JP2004510172A - 光ファイバ通信装置で使用する回折格子で偏光感度を低減する装置および方法 - Google Patents
光ファイバ通信装置で使用する回折格子で偏光感度を低減する装置および方法 Download PDFInfo
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Abstract
光通信システムで光信号を多重化および多重化解除する際に使用する、偏光感度が低減した回折格子(10’)は、反射性ステップ表面(16’)と、平坦部によって分離した交差ライザ表面とを含む複数の溝を有する。ステップ表面(16’)は反射性被覆(22’)を有し、ライザ表面(18’)は導電性被覆を有さない。反射性回折格子を作成する方法は、基板に複数の溝を形成し、各溝が、入射ビームを反射するための反射性表面と非反射性表面を有し、そしてステップ上に反射性被覆を設け、ライザ上には設けないことを含む。
Description
【0001】
(技術分野)
本発明は光通信に関し、より詳細には、バルク回折格子を使用する光マルチプレクサ/デマルチプレクサ(多重化装置/多重分離ないし多重化解除装置)で、偏光感度を低減することに関する。
【0002】
(背景技術)
光ファイバ通信の初期には、一般にファイバは、単一波長で単一チャネルのデータを搬送するために使用された。密波長分割多重化(DWDM)は、所与の波長帯内の複数の異なる波長のチャネルを、単一モード・ファイバを介して送信することを可能にし、したがって、光ファイバあたり伝送することができるデータ量が著しく増大する。各チャネルの波長は、各チャネルが互いに干渉しないように、かつファイバに対する伝送損失が最小となるように選択される。典型的には、DWDMにより、最大40のチャネルをファイバによって同時に伝送することが可能となる。
【0003】
DWDMでは、概念的に対称な2つの装置、すなわちマルチプレクサおよびデマルチプレクサが必要である。マルチプレクサは、それぞれ離散的波長であり、かつ離散的光源による光である複数波長の光のビームまたはチャネルを取り、このチャネルを組み合わせて単一の多重チャネルまたは多色ビームにする。入力は一般に、光ファイバの線形アレイ、レーザ・ダイオードの線形アレイ、または何らかの他の光源などの、導波路の線形アレイである。出力は一般に、光ファイバなどの単一導波路である。デマルチプレクサは、空間的に、波長に従って多色ビームを別々のチャネルに分離する。入力は一般に単一入力ファイバであり、出力は一般に、光ファイバまたは光検出器の線形アレイなどの導波路の線形アレイである。
【0004】
DWDMの要件を満たすためには、マルチプレクサおよびデマルチプレクサには、ある固有の特徴が必要である。第1に、密に離間したチャネルの高角度分散のために分散装置を提供することができ、それによって多重チャネルまたは多重化ビームからの個々のチャネルを、単一チャネル・ファイバの線形アレイと結合するために比較的短距離にわたって十分に分離することができなければならない。マルチプレクサおよびデマルチプレクサは、単一の装置が多重化機能と多重化解除機能のどちらも実行できるように可逆であることが好ましい(以下「(デ)マルチプレクサ」と表す)。さらに、(デ)マルチプレクサは、光ファイバ通信帯域幅に対応する自由スペクトルにわたってチャネルに対処することができなければならない。さらに、この装置は、漏話を最小にするように高解像度を実現しなければならず、さらに、信号損失を最小化するのに十分効率的でなければならない。理想的な装置はまた、小型で、耐久性があり、安価であり、拡張性がある。
【0005】
回折格子ベースのマルチプレクサおよびデマルチプレクサは、比較的低コストであり、高歩留まりであり、挿入損失が低く、漏話が少なく、損失が一様であり、かつ多数のチャネルを同時に多重化することができるので、密波長分割多重化応用例に関して他の技術に勝る著しい利点を有する。代表的な回折格子ベースの(デ)マルチプレクサ構成は、2000年7月29日出願の「Echelle Grating Dense Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer」という名称の、本願の譲受人に譲渡された同時係属の米国特許出願第09/628774号に開示されている。この特許出願の内容全体を本明細書に援用する。しかし、回折格子は固有の偏光感度を有し、この固有の偏光感度により多重化(解除)応用例での回折格子の有用性が制限される可能性がある。すなわち、光ファイバを介して伝播する光信号は不定の偏光状態を有し、光信号の偏光状態に依存する回折効率の尺度である偏光依存性損失が最小となるように実質上(デ)マルチプレクサを偏光不感応性にすることが必要となる。
【0006】
回折格子光ファイバ(デ)マルチプレクサの偏光感度を低減させるために、多数の方法および装置が存在する。Chowdhuryの米国特許第5966483号および6097863号(「Chowdhury」と総称する)は、偏光感度が低減した回折格子を記載している。これらの特許の開示全体を参照により援用する。Chowdhuryは、伝送帯域幅「Δλ」の中間波長「λ0」とは異なる波長「λb」の逆反射垂直入射光に対してブレーズ角「θb」の方向に回折格子の反射面を向けることによって、偏光感度を最小にできることを教示している。ブレーズ角θbは、伝送帯域幅Δλ内の波長λの第1回折効率と第2回折効率との間の差が減少するように選ばれる。回折効率の差を最小にするためのこの解法では、ブレーズ角およびブレーズ波長の選択に対して制限が課され、その制限によって、解像度が高く、漏話が最小であり、かつ信号損失の少ない、密に離間したいくつかのチャネルに対処する(デ)マルチプレクサ用の回折格子を提供するという最終的な目標が妨げられる可能性があるので、有用性が限られる可能性がある。
