(57)【要約】導波路構造体（２）は、ガラス体（１２）と、結晶相を育成するのに充分なエネルギーで所定のトラックを該ガラス体に照射することによって該ガラス体に形成された導波路パターン（１０）と、を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス体と、
結晶相を育成するのに充分なエネルギーで所定のトラックを前記ガラス体に照射することによって前記ガラス体に形成された導波路パターンと、を有することを特徴とする導波路構造体。
【請求項２】
前記ガラス体はＶ3+，Ｃｒ3+，Ｃｒ4+，Ｃｏ2+，Ｆｅ2+，Ｎｉ2+およびＴｉ3+からなる群から選択される遷移金属イオンが添加されていることを特徴とする請求項１記載の導波路構造体。
【請求項３】
前記ガラス体は希土類金属イオンが添加されていることを特徴とする請求項１記載の導波路構造体。
【請求項４】
前記結晶相が、フォーステライト、モンチセライト、ケイ酸亜鉛鉱、スピネル、ＹＡＧ、ゲルマニウム酸リチウム、オルトケイ酸リチウムマグネシウム及びオルトケイ酸リチウム亜鉛からなる群から選択されるものの１つからなることを特徴とする請求項１記載の導波路構造体。
【請求項５】
前記ガラス体が平面体であることを特徴とする請求項１記載の導波路構造体。
【請求項６】
前記ガラス体の第１表面に形成されて前記ガラス体より低い屈折率を有する物質の第１層が更に含まれることを特徴とする請求項５記載の導波路構造体。
【請求項７】
前記ガラス体の第２表面に形成されて前記ガラス体より低い屈折率を有する物質の第２層が更に含まれることを特徴とする請求項６記載の導波路構造体。
【請求項８】
ガラス体と結晶相を育成するのに充分なエネルギーで所定のトラックを前記ガラス体に照射することによって前記ガラス体に形成された導波路パターンとを有する導波路構造体と、
前記導波路構造体内に光を注入する手段と、を含むことを特徴とする光学装置。
【請求項９】
前記導波路構造体は、ガラス体の第１表面に形成された物質の第１層と、ガラス体の第２表面に形成された物質の第２層と、を含み、前記第１及び第２層の物質は前記ガラス体より低い屈折率を有することを特徴とする請求項８記載の光学装置。
【請求項１０】
前記ガラス体はＶ3+，Ｃｒ3+，Ｃｒ4+，Ｃｏ2+，Ｆｅ2+，Ｎｉ2+およびＴｉ3+からなる群から選択される遷移金属イオンが添加されていることを特徴とする請求項８記載の光学装置。
【請求項１１】
前記ガラス体は希土類金属イオンが添加されていることを特徴とする請求項８記載の光学装置。
【請求項１２】
前記結晶相が、フォーステライト、モンチセライト、ケイ酸亜鉛鉱、スピネル、ＹＡＧ、ゲルマニウム酸リチウム、オルトケイ酸リチウムマグネシウム及びオルトケイ酸リチウム亜鉛からなる群から選択されるものの１つからなることを特徴とする請求項８記載の光学装置。
【請求項１３】
前記ガラス体が平面体であることを特徴とする請求項８記載の光学装置。
【請求項１４】
光共振器と、
前記光共振器内に配された導波路構造体と、
前記光共振器へ光を注入する手段と、を含み、
前記導波路構造体は、ガラス体と、結晶相を育成するのに充分なエネルギーで所定のトラックを前記ガラス体に照射することによって前記ガラス体に形成された導波路パターンと、を有する、ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項１５】
前記ガラス体はＶ3+，Ｃｒ3+，Ｃｒ4+，Ｃｏ2+，Ｆｅ2+，Ｎｉ2+およびＴｉ3+からなる群から選択される遷移金属イオンが添加されていることを特徴とする請求項１４記載のレーザ装置。
【請求項１６】
前記ガラス体は希土類金属イオンが添加されていることを特徴とする請求項１４記載のレーザ装置。
【請求項１７】
前記ガラス体は希土類金属イオンが添加されていることを特徴とする請求項１４記載のレーザ装置。
【請求項１８】
前記結晶相が、フォーステライト、モンチセライト、ケイ酸亜鉛鉱、亜鉛尖晶石、ＹＡＧ、ゲルマニウム酸リチウム、オルトケイ酸リチウムマグネシウム及びオルトケイ酸リチウム亜鉛からなる群から選択されるものの１つからなることを特徴とする請求項１４記載のレーザ装置。
