JP6072082B2 - 液晶を使用した、光ファイバのチップへのアクティブアライメント - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、チップ間の通信およびチップ内の通信のための光相互接続に関し、具体的には、シリコンベースのフォトニック集積チップ上の光導波路にファイバをアクティブに結合する装置およびシステムに関する。

光伝送は、別々の集積回路チップ間の通信（チップ間接続）および同一チップ上の部品（コンポーネント）内の通信（チップ内接続）のための手段として使用され得る。光相互接続によるチップ間通信においては、回路基板上の各チップは送信器・受信器光電子チップとインターフェイス接続され、２つの光電子チップは平面誘電体導波路を介して接続される。同様に、光導波路は、集積光源と検出器との間におけるようなチップ内の部品間の接続に使用され得る。集積光導波路は、リソグラフィー処理を用いて、例えばシリコン基板のような半導体上に形成された光路である。光信号を入力光ファイバから出力光ファイバあるいはチップ上の他の光学回路に導くために、導波路は、チップ基板よりも高い屈折率をもつ無機結晶または半導体材料で作成されることがある。

光は、１つ、２つまたは多数のモードにて光導波路を伝送され得る。各モードは、異なる伝播定数および群速度をもって、導波路の軸に沿って伝わる。モードは、全反射の臨界角より大きいすべての角度で、光線の方向にコア内で反射する横電磁（ＴＥＭ）波の多数の反射の合計としておおよそ表現される。ここで、全反射の条件は以下の通りである。

ここで、θ_ｃは臨界角、η_２はクラッドの屈折率、η_１はコアの屈折率である。
光ファイバのコア径が小さいと単一モードのみが利用可能となり、そのようなファイバは単一モードファイバと呼ばれる。単一モードファイバの集積光導波路（およびその逆）へのアライメントは、半導体フォトニクスのパッケージング（ｐａｃｋａｇｉｎｇ）において最も費用と時間のかかる製造工程のうちの１つである。さらに、単一モードファイバ（例えば５．９μｍ径のコア）とチップ上の導波路の断面（例えば２μｍから２００ｎｍ未満）との間で寸法が大きく異なる場合、挿入損失およびパッケージングコストが上昇する。

図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、Ｆｒｅｄｅｒｉｋ Ｖａｎ Ｌａｅｒｅ等による「Ｃｏｍｐａｃｔ ａｎｄ Ｈｉｇｈｌｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｃｏｕｐｌｅｒｓ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ ａｎｄ Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，」（ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ， Ｖｏｌ． ２５， Ｎｏ． １， ２００７年 １月）に記載されたような格子型垂直結合器（カプラ）システムの斜視図および部分断面図を示す。格子型垂直結合器は、単一モードファイバ１１０とフォトニック集積チップ１２０の導波路１７０との間での面外結合のために使用することができる。図１Ａに示されるように、格子型垂直結合器は、格子１００、断熱性テーパー部１３０、および（下記の）フォトニック導波路１４０を含む。図１Ｂに示されるように、導波路１７０は、シリコン基板１９０上の埋め込み酸化物層１８０の頂面上の２２０ｎｍ厚のシリコンコアでできたシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）導波路であることが可能である。格子１００は、一様にｘ方向に向く複数（例えば２０）の格子溝１０１を持つ導波路１７０へとエッチングされる。屈折率マッチング材料１６０は、導波路１７０に接合される。屈折率マッチング材料１６０の下にある光学部品を図示するために、屈折率マッチング材料１６０は、図１Ａでは図示されていない。屈折率マッチング材料１６０の屈折率はファイバ１１０のクラッドの屈折率とマッチすべく、１．４６である。ファイバ１１０のエンドファセット（ｅｎｄ ｆａｃｅｔ）（端面）は、格子１００の付近に位置決めされる。ファイバ１１０は、格子１００での反射を防ぐために、約８度の角度θにてやや傾斜している。導波路１７０は約１０μｍの有限幅を持ち、フォトニック導波路１４０の幅は約０．５６μｍである。断熱性テーパー部１３０は、広い導波路１７０と、集積チップ１５０または他の光学回路に光線を送る狭いフォトニック導波路１４０と、を結合するために使用される。図１Ａおよび図１Ｂの格子型垂直結合器は、導波路１７０へとエッチングされる格子１００に対して、ファイバ１１０が正確に位置決めされることを要求する。現場での作業中に、温度変化、振動、および他の摂動が、格子１００とファイバ１１０のアライメントに望ましくない影響を引き起こし、挿入損失を招く可能性のある接合後のずれを引き起こす可能性がある。