【0007】
Chowdhuryはさらに、回折格子の隣接する反射ステップ(段)とライザ(蹴上げ/立ち上げ)との間に凹凸のコーナ(角部)を設けることによって、回折格子の偏光感度を低減できることを教示している。より具体的には、Chowdhuryは、隣接するステップとライザとの間の凹んだコーナの半径を変化させることによって偏光感度を低減できることを教示している。この提案は、格子に関するブレーズ波長とブレーズ角の選択に望ましくない制限を課すことがないという利点を有するが、ナノメートル・スケールで凹凸の半径を正確に制御することは難しく、かつ費用がかかる。この提案はまた、格子の絶対効率を制限する可能性もある。
【0008】
Chowdhuryはまた、ピッチ(すなわち溝の間隔)を最大にすることが偏光感度を最小にする助けとなることを教示している。しかし、ブレーズ角およびブレーズ波長を操作して偏光感度を最小にするというChowdhuryの提案と同様に、この提案によっても格子ピッチに対して制限が課され、DWDM信号に対して適切なチャネル分離を達成することなど、回折格子の他の重要な目的を損なう可能性がある。
【0009】
McMahonの米国特許第4736360号は、反射面の幅が格子の動作波長に比べて十分大きいことを保証することによってバルク光格子での偏光感度を最小にできることを教示している。これは、Chowdhuryによって教示されたピッチの最大化と実質上同様である。この解法は応用例が限定される可能性があるが、この解法によっても、格子設計の選択に対して不要な制限となる可能性のあるものが課され、したがって、密なチャネル間隔を有する信号に対して格子がその波長分割多重化(解除)機能を実行する能力が制限される可能性がある。
【0010】
McMahonの米国特許第5937113号は、光導波路回折格子に関する偏光依存性損失を最小にするためのさらに別の方法を教示している。McMahonは、複数の所定の受光位置を備える出力領域を有する回折格子装置を教示している。第1スラブ導波路領域は第1の複屈折を有し、この第1スラブ導波領域は、光学的に装置の入出力領域に結合される。第1スラブ導波路領域に隣接する第2スラブ導波路領域は、所定の形状および所定の寸法を有し、第1スラブ導波路領域とは異なる第2の複屈折を与え、装置に対する偏光補償を実現する。この解法では、第1スラブ導波路と第2スラブ導波路を設けることが必要であり、したがって、バルク光装置に対しては容易には適用することができない。いずれにしても、少なくとも2つのスラブ導波路を設けることにより、製造の複雑さとコストが増加する。
【0011】
偏光感度を低減させる別の周知の方法は、偏光分離器と、それに続く、コリメータ系と格子との間の分離したビームのうちの1つに対する半波長板とを設けることである。偏光分離器は、入射ビームを、それぞれ直交する方向に沿って線形に偏光した第1光線と第2光線に分割する。ビームのうちの1つに対して配置される半波長板により、各ビームはどちらも同じ直交偏光を有する。この方法は、回折格子の設計に対して制限を課さず、それによってDWDMを実行することに関する回折格子の有用性を制限しないという利点を有するが、偏光ビーム・スプリッタと半波長板はどちらも(デ)マルチプレクサの効率全体を低減させる傾向があり、部品の合計と装置の複雑さが増大する。偏光感度を最小にするための偏光ビーム・スプリッタの使用法は、Niciaの米国特許第4741588号、Martinの米国特許第6084695号、Doerrの米国特許第5809184号、およびBoordのWO99/41858号で教示されている。
【0012】
本発明は、上記で議論した問題のうちの1つまたは複数を克服するためのものである。
【0013】
(発明の概要)
本発明の第1の態様は、光通信システムで光信号を多重化および多重化解除するための回折格子である。この回折格子は、基板に形成された複数の溝を有し、各溝が、反射ステップ表面を含む溝表面を有する。反射ステップ表面は反射性被覆を有し、溝表面の残りは反射性被覆を有さない。溝表面は、隣接する溝の反射ステップ表面間に交差ライザをさらに含むことができる。反射性被覆は導電性金属被覆でよく、好ましくは金からなる。あるいはこの被覆は、多層誘電体被覆などの誘電体でもよい。
【0014】
本発明の別の態様は、光通信システムで光信号を回折するための反射性回折格子を作成する方法に関する。この方法は、基板に複数の平行な溝を形成することを含む。この平行な溝はステップおよび交差ライザを有する。反射性被覆がステップ上に設けられるが、ライザ上には設けられない。イオン・ビーム・スパッタリングによってライザを除く溝に反射性被覆を付着させることができ、あるいはステップとライザの両方に反射性被覆を付着させ、次いでライザからエッチングすることもできる。反射性被覆は導電性金属被覆でよく、好ましくは金である。あるいは、この被覆は多層誘電体被覆などの誘電体でもよい。
【0015】
