JPH08240821A - 平面導波管およびその製造法 - Google Patents
平面導波管およびその製造法Info
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- JPH08240821A JPH08240821A JP8005688A JP568896A JPH08240821A JP H08240821 A JPH08240821 A JP H08240821A JP 8005688 A JP8005688 A JP 8005688A JP 568896 A JP568896 A JP 568896A JP H08240821 A JPH08240821 A JP H08240821A
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、光増幅器および、特に、希土入り
の材料を含む平面光増幅器に関する。 【解決手段】 平面導波管およびその製造方法を開示す
る。導波管は基盤上に形成された一層のドーピング剤を
含む親の物質を持っている。親の物質は、フッ化金属の
ような三価の物質で、この金属はメンデレーフの周期表
のグループIIIＢの金属およびランタノイド系の希土類
金属から選択される。ドーピング剤はエルビウムのよう
な希土類金属である。導波管は約１．５１−１．５７ミ
クロンの波長の光信号増幅用の約６０ナノメートルの帯
域幅の発光スペクトルを持っている。導波管は基盤上に
ドーピング剤を含む親の物質を層を形成することによっ
て作成される。薄膜は、一つのソースはドーピング剤用
のものであり、他の独立したソースは親の物質用のもの
である、二つの独立したソースから物質を蒸発させ、基
盤上に蒸発した物質の薄膜を形成することによって作成
される。
の材料を含む平面光増幅器に関する。 【解決手段】 平面導波管およびその製造方法を開示す
る。導波管は基盤上に形成された一層のドーピング剤を
含む親の物質を持っている。親の物質は、フッ化金属の
ような三価の物質で、この金属はメンデレーフの周期表
のグループIIIＢの金属およびランタノイド系の希土類
金属から選択される。ドーピング剤はエルビウムのよう
な希土類金属である。導波管は約１．５１−１．５７ミ
クロンの波長の光信号増幅用の約６０ナノメートルの帯
域幅の発光スペクトルを持っている。導波管は基盤上に
ドーピング剤を含む親の物質を層を形成することによっ
て作成される。薄膜は、一つのソースはドーピング剤用
のものであり、他の独立したソースは親の物質用のもの
である、二つの独立したソースから物質を蒸発させ、基
盤上に蒸発した物質の薄膜を形成することによって作成
される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光増幅器および、
特に、希土入りの材料を含む平面光増幅器に関する。
特に、希土入りの材料を含む平面光増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信に役に立つ光増幅器に関して、最
近かなり多くの研究が行われてきた。通常、これら光増
幅器は、希土のドーピング剤を導波管のコアに含み、よ
り低い屈折率の領域がコアの周囲を取り巻いているガラ
ス状物質（長い配列を持たず、ｘ線回折にブラッグ・ピ
ークを持たず、および／または微分走査熱量測定でガラ
ス遷移が認められることを特徴とする物質）内に形成さ
れた導波管を含んでいる。一般的にいって、ガラス質の
親の物質は、ドーピング剤の発光スペクトラムに実質的
な影響を与えないし、希土ドーピング剤は光通信が行わ
れる波長に対応するスペクトル輝線を持つものが選ばれ
る。例えば、最も長距離の光通信は１．３ミクロンまた
は１．５５ミクロンの波長で行われる。サンシャイン等
の米国特許第５，１４０，６５８号に、１．３ミクロン
の波長の信号を増幅する光装置が記載されている。
近かなり多くの研究が行われてきた。通常、これら光増
幅器は、希土のドーピング剤を導波管のコアに含み、よ
り低い屈折率の領域がコアの周囲を取り巻いているガラ
ス状物質（長い配列を持たず、ｘ線回折にブラッグ・ピ
ークを持たず、および／または微分走査熱量測定でガラ
ス遷移が認められることを特徴とする物質）内に形成さ
れた導波管を含んでいる。一般的にいって、ガラス質の
親の物質は、ドーピング剤の発光スペクトラムに実質的
な影響を与えないし、希土ドーピング剤は光通信が行わ
れる波長に対応するスペクトル輝線を持つものが選ばれ
る。例えば、最も長距離の光通信は１．３ミクロンまた
は１．５５ミクロンの波長で行われる。サンシャイン等
の米国特許第５，１４０，６５８号に、１．３ミクロン
の波長の信号を増幅する光装置が記載されている。
【０００３】ブルース等の米国特許第５，１１９，４６
０号に、１．５５ミクロンの信号の光増幅器が論証およ
び記載されている。これらの光増幅器は、１．５２−
１．５６ミクロンの光を発するエルビウムを、通常、１
０−１０００ｐｐｍの濃度でコアに含んでいる導波ファ
イバーを持っている。光増幅器が動作している場合に
は、０．９７５または１．４８ミクロンの波長の光電力
は１．５５ミクロンの波長の信号と一緒に導波管のコア
に導入される。光電力はある状態、すなわち、１．５５
ミクロンの波長付近で光を発することができる４Ｉ13/2
状態にあるエルビウム内に遷移を起こし、その信号は通
常の状態からこの遷移を引き起こす。それ故、光増幅器
からの出力は、光電力に信号入力を加えたものに近い強
度を持つ１．５５ミクロンの波長の信号を含んでいる。
このような方法で、光信号は、光信号を電気信号に変換
してから電気的な増幅を行い、光信号に戻すためにもう