光ファイバをチップ導波路に結合するための他の方法としては、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）使用して、チップに対して光ファイバのアライメントをとる方法がある。これらの技術では、アクティブＭＥＭＳアライメント部品を必要とするためコストが増加し、かつ、システムの製造およびパッケージングの難易度も上昇する。したがって、アクティブにフォトニクスチップ上に集積された光導波路に対して光ファイバのアライメントをとるための単純化された装置およびシステムが必要とされている。

図１Ａは、格子型垂直結合器システムの斜視図および部分断面図を示す。 図１Ｂは、格子型垂直結合器システムの斜視図および部分断面図を示す。 図２Ａは、液晶偏光格子の上面図および側面図を示す。 図２Ｂは、液晶偏光格子の上面図および側面図を示す。 図２Ｃは、高電圧状態にある、図２Ｂの液晶偏光格子の側面図を示す。 図２Ｄは、図２Ｂの液晶偏光格子を透過する、円偏光された入射光の回折挙動を示す。 図２Ｄおよび２Ｅは、図２Ｂの液晶偏光格子を透過する、円偏光された入射光の回折挙動を示す。 図２Ｆは、図２Ｃの液晶偏光格子へのゼロ次回析方向を示す。 図３Ａは、第一の実施形態によるアクティブなファイバ・チップ間アライメントのための液晶ステアリング装置の側面図を示す。 図３Ｂは、図３Ａのステアリング装置への入射光の回析挙動および透過挙動を示す。 図４は、図３Ａのステアリング装置を組み込むファイバ・チップ間ステアリングシステムを示す。 図５は、別の例示実施形態による別の液晶ステアリング装置の側面図を示す。

以下の詳細な説明において、添付の図面が参照され、それら図面は本書類の一部であり、かつ、それら図面では、実行され得る具体的な実施形態が説明の目的で示される。図面を通して、類似の参照番号は類似の要素を示すことは当然である。これらの実施形態は、当業者がこれら実施形態を製造しおよび使用することができる程度に十分に詳細に記載されており、以下にその一部のみが詳細に記載された具体的な開示実施形態に対して、構造的、材料的、電気的、および手順的な変更を加え得ることを理解されたい。

１つまたはそれより多い液晶層を使用することにより、光ファイバからフォトニクスチップ上に集積された光導波路（以下、「集積光導波路」と呼ぶ）に向けて（およびその逆に）光線をアクティブにステアする（ｓｔｅｅｒ）（導く）ために、光学アライメントを行う装置およびシステムの実施形態が、ここに記載される。オンチップフィードバック機構は、システムの挿入損失を最小限にするために、ファイバと格子型導波路との間で光線をステアすることが可能である。液晶型ステアリング装置は、チップ間の通信およびチップ内の通信を可能とするために、集積フォトニクスチップに接合される。

