JP2005217007A - Plane optical waveguide for optical amplifier - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a means for suppressing clustering of rare earth element ions, and realizing a higher optical amplification rate and a wide amplification band width in increasing an additive rate of the rare earth element ions added into a core base metal as an amplification medium in a plane optical waveguide that can be used for an optical amplifier. <P>SOLUTION: In the optical waveguide in this form, composition elements of a waveguide core are set to be a rare earth element and elements other than the base metal. At least one element among Sc, Y and La, which belong to a group IIIA is added, and the elements other than the group IIIA are not added. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、平面型コア・クラッド導波路形状を有する光導波路に関し、特には、平面型導波路コアは、母材ガラス材料中に光増幅媒体として、例えば、1.5μm帯における光増幅作用を有する希土類元素を添加している、1.5μm帯用光増幅器に利用可能な光導波路に関する。   The present invention relates to an optical waveguide having a planar core / clad waveguide shape, and in particular, the planar waveguide core has an optical amplification function in a 1.5 μm band, for example, as an optical amplification medium in a base material glass material. The present invention relates to an optical waveguide that can be used in an optical amplifier for a 1.5 μm band to which a rare earth element is added.

情報を光強度変化に変換する形態の光信号について、一旦、光信号を電気信号に変換し、再度、増幅された光信号へ変換するO/E変換型増幅方法と異なり、光増幅器は、電気回路を通さずに、光信号を直接増幅するが可能である。加えて、光増幅器は、その増幅波長帯域幅を比較的に広い帯域幅とすることも可能であり、近年の長距離の波長多重通信において、伝送経路内のロスに伴い減衰する光信号を増幅する上で、非常に重要なデバイスとなっている。現在の光伝送システムで利用されている光増幅器は、石英ファイバのコアに添加されたエルビウム等の希土類元素を増幅媒体に利用する、希土類元素添加ファイバ型光増幅器が主流であり、増幅に関与するファイバが長く、装置自体の小型化には難を有するものの、高い増幅利得や低いノイズ特性を有する高品質な増幅特性を示すものが提供されている。   Unlike an O / E conversion type amplification method that converts an optical signal into an electrical signal and converts it again into an amplified optical signal for an optical signal in the form of converting information into light intensity change, an optical amplifier is an electrical signal. It is possible to directly amplify an optical signal without passing through a circuit. In addition, optical amplifiers can have a relatively wide amplification wavelength bandwidth, and amplify optical signals that are attenuated due to loss in the transmission path in recent long-distance wavelength division multiplexing communications. It has become a very important device. The optical amplifier used in the current optical transmission system is mainly a rare earth element-doped fiber type optical amplifier that uses a rare earth element such as erbium added to the core of the silica fiber as an amplification medium, and is involved in amplification. Although the fiber is long and difficult to reduce the size of the device itself, there is provided one that exhibits high quality amplification characteristics having high amplification gain and low noise characteristics.

一方、将来的には、光増幅器の励起用レーザ光源を含め、光増幅器ユニットの小型化、ならびに、複数の光増幅器ユニットを集積・一体化したモジュール化を図ることを念頭に入れ、従来の希土類元素添加ファイバ型光増幅器に代えて、平面型光導波路のコアに、所望の波長域において増幅媒体として利用可能な希土類元素を添加した材料を利用する、平面型光導波路形状の光増幅器の開発が、進められている。   On the other hand, in the future, with the aim of downsizing the optical amplifier unit, including the laser light source for pumping optical amplifiers, and modularizing the integrated and integrated multiple optical amplifier units, In place of element-doped fiber optical amplifiers, planar optical waveguide-shaped optical amplifiers have been developed that use materials with rare-earth elements added to the core of planar optical waveguides as amplification media in the desired wavelength range. Is underway.

増幅媒体として利用可能な希土類元素を添加した材料を利用する、平面型光導波路形状の光増幅器においても、その光増幅原理自体は、従来の希土類元素添加ファイバ型光増幅器と同じである。具体的には、コア中に添加されている希土類元素イオン、例えば、Er3+イオンに対して、基底状態415/2から、光学的遷移が許容されている励起状態411/2への吸収に相当する、励起光を照射し、励起状態411/2へと励起すると、その後、非放射性緩和過程を経ることで、準安定励起状態413/2へと変換される。この準安定励起状態413/2から、基底状態415/2への非放射性緩和、あるいは、自発的な光学的遷移の確率は低いため、強い光強度の励起光を照射すると、基底状態415/2における占有比率と比較して、準安定励起状態413/2に存在する比率が増す、反転分布が達成される。この反転分布が達成されている状態において、外部から、準安定励起状態413/2から、基底状態415/2への光学的遷移エネルギーに相当する光を注入すると、誘導放射が起こり、外部より注入される光の同波長の誘導放射光が発生する。また、かかる誘導放射自体は、入射光の強度にも依存し、直線性の高い光増幅が達成される。 Even in a planar optical waveguide-shaped optical amplifier using a rare earth element-added material that can be used as an amplifying medium, the optical amplification principle itself is the same as that of a conventional rare earth element-added fiber optical amplifier. Specifically, an excited state 4 I 11/2 in which an optical transition is allowed from the ground state 4 I 15/2 to a rare earth element ion added to the core, for example, Er 3+ ions. Excitation to the excited state 4 I 11/2 , which is equivalent to the absorption of, is then converted to the metastable excited state 4 I 13/2 through a non-radiative relaxation process . The probability of non-radiative relaxation from this metastable excited state 4 I 13/2 to the ground state 4 I 15/2 or spontaneous optical transition is low, so when excitation light with strong light intensity is irradiated, compared to occupation ratio in the state 4 I 15/2, it increases the ratio present in a metastable excited state 4 I 13/2, population inversion is achieved. In the state where this inversion distribution is achieved, stimulated emission occurs when light corresponding to the optical transition energy from the metastable excited state 4 I 13/2 to the ground state 4 I 15/2 is injected from the outside. Then, the induced radiation of the same wavelength as the light injected from the outside is generated. Such stimulated radiation itself also depends on the intensity of incident light, and optical amplification with high linearity is achieved.

一方、母材中に添加されている希土類元素イオン、例えば、Er3+イオンは、その周囲を占める配位負イオンの配位状態には微視的なバラツキがあり、その微視的なバラツキに起因して、個々のEr3+イオンにおいては、配位負イオンの配位状態に起因するシュタルク効果に由来した、各準位のエネルギーに微小な変異が生じている。この配位負イオンの配位状態に由来する各準位のエネルギー分布(拡がり幅)を利用することで、その増幅波長帯域幅を比較的に広い帯域幅とすることが可能となっている。従って、増幅効率を高める、あるいは、増幅波長帯域幅を増す上では、単位体積当たりに添加されている希土類元素イオン、例えば、Er3+イオンの濃度を増すことが必要となるが、濃度を増した際、添加されている希土類元素イオン、例えば、Er3+イオン複数がクラスター状に存在する状況が生じると、次に紹介する現象により、増幅効率の向上が妨げられる。 On the other hand, rare earth element ions added to the base material, such as Er 3+ ions, have a microscopic variation in the coordination state of coordination negative ions occupying the periphery, and the microscopic variation. As a result, in each Er 3+ ion, a minute variation occurs in the energy of each level resulting from the Stark effect resulting from the coordination state of the coordination negative ion. By utilizing the energy distribution (expansion width) of each level derived from the coordination state of this coordinated negative ion, it is possible to make the amplification wavelength bandwidth relatively wide. Therefore, in order to increase amplification efficiency or increase the amplification wavelength bandwidth, it is necessary to increase the concentration of rare earth element ions added per unit volume, for example, Er 3+ ions. In this case, if a situation occurs in which a plurality of added rare earth element ions, for example, Er 3+ ions, are present in a cluster shape, improvement of amplification efficiency is hindered by the phenomenon introduced below.

すなわち、添加されている希土類元素イオン、例えば、Er3+イオン複数がクラスター状に存在すると、隣接するEr3+イオン間において、エネルギー移動がより起こり易くなる。例えば、準安定励起状態413/2にあるEr3+イオン二つの間でエネルギー移動が起こると、一方のEr3+イオンは、励起エネルギーを失い、基底状態415/2となり、他のEr3+イオンは、エネルギー移動に伴い、準安定励起状態413/2からさらに高い励起状態、例えば、49/2へと励起される。その後、この高い励起状態49/2から、非放射性緩和過程を経ることで、準安定励起状態413/2へと再び戻るが、全体的にみると、当初、準安定励起状態413/2にあるEr3+イオン二つが、その間でのエネルギー移動の結果、最終的には、準安定励起状態413/2にあるEr3+イオン一つとなっている。従って、平面型光導波路形状の光増幅器において、増幅効率を高めるとともに、増幅波長帯域幅を増すためには、コア中に添加されている希土類元素イオン、例えば、Er3+イオンの濃度を増した際、添加される希土類元素イオン、例えば、Er3+イオンのクラスター化を抑制することが必要となり、これまでにも、幾つかの検討がなされている。 That is, when a rare earth element ion to be added, for example, a plurality of Er 3+ ions is present in a cluster shape, energy transfer is more likely to occur between adjacent Er 3+ ions. For example, the energy transfer occurs between the Er 3+ ions two in metastable excited state 4 I 13/2, one Er 3+ ions lose excitation energy, ground state 4 I 15/2, and the other The Er 3+ ions are excited from the metastable excited state 4 I 13/2 to a higher excited state, for example, 4 I 9/2 , with energy transfer. Then, this high excitation state 4 I 9/2, by going through non-radioactive relaxation process, the process returns again to the metastable excited state 4 I 13/2, Overall, initially metastable excited state 4 Er 3+ ions two in I 13/2 is a result of energy transfer between them, in the end, and has a Er 3+ ions, one in the metastable excited state 4 I 13/2. Therefore, in the optical amplifier of the planar optical waveguide shape, in order to increase the amplification efficiency and increase the amplification wavelength bandwidth, the concentration of rare earth element ions added to the core, for example, Er 3+ ions is increased. At this time, it is necessary to suppress clustering of added rare earth element ions, for example, Er 3+ ions, and some studies have been made so far.

同時に、平面型光導波路形状の光増幅器においては、内部で増幅された光をコア内により多く閉じ込める状態を達成し、全体的なロスを低減することも必要である。すなわち、コアと、その周囲に取り巻くクラッドとの間に、所望の屈折率差を形成することで、良好な屈折率導波条件を達成する必要がある。   At the same time, in a planar optical waveguide-shaped optical amplifier, it is necessary to achieve a state in which more internally amplified light is confined in the core and to reduce the overall loss. That is, it is necessary to achieve a favorable refractive index waveguide condition by forming a desired refractive index difference between the core and the cladding surrounding the core.

前記の種々の要請を達成する目的で、コア中に添加される希土類元素イオン、例えば、Er3+イオンに加えて、ホストとなる母材中に、他の元素を共添加する手法が幾つか提案されている。表1に、希土類元素イオンに加えて、他の元素を共添加する手法の代表的な従来例をまとめる。 In order to achieve the various requirements described above, there are several techniques for co-adding other elements into the host base material in addition to the rare earth element ions added to the core, such as Er 3+ ions. Proposed. Table 1 summarizes typical conventional examples of techniques for co-adding other elements in addition to rare earth element ions.

第一の従来例は、導波路のコア母材の石英ガラス中に、リン(P25)を添加するものである(特許文献1、非特許文献1参照)。リン(P25)の添加は、コア母材の屈折率を増大する機能と共に、添加される希土類元素イオンの溶融量を増大する効果も有する。そのため、添加される希土類元素イオン濃度を高くした際に、希土類元素イオンのクラスター化が起こりにくい。コア/クラッド間の屈折率差Δnの増大、ならびに、高濃度添加される希土類元素イオンのクラスター化防止の効果に伴って、添加される希土類元素イオン濃度を高することで、単位長さ当たりの増幅率を増大させることを可能としている。 In the first conventional example, phosphorus (P 2 O 5 ) is added to quartz glass as a core base material of a waveguide (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). The addition of phosphorus (P 2 O 5 ) has the function of increasing the refractive index of the core base material and also has the effect of increasing the melting amount of the added rare earth element ions. For this reason, when the concentration of the rare earth element ions to be added is increased, the rare earth element ions are less likely to be clustered. By increasing the concentration of the rare earth element ions added along with the increase in the refractive index difference Δn between the core / cladding and the effect of preventing clustering of the rare earth element ions added at a high concentration, It is possible to increase the amplification factor.

第二の従来例には、導波路のコア母材の石英ガラス中に、Al(Al23)とP(P25)を添加したものが検討されている(非特許文献2、非特許文献3参照)。Al(Al23)とP(P25)の共添加は、添加される希土類元素イオンのクラスター化を抑制する効果を有し、従って、添加される希土類元素イオン濃度を高する際、高い励起光強度を選択する場合でも、励起効率特性の劣化を抑制する作用を示す。 In the second conventional example, a material in which Al (Al 2 O 3 ) and P (P 2 O 5 ) are added to quartz glass as a core material of a waveguide has been studied (Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3). The co-addition of Al (Al 2 O 3 ) and P (P 2 O 5 ) has an effect of suppressing clustering of added rare earth element ions, and therefore, when increasing the concentration of added rare earth element ions. Even when a high excitation light intensity is selected, the effect of suppressing deterioration of excitation efficiency characteristics is exhibited.

第三の従来例は、導波路のコア母材の石英ガラス中に、Al(Al23)とLa(La23)を添加したものである(特許文献2参照)。Al(Al23)とLa(La23)の添加は、コアの屈折率を増大させる機能に加え、石英ガラス中に添加される希土類元素イオンのクラスター化を抑制する効果を有している。 In a third conventional example, Al (Al 2 O 3 ) and La (La 2 O 3 ) are added to quartz glass as a core base material of a waveguide (see Patent Document 2). The addition of Al (Al 2 O 3 ) and La (La 2 O 3 ) has the effect of suppressing the clustering of rare earth element ions added to quartz glass in addition to the function of increasing the refractive index of the core. ing.

第四の従来例は、コア/クラッド間の屈折率差Δnを大きくするため、コア母材自体をアルミナ(Al23)とし、このアルミナ(Al23)中に、光増幅用元素として、希土類元素や、Cr、Tiのイオンを添加する事例である(特許文献3)。 In the fourth conventional example, in order to increase the refractive index difference Δn between the core and the clad, the core base material itself is alumina (Al 2 O 3 ), and the optical amplification element is contained in the alumina (Al 2 O 3 ). As an example, a rare earth element or Cr or Ti ions are added (Patent Document 3).

Figure 2005217007
Figure 2005217007
特開平9−021922号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-021922 特開平9−105965号公報JP-A-9-105965 特開平6−77578号公報JP-A-6-77578 Kuninori Hattori 他, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL.80, 1996年, 5301ページ〜5308ページKuniori Hattori et al., JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL. 80, 1996, pages 5301-5308 Fabrizio Di Pasquale他, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.13, No.9, 1995年,1858ページ〜1864ページFabrizio Di Pasquale et al., JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 13, no. 9, 1995, pages 1858-1864 C.E. Chryssou他, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.6, No.1, 2000年,114ページ〜121ページC. E. Chryssou et al., IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 6, no. 1, 2000, 114-121 pages

上に説明した従来の手法においても、幾つか更に改善すべき課題を残している。例えば、導波路のコア母材の石英ガラス中に、リン(P25)を添加する第一の従来例(特許文献1、非特許文献1)においては、グラッドとコアとの間の屈折率差Δnを増すため、コア中へのリン(P25)添加率を高くすると、低添加率の場合と比較すると、増幅帯域幅が減少してしまうという新たな課題が生じている。 The conventional method described above still has some problems to be improved. For example, in the first conventional example (Patent Document 1, Non-Patent Document 1) in which phosphorus (P 2 O 5 ) is added to quartz glass of the core material of the waveguide, the refraction between the grad and the core is performed. When the addition rate of phosphorus (P 2 O 5 ) into the core is increased in order to increase the rate difference Δn, a new problem arises that the amplification bandwidth is reduced as compared with the case of a low addition rate.

