JP2013015858A - 偏光維持大コア中空導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光維持大コア中空導波路を提供する。
【解決手段】偏光維持フォトニックガイドシステムは、導波路内で光の進行方向にほぼ垂直で直交する第２の寸法６０６と、この第２の寸法６０６よりも大幅に大きい第１の寸法６０２とを有し、第１の寸法６０２と平行な電界６０４の光波が、第２の寸法６０６と平行な電界の光波よりも大幅に少ない損失で伝搬する大コア中空導波路と、第１の厚さを有し、大コア中空導波路において第１の寸法６０２と平行な内壁に適用される第１の誘電体コーティング６１０と、第２の厚さを有し、大コア中空導波路において、第２の寸法６０６と平行な内壁に適用される第２の誘電体コーティング６１２とを有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、偏光維持大コア中空導波路に関する。

回路基板上のコンピュータチップ速度がますます増加するにつれて、チップ間通信における通信ボトルネックはより大きな問題になってきている。
１つの有望な解決策は、光ファイバーを使用して高速コンピュータチップを相互接続するというものである。
しかし、ほとんどの回路基板は多数の層を含んでおり、１ミクロン未満の製造公差を必要とする場合が多い。
光ファイバーを物理的に設置し、それらファイバーをチップに接続することは、回路基板製造プロセスに幅広く適合させるには、精密さが低くなり過ぎ、また時間がかかり過ぎる可能性がある。
光学信号が回路基板を迂回するようにし、また回路基板間でその経路を定めるには、複雑性が著しく追加される可能性がある。
したがって、広帯域データ転送が必要とされているにも関わらず、市場性のあるチップ間の光接続は架空のものであることが分かっている。
本発明の特徴および利点は、以下の詳細な説明を、一例として本発明の特徴を全体が例証する添付図面と併せ読むことによって明白になるであろう。

特表２００５−５１６２５３号公報

特開２００５−２２１９１３号公報

本発明は、偏光維持大コア中空導波路を提供する。

上記目的を達成するために、本発明にかかる偏光維持フォトニックガイドシステムは、導波路内で光が移動する方向にほぼ垂直であり、直交する第１の寸法（６０２）および第２の寸法（６０６）を有する大コア中空導波路（６００）であって、前記第１の寸法の長さが前記第２の寸法の長さよりも大幅に大きいことによって、前記第１の寸法とほぼ平行な電界（６０４）を有する光波が、前記第２の寸法とほぼ平行な電界を有する光波よりも大幅に少ない損失で前記導波路を伝搬することを可能にする大コア中空導波路（６００）と、前記大コア中空導波路（６００）の前記第１の寸法と平行な内壁に適用され、第１の厚さを有する第１の誘電体コーティング（６１０）と、前記大コア中空導波路（６００）の前記第２の寸法と平行な内壁に適用され、第２の厚さを有する第２の誘電体コーティング（６１２）とを有する。

本発明によれば、偏光維持大コア中空導波路が提供される。

本発明の一実施形態による、基板によって支持されるホスト層の一例を示す図である。 本発明の一実施形態による、図１ａのホスト層に形成されたチャネルを示す図である。 本発明の一実施形態による、ベース部分を形成するために図１ｂのチャネル上に塗布された反射性コーティングおよび保護層を示す図である。 本発明の一実施形態による、反射性コーティングおよび保護層を有する蓋部分を示す図である。 本発明の一実施形態による、図１ｃのベース部分に結合された蓋部分を示す図である。 本発明の一実施形態による長方形の大コア中空導波路の一例を示す図である。 様々なサイズの大コア中空導波路における光波に対する一定の伝搬損失のラインを示すグラフである。 本発明の一実施形態による、電界が長方形の大コア中空導波路の長壁と平行に向き付けられた光ビームの一例を示す図である。 本発明の一実施形態による湾曲した長方形の大コア中空導波路の一例を示す図である。 本発明の一実施形態による長方形の大コア中空導波路の一例を示す図である。 本発明の一実施形態によるフォトニックガイド素子を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による、２つの回路基板を相互接続するのに使用される長方形の大コア中空導波路を示す図である。 本発明の一実施形態に従って回路基板上の電子部品を相互接続するのに使用される長方形の大コア中空導波路を示す図である。 本発明の一実施形態による、反射性コーティングおよび保護層を有する長方形の大コア中空導波路の一次元アレイを示す図である。 本発明の一実施形態による、反射性コーティングおよび保護層を有する長方形の大コア中空導波路の三次元アレイを示す図である。 偏光ビームを伝送する方法を示すフローチャートである。

以下、図示される例示的実施形態について説明するが、それらについて記載するのに本明細書では特定の用語を使用する。
しかしながら、本発明の範囲はそれらによって限定されるものではないことが理解されるであろう。

回路基板上のコンピュータチップ間に光接続を形成する１つの方法は、回路基板上に形成される光導波路を使用するというものである。
リソグラフィまたは類似のプロセスを使用して回路基板上に導波路を形成することができるため、光導波路は光ファイバー通信よりも優れている場合がある。
導波路は、一般的に、ポリマーおよび／または誘電体など、光学的にほぼ透明な材料を用いて回路基板上に形成される。
リソグラフィまたは類似のプロセスを使用して作られる光導波路は、回路基板上に実装されない他のタイプの基板上に形成することもできる。
例えば、１つまたは複数の光導波路を有するリボンケーブルを作成するため、光導波路（１つもしくは複数）がフレキシブル基板上に形成されてもよい。
本願にて開示される光導波路は、リソグラフィまたは類似のプロセスを使用して基板上に形成される。
この手法で光導波路を形成することで、今日の多層回路基板に使用される必要な物理的公差で構築される相互接続を提供することができる。
しかし、基板上導波路を形成するためにチップおよび回路基板の製造で使用することができるポリマー、誘電体、および他の材料では、一般的に、光ファイバーよりも著しく損失が大きい。
実際、基板上導波路の損失量は、光導波路の相互接続のアクセプタンスを制限する要因の１つであった。
導波路を構築するのに使用されるポリマーは、１ｃｍ当たり０．１ｄＢの損失を有する場合がある。
対照的に、光ファイバーの損失は１ｋｍ当たり約０．１ｄＢである。
したがって、ポリマー導波路は光ファイバーよりも数桁分大きい損失を有する場合がある。