一度変換を行う電気的増幅とは異なる方法で増幅され
る。
０号に、１．５５ミクロンの信号の光増幅器が論証およ
び記載されている。これらの光増幅器は、１．５２−
１．５６ミクロンの光を発するエルビウムを、通常、１
０−１０００ｐｐｍの濃度でコアに含んでいる導波ファ
イバーを持っている。光増幅器が動作している場合に
は、０．９７５または１．４８ミクロンの波長の光電力
は１．５５ミクロンの波長の信号と一緒に導波管のコア
に導入される。光電力はある状態、すなわち、１．５５
ミクロンの波長付近で光を発することができる４Ｉ13/2
状態にあるエルビウム内に遷移を起こし、その信号は通
常の状態からこの遷移を引き起こす。それ故、光増幅器
からの出力は、光電力に信号入力を加えたものに近い強
度を持つ１．５５ミクロンの波長の信号を含んでいる。
このような方法で、光信号は、光信号を電気信号に変換
してから電気的な増幅を行い、光信号に戻すためにもう
一度変換を行う電気的増幅とは異なる方法で増幅され
る。
【０００４】ドーピング剤の濃度は、光増幅器の効率に
影響を与える。光増幅器の特性は、親の物質内のドーピ
ング剤の原子の絶対数によって決まるので、正しく動作
するために必要なドーピング剤の濃度は、装置の長さに
依存する。例えば、光ファイバー増幅器内のドーピング
剤の濃度は、平面光増幅器内のドーピング剤の濃度より
遥かに低い。なぜなら、光ファイバー増幅器は平面光増
幅器より遥かに長いからである。
影響を与える。光増幅器の特性は、親の物質内のドーピ
ング剤の原子の絶対数によって決まるので、正しく動作
するために必要なドーピング剤の濃度は、装置の長さに
依存する。例えば、光ファイバー増幅器内のドーピング
剤の濃度は、平面光増幅器内のドーピング剤の濃度より
遥かに低い。なぜなら、光ファイバー増幅器は平面光増
幅器より遥かに長いからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ドーピング剤
の濃度が高くなると、ドーピング剤のルミネセンスが失
われる。このようなルミネセンスの喪失が起こると、光
増幅器のゲインが低下し、その結果、光増幅器の性能が
劣化する。それ故、１．５５ミクロンの波長の信号を増
幅し、高濃度のドーピング剤に関連する問題を克服する
平面光増幅器およびそのような平面光導波管の製造方法
が現在求められている。
の濃度が高くなると、ドーピング剤のルミネセンスが失
われる。このようなルミネセンスの喪失が起こると、光
増幅器のゲインが低下し、その結果、光増幅器の性能が
劣化する。それ故、１．５５ミクロンの波長の信号を増
幅し、高濃度のドーピング剤に関連する問題を克服する
平面光増幅器およびそのような平面光導波管の製造方法
が現在求められている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、波長が約１．
５１ミクロンから約１．５７ミクロンまでの光信号を増
幅する平面光導波管に関するものである。平面光導波管
は、ドーピング剤を含む導波用の親の物質からなる信号
を導くのに適している領域を含んでいる。導波用の親の
物質は、三価のカチオンを含む多結晶または単結晶物質
である。親の物質としては、メンデレーエフの周期表の
IIIＢ 金属または希土類金属（ランタノイド類）のフッ
化物のような三価物質を使用することが望ましい。例え
ば、フッ化ランタン（ＬａＦ3 ）、フッ化イットリウム
（ＹＦ3 ）またはフッ化ルテチウム（ＬｕＦ3 ）のよう
なものがある。導波用の親の物質は、ドーピング剤とし
て他の希土イオンを含んでいる。ドーピング剤として
は、エルビウム（Ｅｒ）を使用するのが望ましい。
５１ミクロンから約１．５７ミクロンまでの光信号を増
幅する平面光導波管に関するものである。平面光導波管
は、ドーピング剤を含む導波用の親の物質からなる信号
を導くのに適している領域を含んでいる。導波用の親の
物質は、三価のカチオンを含む多結晶または単結晶物質
である。親の物質としては、メンデレーエフの周期表の
IIIＢ 金属または希土類金属（ランタノイド類）のフッ
化物のような三価物質を使用することが望ましい。例え
ば、フッ化ランタン（ＬａＦ3 ）、フッ化イットリウム
（ＹＦ3 ）またはフッ化ルテチウム（ＬｕＦ3 ）のよう
なものがある。導波用の親の物質は、ドーピング剤とし
て他の希土イオンを含んでいる。ドーピング剤として
は、エルビウム（Ｅｒ）を使用するのが望ましい。
【０００７】親の物質内のドーピング剤の濃度は、長さ
が約１センチメートルから約２０センチメートルの平面
導波管内の場合、約０．０５−１２原子パーセントであ
ることが望ましい。ドーピング剤の濃度は親の物質の厚
さ方向の各部位で異なる場合があるので、ドーピング剤
の最大濃度は上記範囲内にあることが望ましい。望まし
い実施例においては、ドーピング剤の最大濃度は約４−
５原子パーセントである。
が約１センチメートルから約２０センチメートルの平面
導波管内の場合、約０．０５−１２原子パーセントであ
ることが望ましい。ドーピング剤の濃度は親の物質の厚
さ方向の各部位で異なる場合があるので、ドーピング剤
の最大濃度は上記範囲内にあることが望ましい。望まし
い実施例においては、ドーピング剤の最大濃度は約４−
５原子パーセントである。
【０００８】親の材料の厚さ方向におけるドーピング剤
の濃度は均一である場合もあるし、均一でない場合もあ
る。均一でない場合には、ドーピング剤のプロファイル
が導波管を通して伝送される光の強度のプロファイルと
一致することが望ましい。この点に関して、ドーピング
剤の最大濃度が導波管の中心か中心の近くにあることが
同様に望ましい。
