JPH09166716A - 平面型光学導波路素子 - Google Patents
平面型光学導波路素子Info
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- JPH09166716A JPH09166716A JP8282141A JP28214196A JPH09166716A JP H09166716 A JPH09166716 A JP H09166716A JP 8282141 A JP8282141 A JP 8282141A JP 28214196 A JP28214196 A JP 28214196A JP H09166716 A JPH09166716 A JP H09166716A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】単一の基板上に複数の機能領域を集積できる導
波路構造体を提供する。 【解決手段】 ドープしたシリカ製の平面状導波路用の
最適化構造体を提供する。この最適化導波路は、効率的
な導波路−ファイバの結合とカプラと遅延要素の製造誤
差の低減と小さな曲げ半径が可能となる。また共通の製
造プロセスが、例えばドラゴンルータ，フーリエフィル
タのような基本要素を高い歩留まりで集積することがで
きる。本発明による最適化は、通常の矩形コア導波路よ
りも厚いコア層と光学回路の異なる機能領域毎に変化す
るコアの幅を用いることにより達成できる。したがっ
て、コアの高さは、基板全体に亘って均一に維持しなが
ら導波路性能を最適化するために、光リソグラフィ技術
を用いてコアの幅を様々に変化させる。
波路構造体を提供する。 【解決手段】 ドープしたシリカ製の平面状導波路用の
最適化構造体を提供する。この最適化導波路は、効率的
な導波路−ファイバの結合とカプラと遅延要素の製造誤
差の低減と小さな曲げ半径が可能となる。また共通の製
造プロセスが、例えばドラゴンルータ，フーリエフィル
タのような基本要素を高い歩留まりで集積することがで
きる。本発明による最適化は、通常の矩形コア導波路よ
りも厚いコア層と光学回路の異なる機能領域毎に変化す
るコアの幅を用いることにより達成できる。したがっ
て、コアの高さは、基板全体に亘って均一に維持しなが
ら導波路性能を最適化するために、光リソグラフィ技術
を用いてコアの幅を様々に変化させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は平面上の光学導波路
に関し、特に大量生産に適した単一の基板上に、様々な
種類の受動型光学要素を高性能の機能的集積を行うため
に、導波路の機能領域に応じて変化する均一のコア高さ
とコア幅を有する最適化された導波路構造体に関する。
に関し、特に大量生産に適した単一の基板上に、様々な
種類の受動型光学要素を高性能の機能的集積を行うため
に、導波路の機能領域に応じて変化する均一のコア高さ
とコア幅を有する最適化された導波路構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】光学回路は、通常例えばレーザあるいは
フォトダイオードのような光学的活性素子と、相互接続
と受動型光学要素を提供する光学導波路と、制御された
包囲体と外部素子への通路を提供するパッケージとを有
する。通常ドラゴンルータあるいはフーリエフィルタの
ような受動型光学要素は複数の導波路を有し、例えばカ
プラ領域あるいは位相制御されたアレイ領域のような１
つあるいは複数の機能領域を構成している。市場におい
ては、共通の大量生産技術でもって、単一の基板上に受
動型光学素子と相互接続機能を集積することが望まし
い。
フォトダイオードのような光学的活性素子と、相互接続
と受動型光学要素を提供する光学導波路と、制御された
包囲体と外部素子への通路を提供するパッケージとを有
する。通常ドラゴンルータあるいはフーリエフィルタの
ような受動型光学要素は複数の導波路を有し、例えばカ
プラ領域あるいは位相制御されたアレイ領域のような１
つあるいは複数の機能領域を構成している。市場におい
ては、共通の大量生産技術でもって、単一の基板上に受
動型光学素子と相互接続機能を集積することが望まし
い。
【０００３】現在最新のそして技術的に最も優れた平面
型導波路は、シリコン光学ベンチ（silicon optical be
nch （ＳｉＯＢ））技術を用いて形成したドープしたシ
リカ製導波路である。このドープしたシリカ製導波路
は、低コスト，低損失，低複屈折，安定性，光ファイバ
への結合可能性等の様々な特徴を有しているために通常
