JP2005519322A - ２つの別個のチャネルを備えた光学モードアダプタ - Google Patents

Abstract

【課題】 損失が限定された光学モードアダプタを得る。
【解決手段】
本発明は、第１及び第２導波管をそれぞれその第１端部１１及び第２端部１２端部に接続するために、光学基板３１上に第１チャネルＣ１及び第２チャネルＣ２を含む光学モードアダプタを示す。これら２つのチャネルは、少なくとも１つの導波層３３によって被覆され、第１チャネルＣ１の屈折率は、第２チャネルＣ２のそれより小さい。本発明は、このアダプタの製造方法も同様に対象とする。

Description

本発明は、２つの別個のチャネルを有する光学モードアダプタに関する。

本発明は、集積光学に関するものであり、同じ基板上に複数のモジュールを組み込むことを目的とする分野である。この種の装置に必要不可欠な要素は、異なるモジュール間に光エネルギーを送る導波管である。

この種の装置では、集積装置の必要空間を最大限に制限することに常に関心が払われているため、導波管はできるだけ小さな寸法となっており、そのため減少した伝搬モードを担持する。この装置は、任意の外部装置に接続されるものであり、この接続は一般的に光ファイバによって行われる。しかしながら、光ファイバは、空間拡張が集積装置で採用される減少モードのそれよりも遥かに大きい、広い伝搬モードを担持する導波管である。

異なる幾何学的形状の２つの導波管同士を接続すると、大きな光損失を引き起こすことは知られている。

このように、本発明は、損失が限定された光学モードアダプタを対象とする。

本発明によれば、アダプタは、第１及び第２導波管をそれぞれその第１及び第２端部に接続するために光学基板上に第１及び第２チャネルを備え、これら２つのチャネルは、少なくとも１つの導波層によって被覆され、かつ第１チャネルの屈折率は、第２チャネルのそれより小さい。

屈折率は、２つのチャネル内の別個の伝搬モードの所望の幾何学的特性に適合させている。

多くの場合、第１チャネルの幅は、第２チャネルのそれよりも少し大きい。

好ましくは、アダプタは、２つのチャネルが内部で接触する適応セルを含み、このセルのそれぞれ第１、第２端部は、アダプタのそれぞれ第１、第２端部の近傍に配置され、第１チャネルの幅は、適応セルの第１から第２端部へ漸減する。その上、可能であれば、第１チャネルの幅は、この適応セルの第２端部でゼロである。

同様に、第２チャネルの幅は、適応セルの第２から第１端部へ漸減し、場合によりこの適応セルの第１端部でゼロになる。

最終的には、適応セルの第２端部は、アダプタの第２端部と一致する。

更に、導波層の屈折率は、基板の屈折率よりも大きい。

好適には、アダプタは、導波層上に配置された少なくとも１つの被覆層を含み、この被覆層の屈折率は、導波層の屈折率、及びチャネルの屈折率よりも小さい。

アダプタの第１の実施態様によれば、これらのチャネルの少なくとも一方は、基板内に集積される。

アダプタの第２の実施態様によれば、これらのチャネルの少なくとも一方は、基板上に突き出ている。

他方で、導波層の屈折率は、１．００１を超える係数で乗じた基板のそれに相当する。

一般的に、導波層全体の厚さは、１〜２０ミクロンである。

本発明は、次のステップ：
− これらのチャネルの少なくとも一方のパターンを画定するための、基板上でのマスク作成、
− マスクされた基板のイオン注入、
− マスクの取り出し、
− 基板上への導波層の蒸着、
を含むアダプタの第１の製造方法も同様に対象とする。

第２の方法は、次のステップ：
− 基板のイオン注入、
− これらのチャネルの少なくとも一方のパターンを画定するための、基板上でのマスク作成、
− 注入の深さに少なくとも等しい深さに対する基板のエッチング、
− マスクの取り出し、
− 基板上への導波層の蒸着、
を含む。

好ましくは、これら最初の２つの方法は、イオン注入ステップに続く基板の焼きなましステップを含む。

第３の方法は、次のステップ：
− チャネルの少なくとも一方のパターンを画定するための、可動イオンを含む基板上でのマスク作成、
− 分極可能なイオンを含む浴中でのマスクされた基板の浸漬、
− マスクの取り出し、
− 基板上への導波層の蒸着、
を含む。

