(57)【要約】【課題】  光増幅器に利用可能な平面型光導波路において、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に関るフォトルミネッセンス強度を増し、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】  基板上に設ける、クラッドと、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において、そのコアには、互いに異なる組成の酸化物母材中に、希土類元素イオンを酸化物の形態で添加した希土類元素添加酸化物の層二種以上を積層して構成し、少なくともクラッドよりも高い実効的な屈折率を示す、積層構造型コアを採用する。【選択図】    図１
2005340516.tif 000002
【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からなる母材中に、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てなる、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上が積層されてなる、積層構造に構成され、
前記コアの積層構造を構成する、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上において、少なくとも、各層の光透過性を示す酸化物からなる母材は、酸素以外に含まれる主たる構成元素が１種類のみである酸化物である
ことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
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からなる母材中に、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てなる、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上が積層されてなる、積層構造に構成され、
前記コアの積層構造を構成する、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上において、少なくとも、各層の光透過性を示す酸化物からなる母材は、酸素以外に含まれる主たる構成元素が１種類のみである酸化物、または、酸素以外に含まれる主たる構成元素の組成は、主成分のシリコンに対する副次成分として、Ｓｃ、Ｙ、ＬａからなるIIIA族元素の群より選択される一つの元素が添加されている二成分系酸化物のいずれかである
ことを特徴とする光導波路。
【請求項３】
前記酸素以外に含まれる主たる構成元素の組成は、主成分のシリコンに対する副次成分として、Ｓｃ、Ｙ、ＬａからなるIIIA族元素の群より選択される一つの元素が添加されている二成分系酸化物において、
主成分のシリコンに対する副次成分として添加される、Ｓｃ、Ｙ、ＬａからなるIIIA族元素の群より選択される一つの元素の添加率は、その酸化物として、２モル％以上、かつ１０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２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記コアの積層構造を構成する、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上において、少なくとも、各層の光透過性を示す酸化物からなる母材は、
酸素以外に含まれる主たる構成元素以外に、微量成分として、他の元素をさらに添加されてもよく、
該微量成分として含まれる他の元素の添加は、酸化物として、その含有比率の総和は１モル％以下の範囲に選択されている
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】
前記酸素以外に含まれる主たる構成元素が１種類のみである酸化物において、
前記酸素以外に含まれる主たる構成元素は、シリコン、アルミニウム、リン、ゲルマニウム、ランタン、スカンジウム、イットリウムからなる群より選択されている
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】
前記クラッドを構成する酸化物は、主たる組成として二酸化珪素を含む
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】
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からなる母材中に、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てなる、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上が積層されてなる、積層構造に構成され、
前記コアの積層構造を構成する、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上において、少なくとも、各層の光透過性を示す酸化物からなる母材は、酸素以外に含まれる主たる構成元素が１種類のみである酸化物である構造を有し、
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、該コアの積層構造を構成する、前記希土類元素添加酸化物の薄層二種以上を、所定の繰り返し回数、それぞれ所定膜厚で相互に積層形成して、全体として所定膜厚を有する積層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。
【請求項８】
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からなる母材中に、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てなる、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上が積層されてなる、積層構造に構成され、
前記コアの積層構造を構成する、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上において、少なくとも、各層の光透過性を示す酸化物からなる母材は、酸素以外に含まれる主たる構成元素が１種類のみである酸化物、または、酸素以外に含まれる主たる構成元素の組成は、主成分のシリコンに対する副次成分として、Ｓｃ、Ｙ、ＬａからなるIIIA族元素の群より選択される一つの元素が添加されている二成分系酸化物のいずれかである構造を有し、
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、該コアの積層構造を構成する、前記希土類元素添加酸化物の薄層二種以上を、所定の繰り返し回数、それぞれ所定膜厚で相互に積層形成して、全体として所定膜厚を有する積層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ことが可能である。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、コアの構造や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、コア構造やコア中に添加する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、コアの構造に関するもので、希土類を添加する場所を、コアの中で層状に添加するもので、コアの中心部のみに層状に希土類を添加するか、互いに離間して希土類添加層と希土類非添加層を配置する事例である（特許文献１を参照）。
【００１０】
第二の従来例は、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２、非特許文献１を参照）。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くすることで、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。
【００１１】
第三の従来例には、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を参照）。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。
【００１２】
第四の従来例は、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３を参照）。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。
【００１３】
第五の従来例は、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４を参照）。
【００１４】
【表１】
2005340516.tif 000003
【特許文献１】特許  第２８４２９５４号公報
【特許文献２】特開平９−０２１９２２号公報
【特許文献３】特開平９−１０５９６５号公報
【特許文献４】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】
【００１５】
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、導波路のコアに希土類元素添加層と希土類元素非添加層を互いに離間して配置する第一の従来例（特許文献１）においては、希土類元素非添加層自体は、増幅される特定波長の光に対する吸収を示さない光ガイド層として機能するが、コア全体としては、単位長さ当たりの光増幅に寄与する希土類元素添加量は、相対的に減少してしまうという課題が生じている。
【００１６】
導波路のコア母材の石英ガラス中に、リン（Ｐ2Ｏ5）を添加する第二の従来例（特許文献２、非特許文献１）においては、ク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。
【００１７】
一方、コア母材の石英ガラス中に、Ａｌ（Ａｌ2Ｏ3）とＰ（Ｐ2Ｏ5）とを共添加する第三の従来例（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１．４５）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）とを共添加する際、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。
【００１８】
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、コアを構成する母材中において、希土類元素イオンと共添加可能な元素イオンを探索する必要がある。あるいは、コアを構成する母材中に、その他の元素を共添加する手法と代替可能であって、コア中への希土類元素イオンの高濃度添加を可能とし、かつ、実効的にコア／クラッド間の屈折率差Δｎを所定の範囲とすることを可能とする、コア自体の新規な内部構造を探索する必要がある。
【００１９】
本発明は上記の課題を解決するもので、本発明の目的は、コア中に光増幅媒体となる希土類元素イオンを高い濃度で添加する際、添加される希土類元素イオンのクラスター化に起因する増幅率低下の影響を軽減でき、高い増幅利得の達成に寄与し、同時に、コア／クラッド間に適正な大きさの実効的な屈折率差Δｎを形成することが可能であり、一方、さらには、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、コア自体に新規な内部構造を採用している、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、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要求される、コア／クラッド間に適正な大きさの実効的な屈折率差Δｎを形成することが可能であり、同時に、コア中に光増幅媒体となる希土類元素イオンを高い濃度で添加する際、添加される希土類元素イオンのクラスター化に起因する増幅率低下の影響を軽減でき、高い増幅利得の達成に寄与し、かつ、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、新規なコア内部構造を採用している、希土類元素添加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】
