JPH11509330A

JPH11509330A - 光導波路デバイス

Info

Publication number: JPH11509330A
Application number: JP8532292A
Authority: JP
Inventors: ペイン，デイビッド・ニール; ドン，リアン; クルス，ホセ・ルイス
Original assignee: ユニバーシティ・オブ・サウザンプトン
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1996-04-29
Publication date: 1999-08-17
Anticipated expiration: 2016-04-29
Also published as: DE69602938T2; EP0823062A1; GB2301678A; DE69602938D1; GB9508712D0; ES2132916T3; US6160944A; JP3727659B2; EP0823062B1; GB2301678B; WO1996034304A1

Abstract

(57)【要約】導波路とブラッグ回折格子のような導波路デバイスとを作製する際のガラスの応用とともに、錫ドープの感光性光学ガラスを開示している。

Description

【発明の詳細な説明】光導波路デバイス技術分野本発明は、光導波路デバイスに関する。背景技術光導波路（光ファイバーのような）を作るために用いる、ある種のガラスと導波路デバイス（ブラッグ回折格子のような）は、光が照射されるとき、実質的に永久的な屈折率変化をすることが知られている。この種のガラスは、感光性（又は光屈折性）ガラスとして知られている。感光性特性が、１つ以上のドーパント材料を有するガラスをドープして誘起することがしばしばある。したがって、「感光性」という用語は、光学デバイスの領域で確立したものとしてここで使っている。すなわち、感光性ガラスの屈折率が、光照射によって変化し、変化した屈折率材料を備えたガラスである。屈折率変化を起こすために用いる光照射は、赤外領域であるが、通常、紫外線（ＵＶ）又は可視領域である。感光性ガラスの１つの実施例は、ゲルマニウムドープの珪酸ガラスである。「シリカ」ガラスという用語は、従来、１つ以上のドーパントを含むガラスを説明するために使っているが、実質的に純粋なシリカから形成したガラスと化学的に等価であるガラスである。ガラスは、ファイバーに線引きして、化学的気相析出（ＣＶＤ）プロセスによって、液体の有機珪酸塩をガラス形成のために乾燥する「ゾルゲル」プロセスによって、典型的に形成する（これだけではない）。すなわち、おそらく、ベースガラスを作るために最初のＣＶＤプロセスによって形成したあと、続いて溶液ドーププロセスによって形成することもある。それゆえに、本用語はシリカベースのドープガラスの多くの一群を含む。ここで、本用語は、最大で単一の成分がシリカであるガラスを説明するために用いている。１つの使用例として、周期的な光学照射パターンが、そのようなガラスに屈折率の回折格子を形成するために刻み込むことができる。光を回折格子に向けるならば、屈折率の回折格子は、周期と入射角によって、決めた波長／角度で選択的に光を反射／回折する。実施例の１つが、その軸に沿って位置する屈折率パターンを定期的に変化させ、波長の２ｎΛに等しい光を選択的に退ける光導波路における反射型回折格子である。（ｎは、ガイドされた光学モードの有効な屈折率であり、Λは屈折率変化の周期である）。この種の導波路の回折格子は、多くの応用例を有する。それらは、チャンネルのアッド・アンド・ドロップ（ａｄｄ‐ａｎｄ‐ｄｒｏｐ）フィルタとして、ファイバーレーザのための狭帯域反射器として、伝送フィルタとして、光学的歪／温度センサーとして、又は、形態上のカプラーとして波長分割‐多重通信システムに使用することができる。チャープ回折格子が、パルス圧縮と伸長のために光ファイバーリンクの分散補償のために使われた。ガラスに回折格子を形成するための周期的な光学照射パターンが、さまざまな方法で作り出すことができる。それは、２つの干渉する光学ビーム（下記の参考文献１を参照のこと）によって、簡単に作り出すことができる。２つのビーム間の角度は、回折格子の周期を調節するように変化することができる。他の方法は、相マスク（下記の参考文献２を参照のこと）を通して照射ソースから垂直にビームを向けることである。相マスクは、シリカ基板上の多くの周期的な溝で構成している。そして、それから、相マスク上の周期的なパターン像は、相マスクの後に間隔において形成する。第３の方法が、同期して動く焦点に集中したビームを持つ、ポイントからポイントへの書き込みである。この方法が、特に大周期（１０ミクロン（μｍ）より大きい）の回折格子を書き込むことに役立つ。大周期に対して、干渉するビームを用いる前の方法が、そのような大周期用に必要であるビーム間の小角度のために、不可能になっている。