JPH1138242A - エルビウムがドープされた平面導波装置 - Google Patents
エルビウムがドープされた平面導波装置Info
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- JPH1138242A JPH1138242A JP10081773A JP8177398A JPH1138242A JP H1138242 A JPH1138242 A JP H1138242A JP 10081773 A JP10081773 A JP 10081773A JP 8177398 A JP8177398 A JP 8177398A JP H1138242 A JPH1138242 A JP H1138242A
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- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C4/00—Compositions for glass with special properties
- C03C4/0071—Compositions for glass with special properties for laserable glass
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C3/00—Glass compositions
- C03C3/12—Silica-free oxide glass compositions
- C03C3/16—Silica-free oxide glass compositions containing phosphorus
- C03C3/17—Silica-free oxide glass compositions containing phosphorus containing aluminium or beryllium
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 平面光導波装置、とりわけ光増幅器として機
能しうる平面光導波装置を提供する。 【解決手段】 基板１１、この基板１１の上に設けられ
る能動ガイド層１３、この能動ガイド層１３と基板１１
との間に設けられる底面層１２、およびこの能動ガイド
層１３を覆うように設けられるトップクラッド層１４と
を有する平面光導波装置。前記能動ガイド層１３は以下
の成分からなり、このうちＲはＥｒ、ＮｄもしくはＹ
ｂ、またはＥｒ＋Ｙｂの組み合わせである平面光導波装
置。Ａｌ2Ｏ3 ８−２０ｍｏｌ％、Ｎａ2Ｏ ５−１８
ｍｏｌ％、Ｌａ2Ｏ3 ６−３５ｍｏｌ％ 好ましくは１
０−３０ｍｏｌ％、Ｒ2Ｏ3 ＞０−６ｍｏｌ％ 好まし
くは０．５−１．５ｍｏｌ％、Ｐ2Ｏ5 残部
能しうる平面光導波装置を提供する。 【解決手段】 基板１１、この基板１１の上に設けられ
る能動ガイド層１３、この能動ガイド層１３と基板１１
との間に設けられる底面層１２、およびこの能動ガイド
層１３を覆うように設けられるトップクラッド層１４と
を有する平面光導波装置。前記能動ガイド層１３は以下
の成分からなり、このうちＲはＥｒ、ＮｄもしくはＹ
ｂ、またはＥｒ＋Ｙｂの組み合わせである平面光導波装
置。Ａｌ2Ｏ3 ８−２０ｍｏｌ％、Ｎａ2Ｏ ５−１８
ｍｏｌ％、Ｌａ2Ｏ3 ６−３５ｍｏｌ％ 好ましくは１
０−３０ｍｏｌ％、Ｒ2Ｏ3 ＞０−６ｍｏｌ％ 好まし
くは０．５−１．５ｍｏｌ％、Ｐ2Ｏ5 残部
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、平面光導波装置に
関するものである。
関するものである。
【０００２】電気通信の分野において、光導波路は重要
な要素である。光導波路の特定の種類が平面光導波装置
であり、これは集積回路の一部として製造され得る。
な要素である。光導波路の特定の種類が平面光導波装置
であり、これは集積回路の一部として製造され得る。
【０００３】近年、情報を伝達するために光信号は極め
て重要となっている。しかしながら、光ファイバーを介
して光信号が伝達される場合、ある程度の減衰は常に生
じるため、所定の距離（典型的にはおよそ５０〜１００
ｋｍである）を超えると信号を増幅する必要がある。従
来、この目的のために電気増幅器が用いられている。増
幅器ステーションにおいてこの光信号は電気信号に変換
されなければならず、さらに、電気増幅器において増幅
され、その後この増幅された電気信号は再び光信号に変
換される。このような手法においては、増幅器ステーシ
ョンが、光／電気コンバータおよび電気／光コンバータ
を含むかなり多数の部品を備えたかなり複雑な構造を有
するという欠点を呈するだけでなく、その電気的構成要
素によって全システムの帯域幅とビット伝送速度とが限
定されてしまうことも含んでいる。
て重要となっている。しかしながら、光ファイバーを介
して光信号が伝達される場合、ある程度の減衰は常に生
じるため、所定の距離（典型的にはおよそ５０〜１００
ｋｍである）を超えると信号を増幅する必要がある。従
来、この目的のために電気増幅器が用いられている。増
幅器ステーションにおいてこの光信号は電気信号に変換
されなければならず、さらに、電気増幅器において増幅
され、その後この増幅された電気信号は再び光信号に変
換される。このような手法においては、増幅器ステーシ
ョンが、光／電気コンバータおよび電気／光コンバータ
を含むかなり多数の部品を備えたかなり複雑な構造を有
