JP2005531818A - 二重素材コアによる導波管の熱的補償 - Google Patents

Abstract

１つの平面光波回路は、熱的に補償する１つの導波管を含む。前記導波管は、１つのクラッディングと１つのコアを含み、前記コアは前記コアを通して長手方向に延長する２つの領域を含む。１つの領域は、１つの負熱光定数を有する。他の領域は、１つの正熱光定数を有する。

Description

本発明は、光回路に関する。より詳細には、本発明は、１つの光導波管の熱的補償に関する。

複数の光回路は、以下に限らないが、複数の光源、複数の検出器および／または分割、結合、組合せ、多重化、非多重化、および開閉などの複数の機能のような複数の機能を提供する複数の導波管を含む。複数の平面光波回路（ＰＬＣＳ）は、１つのウエハの平面中で製造され動作する複数の光回路である。ＰＬＣ技術は有利である。なぜならば、それは多くの異なるタイプの複数の光装置、例えば複数のアレー導波管グレーティング（ＡＷＧ）フィルター、複数の光アド／ドロップ（デ）マルチプレクサ、複数の光スイッチ、モノリシック、ならびに、複数のハイブリッド光電子集積装置のようなものを形成するのに使われるからである。複数の光ファイバーで形成されるような複数の装置は、通常、大変大きいいか、あるいは全く実現できないかであろう。更に、複数のＰＬＣ構造は、１つのシリコン・ウエハ上で大量生産され得る。

複数のＰＬＣはしばしば、シリカ・オン・シリコン（ＳＯＳ）技法に基づいてきたが、しかし、以下に限らないが、シリコン・オン・絶縁物（ＳＯＩ）、シリコン上のポリマーなどを使って代替的に実施され得る。

位相に敏感な複数の光回路のような複数の光回路のための熱的補償は、複数の装置は複数の温度が保証されない複数の箇所において動作させられるので重要である。これらの複数の場合においては、複数の光回路は、温度調整機器と組み合わされる。しかしながら、これらの構成は理想よりは少ない。何故なら、これら複数の装置は、もし停電があれば故障し易く、温度補償機器は、所望されない大量の電力を必要とし得るからである。

１つの平面光波回路は、熱的補償の１つ以上の導波管を含む。これらの熱的補償導波管は、１つのクラッディングおよびコアを通して長手方向に延長する２つの領域を含む１つのコアを含む。１つの領域は、１つの負の熱光定数（”ＴＯＣ”）を有する。その他の領域は、１つの正のＴＯＣを有する。

図１Ａは、１つの導波管構造５の１つの横断面図の１つの実施形態を示す１つの概要図である。１つの実施形態において、図１Ｂおよび１Ｃに関して述べたように、その構造は熱的補償するように続いて修正される。図１Ａ中に示すように、下部クラッディング１２の１つの層は、通常、１つの基板１０上に堆積する。１つの導波管コア層２０は、下部クラッディング１２上に堆積し、１つの上部クラッディング２４は、導波管コア層２０上に堆積する。１つの例において、基板１０はシリコン、下部クラッディング１２はＳｉ０_２、コア層２０はゲルマニウムでドープされたＳｉ０_２、および上部クラッディング２４は硼素隣酸珪酸ガラス（ＢＰＳＧ）である。一実施形態において、上部クラッディング２４は、コアを被うおよそ１〜２ミクロンの１つの薄い層を形成しうる。

図１Ｂは、コア層２０中に１つのトレンチ３０が形成された後の１つの導波管の１つの横断面の１つの実施形態を示す１つの概要図である。一実施形態において、導波管のコアの長さに沿って延長するトレンチ３０が形成される。トレンチは、エッチング、イオン・ビーム・ミリング、または他の方法により形成され得る。一実施形態において、トレンチ深さは、コアの深さの２／３以上の１つの深さを有する。しかしながら、トレンチ深さは、下部クラッディング１２に食い込むまでに達しうる。トレンチの幅は、導波管によって伝播する光信号の１つの波長より狭く設計される。