それに加えて、一般的な導波路は、通常、それらが伝える光の波長とほぼ比例する寸法を有するように製造される。
例えば、約１０００ｎｍの波長を有する光波を伝えるように構成された単一モード導波路は、指数がより高いコア領域については約１０００ｎｍ〜５０００ｎｍ（１μｍ〜５μｍ）の寸法を有し、指数がより低いクラッド領域に取り囲まれていてもよい。
多重モード導波路は、コア領域については２０〜６０μｍ程度の大きな寸法を有してもよい。
単一および多重モード導波路は両方とも、コアについては約０．２〜０．３の比較的高い開口数（ＮＡ）と、クラッドにおいては０．０１〜０．０２の屈折率コントラストとを有する。
開口数によって発光ファイバーからのビームの開きが決まる。
したがって、ＮＡが大きいほど、ファイバー間の分離に比例して結合が貧弱になる。
したがって、このサイズの導波路の接続は高価かつ困難である可能性がある。

ガイドされた光ビームの分割およびタッピングも、これらの導波路を使用して達成することは困難である。
導波路を作成し接続するコストにより、ほとんどの一般的な用途におけるそれらの使用がこれまで縮小されてきた。
本発明の１つの態様によれば、他の導波路および光学素子とより簡単に相互接続し、光導波路の損失量を大幅に低減することができる安価なフォトニックガイド素子が必要とされていることが認識されている。

図１ａ〜１ｅは、フォトニックガイド素子を作る１つの方法を示す図である。
この光導波路は、中空コアと高反射性のクラッド層とで構成される。
これは、減衰全反射の原理に基づいて動作する。
これは、導波路のコアとクラッドとの間に形成される臨界角における全反射に依存する従来の光導波路とは異なる。
図１ａは、基板１０４によって支持されているホスト層１０２を示す。
基板は多種多様なタイプの材料で構成されてもよい。
例えば、基板は、プラスチックなどの可撓性材料またはプリント回路基板材料であってもよい。
プラスチックまたは回路基板材料は、剛性または可撓性であるように構成することができる。
あるいは、基板は半導体で形成されてもよい。

ホスト層１０２は基板材料の上に形成することができる。
ホスト層はまた、標準的なリソグラフィプロセスを使用して処理することができる、ポリマーまたは半導体材料などのタイプの可撓性材料であってもよい。
図１ｂに示されるように、チャネル１０６をホスト層に形成することができる。
例えば、ドライエッチングプロセスを使用してチャネルが形成されてもよい。
あるいは、鋳造またはスタンピングプロセスが使用されてもよい。
チャネルの形状は、長方形、正方形、円形、または光を効率的に伝送するために使用される他の何らかの幾何学形状とすることができる。
チャネルの高さ１０５および／または幅１０７は、フォトニックガイド素子内に向き付けられる光の波長よりも大幅に大きいことが可能である。
例えば、高さまたは幅は光の波長以上の５０倍から１００倍以上であってもよい。

フォトニックガイド素子内での光の散乱を容易に低減するため、チャネルの壁を平滑化して粗さを低減または排除することができる。
理想的には、壁に沿ったいかなる突出した形体も、光の波長よりも小さいものであるべきである。
チャネルの壁は熱リフロープロセスを使用して平滑化することができる。
このプロセスは、チャネルのエッチングまたはスタンピングによって残った不規則な粗い形体を大幅に低減もしくは排除することができる温度まで、ホストおよび基板材料を加熱することを伴う。
熱リフロープロセスが最適である温度は、ホスト１０２層および基板１０４層を形成するのに使用される材料のタイプに依存する。
別の可能性は、側壁の酸化と、それに続く酸化によって形成された酸化物のエッチングである。

チャネル内の反射率を増加させるため、クラッド層１０８（図１ｃ）が、ホスト層１０２のチャネル１０６の内部を覆うために付加されてもよい。
クラッドは、理解されるように、電気めっき、無電解めっき、スパッタリング、または類似のプロセスを使用して形成することができる。
ホスト材料１０２が、ポリマーまたは低い融点を有する他の材料を含む場合、クラッドは、電気めっき、無電解めっき、スパッタリング、または熱蒸発などの低温プロセスを使用して適用されてもよい。

クラッド１０８は、金属、誘電体、またはコヒーレント光の波長において実質的に反射性である他の材料の１つもしくは複数の層で構成することができる。
金属はそれらの反射率に基づいて選択することができる。
高反射性のクラッド層がチャネルを覆うことが望ましい。
例えば、クラッド層は、銀、金、アルミニウム、プラチナ、銅、または高反射性層を形成することができる他の何らかの金属もしくは合金を使用して形成されてもよい。
ホスト材料１０２に対するクラッド法金属の接着を助けるため、チタンなどの接着層も使用されてもよい。
クラッド層はまた、蒸着プロセス中に生じることがある反射性層の粗い異常を平滑化するため、熱リフローまたは類似のプロセスを施されてもよい。
平滑な鏡面仕上げをもたらすため、電解研磨も使用されてもよい。

