JP2006525556A - 面外導波路を使用する低損失光導波路クロスオーバ - Google Patents

面外導波路を使用する低損失光導波路クロスオーバ Download PDF

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Abstract

【課題】光導波路、特に光導波路クロスオーバに関する技術を提供する。
【解決手段】垂直方向のような面外の導波路を使用して光損失又はクロストークが非常に小さいか又は基本的にない状態であらゆる数の導波路に架橋する改良型低損失導波路クロスオーバ。改良型導波路クロスオーバを有する導波路システム内を伝送される光信号は、横断導波路を包含する平面とは異なる第２の平面内に置かれた第２の導波路（ブリッジなど）を使用することにより、信号強度の損失が大幅に少ない状態で１つ又は複数の横断導波路をクロスオーバすることができる。入力導波路からの光信号は、方向性結合を通じてブリッジ導波路に及び任意的にブリッジ導波路から出力導波路に効率的に結合される。改良型導波路クロスオーバを組み立てる方法も説明される。

Description

本発明の分野は、光導波路、より詳細には、光導波路クロスオーバである。
多くの平面光波回路（ＰＬＣ）の設計では、導波路交差点（又はクロスオーバ）が不可避である。これは、スイッチ相互接続パターンを含む設計について特に当て嵌まる。例えば、ＮｘＮ「Ｓｐａｎｋｅ」スイッチアーキテクチャの場合、ただ１本の光学経路に（Ｎ−１）2ものクロスオーバがある。例えば、８ｘ８「Ｓｐａｎｋｅ」スイッチにおけるクロスオーバの最大数は４９である。各クロスオーバは、光損失に寄与する悪影響が公知であり、他のチャンネルへのクロストークの原因になる可能性がある。
図１は、従来技術の４ｘ４「Ｓｐａｎｋｅ」スイッチの例を示している。それは、４つの１ｘ４スイッチ素子（１）−（４）と反対側の４つの付加的な１ｘ４スイッチ素子（５）−（８）から成る。スイッチ素子（１）からの４つの出力の各々は、スイッチ素子（５）、（６）、（７）、及び（８）の各々に対する単一入力への導波路接続を持たなければならない。同様に、スイッチ素子（２）からの出力の各々は、スイッチ素子（５）、（６）、（７）、及び（８）の各々に対する単一入力への導波路接続を持たなければならず、以下同様である。これは、少ない場合は僅かにゼロのクロスオーバ（２経路）、及び多い場合は９つものクロスオーバ（２経路）を有する導波路経路による相互接続パターンをもたらすことになる。例えば、導波路（２０）に対する接続導波路（１０）は、点（３１）−（３９）でクロスオーバを必要とする。この相互接続パターンを実現するためには多くの方法があるが、単一平面で行われる限りは、これらがクロスオーバの最小の数である。
最小の光損失と最小のクロストークでクロスオーバを作成する通常の従来技術の手法は、全ての導波路コアが直角に交差するが（図１に示すように）、それ以外は同一平面に留まるように導波路パターンを設計することである。図２は、位置（３１）−（３３）における図１の従来技術の導波路コアの詳細図である。それは、導波路コア（１０）が、それぞれ位置（３１）、（３２）、及び（３３）で導波路コア（１１）、（１２）、及び（１３）と同一空間を占めることを示している。
導波路コアが直角に交差するので、光損失とクロストークは、交差導波路（１１）、（１２）、又は（１３）が光伝播方向（２５）に最小ベクトル成分を有することにより最小になる。しかし、依然として各コア交差が原因となる何らかの有限損失が存在する。この損失は、各交点での回折及びモード不一致から生じる。図３は、交差導波路コアからの「ビーム伝播法（ＢＰＭ）」シミュレーション結果のグラフである。それは、光が導波路コア（１１）を交差する時の導波路コア（１０）内を伝播する光を示している。伝播の方向は、矢印（２５）で示されている。光が交差導波路（２６）の先端に到達するとすぐに、光はｘ方向には導かれず、光学回折原理に従って回折する。この回折光が交差導波路（２７）の反対側に到達すると、Ｅフィールドプロフィール又はモードプロフィールは広がり、最初に誘導された時に有していた同じプロフィールをもはや有していない。従って、光は、導波路（１０）内に完全に再結合して戻ることはない。光の一部分は、（２８）で示すようにクラッディングに失われることになる。
各クロスオーバからの損失は、次式によって近似することができる。
Ｌcross≒−１０・ｌｏｇ〔１−（４Δ／ｖ2）（ａ／ｗ0）4〕ｄＢ
ここで、
Δ＝（ｎ1 2−ｎ0 2）／（２ｎ1 2）
ｖ＝（２πａ／λ）（ｎ1 2−ｎ0 2）1/2
であり、ここで、ｎ0はクラッディング屈折率、ｎ1はコア屈折率、ａはコア半幅、λは光の波長、ｗ0は、Ｅフィールドがその最大値Ｅ0のｅ-1＝３６．８％である伝播モードの半径である。それは、以下のような閉じた形式の方程式によって解くことができない半径方向距離ｘに沿った点に対するＥフィールドを最初に評価することによって判断される。
Ｅy＝Ｅ0・ｃｏｓ（ｕｘ／ａ） │ｘ│≦ａの場合
Ｅy＝Ｅ0・ｃｏｓ（ｕ）・ｅｘｐ〔−（ｗ／ａ）（│ｘ│−ａ）〕 │ｘ│＞ａの場合
ここで、
ｗ＝ｕ・ｔａｎ（ｕ）
ｕ＝（ｖ2−ｗ2）1/2
である。これら最後の２つの式は、反復によって解く必要がある。
予想される損失の例として、以下の特性：
ｎ0＝１．４５０、
ｎ1＝１．４８２、
ａ＝１．６０ｕｍ、
λ＝１．５５ｕｍ、
を有する導波路システムは、以下のパラメータ：
Δ＝０．０２１４、
ｖ＝１．９８６６６７ラジアン、
ｗ＝１．７００４２６ラジアン、
ｕ＝１．０２７３２５ラジアン、
を有することになる。
