Manufacture of optical waveguide

【０００１】
本発明は、光導波路の製造に関する。
【０００２】
光導波路を製造する１つの公知の技術は、いわゆる直接結合（直接界面結合）である。
【０００３】
直接結合（ＤＢ）は、２つの原子的に平坦な本体が本体間の結合を形成するために互いに接近する場合に示されるファンデルワールス力を使用する製造技術である。 この本体が適切な屈折率を有する光学材料の層である場合、材料層は導波境界を形成するために結合できる。
【０００４】
このような結合を形成するための１つの確立された方法では、２片の光学材料は、非常に平坦に（すなわち、原子ディメンジョンでほぼ平坦である）なるように研磨される。 ２つの研磨面の結晶構造は、好ましくは、互いに整列され、この研磨面は一緒に押される。 加熱処理は、２つの表面間のパイロ電気効果および電子の交換を促進するのに役立ち得る。 これは、２つの表面間からいかなる残りの空気あるいは液体をも放出するのに役立つ、２つの表面間に静電引力を生じる。
【０００５】
ＤＢ結合は、当該本体の格子定数および配向にかかわりなく形成でき、結晶微構造あるいはいずれかの材料の劣化を全く生じない。 このような非破壊的な方法で表面に接触させることによって、ＤＢは、各結合材料のバルク特性を保持すると同時に増加された伝搬損失および光学損失のような格子欠陥によって引き起こされるかもしれない問題を避ける。
【０００６】
ヨーロッパ特許第０５９８３９５号は、支持基板および低屈折率層をガラス基板上に直接結合し、次にガラス基板をエッチングすることによって光導波路装置を形成することを記載している。
【０００７】
本発明は、直接界面結合によって光学材料の規則格子構造層に結合された光学材料のガイド層を含み、このガイド層の領域がガイド層に沿って光ガイドパスを規定するように変更された光学的性質を有する光導波路を提供し、この導波路は、直接界面結合によってガイド層に結合された第２の規則格子構造層をさらに含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明は、光導波路でのＤＢ構造の使用に関する前述の提案の欠点を認識し、検討する。 このような前述の提案では、高屈折率を有する材料の平坦な層（導波路「コア」を形成する）は、低屈折率を有する材料の２つの層（導波路「規則格子構造」を形成する）間で結合される。 これはバルクガイド構造を提供するが、平坦な「コア」層の大きな横の寸法は、この装置が多数の導波用途に対してあるいは単一モード導波路として役立たないことを意味する。
【０００９】
それに反して、本発明では、コア層の領域は、コア層に沿って光ガイドパスを規定するように変更された光学的性質を有する。 これによって使用の融通性が非常に高まり、ガイドパスを、前述の装置よりもさらに厳密に規定できるようになる。
【００１０】
この方法はガラスのような多数の種類の材料と併用するのに適しているが、コア層は変更領域が電気分極によって生成されることを可能にする強誘電体であることが好ましい。
【００１１】
十分に研究された光学的性質および電気特性を有する特に有用な強誘電体材料は、周期的に分極されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）である。 ＰＰＬＮは、大きい非線形係数、幅広く制御可能な位相整合波長、および理想的な材料が非線形周波数変換のための準位相整合（ＱＰＭ）を得るようにするゼロウォークオフ特性を結合する。 ＰＰＬＮ基板内の二次高調波生成の効率に関して最新の改良を行い、本発明を使用して形成される適切な形状の導波路にこのような材料を使用すれば、高調波生成あるいはパラメータの生成に基づいて様々なコンパクトな非線形装置の実現が可能になることが本発明で認識される。
