JP2007524863A - 不均一な加熱を用いるｙ分岐型熱光学デジタル光スイッチおよび可変光減衰器 - Google Patents
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Abstract
本発明は、「Ｙ分岐型デジタル光スイッチ」および可変光減衰器として従来技術に公知の１×２熱光学デジタル光スイッチに関する。
Description
本発明は、光通信技術に関する。より具体的には、本発明は、「Ｙ分岐型デジタル光スイッチ」および可変光減衰器として従来技術に公知の１×２熱光学デジタル光スイッチに関する。
デジタル光空間スイッチ（ＤＯＳ）は、従来技術に公知である。このようなスイッチの１つのクラスは、「Ｙ分岐型デジタル光スイッチ」（Ｙ分岐型ＤＯＳ）として公知の１×２デジタル光スイッチであり、そこにおいてＹの「基部」または幹部への光入力は、出力分岐部の一方または両方の屈折率で生じた変化によって出力分岐部の一方または他方に誘導される。又、スイッチは逆方向に作動可能であり、それによってＹの「上方分岐部」の一方または他方を入力チャネルとして選択することができ、Ｙの基部が出力チャネルである。Ｙ分岐部は、光回路の基本構成ブロックであり、単独に、または様々な組合せにおいて使用され、より複雑なスイッチングおよびカップリングデバイスを形成することができる。
Ｙ分岐型ＤＯＳは、主に、印加電力、偏光、波長、温度、およびかなりの部分、さらにデバイスの幾何学的変型など、重要なパラメータの変化に対するその強さのために、広く商業的に受容されている。典型的にはＹ分岐型ＤＯＳは、２つの導波路分岐部が交差して分岐部の交点において非常に小さい角度でＹ形状構造を画定するように設計される。導波路構造の組成物は、ニオブ酸リチウム、半導体、シリカ、またはポリマーなどの多種多様な材料を含有してもよい。Ｙ分岐型ＤＯＳは、出力導波路の１つにおいて光の伝搬方向を断熱変化させる（すなわち、急な変化とは対照的に、ゆっくりと変化する）ことによってそのスイッチング機能を果たす。
具体的には、Ｙ分岐型ＤＯＳのスイッチングは、一方の導波路分岐部の、他方に対する屈折率の変化を起こさせることによって達成される。例えば電圧および／または電流を構造体の選択された区域に印加することによって、屈折率の変化を引き起こすことができる。Ｙ分岐型ＤＯＳの特性のなかで特に重要であるのは、印加電圧または電流に対する段階応答であり、それが、スイッチング域値を超える印加電圧または電流の増加にも関わらず、光がより高い屈折率の分岐部にあることを可能にする。Ｙ分岐型ＤＯＳがスイッチング域値を超えて作動するとき、偏光および波長の変化は、Ｙ分岐型ＤＯＳのスイッチング能力にあまり影響を及ぼさない。
従来技術のＹ分岐型によって設計者がいつも直面する問題の１つは、フットプリントである。伝搬波の、選択された単一出力チャネルへの、断熱モード移動（ＡＭＴ）として従来技術に公知のエネルギーの断熱移動を起こすために、基本屈折率の約０．５％の導波路の屈折率の差のシリカファイバーレベルに対して伝搬信号の波長の大きくても約３０倍以下の２つの出力分岐部の分離を維持することが必要である。１．５ミクロンの放射については、これは、エネルギー移動が終了するまで２つの分岐部の間の分離が４５マイクロメータ以下のオーダーの距離に維持されなければならないことを意味する。そして次に、この要件は、０．１〜０．３度のオーダーの非常に小さな頂角および３０ｍｍまでのデバイス長を必要とする。かかるデバイスの製造の制御は非常に難しく、エラーが起こりがちである。さらに、かかるデバイスの大きなフットプリントは、集積光回路におけるそれらの適用可能性を非常に制限する。
これらの問題を扱う１つの方法は、非特許文献１によって提供され、２つの角度で形成されたＹ分岐型ＤＯＳが記載されており、そこにおいて出力導波路が最初に約２°の角度分岐し、次いで約０．３°の分岐の、より小さい外挿された角度に曲がる。
所望の屈折率の変化を起こすための様々な方法が、従来技術に公知である。これらは、電気光学効果、応力光学効果および熱光学効果を必要とする。従来技術に公知の代表的なＹ分岐型熱光学ＤＯＳにおいて、「Ｙ」の２つの上方分岐部は、加熱手段、典型的にはその上に蒸着された金属の薄い層を設けられ、その加熱手段は、作動時に、相応する分岐部の屈折率の移行を促し、それによって「Ｙ」の基部へのパワー入力の、一方または他方の分岐部へのカップリングを達成する。一方の分岐部の加熱をオンにし、他方の分岐部の加熱をオフにすることによって、入射光信号のスイッチングを達成することができる。
ポリマーおよびガラスの両方のＹ分岐部が公知である。ポリマーの屈折率の温度依存が非常に大きくなるので、熱光学デジタル光スイッチに使用するためにポリマーが好ましい。
