JP2000208851A - 光増幅素子、光回路、光増幅素子の製造方法および光増幅材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラスチック光ファイバ用として好適なかつ
小型化に適した光増幅素子を提供する。 【解決手段】 光増幅素子２７は、基板１１と、この基
板上に形成され、下記の（１ａ）式で示される有機金属
錯体を重合させたポリマで構成したコア１５ａおよびこ
のコアを埋め込むクラッド層１３，２５とを具える。 【化１】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、有機金属錯体の
ポリマを利用した光増幅技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ網を用いた光通信システム
は、大容量かつ高速のデータ伝送を可能にする。光ファ
イバ網は、典型的には、石英系シングルモード光ファイ
バ網により構築されている。しかし、近年、プラスチッ
ク光ファイバ（ＰＯＦ：PlasticsOptical Fiber）にお
いて、広帯域（１００ｍ伝送で２．５Ｇｂｐｓ）、低損
失なＧＩ（Graded Index）型と呼ばれるＰＯＦが開発さ
れた。このような高性能ＰＯＦを用いることで、加入者
系（局から各家庭までの伝送系）の高速伝送網の構築も
考えられている。なぜなら、ＰＯＦが、石英系光ファイ
バに比べて、大口径（５００〜１０００μｍ）化し易
い、フレキシビリティに富む、取り扱い易い等の特徴を
持つため、光ファイバの施設コストを大幅に低減できる
と期待できるからである。

【０００３】ところで、光ファイバ網が石英系、プラス
チック系いずれのものであっても、光通信システムで
は、伝播損、分岐損、接続損、スイッチング損等が原因
で、光信号の減衰が生じる。光信号の減衰は、長距離伝
送を行う場合に特に問題となる。そこで、光信号の減衰
を補償するため、光増幅器が必要になる。

【０００４】石英系光ファイバ網を用いた光通信システ
ム用の光増幅器として、例えば文献Ｉ（「Ｅｒドープ光
ファイバによる光増幅とその応用」、中沢正隆、応用物
理第５９巻、第９号、pp.1175-1192(1990)）に開示の、
いわゆるファイバ型光増幅器がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＰＯＦに好ま
しい光増幅器は現在のところ開発されていない。

【０００６】例えば、文献Ｉに開示されているようなフ
ァイバ型光増幅器は、石英系光ファイバに最適化されて
いるため、波長１．３μｍや１．５５μｍといった赤外
域の限られた波長にしか増幅作用を示さない。一方、Ｐ
ＯＦ系光ファイバでは波長５００〜９００ｎｍの光が一
般に用いられる。従って、石英系光ファイバ用の光増幅
器は、そのままではＰＯＦ用として用いることができな
い。

【０００７】さらに、文献Ｉに記載のファイバ型光増幅
器は、３０ｄＢ（１０００倍）の利得を得るために２０
〜３０メートルの長さの増幅用光ファイバが必要であ
る。１０ｄＢ（１０倍）の利得を得る場合でも、約１メ
ートルの長さの増幅用ファイバが必要である。すなわ
ち、光増幅器の作用長がメートルオーダーである。その
理由は、例えば１．５５μｍ用のファイバ型光増幅器は
エルビウムイオン（Ｅｒ³⁺）を石英系ファイバにドープ
したものであるが、ドープ量を多くするとドープイオン
同士の凝集が起こり、増幅作用が低下してしまうためで
ある。そのため、ドープ量を１０〜１０００ｐｐｍと希
薄にした上で、ファイバ長を長くすることで増幅作用を
得るようにしているためである。このように、ファイバ
型光増幅器では、そもそも、光増幅器の作用長を短縮す
るにも限界がある。すなわち、光増幅器の小型化、低価
格化を図るにも限界がある。

【０００８】さらに、ファイバ型光増幅器の場合、平面
型の光増幅器を実現することが難しい。これは、光増幅
器と他の光素子とにより光集積回路を構築する場合など
に弊害になる。

【０００９】これに対して、例えば、特表平７−５０２
７３１号公報または特開平７−５５０５号公報には、Ｐ
ＯＦ用の光増幅器に適用できると考えられる別の技術が
開示されている。

【００１０】すなわち、特表平７−５０２７３１号公報
には、ランタニドイオンをヘミスフェランドと称する化
合物に組み込んだ構成のランタニド錯体を、ポリマー光
導波路に溶解させるか、分散させるか、または共有結合
で組み込むことによって光増幅器を構成する試みが開示
されている（例えば第４頁左下欄第２１〜２３行）。

【００１１】また、特開平７−５５０５号公報には、希
土類錯体をポリマに溶解させたものを、ポリ（フルオロ
エチレン）の毛管に充填した構造のファイバ型光増幅器
（実施例１）や、希土類錯体をポリマに溶解させたもの
を石英プレート上に薄膜化した構造の平面型光増幅器
（実施例２）が開示されている。そして、希土類錯体と
して、β−ジケトン系のものが用いられている。

【００１２】しかし、特表平７−５０２７３１号公報お
よび特開平７−５５０５号公報いずれも、ホストポリマ
に希土類錯体をドープしたポリマを、光増幅材料として
いる。このようなドープ系では、ドープ量を上げていく
に従い希土類錯体同士の凝集が起こり易くなる。このよ
うな凝集が起こると、期待する程の光増幅作用が得られ
なかったり、かえって光増幅作用が低下すると考えられ
る。

【００１３】従って、上記の問題を解決できる新規な素
子が望まれる。また、新規な光増幅材料が望まれる。

【００１４】

【課題を解決するための手段】そこで、この出願に係る
発明者は鋭意研究を行った。その結果、構造中に元々希
土類イオンを含有している特定のポリマを用いて光増幅
部を構成すること、および、この特定のポリマを光増幅
材料として用いることによって、上記の目的をそれぞれ
達成できることを見出して、この発明を完成するに至っ
た。

【００１５】従って、この発明の第１の光増幅素子によ
れば、下記の（１）式で示す有機金属錯体を重合させた
ポリマ（以下、第１のポリマともいう。）で構成した光
増幅部を具えることを特徴とする。ただし、（１）式中
のＲは、水素または炭素数が１〜２０のアルキル基であ
る。Ｒが水素であるもの（アクリル酸ユーロピウム）ま
たは、Ｒがメチル基であるもの（メタクリル酸ユーロピ
ウム）は、材料の入手の容易さ等から好ましい。

【００１６】

【化８】

【００１７】この第１のポリマは、下記の（２）式で示
される構造を含むポリマと推定される。

【００１８】

【化９】

【００１９】また、この発明の第２の光増幅素子によれ
ば、酸無水物と、カルボニル基を有するジアミン、また
は２つのアミノ基を有するβ−ジケトンとから、低温溶
液重合法によりポリアミド酸を製造し、このポリアミド
酸と塩化ユーロピウムとを反応させて有機金属錯体を製
造し、この有機金属錯体をイミド化して得たポリマ（以
下、第２のポリマともいう。）で構成した光増幅部を具
えることを特徴とする。

【００２０】この第２のポリマは、下記の（３）式で示
される構造を含むポリマと推定される。ただし、合成な
どの点から、（３）式中のＡｒは、下記の（Ｉ）式、ま
たは（II）式、または（III)式で示されるもの、Ｘは下
記の（IV）式、または（Ｖ）式で示されるものとするの
が好適である。

【００２１】

【化１０】

【００２２】

【化１１】

【００２３】また、この発明の第１の光増幅材料によれ
ば、上記の（１）式で示す有機金属錯体を重合させたポ
リマ（すなわち、第１のポリマ）からなることを特徴と
する。

【００２４】また、この発明の第２の光増幅材料によれ
ば、酸無水物と、カルボニル基を有するジアミン、また
は２つのアミノ基を有するβ−ジケトンとから、低温溶
液重合法によりポリアミド酸を製造し、このポリアミド
酸と塩化ユーロピウムとを反応させて有機金属錯体を製
造し、この有機金属錯体自体またはこの有機金属錯体を
イミド化して得たポリマ（すなわち第２のポリマ（この
場合有機金属錯体も含む））からなることを特徴とす
る。ここで、低温溶液重合法とは、室温以下の温度で行
う重合法である（例えば文献「化学大辞典（縮刷版）」
1993.6.1第３４刷、第７頁、共立出版（株））。

【００２５】上記の第１および第２のポリマの分子量
は、用途に応じた任意の範囲とできる。この分子量が低
すぎては、膜の形成が困難となり、かつ、耐熱性も得る
ことができない。また、この分子量が高すぎては均質な
膜を得にくくなる。これらの点を考慮し、かつ、光増幅
素子としての用途を考えた場合、第１および第２のポリ
マの分子量は、それぞれ、重量平均分子量でいって、１
０，０００以上かつ１００，０００以下が好ましい。

