JP2007530992A - プレーナ導波路反射型回折格子 - Google Patents

Abstract

本発明は、従来のプレーナ導波路反射回折格子に勝る帯域幅の向上を実現すると共に、それに通常伴う偏光依存損失（ＰＤＬ）をなくす、波長分割マルチプレクサなどの光学装置で使用されるプレーナ導波路反射型回折格子に関する。したがって、低次数（＜３）、高アスペクト比（＞１０）の格子が、入射角１５°未満で使用するための非常に短い側壁（光信号の波長未満）を備える。

Description

本発明は、光通信で使用される反射型回折格子に関し、詳細には、偏光感度が低減され、自由スペクトルレンジが拡大されるプレーナ導波路反射型回折格子装置に関する。

光学において、回折格子は、反射基板または透明基板上の、細かく、平行な、等間隔に配置された溝（「刻線」）の配列であり、その溝により、「次数」または「スペクトル次数」と呼ばれる、回折または透過した電磁エネルギーを離散的な方向に集中させる回折効果および相互干渉効果が生じる。

溝の寸法および間隔は、注目する波長程度である。この光学状態では、回折格子の使用が最も一般的であり、１ミリメートル当たり数百または数千の溝が存在する。

次数ゼロは、直接透過または鏡面反射に対応する。高次数では、入射ビームが幾何（光線）光学系によって予測される方向から偏向する。角度θの垂直入射角では、幾何光学系によって予測される方向からの回折光線の偏向は、以下の式によって与えられる。ただしｍはスペクトル次数であり、λは波長であり、ｄは隣接する溝の対応する部分間の間隔である。

回折ビームの偏向角は波長に依存するので、回折格子は分散性であり、すなわち入射ビームをその構成波長成分に空間的に分離し、スペクトルを生成する。

入射ビームのスペクトル内容、および格子上の単位距離当たりの溝の数に応じて、回折格子によって生成される各スペクトル次数は重なることがある。スペクトル次数が高くなるほど、すぐ下の次数との重なりが大きくなる。回折格子は、モノクロメータおよびその他の光学計器でしばしば使用される。

溝の断面形状を制御することにより、回折エネルギーの大部分を注目の次数に集中させることが可能である。この技法は「ブレージング（blazing）」と呼ばれる。

当初は、高解像度回折格子が刻線された。高品質刻線エンジンの構築は大きな作業であった。後のフォトリソグラフィ技法は、ホログラフィ干渉縞から格子を生成することを可能にする。ホログラフィ格子はシヌソイド形の溝を有し、それほど明るくはないが、モノクロメータでは好ましい。ホログラフィ格子は、ブレーズ格子よりも迷光レベルがずっと低いからである。複製技法により、マスタ格子から高品質のレプリカを作成することが可能となり、これは、格子のコストを下げる助けになる。

プレーナ導波路反射型回折格子は、規則的なシーケンスで配置されたファセットの配列を含む。図１を参照しながら、単純な回折格子の性能を示す。複数の波長チャネルλ_１、λ_２、λ_３．．．を有する光ビーム１が、グレーディング・ピッチΛおよび回折次数ｍの回折格子２に、特定の入射角θ_ｉｎで入射する。次いで、光ビームは、以下の格子式に従って、波長および次数に応じて角度θ_ｏｕｔで角度を形成して分散する。

格子式（１）より、回折次数の形成に関する条件は、入射光の波長λ_Ｎに依存する。スペクトルの形成を考慮するとき、回折角θ_Ｎｏｕｔが入射波長θ_ｉｎと共にどのように変化するかを知る必要がある。したがって、入射角θ_ｉｎが固定であると仮定して、式（１）をθ_Ｎｏｕｔに関して微分することにより、以下の式が導かれる。

量ｄθ_Ｎｏｕｔ／ｄλは、波長λの小さい変化に対応する回折角θ_Ｎｏｕｔの変化であり、回折格子の角分散と呼ばれる。角分散は、ｍの増加、グレーディング・ピッチΛの減少、および回折角θ_Ｎｏｕｔの増加と共に増加する。回折格子の線形分散は、この項とシステムの有効焦点距離の積である。

異なる波長λ_Ｎの光が異なる角度θ_Ｎｏｕｔに回折するので、各次数ｍはスペクトルとして引き伸ばされる。所与の回折格子で生成することのできる次数の数は、格子ピッチΛによって制限される。θ_Ｎｏｕｔは９０°を超えることができないからである。最高の次数はΛ／□_□によって与えられる。したがって、粗い（Λの大きい）格子は多数の次数を生成し、細かい格子が生成できるのは１つまたは２つだけである。

