JP4741610B2 - 温度依存性を低減した光学装置 - Google Patents
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Description
ここで、各nq,xはx番目の材料の実効屈折率の温度に対するq階(次)導関数であり、各ΔL x は、材料xの総物理的経路長の互いに隣接する光学経路間における増分である。ここで、Q≧2又はX≧3、或いは、Q≧2且つX≧3である。一実施形態では、X≧Q+1である。X個の材料が、ベース材料とX−1個の補償材料からなる場合、当該装置はベース材料に形成された少なくともX−1個の補償領域を含む。補償領域は夫々、複数の補償材料のうち必ず1つを含み、補償材料の総物理的経路長の増分ΔL x にほぼ比例してX−1個の補償材料に割り当てられる。
ここで、kqは夫々所定の値であり、温度範囲は−5〜+70℃である。一実施形態では、Q=2であり、アレイ導波路回折格子装置が、前記温度範囲にわたって以下の式によって近似される屈折率を有する場合、
k1とk2の関係は、ほぼ以下のようになる。
[式2]
ここで、neffは導波路における実効屈折率であり、ΔLはアレイ内の隣接する導波路間の長さの増分であり、mは回折格子の次数である。neffとΔLの両方が温度と共に変化するため、中心波長の温度依存性が生じる。但し、概してneffの温度依存性の方がずっと顕著である。実際、後述するように、ΔLの温度依存性は、正確性を大きく損なうことなくneffの温度依存性と同列に扱うことができる。
[式3]
ここでは、ng及びnpは夫々ガラスとポリマーの実効屈折率であり、ΔLgは、光エネルギーが縦方向に照射されるガラスの区間の物理的な長さの合計における隣接する導波路間の増分であり、ΔLpは、光エネルギーが縦方向に照射されるポリマーの区間の物理的な長さの合計における隣接する導波路間の増分である。パラメータng及びnpは温度に対して線形で変化するものとしてモデル化される。すなわち、以下の式4、5で表される。
[式4]
[式5]
従って、各材料は0次項n0xと1次項n1xの2つの屈折率項で特徴付けられる。
[式6]
そこで以下の式7を仮定する。
[式7]
ΔLからの寄与が無視できるか、或いは、実効屈折率の寄与と一括して扱えることを理由として、温度無依存性は以下の式8となる。
[式8]
ngとnpを代入すると以下の式9、即ち、式10となる。
[式9]
[式10]
[式11]
但し、
[式12]
従って、以下のようになる。
[式13]
[式14]
これらを温度無依存性に関する式8に代入すると、
[式15]
或いは、Tの項を整理して纏めると以下の式16になる。
[式16]
[式17]
[式18]
図4は、2次温度依存性を考慮して温度無依存化されたAWG波長分割マルチプレクサ/デマルチプレクサを示している。当該装置は、チャネル導波路418の配列(一部のみを図示)からなるアレイ導波路回折格子415(プリズム領域とも呼ばれる)を上に備える基板、或いは、「ダイ」(図示せず)を備え、チャネル導波路は2つの平面(スラブ)導波路結合領域413、414の間に光学的に接続されている。少なくとも、入力導波路412が、多重化入力信号を入力するために第1スラブ導波路413の入力面419に光学的に接続している。複数の出力導波路410(一部のみを図示)が、各波長チャネル出力をダイの面へ出力するために、第2スラブ導波路414の出力面420に光学的に接続している。一実施形態では、入力導波路412及び出力導波路410は、回折格子415と2つの結合領域413及び414と同じダイ上に統合されていることが望ましい。しかし、他の実施形態では、入力導波路412及び出力導波路410は、例えば、光ファイバーであり、或いは、レンズシステムである。スラブ導波路領域413及び414の形状は何れも公知であり、例えば、本明細書で参照することにより援用される米国特許第6,768,842号に記載されている。図4の装置は、光エネルギーの流れる方向を単に反転させることによって、デマルチプレクサではなく、マルチプレクサとしても動作する。また、幾つかの実施形態においては、第1スラブ導波路413の入力面419と光通信を行う導波路412は、入力面419に夫々異なる位置で入力される複数の導波路で置き換えられる。一般に、これらの導波路のうち、入力面419で性能が最大になる位置にある1つを特定するには、「副尺(バーニア)」較正の手順が用いられる。この特定された導波路だけが、一般的な動作において用いられる。当該実施形態において、図4の導波路412は、複数の導波路から選択された1つと考えられる。他の実施形態では、当該装置は複数の入力と複数の出力が同時に使用できるルーターとして動作する。
