JPH04359230A - 希土類元素添加光導波路及びその製造方法 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光増幅器用光導波路に係
り、特にガラス導波路中に希土類元素を添加した光導波
路及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバのコアに希土類元素を添加し
た光ファイバ増幅器が注目されている。特に、Ｅｒを添
加した光ファイバは１．５５μｍ帯の波長領域に増幅作
用を有していることから、種々の研究機関で検討されて
いる。最近では、さらに高利得化、広帯域化を目指して
、コア内にＥｒ以外に、Ａｌ，Ｓｒ，Ｐなど、光増幅の
高利得化、広帯域化を助成するドーパント（以下「助成
ドーパント」と略称する。）を共に添加する研究が行わ
れるようになってきた。たとえば、コアのガラス組成と
して、（１）　Ａｌ２　Ｏ３　−ＧｅＯ２　−Ｅｒ２　
Ｏ３　−ＳｉＯ２　，（２）　Ａｌ２　Ｏ３　−Ｐ２　
Ｏ５　−ＧｅＯ２　−Ｅｒ２　Ｏ３　−ＳｉＯ２　，（
３）　Ａｌ２　Ｏ３　−ＧｅＯ２　−Ｃｒ２　Ｏ３　−
Ｅｒ２　Ｏ３　−ＳｉＯ２　などが検討され、高利得、
広帯域特性が実現されている（たとえば、文献：「Ｅｒ
ドープファイバの増幅特性におけるＡｌ，Ｐ共ドープ効
果」森澤、他，１９９０年電子情報通信学会秋季全国大
会ｐ．４−３１０　）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】光ファイバ増幅器は、
１）コア径が１０μｍ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が上がること、２）相互作
用長を長くとれること、３）石英系ファイバの場合非常
に低損失であること、などの特徴を有している。しかし
ながら、半導体レーザー，受光素子，光変調回路，光分
岐・結合回路，光スイッチ回路，光合分波回路などと共
に光ファイバ増幅器を実装した光システムを構成しよう
とする場合に、それぞれが個別部品であるので、システ
ムの小型化、低損失化が難しいといった問題点がある。 また、個別部品を個々に光軸調整して配置させなければ
ならないので、調整時間が膨大にかかる、コスト高にな
る、信頼性に問題がある、などの欠点もあった。

【０００４】本発明は上記課題を解消すべく創案された
ものであり、その目的は光システムの小型化、低損失化
、多機能化を実現する上で好適な光増幅器用の希土類元
素添加光導波路及びその製造方法を提供することにある
。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明の希土類元素添加光導波路においては、ガラス導
波路のコア内の中心部に、導波方向に沿って希土類元素
添加層を形成すると共にその希土類元素添加層に助成ド
−パントを添加したものである。

【０００６】上記希土類元素としてＥｒ，Ｎｄ，Ｙｂ，
Ｓｍ，Ｃｅ，Ｈｏ，Ｔｍのうち少なくとも一種類の元素
を含んだものを用い、上記ド−パントとしてはＡｌ，Ｐ
，Ｃｒを少なくとも１種含んだものを用いることが望ま
しい。

【０００７】上記ガラス導波路は幅が厚みよりも大きい
断面略矩形状のコアをそれよりも低屈折率のクラッドで
覆って構成されていることが望ましい。

【０００８】上記希土類元素添加層は上記コアの厚み方
向に互いに離間させて複数層形成されていることが望ま
しい。

【０００９】上記希土類元素添加層の屈折率は希土類元
素を含んでいない部分のコアの屈折率よりも高いことが
望ましい。

【００１０】次に、本発明に係る製造方法においては、
基板上に形成された第１のクラッド膜上に、希土類元素
並びに助成ドーパントを添加しないコア膜と、希土類元
素並びに助成ドーパントを共に添加したコア膜とを順次
、少なくとも一層ずつ積層させ、その積層体をフォトリ
ソグラフィ，ドライエッチングプロセスにより断面略矩
形状に成形した後、その表面全体を覆って第２のクラッ
ド膜を形成するようにしている。