ｗ0は、ｘのいくつかの値に対してＥyを数値的に評価し、Ｅy＝０．３６８Ｅ0であるｘの値を求めることによって判断される。この例では、この値は、ｗ0＝１．９２５ｕｍである。従って、クロスオーバ当たりの損失（Ｌcross）は、約０．０４５ｄＢと計算される。この結果は、ＢＰＭソフトウエアによっても得られる。
従って、低損失の改良型導波路クロスオーバと改良型導波路クロスオーバを作成する方法とに対する必要性が存在する。
本発明は、本明細書に説明するように、低損失を達成するための面外導波路又は他の光搬送構造を使用する改良型導波路クロスオーバと改良型導波路クロスオーバを作成する方法に関するものである。
例示的な実施形態では、第１の導波路からの光信号は、方向性結合を通じて異なる平面内のブリッジ導波路に効率的に結合される。光信号は、任意的に、ブリッジ導波路から第２の導波路へ方向性結合することができる。
本発明の他のシステム、方法、特徴、及び利点は、以下の図面と詳細説明を精査することにより当業者には明らかであるか又は明らかになることになる。全てのそのような付加的なシステム、方法、特徴、及び利点は、この説明に含まれており、本発明の精神の範囲内であり、特許請求の範囲によって保護されるように意図されている。
図面内の構成要素は必ずしも縮尺通りではなく、その代わりに本発明の原理を例証する時に強調されている。全ての図解は、相対的な大きさ、形状、及び他の詳細な属性を誇張なく又は正確であるよりも概略的に示すことができる概念を伝えるように意図されている。更に、図面では、同じ参照番号は、異なる図面を通して対応する部分を表している。しかし、同じ部分が必ずしも同じ参照番号を有するとは限らない。
導波路システムによって伝送された光信号が、第２の導波路（ブリッジなど）又は横断導波路を含む平面とは異なる第２の平面に置かれた他の同様の光搬送構造を使用することによる信号強度の大幅に低減した損失と共に複数の横断導波路に亘って横切ることができる改善された方法を説明する。入力導波路からの光信号は、方向性結合と呼ばれる過程を通じて効率的に結合され、出力導波路に同様に結合される。改良型低損失導波路クロスオーバは、クロスオーバによる非常に低損失の導波路を使用する複合光学機能を実行するための複数の装置の統合を可能にする。
改良型低損失導波路クロスオーバは、垂直方向のような面外の方向性結合を使用して、光損失又はクロストークが非常に小さいか又は基本的にない状態であらゆる数の導波路に「架橋」する。図４ａと４ｂは、改良型低損失導波路クロスオーバの導波路コア構造の例示的な実施形態を示している。矢印（２５）の方向に導波路コア（１０）を伝播する光は、方向性結合によって導波路コア（３０）内に光学的に結合される。
方向性結合は、十分に理解された導波路現象である。しかし、通常、方向性結合は、並列又は同じ平面上のコア内で実施される。基本的に、１つの導波路内を伝播する光は、適切な結合条件に合致する場合は隣接する平行な導波路内に１００％結合することができる。この１００％の結合は、結合長さとして公知の伝播距離に亘って発生する。結合長さは、導波路構造（例えば、コア屈折率、クラッディング屈折率、及びコア寸法）、コア間の分離、及び伝播される光の波長に依存する。結合長さよりも長い距離に亘って導波路が互いに隣接する場合、光は、元の導波路内に再度結合し始めることになる。
改良型低損失導波路クロスオーバは、導波路コア（３０）を導波路コア（１０）に亘って結合長さに等しい距離（４０）だけ重ね合わせることによって機能する。従って、２つのコアの図の左上で矢印方向に低い方に伝播する光は、上部（ブリッジ）コア内に１００％結合される。この時点で、このブリッジコア内の光は、結合に使用される分離が相対的に大きい場合は（例えば、コア幅の程度）、極度に低い損失であらゆる長さ及びあらゆる数の導波路に亘ってルーティングすることができる。ブロードバンド用途では、所定の波長に対して理論的には基本的にゼロ損失、及びブロードバンドの他の周波数に対しては非常に小さな損失が存在する。次に、導波路（３０）内の光は、結合長さ（４０）に等しい長さに亘って導波路コア（１０）を導波路コア（５０）と重ね合わせることにより、導波路コア（１０）と同一レベルまで落として再度導入される。
図４ｂは、例示的な実施形態において光信号がブリッジまで上方に交差して次に下方に交差するので「完全ブリッジ」クロスオーバと呼ぶことができる、図４ａの改良型導波路クロスオーバの例示的な実施形態の断面図を示している。インタフェース構造（８０）は、導波路（１０）とブリッジ導波路コア（３０）の間の重複部分（４５）で光の結合が行われるように、下部平面導波路コア（１０）に入力光を伝送する。光は、上部平面ブリッジ導波路コア（３０）内にクロスオーバし、垂直導波路（１１−１３）に亘ってブリッジ導波路コア（３０）に沿って伝送され、別の重複部分（４５）で下部平面導波路コア（５０）に再度結合され、次に、別のインタフェース構造（８０）の外に伝わる。
図５ａと５ｂは、図４ａの改良型導波路クロスオーバの例示的な実施形態のＢＰＭシミュレーション結果の図である。図５ａは、Ｘ及びＹ軸を示すＢＰＭシミュレーション結果である。図５ｂは、Ｘ＝０で正規化された導波路内の光のパワーのグラフである。本方法により、導波路をクロスオーバする時に失われた光はほとんどないか又は基本的に存在しない。この同じ理由により、架橋した導波路内のクロストークも同じ程度に少ない。
低損失光導波路クロスオーバを作成する本方法は、あらゆる導波路材料システムを使用して実施することができる。例としては、ドープされたシリカ、シリコン酸素窒化物、ゾル−ゲル、シリコン、ポリマー、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＬｉＮｂＯ3、又は流体ベースのコア／クラッディングさえも含まれる。
