專(zhuān)利名稱(chēng):光學(xué)非線性材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種由玻璃制成的光學(xué)非線性材料,尤其涉及一種含微晶顆粒的光學(xué)非線性材料及其制備方法。
背景技術(shù):
人們發(fā)現(xiàn)在大容量信息傳輸方面,傳統(tǒng)的使用光,如使用光纖進(jìn)行信息傳輸?shù)挠猛疽言絹?lái)越廣泛。這種信息傳輸系統(tǒng)需要各種光學(xué)功能元件。為制造這樣的光學(xué)功能元件,具有二階光學(xué)非線性的材料是重要的。作為具有二階光學(xué)非線性的材料,已廣泛使用了如LiNbO3的晶體材料。同時(shí),考慮到與光纖的穩(wěn)定連接,傳輸光的低損耗,低成本和寬范圍的傳輸波長(zhǎng),使用玻璃材料是令人滿意的。
例如公開(kāi)的日本專(zhuān)利申請(qǐng)No.特開(kāi)平10-111526建議對(duì)摻有鍺的基于二氧化硅的玻璃進(jìn)行紫外光-激勵(lì)的極化(UV-excitedpoling),以向該處提供一種二階光學(xué)非線性,其中d-常數(shù),或光學(xué)非線性常數(shù)是2.5pm/V或更大。
如上所述,傳統(tǒng)地已建議將紫外光-激勵(lì)的極化施加到玻璃材料上,以向該處提供非常大的二階光學(xué)非線性。但仍有一種這樣的需要更簡(jiǎn)單地制造具有更大二階光學(xué)非線性的玻璃材料。
本發(fā)明考慮到以上情況,目的在于提供一種具有改進(jìn)光學(xué)非線性的材料及其制備方法。
優(yōu)選地是各微晶顆粒具有10-20微米的直徑。
優(yōu)選地是使玻璃材料經(jīng)受紫外光-激勵(lì)的極化,其中紫外強(qiáng)度為10mJ/cm2或更大,電場(chǎng)強(qiáng)度為3×104V/cm或更大,由此非線性光學(xué)常數(shù)或d-常數(shù)變?yōu)?pm/V或更大。
依據(jù)本發(fā)明的制造光學(xué)非線性材料的方法的特征在于事實(shí),即使玻璃材料經(jīng)受部分結(jié)晶。如上所述的微晶顆粒的產(chǎn)生使能夠在玻璃材料中開(kāi)發(fā)大的二階光學(xué)非線性。
優(yōu)選地是使玻璃材料經(jīng)受紫外光-激勵(lì)的極化,其中紫外強(qiáng)度為10mJ/cm2或更大,電場(chǎng)強(qiáng)度為3×104V/cm或更大,由此非線性光學(xué)常數(shù)或d-常數(shù)變?yōu)?pm/V或更大。
依據(jù)本發(fā)明制造非線性材料的方法的特征在于事實(shí)使玻璃材料經(jīng)受部分結(jié)晶以分散微晶顆粒,或部分結(jié)晶的玻璃相,然后施加紫外光光學(xué)極化。即,當(dāng)玻璃材料事先經(jīng)受部分結(jié)晶時(shí),通過(guò)使用電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)低的紫外光-激勵(lì)的極化,就可在玻璃材料中開(kāi)發(fā)出二階光學(xué)非線性。
優(yōu)選地該部分結(jié)晶化是紫外光-激勵(lì)的極化,其中紫外強(qiáng)度為10mJ/cm2或更大且電場(chǎng)強(qiáng)度為3×104V/cm或更大,且在隨后的步驟施加紫外光-激勵(lì)的極化時(shí),所用的電壓比用于部分結(jié)晶的紫外光-激勵(lì)的極化的電壓低。
圖1和2顯示了一種依據(jù)本發(fā)明的使用基于二氧化硅玻璃材料的光學(xué)功能元件的結(jié)構(gòu)示意圖。由拉伸成圓筒狀的二氧化硅玻璃(SiO2),并摻雜有例如鍺(Ge)而形成的光纖10具有調(diào)整了折射率的,并位于其中間部分的光導(dǎo)芯部分10a,和在其外部的包層部分10b。
