JPH09105965A - 光学デバイス - Google Patents

光学デバイス

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JPH09105965A
JPH09105965A JP8231579A JP23157996A JPH09105965A JP H09105965 A JPH09105965 A JP H09105965A JP 8231579 A JP8231579 A JP 8231579A JP 23157996 A JP23157996 A JP 23157996A JP H09105965 A JPH09105965 A JP H09105965A
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glass core
core
erbium
active glass
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JP8231579A
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Allan J Bruce
ジェームス ブルース アラン
William H Grodkiewicz
ヘンリー グロッドキーウィッチ ウィリアム
Gerald Nykolak
ニコラック ジェラルド
Joseph Shmulovich
シュムロヴィッチ ジョセフ
Yiu-Huen Wong
ウォン イウ−ヒューエン
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AT&T Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アルカリ金属あるいはアルカリ土金属を含ま
ない光学増幅器および光ファイバ用のガラスを提供す
る。 【解決手段】 本発明は、平面型光学導波路構造体、あ
るいは光ファイバの形態で提供される活性光素子であ
る。本発明の活性光素子は、細長い活性ガラス製コアを
有し、このコアは、酸素とシリコンあるいはゲルマニウ
ムのような非金属元素と少なくとも一部はＥｒ3+イオン
の形態のエルビウムを含有する。この本発明の活性コア
は、５０モル％から９０モル％の範囲の非金属元素を含
有している。活性コア内では、エルビウムの濃度は、１
ｃｍ3 当たり少なくとも０．５×１０20原子である。エ
ルビウムのレーザ発振レベルは、少なくとも約５ｍｓの
放射寿命を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガラス内の稀土類
イオンによる励起光学放射により動作する増幅器のよう
なアクティブ光学素子に関し、特に平面型光学導波路の
形態で形成されるアクティブ光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】光学増幅器は、光学信号を分散するネッ
トワークにおいて重要である。例えば、エルビウムのよ
うな稀土類元素をドーピングしたガラスから形成される
光ファイバ増幅器は公知である。例えば、米国特許第
５，１１９，４６０号を参照のこと。この特許は、高濃
度の稀土類元素を含有した光学増幅器について開示して
いる。ここに開示された光学増幅器は、シリコン基板上
に堆積された平面型導波路である。このような平面型導
波路は、光学信号を網内で分散するような応用にとって
は有益である。このような網内分散においては、比較的
小さなそして素子の集積が望ましいからである。前掲の
特許に開示された光学増幅器は、アルカリ金属，アルカ
リ土金属，あるいはそれらの混合物を含み、それにより
エルビウム原子が、クラスタを形成するのを阻止してい
る。
【０００３】アルカリ金属あるいはアルカリ土金属は、
このような目的に対しては、有効であるが、このような
物質を大量に含むガラスは、それらが堆積されるような
シリコン基板上とは完全には適合するものではない。例
えば、アルカリ金属およびアルカリ土金属を大量に含有
するガラスは、シリコン基板よりも高い熱膨張係数を有
し、これにより導波路形成時に、アニールプロセスにお
ける温度変化にガラスが曝されるときにガラスのフィル
ムに応力を引き起こす。このような応力は、ガラスのフ
ィルムの厚さが増すにつれて大きくなり、２μｍ厚以上
の例えばソーダライムガラス（soda-lime glass） のよ
うなアルカリ含有およびアルカリ土金属含有のガラスフ
ィルムに対し、クラック（ひび割れ）を引き起こす。ま
た、アルカリ金属あるいはアルカリ土金属を含有する導
波路は、９００℃以上の温度に対しては、耐えることが
できず変形してしまう。このようなことにより上部クラ
ッド層の材料は、９００℃以下の温度でガラス上に形成
される材料に限定されてしまう。
【０００４】アルカリ土金属含有ガラスを、基板上に形