【００１１】

【作用】本発明の光導波路は、光の伝搬するコアに希土
類元素と助成ドーパントを共に添加することより光増幅
の利得並びに帯域特性の向上を図っている。励起光の分
布率が最も高いコア中心部に、希土類元素と助成ドーパ
ントとを含んだ領域（希土類元素添加層）を設けること
により励起効率を効果的に高めることができる。

【００１２】希土類元素として、Ｅｒ，Ｎｄ，Ｙｂ，Ｓ
ｍ，Ｃｅ，Ｈｏ，Ｔｍなどを少なくとも１種含んだもの
を適宜用いることにより、増幅することができる波長領
域を種々に設定することができる。たとえば、Ｅｒを含
んだ光導波路の場合、増幅することができる信号光は１
．５　μｍ帯であり、その励起光には０．８　μｍ帯，
０．９８μｍ帯，１．４８μｍ帯などを用いることがで
きる。Ｎｄを含んだ光導波路の場合、増幅することがで
きる信号光は、１．３　μｍ帯，０．９　μｍ帯，１．
１　μｍ帯であり、その励起光には０．８　μｍ帯，０
．８９μｍ、などを用いることができる。また、助成ド
ーパントにＡｌ，Ｐ，Ｃｒを少なくとも１種含んだもの
を用いることにより、希土類元素添加層のガラス組成と
して、例えば、Ａｌ２　Ｏ３　−ＧｅＯ２　−Ｅｒ２　
Ｏ３　−ＳｉＯ２　，Ａｌ２　Ｏ３　−Ｐ２　Ｏ５　−
ＧｅＯ２　−Ｅｒ２　Ｏ３　−ＳｉＯ２　，Ａｌ２　Ｏ
３　−ＧｅＯ２　−Ｃｒ２　Ｏ３　−Ｅｒ２　Ｏ３　−
ＳｉＯ２　などが実現できる。 コア内中心部に上記ガラス組成の領域が形成されること
により、光導波路の増幅特性は著しく向上する。

【００１３】コアの幅を厚みに比して大きく形成するこ
とにより、コア内を伝搬する光の幅方向に対する閉じ込
めが良くなり、励起光が希土類元素添加層に効率良く集
中して吸収されて反転分布状態が形成され、信号光が高
効率で増幅されるようになる。したがって、少ない希土
類元素添加量で励起効率を高くすることができ、濃度消
光の生じない高利得の光増幅用導波路を実現することが
可能となる。

【００１４】希土類元素添加層をコア内の励起光のパワ
−分布に合わせて多層に形成することにより、より効果
的に励起効率を高めることができる。

【００１５】希土類元素添加層の屈折率をその希土類元
素添加層以外のコア領域よりも高くすることにより、光
を希土類元素添加領域に集中させて伝搬させることがで
きる。励起光が希土類元素に吸収されやすくなるので、
励起効率が高められる。助成ドーパントも希土類元素が
添加されている領域にのみに含ませるようにしてあるの
で、光増幅の高利得化並びに広帯域化を高効率で実現す
ることができる。つまり、コア内全体に助成ドーパント
が含まれていると、コア内の屈折率分布も一様になって
励起光のコア中心部への閉じ込めが弱くなるが、本発明
によればこのような不都合は生じない。

【００１６】なお、助成ドーパントをコア中心部に多く
、コア周辺部に近づくにつれて少なくすることにより、
励起光のコア中心部への閉じ込めを強くすることも一見
有効と考えられる。しかし、これは助成ドーパントの増
大によるレーレー散乱損失の増加をまねくので好ましく
ない。また、コア内への助成ドーパント添加量が増大し
過ぎるとコアの軟化温度の低下を招くことになり、コア
をクラッドで覆う際にコアの軟化温度低下に依存するコ
アの形状変形を生じ、それに伴う各種光回路（カプラ，
フィルタ、分波器など）の設計を難しくすることにつな
がる。

【００１７】次に、本発明の製造方法によれば、ガラス
導波路を基板上にプレ−ナ技術によって形成することが
できるので、ガラス導波路の光伝搬部分であるコア内の
所定の部分に希土類元素並びに助成ドーパントを集中的
、且つ幅方向に一様に添加し得る。また、この方法によ
れば、希土類元素添加光導波路を他の光学素子と共に基
板上に一括して形成することが可能であり、高品質で多
機能なものを製造することができる。