上記の技術は、実効屈折率の高次温度依存性を考慮して、Q次まで拡張することができる。上記の式は、以下の式を定義することによって一般化することができる。
[式19]
但し、
[式20]
従って、以下のことが言える。
[式21]
上記の式21を温度無依存性に関する式8に代入すると、
[式22]
Tの同じ次数項を整理して纏めると、以下の式23になる。
[式23]
上記の式23は以下の場合に成立する。
[式24]
上記の技術は、実効屈折率の温度依存性だけでなく、ΔLの温度依存性を考慮して更に拡張することができる。この場合、温度無依存性は以下の式25で表される。
[式25]
ここで、αはチップの機械的な熱膨張係数である。しかし、典型的な実施形態では、ΔLpはΔLgよりもずっと小さいので、正確性を大きく損なうことなく、機械的膨張項はn1gに纏めることができる。更に、n1gを公知文献から得るのではなく実験を通して決定される場合、n1gに対して決まった値は本質的に機械的膨張項からの寄与を含む。実験による値の決定は、最終的な製品と同様に既にパッケージ化されたチップから得られるデータを用いて行われることが望ましい。そのため、最終的な製品のパッケージングが、チップが示す機械的膨張に影響を及ぼす場合、これらの影響はテスト時のチップにも現れる。或いは、実験による値の決定は、パッケージ化されていないチップから得られるデータを用いて行ってもよい。チップは柔軟層によって最終的な製品のパッケージから分離される。
n1g=n’1g+n0gα
n2g=n’2g+n1gα
n1p=n’1p+n0pα
n2p=n’2p+n1pα
これは、高次多項式モデル、及び、複数のポリマーに容易に一般化でき、これについては本出願の他の箇所で述べている。
2次温度無依存化の実施形態に戻ると、式17及び式18の両方を満たし、低挿入損失、湿度耐性、光安定性、長期信頼性といった商業的な製造可能性に関する全ての他の要件をも満たすポリマーを特定することは困難である。公知文献では、ガラス転移温度の上下の準線形領域における、あるポリマーの屈折率の温度依存性が報告されており、また、所望の1次温度依存性項でポリマーを設計する構造は公知であるが、これらのポリマーについて、2次、或いは、非線形依存性項を報告している公知文献は殆どない。
[式26]
[式27]
前記と同様に代入すると、
Tの項を整理し、纏めると以下の通りになる。
[式28]
且つ、
[式29]
[式30]
且つ、
[式31]
所望する中心波長を求めるために3つのΔLを制約する式26(T=0)と併せて、3つの方程式で3つのΔLを相互に関連付ける。3つの方程式は以下のように行列で表される。
[式32]
従って、3つのΔLは以下のように一意的に計算できる。
[式33]
上記の分析は、任意のQ次のモデル多項式、及び、X個の異なる材料を有する材料系に拡張することができる。これは各材料xに関して以下の式で表すことができる。
[式34]
但し、
[式35]
また、中心波長の方程式を次のように書き換えることができる。(但し、この式では、nとΔLの下付き文字は材料数を表す。)
[式36]
温度無依存性の方程式は、以下のような行列で書き換えられる。
[式37]
[式38]
[式39]
ΔLxは材料xの総物理的経路長の互いに隣接する光学経路間における増分である。上記において、X個の材料のうち1つは、装置の大部分が構築されている「ベース」材料であり、そこには補償領域が形成されている。残りのX−1個の材料は、ベース材料の温度無依存性を補償するため、ここではしばしば「補償材料」と呼ばれている。上記の実施形態においては、ベース材料はシリカであり、補償材料は全てポリマーである。他の実施形態ではこの通りである必要はないため、ここでは、ポリマー材料とガラス材料は区別していない。