図１Ｃは、負のＴＯＣを有する素材５０の１つの層が堆積した後の図１Ｂの横断面の１つの実施形態を示す１つの概要図である。負ＴＯＣ素材５０は、トレンチを充填して、コアの１つの負ＴＯＣ中心領域４０を形成する。一実施形態において、１つのポリマー、例えばシリコーン、ポリー（メチルメタクリレート）（”ＰＭＭＡ”）、またはベンジンシクロブタン（”ＢＣＢ”）のようなものが使われる。しかしながら、様々な他の素材も代替的に使用可能である。

導波管５内を１つの信号が伝播するとき、その光信号の光界の１つの第１部分がコアの負ＴＯＣ領域４０中を伝播し、その光信号の光界の１つの第２部分が正ＴＯＣ領域４２中を伝播する。一実施形態において、負ＴＯＣ領域４０中の光界の第１部分は、実質的には正ＴＯＣ領域４２中の光界の第２部分によって囲まれる。

一実施形態において、負ＴＯＣ領域４０と正ＴＯＣ領域４２との間の屈折率差は、負ＴＯＣ領域４０を１つの上部クラッディングとして働く同じ素材の１つの層で充填することを許すに十分大きい。説明した構造は、１つの広い温度範囲に亘る低損失を伴う良い補償をもたらし、便利な製造を可能にする。

図２は、１つの熱的補償導波管を製造するための１つの方法の一実施形態を示す１つのフローチャートである。このフローチャートは、ブロック１００から始まり、ブロック１１０まで続く。ここでは導波管の１つのコアが適切な基板構造の上に形成される。一実施形態において、そのコアは１つのＳＯＳ構造上に形成され、およそ６ミクロン×６ミクロンの断面積を有するゲルマニウムでドープされたＳＩ０２を含む。他の正ＴＯＣ素材も代替的に使用できる。このフローチャートは、ブロック１２０から続く。ここでは、１つのトレンチがコア中に生成される。一実施形態において、このトレンチはおよそ１ミクロン幅で、導波管の１つの全長を延長する。ブロック１３０において、負熱光定数素材がそのトレンチ中に堆積する。一実施形態において、およそ１５５０ｎｍの１つの光信号が、正負の両ＴＯＣ領域を有するコアを作り上げている両素材内を伝播する。このフローチャートは、ブロック１４０で終わる。

１つの代替的な実施形態において、トレンチが負ＴＯＣ素材で満たされた後、１つの正ＴＯＣを有する別の素材をその負ＴＯＣ素材を被うために使ってもよい。

コア中の実効伝播率は、基板の熱膨張を補償する１つの準線形応答を有し、およそ１００℃の１つの範囲までの熱補償を可能にする。加えて、説明した導波管は曲がった導波管にも使える。１０ｍｍまでの１つの曲率半径がおよそ３ｄｂ／ｃｍのオーダの損失の下で実現できる。

図３は、複数の熱補償導波管を利用した１つのアレー導波管グレーティング（ＡＷＧ）２００の一実施形態を示す１つの概要図である。一実施形態において、それらの導波管２１０ａ〜２１０ｘは、先に説明したように熱補償されているが、そのスター・カプラー２２０と２２２、および入出力導波管２３０と２３２は、熱補償されていないので、これらの入出力導波管２３０と２３２および複数の他の光学的構成要素との連結を容易にしている。

図４は、複数のカプラー３１０と３１２中で複数の熱補償導波管を使う領域１つの干渉計構成要素３００を含む１つのＰＬＣの一実施形態を示す１つの概要図である。１つの温度調節器３２０が、１つの非熱補償導波管部分上に使用され、光信号の位相を修正する。一実施形態において、１つの電気的構成要素３５０、例えば１つの光／電気変換器および／または電気／光変換器がその熱補償導波管カプラー３１２に結合されている。１つ以上の電気的接続３６０が、電力と複数の他の電気信号を伴う電気的構成要素３５０を結合する。１つの代替的な実施形態において、位相変調は、例えば機械的な方法のような複数の他の方法を使って調整できる。

一実施形態において、１つの温度調節器３８０が、１つの熱補償光回路に伴って組み込まれ、その装置をその熱補償温度範囲内に保つ。

説明したすべての熱補償導波管は、複数の単一モード導波管を別々に補償する。それらは、１つの位相過敏部分だけに使ってもよいし、１つの光回路を通して使ってもよい。

様々な素材が熱補償には使える。例えば、シリコーンは−３９×１０−５／℃の１つのＴＯＣを有し、ＰＭＭＡは−９×１０−５／℃の１つのＴＯＣを有し、ＢＰＳＧはおよそ１．２ｘ１０−５／℃の１つのＴＯＣを有する。トレンチの設計は、様々な素材の使用を補償するために変更できる。