【００１８】

【実施例】次に、本発明の実施例を添付図面に従って説
明する。

【００１９】図１に本発明の希土類元素添加光導波路の
実施例を示す。これは埋込み型光導波路構造の一例を示
すものであり、基板１上に形成された低屈折率ｎＣ１の
クラッド２ａ上に矩形状のコア３（屈折率ｎＷ　；ｎＷ
　＞ｎＣ１）が形成され、コア３の表面およびクラッド
２ａの表面をクラッド２ｂ（屈折率ｎＣ２；ｎＣ２＜ｎ
Ｗ　，ｎＣ１≧ｎＣ２，あるいはｎＣ１≦ｎＣ２）で覆
った構造になっている。 基板１には、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの半導体基板
、ＳｉＯ２　、ＳｉＯ２　に屈折率制御用添加物を添加
したガラス基板、ＬｉＮ６　Ｏ３　，ＬｉＴａＯ３　な
どの強誘電体基板、サファイヤ基板、ＹＩＧなどの磁性
体基板、などが用いられる。クラッド２ａ，２ｂには、
ＳｉＯ２　，あるいはＳｉＯ２　にＢ，Ｆ，Ｐ，Ｇｅ，
Ｔｉ，Ａｌ，Ｔａ，Ｚｎ，Ｋ，Ｎａ，Ｚｒ，Ｌａ，Ｂａ
などの添加物を少なくとも一種類含んだ材質が用いられ
る。コア３の厚みＴ方向中央部のΔＴの領域には、Ｅｒ
，Ｎｄ，Ｙｂ，Ｓｍ，Ｃｅ，Ｈｏ，Ｔｍなどの希土類元
素が少なくとも一種類添加されて希土類元素添加層４が
形成されている。この希土類元素添加層４には、Ａｌ，
Ｐ，Ｃｒなどの助成ドーパントが共に添加されている。 コア３の中の希土類元素添加層４以外の領域はＳｉＯ２
　、あるいはＳｉＯ２　にＧｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｎ，な
どの屈折率制御用添加物を少なくとも１種含んだ材料が
用いられる。 ここで、光導波路が単一モード伝送用の場合には、コア
３とクラッド２ａとの比屈折率差Δ＝（ｎＷ　−ｎＣ１
）／ｎＷ　×１００　％（あるいはΔ＝（ｎＷ　−ｎＣ
２）／ｎＷ　×１００　％）は０．１〜２．０　％好ま
しくは０．２　〜０．８　％の範囲内から選ばれ、コア
３の厚みＴは数μｍから１０μｍの範囲内から、またコ
ア３の幅Ｗは３　μｍ〜数１０μｍ好ましくは６　μｍ
〜１０数μｍの範囲内から選ばれる。ただし、コア３の
幅方向への光の閉じ込めを強くし、励起光が希土類元素
添加層４内に効率よく集中して希土類元素に吸収される
ようにするために、Ｗ＞Ｔとなるようにコア３は設定す
る。たとえば、波長１．５５μｍ帯で単一モード光導波
路として用いる場合には、Ｔ＝７　μｍ，Ｗ＝１１μｍ
，Δ＝０．２５％，希土類元素添加層４の厚みΔＴ＝１
　〜５　μｍのように設定される。このように、コア３
内の励起光のパワ−分布の最大となる領域に希土類元素
と助成ドーパントを共に添加しておけば、励起光が希土
類元素に効率よく吸収されて反転分布状態が形成され、
この状態で１．５　μｍ帯の信号光が伝搬してくると、
信号光は増幅される。希土類元素添加層４にＡｌ，Ｐ，
Ｃｒなどの助成ドーパントが共に添加されているので、
光増幅の高利得化と広帯域化を図ることができる。すな
わち、これら助成ドーパントの添加は、希土類元素添加
層４内に希土類元素を多量に入れたことによって生ずる
希土類元素の濃度消光による増幅利得の低下を抑制する
ことができる。