在包層部分10b中形成有一對(duì)側(cè)孔12a,12b,且其中插有鋁線電極14a,14b,如圖所示,由此其互相對(duì)置,將芯12a夾在中間。
在這里Ge已被摻雜到芯部分102中,造成該處二階光學(xué)非線性的數(shù)值(或d-常數(shù))為1pm/V或更大。
特別是芯部分10a含有分散在玻璃相中的微晶顆粒,或部分結(jié)晶了的玻璃相。各個(gè)分散的微晶顆粒的直徑為10-20微米。由于這種微晶顆粒分散在玻璃相中,可以得到足夠大的二階光學(xué)非線性。
這種顆粒的制造方法如下。首先準(zhǔn)備好側(cè)孔12a和12b已分別插有電極14a和14b的光纖。然后,將Ge以多于12mol%和小于30mol%的范圍摻雜到光纖10的中心部分。注意為制造光纖10,例如,預(yù)制件(preform)順序地被層壓,同時(shí)摻雜不同量的Ge,由此形成相應(yīng)于芯部分的部分,然后在加熱時(shí)進(jìn)行光纖拉延。
光纖10的直徑為200微米。各側(cè)孔12a和12b的直徑約為40微米。各電極14a和14b的直徑約為40微米,長(zhǎng)度為約4厘米。把電極14a和14b互相之間的間距設(shè)置為8-10微米。光纖10的長(zhǎng)度為約10厘米。
在這里,如圖1所示,電極14a和14b分別從光纖的不同側(cè)面插入到側(cè)孔12a和12b中,由此電極14a和14b的各自的端部從不同方向突出。利用該安排的目的是防止電極14a和14b之間發(fā)生放電。空氣擊穿電壓為約104V/cm。為了將大于該電壓的電場(chǎng)施加給芯部分10a,必須保證空氣存在的路徑盡可能最長(zhǎng)。如圖1所示的電極14a和14b的結(jié)構(gòu)使得給芯部分10a施加高壓電場(chǎng)成為可能。
在電極14a和14b之間施加電壓,由此給芯部分10a施加大約1×105V/cm或更大的電場(chǎng)。在這種情形下,給芯部分10a施加脈沖的ArF受激準(zhǔn)分子激光(193納米的波長(zhǎng)),由此用紫外光照射芯部分10a。激光的能量密度約為20-100mJ/cm2。優(yōu)選地,所發(fā)射的激光脈沖約為104次。
通過(guò)以上紫外光-激勵(lì)的極化,在芯部分10a的玻璃相內(nèi)產(chǎn)生了微晶顆粒。
圖3A和3B顯示了依據(jù)本發(fā)明的平面波導(dǎo)。在該平面波導(dǎo)中,含鍺的二氧化硅薄膜22形成在類(lèi)似平面的玻璃基片20的表面。二氧化硅薄膜22的厚度為1到5微米,鍺的密度為1-30mol%。在二氧化硅薄膜22上平放著兩個(gè)互相對(duì)置的電極14a,14b,且二者之間具有預(yù)定間距。
在相應(yīng)于電極14a,14b之間間隔的二氧化硅薄膜22的一部分內(nèi),通過(guò)紫外光-激勵(lì)的極化產(chǎn)生微晶顆粒,從而使該部分作為具有光學(xué)非線性的通道部分18。
通道部分18的光學(xué)特性可由施加到電極14a,14b之間間隔的電壓來(lái)控制。由此使平面波導(dǎo)作為一種光學(xué)功能元件。
使平面波導(dǎo)的通道部分產(chǎn)生微晶顆粒的紫外極化理想地是在真空中進(jìn)行。圖4顯示了一種這樣裝置的結(jié)構(gòu)。真空室30包括交叉的管道,其中有三個(gè)封閉端和一個(gè)開(kāi)口端,一個(gè)開(kāi)口端與排氣系統(tǒng)相連,如真空泵。在豎直向下延伸的管道內(nèi),設(shè)置了一個(gè)試樣安裝單元32,在該單元之上設(shè)置了一其上形成有電極14a,14b和二氧化硅薄膜的玻璃基片20。電極14a,14b與真空室外部的一個(gè)電源連接。向上延伸的管道被石英玻璃43密封,紫外光穿過(guò)該處進(jìn)入管道。