【００２６】この発明の第１および第２の光増幅素子そ
れぞれは、後述する実施例から明らかなように、ＰＯＦ
で使用される波長光に対して光増幅作用を示す。そのた
め、ＰＯＦ用の光増幅器として好適な光増幅素子が得ら
れる。

【００２７】さらに、この発明の光増幅素子は、光増幅
のための作用長が、例えばファイバ型光増幅器に比べ
て、短かくて済むものである。そのため、光増幅器の小
型化が図れる。

【００２８】光増幅のための作用長を短くできる理由
は、本発明が、希土類イオンをポリマにドープした材料
でなく、構造中に希土類イオンを元々含有しているポリ
マを用いているためと考える。すなわち、希土類イオン
がポリマ中に高密度にかつ凝集なく元々存在しているポ
リマを用いているためと考える。

【００２９】さらに、この発明の光増幅素子は、基板上
に光増幅部としてのコアを具えたいわゆる平面型の光増
幅素子となり得るものである。そのため、他の光素子と
の集積化が図り易い。もちろん、必要によってはファイ
バー型光増幅器の構造も取り得る。

【００３０】また、この発明の第１および第２の光増幅
材料それぞれは、後述する実施例から明らかなように、
ＰＯＦで使用される波長光に対して光増幅作用を示す。
然も、例えばファイバ型光増幅器に比べて、短かい作用
長で光増幅作用を示す。然も、基板上に光増幅部として
のコアを具えたいわゆる平面型の光増幅素子を実現可能
にする。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、この出願の各発明の実施の
形態についてそれぞれ説明する。もちろん、この実施の
形態は、この出願の各発明の範囲内の一例にすぎない。

【００３２】先ず、上記の式（１）で示す有機金属錯体
は、該錯体を得るために好適な酸と、塩化ユウロピウム
塩とを混合攪拌することで反応させ、この反応で生じた
沈殿を濾過し、さらに再沈殿または再結晶または昇華等
の精製方法により精製することにより、得ることができ
る。

【００３３】なお、（１）式の中のＲがメチル基である
下記の（１ａ）式で示すメタクリル酸ユーロピウムは、
文献II（J.Macromol.Sci.Chem.Vol.A25 pp.1397-1406(1
988)）に開示されている公知の物質である。ただし、こ
の文献IIでは、この物質についての学問的な分光特性が
示されているにすぎない。

【００３４】

【化１２】

【００３５】また、式（１）で示す有機金属錯体を重合
させる方法として、例えば、この有機金属錯体と重合開
始剤材とを含む混合物に、光、例えば紫外線を照射する
光重合法、または、この有機金属錯体と重合開始剤とを
溶液に入れて行われる溶液重合法を挙げることができ
る。このような重合が済むと、第１のポリマが得られ
る。

【００３６】また、（１）式で示される有機金属錯体を
用いて光増幅素子を作製する方法としては、（１）式で
示す有機金属錯体を上記の如く重合させて第１のポリマ
を予め作製し、さらにこの第１のポリマを適当な溶剤に
溶解させて塗布液を調製する。そして、この塗布液を好
適な基板上に塗布することで、第１のポリマの膜を形成
し、次に、この膜を光増幅部の形状にパターニングする
ことで光増幅部を形成する方法を挙げることができる。

【００３７】具体的には、下部クラッドとしての下地上
に、（１）式で示す有機金属錯体を重合させたポリマ
（第１のポリマ）の膜を形成する工程と、このポリマの
膜をパターニングして、このポリマで構成した光増幅部
としてのコアを形成する工程と、このコアを含む下地上
に、上部クラッドを形成して、該コアをクラッドにより
埋め込む工程とを含む方法を挙げることができる。

【００３８】または、ホストポリマ、（１）式で示す有
機金属錯体および重合開始剤を含む層を、下地上に形成
する工程と、この層の所定領域に選択的に光、典型的に
は紫外線を照射して、この所定領域に（１）式で示す有
機金属錯体を重合させたポリマ（第１のポリマ）からな
る光増幅部としてのコアを形成する工程と、このコアの
形成が済んだ試料を減圧雰囲気に入れ、前述の層中に残
存する前述の有機金属錯体を揮発除去する工程とを含む
方法で、光増幅素子を製造しても良い。

【００３９】一方、第２のポリマは、酸無水物と、カル
ボニル基を有するジアミン、または２つのアミノ基を有
するβ−ジケトンとを低温溶液重合法により重合させて
ポリアミド酸を得、このポリアミド酸と塩化ユーロピウ
ムとを反応させて有機金属錯体を得、これを例えば真空
加熱することでイミド化することで、得ることができ
る。

【００４０】また、この第２のポリマを用いて光増幅素
子を作製する方法としては、この第２のポリマを適当な
溶剤に溶解させて塗布液を調製し、次に、この塗布液を
基板上に塗布することで、第２のポリマの膜を形成し、
次に、この膜を光増幅部の形状にパターニングすること
で光増幅部を形成する方法を挙げることができる。

【００４１】また、この出願に係る第１および第２の光
増幅素子それぞれは、他の光素子と集積化することでよ
り多機能な光回路を構成することができる。他の光素子
として、光スイッチ、光フィルタ、光分岐素子など任意
のものを用いることができる。特に、この出願に係る光
増幅素子と、該光増幅素子のコアの出力端に接続され該
コアと同じ材料で構成されたＮ分岐導波路（Ｎは２以上
の整数）を含む光分岐素子とを同一基板に一体に具える
光回路は、光損失の少ない分岐素子と成り得るので、好
ましい。

【００４２】

【実施例】以下、いくつかの実施例によりこの出願の各
発明についてさらに具体的に説明する。なお、以下の実
施例中で述べる、使用材料名、装置名、また、使用材料
の使用量、合成処理中での温度、時間、素子作製工程で
の素子の寸法、温度、時間、圧力、流量などは、この発
明の範囲内の一例にすぎない。従って、この出願の各発
明は、これら使用材料や数値的条件に何ら限定されるも
のではない。

【００４３】１．第１の実施例 （１）式で示される有機金属錯体を重合させたポリマの
合成およびその特性を説明する。

【００４４】ここでは、（１）式で示される有機金属錯
体の１種として、（１）式中のＲがメチル基（ＣＨ₃ ）
である上述した（１ａ）式のメタクリル酸ユーロピウム
を、次のように合成する。

【００４５】先ず、メタクリル酸と塩化ユーロピウムと
を、塩基性溶液中で反応させる。そのため、メタクリル
酸７．７４ｇ（９ｍｍｏｌ）をエタノール３０ｍｌに溶
解して、この溶液に１ＮのＮａＯＨ水溶液を９．００ｍ
ｌ加える。次に、この溶液に塩化ユーロピウム１．１０
ｇ（３ｍｏｌ）の水溶液１５ｍｌを加える。この混合液
を攪拌しながら６０℃のウォータバスで温めながら１時
間反応させる。次にこの反応液を放冷し、室温まで冷や
す。これにより、この反応液中に沈殿が生じる。この沈
殿物を濾過により採取して、さらに以下のように精製す
る。

【００４６】先ず、この沈殿物を２ｍｌのジクロロメタ
ンに溶解する。次に、この溶液を多量のヘキサン中に滴
下する。これにより、再び沈殿が生じる。この沈殿物を
エタノールを用いて洗浄し、さらに純水で洗浄した後に
乾燥して、上記（１ａ）式で示されるメタクリル酸ユー
ロピウムと思われる化合物が得られる。

【００４７】この例では、この化合物は約０．９５ｇ得
られた。目的の化合物であれば、その収率は７８％程度
となる。

【００４８】この化合物をＮＭＲ装置を用いて同定す
る。この化合物の１Ｈ ＮＭＲの測定結果は以下の様で
あった。この説明を下記の式（１ｂ）を参照して説明す
る。なお、１Ｈ ＮＭＲの測定には、ＮＭＲ装置として
ＪＥＯＬ社製のα−４００（型番）を用いる。また、１
Ｈ ＮＭＲ測定用のサンプルとして、上記合成した化合
物３ｍｇを重クロロホルム０．６ｍｌに溶解したものを
用いる。