多くの導波路クロスオーバを要求する設計に直面する時に、本明細書に記載の改良型低損失導波路クロスオーバを実施することは、より低い損失とより低いクロスオーバをもたらすことになる。仮に上述の従来技術が使用された場合には、クロスオーバによる全損失（ＬT）は、各クロスオーバからの損失（Ｌcross）にクロスオーバの全数（Ｃ）を乗じたものと等しくなり、すなわち、ＬT＝Ｃ（Ｌcross）となる。
図４ａの改良型低損失導波路クロスオーバの上述の実施形態を使用することにより、クロスオーバによる全損失は、「ブリッジ」の各終端における結合損失（Ｌcoupling）に各導波路に対する架橋による僅かな損失（Ｌbridge）を加えたものと等しくなり、すなわち、
ＬT＝２（Ｌcoupling）＋Ｃ（Ｌbridge）
となる。
以下の例は、図４ａの改良型低損失導波路クロスオーバによって提供された損失の改善を明らかにするものである。最初に、上述のパラメータ：
ｎ0＝１．４５０
ｎ1＝１．４８２
ａ＝１．６０ｕｍ
λ＝１．５５ｕｍ
を有する導波路システムを仮定する。
従来技術の手法では、各クロスオーバによる損失は、０．０４５ｄＢである。８ｘ８「Ｓｐａｎｋｅ」スイッチのために必要な４９クロスオーバを仮定すると、全損失は２．２ｄＢである。図４ａの改良型低損失導波路クロスオーバを使用して、中心間のコア分離（Ｄ）が４．７ｕｍ、ブリッジコアの結合長さが３６８ｕｍと仮定すると、Ｌcopling＝０、及びＬbridge＝０．００２である。従って、４９クロスオーバ後の全損失は、０．１ｄＢに減少する。
しかし、従来技術の方法が波長に比較的感度が悪いのに対して、図４ａの改良型低損失導波路クロスオーバが波長に依存することに注意すべきである。理論的には、結合長さは、特定の波長に対してだけゼロ損失である。しかし、１．５３から１．６０ｕｍのブロードバンド波長範囲（遠距離通信のＣ及びＬバンドの組合せ）に対してさえ、最大Ｌcouplingは、僅か０．０５ｄＢである。従って、改良型低損失導波路クロスオーバの最悪の場合の全損失は、依然として僅かに０．２ｄＢである。
改善された方法はまた、非常に少ないブリッジを使用して容易に実施することができるので、あらゆる単一経路の結合損失を低減することができる。図６は、図１に示す同じ交差パターンを例証するが、代わりに改良型低損失導波路クロスオーバを使用するものである。僅かに９つのブリッジ（図に示すように垂直のパターンに配置された）を使用して、パターン内の３６の交差点全てを架橋することができる。これら９つのブリッジは、セグメント（６１）−（６９）によって表される。レイアウトの幾何学的配置が適切に選択されれば、ＮｘＮ「Ｓｐａｎｋｅ」スイッチの交差クロスオーバを除去するために（Ｎ−１）2だけのブリッジが必要になるといえる。
改良型低損失導波路クロスオーバの導波路構造は、埋設チャンネル導波路の作成に通常使用される工程によって作成することができる。図７ａ−７ｉは、図４ａの改良型導波路クロスオーバを作るために使用することができる組立シーケンスを示している。最初に、図７ｂでは、低屈折率の下部クラッド（又はバッファ）層（７１）が基板（７０）上に熱的に成長又は堆積される。次に、図７ｃでは、より高い屈折率のコア層（７２）が下部クラッド層（７１）上に堆積される。図７ｄに示すように、次に、このコア層がパターン化されエッチングされ、入力、出力、及び横断導波路コアを有するより低いレベルのコア構造（７３）がもたらされる。次に、図７ｅと７ｆに示すように、低屈折率の上部クラッディング（７４）が堆積されて平坦化される（７５）。この上部クラッド層（７４）の厚さは、非常に正確に制御されるべきである。これを行うために、この上部クラッド層（７４）は、非常に正確な制御で固化／リフローされるべきであり、又は化学機械平坦化（ＣＭＰ）によって制御されるべきである。この段階の後で、図７ｇに示すように、上部クラッド層（７４）に付加的なコア層（７６）が堆積される。図７ｈに示すように、このコア層（７６）は、次にパターン化されてエッチングされ、上部レベルのコア構造（７７）がもたらされ、この構造は、「ブリッジ」コアを形成する。最終的には、図７ｉに示すように、低屈折率の上部クラッディング（７８）が堆積される。
図８ａと８ｂは、改良型低損失導波路クロスオーバの導波路構造の好ましい実施形態の実施例を示している。この好ましい実施形態では、第１の平面（例えば、下部平面として表される）上の導波路コア（１０）から第２の平面（例えば、上部平面として表される）上の導波路コア（３０）に光が一度結合されると、光は、前方の伝播を続けるために第１の平面に再度結合される必要はない。２回の代わりに１回の結合が行われ、この時点で２回の結合から予想される損失は半分まで減少する。２回の代わりに１回の面外結合を使用する好ましい実施形態のこの実施例は、光損失又はクロストークが非常に小さいか又は基本的にない状態であらゆる数の導波路に「架橋」するために垂直又は面外の方向性結合に依存する。本方法は、１つの平面から別の平面への光移行を達成するために１つの結合ブリッジを使用する。
図８ａに示すように、第１の平面内の導波路コア（１０）を矢印（１２５）の方向に伝播する光は、方向性結合によって第２の平面内の別の導波路コア（３０）に光学的に結合される。それに反して図４ａの光は、第１の平面内の導波路コア（１０）から第２の平面内の別の導波路コア（３０）に結合され、次に、第１の平面内の導波路コア（５０）に再度結合される。
図９ａと９ｂは、図８ａの改良型導波路クロスオーバの例示的な好ましい実施形態のＢＰＭシミュレーション結果を示している。図９ａは、Ｘ及びＹ軸を示すＢＰＭシミュレーション結果である。図９ｂは、Ｘ＝０で正規化された導波路内の光のパワーのグラフである。本方法により、導波路をクロスオーバする時に失われた光はほとんどないか又は基本的に存在しない。この同じ理由により、架橋された導波路内のクロストークも同じ程度に少ない。図４ａと４ｂと同様に、低損失光導波路クロスオーバを作成する本方法は、あらゆる導波路材料システムを使用して実施することができる。例としては、ドープされたシリカ、シリコン酸素窒化物、ゾル−ゲル、シリコン、ポリマー、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＬｉＮｂＯ3、又は流体ベースのコア／クラッディングさえも含まれる。
