JP2831407B2 - 希土類元素添加導波路の製造方法 - Google Patents

希土類元素添加導波路の製造方法

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は希土類元素を添加したガラス導波路の製造方
法に関するものである。
[従来の技術] 希土類元素を添加した光ファイバにより、光ファイバ
レーザー,光ファイバアンプ,光ファイバセンサなどの
アクティブ光デバイスを開発する研究が活発になってき
た。このアクティブ光デバイスは、石英系光ファイバが
持つ低損失性,広帯域性,細径,無誘導性を保持したま
ま希土類元素の添加による発振特性,増幅特性,螢光及
び吸収特性を利用しようとするものである。
従来、希土類元素を添加した光ファイバはMCVD法,VAD
法などの光通信用光ファイバの製造技術と同じ方法で作
られている。すなわち、MCVD法では、NdCl3あるいはErC
l3の塩化物を熱分解させ、GeCl4,SiCl4と共に堆積され
る(第2図)。またVAD法ではコア用多孔質母材をNdCl3
等の雰囲気中で透明ガラス化することによって作製され
ている(第3図)。
[発明が解決しようとする課題] 従来の希土類元素を添加した光ファイバによるアクテ
ィブ光デバイスは、(1)コア径が10μm〜50μm程度
と細径であるため励起パワー密度が大きくなり、励起効
率の高いレーザーが実現可能なこと、(2)相互作用長
が長くとれること、(3)低損失な伝送路であること、
などの特徴がある。
しかし、励起用光源も含めて実装した場合、小形化が
むずかしい。また、光フィルタ,光スイッチ,光変調
器、光合分波器などの光回路と一体化した多機能光デバ
イスを実現しようとする場合、小形化もむずかしいばか
りでなく、高信頼性、結合の無調整化、大量生産性など
の課題も克服することがむずかしい。
本発明の目的は、前記した従来技術の問題点を解消
し、小形,低損失,多機能性を実現させるために、プレ
ーナ構造のガラス導波路の光伝搬部分であるコア導波路
により多くの希土類元素を制御良く添加させることが可
能な希土類添加導波路の製造方法を提供することにあ
る。
[課題を解決するための手段] 本発明は、SiO2あるいはSiO2に屈折率制御用添加物を
含んだ屈折率n1のバッファ層を形成した基板上に、SiO2
あるいはSiO2に屈折率制御用添加物を含んだ多孔質状の
ガラス膜を形成させ、多孔質状のガラス膜中に屈折率制
御用添加物と希土類元素とを含んだ金属アルコレート溶
液を含浸させて、多孔質状のガラス膜中に屈折率制御用
添加物と希土類元素とを含有させ、乾燥、高温熱処理し
て屈折率n2(n2>n1)の透明ガラス膜とすることにより
コア層の屈折率と希土類元素の添加量とを制御するもの
である。
この場合、上記の方法で製造した透明ガラス膜を、ホ
トリソグラフィ,ドライエッチングプロセスを用いて略
矩形状に加工し、該加工した表面全体を屈折率がn3(n3
<n2)のガラス層で被覆することが好ましい。
ガラス膜中に屈折率制御用添加物と希土類元素を含ん
だ金属アルコレート溶液を含浸させる方法としては、該
溶液中に浸漬させることによって含浸させる方法があ
る。
基板の材質にSiO2あるいはSiO2に屈折率制御用添加物
を含んだ屈折率n1のものを用い、バッファ層を該基板で
代用することもできる。
[作用] ガラス導波路の光伝搬部分であるコア部分に希土類元
素を添加してレーザー、増幅器、あるいは増幅機能付き
の各種光回路を実現する際に、励起光の出力、導波路長
が定められている場合には、希土類元素の添加量を制御
する必要がある。しかながら、ガラス導波路中へ希土類
元素を制御性良く制御させる製造方法はまだ報告されて
いない。
本発明では、まず、SiO2あるいはSiO2に屈折率制御用
添加物を含んだバッファ層(屈折率n1)の形成された基
板上に、SiO2あるいはSiO2に屈折率制御用添加物を含ん
だ多孔質状のガラス膜を形成させる。次に上記多孔質状
のガラス膜中に屈折率制御用添加物と希土類元素を含ん
だ金属アルコレート溶液を含浸し、乾燥、高温熱処理
し、必要に応じて、その後、ホトリソグラフィ,ドライ
エッチングプロセスにより屈折率がn2(n2>n1)のコア
層、例えば略矩形状のコア層を形成させる。好ましく
は、その後、屈折率n3(n3<n2)のクラッド層を上記パ
ターン化したコア層表面全体に被覆する。