本発明による、回折格子の偏光感度を低減させる装置および方法により、比較的広範な帯域幅にわたって、密なチャネル間隔(0.4nm以下)に対して角分散、総合効率、および解像度などを最適化するように格子のブレーズ角および溝間隔を選ぶことが可能となる。次いで、回折格子の反射ステップ上に反射性導電被覆を設け、ライザ上には設けないことによって偏光不感応性が実現される。あるいは、誘電体被覆をステップとライザの両方に付着させることもでき、またはステップだけに付着させることもできる。本発明により、回折格子を利用するマルチプレクサ/デマルチプレクサに対して追加の構成要素または複雑さを導入することなく、かつ格子設計の選択を著しく制限することなく、偏光感度を低減させることが可能となる。本発明を実施するのに必要な、回折格子に対する変更はわずかで、かつ安価であり、格子自体のコストまたは複雑さに対して本質的に影響を及ぼさない。
【0016】
(好ましい実施形態の詳細な説明)
図1は、従来技術の回折格子10の溝パターンの輪郭の略図である。格子10は、複数の溝14が形成された基板12からなる。溝は、隣接する交差平面ステップ16および平面ライザ18によって画定される。平面ステップ16は、入射光ビームを反射するという点で反射性表面である。平面ステップ18は、図1の正弦波24によって示す入射ビームを受けるように構成された格子では入射光ビームを反射しないという点で非反射性表面である。隣接するステップおよびライザは、基板と反対向きの頂点20を有し、隣接するステップとライザ16、18との間で選択角度(α)をなす。図1に示すように、ステップとライザはどちらも、導電性反射性被覆、通常は金などの金属製反射性被覆22で被覆される。
【0017】
偏光の「TM」(transverse magnetic)方向の(s)偏光の発振電界を表すために、正弦波24が図1に描かれている。入射光は、反射面すなわち平面ステップ16で反射する。この電界は、格子溝に垂直であり、かつライザ18の平面に垂直な平面で振動する。(p)偏光の直交振動反射場、すなわち偏光の「TE」(transverse electric)方向は、格子溝に平行に振動する。回折光のTE成分およびTM成分に対する回折効率は、回折格子ごとに異なることが知られている。この理論の陳述によって本開示の範囲または添付の特許請求の範囲を限定することを意図するわけではないが、偏光の直交成分の回折効率が異なることに対する、1つの少なくとも部分的な説明は、ライザ表面上の導電性被覆が電界と干渉するということである。この現象を図2にグラフで示す。図2は、ライザからの距離をX軸とし、電界の強さをY軸とした表現である。ライザの電界の強さEsは0である。一方、格子の罫線に平行であり、かつ(s)偏光の平面に垂直である(p)偏光の電界ベクトルは、格子ライザ近傍の領域をサンプリングしない。したがって、格子ライザによって課される最小の境界条件が存在し、ライザの所でEp≠0である。この境界条件の変化が、格子の偏光依存性を増大する一因であると考えられている。
【0018】
図3に、格子の偏光依存性損失を最小にするための、図1の格子10の変更形態を示す。格子10’は、反射ステップ16’上にのみ反射性被覆22’を有し、入射ビームを反射しない非反射面を形成するライザ18’上には反射性被覆を有さない。これにより、図2に示すような格子ライザ上の導電性被覆によって課される境界条件が除去され、したがって偏光依存性損失が減少すると考えられる。
【0019】
ライザに導電性被覆を付着させないことによって、ライザ(すなわち非反射性表面)によって課される境界条件を除去することに対する代替方法は、図1に示す従来技術の実施形態中の導電性反射性被覆22の代わりに多層誘電体被覆を使用することである。多層誘電体被覆は、積層した二酸化チタン(TiO2)と二酸化ケイ素(SiO2)、積層した五酸化タンタル(Ta3O5)と二酸化ケイ素(SiO2)、ならびに積層した二酸化ハーフニウム(HfO2)と二酸化ケイ素(SiO2)を含む、当技術分野で周知のいくつかの高反射性の多層誘電体被覆のうちいずれか1つで作成することができる。多層誘電体被覆は、単一の金属被覆よりも高反射性であるという利点を有し、場合によっては99.9%を超える効率を有する。これらの誘電体被覆は必然的に非導電性であるので、電場のTE成分とTM成分が類似の境界条件をサンプリングすることが保証される。したがって、誘電体被覆の適用により、効率が向上し、偏光依存性損失が減少する。誘電体被覆はまた、図3に示す導電性反射性被覆22’の場合と同様に、反射面だけに付着させることもできる。同様に、この誘電体被覆は、図4および5に示すような反射性導電性被覆、またはホログラフィック格子(図示せず)を利用する他のどんな実施形態でも使用することができる。
【0020】
本明細書で開示する格子は、いくつかの周知の方法のうちの1つによって形成することができる。例えば、溝を画定するマスタ・ダイにプレスされるガラス基板上に付着したエポキシ層から、本明細書で開示する格子を形成することができる。この溝は、干渉制御刻線機械によって、直接ガラス基板またはケイ素基板に精密仕上げすることもできる。別の選択肢は、McMahonの米国特許第4736360号に記載されているフォトリソグラフィ技法を使用することである。この特許の内容全体を参照により明示的に援用する。
【0021】
ステップ(すなわち反射面)だけを被覆することは、反射性被覆材料の高指向性ビームを利用する被覆技法(例えばイオン・ビーム・スパッタリング)を用いて実施することができ、または周知の技法を用いて反射性被覆で格子表面全体を被覆し、ライザ(すなわち非反射面)からその被覆をイオン・エッチングすることによって実施することができる。反射性被覆はどんな適切な反射性材料でもよく、典型的には金などの金属導電性反射性被覆であるが、上記で論じたように誘電体被覆が好ましい。
【0022】