使用該設(shè)備并用紫外光照射二氧化硅薄膜22的同時(shí),在電極14a,14b之間施加高壓。與在空氣中的情況不同,在不會(huì)發(fā)生擊穿的真空中,可以在電極14a,14b之間施加紫外光極化所需的高壓,以產(chǎn)生分散在二氧化硅薄膜22(通道部分18)中的微晶顆粒。隨著這些微晶顆粒的產(chǎn)生,可以賦予玻璃材料二階光學(xué)非線性。
優(yōu)選地,通道部分18與電極14a,14b可被二氧化硅薄膜一起覆蓋,以增強(qiáng)電極14a,14b之間的絕緣程度。
圖5的曲線顯示的是如此產(chǎn)生的玻璃材料(摻雜了鍺的二氧化硅玻璃材料)的X-射線衍射結(jié)果,其中橫坐標(biāo)相應(yīng)于衍射角2θ/°,縱坐標(biāo)相應(yīng)于強(qiáng)度(單位I/任意單位)。線源是CuKα。從該圖可知,用3.0×105V/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度(Ep)和1.0×104次(shot)的紫外照射對(duì)玻璃材料進(jìn)行紫外光-激勵(lì)的極化時(shí),由于結(jié)晶形成波峰,并且在玻璃材料中產(chǎn)生微晶顆粒。還發(fā)現(xiàn)僅用紫外照射(0V/cm,1.0×104次)是不會(huì)產(chǎn)生晶體顆粒的。應(yīng)當(dāng)注意的是,該圖中所示的受到紫外光極化之前的玻璃材料為0V/cm,0次照射(無(wú)激光照射)。
圖6顯示的是在紫外光-激勵(lì)的極化中所施加的電場(chǎng)強(qiáng)度和峰強(qiáng)度(CPS),以及用于結(jié)晶的X-射線的峰面積(任意單位),d-常數(shù)(pm/v)之間的關(guān)系圖,其中△代表強(qiáng)度,●代表面積,◇代表d-常數(shù)。如圖所示,可以理解結(jié)晶和d-常數(shù)的一個(gè)范圍保持良好的相互關(guān)聯(lián)性。應(yīng)當(dāng)注意的是,在紫外光-激勵(lì)的極化中紫外光能量和脈沖次數(shù)分別為100mJ/cm2和104。
當(dāng)由于紫外光-激勵(lì)的極化而曾經(jīng)獲得光學(xué)非線性的玻璃材料處于約500℃的高溫時(shí),曾經(jīng)顯示出的光學(xué)非線性逐漸下降。但是,通過(guò)X-射線衍射發(fā)現(xiàn)在這種玻璃材料中產(chǎn)生的微晶不會(huì)消失。即,在曾經(jīng)獲得的光學(xué)非線性下降的同時(shí),在玻璃相中的微晶顆粒仍然保持現(xiàn)有狀態(tài)。
然后,當(dāng)再次對(duì)這種玻璃材料施加紫外光-激勵(lì)的極化時(shí),其響應(yīng)于強(qiáng)度相對(duì)小的電場(chǎng)可以再次獲得二階光學(xué)非線性。即,當(dāng)給玻璃材料施加3.0×105V/cm和100mJ/cm2的紫外光-激勵(lì)的極化時(shí),如圖7中◆所示,在玻璃材料中開(kāi)發(fā)出的二階光學(xué)非線性消失,通過(guò)施加約為0.5×105V/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度,再次獲得d-常數(shù)為1pm/v或更大的光學(xué)非線性是可能的。在該圖中,●代表第一次紫外光-激勵(lì)的極化的結(jié)果。雖然有10mJ/cm2的紫外照射,d-常數(shù)響應(yīng)于所施加的電場(chǎng)沒(méi)有增加,如該圖中的○所示。
此處電場(chǎng)強(qiáng)度是0.5×105V/cm,是第二次紫外光-激勵(lì)的極化中所需的,基本上等于使空氣擊穿的強(qiáng)度。因此,在僅經(jīng)過(guò)了簡(jiǎn)單的絕緣處理時(shí),如在電極之間放置絕緣元件,就可以在施加紫外光-激勵(lì)的極化時(shí)開(kāi)發(fā)二階光學(xué)非線性而不造成擊穿。
