JP2002236230A - 平面型光学導波路素子 - Google Patents

平面型光学導波路素子

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 単一の基板上に複数の機能領域を集積できる
導波路構造体を提供する。 【解決手段】 ドープしたシリカ製の平面状導波路用の
最適化構造体を提供する。この最適化導波路は、効率的
な導波路−ファイバの結合とカプラと遅延要素の製造誤
差の低減と小さな曲げ半径が可能となる。また共通の製
造プロセスが、例えばドラゴンルータ,フーリエフィル
タのような基本要素を高い歩留まりで集積することがで
きる。本発明による最適化は、通常の矩形コア導波路よ
りも厚いコア層と光学回路の異なる機能領域毎に変化す
るコアの幅を用いることにより達成できる。したがっ
て、コアの高さは、基板全体に亘って均一に維持しなが
ら導波路性能を最適化するために、光リソグラフィ技術
を用いてコアの幅を様々に変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は平面上の光学導波路
に関し、特に大量生産に適した単一の基板上に、様々な
種類の受動型光学要素を高性能の機能的集積を行うため
に、導波路の機能領域に応じて変化する均一のコア高さ
とコア幅を有する最適化された導波路構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】光学回路は、通常例えばレーザあるいは
フォトダイオードのような光学的活性素子と、相互接続
と受動型光学要素を提供する光学導波路と、制御された
包囲体と外部素子への通路を提供するパッケージとを有
する。通常ドラゴンルータあるいはフーリエフィルタの
ような受動型光学要素は複数の導波路を有し、例えばカ
プラ領域あるいは位相制御されたアレイ領域のような1
つあるいは複数の機能領域を構成している。市場におい
ては、共通の大量生産技術でもって、単一の基板上に受
動型光学素子と相互接続機能を集積することが望まし
い。
【0003】現在最新のそして技術的に最も優れた平面
型導波路は、シリコン光学ベンチ(silicon optical be
nch (SiOB))技術を用いて形成したドープしたシ
リカ製導波路である。このドープしたシリカ製導波路
は、低コスト,低損失,低複屈折,安定性,光ファイバ
への結合可能性等の様々な特徴を有しているために通常
最も好ましいものである。さらにまたその製造処理技術
は、シリコン製の集積回路(IC)技術と適合性があ
り、そして大量生産に適し公知のものである。
【0004】通常、このドープしたシリカ製導波路は、
シリコン製あるいはシリカ製基板上に低屈折率のシリカ
製のベース即ち下部クラッド層を先ず堆積することによ
り形成される。その後、高屈折率のドープしたシリカ層
即ちコア層をこの下部クラッド層の上部表面に堆積す
る。その後このコア層をパターン化して、光リソグラフ
ィ技術(集積回路の製造技術に用いられるものと類似の
ものである)を用いて光学回路に必要とされる構造体を
形成する。最後に上部クラッド層をこのパターン化した
導波路コアをカバーするよう堆積する。この技術は、米
国特許第4,902,086号に開示されている。
【0005】平面上光学導波路の性能に取って重要な点
は、導波路の寸法、即ち導波路コアの高さと幅および導
波路のコアとクラッド層との間の屈折率差(Δ)であ
る。コアの高さ(H)即ち厚みはコア層の厚みにより決
定され、コアの幅(W)は、光リソグラフマスクと化学
エッチングのアンダカットにより決定される。
【0006】先ず標準的なPドープ導波路は、約5μm
幅の対称正方形コア構造体と約15μmの下部クラッド
層と約15μmの上部クラッド層媒体の0.6%の中間
Δを有する。幅と高さの等しい正方形のコアが選択され
る主な理由は、環状光学ファイバを最もよくエミュレー
ト(近似)し、モデル化とマスクレイアウトが容易とな
るためである。このコアの寸法は、光学閉じ込め効果を
強化し、伝送損失を低下させるためにできるだけ大きい
