JP5226167B2 - テーパ型平面光導波路 - Google Patents
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Description
本願は、デービッド A.G.ディーコンの「統合導波管用レンズ状構造(LENTICULAR STRUCTURE FOR INTEGRATED WAVEGUIDES)」という名称の米国特許出願第 / 号(整理番号9910US)と同時に提出され、その開示をすべての目的で本明細書に組み込まれる。
発明の背景
テーパ形光導波路は、様々な次元のモードをサポートする導波路を効果的に相互接続するために有用である。半導体レーザ・チップは、一般に光学モードを厳密にガイドする導波路を含むが、、レーザ光を伝送する光ファイバは弱くガイドするため、レーザをファイバに直接接続した場合は、モードが整合しにくい。多数の手法が、そのような相互接続の効率を改善するために使用されてきた。縦型、横型、及び屈折率テーパは、R.ローガンの1976年8月31日の米国特許第3,978,426号、R.K.ウィン他のIEEE Trans.Microwave Theory and Techniques MTT23 92(1975年)、及びP.G.ズコスキ・ジュニア他のJ.Light.Techno1ogy、LT5 1246(1987年)によって示された。導波路のクラッド及びファイバはテーパ化された。これについては、J.ハマーの1988年9月27日の米国特許第4773720号、及びH.シュナイダの1989年1月3日の米国特許第4,795,228号を参照されたい。垂直方向及び長手方向での多段テーパは、T.コッホの1990年6月5日の米国特許第4,932,032号、及びP.メルマンの1993年11月9日の米国特許第5,261,017号によって示された。単一及び複数の水平及び垂直テーパを有する結合型導波路の対は、Y.シャニ他のAppl.Phys.Lett.55 2389(1989年)、E.カポンの1992年1月7日の米国特許第5,078,516号、ゼンガール他のElect.Lett.28 631(1992年)、B.ステグミユエラの1993年3月30日の米国特許第5,199,092号、及びR.スミス他のIEEE Photon.Technology Lett.8 1052(1996年)によって示された。セグメント化されたテーパは、Z.ワイスマン他のJ.Light.Technology、111831(1993年)、及びR.アダーの1996年11月19日の米国特許第5,577,141号によって示されている。最近、半導体レーザにおける一体化されたテーパの最適化にも相当な努力が払われている。しかし、特定の実施に当てはまる実際的な制約により、材料及び幾何形状に応じて様々な結合手法が必要とされる傾向がある。すなわち、製品を製造しパッケージ化するために使用される工程は、互いに両立し、使用材料及び構成要素レイアウトと両立しなければならない。ハイブリッド構成で平面型導波路チップと当接結合されるレーザ・チップの間で結合を最適化するために、テーパ及び導波路の特有の幾何形状が必要とされる。
本発明によれば、第1の基板から第1の距離だけ上方に作製される第1の導波路は、第2の基板から第2の距離だけ上方に作製され且つ第2の導波路に平行結合される第3の導波路により、第2の基板上に作製される第2の導波路と効果的に結合され得る。2つの基板は、それぞれ2つの結合表面間の間隙を横切ってエネルギーを結合するように接続される。一つの実施の形態では、第1導波路基板を第2導波路基板に対して裏返し、2つの基板が第1及び第2の距離の合計だけ離間される。他の直立型の実施の形態では、2つの基板が、第1及び第2の距離の差だけ離間される。他の一つの実施の形態では、第1基板がキャリア基板に結合され、キャリア基板は、第2導波路基板に取り付けられる。特定の一つの実施の形態では、第1導波路が、第2導波路にフリップチップ結合されるシングル・モード半導体レーザ導波路であり、第2導波路は、半導体レーザにエンドファイア結合されたシングル・モード・タンタラ(tantala)構造である第3導波路に平行結合されるシリカ導波路構造である。導波路結合は、2つのチップ間の間隙において高屈折率材料を用いて最適化することができ、導波路の熱特性は、導波路構造内でポリマーを使用することによって改善することができる。これは、ボンディング及び堆積を含む後続のステップに工程温度制約を強いる。
特定の実施の形態の説明
熱光学材料は好都合かつ丈夫であり、ヒータの作動時に作動又は同調する光デバイスに組み込むことができる。しかし、通信などの応用分野の場合、信頼性のために熱に感じないデバイスが必要とされる。本発明は、熱感応性の高い同調構成要素を、その動作の重要な局面で温度に不感のデバイスに含める特有の方法について記述するものである。本発明の一つの実施の形態においては、温度に依存しない1組の準備された周波数の間でチャネル切替えされる、光を放出する周波数同調可能レーザについて述べられる。本発明の他の実施の形態では、温度に依存しない1組の準備された周波数の間でチャネル切替えされる周波数を交差接続する周波数同調可能交差接続デバイスについて記述される。