第４の方法は、次のステップ：
− 基板の屈折率より大きい屈折率を有する第１層の蒸着、
− 第１チャネルを画定するための、この基板上での第１マスク作成、
− 基板のエッチング、
− この第１マスクの取り出し、
− 第２層の蒸着、
− 第２チャネルを画定するための、この基板上での第２マスク作成、
− 基板のエッチング、
− 第２マスクの取り出し、
− 基板上への導波層の蒸着、
を含む。

これらの方法は、他方で上記アダプタの様々な特性の実施に適する。

本発明は、添付図面を参照して例証として示す、以下に続く実施例の記載の枠内で、これからより詳細に現れるであろう。

幾つかの図中にある要素は、唯一かつ同一の参照符号が割り当てられる。

図１を参照すると、その基本構造において、第１端部１１及び第２端部１２によって範囲が定められるアダプタ１は、アダプタ１の対応する端部に相対して配置される第１端部２１及び第２端部２２有する適応セル２を含む。

場合により、適応セルの第２端部２２は、アダプタの第２端部１２と一つになる。

長方形の第１チャネルＣ１は、アダプタの第１端部１１から適応セルの第２端部２２へ、長手方向軸に沿って伸長する。第１チャネルＣ１の幅よりも小さい幅を有する第２チャネルＣ２は、同様に長方形であり、アダプタの第２端部１２から適応セルの第１端部２１へ、同一の長手方向軸に沿って伸長する。適応セル２内に現れる第２チャネルＣ２の部分は、第１チャネルＣ１に重なり合い、結合区間Ｓを決定する。

第１チャネルＣ１の屈折率は、第２チャネルＣ２のそれよりも小さい。

ここでは第１チャネルＣ１の幅より小さい、第２チャネルＣ２の幅は、場合によりそれと等しくても良く、更にはそれより僅かに大きくても良い。

適応セル２は、不可欠ではないが、２つのチャネル間の結合損失を著しく減少することを可能にする。

図２を参照すると、このセルの構造は、最適化することができ、かつそれを明示するために、アダプタの軸に垂直であり、かつ適応セルの両端部２１、２２の間に配置された直線の形状を取るアラインメントマーク２３が画定される。

第１チャネルＣ１の外郭の幅は、このセルの第１端部２１からアラインメントマーク２３まで漸減する。ここで減少は、線形であるが、放物線状であっても、急激であっても又はその他のいかなる性質であっても良い。次にこの幅は、アラインメントマーク２３及び適応セルの第２端部２２の間でほぼ一定であり、このセルの外側で第２チャネルＣ２の幅を僅かに超える。第２チャネルＣ２の幅を減じた外郭幅に相当する第１チャネルＣ１の残留幅は、消滅さえし得る。

第２チャネルＣ２の幅は、適応セルの第２端部２２及びアラインメントマーク２３の間でほぼ一定である。次に、適応セルの第１端部２１まで漸減し、この箇所で消滅さえし得る。

当然に、適応セル２は、任意の形状を取り得るが、重要な点は、２つのチャネルＣ１、Ｃ２が、それらの面の少なくとも１つに対して接触、又はほぼ接触していることである。このように、図１及び２で入り組んでいるこれらのチャネルは、あるいは、少なくとも１つの共通な面に沿って並置、積み重ね、又は一部が重ねられても良い。

特別な実施態様によれば、アダプタは、イオン注入技術に頼って作成される。

図３（ａ）を参照すると、基板は、熱酸化物を増大させたか、又は二酸化ケイ素又はその他の材料の層を蒸着させた、シリカでできているか、ケイ素でできている。このように、基板は、一般に二酸化ケイ素の、例えば厚さ５〜２０ミクロンの上面又は光学基板３１を有する。イオン注入によって作成された第１チャネルＣ１は、それ自体が導波層３３によって被覆される光学基板内にここでは集積される。チャネルの屈折率は、当然に二酸化ケイ素のそれよりも高い。例えば厚さ５ミクロンの導波層は、ドープされた二酸化ケイ素でできており、かつ光学基板の屈折率より大きい屈折率、例えば０．３%を有する。導波層は、場合により、薄層の積み重ねから生じる。好ましくは、同様に薄層の積み重ねからなり得る被覆層３４は、導波層３３上に備えられる。同様に厚さ５ミクロンのこの被覆層は、導波層の屈折率及びチャネルの屈折率より小さい屈折率を有する。この場合に、それはドープされない二酸化ケイ素でできている。

図４（ａ）を参照すると、第１のアダプタ製造方法は、従来のフォトリソグラフィ法によって、光学基板３１上に第１マスク４２を作成することからなる第１のステップを含む。このマスク４２は、樹脂、金属、又は注入時にイオンにとって越せない障壁を構成し得るその他のあらゆる材料でできている。場合により、マスクは、直接描画法によって得ることができる。それは、２つのチャネルＣ１、Ｃ２の集合に対応するパターンＭを複写する。