【００２０】図２（ａ）〜（ｃ）は図１の希土類元素添
加光導波路の厚み方向の屈折率分布を示したものである
。図示するように、希土類元素添加層４の屈折率は希土
類元素並びに助成ドーパントが添加されていない領域の
コアの屈折率よりも少し高くなっている。（ａ）は希土
類元素添加層４（−ΔＴ／２から＋ΔＴ／２の範囲）内
の屈折率分布が平坦な場合、（ｂ）は中央部に行くに従
って階段状に屈折率が高くなっている場合、（ｃ）は中
央部に行くに従って連続的な曲線状に屈折率が高くなっ
ている場合を示している。このように希土類元素添加層
４の屈折率をその周辺のコアの屈折率よりも高くするこ
とにより、励起光の希土類元素添加層４内への閉じ込め
が強くなり、より高い励起効率を期待することができる
。

【００２１】図３に本発明の希土類元素添加光導波路の
他の実施例を示す。これは、コア３内に希土類元素添加
層を３箇所形成した多層構造の光導波路を示しており、
コア３の厚みＴ方向中央部のΔＴ０　の領域，下部のΔ
Ｔ１の領域，および上部のΔＴ１　の領域に希土類元素
と助成ドーパントを共に添加した３つの希土類元素添加
層４ａ，４ｂ，４ｃがコア３の厚みＴ方向に互いに離間
させて形成されている。ここで、例えば、波長１．５　
μｍ帯で用いる場合、導波路構造はＴ＝８　μｍ，Ｗ＝
１２μｍ，Δ＝０．３５％，ΔＴＯ　＝２　μｍ，ΔＴ
１　＝１　μｍとし、希土類元素としてＥｒ、助成ドー
パントとしてＡｌとＰとを用いる。コア３の希土類元素
添加層４ａ，４ｂ，４ｃ以外の領域にはＳｉＯ２　−Ｇ
ｅＯ２　系ガラス、希土類元素添加層４ａ，４ｂ，４ｃ
にはＳｉＯ２　−ＧｅＯ２　−Ａｌ２　Ｏ３　−Ｐ２Ｏ
５　−Ｅｒ２　Ｏ３　系ガラス、クラッド２ａおよび２
ｂにはＳｉＯ２　−Ｐ２　Ｏ５　−Ｂ２Ｏ３　系ガラス
，基板１にはＳｉＯ２　ガラスを用いる。このように、
コア３内の励起光のパワー分布に対応させて希土類元素
と助成ドーパントを多層状に共に添加しておけば、コア
３の中に全体に均一に添加した場合に比し、励起光の励
起効率を高めることができる。　　図４に希土類元素添
加層をさらに多層に形成した例を示す。ここではコア３
の厚みＴ方向に、希土類元素並びに助成ドーパントを共
に添加した領域（希土類元素添加層４ａ，４ｂ，４ｃ，
４ｄ，および４ｅ）が５つ設けられている。たとえば、
Ｔ＝８　μｍに対して、希土類元素添加層４ａ〜４ｅの
厚みは、夫々１．５　μｍ，１　μｍ，１　μｍ，０．
５　μｍ，、０．５　μｍのように設定される。また希
土類元素と助成ドーパントが共に添加されていないコア
領域３ａ〜３ｆの厚みは０．７５μｍ，０．７５μｍ，
０．５　μｍ，０．５　μｍ，０．５　μｍ，０．５　
μｍのように設定される。このように、希土類元素と助
成ドーパントを共に添加した層は１層以上，１０数層程
度設けることができる。

【００２２】また、図５はクラッド５の形状を凸形状に
することにより、コア３内に余分に応力（熱膨脹係数の
違いによって生ずる応力）が加わらないように、コア３
の側面側のクラッドを薄くした構造である。

【００２３】なお、本発明の光導波路の構造は上記実施
例に限定されない。例えば直線導波路以外に、曲線光導
波路、９０°屈曲部を有する導波路、Ｙ分岐光導波路，
交差型光導波路などであってもよい。また、複数のコア
を有する方向性結合器型光導波路、リング共振器型光導
波路のような結合器構造の光導波路であってもよい。さ
らには、希土類元素添加光導波路を用いて、光合分波器
、光スターカプラ、光スイッチ、光変調器、半導体レー
ザー、受光素子、干渉膜フィルタ、レンズなどを実装し
た光伝送用送信或いは受信モジュールを構成してもよい
。

