JP3776192B2

JP3776192B2 - モードスポットサイズを変化させる光導波路構造体の製造方法

Info

Publication number: JP3776192B2
Application number: JP05591797A
Authority: JP
Inventors: アーヴィングリーンベンジャミン; ナラヤナンチェラッパン; メルヴィンプレスビーハーマン
Original assignee: ルーセントテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 1996-04-17
Filing date: 1997-03-11
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: US5588085A; JPH1020137A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学導波構造体に関し、特に第１モードスポットサイズの光ビームを第２モードスポットサイズの光ビームに変換するのに適した光ファイバのような導波構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信システムが急激に増加するにつれて、モードスポットサイズが等しくない相互接続用光要素が問題となっている。このような相互接続は、様々な環境で必要とされる。例えば、１）レーザソースを光ファイバに接続する環境、２）異なるモード特性を有する２本の光ファイバを接続する環境、３）光ファイバを導波路におよび導波路を光ファイバに接続する環境である。
【０００３】
このような相互接続は、現在の研究対象であり、様々なアプローチが開発されている。例えば予めテーパー状に形成したプリフォームを用いて、テーパー状の領域を有する光ファイバを引き抜いてレーザを光ファイバに接続するものである。（J. Armitay et al.著の「J. Lightwave Technol. LT-5, 70, 1987」を参照のこと）。
【０００４】
ビーム拡張を達成するために、光ファイバは、キャピラリの中を通過しながらテーパー状に形成され（K. P. Jedrzejewski, 22 Electron. Lett. 106, 1986」を参照のこと）、そして光ファイバのコアは、異なる光ファイバをスプライスするために熱でもって拡張される（S. G. Kosinski et al.著の「Proc. Optical Fiber Communications Conference OFC, Paper Th 16, 231, 1992」を参照のこと）。しかしこれらの技術は、光ファイバのコアの物理的寸法の制御に全て依存しており、このような寸法制御は達成するのが難しく、高価なものとなる。
【０００５】
第１モードスポットサイズの光ビームを第２モードスポットサイズのビームに変換する導波路構造体を製造する別の技術は、米国特許第５，４１６，８６３号（発明者Vengsarkar）に開示されている。同特許においては、モードスポットサイズの変化は、コアとクラッドとの間の屈折率差を変化させることにより行っている。同特許の方法は、この屈折率差の変動はコア材料中の光感受性欠陥により吸収される波長でもって導波路構造体を照射することにより、屈折率差を増加させることにより達成している。
【０００６】
特に、前掲の特許は、ゲルマニウムドープのシリカ製導波路内のコアとクラッドの屈折率差を、２４７−２４８ｎｍの波長の紫外線光でもって照射することにより増加させている。この波長は、ゲルマニウム含有シリカ製（germanosilicate）コア材料内に存在するゲルマニウム関連色中心欠陥に対応している。前掲の特許においては、ゲルマニウムドープのコアの光感受性は、コアに水素分子を含有させることによりさらに向上させている。
【０００７】
この技術は既に公知であり、R M. Atkins et al.著の「“Mechanisms of Enhanced UV Photosensitivity Via Hydrogen Loading in Germanosilicate Glasses,”Electron. Lett., vol. 29, p. 1234, 1993」に開示されている。しかし、Hibino et al.著の「Electron. Lett., vol. 29, pp. 621-623, 1993」に開示された方法に対する制限も、米国特許出願０８／３９６０２３号に議論されており、このVengsarkarの方法は、ゲルマノシリケート（germano-silicate）製の導波路構造にしか適用できない。
【０００８】
従来技術では、１つの特定の材料から形成された導波路構造体のコアとクラッド間の屈折率差を増加させているが、異なる材料組成のコアとクラッドを有する様々な種類の導波路中で、屈折率差を減少（あるいは増加）するような適切な波長を選択する方法は存在しない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、第１モードスポットサイズの光ビームを第２モードスポットサイズのビームに変換するシリカ製光導波路構造体の製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、放射エネルギー（放射波長）を、クラッドにより少なくとも部分的に吸収されるよう選択する。その後、様々なドーズ量の放射を導波路構造体の長さ方向に沿って与える。その結果クラッドの屈折率変化は、コアの屈折率変化よりも大きくなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１において、モードフィールド変換光学導波路１０は、異なるモードスポットサイズを有する光要素１１と１２とを相互接続している。光要素１１，１２は、レーザおよび光ファイバを含む導波路のようなモードでもって光ビームを伝送するどのような光学部品でもよい。好ましくは、モードフィールド変換光学導波路１０は光ファイバであり、光要素１２により周囲を包囲されたコア１３を有するガラス製導波路である。コアの屈折率（Ｎ₁）は、クラッドの屈折率（Ｎ₂）よりも大きい。
【００１２】
本発明によれば、正規化した屈折率差
Δ＝（Ｎ₁−Ｎ₂）／Ｎ₁
は、導波路の長さ方向に沿って距離ｘの関数として変化させて、光要素１１，１２のモードスポットサイズに適合させている。例えば、光要素１１が光要素１２のモードスポットサイズよりも大きなモードスポットサイズの光学ビームを伝送する場合には、モードフィールド変換光学導波路１０は、光要素１１のモードスポットサイズを光要素１２のそれに合わせて減少するように、ビームは光要素１１から光要素１２に転送される場合、軸方向に変化した屈折率を有する。
【００１３】
前述したように、Vengsarkarは導波路を導波路コア内の欠陥により吸収される放射光でもって照射することにより、ゲルマノシリケート導波路内のモードスポットサイズを減少する方法を開示している。この Vengsarkar の開示した方法は、ゲルマノシリケート製導波路にのみ適用可能である、その理由は、放射光はクラッドによっては、決して吸収されることはないからである。これに対して米国特許出願０８／３９６０２３号は、少なくともクラッドにより、そして可能ならばコアにより吸収される波長でもって導波路を照射し、クラッドの屈折率がコアの屈折率よりもより急速に増加し、その結果露光時間を増加させることにより、屈折率差を減少する技術を開示している。
【００１４】
本発明のモードスポットサイズを変更する方法は、前述の米国特許出願０８／３９６０２３号に開示された技術に基づいて、シリコン基板上に形成された燐ドープのシリケート導波路に対し適用するものである。しかし、本発明は以下に述べるような様々なパラメータを適宜調節することにより、様々なドーパントを有するシリカ製導波路にも適用できる。
【００１５】
本発明によれば、燐ドープのシリケート製導波路は、ＡｒＦエキシマレーザからの１９３ｎｍ波長の無極性紫外線放射に露光する。具体的に説明すると、この導波路は、４％の燐でもってドーピングされたコアと、４％のボロンと、２．５％の燐でもってドーピングされたＢＰＴＥＯＳ製のクラッドとを有する。このコアとクラッドは、この波長で放射光を吸収し、クラッドによる吸収量は、コアによる吸収量以上である。この放射光は、８−７５ｍＪ／ｃｍ２／パルスの周期で、３０−１００Ｈｚの繰り返し速度でもってパルス状に放射される。導波路に適用されるドーズ量は、その光ファイバの長さ方向に沿って変化し、その結果屈折率差の変動もまた導波路の長さ方向に沿って変化する。
【００１６】
図２，３は、比較するために同一の拡大条件でもって得られたものである。このイメージの寸法は、絶対的スケールには校正しておらず、そして光強度は形状プロットで表している。図２，３は、モードスポット形状と領域の両方が、照射後変化していることを示している。ピーク強度の５０％以上の境界領域を選択することにより、例えば照射の前後で１０％の増加がモードスポットサイズで見られる。モードスポットは、その形状を変化させているが、その理由は三面でコアがＢＰＴＥＯＳに包囲され、残りの一面で純粋なシリカにより包囲されているからである。ＢＰＴＥＯＳと純粋シリカは、ＵＶ光に露光されると、かなり異なった屈折率変動を示す。
【００１７】
上記の例で示したように、本発明は、導波路を露光する適切な放射エネルギ（即ち等価的に波長）を選択する。本発明によれば、このようにして選択された波長は、少なくともクラッド内の電子吸収を受ける。この選択された波長は、またコア内においても充分な吸収を受ける。しかし後者は、本発明では必要とされないものである。このように選択された波長によりクラッドの屈折率は、コアの屈折率よりもより急速に増加し、このためコアとクラッドとの屈折率差を減少させる。
【００１８】
このような選択された波長は、様々な波長を用いてその結果得られた屈折率の変化を測定するような経験測も含む所望の技法により決定できる。適切な照射量は、最初と最後のモードスポットサイズおよびこの変換が発生すべき長さに依存する。より一般的に述べると、照射量が増大するにつれて（ある最大値まで）屈折率差の減少は、より大きくなりモードスポットサイズの増加もまたより多くなる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の導波路は上記したようにして安定化させ、その結果屈折率差は、長期に亘って変動することはない。米国特許出願０８／３９６０２３号に開示したように、このような安定化は、導波路を露光した後、導波路を熱的にアニールすることにより達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】異なるモードスポットサイズを有する複数の光成分を相互接続するモードフィールド変換光学導波路の断面図
【図２】本発明によりＵＶ照射前の平面上導波路サンプルのモードスポットのニアフィールド画像を表す図
【図３】本発明によりＵＶ照射後の平面上導波路サンプルのモードスポットのニアフィールド画像を表す図
【符号の説明】
１０モードフィールド変換光学導波路
１１，１２光要素
１３コア
１４クラッド