一方、コア母材の石英ガラス中に、Al(Al23)とP(P25)とを共添加する第二の従来例(非特許文献2、非特許文献3)では、非特許文献3に報告されているように、その屈折率増加は、クラッド母材の石英ガラスの屈折率nSiO2(約1.46)の2%程度である。さらには、非特許文献3に報告される事例では、コア母材の石英ガラス中に、Al(Al23)とP(P25)とを共添加している際、光増幅に利用される希土類元素イオン、例えば、Er3+イオンにおけるフォトルミネッセンスの発光断面積は、他のコア材料、例えば、アルミナ中に添加する場合よりも、小さくなっている。一般に、フォトルミネッセンスの発光断面積が小さくなると、光増幅率も低下する傾向を示すので、高い光増幅率を達成する上では望ましいものではない。 On the other hand, in the second conventional example (Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3) in which Al (Al 2 O 3 ) and P (P 2 O 5 ) are co-added into the quartz glass of the core base material, As reported in Patent Document 3, the increase in the refractive index is about 2% of the refractive index n SiO2 (about 1.46) of the quartz glass of the clad base material. Furthermore, in the case reported in Non-Patent Document 3, when Al (Al 2 O 3 ) and P (P 2 O 5 ) are co-added to the quartz glass of the core base material, optical amplification is performed. The emission cross section of the photoluminescence in the rare earth element ions used, such as Er 3+ ions, is smaller than when added to other core materials such as alumina. In general, when the light emission cross-sectional area of photoluminescence is reduced, the optical amplification factor tends to decrease, which is not desirable for achieving a high optical amplification factor.

以上のように、光増幅器ユニットの小型化を目標として、開発が進められている、コアに希土類元素イオンを添加した平面光導波路型の光増幅器においては、コア中に添加される希土類元素イオンの濃度を高めることで、単位長さ当たりの増幅率を大きくすることが必要である。同時に、コア内の光閉じ込め率を維持するため、コア/クラッド間の屈折率差Δnを所定の範囲とすることも必要となる。一方、波長多重光通信システムへの利用を考慮すると、高い増幅利得に加えて、より広い増幅帯域幅をも必要となり、高濃度添加される希土類元素イオンに対して、共添加した際、増幅帯域幅を増大する効果を有する元素イオンを探索する必要がある。すなわち、平面光導波路型の光増幅器において、そのコア中に添加される希土類元素イオンの濃度を高めた際に、添加される希土類元素イオンのクラスター化の抑制にも寄与し、適正なコア/クラッド間の屈折率差Δnの形成、添加される希土類元素イオンのクラスター化の抑制を介して、高い増幅利得の達成、ならびに、増幅帯域幅を増大する効果のいずれにも好適な、コア中に共添加可能な元素イオン探索する必要がある。   As described above, in a planar optical waveguide type optical amplifier in which a rare earth element ion is added to the core, which is being developed with the goal of downsizing the optical amplifier unit, the rare earth element ion added to the core It is necessary to increase the amplification factor per unit length by increasing the concentration. At the same time, in order to maintain the optical confinement ratio in the core, it is also necessary to set the refractive index difference Δn between the core and the clad within a predetermined range. On the other hand, when considering use in a wavelength division multiplexing optical communication system, in addition to a high amplification gain, a wider amplification bandwidth is required. There is a need to search for elemental ions that have the effect of increasing the width. That is, in the planar optical waveguide type optical amplifier, when the concentration of the rare earth element ions added to the core is increased, it contributes to the suppression of clustering of the rare earth element ions added, and the appropriate core / cladding Through the formation of the refractive index difference Δn between them, the suppression of clustering of the added rare earth element ions, the achievement of high amplification gain, and the effect of increasing the amplification bandwidth. It is necessary to search for element ions that can be added.

本発明は上記の課題を解決するもので、本発明の目的は、コア母材中に添加することにより、適正なコア/クラッド間の屈折率差Δnの形成に利用でき、一方、添加される希土類元素イオンのクラスター化の抑制を介して、高い増幅利得の達成にも寄与し、さらには、添加される希土類元素イオンによる光増幅過程において、その増幅帯域幅を増大する効果をも併せ持つ、光増幅媒体となる希土類元素イオンと共添加可能な元素イオンを利用している、光増幅器に利用可能な光導波路を提供することにある。特には、クラッドに石英ガラス層を利用する際、コアの母材として、石英材料を利用して、例えば、1.5μm帯用光増幅器に利用可能な光導波路を達成する上で、前記の特質を有する、光増幅媒体となる希土類元素イオンと共添加可能な元素イオンを利用して、コア領域を構成している光導波路を提供することにある。   The present invention solves the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to add to the core base material so that it can be used to form an appropriate refractive index difference Δn between the core and the clad. It contributes to the achievement of high amplification gain through suppression of clustering of rare earth ions, and also has the effect of increasing the amplification bandwidth in the optical amplification process by added rare earth ions. An object of the present invention is to provide an optical waveguide that can be used for an optical amplifier that uses an element ion that can be co-added with a rare earth element ion serving as an amplification medium. In particular, when a quartz glass layer is used for the cladding, a quartz material is used as a base material of the core, and for example, the above-mentioned characteristics are achieved in order to achieve an optical waveguide that can be used for an optical amplifier for a 1.5 μm band. It is an object of the present invention to provide an optical waveguide having a core region using element ions that can be added together with rare earth element ions serving as an optical amplification medium.

上記の課題を解決すべく、本発明者らは、先ず、従来の手法における問題点をより明確化するため、検討を行った。コアの母材石英ガラス中に、Er3+イオンに加えて、Al(Al23)を種々の比率で共添加した材料をスパッタ法で作製した。すなわち、Er3+イオン濃度を、Er23として0.5mol%、ホストの(SiO2+Al23)を99.5mol%の比率に保ちつつ、ホスト(SiO2+Al23)中におけるSiO2とAl23の比率を種々に変化させたスパッタ成長膜を作製し、そのフォトルミネッセンス測定を行った。励起光は、波長980nm、強度200mWの条件において測定された、波長1.55μmのフォトルミネッセンス強度を、ホスト(SiO2+Al23)中におけるAl23の含有比率に対して、プロットすると、図2に示す結果が得られた。ホスト(SiO2+Al23)中に添加されるAl23の比率を増すと、屈折率が増加し、また、添加されるEr3+イオンのクラスター化を抑制する効果を有するものの、Al23の含有比率が増すとともに、Er3+イオンに由来する波長1.55μmのフォトルミネッセンス強度が減少することが判明した。なお、図2に示す結果においては、ホスト(SiO2+Al23)中におけるAl23の含有比率が15mol%を超えると、Er3+イオンに由来する波長1.55μmのフォトルミネッセンス強度のさらなる低減は生じていないが、ホスト中におけるAl23の含有比率が100mol%、すなわち、コア母材をアルミナとする場合における、Er3+イオンに由来する波長1.55μmのフォトルミネッセンス強度も、この低い水集となることが判明した。結論として、コア母材へのAl23添加は、光増幅効率を向上する目的では、必ずしも好ましいものでないと判断される。 In order to solve the above problems, the present inventors first studied to clarify the problems in the conventional method. Materials in which Al (Al 2 O 3 ) was co-added at various ratios in addition to Er 3+ ions in the core quartz glass were prepared by sputtering. That is, the Er 3+ ion concentration, 0.5 mol% as Er 2 O 3, while keeping the host (SiO 2 + Al 2 O 3 ) in a ratio of 99.5 mol%, in the host (SiO 2 + Al 2 O 3 ) Sputter-grown films with various ratios of SiO 2 and Al 2 O 3 were prepared, and the photoluminescence was measured. When the excitation light is measured at a wavelength of 980 nm and an intensity of 200 mW, the photoluminescence intensity at a wavelength of 1.55 μm is plotted against the content ratio of Al 2 O 3 in the host (SiO 2 + Al 2 O 3 ). The result shown in FIG. 2 was obtained. Increasing the ratio of Al 2 O 3 added to the host (SiO 2 + Al 2 O 3 ) increases the refractive index and has the effect of suppressing clustering of the added Er 3+ ions, It was found that as the content ratio of Al 2 O 3 increases, the photoluminescence intensity at a wavelength of 1.55 μm derived from Er 3+ ions decreases. In the results shown in FIG. 2, when the content ratio of Al 2 O 3 in the host (SiO 2 + Al 2 O 3 ) exceeds 15 mol%, the photoluminescence intensity at a wavelength of 1.55 μm derived from Er 3+ ions. Is not yet reduced, but the content ratio of Al 2 O 3 in the host is 100 mol%, that is, the photoluminescence intensity at a wavelength of 1.55 μm derived from Er 3+ ions when the core base material is alumina. Also turned out to be this low water collection. In conclusion, it is judged that the addition of Al 2 O 3 to the core base material is not always preferable for the purpose of improving the optical amplification efficiency.

加えて、平面型光導波路の作製に際し、基板として、Si基板1を利用し、例えば、図1に示すように、矩形断面のコア3の周囲を、下クラッド層2ならびに上クラッド層4として、石英ガラス層で取り囲む形状とする場合、矩形断面のコア3を構成するホスト材料として、Al(Al23)やP(P25)を高い比率で添加した石英ガラス材料を利用すると、この矩形断面のコア3には、基板面と平行な方向に大きな歪み応力が加わるものとなる。すなわち、Si基板1上に成膜されている、石英ガラス膜からなる下クラッド層2自体、Si基板1に対して、基板面と平行な方向に大きな歪み応力が加わっている。加えて、Al(Al23)やP(P25)を高い比率で添加した石英ガラス材料と、石英ガラス材料との間にも、その組成差に伴い、同方向の歪み応力が発生しており、全体として、下クラッド層2ならびに上クラッド層4に取り囲まれている矩形断面のコア3には、基板面と平行な方向に、より大きな歪み応力が加わるものとなる。結果的に、基板面と平行な方向に加わっている、大きな歪み応力は、誘電率テンソルの異方性を引き起こし、複屈折を生じさせる、つまり、平面型光導波路のコア領域における光導波特性に偏光依存性を引き起こす要因ともなる。 In addition, when the planar optical waveguide is manufactured, the Si substrate 1 is used as a substrate. For example, as shown in FIG. 1, the periphery of the core 3 having a rectangular cross section is formed as the lower cladding layer 2 and the upper cladding layer 4. When using a quartz glass material in which Al (Al 2 O 3 ) or P (P 2 O 5 ) is added at a high ratio as a host material constituting the rectangular cross-section core 3 when the shape is surrounded by a quartz glass layer, A large strain stress is applied to the rectangular core 3 in a direction parallel to the substrate surface. That is, a large strain stress is applied to the Si clad 1 on the lower clad layer 2 itself made of a quartz glass film formed on the Si substrate 1 in a direction parallel to the substrate surface. In addition, there is a strain stress in the same direction between the quartz glass material to which Al (Al 2 O 3 ) or P (P 2 O 5 ) is added at a high ratio and the quartz glass material due to the difference in composition. As a whole, a larger strain stress is applied to the core 3 having a rectangular cross section surrounded by the lower cladding layer 2 and the upper cladding layer 4 in a direction parallel to the substrate surface. As a result, the large strain stress applied in the direction parallel to the substrate surface causes anisotropy of the dielectric constant tensor and birefringence, that is, the optical waveguide characteristics in the core region of the planar optical waveguide. It also becomes a factor causing polarization dependence.

従って、図1に示す断面形状の平面型光導波路を作製する際、下クラッド層2ならびに上クラッド層4として、石英ガラス層を利用した際、コア母材の石英ガラス(SiO2)に添加が必要な成分として、より低い添加量で所望のクラッドとコアとの屈折率差Δnを達成することができ、また、その際、石英ガラス材料との間でが、その組成差に伴い、Si基板1に対して、石英ガラス膜からなる下クラッド層2が受けている歪み応力の方向とは、反対の歪み応力が生じ、結果的に、コア領域においては、基板面と平行な方向に加わっている、歪み応力の緩和がなされる成分の添加が望ましい。勿論、かかる添加成分は、コア中に添加される光増幅媒体である希土類元素イオン、例えば、Er3+イオンのクラスター化に起因する光増幅効率の低下を抑制する効果を有し、また、高い増幅利得の達成、ならびに、増幅帯域幅を増大する効果のいずれにも好適な、コア中に共添加可能な元素イオンであることがより望ましい。 Therefore, when a planar optical waveguide having a cross-sectional shape shown in FIG. 1 is produced, when a quartz glass layer is used as the lower cladding layer 2 and the upper cladding layer 4, addition to the quartz glass (SiO 2 ) as a core base material is added. As a necessary component, it is possible to achieve a desired refractive index difference Δn between the clad and the core with a lower addition amount. 1, a strain stress opposite to the direction of the strain stress received by the lower cladding layer 2 made of a quartz glass film is generated, and as a result, in the core region, the strain is applied in a direction parallel to the substrate surface. It is desirable to add a component that can relieve strain stress. Of course, such an additive component has an effect of suppressing a decrease in light amplification efficiency due to clustering of rare earth element ions, for example, Er 3+ ions, which are light amplification media added in the core, and has a high effect. It is more desirable to be an element ion that can be co-added into the core, which is suitable for both achieving the amplification gain and increasing the amplification bandwidth.

本発明者らは、例えば、石英ガラスを用いてクラッドを構成する際に、IIIA族元素のうちSc、Y、La、Acからなる群より選択される元素イオンを、コア中に添加される光増幅媒体である希土類元素イオン、例えば、Er3+イオンと同様に、酸化物の形態で、コア母材の石英ガラス(SiO2)に添加することで、前記の要件を満足する共添加可能な助成元素イオンとして機能することを見出し、本発明を完成するに到った。 For example, when the clad is formed using quartz glass, the inventors of the present invention add light of element ions selected from the group consisting of Sc, Y, La, and Ac among group IIIA elements to the core. As in the case of rare earth ions, for example, Er 3+ ions, which are amplification media, they can be added together in the form of oxides to the core matrix quartz glass (SiO 2 ) to satisfy the above requirements. It discovered that it functions as an auxiliary element ion, and came to complete this invention.

すなわち、本発明にかかる光増幅器に利用可能な光導波路は、
特定の波長帯域に含まれる波長を有する光を導波可能な光導波路であって、
該光導波路は、平板状の基板と、
該基板上に設ける、少なくともクラッドと、該クラッド中に配置されるコアとで構成される平面型光導波路の形態を有し、
前記クラッドは、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物で構成され、
前記コアは、前記クラッドを構成する酸化物に対して、少なくとも、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、誘導的光放出可能な遷移状態を有する希土類元素イオンが酸化物の形態で添加され、さらに、前記希土類元素イオンに加えて、その助成元素イオンとして、IIIA族(3族)元素のうちSc、Y、Laからなる群より選択される元素イオンの一つが酸化物の形態で添加されてなる混合組成の酸化物で構成され、
少なくとも、前記コアとクラッドとが接するコア/クラッド界面において、前記特定の波長帯域に含まれる波長における、前記コアを構成する混合組成酸化物の屈折率は、前記クラッドを構成する酸化物の屈折率より、1%〜20%高い屈折率を示すように、前記コア中における助成元素イオンの添加率が選択されている
ことを特徴とする光導波路である。その際、前記コアを構成する混合組成の酸化物中における、助成元素イオンの添加率は、その酸化物として、2モル%以上、かつ20モル%以下の範囲に選択されていることが好ましい。
That is, the optical waveguide that can be used in the optical amplifier according to the present invention is:
An optical waveguide capable of guiding light having a wavelength included in a specific wavelength band,
The optical waveguide includes a flat substrate,
A planar optical waveguide comprising at least a clad provided on the substrate and a core disposed in the clad;
The clad is composed of an oxide exhibiting light transmittance at a wavelength included in the specific wavelength band,
The core is added to the oxide constituting the clad, in the form of an oxide, a rare earth element ion having a transition state capable of inductive light emission at least at a wavelength included in the specific wavelength band, Furthermore, in addition to the rare earth element ions, one of the element ions selected from the group consisting of Sc, Y, and La among the group IIIA (group 3) elements is added as an auxiliary element ion in the form of an oxide. Composed of an oxide having a mixed composition of
At least at the core / cladding interface where the core and the clad contact each other, the refractive index of the mixed composition oxide constituting the core at the wavelength included in the specific wavelength band is the refractive index of the oxide constituting the clad. The optical waveguide is characterized in that the addition ratio of the assisting element ions in the core is selected so as to exhibit a refractive index higher by 1% to 20%. In that case, it is preferable that the addition ratio of the assisting element ions in the mixed composition oxide constituting the core is selected in the range of 2 mol% or more and 20 mol% or less.

