JP2004512551A - トレンチ構造体を有する光導波管 - Google Patents

Abstract

空気トレンチクラッドを用いた装置は、放射モードとの光結合を抑制するためにエバネッセントテールの最小化を可能にし、低損失のベンドおよびスプリッタが得られる。伝送損失なしの鮮明なベンドおよびＴスプリッタと、クロストークのない交差部と、ファイバから／ファイバへのカプラおよび実質的な損失のない面一でない導波管とを含む構造体に、このような空気トレンチクラッドが設けられる。導波管の空気トレンチ側壁クラッドはエバネッセントテールを頂部および底部クラッドに向かって押圧し、垂直に配置された導波管の間の結合を強化する。ウェハ接合技術を用いた製作プロセスも提供される。

Description

【０００１】
優先権情報
本出願は、２０００年１０月１３日に出願された仮出願第６０／２４０，２８２号の優先権を主張する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低屈折率差の導波管に、さらにファイバから／ファイバへの、および垂直に配置された２つの導波管の間の効率的な結合のために、小さな曲げ半径のベンドを可能にする。これらの光学的な相互接続により、１つのチップ上において光学構成要素の集積密度の増加が可能になる。
【０００３】
【従来の技術】
導波管ベンド、スプリッタ、カプラは光回路の本質的な構成要素である。十分に開発された「シリカベンチ」技術は、マルチプレクスおよびデマルチプレクス用の導波管干渉計フィルタおよび他の光学構成要素に対応する。導波管コアとクラッドとの屈折率コントラストは小さく、これによって、低い挿入損失で光ファイバからおよび光ファイバへの結合を許容するように比較的大きく、また屈折率整合される導波管断面が得られる。これが、この技術の広範な用途の理由の１つである。しかし、光学構成要素の集積密度は、小さな屈折率コントラストを介して形成される導波管では、放射損失を許容範囲内に維持するために、ベンドが比較的大きな曲げ半径を有しなければならないという事実によって限定される。
【０００４】
コアとクラッドとの屈折率差Δｎは、シリカベンチ技術によりＧｅ、Ｂ等のような不純物ドーピングによって主に制御される。したがって、Δｎは０．０１以下であるように典型的に制御され、ｍｍのオーダの曲率を有するベンドが得られる。導波管の９０°のスプリッタは２つのベンドから構成されるので、構造体はベンドと同様の大きさの曲率を必要とする。したがって、シリカベンチの光集積回路の面積は約１０×１０ｃｍ^２を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ベンチのΔｎの増加のため、ベンドおよびスプリッタの曲率を小さくしなければならないことが明らかである。しかし、シリカコアの屈折率は〜１．５程度であるので、シリカよりも低い屈折率を有するクラッド材料を見つけることは困難である。したがって、シリカ技術は比較的大きなベンチ上の低密度回路に留まる。
【０００６】
上述の理由に加えて、高屈折率コントラストシステムを光集積回路に採用するとしても、光ファイバと光集積回路とのモードサイズの差が大きくなり、また光ファイバと光集積回路との間の界面におけるフレネル反射が大きな接合損失をもたらす。
【０００７】
コアとクラッドとの屈折率差を増すために、空気クラッドの使用が有効である。空気クラッドに関し、Ｍａｒｃａｔｉｌｉらに交付された米国特許第３，７１２，７０５号は、光ファイバの例について空気クラッドを示している。エアクラッド光ファイバは、円形ジャケット内に配置された多角形断面を有する低損失の誘電体コアを含むものとして記述されている。その形状のため、コア全体は、実際に、Δｎをより大きくする空気によって囲まれる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明において、空気トレンチクラッドと界面で接する２つ以上の側壁を有する導波管ベンドが提供される。本発明は、フレネル反射により誘発される接合損失に対処するために、屈折率ガイダンス、断熱遷移、およびモード整合の原理を利用する。
