JPH02176730A - 非線形光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、光情報処理、光通信、光計測制御などの産業
分野で好適に使用される導波路形非線形光学素子に関す
るものである。

［従来の技術］ 非線形光学効果を応用した素子として、第２高調波（以
下ＳＨＧと略す）によってレーザ光の波長を１７２に変
換するＳＨＧ素子や、パラメト１〕ツク発振によってレ
ーザ光の波長を連続的に変換するパラメトリック発振器
などの波長変換素子、電気光学効果を用いた光スィッチ
や光変調素子、光強度によって屈折率が変化することを
用いた光スィッチや光双安定素子などが提案されてきた
。

非線形光学効果の大きさは、非線形光学材料の非線形光
学定数の大きさだけでなく、透過レーザ光のパワー密度
が高いほど大きくなるので、これらの素子を導波路形に
してレーザ光を狭い領域に閉込めてパワー密度を高め、
効率良く非線形光学効果を発現させようとする導波路形
非線形光学素子の実現が従来から試みられてきた（総説
としてはＧ、　１．　Ｓｌｅｇｅｍａｎら、Ｊｏｕｒｎ
ａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ。

５８巻、Ｒ５７頁（１９８５））。

これまで提案されてきた導波路形素子の形態は、■有機
あるいは無機の非線形光学材料が導波層として透明基板
の上に形成されているもの、■無機の非線形光学材料を
基板としてその上に透明導波層を形成したもの、■無機
の非線形光学材料表面で拡散やイオン交換などにより導
波路を形成したもの、に大別できる。■では伊東ら（電
子通信学会論文誌、　　Ｎ７／２．Ｊ７０−ｃ巻、２２
４頁）、■ではにＴｉｅｎ　（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　１７巻、４４７頁（１９
７０）　）によって提案されているもの、■では特開昭
６０−５７８２５号公報で提案されているもの、が各々
の代表例としてあげられる。

一方、非線形光学効果を素子形態で有効に発現させるた
めには、単に導波路構造になっているだけではだめで、
非線形分極波が伝搬する位相速度と基本波が伝搬する位
相速度とを一致させる（位相整合）必要がある。導波路
構造では、導波層膜厚を制御することによって、基本波
の導波モードの位相速度と、非線形分極波の導波モード
または放射モードの位相速度を一致させて位相整合を実
現でき、この場合導波層膜厚は０．１μｍ以下の高い精
度で制御される必要がある。

［発明が解決しようとする課題］ かかる■の形態では、導波層膜厚の０．１μｍ以下での
制御が困難になる。すなわち、多くの非線形光学材料は
結晶であり、結晶をこのように膜厚制御しながら成長さ
せる、または研磨などによって加工しても、性能、生産
性、再現性の点で実用的な素子は得られないという問題
があった。

また、■の形態では、導波層の膜厚制御の問題は透明材
料の精密蒸着やコーティングによって解決できるものの
、製造に提供し得る程度に大きな非線形光学材料の結晶
が必要となる。しかし、般的に非線形光学材料の結晶性
は非常に悪く、このような素子製造に適用できる材料は
限られており、しかも高価であるという問題がある。

さらに、■の形態では、■と同様に大型の結晶が得られ
にくいといった問題を有し、さらに導波層膜厚を厳密に
制御するには高度な技術蓄積と熟練を要する、導波路の
形成が拡散過程によるため導波層の界面が明確でないの
で基本波の閉込め効果が小さいなどの問題があった。

本発明は、かかる従来技術の欠点を解消しようとするも
のであり、導波層膜厚の精密制御が容易で、しかも、非
線形光学材料の大型結晶あるいは高度な技術蓄積、熟練
を要することなく、実用的かつ汎用性に富んだ導波路形
弁線形光学素子を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、下記の構成から
なる。

「透明基板上に、該基板の屈折率よりも高い屈折率を有
する透明薄膜導波層を設け、ざらに該薄膜導波層の上に
、該薄膜導波層よりも低い屈折率を有する、非線形光学
材料を含有してなる層を設けてなることを特徴とする非
線形光学素子。」すなわち、本発明は、導波路形の非線
形光学素子において、透明光導波層上に、非線形光学材
料を含有してなる層を装荷した構造であることを特徴と
する。