この製造方法は、コア層の屈折率n2をバッファ層、ク
ラッド層との間でシングルモード伝搬できるように制御
性良く作ることができ、かつコア層となる多孔質状のガ
ラス膜中に効率的、かつ制御性良く、より多くの希土類
元素を含有させることができるという特徴がある。これ
は、屈折率制御用添加物と希土類元素を含んだ金属アル
コレート溶液を用いることによって初めて実現されるも
のである。
[実施例] 第1図に本発明の希土類元素添加導波路の製造方法の
実施例を示す。
まず(a)に示すように、基板1(例えば、SiO2系ガ
ラス基板,Si基板,LiNbO3基板,GaAs基板など)上に、屈
折率がn1のバッファ層2を形成させておく。このバッフ
ァ層2は、この上に形成するコア層内を光が低損失で伝
搬するようにする上で必要である。またシングルモード
伝送用導波路を構成する上でも必要である。このバッフ
ァ層2の材料は、SiO2,あるいはSiO2に屈折率制御用添
加物(B,F,Ti,Ge,P,Al,Zn,Na,Taなど)を少なくとも1
種含んだものを用いるが、基板1にSiO2系ガラス基板を
用いた場合には、この基板1でバッファ層2を代用して
もよい。
このバッファ層2の上に、SiO2あるいはSiO2に上記屈
折率制御用添加物を少なくとも1種含んだ多孔質状のガ
ラス膜3を形成させる。この多孔質状のガラス膜3は、
よく知られた方法、たとえば、ゾル−ゲル法,低温CVD
法,スパッタリング法,電子ビーム蒸着法,あるいは酸
水素バーナ火炎中にSiO2系のガラス原料ガスを搬送させ
ていき火炎加水分解によって多孔質状のガラス膜を形成
する方法,などにより形成する。この多孔質状のガラス
膜3は液体が浸透する程度の多孔質状の膜であり、膜の
かさ密度は0.2〜0.6g/cm3程度のものであれば十分であ
る。かさ密度があまり高いと液体の浸透が悪くなるので
好ましくない。逆に低いと形状変形を起こすので好まし
くない。
次に、(b)に示すように、(a)のプロセスで作成
された試料を、前記屈折率制御用添加物と希土類元素
(Er,Nd,Yb,Ho,Tmなどを少なくとも1種含んだもの。)
を含んだ金属アルコレート溶液5を入れてある容器4内
に浸漬する。ここで、上記溶液5には、たとえば、東京
応化工業製の製品(たとえば、P−Si−フィルム,B−Si
−フィルム,Zn−Si−フィルムなど)に、ErCl3,NdCl3
どの希土類元素化合物を溶解した溶液を用いる。多孔質
状のガラス膜3中への希土類元素溶液の混入量は、たと
えば、P−Siフィルム液とErCl3の量を調節することに
よって制御することができる。また上記P−Si−フィル
ムおよびErCl3ともにアルコール可溶なので、アルコー
ルの混入量によっても制御することができる。屈折率は
PとSiの濃度比によって制御することができる。また
(a)のプロセスで多孔質状のガラス膜3を形成する段
階でも制御することができる。すなわち、2段階にわた
って制御することができる。
次に、屈折率制御用添加物と希土類元素とを含んだ金
属アルコレート溶液の浸透した試料を乾燥させた後、
(c)に示すように、電気炉6内で加熱する。この加熱
プロセスは、矢印7−1から電気炉内にHeおよびO2ガス
を導入し、矢印7−2方向から排気するようにして行
う。必要に応じ、上記ガスに塩素ガスCl2を重畳させて
もよい。すなわち、脱OH化と多孔質状のガラス膜の透明
ガラス化を行う。
次に、この透明ガラス化したコアガラス膜をホトリソ
グラフィ及びドライエッチングプロセスによりパターン
化し、略矩形状のコア層8を得る((d))。このコア
層8の屈折率n2はバッファ層2の屈折率n1に対して0.2
〜0.7%程度高い値に設定され、シングルモード伝送用
として作用する。したがって、コア層8の厚み及び高さ
も数μmから10数μmの値に設定される。そしてコア層
8内の希土類元素イオンの濃度は数百ppmから数%の範
囲に制御することが可能である。なお、希土類元素イオ
ン濃度が高濃度になると、これによってコア層8の屈折
率も高くなる。このコア層8の屈折率を低くするため
に、FあるいはBさらには両方共に添加する。
次に、(e)に示すように、クラッド層9を被覆する
ことによって導波路の作成が完了する。このクラッド層
9の屈折率n3はバッファ層2のそれと等しいか、あるい
はその近傍の値に選ばれる。なお、基板1,バッファ層
2、コア層8及びクラッド層9の熱膨張係数の値はでき