導波路において、光は、高い屈折率領域（以下の本明細書にコアと呼ぶ）内に主に閉じ込められ、低屈折率領域（以下の本明細書にクラッドと呼ぶ）はコアを囲む。導波路の回折格子として、感光性ガラスは、コア、クラッド、又は両方を形成することができる。好ましくは、コアガラスは、感光性ガラスで構成している。大部分の光がコア内部に閉じ込められるので、したがって、大きな重複が、回折格子と光の間にある。既知の感光性のゲルマニウムドープの珪酸ガラスが、ガラスの酸素欠陥の中心に関係した、約２４０ナノメータ（ｎｍ）を中心とする吸収帯を有する。約２４０ｎｍ（又は、もしも２つの光子吸収が起こるならば約４８０ｎｍである）の波長を持つ光照射が吸収されるとき、ガラスの屈折率は永久的に変化する。おそらく、それは、欠陥中心、小さい構造上の変化、光学的損傷、又はそれらの組合せの形成が原因であるが、その効果の正確なメカニズムは充分に確立していない。このことが大きな開口数と小さなスポットサイズを有するファイバーに導くけれども、コアの高いゲルマニウム含有量が、高い感光性を与えるために望ましい。他の光導波路とうまく合わないために、大きな結合損失を生じる。この損失が、感光性（下記の参考文献３を参照のこと）を本来増加させることと同様に、ゲルマニウムと反対の作用をして、コア屈折率を低減する硼素を持つ共同ドーピングで少なくとも部分的に補われる。セリウム（下記の参考文献４を参照のこと），プラセオジム（下記の参考文献５を参照のこと），ユーロピウム（下記の参考文献６を参照のこと）のような、多くの他のドーパントが、感光性ガラスを作るために用いることができるが、それらはゲルマニウムドープのガラスほど強い感光性を示さない。いくらかの後のプロセス技術は、ゲルマニウムドープのファイバーの感光性を高めるためにも工夫している。ゲルマニウムドープのファイバーの水素／酸素（Ｈ₂／Ｏ₂）の火炎磨きは、感光性を高めることができる（下記の参考文献７を参照のこと）。低温水素負荷によって、非常に強い回折格子が、ゲルマニウムドープのファイバーに書き込むことができ（下記の参考文献８を参照のこと）、回折格子がゲルマニウムのないいくつかのファイバーに書き込むことができる（下記の参考文献９を参照のこと）。これら技術の時間的損失（火炎磨きに１０分かかり、低温水素負荷に日数がかかる）は別として、低温水素負荷技術により誘起された強い損失が、特に、短波長にある。パッシブな導波路に回折格子を書き込む必要は別として、アクティブな導波路（すなわち、単一周波数ファイバーレーザとファイバーの分配されたフィードバックレーザにおける応用のために希土類イオンのドープされたファイバー又は平面導波路）に、回折格子を書き込む必要もある。回折格子が、短長（センチメートルより小さい）デバイスのために、アクティブなファイバーに直接書き込む必要がある（下記の参考文献１０を参照のこと）。残念なことに、これらのファイバーの多くが燐を含む。これらのファイバーにおいて、ゲルマニウムドープの導波路の感光性と密接に関係した２４０ｎｍ吸収帯の強度を低減するので、燐は、ゲルマニウムドープのファイバーにおける光誘起の屈折率変化を抑制することが知られている（下記の参考文献１１を参照のこと）。要するに、感光性ガラスと前の感光性のドーパントを用いる前の導波路デバイスは、ドープガラスのドーププロセス、又はその結果の光学的性質に関係する種々の損失を被っている。発明の開示本発明は、屈折率変化が、少なくとも錫ドープの感光性光学ガラスの一部に形成された導波路に光誘起された光導波路デバイスを備える。発明の好ましい実施形態において、デバイスが実質的に一様で周期的なブラッグ回折格子又は非均一で周期的なチャープ回折格子である。しかしながら、他の実施形態において、デバイスは、非周期的な（例えば線形）屈折率変化が、ガイドされたビームサイズ、増幅器又はレーザを変更するために導波路のある長さに沿って作り出されるビームサイズ調整デバイス、又は光誘起の屈折率変化を必要とする他の種類の光学デバイスである。本発明は、光誘起の屈折率変化に対する光学ガラスの感度を増加させるために、光学ガラスのドーパントとして錫の使用することを備える。本発明は、光誘起の屈折率変化に対する光学ガラスの感度を増加させるためのプロセス（錫を備えた光学ガラスをドープするプロセス）も備える。本発明は、光誘起の屈折率変化に対する光学ガラスの感度を増加させるために、光学ガラスにおけるドーパントとして錫の使用を備える。発明の更なる見地と好ましい特徴は、添付した請求の範囲において規定される。発明の各見地の好ましい特徴は、発明の他の見地にも適用することができる。発明の実施形態は、光導波路用の前にドープされたガラスについての多くの利点を備えることができる。１．錫（ＳｎＯ₂‐）のドープによって、強い回折格子が低温水素負荷技術を用いることなく燐含有ガラスに書き込むことを可能にする。燐含有ガラスは、特に希土類ドープの導波路レーザと増幅器の構造にとって重要である。２．ＳｎＯ₂ドープの珪酸ゲルマニウムガラスは、ＧｅＯ₂ドープのガラス（３つの要因が、プロトタイプに示されている）だけと比較した、ＵＶ誘起の大きな屈折率変化を有し、Ｂ₂０₃ドープの珪酸ゲルマニウムガラスと比較できる。