回折格子の自由スペクトルレンジ（ＦＳＲ）は、隣接する次数の同じ帯域幅と重ならない、所与の次数の最大の帯域幅と定義される。次数ｍは、連続的な分散が得られる自由スペクトルレンジを求める際に重要である。所与の入力−格子−出力構成について、好ましい波長λに対する好ましい回折次数ｍでの格子動作では、他の波長は、他の回折次数で同一の経路をたどる。次数の最初の重なりは、以下のときに生じる。

ブレーズ格子は、図１に示すようにブレーズ角ｗを有する直角三角形を形成するように回折格子の溝が制御される格子である。ブレーズ角ｗの選択により、特に所与の波長に対して回折格子の全効率特性を最適化する機会が提供される。

プレーナ導波路回折ベースの装置は、高密度波長分割多重方式（ＤＷＤＭ）向けの近赤外（１５５０ｎｍ）領域で優れた性能をもたらす。具体的には、高回折次数（４０から８０）、高入射角（約６０°）、および高グレーディング・ピッチで通常は動作するエシェル格子の進歩により、干渉する経路間の位相差が大きくなった。格子ファセットのサイズは回折次数に比例するので、そのような大きな位相差が、回折ベースのプレーナ導波路装置の製造の信頼性を高めるのに必要であると長い間考えられていた。したがって、既存の装置は、高い回折次数が必要であるので、狭い波長範囲にわたっての動作に限定される（式５参照）。

さらに、プレーナ導波路プラットフォームで製造される回折格子ベースの装置について、従来技術で生じる一般的な問題は、反射ファセットＦに隣接する導電性金属Ｓ（反射被覆）の存在によって引き起こされるある偏光の場排除（ｆｉｅｌｄ ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ）から生じる偏光依存損失である。

光ファイバ中を伝播する光信号は、偏光依存損失を最小限に抑えるように（デ）マルチプレクサをほぼ偏光無感応とすることを必要とする不定の偏光状態を有する。準リトロー条件で使用され、準リトロー条件でブレージングされる反射格子では、両方の偏光が、反射ファセットから十分に等しく反射する（図１のＦ）。しかし、メタライゼーションされた側壁ファセットＳによって境界条件が導入され、表面（ＴＭ）に平行な偏光が表面付近から退出することが妨げられる。さらに、ある偏光が、他の偏光と比較して、側壁Ｓ上の金属によって優先的に吸収される。最終的に、側壁金属の存在自体が、装置性能で偏光依存損失（ＰＤＬ）として現れる。

回折格子の偏光感度を低減する方法および装置が多数存在する。Ｃｈｏｗｄｈｕｒｙは、米国特許第５９６６４８３号および米国特許第６０９７８６３号で、透過帯域幅内の波長の第１回折効率と第２回折効率の差を低減することを選ぶことによる偏光感度の低減について述べている。この解決策は、ブレーズ角およびブレーズ波長の選択に関する制限を必要とするので、有用性が限定される可能性がある。

Ｓａｐｐｅｙ等は、米国特許第６４００５０９号で、フラットによって分離された反射ステップ面と横断ライザ面を含めることによって偏光感度を低減できることを教示している。この解決策は、他の部分はそうではないが表面の一部に反射被覆を必要とし、反射界面の選択的処理を必要とする追加の製造ステップが必要となるので、やはり有用性が限定される。

格子の自由スペクトルレンジは、格子ファセットのサイズに比例する。フォトリソグラフィ・エッチングでは、小さい回折次数を有する格子を高い信頼性で形成することができないと長い間考えられていた。多くの場合、低次数はフォトリソグラフィ解像度よりも小さい、またはそれに匹敵するステップをしばしば示唆するからである。フォトリソグラフィ解像度および後続の処理ステップにより、格子性能がぼやけ、かなり低下する。したがって、エッチング格子の分野はそれ自体、実際上の理由で、通常は次数１０を超過する妥当に大きい回折次数に限定される。次数１に近い範囲の次数を有する装置は、実現するのは非現実的であると長い間考えられていた。
米国特許第５９６６４８３号 米国特許第６０９７８６３号 米国特許第６４００５０９号

本発明の目的は、比較的低い次数、非常に小さいＰＤＬ、および非常に短い側壁長で動作することによって帯域幅の向上を実現するプレーナ導波路反射型回折格子を提供することにより、従来技術の欠点を克服することである。