図４（ｂ）を参照すると、パターンＭは、マスクされた基板のイオン注入によって製造される。例として、チタンの注入のために、第１チャネルＣ１に関して望まれる注入分量Ｄ１は、１０^１６／ｃｍ^２〜１０^１８／ｃｍ^２であり、他方でエネルギーは、数十〜数百ＫｅＶである。

図４（ｃ）を参照すると、第１マスクは、例えば化学エッチング法によって取り出される。

次のステップは、第２チャネルＣ２の形状を複写する光学基板３１上に第２マスクを作成することからなる。この第２チャネルは、１０^１６／ｃｍ^２〜１０^１８／ｃｍ^２の分量（Ｄ２−Ｄ１）でマスクされる基板のイオン注入によって製造され、従って結果として生じる注入分量Ｄ２を有する。次にそこでも、マスクが取り出される。

第１マスクに対する第２マスクの位置決めの精度は、必然的に限定され、アラインメントマーク２３及び適応セルの第２端部２２の間の第１チャネルＣ１の幅は、このセルの外側で第２チャネルＣ２の幅を僅かに超える。その上、マスク上に完全な先端を作成することは、実際上不可能であるので、適応セルの第１端部２１のレベルでの第２チャネルＣ２の幅は、全くのゼロではない。

基板は、次に２つのチャネル中の伝搬損失を減少させるために焼きなましを受ける。例として、温度は４００〜５００℃であり、雰囲気は制御されるか、又は自由空気であるが、他方で期間は、約数十時間である。

図４（ｄ）を参照すると、導波層３３はその場合、任意の公知の技術により、但しそれが、屈折率が容易に制御され得る低い損失の材料に至らせるという条件で、基板３１に蒸着する。最後に、被覆層３４が、場合により導波層１８上に蒸着する。

図３（ｂ）を参照すると、第１チャネルＣ１の屈折率は、比較的低く、例えば１．５６であり、従って広い伝搬モードＧＭが導波層３３内に広く伸長する。このチャネルの幅、例えば７．５ミクロン及びこの導波層の厚さは、伝搬モードＧＭが、単一モード光ファイバのそれにできるだけ近いように選択される。その場合、９０%の値のファイバへの結合係数を得ることができる。導波モードの実効屈折率は、導波層の屈折率及びチャネルのそれよりも小さい。それは上面３１の屈折率及び被覆層３４のそれよりも大きい。

図３（ｃ）を参照すると、第２チャネルＣ２は、導波層なしで注入される導波管に対して見受けられる伝搬モードに近い、縮小伝搬モードＰＭを担持する。その場合、チャネルの屈折率が、比較的高く、例えば１．９０であることが望ましい。このチャネルの幅は、著しく減少しても良い。導波モードの実効屈折率は、ここでは導波層のそれよりも大きく、かつチャネルのそれよりも小さい。減少モードＰＭの側方封じ込めは、非常に重要である。

イオン注入は、今や注入されるイオン分量に対して非常に高精度で、概して１%で行われるのである。二酸化ケイ素の光学基板は、変動を有さないか、変動が僅かである屈折率を有し、チャネルの屈折率に関して非常に高い精度を得ることができるという結果になる。例として、それぞれ１０^１６／ｃｍ^２、１０^１７／ｃｍ^２のチタンの注入分量に関して、屈折率に対する精度は、それぞれ１０^−４、１０^−３に達する。第１チャネルの屈折率は、光ファイバへの結合に非常に目立って影響するパラメータであるので、この精度は、広い伝搬モードＧＭを探す時に、特に重要である。

図５（ａ）を参照すると、第２のアダプタ製造方法は、光学基板３１全体を注入することからなる第１のステップを含む。注入分量Ｄ１及びエネルギーは、第１チャネルＣ１に関して予定されるそれに対応する。

次に続くステップは、光学基板３１上に上記方法の第２のマスクと同一のマスクを作成することからなる。この第２チャネルは、その場合分量（Ｄ２−Ｄ１）で注入され、かつマスクが取り出される。

図５（ｂ）を参照すると、次のステップは、基板３１上に新規のマスク５１を作成することからなる。このマスクは、第１の方法中に用いられる第１マスクのパターンと相補的なパターンを画定するが、注入ステップを受けるべきでない。

