JP6342651B2 - 外部影響に対して低感受性の集積フォトニックデバイスおよび感受性低減方法 - Google Patents

外部影響に対して低感受性の集積フォトニックデバイスおよび感受性低減方法 Download PDF

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Description

本発明は、チップ全体またはフォトニックデバイスの局所環境に作用する影響または効果に対して、波長依存の透過率またはフィルタ特性を有するオンチップ集積フォトニックデバイスの感受性を低減する方法に関する。本発明はまた、上述の効果に対して低減した感受性を持つ、波長依存の透過率またはフィルタ特性を有するオンチップ集積フォトニックデバイスに関する。
チップまたはフォトニックデバイスの局所環境に作用する外部影響に対する、オンチップ集積フォトニックデバイスの感受性は、特に、意図的に波長依存の透過率またはフィルタ特性を有する集積フォトニックデバイスにとって主要な問題である。温度、幾何形状変動（例えば、製造公差(tolerance)に関する）及び／又は電離放射線に対するデバイス特性の依存性は、こうした集積フォトニックデバイスにとって望ましくない。
例えば、温度感受性の問題は、高い温度依存性の屈折率（即ち、高い熱光学係数）を有する材料の中に製作されたフォトニックデバイスにとって特に顕著である。従って、シリコンの高い熱光学係数（１．８６ｘ１０−４Ｋ−１）のため、温度依存性は、シリコンフォトニックデバイスの本質的限界の１つである。こうしたフォトニックデバイス、特に波長依存の透過率またはフィルタ特性を有するフォトニックデバイスの温度感受性を低減することは、特に低い伝搬損失および小さな専有面積との組合せでは難しい課題になる。
集積シリコンフォトニックデバイスの温度依存性は、上部クラッド層としてオーバーレイ(overlay)を設けることによって低減できる。ここで、オーバーレイ材料（例えば、ポリマー）は、シリコンの熱光学係数とは反対の熱光学係数を有する。しかしながら、こうしたオーバーレイの使用は、経年劣化の問題および温度ヒステリシスをもたらすことがある。また、ポリマー製オーバーレイは、ＣＭＯＳプロセスにおけるバックエンドメタライゼーションで典型的に用いられる高温処理に耐えられない。従って、こうしたポリマー製オーバーレイの使用はＣＭＯＳ適合性がない。
他の解決法が、フォトニックデバイスを動的に安定化する局部ヒータの使用である。しかしながら、これは、スペースを要し、大きな電力消費をもたらすアクティブ温度モニタリングを必要とする。
米国公開第２０１１／０１０２８０４号では、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）が記載されており、異なる導波路アーム幅を使用し、１つのアームの温度感受性が他のアームの温度感受性を相殺できるように適切なアーム長を選択することによって、非熱的なもの（温度非依存性）にできる。これは、温度変化に対する導波路の異なる応答をベースとしている。シリコン導波路コア中に閉じ込められた光の割合が両方の導波路で異なるためである。
同様に、集積シリコンフォトニックデバイスが、ライン幅および厚さの変動（例えば、製造プロセスによって誘起される）および電離放射線に対して極めて敏感である。
本発明の実施形態の目的は、外部影響に対して低感受性である良好なフォトニック方法およびフォトニックデバイスを提供することである。
この目的は、本発明の実施形態に係る方法およびデバイスによって達成される。
第１態様によれば、本発明は、波長依存特性を有する集積フォトニックデバイスを提供するものである。該デバイスは、偏光した光を受けるための入力ポート、第１波を供給するための第１出力ポート、および第２波を供給するための第２出力ポートを有するスプリッタ偏光回転子ＳＰＲと、
第１波の第１偏光モードを（主に）伝搬するための寸法を有する第１アームであって、第１アームの入力側がＳＰＲの第１出力ポートと光学接続されている第１アームと、
第２波の第２偏光モードを（主に）伝搬するための寸法を有する第２アームであって、第２偏光モードは第１偏光モードとは異なっており、第２アームの入力側がＳＰＲの第２出力ポートと光学接続されている第２アームと、
第１アームの出力側と光学接続され、伝搬した第１波を受けるための第１入力ポート、第２アームの出力側と光学接続され、伝搬した第２波を受けるための第２入力ポート、および伝搬した第１波および伝搬した第２波の結合を出力波として供給するための出力ポートを有する偏光回転子コンバイナＰＲＣとを備え、
第１アームの寸法および第２アームの寸法は、波長依存特性に対して外部効果の影響を実質的に取り消すように選択される。
第１アームは、第１導波路アームでもよい。第２アームは、第２導波路アームでもよい。第１アームおよび第２アームの寸法（設計パラメータ）は、例えば、アームのライン幅、アームの高さ及び／又はアームの長さを含んでもよい。ライン幅は、アームの長さに沿って一定としてもよく、またはアームの長さに沿って変化してもよい。
本発明の実施形態の利点は、フォトニックデバイスの光学特性、例えば、その透過率特性またはそのフィルタ特性に対する効果、例えば、温度変動、幾何形状公差または放射線などの影響を低減、例えば、最小化、例えば、実質的に打ち消すように、アームの寸法が選択されることである。外部影響に対してほぼ低減した感受性を有するこうしたデバイスは、「補償デバイス」とも称される。
本発明の実施形態の利点は、フォトニックデバイスの製造が、集積フォトニックデバイス、例えば、シリコンベースの集積フォトニックデバイス用の標準プロセス手法と適合していることである。製造プロセスを変更したり適応させる必要がないことが利点である。