当技術分野で周知のように、レーザ同調は、典型的に相互依存する2つの要因、すなわち、a)その相互作用帯域内で動作が起こる格子など周波数選択要素を同調させること、及び、b)周波数選択要素の帯域内でレーザ光を発する正確な光周波数を決定するレーザの長手モードを同調させることを必要とする。例えば、DBR(分布型ブラッグ反射器)では、チップ温度を変化させると、格子周波数及びモード周波数が、典型的には異なる率でシフトし、モード・ホッピング挙動を招く。
本発明の他の態様では、熱光学ポリマーの領域をレーザ共振器に組み込むことができ、負の熱光学係数を利用して無熱の自由スペクトル領域を生成する。FSRを無熱にする、すなわちデバイス温度に依存しないようにするために、デバイス・パラメータを許容範囲内で、
図1は、ハイブリッド型同調可能レーザ・チップ100の好ましい実施の形態を示している。半導体レーザ・チップ110は基板チップ120に裏返して接着され、2つの一体化された導波路チップのハイブリッドを生成する。このレーザ・チップは、1550nm領域又は1310nm領域で発光するようにInPで作製されることが好ましい。導波路112、114は、十分な注入電流によって励振されたとき、1550、1310、980、860、780、630又は500nm或いは他の有用な波長領域などの所望の波長を含む光周波数の動作帯域にわたって光増幅を行う。1550nmレーザの場合、典型的な利得帯域幅は約50nm(例えば、1520〜1570nm又は1560〜1610nm)であり、従来の帯域又は拡張動作帯域の1つでErドープ型ファイバ増幅装置の増幅帯域幅の一部分とオーバーラップする。利得帯域幅は、注入電流を小さくするにつれて小さくすることも、高注入電流及び適切な量子井戸設計に対しては120nm以上の大きさとすることもできる。レーザ・チップの2つの導波路112、114は、基板チップ上に作製された2つの(利得を提供しない)受動導波路122、124に当接結合するよう、x−z平面内で整列される。レーザ導波路112、114から放出されるエネルギーの実質的に一部分は、平らな一体型導波路122、124に結合され、その結合損失は10dB未満、又は4dB未満でさえあることが好ましい。レーザ・チップ110の垂直方向(y方向)の整列は、レーザ・チップ及び基板におけるプロセス層の厚さを制御することによって達成される。レーザ導波路112、114から放出される光は、整列され且つ当接結合された結合領域で導波路122、124に結合される。代替の利得領域は、半導体ダイオード・レーザ、一般にファイバ・レーザ、色素レーザ、色中心レーザ、固体レーザや有用な周波数帯域にわたって光学利得が得られる他の増幅媒体の能動領域の変形形態を含む。
λB=2neffΛ/m (7)
によって得られ、ただし、Λは格子周期、neffはモードの局所有効屈折率、mは反射次数である。得られる式(7)は、位相整合を達成するために、格子の波数2π/Λが、導波路における前進波の波数と、導波路における後進波の波数との和に等しくなければならないという要件から得られる。有効屈折率が約1.446の場合、1552nm及び1310nmのブラッグ波長は、それぞれ537nm及び453nmの格子周期で得られる。正確な動作波長は、光学モードの光エネルギーが横切る膜の屈折率及び厚さと格子周期とを含む、導波路の光学パラメータ全てに依存する。
図3は、テーパを含むハイブリッド一体型結合装置の好ましい実施の形態を示しているが、図5の導波路の曲げ等の他の複雑さは無視されている。例えば、HG.アンガーの1983年11月15日の米国特許第4,415,227号に述べられている単純なテーパは、シングル・モード導波路を大きく異なるモード次元と結合するためには不十分であることが多い。導波路の正規化伝播定数V、すなわち、
図7A及び図7Bは、2つの異なる導波路間で良好な結合効率を提供することができる好ましい代替のテーパの実施の形態を示す。この手法は、導波路端部をレンズにすることに基づく。図7Aは、導波路コア740、上部クラッド742、下部クラッド744とともに準備された基板770を示す。導波路コア740は、少なくとも1つの光学モードをガイドするようにクラッド層より屈折率が高い。本明細書の他所で述べた導波路のように、この導波路は、シングル・モードを主にガイドする場合にシングル・モード導波路と呼ぶことができる。より高次のモードはカットオフされ、その場合にはガイドは厳密にシングル・モードであり、また、少数の不十分に閉込められた一層高損失のモードは弱くガイドされ、その場合にはガイドは有効にシングル・モードであり、シングル・モード光ファイバとの結合を含む多数の応用分野にとって依然として有用であり得る。
Claims (22)
- 同調可能な光デバイスであって、
第1基板上に作製され、第1伝播軸を有し、前記第1伝播軸が前記第1基板の第1平面型表面から第1距離にあり且つ前記第1基板の第1結合表面と交差する第1導波路セグメントと、
前記第1基板と接続された第2基板上に作製され、第2伝播軸と、該第2伝搬軸に平行に配置された格子と、負の熱光学係数とを有する第2導波路セグメントであって、前記格子が配置された第1部分と残りの第2部分とを備える第2導波路セグメントと、
