JP2003255416A

JP2003255416A - 非線形光学素子

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Publication number: JP2003255416A
Application number: JP2002053748A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Namiki; 亮介並木; Kiichi Yoshiara; 喜市吉新; Sadayuki Matsumoto; 貞行松本; Junichiro Hoshizaki; 潤一郎星崎; Masakazu Takabayashi; 正和高林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-10

Abstract

(57)【要約】【課題】電極形成のために特殊な精密加工を必要とせ
ず、紫外光を照射することのできる紫外光ポーリング用
の非線形光学素子を提供する。【解決手段】この非線形光学素子１０は、互いに対向
する平板状の第１及び第２の電極１、５と、前記２つの
電極の間に挟み込まれており、コア部３と該コア部を収
容するクラッド部とからなる光導波路２とを備え、少な
くとも一方の前記電極は、前記コア部に光を照射可能な
位置に開口部６を有する。開口部は、複数の開口部から
なることが好ましい。さらに好ましくは、前記開口部を
有する電極と前記光導波路の前記コア部の中心との距離
ｄは、前記開口部の幅Ｗと、開口部間の電極５ａの幅Ｚ
とによって規定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、石英系光導波路を
用いた非線形光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】長距離大容量光通信に用いる光材料の中
にガラスがある。ガラスには、高透明度、高透過波長
域、賦形性といった特徴がある。このガラス材料はその
反転対称性のために、２次の光非線形性を本来持たな
い。２次の光非線形性としては、例えば、第２高調波発
生（ＳｅｃｏｎｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔ
ｉｏｎ：ＳＨＧ）や電気光学（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔ
ｉｃ：ＥＯ）効果などがあり、光スイッチや光変調器、
あるいは紫外域などの短波長光源として、光波制御に重
要な役割を果たしている。このため、従来、２次光非線
形性を持たないガラス材料の用途は受動的な分野に限ら
れ、２次光非線形性の利用は主にニオブ酸リチウムなど
に代表される単結晶材料がその候補と考えられてきた。
しかし、上記の単結晶材料による結晶デバイスには、ガ
ラス光ファイバ伝送網への異種材料導入に伴う接続性の
困難さ、限られた透過波長域、高コストなど欠点が多
く、ニオブ酸リチウム等の単結晶材料に代わる新材料の
研究開発に対する期待は大きい。

【０００３】そこで、結晶レベルの２次光非線形性と、
ガラス本来の高機能特性を併せ持つ光非線形ガラス材料
の創製が試みられている。例えば、本来２次光非線形性
を持たないガラス材料に、２次光非線形性を発現させる
方法としてポーリングと呼ばれる方法がある。ポーリン
グとは、ガラスを励起させた状態で直流電界を加えるこ
とによって、ガラス中の電気双極子集団の配列に巨視的
な異方性を誘起させ、かつ構造中に凍結させることで、
ガラス中に光学的異方性領域をもたせるものである。こ
のポーリングを行う方法として、現在まで種々の方法が
提案されており、その１つは、熱励起と同時に電界を印
加し、ガラス材料に２次非線形性を持たせる熱ポーリン
グである。また別の方法として、紫外光励起と同時に電
界を印加し、ガラス材料に２次非線形性を持たせる紫外
光ポーリングがある。

【０００４】まず、熱ポーリング法による非線形光学素
子としては、例えば、Ｘ．−Ｃ．ＬｏｎｇらによってＩ
ＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｌｅｔｔｅｒｓ．，ｖｏｌ．９，Ｎｏ．６，ｐｐ．７６
７−７６９，ＪＵＮＥ１９９７に示されている熱ポー
リング用非線形光学素子がある。この熱ポーリング用非
線形光学素子６０は、図３１に示すように、互いに対向
するシリコン基板５１と金属薄膜電極５５と、このシリ
コン基板５１と金属薄膜電極５５との間に挟み込んだ光
ファイバ５２とを備える。光ファイバ５２は、コア部と
該コア部を収容するクラッド部を備え、コア部を挟み、
互いに対向するクラッド部の平坦面でシリコン基板５１
と金属薄膜電極５２とに当接させている。また、光ファ
イバ５２の両側方部分はポリイミド樹脂５４が埋め込ま
れている。さらに、金属薄膜電極５５はシリコン基板５
１と幅１３μｍの間隔で平行に配置されており、シリコ
ン基板５１は半導体であるため、金属薄膜電極５５とシ
リコン基板５１とによって電極対を形成することができ
る。なお、光ファイバ５２の両側に絶縁層であるポリイ
ミド樹脂５４を埋め込むことで、シリコン基板５１と金
属薄膜電極５５の間に絶縁破壊を起こすことなく６ｋＶ
まで直流電圧を印加することが可能である。

【０００５】次に、この熱ポーリング用非線形光学素子
６０への光非線形性の付与について説明する。光非線形
性の付与の一例について説明すると、例えば、熱ポーリ
ング用非線形光学素子６０を温度２５５℃で加熱しなが
ら、シリコン基板５１と金属薄膜電極５５の間に直流電
圧５ｋＶを１０分間印加することによって行なわれる。
その後に、直流電圧を印加しながら非線形光学素子５１
を室温まで冷やす。この熱ポーリングにより、光ファイ
バ５２のコア部に電気光学定数０．３ｐｍ／Ｖの非線形
光学領域を形成できる。

【０００６】また、紫外光ポーリングによる非線形光学
素子としては、例えば、分光研究第４５巻第６号２
９２頁〜３０４頁１９９６に示されている紫外光ポー
リング用非線形光学素子がある。この紫外光ポーリング
用非線形光学素子７０は、図３２に示すように、光ファ
イバ６２で構成されている。この光ファイバ６２のコア
部を挟んで両側には、直径約４０μｍの穴６４が開けら
れ、その穴６４には直径約２５μｍの金属細線電極６５
が挿入されている。なお、光ファイバ６２のコア部の両
側にあけられた穴６４に金属細線電極６５を挿入するこ
とで、金属細線電極６５が絶縁体である光ファイバ６２
のガラス材料に囲まれる構造になり、これによって２本
の金属細線電極６５の間に絶縁破壊を起こすことなく１
０４Ｖ／ｃｍ以上の高電界を印加することが容易にでき
る。

【０００７】次に、この紫外光ポーリング用の非線形光
学素子７０への光非線形性の付与について説明する。光
非線形性の付与の一例について説明すると、例えば、光
ファイバ６２の側面に波長０．１９３μｍのＡｒＦエキ
シマレーザーをパルスエネルギー密度３６ｍＪ／ｃ
ｍ^２、１０パルス／秒の照射条件で１０分間照射しなが
ら、２本の金属細線電極６５の間に直流電圧（１００Ｖ
〜８００Ｖ）を印加することによって行なわれる。この
紫外光ポーリングにより、光ファイバ６２のコア部に電
気光学定数６ｐｍ／Ｖの非線形光学領域を形成できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、結晶レ
ベルの２次光非線形性と、ガラス本来の高機能特性を併
せ持つ光非線形ガラス材料は、低損失、高透過波長域、
さらにファイバ化の容易さなど従来にはない優れた特徴
を有する新しい光非線形フォトニクス材料として大いに
期待されている。

【０００９】しかし、上記熱ポーリング用非線形光学素
子６０では、電気光学定数が低く十分ではない。また、
上記構成のままで紫外光ポーリングを行おうとすると、
光ファイバ５２の上下両面はシリコン基板５１と金属薄
膜電極５５とに覆われており、光ファイバ６２に紫外光
を照射できない。また、上記紫外光ポーリング用非線形
光学素子７０では、光ファイバ６２のコア部の両側にあ
けられた穴６４に金属細線電極６５を挿入して高電圧を
印加している。しかし、光ファイバ６２のコア部の両側
にミクロン単位の径の穴６４を開けるには特殊な精密加
工技術を必要とする。

【００１０】そこで、本発明の目的は、紫外光ポーリン
グのための電極形成において特殊な精密加工を必要せ
ず、しかもコア部に高効率に紫外光を照射することので
きる紫外光ポーリング用の非線形光学素子を提供するこ
とである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る非線形光学
素子は、互いに対向する平板状の第１及び第２の電極
と、前記２つの電極の間に挟み込まれており、コア部と
該コア部を収容するクラッド部とからなる光導波路とを
備え、少なくとも一方の前記電極は、前記コア部に光を
照射可能な位置に設けられた開口部を有することを特徴
とする。

【００１２】また、本発明に係る非線形光学素子は、前
記非線形光学素子であって、前記開口部は、複数の開口
部からなることを特徴とする。

【００１３】さらに、本発明に係る非線形光学素子は、
前記非線形光学素子であって、前記光導波路の前記クラ
ッド部は、前記コア部を挟んで互いに平行な第１及び第
２の平坦面を備え、前記第１平坦面の上に前記第１電極
が配置され、前記第２平坦面の上に前記第２電極が配置
されることを特徴とする。