最も好ましいものである。さらにまたその製造処理技術
は、シリコン製の集積回路（ＩＣ）技術と適合性があ
り、そして大量生産に適し公知のものである。
型導波路は、シリコン光学ベンチ（silicon optical be
nch （ＳｉＯＢ））技術を用いて形成したドープしたシ
リカ製導波路である。このドープしたシリカ製導波路
は、低コスト，低損失，低複屈折，安定性，光ファイバ
への結合可能性等の様々な特徴を有しているために通常
最も好ましいものである。さらにまたその製造処理技術
は、シリコン製の集積回路（ＩＣ）技術と適合性があ
り、そして大量生産に適し公知のものである。
【０００４】通常、このドープしたシリカ製導波路は、
シリコン製あるいはシリカ製基板上に低屈折率のシリカ
製のベース即ち下部クラッド層を先ず堆積することによ
り形成される。その後、高屈折率のドープしたシリカ層
即ちコア層をこの下部クラッド層の上部表面に堆積す
る。その後このコア層をパターン化して、光リソグラフ
ィ技術（集積回路の製造技術に用いられるものと類似の
ものである）を用いて光学回路に必要とされる構造体を
形成する。最後に上部クラッド層をこのパターン化した
導波路コアをカバーするよう堆積する。この技術は、米
国特許第４，９０２，０８６号に開示されている。
シリコン製あるいはシリカ製基板上に低屈折率のシリカ
製のベース即ち下部クラッド層を先ず堆積することによ
り形成される。その後、高屈折率のドープしたシリカ層
即ちコア層をこの下部クラッド層の上部表面に堆積す
る。その後このコア層をパターン化して、光リソグラフ
ィ技術（集積回路の製造技術に用いられるものと類似の
ものである）を用いて光学回路に必要とされる構造体を
形成する。最後に上部クラッド層をこのパターン化した
導波路コアをカバーするよう堆積する。この技術は、米
国特許第４，９０２，０８６号に開示されている。
【０００５】平面上光学導波路の性能に取って重要な点
は、導波路の寸法、即ち導波路コアの高さと幅および導
波路のコアとクラッド層との間の屈折率差（Δ）であ
る。コアの高さ（Ｈ）即ち厚みはコア層の厚みにより決
定され、コアの幅（Ｗ）は、光リソグラフマスクと化学
エッチングのアンダカットにより決定される。
は、導波路の寸法、即ち導波路コアの高さと幅および導
波路のコアとクラッド層との間の屈折率差（Δ）であ
る。コアの高さ（Ｈ）即ち厚みはコア層の厚みにより決
定され、コアの幅（Ｗ）は、光リソグラフマスクと化学
エッチングのアンダカットにより決定される。
【０００６】先ず標準的なＰドープ導波路は、約５μｍ
幅の対称正方形コア構造体と約１５μｍの下部クラッド
層と約１５μｍの上部クラッド層媒体の０．６％の中間
Δを有する。幅と高さの等しい正方形のコアが選択され
る主な理由は、環状光学ファイバを最もよくエミュレー
ト（近似）し、モデル化とマスクレイアウトが容易とな
るためである。このコアの寸法は、光学閉じ込め効果を
強化し、伝送損失を低下させるためにできるだけ大きい
方が好ましいが、導波路がシングルモードを維持する程
度充分小さくなければならない。しかし、この導波路
は、約０．３％のΔと約８μｍのコア直径を有する標準
のシングルモード光ファイバとは、モードフィールドが
かなりミスマッチする。上記の導波路を用いたファイバ
−導波路−ファイバの結合損失はλ＝１．３μｍの波長
で約０．８ｄＢである。以下の説明においては、低Δと
は０．２％と０．５％の間で、中間Δとは０．５％から
０．８％の間で、高Δとは０．８％から２．５％の間を
表すものとする。
幅の対称正方形コア構造体と約１５μｍの下部クラッド
層と約１５μｍの上部クラッド層媒体の０．６％の中間
Δを有する。幅と高さの等しい正方形のコアが選択され
る主な理由は、環状光学ファイバを最もよくエミュレー
ト（近似）し、モデル化とマスクレイアウトが容易とな
るためである。このコアの寸法は、光学閉じ込め効果を
強化し、伝送損失を低下させるためにできるだけ大きい
方が好ましいが、導波路がシングルモードを維持する程
度充分小さくなければならない。しかし、この導波路
は、約０．３％のΔと約８μｍのコア直径を有する標準
のシングルモード光ファイバとは、モードフィールドが
かなりミスマッチする。上記の導波路を用いたファイバ
−導波路−ファイバの結合損失はλ＝１．３μｍの波長
で約０．８ｄＢである。以下の説明においては、低Δと
は０．２％と０．５％の間で、中間Δとは０．５％から
０．８％の間で、高Δとは０．８％から２．５％の間を
表すものとする。
【０００７】低い挿入損失のアプリケーション用に、モ
ードフィールドのミスマッチを減少するために、低三角