多くの導波路クロスオーバを要求する設計に直面する時に、図８ａの改良型導波路クロスオーバの例示的な好ましい実施形態は、より低い損失とより低いクロスオーバをもたらすことになる。従来技術では、クロスオーバによる全損失（ＬT）は、各クロスオーバからの損失（Ｌcross）にクロスオーバの全数（Ｃ）を乗じたものと等しくなり、すなわち、
ＬT＝Ｃ（Ｌcross）
となる。
図８ａの改良型導波路クロスオーバの例示的な好ましい実施形態では、クロスオーバによる全損失は、「ブリッジ」の各終端における結合損失（Ｌcoupling）に各導波路に対する架橋による僅かな損失（Ｌbridge）を加えたものと等しくなり、すなわち、
ＬT＝２（Ｌcoupling）＋Ｃ（Ｌbridge）
となる。
以下の例は、図８ａの改良型導波路クロスオーバによって提供された損失の改善を明らかにするものである。最初に、以下のパラメータ：
ｎ0＝１．４５０
ｎ1＝１．４８２
ａ＝１．６０ｕｍ
λ＝１．５５ｕｍ
を有する導波路システムを仮定する。
従来技術のシステムでは、各クロスオーバによる損失は、０．０４５ｄＢになるであろう。８ｘ８「Ｓｐａｎｋｅ」スイッチのために必要な４９クロスオーバを仮定すると、全損失は２．２ｄＢである。
図８ａの改良型導波路クロスオーバを使用して、中心間のコア分離（Ｄ）が４．７ｕｍ、ブリッジコアの結合長さが３６８ｕｍであると仮定すると、Ｌcopling＝０、及びＬbridge＝０．００２である。従って、４９クロスオーバ後の全損失は０．１ｄＢに減少する。
しかし、従来技術の方法が波長に比較的感度が悪いのに対して、図８ａの改良型導波路クロスオーバが波長に依存することに注意すべきである。結合長さは、特定の波長に対してだけゼロ損失である。しかし、１．５３から１．６０ｕｍのブロードバンド波長範囲（遠距離通信のＣ及びＬバンドの組合せ）に対してさえ、最大Ｌcouplingは僅かに０．０５ｄＢである。従って、図８ａのこの例の改良型導波路クロスオーバの最悪の場合の全損失は、依然として僅かに０．１５ｄＢである。
図１０は、図８ａの改良型導波路クロスオーバを使用する４ｘ４「Ｓｐａｎｋｅ」スイッチを示している。図１０は、図１に示すのと同じ相互接続パターンを呈する。下部導波路コア（１６１、１６２）は、他の下部導波路コアに亘って上方に「架橋」する必要性が発生するまでこの平面上に残る。導波路結合（１６３）は、好都合な解放区域に発生する。ブリッジセグメント（１６４、１６５）は、垂直及び水平パターンで配置され、パターン内の全てのクロスオーバ点は効率的に架橋される。上部導波路コア（１６６、１６７）はこの平面上に残る。
図８ａの改良型低損失導波路クロスオーバの導波路構造は、埋設チャンネル導波路の作成に通常使用される工程によって作成することができる。図１１ａ−１１ｉは、図８ａの改良型導波路クロスオーバを作るために使用することができる組立シーケンスを示している。最初に、図１１ｂでは、低屈折率の下部クラッド又はバッファ層（１７１）が基板（１７０）上に熱的に成長又は堆積される。次に、図１１ｃでは、より高い屈折率のコア層（１７２）が下部クラッド層（１７１）に堆積される。図１１ｄに示すように、次に、このコア層がパターン化されてエッチングされ、入力、出力、及び横断導波路コアを有するより低いレベルのコア構造（１７３）がもたらされる。次に、図１１ｅと１１ｆに示すように、低屈折率の上部クラッディング（１７４）が堆積されて平坦化される（１７５）。この上部クラッディング（１７４）の厚さは、非常に正確に制御されるべきである。これを行うために、この上部クラッド層（１７４）は、非常に正確な制御で固化／リフローされるべきであり、又は化学機械平坦化（ＣＭＰ）によって制御されるべきである。この段階の後で、図１１ｇに示すように、上部クラッド層（１７４）に付加的なコア層（１７６）が堆積される。図１１ｈに示すように、このコア層（１７６）は、次に、パターン化されてエッチングされ、上部レベルのコア構造（１７７）がもたらされ、この構造が「ブリッジ」コアを形成する。最終的には、図１１ｉに示すように、低屈折率の上部クラッディング（１７８）が堆積される。
これらの多層改良型導波路クロスオーバ結合器のいずれかを組み立てる別の方法は、接着組立によるものである。下部クラッディングと下部コアが１つのウェーハ上に堆積され、上部クラッディングと上部コアが別のウェーハ上に堆積されると考えることができる。下部及び上部コア層は、次に、相応にパターン化されるであろう。一方又は他方のウェーハ上に又は各々に半分ずつ、中間クラッディングを堆積することができると考えられる。次に、２つのウェーハスタックは、互いに重ね合わされて望ましい層スタックを作り出すことができる。中間クラッド層を堆積することの代替方法は、それを屈折率適合流体（すなわち、クラッディングと屈折率適合の）で置換することであろう。いずれの組立方法も、平坦化されて厚さが制御された中間クラッド層を達成する代替方法を提供することができると考えられる。
ブリッジ導波路に対して直角に延びるために横断導波路が必ずしも必要とされないことに注意すべきである。各横断導波路（Ｌbridge）の架橋とそれらの導波路内へのクロストークによる損失は、９０°未満の角度に対して増加することになるが、よりコンパクトな相互接続配置を実現するために、所定の用途ではその損失とクロストークは許容することができるであろう。これらの実施形態のいずれかの代替として、横断導波路の下方に常駐するようにブリッジ導波路を作ることができる。
