JPH05160498A - 光学装置とその形成方法 - Google Patents

光学装置とその形成方法

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JPH05160498A
JPH05160498A JP4129771A JP12977192A JPH05160498A JP H05160498 A JPH05160498 A JP H05160498A JP 4129771 A JP4129771 A JP 4129771A JP 12977192 A JP12977192 A JP 12977192A JP H05160498 A JPH05160498 A JP H05160498A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 プレーナー光学式導波路構造を有する活性光
学装置を提供する。 【構成】 本発明の活性光学装置は、基板１０の実質プ
レーナー表面上に堆積されたガラス状の導波路構造から
成る。この構造はシリカベースのエルビウムドープ活性
コア４０を有する。この活性コア４０は、エルビウム対
シリコン原子比が０．０１以上で、１立方センチメート
ル当り１．４×１０20 原子以上の絶対エルビウム濃度
を有し、エルビウムレーザ発振レベルの放射寿命が７ミ
リ秒以上である。さらに、スパッタリングによりエルビ
ウムドープ活性コア４０を堆積させるステップを含む活
性光学装置の生成方法も示した。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はレーザーガラス内部の励
起放射によって機能する増幅器等の活性光学装置、特に
プレーナー光導波路型装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光増幅器は、光信号伝送用ネットワーク
において重要な役割を果たす。既知の例として、エルビ
ウム等の希土類元素によるドープ処理をしたガラス製光
ファイバー増幅器がある。例えば、１９８９年５月２
日、Ｒ．Ｊ．Ｍａｎｓｆｉｅｌｄ他に付与された米国特
許第４、８２６、２８８号には、かなり高い希土類含有
物を含むコアを有する光ファイバーの生成手段が開示さ
れている。ただし、構成要素がかなり小さいことが必要
とされ装置の統合が望まれる光信号の伝送のようなアプ
リケーションの場合は、シリコン基板上に堆積されたプ
レーナー導波路型光増幅器の提供が有益となる。しかし
ながら、このような装置は光ファイバー増幅器よりかな
り短いため、非常に高いドーピングレベルが要求される
ものと想定される。
【０００３】上記目的の為に、適当な高いドーピングレ
ベルでのガラス層を堆積する試みは、今のところ成功を
おさめていない。例えば、ドープ処理を受けたすす（ｓ
ｏｏｔ）の層が気相成長法により形成され、さらに焼結
されてガラス層が形成される。１９８４年１月１０日、
Ｔ．Ｉｚａｗａ他に発行された米国特許第４，４２５，
１４６号には、ガラス導波路の形成手段が開示されてい
る。また、１９８９年５月２日、Ｒ．Ｊ．Ｍａｎｓｆｉ
ｅｌｄ他に発行された米国特許第４，８２６，２８８に
は、希土類ドーパントを含有する焼結ガラスの生成プロ
セスが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】以上のような非常に高
いドーピングレベルでのガラス層堆積には、約１２００
゜Ｃもの高い焼結温度を必要とするため、位相分離を促
進し、基板上の基底構造を損なう恐れがある。従って、
導波路構造を損傷の危険性がある高温にさらさずに、エ
ルビウムでドープし導波路増幅器内部へ組み込むことが
可能なコアガラス構成要素の発見が望まれる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】従来技術の上記の問題
は、本発明の方法及び装置により克服された。本発明に
よれば、請求項１に記載した装置と、請求項１１に記載
した方法が提供される。
【０００６】
【実施例】本発明では、Ｅｒ3+イオンからの励起放射に
よって光信号を増幅するための光増幅器を提供する。従
来技術により既知のように、適切な信号波長は約１．５
５μｍである。以下に詳細を解説するとおり、ポンプ放
射の様々な波長によって、Ｅｒ3+イオンは容易に励起さ