【請求項１９】
前記ガラス体が平面体であることを特徴とする請求項１４記載のレーザ装置。
【請求項２０】
ガラス体の所定のトラックに沿って前記ガラス体に対してレーザ光源を動かすステップと、
前記所定のトラックに沿って結晶相を育成するために前記所定のトラックに沿って前記ガラス体の温度を上昇せしめるのに充分なエネルギーを供給するレーザ光源を操作するステップと、を含むことを特徴とするガラス体中に結晶相を形成する方法。
【請求項２１】
前記ガラス体は、レーザ光で照射された時にフォーステライト、モンチセライト、ケイ酸亜鉛鉱、スピネル、ＹＡＧ、ゲルマニウム酸リチウム、オルトケイ酸リチウムマグネシウム及びオルトケイ酸リチウム亜鉛からなる群から選択される結晶相を生成するガラス組成物を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記ガラス体はＶ3+，Ｃｒ3+，Ｃｒ4+，Ｃｏ2+，Ｆｅ2+，Ｎｉ2+およびＴｉ3+からなる群から選択される遷移金属イオンが添加されていることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
前記ガラス体は希土類金属イオンが添加されていることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２４】
前記ガラス体の第１表面に前記ガラス体より低い屈折率を有する物質の第１層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２５】
前記ガラス体の第２表面に前記ガラス体より低い屈折率を有する物質の第２層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
前記ガラス体は前記レーザ光源の出力波長で１０ｃｍ-1より大なる吸収係数を有することを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２７】
レーザ光源が集束自在なコヒーレント長を有するビームを供給することを特徴とする請求項２０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、ジョージ  エイチ．ベアール氏（George H. Beall）、ニコラス  エフ．ボレリ氏（Nicholas F. Borrelli）およびリンダ  アール．ピンクニー氏（Linda R. Pinckney）によって２００１年３月９日に出願され、「透明ガラスセラミックのレーザ誘起結晶体（Laser-Induced Crystallization of Transparent Glass-Ceramics）」という発明の名称が付された米国仮特許出願第６０／２７４，５２７号の利益を主張し、かつこれらが組み込まれたものとする。また、本出願は、ジョージ  エイチ．ベアール氏（George H. Beall）、ニコラス  エフ．ボレリ氏（Nicholas F. Borrelli）およびリンダ  アール．ピンクニー氏（Linda R. Pinckney）によって２００１年１０月２日に出願され、「透明ガラスセラミックのレーザ誘起結晶（Laser-Induced Crystallization of Transparent Glass-Ceramics）」という発明の名称が付された米国特許出願第０９／９６９，２３７号の利益を主張し、かつこれらが組み込まれたものとする。
【０００２】
本出願は、ジョージ  エイチ．ベアール氏（George H. Beall）、ニコラス  エフ．ボレリ氏（Nicholas F. Borrelli）、エリック  ジェイ．モディー氏（Eric J. Mozdy）およびリンダ  アール．ピンクニー氏（Linda R. Pinckney）によって２０００年１０月１１日に出願され、当該出願と同じ譲受人に譲り受けられ、「透明金属ガラスセラミック利得媒体（Transition-Metal Glass-Ceramic Gain Media）」という発明の名称が付された米国特許出願第０９／６８６，５６４号に関連し、かつこれが組み込まれたものとする。
【０００３】