這里,當(dāng)光學(xué)功能元件由本發(fā)明的玻璃材料制成,并在高溫下使用該元件時(shí),通過(guò)周期性地施加紫外光-激勵(lì)的極化便可以恢復(fù)二階光學(xué)非線性。而且,由于在該極化中所需的電場(chǎng)強(qiáng)度顯著地低,可以在空氣中進(jìn)行這種紫外光-激勵(lì)的極化,即,無(wú)需真空環(huán)境。
此外,對(duì)于平面波導(dǎo),優(yōu)選地是如上所述在真空中進(jìn)行第一次紫外光-激勵(lì)的極化,由此在薄膜中產(chǎn)生微晶顆粒。此時(shí),由于隨后的退火處理,該元件可能會(huì)經(jīng)受到高溫,因此二階光學(xué)非線性可能下降。但是,即使這樣,通過(guò)施加紫外光-激勵(lì)的極化還是可以恢復(fù)光學(xué)非線性的。特別地,由于在紫外光-激勵(lì)的極化中用于恢復(fù)二階光學(xué)非線性而施加的電場(chǎng)很小,如上所述,該極化對(duì)其它結(jié)構(gòu)造成不利的影響只有很小的可能性。
在半導(dǎo)體基片的一部分上形成的玻璃基片上形成有光學(xué)功能元件,優(yōu)選形成混合電路基片。更具體而言,這種混合電路基片包括如圖8所示的硅基片40和在硅基片的一部分上形成的玻璃基片20,以及在硅基片20上形成的摻雜鍺的二氧化硅薄膜22。然后對(duì)二氧化硅薄膜22的通道部分22進(jìn)行紫外光-激勵(lì)的極化,由此賦予光學(xué)非線性,完成整個(gè)元件。
同時(shí),光轉(zhuǎn)換元件,如光發(fā)射元件40和光接收元件42形成在硅基片的周邊部分,由此可通過(guò)光發(fā)射元件發(fā)射和接收光。用一種光學(xué)功能元件控制這種光。在該情況下,當(dāng)在不會(huì)給其它結(jié)構(gòu)帶來(lái)不利影響的階段施加第一次紫外光-激勵(lì)的極化,且在隨后的處理中通道18的光學(xué)非線性降低時(shí),第二次紫外光-激勵(lì)的極化時(shí)可以施加相對(duì)低的電壓。
應(yīng)當(dāng)注意的是當(dāng)開(kāi)發(fā)出二階光學(xué)非線性的玻璃材料被置于高溫下時(shí),d-常數(shù)按照單指數(shù)函數(shù)形式衰減。該事實(shí)還可證實(shí)在玻璃材料中存在微晶顆粒。而且用TEM電子顯微鏡的觀察結(jié)果證實(shí)了微晶顆粒的存在。
這里,施加紫外光-激勵(lì)的極化使玻璃材料之中產(chǎn)生微晶,且由此可以賦予其二階光學(xué)非線性。相信這是電場(chǎng)和紫外光激發(fā)之間協(xié)同作用的結(jié)果。同時(shí)假定紫外光是具有恒定波面的極化光,由于光是一種電磁波,相信紫外照射會(huì)在恒定方向產(chǎn)生電場(chǎng)。
當(dāng)用這種極化的紫外光照射時(shí),可以在不施加電場(chǎng)的情況下賦予玻璃材料二階光學(xué)非線性。應(yīng)當(dāng)注意的是從固體激光器發(fā)出的諧波可作為這種極化的紫外光使用??商娲氖峭ㄟ^(guò)加倍可以獲得這種極化的紫外光。
應(yīng)當(dāng)注意的是為了在玻璃相中產(chǎn)生微晶顆粒,施加電場(chǎng)不是絕對(duì)必要的。即,在紫外光照射下加熱玻璃材料也可以產(chǎn)生微晶顆粒。但是在該情況下,雖然可以產(chǎn)生微晶顆粒,由于缺乏足夠大的電場(chǎng)不能賦予足夠大的二階光學(xué)非線性。然后,給含有微晶顆粒,且微晶顆粒分散在其中的玻璃材料施加紫外光極化,賦予其二階光學(xué)非線性。這種配置允許使用較小的電場(chǎng),因此可以進(jìn)行紫外光極化而不用考慮空氣被擊穿和對(duì)其它元件的影響。