【００４９】

【化１３】

【００５０】上記合成した化合物についてのＮＭＲ測定
により得られたチャート中に、化学シフト値δ＝２．０
０の位置を中心としてピーク面積比が９のシングレット
のピークが生じ、化学シフト値δ＝５．５７の位置を中
心としてピーク面積比が３のシングレットのピークが生
じ、化学シフト値δ＝６．０９の位置を中心として面積
比が３のシングレットのピークが生じていた。

【００５１】これらピークは上記（１ｂ）式中に示す有
機金属錯体を構成するプロトンに起因するピークに対応
している。すなわち、化学シフト値δ＝２．００の位置
を中心として生じたピークは、式（１ｂ）中にａで示す
９つのプロトンに起因するピークであり、δ＝５．５７
の位置を中心として生じたピークは、式（１ｂ）中にｂ
で示す３つのプロトンに起因するピークであり、化学シ
フト値δ＝６．０９の位置を中心として生じたピーク
は、式（１ｂ）中にｃで示す３つのプロトンに起因する
ピークである。このことから、合成した有機金属錯体が
目的の化合物であることが同定できた。

【００５２】また、上記合成した有機金属錯体を重合さ
せてポリマを得る。この重合は、光重合でも、溶液重合
でも良い。ここでは、溶液重合により重合させてポリマ
を得る。

【００５３】具体的には、上記合成したメタクリル酸ユ
ーロピウム０．５ｇと、クロロベンゼン５ｍｌと、重合
開始剤としてのＡＩＢＮ２ｍｇとを混合する。次に、こ
の混合液をガラス容器中に入れて封止した後、ロータリ
ーポンプを用いて、容器内の雰囲気を１×１０^ー2Ｔｏｒ
ｒの真空とする。この状態で混合液を７０℃の温度で１
５時間振とうさせる。

【００５４】その後、反応溶液中の溶媒であるクロロベ
ンゼンを気化させることによって、目的のポリマが得ら
れる。この例では、ポリマが約０．３ｇ得られた。この
ポリマは分子量が重量平均分子量でいって、１０，００
０〜１００，０００の間のものと思われる。

【００５５】得られたポリマに対して、上記のモノマに
対して行ったと同様にＮＭＲ装置を用いて分析を行う。

【００５６】この分析で得られたチャート中には、モノ
マのチャート中に認められた化学シフト値２．００のピ
ークは認められたが、δ＝５．５７とδ＝６．０９の位
置のピークが消失していることが分かった。このδ＝
５．５７とδ＝６．０９の位置のピークは、上記（１
ｂ）式中の（ｂ）と（ｃ）に対応するプロトンである。
このため、目的のポリマ化がなされているといえる。ま
た、このポリマは、下記の（２ａ）式で示される構造を
含むものと推定される。

【００５７】

【化１４】

【００５８】また、このポリマの熱に対する特性を調べ
るため、熱分析装置を用いて熱分析を行う。熱分析装置
として、理学電気株式会社製のＲｉｇａｋｕ ＴＨＥＲ
ＭＯＦＬＥＸ ＴＡＳ３００（商品名）を用いる。ま
た、熱分析として、ＴＧ（熱重量）−ＤＴＡ（示差熱分
析）を行う。

【００５９】この分析の結果、約３５０℃で吸熱のピー
クおよびＴＧの減少が見られる。急熱のピークは相転移
を表している。また、この温度（３５０℃）で熱重量の
減少が見られると言うことは、このポリマはこの温度で
融解しているのではなく、昇華若しくは熱分解している
ことを意味している。従って、このポリマは３５０℃程
度まで耐熱性を有するものといえる。

【００６０】次に、上記の有機金属錯体を重合させたポ
リマが光増幅効果を有するかどうか確認するために、光
励起発光スペクトルの測定を行う。測定はこのポリマを
テトラヒドロフラン溶媒に５ｍｇ／Ｌの濃度に溶かした
サンプルを用いて行う。このサンプルを発振波長３３７
ｎｍの窒素レーザを用いて励起させたところ、６１５ｎ
ｍにピークを有する半値全幅５ｎｍの発光スペクトルが
得られた。また、測定系の受光波長をこの発光ピーク６
１５ｎｍに固定し、励起波長を波長２５０〜５００ｎｍ
の範囲で連続的に変化させて励起スペクトルの測定を行
う。この場合、励起光源にはキセノンランプの光を分光
して用いる。この測定の結果、３００ｎｍから３９０ｎ
ｍの励起光に対して発光を示す事が分かった。また、最
大発光強度は３６０ｎｍの光で励起した場合であった。
さらに、発光寿命（パルス励起直後の発光強度が、その
３７％まで減少するのに要する時間）は０．９ｍｓであ
った。この発光寿命は、通常の色素系化合物（例えばフ
ルオレセイン、ローダミン等）の場合に比べ、１０⁴ 〜
１０⁶ 倍程度長いことから、光増幅作用を起こすのに必
要な反転分布状態を容易に形成できることを示してい
る。

【００６１】２．第２の実施例 次に、第１のポリマを用いた平面導波路型光増幅素子
と、それを製造する第１の方法とについて併せて説明す
る。図１（Ａ）〜（Ｄ）は、その説明のための製造工程
図である。光が伝播する方向と直交する方向に沿って、
光増幅素子２７を切った断面図（切り口に着目した断面
図）によって示した工程図である。

【００６２】基板１１上に、下部クラッド層１３として
のポリマの層と、（１ａ）式で示される有機金属錯体を
重合させたポリマの層（第１のポリマの層）１５と、レ
ジスト層としてここではポジ型レジスト層１７とを、こ
の順に積層する（図１（Ａ））。

【００６３】基板１１としては、任意好適な材料および
平面形状の基板を用いることができる。例えばＳｉウエ
ハ、ガラス基板等は、ここで用いる基板１１として好ま
しい。ここでは、厚さが０．５ｍｍで直径が３インチ
（１インチは約２．５４ｃｍ以下、同様。）Ｓｉウエハ
を用いる。

【００６４】下部クラッド層１３、第１のポリマの層１
５およびレジスト層１７それぞれの成膜法として、ディ
ップ法、キャスト法、スピンコート法等を用いることが
できる。ここでは、スピンコート法により１０μｍ厚の
エポキシポリマよりなる下部クラッド層、１０μｍ厚の
第１のポリマーの層、５μｍ厚のレジスト層を形成し
た。ただし、各層を塗布する毎に乾燥工程を実施する。

【００６５】なお、第１のポリマの塗布液は、第１のポ
リマ１ｇを、溶剤としての１０ｍｌのメタクリル酸に溶
解させたものとする。

【００６６】このようにして形成した試料の、レジスト
層１７側に、１０μｍ幅の直線パターンを形成したマス
ク１９をかぶせる。そして、通常のホトリソエッチング
のプロセスに従い、紫外線２１を用いた露光をし、その
後、現象をする。この結果、レジストパターン１７ａが
得られる（図１（Ｂ））。

【００６７】次に酸素プラズマ２３を用いた反応性イオ
ンエッチング（ＲＩＥ）法により、このレジストパター
ン１７ａをマスクとして、第１のポリマの層１５のエッ
チングを行う。そして、レジストパターン１７ａを剥離
する。これにより、第１のポリマ、すなわち（１ａ）式
の有機金属錯体を重合させたポリマで構成した光増幅部
としてのコア１５ａが形成される（図１（Ｃ））。

【００６８】なお、ＲＩＥの条件は、ＲＦ出力６０Ｗ
（パワー密度で表すと０．１２Ｗ／ｃｍ² ）、ガス圧
６．７Ｐａ、酸素ガス流量２００ｓｃｃｍであった。

【００６９】コア１５ａの形成を終えた試料上に、下部
クラッド層１３と同じ材質のエポキシポリマを１０μｍ
の厚さにスピンコートする。これにより、上部クラッド
２５を形成することができる。この結果、コア１５ａ
が、その上下方向および側面方向それぞれでクラッドに
より埋め込まれる構造を持つ、平面型の光増幅素子２７
を得ることができる（図１（Ｄ））。

【００７０】このようにして形成した光増幅素子２７の
コア１５ａが光を伝播させることが可能かどうか調べる
ために、伝播損失の測定を行う。ここでは、長さが５ｃ
ｍの直線状のコア１５ａを持つ光増幅素子２７を作製す
る。そして、このコア１５ａに波長６３３ｎｍの光を通
すことによって、伝播損失の測定を行う。その結果は、
０．３ｄＢ／ｃｍであった。