成した後は、この移動性アルカリ金属のアウトディヒュ
ージョン（out-diffusion） が行われる。これは導波路
構造体のパターンを規定するのに用いられる光規定材料
のガラスへの接着に悪影響を及ぼす。このアウトディヒ
ュージョンはまた、ガラスフィルムの均質性に悪影響を
及ぼし、フィルムの欠陥密度を増加させる。アルカリお
よびアルカリ土金属は、シリコン系の素子（集積回路）
の形成の他の目的のためには好ましいものではないため
に、シリコン基板上にこれらのガラスを形成するために
用いられる素子は、他のシリコン系素子の処理には用い
ることができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、アルカリ金属あるいはアルカリ土金属を含まない
光学増幅器および光ファイバ用のガラスを提供すること
である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、平面型光学導
波路構造体、あるいは光ファイバの形態で提供されるア
クティブ光素子である。本発明のアクティブ光素子は、
細長いアクティブガラス製コアを有し、このコアは、酸
素とシリコンあるいはゲルマニウムのような非金属元素
と少なくとも一部はＥｒ3+イオンの形態のエルビウムを
含有する。この本発明のアクティブコアは、５０モル％
から９０モル％の範囲の非金属元素を含有している。
【０００７】実施例においては、この非金属元素はシリ
コンである。この本発明のアクティブコアは、さらにア
ルカリ金属あるいはアルカリ土金属ではない修正材料を
含む。この修正材料は、エルビウム原子がクラスタを形
成するのを阻止するのに有効なものである。ガラスがシ
リコン基板１０から５０モル％のこの修正材料を含むの
が好ましい。
【０００８】この修正材料は、少なくとも２つの成分を
有する。そしてこの両方の成分が、その原子価が３以上
であるような金属の金属酸化物を含むのが好ましい。こ
の修正成分元素とその修正成分元素酸化物とは、同じ意
味で用いられる。この修正材料の成分がガラスに対しあ
る種の好ましい特性を付与する。例えば、この１つの成
分はシリカ内でＥｒ3+イオンの溶融性を向上するような
材料が好ましい。このような機能を実行する適切な金属
酸化物の例は、周期律表のＩＩＩＢ属，ＩＶＢ属，ＩＩ
ＩＡ属の酸化物を含む。このような修正成分元素の一例
は、ＬａＯ3 である。第２の成分は、ガラス組成を安定
させるような金属が好ましい。周期律表のＩＩＩＡ属金
属の酸化物、例えばＡｌ2Ｏ3，ＧａＯ3 は、このような
機能を実行する金属酸化物の例である。２つの金属が選
択される金属のクラスは、ある部分はオーバラップする
が、ガラスは少なくとも２種類の金属成分を含むことが
重要である。例えば、アルミが１つの金属として選択さ
れた場合には、アルミ以外の金属が第２の修正成分元素
として選択されねばならない。
【０００９】さらに本発明のデバイスは、低屈折率のガ
ラス製クラッドとアクティブコアに対し信号放射を結合
させたり離脱したりする手段と、Ｅｒ3+イオンをポンピ
ングするために、ポンプ放射をこのアクティブコア内に
結合する手段とを含む。このクラッドとコアは、それら
が基板の主平面上に存在するように形成される。アクテ
ィブコア内では、エルビウムの絶対濃度は、１ｃｍ3 当
たり少なくとも０．５×１０20原子である。エルビウム
のレーザ発振レベルは、少なくとも約５ｍｓの放射寿命
を有する。さらにまたエルビウムの絶対濃度は、１ｃｍ
3 当たり１．４×１０20原子であることが望ましい。
【００１０】本発明の別の側面では、本発明はほぼ平坦
な主表面を有するシリコン基板上の光学デバイスの形成
方法である。本発明の方法は、第１に主表面上にガラス
状の二酸化シリコンの第１層を形成する。その後、この
第１層の上に修正材料とエルビウムを含有するシリカベ
ースのガラスのターゲットをスパッタリングする事によ
り、シリカベースのガラス製の第２層を形成する。そし
てこの第２層は第１層よりも高い屈折率を有するもので
ある。このターゲット成分は、コアが約５０モル％から
９０モル％のシリカを含有し、そのエルビウムの絶対濃
度は、少なくとも０．５×１０20／ｃｍ3 となるように
選択され、さらにこのターゲット組成は、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５
ｍｓの放射寿命を有するように選択される。このスパッ
タリングステップの後、第２層は、アニールされて安定
化する。第２層の一部はその後エッチングにより除去さ
れ、細長いコアが形成される。その後、シリカベースの
ガラス製の第３層がコアの上に堆積され、この第３層が
コアよりも小さな屈折率を有するようにされる。
【００１１】本発明の導波路の形成に用いられるガラス
は、アルカリ金属とアルカリ土金属を有しないために、
ガラスの熱膨張係数は、導波路の下層のシリコン製基板
