JP5121836B2

JP5121836B2 - Ｐｌｃプラットフォーム上に集積されたｄｗｄｍ送信器アレイを監視するための回折格子タップのための方法およびシステム

Info

Publication number: JP5121836B2
Application number: JP2009531713A
Authority: JP
Inventors: シェン、シャオアンディ; バイ、ユシェン
Original assignee: ファーウェイテクノロジーズカンパニーリミテッド
Priority date: 2006-10-11
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: CN101501541B; US8050525B2; US20080089697A1; EP2062076A1; EP2062076B1; EP2062076A4; ES2378096T3; ATE540328T1; JP2010512543A; CN101501541A; WO2008046340A1

Description

本発明は、光ファイバトランスポートシステムに関し、特に、プレーナ光波回路（ｐｌａｎａｒｌｉｇｈｔｗａｖｅｃｉｒｔｕｉｔ）（ＰＬＣ）プラットフォーム上に集積された高密度波長分割多重（ｄｅｎｓｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）（ＤＷＤＭ）送信器を監視するための回折格子タップのための方法及びシステムを提供する。

１９９０年代初頭以来、高密度波長分割多重（ｄｅｎｓｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）（ＤＷＤＭ）用途のための、コンパクトで低コストの送信器の開発に、多大な努力が注がれてきた。有望なアプローチのうちの１つは、半導体レーザと、光タップと、アレイ導波路回折格子（ａｒｒａｙｅｄｗａｖｅｇｕｉｄｅｇｒａｔｉｎｇ）（ＡＷＧ）またはカプラなどの、シリカベースの導波路デバイスとを一緒に集積して、１×ＮＤＷＤＭ送信器アレイを得ることである。個別のデバイスに比較すると、このアプローチでは、送信器とＭＵＸユニットとの間のファイバジャンパが排除される。さらに、各送信器とＭＵＸとを、それらの独自の物理的なケースとファイバピグテイルとを使用して個々に実装する代わりに、このハイブリッド集積では、１つのみのボックスを、はるかに少ない数のピグテイルとともに使用する。さらに、送信器アレイの物理的サイズは、個別のデバイスを使用して作成されるものよりもはるかに小さいため、ポートの密度は大幅に増加する。

それらの従来のＤＷＤＭシステムはいくつかの分野において有用であるが、それらは、より広い適用分野におけるそれらの有効性を限定する、多くの制限を有する。それらの制限のうちのいくつかについて以下で説明し、次に、本発明の実施形態に基づく、改良された技術が提供される。

本発明は、光ファイバトランスポートシステムに関する。特に、本発明の一実施形態は、ＰＬＣプラットフォーム上に集積されたＤＷＤＭ送信器アレイ内の個々の光パワーを監視するための、コンパクトで低コストの、集積可能なソリューションを提供する。単なる例として、本発明は、回折格子の上方での、ＰＬＣ上にフリップチップ接合されたフォトダイオードによる検出のために、光パワーの一部を伝送媒体から外へ垂直に出るように向け直すための、シリカ／シリコン導波路上に形成された弱い屈折率の回折格子を使用するための方法を提供する。ただし、本発明は、はるかにより広い適用範囲を有するということが認識されるであろう。

本発明の特定の実施形態によれば、本発明は、シリカ層とシリコン層とを含むシリカ−オン−シリコン基板を含む、集積されたＤＷＤＭ送信器装置を提供する。シリカ−オン−シリコン基板は、窪んだ領域をさらに含む。送信器は、シリカ層内の複数の入力導波路と、シリカ層内の複数の回折格子とを含む。複数の回折格子のそれぞれは、入力導波路のうちの対応する１つに結合される。アレイ導波路回折格子が、シリカ層内に配置され、複数の入力導波路に結合される。少なくとも１つの出力導波路が、シリカ層内に配置され、アレイ導波路回折格子に結合される。送信器は、シリカ−オン−シリコン基板の窪んだ領域内に配置された複数のレーザをさらに含む。レーザのそれぞれは、複数の入力導波路のうちの対応する１つに光学的に結合される。送信器は、複数のフォトダイオードをさらに含み、複数のフォトダイオードのそれぞれは、複数の回折格子のうちの対応する１つの上方にある。