【００１４】またさらに、本発明に係る非線形光学素子
は、前記非線形光学素子であって、前記開口部を有する
電極と前記光導波路の前記コア部の中心との距離は、前
記開口部の幅と、開口部間の電極の幅とによって規定さ
れることを特徴とする。

【００１５】また、本発明に係る非線形光学素子は、前
記非線形光学素子であって、前記開口部を有する電極と
前記光導波路の前記コア部の中心との距離ｄ（μｍ）
は、前記開口部の幅Ｗ（μｍ）と、開口部間の電極の幅
Ｚ（μｍ）と、前記コア部に照射する紫外光の波長λ
（μｍ）とによって記述される下記の関係式で規定され
ることを特徴とする。ｄ≧２．８９５ＷＺ／λ

【００１６】さらに、本発明に係る非線形光学素子は、
前記非線形光学素子であって、前記第１及び第２電極
は、互いに平行であって、それぞれ複数の開口部を含む
第１及び第２の開口部を有し、前記第１開口部と第２開
口部とを互いに射影した場合に、前記第１及び第２開口
部の中心は、互いの間に距離を有することを特徴とす
る。

【００１７】またさらに、本発明に係る非線形光学素子
は、前記非線形光学素子であって、前記第１開口部と前
記第２開口部とを互いに射影した場合に前記第１及び第
２開口部の中心間の距離は、前記第１及び第２の開口部
と前記光導波路の前記コア部の中心からの距離と、前記
第１及び第２の開口部における開口部の幅及び開口部間
の電極の幅とによって規定されることを特徴とする。

【００１８】また、本発明に係る非線形光学素子は、前
記非線形光学素子であって、前記第１開口部の中心と前
記第２開口部の中心との距離ｈは、前記第１及び第２の
開口部と前記光導波路の前記コア部の中心との距離ｄ、
前記第１及び第２の開口部における開口部の幅Ｗ及び開
口部間の電極の幅Ｚとによって記述される下記の関係式
によって規定されることを特徴とする。ｄ＜３．８６１×Ｗ×Ｚ÷λの場合、ｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷４ｄ≧３．８６１×Ｗ×Ｚ÷λの場合、ｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷２

【００１９】さらに、本発明に係る非線形光学素子は、
前記非線形光学素子であって、前記第１電極を支持する
紫外光について透明な平板状の基板をさらに備え、前記
基板と前記光導波路との間に前記第１電極を挟持するこ
とを特徴とする。

【００２０】またさらに、本発明に係る非線形光学素子
は、前記非線形光学素子であって、前記光導波路の前記
コア部は、２次光非線形性を有する非線形光学領域を備
えることを特徴とする。

【００２１】また、本発明に係る非線形光学素子は、前
記非線形光学素子であって、前記光導波路は、光ファイ
バであることを特徴とする。

【００２２】さらに、本発明に係る非線形光学素子は、
前記非線形光学素子であって、前記光導波路は、平面光
波回路であることを特徴とする。

【００２３】本発明に係る非線形光学素子の製造方法
は、平板状の第１電極を用意する工程と、前記第１電極
の上に、コア部と該コア部を収容するクラッド部とから
なり、互いに平行な前記クラッド部の第１及び第２平坦
面を有する光導波路を、前記第１平坦面を前記第１電極
に対面させて配置する工程と、前記光導波路の前記クラ
ッド部の第２平坦面の上に平板状の第２電極を形成する
工程と、前記第２電極の上面に、前記光導波路の前記コ
ア部に紫外光を照射可能な位置に開口部を形成する工程
と、前記開口部を介して前記光導波路のコア部に紫外光
を照射しながら、前記第１及び第２の電極との間に電圧
を印加して、前記コア部に光非線形性を有する非線形光
学領域を形成する工程とを含むことを特徴とする。

【００２４】本発明に係る非線形光学素子の製造方法
は、紫外光に透明な平板状の基板を用意する工程と、前
記基板の上に平板状の第１電極を形成する工程と、前記
第１電極に第１開口部を形成する工程と、前記第１電極
の上に、コア部と該コア部を収容するクラッド部とから
なる光導波路を、前記クラッド部の第１平坦面を前記第
１電極に対面させて配置する工程と、前記光導波路の前
記クラッド部の第２平坦面の上に平板状の第２電極を形
成する工程と、前記第２電極の上面に第２開口部を形成
する工程と、前記第１及び第２の開口部を介して前記光
導波路のコア部にそれぞれ紫外光を照射しながら、前記
第１及び第２の電極との間に電圧を印加して、前記コア
部に光非線形性を有する非線形光学領域を形成する工程
とを含むことを特徴とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態に係る非線形
光学素子について、添付図面を用いて説明する。なお、
実質的に同一の部材には同一の符号を付している。

【００２６】実施の形態１．本発明の実施の形態１に係
る非線形光学素子について、図１から図９を用いて説明
する。この非線形光学素子１０は、図１の断面図に示す
ように、互いに対向させた平板状の第１及び第２電極
１、５間に光ファイバ２を挟み込んでおり、高電界を効
率的に印加することができる。また、一方の電極５の上
面には、外部から紫外光を光ファイバ２のコア部３に照
射できる位置に開口部６が設けられている。これによ
り、光ファイバ２のコア部３に電界を印加しながら、紫
外光を照射する紫外光ポーリングによって、光非線形性
を有する光学的異方性領域を形成することができる。こ
の非線形光学素子１０は、図３２に示す紫外光ポーリン
グ用非線形光学素子と比較すると、コア部３を挟む平板
状の第１及び第２電極を通常の薄膜電極と同様に形成で
きるので、特殊な精密加工を必要としない点で優れてい
る。さらに、平板状の電極１、５間にコア部３を挟み込
んでいるので、安定して効率的に高電界を印加できる点
で優れている。

【００２７】この非線形性光学素子１０の詳細な構成に
ついて説明する。この非線形光学素子１０は、平板状の
シリコン基板１と、該シリコン基板１と平行に対向させ
て配置された平板状の金属薄膜電極５と、該シリコン基
板１と薄膜電極５との間に挟みこまれた光ファイバ２と
を備える。この光ファイバ２は、コア部３を挟んで互い
に平行な２つの平坦面を有しており、それぞれの平坦面
でシリコン基板１及び薄膜電極５と当接している。この
平坦面は、コア部３とシリコン基板１の表面までの距離
が５μｍになるように、そして、全体の厚さが２０μｍ
になるまでクラッド部の一部が平滑に研磨されている。
さらに、薄膜電極５の上面には、光ファイバ２のコア３
の長手方向に平行に延在する２本の開口部６が形成され
ている。また、この２本の開口部の間に電極５ａが画成
されている。なお、光ファイバ２は、シリコン基板１の
上面にポリイミド樹脂４ａを用いて取り付けられ、さら
に、両側面に埋め込まれたポリイミド樹脂４によって固
定されている。

【００２８】この非線形光学素子１０は、平板状の金属
薄膜電極５の上面に紫外光をコア部３に照射可能な位置
に開口部６を設けているので、紫外光ポーリングを行う
ことができる。この開口部の配置について概説する。こ
の非線形光学素子１０では、金属薄膜電極５の上面にコ
ア部３に紫外光を照射可能な位置に２つの開口部６を形
成している。開口部６の形状はスリット状であるが、こ
れに限られない。また、この２つの開口部６の間に電極
５ａを画成している。なお、この電極５ａの位置は、コ
ア部３を挟んでシリコン基板１と対向する位置としてい
る。この非線形光学素子１０では、互いに対向するシリ
コン基板１と電極５ａとの間にコア部３を挟んでいるの
で、コア部３に高電界を効率的に印加することができ
る。この２つの開口部６を介して紫外光を光ファイバ２
に照射すると、光ファイバ２の内部で紫外光は干渉し、
干渉紫外光を光ファイバ２のコア部３に照射することが
できる。このように開口部６を形成した金属薄膜電極５
の外側から紫外光を光ファイバ２のコア部３に照射しな
がら、シリコン基板１と金属薄膜電極５の間に直流電圧
を印加することで、光ファイバ２のコア内に光非線形性
を有する光学的異方性領域（非線形光学領域）を形成で
きる。

【００２９】次に、この非線形光学素子１０の製造方法
を、図２を用いて以下に説明する。（ａ）まず、平板状のシリコン基板１の上面に光ファイ
バ２を接着するためのポリイミド樹脂４ａをスピンコー
トにより塗布する（図２（ａ））。（ｂ）その後、研磨機を用いてクラッド部を削って平坦
部を形成し、断面形状をＤ字型にした光ファイバ２を、
該平坦部をシリコン基板１の上面に接着する（図２
（ｂ））。（ｃ）１２０℃と１７０℃でそれぞれ５分ずつ加熱する
ことによってポリイミド樹脂４ａを硬化させる。（ｄ）次に、光ファイバ２の両側を埋め込むためのポリ
イミド樹脂４をスピンコートにより塗布する（図２
（ｃ））。（ｅ）１２０℃と１７０℃でそれぞれ１０分ずつに加熱
してポリイミド樹脂４を硬化させる。さらに、非線形光
学素子１を３５０℃で１時間加熱してポリイミド樹脂４
を硬化させる。（ｆ）次に、光ファイバ２とポリイミド樹脂４とを研磨
する（図２（ｄ））。（ｇ）そして、金属蒸着装置で平板状の金属薄膜電極５
を光ファイバ２の上面に形成する（図２（ｅ））。（ｈ）最後に、写真製版技術を用いて金属薄膜電極５に
２本の開口部６を形成し、開口部６の間に電極５ａを画
成させる。この電極５ａの位置は、コア部３を挟んでシ
リコン基板と対向する位置とする（図２（ｆ））。