非特許文献２には、重水素化およびフルオロ−重水素化メタクリレートポリマーから製造された２つの結合Ｙ分岐部からなるポリマー２×２熱−光スイッチが開示されている。製造方法は、ポリマー溶液をシリコン基板上にスピンコーティングし、その後に、通常のフォトリソグラフィによってＹ形部品を形成し、次にコアーリッジが反応性イオンエッチングによって形成されることを必要とする。電子線蒸発およびウエットエッチングによってクロム薄膜ストリップヒーターを上方Ｙ分岐部上に形成した。アームの分離は２５０マイクロメータであった。Ｃｒヒーターストリップは、長さ５ｍｍおよび幅５０マイクロメータであった。
非特許文献３には、そのＹ分岐部が２°より小さい頂角に対して０．１ｄＢ挿入損失を示す、ポリマー材料から製造された１×２光スイッチが開示されている。そこにおいて実施されるようなハロゲン化アクリレートを使用する直接フォトリソグラフィ製造方法は、比較的小さい角度のＹ分岐部の頂点においても部品の鮮明な輪郭および残留物の除去を可能にすることが開示されている。
ラックリッツ（Ｌａｃｋｒｉｔｚ）らの特許文献１には、Ｔｇを超える温度で作動される架橋ポリマー導波路を使用する熱−光スイッチが開示されている。ポリマー光導波路の表面に配置された略矩形の形状の金属ヒーターが開示されており、前記矩形のヒーターの長い側面が導波路の伝搬方向に対してわずかに角度を成して配置される。前記ヒーターは、ヒーターの全領域にわたって導波路材料と均一な熱接触状態にあるように配置される。ポリマー導波路材料の温度、従って屈折率は、ヒーターからのその中の任意の点の距離に依存することが開示されており、ヒーターに最も近いそれらの領域は、もっと遠くの領域よりも高い温度を受ける。
ヒー（Ｈｅ）らの特許文献２には、分岐直線導波路区域を使用する先行技術において達成可能であるよりも短いデバイスを提供する、曲線状電極を設けられた曲線状出力導波路を有するＹ分岐型デジタル光スイッチの電気光学効果が開示されている。出力導波路の湾曲は、連続的に増加する分岐角を提供する。
リー（Ｌｅｅ）らの特許文献３は、シリコン光学台においての熱誘起導波路に関する。その図２には、それに適用された局部加熱の結果としてそこで使用される様々な光学材料による温度プロフィールが開示されている。
非特許文献４には、約９マイクロメータのコアーを有するシリカクラッドポリマー導波
路から製造された０．１２°の角度を有する「ほとんど完璧な」頂点を有するＹ型分岐部が開示されている。Ｙの上方分岐部は、Ｔｉの薄膜ヒーターでコーティングされた。約１８０ｍＷのヒーター出力を有する出力分岐部の間の２７ｄＢのクロストークの抑制が達成された。モスバーガーは、鈍い頂点が損失を誘発し、出力導波路間のクロストークの抑制を低減させることを明白に教示する。
路から製造された０．１２°の角度を有する「ほとんど完璧な」頂点を有するＹ型分岐部が開示されている。Ｙの上方分岐部は、Ｔｉの薄膜ヒーターでコーティングされた。約１８０ｍＷのヒーター出力を有する出力分岐部の間の２７ｄＢのクロストークの抑制が達成された。モスバーガーは、鈍い頂点が損失を誘発し、出力導波路間のクロストークの抑制を低減させることを明白に教示する。
非特許文献５は、ポリマー対シリカ熱光学デジタル光スイッチの熱光学スイッチングの熱輸送および物理的様相の徹底的な分析を提供する。一般にポリマー、特にポリカーボネートおよびポリメチルメタクリレートについては、スイッチング電力は５０〜１００ｍＷの範囲にあり、導波路コアーの約１０°Ｃの温度上昇が、約０．００１の最小屈折率差を達成するのに必要であることが示される。
米国特許第６，２３６，７７４Ｂ１号明細書
米国特許第６，５２６，１９３Ｂ１号明細書
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エルダダ（Ｅｌｄａｄａ）ら著、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、ｖｏｌ．３９５０、７８〜８９ページ（２０００年）
モスバーガー（Ｍｏｏｓｂｕｒｇｅｒ）ら著、Ｐｒｏｃ．２１ｓｔＥｕｒ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍ、１０６３〜１０６７ページ（１９９５年）
ディーメール（Ｄｉｅｍｅｅｒ）著、オプティカル・マテリアルズ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）９、１９２〜２００ページ（１９９８年）
本発明は、幹部とそれに結合されて頂点を形成する２つの分岐部とを含んでなるＹ分岐型の、１×２平面光導波路の信号スプリッタを提供するものであり、前記分岐部が互いに分岐し、前記分岐部の各々が表面を有し、前記分岐部の少なくとも一方には加熱手段が設けられ、前記加熱手段を作動させた時に空間的に不均一な熱流束が前記分岐部の前記少なくとも一方に入射するように前記加熱手段が前記分岐部の前記少なくとも一方に関して配置される。