なお、本発明にかかる光導波路においては、場合によっては、
前記コアを構成する混合組成の酸化物は、微量のIIIB族(13族)元素イオン、あるいはシリコンイオン以外のIVB族(14族)元素イオンをさらに含んでもよいが、
前記微量のIIIB族(13族)元素イオン、あるいはシリコンイオン以外のIVB族(14族)元素イオンは、酸化物として、その含有比率の総和は、1モル%以下の範囲に制限されていることが望ましい。
In the optical waveguide according to the present invention, depending on the case,
The oxide having a mixed composition constituting the core may further contain a small amount of group IIIB (group 13) element ions or group IVB (group 14) element ions other than silicon ions.
The trace amount of group IIIB (group 13) element ions or group IVB (group 14) element ions other than silicon ions are limited to oxides with a total content ratio of 1 mol% or less. Is desirable.

特には、本発明にかかる光導波路においては、
前記クラッドを構成する酸化物は、二酸化珪素であることが好ましい。さらには、前記クラッドを構成する酸化物は、石英ガラスであり、
前記コアを構成する混合組成の酸化物は、該石英ガラスに対して、前記希土類元素イオンならびに助成元素イオンはともに酸化物の形態で添加されてなる混合組成ガラスであることが好ましい。
In particular, in the optical waveguide according to the present invention,
The oxide constituting the clad is preferably silicon dioxide. Further, the oxide constituting the cladding is quartz glass,
The mixed composition oxide constituting the core is preferably a mixed composition glass in which both the rare earth element ions and the auxiliary element ions are added in the form of an oxide to the quartz glass.

また、本発明にかかる光導波路においては、
前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記助成元素イオンの添加濃度は、少なくとも、該コアの中心部から前記垂直な方向のコア/クラッド界面に向かって、均一な分布を有する形態とすることができる。
In the optical waveguide according to the present invention,
The core disposed in the cladding is
In the core cross section in the direction perpendicular to the substrate surface, the additive element ion concentration added in the core is at least from the center of the core toward the core / cladding interface in the perpendicular direction. , It can have a uniform distribution.

一方、本発明にかかる光導波路においては、
前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記希土類元素イオンの添加濃度は、少なくとも、該コアの中心部から前記垂直な方向のコア/クラッド界面に向かって、均一な分布を有する形態とすることもできる。
On the other hand, in the optical waveguide according to the present invention,
The core disposed in the cladding is
In the core cross section in the direction perpendicular to the substrate surface, the additive concentration of the rare earth element ions added in the core is at least from the center of the core toward the core / cladding interface in the perpendicular direction. Also, it can be in a form having a uniform distribution.

あるいは、前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記希土類元素イオンの添加濃度は、該コアの中心部から前記垂直な方向のコア/クラッド界面に向かって、徐々に減少する分布を有する形態とすることもできる。その際、前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記希土類元素イオンの添加濃度は、該コアの中心部に極大を有するガウス分布に近い分布を有する形態とすることが好ましい。
Alternatively, the core disposed in the cladding is
In the core cross section in the direction perpendicular to the substrate surface, the addition concentration of the rare earth element ions added in the core gradually increases from the center of the core toward the core / cladding interface in the perpendicular direction. It is also possible to adopt a form having a distribution that decreases to a minimum. At that time, the core disposed in the clad,
In the core cross section in the direction perpendicular to the substrate surface, the addition concentration of the rare earth element ions added in the core has a distribution close to a Gaussian distribution having a maximum at the center of the core. Is preferred.

また、本発明は、上記の本発明にかかる光増幅器に利用可能な光導波路を製造する方法の発明をも提供しており、
すなわち、本発明にかかる光導波路の製造方法は、
特定の波長帯域に含まれる波長を有する光を導波可能な光導波路を製造する方法であって、
該光導波路は、平板状の基板と、
該基板上に設ける、下クラッドと、
該下クラッド上に設ける、矩形の断面形状を有し、所定の平面パターン形状にパターニング加工されてなるコアと、
前記下クラッド上面、ならびに、パターニング加工されてなる該コアの側面ならびに上面を被覆する形態に形成されている上クラッドとを具え、
少なくとも、下クラッドと上クラッドとで構成されるクラッド中に配置されるコアとで構成される平面型光導波路の形態を有し、
前記下クラッドと上クラッドは、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物で構成され、
前記コアは、前記クラッドを構成する酸化物に対して、少なくとも、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、誘導的光放出可能な遷移状態を有する希土類元素イオンが酸化物の形態で添加され、さらに、前記希土類元素イオンに加えて、その助成元素イオンとして、IIIA族元素のうちSc、Y、Laからなる群より選択される元素イオンの一つが酸化物の形態で添加されてなる混合組成の酸化物で構成され、
少なくとも、前記コア上面と上クラッドとが接するコア/上クラッド上界面と側界面、ならびに前記コア下面と下クラッドとが接するコア/下クラッド下界面において、前記特定の波長帯域に含まれる波長における、前記コアを構成する混合組成酸化物の屈折率は、前記クラッドを構成する酸化物の屈折率より、1%〜20%高い屈折率を示すように、前記コア中における助成元素イオンの添加率が選択されている構造を有し、
該光導波路の製造方法は、
前記基板上に、該下クラッドを構成する前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物層を所定の膜厚形成する下クラッド膜形成工程と、
前記下クラッド膜上に、該コアを構成する、前記クラッドを構成する酸化物に対して、少なくとも、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、誘導的光放出可能な遷移状態を有する希土類元素イオンが酸化物の形態で添加され、さらに、前記希土類元素イオンに加えて、その助成元素イオンとして、IIIA族元素のうちSc、Y、Laからなる群より選択される元素イオンの一つが酸化物の形態で添加されてなる混合組成の酸化物からなる所定膜厚のコア層を、少なくとも、前記コア層内において、前記特定の波長帯域に含まれる波長における、前記コア層を構成する混合組成酸化物の屈折率は、前記クラッドを構成する酸化物の屈折率より、1%〜20%高い屈折率を示すように、前記コア層膜厚方向における助成元素イオンの添加率が選択されている構造に形成するコア層形成工程と、
前記コア層の表面に、前記所定の平面パターン形状のレジストパターンをフォトリソグラフィーにより形成するレジスト・マスク形成工程と、
前記レジスト・マスクをエッチング・マスクとし、ドライ・エッチング法により前記コア層をエッチングして、矩形の断面形状を有し、前記所定の平面パターン形状にパターニング加工されてなるコアを形成するコア・パターニング工程と、
前記下クラッド上面、ならびに、パターニング加工されてなる該コアの側面ならびに上面を被覆する形態に、該上クラッドを構成する前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物層を所定の膜厚形成する上クラッド膜形成工程とを、少なくとも具える、
ことを特徴とする光導波路の製造方法である。
The present invention also provides an invention of a method of manufacturing an optical waveguide that can be used in the optical amplifier according to the present invention.
That is, the method for manufacturing an optical waveguide according to the present invention is as follows.
A method of manufacturing an optical waveguide capable of guiding light having a wavelength included in a specific wavelength band,
The optical waveguide includes a flat substrate,
A lower clad provided on the substrate;
A core having a rectangular cross-sectional shape provided on the lower clad and patterned into a predetermined plane pattern shape;
The lower clad upper surface, and the upper clad formed in a form covering the side surface and upper surface of the core subjected to patterning,
At least, it has a form of a planar optical waveguide composed of a core disposed in a clad composed of a lower clad and an upper clad,
The lower clad and the upper clad are made of an oxide exhibiting optical transparency at a wavelength included in the specific wavelength band,
The core is added to the oxide constituting the clad, in the form of an oxide, a rare earth element ion having a transition state capable of inductive light emission at least at a wavelength included in the specific wavelength band, Furthermore, in addition to the rare earth element ion, as a supporting element ion, one of element ions selected from the group consisting of Sc, Y, and La among group IIIA elements is added in the form of an oxide. Composed of oxides,
At least at the wavelength included in the specific wavelength band at the core / upper clad upper interface and the side interface where the core upper surface and the upper clad are in contact, and at the core / lower clad lower interface where the core lower surface and the lower clad are in contact, The refractive index of the mixed composition oxide constituting the core is 1% to 20% higher than the refractive index of the oxide constituting the cladding. Having a selected structure,
The method of manufacturing the optical waveguide is as follows:
A lower clad film forming step of forming an oxide layer having a predetermined thickness on the substrate at a wavelength included in the specific wavelength band constituting the lower clad;
A rare earth element ion having a transition state capable of inductively emitting light at least at a wavelength included in the specific wavelength band with respect to the oxide constituting the clad and constituting the core on the lower clad film. Is added in the form of an oxide, and in addition to the rare earth element ion, one of the element ions selected from the group consisting of Sc, Y, and La among the group IIIA elements is an oxide of the group IIIA element. A mixed composition oxide constituting the core layer at a wavelength included in the specific wavelength band at least in the core layer, the core layer having a predetermined film thickness made of an oxide having a mixed composition added in a form The refractive index of the auxiliary element ions in the core layer thickness direction is such that the refractive index is 1% to 20% higher than the refractive index of the oxide constituting the cladding. A core layer forming step of forming on-option has been that structure,
A resist mask forming step of forming a resist pattern of the predetermined plane pattern shape on the surface of the core layer by photolithography;
Using the resist mask as an etching mask, the core layer is etched by a dry etching method to form a core having a rectangular cross-sectional shape and patterned into the predetermined planar pattern shape Process,
An oxide layer exhibiting optical transparency at a wavelength included in the specific wavelength band constituting the upper clad, in a form covering the upper surface of the lower clad and the side surface and upper surface of the patterned core. Including an upper clad film forming step for forming a predetermined film thickness,
This is a method for manufacturing an optical waveguide.

以上説明したように、本発明にかかる平面型光導波路においては、光導波路を構成する石英ガラス(SiO2)クラッドに対して、希土類元素イオンを添加するコアの組成として、コア母材中に添加される希土類元素イオン(R23;Rは希土類元素を示す)と、コア母材として、石英ガラス(SiO2)に、実質的に、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される助成元素イオンのみをその酸化物(M23;Mは、Sc、Y、Laのいずれかを示す)の形態で添加するものを選択するので、該コア母材中に添加される希土類元素イオンからのフォトルミネッセンス発光特性に優れる平面型光導波路となる。さらには、かかる光導波路をシリコン基板上に作製する際、コア領域に加わる歪み応力も、従来のAl(Al23)やP(P25)を高い比率で添加した石英ガラス材料をコア母材に利用するものと比べて、有意に低減することができる。これらの利点に伴い、本発明にかかる平面型光導波路を導波路型の光増幅器として利用した際、より高い光増幅効果が得られる。 As described above, in the planar optical waveguide according to the present invention, a core composition to which rare earth element ions are added to the quartz glass (SiO 2 ) cladding constituting the optical waveguide is added to the core matrix. Rare earth element ions (R 2 O 3 ; R represents a rare earth element) and quartz glass (SiO 2 ) as a core base material, Sc, Y of group IIIA (group 3) elements substantially. , And a core element ion selected from the group consisting of La is selected in the form of its oxide (M 2 O 3 ; M represents any one of Sc, Y, and La). The planar optical waveguide is excellent in photoluminescence emission characteristics from rare earth element ions added to the base material. Furthermore, when producing such an optical waveguide on a silicon substrate, the strain stress applied to the core region is made of a quartz glass material to which conventional Al (Al 2 O 3 ) or P (P 2 O 5 ) is added in a high ratio. Compared with what is used for a core base material, it can reduce significantly. With these advantages, when the planar optical waveguide according to the present invention is used as a waveguide type optical amplifier, a higher optical amplification effect can be obtained.

本発明においては、コア母材中に、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される助成元素イオンのみをその酸化物(M23;Mは、Sc、Y、Laのいずれかを示す)の形態で添加することにより、平面型光導波路を構成する、コアの屈折率と、クラッドの屈折率との間に、所望の屈折率差を形成するので、所望の屈折率差を達成するに必要な、前記の助成元素イオンの添加比率は、従来のAl(Al23)の添加比率と較べて、大幅に低くできる。同時に、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される助成元素イオンの利用は、光増幅媒体として利用される、コア中に添加する希土類元素イオンの添加濃度を高くする際に、そのクラスター化に由来する発光効率の低下を抑制する機能を示し、希土類元素イオンからのフォトルミネッセンス発光強度をそれほど減少させず、しかも増幅波長帯域幅を増大させる効果をも有している。 In the present invention, in the core base material, among the group IIIA (group 3) elements, only the assisting element ions selected from the group consisting of Sc, Y, La are oxides thereof (M 2 O 3 ; By adding in the form of Sc, Y, or La), a desired refractive index difference is formed between the refractive index of the core and the refractive index of the clad constituting the planar optical waveguide. Therefore, the addition ratio of the above-mentioned assisting element ions necessary to achieve a desired refractive index difference can be significantly reduced as compared with the conventional addition ratio of Al (Al 2 O 3 ). At the same time, among the group IIIA (group 3) elements, the use of an auxiliary element ion selected from the group consisting of Sc, Y, and La is used as an optical amplifying medium, and the addition concentration of rare earth element ions added to the core The function to suppress the decrease in luminous efficiency due to the clustering is shown, and the intensity of photoluminescence from rare earth ions is not decreased so much, and the amplification wavelength bandwidth is increased. doing.

以下に、本発明にかかる光導波路に関して、より詳しく説明する。   Hereinafter, the optical waveguide according to the present invention will be described in more detail.

本発明にかかる光導波路は、基板上に、少なくともクラッドと、このクラッド中に配置された希土類元素イオンを含むコアとから構成される平面型光導波路を採用している。光増幅器として使用する際、コア中に添加される希土類元素イオンは、光増幅媒体として利用され、目的とする増幅波長帯に応じて、例えば、1.5μm帯の光増幅用には、Er3+イオン、Ho3+イオン、Tm3+イオン、Yb3+イオンなど、また、1.3μm帯の光増幅用には、Pr3+イオン、Nd3+イオンなど、それぞれ適応する希土類元素イオンを選択する。これら光増幅媒体として利用される、コア中に添加される希土類元素イオンに対して、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される助成元素イオンの少なくとも一つを共添加している。 The optical waveguide according to the present invention employs a planar optical waveguide composed of at least a clad and a core containing rare earth element ions arranged in the clad on the substrate. When used as an optical amplifier, rare earth element ions added to the core are used as an optical amplification medium. For example, Er 3 for optical amplification in the 1.5 μm band depending on the target amplification wavelength band. + Ions, Ho 3+ ions, Tm 3+ ions, Yb 3+ ions, etc. In addition, for light amplification in the 1.3 μm band, suitable rare earth element ions such as Pr 3+ ions and Nd 3+ ions are used. select. Of the rare-earth element ions added to the core used as these optical amplification media, among the group IIIA (group 3) elements, at least one of the auxiliary element ions selected from the group consisting of Sc, Y, and La Are co-added.

例えば、石英ガラス(SiO2)をグラッドとして利用する際、コアは、コア母材中に添加される希土類元素イオン(R23;Rは希土類元素を示す)と、コア母材として、石英ガラス(SiO2)に、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される助成元素イオンのみをその酸化物(M23;Mは、Sc、Y、Laのいずれかを示す)の形態で添加する構成を選択することが好ましい。その際、希土類元素イオンは、酸化物(R23;Rは希土類元素を示す)の形態として、その添加比率は、光増幅用励起光源の励起波長、入射励起光強度に応じて、また、かかる励起波長における、該希土類元素イオンの光吸収強度(吸収断面積)をも考慮して、適宜選択されるものである。一方、かかる希土類元素イオンと共添加される、前記助成元素イオンは、利用される励起波長において実質的に光吸収を示さないものとして、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される。また、かかる希土類元素イオンと共添加される、前記助成元素イオンは、目的とする増幅波長帯、例えば、1.5μm帯や1.3μm帯においても、実質的に光吸収を示さないものとして、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される。 For example, when quartz glass (SiO 2 ) is used as a grad, the core is composed of rare earth element ions (R 2 O 3 ; R represents a rare earth element) added to the core matrix, and quartz as the core matrix. Only an auxiliary element ion selected from the group consisting of Sc, Y, and La among Group IIIA (Group 3) elements is converted into glass (SiO 2 ) with its oxide (M 2 O 3 ; M is Sc, Y, It is preferable to select a configuration to be added in the form of (indicating one of La). At that time, the rare earth element ion is in the form of an oxide (R 2 O 3 ; R represents a rare earth element), and the addition ratio depends on the excitation wavelength of the excitation light source for light amplification and the intensity of the incident excitation light. The light absorption intensity (absorption cross section) of the rare earth element ion at the excitation wavelength is also selected as appropriate. On the other hand, the auxiliary element ions that are co-added with the rare earth element ions exhibit substantially no light absorption at the excitation wavelength to be used, and among the group IIIA (group 3) elements, Sc, Y, La Selected from the group consisting of In addition, the auxiliary element ions co-added with the rare earth element ions are substantially free of light absorption even in a target amplification wavelength band, for example, 1.5 μm band or 1.3 μm band, Among group IIIA (group 3) elements, selected from the group consisting of Sc, Y, and La.