【００３０】なお、ポリイミド４ａ、４をスピンコート
により塗布したが、へらで塗布してもよい。また、光フ
ァイバ２をシリコン基板１に接着するためにポリイミド
樹脂４ａを用いたが、絶縁物であれば別の接着剤を用い
てもよい。さらに、光ファイバ２の両側を埋め込むため
にポリイミド樹脂４を用いたが、絶縁物であれば別の樹
脂を用いてもよい。なお、光ファイバ２のクラッド層を
研磨して平坦面を形成する場合には研磨しすぎて光ファ
イバ２のコア部３を削らないように注意する必要があ
る。

【００３１】次に、この非線形光学素子１０に紫外光ポ
ーリングによって光非線形性を付与する方法について説
明する。この非線形光学素子１０への非線形性の付与
は、コア部３を挟んでいる平板状のシリコン基板１と金
属薄膜電極５の間に直流電圧を印加しながら、金属薄膜
電極５に形成した開口部６を介して紫外光レーザである
ＡｒＦレーザーをコア部３に照射する紫外光ポーリング
により行った。ここで、ＡｒＦレーザーの波長を０．１
９３μｍ、繰り返し周波数を１０Ｈｚ、入射パワーを３
６０ｍＪ／ｃｍ^２とした。また、照射時間を１５分間と
し、シリコン基板１と金属薄膜電極５の間の印加電圧を
５ｋＶとした。なお、シリコン基板１と金属薄膜電極５
の間に電圧を６ｋＶ印加した時に、初めて絶縁破壊が起
こった。

【００３２】さらに、作製した非線形光学素子１０への
紫外光ポーリングにより発現する２次非線形性を定量的
に評価する評価方法について説明する。この非線形光学
素子１０の２次非線形性の評価として、図３に示す測定
系を用いて電気光学効果であるポッケルス効果の測定を
行った。この測定系は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長λ_ｏ
_ｐｔ＝６３３ｎｍ）を用いたマッハ・ツェンダ光学干渉
計である。まず概略を説明すると、レーザ光を２分割し
た２つの光路の一方に非線形光学素子１０を配置し、通
過する光を２次非線形性に起因する電気光学効果により
変調させ、その後、２分割した他方の光と干渉させて干
渉光の強度から電気光学効果を測定する。そして、その
結果から２次光非線形性を評価する。さらに詳細に説明
すると、この測定系では、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長λ
_ｏｐｔ＝６３３ｎｍ）光源３１から出射したレーザ光
は、偏光子３２で偏光面を直線にされ、次いで、ビーム
スプリッタ３３で２分割される。２分割された光のう
ち、一方はレンズ３４で集光され、上記非線形光学素子
１０の光ファイバ２を通る。この時、非線形光学素子１
０の上部の電極５，５ａとシリコン基板１とを互いに対
向する電極として電源３５により電圧を印加する。これ
によって非線形光学素子１０の光ファイバ２を通過する
光を変調する。その後、非線形光学素子１０を出射した
光を焦点を広げるレンズ３６を介してミラー３７ａで光
路を変化させ、ビームスプリッタ３８に導く。２分割さ
れた他方の光は、ミラー３７ｂで光路を変化させた後、
ビームスプリッタ３８で分割された一方の光と干渉させ
てパワーメータ３９に導き、干渉光の光強度を測定す
る。

【００３３】この非線形光学素子１０における光非線形
性の評価のための電気光学定数の測定結果について説明
する。この非線形光学素子１０では、図３の測定系にお
いて、光ファイバ２の上下面の距離ｔ＝２０μｍ、光フ
ァイバ２の長さＬ＝４ｃｍの時に、ＴＥモードの入射光
に対し、π位相差を与える電圧Ｖ_πは９．５Ｖであっ
た。この場合、２つの光路間で生じる位相差Γは、光路
長をＬ、屈折率変化をΔｎとした場合に下記式（１）で
表わされる。 Γ＝（２π／λ）ΔｎＬ（１）また、この場合にポッケルス効果によって生じる屈折率
変化Δｎは、変化前の屈折率ｎ、電気光学定数ｒ、外部
電界Ｅ（０）により、下記式（２）で表わされる。 Δｎ＝−（１／２）ｎ^３ｒＥ（０）（２）となる。このｎは光ファイバ２の屈折率で、ｎ＝１．４
５８である。そこで、Γ＝π、外部電界Ｅ（０）＝Ｖ_π
／ｔであるので、電気光学定数ｒは、下記式（３）で表
わされる。電気光学定数ｒは、上記式によって算出さ
れ、その結果、電気光学定数ｒは１０．７ｐｍ／Ｖであ
った。ｒ＝（λ_ｏｐｔ×ｔ）／（ｎ^３×Ｌ×Ｖ_π）（３）

【００３４】次に、この非線形光学素子１０の金属薄膜
電極５に設ける開口部６に関する詳細な設計について、
図４から図９を用いて説明する。まず、図４の部分断面
図に示すように、この非線形光学素子では、開口部６を
介して紫外光をコア部３に照射して紫外光ポーリングを
行う。また、上述の通り、コア部３の中心の真上に電極
５ａを配置している。これによってコア部３を挟んで電
極５ａとシリコン基板１とを配置でき、コア部３に電圧
を効果的に印加できる。この場合に複数の開口部から入
射した紫外光は、光ファイバ２内で互いに干渉し合い、
干渉した紫外光がコア部３に照射される。この開口部６
は、２つの開口部に限られず２以上の開口部を設けても
よい。例えば、図４に示すように、６つの開口部を設け
てもよい。この図４では、金属薄膜電極５の面に沿って
ｘ軸をとり、コア部３の真上をｘ＝０とし、右方向をｘ
軸の正方向とする。また、金属薄膜電極５からコア部３
の中心方向に向ってｙ軸をとり、金属薄膜電極５の面を
ｙ＝０の面とし、コア部３の中心への方向をｙ軸の正方
向とする。開口部６の幅をＷ、電極５ａの幅をＺとす
る。さらに、金属薄膜電極５と光ファイバ２のコア部３
の中心との距離をｄとする。

【００３５】さらに、図４の開口部６のパターンの場合
にコア部で得られる紫外光強度の分布について説明す
る。まず、図４の開口部パターンの場合に、紫外光を開
口部６を介して入射させた直後の紫外光強度分布の一例
を図５に示した。この場合、開口部６の数を６個とし、
開口部６の幅Ｗ＝１μｍ、開口部間の電極の幅Ｚ＝１μ
ｍ、金属薄膜電極５とコア部３の中心との間の距離ｄ＝
１５μｍ、紫外光波長λ＝０．１９３μｍとする。複数
の開口部６に入射直後の紫外光は、図５に示すように、
開口部の間隔に応じた光強度分布を有し、６本のピーク
を有している。

【００３６】次に、図４の開口部パターンの場合に、紫
外光が開口部６に入射後、コア部の中心を含む面におけ
る紫外光強度分布を図６に示した。開口部６から入射し
た紫外光は干渉し合い、コア部の中心を含む面（ｙ＝
ｄ）では、光強度は１１本のピークを有する。また、図
６で、ｘ＝０のとき、すなわち、電極５ａの中心の真下
にある光ファイバ２のコア部３の中心に照射される紫外
光強度と、ｘ＝Ｗのとき、すなわち、光ファイバ２のコ
ア部３で、開口部の中心の真下の部分に照射される紫外
光強度はほぼ同一の値を示している。したがって、光フ
ァイバ２のコア部３に照射される出力光強度は、若干の
山谷差を含むが、ほぼ均一な値とすることができる。ま
た、電極５ａの中心の真下にあるコア部３の中心にも紫
外光が照射されるので、シリコン基板１と電極５ａの間
の印加電界分布と紫外光強度分布とを重ねることがで
き、高効率の紫外光ポーリングができる。ここでは、紫
外光強度分布の幅は１０μｍ程度であるが、紫外光強度
分布の幅を光ファイバ２のコア幅より大きくとり、コア
部３を覆うように開口部６のパターンを設計することが
望ましい。

