JP4833565B2 - 平面光導波路における偏光依存性の低減 - Google Patents

Description

本願は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる、２００４年３月２日出願の米国仮出願第６０／５４９，２５３号の優先権を主張するものである。

本願は、光導波路コアとクラッド層との間に、屈折率および熱膨張係数（ＣＴＥ）が合わせられた材料を使用して、平面光導波路での偏光依存性を低減させる方法に関し、さらにはその方法を取り入れた平面光導波路に関する。

平面光波回路（ＰＬＣ）は、シリコン・ウエハ基板上に形成された平面光導波路を含む光学装置であり、平面光導波路は、光路に沿って光を導くために、外側のクラッド層よりも高い屈折率を有する透過型媒体から作られる。ＰＬＣは、主に通信産業用に、複数の構成要素および機能を単一の光学チップに集積化するように設計される。

ＰＬＣ上に製造するいかなる光学装置の設計においても、光導波路の設計および製造は非常に重要である。導波路の寸法および導波路同士の分離間隔は、導波路への応力に影響を及ぼし、したがって、導波路によって生じる複屈折に影響を及ぼす。導波路の複屈折は、光学装置の偏光依存損失（ＰＤＬ）や偏光依存性波長などの望ましくない偏光依存特性を引き起こすことがある。大多数の部品製造業者およびその顧客にとって、装置中の導波路複屈折（Ｂ）ができるだけ小さい（理想的にはゼロ）ことが重要である。ただし、Ｂは、一般にＴＭ偏光とＴＥ偏光で見られる実効屈折率の差として定義される。

導波路装置の偏光依存性は、導波路層内の応力によって誘起される複屈折から生じ、この複屈折により、導波路の所望の屈折率プロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）が乱され、２種の偏光の実効モード屈折率に差が生じる。

応力複屈折は、２種の偏光を用いる各導波路モードの実効屈折率に差を作り出すことがあり、それは、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）やマッハ・ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）などの位相敏感装置で特に有害である。例えば、ＡＷＧでは、位相アレイの導波路内の複屈折は、２種の偏光を用いる装置の透過スペクトルを分割する。これは偏光依存性波長（ＰＤＷ）と呼ばれ、ＰＤＷが大きい場合には、許容できない偏光依存損失を招く。

これらの装置の偏光依存は、通常、装置の構造内の層と層の間の熱膨張特性の違いによるものと考えられており、その違いによって製造工程中に応力が生じる。導波路コア内の非対称の応力によって複屈折が生じる。

２００４年１１月３０日にＦａｎ Ｚｈｏｎｇ ｅｔ ａｌ．に発行された米国特許第６，８２６，３４５号は、導波路コアの応力差を減らすために、導波路の上面に選択された厚みの上部キャップ層を含む位相敏感装置により複屈折を解決する方法を開示している。この方法は、ＡＷＧ装置内の複屈折を減らす、または実質的に除去すると述べられている。これらの装置では、主に応力誘起複屈折の変化により、導波路モードの真ん中付近で偏光依存性に摂動が加えられる。上部キャップは、導波路コアの側壁を覆っていない。クラッド層の複屈折は、考慮されていない。

偏光依存性（ＰＤＬなど）は、方向性結合器、スプリッタ、パラボラ・ホーン形装置などの位相敏感装置でない装置でも重要である。これらの装置では、いくつかの要因が、設計の偏光依存に影響を及ぼすことがある。しかし、導波路コアの複屈折よりも、クラッド内の応力、したがって複屈折の方が、装置の偏光感度を制限する、より中心的な要因であることが分かっている。これは、方向性結合器やモード変換ホーンなどの結合型モード装置に特に当てはまる。これらのどちらの例でも、装置の動作は、基本モードと高次モードでの光の共伝播に基本的に依存しており、それらのモードでは、光が導波路コアにそれほど強く閉じ込められない。