[式40]
これらのパラメータの値に応じて、式40を満たすポリマーを設計することによって、中心波長と温度の関係が(2次に対して)ほぼ均一な単一ポリマーのAWGを形成することが可能となる。
これまでの記載の殆どにおいて、様々な材料の非線形な屈折率の温度依存性のモデル化には、多項式の関数を用いる場合を想定してきた。しかし、1つまたは複数の材料を多項式で記述するのが困難な場合や、十分に正確なモデル化を行うために非常に大きな次数の多項式が必要となる場合、或いは、単純に利用可能な補償材料の数を上回る次数の多項式が必要となる場合(X<Q+1)の何れかが生じる可能性がある。このような場合、例えば、ポリマーが所望の操作温度範囲内の温度付近で、比較的急激な屈折率の変化を示すことが考えられる。所望の操作温度範囲内のガラス転移温度を有するポリマーは、時にこうした急激な変化を見せることがあり、非多項式関数型によるモデル化が有効である。このような状況では、温度範囲全体に及ぶ波長の誤差を最小化するには、3つ(又は3以上)の材料の材料系を使用すれば更に有効である。
図4に示した溝430は全て、図の下部に近づくほど狭くなり(光学経路の縦方向に占める区間が短い)、図の上部に近づくほど広くなる(光学経路の縦方向に占める区間が長い)湾曲した三角形となっている。この形状については多くの変形が考えられる。1つの変形例は、既に述べたように、溝を反転させ、三角形の狭い方の端を図の上部に、広い方の端を図の下部に向けて配置する。この場合、補償材料の屈折率はベース材料と同じ方向に温度に対して変化する。更に他の変形として、一実施形態では、屈折率が互いに逆の方向に温度に対して変化する2つの異なる補償材料を用いて、第1補償材料に割り当てられた溝は図4に示す方向に向け、第2補償材料に割り当てられた溝は逆向きにする。ある特定の材料(光学経路に沿った全ての溝の集合体)の溝の方向は、その特定の材料に関するΔLの符号によって決まる。ΔLは、図4のAWGに下部から上部にかけての物理的経路長の増分を表しているため、特定の材料のΔLが負の場合は、溝が上部付近よりも下部付近で広くなるように溝を向ける必要がある。
溝430を充填するために使われる補償材料の構造及び内容においても、変形が可能である。図11A〜図11Hは、複数の変形例を示している。これらの図は、例えば、スラブ導波路413を横切る中心光学経路に沿った1つの溝の断面図である。図5に示した基本的な構成が図11Aでも示されている。溝430は、平面導波路413のコアレベル512を十分下回るレベルまで伸びており、完全に材料Aで満たされている。波形1110は、伝播するエネルギーの垂直方向の光強度分布を表したもので、ほぼガウス分布であり、コア層512内におおよその中心がある。材料Aの溝は、伝播する光学エネルギーのほぼ全てに影響するように下へ伸びている。図11Bは図9Aの構成の断面図であって、1つの溝の中に2つの材料が隣り合って配置されている。
ここに記載されている、光学回折格子装置の温度無依存化を改善するための技術は、温度補償領域に様々な材料を挿入することに限定されない。当該技術の中には、機械的な機構を含めた他の温度無依存化方法の改善に適用できるものもある。例えば、AWGの入力又は出力結合領域に対して、光エネルギーの入出力を行う入力/出力導波路が横方向に移動すると、AWGの通過帯域も移動することが知られている。更に、入力/出力導波路をバイメタル板といった温度依存性の配置機構に加え、それによって、AWGの残りの部分の温度依存性を補償するために、結合領域に関連する導波路の横方向の位置を、温度に合わせて自動的に移動させることも知られている。しかし、他の従来の機構と同様に、温度による影響が1次でしか考慮されていない。
[式41]
2次の補償(Q=2)のためのk1及びk2は、以下の式42で与えられる。
[式42]
機械的技術は、異なる材料を光学経路に挿入する技術と併せて用いることができ、Q=1の場合も同様に満足する。また、本発明の態様を用いて、他にも多くの応用が可能である。
