JP2005506696A - 集積されたアレイ型波長回折格子（ａｗｇ）を有する光集積回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】光集積回路は、光集積回路中に形成される導波管を備える。
【解決手段】導波管の第１のセットは、希土類イオンでドープされた１セットの光増幅器である。導波管の第２のセットは、アレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）のようなマルチプレクサまたはデマルチプレクサである。光増幅器のセットおよびＡＷＧは、光集積回路中に形成される導波管を経由して相互に接続される。光集積回路上の他の要素は光ファイバを経由して光増幅器のセットおよびＡＷＧに接続される。ＡＷＧのスペクトル反応はＡＷＧのスペクトルのゲインを補償する為に修正される。１セットの光増幅器の中の個々の光増幅器の長さは、チャネル全体に渡ってパワー分布を一定にするために変更されて良い。光集積回路は、光増幅器のセットにポンプ源を接続する為にポンプ・カップラを更に備える。
【選択図】図３
【解決手段】導波管の第１のセットは、希土類イオンでドープされた１セットの光増幅器である。導波管の第２のセットは、アレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）のようなマルチプレクサまたはデマルチプレクサである。光増幅器のセットおよびＡＷＧは、光集積回路中に形成される導波管を経由して相互に接続される。光集積回路上の他の要素は光ファイバを経由して光増幅器のセットおよびＡＷＧに接続される。ＡＷＧのスペクトル反応はＡＷＧのスペクトルのゲインを補償する為に修正される。１セットの光増幅器の中の個々の光増幅器の長さは、チャネル全体に渡ってパワー分布を一定にするために変更されて良い。光集積回路は、光増幅器のセットにポンプ源を接続する為にポンプ・カップラを更に備える。
【選択図】図３
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系および光学部品に関し、より詳細には、集積された光学部品を備える光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の光ネットワークはトランシーバ、アンプ、マルチプレクサとデマルチプレクサ、アンプ、スイッチおよび他の部品を備える。トランシーバの送信部分のそれぞれが電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバに送出する。マルチプレクサは、それぞれの光ファイバからの個々の光信号を多重チャネルの光信号へ組み合わせ、多重チャネル光信号を一本の光ファイバへ送出する。デマルチプレクサは多重チャネル光信号からチャネルを分離し、個々のファイバにこれらを送出する。その後、トランシーバの受信部分のそれぞれが、ファイバから光信号を受信し、これを電気信号に変換する。
【０００３】
現在、光学ネットワーク部品は、各部品が単一の機能を実行し、光ファイバによって他の部品に接続されるという点で、個別部品である。例えば、アレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）マルチプレクサ／デマルチプレクサが、１つの独立した集積回路（あるいはチップ）上に組み立てられる。
【０００４】
エルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は個別部品（エルビウムドープ光ファイバのスプール、ポンプ光を生成するレーザ、光の後方反射を防ぐサーキュレータ、ポンプ光と信号光を組み合わせるファイバ・コンバイナー、および他の部品）から構成される大規模で容積の大きいサブシステムである。
【０００５】
近年、エルビウムドープ導波路アンプ（ＥＤＷＡ）、即ち、チップ上の独立したアンプは、非特許文献１によって記述されるように、また、非特許文献２によって記述されるように、また、非特許文献３によって記述されるように製造される。
【非特許文献１】
ルビー・Ｎ・ゴッシュ（Ｒｕｂｙ Ｎ．Ｇｏｓｈ）等、「８ｍＷの閾値でＥｒ３＋をドープしたプレーナー型導波路アンプ（８−ｍＷ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｅｒ３＋ −Ｄｏｐｅｄ Ｐｌａｎａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）」、フォトニクス・テクノロジー・レター（Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒ）、米国電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ）、１９９６年４月、第８巻、第４号
【非特許文献２】
Ｊ．シュムロビッチ（Ｊ．Ｓｈｍｕｌｏｖｉｃｈ）等、「１５５０ｎｍにおいて１５ｄＢのゲインを有するプレーナー型導波路アンプの集積」、光ファイバコミュニケイションズ’９９、テクニカル・ダイジェスト・ポストデッドライン論文ＰＤ−４２（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ Ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ Ｐａｐｅｒ ＰＤ−４２）、サン・ディエゴ、カリフォルニア（Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ， ＣＡ）、１９９９年
【非特許文献３】
Ｋ．ハットリ（Ｋ．Ｈａｔｔｏｒｉ）等、「９８０／１５３０ｎｍ ＷＤＭカップラに集積されたシリカ系エルビウムドープ導波管アンプ」、エレクトロニック・レター（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第３０巻、第１１号、１９９４年５月２６日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述された光ネットワークの部品は、通常は光ファイバおよびファイバ・コネクタを使用して相互に接続される。ファイバ−部品間のインタフェースおよびファイバ・コネクタは光信号の損失の原因となり、これによって、信号をノイズのレベルよりも高く保つためにより多くのアンプを設置する必要が生じる。さらに、個別部品が多数存在するので、インストール、試験、ネットワークの再構成が非常に困難となり、高価となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図面において、同様の参照番号は、同一であるか、機能的に同等であるか、および（または）構造的に均等な要素を通常は表す。
