(57)【要約】【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】コア３を、Ｅｒを含む例えば膜厚が１原子層の希土類含有層３０１と、希土類元素を含まない例えば膜厚が４原子層の希土類非含有層３０２との積層構造とする。希土類含有層３０１は、例えば、シリカ系材料に希土類としてＥｒを添加した膜厚０．３ｎｍの層である。添加されているＥｒの濃度は、希土類含有層３０１を構成しているシリコンに対し、５％程度である。また、希土類非含有層３０２は、例えば、シリカ系材料からなる膜厚１．５ｎｍの層である。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記クラッドと屈折率が異なる材料から構成された第１の層と、
前記クラッドと屈折率が異なる材料から構成され希土類元素が添加された第２の層とが交互に積層された積層構造体であり、
前記第２の層は、数十原子層以下の厚さに形成されたものである
ことを特徴とする導波路型光増幅器。
【請求項２】
請求項１記載の導波路型光増幅器において、
前記第２の層は、数原子層以下の厚さに形成されたものである
ことを特徴とする導波路型光増幅器。
【請求項３】
請求項１または２記載の導波路型光増幅器において、
前記コアにおける前記希土類元素の平均濃度分布は、少なくとも前記第１，第２の層の積層方向において、前記コアの中心ほど濃度が高い
ことを特徴とする導波路型光増幅器。
【請求項４】
請求項３記載の導波路型光増幅器において、
前記コアにおける前記希土類元素の平均濃度分布は、少なくとも前記第１，第２の層の積層方向において前記コアを導波する光の強度分布に対応したものである
ことを特徴とする導波路型光増幅器。
【請求項５】
請求項３または４記載の導波路型光増幅器において、
前記第１の層は、前記コアの中心部からはなれるほど厚く形成されている
ことを特徴とする導波路型光増幅器。
【請求項６】
請求項３または４記載の導波路型光増幅器において、
前記第２の層は、前記コアの中心部から離れるほど前記希土類元素の濃度が低く形成されている
ことを特徴とする導波路型光増幅器。
【請求項７】
請求項３または４記載の導波路型光増幅器において、
前記第２の層は、前記コアの中心部からはなれるほど薄く形成されている
ことを特徴とする導波路型光増幅器。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の導波路型光増幅器において、
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が、前記コアに添加されている
ことを特徴とする導波路型光増幅器。
【請求項９】
請求項８記載の導波路型光増幅器において、
前記修正元素は、前記第２の層のみに添加されている
ことを特徴とする導波路型光増幅器。
【請求項１０】
請求項８または９記載の導波路型光増幅器において、
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導波路型光増幅器。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか１項に記載の導波路型光増幅器において、
前記第１の層の中に配置され、前記第２の層に添加されている希土類元素の拡散を防止する元素から構成された拡散防止層
を備えたことを特徴とする導波路型光増幅器。
【請求項１２】
請求項１１記載の導波路型光増幅器において、
前記拡散防止層は、前記第２の層に接して設けられている
ことを特徴とする導波路型光増幅器。
【請求項１３】
請求項１１または１２記載の導波路型光増幅器において、
前記拡散防止層は、酸化アルミニウム，窒化シリコン，酸窒化シリコンの少なくとも何れか１つから構成されたものである
ことを特徴とする導波路型光増幅器。
【請求項１４】
請求項１〜１３の何れか１項に記載の導波路型光増幅器において、
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導波路型光増幅器。
【請求項１５】
請求項１〜１４の何れか１項に記載の導波路型光増幅器において、
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導波路型光増幅器。
【請求項１６】
請求項１５記載の導波路型光増幅器において、
前記第２の層の主な成分は、リン酸ガラス，希土類の酸化物，希土類元素の何れか１つであることを特徴とする導波路型光増幅器。
【請求項１７】
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，イオンプレーティング法，蒸着法の何れかにより、前記コアの主たる成分からなる第１の層と希土類元素が添加された数十原子層以下の第２の層とが交互に積層された積層構造体からなり、前記修正元素が添加さ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