開示の範囲を限定することを意図するわけではないが、以下の例では、格子の反射性ステップ上に反射性被覆を設け、ライザ上には設けないことが偏光依存性損失を減少させるのに効果的であることを示す。
【0023】
図4は、回折格子28の溝パターンの輪郭の略図である。格子28は、基板32に形成された複数の溝30からなる。各溝は、平坦部38によって溝底で接合する交差ステップ34およびライザ36によって画定される。この例では、反射性ステップ34、平坦部38、およびライザ36を含む溝の表面全体は、金の導電性反射性被覆40によって覆われる。溝密度は171.4溝/ミリメートル、ブレーズ角θbは31°、溝深さは約2500.0nm、平坦部38は長さ713.0nm、頂点角αaは80°である。
【0024】
図5は、ライザ36’の表面が反射性被覆40’を有さないことを除くすべての点で回折格子28と同一である回折格子28’の溝パターンの輪郭である。したがって、反射性のステップおよび平坦部38’は、被覆される格子表面の唯一の部分である。
【0025】
図6は、屈折光信号のTE成分およびTM成分についての波長に対して、効率を波長の関数として表したグラフである。効率は、TE成分およびTM成分の回折光のエネルギー内容と、格子に対する光入射のエネルギー内容との比である。光通信用に現在使用されているCバンドの波長(λ=1528〜1565nm)の場合、TE成分とTM成分との間の効率の差として測定される偏光依存性損失は、約10〜16パーセントの間で変動する。
【0026】
図7に、反射性ステップ34’だけが被覆される、図5に示す格子28’に対する偏光依存性損失を示す。ここで、偏光依存性損失は明らかに減少し、約2.5〜5パーセントの間で変動する。
【0027】
本発明に従って格子のライザ上に反射性被覆を設けないことにより、バルク回折格子に固有の偏光依存性損失が減少する。必要なチャネル分離、解像度、および効率を実現する上で、格子の能力に有害な影響を及ぼす可能性のある格子輪郭の変更は必要ない。誘電体反射性被覆を使用することにより、同様の利点が得られる。さらに、これらの利点を、限定はしないが本明細書で示した実施形態やホログラフィック格子を含む周知の格子輪郭に対して、最小の労力および費用で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
従来技術の回折格子の溝パターンの輪郭の略図である。
【図2】
図1の格子ステップの反射面から屈折するs偏光およびp偏光の電界の強さを、ライザからの距離の関数として表したグラフ表現である。
【図3】
本発明に従ってステップだけが導電性反射性被覆を有する、図1の回折格子の溝パターンの輪郭の略図である。
【図4】
反射性被覆が格子の表面全体にある例示的回折格子の溝パターンの輪郭の略図である。
【図5】
本発明に従ってライザ上に反射性被覆を有さない、図4の回折格子の溝パターンの輪郭の略図である。
【図6】
図4の格子の屈折光信号のTM成分およびTE成分に対する選択帯域幅内の波長に応じて変動する回折効率のグラフである。
【図7】
図5の格子のライザ上に反射性被覆を有さない効果を示す、図6に類似のグラフである。
(技術分野)
本発明は光通信に関し、より詳細には、バルク回折格子を使用する光マルチプレクサ/デマルチプレクサ(多重化装置/多重分離ないし多重化解除装置)で、偏光感度を低減することに関する。
【0002】
(背景技術)
光ファイバ通信の初期には、一般にファイバは、単一波長で単一チャネルのデータを搬送するために使用された。密波長分割多重化(DWDM)は、所与の波長帯内の複数の異なる波長のチャネルを、単一モード・ファイバを介して送信することを可能にし、したがって、光ファイバあたり伝送することができるデータ量が著しく増大する。各チャネルの波長は、各チャネルが互いに干渉しないように、かつファイバに対する伝送損失が最小となるように選択される。典型的には、DWDMにより、最大40のチャネルをファイバによって同時に伝送することが可能となる。
【0003】
DWDMでは、概念的に対称な2つの装置、すなわちマルチプレクサおよびデマルチプレクサが必要である。マルチプレクサは、それぞれ離散的波長であり、かつ離散的光源による光である複数波長の光のビームまたはチャネルを取り、このチャネルを組み合わせて単一の多重チャネルまたは多色ビームにする。入力は一般に、光ファイバの線形アレイ、レーザ・ダイオードの線形アレイ、または何らかの他の光源などの、導波路の線形アレイである。出力は一般に、光ファイバなどの単一導波路である。デマルチプレクサは、空間的に、波長に従って多色ビームを別々のチャネルに分離する。入力は一般に単一入力ファイバであり、出力は一般に、光ファイバまたは光検出器の線形アレイなどの導波路の線形アレイである。
【0004】
DWDMの要件を満たすためには、マルチプレクサおよびデマルチプレクサには、ある固有の特徴が必要である。第1に、密に離間したチャネルの高角度分散のために分散装置を提供することができ、それによって多重チャネルまたは多重化ビームからの個々のチャネルを、単一チャネル・ファイバの線形アレイと結合するために比較的短距離にわたって十分に分離することができなければならない。マルチプレクサおよびデマルチプレクサは、単一の装置が多重化機能と多重化解除機能のどちらも実行できるように可逆であることが好ましい(以下「(デ)マルチプレクサ」と表す)。さらに、(デ)マルチプレクサは、光ファイバ通信帯域幅に対応する自由スペクトルにわたってチャネルに対処することができなければならない。さらに、この装置は、漏話を最小にするように高解像度を実現しなければならず、さらに、信号損失を最小化するのに十分効率的でなければならない。理想的な装置はまた、小型で、耐久性があり、安価であり、拡張性がある。