本出願は、ニコラス  エフ．ボレリ氏（Nicholas F. Borrelli）、ドナルド  エム．トロッツアー氏（Donald M. Trotter）およびレルカ  ウクラインツキー氏（Ljerka Ukrainczyk）によって２０００年６月３０日に出願され、当該出願と同じ譲受人に譲り受けられ、「光学部材に光学特性のパターンを形成する方法（Patterning an Optical Property on an Optical Element）」という発明の名称が付された米国特許出願第０９／６０７，６３１号に関連し、かつこれが組み込まれたものとする。
【０００４】
本発明は、概して光通信装置に関する。特に、本発明は、プレーナ型導波路構造を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００５】
プレーナ型増幅器およびプレーナ型導波路レーザ等において使用されるプレーナ型導波路構造体は、マイクロ光学において望まれている。なんとなれば、それらが（ファイバをベースとする導波路構造体と比較して）コンパクトであり、他の構成要素を有する同一チップに集積化できるからである。概して、プレーナ型導波路構造体は、基体に支持された平面状のコア層と、該コア層に形成されたククラッド層と、を含む。基体とクラッド層からコア層を切り離している壁の中で、全反射（total internal reflection）によって、光放射が限定されるように、基板およびクラッドはコア層より低い屈折率を有する。典型的には、コア層は、光が伝播される導波路コア群（または誘電体ストリップ群）の配列を含む。
【０００６】
上記の如きプレーナ型導波路構造体を形成する現在の方法は、清浄で扁平で平滑な表面を有する基板を提供することを含む。一般的に、基体はシリコンまたはシリカからなる。高屈折率を有する物質（一般的にケイ酸塩）が、コア層を形成するために該基体に蒸着される。プレーナ型増幅器等の装置に対して、コア層は光学活性の元素（一般的に、エルビウム等の希土類金属）が添加される。かかる光学活性の元素は、同一波長でより多くの光（増幅）を生産するように選択された波長においてレーザ光によって励起される。該コア層は、一般的にリソグラフィ／エッチング工程若しくはバイアススパッタリング／エッチング工程の様々な変形によって、導波路パターンを形成するようにパターン形成される。導波路パターンを形成した後に、低屈折率のクラッド層（例えばシリカ）が、完全な導波路構造体を形成するように、導波路パターンで蒸着される。基体がシリコンのような高屈折率物質からなる場合、一般的に、低屈折率のバッファ層が、該コア層を蒸着する前に基板に蒸着される。
【０００７】
現在、プレーナ型導波路構造体を製造するために使用されている２つの主要な物質は、結晶性物質（例えばＬｉＮｂＯ3、Ａｌ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3）、及びガラス材（例えばシリカベースのガラスおよびリン酸塩ベースのガラス）である。最近、光通信装置に透明ガラスセラミックを使用することに関心があった。かかる関心は、レーザ及び増幅器の如き光通信装置に対して、結晶が添加された透過なガラスセラミックの望ましい光学的性質から生じている。透過ガラスセラミックも、結晶の光学作用と共に、ガラス製作の利点を提供する。例えば、上述した、ベアール氏らによる米国特許出願第０９／６８６，５６４号（５６４号出願）は、現在、通信において考えられるところで重要である、あらゆる波長にわたって利得を提供する透過ガラスセラミックを開示している。該ガラスセラミック利得媒体は、極めて小なる結晶が内部で核にされている遷移金属が添加されたガラスを含む。該結晶は、元のガラス溶融物の成分物質から形成されて、ガラス全体に一様に散在している。該利得媒体がガラスベースである故、それは、石英光ファイバに容易に接続できる。該５６４号出願は、略９００ｎｍ乃至１４００ｎｍの波長範囲で光を発するＣｒ+4／フォーステライトガラスセラミック材と、略１１００ｎｍ乃至略１７００ｎｍの波長範囲で光を発するＣｒ+4／ケイ酸亜鉛鉱ガラスセラミック材とを開示している。
【０００８】
