【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光信号処理、光計測の分野における導波路型光部品の製造方法に関するものである。 特に、１．３μｍ帯及び１．５μｍ
帯における信号光を増幅する機能を有する導波路型光増幅器に用いれば大きな効果が期待できる。

【０００２】

【従来の技術】最近、光通信に重要な１．５μｍ帯の信号光を増幅する導波路型光増幅器の開発が盛んである。
この導波路型光増幅器は希土類元素であるＥｒの１．５
μｍ帯でのレーザ遷移を利用したものであり、光増幅により伝搬損失や分岐損失を補償することができるため、
極めて有用な光部品である。 導波路型光増幅器を作製するには、従来の受動型光導波回路の作製方法と同様、凸型プロセスと称する工程により作製される。

【０００３】図５に凸型プロセスによる光増幅器用Ｅｒ
添加光導波路の製造方法を示す。 まず、Ｓｉ基板１上に火炎堆積法を用いて下部クラッドガラス層２を形成する（図５（ａ）参照）。 次にＰを共添加したＥｒ添加コアガラス層３を形成して、フォト工程とエッチングによりＥｒ添加コアガラス４を矩形状に加工する（図５（ｂ）
及び（ｃ）参照）。 さらに、コアを上部クラッドガラス層５で埋め込むことにより（図５（ｄ）参照）、Ｅｒ添加光導波路が作製されている。

【０００４】この方法を用いると、任意の導波路パターンを形成することができる。 従って、従来の導波路型光部品に用いられている方向性結合器やリング共振器などの光回路を精度よく、かつ、再現性よく作製することができる。

【０００５】ところで、希土類添加光導波路を用いた光増幅器では、光ファイバ型光増幅器に比べて、伝搬損失が高いため、希土類元素を高濃度に添加しなければならず、高い励起光強度が必要となる。 ところが、半導体レーザを励起光源として用いて光増幅を行うには光源の光出力に限界があるため、単位励起光強度に対する利得を向上させ、高効率に動作させることが重要となる。 高効率化の手段として、Ｅｒ添加ファイバ型光増幅器においては、Ｅｒをコア中心部に添加した光ファイバを用いる方法が実現されている。 これは、光強度の大きいコア中心部にＥｒを添加することにより、単位励起光強度あたりの増幅度を向上させるものである。 光導波路においても、同様に導波路のコア中心部にＥｒを添加すると、増幅度の向上が期待できる。

【０００６】従来の凸型プロセスでは、フォト工程とエッチングの組み合わせでＥｒをコアの中心部に添加することは実際状困難であり、特開平４−２７１３２８号公報に記載されたように、はじめにＥｒ添加のコアよりなる光導波路を作製し、光導波路作製後、加熱することによりコアの中から屈折率添加用の物質のある周囲のクラッド部に拡散させることによりコア全体を拡大させ、結果としてコア中心部のみＥｒが存在するようにする技術が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した提案方法では、熱処理による拡散を利用していることから、コア幅やコアの屈折率分布の制御性が悪いという問題点があった。 従って、光干渉を利用する光回路においては、１μｍ以下のパターン精度が要求されるため、
方向性結合器、マッハツェンダ干渉系を再現性よく作製することは困難であった。

【０００８】さらに特開平４−３５９２３０号公報、特開平６−２８１９７７号公報等においても二層コアよりなる光導波路に関する技術が開示されているが、これらはいずれも種類の異なるコアが垂直方向に積層されるものであり、水平方向にもコアの堆積が異なるように分布されるものは提案されていない。

【０００９】本発明は、これらの問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、高効率で動作する光増幅器用光導波路の製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発明の光導波路の製造方法は、平面基板上に形成された光を伝搬するコアと前記コアより屈折率の低いクラッドとから構成される石英系光導波路において、下部クラッドにコア形成用の溝をフォト工程とエッチング工程とにより最初に作製して、コアを形成する凹型プロセスを活用することを特徴とする。

