JP2000507712A - 光集積化ビーム拡がりトランスフォーマ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光集積化ビーム拡がりトランスフォーマ（ＦＷＴ）は、チップーファイバカップリングのため必要とされ、偏波非依存性で、かつ、わずかな損失を呈し、有利なコストで作製できなければならない。導電層（６）により相互に分離された、サブストレート（４）上の複数のバッファ層（５）を有するＦＷＴの集積化構成において、上方のバッファ層（５）上にテーパ付領域（９）を有するクラッディング、クラッド被覆の施されていないリブ導波路（７，８）が設けられている。ファイバ側インターフェース（２）とテーパ付領域（９）との間にセクション（１１）が設けられており、該セクション（１１）に亘って、リブ（８）が延在する。そこでは、導波層（７）が除去されており、露出されたバッファ層（８）は、連続性リブ（８）に対称的にリブ幅Ｗ１より大の幅Ｗ２に絞られ低減されている。そのようにして形成された付加的リブ（１２）は、カップリング結合部に対する偏波非依存性を可能にする。前記カップリングは、バッファ層（５）の増大する層高さ（ｄ１，ｄ２，ｄ３）により最適化される。

Description

【発明の詳細な説明】 光集積化ビーム拡がりトランスフォーマ 本発明は、導電層により相互に分離された、サブストレート上の複数のバッフ ァ層と、上方バッファ層に配置された一定のリブ幅のクラッディング、クラッド 被覆の施されていないリブ導波路とから構成された光集積化ビーム拡がりトラン スフォーマであって、前記リブ導波路は、チップ側、ファイバ側インターフェー ス間にテーパ付領域を有する当該のトランスフォーマに関する。 光集積回路素子では光導波路の接続の際横断面変化が生じる。伝搬する光波は 、急激な移行遷移を回避するには拡開又は集束するようなビーム拡がりの変化を 受けなければならない。付加的にフォトニック回路を光ファイバと結合する際、 伝搬像は相互にその形状が適合されるべきである。光集積化導波路において、伝 搬像は、回転対称形態のファイバにて狭細な横になっている、横座りの楕円の形 状を有する。クラッディング、クラッド被覆されていないリブ光導波路に対して 、楕円形状を阻止できないが、光導波路にてビーム拡がり、拡開により伝搬像を ファイバへの整合、適合損失がたんにわずかであるように拡大できる。 光導波路移行接合部及びファイバと光導波路との結 合カップリングの問題を、一連の刊行物が扱っている。例えば、ＤＥ４１０３８ ９６Ｃ１及びＤＥ４１４２８５０Ａ１，である。そこでは、図３から図５参照の こと。本発明が基礎とする従来技術は下記刊行物から公知である。 “Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ２１ｓｔ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃ ｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＥＣＯＣ’９５，Ｂ ｒｕｅｓｓｅｌ，ＢＥ，Ｐａｐｅｒ Ｔｕ Ｐ２２．１９９５，“Ｕｎｃｌａｄ ｄｅｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｔａｐｅｒｓ ｗｉｔｈ ＩｎＧａＡｓＰ／Ｉｎ Ｐ ｒｉｂ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｉｂｒｅ ーｃｈｉＰ ｂｕｔｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ”,Ｍｏｒｌ ｅｔ ａｌ．前記ビー ム拡がりトランスフォーマはモード整合の際の１ｄＢのわずかな損失の要求をも 、そして、有利なコストでの作製の要求を充足する。リブ光導波路のテーパ付領 域に基づき、垂直方向への伝搬像のずれ及び水平及び垂直方向でのビーム拡がり 変化が行われる。それにより、既にＴＥ偏波に関して最適化を行い得た。チップ ーファイバの結合損失は、ＴＥ成分に対して、ほぼ２ｄＢであるが、ＴＭ成分に 対して数ｄＢより高い。 本発明が取り扱う技術的問題は、既に達成された利点のほかに、ビーム拡がり トランスフォーマの偏波非 依存性を生じさせることである。 