(57)【要約】【課題】  光増幅器に利用可能な平面型光導波路型において、増幅媒体として、コア母材中に添加する希土類元素イオンの添加率を増す際、該希土類元素イオンのクラスター化を抑制し、より高い光増幅率ならびに広い増幅帯域幅を達成する手段の提供。【解決手段】  本実施の形態の光導波路では、導波路コアの組成元素を、希土類元素と母材以外の元素として、IIIＡ族に属するＳｃ、Ｙ、Ｌａのうちから少なくとも１つの元素のみを添加し、IIIＡ族以外の元素は添加しない。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の波長帯域に含まれる波長を有する光を導波可能な光導波路であって、
該光導波路は、平板状の基板と、
該基板上に設ける、少なくともクラッドと、該クラッド中に配置されるコアとで構成される平面型光導波路の形態を有し、
前記クラッドは、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物で構成され、
前記コアは、前記クラッドを構成する酸化物に対して、少なくとも、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、誘導的光放出可能な遷移状態を有する希土類元素イオンが酸化物の形態で添加され、さらに、前記希土類元素イオンに加えて、その助成元素イオンとして、IIIＡ族元素のうちＳｃ、Ｙ、Ｌａからなる群より選択される元素イオンの一つが酸化物の形態で添加されてなる混合組成の酸化物で構成され、
少なくとも、前記コアとクラッドとが接するコア／クラッド界面において、前記特定の波長帯域に含まれる波長における、前記コアを構成する混合組成酸化物の屈折率は、前記クラッドを構成する酸化物の屈折率より、１％〜２０％高い屈折率を示すように、前記コア中における助成元素イオンの添加率が選択されている
ことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
前記コアを構成する混合組成の酸化物中における、助成元素イオンの添加率は、その酸化物として、２モル％以上、かつ２０モル％以下の範囲に選択されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記コアを構成する混合組成の酸化物は、微量のIIIＢ族元素イオン、あるいはシリコンイオン以外のIVＢ族元素イオンをさらに含んでもよく、
前記微量のIIIＢ族元素イオン、あるいはシリコンイオン以外のIVＢ族元素イオンは、酸化物として、その含有比率の総和は、１モル％以下の範囲に制限されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記クラッドを構成する酸化物は、二酸化珪素である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項５】
前記クラッドを構成する酸化物は、石英ガラスであり、
前記コアを構成する混合組成の酸化物は、該石英ガラスに対して、前記希土類元素イオンならびに助成元素イオンはともに酸化物の形態で添加されてなる混合組成ガラスである
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項６】
前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記助成元素イオンの添加濃度は、少なくとも、該コアの中心部から前記垂直な方向のコア／クラッド界面に向かって、均一な分布を有する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項７】
前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記希土類元素イオンの添加濃度は、少なくとも、該コアの中心部から前記垂直な方向のコア／クラッド界面に向かって、均一な分布を有する
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項８】
前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記希土類元素イオンの添加濃度は、該コアの中心部から前記垂直な方向のコア／クラッド界面に向かって、徐々に減少する分布を有する
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項９】
前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記希土類元素イオンの添加濃度は、該コアの中心部に極大を有するガウス分布に近い分布を有する
ことを特徴とする請求項８に記載の光導波路。
【請求項１０】
特定の波長帯域に含まれる波長を有する光を導波可能な光導波路を製造する方法であって、
該光導波路は、平板状の基板と、
該基板上に設ける、下クラッドと、
該下クラッド上に設ける、矩形の断面形状を有し、所定の平面パターン形状にパターニング加工されてなるコアと、
前記下クラッド上面、ならびに、パターニング加工されてなる該コアの側面ならびに上面を被覆する形態に形成されている上クラッドとを具え、
少なくとも、下クラッドと上クラッドとで構成されるクラッド中に配置されるコアとで構成される平面型光導波路の形態を有し、
前記下クラッドと上クラッドは、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物で構成され、
前記コアは、前記クラッドを構成する酸化物に対して、少なくとも、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、誘導的光放出可能な遷移状態を有する希土類元素イオンが酸化物の形態で添加され、さらに、前記希土類元素イオンに加えて、その助成元素イオンとして、IIIＡ族元素のうちＳｃ、Ｙ、Ｌａからなる群より選択される元素イオンの一つが酸化物の形態で添加されてなる混合組成の酸化物で構成され、
少なくとも、前記コア上面と上クラッドとが接するコア／上クラッド上界面と側界面、ならびに前記コア下面と下クラッドとが接するコア／下クラッド下界面において、前記特定の波長帯域に含まれる波長における、前記コアを構成する混合組成酸化物の屈折率は、前記クラッドを構成する酸化物の屈折率より、１％〜２０％高い屈折率を示すように、前記コア中における助成元素イオンの添加率が選択されている構造を有し、
該光導波路の製造方法は、
前記基板上に、該下クラッドを構成する前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物層を所定の膜厚形成する下クラッド膜形成工程と、
前記下クラッド膜上に、該コアを構成する、前記クラッドを構成する酸化物に対して、少なくとも、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、誘導的光放出可能な遷移状態を有する希土類元素イオンが酸化物の形態で添加され、さらに、前記希土類元素イオンに加えて、その助成元素イオンとして、IIIＡ族元素のうちＳｃ、Ｙ、Ｌａからなる群より選択される元素イオンの一つが酸化物の形態で添加されてなる混合組成の酸化物からなる所定膜厚のコア層を、少なくとも、前記コア層中において、前記特定の波長帯域に含まれる波長における、前記コア層を構成する混合組成酸化物の屈折率は、前記クラッドを構成する酸化物の屈折率より、１％〜２０％高い屈折率を示すように、前記コア層膜厚方向における助成元素イオンの添加率が選択されている構造に形成するコア層形成工程と、
前記コア層の表面に、前記所定の平面パターン形状のレジストパターンをフォトリソグラフィーにより形成するレジスト・マスク形成工程と、
前記レジスト・マスクをエッチング・マスクとし、ドライ・エッチング法により前記コア層をエッチングして、矩形の断面形状を有し、前記所定の平面パターン形状にパターニング加工されてなるコアを形成するコア・パターニング工程と、
前記下クラッド上面、ならびに、パターニング加工されてなる該コアの側面ならびに上面を被覆する形態に、該上クラッドを構成する前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物層を所定の膜厚形成する上クラッド膜形成工程とを、少なくとも具える、
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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面型コア・クラッド導波路形状を有する光導波路に関し、特には、平面型導波路コアは、母材ガラス材料中に光増幅媒体として、例えば、１．５μｍ帯における光増幅作用を有する希土類元素を添加している、１．５μｍ帯用光増幅器に利用可能な光導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報を光強度変化に変換する形態の光信号について、一旦、光信号を電気信号に変換し、再度、増幅された光信号へ変換するO/E変換型増幅方法と異なり、光増幅器は、電気回路を通さずに、光信号を直接増幅するが可能である。加えて、光増幅器は、その増幅波長帯域幅を比較的に広い帯域幅とすることも可能であり、近年の長距離の波長多重通信において、伝送経路内のロスに伴い減衰する光信号を増幅する上で、非常に重要なデバイスとなっている。現在の光伝送システムで利用されている光増幅器は、石英ファイバのコアに添加されたエルビウム等の希土類元素を増幅媒体に利用する、希土類元素添加ファイバ型光増幅器が主流であり、増幅に関与するファイバが長く、装置自体の小型化には難を有するものの、高い増幅利得や低いノイズ特性を有する高品質な増幅特性を示すものが提供されている。
【０００３】
一方、将来的には、光増幅器の励起用レーザ光源を含め、光増幅器ユニットの小型化、ならびに、複数の光増幅器ユニットを集積・一体化したモジュール化を図ることを念頭に入れ、従来の希土類元素添加ファイバ型光増幅器に代えて、平面型光導波路のコアに、所望の波長域において増幅媒体として利用可能な希土類元素を添加した材料を利用する、平面型光導波路形状の光増幅器の開発が、進められている。
【０００４】