３．ＳｎＯ₂ドープの珪酸ゲルマニウムガラスにＵＶで書き込んだ回折格子は、Ｂ₂０₃ドープの珪酸ゲルマニウムガラスにおける回折格子より安定である。ＳｎＯ₂ドープの珪酸ゲルマニウムガラスは、特に、１．５５μｍの電気通信の波長（１ｄＢ／ｋｍの損失が、プロトタイプに示されている）で、Ｂ₂０₃ドープの珪酸ゲルマニウムガラスの損失よりかなり低損失である。４．回折格子の書き込み波長が、珪酸ゲルマニウムガラス又はＢ₂０₃ドープの珪酸ゲルマニウムガラスより、ＳｎＯ₂ドープのガラスにおいて限定され、両方ともが中心波長が約２４０ｎｍの狭帯域を必要とする。５．Ｓｎ０₂は、気相析出プロセスを用いる光ファイバーに、簡単に組み込まれる。６．標準の電気通信ファイバーに用いたゲルマニウムベースのガラス（約３．７％のゲルマニウムドープの珪酸ガラス）は、ガラスの他の特性を大幅に変えることなく光誘起の屈折率変化の感度を改善するために、錫ドープであることができる。光誘起の屈折率変化に依存する光学デバイスを作ることができる。非錫ドープの標準の電気通信ファイバーを用いて作製した他の構成要素と非常によく光学的に調和している。第１の好ましい実施形態において、ガラスはＳｎＯ₂と、ＳｉＯ₂，Ｐ₂Ｏ₅，ＧｅＯ₂，Ｂ₂０₃から選ばれた少なくとも１つの他の構成要素を含む。第２の好ましい実施形態において、ガラスがＳｎＯ₂と、ＳｉＯ₂，ＧｅＯ₂，Ｂ₂０₃の少なくとも１つを含む。両方のガラスが、レイジングか増幅媒体を形成するために希土類元素で選択的にドープすることができる。しかしながら、発明の最も幅広い見地から、錫が唯一のドーパントとして使われる。そのようなガラスは、水素負荷技術を用いない技術は、以前から示されていないので、第１の実施形態のガラスが、特に、感光性の備えた希土類ドープの珪リン酸ガラスを作ることにふさわしい。２つのガラスが、光導波路にコア又はクラッド（あるいは、両方）を作るために使われ、特に、気相析出技術によって作られた光ファイバーにふさわしい。代わりに、ＳｎＣｌ₄が室温で揮発性の液体であり、プロセスに簡単に組み込むことができるので、ＳｎＯ₂は溶液へのドーピング技術（基本技術は下記の参考文献１２に説明している）を用いて組み込むことができる。ＳｎＯ₂のドープは、１．３μｍと１．５５μｍの電気通信の範囲で、光ファイバーの損失に実質的に影響を及ぼさない。本発明は、光照射で誘起される屈折率変化に、錫ドープの感光性光学ガラスの領域を露光するプロセスと、露光領域が錫ドープの光学ガラス内に高屈折率の光ガイドコアを備える光導波路の作製方法である。図面の詳細な説明発明の実施形態は、添付した図面を参照しながら実施例で説明する。図１は、エキシマレーザで回折格子を書き込むための干渉デバイスを示す概略図である。図２は、ＳｎＯ₂，Ｐ₂Ｏ₅，ＳｉＯ₂を含むガラス（プリフォームＩ）と、ＳｎＯ₂，ＧｅＯ₂，ＳｉＯ₂を含むガラス（プリフォームII）において測定したＵＶ吸収スペクトルを示す概略図である。図３は、３種類のガラスにおけるＵＶ誘起の屈折率変化を示す概略図である。図４は、ＧｅＯ₂／ＳｉＯ₂／Ｂ₂Ｏ₃、ＧｅＯ₂／ＳｉＯ₂／Ｓｎ０₂と、ＧｅＯ₂ ／ＳｉＯ₂を含むガラスにおける高い温度での、ＵＶ誘起の屈折率変化の減退を示している概略図である。図５は、平面導波路の作製を示す概略図である。詳細な説明図１は、エキシマレーザで回折格子を書き込むための干渉デバイスを示す概略図である。干渉計は、ランブダ・フィジック・ＥＮＧ−１５０のフッ化クリプトン（ＫｒＦ）のエキシマレーザ（不図示）のようなエキシマレーザから紫外（ＵＶ）光のパルスビームを受け取る。パルスエネルギーは、離れて溶融石英のオプティカルフラット（不図示）によって軽くたたかれたビームの部分を受けるパイロ電気のエネルギーメータ（不図示）によって、モニターされる。パイロ電気のエネルギーメータによって検出されたパルスエネルギーに応答して、エキシマビーム１０のパルスエネルギーは、変化する伝送損を有する２分の１波長板と偏光子配置（不図示）を用いて制御される。エキシマビーム１０は、ビームスプリッター４０に供給される前に２つのシリンドリカルレンズ２０，３０を通過する。ビームスプリッター４０は、エキシマビーム１０を２つの実質的に等しいビーム５０と６０とに分ける。ビーム５０（ビームスプリッター４０によって反射されたビーム部分を表す）は、光ファイバー１００に当たる前に、３つの鏡６５，７０，８０に反射する。同じように、ビームスプリッター４０によって送られたエキシマビーム１０部分を表すビーム６０は、光ファイバー１００に当たる前に２つの鏡１１０，１２０によって退けられる。ビーム５０とビーム６０は、±θの入射角度で光ファイバー１００上を横断して入射する。図２は、ＳｎＯ₂，Ｐ₂Ｏ₅，ＳｉＯ₂を含むガラス（プリフォームＩ）とＳｎＯ₂ ，ＧｅＯ₂，Ｓｉ０₂を含むガラス（プリフォームII）において測定したＵＶ吸収スペクトルを示す概略図である。Ｂ₂Ｏ₃又はＦは低屈折率を実現するために導入できるが、第１のガラス（以下の本明細書において、ガラスIと呼ぶ）は本質的にＳｎＯ₂，Ｐ₂Ｏ₅，ＳｉＯ₂から構成されるガラスである。