さらに本発明において、光スイッチ機能を果たすための方法が提供され、この方法は、（ａ）幹部とそれに結合されて頂点を形成する２つの分岐部とを含んでなるＹ分岐型の、１×２平面光導波路の信号スプリッタを伝搬光信号の伝搬路に配置する工程であって、前記分岐部が互いに分岐し、前記分岐部の少なくとも一方には加熱手段が設けられ、前記加熱手段を作動させた時に空間的に不均一な熱流束が前記分岐部の前記少なくとも一方に入射するように前記加熱手段が前記分岐部の前記少なくとも一方に関して配置される工程と、
（ｂ）２つの前記分岐部の伝搬光信号の相対強度の変化を起こすのに十分な量において前記分岐部の前記少なくとも一方の温度を上昇させるために、前記加熱手段にエネルギーを与えて前記分岐部の前記少なくとも一方の表面の上に空間的に不均一な熱流束を賦課する工程と、を含んでなる。
（ｂ）２つの前記分岐部の伝搬光信号の相対強度の変化を起こすのに十分な量において前記分岐部の前記少なくとも一方の温度を上昇させるために、前記加熱手段にエネルギーを与えて前記分岐部の前記少なくとも一方の表面の上に空間的に不均一な熱流束を賦課する工程と、を含んでなる。
従来技術の教示は明らかに、熱光学効果を使用して平面光導波路の表面に本質的に空間
的に均一な熱流束を賦課することによってスイッチングを起こすことに向けられており、それによって賦課された熱は、導波路の温度の上昇を促し、それによって次に屈折率の変化を起こし、それによって次にＹの２つの分岐部において伝搬する光信号の相対強度の変化を起こす。特に、従来技術に教示されているように、特定の温度しきい値が通されるとき、加熱された分岐部の屈折率の変化は、光信号を一方または他方の分岐部に本質的に完全にシフトさせるのに十分である。本発明の実施において本発明のＹ分岐部がデジタルスイッチングモードにある時に２つの分岐部の間のクロストークの抑制は、少なくとも１５ｄＢ、好ましくは少なくとも２０ｄＢ、最も好ましくは少なくとも２５ｄＢである。
的に均一な熱流束を賦課することによってスイッチングを起こすことに向けられており、それによって賦課された熱は、導波路の温度の上昇を促し、それによって次に屈折率の変化を起こし、それによって次にＹの２つの分岐部において伝搬する光信号の相対強度の変化を起こす。特に、従来技術に教示されているように、特定の温度しきい値が通されるとき、加熱された分岐部の屈折率の変化は、光信号を一方または他方の分岐部に本質的に完全にシフトさせるのに十分である。本発明の実施において本発明のＹ分岐部がデジタルスイッチングモードにある時に２つの分岐部の間のクロストークの抑制は、少なくとも１５ｄＢ、好ましくは少なくとも２０ｄＢ、最も好ましくは少なくとも２５ｄＢである。
熱を加えた時にどの分岐部が「オン」にされ、どれが「オフ」にされるかは、熱光学係数、ｄｎ／ｄＴに依存する。無機ガラス、特にシリカの場合、ｄｎ／ｄＴは正であり、このため、シリカＹ分岐部の加熱により、伝搬信号を加熱された分岐部にスイッチングする。有機ポリマーは負のｄｎ／ｄＴを示し、このため、ポリマーＹ分岐部の加熱により、伝搬信号を加熱されない分岐部にスイッチングする。
有機ポリマーのｄｎ／ｄＴの絶対的な大きさが無機ガラスのｄｎ／ｄＴより約１桁大きいことは従来技術に公知である。この理由のために、有機ポリマーが、熱−光スイッチに非常に好ましい。本発明の説明は、この好ましい有機ポリマーの実施態様に関する。しかしながら、半導体および無機ガラス、特にシリカなどの無機材料から製造されたＹ分岐部もまた、本発明の範囲内であると考えられる。当業者は、ｄｎ／ｄＴの符号および大きさの差を念頭において、無機材料から製造されたＹ分岐部は同じ考察であることを理解するであろう。
簡潔にするために、本願明細書における考察は、光信号がＹの下部において入力され、次いで本発明によるＹの上方部分の分岐部の一方または他方にスイッチングされ、上方分岐部が出力分岐部として役立つ本発明の実施態様を扱う。当業者は、本発明の主要な態様を変えずに光信号の伝搬方向を逆にすることができ、すなわち、空間的に不均一な加熱プロファイルを使用してスイッチングが起こるための必要な温度変化を起こすことができるのを理解するであろう。
逆の実施態様において、光がＹの一方または他方の上方分岐部に入力され、本願明細書に記載されたような熱光学効果を用いて、Ｙのどの分岐部がその入力信号をＹの下部の出力幹部中に伝搬させるかを決定する。
本発明はさらに、出力分岐部の一方または他方への入射光パワーの完全なスイッチングを起こすのに十分にどちらの出力分岐部も加熱されないが、代わりに、２つの分岐部において伝搬する光パワーの比を「オン」および「オフ」の極値間で連続的に変えることができる連続可変中間状態を達成し、それによってデジタル光スイッチではなく可変光減衰器を提供する、それらの実施態様を包含する。