図５（ｃ）を参照すると、パターン２５は、注入の深さに少なくとも等しい深さに対する光学基板のエッチングによって得られる。エッチングの任意の公知の技術が、許容し得る幾何学的特性、特に輪郭及び側面の表面の状態に至らせさえするのなら、適している。

ここで、第１の方法は、エッチングステップを含まないので、構造が完全に平坦である導波管を画定するという利点を有することが注目される。

図５（ｄ）を参照すると、マスクが取り出され、次に基板がここでも焼きなましを受ける。導波層３３及び場合により被覆層３４は、その場合第１の方法に従って蒸着する。

この第２の方法の応用例によれば、第１のステップは、光学基板３１全体を分量（Ｄ２−Ｄ１）で注入することならなる。次に続くステップは、第２チャネルＣ２を画定するマスクを作成し、次にこの第２チャネルの範囲を定めるために基板をエッチングすることからなる。その場合基板は、分量Ｄ１で注入され、かつ次のステップは、第１方法中に用いられる第１マスクのパターンと相補的なパターンを画定するマスクを作成することからなる。基板は、次にエッチングされ、かつ導波層が蒸着する。

第３の方法は、イオン交換技術を利用する。この場合において、基板は、比較的低い温度で可動イオンを含むガラスであり、例えば酸化ナトリウムを含むケイ酸塩ガラスである。そこで基板は、マスクも備え、かつ第１の方法に対して、注入ステップは、銀又はカリウムのような分極可能なイオンを含む浴中での浸漬ステップによって代えられる。パターンは、基板の可動イオンとの分極可能なイオンの交換の結果生じた屈折率の増加によって、このようにして作成される。次に一般的に、チャネルは、基板の面に垂直に電界を加えることによって埋められる。

この第３の方法は、非常な簡易さを有する。しかしながら、あらゆる所望の特性を必ずしも有さない特殊な基板の選択を課している。その上、イオンの大きな側方拡散のために、空間分解能が限定される。

第４の方法は、薄層技術を利用する。一般的に基板の上面は、二酸化ケイ素でできている。二酸化ケイ素の屈折率より大きい屈折率を有する第１層６１は、火炎加水分解蒸着（Ｆｌａｍｅ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」）、プラズマによって補助される又は補助されない、高圧又は低圧の気相での化学蒸着、真空蒸着、陰極粉砕、又は遠心分離による蒸着のような任意の公知技術により、光学基板上に蒸着する。この層は、多くの場合にドープされた二酸化ケイ素、窒素酸化ケイ素、窒化ケイ素であり、かつ重合体又はゾル−ゲルを用いることもできる。結合区間Ｓを含む第１チャネルＣ１を画定するマスクは、その場合蒸着層６１上に加えられる。次に、このチャネルは、化学エッチング、又はプラズマエッチング、反応性イオンエッチング、又はイオンビームエッチングのようなドライエッチング法によって作成される。

マスクは、エッチング後に取り出され、かつ第２層６２が蒸着される。次に第２チャネルＣ２を画定するもう１つのマスクが、新規エッチングステップの前に、第２層６２上に加えられる。導波層３３は、その場合２つのチャネル上に蒸着される。

ここで、２つのマスクを高精度で積み重ねるという困難にも直面する。

応用例によれば、２つのチャネルの一部の重なりで生じる進行を回避するために、第１層６１をエッチングするために使用されるマスクは、結合区間Ｓなしに第１チャネルＣ１を画定する。

この方法は、アダプタの伝搬損失に直接影響を及ぼす特性である、チャネルの側面の表面の状態に関しても、空間分解能の領域でも修得することが困難であるエッチング作業を必要とする。

以上に示した本発明の実施例は、それらの具体的な性質のために選択された。しかしながら、この発明がカバーするあらゆる実施態様の一覧を漏れなく作成することは、可能でないであろう。特に、記載されたあらゆるステップ又はあらゆる手段は、本発明の枠から逸脱することなく、同等のステップ又は手段によって代えることができる。

上から見たアダプタの基本構造図である。 上から見た改良されたアダプタの図である。 アダプタの断面図である。 第１の応用例によるアダプタの製造である。 第２の応用例によるアダプタの製造である。 薄層に作成されたアダプタの断面図である。

Claims (19)

