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JP2004037990A - 光導波路及びその製造方法 - Google Patents

光導波路及びその製造方法 Download PDF

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JP2004037990A
JP2004037990A JP2002197145A JP2002197145A JP2004037990A JP 2004037990 A JP2004037990 A JP 2004037990A JP 2002197145 A JP2002197145 A JP 2002197145A JP 2002197145 A JP2002197145 A JP 2002197145A JP 2004037990 A JP2004037990 A JP 2004037990A
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古川　昭雄
Takeshi Shimoda
下田　毅
Yukari Deki
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Abstract

【課題】導波路型の光増幅器においてより高い利得が得られるようにする。
【解決手段】本実施の形態の光導波路では、コア３内に希土類元素および希土類元素クラスター化防止や帯域拡大に寄与する修正元素を同時に添加し、希土類元素の濃度は、中心近傍で高く、周辺に向かって徐々に減少する状態とし、修正元素は希土類元素の濃度分布と同様な分布とする。希土類元素の濃度は、コア３の光導波方向に垂直な平面内の、基板１の面方向のＸ軸（幅方向）と基板１の面の法線方向のＹ軸（高さ方向）とで形成される座標系において、Ｘ方向にもＹ方向にも徐々に減少している。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面型導波路を用いた光導波路及びその製造方法に関し、特にガラスからなる導波路中に希土類を添加することで光増幅作用を備えた光導波路及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅器は、電気回路を通さずに光を直接増幅し、しかも広い波長範囲に渡って増幅するため、近年の長距離の波長多重通信において非常に重要なデバイスとなっている。現在は、エルビウム等の希土類元素を添加したファイバーを用いた光増幅器が主に使われており、高い増幅利得や低いノイズ特性などを有した高品質のものが提供されている。
【０００３】
このような中で、より小型化を目指して平面光導波路に希土類元素を添加した光増幅器が開発されるようになってきており、より高い利得とより広い増幅帯域のを目指した光増幅器の開発が行われている。光増幅器の小型化と高利得化を両立させるためには、添加する希土類元素の濃度を大きくすればよい。
光増幅器では、外部から励起光を光増幅部に導入して希土類の電子を励起し、信号光でそれを緩和させて誘導放出により元の信号光の強度を増大している。このため、効率よく利得を大きくするためには、より多くの励起準位を導波路の中に設ければよく、従って、励起準位を作る源となるエルビウム等の希土類元素をより多く導波路内に導入することで、小型化と高利得化とが両立できるようになる。
【０００４】
ところが、希土類は、高濃度に導波路ガラス内に添加された場合に、クラスター化する特性がある。希土類がクラスター化すると、励起準位が変化し、所望の波長での励起に寄与する希土類元素の数が実質的に減少し、増幅利得が低下する。このため、小型化と高利得化とを両立させるためには、クラスターを抑制した状態で、導波路ガラス内の希土類濃度を高くすればよいことになる。
【０００５】
光増幅器に要求される重要な特性として、高い利得とともに、増幅波長帯域が広いことがあげられる。波長多重通信においては、例えば０．８ｎｍ間隔で４０種の波長の光信号が使用され、合計で３２ｎｍの波長帯域が使用されていることになる。このような波長多重通信で用いられる光増幅器では、３２ｎｍ以上の範囲の帯域で利得を増幅する機能が要求される。
【０００６】
ここで、添加された希土類のクラスター化抑制と光増幅器の広帯域化のために、導波路ガラスに希土類以外の元素を導入した例が報告されている（文献１：特開平９−１０５９６５号公報）。文献１においては、希土類以外の少なくとも２つの元素を導波路のコアに添加している。この２つの元素は、ＬａやＡｌやＧａなどの、ＩＩＩＢ属，ＩＶＢ属，ＩＩＩＡ属の元素である。これらの元素は、希土類元素と同時にコア中に存在することにより、希土類のクラスター化を抑制し、励起準位をブロードにして増幅波長帯域を拡大する効果が得られる。これらの元素は、コア中に均一に添加されている。
【０００７】
また、希土類元素をコアの中心層のみに添加することで、広帯域化と高い増幅効果とを得ようとする技術も提案されている（文献２：特開平４−３５９２３０号公報）。文献２に示された技術においては、クラスター化抑制や広帯域化するための助成元素も同時にコアの中心層のみに添加し、これらの上下のコア部には希土類元素も助成元素も導入しないようにしている。これは、希土類元素を励起する励起光強度分布がコア中心部で高いため、このコア中心部分に選択的に希土類を添加することで、励起効率を高めて高利得化を図るようにしたものである。
【０００８】
光強度の弱い領域に多くのＥｒ元素があってもこの領域に添加されているすべてのＥｒ元素は、励起しきれないため、逆に光の吸収に寄与してしまう。このため、上記技術においては、光強度の強い中心部以外にはＥｒを添加していないようにしている。また、助成元素は、希土類含有層にあればよく、上記技術では、コアの中心部以外の領域には、光吸収に寄与してしまうために添加しないようにしている。
【０００９】
