JP3067231B2 - 光増幅器用光導波路の製造方法 - Google Patents
光増幅器用光導波路の製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信分野における導
波型光部品の製造方法に関するものであり、詳しくは、
1.3μm 帯および 1.5μm 帯における信号光を増幅する
機能を有する導波型光増幅器の製造方法に関するもので
ある。
波型光部品の製造方法に関するものであり、詳しくは、
1.3μm 帯および 1.5μm 帯における信号光を増幅する
機能を有する導波型光増幅器の製造方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】最近、光通信に重要な 1.5μm 帯の光を
増幅する導波型光増幅器が開発されている。この導波型
光増幅器は希土類元素であるErの 1.5μm 帯でのレーザ
遷移を利用したものであり、従来の受動型光導波回路の
作製方法と同様、コア用ガラス膜をパターン化して、上
部クラッド層で埋め込む方法により作製される。図６に
Er添加光増幅用光導波回路の作製方法を示す。まず、Si
基板１の上に火炎堆積法を用いて下部クラッド層用石英
系ガラス膜２およびコア用Er添加石英系光導波膜６を作
製する。次に、コア用Er添加石英系ガラス膜をパターニ
ング技術を用いて矩形の導波路３にエッチング加工し、
さらに上部クラッド層用石英系ガラス膜４を形成する。
この方法によると、コア部にのみErを添加できるので、
クラッド部を含めた導波路全体に添加する拡散法などと
比べて、小さい励起光で1.5 μm 帯の信号光を増幅させ
ることができる。また、任意の導波路幅をもつ光導波路
を作製することができ、さらに導波路パターンも任意に
形成でき、従来の導波型光部品に用いられている方向性
結合器、リング共振器等の導波回路を作製することがで
きる。これらのEr添加導波回路は、光増幅により伝搬損
失や分割損失を補償することができるので、極めて有用
な光部品である。
増幅する導波型光増幅器が開発されている。この導波型
光増幅器は希土類元素であるErの 1.5μm 帯でのレーザ
遷移を利用したものであり、従来の受動型光導波回路の
作製方法と同様、コア用ガラス膜をパターン化して、上
部クラッド層で埋め込む方法により作製される。図６に
Er添加光増幅用光導波回路の作製方法を示す。まず、Si
基板１の上に火炎堆積法を用いて下部クラッド層用石英
系ガラス膜２およびコア用Er添加石英系光導波膜６を作
製する。次に、コア用Er添加石英系ガラス膜をパターニ
ング技術を用いて矩形の導波路３にエッチング加工し、
さらに上部クラッド層用石英系ガラス膜４を形成する。
この方法によると、コア部にのみErを添加できるので、
クラッド部を含めた導波路全体に添加する拡散法などと
比べて、小さい励起光で1.5 μm 帯の信号光を増幅させ
ることができる。また、任意の導波路幅をもつ光導波路
を作製することができ、さらに導波路パターンも任意に
形成でき、従来の導波型光部品に用いられている方向性
結合器、リング共振器等の導波回路を作製することがで
きる。これらのEr添加導波回路は、光増幅により伝搬損
失や分割損失を補償することができるので、極めて有用
な光部品である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、希土類
添加光導波路を用いた光増幅器では、光ファイバ型光増
幅器に比べて、希土類を高濃度添加しなければならず、
従って高い励起光強度が必要となる。ところが、ＬＤ光
源を用いて光増幅を行うには光源の出力に制限があるの
で、単位励起光強度に対する利得を向上させ、高効率に
動作させる必要がある。高効率化の一つの手段として、
Er添加ファイバ型光増幅器においては、Erをコア中心部
に添加したファイバを用いる方法が実現されている。こ
れは光強度の大きいコア中心部にErを添加することによ
り、単位励起光強度あたりの増幅度を向上させるもので
ある。光導波路においても、同様に導波路中心部にErを