の濃度は均一である場合もあるし、均一でない場合もあ
る。均一でない場合には、ドーピング剤のプロファイル
が導波管を通して伝送される光の強度のプロファイルと
一致することが望ましい。この点に関して、ドーピング
剤の最大濃度が導波管の中心か中心の近くにあることが
同様に望ましい。
【０００９】本発明の増幅器は、広い帯域にわたって信
号を有意に増幅する。有意の増幅という意味は、全帯域
幅を通しての信号の強度がピークの強度の１／３以下で
ないということである。例えば、上記のドーピング剤と
してエルビウムを含んでいる平面導波管は、１．５１−
１．５７ミクロンの波長範囲にまたがる発光スペクトル
を持ち、その帯域幅は６０ナノメートルである。更に、
本発明の増幅器は、下記の方法で測定した場合、親の物
質からの自然発光放出の持続時間が少なくとも約１マイ
クロ秒であるような環境を提供する。持続時間が長くな
ると、信号の増幅に対する環境が改善されるので、上記
持続時間は少なくとも約１０秒続くことが望ましい。
号を有意に増幅する。有意の増幅という意味は、全帯域
幅を通しての信号の強度がピークの強度の１／３以下で
ないということである。例えば、上記のドーピング剤と
してエルビウムを含んでいる平面導波管は、１．５１−
１．５７ミクロンの波長範囲にまたがる発光スペクトル
を持ち、その帯域幅は６０ナノメートルである。更に、
本発明の増幅器は、下記の方法で測定した場合、親の物
質からの自然発光放出の持続時間が少なくとも約１マイ
クロ秒であるような環境を提供する。持続時間が長くな
ると、信号の増幅に対する環境が改善されるので、上記
持続時間は少なくとも約１０秒続くことが望ましい。
【００１０】平面光導波管を製造する場合、基盤上に一
層の導波用の親の物質が形成される。基盤は導波用の親
の材料の屈折率より低い屈折率を持っている。基盤が導
波用の親の材料の屈折率より低い屈折率を持っていない
場合には、適当な屈折率を持っている一層のバッファー
材料が基盤と導波用の親の物質の間に形成される。平面
導波管は、光信号を増幅するために、光信号および電力
を受信するように作られている。更に、導波管は増幅さ
れた入力信号である信号を出力するように作られてい
る。
層の導波用の親の物質が形成される。基盤は導波用の親
の材料の屈折率より低い屈折率を持っている。基盤が導
波用の親の材料の屈折率より低い屈折率を持っていない
場合には、適当な屈折率を持っている一層のバッファー
材料が基盤と導波用の親の物質の間に形成される。平面
導波管は、光信号を増幅するために、光信号および電力
を受信するように作られている。更に、導波管は増幅さ
れた入力信号である信号を出力するように作られてい
る。
【００１１】その上に親の材料が形成される適当な基盤
の例としては、単結晶クオーツ基盤、溶融クオーツ基
盤、酸化アルミニウム基盤、フッ化カルシウム基盤また
はシリコン基盤がある。基盤の熱膨張係数が導波用親材
料のそれに一致することが望ましいので、この点から考
えて、単結晶クオーツ基盤および酸化アルミニウム基盤
が望ましい。基盤の屈折率が導波管の屈折率より高い場
合には、その上に親の物質の薄膜が形成される前に、光
バッファー層としての薄膜が基盤上に形成される。例え
ば、基盤がシリコン基盤である場合には、バッファー材
料は導波管の屈折率より低い屈折率を持つ物質である。
二酸化シリコンは、適当なバッファー層材料の一つの例
である。二酸化シリコンの層は、従来の技法によりシリ
コン基盤上に形成される。
の例としては、単結晶クオーツ基盤、溶融クオーツ基
盤、酸化アルミニウム基盤、フッ化カルシウム基盤また
はシリコン基盤がある。基盤の熱膨張係数が導波用親材
料のそれに一致することが望ましいので、この点から考
えて、単結晶クオーツ基盤および酸化アルミニウム基盤
が望ましい。基盤の屈折率が導波管の屈折率より高い場
合には、その上に親の物質の薄膜が形成される前に、光
バッファー層としての薄膜が基盤上に形成される。例え
ば、基盤がシリコン基盤である場合には、バッファー材
料は導波管の屈折率より低い屈折率を持つ物質である。
二酸化シリコンは、適当なバッファー層材料の一つの例
である。二酸化シリコンの層は、従来の技法によりシリ
コン基盤上に形成される。
【００１２】その後で、ドーピング剤を含む親の物質の
層が基盤上に形成される。蒸着オーブン、電子ビーム・
エバポレータ等のような従来の装置を使用して、別々の
ソースから三価の親の材料おドーピング剤を付着するこ
とが望ましい。ある実施例においては、三価の親の物質
は、ＬａＦ3 、ＹＦ3 またはＬｕＦ3 をソース材料とし
て使用して形成され、ドーピング剤はＥｒＦ3 をソース
材料として使用して形成される。基盤上に上記の親の材
料およびドーピング剤の薄膜を付着させるために使用さ
れるソースおよび技術は、当業者には周知のものであ
る。ドーピング剤を含む親の材料を形成する間は、基盤
の温度を約３００−６００℃に保つことが望ましい。
層が基盤上に形成される。蒸着オーブン、電子ビーム・
エバポレータ等のような従来の装置を使用して、別々の
ソースから三価の親の材料おドーピング剤を付着するこ
とが望ましい。ある実施例においては、三価の親の物質
は、ＬａＦ3 、ＹＦ3 またはＬｕＦ3 をソース材料とし
て使用して形成され、ドーピング剤はＥｒＦ3 をソース
材料として使用して形成される。基盤上に上記の親の材
料およびドーピング剤の薄膜を付着させるために使用さ
れるソースおよび技術は、当業者には周知のものであ
る。ドーピング剤を含む親の材料を形成する間は、基盤
の温度を約３００−６００℃に保つことが望ましい。
【００１３】このように形成された親の材料の厚さは設
