(57)【要約】【課題】高い増幅率を有する光増幅器を提供すること。【解決手段】光増幅器は、コア１１とクラッド１２とからなる光導波路１、及びシリコン製の基板２とを備える。入力信号光と励起光とを合波して入力光３として入射させると入力信号光は増幅されて増幅光４として出射する。コア１１は、酸化ゲルマニウムを主成分としてエルビウム、イッテリウム又はツリウムなどの希土類元素がドープされている。この主成分が酸化ケイ素ではなく、酸化ゲルマニウムである点が従来技術と大きく異なる点である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ゲルマニウムを主成分として希土類元素がドープされているコアと、
該コアよりも低い屈折率であるクラッドと
を備え、光導波路型であることを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
前記コアに前記希土類元素を励起する光を入射させる励起光源を更に備えることを特徴とする請求項１記載の光増幅器。
【請求項３】
前記希土類元素は、エルビウム、イッテリウム又はツリウムであり、前記コアにおけるこれら希土類元素の濃度が０.１〜１.０mol％（両端を含む）であることを特徴とする光増幅器。
【請求項４】
前記クラッドは、酸化ケイ素であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光増幅器。
【請求項５】
前記励起光源は、複数の横モードで発振する半導体レーザであることを特徴とする請求項２記載の光増幅器。
【請求項６】
前記半導体レーザの発振波長は、９８０ｎｍ帯又は１４８０ｎｍ帯であることを特徴とする請求項５記載の光増幅器。
【請求項７】
前記光導波路及び前記励起光源は、単一の基板上に集積されていることを特徴とする請求項２、５又は６記載の光増幅器。
【請求項８】
前記基板は、シリコン製であることを特徴とする請求項７記載の光増幅器。
【請求項９】
前記コアをスパッタリングによって形成し、該スパッタリング後に温度５００〜７５０℃（両端を含む）で０.８〜１.５時間（両端を含む）アニールすることを特徴とする請求項１記載の光増幅器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅器及びその製造方法に関わり、増幅率を高めて光通信用信号光に適用して好適な光増幅器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光増幅器として特許文献１には、増幅されるべき光信号の周波数でレーザ遷移を生じるレージング物質がドープされたレージングファイバに、レージング物質をポンピングするポンプ光及び光信号を入力して、光信号を増幅する光増幅器が記載されている。しかし、レージングファイバは長尺のものであるので、全体として大型になってしまう。
【０００３】
そこで、特許文献２には、シリコン製の基板に石英光導波路と励起光源とを集積する光増幅器が記載されている。これにより小型化を実現することができる。
【特許文献１】特開平１０−１３５５５０号公報
【特許文献２】特開２００１−１８９５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の光増幅器はその増幅率が十分に高くないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑み、極めて高い増幅率を有する光増幅器及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光増幅器は、酸化ゲルマニウムを主成分として希土類元素がドープされているコアと、該コアよりも低い屈折率であるクラッドとを備える光導波路型である。
【０００７】
また、前記コアに前記希土類元素を励起する光を入射させる励起光源を更に備えることで、入射する信号光を増幅する光増幅器を全体として小型化することができる。
【０００８】
また、前記希土類元素は、エルビウム、イッテリウム又はツリウムであり、前記コアにおけるこれら希土類元素の濃度が０.１〜１.０mol％（両端を含む）であることで、増幅率が著しく高くなる。
【０００９】
また、前記クラッドは、酸化ケイ素であることで、汎用の製造技術を用いることができる。
【００１０】
また、前記励起光源は、複数の横モードで発振する半導体レーザであることで、簡易な構成で十分な励起を行うことができる。
【００１１】
また、前記半導体レーザの発振波長は、９８０ｎｍ帯又は１４８０ｎｍ帯であることで、９８０ｎｍ帯の励起では１μｍ帯の信号光を増幅することができ、１４８０ｎｍ帯の励起では１.５５μｍ帯の信号光を増幅することができる。