フォトニックガイド素子が保護されないと、クラッド層１０８は時間の経過とともに酸化することがある。
反射性コーティングの酸化はその反射率を大幅に低減する可能性がある。
クラッド層の反射率の劣化を低減または排除するため、保護層１１０をクラッド層の上に形成してシーラントとして作用させることができる。
保護層は、コヒーレント光の波長においてほぼ透明な材料を含むことができる。
例えば、保護層は、反射性コーティングの上に気密接合を形成することができる、二酸化シリコンまたは他の何らかの材料で形成することができる。
さらに、保護層の厚さおよび指数は、損失がより大きい金属層から光ビームを分離することによって、導波路内の伝搬損失をさらに低減するように選択される。

図１ｄに示されるように、チャネル１０６、クラッド層１０８、および保護層１１０は、フォトニックガイド素子のベース部分１３０を形成することができる。
蓋部分１２０は、蓋部分上の反射性コーティングを酸化から保護するように構成された、クラッド層１２４および保護層１２６と層状にされたカバー材料１２２で形成することができる。
クラッド層および保護層は、ベース部分において前述したのと同じ材料を使用して形成することができる。
あるいは、蓋部分の所望の性質に基づいて異なる材料が使用されてもよい。

カバー材料は、反射性コーティングおよび保護層を受け入れるように構成された材料で形成することができる。
フォトニックガイド素子を可撓性にすることができる可撓性材料が選択されてもよい。
例えば、フォトニックガイド素子は、電子素子または光学素子を相互接続するのに使用することができるリボンケーブルとして形成されてもよい。

蓋部分１２０が形成された後、図１ｅに示されるように、蓋部分をベース部分１３０に積層または接合することができる。
蓋部分がベース部分に接合されると、大コア（large core）中空導波路１５０が形成される。
大コア中空導波路は、中空導波路の内部を覆うクラッド層１０８を有する。
クラッド層によって、光を金属コーティングの表面から反射させて、光が導波路を介して向き付けられるときの減衰を低減することが可能になる。

大コア中空導波路を介して光ビームを伝搬させる際の１つの課題は、特にチップ間通信において、導波路が使用する空間の量である。
一般的な大コア中空導波路は、高さおよび幅がそれぞれ約１５０ミクロンの断面積を有することがある。
チップサイズが縮小されるにつれて、回路カード上で大コア中空導波路によって使用される面積は相当な大きさになり得る。
それに加えて、図１ｅの例に示される導波路などの中空金属導波路において、特定の偏光を維持することは困難な場合がある。
多くのタイプの光学チップ部品は、特定の偏光を使用するように設計されている。
導波路を通過する間に生じる偏光の何らかの実質的な変化は、チップ部品における相当量の光学損失をもたらす場合がある。

本発明の一実施形態によれば、図２の例示的実施形態に示されるような大コア中空導波路は、特定の偏光状態を維持するように設計することができる。
一実施形態では、光ビームの特定の偏光状態は、光波の偏光に対する中空金属導波路の第１の寸法（dimension）（ａ）と第２の寸法（ｂ）とのアスペクト比を制御することによって維持することができる。
電磁波の伝搬の原理を簡単に概観することで、この原理を理解する助けとなり得る。

マクスウェルの方程式によって理解できるように、電磁波は電界Ｅおよび磁界Ｈを伴って空気中を伝搬する。
電界および磁界は互いに直交し、それら両方が一般に伝搬方向に対して直交する。
電界の方向は一般的に「偏波」と称される。
例えば、電界がｘ軸で偏波すると言われる場合、磁界はｘ軸に直交するｙ軸に向き付けられる。
これはＥ^ＸおよびＨ^Ｙと表すことができる。
次に、電磁波はｚ軸に沿って伝搬することができる。
電磁波はモードの形で伝搬することもできる。
モードはｐおよびｑと表すことができ、それぞれｘ軸およびｙ軸に沿ったモードプロファイルにおけるローブの数を表す。
これにより、電界がｘ軸にある場合にｚ軸に沿って移動する光波がＥ^Ｘ _ｐｑおよびＨ^Ｙ _ｐｑと表される。
最低次モードはｐ＝１およびｑ＝１、すなわちＥ^Ｘ _１１およびＨ^Ｙ _１１である。
電界がＹ次元にある状態で移動する光波の場合、モードはＥ^Ｙ _ｐｑおよびＨ^Ｘ _ｐｑと表される。

大コア中空導波路内の電界の伝搬損失を導き出すことができる。
空のコア（ｎ_ｃｏｒｅ＝１）では、電界がｘ次元およびｙ次元にある場合の損失定数αは次式を有する。

式中、λは光の波長、ｎはクラッド材料の複素屈折率、ｐおよびｑは電界のモード、ａおよびｂはそれぞれｘ方向およびｙ方向の導波路の寸法である。
第１項は（ａ）の分だけ分離された垂直壁によって引き起こされる伝搬損失を表し、第２項は（ｂ）の分だけ分離された水平壁によって引き起こされる伝搬損失を表す。
αの次元の数は長さの逆数であることに留意されたい。
ｄＢ／長さ単位の伝搬損失はｄＢ／長さ＝８．６８６αによって与えられる。

分子におけるｎ^２値は１つの次元のみと関連しているため、その次元の損失は著しく多い可能性がある。
例えば、銀のクラッドが使用される場合、λ＝８５０ｎｍの波長におけるｎ^２の値は約３２である。
金または銅のクラッドが使用されると、同じ波長におけるｎ^２の値はそれぞれ約３１および２９である。
ａ＝ｂ（正方形の導波路）であり、かつＥ^Ｙモードのとき、上述の式の２番目から推定されるように、垂直（即ち、電界に対して平行）壁が引き起こす損失は水平（即ち、電界に対して垂直）壁の約３０分の１である。
Ｅ^Ｘモードが使用される場合、水平壁が引き起こす損失は垂直壁の約３０分の１である。
したがって、正方形の導波路の場合、電界と平行な壁が引き起こす伝搬損失は電界に垂直な壁よりも大幅に少ない。