【0005】
回折格子ベースのマルチプレクサおよびデマルチプレクサは、比較的低コストであり、高歩留まりであり、挿入損失が低く、漏話が少なく、損失が一様であり、かつ多数のチャネルを同時に多重化することができるので、密波長分割多重化応用例に関して他の技術に勝る著しい利点を有する。代表的な回折格子ベースの(デ)マルチプレクサ構成は、2000年7月29日出願の「Echelle Grating Dense Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer」という名称の、本願の譲受人に譲渡された同時係属の米国特許出願第09/628774号に開示されている。この特許出願の内容全体を本明細書に援用する。しかし、回折格子は固有の偏光感度を有し、この固有の偏光感度により多重化(解除)応用例での回折格子の有用性が制限される可能性がある。すなわち、光ファイバを介して伝播する光信号は不定の偏光状態を有し、光信号の偏光状態に依存する回折効率の尺度である偏光依存性損失が最小となるように実質上(デ)マルチプレクサを偏光不感応性にすることが必要となる。
【0006】
回折格子光ファイバ(デ)マルチプレクサの偏光感度を低減させるために、多数の方法および装置が存在する。Chowdhuryの米国特許第5966483号および6097863号(「Chowdhury」と総称する)は、偏光感度が低減した回折格子を記載している。これらの特許の開示全体を参照により援用する。Chowdhuryは、伝送帯域幅「Δλ」の中間波長「λ0」とは異なる波長「λb」の逆反射垂直入射光に対してブレーズ角「θb」の方向に回折格子の反射面を向けることによって、偏光感度を最小にできることを教示している。ブレーズ角θbは、伝送帯域幅Δλ内の波長λの第1回折効率と第2回折効率との間の差が減少するように選ばれる。回折効率の差を最小にするためのこの解法では、ブレーズ角およびブレーズ波長の選択に対して制限が課され、その制限によって、解像度が高く、漏話が最小であり、かつ信号損失の少ない、密に離間したいくつかのチャネルに対処する(デ)マルチプレクサ用の回折格子を提供するという最終的な目標が妨げられる可能性があるので、有用性が限られる可能性がある。
【0007】
Chowdhuryはさらに、回折格子の隣接する反射ステップ(段)とライザ(蹴上げ/立ち上げ)との間に凹凸のコーナ(角部)を設けることによって、回折格子の偏光感度を低減できることを教示している。より具体的には、Chowdhuryは、隣接するステップとライザとの間の凹んだコーナの半径を変化させることによって偏光感度を低減できることを教示している。この提案は、格子に関するブレーズ波長とブレーズ角の選択に望ましくない制限を課すことがないという利点を有するが、ナノメートル・スケールで凹凸の半径を正確に制御することは難しく、かつ費用がかかる。この提案はまた、格子の絶対効率を制限する可能性もある。
【0008】
Chowdhuryはまた、ピッチ(すなわち溝の間隔)を最大にすることが偏光感度を最小にする助けとなることを教示している。しかし、ブレーズ角およびブレーズ波長を操作して偏光感度を最小にするというChowdhuryの提案と同様に、この提案によっても格子ピッチに対して制限が課され、DWDM信号に対して適切なチャネル分離を達成することなど、回折格子の他の重要な目的を損なう可能性がある。
【0009】
McMahonの米国特許第4736360号は、反射面の幅が格子の動作波長に比べて十分大きいことを保証することによってバルク光格子での偏光感度を最小にできることを教示している。これは、Chowdhuryによって教示されたピッチの最大化と実質上同様である。この解法は応用例が限定される可能性があるが、この解法によっても、格子設計の選択に対して不要な制限となる可能性のあるものが課され、したがって、密なチャネル間隔を有する信号に対して格子がその波長分割多重化(解除)機能を実行する能力が制限される可能性がある。
【0010】
McMahonの米国特許第5937113号は、光導波路回折格子に関する偏光依存性損失を最小にするためのさらに別の方法を教示している。McMahonは、複数の所定の受光位置を備える出力領域を有する回折格子装置を教示している。第1スラブ導波路領域は第1の複屈折を有し、この第1スラブ導波領域は、光学的に装置の入出力領域に結合される。第1スラブ導波路領域に隣接する第2スラブ導波路領域は、所定の形状および所定の寸法を有し、第1スラブ導波路領域とは異なる第2の複屈折を与え、装置に対する偏光補償を実現する。この解法では、第1スラブ導波路と第2スラブ導波路を設けることが必要であり、したがって、バルク光装置に対しては容易には適用することができない。いずれにしても、少なくとも2つのスラブ導波路を設けることにより、製造の複雑さとコストが増加する。
【0011】
偏光感度を低減させる別の周知の方法は、偏光分離器と、それに続く、コリメータ系と格子との間の分離したビームのうちの1つに対する半波長板とを設けることである。偏光分離器は、入射ビームを、それぞれ直交する方向に沿って線形に偏光した第1光線と第2光線に分割する。ビームのうちの1つに対して配置される半波長板により、各ビームはどちらも同じ直交偏光を有する。この方法は、回折格子の設計に対して制限を課さず、それによってDWDMを実行することに関する回折格子の有用性を制限しないという利点を有するが、偏光ビーム・スプリッタと半波長板はどちらも(デ)マルチプレクサの効率全体を低減させる傾向があり、部品の合計と装置の複雑さが増大する。偏光感度を最小にするための偏光ビーム・スプリッタの使用法は、Niciaの米国特許第4741588号、Martinの米国特許第6084695号、Doerrの米国特許第5809184号、およびBoordのWO99/41858号で教示されている。