増幅媒体として利用可能な希土類元素を添加した材料を利用する、平面型光導波路形状の光増幅器においても、その光増幅原理自体は、従来の希土類元素添加ファイバ型光増幅器と同じである。具体的には、コア中に添加されている希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオンに対して、基底状態4Ｉ15/2から、光学的遷移が許容されている励起状態4Ｉ11/2への吸収に相当する、励起光を照射し、励起状態4Ｉ11/2へと励起すると、その後、非放射性緩和過程を経ることで、準安定励起状態4Ｉ13/2へと変換される。この準安定励起状態4Ｉ13/2から、基底状態4Ｉ15/2への非放射性緩和、あるいは、自発的な光学的遷移の確率は低いため、強い光強度の励起光を照射すると、基底状態4Ｉ15/2における占有比率と比較して、準安定励起状態4Ｉ13/2に存在する比率が増す、反転分布が達成される。この反転分布が達成されている状態において、外部から、準安定励起状態4Ｉ13/2から、基底状態4Ｉ15/2への光学的遷移エネルギーに相当する光を注入すると、誘導放射が起こり、外部より注入される光の同波長の誘導放射光が発生する。また、かかる誘導放射自体は、入射光の強度にも依存し、直線性の高い光増幅が達成される。
【０００５】
一方、母材中に添加されている希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオンは、その周囲を占める配位負イオンの配位状態には微視的なバラツキがあり、その微視的なバラツキに起因して、個々のＥｒ3+イオンにおいては、配位負イオンの配位状態に起因するシュタルク効果に由来した、各準位のエネルギーに微小な変異が生じている。この配位負イオンの配位状態に由来する各準位のエネルギー分布（拡がり幅）を利用することで、その増幅波長帯域幅を比較的に広い帯域幅とすることが可能となっている。従って、増幅効率を高める、あるいは、増幅波長帯域幅を増す上では、単位体積当たりに添加されている希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオンの濃度を増すことが必要となるが、濃度を増した際、添加されている希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオン複数がクラスター状に存在する状況が生じると、次に紹介する現象により、増幅効率の向上が妨げられる。
【０００６】
すなわち、添加されている希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオン複数がクラスター状に存在すると、隣接するＥｒ3+イオン間において、エネルギー移動がより起こり易くなる。例えば、準安定励起状態4Ｉ13/2にあるＥｒ3+イオン二つの間でエネルギー移動が起こると、一方のＥｒ3+イオンは、励起エネルギーを失い、基底状態4Ｉ15/2となり、他のＥｒ3+イオンは、エネルギー移動に伴い、準安定励起状態4Ｉ13/2からさらに高い励起状態、例えば、4Ｉ9/2へと励起される。その後、この高い励起状態4Ｉ9/2から、非放射性緩和過程を経ることで、準安定励起状態4Ｉ13/2へと再び戻るが、全体的にみると、当初、準安定励起状態4Ｉ13/2にあるＥｒ3+イオン二つが、その間でのエネルギー移動の結果、最終的には、準安定励起状態4Ｉ13/2にあるＥｒ3+イオン一つとなっている。従って、平面型光導波路形状の光増幅器において、増幅効率を高めるとともに、増幅波長帯域幅を増すためには、コア中に添加されている希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオンの濃度を増した際、添加される希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオンのクラスター化を抑制することが必要となり、これまでにも、幾つかの検討がなされている。
【０００７】
同時に、平面型光導波路形状の光増幅器においては、内部で増幅された光をコア内により多く閉じ込める状態を達成し、全体的なロスを低減することも必要である。すなわち、コアと、その周囲に取り巻くクラッドとの間に、所望の屈折率差を形成することで、良好な屈折率導波条件を達成する必要がある。
【０００８】
前記の種々の要請を達成する目的で、コア中に添加される希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオンに加えて、ホストとなる母材中に、他の元素を共添加する手法が幾つか提案されている。表１に、希土類元素イオンに加えて、他の元素を共添加する手法の代表的な従来例をまとめる。
【０００９】
第一の従来例は、導波路のコア母材の石英ガラス中に、リン（Ｐ2Ｏ5）を添加するものである（特許文献１、非特許文献１参照）。リン（Ｐ2Ｏ5）の添加は、コア母材の屈折率を増大する機能と共に、添加される希土類元素イオンの溶融量を増大する効果も有する。そのため、添加される希土類元素イオン濃度を高くした際に、希土類元素イオンのクラスター化が起こりにくい。コア／クラッド間の屈折率差Δｎの増大、ならびに、高濃度添加される希土類元素イオンのクラスター化防止の効果に伴って、添加される希土類元素イオン濃度を高することで、単位長さ当たりの増幅率を増大させることを可能としている。
【００１０】
第二の従来例には、導波路のコア母材の石英ガラス中に、Ａｌ（Ａｌ2Ｏ3）とＰ（Ｐ2Ｏ5）を添加したものが検討されている（非特許文献２、非特許文献３参照）。Ａｌ（Ａｌ2Ｏ3）とＰ（Ｐ2Ｏ5）の共添加は、添加される希土類元素イオンのクラスター化を抑制する効果を有し、従って、添加される希土類元素イオン濃度を高する際、高い励起光強度を選択する場合でも、励起効率特性の劣化を抑制する作用を示す。
【００１１】
第三の従来例は、導波路のコア母材の石英ガラス中に、Ａｌ（Ａｌ2Ｏ3）とＬａ（Ｌａ2Ｏ3）を添加したものである（特許文献２参照）。Ａｌ（Ａｌ2Ｏ3）とＬａ（Ｌａ2Ｏ3）の添加は、コアの屈折率を増大させる機能に加え、石英ガラス中に添加される希土類元素イオンのクラスター化を抑制する効果を有している。
【００１２】
第四の従来例は、コア／クラッド間の屈折率差Δｎを大きくするため、コア母材自体をアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）とし、このアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）中に、光増幅用元素として、希土類元素や、Ｃｒ、Ｔｉのイオンを添加する事例である（特許文献３）。
【００１３】
【表１】
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【特許文献１】特開平９−０２１９２２号公報
【特許文献２】特開平９−１０５９６５号公報
【特許文献３】特開平６−７７５７８号公報
【非特許文献１】Ｋｕｎｉｎｏｒｉ  Ｈａｔｔｏｒｉ  他，  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ，  ＶＯＬ．８０，  １９９６年，  ５３０１ページ〜５３０８ページ
【非特許文献２】Ｆａｂｒｉｚｉｏ  Ｄｉ  Ｐａｓｑｕａｌｅ他，  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，  ＶＯＬ．１３，  Ｎｏ．９，  １９９５年，１８５８ページ〜１８６４ページ
【非特許文献３】Ｃ．Ｅ．  Ｃｈｒｙｓｓｏｕ他，  ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＳＥＬＥＣＴＥＤ  ＴＯＰＩＣＳ  ＩＮ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，  ＶＯＬ．６，  Ｎｏ．１，  ２０００年，１１４ページ〜１２１ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上に説明した従来の手法においても、幾つか更に改善すべき課題を残している。例えば、導波路のコア母材の石英ガラス中に、リン（Ｐ2Ｏ5）を添加する第一の従来例（特許文献１、非特許文献１）においては、グラッドとコアとの間の屈折率差Δｎを増すため、コア中へのリン（Ｐ2Ｏ5）添加率を高くすると、低添加率の場合と比較すると、増幅帯域幅が減少してしまうという新たな課題が生じている。
【００１５】
一方、コア母材の石英ガラス中に、Ａｌ（Ａｌ2Ｏ3）とＰ（Ｐ2Ｏ5）とを共添加する第二の従来例（非特許文献２、非特許文献３）では、非特許文献３に報告されているように、その屈折率増加は、クラッド母材の石英ガラスの屈折率ｎSiO2（約１．４６）の２％程度である。さらには、非特許文献３に報告される事例では、コア母材の石英ガラス中に、Ａｌ（Ａｌ2Ｏ3）とＰ（Ｐ2Ｏ5）とを共添加している際、光増幅に利用される希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオンにおけるフォトルミネッセンスの発光断面積は、他のコア材料、例えば、アルミナ中に添加する場合よりも、小さくなっている。一般に、フォトルミネッセンスの発光断面積が小さくなると、光増幅率も低下する傾向を示すので、高い光増幅率を達成する上では望ましいものではない。
【００１６】
以上のように、光増幅器ユニットの小型化を目標として、開発が進められている、コアに希土類元素イオンを添加した平面光導波路型の光増幅器においては、コア中に添加される希土類元素イオンの濃度を高めることで、単位長さ当たりの増幅率を大きくすることが必要である。同時に、コア内の光閉じ込め率を維持するため、コア／クラッド間の屈折率差Δｎを所定の範囲とすることも必要となる。一方、波長多重光通信システムへの利用を考慮すると、高い増幅利得に加えて、より広い増幅帯域幅をも必要となり、高濃度添加される希土類元素イオンに対して、共添加した際、増幅帯域幅を増大する効果を有する元素イオンを探索する必要がある。すなわち、平面光導波路型の光増幅器において、そのコア中に添加される希土類元素イオンの濃度を高めた際に、添加される希土類元素イオンのクラスター化の抑制にも寄与し、適正なコア／クラッド間の屈折率差Δｎの形成、添加される希土類元素イオンのクラスター化の抑制を介して、高い増幅利得の達成、ならびに、増幅帯域幅を増大する効果のいずれにも好適な、コア中に共添加可能な元素イオン探索する必要がある。
【００１７】
