JP2011008268A - 光導波管との再製可能な接続部用の装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再製可能なシングルモード導波管接続部を製造するための装置および方法の提供。
【解決手段】軟質の内層１４と硬質の外層１６とからなるクラッドによって囲まれたコア１２を有するシングルモード光導波管１０。外層１８はその内面に格子構造体を有し、その空間周波数は被案内モードの空間周波数と同一である。内側クラッドの厚さは、導波管の非変形領域のモードフィールドの外側に格子を維持する程度に十分であり光の出力結合は通常生じない。接続は２つの導波管１０をある角度で交差させ共にプレスすると、格子がコアと近接するように２つの導波管の変形が生じる。光は一方の導波管から変形領域の他方の導波管内に結合され自己整列の光学接続部が得られる。結合光は導波管軸線に対し垂直に伝搬し、交差角度の誤差は効率の変化をほとんど生じない。クラッドシステムは変形後に回復する程度に十分に弾性であるので、接続部は再製可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は光学的情報伝達に関する。より具体的には、本発明は、シングルモード光導波管用の再製可能な接続部を提供するための装置および方法に関する。

金属伝送ラインは、コンピュータ、スイッチルータ、および他の情報処理システムの操作に対しますます重大なボトルネックとなっている。プロセッサおよびロジックの速度は、利用可能な配線帯域幅よりもはるかに速く増加しており、この結果、電力消費、複雑さ、および伝送速度の好ましくない妥協を招いている。したがって、コンピュータ内のボードの間に、またボードまたはマルチチップモジュール（ＭＣＭ）上のチップの間にさえも光相互接続部を使用することに関心が増している。

被案内波光学系はワイヤによる電気伝導に取って代わり、光は誘電体光導波管内を伝搬する。誘電体案内部は、典型的に、環状層から形成される円筒構造（必ずしも円形でないことが多い）である。最内側のシリンダはコアであり、コアの屈折率よりも低い屈折率を有する１つ以上のクラッド層によって囲まれる。このような構造において軸方向に移動する光は、ある範囲の周波数、位置、および角度内で案内され、すなわち、光は、通常の光ビームが広がるほどには距離と共に半径方向に広がる傾向を示さない。コア屈折率がクラッド屈折率を超えるすべての構造では、少なくとも１つの被案内（ｇｕｉｄｅｄ）モード（偏光を考慮するならば、２つ）が常にある。このような１つのみのモードが所定の周波数で伝搬できる導波管は、シングルモード導波管と呼ばれる。導波管の寸法および屈折率に応じて、同様に他のモードがある可能性があり、この場合、案内部はマルチモード導波管であると言われる。

光学モードフィールドはクラッド領域の半径方向距離と共に指数関数的に低下し、またその減衰定数はコア屈折率とクラッド屈折率との差に左右される。コアを比較的大きくすること（直径で複数波長）を可能にし、かつコアクラッドの境界の粗さおよび屈折率の非均一性による損失を低減するために、コアおよびクラッド屈折率は互いに近くなるように通常選択され（１％〜５％の差）、これによって、クラッド領域の減衰定数は非常に敏感な屈折率差の関数となる。これらの被案内波光学装置は多くの用途を有し、これらの最も重要なものは長距離光ファイバ通信である。

被変調光ビームは、変調速度の程度に関係なく、非変調光ビームとほぼ同一に移動し、すなわち、より高い変調周波数がロスする傾向はなく、このことは金属配線接続部の高周波と著しく対照的である。したがって、被案内波光学系はこのような接続部の当然の候補であるが、コンピュータ内部の要件の設定は、長距離通信から周知の案内波光学系とは全く異なる。必要とされるハードウェアはさらに異なる。コンピュータ内部には多くの並列接続部が必要とされ、それらの各々は、１ライン当たり１つの被変調ソースから１ライン当たり１つの検出器に到来する単一の単方向データストリームを有する。同様に、１つから多くの接続部に対し重要な用途があり、この場合、１つのソースにより多くの入力が駆動される。これらのソースおよび検出器は、その数が非常に多く必要となるので（典型的なサーバプロセッサボード用に何百）、廉価でなければならない。他方、非常に低いファイバ損失（０．１５〜０．５ｄＢ／ｋｍ）は不必要であり、波長分割多重化は必要でない。したがって、コンピュータ内部の光相互接続部は、リボンで配列されかつ当該目的のために特に量産されるポリマ導波管に左右されやすい。