本発明は、多くの様々な設計のＹ分岐部に等しく適用可能である。適したＹ分岐部の設計には、図１ａに示されるように角度αを有する明確に画定された頂点から一定の角度で分岐する直線出力導波路を有するＹ分岐部、図１ｂに示されるように外側に曲線状の出力分岐部を有するＹ分岐部、図１ｃの、鈍い頂点を有するＹ分岐部などがあるがそれらに限定されず、図１ｃにおいては、出力導波路は最初に、角度βにおいて頂点から第１の直線区域で分岐し、次いでわずかな曲りがあり、それは図示のように内側端縁だけにあるか、または内側および外側端縁の両方にあってもよく、第２の直線区域を形成し、出力導波路の第２の直線区域が、より小さい角度γで分岐する。好ましい実施態様において、α が０．０５〜０．４°、好ましくは０．１〜０．２°であり、β が０．２〜４．０°、好ましくは０．４〜１．０°であり、γ が０．０５〜０．４°、好ましくは０．１〜０．
２°である。さらに別の実施態様において、出力導波路が曲線状であってもよく、一実施態様において分岐の角度は、頂点からの距離に対して本質的に対数的に減少する。図１ｃに示されたＹ分岐部の限定的な実施態様において、β が１８０°であってもよい。
２°である。さらに別の実施態様において、出力導波路が曲線状であってもよく、一実施態様において分岐の角度は、頂点からの距離に対して本質的に対数的に減少する。図１ｃに示されたＹ分岐部の限定的な実施態様において、β が１８０°であってもよい。
本発明の実施に適したＹ分岐部は、従来技術に公知の方法のどれによって作製されてもよい。特に有益であるのは、Ｌ．エルダダ著、Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．４０、１１６５ページ（２００１年）に記載されているように、適切に透明なフォトレジスト型ポリマーに適用された直接フォトリソグラフィ方法である。フォトレジストポリマーそれ自体を利用して導波路を形成するので、反応性イオンエッチング工程は、従来技術の他の方法の場合と同様に必要とされない。反応性イオンエッチングは、散乱損失および偏光依存損失（ＰＤＬ）の深刻化につながる導波路壁の縦じわを生じさせることが知られている。散乱損失およびＰＤＬは、直接フォトリソグラフィを使用することによって最小にされる。エルダダによって教示された方法による得られた導波路は、伝搬信号の散乱損失およびＰＤＬを低減することができるグレーデッドインデックス（ｇｒａｄｅｄ ｉｎｄｅｘ）ポリマー導波路である。
本発明者は驚くべきことに、本発明による出力分岐部の一方または他方の表面の上に空間的に不均一な熱流束が賦課される時に、従来技術の教示によって達成可能であるよりも短い距離でＡＭＴを達成することができることを確認した。代表的な実施を表す先行技術の実施態様を図２ａに示し、１．５５マイクロメータの入射光においての使用を意図したＹ分岐部は空間的に均一な加熱を受け、スイッチングを起こす。完全なＡＭＴを起こすのに十分な長さとして４５マイクロメータ未満の分岐部の間の必要な分離を維持するために、出力分岐部には約１３ｍｍの加熱された長さを必要とする。対照的に、本発明によれば、出力分岐部の加熱された長さは、わずか１〜３ｍｍの範囲であってもよい。いくつかの重要な利点がそれから得られる。１つの利点は、図２および３に示されるようにフットプリントに帰せられる。
図２ａは、従来技術のＹ分岐部に典型的なＹ分岐部を示す。ヒーター長のみで１３ｍｍである。図２ｂに示された本発明のさらに小さいＹ分岐部は、わずか２．２ｍｍのヒーター長を有する。図３は、より短いフットプリントから得られた改良の実際の図解を提供する。図３ａは、従来技術のＹ分岐部を利用する１１２スイッチ８×８スイッチ配列の設計を示す。図３ｂは同じ構造を示すが、従来技術のＹ分岐部の寸法の半分のフットプリントを有する、本発明のＹ分岐部を利用する。
本発明のさらに別の利点は、加熱された長さを短くすることができるので、頂角が１０〜１５°、従来技術に教示された角度の約１０倍もあってもよい。従来技術の教示によるＹ分岐部の製造を実際に行なうと、通常、頂点にエッチングされない材料を生じさせ、それは、伝搬された信号のＰＤＬを非常に悪化させる。モスバーガー（Ｍｏｓｓｂｕｒｇｅｒ）ら著、前掲書中において強調されているように、「完全な」頂点を有することは、性能に重要である。本発明の大きくした頂角によって、ＰＤＬを低減することを伴って、頂点の際立った鮮明度および形状の制御を実現することがいっそう容易である。
本発明の特に驚くべき１つの態様は、モスバーガーの教示とは反対に、図１ｃに示されるような鈍い頂点がＰＤＬの低減をもたらすことがあり、著しい光損失がないということである。