【００１１】すなわち、本発明の第１の光導波路の製造方法は、平面基板上に形成されたコア及び該コアを囲み該コアより屈折率の低いクラッドよりなる光導波路の製造方法において、（１）平面基板上に下部クラッド層を形成する下部クラッド層形成工程と、（２）前記下部クラッド層に第１の溝を形成する第１溝形成工程と、
（３）前記下部クラッド層上に前記下部クラッド層より屈折率が高い第１のコア層を積層する第１コア層積層工程と、（４）前記第１のコア層の前記第１の溝部分以外を除去する第１コア部成形工程と、（５）前記第１のコア層に下面及び側面を残して第２の溝を形成する第２溝形成工程と、（６）前記第１のコア層と屈折率が等しく、光学活性物質が添加された第２のコア層を前記下部クラッド層及び前記第１のコア層の上に積層する第２コア積層工程と、（７）前記第２のコア層を前記第２の溝の上部に空間ができるように除去する第２コア部成形工程と、（８）前記第１のコア層及び前記第２のコア層の上に前記第１のコア層を再度積層する第３コア層積層工程と、（９）前記第１のコア層の前記第１の溝部分以外を除去する第３コア部成形工程と、（１０）前記下部クラッド層及び前記第１のコア層の上に前記第１のコア層より屈折率の低い上部クラッド層を形成する上部クラッド層形成工程と、よりなることを特徴とする。

【００１２】また、前記第１の方法において、前記第１
溝形成工程及び前記第２溝形成工程が、フォト工程とエッチング工程とよりなることを特徴とする。

【００１３】また、前記第１の方法において、前記第１
コア部成形工程，前記第２コア部成形工程及び第３コア部成形工程が、エッチング工程よりなることを特徴とする。

【００１４】一方、本発明の第２の光導波路の製造方法は、平面基板上に形成されたコア及び該コアを囲み該コアより屈折率の低いクラッドよりなる光導波路の製造方法において、（１）平面基板上に下部クラッド層を形成する下部クラッド層形成工程、前記下部クラッド層に第１の溝を形成する第１溝形成工程と、（２）前記下部クラッド層より屈折率が高い第１のコア層原料、前記第１
のコア層と屈折率が等しく、光学活性物質が添加された第２のコア層原料、前記第１のコア層原料をこの順に前記下部クラッド層上に積層させるコア層原料積層工程と、（３）焼結により前記第１のコア層原料及び前記第２のコア層原料を焼結により第１のコア層及び第２のコア層とするコア層焼結工程と、（４）前記第１のコア層及び第２のコア層の前記第１の溝部分以外を除去するコア部成形工程と、（５）前記下部クラッド層及び前記第１のコア層及び前記第２のコア層上に前記第１のコア層よりも屈折率の低い上部クラッド層を形成する上部クラッド層形成工程とよりなることを特徴とする。

【００１５】また、前記第２の方法において、コア層原料積層工程が火炎堆積法であることを特徴とする。

【００１６】また、前記第２の方法において、前記第１
溝形成工程がフォト工程とエッチング工程であることを特徴とする。

【００１７】また、前記第２の方法において、前記光学活性物質が希土類元素であることを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明を実施する形態について詳細に説明する。

【００１９】本発明によれば、コアの寸法精度は下部クラッドに形成する溝の加工形状によって決定されることから、方向性結合器など干渉を利用する光回路をパターンやせやコア変形なく作製することができ、かつ、屈折率の高いコアの中心部に希土類元素を添加することが可能となる。

【００２０】この製造方法は、フォト工程とエッチングの組み合わせにより希土類元素をコア中心部に添加していることから、平坦なガラス膜が形成可能ならば、コアガラスの製造方法、コアガラス組成に関して制限はない。

【００２１】例えば、本発明が有効なガラス膜製造方法としては、火炎堆積法、ＣＶＤ法、スパッタ法を挙げることができる。

【００２２】また、ガラス組成に関しては、Ｐ，Ｇｅ，
Ｔｉ，Ｂなどを任意に選ぶことができる。

【００２３】また、希土類元素としては、光通信で使用される１．３μｍ帯および１．５μｍ帯にレーザ遷移を有するＮｄ，Ｅｒのほか、Ｓｍ，Ｈｏを挙げることができ、さらにはＥｒの０．９８μｍ帯の吸収に対して増感作用を有するＹｂも挙げることができる。

【００２４】これらの希土類元素とＰ，Ｇｅなどの屈折率を高める元素とは任意に組み合わせて適用することができる。

【００２５】特に、火炎堆積法を用いる場合、凹型に溝加工した下部クラッドガラスの上に、希土類元素を含まないコアガラススートを堆積し、次に希土類元素を含むコアガラススートを堆積し、さらに、希土類元素を含まないコアガラススートを堆積して、高温度中で焼結すると、希土類元素は拡散量が小さいことからコア中心部にのみ分布するようにコアガラススートが凹部に埋め込まれる。 従って、３層からなるコアガラススートを形成すれば、１回の焼結で希土類元素をコアの中心部に添加することができ、フォト工程とエッチングはそれぞれ１回用いるだけである。