また、希土類元素をコアの中で分布させ、励起光率を高めようとする技術も提案されている（文献３：特開平６−２８１９７号公報）。文献３に示された技術においては、コア中心部で高濃度に、コア周辺部では低濃度にＥｒが添加されている。これは、Ｅｒ元素を励起する励起光強度分布がコア中心部で高く周辺で弱いため、コア中心部に多く周辺部に少なくＥｒを添加することで、励起光率を高めて高利得化を図るようにしたものである。この技術によれば、最高濃度と最低濃度の比が２倍以上となるように、コア内でのＥｒの濃度を分布させている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、より多くの機能をより小型な装置で実現することが要求されている中で、上述した光増幅器も、より小型化することが要求されている。上述したような導波路型の光増幅器では、導波路方向の単位長さ当たりの利得をより大きくすることで光増幅器を短く小型化するようにしている。このように、近年の小型化の要求に対応するためには、光増幅器のさらなる高利得化が必要となっている。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、導波路型の光増幅器においてより高い利得が得られるようにすることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光導波路は、基板上に形成されたクラッドと、このクラッド中に配置されたコアとから構成され、コアは、中心部より周辺部にかけて徐々に濃度が減少する濃度分布を備えた希土類元素と、コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなる修正元素とが添加されているようにしたものである。
ここで、修正元素は、コア内に均一に添加されていてもよく、コア内の希土類元素の濃度分布に同様の分布でコア内に添加されていてもよい。また、修正元素は、Ａｌ，Ｂ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｂｉ，Ｎ，Ｐ，Ｙｂの何れかであればよい。
【００１３】
この光導波路によれば、主に、コアの中心部で光信号が増幅される。この光導波路において、例えば、コアにおける希土類元素の濃度分布は、コアを伝搬する光の強度分布と同様の分布、または、ガウス分布、または、ガウス分布からの偏差の割合が±３０％以内の分布の何れかの分布の範囲であればよい。修正元素の濃度分布は、均一でも光強度分布と同様の分布であってもよい。
【００１４】
本発明の他の形態に係る光導波路は、基板上に形成されたクラッドと、このクラッド中に配置されたコアとから構成され、コアは、基板平面方向には中心部より周辺部にかけて濃度が均一であり、基板平面に垂直な方向には中心部より周辺部にかけて徐々に濃度が減少する濃度分布を備えた希土類元素と、コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなる修正元素とが添加されているようにしたものである。
【００１５】
この光導波路によれば、主に、コアの中心部で光信号が増幅される。この光導波路において、基板平面に垂直な方向のコアにおける希土類元素の濃度分布は、コアを伝搬する光の強度分布と同様の分布、または、ガウス分布、または、ガウス分布からの偏差の割合が±３０％以内の分布の何れかの分布の範囲であればよい。修正元素の濃度分布は、均一でも光強度分布と同様の分布であってもよい。
【００１６】
また、光導波路において、希土類元素は、Ｅｒ，Ｔｍ，Ｐｒ，Ｎｄの何れかであればよい。また、コアの主な成分は、酸化シリコン，酸化アルミニウム，酸化ビスマスの何れかであればよい。
【００１７】
本発明に係る光導波路の製造方法は、基板上に下クラッドを形成する工程と、下クラッド上にコアを形成する工程と、コアに、収束イオンビームを走査しながら希土類元素及び修正元素を注入し、この希土類元素及び修正元素がコアの中心部より周辺部にかけて徐々に濃度が減少する濃度分布を備えた状態とする工程と、下クラッド及びコア上に上クラッドを形成する工程とを備えるようにし、修正元素は、コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなるものとした。
【００１８】
また、本発明の他の形態に係る光導波路の製造方法は、基板上に下クラッドを形成する工程と、下クラッド上に、コアの主たる成分を含む第１のターゲットと、希土類元素を含む第２のターゲットと、修正元素を含む第３のターゲットとを用い、第２のターゲット及び第３のターゲットのスパッタ状態を変化させるスパッタリング法により、希土類元素の濃度が膜の中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少し、修正元素の濃度が膜の内部で一定の状態もしくは中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少する状態の何れかとなる濃度分布を備えたコアを形成する工程と、下クラッド及びコア上に上クラッドを形成する工程とを備えるようにし、修正元素は、コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなるものとした。なお、第２のターゲットと第３のターゲットは、希土類元素と修正元素とを同時に含む同一のターゲットから構成されたものとしてもよい。
【００１９】
また、本発明の他の形態に係る光導波路の製造方法は、基板上に下クラッドを形成する工程と、下クラッド上に、コアの主たる成分を含む第１のターゲットと、希土類元素を含む第２のターゲットと、修正元素を含む第３のターゲットとを用い、第２のターゲット及び第３のターゲットの蒸発状態を変化させるイオンプレーティング法により、希土類元素の濃度が膜の中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少し、修正元素の濃度が膜の内部で一定の状態もしくは中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少する状態の何れかとなる濃度分布を備えたコアを形成する工程と、下クラッド及びコア上に上クラッドを形成する工程とを備えるようにし、修正元素は、コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなるものとした。なお、第２のターゲットと第３のターゲットは、希土類元素と修正元素とを同時に含む同一のターゲットから構成されたものとしてもよい。