好ましい構成は、以下のものを含む。１‐３０ｍｏｌ％のＳｎＯ₂ ０‐４０ｍｏｌ％のＰ₂Ｏ₅ ０‐４０ｍｏｌ％のＢ₂Ｏ₃ ０‐３０ｍｏｌ％のＧｅＯ₂ ＞５０ｍｏｌ％のＳｉＯ₂（すなわち残り）この構成の更に詳細な形態は、次のように規定することができる。１‐１５ｍｏｌ％のＳｎＯ₂ ０‐２０ｍｏｌ％のＰ₂Ｏ₅ ０‐２０ｍｏｌ％のＢ₂０₃ ０‐２０ｍｏｌ％のＧｅＯ₂ ＞５０ｍｏｌ％のＳｉ０₂（すなわち残り）このガラスは、光ファイバーのコアそして／又はクラッドを形成するために用いることができる。特に、ガラスは、燐が構成要素として必要であるところ、又はゲルマニウムが許されないところで、希土類元素イオンのドープ用の感光性ホストを備えることができる。第２のガラス（以下の本明細書において、ガラスIIと呼ぶ）は、本質的にＳｎ０₂，Ｇｅ０₂，ＳｎＯ₂，Ｂ₂０₃を含むガラスである。好ましい構成は、以下の通りである。１‐３０ｍｏｌ％のＳｎＯ₂ ２‐４０ｍｏｌ％のＧｅＯ₂ ０‐３０ｍｏｌ％のＢ₂Ｏ₃ ＞３０ｍｏｌ％のＳｉ０₂（すなわち残り）この構成の更に詳細な形態は、次のように規定される。１‐２０ｍｏｌ％のＳｎＯ₂ ２‐３０ｍｏｌ％のＧｅＯ₂ ０‐２５ｍｏｌ％のＢ₂Ｏ₃ ＞３０ｍｏｌ％のＳｉＯ₂（すなわち残り）シリカが最大の単一成分である上記のガラスに対して、そのガラスは珪酸ガラスと呼んでいる。コア又はクラッド（あるいは、両方とも）としてのガラスIIを持つ光ファイバーは、一般にゲルマニウムドープのシリカだけを均等物と比較すると、３倍大きい光誘起の屈折率変化の要因より大きい要因を有する。希土類元素イオン（すなわちＥｒ，Ｙｂ，Ｎｄ等）は、アクティブな媒体を形成するために該当するレベルでガラスのＩ又はIIのいずれかに加えることができる。ファイバーレーザ、特に短い単一周波数のファイバーレーザ（＜２ｃｍ）を形成するために、そのようなガラスのコアを持つファイバーが、それらに書き込まれた回折格子を有することができる。上記ガラスにおいて、Ｂ₂Ｏ₃がコアガラスの屈折率を低減する一方で、ＳｎＯ₂ ，Ｐ₂Ｏ₅，ＧｅＯ₂がコアガラスの屈折率を高くする。導波路を形成するために、クラッドの屈折率より高いコア屈折率が要求されるから、その構成は、コア又はクラッドとして使用するために適切な屈折率を与えるために調節することができる。上記に規定したガラスは、コアとクラッドの１つ又は両方として使用することができる。ガラスが、コアだけ、又はクラッドだけとして用いるならば、従来の（非感光性）シリカガラスが、ファイバーの他の部分（すなわち、クラッド又はコアのそれぞれ）として用いることができる。ガラスＩ又はガラスIIの構成が、光ファイバーのためのコア構成が気相析出によって作製する際に、特にふさわしい。実施例として、我々はコアガラスとして与えられた構成を持つ、内付け化学的気相析出（ＭＣＶＤ）のファイバーを作る手順を示す。ＭＣＶＤプロセスにおいて、出発材料が、バブラーに含まれた揮発性の液体の形である。それらの気相状態の試薬を輸送するために、キャリヤーガス、通常は、Ｏ₂又はＮ₂が、その液体を通過する。蒸気を含むキャリヤーガスは、ガラスの施盤に取り付けた回転しているシリカチューブを通過する。バーナー（通常は、Ｈ₂／Ｏ₂バーナー）は、ガスの流れの方向を横切る。蒸気がバーナーの近くの高温領域内部で酸化され、その結果生じたすすは、数センチメートル下流で管の内壁に析出する。バーナーがそれを通過するとき、すすがクリアーなガラス層に焼結される。析出温度は、通常、１６００℃と１８００℃の間にある。多くのクラッド層（通常は、選択的にＰ₂Ｏ₅又はＦでドープしたシリカ）は、最初に析出し、続いてコア層（通常ＧｅＯ₂ドープのシリカ）が析出する。錫ドープのために、ＳｎＣｌ₄（揮発性の液体）を保持する特別なバブラーが、必要である。例えば、クラッド層用の以下の流量が、１６５０℃の析出温度で通常用いる。６００ｃｃ／分のＯ₂ ＳｉＣｌ₄バブラーに対して５００ｃｃ／分のＯ₂ ＰＯＣｌ₃バブラーに対して１５０ｃｃ／分のＯ₂ ４．５ｃｃ／分のＣＣｌ₂Ｆ₂ 以下の工程において、ＳｎＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂のコア（以下の本明細書で、プリフォームIと呼ぶ）を備えたプリフォームを作り出すために、２つのコア層が、低い温度（約１２５０℃）と以下の流量で析出する。６００ｃｃ／分のＯ₂ ＳｉＣｌ₄バブラーに対して２５ｃｃ／分のＯ₂ ＰＯＣｌ₃バブラーに対して１５０ｃｃ／分のＯ₂ ＳｎＣｌ₄に対して４００ｃｃ／分のＮ₂ 蒸気圧を増加させるために３９℃に保持しているＳｎＣｌ₄のバブラーは別として、全てのバブラーを２５．０℃に保持する。析出した２つのコア層が、ポーラスなすす層（すなわち、溶融していない）である。このことがＳｎＯ₂を効果的に組み込むために適切であることがわかった。その結果、約１６００の℃でバーナーに一回通過させて、２つのコア層を溶融して、ガラスをクリアーにする。