【０００９】
本発明の目的は、比較的小さな曲率を有する導波管のベンドおよびスプリッタを提供すること、およびファイバから／ファイバへの、また面一でない導波管の間のカプラを提供することである。本発明の他の目的は、これらの構造体の製作方法を提供することである。ウェハ接合によって、空気を低屈折率材料として組み込むことが可能になる。
【００１０】
本発明は、コア屈折率に応じて、屈折率差を〜０．５以上に局所的に増大する局所的空気トレンチをベンドおよび交差部に用いて、低屈折率コントラストの導波管の導波管ベンドおよび交差部に取り組む。本発明では、空気は一例として低屈折率材料として選択されるが、低屈折率ポリマおよび絶縁体を含む他の材料もトレンチ用の空気の代わりに使用できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による導波管ベンド装置１００の略ブロック図の平面図である。導波管ベンドは、コア領域１０２、第１の空気トレンチ領域１０４および第２の空気トレンチ領域１０６、および周囲クラッド領域１０８によって画定される。空気トレンチ導波管ベンド性能は、テーパ長さ、ベンド半径、および湾曲導波管の幅およびオフセットを適切に選択することによって最適化される。湾曲導波管の幅および（真っ直ぐな）テーパ出力部からの湾曲導波管の横方向オフセットが図１に示されており、テーパ出力部の光を最低オーダのベンドの漏出モードに最適にマッチさせるように選択される。
【００１２】
オフセットを有するかまたは有しないベンドの適切な設計寸法では、シミュレーションにより、＞９８％の伝送効率（１つのコーナベンド当たり＜０．１ｄＢの損失）の提案された空気トレンチベンドが示されている。７％および０．７％の屈折率コントラスト（Ｄ＝Δｎ／ｎ）では、シミュレーションにより、長さで４〜３０のファクタのサイズ縮小（同一の屈折率コントラストの規則的な導波管ベンドと比較）がそれぞれ示され、これは１６〜９００倍の面積の低減に対応する。ファイバのような０．２５％に近いより低い屈折率コントラストに外挿すると、辺長で５０、または面積で２５００のファクタだけよりコンパクトなベンドが予測される。
【００１３】
ベンドは３つのセクション、すなわち、導波管セクション（１）、（２）および（３）を含む。導波管セクション（０）と（３）は単一モードである。導波管セクション（１）と（２）は定常状態において多モードであるが、それらは、準単一モードを過渡モードとしてこのような短距離内に維持する。モードミスマッチによる伝送損失は取るに足りない。
【００１４】
コア領域の屈折率は装置全体にわたって変わらない。導波管セクション（１）はコアと周囲クラッドとを含み、その屈折率差は０．０５である。導波管セクション（２）と（３）はそれぞれテーパ状にされまた曲げられ、その両方は、その中に光を収容しまた放射損失を低減するための機構として空気トレンチ領域を利用する。
【００１５】
図２Ａは、図１の線Ａ−Ａ’に沿った導波管ベンド装置１００の断面図である。構造体は、上方の２００と下方の２０２のトレンチを含む第１の１０４と第２の１０６の空気トレンチ領域によって実質的に囲まれたコア１０２を含む。コア１０２は、クラッド１０８の第１の２０４と第２の２０６の延長部によって支持される。この構造では、コアは空気クラッド内に実質的に吊設される。この構造は、空気トレンチ領域によって形成される「エアウォール」によってベンド内の局所的な高屈折率差を規定するので、側壁から延在する伝搬モードのエバネッセントテールが最小にされる。トレンチ２００、２０２は、それらの深さｄがエバネッセントテール長さよりも大きくなるように構成される。したがって、光は、ベンドにおいて放射モードに大きく結合できない。上方および下方クラッド内への長いエバネッセントテールは存在するが、空気トレンチ領域１０４、１０６（すなわち領域２００、２０２のような空気トレンチ領域の上方および下方延長部）のため、それらのテールも放射モードに結合できない。