【００７１】このように良好に光を伝播できることか
ら、光の伝播方向に直交する方向に切ったときの断面が
矩形形状であるコア１５ａが良好に形成されていること
が明らかとなった。また、このように形成した導波路に
紫外線ランプを照射し導波路主面上方より観察したとこ
ろ、コアに対応する線状のＥｕイオンに特有な赤色発光
パターンが観察できた。このことはコアの部分にのみ、
光増幅作用に必要な希土類Ｅｕイオンが含有されている
ことを示している。

【００７２】３．第３の実施例 次に、第１のポリマを用いた平面導波路型光増幅素子を
製造する第２の方法について説明する。図２（Ａ）〜
（Ｃ）は、その説明のための製造工程図である。図１と
同様な位置での断面図（切り口に着目した断面図）によ
って示した工程図である。

【００７３】先ず、基板３１として、クラッドとしての
役目も果たす屈折率を持つ基板を用意する。ここでは、
ｎ＝１．４７２、大きさが５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さが
０．８ｍｍのガラス基板を用意する。

【００７４】また、ポストポリマと、（１ａ）式で示さ
れる有機金属錯体と、重合開始剤とを、溶剤に溶解させ
た混合物を、用意する。ここでは、ホストポリマとして
ポリカーボネートを用い、重合開始剤としてベンゾイン
エチルエーテルを用い、溶剤としてオルトジクロルベン
ゼンを用いる。これらポストポリマと有機金属錯体と重
合開始剤とを、重量比で、１：０．０５：０．００１に
混合したもの２ｇを、１０ｍｌのオルトジクロルベンゼ
ンに溶解させて、上記混合物とした。

【００７５】次に、基板３１上に、スピンコート法によ
り、この混合物の層３３を、厚さが１０μｍとなるよう
に形成する（図２（Ａ））。

【００７６】次に、この層３３を、この層３３の所定領
域（すなわちコアとしたい部分）を露出する窓を持つマ
スク３５により、覆う（図２（Ａ））。

【００７７】次に、このマスク上方から、層３３に紫外
線３７を照射する。この例では紫外線として７５Ｗの超
高圧水銀ランプの光を用いる。また照射時間は、１０分
間とする。

【００７８】混合物の層３３の、紫外線が照射された部
分では、この層３３中の式（１ａ）で示す有機金属錯体
が重合するため、紫外線を照射した部分に第１のポリマ
で構成したコア３３ａが形成される（図２（Ｂ））。

【００７９】次に、この試料を減圧雰囲気に入れる。こ
の例では、真空排気が可能な容器内に入れ、この容器内
を１０^-5Ｔｏｒｒまで減圧する。この処理において、混
合物の層３３中の、未反応の有機金属錯体（すなわち希
土類含有モノマ）は、揮発除去される。未反応の有機金
属錯体が除去されたため、層３３は、クラッド層３３ｂ
として機能する（図２（Ｂ））。

【００８０】次に、この試料上に、クラッド層３９とし
て、ホストポリマとして用いたものと同じポリカーボネ
ートをスピンコート法により１５μｍの厚さに形成す
る。これにより、クラッド層３３ｂ、３９および基板３
１によりコア３３ａが囲まれた構造を持つ平面型の光増
幅素子４１が形成できる（図２（Ｃ））。

【００８１】この第３の実施例の方法で製造した光増幅
素子４１のコア３３ａが光を伝播できるかどうか調べる
ために、伝播損失の測定を行う。ここでは、長さが５ｃ
ｍの直線状のコア３３ａを持つ光増幅素子４１を作製す
る。そして、このコア３３ａに波長６３３ｎｍの光を通
すことによって、伝播損失の測定を行う。その結果は、
０．５ｄＢ／ｃｍであった。

【００８２】このように良好に光を伝播できることか
ら、光の伝搬方向に直交する方向に切ったときの断面が
矩形形状であるコア３３ａが良好に形成されていること
が明らかとなった。また、このように形成した導波路に
紫外線ランプを照射し導波路主面上方より観察したとこ
ろ、コアに対応する線状のＥｕイオンに特有な赤色発光
パターンが観察できた。このことはコアの部分にのみ、
光増幅作用に必要な希土類Ｅｕイオンが含有されている
ことを示している。

【００８３】この第３の実施例で説明した光増幅素子の
製造方法の場合、第２の実施例で説明した製造方法に比
べ、レジストパターンの形成、ＲＩＥによるコアのエッ
チングといったプロセスが必要ない。そのため、より簡
便な方法で希土類ポリマ含有導波路（コア）を形成でき
るので、好ましい。

【００８４】４．第４の実施例 次に、この発明の光増幅素子であって、そのコアに、励
起光の入力部および信号光の入力部を具えた素子の例を
説明する。図３は、その説明のための図であり、光増幅
素子５０をその上方から見た平面図である。なお、典型
的には、コア５１は上部クラッド（図示せず）により覆
われているが、ここでは上部クラッドを透視した図とし
て示してある。また、図３では出力光Ｌｏに励起光が含
まれるのを防止するための波長フィルタ６０を、素子５
０の出力端後段に設けた例を示してある。

【００８５】素子５０を作製する手順は、第２の実施例
と同様な手順で行う。ただし、コア５１として、信号光
Ｌｓを入力する第１の部分５１ａと、励起光Ｌｐを入力
する第２の部分５１ｂと、これら第１および第２の部分
５１ａ、５１ｂに光学的に接続され、信号光Ｌｓおよび
励起光Ｌｐを伝搬する第３の部分５１ｃとを含むコア５
１が形成されるように、図１に示したレジストパターン
１７ａの形状を工夫する。

【００８６】この例の場合、第１の部分５１ａと第３の
部分５１ｃとは、直線状に接続してある。こうした方
が、信号光の損失を低減し易いからである。もちろん、
これは一例である。また、第２の部分５１ｂは、第１お
よび第３の部分に損失少なく連なるような形状（例え
ば、これに限られないが方向性結合器の導波路構造）と
してある。

【００８７】以下、製造手順を簡単に説明する。基板と
して直径３インチのＳｉウエハを用いる。このウエハ上
に、スピンコート法により、１０μｍ厚のエポキシポリ
マよりなるクラッド層、１０μｍ厚の式（１ａ）で示す
有機金属錯体を重合させたポリマ層、５μｍ厚のレジス
ト層を形成する。次に、図３を用いて説明した第１〜第
３の部分を持つコア５１形成に好適なフォトマスクで、
レジスト層を覆う。次に、このレジスト層を露光および
現像してレジストパターンを形成する。この例では、光
増幅素子５０の１つの大きさは、長さ（光の伝搬方向に
沿う長さ）が５０ｍｍ、幅５ｍｍとする。そのため、こ
の様な素子を１０個並列に形成できるようにレジストパ
ターンを形成する。

【００８８】次に酸素プラズマを用いた反応性イオンエ
ッチング（ＲＩＥ）法により、このレジストパターンを
マスクとして、上記の有機金属錯体を重合させたポリマ
の層をエッチングする。ＲＩＥの条件は、ＲＦ出力６０
Ｗ（パワー密度で表すと０．１２Ｗ／ｃｍ² ）、ガス圧
６．７Ｐａ、酸素ガス流量２００ｓｃｃｍであった。次
に下部クラッドと同じ材質のエポキシポリマを１０μｍ
厚にスピンコートすることで上部クラッドを形成する。

【００８９】最後に、ウエハから、ダイシングにより、
５０ｍｍ×５ｍｍの素子を１０個切り出して、１０個の
光増幅素子５０を得る。

【００９０】このように製造した光増幅素子５０のコア
５１の第１の部分５１ａに、中心発光波長６３０ｎｍの
発光ダイオードの光を信号光Ｌｓとして入力し、第２の
部分５１ｂに、励起光Ｌｐとして発振波長３２５ｎｍの
連続発振Ｈｅ−Ｃｄレーザの光を入力する。なお、信号
光Ｌｓおよび励起光Ｌｐは、それぞれ、光ファイバ（こ
こでは石英光ファイバ）を用いて、光増幅素子５０の該
当部分に照射する。また、出力光Ｌｏも、光フィルタ６
０の後段から、光ファイバ（ここでは石英光ファイバ）
を用いて、測定器に導いた。励起光Ｌｐの強度を２０ｍ
Ｗとして測定をしたところ、１０μＷの信号光Ｌｓに対
し、１００μＷの出力光Ｌｏが得られることが分かっ
た。従って、第４の実施例によれば、増幅利得１０ｄＢ
の光増幅素子が実現される。