を備えたことを特徴とする導波路型光増幅器の製造方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の導波路型光増幅器の製造方法において、
前記第２のターゲットと第３のターゲットは、希土類元素と前記修正元素を同時に含むターゲットである
ことを特徴とする導波路型光増幅器の製造方法。
【請求項１９】
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、前記コアの主たる成分からなる第１の層と、希土類元素が添加された数十原子層以下の第２の層とが交互に積層された積層構造体からなり、前記修正元素が添加さ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
を備えたことを特徴とする光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【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導波路型光増幅器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導波路型光増幅器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を目指した光増幅器の開発が行われている。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、信号光で励起した電子を緩和させて誘導放出により元の信号光の強度を増大することで、光信号を増幅している。
【０００４】
従って、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。すなわち、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。
【０００５】
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、クラスター化を抑制した状態で、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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
また、希土類元素が添加された層をコアの中心部に一層形成し、また、希土類元素が添加された複数の層をコア内に形成することで、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：特許２８４２９５４号）。文献２に示された技術においては、クラスター化の抑制や広帯域化のための助成ドーパントも希土類元素添加層に添加しており、この上下の隣接層には、希土類元素も助成元素も導入しない。文献２には、希土類元素添加層の厚さは０．５μｍ程度から１．５μｍ程度であることが示されている。
【０００９】
【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。
【００１０】
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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る導波路型光増幅器は、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、クラッドと屈折率が異なる材料から構成された第１の層と、クラッドと屈折率が異なる材料から構成され希土類元素が添加された第２の層とが交互に積層された積層構造体であり、第２の層は、数十原子層例えば５０原子層以下の厚さに形成されたものである。ここで、１原子層は、希土類元素一つ分の厚さとなる。
この導波路型光増幅器によれば、希土類元素がコアの膜厚方向に離散的に存在し、原子層レベルで薄く形成された第２の層内では、この層の膜厚方向におけるクラスター化が抑制される。
【００１２】
上記導波路型光増幅器において、第２の層の厚さは、より薄く例えば１〜１５原子層，より望ましくは１原子層と、数原子層以下に形成されていれば、より高いクラスター化の抑制効果が期待できる。希土類元素が添加された第２の層全てについてこの厚さを数十原子層また波数原子層以下にしてもよいが、少なくとも１つの第２の層についてこの厚さを上述したようにしてもよい。
【００１３】
また、上記導波路型光増幅器において、コアにおける希土類元素の平均濃度分布は、少なくともコアの高さ方向、すなわち第１，第２の層の積層方向において、コアの中心ほど濃度が高く、さらには、コアを導波する光の強度分布に対応するようにしてもよい。なお、上述した希土類元素の平均濃度分布は、コアの任意の点を中心とした所定の範囲内における平均濃度をいい、例えば、コアの厚さ方向において、任意の点を含む複数層（第１，第２の層を含む）における希土類元素の平均濃度をいう。