【００２０】
また、本発明の他の形態に係る光導波路の製造方法は、基板上に下クラッドを形成する工程と、下クラッド上に、コアの主たる成分を含む第１のターゲットと、希土類元素を含む第２のターゲットと、修正元素を含む第３のターゲットとを用い、第２のターゲットと第３のターゲットの蒸発量を変化させる蒸着法により、希土類元素の濃度が膜の中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少し、修正元素の濃度が膜の内部で一定の状態もしくは中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少する状態の何れかとなる濃度分布を備えたコアを形成する工程と、下クラッド及びコア上に上クラッドを形成する工程とを備えるようにし、修正元素は、コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなるものとした。なお、第２のターゲットと第３のターゲットは、希土類元素と修正元素とを同時に含む同一のターゲットから構成されたものとしてもよい。
【００２１】
また、本発明の他の形態に係る光導波路の製造方法は、基板上に下クラッドを形成する工程と、下クラッド上に、コアの主たる成分を含む第１のソースガスと、希土類元素を含む第２のソースガスと、修正元素を含む第３のソースガスとを導入する化学的気相成長法により、希土類元素の濃度が膜の中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少し、修正元素の濃度が膜の内部で一定の状態もしくは中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少する状態の何れかとなる濃度分布を備えたコアを形成する工程と、下クラッド及びコア上に上クラッドを形成する工程とを備えるようにし、修正元素は、コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなるものとした。
【００２２】
また、本発明の他の形態に係る光導波路の製造方法は、基板上に下クラッドを形成する工程と、下クラッド上に、中心部に高濃度に希土類元素及び修正元素が含まれたコアを形成する工程と、下クラッド及びコア上に上クラッドを形成する工程と、コアを加熱して希土類元素及び修正元素を拡散させることにより、希土類元素及び修正元素がコアの中心部より周辺部にかけて徐々に濃度が減少する濃度分布を備えた状態とする工程とを備えるようにし、修正元素は、コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなるものとした。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
＜実施の形態１＞
図１（ａ）は本発明の第１実施の形態における光導波路の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。この光導波路は、基板１上に形成された下クラッド２，コア３，及びコア３を覆うように形成された上クラッド４から構成され、コア３を含む領域にはコア３内を伝搬する信号光を増幅するための希土類元素が添加されている。コア３の屈折率は下クラッド２及び上クラッド４よりも大きく、基板１平面に平行な方向に延在している。
【００２４】
図１（ｂ），（ｃ）は、図１（ａ）に示す光導波路における導波路断面の希土類元素の濃度分布（プロファイル）を示す分布図である。図１（ｂ）は、コア３の光導波方向に垂直な平面内のコア３の導波方向に垂直な方向、すなわち、基板１を下方として基板１の情報にコア３が配設されているものとしたときのコア３の幅方向の濃度分布を示している。また、図１（ｃ）は、コア３の高さ方向の濃度分布を示している。
【００２５】
図１（ｂ），（ｃ）に示すように、本実施の形態の光導波路では、コア３に添加された希土類元素の濃度を、中心近傍で高く、周辺に向かって徐々に減少する状態とした。希土類元素の濃度は、コア３の光導波方向に垂直な平面内の、基板１の面方向のＸ軸（幅方向）と基板１の面の法線方向のＹ軸（高さ方向）とで形成される座標系において、Ｘ方向にもＹ方向にも徐々に減少している。希土類元素の濃度は、コア３の外側では急激にゼロになる必要はなく徐々に減少していてもよい。
【００２６】
本実施の形態では、希土類元素とともに、修正元素も添加している。まずＡｌとＰを添加しており、この濃度分布は、図２（ａ），図２（ｂ）に示すようにＸ方向，Ｙ方向に均一な濃度で添加した。また、修正元素の濃度はコアの外側では急激にゼロになる必要はなく徐々に減少していてもよい。加えて、本実施の形態の光導波路においては、図３に示すように、コア３におけるＡｌ及びＰの濃度分布を、Ｅｒの濃度分布にほぼ等しくなるようにしてもよい。
【００２７】
以下、図１に示した光導波路の具体例について説明する。まず、基板１は、シリコン基板である。下クラッド２は、膜厚１５μｍのＳｉＯ２から構成されたものであり、上クラッド４は、膜厚１０μｍのホウ素及びリンが添加されたＳｉＯ２（ＢＰＳＧ）である。また、コア３は、断面が２μｍ角の正方形であり、希土類元素としてエルビウム（Ｅｒ）が添加された酸化シリコンなどのシリカ系材料や、酸化アルミニウム，酸化ビスマスなどを主な成分として構成されたものである。
【００２８】
前述したように、コア３に添加されたＥｒの濃度は、コア３の中心部付近で最大（１×１０２０原子／ｃｍ３）となり、コア３の周辺に向かって徐々に減少している。Ｅｒの濃度は、コア３とクラッドの境界面では、１×１０１９原子／ｃｍ３まで徐々に減少している。また、Ｅｒの濃度は、Ｘ方向にもＹ方向に減少している。このように、本実施の形態では、希土類元素濃度分布をコア中心部では高く、周辺に行くに従い途中でゼロにすることはなく、減少するように濃度分布をもたせている。
【００２９】
コア３により構成される光導波路に導入する励起光は、導波路のコア３内で強度分布をもち、中心は強度が強く、コア３の周辺ほど強度は減少し、コア３の周辺の下クラッド２，上クラッド４にも一部侵入している。光信号の増幅は、励起光で励起された希土類元素のエネルギーの緩和により起るため、最も効率よく光増幅を行うためには、添加した希土類元素がすべて励起されることが好ましい。