方が好ましいが、導波路がシングルモードを維持する程
度充分小さくなければならない。しかし、この導波路
は、約0.3%のΔと約8μmのコア直径を有する標準
のシングルモード光ファイバとは、モードフィールドが
かなりミスマッチする。上記の導波路を用いたファイバ
−導波路−ファイバの結合損失はλ=1.3μmの波長
で約0.8dBである。以下の説明においては、低Δと
は0.2%と0.5%の間で、中間Δとは0.5%から
0.8%の間で、高Δとは0.8%から2.5%の間を
表すものとする。
【0007】低い挿入損失のアプリケーション用に、モ
ードフィールドのミスマッチを減少するために、低三角
導波路が求められている。しかし、高度に複雑化した光
学回路のチップサイズを低減するためには、高三角導波
路が望ましい。その理由は、より強い光閉じ込め作用が
より小さな曲げ半径を可能にするからである。このため
異なるアプリケーションに対する要件を満足するため
に、異なる導波路構造体用に異なるプロセスが用いられ
ている。例えば、Δが約0.3%,0.7%,1.5%
であり、四角のコアの寸法が8μm,6μm,4μmで
ある3種類の異なる導波路構造体を用いて、各機能領域
で性能を最適化するために異なる機能領域を有する光学
回路を実現する。しかしこのような多重導波路構造体
は、単一の基板上に集積することは、極めて困難でさら
にまた共通の製造プロセスを用いることは、ほとんど不
可能である、その理由は、特にコアの高さ即ち厚さは、
機能領域の間で変化しなければならないからである。
【0008】第2に制御不可能な製造上の誤差に起因す
る結合長さのロット毎、あるいはウェハ毎の結合長さの
変動は、異なる長さのカプラを有する数個のグループに
分けた素子を、単一の光リソグラフマスク上に配置する
事により現在のところ解決している。しかし、このアプ
ローチは、歩留まりが悪く、その理由は、通常グループ
の中の1つのみがウェハの各ロットに対し有効に作用す
る素子を形成するに過ぎないからである。さらにまたこ
のアプローチは、導波路の断面の変動あるいはウェハの
スケールの非均一性に関連する素子の性能問題のいずれ
をも解決していない。
【0009】最後にドラゴンルータのクロストークは、
位相グレーティング導波路のランダム位相エラーに対し
感受性がある。このような導波路の幅の変動に起因する
エラーを低減するためにΔが0.6%で、幅が8μm、
高さが3.5μmの導波路を用いている。しかし、5μ
mの矩形の導波路に比較してこの導波路構造体は、標準
の光ファイバとのモードフィールドミスマッチはさらに
大きく、そしてカプラは導波路の高さと幅の制御不能の
変動にさらにまた敏感である。さらにドラゴンルータ,
フーリエフィルタ,他の光学素子等は、コアの厚さが異
なる導波路構造体上に形成されるために、これらの素子
を同一のウェハあるいは構造体上に複数の機能回路とし
て組み込むことは不可能である。
【0010】
【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、単一の基板上に複数の機能領域を集積できる導波
路構造体を提供することであり、さらにまた高密度の集
積光回路を実現するために大量生産に適した集積回路技
術を用いて上記のような導波路構造体を提供することで
ある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、ドープしたシ
リカ製の平面状導波路用の最適化構造体を提供すること
である。このような本発明の最適化導波路は、効率的な
導波路−ファイバの結合とカプラと遅延要素の製造誤差
の低減と小さな曲げ半径が可能となる。さらにまた本発
明によれば、共通の製造プロセスが、例えばドラゴンル
ータ,フーリエフィルタのような基本要素を高い歩留ま
りで集積することができる。本発明による最適化は、通
常の矩形コア導波路よりもより厚いコア層と光学回路の
異なる機能領域毎に変化するコアの幅を用いることによ
り(光リソグラフィ製造技術を用いて)達成できる。例
えば、約0.6%のΔを有する最適化したシングルモー
ドPドープシリカ性導波路は、波長λが1.2から1.