プリフォームは、バーナー温度を約２０００℃まで上げて、従来の方法で約６つのバーナーを通過させることによって固形ロッドに変形する。ファイバーは、従来の方法におけるファイバーの線引き塔で、１端を約２１００℃まで加熱することによってプリフォームから線引きする。その結果得られたファイバーは、以下の本明細書にファイバーＩと呼んでおり、測定により、開口数が０．２３、一次モード遮断波長が１．３２μｍ、コア半径が２．１６μｍ、損失が４０ｄＢ／ｋｍ（１．５５μｍにおいて）であった。コア層用にガスの流れを変更するが、コアとしてのガラスIIを持つファイバーは、上で行ったと同じ手順に従って作ることができる。６００ｃｃ／分のＯ₂ ＳｉＣｌ₄バブラーに対して２５ｃｃ／分のＯ₂ ＧｅＣｌ₄バブラーに対して１００ｃｃ／分のＯ₂ ＳｎＣｌ₄バブラーに対して４００ｃｃ／分のＮ₂ その結果得られるファイバーは、以下の本明細書においてファイバーＩと呼ぶ。開口数が０．２０、一次モード遮断波長が１．２５μｍ、コア半径が２．４μ ｍと損失が１ｄＢ／ｋｍ（１．５５μｍで）であることを測定した。Ｂ₂０₃が、気相でＢＢｒ₃を単に導入することによって、又は、それらをクリアーなガラスに溶融する前に、溶けた硼素塩を含む溶液に、ポーラスなコア層を吸収させることによってファイバーＩとIIに導入することができる。ファイバーの回折格子は、図１に図示した構成を用いてファイバーＩとIIの断面において刻み付けることができる。テストにおいて、２４８．５ｎｍで動作する狭パルスのＫｒＦエキシマーレーザが、照射源として使用した。レーザパルスのエネルギーは、約２０ｍＪ、パルス幅が２０ｎｓ、パルス反復レートが２０Ｈｚである。ビーム１０は２つの焦点レンズ２０と３０を通して、ビームスプリッター４０に向けられ、その結果得られる２つのビーム５０と６０は、鏡６５，７０，１１０によって、２つの鏡８０と１２０に向けられる。２つの鏡８０と１２０は、ビーム５０と６０をファイバー１００に集光する。２つのビーム間の干渉は、周期的な強度パターンをファイバーコアに沿って形成する。代わりに、非均一な回折格子構造（例えば屈折率変化の非均一な周期を有するチャープ回折格子）は、既知の相‐マスク技術を用いて作ることができた。コアガラスの屈折率が照射によって永久的に変わるので、周期的なパターンがファイバーコアにおいて刻み付けることができる。しかしながら、ファイバーＩとIIにおけるクラッドガラスは、１９０ｎｍから３μｍまで透明であり、したがって、書き込みビームに対してほとんど効果がない。用いた光出力（ｆｌｕｅｎｃｅ）が、通常、０．３ｋＪ／ｃｍ²と６ｋＪ／ｃｍ²の間である。この構成によって作り出した回折格子の長さは、約１５ｍｍ長である。このデバイスを用いて、５０％反射率のものは、約３分（すなわち、約３６００パルス）の書き込み時間でファイバーＩに書き込むことができる。この反射率と１５ｍｍ長は、約０．５＊１０^-4の屈折率変化を意味する。回折格子の反射率は、書き込みプロセス後の最初の数分間は約４５％まで低下するが、それ以降安定していた。ＵＶの書き込みビーム強度が約５００ｍＪ／ｃｍ²／パルスを上回ったとき、約１００％の反射率を持つ回折格子は単一パルス（書き込み波長で約０．８ｄＢ／μｍ）で得られた。これで、コアにおける高い光吸収のために、コア／クラッドの界面における光学的損傷に起因することがわかった（タイプIIの回折格子、プリフォームのＵＶ吸収に関する図２を参照すること）。そのようなタイプIIの回折格子が、普通の重合体コーティングを用いる前に、ファイバーの線引きの間に、都合よくオンラインで作り出され、標準の回折格子と比較すると高い温度安定度を改善している。６３３ｎｍでのＵＶで誘起損失が、約０．３ｄＢ／ｍｍであるが、９００ｎｍを越える波長では、誘起損失は測定されない。タイプIIの回折格子が、以前に、高ＧｅＯ₂含有のファイバーで報告されている。２４８．５ｎｍの書き込み波長を回折格子の書き込みに使っているけれども、この波長より下のコアの幅広い吸収のために、２８０ｎｍより下の波長を持つ照射が使われることは、理解されるであろう（図２）。狭い吸収帯だけを有する珪酸ゲルマニウムファイバーを持つこのコントラストは、約２４０ｎｍに中心がある。短波長での強い吸収のために、波長が短かければ短いほど、光誘起の屈折率変化が大きくなることも理解されるにちがいない（図２を参照のこと）。約１００％の反射率と０．７５ｎｍのバンド幅とを持つ回折格子が、約２０分間の露光（約６ｋＪ／ｃｍ²）後のファイバーIIの断面において得られる。回折格子における屈折率変化は、約１＊１０^-3に達する。図３は、以下のコア構成のファイバーにおける飽和した光誘起の屈折率変化の比較を与える。（ａ）ＳｉＯ₂／ＧｅＯ₂、（ｂ）ＳｉＯ₂／ＧｅＯ₂／Ｂ₂Ｏ₃、（ｃ）ＳｉＯ₂／ＧｅＯ₂／ＳｎＯ₂（ファイバII）。コア構成（ａ）と（ｂ）が、参考文献に記載されている。コア構成（ｃ）（ファイバーII）のファイバーにおける光誘起の屈折率変化が、コア構成（ｂ）のファイバーにおける屈折率変化と比較でき、コア構成（ａ）のファイバーにおける屈折率変化より数倍大きい。