JP3338356B2 - 光デバイス - Google Patents

光デバイス

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、入力及び/又は出
力ポートに導波路のアレイを有する光デバイスの挿入損
失を減らす技術に関し、特に、良好につながっていない
導波路のアレイを有する前記技術に関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバーネットワークは、音声、動
画、データ信号を分配するためにますます重要になって
いる。このようなシステムは一般に、中央局から出て、
対応する遠隔端末において終端する多くのフィーダファ
イバを伴う。ファイバツーザホーム又はファイバツーザ
カーブシステムにおいて、光信号は、これらの遠隔端末
のそれぞれから多くの光ネットワークユニットへとファ
イバを介して送信する。いろいろなネットワーク設計構
造が遠隔端末と光ネットワークユニットの間に信号を伝
送するために提案されている。ある一般的なアーキテク
チャは、フィーダと分配ファイバの間に信号を交換する
ために受動的光分岐デバイスを使う。これは、パワーを
必要としないので特に望ましい。しかしながら、各分岐
デバイスが信号損失をもたらしてしまうため、及び分岐
デバイスは大きい光ネットワークでは縦続(カスケー
ド)にされるために、多数の需要家に光信号を分配する
能力は、分岐デバイスに対応する信号損失のために制限
されてしまう。
【0003】重要な分岐装置として、導波路がスラブ導
波路の反対側上に放射状に位置するような光「スターカ
プラ」がある。本明細書で用いるように、「スラブ導波
路(以下、「スラブ」とする)」とは、平面の導波路を
意味する。このスラブ導波路は、入力導波路と出力導波
路の間に光波伝送をサポートする同じ長さの別の導波路
それぞれの面積と比較して大きい。スラブの一方の側の
入力導波路からスラブへ入る光パワーは、他方の側の出
力導波路に伝えられる。(理想的には、この光パワーは
出力導波路の全てに等しく分配される。)M×Nスター
カプラでは、例えば、各入力導波路が運んだ光パワーは
スラブを横切って伝送され、一般にアレイ状に配置され
るNの出力導波路の間で分配される。しかし、もし出力
アレイの導波路がよくつながっていなければ(アレイ導
波路の間のギャップのために「Dragone」ルータのスタ
ーカプラにおいてよく起こる)、アレイとスラブの間の
接合へ光が散乱するためにパワーの損失がある。このよ
うな損失はルータの挿入損失の大部分を占める。
【0004】Dragoneルータのような、光デバイスの挿
入損失を減らす技術は論文、Loss reduction for phase
d-array demultiplexers using a double etch techniq
ue, which was published in. Integrated Photonics R
esearch, Technical Digest Series, Vol. 6, April 29
- May 2, 1996で説明されている。この技術では、浅い
エッチング深さを有する転換領域をスラブとアレイ導波
路の間の接合に挿入する。隣接した導波路の間の結合は
改善し、結合損失は多少減少するが、より大きい挿入損
失の減少が望ましく、二重エッチング技術はプロセスス
テップを加えてしまう。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術よ
りも更に光デバイスにおいて挿入損失を減らす技術を提
供することを目的とする。好ましくは、本技術は更なる
プロセスステップを要しない。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明により、スラブ導
波路の一方の側に結合した1又は複数の入力導波路と、
及びスラブ導波路の他方の側に結合した出力導波路のア
レイとを有する光デバイスは、スラブに直接隣接してい
る転換領域を備える。このスラブは、導波路アレイとス
ラブ導波路の間の挿入損失を減らすように動作する。転
換領域は、導波路アレイを横切る多くのシリカパスを有
する。シリカパスは、スラブ導波路から離れるに従って
次第に減少する幅を有する。
【0007】本発明の実施例において、シリカパスはお
互い平行であり、横切る導波路アレイと直角である。シ
リカパスは、スラブ導波路と導波路アレイの屈折率と同
屈折率を有する。一実施例では、光デバイスは、Mの
入力導波路とNの出力導波路に光学的に結合するスラブ
導波路からなるM×Nスターカプラである。
【0008】別の実施例では、光デバイスは密導波路分
割マルチプレクサ(DWDM:Dense Waveguide Divisi
on Multiplexer)であり、これは複数の非同一の長さの
導波路によって相互接続したM×Nスターカプラの対か
らなる。さらに別の実施例では、光デバイスは1×Nパ
ワースプリッタである。
【0009】これらの実施例のそれぞれにおいて、挿入
損失を上述の転換領域の利用によって相当に減らすこと
ができる。例として、典型的なスターカプラの挿入損失
は約0.8dBから約0.3dBへと減らすことができ
た。
【0010】
【発明の実施の形態】図1には、周知のスターカプラを
示し、これは、いずれの入力ポートに入った光パワーを
全出力ポートへと分ける。スターカプラ101は、自由
空間領域10を有し、これは2つの湾曲した、好ましく
は円形の境界10aと10bを有する光スラブ導波路1
0からなる。入力導波路アレイ15と出力導波路アレイ
16の間のパワー転換がスラブ10での放射によって達
成できる。これらの導波路アレイ15、16は仮想の焦
点に向かって放射状に構成していて、隣接した導波路の
間の相互の結合によって起こってしまう位相誤りを最小
限に抑えるためにスラブ10から外に所定の距離対応す
焦点が離れて位置する。これらの導波路アレイのそれ
ぞれは、境界10aと10bに沿ったほぼ同一の方法で
スラブ10に結合する。このようなスターカプラは、後
述するシリコン光ベンチ(SiOB)技術を使って、単
一のガラス基板の上に作られる。スターカプラは、平面
光デバイスの技術者にはよく理解され、米国特許第49
04042号に説明してある。上述のように、アレイと
スラブの間の接合において光の散乱によるパワー損失が
ある。このような損失は、挿入損失(insertion loss)と
称し、スターカプラ101の場合、動作波長(λ)1.