【００１４】
このような分布とするために、例えば、第１の層が、コアの中心部からはなれるほど厚く形成されているようにしてもよく、第２の層が、コアの中心部から離れるほど第２の層に添加された希土類元素の濃度が低く形成されているようにしてもよく、また、第２の層が、コアの中心部からはなれるほど薄く形成されているようにしてもよい。
【００１５】
上記導波路型光増幅器において、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が、コアに添加されているようにしてもよく、修正元素が、第２の層のみに添加されているようにしてもよい。なお、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。
【００１６】
上記、導波路型光増幅器において、第１の層の中に配置され、第２の層に添加されている希土類元素の拡散を防止する元素から構成された拡散防止層を備えるようにしてもよく、拡散防止層が、第２の層に接して設けられているようにしてもよい。この拡散防止層は、酸化アルミニウム，窒化シリコン，酸窒化シリコンの少なくとも何れか１つから構成されたものであればよい。
また、上記導波路型光増幅器において、希土類元素は、Ｅｒ，Ｔｍ，Ｐｒ，Ｎｄの少なくとも何れか１つであり、また、コアの主な成分は、酸化シリコン，酸化アルミニウム，酸化ビスマスの少なくとも何れか１つを含むものであり、また、第２の層の主な成分は、リン酸ガラス，希土類の酸化物，希土類元素の何れか１つである。
【００１７】
本発明に係る導波路型光増幅器の製造方法は、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，イオンプレーティング法，蒸着法の何れかにより、コアの主たる成分からなる第１の層と希土類元素が添加された第２の層とが交互に積層された積層構造体からなり、修正元素が添加さ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を備え、前記第２の層を数十原子層例えば５０原子層以下の厚さに形成するようにしたものである。
上記導波路型光増幅器の製造方法において、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を同時に含むターゲットとしてもよい。
【００１８】
また、本発明の他の形態のおける導波路型光増幅器の製造方法は、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、コアの主たる成分からなる第１の層と、希土類元素が添加された数十原子層以下の第２の層とが交互に積層された積層構造体からなり、修正元素が添加さ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を備えたものである。
【００１９】
【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導波路型光増幅器の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。この導波路型光増幅器は、基板１上に形成された下クラッド２，幅及び高さを２μｍ程度とされたコア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の平面に平行な方向に延在している。
【００２０】
また、本実施の形態では、図１（ｂ）の部分的な拡大図に示すように、コア３を、Ｅｒを含む例えば膜厚が１原子層の希土類含有層（第２の層）３０１と、希土類元素を含まない例えば膜厚が４原子層の希土類非含有層（第１の層）３０２との積層構造とした。希土類含有層３０１は、例えば、シリカ系材料に希土類としてＥｒを添加した場合、膜厚０．３ｎｍとなる。添加されているＥｒの濃度は、希土類含有層３０１を構成しているシリコンに対し、５％程度である。また、希土類非含有層３０２は、例えば、シリカ系材料からなる場合、膜厚１．５ｎｍの層となる。また、コア３全体におけるＥｒの平均濃度は、１×１０２０原子／ｃｍ３程度である。
【００２１】
本実施の形態における図１の導波路型光増幅器によれば、導波路利得が、１．２ｄＢ／ｃｍであった。従来の、コア内に均一にＥｒを添加した場合では、導波路利得が１ｄＢ／ｃｍであったので、図１の導波路型光増幅器によって導波路利得の向上が得られたことになる。
なお、基板１は、例えばシリコン単結晶から構成され、下クラッド２は、膜厚１５μｍ程度のシリコン酸化膜から構成され、上クラッド４は、例えば、膜厚１０μｍ程度のホウ素とリンとが添加された酸化シリコン（ＢＰＳＧ）から構成されたものである。
【００２２】
本実施の形態では、極薄い希土類含有層３０１と希土類非含有層３０２との積層体でコア３を構成することで、コア３に添加されている希土類元素（Ｅｒ）のクラスター化を抑制し、効率よく光増幅を行わせるようにしたものである。