導波路の複屈折を低減する目的で、クラッドにドーピングを行い、クラッド層のＣＴＥを基板のＣＴＥと合わせることは、従来技術において周知であるが（Ａ．Ｋｉｌｉａｎ、Ｊ．Ｋｉｒｃｈｈｏｆ、Ｂ．Ｋｕｈｌｏｗ、Ｇ．ＰｒｚｙｒｅｍｂｅｌおよびＷ．Ｗｉｓｃｈｍａｎｎ、「Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ ｆｒｅｅ ｐｌａｎａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｍａｄｅ ｂｙ ＦＨＤ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔａｉｌｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、高濃度のドーピングは装置の環境安定性に影響を及ぼし、クラッドからコアへの応力は依然として存在する。

平面導波路の性能に影響を及ぼすさらに別の問題は、クラッド層および導波層の形成中に、気泡が、その後の一体化された層の下に閉じ込められる可能性があることである。気体は、方向性結合器、Ｙスプリッタ、およびそれらと類似した構造物などの密集した導波路の間にも閉じ込められる。このような気泡は、ＰＬＣの層の光学特性を乱す。２００１年４月１１日に公開されたＫｙｍａｔａ社の英国特許出願公開第２，３５５，０７８Ａ号では、導波路コアと外側のクラッド部分の間に、クラッド界面を含む複合クラッド層を設けることにより、この問題に対処している。クラッド界面部分は、外側のクラッド部分よりも一体化温度が低い。両方のクラッド層は、一体化される。軟化温度を低下させ屈折率を維持するために、ドーパント・イオンを使用する。ドーピングにより、その熱係数が緩衝層の熱係数に合わせることが示唆されている。しかし、クラッド層内の複屈折は、ＰＤＬの原因として認識されていない。また、コアとクラッド界面の間のＣＴＥが合わせられていないので、クラッド界面によって、屈折率が複屈折から分離されることはない。

したがって、平面導波路構造内のＰＤＬを低減させる方法が、依然として非常に望ましい。

本発明者は、コアとクラッドの間のＣＴＥの不一致を低減させ、またはコア／クラッド境界から複屈折を取り除き、あるいはその両方により、偏光感度を低減できることを発見した。これを実現するために、二酸化ケイ素材料または屈折率（ＲＩ）およびＣＴＥが合致した同様の材料を、小さい曲げ半径領域あるいは対にした導波路の近傍などの、顕著な光の透過がクラッド内に生じる導波路の特徴的部分のコアとクラッドの間に付着させる。二酸化ケイ素材料のＵＳＧ（未ドープの石英ガラス）は、ＣＴＥが導波路コアと実質的に等しく、ＲＩがクラッド材料と実質的に等しい。ＣＴＥを正確に合致させる必要はないが、できるだけ近い値にすべきであり、０．２ｐｐｍ／Ｋ以内であることが好ましい。この構造は、クラッド内の複屈折による摂動から生じる、ＴＥモードとＴＭモードの伝播の重なり合いを低減する。

したがって、本発明の目的は、光信号を導く平面光導波路を提供することであり、この導波路は、
基板と、
基板上で支持される下部クラッド層と、
下部クラッド材料上で支持され、４つの側面を有し、ある屈折率（コアＲＩ）およびある熱膨張係数（コアＣＴＥ）を有する導波路コアと、
コアＲＩとは異なる屈折率（クラッドＲＩ）および複屈折Ｂを有する上部クラッド層と、
導波路コアと上部クラッド層の間に配置され、導波路コアの少なくとも１つの面に接触する、ＣＴＥを合致させる材料とを含む。ＣＴＥを合致させる材料では、その中を透過するモードのプロファイルとクラッドの複屈折Ｂの間の重なり積分が最も大きい。ＣＴＥを合致させる材料は、クラッドＲＩと実質的に等しい屈折率（材料ＲＩ）を有し、コアＣＴＥと実質的に等しい熱膨張係数（材料ＣＴＥ）を有する。