【００１２】
本発明の方法は、ＰＰＬＮと併用されるのに特に適切であり、その両方が単ＰＰＬＮ結晶に作用し、光学的閉じこめに対してより大きい屈折率の領域を形成するために表面近くの結晶を変更する、いわゆる「アニ−ルプロトン交換」技術および「チタン内拡散」のようなＰＰＬＮを使用する導波路を製造する他の技術に比べるといくつかの長所を有する。
【００１３】
ＰＰＬＮの結合特性を研究する前述の実験は、大きな物理的開口に対する材料の厚い多積層スタックを製造する方へ、つまり高電力用途を指向して行われてきた。 それに反して、ＰＰＬＮの十分薄い層を形成することは、ドメイン反転構造に光学的閉じこめを介して加えられた平均ポンプ強度を増加させ、したがって低ポンプパワーであっても有効なＳＨＧを可能にする。 このような装置の製造は、高精度研磨をして導波路の寸法にする前に、適当な基板上にＰＰＬＮを結合し、電気光学用途のためのＬｉＮｂＯ３平面導波路の製造で既に実証された方法を用いて可能になる。
【００１４】
この技術のもたらす主要な魅力の１つは、結合後のＰＰＬＮ構造の非線形性およびドメイン特性が、バルク材料と変わらないことであろう。 アニ−ルプロトン交換方法およびＴｉ内拡散方法は達成に近づいているが、完全な理論的効率ではまだ達成されない組み合わせである。 異なった材料特性を持つ多数の層の組み合わせがここで可能であるので、本発明の更なる利点は、装置を設計する際に非常に柔軟に利用できることである。
【００１５】
第２の態様から見れば、本発明は、光導波路を製造する方法を提供し、この方法は、
（ａ）直接界面結合によって光学材料のガイド層を光学材料の規則格子構造層に結合するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）前に、あるいはステップ（ａ）中に、あるいはステップ（ａ）後、ガイド層に沿って光ガイドパスを規定するようにガイド層の領域の光学的性質を変更するステップ、この方法は、さらに（ｃ）ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）後、材料をガイド層から取り除き、ガイド層（１０）の厚さを減らすステップと、
（ｄ）ステップ（ｃ）後、直列界面結合によって、他の規則格子構造層（２０）をガイド層に結合するステップとを含むことを特徴とする。
【００１６】
次に、本発明の実施形態を添付図面を参照して例を挙げて説明する。
【００１７】
下記の説明では、二次高調波発生器としての導波路の例の準備および使用を、図１〜図３を参照して最初に説明する。 次に、本発明の実施形態を形成する他の導波路も記載されている。
【００１８】
図１は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）の２つの層２０間のＰＰＬＮの層１０の直接結合サンドウィッチとして形成された導波路の概略を示している。
【００１９】
ＰＰＬＮ層１０は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）材料が周期的な「ストリップ」配置で分極されるという点でＰＰＬＮ格子の形である。 実際には、周期的な分極構造は人間の目によってほぼ検出不可能であることが理解されるが、ニオブ酸リチウム材料の交互に分極された領域のこれらのストリップは、交互に並ぶ白黒のストリップとして図１に概略が示されている。
【００２０】