希土類含有層３０１の厚さを１原子程度にし、他の希土類含有層３０１との間に希土類元素を添加していない希土類非含有層３０２を挟むことにより、コア３の膜厚方向での希土類原子間に距離を設け、クラスター化を低減するようにした。
【００２３】
なお、希土類非含有層３０２の厚さは、４原子層程度あれば、希土類含有層３０１に添加されている希土類が拡散して希土類非含有層３０２内にしみ出してきても、これらが希土類非含有層３０２中でクラスター化するのを抑制できる。また、製造過程において、希土類非含有層３０２にも微量の希土類が混入する場合があるが、微量の希土類が希土類非含有層３０２中に存在していてもこの濃度は非常に小さいため、クラスター化することはほとんど無く、問題はない。
【００２４】
ところで、希土類含有層３０１に添加する希土類は、Ｅｒに限るものではなく、ツリウム（Ｔｍ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、ネオジウム（Ｎｄ）等、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い。また、これらを複数組み合わせたものが、希土類含有層に添加されているようにしてもよい。
【００２５】
なお、本実施の形態においては、希土類含有層３０１と希土類非含有層３０２の膜厚は、各々１原子層と４原子層として説明したが、これに限るものではなく、例えば、希土類含有層３０１が２原子層、希土類非含有層３０２が８原子層程度であってもよい。また、希土類含有層３０１の面方向の希土類元素濃度は、均一である必要はなく、変化していてもよい。また、上述した各寸法は一例であり、これらに限るものではない。
【００２６】
クラスター化抑制の効果は、希土類含有層３０１の一層の厚み方向の原子数が少ないほど大きい。従って、理論的には、希土類含有層３０１の厚さを１原子層とした場合が、クラスター化抑制の効果が最も高い。
ところで、膜厚が１原子層となる条件で希土類含有層３０１を形成しても、現状の製造技術では、５原子層程度となる場合もある。このように、希土類含有層３０１は、実質的には、数原子層程度の形成されるものとなる。
【００２７】
ただし、希土類含有層３０１を数原子層に形成することは、現状の製造技術上では量産に向かない。希土類含有層３０１を厚くすれば、クラスター化抑制の効果が低減するが、現状の製造技術において、希土類含有層３０１の厚さが５０原子層程度であれば、困難無く、上述した積層構造を量産することが可能であり、かつ、クラスター化抑制の効果による利得の向上も得られる。例えば、希土類含有層を５０原子層としたとき、導波路利得は１．０１ｄＢ／ｃｍであった。
【００２８】
＜実施の形態２＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。図１に示した導波路型光増幅器では、複数の希土類含有層３０１及び複数の希土類非含有層３０２の各々の膜厚は、コア３内において各々均一としが、これに限るものではなく、各々異なるようにしてもよい。以下、複数の希土類含有層３０１及び複数の希土類非含有層３０２の各々の膜厚が、コア３内において変化するようにした例について説明する。
【００２９】
図２（ａ）は、本発明の他の実施の形態における導波路型光増幅器の構成例を概略的に示す模式的な断面図であり、図２（ｂ）は、コア３を拡大して示す断面図である。この導波路型光増幅器は、基板１の上に形成された下クラッド２，幅及び高さを２μｍ程度とされたコア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の平面に平行な方向に延在している。
【００３０】
また、本実施の形態では、図２（ｂ）の部分的な拡大図に示すように、コア３を、Ｅｒを含む例えば膜厚が１原子層の希土類含有層３０１と、希土類元素を含まない希土類非含有層３０２との積層構造とし、コア３の上下方向の両端に行くほど、希土類非含有層３０２の膜厚を厚くした。このように希土類非含有層３０２の厚さ、すなわち希土類含有層３０１同士の間隔を異ならせたことにより、コア３の高さ方向における希土類元素の平均濃度分布に変化を持たせ、例えば、コア３内を伝播する光の濃度分布に対応させることが可能となる。
【００３１】
なお、希土類含有層３０１は、例えば、シリカ系材料に希土類としてＥｒを添加した膜厚０．３ｎｍの層である。添加されているＥｒの濃度は、希土類含有層３０１を構成しているシリコンに対し、５％程度である。また、希土類非含有層３０２は、例えば、シリカ系材料から構成されたものであり、コア３全体におけるＥｒの平均濃度は、１×１０２０原子／ｃｍ３程度である。
【００３２】
図２の導波路型光増幅器では、希土類非含有層３０２の膜厚を、例えば、コア３の中心部では１ｎｍとし、上下の周辺に行くほど厚くし、コア３の上端下端においては５ｎｍとした。このように、コア３の膜厚方向での希土類原子間に距離を設けるようにしたので、図２の導波路型光増幅器においても、コア３に添加されている希土類元素のクラスター化が抑制できる。
