JPH06281977A - 光利得装置からなる製品 - Google Patents
光利得装置からなる製品Info
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Abstract
ールドへのドーパント原子分布の優れた整合性を有し、
優れた利得特性を生じる導波路およびこのような導波路
の製造方法を提供する。 【構成】 希土類(RE)がドープされたプレーナ導波
路(12)からなり、ドーパントが導波路のコア中に不
均一に分布している光学的にポンプされる光利得装置を
有する製品が提供される。REイオンは、信号光および
ポンプ光の双方のモード強度が比較的高いコア領域にイ
オンが集中されるように分布されている。本発明による
単一モードプレーナ導波路の好ましい実施例では、RE
イオンは概ね中心コア領域に集中されている。本発明の
製品の製造方法も開示されている。この方法はコア領域
にREイオンを打ち込むことからなる。
Description
土類がドープされた導波路手段からなるような光増幅器
に関する。
イバ増幅器における光信号の増幅原理は当業者に公知で
ある。例えば、ジェー・アール・アーミテイジ(J.R.Arm
itage)の“アップライド オプティックス(Applied Opt
ics)”,Vol.27(23),4831〜4836頁(1
988年12月)を参照されたい。Erがドープされた
ファイバ増幅器の特性を最適化する努力が続けられてい
る。例えば、米国特許第4923279号明細書を参照
されたい。
おいて都合良く使用することができるが、光増幅器が容
易に、または都合良く使用できないような多くの潜在的
用途が存在する。例えば、光増幅器と電子装置または回
路とを集積できることが望まれている。なぜなら、この
ような集積はコストを低減し、耐久性を高め、また、多
分、速度の向上が期待できるからである。このような集
積体はプレーナ(平坦)光増幅器を利用することにより
製造することができる。
積された光デバイスに向けて著しく進歩し、若干低い進
歩レベルでは、光信号検出器、スイッチ装置の光背面、
光ファイバ構内情報通信網および光ファイバケーブルT
Vシステムなどのような種々の分野における即時応用が
可能である。最後に、プレーナ光増幅器は小型化するこ
とができ、しかも、高い耐久性を有するので、光ファイ
バ増幅器にとって代わることが期待でき、海底光波通信
システムにおける用途が有望である。
イプのプレーナ光導波路としては、例えば、米国特許第
4902086号明細書に開示されているようなシリコ
ン基板に形成されたシリカ系ガラス導波路がある。プレ
ーナ光導波路に関する広範な論述は例えば、エス・マー
テルチー(S.Martellucci) ら編著の“集積光デバイス、
物性および用途(Integrated Optics,Physics and Appli
cations)”(プレナム出版)、特に、49〜72頁のジ
ー・カルティエ(G.Chartier)による章を参照されたい。
成する材料の寄せ集めと共に、使用された製造技術の一
覧表が記載されている。また、研究論文の63〜65頁
には、イオン注入による導波路製造に関する論述がなさ
れている。ここに記載されているように、製造技術は基
板を平行化イオンビームで露光し、基板の適当に造形さ
れた領域の特性を変更させることを含む。この特性変更
はその領域の屈折率の変化として表れる。
r)らは、“エレクトロニクス レターズ(Electronics L
etters) ”Vol.26(5),332〜334頁(199
0年3月)に、不活性イオン(He+ )を単結晶LiN
bO3 に注入することによる光導波路の製造を報告して
いる。LiNbO3 はMgOまたはNdおよびCrが均
一のドープされている。
トニックス テクノロジー レターズ(Photonics Techn
ology Letters)”Vol.1(11),349〜350頁
(1989年11月)に、Ndがドープされたシリカ光
導波路レーザをSi基板上に製造する方法を開示してい
る。この方法は、基板上にガラスすすを堆積し、すす層
をNd含有アルコール中で浸軟させ、すす層を焼結し、