【0012】
本発明は、上記で議論した問題のうちの1つまたは複数を克服するためのものである。
【0013】
(発明の概要)
本発明の第1の態様は、光通信システムで光信号を多重化および多重化解除するための回折格子である。この回折格子は、基板に形成された複数の溝を有し、各溝が、反射ステップ表面を含む溝表面を有する。反射ステップ表面は反射性被覆を有し、溝表面の残りは反射性被覆を有さない。溝表面は、隣接する溝の反射ステップ表面間に交差ライザをさらに含むことができる。反射性被覆は導電性金属被覆でよく、好ましくは金からなる。あるいはこの被覆は、多層誘電体被覆などの誘電体でもよい。
【0014】
本発明の別の態様は、光通信システムで光信号を回折するための反射性回折格子を作成する方法に関する。この方法は、基板に複数の平行な溝を形成することを含む。この平行な溝はステップおよび交差ライザを有する。反射性被覆がステップ上に設けられるが、ライザ上には設けられない。イオン・ビーム・スパッタリングによってライザを除く溝に反射性被覆を付着させることができ、あるいはステップとライザの両方に反射性被覆を付着させ、次いでライザからエッチングすることもできる。反射性被覆は導電性金属被覆でよく、好ましくは金である。あるいは、この被覆は多層誘電体被覆などの誘電体でもよい。
【0015】
本発明による、回折格子の偏光感度を低減させる装置および方法により、比較的広範な帯域幅にわたって、密なチャネル間隔(0.4nm以下)に対して角分散、総合効率、および解像度などを最適化するように格子のブレーズ角および溝間隔を選ぶことが可能となる。次いで、回折格子の反射ステップ上に反射性導電被覆を設け、ライザ上には設けないことによって偏光不感応性が実現される。あるいは、誘電体被覆をステップとライザの両方に付着させることもでき、またはステップだけに付着させることもできる。本発明により、回折格子を利用するマルチプレクサ/デマルチプレクサに対して追加の構成要素または複雑さを導入することなく、かつ格子設計の選択を著しく制限することなく、偏光感度を低減させることが可能となる。本発明を実施するのに必要な、回折格子に対する変更はわずかで、かつ安価であり、格子自体のコストまたは複雑さに対して本質的に影響を及ぼさない。
【0016】
(好ましい実施形態の詳細な説明)
図1は、従来技術の回折格子10の溝パターンの輪郭の略図である。格子10は、複数の溝14が形成された基板12からなる。溝は、隣接する交差平面ステップ16および平面ライザ18によって画定される。平面ステップ16は、入射光ビームを反射するという点で反射性表面である。平面ステップ18は、図1の正弦波24によって示す入射ビームを受けるように構成された格子では入射光ビームを反射しないという点で非反射性表面である。隣接するステップおよびライザは、基板と反対向きの頂点20を有し、隣接するステップとライザ16、18との間で選択角度(α)をなす。図1に示すように、ステップとライザはどちらも、導電性反射性被覆、通常は金などの金属製反射性被覆22で被覆される。
【0017】
偏光の「TM」(transverse magnetic)方向の(s)偏光の発振電界を表すために、正弦波24が図1に描かれている。入射光は、反射面すなわち平面ステップ16で反射する。この電界は、格子溝に垂直であり、かつライザ18の平面に垂直な平面で振動する。(p)偏光の直交振動反射場、すなわち偏光の「TE」(transverse electric)方向は、格子溝に平行に振動する。回折光のTE成分およびTM成分に対する回折効率は、回折格子ごとに異なることが知られている。この理論の陳述によって本開示の範囲または添付の特許請求の範囲を限定することを意図するわけではないが、偏光の直交成分の回折効率が異なることに対する、1つの少なくとも部分的な説明は、ライザ表面上の導電性被覆が電界と干渉するということである。この現象を図2にグラフで示す。図2は、ライザからの距離をX軸とし、電界の強さをY軸とした表現である。ライザの電界の強さEsは0である。一方、格子の罫線に平行であり、かつ(s)偏光の平面に垂直である(p)偏光の電界ベクトルは、格子ライザ近傍の領域をサンプリングしない。したがって、格子ライザによって課される最小の境界条件が存在し、ライザの所でEp≠0である。この境界条件の変化が、格子の偏光依存性を増大する一因であると考えられている。
【0018】
図3に、格子の偏光依存性損失を最小にするための、図1の格子10の変更形態を示す。格子10’は、反射ステップ16’上にのみ反射性被覆22’を有し、入射ビームを反射しない非反射面を形成するライザ18’上には反射性被覆を有さない。これにより、図2に示すような格子ライザ上の導電性被覆によって課される境界条件が除去され、したがって偏光依存性損失が減少すると考えられる。
【0019】