図５は、１つの二重素材導波管の１つの横断面中の正規化モード光界強度を示す１つのグラフである。図６は、１つの二重素材導波管のための１つのアパチャー機能を図解した１つのグラフである。１つの近似として、すべての導波管素材は、次の関係を満足するように選ばれる。

ここで、
Ψは、モード光界強度；
Ψ^＊は、モード光界強度の共役複素数；
αは、基板の支配を受ける線形熱膨張係数；
Ｂは、熱光係数；
ｎは、実効伝播率；および
Ａは、素材内で値１、素材外で０を有する１つのアパチュア関数である。サブスクリプトＰＣは、ポリマー・コア内を示し、ＧＣは、Ｇｅシリカ・コア内を示し、ＣＬは、クラッディング内を示す。

当業者とっては、歪と分極の影響を考慮してモデリングの精度を改善することは比較的当然なことである。

図７Ａ〜図７Ｃは、１つの熱補償導波管５０５の別の実施形態を図解する複数の概要図である。この実施形態においては、コア５２０は、１つの正ＴＯＣを有する１つの中心部および１つの負ＴＯＣを有する１つの外部を持っている。

図７Ａは、１つの正ＴＯＣを有する１つの第１コア部分５２０ａを示す。この第１コア部分５２０ａは、１つの導波管の長さに沿って延長する１つのスパイクを形成する。一実施形態において、第１コア部分は、図１Ａのそれに類似して、１つの基板５１０を亘る１つの下部クラッディング５１２上に形成される。第１コア部分は、堆積させ、その上で腐食させて所望の寸法を有するスパイクを形成することができる。複数の指示構造５２４が、コア５２０から十分離れている限りにおいて下部クラッディング上に形成でき、コアからこれらの支持構造への光の漏れを防ぐことができる。

図７Ｂは、正ＴＯＣ第１コア部分５２０ａに亘って堆積し、１つの第２コア部分５２０ｂを形成する１つの負ＴＯＣ素材を示す。第１コア部分５２０ａと第２コア部分５２０ｂがコア５２０を作り上げる。一実施形態において、負ＴＯＣコア素材は、ポリマー（”コア・ポリマー”）である。一実施形態において、コア・ポリマーは、紡績堆積によって形成される。代替的には、コア・ポリマーは、他のリソグラフィー法が適用され得る。一実施形態において、コア・ポリマーは、およそ１．４５から１．６の屈折率を有する。

図７Ｃは、クラッディング５３０を形成するためにコア５２０に亘って堆積した１つの第２負ＴＯＣ素材を示す。一実施形態において、負ＴＯＣ素材は、ポリマー（”クラッディング・ポリマー”）であり、おおよそ０．０１から０．０５だけコア・ポリマー５２０ｂのそれよりも小さい屈折率を有する。一実施形態において、コア・ポリマーとクラッディング・ポリマーは、関連したポリマーである。

図７Ｄは、図７Ａ〜図７Ｃの導波管５０５のコア５２０の１つの拡大を示す１つの概要図である。一実施形態において、１つのアンダークラッディング５５０が、コア・ポリマー５２０ａを塗布する前に堆積する。これがコアの下にポリマーの１つのクラッディングを提供し、これが１つのインタフェースを作る。このインタフェースは、実質的にコア／クラッディング・インタフェースとコアの頂上でより優れた性能を具備するために整合する。

図８は、１つの二重素材コアを有する１つの導波管の別の実施形態の１つの横断面図を示す１つの概要図である。この実施形態において、１つの内部コア６１０は、１つの外部コア６１２によって完全に囲まれている。１つの場合において、内部コアは、１つの負ＴＯＣを有し、外部コアは１つの正ＴＯＣを有する。１つの代替的実施形態において、内部コアは、正ＴＯＣを有し、外部コアは負ＴＯＣを有する。内部および外部コアは、ポリマーを含んでよく、または他の適した素材を含んでよい。