結果として、損失は導波路パラメータの変化に対して異なる感度を有する。
即ち、垂直に偏波されたＥ^Ｙモードが使用されるとき、垂直壁間の距離（パラメータａ）の変化に伴う損失量の変化は比較的少ない。
しかし、損失は水平壁間の距離（パラメータｂ）に伴ってはるかに大幅に（約３０倍の率で）変化する。
したがって、導波路寸法（ａ）を大幅に低減させ、その結果として生じる、導波路寸法（ｂ）のわずかな増加に伴う損失量の増加を補償することができる。
低減された高さまたは幅は導波路が占める面積を減少させるので、偏光を用いた操作によって原理上はチップ上の面積の相当量を節約することができる。

例えば、図３は、ミクロン単位で測定した幅（ａ）および高さ（ｂ）を有する導波路のサイズに対する一定損失のラインを示すグラフである。
この例における一定損失のラインは０．００１５ｄＢ／ｃｍの値である。
正方形の導波路３０２がグラフ上にマークされて、幅および高さ１５０ミクロンを示している。
大幅に低減された幅（〜６５ミクロン）と比較的小さな高さの増加（〜１７０ミクロン）を有する長方形の導波路３０４は、正方形の導波路とほぼ同じ伝搬損失を有することができる。
長方形の導波路の断面積は、正方形の導波路の場合の２２，５００平方ミクロンから長方形の導波路の場合の１１，０５０平方ミクロンまで低減されている。
したがって、長方形の導波路の面積は正方形の導波路の２分の１未満であり、正方形の導波路を伝搬される光とほぼ類似の損失量を有する。

一般に、Ｅ^Ｘ _ｐｑおよびＥ^Ｙ _ｐｑモードタイプ両方の損失は同じスケーリング則に従う。
損失は光の波長の二乗に比例して増加し、導波路寸法の三乗に反比例して低減される（伝搬損失）〜（λ^２／（導波路寸法）^３）。
しかし、損失に対する第１の導波路寸法および第２の導波路寸法（幅および高さ）の寄与は不均等である。
所与のモードタイプ（固定の偏波）の場合、電界と平行な壁による損失は比較的小さいが、電界に垂直な壁による損失は比較的大きい。
上述したように、２つの損失タイプの比はｎ^２ _ｃｌａｄの絶対値付近である。
したがって、電界と平行な壁は比較的低損失の壁と見なすことができ、電界に垂直な壁は比較的高損失の壁と見なすことができる。
このことは、電界Ｅを有する大コア中空導波路を示す図４に概略的に示される。
電界と平行な導波路の壁の損失は電界に垂直な壁よりも大幅に低い。
したがって、長方形の導波路を使用すると、損失を最小限に抑えるため、電界が導波路の長壁と平行な方向にある状態で電磁波を伝搬させることができる。

赤外光または可視光のビームなど、長方形の大コア中空導波路内を伝搬される電磁波は、電界の垂直方向の損失が平行方向に対して大幅に大きくなる。
これによって、ビームが導波路を移動するにつれて平行方向で大きく偏光される。
実質的に不規則に偏光されるビームを長方形の大コア中空導波路を介して伝送することによって、導波路の長壁に垂直なビームにおける電磁波の損失が比較的高くなる。
既に長壁に平行に偏光されているビームは、比較的低い損失量で導波路を移動する際にその偏光が維持される。
これによって、特定のタイプの偏光に依存する光学部品を通信アーキテクチャに使用することが可能になる。

偏光および非対称の長方形の導波路を用いた操作によってさらなる利益を付加することができる。
長方形の導波路の一次元は、全体の吸収損失に影響を及ぼすことなく著しく低減させることができる。
これによって、コンピュータ回路ボードおよび／またはコンピュータチップ上の面積の相当量を節約することができる。
導波路の幅を低減し、その高さを増加させることによって、回路基板で使用される全体面積が低減され、それによってより小さな回路基板を使用することが可能になる。

伝搬損失は平行な壁と垂直の壁とで異なるので、異なるタイプの誘電体コーティングを壁に使用することが有益な場合がある。
例えば、第１のタイプの誘電体コーティングは、導波路を介して伝搬される光の電界と平行な導波路壁に使用されてもよい。
第２のタイプの誘電体コーティングは、電界に垂直な壁に使用することができる。
誘電体コーティングによって、電界を金属クラッドに侵入させて所望に応じて侵入を最大化あるいは最小化することを可能にする、２つの波の間の付加的なインターフェースがもたらされる。
誘電体コーティングの最適な厚さは、導波路を伝搬する光波のｓ偏光およびｐ偏光の反射率を最大限にするように選択することができる。

堅牢な通信アーキテクチャを構築するためには、直線セグメントにおける低い伝搬損失は一般的に不十分である。
チップと基板との間で光学信号の経路を定める目的で、湾曲した導波路セグメントを介して所望の伝送を得ることが必要なことがある。
これらの湾曲したセグメントを使用して、導波路に屈曲を形成することができる。
曲率半径Ｒを有する大コア中空導波路５００の例示的実施形態が図５に示される。
直線の導波路と同様に、湾曲した導波路は、第１の寸法５０４とそれよりも大幅に大きい第２の寸法５０６を含むことができる。
導波路の曲率半径Ｒと伝搬されるビームの波長λとの比が１よりもはるかに大きい場合（Ｒ／λ＞＞１）、電界５０２が屈曲面に対して垂直である光ビームの最低次モードについての伝搬損失の解を、いくつかの近次式を用いて分析的に求めて、次の結果を得ることができる。

例えば、銀のクラッドを有し、波長８５０ｎｍの光ビームを伝搬する大コア中空導波路を使用すると（ｎ_ｃｌａｄ＝０．１５２＋ｉ×５．６７８）、損失は次式のとおりである。