ライザに導電性被覆を付着させないことによって、ライザ(すなわち非反射性表面)によって課される境界条件を除去することに対する代替方法は、図1に示す従来技術の実施形態中の導電性反射性被覆22の代わりに多層誘電体被覆を使用することである。多層誘電体被覆は、積層した二酸化チタン(TiO2)と二酸化ケイ素(SiO2)、積層した五酸化タンタル(Ta3O5)と二酸化ケイ素(SiO2)、ならびに積層した二酸化ハーフニウム(HfO2)と二酸化ケイ素(SiO2)を含む、当技術分野で周知のいくつかの高反射性の多層誘電体被覆のうちいずれか1つで作成することができる。多層誘電体被覆は、単一の金属被覆よりも高反射性であるという利点を有し、場合によっては99.9%を超える効率を有する。これらの誘電体被覆は必然的に非導電性であるので、電場のTE成分とTM成分が類似の境界条件をサンプリングすることが保証される。したがって、誘電体被覆の適用により、効率が向上し、偏光依存性損失が減少する。誘電体被覆はまた、図3に示す導電性反射性被覆22’の場合と同様に、反射面だけに付着させることもできる。同様に、この誘電体被覆は、図4および5に示すような反射性導電性被覆、またはホログラフィック格子(図示せず)を利用する他のどんな実施形態でも使用することができる。
【0020】
本明細書で開示する格子は、いくつかの周知の方法のうちの1つによって形成することができる。例えば、溝を画定するマスタ・ダイにプレスされるガラス基板上に付着したエポキシ層から、本明細書で開示する格子を形成することができる。この溝は、干渉制御刻線機械によって、直接ガラス基板またはケイ素基板に精密仕上げすることもできる。別の選択肢は、McMahonの米国特許第4736360号に記載されているフォトリソグラフィ技法を使用することである。この特許の内容全体を参照により明示的に援用する。
【0021】
ステップ(すなわち反射面)だけを被覆することは、反射性被覆材料の高指向性ビームを利用する被覆技法(例えばイオン・ビーム・スパッタリング)を用いて実施することができ、または周知の技法を用いて反射性被覆で格子表面全体を被覆し、ライザ(すなわち非反射面)からその被覆をイオン・エッチングすることによって実施することができる。反射性被覆はどんな適切な反射性材料でもよく、典型的には金などの金属導電性反射性被覆であるが、上記で論じたように誘電体被覆が好ましい。
【0022】
開示の範囲を限定することを意図するわけではないが、以下の例では、格子の反射性ステップ上に反射性被覆を設け、ライザ上には設けないことが偏光依存性損失を減少させるのに効果的であることを示す。
【0023】
図4は、回折格子28の溝パターンの輪郭の略図である。格子28は、基板32に形成された複数の溝30からなる。各溝は、平坦部38によって溝底で接合する交差ステップ34およびライザ36によって画定される。この例では、反射性ステップ34、平坦部38、およびライザ36を含む溝の表面全体は、金の導電性反射性被覆40によって覆われる。溝密度は171.4溝/ミリメートル、ブレーズ角θbは31°、溝深さは約2500.0nm、平坦部38は長さ713.0nm、頂点角αaは80°である。
【0024】
図5は、ライザ36’の表面が反射性被覆40’を有さないことを除くすべての点で回折格子28と同一である回折格子28’の溝パターンの輪郭である。したがって、反射性のステップおよび平坦部38’は、被覆される格子表面の唯一の部分である。
【0025】
図6は、屈折光信号のTE成分およびTM成分についての波長に対して、効率を波長の関数として表したグラフである。効率は、TE成分およびTM成分の回折光のエネルギー内容と、格子に対する光入射のエネルギー内容との比である。光通信用に現在使用されているCバンドの波長(λ=1528〜1565nm)の場合、TE成分とTM成分との間の効率の差として測定される偏光依存性損失は、約10〜16パーセントの間で変動する。
【0026】
図7に、反射性ステップ34’だけが被覆される、図5に示す格子28’に対する偏光依存性損失を示す。ここで、偏光依存性損失は明らかに減少し、約2.5〜5パーセントの間で変動する。
【0027】
本発明に従って格子のライザ上に反射性被覆を設けないことにより、バルク回折格子に固有の偏光依存性損失が減少する。必要なチャネル分離、解像度、および効率を実現する上で、格子の能力に有害な影響を及ぼす可能性のある格子輪郭の変更は必要ない。誘電体反射性被覆を使用することにより、同様の利点が得られる。さらに、これらの利点を、限定はしないが本明細書で示した実施形態やホログラフィック格子を含む周知の格子輪郭に対して、最小の労力および費用で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
従来技術の回折格子の溝パターンの輪郭の略図である。
【図2】
図1の格子ステップの反射面から屈折するs偏光およびp偏光の電界の強さを、ライザからの距離の関数として表したグラフ表現である。
【図3】
本発明に従ってステップだけが導電性反射性被覆を有する、図1の回折格子の溝パターンの輪郭の略図である。
【図4】
反射性被覆が格子の表面全体にある例示的回折格子の溝パターンの輪郭の略図である。
【図5】
本発明に従ってライザ上に反射性被覆を有さない、図4の回折格子の溝パターンの輪郭の略図である。
【図6】
図4の格子の屈折光信号のTM成分およびTE成分に対する選択帯域幅内の波長に応じて変動する回折効率のグラフである。
【図7】
図5の格子のライザ上に反射性被覆を有さない効果を示す、図6に類似のグラフである。
Claims (34)
- 光通信システムで光信号を多重化および多重化解除する際に使用する回折格子であって、基板に形成された複数の溝を有し、各溝が、入射光ビームを反射する反射面と、入射ビームを反射しない非反射面とを有し、非反射面が非導電性である回折格子。