【０００８】
光集積回路を備える光ネットワークが、本願明細書において詳述される。以下の説明において、多数の特定な詳細（例えば特定のプロセス、材料、デバイス、その他）は、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために示されるが、本発明はこれらの特定な詳細の１つ以上を欠いても実施され得るし、他の方法によっても実施され得るということが、当業者によって認識されよう。他の例において、本発明のさまざまな実施形態のうちの幾つかの実施形態を不明瞭にすることを避けるために、公知の構成または動作は図示・記述されない。
【０００９】
記載の幾つかの部分は、導波管、光集積回路、アレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、導波管アンプ、ゲイン、波長のような語句を使用して示される。これらの語句は、当業者が他の当業者に業務の要旨を伝達するために通常用いられるものである。
【００１０】
記載の他の部分はコンピュータ・システムによって実行される操作の観点から示され、アクセス、決定、カウント、送信等のような語句を使用する。当業者によって明白であるように、これらの量と操作は、コンピュータ・システムの機械的または電気的な部品によって転送、格納、統合、または操作され得る電気信号、磁気信号、あるいは光信号の形式を採る。また、「コンピュータ・システム」と言う語句は、汎用または特殊目的用データ処理機械、システムおよびその他同種のものを包含し、これらはスタンド・アロンであっても良いし、付属または組み込み式であっても良い。
【００１１】
様々な操作が、本発明を最も理解しやすいような順番で実行される複数の個別のブロックとして記載される。しかしながら、これらが記述される順番は、これらの操作が必ず順序に依存したり、ブロックが示される順番でこれらの操作が行われたりする事を意味すると解釈されるべきでない。
【００１２】
「一実施形態」あるいは「実施形態」に対する本願明細書全体に渡る参照は、実施形態に関して記述された特定の特徴、構造、プロセス、ブロックあるいは特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本願明細書を通して様々な箇所に出現する「一実施形態において」、「実施形態において」という語句の出現は、必ずしも同一の実施形態を参照していると言うわけでは無い。更に、特定の特徴、構造あるいは特性は、１つ以上の実施形態中において任意の適切な方法によって統合されて良い。
【００１３】
図１は、従来技術における光ネットワーク１００のハイレベル・ブロック図である。光ネットワーク１００は高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）を実施して良く、これにおいて、それぞれが別々のデータストリームを伝送する複数の波長の光が単一の光ファイバに組み合わされ、受信端で再び分離される。通常の場合、波長は、１５３０〜１５６０ナノメートルである。
【００１４】
光ネットワーク１００は１セットのトランシーバ１０２および１０８を備え、トランシーバ１０２は光ファイバ１１２に対し、トランシーバ１０８は光ファイバ１１４から光信号を送受信して良い。トランシーバの数はｎ個であって良く、光ファイバの本数はｎ本であって良い。光ファイバ１１２および１１４は、ｎ個の単一チャネルの光信号を、対応するマルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４および１０６にそれぞれ接続して良い。
【００１５】
マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４は、トランシーバ１０２から受信したｎ個の単一チャネル光信号を組み合わせて多重チャネル光信号を生成するために高密度波長分割多重を実行する個別部品である。マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０６は、多重チャネル光信号からｎ個の単一チャネル光信号を分割するために高密度波長分割多重分離を実行する個別部品である。マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４および１０６は、薄膜フィルタまたはファイバ・ブラッグ格子に基づいて良い。更に、マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４および１０６はアレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）のような集積回路であって良い。図１に示されるように、光ファイバ１２０、１２２および１２４は、マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４と光増幅器１３０および１３２、ならびにマルチプレクサ／デマルチプレクサ１０６との間の多重チャネル光信号を接続する個別部品である。
【００１６】
光増幅器１３０および１３２は、多重チャネル光信号を増幅するために、マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４および１０６にそれぞれ接続される。光増幅器１３０および１３２は、マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４および１０６へ近接し、光ネットワーク１００中の離間した位置に設置されるｎ個の個別の光増幅器である。一方向の信号伝搬に関して記述されたが、公知であるように、光ネットワーク１００は一般に双方向に作動する。
【００１７】
図２は、本発明の実施形態における光ネットワーク２００のハイレベル・ブロック図である。光ネットワーク２００の１つの特徴は光集積回路であり、これは、トランシーバに接続されて、単一のチップ上にマルチプレクサ、デマルチプレクサおよび光増幅器を集積する。
【００１８】
例えば、トランシーバ１０２および１０８は、光ファイバ１１２および１１４を経由して光集積回路２０２および２０４にそれぞれ接続される。光集積回路２０２は１セットの光増幅器２０６およびマルチプレクサ２０８を備える。光集積回路２０４は単一の光増幅器２１０およびデマルチプレクサ２１２を備える。光集積回路２０２は光ファイバ２２２経由で光集積回路２０４に接続される。光集積回路２０２および２０４の実施形態の例は、図３を参照してより詳細に記述される。