【００３０】
コア３に添加された希土類元素の中で励起されないものがあると、これらは、信号光の吸収に寄与して光信号の減衰に寄与するため、光増幅の阻害要因となる。一方、コア３に添加した希土類元素が少なすぎれば、光導波路の単位長さ当たりの増幅率が少なくなり、増幅器が長く大型になってしまう。ここで、本実施の形態では、前述したように、コア３における希土類元素の分布を、コア３の中心ほど高く、周囲に行くほど減少するように構成し、コア３内部の励起光の光強度分布に対応するようにした。
【００３１】
このことにより、コア３の周辺に近い部分では、コア３を導波する励起光により励起されない希土類元素数を減少させ、励起光がコア３内の端から端まで有効に励起に寄与できるようになる。コア３内の光強度分布は、基本的にはガウス分布に近いので、よりよくは、コア３における希土類元素の濃度分布が、ほぼガウス分布となるようにすればよい。また、コア３の変形などにより光強度分布がガウス分布からはずれた場合であっても対応できるように、濃度分布範囲は、適当な幅を持ってガウス分布からはずれてもよい。はずれた分だけ利得の低下が見られるが、大きな低下にはならない。
【００３２】
なお、コア３に添加する希土類元素は、Ｅｒに限るものではなく、ツリウム（Ｔｍ）、プランジウム（Ｐｒ）、ネオジウム（Ｎｄ）などの、励起放射による信号光の増幅作用のある元素であってもよく、また、それらを複数添加してもよい。また上記のＥｒ濃度や基板及びクラッド材料ならびに寸法などは、本発明の一形態でありこれに限るものではない。
【００３３】
コア３に添加する元素は、ＥｒとともにＡｌ，Ｐをコア３内で一様な濃度分布で添加している。Ａｌの濃度は、ＳｉＯ２からなるコア３中のＳｉに対して１０％の濃度を添加し、Ｐの濃度はコア３中のＳｉに対して５％にした。
ＳｉＯ２に添加したＡｌは、希土類元素を高濃度に添加した時のクラスター化を抑制し、増幅波長帯域を拡大する両方の働きがある。このような働きを有する元素として、Ａｌの代わりにホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、イットリビウム（Ｙｂ）やこれらの酸化物などがあり、これらをコア３に添加するようにしてもよい。元素により両方の働きに対する効果の程度は異なるものの、両方の働きをもつ。
【００３４】
コア３に対し、これらのクラスター化抑制のための元素や増幅帯域増加のための修正元素を１つまたは２つ以上添加してもよいし、同様な機能を有するのであればその他の元素を添加してもよい。上記のＥｒ濃度，添加する修正元素，基板やクラッドの材料及び寸法などは一例であり、これらに限るものではない。
本実施の形態によると、クラスター化せずに添加できるＥｒ濃度は、修正元素のない場合と比べて２倍となり、導波路利得は２．０ｄＢ／ｃｍが得られた。また１ｄＢ／ｃｍ以上の増幅帯域は、３０ｎｍ以上が得られた。
【００３５】
コア３にＥｒとともに添加するＡｌ，Ｐのコア３内濃度分布は、Ｅｒの濃度分布にほぼ等しくなるようにしてもよい。この場合はのコア３におけるＡｌの濃度分布は、コア３中心付近ではＳｉＯ２中のＳｉに対して１０％の濃度を添加しており、Ｐの濃度分布は、コア３中心付近ではＳｉＯ２中のＳｉに対して５％にしている。
【００３６】
なお、本実施の形態において、本発明者らは、修正元素濃度分布は必ずしも正確に希土類元素濃度分布に比例している必要はなく、希土類元素濃度分布の比例値に対して±３０％以下の誤差範囲であれば効果は悪化しないことを確認している。この場合の光導波路の導波路利得は、コア３内に均一にＡｌ，Ｐなどの修正元素を添加した場合の２．０ｄＢ／ｃｍに対し、２．５ｄＢ／ｃｍに増加した。
【００３７】
＜実施の形態２＞
つぎに、本発明の他の形態について説明する。なお、本実施の形態においても、光導波路は図１（ａ）に示した構成である。
本実施の形態では、コア３内における希土類元素の濃度分布を、図４に示すようにした。まず、コア３の幅方向すなわち基板平面方向の濃度分布は、図４（ａ）に示すように、均一な状態とした。また、コア３の高さ方向、すなわち基板平面に垂直な方向の濃度分布は、図４（ｂ）に示すように、コア３の中心近傍で高く、周辺に向かって徐々に減少する状態とした。
【００３８】
希土類元素とともに添加する修正元素は、ＡｌとＰを添加しており、この濃度分布は、図２（ａ），図２（ｂ）に示すようにＸ方向，Ｙ方向に均一な濃度で添加した。また、希土類元素の濃度分布と同じようにＡｌ，Ｐを添加してもよく、基板平面方向の濃度分布は、図５（ａ）に示すように、均一な状態とし、コア３の高さ方向、すなわち基板平面に垂直な方向の濃度分布は、図５（ｂ）に示すように、コア３の中心近傍で高く、周辺に向かって徐々に減少してもよい。
【００３９】
以下、本実施の形態における光導波路の具体例について説明する。基本的には、前述した実施の形態と同様であり、基板１は、シリコン基板であり、下クラッド２は、膜厚１５μｍのＳｉＯ２から構成されたものであり、上クラッド４は、膜厚１０μｍのホウ素及びリンが添加されたＳｉＯ２（ＢＰＳＧ）である。また、コア３は、断面が２μｍ角の正方形であり、希土類元素としてＥｒが添加されたシリカ系材料から構成されたものである。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態では、シリカ系のコア３に添加するＥｒ濃度は、Ｘ方向（幅方向）には均一とした。また、Ｙ方向（高さ方向）にはコア３中心部付近で最大（１×１０２０原子／ｃｍ３）とし、コア３の周辺に向かって徐々に減少するようにし、コア３とクラッドの境界面では１×１０１９原子／ｃｍ３まで徐々に減少させた。
コア３に添加する修正元素はＡｌ，Ｐを用いてコア３内で一様な濃度分布で添加している。Ａｌの濃度は、コア３を構成しているＳｉＯ２中のＳｉに対して１０％の濃度を添加し、Ｐの濃度はＳｉＯ２中のＳｉに対して５％にした。この場合の光導波路の導波路利得は、１．５ｄＢ／ｃｍが得られた。
【００４１】