特に、高い温度での応用のために、回折格子の安定性は、非常に重要である。回折格子の寿命が室温で非常に長いので（数年から１０年）、回折格子は、通常、高温で加速寿命試験を行う。コア構成（ｂ）と（ｃ）のファイバーにおける回折格子に対する高温の安定性試験の結果は、ゲルマニウムドープの珪酸ガラスに対する結果とともに図４に示している。コア構成（ｃ）のファイバー（ファイバーII）における回折格子が、構成（ｂ）のファイバーより非常に安定である。プリフォームIIのＵＶ吸収スペクトルは、図２に示している。ゲルマニウムの酸素欠陥中心に関連する吸収帯のピークが、単にゲルマニウムドープのシリカに対して約２４０ｎｍの代わりに、約２５０ｎｍである。２８０ｎｍより下の書き込み波長でも可能であるけれども、２４８．５ｎｍでのＫｒＦのエキシマーレーザによって、回折格子はファイバーIIにおいてより効率的に書き込むことができる。約６００ｎｍと３μｍの間の波長での将来的な使用に対して、上記技術によって形成された周期的な回折格子ピッチが、好ましくは、０．１μｍから１μｍの範囲にある。導波路での結合モードにおける使用のために、周期的な回折格子ピッチは、好ましくは、１μｍから１ｃｍの範囲にある。上記技術は、単一のコア又は多数のコアの光ファイバーでの使用にふさわしい。図５は、平面導波路の作製を示す概略図である。作製プロセスは、実質的に非感光性のクラッド基板２００、上記の錫ドープの感光性ガラスの層２１０とクラッド層２２０の積層構造で行う。書き込みのレーザ光線が、層２１０に達するように、クラッド層２２０（それがわずかか、ほとんど効果がない）を通して向いている。ここで、レーザ光線は高屈折率を有する長手方向のトラック２３０を書き込むために使いる（感光性ガラスとレーザ照射の間の相互作用のため）。平面導波路を形成するために、トラック２３０は、光ガイドのコアとして作用する。図５の書き込みレーザ光線で層２１０の感光性反応が飽和しないならば、トラック２３０の上に重ねた回折格子構造を持つ平面導波路を作り上げるために、上記に概説した２つの基本技術を結合する。これは、回折格子に必要なトラックに沿って屈折率変化を加えるために、トラック２３０を更に露光させることによって可能になった。上述のガラス作製技術の全てにおいて、更なる又は代わりの共同ドーパントは、以下のリストから選ぶことができる。すなわち、アルミニウム，ガリウム，インジウム，砒素，アンチモン，チタン，タンタル，ジルコニウム，ニオブ，弗素と鉛である。上述の一般範囲に入る本発明の特別な実施形態において、標準の電気通信ファイバーで用いるゲルマニアベースのガラス（約３．７％ゲルマニアドープの珪酸ガラス）は、ガラスの他の特性を大幅に変えることなく光誘起の屈折率変化に対する感度を改善するために、錫ドープすることができる。このように、非錫ドープの標準の電気通信ファイバーを用いながら、光学的に非常によく他の構成要素と調和し、光誘起の屈折率変化に依存する光学デバイスを作ることができる。参考文献１．ダブル．エイチ．グレン，ジー．メルツとイー．シュナイザー、「ファイバー光学部品に回折格子を刻印する方法」、米国特許４，７２５，１１０号。２．ケイ．オー．ヒル，ビー．ワイ．マロ，エフ．シー．ビロデウとディー．シー．ジョンソン、「ブラッグ回折格子の作製とマスクに格子を形成する方法」、英国特許出願２，２７２０７５Ａ号。３．ビー．ジェイ．アインスリー，ディ．エル．ウイリアムス，ジー．ディ．マックスウェルとアール．カシュヤップ、「Ｂ₂Ｏ₃含有ガラスにおける光誘起の回折格子」、国際特許出願９４／００７８４号。４．エル．ドンク，ピー．ジェイ．ウェルズ，ディ．ピー．ハンドとピー．セント．ジェイ．ラッセル、「Ｃｅ³⁺ドープの光ファイバーにおける感光性」、米国光学協会誌、ビー、第１０巻、１９９３年、８９‐９３ページ。５．イー．ジー，ベーレンスとアール．ポウェル、「Ｐｒ³⁺とＥｕ³⁺がドープされた珪酸塩ガラスにおけるレーザ誘起の回折格子特性」、米国光学協会誌、ビー、第７巻、１９９０年、１４７３‐１４４４ページ。６．エム．エム．ブロア，エイ．ジェイ．ブルースとダブル．エイチ．グロッドキービッチ、「いくつかのＥｕ³⁺，Ｐｒ³⁺，Ｅｒ³⁺がドープされた酸化物ガラスにおける光誘起の屈折率変化」、フィジカル．レビュー．ビー、第４５巻、１９９２年、７０７７‐７０８３ページ。７．エフ．ビロデウ，ビー．マロ，ジェイ．アルバート，ディ．シー．ジョンソンとケイ．オー．ヒル、「光ファイバーとシリコン上のシリカ／シリカ導波路の感光性」、オプティカルレター、第１８巻、１９９３年、９５３‐９５５ページ。８．ピー．ジェイ，レマイレ，アール．エム．アトキンス，ブイ．ミズラヒとダブル．エイ．リード、「超高ＵＶ感光性とＧｅＯ₂ドープの光ファイバーにおける熱的感度を達成するための技術としての高圧水素負荷方法」、エレクトリカルレター、第２９巻、１９９３年、１１９１‐１１９３ページ。９．ジェイ．エル，アーチャンボールト，エル．リーキー，エル．ドングとピー．セントジェイ．