【００１６】
図２Ｂは、図１の線Ａ−Ａ’に沿った導波管ベンド装置１００の代替的実施態様の断面図である。構造体は、下方の２０８のトレンチを含む第１の１０４と第２の１０６の空気トレンチ領域によって実質的に囲まれたコア１０２を含む。コア１０２は、クラッド１０８の延長部２１０のみによって支持される。再び、この構造では、コアは空気クラッド内に実質的に吊設される。したがって、コアはその頂面ならびに２つの側壁に空気クラッドを有する。フィールドの長いエバネッセントテールは下方クラッド内に延在するが、放射モードとの結合は下方空気トレンチ（２０８）によって再び抑制される。
【００１７】
図３のグラフに示したシミュレーション結果によって予測されるように、導波管の一方の端部から他方の端部への光波の透過率は約９７％以上である。モードシェーピングは差し込み図として示されている。ここで、コア屈折率は１．５、およびクラッド屈折率は１．４５（Δｎ＝０．０５）と仮定され、一方、Δｎは空気トレンチにおいて０．５に増加される。しかし、提案した原理は、０．００１＜Δｎ／ｎ＜０．１についてベンドサイズの低減に有効である。
【００１８】
導波管Ｔスプリッタはまた、これまで記述した２つの原理のいずれかに従って構成できる。図１のテーパ状の導波管および空気トレンチ領域は、図４に示したような２つの出力を有するように修正できる。図４は、本発明によるＴスプリッタ装置４００の略ブロック図の平面図である。Ｔスプリッタは３つの導波管４０２、４０４、４０６を含む。導波管の各々は、クラッド４０８によって囲まれるそれぞれのコア領域４０３、４０５、４０７を含む。Ｔスプリッタ装置４００はまた、導波管内に空気トレンチ領域４１０、４１２、４１４を含む。
【００１９】
入射導波管４０２内の光は、小さなＴスプリッタセクションの３つの緩やかなテーパ部によって２つの導波管４０４、４０６に分割される。ベンドの半径は、空気トレンチ領域によって空気クラッドを設けることにより小さくすることができる。このようにして、現在入手可能なものよりも小さな寸法のＴスプリッタを実現できる。
【００２０】
本発明は、実効値Δｎを漸次増加しつつ導波管をテーパ状にすることを含むので、テーパ部のみが光ファイバと導波管とのカプラとして働く。その主たる成果は、低屈折率コントラスト領域と高屈折率コントラスト（Δｎ）領域との間の接合損失の除去である。カプラは明らかに二方向であり、これは、図３に示したように、ベンド内で達成される高い伝送効率によって証明される。
【００２１】
空気トレンチ領域は、屈折率差の増加によって側壁方向の水平に延在するエバネッセントテールを抑制するように機能する。構造体に存在するモードスクイーズは、モードの垂直テールを面一でない方向に同時に延長する。これによって、モードの断面形状は円から楕円に変換される。このようにして、垂直結合は面一でない多層の導波管において強化される。
【００２２】
垂直（面間）カプラについて、図５Ａと図５Ｂは、空気トレンチ側壁なしのモードまたは有するモードのシミュレーション結果をそれぞれ示している。図５Ａは、円形状としての空気トレンチを有しないモードを示している。しかし、空気トレンチを有する装置では、図５Ｂに示したように、モードは、長いエバネッセントテールのみが頂部および底部クラッドに向かう楕円になる。これは、面一でない結合がより効率的であることを示している。
【００２３】