計の段階で決める性質のものである。薄膜の厚さとして
は、約０．８−２ミクロンが適当であると思われる。ま
た、薄膜の厚さが２ミクロンを越えると、光ファイバー
から直径が更に大きいコアへの結合損失が減少するもの
と考えられる。
計の段階で決める性質のものである。薄膜の厚さとして
は、約０．８−２ミクロンが適当であると思われる。ま
た、薄膜の厚さが２ミクロンを越えると、光ファイバー
から直径が更に大きいコアへの結合損失が減少するもの
と考えられる。
【００１４】親の材料およびドーピング剤の層に使用さ
れるソースは別々のものであるので、親の材料内のドー
ピング剤の濃度のばらつきは大きい。例えば、親の材料
であるＬａＦ3 内のＥｒＦ3 の最大濃度は、本発明の光
装置内においては約０．０５−２０原子パーセントであ
ると考えられる。ドーピング剤の濃度は、特定の装置内
の親の材料の層の厚さ方向において不均等である。既に
述べたように、ドーピング剤の濃度が親の材料の厚さ方
向で不均等である場合には、この層内のドーピング剤の
最大濃度は、導波用の層の中心近くにある。このような
ドーピング剤のプロファイルは望ましいものである。何
故なら、光の最大モード強度は同様に導波管の中心にあ
るからである。
れるソースは別々のものであるので、親の材料内のドー
ピング剤の濃度のばらつきは大きい。例えば、親の材料
であるＬａＦ3 内のＥｒＦ3 の最大濃度は、本発明の光
装置内においては約０．０５−２０原子パーセントであ
ると考えられる。ドーピング剤の濃度は、特定の装置内
の親の材料の層の厚さ方向において不均等である。既に
述べたように、ドーピング剤の濃度が親の材料の厚さ方
向で不均等である場合には、この層内のドーピング剤の
最大濃度は、導波用の層の中心近くにある。このような
ドーピング剤のプロファイルは望ましいものである。何
故なら、光の最大モード強度は同様に導波管の中心にあ
るからである。
【００１５】
【発明の実施の形態】既に述べたように、本発明は波長
約１．５１−１５７ミクロンの光信号を増幅するための
平面導波管に関するものである。本発明はまた上記導波
管の製造方法についても考察する。
約１．５１−１５７ミクロンの光信号を増幅するための
平面導波管に関するものである。本発明はまた上記導波
管の製造方法についても考察する。
【００１６】平面光導波管は、ドーピング剤を含む親の
材料の層からなる信号案内用の領域を含んでいる。Ｅｒ
は適当なドーピング剤の一例である。親の材料として
は、ドーピング剤が格子間の部位を占有するより親のカ
チオンに取って代わるようなドーピング剤の原子価状態
に一致するようなものが選ばれる。ドーピング剤の原子
が導入される部位が対称的に配置されているかどうかに
より、またドーピング剤により置換される親の構成原子
の大きさおよび酸化状態により、ドーピング剤原子の可
能な酸化状態が決定される。例として示した親の材料が
持っている部位の対称性、および必要とする酸化状態に
導くその他の特性は周知であり、１９８１年のＳｐｒｉ
ｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇに掲載されたアレキサンダー・
カミンスキーのレーザー・クリスタルおよび１９７４年
のＳｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇに掲載されたミラー
およびロイの主要な三元構造族のような概論に記載され
ている。
材料の層からなる信号案内用の領域を含んでいる。Ｅｒ
は適当なドーピング剤の一例である。親の材料として
は、ドーピング剤が格子間の部位を占有するより親のカ
チオンに取って代わるようなドーピング剤の原子価状態
に一致するようなものが選ばれる。ドーピング剤の原子
が導入される部位が対称的に配置されているかどうかに
より、またドーピング剤により置換される親の構成原子
の大きさおよび酸化状態により、ドーピング剤原子の可
能な酸化状態が決定される。例として示した親の材料が
持っている部位の対称性、および必要とする酸化状態に
導くその他の特性は周知であり、１９８１年のＳｐｒｉ
ｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇに掲載されたアレキサンダー・
カミンスキーのレーザー・クリスタルおよび１９７４年
のＳｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇに掲載されたミラー
およびロイの主要な三元構造族のような概論に記載され
ている。
【００１７】それ故、例えば、Ｅｒ3+は、例えば、メン
デレーエフの周期表のIIIＢ 金属、または希土類金属の
フッ化物である三価の親の物質の薄膜内に導入すること
によりこの三価状態に維持される。上記親の物質の例と
しては、ＹＦ3 ，ＬａＦ3 およびＬｕＦ3 等がある。親
物質の構造は、単結晶、多結晶または非晶質である。多
結晶物質は、容易に加工できるので、ある種の加工上の
利点を持っている。
デレーエフの周期表のIIIＢ 金属、または希土類金属の
フッ化物である三価の親の物質の薄膜内に導入すること
によりこの三価状態に維持される。上記親の物質の例と
しては、ＹＦ3 ，ＬａＦ3 およびＬｕＦ3 等がある。親
物質の構造は、単結晶、多結晶または非晶質である。多
結晶物質は、容易に加工できるので、ある種の加工上の
利点を持っている。
【００１８】増幅器のゲインは親物質内のドーピング剤
の濃度に比例する。ドーピング剤は約０．０５−１２原
子パーセントの濃度範囲で導入される。濃度が約０．０
５原子濃度以下である場合には、通常増幅器のゲインは
望ましくない低い数値となる。約２原子パーセント以上