ここに記載した概念を使用する実際の装置では、当然のことながら、上記の式に正確に合致することは不可能であるか、若しくは、商業的な見地からその必要がない場合もある。例えば、通常の製造公差のために実際の装置は式から逸脱しているかも知れない。或いは、利用可能な溝の総数は整数であるため、一方のポリマーで充填された溝の数と他方のポリマーで充填された溝の数の比率は、上記で得られたΔLの比率と正確に一致しないこともある。こうした理由のために上記の式から逸脱する実際の装置は、ここでは、式を「ほぼ」満たすと考える。こうした装置は、ここで開示された新規の概念を使用しているため、式を正確に満足していなくても、従来の装置より良好な温度無依存性を持つことができる。
[式43]
ここで、pは、従来の技術で製造が可能なAWGよりも実質的に良好な温度無依存性を有するAWGを生み出す小さな数である。線形の、1つのポリマーによる解では恐らく、−50〜+90℃の温度範囲で中心波長の変化が約70pmより小さく、或いは、0〜+70℃の温度範囲で中心波長の変化が約20pmより小さいAWGを製造することはできない。しかし、式37を用いた2次の、2つのポリマーによる実施形態では、中心波長の変化を−50〜+90℃の温度範囲で約40pmより小さい、或いは、0〜+70℃の温度範囲で約10pmより小さい値にまで減少させることができる。しかし、pが正確には0ではないが比較的小さい値の場合に、式43を用いた実施形態では、式37を用いて得られる最適な結果には至らないが、中心波長の変化を上記の従来の変化量よりも更に減少させることができる。こうした実施形態を更に検討することによって、ここに記載した式及び技術を活用することができる。
Claims (36)
- アレイ導波路回折格子を経由して入力端子と光通信を行う出力端子を備えてなり、対象通過帯域を含む複数の通過帯域を有する光学装置であって、
前記対象通過帯域の有する中心波長の温度についての1次〜Q次(Q≧2)の導関数が、前記中心波長の変化が−5〜+70℃の温度範囲において20pm未満となるように、−5〜+70℃の温度範囲において、ほぼ0に等しいことを特徴とする光学装置。 - 前記1次〜Q次の導関数が、前記中心波長の変化が−30〜+70℃の温度範囲において20pm未満となるように、−30〜+70℃の温度範囲において、ほぼ0に等しいことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 実効屈折率の温度依存性が夫々に異なる複数の材料を介して、前記入力端子から前記出力端子まで光エネルギーを伝播させる複数の光学経路を備えることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記入力端子と前記出力端子のうち特定の一つと光通信を行うための導波路と、
温度に依存して前記アレイ導波路回折格子に対する前記導波路の物理的な位置を調節する温度補償部材を備えることを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 材料系を経由する複数の光学経路を備えてなる光学装置であって、前記複数の光学経路の夫々が、隣接する前記光学経路と個々の実効光路差だけ異なる個々の実効光路長を有し、
前記個々の光路差の温度についての1次〜Q次(Q≧2)の導関数が、前記光路差の変化の何れもが−5〜+70℃の温度範囲において20pmを超えることがないように、−5〜+70℃の温度範囲において、ほぼ0に等しいことを特徴とする光学装置。 - 前記1次〜Q次の導関数が、前記光路差の変化の何れもが−30〜+70℃の温度範囲において20pmを超えることがないように、−30〜+70℃の温度範囲において、ほぼ0に等しいことを特徴とする請求項5に記載の装置。
- 前記複数の光学経路の夫々が複数の材料を横断し、前記複数の材料の夫々が、他の前記材料と異なる実効屈折率温度依存性を有することを特徴とする請求項5に記載の装置。
- 材料系を経由する複数の光学経路を備えてなる光学装置であって、