したがって、本発明は、光信号を多重化分離するのに使用される、プレーナ導波路プラットフォーム上の反射型回折格子装置であって、
平均波長で定義される複数の波長チャネルを有する光ビームをある回折格子入射角で送出する入力ポートと、
ファセット長で定義される複数の反射壁と前記側壁長で定義される複数の側壁とを有し、前記波長チャネルを波長に従って様々な角度に分散させる反射型回折格子と、
前記波長チャネルを取り込むように配置された複数の出力ポートとを備え、
前記ファセット長を前記側壁長で割ることによって定義されるアスペクト比が３より大きい装置に関する。

本発明の別の態様は、平均波長で定義される光チャネルを多重化または多重化分離するのに使用される、プレーナ導波路プラットフォーム上の反射型回折格子装置であって、
ファセット長で定義される複数の反射壁と側壁長で定義される複数の非反射側壁とを含む反射型回折格子と、
前記光チャネルを有する光ビームを前記回折格子で、ある入射角で送出する入力ポートと、
前記光チャネルのうちの１つを出力する第１出力ポートと、
前記光チャネルのうちの別の１つを出力する第２出力ポートとを備え、
絶対値７以下の次数での回折を前記格子が実現するのを保証するように前記ファセット長および前記入射角が選択される装置に関する。

本発明の別の特徴は、光信号を多重化分離するのに使用される、プレーナ導波路プラットフォーム上の反射型回折格子装置であって、
平均波長で定義される複数の波長チャネルを有する光ビームをある回折格子入射角で送出する入力ポートと、
ファセット長で定義される複数の反射壁と側壁長で定義される複数の側壁とを有し、前記波長チャネルを波長に従って様々な角度に分散させる反射型回折格子と、
前記波長チャネルを取り込むように配置された複数の出力ポートとを備え、
前記側壁長が前記平均波長の２倍以下である装置を提供する。

本発明の好ましい実施形態を表す添付の図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。

プレーナ導波路回折格子の設計における重要な問題の１つは、反射ファセットＦおよび側壁ファセットＳの製造性である。さらに、従来、ファセットの製造性に対する主な限界は、フォトリソグラフィ解像度の限界であった。典型的なフォトリソグラフィ手順は、０．５から１０μｍの範囲の解像度に限定され、したがって、格子から妥当な性能を達成するための最小要件は、反射ファセット・サイズＦがこの解像度よりも大きくなければならず、例えば２．５から５μｍ以上のサイズでなければならない。

図１では、入力角θ_ｉｎおよび出力角θ_Ｎｏｕｔが同一であると仮定することによって光経路が単純化される。この仮定は、ファセット幾何形状の数学的処理を単純化するためのものに過ぎない。したがって、

であり、式（１）は以下のように単純化される。

式６と７を組み合わせると、

図１より、

歴史的には、４５°から６５°の入射角および出力角が使用されてきており、必然的に格子ファセット・アスペクト比Ｆ／Ｓが約１となる（図１および式９を参照）。波長１５５０ｎｍでは、式（６）から、反射面Ｆおよび非反射面Ｓの両方のファセット・サイズ１０〜１７μｍがＤＷＤＭ応用例に関して従来技術で容易に達成可能であることがわかる。これにより、格子ファセットＦが製造可能となるが、非反射ファセット（または側壁）Ｓが大きくなり、偏光依存損失に寄与するという犠牲を伴う。従来技術では、回折次数ｍを変化させることによって、すなわち式（８）の分子を調節することによってファセット・サイズ変動も行われる。

遠隔通信ネットワークは、ＤＷＤＭネットワークからＣＷＤＭネットワークおよびＦＴＴＨネットワークに発展した。後者の２つのネットワーク・アーキテクチャは、約１２５０ｎｍから約１６３０ｎｍの広い波長範囲にわたるチャネルを有する。こうした広い範囲は、高回折次数装置では処理することができず、しばしば１という低い次数を必要とする。従来技術の技術者は、式（８）を利用することに気付いていなかった。低い回折次数ｍと、４５°から６５°の動作角度θ_ｉｎおよびθ_ｏｕｔでは、プレーナ導波路回折格子について得られるファセット・サイズＦは、実際に製造可能となるには小さ過ぎる。既存のプレーナ導波路回折ベースの装置は、ＡＷＧおよびエシェル格子を含む。どちらも高回折次数に依拠し、ＡＷＧは、ガイド・ルーティングのために高次数動作を必要とし、エシェル技法は、高次数を使用して、より容易に製造される大きいファセット・サイズを維持する。したがって、従来技術は、プレーナ導波路プラットフォームでのＣＷＤＭまたはＦＴＴＨネットワーク・アーキテクチャに対処する際に本質的な制限を有する。