するという欠点を呈するだけでなく、その電気的構成要
素によって全システムの帯域幅とビット伝送速度とが限
定されてしまうことも含んでいる。
【０００４】したがって、最近光ファイバー増幅器が開
発されており、すなわちこの増幅器は直接光信号を増幅
し、電気信号への変換が不要である。
発されており、すなわちこの増幅器は直接光信号を増幅
し、電気信号への変換が不要である。
【０００５】同様に、全ての光電気通信を実現するため
には、集積平面導波増幅器が必要とされる。例えば、ロ
スを補償するための構成要素としての受動スプリット装
置と平面導波増幅器とが集積され得る。このような平面
導波増幅器は小型であるため、低価格であることが期待
され、さらに重要なことに、同一基板上において受動的
および能動的機能とが集積され得ることを可能にする。
には、集積平面導波増幅器が必要とされる。例えば、ロ
スを補償するための構成要素としての受動スプリット装
置と平面導波増幅器とが集積され得る。このような平面
導波増幅器は小型であるため、低価格であることが期待
され、さらに重要なことに、同一基板上において受動的
および能動的機能とが集積され得ることを可能にする。
【０００６】平面光導波装置のための物質はいくつかの
異なったカテゴリーに分類され得るが、例えば （1）結晶性物質（ＬｉＮｂＯ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3他） （2）ケイ酸塩ガラス（ＳｉＯ2を主成分とする）、リン
酸塩ガラス（Ｐ2Ｏ5を主成分とする）等のガラス質物質 等がある。
異なったカテゴリーに分類され得るが、例えば （1）結晶性物質（ＬｉＮｂＯ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3他） （2）ケイ酸塩ガラス（ＳｉＯ2を主成分とする）、リン
酸塩ガラス（Ｐ2Ｏ5を主成分とする）等のガラス質物質 等がある。
【０００７】本発明は、最後に述べたカテゴリー、具体
的にはリン酸塩ガラスである光導波路の物質に関する。
的にはリン酸塩ガラスである光導波路の物質に関する。
【０００８】このカテゴリーの光導波路物質について
は、米国特許第５，４９１，７０８号明細書において開
示されている。この明細書には、以下の成分からなる基
板について述べられている： Ｐ2Ｏ5 ５０−７０ｍｏｌ％ Ａｌ2Ｏ3 ４−１３ｍｏｌ％ Ｎａ2Ｏ １０−３５ｍｏｌ％ Ｌａ2Ｏ3 ０−６ｍｏｌ％ Ｒ2Ｏ3 ＞０−６ｍｏｌ％ なお、Ｒはランタニドである。
は、米国特許第５，４９１，７０８号明細書において開
示されている。この明細書には、以下の成分からなる基
板について述べられている： Ｐ2Ｏ5 ５０−７０ｍｏｌ％ Ａｌ2Ｏ3 ４−１３ｍｏｌ％ Ｎａ2Ｏ １０−３５ｍｏｌ％ Ｌａ2Ｏ3 ０−６ｍｏｌ％ Ｒ2Ｏ3 ＞０−６ｍｏｌ％ なお、Ｒはランタニドである。
【０００９】このような成分において用いられるランタ
ニドは、後述されるように、「能動的な（active）」成
分であると考えられる。一般的に述べれば、平面導波装
置の長さはおよそ数センチとかなり短いことを鑑みる
と、ランタニドの濃度は比較的高くなくてはならず、充
分な光増幅ゲインを得るためにはポンプ力濃度も比較的
高くなくてはならない。比較的高濃度のランタニドを用
いて導波路物質を製造することが技術的には可能であっ
ても、イオン−イオンの相互作用によるエネルギー伝達
処理によってルミネッセンスが抑えられる（quenched）
ことになる。さらに、高いポンプ力を付与した場合、別
の共同アップコンバージョン抑制処理（cooperative up
conversion quenching process）が本装置の増幅処理を
左右することになる。これら２つのルミネッセンス抑制
処理が平面導波増幅器の増幅効率に多大な影響を与え
る。
ニドは、後述されるように、「能動的な（active）」成
分であると考えられる。一般的に述べれば、平面導波装
置の長さはおよそ数センチとかなり短いことを鑑みる
と、ランタニドの濃度は比較的高くなくてはならず、充
分な光増幅ゲインを得るためにはポンプ力濃度も比較的
高くなくてはならない。比較的高濃度のランタニドを用
いて導波路物質を製造することが技術的には可能であっ
ても、イオン−イオンの相互作用によるエネルギー伝達
処理によってルミネッセンスが抑えられる（quenched）
ことになる。さらに、高いポンプ力を付与した場合、別
の共同アップコンバージョン抑制処理（cooperative up
conversion quenching process）が本装置の増幅処理を
左右することになる。これら２つのルミネッセンス抑制
処理が平面導波増幅器の増幅効率に多大な影響を与え
る。
【００１０】Ｇａｔｅｓ ｃｓによる“Fabrication of
Er Doped Glass Films as used inPlanar Optical Wav
eguides”（平面光導波装置に用いられるＥｒドーピン
グされたガラスフィルムの製造）（Mat. Res. Soc. Sym
p. Proc. Vol. 392, 1995年）という刊行物において、
シリコンの上に設けられるＥｒドーピングされたソーダ
石灰ケイ酸塩ガラスフィルムに関する開示がある。ある
特定の（同刊行物の図１０において図示される）実験に
おいて、５．５ｗｔ％のＥｒ2Ｏ3を含有する、長さ４．
５ｃｍの導波路によって約４．２ｄＢ／ｃｍのゲインを
得ることが判明した。しかしながら、結果を得るために