【００１２】
また、前記光導波路及び前記励起光源は、単一の基板上に集積されていることで、全体として小型化することができる。
【００１３】
また、前記基板は、シリコン製であることで、汎用の製造技術を用いることができる。
【００１４】
また、本発明は、前記コアをスパッタリングによって形成し、該スパッタリング後に温度５００〜７５０℃（両端を含む）で０.８〜１.５時間（両端を含む）アニールすることを特徴とする上記光増幅器の製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【００１６】
本発明によると、コア内の希土類元素の発光特性が著しく改善され、信号光はコア内を伝播するに伴い増幅され、ファイバを用いることが不要となり、小型化かつ高出力の光増幅器が得られる。
【００１７】
本発明では、コアにエルビウム、イッテリウム、又はツリウムなどの希土類元素を添加することにより光通信において一般的に用いられる波長帯域に適した高出力の光増幅器が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の一実施例による光増幅器の構成を示す斜視図である。本実施例の光増幅器は、コア１１とクラッド１２とからなる光導波路１、及びシリコン製の基板２とを備える。入力信号光と励起光とを合波して入力光３として入射させると入力信号光は増幅されて増幅光４として出射する。コア１１は、酸化ゲルマニウムを主成分としてエルビウム、イッテリウム又はツリウムなどの希土類元素がドープされている。この主成分が酸化ケイ素ではなく、酸化ゲルマニウムである点が本発明の特徴である。クラッド１２の屈折率はコア１１よりも低いため、コア１１に入射された入力光３は、クラッド１２との屈折率差のため、コア１１に閉じ込められ、コア１１に沿って伝播する。一方、励起光は、コア１１内のドープされた希土類元素を励起し、高い励起状態にさせる。これによって、信号光はコア１１に沿って進行するに伴い増幅され、増幅光４となって光導波路１から出射する。
【００２０】
励起光源として半導体レーザを用いること、及び増幅媒体として光導波路を用いることによって、増幅器全体を小型化することができる。このように、半導体レーザと光導波路を基板上に集積化することで、小型かつ取り扱いが容易な光増幅器が得られる。
【００２１】
図２は、本実施例のカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度特性を示すグラフである。本実施例の酸化ゲルマニウム内の希土類元素をエルビウム（Ｅｒ）として、その濃度は０.１２５mol％、スパッタ後に６００℃で１時間、不活性ガス中で熱処理を行ったものを用いた。比較例として、酸化ケイ素内のＥｒ濃度を０.４５３mol％とし、１１００℃で１時間同様に熱処理を行ったものを用いた。両者をＣＬ装置を用いて、赤外光領域及び可視光領域におけるＣＬ強度（任意単位）を測定した。この発光強度は光増幅度そのものではないが、ＣＬ装置においても光励起と同様のプロセスが生じていることになり、実質的に光増幅度の指標となる。
【００２２】
Ｅｒドープ酸化ゲルマニウムの波長１５３７ｎｍにおける発光強度は、Ｅｒドープ酸化ケイ素の値に比べ、約１００倍以上である。
【００２３】
図３は、本実施例においてＥｒのドープ量をパラメータとしたときのＣＬ強度特性を示すグラフである。アニール温度６００℃、アニール時間１時間でアニールした試料について、室温３００°ＫでＣＬ強度を調べた。その結果、最適なＥｒ濃度は０.２４mol％であり、０.１〜１.０mol％（両端を含む）で強いＣＬ強度となることが分かる。それ以上のＥｒ濃度では濃度消光が生じている。
【００２４】
図４は、本実施例において様々なＥｒ濃度における波長１５３７ｎｍのＣＬ強度のイッテリウム（Ｙｂ）濃度依存性を示すグラフである。Ｙｂ（０.４５mol％）を共添加することにより、ＣＬ強度が約２倍に改善されることが分かる。
【００２５】
以上のように、Ｅｒ濃度、Ｙｂ濃度、及びスパッタ後の熱処理条件を最適化すれば、更なる改善が期待できる。
【００２６】