【００２０】
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）を種々の比率で一様に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４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４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く、また、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、この水準となることが判明した。
【００２１】
すなわち、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中における、Ａｌ2Ｏ3の添加率が０〜２０モル％の範囲において、フォトルミネッセンス強度の急激な減少が進み、Ａｌ2Ｏ3を添加しない場合（石英ガラスをホストする場合）の約半分程度にまで減少してしまう。一方、ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中におけるＡｌ2Ｏ3の含有比率に対して、その波長１．５５μｍにおける屈折率変化をプロットすると、図５に示す結果が得られた。図５の結果から、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中における、Ａｌ2Ｏ3の添加率が２０モル％に達しても、その屈折率の増加率は、３．６％に過ぎないことが判る。換言すれば、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中における、Ａｌ2Ｏ3の添加率を高めて、コアの屈折率増加する手法は、その屈折率増加量と、添加した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減少率とを総合的に考慮すると、必ずしも好ましい手法ではないと判断された。
【００２２】
Ｅｒ3+イオンを添加するコア母材として、石英ガラス（ＳｉＯ2）中にＬａ（Ｌａ2Ｏ3）を添加する二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）を用いて、同様の実験を行った結果も、図４と図５に示している。図４の結果から、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）を用いる場合にも、Ｌａ2Ｏ3の添加率が０〜２０モル％の範囲において、フォトルミネッセンス強度の急激な減少が進むことが判明した。なお、同じく二成分系ホストである（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）の系と（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）の系とを比較すると、フォトルミネッセンス強度の低下比率は、添加率０〜２０モル％の範囲では、Ｌａ2Ｏ3添加は、Ａｌ2Ｏ3添加よりも、その低下比率は相対的に小さいことが判る。また、屈折率増加率は、添加率０〜２０モル％の範囲では、Ｌａ2Ｏ3添加は、Ａｌ2Ｏ3添加よりも、約５倍の増加率を示している。従って、Ａｌ2Ｏ3の添加率を２０モル％に選択する際に達成される、屈折率増加率（約３．６％）は、約４モル％のＬａ2Ｏ3添加で達成でき、その際、フォトルミネッセンス強度の低下率は、１０％程度に留まることが判る。
【００２３】
さらに、本発明者らは、互いに異なる二種の酸化物の薄層を積層した際、導波する光の波長に比較して、各層の膜厚を十分に薄くすると、この積層面と平行する方向への光伝播に関して、隣接する同じ酸化物からなる層間で密な光結合が達成され、積層構造全体が光学的には一体の媒体として取り扱えること、また、その際、積層構造全体として、実効的な屈折率を示す一体の媒体として近似できることに着目した。例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）と石英ガラス（ＳｉＯ2）を利用して、Ａｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2薄層積層構造を構成すると、その実効的な屈折率ｎaverageは、石英ガラス（ＳｉＯ2）の屈折率ｎSiO2とアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の屈折率ｎAl2O3との間、その膜厚比率ＴSiO2：ＴAl2O3に応じた値を示すことに着目した。具体的には、各層の膜厚を十分に薄くした上で、その膜厚比率ＴSiO2：ＴAl2O3を８０：２０に設定すると、積層構造全体の実効的な屈折率ｎaverageは、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中における、Ａｌ2Ｏ3の添加率を２０モル％に選択したものと、同程度となる。また、一般に、互いに異なる二種の酸化物を積層すると、その界面に応力歪むが集中するが、各層の膜厚を十分に薄くした積層構造では、両層が積層面と平行な方向に弾性変形する結果、応力歪みの平均化がなされ、界面への応力歪むの集中も回避できる。加えて、例えば、膜厚比率ＴSiO2：ＴAl2O3を８０：２０に設定する、このＡｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2薄層積層構造にＥｒ3+イオンを均一に添加すると、Ａｌ2Ｏ3層中に添加されたＥｒ3+イオンに由来するフォトルミネッセンス強度は、ＳｉＯ2層中に添加されたＥｒ3+イオンに由来するフォトルミネッセンス強度の約５０％まで低下する。しかしながら、このＡｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2薄層積層構造全体において、平均すると、添加されたＥｒ3+イオンに由来するフォトルミネッセンス強度は、石英ガラス（ＳｉＯ2）中に添加されたＥｒ3+イオンに由来するフォトルミネッセンス強度の約９０％となると推定される。すなわち、膜厚比率ＴSiO2：ＴAl2O3を８０：２０に設定する、このＡｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2薄層積層構造を利用することで、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中における、Ａｌ2Ｏ3の添加率を２０モル％に選択した際の屈折率と、同程度の実効的な屈折率としつつ、添加されたＥｒ3+イオンに由来するフォトルミネッセンス強度の低下率は、格段に少なくすることが可能であると判断される。
【００２４】
本発明者らは、以上の検討によって得られた知見に基づき、コアの構成に、均一に混合された二成分系ホストを母材に利用する手法に代えて、互いに異なる酸化物の薄層二種以上を積層した積層構造を利用し、コア全体として、目標とする実効的な屈折率を達成しつつ、同時に、かかる積層構造のコア中に光増幅媒体となる希土類元素イオンを高い濃度で添加する際、添加される希土類元素イオンのクラスター化に起因する増幅率低下の影響を軽減でき、高い増幅利得の達成が可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００２５】
すなわち、本発明の第一の形態にかかわる光増幅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からなる母材中に、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てなる、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上が積層されてなる、積層構造に構成され、
前記コアの積層構造を構成する、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上において、少なくとも、各層の光透過性を示す酸化物からなる母材は、酸素以外に含まれる主たる構成元素が１種類のみである酸化物である
ことを特徴とする光導波路である。
【００２６】
また、本発明の第二の形態にかかわる光増幅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からなる母材中に、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てなる、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上が積層されてなる、積層構造に構成され、
前記コアの積層構造を構成する、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上において、少なくとも、各層の光透過性を示す酸化物からなる母材は、酸素以外に含まれる主たる構成元素が１種類のみである酸化物、または、酸素以外に含まれる主たる構成元素の組成は、主成分のシリコンに対する副次成分として、Ｓｃ、Ｙ、ＬａからなるIIIA族元素の群より選択される一つの元素が添加されている二成分系酸化物のいずれかである
ことを特徴とする光導波路である。
【００２７】
この本発明の第二の形態にかかわる光増幅に利用可能な光導波路においては、
前記酸素以外に含まれる主たる構成元素の組成は、主成分のシリコンに対する副次成分として、Ｓｃ、Ｙ、ＬａからなるIIIA族元素の群より選択される一つの元素が添加されている二成分系酸化物において、
主成分のシリコンに対する副次成分として添加される、Ｓｃ、Ｙ、ＬａからなるIIIA族元素の群より選択される一つの元素の添加率は、その酸化物として、２モル％以上、かつ１０モル％以下の範囲に選択することが好ましい。
【００２８】
また、本発明の第一の形態、ならびに第二の形態にかかわる光増幅に利用可能な光導波路においては、
前記酸素以外に含まれる主たる構成元素が１種類のみである酸化物において、
前記酸素以外に含まれる主たる構成元素は、シリコン、アルミニウム、リン、ゲルマニウム、ランタン、スカンジウム、イットリウムからなる群より選択することが好ましい。
【００２９】
一方、前記クラッドを構成する酸化物は、主たる組成として二酸化珪素を含むことが好ましい。
【００３０】
さらには、前記コアの積層構造を構成する、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上において、少なくとも、各層の光透過性を示す酸化物からなる母材は、
酸素以外に含まれる主たる構成元素以外に、微量成分として、他の元素をさらに添加されてもよく、
その際、該微量成分として含まれる他の元素の添加は、酸化物として、その含有比率の総和は１モル％以下の範囲に選択することが望ましい。
【００３１】
加えて、本発明は、上述する構成を有する本発明の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、本発明の第一の形態にかかわ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からなる母材中に、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てなる、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上が積層されてなる、積層構造に構成され、
前記コアの積層構造を構成する、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上において、少なくとも、各層の光透過性を示す酸化物からなる母材は、酸素以外に含まれる主たる構成元素が１種類のみである酸化物である構造を有し、
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、該コアの積層構造を構成する、前記希土類元素添加酸化物の薄層二種以上を、所定の繰り返し回数、それぞれ所定膜厚で相互に積層形成して、全体として所定膜厚を有する積層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。
【００３２】
一方、本発明の第二の形態にかかわ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からなる母材中に、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てなる、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上が積層されてなる、積層構造に構成され、