前記材料系が、前記光学経路を伝搬する光エネルギーを少なくとも1次元的に閉じ込めるコア及びクラッド材料を含み、
前記複数の光学経路の夫々が、前記コア及びクラッド材料以外に少なくとも2つの別の材料を横断し、
前記別の材料の夫々が、前記コア及びクラッド材料及び他の前記別の材料と異なる実効屈折率温度依存性を有し、
前記複数の光学経路の夫々が隣接する前記光学経路と個々の実効光路差だけ異なる個々の実効光路長を有し、
前記個々の光路差の温度についての1次〜Q次(Q≧2)の導関数が、前記光路差の変化の何れもが−5〜+70℃の温度範囲において20pmを超えることがないように、−5〜+70℃の温度範囲においてほぼ0に等しいことを特徴とする光学装置。 - 前記1次〜Q次の導関数が、前記光路差の変化の何れもが−30〜+70℃の温度範囲において20pmを超えることがないように、−30〜+70℃の温度範囲において、ほぼ0に等しいことを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 前記入力端子から前記出力端子まで複数の光学経路を有し、前記光学経路の一部を形成するベース材料と、少なくとも1つの補償領域を備え、
前記少なくとも1つの補償領域は、少なくとも第1補償材料及び第2補償材料をまとめて含み、前記第1補償材料及び前記第2補償材料は、前記光学経路を横切り、実効屈折率温度依存性が互いに、且つ、前記ベース材料とも異なることを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記補償領域のうち第1補償領域が、前記第1補償材料及び前記第2補償材料の両方を含むことを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 前記第1補償材料及び前記第2補償材料は、前記第1補償領域の異なる層に配置されることを特徴とする請求項11に記載の装置。
- 前記第1補償領域は、第3補償材料を更に含み、
前記第1補償材料は、前記第1補償領域の下層に配置され、
前記第2補償材料は、前記第1補償領域の中層に配置され、
前記第3補償材料は、前記第1補償領域の上層に配置され、
前記第2補償材料は、前記第1補償材料及び前記第3補償材料の何れよりも高い屈折率を有することを特徴とする請求項11に記載の装置。 - 前記光学装置は、前記ベース材料として、下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上にコア層と、前記コア層の上に上部クラッド層とを備え、
前記第2補償材料は、前記ベース材料の前記コア層とほぼ同一平面上にあることを特徴とする請求項13に記載の装置。 - 前記補償領域の1つが、前記第1補償材料を含むが、前記第2補償材料は含まないことを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの補償領域は、前記第1補償材料及び前記第2補償材料を含む複数の補償材料をまとめて含み、前記複数の補償材料の全ての補償材料が、前記光学経路を横切り、互いに、且つ、前記ベース材料とも異なる実効屈折率温度依存性を有し、
前記補償領域の夫々が、前記複数の補償材料のうち必ず1つを含むことを特徴とする請求項10に記載の装置。 - 前記第1補償材料が、複数の副材料の複合体を備え、前記複合体の実効屈折率温度依存性は、前記第1補償材料の実効屈折率温度依存性であることを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 前記複数の副材料が層状に重なって前記複合体を形成することを特徴とする請求項17に記載の装置。
- 前記複数の副材料のうち第1副材料は前記ベース材料と同一であり、前記複数の副材料のうち第2副材料は前記ベース材料及び前記複合体とは異なる実効屈折率温度依存性を有することを特徴とする請求項17に記載の装置。
- 前記第1補償材料は更に、前記ベース材料の複屈折性を補償することを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 前記光学経路は、第1スラブ領域、前記アレイ導波路回折格子、及び、第2スラブ領域を順番に横断し、
