2次光非線形性を有する光集積回路用ガラス薄膜の開発

具有二阶光学非线性的光集成电路玻璃薄膜的研制

• 批准号: 12750043
• 负责人: JABRI Khaled
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Toyota Technological Institute
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2001
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-12750043/
• 关键词: 2次光非線系性; Ge-doped SiO_2 glass; 薄膜; UV-poling; 欠陥; 集積回路

大容量の光情報を高速でやり取りするためには、光スイッチや変調器などの光デバイスが必須である。この光機能デバイスを実現するために高効率かつ長期安定性に優れている2次光非線形性を持つ新しい材料の開発が期待されている。本研究では、紫外光ポーリング(紫外光照射+高電場印加)方法を用いて、Ge添加SiO_2ガラスにLiNbO_3などの結晶を越える2次光非線形性の発現およびそれの安定性を検討する目的とした。試料作製するには高周波スパッタ法を用いている。種々のアルゴン・酸素導入雰囲気中で作製したGe添加SiO_2ガラス薄膜に紫外光ポーリング処理を施した結果、2次光非線形性を発現し、その大きさがスパッタ中の酸素流量に大きく依存することが明らかになった。酸素とアルゴンの流量比が1対3(cm^3/min)で最適な2次光非線形性の大きさが得られる。発現する2次光非線形性は薄膜中のGe濃度に依存し、50モル%のGe濃度で最大強度を示すことがわかった。また、紫外光ポーリングを行う前に真空中で処理することによって2次光非線系性の強度を増大させることが出来た。本研究で得られた最大の2次光非線形性の大きさとして、SHG(第二高調波発生)のd定数が、最大(12.5±0.6)pm/Vの値である。これは常温の基板温度、成膜後500℃で24時間の空熱処理、5x10^5V/cmのポーリング電場、紫外光照射(レーザの波長、出力、繰り替え周波数、全ショット数がそれぞれ193nm,100mJ、10パルス/s、10000)の時に得られた値である。しかしながら発現する2次光非線形性の寿命は、そのままでは約3ヶ月程度で大きさが半減してしまう。寿命の低下を抑えるために色々な元素の添加を行った。その結果、常温で85気圧の水素中で処理することによって飛躍的に寿命を増大させることが可能であることが分かった。現在のところ約7年間までの長寿命化が達成できている。さらなる長寿命化を検討するために、現在紫外光ポーリングによって形成する欠陥を特定し、その欠陥の挙動に対する水素添加の影響を電子スピン共鳴ESRを用いて検討中ある。

High-capacity optical information is a must for high-speed optical modulators. The optical properties of the material are expected to be improved in terms of high efficiency, long-term stability, and secondary optical nonlinearity. In this study, we aim to investigate the development and stability of the second-order optical nonlinearity of LiNbO3 crystals by UV irradiation and high electric field irradiation. The high frequency spectrum method is used in the preparation of samples. The results of UV treatment of Ge doped SiO_2 thin film in the process of acid introduction into the medium show that the second order optical nonlinearity occurs, and the acid flow rate in the medium depends on the temperature. The ratio of flow rate of acid and chlorine is 1 to 3(cm^3/min), which is optimal for the nonlinear characteristics of secondary light. The second order optical nonlinearity is dependent on the Ge concentration in the thin film, and the maximum intensity of Ge concentration is 50%. The intensity of the second order nonlinear optical system increases. In this study, the maximum second order optical nonlinearity, SHG(second highest order wave generation), d constant, and the maximum (12.5±0.6)pm/V are obtained. This is due to substrate temperature at room temperature, air-heat treatment at 500℃ for 24 hours after film formation, electric field of 5x10^5V/cm, ultraviolet irradiation (wavelength, output, frequency, total number of cycles), and the time required for the film formation. The life span of the second order optical nonlinearity is about 3 months. Life span is low, color is low, and elements are added. As a result, the temperature of 85 ° C and the temperature of the water element are increased. Now it takes about 7 years to achieve a long life. The effect of water addition on electron resonance ESR is discussed in detail.

项目成果

J.Khaled,T.Fujiwara,M.Ohama,A.J.Ikushima: "Generation of second harmonics in Ge-doped SiO_2 thin films by ultraviolet irradiation under poling electric field"Journal of Applied Physics. Vol.87,No.5. 2137-2141 (2000)

J.Khaled、T.Fujiwara、M.Ohama、A.J.Ikushima：“极化电场下紫外线照射在Ge掺杂SiO_2薄膜中产生二次谐波”应用物理学杂志。

J.Khaled,T.Fujiwara,A.J.Ikushima: "Large second-order optical nonlinearity in Ge-doped SiO_2 thin films"Integrated Photonics Research, Santa Barbara, July 19-21(1999). 64-65 (1999)

J.Khaled、T.Fujiwara、A.J.Ikushima：“掺Ge SiO_2 薄膜中的大二阶光学非线性”集成光子学研究，圣巴巴拉，7 月 19-21 日（1999 年）。

J.Khaled,T.Fujiwara,A.J.Ikushima: "Optimization of second-order nonlinearity in uv-poled silica glass film"Accepted for publication in Optical Materials, Proceedings for The European Material Conference, Strasbourg, May 30-June 2(2000). (2001)

J.Khaled、T.Fujiwara、A.J.Ikushima：“UV 极化二氧化硅玻璃膜中二阶非线性的优化”接受发表于光学材料，欧洲材料会议论文集，斯特拉斯堡，5 月 30 日至 6 月 2 日（2000 年）