JP2003163397A - 平面導波路素子型光増幅器及びその製作方法 - Google Patents

平面導波路素子型光増幅器及びその製作方法

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JP2003163397A JP2002277524A JP2002277524A JP2003163397A JP 2003163397 A JP2003163397 A JP 2003163397A JP 2002277524 A JP2002277524 A JP 2002277524A JP 2002277524 A JP2002277524 A JP 2002277524A JP 2003163397 A JP2003163397 A JP 2003163397A
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waveguide device
optical amplifier
device type
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Young-Kwon Yoon
泳權 尹
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】高い増幅比及び高集積化を実現できる平面導波
路素子型光増幅器を提供する。 【解決手段】半導体基板と、半導体基板上に積層された
下部クラッド層と、下部クラッド層上に積層され、光信
号の進行経路になるコア層160と、コア層に隣接さ
れ、下部クラッド層上に積層されて環状光経路を形成
し、環状光経路に沿ってコア層からその内部にカップリ
ングされた光信号を増幅する増幅層140と、増幅層上
に積層され、下部クラッド層と共にコア層及び増幅層を
囲むクラッド層と、からなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光増幅器に関するも
ので、特に、平面導波路素子(Planar LightwaveCircui
t)型光増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】光通信システムでエルビウム添加光ファ
イバ増幅器(Erbium doped optical amplifier)を利用し
た光信号の増幅は、光通信システムの構成費用を革新的
に節減して光通信の効用性を高めるのに寄与している。
そして、このようなエルビウム添加光ファイバ増幅器を
平面導波路素子に適用したエルビウム添加導波路増幅器
は、今後の光増幅技術の進化方向ということができ、複
雑化及び集積化が可能な構造であるので、その実用化の
ための研究が活発に進められている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、エルビウムの
ような希土類金属イオン、または遷移金属イオンが添加
された平面導波路素子型光増幅器は、単位長さ当たりの
増幅比が低いので、所望する増幅比と高集積化を同時に
実現するのが難しいといった問題点がある。
【0004】本発明は上述した従来の問題点を解決する
ために案出したもので、本発明の目的は、高い増幅比及
び高集積化を実現することができる平面導波路素子型光
増幅器を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明による平面導波路素子型光増幅器は、半
導体基板と、半導体基板上に積層された下部クラッド層
と、下部クラッド層上に積層され、光信号の進行経路に
なるコア層と、コア層に隣接され、下部クラッド層上に
積層されて環状光経路を形成し、環状光経路に沿ってコ
ア層からその内部にカップリングされた光信号を増幅す
る増幅層と、増幅層上に積層され、下部クラッド層と共
にコア層及び増幅層を囲む上部クラッド層と、を含むこ
とを特徴とする。
【0006】この平面導波路素子型光増幅器を構成する
増幅層は、光増幅性材質で構成されているとよく、コア
層との間にカップリング領域Cを形成するように予め設
定された間隔で離隔されていると好ましい。また、増幅
層はエルビウム添加されたシリカ材質で構成され、予め
設定された半径を有する環状形態であるとさらによい。
【0007】カップリング領域Cを通過する光信号のカ
ップリング係数tは、コア層と増幅層間の間隔Wと、コ