【００３７】そこで、上記の結果に基いて、図４の開口
部６のパターンに対する金属薄膜電極５と光ファイバ２
のコア部の中心の距離ｄとの詳細な条件について検討す
る。まず、コア部３の中心を含む面、すなわちｙ＝ｄの
面において、コア部３の中心（ｘ＝０）での紫外光強度
が、ｘ＝Ｗの箇所の紫外光強度以上の値をとる距離ｄの
範囲をシミュレーション計算を行なった。その結果、紫
外光波長λを一定にしたときの、コア部３中心（ｘ＝
０）のときの紫外光強度とｘ＝Ｗの箇所の紫外光強度が
一致する距離ｄは、図７に示すように、（開口部の幅
Ｗ）×（電極５ａの幅Ｚ）についてほぼ比例している。
距離ｄがこの直線より大きくなると、コア部中心（ｘ＝
０）のときの紫外光強度は、ｘ＝Ｗの箇所の紫外光強度
より大きくなる。したがって、コア部中心（ｘ＝０）で
の紫外光強度がｘ＝Ｗの箇所に比べてそれ以上となる距
離ｄの範囲は、比例直線の傾きをｐとして、ｄと（Ｗ×
Ｚ）の関係を表すと、下記式（４）で表わされる。ｄ≧ｐ×Ｗ×Ｚ（４）

【００３８】上記式（４）で、紫外光波長がλ＝０．１
９３μｍの場合、比例定数はｐ＝１５となり、λ＝０．
３８６μｍの場合、比例定数はｐ＝１０となり、λ＝
０．５７９μｍの場合、比例定数はｐ＝５となる。

【００３９】さらに、図７の比例定数ｐの紫外光波長λ
に対する関係を図８に示す。図８から、比例定数ｐとλ
は反比例の関係にあり、下記式（５）で表される。ｐ＝２．８９５÷λ （５）

【００４０】以上の結果から、式（５）を式（４）に代
入することで、電極５と光ファイバ２のコア部３との中
心の距離ｄ（μｍ）は、開口部の幅Ｗ（μｍ）と、電極
５ａの幅Ｚ（μｍ）、そして紫外光波長をλ（μｍ）に
対して、下記式（６）で表わされる。ｄ≧２．８９５×Ｗ×Ｚ÷λ （６）

【００４１】この式（４）を満たす距離ｄの範囲におい
て、電極５ａの中心の真下にある光ファイバ２のコア部
３の中心に紫外光を照射することができる。これによっ
て、シリコン基板１と電極５ａの間の印加電界分布と紫
外光強度分布を重ねることができ、高効率の紫外光ポー
リングができる。

【００４２】さらに、式（６）について、距離ｄは光フ
ァイバ２のコア部３の中心からクラッド部の外側表面ま
での距離Ｒ（μｍ）より小さいので、下記式（７）のよ
うに距離ｄには上限Ｒ（μｍ）が規定される。この式
（７）で規定される範囲が距離ｄの最適範囲である。Ｒ≧ｄ≧２．８９５×Ｗ×Ｚ÷λ （７）

【００４３】しかし、電極５ａと光ファイバ２のコア部
の中心の距離ｄが大きくなると、シリコン基板１と金属
薄膜電極５の間に印加される電界（Ｖ／ｄ）が小さくな
るので、ｄは、式（７）の範囲内でなるべく小さくする
ことが望ましい。そこで、式（７）を変形して、下記式
（８）を得る。この式（８）は開口部の幅Ｗと、開口部
間の電極の幅Ｚとについて条件と考えることができる。Ｗ×Ｚ≦３．４５×１０^−１×Ｒ×λ （８）

【００４４】次に、上記式（６）について、検証を行な
った結果について説明する。まず、開口部の幅はＷ＝１
μｍ、開口部間の電極の幅はＺ＝１μｍにそれぞれ固定
し、距離ｄについて、ｄ＝５μｍ、１０μｍ、１５μｍ
の３通りの非線形光学素子１０を作製した。この非線形
光学素子１０を用いて、シリコン基板１と金属薄膜電極
５の間に直流電圧を印加しながら、ＡｒＦレーザーを照
射して、紫外光ポーリングを行った。ここで、紫外光レ
ーザーの波長λを０．１９３μｍ、繰り返し周波数を１
０Ｈｚ、入射パワーを１００ｍＪ／ｃｍ^２とした。紫外
光の照射時間を１５分間とし、同時にシリコン基板１と
金属薄膜電極５の間の印加電圧を５ｋＶとした。

【００４５】さらに、上記紫外光ポーリングにより発現
する２次の光非線形性を定量的に評価するために、図３
に示す測定系を用いて上述のように電気光学効果の測定
を行った。得られた電気光学定数と、金属薄膜電極５と
光ファイバ２のコア部の中心の距離ｄとの関係を図９に
示す。ＴＥモードの入射光に対し、距離ｄ＝５μｍの場
合、電気光学定数は３．９５ｐｍ／Ｖであるのに対し、
距離ｄ＝１５μｍの場合には電気光学定数は１０．７ｐ
ｍ／Ｖになり、ｄ＝５μｍの場合と比較して約２．７１
倍の値が得られた。この距離ｄ＝１５μｍの場合には、
図７に示すように、コア部３の中心（ｘ＝０）でｘ＝Ｗ
の箇所と同じ光強度となる。さらに、距離ｄ＝１８μｍ
の場合には、電機光学定数は１２．０ｐｍ／Ｖが得られ
た。なお、得られる電気光学定数の値は距離ｄが大きく
なるにつれて増加しているが、増加率は次第に減少して
いる。

【００４６】この非線形光学素子１０によって、以下の
効果が得られる。即ち、この非線形光学素子１０では、
光ファイバ２のコア部３を挟んで互いに対向する第１及
び第２電極１、５を配置しているので、コア部３に高電
界を印加することができる。また、第２電極５に設けた
開口部６を介して紫外光をコア部３に照射することがで
きる。この複数の開口部６から入射させた紫外光は光フ
ァイバ２の内部で干渉し、電極５ａの真下のコア部３の
中心に紫外光を照射することができる。これにより、光
ファイバ２のコア部３に紫外光を集光でき、紫外光の直
接照射と比較して、ほぼ同等の強度の紫外光照射ができ
る。さらに、上下の第１及び第２電極１、５の間で光フ
ァイバ２の側面に埋め込まれたポリイミド樹脂４によ
り、高電界印加時の絶縁破壊がなくなり、最大６ｋＶま
で印加することができる。

【００４７】実施の形態２．本発明の実施の形態２に係
る非線形光学素子について、図１０から図２６を用いて
説明する。この非線形光学素子２０は、実施の形態１に
係る非線形光学素子と比較すると、図１０の斜視図に示
すように、第１電極７を支持する紫外光に透明な基板２
１をさらに備え、該基板２１と光ファイバ２との間に第
１電極７を挟持している点で相違する。また、第１及び
第２電極７、５は、それぞれ第１及び第２開口部８、６
を有し、第１開口部８と第２開口部６のそれぞれの開口
部パターンとを互いに射影した場合にずれを有する点に
おいても相違する。換言すれば、第１及び第２開口部
８、６を互いに射影した場合に、開口部の中心が一致せ
ず、一定の距離を有する。これによって、第１電極７に
設けられた第１開口部８を介して入射された紫外光と、
第２電極５の第２開口部６を介して入射された紫外光と
を互いに干渉させてコア部３の中心を含む面でほぼ均一
な光強度の紫外光を照射させることができる。

【００４８】この非線形光学素子２０について、さらに
具体的な構成について説明する。この非線形光学素子２
０では、実施の形態１に係るシリコン基板に代えて紫外
光に透明な基板２１と金属薄膜電極７とによって光ファ
イバ２を支持している。即ち、この非線形光学素子２０
は、石英基板２１と、この石英基板２１の上面に形成さ
れた第１電極である金属薄膜電極７と、該金属薄膜電極
７の上に貼り付けられた光ファイバ２と、該光ファイバ
２の上に形成された第２電極である金属薄膜電極５とを
備える。第１電極である金属薄膜電極７は、第１開口部
８が設けられ、開口部間に電極７ａが画成される。ま
た、第２電極である金属薄膜電極５は、第２開口部６が
設けられ、開口部間に電極５ａが画成される。第１及び
第２開口部８、６は、いずれも光ファイバ２の長手方向
に延在させている。さらに、光ファイバ２は、側面部を
ポリイミド樹脂を埋め込まれ、第１及び第２電極８、６
間に固定され、電極間の絶縁性を確保している。また、
第１及び第２開口部８、６の開口部のパターンについ
て、互いに射影した場合に、所定距離のずれを有してい
る。なお、第１開口部８及び第２開口部６の開口部パタ
ーンについての詳細な検討については後述する。