ＰＰＬＮ格子の製造は、約１５ｍｍ×１５ｍｍの表面積の０．５ｍｍの厚さの単一ドメインのｚカットのＬｉＮｂＯ３のサンプルで開始する。 フォトレジストパターンは、フォトリソグラフィによって結晶のｚ面上に形成された。 これは、電気絶縁体によって被覆される結晶面上の領域およびそのように被覆されない領域を形成した。 したがって、液体電極は部分的に絶縁された面に塗布され、ｚ軸のドメイン反転は、液体電極を通して〜１１ｋＶの単一の高電圧パルスを加えることによって室温で実行される。 これは、１ｍｍの間隔でＬｉＮｂＯ３のサンプルの中心に置かれた３つの５．５ｍｍの長いＰＰＬＮ格子を生じる。 ６．５８、６．５０、および６．３８μｍの格子周期が形成され、この最初の２つは、１０６４ｎｍで作動するＮｄ：ＹＡＧレーザの周波数倍加に適している。
【００２１】
ＬｉＴａＯ３は、ＬｉＮｂＯ３と良く調和する熱特性と組み合わせる基板および規則格子構造層の両方に適している材料として選択され、アニ−ルする場合、重要な前もっての必要条件は、ＬｉＮｂＯ３の屈折率よりも小さい屈折率と共に高温で結合することである。
【００２２】
各ＬｉＴａＯ３基板は、０．５ｍｍの厚さであり、２つの光学的に平坦な表面間に約１２ｍｍ×１０ｍｍの結合面積を与えるようにＰＰＬＮサンプルに対して成形された。 ＬｉＴａＯ３基板とＰＰＬＮ格子との間の結合を形成するために、２つの材料は、最初に洗浄され、次にＨ２Ｏ２‐ＮＨ４ＯＨ‐Ｈ２Ｏ（１：１：６）の混合物が、両方の材料に塗布され、その後この材料を親水性にするために脱イオン水で数分すすがれた。
【００２３】
ＰＰＬＮおよびＬｉＴａＯ３層の接触は、同じ結晶配向に沿って整列された両方サンプルとともに室温で実行された。 １２０℃の熱処理は、ＤＢ界面でパイロ電気物質を誘起するために直ちに結晶接触を続行した。 結果として生じた静電引力は、２つの表面間からいかなる過剰の空気あるいは液体をも無理やり引き出すのと同時に水素結合の形成を促進するために両方の材料を十分に接近させた。 この効果は、結晶界面で大部分の接触周辺を除去することによって明らかになった。 ６時間の３２０℃での結合されたサンプルのアニ−ルは、他の機械加工に十分な結合強度を与え、ＰＰＬＮ領域は、１２μｍの厚さの導波層を得るために下方へ折り重ねられる。
【００２４】
ＬｉＴａＯ３の第２の規則格子構造層が次に上記のように加えられた。 サンプルのエッジの未結合領域の形跡は光の縞の存在によって検出されたが、最終ＤＢ構造は、ＰＰＬＮコアの上下の約１２ｍｍ×１０ｍｍの結合界面を含んだ。 格子を囲む不必要な材料は、後でダイシング装置を使用して取り除かれ、次に導波路端面は平行な光学的仕上げに研磨される。 結果して生じる埋め込まれたＰＰＬＮ平面構造の寸法は図１に概略が示されている。
【００２５】
導波路構造の伝搬損失の値に対する上限は、導波路の中に端部放出される１０６４ｎｍのレーザビームの透過を測定することによって検出された。 これはＳＧＨに帰因しないが、ＰＰＬＮ部と分極されていないＬｉＮｂＯ３部との間でこの透過が変化したことを示した。 顕微鏡対物レンズからのランチは、各領域に対して実験的に最適化され、最大透過の８１％が、分極された領域のエッジで検出され（最適のＳＨＧが発生した場合）、かつ分極されていないＬｉＮｂＯ３部の至る所で検出されるのに対して、６５％の透過はＰＰＬＮ領域の中心で得られた。 したがって、格子の５．５ｍｍの長さを考慮すると、各部の伝搬損失の上限は、ＰＰＬＮエッジおよびＬｉＮｂＯ３領域に対して１．７ｄＢｃｍ−１および中央ＰＰＬＮ領域に対して３．４ｄＢｃｍ−１として配置できる。 実際には、この透過数字は不完全ランチングにより所定の損失も含むので、伝搬損失は、非常に低い可能性がある。 確かに、レーザ用途のためのガーネットおよびガラスのＤＢ導波路は、〜０．５ｄＢｃｍ−１およびそれよりも小さい損失を示した。
【００２６】