本発明は上記の課題を解決するもので、本発明の目的は、コア母材中に添加することにより、適正なコア／クラッド間の屈折率差Δｎの形成に利用でき、一方、添加される希土類元素イオンのクラスター化の抑制を介して、高い増幅利得の達成にも寄与し、さらには、添加される希土類元素イオンによる光増幅過程において、その増幅帯域幅を増大する効果をも併せ持つ、光増幅媒体となる希土類元素イオンと共添加可能な元素イオンを利用している、光増幅器に利用可能な光導波路を提供することにある。特には、クラッドに石英ガラス層を利用する際、コアの母材として、石英材料を利用して、例えば、１．５μｍ帯用光増幅器に利用可能な光導波路を達成する上で、前記の特質を有する、光増幅媒体となる希土類元素イオンと共添加可能な元素イオンを利用して、コア領域を構成している光導波路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決すべく、本発明者らは、先ず、従来の手法における問題点をより明確化するため、検討を行った。コアの母材石英ガラス中に、Ｅｒ3+イオンに加えて、Ａｌ（Ａｌ2Ｏ3）を種々の比率で共添加した材料をスパッタ法で作製した。すなわち、Ｅｒ3+イオン濃度を、Ｅｒ2Ｏ3として０．５ｍｏｌ％、ホストの（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）を９９．５ｍｏｌ％の比率に保ちつつ、ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中におけるＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の比率を種々に変化させたスパッタ成長膜を作製し、そのフォトルミネッセンス測定を行った。励起光は、波長９８０ｎｍ、強度２００ｍＷの条件において測定された、波長１．５５μｍのフォトルミネッセンス強度を、ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中におけるＡｌ2Ｏ3の含有比率に対して、プロットすると、図２に示す結果が得られた。ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中に添加されるＡｌ2Ｏ3の比率を増すと、屈折率が増加し、また、添加されるＥｒ3+イオンのクラスター化を抑制する効果を有するものの、Ａｌ2Ｏ3の含有比率が増すとともに、Ｅｒ3+イオンに由来する波長１．５５μｍのフォトルミネッセンス強度が減少することが判明した。なお、図２に示す結果においては、ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中におけるＡｌ2Ｏ3の含有比率が１５ｍｏｌ％を超えると、Ｅｒ3+イオンに由来する波長１．５５μｍのフォトルミネッセンス強度のさらなる低減は生じていないが、ホスト中におけるＡｌ2Ｏ3の含有比率が１００ｍｏｌ％、すなわち、コア母材をアルミナとする場合における、Ｅｒ3+イオンに由来する波長１．５５μｍのフォトルミネッセンス強度も、この低い水集となることが判明した。結論として、コア母材へのＡｌ2Ｏ3添加は、光増幅効率を向上する目的では、必ずしも好ましいものでないと判断される。
【００１９】
加えて、平面型光導波路の作製に際し、基板として、Ｓｉ基板１を利用し、例えば、図１に示すように、矩形断面のコア３の周囲を、下クラッド層２ならびに上クラッド層４として、石英ガラス層で取り囲む形状とする場合、矩形断面のコア３を構成するホスト材料として、Ａｌ（Ａｌ2Ｏ3）やＰ（Ｐ2Ｏ5）を高い比率で添加した石英ガラス材料を利用すると、この矩形断面のコア３には、基板面と平行な方向に大きな歪み応力が加わるものとなる。すなわち、Ｓｉ基板１上に成膜されている、石英ガラス膜からなる下クラッド層２自体、Ｓｉ基板１に対して、基板面と平行な方向に大きな歪み応力が加わっている。加えて、Ａｌ（Ａｌ2Ｏ3）やＰ（Ｐ2Ｏ5）を高い比率で添加した石英ガラス材料と、石英ガラス材料との間にも、その組成差に伴い、同方向の歪み応力が発生しており、全体として、下クラッド層２ならびに上クラッド層４に取り囲まれている矩形断面のコア３には、基板面と平行な方向に、より大きな歪み応力が加わるものとなる。結果的に、基板面と平行な方向に加わっている、大きな歪み応力は、誘電率テンソルの異方性を引き起こし、複屈折を生じさせる、つまり、平面型光導波路のコア領域における光導波特性に偏光依存性を引き起こす要因ともなる。
【００２０】
従って、図１に示す断面形状の平面型光導波路を作製する際、下クラッド層２ならびに上クラッド層４として、石英ガラス層を利用した際、コア母材の石英ガラス（ＳｉＯ2）に添加が必要な成分として、より低い添加量で所望のクラッドとコアとの屈折率差Δｎを達成することができ、また、その際、石英ガラス材料との間でが、その組成差に伴い、Ｓｉ基板１に対して、石英ガラス膜からなる下クラッド層２が受けている歪み応力の方向とは、反対の歪み応力が生じ、結果的に、コア領域においては、基板面と平行な方向に加わっている、歪み応力の緩和がなされる成分の添加が望ましい。勿論、かかる添加成分は、コア中に添加される光増幅媒体である希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオンのクラスター化に起因する光増幅効率の低下を抑制する効果を有し、また、高い増幅利得の達成、ならびに、増幅帯域幅を増大する効果のいずれにも好適な、コア中に共添加可能な元素イオンであることがより望ましい。
【００２１】
本発明者らは、例えば、石英ガラスを用いてクラッドを構成する際に、IIIＡ族元素のうちＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ａｃからなる群より選択される元素イオンを、コア中に添加される光増幅媒体である希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオンと同様に、酸化物の形態で、コア母材の石英ガラス（ＳｉＯ2）に添加することで、前記の要件を満足する共添加可能な助成元素イオンとして機能することを見出し、本発明を完成するに到った。
【００２２】
すなわち、本発明にかかる光増幅器に利用可能な光導波路は、
特定の波長帯域に含まれる波長を有する光を導波可能な光導波路であって、
該光導波路は、平板状の基板と、
該基板上に設ける、少なくともクラッドと、該クラッド中に配置されるコアとで構成される平面型光導波路の形態を有し、
前記クラッドは、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物で構成され、
前記コアは、前記クラッドを構成する酸化物に対して、少なくとも、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、誘導的光放出可能な遷移状態を有する希土類元素イオンが酸化物の形態で添加され、さらに、前記希土類元素イオンに加えて、その助成元素イオンとして、IIIＡ族（３族）元素のうちＳｃ、Ｙ、Ｌａからなる群より選択される元素イオンの一つが酸化物の形態で添加されてなる混合組成の酸化物で構成され、
少なくとも、前記コアとクラッドとが接するコア／クラッド界面において、前記特定の波長帯域に含まれる波長における、前記コアを構成する混合組成酸化物の屈折率は、前記クラッドを構成する酸化物の屈折率より、１％〜２０％高い屈折率を示すように、前記コア中における助成元素イオンの添加率が選択されている
ことを特徴とする光導波路である。その際、前記コアを構成する混合組成の酸化物中における、助成元素イオンの添加率は、その酸化物として、２モル％以上、かつ２０モル％以下の範囲に選択されていることが好ましい。
【００２３】
なお、本発明にかかる光導波路においては、場合によっては、
前記コアを構成する混合組成の酸化物は、微量のIIIＢ族（１３族）元素イオン、あるいはシリコンイオン以外のIVＢ族（１４族）元素イオンをさらに含んでもよいが、
前記微量のIIIＢ族（１３族）元素イオン、あるいはシリコンイオン以外のIVＢ族（１４族）元素イオンは、酸化物として、その含有比率の総和は、１モル％以下の範囲に制限されていることが望ましい。
【００２４】
特には、本発明にかかる光導波路においては、
前記クラッドを構成する酸化物は、二酸化珪素であることが好ましい。さらには、前記クラッドを構成する酸化物は、石英ガラスであり、
前記コアを構成する混合組成の酸化物は、該石英ガラスに対して、前記希土類元素イオンならびに助成元素イオンはともに酸化物の形態で添加されてなる混合組成ガラスであることが好ましい。
【００２５】
また、本発明にかかる光導波路においては、
前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記助成元素イオンの添加濃度は、少なくとも、該コアの中心部から前記垂直な方向のコア／クラッド界面に向かって、均一な分布を有する形態とすることができる。
【００２６】
一方、本発明にかかる光導波路においては、
前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記希土類元素イオンの添加濃度は、少なくとも、該コアの中心部から前記垂直な方向のコア／クラッド界面に向かって、均一な分布を有する形態とすることもできる。
【００２７】
あるいは、前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記希土類元素イオンの添加濃度は、該コアの中心部から前記垂直な方向のコア／クラッド界面に向かって、徐々に減少する分布を有する形態とすることもできる。その際、前記クラッド中に配置されるコアは、
前記基板面と垂直な方向の該コア断面において、該コア内に添加されている前記希土類元素イオンの添加濃度は、該コアの中心部に極大を有するガウス分布に近い分布を有する形態とすることが好ましい。
【００２８】
また、本発明は、上記の本発明にかかる光増幅器に利用可能な光導波路を製造する方法の発明をも提供しており、
すなわち、本発明にかかる光導波路の製造方法は、
特定の波長帯域に含まれる波長を有する光を導波可能な光導波路を製造する方法であって、
該光導波路は、平板状の基板と、
該基板上に設ける、下クラッドと、
該下クラッド上に設ける、矩形の断面形状を有し、所定の平面パターン形状にパターニング加工されてなるコアと、
前記下クラッド上面、ならびに、パターニング加工されてなる該コアの側面ならびに上面を被覆する形態に形成されている上クラッドとを具え、
少なくとも、下クラッドと上クラッドとで構成されるクラッド中に配置されるコアとで構成される平面型光導波路の形態を有し、