の熱膨張係数に極めて近いために好ましい。ガラスの熱
膨張係数が、下層の基板の熱膨張係数にマッチするにつ
れて、ガラスは温度変化に起因する応力を受けることが
なくなる。このような応力は、ガラスに対しクラックを
発生させ、あるいは偏光させるのでガラスと下層の熱膨
張係数が近いということは好ましいことである。
【００１２】さらにまた、ランタン系稀土類金属（例、
エルビウム，イッテルビウム）は、アルカリ金属あるい
はアルカリ土金属を含まないようなガラス組成に対し、
より溶融しやすい。そのため、アルカリ金属およびアル
カリ土金属を含有するガラスよりもこれらのガラスによ
り多くのエルビウムを含有させることが可能となる。本
発明のガラスは、その屈折率が１．６と高く、これによ
り導波路内の光の閉じ込め機能が向上する。このこと
は、小型で高効率のデバイスに対し有利となる。さらに
これらのガラスは、シリコン基板上に形成された後、よ
り高い温度（例えば１０００℃以上）に耐えることがで
きる。これにより本発明のガラス上に形成されるクラッ
ド材料として幅広い範囲の材料の使用が可能となり、こ
れは従来のアルカリ金属およびアルカリ土金属を含むガ
ラス上に、クラッド材料として使用される材料の範囲よ
りも広いものであり、このようなアルカリ金属を含有す
る材料は、シリコン導波路上に形成された後、９００℃
以上の温度変化には耐えることができないものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の光学増幅器は、Ｅｒ3+イ
オンからの励起放射により光学信号を増幅するために用
いられている。従来公知のように、光学増幅器に適切な
信号波長は約１．５μｍである。様々な波長のポンプ放
射を用いてＥｒ3+イオンを励起している。
【００１４】図１において本発明の一実施例は、シリコ
ン基板１０とこのシリコン基板１０上に形成された下側
クラッド層２０と、この下側クラッド層２０上に形成さ
れたパッシブコア３０と、このパッシブコア３０上に形
成されたアクティブコア４０と、このパッシブコア３０
とアクティブコア４０と下側クラッド層２０の上に形成
された上側クラッド層５０とからなる。本発明の他の実
施例においては、パッシブコア３０が取り除かれてい
る。
【００１５】同図から明らかなように、２つのコア３０
と４０は、２つのクラッド層即ち、下側クラッド層２０
と上側クラッド層５０とにより包囲されている。下側ク
ラッド層２０と上側クラッド層５０の屈折率は、必ずし
も等しい必要はない。しかし、下側クラッド層２０と上
側クラッド層５０の屈折率は、アクティブコア４０の屈
折率よりも小さく同時にまたパッシブコア３０の屈折率
よりも小さくなければならない。これらの屈折率差によ
り信号波長の電磁放射と、少なくとも１つのポンプ波長
とは、パッシブコア３０とアクティブコア４０内に導か
れる。（一般的にパッシブコア３０とアクティブコア４
０の導波路特性は、必ずしも別個のものではない。した
がって、例えばアクティブコア４０内を導かれる放射
は、もっぱらその中をガイドされるものではなく、その
下のパッシブコア３０が寄与する有効コアによって導波
されるものである。）
【００１６】好ましくはアクティブコア４０とパッシブ
コア３０は、少なくとも１つの信号波長に関しては、シ
ングルモード導波路として機能する。かくして信号放射
は、もっぱらこの基礎的なモードでガイドされる。しか
し、他の実施例においては、アクティブコア４０とパッ
シブコア３０は信号波長とポンプ波長の両方に対して
は、マルチモード導波路として機能することも可能であ
る。
【００１７】アクティブコア４０の屈折率はパッシブコ
ア３０の屈折率よりも幾分大きいが、その理由はアクテ
ィブコア４０内の光量を最大にするためである。例え
ば、アクティブコア４０とパッシブコア３０の屈折率
は、それぞれ１．５０と１．４５である。このような屈
折率差によりアクティブコア４０内を導波される電磁波
は、パッシブコア３０内を導波される波よりもより狭い
モードプロファイルを有する。したがって、このような
状況においては、アクティブコア４０をパッシブコア３
０よりも狭く形成することが望ましい。このようなアク
ティブコア４０を図１に示す。
【００１８】下側クラッド層２０は、シリコン基板１０
のほぼ平面上の主表面上に形成される。このシリコン基
板１０は、代表的にはシリコンウェハである。下側クラ
ッド層２０は、例えばＨＩＰＯＸ層、即ち公知の方法に
より高圧蒸気下でシリコンを熱酸化させることにより成
長させたガラス状の二酸化シリコン層である。下側クラ
ッド層２０の厚さは、１０μｍ以上でなければならな
い、その理由は光学的な漏れは厚さが薄くなると発生す
るからである。この下側クラッド層２０の好ましい厚さ
は約１５μｍである。
【００１９】パッシブコア３０は、リン珪酸塩ガラス製
（phosphosilicate glass） である。このガラスのリン