【００４９】次に、非線形光学素子２０の製造方法につ
いて、図１１を用いて説明する。（ａ）まず、石英基板２１の上面に金属蒸着装置で第１
電極となる金属薄膜電極７を形成する（図１１
（ａ））。（ｂ）次に、写真製版技術を用いて金属薄膜電極７に電
極７ａと開口部８を形成する（図１１（ｂ））。（ｃ）その次に、光ファイバ２を接着するためのポリイ
ミド樹脂４ａをスピンコートにより金属薄膜電極７の上
面に塗布する。その後の工程は、以下に示すように実施
の形態１に係る非線形光学素子の場合と同じである。（ｄ）その後、研磨機を用いてクラッド部を削って平坦
部を形成し、断面形状をＤ字型にした光ファイバ２を、
該平坦部で金属薄膜電極７の上面に接着する（図１１
（ｃ））。（ｅ）１２０℃と１７０℃でそれぞれ５分ずつ加熱する
ことによってポリイミド樹脂４ａを硬化させる。（ｆ）次に、光ファイバ２の両側を埋め込むためのポリ
イミド樹脂４をスピンコートにより塗布する（図１１
（ｄ））。（ｇ）１２０℃と１７０℃でそれぞれ１０分ずつに加熱
することでポリイミド樹脂４を硬化させる。さらに、非
線形光学素子１を３５０℃で１時間加熱することで、ポ
リイミド樹脂４を硬化させる。（ｈ）次に、光ファイバ２とポリイミド樹脂４とを研磨
する（図１１（ｅ））。（ｉ）そして、金属蒸着装置で第２電極となる金属薄膜
電極５を光ファイバ２の上面に形成する（図１１
（ｆ））。（ｊ）最後に、写真製版技術を用いて金属薄膜電極５に
２本の開口部６を形成し、開口部６の間に電極５ａを画
成する。この電極５ａがコア部３の直上に位置するよう
に開口部６を形成する（図１１（ｇ））。

【００５０】なお、ポリイミド樹脂４ａ、４をスピンコ
ートにより塗布したが、これに限られず、例えば、へら
で塗布してもよい。また、光ファイバ２をシリコン基板
１に接着するためにポリイミド樹脂４ａを用いたが、絶
縁物であれば別の接着剤を用いてもよい。さらに、光フ
ァイバ２の両側を埋め込むためにポリイミド樹脂４ａ、
４を用いたが、絶縁物であれば別の樹脂を用いてもよ
い。

【００５１】次に、この非線形光学素子２０に紫外光ポ
ーリングを行って光非線形性を付与する手順について説
明する。まず、この非線形光学素子２０の光ファイバ２
を上下で挟んでいる第１及び第２電極７、５に形成され
た第１開口部８と第２開口部６を通して互いに反対方向
からコア部３に紫外光を照射しながら、コア部３を挟み
込んでいる第１及び第２電極７、５間に直流電圧を印加
して、紫外光ポーリングを行う。この場合に、第１開口
部８と第２開口部６とを互いに射影した場合にそれぞれ
の開口部の中心は、互いに所定距離のずれを有する。そ
こで、互いに反対方向から照射する紫外光について、光
ファイバ２のコア部３の径にわたる紫外光の光強度の山
谷を互いに相殺させることができる。これによって、紫
外光ポーリングによってコア部３の径にわたって形成さ
れる光非線形性を表わす電気光学定数分布の山谷を相殺
し、光ファイバ２のコア部３の電気光学定数分布を平坦
にすることができる。すなわち、コア部の径にわたって
均一な光非線形性を付与することができる。

【００５２】さらに、この非線形光学素子２０の紫外光
ポーリングについて説明する。この紫外光ポーリングで
は、第１及び第２開口部８、６を介して互いに反対方向
から紫外光を照射して、光ファイバ２のコア部３の径に
わたって紫外光の光強度の山谷を相殺させている。この
非線形光学素子２０の紫外光ポーリングのモデルを図１
２に示す。この場合、第１及び第２開口部８、６の開口
部の数はそれぞれ６個とし、開口部の幅Ｗと、開口部間
に画成される電極７ａ，５ａの幅Ｚはそれぞれ同一とす
る。また、それぞれ、Ｗ＝１μｍ、Ｚ＝１μｍとし、紫
外光の波長をλ＝０．１９３μｍとする。図１２に示す
例において、第２開口部６を介して紫外光をコア部３に
照射する場合に、第２開口部６に入射直後の紫外光強度
分布を図１３に示す。また、コア部３の中心を含む面
（ｙ＝ｄ）において、第２開口部６を介して入射した紫
外光の光強度分布を図１４に示す。この図１３及び図１
４は、実質的に図５及び図６の光強度分布と同じであ
る。

【００５３】一方、石英基板２１の裏面から第１開口部
８を介して紫外光をコア部３に照射する場合に、第１開
口部８に入射直後の紫外光強度分布を図１５に示す。ま
た、コア部３の中心を含む面（ｙ＝ｄ）において、第１
開口部８を介して入射した紫外光の光強度分布を図１６
に示す。この第１開口部８の中心と第２開口部６の中心
とは距離ｈだけずれている。ここでは、ｈ＝０．５μｍ
である。そのため、この図１５及び図１６は、図１３及
び図１４の光強度分布と距離ｈだけずれている以外は同
一形状を有している。

【００５４】そこで、第１及び第２開口部８、６を介し
て互いに反対方向から紫外光を照射した場合には、コア
部３の中心を含む面（ｙ＝ｄ）で得られる紫外光の光強
度分布は、図１７に示すように、図１４の光強度分布と
図１６の光強度分布とを重ね合わせて得られる。この図
１７と図１４とを比較すると、図１７の方がコア部３の
径方向にわたってより平坦な光強度分布を示している。
したがって、紫外光を第１及び第２開口部８、６を介し
て互いに反対方向から紫外光を照射する方が、光ファイ
バ２のコア部３の径方向にわたってより均一な非線形光
学領域を形成することができる。

【００５５】さらに、第１及び第２開口部８、６の開口
部パターンの詳細な条件について説明する。具体的に
は、第２開口部６によって画成される電極５ａの中心と
第１開口部８によって画成される電極７ａの中心との距
離ｈと、電極７ａ、５ａと光ファイバ２のコア部３の中
心との距離ｄ（μｍ）との関係について検討する。電極
７ａ、５ａの幅Ｚと開口部の幅Ｗが一定であっても、電
極７ａ、５ａと光ファイバ２のコア部３の中心との距離
ｄ（μｍ）によって、紫外光強度分布が異なる。そのた
め、電極５ａと第２開口部６のパターンに対する第１開
口部８のパターン中心と、開口部６の中心との距離ｈを
距離ｄに応じて変えなくてはならない。まず、図１２の
構成と比較すると、開口部８、６を構成する開口部の数
を４個とする点で異なる。それ以外の構成は、開口部の
幅Ｗ、電極７ａ，５ａの幅ＺのそれぞれをＷ＝Ｚ＝１μ
ｍとし、紫外光波長λ＝１９３ｎｍとしている点で図１
２の構成と同一である。また、距離ｄについては、ｄ＝
１５μｍとｄ＝３０μｍの２通りの場合を考える。ま
ず、紫外光を第２開口部６に入射直後の紫外光強度分布
を図１８に示す。また、紫外光を第２開口部６に入射し
た場合に、コア部３の中心を含む面（ｙ＝ｄ）に現れる
紫外光強度分布を距離ｄのそれぞれについて図１９に示
す。

【００５６】また、電極５ａとコア部３の中心との距離
ｄについて、コア部の中心を含む面（ｙ＝ｄ）で現れる
紫外光の光強度分布について検討する。まず、第１開口
部６に入射直後では、図１８に示すように、入力光強度
の谷はｘ＝２×ｎの位置に現れる。一方、コア部の中心
を含む面（ｙ＝ｄ）では、図１９に示すように、出力光
強度の谷がｘ＝ｎ＋０．５（ｄ＝１５μｍの場合）、ｘ
＝２×ｎ＋１（ｄ＝３０μｍの場合）の位置にそれぞれ
現れる（ｎは整数）。したがって、ｄ＝１５μｍの時は
出力光強度の谷が１μｍ周期で現れるのに対して、ｄ＝
３０μｍの時は出力光強度の谷が２μｍ周期で現れる。
光ファイバ２のコアに形成される電気光学定数分布の山
谷比を相殺させるためには、第１及び第２開口部８、６
の開口部のパターンを四半周期分、あるいは半周期分ず
らせておくことが必要となる。そこで、ｄ＝１５μｍの
場合には第１開口部８によって画成される電極７ａの中
心と第２開口部６の開口部で画成される電極５ａの中心
との距離をｈ＝０．５μｍとする必要がある。一方、ｄ
＝３０μｍの場合には第１開口部８の開口部で画成され
る電極７ａの中心と第２開口部６の開口部で画成される
電極５ａとの距離をｈ＝１μｍとする必要がある。