導波路が求められている。しかし、高度に複雑化した光
学回路のチップサイズを低減するためには、高三角導波
路が望ましい。その理由は、より強い光閉じ込め作用が
より小さな曲げ半径を可能にするからである。このため
異なるアプリケーションに対する要件を満足するため
に、異なる導波路構造体用に異なるプロセスが用いられ
ている。例えば、Δが約０．３％，０．７％，１．５％
であり、四角のコアの寸法が８μｍ，６μｍ，４μｍで
ある３種類の異なる導波路構造体を用いて、各機能領域
で性能を最適化するために異なる機能領域を有する光学
回路を実現する。しかしこのような多重導波路構造体
は、単一の基板上に集積することは、極めて困難でさら
にまた共通の製造プロセスを用いることは、ほとんど不
可能である、その理由は、特にコアの高さ即ち厚さは、
機能領域の間で変化しなければならないからである。
ードフィールドのミスマッチを減少するために、低三角
導波路が求められている。しかし、高度に複雑化した光
学回路のチップサイズを低減するためには、高三角導波
路が望ましい。その理由は、より強い光閉じ込め作用が
より小さな曲げ半径を可能にするからである。このため
異なるアプリケーションに対する要件を満足するため
に、異なる導波路構造体用に異なるプロセスが用いられ
ている。例えば、Δが約０．３％，０．７％，１．５％
であり、四角のコアの寸法が８μｍ，６μｍ，４μｍで
ある３種類の異なる導波路構造体を用いて、各機能領域
で性能を最適化するために異なる機能領域を有する光学
回路を実現する。しかしこのような多重導波路構造体
は、単一の基板上に集積することは、極めて困難でさら
にまた共通の製造プロセスを用いることは、ほとんど不
可能である、その理由は、特にコアの高さ即ち厚さは、
機能領域の間で変化しなければならないからである。
【０００８】第２に制御不可能な製造上の誤差に起因す
る結合長さのロット毎、あるいはウェハ毎の結合長さの
変動は、異なる長さのカプラを有する数個のグループに
分けた素子を、単一の光リソグラフマスク上に配置する
事により現在のところ解決している。しかし、このアプ
ローチは、歩留まりが悪く、その理由は、通常グループ
の中の１つのみがウェハの各ロットに対し有効に作用す
る素子を形成するに過ぎないからである。さらにまたこ
のアプローチは、導波路の断面の変動あるいはウェハの
スケールの非均一性に関連する素子の性能問題のいずれ
をも解決していない。
る結合長さのロット毎、あるいはウェハ毎の結合長さの
変動は、異なる長さのカプラを有する数個のグループに
分けた素子を、単一の光リソグラフマスク上に配置する
事により現在のところ解決している。しかし、このアプ
ローチは、歩留まりが悪く、その理由は、通常グループ
の中の１つのみがウェハの各ロットに対し有効に作用す
る素子を形成するに過ぎないからである。さらにまたこ
のアプローチは、導波路の断面の変動あるいはウェハの
スケールの非均一性に関連する素子の性能問題のいずれ
をも解決していない。
【０００９】最後にドラゴンルータのクロストークは、
位相グレーティング導波路のランダム位相エラーに対し
感受性がある。このような導波路の幅の変動に起因する
エラーを低減するためにΔが０．６％で、幅が８μｍ、
高さが３．５μｍの導波路を用いている。しかし、５μ
ｍの矩形の導波路に比較してこの導波路構造体は、標準
の光ファイバとのモードフィールドミスマッチはさらに
大きく、そしてカプラは導波路の高さと幅の制御不能の
変動にさらにまた敏感である。さらにドラゴンルータ，
フーリエフィルタ，他の光学素子等は、コアの厚さが異
なる導波路構造体上に形成されるために、これらの素子
を同一のウェハあるいは構造体上に複数の機能回路とし
て組み込むことは不可能である。
位相グレーティング導波路のランダム位相エラーに対し
感受性がある。このような導波路の幅の変動に起因する
エラーを低減するためにΔが０．６％で、幅が８μｍ、
高さが３．５μｍの導波路を用いている。しかし、５μ
ｍの矩形の導波路に比較してこの導波路構造体は、標準
の光ファイバとのモードフィールドミスマッチはさらに
大きく、そしてカプラは導波路の高さと幅の制御不能の
変動にさらにまた敏感である。さらにドラゴンルータ，
フーリエフィルタ，他の光学素子等は、コアの厚さが異
なる導波路構造体上に形成されるために、これらの素子
を同一のウェハあるいは構造体上に複数の機能回路とし
て組み込むことは不可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、単一の基板上に複数の機能領域を集積できる導波