れる。
【０００７】図１では、本発明の光増幅器の実施例を示
す。これは、シリコン基板１０、基板を被覆する下部ク
ラッド層２０、下部クラッド層２０上の受動コア３０、
受動コア３０上の活性コア４０、そして活性コア４０、
受動コア３０並びに下部クラッド層２０を被覆する上部
クラッド層５０によって構成される。本発明の代替例で
は受動コアが省略される。
【０００８】図で明らかなように、２つのコアは２種類
のクラッド層によって完全に覆われている。上部クラッ
ド層５０の屈折率と下部クラッド層２０の屈折率は、必
ずしも等しい必要はない。ただし、双方の屈折率が活性
コア４０の屈折率より小さく、かつ受動コア３０の屈折
率より小さいことが必要である。このように屈折率に差
異があるために、信号波長の電磁放射並びに少なくとも
１つのポンプ波長が活性コア４０と受動コア３０の双方
内部で誘導される。（一般的に、活性コア４０並びに受
動コア３０の導波特性は、明確に分離できない。従っ
て、例えば活性コア４０内部で誘導される放射は外部か
らの影響なく誘導されるわけでなく、その下の受動コア
３０も寄与する有効コアによって誘導される。）
【０００９】少なくとも信号波長に関しては、活性コア
４０並びに受動コア３０が単一モード導波路として機能
することが望ましい。こうして、信号放射は基本モード
のみで誘導される。ただし、代替例では信号及びポンプ
放射の双方に関して、活性コア４０と受動コア３０が共
にマルチモード導波路として機能するものと想定されて
いる。
【００１０】活性コア４０中の最大限の光量をとらえる
ためには、活性コア４０の屈折率が受動コア３０の屈折
率より多少大きいことが望ましい。（例えば、それぞれ
１．５０並びに１．４５の屈折率を持つ活性コア４０並
びに受動コア３０が生成され易い。）このような屈折率
の違いから、活性コア４０内で誘導される電磁波のモー
ドプロフィールは、受動コア３０内で誘導される電磁波
より狭くなる。従って、受動コア３０より狭い活性コア
４０を生成することが有益である。比較的狭い活性コア
４０を図１に示す。
【００１１】下部クラッド層２０は、例えばシリコンウ
エハーでできた基板１０の適切な処理を受けた実質プレ
ーナー基本表面上に形成される。層２０は具体的にはＨ
ＩＰＯＸ層である。つまり、従来技術により高圧流のも
とでシリコンの熱酸化によって成長した硝子状二酸化シ
リコン層である。光学的漏れは実質的に厚みの少ない状
態で発生するため、層２０の厚さは約１０μｍより大き
い必要がある。現在優勢な厚みは約１５μｍである。
【００１２】受動コア３０は、例えば燐ケイ酸塩ガラス
から成る。このガラスの燐含有量並びに付随する屈折率
は、（層２０、層５０並びに活性コア４０の構成に関し
て）従来技術に従って希望する導波特性を提供するよう
に選択される。受動コア３０のガラス構成物の有益な範
囲は、約８重量％以下の燐を含むシリカから成り、典型
的には燐含有率は４重量％から８重量％の範囲である。
コア３０は、例えば、従来技術に従って低圧の気相成長
法によって層２０上に堆積される。例えば、受動コア３
０の厚さは例えば５μｍであり、受動コア３０の幅は約
７μｍである。
【００１３】活性コア４０は、比較的高いエルビウム濃
度を持つシリカベースガラスから成る。これは、例えば
少なくとも約０．０１のエルビウム／シリコン原子比を
持つガラスであり、最低約０．０２の原子比を持つこと
が望ましく、さらに最低約０．０３の原子比が適してい
る。絶対エルビウム濃度は、１立方センチメーター当り
約１．４×１０20原子以上である。増幅器の単位長当り
の信号ゲイン値が非常に小さくなってしまうため、低い
エルビウム対シリコン比は望ましくない。
【００１４】種々のガラス修正用化学要素（以後、”修
正要素”）が活性コアのガラスに添加され、これによっ
てガラス中のエルビウムの溶解度が増加し、高濃度での
エルビウム原子の集束を防ぐ。ある修正要素は、エルビ
ウム溶解度を増加させる一方で、集中消滅効果を無効に
する。集中消滅効果は、比較的高い濃度（約０．０２以
上のエルビウム対シリコン原子比）においてＥｒ3+放射
寿命を約７ｍｓより短くする。これに関して有益な修正
要素は、ナトリウム等のアルカリ金属とカルシウム等の
アルカリ土類金属を含有する。
【００１５】修正要素はさらに活性コアガラス内に組み