図６Ａ〜図６Ｇ（図６（Ａ）〜（Ｇ））は、図２Ａに示した空気トレンチ構造体の製作のプロセスフローを示した略図である。ＳｉＯ_２層６０２は従来のプロセス（ａ）によってＳｉウェハ６００上に形成される（図６Ａと図６Ｂ）。プロセス（ａ）は熱酸化、ＣＶＤ（化学蒸着）、火炎加水分解等であり得る。ＳｉＯ_２層６０２は下方クラッドとして使用される。層６０２はＢドープＳｉＯ_２、ＰドープＳｉＯ_２等であり得る。次に、導波管コア材料６０４は従来のプロセス（ｂ）によってＳｉＯ_２層６０２上に形成される（図６Ｃ）。材料６０４は、選択したΔｎ（例えば０．０１）だけ層６０２よりも屈折率が高いＧｅドープＳｉＯ_２であり得る。層６０４上に、他のＳｉＯ_２層６０６が従来のプロセス（ｃ）によって形成される（図６Ｄ）。層６０６は上方クラッドであり、層６０２と同一であり得る。導波管およびトレンチは、従来のフォトリソグラフィ法を用いて製作される。次に、構造体は従来のプロセス（ｄ）によってエッチングされる（図６Ｅ）。最後に、ウェハ６００および他のウェハ６０８（図６Ｆ）（裸のシリコンウェハ）が接合され、図２Ａに示したような空気トレンチ構造体６１０を形成する。
【００２４】
記述したプロセスおよび材料は、構造体を製作するための例の内の１つに過ぎず、したがって、本発明は上述の方法によって限定されない。例えば、層６０２、６０４および６０６の材料は、不純物、Ｂ、ＰおよびＧｅの注入によって形成できる。コアとクラッドとの低屈折率差〜０．０１は、Ｓｉ３Ｎ４コアおよびＳｉ_ｘＮ_ｙＯ_ｚの組成を選択することによっても達成可能である。さらに、Ｓｉ_ｘ，Ｎ_ｙ，Ｏ_ｚ，コアおよびＳｉ_ｘＮ_ｙＯ_ｚを用い、また組成を選択することによって達成できる。ＳｉＮＯコア用の空気トレンチ構造体は、さらに大きな屈折率差、せいぜい１．０を有するが、空気トレンチを用いたＳｉＯ_２コアの最大屈折率差は０．５である。
【００２５】
図７Ａ〜図７Ｈ（図７（Ａ）〜（Ｈ））は、図２Ｂに示した空気トレンチ構造体の製作のプロセスフローを示した略図である。従来のプロセス（ａ）と（ｂ）によって、導波管層７０４と下方クラッド層７０２とを有する構造体が、ウェハ７００上に形成される（図７Ａ〜図７Ｃ）。従来のプロセス（ｄ）によって、上方クラッド層７０８がウェハ７０６上に形成される（図７Ｅと図７Ｆ）。フォトリソグラフィの後に、導波管およびトレンチ構造体７１０と７１２は従来のプロセス（ｃ）と（ｅ）によって製作される（図７Ｄと図７Ｇ）。最後に、構造体７１０と７１２が接合され、図２Ｂに示したような空気トレンチ構造体７１４を形成する。
【００２６】
要約すれば、図１と図４の構造体は、屈折率ガイドおよび断熱モードシェーピングを例示しており、これによって接合損失の不利益が回避される。入口導波管から移動する光は、側壁クラッドが空気である他の導波管にシェーピングされる。このようにして、移動波は、エバネッセントテールが短いため放射モードにほとんど結合しない。光がベンドを通過した後、導波管の形状は元のクラッドに戻り、光は出力導波管の基本モードで再び捕捉される。Ｔスプリッタは同一の原理で動作する。
【００２７】
本発明の例示した実施態様では、空気は一例として低屈折率材料として選択されるが、トレンチ用の空気の代わりに低屈折率ポリマおよび絶縁体を含む他の材料も使用できる。
【００２８】
複数の好ましい実施態様に関して、本発明について図示かつ記述してきたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなしに、実施態様の形態および細部に対する様々な変更、省略および追加を本発明において行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による導波管ベンド装置の略平面図である。
【図２Ａ】図１の線Ａ−Ａ’に沿った導波管ベンド装置の断面図である。
【図２Ｂ】図１の線Ａ−Ａ’に沿った導波管ベンド装置の代替的実施態様の断面図である。
【図３】導波管ベンドのシミュレーション結果を示したグラフである。
【図４】本発明によるＴスプリッタ装置５００の略平面図である。
【図５Ａ】本発明の空気トレンチ構造体なしのモードのシミュレーション結果を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の空気トレンチ構造体ありのモードのシミュレーション結果を示す図である。