本発明の一態様は、クラッド内の応力誘起複屈折を導波路コアのＲＩプロファイルから分離するために、ＣＴＥを合致させる材料は、コアＣＴＥに非常に近いＣＴＥを有するものと規定する。さらに、請求項２で定義された平面光導波路では、上部クラッド層が、基板のＣＴＥと実質的に等しいクラッドＣＴＥを有する。

本発明の一実施形態では、平面光導波路装置は、
基板と、
基板上で支持される下部クラッド層と、
下部クラッド層上の２つの光導波路コアであって、それらの中を透過する光信号のモード結合をそれらの間で可能にするのに十分なほど互いに隣接して配置され、それぞれ４つの側面を有し、ある屈折率（コアＲＩ）およびある熱膨張係数（コアＣＴＥ）を有する２つの光導波路コアと、
コアＲＩとは異なる屈折率（クラッドＲＩ）を有する上部クラッド層と、
隣接する両導波路コアの間に配置され、互いに向かい合う導波路コアそれぞれの少なくとも１つの面と接触する、ＣＴＥを合致させる材料とを含み、ＣＴＥを合致させる材料が、クラッドＲＩと実質的に等しい屈折率（材料ＲＩ）を有し、コアＣＴＥと実質的に等しい熱膨張係数（材料ＣＴＥ）を有する。

本発明のさらに別の特徴および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。

添付の図面全体を通じ、同様の特徴は同じ参照番号によって識別される点に留意されたい。

上記のように、モード結合装置で見られる複屈折は、主に、製造中に２つの材料の熱膨張係数の違いによってコア／クラッド界面に熱応力が生じる結果である。一般に、ＰＬＣは、シリコン基板、ＢＰＳＧ（ホウリンケイ酸ガラスｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）のクラッド層、およびＧＳＧ（ゲルマノケイ酸ガラスｇｅｒｍａｎｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）またはＰＳＧ（リンケイ酸ガラスｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）から成る導波路コアを含む。ＢＰＳＧとＧＳＧのＣＴＥは、約３．４ｐｐｍ／Ｋと約１ｐｐｍ／Ｋである。ＰＬＣに使用する、窒化酸化シリコンや酸化アルミニウムなど他の材料でも同様の問題が生じる。

クラッド内の応力誘起複屈折は、ＴＭモードとＴＥモードとでは異なるかたちで導波路のクラッド／コアの屈折率プロファイルを変化させる。図１ａに示したように、ＴＭモードでは、応力のかかっていない導波路の通常の階段関数は、盛り上がって丸みを帯び、そのためＴＭ光がより容易にコア／クラッド界面を通過できるようになっている。対照的に、図１ｂでわかるように、ＴＥモードの屈折率プロファイルは、低くなり、ＴＥモードの光の閉じ込めはより強くなる。その結果、ＴＭモードの方が、隣接する各導波路の間を光がより移動しやすくなる。

図２ａ〜図２ｂは、湾曲した導波路の屈折率プロファイルに対する複屈折の同様の影響を示している。図２ａのＴＭのプロファイルは、より丸みを帯び、光の閉じ込めはより弱くなっている。図２ｂのＴＥのプロファイルは、より深くなり、光の閉じ込めがより強くなっている。導波路を湾曲させると、そのモードで見られる屈折率のプロファイルは傾斜する。曲げ半径を小さくするほど、屈折率のプロファイルの傾斜は大きくなる。その結果、湾曲部の外側では光が閉じ込められずに放射されてしまうので、伝播損失が増大する。湾曲した導波路では、ＴＭモードとＴＥモードで応力誘起屈折率プロファイルの間に同様の違いがあるが、プロファイルを傾斜させるとその差は大きくなる。導波路の曲り半径が小さくなると、どちらの偏光でも損失が増大するが、同じ率でではない。したがって、湾曲部の挿入損失が増大すると、ＰＤＬも増大する。