【００２６】また、火炎堆積法を用いると、３層からなるコアガラススートは、連続堆積により１回で形成することができる。 このことから、火炎堆積法が、製造工程を簡略化できることから、希土類元素をコアの中心部に添加する製造方法として好適である。

【００２７】いずれの方法で作製しても、本願発明の方法による光導波路は特開平４−２７１３２８号公報に開示された光導波路と比較して、コアとクラッドの境界が明確なため、導波特性に優れたものとなり、特開平４−
３５９２３０号公報，特開平６−２８１９７７号公報に開示された光導波路と比べて、水平方向にも中心部のみに光学活性物質が分布しているため、光学活性特性の効果が大きくなる。

【００２８】

【実施例】以下本発明の好適な実施例を図面を参照にして説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００２９】 実施例１図１に本発明における光導波路の作製工程を示す。 ここで、本実施例では、希土類元素としてＥｒを用いた。 （１）まず、Ｓｉ基板１上に、火炎堆積法により約３０
μｍ厚の下部クラッドガラス層２を作製する（図１
（ａ）参照）。 （２）次にコアを形成するための幅６μｍ，深さ６μｍ
である凹型の溝２ａをフォト工程及び反応性イオンエッチングにより形成する（図１（ｂ）参照）。 （３）次に、火炎堆積法によりＥｒを含有しておらずＢ，Ｐ，Ｇｅを添加したコアガラススートを堆積する。 （４）コアガラススートを透明ガラス化するため、電気炉中にて１３００℃で２時間保持して焼結する。 （５）Ｅｒ無添加コアガラス層６は膜厚１２μｍとした（図１（ｃ）参照）。 （６）次に、反応性イオンエッチングを用いてＥｒ無添加コアガラス層６を除去し、前記溝２ａにＥｒ無添加コアガラスを埋め込む（図１（ｄ）参照）。 （７）次に、Ｅｒ添加コアになる幅３μｍ，深さ４．５
μｍである凹型の溝７ａをフォト工程及び反応性イオンエッチングにより形成する（図１（ｅ）参照）。 （８）次に、Ｅｒ添加Ｐ共添加コアガラススートを火炎堆積法により堆積する。 （９）Ｅｒ添加Ｐ共添加コアガラススートを透明ガラス化するため、電気炉中にて１２００℃で２時間保持して焼結する。 （10）Ｅｒ添加コアガラス層３の膜厚は１２μｍとした（図１（ｆ）参照）。 （11）次に、反応性イオンエッチングを用いてＥｒ添加コアガラス層３を除去する（図１（ｇ）参照）。 （12）次に、フォト工程及びエッチングにより溝７ａ内に形成されたＥｒ添加コアガラス４の上面のみを１．５
μｍ除去する（図１（ｈ）参照）。 （13）次に、火炎堆積法により、膜厚１２μｍであるＥ
ｒ無添加コアガラス層６を作製する（図１（ｉ）参照）。 （13）次に、反応性イオンエッチングによりＥｒ無添加コアガラス層６を取り除く（図１（ｊ）参照）。 （14）最後に、火炎堆積法を用いて下部クラッドガラス層２と等しい屈折率を有するＢ及びＰを添加した上部クラッドガラス層５を約３０μｍ火炎堆積法により形成する（図１（ｋ）参照）。 この実施例で作製した導波路は、コア寸法６μｍ×６μ
ｍ、コアクラッド間の屈折率差０．７５％、Ｅｒ添加領域３μｍ×３μｍ，Ｅｒ濃度４０００ｐｐｍであり、Ｅ
ｒ添加ガラス４はＥｒ無添加コアガラス７の中心部に添加されている。

【００３０】次に、本実施例の光導波路製造方法を用いて、励起光と信号光の合分波回路を集積した光増幅器を作製した。 図２に回路構成の概略を示す。 図２中、符号１０は信号光入力用光導波路、１１は励起光入力用光導波路、１２ａ，１２ｂはマッハツェンダ干渉計、１３は光増幅用光導波路、１４は信号光出力用光導波路、１５
は励起光出力用光導波路を各々図示する。 本光増幅器全体は上述した方法を用いて、Ｅｒをコアの中心部に添加した光導波路により構成した。