ア層、増幅層及び下部クラッド層によって決定されるカ
ップリング領域Cの屈折率分布と、カップリング領域C
の長さとにより決定されるとよい。また、カップリング
係数tが1に近似する場合、増幅層の有効増幅率Gef f
は下記数式4で表現され、非カップリング係数r(=1
−t)は有効増幅率Ge ffが利得率Gより大きくなるよ
うに設定されると好ましい。
【数4】
【0008】下部クラッド層と半導体基板はシリカ材質
で構成されているとよい。この場合、下部クラッド層は
化学蒸着法(CVD)により半導体基板上に積層される
と好ましい。
【0009】また、本発明による平面導波路素子型光増
幅器は、半導体基板と、半導体基板上に形成され、光信
号の進行経路になるコア層と、半導体基板上に形成され
て環状光経路を形成し、この環状光経路に沿ってコア層
からその内部にカップリングされた光信号を増幅する増
幅層と、光信号の経路がコア層と増幅層に限定されるよ
うにコア層と半導体基板間に形成され、コア層と増幅層
を囲むクラッド層と、からなることを特徴とする。
【0010】この平面導波路素子型光増幅器を構成する
増幅層は、光増幅性材質で構成されるとよく、その間に
カップリング領域Cを形成するように、コア層の一側面
から既設定された間隔で離隔されたまま、半導体基板上
に形成されると好ましい。また、増幅層は、エルビウム
添加されたシリカ材質で構成され、予め設定された半径
を有する環状形態であるとさらに好ましい。
【0011】コア層のカップリング領域Cを通過する光
信号のカップリング係数tは、コア層と増幅層間の間隔
Wと、コア層、増幅層及びクラッド層の下部によって決
定されるカッブリング領域Cの屈折率分布と、カップリ
ング領域Cの長さと、により決定されるとよい。また、
カップリング係数tが1に近似する場合、増幅層の有効
増幅率Geffは下記数式5で表現され、非カップリング
係数r(=1−t)は有効増幅率Geffが利得率Gより
大きくなるように設定されていると好ましい。
【数5】
【0012】さらに、本発明では平面導波路素子型光増
幅器の制作方法も提供する。この制作方法は、(a)半導
体基板を準備する過程と、(b)半導体基板上に下部クラ
ッド層を積層する過程と、(c)光信号の進行経路になる
コア層を下部クラッド層上に積層する過程と、(d)環状
光経路を形成し、環状光経路に沿ってコア層からその内
部にカップリングされた光信号を増幅する増幅層をコア
層に隣接させて下部クラッド層上に積層する過程と、
(e)下部クラッド層と共にコア層及び増幅層を囲むよう
に増幅層上に上部クラッド層を積層する過程と、からな
ることを特徴とする。
【0013】(d)過程で積層された増幅層は、エルビウ
ム添加されたシリカ材質で構成され、予め設定された半
径を有する環状形態であるとよく、(c)過程で積層され
たコア層と隣接し、このコア層との間にカップリング領
域Cを形成するよう予め設定された間隔で離隔されると
好ましい。
【0014】コア層のカップリング領域Cを通過する光
信号のカップリング係数tは、コア層と増幅層間の間隔
Wと、コア層、増幅層及びクラッド層の下部により決定
されるカップリング領域Cの屈折率分布と、カップリン
グ領域Cの長さと、により決定されるとよい。また、カ
ップリング係数tが1に近似する場合、増幅層の有効増
幅率Geffは下記数式6で表現され、非カップリング係
数r(=1−t)は有効増幅率Geffが利得率Gより大
きくなるように設定されると好ましい。
【数6】
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の望ましい実施形態
を添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明にお
いて、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連した
公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。
【0016】図1は本発明の望ましい実施形態による平
面導波路素子型光増幅器の構成を概略的に示した正面図
であり、図2は図1に示された平面導波路素子型光増幅
器をB−B'に沿って示した側断面図である。図1及び
図2を参照すると、平面導波路素子型光増幅器100は
半導体基板110、半導体基板110上に順に積層され
た下部クラッド層(clad layer)120、コア層(core la