ＬＩＤＡＲ（光検出および測距離）およびＳＬＭ（空間光変調器）用の液晶広角ステアリングシステムが、Ｊｉｈｗａｎ Ｋｉｍ等による「Ｗｉｄｅ−ａｎｇｌｅ，ｎｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｔｈｉｎ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇｓ，」 （Ｐｒｏｃ． Ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ． ７０９３ （２００８））および、２０１０年７月３０日に出願された国際出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４３８６１（公開番号 ＷＯ２０１１／０１４７４３ Ａ２）に記載されている。図２Ｄから２Ｆに示されるように、液晶偏光格子（ＬＣＰＧ）２００は、光線を２つの方向にアクティブにステアすることが可能である。異方性格子とも呼ばれる偏光格子（ＰＧ）は、連続する周期的なパターンを持つネマチック液晶（ＬＣ）膜として分類される。それは、通過する光の偏光状態を変調することで作動し、空間的に変化する複屈折として具現化される。ＬＣＰＧステアリングモジュール２００は、下記の式によって表される、位置によって変化する面内の単軸複屈折である。

上記式において、Λは格子周期を表す。ＬＣＰＧ２００は、小さい角度にて重畳された２つの直交円偏光紫外レーザー光線を干渉し、一定の強度をもつ干渉パターンとΛ＝λ_Ｒ／２ｓｉｎθ（λ_Ｒは記録波長を表し、θは光線の間の角度の半分を表す）の周期で図２Ａのように周期的に変化する直線偏光状態とをもたらすことで製造される。酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）２２０電極をもつ２つのガラス基板２４０は、フォトアライメント材料２３０によってコーティングされており、かつ、接着剤の端封によって均一な厚さが維持されるように共にラミネートされる。その後、この構造物は、フォトアライメント材料２３０のパターンを記録する（ｃａｐｔｕｒｅ）偏光ホログラムに曝される。ネマチック液晶２１０は、毛細管現象によって隙間を埋め、望まれるＬＣＰＧ２００が形成される。

ネマチック液晶２１０の複屈折は、例えば１Ｖから２Ｖといった電圧が印加された状態での液晶分子の回転によって生じる。図２Ａと図２Ｂはそれぞれ、オフ状態の、すなわち電圧が印加されていない状態の、ネマチック液晶２１０の上面図および側面図を示す。電界が印加されない場合、ネマチック液晶２１０の捩れた構成が、２つのガラス基板２４０の間で形成される。フォトアライメント材料２３０は、電界が無い場合は、９０度にて液晶２１０を正確に捩る力を生む。電界は、その電界に合わせた再配向を液晶に引き起こすこし、それによって複屈折を引き起こすことが可能である。図２Ｃは、電圧が印加されたネマチック液晶２１０の側面図を示す。印加された電界によって、ネマチック液晶２１０での捩れが解かれる。閾値電圧に近い電圧では、液晶の一部のみが再度整列することになる。印加される電圧が上昇すると、完全に「切り替わる（ｂｅｃｏｍｅ ｓｗｉｔｃｈｅｄ）」まで、より多くの液晶が再度整列する。従って、任意の偏光の光に対する液晶の屈折率は、印加される電圧よって変更することが可能である。

図２Ｄから図２Ｆに示されるように、入射光２５０は、入射光の掌性（旋光性）およびＬＣＰＧ２００に印加される電圧に従って、３つの回折次数（ゼロ（０）次回折および１（±１）次回折）のうちの１つにステアすなわち偏向されることが可能である。光が液晶層による相対的な位相シフトを経るために、光２５０がＬＣＰＧ２００を通過した後、円偏光光の掌性は逆の状態に変化する。入射光２５０が右巻きの円偏光（ＲＣＰ）を受けている場合、ＬＣＰＧ２００を通過する光は、全て左巻きの円偏光（ＬＣＰ）に変化し、図２Ｄに示されるように正の第１次数へ回折される。入射光２５０が左巻きの円偏光を受けている場合、ＬＣＰＧ２００を通過する光は、全て右巻きの円偏光に変化し、図２Ｅに示されるように負の第１次数へ回折される。例えば１．６５Ｖといったように、印加される電圧が閾値電圧より高い場合（Ｖ＞Ｖ_ｔｈ）、図２Ｃおよび図２Ｆに示されるように、偏光格子が効果的に消去され、それにより、光にＬＣＰＧ２００を直接通過させることが可能である。ＬＣＰＧ２００を通過する光の回折角度θ_ｍは、下記の式によって決定される。