当業者は、好ましい加熱プロファイルが、導波路が製造される材料の特定の選択、導波路の構造、ヒーターとコアーとの間のクラッディングの介在層があるかどうか、伝搬信号の波長、所望のスイッチングの速度、デバイスを部分的にまたは可変光減衰器としてだけ使用することが望ましいかどうか、等の多くの要因に依存することを理解する。
加熱プロファイルは、加熱されている導波路の表面の上の位置の滑らかに変化する関数であることが本発明の実施において望ましい。モード整合損失をもたらすことがある、導波路の屈折率の突然の変化を避けるために、熱流束の急な不連続は避けられなければならない。
本発明の実施において、１０〜５０ｍＷの電力レベルが、−２〜−５×１０−４／℃の範囲のｄｎ／ｄＴを特徴とするポリマーのスイッチングを起こすのに有効であることがわかった。かかるポリマーの例には、ポリアクリレート、ポリフルオロアクリレート、およびポリクロロアクリレートなどがあるがそれらに限定されない。３０〜１５０ｍＷの電力レベルが、絶対値において−０．５〜−２×１０−４／℃未満のｄｎ／ｄＴを特徴とするポリマーに対して有効であることがわかった。かかるポリマーの例には、ポリカーボネートおよびポリメチルメタクリレートなどがあるがそれらに限定されない。本発明の代表的な実施態様において、全導波路が同じポリマー系から作製される。
本発明の実施において、コアーの温度上昇は、１０〜１００℃の範囲であってもよい。高温は概して狭い範囲に局在しており、比較的狭い「ネック」領域を有するヒーターを使用することによって有利に達成される。当業者によって理解されるように、金属導体の抵抗は、断面積に反比例して増加する。従ってヒーターへの所定の電力入力について、狭い断面の局部加熱が最も高い。
本発明は、従来技術に公知であるようないずれの従来の加熱手段によっても動作可能である。これは、誘導加熱、放射加熱、および電気抵抗加熱を含めることができる。実施を簡単にする見地から、電気抵抗加熱が好ましい。電気抵抗加熱は、従来技術に公知の手段によって行なわれてもよい。１つの方法において、マスクを用いて薄い金属ストリップを導波路上にスパッタコーティングして、所望のヒーター形状を作製する。ヒーターは、出力分岐部の表面の上にその全長にわたって配置されないとき、下にコアーがないチップ上のオーバークラッドのその部分の上に付着される。
あるいは、ヒーターは、蒸発またはどれかの他の金属蒸着方法によって形成されてもよい。
本発明による電気抵抗加熱に適した金属には、クロム、チタン、アルミニウム、ニッケル、金、白金などがあるがそれらに限定されない。クロム、チタン、ニッケル、および金が好ましい。本発明による空間的に不均一な加熱は、可変断面積の薄膜加熱ストリップを導波路の表面の上に、その上のいずれかの便利な位置において適用することによって行なわれてもよい。
本発明は、空間的に不均一な加熱を行なうことができる方法に特定の制限を加えない。本発明の一実施態様において、空間的に不均一な加熱は、不均一な熱流束を導波路の表面の上に生じさせるように導波路に対して配置される均一な設計の加熱手段を使用することによって行なわれるのが有利である。図４に示された配置が、この実施態様の説明に役立つ。当業者は、同じ一般的な性質の多くの他の実施態様を理解するであろう。かかる実施態様には、曲線状導波路を有する矩形ヒーター、直線導波路を有する矩形ヒーター、直線導波路を有する曲線状ヒーター、およびＹ分岐部の頂点を鈍らせた、直線導波路を有する曲線状または矩形ヒーターなどがあるがそれらに限定されない。
図４は、出力導波路が曲線状であり、ヒーターが設計において均一であり、導波路の表面に供給された熱流束が導波路の表面へのヒーターの近傍の滑らかに連続した関数である、本発明の実施態様を示す。この場合、頂点から最も離れた地点において最大量の加熱が
行なわれる。２つのわずかに異なった実施態様が示されるが、異なるのはヒーターのわずかに異なった形状である。
行なわれる。２つのわずかに異なった実施態様が示されるが、異なるのはヒーターのわずかに異なった形状である。
当業者は、図１ａ〜１ｃに示されたＹ分岐部の設計、および本願明細書に上述された他のＹ分岐部の設計のいずれも、図４ａおよび４ｂに示されたＹ分岐部の代わりに用いられてもよく、本発明の実施において有効性を失わないことを理解するであろう。