另外,一旦在玻璃材料中產(chǎn)生微晶顆粒,由于這些晶體,玻璃材料的非線性X(3)將增加。圖9和10的圖表解釋了針對(duì)玻璃材料受到紫外光極化,使用一種制造者填充方法(maker filling method)產(chǎn)生三階諧波(THG)的實(shí)例。圖9顯示了在施加紫外光極化之前的THG圖形。圖10顯示了在施加紫外光極化之后的THG圖形。從圖中可知THG圖形的形狀由于紫外光極化而變化顯著,且在紫外光極化之后,產(chǎn)生了一個(gè)具有與處理前不同的X(3)的區(qū)域。
圖11顯示了在對(duì)THG圖形分析時(shí)所依賴(lài)的原理。開(kāi)始,基片的表面被紫外光照射,由此基片的表面被結(jié)晶。因此可以假定表面的結(jié)晶區(qū)域可能具有與處理前的不同的X(3)值。
考慮到以上所述,假定圖10所示的THG圖形是相對(duì)于基片的THG圖形和相對(duì)于結(jié)晶化表面區(qū)域的THG圖形的組合。因此,從圖10所示的THG圖形減去圖9的THG圖形可以估計(jì)出結(jié)晶化區(qū)域的THG圖形。其結(jié)果顯示在圖11中上部的圖形中,且相對(duì)于結(jié)晶化區(qū)域的X(3)值可以從所得圖形測(cè)得。
圖12顯示了X(3)值與極化電場(chǎng)的依賴(lài)關(guān)系,其中縱軸顯示了相應(yīng)于以極化前和極化后X(3)之間的比率的形式表示出的變化。如圖所示,當(dāng)極化電場(chǎng)等于約0.5×105V/cm或更大時(shí),X(3)顯著增加,變成為極化電場(chǎng)小于約0.5×105V/cm時(shí)的X(3)的約15倍。極化電場(chǎng)為約0.5×105V/cm或更大時(shí),X(3)先降低到約10倍,然后再一次逐漸增加。但是這種增長(zhǎng)與在極化電場(chǎng)值為0.5×105V/cm之前和之后所產(chǎn)生的增長(zhǎng)相比不是那么大。
圖13附加地顯示了未摻雜鍺的二氧化硅玻璃材料的X(3)的值。如圖所示,在紫外光極化之后,摻雜了鍺的二氧化硅玻璃材料的X(3)的值增加到未摻雜鍺的二氧化硅玻璃材料的X(3)的值的約200倍。
相應(yīng)地,從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出通過(guò)紫外光極化結(jié)晶使得三階光學(xué)非線性增加。
以下是三階光學(xué)非線性增加的兩個(gè)可能的理由。
(1)所產(chǎn)生的晶體可能具有很大的三階光學(xué)非線性,而其本身是一種未知材料,(2)由于晶體濃度預(yù)期比玻璃濃度高,因此晶體的折射率比玻璃的高,晶體可能具有更顯著的局部電場(chǎng)效應(yīng),或在高折射率區(qū)域(即晶體)的入射光波的集中度更大。
也有可能是這兩種理由的組合。
圖14是一曲線,顯示了受紫外光極化并加熱到320℃的二氧化硅玻璃材料X-射線衍射的峰強(qiáng)度。從圖中可明顯看出即使將該玻璃材料在320℃下放置8小時(shí)以上(30×103秒),峰強(qiáng)度也不會(huì)發(fā)生變化。即,通過(guò)紫外光極化先產(chǎn)生的晶體相對(duì)于溫度顯示出充分穩(wěn)定性。已證實(shí)當(dāng)溫度上升到500℃以上時(shí)也呈現(xiàn)出類(lèi)似的穩(wěn)定性。
如上所述,通過(guò)紫外極化可以賦予玻璃材料三階光學(xué)非線性。當(dāng)將具有三階光學(xué)非線性的材料置于電場(chǎng)中時(shí),它會(huì)顯示出二階光學(xué)非線性。由此看來(lái),在材料中保留極性等可以提供具有二階光學(xué)非線性材料。即,只要其具有三階光學(xué)非線性,任何材料,即使是如上所述的非玻璃材料,都會(huì)通過(guò)紫外光-激勵(lì)的極化產(chǎn)生出二階光學(xué)非線性。