7μmに対し、Hが6.7μmで幅が4μmのコア寸法
を有する。光ファイバとの結合領域においては、この導
波路は、その幅Wが9μmに広がり、コアの高さは一定
である。そして曲げ領域においては、導波路は幅Wが
5.5μmに広がり、コアの高さは一定である。さらに
またドラゴンルータの位相列領域においては、各導波路
は幅Wが10μmに広がり、コアの高さは一定である。
したがって、本発明によればコアの高さは、基板全体に
亘って均一に維持しながら導波路性能を最適化するため
に、光リソグラフィ技術を用いてコアの幅を様々に変化
させることができる。
【0012】本発明による最適化された導波路は、材料
の堆積、化学プロセスをほとんど複雑にすることがない
マスクデザインを用いることができるために極めて実用
的である。さらにまた本発明の最適化方法は、同様に他
の導波路システムにも適応可能である。
【0013】
【発明の実施の形態】1.導入 本発明は高い適合性と高い素子効率と高い歩留まりを有
する集積光回路用の導波路構造体を開示する。本発明
は、光ファイバ通信システム、特にポイントトゥマルチ
ポイント構成を用いたローカル分散ネットワーク用にド
ラゴンルータ,フーリエフィルタ,Y型ブランチ等の様
々な種類の光学素子を機能受動型回路に集積するもので
ある。本発明のプロセスは、コアの厚さは共通で異なる
機能領域(例えば、ファイバ−導波路−ファイバの結合
領域,カプラの結合領域,あるいは曲げ領域)毎にコア
の幅が異なるものである。本発明は、波長が1.2から
1.7μm用のPドープのシリカ性導波路を例にして説
明する。しかし当業者であれば、本発明は、他の導波路
システム、例えばガラス系あるいは有機材料系あるいは
半導体系のいずれにも適応可能であることが分かるであ
ろう。
【0014】図1において、フーリエフィルタ10は本
発明の最適化導波路12,14を有する。特に同図は、
それぞれ最適化導波路12,14のコア16,18の平
面上のパターンを表し、これらは基板20上のフーリエ
フィルタ10の製造の際のフォトリソグラフマスクを用
いて規定されたものである。このコア16,18はほぼ
同一で、同一の高さ(H)を有するが、以下に説明する
ように最適化導波路12,14の性能を最適化するため
に、異なる領域で変化する幅(W)を有する。
【0015】2.最適化プロセス A.シングルモード動作 多くの光学素子は、シングルモード導波路上に形成され
るか、あるいはシングルモード領域を有している。例え
ば、フーリエフィルタ10の領域22,24,26,2
8は、この実施例ではシングルモードである。特に領域
22,24,26は、シングルモードの最適化導波路1
2,14のカプラであり、領域28は光ファイバ32に
結合される導波路端部30の高次モードを取り除くもの
である。フーリエフィルタ10の他の導波路領域は、シ
ングルモードではなく、マルチモードを用いることがで
きる。ただし、モード変換は少ないかあるいは変換され
た高次モードは領域28により除去されるものとする。
【0016】弱い導波機能の導波路に対しては、(基本
モードの)光強度の空間分布はほぼ対称のガウス分布で
あり、シングルモードの条件は、最低時の近似までコア
の断面積は最大値以下であることが必要である。Δが約
0.6%のPドープのシリカ製導波路は、導波路に対し
ては、最大コア面積は1.3ないし1.7μmの波長に
対しては約30μm である。そのため様々なコア寸
法を用いることができ、断面積が30μm 以下とな
るような様々なコア寸法、例えば5×5μm,3×8
μm,6.7×4μmを用いることができる。しか
し、導波路コアの高さは、製造時のコア層の厚さにより
決定されるために、複数の高さを有する導波路コアを、
単一の基板上に製造することは極めて困難である。した
がって、コアの高さは一定で、基板全体に亘りコアの高
さが一定の導波路構造を得ることは極めて望ましい。こ
のコアの高さは、導波路の異なる機能領域でも同一であ
るので、コアの幅は、各領域で性能を最適化するために
異なる機能領域で変化させなければならない。
【0017】H=6.7μmのコア高さが、Pドープの
シリカ製導波路に対し最適なものと決定できる。シング
ルモード導波路に対応するコア幅は、W=4μmである
が、このコアの幅は、以下の設計事項を考慮することに
より変化するものである。前述したようにここに開示し
た寸法は、単なる一実施例で本発明の範囲を制限するよ
う解釈されるべきものではない。しかし本明細書に開示
した説明、例えばコアの高さと幅のアスペクト比は、他
の導波路システムにも同様に適応できるものである。し
たがって、本発明による最適化導波路は、そのコア高さ
が約H=6.7μmで、その幅は約4μmから10μm
の間で、これは以下に述べる設計事項に基づいて決まる
ものである。
【0018】B.ファイバ結合損失 導波路が光ファイバに結合されると、導波路と光ファイ
バとの間のモードフィールドミスマッチとファイバと導
波路との間の不整合のためにファイバ結合損失が発生す
る。前者のモードフィールドミスマッチは、導波路と光
ファイバとのサイズとΔの差に起因する。例えば、1.