さらに、光リンクを置き換える必要なしに修理のためにボードを取り外して、スペアを取り付けることができるように、これらの並列接続部は再製可能でなければならない。マルチモード導波管およびファイバは現在最も一般的であるが、この理由は、それらの比較的大きなコアが、電気通信に使用されているような通常のシングルモードファイバの機械的誤差と比較して緩い機械的誤差により、マルチモード導波管およびファイバの接合および結合を可能にするからである。緩い誤差は、低コストに、通常、機械的ロバスト性にもつながる。

シングルモード導波管は、特にそれらの小さな直径および結果として得られる高い相互接続密度において、マルチモード導波管と較べて相当の利点を有する。シングルモード導波管の光は十分に規定された案内波長を有するので、シングルモード導波管により、十分に規定された案内波長およびフィールド分布に依拠する長い格子および指向性結合器構造体の使用が可能になる。したがって、緩い機械的誤差を可能にする再製可能なシングルモードのマルチ導波管コネクタは、光相互接続技術の大きな進歩となるであろう。

本発明は、多数の再製可能な（ｒｅｍａｋｅａｂｌｅ）シングルモード導波管接続部を製造するための装置および方法を提供する。

適切に設計された２つの導波管がある角度で交差されると、コアが交差する領域に応力集中が生じる。導波管のいくつかの部分が軟質である場合、導波管は、導波管のコアが交差する位置で最も変形（ｄｅｆｏｒｍ）する。本発明は、導波管の他の部分の是認し難い損失なしに、コアの間に結合が行われるようにするために、応力集中ゾーンのクラッドの軟質部分を物理的に変形することに依拠する。

本発明の第１の態様によれば、結合は、導波管のモードフィールドの重なり合いを引き起こす変形導波管のコアの物理的近接によって形成され、これにより、溶融ファイバ結合器の指向性結合と同様の指向性結合が得られる。

本発明の第２の態様によれば、結合は、内側の軟質クラッドを囲むより硬質のクラッド領域に形成された各導波管の格子構造体によって形成され、この作用の組み合わせにより、一方の導波管から他方の導波管内に光が結合される。

本発明の第３の態様によれば、硬質クラッド領域の格子構造体は、レーザ源から導波管の側面を通して導波管内に光を結合する。

本発明の第４の態様によれば、硬質クラッド領域の格子構造体は、被案内モードから導波管の側面を通して１つ以上のフォトダイオード内に光を結合する。

本発明の第５の態様によれば、硬質クラッド領域のプリズム構造体は、案内モードから導波管の側面を通してフォトダイオード内に光を結合する。

本発明の第６の態様によれば、再製可能な導波管接続部は、複数の導波管をリボン内に形成することによって作製され、複数の導波管の間の空間は、このような２つのリボンの端部に小角で交差し、軟質クラッドを変形して結合を開始するようにリボンを共にプレスする。

本発明の第７の態様によれば、応力が印加される領域の光学的特性の変更は、物理的変形に加えて、クラッドの部分の屈折率のピエゾ光学シフトによって行われ、この結果、クラッド内のモードフィールドの減衰長は、モードフィールドと、第２の導波管、より高い屈折率の領域、または格子のような結合構造体との間で相互作用が行われる程度に十分に大きくされる。

本発明によれば、また以下により詳細に記述するように、各導波管は好ましくは単一モード導波管であり、ＰＭＭＡのような硬質ポリマ、ポリカーボネート、フッ化ポリマ、ベンゾシクロブタン、ＳＵ−８のようなエポキシ、あるいはシクロオレフィンコポリマ、例えばポリナルボネン（ｐｏｌｙｎａｒｂｏｎｅｎｅ）、あるいはフッ化ポリイミドから製造されたコアを備える。コアは、シリコンエラストマまたはシリコンコポリマエラストマのようなエラストマから製造されたエラストマの軟質の内層と、繰返し変形から回復する程度に十分に頑丈なより高いモジュラスのポリマ、例えばポリイミド、ポリナルボネン、架橋シリコン、またはフッ化アクリルのようなフッ化ポリマから製造された薄い外層とからなるクラッドによって囲まれる。

硬質の外側クラッドの屈折率は、方向選択性を達成するため格子構造体の適切なろう付けを可能にするために、軟質クラッドの屈折率よりも高いことが望ましい。硬質外側クラッドは、材料選択の可能性を相当大きくする出力結合領域でのみ照射されるので、コアまたは内側クラッドと同一の光学的品質である必要はない。