また、コア３にＥｒとともに添加するＡｌ，Ｐのコア３内濃度分布は、Ｅｒの濃度分布にほぼ等しくなるようにしてもよい。例えば、Ａｌ，Ｐのコア３内濃度分布は、コア３のＸ方向には均一な分布とし、Ｙ方向には周辺に向かって徐々に減少する状態とすればよい。この場合のコア３におけるＡｌの濃度分布は、コア３中心付近ではＳｉＯ２中のＳｉに対して１０％とし、Ｐの濃度分布は、コア３中心付近ではＳｉＯ２中のＳｉに対して５％としている。この場合の光導波路の導波路利得は、２．２ｄＢ／ｃｍが得られた。
なお、本実施の形態において、本発明者らは、修正元素濃度分布は必ずしも正確に希土類元素濃度分布に比例している必要はなく、希土類元素濃度分布の比例値に対して±３０％以下の誤差範囲であれば効果は悪化しないことを確認している。
【００４２】
＜実施の形態３＞
つぎに、本発明の他の形態について説明する。
本実施の形態では、コア３内における希土類元素の濃度分布を、図６（ｂ），（ｃ）に示すようにした。本実施の形態では、図６（ａ）に示すようなコア３内を伝搬する光強度分布に合わせ、コア３の高さ方向の濃度分布を、図６（ｃ）に示すように、コア３の中心近傍で高く、周辺に向かって徐々に減少する状態とする。一方、コア３の幅方向の希土類元素の濃度分布は、図６（ｂ）に示すように、周辺に向かって均一にした。修正元素のＡｌ，Ｐの濃度分布は、図２に示すように、コア３内で均一な分布や、図６に示すように、希土類元素と同様な分布にすればよい。
【００４３】
以下、本実施の形態における光導波路の具体例について説明する。本実施の形態においても前述した実施の形態と同様の構成であり、基板１は、シリコン基板であり、下クラッド２は、膜厚１５μｍのＳｉＯ２から構成されたものであり、上クラッド４は、膜厚１０μｍのホウ素及びリンが添加されたＳｉＯ２（ＢＰＳＧ）である。また、コア３は、断面が２μｍ角の正方形であり、希土類元素としてＥｒが添加されたシリカ系材料から構成されたものである。
【００４４】
ただし、本実施の形態では、シリカ系のコア３に添加するＥｒ濃度は、Ｘ方向には均一とし、Ｙ方向にはコア３中心部付近で最大（１×１０２０原子／ｃｍ３）となるようにし、コア３の周辺に向かって信号光の強度分布に比例して減少する構成とした。Ａｌ，Ｐの濃度分布については、Ａｌの場合は、コア３中心付近ではＳｉＯ２中のＳｉに対して１０％の濃度を添加しており、Ｐの濃度分布は、コア３中心付近ではＳｉＯ２中のＳｉに対して５％にしている。コア３内で均一な場合はこの濃度で分布し、希土類元素分布と同様な場合は、励起光分布のＹ方向分布と同様な分布となる。
【００４５】
Ａｌ，Ｐの濃度分布がコア内で均一な場合の光導波路の導波路利得は、１．６ｄＢ／ｃｍが得られ、励起光強度と同様な濃度分布の場合は２．３ｄＢ／ｃｍが得られた。
本実施の形態では、希土類の濃度分布は、Ｘ方向には均一、Ｙ方向には励起光強度と同様な分布としたが、両方向に対して励起光強度と同様な分布としてもよい。
【００４６】
＜実施の形態４＞
つぎに、本発明の他の形態について説明する。本実施の形態では、コア３において、まず、コア３の高さ方向の希土類元素の濃度分布は、図７（ｂ）に示すように、コア３の中心近傍で高く、周辺に向かってガウス分布に従って徐々に減少する状態とした。一方、コア３の幅方向の希土類元素の濃度分布は、図７（ａ）に示すように、周辺に向かって均一にした。従って、本実施の形態における光導波路は、図６に示す濃度分布とした形態とほぼ同様の効果が得られる。修正元素のＡｌ，Ｐの濃度分布は、図２に示すようにコア３内で均一な分布としてもよく、図７に示すように希土類元素と同様な分布としてもよい。
【００４７】
以下、本実施の形態における光導波路の具体例について説明する。本実施の形態においても前述した実施の形態と同様の構成であり、基板１は、シリコン基板であり、下クラッド２は、膜厚１５μｍのＳｉＯ２から構成されたものであり、上クラッド４は、膜厚１０μｍのホウ素及びリンが添加されたＳｉＯ２（ＢＰＳＧ）である。また、コア３は、断面が２μｍ角の正方形であり、希土類元素としてＥｒが添加されたシリカ系材料から構成されたものである。
【００４８】
本実施の形態では、シリカ系のコア３に添加するＥｒ濃度は、Ｘ方向には均一となるようにし、Ｙ方向にはコア３中心部付近で最大（１×１０２０原子／ｃｍ３）となるようにし、コア３の周辺に向かってガウス分布状に減少するようにし、コア３とクラッドの境界面では１×１０１９原子／ｃｍ３になるようにした。Ａｌ，Ｐの濃度分布については、Ａｌの場合は、コア３中心付近ではＳｉＯ２中のＳｉに対して１０％の濃度を添加しており、Ｐの濃度分布は、コア３中心付近ではＳｉＯ２中のＳｉに対して５％にしている。コア３内で均一な場合は、この濃度で分布し、希土類元素分布と同様な場合は、ガウス分布となる。
【００４９】
Ａｌ，Ｐの濃度分布がコア内で均一な場合の光導波路の導波路利得は、１．６ｄＢ／ｃｍが得られ、励起光強度と同様な濃度分布の場合は２．３ｄＢ／ｃｍが得られた。
本実施の形態では、希土類の濃度分布は、Ｘ方向には均一、Ｙ方向にはガウス分布としたが、両方向に対してガウス分布としてもよい。
【００５０】
なお、コア３における希土類元素を図７に示す濃度分布とした光導波路に関して、本発明者らは、Ｅｒ濃度分布は必ずしも正確にガウス分布である必要はないことを確認している。図８では、Ｘ方向，Ｙ方向に対してガウス分布からの誤差範囲となる例を示す。図８（ａ）のＸ方向、図８（ｂ）のＹ方向に示すようにガウス分布に対して±３０％以下の誤差範囲であれば、利得増加の効果は悪化しないことを確認している。図８（ａ），図８（ｂ）において、点線はガウス分布に対してそれぞれ＋３０％増加、−３０％減少した分布を示し、実線のよう変化する希土類元素分布であればよい。図８ではＸ，Ｙ両方向に対して濃度を変化するようにしたが、どちらか一方の方向に対しては均一にしてもよい。
【００５１】
以下、前述した実施の形態における光導波路の、特に導波路の部分の製造方法について説明する。まず、図９（ａ）に示すように、基板１上に下クラッド２を成膜し、次いで図９（ｂ）に示すように、コア３となる膜３ａを下クラッド２上に形成する。次いで、公知のフォトリソグラフィ及びリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によって膜３ａを加工し、図９（ｃ）に示すように、下クラッド２上にコア３が形成された状態とする。
【００５２】