焼結層をパターン付けして幅20μmのコアリッジを形
成し、このようにして形成されたコアストリップにガラ
スクラッド層(これもすすから形成されたものである)
を重層することからなる。発光とレーザ動作が確認され
た。
びレーザ)の潜在的に高い商業的重要性に鑑みれば、こ
のような装置の改良は明らかに極めて重要である。特
に、装置のプレーナ導波路における信号光のモードフィ
ールドへのドーパント原子分布の優れた整合性を有する
デバイスは極めて望ましい。なぜなら、このような優れ
た整合性は、とりわけ、装置の優れた利得特性を生じる
からである。
はこのような優れた整合性を有する導波路およびこのよ
うな導波路の製造方法を提供することである。
光利得装置からなる製品およびこのような製品の製造方
法が提供される。更に詳細には、この利得装置は基板上
に設けられたプレーナ導波路手段からなる。導波路手段
はコアおよびクラッドからなり、波長λs の信号光をガ
イドすることができる。この製品は更に、波長λp <λ
s のポンプ光をプレーナ導波路手段に結合する手段を有
する。例えば、1≒λs ≦3μmであり、また、0.4
≒λp <3μmである。
て発光することができる希土類(以下「RE」という)
イオンを少なくとも1種類含有するシリカ系ガラスから
なる。REイオンはプレーナ導波路手段中に不均一に分
布している。特に、REイオンは所定のコア断面中で、
第1の断面領域のREイオンの最大濃度が第2の断面領
域(例えば、残りの領域)のREイオンの最大濃度より
も少なくとも2倍程度高いように分布している。好まし
い実施例では、REイオンは、信号光およびポンプ光の
両方のモード強度が最高になるコア領域にイオンが集中
されるように分布されている。一般的に、ここはコアの
中心領域である。
とも一部分は、第1の領域とコアの“最上面”(すなわ
ち、基板に隣接しないコアの表面部分)との間に配置さ
れる。特に好ましい実施例では、第2の領域は概ね第1
の領域を取り囲んでいる。
えば、ウエハ)であり、この基板の主要面の少なくとも
一部分はSiO2 層により被覆されている。プレーナ導
波路手段のコアはシリカ系ガラス(例えば、ホスホシリ
ケート)からなる。コア材料はSiO2 層上に配置さ
れ、そして、SiO2 層と共にクラッドとして機能する
シリカ系ガラスにより被覆されている。クラッド材料の
全ての屈折率はコア材料の屈折率よりも低い。この特別
な実施例では、REイオンはErイオンである。
あるが、レーザであることもできる。また、本発明によ
る利得装置は一般的に、本発明の利得装置と光通信を行
う、少なくとも1個以上の他の光学装置または光電子デ
バイスが存在する基板中、または基板上に配置される。
他のデバイスは例えば、ポンプレーザまたは受光素子で
ある。所望により、1個以上の電子デバイス(例えば、
トランジスタ)またはICを基板中または基板上に配置
することもできる。
リカ系コア材料の層を有する基板(例えば、SiO2 層
を有するSiウエハ)を準備し、前記層の少なくとも一
部分をREイオンに暴露し、前記イオンの少なくとも主
要部分をコア材料中に注入し、注入前または注入後の何
れかの時点で、コア材料の層をパターン付けしてプレー
ナ導波路手段のコアを形成し、そして、クラッド材料の
層を堆積させることからなる。この方法は、最終製品の
コア中のRE分布が前記のように不均一になるように行
われる。
に説明する。図1は本発明による利得装置の導波路手段
の模式的断面図である。符号10は基板本体、好ましく
はSi本体を示し、符号11は第1のクラッド材料、好
ましくはSi本体の酸化により生成されたSiO2 を示
す。コア12は第1のクラッド材料11の上に配置され
ている。第2のクラッド材料13がコアを取り囲んでい
る。コアは比較的高いRE(例えば、Er)濃度を有す
る第1の領域122と、比較的低いRE濃度の第2の領
域121からなる。
21における最大濃度の少なくとも2倍(好ましくは少
なくとも5倍、できれば10倍)である。第2のクラッ
ドはSiO2 であるが、コアガラスの屈折率が第2のク
ラッド材料の屈折率(および、言うまでもなく、第1の
クラッド材料の屈折率)よりも十分に高く、波長λsの