図１と図２は、上述のように、コア領域１２を備えるポリマ光導波管１０を示しており、コア領域は、コンプライアントポリマから製造された軟質クラッド領域１４によって囲まれ、次に、より高いモジュラスの可撓性ポリマから製造された硬質クラッド１６によって囲まれる。２つのクラッド層の間の境界面の部分は、好ましくはその内面に格子構造体１８を収容する。格子１８の空間周波数は、被案内モードの空間周波数と同一であるように選択される。内側クラッドの厚さは、導波管の非変形領域のモードフィールドの外側に格子を維持する程度に十分であり、この結果、光の出力結合は通常生じず、また導波管の伝搬損失は他のポリマ導波管の伝搬損失、約０．０２〜０．１ｄＢ／ｃｍに匹敵する。

図３と図４は、ある角度でポリマ光導波管に交差する第２の整合導波管（図３と図４には図示していない）によって元に戻せるように凹設された後の同一のポリマ光導波管を示している。変形領域では、格子構造体１８は、１９で示したように、コア１２のより近くに押されており、導波管内の光の出力結合の大幅な強化をもたらす。図示したように、格子期間は光の案内波長に等しいので、出力結合される光の角度スペクトルのピークは、導波管の軸線に対し名目上垂直である。

図５は、コア領域２２を各々が備えるポリマ導波管２０を示しており、コア領域は、図１と図２と同様に環状の軟質クラッド２４と硬質クラッド層２６とによって囲まれるが、境界面に格子はない。共にプレスされた２つの導波管が示されており、その結果、導波管のコアのモードフィールドは重なり合い、指向性結合が２つの導波管の間に生じる。

図６と図７は、コア領域３２からなるポリマ導波管３０を示しており、コア領域は、図１と図２と同様に環状の軟質クラッド層３４と硬質クラッド層３６とによって囲まれるが、境界面に格子の代わりにプリズムアレイ３８を有する。このことにより、マルチモード導波管の使用が可能になるが、プリズムアレイ３８の材料の屈折率は軟質クラッド３４の屈折率よりも高い必要がある。図６と図７において、ポリマ導波管は、軟質または硬質クラッド材料のいずれよりも大きなプリズム屈折率に適切な構造で示されている。

図８は、複数の平行の軟質クラッド導波管４０を各々が備える２つのリボン４２と４４を接続するために設計された再製可能な導波管リボン接続部を示しており、前記軟質クラッド導波管は僅かに離間され、かつ単位長さ当りの結合の強度に応じて、０．５〜２．０度の範囲の僅かな角度で交差される。相互作用ゾーン４８を形成するために、２つの導波管はクランプ４６によって共にプレスされ、また結合の自己整列の特徴の故に、整列誤差は導波管の間の距離全体に等しい。本発明の好ましい実施態様では、各アレイの導波管内の導波管は導波管の直径の数倍だけ互いに離間され、リボン内に形成される。２つのリボンが機械的案内部４７に保持されて、機械的案内部を位置保持しかつ応力を解放する。軟質クラッドが応力下で変形するときにそれがどこかに流れ込むことを可能にするために、導波管の結合面の長さに沿ってコアに対し略平行に走るいくつかの表面波形（通常のワイヤリボンケーブルと同様）があることが望ましい。

したがって、集合体の接続部は、このような２つのリボンをそれらの端部の近くで僅かな角度で交差させ、かつクランプでそれらを共にプレスすることによって形成される。角度および相互作用長は、各々の個々の導波管が他のリボン内の１つの導波管に正確に交差するように選択されることが好ましい。コアの近傍の表面リリーフのため、好ましくは２つのコアが互いに交差する領域において、圧力により２つの導波管の圧縮が生じる。この圧縮により、格子は交差領域のコアに近接し、照射された導波管のコアからの光を結合する。格子期間は案内波長と同じなので、出力結合された光の角度スペクトルのピークはリボンの面に対し略垂直に移動し、また導波管は２つのコアを接合する方向の最も薄い部分に圧縮されるので、出力結合は、コアが重なり合うところで最大になる。このように、入力結合格子位相は、出力結合された光を受信導波管の格子に整合させるので、自己整列の光学接続部が得られる。出力結合された光は導波管軸線に対し垂直に伝搬する。したがって、交差角度の誤差は、効率の変化をほとんど生じない。接続部は、変形後に回復する程度にクラッドシステムが十分に弾性であるので再製可能である。