米国公開第２０１１／０１０２８０４号で提案された解決法と比べた場合、主要な相違点は、先行技術では単一極性（ＴＥ）だけであるのに対して、本発明の実施形態では２つの異なる極性（例えば、ＴＥとＴＭ）の光を用いる点である。その主な利点は、本発明のフォトニックデバイスは、ＴＭ偏光の使用に起因して小さな専有面積および低い損失を有することである。単一極性だけを用いる主な不具合は、デバイスサイズは大型であり、あるいは、極めて狭い（損失が多い）導波路の使用が両アーム間の熱光学応答で充分な差を有することが要求される。
本発明の実施形態の利点は、コア材料の熱光学係数とは反対の熱光学係数を備えたオーバーレイ、例えば、ポリマー製オーバーレイを上部クラッド層として設けるのを回避できることである。従って、こうしたオーバーレイに関係した問題、例えば、経年劣化および温度ヒステリシスを回避できる。
本発明の実施形態の利点は、フォトニックデバイスを動的に安定化する局部ヒータを設置する必要性が回避できることである。従って、大きな電力消費を回避できる。
本発明の実施形態において、第１偏光モードは横磁界モード（ＴＭ）で、第２偏光モードは横電界モード（ＴＥ）であり、あるいは逆もまた同様である。
本発明の実施形態において、第１アームの寸法および第２アームの寸法は、フォトニックデバイスの光学特性に対して、寸法公差、放射線および温度変動のグループから選択される少なくとも１つの効果の影響を実質的にキャンセルするように選択される。
本発明の実施形態において、光学特性は、透過波長またはフィルタ波長から選択される。
本発明の実施形態において、第１アームの寸法および第２アームの寸法は、前記光学特性に対して温度変動の影響を実質的に打ち消すように適応される。
第１および第２アームの寸法は、例えば、透過波長特性に対して温度変動の影響を実質的にキャンセルするように選択してもよい。代替として、第１および第２アームの寸法は、例えば、フィルタ波長特性に対して温度変動の影響を実質的にキャンセルするように選択してもよい。
第１アームでの第１偏光モードと第２アームでの第２偏光モードとの間の閉じ込めの差は、異なる熱光学係数を誘起し、これによりデバイス特性に対する温度の影響を打ち消すことが可能になり、温度感受性を実質的に低減できる。
単一極性を用いている米国公開第２０１１／０１０２８０４号とは対照的に、異なる偏光の使用は、大きな伝搬損失を導入することなく、両アームでの温度応答での差を増幅する。
本発明の実施形態において、第１アームの寸法および第２アームの寸法は、前記光学特性に対して、幾何形状変動、例えば、ライン幅変動の影響を実質的に打ち消すように選択される。
第１および第２アームの寸法は、例えば、透過波長特性に対してライン幅の影響を実質的にキャンセルするように選択してもよい。代替として、第１および第２アームの寸法は、例えば、フィルタ波長特性に対してライン幅の影響を実質的にキャンセルするように選択してもよい。
本発明の実施形態において、第１アームの寸法および第２アームの寸法は、前記光学特性に対して、放射線効果、例えば、電離放射線効果の影響を実質的に打ち消すように選択される。
第１および第２アームの寸法は、例えば、透過波長特性に対して放射線効果の影響を実質的にキャンセルするように選択してもよい。代替として、第１および第２アームの寸法は、例えば、フィルタ波長特性に対して放射線効果の影響を実質的にキャンセルするように選択してもよい。
本発明の実施形態において、デバイスは、波長フィルタ、好ましくは、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）、リング共振器およびアレイ導波路グレーティングのグループから選択される。
本発明の実施形態において、集積フォトニックデバイスは、波長選択変調器であって、第１アームからの第１偏光モードの光を、波長選択変調器での第２偏光モードの光と結合させるためのカプラ（第２ＳＰなど）によって、第１アームと光学接続された波長選択変調器をさらに備え、第１アームの寸法および第２アームの寸法は、外部影響に起因した、波長選択変調器の波長ドリフトを実質的にキャンセルするように選択される。
波長選択変調器は、リング変調器でもよい。
第２態様によれば、本発明は、波長依存特性を有する集積フォトニックデバイスの感受性を低減する方法に関するものである。該方法は、光ビームを、第１偏光モードを有する第１波および、第１偏光モードとは異なる第２偏光モードを有する第２波に分岐するステップと、
第１波を第１アームを通じて伝搬させるステップと、
第２波を第２アームを通じて伝搬させるステップと、
伝搬した第１波および伝搬した第２波を第１アームおよび第２アームの出力側で結合させるステップとを含み、
第１アームの寸法および第２アームの寸法は、波長依存特性に対して外部効果の影響を実質的に取り消すように選択される。
第１アームは第１導波路アームでもよく、第２アームは第２導波路アームでもよい。外部効果は、温度変動、幾何形状変動および放射線効果からなるグループから選択されるいずれでもよい。
本発明の方法の実施形態において、集積フォトニックデバイスは、波長フィルタ、好ましくは、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）、リング共振器およびアレイ導波路グレーティングのグループから選択され、光学特性は、前記波長フィルタの透過特性またはフィルタ特性である。
本発明の方法の実施形態において、集積フォトニックデバイスは、第１アームと光学接続された波長選択変調器をさらに備え、該方法は、第１アームからの第１偏光モードの光を波長選択変調器での第２偏光モードの光と結合させるステップをさらに含み、光学特性は、波長選択変調器の共振波長である。