結合長さ（Ｌc）として公知の最大結合のために必要なコア重複の量は、導波路構造（例えば、コア屈折率、クラッディング屈折率、及びコア寸法）、コア間の分離、及び伝播される光の波長に依存する。次式は、伝播長さ（ｚ）の関数として最初の導波路（Ｐa）内と結合導波路（Ｐb）内で正規化された光パワーを与えることにより方向性結合を説明するものである。
Ｐa＝１−Ｆ・ｓｉｎ2〔（π／２）（ｚ／Ｌc）〕
Ｐb＝Ｆ・ｓｉｎ2〔（π／２）（ｚ／Ｌc）〕
ここで、
Ｆ＝１／〔１＋（δ／κ）2〕
Ｌc＝π／〔２（κ2＋δ2）1/2〕
δ＝（β1−β2）／２
β1とβ2は、２つの導波路の伝播定数である。それらのコアの寸法と屈折率が等しく、共通のクラッディングに常駐する時は、β1＝β2及びδ＝０である。δ＝０の時は、上述の一般式は次のように変形される。
Ｐa＝ｃｏｓ2〔（π／２）（ｚ／Ｌc）〕
Ｐb＝ｓｉｎ2〔（π／２）（ｚ／Ｌc）〕
ここで、Ｌc＝π／（２κ）である。
δ＝０（β1＝β2）の時だけ結合効率が１００％に達することができることに注意すべきである。まだ説明されていない唯一の変数は、結合係数のκである。結合係数の計算は非常に手間がかかり、閉じた形式の解を持たない（Ｅフィールド分布を計算する必要があるという要件のために）。結合係数（又は、より直接的には結合長さ）は、ビーム伝播法（ＢＰＭ）ソフトウエアによって最も良く判断される。スラブ導波路近似（ｘとｙの両方ではなくｘ方向だけを扱う）は計算を簡略化するが、それもやはり閉じた形式の解を持たない。スラブ導波路の結果は、矩形コアの結果から著しく変動する可能性があることに注意すべきである。スラブ導波路方程式は、その依存性を示すためだけに本明細書に示し、結果のマグニチュードの概要を与えるものである。「電気的横波（ＴＥ）」モード成分に対するスラブ導波路結合係数方程式は以下の通りである。
Figure 2006525556
ここで、
Ｅ1y＝Ａ・ｃｏｓ（ｕｘ／ａ） │ｘ│≦ａの場合、
Ｅ1y＝Ａ・ｃｏｓ（ｕ）・ｅｘｐ〔−（ｗ／ａ）（│ｘ│−ａ）〕 │ｘ│＞ａの場合、
Ｅ2y＝Ａ・ｃｏｓ（ｕ）・ｅｘｐ〔（ｗ／ａ）（ｘ−Ｄ＋ａ）〕
これらの式の物理的表現を視覚化するのに役立つグラフは図１２に示されている。これらの方程式は、次のように変形することができる。
κ＝〔（２Δ）1/2ｕ2ｗ2／ａ（１＋ｗ）ｖ3〕ｅｘｐ〔−（ｗ／ａ）（Ｄ−２ａ）〕
ここで、Ｄは、コア間の中心対中心の分離、ａは、コアの半分高さである。上述のように、他の変数は以下の通りである。
Δ＝（ｎ1 2−ｎ0 2）／（２ｎ1 2）
ｖ＝（２πａ／λ）（ｎ1 2−ｎ0 2）1/2
ｗ＝ｕ・ｔａｎ（ｕ）
ｕ＝（ｖ2−ｗ2）1/2
これらの最後の２つの式は、反復によって解かなければならない。例えば、以下のパラメータ：
ｎ0＝１．４５０
ｎ1＝１．４８２
ａ＝１．６０ｕｍ
Ｄ＝４．７ｕｍ
λ＝１．５５ｕｍ
を有する導波路システムに対する結合長さを求めることを考える。
上述の式を使用すると以下のようになる。
Δ＝０．０２１４
ｖ＝１．９８６６６７ラジアン
ｗ＝１．７００４２６ラジアン
ｕ＝１．０２７３２５ラジアン
κ＝０．００３７８ラジアン／ｕｍ
Ｌc＝４１５ｕｍ
正方形コア（ａ＝１．６０ｕｍ、他の全てのパラメータは同じ）に対して、ＢＰＭによって求められる結合長さ（Ｌc）は３６８ｕｍであることに注意されたい。これは、スラブ導波路の結果よりも１１％小さい。
また、結合係数（κ）及び従って結合長さ（Ｌc）は、より大きなコア分離（Ｄ）と共により波長依存になることにも注意されたい。これは、ｕ、ｖ、及びｗが全て波長依存であるという事実から見ることができ、それらは、全て波長の増加に伴って減少する。Ｄ値が大きくなればなるほど、ｗの波長依存のより大きな重みがκの指数にあることになり、κがスペクトルバンドに亘ってより大きな変動を有することになる。従って、各導波路の架橋による損失（Ｌbridge）を最小にするためにＤをできるだけ大きくすることが望ましいが、波長依存の結合損失（Ｌcoupling）が、どこでＣ（Ｌbridge）がスペクトルバンドに亘って全損失を低減させるよりも大きく全損失を増大加させるかという点になる。言うまでもなく、中間クラッディングよりも屈折率が低い材料でさえも、ブリッジ内の伝播モードフィールドが横断導波路とより少なく相互作用し、従って、そうでなければＤの増加によって生じるであろう波長依存損失の増加を発生させずにＬbridgeを低減するように、横断コアのすぐ上の（しかし結合領域内ではない）中間クラッド層と置き換えられると考えることができる。
考察された例示的な実施形態は、ドープされたシリカの材料システムに基づいている。しかし、低損失光導波路クロスオーバを作成する本方法は、他の種類の導波路システムを使用して実施することができる。これらのシステムの解析は、導波路設計の技術を実施するものには公知である。
本出願の様々な実施形態を説明したが、本発明の範囲に含まれる多くの更に別の実施形態及び実施例が可能であることは当業者には明らかであろう。例えば、本明細書に説明したプロセスアクションの特定の順序と組合せは単なる例証であり、本発明は、異なる又は付加的なプロセスアクション又はプロセスアクションの異なる組合せ又は順序を使用して実行することができることは理解されるものとする。別の例として、一実施形態の各特徴は、他の実施形態に示す他の特徴と混ぜて適合させることができる。同様に、半導体処理技術又は光学技術の当業者に公知の特徴を必要に応じて組み込むことができる。更に、特徴は、必要に応じて追加又は削除することができ、従って、１つよりも多い付加的な層を有するブリッジシステムを考えることもでき、それによって光をあらゆる数の層に結合させることができる。この手法を使用して、複数レベルでのクロスオーバを回避することができる。
