(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏波依存性の低い、又は偏波依存性が無い光ファイバ型光部品または光導波路型光部品である光導波路素子の作製方法であって、
光を伝搬するコアと、該コアよりも屈折率の低いクラッドとを有する光導波路を用いて光導波路素子を形成する素子形成工程と、
前記光導波路素子内部に含まれる前記コア中および該コア周辺の前記クラッド、またはこれらの部位の一部に、外部から加速イオンの注入を行うことによってデポラライザ機能を付与する工程と
を有することを特徴とする光導波路素子の作製方法。
【請求項２】
前記光導波路は光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子の作製方法。
【請求項３】
前記光導波路は平面基板上に形成された光導波路であって、該光導波路は、光を伝搬するコアと、前記クラッドに対応する下部クラッド及び上部クラッドとを有し、
前記デポラライザ機能の付与工程において、前記コア中および該コア周辺の前記クラッド、またはこれらの部位の一部に、前記上部クラッドの上側から加速イオンの注入を行うことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光を用いたセンサー、光信号処理などに用いられる光ファイバ型光部品または光導波路型光部品である光導波路素子の作製方法に関する。さらに詳細には、本発明は、偏波状態が解消され、無偏光化された光を得ることができる光ファイバ型光部品または光導波路型光部品である光導波路素子の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光ファイバ中を伝搬する光の偏波状態(または偏光状態)は、短距離では保持されるが、中長距離になるにつれて、コア径の揺らぎや振動、温度変化によりランダムに変化してしまう。光ファイバを用いた光通信デバイスやセンサーには、その特性が光ファイバ中を伝搬する光の偏波に依存するものが多く存在する為、偏波状態の制御が必要となる場合が生じる。例えば、光ファイバラマン増幅器は、その動作特性が励起光の偏波状態に大きく依存する。そのため、一般に励起光はデポラライザ(depolarizer: 偏波解消器、または偏光解消器)によって無偏光化されてから、光ファイバラマン増幅器に入射される。光を用いたセンサーの場合も、偏波状態のランダムな変化はセンサーの感度を劣化させる為、やはりデポラライザを用いて無偏光化した光を用いることがある。
【０００３】
光ファイバ型のデポラライザとしては、1つの光ファイバを伝搬してきた光をカップラによって2つに分割し、この分割された一方の光を再度元の光ファイバに入射させる方法(USP5933555、USP5218652)や、Lyot型デポラライザを応用し、長さがLと２Lの2本の偏波保持光ファイバを偏波保持面をπ/4傾けて接続する方法が開発され、現に用いられている。
【０００４】
他方、光導波路の場合、通常、偏波状態は保持されたまま光が伝搬する。一般に、光導波路は、平面基板上に下部クラッドとなる層を堆積し、その上にコア層を堆積し、そのコア層を反応性イオンエッチングなどで光導波路形状に整形し、その上に上部クラッドを堆積することによって作製される。光導波路は平面基板として用いられるシリコン基板と導波路を構成する石英系ガラス層との熱膨張係数が異なることから、ガラス内に応力が生じ、その結果、光導波路は複屈折を有している場合が非常に多い。光導波路は、この複屈折があり、尚且つ偏波状態が保持されているため、光導波路中に形成された光部品、例えば、アレー導波路型回折格子や、ブラッグ反射型グレーティングなどにおいて、異なる偏波状態、具体的にはTE偏波とTM偏波、における動作波長に差が出てしまうという、偏波依存性の課題がある。
【０００５】
光ファイバにおいても、光ファイバのコアが複屈折を有している場合、偏波依存性の解消は課題となっている。
【０００６】
この偏波依存性を解消する為に、例えば、アレー導波路型回折格子の場合には、アレー導波路中に溝を開けて、その溝に波長板を挿入する方法が一般に用いられている(文献１：Y. Inoue et al, 'Polarization mode concerter with polyimide half waveplate in silica-based planar lightwave circuits' IEEE Photonics Technol. Lett. Vol. 6, p. 626, 1994)。また、平板型光導波路において、コア層を堆積する前の下部クラッド層の表面にイオン注入層を設けて偏波依存性を解消する方法も提案されている(特開平10-239547号公報)。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光ファイバ型のデポラライザは、その作製において精密な光ファイバの取り扱いが要求される為に、作製が煩雑となっており、その結果、非常に高価である。
【０００８】