本発明の好ましい実施態様において、その断面積が一定ではないヒーターが、出力導波路の長さに沿って配置される。この実施態様において、より小さな断面積を有するヒーターの部分において得られた高くなった温度によって、不均一な熱流束が導波路の表面の上に賦課される。より好ましい実施態様において、ヒーターは蝶ネクタイの形状であり、そこにおいて矩形部分は長い方の寸法の各端部において三角形部分に取って代わられ、２つの三角形部分がそれらの切頭頂点において接合される。この実施態様において、導波路の表面の上に入射する熱流束は、最も狭い地点においてピークに達するまで断面積が狭くなるとき、ヒーターの長い寸法に沿って連続的に増加し、次いで、導波路の長い寸法に沿って最も狭い地点からの距離の増加によって連続的に減少する。この最も好ましい実施態様において、ヒーターの最も狭い部分が、頂点に十分に近接して配置され、それによって頂点の領域を最も高い温度にかける。ここにおいて得られる効果の連続的な性質のために、当業者は、ヒーター上の最も狭い地点の、頂点への最近接点からのわずかな位置の偏りは、本発明の実施にほとんど影響を及ぼさないことを理解するであろう。
最も好ましい実施態様は図５ａおよび５ｂに示され、そこにおいて２つのわずかに異なった蝶ネクタイの設計が直線出力導波路に沿って配置され、示されたＹ分岐部は図１ｃのＹ分岐部であり、角度β は０．２〜４．０°、好ましくは０．４〜１．０°である。
当業者は、さらに別の実施態様が、ヒーターと導波路との空間分離、および不均一な断面のヒーターの両方を包含することを理解する。本発明を実施するために可能なヒーター設計、ヒーターを導波路に対して配置することができる方法の数、または互いのその組合せに対して本発明による制限はない。
当業者は、出力分岐部の長さに沿って複数の個々に均一なヒーターを使用することによって本発明の必要な加熱プロファイルを得ることができ、前記ヒーターの少なくとも２つは、異なった温度に加熱されることを理解する。しかしながら、この実施態様は、その実施のために必要とされる多数の線材および制御装置のために、それほど好ましくはない。
本発明によるヒーターの配置は、本発明の操作性に著しい影響を与えることがある。ヒーターが出力分岐部の上面の上に配置される場合、それは他方の出力分岐部に非常によく近接しており、特定の望ましくない程度の加熱が、加熱されることが意図されないその出力分岐部に生じる可能性が非常に高い。この理由のために、加熱された表面と隣接した導波路との間に熱絶縁導波路をできる限り大きく配置するためにヒーターからの熱流束が各分岐部の外側端縁に向けられることが非常に望ましい。従ってヒーターの横配置が重要な問題である。
本発明のＹ分岐部は、デジタル光空間スイッチとしてだけではなく可変光減衰器（ＶＯＡ）として有利に使用される場合がある。これは、スイッチングのためのしきい値温度より低い温度に出力分岐部を加熱することによって行なわれる。本発明によるＶＯＡの操作において、本質的に全ての光パワーが一方の出力導波路に移動され、その後、さらに加熱してもデジタルスイッチング領域に影響を及ぼさない段階まで熱入力を連続的に変化させることにより、一方の分岐部から他方の分岐部へのパワーの移動度を連続的に変化する。Ｙ分岐部がＶＯＡとして作動されるとき、第１のアームが加熱されて３ｄＢまたは５０％
までの減衰を達成し（ポリマーを使用、前記第１のアームは出力アームではない）、第２のアームが加熱されて３ｄＢを超える減衰を達成する（ポリマーを使用、前記第２のアームは出力アームである）。次に、熱を少し調節して２つの分岐部においての伝搬の相対強度を変えてもよい。
実施例
までの減衰を達成し（ポリマーを使用、前記第１のアームは出力アームではない）、第２のアームが加熱されて３ｄＢを超える減衰を達成する（ポリマーを使用、前記第２のアームは出力アームである）。次に、熱を少し調節して２つの分岐部においての伝搬の相対強度を変えてもよい。
実施例
この実施例において、以下の用語が使用される：
９４重量％のエトキシ化ペルフルオロポリエーテルジアクリレート（ＭＷ１１００）、４重量％のジ−トリメチロールプロパンテトラアクリレート、およびチバ・ガイギーから入手可能な光開始剤の、２重量％のダロキュア（Ｄａｒｏｃｕｒ）１１７３を配合して、Ｂ３と呼ばれる組成物を調製した。
９４重量％のエトキシ化ペルフルオロポリエーテルジアクリレート（ＭＷ１１００）、４重量％のジ−トリメチロールプロパンテトラアクリレート、およびチバ・ガイギーから入手可能な光開始剤の、２重量％のダロキュア（Ｄａｒｏｃｕｒ）１１７３を配合して、Ｂ３と呼ばれる組成物を調製した。
９８重量％のエトキシ化ペルフルオロポリエーテルジアクリレート（ＭＷ１１００）および２重量％のダロキュア１１７３を配合して、ＢＦ３と呼ばれる組成物を調製した。
９１重量％のエトキシ化ペルフルオロポリエーテルジアクリレート（ＭＷ１１００）、６．５重量％のジ−トリメチロールプロパンテトラ−アクリレート、チバ・ガイギーから入手可能な異なった光開始剤の、２重量％のダロキュア１１７３、および０．５重量％のダロキュア４２６５を配合して、Ｃ３と呼ばれる組成物を調製した。
以下の製造方法を２回行なったが、１回はＰ０３と呼ばれるマスクを用い、１回はＰ０５と呼ばれるマスクを用いた（各マスクの構造については図２を参照のこと）。