光増幅器として使用する際、コア中に添加される希土類元素イオンの添加濃度は、例えば、1.5μm帯、なかでも、C−バンド帯(1530〜1565nm)の光増幅用には、Er3+イオン、Ho3+イオン、Tm3+イオン、Yb3+イオンなどを、導波路長10cm、コアの断面形状4μm×4μm、光増幅用励起光源の励起波長980nm、入射励起光強度200mWの条件に対しては、その酸化物(R23;Rは希土類元素を示す)として、0.05モル%〜1.0モル%の範囲に選択することができる。 When used as an optical amplifier, the concentration of rare earth element ions added to the core is, for example, 1.5 μm band, especially for light amplification in the C-band band (1530 to 1565 nm) Er 3+. Ions, Ho 3+ ions, Tm 3+ ions, Yb 3+ ions, etc. under the conditions of a waveguide length of 10 cm, a core cross-sectional shape of 4 μm × 4 μm, an excitation wavelength of 980 nm for the light source for optical amplification, and an incident excitation light intensity of 200 mW On the other hand, the oxide (R 2 O 3 ; R represents a rare earth element) can be selected in the range of 0.05 mol% to 1.0 mol%.

なお、本発明にかかる光導波路は、前記のように導波路長の短縮を図る際にも、所望の増幅率を達成することを目標としており、コア中に添加される希土類元素イオンの添加濃度は、その酸化物(R23;Rは希土類元素を示す)として、前記の0.05モル%〜1.0モル%の範囲のなかでも、0.2モル%〜1.0モル%の高濃度範囲に選択した上で、下記する助成元素イオンの添加率を選択し、単位長当たりの光増幅率を高くする形態がより目的に沿ったものとなる。 The optical waveguide according to the present invention aims to achieve a desired gain even when the waveguide length is shortened as described above, and the addition concentration of rare earth element ions added to the core. Is an oxide (R 2 O 3 ; R represents a rare earth element), and in the range of 0.05 mol% to 1.0 mol%, 0.2 mol% to 1.0 mol% After selecting the above high concentration range, a mode of increasing the light amplification factor per unit length by selecting the following addition rate of the assisting element ions becomes more suitable.

また、このコア中に添加される助成元素イオンは、石英ガラス(SiO2)に酸化物(M23;Mは、Sc、Y、La、Acのいずれかを示す)の形態で添加することで、コア母材を構成しており、その屈折率の調整に利用される。従って、コアの屈折率と、クラッドの屈折率との間に設ける屈折率差に応じて、助成元素イオンの添加比率を適宜選択する。すなわち、少なくとも、前記コアとクラッドとが接するコア/クラッド界面において、目的とする増幅波長帯において、コアを構成する混合組成酸化物の屈折率は、クラッドを構成する酸化物の屈折率より、1%〜20%高い屈折率を示すように、コア中における助成元素イオンの添加率を選択する。 Further, the assisting element ions added to the core are added to quartz glass (SiO 2 ) in the form of an oxide (M 2 O 3 ; M represents any one of Sc, Y, La, and Ac). This constitutes the core base material and is used for adjusting the refractive index. Therefore, the additive element ion addition ratio is appropriately selected according to the refractive index difference provided between the refractive index of the core and the refractive index of the cladding. That is, at least at the core / cladding interface where the core and the clad are in contact, the refractive index of the mixed composition oxide constituting the core is 1 than the refractive index of the oxide constituting the clad in the target amplification wavelength band. The addition rate of the assisting element ions in the core is selected so as to show a refractive index higher by 20% to 20%.

例えば、1.55μm帯の波長領域における、コアの屈折率ncoreの、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)に対する比屈折率差Δ(≡(ncore−nSiO2)/ncore)を、2%〜17%の範囲に設定して、光導波路を設計することが可能であり、対応して、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される助成元素イオン、例えば、La3+イオンの添加比率を、酸化ランタン(La23)として、2モル%〜20モル%の範囲に選択することができる。一般に、前記波長領域における、コアと石英ガラス(SiO2)クラッドとの比屈折率差Δは、3%〜10%の範囲に設定して、光導波路を設計することが望ましく、対応して、助成元素イオン、例えば、La3+イオンの添加比率を、酸化ランタン(La23)として、4モル%〜10モル%の範囲に選択することがより望ましい。場合によっては、Ac3+イオンを同様に助成元素イオンとして、酸化物(Ac23)の形態で同程度の添加濃度に選択して、利用することもできる。 For example, in the wavelength range 1.55μm band, the refractive index n core of the core, silica glass (SiO 2) relative refractive index difference to the refractive index of the cladding n SiO2 (about 1.45) Δ (≡ (n core -n It is possible to design an optical waveguide by setting SiO2 ) / ncore ) in the range of 2% to 17%. Correspondingly, among group IIIA (group 3) elements, Sc, Y, La The addition ratio of an auxiliary element ion selected from the group consisting of, for example, La 3+ ions can be selected in the range of 2 mol% to 20 mol% as lanthanum oxide (La 2 O 3 ). In general, it is desirable to design the optical waveguide by setting the relative refractive index difference Δ between the core and the quartz glass (SiO 2 ) clad in the wavelength region in the range of 3% to 10%, It is more desirable to select the addition ratio of the assistant element ions, for example La 3+ ions, in the range of 4 mol% to 10 mol% as lanthanum oxide (La 2 O 3 ). In some cases, Ac 3+ ions can also be used as auxiliary element ions by selecting the same additive concentration in the form of oxide (Ac 2 O 3 ).

具体的には、平面型光導波路を採用し、光増幅器の小型化、集積化を図る上では、コア内の屈折率導波条件、コア/クラッド界面における全反射条件を満足する範囲で導波路をベントさせることで、全体がスパイラル状の光導波路とする。その際、矩形状のコアの断面形状サイズ、特に、横幅(W)に応じて、導波路ベンド部の曲率半径rの最小が所望の値となるように、コアの屈折率ncoreの、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)に対する比屈折率差Δ(≡(ncore−nSiO2)/ncore)を選択した上で、全体がスパイラル状の光導波路平面パターンを設計する。例えば、矩形状のコアにおいて、縦厚(T)×横幅(W)を4μm×4μmとする際、導波路ベンド部の曲率半径rの最小値2mm(r≧2mm)を達成する上では、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)に対する比屈折率差Δを1.5%以上、また、曲率半径rの最小値1mm(r≧1mm)を達成する上では、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)に対する比屈折率差Δを3.0%以上の範囲に選択する必要がある。前記の要件を満足する上では、曲率半径rの最小値2mm(r≧2mm)を達成するためには、対応して、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される助成元素イオン、例えば、La3+イオンの添加比率を、酸化ランタン(La23)として、2モル%以上の範囲に、また、曲率半径rの最小値1mm(r≧1mm)を達成するためには、例えば、La3+イオンの添加比率を、酸化ランタン(La23)として、3モル%以上の範囲に選択することが望ましい。なお、場合によっては、Ac3+イオンを同様に助成元素イオンとして、酸化物(Ac23)の形態で同程度の添加濃度に選択して、利用することもできる。 Specifically, a planar optical waveguide is used to reduce the size and integration of the optical amplifier, so that the waveguide satisfies the refractive index guiding conditions in the core and the total reflection conditions at the core / cladding interface. Is made into a spiral optical waveguide. At this time, quartz having a refractive index n core of the core is set so that the minimum value of the radius of curvature r of the waveguide bend portion becomes a desired value according to the cross-sectional shape size of the rectangular core, in particular, the lateral width (W). An optical waveguide plane having a spiral shape as a whole after selecting a relative refractive index difference Δ (≡ (n core −n SiO 2 ) / n core ) with respect to the refractive index n SiO2 (about 1.45) of the glass (SiO 2 ) cladding. Design the pattern. For example, in a rectangular core, when the vertical thickness (T) × width (W) is set to 4 μm × 4 μm, the quartz bend portion has a minimum radius of curvature r of 2 mm (r ≧ 2 mm). In order to achieve a relative refractive index difference Δ of 1.5% or more with respect to the refractive index n SiO2 (about 1.45) of the glass (SiO 2 ) clad and a minimum value 1 mm (r ≧ 1 mm) of the curvature radius r, The relative refractive index difference Δ with respect to the refractive index n SiO2 (about 1.45) of the quartz glass (SiO 2 ) clad needs to be selected in the range of 3.0% or more. In order to satisfy the above requirement, in order to achieve the minimum value 2 mm (r ≧ 2 mm) of the radius of curvature r, correspondingly, among the group IIIA (group 3) elements, a group consisting of Sc, Y, La As a lanthanum oxide (La 2 O 3 ), the addition ratio of a donor element ion selected from the group consisting of La 3+ ions is in a range of 2 mol% or more, and the minimum value of the curvature radius r is 1 mm (r ≧ 1 mm). ), For example, it is desirable to select the addition ratio of La 3+ ions in the range of 3 mol% or more as lanthanum oxide (La 2 O 3 ). In some cases, Ac 3+ ions can also be used as auxiliary element ions by selecting the same additive concentration in the form of oxide (Ac 2 O 3 ).

例えば、図3に、スパッタ法で作成したEr3+イオンドープ石英(SiO2)膜中に、IIIB族(13族)元素イオンを含む材料として、アルミナ(Al23)を添加した場合と、IIIA族(3族)元素イオンを含む材料として、酸化ランタン(La23)を添加した場合とで、得られる混合組成の酸化物膜の屈折率を対比して示す。図3の右軸には、参考のために、石英ガラス(SiO2)クラッドに対するの比屈折率差Δを示す。アルミナ(Al23)を添加した場合には、添加比率が20モル%に達しても、比屈折率差Δは4%に満たず、屈折率をさほど大きくすることはできないが、酸化ランタン(La23)を添加した場合では、僅か数%添加しただけでも、同程度の屈折率増加を達成することができている。また、La3+イオンに代えて、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、場合によっては、Acを助成イオンとして、添加する際にも、Sc3+イオン、Y3+イオン、Ac3+イオンを、それぞれ酸化物(Sc23、Y23、Ac23)の形態で、主体の石英ガラス(SiO2)に添加する。これらの酸化物自体、いずれも高い屈折率(Sc23:約1.95、Y23:約1.87)を有しており、例えば、比屈折率差Δは7%を達成するに必要な、その添加比率は、主体の石英ガラス(SiO2)に対して、La3+イオンに関しては、酸化物(La23)の形態で8モル%、Sc3+イオンに関しては、酸化物(Sc23)の形態で8モル%、Y3+イオンに関しては、酸化物(Y23)の形態で8モル%に、それぞれ選択すればよい。また、Ac3+イオンに関しても、酸化物(Ac23)の形態で同程度の濃度に選択すればよい。いずれも、IIIB族(13族)元素イオンを含む材料として、アルミナ(Al23)を添加した場合と比較して、格段に低い添加比率で、所望とする比屈折率差Δを達成できる。すなわち、本発明にかかる光導波路において、コア母材中に添加する、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される助成元素イオンの添加比率は、主体の石英ガラス(SiO2)中に、酸化物(M23;Mは、Sc、Y、Laのいずれかを示す)の形態として、2モル%〜20モル%の範囲に選択することが適正であり、より好ましくは、4モル%〜10モル%の範囲に選択する。あるいは、場合によっては、Ac3+イオンを同様に助成元素イオンとして、酸化物(Ac23)の形態で同程度の添加濃度に選択して、利用することもできる。 For example, FIG. 3 shows a case where alumina (Al 2 O 3 ) is added as a material containing group IIIB (group 13) element ions to an Er 3+ ion-doped quartz (SiO 2 ) film prepared by sputtering. The refractive index of an oxide film having a mixed composition is shown in comparison with the case where lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is added as a material containing group IIIA (group 3) element ions. The right axis of FIG. 3 shows the relative refractive index difference Δ with respect to the quartz glass (SiO 2 ) clad for reference. When alumina (Al 2 O 3 ) is added, even if the addition ratio reaches 20 mol%, the relative refractive index difference Δ is less than 4%, and the refractive index cannot be increased so much. When (La 2 O 3 ) is added, the same increase in refractive index can be achieved even if only a few percent is added. Further, in place of La 3+ ions, among group IIIA (group 3) elements, Sc, Y, and in some cases, when Ac is added as an auxiliary ion, Sc 3+ ions, Y 3+ ions, Ac 3+ ions are added to the main quartz glass (SiO 2 ) in the form of oxides (Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ac 2 O 3 ), respectively. Each of these oxides itself has a high refractive index (Sc 2 O 3 : about 1.95, Y 2 O 3 : about 1.87). For example, the relative refractive index difference Δ achieves 7%. necessary to, the addition ratio, for the principal of the quartz glass (SiO 2), with respect to the La 3+ ions, 8 mol% in the form of an oxide (La 2 O 3), with respect to Sc 3+ ions The oxide (Sc 2 O 3 ) may be selected to be 8 mol%, and the Y 3+ ion may be selected to be 8 mol% in the form of the oxide (Y 2 O 3 ). Further, Ac 3+ ions may be selected to have the same concentration in the form of oxide (Ac 2 O 3 ). In any case, the desired relative refractive index difference Δ can be achieved at a much lower addition ratio as compared with the case where alumina (Al 2 O 3 ) is added as a material containing group IIIB (group 13) element ions. . That is, in the optical waveguide according to the present invention, among the group IIIA (group 3) elements added to the core base material, the addition ratio of the auxiliary element ions selected from the group consisting of Sc, Y and La is mainly In quartz glass (SiO 2 ), it is appropriate to select an oxide (M 2 O 3 ; M represents any one of Sc, Y, and La) in the range of 2 mol% to 20 mol%. More preferably, it is selected in the range of 4 mol% to 10 mol%. Alternatively, depending on the case, Ac 3+ ions may be used as the auxiliary element ions in the form of an oxide (Ac 2 O 3 ) with a similar addition concentration and utilized.

一方、コア母材中、主体の石英ガラス(SiO2)中に酸化物(M23;Mは、Sc、Y、Laのいずれかを示す)の形態として添加される、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される助成元素イオンは、その添加比率が増しても、コア中に添加される希土類元素イオンからのフォトルミネッセンス発光強度をそれほど弱めないが、添加比率が増すとともに、徐々にフォトルミネッセンス発光強度は弱くなっていく傾向を示すので、その観点でも、上記の添加比率の範囲を選択することで、極端なフォトルミネッセンス発光強度の低下を回避することができる。なお、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される助成元素イオンは、通常、一種を利用するが、上述する要件を満足する範囲で、二種以上を、その添加比率の総和が、前記の範囲内となるように併用することもできる。その際、場合によっては、Ac3+イオンを同様に助成元素イオンとして、酸化物(Ac23)の形態で同程度の添加濃度に選択して、併用することもできる。 On the other hand, a group IIIA (3) added as a form of an oxide (M 2 O 3 ; M represents any one of Sc, Y, and La) in the main base material, quartz glass (SiO 2 ). Among the group elements), the auxiliary element ions selected from the group consisting of Sc, Y, and La do not weaken the intensity of photoluminescence from the rare earth element ions added to the core so much even if the addition ratio increases. However, as the addition ratio increases, the photoluminescence emission intensity tends to gradually weaken, so from this point of view, by selecting the above addition ratio range, it is possible to avoid an extreme decrease in the photoluminescence emission intensity. can do. In addition, among the group IIIA (group 3) elements, the auxiliary element ions selected from the group consisting of Sc, Y, and La usually use one kind, but within the range satisfying the above-described requirements, two or more kinds are used. , And can be used together so that the sum of the addition ratios falls within the above range. In that case, depending on the case, it is also possible to use Ac 3+ ions in the form of oxides (Ac 2 O 3 ) in the form of oxides (Ac 2 O 3 ) as the auxiliary element ions and use them together.