本発明は、式（８）の重要性、具体的には分母の角度依存性によって格子ファセット・アスペクト比Ｆ／Ｓを増加させることが可能であることを認識している。回折角が減少するとき、ファセット・サイズはｔａｎθ_ｉｎと共に線形に増加する。さらに、ファセット・アスペクト比Ｆ／Ｓの増加により、偏光依存損失が改善され、自由スペクトルレンジの広い装置が得られることを本発明者等は理解している。

例えば、シリカ・オン・シリコンでは、回折次数５以下（ＣＷＤＭネットワークまたはＦＴＴＨネットワークについて最も小さい実際的な自由スペクトルレンジが得られる）、波長１５５０ｎｍ、および反射ファセットＦのサイズ５．０μｍ超では、Ｆ／Ｓを３よりも大きくする必要があり、このことは、回折角を約２５°まで下げることによって実施される。したがって、本発明は、非反射ファセット（または側壁）に対する反射ファセットの比が少なくとも３であるすべてのプレーナ導波路回折格子設計を包含する。

ＰＤＬの量は、アスペクト比Ｆ／Ｓおよび非反射ファセットＳの長さに強く依存する。従来のエシェル設計は、アスペクト比約１を有し、側壁依存ＰＤＬに強く影響を受ける。しかし、３を超えるＦ／Ｓでは、ＰＤＬに対する非反射ファセットの寄与はかなり小さくなる。Ｆ／Ｓをさらに増加させることにより、反射光の波長以下、例えばＳ≦３０００ｎｍ、好ましくは≦２５００ｎｍ、さらに好ましくは≦２０００ｎｍ、究極的に好ましくは≦１５５０ｎｍの非反射格子ファセット・サイズＳで製造可能ファセットを設計することが可能となる。そのような格子では、メタライゼーションされた側壁と光の相互作用長は非常に短く、ＰＤＬのない装置の動作が可能となる。

したがって、ｔａｎ（θ）が小さく、すなわち１／３の比またはθ＜２５°を達成する状態に入ったとき、側壁依存ＰＤＬを低減することができる。

製造性の観点から、反射ファセットＦが大きい場合、フォトリソグラフィ解像度の制限にもかかわらず、ファセット自体が忠実に複製される。小さい非反射ファセットＳは、忠実に複製されない可能性が高く、わずかに曲線的となるが、格子性能は影響を受けない。従来技術の技術者は、式（１）に従ってピッチが分散を支配することを疑いなく理解していた。しかし、格子のピッチを反射ファセット（図１の側壁Ｓ）間の垂直距離と等しくすることは極めて一般的である。その考えでは、側壁Ｓに対するひずみをピッチに対するひずみと等しくすることができる。これは誤った概念であり、実際、ピッチは式（６）によって与えられる。直観とは逆に、ピッチはＳではなくＦと共に増加する。本発明者等はこのことを理解し、ピッチに影響を及ぼす危険なしにアスペクト比を増加させることができ、すなわち式（９）に示されるＳ／Ｆを低減することができる。実際、格子複製の忠実度は、フォトリソグラフィによって制限されるのではなく、マスク上のフィーチャ自体の精度によって制限される。この制限は、フォトリソグラフィ解像度よりも数桁（１００倍）小さい。

式（８）と（９）を組み合わせると、以下が得られる。

したがって、小さい回折次数（必要なら、ｍ＝３、２、または１）を選ぶことにより、側壁サイズＳが波長未満となるので、ＰＤＬをほぼなくすことができる。

図３に示す好ましい実施形態では、凹面反射型回折格子１０が、チップ１２内に設けられたスラブ導波路１１の縁部に形成される。入力ポートは、導波路１３の端部で画定され、導波路１３は、チップ１２の縁部から、複数の波長チャネル（λ_１、λ_２、λ_３、．．．）を有する入力波長分割多重化（ＷＤＭ）信号を導波路１３に送るスラブ導波路１１まで延びる。図２を参照して上記で定義されるように、回折格子１０は、５より大きいアスペクト比（Ｆ／Ｓ）と、波長チャネル（λ_１、λ_２、λ_３、．．．）の平均波長以下の側壁長Ｓとを有する。入力導波路１３は、入射角θ_ｉｎが３０°未満となるよう保証するように配置され、格子ピッチΛは、格子１０が次数５以下の回折を与えるのを保証するように選択される。回折格子１０は、入力信号を各構成成分波長に分散させ、各波長チャネルを出力導波路１５の形の別々の出力ポートに集束させ、出力導波路１５の端部は、チップ１２の縁部に送り戻すために、ローランド円によって定義される格子１０の焦点線（focal line）１６に沿って配置される。図示する装置は、導波路１５から入力されたいくつかの波長チャネルを、入力導波路１３を介してチップ１２の縁部に送り出される単一の出力信号に多重化するのに使用することもできる。入力ポートおよび出力ポートは、光を送出または取り込むことのできるスラブ導波路１１上の位置を表す。しかし、ポートを他の伝送装置に光学的に結合することもでき、または単に遮断することもできる。