本発明の種々の実施形態の特定の目的および利点をここでは説明した。当然ながら、本発明のいずれか特定の実施形態に従って、必ずしも全てのこうした目的または利点が達成できないことと理解すべきである。こうして例えば、他の目的を必ずしも達成することなくここで教示したように、あるいはここで教示または示唆したように、１つの利点または一群の利点を達成または最適化する方法で、本発明が具体化または実施できることは、当業者は認識するであろう。さらに、この要旨は一例に過ぎず、本発明の範囲を限定することを意図していないことは理解されよう。添付図面と関連して読んだ場合、本発明は、組織および動作方法の両方について、特徴およびその利点とともに、下記の詳細な説明へ参照によって最良に理解されるであろう。
本発明の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計を概略的に示す。 本発明の実施形態で使用できるような、上部クラッド層として空気を備えたスプリッタ偏光回転子（ＳＰＲ）を概略的に示す。図２（ａ）は断面を示し、図２（ｂ）は上面図を示す。 シミュレーションで用いたシリコン導波路の概略断面である。 ＴＥおよびＴＭ偏光光について、導波路の実効屈折率に対する図３のシリコン導波路の幅変動の効果を示す。 図２に示すようなＳＰＲについてＴＥモードからＴＭモードへのパワー伝達を結合長さの関数として示す。 本発明の実施形態に係るＭＺＩについて計算したｄλ／ｄＴを、固定した長さ（２０マイクロメータ）の第２導波路アームで、第１導波路アームの長さの関数として示す。 本発明の実施形態に係るＭＺＩについて計算した修正干渉(modified interference)Ｍを、２０マイクロメータの固定した長さの第２導波路アームで、第１導波路アームの長さの関数として示す。 未補償ＭＺＩについて０℃、５０℃、１００℃で計算した透過スペクトルを示す。 本発明の一実施形態に係る補償（温度非感受性）ＭＺＩについて０℃、５０℃、１００℃で計算した透過スペクトルを示す。 基本ＴＥモードについて熱光学係数変動を導波路幅の関数として示す。 基本ＴＭモードについて熱光学係数変動を導波路幅の関数として示す。 酸化物上部クラッドおよび酸化物下部クラッドを備えた、本発明の実施形態で使用可能なＳＰＲの断面を概略的に示す。第２ＳＰＲ導波路は、第１ＳＰＲ導波路より薄くて幅広である。 図１２に示すようなＳＰＲカプラの上面図である。第２ＳＰＲ導波路は、一方の側面において結合長さに沿ってテーパー状である。 図１２と図１３に示すようなＳＰＲ設計についてＴＥモードからＴＭモードへのパワー結合を結合長さの関数として示す。 図１２と図１３に示すようなＳＰＲ設計についてＴＥモードからＴＭモードへのパワー結合を波長の関数として示す。 本発明の実施形態に係る補償リング変調器を概略的に示す。
図面は、概略的かつ非限定的なものである。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがある。請求項中の参照符号は、範囲を限定するものと解釈すべきでない。異なる図面において、同じ参照符号は同じまたは類似の要素を参照する。
下記の詳細な説明において、多数の具体的な詳細を説明して、本発明の完全な理解および特定の実施形態においてどのように実施できるかを提供している。しかしながら、本発明は、これらの具体的な詳細が無くても実施できることは理解されよう。他の例では、本発明を曖昧にしないように、周知の方法、手順および手法は詳細に記載していない。本発明は、一定の図面を参照して特定の実施形態に関して説明しているが、本発明はこれに限定されない。ここに含まれ記載した図面は、概略的であり、本発明の範囲を限定していない。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがあることに留意する。
さらに、説明および請求項での用語、「第１」、「第２」、「第３」などは、類似の要素を区別するための使用しており、必ずしも時間的、空間的、ランキング、または他の手法で順番を記述するためではない。こうした用いた用語は、適切な状況下で交換可能であり、本発明の実施形態は、ここで説明したり図示したものとは別の順番で動作可能であることは理解すべきである。
さらに、説明中の用語「上(top)」、「下(bottom)」、「の上に(over)」、「の下に(under)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、適切な状況下で交換可能であって、ここで説明した本発明の実施形態がここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能であることを理解すべきである。
請求項で用いた用語「備える、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定されるものと解釈すべきでなく、他の要素またはステップを除外していないことに留意すべきである。記述した特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を、参照したように特定するように解釈する必要があるが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップまたは構成要素、あるいはこれらのグループの存在または追加を除外していない。こうして表現「手段Ａ，Ｂを備えるデバイス」の範囲は、構成要素Ａ，Ｂのみから成るデバイスに限定すべきでない。