希土類元素イオンを添加するコア中に、例えば、IIIB族(13族)元素イオンとして、アルミナ(Al23)を添加した場合には、希土類元素イオンからのフォトルミネッセンス発光強度を弱める作用を示し、また、基板上に形成されるコアにおいて、その膜に加わる歪み応力を増す作用を有するIIIB族元素イオンやIVB族元素イオンは、含まれないことが望ましい。場合によっては、コア中に、不純物レベル程度に微量のIIIB族元素イオンやIVB族元素イオンが混入してもよいが、前述する不具合、好ましくない作用・機能に起因する、光増幅特性等への影響を排除するためには、コア中における、IIIB族元素イオンやIVB族元素イオンの含有比率は、その酸化物として1モル%以下の範囲に制限することが好ましい。 For example, when alumina (Al 2 O 3 ) is added as a group IIIB (group 13) element ion in the core to which the rare earth element ion is added, it exhibits an action of weakening the photoluminescence emission intensity from the rare earth element ion. In addition, it is desirable that the core formed on the substrate does not contain IIIB group element ions or IVB group element ions having an effect of increasing the strain stress applied to the film. In some cases, a small amount of group IIIB element ions or group IVB element ions may be mixed in the core to an impurity level. However, due to the above-mentioned problems and undesirable functions / functions, the optical amplification characteristics, etc. In order to eliminate the influence, the content ratio of the group IIIB element ions and the group IVB element ions in the core is preferably limited to a range of 1 mol% or less as the oxide.

本発明にかかる平面型光導波路においては、通常、図1に示すように、基板上に形成する下クラッド上に、一旦、一様な膜厚を有するコア層を形成した後、所望の幅にパターニング加工して、コアの断面形状を矩形状とする。その後、かかるコアの両側面ならびに上面部を被覆するように、上クラッドを形成して、クラッド中にコアが設置される形態とすることが好ましい。その際、該コア中を光導波路とするため、コアとクラッドとが接するコア/クラッド界面において、目的とする増幅波長帯において、コアを構成する混合組成酸化物の屈折率は、クラッドを構成する酸化物の屈折率より、1%〜20%高い屈折率を示すように、コア中における助成元素イオンの添加率を選択し、また、その際、コア中における助成元素イオンの添加率を均一とすることが好ましい。このような対照的な境界条件を有する光導波路内においては、伝播する光の強度分布は、通常、コア中心に極大を有するガウス分布と近似できる分布を示す。   In the planar optical waveguide according to the present invention, as shown in FIG. 1, a core layer having a uniform film thickness is once formed on a lower clad formed on a substrate, and then a desired width is obtained. Patterning is performed to make the cross-sectional shape of the core rectangular. After that, it is preferable that an upper clad is formed so as to cover both side surfaces and the upper surface portion of the core, and the core is installed in the clad. At that time, since the core is an optical waveguide, the refractive index of the mixed composition oxide constituting the core constitutes the clad in the target amplification wavelength band at the core / cladding interface where the core and the clad contact each other. The addition rate of the assisting element ions in the core is selected so that the refractive index is 1% to 20% higher than the refractive index of the oxide, and the addition rate of the assisting element ions in the core is uniform. It is preferable to do. In an optical waveguide having such a contrasting boundary condition, the intensity distribution of propagating light usually shows a distribution that can be approximated to a Gaussian distribution having a maximum at the core center.

また、かかる平面型光導波路を光増幅器として利用する際には、増幅すべき信号光と、増幅に利用される励起光は、予め、光方向性結合器によって、合波された後、光ファイバーから光導波路のコア端面へと入射される。また、光増幅器中を通過する間に増幅された信号光と、残った励起光は、光導波路のコア端面から、光ファイバーを介して、光方向性結合器に導かれ、分波(波長分離)される。従って、矩形状のコアの断面形状における、縦厚(T)と横幅(W)は、入射端ならびに出射端において、光接合される光ファイバーのコア径、開口比などを考慮し、その接合損失の許容範囲内で、適宜選択される。また、下クラッド、上クラッドの厚さ(Tclad)は、矩形状のコアの断面形状における、縦厚(T)と横幅(W)、特には、縦厚(T)を考慮し、さらには、コア/クラッド間の屈折率差をも考慮し、下クラッド下の基板、あるいは、上クラッド上方の空間の誘電率(屈折率)が、コア中の光導波特性、あるいは、光増幅特性に影響を及ぼさないように、適宜選択することができる。 When using such a planar optical waveguide as an optical amplifier, the signal light to be amplified and the pumping light used for amplification are combined in advance by an optical directional coupler and then transmitted from an optical fiber. It is incident on the core end face of the optical waveguide. The signal light amplified while passing through the optical amplifier and the remaining pump light are guided from the core end face of the optical waveguide to the optical directional coupler via the optical fiber, and are demultiplexed (wavelength separation). Is done. Accordingly, the vertical thickness (T) and width (W) in the cross-sectional shape of the rectangular core take account of the core diameter, aperture ratio, etc. of the optical fiber to be optically bonded at the entrance end and the exit end. It is appropriately selected within an allowable range. Further, the thickness (T clad ) of the lower clad and the upper clad takes into consideration the vertical thickness (T) and the horizontal width (W), particularly the vertical thickness (T) in the cross-sectional shape of the rectangular core. Considering the refractive index difference between the core and the clad, the dielectric constant (refractive index) of the substrate under the lower clad or the space above the upper clad becomes the optical waveguide characteristic or optical amplification characteristic in the core. It can be selected as appropriate so as not to affect.

一方、光増幅媒体として利用される、コア中に添加される希土類元素イオンの添加濃度分布は、コア中において、均一な分布とすることもできるが、コア内を伝播する光の強度分布と類似する濃度分布を設けることも可能である。すなわち、コア内における励起光の光強度分布において、光強度の小さい領域では、希土類元素イオンの添加濃度が均一な場合、導波路を進む間に、希土類元素イオンによる吸収により、励起光強度が急速に減衰してしまい、基底状態と励起状態との比率が光増幅を可能とする範囲を下回り、逆に、一旦、増幅された信号光に対する吸収体、つまり、基底状態にある希土類元素イオンの光吸収に起因する光の伝播ロスとなる。この光の伝播ロスの低減を図るため、本発明にかかる光導波路において、コアに含まれる希土類元素イオンの濃度分布を、コア内の光強度分布に近いものとすることが好ましい。例えば、基板面に垂直な方向に、コアの中心部では濃度が高く、上下のコア/クラッド界面に向うに従って、濃度が徐々に減少する濃度分布を設ける。その際、伝播する光の強度分布は、通常、コア中心に極大を有するガウス分布と近似できる分布であるので、希土類元素イオンの濃度分布も、縦方向(厚さ方向)では、コアの中心部に極大を有するガウス分布と類する分布とすることが好ましい。   On the other hand, the concentration distribution of rare earth element ions added to the core used as an optical amplification medium can be made uniform in the core, but is similar to the intensity distribution of light propagating in the core. It is also possible to provide a concentration distribution. That is, in the light intensity distribution of the excitation light in the core, in the region where the light intensity is low, the excitation light intensity rapidly increases due to absorption by the rare earth element ions while traveling through the waveguide when the concentration of the rare earth element ions is uniform. The ratio between the ground state and the excited state falls below the range in which optical amplification is possible, and conversely, the absorber for the amplified signal light, that is, the light of the rare earth element ions in the ground state This is a light propagation loss due to absorption. In order to reduce this light propagation loss, in the optical waveguide according to the present invention, it is preferable that the concentration distribution of the rare earth element ions contained in the core is close to the light intensity distribution in the core. For example, a concentration distribution in which the concentration is high in the center of the core in a direction perpendicular to the substrate surface and gradually decreases toward the upper and lower core / cladding interfaces is provided. At this time, the intensity distribution of the propagating light is generally a distribution that can be approximated to a Gaussian distribution having a maximum at the core center, and therefore the concentration distribution of rare earth element ions is also the central portion of the core in the longitudinal direction (thickness direction). It is preferable to use a distribution similar to a Gaussian distribution having a local maximum.

本発明にかかる光増幅器用の光導波路では、そのコアは、母材に添加する希土類元素イオンに対して、その助成元素イオンを、IIIA族(3族)元素の中のSc、Y、Laからなる群から選択している。この助成元素イオンの添加は、コア/クラッド間の屈折率差を適正な範囲とする上で利用され、その際、希土類元素イオンからのフォトルミネッセンスの発光強度の低減を少なくできる効果を発揮している。図4に、スパッタ法で作成したEr3+イオンドープ石英(SiO2)膜中に、IIIB族(13族)元素イオンを含む材料として、アルミナ(Al23)を添加した場合と、IIIA族(3族)元素イオンを含む材料として、酸化ランタン(La23)を添加した場合とで、得られる混合組成の酸化物膜の、石英ガラス(SiO2)クラッドに対する比屈折率差Δに対して、その混合組成の酸化物膜における、Er3+イオンのフォトルミネッセンス発光強度をプロットした結果を示す。酸化ランタン(La23)を添加した場合でも、比屈折率差Δを増すとともに、発光強度は低下するが、アルミナ(Al23)を添加した場合における低下の方が大きく、少なくとも、比屈折率差Δが2%〜10%の範囲では、酸化ランタン(La23)を添加した場合における発光強度の低下は、有意に少ないことが判る。 In the optical waveguide for an optical amplifier according to the present invention, the core has its supporting element ions from Sc, Y, and La in the group IIIA (group 3) element with respect to the rare earth element ions added to the base material. Choose from the group of This addition of the aid element ions is used to make the difference in refractive index between the core and the clad within an appropriate range, and at that time, the effect of reducing the emission intensity of photoluminescence from the rare earth element ions is exhibited. Yes. FIG. 4 shows a case where alumina (Al 2 O 3 ) is added as a material containing group IIIB (group 13) element ions to an Er 3+ ion-doped quartz (SiO 2 ) film prepared by sputtering, and IIIA When a lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is added as a material containing group (group 3) element ions, the relative refractive index difference Δ of the obtained mixed composition oxide film with respect to the quartz glass (SiO 2 ) clad Shows the results of plotting the photoluminescence emission intensity of Er 3+ ions in the oxide film of the mixed composition. Even when lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is added, the relative refractive index difference Δ is increased and the emission intensity is decreased, but the decrease when alumina (Al 2 O 3 ) is added is larger, at least, It can be seen that when the relative refractive index difference Δ is in the range of 2% to 10%, the decrease in emission intensity when lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is added is significantly small.

上述するように、少なくとも、導波路ベンド部の曲率半径rの最小値2mm(r≧2mm)を達成する上では、少なくとも、比屈折率差Δを2%以上の範囲となるよう増加させるため、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される助成元素イオン、例えば、La3+イオンの添加比率を増す際、図4に示すように、比屈折率差Δを増すとともに、Er3+イオンのフォトルミネッセンス発光強度が低下していく。石英ガラス(SiO2)中(比屈折率差Δ=0%に相当)におけるEr3+イオンのフォトルミネッセンス発光強度を基準として、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、La、Acからなる群から選択される助成元素イオン、例えば、La3+イオンの添加比率を増すことで、比屈折率差Δを15%まで増すと、発光強度は60%程度まで低下している。その点を考慮すると、発光強度の低下が50%を超えない範囲とする上では、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される助成元素イオン、例えば、La3+イオンの添加比率を増す際、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)に対する比屈折率差Δが、少なくとも、17%以下、通常、15%以下となる範囲、より好ましくは、10%以下となる範囲に留めることが望ましい。対応して、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Laからなる群から選択される助成元素イオン、例えば、La3+イオンの添加比率を、酸化ランタン(La23)として、少なくとも、20モル%以下、通常、18%以下となる範囲、より好ましくは、10%以下となる範囲に留めることが望ましい。 As described above, in order to at least achieve the minimum value 2 mm (r ≧ 2 mm) of the radius of curvature r of the waveguide bend portion, in order to increase the relative refractive index difference Δ to be in the range of 2% or more, Among the group IIIA (group 3) elements, when increasing the addition ratio of an auxiliary element ion selected from the group consisting of Sc, Y, La, for example, La 3+ ions, as shown in FIG. As Δ increases, the photoluminescence emission intensity of Er 3+ ions decreases. Sc, Y, La, Ac among the group IIIA (group 3) elements based on the photoluminescence emission intensity of Er 3+ ions in quartz glass (SiO 2 ) (corresponding to a relative refractive index difference Δ = 0%) When the relative refractive index difference Δ is increased to 15% by increasing the addition ratio of an auxiliary element ion selected from the group consisting of, for example, La 3+ ions, the emission intensity decreases to about 60%. In view of this point, in order to make the emission intensity decrease not to exceed 50%, among group IIIA (group 3) elements, auxiliary element ions selected from the group consisting of Sc, Y, La, for example, When increasing the addition ratio of La 3+ ions, the relative refractive index difference Δ of the quartz glass (SiO 2 ) cladding with respect to the refractive index n SiO2 (about 1.45) is at least 17% or less, usually 15% or less. It is desirable to keep it within a range, more preferably within 10% or less. Correspondingly, among the group IIIA (group 3) elements, the addition ratio of the auxiliary element ions selected from the group consisting of Sc, Y and La, for example, La 3+ ions, is defined as lanthanum oxide (La 2 O 3 ). However, it is desirable to keep at least 20 mol% or less, usually 18% or less, more preferably 10% or less.

加えて、Si基板上に、光導波路を作製する際、コア母材として、石英ガラス(SiO2)中に、Al(Al23)やP(P25)を高い比率で添加すると、コア層には、圧縮(プラス)方向の歪み応力が加わるが、酸化ランタン(La23)を添加した場合には、コア層には、引張り(マイナス)方向の歪み応力が加わることが判明した。Si基板上に形成されるコア層において、例えば、石英ガラス(SiO2)中にアルミナ(Al23)を20モル%添加する場合には、1ミクロンの厚さで、応力が約200MPaに対して、石英ガラス(SiO2)中に酸化ランタン(La23)を20モル%添加する場合には、1ミクロンの厚さで応力が約−200MPaであった。なお、Si基板上に石英のクラッド膜(下クラッド)を成膜した場合には、下クラッド膜自体、Si基板に対して応力がプラスにかかっており、その上に、石英ガラス(SiO2)中に酸化ランタン(La23)を添加しているコア膜を成膜すれば、全体として、コアに印加される応力を緩和することができる。このコアに印加される応力の緩和効果に関しては、酸化ランタン(La23)のみでなく、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、ならびに、場合によって利用されるAcに関して、その酸化物(Sc23、Y23、Ac23)においても、同じような性質・作用を有するので、同様に好適に利用できる。 In addition, when an optical waveguide is produced on a Si substrate, when Al (Al 2 O 3 ) or P (P 2 O 5 ) is added at a high ratio in quartz glass (SiO 2 ) as a core base material. In addition, compressive (plus) strain stress is applied to the core layer, but when lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is added, tensile (minus) strain stress is applied to the core layer. found. In the core layer formed on the Si substrate, for example, when 20 mol% of alumina (Al 2 O 3 ) is added to quartz glass (SiO 2 ), the thickness is 1 micron and the stress is about 200 MPa. On the other hand, when 20 mol% of lanthanum oxide (La 2 O 3 ) was added to quartz glass (SiO 2 ), the stress was about −200 MPa at a thickness of 1 micron. When a quartz clad film (lower clad) is formed on the Si substrate, the lower clad film itself is positively stressed against the Si substrate, and quartz glass (SiO 2 ) is formed thereon. If a core film to which lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is added is formed, the stress applied to the core can be alleviated as a whole. Regarding the relaxation effect of the stress applied to the core, not only lanthanum oxide (La 2 O 3 ) but also Sc, Y, and optionally used Ac among the Group IIIA (Group 3) elements. Since oxides (Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ac 2 O 3 ) have similar properties and functions, they can be suitably used in the same manner.