従来技術の４ｘ４「Ｓｐａｎｋｅ」スイッチを示す図である。 位置（３１）−（３３）における図１の従来技術の導波路コアの詳細図である。 図２の交差導波路コアからのＢＰＭシミュレーション結果を示す図である。 改良型導波路クロスオーバの導波路コア構造の例示的な実施形態を示す図である。 図４ａの改良型導波路クロスオーバの例示的な実施形態の断面図である。 図４ａの改良型導波路クロスオーバの例示的な実施形態のＢＰＭシミュレーション結果を示す図である。 図４ａの改良型導波路クロスオーバの例示的な実施形態のＢＰＭシミュレーション結果を示す図である。 図４ａの改良型導波路クロスオーバを利用する４ｘ４「Ｓｐａｎｋｅ」スイッチを示す図である。 図４ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図４ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図４ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図４ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図４ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図４ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図４ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図４ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図４ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 改良型低損失導波路クロスオーバの導波路コア構造の好ましい実施形態の実施例を示す図である。 図８ａの改良型導波路クロスオーバの例示的な好ましい実施形態の断面図である。 図８ａの改良型導波路クロスオーバの例示的な好ましい実施形態のＢＰＭシミュレーション結果を示す図である。 図８ａの改良型導波路クロスオーバの例示的な好ましい実施形態のＢＰＭシミュレーション結果を示す図である。 図８ａの改良型導波路クロスオーバを利用する４ｘ４「Ｓｐａｎｋｅ」スイッチを示す図である。 図８ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図８ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図８ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図８ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図８ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図８ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図８ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図８ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 図８ａの改良型導波路クロスオーバを製造するのに使用することができる組立シーケンスの１つを示す図である。 いくつかの方程式の物理的表現を視覚化するのに役立つグラフを示す図である。
符号の説明
１０ 第１の平面内の導波路コア
１１、１２、１３ 交差導波路
３０ 第２の平面内の導波路コア
４０ 結合長さ

Claims (51)

  1. 光信号を伝播させるための導波路システムであって、
    基板と、
    前記基板に対して第１の平面上で第１の方向に延びる第１の導波路部分を有し、第１の光信号を伝播させるようになった第１の導波路と、
    前記第１の平面上で前記第１の方向とは異なる第２の方向に延びる第２の導波路部分を有し、第２の光信号を伝播させるようになった第２の導波路と、
    前記第１の平面とは異なる第２の平面内にある第３の導波路部分を有する第３の導波路と、
    を含み、
    前記第３の導波路部分は、前記第２の光信号を前記第２の導波路部分から該第３の導波路部分内に伝播させるために、該第２の導波路部分と方向性結合されている、
    ことを特徴とするシステム。
  2. 前記第２の平面は、前記第１の平面と平行であることを特徴とする請求項１に記載の導波路システム。
  3. 前記第１の平面は、前記基板と平行であり、該基板と前記第２の平面の間にあることを特徴とする請求項２に記載の導波路システム。
  4. 前記第１の方向は、前記第２の方向に対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項１に記載の導波路システム。
  5. 前記第１の方向は、前記第２の方向に対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項２に記載の導波路システム。
  6. 前記第３の導波路部分は、前記第２の導波路部分からの前記第２の光信号の該第３の導波路部分への完全な又は実質的に完全に近い結合を達成する結合長さに亘って該第２の導波路部分に方向性結合されていることを特徴とする請求項１に記載の導波路システム。
  7. 前記結合長さは、前記第２の導波路部分からの前記第２の光信号の前記第３の導波路部分への完全な結合を達成することを特徴とする請求項６に記載の導波路システム。