55μmにて損失は約0.8dBになり、大きすぎる。
【0011】図2には、シリコン材料の複数のパスから
なる転換領域22を有するスターカプラ201を示す。
概してお互いと平行な、挿入損失を相当に減らす出力導
波路26を横切る。この転換領域22を利用することに
より約0.8dBから約0.3dBまで挿入損失を減らす
ことができる。図1で示した従来技術のスターカプラで
は、総光入力パワーが1mWであれば、総出力パワーは
0.832mWである。しかし、図2で示したスターで
カプラでは、総入力パワーが1mWであれば、総出力パ
ワーは0.933mWである。この改善は、同じ装置で
より多くの需要家にをサービスをすることができる能
力、又は同じ数の需要家にサービスをするために必要な
装置の数を減らすことができる能力を意味する。
【0012】ここで、図において、本発明を明確にする
ために寸法を無視して描いてある。例えば、転換領域2
2は導波路アレイ26を横切るただ8つだけのシリカパ
スを有しているように示してあるが、好ましい実施例に
おいて、このようなパスは、20〜40、好ましくは3
0ある。さらに、転換領域22はスラブ導波路20から
相当な距離離れて延びているように示してある。転換領
域22は、スラブから約0.06cm離れて延びるだけ
であるのに対して、スターカプラでは、スラブ長さは通
常約0.5cm〜約2.0cmまで入力と出力導波路の数
に依存して及ぶ。転換領域の幾何学的構成を表す前に、
光集積回路の構造に関する若干の背景を示す。
【0013】シリコン光ベンチ(SiOB)技術 最先端で最も技術的に開発されたプレーナ導波路は、S
iOB技術で製造されたドープドシリカ導波路である。
ドープドシリカ導波路は、低コスト、低損失、低複屈
折、安定性、ファイバへの結合の互換性を含む多くの魅
力的な性質を持っているので通常好ましい。さらに、大
量生産が容易なシリコン集積回路(IC)技術と共存で
きるプロセスステップを用いることができる。
【0014】一般に、ドープドシリカ導波路を、キャリ
ア基板上に初めに低屈折率シリカの基礎(低)クラッド
層を蒸着することによって形成する。この低クラッド層
は、通常シリコン又はシリカからなる。次に、高い屈折
率のドープドシリカ層(コア層)を、低クラッド層の頂
上に蒸着する。続いて、光電気回路によって集積回路製
造で使われるものと類似しているフォトリソグラフィー
技術を使って光回路に必要な構造へコア層をパターニン
グする。最後に、上クラッド層を蒸着し、パターニング
した導波路コアを覆う。この技術は、C. H. Henry et a
l.の米国特許第4902086号、及び"Glass Wavegui
des on Silicon for Hybrid Optical Packaging" Journ
al of Lightwave Technology, Vol. 7, No. 10, pp. 15
30-1539,October 1989に説明されている。
【0015】全てのプレーナ光導波路の重要な性能とし
て、導波路の寸法(即ち、導波路コアの高さと幅)、及
び導波路のコアとクラッド層の間の屈折率の差(Δ)が
ある。高さ又はコアの厚さは、キャリア基板の上に蒸着
したコア材料の量によって決められる。コアの幅は、フ
ォトリソグラフィーマスクによって決められ、化学的エ
ッチングで落とされる。導波路のΔは、たいてい材料シ
ステムと製造プロセスによって決められる。実際は、多
くの種類の機能のために異なった導波路構造とシステム
を用い、コア寸法とΔの間でトレードオフして、光性能
の様々な点を最適化する。
【0016】詳細には、Pドープド導波路を用い、それ
ぞれは、厚さが約7μmのコアを有し、15μmの低ク
ラッド層上に横たわる。15μmの上クラッド層は導波
路コアを覆う。導波路コアの寸法は、強い光コンファイ
ンメントと低い伝搬損失のために、導波路がシングルモ
ードに留まるくらいは小さいが、可能な限り大きいよう
に選ぶ。同様に、転換領域からなるシリカパスは高さが
約7μmであるコアを有する。その幅は約18μm(ス
ラブから遠い)から約2μm(スラブの近くで)と多様
である。
【0017】図3には、導波路26が存在している領域
で寸法と材料を示すためにスターカプラ201の断面を
示す。基板200は厚さ500μmのシリコンからな
る。クラッド層27は波長(λ)1.55μmで屈折率
約1.445であるシリカの15μm層からなる。導波
路コアは概して四角形であり、その層厚と幅は約7μm
であり、λ=1.55μmで屈折率約1.454であるシ
リカからなる。導波路コア26は、スラブ20(図2参
照)での接合においてお互い最も近いように、距離約