また、アレー導波路型回折格子における、溝に波長板を挿入する偏波依存性の解消方法では、溝を開ける加工工程およびその溝に波長板を挿入する組み立て工程が必要であり、工程が煩雑となっている。また、この手法はブラッグ反射型グレーティングのように、素子中に波長板が挿入できない場合には適応できない。
【０００９】
また、コア層を堆積する前の下部クラッド層の表面に、イオン注入層を設けて偏波依存性を解消する方法では、堆積された下部クラッドのほぼ全体にイオンを注入する必要がある。また、この手法では、窒素イオン、酸素イオンまたはシリコンイオンを１×1017/cm2と、大量に添加する必要があるとされている。これらの2つの要因から、この手法は作製時間が非常に長くなるという難点がある。またこの手法は、上記の様に高濃度にイオンを注入することから、下部クラッドの材質の特性を著しく変質させてしまう恐れもある。
【００１０】
本発明は、上述のような従来技術の課題に鑑みて成されたもので、その目的は、光ファイバ型光部品または光導波路型光部品である光導波路素子における光の偏波状態を簡易に解消し、無偏光化する新たな光導波路素子の作製方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光導波路素子の作製方法は、偏波依存性の低い、又は偏波依存性が無い光ファイバ型光部品または光導波路型光部品である光導波路素子の作製方法であって、光を伝搬するコアと、該コアよりも屈折率の低いクラッドとを有する光導波路を用いて光導波路素子を形成する素子形成工程と、前記光導波路素子内部に含まれる前記コア中および該コア周辺の前記クラッド、またはこれらの部位の一部に、外部から加速イオンの注入を行うことによってデポラライザ機能を付与する工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記光導波路は光ファイバであることを特徴とすることができる。
【００１３】
また、前記光導波路は平面基板上に形成された光導波路であって、該光導波路は、光を伝搬するコアと、前記クラッドに対応する下部クラッド及び上部クラッドとを有し、前記デポラライザ機能の付与工程において、前記コア中および該コア周辺の前記クラッド、またはこれらの部位の一部に、前記上部クラッドの上側から加速イオンの注入を行うことを特徴とすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（本発明の原理）
これまでに、光ファイバや光ファイバを構成する材料であるシリカガラスにイオンを注入することにより、屈折率や密度の変化が生じることは知られている。
(文献２：A. L. Tchebotareva et al, 'Effect of proton implantation on the photosensitivity of SMF-28 optical fiber' NIMB Vol. 148, p. 687, 1999)
、(文献３：M. Fujimaki et al, 'Ion-implantation-induced densification in silica-based glass for fabrication of optical fiber gratings' J. Appl. Phys. Vol. 88, p. 5534, 2000) 本発明者は、これらの現象に加え、光ファイバや光導波路を形成する石英系ガラス(シリカガラスを主成分としたガラス)に加速されたイオンを注入すると、注入されたイオンが停止した位置付近で光の偏波状態が解消され、無偏光化することを見出した。また、イオンが通過した位置においても、程度は少ないながら、偏波状態が解消され無偏光化が生じることも本発明者は見出した。
【００２１】
図１は、本発明の原理を説明するため、この時の本発明者による実験の一例を示す。図１の（Ａ）の斜視図は、シリカガラス板の上面１４に奥行き3cmにわたって１５MeVで加速したホウ素イオン１３を5×1013/cm2注入したときの状態を模式的に示す。ここで、符号１５はシリカガラス板の表面であり、符号１６はシリカガラス板の裏面であり、符号１７はイオンが停止した位置を示す。
【００２２】
このシリカガラス板の裏面１６側から直線偏光を入射し、表面１５において偏波状態を観測したときの偏波状態を図１の（Ｂ）の正面図に示す。図１の（Ｂ）の黒く塗りつぶした部分１９が偏波状態が解消され、無偏光化が生じている部分であり、黒色が濃いほど偏波状態がより解消されていることを示す。
【００２３】
奥行き3cmのシリカガラス板では、通常、偏光は偏波状態を保ったままシリカガラス板を透過する。実際、イオン１３を注入する前は、シリカガラス板の全体において、偏波状態が保たれたまま光が透過してくることが観測されている。
【００２４】
ところがイオン１３を注入後は、注入したイオン１３が停止した位置１７の付近、つまりガラス上面１４からイオンの飛程と同程度の深さの位置付近で、偏波状態が解消され無偏光化している。また、符号１９で示すように、イオン１３が停止した位置１７よりも上方数μmの部分でも偏波状態の解消が観測されている。この偏波状態が解消される現象は、他のどのようなイオンを注入しても発現する。
【００２５】
（第１の実施形態）