【００９１】この第４の実施例の光増幅素子５０によれ
ば、作用長が５０ｍｍであるにもかかわらず、１０ｄＢ
という利得が得られる。石英系光ファイバ用のファイバ
型光増幅器で１０ｄＢという利得を得るためには、約１
ｍという作用長が必要であったことと比べると、非常に
短い作用長で光増幅作用が得られることが理解できる。
この理由は、本発明が構造中に希土類イオンを元々含む
ポリマを用いたことで、高密度にかつ凝集なく均質に希
土類イオンをコア中に導入できたためと推定される。

【００９２】５．第５の実施例 次に、この発明の光増幅素子に光分岐素子を集積化した
光回路の実施例について説明する。図４は、その説明の
ための図であり、光回路７０をその上方から見た平面図
である。なお、典型的には、光増幅素子７１のコア７
３、光分岐素子７５の分岐導波路７７は上部クラッド
（図示せず）により覆われているが、ここでは上部クラ
ッドを透視した図として示してある。また、図３と同様
に、波長フィルタ６０を、光回路７０の出力端後段に設
けた例を示してある。

【００９３】この光回路７０の特徴は、この発明の光増
幅素子７１と、この光増幅素子７１のコア７３の出力端
に接続されこのコア７３と同じ材料で構成されたＮ分岐
導波路７７を含む光分岐素子７５とを、基板に一体に具
えた点にある。

【００９４】コア７３は、この例では、信号光Ｌｓを入
力する第１の部分７３ａと、励起光Ｌｐを入力する第２
の部分７３ｂと、これら第１および第２の部分７３ａ、
７３ｂに光学的に接続され、信号光Ｌｓおよび励起光Ｌ
ｐを伝播する第３の部分７３ｃとを含むコアとしてあ
る。こうすると、信号光および励起光を光増幅素子に容
易に導入できるからである。

【００９５】また、Ｎ分岐導波路７７は、この例では、
４分岐導波路としてある。然も、４分岐導波路は２分岐
導波路をツリー状に接続した構造としてある。もちろ
ん、分岐数およびツリー構造は一例にすぎない。

【００９６】また、図４の例ではコア７３の第３の部分
７３ｃが途中から曲がり導波路となっているが、これは
一例にすぎない。また、図４の例では、信号光Ｌｓおよ
び励起光Ｌｐの入力端子と、出力光Ｌｏの出力端子と
が、光回路７０の４辺のうちの直交する２辺にそれぞれ
位置させてあるが、これも一例にすぎない。

【００９７】この光回路７０は、第２の実施例で説明し
た光増幅素子の製造手順において、Ｎ分岐導波路７７も
併せて製造することで、得ることができる。以下、簡単
に説明する。

【００９８】基板として直径３インチのＳｉウエハを用
いた。このウエハ上に、スピンコート法により１０μｍ
厚のエポキシポリマよりなるクラッド、１０μｍ厚の式
（１ａ）で示す有機金属錯体を重合させたポリマ（第１
のポリマ）層、５μｍ厚のレジスト層を形成した。この
ようにして形成した膜上に図４に示したコア７３および
Ｎ分岐導波路７７のパターンを有するマスクをかぶせ、
ホトリソエッチングのプロセスによってレジストパター
ンを形成した。なお、１光回路に対応するマスクの大き
さは長さ２５ｍｍ、幅２５ｍｍで、同じパターンを縦２
横２、合計４個配置することで５０ｍｍ×５０ｍｍの領
域に光回路を形成する。

【００９９】次に酸素プラズマを用いた反応性イオンエ
ッチング（ＲＩＥ）法により、このレジストパターンを
マスクとして、第１のポリマ層のエッチングを行う。Ｒ
ＩＥの条件は、ＲＦ出力６０Ｗ（パワー密度で表すと
０．１２Ｗ／ｃｍ² ）、ガス圧６．７Ｐａ、酸素ガス流
量２００ｓｃｃｍであった。次に下部クラッドと同じ材
質のエポキシポリマを１０μｍ厚にスピンコートするこ
とで上部クラッドを形成する。

【０１００】最後に、ウエハから、ダイシングにより、
２５ｍｍ×２５ｍｍの素子を４個切り出して、４個の光
回路７０を得る。

【０１０１】このように製造した光回路７０のコア７３
の第１の部分７３ａに、中心発光波長６３０ｎｍの発光
ダイオードの光を信号光Ｌｓとして入力し、第２の部分
７３ｂに、励起光Ｌｐとして発振波長３２５ｎｍの連続
発振Ｈｅ−Ｃｄレーザの光を入力する。なお、信号光Ｌ
ｓおよび励起光Ｌｐは、それぞれ、光ファイバ（ここで
は石英光ファイバ）を用いて、光回路７０の該当部分に
照射する。また、出力光Ｌｏも、光フィルタ６０の後段
から、光ファイバ（ここでは石英光ファイバ）を用い
て、測定器に導いた。励起光Ｌｐの強度を２０ｍＷとし
て測定したところ、１０μＷの信号光に対し、Ｎ本の分
岐導波路それぞれから、１２μＷの出力光Ｌｏが得られ
ることが分かった。

【０１０２】この第５の実施例によれば、信号光１０μ
Ｗに対して各分岐導波路から１２μＷの出力光が得られ
ることから、無損失の光分岐素子を含む光回路が実現で
きることが分かる。

【０１０３】６．第６の実施例 次に、第２のポリマを用いた発明であって、酸無水物と
してビフタル酸無水物を用い、カルボニル基を有するジ
アミンとして３，５−ジアミノ−１−安息香酸を用いる
発明について説明する。

【０１０４】先ず、ビフタル酸無水物と３，５−ジアミ
ノ−１−安息香酸とから低温溶液重合法によりポリアミ
ド酸を製造する。

【０１０５】そのため、ビフタル酸無水物５．８８ｇ
（０．０２ｍｏｌ）と、３，５−ジアミノ−１−安息香
酸３．０４ｇ（０．０２ｍｏｌ）とを、溶媒であるジメ
チルアセトアミド（ＤＭＡｃ）に溶解させる。この溶液
を４℃で６時間攪拌することにより重合反応させる。そ
の後、反応液を多量のメタノール中に加える。これによ
り、反応液中に沈殿が生じる。

【０１０６】この沈殿物をろ別して乾燥させた後、以下
のように精製する。先ず、採取した沈殿物を２ｍｌのＤ
ＭＡｃに溶解させる。その後、この溶液を多量のメタノ
ール中に加えて再び沈殿を生じさせる。この沈殿物をエ
タノールで洗浄し、さらに純水で洗浄した後、乾燥させ
ることによって、ポリアミド酸と思われる化合物が得ら
れる。この例では、ポリアミド酸が９．７ｇ得られ、そ
の収率は９８％であった。

【０１０７】次に、このポリアミド酸と塩化ユーロピウ
ムとを反応させて有機金属錯体を製造する。

【０１０８】そのため、上記合成したポリアミド酸７．
５ｇをＤＭＡｃ２０ｍｌに溶解させ、この溶液に濃度
２．３重量％の塩化ユーロピウム水溶液を１０ｍｌ加え
る。その後、この混合溶液を攪拌しながら、この混合溶
液にメタノールを徐々に加えていく。これにより、この
混合溶液中に沈殿が生じる。

【０１０９】この沈殿物を２ｍｌのＤＭＡｃに溶解させ
た後、この溶液をメタノール中に加えることによって、
再沈殿させる。得られた沈殿物をろ別し、エタノールお
よび純水で洗浄した後乾燥させることによって、Ｅｕ錯
体ポリマと思われる化合物が得られる。

【０１１０】この例では、この化合物は６．３ｇ得ら
れ、目的の化合物であれば収率は７０％程度となる。ま
た、このポリマは分子量が、重量平均分子量でいって、
１０，０００〜１００，０００の間のものと思われる。

【０１１１】次に、この有機金属錯体をイミド化する。
そのため、上記得られたＥｕ錯体ポリマをＤＭＡｃに溶
解して、Ｅｕ錯体ポリマの濃度が３０重量％の塗布液を
調製する。その後、Ｓｉ基板上にスピンコート法により
この塗布液を塗布する。ここでは、２０００回転／分の
回転速度で、４０秒間回転させる。その後、このＳｉウ
エハを、真空度１×１０^ー2Ｔｏｒｒの真空中で３００℃
の温度で２時間、加熱することによって、塗布膜をイミ
ド化する。これにより、上記のＥｕ錯体ポリマをイミド
化したポリイミド膜と思われる、膜厚が４μｍの膜が得
られた。イミド化した後のポリマの分子量は、イミド化
する前と比較して大差ないと考えられる。このため、こ
の目的のポリマ（第２のポリマ）は、分子量が、重量平
均分子量でいって、１０，０００〜１００，０００の範
囲のものと思われる。