前記コアの積層構造を構成する、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上において、少なくとも、各層の光透過性を示す酸化物からなる母材は、酸素以外に含まれる主たる構成元素が１種類のみである酸化物、または、酸素以外に含まれる主たる構成元素の組成は、主成分のシリコンに対する副次成分として、Ｓｃ、Ｙ、ＬａからなるIIIA族元素の群より選択される一つの元素が添加されている二成分系酸化物のいずれかである構造を有し、
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、該コアの積層構造を構成する、前記希土類元素添加酸化物の薄層二種以上を、所定の繰り返し回数、それぞれ所定膜厚で相互に積層形成して、全体として所定膜厚を有する積層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】
【００３３】
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、例えば、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として、光透過性酸化物からなる母材中に、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てなる、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上が積層されてなる、積層構造のコアを利用する。その際、この薄層二種以上において利用する母材として、互いに異なる組成の酸化物と膜厚比率を選択することで、コア／クラッド間に適正な大きさの実効的な屈折率差Δｎを形成するとともに、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、酸化物の薄層二種以上の積層構造を利用する結果、従来のＡｌ（Ａｌ2Ｏ3）やＰ（Ｐ2Ｏ5）を高い比率で添加した石英ガラスなど、多成分系酸化物材料をコア母材に利用するものと比べると、有意に低減することが可能となる。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】
【００３４】
本発明においては、平面型光導波路を構成するコアとして、光透過性を示す酸化物からなる母材中に、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てなる、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上が積層されてなる積層構造を利用することで、この積層構造を構成している、二種以上の薄層を構成している各希土類元素添加酸化物が示す屈折率の値に対して、その中間的な値を有する実効的な屈折率を有するコアとなる。この積層構造型コアの実効的な屈折率は、積層構造を構成している二種以上の薄層について、その母材として利用する酸化物種類、組成の選択に伴う、その屈折率、ならびに、各薄層の膜厚比率を選定することで、調整が可能である。この積層構造型コアでは、得られる実効的な屈折率と、クラッドの屈折率との間に、所望の屈折率差を形成することで、屈折率導波路を構成している。
【００３５】
一方、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、例えば、石英ガラス（ＳｉＯ2）中にＡｌ（Ａｌ2Ｏ3）を添加した二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）を利用する、従来のコア中では、共添加されているＡｌ（Ａｌ2Ｏ3）によって、添加された希土類元素イオンのクラスター化が促進され、希土類元素イオン由来の発光に対して、このクラスター化に由来する発光効率の低下が引き起こされる。それに対して、例えば、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造とすると、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層中では、添加された希土類元素イオンのクラスター化は促進されるものの、石英ガラス（ＳｉＯ2）層中に、添加された希土類元素イオンのクラスター化に対して、共添加元素イオンによる促進は起こらない。結果として、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造においては、希土類元素イオン由来の発光に対して、そのクラスター化に由来する発光効率の低下を大幅に抑制することが可能となる。
【００３６】
本発明にかかる平面型光導波路においては、コアとして、光透過性を示す酸化物からなる母材中に、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てなる、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上が積層されてなる積層構造を利用することで、コア領域に添加される希土類元素イオン由来の発光に対して、そのクラスター化に由来する発光効率の低下を大幅に抑制しつつ、この積層構造型コアにおいて得られる実効的な屈折率と、クラッドの屈折率との間に、所望の屈折率差を形成することで、小型化に適用可能な屈折率導波路の構成を可能としている。
【００３７】
以下に、本発明にかかる平面型光導波路に関して、より詳しく説明する。
【００３８】
本発明にかかる平面型光導波路は、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、希土類元素イオンを添加するコア自体の内部構造を、従来利用されていた、例えば、石英ガラス（ＳｉＯ2）中にＡｌ（Ａｌ2Ｏ3）を添加した二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）に代えて、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造のように、互いに異なる屈折率を有する酸化物の薄層二種以上が積層されてなる積層構造に変更している。
【００３９】
本発明の第一の形態にかかる平面型光導波路では、このコアを構成する互いに異なる屈折率を有する酸化物の薄層二種以上が積層されてなる積層構造として、図２に例示される石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造のように、各層において母材として利用される、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は、酸素以外に含まれる主たる構成元素が１種類のみである酸化物を選択している。すなわち、一成分系酸化物ホスト中に、光増幅媒体として利用される、希土類元素イオンを酸化物（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）の形態で添加した、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上を、所定の各層の膜厚比に選択して、規則的に積層した構造を利用している。
【００４０】
例えば、図２に例示する石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造を考慮すると、石英ガラス（ＳｉＯ2）の屈折率ｎSiO2（約１．４５）とアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の屈折率ｎAl2O3（約１．７６）に起因して、両層の界面に屈折率差が存在している。仮に、石英ガラス（ＳｉＯ2）層、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の膜厚が、伝播される光の波長に対して、十分に薄くない場合には、両層間に存在している屈折率差に起因して、伝播される光は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層内に閉じ込められる。逆に、石英ガラス（ＳｉＯ2）層、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の膜厚が、伝播される光の波長に対して、十分に薄い場合には、隣接するアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層間に存在する間隙幅（ＳｉＯ2層の膜厚）が十分小さいため、隣接するアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層間に光学的な結合が達成され、その光強度分布は均一化がなされる。すなわち、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造に含まれる、複数のアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層全体にわたって、各層内の光強度分布は均一化がなされる。また、その条件では、隣接するアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層間に存在する間隙として機能する、石英ガラス（ＳｉＯ2）層内に染み出している光強度分布にも、均一化が起こる。結果として、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造全体にわたって、各層内の光強度分布の均一化がなされる。
【００４１】
この積層構造全体にわたって、伝播される光の光強度分布の均一化が達成されるための要件は、積層構造を構成する各層の膜厚が、伝播される光の波長に対して、十分に薄いことである。実際には、積層構造中、同じ母材からなる薄層が、実質的に等価な光伝播定数を持ち、加えて、同じ母材からなる薄層のうち、隣接する二つの薄層間に存在する間隙幅（その間に存在する他の薄層の膜厚）が十分に小さく、隣接する二つの薄層内における光強度分布と、その間隙幅（その間に存在する他の薄層の膜厚）における光強度分布とが実質的に同じとなる程度に、積層構造を構成する各層の膜厚が十分に薄いことである。例えば、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造において、伝播する光の波長λに対して、その波長域における各層の母材酸化物の屈折率；石英ガラス（ＳｉＯ2）の屈折率ｎSiO2（約１．４５）とアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の屈折率ｎAl2O3（約１．７６）とする際、各層の母材酸化物の屈折率で波長λを除した値；λ／ｎSiO2とλ／ｎAl2O3よりも十分小さな値、少なくとも、その１／４よりも小さくなる範囲に、各層の膜厚を選択することが望ましい。但し、積層構造を構成する各層間において、屈折率差がない極端な場合には、積層構造を構成する各層の膜厚に依らず、積層構造全体にわたって、伝播される光の光強度分布の均一化がなされる。
【００４２】
本発明の第一の形態にかかる平面型光導波路では、多くの場合、コアを取り巻くクラッドとして、石英ガラス（ＳｉＯ2）を利用し、一方、コアに利用する積層構造は、石英ガラス（ＳｉＯ2）層と、屈折率ｎSiO2（約１．４５）よりも有意に大きな屈折率ｎを有する、別種の酸化物を母材とする層とを組み合わせた積層構造とする。従って、積層構造を構成する各層間において、有意な屈折率差が存在するので、仮に、波長λ＝１．５５μｍ、屈折率ｎ＝１．５５とすると、１／４・（λ／ｎ）は、１／４μｍ＝２５０ｎｍであり、この値よりも、有意に薄い膜厚、例えば、１５０ｎｍ以下の範囲に選択することが望ましい。さらには、積層構造を構成する複数種の薄層の膜厚を加えた値、すなわち、積層構造における繰り返し単位個々の厚さを、前記の値以下の範囲に選択し、複数種の薄層の膜厚比率に応じて、各薄層の膜厚を決定することがより望ましい。積層構造全体にわたって、伝播される光の光強度分布の均一化がなされている状態では、この積層構造は、実効的な屈折率を有する一体の媒体と見做すことができる。その実効的な屈折率は、複数種の薄層の膜厚比率に応じて、各薄層が示す個々の屈折率ｎの加重平均で近似的に表すことが可能である。例えば、１．５５μｍ帯半導体レーザ光の波長領域における、各層の母材酸化物の屈折率；石英ガラス（ＳｉＯ2）の屈折率ｎSiO2（約１．４５）とアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の屈折率ｎAl2O3（約１．７６）に基づき、ＳｉＯ2層：Ａｌ2Ｏ3層の膜厚比＝８０ｎｍ：２０ｎｍの場合には、その膜厚比に対応して、実効的な屈折率は、約１．５１と算定される。