本発明によれば、冒頭に述べた形式のビーム拡がりトランスフォーマにおいて 、ファイバ側インターフェースからテーパ付領域まで延在するセクションが形成 されており、該セクションでは、ファイバ側インターフェースからテーパ付領域 まで延びるセクションが設けられており、該セクションでは、リブがファイバ側 インターフェースのところまで延長されており、前記リブ導波路は完全に除去さ れており、そして、露出されたバッファ層に対称的にリブ幅Ｗ１より大の幅Ｗ２ に絞られ低減されているのである。 よって、本発明のビーム拡がりトランスフォーマは、光伝搬方向に無関係に動 作し、従って双方向のチップーファイバー結合部カップリングである。従来技術 に比して新規に作成されたセクションは付加的なリブをを有し、該リブは、以下 ＴＭーフォーカシングリブと称される。このフォーカシングリブは、次のように して形成される、即ち、リブの直ぐ下方にある光導波路層の除去後、連続性リブ の両側にて露出されたバッファ層がリブに対称的に側方領域にてバッファ層の下 にある導電層のところまで除去されるのである。ＴＭフォーカシングリブにより 、ＴＭ成分に対してもファイバの回転対称形状への伝搬層の最適適合が達成され 、つまり当該の配置構成は、わずかなモード整合、適合損失の維持下で偏波非依 存性になる。明らかになっ たところでは、光導波路がビーム拡がりトランスフォーマ全体に亘って単一モー ド状態に保たれ、場合により、起こり得るビーム損失は、大した影響を及ぼさな い。付加的な作製コストは、本発明の基礎となる従来技術と異なって、唯一の更 なる構成ステップに限定され、作製コストに大して影響を及ぼさない。 本発明のセクションの次のような構成との共働、組合せに関しても固有の発明 性の意義がある、即ち、テーパ付領域は、ランプとして構成され、該ランプは、 長手方向で連続的に変化する勾配及び露出されたバッファ層への連続的移行部を 有するのである。そのようにして露出されたバッファ層をその幅が低減されるの である。それにより、当該領域は、長さがどうしても必要な程度に制限され、そ して、殊に垂直方向である伝搬像のずれの際の改善を達成できる。 本発明及びそれの実施形態にとって実質的に重要であるのは、バッファ層がサ ブストレートの方向に向かって層高さが増大していることである。よって、前記 構成は、次のことをも表している、即ち、バッファ層間の導電層がＴＭフォーカ シングリブの下方で増大する間隔２を有していることそして、ＴＥー及びＴＭ成 分の双方に最適の伝搬を保証するのである。 本発明の実施形態を以下図を用いて説明する。 図１は、本発明のビーム拡がりトランスフォーマの斜視図である。 図２は、本発明が基礎とする従来技術によるビーム拡がりトランスフォーマの 斜視図である。 図３は、図１のビーム拡がりトランスフォーマの従断面図である。 図４は、図３の従断面図にてマーキングした個所のフィールド像の概念図であ る。 図５は、テーパ付領域にてＴＥー及びＴＭ成分に対する結合損失及びビームス ポット寸法に関連する特性図である。 図６は、連続性リブの重要パラメータ決定のための特性図である。 図１に示すビーム拡がりトランスフォーマ１（以下ＦＷＴと称する）は、ファ イバインターフェース２とチップ側インターフェース３を有する。ビーム拡がり トランスフォーマは、サブストレート４上に形成された、複数のバッファ層の列 ５から成り、該複数のバッファ層の列５は、導電層６により相互に分離されてい る。サブストレート４と、下方の導電層６との間の層は、技術上の理由から、少 なくともバッファ層５と類似の材料から成る。サブストレート４の方向で、バッ ファ層５は、増大する層高さｄ１，ｄ２，ｄ３２を有する。それにより、導電層 ６の間隔が同じ方向で増大する。 上方のバッファ層５上には、導波層７と連続性リブ８が設けられており、該連 続性リブ８は幅Ｗ１及び高 さｈで構造化されている。バッファ層５は、ＩｎＰから成り、すべての導電層６ ，７及びリブ８は、ＩｎＧａＡｓＰから成る。導波層７及び連続性リブ７は、一 体的に構成される。 長手方向で、ＦＷＴ１は、３つのセクションを有する。チップ側インターフェ ース３２隣接するセクションにて、ＦＷＴ１の構成は、結合されるべき又は既に 集積化されたチップの構成と同一である。中央セクションにて、テーパ付領域９ が設けられており、該テーパ付領域では導波層７の厚さｔが変化し、ランプ１０ として構成されている該ランプ１０は、長手方向で連続的に変化する勾配及び露 出されたバッファ層５への連続的な移行遷移部を有する。領域におけるランプの 最も大きな勾配は、チップ側インターフェース３に位置する側に存在する。