前記第2基板上に作製され、第3伝播軸を有し、前記第3伝播軸が前記第2基板の第2平面型表面から第3距離にあり且つ前記第2伝播軸と実質的に平行である第3導波路セグメントであって、前記第2導波路セグメントに近接して配置され、前記第3導波路セグメントの端部で前記第2基板の第2結合表面と交差し、前記第3導波路セグメントのテーパ形部分が横断方向寸法においてテーパ付けされ、前記横断方向寸法が、前記テーパ形部分の端部の第1幅から、前記端部から或る選択された距離の第2幅まで、第3伝播軸に実質的に直交する第3導波路セグメントと、
前記第2導波路セグメントの前記格子が配置された前記第1部分に沿って前記第2基板上に作製され、前記第2導波路セグメントを加熱して前記格子の最大同調範囲を実現する第1ヒータ・トレースと、
前記第2導波路セグメントの前記残りの第2部分に沿って前記第2基板上に作製され、前記第2導波路セグメントを加熱して光路長及び自由スペクトル領域を調整する第2ヒータ・トレースと、
を備え、
前記第1結合表面と前記第2結合表面との間の間隙にわたって前記第1導波路セグメントと前記第3導波路セグメントとを結合するために、前記第1平面型表面及び前記第2平面型表面が、前記第1距離及び前記第3距離の合計に実質的に等しい距離だけ離間されてなる光デバイス。
- 前記第1基板が前記第2基板に載置される、請求項1に記載の光デバイス。
- 選択された厚さを有する取付け層が、前記第1基板と前記第2基板との間に配置される、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記取付け層が前記第1基板上に形成され、前記第1基板が前記第2基板への載置のために裏返される、請求項3に記載の光デバイス。
- 前記取付け層がはんだ層を含む、請求項4に記載の光デバイス。
- 前記第1基板がレーザ・ダイオード・チップを備え、前記第1導波路セグメントがレーザ導波路を備える、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記第1導波路セグメントにおける第1垂直モード・サイズと前記第3導波路セグメントの当接結合領域における第3垂直モード・サイズとをさらに含み、前記第1垂直モード・サイズが前記第3垂直モード・サイズに実質的に等しい、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記第1導波路セグメントにおける第1垂直モード・サイズと前記第2導波路セグメントにおける第2垂直モード・サイズとをさらに含み、前記第1垂直モード・サイズが少なくとも2倍だけ前記第2垂直モード・サイズと異なる、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記第3導波路セグメントの前記テーパ形部分が、前記第2結合表面から延びる前記第3伝播軸に沿って、前記第3導波路セグメントの第3伝播定数を第1値から第2値に漸進的に変化させ、前記第2値は前記第1値よりも前記第2導波路セグメントの第2伝播定数に近い、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記間隙に配置された屈折率整合材料をさらに含む、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記第3導波路セグメントが酸化物材料を含む、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記第3導波路セグメントが、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、HfO2、SiO2、Si及びポリマーからなる群から選択された材料を含む、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記第2導波路セグメントがSiO2構造を含む、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記第2導波路セグメントがシングル・モード導波路である、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記第1導波路セグメントがシングル・モード導波路であり、前記第3導波路セグメントの当接領域がシングル・モード導波路である、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記第2導波セグメントに光学的に結合された光ファイバをさらに備える、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記第1伝播軸が、前記第1結合表面の垂直軸に対して少なくとも5度の角度を形成する、請求項1に記載の光デバイス。
- 同調可能な光デバイスであって、
作製表面及びダイ載置表面を有する基板と、
前記基板上に作製され、第1伝播軸と、第1モード・サイズと、前記第1伝搬軸に平行に配置された格子と、負の熱光学係数とを有する第1導波路セグメントであって、前記ダイ載置表面が前記第1伝播軸から選択された距離にあり且つ前記第1伝播軸に実質的に平行であり、前記格子が配置された第1部分と残りの第2部分とを備える第1導波路セグメントと、