3μmと1.55μmの波長通信用の通常使用されるシ
ングルモードファイバは、AT&T社製の5Dファイバ
があり、これはΔが0.3%でコアの直径が約8μmで
ある。しかし、大部分の平面上導波路のΔは、それ以上
高く例えばPドープのシリカ製導波路では0.6%であ
る。このことは実際の導波路製造のサイズの制限のた
め、およびより高いΔは、基板上により高い集積密度が
可能となるために好ましい。より高いΔの結果、コアサ
イズとガイドされた光学モードのサイズとは、通常のシ
ングルモード導波路においては、例えばAT&T社製の
5Dファイバのような通常使用されるファイバのそれよ
りも小さい。
【0019】λ=1.3μmでPドープのシリカ製導波
路と、AT&T社製の5Dシングルモードファイバとを
用いると、コアの高さ(H)と幅(W)に関連する計算
上のファイバ−導波路−ファイバ(2つの接合面)のモ
ードフィールドミスマッチ損失を図2に示す。例えば、
H=5μm,W=5μmの寸法のコアを有する導波路の
結合損失は約0.8dBで、H=3μm,W=4μmの
寸法のコアを有する導波路は1.0dBである。
【0020】コアのサイズが大きくなると、光学モード
も大きくなりファイバのそれにより適合する。正確な整
合(マッチ)が発生するのは、導波路のΔが、光ファイ
バのそれに有効に拡散(diluted) する時にのみ発生
し、このことを達成するのは現在の製造技術では困難で
ある。しかし、図2に示すようにH=6.7μm,W=
9μmの寸法のコアを有する導波路に対しては、デルタ
Δを減少させずに、矩形のボックス34に示すように結
合損失は0.25dB以下であることが分かる。この損
失量は多くの応用例においては、満足すべきものであ
り、以前では低Δの導波路を用いた場合のみ達成可能で
あった。またコアの高さが9μmまで増加すると、結合
損失は0.1dBまでさらに減少する。しかし、シング
ルモードを維持するためには、H=9μmの導波路は現
在の製造技術で信頼性よく製造するためには、コアの幅
が狭くなりすぎる。さらにまた従来の導波路と同様にコ
アの高さを5μmにした場合には、コアの幅を大きくし
たとしても結合損失は、0.5dB以上である。ファイ
バ−導波路−ファイバの結合損失が0.3dB以下で−
50dBのクロストークの粗波長分割マルチプレクサ
(WDM)は、H=6.7μmで達成できる。
【0021】図1に示すように、ファイバ−導波路−フ
ァイバの結合損失を減少するために導波路端部領域32
は、W=9μmまで広げられる。その結果、導波路はH
=6.7μmでW=9μmの端部領域ではマルチモード
であり、このため不整合がある状態では光は高次モード
となる。そのため領域28が、高次モードを取り除くた
めにつけ加えられる。通常長さが500μmのモード不
変換テーパが遷移領域として用いられ、その領域では、
導波路の幅は徐々に拡張するかあるいは狭くなる。この
遷移領域は、通常、図1の領域28と導波路端部30と
の間である。したがって、領域28と導波路端部30
は、拡張モードテーパと称する。
【0022】ファイバ−導波路結合損失を減少するため
に、別個のモードテーパが提案されているが、これはそ
の挿入損失により、0.3dB以下のファイバ−導波路
−ファイバ結合損失を提供するには実際的ではない。こ
の別個のモードテーパに比較して、本発明の拡張モード
テーパ構成は、挿入損失がはるかに低く、アンダーカッ
トとチップダイスの位置の製造誤差に対し、許容度があ
り不利な点はない。
【0023】ファイバと導波路との不整合に起因するフ
ァイバ結合損失に関しては、この結合損失は導波路とフ
ァイバのモードサイズに影響される。より大きなモード
サイズにおいては、結合損失は、横方向の不整合に対し
ては小さくなり、角度的な不整合に対しては大きくな
る。このため横方向の不整合がファイバの取付とウェハ
のテストでは支配的なために、導波路端部30における
性能を最適化するためには、導波路の寸法を拡大し、し
たがってモードサイズを増加させることは、全体の不整
合損失を減少させることになる。
【0024】したがって、Pドープのシリカ製導波路の
端部領域(導波路が光ファイバに結合される領域)にお
いては、コアの幅と高さとのアスペクト比は1.2以上
である。
【0025】C.結合効率 近接して配置されたシングルモード導波路(図1の領域