埋め込まれたＰＰＬＮ構造の非線形特性を試験するために、６．５０μｍの格子のＳＨＧ特性が調査された。 ＰＰＬＮ導波路の中間部を占有したこの格子は、１７４．１℃の位相整合温度で光屈折効果を効果的に抑圧したので、他の分析のために選択された。 １０６４ｎｍポンプ源は、多軸モードで作動する連続波ダイオードポンプＮｄ：ＹＡＧレーザ３０であった。 線形分極状態は、材料の最大非線形係数（ｄ _３３ ）に近づくためにＰＰＬＮのｚ軸と平行であるような半波プレート（図示せず）とともに回転された。 導波路の中に放つポンプ放射線の集束は、図２に示されるように、顕微鏡対物レンズおよび円柱レンズの組み合わせを使用して実行された。 特に、最初の円形ポンプビームは、ｘ１０顕微鏡対物レンズ６０によって図１のＰＰＬＮ導波路装置７０の分極された領域上に集束される前に非ガイド方向に広がりを生じるように球面コリメーターレンズ４０を通り、ｘ２．４の円柱レンズ望遠鏡５０の中に送られる。 このようなレンズの組み合わせは、水平未ガイド平面で発散を減らすのに役立っている間、良好なランチ効率を生じるように選択された。 この結果、ガイド方向に４±１μｍおよび非ガイド方向に１１±１μｍの測定スポットサイズおよびライン焦点を有するポンプ源になる。
【００２７】
入力面の非ガイド平面の中心部のくびれに集束することは、必ずしも最大ＳＨＧ効率に対する最適条件ではないことに注目すべきである。 しかしながら、この最適条件は、より複雑にされた円柱レンズランチ装置の代わりに、集束素子として１×１０対物レンズを有するこの実証で簡単にするために使用された。 さらに、この最初の実証に対して、導波路の入出力端面の両方は研磨されるが、未被覆のままであり、各面で１４％の反射損失をもたらす。
【００２８】
導波路装置７０は、導波路の温度を１７４．１℃の位相整合温度に保持するためにオーブン８０に置かれた。
【００２９】
第２のｘ１０顕微鏡対物レンズ９０は、導波路から通された光を集光するために使用される。 この後に、ポンプビームからいかなるスループットも阻止するための赤外線フィルタ１００が続き、ＰＰＬＮの発生された緑出力が光出力メータによって測定できるようになる。 ２０４ｍＷの放出されたポンプ電力（λ＝１０６４ｎｍ）の場合、１．８ｍＷの二次高調波（ＳＨ）電力（λ＝５３２ｎｍ）は結晶の内部で発生された。 図３は、測定された値間の二次依存関係を示す、ＳＨ出力の平方根対放出ポンプ出力のプロットを示している。
【００３０】
図２のシステムが光学パラメトリック装置の特定の例であることにもちろん注目すべきである。 この導波路は多数の他の装置で使用するのに適している。
【００３１】
ＰＰＬＮ導波路を試験している間に使用されるポンピング形状の寸法が例外的であるために、この装置からのＳＨＧ効率のいかなる計算も複雑になる。 その代わりに行う最も興味ある比較は、格子の中心の最適集束によって同じ長さのバルクＰＰＬＮから予想されるＳＨ電力の計算の場合である。 １６ｐｍＶ−１の非線形係数（同様に生成されたＰＰＬＮ格子を使用するバルク実験の結果と一致する値）を仮定すると、バルク材料に１．３ｍＷのＳＨ電力、すなわち直列結合導波路から得られた１．８ｍＷよりも小さい結果を発生できる。 したがって、非最適集束および唯一のガイド寸法であっても、埋め込まれたＰＰＬＮ装置は、バルク材料よりも優れた改善されたＳＨＧ効率を示すことは明らかである。
【００３２】
ＰＰＬＮ導波路の出力モードの特徴は、ビデオカメラおよびＰＣ方式評価ソフトウェアの使用によって実行される。 驚くべきことには、ＰＰＬＮ導波路からの１０６４ｎｍのスループットおよびＳＨ生成の５３２ｎｍ放射の両方は、基本的な空間モードではこのような大きな屈折率差（△ｎｃ≒１％）を有する１２μｍの厚さのガイドに関しては予想外の値であったことが観察された。 確かに、よく考えた上の劣ったランチを使用するだけで、１０６４ｎｍの基本モード以外のいずれも励起できる。 同じ埋め込まれた構造内の分極されていないＬｉＮｂＯ３領域からの１０６４ｎｍのスループットが実際多空間モードであったという結果は、さらにいっそう珍しい。 前述の明らかに異なる透過と結合されたモード特性のこの明らかな差は、ＰＰＬＮ部の屈折率プロフィールが分極されていないＬｉＮｂＯ３部の屈折率プロフィールとは異なっていることを示している。