2.5μm離れている。クラッド層物質より高い屈折率
をコア物質が有すので、スネルの法則に従ってコアは光
波を導くことが可能になる。クラッド層28は、クラッ
ド層27と屈折率はほぼ同じであり、これがコア26の
頂上に蒸着され、構造が完成する。
【0018】図4には、スラブ導波路20の領域の寸法
と材料を示すためにスターカプラ201の断面図を示
す。基板200とクラッド層27、28に関しては、上
述した。スラブ導波路20と、転換領域22を構成する
(図2を参照する)シリカパスは、導波路コア26と同
じ材料からなる。実際に、スラブと導波路コアは、転換
領域のシリカパスと同じステップで製造され、従って全
て同じ層厚を有する。転換領域におけるスラブ、導波路
コア、シリカパスの詳細な議論を下に述べる。
【0019】図5は、スターカプラ201(図2参照)
の転換領域22の拡大図である。図5は、転換領域から
なるシリカパスa・・・aがスラブ20から離れるに
従って次第に幅が小さくなっていることを示している。
(用語「シリカパス」は、屈折率がスラブ20と導波路
コア26とほぼ同じであるコア材料のパスをいうと理解
される。)この特定のスターカプラのシリカパスの最適
な数は、わずか10のシリカパスでも有意義な結果を達
成できたが、約30であることを発見した。図5で示す
実施例では、シリカパスaは、約18μmの幅を有
し、シリカパスaは、約2μmの幅を有する。さら
に、隣接したシリカパスの間の分離ギャップs・・・s
は、スラブ20から離れるに従って次第に大きくな
る。第1の分離ギャップsの幅Wは、約2μmであ
り、分離ギャップsの幅は、約18μmである。この
実施例では、各パスaを組み合わした幅201とその
隣接した分離ギャップsは、以下のように数学的に表
現できる定数である。W(a) + W(s) = Λ (
1 ≦ n ≦ 30 に対して)
【0020】好ましい実施例において、周期(Λ)=2
0μmである。図5は寸法的に正確なスターカプラの図
ではない。シリカパスa1・・・an、導波路コア26、ス
ラブ20の相対的な大きさは、シリカパスの幅がスラブ
20から離れるに従って次第に減少することがわかるよ
うに示してある。また、シリカパス、導波路、スラブ
は、同一平面上にあり同じ物質からなることを示してあ
る。図5において、シリカパスa1・・・anの幅は、線形
に減少している。しかし、従来技術よりも挿入損失を改
善する多くの多様な構成が可能である。例えば、Λは定
数である必要はなく、シリカパス幅は線形に減少する必
要はない。例えば、もしΛが定数であるように決める
と、周期Λに対するパス幅W(an)の比は、「デュー
ティサイクル」と考えることができる。さらに、このデ
ューティサイクルW(an)/Λは、コサイン、線形、
放物線状等の関数の関係によってスラブからの距離と関
連づけることができる。これらの関数関係は、図6のグ
ラフで図示した。しかし、本発明の利点を得るために従
うべき重要な要件は、シリカパスa1・・・anがスラブか
ら次第に離れるに従ってW(an)が減るようにすると
いうことである。
【0021】図7には、多くの非同一の長さ導波路76
0によって相互接続されたスターカプラ701、702
からなる密波分割マルチプレクサ(DWDM)700を
示してある。各スターカプラは、その入力と出力導波路
アレイの間にスラブ導波路を有する。各アレイは、仮想
の焦点に向かって放射状に構成し、焦点はスラブから所
定の距離離れ、かつ、スラブの外に位置し、隣接した導
波路の間の相互結合によって起こる位相誤りを最小限に
抑えることができる。スターカプラ701では、アレイ
715とアレイ716の間のパワー転換はスラブ710
における放射によって達成される。これらの導波路アレ
イのそれぞれは、境界710aと710bに沿ってそれぞ
れ実質的に同一の方法でスラブ710に接続している。
同様に、スターカプラ702で、アレイ725とアレイ
726の間のパワー転換はスラブ720で放射線経由で
達成されている。これらの導波路アレイのそれぞれは、
それぞれ境界720aと720bに沿った方法とほぼ同
一の方法でスラブ710に接続している。
【0022】グレーティング760の各導波路の長さ
は、グレーティングの他の全ての導波路の長さとは異な
り、所定の異なった位相シフトは、スターカプラ701
からグレーティングの導波路を通して伝搬する光信号に
適用される。なぜなら、グレーティングの出力に到達す
るためにグレーティング内の信号が移動しなくてはなら
ないパスの長さが異なるためである。従って、グレーテ
ィング760の導波路それぞれから出る光信号は異なっ