上記式においてθ_ｉｎは入射角を表し、ｍは回折次数（−１次、０次、＋１次）を表す。例えば波長が１５５０ｎｍのとき、ＬＣＰＧ２００の格子周期Lは、１０度の回折角度を成立させるためには８．９３μｍである必要がある。

図３Ａは、チップ１２０に集積された導波路１７０に対する光ファイバ１１０のアクティブアライメントのための、本発明の実施形態による液晶ステアリング装置３００の側面図を示す。Ｚ方向は導波路１７０の長さに沿っており、ｙ方向は液晶ステアリング装置３００に対して直交しており（横断方向）、ｘ方向はページの外へ上に向かう方向である（横方向）。光ファイバ１１０は、（例えば、パンダファイバ、３Ｍのタイガーファイバ、ボウタイファイバ、その他といった）偏光保持ファイバであってもよい。図３Ｂは、液晶ステアリング装置３００への入射光の回折挙動および透過挙動を示す。液晶ステアリング装置３００は、例えば両面テープを使用して、屈折率マッチング層１６０と導波路１７０との間で接合されている。実施形態は、両面テープに限定されないことおよび任意の適切な付着技術が使用され得ることは、当然のことである。

図３Ａに示されるように、液晶ステアリング装置３００は、導波路１７０と共に光路上に配置された、切り替え可能なＬＣＰＧ２００、ＬＣＰＧ２００の上に位置し、かつＬＣＰＧ２００に沿って配置された半波長板３２０、および、半波長板３２０の上に位置し、かつ半波長板３２０に沿って配置された１／４波長板３１０を含む。図３Ｂに示されるように、１／４波長板３１０は、ファイバ１１０からの直線偏光光３９０を円偏光光３３０、３５０、３７０に変換するべく作動する。半波長板３２０は、入射する円偏光光３３０、３５０、３７０の掌性を切り替えるべく作動する。切り替え可能なＬＣＰＧ２００は、円偏光光３４０、３６０、３８０を、上記したようにゼロ次および／または１次回折へステアするべく作動する。

レーザー装置からの直接の光は、典型的には直線偏光されているため、（例えば、パンダファイバ、３Ｍのタイガーファイバ、ボウタイファイバ、その他といった）偏光保持ファイバ１１０と半波長板３２０との間に、直線偏光光３９０を円偏光光３３０、３５０、３７０に変換するべく、偏光を入力するための角度が±４５度の軸を持つ（例えばλ／４液晶波長板または３λ／４液晶波長板といった）１／４波長板３１０または３／４波長板を挿入することが可能である。便宜上、図３Ｂに示されるように、１／４波長板３１０は、直線偏光光３９０を右巻きの円偏光光３３０、３５０、３７０に変換すると仮定する。１／４波長板３１０は、直線偏光光３９０を左巻きの円偏光光に変換することも可能であることは当然である。光ファイバ１１０に対向する１／４波長板３１０のファセットは、反射防止コーティングによってコーティングすることが可能である。

例えば、複屈折液晶でできた半波長板３２０は、それ自身を通過する光の偏光状態を変えるために使用される。半波長板３２０は両面テープを使用してＬＣＰＧ２００に接合されるが、任意の適切な付着技術が使用されてもよい。入射する円偏光光が右巻きの円偏光光３３０である場合、半波長板３２０は、その状態を左巻きの円偏光光３４０に、およびその逆に、変更することになる。しかし、電圧源３０１からの外部の印加電圧Ｖ（ｔ）下では、半波長板３２０は、１／４波長板３１０からの入射光３５０および３７０に偏光状態の変更なしに半波長板３２０を通過させる。半波長板３２０の切り替え特性は、図２Ａから図２Ｃに関連して上記した通り、液晶分子の再配向に主に依存する。