込まれ、Ｅｒ3+吸収並びに放出ピークの同質並びに非同
質拡大を制御する。こうした修正要素は、場合によって
ピークをより狭くするアルカリ金属並びにアルカリ土類
金属を含み、さらに電界強度の高いイオンに寄与しピー
クを拡大する傾向のあるランタン、イットリウム、ジル
コニウム等を含む。ガラス網中のクロスリンケージの度
合を強化するアルミニウム並びにガリウム等の修正要素
は、非同質拡大の度合も強化する。場合によって、この
ような修正要素は吸収並びに放出ピークの他の修正要素
効果を相殺するために添加される。
【００１６】また修正要素は、フィルム堆積中または堆
積後の失透、結晶化、並びに湿気による影響からガラス
を安定させるために組み込まれる。こうした目的に合っ
た修正要素は、カルシウム、マグネシウム、アルミニウ
ム、ランタンを含む。（活性コアガラスは一般的に下層
のシリコン並びにシリカ部分より大きな熱拡大係数を持
つため、熱拡大を減少させる修正要素を添加することが
望ましい。）
【００１７】例えば、比較的高いエルビウム溶解度を持
つ活性コアガラスは、シリカガラス内に適当量のナトリ
ウムを組み込ませることによって生成される。効果的な
ナトリウム対シリコン原子比の範囲は、約０．２から
０．６である。カルシウム対シリコン原子比約０．２以
下の任意量のカルシウムを組み込んで、上記のようにエ
ルビウム溶解度を強化しガラスを安定化させる。アルミ
ニウム対シリコン原子比約０．１以下の任意量のアルミ
ニウムを組み込んで、ガラスの安定化に利用する。同様
に任意量の前述の他の修正要素も添加、利用されるが、
特に希望する臨界屈折率並びに関連溶解限度によってそ
の量は制限される。
【００１８】活性コア４０を堆積させる方法の例証とし
て、スパッタリングを以下に述べる。活性コア４０の屈
折率は、双方のクラッド層よりも大きく、さらに受動コ
ア３０の屈折率よりも大きいことが必要である。スパッ
タリングを利用することによって、Ｅｒ3+イオン濃度を
活性コア４０全体で完全に均一にできる。さらに、（エ
ルビウムドーピングがイオン注入により実行された場合
に発生する）放射による損害が防止される。
【００１９】活性コア４０の厚さは、例えば約１．２μ
ｍである。活性コア４０が約１．０μｍより薄く生成さ
れている場合は、信号波長での誘導モードが存在しな
い。活性コア４０の幅は約４μｍ以上であることが必要
であり、例えば８μｍの幅を持つ。活性コア４０の全体
長は一般的に５ｍｍ以上である。
【００２０】上部クラッド層５０は、例えば、低圧の気
相成長法を用いて燐ケイ酸塩ガラスによって生成され
る。希望する屈折率を提供するために、燐等の適切な含
有量が従来技術に従って選択される。例えば燐の含有量
としては、約２重量％があげられる。上部クラッド層の
厚さの例としては、約５μｍがある。
【００２１】使用の際は、波長約１．５５μｍの光信号
と１．５５μｍより短い少なくとも一つの波長における
ポンプ放射が受動コア３０内部へと結合され、そして受
動コア３０から活性コア４０へと結合される。従来技術
のように、ポンプ放射は活性コア４０内部のＥｒ3+イオ
ンによって吸収され、少なくともその一部を原子励起の
レーザ発振レベルである4Ｉ13/2状態へと促進する。レ
ーザ発振レベルへは直接到達するのではなく、さらに高
いエネルギーを有する複数の励起状態の一つへと光学的
励起によって到達し、レーザ発振レベルへはこれらの励
起状態から非放射崩壊によって到達される。ポンプ放射
は９８０ｎｍ、８１０ｎｍ、６６０ｎｍ、５１４ｎｍ、
そして１．４８μｍのいずれの波長グループでも有効で
ある。
【００２２】エルビウムイオンの励起を生じさせ、その
結果増幅を引き起こすために、信号とポンプ放射は受動
コア３０から活性コア４０へ、そして同様に活性コア４
０から受動コア３０へ結合される必要がある。図２で
は、活性コア４０にテーパ部６０を与えることによって
達成された。つまり、活性コア４０は２端を持ち、それ
ぞれが末端に向かって徐々に収縮される。この収縮はコ
アの縦軸に対して垂直な少なくとも１方向に向かって行
われる。垂直方向とは、図２のように横方向であり、ま
たは図３に示されるように縦方向である。つまり堆積層
の方向に対して垂直である。
【００２３】この実施例では、テーパ部６０は断熱的
（ａｄｉａｂａｔｉｃ）である。つまり、信号放射は、