【００１９】
例えば、光集積回路３００は、導波管要素３０６を経由してアレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）３０４に接続される少なくとも１つの光増幅器３０２を備える。光集積回路２０２および２０４は、ポンプ光を光集積回路２０２上に接続する光ファイバインタフェース３０８と、光信号光を光集積回路２０２に接続する光ファイバインタフェース３１０と、光集積回路２０２の外部に光信号光を接続する光ファイバインタフェース３１２とを更に備える。光ファイバインタフェース３０８、３１０および３１２を実施するのに好適な装置は公知である。
【００２０】
一実施形態において、ＡＷＧ３０４は、単一の光増幅器３０２からの多重チャネル光信号を、単一の導波管要素３０６を経由して幾つかの単一チャネル光信号に非多重化している。他の実施形態において、ＡＷＧ３０４は、幾つかの光増幅器３０２からの幾つかの単一チャネルの光信号を、幾つかの導波管要素３０６を経由して多重チャネル光信号へ多重化している。
【００２１】
光増幅器３０２は、ポンプ光導波伝送路要素３１４および光信号光導波伝送路要素３１６を経由して光ファイバ・インタフェース３０８および３１０とそれぞれ接続される。光増幅器３０２はコンバイナー３１８を備え、コンバイナー３１８は光信号光とポンプ光を組み合わせて良い。一実施形態において、コンバイナー３１８は、導波管要素３１４と３１６の間の小型のカップラとして形成される。光増幅器３０２はゲイン部３２０を更に備え、ゲイン部３２０は、一実施形態において、エルビウムあるいは他の希土類イオンのような反応性物質で局所的にドープされた（例えば、スパッタリングされた）導波管要素３１４である。
【００２２】
ＡＷＧ３０４は、所定の異なる長さおよび形状を有する幾つかの光導波路要素から構成された格子を貫通させて光を通過させることにより波長分割多重を実行する。例えば、ＡＷＧ３０４は入力スターカプラー３２２および出力スターカプラー３２４を備え、1セットの入力導波管要素３２６および１セットの出力導波管要素３２８と、光導波路アレイ３３２のそれぞれの端部とを光学的に接続する。1セットの出力導波管要素３２８は光ファイバインタフェース３１２に接続される。光集積回路２０２上の部品が全て導波管要素を経由して接続されるので、光ファイバ経由で個別の光学コンポーネントを接続するときよりも損失がより少なくなる。
【００２３】
本例における光集積回路２０２の１つの特徴は、光増幅器３０２によって増幅される多重チャネル光信号内のチャネルが、全てゲイン部３２０中で増幅されるということである。しかしながら、この実施形態におけるゲインは、ポンプ源から利用可能なパワーの合計によって制限され得る。さらに、それぞれの波長（あるいはチャネル）は、増幅中における反応性物質（例えばエルビウム・イオン）の転位の結合の強度によって決定されるそれぞれ異なる量のゲインを持つ。本例における光増幅器３０２は、最大入力振幅のチャネルをさらに増幅し、これによって、それ以外の入力チャネルの損失が生じる。チャネルの増幅が均一でないと言う事で、増幅が小さいチャネルの信号対雑音比（ＳＮＲ）が低くなり得る。さらに、ＡＷＧ３０４のようなＡＷＧは、一般に伝送スペクトルが均一でない（すなわち、伝送が波長に依存する）。
【００２４】
一実施形態において、ＡＷＧ３０４の中の導波管要素の設計は、非均一チャネル増幅を補償するために調節される。一実施形態において、導波管の形状および幅は、スターカプラー３２２、３２４と、導波管アレイ３３２との間の接合点で変えられる。これによって、スターカプラー３２４と出力導波管要素３２８との間の接合点での光の強さの分布が異なったものとなり、従って、導波管要素３２８上の伝送の分布も異なったものとなる。
【００２５】
図４は、本発明の実施形態における光集積回路４００の他の例を示すハイレベル・ブロック図である。本例における光集積回路４００は、１セットの導波管要素４０８および４１０を経由して１セットの光増幅器４０４およびＡＷＧ４０６に接続されるＡＷＧ４０２を備える。本例は、光ネットワーク２００のような光ネットワークに含まれて良い。操作中に、本例におけるＡＷＧ４０２は、多重チャネル光信号を幾つかの単一チャネル光信号へと非多重化する。単一のチャネル光信号のそれぞれは、１セットの光増幅器４０４の対応する光増幅器によって別々に増幅される。その後、ＡＷＧ４０６は単一チャネル光信号を多重化し、増幅する。１セットの光増幅器４０４の各光増幅器のパラメタは、各チャネルへ等しいゲインを与える様に選択される。
【００２６】
図５は、本発明の実施形態における光集積回路５００の他の例を示すハイレベル・ブロック図である。本例における光集積回路５００は、ポンプ光を光集積回路５００上へ接続する１セットの光ファイバインタフェース５０２と、光信号光を光集積回路５００上に接続する光ファイバインタフェース５０４と、光信号光を光集積回路１０６の外部に接続する１セットの光ファイバインタフェース５０６とを備える。光ファイバインタフェース５０２、５０４および５０６を実施するのに好適な装置は公知である。
【００２７】
本例における光集積回路５００はＡＷＧ５０１を備え、ＡＷＧ５０１は、1セットの入力導波管要素５２６および１セットの出力導波管要素５２８と、光導波路アレイ５３２の両端とをそれぞれ光学上接続する入力スターカプラー５２２および出力スターカプラー５２４を備える。1セットの出力導波管要素５２８は１セットの光増幅器５０５に接続される。
【００２８】
１セットの光増幅器５０５は、１セットのポンプ光導波伝送路要素５１２および１セットの光信号導波管要素５１４を備える１セットのコンバイナー５１０を備える。１セットの光増幅器５０５は１セットのゲイン部５２０を更に備える。図５に示された実施形態において、個々の光増幅器５０５のそれぞれが、ｎ個の単一チャネル光信号のうちの１つを増幅して良い。一実施形態において、個々の光増幅器の長さは、ＡＷＧ５０１の非均一なゲイン・スペクトルを補償する為に調整される。
【００２９】
本発明の実施形態における光集積回路（例えば光集積回路２０２、２０４、３００、４００および（または）５００）は、好適な半導体処理装置を用いて製造されたシリコン基板上の平面光波回路（ＰＬＣ）である。図６は、本発明の実施形態における光集積回路を作り上げる過程を示す断面図６００である。例えば、光導波路用の低層クラッドを形成するために、シリカ（ＳｉＯ２）の層６０４がシリコン基板６０２に熱酸化を使用して堆積されて良い。例えば、シリカ、ゲルマニウムおよびエルビウム（例えばＳｉＯ２＋Ｇｅ＋Ｅｒ３＋）の層６０６は、火炎堆積法あるいは化学蒸着法を使用して、ＳｉＯ２の第１層に堆積されて良い。