た位相を有し、これは導波路の長さの関数である。
【0023】DWDM700では、逆多重化(デマルチ
プレクス)が回折格子760を通して多重化信号を伝送
することによって達成できる。この回折格子760は、
個々の光の波長を分離し、それぞれをわずかに異なった
方向に回折する。多重化は、DWDM700を逆に利用
することによって達成できる。(即ち、波長の全てが単
一の多重化光ビームとして本質的に現れるように、所定
の波長に依存する角度において回折格子を通して各波長
を光ることによって。)グレーティング機能は、複数の
異なる長さの導波路から作られた光学的に位相調整され
たアレイを使って達成できる。各導波路の長さは、隣接
する導波路と所定の長さ相違する。導波路は、端部分を
除いてほぼ全長を通して結合されていない。端部分で
は、導波路の間の強い相互結合が上述のように挿入損失
を減らすために望ましい。結合部分から結合していない
部分への転換は段階的であり、高次モード生成は無視で
きるようになる。導波路グレーティングアレイの動作の
議論は、米国特許第5002350号で示されている。
さらに、米国特許第5136671号は、このようなD
WDMの一般的な設計を示している。このタイプのDW
DM構造は、発明者の名を取って「ドラゴン(Dragon
e)」ルータとして知られている。転換領域71、72を
加えることによってDWDM700における挿入損失を
相当に減少できた。転換領域71、72の設計は、図5
で示した転換領域22と同様である。
【0024】パワースプリッタ1×Nパワースプリッタ
は、出力導波路の数(N)に分割される一入力導波路か
ら構成する。この構造はしばしば木の枝(ブランチ)に
似ているので、パワースプリッタはブランチスプリッタ
としてしばしば呼ばれる。図8に示すように、パワース
プリッタ801は、1つの入力導波路85と複数の出力
導波路86を有し、これらは全て、全入力パワーを出力
導波路86に効率的に転換するように設計された導波路
領域80に結合している。このような低損失光パワース
プリッタの設計は、米国特許出願第08/660245
号(1996年6月7日出願)に記述されている。上述
のように、スラブ導波路は平面領域を表し、これは、同
じ長さの個々の導波路の面積と比較して広く、入力と出
力導波路の間の光波伝送をサポートする。従って、導波
路領域80は、スラブ導波路と呼ぶ。
【0025】パワースプリッタ801と関連する挿入損
失は、転換領域82の利用によって減少する。この転換
領域82は、スラブ導波路80に直接隣接し、出力導波
路86を横切る多くのシリカパスからなる。スラブ導波
路80は、約500μmの長さを有し、この長さにわた
ってその幅は約7μmから約100μmへと次第に増加
する。転換領域82からなるシリカパスは一般に、お互
いと平行であり、スラブ導波路から離れるに従って次第
に減少する幅を有する。図8ではシリカパスを少ししか
示していないが、このようなパスをよりたくさん(例え
ば、30)使うことが望ましい。転換領域82の構造
は、図2〜6に関連して説明した転換領域22の構造と
ほぼ同じである。
【0026】本発明は、示した実施例以外でも多くの変
更例が可能である。これらの変更としてはは、スラブ導
波路の両面における転換領域の利用、転換領域からなる
シリカパスの幅を非線形方法により減少させること、転
換領域をアレイにおける導波路を全て用いないこと等が
ある。また、特許請求の範囲にて記した符号は、発明の
容易なる理解のためのみで、範囲を減縮させる意図はな
い。
【0027】
【発明の効果】以上述べたように、本発明により、光デ
バイスにおいて挿入損失を減らす技術を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】多くの入力と出力ポートを有する従来技術の
「スターカプラ」を示す上視図である。
【図2】複数のシリカ材料のパスからなる転換領域を有
するスターカプラを示す上視図であり、出力ポートにお
いて挿入損失を減らすことができる。
【図3】図2のスターカプラの出力導波路を示す断面図
である。
【図4】図2のスターカプラのスラブの周辺を示す断面
図である。
【図5】図2のスターカプラの出力転換領域のパスの幅
が減少している部分を示す拡大図である。
【図6】パスの幅を次第に減少させる様々な技術を図示
する。
【図7】低い結合損失を有するスターカプラを利用して
いる密波分割マルチプレクサを記述する。それは本発明
の利用を通して達せられる。
【図8】低い結合損失を有するブランチパワースプリッ
タを記述する。それは本発明の利用を通して達せられ
る。
【符号の説明】