本実施の形態にかかる導波路型光増幅器によれば、導波路利得が、１．５ｄＢ／ｃｍであった。従来の、コア全体に均一にＥｒを添加した場合では、導波路利得が１ｄＢ／ｃｍであったので、図２の導波路型光増幅器によって、導波路利得の向上が得られたことになる。
【００３３】
＜実施の形態３＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。導波路型光増幅器のコアを導波する光の断面方向の強度分布は、図３（ａ）に示すように、コアの中心部で強く、コアの周辺部に行くほど弱くなっている。光の強度が弱い場合には、高濃度の希土類元素による光の増幅が得られずに、光の吸収が起こる場合もある。そこで、この光強度の分布に合わせ、コアに希土類元素を添加するようにすれば、導波路利得をより向上させることができる。コア内を導波する光が導波方向な垂直な面内において、上述したような光強度分布をもつ場合には、コア３（図２）の高さ方向（ｙ方向）の希土類元素分布を、図３（ｂ）に示すように、中心部で多くし周辺部に行くほど少なくすればよい。
【００３４】
本実施の形態では、前述した図２に示す構造を有する導波路型光増幅器において、希土類非含有層３０２の膜厚を、例えば、コア３の中心部では１ｎｍとし、上下の周辺に行くほど厚くし、コア３の上端下端においては５ｎｍとした。希土類含有層３０１の厚さは、何れも１〜１０原子層程度とする。このようにすることで、図３（ｂ）に示すように、コア３における希土類元素の平均濃度分布を形成することができる。
【００３５】
なお、コア３における希土類元素の平均濃度分布を、図３（ｂ）に示すように形成するにあたっては、コア３の中心部から離れている希土類含有層３０１ほど、希土類の含有量（濃度）が低くなるようにしてもよく、コア３の中心部から離れている希土類含有層３０１ほど薄く形成されているようにしてもよい。
【００３６】
図２に示すように、希土類非含有層３０２の膜厚を、コア３の中心部では１ｎｍとし、上下の周辺に行くほど厚くしてコア３の上端下端においては５ｎｍとし、また、コア３の中心部付近での体積当たりのＥｒの平均濃度を２×１０２０原子／ｃｍ３とすることで、導波路利得を、１．７ｄＢ／ｃｍとすることができた。従来の、コア内に均一にＥｒを添加した場合では、導波路利得が１ｄＢ／ｃｍであったので、本実施の形態の導波路型光増幅器によれば、大幅に導波路利得を向上させることができる。
【００３７】
＜実施の形態４＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。上述したように希土類含有層の希土類元素の濃度を、コアの中心部ほど高くするに当たり、図４に示すように、コアにおける単位体積当たりの希土類元素濃度が、ガウス分布となるようにしてもよい。例えば、図２に構造を示す導波路型光増幅器において、コア３の中心付近のＥｒの単位体積当たりの濃度（平均濃度）を２×１０２０原子／ｃｍ３とし、コア３の周辺部、すなわちコア３のクラッドとの境界部では、Ｅｒの単位体積当たりの濃度（平均濃度）を２×１０１９原子／ｃｍ３とすればよい。
【００３８】
このように、コア３における希土類元素の平均濃度分布を、ガウス分布またはこれに準ずる状態とすることで、導波路利得を、１．７ｄＢ／ｃｍとすることができた。従来の、コア内に均一にＥｒを添加した場合では、導波路利得が１ｄＢ／ｃｍであったので、本実施の形態の導波路型光増幅器によれば、大幅に導波路利得を向上させることができる。
【００３９】
なお、コア３のおける希土類元素の平均濃度分布は、正確にガウス分布となっている必要はなく、図５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。従って、図５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、これらの範囲に入る実線のように変化する希土類元素分布であればよい。
【００４０】
＜実施の形態５＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。
本実施の形態は、希土類元素のクラスター化を抑制する元素、または、添加されている希土類元素を励起光で励起して信号光を増幅する際の増幅帯域を拡大する修正元素を、コアに添加する例である。
基板、下クラッド、上クラッドの材料、膜厚及びコアの寸法は、前述した図１及び図２に示す導波路型光増幅器と同様である。また、コア内には０．３ｎｍの厚さで面内Ｅｒ濃度がＳｉに対して５％とされた希土類含有層３０１が、図１に示すように離間して配置されているものである。
【００４１】