  8. 前記第３の導波路部分は、前記第２の導波路部分からの前記第２の光信号の該第３の導波路部分への完全な結合の少なくとも９０％を達成する結合長さに亘って該第２の導波路部分に方向性結合されていることを特徴とする請求項１に記載の導波路システム。
  9. 前記第３の導波路部分は、前記第２の導波路部分からの前記第２の光信号の該第３の導波路部分への完全な結合の少なくとも７５％を達成する結合長さに亘って該第２の導波路部分に方向性結合されていることを特徴とする請求項１に記載の導波路システム。
  10. 前記結合長さは、前記第２の導波路部分の特性、前記第３の導波路部分の特性、該第２の導波路部分と該第３の導波路部分の間の分離、及び前記第２の光信号の波長に依存することを特徴とする請求項６に記載の導波路システム。
  11. 前記第２の平面は、前記第１の平面と平行であることを特徴とする請求項６に記載の導波路システム。
  12. 前記第１の平面は、前記基板と平行であり、該基板と前記第２の平面の間にあることを特徴とする請求項１１に記載の導波路システム。
  13. 前記第１の方向は、前記第２の方向に対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項６に記載の導波路システム。
  14. 前記第１の方向は、前記第２の方向に対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項１１に記載の導波路システム。
  15. 前記第３の導波路部分は、前記第２の導波路部分からの前記第２の光信号の該第３の導波路部分への完全な又は実質的に完全に近い結合を達成する結合長さに亘って該第２の導波路部分に方向性結合されていることを特徴とする請求項１２に記載の導波路システム。
  16. 前記結合長さは、前記第２の導波路部分からの前記第２の光信号の前記第３の導波路部分への完全な結合を達成することを特徴とする請求項１５に記載の導波路システム。
  17. 前記第３の導波路部分は、前記第２の導波路部分からの前記第２の光信号の該第３の導波路部分への完全な結合の少なくとも９０％を達成する結合長さに亘って該第２の導波路部分に方向性結合されていることを特徴とする請求項１２に記載の導波路システム。
  18. 前記第３の導波路部分は、前記第２の導波路部分からの前記第２の光信号の該第３の導波路部分への完全な結合の少なくとも７５％を達成する結合長さに亘って該第２の導波路部分に方向性結合されていることを特徴とする請求項１２に記載の導波路システム。
  19. 前記結合長さは、前記第２の導波路部分の特性、前記第３の導波路部分の特性、該第２の導波路部分と該第３の導波路部分の間の分離、及び前記第２の光信号の波長に依存することを特徴とする請求項１５に記載の導波路システム。
  20. 前記基板は、半導体基板であることを特徴とする請求項１に記載の導波路システム。
  21. 前記基板は、半導体基板であることを特徴とする請求項１２に記載の導波路システム。
  22. 前記第１の平面上で前記第１の方向とは異なる第４の方向に延びる第４の導波路部分を有する第４の導波路、
    を更に含み、
    前記第３の導波路は、前記第２の平面内にある第５の導波路部分を有し、該第５の導波路部分は、前記第４の導波路部分と方向性結合されて、前記第２の光信号を該第５の導波路部分から該第４の導波路部分内に伝播させる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の導波路システム。
  23. 前記第２の平面は、前記第１の平面と平行であることを特徴とする請求項２２に記載の導波路システム。
  24. 前記第１の平面は、前記基板と平行であり、該基板と前記第２の平面の間にあることを特徴とする請求項２３に記載の導波路システム。
  25. 前記第４の方向は、前記第２の方向と実質的に平行であることを特徴とする請求項２２に記載の導波路システム。
  26. 前記第４の方向は、前記第１の方向と実質的に垂直であることを特徴とする請求項２５に記載の導波路システム。
  27. 前記第４及び第５の導波路部分は、該第５の導波路部分からの前記第２の光信号の該第４の導波路部分への完全な結合又は実質的に完全に近い結合を達成する結合長さに亘って方向性結合されていることを特徴とする請求項２２に記載の導波路システム。
  28. 前記結合長さは、前記第５の導波路部分からの前記第２の光信号の前記第４の導波路部分への完全な結合を達成することを特徴とする請求項２７に記載の導波路システム。
  29. 前記第４及び第５の導波路部分は、前記第２の導波路部分からの前記第２の光信号の前記第３の導波路部分への完全な結合の少なくとも９０％を達成する結合長さに亘って方向性結合されていることを特徴とする請求項２２に記載の導波路システム。
  30. 前記第４及び第５の導波路部分は、前記第２の導波路部分からの前記第２の光信号の前記第３の導波路部分への完全な結合の少なくとも７５％を達成する結合長さに亘って方向性結合されていることを特徴とする請求項２２に記載の導波路システム。
  31. 前記基板は、半導体基板であることを特徴とする請求項２２に記載の導波路システム。
  32. 光信号を伝播させるための導波路ネットワークを作成する方法であって、
    基板上に第１のクラッド層を堆積させる段階と、
    前記第１のクラッド層上に該第１のクラッド層よりも屈折率が高い第１のコア層を堆積させる段階と、
    第１の導波路コア及び第２の導波路コアを形成するために前記第１のコア層をエッチングする段階と、
    第２のクラッド層を堆積させて平坦化する段階と、
    前記第２のクラッド層上に第２のコア層を堆積させる段階と、
    ブリッジ導波路コアを形成するために前記第２のコア層をエッチングする段階と、