含有率と屈折率（下側クラッド層２０と上側クラッド層
５０とアクティブコア４０の組成に対する）は、公知の
方法により所望の導波路特性を提供できるように選択さ
れる。パッシブコア３０のガラス組成の有効な範囲は、
最大８重量％のリンを含む珪素からなり、そしてこのリ
ンの含有率のより好ましい範囲は、４−８重量％の範囲
である。パッシブコア３０は、低圧ＣＶＤにより下側ク
ラッド層２０上に堆積される。このパッシブコア３０の
厚さは約５μｍで、パッシブコア３０の幅は約６μｍで
ある。
【００２０】アクティブコア４０は、エルビウムを含有
したシリカベースのガラス製であり、このガラスは、エ
ルビウム原子対シリコン原子の比率が少なくとも約０．
０５で、好ましくは少なくとも約０．０１で、さらに好
ましくは少なくとも０．０２である。さらにまたエルビ
ウムの絶対濃度は、少なくとも約０．５×１０20原子／
ｃｍ3 である。これ以上少ないエルビウム対シリコンの
比率は好ましくなく、その理由は増幅器の単位長さ当た
りの信号ゲインの値が小さくなってしまうからである。
【００２１】本発明の光学素子のアクティブコア４０
は、５０モル％から９０モル％の間の非金属元素（シリ
コンあるいはゲルマニウム）を含有する。好ましい実施
例においては、このような非金属元素はシリコンであ
る。様々なガラス成分修正化学素子（以下、修正成分元
素と称する）が、アクティブコア４０のガラスに付加さ
れる。このアクティブコア４０は、少なくとも２種類の
金属酸化物の組み合わせからなる修正成分元素を含む。
この修正成分元素は、アルカリ金属あるいはアルカリ土
金属であってはならない。
【００２２】この修正成分元素がアクティブコア４０内
で様々な機能を実行する。例えば、修正成分元素の１つ
あるいはその両方は、ガラス内のエルビウム元素の溶融
率を高め、その結果エルビウム原子が高濃度でクラスタ
ー化（群を形成）するのを阻止する。ある種の修正成分
元素は、濃度消滅効果（concentration-quenching effe
ct）を回避しながらエルビウムの溶融率を高めることが
見いだされている。このような濃度消滅効果は、それが
ない場合には、Ｅｒ3+の放射寿命を高濃度では５ｍｓ以
下に減少させてしまう（即ち、エルビウム対シリコンの
比率は０．０１以上でなければならない）。このような
観点から有効な修正成分元素は、周期律表のＩＩＩＢ
属，ＩＶＢ属，ＩＩＩＡ属の金属であり、このような金
属の例としては、ランタン，イットリウム，スカンジウ
ム，アルミニウムがある。このような修正成分元素は、
金属酸化物としてガラス内に導入される。
【００２３】このような修正成分元素は、Ｅｒ3+の吸収
ピークと放出ピークを均質にまたは非均一に広げること
を制御する。ランタン，イットリウム，ジルコニウムの
ような元素は、フィールド強度イオンを高めるのに役立
ち、ピーク値を広げる傾向がある。
【００２４】このような修正成分元素の少なくとも１つ
は、ガラス網状構造を交差結合するのに役立つ。このよ
うな交差結合は、非均一性の拡大を増加させる。このよ
うな機能を実行する金属の例は、アルミとガリウムであ
る。この種の様々な機能を実行する金属の類は、ある程
度オーバラップするが、少なくとも２種類の異なる金属
を修正成分元素、本発明のガラス内の修正成分元素とし
て用いる。
【００２５】上に列挙した修正成分元素は、ガラス内で
様々な他の機能も実行する。例えば、アルミとランタン
は、フィルム堆積の間、あるいはその後不透明化，結晶
化，湿気による暴露に対し、ガラスを安定化させること
ができる。（その理由は、修正成分元素の種類と量はガ
ラスの熱膨張係数に影響し、下の基板の熱膨張係数に近
似するよう成分を調整するからである。）
【００２６】かくして、例えば、エルビウムに対し、高
い溶融率を有するアクティブコア４０のガラスは、シリ
カ系ガラス内に相当量のランタンを含有させることによ
り容易に形成できる。このアクティブコア４０のガラス
は、５モル％から３０モル％のランタンを含有する。こ
のアクティブコア４０は、また５モル％から３０モル％
の第２の修正成分元素を含有し、これによりガラスを安
定化させる。この第２の修正成分元素は、アルミが好ま
しい。
【００２７】この第１の修正成分元素の選択は、必ずし
も第２の修正成分元素の選択を制限するものではない。
しかし、好ましくは、得られたガラスが容易に形成さ
れ、ガラスフィルムの基板上への形成の間、およびその
後の処理の間、結晶化と相分離に耐えるものでなければ
ならない。この点からある修正成分元素（Ｌａ）をガラ
ス内のＥｒ3+イオンの溶融性に対する影響の観点から選
択し、別の修正成分元素（Ａｌ）がガラスの特性に対し
直接的な影響を及ぼすものを選択する。例えば、上記し
た他の修正成分元素を適宜の量を加えるのが好ましく、
特に最終的な所望の屈折率、関連する溶融率の制限、ガ