テー パ付領域９では、パラボリック状ランプ１０は、連続性リブ８にその輪郭にて適 合、接合する。テーパ付領域９とファイバ側インターフェース２との間にて、第 ３セクションにて、導波層７が完全に除去されている。ここで、上方バッファ層 ５は、連続性リブ８により被われた表面を除いて露出されており、連続性リブ８ に対称的に幅Ｗ２に低減されている。上方バッファ層５の残留する残部は、付加 的短いリブ１２を形成し、該短いリブ１２は、ＴＭフォーカシングリブと称され る。連続性リブ８は、すべてのセクションに亘って幅Ｗ１及び高さｈの点で一定 の寸法を有する。 従来技術と比べての本発明のＦＷＴの差異は、図２を用いて示す。公知のＦＷ Ｔはたんに２つの領域のみを有する。１つはファイバ側インターフェースに隣接 しており、平坦な傾斜したランプを有するテーパ付領域として公知のＦＷＴの構 成は成る程導波路により相互に分離されている複数のバッファ層から成るが、当 該バッファ層はすべて同じ高さで構成されており、他方では、チップ側接続部に 隣接している。本発明に本質的なＴＭフォーカシングリブを有する１つのセクシ ョンが従来技術において記載されてもいなければ示唆されていない。 図３は、図４の図示内容と密接な関連を有する。図３の中央従断面図は、ＦＷ Ｔ１の全長に亘りファイバ側及びチップ側インターフェース２ないし３間で延在 する連続性リブ８、中央領域にてテーパ付けされた導波層７並びに交替するバッ ファ層５及び導電層６を示す。この中央従断面図にてＴＭフォーカシングリブ１ ２の後縁が破線で示されている。 図４における電磁界、フィールド分布の表示内容は、ファイバ側及びチップ側 インターフェース２ないし３の平面及びテーパ付領域９の中央に関する。チップ 側インターフェース３にて、光波は、８にてわずかなビーム拡がりを以て導波ガ イドされる。テーパ付領域９に対して示されたフィールド分布は、垂直及び水平 拡開及び水平方向でのフィールド分布の重心のずれを示す。ファイバ側のインタ ーフェース２にて、光波は、大きなビーム拡がりを以て導波される。当該フィー ルド分布は、光波の偏波非依存性の結合を保証する。 図５及び図６に示すダイヤグラムは、本発明におけるＦＷＴにおける連続性リ ブ８の選定に用いられる。ここで、図５のダイヤグラムでは、波長λ。＝１．０ ６μｍに対する第４材料が基礎とされている。前記ダイヤグラムの上方領域は、 ＴＥ成分に対して成り立ち、下方領域は、ＴＭ成分に対して成立つ。バッファ層 は、ｄ１＝０．７μｍ，ｄ２＝１，８５μｍ，ｄ３＝３，１５μｍ（ｄ１，ｄ２ ，ｄ３ 図１参照）の厚さのものが基礎とされている。 導波層７の厚さｔ、単位ｎｍに依存して、それぞれ、水平方向ーｄｘー及び垂 直方向ーｂｙーのビームスポット直径及びモード適合に基づく損失が示されてい る。小さな層厚ｔのもとで、ｄｙは一定の値に接近し、該一定の値は、導電層６ の位置により設定される。これに対して、ｄｋは著しく上昇するが、切れ目（“ カットオフ”）を有しない、それというのは、導波層７，８は横方向に対称的に 構成されているからである。それに対して、損失ロスの最小値は、モード整合に 対してＴＥ及びＴＭ成分に関して厚さｔの種々異なる値のもとで表れる。ＴＥー 及びＴＭー成分に対する損失特性カーブは、３５ｎｍのもとで交差し、そこで、 ほぼ２ｄＢのモード整合、適合損失を呈する。 ｔ＝３５ｎｍのもとでのＴＥ−及びＴＭ−成分に対する交点を利用する代わり に、本発明の実施形態では、両偏波の各々が相互に無関係に相異なって扱い処理 される。先ず垂直方向のテーパ付きにより、ＴＥ偏波された光波に対する損失は 、１．７ｄＢになるが、ＴＭ偏波された光波に対する損失は、３．２ｄＢとなる 。それというのは、ＴＭ成分に対するビームスポットサイズは、過度に大である からである。付加的リブ１２は、ＴＭ成分に対するビームスポットサイズをも減 少させ、従って、ＴＭフォーカシングリブと称される。その結果ないし成果の要 点とするところは、モード整合、適合損失が総じて、全部で、１．１ｄＢとなり 、ＴＥ−及びＴＭ−偏波に対して同じ、同一であるということである。 本発明によるＦＷＴ１の作製に関して先ず指摘されるべきことによれば、そこ にて、テーパが偏波非依存性である精確な厚さを達成するのに、テーパ輪郭の垂 直方向エッチングがわずかなトレランス要求を充足しさえすればよいのである。 