22,24,26)を含むカプラの結合効率は、光が導
波路から他の導波路に結合するのに必要な最低カプラ長
さである結合長さにより特徴づけられる。この結合長さ
は、2つの最適化導波路12,14のコアの幅とずれ
(separation)に極めて敏感である。その理由は、結合
は2つの導波路の光学フィールドのテールのオーバラッ
プから得られるからである。製造に対しては、中心間の
ずれは、比較的一定であるが、コアの幅と端部間のずれ
は変化する、その理由は光リソグラフの条件とエッチン
グのアンダーカットの変化を制御できないからである。
かくして高い歩留まりを得るためには、この結合長さ
は、製造誤差に対して安定していなければならない。
【0026】次に、図3においてPドープのシリカ製導
波路に対し、λ=1.55μmに対し中心間のずれC=
9.0μmとC=9.5μmのカプラに対し、計算され
た結合長をそれぞれA,Bとして示す。
【0027】図3Aにおいては、コアの幅W=4μmの
周辺でのW軸に対してカーブは平行になる。このことは
結合長は、この寸法の幅における変動が最も敏感ではな
いことを意味する。隣接するカーブの間の結合長のステ
ップと大きさは、図3のA,B両方とも100μmであ
る。しかし、図3のAの隣接するカーブ間の垂直方向の
スペースは、図3Bのそれよりも約2倍以上大きく最適
の導波路に対する結合長さは、矩形の導波路に対してよ
りもコアの高さ方向の変化に対し、より感受性が少ない
ことを意味する。図3Aの点線の矩形36に示すよう
に、最適化された導波路のコア高さは6.7μmで、コ
ア幅は4μmである。比較のために図3Bでは、導波路
のコアの寸法は、5×5μm を中心にしてこれは、
矩形の箱38に示すとおりである。
【0028】このような安定した形状が存在することを
次に説明する。一定の中心間のずれに対しては、両方の
導波路の幅が減少した時には、2つの影響がある。その
1つは光学フィールドの閉じ込めが少なくなり拡張して
2つの導波路のギャップ内に拡張し、その結果より強い
結合が得られる結果となる。他の影響は2つの導波路の
間のギャップがさらに大きくなるとこれはより弱い結合
となる。この2つの影響は上記の安定した構成において
は、互いにバンランスしている。結合波長は、この形状
ではコアの高さに敏感ではなくなるが、その理由はモー
ド閉じ込めは、最低時の近似ではコアの領域に依存し、
高さを変化させることは幅を変化させるのと同様な2つ
の相反する影響を有する。
【0029】この安定したコアの幅は、中心間のずれ
(C)の関数であり、コアの高さと波長λには余り依存
しない。この中心間のずれは、カプラの設計の便宜上λ
=1.55μmにおいて結合長が約2000μmである
ように選択される。そしてコアの高さは、この安定した
形状において導波路はシングルモードであるが、ほとん
どダブルモードとなるように選択される。一般的にこの
ことはカプラ領域においては、コアの高さはコアの幅以
上であり、これにより四角形の導波路よりもより厚いコ
アの層が必要であり、このことは同時に拡張したテーパ
部を用いてファイバへのよりよい結合が可能となる。好
ましくはPドープのシリカ製導波路の結合領域において
は、コアの高さ対幅のアスペクト比は1.2以上であ
る。
【0030】D.安定な有効屈折率 ある種の素子においては、その素子に含まれる導波路の
有効屈折率が製造上の誤差にも関わらず安定(一定)で
あることが必要である。例えば、図4において、ドラゴ
ンルータ40は2つの誘電体性のスラブ(スターカプ
ラ)44の間に配置された位相グレーティング列42と
1つあるいは複数の入力導波路46と複数の出力導波路
48とを有する。ドラゴンルータ40内のクロストーク
は、フォトリソグラフマスクのデジタルエラーとエッチ
ングのアンダーカットの非規則性に起因する導波路コア
の幅の変動により引き起こされる位相グレーティング列
42内のランダム位相エラーに敏感である。例えば、1
600Ghz自由スペクトル領域の8×8ルータにおい
ては、各グレーティング導波路の全長は1cm以上であ
るが、パス長の0.05μmに等しい位相エラーがあれ
ば、クロストークの性能を非常に劣化させるのに充分で
ある。そのため各グレーティング導波路のパス長(実際
の長さ×有効屈折率)は、極めて正確に制御しなければ