ガラスセラミックにおける結晶は、前駆ガラス材とは異なるバルク屈折率（bulk refractive index）をガラスセラミックに提供する。該結晶が所定のトラックに沿って局所的に形成できる場合、導波路構造体は上記特徴を利用することができる。５６４号出願は、かかる結晶がガラス材全体に一様に散在する内部核生成方法を開示している。導波路パターンを形成するためには、結晶がガラス材中に形成されるように、良好な制御が必要である。したがって、ガラス材中に結晶相を局所的に形成する方法が望まれている。上述した、ボレリ氏らによる米国特許出願第０９／６０７，６３１号（６３１号出願）は、光学素子に光学材料のパターンを形成する方法を開示している。６３１号出願に開示された実施例において、炭酸ガス（ＣＯ2）レーザのようなエネルギー源が、散在した楕円形状の金属ハロゲン化金属粒子を有する複屈折ガラスを局所的に加熱するために用いられた。局所的な加熱は、楕円形状のハロゲン化金属粒子を球形に形成するように緩和して、局所的に加熱された領域から複屈折が除去された。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ある実施例において、本発明は、ガラス体と、結晶相を育成するのに充分なエネルギーで所定のトラックを該ガラス体に照射することによって該ガラス体に形成された導波路パターンと、を有する導波路構造体に関する。
【００１０】
他の実施例において、本発明は、導波路構造体と該導波路構造体内に光を注入する手段とを含む光学装置に関する。該導波路構造体は、ガラス体と結晶相を育成するのに充分なエネルギーで所定のトラックを該ガラス体に照射することによって該ガラス体に形成された導波路パターンとを有する。
【００１１】
他の実施例において、本発明は、光共振器と、該光共振器内に配された導波路構造体と、該光共振器へ光を注入する手段と、を含むレーザ装置に関する。該導波路構造体は、ガラス体と、結晶相を育成するのに充分なエネルギーで所定のトラックを該ガラス体に照射することによって該ガラス体に形成された導波路パターンと、を含む。
【００１２】
他の実施例において、本発明は、ガラス体の所定のトラックに沿って該ガラス体に対してレーザ光源を動かすステップを含むガラス体中に結晶相を形成する方法に関する。該方法は、該所定のトラックに沿って結晶相を育成するために該所定のトラックに沿って該ガラス体の温度を上昇せしめるのに充分なエネルギーを供給するレーザ光源を操作するステップを含む。
【００１３】
本発明の他の特徴は、明細書および特許請求の範囲から明確になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施例は、レーザビームを用いてガラス材の上若しくは中に結晶化された物質の所定パターンを形成する方法を提供する。形成されたレーザ結晶化領域は、周囲のガラス材とは異なる屈折率を有する。実施例において、本発明は、所望の導波路パターンを有する導波路構造体を形成するために上記の如き屈折率変更を利用する。上記導波路構造体は、プレーナ型増幅器その他プレーナ型導波路装置において使用できる。概して、パターン形成工程は、所定のトラックに沿って結晶相を育成するのに充分な温度にガラス材を加熱するように、ガラス材に対してレーザビームを動かすステップを含む。当該レーザの波長において、結晶相を形成するのに必要な熱を提供する充分な吸収を呈することによって、ガラス材中に結晶が形成される。さらに、高解像度のパターンがガラス体に形成できるように、レーザは集束自在なコヒーレント長さを有することが好ましい。レーザは出力波長λを有し、ガラス体は波長λで１０ｃｍ-1より大きい吸収係数を有することが好ましい。他の変形例は、結晶相を形成するのに充分な熱を発生する一般的な基準によって可能である。
【００１５】