加えて、本実施の形態では、修正元素としてアルミニウム（Ａｌ）及びリン（Ｐ）が、コア３（図１）に添加されているようにした。コア３を構成する希土類含有層３０１と希土類非含有層３０２での単位体積当たりに換算したＥｒの濃度（平均濃度）は、コア中心部付近で最大（２．５×１０２０原子／ｃｍ３）となるようにし、コアの周辺に向かって徐々に減少し、コアとクラッドの境界面では２．５×１０１９原子／ｃｍ３まで徐々に減少するようにした。このように、前述した実施の形態に比較し、Ｅｒの添加濃度が高いが、本実施の形態では修正元素が添加されているので、クラスター化が抑制できる。
【００４２】
修正元素であるＡｌの濃度は、コアを構成しているＳｉＯ２中のＳｉに対して１０％の濃度を添加し、リンの濃度は、ＳｉＯ２中のＳｉに対して５％の濃度を添加した。コアを構成しているＳｉＯ２に添加された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、また増幅波長帯域を拡大する作用がある。このような作用を有する元素として、Ａｌの他に、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）やそれらの酸化物等がある。
【００４３】
これら元素により、両方の働きに対する効果の程度は異なるものの、どの元素であっても、クラスター化の抑制作用と増幅帯域拡大作用との両方の働きをもつ。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く、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Ｅｒ濃度、添加する修正元素、基板、クラッド材料及びサイズ等は一例でありこれに限るものではない。
本実施の形態によれば、前述した実施の形態に比較してさらにクラスター化が抑制できるため、添加できるＥｒの濃度を増加することが可能となる。この結果、本実施の形態によれば、導波路利得は２．０ｄＢ／ｃｍに増加した。また１ｄＢ／ｃｍ以上の増幅帯域は、３０ｎｍ以上拡大した。
【００４４】
＜実施の形態６＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。
上述した修正元素は、コア３を構成する希土類含有層３０１のみに添加するようにしてもよい。修正元素を希土類含有層３０１のみに添加した場合、導波路利得は、２．２ｄＢ／ｃｍとなる。従って、本実施の形態によれば、コア内に均一にＡｌ、Ｐ等の修正元素を添加した場合の２．０ｄＢ／ｃｍに対し、導波路利得が増加する。
【００４５】
＜実施の形態７＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。
図６は、本実施の形態における導波路型光増幅器の一部構成、すなわち、コア部分を概略的に示す断面図である。なお、他の構成は、図１，２に示した導波路型光増幅器と同様である。
図６の構成としたコアでは、新たに、酸化アルミニウムからなる拡散防止層３０３を設けるようにしたものである。
【００４６】
拡散防止層３０３は、希土類非含有層３０２中に設ける。このように拡散防止層３０３を設けることで、希土類含有層３０１中の希土類元素の拡散を、前述した実施の形態より抑制できるようになる。厚さ０．２ｎｍの酸化アルミニウムからなる拡散防止層３０３を設けた本実施の形態の構成により、導波路利得は２．４ｄＢ／ｃｍに増加した。
【００４７】
また、図７に示すように、拡散防止層３０３を、希土類含有層３０１に接して設けるようにしてもよい。このようにすることで、希土類含有層３０１からの希土類の拡散が、より抑制できるようになる。この結果、導波路利得は２．５ｄＢ／ｃｍに増加した。なお、希土類非含有層が拡散防止層となっていてもよい。
【００４８】
以下、前述した実施の形態における導波路型光増幅器の、特に導波路の部分の製造方法について説明する。まず、図８（ａ）に示すように、基板１の上に下クラッド２を成膜し、次いで図８（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８（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。
【００４９】
つぎに、図８（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。
つぎに、コア３となる、希土類が添加された層と希土類が添加されていない層との積層構造の製造方法について説明する。これは、例えば、図９に模式的に示すスパッタ装置によるスパッタ法により、積層構造の膜を製造するようにすればよい。
【００５０】
例えば、まず、図８（ｂ）に示した膜３ａを図９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、特定の層のみにＥｒやＡｌを添加させることが可能となる。スパッタ法による膜の形成は、面単位で行われるので、ｘ方向（膜面方向）には、添加する元素は均一に分布することになる。
【００５１】