本発明の文脈において、「波長選択デバイス」とは、意図的な、例えば、所定の波長依存特性、例えば、波長依存透過特性または波長依存フィルタ特性を有するフォトニックデバイスである。波長選択デバイスの例が、フィルタ、共振器、リング変調器であるが、本発明はこれに限定されない。
本発明の文脈において、「外部効果」とは、チップ全体またはチップ上のフォトニックデバイスの局所環境に作用するいずれの効果でもよく、例えば、温度影響、放射線効果、または幾何形状効果などである。更なる説明では、「外部効果」は温度を参照している実施形態について例示している。しかしながら、本発明はこれに限定されない。
本発明は、外部効果に対して実質的に低減した感受性を有する波長選択性オンチップ集積フォトニックデバイス（「補償」デバイスとも称する）に関する。例えば、本発明は、実質的に低減した温度感受性を有する波長選択性集積フォトニックデバイスに関する。ここでは、局部ヒータを設置する必要性が回避され、フォトニックデバイスは、既存のフォトニックデバイス（例えば、米国公開第２０１１／０１０２８０４号に記載されている）と比べて低い伝搬損失および低減した専有面積を有し、フォトニックデバイスのプロセスは、標準プロセス手法と適合し、例えば、ＣＭＯＳプロセスと適合しており、そのため製造プロセスを変更する必要がない。
フォトニックデバイス特性の温度依存性の問題は、シリコンベースの材料系において特に顕著である。同様に、シリコンフォトニック導波路デバイスが、その構造またはその要素の幅および高さの変動に対して極めて敏感である。シリコンフォトニック導波路は、電離放射線への露出に対して敏感であることも判明した。
本発明は、シリコンベースの材料系（例えば、ＳＯＩ）で製造され、即ち、シリコンを導波路コア用の材料として用いている集積フォトニックデバイスについてさらに説明している。しかしながら、本発明に係る波長選択デバイスは、当業者に知られている任意の適切な材料系で実現することができる。
本発明の実施形態に係る補償波長選択デバイスが、２つ又はそれ以上の遅延ライン（集積導波路、導波路アーム）を含んでおり、動作時に２つの遅延ラインが異なる偏光の光を伝搬する。動作時に、第１遅延ラインまたは第１集積導波路がＴＭ偏光光を（主に）伝搬するとともに、第２遅延ラインまたは第２集積導波路がＴＥ偏光光を（主に）伝搬する。両方の偏光間での導波路内の光学閉じ込めの差は、温度変動に対して導波モードの異なる応答を誘起する。この差に基づいてデバイス特性に対する温度効果を低減でき、あるいは、適切な設計パラメータを選択した場合、実質的に打ち消し（補償）が可能である。設計パラメータは、例えば、遅延ラインのライン幅（但し、ライン幅は遅延ラインの長さに沿って一定にしてもよく、あるいはライン幅は遅延ラインの長さに沿って変化してもよい）、遅延ラインの高さ、及び／又は遅延ラインの長さを含んでもよい。しかしながら、これらの設計パラメータは、低減または実質的な打ち消しを達成するために独立に選択することはできない。
本発明の実施形態において、ＴＥ偏光伝搬用の導波路およびＴＭ偏光伝搬用の導波路が用いられる。導波路の幅および高さを適切に選択した場合、ＴＭ光は、基本ＴＥモードよりも導波路内に閉じ込められるのがかなり少なく、より弱い温度応答を感じることになる。さらに、ＴＭモードは導波路コア材料の粗い側壁において高い電界強度を有していないため、ＴＭモードの伝搬損失はＴＥモードより低い。
本発明の実施形態に係る補償ＭＺＩ（マッハツェンダー干渉計）の例を図１に概略的に示す。デバイス１００は、スプリッタ偏光回転子（ＳＰＲ）１１の入力ポートと光学接続された入力導波路１０を備える。出力側では、ＳＰＲ１１は、第１導波路アーム１２（この図面では上側導波路、上側アーム）の入力側および第２導波路アーム１３（この図面では下側導波路、下側アーム）の入力側と光学接続される。第１導波路アーム１２の幅および第２導波路アーム１３の幅は、同じでもよく、異なってもよい。それは、低い伝搬損失と熱光学応答の大きな差との間の良好なバランスが得られように選択できる。アームの長さに沿って、両方のアームの幅は変化してもよい。しかしながら、さらに説明した例では、導波路の幅は導波路アームの長さ全体に渡って実質的に同じであると仮定している。例えば、シリコンベースの導波路の場合、幅は、例えば、約２５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲、例えば、約４５０ｎｍのオーダーにできる。ＭＺＩデバイスは、例えば、ＳＯＩ材料系で製造でき、シリコンが導波路のコア材料として用いられ、シリコン酸化物の下部クラッド層が用いられる。上部クラッド層は、例えば、空気または、誘電体層、例えば、酸化物層または窒化物層でもよい。
第１導波路アーム１２および第２導波路アーム１３は、出力側で偏光回転子コンバイナ（ＰＲＣ）１４の第１および第２入力ポートと光学接続され、ＰＲＣ１４の出力側が出力導波路１５と光学接続される。ＰＲＣ１４は、ＳＰＲ１１と同様なデバイスとすることができるが、動作は逆である。
動作の際、図１に示すように、第１偏光状態の偏光光１が、ＳＰＲ１１への入力として、例えば、オンチップ入力導波路１０から供給される。第１偏光状態の偏光光１は、スプリッタ偏光回転子（ＳＰＲ）１１を通過し、これは光を分岐して、第２偏光状態の第１波２および第１偏光状態の第２波３に変換する。一例として、横電界（ＴＥ）偏光光１が、例えば、図１に示すように、オンチップ入力導波路１０からＳＰＲ１１の入力として供給してもよい。ＴＥ偏光光１は、スプリッタ偏光回転子（ＳＰＲ）１１を通過し、これは光を分岐して、第１割合、例えば、５０％の横磁界（ＴＭ）波２および、第２割合、例えば、５０％の横電界（ＴＥ）波３に変換する。しかしながら、本発明は、ＴＥ偏光の光１に限定されない。それはＴＭ偏光の光でもよく、ＳＰＲ１１によってＴＭ波とＴＥ波に分岐される。