送信器の一実施形態では、シリカ層内の入力導波路のそれぞれは、クラッド領域によって取り囲まれたコア領域を含む。コア領域は、クラッド領域の屈折率よりも高い屈折率によって特徴付けられる。一実施形態では、複数の回折格子のそれぞれは、コア領域の上のクラッド領域の一部の中に配置される。回折格子のそれぞれは、複数の回折格子要素を含む。一実施形態では、複数の回折格子のそれぞれは、クラッド領域内に複数の回折領域を含み、複数の回折領域は、クラッド領域の屈折率とは異なる屈折率によって特徴付けられる。特定の例では、クラッド領域は非ドープシリカで形成され、回折領域はドープされたシリカで形成される。一実施形態では、複数の回折格子のそれぞれは、クラッド領域の一部の中に、複数の回折格子要素を含む。複数の回折格子要素のピッチは、コア領域の軸に対して９０度において最大の回折パワーを提供するように、そして一方で、後方反射を回避するように、選択される。いくつかの実施形態では、入力導波路は、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂との間の帯域内のＤＷＤＭ波長によって特徴付けられ、複数の回折格子のそれぞれの中の回折格子要素のピッチは、Ｌ₁＝ｍ（λ₁／ｎ）／２とＬ₂＝ｍ（λ₂／ｎ）／２との間の範囲の外から選択され、ここで、ｎは導波路の屈折率であり、ｍは整数である。特定の実施形態では、コア領域はドープされたシリカを含み、クラッド領域は非ドープシリカを含む。一実施形態では、入力導波路は、Ｃバンド（１５３０〜１５６０ｎｍ）内のＤＷＤＭ波長によって特徴付けられ、複数の回折格子要素のピッチは、５１０〜５２０ｎｍ、１０２０〜１０４０ｎｍ、および１５３０〜１５６０ｎｍの範囲の外から選択される。

代替の実施形態によれば、本発明は、集積されたＤＷＤＭ送信器装置を形成するための方法を提供する。本方法は、シリコン層を提供することと、シリコン層の上のシリカ層内に光合波器を形成することとを含む。光合波器は、複数の入力導波路と、少なくとも１つの出力導波路とを含む。光合波器を形成することは、以下のプロセスを含む。シリコン層の上に第１のシリカクラッド層を形成することと、第１のシリカクラッド層の上にシリカコア層を形成することと、シリカコア層の少なくとも一部をエッチングすることと、エッチングされたシリカコア層と、第１のシリカクラッド層との上に、第２のシリカクラッド層を蒸着することと。

本方法は、第２のシリカクラッド層内に複数の回折格子を形成することをさらに含む。複数の回折格子のそれぞれは、入力導波路のうちの対応する１つに結合される。本方法は、表面を露出させるために、シリカ層の少なくとも第１の部分を取り除くことと、複数の半導体レーザを表面に装着することとを含む。レーザのそれぞれは、複数の入力導波路のうちの対応する１つに光学的に結合される。本方法は、シリカ層に複数のフォトダイオードを、複数のフォトダイオードのそれぞれが、複数の回折格子のうちの対応する１つの上にあるように、取り付けることをさらに含む。

本方法の特定の実施形態では、第１のシリカクラッド層は、非ドープシリカ層を含む。一実施形態では、第２のシリカクラッド層は、非ドープシリカ層を含む。一実施形態では、シリカコア層は、ドープされたシリカ層を含む。特定の実施形態では、複数の回折格子のそれぞれは、複数の回折領域を、コア領域の上のクラッド領域の一部の中に含む。複数の回折領域は、クラッド領域の屈折率とは異なる屈折率によって特徴付けられる。特定の実施形態では、クラッド領域は非ドープシリカで形成され、回折領域はドープされたシリカで形成される。代替の実施形態では、複数の回折格子は、マスクを使用したＵＶ露光を使用して形成される。特定の実施形態では、複数の回折格子のそれぞれは、クラッド領域の一部の中に、複数の回折格子要素を含み、複数の回折格子要素のピッチは、コア領域の軸に対して９０度において最大の回折パワーを提供するように、そして一方で、後方反射を回避するように、選択される。

本発明により、従来の技術に勝る多くの利点が達成される。例えば、ある実施形態において、本発明は、ＰＬＣプラットフォーム上に集積されたＤＷＤＭ送信器アレイ内の光パワーを監視するための、コンパクトで低コストの、集積可能なソリューションを提供する。本発明のいくつかの実施形態は、集積された能動／受動光学系（ａｃｔｉｖｅ／ｐａｓｓｉｖｅｏｐｔｉｃｓ）の中の光パワーを監視するための、非常にコンパクトで低コストのソリューションを提供する。特定の実施形態では、光を向け直す方法は、チップ上の追加の「面積（ｒｅａｌｅｓｔａｔｅ）」を必要とせず、かつ、他の従来の技術に比較して、より良いまたは同等の性能を提供する。本発明のさまざまな実施形態は、さらに、レーザおよびフォトダイオードのモノリシック集積に比較して、レーザ送信器に対するいくつかの制限を解消する。したがって、より高性能な送信器および集積された光デバイスが、本発明を使用して構築されることが可能である。

本発明のさまざまな追加の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な説明と添付の図面とを参照することによって、より完全に理解することができる。