光(および波長λp の光)が構造体中を誘導されれば、
その他の適当な(波長λs において)透明な媒体も使用
することができる。
け、第1のコア領域22が第2のコア領域21により取
り囲まれている点で異なる本発明による別の導波路手段
の模式的断面図である。導波路がλs における単一モー
ドガイドである場合、この構造により、ドーパント原子
と信号光のモードフィールドとの間で特に効率的な結合
が生じる。
例えば、最初に基板表面上に比較的厚いクラッド層を形
成し、このクラッド層上に適当な厚さ(例えば、約2μ
m)のシリカ系ガラス層を堆積し、所望により、イオン
注入中の電荷蓄積を避けるために、コアガラス層の最表
面に比較的薄い(例えば、0.1μm)導電層を堆積
し、得られた多層構造体を高エネルギー(例えば、1〜
5MeV)REイオンビームに暴露することにより製造
できる。
成RE分布の最大部分が概ね層に集中されるように選択
される。イオン線量は一般的に、所定の長さの導波路に
おいて所望の利得が得られるように選択される。例え
ば、線量は1016〜1017イオン/cm2 の範囲内であ
る。注入中の基板温度は室温〜約500℃、好ましくは
150〜300℃の範囲内である。
して、公知の技法(例えば、リソグラフィおよびエッチ
ング)により不必要なコア材料を除去することにより導
波路を画成する。続いて、減圧化学的気相成長法(LP
CVD)などの公知の技法により上部クラッド層(例え
ば、SiO2 )を形成する。
前記の方法と同様な方法により製造できる。但し、コア
材料は注入領域の横幅を限定するマスクを通して注入さ
れる。注入は当業者に明らかように、コア層のパターン
付けの前、またはパターン付け後に行うことができる。
また、これは下記の実施例2に述べる方法と同様な技法
により行うこともできる。
である。図示された増幅器は4個のポンプレーザ(31
1〜314)からなり、このうちの2個(例えば、31
2および314)は“スペア”である。レーザ311お
よび313は同一方向伝搬光および逆方向伝搬光をそれ
ぞれ注入する。言うまでもなく、1個以上の全てのポン
プレーザはオプションである。受動導波路セクション3
21を通り増幅器導波路34まで伝搬する信号光は、誘
導発光により増幅器内で増幅され、増幅信号光は受動導
波路セクション322を通して伝搬する。
導波路324により偏光スプリッター33にまでガイド
され、そして、この偏光スプリッター33から受動ガイ
ド325により方向性カプラ38までガイドされる。こ
れらの部品は常用の部品であり、分離していても、集積
されていても何れでもよい。カプラ38はポンプ光を受
動導波路セクション321に結合し、ポンプ光を信号流
れの方向に伝搬する。逆方向伝搬ポンプ光も同様に信号
路に結合される。必要に応じて使用される公知の格子フ
ィルタ35は自然発生光を抑制する機能を果たす。光フ
ァイバは、例えば、米国特許第4904036号明細書
に開示されているような方法により、増幅器組立体に結
合させることができる。
ち、検出器組立体)の模式図である。信号光は受動ガイ
ド401を通して増幅器セクション42まで伝搬され、
更に、受動ガイド403を通して受光素子(例えば、導
波路反転ミラー上に配置されたPINダイオード)まで
伝搬される。ポンプレーザ41からのポンプ光は、方向
性カプラ44により受動ガイド403に結合される。図
4に示されたタイプの検出器組立体は、例えば、アバラ
ンシ受光素子(APD)に付随する高感度と、例えば、
PINに付随する低ノイズを有する。
波路セクションと増幅器セクションとの間に結合が存在
する。例えば、図5は、受動導波路50の部分、増幅器
ガイド51の部分、およびこれらの間の遷移部分52の
平面図である。図6は図5のA−A線に沿った断面図で
あり、基板55、下部クラッド56、コア58および上
部クラッド57を有する。図7は図5のB−B線に沿っ
た断面図であり、増幅器部分のコアはREが殆ど無い外
部領域59と、殆ど全てのREを含有する中心領域60
からなる。増幅器ガイドが受動ガイドよりも若干狭い場
合、優れた増幅効率を得るために、このような構造は非
常に好都合である。このような場合、図5に模式的に示