Claims

コア（１３）とそれを包囲するクラッド（１４）からなり、第１のモードスポットサイズの光ビームを第２のモードスポットサイズの光ビームに変換するシリケート製光学導波路構造体の製造方法において、
（Ａ）前記クラッド（１４）により少なくとも部分的に吸収される放射エネルギを選択するステップと、
（Ｂ）前記光学導波路構造体の長さ方向に沿って、前記放射エネルギの照射量を変化させるステップと、
からなり、
前記放射エネルギは、クラッドの屈折率変動がコアの屈折率変動よりも大きくなるように選択され、
前記コア（１３）は、燐ドープシリカ製であり、そして前記クラッド（１４）は少なくともボロンと燐でドーピングされていることを特徴とするモードスポットサイズを変化させる光導波路構造体の製造方法。
前記照射量は、光導波路構造体の長さ方向に沿って増加させ、第２のモードスポットサイズは、第１のモードスポットサイズよりも大きいことを特徴とする請求項１の方法。
前記放射エネルギは、紫外線放射によるものであることを特徴とする請求項１の方法。
前記放射エネルギの波長は、１９３ｎｍの波長であることを特徴とする請求項３の方法。
前記放射エネルギは、エキシマＵＶランプにより与えられることを特徴とする請求項４の方法。
（Ｃ）前記製光学導波路構造体をアニールするステップをさらに有することを特徴とする請求項１の方法。