本発明の一実施形態による、パワー監視のために回折格子タップを使用する、集積された１×４ＤＷＤＭ送信器アレイの略図である。本発明の別の実施形態による、ハイブリッド集積されたＤＷＤＭ送信器の簡略化された上面図である。本発明の別の実施形態による、図２Ａのハイブリッド集積されたＤＷＤＭ送信器の簡略化された拡大断面図である。本発明の一実施形態による集積された送信器アレイの１つのブランチの略図である。本発明の一実施形態による干渉条件を示す略図である。本発明の一実施形態による、集積されたＤＷＤＭ送信器を作成するための方法の簡略化されたフローチャートである。

上述のように、半導体レーザと、光タップと、ＡＷＧまたはカプラなどの、シリカベースの導波路デバイスとを一緒に集積して、１×ＮＷＤＭ送信器アレイを得ることによって、光送信器アレイの構成要素の数と、サイズとは、減らされることが可能である。

しかし、そのような集積アプローチは、理論的には妥当であるが、実施を試みる場合、多くの困難を有する。例えば、良好な歩留まりを得るためには、半導体光増幅器（ＳＯＡ）などの、いかなる光増幅器も、送信器内に集積することは避ける必要がある。ＳＯＡがなければ、ＭＵＸの後の送信器パワーは、例えば８０ｋｍを超える、長い到達距離の適用例のためには十分ではないことが多い。送信器出射パワーに関連する１つの問題は、パワー監視のために、個別のフォトダイオードチップを使用することの要求である。信号は、光カプラを使用して、光路に沿ってタップされなければならないことが多い。そのような集積アプローチでは、これは、集積されたカプラを、光をカプラ出力から検出器に向ける機構とともに使用することを意味しており、それにより集積の複雑さは、したがってコストは、大幅に増加する。

ＰＬＣ導波路内の光信号を監視するための現在の技術は、監視される信号を有する導波路に弱く結合された追加の導波路を作成することと、フォトダイオードによって光が検出されることが可能な、チップの端まで、その導波路を通すこととを含む。それらの技術は、有効ではあるが、導波路の交差を防止するために、大きなチップサイズを必要とし、しかしそのようなチップは、特に、集積される送信器の数が増加した場合、端においてフォトダイオード（ＰＤ）を取り付けるための十分なスペースを提供しない。

タップと、分布帰還型（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｆｅｅｄｂａｃｋ）（ＤＦＢ）レーザなどの送信器との、モノリシック集積は、一般的ではあるが、送信器の出力パワーを減少させる。ＤＷＤＭの多くの適用例では、この減少は、言い換えると、より小さなネットワークとより短い到達距離ということになる。

上記から、集積されたＤＷＤＭ送信器内の光パワーを監視するための、新しい、より単純な、かつ費用効率の高いアプローチが、したがって必要とされているということがわかる。

実施形態に応じて、本発明は、使用されてもよいさまざまな特徴を含む。それらの特徴は、以下を含む。
１．集積された導波路内の、屈折率の周期的変化が、光の一部を導波路から外に出るように向け直すために使用される。
２．導波路コアの外部の、クラッド領域内に、回折格子構造を配置するための方法が提供される。
３．向け直される角度は、導波路表面に対して、９０度に近いが等しくはない角度に、または、後方反射のない任意のその他の所望の角度に、設定されてもよい。
４．そのような周期的構造を形成するための方法が提供される。

示されるように、上記の特徴は、以下で提示する実施形態のうちの１つ以上の中にあってもよい。それらの特徴は、単なる例にすぎず、本出願の範囲を不当に制限すべきではない。当業者は、多くの変形、修正、および代替を認識するであろう。

図１は、本発明の一実施形態による、パワー監視のために回折格子タップを使用する、集積された１×４ＤＷＤＭ送信器アレイの略図である。この図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に制限すべきではない。当業者は、その他の変形、修正、および代替を認識するであろう。図示されているように、集積されたＤＷＤＭ送信器１００は、シリコンベンチ１０１と、シリコンベンチ内の光合波器とを含む。特定の実施形態では、光合波器は、シリコンベンチ内のシリカ−オン−シリコンプレーナ光波回路（ＰＬＣ）内に作られたアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）１１０を含む。集積された送信器１００は、例えば１４１〜１４４などの、１つ以上のレーザをさらに含む。好ましい実施形態では、レーザは、ＩｎＰで作られたＤＭＬレーザを含む。いくつかの実施形態では、レーザ１４１〜１４４は、レーザアレイチップ内に形成されてもよい。他の実施形態では、レーザ１４１〜１４４は、個別のレーザチップであってもよい。もちろん、その他の変形、修正、および代替が存在してもよい。