前記下クラッドと上クラッドは、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物で構成され、
前記コアは、前記クラッドを構成する酸化物に対して、少なくとも、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、誘導的光放出可能な遷移状態を有する希土類元素イオンが酸化物の形態で添加され、さらに、前記希土類元素イオンに加えて、その助成元素イオンとして、IIIＡ族元素のうちＳｃ、Ｙ、Ｌａからなる群より選択される元素イオンの一つが酸化物の形態で添加されてなる混合組成の酸化物で構成され、
少なくとも、前記コア上面と上クラッドとが接するコア／上クラッド上界面と側界面、ならびに前記コア下面と下クラッドとが接するコア／下クラッド下界面において、前記特定の波長帯域に含まれる波長における、前記コアを構成する混合組成酸化物の屈折率は、前記クラッドを構成する酸化物の屈折率より、１％〜２０％高い屈折率を示すように、前記コア中における助成元素イオンの添加率が選択されている構造を有し、
該光導波路の製造方法は、
前記基板上に、該下クラッドを構成する前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物層を所定の膜厚形成する下クラッド膜形成工程と、
前記下クラッド膜上に、該コアを構成する、前記クラッドを構成する酸化物に対して、少なくとも、前記特定の波長帯域に含まれる波長において、誘導的光放出可能な遷移状態を有する希土類元素イオンが酸化物の形態で添加され、さらに、前記希土類元素イオンに加えて、その助成元素イオンとして、IIIＡ族元素のうちＳｃ、Ｙ、Ｌａからなる群より選択される元素イオンの一つが酸化物の形態で添加されてなる混合組成の酸化物からなる所定膜厚のコア層を、少なくとも、前記コア層内において、前記特定の波長帯域に含まれる波長における、前記コア層を構成する混合組成酸化物の屈折率は、前記クラッドを構成する酸化物の屈折率より、１％〜２０％高い屈折率を示すように、前記コア層膜厚方向における助成元素イオンの添加率が選択されている構造に形成するコア層形成工程と、
前記コア層の表面に、前記所定の平面パターン形状のレジストパターンをフォトリソグラフィーにより形成するレジスト・マスク形成工程と、
前記レジスト・マスクをエッチング・マスクとし、ドライ・エッチング法により前記コア層をエッチングして、矩形の断面形状を有し、前記所定の平面パターン形状にパターニング加工されてなるコアを形成するコア・パターニング工程と、
前記下クラッド上面、ならびに、パターニング加工されてなる該コアの側面ならびに上面を被覆する形態に、該上クラッドを構成する前記特定の波長帯域に含まれる波長において、光透過性を示す酸化物層を所定の膜厚形成する上クラッド膜形成工程とを、少なくとも具える、
ことを特徴とする光導波路の製造方法である。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明にかかる平面型光導波路においては、光導波路を構成する石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドに対して、希土類元素イオンを添加するコアの組成として、コア母材中に添加される希土類元素イオン（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）と、コア母材として、石英ガラス（ＳｉＯ2）に、実質的に、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される助成元素イオンのみをその酸化物（Ｍ2Ｏ3；Ｍは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａのいずれかを示す）の形態で添加するものを選択するので、該コア母材中に添加される希土類元素イオンからのフォトルミネッセンス発光特性に優れる平面型光導波路となる。さらには、かかる光導波路をシリコン基板上に作製する際、コア領域に加わる歪み応力も、従来のＡｌ（Ａｌ2Ｏ3）やＰ（Ｐ2Ｏ5）を高い比率で添加した石英ガラス材料をコア母材に利用するものと比べて、有意に低減することができる。これらの利点に伴い、本発明にかかる平面型光導波路を導波路型の光増幅器として利用した際、より高い光増幅効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明においては、コア母材中に、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される助成元素イオンのみをその酸化物（Ｍ2Ｏ3；Ｍは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａのいずれかを示す）の形態で添加することにより、平面型光導波路を構成する、コアの屈折率と、クラッドの屈折率との間に、所望の屈折率差を形成するので、所望の屈折率差を達成するに必要な、前記の助成元素イオンの添加比率は、従来のＡｌ（Ａｌ2Ｏ3）の添加比率と較べて、大幅に低くできる。同時に、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される助成元素イオンの利用は、光増幅媒体として利用される、コア中に添加する希土類元素イオンの添加濃度を高くする際に、そのクラスター化に由来する発光効率の低下を抑制する機能を示し、希土類元素イオンからのフォトルミネッセンス発光強度をそれほど減少させず、しかも増幅波長帯域幅を増大させる効果をも有している。
【００３１】
以下に、本発明にかかる光導波路に関して、より詳しく説明する。
【００３２】
本発明にかかる光導波路は、基板上に、少なくともクラッドと、このクラッド中に配置された希土類元素イオンを含むコアとから構成される平面型光導波路を採用している。光増幅器として使用する際、コア中に添加される希土類元素イオンは、光増幅媒体として利用され、目的とする増幅波長帯に応じて、例えば、１．５μｍ帯の光増幅用には、Ｅｒ3+イオン、Ｈｏ3+イオン、Ｔｍ3+イオン、Ｙｂ3+イオンなど、また、１．３μｍ帯の光増幅用には、Ｐｒ3+イオン、Ｎｄ3+イオンなど、それぞれ適応する希土類元素イオンを選択する。これら光増幅媒体として利用される、コア中に添加される希土類元素イオンに対して、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される助成元素イオンの少なくとも一つを共添加している。
【００３３】
例えば、石英ガラス（ＳｉＯ2）をグラッドとして利用する際、コアは、コア母材中に添加される希土類元素イオン（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）と、コア母材として、石英ガラス（ＳｉＯ2）に、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される助成元素イオンのみをその酸化物（Ｍ2Ｏ3；Ｍは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａのいずれかを示す）の形態で添加する構成を選択することが好ましい。その際、希土類元素イオンは、酸化物（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）の形態として、その添加比率は、光増幅用励起光源の励起波長、入射励起光強度に応じて、また、かかる励起波長における、該希土類元素イオンの光吸収強度（吸収断面積）をも考慮して、適宜選択されるものである。一方、かかる希土類元素イオンと共添加される、前記助成元素イオンは、利用される励起波長において実質的に光吸収を示さないものとして、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される。また、かかる希土類元素イオンと共添加される、前記助成元素イオンは、目的とする増幅波長帯、例えば、１．５μｍ帯や１．３μｍ帯においても、実質的に光吸収を示さないものとして、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される。
【００３４】
光増幅器として使用する際、コア中に添加される希土類元素イオンの添加濃度は、例えば、１．５μｍ帯、なかでも、Ｃ−バンド帯（１５３０〜１５６５ｎｍ）の光増幅用には、Ｅｒ3+イオン、Ｈｏ3+イオン、Ｔｍ3+イオン、Ｙｂ3+イオンなどを、導波路長１０ｃｍ、コアの断面形状４μｍ×４μｍ、光増幅用励起光源の励起波長９８０ｎｍ、入射励起光強度２００ｍＷの条件に対しては、その酸化物（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）として、０．０５モル％〜１．０モル％の範囲に選択することができる。
【００３５】
なお、本発明にかかる光導波路は、前記のように導波路長の短縮を図る際にも、所望の増幅率を達成することを目標としており、コア中に添加される希土類元素イオンの添加濃度は、その酸化物（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）として、前記の０．０５モル％〜１．０モル％の範囲のなかでも、０．２モル％〜１．０モル％の高濃度範囲に選択した上で、下記する助成元素イオンの添加率を選択し、単位長当たりの光増幅率を高くする形態がより目的に沿ったものとなる。
【００３６】
また、このコア中に添加される助成元素イオンは、石英ガラス（ＳｉＯ2）に酸化物（Ｍ2Ｏ3；Ｍは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ａｃのいずれかを示す）の形態で添加することで、コア母材を構成しており、その屈折率の調整に利用される。従って、コアの屈折率と、クラッドの屈折率との間に設ける屈折率差に応じて、助成元素イオンの添加比率を適宜選択する。すなわち、少なくとも、前記コアとクラッドとが接するコア／クラッド界面において、目的とする増幅波長帯において、コアを構成する混合組成酸化物の屈折率は、クラッドを構成する酸化物の屈折率より、１％〜２０％高い屈折率を示すように、コア中における助成元素イオンの添加率を選択する。
【００３７】