【００５７】次に、第２開口部８と第１開口部６とを互
いに射影した場合に、開口部の中心間の距離ｈをｈ＝
０．５μｍとした場合に、紫外光を第２開口部８に入射
した場合、コア部３の中心を含む面（ｙ＝ｄ＝１５）に
現れる紫外光強度分布を図２０に示す。第１開口部を介
して入射した紫外光の場合、図１９のｄ＝１５μｍの場
合に示すように、ｘ＝ｎ＋０．５の位置に出力光強度の
谷が現れている。一方、図２０では、ｘ＝ｎ＋０．５の
位置に出力光強度の山が現れている。したがって、図１
９のｄ＝１５μｍの時の紫外光強度分布と図２０の紫外
光強度分布は半周期ずれているため、光ファイバ２の上
下に形成された第１開口部８と第２開口部６を通して紫
外光を照射することで、光ファイバ２のコア部３に形成
される電気光学定数分布の山谷比を相殺することができ
る。そこで、図１９の出力光強度分布と図２０の出力光
強度分布とを重ね合わせた、コア部３の中心を含む面
（ｙ＝ｄ＝１５）における紫外光強度分布を図２１に示
す。この場合には、図２１に示すように、図１９におけ
る出力光強度の谷と、図２０における出力光強度の山が
相殺し、ほぼ平坦な出力光強度分布が得られている。

【００５８】さらに、第１及び第２開口部８、６の条件
等を変えた変形例について、図２２から図２６を用いて
説明する。この変形例では、第１及び第２開口部８、６
の開口部の数を相違させるとともに、第１及び第２電極
７、５とコア部３との距離ｄを３０μｍとしている。具
体的には、第１開口部６の開口部の数を５個とし、第２
開口部の開口部の数を４個としている。第１開口部８の
中心と第２開口部６の中心との距離ｈ＝１μｍとし、紫
外光を第１開口部８に入射した時に、コア部３を含む面
（ｙ＝ｄ＝３０）に現れる紫外光強度分布を図２２に示
す。なお、第２開口部６を介して入射した紫外光のコア
部３を含む面（ｙ＝ｄ＝３０）に現れる紫外光強度分布
は、図１９でｄ＝３０μｍで表わされている。図１９の
ｄ＝３０μｍの場合には、ｘ＝２×ｎ＋１に出力光強度
の谷が現れているのに対して、図２２では、ｘ＝２×ｎ
＋１に出力光強度の山が現れている。すなわち、図１９
のｄ＝３０μｍの場合の紫外光強度分布と図２２の紫外
光強度分布は半周期ずれている。そこで、光ファイバ２
の上下に形成された第１開口部８と第２開口部６を通し
て照射することで、光ファイバ２のコアに形成される電
気光学定数分布の山谷比を相殺することができる。この
場合のコア部３を含む面（ｙ＝ｄ＝３０）に現れる紫外
光強度分布は、図２３に示すように、図１９のｄ＝３０
μｍの時の出力光強度と図２０の出力光強度を重ね合わ
せたものである。図２３では、図１９のｄ＝３０μｍの
時の出力光強度の谷と、図２２の出力光強度の山が相殺
し、ほぼ平坦な出力光強度分布が得られている。

【００５９】そこで、第１及び第２開口部８、６を互い
に射影した場合に、それぞれの開口部の中心間の最適な
距離ｈについて、図２４から図２６を用いて検討する。
上記の２つの例では、距離ｄに応じて第１及び第２開口
部８、６の中心間の最適な距離ｈはそれぞれ異なる値を
とる。即ち、距離ｄ＝１５μｍの場合、開口部の中心間
距離ｈ＝０．５μｍ、距離ｄ＝３０μｍの場合、開口部
の中心間距離ｈ＝１．０μｍである。この場合、開口部
８、６の開口部の幅Ｗと、開口部間の電極７ａ，５ａの
幅Ｚは、それぞれＷ＝Ｚ＝１μｍなので、ｈの値として
は、ｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷４ｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷２の２通りに記述できる。そこで、任意のｄの値に対し
て、光ファイバ２のコア部３の中心を含む面（ｙ＝ｄ）
における紫外光強度分布の山谷差を最も小さくする開口
部８の中心と開口部６の中心との距離ｈを導出する。図
１２で、開口部の幅Ｗと開口部間に画成される電極の幅
Ｚについて、Ｗ＝Ｚ＝１μｍとし、紫外光波長λ＝０．
１９３μｍとした場合について検討する。この場合に、
開口部の中心間の距離ｈを、ｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷４＝０．
５μｍと、ｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷２＝１μｍとの２つの場合
における、紫外光強度の山谷差のｄに対する依存性を図
２４に示す。図２４から、ｄ≦１８μｍの範囲ではｈ＝
０．５μｍの方が山谷差が小さいのに対して、ｄ≧１９
μｍの範囲ではｈ＝１μｍの方が山谷差が小さい。この
時、ｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷４の山谷差とｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷２
の山谷差が等しくなるｄをｄ_０とする。

【００６０】次に、開口部の幅Ｗと開口部間の電極の幅
Ｚを変化させた場合において、ｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷４の山
谷差とｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷２の山谷差が等しくなるｄ_０に
ついて検討する。紫外光波長λを一定にしたときの、ｄ
_０の（Ｗ×Ｚ）に対する依存性を図２５に示す。図２５
から、ｄ_０と（Ｗ×Ｚ）はほぼ比例関係にあることがわ
かる。この直線の傾きをｑとして、ｄと（Ｗ×Ｚ）の関
係を表すと、下記式（９）で表わされる。ｄ_０＝ｑ×Ｗ×Ｚ（９）この式（９）で、λ＝０．１９３μｍの場合、ｑ＝２０
となり、λ＝０．３８６μｍの時ｑ＝１０となり、λ＝
０．５７９μｍの時ｐ＝６．６６７となる。さらに、図
２５の直線の傾きｑの紫外光波長λに対する依存性を図
２６に示す。図２６から、比例直線の傾きｑとλは反比
例関係にあることがわかる。この傾きｑとλとの関係
は、下記式（１０）で表される。ｑ＝３．８６１÷λ （１０）そこで、式（１０）を式（９）に代入して下記式（１
１）が得られる。ｄ_０＝３．８６１×Ｗ×Ｚ÷λ （１１）

【００６１】この式（１１）は、開口部の中心間の最適
な距離ｈを場合分けする距離ｄ_０を表わしている。即
ち、距離ｄが、この式（１１）で表されるｄ_０の値より
小さい場合には、開口部の中心間の距離ｈが（Ｗ＋Ｚ）
／４の場合に山谷差がより小さくなる。一方、距離ｄが
ｄ_０以上の場合には、開口部の中心間の距離ｈが（Ｗ＋
Ｚ）／２の場合に山谷差がより小さくなる。そこで、開
口部の中心間の最適な距離ｈは、ｄの値に応じて場合分
けされ、下記式（１２）又は式（１３）で表わされる。ｄ＜３．８６１×Ｗ×Ｚ÷λの場合ｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷４（１２）ｄ≧３．８６１×Ｗ×Ｚ÷λの場合ｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷２（１３）このように第１及び第２開口部８、６の中心を最適な距
離ｈに配置することで、コア部３の中心を含む面（ｙ＝
ｄ）の光強度分布における山谷差を相殺し、平坦な光強
度分布とすることができる。

【００６２】実際に、紫外光ポーリングを行った非線形
光学素子２０の第１電極である金属薄膜電極７ａと第２
電極である金属薄膜電極７ａとの間に変調電圧をかけな
がら、光ファイバ２のコア部３の屈折率測定を行った。
なお、開口部の幅Ｗ及び開口部間の電極の幅ＺとをＷ＝
Ｚ＝１μｍに固定した。その結果、式（１２）、（１
３）を満たさない（ｄ，ｈ）＝（１５，１）（３０，
０．５）の場合には、光ファイバ２のコア部３の屈折率
分布は不均一になる。一方、式（１２）、（１３）を満
たす（ｄ，ｈ）＝（１５，０．５）（３０，１）の場合
には、光ファイバ２のコア部の電気光学定数分布は平坦
になった。以上のように、第１開口部８の中心と第２開
口部６の中心とを上記式（１２）又は（１３）を満たす
所定距離ｈに配置しておき、この第１及び第２開口部
８、６を介して互いに反対方向から紫外光を照射するこ
とによって、光ファイバ２のコア部３の径方向にわたっ
て電気光学定数分布を平坦にすることができる。

【００６３】実施の形態３．本発明の実施の形態３に係
る非線形光学素子について図２７及び図２８を用いて説
明する。図２７に記載の非線形光学素子１０ａは、実施
の形態１に係る非線形光学素子と比較すると、開口部６
の複数の開口部を光ファイバ２の長手方向に沿って配列
し、それぞれの開口部は光ファイバ２の長手方向に垂直
な方向にわたって延在させている点で相違する。この場
合にも実施の形態１に係る非線形光学素子と同様の効果
が得られる。また、図２８に記載の非線形光学素子１０
ｂは、実施の形態１に係る非線形光学素子と比較する
と、電極５ａと開口部６とが市松模様を構成している点
で相違する。このように開口部６を市松模様に形成して
も実施の形態１と同様の効果を奏する。さらに、開口部
６を市松模様にすることで、光ファイバ２の長手方向と
垂直方向の両方向における電気光学定数分布を一定にす
ることができる。