添加すると、増幅度の向上が期待できるが、従来のEr添
加石英系光導波路の製造工程で作製した導波路では、Er
の分布と屈折率分布が完全に一致しており、Erをコア周
辺部に対し中心部に多く添加した導波路を作製すること
は実際上困難であった。本発明は、これらの問題点を鑑
みてなされたものであり、その目的は、高効率で動作す
る光増幅器用光導波路の製造方法を提供することにあ
る。
添加光導波路を用いた光増幅器では、光ファイバ型光増
幅器に比べて、希土類を高濃度添加しなければならず、
従って高い励起光強度が必要となる。ところが、ＬＤ光
源を用いて光増幅を行うには光源の出力に制限があるの
で、単位励起光強度に対する利得を向上させ、高効率に
動作させる必要がある。高効率化の一つの手段として、
Er添加ファイバ型光増幅器においては、Erをコア中心部
に添加したファイバを用いる方法が実現されている。こ
れは光強度の大きいコア中心部にErを添加することによ
り、単位励起光強度あたりの増幅度を向上させるもので
ある。光導波路においても、同様に導波路中心部にErを
添加すると、増幅度の向上が期待できるが、従来のEr添
加石英系光導波路の製造工程で作製した導波路では、Er
の分布と屈折率分布が完全に一致しており、Erをコア周
辺部に対し中心部に多く添加した導波路を作製すること
は実際上困難であった。本発明は、これらの問題点を鑑
みてなされたものであり、その目的は、高効率で動作す
る光増幅器用光導波路の製造方法を提供することにあ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の光増幅器用光導波路の製造方法は、平面基
板上に下部クラッド層用ガラス膜を形成し、この下部ク
ラッド層用ガラス膜上に屈折率を高める元素および希土
類元素を含むコア層用ガラス膜を形成し、パターン化に
よりこのコア層用ガラス膜を矩形のコア部にエッチング
加工し、コア部より屈折率の低い上部クラッド層用ガラ
ス膜を形成し、透明化処理を行っ後、さらに、屈折率を
高める元素のガラス中の拡散係数が増大し始める温度以
上の温度ないし基板の融点以下の温度で熱処理し、光導
波路コア部に添加された屈折率を高める元素を、クラッ
ド部に拡散させてコア部を拡大し、コア中心部のみに希
土類元素を分布させる。
め、本発明の光増幅器用光導波路の製造方法は、平面基
板上に下部クラッド層用ガラス膜を形成し、この下部ク
ラッド層用ガラス膜上に屈折率を高める元素および希土
類元素を含むコア層用ガラス膜を形成し、パターン化に
よりこのコア層用ガラス膜を矩形のコア部にエッチング
加工し、コア部より屈折率の低い上部クラッド層用ガラ
ス膜を形成し、透明化処理を行っ後、さらに、屈折率を
高める元素のガラス中の拡散係数が増大し始める温度以
上の温度ないし基板の融点以下の温度で熱処理し、光導
波路コア部に添加された屈折率を高める元素を、クラッ
ド部に拡散させてコア部を拡大し、コア中心部のみに希
土類元素を分布させる。
【０００５】
【作用】本発明によれば、熱処理することにより、コア
部に添加されている屈折率を高める元素を、クラッド部
に拡散させ、コア部を拡げて光導波路コア中心部に希土
類元素を添加することができる。特に、石英系光導波路
において、Ｐは石英系ガラスの屈折率を高め、かつErに
比べ原子量が約五分の一でイオン半径が約三分の一と小
さく、ガラス中の拡散係数が大きい元素であり、本発明
に好適である。同様に、石英系ガラスの屈折率を高め、
イオン半径がＰにほぼ等しく、原子量が約２倍であるGe
と希土類元素の組み合わせによる光導波路コア部への添
加も、また本発明への適用が可能である。希土類元素と
しては、光通信で使用される 1.3μm 帯および 1.5μm
帯にレーザ遷移を有するNd, Erのほか、Sm, Ho、さらに
はErの 1.5μm 帯レーザ遷移に対して増感作用を有する
Yb等が挙げられる。これらの希土類元素とＰ，Ge等の屈
折率を高める元素とは任意に組み合わせて適用すること
ができる。また、熱処理温度の下限はＰ，Ge等の屈折率
を高める元素のガラス中の拡散係数が増大し始める1000
