JPH0225083A

JPH0225083A - ガラス導波路レーザおよび増幅器の製造方法

Info

Publication number: JPH0225083A
Application number: JP17393888A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Hibino; 善典日比野; Fumiaki Hanawa; 文明塙; Makoto Shimizu; 誠清水; Masaharu Horiguchi; 堀口　正治
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-07-14
Filing date: 1988-07-14
Publication date: 1990-01-26
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: JP2708793B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は、能動性を有するガラス導波路の製造に関する
ものであり、とくに、光通信用部品分野で利用価値の高
い、基板上に形成させたガラス尊波路形式のレーザ発振
および増幅器に関する。

［従来技術］石英系光ファイバでは、能動性ファイバとして。

コアに希土類を添加した光ファイバ形レーザや増幅器が
作製されている。第６図に、ネオジウム（Ｎｄ）を添加
したファイバレーザの構成を示す。

１はＮｄ添加光ファイバ、２ａ、２ｂはミラー３は半導
体レーザ（ＬＤ）、４は対物レンズである。発振波長０
．８３μｍのＬＤ３で励起すると、光フアイバレーザは
１．０６μｍで発振する。第７図は、エルビウム（Ｅｒ
）を添加した光ファイバを用いた光増幅器の構成を示す
。３ａはＬＤ、４ａは対物レンズである。５はカップラ
、６はＥｒを添加した光ファイバである。第７図の構成
の増幅器では、カップラの片側から入射する波長１．５
５μｍの信号光が０．８０μｍのＬＤ励起によりＥｒ添
加光フアイバ中で増幅される。以上の光ファイバを用い
たレーザや増幅器では高効率な動作が可能である。

しかし、光ファイバ長が数〜数十ｍになり集積化するこ
とが困難であるという問題がある。

一方、石英ガラス基板やシリコン基板上に形成可能な石
英系ガラス導波路は、石英系ファイバとの整合性がよい
ことから実用的な導波形光部品の実現手段として研究開
発が進められている。これらの基板上にガラス光導波路
を形成する方法として、酸水素バーナを用いた気相法に
よる方法がある。この装置でガラス膜を作製するには、
ターンテーブル上に基板を並べ、ターンテーブルを回転
させるとともに、ガラス微粒子合成トーチにｏ２ガス、
Ｈ２ガスを供給し、トーチ吹出部に酸水素炎を形成して
基板に吹きつける。次に、トーチにガラス原料を送ると
、火炎中で加水分解反応が生じ、基板上にガラス微粒子
が堆積する。ガラス微粒子を堆積させて多孔質状の薄膜
を形成した基板を、電気炉などで高温に加熱して透明ガ
ラス化する。

このような石英系ガラス導波路では、低損失な光導波路
を形成することができ、受動素子を形成するうえでは大
きな利点はあるが、反面、レーザ等の能動素子を形成す
ることはできないという問題があった。そのため、石英
系ガラス導波路を用いて光ＩＣや０ＥＩＣ等を形成する
場合にはシリコン基板上に別工程で半導体レーザを作製
するか、または、基板上に半導体レーザを接着剤で取り
付けることが行われてきた。

［発明が解決しようとする課題］以上のように従来技術では、石英系光ファイバを能動性
ファイバとするものでは集積化できず、また、基板上に
半導体レーザを別工程で作製したり基板上に半導体レー
ザを接着剤で取付けるなど、モノリシックでない光回路
を形成するものでは工程が煩雑であるなどの問題があっ
た。そして基板上の石英系ガラス導波路に能動性材料を
添加する効果的な方法が必要とされるなど、問題の解決
を要する課題があった。

本発明は、従来基板上のガラス導波路では受動素子しか
形成できないことによる上記の問題点を解決し、基板上
に能動性ガラス導波路を作製することによるガラス導波
路レーザおよび増幅器を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記の課題を解決するため本発明では、光が伝播するコ
ア部と該コア部の周りにクラッド層を有するガラス光導
波路膜を基板上に形成させる工程で得られる基板上のコ
ア部用ガラス多孔質膜を、希土類元素と遷移金属元素か
ら選ばれた１種類以上の元素を含む溶液中に液浸し、該
元素を上記コア部に所定濃度に添加させて成るレーザ発
振または増幅用媒体によりガラス導波路レーザおよび増
幅器を基板上に形成させた。