図３Ｂに示されるように、円偏光光３４０、３６０、３８０は、円偏光光３４０、３６０、３８０の掌性およびＬＣＰＧ２００に印加される電圧Ｖ（ｔ）に従って、３つの回折次数（ゼロ（０）次回折および１（±１）次回折）のうちの１つにステアすなわち偏向することが可能である。例えば、ファイバ１１０からの光３９０を正の第１（＋１）次数の角度θにてステアするために、液晶ステアリング装置３００が（以下に説明する）コントローラによって指示される場合、光３７０がその偏光状態を変更することなく半波長板３２０を通過するように、電圧源３０１からの（例えば２Ｖといった）電圧Ｖ（ｔ）が半波長板３２０に印加される。そして＋１次数にて光３８０をステアするために、電圧がＬＣＰＧ２００に印加されることはない。液晶ステアリング装置３００が、コントローラによって、光を第―１次数の角度θにてステアするように指示される場合、電圧は半波長板３２０に印加されず、そのため、光３３０がその掌性を（例えば、右巻きの円偏光（ＲＣＰ）から左巻きの円偏光（ＬＣＰ）へ）切り替える。また、第―１（−１）次数にて光３４０をステアするために、電圧がＬＣＰＧ２００に印加されることはない。液晶ステアリング装置３００がコントローラによって、ステアすることをやめるように指示される場合、光３９０がその偏光状態を変更することなく半波長板３２０を通過するように電圧源３０１からの（例えば２Ｖといった）電圧Ｖ（ｔ）が半波長板３２０に印加され、電圧Ｖ（ｔ）がＬＣＰＧ２００に印加されて、第ゼロ次数にて光３６０がステアされる。従って、液晶ステアリング装置３００は、単純に半波長板３２０とＬＣＰＧ２００とを切り替えることによって、ゼロ次、および±１次数の内の１つへのステア方向を選択するために使用することが可能である。

図４は、ファイバ１１０を集積光導波路１７０に結合するための、液晶ステアリング装置３００を内蔵したファイバ・チップ間ステアリングシステム４００を示す。ステアリングシステム４００は、光検出器４１０、比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラ４２０、および、伝送距離（Ｌ）に応じて入力導波路１７０とその長さの一部にわたって平行な第二の導波路４３０と含む。２つの導波路１７０および４３０のコアは、エバネセント結合のための、おおよその結合距離（ｄ）内にある。光信号が、エバネセント結合によって導波路４３０と１７０との間で伝達される。

図４に示されるように、導波路４３０の屈折率を変更し、それによって導波路１７０と導波路４３０との間の光結合の強度を調節すべく、電極４４０を使用することによって、電圧Ｖｍは導波路４３０に印加することが可能である。導波路４３０は、電界を印加することによって（屈折）率が調整可能な、例えば（一般にはＫＤＰと呼ばれる）リン酸二水素カリウムなどの結晶といった、電気光学材料にて形成される。磁界を印加することで（屈折）率が調整可能な光磁気材料といった、屈折率が調整可能な他の様々な材料によって、導波路４３０が形成されることが可能であることは当然である。例えば、電極４４０を使用して電圧Ｖｍが導波路４３０に印加される場合、その結果として生じる電界は、導波路４３０の屈折率を変え、それによって、入力導波路１７０内の光学パワーの一部が導波路１７０に留まることができる。十分に高い電圧の場合、理想的には、入力導波路１７０内の光学パワーの全てが導波路１７０内に留まることになる。完全なエバネセント結合からゼロ結合まで達するのに必要な電圧を、切り替え電圧Ｖｓと呼ぶ。従って、導波路４３０の屈折率を変え、伝達パワーの量を調節するために印加電圧Ｖｍを使用可能であること、あるいは、導波路１７０と導波路４３０との間でのパワーの伝達をＯＮ／ＯＦＦするために、任意の波長に対して切り替え電圧Ｖｓを決定することが可能であること、は当然である。