本発明の様々な実施例は、添付図面を参照して説明される。本発明の実施例による導波路構造体２が図１Ａに示されている。導波路構造体２は、基体６に支持されているコア層４と、コア層４の上に形成されているクラッド層８と、を含む。クラッド層８は、適切な成膜技術（例えば、コア層４上にクラッディング材（例えばシリカ）を蒸着するためのプラズマ化学蒸着法など）を用いてコア層４の上に形成されてもよい。導波路構造体において、クラッディング材はコア層４より低い屈折率を有する。コア層４より低い屈折率を有する物質でできている基体６は、適切な光学粘着剤（図示せず）によって、コア層４に取り付けられても良い。例えば基体がシリコンのような高屈折率物質からなる場合などの変形例において、シリカ等の低屈折率物質からなるバッファ層が、基体６とコア層４との間に形成されても良い。基体６とコア層４間にバッファ層が設けられている実施例が図１Ｂに示されている。
【００１６】
図１Ａを再度参照すると、コア層４はホストガラス材１２（例えばケイ酸塩ガラス）に形成されるガラスセラミック若しくは部分的な結晶構造体１０（または導波路コア）を含む。ガラスセラミック構造体１０を伝播する光がガラスセラミック構造体１０内に制限されるように、ガラスセラミック構造体１０は、周囲のガラス材１２より高い屈折率を有する。図２Aにコア層４の平面図が示されている。図示されている実施例において、結晶構造体１０はガラス材１２内で概して平行方向に整えられている。しかし、本発明は当該パターンに限定されないことを、注記する。概して、導波路パターンは、当該導波路を使用する装置によって決定される。
【００１７】
図２Ｂを参照すると、ガラスセラミック構造体１０を形成するために、導波路パターンが、最初に設計される。その後、該導波路パターンは、コア層４に対してレーザ光源５ａの動作を制御するために使用される。レーザ光源５ａがコア層４に対して動くときに、レーザ光源５ａからのビーム５ｂは該導波路パターンによって決定されたトラックに沿ってガラス材１２を加熱する。加熱が充分である時、ガラス材１２中で結晶相が形成し始める。レーザビーム５ｂによって露光されてはならない領域を保護するために、鋼マスク等のマスク（図示せず）が、コア層４覆うように載置されても良い。
【００１８】
変形例において、レーザ光源５ｂは固定されても良い。またガラス材１２は、導波路パターンに従って光源５bに対して動かされても良い。ガラス材１２が光源５ｂに対して動く場合、レーザ光源５ａからのビーム５ｂは、該導波路パターンによって決定された所定のトラックに沿って、ガラス材１２を加熱する。上記の如く、結晶相が形成されるように、レーザ光源５bは所定のトラックに沿ってガラス材１２の温度を上昇するのに充分なエネルギーを供給しなければならない。
【００１９】
利得媒体として、ガラス材１２は、光学活性元素（例えば遷移金属イオンおよび希土類金属イオン）が添加される。ガラス材１２は、ガラス前処理中に光学活性元素が添加されても良い。または、光学活性元素は、固溶体としてガラスに置換されても良い。固溶体は、光学活性元素を含む化合物をガラスに溶かして、その後溶融体を冷却することによって製造される。
【００２０】
より短い波長範囲（例えば１５００ｎｍ以下）に対して、ガラス材１２に遷移金属イオンが添加されることが好ましい。利得媒体として使用することが企図される遷移金属イオンは、結晶ホスト内において略９００ｎｍ乃至略３０００ｎｍの波長範囲で利得若しくはレージングを提供できる遷移金属イオンである。遷移金属イオンは、Ｖ3+，Ｃｒ3+，Ｃｒ4+，Ｃｏ2+，Ｆｅ2+，Ｎｉ2+およびＴｉ3+からなる群から選択されることが好ましい。光増幅器の利得媒体として使用するのに潜在的に適している特性を示す有用なガラスセラミック物質は、次のガラスセラミック領域を含む。すなわち、該ガラスセラミック領域は、光学活性イオンとしてＣｒ4+が含まれている、フォーステライト（Ｍｇ2ＳｉＯ4、forsterite）、モンチセライト（ＣａＭｇＳｉＯ4、monticellite）およびα−および／またはβ−ケイ酸亜鉛鉱（ＺｎＳｉＯ4、willemite）からなる。あるいは、結晶相は、光学活性イオンとしてＣｒ3+を有するゲルマニウム酸リチウムとしても良い。あるいは、結晶相は、光学上活性イオンとしてＣｒ4+を有するオルトケイ酸リチウムマグネシウム若しくはオルトケイ酸リチウム亜鉛としても良い。
【００２１】