【００３０】
図７は、本発明の実施形態における光集積回路（例えば、光集積回路２０２、２０４、３００、４００および（または）５００）を作り上げる過程を更に示す断面図である。例えば、幾つかの導波管コア要素７０２が、リアクティブイオンエッチングによってＳｉＯ２＋Ｇｅ＋Ｅｒ３＋の層４０６の選択された部分を除く全ての部分を除去するために、化学工程を使用して光集積回路１０６上に形成される。例えば、ＳｉＯ２の層７２０は、火炎堆積法あるいは化学蒸着法を使用して光導波路要素７０２上に堆積されて良い。
【００３１】
単一チップ上に光学コンポーネントを集積する光集積回路１０６を有する光ネットワークには幾つかの利点が存在する。個々の光集積回路（例えばＡＷＧを備えた光増幅器）が、電子部品と同じプロセスによって（例えば形成設備の半導体プロセスによって）作り上げられ得るので、第１に、コストを削減する事が出来る。これは、単一の集積された構成要素の場合と比較した際、チップ上に構成要素を追加する際に幾つかの個別部品の機能をより少ない価格の増分で提供出来る、という事を意味する。
【００３２】
単一チップ上に部品を集積することにより、光ファイバを介した接続がより少なくなるので、第２の利点は省電力である。従来は、個別部品のそれぞれは光ファイバ経由で接続され、また、この接続によってパワーロスが生じ、このパワーロスは複数の接続に関して累積される。
【００３３】
第３の利点は、光ネットワーク中の省スペースである。これは、チップがより小型になり得、従来のラックベースのサブシステムを、カードベースのサブシステムまでスケールダウン出来る事を意味する。更に、カードベースのサブシステムによって、システムの集積化およびシステムの試験におけるコストが削減される。
【００３４】
本発明の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェアあるいはハードウェアとソフトウェアの組み合わせを使用して実施することができる。このような実施形態は、ステートマシンおよび特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）を含む。ソフトウェアを使用する実施形態において、該ソフトウェアは、コンピュータ・プログラム製品（光ディスク、磁気ディスク、フロッピディスク等）あるいはプログラム記憶デバイス（光ディスクドライブ、磁気ディスクドライブ、フロッピーディスクドライブ等）上に格納されて良い。
【００３５】
以上、本発明の例示された実施形態の記載は、網羅的であったり、本発明を開示された方法に制限したりすることを目的としない。本発明の特定の実施形態および例示は説明の目的のために本願明細書において開示され、当業者にとって明白なように、様々な均等な修正が本発明の範囲内において為され得る。これらの修正は、以上に記載された詳細な説明を考慮して本発明になされ得る。
【００３６】
添付の特許請求の範囲において使用される語句は、明細書および特許請求の範囲において開示される特定の実施形態に本発明を制限するために解釈されてはならない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲において完全に画定され、特許請求の範囲の解釈の確立された原則に従って解釈されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術における光ネットワークのハイレベル・ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態における光ネットワークの一例を示すハイレベル・ブロック図である。
【図３】本発明の実施形態における、図２に示された光集積回路の一例を示すハイレベル・ブロック図である。
【図４】本発明の実施形態における光集積回路の他の例を示すハイレベル・ブロック図である。
【図５】本発明の実施形態における光集積回路の他の例を示すハイレベル・ブロック図である。
【図６】本発明の実施形態における、図２、図３、図４および図５に示された光集積回路を作り上げる過程の連続的なステップの断面図である。
【図７】本発明の実施形態における、図２、図３、図４および図５に示された光集積回路を作り上げる過程の連続的なステップの断面図である。
【０００１】
本発明は、光学系および光学部品に関し、より詳細には、集積された光学部品を備える光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の光ネットワークはトランシーバ、アンプ、マルチプレクサとデマルチプレクサ、アンプ、スイッチおよび他の部品を備える。トランシーバの送信部分のそれぞれが電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバに送出する。マルチプレクサは、それぞれの光ファイバからの個々の光信号を多重チャネルの光信号へ組み合わせ、多重チャネル光信号を一本の光ファイバへ送出する。デマルチプレクサは多重チャネル光信号からチャネルを分離し、個々のファイバにこれらを送出する。その後、トランシーバの受信部分のそれぞれが、ファイバから光信号を受信し、これを電気信号に変換する。
【０００３】
現在、光学ネットワーク部品は、各部品が単一の機能を実行し、光ファイバによって他の部品に接続されるという点で、個別部品である。例えば、アレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）マルチプレクサ／デマルチプレクサが、１つの独立した集積回路（あるいはチップ）上に組み立てられる。
【０００４】
エルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は個別部品（エルビウムドープ光ファイバのスプール、ポンプ光を生成するレーザ、光の後方反射を防ぐサーキュレータ、ポンプ光と信号光を組み合わせるファイバ・コンバイナー、および他の部品）から構成される大規模で容積の大きいサブシステムである。
【０００５】
近年、エルビウムドープ導波路アンプ（ＥＤＷＡ）、即ち、チップ上の独立したアンプは、非特許文献１によって記述されるように、また、非特許文献２によって記述されるように、また、非特許文献３によって記述されるように製造される。
【非特許文献１】