本発明の実施例のガラス導波路の作成手順を第１図に示
し、本発明における添加元素の濃度をきめる関係図を第
２図に示し１本発明の実施例図を第３図〜第５図に示す
。また、薄膜に液浸法により能動性元素を添加する方法
については特願昭６３−４４５５８号に提案されている
。

［作　用］ガラス導波路に希土類または遷移金属元素を添加した場
合の導波路型レーザにおけるレーザ発振に必要な最低ポ
ンプ光エネルギＰｔｈと元素濃度Ｎ０との関係を調べる
−　ｐｔｈは（１）式で与えられ、また、その時添加す
る元素としてレーザ発振効率が最も高いＮｄを考えると
各パラメータの値は次のようになる。

・・・・・・（１）ｈニブランク定数（６，６３Ｘ　ＩＦ”ｅｒｇ−ｓ）シ
Ｐ：ポンプ光周波数（３，６１Ｘ　１０１４１／ｓ、　
０．８３　ｔｔ　ｍ　）Ａ：コア断面積（３，６ｘ　１
０’−’　ｃｉ　）Ｒ１：ポンプ光側のミラーの反射率Ｒ１：出力側のミラーの反射率 α□：発振波長（１，０６μｍ）での吸収係数ｌ：導波
路長 σ：Ｎｄの散乱断面積（１，７Ｘ１０−”ａｔ）τｆ：
Ｎｄの蛍光寿命（４５０μｓ　）Ｆ０□。、：ポンプ光
と発振光のパワー分布の重なりＮｏをパラメータとして
Ｐｔｈと導波路長１との関係を第２図に示す。成板上の
導波路型の光部品として小型化のための導波路長を１０
０１とし、かつＰｔｈを１０ｍＷ程度に下げるには、第
２図からＮ。とじて少なくとも０．５ｔｉｔ％以上必要
なことがわかる。

既に述べたように、Ｎｄを高濃度に添加するには、従来
技術で説明したガラス薄膜作製法によりコア用多孔質薄
膜を基板上に作製し、その基板ごとＮｄＣＬ、を溶かし
たアルコールに液浸し、乾燥した後透明ガラス化する。

これは、酸水素炎を用いて気相法によって生成したガラ
ス微粒子多孔質体が、非常にポーラスなもので１通気性
がよいことを応用したものである。この方法によれば、
ガラスコア部に高濃度（最高で２ｗｔ％）でＮｄを添加
することができる。

すなわち本発明は基板上のガラス導波路を能動化するた
めの元素を高濃度に導波路に添加することを可能にし、
これにより基板上に導波路形式のレーザ発振器や増幅器
を形成することを可能にするものである。

さらに、本発明には、以下に示す特徴がある。

（１）本発明では、ガラス導波路に添加する元素を１種
類に限定するものではなく、溶媒に数種の元素を溶かす
ことによって１種類以上の元素を添加することが可能に
なる。これにより、レーザ発振媒体となる元素、および
ポンプ光を吸収し、エネルギをレーザ発振元素に付与す
る元素を一緒に添加することができ、高効率なレーザ発
振が可能となる。−例としては、エルビウムＥｒとイッ
テルビウムｙｂを一緒に添加することにより１．５５μ
ｍでのＥｒの発振効率をｙｂによって著しく増加させる
ことが可能になる。

（２）ガラス多孔質体を堆積させる基板を基本的に限定
するものではなく、基板上に形成するガラスのガラス化
温度より高温の軟化温度または融点を有する材料であれ
ば良い。