図９は、１つの二重素材コアを有する導波管の別の実施形態の１つの横断面図を示す１つの概要図である。この実施形態においては、１つの内部コア６２０は、１つの外部コア６２２間に挟まれている。内部コアは、しかしながら、実質的にＰＬＣの基板の平面中に横たわっており、ＰＬＣの基板の平面に実質的に垂直な１つの平面中に、複数の内部コアを有する図１Ｃおよび７Ｃに関する先に説明の構造に比較して、著しい曲げ半径を有する複数のＰＬＣのための良い光学的閉じ込めを得られないであろう。

従って、熱的に補償された平面光波回路を作る１つの機器および方法が開示される。しかしながら、ここに説明の具体的な複数の実施形態と複数の方法は全て、単なる図解のためのものにすぎない。例えば、導波管を熱的に補償する全ての技法は、１つのＳＯＳ構造の言葉で説明したが、この技法は、ＳＯＳ構造だけに限られたものではない。形状および詳細における数多くの修正が、下に請求のような本発明の範囲から離れることなくなされ得る。本発明は、添付された複数の全ての請求項の範囲によってのみ、制限されるものである。

熱的補償されるように修正されている１つの導波管の横断面図の一実施形態を示す複数の概要図である。 熱的補償されるように修正されている１つの導波管の横断面図の一実施形態を示す複数の概要図である。 熱的補償されるように修正されている１つの導波管の横断面図の一実施形態を示す複数の概要図である。 １つの熱的に補償された導波管を製造するための１つの方法の一実施形態を示す１つのフローチャートである。 複数の熱的補償導波管を利用する１つのアレー導波管グレーティングの一実施形態を示す１つの概要図である。 その複数の結合領域に熱的補償導波管を使う１つの干渉計構成要素を含む１つのＰＬＣの一実施形態を示す１つの概要図である。 １つの二重素材導波管の１つの横断面中の正規化されたモードの光界強度を図解する１つのグラフである。 １つの二重素材導波管の１つのアパチャー機能を図解する１つのグラフである。 １つの温度的補償導波管の別の実施形態を図解する複数の概要図である。 １つの温度的補償導波管の別の実施形態を図解する複数の概要図である。 １つの温度的補償導波管の別の実施形態を図解する複数の概要図である。 図７Ａ〜図７Ｃの１つの導波管のコアの１つの拡大を示す１つの概要図である。 １つの二重素材コアを有する１つの導波管の別の実施形態の１つの横断面図を示す概要図である。 １つの二重素材コアを有する１つの導波管の別の実施形態を示す１つの横断面図を示す１つの概要図である。

Claims (33)