単一（直線形）導波路における光の閉じ込めの強い基本モードでの透過では、クラッド内の複屈折による目立ったＰＤＬは生じない。しかし、湾曲した導波路の外側半径におけるように、あるいは結合がクラッド中の高次モードでの透過に強く依存している光結合器の場合のように、基本モードでの透過がクラッド内に漏れ出してしまう導波路では、クラッド内の複屈折によってＰＤＬが大きくなる。実際、ＰＤＬが小さい結合器を実現することは非常に難しかった。

方向性結合器やモード変換ホーンなどの結合型モード装置では、クラッド内の複屈折が、導波路コア内の複屈折以上に、装置の偏光感度に影響を及ぼす主要な要因であることが分かっていた。これらの構造は、複数の光学モードをサポートするので、各光学モードでの各偏光の実効屈折率は、屈折率プロファイルおよび複屈折プロファイルにおける、モードの強度の空間的な重なり合いに強く影響される。方向性結合器内の偏光依存損失は、各導波路コアの間で生じる。スプリッタの場合、その影響は「漏出しやすい」高次モードの複屈折で見られる。パラボラ・ホーン形装置では、偏光依存損失は、二次モードの複屈折に起因する。

図３ａ〜図３ｂのグラフに示すように、方向性結合器の場合、導波路同士を近づけると、個々の導波路の応力誘起屈折率のプロファイルが重なり始める。ＴＭモードは１０、ＴＥモードは１２で示してある。導波路間の距離が狭まるほど、ＴＭモードの屈折率とＴＥモードの屈折率の差が導波路全体で大きくなる。導波路間の間隔が１５〜２０ミクロンよりも狭くなると、１つの導波路が別の導波路の応力誘起屈折率のプロファイルに及ぼす影響は大きなものとなり始める。しかし、個々の導波路の設計にもよるが、導波路間の間隔が４〜５ミクロン程度までは、光結合は大きなものとはならない。したがって、導波路同士を十分に接近させて結合型モード装置とするまでは、応力の蓄積が性能に影響を及ぼす。

方向性結合器の、応力誘起屈折率のプロファイルは、結合器のＴＥモードとＴＭモードの結合比を変化させる。しかし、ＰＤＬを最小限にするためには、２種の偏光の結合長が同じであるとすると、応力が結合器の結合比を変化させるかどうかは重要でない。結合された各導波路のスーパモードの屈折率の差が小さい間は、個々の導波路が大きな複屈折を有することがある。個々の導波路が大きな複屈折を有するのは、マッハ・ツェンダー干渉計のアームにとって問題となるが、これは幾何的補償などの代替技術により克服することができる。

屈折率プロファイルから複屈折を分離するために、本発明では、未ドープの石英ガラス（ＵＳＧ）などＣＴＥを合わせる材料を導波路コアとクラッドの間に組み込む。ＵＳＧは、クラッドとのモードの重なり合いが最も大きい、導波路コアの側壁に最低限隣接していなければならない。例えば、方向性結合器では、導波路コア同士が１５〜２０ミクロンよりも接近している範囲で、隣接する各内壁を、ある量のＵＳＧでコーティングするまたは分離させることができる。製造を容易にするために、導波路コアの上部および２つの側壁上の共形層として、ＵＳＧをプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）により付着させることができる。ＵＳＧは、ＧＳＧのコアのＣＴＥとほぼ等しいＣＴＥを有する。二酸化ケイ素を、導波路の特徴的部分に隣接するブロックとして付着させ、製造工程において強化させることもできる。導波路コア同士の間隔が５０ミクロン未満の場合、二酸化ケイ素のブロックを、それら間にある唯一の材料として組み込むことができる。