10、80 光スラブ導波路 15、25 入力導波路アレイ 16、26 出力導波路アレイ 20 スラブ導波路 22、71、72、82 転換領域 27、28 クラッド層 85 入力導波路 86 出力導波路アレイ 101、201 スターカプラ 200 基板 700 密波分割マルチプレクサ 701、702 スターカプラ 710、720 スラブ導波路 715、726 入力導波路アレイ 716、725 出力導波路アレイ 760 回折格子 801 パワースプリッタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ユアン ピー.リー アメリカ合衆国、30155、ジョージア、 ダルース、フェアフォード レーン 410 (56)参考文献 欧州特許出願公開731366(EP,A 1) 欧州特許出願公開731367(EP,A 1) C.van Dam et.al., Integrated Photoni cs Research,Techni cal Digest Series, Vol.6(April 29−May 2,1996),pp.52−55 Z.Weissman et.a l.,Journal of Ligh twave Technology,V ol.13 No.10(Octorber 1995),pp.2053−2058, Z.Weissman et.a l.,Applied Physics Letters,1995年7月17日,V ol.67 No.3,pp.302−304 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 6/12 - 6/14 G02B 6/28 - 6/293

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スラブ導波路(20、715、85)
    一方の側に結合した少なくとも1つの入力導波路(2
    5、715、85)と、 前記スラブ導波路の他方の側に結合した出力導波路(2
    6、716、86)のアレイと前記スラブ導波路に直接
    隣接する転換領域(22、71、82)とを有する光デ
    バイス(201、701、801)において、 前記スラブ導波路(20,710,80)と前記出力導
    波路アレイ(26,716,86)は、それぞれ光搬送
    可能なコア材料からなり、 前記転換領域(22、71、82)は、前記出力導波路
    アレイを横切る複数(n)のパス(a ・・・ )を提
    供し、 前記パスの幅は、前記スラブ導波路から離れるに従って
    次第に減少することを特徴とする光デバイス。
  2. 【請求項2】 前記パス(a・・・a)の各対の間の
    分離ギャップ(s ・・・ は、前記パスより低い屈
    折率を有し、 前記分離ギャップ(s・・・s)の幅は、前記スラブ
    導波路(20、710、80)から離れるに従って増加
    することを特徴とする請求項1に記載の光デバイス。
  3. 【請求項3】 前記カパス(a・・・a)は、互いに
    平行であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光
    デバイス。
  4. 【請求項4】 前記パス(a・・・a)は、前記出力
    導波路アレイ(26、716、86)と直交することを
    特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の光デバイス。
  5. 【請求項5】 前記各パス(a・・・a)の幅は、前
    記スラブ導波路(20、710、80)から離れるに従
    って減少することを特徴とする請求項1〜4の何れかに
    記載の光デバイス。
  6. 【請求項6】 前記パスの個数nは、10を超えること
    を特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の光デバイ
    ス。
  7. 【請求項7】 前記光デバイスが、複数の入力導波路
    (25、715)と複数の出力導波路(26、716)
    を有するスターカプラであることを特徴とする請求項1
    〜6の何れかに記載の光デバイス。
  8. 【請求項8】 前記光デバイスが、単一の入力導波路
    (85)と複数の出力導波路(86)を有するブランチ
    パワースプリッタであることを特徴とする請求項1〜6
    の何れかに記載の光デバイス。
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