應(yīng)當(dāng)注意的是已經(jīng)研究和開(kāi)發(fā)使用三階光學(xué)非線性的光控制器件,且具有大的三階光學(xué)非線性的材料已引起人們的注意。這些研究的最大進(jìn)展是各顆粒直徑為約1-10微米的金屬或半導(dǎo)體顆粒分散在玻璃中時(shí),在局部電場(chǎng)效應(yīng)的作用下可獲得較大的X(3)值。由于在玻璃材料中發(fā)生了這種微細(xì)顆粒的分散,因此本發(fā)明是可以理解的。
工業(yè)實(shí)用性利用光如光纖的信息傳輸在大容量信息傳輸中找到了更廣闊的應(yīng)用。在這種信息傳輸系統(tǒng)中,需要光學(xué)功能元件。本發(fā)明的光學(xué)線性材料是構(gòu)成這種光學(xué)功能元件的有效材料。
權(quán)利要求
1.一種包含分散在玻璃相中的微晶顆粒的光學(xué)非線性材料,所述微晶顆粒是通過(guò)將玻璃相部分結(jié)晶得到的。
2.如權(quán)利要求1的材料,其中各個(gè)微晶顆粒的直徑為10-20微米。
3.如權(quán)利要求1和2的任一種材料,其是通過(guò)對(duì)玻璃材料施加紫外強(qiáng)度為10mJ/cm2或更大的和電場(chǎng)強(qiáng)度為3×104V/cm或更大的紫外光-激勵(lì)的極化而獲得的,并且具有1pm/V或更大的d-常數(shù),d-常數(shù)是非線性光學(xué)常數(shù)。
4.如權(quán)利要求1的材料,其中作為非線性光學(xué)常數(shù)的d-常數(shù)以單指數(shù)函數(shù)形式衰減。
5.如權(quán)利要求1的材料,其具有三階光學(xué)非線性。
6.一種制造光學(xué)非線性材料的方法,包括將玻璃材料部分結(jié)晶的步驟。
7.如權(quán)利要求6的方法,進(jìn)一步包括對(duì)玻璃材料施加紫外強(qiáng)度為10mJ/cm2或更大和電場(chǎng)強(qiáng)度為3×104V/cm或更大的紫外光-激勵(lì)的極化的步驟,由此作為非線性光學(xué)常數(shù)的d-常數(shù)變?yōu)?pm/V或更大。
8.一種制造光學(xué)非線性材料的方法,包括以下步驟施加部分結(jié)晶于玻璃材料以獲得分散在玻璃相中的由部分結(jié)晶的玻璃相構(gòu)成的微晶顆粒,以及隨后對(duì)所得玻璃材料施加紫外光-激勵(lì)的極化。
9.如權(quán)利要求8的方法,其中用紫外強(qiáng)度為10mJ/cm2或更大的和電場(chǎng)強(qiáng)度為3×104V/cm或更大的紫外光-激勵(lì)的極化進(jìn)行部分結(jié)晶化,且在隨后施加紫外光-激勵(lì)的極化時(shí),所用的電壓比用于部分結(jié)晶化的紫外光-激勵(lì)的極化的電壓低。
全文摘要
在紫外照射下,在電極(14a,14b)之間施加電壓以進(jìn)行紫外光-激勵(lì)的極化,由此在芯單元(10a)產(chǎn)生微晶顆粒。相應(yīng)地,在光纖(10)的芯單元(10a)產(chǎn)生出二階光學(xué)非線性。在高溫條件下,當(dāng)二階光學(xué)非線性下降時(shí),由電壓相對(duì)低的紫外光-激勵(lì)的極化可以賦予二階光學(xué)非線性。
文檔編號(hào)G02F1/355GK1352758SQ00806284
公開(kāi)日2002年6月5日 申請(qǐng)日期2000年2月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月16日
發(fā)明者藤原巧, 松本修治, 生嶋明 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社, 學(xué)校法人豐田學(xué)園