前記補償材料の少なくとも1つは、前記第1または第2スラブ領域の1つに配置されていることを特徴とする請求項10に記載の装置。 - 前記補償材料の夫々の特定の1つは、前記第1または第2スラブ領域の何れか1つまたは両方に配置されていることを特徴とする請求項21に記載の装置。
- 前記入力端子から前記出力端子まで複数の光学経路を有し、前記光学経路の一部を形成するベース材料と、複数の補償領域とを備え、
前記複数の補償領域の少なくとも1つからなる第1サブセットが第1補償材料を含み、少なくとも1つの他の補償領域からなる第2サブセットが第2補償材料を含み、前記第1補償材料及び前記第2補償材料が、互いに、且つ、前記ベース材料と異なる実効屈折率温度依存性を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記ベース材料はシリカを含み、前記第1補償材料及び前記第2補償材料はポリマーからなることを特徴とする請求項23に記載の装置。
- 前記光学経路は、第1スラブ領域、前記アレイ導波路回折格子、及び、第2スラブ領域を順番に横断し、
前記第1サブセットの前記補償材料の少なくとも1つは、前記第1または第2スラブ領域の1つに配置されていることを特徴とする請求項23に記載の装置。 - 前記第1及び第2サブセットの前記補償材料の夫々の特定の1つは、前記第1または第2スラブ領域の何れか1つまたは両方に配置されていることを特徴とする請求項25に記載の装置。
- 前記対象通過帯域の有する中心波長は、−50〜+90℃の温度範囲で70pm未満の変化を示すことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記中心波長は、−50〜+90℃の温度範囲で40pmを超える変化をしないことを特徴とする請求項27に記載の装置。
- 前記対象通過帯域の有する中心波長は、0〜+70℃の温度範囲で20pm未満の変化を示すことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記中心波長は、0〜+70℃の温度範囲で10pmを超える変化をしないことを特徴とする請求項29に記載の装置。
- 材料系を経由する複数の光学経路を備えてなる光学装置であって、前記複数の光学経路の夫々がX個の材料を横断し、
が、ほぼ0に等しく、
nq,xは夫々、各x番目の材料の実効屈折率の温度に対するq階(次)導関数であり、
ΔL x は、前記複数の光学経路の夫々に沿った材料xの総物理的経路長の隣接する光学経路間における増分であり、
Q≧2であることを特徴とする光学装置。 - X≧3であることを特徴とする請求項31に記載の装置。
- X≧Q+1であることを特徴とする請求項31に記載の装置。
- X個の材料は、ベース材料と、X−1個の補償材料からなり、
前記光学装置は前記ベース材料に形成された少なくともX−1個の補償領域を備え、前記補償領域の夫々は前記補償材料のうち必ず1つを含み、
前記複数の光学経路の夫々において、前記補償材料の総物理的経路長が互いに同じになるように、前記補償領域の形状及びサイズが決められており、
前記補償材料の夫々に割り当てられる前記補償領域の数が、前記補償材料の総物理的経路長の増分ΔL x にほぼ比例することを特徴とする請求項31に記載の装置。 - 前記ベース材料はシリカを有し、前記補償材料の夫々はポリマーを有することを特徴とする請求項34に記載の装置。
- 材料系を経由する複数の光学経路を備えてなる光学装置であって、前記複数の光学経路の夫々がX個の材料を横断し、
が、ほぼ0に等しく、
nq,xは夫々、各x番目の材料の実効屈折率の温度に対するq階(次)導関数であり、
ΔL x は、前記複数の光学経路の夫々に沿った材料xの総物理的経路長の隣接する光学経路間における増分であり、
Q≧1且つX≧3であり、
前記材料の少なくとも1つがシリカを有し、前記材料の少なくとも2つの夫々がポリマーを有することを特徴とする光学装置。
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