上記した導波路構造体に対するさまざまな変更は、本発明の範囲内において、可能である。たとえば、コア層４に導波路パターンを形成する代わりに、導波路パターンが、基体６（または図１Ｂの緩衝層３）およびクラッド層８のいずれか一方若しくは両方に形成されても良い。この場合、基体６およびクラッド層８は、本発明の方法を使用して所望の結晶相が形成できるガラス材からなる。さらに、基体６および／またはクラッド層８は光学活性元素（例えば、上記した元素）が添加されても良く、一方、コア層４は添加されないままにされる。かかるスキームは、最適の出力パワーを提供する多くの場合に示されるクラッディング−ポンピング技術（cladding-pumping technique）を利用することができる。他の実施例は、本発明の方法を使用して所望の結晶相が形成できるガラス材から基体６、クラッド層８およびコア層４を形成することを含む。基体６、クラッド層８およびコア層４は光学活性元素（例えば上記したもの）が添加されても良く、コア層４と基体６とクラッド層８の間の屈折率差が、導波路として作用するのにそれでも十分である。
【００２２】
導波路構造体２（及び上述の変形例）が、光増幅器（例えば図３の光増幅器５）の利得媒体として、使用される。光増幅器５は、コア層４の光学活性元素を励起するためにコア層４内に光を注入する光学ポンプ光源７を含む。ポンプ光源７は、一般的に光源を含み、半導体レーザ、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ若しくは光学活性イオンの吸収域の範囲内の波長で光を出光する閃光電球としても良い。光増幅器５は、ポンピング光源７によって生成された光をコア層４に連結するための結合手段９を更に含む。結合手段９は、バルク光学体若しくは他の導波路構造体（例えばカプラ）であっても良い。ポンピング光源７からの光は、コア層４の導波路コア内部を伝播し、光を増幅するために光学活性イオンを励起する。コア層４内でポンプされた光は、パルス波若しくは連続波の何れかであっても良い。上述の如く、コア層４中の導波路パターンは対象装置に対して最適に調整されても良い。
【００２３】
導波路構造体２（及び上記変形例）は、様々な種類の導波路レーザにも使用できる。例えば、図４は導波路構造体２を含む導波路レーザ１４を示している。導波路レーザ１４は、光共振器１６および光学ポンプ光源１８（例えば半導体レーザ、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザまたは閃光電球）を含む。図示されている実施例において、光共振器１６は２つの高反射鏡２０、２２からなる。導波路構造体２は、２つの鏡２０、２２間の光路を規定するために光共振器１６内部に配される。作動中に、光学ポンプ光源１８は光共振器１６内に光を注入し、該光は導波路構造体２を繰返し通過し、その１部分が、各経路において、鏡２２を通過して出射する。導波路構造体２のコア層４は、レーザ出力に対して所望の利得を提供するようにガラスセラミックホストの範囲内に含まれる光学活性元素を含むこととしても良い。結晶相は、フォーステライト、モンチセライト、α−および／またはβ−ケイ酸亜鉛鉱、ＹＡＧ、ゲルマニウム酸リチウム、オルトケイ酸リチウムマグネシウム及びオルトケイ酸リチウム亜鉛を含むこととしても良い。
【００２４】
導波路レーザ１４は連続的に動作しても良く、共振器キャビティから出光される光はその間ほぼ一定である。変形例として、導波路レーザはモード同期構成で動作されても良く、レーザキャビティの多重縦モードは、位相固定され、その結果、共振キャビティを通る光の往復伝播時間によって、時間で分離した、反復性パルスの出力が提供される。変形例として、レーザ１４がＱ−スイッチ構成において動作しても良い。ここで、ポンプからのエネルギーが所定の期間において利得媒体中に蓄積されて、その後に蓄積されたエネルギーが短い時間間隔に亘って開放されるように、キャビティの損失が制御される。その結果、レーザ１４は、エネルギー蓄積／放出シーケンスのサイクルによって切り離された高エネルギーの出力パルスを生成する。Ｑスイッチング機構は、吸収媒体、電気光学変調器、音響光学変調器および発振バルク光学体を含む。変形例として、レーザ１４は上記構成物のあらゆる組み合わせにおいて動作されても良い。
【００２５】
