專利名稱：制造光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)的方法和光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用玻璃基質(zhì)制造光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)的方法和光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)。具體地說，本發(fā)明涉及控制光學(xué)非線性波導(dǎo)的形狀。
利用二次光學(xué)非線性的光學(xué)功能元件是公知的。然而這樣的元件通常由晶體材料形成，光纖由玻璃材料形成?？紤]到成本和與光纖的兼容性，需要制造玻璃材料的光學(xué)功能元件。此外，由于平面元件適合于實現(xiàn)不同的光學(xué)控制(信號控制)功能，因此需要由玻璃基質(zhì)形成的光學(xué)功能元件。
一種使用玻璃材料制造平面光學(xué)波導(dǎo)的方法在日本專利公開出版物平8-146474中公開。根據(jù)該文件中公開的方法，擴(kuò)散有精細(xì)粒子的玻璃薄膜沉積在玻璃基質(zhì)上，而且抗蝕掩膜由抗光蝕劑形成覆蓋一部分以便作為芯。然后，粒子擴(kuò)散玻璃薄膜的沒有被抗蝕掩膜覆蓋的部分利用活性離子蝕刻去掉，以便形成光學(xué)波導(dǎo)(芯)部分。在去掉抗蝕掩膜之后，沉積玻璃膜以便包圍所述芯，而且該部分作為包層。高功率激光照射到這樣形成的光波導(dǎo)的一部分芯部上，從而賦予被照射部分以高的光學(xué)非線性。
雖然上述的制造平面光波導(dǎo)的方法需要蝕刻步驟以便剩余對應(yīng)于芯部的部分抗蝕掩膜，但是蝕刻薄膜以便只剩下芯是困難的，因為該部分很薄。而且，利用該方法獲得的光學(xué)非線性是三次非線性，不是二次非線性。因此，只獲得很小的非線性，從而難以實現(xiàn)足以象光學(xué)元件一樣工作的元件。
申請人在日本專利申請平8-244965中公開了一種利用紫外激發(fā)變換制造平面光波導(dǎo)的方法。根據(jù)這一方法，一對電極形成在玻璃基質(zhì)的表面上。使用電極作為掩膜，玻璃基質(zhì)表面上位于電極之間的間隙部分被慘雜鍺(Ge)，以便該部分作為芯。通過在電極之間的間隙上施加高壓同時輻射紫外線，所述芯經(jīng)過紫外變換并給出二次光學(xué)非線性。UV變換產(chǎn)生的光學(xué)非線性基本上同晶體材料一樣高，諸如LiNbO3，從而這樣獲得的平面波導(dǎo)可以用于形成許多不同功能的光波導(dǎo)。
應(yīng)該注意單光學(xué)模式傳播和操作對于功能光波導(dǎo)是必要的，諸如用于光學(xué)通訊的光學(xué)開關(guān)和光學(xué)調(diào)制器、光學(xué)測量、光學(xué)信息處理等等。當(dāng)存在多個光學(xué)模式時，各個模式的傳播常數(shù)(對于每個模式的折射率)是不同的，因此對于利用光學(xué)干涉作用的開關(guān)或類似操作的工作電壓將不同。因此，為了使得光波導(dǎo)實現(xiàn)諸如開關(guān)的操作，波導(dǎo)需要具有允許單模光學(xué)傳播的形狀。
光波導(dǎo)的形狀由它的折射率和三維尺寸共同確定。根據(jù)上面所述的申請人的方法，利用UV激發(fā)變換形成的光波導(dǎo)的厚度(從表面到基質(zhì)的深度)利用基質(zhì)的光學(xué)吸收以便改變紫外輻射的強度來控制。
為了實現(xiàn)單模，光波導(dǎo)必須具有盡可能最小的尺寸，為此紫外輻射的光強度必須降低。然而，波導(dǎo)的形狀和引起的光學(xué)非線性不能彼此獨立控制，因為所引起的光學(xué)非線性還與紫外輻射的光強度有關(guān)。而且，隨著紫外輻射的強度的提高獲得的光學(xué)非線性也越高。因此，為了給予高光學(xué)非線性，波導(dǎo)的尺寸增大，這樣使得不能獲得單模傳播。
本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)非線性波導(dǎo)和制造光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)的方法，其中由玻璃材料形成的光學(xué)非線性波導(dǎo)具有足夠高的二次光學(xué)非線性，并能夠獲得適當(dāng)?shù)娜S形狀。