1. 第１及び第２導波管をそれぞれその第１端部（１１）及び第２端部（１２）に接続するために、光学基板（３１）上に第１チャネル（Ｃ１）及び第２チャネル（Ｃ２）を備えた光学モードアダプタであって、これら２つのチャネルは、少なくとも１つの導波層（３３）によって被覆され、第１チャネル（Ｃ１）の屈折率は、第２チャネル（Ｃ２）のそれより小さいことを特徴とするアダプタ。
2. 第１チャネル（Ｃ１）の幅は、第２チャネル（Ｃ２）のそれよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のアダプタ。
3. ２つのチャネル（Ｃ１、Ｃ２）が内部で接触する適応セル（２）を含み、このセルの第１端部（２１）及び第２端部（２２）のそれぞれは、アダプタの各第１端部（１１）及び第２端部（１２）の近傍に配置され、第１チャネル（Ｃ１）の幅は、前記適応セルの第１端部（２１）から第２端部（２２）へ漸減することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のアダプタ。
4. 第１チャネル（Ｃ１）の幅は、前記適応セルの第２端部（２２）でゼロであることを特徴とする請求項３に記載のアダプタ。
5. ２つのチャネル（Ｃ１、Ｃ２）が内部で接触する適応セル（２）を含み、このセルの第１端部（２１）及び第２端部（２２）のそれぞれは、アダプタの各第１（１１）端部及び第２端部（１２）の近傍に配置され、第２チャネル（Ｃ２）の幅は、前記適応セルの第２端部（２２）から第１端部（２１）へ漸減することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のアダプタ。
6. 第２チャネル（Ｃ２）の幅は、前記適応セルの第１端部（２１）でゼロであることを特徴とする請求項５に記載のアダプタ。
7. 前記適応セルの第２端部（２２）は、このアダプタの第２端部（１２）と一致することを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載のアダプタ。
8. この導波層（３３）の屈折率は、基板（３１）のそれよりも大きいことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のアダプタ。
9. 前記導波層（３３）上に配置された少なくとも１つの被覆層（３４）を含み、この被覆層の屈折率は、導波層のそれ、及び前記チャネル（Ｃ１、Ｃ２）のそれよりも小さいことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のアダプタ。
10. 前記チャネル（Ｃ１、Ｃ２）の少なくとも一方は、前記基板（３１）内に集積されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のアダプタ。
11. 前記チャネル（Ｃ１、Ｃ２）の少なくとも一方は、前記基板（３１）上に突き出ていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のアダプタ。
12. 前記導波層（３３）の屈折率は、１．００１を超える係数で乗じた基板（３１）の屈折率に相当することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のアダプタ。
13. 導波層（３３）全体の厚さは、１〜２０ミクロンであることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載のアダプタ。
14. 前記チャネル（Ｃ１、Ｃ２）の少なくとも一方は、前記基板（３１）内のイオン注入から生じることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のアダプタ。
15. 次のステップ：
    − 前記チャネル（Ｃ１、Ｃ２）の少なくとも一方のパターン（Ｍ）を画定するための前記基板（３１）上のマスク作成、
    − マスクされた基板のイオン注入、
    − 前記マスクの取り出し、
    − 基板上への前記導波層（３３）の蒸着、を含むことを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のアダプタの製造方法。
16. 次のステップ：
    − 基板（３１）のイオン注入、
    − 前記チャネル（Ｃ１、Ｃ２）の少なくとも一方のパターン（Ｍ）を画定するための、前記基板上でのマスク作成、
    − 注入の深さに少なくとも等しい深さに対する基板（３１）のエッチング、
    − 前記マスクの取り出し、
    − 基板上への前記導波層（３３）の蒸着、を含むことを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のアダプタの製造方法。
17. イオン注入ステップに続く基板（３１）の焼きなましステップを含むことを特徴とする請求項１５又は１６のいずれかに記載の方法。
18. 次のステップ：
    − 前記チャネル（Ｃ１、Ｃ２）の少なくとも一方のパターン（Ｍ）を画定するための、可動イオンを含む前記基板（３１）上でのマスク作成、
    − 分極可能なイオンを含む浴中でのマスクされた基板の浸漬、
    − 前記マスクの取り出し、
    − 基板上への前記導波層（３３）の蒸着、を含むことを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のアダプタの製造方法。
19. 次のステップ：
    − 前記基板（３１）の屈折率より大きい屈折率を有する第１層（６１）の蒸着、
    − 前記第１チャネル（Ｃ１）を画定するための、この基板（３１）上での第１マスク作成、
    − 基板（３１）のエッチング、
    − 前記第１マスクの取り出し、
    − 第２層（６２）の蒸着、
    − 前記第２チャネル（Ｃ２）を画定するための、この基板（３１）上での第２マスク作成、
    − 基板（３１）のエッチング、
    − 前記第２マスクの取り出し、
    − 基板上への前記導波層（３３）の蒸着、を含むことを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のアダプタの製造方法。
    

Images