図９は、これらの導波管をベースとする再製可能な平行光リンク５０の一方の端部を示している。ここで、導波管リボン６１のコンプライアント導波管６０の各々の端部の近くの領域は、クランプ７６によってランチャ７０に対し締付けられる。ランチャ７０は、コンプライアント導波管６０と同様の特性の導波管７２を有するが、より硬質のクラッド７８に軟質クラッドが置き換えられる一方の端部を有し、この結果、導波管コアの位置が正確に認識される。したがって、クラッドのモジュラスは、導波管に沿った位置の関数である。図示したように、リンクの一方の端部において垂直キャビティ表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）のアレイ７９に、また他方の端部において一列のフォトダイオード（図示せず）にエンドファイア結合するために、硬化端部が使用される。ＶＣＳＥＬは、リソグラフィ的に画定された間隔を有するモノリシックアレイに利用可能であるので、光リンクの好ましいソースであるが、関連技術で公知の他の構造体、例えば自由空間格子結合器あるいは個別装着のレーザまたは検出器も適切である。

図１０は、コア８２を有する１対の案内部８０を示しており、この案内部は、ポリブタジエン、ポリ（スチレン−ｂ−ブタジエン）、シリコン、またはポリイソプレンのようなピエゾ光学（または応力光学）係数の高いポリマから製造された内側クラッド８４と、硬質の外側クラッド８６とを使用する。圧縮領域では、内側クラッド８４の屈折率は相当増加するが、この理由は、応力が印加された材料が光学的に通常異方性（これを説明するために１つ以上の屈折率が必要）であるからである。このピエゾ光学シフトは、コアおよび内側クラッドの屈折率の値をはるかに接近させるので、減衰定数は低減され、またモードフィールド８８の１／ｅ輪郭はクラッド内に十分に深く延在して他の導波管と相互作用し、一方の導波管から他方の導波管への光の効率的な結合をもたらす。接触が９０で行われる導波管８０の円周方向に沿って、導波管の平坦部がある。少量の結合ゲルを使用して、導波管８０の間の優れた光結合を保証することが可能である。応力が印加される領域は点線９２によってほぼ画定される。

ピエゾ光学シフトは、効率的な結合が行われる程度に結合領域のモードフィールドの直径を十分に増加するために、コアクラッド屈折率差の重要な部分であるべきである。したがって、ピエゾ光学クラッドは、その屈折率が、永久変形を引き起こさない程度に十分に小さな圧力で十分にシフトするように、十分に高いピエゾ光学係数を有するべきである。典型的に、ピエゾ光学シフトは１〜２％のみのオーダにある。

上述の方法と同様の方法で、ピエゾ光学効果を利用して、コアをクラッドの格子構造体に結合することもできる。

上述の本発明の説明は光および光学素子に言及してきたが、本発明は、可視光による操作に限定されないことが当業者によって理解されるであろう。波長および屈折率について寸法を適切に選択することによって、適切な機械的性質を有する十分に透明な材料が存在する任意の波長で本発明を使用できる。少なくとも、波長の範囲は、著しく高い無線周波数から近紫外線に及ぶ。

本発明のより適切な目的および実施態様のいくつかについて略述してきたことを指摘する。多くの用途に本発明の構想を利用することが可能である。したがって、特定の構成および方法について説明がなされているが、本発明の意図および構想は他の構成および用途に適切でありかつ適用可能である。本発明の精神と範囲から逸脱することなく、開示した実施態様に対する他の修正を実施できることが、当業者には明らかであろう。記述した実施態様は、本発明のより傑出した特徴および用途のいくつかの単に例示的なものに過ぎないと解釈すべきである。開示した本発明を異なる方法で適用するか、あるいは当業者に公知の方法で本発明を修正することによって、他の有益な結果を実現できる。したがって、実施態様は一例としてまた非限定的なものとして提供されていることを理解すべきである。本発明の範囲は、添付された特許請求の範囲によって規定される。

本発明による光導波管の拡大断面図である。 図１の線１Ｂ−１Ｂに沿った本発明の第１の実施態様による光導波管の断面図である。 第２の整合導波管によって元に戻せるように凹設された場合の図１と図２と同一の光導波管の同様の図面である。 第２の整合導波管によって元に戻せるように凹設された場合の図１と図２と同一の光導波管の同様の図面である。 共にプレスされた本発明の第２の実施態様による２つの導波管の断面図である。 本発明の第３の実施態様による光導波管の拡大断面図である。 図６の線４Ｂ−４Ｂに沿った本発明による光導波管の断面図である。 本発明による再製可能な導波管リボンコネクタの平面図である。 本発明による再製可能な平行光リンクの平面図である。 共にプレスされた本発明の第４の実施態様による２つの導波管の断面図である。