上述の光学装置を動作させる特定の例は以下の通りである。
θ_ｉｎ＝５° ５° ５° ６°
ｍ＝１ ２ ３ ２
λ_ａｖｇ＝１５５０ｎｍ １５５０ｎｍ １５５０ｎｍ １５５０ｎｍ
Λ＝８８９２ｎｍ １７７８４ｎｍ ２６６７６ｎｍ １４８２８ｎｍ
Ｆ＝８８５８ｎｍ １７７１６ｎｍ ２６５７４ｎｍ １４７４７ｎｍ
Ｓ＝７７５ｎｍ １５５０ｎｍ ２３２５ｎｍ １５５０ｎｍ
Ｆ／Ｓ＝１１．４ １１．４ １１．４ ９．５

従来の反射型回折格子を示す図である。 本発明によるプレーナ導波路反射型回折格子を示す図である。 本発明によるプレーナ導波路反射型回折格子を組み込んだ光学装置を示す図である。

Claims (20)

1. 光信号を多重化分離するのに使用される、プレーナ導波路プラットフォーム上の反射型回折格子装置であって、
   平均波長で定義される複数の波長チャネルを有する光ビームをある回折格子入射角で送出する入力ポートと、
   ファセット長で定義される複数の反射壁と側壁長で定義される複数の側壁とを有し、前記波長チャネルを波長に従って様々な角度に分散させる反射型回折格子と、
   前記波長チャネルを取り込むように配置された複数の出力ポートとを備え、
   前記ファセット長を前記側壁長で割ることによって定義されるアスペクト比が３より大きい装置。
2. 前記アスペクト比が５より大きい請求項１に記載の装置。
3. 前記アスペクト比が１０より大きい請求項１に記載の装置。
4. 前記回折格子入射角が６°未満である請求項３に記載の装置。
5. 前記側壁長が、前記平均波長の２倍以下である請求項３に記載の装置。
6. 前記側壁長が前記平均波長以下である請求項１に記載の装置。
7. 前記入射角が３０°未満である請求項１に記載の装置。
8. 前記入射角が１５°未満である請求項１に記載の装置。
9. 平均波長で定義される光チャネルを多重化または多重化分離するのに使用される、プレーナ導波路プラットフォーム上の反射型回折格子装置であって、
   ファセット長で定義される複数の反射壁と側壁長で定義される複数の非反射側壁とを含む反射型回折格子と、
   前記光チャネルを有する光ビームを前記回折格子で、ある入射角で送出する入力ポートと、
   前記光チャネルのうちの１つを出力する第１出力ポートと、
   前記光チャネルのうちの別の１つを出力する第２出力ポートとを備え、
   絶対値７以下の次数での回折を前記格子が実現するのを保証するように前記ファセット長および前記入射角が選択される装置。
10. 前記次数が５以下である請求項９に記載の装置。
11. 前記次数が３以下である請求項９に記載の装置。
12. 前記回折格子入射角が６°未満である請求項１１に記載の装置。
13. 前記側壁長が前記平均波長以下である請求項１２に記載の装置。
14. 前記入射角が４５°未満である請求項９に記載の装置。
15. 前記入射角が３０°未満である請求項９に記載の装置。
16. 前記入射角が１５°未満である請求項９に記載の装置。
17. 前記側壁長が前記平均波長の２倍以下である請求項９に記載の装置。
18. 前記側壁長が前記平均波長以下である請求項９に記載の装置。
19. 光信号を多重化分離するのに使用される、プレーナ導波路プラットフォーム上の反射型回折格子装置であって、
    平均波長で定義される複数の波長チャネルを有する光ビームをある回折格子入射角で送出する入力ポートと、
    ファセット長で定義される複数の反射壁と側壁長で定義される複数の側壁とを有し、前記波長チャネルを波長に従って様々な角度に分散させる反射型回折格子と、
    前記波長チャネルを取り込むように配置された複数の出力ポートとを備え、
    前記側壁長が前記平均波長の２倍以下である装置。
20. 前記側壁長が前記平均波長以下である請求項１９に記載の装置。

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