はこの従来の導波路は３５０ｍＷを越えるポンプ力を必
要とした。
Er Doped Glass Films as used inPlanar Optical Wav
eguides”（平面光導波装置に用いられるＥｒドーピン
グされたガラスフィルムの製造）（Mat. Res. Soc. Sym
p. Proc. Vol. 392, 1995年）という刊行物において、
シリコンの上に設けられるＥｒドーピングされたソーダ
石灰ケイ酸塩ガラスフィルムに関する開示がある。ある
特定の（同刊行物の図１０において図示される）実験に
おいて、５．５ｗｔ％のＥｒ2Ｏ3を含有する、長さ４．
５ｃｍの導波路によって約４．２ｄＢ／ｃｍのゲインを
得ることが判明した。しかしながら、結果を得るために
はこの従来の導波路は３５０ｍＷを越えるポンプ力を必
要とした。
【００１１】本発明の特有の目的は、光増幅器として機
能し得る、改良された平面光導波装置を提供することに
ある。
能し得る、改良された平面光導波装置を提供することに
ある。
【００１２】さらに、本発明の特有の目的は、約１．５
３μｍの範囲にある波長を有する光信号のための光学増
幅器として機能し得る、改良された平面光導波装置を提
供することにある。
３μｍの範囲にある波長を有する光信号のための光学増
幅器として機能し得る、改良された平面光導波装置を提
供することにある。
【００１３】またとりわけ本発明は、良好な効率性を有
し、比較的低いポンプ力でもって比較的高い増幅を示す
光導波路のための物質を提供することを目的としてい
る。
し、比較的低いポンプ力でもって比較的高い増幅を示す
光導波路のための物質を提供することを目的としてい
る。
【００１４】以下、本発明について図面を参照しつつさ
らに詳細に説明する。これら図面のうち、図１は、平面
光導波装置の断面を概略的に示す図であり；図２は、Ｅ
ｒのエネルギーダイアグラムを概略的に示す図であり；
図３は、増幅処理の概略図であり；および図４は、共同
アップコンバージョン処理を概略的に示す図である。
らに詳細に説明する。これら図面のうち、図１は、平面
光導波装置の断面を概略的に示す図であり；図２は、Ｅ
ｒのエネルギーダイアグラムを概略的に示す図であり；
図３は、増幅処理の概略図であり；および図４は、共同
アップコンバージョン処理を概略的に示す図である。
【００１５】図１は、一般に１０で示される平面光導波
装置の断面を概略的に示している。平面光導波装置１０
は、基板１１、この基板１１の表面９の上に設けられる
バッファ層１２、バッファ層１２の上に設けられる能動
ガイド層（active guiding layer）１３、および能動ガ
イド層１３の上に設けられるトップクラッド層（topcla
dding layer）１４とからなる。例えば約１μｍの厚さ
を有する能動ガイド層１３は、前記表面９と平行な方向
への光線のための実際のガイドとして機能する。
装置の断面を概略的に示している。平面光導波装置１０
は、基板１１、この基板１１の表面９の上に設けられる
バッファ層１２、バッファ層１２の上に設けられる能動
ガイド層（active guiding layer）１３、および能動ガ
イド層１３の上に設けられるトップクラッド層（topcla
dding layer）１４とからなる。例えば約１μｍの厚さ
を有する能動ガイド層１３は、前記表面９と平行な方向
への光線のための実際のガイドとして機能する。
【００１６】バッファ層１２とトップクラッド層１４の
屈折率は能動ガイド層１３の屈折率よりも低いので、能
動ガイド層１３から光線は前記表面９に対して垂直な、
言い換えれば交軸する方向にそれることができない。効
率的な実施例において、バッファ層１２はＳｉＯ2から
なり、それ自体は公知である方法によって基板１１の上
に熱酸化によって設けられ得る。バッファ層１２の厚さ
は例えば６．５μｍであり得る。同様に、トップクラッ
ド層１４もＳｉＯ2からなりえて、それ自体は公知であ
る方法によって能動ガイド層１３の上にスパッタリング
によって設けられえて、このトップクラッド層１４の厚
さは例えば０．５μｍであり得る。
屈折率は能動ガイド層１３の屈折率よりも低いので、能
動ガイド層１３から光線は前記表面９に対して垂直な、
言い換えれば交軸する方向にそれることができない。効
率的な実施例において、バッファ層１２はＳｉＯ2から
なり、それ自体は公知である方法によって基板１１の上
に熱酸化によって設けられ得る。バッファ層１２の厚さ
は例えば６．５μｍであり得る。同様に、トップクラッ
ド層１４もＳｉＯ2からなりえて、それ自体は公知であ
る方法によって能動ガイド層１３の上にスパッタリング
によって設けられえて、このトップクラッド層１４の厚
さは例えば０．５μｍであり得る。
【００１７】さらに、能動ガイド層１３内において、光
線は前記表面９に対して平行な一方の方向にしか伝達さ
れ得ず、この方向をここにガイド方向と称する。また、
この表面９に対して平行であり且つこのガイド方向に対
して垂直な方向はここに横方向と称する。光線は、能動
ガイド層１３またはトップクラッド層１４のいずれかを
横方向への適当な屈折率が得られるように形成すること
によって横方法に閉じ込められており、そのこと自体は
公知であるため、図１においては図示されていない。
線は前記表面９に対して平行な一方の方向にしか伝達さ
れ得ず、この方向をここにガイド方向と称する。また、
この表面９に対して平行であり且つこのガイド方向に対
して垂直な方向はここに横方向と称する。光線は、能動
ガイド層１３またはトップクラッド層１４のいずれかを