【００３１】この光増幅器を動作するには、まず、波長１．４７μｍの励起光及び波長１．５μｍの信号光を単一モード光ファイバを用いて励起光入力用導波路１１及び信号光入力用導波路１０に入射する。 励起光は方向性結合器Ｉ及び方向性結合器IIから構成されたマッハツェンダ干渉計１２ａにより励起光入力用光導波路１１を伝搬する光強度に対して９９％の光強度が光増幅用光導波路１３に入射してＥｒイオンを励起し、信号光は信号光入力用光導波路１０に対して９９％の光強度が光増幅用光導波路１３に伝搬する。 ここで、励起されたＥｒイオンにより光増幅用光導波路１３を伝搬する信号光が増幅される。

【００３２】さらに、該光増幅用光導波路１３を伝搬した励起光は、方向性結合器III 及び方向性結合器IVから構成されるマッハツェンダ干渉計１２ｂにより方向性結合器Ｉ及び方向性結合器IIから構成されたマッハツェンダ干渉計１２ａと同様な動作原理で９９％の結合率で分波され励起光出力用光導波路１５に、光増幅用光導波路１３で増幅された信号光は９９％の結合率で信号光出力用光導波路１４にそれぞれ伝搬し、信号光のみが単一モード光ファイバによって取り出される。

【００３３】この光増幅器を用いて、１．３μｍ帯の光増幅実験を行ったところ、単一モード光ファイバの出射端における励起光の光強度が３０ｍＷである場合、信号光の光強度が３０ｄＢ増幅され、利得効率が１ｄＢ／ｍ
Ｗであることが明らかとなった。 コアにＥｒを均一に添加した場合の利得効率は０．３ｄＢ／ｍＷであることから、本発明の製造方法によるＥｒ中心添加光導波路を用いることで、利得効率を３倍改善できることが判明した。

【００３４】本実施例では、ガラス膜作製に火炎堆積法を用いたが、これは、この方法が、比較的厚く高品質なガラス膜の堆積に適しているからである。 場合によっては、別のガラス膜合成方法、例えばＣＶＤ法やスパッタ法を一部または全部に用いることもできる。

【００３５】 実施例２図３に本発明における光導波路の作製工程を示す。 ここで、希土類元素としてＥｒを用いた。 （１）まず、Ｓｉ基板１上に、火炎堆積法により約３０
μｍ厚の下部クラッドガラス層２を作製する（図３
（ａ）参照）。 （２）次にコアを形成するための幅６μｍ，深さ６μｍ
である凹型の溝２ａをフォト工程及び反応性イオンエッチングにより形成する（図３（ｂ）参照）。 （３）次に、火炎堆積法により、一層目としてＰを添加したＥｒ無添加コアガラススート８を堆積し、次に二層目としてＥｒ添加Ｐ共添加コアガラススート９を堆積し、さらに三層目としてＰを添加したＥｒ無添加コアガラススート８を堆積する（図３（ｃ）参照）。 （４）次に、コアガラススートを透明ガラス化するため、電気炉中にて１２００℃で２時間保持して焼結する。 （５）コアガラスは膜厚１２μｍであり、一層目のＥｒ
無添加コアガラス層６の膜厚を４．５μｍ，二層目のＥ
ｒ添加コアガラス層３の膜厚を３μｍ、三層目のＥｒ無添加コアガラス層６の膜厚を４．５μｍとした（図３
（ｄ）参照）。 （６）次に、反応性イオンエッチングを用いて三層構造であるコアガラス層を除去する（図３（ｅ）参照）。 （７）次に、火炎堆積法を用いて下部クラッドガラス層２と等しい屈折率を有するＢ及びＰを添加したガラス膜を約３０μｍ上部クラッドガラス層５として火炎堆積法により形成する（図３（ｆ）参照）。

【００３６】この実施例で作製した導波路は、コア寸法６μｍ×６μｍ、コアクラッド間の屈折率差０．７５
％、Ｅｒ添加領域３μｍ×３μｍ，Ｅｒ濃度４０００ｐ
ｐｍであり、Ｅｒ添加ガラス４はＥｒ無添加コアガラス７の中心部に添加されている。