特定の実施形態では、ＡＷＧ１１０は、１つの光出力導波路１１２と、複数の入力導波路１１３と、回折格子導波路１１６とを含む。一実施形態では、出力導波路１１２は、光伝送システムに結合されていてもよい光ファイバ１１９に光学的に結合される。特定の実施形態では、回折格子導波路１１６は、入力および出力導波路に結合するための複数の導波路を含む。１１６内の回折格子導波路は、波長分割多重および分離機能を実行するために、さまざまな長さを有する。

本発明の一実施形態によれば、集積された送信器１００は、入力導波路に結合された、１５１などの回折格子タップを、導波路内の光パワーを監視するために含む。特定の実施形態では、１６１などのフォトダイオードと、１５１などの回折格子タップとが、入力導波路に結合される。集積された送信器のさらなる詳細を、以下で提示する。

図２Ａは、本発明の一実施形態による、ハイブリッド集積されたＤＷＤＭ送信器の簡略化された上面図である。この図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に制限すべきではない。当業者は、その他の変形、修正、および代替を認識するであろう。参照を容易にするために、図１、図２Ａ、および図２Ｂにおいて、同様の構成要素には同じ番号が付されている。図２Ａに示すように、ハイブリッド集積されたＤＷＤＭ送信器２００は、シリコンベンチ１０１を含む。特定の実施形態では、シリコンベンチ１０１は、シリカ−オン−シリコン基板を含む。ハイブリッド送信器２００は、シリコンベンチ内の光合波器をさらに含む。特定の実施形態では、光合波器は、シリコンベンチ内のシリカ−オン−シリコンプレーナ光波回路（ＰＬＣ）内に作られたアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）１１０を含む。ハイブリッド送信器２００は、例えば１１４および１１５などの、１つ以上のマルチレーザアレイチップをさらに含む。好ましい実施形態では、レーザアレイチップは、ＩｎＰで作られたＤＭＬレーザを含む。特定の実施形態では、各ＩｎＰレーザアレイチップは、例えばレーザ１４１〜１４４などの、２つ以上のレーザを含む。他の実施形態では、レーザ１４１〜１４４は、個別のレーザチップ内に形成されてもよい。もちろん、その他の変形、修正、および代替が存在してもよい。

特定の実施形態では、ＡＷＧ１１０は、１つの光出力ポート１１２と、複数の入力ポート１１３と、回折格子導波路１１６とを含む。一実施形態では、出力ポート１１２は、光伝送システムに結合されていてもよい光ファイバ１１９に光学的に結合される。出力および入力ポートは、例えば、すべて導波路の形態で実施されてもよい。特定の実施形態では、回折格子導波路１１６は、入力および出力ポートに結合するための複数の導波路を含む。それらの導波路は、波長分割多重および分離機能を実行するために、さまざまな長さを有する。いくつかの実施形態では、ＡＷＧの各入力ポートは、光伝送に関連付けられた、中心波長と通過帯域とを有する。特定の実施形態では、中心波長は、例えば１９３．１ＴＨｚなどの、ＩＴＵ−Ｔ標準で規定された周波数に関連付けられた、特定の波長に一致する。

図２Ｂは、本発明の一実施形態による、図２Ａのハイブリッド集積されたＤＷＤＭ送信器２００の簡略化された断面図である。この図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に制限すべきではない。当業者は、その他の変形、修正、および代替を認識するであろう。図示されているように、導波路は、シリコン基板１２４上の非ドープシリカ層１２２に囲まれた、ドープされたシリカ領域１２１を含む。特定の実施形態では、ドープされたシリカ領域１２１は、非ドープシリカ領域よりも高い屈折率を有する。特定の例では、ドープされたシリカ領域１２１は、約１．４７の屈折率を有し、非ドープシリカ領域は、約１．４５の屈折率を有する。

本発明の実施形態によれば、集積された送信器２００は１つ以上のレーザアレイチップを含み、そして、各レーザアレイチップは２つ以上のレーザを含んでもよい。図２Ａに示す特定の実施形態では、集積された送信器２００は、２つの直接変調レーザ（ｄｉｒｅｃｔ−ｍｏｄｕｌａｔｅｄｌａｓｅｒ）（ＤＭＬ）アレイチップ１１４および１１５を含む。この特定の例では、ＤＭＬアレイチップ１１４および１１５のそれぞれは、ＩｎＰで作られた４つの直接変調レーザ（ＤＭＬ）１４１〜１４４を含む。他の実施形態では、レーザ１４１〜１４４は、個別のレーザチップであってもよい。特定の実施形態では、ＤＭＬは、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザのタイプであり、したがって単一周波数モードで動作させられる。いくつかの実施形態では、ＤＭＬは、例えば１９３．１ＴＨｚなどの、ＩＴＵ−Ｔ標準で規定された特定の波長（周波数）を中心として動作する。もちろん、当業者は、その他の変形、修正、および代替を認識するであろう。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ＤＭＬアレイは、単一のＤＭＬチップであってもよい。別の実施形態では、ＤＭＬは、集積されたＣＷレーザと変調器と（例えば、集積されたＤＦＢレーザと電界吸収型（ｅｌｅｃｔｒｏ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）（ＥＡ）変調器と）によって置き換えられてもよい。代替の実施形態では、レーザは、分布ブラッグ回折格子（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ）（ＤＢＲ）レーザであってもよい。さまざまな実施形態において、ＡＷＧは、広帯域Ｎ×１ＰＬＣ導波路結合器によって置き換えられてもよい。ある実施形態では、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）またはエルビウムドープ導波路増幅器（ＥＤＷＡ）が、広帯域結合器の過剰な損失を補うために使用されてもよい。