横方向への適当な屈折率が得られるように形成すること
によって横方法に閉じ込められており、そのこと自体は
公知であるため、図１においては図示されていない。
【００１８】光導波路、光増幅器、あるいはレーザに好
適となるように、この能動ガイド層１３はいくつかの条
件を満たさねばならない。能動ガイド層１３は比較的高
い屈折率と低い光減衰を示すべきであり、適応される波
長において１ｄＢ／ｃｍより小さいことが好ましい。さ
らに能動ガイド層１３は、例えば、Ｅｒイオンのような
能動的なまたは活性なイオンのルミネッセンス効率によ
って特徴づけられるような充分な光増幅特性を有してい
なければならない。能動ガイド層１３の極めて重要な特
徴は、ｄＢ／ｃｍで表される特定の波長（領域）におけ
る光ゲインである。すなわち、本発明の特有の目的は、
比較的低いポンプ力でもって比較的高いゲインを得るこ
とにある。具体的には、本発明の目的は、約１．５３μ
ｍの波長での比較的低いポンプ力（好ましくは５０ｍＷ
未満）において４ｄＢ／ｃｍより大きいゲインを可能に
する能動ガイド層１３を提供することにある。
適となるように、この能動ガイド層１３はいくつかの条
件を満たさねばならない。能動ガイド層１３は比較的高
い屈折率と低い光減衰を示すべきであり、適応される波
長において１ｄＢ／ｃｍより小さいことが好ましい。さ
らに能動ガイド層１３は、例えば、Ｅｒイオンのような
能動的なまたは活性なイオンのルミネッセンス効率によ
って特徴づけられるような充分な光増幅特性を有してい
なければならない。能動ガイド層１３の極めて重要な特
徴は、ｄＢ／ｃｍで表される特定の波長（領域）におけ
る光ゲインである。すなわち、本発明の特有の目的は、
比較的低いポンプ力でもって比較的高いゲインを得るこ
とにある。具体的には、本発明の目的は、約１．５３μ
ｍの波長での比較的低いポンプ力（好ましくは５０ｍＷ
未満）において４ｄＢ／ｃｍより大きいゲインを可能に
する能動ガイド層１３を提供することにある。
【００１９】本発明の重要な特徴によれば、能動ガイド
層１３はリン酸塩ガラスとして以下の成分からなるもの
として製造される。
層１３はリン酸塩ガラスとして以下の成分からなるもの
として製造される。
【００２０】 Ａｌ2Ｏ3 ８−２０ｍｏｌ％ Ｎａ2Ｏ ５−１８ｍｏｌ％ Ｌａ2Ｏ3 ６−３５ｍｏｌ％ 好ましくは１０−３０ｍｏｌ％ Ｒ2Ｏ3 ＞０−６ｍｏｌ％ 好ましくは０．５−１．５ｍｏｌ％ Ｐ2Ｏ5 残部 ここに、Ｒとは、ガイドされ増幅される光波の波長に依
存して、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）もしく
はイッテルビウム（Ｙｂ）、またはＥｒ＋Ｙｄの組み合
わせのうちのいずれかを表すものとする。光波長が約
１．５３μｍである場合において、ＲはＥｒを表す。
存して、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）もしく
はイッテルビウム（Ｙｂ）、またはＥｒ＋Ｙｄの組み合
わせのうちのいずれかを表すものとする。光波長が約
１．５３μｍである場合において、ＲはＥｒを表す。
【００２１】能動ガイド層１３をバッファ層１２の上に
設けるためにいくつかの方法が用いられ得る。特に好適
な方法であって、本発明においても用いられているもの
はＲＦスパッタリング法である。この技術自体は公知で
あるため、ここにおいて簡単にのみ説明する。真空室に
おいて、配されるべき能動ガイド層の望ましい成分に関
する適当な成分を有するターゲットが基板に対向して設
けられる。真空室にアルゴンおよび酸素が導入され、真
空室における圧力が約０．３〜５Ｐａの範囲にあるよう
にする。ターゲットにＲＦ出力が付与される。このター
ゲットはアルゴン原子によってヒットされ、ターゲット
の原子および／または分子がターゲットから放出され、
基板の上に堆積される。この処理は堆積された層が充分
な厚さを呈するまで続けられる。
設けるためにいくつかの方法が用いられ得る。特に好適
な方法であって、本発明においても用いられているもの
はＲＦスパッタリング法である。この技術自体は公知で
あるため、ここにおいて簡単にのみ説明する。真空室に
おいて、配されるべき能動ガイド層の望ましい成分に関
する適当な成分を有するターゲットが基板に対向して設
けられる。真空室にアルゴンおよび酸素が導入され、真
空室における圧力が約０．３〜５Ｐａの範囲にあるよう
にする。ターゲットにＲＦ出力が付与される。このター
ゲットはアルゴン原子によってヒットされ、ターゲット
の原子および／または分子がターゲットから放出され、
基板の上に堆積される。この処理は堆積された層が充分
な厚さを呈するまで続けられる。
【００２２】当業者にとって、能動ガイド層１３を基板
の上に設けるために別の技術が用いられ得ることは明ら
かであり、本発明は前述の技術に限定されるものではな
い。
の上に設けるために別の技術が用いられ得ることは明ら
かであり、本発明は前述の技術に限定されるものではな
い。
【００２３】本発明は、特にエルビウムを能動的な成分
として含む能動ガイド層を有する光導波装置に関するも
のである。よって、以下にエルビウムに基づいて光増幅
メカニズムについて説明する。
として含む能動ガイド層を有する光導波装置に関するも
のである。よって、以下にエルビウムに基づいて光増幅
メカニズムについて説明する。
【００２４】エルビウムは公知の希土類金属である。Ｅ
ｒ3+の電気的構造は［Ｘｅ］４ｆ11であり、そのうち一
部充填された４ｆ殻はＸｅ立体配置から外側の充填され