ラッセル、「ゲルマニウムを含有しない光ファイバーにおける高い反射率の光を屈折するブラッグ回折格子」、シーエルエルオー、書類シーダブルケイ３、１９９４年５月、アナハイム。１０．ジェイ．ティ，クリングルボトン，ピー．アール．モーケル，エル．リーキー，ジェイ．エル．アーチャンボールトとディー．エヌ．パイン、「強力な単一周波数のエルビウム−イッテルビウムのファイバーレーザ」（イーシーオーシー１９９３年会報、第２巻、１９９３年、６５ページ。１１．エル．ドンク，ジェイ．ピンクストーン，ピー．セントジェイ．ラッセルとディ．エヌ．パイン、「内付け化学的気相析出プリフォームにおける紫外線吸収」、米国光学協会誌、ビー、第１１巻、１９９４年、２１０６‐２１１１ページ。１２．ジェイ．イー，タウンゼンド，エス．ビー．ポールとディ．エヌ．パイン、「希土類ドープの光ファイバー作製のための溶液ドーピング技術」、エレクトリカルレター、第２３巻、１９８７年、３２９‐３３１ページ。１３．エル．リーキー，ジェイ．エル，アーチャンボールトとピー．セントジェイ．ラッセン、「単一のエキシマレーザパルスによって作り出した反射率１００％のファイバー回折格子」、オーエフシー／アイオーオーシー、１９９３年、書類ピーディ１４、１９９３年、サンホゼ。１４．エル．ドング，ジェイ．エル．アーチャンボールト，エル．リーキー，ピー．セントジェイ．ラッセルとディ．エヌ．パイン、「ファイバー線引きの間に書き込まれた単一パルスのブラッグ回折格子」、エレクトリカルレター、第２９巻、１９９３年、１５７７‐１５７８ページ。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年５月２日【補正内容】導波路）に、回折格子を書き込む必要もある。回折格子が、短長（センチメートルより小さい）デバイスのために、アクティブなファイバーに直接書き込む必要がある（下記の参考文献１０を参照のこと）。残念なことに、これらのファイバーの多くが燐を含む。これらのファイバーにおいて、ゲルマニウムドープの導波路の感光性と密接に関係した２４０ｎｍ吸収帯の強度を低減するので、燐は、ゲルマニウムドープのファイバーにおける光誘起の屈折率変化を抑制することが知られている（下記の参考文献１１を参照のこと）。要するに、感光性ガラスと前の感光性のドーパントを用いる前の導波路デバイスは、ドープガラスのドーププロセス、又はその結果の光学的性質に関係する種々の損失を被っている。参考文献１５は、屈折率変化が感光性光学デバイスの少なくとも一部に形成された導波路に光誘起された光導波路デバイスを開示している。発明の開示本発明は、屈折率変化が、感光性光学ガラスが錫ドープの感光性光学ガラスであることを特徴とする感光性光学ガラスの一部に形成された導波路に光誘起された光導波路デバイスを備える。発明の好ましい実施形態において、デバイスが実質的に一様で周期的なブラッグ回折格子又は非均一で周期的なチャープ回折格子である。しかしながら、他の実施形態において、デバイスは、非周期的な（例えば線形）屈折率変化が、ガイドされたビームサイズ、増幅器又はレーザを変更するために導波路のある長さに沿って作り出されるビームサイズ調整デバイス、又は光誘起の屈折率変化を必要とする他の種類の光学デバイスである。本発明は、光誘起の屈折率変化に対する光学ガラスの感度を増加させるためのプロセス（錫を備えた光学ガラスをドープするプロセス）も備える。発明の更なる見地と好ましい特徴は、添付した請求の範囲において規定される。発明の各見地の好ましい特徴は、発明の他の見地にも適用することができる。発明の実施形態は、光導波路用の前にドープされたガラスについての多くの利％のファイバー回折格子」、オーエフシー／アイオーオーシー、１９９３年、書類ピーディ１４、１９９３年、サンホゼ。１４．エル．ドング，ジェイ．エル．アーチャンボールト，エル．リーキー，ピー．セントジェイ．ラッセルとディ．エヌ．パイン、「ファイバー線引きの間に書き込まれた単一パルスのブラッグ回折格子」、エレクトリカルレター、第２９巻、１９９３年、１５７７‐１５７８ページ。１５．ジー．エム．ウイリアムス，ディ．エイ．ダット，ジェイ．エイ．ルーラーとイー．ジェイ．フリーベレ、「光照射されたシリカガラスにおける永久的に書き込まれた回折格子」、オプティカルレター、第１７巻、１９９２年、５３２−５３４ページ。請求の範囲１．屈折率変化が、感光性光学ガラスが錫ドープの感光性光学ガラスであることを特徴とする感光性ガラスの少なくとも一部に形成された導波路に光誘起されている光導波路デバイス。２．デバイスが、導波路の回折格子を形成するために、光誘起の周期的な屈折率変化を有する請求項１記載のデバイス。３．屈折率変化が非均一である請求項１又は請求項２記載のデバイス。４．屈折率変化が０．１μｍから１μｍの範囲での均一な周期を有する請求項２記載のデバイス。５．屈折率変化が０．１μｍから１ｃｍの範囲での均一な周期を有する請求項２記載の回折格子。６．感光性光学ガラスが紫外線照射に対して感光性を有する請求項１〜５記載のデバイス。７．導波路が平面の導波路である請求項１〜６のいずれかに記載のデバイス。