【００６４】実施の形態４．本発明の実施の形態４に係
る非線形光学素子について図２９を用いて説明する。こ
の非線形光学素子３０は、実施の形態１から３に係る非
線形光学素子と比較すると、光導波路として、光ファイ
バではなく、平面光波回路（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗ
ａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）を用いている点で相違する。
このように平面光波回路を用いた場合でも実施の形態１
に係る非線形光学素子の場合と同様の効果を奏する。具
体的には、この非線形光学素子３０は、シリコン基板１
と、該シリコン基板１上に形成された下部クラッド層４
１と、下部クラッド層４１上に形成されたコア部４２
と、コア部４２上に形成された上部クラッド層４３と、
上部クラッド層４３の上に形成された金属薄膜電極５と
を備える。この金属薄膜電極５には、コア部４２の長手
方向に沿って平行に延在する２本の開口部を有する開口
部６を備える。２本の開口部の間には電極５ａがコア部
４２の真上に配置されている。

【００６５】次に、この平面光波回路を用いた非線形光
学素子３０の製造方法を図３０を用いて説明する。（ａ）シリコン基板１の上面にプラズマ化学気相成長法
を用いてアンダークラッド膜４１を形成する（図３０
（ａ））。（ｂ）次に、アンダークラッド膜４１の上面にプラズマ
化学気相成長法を用いてコア膜４２を形成する（図３０
（ｂ））。（ｃ）さらに、エッチング法を用いてコア膜４２を導波
路形状に形成する（図３０（ｃ））。（ｄ）次いで、プラズマ化学気相成長法を用いてアンダ
ークラッド膜４１とコア部４２の上面にオーバークラッ
ド膜４３を形成する（図３０（ｄ））。（ｅ）また、金属蒸着装置で金属薄膜電極５をコア４２
を有する石英薄膜の上面に形成する（図３０（ｅ））。（ｆ）最後に、写真製版技術を用いて金属薄膜電極５
に、コア４２の上部に電極５ａを残存させるように、コ
ア部４２の長手方向に平行に延在する２本の開口部６を
形成する（図３０（ｆ））。この製造方法によれば、光
ファイバを用いる場合と比較して、光ファイバの両端に
ポリイミド樹脂を埋め込む工程を設ける必要がないの
で、容易に非線形光学素子３０を作製できるという効果
がある。

【００６６】なお、この非線形光学素子では、実施の形
態１と同様に、電圧５Ｖを印加しながら、波長１９３ｎ
ｍの紫外光レーザーを、繰り返し周波数を１０Ｈｚ、入
射パワーを３６０ｍＪ／ｃｍ^２で１５分間照射して紫外
光ポーリングを行った場合、１０．７１ｐｍ／Ｖの電気
光学定数が得られた。

【００６７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係る非線
形光学素子によれば、互いに対向する第1及び第2電極に
光導波路を挟み込み、２つの電極の少なくとも一方に開
口部を設けている。この構成によって、開口部を介して
光導波路のコア部に紫外光を照射しながら、第１及び第
２電極の間に電圧を印加して紫外光ポーリングを行なう
ことができる。また、光ファイバのコア部を挟んで互い
に対向する電極を配置しているので、コア部に高電界を
印加することができる。

【００６８】また、本発明に係る非線形光学素子によれ
ば、開口部は複数の開口部を備えているので、コア部の
真上に位置する電極を開口部間に画成することができ
る。これによって、コア部を上下に挟んで高電界を印加
することができる。また、複数の開口部から紫外光を入
射させ、干渉させることで電極の真下のコア部にも紫外
光を照射することができる。

【００６９】さらに、本発明に係る非線形光学素子によ
れば、光導波路の互いに平行な２つの平坦面でそれぞれ
第１及び第２電極と当接させている。これにより、光導
波路を安定して支持することができるとともに、開口部
を介して光導波路の内部に直接に紫外光を入射すること
ができる。

【００７０】またさらに、本発明に係る非線形光学素子
によれば、開口部を有する電極とコア部の中心との距離
は、開口部の幅と開口部間の電極の幅とによって規定さ
れる。この電極とコア部との距離を所定範囲にすること
によってコア部の中心を含む面において、コア部の中心
の紫外光強度を大きくすることができる。

【００７１】また、本発明に係る非線形光学素子によれ
ば、開口部を有する電極とコア部の中心との距離ｄは、
開口部の幅Ｗと開口部間の電極の幅Ｚとによって記述さ
れる所定の関係式で規定される。この電極とコア部との
距離ｄを所定範囲にすることによってコア部の中心を含
む面において、コア部の中心の紫外光強度を大きくする
ことができる。

【００７２】さらに、本発明に係る非線形光学素子によ
れば、第１及び第２電極はそれぞれ第１及び第２開口部
を有し、それぞれの開口部を互いに射影した場合に、そ
れぞれの開口部の中心は距離を有する。このようにそれ
ぞれの開口部のパターンをずらせておくことにより、第
１及び第２開口部を介して互いに反対方向から紫外光を
入射した場合に、コア部の中心を含む面で紫外光強度の
山谷を互いに相殺させることができる。これによって、
紫外光強度分布を平坦にすることができる。

【００７３】またさらに、本発明に係る非線形光学素子
によれば、第１及び第２の開口部の中心間の距離は、開
口部とコア部の中心との距離、開口部の幅及び開口部間
の電極の幅とによって規定される。第１及び第２の開口
部の中心を上記規定される距離に配置しておくことによ
り、コア部の中心を含む面で紫外光強度分布の山谷差を
相殺することができる。これによって、紫外光強度分布
を平坦にすることができる。

【００７４】また、本発明に係る非線形光学素子によれ
ば、第１及び第２の開口部の中心間の距離ｈは、開口部
とコア部の中心との距離ｄ、開口部の幅Ｗ及び開口部間
の電極の幅Ｚとによって記述される所定の関係式で規定
される。第１及び第２の開口部の中心を上記規定される
距離に配置しておくことにより、コア部の中心を含む面
で紫外光強度分布の山谷差を相殺することができる。こ
れによって、紫外光強度分布を平坦にすることができ
る。

【００７５】さらに、本発明に係る非線形光学素子によ
れば、第１電極を支持する紫外光について透明な基板を
さらに備えている。この紫外光に透明な基板の裏面から
第１開口部を介して紫外光を照射することができる。

【００７６】またさらに、本発明に係る非線形光学素子
によれば、コア部は２次光非線形性を有する非線形光学
領域を備えているので、上下から挟み込んでいる第１及
び第２電極の間に電圧を印加することで電気光学効果を
生じさせることができる。

【００７７】また、本発明に係る非線形光学素子によれ
ば、光導波路に光ファイバを用いているので、容易に構
成することができる。

【００７８】さらに、本発明に係る非線形光学素子によ
れば、光導波路に平面光波回路を用いているので、光フ
ァイバのクラッド部を研磨する必要もなく、また、光フ
ァイバを固定する樹脂を用いる必要がないので、さらに
容易に構成することができる。

【００７９】本発明に係る非線形光学素子の製造方法に
よれば、第２電極に開口部を設け、該開口部を介して紫
外光を照射しながら、第１及び第２電極の間に電圧を印
加して紫外光ポーリングを行っている。これによってコ
ア部に高効率に非線形光学領域を形成することができ
る。

【００８０】本発明に係る非線形光学素子の製造方法に
よれば、第１及び第２電極にそれぞれ第１及び第２開口
部を設け、該第１及び第２開口部を介して紫外光を入射
しながら第１及び第２電極の間に電圧を印加して紫外光
ポーリングを行っている。これによってコア部の中心を
含む面における紫外光強度分布の山谷を相殺し、平坦に
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る非線形光学素子
１０を示す断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態１に
係る非線形光学素子１０の製造方法の各工程を示す断面
図である。

【図３】マッハ・ツェンダ型干渉計を用いた電気光学
定数の測定系を示すブロック図である。

【図４】紫外光が開口部６を通り光ファイバ２のコア
部で干渉するモデルを示した図である。

【図５】紫外光を開口部６に入射した直後の紫外光強
度分布の一例を示すグラフである。

【図６】図５に示す紫外光強度分布をもつ紫外光が開
口部６に入射した時の、コア部の中心を含む面（ｙ＝
ｄ）における紫外光強度分布を示すグラフである。

【図７】紫外光波長λを一定にしたときの、コア部の
中心を含む面（ｙ＝ｄ）において、ｘ＝０のときの紫外
光強度とｘ＝Ｗのときの紫外光強度とが互いに一致する
ｄの（開口部６の幅Ｗ）×（電極５ａの幅Ｚ）に対する
依存性を示したグラフである。