（３）基板上に堆積するガラス微粒子（ホストガラス）
についても、本発明において基本的に限定されるもので
はなく、例えば、石英ガラス（Ｓｉｎ、）、二酸化ゲル
マニウム（Ｇ　ｅ　Ｏｚ　）等を有効に利用できる。

（４）ホストガラス微粒子には、ドーパントを分散させ
ることも可能になる。このドーパントについても、本発
明で限定されるものではなく、たとえば軟化温度を下げ
るような、Ｇｅ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ａ１、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｚｎ
等の酸化物を一種以上、ホストガラスに添加することが
できる。

（５）本発明では、希土類元素を毛細管現象によりガラ
ス多孔質体に取り込むものであるから、溶媒は、少なく
ともガラス化温度では蒸発するものでなくてはならない
。

［実施例］（実施例１）本実施例では、ガラス導波路にＮｄをドープし、ファプ
リーペロ形の導波路形のレーザを作製した。

第１図は、本実施例におけるガラス導波路を作製する手
順を示す図であって、７は基板、８はバッファ層、９は
コア層、１０はクラッド層である。

本実施例では、まず、酸水素トーチを用いてガラス原料
の加水分解反応により酸化物微粒子を基板７に堆積させ
た。基板７には外径７５ｍｍ、厚さ０．５１１１１のシ
リコン基板を用いた。酸水素トーチには、Ｏ，：　８１
　／ｗｉｎ、　Ｈ，：　２．５１　／　Ｑｌｉｎを供給
した。ガラス原料はそれぞれ次の条件でトーチに供給し
た。

ｉ）バッファ層：　５ｉＣ１４：　２５０ｃｃ／ｍｉｎ
、　Ｂ　Ｃ１３：１０ｃｃ／＋ｉｎ、　Ｐ　Ｃ１，：　
２５ｃｃ／ｌ１ｉｎ、ｉｉ）コア層：　５ｉＣ１４：　
２５０ｃｃ／　ｗｉｎ、　ＧｅＣ１，：　４０ｃｃ／ｗ
ｉｎ、　Ｐ　Ｃ１３：　２０ｃｃ／ｗｉｎ。

各々の層の堆積時間は、バッファ層：３０分、コアＮ：
２０分とした。

基板に堆積した多孔質ガラス膜（２重構造）を、電気炉
でＨｅと０２の混合ガス雰囲気で仮焼結した。

このとき、電気炉温度は１２７０℃で１時間保持した。

仮焼結した後、多孔質膜の液浸を行った。液浸液は、Ｎ
ｄＣ１，を溶かしたエタノールで、Ｎｄの濃度を０　、
５ｖｔ％とした。液浸後、大気中で１日乾燥し、続いて
電気炉でＨｅと０２の混合ガス雰囲気で透明ガラス化し
た。このとき、電気炉温度は１３８０℃とした。透明ガ
ラス化後のバッファ層、コア層の厚さはそれぞれ３０μ
ｍと８μｍで、コア／バッファ層の屈折率差は０．３％
、コア部の長さは１０ａｎであった、また、電子ビーム
微小分析装置で標準試料との比較から求めたコア部のＮ
ｄ濃度は０　、５ｉ＋ｔ％であった。

シリコン基板上のガラス膜に導波路部分のマスキングを
行い、Ａｒプラズマエツチングにより直線の導波路を形
成した６導波路の帳は１０μｍ、長さ７５＋＋ｎとした
。導波路の上には、バッファ層と同じ堆積条件でクラッ
ド層を堆積し、続いて透明ガラス化した。

上記により作製したガラス導波路の両端面に多層膜ミラ
ーを蒸着した。ミラーの特性は、０．８５μｍの透過率
が９７％、１．１μｍの反射率が９９％である０発振波
長０．８５μｍの半導体レーザを用いて、作製したガラ
ス導波路のレーザ発振特性を調べた。