た５ｓ2５ｐ6殻によって電気的にシールドされている。
図２において、フリーの（free）Ｅｒ3+イオン（左手
側）と固体のＥｒ3+イオン（右手側）との４ｆエレクト
ロンのエネルギーグラフが概略的に示されている。種々
のレベルはスピン−スピンの相互作用およびスピン−電
子軌道の相互作用とから生じる。エネルギーレベルは
2S+1ＬJとして標準化され、ここにおいてＳはスピン、
Ｌは電子軌道、Ｊは全角運動量をそれぞれ示す。
ｒ3+の電気的構造は［Ｘｅ］４ｆ11であり、そのうち一
部充填された４ｆ殻はＸｅ立体配置から外側の充填され
た５ｓ2５ｐ6殻によって電気的にシールドされている。
図２において、フリーの（free）Ｅｒ3+イオン（左手
側）と固体のＥｒ3+イオン（右手側）との４ｆエレクト
ロンのエネルギーグラフが概略的に示されている。種々
のレベルはスピン−スピンの相互作用およびスピン−電
子軌道の相互作用とから生じる。エネルギーレベルは
2S+1ＬJとして標準化され、ここにおいてＳはスピン、
Ｌは電子軌道、Ｊは全角運動量をそれぞれ示す。
【００２５】フリーのＥｒ3+イオンにおいて、４ｆ遷移
はそのパリティが禁制されている。しかしながら、ガラ
スのような固体では周囲の原子の存在が４ｆ状態の弱い
摂動を起こさせる。より高い立体配置から４ｆ立体配置
へと逆のパリティの状態を混合することによって電気的
双極子遷移が可能となる。シュタルク効果によって縮退
レベルは多岐（manifolds）に分割する（図２の右手側
を参照のこと）。このホスト依存型の強制的な電気的双
極子付与に加えて、１．５３μｍにてエルビウムの4Ｉ
13/2〜4Ｉ15/2遷移は、かなりの磁気双極子強度を示
す。この状態ではホスト物質の影響を比較的受けにく
い。１．５３μｍにおける固体のエルビウムの4Ｉ13/2
〜4Ｉ15/2遷移における自発的発光平均寿命は最高で約
１０ｍｓであり得る。
はそのパリティが禁制されている。しかしながら、ガラ
スのような固体では周囲の原子の存在が４ｆ状態の弱い
摂動を起こさせる。より高い立体配置から４ｆ立体配置
へと逆のパリティの状態を混合することによって電気的
双極子遷移が可能となる。シュタルク効果によって縮退
レベルは多岐（manifolds）に分割する（図２の右手側
を参照のこと）。このホスト依存型の強制的な電気的双
極子付与に加えて、１．５３μｍにてエルビウムの4Ｉ
13/2〜4Ｉ15/2遷移は、かなりの磁気双極子強度を示
す。この状態ではホスト物質の影響を比較的受けにく
い。１．５３μｍにおける固体のエルビウムの4Ｉ13/2
〜4Ｉ15/2遷移における自発的発光平均寿命は最高で約
１０ｍｓであり得る。
【００２６】図３は、4Ｉ11/2、4Ｉ13/2および4Ｉ15/2
の状態を含むＥｒ3+イオンの３準位系のための増幅処理
を概略的に示しているものである。
の状態を含むＥｒ3+イオンの３準位系のための増幅処理
を概略的に示しているものである。
【００２７】ポンプエネルギーを吸収することによって
Ｅｒ3+イオンは、図３に例示される４Ｉ11/2状態のよう
に４Ｉ13/2を超える状態に励起され得る。この励起され
た状態からＥｒ3+イオンは非放射性緩和によって準安定
性の４Ｉ13/2多様体へと急速に崩壊する。４Ｉ13/2状態
から基底の４Ｉ15/2状態への刺激による発光は１．５３
μｍにおける光の増幅を生じさせ得る。Ｅｒ3+の電気的
遷移による光の増幅は３準位レージングスキームにて行
われる。３準位系（three system）における光の増幅は
分布の半分以上がより高いレーザ動作レベル（lasing l
evel）に励起された場合（例：Ｅｒ３＋にとっては４Ｉ
１３／２レベル）にのみ起こり得る。
Ｅｒ3+イオンは、図３に例示される４Ｉ11/2状態のよう
に４Ｉ13/2を超える状態に励起され得る。この励起され
た状態からＥｒ3+イオンは非放射性緩和によって準安定
性の４Ｉ13/2多様体へと急速に崩壊する。４Ｉ13/2状態
から基底の４Ｉ15/2状態への刺激による発光は１．５３
μｍにおける光の増幅を生じさせ得る。Ｅｒ3+の電気的
遷移による光の増幅は３準位レージングスキームにて行
われる。３準位系（three system）における光の増幅は
分布の半分以上がより高いレーザ動作レベル（lasing l
evel）に励起された場合（例：Ｅｒ３＋にとっては４Ｉ
１３／２レベル）にのみ起こり得る。
【００２８】Ｅｒがドープされた光増幅器の原理は、フ
ァイバー導波路および平面導波装置のものと同様であ
る。しかしながら、平面導波装置において必要とされる
高いＥｒドーピングレベルを鑑みると、平面導波装置は
ファイバー導波路より効率が悪い。Ｅｒドーピングされ
た導波増幅器の効率性は２つの抑制処理によって影響さ
れ、この２つとも以下に説明するように高いＥｒドーピ
ングレベルに関係する。
ァイバー導波路および平面導波装置のものと同様であ
る。しかしながら、平面導波装置において必要とされる
高いＥｒドーピングレベルを鑑みると、平面導波装置は
ファイバー導波路より効率が悪い。Ｅｒドーピングされ
た導波増幅器の効率性は２つの抑制処理によって影響さ
れ、この２つとも以下に説明するように高いＥｒドーピ
ングレベルに関係する。
【００２９】最初の抑制処理は濃度の抑制である。導波
路におけるＥｒの濃度が増加すると、励起されたＥｒ3+
イオンがそのエネルギーをイオン−イオンの相互作用に
よって基底状態の隣接するＥｒ3+イオンに遷移する可能
性が高くなる。このような処理は欠陥あるいは不純なイ
オンに関してＥｒ3+イオンにエネルギーが遷移されるま