【００２４】次に、本発明に係る光導波路の製造方法の
一例として、図１に示した埋込み型光導波路の製造方法
について説明する。

【００２５】まず、図６（ａ）に示すように、基板１上
に第１のクラッド膜２ａを形成する。このクラッド膜２
ａは化学気相堆積法（ＣＶＤ法），火炎堆積法，スパッ
タリング法，電子ビーム蒸着法，イオンプレーティング
法，プラズマＣＶＤ法，ゾル・ゲル法などのいずれの方
法を用いて形成してもよい。次に図６（ｂ）に示すよう
に，コア膜３ａ．を厚み（Ｔ／２−ΔＴ／２）だけ形成
する。このコア膜３ａも上記膜形成方法のいずれかの方
法で形成することができる。その後、コア膜３ａの上に
、希土類元素と助成ドーパントを共に添加したコア膜（
希土類元素添加層４）を積層形成し、その上にさらにコ
ア膜３ａと略同じ材質のコア膜３ｂを積層形成する。 この（ｂ）のプロセスにおいて、コア膜３ａ，希土類元
素添加層４，およびコア膜３ｂは連続プロセス，あるい
は断続プロセスのいずれの方法で形成してもよい。次に
図６（ｃ）に示すように、コア膜３ａ，３ｂ及び希土類
元素添加層４から成る積層体をフォトリソグラフィ，ド
ライエッチグプロセスにより断面略矩形状のコア３に成
形する。そして最後に、コア３を覆うようにして第１の
クラッド膜２ａと略同じ屈折率の第２のクラッド膜２ｂ
を形成することにより、埋込み型光導波路が形成される
。

【００２６】このように、本発明の製造方法は希土類元
素添加光導波路をプレ−ナ技術によって基板１上に形成
するので、ガラス導波路の光伝搬部分であるコア３内の
所定の領域（希土類元素添加層４）に希土類元素並びに
助成ド−パントを集中的、且つ幅方向に一様に添加する
ことができる。またこの方法によれば、希土類元素添加
光導波路を他の光学素子と共に基板１上に一括形成する
ことが可能であり、高品質で多機能なものを製造するこ
とができる。

【００２７】なお、図３〜５に示した光導波路も上述の
工程と同様、プレ−ナ技術によって製造することができ
る。すなわち、図３，４に示したような多層構造の光導
波路を製造する場合には、コア３となる部分を積層形成
する工程（上記図６（ｂ）の工程に相当）おいて、希土
類元素並びに助成ドーパントを共に添加した領域（希土
類元素添加層４ａ，４ｂ，４ｃ等）と、希土類元素並び
に助成ド−パントを添加しない領域（コア領域３ａ，３
ｂ，３ｃ等）とを積層する処理回数を多くすればよい。 この場合、希土類元素並びに助成ドーパントを共に添加
した個々の領域は薄い層であるので、容易にエッチング
して矩形状コア３を得ることができる。また、図５に示
したような凸型導波路を製造する場合には、コア３を覆
うクラッド膜を形成する工程（上記図６（ｃ）の工程に
相当）の後、さらにコア３の側面側のクラッドを薄くす
るようにエッチング処理を行えばよい。

【００２８】

【発明の効果】以上要するに、本発明によれば次の如き
優れた効果が発揮できる。

【００２９】（１）励起光の分布率が最も高いコア中心
部に希土類元素添加層を形成し、しかも、希土類元素添
加層に助成ドーパントを添加したので、希土類元素の添
加濃度を高くすることによって生ずる濃度消光による増
幅利得の低下を抑制して、高効率で信号光を増幅するこ
とができる。

【００３０】（２）希土類元素として、Ｅｒ，Ｎｄ，Ｙ
ｂ，Ｓｍ，Ｃｅ，Ｈｏ，Ｔｍなどを少なくとも１種含ん
だものを適宜用いることにより、増幅することができる
波長帯域を種々に設定することができ、また、助成ドー
パントにＡｌ，Ｐ，Ｃｒを少なくとも１種含んだものを
用いることにより、光導波路の増幅特性を著しく向上さ
せることができる。