℃であり、これ以上の温度で加熱することにより実現可
能な時間の熱処理により、所定の屈折率分布を得ること
ができる。また熱処理温度の上限は基板の融点であり、
実用性の高いSi基板の場合には約1400℃である。本発明
の方法によれば、熱処理によりパターニング工程で導波
路側壁面のエッチング荒れにより生じる伝搬損失を低減
可能であるという特徴を合わせもつ。また、本発明の方
法は、石英系ガラス中に希土類元素を添加したコア層を
パターニング技術により導波路に加工し、クラッド層に
埋め込むような埋め込み型の導波路構造をもつ光増幅器
において、膜の製造法の如何にかかわらず、火炎堆積
法、プラズマＣＶＤ法等に適用することができる。
部に添加されている屈折率を高める元素を、クラッド部
に拡散させ、コア部を拡げて光導波路コア中心部に希土
類元素を添加することができる。特に、石英系光導波路
において、Ｐは石英系ガラスの屈折率を高め、かつErに
比べ原子量が約五分の一でイオン半径が約三分の一と小
さく、ガラス中の拡散係数が大きい元素であり、本発明
に好適である。同様に、石英系ガラスの屈折率を高め、
イオン半径がＰにほぼ等しく、原子量が約２倍であるGe
と希土類元素の組み合わせによる光導波路コア部への添
加も、また本発明への適用が可能である。希土類元素と
しては、光通信で使用される 1.3μm 帯および 1.5μm
帯にレーザ遷移を有するNd, Erのほか、Sm, Ho、さらに
はErの 1.5μm 帯レーザ遷移に対して増感作用を有する
Yb等が挙げられる。これらの希土類元素とＰ，Ge等の屈
折率を高める元素とは任意に組み合わせて適用すること
ができる。また、熱処理温度の下限はＰ，Ge等の屈折率
を高める元素のガラス中の拡散係数が増大し始める1000
℃であり、これ以上の温度で加熱することにより実現可
能な時間の熱処理により、所定の屈折率分布を得ること
ができる。また熱処理温度の上限は基板の融点であり、
実用性の高いSi基板の場合には約1400℃である。本発明
の方法によれば、熱処理によりパターニング工程で導波
路側壁面のエッチング荒れにより生じる伝搬損失を低減
可能であるという特徴を合わせもつ。また、本発明の方
法は、石英系ガラス中に希土類元素を添加したコア層を
パターニング技術により導波路に加工し、クラッド層に
埋め込むような埋め込み型の導波路構造をもつ光増幅器
において、膜の製造法の如何にかかわらず、火炎堆積
法、プラズマＣＶＤ法等に適用することができる。
【０００６】
【実施例】以下、図面により本発明の実施例を詳細に説
明する。
明する。
【実施例１】図１に、本発明の実施例における光導波路
の作製過程を示す。ここで、希土類元素としてErを用
い、コア部の屈折率を高めるためＰをコア部に添加し
た。まず、Si基板１の上に、火炎堆積法により下部クラ
ッド層用石英系ガラス膜２、および膜厚８μm 、比屈折
率差 0.7％、P2O5濃度10wt％、Er濃度8000ppm のEr添加
コア層用石英系ガラス膜を作製し、パターンニング技術
を適用して導波路幅８μm のEr添加光導波路３を形成し
た。次に、火炎堆積法を用いて上部クラッド層用石英系
ガラス膜４を堆積し透明化した。さらに、この導波路を
基板ごと電気炉に挿入し、1400℃に加熱し２時間保持す
ることにより拡散処理して、Er中心添加石英系光導波路
５を形成した。
の作製過程を示す。ここで、希土類元素としてErを用
い、コア部の屈折率を高めるためＰをコア部に添加し
た。まず、Si基板１の上に、火炎堆積法により下部クラ
ッド層用石英系ガラス膜２、および膜厚８μm 、比屈折
率差 0.7％、P2O5濃度10wt％、Er濃度8000ppm のEr添加
コア層用石英系ガラス膜を作製し、パターンニング技術
を適用して導波路幅８μm のEr添加光導波路３を形成し
た。次に、火炎堆積法を用いて上部クラッド層用石英系
ガラス膜４を堆積し透明化した。さらに、この導波路を
基板ごと電気炉に挿入し、1400℃に加熱し２時間保持す
ることにより拡散処理して、Er中心添加石英系光導波路
５を形成した。
【０００７】次に、図２に前記方法により作製したEr添