例えば、１．５５μｍ帯の波長領域における、コアの屈折率ｎcoreの、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）に対する比屈折率差Δ（≡（ｎcore−ｎSiO2）／ｎcore）を、２％〜１７％の範囲に設定して、光導波路を設計することが可能であり、対応して、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される助成元素イオン、例えば、Ｌａ3+イオンの添加比率を、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）として、２モル％〜２０モル％の範囲に選択することができる。一般に、前記波長領域における、コアと石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドとの比屈折率差Δは、３％〜１０％の範囲に設定して、光導波路を設計することが望ましく、対応して、助成元素イオン、例えば、Ｌａ3+イオンの添加比率を、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）として、４モル％〜１０モル％の範囲に選択することがより望ましい。場合によっては、Ａｃ3+イオンを同様に助成元素イオンとして、酸化物（Ａｃ2Ｏ3）の形態で同程度の添加濃度に選択して、利用することもできる。
【００３８】
具体的には、平面型光導波路を採用し、光増幅器の小型化、集積化を図る上では、コア内の屈折率導波条件、コア／クラッド界面における全反射条件を満足する範囲で導波路をベントさせることで、全体がスパイラル状の光導波路とする。その際、矩形状のコアの断面形状サイズ、特に、横幅（Ｗ）に応じて、導波路ベンド部の曲率半径ｒの最小が所望の値となるように、コアの屈折率ｎcoreの、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）に対する比屈折率差Δ（≡（ｎcore−ｎSiO2）／ｎcore）を選択した上で、全体がスパイラル状の光導波路平面パターンを設計する。例えば、矩形状のコアにおいて、縦厚（Ｔ）×横幅（Ｗ）を４μｍ×４μｍとする際、導波路ベンド部の曲率半径ｒの最小値２ｍｍ（ｒ≧２ｍｍ）を達成する上では、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）に対する比屈折率差Δを１．５％以上、また、曲率半径ｒの最小値１ｍｍ（ｒ≧１ｍｍ）を達成する上では、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）に対する比屈折率差Δを３．０％以上の範囲に選択する必要がある。前記の要件を満足する上では、曲率半径ｒの最小値２ｍｍ（ｒ≧２ｍｍ）を達成するためには、対応して、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される助成元素イオン、例えば、Ｌａ3+イオンの添加比率を、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）として、２モル％以上の範囲に、また、曲率半径ｒの最小値１ｍｍ（ｒ≧１ｍｍ）を達成するためには、例えば、Ｌａ3+イオンの添加比率を、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）として、３モル％以上の範囲に選択することが望ましい。なお、場合によっては、Ａｃ3+イオンを同様に助成元素イオンとして、酸化物（Ａｃ2Ｏ3）の形態で同程度の添加濃度に選択して、利用することもできる。
【００３９】
例えば、図３に、スパッタ法で作成したＥｒ3+イオンドープ石英（ＳｉＯ2）膜中に、IIIＢ族（１３族）元素イオンを含む材料として、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を添加した場合と、IIIＡ族（３族）元素イオンを含む材料として、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）を添加した場合とで、得られる混合組成の酸化物膜の屈折率を対比して示す。図３の右軸には、参考のために、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドに対するの比屈折率差Δを示す。アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を添加した場合には、添加比率が２０モル％に達しても、比屈折率差Δは４％に満たず、屈折率をさほど大きくすることはできないが、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）を添加した場合では、僅か数％添加しただけでも、同程度の屈折率増加を達成することができている。また、Ｌａ3+イオンに代えて、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、場合によっては、Ａｃを助成イオンとして、添加する際にも、Ｓｃ3+イオン、Ｙ3+イオン、Ａｃ3+イオンを、それぞれ酸化物（Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ａｃ2Ｏ3）の形態で、主体の石英ガラス（ＳｉＯ2）に添加する。これらの酸化物自体、いずれも高い屈折率（Ｓｃ2Ｏ3：約１．９５、Ｙ2Ｏ3：約１．８７）を有しており、例えば、比屈折率差Δは７％を達成するに必要な、その添加比率は、主体の石英ガラス（ＳｉＯ2）に対して、Ｌａ3+イオンに関しては、酸化物（Ｌａ2Ｏ3）の形態で８モル％、Ｓｃ3+イオンに関しては、酸化物（Ｓｃ2Ｏ3）の形態で８モル％、Ｙ3+イオンに関しては、酸化物（Ｙ2Ｏ3）の形態で８モル％に、それぞれ選択すればよい。また、Ａｃ3+イオンに関しても、酸化物（Ａｃ2Ｏ3）の形態で同程度の濃度に選択すればよい。いずれも、IIIＢ族（１３族）元素イオンを含む材料として、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を添加した場合と比較して、格段に低い添加比率で、所望とする比屈折率差Δを達成できる。すなわち、本発明にかかる光導波路において、コア母材中に添加する、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される助成元素イオンの添加比率は、主体の石英ガラス（ＳｉＯ2）中に、酸化物（Ｍ2Ｏ3；Ｍは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａのいずれかを示す）の形態として、２モル％〜２０モル％の範囲に選択することが適正であり、より好ましくは、４モル％〜１０モル％の範囲に選択する。あるいは、場合によっては、Ａｃ3+イオンを同様に助成元素イオンとして、酸化物（Ａｃ2Ｏ3）の形態で同程度の添加濃度に選択して、利用することもできる。
【００４０】
一方、コア母材中、主体の石英ガラス（ＳｉＯ2）中に酸化物（Ｍ2Ｏ3；Ｍは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａのいずれかを示す）の形態として添加される、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される助成元素イオンは、その添加比率が増しても、コア中に添加される希土類元素イオンからのフォトルミネッセンス発光強度をそれほど弱めないが、添加比率が増すとともに、徐々にフォトルミネッセンス発光強度は弱くなっていく傾向を示すので、その観点でも、上記の添加比率の範囲を選択することで、極端なフォトルミネッセンス発光強度の低下を回避することができる。なお、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される助成元素イオンは、通常、一種を利用するが、上述する要件を満足する範囲で、二種以上を、その添加比率の総和が、前記の範囲内となるように併用することもできる。その際、場合によっては、Ａｃ3+イオンを同様に助成元素イオンとして、酸化物（Ａｃ2Ｏ3）の形態で同程度の添加濃度に選択して、併用することもできる。
【００４１】
希土類元素イオンを添加するコア中に、例えば、IIIＢ族（１３族）元素イオンとして、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を添加した場合には、希土類元素イオンからのフォトルミネッセンス発光強度を弱める作用を示し、また、基板上に形成されるコアにおいて、その膜に加わる歪み応力を増す作用を有するIIIＢ族元素イオンやIVＢ族元素イオンは、含まれないことが望ましい。場合によっては、コア中に、不純物レベル程度に微量のIIIＢ族元素イオンやIVＢ族元素イオンが混入してもよいが、前述する不具合、好ましくない作用・機能に起因する、光増幅特性等への影響を排除するためには、コア中における、IIIＢ族元素イオンやIVＢ族元素イオンの含有比率は、その酸化物として１モル％以下の範囲に制限することが好ましい。
【００４２】
本発明にかかる平面型光導波路においては、通常、図１に示すように、基板上に形成する下クラッド上に、一旦、一様な膜厚を有するコア層を形成した後、所望の幅にパターニング加工して、コアの断面形状を矩形状とする。その後、かかるコアの両側面ならびに上面部を被覆するように、上クラッドを形成して、クラッド中にコアが設置される形態とすることが好ましい。その際、該コア中を光導波路とするため、コアとクラッドとが接するコア／クラッド界面において、目的とする増幅波長帯において、コアを構成する混合組成酸化物の屈折率は、クラッドを構成する酸化物の屈折率より、１％〜２０％高い屈折率を示すように、コア中における助成元素イオンの添加率を選択し、また、その際、コア中における助成元素イオンの添加率を均一とすることが好ましい。このような対照的な境界条件を有する光導波路内においては、伝播する光の強度分布は、通常、コア中心に極大を有するガウス分布と近似できる分布を示す。
【００４３】
また、かかる平面型光導波路を光増幅器として利用する際には、増幅すべき信号光と、増幅に利用される励起光は、予め、光方向性結合器によって、合波された後、光ファイバーから光導波路のコア端面へと入射される。また、光増幅器中を通過する間に増幅された信号光と、残った励起光は、光導波路のコア端面から、光ファイバーを介して、光方向性結合器に導かれ、分波（波長分離）される。従って、矩形状のコアの断面形状における、縦厚（Ｔ）と横幅（Ｗ）は、入射端ならびに出射端において、光接合される光ファイバーのコア径、開口比などを考慮し、その接合損失の許容範囲内で、適宜選択される。また、下クラッド、上クラッドの厚さ（Ｔclad）は、矩形状のコアの断面形状における、縦厚（Ｔ）と横幅（Ｗ）、特には、縦厚（Ｔ）を考慮し、さらには、コア／クラッド間の屈折率差をも考慮し、下クラッド下の基板、あるいは、上クラッド上方の空間の誘電率（屈折率）が、コア中の光導波特性、あるいは、光増幅特性に影響を及ぼさないように、適宜選択することができる。
