JP2005064025A - 光学材料、光増幅器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｅｒ等の希土類元素を高濃度に混合しても凝集が発生せず、１．５５μｍの波長帯の光信号を増幅する光増幅器のコア層の材料として好適な光学材料を提供する。
【解決手段】本発明の光学材料は、希土類元素Ｍのアルコキシド（但し、Ｍは、Ｅｒ、Ｅｕ、Ｐｒ及びＹのうちのいずれか１種の元素）を、下記（１）式に示すポリシランに混合して作製されている。
【化１】

但し、Ｒ１ 〜Ｒ４ は、Ｐｈ（フェニル基），Ｍｅ（メチル基），Ｅｔ（エチル基），ＯＭｅ（Ｏ−メチル基），ＯＥｔ（Ｏ−エチル基）又はＯ−Ｓｉ−Ｏ（クロスリンク）
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅器のコア層の材料として好適な光学材料、該光学材料を使用した光増幅器及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高速且つ大容量の信号伝送に石英系の光ファイバが使用されている。光ファイバは信号を伝送する際の損失が少ないものの、長距離の伝送では伝播損及び接続損等が原因で光信号が減衰する。そこで、光信号の減衰を補うために、光増幅器が必要となる。
【０００３】
従来、１．５５μｍの波長帯の光信号の増幅には、エルビウム（Ｅｒ）を石英ファイバにドープしたＥｒドープファイバ増幅器が用いられている。しかし、石英中にＥｒを高濃度にドープすることができないため、十分な利得を確保するためには数ｍ〜数１０ｍのファイバ長が必要となり、光増幅器が大きくなるという欠点がある。
【０００４】
Ｅｒを高濃度にドープできるガラスとして、ビスマス系ガラスが知られている。しかし、ビスマス系ガラスにＥｒをドープして光増幅器を作製しても、母材となるビスマス系ガラスの光学損失が大きいため、光増幅器として要求される仕様を満足することができない。
【０００５】
特開２０００−２０８８５１号公報（特許文献１）には、ポリマ中にユウロビウム（Ｅｕ）を導入した光学材料を用いた光増幅器が提案されている。しかし、この光増幅器は５００ｎｍ〜９００ｎｍの波長帯の光信号の増幅に用いられるものであり、１．５５μｍの波長帯の光信号の増幅に用いることはできない。
【０００６】
ポリマ中にＥｒを導入することも考えられるが、一般的にポリマ中に希土類元素を高濃度に混合すると凝集してしまうという問題が発生し、光損失も大きくなる。また、Ｅｒは３価のイオン状態でのみ１．５５μｍの波長帯で発光し増幅性能を示すが、ポリマ中でイオン状態を保つことが困難であるという問題もある。
【０００７】
Ｔｅｅｍ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社のＴｅｃｈｎｉｃａｌ ａｒｔｉｃｌｅ （非特許文献１）には、Ｅｒを拡散させたガラスを用いた導波路型光増幅器が記載されている。しかし、この導波路型光増幅器は、材料がガラスに限定されることから、一般的に用いることが難しい。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２０８８５１号公報
【非特許文献１】
Ｔｅｅｍ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社（ＵＳＡ） のＴｅｃｈｎｉｃａｌ ａｒｔｉｃｌｅ （Ａｎｄｒｅｗ Ｂｅｎｎ ２００２／３）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、Ｅｒをドープした石英ファイバにより構成されるファイバ増幅器では、ファイバ中にＥｒを高濃度にドープすることができないためにファイバ長が数ｍ〜数１０ｍになり、小型化できない。また、ポリマ中にＥｒを高濃度に導入して光増幅器を作製しようとしても、Ｅｒの凝集を回避することが難しく、且つポリマ中で３価のイオン状態を保つことが困難である。
【００１０】
更に、Ｅｒを拡散させたガラスを用いた導波路型光増幅器は、材料がガラスに限定されることから、一般的に用いることが難しいという問題点がある。
【００１１】
以上から、本発明の目的は、Ｅｒ等の希土類元素を高濃度に混合しても凝集が発生せず、１．５５μｍの波長帯の光信号を増幅する光増幅器のコア層の材料として好適な光学材料を提供することである。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、比較的簡単な工程で製造することができ、小型で大きな増幅効果が得られる光増幅器及びその製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、Ｅｒ等の希土類元素を高濃度に混合することができて、光学損失が小さく、１．５５μｍの波長帯の光信号に対し増幅性能を示す光学材料を提供すべく、種々実験検討を行った。その結果、希土類元素Ｍのアルコキシド（但し、Ｍは、Ｅｒ（エルビウム）、Ｅｕ（ユウロビウム）、Ｐｒ（プラセオジム）及びＹ（イットリウム）のうちのいずれか１種の元素）を、下記（３）式に示すポリシランに混合して作製される光学材料が、光増幅器のコア層の材料として良好な性能を示すとの知見を得た。
【００１４】
【化２】