式中、半径Ｒはセンチメートル単位で測定される。
したがって、損失αは単位長さ当たりの損失であり、屈曲半径に反比例する。
ほとんどの幾何学形状の場合、屈曲の線形長さは半径に比例する。
その結果、大コア中空金属導波路において、１つの屈曲当たりの合計損失は屈曲半径にはほぼ依存しない。
銀コーティングした導波路におけるＥ^Ｚ _１１モードでは、電界が屈曲面に垂直な場合、９０°の屈曲を通過した後の合計損失は約０．０６ｄＢである。
図５の中の例示的図面では、屈曲面は湾曲した導波路の床５０７（または天井）と平行な面である。
したがって、偏光波の電界５０２は湾曲した導波路の床および天井に垂直である。

Ｅ^ｒモードでは、電界は動径座標に沿っている。
換言すれば、屈曲面と平行（床５０７に垂直）である。
電界が屈曲面と平行である光ビームの最低次モードについての伝搬損失の解を、いくつかの近次式を用いて分析的に求めて、次の結果を得ることができる。

電界が屈曲面と平行であるこの損失係数は、概して、Ｅ^Ｚモードの場合よりも大きいｎ^２ _ｃｌａｄの因数である。
したがって、直線の導波路を光ビームが伝搬する場合と同様に、電界が導波路壁（この場合、伝搬損失の大半に関与する外側の湾曲壁）に垂直である伝搬における損失は、電界が壁と平行である伝搬よりもはるかに大きくなる。
８５０ｎｍの銀のクラッドの場合、次式のとおりである。

式中、半径Ｒはセンチメートル単位で測定される。
９０°の屈曲の合計吸収損失は約２．１ｄＢである。
これらの損失は理論下限値であることに留意されたい。
実際には、側壁の散乱および他の効果と関連する付加的な損失もある。
しかし、全体損失は一般的にこれらの理論値以上である。

したがって、大コア中空金属化導波路に９０°の屈曲を５つ含む通信アーキテクチャの場合、電界が屈曲面に垂直である偏光ビームは約０．０６×５＝０．３ｄＢの損失を有する。
電界が屈曲面と平行である偏光ビームの場合、損失は約２．１×５＝１０．５ｄＢである。
後者の損失量は、一般に、低出力レーザーまたは発光ダイオードを使用して通信するチップ間通信において保持することができない。
したがって、大コア中空導波路を介して伝送される偏光スクランブルビームによって、屈曲面と平行な電界が大幅に損失した光ビームがもたらされる。
したがって、屈曲を有する大コア中空導波路を使用するとき、図５に示されるように、屈曲面にほぼ垂直な偏光を使用して損失を制限することが有益である。
円筒座標φ、ｒ、およびｚを使用して、円筒座標系の軸線が示される。

導波路の屈曲を介する一般的な伝搬損失と直線の導波路における一般的な伝搬損失との比は、およそ、（導波路幅）^３／（波長）^２／（曲率半径）である。
導波路幅約１００マイクロメートル、波長約１マイクロメートル、および半径約１０，０００マイクロメートル（１ｃｍ）の場合、比は約１００である。
したがって、屈曲損失は直線損失の約２倍程度である。
したがって、大コア中空金属化導波路の屈曲の数を制限することで、通信アーキテクチャの損失量は相当量減少する。
しかし、湾曲が必要なとき、光ビームが導波路の屈曲面に垂直な電界偏波を有する長方形の導波路を使用することで、損失を最小限に抑えることができる。

長方形の導波路で利用可能なより低い損失および偏光の維持を利用するため、図６に示されるように、非常に長い第１の次元（dimension）６０２を有する大コア中空金属化導波路６００が形成されてもよい。
第２の次元６０６は第１の次元に対して相対的に垂直であることができる。
ほぼ直線の導波路の場合、偏光を使用して、電界Ｅ^Ｙ６０４が導波路の細長い次元６０２とほぼ平行である偏光ビームを伝送することができる。
湾曲した導波路の場合、電界が屈曲面に垂直であるＥ^Ｚ偏光ビームを湾曲した導波路を介して向き付けることができる。

導波路６００の第１および第２の次元は、導波路内で光が移動する方向に直交することができる。
電界が第１の次元とほぼ平行な光波が、第２の次元とほぼ平行な電界を有する光波よりも大幅に少ない損失で導波路を伝搬できるようにするため、第１の次元６０２に沿った導波路壁の長さは、第２の次元６０６に沿った導波路壁の長さよりも大幅に大きくすることが可能である。
例えば、１つの例示的実施形態では、導波路の第１の次元の細長い壁は約１７０マイクロメートルの長さを有することができる。
第２の次元の壁は約６５マイクロメートルの長さを有することができる。
この例では、導波路を介して移動する光ビームの伝搬損失は、導波路の第１の次元の三乗の逆数に応じて減少する。

電界と平行な壁の誘電体コーティング６１０は、選択された厚さでクラッド６０８の上に付加することができる。
誘電体コーティング６１２も、第２の次元６０６に対する壁上で、選択された厚さでクラッドの上に付加することができる。
クラッドの厚さは、電磁波がクラッドと相互作用する際の損失を最小限に抑えるように選択することができる。

図７ａは、長方形の大コア金属化中空導波路６００を含むフォトニックガイド素子のブロック図を示す。
フォトニックガイド素子は光源７１０に結合することができる。
光源は、発光ダイオード、レーザー、または光ビーム７０４を放射するように動作可能な他のタイプの発光素子であることができる。
単一モードレーザーは多重モードレーザーよりも大幅に高価な場合がある。
したがって、多重モードレーザーを光源として使用することで、システム全体のコストを大幅に低減することができる。
しかし、多重モードレーザーを使用することの１つの欠点は、レーザー光の相当な部分が、光が放射される方向に対してかなり大きな角度でレーザーから放射される場合がある点である。
レーザー光線の高次モードは、レーザーから光が放射されるよりも大きな角度に相当する。
大角度で放射される光は、大コア中空導波路６００内でより多数回反射することになる。
反射の数が多いほど、導波路内でより多量の光が減衰する。
したがって、高次モードは導波路内で大幅に減衰することがある。