また本発明は、５０％／５０％分岐に限定されない。ＳＰＲ１１（およびＰＲＣ１４）は、２つのアーム１２，１３間で異なる比率の光学パワーを有するように変更してもよく、例えば、一方のアームが他方より大きい総伝搬損失を示す場合、例えば、アームのバランスを所望の仕様に調整するように使用できる。第２偏光状態の偏光光２、例えば、ＴＭ偏光光２は、第１導波路アーム１２に向かって伝搬し、第１偏光状態の偏光光３、例えば、ＴＥ偏光光３は、第２導波路アーム１３に向かって伝搬する。上側導波路アーム１２および下側導波路アーム１３の出力側では、両方の光波２，３が偏光回転子コンバイナ（ＰＲＣ）１４と結合して、第１偏光状態の偏光出力波４、例えば、ＴＥ偏光出力波４が得られ、例えば、偏光回転子コンバイナ（ＰＲＣ）１４の出力ポートと接続された出力導波路１５内を伝搬する。出力波４は、両方のアームにおける波２，３の干渉から生じて、波長依存の応答を示す。
図２は、本発明に係るフォトニックデバイスの実施形態で使用できるスプリッタ偏光回転子（ＳＰＲ）１１の例を概略的に示す。図示した例では、下部クラッド層２１は、例えば、シリコン酸化物層であり、上部クラッド層２２は空気である。図２（ａ）は、ＳＰＲの断面を示し、図２（ｂ）は、ＳＰＲの上面図を示す。ＳＰＲは、第１ＳＰＲ導波路１１１と、第２ＳＰＲ導波路１１２とを備え、第１ＳＰＲ導波路１１１および第２ＳＰＲ導波路１１２は下部クラッド層２１の上に設けられ、第１ＳＰＲ導波路１１１と第２ＳＰＲ導波路１１２との間には、小さな一定の間隙ｇが所定の距離または結合長さＬｃに渡って設けられる。間隙ｇは、第２ＳＰＲ導波路１１２と第１ＳＰＲ導波路１１１との間で光学パワーの伝送を可能にする程度に充分に小さい。例えば、間隙サイズは、約５０ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲でもよい。第２ＳＰＲ導波路１１２の幅ＷＴＥは、第１ＳＰＲ導波路１１１の幅ＷＴＭとは異なっており（この例ではより小さく）、モード整合を可能にする。到来する光波、例えば、ＴＥ波（例えば、図１では光波１）が第２ＳＰＲ導波路１１２を伝搬して、第１ＳＰＲ導波路１１１と結合できる。本発明の実施形態において、結合長さＬｃは、第２ＳＰＲ導波路１１２（ＴＥモード）から第１ＳＰＲ導波路１１１（ＴＭモード）への約５０％のパワー伝送を許容するように選択される。ＳＰＲの入口および出口では、不要な反射を回避するように幾何形状変動（例えば、テーパー区間）を設置できる。
本発明の実施形態に係るＭＺＩ１００において、図１に示すように、第２ＳＰＲ導波路１１２の出力端（ＳＰＲ１１の第２出力ポート）は、第２導波路アーム１３と光学接続され、第１ＳＰＲ導波路１１１の出力端（ＳＰＲ１１の第１出力ポート）は、第１導波路アーム１２と光学接続される。断熱テーパーまたは非断熱モード整合構造が、導波路のより狭い区間およびより幅広の区間と接続するために設置できる。
本発明の実施形態で使用できる偏光回転子コンバイナ（ＰＲＣ）１４が、スプリッタ偏光回転子デバイス構造と類似したデバイス構造を有してもよく、一例を図２に示しているが、逆方向に動作する。ＰＲＣ１４は、第１ＰＲＣ導波路と第２ＰＲＣ導波路とを備え、第１ＰＲＣ導波路および第２ＰＲＣ導波路は、下部クラッド層２１の上に設けられ、第１ＰＲＣ導波路と第２ＰＲＣ導波路との間には、小さな一定の間隙ｇ’が所定の距離または結合長さＬｃ’に渡って設けられる。間隙ｇ’は、第１ＰＲＣ導波路と第２ＰＲＣ導波路との間で光学パワーの伝送を可能にする程度に充分に小さい。例えば、間隙サイズｇ’は、約５０ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲でもよい。第２ＰＲＣ導波路の幅Ｗは、第１ＰＲＣ導波路の幅とは異なっており）、モード整合を可能にする。動作の際、到来する第１光波（例えば、図１では光波２）がＴＭ偏光しており、第１ＰＲＣ導波路を伝搬し、到来する第２光波（例えば、図１では光波３）がＴＥ偏光しており、第２ＰＲＣ導波路を伝搬する。本発明の実施形態において、ＰＲＣ導波路間の結合長さＬｃ’は、第１ＰＲＣ導波路（ＴＭモード）から第２ＰＲＣ導波路（ＴＥモード）への完全パワー伝送を許容するように選択される。本発明の実施形態に係るＭＺＩにおいて、図１に示すように、ＰＲＣ１４の出力端は、出力導波路１５と光学接続される。断熱テーパーまたは非断熱モード整合構造が、導波路のより狭い区間およびより幅広の区間と接続するために設置できる。
図１に示すような本発明の実施形態に係る温度感受性のＭＺＩについてシミュレーションを行った。図３は、シミュレーションで用いた、空気上部クラッドを備えたシリコン導波路の概略断面を示す。導波路のシリコンコア２０は、高さｈおよび幅ｗを有する。図示した例では、下部クラッド層２１はシリカであり、上部クラッド層２２は空気である。シミュレーションにおいて、Ｓｉ導波路の高さｈは２２０ｎｍに維持して、幅ｗを変化させた。下部クラッド層２１および上部クラッド層２２は、２マイクロメータの厚さを有すると仮定した。ＴＥ偏光光およびＴＭ偏光光（ＴＥ００は基本ＴＥモードを表し、ＴＭ００は基本ＴＭモードを表し、ＴＥ１０およびＴＥ２０は偏光光の他のモードを表す）について、導波路の分散挙動（実効屈折率に対してシリコン導波路の幅変動の影響）を図４に示す。
両方のアーム１２，１３での導波路が同じで、同じ偏光で動作するＭＺＩでは、建設的干渉の条件は次式のようになる。
Figure 0006342651
