专利名称：制造光学非线性薄膜波导的方法和光学非线性薄膜波导的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用玻璃基质制造光学非线性薄膜波导的方法和光学非线性薄膜波导。具体地说，本发明涉及控制光学非线性波导的形状。
利用二次光学非线性的光学功能元件是公知的。然而这样的元件通常由晶体材料形成，光纤由玻璃材料形成。考虑到成本和与光纤的兼容性，需要制造玻璃材料的光学功能元件。此外，由于平面元件适合于实现不同的光学控制(信号控制)功能，因此需要由玻璃基质形成的光学功能元件。
一种使用玻璃材料制造平面光学波导的方法在日本专利公开出版物平8-146474中公开。根据该文件中公开的方法，扩散有精细粒子的玻璃薄膜沉积在玻璃基质上，而且抗蚀掩膜由抗光蚀剂形成覆盖一部分以便作为芯。然后，粒子扩散玻璃薄膜的没有被抗蚀掩膜覆盖的部分利用活性离子蚀刻去掉，以便形成光学波导(芯)部分。在去掉抗蚀掩膜之后，沉积玻璃膜以便包围所述芯，而且该部分作为包层。高功率激光照射到这样形成的光波导的一部分芯部上，从而赋予被照射部分以高的光学非线性。
虽然上述的制造平面光波导的方法需要蚀刻步骤以便剩余对应于芯部的部分抗蚀掩膜，但是蚀刻薄膜以便只剩下芯是困难的，因为该部分很薄。而且，利用该方法获得的光学非线性是三次非线性，不是二次非线性。因此，只获得很小的非线性，从而难以实现足以象光学元件一样工作的元件。
申请人在日本专利申请平8-244965中公开了一种利用紫外激发变换制造平面光波导的方法。根据这一方法，一对电极形成在玻璃基质的表面上。使用电极作为掩膜，玻璃基质表面上位于电极之间的间隙部分被惨杂锗(Ge)，以便该部分作为芯。通过在电极之间的间隙上施加高压同时辐射紫外线，所述芯经过紫外变换并给出二次光学非线性。UV变换产生的光学非线性基本上同晶体材料一样高，诸如LiNbO3，从而这样获得的平面波导可以用于形成许多不同功能的光波导。
应该注意单光学模式传播和操作对于功能光波导是必要的，诸如用于光学通讯的光学开关和光学调制器、光学测量、光学信息处理等等。当存在多个光学模式时，各个模式的传播常数(对于每个模式的折射率)是不同的，因此对于利用光学干涉作用的开关或类似操作的工作电压将不同。因此，为了使得光波导实现诸如开关的操作，波导需要具有允许单模光学传播的形状。
光波导的形状由它的折射率和三维尺寸共同确定。根据上面所述的申请人的方法，利用UV激发变换形成的光波导的厚度(从表面到基质的深度)利用基质的光学吸收以便改变紫外辐射的强度来控制。
为了实现单模，光波导必须具有尽可能最小的尺寸，为此紫外辐射的光强度必须降低。然而，波导的形状和引起的光学非线性不能彼此独立控制，因为所引起的光学非线性还与紫外辐射的光强度有关。而且，随着紫外辐射的强度的提高获得的光学非线性也越高。因此，为了给予高光学非线性，波导的尺寸增大，这样使得不能获得单模传播。
本发明的目的在于提供一种光学非线性波导和制造光学非线性薄膜波导的方法，其中由玻璃材料形成的光学非线性波导具有足够高的二次光学非线性，并能够获得适当的三维形状。
根据本发明的制造方法包括如下步骤在玻璃基质上形成含有Ge的SiO2薄膜，在SiO2薄膜上形成薄金属电极膜，在电极膜之间具有间隙，它的形状对应于波导图案，以及用紫外辐射通过所述间隙照射含有Ge的SiO2薄膜，同时在薄金属电极膜之间的间隙加电压。
这样，在玻璃基质上形成含有Ge的SiO2薄膜，这样，限于含有Ge的SiO2薄膜通过UV激发变换(poling，转态)引起二次光学非线性。结果，宽度可以由电极的形状限定，而深度可以通过含有Ge的SiO2薄膜的厚度控制，以便可以三维控制光学非线性波导的形状。在光学非线性波导中能够实现单模传播，从而确保光学非线性波导中的操作，诸如切换。虽然玻璃基质最好由SiO2玻璃形成，但是也可以使用其他材料诸如钠玻璃。
制造根据本发明的光学非线性薄膜波导的方法还可以进一步包括如下步骤，即在薄金属电极膜上提供薄透明绝缘膜以便覆盖至少所述间隙部分，和用紫外辐射通过所述薄金属电极膜之间的间隙照射所述含有Ge的SiO2薄膜，，同时在所述间隙之间加电压。这样提供的绝缘膜能够防止放电，否则在金属电极之间的间隙加电压以便UV激发变换期间将由于电介质击穿引起放电。薄绝缘膜必须由具有高击穿电压和透射紫外辐射的材料形成，最好是SiO2。
最好，光学非线性薄膜波导在真空室内形成。因为在真空中不象在空气中那样发生电介质击穿，因此可以在电极之间加足够高的电压用于UV-变换。