ラスの安定性あるいは熱膨張係数を含むガラスの物理
的，化学的特性の観点から制限される量だけ加えるのが
好ましい。
【００２８】アクティブコア４０を堆積する代表的な方
法は、以下に述べるスパッタリングである。アクティブ
コア４０の屈折率は、下側クラッド層２０と上側クラッ
ド層５０の両方の屈折率よりも高くなければならず、ま
た、パッシブコア３０のそれよりも高くなければならな
い。スパッタリングを使用する利点は、Ｅｒ3+イオンの
イオン濃度が、アクティブコア４０全体に亘ってほぼ均
一となることである。さらに放射ダメージ（エリビウム
のドーピングがイオン注入により行われる場合に発生す
る）が回避できる。
【００２９】アクティブコア４０の厚さは約１．５μｍ
である。このアクティブコア４０が１．０μｍ以下の厚
さしかない場合には、信号波長では導波されるモードが
存在しなくなる。このアクティブコア４０の幅は、少な
くとも約２μｍで一般的には約５μｍである。このアク
ティブコア４０の全長は、約５ｍｍ以上である。
【００３０】上側クラッド層５０は、ボロンリン珪酸塩
ガラス（boro-phosphosilicate glass）から低圧ＣＶＤ
法により形成される。所望の屈折率を得るために、例え
ばリンの量を適宜選択する。代表的なリンとボロンの含
有量は、それぞれ約２重量％である。上側クラッド層５
０の厚さは約５μｍである。
【００３１】次に上記のごとく形成した本発明の光学増
幅器の使用例について述べる。約１．５５μｍの波長の
光学信号と、１．５５μｍよりも短い波長のポンプ放射
が、パッシブコア３０内に結合され、そしてパッシブコ
ア３０からアクティブコア４０に移行する。従来公知の
ように、ポンプ放射は、アクティブコア４０内でＥｒ3+
イオンにより吸収され、少なくともその一部を4Ｉ13/2
状態に移行させる。そしてこの状態は、原子励起のレー
ザ発振レベルである。このレーザ発振レベルに直接到達
するのではなく、より高いエネルギのいくつかの励起状
態のいずれか１つへの光学励起によって達成するもので
ある。このレーザ発振レベルは、これらのより高い状態
からの非放射崩壊（nonradiative decay）により到達で
きる。したがって、ポンプ放射は、９８０ｎｍ，８１０
ｎｍ，６６０ｎｍ，５１４ｎｍ，１．４８μｍの波長の
グループのいずれかにおいて有効なものである。
【００３２】エルビウムイオンの励起と、その結果得ら
れる増幅が行われるために、信号放射とポンプ放射は、
パッシブコア３０からアクティブコア４０内あるいはそ
の逆に結合しなければならない。図２において、これは
アクティブコア４０にテーパー部６０を形成することに
より達成できる。即ちこのアクティブコア４０は、２つ
の終端部分を有し、その１つは、端部に到達するにつれ
てその幅が段階的に狭くなるものである。このような寸
法の減少は、コアの軸に直交する少なくとも１つの方向
において行われる。このような直交方向の寸法は、図２
に示すように横方向、あるいは図３に示すように垂直方
向のいずれでもよく、いずれにしても堆積方の方向に直
交するものである。
【００３３】この実施例においては、テーパー部６０は
断熱的、即ち信号放射がパッシブコア３０からアクティ
ブコア４０にモード変化なく結合し、そして再びアクテ
ィブコア４０からパッシブコア３０に結合する時に依然
として基本モード内に留まっている。（一実施例におい
ては、アクティブコア４０とパッシブコア３０は信号放
射に対しシングルモード導波路である。）このテーパー
部６０は、比較的滑らかな場合にのみ断熱的となる。例
えば、側面が真っ直ぐのテーパーでは、１００対１（即
ち元の幅（あるいは深さ）の１００倍の長さに亘ってだ
んだんと０になること）の減少比率の場合通常断熱的と
なる。このテーパー領域の長さは約１ｍｍである。
【００３４】次に図４に本発明の光学増幅器の製造プロ
セスを示す。ステップＡにおいては、下側クラッド層２
０がまず形成される。ステップＢにおいては、パッシブ
コア３０に対応する層が下側クラッド層２０の上部表面
に堆積される。ステップＣにおいては、このようにして
形成されたワークピースをアニールして、堆積されたパ
ッシブコア３０の層の少なくとも一部を高密度化する。
適切なアニール条件は、当業者には明かである。ステッ
プＤにおいては、パッシブコア３０の層をエッチングす
る事により形成する。ドライエッチングが好ましい。
【００３５】ステップＥにおいて、このように形成され
たワークピースをアニールして、エッチングにより形成
された凹凸を平滑化するためにパッシブコア３０を流動
化させる。これに適合したアニール条件は当業者には公
知である。ステップＦにおいて、アクティブコア４０に
対応する層を堆積する。ステップＧにおいて、このよう
にして形成されたワークピースをアニール（酸素中８０
０℃で２時間）する。このアニールする目的は、堆積さ
れたフィルムを構造体のその後の変化，光学特性，化学