【図８】図７の比例直線の傾きｐの紫外光波長λに対
する依存性を示すグラフである。

【図９】電気光学定数の金属薄膜電極５と光ファイバ
２のコア部の中心との距離ｄに対する依存性を示したグ
ラフである。

【図１０】本発明の実施の形態２に係る非線形光学素
子の構成を示す斜視図である。

【図１１】（ａ）〜（ｇ）は、本発明の実施の形態２
に係る非線形光学素子の製造方法の各工程を示した断面
図である。

【図１２】紫外光が開口部６を通り光ファイバ２のコ
ア部で干渉するモデルを示す部分断面図である。

【図１３】紫外光を第２開口部６に入射直後の紫外光
強度分布の一例を示すグラフである。

【図１４】図１２に示す開口部の開口部パターンにつ
いて、紫外光を入射した時に、コア部の中心を含む面
（ｙ＝ｄ）上に現れる紫外光強度分布を示したグラフで
ある。

【図１５】紫外光を第１開口部８に入射直後の紫外光
強度分布の一例を示したグラフである。

【図１６】図１２の構成により、紫外光強度分布をも
つ紫外光を入射した時に、図１２のコア部の中心を含む
面（ｙ＝ｄ）の上に現れる紫外光強度分布を示したグラ
フである。

【図１７】図１４の光強度分布と図１６の光強度分布
とを重ね合わせたグラフである。

【図１８】紫外光を開口部６に入射した直後の紫外光
強度分布を示したグラフである。

【図１９】図１８に示す紫外光強度分布をもつ紫外光
を入射した場合に、図１２でコア部の中心を含む面（ｙ
＝ｄ）の上に現れる紫外光強度分布を示したグラフであ
る。

【図２０】第１開口部８の中心と第２開口部６の中心
との距離ｈ＝０．５μｍとして、紫外光を第１開口部８
に入射した場合に、コア部の中心を含む面（ｙ＝ｄ＝１
５）の上に現れる紫外光強度分布を示した図である。

【図２１】図１９のｄ＝１５μｍの場合の出力光強度
分布と、図２０の出力光強度分布とを重ね合わせた出力
光強度を示した図である。

【図２２】第１開口部８と第２開口部６の中心間距離
ｈ＝１μｍ、第１開口部８の数を５個として、紫外光を
開口部８に入射した時に、ｙ＝３０平面上に現れる紫外
光強度分布を示した図である。

【図２３】図１９のｄ＝３０μｍの時の出力光強度と
図２０の出力光強度とを重ね合わせた紫外光強度分布を
示した図である。

【図２４】紫外光強度の山谷差のｄに対する依存性を
示したグラフである。

【図２５】紫外光波長λを一定にしたときの、ｄ０の
（Ｗ×Ｚ）に対する依存性を示したグラフである。

【図２６】図２５の比例直線の傾きｑの紫外光波長λ
に対する依存性を示したグラフである。

【図２７】本発明の実施の形態３に係る非線形光学素
子の構成を示す斜視図である。

【図２８】本発明の実施の形態３に係る別の例の非線
形光学素子の構成を示す斜視図である。

【図２９】本発明の実施の形態４に係る非線形光学素
子の構成を示す斜視図である。

【図３０】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態４
に係る非線形光学素子の製造方法の各工程を示す断面図
である。

【図３１】従来の熱ポーリング用の非線形光学素子の
構成を示す断面図である。

【図３２】従来の紫外光ポーリング用の非線形光学素
子の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１シリコン基板、２光ファイバ、３コア部、４、
４ａポリイミド樹脂、５，５ａ薄膜電極、６、８
開口部（スリット）、７，７ａ薄膜電極、１０，１０
ａ、１０ｂ、２０、３０非線形光学素子、２１石英
基板、３１Ｈｅ−Ｎｅレーザー、３２偏光子、３３
ビームスプリッタ、３４集光レンズ、３５電極、
３６レンズ、３７ａ、３７ｂミラー、３８ビーム
スプリッタ、３９パワーメータ、４１下部クラッド
層、４２コア層、４３上部クラッド層、５１基
板、５２光ファイバ、５４ポリイミド樹脂、５５
薄膜電極、６０、７０光非線形素子、６２光ファイ
バ、６４穴、６５電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松本貞行東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者星崎潤一郎東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者高林正和東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 2K002 AA02 AB09 AB12 CA15 DA10 EA08 FA27 HA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに対向する平板状の第１及び第２の
電極と、前記２つの電極の間に挟み込まれており、コア部と該コ
ア部を収容するクラッド部とからなる光導波路とを備
え、少なくとも一方の前記電極は、前記コア部に光を照射可
能な位置に設けられた開口部を有することを特徴とする
非線形光学素子。
【請求項２】前記開口部は、複数の開口部からなるこ
とを特徴とする請求項１に記載の非線形光学素子。
【請求項３】前記光導波路の前記クラッド部は、前記
コア部を挟んで互いに平行な第１及び第２の平坦面を備
え、前記第１平坦面の上に前記第１電極が配置され、前記第
２平坦面の上に前記第２電極が配置されることを特徴と
する請求項１又は２に記載の非線形光学素子。
【請求項４】前記開口部を有する電極と前記光導波路
の前記コア部の中心との距離は、前記開口部の幅と、開
口部間の電極の幅とによって規定されることを特徴とす
る請求項１から３のいずれか一項に記載の非線形光学素
子。
【請求項５】前記開口部を有する電極と前記光導波路
の前記コア部の中心との距離ｄ（μｍ）は、前記開口部
の幅Ｗ（μｍ）と、開口部間の電極の幅Ｚ（μｍ）と、
前記コア部に照射する紫外光の波長λ（μｍ）とによっ
て記述される下記の関係式で規定されることを特徴とす
る請求項１から３のいずれか一項に記載の非線形光学素
子。ｄ≧２．８９５ＷＺ／λ
【請求項６】前記第１及び第２電極は、互いに平行で
あって、それぞれ複数の開口部を含む第１及び第２の開
口部を有し、前記第１開口部と第２開口部とを互いに射影した場合
に、前記第１及び第２開口部の中心は、互いの間に距離
を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一
項に記載の非線形光学素子。
【請求項７】前記第１開口部と前記第２開口部とを互
いに射影した場合に前記第１及び第２開口部の中心間の
距離は、前記第１及び第２の開口部と前記光導波路の前
記コア部の中心からの距離と、前記第１及び第２の開口
部における開口部の幅及び開口部間の電極の幅とによっ
て規定されることを特徴とする請求項６に記載の非線形
光学素子。
【請求項８】前記第１開口部の中心と前記第２開口部
の中心との距離ｈは、前記第１及び第２の開口部と前記
光導波路の前記コア部の中心との距離ｄ、前記第１及び
第２の開口部における開口部の幅Ｗ及び開口部間の電極
の幅Ｚとによって記述される下記の関係式によって規定
されることを特徴とする請求項６に記載の非線形光学素
子。ｄ＜３．８６１×Ｗ×Ｚ÷λの場合、ｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷４ｄ≧３．８６１×Ｗ×Ｚ÷λの場合、ｈ＝（Ｗ＋Ｚ）÷２
【請求項９】前記第１電極を支持する紫外光について
透明な平板状の基板をさらに備え、前記基板と前記光導波路との間に前記第１電極を挟持す
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
載の非線形光学素子。
【請求項１０】前記光導波路の前記コア部は、２次光
非線形性を有する非線形光学領域を備えることを特徴と
する請求項１から９のいずれか一項に記載の非線形光学
素子。
【請求項１１】前記光導波路は、光ファイバであるこ
とを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載
の非線形光学素子。
【請求項１２】前記光導波路は、平面光波回路である
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記
載の非線形光学素子。
【請求項１３】平板状の第１電極を用意する工程と、前記第１電極の上に、コア部と該コア部を収容するクラ
ッド部とからなり、互いに平行な前記クラッド部の第１
及び第２平坦面を有する光導波路を、前記第１平坦面を
前記第１電極に対面させて配置する工程と、前記光導波路の前記クラッド部の第２平坦面の上に平板
状の第２電極を形成する工程と、前記第２電極の上面に、前記光導波路の前記コア部に紫
外光を照射可能な位置に開口部を形成する工程と、前記開口部を介して前記光導波路のコア部に紫外光を照
射しながら、前記第１及び第２の電極との間に電圧を印
加して、前記コア部に光非線形性を有する非線形光学領
域を形成する工程とを含む非線形光学素子の製造方法。
【請求項１４】紫外光に透明な平板状の基板を用意す
る工程と、前記基板の上に平板状の第１電極を形成する工程と、前記第１電極に第１開口部を形成する工程と、前記第１電極の上に、コア部と該コア部を収容するクラ
ッド部とからなる光導波路を、前記クラッド部の第１平
坦面を前記第１電極に対面させて配置する工程と、前記光導波路の前記クラッド部の第２平坦面の上に平板
状の第２電極を形成する工程と、前記第２電極の上面に第２開口部を形成する工程と、前記第１及び第２の開口部を介して前記光導波路のコア
部にそれぞれ紫外光を照射しながら、前記第１及び第２
の電極との間に電圧を印加して、前記コア部に光非線形
性を有する非線形光学領域を形成する工程とを含む非線
形光学素子の製造方法。