ここで、ｍは整数、λは光の波長、ｎｅｆｆは導波モードの実効屈折率、ΔＬは第１導波路アーム１２と第２導波路アーム１３との間の経路長の差である。相殺的干渉では、ｍは整数と半分である（０．５；１．５；２．５；３．５；…）。
本発明の実施形態に係る方法およびデバイスにおいて、異なる導波路および異なるモードがＭＺＩのアームの各々で用いられる。動作の際、ＭＺＩの第１導波路アーム１２はＴＭ偏光光を伝搬し、一方、ＭＺＩの第２導波路アーム１３はＴＥ偏光光を伝搬する。従って、式（１）は下記のように修正される。
Figure 0006342651
ここで、ｎｅｆｆ，ＴＭはＴＭモードを運ぶ第１導波路アームの実効屈折率であり、ｎｅｆｆ，ＴＥはＴＥモードを運ぶ第２導波路アームの実効屈折率である。Ｌ１は第１導波路アーム１２の長さであり、Ｌ２は第２導波路アーム１３の長さである。
Figure 0006342651
ここで、Ｍは、異なるアームでの実効屈折率の差に関連して誘起された分散（実効屈折率に対する波長の影響）に起因した修正した干渉次数である。建設的／相殺的干渉波長は、下記のように温度Ｔとともにシフトする。
Figure 0006342651
温度非感受性（非熱的）デバイスが、ｄλ／ｄＴ＝０について式（４）を解くことによって得られる。これは、対応する長さＬ１，Ｌ２の計算を可能にする。第１アーム１２のｄｎｅｆｆ，ＴＭ／ｄＴと第２アーム１３のｄｎｅｆｆ，ＴＥ／ｄＴとの差が大きいほど、デバイスの専有面積（サイズ）が小さくなる。ここで説明した全てシミュレーションにおいて、シリコンの屈折率を３．４８と仮定し、シリコンの熱光学係数１．８６×１０−４Ｋ−１を使用する。下地のＳｉＯ２層では、１．４５の屈折率を使用し、１×１０−５Ｋ−１の熱光学係数を使用する。
例示の干渉計の第１導波路アーム１２および第２導波路アーム１３の両方で用いた導波路幅は、４５０ｎｍであった。ＳＰＲ１１と導波路アーム１２，１３との間、および導波路アーム１２，１３とＰＲＣ１４との間に設けられた断熱テーパーが、デバイスシミュレーションに含まれている。図４で判るように、４５０ｎｍの導波路幅では、ｎｅｆｆは、ＴＥ偏光光では約２．２８、ＴＭ偏光光では約１．５５である。図４中のデータは、これらの値から僅かに逸脱していることが判るが、これらの値はシミュレーションで使用したものである。これらの計算した熱光学係数は、それぞれ２．１９×１０−４Ｋ−１および９．６１×１０−５Ｋ−１である。
図２は、ＳＰＲ１１の構造を概略的に示しており、入力ＴＥ信号が、位相整合条件および非対称構造に起因して、より幅広の区間においてＴＥ信号とＴＭ信号とに分岐される。この構造での位相整合条件は、図４に示すように、ｎｅｆｆ＿ＴＥ＝ｎｅｆｆ＿ＴＭ＝１．６５で、３２０ｎｍ幅の第２ＳＰＲ導波路１１２および６００ｎｍ幅の第１ＳＰＲ導波路１１１で満足する。シミュレーションにおいて、２つのＳＰＲ導波路１２，１３の間の間隙ｇは、ある距離または結合長さＬｃに渡って、２００ｎｍと一定に維持される。
図５は、こうしたＳＰＲ１１について結合長さ（Ｌｃ）の関数としてパワー伝送を示す。この例では、ＴＥからＴＭへの５０％パワー伝送が、Ｌｃ＝約１０．１マイクロメータで生ずることが判る。
図６は、計算したｄλ／ｄＴ（式（４）を用いて）を、ｍ＝５０で、ＴＥ区間（第２導波路アーム１３）の２０マイクロメータの所定の長さＬ２で、干渉計のＴＭ区間（第１導波路アーム１２）の長さＬ１の関数として示す。対応する修正した干渉プロットＭを図７に示す。長さＬ１でのｄλ／ｄＴの漸近的挙動（図６）は、図７に示すように、Ｍのゼロクロスに起因すると考えられる。温度非感受的動作での経路長さの差Ｌ１−Ｌ２は、本例では約２５．６マイクロメータである（計算したＬ１は、２０マイクロメータの所定の長さＬ２で、４５．６マイクロメータ）。
図８は、両方の導波路アームでのＴＭ信号を用いて従来の未補償ＭＺＩについて計算した透過スペクトルを３つの異なる温度（０℃、５０℃、１００℃）で示す。
図９は、本発明の一実施形態に従って、一方の導波路アームでのＴＭ信号および他方の導波路アームでのＴＭ信号を用いて補償（温度非感受性）設計について計算した透過スペクトルを３つの異なる温度（０℃、５０℃、１００℃）で示す。ＭＺＩ１００の第１（上側）導波路アーム１２および第２（下側）導波路アーム１３の幅は、全てのケースで４５０ｎｍであり、上部空気クラッドを仮定した。シミュレーション結果は、未補償ＭＺＩ（図８）の８０ｐｍ／Ｋのドリフトから、本発明に係る補償ＭＺＩ（図９）の０．２ｐｍ／Ｋ未満への改善を示す。
図１０は、基本ＴＥモードについて熱光学係数変動（ｄｎｅｆｆ／ｄＴ）を導波路幅の関数として示す。図１１は、基本ＴＭモードについて熱光学係数変動（ｄｎｅｆｆ／ｄＴ）を導波路幅の関数として示す。図１０と図１１から両者間で約１桁の差が見られる。
本発明の実施形態において、ＳＰＲ１１（ＰＲＣ１４も同様）は、モード分裂および偏光変換を可能にするために、垂直対称遮断(breaking)を必要とする。空気上部クラッド２２およびシリカ下部クラッド２１（図２に示すように）の場合、この垂直対称遮断は自動的に達成される。他の実施形態では、例えば、シリコン酸化物下部クラッドおよびシリコン酸化物上部クラッド（即ち、導波路はシリコン酸化物内に完全に埋め込まれる）の場合、垂直対称遮断は、２つの導波路の１つを部分的にエッチングすることによって得られる。図１２は、下部クラッド層３１および上部クラッド層３２の両方が同じ材料、例えば、シリコン酸化物で製作された実施形態についてＳＰＲ設計（断面）を示す。対称構造の問題を克服するために、ＳＰＲ導波路３３，３４は、異なる高さおよび幅を有する。