yer)160、増幅層140及び上部クラッド層170
と、からなる。以下、図1及び図2を参照して平面導波
路素子型光増幅器100の構成を説明する。
【0017】コア層160はエルビウム(erbium)が添加
されたシリカ(silica)材質で構成され、平面導波路素子
型光増幅器100の一端を通じて入力された光信号の進
行経路になる。
【0018】増幅層140もエルビウム(erbium)が添加
されたシリカ材質で構成され、光信号が増幅層140と
コア層160との間でカップリング(coupling)されるよ
うに、コア層160に隣接して配置されている。増幅層
140は、環状構造及び単位長さ当たりの利得係数gを
有し、カップリング領域C(図3参照)で、その内部の
ほうにカップリングされた光信号を増幅する。増幅層1
40は環状構造を有するので、増幅された光信号はカッ
プリング領域を再び通過するようになり、この中の一部
はコア層160にカップリングされる。
【0019】下部及び上部クラッド層120及び170
はシリカ材質で構成され、コア層160及び増幅層14
0を囲み込み光信号を閉じこめることで、その光信号の
損失を低減する。このような光信号隔離機能により、光
信号はコア層160及び増幅層140間のカップリング
領域のみでカップリングされることになる。
【0020】図3は図1に示した平面導波路素子型光増
幅器100のA部分を拡大して示した正面図である。以
下、図3を参照して平面導波路素子型光増幅器100の
機能を説明する。
【0021】平面導波路素子型光増幅器100の一端を
通じて入力された光信号310は、コア層160内を進
行するようになり、カップリング領域Cを通じてその一
部が増幅層140にカップリングされる。この時、光信
号310に対するカップリング係数tは、コア層160
と増幅層140間の間隔(W)と、カップリング領域C
(コア層160、増幅層140及び下部クラッド層12
0の該当領域)の屈折率分布と、カップリング領域Cの
長さなどにより決定される。
【0022】カップリングされた光信号310は環状構
造の増幅層140を一周しながら増幅された後、再びカ
ップリング領域Cに入力される。光信号310の一部
は、再びコア層160でカップリングされ、その残りは
さらに増幅層140を一周するようになる。この時、増
幅層140内で光信号310が一周する距離、即ち増幅
層140の長さLは(2π×R)にで定義される。
【0023】このような反復的な増幅過程を経たコア層
160から出力される光信号310の強さ(intensity)
Iは下記数式7によって示すことができる。
【数7】
【0024】数式7において、tはコア層160と増幅
層140間のカップリング係数、I はコア層160に
入力される光信号310の強さ、G(=exp(gL)=
exp(2π×g×R))は増幅層140を一周した光信
号310に対する利得率を示す。
【0025】また、コア層160と増幅層140間のカ
ップリング係数tを1に近似するように設定すると、平
面導波路素子型光増幅器100の有効増幅率Geffは下
記数式8のように示すことができる。
【数8】
【0026】数式8において、r(=1−t)は非カップ
リング係数を示す。数式8から分かるように、与えられ
た利得率Gに対してr値を適切に調節することにより、
Gより大きな有効増幅率Geffを得ることができる。
【0027】図4乃至図12は図2に示された平面導波
路素子型光増幅器100の製造過程を説明するための図
である。以下、図2と図4乃至図12を参照して平面導
波路素子型光増幅器100の製造過程を説明する。
【0028】図4を参照すると、半導体基板110上に
下部クラッド層120及びフォトレジスト層(photoresi
st layer)130が順に積層されており、下部クラッド
層120は火炎堆積法(Flame Hydrolysis Deposition、
FHD)及び焼結(sintering)工程を通じて形成されるこ
とができる。この時、半導体基板110及び下部クラッ
ド層120はすべてシリカ材質である。半導体基板11
0上に下部クラッド層120を形成する工程には、プラ
ズマ強化化学蒸着法(Plasma Enhanced Chemical Vapor
Deposition、PECVD)、低圧力化学蒸着法(Low Pres
sure ChemicalVapor Deposition、LPCVD)などのよ