反射面を有する中空導波路は固体導波路とは異なるように動作する。
中空導波路は、光ファイバーなどの固体導波路で一般的に起こるように、全反射ではなく反射層（１つまたは複数）からの反射によって光をガイドする。
理解されるように、中空導波路内の光は、全反射に必要な角度よりも小さい角度で反射されることがある。

光源７１０から放射される高次モードの減衰を克服するため、光源からの光ビーム７０４の経路内にコリメータ７２０を配置することができる。
一実施形態では、光源は多重モードレーザーであってもよい。
多重モード光を放射するように動作可能な他のタイプの光エミッタも使用されてもよい。
コリメータは、反射防止コーティングを有するボールレンズなどのコリメーティングレンズであることができる。
コリメータは、光源から放射された多重モードビームが大コア中空導波路６００に入る前に平行ビームへとコリメートするように構成される。
コリメータは、発生するほぼあらゆる反射が、一般的に導波路壁に対して比較的浅い角度になるようにし、それによって導波路内の反射の数を最小限に抑え、したがって、中空導波路内の光の減衰を低減する。
その結果、中空導波路内で伝搬する低損失モードは非常に小さい開口数を有する。
この性質によって、余分な損失をほとんど伴わずに光学スプリッタをこれらの導波路に挿入することができる。

光ビーム７０４を偏光するのに偏光子７２５を使用することができる。
例えば、偏光子およびコリメータ７２０を使用して、長方形の導波路の長い寸法と平行な偏光Ｅ^Ｙを有する、偏光された多重モード光ビーム７２８を形成することができる。
波長８５０ｎｍのビームを、０．００１ｄＢ／ｃｍ程度の損失で、反射性コーティングを有する長方形の大コア導波路を介して伝送することができる。
コリメーティングレンズを使用して、多重モードコヒーレント光が大コア導波路を通るように向き付けることで、フォトニックガイド素子全体のコストを大幅に低減することもできる。
多重モードレーザーはそれらの単一モードの等価物よりも大幅に安価である。

したがって、導波路内に向き付けられた多重モードコヒーレント光をコリメートするように構成されたコリメータに内部反射面が結合された、長方形の大コア中空金属化導波路を備えるフォトニックガイド素子は、部品を１つまたは複数のプリント回路基板上で相互接続するための比較的安価で低損失の手段としての役割を果たすことができる。
ガイド素子が低損失であることによって、それら素子を、電子回路類を光学的に相互接続するなど、より一般的に汎用製品に使用されるものにすることができる。

電子回路類は、回路群から伝送される電気信号が光学信号に、またはその逆に変換される電気回路類を含むことができる。
変換の必要なく光学信号を使用して直接通信することができる、光学回路類も使用することができる。
光学回路類は、所望のタイプの偏光を提供するように設計された光学部品を含んでもよい。
長方形の大コア中空金属化導波路を使用して、ビームが回路基板上の１つの部品から別の部品へと向き付けられる際に所望の偏光を維持することができる。
電子および光学回路類は単一の回路基板上に収められてもよい。
あるいは、電子および光学回路類は２つ以上の別個の回路基板上に位置してもよく、導波路を使用して基板を相互接続することができる。
傾斜させた半反射面を使用することによって、これらの導波路からの光学信号をタッピングし、向き付けることも比較的簡単である。
従来の導波路は開口数がより大きいため、これは従来の導波路の場合の方がむしろ困難である。

例えば、図７ｂは、内部反射面を有する長方形の大コア中空導波路６００を示す。
中空導波路は２つの回路基板７４０を光学的に結合するのに使用される。
上述したように、中空導波路のサイズが比較的大きいことによって、基板間で導波路を相互接続するコストを低減することができる。
導波路内の反射面は損失を低減して、コヒーレント光の低出力信号を、導波路を介して隣接した回路基板に伝送することができる。
回路基板の一方または両方の上に位置する安価な多重モードレーザーまたは他のタイプの発光素子を使用して、光を伝送することができる。
コリメーティングレンズを回路基板の一方または両方に含め、導波路に光学的に結合することができる。
コリメーティングレンズは、複数回の反射によって引き起こされる光の高次モードの損失を低減することができる。
長方形の導波路を使用することによって、損失をさらに低減し、第１の回路基板からの偏光ビームを維持し、第２の回路基板へと通信することができる。
長方形の中空導波路６００の相互接続は、製造プロセスにおいて基板間に結合されるように構成されてもよい。
あるいは、中空導波路は、基板の製造後に基板に接続することができるコネクタおよび／またはケーブルとして形成されてもよい。

内部反射面を有する中空導波路６００は、また、図７ｃに示されるように、単一の回路基板７４０上の電子部品７４５を相互接続するのに使用されてもよい。
上述したように、導波路の長方形の寸法によって、回路基板上で導波路用に使用される面積を低減し、最小限の損失で偏光ビームを通信することができる。
光学または電子部品は、偏光ビームを１つの導波路から別の導波路へと向け直すのに使用してもよい。
あるいは、９０°の湾曲部７４８など、導波路の湾曲部を使用することができる。
一実施形態では、湾曲部は、光の波長よりも大幅に大きい曲線半径を有することができる。
湾曲した導波路を介して伝送される光ビームは、湾曲の面に垂直な方向の電界で偏光して、損失を最小限に抑えることができる。