更には、光増幅媒体として利用される、コア中に添加される希土類元素イオンは、目的とする増幅波長帯に応じて、例えば、1.5μm帯の光増幅用には、Er3+イオン、Ho3+イオン、Tm3+イオン、Yb3+イオンなど、また、1.3μm帯の光増幅用には、Pr3+イオン、Nd3+イオンなどであるが、これら希土類元素イオンと共添加される、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、La、Acからなる群から選択される助成元素イオンは、いずれも、R23の形態で、石英ガラス(SiO2)中に添加される。また、そのイオン半径等も類似しており、石英ガラス(SiO2)中において、同様な挙動をとる。例えば、コア中に添加される希土類元素イオンがクラスター化を起こす際には、希土類元素イオンとこれらIIIA族(3族)の助成元素イオンとが、生成するクラスター内にほぼ等しい確率で取り込まれることになる。その結果、生成するクラスター内に含まれる、希土類元素イオンとIIIA族(3族)の助成元素イオンとの割合は、それらの添加比率の比と等しくなる。その結果、希土類元素イオンの添加比率/IIIA族(3族)の助成元素イオンの添加比率の比が、1/4より小さくなると、クラスター内において、希土類元素イオンが隣接して存在する比率は極めて低くなる。従って、添加されている希土類元素イオン、例えば、Er3+イオン複数がクラスター状に存在すると、隣接するEr3+イオン間において、エネルギー移動がより起こり易くなることに由来する、準安定励起状態の低減過程は、大幅に抑制されることになる。 Furthermore, the rare earth element ions added to the core used as an optical amplification medium are, for example, Er 3+ ions for optical amplification in the 1.5 μm band, depending on the target amplification wavelength band, Ho 3+ ion, Tm 3+ ion, Yb 3+ ion, etc. Also, for light amplification in 1.3 μm band, Pr 3+ ion, Nd 3+ ion, etc. are co-added with these rare earth element ions Among the group IIIA (group 3) elements, the auxiliary element ions selected from the group consisting of Sc, Y, La, and Ac are all in the form of R 2 O 3 in quartz glass (SiO 2 ). To be added. Moreover, the ionic radius etc. are also similar and take the same behavior in quartz glass (SiO 2 ). For example, when rare earth element ions added to the core cause clustering, the rare earth element ions and these group IIIA (group 3) auxiliary element ions are incorporated into the generated clusters with almost equal probability. become. As a result, the ratio between the rare earth element ions and the IIIA (Group 3) auxiliary element ions contained in the generated cluster is equal to the ratio of the addition ratios. As a result, when the ratio of the addition ratio of rare earth element ions / addition ratio of IIIA (Group 3) auxiliary element ions is smaller than 1/4, the ratio of rare earth element ions adjacent to each other in the cluster is extremely high. Lower. Accordingly, when a plurality of added rare earth element ions, for example, Er 3+ ions, are present in a cluster, energy transfer is more likely to occur between adjacent Er 3+ ions. The reduction process will be greatly suppressed.

すなわち、希土類元素イオンとこれらIIIA族(3族)の助成元素イオンとを共添加する際、希土類元素イオンの添加比率/IIIA族(3族)の助成元素イオンの添加比率の比を1/4より小さく選択すると、クラスター化に起因する光増幅効率の低下に関して、その相当部分を回避する効果が得られる。特には、希土類元素イオンの添加比率/IIIA族(3族)の助成元素イオンの添加比率の比を、1/4〜1/27の範囲に選択すると、より望ましい。   That is, when the rare earth element ions and these group IIIA (group 3) auxiliary element ions are co-added, the ratio of the addition ratio of the rare earth element ions / group IIIA (group 3) auxiliary element ions is set to 1/4. Selecting a smaller value provides an effect of avoiding a substantial portion of the decrease in optical amplification efficiency caused by clustering. In particular, it is more preferable to select the ratio of the addition ratio of rare earth element ions / addition ratio of IIIA (Group 3) auxiliary element ions in the range of 1/4 to 1/27.

なお、石英ガラス(SiO2)中にEr3+イオンを酸化物(Er23)として添加した際に観測されるEr3+イオンのフォトルミネッセンス発光スペクトルに基づき、C−バンド帯(1530〜1565nm)領域に関して、ピーク強度の半値以上の波長域幅(帯域幅)を評価すると、35nmであり、
石英ガラス(SiO2)中にEr3+イオンを酸化物(Er23)として添加し、助成元素イオンとして、La3+イオンを酸化物(La23)の形態で6モル%、あるいは、10モル%添加した際には、C−バンド帯(1530〜1565nm)領域に関して、ピーク強度の半値以上の波長域幅(帯域幅)を評価すると、35nmを維持しているが、
石英ガラス(SiO2)中にEr3+イオンを酸化物(Er23)として添加し、助成元素イオンとして、リン(P25)を7モル%添加した際には、C−バンド帯(1530〜1565nm)領域に関して、ピーク強度の半値以上の波長域幅(帯域幅)を評価すると、24nmであり、帯域幅が減少してしまっていた。
Incidentally, on the basis of the photoluminescence spectrum of the Er 3+ ions observed upon addition of the silica glass (SiO 2) oxide Er 3+ ions in (Er 2 O 3), C--band (1530~ 1565 nm) region, the wavelength band width (bandwidth) equal to or higher than half the peak intensity is 35 nm.
Er 3+ ions are added to quartz glass (SiO 2 ) as oxides (Er 2 O 3 ), and La 3+ ions are added in the form of oxides (La 2 O 3 ) as 6 mol% as auxiliary element ions. Or when 10 mol% is added, when the wavelength band width (bandwidth) of half or more of the peak intensity is evaluated with respect to the C-band band (1530 to 1565 nm), 35 nm is maintained.
When Er 3+ ions are added as oxides (Er 2 O 3 ) to quartz glass (SiO 2 ) and 7 mol% of phosphorus (P 2 O 5 ) is added as an auxiliary element ion, the C-band Regarding the band (1530 to 1565 nm) region, when the wavelength band width (bandwidth) of half or more of the peak intensity was evaluated, it was 24 nm, and the bandwidth was reduced.

以下、本発明にかかる実施形態に関して、図を参照してより詳しく説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

(第一の実施形態)
図1は、本発明にかかる第一の実施形態における、平面型光導波路の構成例を、模式的に示す断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a planar optical waveguide in the first embodiment according to the present invention.

図1に示す光導波路は、基板1上に形成された下クラッド2、コア3、ならびにコア3を覆うように形成された上クラッド4から構成されている。下クラッド2ならびに上クラッド4は、石英ガラスを用いて形成され、コア3は、このコアを取り囲む下クラッド2ならびに上クラッド4を構成する石英ガラスの屈折率よりも、より大きな屈折率を有する材料で形成されている。このコア/クラッド界面における屈折率差Δnにより、光導波路の末端からコア内に入射されたレーザ光は、屈折率導波によって、かかるコア内を導波する平面型光導波路を構成している。   The optical waveguide shown in FIG. 1 includes a lower clad 2 formed on a substrate 1, a core 3, and an upper clad 4 formed so as to cover the core 3. The lower clad 2 and the upper clad 4 are formed using quartz glass, and the core 3 is a material having a refractive index higher than that of the quartz glass constituting the lower clad 2 and the upper clad 4 surrounding the core. It is formed with. Due to the refractive index difference Δn at the core / cladding interface, the laser light incident into the core from the end of the optical waveguide constitutes a planar optical waveguide guided through the core by refractive index guiding.

導波すべき光が、1.55μm帯の半導体レーザ光である形態では、かかる波長帯域においては、光透過性の酸化物である二酸化珪素、この場合、石英ガラスがクラッドを構成する材料として利用されている。なお、基板1には、1.55μm帯の半導体レーザ光に対して、光透過性を示さないシリコン基板が利用されている。コア3の断面形状は、縦厚(T)・横幅(W)ともに4μmの矩形(正方形)に選択されており、下クラッド2および上クラッド4は、いずれも、等方的な堆積法を利用して作製することにより、コア3の側面をも、均一に上クラッド4により被覆されている。その際、基板1と平行なコア/クラッド界面において、下クラッド2および上クラッド4の厚さは、いずれも、15μmとなるように、堆積条件(堆積時間等)が設定されている。   In the form in which the light to be guided is a semiconductor laser beam in the 1.55 μm band, in such a wavelength band, silicon dioxide, which is a light transmitting oxide, in this case, quartz glass is used as a material constituting the cladding. Has been. The substrate 1 is a silicon substrate that does not exhibit optical transparency with respect to 1.55 μm band semiconductor laser light. The cross-sectional shape of the core 3 is selected to be a rectangle (square) of 4 μm in both the vertical thickness (T) and the horizontal width (W), and the lower cladding 2 and the upper cladding 4 both use an isotropic deposition method. Thus, the side surface of the core 3 is also uniformly coated with the upper clad 4. At this time, the deposition conditions (deposition time, etc.) are set so that the thicknesses of the lower cladding 2 and the upper cladding 4 are both 15 μm at the core / cladding interface parallel to the substrate 1.

基板1の上面と平行な配置に延在して、平面型光導波路を構成する矩形のコア3内には、このコア3内を伝搬する信号光を増幅するため、光増幅媒体として利用する希土類元素イオン、例えば、1.55μm帯の半導体レーザ光の増幅用としては、Er3+イオンなどが、酸化物(R23;Rは希土類元素を示す)の形態で、コアを構成する母材中に、0.5モル%一様に添加されている。このコア3を構成する母材は、主体となる石英ガラス(SiO2)に、La3+イオンが酸化ランタン(La23)の形態で8モル%一様に添加されている混合組成であり、1.55μm帯半導体レーザ光の波長領域における、コア3の屈折率ncoreの、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)に対する比屈折率差Δ(≡(ncore−nSiO2)/ncore)は、7%に相当する。すなわち、1.55μm帯の半導体レーザ光の光増幅器に利用可能な平面型光導波路では、コア3を構成する混合組成の酸化物は、石英ガラス(SiO2)中に、Er3+イオンを酸化物(Er23)として0.5モル%、その助成元素イオンとして、La3+イオンを酸化ランタン(La23)として8モル%、一様に添加されている組成に選択されている。従って、このコア中には、石英ガラス(SiO2)として含まれる、Si4+イオン以外のIVB族(14族)元素イオン、ならびに、Al3+イオンなどのIIIB族(13族)元素イオンは、含まれていない。 A rare earth used as an optical amplifying medium in a rectangular core 3 extending in parallel with the upper surface of the substrate 1 and amplifying signal light propagating in the core 3 constituting a planar optical waveguide. For amplification of element ions, for example, 1.55 μm band semiconductor laser light, Er 3+ ions and the like are oxides (R 2 O 3 ; R represents a rare earth element) and the mother constituting the core 0.5 mol% is uniformly added to the material. The base material constituting the core 3 has a mixed composition in which La 3+ ions are uniformly added in the form of lanthanum oxide (La 2 O 3 ) to quartz glass (SiO 2 ) as a main component. There is a relative refractive index difference Δ (≡ (≡ ()) of the refractive index n core of the core 3 to the refractive index n SiO2 (about 1.45) of the quartz glass (SiO 2 ) clad in the wavelength region of the 1.55 μm band semiconductor laser light. n core −n SiO 2 ) / n core ) corresponds to 7%. That is, in a planar optical waveguide that can be used for an optical amplifier of a 1.55 μm band semiconductor laser light, the mixed composition oxide constituting the core 3 oxidizes Er 3+ ions in quartz glass (SiO 2 ). 0.5 mol% as a product (Er 2 O 3 ), 8 mol% of La 3+ ion as lanthanum oxide (La 2 O 3 ) as a supporting element ion, and the composition added uniformly. Yes. Therefore, in this core, group IVB (group 14) element ions other than Si 4+ ions and group IIIB (group 13) element ions such as Al 3+ ions, which are contained as quartz glass (SiO 2 ), are contained. Not included.

なお、前記の形態では、1.55μm帯半導体レーザ光の波長領域における、コア3の屈折率ncoreの、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)に対する比屈折率差Δ(≡(ncore−nSiO2)/ncore)を7%に選択することに伴い、助成元素イオンとして添加されるLa3+イオンの添加比率は、酸化ランタン(La23)として8モル%を選択しているが、前記波長領域における、コア3の屈折率ncoreの、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)に対する比屈折率差Δは、2%〜17%の範囲に設定して、光導波路を設計することも可能であり、対応して、La3+イオンの添加比率は、酸化ランタン(La23)として、2モル%〜20モル%の範囲に選択することもできる。一般に、前記波長領域における、コアと石英ガラス(SiO2)クラッドとの比屈折率差Δは、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)に対して、3%〜10%の範囲に設定して、光導波路を設計することが望ましく、対応して、La3+イオンの添加比率は、酸化ランタン(La23)として、4モル%〜10モル%の範囲に選択することがより望ましい。 In the above embodiment, the relative refractive index of the refractive index n core of the core 3 to the refractive index n SiO2 (about 1.45) of the quartz glass (SiO 2 ) clad in the wavelength region of 1.55 μm band semiconductor laser light. As the difference Δ (≡ (n core −n SiO 2 ) / n core ) is selected to be 7%, the addition ratio of La 3+ ions added as the auxiliary element ions is expressed as lanthanum oxide (La 2 O 3 ). The relative refractive index difference Δ of the refractive index n core of the core 3 to the refractive index n SiO2 (about 1.45) of the quartz glass (SiO 2 ) clad in the wavelength region is It is also possible to design the optical waveguide by setting it in the range of 2% to 17%. Correspondingly, the addition ratio of La 3+ ions is 2 mol% to 2% as lanthanum oxide (La 2 O 3 ). It can also be selected in the range of 20 mol%. In general, the relative refractive index difference Δ between the core and the quartz glass (SiO 2 ) clad in the wavelength region is 3% to about the refractive index n SiO2 (about 1.45) of the quartz glass (SiO 2 ) clad. It is desirable to design the optical waveguide by setting it in the range of 10%. Correspondingly, the addition ratio of La 3+ ions is in the range of 4 mol% to 10 mol% as lanthanum oxide (La 2 O 3 ). It is more desirable to choose.

本第一の実施形態では、1.55μm帯半導体レーザ光の波長領域における、光増幅器として利用可能な平面型光導波路を構成する際、波長980nmの高出力半導体レーザ光を励起光源として利用可能な、光増幅媒体として、コア中に、Er3+イオンを酸化物(Er23)として添加し、コア母材として、主体の石英ガラス(SiO2)に、助成元素イオンとして、La3+イオンを酸化ランタン(La23)の形態で混合しているが、助成元素イオンとして、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Acを、Laに代えて利用する場合にも、同様の効果を達成できる。 In the first embodiment, when configuring a planar optical waveguide that can be used as an optical amplifier in the wavelength region of 1.55 μm band semiconductor laser light, high-power semiconductor laser light having a wavelength of 980 nm can be used as an excitation light source. As an optical amplifying medium, Er 3+ ions are added as oxides (Er 2 O 3 ) into the core, and as the core base material, quartz glass (SiO 2 ) as a main material, La 3+ as an auxiliary element ion Although ions are mixed in the form of lanthanum oxide (La 2 O 3 ), Sc, Y, and Ac among the Group IIIA (Group 3) elements are used as the supporting element ions instead of La. A similar effect can be achieved.