ルビー・Ｎ・ゴッシュ（Ｒｕｂｙ Ｎ．Ｇｏｓｈ）等、「８ｍＷの閾値でＥｒ３＋をドープしたプレーナー型導波路アンプ（８−ｍＷ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｅｒ３＋ −Ｄｏｐｅｄ Ｐｌａｎａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）」、フォトニクス・テクノロジー・レター（Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒ）、米国電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ）、１９９６年４月、第８巻、第４号
【非特許文献２】
Ｊ．シュムロビッチ（Ｊ．Ｓｈｍｕｌｏｖｉｃｈ）等、「１５５０ｎｍにおいて１５ｄＢのゲインを有するプレーナー型導波路アンプの集積」、光ファイバコミュニケイションズ’９９、テクニカル・ダイジェスト・ポストデッドライン論文ＰＤ−４２（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ Ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ Ｐａｐｅｒ ＰＤ−４２）、サン・ディエゴ、カリフォルニア（Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ， ＣＡ）、１９９９年
【非特許文献３】
Ｋ．ハットリ（Ｋ．Ｈａｔｔｏｒｉ）等、「９８０／１５３０ｎｍ ＷＤＭカップラに集積されたシリカ系エルビウムドープ導波管アンプ」、エレクトロニック・レター（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第３０巻、第１１号、１９９４年５月２６日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述された光ネットワークの部品は、通常は光ファイバおよびファイバ・コネクタを使用して相互に接続される。ファイバ−部品間のインタフェースおよびファイバ・コネクタは光信号の損失の原因となり、これによって、信号をノイズのレベルよりも高く保つためにより多くのアンプを設置する必要が生じる。さらに、個別部品が多数存在するので、インストール、試験、ネットワークの再構成が非常に困難となり、高価となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図面において、同様の参照番号は、同一であるか、機能的に同等であるか、および（または）構造的に均等な要素を通常は表す。
【０００８】
光集積回路を備える光ネットワークが、本願明細書において詳述される。以下の説明において、多数の特定な詳細（例えば特定のプロセス、材料、デバイス、その他）は、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために示されるが、本発明はこれらの特定な詳細の１つ以上を欠いても実施され得るし、他の方法によっても実施され得るということが、当業者によって認識されよう。他の例において、本発明のさまざまな実施形態のうちの幾つかの実施形態を不明瞭にすることを避けるために、公知の構成または動作は図示・記述されない。
【０００９】
記載の幾つかの部分は、導波管、光集積回路、アレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、導波管アンプ、ゲイン、波長のような語句を使用して示される。これらの語句は、当業者が他の当業者に業務の要旨を伝達するために通常用いられるものである。
【００１０】
記載の他の部分はコンピュータ・システムによって実行される操作の観点から示され、アクセス、決定、カウント、送信等のような語句を使用する。当業者によって明白であるように、これらの量と操作は、コンピュータ・システムの機械的または電気的な部品によって転送、格納、統合、または操作され得る電気信号、磁気信号、あるいは光信号の形式を採る。また、「コンピュータ・システム」と言う語句は、汎用または特殊目的用データ処理機械、システムおよびその他同種のものを包含し、これらはスタンド・アロンであっても良いし、付属または組み込み式であっても良い。
【００１１】
様々な操作が、本発明を最も理解しやすいような順番で実行される複数の個別のブロックとして記載される。しかしながら、これらが記述される順番は、これらの操作が必ず順序に依存したり、ブロックが示される順番でこれらの操作が行われたりする事を意味すると解釈されるべきでない。
【００１２】
「一実施形態」あるいは「実施形態」に対する本願明細書全体に渡る参照は、実施形態に関して記述された特定の特徴、構造、プロセス、ブロックあるいは特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本願明細書を通して様々な箇所に出現する「一実施形態において」、「実施形態において」という語句の出現は、必ずしも同一の実施形態を参照していると言うわけでは無い。更に、特定の特徴、構造あるいは特性は、１つ以上の実施形態中において任意の適切な方法によって統合されて良い。
【００１３】
図１は、従来技術における光ネットワーク１００のハイレベル・ブロック図である。光ネットワーク１００は高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）を実施して良く、これにおいて、それぞれが別々のデータストリームを伝送する複数の波長の光が単一の光ファイバに組み合わされ、受信端で再び分離される。通常の場合、波長は、１５３０〜１５６０ナノメートルである。
【００１４】
光ネットワーク１００は１セットのトランシーバ１０２および１０８を備え、トランシーバ１０２は光ファイバ１１２に対し、トランシーバ１０８は光ファイバ１１４から光信号を送受信して良い。トランシーバの数はｎ個であって良く、光ファイバの本数はｎ本であって良い。光ファイバ１１２および１１４は、ｎ個の単一チャネルの光信号を、対応するマルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４および１０６にそれぞれ接続して良い。
【００１５】
マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４は、トランシーバ１０２から受信したｎ個の単一チャネル光信号を組み合わせて多重チャネル光信号を生成するために高密度波長分割多重を実行する個別部品である。マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０６は、多重チャネル光信号からｎ個の単一チャネル光信号を分割するために高密度波長分割多重分離を実行する個別部品である。マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４および１０６は、薄膜フィルタまたはファイバ・ブラッグ格子に基づいて良い。更に、マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４および１０６はアレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）のような集積回路であって良い。図１に示されるように、光ファイバ１２０、１２２および１２４は、マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４と光増幅器１３０および１３２、ならびにマルチプレクサ／デマルチプレクサ１０６との間の多重チャネル光信号を接続する個別部品である。
【００１６】
光増幅器１３０および１３２は、多重チャネル光信号を増幅するために、マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４および１０６にそれぞれ接続される。光増幅器１３０および１３２は、マルチプレクサ／デマルチプレクサ１０４および１０６へ近接し、光ネットワーク１００中の離間した位置に設置されるｎ個の個別の光増幅器である。一方向の信号伝搬に関して記述されたが、公知であるように、光ネットワーク１００は一般に双方向に作動する。
【００１７】
図２は、本発明の実施形態における光ネットワーク２００のハイレベル・ブロック図である。光ネットワーク２００の１つの特徴は光集積回路であり、これは、トランシーバに接続されて、単一のチップ上にマルチプレクサ、デマルチプレクサおよび光増幅器を集積する。
【００１８】
例えば、トランシーバ１０２および１０８は、光ファイバ１１２および１１４を経由して光集積回路２０２および２０４にそれぞれ接続される。光集積回路２０２は１セットの光増幅器２０６およびマルチプレクサ２０８を備える。光集積回路２０４は単一の光増幅器２１０およびデマルチプレクサ２１２を備える。光集積回路２０２は光ファイバ２２２経由で光集積回路２０４に接続される。光集積回路２０２および２０４の実施形態の例は、図３を参照してより詳細に記述される。
【００１９】
例えば、光集積回路３００は、導波管要素３０６を経由してアレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）３０４に接続される少なくとも１つの光増幅器３０２を備える。光集積回路２０２および２０４は、ポンプ光を光集積回路２０２上に接続する光ファイバインタフェース３０８と、光信号光を光集積回路２０２に接続する光ファイバインタフェース３１０と、光集積回路２０２の外部に光信号光を接続する光ファイバインタフェース３１２とを更に備える。光ファイバインタフェース３０８、３１０および３１２を実施するのに好適な装置は公知である。
【００２０】
一実施形態において、ＡＷＧ３０４は、単一の光増幅器３０２からの多重チャネル光信号を、単一の導波管要素３０６を経由して幾つかの単一チャネル光信号に非多重化している。他の実施形態において、ＡＷＧ３０４は、幾つかの光増幅器３０２からの幾つかの単一チャネルの光信号を、幾つかの導波管要素３０６を経由して多重チャネル光信号へ多重化している。
【００２１】
光増幅器３０２は、ポンプ光導波伝送路要素３１４および光信号光導波伝送路要素３１６を経由して光ファイバ・インタフェース３０８および３１０とそれぞれ接続される。光増幅器３０２はコンバイナー３１８を備え、コンバイナー３１８は光信号光とポンプ光を組み合わせて良い。一実施形態において、コンバイナー３１８は、導波管要素３１４と３１６の間の小型のカップラとして形成される。光増幅器３０２はゲイン部３２０を更に備え、ゲイン部３２０は、一実施形態において、エルビウムあるいは他の希土類イオンのような反応性物質で局所的にドープされた（例えば、スパッタリングされた）導波管要素３１４である。
【００２２】
ＡＷＧ３０４は、所定の異なる長さおよび形状を有する幾つかの光導波路要素から構成された格子を貫通させて光を通過させることにより波長分割多重を実行する。例えば、ＡＷＧ３０４は入力スターカプラー３２２および出力スターカプラー３２４を備え、1セットの入力導波管要素３２６および１セットの出力導波管要素３２８と、光導波路アレイ３３２のそれぞれの端部とを光学的に接続する。1セットの出力導波管要素３２８は光ファイバインタフェース３１２に接続される。光集積回路２０２上の部品が全て導波管要素を経由して接続されるので、光ファイバ経由で個別の光学コンポーネントを接続するときよりも損失がより少なくなる。
【００２３】
本例における光集積回路２０２の１つの特徴は、光増幅器３０２によって増幅される多重チャネル光信号内のチャネルが、全てゲイン部３２０中で増幅されるということである。しかしながら、この実施形態におけるゲインは、ポンプ源から利用可能なパワーの合計によって制限され得る。さらに、それぞれの波長（あるいはチャネル）は、増幅中における反応性物質（例えばエルビウム・イオン）の転位の結合の強度によって決定されるそれぞれ異なる量のゲインを持つ。本例における光増幅器３０２は、最大入力振幅のチャネルをさらに増幅し、これによって、それ以外の入力チャネルの損失が生じる。チャネルの増幅が均一でないと言う事で、増幅が小さいチャネルの信号対雑音比（ＳＮＲ）が低くなり得る。さらに、ＡＷＧ３０４のようなＡＷＧは、一般に伝送スペクトルが均一でない（すなわち、伝送が波長に依存する）。
【００２４】
一実施形態において、ＡＷＧ３０４の中の導波管要素の設計は、非均一チャネル増幅を補償するために調節される。一実施形態において、導波管の形状および幅は、スターカプラー３２２、３２４と、導波管アレイ３３２との間の接合点で変えられる。これによって、スターカプラー３２４と出力導波管要素３２８との間の接合点での光の強さの分布が異なったものとなり、従って、導波管要素３２８上の伝送の分布も異なったものとなる。
【００２５】
図４は、本発明の実施形態における光集積回路４００の他の例を示すハイレベル・ブロック図である。本例における光集積回路４００は、１セットの導波管要素４０８および４１０を経由して１セットの光増幅器４０４およびＡＷＧ４０６に接続されるＡＷＧ４０２を備える。本例は、光ネットワーク２００のような光ネットワークに含まれて良い。操作中に、本例におけるＡＷＧ４０２は、多重チャネル光信号を幾つかの単一チャネル光信号へと非多重化する。単一のチャネル光信号のそれぞれは、１セットの光増幅器４０４の対応する光増幅器によって別々に増幅される。その後、ＡＷＧ４０６は単一チャネル光信号を多重化し、増幅する。１セットの光増幅器４０４の各光増幅器のパラメタは、各チャネルへ等しいゲインを与える様に選択される。