【００４３】
一方、光増幅媒体として利用される、希土類元素イオンは、酸化物（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）の形態で、各層の一成分系酸化物ホスト中に一様に添加する。従って、積層構造を構成する複数種の薄層において、母材として利用する一成分系酸化物は、目的とする希土類元素イオンの添加率が達成でき、加えて、該酸化物が示す屈折率は、クラッドに利用される石英ガラス（ＳｉＯ2）の屈折率ｎSiO2（約１．４５）以上であることが必要である。例えば、積層構造を構成する複数種の薄層の一つを、石英ガラス（ＳｉＯ2）層とする際、他の薄層には、１．６〜２．０の範囲の屈折率を示す酸化物、例えば、Ａｌ2Ｏ3（屈折率ｎAl2O3：約１．７６）、ＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5、さらには、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａの酸化物、Ｓｃ2Ｏ3（屈折率ｎSc2O3：約１．９５）、Ｙ2Ｏ3（屈折率ｎY2O3：約１．８７）、Ｌａ2Ｏ3を母材とする層を利用することが好ましい。
【００４４】
例えば、本発明の第一の形態にかかる平面型光導波路において、コアに利用する積層構造を構成する二種の薄層において、母材として利用する一成分系酸化物自体の屈折率：ｎ1、ｎ2が、ｎ1＞ｎ2であるとすると、その積層構造全体における母材の実効的な屈折率ｎeffは、ｎ1＞ｎeff＞ｎ2の関係を満足する。一方、コアを取り巻くクラッドを構成する酸化物の屈折率をｎCLADとする時、少なくとも、ｎ1＞ｎeff＞ｎ2≧ｎCLADの関係を満たすことが好ましい。実際には、母材として利用する一成分系酸化物に対して、希土類元素イオンを酸化物（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）の形態で添加するが、この希土類元素の酸化物（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）が示す屈折率ｎDopanatも、ｎDopanat＞ｎ2≧ｎCLADの関係を満たすことが好ましい。前記の二つの条件が満足されると、コアに利用する積層構造を構成する二種の薄層に対して、希土類元素イオンを、酸化物（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）の形態で添加した際、その二種薄層の屈折率ｎ1D、ｎ2D、積層構造全体の屈折率ｎeffDは、ｎ1D＞ｎeffD＞ｎ2D＞ｎ2≧ｎCLADの関係を満たすことになる。従って、積層コアとクラッドとが接するコア／クラッド界面において、希土類元素イオンが添加された薄層個々とクラッドとの界面では、実効的な屈折率差が存在するのみでなく、実際の屈折率でも差違を有することになる。本発明の第一の形態にかかる平面型光導波路では、積層コア中を伝播する光は、積層構造を構成する二種の薄層間に実質的に均一に分布しているが、このｎeffD＞ｎ2D＞ｎ2≧ｎCLADの関係を利用することで、積層コアの側面における、クラッドへの光散逸・拡散ロスをより効果的に抑制することができる。前記の好適な要件を満たす上では、クラッドを構成する酸化物として、石英ガラス（ＳｉＯ2）あるいは、ＳｉＯ2を主成分とするＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ−Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ  ｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）を利用し、クラッドの屈折率：ｎCLADを１．４６以下の範囲に選択することが望ましい。
【００４５】
本発明の第一の形態にかかる平面型光導波路では、少なくとも、積層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、積層コアが示す実効的な屈折率は、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、積層コアを構成する複数種の薄層個々の屈折率と、その膜厚比を選択する。
【００４６】
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る。対応して、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造では、各層の膜厚比；ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚は、９０：１０〜５：９５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、２％〜８％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、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造では、各層の膜厚比；ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚を、９０：１０〜５０：５０の範囲に選択することができる。
【００４７】
仮に、石英ガラス（ＳｉＯ2）中にＡｌ（Ａｌ2Ｏ3）を添加した二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）を利用して、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を、２％〜８％の範囲に設定するためには、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）の組成は、ＳｉＯ2：Ａｌ2Ｏ3のモル比を、９０モル％：１０モル％〜５０モル％：５０モル％の範囲に選択する必要がある。一方、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、例えば、石英ガラス（ＳｉＯ2）中にＡｌ（Ａｌ2Ｏ3）を添加した二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）を利用する、従来のコア中では、共添加されているＡｌ（Ａｌ2Ｏ3）によって、添加された希土類元素イオンのクラスター化が促進され、希土類元素イオン由来の発光に対して、このクラスター化に由来する発光効率の低下が引き起こされる。図４に、Ｅｒ3+イオン由来のフォトルミネッセンスに関して、この共添加されているＡｌ（Ａｌ2Ｏ3）による発光効率の低下における、Ａｌ2Ｏ3添加比率依存性を測定した結果を示す。図４に示す結果から、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中における、Ａｌ2Ｏ3の添加率が０〜２０モル％の範囲において、フォトルミネッセンス強度の急激な減少が進み、Ａｌ2Ｏ3を添加しない場合（石英ガラスをホストする場合）の約半分程度にまで減少してしまうことが判る。
【００４８】
また、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中におけるＡｌ2Ｏ3の含有比率に対して、その波長１．５５μｍにおける屈折率変化をプロットすると、図５に示す結果が得られた。図５の結果から、ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中における、Ａｌ2Ｏ3の添加率が２０モル％に達しても、その屈折率の増加率は、３．６％に過ぎないことが判る。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、３．５％に設定する際、この二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中におけるＡｌ2Ｏ3の添加比率は、２０モル％が必要となる。そのＡｌ2Ｏ3の添加比率では、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中に添加したＥｒ3+イオン由来のフォトルミネッセンス強度は、Ａｌ2Ｏ3を添加しない場合（石英ガラスをホストする場合）の約５０％程度にまで減少することになる。
【００４９】
石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造を利用する際には、各層の膜厚比；ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚を８０ｎｍ：２０ｎｍと選択することで、同じく、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３．５％に設定することができる。このＡｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2層の積層構造にＥｒ3+イオンを均一に添加すると、Ａｌ2Ｏ3層中に添加されたＥｒ3+イオンに由来するフォトルミネッセンス強度は、ＳｉＯ2層中に添加されたＥｒ3+イオンに由来するフォトルミネッセンス強度の約５０％まで低下する。しかしながら、このＡｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2層の積層構造全体において、平均すると、添加されたＥｒ3+イオンに由来するフォトルミネッセンス強度は、石英ガラス（ＳｉＯ2）中に添加されたＥｒ3+イオンに由来するフォトルミネッセンス強度の約９０％に相当する。
【００５０】
先に説明した通り、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を所望の範囲とするため、例えば、Ａｌ3+イオンなどのIIIＢ族（１３族）元素イオンを酸化物の形態で石英ガラス（ＳｉＯ2）中に共添加した二成分系ホストを利用すると、希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオン由来のフォトルミネッセンス発光に対して、共添加しているＡｌ3+イオンなどのIIIＢ族（１３族）元素イオンは、顕著に発光効率の低下を引き起こす作用を示す。一方、本発明の第一の形態にかかる平面型光導波路では、コアとクラッドとの間の比屈折率差Δを同程度に設定する際、発光効率の低下を引き起こす作用を示す、Ａｌ3+イオンなどのIIIＢ族（１３族）元素イオンを構成成分とする酸化物（Ａｌ2Ｏ3）を母材とする層と、石英ガラス（ＳｉＯ2）を母材とする層との積層構造のコアを利用している。その際、IIIＢ族（１３族）元素イオンを構成成分とする酸化物（Ａｌ2Ｏ3）を母材とする層では、希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオン由来のフォトルミネッセンス発光に対して、発光効率の低下が生じるが、石英ガラス（ＳｉＯ2）を母材とする層では、発光効率の低下はなく、結果として、コア全体として、フォトルミネッセンス発光の強度低下を大幅に抑制することが可能となっている。
【００５１】
石英ガラス（ＳｉＯ2）中への、Ａｌ3+イオンなどのIIIＢ族（１３族）元素イオンの共添加と同様に、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａのイオンを共添加する場合にも、その二成分系ホストでは、希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオン由来のフォトルミネッセンス発光に対して、共添加しているＬａ3+イオンなどの一部のIIIＡ族（１３族）元素イオンは、顕著に発光効率の低下を引き起こす作用を示す。図４には、Ｅｒ3+イオン由来のフォトルミネッセンスに関して、この共添加されているＬａ（Ｌａ2Ｏ3）による発光効率の低下における、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）添加比率依存性を測定した結果の一部を示す。例えば、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）中におけるＬａ2Ｏ3の添加比率が、２０モル％に達すると、添加したＥｒ3+イオン由来のフォトルミネッセンス強度は、Ｌａ2Ｏ3を添加しない場合（石英ガラスをホストする場合）の約５０％程度にまで減少している。従って、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）に代えて、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）層の積層構造を利用すると、コアとクラッドとの間の比屈折率差Δを同程度に設定する際、コア全体として、フォトルミネッセンス発光の強度低下を大幅に抑制することが可能となっている。