【００４４】
一方、光増幅媒体として利用される、コア中に添加される希土類元素イオンの添加濃度分布は、コア中において、均一な分布とすることもできるが、コア内を伝播する光の強度分布と類似する濃度分布を設けることも可能である。すなわち、コア内における励起光の光強度分布において、光強度の小さい領域では、希土類元素イオンの添加濃度が均一な場合、導波路を進む間に、希土類元素イオンによる吸収により、励起光強度が急速に減衰してしまい、基底状態と励起状態との比率が光増幅を可能とする範囲を下回り、逆に、一旦、増幅された信号光に対する吸収体、つまり、基底状態にある希土類元素イオンの光吸収に起因する光の伝播ロスとなる。この光の伝播ロスの低減を図るため、本発明にかかる光導波路において、コアに含まれる希土類元素イオンの濃度分布を、コア内の光強度分布に近いものとすることが好ましい。例えば、基板面に垂直な方向に、コアの中心部では濃度が高く、上下のコア／クラッド界面に向うに従って、濃度が徐々に減少する濃度分布を設ける。その際、伝播する光の強度分布は、通常、コア中心に極大を有するガウス分布と近似できる分布であるので、希土類元素イオンの濃度分布も、縦方向（厚さ方向）では、コアの中心部に極大を有するガウス分布と類する分布とすることが好ましい。
【００４５】
本発明にかかる光増幅器用の光導波路では、そのコアは、母材に添加する希土類元素イオンに対して、その助成元素イオンを、IIIＡ族（３族）元素の中のＳｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択している。この助成元素イオンの添加は、コア／クラッド間の屈折率差を適正な範囲とする上で利用され、その際、希土類元素イオンからのフォトルミネッセンスの発光強度の低減を少なくできる効果を発揮している。図４に、スパッタ法で作成したＥｒ3+イオンドープ石英（ＳｉＯ2）膜中に、IIIＢ族（１３族）元素イオンを含む材料として、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を添加した場合と、IIIＡ族（３族）元素イオンを含む材料として、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）を添加した場合とで、得られる混合組成の酸化物膜の、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドに対する比屈折率差Δに対して、その混合組成の酸化物膜における、Ｅｒ3+イオンのフォトルミネッセンス発光強度をプロットした結果を示す。酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）を添加した場合でも、比屈折率差Δを増すとともに、発光強度は低下するが、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を添加した場合における低下の方が大きく、少なくとも、比屈折率差Δが２％〜１０％の範囲では、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）を添加した場合における発光強度の低下は、有意に少ないことが判る。
【００４６】
上述するように、少なくとも、導波路ベンド部の曲率半径ｒの最小値２ｍｍ（ｒ≧２ｍｍ）を達成する上では、少なくとも、比屈折率差Δを２％以上の範囲となるよう増加させるため、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される助成元素イオン、例えば、Ｌａ3+イオンの添加比率を増す際、図４に示すように、比屈折率差Δを増すとともに、Ｅｒ3+イオンのフォトルミネッセンス発光強度が低下していく。石英ガラス（ＳｉＯ2）中（比屈折率差Δ＝０％に相当）におけるＥｒ3+イオンのフォトルミネッセンス発光強度を基準として、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ａｃからなる群から選択される助成元素イオン、例えば、Ｌａ3+イオンの添加比率を増すことで、比屈折率差Δを１５％まで増すと、発光強度は６０％程度まで低下している。その点を考慮すると、発光強度の低下が５０％を超えない範囲とする上では、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される助成元素イオン、例えば、Ｌａ3+イオンの添加比率を増す際、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）に対する比屈折率差Δが、少なくとも、１７％以下、通常、１５％以下となる範囲、より好ましくは、１０％以下となる範囲に留めることが望ましい。対応して、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａからなる群から選択される助成元素イオン、例えば、Ｌａ3+イオンの添加比率を、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）として、少なくとも、２０モル％以下、通常、１８％以下となる範囲、より好ましくは、１０％以下となる範囲に留めることが望ましい。
【００４７】
加えて、Ｓｉ基板上に、光導波路を作製する際、コア母材として、石英ガラス（ＳｉＯ2）中に、Ａｌ（Ａｌ2Ｏ3）やＰ（Ｐ2Ｏ5）を高い比率で添加すると、コア層には、圧縮（プラス）方向の歪み応力が加わるが、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）を添加した場合には、コア層には、引張り（マイナス）方向の歪み応力が加わることが判明した。Ｓｉ基板上に形成されるコア層において、例えば、石英ガラス（ＳｉＯ2）中にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を２０モル％添加する場合には、１ミクロンの厚さで、応力が約２００ＭＰａに対して、石英ガラス（ＳｉＯ2）中に酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）を２０モル％添加する場合には、１ミクロンの厚さで応力が約−２００ＭＰａであった。なお、Ｓｉ基板上に石英のクラッド膜（下クラッド）を成膜した場合には、下クラッド膜自体、Ｓｉ基板に対して応力がプラスにかかっており、その上に、石英ガラス（ＳｉＯ2）中に酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）を添加しているコア膜を成膜すれば、全体として、コアに印加される応力を緩和することができる。このコアに印加される応力の緩和効果に関しては、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）のみでなく、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、ならびに、場合によって利用されるＡｃに関して、その酸化物（Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ａｃ2Ｏ3）においても、同じような性質・作用を有するので、同様に好適に利用できる。
【００４８】
更には、光増幅媒体として利用される、コア中に添加される希土類元素イオンは、目的とする増幅波長帯に応じて、例えば、１．５μｍ帯の光増幅用には、Ｅｒ3+イオン、Ｈｏ3+イオン、Ｔｍ3+イオン、Ｙｂ3+イオンなど、また、１．３μｍ帯の光増幅用には、Ｐｒ3+イオン、Ｎｄ3+イオンなどであるが、これら希土類元素イオンと共添加される、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ａｃからなる群から選択される助成元素イオンは、いずれも、Ｒ2Ｏ3の形態で、石英ガラス（ＳｉＯ2）中に添加される。また、そのイオン半径等も類似しており、石英ガラス（ＳｉＯ2）中において、同様な挙動をとる。例えば、コア中に添加される希土類元素イオンがクラスター化を起こす際には、希土類元素イオンとこれらIIIＡ族（３族）の助成元素イオンとが、生成するクラスター内にほぼ等しい確率で取り込まれることになる。その結果、生成するクラスター内に含まれる、希土類元素イオンとIIIＡ族（３族）の助成元素イオンとの割合は、それらの添加比率の比と等しくなる。その結果、希土類元素イオンの添加比率／IIIＡ族（３族）の助成元素イオンの添加比率の比が、１／４より小さくなると、クラスター内において、希土類元素イオンが隣接して存在する比率は極めて低くなる。従って、添加されている希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオン複数がクラスター状に存在すると、隣接するＥｒ3+イオン間において、エネルギー移動がより起こり易くなることに由来する、準安定励起状態の低減過程は、大幅に抑制されることになる。
【００４９】
すなわち、希土類元素イオンとこれらIIIＡ族（３族）の助成元素イオンとを共添加する際、希土類元素イオンの添加比率／IIIＡ族（３族）の助成元素イオンの添加比率の比を１／４より小さく選択すると、クラスター化に起因する光増幅効率の低下に関して、その相当部分を回避する効果が得られる。特には、希土類元素イオンの添加比率／IIIＡ族（３族）の助成元素イオンの添加比率の比を、１／４〜１／２７の範囲に選択すると、より望ましい。
【００５０】
なお、石英ガラス（ＳｉＯ2）中にＥｒ3+イオンを酸化物（Ｅｒ2Ｏ3）として添加した際に観測されるＥｒ3+イオンのフォトルミネッセンス発光スペクトルに基づき、Ｃ−バンド帯（１５３０〜１５６５ｎｍ）領域に関して、ピーク強度の半値以上の波長域幅（帯域幅）を評価すると、３５ｎｍであり、
石英ガラス（ＳｉＯ2）中にＥｒ3+イオンを酸化物（Ｅｒ2Ｏ3）として添加し、助成元素イオンとして、Ｌａ3+イオンを酸化物（Ｌａ2Ｏ3）の形態で６モル％、あるいは、１０モル％添加した際には、Ｃ−バンド帯（１５３０〜１５６５ｎｍ）領域に関して、ピーク強度の半値以上の波長域幅（帯域幅）を評価すると、３５ｎｍを維持しているが、