されているように、2個の導波路部分の間に断熱遷移部
分を設けることが好ましい。
ナ導波路と標準的なシリカ系光ファイバとの間で可能
な、比較的低い結合損失である。例えば、本発明による
製品では、プレーナ導波路のコアの屈折率は一般的に、
プレーナ導波路に結合される光ファイバのコアの有効屈
折率よりもせいぜい5%程度しか異ならない。
してきたが、構造を適当な光キャビティーを形成するよ
うに変更すれば、同じ原理がプレーナ導波路レーザにつ
いても実施できることは当業者に明らかである。このよ
うな変更は当業者ならば容易に行うことができる。
ートガラスだけが使用可能な導波路材料ではない。例え
ば、コアはREがドープされたSi3 N4 であることも
できるし、また、クラッドはシリカ系ガラスであること
もできる。本発明を実施するのに有用なRE種はErだ
けではない。例えば、Ndも使用できる。これは常用の
シリカファイバの最小分散ウインドウと一致するλ〜
1.3μmで遷移するので特に有望である。他のRE種
は特定の用途に有用な異なる遷移を有する。
む技法により製造する必要性がない。少なくとも図1に
示されたタイプのプレーナガイドはCVDにより、RE
含有先駆体を反応炉に適当に導入することにより、また
は、一連のターゲットからスパッタすることにより製造
できる。
POX)により膜厚15μmのシリカ層を形成した。こ
のようにして形成されたシリカ面上に、シリカ、酸素お
よびホスヒンを使用し常用のLPCVDにより膜厚2μ
mのホスホシリケートガラス(SiO2 中にPを8wt%
含有)層を堆積した。続いて、常用の堆積法により、P
−ガラス(コア)層の上面に膜厚0.11μmのAl層
を堆積した。このようにして形成された多層構造体に、
10-6Torr以下の基本圧力の真空中で2.9MeVのE
r++イオンを打ち込んだ。注入量は3.4×1016イオ
ン/cm2 であった。イオン注入中はウエハを200℃
に維持した。得られたEr分布はおおよそガウス曲線状
であった。ガラス/Al界面から深さ約1μmのところ
にピークが存在し、半値全幅は約0.6μmであった。
その後、常法によりAl層を除去し、常用のリソグラフ
ィおよびエッチングによりコア材料層をパターン付け
し、基板上に幅5μmで長さ5.5cmのコア材料スト
リップを残した。シランおよび酸素からLPCVDによ
り膜厚5μmのシリカ層を堆積し、続いて、1000℃
の窒素雰囲気中で層を稠密化することによりプレーナ導
波路を完成させた。このプレーナ導波路はλ=1.54
μmにおける単一モードだけをサポートするように設計
され、λ=1.54μm付近に中心を有する発光遷移を
示した。約4msの寿命が観察された。この導波路をλ
=0.9729μmでポンプすると、長さ5.5cmの
導波路を通して伝達されるλs =1.536μmの信号
光は、ポンピングの無い状態で伝達した場合に比べて、
著しく高い振幅を示した。
べたようにして製造した。但し、Erがドープされたガ
イドは2個の常用の受動導波路部分の間に配置し、別の
受動導波路部分を常用の方向性カプラによりErドープ
ガイドに結合し、そして、コア材料は2工程で堆積し、
Er注入はこの工程間で行った。特に、膜厚3μmの8
%P−ガラスを堆積し、Erは実施例1に述べたように
注入し、幅3μm、長さ5.5cmの注入コア材料スト
リップが基板上に残るようにP−ガラス層をパターン付
けした。その後、膜厚1μmの8%P−ガラスを堆積
し、Er注入領域が後から堆積されたP−ガラスにより
被覆されるようにパターン付けした。得られたコアの幅
は5μmであった。実施例1に述べたように、適当なク
ラッド層を続いて堆積した。
ば、優れた整合性を有する導波路およびこのような導波
路の製造方法が得られる。
例の模式的断面図である。
の例の模式的断面図である。
である。
段に結合された受動プレーナ導波路の模式的平面図であ
る。
Claims (12)
- 【請求項1】 コアとクラッドからなり、波長λs の信
号光をガイドすることができる光導波路手段を有し、更
に、波長λp <λs のポンプ光を前記光導波路手段に結
合する手段を有する光利得装置からなる製品であり、前