根据本发明的光学非线性薄膜波导包括含有Ge并形成在玻璃基质上的SiO2薄膜，和形成在含有Ge的SiO2薄膜上的薄金属电极膜，在电极膜之间具有间隙，它的形状对应于波导图案，其中含有Ge的SiO2薄膜对应于薄金属电极膜之间的间隙部分表现为二次光学非线性。
根据本发明的光学非线性薄膜波导还可以进一步包括在薄金属电极膜上形成的薄透明绝缘膜，以便覆盖所述间隙。
图1描述根据本发明的一个实施例的光学非线性薄膜波导的结构；图2描述制造光学非线性薄膜波导的步骤；图3是描述光学非线性薄膜波导的另一个示例结构；图4描述在真空室中制造光学非线形薄膜波导。
下面将参考附图描述本发明的最佳实施例。图1示意性示出根据本发明的光学非线性薄膜波导(平面波导)的结构。玻璃基质10由二氧化硅玻璃(SiO2玻璃)形成为平片。在该基质的表面上形成掺Ge的SiO2薄膜12，即含有Ge的SiO2薄膜，厚度大约为1-5μm，Ge的浓度大约为1-30mol／％。具体数值根据平面波导的指标确定，例如将使用的波长。电极14a和14b形成在掺有Ge的SiO2薄膜12上，形成指定的图案形状，而且彼此相对，它们之间具有指定间隙。电极14a和14b由例如铝(A1)的薄膜形成。形成薄透明绝缘膜16，覆盖电极14a和14b和它们之间的间隙。在该具体例子中，薄绝缘膜16由SiO2形成。
通道部分18形成在掺有Ge的SiO2薄膜12的对应于电极14a和14b之间的间隙部分上，而且通过UV激发变换赋予该通道部分18以光学非线性。结果，通过施加到电极14a和14b之间的间隙的电压可以控制通道部分18的光学特性。通过施加到电极14a和14b之间的电压控制光通过通道部分18的传播，从而平面波导起光学元件的作用。虽然在上面的实施例中，SiO2玻璃用作玻璃基质10，但是也可以使用其他材料，例如钠玻璃。将参考图2描述上述平面波导的制造方法。首先，制备由平面SiO2玻璃片形成的玻璃基质10(S11)，然后放入真空室中以便在玻璃基质10的表面上形成掺Ge的SiO2薄膜12(S12)。掺Ge的SiO2薄膜12可以通过例如电子束蒸汽方法形成，使用含有20％ GeO2的烧结材料作为蒸汽源。虽然为了获得密集膜，使用Ar+束作为辅助束的辅助方法最好，但是也可以使用其他薄膜形成方法。
形成金属膜14覆盖掺有Ge的SiO2薄膜12(S13)。虽然在该例中使用Al，也可以使用其他金属，而且金属膜14可以使用蒸汽方法以外的其他方法形成。
然后，金属膜14的指定部分通过蚀刻被去掉以便形成一对电极14a和14b(S14)。在该具体实施例中，在这些电极14a和14b之间形成线形间隙。蚀刻利用光刻法或类似方法完成。更具体地说，抗蚀剂设置在金属膜14的整个表面，而且通过用于形成间隙的掩膜图案辐射光，从而把抗蚀剂的指定部分暴光。光辐射的结果是对应于间隙的部分被去掉，从而露出金属膜14的相应部分，而且金属膜14的露出部分被去掉。最后去掉抗蚀剂以便形成彼此相对的电极14a和14b，它们之间有间隙。
薄绝缘膜16形成在电极14a和14b上(S15)。薄膜16由SiO2通过电子束蒸汽方法或类似方法形成，使用SiO2作为蒸汽源。薄膜16可以形成在整个表面上或部分表面上。但是必须覆盖至少电极14a和14b形成的间隙部分。此外，薄膜16可以由任何材料诸如MgO或MgF2形成，只要该材料能够透过紫外辐射，而且具有高击穿电压。
这样，在使用绝缘膜16覆盖电极14a和14b之间的间隙之后，辐射紫外光同时在电极14a和14b之间施加指定高压，从而完成掺有Ge的SiO2薄膜12的位于电极14a和14b之间的部分的UV激发变换，以便形成通道部分18(S16)。
更具体地说，大约1kV的电压施加在电极14a和14b之间，从而向通道部分18施加大约106V／cm静电场。在这种条件下，利用脉冲ArF准分子激光器(波长193nm)使用紫外辐射照射通道部分18。使用能量强度为大约36MJ／cm2和脉冲重复频率大约为10pps(脉冲／秒)的激光器照射通道部分18大约10-30分钟时间。
当这样的高压加在电极14a和14b之间时，在对着间隙的部分可能发生放电。然而根据本实施例，该部分使用绝缘膜16覆盖，从而防止放电，否则由于空气击穿在电极14a和14b之间的间隙将发生这种放电，从而实现有效地UV激发变换。应该注意因为导致空气击穿的静电场大约为104V／cm，因此向通道部分18施加106V／cm静电场导致放电。SiO2是绝缘膜16的最好材料，因为它透射紫外光(例如波长为193nm)，而且击穿电压足够高。