受動コア３０から活性コア４０へ結合され、再び活性コ
ア４０から受動コア３０へ結合される時、基本モードの
ままである。（この実施例では、活性コア４０並びに受
動コア３０は信号放射に関して当然単一モード導波路で
ある。）従来技術で既知のように、テーパ部６０が比較
的漸進的である場合、断熱的となる。例えば、同様の状
態で側面が直線のテーパ部６０の減少率が約１００：１
である場合、一般的に断熱的である。つまり、オリジナ
ルの幅（あるいは奥行き）が、それ自体の１００倍の長
さにわたってゼロまで収縮する場合である。個々のテー
パ部６０分の長さは約１ｍｍである。
【００２４】図４で、本発明の光学増幅機の生成ステッ
プ例のフローチャートを示す。以下で解説する各ステッ
プは図４に関するものである。
【００２５】ステップＡでは、下部クラッド層が最初に
生成される。
【００２６】ステップＢでは、受動コア３０に相当する
層が下部クラッド層の上面に堆積される。
【００２７】ステップＣでは、少なくとも部分的に堆積
受動コア３０層の密度を高くするため、作業行程の素材
がアニールされる。適切なアニール状態は従来技術にお
いて明白である。
【００２８】ステップＤでは、受動コア３０が受動コア
層をエッチングすることによって生成される。この場合
ドライエッチングが望ましい。
【００２９】ステップＥでは、受動コア３０をフローし
エッチングによって生じた粗さを減少させるために、作
業行程の素材がアニールされる。適切なアニール状態は
従来技術において明白である。
【００３０】ステップＦでは、活性コア４０に相当する
層が堆積される。
【００３１】ステップＧでは、例えば大気中６００℃で
２時間、作業行程の素材がアニールされる。これは、堆
積フィルムを安定化させるためである（つまり、構造の
二次的変化、光学的特性、並びに化学的影響による損傷
発生率に対抗するため）。
【００３２】ステップＨでは、活性コア４０層の一部を
エッチングすることによって、活性コア４０が生成され
る。ステップＨにおけるエッチング行程は、削除される
素材の構造に関して非選択的であるため、イオンミリン
グが望ましい。
【００３３】オプショナルなステップＩでは、活性コア
４０をフローしステップＨ中に生成された表面の粗さを
減少させるために、作業行程の素材がアニールされる。
適切なアニール方法は従来技術において明白である。
【００３４】ステップＪでは、非常に乾燥した酸素等の
反作用的な気体中で７００℃、少なくとも１時間、作業
行程の素材がアニールされる。（この場合の酸素の適切
な等級は学術等級つまり９９．９９９％の純度であ
る。）このステップは、汚染物質のレベルを削減する。
【００３５】オプショナルなステップＫでは、上部クラ
ッド層を堆積する前に、適切な誘電素材の防護フィルム
が活性コア４０上に効果的に生成される。これは、上部
クラッド層による活性コア４０の汚染を防ぐためであ
る。こうした汚染は、Ｅｒ3+イオンの放射寿命を基準以
下に減少させる可能性があるため、防止する必要があ
る。ここで効果的な防護フィルムは、例えば、スパッタ
リングまたは蒸発堆積によって生成された二酸化シリコ
ンまたは燐ケイ酸塩フィルムである。このような防護フ
ィルムが使用される場合は、少なくとも１０００Ａ（以
下オングストロームの略称とする）の厚さを持つことが
必要である。
【００３６】ステップＬでは、上部クラッド層が堆積さ
れる。
【００３７】エッチングステップのＤ並びにＨは、エッ
チング完了後に、活性コア４０並びに受動コア３０の残
存部分が少なくとも一対の細長いコアを描き、受動コア
３０上に活性コア４０が被覆するよう実行される。２つ
のコアは共通の縦軸を有する。図２並びに図３で明らか
なように、一般的に活性コア４０は縦軸方向について受
動コア３０より小さく生成される。これにより図２のよ
うに、受動コア３０に覆われていない一対の端末受動コ
ア部７０が存在することとなる。図２のように、テーパ
部６０が横方向に形成される場合も、一般的に活性コア
４０は横方向について受動コア３０より小さい。ただ
し、図３のようにテーパ部６０が垂直方向に生成される
場合は、活性コア４０並びに受動コア３０の幅（つまり
横方向について）は場合によっては等しく生成される。
【００３８】上記のように、活性コア４０層の堆積方法
例としてスパッタリングがある。この方法によると、予
