by controlling the gas pressure and the laser power. When the particle size of the gold fine particles is small, the surface plasmon peak is small, and as the particle size increases, the size of the surface plasmon peak increases.
[0025]
FIG. 5 shows that the diameter of the gold fine particles was small in the cores other than the working portion, and the diameter of the gold fine particles was increased in the working portion by laser light irradiation. Since the third-order nonlinear susceptibility also increases as the size of the surface plasmon peak increases, an optical waveguide having a large nonlinear susceptibility is formed only by the working portion of the core.
[0026]
Note that, when the glass containing fine gold particles is used as a core, a second harmonic or a third harmonic of an excimer laser or a Nd: YAG laser can be used as a laser used to change the nonlinear susceptibility of the core. . The nonlinear characteristics of the optical waveguide are evaluated using the second harmonic (wavelength 532 nm) of an Nd: YAG laser. However, if the laser light intensity at this time is too large, a change in the nonlinear optical constant occurs in portions other than the working portion of the core, and therefore, it is necessary to keep the intensity of the laser light used for evaluation low.
[0027]
Also in the optical waveguide of the present invention having a core of gold-particle-dispersed glass, a nonlinear characteristic of guided light intensity similar to that of Example 1 was observed. However, the threshold at which the non-linear characteristics began to appear was different from that of the first embodiment.
[0028]
(Example 3)
In the first and second embodiments, the optical waveguide having only one core has been described. However, the present invention is applicable to the case where there are two or more cores or the core is divided into two parts like an optical coupler. The same can be used in a so-called Y-branch waveguide.
[0029]
FIG. 6 shows an example in which a coupling portion (a portion where two cores are formed close to each other) of an optical coupler has nonlinear optical characteristics by the method of the present invention. At this time, the core 2 and the clad 3 were produced in the same manner as in Example 1.
[0030]
When a material having a non-linear optical effect is used for the coupling portion of the directional coupler, the ratio of the output light intensity at the two output ports can be changed by increasing or decreasing the incident light intensity. In a non-linear optical coupler (such an optical coupler is referred to as a non-linear optical coupler), the output destination of light can be changed, so that this can be regarded as a kind of optical switch. FIG. 7 shows the result of examining the relationship between the incident light intensity and the light intensity emitted from two output ports in the nonlinear optical coupler manufactured by the method of the present invention shown in FIG. Since the intensity ratio of the light emitted from the output port changes due to the change in the intensity of the incident light, it can be seen that the optical switching can be performed. Thus, it was confirmed that the optical waveguide of the present invention can be used for an optical coupler.
[0031]
【The invention's effect】
In the present invention, since a portion having a large optical non-linear characteristic is formed only in a part of the core, the absorption loss in other parts of the core can be suppressed low. At the same time, by shortening the region (action portion) having a large nonlinear susceptibility, there is also an effect that a material having a large particle density and a large absorption coefficient can be used as an optical waveguide.
[0032]
Further, since the working portion can be formed only by irradiating a part of the optical waveguide once manufactured with laser light, the manufacturing procedure is simpler and easier than other methods such as an ion exchange method. In addition, the length of the working portion can be easily changed by changing the spot size of the laser beam or by scanning the core portion with the focused laser beam, thereby increasing the degree of freedom in designing the optical waveguide. Also have.
[0033]
The present invention selects the wavelength of laser light to a wavelength at which light is not absorbed by the cladding or the glass substrate, thereby selectively changing the nonlinear optical constant of only the core portion once embedded in the cladding to form an action portion. . Therefore, the state of the interface between the core and the clad can be kept good, and the scattering loss at that portion can be kept low.
[0034]
In Example 1, semiconductor fine particle-dispersed glass was used as a material whose optical nonlinearity changes upon irradiation with laser light, and the change in nonlinear susceptibility was used in association with the shift of the absorption edge due to laser light irradiation. In Example 2, the effect of increasing the non-linear susceptibility by utilizing the effect that the metal fine particles grow by the irradiation of the laser beam and the non-linear susceptibility is increased. However, the present invention is not limited to these effects, and can be similarly applied to various materials in which the nonlinear optical characteristics of a material are changed by irradiating a laser beam.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an optical nonlinear waveguide showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a procedure for manufacturing the optical waveguide of the present invention. FIG. 3 shows an absorption spectrum of a working part and a core part other than the working part of the optical waveguide of the present invention, and a third-order nonlinear susceptibility. Graph.
FIG. 4 is a diagram showing the results of evaluating the optical waveguide characteristics of the optical waveguide of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing an absorption spectrum and a third-order nonlinear susceptibility of a working portion and a core portion other than the working portion of the optical waveguide shown in Example 2.
FIG. 6 is a schematic view of a nonlinear optical coupler manufactured according to a third embodiment.
FIG. 7 is a graph showing measurement results of the operation of the nonlinear optical coupler manufactured according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
1: substrate 2: waveguide (core)
3: Cladding 4: Working part (part with large optical nonlinearity)
5: Glass substrate 6: Fine particle dispersed glass 7: Resist mask 8: Optical waveguide with fine particle dispersed glass as core 9: Laser light 10: Lens 11: Core 12: Cladding 13: Coupling part (working part)
14: input port 15: output port

Claims

透光性基板内の、光を導波する屈折率の大きいコア部分と、前記コア部分の周囲の屈折率の低いクラッド部分とからなる光導波路において、前記コア部材料はレーザー光の照射によりその非線形光学特性が変化する材料であり、前記コア部分の少なくとも一部にレーザー光を照射することにより、該部分のみが他の部分に比べて大きな非線形光学定数をもつように変質されていることを特徴とする光導波路。In a light-transmitting substrate, a core portion having a high refractive index for guiding light and a cladding portion having a low refractive index around the core portion, the core portion material is irradiated by laser light. a material non-linear optical characteristics are changed by irradiating a laser beam on at least a portion of said core portion, the Rukoto only partial has not been altered to have a large nonlinear optical constant as compared with other portions Characteristic optical waveguide.

請求項１において、前記コア部材料は、ガラスおよび少なくとも半導体微粒子あるいは金属微粒子からなる材料である光導波路。2. The optical waveguide according to claim 1 , wherein the core material is a material composed of glass and at least semiconductor particles or metal particles.

請求項２において、前記ガラスは、その出発原料をシリコンアルコキシドを含む溶液とするゾルゲル法によるガラスである光導波路。 3. The optical waveguide according to claim 2 , wherein the glass is a sol-gel method glass whose starting material is a solution containing silicon alkoxide.

請求項２において、前記ガラスは、その出発原料をシリコンアルコキシド気体、シリコンアルコキシドと酸素の混合気体、あるいはシリコンアルコキシドと酸素と不活性ガスの混合気体とするＣＶＤ法によるガラスである光導波路。 3. The optical waveguide according to claim 2 , wherein the glass is a glass produced by a CVD method using silicon alkoxide gas, a mixed gas of silicon alkoxide and oxygen, or a mixed gas of silicon alkoxide, oxygen and an inert gas as a starting material.

請求項２において、前記半導体微粒子は、テルル化カドミウム、セレン化カドミウムあるいは硫化カドミウムからなる、あるいはそれらの混晶からなる光導波路。 3. The optical waveguide according to claim 2 , wherein the semiconductor fine particles are made of cadmium telluride, cadmium selenide, cadmium sulfide, or a mixed crystal thereof.

請求項２において、前記金属微粒子は、金、銀あるいは銅の微粒子である光導波路。 3. The optical waveguide according to claim 2 , wherein the metal fine particles are gold, silver or copper fine particles.