光検出器４１０を使用することによって、ファイバ１１０と入力導波路１７０との間での光学パワーをＬＣＰＧ２００の様々な回折角度にて、検知することが可能である。既に説明されたように、１５５０ｎｍの波長および８．９３μｍの格子周期Lにて、ＬＣＰＧ２００は、１０度の回折角度を成立させることが可能である。０度から１０度までの範囲の全ての回折角度にて、ファイバ１１０と入力導波路１７０との間で結合される光学パワーを計測し、それによって最大検知光学パワーを決定することが可能である。ファイバ１１０と入力導波路１７０との間の光学パワーが最大の時、最大検知光学パワーは、ＬＣＰＧ２００の回折角度にて決定される。例えば、０度から１０度の範囲の全ての１／２度ごとにといった具合に、あらゆる角度にて光学パワーを測定し、それによって最大検知光学パワーを決定し得ることは当然である。対応する回折角度、波長および格子周期に対する最大検知光学パワーは、ステアリングシステム４００の動作パラメータとして保存される。

第２の導波路４３０は、ファイバ１１０と入力導波路１７０との間の結合光学パワーの強度をアクティブに監視するために使用される。第二の導波路４３０に結合された光学パワーは監視され、ステアリング装置３００を使用して、アクティブに導波路１７０に対してファイバ１１０のアライメントをとるためにフィードバックとして作用する。光検出器４１０は、エバネセント結合によって第二の導波路４３０に結合された光学パワーを検知し、検知された光学パワーを検出器信号に変換する。光検出器４１０はゲルマニウムフォトディテクタであってもよいが、他の検出器を使用してもよい。導波路１７０に結合された光トランスデューサといった他の導波路センサも、ファイバ１１０と導波路１７０との間の結合パワーを検出するために使用することが可能であることは当然である。光検出器４１０によって変換された検出器信号は、比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラ４２０に処理変数として入力されるが、他の閉ループコントロールシステムを使用することも可能である。光検出器４１０によって変換された検出器信号に応じて、フィードバックループは、検出器信号によって表されている現在検知中の光学パワーと保存されている最大検知光学パワーとの間の差を表すエラー信号を生成する。

エラー信号が望ましいエラー閾値を下回るとＰＩＤコントローラ４２０が判断する場合、液晶ステアリング装置３００は、回折角度をゼロ（０）次回折角度にステアするように指示される。上記されたように、これを行うために、ファイバ１１０からの光３９０が、その偏光状態を変更することなく半波長板３２０を通過するように、電圧源３０１からの印加電圧Ｖ（ｔ）が半波長板３２０に印加される。ゼロ次に光をステアするために、電圧源３０１からの印加電圧Ｖ（ｔ）はＬＣＰＧ２００にも印加される。

エラー信号が望ましいエラー閾値以上であるとＰＩＤコントローラ４２０が判断する場合、ＰＩＤコントローラ４２０によって計算されたエラー信号を最小化して望ましいエラー閾値を下回らせるべく、ＰＩＤコントローラ４２０は、液晶ステアリング装置３００を使用してファイバ１１０からの光をステアする。例えば、光３９０がその偏光状態を変更することなく半波長板３２０を通過するように、電圧を半波長板３２０に印加することによって、ＰＩＤコントローラ４２０は、液晶ステアリング装置３００に、光を正の第１（＋１）次数の角度θにてステアするように指示することが可能である。上記したように、＋１次数で光３８０をステアするために、電圧がＬＣＰＧ２００に印加されることはない。液晶ステアリング装置３００が、光を＋１次数の角度θにてステアする後は、光検出器４１０は、導波路４３０における結合パワーを検知する。エラーが増加した場合、半波長板３２０およびＬＣＰＧ２００に電圧を印加しないことによって、ＰＩＤコントローラ４２０は、液晶ステアリング装置３００にファイバ１１０からの光を−１次数の角度θにて回折するように指示することが可能である。