    第３のクラッド層を堆積させる段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
  33. 前記第２のコア層をエッチングする段階は、ある一定の結合長さに亘って前記第１の導波路コアに方向性結合される前記ブリッジ導波路コアを形成し、光信号を該第１の導波路コアから該ブリッジ導波路コアまで伝播させることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
  34. 前記ブリッジ導波路コアは、前記第１の導波路コアと実質的に平行な方向に延びていることを特徴とする請求項３２に記載の方法
  35. 前記第１の導波路コアは、前記第２の導波路コアとは異なる方向に延びていることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
  36. 前記ブリッジ導波路コアは、前記第１の導波路コアと実質的に平行な方向に延びていることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
  37. 前記第１の導波路コアは、前記第２の導波路コアに実質的に垂直に延びていることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
  38. 前記第２のクラッド層をエッチングする段階は、前記第１の導波路コアからの光信号の前記ブリッジ導波路コアへの完全な又は実質的に完全に近い結合を達成する結合長さに亘って該第１の導波路コアに方向性結合される該ブリッジ導波路コアを形成することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
  39. 前記結合長さは、前記第１の導波路コアからの前記光信号の前記ブリッジ導波路コアへの完全な結合を可能にすることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
  40. 前記第２のクラッド層をエッチングする段階は、前記第１の導波路コアからの光信号の前記ブリッジ導波路コアへの完全な結合の少なくとも９０％を達成する結合長さに亘って該第１の導波路コアに方向性結合される該ブリッジ導波路コアを形成することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
  41. 前記第２のクラッド層をエッチングする段階は、前記第１の導波路コアからの光信号の前記ブリッジ導波路コアへの完全な結合の少なくとも７５％を達成する結合長さに亘って該第１の導波路コアに方向性結合される該ブリッジ導波路コアを形成することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
  42. 前記第１のコア層をエッチングする段階は、第１の導波路コア、第２の導波路コア、及び第３の導波路コアを形成することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
  43. 前記第１の導波路コア及び前記第３の導波路コアは、実質的に互いに平行であることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
  44. 前記第２の導波路コアは、前記第１及び第３の導波路コアに実質的に垂直であることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
  45. 前記第２のクラッド層をエッチングする段階は、前記ブリッジ導波路コアからの光信号の前記第３の導波路コアへの完全な又は実質的に完全に近い結合を達成する結合長さに亘って該第３の導波路コアに方向性結合される該ブリッジ導波路コアを形成することを特徴とする請求項４２に記載の方法。
  46. 前記結合長さは、前記第１の導波路コアからの前記光信号の前記ブリッジ導波路コアへの完全な結合を可能にすることを特徴とする請求項４５に記載の方法。
  47. 前記第２のクラッド層をエッチングする段階は、前記ブリッジ導波路コアからの光信号の前記第３の導波路コアへの完全な結合の少なくとも９０％を達成する結合長さに亘って該第３の導波路コアに方向性結合される該ブリッジ導波路コアを形成することを特徴とする請求項４２に記載の方法。
  48. 前記第２のクラッド層をエッチングする段階は、前記ブリッジ導波路コアからの光信号の前記第３の導波路コアへの完全な結合の少なくとも７５％を達成する結合長さに亘って該第３の導波路コアに方向性結合される該ブリッジ導波路コアを形成することを特徴とする請求項４２に記載の方法。
  49. 前記第２のクラッド層をエッチングする段階は、前記ブリッジ導波路コアからの光信号の前記第３の導波路コアへの完全な又は実質的に完全に近い結合を達成する結合長さに亘って該第３の導波路コアに方向性結合される該ブリッジ導波路コアを形成することを特徴とする請求項３８に記載の方法。
  50. 前記第２のクラッド層をエッチングする段階は、前記ブリッジ導波路コアからの光信号の前記第３の導波路コアへの完全な結合の少なくとも９０％を達成する結合長さに亘って該第３の導波路コアに方向性結合される該ブリッジ導波路コアを形成することを特徴とする請求項４０に記載の方法。
  51. 前記第２のクラッド層をエッチングする段階は、前記ブリッジ導波路コアからの光信号の前記第３の導波路コアへの完全な結合の少なくとも７５％を達成する結合長さに亘って該第３の導波路コアに方向性結合される該ブリッジ導波路コアを形成することを特徴とする請求項４１に記載の方法。
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