１０ ポリマ光導波管
１２、２２ コア領域
１４ 軟質クラッド領域
１６ 硬質クラッド
１８ 格子構造体
２０ ポリマ導波管
２４ 環状の軟質クラッド
２６、３６ 硬質クラッド層
３０ ポリマ導波管
３２ コア領域
３４ 環状の軟質クラッド層
３８ プリズムアレイ
４０ 平行の軟質クラッド導波管
４２、４４ リボン
４６、７６ クランプ
４７ 機械的案内部
４８ 相互作用ゾーン
５０ 平行光リンク
６０ コンプライアント導波管
６１ 導波管リボン
７０ ランチャ
７２ 導波管
７８ より硬質のクラッド
７９ アレイ
８０ １対の案内部
８２ コア
８４ 内側クラッド
８６ 硬質の外側クラッド
８８ モードフィールド

Claims (8)

1. 繰返し変形から回復可能なシングルモード光導波管であって、
   コアと、
   このコアを囲む軟質の内層と、この軟質の内層を囲み且つこの軟質の内層よりも硬質の外層とからなる、クラッドとを有し、
   このような同じシングルモード光導波管を２つ用意して、それらをある角度で交差させて変形させると、一方の光導波管から他方の光導波管への光の出力結合がもたらされる、
   シングルモード光導波管。
2. 硬質の外層は、その内面に、空間周波数が被案内モードの空間周波数と同一であるように選択された、格子構造体を有しており、
   軟質の内層の厚さは、光導波管の非変形領域のモードフィールドの外側に格子を維持する程度に十分な厚さである、
   請求項１に記載のシングルモード光導波管。
3. 硬質の外層は、その内面に、軟質の内層よりも屈折率が高い、プリズムアレイを有しており、
   軟質の内層の厚さは、光導波管の非変形領域のモードフィールドの外側に格子構造体を維持する程度に十分な厚さであり、
   これによって、マルチモード光導波管としての使用が可能となる、
   請求項１に記載のシングルモード光導波管。
4. クラッド内のモードフィールドの減衰長は、モードフィールドと、交差によって変形される他方の光導波管、より高い屈折率の領域、または、格子構造体との間で相互作用が行われる程度に十分に大きくされている、
   請求項２または３に記載のシングルモード光導波管。
5. コアが、ＰＭＭＡのような硬質ポリマ、ポリカーボネート、フッ化ポリマ、ベンゾシクロブタン、ＳＵ−８ のようなエポキシ、あるいはシクロオレフィンコポリマ、例えばポリナルボネン（ｐｏｌｙｎａｒｂｏｎｅｎｅ）、あるいはフッ化ポリイミドから製造されたものであり、
   軟質の内層は、シリコンエラストマまたはシリコンコポリマエラストマのようなエラストマから製造されたものであり、
   硬質の外層は、繰返し変形から回復する程度に十分に頑丈な、より高いモジュラスのポリマ、例えばポリイミド、ポリナルボネン、架橋シリコン、またはフッ化アクリルのようなフッ化ポリマから製造されたものである、
   請求項１〜４の何れかに記載のシングルモード光導波管。
6. 軟質の内層は、ポリブタジエン、ポリ（スチレン−ｂ−ブタジエン）、シリコン、またはポリイソプレンのようなピエゾ光学（ または応力光学） 係数の高いポリマから製造されており、応力が印加される領域（９２）では、応力が印加された材料が光学的に通常異方性を有するために屈折率が増加されるようにされており、
   このピエゾ光学シフトが、コアおよび軟質の内層の屈折率の値を接近させ、減衰定数を低減し、またモードフィールド（８８） の１／ｅ 輪郭はクラッド内に十分に深く延在して他の導波管と相互作用するようにされている、
   請求項１に記載のシングルモード光導波管。
7. 一方の光導波管と他方の光導波管とが変形させられて接触する平坦部に、結合ゲルが使用されている、
   請求項６に記載のシングルモード光導波管。
8. ピエゾ光学シフトが１〜２％のオーダにある、
   請求項６または７に記載のシングルモード光導波管。

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