本発明者は、光ファイバや光導波路中を伝搬する光の偏波状態を解消する為に、上記の現象を用いる手法を発明した。本手法を用いて、偏波状態を解消し、光ファイバを伝搬している光を無偏光化するには、図２に示すように、光ファイバ２１のクラッド２２の外方から光ファイバ２１の一部に対して、コア２５付近にイオン２３が停止する様に、イオン注入をすれば良い。
【００２６】
そこで、本発明の第１の実施形態では、例えば、直径125μmの石英系光ファイバ２１に対し、水素イオン２３を2.4MeVで加速し、そのクラッド２２の上から照射する。このように注入された水素イオン２３は、光ファイバ２１のコア２５中に停止し、その結果、光ファイバのコア中を伝搬する光の偏波状態が解消され、無偏光化された光が得られる。つまり、本光ファイバはデポラライザとして働くわけである。ここで、符号２７は注入されたイオンが停止した部分を示す。
【００２７】
イオン２３の注入量はイオンが停止した部分２７の幅Lにも依存するが、上記の水素イオン注入においては、イオンが停止した部分２７の幅Lが約1cmの時に、水素イオンを約2×1015/cm2照射した時に、良い偏波状態の解消が観測されている。
【００２８】
更に幅広くイオンを注入するなら、イオンの注入量は更に少なくて良い。本手法では、イオン注入する部分の幅を広げたり、イオンの注入量を増加することによって、より高い偏波状態の解消効果が期待できる。また、前述のように、イオン２３が停止した部分２７の周りやイオン２３が通過した位置においても、偏波状態の解消効果が得られるので、イオン２３は必ずしもコア２５の中心に注入する必要は無い。例えば、注入したイオンがコアを通過してしまっても、コア内で偏波状態の解消効果が得られる。また、コア２５を伝搬する光の電界は、コア周辺のクラッド部２２にも広がっている為、注入したイオンがコアに到達しなくても、コア近傍のクラッド部に到達すれば偏波状態の解消効果が得られる。
【００２９】
また、イオンを注入する際の加速エネルギーを変化させると、イオンの光ファイバ内への進入深さが変化することから、加速エネルギーを変化させてイオンを注入することにより、イオンが注入される部位の厚さを厚くでき、その結果、偏波状態の解消効果を高めることもできる。
【００３０】
また、イオン注入時に、コアを軸にして光ファイバを回転したり、イオンビームの照射方向を変えることも、イオンが注入される部位を広げる効果があるので、偏波状態の解消効果を高められる。
【００３１】
場合によっては、イオンを注入した為に光ファイバ中に点欠陥が生じ、光ファイバの伝送特性を劣化させることも考えられる。しかし、この点欠陥は熱処理によって容易に取り除ける。
【００３２】
本手法にて形成された、偏波状態の解消効果が得られているコアにおいては、このコア中を光が伝搬する際、光は常に無偏光化の効果を受けることとなる。よって、このコアが複屈折を有していたとしても、偏波依存性は生じない。よって、本発明は光ファイバ中に形成された光部品、例えばブラッグ反射型グレーティングや長周期グレーティングなど、の偏波依存性を解消、あるいは低減、改善する手法にも適応できる。
【００３３】
その適応方法としては、例えば、偏波依存性を解消したい光部品が形成されている光ファイバに対してイオンを注入して、この光部品が形成されている光ファイバ中を伝搬する光を無偏光化すれば良い。また、光部品を形成する前にあらかじめ、光ファイバにイオンを注入しておいて、この光ファイバを光部品の作製に用いても良い。
【００３４】
前述のように、どの様なイオンを注入しても、偏波状態の解消効果は得られる。よって、注入イオン２３は、単原子イオン(例えば、H+)でも、分子状のイオン(例えば、H2+)や、クラスターイオン(例えば、C3+)でも良いが、注入されるイオン２３はクラッド２２を透過して光ファイバのコア２５付近に停止する必要がある。従って、物質中への透過性が高いイオンでなければ、イオン注入の際、非常に大きな加速エネルギーが必要となってしまう。そこで、注入するイオン２３は、原子番号36以下の原子の荷電粒子を含んでいるイオンであることが望ましい。
【００３５】
（第２の実施形態）
光導波路の場合も、上記の光ファイバと同様に、クラッドの上からコア中またはコア周辺にイオンを注入すれば、このコアを伝搬する光の偏波状態の解消効果が得られる。つまり、光導波路型デポラライザが形成できることになる。この様子を、図３に示す。図３の（Ａ）は本発明の第２の実施形態における光導波路の正面側断面図、（Ｂ）はその斜視図である。ここで、符号の３１は光導波路、３３は注入するイオンビーム、３４は基板、３５は下部クラッド、３７はコア、３８は上部クラッドである。
【００３６】
本実施形態における、イオンビーム３３の注入の方法と、コア３７中またはコア周辺でイオンが停止した位置、およびイオンが停止した位置での作用・効果等は図２の第１の実施形態の光ファイバの場合と同様なので、その詳細説明は省略する。
【００３７】