加光導波路断面部のオージェ電子分光による線分析の結
果を示す。Erの分布範囲が８μmであるのに対しＰは15
μm の範囲で分布しており、熱処理することにより、Ｐ
が拡散しコア部の中心部にErが添加されていることがわ
かる。さらに、本発明の製造方法により熱処理を施して
作製されたパターン幅８μm を用いたEr添加石英系光導
波路の損失波長特性を図３に示す。λ（μm ）は波長で
あり、横軸を 1／λ4 としてプロットした損失波長特性
を示す。なお比較のため、熱処理を施していない８μm
のEr添加石英系光導波路の特性も破線で示した。熱処理
の有無によらず波長0.80μm 、0.98μm および1.55μm
にErによる吸収が見られる。熱処理を施していないEr添
加光導波路では波長に依存しない損失が 0.4dB／cmであ
ったものが、本発明でのEr中心添加光導波路では0.05dB
／cmに低減している。波長に依存しない損失は導波路側
壁面のエッチング荒れにより生じるものであり、本発明
の熱処理によって伝搬損失が低減したものである。
加光導波路断面部のオージェ電子分光による線分析の結
果を示す。Erの分布範囲が８μmであるのに対しＰは15
μm の範囲で分布しており、熱処理することにより、Ｐ
が拡散しコア部の中心部にErが添加されていることがわ
かる。さらに、本発明の製造方法により熱処理を施して
作製されたパターン幅８μm を用いたEr添加石英系光導
波路の損失波長特性を図３に示す。λ（μm ）は波長で
あり、横軸を 1／λ4 としてプロットした損失波長特性
を示す。なお比較のため、熱処理を施していない８μm
のEr添加石英系光導波路の特性も破線で示した。熱処理
の有無によらず波長0.80μm 、0.98μm および1.55μm
にErによる吸収が見られる。熱処理を施していないEr添
加光導波路では波長に依存しない損失が 0.4dB／cmであ
ったものが、本発明でのEr中心添加光導波路では0.05dB
／cmに低減している。波長に依存しない損失は導波路側
壁面のエッチング荒れにより生じるものであり、本発明
の熱処理によって伝搬損失が低減したものである。
【０００８】前記の導波路を用いて 1.5μm 信号光の増
幅実験を行った。ＬＤからの1.55μm 信号およびＬＤか
らの0.97μm の励起光30mVを、シングルモードファイバ
を用いて導波路端面に入射した。導波路からの出射光
を、マルチモードファイバにより受光し、誘電体ミラー
を用いて信号光成分と励起光成分に分割し、光パワーメ
ータを使って信号光の光強度を測定した。図４に利得特
性の励起光強度依存性を示す。入射励起光強度50mVにて
信号光強度を３dB増幅することができた。以上により、
本発明で作製した導波路では、Erをコア中心部に添加す
ることができ、光増幅器に要する励起光強度を低減する
うえで有効であることが明らかとなった。
幅実験を行った。ＬＤからの1.55μm 信号およびＬＤか
らの0.97μm の励起光30mVを、シングルモードファイバ
を用いて導波路端面に入射した。導波路からの出射光
を、マルチモードファイバにより受光し、誘電体ミラー
を用いて信号光成分と励起光成分に分割し、光パワーメ
ータを使って信号光の光強度を測定した。図４に利得特
性の励起光強度依存性を示す。入射励起光強度50mVにて
信号光強度を３dB増幅することができた。以上により、
本発明で作製した導波路では、Erをコア中心部に添加す
ることができ、光増幅器に要する励起光強度を低減する
うえで有効であることが明らかとなった。
【０００９】
【実施例２】この実施例では、希土類元素としてErの代
わりにNdを添加し、屈折率を高める元素としてGeを用い
た。Si基板上にプラズマＣＶＤ法により下部クラッド層
用ガラス膜、および導波路断面８μm ×８μm 、比屈折
率差 0.7％、P2O5濃度10wt％、Nd濃度8000ppm のNd添加
光導波路、および上部クラッド層用ガラス膜を形成し、
この導波路を基板ごと電気炉に挿入し、1400℃に加熱し
２時間保持し拡散処理して、Nd中心添加石英系光導波路
を形成した。前記の光導波路を用いてレーザ発振実験を