【００５２】
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３μｍ×３μｍ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。
【００５３】
前記の要件を満足する上では、コアの母材として、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）を利用する際には、曲率半径ｒの最小値２ｍｍ（ｒ≧２ｍｍ）を達成するためには、Ａｌ3+イオンの添加比率を、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）として、７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、Ａｌ3+イオンの添加比率を、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）として、１４モル％以上の範囲に選択することが必要である。その際、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の共添加に起因する、フォトルミネッセンス発光の強度低下は、仮に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の添加比率が７モル％とすると３０％程度、また、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の添加比率が１４モル％とすると４０％程度に達する。一方、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造を利用する際には、曲率半径ｒの最小値２ｍｍ（ｒ≧２ｍｍ）を達成するためには、膜厚比；ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚を９０：１０に、また、曲率半径ｒの最小値１ｍｍ（ｒ≧１ｍｍ）を達成するためには、膜厚比；ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚を８５：１５に、それぞれ選択することが必要となる。その際、フォトルミネッセンス発光の強度低下は、仮に、膜厚比；ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚を９０：１０とすると５％程度、また、膜厚比；ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚を８５：１５とすると、８％程度に留まる。
【００５４】
この積層構造のコアを利用することによる、添加される希土類元素イオンに由来するフォトルミネッセンス発光の強度低下を抑制する効果は、利用する石英ガラス（ＳｉＯ2）層には、希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオン由来のフォトルミネッセンス発光に対して、顕著に発光効率の低下を引き起こす作用を示す、共添加成分が存在しないことに因っている。例えば、図１に示す平面型光導波路の形状を作製するプロセスでは、この積層構造自体の作製工程、あるいは、積層構造のコア３を覆って形成される上クラッド４の作製工程において、積層構造を構成する各層は加熱条件下に置かれる。具体的には、上クラッド４用の石英ガラス（ＳｉＯ2）の気相成長に際しては、その膜厚は数μｍに達するため、積層構造を構成する各層は長時間、その成長温度で加熱される。そのため、積層構造を構成する各層の界面では、相互に熱拡散によって、組成混合が進行する。この熱拡散に起因する組成混合領域自体は、各層間の界面近傍に留まるが、仮に、各層の膜厚が極端に薄くなると、その影響は相対的に無視できないものとなる。
【００５５】
例えば、熱拡散に起因する組成混合領域は、界面から１ｎｍ程度であっても、層の膜厚が３ｎｍに満たないと、その影響は相対的に無視できないものとなる。石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造において、当初、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の膜厚は３ｎｍであっても、熱拡散に起因する組成混合が生じると、その両側に、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）となっている組成混合域が、それぞれ１ｎｍ付加された状態となる。結果として、顕著に発光効率の低下を引き起こす作用を示す、Ａｌ3+イオンが高濃度で存在する領域は、合計５ｎｍに達することになる。その際には、積層構造のコアを利用することで、顕著な発光効率の低下が生じる層の膜厚を相対的に減少するという、本発明の作用は大幅に損なわれる。
【００５６】
従って、このような不具合を回避する上では、各層の膜厚は十分に薄くするものの、熱拡散に起因する組成混合の及ぶ厚さよりは、有意に厚い範囲に選択することが望ましい。一般に、酸化物相互の熱拡散を考慮すると、積層構造を構成する各層の膜厚を、１５０ｎｍ以下であって、少なくとも、５ｎｍ以上の範囲に選択することが望ましい。
【００５７】
コアの母材として二成分系ホストを利用する際には、上クラッド４用の石英ガラス（ＳｉＯ2）と、コアの側面との間には、均一な屈折率差を有する界面が形成されている。一方、上クラッド４用の石英ガラス（ＳｉＯ2）と、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造を用いた積層コア３の側面との境界を考慮すると、微視的には、上クラッド４用の石英ガラス（ＳｉＯ2）と石英ガラス（ＳｉＯ2）層の側面とが接触した状態となっている。この石英ガラス（ＳｉＯ2）層の膜厚は十分に薄く、その上下に積層されているアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層に因って、側面方向にも、実効的な屈折率差が形成されている。しかしながら、石英ガラス（ＳｉＯ2）層自体の膜厚が増すに従って、微視的には、側面方向における実効的な屈折率差は減少する。その影響を抑制する上では、上クラッド４用の石英ガラス（ＳｉＯ2）と同じ屈折率を示す、石英ガラス（ＳｉＯ2）層自体の膜厚は、少なくとも、１５０ｎｍ以下、より好ましくは、１００ｎｍ以下の範囲に選択することが望ましい。
【００５８】
仮に、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）層の積層構造を利用して、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％と設定する際には、各層の膜厚比；石英ガラス（ＳｉＯ2）層厚／酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）層厚は、９８：２程度となる。この場合、石英ガラス（ＳｉＯ2）層厚を１００ｎｍ以下、一方、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）層厚を５ｎｍ以上という二つの好適な条件を満足する膜厚を選択することができない。この場合には、膜厚２ｎｍの酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）層に代えて、（２ｎｍのＡｌ2Ｏ3／１ｎｍのＬａ2Ｏ3／２ｎｍのＡｌ2Ｏ3）のような、合計膜厚５ｎｍの層と、膜厚９５の石英ガラス（ＳｉＯ2）層とを組み合わせて、比屈折率差Δを１．５％と設定することも可能である。このように、石英ガラス（ＳｉＯ2）層に対して、比屈折率差Δの調整に、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）層、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層を併用する形態とすることも可能である。なお、（２ｎｍのＡｌ2Ｏ3／１ｎｍのＬａ2Ｏ3／２ｎｍのＡｌ2Ｏ3）のような、合計膜厚５ｎｍの層において、熱拡散によって、Ａｌ2Ｏ3／Ｌａ2Ｏ3の界面では組成混合が生じても、実効的な屈折率の調整作用には全く影響がなく、一方、石英ガラス（ＳｉＯ2）層厚は、好適な範囲に選択が可能となっている。
【００５９】
例えば、積層構造を構成する複数種の薄層の一つを、石英ガラス（ＳｉＯ2）層とする際、他の薄層として、１．６〜２．０の範囲の屈折率を示す酸化物、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5、さらには、IIIＡ族（３族）元素のうち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａの酸化物、Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3を母材とする層のうち、目的に応じて、一層または二層以上を組み合わせ、利用することができる。
【００６０】
一方、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いる。その後、下クラッド膜の上に、積層構造のコア膜を成膜するが、利用する石英ガラス（ＳｉＯ2）層と他の酸化物を母材とする層の界面にも、その組合わせに応じて、種々の応力が印加される。積層構造を構成する複数種の薄層の一つを、石英ガラス（ＳｉＯ2）層とする際、他の薄層を組み合わせて、この微視的な応力歪みの緩和を図ることもできる。
【００６１】
なお、希土類元素イオンを添加する薄層の母材中に、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、コアの積層構造を構成する、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上において、少なくとも、各層の光透過性を示す酸化物からなる母材中に、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、微量成分として含まれる、IIIＢ族元素イオンやIVＢ族元素イオンの含有比率の総和は、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。
【００６２】
一方、積層構造のコア中に添加し、光増幅媒体として利用する希土類元素イオン、Ｅｒ3+イオンに対して、Ｙｂ3+イオンを少量共添加すると、励起波長９８０ｎｍにおけるＥｒ3+イオンの吸収に対して、増感作用を発揮する。従って、光増幅媒体として利用する希土類元素イオン、Ｅｒ3+イオンに対して、この種の増感作用を示すＹｂ3+イオンを酸化物の形態で、微量成分として、母材中に少量共添加することも可能である。その場合も、増感用途で共添加する、微量成分元素の添加量は、酸化物として、その含有比率の総和は１モル％以下の範囲に選択することが望ましい。
【００６３】
光増幅器として使用する際、この積層構造の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。
【００６４】
その際、コアを構成する積層構造の各薄層に対して、希土類元素イオンの添加濃度を等しくすることが望ましい。但し、かかる積層構造を作製する際、各薄層は異なる作製条件で形成されるため、同一種の薄層では、同じ添加濃度が達成されるが、異なる種類の薄層間では、目標とする希土類元素イオンの添加濃度から若干の偏移を示すことが少なくない。従って、各薄層間で異なる作製条件に付随して、積層構造の各薄層間において、希土類元素イオンの添加濃度は相対的に±２０％以内の範囲であれば、変異する形態であってもよい。
【００６５】