【００３３】
要するに、本発明の第１の実施形態に対して、これらの実験は、ＤＢによってＬｉＮｂＯ３に埋め込まれた１２μｍの厚さの５．５ｎｍの長さの対称のＰＰＬＮ導波路の効果的なプロトタイプ製造を実証する。 １７４℃の高温の６．５０μｍ期間のＰＰＬＮ格子を使用すると、連続波ダイオードポンプＮｄ：ＹＡＧレーザの１０６４ｎｍの有効準位相整合周波数倍加が実証された。 ２０４ｍＷの基本ポンプ電力の場合、ほぼ２ｍＷの緑電力が５３２ｎｍの出力波長で発生された。 この結果は、非最適集束条件で得られたが、同じ長さのバルク材料に対する理論的な予想より高いままである。 導波特性は、サンプルのＰＰＬＮ領域および分極されていないＬｉＮｂＯ３領域で異なっていることが示され、ＰＰＬＮ部は、驚くべき単一空間モード性質を有している。 これらの結果は、溝構造を潜在的に組み込む、より長い埋め込み導波路の製造により高効率非線形装置がもたらされることを示している。 伝搬損失および屈折率プロフィールに及ぼす歪みの影響の特徴に関しては、ＤＢ技術は、非線形導波構造の選択における特別の自由、つまり新しい装置の可能性を認めるべきであろう。
【００３４】
前述の技術は、ＰＰＬＮに限定されず、ＬｉＴａＯ３、ドープされたＬｉＮｂＯ３（例えば、Ｍｇ、Ｔｉあるいは希土類元素がドープされた）、ニオブ酸ストロンチウムバリウム、チタン酸バリウム、リン酸カルシウムチタンおよびその同形体、ガリウム砒素等のような極半導体のような光学的に役に立つ分極された強誘電体材料にも応用できる。
【００３５】
ＰＰＬＮの分極は、結合工程前、結合工程中、結合工程間および／または結合後に実行できる。 分極が結合工程前以外で実行され、強誘電体材料が他の層のために使用される場合、これらの他の層は終わりには分極されることもある。 このことは導波路のガイド特性を変えるかもしれないが、導波路としての動作を妨げることはない。 確かに、結合特性は、この対策によって（あるいは他の層を別々に分極させることによって）改善さえもできる。
【００３６】
上記の例では、分極エリアは、層１０に沿って導波パスを規定するために使用されるが、他の基板の場合、分極されない層はより適切なパスをもたらすことがわかる。
【００３７】
２つの他の層２０によって層１０を囲む必要はない。 その代わりに、１つの層２０は、丁度２つの層の「オープンサンドウィッチ」構造を形成するために使用できる。 この場合、この構造の対称性は変更され、ガイドモードはたぶん異なるが、導波路としての動作はなお可能である。
【００３８】
層１０の厚さは変えることができ、また導波路のガイドモードの特性が変えられる。 このようにして、単一モード構造を製造できる。
【００３９】
次に、図４および図５を参照すると、導波路パスを規定する内拡散を使用する第２の実施形態が記載されている。
【００４０】
この第２の実施形態では、１つのＰＰＬＮ１００は従来の電気分極方法によって作られる。 この部品１００は、例えば、５００μｍの厚さであってもよく、他の２つの寸法においては数ｍｍであってもよい。 この部品１００の１つの面１１０は、（フォトリソグラフィおよび真空蒸着あるいはスパッタリングの工程を使用することによって）酸化マグネシウムでパターン化される。 酸化マグネシウム層は、約４００ｎｍ以下の薄さであり、（層によって被覆されない部分によって）部品１００に沿って導波路パスを規定する。 次に、この部品１００は、約６００℃と約１２００℃との間の温度まで加熱される。 これによって、この酸化マグネシウム材料は内拡散し、内拡散された領域１３０において屈折率を局部的に低下させる。