例えば、基板を３００℃に加熱し、電源パワーを２ｋＷ、スパッタ装置のチャンバー内のガス圧を３ｍＴｏｒｒにし、Ｅｒ濃度が５％かつ成膜レート０．２ｎｍ／ｓになるように流量を調整した。この結果、膜厚は１ｎｍ以内で制御可能であり、５原子層以下の膜厚の成膜を行うことができた。なお、成膜レートはこれに限ったものではなく、流量を調整してレートを下げることにより制御性を向上させることができる。
【００５２】
上述したようなスパッタ法によれば、１原子層程度の膜厚の希土類含有層と４原子層程度の膜厚の希土類非含有層とが交互に形成された積層構造の膜を実現することができる。
また、ＣＶＤ法によっても上述した積層構造の膜を形成することができる。以下、図８（ｂ）に示した膜３ａを、図１０に示すプラズマＣＶＤ装置により形成する場合について説明する。
【００５３】
このプラズマＣＶＤ装置では、ソースガスとして、シラン、トリメチルアルミニウム、２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオエンエルビウムを用いるようにしたものである。このようなプラズマＣＶＤ装置を用い、膜３ａ（図８）を形成している最中に、各ソースガスの供給量を変化させることにより、特定の層のみにＥｒやＡｌを添加させることが可能となる。プラズマＣＶＤ法による膜の形成は、面単位で行われるので、ｘ方向（膜面方向）には、添加する元素は均一に分布することとなる。
【００５４】
基板を４２０℃に加熱し、プラズマパワーを５００Ｗとして、Ｅｒ濃度を５％かつ成膜レートを１〜２ｎｍ／ｓになるように流量を調整した。この結果、膜厚は２ｎｍ以内で制御可能であり、１０原子層以下の膜厚の成膜を行うことができた。なお、成膜レートはこれに限ったものではなく、流量を調整してレートを下げることにより、膜厚の制御性を向上させることができる。
【００５５】
なお、このような膜の形成は、スパッタ法やＣＶＤ法に限るものではなく、蒸着法，火炎堆積法などの膜形成方法によっても実現できる。何れの手法においても、Ｅｒ，Ａｌは、異なる減少から供給し、膜を形成するに従って供給量を変化させるようにすることで、所望の濃度分布を形成することができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コアにおいて、希土類元素が離散的に存在しているようにしたので、希土類元素のクラスター化を抑制できるようになり、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なるという優れた効果が得られる。
【００５７】
また、例えば、コアの積層方向における希土類元素の平均濃度分布を、コアの中心ほど濃度が高い状態とすることで、より高い利得が得られるようになる。例えば、コアの積層方向における平均濃度分布を、コアを導波する光の濃度分布に対応させることで、より高い利得が得られるようになる。このように濃度分布を形成するためには、例えば、第１の層をコアの中心から離れるほど厚くしてもよく、第２の層における希土類元素の濃度をコアの中心から離れるほど低くしてもよく、また、第２の層をコアの中心から離れるほど薄く形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態における導波路型光増幅器の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態における導波路型光増幅器の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の他の実施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）である。
【図４】本発明の他の実施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である。
【図５】本発明の他の実施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である。
【図６】本発明の他の実施の形態における導波路型光増幅器の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図７】本発明の他の実施の形態における導波路型光増幅器の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図８】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９】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１０】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。
【符号の説明】
１…基板、２…下クラッド、３…コア、４…上クラッド、３０１…希土類含有層、３０２…希土類非含有層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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