JP5250595B2 - 交差損失を減少させた光導波装置 - Google Patents

Description

本発明は、集積光導波路デバイスなどの光導波装置に関し、詳細には、損失を減少させた導波路交差部を含む光導波装置に関する。

光ファイバ通信チャネルが金属ケーブルおよびマイクロ波伝送リンクに取って代ることが増えるにつれて、集積光導波路デバイスの形をとる光導波装置がますますその重要性を増してきている。そうしたデバイスは一般に、Ｓ_ｉＯ_２などのクラッドベース層（cladding base layer）、ベース上のパターンを形成する薄いコア層、およびパターンを形成するコア上の上部クラッド層を備える、シリコンなどの基板を含む。導波特性を提供するために、コアはクラッド層よりも高い屈折率をもち、コア層は、ビーム分割、タッピング、多重化、逆多重化、フィルタリングなどの多種多様な光処理機能のいずれか１つを実行するように、フォトリソグラフィック技法によって構成される。

より速い伝送速度が出現し、また波長分割多重化のレベルが上がるのに伴い、より多数の光入力で動作するより高密度に処理デバイスを集積した導波装置を提供することが望ましくなった。そのような装置をコンパクトに設計するには、１つの導波ビームが別のビームと交わる導波路の「交差」を必要とする。一般に導波路コア領域は、物理的に異なる平面上で交差せず、同じ共面領域を通過する。

導波路の交差に伴う困難は、交差部では、各通路からの光が他の通路に入り込むために、散乱および漏話による光の損失が生じることである。交差導波路は交差部において非対称屈折率プロフィールを示す。このプロフィールは光導波モードを乱し、より高い次数の光モードを生じさせる。交差領域は階段的（abrupt）（非断熱的）なので、非導波モードを生じさせ、結果として漏話や光出力の損失を招くことになる。これらの問題は、導波路の比屈折率差δが増加するにつれて悪化する。

従来技術を示す図１Ａには、領域１２上の共通コア層において角θで交差する１対の光導波路コア１０、１１を含む従来の交差部が概略的に示されている。導波路コア１０、１１は、周囲のクラッド層の屈折率ｎ_１よりも高い屈折率ｎ_２をもつ。高密度装置の場合、交差部は一般に角θ＜５°よりも小さな角度で交差し、コアはクラッドに対して高い比屈折率差、すなわち、高いデルタ＝（ｎ_２−ｎ_１）／ｎ_２の値を示す。しかし、屈折率差が低くても、伝播する光のモードは交差領域によって乱され、光出力の損失および漏話の原因となる非導波モードを生じさせる。

図１Ｂは、デルタ（δ）＝４％（曲線１）とデルタ＝０．８％（曲線２）の一般的な従来の交差部について、光出力の損失を交差角θの関数として示したグラフである。交差角が小さくなるにつれて損失が急速に増加することが明らかである。

導波路交差部における損失を減少させるための多くの技法が提案された。１つの手法は、導波層を末広がりにして、その幅を交差領域に近づくにつれて広くするというものである（K. Aretz他、「Reduction of crosstalk and losses of intersecting waveguide」、25 Electronics Letters、No.11（1989年5月25日）、およびH.G. Bukkens他、「Minimization of the Loss of Intersecting Waveguides in I_nP-Based Photonic Integrated Circuits」、IEEE Photonics Technology Letters、No.11（1999年11月）参照）。したがって、光ビームのサイズが交差部において広がり、そのことが交差部の他方の側で光モードを導波路によりよく合致させる。６°より大きな角度について、３０ｄＢを超える低漏話、および低損失が達成された。しかし、この技法では、非常に長いテーパ長（＞１ｍｍ）を必要とし、ある種の用途にとっては非実用的である。またこの技法は、デルタが大きな導波路交差では有効でない。

同様の手法が、１９９０年１０月９日に公開されたHernandez他の米国特許第４９６１６１９号によって提案されている。導波路の幅を交差接合部で広め、または狭めて、その領域における光モードの特性を変更する。これによって、横方向の屈折率分布に軸変動が導入され、交差部での電界のよりよいアラインメントが可能となる。この方法はまた、５°未満の小さな角度に対しても使用することができる。しかし、この方法は、光モードを断熱的に（ａｄｉａｂａｔｉｃａｌｌｙ）拡張させるのに広いテーパ領域を必要とするので、デルタが大きな導波路にはあまり適していない。

ニシモトによる第３の手法（１９９２年１０月２０日に公開された米国特許第第５１５７７５６号）では、交差領域の屈折率には、交差部の中央で導波路材料のアイランドを取り囲む低屈折率の周辺領域が含まれる。Lemoff他も参照されたい。この技法は交差角が小さい場合は損失を減少させることができる。しかし、ハイステップ（ｈｉｇｈ ｓｔｅｐ）の比屈折率差の導波路では有効でなく、損失はより高くなると予想される。

K. Aretz他、「Reduction of crosstalk and losses of intersecting waveguide」、25 Electronics Letters、No.11（1989年5月25日） H.G. Bukkens他、「Minimization of the Loss of Intersecting Waveguides in InP-Based Photonic Integrated Circuits」、IEEE Photonics Technology Letters、No.11（1999年11月）