本発明の最も基本的な実施形態を第１図に示す。

第１図中、１は非線形光学材料を含有してなる層、２は
透明薄膜導波層、３は透明基板を示す。

レーザ光は、非線形光学材料を含有してなる層１と導波
層２との界面を越えて、わずかに非線形光学材料を含有
してなる層１に侵入したのち、導波層２に戻り、次いで
、導波層２と透明基板３と導波層２との界面を越えて、
わずかに基板３に侵大したのち、再び導波層へ戻ってく
るといった過程を繰り返し、導波層を伝搬する。このよ
うに導波層に接する層に浸入する光は「エバネッセント
波」と呼ばれている。本発明においては、両界面へのエ
バネッセント波のうち、非線形光学材料層−導波層界面
で浸入したエバネッセント波によって非線形光学効果を
発現させることができる。

また、本発明の素子に、レーザ光を入射したときの、入
射光の伝搬の様子を第２図に示す。図中、４がレーザ光
を示す。

本発明においては、薄膜導波層における屈折率が、透明
基板の屈折率よりも高く、かつ、非線形光学材料を含有
してなる層の屈折率よりも高いことが必要であり、そう
することによって、薄膜導波層に光がとじ込められ、導
波層とすることができる。このような導波層への光の閉
じ込めは、かかる屈折率と、さらにそれぞれの層の厚さ
との関係により、決まってくるものであるが、好ましく
は、（薄膜導波層の屈折率）〉（非線形光学材料を含有
してなる層の屈折率）〉（透明基板の屈折率）という屈
折率の大小関係があり、特に、薄膜導波層の屈折率と非
線形光学材料を含有してなる層の屈折率との差が０．０
２〜０．２０の範囲にあるときに、非線形光学効果を有
効に発現することが可能となる。また、薄膜導波層の膜
厚は、単一モード導波を用いるか他モード導波を用いる
かという使用目的に応じて選択すれば良いが、高いパワ
ー密度を達成するためには、０．３〜２．０μｍの範囲
であることが好ましい。さらに、非線形光学材料を含有
してなる層の膜厚は、エバネッセント波の侵入深さ以上
であればどのような膜厚でも良いが、２μｍ以上の膜厚
にすることが好ましい。

本発明において、透明基板３としては、透明であればど
のようなものであってもよく、例えば、ガラス、透明重
合体、溶融石英板などの非晶質材料や、水晶、方解石、
酸化チタンなどの結晶材料が挙げられる。また、該基板
上の薄膜導波層２としては、前記の屈折率関係を満足す
る透明材料からなるものであればどのようなものあって
も良（、例えば、高分子導波路、ガラス導波路、カルコ
ゲナイド非晶質導波路などがある。一般に、前記の透明
基板３および薄膜導波層２として用いられる材料および
その形成方法は、数多く知られており、例えば、西原ら
；　「光集積回路」　（オーム社、昭和６０年）に詳し
い。具体的に例を挙げると、スピンコーティング法によ
ってガラス基板上に高分子導波路を形成したもの、イオ
ン交換やスパッタ蒸着によって、基板上にガラス導波路
を形成したもの、スパッタ蒸着によってガラス基板上に
カルコゲナイド非晶質導波路を設けたものなどが挙げら
れる。

本発明における非線形光学材料を含有してなる層１とし
ては、非線形光学材料を含有してなるものであればよい
が、少なくとも非線形光学材料を、かかる眉の全体中３
重量％以上含まれていることが好ましい。また、本発明
においては、非線形光学材料のみからなるものも含まれ
る。