め決められた構造のガラスターゲットが提供される。シ
リコン基板及びターゲットの両方は、約３×１０-7トル
以下の圧力で真空となる真空室内に配置される。室を真
空として、酸素並びにアルゴンが加えられる。高周波放
出が発生すると、これによりターゲットからの素材の蒸
発と基板上の素材の再堆積が起こる。
【００３９】上記のように、エルビウム原子のクラスタ
リングを防止するために、堆積活性コア４０層がナトリ
ウムまたは同様の反応をする修正要素を含んでいること
が望ましい。堆積ガラスのナトリウム含有量はターゲッ
トのナトリウム含有量に比べて大きく減少する傾向があ
るため、ナトリウム含有ガラスのスパッタリング結果は
成功しない場合が多い。ただし、適切なスパッタリング
条件のもとでは、堆積ガラスのナトリウム含有量をター
ゲットのナトリウム含有量にかなり近づけることができ
る。この場合、スパッタリング室内において以下のよう
な条件が望ましいことが分かった。圧力は８−５０μ
ｍ、望ましくは約２７μｍ。アルゴン対酸素フロー比は
１０：１から０．３：１の範囲で望ましくは約０．５：
１。基板温度は約２５℃から約７０℃の範囲内。ｒｆ周
波数は１３．６ＭＨｚ、電力は約５０Ｗ。ここで使用し
たのは、直径３インチ（７．６センチメートル）のター
ゲットと直径４インチ（１０．２センチメートル）のシ
リコンウエハー基板である。ターゲットは基板から１−
３インチ（２．５−７．６センチメートル）、望ましく
は約３インチ（７．６センチメートル）に位置した。
【００４０】励起状態にあるエルビウムイオンのレーザ
発振レベルの放射寿命は、少なくとも約７ミリ秒である
ことが望ましい。このようにかなり長い寿命を達成する
ためには、装置生成時にステップＪ、つまり反作用的気
体内でのアニールを実行することが重要である。
【００４１】使用の際には、信号放射及びポンプ放射が
結合され、例えば方向指示カプラーまたは図２の波長分
割マルチプレクサ８０によって増幅器内部へ吹き込まれ
る。増幅信号は、例えば図２の波長分割デマルチプレク
サ８５によって抽出され、増幅信号を汚染する不要なポ
ンプ放射をフィルタリング等によって削除する。上記の
方法は従来技術であるため、その詳細はここでは解説し
ない。
【００４２】例えば、レーザーまたはパラメトリック発
振器は、少なくとも１つの光学的フィードバック要素を
本発明の導波路構造に組み込むことによって生成でき
る。ここでの適切な要素とは、例えばミラーまたは分散
ブラッグリフレクターである。図２の場合、要素８０及
び８５の一方または双方をミラーまたはブラッグリフレ
クターに置換することで調整できる。
【００４３】実施具体例： 端で約０．８μｍの厚さを
持ち、中央では約１．５μｍの厚さを持つエルビウムド
ープガラスフィルムを、上記の方法でスパッター堆積に
より直径４インチ（１０．２センチメートル）のシリコ
ンウエハー基板上に生成した。ここの試みにおいて、３
つの異なるターゲット構造が使用された。ターゲット構
造は一般式ＳｉＯ2（Ｎａ2Ｏ）a（ＣａＯ）b（Ｅｒ
2Ｏ3）cで示される。また、スパッター堆積フィルム
は、結果として類似のＳｉＯ2（Ｎａ2Ｏ）a'（ＣａＯ）
b'（Ｅｒ2Ｏ3）c'構造となる。
【００４４】第１ターゲットはａ＝０．２７、ｂ＝０．
１４、ｃ＝０．０２８である。結果として生成されるス
パッター堆積はａ’＝０．２０、ｂ’＝０．１１７、
ｃ’＝０．０２７５。第２ターゲットはａ＝０．３４、
ｂ＝０．００、ｃ＝０．０３３。堆積層はａ’＝０．３
０、ｃ’＝０．０３６。第３ターゲットはａ＝０．２６
５、ｂ＝０．００、ｃ＝０．０３８。堆積層はａ’＝
０．１７、ｃ’＝０．０３２である。堆積層はラザフォ
ード後方散乱によって分析された。３層ともすべて、約
１０ミリ秒のエルビウム放射寿命と１立方センチメート
ル当り約６×１０22原子の濃度を有する。
【００４５】以上の説明は、本発明の一実施例に関する
もので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。尚、特許請求の範囲に記載した参
照番号は発明の容易なる理解のためで、その技術的範囲
を制限するよう解釈されるべきではない。
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、プ