石英ガラス（ＳｉＯ2）中にＥｒ3+イオンを酸化物（Ｅｒ2Ｏ3）として添加し、助成元素イオンとして、リン（Ｐ2Ｏ5）を７モル％添加した際には、Ｃ−バンド帯（１５３０〜１５６５ｎｍ）領域に関して、ピーク強度の半値以上の波長域幅（帯域幅）を評価すると、２４ｎｍであり、帯域幅が減少してしまっていた。
【００５１】
以下、本発明にかかる実施形態に関して、図を参照してより詳しく説明する。
【００５２】
（第一の実施形態）
図１は、本発明にかかる第一の実施形態における、平面型光導波路の構成例を、模式的に示す断面図である。
【００５３】
図１に示す光導波路は、基板１上に形成された下クラッド２、コア３、ならびにコア３を覆うように形成された上クラッド４から構成されている。下クラッド２ならびに上クラッド４は、石英ガラスを用いて形成され、コア３は、このコアを取り囲む下クラッド２ならびに上クラッド４を構成する石英ガラスの屈折率よりも、より大きな屈折率を有する材料で形成されている。このコア／クラッド界面における屈折率差Δｎにより、光導波路の末端からコア内に入射されたレーザ光は、屈折率導波によって、かかるコア内を導波する平面型光導波路を構成している。
【００５４】
導波すべき光が、１．５５μｍ帯の半導体レーザ光である形態では、かかる波長帯域においては、光透過性の酸化物である二酸化珪素、この場合、石英ガラスがクラッドを構成する材料として利用されている。なお、基板１には、１．５５μｍ帯の半導体レーザ光に対して、光透過性を示さないシリコン基板が利用されている。コア３の断面形状は、縦厚（Ｔ）・横幅（Ｗ）ともに４μｍの矩形（正方形）に選択されており、下クラッド２および上クラッド４は、いずれも、等方的な堆積法を利用して作製することにより、コア３の側面をも、均一に上クラッド４により被覆されている。その際、基板１と平行なコア／クラッド界面において、下クラッド２および上クラッド４の厚さは、いずれも、１５μｍとなるように、堆積条件（堆積時間等）が設定されている。
【００５５】
基板１の上面と平行な配置に延在して、平面型光導波路を構成する矩形のコア３内には、このコア３内を伝搬する信号光を増幅するため、光増幅媒体として利用する希土類元素イオン、例えば、１．５５μｍ帯の半導体レーザ光の増幅用としては、Ｅｒ3+イオンなどが、酸化物（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）の形態で、コアを構成する母材中に、０．５モル％一様に添加されている。このコア３を構成する母材は、主体となる石英ガラス（ＳｉＯ2）に、Ｌａ3+イオンが酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）の形態で８モル％一様に添加されている混合組成であり、１．５５μｍ帯半導体レーザ光の波長領域における、コア３の屈折率ｎcoreの、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）に対する比屈折率差Δ（≡（ｎcore−ｎSiO2）／ｎcore）は、７％に相当する。すなわち、１．５５μｍ帯の半導体レーザ光の光増幅器に利用可能な平面型光導波路では、コア３を構成する混合組成の酸化物は、石英ガラス（ＳｉＯ2）中に、Ｅｒ3+イオンを酸化物（Ｅｒ2Ｏ3）として０．５モル％、その助成元素イオンとして、Ｌａ3+イオンを酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）として８モル％、一様に添加されている組成に選択されている。従って、このコア中には、石英ガラス（ＳｉＯ2）として含まれる、Ｓｉ4+イオン以外のIVＢ族（１４族）元素イオン、ならびに、Ａｌ3+イオンなどのIIIＢ族（１３族）元素イオンは、含まれていない。
【００５６】
なお、前記の形態では、１．５５μｍ帯半導体レーザ光の波長領域における、コア３の屈折率ｎcoreの、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）に対する比屈折率差Δ（≡（ｎcore−ｎSiO2）／ｎcore）を７％に選択することに伴い、助成元素イオンとして添加されるＬａ3+イオンの添加比率は、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）として８モル％を選択しているが、前記波長領域における、コア３の屈折率ｎcoreの、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）に対する比屈折率差Δは、２％〜１７％の範囲に設定して、光導波路を設計することも可能であり、対応して、Ｌａ3+イオンの添加比率は、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）として、２モル％〜２０モル％の範囲に選択することもできる。一般に、前記波長領域における、コアと石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドとの比屈折率差Δは、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）に対して、３％〜１０％の範囲に設定して、光導波路を設計することが望ましく、対応して、Ｌａ3+イオンの添加比率は、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）として、４モル％〜１０モル％の範囲に選択することがより望ましい。
【００５７】
本第一の実施形態では、１．５５μｍ帯半導体レーザ光の波長領域における、光増幅器として利用可能な平面型光導波路を構成する際、波長９８０ｎｍの高出力半導体レーザ光を励起光源として利用可能な、光増幅媒体として、コア中に、Ｅｒ3+イオンを酸化物（Ｅｒ2Ｏ3）として添加し、コア母材として、主体の石英ガラス（ＳｉＯ2）に、助成元素イオンとして、Ｌａ3+イオンを酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）の形態で混合しているが、助成元素イオンとして、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ａｃを、Ｌａに代えて利用する場合にも、同様の効果を達成できる。
【００５８】
なお、Ｌａに代えて、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ａｃを、助成イオンとして、添加する際にも、Ｓｃ3+イオン、Ｙ3+イオン、Ａｃ3+イオンを、それぞれ酸化物（Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ａｃ2Ｏ3）の形態で、主体の石英ガラス（ＳｉＯ2）に添加する。その添加比率は、Ｓｃ3+イオンを酸化物（Ｓｃ2Ｏ3）の形態で添加する際には、２モル％〜２０モル％の範囲に選択することもできるが、１．５５μｍ帯半導体レーザ光の波長領域における、コアと石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドとの比屈折率差Δは、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）に対して３％〜１０％の範囲に設定して、光導波路を設計することが望ましく、対応して、Ｓｃ3+イオンの添加比率は、Ｓｃ2Ｏ3として、４モル％〜１０モル％の範囲に選択することがより望ましい。また、Ｙ3+イオンを酸化物（Ｙ2Ｏ3）の形態で添加する際には、その添加比率を２モル％〜２０モル％の範囲に選択することもできるが、１．５５μｍ帯半導体レーザ光の波長領域における、コアと石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドとの比屈折率差Δは、３％〜１０％の範囲に設定して、光導波路を設計することが望ましく、対応して、Ｙ3+イオンの添加比率は、Ｙ2Ｏ3として、４モル％〜１０モル％の範囲に選択することがより望ましい。あるいは、Ａｃ3+イオンを酸化物（Ａｃ2Ｏ3）の形態で添加する際には、その添加比率を２モル％〜２０モル％の範囲に選択することもできるが、１．５５μｍ帯半導体レーザ光の波長領域における、コアと石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドとの比屈折率差Δは、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）に対して３％〜１０％の範囲に設定して、光導波路を設計することが望ましく、対応して、Ａｃ3+イオンの添加比率は、Ａｃ2Ｏ3として、４モル％〜１０モル％の範囲に選択することがより望ましい。
【００５９】
一方、下クラッドと上クラッドは石英ガラス（ＳｉＯ2）としているが、石英ガラス（ＳｉＯ2）に代えて、Ｂ（Ｂ2Ｏ5）またはＰ（Ｐ2Ｏ5）、あるいは両方を添加した石英ガラス（ＳｉＯ2）を用いて、コアとクラッドとの比屈折率差Δを、クラッドを構成する酸化物の屈折率ｎCLADに対して、３％〜１０％の範囲に設定して、光導波路を設計することも可能である。
【００６０】
上記に第一の実施形態では、コア母材として、主体の石英ガラス（ＳｉＯ2）に、助成元素イオンとして、Ｌａ3+イオンを酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）の形態で混合しているが、作製過程において、場合によっては、不純物元素が混入することもある。特には、光増幅媒体として、かかるコア中に添加されている、希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオンからのフォトルミネッセンス発光を弱める作用を示す元素イオンである、Ａｌ3+イオンなどのIIIＢ族（１３族）元素イオンや、光増幅帯域を狭める作用を示すIVＢ族（１４族）元素イオンの混入はできれば、回避することが望ましいが、仮に、不純物として混入される場合には、コア中に添加されている、希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオンからのフォトルミネッセンス発光を弱めないためには、IIIＢ族（１３族）元素イオンやIVＢ族（１４族）元素イオンの添加濃度の総和は、その酸化物として、１モル％以下の範囲であることが望ましい。一般に、コア中に添加されている、希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオンからのフォトルミネッセンス発光を弱める作用は、励起状態から基底状態への無輻射的な失活過程の増加に由来しており、換言するならば、光増幅過程に関与する励起状態に留まる比率（反転分布）の低減を引き起こし、結果として、光増幅における利得が低減することになるので好ましくない。