非線形光学材料としては、ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａ０ａ
ＫＮｂＱ３．　Ｌｉ　ｌＱ３．　ＫＨ２Ｐ　Ｑａ、　Ｋ
ＴｉＯＰＯａ、　ＮＨ４Ｈ２Ｐ　ＱＳβ−ＢａＢ２　Ｑ
ｓ、　　ＢａＴｉＯ３などの強誘電性無機材料、または
尿素、２−メチル−４−ニトロアニリン、メタニトロア
ニリン、Ｎ−（４−ニトロフェニル）（Ｌ）−プロリノ
ール、２−（Ｎ、Ｎ−ジメチルアミノ）−５−ニトロア
セトアニリド、ポリジアセチレン誘導体などの有機材料
があげられるが、これらに限定されるものではなく、二
次の光非線形性および／または三次の光非線形性を有す
るものであれば適用でき、中でも二次の光非線形性とし
ては、Ｉ　Ｘ　１０”−”　ｅｓｕ以上、三次光非線形
性としては、Ｉ　Ｘ　１０−１３ｅｓｕ以上あるものが
好ましい。

また、非線形光学材料を含有してなる層において、非線
形光学材料以外の層を形成する成分としでは、重合体ま
たはガラスなどがあげられる。重合体としては、例えば
ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリス
チレン、ポリビニルアルコール、セルロース系樹脂、ポ
リエチレンテレフタレートなどが用いられ、また、ガラ
スとしては、例えばバイコールガラス、パイレックスガ
ラス、ソーダガラス、重フリントガラスなどのガラス体
が用いられる。かかる成分中に、非線形光学材料は、分
散あるいは溶解し、あるいは、重合体主鎖にペンダント
型に重合することによって含有される。

非線形光学材料を含有してなる層の、透明薄膜導波層へ
の形成方法としては、例えば、次のような方法が挙げら
れるが、透明導波層の上に密着し装荷できる方法であれ
ば、これらに限定されるものではない。すなわち、１０
０％非線形光学材料の層を透明導波層上に形成する場合
は、透明基板３上に透明導波層２が形成されている平板
とガラス板との間に非線形光学材料を粉末状で充填した
のち、非線形光学材料の融点以上に加熱して溶解し、さ
らに冷却することによって結晶化したのち、ガラス板を
剥離して第１図に示す構成を形成する。

または、非線形光学材料を有機溶媒中に溶解して、その
溶液を透明基板３上に透明導波層２が形成されている平
板とガラス板との間に注入したのち、溶媒を徐々に蒸発
させて、析出したのち、ガラス板を剥離することによっ
ても形成される。また、非線形光学材料を含有してなる
層が、非線形光学材料以外の透明材料に非線形光学材料
を含有してなる層である場合には、溶媒中で溶解したポ
リマ中に非線形光学材料を溶解もしくは分散した塗布溶
液を調製したのち、透明基板３上に透明導波層２が形成
されている平板上にスピンナー法やデイツプ法によって
該溶液を塗布し、乾燥して第１図に示す構成を形成する
ことができる。あるいは、ガラス転移点温度以上に加熱
して流動性を付与したガラス中に非線形光学材料を分散
したのち、透明基板３上に透明導波層２が形成されてい
る平板上に該流動性ガラスを流延して冷却固化し、第１
図に示す構成を形成することもできる。

本発明によって得られる導波路形の素子は、ＳＨＧ素子
やパラメトリック発振器などの波長変換素子、電気光学
効果を用いた光スィッチや光変調素子、光強度によって
屈折率が変化することを用いた光スィッチや光双安定素
子などの非線形光学素子として好適に用いることが可能
である。

［実施例］ 次に、本発明を実施例によってさらに具体的に説明する
が、本発明は、これらの実施例に限定されるものではな
い。

実施例１ 屈折率が１．７８の鉛ガラス板上に、膜厚１μｍのｚｒ
Ｏ２／Ｙ２Ｑ３の混合体薄膜を蒸着して屈折率１゜８５
の透明薄膜導波層を形成し、導波路構造体を得た。次い
で、この導波路構造体と石英板との間に、非線形光学材
料として２−メチル−４−ニトロアニリンの粉末をはさ
みこみ、１３０℃の電気炉中で加熱して２−メチル−４
−ニトロアニリンを溶融したのち、電気炉の一端から毎
時５ｍｍの速度で引出して冷却固化させることによって
厚さ３μｍの２−メチル−４−ニトロアニリンの単結晶
膜を得た。単結晶膜の屈折率は、１．８０であった。さ
らに、石英板のみを剥離することによって、第１図のよ
うな導波路構造体を得た。