【００３１】（３）コアの幅を厚みに比して大きく形成
することにより、コア内を伝搬する光の幅方向に対する
閉じ込めを良くし、励起光を希土類元素添加層に効率良
く集中させて吸収させることができるので、少ない希土
類元素添加量で励起効率を高くすることができ、濃度消
光の生じない高利得の光増幅用導波路を実現することが
できる。

【００３２】（４）希土類元素添加層をコア内の励起光
のパワ−分布に合わせて多層に形成することにより、よ
り効果的に励起効率を高めることができる。

【００３３】（５）希土類元素添加層の屈折率をその周
辺のコア領域よりも高くすることにより、コア内を伝搬
する光の希土類元素添加層内への閉じ込めを良くするこ
とができるので、励起光が希土類元素に吸収されやすく
なり、励起効率が高められる。

【００３４】（６）ガラス導波路を基板上にプレ−ナ技
術によって形成することができるので、ガラス導波路の
光伝搬部分であるコア内の所定の部分に希土類元素並び
に助成ドーパントを集中的、且つ幅方向に一様に添加す
ることができ、また、この光導波路を他の光学素子と共
に基板上に一括して形成することが可能であり、高品質
で多機能なものを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の希土類元素添加光導波路の一実施例を
示す斜視図である。

【図２】図１の光導波路の厚み方向の屈折率分布の一実
施例を示す図である。

【図３】本発明の希土類元素添加光導波路の他の実施例
を示す斜視図である。

【図４】本発明の希土類元素添加光導波路の他の実施例
を示す正面図である。

【図５】本発明の希土類元素添加光導波路の他の実施例
を示す斜視図である。

【図６】本発明の希土類元素添加光導波路の製造方法の
一実施例を示す工程図である。

【符号の説明】

１　　基板 ２ａ　　第１のクラッド膜 ２ｂ　　第２のクラッド膜 ３　　コア ４　　希土類元素添加層（希土類元素と助成ドーパント
を共に添加したコア膜） Ｗ　　コアの幅 Ｔ　　コアの厚み

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ガラス導波路のコア内の中心部に導波
   方向に沿って希土類元素添加層を形成すると共に該希土
   類元素添加層に光増幅の高利得化、広帯域化を助成する
   ド−パントを添加したことを特徴とする希土類元素添加
   光導波路。
2. 【請求項２】　　上記希土類元素としてＥｒ，Ｎｄ，Ｙ
   ｂ，Ｓｍ，Ｃｅ，Ｈｏ，Ｔｍのうち少なくとも一種類の
   元素を含んだものを用い、上記ド−パントとしてＡｌ，
   Ｐ，Ｃｒのうち少なくとも一種類の元素を含んだものを
   用いた請求項１記載の希土類元素添加光導波路。
3. 【請求項３】　　上記ガラス導波路を幅が厚みよりも大
   きい断面略矩形状のコアをそれよりも低屈折率のクラッ
   ドで覆って構成した請求項１又は２記載の希土類元素添
   加光導波路。
4. 【請求項４】　　上記希土類元素添加層を上記コアの厚
   み方向に互いに離間させて複数層形成した請求項１乃至
   ３のいずれかに記載の希土類元素添加光導波路。
5. 【請求項５】　　上記希土類元素添加層の屈折率が希土
   類元素を含んでいない部分のコアの屈折率よりも高い請
   求項１乃至４のいずれかに記載の希土類元素添加光導波
   路。
6. 【請求項６】　　基板上に形成された第１のクラッド膜
   上に、希土類元素並びに光増幅の高利得化、広帯域化を
   助成するドーパントを添加しないコア膜と、希土類元素
   並びに上記ドーパントを共に添加したコア膜とを順次、
   少なくとも一層ずつ積層させ、その積層体をフォトリソ
   グラフィ，ドライエッチングプロセスにより断面略矩形
   状に成形した後、その積層体の全表面を覆って第２のク
   ラッド膜を形成するようにしたことを特徴とする希土類
   元素添加光導波路の製造方法。