図４ａに、従来技術の方向性結合器の断面図を示す。ＢＳＰＧの下部クラッド層２２を支持するシリコン基板２０を含む、本発明による方向性結合器の断面図を図４ｂに示す。下部クラッド層２２の上に、方向性結合器の２つの導波路コア２４が形成される。導波路コア２４の３面が、ＰＥＣＶＤによって付着させたＵＳＧの共形層２６で囲まれる。層が厚くなるとより大きな利点がもたらされるが、共形層２６は、利用可能な技術を使用して、一般に約０．５〜１ミクロンにする。共形層２６は、ＢＳＰＧの上部クラッド層２８で覆う。コア材料およびクラッド材料にもよるが、共形層の他の材料には、フッ素をドーピングしたリンケイ酸塩、ホウ素をドーピングしたアルミノケイ酸塩が含まれる。

ＵＳＧを数ミクロン以上の厚さで付着させることは難しい。ＵＳＧは融解温度が高く、それを接近した導波路構造間に充填することは困難である。集積装置では、マスキング技法によって、モード結合構造だけにＵＳＧを付着させることができ、装置の残りの部分には付着させることができない。

図５ａは、従来技術の結合器の導波路材料の屈折率プロファイルに重畳した複屈折摂動を示している。図５ｂには、応力を加えられたこの屈折率プロファイル中を透過するスーパモードのプロファイルが示してある。ＵＳＧの共形層を導波路コア上に付着させると、図５ｃに示すように、複屈折摂動が屈折率プロファイルから分離される。その結果、モード電磁界と屈折率の間の重なり積分は小さくなる。

本発明による方向性結合器の形成方法は、
１．シリコン基板上に熱酸化物緩衝層を付着させるステップと、
２．緩衝層上にプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によってコア層を堆積させるステップと、
３．コア層に反応性イオンエッチングを行って２つの導波路を形成するステップと、
４．エッチングされた構造に、ＰＥＣＶＤによってＣＴＥ、屈折率が合わせられた材料の層をコーティングするステップと、
５．導波路の上部および対向する側面上に、化学気相成長法（ＣＶＤ）によってクラッド材料の層を堆積させるステップとを含む。

図６〜図９は、偏光感度を低減させたモード結合要素を含む集積装置、特にマッハ・ツェンダー可変光減衰器またはスイッチ、電気式可変光減衰器、ＡＷＧ（図示せず）用パラボラ・ホーン形入力部、およびＹスプリッタを示している。シェード（ｓｈａｄｉｎｇ）１００は、装置のモード結合要素に付着させた二酸化ケイ素の共形領域を示している。装置内の他の構造の性能を変えずに必要な領域にＵＳＧを共形層として付着させるために、マスキングを使用することができる。ＡＷＧのパラボラ・ホーン形入力部やＭＺＩの方向性結合器などの集積装置のセグメントに共形層を付着させることにより、ＰＤＬの追加の原因をなくして、ＰＤＬに関する全体的性能を改善することができる。

上述した本発明の実施形態は、例として意図されているに過ぎない。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定されることが意図されている。

図１ａ〜１ｂは、ＴＭおよびＴＥ両モードの、複屈折によって乱された屈折率の階段プロファイルおよび光導波路の２次元像の図である。 図２ａ〜２ｂは、湾曲した導波路の、図１の屈折率プロファイルの図である。 図３ａ〜３ｂは、間隔が３．７ミクロンのときと、間隔が１０ミクロンのときの、方向性結合器のＴＭおよびＴＥ両モードの屈折率プロファイルを示すグラフである。 共形層のない従来技術の方向性結合器の断面図である。 共形層を含む本発明による方向性結合器の断面図である。 図５ａ〜５ｂは、図４ａの従来技術の装置における材料の屈折率、複屈折プロファイル、およびスーパモード・プロファイルを示すグラフである。図５ｃ〜５ｄは、図４ｂの装置における材料の屈折率、複屈折プロファイル、スーパモード・プロファイルを示すグラフである。 方向性結合器を含む、マッハ・ツェンダー干渉可変光減衰器またはスイッチの平面概略図である。 電気式可変光減衰器の平面概略図である。 例えばＡＷＧへの結合に用いる、パラボラ・ホーン形モード変換装置の概略平面図である。 Ｙスプリッタの概略平面図である。