【００３７】次に、本実施例の光導波路製造方法を用いて、マッハツェンダ干渉計を用いた合分波回路を集積したリングレーザを作製した。

【００３８】図４に回路構成の概略を示す。 図４中、符号１１は励起光入力用光導波路、１２ｃはマッハツェンダ干渉計、１６は発振光出力用光導波路及び１７はリング光導波路を各々図示する。 本リングレーザは、上述した方法により得られたすべてＥｒをコアの中心部に添加した光導波路を用いて構成した。

【００３９】このリングレーザを動作するには、まず、
波長１．４７μｍの励起光を単一モード光ファイバを用いて励起光入力用導波路１１に入射する。 励起光は方向性結合器Ｖ及び方向性結合器VIから構成されたマッハツェンダ干渉計１２ｃにより励起光入力用光導波路１１を伝搬する光強度に対して９９％の光強度がリング導波路に入射してＥｒイオンを励起する。 励起されたＥｒイオンが緩和する際に発する自然放出光は方向性結合器Ｖ及び方向性結合器VIから構成されたマッハツェンダ干渉計１２ｃが１．５μｍ帯において９５％の高結合率を有することからリング導波路の中に閉じ込められ、誘導放出に至る。 このリング導波路中を周回する発振光は、発振出力用導波路１６を通過し単一モード光ファイバによって取り出される。

【００４０】このリングレーザを用いて、１．５μｍ帯のレーザ発振実験を行ったところ、発振閾値が単一モード光ファイバの出射端における励起光の光強度で１０ｍ
Ｗであり、励起光強度５０ｍＷにおいて発振光強度が１
０ｍＷであることが明らかとなった。 コアにＥｒを均一に添加した場合の発振閾値励起光強度及び励起光強度５
０ｍＷにおける発振光強度はそれぞれ２０ｍＷ及び５ｍ
Ｗであることから、本発明の製造方法によるＥｒ中心添加光導波路を用いることで、利得効率を向上でき、レーザ発振特性の改善が図られることが判明した。

【００４１】以上により、本発明の光増幅器用光導波路の製造方法では、Ｅｒをコア中心部に添加することができ、光増幅，レーザ発振に要する励起光強度を低減するうえで有効であることが明らかとなった。

【００４２】以上の実施例１及び２では、光回路全体をＥｒ中心添加光導波路を用いて構成したが、本発明は凹型プロセスを用いており、異種の導波路を０．１ｄＢ以下の低損失で接続可能なことから、光増幅を必要である回路部を本発明のＥｒ中心添加光導波路で形成し、光増幅が不要であり、かつ、信号光を低損失で伝搬させる必要のある合分波回路などの回路部にＥｒを添加しない光導波路で形成する回路構成は有用である。

【００４３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の光導波路の製造方法によれば、希土類元素をコアの中心部に添加した光導波路を作製することができ、かつ、本質的にコア変形などのゆらぎの小さい光導波路を作製することが可能である。 従って、例えば希土類を添加して光増幅に使用する場合、希土類添加部の励起光強度を高めることができ、より小さい励起光強度で動作する光増幅器、
レーザを高精度かつ再現性よく作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光導波路作製過程を示す導波路断面図である。

【図２】本発明の実施例１の励起光と信号光の合分波回路を集積した光増幅器の回路構成を示す断面図である。

【図３】本発明の光導波路作製過程を示す導波路断面図である。

【図４】本発明の実施例２のマッハツェンダ干渉計を用いた合分波回路を集積したリングレーザの回路構成を示す断面図である。

【図５】従来の凹型プロセスによる希土類添加光導波路の作製過程を示す図である。

【符号の説明】

１ Ｓｉ基板 ２ 下部クラッドガラス層 ３ Ｅｒ添加コアガラス層 ４ Ｅｒ添加コアガラス ５ 上部クラッドガラス層 ６ Ｅｒ無添加コアガラス層 ７ Ｅｒ無添加コアガラス ８ Ｅｒ無添加コアガラススート ９ Ｅｒ添加コアガラススート １０ 信号光入力用光導波路 １１ 励起光入力用光導波路 １２ａ，１２ｂ，１２ｃ マッハツェンダ干渉計 １３ 光増幅用光導波路 １４ 信号光出力用光導波路 １５ 励起光出力用光導波路 １６ 発振光出力用光導波路 １７ リング光導波路 Ｉ，II，III ，IV，Ｖ，VI 方向性結合器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小熊 学 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内