1. 一つの平面光波回路であって、
   熱的補償をする一つの第一導波管を備え、
   前記第１導波管が、
   一つのクラッディングと
   前記クラッディングによって実質的に閉じ込められた一つのコアと
   を備え、前記コアが、前記コアを通って長手方向に走る一つの第一領域および一つの第二領域、前記第一領域が一つの負熱光定数を有し、前記第二領域が一つの正熱光定数を有し、前記第一領域が前期第二領域の一つの中心部を通って実質的に長手方向に走る、
   平面光波回路。
2. 前記第一領域が一つのポリマーを含む、請求項１に記載の平面光波回路。
3. 前記ポリマーがシリコーン、ＰＭＭＡまたはＢＣＢを含む、請求項２に記載の平面光波回路。
4. 前記第二領域がドープされたシリカを含む、請求項１に記載の平面光波回路。
5. 前記第一領域が、前記第二領域の中心部を通って走る一つの囲まれたチャンネルを形成する、請求項１に記載の平面光波回路。
6. 前記平面光波回路が一つの干渉計を含む、請求項１に記載の平面光波回路。
7. 前記平面光波回路が一つのMach Zehnder 干渉計を含む、請求項６に記載の平面光波回路。
8. 前記平面光波回路が一つのカプラーを含む、請求項１に記載の平面光波回路。
9. 前記平面光波回路が一つのアレー導波管グレーティングを含む、請求項１に記載の平面光波回路。
10. 熱的補償しない一つの第二導波管を更に備え、
    前記第二導波管が、一つの正熱光定数を有する一つの単一素材を含む一つのコアを備える、
    請求項１に記載の平面光波回路。
11. 前記第一導波管がおよそ１００℃の範囲に亘って熱補償している、請求項１に記載の平面光波回路。
12. 前記第一導波管が１０ｍｍまで下る一つの曲げ半径を持つ、請求項１１に記載の平面光波回路。
13. 前記第一領域が２／３以上前記第二領域中に延びる、請求項１に記載の平面光波回路。
14. 前記第二領域が一つのポリマーを含む、請求項１に記載の平面光波回路。
15. 前記内部コアの幅がおよそ１ミクロン以下である、請求項１に記載の平面光波回路。
16. 一つの導波管を作る方法であって、
    一つの導波管の一つの第一コアを形成する段階であって、前記第一コア部分が一つの正熱光定数を有する段階と、
    一つの負熱光定数を有する一つの素材で前記第一コア部分を実質的に覆うことによって一つの第二部分を形成する段階と、
    前記第一コア部分と前記第二コア部分を実質的に囲む一つのクラッディングを形成する段階と
    を備える、方法。
17. 第２コア部分を形成する段階が、
    前記第一コアを一つの第一ポリマーで覆う段階
    を更に備える、請求項１６に記載の方法。
18. 一つのポリマーで前記第一コア部分を覆う段階が、
    およそ１．４５から１．６の一つの屈折率を有する一つの第一ポリマーで前記第一コア部分を被う段階
    を更に備える、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第一コア部分を一つの第一ポリマーで覆う段階が、
    前記第一ポリマーを前記第一コア部分の周りに紡績工程を介して蓄積する段階
    を更に備える、請求項１７に記載の方法。
20. 前記クラッディングを形成する段階が、
    前記第一および第二コア部分を一つの第二ポリマーで覆う段階
    を更に備える、請求項１７に記載の方法。
21. 前記第一および第二コア部分を一つの第二ポリマーで覆う段階が、
    前記第一および第二コア部分を前記前記ポリマーのそれよりおよそ０．０１から０．０５小さい一つの屈折率を有する第二ポリマーで被う段階
    を更に備える、請求項２０に記載の方法。
22. 一つの光波回路であって、
    一つの電気的構成要素と、
    前記電気的構成要素に接続される一つの導波管と
    を備え、前記導波管が一つの光信号を伝播することができる一つのコアを有し、前記コアが一つの第一素材と一つの第二素材を含み、前記第一素材が前記第二素材の一つの中心部分を実質的に通って走り、前記第一素材が一つの正熱光定数を有し、前記第二素材が一つの負熱光定数を有する、
    光波回路。
23. 前記第一素材が前記コアを前記コアの一つの長さに沿って二つの部分に割る、請求項２２に記載の平面光波回路。
24. 前記第一素材が、前記平面光波回路の一つの一次平面に実質的に平行な一つの平面中に横たわる、請求項２３に記載の平面光波回路。
25. 前記第一素材が、前記平面光波回路の一つの一次平面に実質的に垂直な一つの平面中に横たわる、請求項２３に記載の平面光波回路。
26. 前記第一素材が一つのポリマーを含む、請求項２２に記載の平面光波回路。
27. 前記第二素材がドープされたシリカを含む、請求項２６に記載の平面光波回路。
28. 前記第二素材が一つのポリマーを含む、請求項２６に記載の平面光波回路。
29. 前記電気的構成要素が一つの電気／光変換器または一つの光／電気変換器である、請求項２２に記載の平面光波回路。
30. 前記電気的構成要素が一つの温度調整器である、請求項２２に記載の平面光波回路。
31. 一つの平面導波管を通して光信号をガイドする一つの方法であって、前記光信号が一つの光界を有し、前記方法が、
    一つの第一材料中の前記光界の一つの第一部分をガイドする段階と、
    一つの第二素材中の前記光界の一つの第二部分をガイドする段階と
    を備え、前記第一素材と前記第二素材が前記平面導波管の一つのコアを含み、前記第一素材が一つの負熱光定数を有し、前記第二素材が正熱光定数を有し、前記第二素材が実質的に前記第一素材によって囲まれている、
    方法。
32. 前記光界の前記第一部分と前記光界の前記第二部分が実質的に同心である、請求項３１に記載の方法。
33. 前記光界の前記第二部分が前記光界の前記第一部分内でガイドされる、請求項３１に記載の方法。

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