記光導波路手段はポンプ光に応答して発光することがで
きる少なくとも1種類の希土類を含有するコア材料から
なり、 (a) 導波路手段は基板上に配置されたプレーナ導波路手
段であり; (b) プレーナ導波路手段はコア横断面と、基板に隣接し
ないコア面とを有し、希土類イオンは、所定の横断面に
おいて、横断面の第1の領域における希土類イオンの最
大濃度が、横断面の第2の領域における希土類イオンの
最大濃度よりも少なくとも2倍以上高くなるように、プ
レーナ導波路手段中に分布されている;ことを特徴とす
る光利得装置からなる製品。 - 【請求項2】 第2の領域の少なくとも一部分は、第1
の領域と、基板に隣接しないコア面との間に配置されて
いる請求項1の製品。 - 【請求項3】 所定の横断面の第2の領域は概ね第1の
領域を取り囲んでいる請求項2の製品。 - 【請求項4】 希土類イオンはErイオンからなる請求
項1の製品。 - 【請求項5】 1≒λs ≦3μmであり、0.4≒λp
<3μmである請求項1の製品。 - 【請求項6】 基板は大きな表面を有するSiであり、
この大きな表面の少なくとも一部分はSiO2 層で被覆
されており、導波路手段のコアはシリカ系ガラスからな
り、かつ、前記SiO2 層上に配置されており、基板に
隣接しないコア面部分は、コアガラスの屈折率が第2の
シリカ系ガラスの屈折率よりも高い組成の第2のシリカ
系ガラスと接触しており、希土類イオンはErイオンか
らなる請求項2の製品。 - 【請求項7】 利得装置は光増幅器である請求項1の製
品。 - 【請求項8】 光増幅器と光通信を行う少なくとも1個
の他の光または光電子デバイスが基板内または基板上に
存在する請求項7の製品。 - 【請求項9】 他のデバイスのうちの少なくとも1個
は、光増幅器を通して伝搬する光を受信するように配置
された受光素子である請求項8の製品。 - 【請求項10】 他のデバイスのうちの少なくとも1個
は、ポンプ光を発光することができるレーザである請求
項8の製品。 - 【請求項11】 プレーナ光導波路手段に信号を伝達す
るように結合された光ファイバを更に有し、光ファイバ
およびプレーナ導波路手段の各々は、コア有効屈折率を
有し、光ファイバのコア有効屈折率はプレーナ導波路手
段の有効屈折率とせいぜい5%程度しか異ならない請求
項1の製品。 - 【請求項12】 コアとクラッドからなり、波長λs の
信号光をガイドすることができる光導波路手段を有し、
更に、波長λp <λs のポンプ光を前記光導波路手段に
結合する手段を有する光利得装置からなる製品の製造方
法であって、 (a) 大きな表面を有し、この大きな表面上にコア材料か
らなる層を有する基板を準備し; (b) 前記層の少なくとも一部分を希土類イオンに暴露し
て前記イオンの少なくとも大部分を前記コア材料中に注
入させ; (c) 前記工程(b) の前または後に、前記層をパターン付
けして前記光導波路手段のコアを形成し;前記コアは横
断面と、基板面に隣接しないコア面とを有し;前記方法
は、第2の領域の少なくとも一部分が、第1の領域と、
基板に隣接しないコア面との間に配置されている場合
に、所定の横断面において、横断面の第1の領域におけ
る希土類イオンの最大濃度が、横断面の第2の領域にお
ける希土類イオンの最大濃度よりも少なくとも2倍以上
高くなるように、希土類イオンがプレーナ導波路手段中
に分布されるように行われ;そして、 (d) クラッド材料を堆積する;工程からなることを特徴
とする光利得装置からなる製品の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US579118 | 1990-09-07 | ||
US07/579,118 US5039190A (en) | 1990-09-07 | 1990-09-07 | Apparatus comprising an optical gain device, and method of producing the device |
Publications (2)
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