ならない。したがって、導波路の有効屈折率の変動は、
クロストークの性能を劣化させその結果低歩留まりとな
る。
【0031】λ=1.55μmのPドープ導波路(クラ
ッド層の屈折率nclad=1.445)に対する有効
屈折率neff をコアの幅とコアの高さの関数として
計算し図5に示す。隣接するカーブの間の水平方向のス
ペースは、有効屈折率nef を0.001だけ変える
のに必要なコアの幅の変化を表す。本発明によれば、図
5の矩形の囲み50に示されるように、H=6.7μ
m,W=10μmの寸法を有するコアが、ここでいう安
定なカプラと低損失ファイバ−導波路カプラ用に得られ
た高さのコアと一致する。好ましくはドラゴンルータ4
0の位相グレーティング列42を有する各導波路は、コ
アの幅対コアの高さに対するアスペクト比が1.15以
上である。
【0032】図5から明かなように、6.7×10μm
の寸法のコアを有する導波路のn effは、ドラゴン
ルータの高さが3μmで幅が8μmの寸法のコアを有す
る従来の導波路よりも、コアの幅の変化に対し感受性が
少ない。このためこのような導波路構造体は、低クロス
トークを生成するのに必要なコアの幅に関して、製造誤
差に対しより安定性がある。しかし導波路は、コアの高
さとコアの幅が増加するためにマルチモードとなるの
で、シングルモード領域52が付加されて高次モードを
取り除く。別の構成としては、各グレーティング導波路
を小さな曲げ半径でもって湾曲させ、その結果全ての高
次モードを有効に放射するようにしてシングルモード領
域52を取り除くこともできる。
【0033】図6は200Ghzのチャネル間隔の3個
の8×8ドラゴンルータから測定された伝送スペクトラ
ムを表す図である。このスペクトラムは、5番目の入力
から5番目の出力の間で測定され、その際ファイバ−導
波路の結合損失はないものとする。この素子は、同一基
板上でコアの高さH=6.7μmのPドープのシリカ製
導波路でもって形成された。この3個の素子は、グレー
ティング導波路のコアの幅が違うだけでそのコアの幅は
それぞれ8.5μm,6.5μm,5.5μmである。
この伝送スペクトラムは、ピークのクロストークは、そ
れぞれW=8.5,6.5,5.5μmの導波路に対
し、−26dB,−22dB,−14dBである。上記
のことからコアの幅が広くなればランダム位相エラーが
小さくなり、ここに開示したコア高さの最適化導波路で
もって、高性能のドラゴンルータが形成できる可能性が
あることを示すことになる。
【0034】E.曲げ損失 曲げ領域は、多くの導波路素子にとって必要不可欠なも
のである。例えば、図1に示すフーリエフィルタ10
は、湾曲領域54,56を有し、図4のドラゴンルータ
40は、位相グレーティング列42内に湾曲領域を有す
る複数の導波路を有する。これらの湾曲部の曲げ半径
は、充分に大きくその結果挿入損失が許される程度のも
のである。多くの場合これらの湾曲領域が素子が組み込
まれる光学回路の大きさを決定するので小さな曲げ半径
程好ましい。
【0035】導波路にシングルモードが必要な場合に
は、より大きなコアの寸法を用いると、より小さな曲げ
半径が可能となる。より大きなコア寸法は、光学フィー
ルドの閉じ込めが強くなり、その結果光学パスはより簡
単に曲げることができる。
【0036】従来の導波路素子においては、15mmの
最低曲げ半径は、5×5μm の正方形コアを有する
Pドープシリカ製導波路上で達成できた。しかしH=
6.7μmで、W=5μmの寸法のコアを有する導波路
を用いることによって、カプラのシングルモード動作に
は影響を及ぼすことなく、その曲げ半径は約10mmま
で減少できた。さらに大きなコアの幅を用いることによ
り、曲げ半径をさらに減少することもできるが、湾曲部
でのモード変換により図4のドラゴンルータ40のシン
グルモード領域52の高次モードの除去が必要となる。
このためPドープのシリカ製導波路の湾曲領域では、コ
アの幅対高さのアスペクト比は、0.8以上且つ1.1
以下が好ましい。
【0037】3.製造 本発明のPドープシリカ製導波路構造体の製造方法を以
下に示す。
【0038】先ず、アンドープSiO(HiPOX)
製の第1の15μm厚の下部クラッド層を、高圧スチー
ム下でSiを酸化することにより形成する。7%のPド
ープのSiO(Pガラス)を含む所定厚のコア層を、