図２Ａに示すように、本発明のいくつかの実施形態によれば、ＤＭＬアレイチップは、ＡＷＧ１１０の入力ポート１１３の付近で、シリコンベンチ１０１の一部の上に装着される。一実施形態では、この装着は、ｐサイドダウン（ｐ−ｓｉｄｅｄｏｗｎ）のフリップチップ方法を使用して実行される。実施形態によっては、好適な接着剤を使用したその他のボンディング方法が使用されてもよい。図２Ｂにおいて、シリコンベンチ１０１は、シリカ−オン−シリコン基板を含む。シリコンベンチの一領域は、ＡＷＧ導波路を含む。シリコンベンチの別の領域では、シリカの一部が取り除かれて、窪んだ領域が形成され、そして、シリコン基板の上に残っているシリカの表面上にＤＭＬアレイチップが装着される。別の実施形態では、シリコンベンチの第２の領域内のシリカ層が取り除かれ、そして、露出したシリコン表面上にＤＭＬアレイチップが装着される。

本発明の特定の実施形態によれば、シリコンベンチは、図２Ｂに示すように、支持構成要素１３０上に装着される。特定の実施形態では、支持構成要素１３０は、光サブマウント１３２と温度調節構成要素１３４とを含む。温度調節構成要素は、導波路、ＡＷＧ、およびＤＭＬなどの、光構成要素を、例えば約２５℃などの、好適な動作温度に維持する。特定の実施形態では、温度調節構成要素は、熱電冷却器（ｔｈｅｒｍａｌｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｏｌｅｒ）（ＴＥＣ）を含む。ある実施形態では、集積された送信器１００は、温度調節のために、レーザのそれぞれの近傍に、マイクロヒータをさらに含む。一実施形態では、動作温度において、ＤＭＬの中心波長は、例えば、１９３．１ＴＨｚ、１９３．２ＴＨｚ、１９３．３ＴＨｚなどの、ＡＷＧ入力ポートの中心波長にほぼ一致する。一般に、ＡＷＧの中心波長は、約０．０１ｎｍ／℃で温度とともに移動する可能性があり、ＩｎＰレーザの中心波長は、約０．１ｎｍ／℃で温度とともに移動する。いくつかの実施形態では、支持構成要素１３０は、温度調節構成要素１３４の上に、サブマウント１３２をさらに含む。一実施形態では、サブマウント１３２は、機械的強度を提供する、金属またはセラミックスを含む材料で作られている。サブマウントは、レーザおよび導波路などの、光構成要素の温度を、温度調節構成要素が制御するために必要とされる、良好な熱伝導性をさらに有する。

図３は、本発明の一実施形態による集積された送信器アレイの１つのブランチの略図である。この図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に制限すべきではない。当業者は、その他の変形、修正、および代替を認識するであろう。図示されているように、この断面図は、ＡＷＧ（図示せず）において他の入力導波路と組み合わせられる前の、レーザダイオードチップ３１５の近くに位置する、入力導波路３１３の一部を示す。一実施形態では、導波路３１３は、図２Ａおよび図２Ｂに関連して説明したシリカ層内に位置する。導波路３１３は、図２Ａおよび図２Ｂに示した導波路と同様に、クラッド領域３２２によって取り囲まれたコア領域３２１を含む。特定の実施形態では、コア領域は、クラッド層の屈折率よりも高い屈折率によって特徴付けられる。一実施形態では、コア領域３２１は、非ドープシリカクラッド層３２２に囲まれた、ドープされたシリカ領域であってもよい。