このようにして得られた導波路素子の一端から、ＹＡＧ
レーザ光を入射させて導波層内を伝搬させ１ま た。伝搬の様子を第３図に示した。この時、導波層内を
伝搬するレーザ光の位相速度が、導波層−非線形光学材
料装荷層で発生したＳＨＧ光が基板内を伝搬する位相速
度よりも大きくなったため、基板斜め下方へとチェレン
コフ位相整合されたＳＨＧ光５が観測された。

実施例２ ５０℃の温浴中で加温して粘度を低下調整したペンタブ
ロモフェニルメタクリレートを、屈折率１．５１の硼珪
酸ガラス板上にスピンナーで塗布したのち、８０°Ｃの
オーブン中で２４時間加熱して塗膜のペンタブロモフェ
ニルメタクリレートを熱重合し、さらに５０℃に加熱し
た真空乾燥機内に８時間放置して残存ペンタブロモフェ
ニルメタクリレートモノマを除去して、屈折率１．６８
、膜厚２μｍのペンタブロモフェニルメタクリレート重
合体を導波層とする導波路構造体を得た。次いで、非線
形光学材料としてＮ−（４−ニトロフェニル）−（Ｌ）
−プロリノールを１０重量％の割合いでポリアミド樹脂
とジメチルホルムアミドを溶媒として溶解混合したのち
、先の導波路構造体上の一部に塗布し、８０℃のオーブ
ン中で６時間乾燥して第４図に示すような導波路素子を
得た。

非線形光学材料を含有するポリアミド樹脂の膜厚は３μ
ｍであり、屈折率は１．６１であった。第４図で、１は
非線形光学材料（Ｎ−（４−ニトロフェニル）−（Ｌ）
−プロリノール）を含有してなる層、２は透明薄膜導波
層（ペンタブロモフェニルメタクリレート重合体）、３
は透明基板（硼珪酸ガラス）、４はレーザ光、６はプリ
ズムを示す。

このようにして得た導波路素子で、第４図に示したよう
にプリズムを用いてＹＡＧレーザ光を導波層に導き、装
荷層下を導波させたのち再びプリズムで導波光を取出し
て出射光強度を測定した。

そして、入射光強度を変えながら出射光強度との関係を
測定したところ、第５図に示すような光強度に依存して
屈折率が変化したことによる入出力関係が観測された。

第５図において、横軸には入射光強度（Ｗ）、縦軸には
出射光強度（ｍＷ）を示した。

［本発明の効果］ 本発明によれば、導波路素子製造上重要な導波層膜厚の
精密制御が容易になり、高度な技術蓄積、熟練を要する
ことなく、しかも、大型の非線形光学材料結晶を形成す
る必要もないため、実用的かつ汎用性に富んだ導波路形
非線形光学素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の非線形光学素子の主要構造を示す断
面図である。 第２図は、本発明の非線形導波路素子の主要構造および
入射レーザ光を示す。 第３図は、本発明実施例１の非線形導波路素子の主要構
造および入射レーザ光を示す。 第４図は、本発明実施例２の非線形光学素子の主要構造
および入射レーザ光を示す。 第５図は、本発明実施例２の導波路素子を用いた場合に
おけるレーザ光の入出力関係を示す。 １：非線形光学材料を含有してなる層　２：透明薄膜導
波層　３：透明基板　４：レーザ光　５ＳＨＧ光 ６　：

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）透明基板上に、該基板の屈折率よりも高い屈折率
   を有する透明薄膜導波層を設け、さらに該薄膜導波層の
   上に、該薄膜導波層よりも低い屈折率を有する、非線形
   光学材料を含有してなる層を設けてなることを特徴とす
   る非線形光学素子。