低圧CVD(LPCVD)を用いてその後堆積する。こ
のステップにより、導波路コアが基板全体に亘って均一
の厚さ即ち高さを規定する。その後このコア層をアニー
ルし、約1000℃で蒸気をかける。
【0039】その後このコア層を、コンピュータにより
生成されたフォトリソグラフマスクを用いてパターン化
し形成する。かくして、このコアの幅は、導波路の特性
を最適化するために、導波路の異なる機能領域で変化す
る。BとPをドープしたSiO(BPTEOS)製の
1.5μm厚のフロー層をLPCVDで堆積し、900
℃でアニールして、カプラ領域の2つの導波路コアの間
の狭いギャップを充填する。最後に7.5μm厚のBP
TEOSの2つの層を上部クラッド層として堆積しアニ
ールする。上部クラッド層は、下部クラッド層とほぼ同
一の屈折率を有し、コアは、下部クラッド層と上部クラ
ッド層よりも0.63%高い屈折率を有する。したがっ
て、コア層は基板全体に亘って均一の厚さを有するため
様々な種類の素子、例えばドラゴンルータ,フーリエフ
ィルタ,Y型ブランチ等を同一の光リソグラフマスク上
に機能回路として集積し、単一基板上に共通のプロセス
で製造できる。
【0040】
【発明の効果】本発明の平面上光学導波路は、例えばス
パッタリング電子ビーム蒸着,反応性イオンエッチング
等の様々な製造技術を用いて製造することができる。本
発明は、現在の光ファイバと結合することができ、その
低損失,低複屈折のためにドープしたシリカ製導波路で
もって実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による導波路の機能領域を表した最適導
波路の上面図である。
【図2】本発明の導波路を用いたファイバ−導波路−フ
ァイバのモードフィールドのミスマッチ損失を表した図
である。
【図3】Aは、中心間の距離が9.0μmの本発明によ
るカプラ用の結合距離を表した図である。Bは、中心間
の距離が9.5μmの従来のカプラの結合距離を表した
図である。
【図4】本発明によるドラゴンルータの上面図である。
【図5】コアの幅と高さの関数として有効屈折率を表し
た図である。
【図6】グレーティング導波路コアの幅がそれぞれ8.
5,6.5,5.5μmの本発明による3種類のドラゴ
ンルータから測定された伝送スペクトルを表す図であ
る。
【符号の説明】
10 フーリエフィルタ 12,14 最適化導波路 16,18 コア 20 基板 22,24,26,28 領域 30 導波路端部 32 光ファイバ 40 ドラゴンルータ 42 位相グレーティング列 44 誘電体性スラブ(スターカプラ) 46 入力導波路 48 出力導波路 52 シングルモード領域 54,56 湾曲領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エドワード ジョン ラスコウスキー アメリカ合衆国,07076 ニュージャージ ー,スコッチ プレインズ,エヴァーグリ ーン アヴェニュー 2289 (72)発明者 ユアン ピー.リー アメリカ合衆国,30155 ジョージア,ダ ルス,フェアフォード レイン 410 (72)発明者 ヘンリー ハワード ヤッフ アメリカ合衆国,30338 ジョージア,ダ ンウッディー,マーティナ ドライブ 1355 Fターム(参考) 2H037 BA24 CA04 2H047 KA04 KA12 KA13 KB04 KB09 LA01 LA18 MA05 PA05 PA21 QA04 RA00 TA05

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (A)基板(20)と、 (B)前記基板上に形成された、均一の高さと異なる機
    能領域で変化する幅とを有する第1導波路(12)と、 (C)前記基板(12)上に形成された均一の高さを有
    する第2導波路(14)と、からなり、前記第1導波路
    (12)と第2導波路(14)は、光学的に相互作用す
    ることを特徴とする平面型光学導波路素子。
  2. 【請求項2】 前記第2導波路(14)の幅は、異なる
    機能領域で変化することを特徴とする請求項1の素子。
  3. 【請求項3】 (A)基板(12)と、 (B)前記基板上に堆積された下部クラッド層と、 (C)前記下部クラッド層上に形成された均一高さ