行った。導波路は長さ５cmである直線状のNd中心添加石
英光導波路を用い、両端面に誘電体多層膜ミラー (励起
光入射側：1.05μm における反射率99％、レーザ光出射
側：1.05μm における反射率95％) を蒸着し、波長0.81
μm のＬＤで励起し、波長1.05μm におけるレーザ発振
実験を行った。図５に発振実験の結果を示す。本発明の
製造方法により、従来、発振閾値が10mwであったものを
８mwに低減でき、また、スロープ効率を10％から12％に
まで高効率化できた。
わりにNdを添加し、屈折率を高める元素としてGeを用い
た。Si基板上にプラズマＣＶＤ法により下部クラッド層
用ガラス膜、および導波路断面８μm ×８μm 、比屈折
率差 0.7％、P2O5濃度10wt％、Nd濃度8000ppm のNd添加
光導波路、および上部クラッド層用ガラス膜を形成し、
この導波路を基板ごと電気炉に挿入し、1400℃に加熱し
２時間保持し拡散処理して、Nd中心添加石英系光導波路
を形成した。前記の光導波路を用いてレーザ発振実験を
行った。導波路は長さ５cmである直線状のNd中心添加石
英光導波路を用い、両端面に誘電体多層膜ミラー (励起
光入射側：1.05μm における反射率99％、レーザ光出射
側：1.05μm における反射率95％) を蒸着し、波長0.81
μm のＬＤで励起し、波長1.05μm におけるレーザ発振
実験を行った。図５に発振実験の結果を示す。本発明の
製造方法により、従来、発振閾値が10mwであったものを
８mwに低減でき、また、スロープ効率を10％から12％に
まで高効率化できた。
【００１０】以上の実験より、本発明のNd中心添加石英
系光導波路を用いることにより、低発振閾値で高効率な
レーザを実現できることがわかり、導波型レーザや光増
幅器の特性向上に有効であることが判明した。以上の実
施例では、８μm 幅の導波路のコア部を、熱処理により
15μm 幅に拡大させたが、あらかじめ細いコア部を形成
しておき、熱処理することによって通信用光ファイバと
の接続特性に優れた単一モード光導波路を実現すること
も可能である。
系光導波路を用いることにより、低発振閾値で高効率な
レーザを実現できることがわかり、導波型レーザや光増
幅器の特性向上に有効であることが判明した。以上の実
施例では、８μm 幅の導波路のコア部を、熱処理により
15μm 幅に拡大させたが、あらかじめ細いコア部を形成
しておき、熱処理することによって通信用光ファイバと
の接続特性に優れた単一モード光導波路を実現すること
も可能である。
【００１１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光増幅器
用光導波路の製造方法によれば、以下に列挙する利点が
ある。 (1) コア中心部のみに希土類元素を添加した光導波路を
作製できるので、希土類添加部の励起光強度を高めるこ
とが可能となり、より小さい励起光強度で動作する光増
幅器を実現できる。 (2) 熱処理により、導波路側壁面のエッチング荒れに起
因する伝搬損失を低減することができる。
用光導波路の製造方法によれば、以下に列挙する利点が
ある。 (1) コア中心部のみに希土類元素を添加した光導波路を
作製できるので、希土類添加部の励起光強度を高めるこ
とが可能となり、より小さい励起光強度で動作する光増
幅器を実現できる。 (2) 熱処理により、導波路側壁面のエッチング荒れに起
因する伝搬損失を低減することができる。
【図１】本発明の実施例１のEr中心添加石英系光導波路
の作製過程を示す図である。
の作製過程を示す図である。
【図２】本発明の実施例１のEr中心添加石英系光導波路
断面のオージェ電子分光による線分析結果を示す図であ
る。
断面のオージェ電子分光による線分析結果を示す図であ
る。
【図３】本発明の実施例１のEr中心添加石英系光導波路
の波長損失特性を示す図である。
の波長損失特性を示す図である。
【図４】本発明の実施例１のEr中心添加石英系光導波路
の励起光強度と利得の関係を示す図である。