る限り近い値となるように制御する必要があるが、本発
明の場合、屈折率制御用添加物の種類,量,複数種の組
み合わせ等によって制御することができる。
本発明は上記実施例に限定されない。まず第1図
(b)のプロセスにおいて、多孔質状のガラス膜3中へ
の溶液5を浸透させる方法としては、浸漬法以外に、添
付法,スプレーによる吹付け法などの方法を用いてもよ
い。導波路の構造としては3次元構造のチャンネル型以
外に、2次元構造のスラブ型であってもよい。また上記
実施例で示した埋込み型以外に、リッジ型,装荷型など
の導波路構造を用いてもよい。溶液5として、Siの金属
アルコレート溶液には、Si(OCH34,Si(OC2H5
どを用いてもよい。また屈折率制御用添加物の溶液とし
て、Ti(OC2H54,B(OC2H5などを用いてもよい。
[発明の効果] 本発明によれば、ガラス導波路の屈折率の制御性とよ
り多くの希土類元素の添加量の制御性を共に満足させる
ことができる導波路の製造方法を提供することができ
る。これにより、シングルモード伝搬条件の導波路の実
現と、レーザー,増幅機あるいは増幅機付きの各種光回
路用導波路の実現とを併せて達成することができる。そ
の結果、多機能光デバイスを小形,高信頼,高性能およ
び低コストに実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の希土類元素添加導波路の製造方法に関
する実施例を示した図、第2図は従来のMCVD法による希
土類元素添加光ファイバの製造方法の概略図、第3図は
VAD法を利用した従来の希土類元素添加光ファイバの製
造方法の概略図である。 図中、1は基板、2はバッファ層、3は多孔質状のガラ
ス膜、4は容器、5は屈折率制御用添加物と希土類元素
を含んだ金属アルコレート溶液、6は電気炉、8はコア
層、9はクラッド層を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井本 克之 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日 立電線株式会社電線研究所内 (56)参考文献 特開 平1−219804(JP,A) 特開 昭64−24206(JP,A) 特開 昭59−146946(JP,A) 特開 昭57−139709(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 6/12

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】SiO2あるいはSiO2に屈折率制御用添加物を
    含んだ屈折率n1のバッファ層を形成した基板上に、SiO2
    あるいはSiO2に屈折率制御用添加物を含んだ多孔質状の
    ガラス膜を形成させ、該多孔質状のガラス膜中に屈折率
    制御用添加物と希土類元素とを含んだ金属アルコレート
    溶液を含浸させて、該多孔質状のガラス膜中に屈折率制
    御用添加物と希土類元素とを含有させ、乾燥、高温熱処
    理して屈折率n2(n2>n1)の透明ガラス膜とすることに
    よりコア層の屈折率と希土類元素の添加量とを制御する
    ようにしたことを特徴とする希土類元素添加導波路の製
    造方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載の方法で製造した透明ガラス
    膜を、ホトリソグラフィ、ドライエッチングプロセスを
    用いて略矩形状に加工し、該加工した表面全体を屈折率
    がn3(n3<n2)のガラス層で被覆したことを特徴とする
    希土類元素添加導波路の製造方法。
  3. 【請求項3】上記ガラス膜中に屈折率制御用添加物と希
    土類元素を含んだ金属アルコレート溶液を含浸させる方
    法として、該溶液中に浸漬させることによって含浸させ
    ることを特徴とする請求項1記載の希土類元素添加導波
    路の製造方法。
  4. 【請求項4】上記基板の材質にSiO2あるいはSiO2に屈折
    率制御用添加物を含んだ屈折率n1のものを用い、上記バ
    ッファ層を該基板で代用したことを特徴とする請求項1
    記載の希土類元素添加導波路の製造方法。
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