本発明の実施形態によれば、屈折率回折格子３５１が、レーザダイオード３１５に結合された導波路３１３の上にあるように形成される。回折格子３５１は、通常、複数の回折格子要素を含む。一実施形態では、回折格子３５１は、クラッド領域３２２の一部の中に、複数の回折領域を含む。それらの回折領域は、クラッド領域の屈折率とは異なる屈折率によって特徴付けられる。一実施形態では、回折格子３５１は、導波路コア領域３２１の上のクラッド領域３２２内に、伝搬方向に沿って配置される。コアに沿って光が伝搬する際に、クラッド内の界面近くを伝搬している光（クラッドモードとして知られている）の一部は、回折格子３５１に到達すると、屈折率の周期的な変化に遭遇する。光のこの部分は、上記の図に示されているように、回折させられて回折格子から離れる。回折格子に沿った各ピッチからの、回折させられた光は、さまざまな角度において建設的および相殺的に相互に干渉する。本発明の特定の実施形態は、伝搬方向に対してほぼ垂直な方向において建設的干渉が発生することが可能な、回折格子の設計を提供する。本発明の実施形態によれば、回折格子からの回折させられた光の量は、導波路内の光に正比例する。本発明の特定の実施形態では、フォトダイオード３６１が回折格子３５１の上方に配置され、そして、導波路内の光パワーが正確に監視されてもよい。

図３に示す実施形態では、回折格子は、導波路チップ内の、コアの上に埋め込まれ、そして、フォトダイオードは、回折格子の上方に配置される。したがって、本発明の実施形態によれば、そのような送信器を設計する場合、追加のチップ空間は必要とされない。一実施形態では、コアから検出器への結合効率は、主として、回折格子からクラッド／コア界面までの距離によって決定される。距離がより近ければ、それだけ効率は高くなる。

特定の実施形態では、回折格子は、導波路の形成について上述した技術と類似した技術を使用して形成される。例えば、回折格子内の回折領域は、クラッドとは異なる屈折率を有する回折格子材料を蒸着することと、回折格子材料を所望の形状にエッチングすることと、クラッド材料の層を使用してそれを覆うこととによって形成されてもよい。特定の実施形態では、クラッド領域は非ドープシリカで形成され、そして、回折領域はドープされたシリカで形成されてもよい。実施形態によっては、その他の方法が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、回折格子は、マスクを使用したＵＶ露光によって製造されてもよい。例えば、ＵＶ露光は、回折格子を形成するために、導波路のクラッド領域内の、特定の回折領域内の屈折率を変更するために使用されてもよい。

図４は、本発明の一実施形態による干渉条件を示す略図である。この図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に制限すべきではない。当業者は、その他の変形、修正、および代替を認識するであろう。図３に示されているように、９０度（チップ表面に対して垂直）近くの反射角における、建設的干渉のための条件は、次の式によって決定される。
Ｌ−Ｌ＊ｓｉｎ（θ）＝ｍ＊λ／ｎ
上式で、θは９０度からずれた角度であり、ｍは整数であり、λは送信器の波長であり、ｎは導波路内の屈折率であり、Ｌは周期的回折格子のピッチである。

１次の建設的干渉、ｍ＝１については、Ｌ＝λ／ｎの場合に、９０度において最大の回折パワーが得られる。しかし、この条件では、レージング波長との共振の際に強い後方反射が生成されて、送信器の波長／パワーの高い不安定性が引き起こされる。そのような後方反射を有するための一般的な条件は、θを−９０度に等しくすることによって、すなわち、次によって与えられる。
Ｌ＝ｍ（λ／ｎ）／２

本発明の一実施形態では、Ｃバンド（１５３０〜１５６０ｎｍ）内のＤＷＤＭ波長について、シリカ導波路（ｎ＝１．５）内での、この間隔は、５１０〜５２０ｎｍ、１０２０〜１０４０ｎｍ、または１５３０〜１５６０ｎｍなどであってはならない。したがって、本発明の特定の実施形態によれば、Ｌを選択するための規則は、間隔値はできるだけλに近くなければならないが、上述のいずれの１つのウィンドウにも入らない、というものである。言い換えると、第１の波長λ₁と第２の波長λ₂との間の帯域内の波長によって特徴付けられる導波路について、回折格子のそれぞれの中の回折格子要素のピッチは、Ｌ₁＝ｍ（λ₁／ｎ）／２とＬ₂＝ｍ（λ₂／ｎ）／２との間の範囲の外から選択され、ここで、ｎは導波路の屈折率であり、ｍは整数である。

上記は、集積されたＤＷＤＭ送信器システムのための構成要素の選択されたグループを使用して示してきたが、多くの代替、修正、および変形が可能である。例えば、構成要素のうちのいくつかは、拡張されてもよく、かつ／または、組み合わせられてもよい。その他の構成要素が、上記の構成要素に挿入されてもよい。実施形態によっては、構成要素の配置は交換されてもよく、その他の構成要素は置き換えられてもよい。

図５は、本発明の一実施形態による、集積されたＤＷＤＭ送信器を作成するための方法を示す、簡略化されたフローチャートである。この図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に制限すべきではない。当業者は、その他の変形、修正、および代替を認識するであろう。本方法は、図５のフローチャートを参照して、以下のように簡潔に概説することができる。
１．（プロセス５１０）シリコン層を提供する。
２．（プロセス５２０）シリコン層の上のシリカ層内に光合波器を形成する。
３．（プロセス５３０）シリカ層内に回折格子を形成する。
４．（プロセス５４０）窪みを形成するため、および、表面を露出させるために、シリカ層の第１の部分を取り除く。
５．（プロセス５５０）表面にレーザチップを装着する。
６．（プロセス５６０）フォトダイオードを、回折構成の上にあるように取り付ける。