なお、Laに代えて、IIIA族(3族)元素のうち、Sc、Y、Acを、助成イオンとして、添加する際にも、Sc3+イオン、Y3+イオン、Ac3+イオンを、それぞれ酸化物(Sc23、Y23、Ac23)の形態で、主体の石英ガラス(SiO2)に添加する。その添加比率は、Sc3+イオンを酸化物(Sc23)の形態で添加する際には、2モル%〜20モル%の範囲に選択することもできるが、1.55μm帯半導体レーザ光の波長領域における、コアと石英ガラス(SiO2)クラッドとの比屈折率差Δは、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)に対して3%〜10%の範囲に設定して、光導波路を設計することが望ましく、対応して、Sc3+イオンの添加比率は、Sc23として、4モル%〜10モル%の範囲に選択することがより望ましい。また、Y3+イオンを酸化物(Y23)の形態で添加する際には、その添加比率を2モル%〜20モル%の範囲に選択することもできるが、1.55μm帯半導体レーザ光の波長領域における、コアと石英ガラス(SiO2)クラッドとの比屈折率差Δは、3%〜10%の範囲に設定して、光導波路を設計することが望ましく、対応して、Y3+イオンの添加比率は、Y23として、4モル%〜10モル%の範囲に選択することがより望ましい。あるいは、Ac3+イオンを酸化物(Ac23)の形態で添加する際には、その添加比率を2モル%〜20モル%の範囲に選択することもできるが、1.55μm帯半導体レーザ光の波長領域における、コアと石英ガラス(SiO2)クラッドとの比屈折率差Δは、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)に対して3%〜10%の範囲に設定して、光導波路を設計することが望ましく、対応して、Ac3+イオンの添加比率は、Ac23として、4モル%〜10モル%の範囲に選択することがより望ましい。 In addition, instead of La, among the group IIIA (group 3) elements, Sc, Y, Ac are added as auxiliary ions, and Sc 3+ ions, Y 3+ ions, Ac 3+ ions are added, Each is added to the main quartz glass (SiO 2 ) in the form of oxides (Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ac 2 O 3 ). The addition ratio can be selected in the range of 2 mol% to 20 mol% when Sc 3+ ions are added in the form of oxide (Sc 2 O 3 ), but the 1.55 μm band semiconductor laser The relative refractive index difference Δ between the core and the quartz glass (SiO 2 ) clad in the wavelength region of light is 3% to 10% with respect to the refractive index n SiO2 (about 1.45) of the quartz glass (SiO 2 ) clad. It is desirable to design the optical waveguide by setting to the range of, and correspondingly, the addition ratio of Sc 3+ ions is more preferably selected in the range of 4 mol% to 10 mol% as Sc 2 O 3. desirable. In addition, when adding Y 3+ ions in the form of oxide (Y 2 O 3 ), the addition ratio can be selected in the range of 2 mol% to 20 mol%. Desirably, the relative refractive index difference Δ between the core and the quartz glass (SiO 2 ) clad in the wavelength region of the laser light is set in the range of 3% to 10% to design the optical waveguide. The addition ratio of Y 3+ ions is more preferably selected in the range of 4 mol% to 10 mol% as Y 2 O 3 . Alternatively, when Ac 3+ ions are added in the form of an oxide (Ac 2 O 3 ), the addition ratio can be selected from the range of 2 mol% to 20 mol%. The relative refractive index difference Δ between the core and the silica glass (SiO 2 ) cladding in the wavelength region of the laser light is 3% to 10% with respect to the refractive index n SiO2 (about 1.45) of the silica glass (SiO 2 ) cladding. It is desirable to design the optical waveguide by setting it in the range of%, and correspondingly, the addition ratio of Ac 3+ ions may be selected in the range of 4 mol% to 10 mol% as Ac 2 O 3. More desirable.

一方、下クラッドと上クラッドは石英ガラス(SiO2)としているが、石英ガラス(SiO2)に代えて、B(B25)またはP(P25)、あるいは両方を添加した石英ガラス(SiO2)を用いて、コアとクラッドとの比屈折率差Δを、クラッドを構成する酸化物の屈折率nCLADに対して、3%〜10%の範囲に設定して、光導波路を設計することも可能である。 On the other hand, the lower clad and the upper clad are made of quartz glass (SiO 2 ). Instead of quartz glass (SiO 2 ), quartz added with B (B 2 O 5 ), P (P 2 O 5 ), or both is added. By using glass (SiO 2 ), the relative refractive index difference Δ between the core and the clad is set in the range of 3% to 10% with respect to the refractive index n CLAD of the oxide constituting the clad, and the optical waveguide It is also possible to design.

上記に第一の実施形態では、コア母材として、主体の石英ガラス(SiO2)に、助成元素イオンとして、La3+イオンを酸化ランタン(La23)の形態で混合しているが、作製過程において、場合によっては、不純物元素が混入することもある。特には、光増幅媒体として、かかるコア中に添加されている、希土類元素イオン、例えば、Er3+イオンからのフォトルミネッセンス発光を弱める作用を示す元素イオンである、Al3+イオンなどのIIIB族(13族)元素イオンや、光増幅帯域を狭める作用を示すIVB族(14族)元素イオンの混入はできれば、回避することが望ましいが、仮に、不純物として混入される場合には、コア中に添加されている、希土類元素イオン、例えば、Er3+イオンからのフォトルミネッセンス発光を弱めないためには、IIIB族(13族)元素イオンやIVB族(14族)元素イオンの添加濃度の総和は、その酸化物として、1モル%以下の範囲であることが望ましい。一般に、コア中に添加されている、希土類元素イオン、例えば、Er3+イオンからのフォトルミネッセンス発光を弱める作用は、励起状態から基底状態への無輻射的な失活過程の増加に由来しており、換言するならば、光増幅過程に関与する励起状態に留まる比率(反転分布)の低減を引き起こし、結果として、光増幅における利得が低減することになるので好ましくない。 As described above, in the first embodiment, La 3+ ions as the auxiliary element ions are mixed in the form of lanthanum oxide (La 2 O 3 ) as the core matrix and the main quartz glass (SiO 2 ). In the manufacturing process, an impurity element may be mixed depending on circumstances. In particular, as a light amplification medium, a group IIIB such as an Al 3+ ion, which is an element ion having an action of weakening photoluminescence emission from a rare earth element ion such as an Er 3+ ion, which is added to the core. (Group 13) Element ions and group IVB (Group 14) element ions that have the effect of narrowing the optical amplification band are preferably avoided if possible, but if they are mixed as impurities, In order not to weaken the photoluminescence emission from the added rare earth element ions, for example, Er 3+ ions, the total addition concentration of the group IIIB (group 13) element ions and the group IVB (group 14) element ions is The oxide is preferably in the range of 1 mol% or less. In general, the action of weakening the photoluminescence emission from rare earth element ions such as Er 3+ ions added in the core is derived from an increase in the non-radiative deactivation process from the excited state to the ground state. In other words, it is not preferable because it causes a reduction in the ratio (inversion distribution) remaining in the excited state involved in the optical amplification process, resulting in a decrease in gain in optical amplification.

なお、上述する第一の実施形態にかかる、比屈折率差Δが7%である構成を有する光導波路は、単位長さ当たりの光増幅率を大きくでき、導波路長10cm、励起光波長980nm、200mWの条件において、同じ比屈折率差Δを有する、Al(Al23)を高い比率で添加し、Er3+イオンを同濃度含む光導波路では、1dB/cmの増幅率であるのに対し、1.8dB/cmであった。 The optical waveguide according to the first embodiment described above having a relative refractive index difference Δ of 7% can increase the optical gain per unit length, the waveguide length is 10 cm, and the excitation light wavelength is 980 nm. In the optical waveguide containing Al (Al 2 O 3 ) having the same relative refractive index difference Δ at a high ratio and containing the same concentration of Er 3+ ions under the condition of 200 mW, the amplification factor is 1 dB / cm. On the other hand, it was 1.8 dB / cm.

(第一の実施形態にかかる平面型光導波路の作製工程)
上記の第一の実施形態にかかる光導波路を作製する方法について、図5を参照して、以下に、その作製工程を説明する。
(Process for producing a planar optical waveguide according to the first embodiment)
With respect to a method of manufacturing the optical waveguide according to the first embodiment, the manufacturing process will be described below with reference to FIG.

まず、図5(a)に示すように、Si基板1上に下クラッド2として、石英ガラス層(酸化シリコン層)を、CVD法を用いて成膜する。次に、図5(b)に示すように、コア層として、エルビウムとランタンをそれぞれ酸化物の形態で添加した石英ガラス層をCVD法で成膜する。このコア層上に、フォトリソグラフィーでレジストパターンを形成し、それをエッチング・マスクとして、ドライ・エッチングでコア層をエッチングし、図5(c)に示すように、所望の横幅(W)を有する矩形断面のコア3を形成する。次に、図5(d)に示すように、前記コア3を覆うように、上クラッド4として、石英ガラス層(酸化シリコン層)をCVD法で成膜して、平面型光導波路を構成する。   First, as shown in FIG. 5A, a quartz glass layer (silicon oxide layer) is formed as a lower clad 2 on a Si substrate 1 using a CVD method. Next, as shown in FIG. 5B, as a core layer, a quartz glass layer to which erbium and lanthanum are added in the form of oxides is formed by a CVD method. A resist pattern is formed on the core layer by photolithography, and the core layer is etched by dry etching using the resist pattern as an etching mask. As shown in FIG. 5C, a desired lateral width (W) is obtained. A core 3 having a rectangular cross section is formed. Next, as shown in FIG. 5D, a quartz glass layer (silicon oxide layer) is formed by CVD as an upper clad 4 so as to cover the core 3 to form a planar optical waveguide. .

前記の作製工程においては、下クラッド2、上クラッド4用の石英ガラス層(酸化シリコン層)、ならびに、コア層の成膜に、CVD法を利用しているが、等方的な堆積が達成され、また、得られる堆積膜の組成を所望の組成とできる限り、他の成膜方法を利用することもできる。利用可能な成膜方法として、スパッタ法、減圧CVD法、常圧CVD法、イオンプレーティング法など各種の等方的な堆積方法を挙げることができる。   In the manufacturing process described above, the CVD method is used to form the quartz glass layer (silicon oxide layer) for the lower cladding 2 and the upper cladding 4 and the core layer, but isotropic deposition is achieved. In addition, as long as the composition of the obtained deposited film can be a desired composition, other film forming methods can be used. Examples of usable film forming methods include various isotropic deposition methods such as sputtering, low pressure CVD, atmospheric pressure CVD, and ion plating.

なお、上記のCVD法を利用する堆積方法では、コア層中に添加されるエルビウムとランタンは、シリコン原料から酸化シリコン層を形成する過程で、エルビウムを含む原料ガス、ランタンを含む原料ガスを導入して、同時に酸化物として、添加する形態をとっており、均一な添加濃度分布が達成されている。例えば、コアの母材の主体となる酸化シリコンを、石英ターゲットからスパッタ法を利用して堆積する際には、コア層中に添加されるエルビウムとランタンも、予め、酸化物である酸化エルビウムや酸化ランタンの形態とした上で、スパッタ法を利用して、添加堆積することが可能である。   In the deposition method using the above-described CVD method, erbium and lanthanum added to the core layer are introduced into the source gas containing erbium and the source gas containing lanthanum in the process of forming the silicon oxide layer from the silicon source. At the same time, the oxide is added as an oxide, and a uniform concentration distribution is achieved. For example, when silicon oxide, which is the main material of the core base material, is deposited from a quartz target using a sputtering method, erbium and lanthanum added to the core layer are also preliminarily formed of erbium oxide or oxide. After the lanthanum oxide is formed, it can be added and deposited using a sputtering method.

(第二の実施形態)
以下、本発明にかかる第二の実施形態について、同じく図を参照して、詳しく説明する。
(Second embodiment)
Hereinafter, a second embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明にかかる第二の実施形態における平面型光導波路も、その基本的な構成は、図1で示した第一の実施形態とほぼ同じであるが、コア内に添加される希土類元素イオンの濃度分布は一様ではなく、縦方向の添加濃度は、コアの中心部において極大を示し、その上下に位置する、下クラッド2、上クラッド4との界面に向かって、添加濃度が低減する分布を設けたものである。一方、コア内に同時に酸化ランタン(La23)の形態で添加されるLa3+イオンの添加濃度は、コアの縦方向に均一な濃度としている。その他の部分の構成は、第一の実施形態の光導波路と同じである。 The basic configuration of the planar optical waveguide according to the second embodiment of the present invention is almost the same as that of the first embodiment shown in FIG. The concentration distribution is not uniform, and the additive concentration in the vertical direction has a maximum at the center of the core, and the additive concentration decreases toward the interface between the lower cladding 2 and the upper cladding 4 positioned above and below the core. Is provided. On the other hand, the concentration of La 3+ ions added simultaneously in the form of lanthanum oxide (La 2 O 3 ) in the core is set to a uniform concentration in the longitudinal direction of the core. The structure of other parts is the same as that of the optical waveguide of the first embodiment.

希土類元素イオンとして、例えば、Er3+イオンを基板面に垂直な方向(縦方向)では、コアの中心部の添加濃度を酸化物(Er23)として0.5モル%とし、コアの上下の界面方向に向かって、徐々に減少させる。このEr3+イオンの添加濃度の分布は、光増幅用にコア端面から入射される励起光のコア内光強度分布と類似する分布に選択することが効果的である。コア端面から入射される励起光のコア内光強度分布は、コアの中央部において、極大を示すガウス分布に近い分布を示しており、この第二の実施形態において、Er3+イオンの添加濃度の縦方向分布は、そのガウス分布と近い分布を選択した。なお、コアの基板面と平行な方向には、Er3+イオンの添加濃度に分布は設けず、横幅方向には、一様の濃度となっている。 As rare earth element ions, for example, Er 3+ ions in the direction perpendicular to the substrate surface (longitudinal direction), the addition concentration of the central portion of the core is 0.5 mol% as an oxide (Er 2 O 3 ), Decrease gradually toward the upper and lower interface direction. It is effective to select the distribution of the Er 3+ ion addition concentration to a distribution similar to the in-core light intensity distribution of the excitation light incident from the core end face for optical amplification. The in-core light intensity distribution of the excitation light incident from the end face of the core shows a distribution close to a Gaussian distribution showing a maximum at the center of the core. In this second embodiment, the addition concentration of Er 3+ ions The vertical distribution of was selected to be close to the Gaussian distribution. In the direction parallel to the substrate surface of the core, no distribution is provided in the Er 3+ ion addition concentration, and the concentration is uniform in the lateral width direction.

かかる第二の実施形態における平面型光導波路においては、コア端面から入射される励起光のコア内におけるガウス分布型の光強度分布と、コア内におけるEr3+イオンの添加濃度の縦方向分布とはほぼ一致している結果、コア内におけるEr3+イオンの添加濃度が一様である場合と比較すると、励起光により励起状態とされているEr3+イオンの占める比率がより大きくなり、基底状態にあるEr3+イオンの光吸収に起因する光の伝播ロスの低減が図られている。 In the planar optical waveguide in the second embodiment, the Gaussian distribution type light intensity distribution in the core of the excitation light incident from the end face of the core, and the vertical distribution of the Er 3+ ion addition concentration in the core As a result, the ratio of Er 3+ ions in the excited state by the excitation light is larger than that in the case where the addition concentration of Er 3+ ions in the core is uniform. Reduction of light propagation loss due to light absorption of Er 3+ ions in the state is attempted.

(第二の実施形態にかかる平面型光導波路の作製工程)
上記の第二の実施形態にかかる光導波路を作製する方法について、図5を参照して、以下に、その作製工程を説明する。
(Process for producing a planar optical waveguide according to the second embodiment)
With respect to a method of manufacturing the optical waveguide according to the second embodiment, the manufacturing process will be described below with reference to FIG.

この第二の実施形態にかかる光導波路の作製工程は、コアを形成するコア層の作製工程を除き、その他の工程は、先に説明した第一の実施形態にかかる光導波路の作製工程と基本的に同じである。すなわち、図5(b)に示すコア層の成膜工程において、成膜厚さ方向(縦厚方向)にEr3+イオンの添加濃度を目的とする分布に調製する。 The optical waveguide manufacturing process according to the second embodiment is the same as the optical waveguide manufacturing process according to the first embodiment described above, except for the core layer manufacturing process for forming the core. Are the same. That is, in the core layer deposition step shown in FIG. 5B, the Er 3+ ion addition concentration is adjusted to a target distribution in the deposition thickness direction (vertical thickness direction).

CVD法を利用して、コア層の成膜を行う際、コア層中に添加されるエルビウムとランタンは、シリコンを含む原料ガスから酸化シリコン層を形成する過程で、エルビウムを含む原料ガス、ランタンを含む原料ガスを導入して、同時に酸化物として、添加する形態をとっており、エルビウムを含む原料ガス/シリコンを含む原料ガスの供給比率を、コア層成膜開始時には、小さく設定し、徐々に増加させ、コア層成膜時間の1/2が経過した後、徐々に減少させる。このようにエルビウムを含む原料ガス/シリコンを含む原料ガスの供給比率を目的とする添加濃度分布に併せて制御することで、得られるコア層の膜厚方向(縦方向)にEr3+イオンの添加濃度分布が形成される。なお、ランタンを含む原料ガス/シリコンを含む原料ガスの供給比率は一定に保つことで、酸化ランタン(La23)の形態で添加されるLa3+イオンの添加濃度は、実質的にコア層の縦方向に均一な濃度とされている。 When the core layer is formed using the CVD method, erbium and lanthanum added to the core layer are formed in the process of forming the silicon oxide layer from the silicon-containing source gas, erbium-containing source gas, lanthanum. At the same time, the supply ratio of the source gas containing erbium / the source gas containing silicon is set to a small value at the start of the core layer film formation, and is gradually added as an oxide. And after a half of the core layer deposition time has elapsed, it is gradually decreased. In this way, by controlling the supply ratio of the source gas containing erbium / the source gas containing silicon in accordance with the intended concentration distribution of addition, Er 3+ ions in the film thickness direction (longitudinal direction) of the resulting core layer are controlled. An additive concentration distribution is formed. The supply ratio of the source gas containing lanthanum / the source gas containing silicon is kept constant, so that the concentration of La 3+ ions added in the form of lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is substantially equal to the core. The density is uniform in the vertical direction of the layer.