つぎに、図９（ｄ）に示すように、コア３を覆うように上クラッド４を形成すれば、光導波路が完成する。各層の成膜には、例えば、ＣＶＤ法，スパッタリング法，蒸着法，火炎堆積法などを用いればよい。上述した製造方法によれば、コア３内に希土類元素や修正元素を適切な濃度分布で添加して効率のよい光増幅器を実現している。
【００５３】
つぎに、コア３内の希土類元素や修正元素を、コア３中心付近では高濃度にし、コア３の周辺に向かい減少させて添加する製造方法について説明する。このように分布を持たせて希土類元素を添加するためには、例えば、図１０に示すように、収束イオンビームにより各元素を添加すればよい。収束イオンビームでは、例えば、Ｅｒ元素をイオン化してイオンビームにし、このイオンビームをスキャンしながらコア３内で照射することで、コア３内に適当なエネルギーでイオン化したＥｒを注入する。このことにより、コア３におけるＥｒの濃度分布が形成できる。
【００５４】
イオンビームとしてはＥｒ元素、またはこの酸化物を用いればよい。また、修正元素としてＡｌを用いる場合は、Ａｌ元素またはこの酸化物分子などがイオンビームとして利用可能である。添加濃度は、イオン化する添加物濃度を調整することで制御する。イオンビームの収束位置及び添加濃度を制御することによって、コア３に添加する希土類元素や修正元素の濃度Ｘ方向分布を制御する。さらに、ビームエネルギーを制御することによって、添加濃度のＹ方向分布も制御することが可能である。
【００５５】
以上に説明したことにより、コア３内あるいはコア３近傍に、濃度をＸあるいはＹ方向に変化させて希土類元素や修正元素を添加した後、コア３を上クラッド４で埋め込むことで、光増幅器となる光導波路が形成できる。上クラッド４の成膜には下クラッド２やコア３と同様の方法を用いることができる。
【００５６】
また、希土類元素や修正元素を、前述したＹ方向に変化させて添加する場合の製造方法について、以下に説明する。この場合、例えば、図１１に模式的に示すスパッタ装置によるスパッタ法により、コア３を製造するようにすればよい。
例えば、まず、図９（ｂ）に示した膜３ａを図１１に示すスパッタ装置により形成する。このスパッタ装置では、ＳｉＯ２のターゲットとＥｒ２Ｏ３のターゲットとＡｌ２Ｏ３のターゲットとを備えたものである。このようなスパッタ装置を用い、各ターゲットにおけるスパッタ量を、膜３ａを形成している最中に変化させることにより、各添加物濃度を膜３ａの膜厚方向に変化できる。
【００５７】
このようなスパッタ装置による膜の形成は、基板の面単位で行われるので、Ｘ方向（膜面方向）には各元素濃度は均一になる。Ｙ方向（膜厚方向）には、別々のターゲットを用いているために濃度変化を、前述した各実施の形態で説明したような濃度分布など所望の分布を実現することができる。ここでは各元素の酸化物のターゲットを用いたが、酸化物でなく元素のターゲットでもよい。また、成膜手法はスパッタリング法に限るものではなく、他にＣＶＤ法，イオンプレーティング法，蒸着法，火炎堆積法などを用いることができる。何れの場合も、Ｅｒ，Ａｌ元素は別々の原料から供給し、成膜するに従い供給量を変化させて所望の濃度分布を実現することができる。
【００５８】
つぎに、熱拡散によりコア３における添加元素の分布を形成する製造方法について説明する。
まず、図１２（ａ）に示すように、基板１上に下クラッド２を成膜し、次いで、図１２（ｂ）に示すように、ＥｒやＥｒ２Ｏ３、ＡｌやＡｌ２Ｏ３を高濃度に含んだ高濃度層１３ａを成膜する。つぎに、公知のフォトリソグラフィ技術及びＲＩＥなどのエッチング技術を用い、高濃度層１３ａを断面が矩形状となるようにに加工し、図１２（ｃ）に示すように、下クラッド２上にコア３が形成された状態とする。
【００５９】
次いで、図１２（ｄ）に示すように、コア３を覆うように上クラッド４を形成する。下クラッド２、高濃度層１３ａ、上クラッド４は、例えばＣＶＤ法，スパッタリング法，各種蒸着法，火炎堆積法などにより形成することができる。この際、上クラッド４の膜厚は、コア３が下クラッド２と上クラッド４からなる層のほぼ中心にくるように調整する。
【００６０】
次いで、図１２（ｅ）に示すように、高温アニール処理を施してコア３内の添加物を周辺へ拡散させる。これにより、図１２（ｄ）の時点でコア３に均一に添加されていた希土類元素や修正元素濃度は、コア３中心部近傍で高く、コア３の周辺に向かってＸ方向及びＹ方向に徐々に減少する構造となる。
【００６１】
ところで、上述では、高濃度層１３ａを加工してコア３を形成したが、これに限るものではない。例えば、つぎに示すようにしてコアを形成してもよい。まず、図１２（ｆ）に示すように、基板１上に下クラッド２ａを形成する。下クラッド２ａは、例えば、図１２（ｂ）に示す下クラッド２と高濃度層１３ａとの膜厚を合計した膜厚に形成する。次いで、公知のフォトリソグラフィ技術及びＲＩＥなどのエッチング技術を用い、図１２（ｇ）に示すように、下クラッド２ａに溝を形成する。
【００６２】
つぎに、下クラッド２ａに形成した溝が埋まるように、下クラッド２ａ上にＥｒやＥｒ２Ｏ３、ＡｌやＡｌ２Ｏ３を高濃度に添加した膜を形成する。溝がこの膜で埋め込まれるようにするために、例えば、熱によるリフローなどを用いてもよい。次いで溝部以外の余分な部分をエッチバックまたは研磨によって除去し、図１２（ｈ）に示すように、下クラッド２ａの溝内にコア３が形成された状態とする。
【００６３】
つぎに、図１２（ｉ）に示すように、コア３を覆うように上クラッド４ａを形成する。下クラッド２ａ、上記膜、上クラッド４ａは、例えばＣＶＤ法，スパッタリング法，各種蒸着法，火炎堆積法などにより形成することができる。この際、上クラッド４ａの膜厚は、コア３が下クラッド２ａと上クラッド４ａからなる層のほぼ中心にくるように調整する。
【００６４】
最後に、図１２（ｊ）に示すように、高温アニール処理を施してコア３内の添加物を周辺へ拡散させる。これにより、図１２（ｉ）の時点でコア３に均一に添加されていた希土類元素や修正元素濃度は、コア３中心部近傍で高く、コア３の周辺に向かってＸ方向及びＹ方向に徐々に減少する構造となる。
なお、上述では、上クラッド４（上クラッド４ａ）を形成した後に、ＥｒやＡｌの拡散のための高温熱処理を施したが、コア３の周りを囲む低濃度の層を形成した後、高温熱処理してＥｒやＡｌを拡散してから上クラッドを形成するようにしてもよい。