【０１１２】この膜についてＦＴ−ＩＲ測定を行ってこ
の膜が上記ポリイミド膜であることを確認する。具体的
には、シリコン基板上に上記同様に膜形成およびイミド
化をし、このイミド化膜に対してＦＴ−ＩＲ測定を行
う。

【０１１３】ＦＴ−ＩＲ測定を行う装置としてＪＡＳＣ
Ｏ社製のＦＴ／ＩＲ４１０（型番）を用いる。

【０１１４】この測定の結果、波数１６７０ｃｍ^ー1付近
にイミド基由来のピークが見られた。このため、得られ
た膜はポリイミド膜であることが分かる。また、この膜
を構成しているポリマは、下記の（３ａ）式で示される
構造を含むものと推定される。

【０１１５】

【化１５】

【０１１６】また、上記のポリイミド膜を構成している
ポリマの熱に対する特性を調べるため、第１の実施例で
説明した装置を用いて熱分析を行う。この結果、このポ
リマのガラス転移温度は３５０℃であることが分かっ
た。これより、このポリマは耐熱性に優れる材料である
ことが分かる。

【０１１７】次に、このポリマが光増幅効果を有するか
どうか確認するために、光励起発光スペクトルの測定を
行う。具体的には、上記のポリイミド膜を発振波長３３
７ｎｍの窒素レーザを用いて励起させる。その結果、６
１５ｎｍにピークを有する半値全幅５ｎｍの発光スペク
トルが得られた。さらに、発光寿命（パルス励起直後の
発光強度が、その３７％まで減少するのに要する時間）
は０．８ｍｓであった。この発光寿命は、通常の色素系
化合物（例えばフルオレセイン、ローダミン等）の場合
に比べ、１０⁴ 〜１０⁶ 倍程度長いことから、光増幅作
用を起こすのに必要な反転分布状態を容易に形成できる
ことを示している。

【０１１８】７．第７の実施例 上述の第６の実施例で用いたビフタル酸無水物の代わり
に、４，４’−（ヘキサフルオロイソプロピリデン）ジ
フタル酸無水物を用いること以外は、第６の実施例と同
様にして、第２のポリマを合成し、かつ、光励起発光ス
ペクトルの測定を行う。

【０１１９】この結果、この第７の実施例の場合も第６
の実施例と同様な結果を得ることができた。

【０１２０】なお、この第７の実施例で得られたポリマ
は、下記の（３ｂ）式で示される構造を含むものと推定
される。

【０１２１】

【化１６】

【０１２２】８．第８の実施例 酸無水物としてビフタル酸無水物を用い、２つのアミノ
基を有するβ−ジケトンとしてジ（４−アミノベンゾイ
ル）メタンを用いる発明について説明する。

【０１２３】先ず、このジアミンとして３，５−ジアミ
ノ−１−安息香酸を用いる発明について説明する。

【０１２４】先ず、ジ（４−アミノベンゾイル）メタン
を以下のように合成する。ｐ−アミノ安息香酸エチル
５．００ｇ（０．０３ｍｏｌ）と、ｐ−アセチルアニリ
ン４．０９ｇ（０．０３ｍｏｌ）とを、溶媒としてのジ
エチルエーテル１００ｍｌに加えた後、さらに、２ｇの
ナトリウムメトキシドを加える。この溶液を室温で１日
攪拌することにより、ｐ−アミノ安息香酸エチルとｐ−
アセチルアニリンとを反応させる。この後、反応液をｐ
Ｈが約３の希塩酸を用いて弱酸性にする。続いて、純水
とエーテルを用いて分液ろうとによって分液を行う。こ
の分液で得た有機層に無水硫酸ナトリウムを加えて、こ
の有機層を乾燥させる。これにより、２つのアミノ基を
有するβ−ジケトンの１種であるジ（４−アミノベンゾ
イル）メタンが得られる。

【０１２５】次に、このジ（４−アミノベンゾイル）メ
タンとビフタル酸無水物とから低温溶液重合法によりポ
リアミド酸を合成する。

【０１２６】そのため、ビフタル酸無水物３．５０ｇ
（０．０１２ｍｏｌ）と、ジ（４−アミノベンゾイル）
メタン３．００ｇ（０．０１２ｍｏｌ）とを、溶媒であ
るＤＭＡｃに溶解させる。この溶液を４℃で６時間攪拌
することにより重合反応させる。その後、反応液を多量
のメタノール中に加える。これにより、反応液中に沈殿
が生じる。

【０１２７】この沈殿物をろ別して乾燥させた後、以下
のように精製する。先ず、採取した沈殿物を２ｍｌのＤ
ＭＡｃに溶解させる。その後、この溶液を多量のメタノ
ール中に加えて再び沈殿を生じさせる。この沈殿物をエ
タノールで洗浄し、さらに純水で洗浄した後、乾燥させ
ることによって、ポリアミド酸と思われる化合物が得ら
れる。この例では、ポリアミド酸が７．０ｇ得られ、そ
の収率は９８％であった。

【０１２８】次に、このポリアミド酸と塩化ユーロピウ
ムとを反応させて有機金属錯体を製造する。

【０１２９】そのため、上記合成したポリアミド酸６．
４ｇをＤＭＡｃ２０ｍｌに溶解させ、この溶液に濃度
１．５重量％の塩化ユーロピウム水溶液を１０ｍｌ加え
る。その後、この混合溶液を攪拌しながら、この混合溶
液にメタノールを徐々に加えていく。これにより、この
混合溶液中に沈殿が生じる。

【０１３０】この沈殿物を２ｍｌのＤＭＡｃに溶解させ
た後、この溶液をメタノール中に加えることによって、
再沈殿させる。得られた沈殿物をろ別し、エタノールお
よび純水で洗浄した後乾燥させることによって、Ｅｕ錯
体ポリマと思われる化合物が得られる。

【０１３１】この例では、この化合物は５．５ｇ得ら
れ、目的の化合物であれば収率は７４％程度となる。ま
た、このポリマは分子量が、重量平均分子量でいって、
１０，０００〜１００，０００の間のものと思われる。

【０１３２】次に、この有機金属錯体をイミド化する。
そのため、上記得られＥｕ錯体ポリマをＤＭＡｃに溶解
して、Ｅｕ錯体ポリマの濃度が３０重量％の塗布液を調
製する。その後、Ｓｉ基板上にスピンコート法によりこ
の塗布液を塗布する。ここでは、２０００回転／分の回
転速度で、４０秒間回転させる。その後、このＳｉウエ
ハを、真空度１×１０^ー2Ｔｏｒｒの真空中で３００℃の
温度で２時間、加熱することによって、塗布膜をイミド
化する。これにより、上記のＥｕ錯体ポリマをイミド化
したポリイミド膜と思われる、膜厚が４μｍの膜が得ら
れた。イミド化した後のポリマの分子量は、イミド化す
る前と比較して大差ないと考えられる。このため、この
目的のポリマ（第２のポリマ）は、分子量が、重量平均
分子量でいって、１０，０００〜１００，０００の範囲
のものと思われる。

【０１３３】この膜についてＦＴ−ＩＲ測定を行ってこ
の膜が上記ポリイミド膜であることを確認する。

【０１３４】ＦＴ−ＩＲ測定を行う装置としてＪＡＳＣ
Ｏ社製のＦＴ／ＩＲ４１０（型番）を用いる。

【０１３５】この測定の結果、波数１６７０ｃｍ^ー1付近
にイミド基由来のピークが見られた。このため、得られ
た膜はポリイミド膜であることが分かる。また、この膜
を構成しているポリマは、下記の（３ｃ）式で示される
構造を含むものと推定される。

【０１３６】

【化１７】

【０１３７】また、上記のポリイミド膜を構成している
ポリマの熱に対する特性を調べるため、第１の実施例で
説明した装置を用いて熱分析を行う。この結果、このポ
リマのガラス転移温度は３６５℃であることが分かっ
た。これより、このポリマは耐熱性に優れる材料である
ことが分かる。

【０１３８】次に、このポリマが光増幅効果を有するか
どうか確認するために、光励起発光スペクトルの測定を
行う。具体的には、上記のポリイミド膜を発振波長３３
７ｎｍの窒素レーザを用いて励起させる。その結果、６
１５ｎｍにピークを有する半値全幅５ｎｍの発光スペク
トルが得られた。さらに、発光寿命（パルス励起直後の
発光強度が、その３７％まで減少するのに要する時間）
は０．８ｍｓであった。この発光寿命は、通常の色素系
化合物（例えばフルオレセイン、ローダミン等）の場合
に比べ、１０⁴ 〜１０⁶ 倍程度長いことから、光増幅作
用を起こすのに必要な反転分布状態を容易に形成できる
ことを示している。