前記基板上に作製され、前記第1伝播軸に平行な第2伝播軸を有し、且つセグメント化されたテーパ部分を含む第2導波路セグメントであって、前記セグメント化されたテーパ部分が、前記セグメント化されたテーパ部分の端部において第2モード・サイズを有し、前記端部から選択された距離に第3モード・サイズを有しており、前記第3モード・サイズが前記第2モード・サイズより前記第1モード・サイズに近い値を有し、少なくとも前記セグメント化されたテーパ部分内で前記第1導波路セグメントと光エネルギーを交換するように結合される第2導波路セグメントと、
前記第1導波路セグメントの前記格子が配置された前記第1部分に沿って前記基板上に作製され、前記第1導波路セグメントを加熱して前記格子の最大同調範囲を実現する第1ヒータ・トレースと、
前記第1導波路セグメントの前記残りの第2部分に沿って前記基板上に作製され、前記第1導波路セグメントを加熱して光路長及び自由スペクトル領域を調整する第2ヒータ・トレースと、
を備える光デバイス。
- 前記セグメント化されたテーパ部分が、複数のクラッド部分セグメントによって分離された複数のコア部分セグメントを含む、請求項18に記載の光デバイス。
- 前記複数のコア部分セグメントのそれぞれがコア部分長を有し、前記コア部分長が前記複数のコア部分セグメントのそれぞれについて実質的に一定であり、
前記複数のクラッド部分セグメントのそれぞれがクラッド部分長を有し、前記クラッド部分長が前記クラッド部分セグメントのそれぞれについて実質的に一定である
請求項19に記載の光デバイス。
- 同調可能なレーザ・ダイオード・チップであって、
第1基板上に作製され、第1伝播軸を有し、前記第1伝播軸が前記第1基板の第1平面型表面から第1距離にあり且つ前記第1基板の第1結合表面と交差する第1導波路セグメントと、
前記第1基板と接続された第2基板上に作製され、第2伝播軸と、該第2伝搬軸に平行に配置された格子と、負の熱光学係数とを有する第2導波路セグメントであって、前記格子が配置された第1部分と残りの第2部分とを備える第2導波路セグメントと、
前記第2基板上に作製され、第3伝播軸を有し、前記第3伝播軸が前記第2基板の第2平面型表面から第3距離にあり且つ前記第2伝播軸と実質的に平行である第3導波路セグメントであって、前記第2導波路セグメントに近接して配置され、前記第3導波路セグメントの端部で前記第2基板の第2結合表面と交差し、前記第3導波路セグメントのテーパ形部分が横断方向寸法においてテーパ付けされ、前記横断方向寸法が、前記テーパ形部分の端部の第1幅から、前記端部から或る選択された距離の第2幅まで、前記第3伝播軸に実質的に直交する第3導波路セグメントと、
前記第2導波路セグメントの前記格子が配置された前記第1部分に沿って前記第2基板上に作製され、前記第2導波路セグメントを加熱して前記格子の最大同調範囲を実現する第1ヒータ・トレースと、
前記第2導波路セグメントの前記残りの第2部分に沿って前記第2基板上に作製され、前記第2導波路セグメントを加熱して光路長及び自由スペクトル領域を調整する第2ヒータ・トレースと、
を備え、
前記第1結合表面と前記第2結合表面との間の間隙にわたって前記第1導波路セグメントと前記第3導波路セグメントとを結合するために、前記第1平面型表面及び前記第2平面型表面が、前記第1距離と前記第3距離との差に実質的に等しい距離だけ離間されてなるレーザ・ダイオード・チップ。
- 同調可能な光デバイスであって、
載置表面を有する基板と、
前記基板の前記載置表面上に載置された第1導波路セグメントを有し、前記第1導波路セグメントが、前記第1基板の第1結合表面と交差する第1伝播軸を有するレーザ・ダイオード・チップと、
前記基板上に作製され、第2伝播軸と、該第2伝搬軸に平行に配置された格子と、負の熱光学係数とを有する第2導波路セグメントであって、前記格子が配置された第1部分と残りの第2部分とを備える第2導波路セグメントと、
前記基板上に作製され、前記第1伝播軸と実質的に同軸な第3伝播軸をする第3導波路セグメントと、
前記第2導波路セグメントの前記格子が配置された前記第1部分に沿って前記基板上に作製され、前記第2導波路セグメントを加熱して前記格子の最大同調範囲を実現する第1ヒータ・トレースと、
前記第2導波路セグメントの前記残りの第2部分に沿って前記基板上に作製され、前記第2導波路セグメントを加熱して光路長及び自由スペクトル領域を調整する第2ヒータ・トレースと、
を具備し、
前記レーザ・ダイオード・チップが前記載置表面上に載置されて前記第3導波路セグメントと光学的に結合し、
前記第3導波路セグメントが前記第2導波路セグメントに隣接して配置され、
前記第3伝播軸が前記第2伝播軸に実質的に平行であり、
前記第3導波路セグメントがその端部で前記第2基板の第2結合表面と交差し、
前記第3導波路セグメントのセグメント化されたテーパ形部分が約0.7ミクロンより大きい幅を有する
光デバイス。
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