で繰り返されうるが、そのエネルギーは非放射性崩壊に
よって失われ得る。
路におけるＥｒの濃度が増加すると、励起されたＥｒ3+
イオンがそのエネルギーをイオン−イオンの相互作用に
よって基底状態の隣接するＥｒ3+イオンに遷移する可能
性が高くなる。このような処理は欠陥あるいは不純なイ
オンに関してＥｒ3+イオンにエネルギーが遷移されるま
で繰り返されうるが、そのエネルギーは非放射性崩壊に
よって失われ得る。
【００３０】従来のＥｒドーピングされた導波装置にお
ける非効率性を生じさせる主たる処理と考えられる第２
の抑制処理は、共同アップコンバージョン処理であり、
これもまたイオン−イオンの相互作用に起因するもので
ある。特に分布の反転が高い場合に重要な役割を果たす
この処理は、図４において示されている。導波路におけ
るＥｒの濃度が増加すると、励起されたＥｒ3+イオンが
そのエネルギーを、隣接する励起されたＥｒ3+イオンに
遷移する可能性が高くなる。こうして、第１のＥｒ3+イ
オンは非放射的に基底4Ｉ15/2状態に崩壊し、第２のＥ
ｒ3+イオンはより高い4Ｉ9/2状態に励起され得る。こう
して第２のＥｒ3+イオンは非放射性緩和によって4Ｉ
13/2状態に崩壊する可能性が高くなる。このアップコン
バージョンの結果、より高いレージング状態である４Ｉ
13/2における分布が強く減少され、１．５３μｍにおけ
る刺激による照射の光増幅の効率は強く減少される。
ける非効率性を生じさせる主たる処理と考えられる第２
の抑制処理は、共同アップコンバージョン処理であり、
これもまたイオン−イオンの相互作用に起因するもので
ある。特に分布の反転が高い場合に重要な役割を果たす
この処理は、図４において示されている。導波路におけ
るＥｒの濃度が増加すると、励起されたＥｒ3+イオンが
そのエネルギーを、隣接する励起されたＥｒ3+イオンに
遷移する可能性が高くなる。こうして、第１のＥｒ3+イ
オンは非放射的に基底4Ｉ15/2状態に崩壊し、第２のＥ
ｒ3+イオンはより高い4Ｉ9/2状態に励起され得る。こう
して第２のＥｒ3+イオンは非放射性緩和によって4Ｉ
13/2状態に崩壊する可能性が高くなる。このアップコン
バージョンの結果、より高いレージング状態である４Ｉ
13/2における分布が強く減少され、１．５３μｍにおけ
る刺激による照射の光増幅の効率は強く減少される。
【００３１】このアップコンバージョン抑制処理はホス
ト内のＥｒ3+イオンのイオン−イオンの相互作用によっ
て生じるので、ホスト物質、すなわちＥｒイオンが埋め
込まれる導波路物質、に関連する特性である。
ト内のＥｒ3+イオンのイオン−イオンの相互作用によっ
て生じるので、ホスト物質、すなわちＥｒイオンが埋め
込まれる導波路物質、に関連する特性である。
【００３２】したがって、本発明における重要な要素は
ホスト物質の組成である。
ホスト物質の組成である。
【００３３】
【実施例】図１にしたがって光導波装置を製造した。ベ
ースになる物質として直径が約７．５ｃｍの円形の円盤
の形状を有する標準的なシリコン基板が用いられた。標
準的な熱酸化処理によって約６．５μｍの厚さを有する
バッファ層１２が基板１１の上に設けられた。
ースになる物質として直径が約７．５ｃｍの円形の円盤
の形状を有する標準的なシリコン基板が用いられた。標
準的な熱酸化処理によって約６．５μｍの厚さを有する
バッファ層１２が基板１１の上に設けられた。
【００３４】適当な比率にてＡｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、Ｌａ2
Ｏ3、Ｐ2Ｏ5およびＥｒ2Ｏ3を混合、溶融することによ
って適当なガラス質のターゲットが製造された。このタ
ーゲットは標準的なスパッタリング室において酸化基板
に対向する形で配置され、簡単に前述されたように、標
準的な低圧マグネトロンＲＦスパッタリング処理によっ
て下記の表１に特定される組成（Ｘ線光電子分光法によ
って決定される）を有する能動ガイド層１３がバッファ
層１２の上に配された。
Ｏ3、Ｐ2Ｏ5およびＥｒ2Ｏ3を混合、溶融することによ
って適当なガラス質のターゲットが製造された。このタ
ーゲットは標準的なスパッタリング室において酸化基板
に対向する形で配置され、簡単に前述されたように、標
準的な低圧マグネトロンＲＦスパッタリング処理によっ
て下記の表１に特定される組成（Ｘ線光電子分光法によ
って決定される）を有する能動ガイド層１３がバッファ
層１２の上に配された。
【００３５】 この処理は約４時間続けられた。能動ガイド層１３の厚
さが測定され、約１μｍであることが判明した。
さが測定され、約１μｍであることが判明した。
【００３６】標準的なスパッタリング処理によってＳｉ
Ｏ2からなるトップクラッド層１４がこの構造の上に配
され、このトップクラッド層１４の厚さは約０．５μｍ
であった。
Ｏ2からなるトップクラッド層１４がこの構造の上に配
され、このトップクラッド層１４の厚さは約０．５μｍ
であった。
【００３７】その後、標準的な写真製版およびエッチン
グ処理によって層１４の殆どの部分が除去されることに
より、４μｍ幅の層状細片が形成され、これらによって
能動ガイド層１３においてガイドされる光が横方向にお
いて閉じ込められる。
グ処理によって層１４の殆どの部分が除去されることに
より、４μｍ幅の層状細片が形成され、これらによって
能動ガイド層１３においてガイドされる光が横方向にお
いて閉じ込められる。
【００３８】最後に能動ガイド層１３は、シリコン基板
を割ることによって１０ｃｍの長さの構造にされた。