の濃度は、発光の抑制力が増大する恐れがあるので、通
常使用されないが、本発明の場合には、導波用の親の物
質内で約１２原子パーセントまでのドーピング剤の濃度
を考慮している。発光抑制濃度に関連する問題は、ドー
ピング剤が親の物質内に代入という形で導入されるの
で、重要性が薄くなる。その結果、ドーピング剤が親の
物質の格子間の部位を占有している物質と比較すると、
これら物質内での電荷補償上の欠陥は少なくなる。この
ことが、更に、上記のようなドーピング剤の高い濃度に
おいて他の場合に起こり、増幅器の性能を劣化させるイ
オンの密集を減少させる。望ましい実施例においては、
ドーピング剤の濃度は約４−５原子パーセントである。
の濃度に比例する。ドーピング剤は約０．０５−１２原
子パーセントの濃度範囲で導入される。濃度が約０．０
５原子濃度以下である場合には、通常増幅器のゲインは
望ましくない低い数値となる。約２原子パーセント以上
の濃度は、発光の抑制力が増大する恐れがあるので、通
常使用されないが、本発明の場合には、導波用の親の物
質内で約１２原子パーセントまでのドーピング剤の濃度
を考慮している。発光抑制濃度に関連する問題は、ドー
ピング剤が親の物質内に代入という形で導入されるの
で、重要性が薄くなる。その結果、ドーピング剤が親の
物質の格子間の部位を占有している物質と比較すると、
これら物質内での電荷補償上の欠陥は少なくなる。この
ことが、更に、上記のようなドーピング剤の高い濃度に
おいて他の場合に起こり、増幅器の性能を劣化させるイ
オンの密集を減少させる。望ましい実施例においては、
ドーピング剤の濃度は約４−５原子パーセントである。
【００１９】図１−４に本発明の導波管を示す。図１
は、基盤２０上に形成された平面導波管１０を示す。黒
く塗った部分３０で示すように、層１０はその厚さ方向
全体にわたってドーピング剤を含んでいる。層１０は適
当な基盤２０上に直接形成されている。適当な基盤材料
としては、クオーツ、溶融クオーツ、酸化アルミニウ
ム、シリコンおよびフッ化カルシウム等がある。
は、基盤２０上に形成された平面導波管１０を示す。黒
く塗った部分３０で示すように、層１０はその厚さ方向
全体にわたってドーピング剤を含んでいる。層１０は適
当な基盤２０上に直接形成されている。適当な基盤材料
としては、クオーツ、溶融クオーツ、酸化アルミニウ
ム、シリコンおよびフッ化カルシウム等がある。
【００２０】図２に示す別の実施例においては、導波管
は基盤層８０と導波用物質７０との間に形成されたバッ
ファー層４０を持っている。バッファー層４０は、基盤
８０の屈折率が導波用物質７０の屈折率より高い場合
に、基盤８０と導波層７０との間を光学的に分離する。
上記の場合には、バッファー層４０は、導波用物質７０
の屈折率より低い屈折率を持つ物質で作られている。当
業者は、光学的に分離するには、バッファー層の屈折率
は導波用物質の屈折率より名目的に低ければいいという
ことに気がつくだろう。例えば、基盤８０がシリコンの
ような高い屈折率を持つ物質でできている場合には、導
波管がバッファー層を持っていることが望ましい。本発
明の三価の親の物質の屈折率よりも低い屈折率を持つ二
酸化シリコンは、適当なバッファー層の物質の一例であ
る。図２もまた、黒く塗った部分６０で示す導波管の物
質７０のドーピング剤の濃度のプロファイルが導波管の
厚さ方向において変化している導波管を示す。
は基盤層８０と導波用物質７０との間に形成されたバッ
ファー層４０を持っている。バッファー層４０は、基盤
８０の屈折率が導波用物質７０の屈折率より高い場合
に、基盤８０と導波層７０との間を光学的に分離する。
上記の場合には、バッファー層４０は、導波用物質７０
の屈折率より低い屈折率を持つ物質で作られている。当
業者は、光学的に分離するには、バッファー層の屈折率
は導波用物質の屈折率より名目的に低ければいいという
ことに気がつくだろう。例えば、基盤８０がシリコンの
ような高い屈折率を持つ物質でできている場合には、導
波管がバッファー層を持っていることが望ましい。本発
明の三価の親の物質の屈折率よりも低い屈折率を持つ二
酸化シリコンは、適当なバッファー層の物質の一例であ
る。図２もまた、黒く塗った部分６０で示す導波管の物
質７０のドーピング剤の濃度のプロファイルが導波管の
厚さ方向において変化している導波管を示す。
【００２１】ある実施例においては、導波管の層（図１
の１０）は、室内で基盤上に形成するという方法で作ら
れる。この室内は真空にされる。親の物質およびドーピ
ング剤の物質の別々のソースが、導波管の層１０に導入
される各ソースからの物質の量が制御できるように設置
される。例えば、親の物質およびドーピング剤の物質
は、ミネソタ州のセント・ポールのＥＰＩから市販され
ている別々のクヌーセン・オーブン内に入れられる。層
の組成は、各ソースから蒸発する材料の量を制御するこ
とにより制御される。ドーピング剤のソースが入ってい
るソース内のオーブンの温度を上げ下げすると、導波管
の層内のドーピング剤の濃度がそれにつれて増減する。
同様な効果は、導波管の層が形成される間にこのオーブ
ンから部屋に流れ込む物質の量を制御するオーブン・シ
ャッターを、個々に制御することにより得られる。
の１０）は、室内で基盤上に形成するという方法で作ら
れる。この室内は真空にされる。親の物質およびドーピ
ング剤の物質の別々のソースが、導波管の層１０に導入
される各ソースからの物質の量が制御できるように設置
される。例えば、親の物質およびドーピング剤の物質
は、ミネソタ州のセント・ポールのＥＰＩから市販され
ている別々のクヌーセン・オーブン内に入れられる。層