- 前記反射面および非反射面が反射性誘電体被覆を有する、請求項1に記載の回折格子。
- 前記反射面および非反射面が多層誘電体被覆を有する、請求項1に記載の回折格子。
- 前記反射面が反射性被覆を有し、前記非反射面が反射性被覆を有さない、請求項1に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が導電性である、請求項4に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が金属である、請求項4に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が金を含む、請求項4に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が非導電性である、請求項4に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が誘電体である、請求項4に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が多層誘電体である、請求項4に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が、
積層した二酸化チタンと二酸化ケイ素、積層した五酸化タンタルと二酸化ケイ素、あるいは積層した二酸化ハーフニウムと二酸化ケイ素の組合せを含むグループから選択された多層誘電体である、請求項4に記載の回折格子。 - 各溝が、反射ステップ表面と、前記反射ステップ表面と交差する非反射性ライザ表面とを有し、前記非反射性ライザ表面が、隣接する各溝の反射ステップ表面間に位置する、請求項1に記載の回折格子。
- 光通信システムで光信号を回折するための反射性回折格子を作成する方法であって、
a)基板に複数の平行な溝を形成し、前記平行な溝が、ステップおよびライザを有すること、ならびに
b)ステップ上に反射性被覆を設け、ライザ上には設けないことを含む方法。 - 上記工程b)がイオン・ビーム・スパッタリングによって実行される、請求項13に記載の方法。
- 上記工程b)が、まずステップおよびライザを反射性被覆で被覆し、次いでライザから被覆をエッチングすることによって実行される、請求項13に記載の方法。
- 前記反射性被覆が導電性反射性被覆を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記反射性被覆が誘電体である、請求項13に記載の方法。
- 光通信システムで光信号を多重化および多重化解除する際に使用する回折格子であって、基板に形成された複数の溝を有し、各溝が、反射ステップ表面を含む溝表面を有し、前記反射ステップ表面が反射性被覆を有し、溝表面の残りが反射性被覆を有さない回折格子。
- 各溝表面が、隣接する各溝の反射ステップ表面間に交差ライザをさらに有する、請求項18に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が導電性被覆を含む、請求項18に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が金属である、請求項18に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が金を含む、請求項18に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が非導電性である、請求項18に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が誘電体である、請求項18に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が多層誘電体である、請求項18に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が、
積層した二酸化チタンと二酸化ケイ素、積層した五酸化タンタルと二酸化ケイ素、あるいは積層した二酸化ハーフニウムと二酸化ケイ素の組合せを含むグループから選択された多層誘電体である、請求項18に記載の回折格子。 - 光通信システムで光信号を多重化および多重化解除する際に使用する回折格子であって、基板に形成された複数の平行な溝を有し、各溝が、平面反射ステップ表面と、反射ステップ表面と交差するライザとを有し、前記ライザが、隣接する各溝の反射ステップ表面間に位置し、前記反射ステップ表面が反射性被覆を有し、前記ライザが反射性被覆を有さない回折格子。
- 前記反射性被覆が金属である、請求項27に記載の回折格子。
- 前記反射性被覆が誘電体である、請求項27に記載の回折格子。
- 光通信システムで光信号を回折するための反射性回折格子を作成する方法であって、
a)入射光ビームを反射させるための反射面と、入射ビームを反射しない非反射面とを有する複数の溝を基板に形成すること、ならびに
b)反射面に非導電性反射性被覆を付着させることを含む方法。 - 前記工程b)が、非反射面に非導電性反射性被覆を付着させないことをさらに含む、請求項30に記載の方法。
- 前記工程b)で、非導電性反射性被覆が誘電体を含む、請求項30に記載の方法。
- 前記工程b)で、非導電性反射性被覆が多層誘電体を含む、請求項30に記載の方法。
- c)非反射面に非導電性反射性被覆を付着させることをさらに含む、請求項30に記載の方法。
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