【００４１】
この部品１００は、次に、例えば４μｍと約４０μｍとの間のほぼ均一の厚さまで薄く研磨する前に面１１０になされた直接結合工程によってＬｉＴａＯ３基板（図５の１４０）に結合されている。
【００４２】
他の酸化マグネシウムパターンは、部品１００の露出（新しく研磨された）面に付着され、加熱処理が繰り返される。 これによって、酸化マグネシウムは、他の面から内拡散し、面１１０からの内拡散に一致する。 減少された屈折率の領域１５０は、このように形成され、導波コア１６０を規定する。
【００４３】
この技術あるいは相補外拡散技術は、他の強誘電体材料（例えば上記を参照）に応用可能であるばかりでなく、その屈折率が様々なガラス、ポリマーおよび他の結晶のような内拡散技術によって変えることができる、いかなる基板にも応用可能である。 この技術の全用途間で共有される共通の長所は、ガイド領域１６０が純材料で形成できるということである。
【００４４】
同様に、実施形態の全てにおいて、「規則格子構造」層は、分極されていないＬｉＮｂＯ _３のような様々な材料あるいは上記のリストからの他の適当な材料であってもよい。
【００４５】
上記の技術を使用して湾曲した導波路パスを製造できる。 第１の実施形態の場合、一連の分極領域が信号分割器として分岐するトラック１７０を形成する、図６に概略が示されている分極パターンと同様な分極パターンを使用できる。 ＬｉＮｂＯ _３の場合、結晶構造から生じる好ましい分極方向があるが、図６の配置は、この制限を避け、多数の変位された分極ストライプを使用して湾曲パスあるいは変わる方向のパスを形成する。
【００４６】
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［１０］Ｙ Ｔｏｍｉｔａ， Ｍ Ｓｕｇｉｍｏｔｏ，及びＫ Ｅｄａ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６６． １４８４ （１９９５）
［１１］Ｊ Ｈａｉｓｍａ， Ｔ Ｍ Ｍｉｃｈｉｅｌｓｅｎ，及びＦ Ｊ Ｈ Ｍ ｖａｎ ｄｅｒ Ｋｒｕｉｓ， Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｊ． Ｒｅｓ． ４９． ６５ （１９９５）
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［１３］Ｇ Ａ Ｃ Ｍ Ｓｐｉｅｒｉｎｇｓ， Ｊ Ｈａｉｓｍａ，及びＴ Ｍ Ｍｉｃｈｉｅｌｓｅｎ、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｊ． Ｒｅｓ． ４９． ４７ （１９９５）
［１４］Ｇ Ｄ Ｂｏｙｄ及びＤ Ｇ Ｋｌｅｉｎｍａｎｎ， Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ３９． ３５９７ （１９６８）
【図面の簡単な説明】
【図１】 タンタル酸リチウムの２つの層間に結合されたＰＰＬＮを使用して形成された導波路の概略図である。
【図２】 図１の導波路を使用する二次高調波発生器の概略を示す。
【図３】 図２の装置に対する電力を放つ二次高調波電力の平方根に関するグラフである。
【図４】 内拡散技術を使用する本発明の実施形態による導波路の製造を示す概略図である。
【図５】 内拡散技術を使用する本発明の実施形態による導波路の製造を示す概略図である。
【図６】 本発明の他の実施形態による導波路の概略を示す。