図５は、別の実施形態による液晶ステアリング装置５００の側面図を示す。液晶ステアリング装置５００は、光ファイバ１１０と光学集積導波路１７０との間に配置された液晶波長板５１０を含む。液晶ステアリング装置５００は、例えば、両面テープを使用して、光ファイバ１１０と導波路１７０との間に接合することができる。実施形態が両面テープにのみに限定されないこと、および、例えば、ＵＶ硬化型エポキシまたは熱硬化型エポキシといった任意の適切な付着技術を使用し得ることは当然である。

液晶波長板５１０は、１つまたはそれより多くの液晶層を含み、この液晶層は近赤外線に対して１．４１４から２の範囲の屈折率を持つネマチック液晶層であることが可能である。液晶波長板５１０は約１．５μｍの厚さ、またはファイバ１１０の波長を上回る任意の厚さを有する。液晶波長板５１０における液晶分子の大きさは、少なくとも格子１００の幅であり、好ましくは格子１００の幅の２倍である。例えば、格子１００の幅が１０μｍオーダーである場合、液晶波長板５１０の液晶は、２０μｍであることが望ましい。例えば、図３Ａの屈折率マッチング層１６０といった率マッチング層が、ファイバ１１０と液晶波長板５１０との間にない場合は、上方に向いている液晶ファセット５２０は、反射防止コーティングによってコーティングすることが可能である。

光偏光が液晶の配向に平行な液晶波長板５１０に、ファイバ１１０からの光が送られる。ファイバ１１０からの直線偏光された光が液晶波長板５１０との界面にて当たると、その光は、図５に示されるように部分的に反射し、かつ部分的に屈折する。この現象は、下記の式によるスネルの法則によって説明される。

上記式において、ｎ_１はファイバ１１０の屈折率であり、θ_１はファイバ１１０からの入射光の入射角度であり、ｎ_２は液晶波長板５１０の屈折率であり、θ_２は液晶波長板５１０を透過する光の透過角度である。界生成装置５３０からの電界または磁界は、液晶波長板５１０に印加され、液晶分子の配向が界に平行にアラインメントをとられ、従って液晶波長板５１０の屈折率が液晶分子の回転角度によって変更される。液晶波長板５１０の屈折率を変えることで、ファイバ１１０からの光線の屈折角度を変更することになる。最小の屈折角度および最大の屈折角度は、以下のように決定される。

上記式において、ｎ_{２，ｍｉｎ}およびｎ２_，ｍａｘは、それぞれ液晶波長板５１０の最小屈折率および最大屈折率である。例えば、ファイバ１１０の屈折率がｎ_１＝１であり、ファイバ１１０からの光が１６．７度の角度θ_１にて液晶波長板５１０に入射する場合、液晶波長板５１０は、８．２６度から１１．７３度の最小角度で、すなわち、３．４７度の範囲内で、光線をステアすることが可能である。

集積光導波路１７０にファイバ１１０を結合するためのファイバ・チップ間ステアリングシステム４００において、液晶ステアリング装置３００は、液晶ステアリングシステム５００に置換することができることは当然である。最大検知光学パワーを決定するために、光検出器４１０を使用して液晶波長板５１０の様々な回折角度にて、ファイバ１１０と入力導波路１７０との間の光学パワーを検知することが可能である。対応する回折角度、波長、および格子周期に対する最大検知光学パワーは、ステアリングシステム５００の稼動パラメータとして保存される。光検出器４１０によって変換された検出器信号に応じて、フィードバックループは、検出器信号によって表されている現在検知中の光学パワーと保存されている最大検知光学パワーとの間の差を表すエラー信号を生成する。エラー信号が望ましいエラー閾値以上であるとＰＩＤコントローラ４２０が判断する場合、ＰＩＤコントローラ４２０によって計算されたエラー信号を最小化して望ましいエラー閾値を下回らせるべく、界生成装置５３０から液晶波長板５１０に印加される電界を調節することによって、ＰＩＤコントローラ４２０は、液晶波長板５１０を使用してファイバ１１０からの光をステアする。