例えば、図１２に示すように、７０ｎｍ高さ、７００ｎｍ幅である第２（ＴＥ）ＳＰＲ導波路３３、および２２０ｎｍ高さ、４００ｎｍ幅である第１（ＴＭ）ＳＰＲ導波路３４（結合長さに沿って一定の幅のＳＰＲ導波路を想定）を有し、両導波路間で１８０ｎｍの間隙を持つＳＰＲでは、１５５０ｎｍの波長で、約１６０マイクロメータの結合長さＬｃについてＴＥモードからＴＭモードへ５０％のパワー結合が得られる。しかしながら、このカプラ設計は、例えば、３ｎｍ未満の帯域幅を有する狭い波長帯域で動作する。
図１２に示すようなＳＰＲの広帯域動作が、ＳＰＲ導波路の幅をその長さに沿って変化させることによって得られ、こうして実効屈折率の変化を長さに沿って誘起させる。これは、例えば、導波路を一端からテーパー状にし、第１ＳＰＲ導波路３４と第２ＳＰＲ導波路３３の間の間隙ｇを一定に維持することによって行うことができる。
図１３は、図１２のような断面を有するＳＰＲの導波路の一例（上面図）を示しており、より幅広の導波路３３（本例ではＴＥモードを伝搬する）は、一方の側面においてテーパー状である。第１ＳＰＲ導波路３４と第２ＳＰＲ導波路３３の間の間隙ｇは、結合長さＬｃに沿ってほぼ一定である。例えば、第２ＳＰＲ導波路３３は、一方の端部で６８０ｎｍ幅から、反対の端部で７２０ｎｍ幅までテーパー状にできる。これは好都合であり、望ましいことではないが、薄い導波路区間３３が幅変動に対してかなりより感受性が高いためである。
図１４は、図１３に示すカプラ設計について１５５０ｎｍの波長でＴＥモードからＴＭモードへのパワー結合を結合長さの関数として示す。
図１５は、図１３のカプラ設計についてＴＥモードからＴＭモードへのパワー結合を波長の関数として示しており、１５４０ｎｍから１５６０ｎｍまでの実質的に最大のパワー伝送を示すもので、これは、両方のＳＰＲ導波路について一定の幅を持つ設計よりもかなり広範な範囲である。
本発明はまた、いわゆる「システム」に関するものであり、これは実際には集積フォトニックデバイス４００であるが、「補償リング変調器」のように動作する。本発明の実施形態に係るこの「補償リング変調器」は、ＭＺＩと、ＭＺＩの第１導波路アーム４２と光学接続されたリング構造５０とを含み、第１導波路アームはＴＭ偏光モードを運ぶように適合している。動作の際、システム４００は、ＴＥ偏光モードで動作するリング変調器として機能する。システム４００は、第１導波路アーム４２内を伝搬するＴＭモードからの光を、リング５０内のＴＥモードに結合させるためのカプラ、例えば、第２ＳＰＲ（不図示）をさらに備える。本実装例において、リング構造５０は、好ましくは、競技トラックの形状を有する。この手法では、ＭＺＩ（要素４０，４１，４２，４３，４４を備える）が、リング５０の温度誘起による波長ドリフトを受動的に補償するために用いられる。
例示の実施形態を図１６に示す。例えば、グレーティングカプラから到来する入力光１が、ＳＰＲ４１によって５０％のＴＥモードと５０％のＴＭモードに分岐される。上述したように、その比率は正確に５０／５０である必要はない。ＴＥビーム３は、ＭＺＩの第２導波路アーム４３を（主に）伝搬し、ＴＭビーム２は、ＭＺＩの第１導波路アーム４２を（主に）伝搬する。本例では、第１導波路アーム４２は、競技トラック形状のｐ−ｎ接合空乏ベースのリング５０と光学接続されている。本実装例において、リング５０のカプラ区間は、浅いエッチングによって規定され、シリコンが導波路コアの周りに残留している。この区画は、好ましくは、リングと過結合(over-couple)（即ち、臨界結合に必要なものより多くの光がリング５０と結合）するのに充分に長く製作される。ここで、クロス結合係数κ＝０．４。この構造はＴＭ−ＴＥ変換を確保しており、リング５０と結合する光４はＴＥモード光である。動作波長では、リング５０は、埋め込みｐ−ｎ接合を電気的に駆動することによって共振状態および共振外れで変調できる。この変調はリング５０内の局所的効果であり、それは温度非感受性ＭＺＩによって補償されない（さらに説明する）。こうしてリング５０で変調された信号は、アーム４２内の光２の振幅および位相応答に転換される。
システム４００は、この構造おいてＭＺＩから光学経路の追加がないように、そして下記の式で与えられるように、ＭＺＩの熱的効果がリング５０と等しく且つ反対になるようにして作動する。
Figure 0006342651
ここで、Ｌ１は、ＭＺＩの第１（例えば、上側）アーム４２の長さ、ｎ１はその実効屈折率、Ｌ２は、実効屈折率ｎ２を持つ第２（例えば、下側）アーム４３の長さ、Ｒはリング５０の半径、ｎｅｆｆはリング５０の実効屈折率である。ここで説明した例において、第１および第２ＭＺＩアーム４２，４３の計算した長さは、それぞれＬ１＝１２９３マイクロメータとＬ２＝９０２．５マイクロメータであり、競技トラック状リング５０の計算した光学長さ（リング５０の直線区間とテーパーも含む）は、３７４．２マイクロメータである。
この手法により、温度変動から実質的に独立した所定の波長で共振ディップ(dip)を持つ共振器リング５０およびリング変調器４００を実現することができる。リング５０の温度補償は、平衡化(balanced)ＭＺＩによって得られる。
また、他の集積フォトニックデバイス、例えば、アレイ導波路グレーティングが、追加の遅延ラインを局所的に設置することによって温度非感受性にできる。各ＴＥアーム（ＴＥ遅延ライン）についてＴＭアーム（ＴＭ遅延ライン）が設けられ、両方ともＳＰＲおよびＰＲＣを経由して接続され、アームは、局所ＭＺＩを平衡化することによって、ＴＥアームの熱的効果を補償するように選択された寸法（例えば、長さ、幅、高さ）を有する。
温度変動を補償することとは別に、本発明の方法は、製造誤差、例えば、幅および高さの変動のような製造公差に対する感受性を最小化するために使用できる。該方法は、他の効果、例えば、電離放射線などに対する感受性を最小化するためにも使用できる。このため予想される効果（例えば、ライン幅または放射線）に対するＴＥモードおよびＴＭモードの実効屈折率の依存性を、式（例えば、式（４））および開示した方法に挿入する必要がある。