米国特許第４９６１６１９号 米国特許第５１５７７５６号

したがって、導波路交差部での損失を減少させた光導波装置が必要とされている。

本発明は、複数の光導波路と、２本の導波路がある角度で交差する１つまたは複数の交差領域を含む改良型の平面導波路デバイスである。本発明によれば、交差によって生じる損失および漏話を、交差領域にわたって導波路をセグメント分割することによって減少させる。有利には、セグメントはまた、（交差から離れた導波路の伝送領域と比べて）幅を広くし、導波路の縦軸に対してずらして配置される。セグメントが交差する領域では、各セグメントは合体して、セグメント交差の外周に対応する形をした複雑なセグメントになる。

本発明の利点、本質、および様々な付加的な特徴は、添付の図面と関連させて詳細に説明される例示の実施形態を考察することによりより十分に明らかとなるであろう。これらの図面は本発明の概念を説明するためのものであること、またグラフを除き、原寸に比例していないことを理解されたい。

従来の導波路交差部の概略図である。 図１Ａによる２つの代表的な交差部について交差角の関数としてシミュレートされた損失を示すグラフの図である。 本発明による導波路交差部を設計する際に有用な概略図である。 本発明による導波路交差部を含む例示的な光導波装置を示す概略図である。 図２のデバイスの導波路２２に沿った概略断面図である。 図２Ｂの交差部を始めとする複数の交差部について交差角の関数としてシミュレートされた損失を示すグラフの図である。

従来技術についての図である図１Ａおよび図１Ｂは、背景技術において説明した。
本発明による導波路交差部を設計する際に有用な図である図２Ａには、例示的な導波路交差領域２１を含む光導波路装置２０が示されている。本質的に交差領域２１は、角θで交差する１対の共面（ＣＯ−Ｐｌａｎａｒ）光導波路２２、２３を含む。各光導波路２２、２３は、導波路が交差領域２１において共用する複数のセグメント２２Ｂ、２３Ｂを含むコア部を含む。有利には、各導波路２２、２３は、交差領域に近づくにつれ幅を断熱的に逓増させ、交差領域から遠ざかるにつれ幅を断熱的に逓減させる。例えば、導波路２２は、交差領域２１に近づくにつれ幅を広げる連続的な入力コア部２２Ａと、領域２１内の複数のセグメント２２Ｂと、領域２１から遠ざかるにつれ幅を狭める連続的なコア部２２Ｃを含む通路を提供する。導波路２３も、同じように説明される同様のコア部を有する。好ましくは、各導波路において、セグメントは連続的入力部２２Ａ、２３Ａの軸から横方向にずらして配置される。

図２Ａは、導波路コア２２、２３が別個の層にある交差に対しては可能であるが、コア２２、２３を同一平面とする交差に対しては適用できない。図２Ａから容易に分るように、共面コアを有する装置においては、セグメント２２Ｂ、２３Ｂは合体して、セグメント交差部の外周に対応する形をした複雑な共通セグメントになる。本発明によれば、交差部はそのような複雑な共通セグメントを含む交差部を含む。

図２Ｂには、本発明による交差部を含む例示的な光装置が示されている。この図では、共面導波コア２２、２３が、交差領域２１を通過している。各導波路は、連続的な（交差領域と比べて長い）入力部、例えば、２２Ａと、複雑な共通セグメント２５と、連続的な出力部、例えば、２２Ｃを含む。導波路は共に、同じ複雑な共通セグメント２５を有し、複雑な共通セグメントは、図２Ａと関連させて説明したように、合体セグメントの外周に対応する形をしている。図２Ｂの装置は有利には、図２Ａと関連させて説明した、テーパ（幅の逓増または逓減）およびずれも含んでいる。

図２Ｃは、図２Ｂのデバイスの直線Ａ−Ａ’に沿った概略断面図である。この図は、シリカなどの第１のクラッド層２７を支持するシリコンなどの基板２６を装置が含むことを示している。コア層２２、２３は一般に、屈折率をより大きくするためにドーパントを添加したシリカ領域であり、パターンを形成したコアの上には第２のクラッド層２８を置くことができる。

交差角θは、導波路２２と２３の縦軸の間の鋭角である。本発明は、一般に３５〜３°、好ましくは２５〜５°の範囲のθをもつ交差に対して適用することができる。交差領域から離れた伝送領域内の一般的な導波路の幅と比べて、交差領域内の導波路は、一般に０〜３０％、好ましくは９〜１１％だけ幅が広くなっている。交差領域は一般に、３〜５個の共通セグメントが合体した合体セグメントを含む。各セグメントは、縦軸方向の大きさが４〜８マイクロメートルの範囲にあり、セグメントは互いに、１．２から１．４マイクロメートルだけ間隔を置いて配置される。本発明の有利な一実施形態では、セグメント分割された部分は、入力コア部と出力コア部の両方から横方向にずらして配置される。最適なずれは角θによって異なる。一般的な交差部の場合、ずれは、約０．１マイクロメートルより小さな値から１．０マイクロメートルより大きな値にわたることができ、θ＝２０°での有利なずれは０．３マイクロメートル、θ＝５°では０．７マイクロメートルである。図２の実施形態では、セグメント分割された部分２５Ｂは、入力部２３Ａに対して（左方向に）、また入力部２２Ａに対して（右方向に）ずらして配置されている。

