JP3557434B2

JP3557434B2 - 光導波路

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

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。
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。
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。
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。
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。
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。