【００６５】
上述した製造方法により、例えば、Ｅｒを３×１０２０原子／ｃｍ３，Ａｌを１０ｗｔ％、Ｐを１２ｗｔ％添加したＳｉＯ２からなる高濃度層１３ａを形成し、これを加工して断面寸法が０．８×０．８μｍのコア３を形成し、上クラッド４を形成した後で、酸素雰囲気中で１０００℃のアニール処理を３時間行うことで、図１（ｂ），（ｃ）に示した濃度分布のコアを備えた光導波路を得ることができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、コアにおける希土類元素に周辺に行くほど濃度が低くなるような濃度分布を持たせるようにしたので、主に、コアの中心部で光信号が増幅されるようになる。この結果、本発明によれば、導波路型の光増幅器においてより高い利得が得られるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における光導波路の構成例を模式的に示す断面図（ａ）と、コアにおける希土類元素の濃度分布を示す分布図（ｂ），（ｃ）である。
【図２】本発明の実施の形態における光導波路のコアにおける修正元素の濃度分布を示す分布図（ａ），（ｂ）である。
【図３】本発明の実施の形態における光導波路のコアにおける修正元素の濃度分布を示す分布図（ａ），（ｂ）である。
【図４】本発明の他の形態における光導波路のコアにおける希土類元素の濃度分布を示す分布図（ａ），（ｂ）である。
【図５】本発明の他の形態における光導波路のコアにおける修正元素の濃度分布を示す分布図（ａ），（ｂ）である。
【図６】本発明の他の形態における光導波路のコアにおける光強度の分布を示す分布図（ａ）と、希土類元素の濃度分布を示す分布図（ｂ），（ｃ）である。
【図７】本発明の他の形態における光導波路のコアにおける希土類元素の濃度分布を示す分布図（ａ），（ｂ）である。
【図８】本発明の他の形態における光導波路のコアにおける希土類元素の濃度分布を示す分布図（ａ），（ｂ）である。
【図９】本発明の実施の形態における光導波路の製造方法を説明するための工程図である。
【図１０】本発明の実施の形態における光導波路の一部製造方法を説明するための斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態における光導波路の製造方法を実現するための製造装置の概略を示す構成図である。
【図１２】本発明の他の形態における光導波路の製造方法を説明するための工程図である。
【符号の説明】
１…基板、２…下クラッド、３…コア、４…上クラッド。

Claims (15)

  1. 基板上に形成されたクラッドと、このクラッド中に配置されたコアとから構成され、
    前記コアは、
    中心部より周辺部にかけて徐々に濃度が減少する濃度分布を備えた希土類元素と、
    前記コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、前記コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなる修正元素と
    が添加されている
    ものであることを特徴とする光導波路。
  2. 基板上に形成されたクラッドと、このクラッド中に配置されたコアとから構成され、
    前記コアは、
    前記基板平面方向には中心部より周辺部にかけて濃度が均一であり、前記基板平面に垂直な方向には中心部より周辺部にかけて徐々に濃度が減少する濃度分布を備えた希土類元素と、
    前記コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、前記コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなる修正元素と
    が添加されている
    ものであることを特徴とする光導波路。
  3. 請求項１または２記載の光導波路において、
    前記修正元素は、前記コア内に均一に添加されているものであることを特徴とする光導波路。
  4. 請求項１または２記載の光導波路において、
    前記修正元素は、前記コア内の前記希土類元素の濃度分布に同様の分布で前記コア内に添加されているものであることを特徴とする光導波路。
  5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の光導波路において、
    前記希土類元素の濃度分布は、
    前記コアを伝搬する光の強度分布と同様の分布、
    前記コアの中心部で最大となり周辺部に行くほど小さくなるガウス分布、
    前記コアの中心部で最大となり周辺部に行くほど小さくなるガウス分布からの偏差の割合が±３０％以内の分布
    の何れかの分布の範囲である
    ことを特徴とする光導波路。
  6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の光導波路において、
    前記修正元素は、Ａｌ，Ｂ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｂｉ，Ｎ，Ｐ，Ｙｂの少なくとも何れか１つであることを特徴とする光導波路。
  7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の光導波路において、
    前記希土類元素は、Ｅｒ，Ｔｍ，Ｐｒ，Ｎｄの少なくとも何れか１つであることを特徴とする光導波路。
  8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の光導波路において、
    前記コアの主な成分は、酸化シリコン，酸化アルミニウム，酸化ビスマスの少なくとも何れか１つを含むことを特徴とする光導波路。
  9. 基板上に下クラッドを形成する工程と、
    前記下クラッド上にコアを形成する工程と、
    前記コアに、収束イオンビームを走査しながら希土類元素及び修正元素を注入し、この希土類元素及び前記修正元素が前記コアの中心部より周辺部にかけて徐々に濃度が減少する濃度分布を備えた状態とする工程と、
    前記下クラッド及び前記コア上に上クラッドを形成する工程と
    を備え、