第４層は、テーパの終端部にてその下方に位置するＩｎＰ層まで完全に除去され ており、当該の層は除去に対する検出層として用いられる。偏波に依存しない同 じ損失は、本発明の実施形態では種々異なる幅Ｗ１及び種々異なる材料組成の連 続性リブ８に対して達成され得る、但し、導電層６及 びＴＭフォーカシングリブ１２が変わらない状態に保持される限り達成され得る 。図６の実線からは、連続性リブ８の２μｍで設定された幅Ｗ１の場合、モード 整合の１ｄＢ損失に対して連続性リブ８の高さｈと材料組成との関係性が明らか となる。破線では、連続性リブ８の幅Ｗ１も変わらないパラメータと仮定、想定 できる。次に選定例のデータを挙げる。 材料 ＧａｌｎＡｓＰ／ｌｎＰ 第４層 λ_Q＝１．０６μｍ リブ８ Ｗ１＝２．２μｍ，ｈ＝０．６μｍ リブ１２ Ｗ２＝１０μｍ，ｄ１＝０．７μｍ 導電層６ ０．１μｍ厚 バッファ層５ ｄ１＝０．７μｍ，ｄ２＝１．８５ μｍ， ｄ３＝３．１５μｍ テーパランプ 連続的勾配を以ての構成

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９８年１月５日（１９９８．１．５） 【補正内容】 請求の範囲 1. 導電層（６）により相互に分離された複数のバッファ層（５）から成る、１ つのサブストレート上に形成された層列と、上方バッファ層（５）上の、クラッ ディング、クラッド被覆の施されていないリブ導波路とを有し、前記リブ導波路 は、領域（９）を有する導波層（７）及び一定の厚さ（ｈ）及び幅（Ｗ１）のリ ブ（８）を有し、前記領域（９）は、チップ側とファイバ側インターフェース（ ３，２）間に厚さテーパとして構成されている光集積化ビーム拡がりトランスフ ォーマにおいて、 ファイバ側インターフェース（２）とテーパ付領域（９）との間にセクション （１１）が設けられており、該セクション（１１）に亘って、リブ（８）が変わ らない厚さ（ｈ）及び幅（Ｗ１）を以て延在し、そこでは、リブ（８）の両側に て、値零への導波層（７）の厚さ低減により、上方バッファ層（５）は、露出さ れており、そして、リブ（８）に対して対称的にリブ幅（Ｗ１）より大の幅（Ｗ ２）に絞られ低減されていることを特徴とする光集積化ビーム拡がりトランスフ ォーマ。 2. テーパ付領域（９）は、ランプ（１０）として構成され、該ランプ（１０） は、長手方向で連続的に変化する勾配及び露出されたバッファ層（５）への 連続的移行部を有することを特徴とする請求の範囲１記載の光集積化ビーム拡が りトランスフォーマ。 3. バッファ層（５）は、サブストレート（４）の方に向かって増大する層高さ （ｄ１，ｄ２，ｄ３）を以て構成されていることを特徴とする請求の範囲１又は ２記載の光集積化ビーム拡がりトランスフォーマ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 導電層（６）により相互に分離された、サブストレート（４）上の複数のバ ッファ層（５）と、上方バッファ層（５）上に配置された一定のリブ幅（Ｗ１） のクラッディング、クラッド被覆の施されていないリブ導波路（７，８）とから 構成された光集積化ビーム拡がりトランスフォーマであって、前記リブ導波路（ ７，８）は、チップ側、ファイバ側インターフェース（３，２）間にテーパ付領 域（９）を有する当該のトランスフォーマにおいて、 ファイバ側インターフェース（２）からテーパ付領域（９）まで延在するセク ション（１１）が形成されており、該セクション（１１）では、ファイバ側イン ターフェース（２）からテーパ付領域（９）まで延びるセクション（１１）が設 けられており、該セクション（１１）では、リブ（８）がファイバ側インターフ ェース（２）のところまで延長されており、前記リブ導波路（７，８）は完全に 除去されており、そして、露出されたバッファ層（８）は、連続性リブ（８）に 対称的にリブ幅（Ｗ１）より大の幅（Ｗ２）に絞られ低減されていることを特徴 とする光集積化ビーム拡がりトランスフォーマ。 2. テーパ付領域（９）は、ランプ（１０）として構成され、該ランプ（１０） は、長手方向で連続的に 変化する勾配及び露出されたバッファ層（５）への連続的移行部を有することを 特徴とする請求の範囲１記載の光集積化ビーム拡がりトランスフォーマ。 3. バッファ層（５）は、サブストレート（４）の方に向かって増大する層高さ （ｄ１，ｄ２，ｄ３）を以て構成されていることを特徴とする請求の範囲１又は ２記載の光集積化ビーム拡がりトランスフォーマ。