また、第１の実施形態でも説明したように、本手法は偏波依存性を解消、あるいは低減、改善する手法としても用いられる。図３では、直線導波路の場合を示しているが、本発明は、これに限らず、曲線導波路や分岐、合流などを含むあらゆる形状の光導波路に対しても有効であることは勿論である。本手法は、光導波路にイオン３３を注入するのみであるので、その適応は容易である。よって、複雑な回路形状を持つ、アレー導波路型回折格子や、マッハツェンダ型合分波器、方向性結合器などに対しても容易に適応できる。
【００３８】
ここで、光導波路の偏波依存性を解消する場合、イオン３３を注入する箇所は光導波路全体でも良いが、偏波依存性を解消したい部分にのみにイオンを注入すれば、イオン注入を行なう部位の面積が小さくなるため、作製時間の短縮が実現できる。例えば、光導波路中にブラッグ反射型グレーティングが形成されており、このブラッグ反射型グレーティングが形成されている部分のみの偏波依存性を解消したい場合は、この部分にのみイオン注入をすれば良い。
【００３９】
（第２の実施形態の変形例）
光導波路の場合、上記の本発明の第２の実施形態の変形例として、上部クラッドが無い状態でイオン注入をすることも有効である。これを説明するため、光導波路の一般的な作製方法を図４に示す。まず、図４の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、平板基板３４上に下部クラッド３５を形成する。ただし、平板基板３４自身が下部クラッドとなる場合には、本工程は不要である。
【００４０】
次に、図４の（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、この下部クラッド３５上にコア層３６を形成し、更に、図４の（Ｅ）、（Ｆ）に示すように、このコア層３６を光導波路のコア３７となるように整形する。
次に、図４の（Ｇ）、（Ｈ）に示すように、このコア３７の上に上部クラッド３８を形成することによって、光導波路を得る。
【００４１】
上記の工程において、図４の（Ｃ）、（Ｄ）で示す段階、または図４の（Ｅ）、（Ｆ）で示す段階、つまりコア層３６の形成後から上部クラッド３８を形成する前までの期間において、コア層３６内またはコア３７部内にイオン注入をすることによっても、やはり作製された光導波路の偏波状態の解消効果が得られ、また、偏波依存性が解消できる。
【００４２】
また、第１の実施形態でも説明したように、注入したイオンがコアを通過しても、イオンがコアを通過することによって、コアにおいて偏波状態の解消効果が発現するので、注入したイオンがコア層３６またはコア３７部を通過し、下部クラッド３５に到達してしまっても良い。
【００４３】
この変形例では、上部クラッド３８が無い状態でイオン注入を行なうので、コア層３６、またはコア３７部中、またはその下の下部クラッド３５にイオンを注入するに際し、イオンの加速エネルギーが小さくて良いという利点がある。従って、この変形例の場合は、注入するイオン種には特に制限は必要ない。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光ファイバまたは光導波路に対してイオン注入することによって、光ファイバまたは光導波路中を伝搬する光の偏波状態を簡易に解消して無偏光化することができる。
【００４５】
従って、本発明によれば、偏波状態が解消されて無偏光化した光を供給する光ファイバおよび光導波路が容易に得られ、さらには偏波依存性が解消された光ファイバや光導波路、光部品が容易に得られる。
【００４６】
また、本発明によるイオン注入では、イオンの注入量が少なく、また、イオン注入する場所を小さい領域に限定することが可能なために、偏波依存性が解消された光導波路や光部品を作製する際、従来の手法より作製時間の短縮が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）正面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における光ファイバの構成と作製方法を説明する斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における光導波路の構成と作製方法を説明する図であって、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の変形例における製造工程を説明するための図であって、（Ａ），（Ｃ），（Ｅ），（Ｇ）はそれぞれの工程での正面断面図、（Ｂ），（Ｄ）、（Ｆ），（Ｈ）はそれぞれの工程での側面断面図である。
【符号の説明】
１３  ホウ素イオン
１４  シリカガラス上面
１５  シリカガラス表面
１６  シリカガラス裏面
１７  イオンが停止した位置
１９  無偏光化されている部分
２１  光ファイバ
２２  クラッド
２３  イオンビーム
２５  コア
２７  注入されたイオンが停止した位置
３１  光導波路
３３  イオンビーム
３４  基板
３５  下部クラッド
３６  コア層
３７  コア
３８  上部クラッド
【図１】
0003896481.tif 000002
【図２】
0003896481.tif 000003
【図３】
0003896481.tif 000004
【図４】
0003896481.tif 000005