本発明は、０．８〜１０の範囲のデルタを有する導波路の交差にとって有用である。本発明は、２〜６の範囲の高いデルタを有する交差にとって特に有利である。上で説明した交差では、交差導波路のセグメントの重なりによって、光出力を出力導波路の方向に導波する屈折率パターンが生成される。セグメント分割された部分は、交差領域２１内で光ビームを拡張させる。さらに、セグメント分割された領域内で光モードを合致させるために、断熱的な（好ましくは指数関数的な）テーパによってビームはわずかに拡張される。セグメントの横方向のずれによって、導波路交差領域２１でのモード結合（mode coupling）が改善される。
以下の具体的な例を考察することによって、本発明をより明瞭に理解できるようになるであろう。

図３には、市販のＢＰＶソフトウェアを用いたシミュレーション結果が示されている。これらの結果は、導波路の比屈折率差であるデルタを４％（円）および０．８％（四角）として取得したものである。デルタを同じ数値として、従来の交差部から取得したデータが点線で示されている。０．８％の導波路の場合、テーパ（幅の逓増または逓減）の開始幅は４．５μｍ、高さは６．４μｍである。終了幅は交差角によって異なり、４から５μｍとすることができる。（テーパを含む）交差領域の全長は１２０μｍである。導波路のずれは角度毎に適合させる。この数値が示すように、従来の交差部と比べて、小さい交差角で損失の著しい減少を達成することができる。セグメントを用いない場合、標準的なデルタの導波路（０．８％）における損失は、３０°で約０．０８ｄＢである。この値は、交差角を５°とより小さくした場合、１ｄＢまで増加し、許容可能な損失としては高すぎる値となる。本発明の新しい技法を用いた場合、この値は、交差角５°で０．４ｄＢまで減少し、結果は広い角度の範囲にわたってほぼ一定である。

デルタが４％の導波路の場合、寸法は２．７×２．７μｍ^２である。テーパの全長（final length）は７０〜１２０μｍにわたる。導波路のずれおよび終了幅は、先と同様に交差角に基づいて適合させる。交差部でセグメント分割を用いることで、２０°で０．１５ｄＢから０．１３ｄＢに、５°で約１６ｄＢから０．１ｄＢに損失を減少させることができる。約１６ｄＢの値は、主に導波路の交差に伴う漏話による。これらの結果は、小さな角度の交差にとって非常に有望なものであり、このことによって、１チップ上の光デバイスの数が増加するであろう。

上で説明した実施形態は、多くの可能な具体的な実施形態のうち、本発明の適用例を代表することができる２、３の実施形態を説明するものにすぎないことが理解されよう。当業者であれば、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、数々の多様なその他の構成を作成することができるであろう。

Claims (8)

1. 光を導波する長手方向に延在するコア領域を含む、基板に実質的に平行に配置された複数の光導波路と、少なくとも第１及び第２の共面導波路が交差する少なくとも１つの交差領域とを含む光デバイスであって、
   少なくとも１つの交差領域において、前記第１及び第２の共面導波路の前記コア領域は、前記基板に垂直な軸に沿って見たときに外周を有し、
   前記外周は、第１の一連の複数のセグメントとある角度で交差する第２の一連の複数のセグメントとの合体により形成される形状を有し、
   前記第１の一連の複数のセグメントは前記第１の共面導波路の離間したセグメントに対応し、前記第２の一連の複数のセグメントは前記第２の共面導波路の離間したセグメントに対応し、
   前記第１の一連の複数のセグメントが前記第１の導波路の光軸に沿って整列し、前記第２の一連の複数のセグメントが前記第２の導波路の光軸に沿って整列し、
   前記第１及び第２の一連の複数のセグメントの各々が、空間により離間された少なくとも３つのセグメントを含み、そして、
   前記第１及び第２の導波路は、４％から１０％の範囲の比屈折率差、及び、３°から３５°の範囲の交差の角度を有する、光デバイス。
2. 前記合体のない前記コア領域は４〜８マイクロメートルの範囲の長手方向の大きさを有する、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記合体のない前記コア領域が、１．２〜１．４マイクロメートルの範囲の長手方向の大きさを有する間隙によって離間される、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記第１及び第２の導波路の各々は、前記交差領域から分離した一対の連続部分を含む、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記連続部分の各々は、前記交差領域に向かって幅に連続的なテーパがつけられた部分を含む、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記連続的なテーパが断熱的なテーパである、請求項５に記載のデバイス。
7. 各導波路について、前記離間されたセグメントが前記連続部分から横方向にずれている、請求項４に記載のデバイス。
8. 前記オフセットが０．１乃至１．０マイクロメートルの範囲にある、請求項７に記載のデバイス。
   

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