を割ることによって１０ｃｍの長さの構造にされた。
【００３９】この平面導波装置の光学特性について実験
した。能動ガイド層１３は６３３ｎｍにおいて約１．５
６の屈折率を示すことが判明し、このような高い屈折率
によって導波路において高いポンプ力の濃度を得ること
につながる高い光の閉じ込め率を得ることができた。波
長が１．５３μｍである場合、約７０％の光閉じ込め率
を得ることができた。
した。能動ガイド層１３は６３３ｎｍにおいて約１．５
６の屈折率を示すことが判明し、このような高い屈折率
によって導波路において高いポンプ力の濃度を得ること
につながる高い光の閉じ込め率を得ることができた。波
長が１．５３μｍである場合、約７０％の光閉じ込め率
を得ることができた。
【００４０】波長が１．５３μｍである光の光増幅を測
定した際に、波長が９８０ｎｍであるポンプライトが平
面導波装置に付与された。本実験における長さが１０ｃ
ｍである平面導波装置において測定されたネットの光ゲ
インは４．１ｄＢであり、ポンプ力は約６５ｍＷであっ
た。このポンプ力はすでに非常に低い。しかしながら、
本実験における能動ガイド層１３へのポンプライトの結
合効率は約３０％であったため、実際に能動ガイド１３
に吸収されるポンプライト量は約２０ｍＷであった。本
実験において結合効率を高めるために特別な努力はしな
かったものの、当業者にとって結合効率を約８０％また
はそれ以上に高めることが可能であることは明らかであ
る。したがって、前述のような組成の能動ガイド層１３
が有する前述のような構造の長さが４ｃｍである光導波
装置において４０ｍＷ以下のポンプ力が放射される１５
ｄＢ以上の光ゲインをもたらすことが容易に期待され得
る。
定した際に、波長が９８０ｎｍであるポンプライトが平
面導波装置に付与された。本実験における長さが１０ｃ
ｍである平面導波装置において測定されたネットの光ゲ
インは４．１ｄＢであり、ポンプ力は約６５ｍＷであっ
た。このポンプ力はすでに非常に低い。しかしながら、
本実験における能動ガイド層１３へのポンプライトの結
合効率は約３０％であったため、実際に能動ガイド１３
に吸収されるポンプライト量は約２０ｍＷであった。本
実験において結合効率を高めるために特別な努力はしな
かったものの、当業者にとって結合効率を約８０％また
はそれ以上に高めることが可能であることは明らかであ
る。したがって、前述のような組成の能動ガイド層１３
が有する前述のような構造の長さが４ｃｍである光導波
装置において４０ｍＷ以下のポンプ力が放射される１５
ｄＢ以上の光ゲインをもたらすことが容易に期待され得
る。
【００４１】本実験におけるデータに基づいて、能動ガ
イド層１３の（E. Snoeksらによる"Cooperative upconv
ersion in Erbium implanted sodalime silicate glass
optical waveguides"（エルビウム埋め込み型ソーダ石
灰ケイ酸塩ガラス質光導波路における共同アップコンバ
ージョン）（J. Opt. Soc. Am. B., 12、1468(1995)）
公報にて定義される）アップコンバージョン係数が約
２．６・１０-18ｃｍ3／ｓであることが計算された。こ
の値は現在報告されている中でも最も低い値のうちの１
つである。
イド層１３の（E. Snoeksらによる"Cooperative upconv
ersion in Erbium implanted sodalime silicate glass
optical waveguides"（エルビウム埋め込み型ソーダ石
灰ケイ酸塩ガラス質光導波路における共同アップコンバ
ージョン）（J. Opt. Soc. Am. B., 12、1468(1995)）
公報にて定義される）アップコンバージョン係数が約
２．６・１０-18ｃｍ3／ｓであることが計算された。こ
の値は現在報告されている中でも最も低い値のうちの１
つである。
【００４２】さらに、能動ガイド層におけるＥｒのルミ
ネッセンス平均寿命は約７．２ｍｓであることが判明し
た。
ネッセンス平均寿命は約７．２ｍｓであることが判明し
た。
【００４３】当業者にとって、本発明は前述の例に限定
されるものではなく、請求の範囲において記載される発
明の範囲を超えることなく、変更および変形を行うこと
が可能であることは明らかである。例えば、実施例にお
いて能動ガイド層１３はＲＦスパッタリング処理によっ
て製造されているが、能動ガイド層を製造するために別
の処理を用いることもできる。
されるものではなく、請求の範囲において記載される発
明の範囲を超えることなく、変更および変形を行うこと
が可能であることは明らかである。例えば、実施例にお
いて能動ガイド層１３はＲＦスパッタリング処理によっ
て製造されているが、能動ガイド層を製造するために別
の処理を用いることもできる。
【００４４】さらに、実施の際において能動ガイド層１
３の物質が例えばＭｇ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｐ
ｂ、Ｌｉ、Ｋなどの不純物を含むことがあり得る。この
ような不純物が少量にて存在することは許容されるもの
の、本発明によれば、能動ガイド層１３が実質的にはＰ
2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、Ｌａ2Ｏ3、およびＥｒ2Ｏ3
のみからなるように、このような不純物の量ができる限
り低く、好ましくはゼロであることが好ましい。