レーナー光学導波路構造を有する活性光学装置が提供さ
れる。この装置は、シリコン、酸素並びに少なくとも一
部がＥｒ3+イオン型のエルビウムから成る細長い活性ガ
ラスコアを持つ。また、活性コア４０は、エルビウム原
子の密集を防ぐために必要な量のアルカリ金属またはア
ルカリ土類金属で構成される。さらに、この装置はガラ
スクラッド、活性コア４０内部並びに外部への信号放射
の結合手段、並びにＥｒ3+イオンをポンピングするため
の活性コア４０内部へのポンプ放射の結合手段を有す
る。クラッド及びコアは、基板の実質プレーナー基本表
面を被覆するように形成される。活性コア４０内部にお
いて、エルビウム対シリコンの原子比は、少なくとも約
０．０１、エルビウム絶対濃度は１立方センチメートル
当り少なくとも約１．４×１０20原子、またエルビウム
レーザーレベルは少なくとも約７ミリ秒の放射寿命を有
する。
【００４６】さらに、本発明では、実質プレーナー基本
表面を有するシリコン基板上に光学装置を形成する手段
が提供される。この手段とは、まず最初のステップで基
本表面上に二酸化シリカガラスの第１層が形成され、次
に第１層の上にシリカベースガラスの第２層を堆積させ
る。さらに、ナトリウム及びエルビウムを含有するター
ゲットのシリカベースガラスをスパッターするため、第
２層は第１層に比べて高い屈折率を持つ。ターゲット構
成は、コアが少なくとも約０．０１のエルビウム対シリ
コン原子比と０．２−０．６の適切な範囲内のナトリウ
ム対シリコン原子比を持ち、エルビウム絶対濃度は１立
方センチメートル当り少なくとも約１．４×１０20原子
であるように選択される。さらに、ターゲット構成では
レーザーレベルがコア内のエルビウムと連結し、少なく
とも約７ミリ秒の放射寿命を持つことが必要である。ス
パッターリング処理の後に、安定化のため第２層にアニ
ール処理を施す。続いて、第２層の一部がエッチングに
より取り除かれ、細長いコアが形成される。そして燐ケ
イ酸塩ガラスの第３層がコア上に堆積される。第３層は
コアよりも低い屈折率を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の導波路構造の概略的な断面図である。
【図２】図１の導波路構造の概略的な上面図である。
【図３】本発明代替例の導波路構造の概略的な断面図で
ある。
【図４】導波路構造を生成するプロセス例のステップフ
ロー図である。
【符号の説明】
１０ シリコン基板 ２０ 下部クラッド層 ３０ 受動コア ４０ 活性コア ５０ 上部クラッド層 ６０ テーパ部 ７０ 活性コアに被われていない受動コア部 ８０ 波長分割マルチプレクサ ８５ 波長分割デマルチプレクサ Ａ 下部クラッド層の生成 Ｂ 受動コア層の堆積 Ｃ アニール Ｄ 受動コア層のエッチング Ｅ アニール Ｆ 活性コア層の堆積 Ｇ アニール Ｈ 活性コア層のエッチング Ｉ アニール Ｊ アニール Ｋ 防護フィルムの堆積 Ｌ 上部クラッド層の堆積
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アラン ジェ−ムス ブル−ス アメリカ合衆国 07090 ニュ−ジャ−ジ − ウエストフィ−ルド 、シニカ ロ− ド 2351 (72)発明者 ジョセフ シュムロヴィッチ アメリカ合衆国 07974 ニュ−ジャ−ジ − ムレイ ヒル、サガモア ドライヴ 82 (72)発明者 エミィ ウォン アメリカ合衆国 11357 ニュ−ヨ−ク ホワイトスト−ン、25 アヴェニュ− 169−51 (72)発明者 ユ−フェン ウォン アメリカ合衆国 07901 ニュ−ジャ−ジ − サミット、ウッドランド アヴェニュ − 160

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ａ）縦軸方向に伸張し、シリコン、酸素
    並びにエルビウムから構成され、エルビウムの少なくと
    も一部がＥｒ3+イオン型であり、活性コアがある屈折率
    を有する細長い活性ガラスコアと、 ｂ）少なくとも活性コアの一部を被覆し、コアの屈折率
    より小さな屈折率を有する少なくとも１層から成るガラ
    スクラッドと、 ｃ）信号波長を有する信号放射を活性コア内へ結合する
    手段と、信号放射を活性コア外部へ結合する手段と、 ｄ）適切な波長のポンプ放射が少なくともＥｒ3+イオン