図５は、本実施例におけるコアを製造するスパッタリングに用いるターゲット材料の例を示す図である。本実施例におけるコア１１を製造するスパッタリングに用いるターゲット材料は、図５に示すようにディスク形状の高純度（９９.９９％）ゲルマニウム（直径４インチ）上に、同心円状に希土類元素小片を配置する。希土類元素小片の大きさと数は、希土類元素ドープ量に応じて変えることができる。希土類元素として、エルビウム（Ｅｒ）、イッテリウム（Ｙｂ）、又はツリウム（Ｔｍ）などを用いることができる。コア１１以外は公知のものを用いることができる。例えば、クラッド１２には酸化ケイ素を用いることができる。基板２には単結晶シリコンを用いることができる。励起光の光源である励起光源には複数の横モードで発振する半導体レーザを用いることができ、その半導体レーザの発振波長は、９８０ｎｍ帯又は１４８０ｎｍ帯であることができ、その半導体レーザを単一の基板２に集積して構成することができる。９８０ｎｍ帯の励起では１μｍ帯の信号光を増幅することができ、１４８０ｎｍ帯の励起では１.５５μｍ帯の信号光を増幅することができる。
【００２７】
また、製造方法もコア１１以外については公知の製造方法を用いることができる。コア１１についてもコア内の屈折率分布など材料組成に係わらない点は公知の構成及び公知の製造方法を用いることができる。
【００２８】
図６は、本実施例において波長１５３７ｎｍのＣＬ強度のアニール温度依存性を示すグラフである。Ｅｒ濃度０.６１４mol％、アニール時間１時間、室温３００°Ｋとして、アニールなし、アニール温度３００℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃の７種類の試料について波長１５３７ｎｍのＣＬ強度を調べた。その結果、最適なアニール温度は６００℃であり、５００〜７５０℃（両端を含む）で強いＣＬ強度となることが分かる。
【００２９】
図７は、アニール前後のＥｒ、Ｏ、Ｇｅの結合エネルギーの比較を示すグラフである。ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）を用い、ＧｅＯ2：Ｅｒをアニールなしと６００℃、１時間アニールの試料を比較した。図から明らかなように、アニールした試料はアニール前の試料と比べて、Ｇｅ、Ｏ、Ｅｒそれぞれの結合エネルギーが高い方にシフト（ケミカルシフト）していることが分かる。これがどのようなことを示しているかを考える。例として、Ｔｉの酸化物をあげる。Ｔｉ酸化物の場合、Ｔｉの2p3/2軌道の電子の結合エネルギーはＴｉＯで４５５.１ｅＶ、Ｔｉ2Ｏ3で４５７.８ｅＶ、ＴｉＯ2で４５８.７ｅＶとＴｉがＯとの結合が増すにつれて高くなっている。つまり、結合エネルギーが高い方へシフトしていることは、それぞれの元素と酸素との結合の増加を示していると考えられる。よって、図７より分かることは、ＧｅＯ2：Ｅｒを６００℃、１時間でアニールすることによりＥｒと酸素Ｏとの結合が増し、その結果Ｅｒがイオン化して効率的な発光へとつながっていると考えられる。
【００３０】
図８は、本実施例において波長１５３７ｎｍのＣＬ強度のアニール時間依存性を示すグラフである。Ｅｒ濃度０.１２５mol％、アニール温度６００℃、室温３００°Ｋとして、０.５、１.０、２.０、４.０時間それぞれでアニールした試料について波長１５３７ｎｍのＣＬ強度を調べた。その結果、最適なアニール時間は１.０時間であり、０.８〜１.５時間（両端を含む）で強いＣＬ強度となることが分かる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
【００３２】
酸化ゲルマニウムはＧｅＯ2に限られず、ＧｅとＯの比率は任意である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施例による光増幅器の構成を示す斜視図である。
【図２】本実施例のＣＬ強度特性を示すグラフである。
【図３】本実施例においてＥｒのドープ量をパラメータとしたときのＣＬ強度特性を示すグラフである。
【図４】本実施例において様々なＥｒ濃度における波長１５３７ｎｍのＣＬ強度のイッテリウム（Ｙｂ）濃度依存性を示すグラフである。
【図５】本実施例におけるコアを製造するスパッタリングに用いるターゲット材料の例を示す図である。
【図６】本実施例において波長１５３７ｎｍのＣＬ強度のアニール温度依存性を示すグラフである。
【図７】アニール前後のＥｒ、Ｏ、Ｇｅの結合エネルギーの比較を示すグラフである。
【図８】本実施例において波長１５３７ｎｍのＣＬ強度のアニール時間依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１  光導波路
２  基板
３  入力光
４  増幅光
１１  コア
１２  クラッド
【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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