コア層４（図１Ａ）としてガラス材を形成するために用られるさまざまな方法は、公知である。１つの適切な方法として、所望の組成物を有する物質のバッチを溶融する方法が含まれる。溶融体は、その後に冷却されて、同時に従来のガラス成形技術を使用して所定の構造のガラス体に形成される。本発明は、表１に示されたガラス組成物に対して実施された。カラム１乃至８に示された組成物は、亜鉛尖晶石（gahnite）と呼ばれているスピネル相を生成する組成物と一致する。一方、カラム９および１０の組成物は主にフォーステライトおよび／またはα−および／またはβ−ケイ酸亜鉛鉱を生成する組成物と一致する。表１において、ガラス組成物は、酸化物として示される。しかし、ガラスを形成するための実際のバッチ組成物は、多くの物質（酸化物若しくは他の化合物（例えば水酸化物またはハロゲン化物）の何れも）を含むことができる。そして、一緒に溶かされると、即座に、それは適当な酸化物比率を含んでいる所望のガラス形成溶融物に変換される。たとえば、高純度砂は、ＳｉＯ2の源として有効に使用される。表１の組成物は実施例を示す目的で表示したものであり、本明細書において記載されている他の本発明の範囲を制限することを企図したものではない点に留意する必要がある。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
ガラスの一般的な調整において、表１に示される如きバッチ物質が均質な溶融物を得るために完全に一体的に混合される。溶融物は、一般的にシリカまたは白金でできているるつぼにその後配置される。該るつぼは炉に置かれ、ガラスバッチは、所定期間（例えば、数時間から１日）、高温（例えば１４５０乃至１６００℃）に維持されて溶かされる。溶融するために必要とされる正確な温度および時間は、ガラス材の組成に依存する。その後で、溶融物は鋳型に注入される。ここで、所望の大きさを有するガラスが得られるように冷却される。さまざまな変形が、当該ガラス材の調製工程に可能であることを理解されたい。たとえば、異なる機械的及び光学的特性（例えば強度、靱性及び透明度）を提供するように調整されたミクロ構造を形成するために、ガラス体は、さまざまな熱処理サイクルで処理されても良い。
【００２８】
上記の如き方法若しくは他の適切な方法によって調整されたガラス体は、レーザビームを使用してパターンを熱的に形成するための表面を提供する。上記の如く、プレーナ型増幅器または他のプレーナ型導波路装置に対して、ガラス体は、平面を有することが好ましい。必要であるならば、ガラス体は、パターン形成工程の前に研削／研磨されても良い。利得媒体として、ガラス体は、光学活性元素（例えば遷移金属イオン（例えばＶ3+、Ｃｒ3+、Ｃｒ4+、Ｃｏ2+、Ｆｅ2+、Ｎｉ2+およびＴｉ3+）または希土類金属イオン（例えばＥｒ3+））が添加される。パターンは、ガラス体上の所定のトラックに沿って、レーザビームを動かすことによってガラス体中に形成される。レーザビームを所望のトラックに沿って動かすように制御する方法は、例えば電子線リソグラフィーの如き工程では周知である。パターン形成工程は、照射されない領域を保護するマスクの有無にかかわらず実施することができる。
【００２９】
プレーナ型増幅器／レーザの導波路構造体に対して、本発明の方法によって生産される利得媒体は、Ｃｒ4+／フォーステライトまたはＣｒ4+／ケイ酸亜鉛鉱であることが好ましい。上述した、ベアール氏らによる米国特許出願第０９／６８６，５６４号において、Ｃｒ4+／フォーステライトは、略９００ｎｍ乃至略１４００ｎｍの範囲の波長で、略１１５０ｎｍにピーク放出がある光を出光することが開示されている。また、Ｃｒ4+／ケイ酸亜鉛鉱は、略１１００ｎｍ乃至略１７００ｎｍの範囲の波長の光を出光することも開示されている。かかる放出光は、１５３０乃至１５６０ｎｍのコンベンショナル帯域（conventional band）を含み、短波長帯域（すなわち１５００ｎｍ以下）に広帯域放出を示す。かかるスペクトル特性は、Ｃｒ4+ドーパントを含むガラスセラミック材が現在のエルビウムを用いる技術よりも１桁大きい帯域幅に相当する１１００ｎｍ乃至１７００ｎｍの利得窓を開けることが出来ることを示している。たとえば、Ｃｒ4+／ケイ酸亜鉛鉱は、単独で、１２００乃至１６５０ｎｍの波長範囲を取扱うことができる。