【０１３９】９．第９の実施例 上述の第８の実施例で用いたビフタル酸無水物の代わり
に、４，４’−（ヘキサフルオロイソプロピリデン）ジ
フタル酸無水物を用いること以外は、第８の実施例と同
様にして、第２のポリマを合成し、かつ、光励起発光ス
ペクトルの測定を行う。

【０１４０】この結果、この第９の実施例の場合も第８
の実施例と同様な結果を得ることができた。

【０１４１】なお、この第９の実施例で得られたポリマ
は、下記の（３ｄ）式で示される構造を含むものと推定
される。

【０１４２】

【化１８】

【０１４３】１０．第１０の実施例 次に、第６の実施例で合成したＥｕ錯体ポリマを用い
て、第４の実施例で説明した構造（図３を用いて説明し
た構造）を有する光増幅素子を製造して、その光増幅効
果を確認する。

【０１４４】先ず、この光増幅素子の作製手順を説明す
る。基板として直径３インチのＳｉウエハを用いる。ス
ピンコート法により１０μｍ厚のＥｕイオンを含まない
ポリイミドポリマよりなるクラッドを形成する。このク
ラッドは、このクラッドを構成するポリイミドの前駆体
であるポリアミド酸の塗布膜を、Ｓｉ基板上に形成後、
窒素雰囲気で３００℃の温度で熱処理することで形成す
る。

【０１４５】次に、このクラッド上に、１０μｍ厚の、
第６の実施例で合成したＥｕ錯体ポリマ層を形成する。
そして、これを、窒素雰囲気で３００℃の温度で熱処理
することで、Ｅｕイオンを含むポリイミド層を得る。次
に、この層上に５μｍ厚のレジスト層を形成する。

【０１４６】次に、このレジスト層を、第４の実施例で
説明したコア５１のパターンを有したマスクで覆い、そ
の後、ホトリソエッチングのプロセスによってレジスト
パターンを形成する。ここでは、１素子に対応するマス
クの大きさは長さ５０ｍｍ、幅５ｍｍで、同じパターン
を１０個並列に配置することで５０ｍｍ×５０ｍｍの領
域に素子を形成する。

【０１４７】次に酸素プラズマを用いた反応性イオンエ
ッチング（ＲＩＥ）法により、このレジストパターンを
マスクとしてＥｕイオンを含む上記ポリイミド層をエッ
チングする。ＲＩＥの条件は、ＲＦ出力４０Ｗ、ガス圧
６．７Ｐａ、酸素ガス流量２００ｓｃｃｍであった。次
に下部クラッドと同じ材質のポリイミドポリマを１０μ
ｍ厚に形成した。これは同じく前駆体であるポリアミド
酸をスピンコートした後、窒素雰囲気下３００℃で熱処
理することでポリマ化した。このようにして上部クラッ
ドを形成した。

【０１４８】最後に、ウエハから、ダイシングにより、
５０ｍｍ×５ｍｍの素子を１０個切り出して、１０個の
光増幅素子を得た。

【０１４９】次に、第４の実施例において図３を用いて
説明した光増幅特性の測定手順と同様な手順で、この第
１０の実施例の光増幅素子の光増幅特性を測定する。す
なわち、信号光として、中心発光波長６３０ｎｍの発光
ダイオード、励起光として発振波長３２５ｎｍの連続発
振Ｈｅ−Ｃｄレーザを用いる。光増幅素子の出力端後段
には、励起光の透過を遮断するためのフィルタを配置す
る。そして、光増幅特性を測定する。

【０１５０】励起光の強度を２０ｍＷとして測定をした
ところ、１０μＷの信号光Ｌｓに対し、１００μＷの出
力光が得られることが分かった。従って、第１０の実施
例によれば、増幅利得１０ｄＢの光増幅素子が実現され
る。

【０１５１】この第１０の実施例の光増幅素子５０によ
れば、作用長が５０ｍｍであるにもかかわらず、１０ｄ
Ｂという利得が得られる。石英系光ファイバ用のファイ
バ型光増幅器で１０ｄＢという利得を得るためには、約
１ｍという作用長が必要であったことと比べると、非常
に短い作用長で光増幅作用が得られることが理解でき
る。この理由は、本発明が構造中に希土類イオンを元々
含むポリマを用いたことで、高密度にかつ凝集なく均質
に希土類イオンをコア中に導入できたためと推定され
る。

【０１５２】また、この光増幅素子の熱安定性を調べる
ために、上記の光増幅特性を終えた後にこの素子を２０
０℃の恒温槽中に１０時間放置した後、再度光増幅特性
を上記の要領で行ったところ、増幅利得に有意な変化は
見られなかった。従って、この光増幅素子は、熱安定性
に優れたるものであることが分かる。

【０１５３】なお、第７〜第９の実施例で説明したポリ
マを用いてこの第１０の実施例と同様に光増幅素子を作
製し、かつ、光増幅特性を測定した場合も、この第１０
の実施例と同様な特性を得ることができた。

【０１５４】また、この第６〜第９の実施例で説明した
ポリマを用いて、図４を参照して説明した光回路を構成
した場合も、損失の少ない光分岐が可能な光回路を実現
できる。

【０１５５】上述においては、この出願の各発明の実施
の形態および実施例について説明したが、これら発明は
上述の実施の形態および実施例に何ら限定されるもので
はなく、多くの変形または変更を加えることができる。

【０１５６】例えば、第６〜第９の実施例で説明した、
酸無水物と、カルボニル基を有するジアミン、または２
つのアミノ基を有するβ−ジケトンとを出発物質として
合成した第２のポリマを用いる発明では、酸無水物とし
て、ピロメリット酸を用いても良い。ピロメリット酸を
用いた場合に得られる第２のポリマは、上記（３）式で
示される構造であって、（３）式中のＡｒが上記（III)
式で示されるものとなった構造を含むモリマと推定され
る。

【０１５７】

【発明の効果】上述した説明から明らかなように、この
発明の光増幅素子によれば、構造中に元々希土類イオン
を含有している特定のポリマを用いて光増幅部を構成し
てある。また、この発明の光増幅材料によれば、構造中
に元々希土類イオンを含有している特定のポリマからな
る。

【０１５８】そのため、ＰＯＦで使用される波長光に対
して光増幅作用を示す。然も、光増幅のための作用長
を、例えばファイバ型光増幅器に比べて、短かくでき
る。然も、基板上に光増幅部としてのコアを具えたいわ
ゆる平面型の光増幅素子を容易に実現できる。

【０１５９】従って、この発明によれば、ＰＯＦ用の光
増幅器として好適で、かつ、小型で、かつ、光集積回路
を構築し易い新規な光増幅素子および光増幅材料を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第２の実施例を説明する図であり、光増幅素子
の一構成例およびその一製造方法を説明する図である。

【図２】第３の実施例を説明する図であり、光増幅素子
の他の製造方法を説明する図である。

【図３】第４の実施例を説明する図であり、光増幅素子
の他の構成例を説明する図である。

【図４】第５の実施例を説明する図であり、光増幅素子
と光分岐素子とを集積化した光回路の実施例を説明する
図である。

【符号の説明】

１１：基板 １３：下部クラッド層 １５：有機金属錯体を重合させたポリマ層 １５ａ：光増幅部（コア） １７：レジスト層 １９：マスク ２１：紫外線 ２３：酸素プラズマ ２５：上部クラッド ２７：光増幅素子 ３１：基板 ３３：混合物の層 ３３ａ：光増幅部（コア） ３３ｂ：クラッド層 ３５：マスク ３７：紫外線 ３９：クラッド層 ４１：光増幅素子 ５０：光増幅素子 ５１：コア ５１ａ：第１の部分 ５１ｂ：第２の部分 ５１ｃ：第３の部分 Ｌｓ：信号光 Ｌｐ：励起光 Ｌｏ：出力光 ６０：波長フィルタ ７０：光回路 ７１：光増幅素子 ７３：コア ７３ａ：第１の部分 ７３ｂ：第２の部分 ７３ｃ：第３の部分 ７５：光分岐素子 ７７：Ｎ分岐導波路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小谷野 武 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電気 工業株式会社内 (72)発明者 前野 仁典 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電気 工業株式会社内 (72)発明者 見田 充郎 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電気 工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5F072 AB20 AK04 AK07 JJ20 KK30 RR03 YY20