この第二の実施形態にかかる光導波路の作製工程においても、下クラッド2、上クラッド4用の石英ガラス層(酸化シリコン層)、ならびに、コア層の成膜に、CVD法を利用しているが、等方的な堆積が達成され、また、得られる堆積膜の組成を所望の組成とできる限り、他の成膜方法を利用することもできる。利用可能な成膜方法として、スパッタ法、減圧CVD法、常圧CVD法、イオンプレーティング法など各種の等方的な堆積方法を挙げることができる。   Also in the manufacturing process of the optical waveguide according to the second embodiment, the CVD method is used for forming the quartz glass layer (silicon oxide layer) for the lower cladding 2 and the upper cladding 4 and the core layer. However, other film forming methods can be used as long as isotropic deposition is achieved and the composition of the obtained deposited film can be a desired composition. Examples of the film forming method that can be used include various isotropic deposition methods such as a sputtering method, a low pressure CVD method, an atmospheric pressure CVD method, and an ion plating method.

本発明にかかる平面型コア・クラッド導波路形状を有する光導波路は、光ファイバー伝送路で構成される光通信ネットワーク装置内において、主として、1.55μm帯のレーザ光強度の増幅を目的とする広帯域の光増幅器として、利用することができる。   An optical waveguide having a planar core / cladding waveguide shape according to the present invention is mainly used for amplifying a laser light intensity in a 1.55 μm band in an optical communication network device constituted by an optical fiber transmission line. It can be used as an optical amplifier.

本発明の実施の形態にかかる、平面型光導波路の構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structural example of the planar optical waveguide concerning embodiment of this invention. 平面型光導波路に利用される、コア母材中に含有されるEr3+イオンからのフォトルミネッセンス発光強度の、該コア母材中における石英ガラス(SiO2)に対するアルミナ(Al23)の添加比率に対する依存性を評価した結果の一例を示す図である。The photoluminescence emission intensity from Er 3+ ions contained in the core base material used for the planar optical waveguide is that of alumina (Al 2 O 3 ) with respect to quartz glass (SiO 2 ) in the core base material. It is a figure which shows an example of the result of having evaluated the dependence with respect to an addition ratio. 平面型光導波路に利用される、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)と、コア母材中における、石英ガラス(SiO2)に対して、酸化ランタン(La23)あるいはアルミナ(Al23)を添加したコア母材の屈折率ncore、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)に対する比屈折率差Δ(≡(ncore−nSiO2)/ncore)の、酸化ランタン(La23)あるいはアルミナ(Al23)の添加比率(モル%)に対する依存性を示す図である。Is used in planar optical waveguides, a silica glass (SiO 2) refractive index n SiO2 (about 1.45) of the cladding, the core base material for quartz glass (SiO 2), lanthanum oxide (La 2 O 3 ) or alumina (Al 2 O 3 ) added core base material refractive index n core , quartz glass (SiO 2 ) clad refractive index n SiO2 (about 1.45) relative refractive index difference Δ (≡ ( of n core -n SiO2) / n core ), it is a diagram showing a dependency on the addition ratio of lanthanum oxide (La 2 O 3) or alumina (Al 2 O 3) (mol%). 平面型光導波路に利用される、コア母材中に含有されるEr3+イオンからのフォトルミネッセンス発光強度の、石英ガラス(SiO2)に対して、酸化ランタン(La23)あるいはアルミナ(Al23)を添加したコア母材の屈折率ncoreと、石英ガラス(SiO2)クラッドの屈折率nSiO2(約1.45)との比屈折率差Δに対する依存性を評価した結果の一例を示す図である。Quartz glass (SiO 2 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ) or alumina (photoluminescence emission intensity from Er 3+ ions contained in the core base material, which is used in the planar optical waveguide, is used. Results of evaluating the dependence on the relative refractive index difference Δ between the refractive index n core of the core base material added with Al 2 O 3 ) and the refractive index n SiO2 (about 1.45) of the quartz glass (SiO 2 ) clad It is a figure which shows an example. 本発明にかかる実施の形態における平面型光導波路を製造する工程を例示する図である。It is a figure which illustrates the process of manufacturing the planar optical waveguide in embodiment concerning this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 下クラッド
3 コア
4 上クラッド
1 Substrate 2 Lower clad 3 Core 4 Upper clad

Claims (10)

特定の波長帯域に含まれる波長を有する光を導波可能な光導波路であって、
該光導波路は、平板状の基板と、
該基板上に設ける、少なくともクラッドと、該クラッド中に配置されるコアとで構成される平面型光導波路の形態を有し、
前記クラッドは、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物で構成され、
前記コアは、前記クラッドを構成する酸化物に対して、少なくとも、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、誘導的光放出可能な遷移状態を有する希土類元素イオンが酸化物の形態で添加され、さらに、前記希土類元素イオンに加えて、その助成元素イオンとして、IIIA族元素のうちSc、Y、Laからなる群より選択される元素イオンの一つが酸化物の形態で添加されてなる混合組成の酸化物で構成され、
少なくとも、前記コアとクラッドとが接するコア/クラッド界面において、前記特定の波長帯域に含まれる波長における、前記コアを構成する混合組成酸化物の屈折率は、前記クラッドを構成する酸化物の屈折率より、1%〜20%高い屈折率を示すように、前記コア中における助成元素イオンの添加率が選択されている
ことを特徴とする光導波路。
An optical waveguide capable of guiding light having a wavelength included in a specific wavelength band,
The optical waveguide includes a flat substrate,
A planar optical waveguide comprising at least a clad provided on the substrate and a core disposed in the clad;
The clad is composed of an oxide exhibiting light transmittance at a wavelength included in the specific wavelength band,
In the core, the rare earth element ion having a transition state capable of inductive light emission is added in the form of an oxide at least at a wavelength included in the specific wavelength band with respect to the oxide constituting the cladding. Furthermore, in addition to the rare earth element ion, as a supporting element ion, one of element ions selected from the group consisting of Sc, Y, and La among group IIIA elements is added in the form of an oxide. Composed of oxides,
At least at the core / cladding interface where the core and the clad contact each other, the refractive index of the mixed composition oxide constituting the core at the wavelength included in the specific wavelength band is the refractive index of the oxide constituting the clad. An optical waveguide characterized in that the additive element ion addition rate in the core is selected so as to exhibit a refractive index higher by 1% to 20%.
前記コアを構成する混合組成の酸化物中における、助成元素イオンの添加率は、その酸化物として、2モル%以上、かつ20モル%以下の範囲に選択されている
ことを特徴とする請求項1に記載の光導波路。
The addition ratio of the promoting element ions in the oxide having the mixed composition constituting the core is selected in the range of 2 mol% or more and 20 mol% or less as the oxide. The optical waveguide according to 1.
前記コアを構成する混合組成の酸化物は、微量のIIIB族元素イオン、あるいはシリコンイオン以外のIVB族元素イオンをさらに含んでもよく、
前記微量のIIIB族元素イオン、あるいはシリコンイオン以外のIVB族元素イオンは、酸化物として、その含有比率の総和は、1モル%以下の範囲に制限されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の光導波路。
The oxide of the mixed composition constituting the core may further contain a small amount of group IIIB element ions or group IVB element ions other than silicon ions,
2. The trace amount of group IIIB element ions or group IVB element ions other than silicon ions are oxides, and the total content thereof is limited to a range of 1 mol% or less. 2. The optical waveguide according to 2.
前記クラッドを構成する酸化物は、二酸化珪素である
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の光導波路。
The optical waveguide according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxide constituting the cladding is silicon dioxide.
前記クラッドを構成する酸化物は、石英ガラスであり、
前記コアを構成する混合組成の酸化物は、該石英ガラスに対して、前記希土類元素イオンならびに助成元素イオンはともに酸化物の形態で添加されてなる混合組成ガラスである
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の光導波路。
The oxide constituting the cladding is quartz glass,
The mixed composition oxide constituting the core is a mixed composition glass obtained by adding the rare earth element ions and the auxiliary element ions in the form of an oxide to the quartz glass. The optical waveguide as described in any one of 1-4.
前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記助成元素イオンの添加濃度は、少なくとも、該コアの中心部から前記垂直な方向のコア/クラッド界面に向かって、均一な分布を有する
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光導波路。
The core disposed in the cladding is
In the core cross section in the direction perpendicular to the substrate surface, the additive element ion concentration added in the core is at least from the center of the core toward the core / cladding interface in the perpendicular direction. The optical waveguide according to claim 1, wherein the optical waveguide has a uniform distribution.
前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記希土類元素イオンの添加濃度は、少なくとも、該コアの中心部から前記垂直な方向のコア/クラッド界面に向かって、均一な分布を有する
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の光導波路。
The core disposed in the cladding is
In the core cross section in the direction perpendicular to the substrate surface, the additive concentration of the rare earth element ions added in the core is at least from the center of the core toward the core / cladding interface in the perpendicular direction. The optical waveguide according to any one of claims 1 to 6, wherein the optical waveguide has a uniform distribution.
前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記希土類元素イオンの添加濃度は、該コアの中心部から前記垂直な方向のコア/クラッド界面に向かって、徐々に減少する分布を有する
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の光導波路。
The core disposed in the cladding is
In the core cross section in the direction perpendicular to the substrate surface, the addition concentration of the rare earth element ions added in the core gradually increases from the center of the core toward the core / cladding interface in the perpendicular direction. The optical waveguide according to any one of claims 1 to 6, wherein the optical waveguide has a distribution that decreases rapidly.
前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記希土類元素イオンの添加濃度は、該コアの中心部に極大を有するガウス分布に近い分布を有する
ことを特徴とする請求項8に記載の光導波路。
The core disposed in the cladding is
In the core cross section in a direction perpendicular to the substrate surface, the addition concentration of the rare earth element ions added in the core has a distribution close to a Gaussian distribution having a maximum at the center of the core, The optical waveguide according to claim 8.
特定の波長帯域に含まれる波長を有する光を導波可能な光導波路を製造する方法であって、
該光導波路は、平板状の基板と、
該基板上に設ける、下クラッドと、
該下クラッド上に設ける、矩形の断面形状を有し、所定の平面パターン形状にパターニング加工されてなるコアと、
前記下クラッド上面、ならびに、パターニング加工されてなる該コアの側面ならびに上面を被覆する形態に形成されている上クラッドとを具え、
少なくとも、下クラッドと上クラッドとで構成されるクラッド中に配置されるコアとで構成される平面型光導波路の形態を有し、
前記下クラッドと上クラッドは、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物で構成され、
前記コアは、前記クラッドを構成する酸化物に対して、少なくとも、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、誘導的光放出可能な遷移状態を有する希土類元素イオンが酸化物の形態で添加され、さらに、前記希土類元素イオンに加えて、その助成元素イオンとして、IIIA族元素のうちSc、Y、Laからなる群より選択される元素イオンの一つが酸化物の形態で添加されてなる混合組成の酸化物で構成され、
少なくとも、前記コア上面と上クラッドとが接するコア/上クラッド上界面と側界面、ならびに前記コア下面と下クラッドとが接するコア/下クラッド下界面において、前記特定の波長帯域に含まれる波長における、前記コアを構成する混合組成酸化物の屈折率は、前記クラッドを構成する酸化物の屈折率より、1%〜20%高い屈折率を示すように、前記コア中における助成元素イオンの添加率が選択されている構造を有し、
該光導波路の製造方法は、
前記基板上に、該下クラッドを構成する前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物層を所定の膜厚形成する下クラッド膜形成工程と、
前記下クラッド膜上に、該コアを構成する、前記クラッドを構成する酸化物に対して、少なくとも、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、誘導的光放出可能な遷移状態を有する希土類元素イオンが酸化物の形態で添加され、さらに、前記希土類元素イオンに加えて、その助成元素イオンとして、IIIA族元素のうちSc、Y、Laからなる群より選択される元素イオンの一つが酸化物の形態で添加されてなる混合組成の酸化物からなる所定膜厚のコア層を、少なくとも、前記コア層中において、前記特定の波長帯域に含まれる波長における、前記コア層を構成する混合組成酸化物の屈折率は、前記クラッドを構成する酸化物の屈折率より、1%〜20%高い屈折率を示すように、前記コア層膜厚方向における助成元素イオンの添加率が選択されている構造に形成するコア層形成工程と、
前記コア層の表面に、前記所定の平面パターン形状のレジストパターンをフォトリソグラフィーにより形成するレジスト・マスク形成工程と、
前記レジスト・マスクをエッチング・マスクとし、ドライ・エッチング法により前記コア層をエッチングして、矩形の断面形状を有し、前記所定の平面パターン形状にパターニング加工されてなるコアを形成するコア・パターニング工程と、
前記下クラッド上面、ならびに、パターニング加工されてなる該コアの側面ならびに上面を被覆する形態に、該上クラッドを構成する前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物層を所定の膜厚形成する上クラッド膜形成工程とを、少なくとも具える、
ことを特徴とする光導波路の製造方法。

A method of manufacturing an optical waveguide capable of guiding light having a wavelength included in a specific wavelength band,
The optical waveguide includes a flat substrate,
A lower clad provided on the substrate;
A core having a rectangular cross-sectional shape provided on the lower clad and patterned into a predetermined plane pattern shape;
The lower clad upper surface, and the upper clad formed in a form covering the side surface and upper surface of the core subjected to patterning,
At least, it has a form of a planar optical waveguide composed of a core disposed in a clad composed of a lower clad and an upper clad,
The lower clad and the upper clad are made of an oxide exhibiting optical transparency at a wavelength included in the specific wavelength band,
The core is added to the oxide constituting the clad, in the form of an oxide, a rare earth element ion having a transition state capable of inductive light emission at least at a wavelength included in the specific wavelength band, Furthermore, in addition to the rare earth element ion, as a supporting element ion, one of element ions selected from the group consisting of Sc, Y, and La among group IIIA elements is added in the form of an oxide. Composed of oxides,
At least at the wavelength included in the specific wavelength band at the core / upper clad upper interface and the side interface where the core upper surface and the upper clad are in contact, and at the core / lower clad lower interface where the core lower surface and the lower clad are in contact, The refractive index of the mixed composition oxide constituting the core is 1% to 20% higher than the refractive index of the oxide constituting the cladding. Having a selected structure,
The method of manufacturing the optical waveguide is as follows:
A lower clad film forming step of forming an oxide layer having a predetermined thickness on the substrate at a wavelength included in the specific wavelength band constituting the lower clad;
A rare earth element ion having a transition state capable of inductively emitting light at least at a wavelength included in the specific wavelength band with respect to the oxide constituting the clad and constituting the core on the lower clad film. Is added in the form of an oxide, and in addition to the rare earth element ion, one of the element ions selected from the group consisting of Sc, Y, and La among the group IIIA elements is an oxide of the group IIIA element. A mixed composition oxide constituting the core layer at a wavelength included in the specific wavelength band in the core layer at least in a core layer having a predetermined thickness made of an oxide having a mixed composition added in a form The refractive index of the auxiliary element ions in the core layer thickness direction is such that the refractive index is 1% to 20% higher than the refractive index of the oxide constituting the cladding. A core layer forming step of forming on-option has been that structure,
A resist mask forming step of forming a resist pattern of the predetermined plane pattern shape on the surface of the core layer by photolithography;
Using the resist mask as an etching mask, the core layer is etched by a dry etching method to form a core having a rectangular cross-sectional shape and patterned into the predetermined planar pattern shape Process,
An oxide layer exhibiting optical transparency at a wavelength included in the specific wavelength band constituting the upper clad, in a form covering the upper surface of the lower clad and the side surface and upper surface of the patterned core. Including an upper clad film forming step for forming a predetermined film thickness,
An optical waveguide manufacturing method characterized by the above.

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JP2011091099A (en) * 2009-10-20 2011-05-06 Sumitomo Electric Ind Ltd Fluorescent glass body and optical waveguide for amplification including the same as light guide section
JP2014038926A (en) * 2012-08-15 2014-02-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optical element and manufacturing method therefor
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