    の一部をレーザ発振レベルへ励起させ、励起放射によっ
    て信号放射の増幅を引き起こすためにポンプ放射を活性
    コア内部へ結合させる手段と、 からなり、更に、 ｅ）実質プレーナー基本表面を持つ基板を有し、 ｆ）前記活性コアは、基本表面の一部の上に本体を有
    し、 ｇ）クラッドは、活性コアと基本表面の間に配置された
    下部クラッド層と活性コアの上に重なり少なくともその
    一部を被覆する上部クラッド層からなり、 ｈ）活性コアは、エルビウム原子の集中を防ぐために効
    果的な量のアルカリ金属またはアルカリ土類金属を含
    み、 ｉ）活性コアは、少なくとも約０．０１のエウビウム対
    シリコン原子比と１立方センチメートル当り約１．４×
    １０20原子の絶対エルビウム濃度を有し、 ｊ）レーザ発振レベルは、少なくとも約７ミリ秒の放射
    寿命を持つことを特徴とする光学装置。
  2. 【請求項２】 基板が、シリコンから成ることを特徴と
    する請求項１記載の光学装置。
  3. 【請求項３】 活性コアが、少なくとも約０．０２のエ
    ルビウム対シリコン原子比を有することを特徴とする請
    求項１記載の光学装置。
  4. 【請求項４】 信号波長の基本モードを誘導するために
    活性ガラスコアが採用され、信号放射を活性コアの内部
    及び外部へ結合させる手段は、信号放射を断熱的に結合
    することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
  5. 【請求項５】 Ｅｒ3+イオンの濃度が活性コア全体で一
    定であり、活性コアが放射損傷を被らないことを特徴と
    する請求項１記載の光学装置。
  6. 【請求項６】 アルカリ金属またはアルカリ土類金属
    が、ナトリウムから成り、活性コアが０．２から０．６
    の範囲のナトリウム対シリコン原子比を有することを特
    徴とする請求項１記載の光学装置。
  7. 【請求項７】 アルカリ金属またはアルカリ土類金属
    が、カルシウムから成り、活性コアが約０．２以下のカ
    ルシウム対シリコン原子比を有することを特徴とする請
    求項１記載の光学装置。
  8. 【請求項８】 縦軸方向に伸張し下部クラッド層と活性
    コア間に配置される細長い導波型受動ガラスコアと、信
    号放射の基本モードを誘導するために採用された受動コ
    アと、光学信号及びポンプ放射を受動コア内部へ結合さ
    せる手段と、信号放射を受動コア外部へ結合させる手段
    と からなり、 受動コアは、エルビウムを含有せず、活性コアの屈折率
    より小さく上部及び下部クラッド層の屈折より大きな屈
    折率を持ち、 活性コアは、中央部と２つの端部を有し、 信号放射を活性コアの内部及び外部へ結合させる手段
    は、２つの活性コアのテーパ部を有し、個々のテーパ部
    は、中央部と端部の間に伸張し、少なくとも縦軸に対し
    て垂直な一方向に徐々に収縮するよう端に向かって逓減
    することを特徴とする請求項４記載の光学装置。
  9. 【請求項９】 受動コアが、燐ケイ酸塩(phoshposilica
    te)グラスから成り、上部クラッド層が燐ケイ酸塩グラ
    スから成り、下部クラッド層が、熱二酸化シリコンから
    成ることを特徴とする請求項８記載の光学装置。
  10. 【請求項１０】 少なくとも１つの光学フィードバック
    要素を有することを特徴とする請求項１記載の光学装
    置。
  11. 【請求項１１】 ａ）基本表面上に硝子二酸化シリコン
    の第１層を形成するステップと、 ｂ）第２層が第１層より高い屈折率を有するよう、シリ
    カベースガラスのターゲットをスパッタリングすること
    によって第１層上にシリカベースガラスの第２層を堆積
    させるステップと、 ｃ）安定化のために第２層をアニールするステップと、 ｄ）縦軸方向に伸張する細長いコアが形成され、そのコ
    アが装置完成後に少なくとも信号波長とポンプ波長の電
    磁放射を誘導するために採用されるよう、エッチングに
    より第２層の一部を除去するステップと、 ｅ）第３層がコアより小さな屈折率を有するように、コ