の組成は、各ソースから蒸発する材料の量を制御するこ
とにより制御される。ドーピング剤のソースが入ってい
るソース内のオーブンの温度を上げ下げすると、導波管
の層内のドーピング剤の濃度がそれにつれて増減する。
同様な効果は、導波管の層が形成される間にこのオーブ
ンから部屋に流れ込む物質の量を制御するオーブン・シ
ャッターを、個々に制御することにより得られる。
【００２２】５原子パーセントのＥｒＦ3 および９５原
子パーセントのＬａＦ3 という組成を持つ導波管の層が
望ましいある実施例においては、クヌーセン・オーブン
の温度は、５単位のＥｒＦ3 の蒸発に対して９５単位の
ＬａＦ3 が蒸発するように調節される。上記の組成の導
波管の層を形成するためには、ＬａＦ3 用のオーブンの
温度を約１３６０℃に、ＥｒＦ3用のオーブン温度を約
１１５０℃に設定する。
子パーセントのＬａＦ3 という組成を持つ導波管の層が
望ましいある実施例においては、クヌーセン・オーブン
の温度は、５単位のＥｒＦ3 の蒸発に対して９５単位の
ＬａＦ3 が蒸発するように調節される。上記の組成の導
波管の層を形成するためには、ＬａＦ3 用のオーブンの
温度を約１３６０℃に、ＥｒＦ3用のオーブン温度を約
１１５０℃に設定する。
【００２３】他の実施例においては、必要な組成の導波
管の層を基盤上に形成した後、リッジ導波管を形成する
ように層のパターンを決める。上記の導波管を図３に示
す。導波管の層のパターンを形成するためには、（図示
せず）フォトレジストのような物質を最初導波管用の層
の上に形成する。フォトレジストのパターンは、図３お
よび図４に示す形状を形成するためのエッチング技法と
一緒に石版印刷のような従来の技法を使用して形成され
る。（石版印刷の技法およびエッチングの技法は、１９
８５年発行のマグローヒル社の西原等の光学ＩＣにそれ
ぞれ記載されている。）図３に示したリッジ導波管は、
導波管の層を、上記のように基盤２００上に直接形成
し、リッジを形成するようにパターンを形成することに
より得られる。リッジ３３０が基盤３００上に形成され
ているバッファー層３１０の上に形成されると、図４に
示すリッジ導波管となる。
管の層を基盤上に形成した後、リッジ導波管を形成する
ように層のパターンを決める。上記の導波管を図３に示
す。導波管の層のパターンを形成するためには、（図示
せず）フォトレジストのような物質を最初導波管用の層
の上に形成する。フォトレジストのパターンは、図３お
よび図４に示す形状を形成するためのエッチング技法と
一緒に石版印刷のような従来の技法を使用して形成され
る。（石版印刷の技法およびエッチングの技法は、１９
８５年発行のマグローヒル社の西原等の光学ＩＣにそれ
ぞれ記載されている。）図３に示したリッジ導波管は、
導波管の層を、上記のように基盤２００上に直接形成
し、リッジを形成するようにパターンを形成することに
より得られる。リッジ３３０が基盤３００上に形成され
ているバッファー層３１０の上に形成されると、図４に
示すリッジ導波管となる。
【００２４】本発明の一実施例においては、導波用の層
内のドーピング剤の濃度は、導波用の層の厚さ方向にお
いて均一である。別の実施例においては、ドーピング剤
のプロファイルは導波管を通る光の強さのプロファイル
と一致している。後の実施例における導波管を通るドー
ピング剤のプロファイルにおいては、親の物質内のドー
ピング剤の最大濃度は平面導波管の頂部および底部から
ほぼ等距離にある点に存在する。図２の６０および図３
の２１０にこのドーピング剤のプロファイルを示す。
内のドーピング剤の濃度は、導波用の層の厚さ方向にお
いて均一である。別の実施例においては、ドーピング剤
のプロファイルは導波管を通る光の強さのプロファイル
と一致している。後の実施例における導波管を通るドー
ピング剤のプロファイルにおいては、親の物質内のドー
ピング剤の最大濃度は平面導波管の頂部および底部から
ほぼ等距離にある点に存在する。図２の６０および図３
の２１０にこのドーピング剤のプロファイルを示す。
【００２５】このような増幅器は光通信に関連する信号
を増幅する際に役に立つ。しかし、ケーブルＴＶシステ
ム用の高出力光増幅器のようなその他の用途に使用する
ことができるので、そのような用途も除外すべきではな
い。信号および増幅電力を入力するには、１９８２年の
Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇに掲載されたハンスバ
ーガーの総合光学理論および技術に記載されている手段
を使用すればいい。出力信号は、ハンスバーガーが記載
した方法により導波管増幅器に送られる。入力および出
力結合用の代表的方法には、増幅器の導波管領域に端接
している入力および出力シリカ光ファイバーの使用等が
ある。
を増幅する際に役に立つ。しかし、ケーブルＴＶシステ
ム用の高出力光増幅器のようなその他の用途に使用する
ことができるので、そのような用途も除外すべきではな
い。信号および増幅電力を入力するには、１９８２年の
Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇに掲載されたハンスバ
ーガーの総合光学理論および技術に記載されている手段
を使用すればいい。出力信号は、ハンスバーガーが記載
した方法により導波管増幅器に送られる。入力および出
力結合用の代表的方法には、増幅器の導波管領域に端接
している入力および出力シリカ光ファイバーの使用等が
ある。
【００２６】以下の例は、本発明の特定の実施例を説明
するためのものである。例１ その上に形成された１０ミクロンの厚さの二酸化シリコ
ンの層を持つシリコン・ウエハを真空室内に入れた。真