【００２６】
図５は、本発明の実施形態における光集積回路５００の他の例を示すハイレベル・ブロック図である。本例における光集積回路５００は、ポンプ光を光集積回路５００上へ接続する１セットの光ファイバインタフェース５０２と、光信号光を光集積回路５００上に接続する光ファイバインタフェース５０４と、光信号光を光集積回路１０６の外部に接続する１セットの光ファイバインタフェース５０６とを備える。光ファイバインタフェース５０２、５０４および５０６を実施するのに好適な装置は公知である。
【００２７】
本例における光集積回路５００はＡＷＧ５０１を備え、ＡＷＧ５０１は、1セットの入力導波管要素５２６および１セットの出力導波管要素５２８と、光導波路アレイ５３２の両端とをそれぞれ光学上接続する入力スターカプラー５２２および出力スターカプラー５２４を備える。1セットの出力導波管要素５２８は１セットの光増幅器５０５に接続される。
【００２８】
１セットの光増幅器５０５は、１セットのポンプ光導波伝送路要素５１２および１セットの光信号導波管要素５１４を備える１セットのコンバイナー５１０を備える。１セットの光増幅器５０５は１セットのゲイン部５２０を更に備える。図５に示された実施形態において、個々の光増幅器５０５のそれぞれが、ｎ個の単一チャネル光信号のうちの１つを増幅して良い。一実施形態において、個々の光増幅器の長さは、ＡＷＧ５０１の非均一なゲイン・スペクトルを補償する為に調整される。
【００２９】
本発明の実施形態における光集積回路（例えば光集積回路２０２、２０４、３００、４００および（または）５００）は、好適な半導体処理装置を用いて製造されたシリコン基板上の平面光波回路（ＰＬＣ）である。図６は、本発明の実施形態における光集積回路を作り上げる過程を示す断面図６００である。例えば、光導波路用の低層クラッドを形成するために、シリカ（ＳｉＯ２）の層６０４がシリコン基板６０２に熱酸化を使用して堆積されて良い。例えば、シリカ、ゲルマニウムおよびエルビウム（例えばＳｉＯ２＋Ｇｅ＋Ｅｒ３＋）の層６０６は、火炎堆積法あるいは化学蒸着法を使用して、ＳｉＯ２の第１層に堆積されて良い。
【００３０】
図７は、本発明の実施形態における光集積回路（例えば、光集積回路２０２、２０４、３００、４００および（または）５００）を作り上げる過程を更に示す断面図である。例えば、幾つかの導波管コア要素７０２が、リアクティブイオンエッチングによってＳｉＯ２＋Ｇｅ＋Ｅｒ３＋の層４０６の選択された部分を除く全ての部分を除去するために、化学工程を使用して光集積回路１０６上に形成される。例えば、ＳｉＯ２の層７２０は、火炎堆積法あるいは化学蒸着法を使用して光導波路要素７０２上に堆積されて良い。
【００３１】
単一チップ上に光学コンポーネントを集積する光集積回路１０６を有する光ネットワークには幾つかの利点が存在する。個々の光集積回路（例えばＡＷＧを備えた光増幅器）が、電子部品と同じプロセスによって（例えば形成設備の半導体プロセスによって）作り上げられ得るので、第１に、コストを削減する事が出来る。これは、単一の集積された構成要素の場合と比較した際、チップ上に構成要素を追加する際に幾つかの個別部品の機能をより少ない価格の増分で提供出来る、という事を意味する。
【００３２】
単一チップ上に部品を集積することにより、光ファイバを介した接続がより少なくなるので、第２の利点は省電力である。従来は、個別部品のそれぞれは光ファイバ経由で接続され、また、この接続によってパワーロスが生じ、このパワーロスは複数の接続に関して累積される。
【００３３】
第３の利点は、光ネットワーク中の省スペースである。これは、チップがより小型になり得、従来のラックベースのサブシステムを、カードベースのサブシステムまでスケールダウン出来る事を意味する。更に、カードベースのサブシステムによって、システムの集積化およびシステムの試験におけるコストが削減される。
【００３４】
本発明の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェアあるいはハードウェアとソフトウェアの組み合わせを使用して実施することができる。このような実施形態は、ステートマシンおよび特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）を含む。ソフトウェアを使用する実施形態において、該ソフトウェアは、コンピュータ・プログラム製品（光ディスク、磁気ディスク、フロッピディスク等）あるいはプログラム記憶デバイス（光ディスクドライブ、磁気ディスクドライブ、フロッピーディスクドライブ等）上に格納されて良い。
【００３５】
以上、本発明の例示された実施形態の記載は、網羅的であったり、本発明を開示された方法に制限したりすることを目的としない。本発明の特定の実施形態および例示は説明の目的のために本願明細書において開示され、当業者にとって明白なように、様々な均等な修正が本発明の範囲内において為され得る。これらの修正は、以上に記載された詳細な説明を考慮して本発明になされ得る。
【００３６】
添付の特許請求の範囲において使用される語句は、明細書および特許請求の範囲において開示される特定の実施形態に本発明を制限するために解釈されてはならない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲において完全に画定され、特許請求の範囲の解釈の確立された原則に従って解釈されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術における光ネットワークのハイレベル・ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態における光ネットワークの一例を示すハイレベル・ブロック図である。
【図３】本発明の実施形態における、図２に示された光集積回路の一例を示すハイレベル・ブロック図である。
【図４】本発明の実施形態における光集積回路の他の例を示すハイレベル・ブロック図である。
【図５】本発明の実施形態における光集積回路の他の例を示すハイレベル・ブロック図である。
【図６】本発明の実施形態における、図２、図３、図４および図５に示された光集積回路を作り上げる過程の連続的なステップの断面図である。
【図７】本発明の実施形態における、図２、図３、図４および図５に示された光集積回路を作り上げる過程の連続的なステップの断面図である。
Claims (30)
- １セットの光チャネルを接続する１セットのトランシーバと、