図示されているように、図５は、集積されたＤＷＤＭ送信器装置を作成するための方法を示す。次に、本方法について以下で説明するが、特定の詳細については図１〜図４を参照すればより良く理解できる。本方法は、（プロセス５１０）シリコン層を提供することと、（プロセス５２０）シリコン層上に配置されたシリカ層内に光合波器を形成することとを含む。一実施形態では、光合波器は、複数の入力導波路と、少なくとも１つの出力導波路とを含む。一実施形態では、光合波器は、アレイ導波路回折格子をさらに含む。特定の実施形態では、光合波器を形成するプロセス（プロセス５２０）は、以下のプロセスを含む。シリコン層上に第１のシリカクラッド層を形成することと、第１のシリカクラッド層上にシリカコア層を形成することと、シリカコア層の少なくとも一部をエッチングすることと、エッチングされたシリカコア層と、第１のシリカクラッド層との上に、第２のシリカクラッド層を蒸着することとを含む。一実施形態では、第１のシリカクラッド層と第２のクラッド層とは、非ドープシリカ層である。シリカコア層は、ドープされたシリカ層であってもよい。

プロセス５３０において、本方法は、導波路内の光パワーを監視するために、光信号をフォトダイオードに向けるための、回折格子をシリカ層内に形成することを含む。図３に関連して上述したように、特定の実施形態では、屈折率回折格子３５１は、レーザダイオード３１５に結合された導波路３１３上にエッチングされる。特定の実施形態では、回折格子３５１は、クラッド領域３２２の一部の中に、複数の回折領域を含む。一実施形態では、回折格子３５１は、導波路コア領域３２１の上のクラッド領域３２２内に、伝搬方向に沿って配置される。特定の実施形態では、クラッド領域は非ドープシリカで形成され、そして、回折領域はドープされたシリカで形成されてもよい。いくつかの実施形態では、回折格子は、マスクを使用したＵＶ露光によって製造されてもよい。例えば、ＵＶ露光は、回折格子を形成するために、導波路のクラッド領域内の、特定の回折領域内の屈折率を変更するために使用されてもよい。

プロセス５４０において、本方法は、窪んだ領域を形成するため、および、表面を露出させるために、シリカ層の少なくとも第１の部分を取り除くことを含む。実施形態によっては、露出される表面は、シリコン表面またはシリカ表面であってもよい。プロセス５５０において、本方法は、半導体レーザチップを表面に装着することを含む。特定の実施形態では、レーザアレイチップのそれぞれは、１つ以上のＩｎＰレーザダイオードを含む。装着は、例えば、フリップチップ装着方法を使用して実行されてもよい。レーザアレイチップのそれぞれは、複数の入力導波路のうちの対応する１つに光学的に結合される。本方法は、複数のフォトダイオードを、複数のフォトダイオードのそれぞれが、複数の回折格子のうちの対応する１つの上にあるように、取り付けることをさらに含む（プロセス５６０）。

上記の一連のプロセスは、本発明の一実施形態による、集積されたＤＷＤＭ送信器装置を作成するための方法を提供する。図示されているように、本方法は、シリカ−オン−シリコン基板内に光合波器を作成する方法と、基板の一部の上にレーザアレイチップを装着する方法とを含む、プロセスの組み合わせを使用する。ステップが追加された、または１つ以上のステップが削除された、または１つ以上のステップが異なる順序で提供される、他の代案が、特許請求の範囲を逸脱することなく提供されてもよい。本方法のさらなる詳細は、本明細書全体を通して見出すことができる。

本発明により、従来の技術に勝る多くの利点が達成される。例えば、ある実施形態において、本発明は、ＰＬＣプラットフォーム上に集積されたＤＷＤＭ送信器アレイ内の個々の光パワーを監視するための、コンパクトで低コストの、集積可能なソリューションを提供する。本発明のいくつかの実施形態は、集積された能動／受動光学系の中の光パワーを監視するための、非常にコンパクトで低コストのソリューションを提供する。特定の実施形態では、光を向け直す方法は、チップ上の追加の「面積」を必要とせず、かつ、より良い／同等の性能を提供する。本発明のさまざまな実施形態は、さらに、レーザおよびフォトダイオードのモノリシック集積に比較して、レーザ送信器に対するいくつかの制限を解消する。したがって、より高性能な送信器および集積された光デバイスが、本発明を使用して構築されてもよい。