    前記修正元素は、前記コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、前記コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなるものである
    ことを特徴とする光導波路の製造方法。
  10. 基板上に下クラッドを形成する工程と、
    前記下クラッド上に、コアの主たる成分を含む第１のターゲットと、希土類元素を含む第２のターゲットと、修正元素を含む第３のターゲットとを用い、前記第２のターゲット及び第３のターゲットのスパッタ状態を変化させるスパッタリング法により、希土類元素の濃度が膜の中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少し、前記修正元素の濃度が前記膜の内部で一定の状態もしくは中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少する状態の何れかとなる濃度分布を備えた前記コアを形成する工程と、
    前記下クラッド及び前記コア上に上クラッドを形成する工程と
    を備え、
    前記修正元素は、前記コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、前記コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなるものである
    ことを特徴とする光導波路の製造方法。
  11. 基板上に下クラッドを形成する工程と、
    前記下クラッド上に、コアの主たる成分を含む第１のターゲットと、希土類元素を含む第２のターゲットと、修正元素を含む第３のターゲットとを用い、前記第２のターゲット及び前記第３のターゲットの蒸発状態を変化させるイオンプレーティング法により、希土類元素の濃度が膜の中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少し、前記修正元素の濃度が前記膜の内部で一定の状態もしくは中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少する状態の何れかとなる濃度分布を備えた前記コアを形成する工程と、
    前記下クラッド及び前記コア上に上クラッドを形成する工程と
    を備え、
    前記修正元素は、前記コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、前記コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなるものである
    ことを特徴とする光導波路の製造方法。
  12. 基板上に下クラッドを形成する工程と、
    前記下クラッド上に、コアの主たる成分を含む第１のターゲットと、希土類元素を含む第２のターゲットと、修正元素を含む第３のターゲットとを用い、前記第２のターゲットの蒸発量を変化させる蒸着法により、希土類元素の濃度が膜の中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少し、前記修正元素の濃度が前記膜の内部で一定の状態もしくは中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少する状態の何れかとなる濃度分布を備えた前記コアを形成する工程と、
    前記下クラッド及び前記コア上に上クラッドを形成する工程と
    を備え、
    前記修正元素は、前記コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、前記コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなるものである
    ことを特徴とする光導波路の製造方法。
  13. 請求項１０〜１２の何れか１項に記載の光導波路の製造方法において、
    前記第２のターゲットと前記第３のターゲットは、希土類元素と前記修正元素とを同時に含む同一のターゲットから構成されたものである
    ことを特徴とする光導波路の製造方法。
  14. 基板上に下クラッドを形成する工程と、
    前記下クラッド上に、コアの主たる成分を含む第１のソースガスと、希土類元素を含む第２のソースガスと、修正元素を含む第３のソースガスとを導入する化学的気相成長法により、希土類元素の濃度が膜の中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少し、前記修正元素の濃度が前記膜の内部で一定の状態もしくは中央部より上下の周辺部にかけて徐々に減少する状態の何れかとなる濃度分布を備えた前記コアを形成する工程と、
    前記下クラッド及び前記コア上に上クラッドを形成する工程と
    を備え、
    前記修正元素は、前記コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、前記コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなるものである
    ことを特徴とする光導波路の製造方法。
  15. 基板上に下クラッドを形成する工程と、
    前記下クラッド上に、中心部に高濃度に希土類元素及び修正元素が含まれたコアを形成する工程と、
    前記下クラッド及び前記コア上に上クラッドを形成する工程と、
    前記コアを加熱して前記希土類元素及び前記修正元素を拡散させることにより、前記希土類元素及び修正元素が前記コアの中心部より周辺部にかけて徐々に濃度が減少する濃度分布を備えた状態とする工程と
    を備え、
    前記修正元素は、前記コアに添加された希土類元素のクラスター化を抑制する機能、または、前記コアに添加された希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅するときの増幅帯域を広げる機能の何れか一方もしくは両方を備えた元素からなるものである
    ことを特徴とする光導波路の製造方法。
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