うな化学蒸着法(Chemical Vapor Deposition、CVD)
と、火炎堆積法(FHD)などがある。このような各種工
程中で火炎堆積法が通常的に使用される。
【0029】また、下部クラッド層120上に液体状態
のフォトレジストを落とした後、半導体基板110を高
速に回転させ、下部クラッド層120上に一定厚さのフ
ォトレジスト層130を形成することができる。
【0030】図5は図4に示された振幅マスク(amplitu
de mask)210を概略的に示した斜視図である。
【0031】図4及び図5では、環状形態の第1スリッ
ト(slit)216及び直線導波路形態の第2スリット21
8を有する振幅マスク(amplitude mask)210をフォト
レジスト層130上に位置させ、振幅マスク210に紫
外線を照射している。この時、第2スリット218に入
射する紫外線は第1スクリーン(screen)220により遮
断される。振幅マスク210は、第1スリット216に
入射される紫外線をそのまま通過させ、第1スリット2
16以外の部分214に入射される紫外線は遮断する。
第1スリット216を通過した紫外線がフォトレジスト
層130を照射した後、エッチング(etching)過程を経
ると、図6に示したようなフォトレジスト層130を得
ることができる。
【0032】図6を参照すると、フォトレジスト層13
0に図5に示した第1スリット216と類似形態の溝が
形成されている。この溝により下部クラッド層120の
上面が外部大気に一部露出する。
【0033】図7では、フォトレジスト層130を利用
して、下部クラッド層120を所定深さまでエッチング
し溝を形成している。また、火炎堆積法及び焼結工程を
通じて、溝にエルビウムが添加されたシリカ材質の増幅
層140を形成している。この時、下部クラッド層12
0をエッチングする方法に反応性イオンエッチング(Rea
ctive Ion Etching、RIE)工程を利用することができ
る。
【0034】図8を参照すると、フォトレジスト除去液
を利用してフォトレジスト層130をエッチングする過
程で、このフォトレジスト層130の上面に積層させた
増幅層140も共に除去される。
【0035】図9を参照すると、増幅層140及び下部
クラッド層120の露出上面にフォトレジスト層150
を積層し、このフォトレジスト層150上に図5に示し
たマスク210を位置させる。この時、第1スリット2
16に入射される紫外線は第2スクリーン230により
遮断される。
【0036】振幅マスク210は、第2スリット218
に入射される紫外線をそのまま通過させ、第2スリット
218以外の部分214に入射される紫外線は遮断す
る。第2スリット218を通過した紫外線がフォトレジ
スト層150を照射した後、エッチング過程を経ると、
図10に示したようなフォトレジスト層150を得るこ
とができる。
【0037】図10を参照すると、フォトレジスト層1
50に図5に示した第2スリット218と類似形態の溝
が形成されている。また、この溝により下部クラッド層
120の上面が外部大気に一部露出する。
【0038】図11を参照すると、フォトレジスト層1
50を利用し下部クラッド層120を増幅層140の深
さだけエッチングして溝を形成し、火炎堆積法による工
程及び焼結工程を通じて溝にシリカ材質のコア層160
を形成する。この時、下部クラッド層120をエッチン
グする方法に反応性イオンエッチング工程を利用するこ
とができる。
【0039】図12を参照すると、フォトレジスト除去
液を利用してフォトレジスト層150をエッチングする
過程で、フォトレジスト層150の上面に積層させたコ
ア層160も共に除去される。
【0040】以後、増幅層140、コア層160及び下
部クラッド層120の露出上面に下部クラッド層120
と同一材質の上部クラッド層170を積層する。このよ
うにして、図2に示したような平面導波路素子型光増幅
器100を得ることができる。
【0041】
【発明の効果】上述したように、本発明による平面導波
路素子型光増幅器は環状構造の増幅層を利用してコア層
からカップリングされた光信号を増幅し、これをコア層
に再度カップリングさせる過程を反復することにより、
高い増幅比及び高集積化を実現することができる利点が
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の望ましい実施形態による平面導波路