根據(jù)本發(fā)明的制造方法包括如下步驟在玻璃基質(zhì)上形成含有Ge的SiO2薄膜，在SiO2薄膜上形成薄金屬電極膜，在電極膜之間具有間隙，它的形狀對應(yīng)于波導(dǎo)圖案，以及用紫外輻射通過所述間隙照射含有Ge的SiO2薄膜，同時在薄金屬電極膜之間的間隙加電壓。
這樣，在玻璃基質(zhì)上形成含有Ge的SiO2薄膜，這樣，限于含有Ge的SiO2薄膜通過UV激發(fā)變換(poling，轉(zhuǎn)態(tài))引起二次光學(xué)非線性。結(jié)果，寬度可以由電極的形狀限定，而深度可以通過含有Ge的SiO2薄膜的厚度控制，以便可以三維控制光學(xué)非線性波導(dǎo)的形狀。在光學(xué)非線性波導(dǎo)中能夠?qū)崿F(xiàn)單模傳播，從而確保光學(xué)非線性波導(dǎo)中的操作，諸如切換。雖然玻璃基質(zhì)最好由SiO2玻璃形成，但是也可以使用其他材料諸如鈉玻璃。
制造根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)的方法還可以進(jìn)一步包括如下步驟，即在薄金屬電極膜上提供薄透明絕緣膜以便覆蓋至少所述間隙部分，和用紫外輻射通過所述薄金屬電極膜之間的間隙照射所述含有Ge的SiO2薄膜，，同時在所述間隙之間加電壓。這樣提供的絕緣膜能夠防止放電，否則在金屬電極之間的間隙加電壓以便UV激發(fā)變換期間將由于電介質(zhì)擊穿引起放電。薄絕緣膜必須由具有高擊穿電壓和透射紫外輻射的材料形成，最好是SiO2。
最好，光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)在真空室內(nèi)形成。因為在真空中不象在空氣中那樣發(fā)生電介質(zhì)擊穿，因此可以在電極之間加足夠高的電壓用于UV-變換。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)包括含有Ge并形成在玻璃基質(zhì)上的SiO2薄膜，和形成在含有Ge的SiO2薄膜上的薄金屬電極膜，在電極膜之間具有間隙，它的形狀對應(yīng)于波導(dǎo)圖案，其中含有Ge的SiO2薄膜對應(yīng)于薄金屬電極膜之間的間隙部分表現(xiàn)為二次光學(xué)非線性。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)還可以進(jìn)一步包括在薄金屬電極膜上形成的薄透明絕緣膜，以便覆蓋所述間隙。


圖1描述根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)；圖2描述制造光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)的步驟；圖3是描述光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)的另一個示例結(jié)構(gòu)；圖4描述在真空室中制造光學(xué)非線形薄膜波導(dǎo)。
下面將參考附圖描述本發(fā)明的最佳實施例。圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)(平面波導(dǎo))的結(jié)構(gòu)。玻璃基質(zhì)10由二氧化硅玻璃(SiO2玻璃)形成為平片。在該基質(zhì)的表面上形成摻Ge的SiO2薄膜12，即含有Ge的SiO2薄膜，厚度大約為1-5μm，Ge的濃度大約為1-30mol／％。具體數(shù)值根據(jù)平面波導(dǎo)的指標(biāo)確定，例如將使用的波長。電極14a和14b形成在摻有Ge的SiO2薄膜12上，形成指定的圖案形狀，而且彼此相對，它們之間具有指定間隙。電極14a和14b由例如鋁(A1)的薄膜形成。形成薄透明絕緣膜16，覆蓋電極14a和14b和它們之間的間隙。在該具體例子中，薄絕緣膜16由SiO2形成。