６インチの酸化シリコンウエハ（基板）をＫＯＨで清浄にし、次いで（３−アクリルオキシプロピル）トリクロロシラン（ゲレスト（Ｇｅｌｅｓｔ））で処理した。ポリマー導波路を、以下のようにネガ型感光性モノマーを用いてウエハ上に形成した。２ｍｌのＢＦ−３組成物をウエハ上に付着させ、次いでそれを１３秒間、１０００ｒｐｍにおいてＣＥＥ−１００スピンコータ（ブルーワー・サイエンティフィック（Ｂｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ））でスピンさせて厚さ１０μｍのＢＦ３アンダークラッド層を形成した。このように作製されたコーティングを、窒素雰囲気および０．０２トルの圧力において１０００ワットの水銀アークランプからの３５０ｎｍの紫外光（Ｈｇ−ｉ線）で硬化させた。Ｃ３コア層を同様にして付着させ、７μｍ×７μｍの断面のＹ分岐型導波路をその中にパターン化させるために、暗視野（ｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄ）フォトマスクを通して１０００ワット水銀アークランプからの３５０ｎｍの紫外光（Ｈｇ−ｉ線）を当て、次いで酢酸エチル（ＨＰＬＣ銘柄、フィッシャーサイエンティフィック社（Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｃｏ．））で未露光領域を現像した。図２ｂに図解されたように作製されたＹ分岐部において、分岐部の分岐の初期角度は０．６°であった。分岐部は、ヒーターが終わる分岐部の分離４５マイクロメータにおいて１．５°の角度に外側に湾曲した。３ｍｌのＢ３組成物をパターン化されたウエハ上に置き、ＣＥＥ−１００で１４秒間、７００ｒｐｍにおいてスピンコーティングし、１７マイクロメータの厚さのＢ３オーバークラッド層を形成した。このように作製されたコーティングされた層を、大気圧において窒素雰囲気中で１０００ワット水銀アークランプからのＨｇ−ｉ線を用いて硬化させた。
それぞれ１０／２００ナノメータの厚さであるＣｒおよびＡｕの連続層をポリマーのコーティングされたウエハ上にスパッタ蒸着させることにより、ヒーターを形成し、２１０ｎｍの過厚さ（ｏｖｅｒ−ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）を有する２層ヒーター積層体を形成した］。前記ヒーター積層体をポジ型フォトレジスト（シプリー（Ｓｈｉｐｌｅｙ）から入手可能なタイプ１８０８）および明視野（ｃｌｅａｒ−ｆｉｅｌｄ）フォトマスクを用いてフォトリソグラフィによってパターン化し、その後に酸エッチングしてヒーターと相互配線（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ）／ワイヤボンディングパッドのベースとを形成した。Ｔｉ／Ａｕの電気めっきベースをヒーター積層体の上にスパッタ蒸着し、ポジ型フォトレジスト（シプリーＳＪＲ５７４０）をスピンコーティングによってそれに塗布させた。暗視野フォトマスクを用いた紫外線露光により、相互配線およびワイヤボンディングパッドのベースを露光した。次に、金による電気めっきを行なった。最後に前記ポジ型フォトレジストを現像し、前記電気めっきベースを酸エッチングし、熱光学Ｙ分岐型可変光減衰器（ＶＯＡ）を有するチップを搭載したウエハが得られた。
ウエハＰ０３およびＰ０５の各々を切断（ｄｉｃｅｄ）した。Ｐ０３チップは、長さ２０ｍｍであり、Ｐ０５チップは１１ｍｍであった。このように作製されたＹ分岐型熱光学デバイスの各々の試料の１つをＶＯＡとして評価した。Ｐ０３デバイスは、以下の性能特性を有した。最小減衰においての挿入損失＝１．０ｄＢ、１５ｄＢ減衰においての偏光依存損失（ＰＤＬ）＝０．５ｄＢ。Ｐ０５デバイスは、以下の性能特性を有した。最小減衰においての挿入損失＝０．６５ｄＢ、１５ｄＢ減衰においての偏光依存損失（ＰＤＬ）＝０．２ｄＢ。
実施例１の場合と同様にして作製された第２のＹ分岐部の試料を、以下のプロトコルによって評価した。測定を２工程で行なった。
１．１．５５マイクロメータの波長の光をガラス光ファイバー入力からＹ分岐部の幹部に結合し、デバイスを移動させた後、光を「右の」分岐部の出力においてガラス光ファイバーに結合し、光検出器に送った。電力を左の分岐部のヒーターに印加し、５０ｍＷから０ｍＷに連続的に変化させ、次いで電力を右のヒーターに印加し、０ｍＷから５０ｍＷに連続的に変化させた。光検出器において測定された光パワー減衰は、図６の青の線によって示される。
２．前述の場合と同様に光を放射したが、「左の」分岐部の出力において光検出器に結合した。電力を右のヒーターに印加し、５０ｍＷから０ｍＷに連続的に変化させ、次いで電力を左のヒーターに印加し、０ｍＷから５０ｍＷに連続的に変化させた。光検出器において測定された光パワー減衰は、図６の緑の線によって示される。
Claims (27)