前記１セットの光チャネルを前記１セットのトランシーバから受信するために接続される光集積回路と
を備え、前記光集積回路が、
前記光集積回路中に形成される１セットの光増幅器と、
前記光集積回路中に形成され、前記１セットの光増幅器に接続される１セットのアレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）と
を備える、システム。 - 前記光集積回路に前記１セットのトランシーバを接続するための１セットの光ファイバを更に備える、請求項１に記載のシステム。
- 前記１セットの光増幅器が、ポンプ光および光信号光を組み合わせるための１セットの導波管要素を備える、請求項１に記載のシステム。
- 前記１セットの光増幅器が、前記１セットの導波管要素に接続される１セットのゲイン部を備える、請求項３に記載のシステム。
- 前記１セットの光信号が多重チャネル光信号を含み、前記ＡＷＧが、前記多重チャネル光信号を１セットの単一チャネル光信号へ非多重化するために接続される、請求項４に記載のシステム。
- 前記１セットの光信号が１セットの単一チャネル光信号を含み、前記ＡＷＧが、前記１セットの単一チャネル光信号を多重チャネル光信号へ多重化するために接続される、請求項４に記載のシステム。
- 光集積回路を備え、
前記光集積回路が、
前記光集積回路中に形成される１セットの光増幅器と
前記光集積回路中に形成され、前記１セットの光増幅器に接続されるアレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）と
を備える、装置。 - 前記ＡＷＧが、１セットの入力導波管要素を経由して１セットの光増幅器の入力に接続される、請求項７に記載の装置。
- 前記ＡＷＧが、１セットの出力導波管要素を経由して１セットの光増幅器の出力に接続される、請求項８に記載の装置。
- 前記１セットの光増幅器が、前記１セットの導波管要素に接続される１セットのゲイン部を備える、請求項７に記載の装置。
- 光集積回路を備え、
前記光集積回路が、
前記光集積回路中に形成される第１アレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）および第２ＡＷＧと、
前記光集積回路中に形成され、前記第１ＡＷＧと前記第２ＡＷＧの間に接続される１セットの光増幅器と
を備える、装置。 - 前記第１ＡＷＧおよび前記第２ＡＷＧが、１セットの導波管要素を経由して前記１セットの光増幅器に接続される、請求項１１に記載の装置。
- 前記１セットの光増幅器が、ポンプ光および光信号光を組み合わせるために接続される、請求項１２に記載の装置。
- 光集積回路を備え、
前記光集積回路が、
前記光集積回路中に形成され、１セットの出力導波管要素を備えるアレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）と、
前記光集積回路中に形成され、前記出力導波管要素に接続される１セットの光増幅器と
を備える、装置。 - 前記１セットの光増幅器中の各光増幅器が、前記ＡＷＧの非均一ゲイン・スペクトルを補償するために所定の長さを有する、請求項１４に記載の装置。
- 前記１セットの光増幅器が、ポンプ光および光信号光を組み合わせるために接続される、請求項１５に記載の装置。
- 前記１セットの光増幅器にポンプ光を接続するポンプ・インタフェースを更に備える、請求項１６に記載の装置。
- 前記ＡＷＧに光信号光を接続する光信号インタフェースを更に備える、請求項１６に記載の装置。
- 光集積回路を備え、
前記光集積回路が、
前記光集積回路中に形成され、１セットの入力導波管要素を備えるアレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）と、
前記光集積回路の中に形成され、前記入力導波管要素に接続される１セットの光増幅器と
を備える、装置。 - 前記１セットの光増幅器が、ポンプ光および光信号光を組み合わせるために接続される、請求項１９に記載の装置。
- 前記ＡＷＧが導波管アレイを備え、前記導波管アレイ中の各導波管の形状および幅が、ＡＷＧ出力導波管アレイにおいて様々な光の分布を生成するために変えられる、請求項１９に記載の装置。
- 単一の光集積回路中に少なくとも１つのマルチプレクサ／デマルチプレクサを形成するステップと、
前記単一の光集積回路中に少なくとも１つの光増幅器を形成し、前記光増幅器の出力を、前記光集積回路中に形成される導波管を経由して前記マルチプレクサ／デマルチプレクサの入力に接続するステップと
を備える、方法。 - 光増幅器信号入力を前記単一の光集積回路上の信号カップラへ接続するために、前記単一の光集積回路中に第２導波管を形成するステップを更に備える、請求項２２に記載の方法。
- 前記単一の光集積回路上のポンプ・カップラに光増幅器ポンプ入力を接続するために前記単一の光集積回路中に第２導波管を形成ステップを更に備える、請求項２２に記載の方法。
- 単一の光集積回路中にマルチプレクサ／デマルチプレクサを形成するステップが、前記単一の光集積回路中にアレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）を形成するステップを備える、請求項２２に記載の方法。
- 単一の光集積回路中に光増幅器を形成するステップが、前記単一の光集積回路中に形成される導波管に希土類イオンをドープするステップを備える、請求項２２に記載の方法。
- 単一の光集積回路中に形成される導波管に希土類イオンをスパッタリングするステップが、前記単一の光集積回路中に形成される導波管にエルビウム・イオンあるいはプラセオジム・イオンをスパッタリングするステップを備える、請求項２６に記載の方法。
- 単一の光集積回路中に少なくとも１つのマルチプレクサ／デマルチプレクサを形成するステップと、
前記単一の光集積回路中に少なくとも１つの光増幅器を形成し、前記光増幅器の入力を、前記光集積回路中に形成される導波管要素を経由して前記マルチプレクサ／デマルチプレクサの出力に接続するステップと
を備える、方法。 - 単一の光集積回路中にマルチプレクサ／デマルチプレクサを形成するステップが、前記単一の光集積回路中にアレイ型波長回折格子（ＡＷＧ）を形成するステップを備える、請求項２８に記載の方法。
- 単一の光集積回路中に少なくとも１つの光増幅器を形成するステップが、前記単一の光集積回路中に形成される少なくとも１つの導波管要素に希土類イオンをドープするステップを備える、請求項２８に記載の方法。
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