通道部分18形成在摻有Ge的SiO2薄膜12的對應(yīng)于電極14a和14b之間的間隙部分上，而且通過UV激發(fā)變換賦予該通道部分18以光學(xué)非線性。結(jié)果，通過施加到電極14a和14b之間的間隙的電壓可以控制通道部分18的光學(xué)特性。通過施加到電極14a和14b之間的電壓控制光通過通道部分18的傳播，從而平面波導(dǎo)起光學(xué)元件的作用。雖然在上面的實施例中，SiO2玻璃用作玻璃基質(zhì)10，但是也可以使用其他材料，例如鈉玻璃。將參考圖2描述上述平面波導(dǎo)的制造方法。首先，制備由平面SiO2玻璃片形成的玻璃基質(zhì)10(S11)，然后放入真空室中以便在玻璃基質(zhì)10的表面上形成摻Ge的SiO2薄膜12(S12)。摻Ge的SiO2薄膜12可以通過例如電子束蒸汽方法形成，使用含有20％ GeO2的燒結(jié)材料作為蒸汽源。雖然為了獲得密集膜，使用Ar+束作為輔助束的輔助方法最好，但是也可以使用其他薄膜形成方法。
形成金屬膜14覆蓋摻有Ge的SiO2薄膜12(S13)。雖然在該例中使用Al，也可以使用其他金屬，而且金屬膜14可以使用蒸汽方法以外的其他方法形成。
然后，金屬膜14的指定部分通過蝕刻被去掉以便形成一對電極14a和14b(S14)。在該具體實施例中，在這些電極14a和14b之間形成線形間隙。蝕刻利用光刻法或類似方法完成。更具體地說，抗蝕劑設(shè)置在金屬膜14的整個表面，而且通過用于形成間隙的掩膜圖案輻射光，從而把抗蝕劑的指定部分暴光。光輻射的結(jié)果是對應(yīng)于間隙的部分被去掉，從而露出金屬膜14的相應(yīng)部分，而且金屬膜14的露出部分被去掉。最后去掉抗蝕劑以便形成彼此相對的電極14a和14b，它們之間有間隙。
薄絕緣膜16形成在電極14a和14b上(S15)。薄膜16由SiO2通過電子束蒸汽方法或類似方法形成，使用SiO2作為蒸汽源。薄膜16可以形成在整個表面上或部分表面上。但是必須覆蓋至少電極14a和14b形成的間隙部分。此外，薄膜16可以由任何材料諸如MgO或MgF2形成，只要該材料能夠透過紫外輻射，而且具有高擊穿電壓。
這樣，在使用絕緣膜16覆蓋電極14a和14b之間的間隙之后，輻射紫外光同時在電極14a和14b之間施加指定高壓，從而完成摻有Ge的SiO2薄膜12的位于電極14a和14b之間的部分的UV激發(fā)變換，以便形成通道部分18(S16)。
更具體地說，大約1kV的電壓施加在電極14a和14b之間，從而向通道部分18施加大約106V／cm靜電場。在這種條件下，利用脈沖ArF準(zhǔn)分子激光器(波長193nm)使用紫外輻射照射通道部分18。使用能量強度為大約36MJ／cm2和脈沖重復(fù)頻率大約為10pps(脈沖／秒)的激光器照射通道部分18大約10-30分鐘時間。
當(dāng)這樣的高壓加在電極14a和14b之間時，在對著間隙的部分可能發(fā)生放電。然而根據(jù)本實施例，該部分使用絕緣膜16覆蓋，從而防止放電，否則由于空氣擊穿在電極14a和14b之間的間隙將發(fā)生這種放電，從而實現(xiàn)有效地UV激發(fā)變換。應(yīng)該注意因為導(dǎo)致空氣擊穿的靜電場大約為104V／cm，因此向通道部分18施加106V／cm靜電場導(dǎo)致放電。SiO2是絕緣膜16的最好材料，因為它透射紫外光(例如波長為193nm)，而且擊穿電壓足夠高。
這樣，給予通道部分18以二次光學(xué)非線性。換句話說，上述紫外激發(fā)變換處理提供給通道部分18以幅值(d常數(shù))為2pm／V或更高的二次光學(xué)非線性。
如上所述，該實施例中摻有Ge的SiO2薄膜12形成在玻璃基質(zhì)10上，因此由UV激發(fā)變換引起二次光學(xué)非線性的僅限于該薄膜12。因此，波導(dǎo)的寬度可以由電極14a和14b的形狀限定，而它的深度可以由摻有Ge的SiO2薄膜12的厚度控制，使得可以在三維控制光學(xué)非線性波導(dǎo)的形狀。因此，可以在光學(xué)非線性波導(dǎo)中實現(xiàn)單模傳播，確保光學(xué)非線性波導(dǎo)中的操作，諸如切換。
雖然在上述例子中只在單個部分進(jìn)行UV-激發(fā)變換，但是最好可以在玻璃基質(zhì)10的希望部分形成分離的電極14a和14b，以便在玻璃基質(zhì)10的各個部分上形成具有光學(xué)非線性的單元區(qū)。而且最好還通過利用光刻法或類似方法，給摻有Ge的SiO2薄膜12形成圖案，來限制和限定光學(xué)波導(dǎo)的位置。而且，最好還如同日本專利申請平8-244965中公開的一樣，以周期性方法交替提供具有光學(xué)非線性的區(qū)域和通常區(qū)域，以便用作光柵部分。根據(jù)本發(fā)明的平面波導(dǎo)可以用作不同的功能元件。例如，如圖3所示，通道部分18可以形成為偶合器，其中分支波導(dǎo)被匯合到一起然后再次分開，電極14a和14b最好設(shè)置在將施加電壓的相應(yīng)的分支部分。