    (H)と可変幅(W)とを有するコアと、 (D)前記コアと前記下部クラッド層上に堆積された上
    部クラッド層と、前記上部クラッド層は、前記上部クラ
    ッド層と前記下部クラッド層との間のコアを包囲し、 シングルモード領域で前記導波路素子は、高さ(H)/
    可変幅(W)>1.2のアスペクト比を有し、 湾曲領域では、前記導波路は、0.8<W/H<1.1
    のアスペクト比を有し、 導波路−ファイバの結合領域では、前記導波路は、W/
    H>1.2のアスペクト比を有することを特徴とする平
    面型光学導波路素子。
  4. 【請求項4】 前記導波路の高さは、6μm以上である
    ことを特徴とする請求項3の素子。
  5. 【請求項5】 前記下部導波路と上部導波路との間に包
    囲された第2コアを有する第2導波路をさらに有し、 前記第2導波路は、前記導波路と光学的に相互作用する
    よう構成され、 前記第2コアは、前記コアに等しい高さと可変幅とを有
    することを特徴とする請求項3の素子。
  6. 【請求項6】 前記導波路と前記第2導波路とは、結合
    領域で光学的に結合され、 前記結合領域は、前記コアと第2コアの幅の製造上の変
    動とは無関係の結合長を有することを特徴とする請求項
    5の素子。
  7. 【請求項7】 前記導波路の湾曲領域の導波路の幅は、
    所定の均一の幅まで前記湾曲領域の間に増加し、前記導
    波路が曲げ損失を減少させるマルチモードを導波するこ
    とを特徴とする請求項3の素子。
  8. 【請求項8】 基板上に様々な領域で光学的に相互作用
    する少なくとも2つの導波路を有し、前記各導波路は、
    高さと幅を有し、 前記導波路素子は、 前記導波路が光学的に結合される結合領域と、 前記導波路の結合領域における幅は、前記導波路の高さ
    対幅の比が1.2以上で、結合効率に関し前記幅の製造
    上の変動の影響を最低にし、前記導波路が光ファイバに
    接合されるインタフェース領域と、を有し、 前記導波路のインタフェース領域における幅は、前記導
    波路と光ファイバとの間のモードフィールドのミスマッ
    チを減少させるよう前記導波路に対し、前記高さの12
    0%以上増加していると有することを特徴とする平面型
    光学導波路素子。
  9. 【請求項9】 前記導波路が曲がる湾曲領域を有し、 前記導波路の幅は、曲げ損失を減少するために前記湾曲
    領域で所定の幅まで増加することを特徴とする請求項8
    の素子。
  10. 【請求項10】 (A)入力導波路を有する第1スター
    カプラと、 (B)複数の出力導波路を有する第2スターカプラと、 (C)前記第1スターカプラと第2スターカプラとを接
    続する位相グレーティング列と、 を有するドラゴンルータにおいて、 前記位相グレーティング列は、前記第1スターカプラの
    第一端と、前記第2スターカプラの第二端とに接続され
    る複数の不等長導波路を有し、 前記導波路は、コアの幅対高さの比が1.15以上で、 高次モード信号を除去するために、前記第一端と第二端
    のそれぞれに配置されたシングルモード領域とを有し、 前記位相グレーティング列は、コアの幅に関し製造誤差
    に対し安定であることを特徴とするドラゴンルータ。
  11. 【請求項11】 平面型光学導波路素子の製造方法にお
    いて、 (A)シリコン製あるいはシリカ製基板を提供するステ
    ップと、 (B)前記基板上にシリカ製の下部クラッド層を堆積す
    るステップと、 (C)前記下部クラッド層上にドープしたシリカ製のコ
    ア層を堆積するステップと、 (D)前記コア層を光リソグラフ技術を用いて、光学回
    路に必要とされる構造にパターン化するステップと、 前記光学回路の異なる機能領域でコアの幅が変化し、 (E)前記下部クラッド層と上部クラッド層との間のコ
    ア層を包囲するために、前記コア層と前記下部クラッド
    層上に上部クラッド層を堆積するステップとからなるこ
    とを特徴とする平面上光学導波路素子の製造方法。
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