空室の圧力が約１０-9トルになるまで空気を抜いた。Ｌ
ａＦ3 およびＥｒＦ3 のソースは、それぞれ別々のクヌ
ーセン・オーブン内に設置された（ＥＰＩ、セント・ポ
ール、ＭＮ）。ＬａＦ3 用のオーブンを１３６０℃に、
ＥｒＦ3 用のオーブンを１１５０℃に加熱した。蒸着が
行われていた間の圧力を１０-7トル以下に維持した。蒸
着が行われている間、オーブンの温度をタングステン／
レニウム熱電対を使用して、閉ループ・フィードバック
・システムにより制御した。薄膜全体を均一な組成にす
るために、層の形成期間中、クヌーセン・セル・オーブ
ンの温度を一定に維持した。得られた薄膜の組成は、約
５モル・パーセントのＥｒＦ3 および９５モル・パーセ
ントのＬａＦ3 が層全体に均一に分布しているものであ
った。
するためのものである。例１ その上に形成された１０ミクロンの厚さの二酸化シリコ
ンの層を持つシリコン・ウエハを真空室内に入れた。真
空室の圧力が約１０-9トルになるまで空気を抜いた。Ｌ
ａＦ3 およびＥｒＦ3 のソースは、それぞれ別々のクヌ
ーセン・オーブン内に設置された（ＥＰＩ、セント・ポ
ール、ＭＮ）。ＬａＦ3 用のオーブンを１３６０℃に、
ＥｒＦ3 用のオーブンを１１５０℃に加熱した。蒸着が
行われていた間の圧力を１０-7トル以下に維持した。蒸
着が行われている間、オーブンの温度をタングステン／
レニウム熱電対を使用して、閉ループ・フィードバック
・システムにより制御した。薄膜全体を均一な組成にす
るために、層の形成期間中、クヌーセン・セル・オーブ
ンの温度を一定に維持した。得られた薄膜の組成は、約
５モル・パーセントのＥｒＦ3 および９５モル・パーセ
ントのＬａＦ3 が層全体に均一に分布しているものであ
った。
【００２７】基盤の温度は約５５０℃に維持された。得
られた薄膜の厚さは約０．８ミクロンであった。薄膜の
厚さはＤＥＫＴＡＫ（登録商標）装置を使用して測定し
た。組成および薄膜の厚さはラザフォード後方散乱分光
測定法を使用して別々に測定した。得られた薄膜は多結
晶質であった。
られた薄膜の厚さは約０．８ミクロンであった。薄膜の
厚さはＤＥＫＴＡＫ（登録商標）装置を使用して測定し
た。組成および薄膜の厚さはラザフォード後方散乱分光
測定法を使用して別々に測定した。得られた薄膜は多結
晶質であった。
【００２８】得られた導波管は、約０．２０−２０ミク
ロンの波長の信号を伝送した。平面導波管のホトルミネ
センス・スペクトルを、出力４００ミリワット、ビーム
直径約０．５ミリの５１４．５ナノメートルのアルゴン
・レーザーを使用して測定した。ルミネセンスを単一回
折格子モノクロメータを使用してスペクトルにより分析
し、信号を液体窒素冷却ゲルマニューム検出装置を使用
して検出した。ポンプ・ビームを１１ヘルツの周波数で
チョップし、ロックイン増幅器を使用して増幅した。図
５に示すように、平面導波管は約１．５１−１．５７ミ
クロンの帯域の信号を有意に増幅した。このように、増
幅器は（約６０ナノメートルの）広い帯域での有意な増
幅を行った。
ロンの波長の信号を伝送した。平面導波管のホトルミネ
センス・スペクトルを、出力４００ミリワット、ビーム
直径約０．５ミリの５１４．５ナノメートルのアルゴン
・レーザーを使用して測定した。ルミネセンスを単一回
折格子モノクロメータを使用してスペクトルにより分析
し、信号を液体窒素冷却ゲルマニューム検出装置を使用
して検出した。ポンプ・ビームを１１ヘルツの周波数で
チョップし、ロックイン増幅器を使用して増幅した。図
５に示すように、平面導波管は約１．５１−１．５７ミ
クロンの帯域の信号を有意に増幅した。このように、増
幅器は（約６０ナノメートルの）広い帯域での有意な増
幅を行った。
【００２９】薄膜内のドーピング剤の濃度の関数として
のルミネセンスの持続時間を、薄膜を光励振するのに使
用した光源をオフにした後で、上記の例に従って作成し
た導波用層のルミネセンスの減衰をモニターすることに
より測定した。図６に薄膜内のＥｒの濃度の関数として
の上記持続時間を示す。約５原子パーセントのＥｒを含
む薄膜内のルミネセンスの測定持続時間は１２．８ミリ
秒の時定数で指数関数的に衰退した。この比較的長い持
続時間は導波用の層が増幅に対して良い環境を与えたこ
とを示している。
のルミネセンスの持続時間を、薄膜を光励振するのに使
用した光源をオフにした後で、上記の例に従って作成し
た導波用層のルミネセンスの減衰をモニターすることに
より測定した。図６に薄膜内のＥｒの濃度の関数として
の上記持続時間を示す。約５原子パーセントのＥｒを含
む薄膜内のルミネセンスの測定持続時間は１２．８ミリ
秒の時定数で指数関数的に衰退した。この比較的長い持
続時間は導波用の層が増幅に対して良い環境を与えたこ
とを示している。
【図１】本発明の平面導波管を示す図である。
【図２】本発明の平面導波管を示す図である。
【図３】本発明のリッジ導波管を示す図である。
【図４】本発明のリッジ導波管を示す図である。
【図５】本発明の導波管のホトルミネセンス・スペクト
ルを示す図である。
ルを示す図である。
【図６】本発明の導波管の発光持続時間を示す図であ
る。
る。
１０ 平面導波管 ２０ 基盤 ３０ ドーピング剤
フロントページの続き (72)発明者 ゼオ シーグリスト アメリカ合衆国 08853 ニュージャーシ ィ，ネシャニック ステーション，メイプ ル アヴェニュー（番地なし），ピー．オ ー．ボックス 522
Claims (15)
- 【請求項１】 光信号を導入するためのカップリング
と、増幅のために光電力を導入するためのカップリング
と、信号出力のためのカップリングと、上記信号および