上述結(jié)構(gòu)允許通過調(diào)整施加到匯合部分的電壓控制光學(xué)相位等等。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)，具有光學(xué)非線性的部分可以形成在玻璃基質(zhì)10的希望部分，因此，可以按需要形成不同光學(xué)功能的元件和線路。例如，光學(xué)開關(guān)／偶合器、雙向光學(xué)傳輸系統(tǒng)中的信號發(fā)生器等等可以利用本發(fā)明的光學(xué)非線性波導(dǎo)形成。
而且，平面波導(dǎo)最好可以通過UV激發(fā)變換在真空中制造。圖4示出這種制造的裝置的結(jié)構(gòu)。真空室20由正交管道形成，正交管道具有三個封閉端，一端連接到抽氣系統(tǒng)，諸如真空泵。樣本固定臺22設(shè)置在垂直方向上朝下延伸的管道內(nèi)，而且上面形成有電極14a和14b及摻有Ge的SiO2薄膜12的玻璃基質(zhì)10放置在臺22上。電極14a和14b連接到真空室外部的電源上。垂直方向上向上延伸的管道被二氧化硅玻璃24封閉，通過二氧化硅玻璃24施加紫外輻射。
使用上述裝置，高壓被加在電極14a和14b之間，同時利用紫外輻射照射摻有Ge的SiO2薄膜12。與空氣相比，在真空中不發(fā)生電介質(zhì)擊穿。因此，希望的高壓可以施加在電極14a和14b之間，以便完成UV激發(fā)變換，從而給予摻有Ge的SiO2薄膜12的位于電極之間的部分以希望的光學(xué)非線性。應(yīng)該注意摻有Ge的SiO2薄膜12以及電極14a和14b最好在同一真空室20內(nèi)形成。
使用上述裝置，光由ArF準(zhǔn)分子激光器(波長193nm)輻射，對于104脈沖(100pps)能量強度為100mJ／cm2。真空室20中的壓力為大約10-6托，變換電場為8×104V／cm，在通道部分獲得3．8±0．3pm／V的光學(xué)非線性。
本發(fā)明的光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)可以用于光學(xué)開關(guān)／偶合器，雙向光學(xué)傳輸系統(tǒng)中的信號發(fā)生器等等。
權(quán)利要求
1．一種制造光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)的方法，包括如下步驟在玻璃基質(zhì)上形成含有Ge的SiO2薄膜；在所述SiO2薄膜上形成薄金屬電極膜，在電極膜之間具有間隙，它的形狀對應(yīng)于波導(dǎo)圖案；以及用紫外輻射通過所述間隙照射所述含有Ge的SiO2薄膜，同時在所述薄金屬電極膜之間的間隙加電壓。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述薄金屬電極膜上提供薄透明絕緣膜以便覆蓋至少所述間隙，然后用紫外輻射通過所述間隙照射所述含有Ge的SiO2薄膜，同時在所述金屬電極膜之間的所述間隙之間加電壓。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中每個所述步驟在真空室中進(jìn)行。
4．一種光學(xué)非線性薄膜波導(dǎo)，包括含有Ge并形成在玻璃基質(zhì)上的SiO2薄膜；和形成在所述含有Ge的SiO2薄膜上的薄金屬電極膜，在電極膜之間具有間隙，它的形狀對應(yīng)于波導(dǎo)圖案；其中所述含有Ge的SiO2薄膜對應(yīng)于所述薄金屬電極膜之間所述間隙的部分具有二次光學(xué)非線性。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的波導(dǎo)，進(jìn)一步包括在所述薄金屬電極膜上的薄透明絕緣膜，以便覆蓋所述間隙。
全文摘要
摻Ge的SiO
文檔編號G02F1/35GK1292886SQ99803849
公開日2001年4月25日 申請日期1999年2月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月12日
發(fā)明者藤原巧, 生嶋明, 米田修 申請人:豐田自動車株式會社, 學(xué)校法人豐田學(xué)園