- 幹部とそれに結合されて頂点を形成する２つの分岐部とを含んでなるＹ分岐型の、１×２平面光導波路の信号スプリッタであって、前記分岐部が互いに分岐し、前記分岐部の各々が表面を有し、前記分岐部の少なくとも一方には加熱手段が設けられ、前記加熱手段を作動させた時に空間的に不均一な熱流束が前記分岐部の前記少なくとも一方に入射するように前記加熱手段が前記分岐部の前記少なくとも一方に関して配置される、１×２平面光導波路の信号スプリッタ。
- 前記分岐部の各々が外端縁をさらに含み、さらに前記空間的に不均一な熱流束が、主として前記分岐部の前記少なくとも一方の前記外端縁の上に入射する、請求項１に記載の１×２平面光導波路の信号スプリッタ。
- 前記頂点が０．０５〜４°の角度であることを特徴とする、請求項１に記載の１×２平面光導波路の信号スプリッタ。
- 前記頂点が０．４〜１°の角度であることを特徴とする、請求項３に記載の１×２平面光導波路の信号スプリッタ。
- 前記加熱手段が均一な断面を有する、請求項１に記載の１×２平面光導波路の信号スプリッタ。
- 前記加熱手段が不均一な断面を有する、請求項１に記載の１×２平面光導波路の信号スプリッタ。
- ポリマーコアーをさらに含んでなる、請求項１に記載の１×２平面光導波路の信号スプリッタ。
- 前記ポリマーコアーが、ポリアクリレート、ポリフルオロアクリレート、ポリクロロアクリレート、ポリメタクリレート、およびポリカーボネートよりなる群から選択されるポリマーを含んでなる、請求項７に記載の１×２平面光導波路の信号スプリッタ。
- 前記ポリマーがポリフルオロアクリレートである、請求項８に記載の１×２平面光導波路の信号スプリッタ。
- 前記加熱手段が電気抵抗ヒーターである、請求項１に記載の１×２平面光導波路の信号スプリッタ。
- 前記電気抵抗ヒーターが不均一な断面を有する、請求項１０に記載の１×２平面光導波路の信号スプリッタ。
- 前記断面が最小面積を有し、前記頂点と前記最小面積との間の距離が最小であるように前記ヒーターが配置される、請求項１１に記載の１×２平面光導波路の信号スプリッタ。
- （ａ）幹部とそれに結合されて頂点を形成する２つの分岐部とを含んでなるＹ分岐型の、１×２平面光導波路の信号スプリッタを伝搬光信号の伝搬路に配置する工程であって、前記分岐部が互いに分岐し、前記分岐部の少なくとも一方には加熱手段が設けられ、前記加熱手段を作動させた時に、空間的に不均一な熱流束が前記分岐部の前記少なくとも一方に入射するように前記加熱手段が前記分岐部の前記少なくとも一方に関して配置される工程と、
（ｂ）２つの前記分岐部の前記伝搬光信号の相対強度の変化を起こすのに十分な量において前記分岐部の前記少なくとも一方の温度の上昇をもたらすために、前記加熱手段にエネルギーを与えて前記分岐部の前記少なくとも一方の表面上に空間的に不均一な熱流束を賦課する工程と、
を含んでなる、光信号の分割方法。 - 前記分岐部の各々が外端縁をさらに含み、さらに前記空間的に不均一な熱流束が、主として前記分岐部の前記少なくとも一方の前記外端縁の上に賦課される、請求項１３に記載の方法。
- 前記加熱手段が不均一な断面を有する、請求項１３に記載の方法。
- 前記頂点が０．０５〜４°の角度であることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
- 前記頂点が０．４〜１°の角度であることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
- 温度の前記上昇がデジタル光スイッチ機能を果たすのに十分である、請求項１３に記載の方法。
- 温度の前記上昇がデジタル光スイッチ機能を果たすのに不十分であり、その結果として、前記１×２平面光導波路の信号スプリッタが可変光減衰器として役立つ、請求項１３に記載の方法。
- 前記１×２平面光導波路の信号スプリッタがポリマーコアーをさらに含んでなる、請求項１３に記載の方法。
- 前記ポリマーコアーがポリアクリレート、ポリフルオロアクリレート、ポリメタクリレート、およびポリカーボネートよりなる群から選択されるポリマーを含んでなる、請求項１６に記載の方法。
- 前記ポリマーがポリフルオロアクリレートである、請求項２１に記載の方法。
- 前記加熱手段が電気抵抗ヒーターである、請求項１３に記載の方法。
- 前記電気抵抗ヒーターが不均一な断面を有する、請求項２３に記載の方法。
- 最も高い熱流束が、前記頂点から最小の距離において賦課される、請求項２３に記載の方法。
- 請求項１に記載の１×２平面光導波路の信号スプリッタを含んでなる、デジタル光空間スイッチ。
- 請求項１に記載の１×２平面光導波路の信号スプリッタを含んでなる、可変光減衰器。
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