８．導波路が、クラッド材料に囲まれた少なくとも１つの光ガイドコアを有する光ファイバーの導波路である請求項１〜６のいずれかに記載のデバイス。９．コアが錫ドープのガラスから形成され、クラッドが珪酸ガラスから形成される請求項８記載のデバイス。１０．コアとクラッドとが錫ドープのガラスから形成される請求項８記載のデバイス。１７．錫ドープのガラスが、１５モルパーセントまでの錫を含む請求項１〜１６のいずれかに記載のデバイス。１８．錫ドープの光学ガラスが、アルミニウム，ガリウム，インジウム，砒素，アンチモン，チタン，タンタル，ジルコニウム，ニオブ，弗素，鉛とからなるグループから選んだ１又はそれ以上の共同ドーパントで共同ドープする請求項１〜１７のいずれかに記載のデバイス。１９．錫ドープの感光性光学ガラスの領域を光誘起の屈折率変化に露光する工程を備え、露光領域が錫ドープの光学ガラス内に高屈折率の光ガイドコアを備える光導波路の作製方法。２０．錫ドープの光学ガラスが、非感光性のクラッドガラスの層にはさまれた層として形成されている請求項１９記載の方法。２１．光誘起の屈折率変化に対する光学ガラスの感度を増加させるために、光学ガラスを錫でドープする工程を備えるプロセス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者クルス，ホセ・ルイススペイン、エ−46100ブルハソット、カレ・ドクトル・モリネール50番デパルタメント・デ・フィシカ・アプリカダ、ウニベルシダ・デ・バレンシア

Claims

【特許請求の範囲】１．屈折率変化が、錫ドープの感光性光学ガラスの少なくとも一部に形成した導波路に光誘起されている光導波路デバイス。２．デバイスが導波路の回折格子である請求項１記載のデバイス。３．屈折率変化が非均一である請求項１又は請求項２記載のデバイス。４．屈折率変化が０．１μｍから１μｍの範囲での周期である請求項２記載のデバイス。５．屈折率変化が０．１μｍから１ｃｍの範囲での周期である請求項２記載の回折格子。６．屈折率変化が、横方向の紫外線照射に導波路を露光することによって誘起される請求項１〜５のいずれかに記載のデバイス。７．導波路が平面の導波路である請求項１〜６のいずれかに記載のデバイス。８．導波路が、クラッド材料に囲まれた少なくとも１つの光ガイドコアを有する光ファイバーの導波路である請求項１〜６のいずれかに記載のデバイス。９．コアが錫ドープのガラスから形成され、クラッドが珪酸ガラスから形成される請求項８記載のデバイス。１０．コアとクラッドとが錫ドープのガラスから形成される請求項８記載のデバイス。１１．錫ドープのガラスが錫ドープの珪酸ガラスである請求項１〜１０のいずれかに記載のデバイス。１２．錫ドープのガラスが錫を３０モルパーセントまで含む請求項１〜１１のいずれかに記載のデバイス。１３．錫ドープのガラスが、４０モルパーセントまでのリンと、４０モルパーセントまでの硼素と、３０モルパーセントまでのゲルマニウムとからなるグループから選んだ１又はそれ以上の共同ドーパントで共同ドープする請求項１〜１２のいずれかに記載のデバイス。１４．錫ドープのガラスが１５モルパーセントまでの錫を有し、２０モルパーセントまでのリンと、２０モルパーセントまでの硼素と、２０モルパーセントまでのゲルマニウムとからなるグループから選んだ１又はそれ以上の共同ドーパントで共同ドープする請求項１〜１２のいずれかに記載のデバイス。１５．錫ドープのガラスが、４０モルパーセントまでのゲルマニウムと、３０モルパーセントまでの硼素とからなるグループから選んだ１又はそれ以上の共同ドーパントで共同ドープする請求項１〜１２のいずれかに記載のデバイス。１６．錫ドープのガラスが２０モルパーセントまでの錫を有し、２〜３０モルパーセントのゲルマニウムと、２５モルパーセントまでの硼素とからなるグループから選んだ１又はそれ以上の共同ドーパントで共同ドープする請求項１〜１２のいずれかに記載のデバイス。１７．錫ドープのガラスが、１５モルパーセントまでの錫を含む請求項１〜１６のいずれかに記載のデバイス。１８．錫ドープの光学ガラスが、アルミニウム，ガリウム，インジウム，砒素，アンチモン，チタン，タンタル，ジルコニウム，ニオブ，弗素，鉛とからなるグループから選んだ１又はそれ以上の共同ドーパントで共同ドープする請求項１〜１７のいずれかに記載のデバイス。１９．錫ドープのガラスが、化学的気相析出プロセスによって形成される請求項１〜１８のいずれかに記載のデバイス。２０．錫ドープの感光性光学ガラスの領域を光誘起の屈折率変化に露光する工程を備え、露光領域が錫ドープの光学ガラス内に高屈折率の光ガイドコアを備える光導波路の作製方法。２１．錫ドープの光学ガラスが、非感光性のクラッドガラスの層にはさまれた層として形成されている請求項２０記載の方法。２２．光誘起の屈折率変化に対する光学ガラスの感度を増加させるために、光学ガラスにおいて錫をドーパントとして使用する方法。２３．光誘起の屈折率変化に対する光学ガラスの感度を増加させるために、光学ガラスを錫でドープする工程を備えるプロセス。