その結果、半導体レーザの出力１０ｍＷで、波長１．０
６μｍのレーザ発振がｗｔ測され、本発明の有効性が確
認された。

なお、以上の方法と同じ方法で′作製したＮｄを０．３
ｗｔ％添加した導波路レーザでは発振しきい値が高く、
ＬＤで発振させることは困難であった。

（実施例２）本実施例では、ガラス導波路にＥｒを添加した。

第３図は本実施例で作成した導波路構造で、リング共振
器構造のレーザである。７ａは基板、１１は希土類を添
加したリング共振器、３ｂは半導体レーザ、１２は光フ
ァイバである。

本実施例ではまず、Ｓｉｎ、基板上にバッファ層となる
多孔質層を堆積し、透明ガラス化した。バッファ層の堆
積条件と透明ガラス化条件は実施例１と同一とした。次
に、コア層となる多孔質膜を堆積させ仮焼結を行った。

コア層にＥｒを添加するには、ＥｒＣ１，を１ｗｔ％溶
かしたエタノール溶液を用い、その溶液中に５ｉ０２基
板ごと液浸した。

その後、透明ガラス化を行い、実施例１と同じくエツチ
ングで導波路を形成し、バッファ層を堆積した（ミラー
は蒸着しなかった）。

リング共振器型導波路の直径はＬｏａｎで、共振の幅の
程度を示す、いわゆるフィネスは３５であった。

すなわち共振の幅が狭く、よい特性のものが得られた。

リング共振器形のレーザでは基板上に共振器長を長く取
れるという利点がある。このリング共振器型導波路を、
波長０．８０μｍ、出力２５ｍＷの半導体レーザで励起
したところ、波長１．５５μｍでレーザ発振することを
確認した。

（実施例３）本実施例では、ガラス麺波路のコアにＥｒとｙｂをとも
に添加し、導波路上に作製したグレーティングにより共
振器を構成した。ここで、ｙｂは、Ｅｒのレーザ発振に
対してポンプ光を吸収しＥｒにエネルギを付与する増感
剤である。第４図は本実施例で作成した導波路レーザ構
造である。７ｂは基板、９ａは希土類を添加したコア部
を有する導波路、３ｃは半導体レーザ、１２ａは光ファ
イバ。

１３ａ、１３ｂはグレーティングである。グレーティン
グは、第４図の上部の円内に示したように凹凸形である
。

この共振器を作製するには、まず、Ｓｊ基板上にバッフ
ァ層となる多孔質層を堆積し、透明ガラス化した。バッ
ファ層の堆積条件と透明ガラス化条件は実施例１と同一
とした。次に、コア層となる多孔質膜を堆積させ仮焼結
を行った。コア層にＥｒとｙｂを添加するには、Ｅ　ｒ
　ＣＬを１ｗｔ％、ｙｂＣ１□を０．５１１ｔ％溶かし
たエタノール溶液を用い、その溶液中にＳｉ基板ごと液
浸した。その後、透明ガラス化を行い、実施例１と同じ
くエツチングで導波路を形成し、バッファ層を堆積した
。

グレーティング共振器型導波路では、ファプリーペロ形
と比較して発振波長スペクトルを狭線化することが可能
である。このグレーティング共振器型導波路レーザを、
波長０．８０μｍ、出力２５ｍＷの半導体レーザで励起
したところ、波長１．５５μｍでレーザ発振することお
よび発振スペクトル幅が狭線化することを確認した。

（実施例４）本実施例では、基板上のガラス導波路のコアにＥｒ、Ｙ
ｂ、Ｃｒをともに添加し、導波路上に増幅器を構成した
。ここで、ｙｂとＣｒは、実施例３と同じ働きをするＥ
ｒに対する増感剤である。第５図は本実施例で作成した
導波路レーザ構造である。７ｃは基板、９ｂは希土類を
添加したコア部を有する導波路、３ｄは半導体レーザ、
　１２ｂ、　１２Ｃは光ファイバ、１４は光カツプリン
グ部である。

これを作製するには、まず、Ｓｉ基板上にバッファ層と
なる多孔質層を堆積し、透明ガラス化した。バッファ層
の堆積条件と透明ガラス化条件は実施例１と同一とした
。次に、カップリング部１４と導波路を従来方法でコア
層堆積→透明ガラス化→エツチングの手順で作製した。