長方形の金属化大コア中空導波路はまた、複数の信号を向き付けられるようにするため、アレイ状に形成することができる。
例えば、図８ａは、長方形の中空導波路８３０の一次元のアレイ８００を示す。
上述したように、各導波路はクラッド層８０２を含むことができる。
クラッド層は、酸化を低減するため、保護層８０４でコーティングすることができる。
あるいは、保護層は、クラッド層における光ビームの吸収を低減するのに使用される誘電体層であってもよい。
導波路のアレイは、基板またはホスト材料８０８上に構築することができる。
一実施形態では、長方形の導波路のより長い寸法８１０は、導波路によって使用されるホスト材料上の面積を最小限に抑えるため、基板またはホスト材料から離れる方向に向き付けることができる。
光学信号の偏光モードは、損失を最小限に抑え、かつ導波路を介する偏光モードを維持するように選択することができる。
上述したように、長軸８１０と平行な電界を有する偏光モードを使用して、損失を最小限に抑え、かつ導波路を介する光学信号の偏光を維持することができる。

図８ｂは、回路基板に結合された中空導波路８３０のアレイ８００を示す。
回路基板は、アレイの各中空導波路を取り付けることができる基板８０８（図８ａ）として作用することができる。
一実施形態では、回路基板は光学バックプレーン８２５として構成することができる。
上述したように、コリメータを使用して、多重モードコヒーレント光を導波路それぞれに向き付けることができる。
光学スプリッタなどの結合素子８２２は、ガイドされた多重モードコヒーレント光ビームの少なくとも一部分を、選択された位置で導波路外へと向き付けるように構成することができる。
例えば、図８ｂに示されるように、結合素子を使用して、中空導波路内のコヒーレント光の少なくとも一部分を、回路基板の面外にある光学的に結合された大コア中空導波路８２４へと向けなおすことができる。
光学的に結合された導波路はバックプレーンに直交してもよいが、実質的にあらゆる角度が使用されてもよい。

多重モードコヒーレント光を回路基板の面外に向けなおすことによって、ドーターボード８２０などの複数の回路カードをバックプレーン８２５に光学的に結合することが可能になる。
コヒーレント光信号上で符号化される高データ率の情報を、バックプレーンから複数のドーターボードへと向けなおすか、または分配することができる。

反射性の内部コーティングを有する長方形の大コア中空導波路によって、高データ率の情報を複数の異なる基板へと伝送することが可能になる。
中空導波路の損失が低いことによって、図８ｂに示されるように、単一の光学信号の経路を他の複数の導波路内へと定めることが可能になる。
各導波路を介してガイドされる多重モードコヒーレント光ビームは、毎秒数十ギガビット以上の転送率でデータを運ぶことができる。
モードの指数はほぼ一貫しているので、光ビームは本質的に光の速度で伝搬し、結果として伝搬遅延はほぼ最小限になる。
中空導波路によって可能になる光接続によって、チップと回路基板との間のスループットを大幅に増加させるための安価な手段がもたらされる。
長方形の導波路を使用することによって、偏光された信号を維持し、回路基板上の導波路によって使用される面積を低減することが可能になるとともに、光学信号伝搬における大幅に低い損失が維持される。

別の実施形態では、図９のフローチャートに示されるような、偏光ビームを伝送する方法が開示される。
この方法は、光ビームを偏光して、電界を選択された方向に向き付けて偏光ビームを形成する動作９１０を含む。
付加的な動作９２０は偏光ビームを大コア中空金属化導波路に結合する。
導波路は、導波路内におけるビームの移動方向にほぼ垂直な第１および第２の寸法を有する。
第１の寸法の長さは第２の寸法の長さよりも大幅に大きい。
偏光ビームは、電界の選択された方向が第１の寸法とほぼ平行である、大コア中空金属化導波路内へと結合されて、電界が第２の寸法とほぼ平行である場合に比べて大幅に少ない損失で、偏光ビームを導波路に伝搬することが可能になる。

上述の実施例は、本発明の原理を１つまたは複数の特定の応用例の形で例証するものであるが、発明の権限の行使することなく、かつ本発明の原理および概念から逸脱することなく、形態、使用法、および実施の詳細において多数の修正を行うことができることが、当業者には明白となるであろう。
したがって、以下に示す特許請求の範囲による場合を除いて、本発明は限定されないものとする。

本発明は、偏光維持大コア中空導波路のために用いられ得る。

１０２・・・ホスト層，
１０４・・・基板，
１０５・・・チャネルの高さ，
１０６・・・チャネル，
１０７・・・チャネルの幅，
１０８，１２４・・・クラッド層，
１１０，１２６・・・保護層，
１２０・・・蓋部分，
１２２・・・カバー材料，
１３０・・・フォトニックガイド素子のベース部分，
１５０，５００・・・大コア中空導波路，
５０２・・・電界，
５０４・・・第１の寸法，
５０６・・・第２の寸法，
６００・・・大コア中空金属化導波路，
６０２・・・第１の次元，
６０４・・・電界，
６０６・・・第２の次元、
６０８・・・クラッド，
６１０，６１２・・・誘電体コーティング，
７１０・・・光源，
７０４・・・光ビーム，
７２０・・・コリメータ，
７２５・・・偏光子，
７２８・・・偏光された多重モード光ビーム，
７４０・・・回路基板，
７４５・・・電子部品，
７４８・・・湾曲部，
８００・・・１次元のアレイ，
８０２・・・クラッド層，
８０４・・・保護層，
８０８・・・ホスト材料，
８１０・・・長方形の導波路のより長い寸法，
８２２・・・結合素子，
８２４・・・大コア中空導波路，
８３０・・・中空導波路

Claims (12)