物質に対する感受性に対し、安定化させるものである。
【００３６】ステップＨにおいて、アクティブコア４０
の層の一部をエッチングで除去することによりアクティ
ブコア４０を形成する。このエッチングプロセスは、イ
オンミリングが好ましい、その理由は、このプロセスは
除去される金属の組成に対し、比較的非選択的であるか
らである。次にオプションとしてステップＩは、このよ
うに得られたワークピースをアニールして、ステップＨ
の間形成された表面の凹凸を平滑化するために、アクテ
ィブコア４０を流動化させる。このようなアニール条件
は当業者には公知である。
【００３７】ステップＪにおいて、このワークピースを
例えば高乾燥酸素のような反応性雰囲気で少なくとも約
１時間、少なくとも約９００℃の温度でアニールする。
この目的のための酸素は、研究所レベルの純度で９９．
９９９％の純度である。このステップにより汚染物を減
少させると考えられる。
【００３８】オプションとしてステップＫは、上側クラ
ッド層５０を堆積する前に適当な誘電体材料製の保護フ
ィルムをアクティブコア４０の上に形成して、上側クラ
ッド層５０によるアクティブコア４０の汚染を防ぐもの
である。このような汚染を避けなければならない理由
は、Ｅｒ3+イオンの放射寿命を減少させてしまうからで
ある。この目的のために有効な保護フィルムは、スパッ
タリングあるいは蒸着により形成された二酸化シリコン
フィルムあるいはリン珪酸フィルムである。このような
保護フィルムは少なくとも約１０００オングストローム
厚さでなければならない。ステップＬにおいて、上側ク
ラッド層５０が堆積される。
【００３９】エッチングステップＤとＨは、エッチング
が行われた後、アクティブコア４０とパッシブコア３０
の残りの部分がアクティブコア４０の上にパッシブコア
３０を含むような細長い一対のコアが形成できるように
行われる。この２つのコアは、共通の長軸を有する。図
２，３に示すようにアクティブコア４０は、その軸方向
ではパッシブコア３０よりも短く形成される。これによ
り、アクティブコア４０がその上に形成されていない一
対の端部受動型コア部分７０が形成される。テーパー部
６０が図２に示すように横方向に関して形成されると、
アクティブコア４０は、その横方向ではパッシブコア３
０よりも幅が狭い。しかし、テーパー部が図３に示すよ
うに垂直方向に形成される場合には、アクティブコア４
０とパッシブコア３０の幅は同一でもよい。
【００４０】アクティブコア４０の代表的な堆積方法
は、スパッタリングである。この方法によれば、所定の
成分のガラスターゲットが用意される。シリコン製の基
板とターゲットが３×１０-7torrの圧力以下の真空室内
に配置される。この真空室が真空引きされ酸素とアルゴ
ンが追加される。無線周波数の放電が行われ、これによ
りターゲットからの材料の蒸着と基板上へその材料が堆
積するものである。
【００４１】堆積されたアクティブコア４０の層は、少
なくとも２つの修正成分元素を含み、それによりエルビ
ウム原子のクラスター化を阻止し、ガラスに有効な特性
を付与することができる。追加の元素を含有するガラス
のスパッタリングでは満足する結果が得られないがその
理由は、堆積されたガラス中の付属の元素の含量は、タ
ーゲット中の付属の元素の量よりははるかに少ないから
である。しかし、我々は適切なスパッタリング条件の元
では、堆積したガラス中の付属の元素の含量は、ターゲ
ットのそれにほぼ等しくできることを発見した。このよ
うな観点からスパッタリング室内の条件は以下のような
ものである。圧力は８ｍTorrから５０ｍTorrで、好まし
くは２７ｍTorrである。アルゴン対酸素の流量比は、１
０：１から０．３：１の間で、好ましくは０．５：１で
ある。基板の温度は、２５℃から７０℃の間で、無線周
波数は１３．６ＭＨｚでそのパワーは５０Ｗである。本
発明においては、ターゲットは直径が７．６ｃｍのター
ゲットで、シリコンウェハの基板は直径が１０．２ｃｍ
であった。そしてターゲットは、基板から２．５−７．
６ｃｍ、好ましくは７．６ｃｍ離して配置した。
【００４２】励起された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５ｍｓが好ましい。こ
のような比較的長い放射寿命を達成するために、デバイ
スの製造の際、ステップＪにおける反応性雰囲気中のア
ニールを行うことが重要である。
【００４３】次に、上記のごとく構成した本発明のデバ
イスの使用例について述べる。信号放射とポンプ放射が
組み合わされて、本発明の増幅器に注入された。信号放
射とポンプ放射が結合され、本発明の増幅器に図２の方
向性カプラあるいは波長分割マルチプレクサ８０により
注入された。この増幅された信号が、図２の波長分割デ
ィマルチプレクサ８５により取り出され、増幅された信
号を劣化させる不用なポンプ放射が、フィルタ装置によ