上述の説明は、本発明の特定の実施形態を詳述する。しかしながら、上述したものが文章にどの程度詳述されているかに関わらず、本発明は多くの方法で実用化できることは理解されよう。本発明の特定の特徴または態様を記述する場合、特定の用語の使用は、当該用語が関連した本発明の特徴または態様の任意の特定の特性を含むことに限定されるように、用語がここで再定義されることを意味するために採用すべきでないことに留意すべきである。
上記の詳細な説明は、種々の実施形態に適用されるような本発明の新規な特徴を図示し説明し指摘するとともに、説明したデバイスまたはプロセスの形態および詳細での種々の省略、置換、変化が、本発明の精神から逸脱することなく、当業者によって可能であることは理解されよう。

Claims (12)

  1. 波長依存特性を有する集積フォトニックデバイスであって、
    ・偏光した光を受けるための入力ポート、第１波を供給するための第１出力ポート、および第２波を供給するための第２出力ポートを有するスプリッタ偏光回転子（ＳＰＲ）と、
    ・第１波の第１偏光モードを伝搬するための寸法を有する第１アームであって、第１アームの入力側がＳＰＲの第１出力ポートと光学接続されている第１アームと、
    ・第２波の第２偏光モードを伝搬するための寸法を有する第２アームであって、第２偏光モードは第１偏光モードとは異なっており、第２アームの入力側がＳＰＲの第２出力ポートと光学接続されている第２アームと、
    ・第１アームの出力側と光学接続され、伝搬した第１波を受けるための第１入力ポート、第２アームの出力側と光学接続され、伝搬した第２波を受けるための第２入力ポート、および伝搬した第１波および伝搬した第２波の結合を出力波として供給するための出力ポートを有する偏光回転子コンバイナ（ＰＲＣ）とを備え、
    第１アームの寸法および第２アームの寸法は、波長依存特性に対して外部効果の影響を実質的に取り消すように選択されている集積フォトニックデバイス。
  2. 第１偏光モードは横磁界モード（ＴＭ）であり、第２偏光モードは横電界モード（ＴＥ）である請求項１記載の集積フォトニックデバイス。
  3. 第１偏光モードは横電界モード（ＴＥ）であり、第２偏光モードは横磁界モード（ＴＭ）である請求項１記載の集積フォトニックデバイス。
  4. 第１アームの寸法および第２アームの寸法は、フォトニックデバイスの光学特性に対して、寸法公差、放射線および温度変動のグループから選択される少なくとも１つの効果の影響を実質的にキャンセルするように選択されている請求項１〜３のいずれかに記載の集積フォトニックデバイス。
  5. 光学特性は、透過波長およびフィルタ波長から選択される請求項４記載の集積フォトニックデバイス。
  6. 集積フォトニックデバイスは、波長フィルタである請求項１〜５のいずれかに記載の集積フォトニックデバイス。
  7. 集積フォトニックデバイスは、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）、リング共振器およびアレイ導波路グレーティングのグループから選択される請求項１〜６のいずれかに記載の集積フォトニックデバイス。
  8. ・波長選択変調器であって、第１アームからの第１偏光モードの光を波長選択変調器での第２偏光モードの光と結合させるように構成されたカプラによって、第１アームと光学接続された波長選択変調器をさらに備え、
    第１アームの寸法および第２アームの寸法は、外部影響に起因した、波長選択変調器の波長ドリフトを実質的にキャンセルするように選択されている請求項１〜７のいずれかに記載の集積フォトニックデバイス。
  9. 波長選択変調器は、リング変調器である請求項８記載の集積フォトニックデバイス。
  10. 波長依存特性を有する集積フォトニックデバイスの感受性を低減する方法であって、
    ・光ビームを、第１偏光モードを有する第１波および、第１偏光モードとは異なる第２偏光モードを有する第２波に分岐するステップと、
    ・第１波を第１アームを通じて伝搬させるステップと、
    ・第２波を第２アームを通じて伝搬させるステップと、
    ・伝搬した第１波および伝搬した第２波を第１アームおよび第２アームの出力側で結合させるステップとを含み、
    第１波を伝搬させることおよび第２波を伝搬させることは、第１アームおよび第２アームを通じて波を伝搬させることを含み、
    第１アームおよび第２アームの寸法は、波長依存特性に対して外部効果の影響を実質的に取り消すように選択されるようにした方法。
  11. マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）、リング共振器およびアレイ導波路グレーティングのグループから選択された波長フィルタである集積フォトニックデバイスにおける請求項１０記載の方法であって、
    波長依存特性は、前記波長フィルタの透過特性またはフィルタ特性である、方法。
  12. 第１アームと光学接続された波長選択変調器をさらに備えた集積フォトニックデバイスにおける請求項１０記載の方法であって、
    該方法は、第１アームからの第１偏光モードの光を波長選択変調器での第２偏光モードの光と結合させるステップをさらに含み、
    波長依存特性は、波長選択変調器の共振波長である、方法。
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