【００１５】
但し、Ｒ１ 〜Ｒ４ は、Ｐｈ（フェニル基），Ｍｅ（メチル基），Ｅｔ（エチル基），ＯＭｅ（Ｏ−メチル基），ＯＥｔ（Ｏ−エチル基）又はＯ−Ｓｉ−Ｏ（クロスリンク）である。また、Ｒ１ 〜Ｒ４ は相互に異なるものでもよいし、同じでもよい。Ｒ_１ 〜Ｒ_４ がＯ−Ｓｉ−Ｏの結合を持ち、上記のポリシラン基本構造がクロスリンクしていてもよい。
【００１６】
また、希土類元素Ｍのアルコキシド（但し、Ｍは、Ｅｒ、Ｅｕ、Ｐｒ及びＹのうちのいずれか１種の元素）を、下記（４）式に示すアルコキシドから生成される有機無機ハイブリッド材料と混合して作製される光学材料でも、同様の効果を得ることができることが判明した。本発明は、このような実験結果に基づいてなされたものである。
【００１７】
Ｒ−Ｓｉ（ＯＲ_１ ）_３ …（４）
但し、Ｒは、（ＣＸ_２ ）_ｎ −ＣＨ＝ＣＨＣ（＝Ｏ）ＯＲ_２
ｎは、１〜３の整数
Ｒ_１ は、ＣＨ_３ 、Ｃ_２ Ｈ_５ 又はＣ_３ Ｈ_７
Ｒ_２ は、Ｈ、ＣＨ_３ 、ＣＦ_３ 、Ｃ_２ Ｈ_５ 又はＣ_２ Ｆ_５
Ｘは、Ｈ又はＦ。
【００１８】
本発明においては、Ｅｒ等の希土類元素の錯体と有機部分との間に水素結合などの結合が働くため、希土類元素をポリシラン又は有機無機ハイブリッド材料に高濃度に混合することが可能になり、希土類元素の凝集が回避される。これにより、小型で増幅効果が大きい光増幅器を製造することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の光学材料は、Ｅｒ等の希土類元素のアルコキシドを所定のポリシラン又は有機無機ハイブリッド材料に混合して作製されている。また、本発明の光増幅器は、第１のクラッド層と、上述の光学材料を用いて形成されたコア層と、第２のクラッド層とが基板上にこの順に積層されて形成されてなる導波路を有している。この光増幅器では、基板上に第１及び第２のクラッド層、並びにコア層が形成されているので、基板の材質が限定されず、種々の基板を使用することができる。例えば、ガラス基板、プリント配線基板又はシリコン基板などを使用することができる。
【００２０】
本発明の光増幅器は、後述の実施例１，２で示すように、予め調整した液を基板上に塗布して第１及び第２のクラッド層、並びにコア層を形成すればよいので、製造が簡単である。また、コア層に増幅作用を有する希土類元素を均一且つ高濃度に含有しているので、小型で増幅効果が大きい。
【００２１】
以下、本発明に係る光学材料を用いて実際に光増幅器を製造し、その増幅率を調べた結果について説明する。
【００２２】
【実施例１】
まず、コア材料を用意した。すなわち、ジフェニルジクロロシラン及びテトラクロロシランをＴＨＦ（テトラヒドロフラン）中に混合した。そして、この混合液中に更にエルビウム−（２，４−ペンタジオネート）を混合した後、ナトリウム（Ｎａ）を用いてカップリングさせることによって、分子内にエルビウム（Ｅｒ）を有するポリシランを合成した。また、クラッド材料として、屈折率が１．５１のエポキシ樹脂を用意した。
【００２３】
次に、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１０の上に、クラッド材料であるエポキシ樹脂をスピンコートして、屈折率が１．５１、厚さが約８μｍの下部クラッド層１１を形成した。
【００２４】
次に、上述したコア材料を下部クラッド層１１上にスピンコートした後、２００℃の温度で１時間加熱することにより、屈折率が１．５３、厚さが約８μｍのＥｒ混合ポリシランからなるコア層１２を形成した。
【００２５】
更に、コア層１２上にエポキシ樹脂をスピンコートして、屈折率が１．５１、厚さが約７．５〜８μｍの上部クラッド層１３を形成した。
【００２６】
次に、上部クラッド層１３の上にアルミニウム膜をスパッタ法により形成した後、フォトリソグラフィ法によりアルミニウム膜をパターニングして、図１（ｂ）に示すように、メタルマスク１４を形成した。
【００２７】
次に、メタルマスク１４を保護層として上部クラッド層１３及びコア層１２をエッチングし、更に下部クラッド層１１を若干エッチングして、図１（ｃ）に示すように、幅が約８μｍ、長さが約１０ｃｍの導波路１８を形成した。その後、酢酸−硝酸−燐酸−水の混合液でメタルマスク１４をエッチング除去した。
【００２８】
次いで、図２（ａ）に上面図、図２（ｂ）に側面図を示すように，導波路１８の両端に光ファイバー１９を光結合し、ケース３０内に封入した。
【００２９】
このようにして製造した光増幅器に対し、光カプラを用いて波長が９８０ｎｍの励起光と波長が１．５５μｍの信号光とを混合し、光増幅器の導波路１８に導入した。その結果、入射光のパワーが１ｍＷであるのに対し、パワーが１．５ｍＷの出射光が観測された。すなわち、１０ｃｍの導波路で約１．７ｄＢの増幅効果が得られた。
【００３０】
【実施例２】
まず、コア材料を用意した。すなわち、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、エルビウム−（２， ４−ペンタジオネート）及びポリ（シクロヘキシル）シランを酢酸エチルに溶解した後、水を加えて加水分解を行い、ゾルゲル液を作成した。また、クラッド材料として、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランを加水分解したゾルゲル液を用意した。
【００３１】
次に、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１０上にクラッド材料であるゾルゲル液をスピンコートし、その後２００℃の温度で１時間加熱することで、屈折率が１．４９、厚さが約８μｍの有機無機ハイブリッド材料からなる下部クラッド層２１を形成した。
【００３２】
次に、下部クラッド層２１の上に、上述したコア材料のゾルゲル液をスピンコートし、その後２００℃の温度で加熱することによって、屈折率が１．５１、厚さが約８μｍのコア層２２を形成した。
【００３３】
次に、コア層２２の上に、クラッド材料であるゾルゲル液をスピンコートして、屈折率が１．４９、厚さが約８μｍの有機無機ハイブリッド材料からなる上部クラッド層２３を作成した。
【００３４】
次に、上部クラッド層２３の上にアルミニウム膜をスパッタ法により形成した後、フォトリソグラフィ法によりアルミニウム膜をパターニングして、図３（ｂ）に示すように、メタルマスク２４を形成した。
【００３５】
次に、メタルマスク２４を保護層として上部クラッド層２３、コア層２２をエッチングし、更に下部クラッド層２１を若干エッチングして、図３（ｃ）に示すように、幅が約８μｍ、長さが約１０ｃｍの導波路２８を形成した。その後、酢酸−硝酸−燐酸−水の混合液でメタルマスク２４をエッチング除去した。
【００３６】
次に、導波路２８に、波長が２５４ｎｍのＵＶ光を照射した後、２００℃の温度でベーキング処理を施した。このＵＶ照射及びベーキング処理により上部クラッド層２３、コア層２２及び下部クラッド層２１の膜質が安定する。この工程は必須ではないが、光増幅効果をより確実に得るために、実施することが好ましい。
【００３７】
次いで、実施例１と同様に、導波路２８の両端に光ファイバーを光結合して、ケース内に封入した。
【００３８】
このようにして製造した光増幅器に対し、光カプラを用いて波長が９８０ｎｍの励起光と波長が１．５５μｍの信号光を混合し、光増幅器の導波路２８に導入した。その結果、入射光のパワーが１ｍＷであるのに対し、パワーが２．５ｍＷの出射光が観測された。すなわち、１０ｃｍの導波路で約４ｄＢの増幅効果が得られた。
【００３９】
なお、本発明は上述した実施例１，２に限定されるものではなく、上記以外の薬品を用いて実施することも可能である。
【００４０】
（付記１）希土類元素Ｍのアルコキシド（但し、Ｍは、Ｅｒ、Ｅｕ、Ｐｒ及びＹのうちのいずれか１種の元素）を、下記（５）式に示すポリシランに混合して作製されたことを特徴とする光学材料。
【００４１】
【化３】