上記光電力を導くのに適した領域とからなる光信号の増
幅に適している光学的装置であって、上記領域が基盤上
に形成された三価の単結晶または多結晶質の物質である
ドーピング剤を含む導波用の物質からなり、上記基盤が
導波用物質の屈折率より低い屈折率を持ち、導波用の物
質が希土イオンであるドーピング剤を含み、ドーピング
剤を含む導波用の物質の少なくとも一部のドーピング剤
の濃度が約０．０５−１２原子パーセントであり、それ
により少なくとも約６０ナノメートルの帯域幅の発光ス
ペクトルを持ち、約１．５１−１．５７ミクロンの波長
の光信号を増幅する導波用の物質を提供する装置。 - 【請求項２】 光学的装置が帯域全体にわたって信号を
有意に増幅する請求項１に記載の装置。 - 【請求項３】 IIIＢ グループの金属およびランタノイ
ド系希土類金属から三価のカチオンを選択し、ドーピン
グ剤がエルビウムである請求項１に記載の光学的装置。 - 【請求項４】 ランタン、イットリウムおよびルテチウ
ムからなるグループから三価のカチオンを選択する請求
項３に記載の装置。 - 【請求項５】 フッ化ランタン、フッ化イットリウムお
よびフッ化ルテチウムからなるグループから導波用の物
質を選択する請求項４に記載の装置。 - 【請求項６】 導波用の物質はフッ化ランタンであり、
ドーピング剤がフッ化エルビウムであり、フッ化ランタ
ン内のエルビウムの濃度が約４−５原子パーセントであ
る請求項５に記載の装置。 - 【請求項７】 発光のルミネセンスの持続時間が少なく
とも約１ミリ秒の時定数で減衰する請求項１に記載の装
置。 - 【請求項８】 第一のソースから親の物質を、第二のソ
ースからドーピング剤を蒸発させて基盤上にドーピング
剤を含む導波用の親の物質とドーピング剤の層を形成す
ることからなる平面導波管の製造方法であって、最初の
ソース物質がフッ化金属であり、その金属がメンデレー
フの元素の周期表のIIIＢ グループの金属およびランタ
ノイド系の希土類金属からなるグループから選ばれたも
のであり、第二のソース物質がＥｒＦ3 である方法。 - 【請求項９】 親の物質内のドーピング剤の濃度が約
０．０５−５原子パーセントである請求項８に記載の方
法。 - 【請求項１０】 ドーピング剤がエルビウムであり、ド
ーピング剤を含む導波用の親の物質が約１．５１−１．
５７ミクロンの信号波長において約６０ナノメートルの
帯域幅の発光スペクトルを持っている請求項８に記載の
方法。 - 【請求項１１】 ドーピング剤を含む導波用の物質内の
ドーピング剤の濃度を、ドーピング剤のプロファイルが
ドーピング剤を含む導波用の物質を通して伝送される光
の強度のプロファイルと一致するように制御することか
らなる請求項８に記載の方法。 - 【請求項１２】 第一のソース物質がＬａＦ3 、ＹＦ3
およびＬｕＦ3 からなるグループから選択される請求項
１０に記載の方法。 - 【請求項１３】 ＬａＦ3 のソースを第一の温度まで加
熱し、ＥｒＦ3 のソースを第二の温度まで加熱すること
により、基盤上にドーピング剤を含む導波用の物質を形
成する請求項１２に記載の方法であって、蒸発する各５
単位のＥｒＦ3 に対して９５単位のＬａＦ3 が蒸発する
ように各ソースからのＬａＦ3 およびＥｒＦ3 の蒸発速
度を制御するように第一および第二の温度を選択し、そ
れにより基盤上に約９５原子パーセントのＬａＦ3 およ
び約５原子パーセントのＥｒＦ3 からなるドーピング剤
を含む導波用の物質を形成する方法。 - 【請求項１４】 基盤をシリコン、結晶質クオーツ、溶
解クオーツ、フッ化カルシウムおよび酸化アルミニウム
からなるグループから選択する請求項１３に記載の方
法。 - 【請求項１５】 シリコン基盤が、ドーピング剤を含む
導波管用の物質が基盤上に形成される前にその上に形成
された二酸化シリコンのバッファー層を持っている請求
項１４に記載の方法。
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|---|---|---|---|
| US08/373,346 US5555342A (en) | 1995-01-17 | 1995-01-17 | Planar waveguide and a process for its fabrication |
| US08/373346 | 1995-01-17 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8005688A Pending JPH08240821A (ja) | 1995-01-17 | 1996-01-17 | 平面導波管およびその製造法 |
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| EP (1) | EP0723319B1 (ja) |
| JP (1) | JPH08240821A (ja) |
| KR (1) | KR100358267B1 (ja) |
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| JP5054874B2 (ja) * | 1999-12-02 | 2012-10-24 | ティーガル コーポレイション | リアクタ内でプラチナエッチングを行う方法 |
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-
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-
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