って除去された。このような方法は、従来技術で公知で
ある。
【００４４】別の方法として、前述した方法により形成
されたガラス材料をファイバに形成する方法もある。こ
のガラスをファイバに形成するプロセスは公知である。
【００４５】上記の説明は、本発明の一実施例であり、
本発明の変形例としてレーザ発振器、あるいはパラメト
リック発振器は、本発明の導波路構造と少なくとも１つ
の光学フィードバック要素とを組み合わせることにより
容易に形成できる。このようなフィードバック装置とし
ては、ミラーあるいは分散型プラグリフレクタがある。
このような装置は、図２を参照して方向性カプラあるい
は波長分割マルチプレクサ８０と波長分割ディマルチプ
レクサ８５の一方あるいは両方をミラーあるいはプラグ
リフレクタでもって置換することにより形成できる。
【００４６】
【実施例】エルビウムをドープしたガラスフィルム（端
部の厚さは０．８μｍで、中央部は約１．５μｍ）をス
パッタリング堆積により１０．２ｃｍの直径のシリコン
ウェハ上に形成した。ターゲットのガラスは、その直径
が７．６ｃｍで、標準のフォルダに搭載した。このター
ゲットガラスの成分は、６５モル％のＳｉＯ2 と、２５
モル％のＡｌ2Ｏ3と、９．６モル％のＬａ2Ｏ3と、０．
４モル％のＥｒ2Ｏ3からなる。このようにして得られた
ガラス成分は、６５モル％のシリカと、２５モル％のア
ルミナと、９．６モル％の酸化ランタンと、０．４モル
％のエルビウムである。堆積された層をラザフォードバ
ックスキャタリングにより解析した。これら全ての三層
は、エルビウムの放射寿命は、約８ｍｓで、エルビウム
の絶対濃度は、１．６×１０20原子／ｃｍ3 であった。
【００４７】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、アル
カリ金属あるいはアルカリ土金属を含まない光学増幅器
および光ファイバ用のガラスを提供することができる。
本発明は、平面型光学導波路構造体、あるいは光ファイ
バの形態で提供されるアクティブ光素子であり。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による導波路構造体の断面図
【図２】図１の導波路構造体の上面図
【図３】本発明の他の実施例による導波路構造体の断面
図
【図４】本発明の導波路構造体を形成する代表的なプロ
セスのステップを表すフローチャート図
【符号の説明】
１０ シリコン基板 ２０ 下側クラッド層 ３０ パッシブコア ４０ アクティブコア ５０ 上側クラッド層 ６０ テーパー部 ８０ 方向性カプラあるいは波長分割マルチプレクサ ８５ 波長分割ディマルチプレクサ Ａ 下側クラッド層の形成 Ｂ パッシブコアの層の堆積 Ｃ，Ｅ，Ｇ，Ｉ，Ｊ アニール Ｄ パッシブコアの層のエッチング Ｆ アクティブコアの層の堆積 Ｈ アクティブコアの層のエッチング Ｋ 保護フィルムの堆積 Ｌ 上側クラッド層の堆積
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム ヘンリー グロッドキーウィ ッチ アメリカ合衆国，08826 ニュージャージ ー，グレン ガードナー，フォックス ハ ロウ ロード 217 (72)発明者 ジェラルド ニコラック アメリカ合衆国，11561 ニューヨーク, ロング アイランド，ロング ビーチ，フ ランクリン ブールヴァード 320 (72)発明者 ジョセフ シュムロヴィッチ アメリカ合衆国，07974 ニュージャージ ー，マーレイ ヒル，サガモア ドライブ 82 (72)発明者 イウ−ヒューエン ウォン アメリカ合衆国，07901 ニュージャージ ー，サミット，ウッドランド アヴェニュ ー 160

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ほぼ平面上の主表面を有する基板（１
    ０）を有し、 ａ）シリコンと酸素とエルビウムとを含有し、細長いア
    クティブガラス製コア（４０）と、前記エルビウムは、
    少なくとも一部はＥｒ3+イオンの形態であり、前記アク
    ティブガラス製コアは６３３ｎｍの波長において、その
    屈折率が１．５以上であり、 ｂ）前記アクティブガラス製コア（４０）の少なくとも
    その一部を包囲する１つの層を含むガラス製クラッド層
    （５０，２０）と、前記ガラスクラッド層の屈折率は、
    前記アクティブガラス製コアの屈折率よりも低く、 ｃ）信号放射を前記アクティブガラス製コアに結合し、
    および前記信号放射を前記アクティブコアから分離する
    結合分離手段と、 ｄ）ポンプ放射を前記アクティブガラス製コア内に結合
    する手段と、このポンプ放射は、Ｅｒ3+イオンの少なく
    とも一部をレーザ発振レベルまで励起し、励起放射によ
    り信号放射を増幅させ、からなる光学デバイスにおい