【００６１】
なお、上述する第一の実施形態にかかる、比屈折率差Δが７％である構成を有する光導波路は、単位長さ当たりの光増幅率を大きくでき、導波路長１０ｃｍ、励起光波長９８０ｎｍ、２００ｍＷの条件において、同じ比屈折率差Δを有する、Ａｌ（Ａｌ2Ｏ3）を高い比率で添加し、Ｅｒ3+イオンを同濃度含む光導波路では、１ｄＢ／ｃｍの増幅率であるのに対し、１．８ｄＢ／ｃｍであった。
【００６２】
（第一の実施形態にかかる平面型光導波路の作製工程）
上記の第一の実施形態にかかる光導波路を作製する方法について、図５を参照して、以下に、その作製工程を説明する。
【００６３】
まず、図５（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１上に下クラッド２として、石英ガラス層（酸化シリコン層）を、ＣＶＤ法を用いて成膜する。次に、図５（ｂ）に示すように、コア層として、エルビウムとランタンをそれぞれ酸化物の形態で添加した石英ガラス層をＣＶＤ法で成膜する。このコア層上に、フォトリソグラフィーでレジストパターンを形成し、それをエッチング・マスクとして、ドライ・エッチングでコア層をエッチングし、図５（ｃ）に示すように、所望の横幅（Ｗ）を有する矩形断面のコア３を形成する。次に、図５（ｄ）に示すように、前記コア３を覆うように、上クラッド４として、石英ガラス層（酸化シリコン層）をＣＶＤ法で成膜して、平面型光導波路を構成する。
【００６４】
前記の作製工程においては、下クラッド２、上クラッド４用の石英ガラス層（酸化シリコン層）、ならびに、コア層の成膜に、ＣＶＤ法を利用しているが、等方的な堆積が達成され、また、得られる堆積膜の組成を所望の組成とできる限り、他の成膜方法を利用することもできる。利用可能な成膜方法として、スパッタ法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、イオンプレーティング法など各種の等方的な堆積方法を挙げることができる。
【００６５】
なお、上記のＣＶＤ法を利用する堆積方法では、コア層中に添加されるエルビウムとランタンは、シリコン原料から酸化シリコン層を形成する過程で、エルビウムを含む原料ガス、ランタンを含む原料ガスを導入して、同時に酸化物として、添加する形態をとっており、均一な添加濃度分布が達成されている。例えば、コアの母材の主体となる酸化シリコンを、石英ターゲットからスパッタ法を利用して堆積する際には、コア層中に添加されるエルビウムとランタンも、予め、酸化物である酸化エルビウムや酸化ランタンの形態とした上で、スパッタ法を利用して、添加堆積することが可能である。
【００６６】
（第二の実施形態）
以下、本発明にかかる第二の実施形態について、同じく図を参照して、詳しく説明する。
【００６７】
本発明にかかる第二の実施形態における平面型光導波路も、その基本的な構成は、図１で示した第一の実施形態とほぼ同じであるが、コア内に添加される希土類元素イオンの濃度分布は一様ではなく、縦方向の添加濃度は、コアの中心部において極大を示し、その上下に位置する、下クラッド２、上クラッド４との界面に向かって、添加濃度が低減する分布を設けたものである。一方、コア内に同時に酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）の形態で添加されるＬａ3+イオンの添加濃度は、コアの縦方向に均一な濃度としている。その他の部分の構成は、第一の実施形態の光導波路と同じである。
【００６８】
希土類元素イオンとして、例えば、Ｅｒ3+イオンを基板面に垂直な方向（縦方向）では、コアの中心部の添加濃度を酸化物（Ｅｒ2Ｏ3）として０．５モル％とし、コアの上下の界面方向に向かって、徐々に減少させる。このＥｒ3+イオンの添加濃度の分布は、光増幅用にコア端面から入射される励起光のコア内光強度分布と類似する分布に選択することが効果的である。コア端面から入射される励起光のコア内光強度分布は、コアの中央部において、極大を示すガウス分布に近い分布を示しており、この第二の実施形態において、Ｅｒ3+イオンの添加濃度の縦方向分布は、そのガウス分布と近い分布を選択した。なお、コアの基板面と平行な方向には、Ｅｒ3+イオンの添加濃度に分布は設けず、横幅方向には、一様の濃度となっている。
【００６９】
かかる第二の実施形態における平面型光導波路においては、コア端面から入射される励起光のコア内におけるガウス分布型の光強度分布と、コア内におけるＥｒ3+イオンの添加濃度の縦方向分布とはほぼ一致している結果、コア内におけるＥｒ3+イオンの添加濃度が一様である場合と比較すると、励起光により励起状態とされているＥｒ3+イオンの占める比率がより大きくなり、基底状態にあるＥｒ3+イオンの光吸収に起因する光の伝播ロスの低減が図られている。
【００７０】
（第二の実施形態にかかる平面型光導波路の作製工程）
上記の第二の実施形態にかかる光導波路を作製する方法について、図５を参照して、以下に、その作製工程を説明する。
【００７１】
この第二の実施形態にかかる光導波路の作製工程は、コアを形成するコア層の作製工程を除き、その他の工程は、先に説明した第一の実施形態にかかる光導波路の作製工程と基本的に同じである。すなわち、図５（ｂ）に示すコア層の成膜工程において、成膜厚さ方向（縦厚方向）にＥｒ3+イオンの添加濃度を目的とする分布に調製する。
【００７２】
ＣＶＤ法を利用して、コア層の成膜を行う際、コア層中に添加されるエルビウムとランタンは、シリコンを含む原料ガスから酸化シリコン層を形成する過程で、エルビウムを含む原料ガス、ランタンを含む原料ガスを導入して、同時に酸化物として、添加する形態をとっており、エルビウムを含む原料ガス／シリコンを含む原料ガスの供給比率を、コア層成膜開始時には、小さく設定し、徐々に増加させ、コア層成膜時間の１／２が経過した後、徐々に減少させる。このようにエルビウムを含む原料ガス／シリコンを含む原料ガスの供給比率を目的とする添加濃度分布に併せて制御することで、得られるコア層の膜厚方向（縦方向）にＥｒ3+イオンの添加濃度分布が形成される。なお、ランタンを含む原料ガス／シリコンを含む原料ガスの供給比率は一定に保つことで、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）の形態で添加されるＬａ3+イオンの添加濃度は、実質的にコア層の縦方向に均一な濃度とされている。
【００７３】
この第二の実施形態にかかる光導波路の作製工程においても、下クラッド２、上クラッド４用の石英ガラス層（酸化シリコン層）、ならびに、コア層の成膜に、ＣＶＤ法を利用しているが、等方的な堆積が達成され、また、得られる堆積膜の組成を所望の組成とできる限り、他の成膜方法を利用することもできる。利用可能な成膜方法として、スパッタ法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、イオンプレーティング法など各種の等方的な堆積方法を挙げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明にかかる平面型コア・クラッド導波路形状を有する光導波路は、光ファイバー伝送路で構成される光通信ネットワーク装置内において、主として、１．５５μｍ帯のレーザ光強度の増幅を目的とする広帯域の光増幅器として、利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施の形態にかかる、平面型光導波路の構成例を模式的に示す断面図である。
【図２】平面型光導波路に利用される、コア母材中に含有されるＥｒ3+イオンからのフォトルミネッセンス発光強度の、該コア母材中における石英ガラス（ＳｉＯ2）に対するアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の添加比率に対する依存性を評価した結果の一例を示す図である。
【図３】平面型光導波路に利用される、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）と、コア母材中における、石英ガラス（ＳｉＯ2）に対して、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）あるいはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を添加したコア母材の屈折率ｎcore、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）に対する比屈折率差Δ（≡（ｎcore−ｎSiO2）／ｎcore）の、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）あるいはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の添加比率（モル％）に対する依存性を示す図である。
【図４】平面型光導波路に利用される、コア母材中に含有されるＥｒ3+イオンからのフォトルミネッセンス発光強度の、石英ガラス（ＳｉＯ2）に対して、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）あるいはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を添加したコア母材の屈折率ｎcoreと、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）との比屈折率差Δに対する依存性を評価した結果の一例を示す図である。
【図５】本発明にかかる実施の形態における平面型光導波路を製造する工程を例示する図である。
【符号の説明】
【００７６】
１  基板
２  下クラッド
３  コア
４  上クラッド
【図１】
2005217007.tif 000004
【図２】
2005217007.tif 000005
【図３】
2005217007.tif 000006
【図４】
2005217007.tif 000007
【図５】
2005217007.tif 000008