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記の（１）式で示す有機金属錯体を重
   合させたポリマで構成した光増幅部を具えることを特徴
   とする光増幅素子（ただし、（１）式中のＲは、水素ま
   たは炭素数が１〜２０のアルキル基である。）。 【化１】
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光増幅素子において、 前記ポリマが、下記の（１ａ）式で示すメタクリル酸ユ
   ーロピウムを重合させたポリマであることを特徴とする
   光増幅素子。 【化２】
3. 【請求項３】 請求項１に記載の光増幅素子において、 該光増幅素子は、基板と、該基板上に形成された、前記
   光増幅部としてのコアおよび該コアを埋め込むクラッド
   とを具えた平面型の素子であることを特徴とする光増幅
   素子。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の光増幅素子において、 前記クラッドがポリマであることを特徴とする光増幅素
   子。
5. 【請求項５】 請求項３に記載の光増幅素子において、 前記コアは、信号光を入力する第１の部分と、励起光を
   入力する第２の部分と、前記第１および第２の部分に光
   学的に接続され前記信号光および励起光を伝播する第３
   の部分とを含むコアであることを特徴とする光増幅素
   子。
6. 【請求項６】 請求項３に記載の光増幅素子と、該光増
   幅素子の前記コアの出力端に接続され該コアと同じ材料
   で構成されたＮ分岐導波路を含む光分岐素子とを、前記
   基板に一体に具えることを特徴とする光回路（ただし、
   Ｎは２以上の整数である。）。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の光回路において、 前記コアは、信号光を入力する第１の部分と、励起光を
   入力する第２の部分と、前記第１および第２の部分に光
   学的に接続され信号光および励起光を伝播する第３の部
   分とを含み、 前記Ｎ分岐導波路は前記第３の部分に接続されているこ
   とを特徴とする光回路。
8. 【請求項８】 下部クラッドとしての下地上に、下記の
   （１）式で示す有機金属錯体を重合させたポリマの膜
   を、形成する工程と、 前記ポリマの膜をパターニングして、前記ポリマで構成
   した光増幅部としてのコアを形成する工程と、 該コアを含む下地上に、上部クラッドを形成して、該コ
   アをクラッドにより埋め込む工程とを含むことを特徴と
   する光増幅素子の製造方法。 【化３】
9. 【請求項９】 ホストポリマ、下記の（１）式で示す有
   機金属錯体および重合開始剤を含む層を、下地上に形成
   する工程と、 該層の所定領域に選択的に光を照射して、該所定領域に
   （１）式で示す有機金属錯体を重合させたポリマからな
   る光増幅部としてのコアを形成する工程と、 該コアの形成が済んだ試料を減圧雰囲気に入れ、前記層
   中に残存する前記有機金属錯体を揮発除去する工程とを
   含むことを特徴とする光増幅素子の製造方法。 【化４】
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の光増幅素子の製造方
    法において、 有機金属錯体を揮発除去する前記工程の後に、該試料上
    に上側クラッドを形成する工程をさらに含むことを特徴
    とする光増幅素子の製造方法。
11. 【請求項１１】 請求項８または１０に記載の光増幅素
    子の製造方法において、 前記有機金属錯体が、下記の（１ａ）式で示すメタクリ
    ル酸ユーロピウムであることを特徴とする光増幅素子の
    製造方法。 【化５】
12. 【請求項１２】 下記の（１）式で示す有機金属錯体を
    重合させたポリマからなることを特徴とする光増幅材
    料。 【化６】
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の光増幅材料におい
    て、 前記ポリマが、下記の（１ａ）式で示すメタクリル酸ユ
    ーロピウムを重合させたポリマであることを特徴とする
    光増幅材料。 【化７】
14. 【請求項１４】 酸無水物と、カルボニル基を有するジ
    アミン、または２つのアミノ基を有するβ−ジケトンと
    から、低温溶液重合法によりポリアミド酸を製造し、 このポリアミド酸と塩化ユーロピウムとを反応させて有
    機金属錯体を製造し、 この有機金属錯体をイミド化して得たポリマで構成した
    光増幅部を具えることを特徴とする光増幅素子。
15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の光増幅素子におい
    て、 前記酸無水物を、ビフタル酸無水物とし、 前記ジアミンまたはβ−ジケトンを、３，５−ジアミノ
    −１−安息香酸とすることを特徴とする光増幅素子。
16. 【請求項１６】 請求項１４に記載の光増幅素子におい
    て、 前記酸無水物を、４，４’−（ヘキサフルオロイソプロ
    ピリデン）ジフタル酸無水物とし、 前記ジアミンまたはβ−ジケトンを、３，５−ジアミノ
    −１−安息香酸とすることを特徴とする光増幅素子。
17. 【請求項１７】 請求項１４に記載の光増幅素子におい
    て、 前記酸無水物を、ビフタル酸無水物とし、 前記ジアミンまたはβ−ジケトンを、ジ（４−アミノベ
    ンゾイル）メタンとすることを特徴とする光増幅素子。
18. 【請求項１８】 請求項１４に記載の光増幅素子におい
    て、 前記酸無水物を、４，４’−（ヘキサフルオロイソプロ
    ピリデン）ジフタル酸無水物とし、 前記ジアミンまたはβ−ジケトンを、ジ（４−アミノベ
    ンゾイル）メタンとすることを特徴とする光増幅素子。
19. 【請求項１９】 請求項１４に記載の光増幅素子におい
    て、 該光増幅素子は、基板と、該基板上に形成された、前記
    光増幅部としてのコアおよび該コアを埋め込むクラッド
    とを具えた平面型の素子であることを特徴とする光増幅
    素子。
20. 【請求項２０】 請求項１９に記載の光増幅素子におい
    て、 前記クラッドがポリマであることを特徴とする光増幅素
    子。
21. 【請求項２１】 請求項１９に記載の光増幅素子におい
    て、 前記コアは、信号光を入力する第１の部分と、励起光を
    入力する第２の部分と、前記第１および第２の部分に光
    学的に接続され前記信号光および励起光を伝播する第３
    の部分とを含むコアであることを特徴とする光増幅素
    子。
22. 【請求項２２】 請求項１９に記載の光増幅素子と、該
    光増幅素子の前記コアの出力端に接続され該コアと同じ
    材料で構成されたＮ分岐導波路を含む光分岐素子とを、
    前記基板に一体に具えることを特徴とする光回路（ただ
    し、Ｎは２以上の整数である。）。
23. 【請求項２３】 請求項２２に記載の光回路において、 前記コアは、信号光を入力する第１の部分と、励起光を
    入力する第２の部分と、前記第１および第２の部分に光
    学的に接続され信号光および励起光を伝播する第３の部
    分とを含み、 前記Ｎ分岐導波路は前記第３の部分に接続されているこ
    とを特徴とする光回路。
24. 【請求項２４】 酸無水物と、カルボニル基を有するジ
    アミン、または２つのアミノ基を有するβ−ジケトンと
    から、低温溶液重合法によりポリアミド酸を製造し、 このポリアミド酸と塩化ユーロピウムとを反応させて有
    機金属錯体を製造し、 該有機金属錯体または該有機金属錯体をイミド化して得
    たポリマからなることを特徴とする光増幅材料。
25. 【請求項２５】 請求項２４に記載の光増幅材料におい
    て、 前記酸無水物を、ビフタル酸無水物とし、 前記ジアミンまたはβ−ジケトンを、３，５−ジアミノ
    −１−安息香酸とすることを特徴とする光増幅材料。
26. 【請求項２６】 請求項２４に記載の光増幅材料におい
    て、 前記酸無水物を、４，４’−（ヘキサフルオロイソプロ
    ピリデン）ジフタル酸無水物とし、 前記ジアミンまたはβ−ジケトンを、３，５−ジアミノ
    −１−安息香酸とすることを特徴とする光増幅材料。
27. 【請求項２７】 請求項２４に記載の光増幅材料におい
    て、 前記酸無水物を、ビフタル酸無水物とし、 前記ジアミンまたはβ−ジケトンを、ジ（４−アミノベ
    ンゾイル）メタンとすることを特徴とする光増幅材料。
28. 【請求項２８】 請求項２４に記載の光増幅材料におい
    て、 前記酸無水物を、４，４’−（ヘキサフルオロイソプロ
    ピリデン）ジフタル酸無水物とし、 前記ジアミンまたはβ−ジケトンを、ジ（４−アミノベ
    ンゾイル）メタンとすることを特徴とする光増幅材料。