このとき、希土類を添加したコア部を有する導波路９ｂ
の部分は導波路を構成せずエツチングしておいた。その
後、再びコア層となる多孔質膜を堆積させ仮焼結を行っ
た。５０ｍのコア層にＥｒ、Ｙｂ、Ｃｒを添加するには
、ＥｒＣ１，を０．５ｗｔ％、ＹｂＣｌ３を０．３１％
、ＣｒＣ１，を０．２＋＋＋ｔ％溶かしたエタノール溶
液を用い。

その溶液中にＳｉ基板ごと液浸した。その後、透明ガラ
ス化を行い、エツチングで導波路を形成し、最後にバッ
ファ層を堆積した。

上記の増幅器を、波長０．８０μｍ、出力２５＋＋＋Ｗ
の半導体レーザで励起したところ、波長１．５５μｍの
信号光が１０ｄＢ増幅されることを確認した。

以上の実施例では、レーザ発振または増幅器用にＮｄお
よびＥｒを導波路に添加したが、同様な方法でＮｄとＥ
ｒ以外の希土類元素または遷移金属を添加したガラス導
波路においてレーザまたは増幅器を作製することができ
る。

［発明の効果コ以上説明したように、本発明によれば、基板上のガラス
導波路に効率的に能動性媒質を添加することができ、ガ
ラス導波路を用いた高効率なレーザまたは増幅器を基板
上に構成することが可能となった。

これにより、小形でコンパクトなレーザ発振器および増
幅器が基板上に構成でき、かつ従来のような工程上の煩
雑さを除去することができた。

また、本発明の場合は、従来のバッチ法のものとは全く
異なり、ガラス原料を気相法で合成するので蒸気圧の差
により不純物をほとんど含まない高純度ガラスを合成す
ることができる。石英系ガラスは耐熱性、耐腐食性など
で安定性に優れているので高安定ガラスレーザを作製す
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例１で作製したガラス導波路の
作製手順を示す図、第２図は導波路型レーザにおける最
低ポンプ光エネルギと導波路長との関係を添加元素の濃
度をパラメータとして示す図、第３図は、本発明の実施
例２で作製したガラス導波路レーザの構造を示す図、第
４図は、本発明の実施例３で作製したガラス導波路レー
ザの構造を示す図、第５図は、本発明の実施例４で作製
したガラス導波路増幅器の構造を示す図、第６図は、希
土類添加光ファイバを用いたレーザの構成図、第７図は
、希土類添加光ファイバを用いた増幅器の構成図である
。１・・・Ｎｄ添加光ファイバ２ａ、２ｂ・・・ミラー３．３ａ、３ｂ、３ｃ、３　ｄ−・・半導体レーザ４．
４ａ・・・対物レンズ　　５・・・カップラ６・・・Ｅ
ｒ添加光ファイバ７．７ａ、７ｂ、７ｃ・・・基板　８・・・バッファ層
９．９ａ、９ｂ・・・希土類を添加したコア部または該
コア部を有する導波路１０・・・クラッド層　　　　１１・・・リング共振器
１２．１２ａ、１２ｂ　、　１２ｃｍ単一モード光’７
フイバ１３ａ、１３ｂ・・・グレーティング１４・・・カップリング用導波路

Claims

【特許請求の範囲】

能動性を付与したレーザ発振または増幅用媒体としての
ガラス光導波路を用いたガラス導波路レーザおよび増幅
器において、光が伝播するコア部と該コア部の周りにク
ラッド層を有するガラス光導波路膜を基板上に形成させ
る工程で得られる基板上のコア部用ガラス多孔質膜を、
希土類元素と遷移金属元素から選ばれた１種類以上の元
素を含む溶液中に液浸し、該元素を上記コア部に所定濃
度に添加させて成るレーザ発振または増幅用媒体により
基板上に形成させたことを特徴とするガラス導波路レー
ザおよび増幅器。