の励起光強度と利得の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例２のNd中心添加石英系光導波路
を用いたレーザの励起光強度とレーザ発振光強度の関係
を示す図である。
を用いたレーザの励起光強度とレーザ発振光強度の関係
を示す図である。
【図６】従来のEr添加石英系光導波路の作製過程を示す
図である。
図である。
１ Si基板 ２ 下部クラッド層用石英ガラス膜 ３ Er添加石英系光導波路 ４ 上部クラッド層用石英ガラス膜 ５ Er中心添加石英系光導波路 ６ Er添加石英系光導波膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14 G02F 1/35
Claims (2)
- 【請求項１】 平面基板上に下部クラッド層用ガラス膜
を形成し、この下部クラッド層用ガラス膜上に屈折率を
高める元素および希土類元素を含むコア層用ガラス膜を
形成し、パターン化によりこのコア層用ガラス膜を矩形
のコア部にエッチング加工し、コア部より屈折率の低い
上部クラッド層用ガラス膜を形成し、透明化処理を行っ
た後、さらに、屈折率を高める元素のガラス中の拡散係
数が増大し始める温度以上の温度ないし基板の融点以下
の温度で熱処理し、光導波路コア部に添加された屈折率
を高める元素を、クラッド部に拡散させてコア部を拡大
し、コア中心部のみに希土類元素を分布させることを特
徴とする光増幅器用光導波路の製造方法。 - 【請求項２】 平面基板上に下部クラッド層用ガラス膜
を形成し、この下部クラッド層用ガラス膜上に屈折率を
高める元素および希土類元素を含むコア層用ガラス膜を
形成し、パターン化によりこのコア層用ガラス膜を矩形
のコア部にエッチング加工し、コア部より屈折率の低い
上部クラッド層用ガラス膜を形成し、透明化処理を行っ
た後、さらに、1000℃ないし1400℃の温度で熱処理し、
光導波路コア部に添加された屈折率を高める元素を、ク
ラッド部に拡散させてコア部を拡大し、コア中心部のみ
に希土類元素を分布させることを特徴とする光増幅器用
光導波路の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3053652A JP3067231B2 (ja) | 1991-02-27 | 1991-02-27 | 光増幅器用光導波路の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3053652A JP3067231B2 (ja) | 1991-02-27 | 1991-02-27 | 光増幅器用光導波路の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04271328A JPH04271328A (ja) | 1992-09-28 |
| JP3067231B2 true JP3067231B2 (ja) | 2000-07-17 |
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ID=12948808
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3053652A Expired - Fee Related JP3067231B2 (ja) | 1991-02-27 | 1991-02-27 | 光増幅器用光導波路の製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3067231B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2004037990A (ja) * | 2002-07-05 | 2004-02-05 | Nec Corp | 光導波路及びその製造方法 |
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1991
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