    て、 ｅ） 前記クラッド層は、前記アクティブガラス製コア
    （４０）と前記基板（１０）の主表面との間に形成され
    た下側クラッド層（２０）と、前記アクティブコアを一
    部包囲しその上部に配置された上側クラッド層（５０）
    とからなり、 ｆ） 前記アクティブガラス製コア（４０）は、少なく
    とも２つの元素からなる修正成分元素を含み、前記修正
    成分元素の１つは、周期律表のＩＩＩＢ属，ＩＶＢ属，
    ＩＩＩＡ属からなる金属から選択され、その量はエルビ
    ウム原子のクラスター化を阻止し、且つその修正成分元
    素は、アルカリ金属あるいはアルカリ土金属のいずれで
    もなく、 ｇ） 前記アクティブガラス製コアは、エルビウム対シ
    リコンの原子比率は少なくとも０．００５でエルビウム
    の絶対濃度は、少なくとも０．５×１０20原子／ｃｍ3
    であることを特徴とする光学デバイス。
  2. 【請求項２】 前記基板は、シリコン製であることを特
    徴とする請求項１のデバイス。
  3. 【請求項３】 前記アクティブガラス製コア（４０）
    は、エルビウムの絶対濃度が少なくとも１．４×１０20
    ／ｃｍ3 であることを特徴とする請求項１のデバイス。
  4. 【請求項４】 前記アクティブガラス製コア（４０）
    は、信号波長の基本モードを導波し、前記信号放射をア
    クティブガラス製コアに結合分離する手段は、信号放射
    を断熱的に結合できることを特徴とする請求項１のデバ
    イス。
  5. 【請求項５】 前記Ｅｒ3+イオンの濃度は、アクティブ
    ガラス製コア（４０）全体に一定で、前記アクティブガ
    ラス製コアは、放射損傷を受けないことを特徴とする請
    求項１のデバイス。
  6. 【請求項６】 前記修正成分元素の１つはランタンで、
    前記ランタンのアクティブガラス製コア内の量は、５モ
    ル％から４０モル％の範囲内であることを特徴とする請
    求項１のデバイス。
  7. 【請求項７】 前記アクティブガラス製コア内の第２の
    修正成分元素は、ランタン以外の金属であることを特徴
    とする請求項６のデバイス。
  8. 【請求項８】 前記第２修正成分元素はアルミで、前記
    アクティブガラス製コア内に約５モル％から４０モル％
    の範囲内で存在することを特徴とする請求項７のデバイ
    ス。
  9. 【請求項９】 前記下側クラッド層と、アクティブガラ
    ス製コアとの間に形成され、前記アクティブコアの長軸
    方向に沿って延びる細長い導波パッシブガラス製コア
    （３０）をさらに含み、 前記パッシブガラス製コア（３０）は、信号放射の基本
    モードを導波し、 前記光学信号放射とポンプ放射とを前記パッシブガラス
    製コア（３０）に結合し、前記パッシブガラス製コア
    （３０）から分離する結合分離手段とをさらに有し、 前記パッシブガラス製コア（３０）にはエルビウムが存
    在せず、その屈折率はアクティブコア（３０）の屈折率
    よりも小さく、ただし上側クラッド層（５０）と下側ク
    ラッド層（２０）の屈折率よりは大きく、 前記アクティブガラス製コア（４０）は、中央部分と２
    つの端部とを有し、 前記信号放射とポンプ放射をアクティブガラス製コアに
    結合分離する手段は、アクティブガラス製コアの２つの
    テーパー状部分（６０）を有し、 各テーパー状部分（６０）は、中央部と端部との間に形
    成され、そのテーパー状部分が長軸方向に直交する少な
    くとも１つの方向で段階的に減少するように形成される
    ことを特徴とする請求項４のデバイス。
  10. 【請求項１０】 前記直交方向は、基板の主表面に平行
    であることを特徴とする請求項９のデバイス。
  11. 【請求項１１】 前記直交方向は、基板の主表面に直交
    する方向であることを特徴とする請求項９のデバイス。
  12. 【請求項１２】 前記パッシブガラス製コア（３０）
    は、リン珪酸塩ガラス（phosphosilicate glass） を含
    み、 上側クラッド層（５０）は、リン珪酸塩ガラスを含み、 下側クラッド層（２０）は、熱により形成された二酸化
    シリコンを含むことを特徴とする請求項９のデバイス。
  13. 【請求項１３】 素子がレーザとして機能するよう少な
    くとも１つの光学フィードバック要素を含むことを特徴
    とする請求項１のデバイス。
  14. 【請求項１４】 素子がパラメトリック発振器として機
    能するよう少なくとも１つのフィードバック要素を含む
    ことを特徴とする請求項１のデバイス。
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