Claims (16)

1. 基板と、
   前記基板上で支持される下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層上で支持され、４つの側面を有し、ある屈折率およびある熱膨張係数を有する導波路コアと、
   前記導波路コアの屈折率とは異なる屈折率を有する上部クラッド層と、
   前記導波路コアと前記上部クラッド層の間に配置され、前記導波路コアの少なくとも１つの面に接触する、熱膨張係数を合わせる材料とを含み、前記熱膨張係数を合わせる材料が、前記上部クラッド層の屈折率と実質的に等しい屈折率を有し、前記導波路コアの熱膨張係数と実質的に等しい熱膨張係数を有する、光信号を導く平面光導波路。
2. 前記上部クラッド層が、前記基板の熱膨張係数と実質的に等しい熱膨張係数を有する、請求項１に記載の平面光導波路。
3. 前記熱膨張係数を合わせる材料が、二酸化ケイ素材料、フッ素をドーピングしたリンケイ酸塩材料、およびホウ素をドーピングしたアルミノケイ酸塩材料から選択される、請求項１に記載の平面光導波路。
4. 前記熱膨張係数を合わせる材料が、前記導波路コアの上部および２つの側面上に共形層として付着される、請求項１に記載の平面光導波路。
5. 前記共形層が、少なくとも０．５ミクロンの厚さを有する、請求項４に記載の平面光導波路。
6. 前記熱膨張係数を合わせる材料が、湾曲した導波路コアの外側の少なくとも１つの側面に付着される、請求項１に記載の平面光導波路。
7. 前記熱膨張係数を合わせる材料が、モード結合に充分なほど近接した２つ以上の導波路コアに付着される、請求項１に記載の平面光導波路。
8. 前記熱膨張係数を合わせる材料が、２つの前記導波路コアの隣接する側面に、それらの間でモード結合が得られるように付着される、請求項７に記載の平面光導波路。
9. 前記熱膨張係数を合わせる材料が、前記導波路コアの上部および２つの側面上に共形層として付着される、請求項８に記載の平面光導波路。
10. 前記熱膨張係数を合わせる材料が、前記導波路コア間に強化のためのブロックとして付着される、請求項８に記載の平面光導波路。
11. 前記共形層が、２０ミクロン未満の間隔があいた各導波路コアに付着される、請求項９に記載の平面光導波路。
12. 請求項１に記載の平面光導波路の、タップ・カプラと、スプリッタと、可変光減衰器と、電気式可変光減衰器と、パラボラ・ホーン形装置とから選択される装置への使用方法。
13. 前記共形層が、前記導波路コアと前記上部クラッド層の間の選択された部分に付着される、請求項４に記載の平面光導波路。
14. 基板と、
    前記基板上で支持される下部クラッド層と、
    前記下部クラッド層上の２つの光導波路コアであって、それらの中を透過する光信号のモード結合をそれらの間で可能にするのに十分なほど互いに隣接して配置され、それぞれ４つの側面を有し、ある屈折率およびある熱膨張係数を有する２つの光導波路コアと、
    前記導波路コアの屈折率とは異なる屈折率を有する上部クラッド層と、
    隣接する前記導波路コアの間に配置され、互いに向かい合う前記導波路コアそれぞれの少なくとも１つの面と接触する、熱膨張係数を合わせる材料とを含み、前記熱膨張係数を合わせる材料が、前記上部クラッド層の屈折率と実質的に等しい屈折率を有し、前記導波路コアの熱膨張係数と実質的に等しい熱膨張係数を有する、平面光導波路装置。
15. 前記熱膨張係数を合わせる材料が、隣接する前記導波路コアの前記上部および２つの側面上に共形層を形成する、請求項１４に記載の平面光導波路装置。
16. 前記熱膨張係数を合わせる材料が隣接する前記導波路コア間のすべての材料を含み、前記隣接する導波路コアの間隔が５０ミクロン未満である、請求項１４に記載の平面光導波路装置。

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