这样，给予通道部分18以二次光学非线性。换句话说，上述紫外激发变换处理提供给通道部分18以幅值(d常数)为2pm／V或更高的二次光学非线性。
如上所述，该实施例中掺有Ge的SiO2薄膜12形成在玻璃基质10上，因此由UV激发变换引起二次光学非线性的仅限于该薄膜12。因此，波导的宽度可以由电极14a和14b的形状限定，而它的深度可以由掺有Ge的SiO2薄膜12的厚度控制，使得可以在三维控制光学非线性波导的形状。因此，可以在光学非线性波导中实现单模传播，确保光学非线性波导中的操作，诸如切换。
虽然在上述例子中只在单个部分进行UV-激发变换，但是最好可以在玻璃基质10的希望部分形成分离的电极14a和14b，以便在玻璃基质10的各个部分上形成具有光学非线性的单元区。而且最好还通过利用光刻法或类似方法，给掺有Ge的SiO2薄膜12形成图案，来限制和限定光学波导的位置。而且，最好还如同日本专利申请平8-244965中公开的一样，以周期性方法交替提供具有光学非线性的区域和通常区域，以便用作光栅部分。根据本发明的平面波导可以用作不同的功能元件。例如，如图3所示，通道部分18可以形成为偶合器，其中分支波导被汇合到一起然后再次分开，电极14a和14b最好设置在将施加电压的相应的分支部分。
上述结构允许通过调整施加到汇合部分的电压控制光学相位等等。
根据本发明的光学非线性薄膜波导，具有光学非线性的部分可以形成在玻璃基质10的希望部分，因此，可以按需要形成不同光学功能的元件和线路。例如，光学开关／偶合器、双向光学传输系统中的信号发生器等等可以利用本发明的光学非线性波导形成。
而且，平面波导最好可以通过UV激发变换在真空中制造。图4示出这种制造的装置的结构。真空室20由正交管道形成，正交管道具有三个封闭端，一端连接到抽气系统，诸如真空泵。样本固定台22设置在垂直方向上朝下延伸的管道内，而且上面形成有电极14a和14b及掺有Ge的SiO2薄膜12的玻璃基质10放置在台22上。电极14a和14b连接到真空室外部的电源上。垂直方向上向上延伸的管道被二氧化硅玻璃24封闭，通过二氧化硅玻璃24施加紫外辐射。
使用上述装置，高压被加在电极14a和14b之间，同时利用紫外辐射照射掺有Ge的SiO2薄膜12。与空气相比，在真空中不发生电介质击穿。因此，希望的高压可以施加在电极14a和14b之间，以便完成UV激发变换，从而给予掺有Ge的SiO2薄膜12的位于电极之间的部分以希望的光学非线性。应该注意掺有Ge的SiO2薄膜12以及电极14a和14b最好在同一真空室20内形成。
使用上述装置，光由ArF准分子激光器(波长193nm)辐射，对于104脉冲(100pps)能量强度为100mJ／cm2。真空室20中的压力为大约10-6托，变换电场为8×104V／cm，在通道部分获得3．8±0．3pm／V的光学非线性。
本发明的光学非线性薄膜波导可以用于光学开关／偶合器，双向光学传输系统中的信号发生器等等。
权利要求
1．一种制造光学非线性薄膜波导的方法，包括如下步骤在玻璃基质上形成含有Ge的SiO2薄膜；在所述SiO2薄膜上形成薄金属电极膜，在电极膜之间具有间隙，它的形状对应于波导图案；以及用紫外辐射通过所述间隙照射所述含有Ge的SiO2薄膜，同时在所述薄金属电极膜之间的间隙加电压。
2．根据权利要求1所述的方法，其中在所述薄金属电极膜上提供薄透明绝缘膜以便覆盖至少所述间隙，然后用紫外辐射通过所述间隙照射所述含有Ge的SiO2薄膜，同时在所述金属电极膜之间的所述间隙之间加电压。
3．根据权利要求1所述的方法，其中每个所述步骤在真空室中进行。
4．一种光学非线性薄膜波导，包括含有Ge并形成在玻璃基质上的SiO2薄膜；和形成在所述含有Ge的SiO2薄膜上的薄金属电极膜，在电极膜之间具有间隙，它的形状对应于波导图案；其中所述含有Ge的SiO2薄膜对应于所述薄金属电极膜之间所述间隙的部分具有二次光学非线性。
5．根据权利要求4所述的波导，进一步包括在所述薄金属电极膜上的薄透明绝缘膜，以便覆盖所述间隙。
全文摘要
掺Ge的SiO
文档编号G02F1/35GK1292886SQ99803849
公开日2001年4月25日 申请日期1999年2月23日 优先权日1998年3月12日
发明者藤原巧, 生嶋明, 米田修 申请人:丰田自动车株式会社, 学校法人丰田学园