開示された実施形態が詳細に記載されてきたが、当然のことながら、本発明は開示された実施形態に限定されない。むしろ、開示された実施形態は、本書類に記載されないあらゆる変形、あらゆる変更、あらゆる置換、あるいは、あらゆる等価な配置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）を含むように修正することが可能である。

Claims (12)

1. 光学チップ上に集積された第一の光導波路と光ファイバとのアライメントをとるための液晶ステアリング装置であって、前記第一の光導波路とともに光路に配置されて前記第一の光導波路に前記光ファイバからの光線をステアするように構成された切り替え可能な液晶偏光格子と、前記液晶偏光格子とアライメントをとられて入射光線の偏光状態を変更するように構成された第一の波長板と、を含む、前記液晶ステアリング装置と、
   前記第一の光導波路の近傍に設けられる第二の光導波路と、
   前記第二の光導波路に電圧を印加し、前記第一の光導波路から前記第二の光導波路に伝達される光学パワーを制御する電極と、
   前記第二の光導波路における光学パワーを検知する導波路センサと、
   前記導波路センサによって検知された光学パワーに応じて、前記液晶ステアリング装置を制御し、前記第一の光導波路に対する前記光ファイバのアライメントをとるように構成されたコントローラと、
   を含む、装置。
2. 前記切り替え可能な液晶偏光格子は、円偏光光線を３つの回折次数のうちの１つへステアするように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記光ファイバと前記第一の波長板との間に配置され、前記光ファイバの直線偏光光線を前記円偏光光線へ変更するように構成された第二の波長板をさらに含む、請求項２に記載の装置。
4. 前記第一の波長板は複屈折液晶による半波長板である、請求項１に記載の装置。
5. 前記第二の波長板は、前記光ファイバの前記直線偏光光線を前記円偏光光線に変更するように構成された１／４波長板である、請求項３に記載の装置。
6. 前記第二の波長板は、前記光ファイバの前記直線偏光光線を前記円偏光光線に変更するように構成された３／４波長板である、請求項３に記載の装置。
7. ゼロ回折次数を選択するための前記液晶偏光格子に閾値電圧より高い電圧を印加するように構成された電圧源をさらに含む、請求項５に記載の装置。
8. 前記円偏光光線を前記円偏光光線の前記偏光状態を変更することなく通過させるために、前記第一の波長板に電圧を印加するように構成された電圧源をさらに含む、請求項５に記載の装置。
9. 集積光学チップであって、
   前記集積光学チップ上の第一の光導波路に対して、アクティブに光ファイバのアライメントをとるように適用された液晶ステアリング装置であって、前記第一の光導波路に取りつけられた切り替え可能な液晶偏光格子と、前記光ファイバと前記液晶偏光格子との間に置かれた半波長板と、を含む前記液晶ステアリング装置と、
   前記第一の光導波路からの光信号を結合するための前記第一の光導波路の近傍に設けられる第二の光導波路と、
   前記第二の光導波路に結合され、前記光ファイバと前記第一の光導波路との間の結合パワーを検知するための導波路センサと、
   前記導波路センサによって検知された前記結合パワーに応じて、前記液晶ステアリング装置を制御し、前記第一の光導波路に対する前記光ファイバのアライメントをとるように構成されたコントローラと、
   前記第二の光導波路に電圧を印加し、前記第一の光導波路から前記第二の光導波路に伝達される光学パワーを制御する電極と、
   を含む、集積光学チップ。
10. 前記第一の光導波路と前記第二の光導波路との間の前記結合はエバネセント波による、請求項９に記載の集積光学チップ。
11. 前記導波路センサは、光検出器である、請求項１０に記載の集積光学チップ。
12. 前記コントローラは、比例・積分・微分コントローラである、請求項１１に記載の集積光学チップ。

Images