本発明の好ましい実施形態について例示し説明してきたが、本発明はそれらの実施形態のみに限定されないということは明らかである。特許請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲を逸脱することのない、多くの修正、変更、変形、置換、および均等物が、当業者にとって明白であろう。

Claims

シリカ層とシリコン層とを含み、窪んだ領域を有するシリカ−オン−シリコン基板と、
前記シリカ層内の複数の入力導波路であって、該シリカ層内の複数の入力導波路のそれぞれはクラッド領域により囲まれたコア領域を備え、該コア領域の屈折率は前記クラッド領域の屈折率よりも高い、前記複数の入力導波路と、
前記シリカ層内にあり、それぞれが前記入力導波路のうちの対応する１つに結合された複数の回折格子であって、該複数の回折格子のそれぞれは、前記コア領域の上方の前記クラッド領域の部分に形成され、且つ、前記クラッド領域の部分に囲まれており、前記コア領域及び前記クラッド領域に沿って光が伝播する際に光が前記複数の回折格子により回折される、前記複数の回折格子と、
前記シリカ層内にあり、前記複数の入力導波路に結合されたアレイ導波路回折格子と、
前記シリカ層内にあり、前記アレイ導波路回折格子に結合された少なくとも１つの出力導波路と、
前記シリカ−オン−シリコン基板の前記窪んだ領域内に配置された、それぞれが前記複数の入力導波路のうちの対応する１つに光学的に結合された複数のレーザと、
それぞれが前記複数の回折格子のうちの対応する１つの上方にあり、それぞれが対応する入力導波路の光パワーを監視する複数のフォトダイオードと、
を備える集積されたＤＷＤＭ送信器装置。
前記複数の回折格子のそれぞれは、前記クラッド領域内に複数の回折領域を含み、前記複数の回折領域は、前記クラッド領域の屈折率とは異なる屈折率によって特徴付けられる、請求項１に記載の装置。
前記クラッド領域は非ドープシリカを含み、前記回折領域はドープされたシリカを含む、請求項２に記載の装置。
前記複数の回折格子のそれぞれは、前記クラッド領域の一部の中に複数の回折格子要素を含み、前記複数の回折格子要素のピッチは、前記コア領域の軸に対して９０度において最大の回折パワーを提供し且つ後方反射を回避するように選択される、請求項１に記載の装置。
シリコン層を提供することと、
前記シリコン層の上のシリカ層内に、複数の入力導波路と少なくとも１つの出力導波路とを含む光合波器を形成することであって、
前記シリコン層の上に第１のシリカクラッド層を形成することと、
前記第１のシリカクラッド層の上にシリカコア層を形成することと、
前記シリカコア層の少なくとも一部をエッチングすることと、
前記エッチングされたシリカコア層と前記第１のシリカクラッド層との上に第２のシリカクラッド層を蒸着することと、
を含む、前記光合波器を形成することと、
前記第２のシリカクラッド層内に、それぞれが前記入力導波路のうちの対応する１つに結合し、且つ、前記第２のシリカクラッド層に囲まれる複数の回折格子であって、前記シリカコア層及び前記第２のシリカクラッド層に沿って光が伝播する際に光が前記複数の回折格子により回折される、前記複数の回折格子を形成することと、
表面を露出させるために前記シリカ層の少なくとも第１の部分を取り除くことと、
前記表面に、それぞれが前記複数の入力導波路のうちの対応する１つに光学的に結合される複数の半導体レーザを装着することと、
前記シリカ層に、それぞれが対応する入力導波路の光パワーを監視する複数のフォトダイオードを、前記複数の回折格子のうちの対応する１つの上方に取り付けることと、
を含み、
前記シリカコア層の屈折率は、前記第２のシリカクラッド層の屈折率よりも高い、
集積されたＤＷＤＭ送信器装置を形成するための方法。
前記第１のシリカクラッド層は、非ドープシリカ層を含み、及び／又は、前記第２のシリカクラッド層は、非ドープシリカ層を含む、請求項５に記載の方法。
前記シリカコア層は、ドープされたシリカ層を含む、請求項５に記載の方法。
前記複数の回折格子のそれぞれは、前記第２のシリカクラッド層の中に複数の回折領域を含み、前記複数の回折領域は、前記第２のシリカクラッド層の屈折率とは異なる屈折率によって特徴付けられる、請求項５に記載の方法。
前記第２のシリカクラッド層は非ドープシリカを含み、前記回折領域はドープされたシリカを含む、請求項８に記載の方法。
前記複数の回折格子は、マスクを使用したＵＶ露光を使用して形成される、請求項９に記載の方法。
前記複数の回折格子のそれぞれは、前記第２のシリカクラッド層の一部の中に複数の回折格子要素を含み、前記複数の回折格子要素のピッチは、前記シリカコア層の軸に対して９０度において最大の回折パワーを提供し且つ後方反射を回避するように選択される、請求項５に記載の方法。