一方、コアの断面形状は、予め、所望の積層構造のコア層を形成した上で、目的とする平面型光導波路の平面形状に合わせて、パターン・エッチング加工によって形成される。従って、コアの断面形状自体は、矩形状に選択される。上述するように、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、例えば、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。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、比屈折率差Δを適正な範囲に選択する。一方、平面パターン設計の基礎となる、矩形状のコアの断面形状、特に、横幅（Ｗ）に関しては、３〜４μｍの範囲に設定することが好ましい。本発明の第一の形態にかかる光導波路では、コアに積層構造を利用するので、３〜４μｍの範囲に設定する横幅（Ｗ）に対する縦厚（Ｔ）の比、横幅（Ｗ）：縦厚（Ｔ）は、１：１〜４：１の範囲に設定することが望ましい。すなわち、縦厚（Ｔ）は、０．８μｍ（８００ｎｍ）以上の範囲で、横幅（Ｗ）を超えないように設定することが望ましい。一般に、コアに利用する積層構造を構成する各層の膜厚は、１５０ｎｍ以下であって、５ｎｍ以上の範囲に選択するが、薄層一組の膜厚小計が１５０ｎｍ程度となる場合でも、縦厚（Ｔ）が０．８μｍ（８００ｎｍ）以上であれば、少なくとも５組以上の多層構造とすることが可能となる。換言すれば、前記コアに利用する積層構造は、希土類元素添加酸化物の薄層二種以上を含む各組が、少なくとも５組以上、好ましくは、８組以上含まれる多層構造であることが望ましい。
【００６６】
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、上記のように所望の積層構造コアの実効的屈折率を与える、各層の膜厚比を選択し、単位長当たりの光増幅率を高く維持する形態がより目的に沿ったものとなる。
【００６７】
次に、本発明の第二の形態にかかる平面型光導波路に関して、説明を加える。
【００６８】
本発明の第二の形態にかかる平面型光導波路では、このコアを構成する互いに異なる屈折率を有する酸化物の薄層二種以上が積層されてなる積層構造として、図３に例示される二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造のように、各層において母材として利用される、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には、酸素以外に含まれる主たる構成元素が１種類のみである酸化物、あるいは、酸素以外に含まれる主たる構成元素の組成は、主成分のシリコンに対する副次成分として、Ｓｃ、Ｙ、ＬａからなるIIIA族元素の群より選択される一つの元素が添加されている二成分系酸化物を選択している。
【００６９】
すなわち、本発明の第二の形態にかかる平面型光導波路においも、コアに利用する積層構造を構成する二種の薄層において、母材として利用する酸化物自体の屈折率：ｎ1、ｎ2が、ｎ1＞ｎ2であるとすると、その積層構造全体における母材の実効的な屈折率ｎeffは、ｎ1＞ｎeff＞ｎ2の関係を満足する。一方、コアを取り巻くクラッドを構成する酸化物の屈折率をｎCLADとする時、例えば、クラッドに石英ガラス（ＳｉＯ2）層を用いる際、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造を採用することで、ｎ1＞ｎeff＞ｎ2＞ｎCLADの関係を満たしている。実際には、母材として利用する酸化物に対して、希土類元素イオンを酸化物（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）の形態で添加するが、この希土類元素の酸化物（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）が示す屈折率ｎDopanatも、ｎDopanat＞ｎ2＞ｎCLADの関係を満たすことが好ましい。前記の二つの条件が満足されると、コアに利用する積層構造を構成する二種の薄層に対して、希土類元素イオンを酸化物（Ｒ2Ｏ3；Ｒは希土類元素を示す）の形態で添加した際、その二種薄層の屈折率ｎ1D、ｎ2D、積層構造全体の屈折率ｎeffDは、ｎ1D＞ｎeffD＞ｎ2D＞ｎ2＞ｎCLADの関係を満たすことになる。従って、積層コアとクラッドとが接するコア／クラッド界面において、希土類元素イオンが添加された薄層個々とクラッドとの界面では、実効的な屈折率差が存在するのみでなく、実際の屈折率でも差違を有することになる。本発明の第二の形態にかかる平面型光導波路でも、積層コア中を伝播する光は、積層構造を構成する二種の薄層間に実質的に均一に分布しているが、このｎeffD＞ｎ2D＞ｎ2＞ｎCLADの関係を利用することで、積層コアの側面における、クラッドへの光散逸・拡散ロスをより効果的に抑制することができる。前記の好適な要件を満たす上では、クラッドを構成する酸化物として、石英ガラス（ＳｉＯ2）、あるいは、ＳｉＯ2を主成分とするＢＰＳＧを利用することができ、その際、クラッドの屈折率：ｎCLADを１．４６以下の範囲に選択することが望ましい。
【００７０】
具体的には、積層コア側面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、積層コアを構成する各層が示す屈折率は、クラッドを構成する酸化物の屈折率より、少なくとも、１％以上高い屈折率を示すように、積層コアを構成する複数種の薄層個々の屈折率を選択する。
【００７１】
上述する本発明の第一の形態にかかる平面型光導波路においては、図２に例示する場合では、上クラッド４用の石英ガラス（ＳｉＯ2）と、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造を用いた積層コア３の側面との境界を考慮すると、微視的には、上クラッド４用の石英ガラス（ＳｉＯ2）と石英ガラス（ＳｉＯ2）層の側面とが接触した状態となっている。そのため、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際、その曲率半径ｒの最小値を小さくするに従って、この側面の境界面では、石英ガラス（ＳｉＯ2）層から上クラッド４用の石英ガラス（ＳｉＯ2）への光の染み出しと、損失が徐々に顕著となる。一方、本発明の第二の形態にかかる平面型光導波路においては、上クラッド４用の石英ガラス（ＳｉＯ2）に対して、石英ガラス（ＳｉＯ2）層に代えて、Ｓｃ、Ｙ、ＬａからなるIIIA族元素の群より選択される一つの元素を酸化物の形態で添加している、例えば、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）層を利用することで、屈折率差を有する界面を設けている。
【００７２】
例えば、図４に示すように、石英ガラス（ＳｉＯ2）層と比較すると、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）層では、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）の添加比率が増すとともに、希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオン由来のフォトルミネッセンス発光に対して、顕著に発光効率の低下を引き起こす作用はある。但し、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）の添加比率が１０モル％以下の範囲であれば、発光効率の低下作用は、然程顕著ではない。一方、図５に示すように、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）の添加比率が４モル％であっても、石英ガラス（ＳｉＯ2）の屈折率に対する、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）の屈折率差Δｎは、４％程度となる。
【００７３】
従って、本発明の第二の形態にかかる平面型光導波路においては、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際、その曲率半径ｒの最小値を小さくする場合、積層コアを構成する各薄層について、例えば、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）の添加比率を１０モル％以下の範囲に選択した二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造を利用することで、この側面の境界面における、積層コアから上クラッド４用の石英ガラス（ＳｉＯ2）への光の染み出しを低減し、結果として、ベント部における損失の抑制効果を達成している。このベント部における損失の抑制効果は、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）の添加比率を１０モル％以下の範囲に選択した二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）層の利用のみでなく、同程度の添加比率で、Ｓｃ2Ｏ3、またはＹ2Ｏ3を添加している、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｓｃ2Ｏ3）層、（ＳｉＯ2＋Ｙ2Ｏ3）層を利用する場合にも得られる。
【００７４】
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）を添加している層を含む積層膜を成膜すれば、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。
【００７５】
本発明の第一の形態にかかる平面型光導波路においては、石英ガラス（ＳｉＯ2）層／アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層の積層構造を用いる場合、この積層構造によって、各層の膜厚比；ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚を、９０：１０〜５０：５０の範囲に選択する際に達成される、該積層コアと石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドとの比屈折率差Δは、２％〜８％の範囲に留まっている。一方、本発明の第二の形態にかかる平面型光導波路においては、Ｌａ2Ｏ3添加比率が１０モル％の二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造を用いる場合、各層の膜厚比；ＳｉＬａＯｘ層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚を、８０：２０に選択することで、該積層コアと石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドとの比屈折率差Δは９％になっている。すなわち、該積層コアと石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドとの比屈折率差Δをより高く設定する場合、光導波路のベント部における損失の抑制効果、ならびに、フォトルミネッセンス発光の強度低下を抑制する効果を総合すると、光増幅器として使用する際、単位長当たりの光増幅率をより高く維持できるという利点を有している。
【００７６】
なお、コアと石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドとの比屈折率差Δを４％に設定するのみであれば、積層コアを利用しなくとも、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）の添加比率を４モル％とすることで、石英ガラス（ＳｉＯ2）の屈折率に対する、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）の屈折率差Δｎは４％程度とできる。一方、各種の母材中に添加された、希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオン由来のフォトルミネッセンスの発光スペクトル帯域は、母材の種類によって、例えば、そのスペクトルの広がりに差違が存在する。この発光スペクトル帯域に対する、母材種類の依存性を利用することで、積層構造のコア全体の希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオン由来のフォトルミネッセンスにおいて、各層の発光スペクトル帯域を重ね合わせることで、実効上、発光スペクトル帯域の拡大を図ることも可能である。すなわち、例えば、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造を用いる場合、積層構造の実効的屈折率の調整に関しては、Ａｌ2Ｏ3層の存在は僅かな寄与しか示さないが、光増幅帯域拡大には効果があり、その効果を発揮する上では、ある程度の膜厚比率でＡｌ2Ｏ3層を設けることが望ましい。この複数の層からの発光を重ねあわせによる、光増幅帯域拡大の効果は、利用可能な波長域の拡大への応用だけでなく、特定波長範囲における光増幅効率の平坦化への応用も可能である。