素子型光増幅器の構成を概略的に示した正面図。
【図2】 図1に示した平面導波路素子型光増幅器をB
−B'に沿って示した側断面図。
【図3】 図1に示した平面導波路素子型光増幅器のA
部分を拡大して示した正面図。
【図4】 示環状形態の第1スリットを用いてフォトレ
ジスト層に紫外線を照射する図。
【図5】 環状形態の第1スリット及び直線導波路形態
の第2スリットを有する振幅マスクの平面図。
【図6】 環状形態の溝をフォトレジスト層に形成した
図。
【図7】 環状形態の溝を下部クラッド層に形成すると
共に増幅層を形成した図。
【図8】 フォトレジスト層及びフォトレジスト層に堆
積させた増幅層を除去した図。
【図9】 直線導波路形態の第2スリットを用いてフォ
トレジスト層に紫外線を照射する図。
【図10】 直線導波路形態の溝をフォトレジスト層上
に形成した図。
【図11】 直線導波路形態の溝を下部クラッド層に形
成すると共にコア層を形成した図。
【図12】 フォトレジスト層及びフォトレジスト層に
堆積させたコア層を除去した図。

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平面導波路素子型光増幅器において、 半導体基板と、 前記半導体基板上に積層された下部クラッド層と、 前記下部クラッド層上に積層され、光信号の進行経路に
    なるコア層と、 前記コア層に隣接され、前記下部クラッド層上に積層さ
    れて環状光経路を形成し、前記環状光経路に沿って前記
    コア層からその内部にカップリングされた光信号を増幅
    する増幅層と、 前記増幅層上に積層され、前記下部クラッド層と共に前
    記コア層及び前記増幅層を囲む上部クラッド層と、から
    なることを特徴とする平面光導波路素子型光増幅器。
  2. 【請求項2】 前記増幅層は光増幅性材質で構成される
    請求項1記載の平面導波路素子型光増幅器。
  3. 【請求項3】 前記コア層に隣接した前記増幅層は、前
    記コア層との間にカップリング領域Cを形成するよう既
    設定された間隔で離隔される請求項2記載の平面導波路
    素子型光増幅器。
  4. 【請求項4】 前記増幅層はエルビウム添加されたシリ
    カ材質で構成され、既設定された半径を有する環状形態
    である請求項1記載の平面導波路素子型光増幅器。
  5. 【請求項5】 前記増幅層はエルビウム添加されたシリ
    カ材質で構成され、既設定された半径を有する環状形態
    である請求項2記載の平面導波路素子型光増幅器。
  6. 【請求項6】 前記増幅層はエルビウム添加されたシリ
    カ材質で構成され、既設定された半径を有する環状形態
    である請求項3記載の平面導波路素子型光増幅器。
  7. 【請求項7】 前記コア層のカップリング領域Cを通過
    する光信号のカップリング係数tは、前記コア層と前記
    増幅層間の間隔Wと、前記カップリング領域Cの屈折率
    分布と、前記カップリング領域Cの長さと、により決定
    され、 前記カップリング領域Cの屈折率分布は、前記コア層
    と、前記増幅層と、前記下部クラッド層と、により決定
    される請求項3記載の平面導波路素子型光増幅器。
  8. 【請求項8】 前記カップリング係数tが1に近似する
    場合、前記増幅層の有効増幅率Geffは下記数式1で表
    現され、非カップリング係数r(=l−t)は有効増幅率
    effが利得率Gより大きくなるように設定される請求
    項7記載の平面導波路素子型光増幅器。 【数1】
  9. 【請求項9】 前記下部クラッド層と前記半導体基板は
    シリカ材質で構成される請求項1記載の平面導波路素子
    型光増幅器。
  10. 【請求項10】 前記下部クラッド層は化学蒸着法(C
    VD)により前記半導体基板上に積層される請求項1記
    載の平面導波路素子型光増幅器。
  11. 【請求項11】 平面導波路素子型光増幅器において、 半導体基板と、 前記半導体基板上に形成され、光信号の進行経路になる
    コア層と、 前記半導体基板上に形成されて環状光経路を形成し、前
    記環状光経路に沿って前記コア層からその内部にカップ
    リングされた光信号を増幅する増幅層と、 前記光信号の経路が前記コア層と前記増幅層に限定され