【図６】図６Ａ−図６Ｇは図２Ａに示した空気トレンチ構造体の製作のプロセスフローを示した略図である。
【図７】図７Ａ−図７Ｈは図２Ｂに示した空気トレンチ構造体の製作のプロセスフローを示した略図である。

Claims (21)

1. 導波管装置であって、
   底面から頂面に延在する第１および第２の側壁を有するコア領域と、
   前記第１および第２の側壁に沿って長手方向にそれぞれ延在し、また前記頂面および底面の上下に所定の深さだけ垂直に延在する、前記コア領域に隣接した第１および第２のトレンチ領域であって、前記深さが前記コア内で伝搬する光のエバネッセントテール長さよりも大きい第１および第２のトレンチ領域と、
   前記コア領域とトレンチ領域とを囲むクラッド領域と、
   を備える導波管装置。
2. 前記コア領域と前記トレンチ領域との屈折率差が、前記コア領域と前記クラッド領域との屈折率差よりもはるかに大きい請求項１に記載の装置。
3. 前記トレンチ領域が低屈折率材料を含む請求項１に記載の装置。
4. 前記低屈折率材料が空気を含む請求項３に記載の装置。
5. 前記コア領域が、前記クラッド領域から前記コア領域の前記底面への支持延長部によって前記トレンチ領域の間に支持される請求項１に記載の装置。
6. 前記コア領域が、前記クラッド領域から前記コア領域の前記頂面への支持延長部によって前記トレンチ領域の間にさらに支持される請求項５に記載の装置。
7. 前記トレンチ領域が、前記コア領域の前記頂面に隣接して連続している請求項５に記載の装置。
8. 導波管ベンドとして実装される請求項１に記載の装置。
9. 導波管Ｔスプリッタとして実装される請求項１に記載の装置。
10. ファイバカプラとして実装される請求項１に記載の装置
11. 導波管装置であって、
    第１および第２の側壁と頂面と底面とを有する幅ｗ１のコア領域と、前記コア領域を囲むクラッド領域とを有する第１のセクションと、
    前記コア領域が幅ｗ１から幅ｗ２にテーパ状になり、また前記コア領域に隣接した第１および第２のトレンチ領域が前記第１および第２の側壁に沿って長手方向にそれぞれ延在し、前記頂面および底面の上下に所定の深さだけ垂直に延在する第２のセクションであって、前記深さが前記コア内で伝搬する光のエバネッセントテール長さよりも大きく、前記クラッド領域が前記コア領域と前記トレンチ領域とを囲む第２のセクションと、
    幅ｗ２の前記コア領域と、前記コア領域に隣接した前記第１および第２のトレンチ領域と、前記コア領域と前記トレンチ領域とを囲む前記クラッド領域とを含む第３のセクションと、
    を備える導波管装置。
12. 前記コア領域と前記トレンチ領域との屈折率差が、前記コア領域と前記クラッド領域との屈折率差よりもはるかに大きい請求項１１に記載の装置。
13. 前記トレンチ領域が低屈折率材料を含む請求項１１に記載の装置。
14. 前記低屈折率材料が空気を含む請求項１３に記載の装置。
15. 前記コア領域が、前記クラッド領域から前記コア領域の前記底面への支持延長部によって前記トレンチ領域の間で支持される請求項１１に記載の装置。
16. 前記コア領域が、前記クラッド領域から前記コア領域の前記頂面への支持延長部によって前記トレンチ領域の間でさらに支持される請求項１５に記載の装置。
17. 前記トレンチ領域が、前記コア領域の前記頂面に隣接して連続している請求項１５に記載の装置。
18. 導波管ベンドとして実装される請求項１１に記載の装置
19. 導波管Ｔスプリッタとして実装される請求項１１に記載の装置。
20. ファイバカプラとして実装される請求項１１に記載の装置。
21. 前記第１のセクションにおいて、前記コア領域の前記側壁に隣接した前記クラッド領域が前記トレンチ領域によって囲まれ、また屈折率差の漸次の増加を前記コア領域に付与するように内側方向にテーパ状になる請求項１１に記載の装置。

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