【００７７】
なお、以上に説明した点を除き、本発明の第二の形態にかかる平面型光導波路は、本発明の第一の形態にかかる平面型光導波路の構造的な特徴と本質的な差違はないものである。従って、上で本発明の第一の形態にかかる平面型光導波路において、説明した種々の好適な実施の形態、その構造上の要件に関しては、本発明の第二の形態にかかる平面型光導波路に対しても、実質的に適用されるものである。
【００７８】
以下、本発明にかかる平面型光導波路について、その具体的な実施形態を例示するとともに、図を参照して詳しく説明する。なお、以下に示す具体的な実施形態は、本発明にかかる最良の実施形態の一例ではあるが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。
【００７９】
（本発明の第一の形態にかかる、第１の実施の形態）
図１は、本発明の第一の形態にかかる平面型光導波路に対する一例として、第１の実施の形態となる、平面型光導波路の構成を、模式的に示す断面図である。
【００８０】
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、積層コア３、ならびにこの積層コア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、積層コア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、より大きな実効的な屈折率を有する積層構造を利用して形成されている。この積層コア／クラッド界面に形成されている、屈折率差Δｎにより、その積層面と平行な方向に、光導波路の末端から積層コア内に入射されたレーザ光は、屈折率導波によって、かかる積層コア３内を導波する平面型光導波路を構成している。
【００８１】
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。積層コア３の断面形状は、縦厚（Ｔ）３μｍ、横幅（Ｗ）３μｍの矩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、積層コア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と平行な積層コア／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。
【００８２】
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積層コア３内には、このコア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、積層構造のコアを構成する各層の母材用酸化物中に、０．５モル％一様に添加されている。この積層コア３の構成をより詳しく図２に示す。積層コア３は、ＳｉＯ2を母材とする層とＡｌ2Ｏ3を母材とする層とが交互に積層された構造に構成されている。この積層構造に含まれる全ての層に、Ｅｒ3+などの希土類元素イオンが一様に添加されている。各層の厚さは、この平面型光導波路内を伝播する光の波長λ、その波長域における各層の母材酸化物の屈折率；石英ガラス（ＳｉＯ2）の屈折率ｎSiO2（約１．４５）とアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の屈折率ｎAl2O3（約１．７６）とする際、各層の母材酸化物の屈折率で波長λを除した値；λ／ｎSiO2とλ／ｎAl2O3よりも十分小さな値に選択されている。この例では、ＳｉＯ2層の膜厚は、８０ｎｍ、Ａｌ2Ｏ3層の膜厚は、２０ｎｍに選択し、交互に３０回繰り返されて積層され、その積層構造全体の合計膜厚は、３０００ｎｍとなる。従って、各層間の界面には、相当に大きな屈折率差（ｎAl2O3−ｎSiO2）が存在するものの、隣接するＡｌ2Ｏ3層間の間隙幅（ＳｉＯ2層の膜厚）が十分小さいため、この積層構造に対して、その積層面と平行な方向に伝播する光に関して、この積層構造の厚さ方向の分布は、積層構造全体にわたって、両層間での光強度には実質的に差違はなく、均一化した状態となって、光の伝播がなされる。
【００８３】
各層の膜厚が十分薄く、実質的に積層構造全体に伝播される光が均一に分布する条件下では、この積層構造全体に対して、実効的な屈折率が定義できる。この実効的な屈折率は、積層構造を構成している、各層を形成する光透過性材料が示す屈折率の間の値を示す。上記の場合、１．５５μｍ帯半導体レーザ光の波長領域における、各層の母材酸化物の屈折率；石英ガラス（ＳｉＯ2）の屈折率ｎSiO2（約１．４５）とアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の屈折率ｎAl2O3（約１．７６）の間、ＳｉＯ2層とＡｌ2Ｏ3層の膜厚比８０：２０に対応して、実効的な屈折率は、約１．５１と算定される。従って、この積層コア３と、石英ガラス（ＳｉＯ2）からなる下クラッド２および上クラッド４との間における、比屈折率差Δ（≡（ｎcore−ｎSiO2）／ｎcore）は、約３．５％に相当する。
【００８４】
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、積層コア３全体の実効的な屈折率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を３．５％に選択することに伴い、各層の膜厚比を、ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚を、４：１に選択している。なお、前記波長領域における、積層コア３の実効的な屈折率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を、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、各層の膜厚比；ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚は、９０：１０〜５：９５の範囲に選択することもできる。なお、９８０ｎｍの励起光で励起する際、Ｅｒ3+などの希土類イオンに由来するフォトルミネッセンス強度は、ＳｉＯ2層中の添加した場合に比べて、Ａｌ2Ｏ3層中に添加する場合、有意に弱いので、各層の膜厚比；ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚において、Ａｌ2Ｏ3層の比率が増すに従って、積層構造全体ではフォトルミネッセンス強度の低下を引き起こす。
【００８５】
従って、不必要なフォトルミネッセンス強度の低下を引き起こすことを回避する上では、前記波長領域における、積層コアと石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドとの比屈折率差Δを２％〜８％の範囲に設定して、すなわち、各層の膜厚比；ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚を、９０：１０〜５０：５０の範囲に選択して、光導波路を設計することがより望ましい。
【００８６】
本第１の実施の形態では、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、母材としてＳｉＯ2（屈折率ｎSiO2：約１．４５）とＡｌ2Ｏ3（屈折率ｎAl2O3：約１．７６）を用いる二層の積層構造からなるコアを利用しているが、母材としてＳｉＯ2とＬａ2Ｏ3を用いる二層の積層構造を利用しても、同様の効果を達成できる。さらに、母材として２種類の酸化物を利用する積層構造に加えて、例えば、母材として、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3の３種類の酸化物を利用する積層構造を利用してもよい。さらには、母材として、屈折率が１．６〜２．０の範囲となる酸化物、例えば、ＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5、Ｓｃ2Ｏ3（屈折率ｎSc2O3：約１．９５）、Ｙ2Ｏ3（屈折率ｎY2O3：約１．８７）等の酸化物を利用して、ＳｉＯ2を母材とする層と組み合わせ、積層構造を形成することでも、同様の効果を達成できる。
【００８７】
一方、本第１の実施の形態では、下クラッド２と上クラッド４には石英ガラス（ＳｉＯ2）を利用しているが、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）を利用し、クラッドを構成する酸化物の屈折率ｎCLADの調整も併せて実施し、積層コアとクラッドとの比屈折率差Δを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。
【００８８】
本第１の実施の形態では、積層コアを構成する各層は、母材として、酸素以外に含まれる構成元素が１種類からなる酸化物を用いているが、作製過程において、場合によっては、微量の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、かかる積層コア中に添加されている、希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオン由来のフォトルミネッセンス発光に対して、石英ガラス（ＳｉＯ2）母材中に共添加した際、発光効率の低下を引き起こす作用を示す元素イオン、例えば、Ａｌ3+イオンなどのIIIＢ族（１３族）元素イオン、あるいは、光増幅帯域を狭める作用を示す元素イオン、例えば、IVＢ族（１４族）元素イオンの混入は、回避することが望ましい。仮に、作製過程において、不純物元素として混入が生じる場合、これら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％以下の範囲に留めることが望ましい。前記の添加濃度総和の範囲とすれば、これらIIIＢ族（１３族）元素イオンやIVＢ族（１４族）元素イオンの混入に起因する、発光効率の低下や光増幅帯域の狭窄は、問題とならない水準に留めることが可能である。
【００８９】
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の発光効率の低下は、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。例えば、Ａｌ3+イオンなどのIIIＢ族（１３族）元素イオンを石英ガラス（ＳｉＯ2）母材中に共添加した際、その添加濃度が増すと、希土類元素イオン、例えば、Ｅｒ3+イオンのクラスター化を促進し、結果的に、励起状態から基底状態への無輻射的な失活過程の増加を引き起こす要因となる。この作用は、石英ガラス（ＳｉＯ2）母材中に混入する、Ａｌ3+イオンなどのIIIＢ族（１３族）元素イオンの添加濃度の総和を、その酸化物として、１モル％以下の範囲に留めることで、実質的な影響を及ぼさない範囲とできる。
【００９０】
なお、本第１の実施の形態における、比屈折率差Δが３．５％となる積層コアを利用する構成の光導波路は、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）を高い比率で共添加した二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3）中に、Ｅｒ3+イオンを同濃度含む光導波路では、０．７ｄＢ／ｃｍの増幅率であるのに対し、１．０ｄＢ／ｃｍであった。
【００９１】
（第１の実施の形態にかかる平面型光導波路の作製工程）
上記の第１の実施の形態にかかる光導波路を作製する方法について、図６を参照して、以下に、その作製工程を説明する。
【００９２】
まず、図６（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６（ｂ）に示すように、積層コア層として、エルビウムをそれぞれ酸化物の形態で添加した石英ガラス層とＡｌ2Ｏ3層を交互に３０層ずつスパッタ法、または、ＣＶＤ法で成膜する。この積層コア層上に、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・エッチングで積層コア層をエッチングし、図６（ｃ）に示すように、所望の横幅（Ｗ）を有する矩形断面の積層コア３を形成する。次に、図６（ｄ）に示すように、前記積層コア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。
【００９３】