【００３０】
以下の実施例において、１０．６μmの波長を有する４Ｗの炭酸（ＣＯ2）ガスレーザが、上述の表１に示される組成物（６）を有するガラス材の結晶化を誘導するために使用される。かかるレーザビームは、０．５ｍｍの点に焦点を合わせられ、８ｍｍ／ｓでガラス上を所望のトラックに沿って動いた。上述の如く、結晶化を誘導するために充分なエネルギーを提供するのであれば、他の種類のレーザビームが使用できる。さらに、レーザビームの出力パワーおよびスポットサイズは、レーザによる書込工程の所望の速度によって変化させても良い。従って、レーザ、出力レベル、レーザビーム幅および書込み速度の選択は、所望の結晶化を達成するように調整されなければならない。図５は、レーザによって露光された後の、ガラス材のＸ線回折を示す。図５のグラフは、２θスキャンの間、異なる角で回析されたビームの強度を示す。特徴的な回折パターンは、結晶構造が亜鉛尖晶石の結晶構造であることを示唆している。また、ケイ酸亜鉛鉱相の存在を若干示している。
【００３１】
図６は、ガラスの露光領域において増加した屈折率を示す干渉パターンを示す。干渉パターンは、５１０．８ｎｍレーザビームを使用して得られ、顕微鏡によって記録された。波面縞模様は、プレートの異なる領域における異なる屈折率の結果である。すなわち、レーザビームは、屈折率の差に起因して異なる領域において異なる速度で進行する。干渉パターンは、レーザに露光されたトラック（図５の中央のトラック）において、その周囲の非露光領域と比べて非常に高い屈折率を明確に示している。より高い屈折率は、レーザ露光されたトラック中にガラスセラミック構造体があることを表す。ガラスセラミック構造体が存在することは、図５に示される明瞭なＸ線回折パターンの結果と一致している。
【００３２】
本発明は、一般的な利点を提供することができる。本発明の方法は、他のガラス状物質において局所的に形成される結晶相を提供する。かかる事項によって、ガラス材中にパターン（例えば導波路パターン）が形成できる。所望の光通信光学特性が結晶環境にのみ示される場合に、本発明は特に魅力的である。ガラス材に所定パターンを形成する能力については、本発明の方法は、特に光通信装置（例えばプレーナ型増幅器、オプティカルアイソレータ、プレーナ型導波路レーザ、スプリッタ、偏光子、光回路ボード等）を製造することに適している。必要に応じて、上記装置は、所望の遷移金属または希土類金属が添加されたガラス材から製造されても良い。
【００３３】
本発明が限られた数の実施例を使用して記載されているものの、かかる開示例の利益を有する他の変形例が、本願明細書において開示された発明の範囲内から離れることなく実施できることを当業者は理解できる。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ制限されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施例による導波路構造体を示している。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示される基体とコア層の間にバッファ層が設けられていることを示している。
【図２Ａ】図２Ａは、図１Ａおよび図１Ｂに示されたコア層の平面図が示されている。
【図２Ｂ】図２Ｂは、ガラス材中に結晶相を形成する方法を示している。
【図３】図３は、本発明の実施例による導波路構造体が組み込まれている光増幅器の構成図を示している。
【図４】図４は、本発明の実施例による導波路構造体が組み込まれている導波路レーザの構成図を示している。
【図５】図５は、本発明の実施例による炭酸（ＣＯ2）レーザで処理されたガラスセラミック体のＸ線回折パターンを示している。
【図６】図６は、本発明の実施例による炭酸（ＣＯ2）レーザで処理されたガラスセラミック体の干渉顕微鏡イメージを示している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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