【００４２】
但し、Ｒ１ 〜Ｒ４ は、Ｐｈ（フェニル基），Ｍｅ（メチル基），Ｅｔ（エチル基），ＯＭｅ（Ｏ−メチル基），ＯＥｔ（Ｏ−エチル基）又はＯ−Ｓｉ−Ｏ（クロスリンク）
（付記２） 希土類元素Ｍのアルコキシド（但し、Ｍは、Ｅｒ、Ｅｕ、Ｐｒ及びＹのうちのいずれか１種の元素）を、下記（６）式に示すアルコキシドから生成された有機無機ハイブリッド材料に混合して作製されたことを特徴とする光学材料。
Ｒ−Ｓｉ（ＯＲ_１ ）_３ …（６）
但し、Ｒは、（ＣＸ_２ ）_ｎ −ＣＨ＝ＣＨＣ（＝Ｏ）ＯＲ_２
ｎは、１〜３の整数
Ｒ_１ は、ＣＨ_３ 、Ｃ_２ Ｈ_５ 又はＣ_３ Ｈ_７
Ｒ_２ は、Ｈ、ＣＨ_３ 、ＣＦ_３ 、Ｃ_２ Ｈ_５ 又はＣ_２ Ｆ_５
Ｘは、Ｈ又はＦ。
【００４３】
（付記３）コア層と、該コア層の周囲を覆うクラッド層とにより構成される光導波路を有する光増幅器において、前記コア層が付記１又は２に記載の光学材料により形成されていることを特徴とする光増幅器。
【００４４】
（付記４）基板上に第１のクラッド層を形成する工程と、前記第１のクラッド層上に、付記１又は２に記載の光学材料を塗布してコア層を形成する工程と、前記コア層の上に第２のクラッド層を形成する工程と、前記第２のクラッド層及び前記コア層をパターニングして導波路を形成する工程とを有することを特徴とする光増幅器の製造方法。
【００４５】
（付記５）前記第１及び第２のクラッド層、並びに前記コア層に対し、ＵＶ照射を行う工程を有することを特徴とする付記４に記載の光増幅器の製造方法。
【００４６】
（付記６）前記第１及び第２のクラッド層、並びに前記コア層に対しベーキング処理を施す工程を有することを特徴とする付記５に記載の光増幅器の製造方法。
【００４７】
（付記７）前記第１及び第２のクラッド層をエポキシ樹脂により形成することを特徴とする付記４に光増幅器の製造方法。
【００４８】
（付記８）前記第１及び第２のクラッド層を有機無機ハイブリッド材料により形成することを特徴とする付記４に記載の光増幅器の製造方法
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学材料は、Ｅｒ等の希土類元素のアルコキシドを所定のポリシラン又は有機無機ハイブリッド材料に混合して作製されているので、希土類元素をポリシラン又は有機無機ハイブリッド材料に高濃度に混合することが可能である。これにより、小型であり、且つ１．５５μｍの波長帯の光信号に対する増幅効果が大きい光増幅器を容易に製造することができて、製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は実施例１に係る光増幅器の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図２】図２（ａ）はケース内に封入した実施例１に係る光増幅器を示す上面図、図２（ｂ）は同じくその側面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は実施例２に係る光増幅器の製造方法を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
１０…シリコン基板、
１１，２１…下部クラッド層、
１２，２２…コア層、
１３，２３…上部クラッド層、
１４，２４…メタルマスク、
１８，２８…導波路、
１９…光ファイバー、
３０…ケース。