３の物質が例えばＭｇ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｐ
ｂ、Ｌｉ、Ｋなどの不純物を含むことがあり得る。この
ような不純物が少量にて存在することは許容されるもの
の、本発明によれば、能動ガイド層１３が実質的にはＰ
2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、Ｌａ2Ｏ3、およびＥｒ2Ｏ3
のみからなるように、このような不純物の量ができる限
り低く、好ましくはゼロであることが好ましい。
【００４５】さらに、本発明の重要な要素によれば、光
学装置がレーザとして機能し得るように少なくとも１つ
の、例えばミラーまたはその他の反射手段のような光学
フィードバックを可能にする手段を設けるようにしても
よい。
学装置がレーザとして機能し得るように少なくとも１つ
の、例えばミラーまたはその他の反射手段のような光学
フィードバックを可能にする手段を設けるようにしても
よい。
【図１】平面光導波装置の断面を概略的に示す図であ
る。
る。
【図２】Ｅｒのエネルギーダイヤグラムを概略的に示す
図である。
図である。
【図３】増幅処理の概略図である。
【図４】共同アップコンバージョン処理を概略的に示す
図である。
図である。
フロントページの続き (72)発明者 アンネ ヤンス ファーベル オランダ王国、5600 アーエヌ エインド ホーベン、ポストバス 595、ケア・オブ テーエヌオー−テーペーデー
Claims (6)
- 【請求項１】 基板（１１）；この基板（１１）の上に
設けられる能動ガイド層（１３）；この能動ガイド層
（１３）と基板（１１）との間に設けられる底面層（１
２）；およびこの能動ガイド層（１３）を覆うように設
けられるトップクラッド層（１４）とを有する平面光導
波装置であって、前記能動ガイド層（１３）は以下の成
分からなり、このうちＲはエルビウム（Ｅｒ）、ネオジ
ム（Ｎｄ）もしくはイッテルビウム（Ｙｂ）、またはＥ
ｒ＋Ｙｂの組み合わせである平面光導波装置。 Ａｌ2Ｏ3 ８−２０ｍｏｌ％ Ｎａ2Ｏ ５−１８ｍｏｌ％ Ｌａ2Ｏ3 ６−３５ｍｏｌ％ 好ましくは１０−３０ｍｏｌ％ Ｒ2Ｏ3 ＞０−６ｍｏｌ％ 好ましくは０．５−１．５ｍｏｌ％ Ｐ2Ｏ5 残部 - 【請求項２】 前記能動ガイド層（１３）は、以下の成
分からなる請求項１記載の平面光導波装置。 Ｐ2Ｏ5 ４２−４５ｍｏｌ％ Ａｌ2Ｏ3 １６−１８ｍｏｌ％ Ｎａ2Ｏ ８．５−１１ｍｏｌ％ Ｌａ2Ｏ3 ２７−２８ｍｏｌ％ Ｅｒ2Ｏ3 ０．９−１．２ｍｏｌ％ - 【請求項３】 前記光導波装置は光増幅器である請求項
１または２記載の平面光導波装置。 - 【請求項４】 前記基板（１１）は、Ｓｉからなり、底
面層（１２）はＳｉＯ2からなり、トップクラッド層
（１４）はＳｉＯ2からなる請求項１、２または３記載
の平面光導波装置。 - 【請求項５】 Ｅｒ3+イオンの4Ｉ13/2状態から4Ｉ15/2
状態への遷移の結果である光の波長の増幅ゲインは少な
くとも４．１ｄＢ／ｃｍであり、そのポンプ力は６５ｍ
Ｗ以下であり、前記能動ガイド層（１３）の屈折率は６
３２．８ｎｍにおいて１．５４〜１．６５である請求項
１、２、３または４記載の平面光導波装置。 - 【請求項６】 さらに、本装置がレーザとして機能しう
るように少なくとも１つの被覆ミラーのような光学フィ
ードバック手段を有する請求項１、２または４記載の平
面光導波装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP97200930A EP0867985B1 (en) | 1997-03-27 | 1997-03-27 | Erbium-doped planar waveguide |
| EP97200930.2 | 1997-03-27 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1138242A true JPH1138242A (ja) | 1999-02-12 |
Family
ID=8228152
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10081773A Pending JPH1138242A (ja) | 1997-03-27 | 1998-03-27 | エルビウムがドープされた平面導波装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5982973A (ja) |
| EP (1) | EP0867985B1 (ja) |
| JP (1) | JPH1138242A (ja) |
| AT (1) | ATE199196T1 (ja) |
| DE (1) | DE69704074T2 (ja) |
| ES (1) | ES2156334T3 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016152285A (ja) * | 2015-02-17 | 2016-08-22 | 日本電信電話株式会社 | 光素子 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010080499A (ko) | 1998-12-03 | 2001-08-22 | 추후제출 | 삽입체 타겟 조립체 및 그 제조 방법 |
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