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）にはＣＶＤ法を、また、積層コア層の成膜に、スパッタ法、あるいは、ＣＶＤ法を利用しているが、同等の膜厚制御性を有し、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、スパッタ法の他、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。
【００９４】
なお、上記のスパッタ法、あるいは、ＣＶＤ法を利用する堆積方法では、積層コア層中に添加されるエルビウムは、例えば、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。一方、例えば、石英ガラス層（酸化シリコン層）の母材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、この母材中に添加されるエルビウムも、予め、酸化物である酸化エルビウムの形態とした上で、スパッタ法を利用して、添加堆積することが可能である。
【００９５】
（第２の実施の形態）
以下、本発明の第二の実施形態にかかる平面型光導波路について、同じく図を参照して、詳しく説明する。
【００９６】
図３は、本発明の第二の形態にかかる平面型光導波路に対する一例として、第２の実施の形態となる、平面型光導波路に利用される、積層コアの構成を、模式的に示す断面図である。
【００９７】
本第２の実施の形態においても、平面型光導波路の基本的な構成は、図１に示した第１の実施の形態とほぼ同じである。両者の主要な相違点は、積層コア内の積層構造にあり、図２に示す第１の実施の形態では、ＳｉＯ2層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造を利用しているが、図３に示す第２の実施の形態では、Ａｌ2Ｏ3層と、Ｌａ2Ｏ3を石英ガラス（ＳｉＯ2）に添加した二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）を用いた層との積層構造を利用している。
【００９８】
Ｌａ2Ｏ3を石英ガラス（ＳｉＯ2）に添加した二成分系ホストＳｉＬａＯｘ（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）を用いる場合、Ｌａ2Ｏ3の添加濃度が低い範囲では、母材中に添加した希土類元素イオン由来のフォトルミネッセンス強度は急激には低下しない。また、二成分系ホストＳｉＬａＯｘ（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）では、Ｌａ2Ｏ3を低濃度添加することで、石英ガラス（ＳｉＯ2）の屈折率に対して、大きな屈折率差を得るこができる。従って、ＳｉＯ2層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造に代えて、ＳｉＬａＯｘ層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造を採用すると、同じ実効的な屈折率を達成する際、各層の膜厚比；ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚と、ＳｉＬａＯｘ層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚とを比較すると、ＳｉＬａＯｘ層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造では、Ａｌ2Ｏ3層厚の比率をより低くすることが可能である。
【００９９】
例えば、積層コアと石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドとの比屈折率差Δを９％とする上では、ＳｉＯ2層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造を用いる場合、各層の膜厚比；ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚は、４０：６０程度に選択するが、Ｌａ2Ｏ3添加比率が１０モル％のＳｉＬａＯｘ層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造では、各層の膜厚比；ＳｉＬａＯｘ層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚は、８０：２０程度に選択することが可能となる。すなわち、上記の第１の実施の形態では、ＳｉＯ2層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造を利用し、各層の膜厚を、ＳｉＯ2層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚＝８０ｎｍ：２０ｎｍに選択することで、１．５５μｍ帯半導体レーザ光の波長領域における、石英ガラス（ＳｉＯ2）クラッドの屈折率ｎSiO2（約１．４５）に対して、比屈折率差Δは３．５％に相当しているが、本第２の実施の形態では、Ｌａ2Ｏ3添加比率が１０モル％のＳｉＬａＯｘ層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造を利用し、各層の膜厚を、ＳｉＬａＯｘ層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚＝８０ｎｍ：２０ｎｍに選択することで、比屈折率差Δは９％に相当している。加えて、このＳｉＬａＯｘ層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造においては、全ての層にＥｒ3+などの希土類元素を一様に添加した際、全体のフォトルミネッセンス強度の低下量を相対的に抑制できる。
【０１００】
なお、二成分系ホストＳｉＬａＯｘ（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）を用いる場合、図４に示すように、Ｌａ2Ｏ3添加比率が増加するとともに、フォトルミネッセンス発光強度の低下が進み、Ｌａ2Ｏ3添加比率が２０モル％に達すると、発光強度は約５０％まで低下する。そのため、二成分系ホストＳｉＬａＯｘ（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）を用いる場合、少なくとも、Ｌａ2Ｏ3添加比率が２０モル％以下の範囲に選択することが好ましい。なお、本第２の実施の形態では、二成分系ホストＳｉＬａＯｘ（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）の層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造を利用しているが、積層構造を作製する際、Ｌａ2Ｏ3に代えて、Ｓｃ2Ｏ3やＹ2Ｏ3を利用した、二成分系ホスト（ＳｉＯ2＋Ｓｃ2Ｏ3）、（ＳｉＯ2＋Ｙ2Ｏ3）の層を選択することも可能である。
【０１０１】
上で説明した、本第２の実施の形態において、積層構造の実効的な屈折率の調整において、ＳｉＬａＯｘ層の屈折率による寄与が、Ａｌ2Ｏ3層の屈折率による寄与より高くでき、Ａｌ2Ｏ3層の膜厚比率を相対的に低く抑えることが可能である。一方、二成分系ホストＳｉＬａＯｘ（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）の層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造を用いた場合と、二成分系ホストＳｉＬａＯｘ（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）のみを用いた場合とで、添加されている、Ｅｒ3+などの希土類元素イオンに由来するフォトルミネッセンス発光スペクトルを比較すると、上記ＳｉＬａＯｘ層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚＝８０ｎｍ：２０ｎｍの比率で、Ａｌ2Ｏ3層が存在する積層構造では、８ｎｍ程度短波長側に発光スペクトル帯域が拡大している。すなわち、積層構造の実効的屈折率の調整に関しては、Ａｌ2Ｏ3層の存在は僅かな寄与しか示さないが、光増幅帯域拡大には効果があり、その効果を発揮する上では、ある程度の膜厚比率でＡｌ2Ｏ3層を設けることが望ましい。具体的には、二成分系ホストＳｉＬａＯｘ（ＳｉＯ2＋Ｌａ2Ｏ3）の層／Ａｌ2Ｏ3層の積層構造を利用する際、光増幅帯域拡大の効果を得る上では、各層の膜厚比；ＳｉＬａＯｘ層厚：Ａｌ2Ｏ3層厚を、５０：５０〜９０：１０の範囲に選択すると好ましい。
【０１０２】
（第２の実施の形態にかかる平面型光導波路の作製工程）
上記の第２の実施の形態にかかる光導波路を作製する方法について、図６を参照して、以下に、その作製工程を説明する。
【０１０３】
この第２の実施の形態にかかる光導波路の作製工程は、積層コアを形成する作製工程を除き、その他の工程は、先に説明した第１の実施の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６（ｂ）に示すように、積層コア層として、エルビウムをそれぞれ酸化物の形態で添加したＳｉＬａＯｘ層とＡｌ2Ｏ3層を交互に３０層ずつ、スパッタ法、あるいはＣＶＤ法で成膜する。この積層コア層上に、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６（ｃ）に示すように、所望の横幅（Ｗ）を有する矩形断面の積層コア３を形成する。次に、図６（ｄ）に示すように、前記積層コア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。
【０１０４】
この第２の実施の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）にはＣＶＤ法を、また、積層コア層の成膜に、スパッタ法、あるいはＣＶＤ法を利用しているが、同等の膜厚制御性を有し、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、スパッタ法の他、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】
【０１０５】
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】
【０１０６】
【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】本発明の実施の形態にかかる、平面型光導波路のコアを構成する積層構造における母材組み合わせの一例を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる、平面型光導波路のコアを構成する積層構造における母材組み合わせの一例を模式的に示す断面図である。
【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、該コア母材において、主成分の石英ガラス（ＳｉＯ2）に対する副次成分として添加される、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）と酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）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５】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、主成分の石英ガラス（ＳｉＯ2）に対する副次成分として、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）あるいはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を添加してなるコア母材の屈折率ｎcore、ならびに、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６】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】
【０１０７】
１  基板
２  下クラッド
３  積層構造コア
４  上クラッド
【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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