Claims (4)

1. 希土類元素Ｍのアルコキシド（但し、Ｍは、Ｅｒ、Ｅｕ、Ｐｒ及びＹのうちのいずれか１種の元素）を、下記（１）式に示すポリシランに混合して作製されたことを特徴とする光学材料。
   

   

   但し、Ｒ１ 〜Ｒ４ は、Ｐｈ（フェニル基），Ｍｅ（メチル基），Ｅｔ（エチル基），ＯＭｅ（Ｏ−メチル基），ＯＥｔ（Ｏ−エチル基）又はＯ−Ｓｉ−Ｏ（クロスリンク）
2. 希土類元素Ｍのアルコキシド（但し、Ｍは、Ｅｒ、Ｅｕ、Ｐｒ及びＹのうちのいずれか１種の元素）を、下記（２）式に示すアルコキシドから生成された有機無機ハイブリッド材料に混合して作製されたことを特徴とする光学材料。
   Ｒ−Ｓｉ（ＯＲ_１ ）_３ …（２）
   但し、Ｒは、（ＣＸ_２ ）_ｎ −ＣＨ＝ＣＨＣ（＝Ｏ）ＯＲ_２
   ｎは、１〜３の整数
   Ｒ_１ は、ＣＨ_３ 、Ｃ_２ Ｈ_５ 又はＣ_３ Ｈ_７
   Ｒ_２ は、Ｈ、ＣＨ_３ 、ＣＦ_３ 、Ｃ_２ Ｈ_５ 又はＣ_２ Ｆ_５
   Ｘは、Ｈ又はＦ
3. コア層と、該コア層の周囲を覆うクラッド層とにより構成される光導波路を有する光増幅器において、前記コア層が請求項１又は２に記載の光学材料により形成されていることを特徴とする光増幅器。
4. 基板上に第１のクラッド層を形成する工程と、
   前記第１のクラッド層上に、請求項１又は２に記載の光学材料を塗布してコア層を形成する工程と、
   前記コア層の上に第２のクラッド層を形成する工程と、
   前記第２のクラッド層及び前記コア層をパターニングして導波路を形成する工程とを有することを特徴とする光増幅器の製造方法。

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