    るように前記コア層と前記半導体基板間に形成され、前
    記コア層と前記増幅層を囲むクラッド層と、からなるこ
    とを特徴とする平面光導波路素子型光増幅器。
  12. 【請求項12】 前記増幅層は光増幅性材質で構成され
    る請求項11記載の平面導波路素子型光増幅器。
  13. 【請求項13】 前記増幅層は、その間にカップリング
    領域Cを形成するように前記コア層の一側面から既設定
    された間隔で離隔されたまま、前記半導体基板上に形成
    される請求項12記載の平面導波路素子型光増幅器。
  14. 【請求項14】 前記増幅層はエルビウム添加されたシ
    リカ材質で構成され、既設定された半径を有する環状形
    態である請求項11記載の平面導波路素子型光増幅器。
  15. 【請求項15】 前記増幅層はエルビウム添加されたシ
    リカ材質で構成され、既設定された半径を有する環状形
    態である請求項12記載の平面導波路素子型光増幅器。
  16. 【請求項16】 前記増幅層はエルビウム添加されたシ
    リカ材質で構成され、既設定された半径を有する環状形
    態である請求項13記載の平面導波路素子型光増幅器。
  17. 【請求項17】 前記コア層のカップリング領域Cを通
    過する光信号のカップリング係数tは、前記コア層と前
    記増幅層間の間隔Wと、前記カップリング領域Cの屈折
    率分布と、前記カップリング領域Cの長さと、により決
    定され、 前記カップリング領域Cの屈折率分布は、前記コア層
    と、前記増幅層と、前記クラッド層の下部により決定さ
    れる請求項13記載の平面導波路素子型光増幅器。
  18. 【請求項18】 前記カップリング係数tが1に近似す
    る場合、前記増幅層の有効増幅率Geffは下記数式2で
    表現され、非カップリング係数r(=l−t)は有効増幅
    率Geffが利得率Gより大きくなるように設定される請
    求項17記載の平面導波路素子型光増幅器。 【数2】
  19. 【請求項19】 平面導波路素子型光増幅器の制作方法
    において、 (a) 半導体基板を準備する過程と、 (b) 前記半導体基板上に下部クラッド層を積層する過
    程と、 (c) 光信号の進行経路になるコア層を前記下部クラッ
    ド層上に積層する過程と、 (d) 環状光経路を形成し、前記環状光経路に沿って前
    記コア層からその内部にカップリングされた光信号を増
    幅する増幅層を前記コア層に隣接させて前記下部クラッ
    ド層上に積層する過程と、 (e) 前記下部クラッド層と共に前記コア層及び前記増
    幅層を囲むように前記増幅層上に上部クラッド層を積層
    する過程と、からなることを特徴とする平面光導波路素
    子型光増幅器の制作方法。
  20. 【請求項20】 前記(d)過程で積層された前記増幅層
    は、エルビウム添加されたシリカ材質で構成され、既設
    定された半径を有する環状形態である請求項19記載の
    平面導波路素子型光増幅器の制作方法。
  21. 【請求項21】 前記(d)過程で積層された前記増幅層
    は、前記(c)過程で積層されたコア層と隣接し、前記コ
    ア層との間にカップリング領域Cを形成するよう既設定
    された間隔で離隔される請求項20記載の平面導波路素
    子型光増幅器の制作方法。
  22. 【請求項22】 前記コア層のカップリング領域Cを通
    過する光信号のカップリング係数tは、前記コア層と前
    記増幅層間の間隔Wと、前記カップリング領域Cの屈折
    率分布と、前記カップリング領域Cの長さと、により決
    定され、 前記カップリング領域Cの屈折率分布は、前記コア層
    と、前記増幅層と、前記クラッド層の下部により決定さ
    れる請求項21記載の平面導波路素子型光増幅器の制作
    方法。
  23. 【請求項23】 前記カップリング係数tが1に近似す
    る場合、前記増幅層の有効増幅率Geffは下記数式3で
    表現され、非カップリング係数r(=l−t)は有効増幅
    率Geffが利得率Gより大きくなるように設定される請
    求項22記載の平面導波路素子型光増幅器の制作方法。 【数3】
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