1. 導波路内で光が移動する方向にほぼ垂直であり、直交する第１の寸法（６０２）および第２の寸法（６０６）を有する大コア中空導波路（６００）であって、前記第１の寸法の長さが前記第２の寸法の長さよりも大幅に大きいことによって、前記第１の寸法とほぼ平行な電界（６０４）を有する光波が、前記第２の寸法とほぼ平行な電界を有する光波よりも大幅に少ない損失で前記導波路を伝搬することを可能にする大コア中空導波路（６００）と、
   第１の厚さを有し、前記大コア中空導波路（６００）において、前記第１の寸法と平行な内壁に適用される第１の誘電体コーティング（６１０）と、
   第２の厚さを有し、前記大コア中空導波路（６００）において、前記第２の寸法と平行な内壁に適用される第２の誘電体コーティング（６１２）と
   を有する偏光維持フォトニックガイドシステム。
2. 前記大コア中空導波路の内部を覆い、クラッド層として作用し、光が前記反射性コーティングの表面から反射されて、反射の際に生じる損失を低減することを可能にする高反射率を提供する反射性コーティング（６０８）
   をさらに有する請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の厚さおよび前記第２の厚さは、前記大コア中空導波路（６００）内を伝搬する前記光波のｓ偏光およびｐ偏光の反射率を最大限にするように選択される
   請求項１に記載のシステム。
4. 前記中空導波路（６００）内へと向き付けられる多重モード光ビーム（７０４）をコリメートして、前記多重モード光ビームを、前記中空導波路内部での前記多重モード光の反射回数を低減した形で前記中空導波路を介してガイドして、前記導波路を介する前記多重モード光ビームの損失を減少させるように構成されたコリメータ（７２０）
   をさらに有する請求項１に記載のシステム。
5. 前記大コア中空導波路（５００）は、ある曲率半径で湾曲し、
   前記光波は、前記曲率の面に垂直な電界（５０２）によって偏光されて、前記導波路を介する前記光波の伝搬損失を低減する
   請求項１に記載のシステム。
6. 選択された方向に電界（６０４）が向き付けられるように光ビーム（７０４）を偏光して、偏光ビーム（７２８）を形成するステップ（７２５）と、
   導波路内で前記光ビームが移動する方向にほぼ垂直な第１の寸法（６０２）および第２の寸法（６０６）を有する大コア中空導波路（６００）内へと前記偏光ビームを結合するステップであって、前記第１の寸法（６０２）の長さが前記第２の寸法（６０６）の長さよりも大幅に大きく、前記第１の寸法（６０２）とほぼ平行である前記電界（６０４）の前記選択された方向で、前記大コア中空金属化導波路（６００）内へと前記偏光ビーム（７２８）が結合されて、前記電界が前記第２の寸法（６０６）とほぼ平行である場合よりも大幅に少ない損失で、前記偏光ビームが前記導波路を伝搬し、前記導波路から出力されて、偏光光ビームを提供することを可能にするステップと、
   前記大コア中空導波路（６００）において、前記第１の寸法（６０２）とほぼ平行な内壁に、第１の厚さを有する誘電体コーティング（６１０）を適用するステップと、
   前記大コア中空導波路（６００）において、前記第２の寸法（６０６）とほぼ平行な内壁に、第２の厚さを有する誘電体コーティング（６１２）を適用するステップと
   を有する方法。
7. 前記大コア中空導波路（６００）の内部を覆い、クラッド層として作用し、光が前記反射性のコーティングの表面から反射されて、反射の際に生じる損失を低減することを可能にする高反射率を提供する反射性コーティング（６０８）を適用するステップ
   をさらに有する請求項６に記載の方法。
8. 前記導波路内を伝搬する前記光波のｓ偏光およびｐ偏光の反射率を最大限にするように、前記第１の厚さおよび前記第２の厚さを選択するステップ
   をさらに有する請求項６に記載の方法。
9. 前記中空導波路（６００）内へと向き付けられる多重モード光ビーム（７０４）をコリメートして、前記多重モード光ビーム（７２８）を、前記中空導波路内部での前記多重モード光の反射回数を低減した形で前記中空導波路（６００）を介してガイドして、前記導波路を介する前記多重モード光ビームの損失を減少させるように、前記偏光ビームをコリメートするステップ（７２０）を
   さらに有する請求項６に記載の方法。
10. 導波路内を伝搬する光の波長よりも大幅に大きい曲率半径を有する湾曲した大コア中空金属導波路（５００）であって、前記大コア中空金属導波路内で光が移動する方向にほぼ直交する面にほぼ垂直な第１の寸法（５０４）および第２の寸法（５０６）を有し、前記第１の寸法（５０４）の長さが前記第２の寸法（５０６）の長さよりも大幅に大きいことによって、前記導波路の曲率の面にほぼ垂直な電界を有する光波が、前記曲率の面とほぼ平行な電界を有する光波よりも大幅に少ない損失で前記導波路を伝搬することを可能にする大コア中空金属導波路と、
    第１の厚さを有し、前記大コア中空金属導波路（５００）において、前記第１の寸法と平行な内壁に適用される第１の誘電体コーティング（６１０）と、
    第２の厚さを有し、前記大コア中空金属導波路（５００）において、前記第２の寸法と平行な内壁に適用される第２の誘電体コーティング（６１２）と
    を有するフォトニックガイドシステム。
11. 前記大コア中空金属導波路（５００）の内部を覆い、クラッド層として作用し、光が前記反射性コーティングの表面から反射されて、反射の際に生じる損失を低減することを可能にする高反射率を提供する反射性コーティング（６０８）
    をさらに有する請求項１０に記載のフォトニックガイドシステム。
12. 前記湾曲した大コア中空導波路（５００）内へと向き付けられる多重モード光ビーム（７０４）をコリメートして、前記多重モードコヒーレント光ビームを、前記湾曲した大コア中空導波路（５００）内部での前記多重モードコヒーレント光の反射回数を低減した形で前記湾曲した大コア中空導波路（５００）を介してガイドして、前記導波路を介する前記多重モードコヒーレント光ビームの損失を減少させるように構成されたコリメータ（７２０）
    をさらに有する請求項１０に記載のシステム。

Images