    ア上に燐ケイ酸塩ガラスの第３層を堆積するステップ
    と、 ｆ）ターゲットは、ナトリウムとエルビウムを有し、 ｇ）ターゲット成分は、コアが少なくとも約０．０１の
    エルビウム対シリコン原子比と、０．２から０．６のナ
    トリウム対シリコン原子比と、少なくとも１立方センチ
    メートル当り約１．４×１０20原子の絶対エルビウム濃
    度を有するよう、さらにレーザ発振レベルがコア内のエ
    ルビウムに関連し、少なくとも約７ミリ秒の放射寿命を
    有するよう選択されることを特徴とする光学装置形成方
    法。
  12. 【請求項１２】 ステップ（ｄ）の後でステップ（ｅ）
    の前に、コア上に防護誘電フィルムを形成するステップ
    を有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 ステップ（ｄ）の後に、第２層のエッ
    チングによる粗さが除去されるようコアをアニールする
    ステップを有することを特徴とする請求項１１記載の方
    法。
  14. 【請求項１４】 ステップ（ｄ）の後に、反応性雰囲気
    中で少なくとも約７００℃の温度で最低約１時間コアを
    アニールするステップを有することを特徴とする請求項
    １１記載の方法。
  15. 【請求項１５】反応性雰囲気が、非常に乾燥した酸素か
    ら成ることを特徴とする請求項１４記載の方法。
  16. 【請求項１６】 ａ）基本表面上に二酸化シリコンの第
    １層を形成するステップと、 ｂ）第２層が第１層より高い屈折率を有するよう、第１
    層上に燐ケイ酸塩ガラスの第２層を堆積させるステップ
    と、 ｃ）少なくとも一部の密度を高くするために第２層をア
    ニールするステップと、 ｄ）縦軸を有する細長い下部コアが形成され、その下部
    コアが装置完成後に少なくとも信号波長とポンプ波長の
    電磁放射を誘導するために採用されるよう、エッチング
    により第２層の一部を削除するステップと、 ｅ）第２層のエッチングによる粗さを削除するよう下部
    コアをアニールするステップと、 ｆ）第３層が下部コアより高い屈折率を有するように、
    シリカベースガラスのターゲットをスパッタリングする
    ことによって、下部コア上にシリカベースガラスの第３
    層を堆積するステップと、 ｇ）安定化のために第３層をアニールするステップと、 ｈ）縦軸方向に伸張する細長い上部コアが形成され、そ
    の上部コアが装置完成後に少なくとも信号波長とポンプ
    波長の電磁放射を誘導するために採用されるよう、エッ
    チングにより第３層の一部を削除するステップと、 ｉ）反応性雰囲気中で少なくとも約７００℃の温度で最
    低約１時間上部コアをアニールするステップと、 ｊ）第４層が上部及び下部コアより小さな屈折率を有す
    るよう、上部並びに下部コア上に燐ケイ酸塩ガラスの第
    ４層を堆積するステップと からなり、 ｋ）ターゲットは、ナトリウムとエルビウムとからな
    り、 ｌ）ターゲット成分は、第３層が少なくとも約０．０１
    のエルビウム対シリコン原子比と、０．２から０．６の
    ナトリウム対シリコン原子比と、少なくとも１立方セン
    チメートル当り約１．４×１０20原子の絶対エルビウム
    濃度を有するよう、さらにレーザ発振レベルが第３層内
    のエルビウムに関連し、少なくとも約７ミリ秒の放射寿
    命を有するよう選択されることを特徴とする光学装置形
    成方法。
  17. 【請求項１７】 ステップ（ｉ）の後でステップ（ｊ）
    の前に受動コア上に防護誘電フィルムを形成するステッ
    プを有することを特徴とする請求項１６記載の方法。
  18. 【請求項１８】 反作用的気体が、非常に乾燥した酸素
    から成ることを特徴とする請求項１６記載の方法。
  19. 【請求項１９】 ステップ（ｈ）の後に第３層のエッチ
    ングによる粗さを削除するよう上部コアをアニールする
    ステップを有することを特徴とする請求項１６記載の方
    法。
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