路構造体を提供することであり、さらにまた高密度の集
積光回路を実現するために大量生産に適した集積回路技
術を用いて上記のような導波路構造体を提供することで
ある。
的は、単一の基板上に複数の機能領域を集積できる導波
路構造体を提供することであり、さらにまた高密度の集
積光回路を実現するために大量生産に適した集積回路技
術を用いて上記のような導波路構造体を提供することで
ある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、ドープしたシ
リカ製の平面状導波路用の最適化構造体を提供すること
である。このような本発明の最適化導波路は、効率的な
導波路−ファイバの結合とカプラと遅延要素の製造誤差
の低減と小さな曲げ半径が可能となる。さらにまた本発
明によれば、共通の製造プロセスが、例えばドラゴンル
ータ，フーリエフィルタのような基本要素を高い歩留ま
りで集積することができる。本発明による最適化は、通
常の矩形コア導波路よりもより厚いコア層と光学回路の
異なる機能領域毎に変化するコアの幅を用いることによ
り（光リソグラフィ製造技術を用いて）達成できる。例
えば、約０．６％のΔを有する最適化したシングルモー
ドＰドープシリカ性導波路は、波長λが１．２から１．
７μｍに対し、Ｈが６．７μｍで幅が４μｍのコア寸法
を有する。光ファイバとの結合領域においては、この導
波路は、その幅Ｗが９μｍに広がり、コアの高さは一定
である。そして曲げ領域においては、導波路は幅Ｗが
５．５μｍに広がり、コアの高さは一定である。さらに
またドラゴンルータの位相列領域においては、各導波路
は幅Ｗが１０μｍに広がり、コアの高さは一定である。
したがって、本発明によればコアの高さは、基板全体に
亘って均一に維持しながら導波路性能を最適化するため
に、光リソグラフィ技術を用いてコアの幅を様々に変化
させることができる。
リカ製の平面状導波路用の最適化構造体を提供すること
である。このような本発明の最適化導波路は、効率的な
導波路−ファイバの結合とカプラと遅延要素の製造誤差
の低減と小さな曲げ半径が可能となる。さらにまた本発
明によれば、共通の製造プロセスが、例えばドラゴンル
ータ，フーリエフィルタのような基本要素を高い歩留ま
りで集積することができる。本発明による最適化は、通
常の矩形コア導波路よりもより厚いコア層と光学回路の
異なる機能領域毎に変化するコアの幅を用いることによ
り（光リソグラフィ製造技術を用いて）達成できる。例
えば、約０．６％のΔを有する最適化したシングルモー
ドＰドープシリカ性導波路は、波長λが１．２から１．
７μｍに対し、Ｈが６．７μｍで幅が４μｍのコア寸法
を有する。光ファイバとの結合領域においては、この導
波路は、その幅Ｗが９μｍに広がり、コアの高さは一定
である。そして曲げ領域においては、導波路は幅Ｗが
５．５μｍに広がり、コアの高さは一定である。さらに
またドラゴンルータの位相列領域においては、各導波路
は幅Ｗが１０μｍに広がり、コアの高さは一定である。
したがって、本発明によればコアの高さは、基板全体に
亘って均一に維持しながら導波路性能を最適化するため
に、光リソグラフィ技術を用いてコアの幅を様々に変化
させることができる。
【００１２】本発明による最適化された導波路は、材料
の堆積、化学プロセスをほとんど複雑にすることがない
マスクデザインを用いることができるために極めて実用
的である。さらにまた本発明の最適化方法は、同様に他
の導波路システムにも適応可能である。
の堆積、化学プロセスをほとんど複雑にすることがない
マスクデザインを用いることができるために極めて実用
的である。さらにまた本発明の最適化方法は、同様に他
の導波路システムにも適応可能である。
【００１３】
１．導入 本発明は高い適合性と高い素子効率と高い歩留まりを有
する集積光回路用の導波路構造体を開示する。本発明
は、光ファイバ通信システム、特にポイントトゥマルチ
ポイント構成を用いたローカル分散ネットワーク用にド
ラゴンルータ，フーリエフィルタ，Ｙ型ブランチ等の様
々な種類の光学素子を機能受動型回路に集積するもので
ある。本発明のプロセスは、コアの厚さは共通で異なる
機能領域（例えば、ファイバ−導波路−ファイバの結合
領域，カプラの結合領域，あるいは曲げ領域）毎にコア
の幅が異なるものである。本発明は、波長が１．２から
１．７μｍ用のＰドープのシリカ性導波路を例にして説
明する。しかし当業者であれば、本発明は、他の導波路
システム、例えばガラス系あるいは有機材料系あるいは
半導体系のいずれにも適応可能であることが分かるであ
ろう。
する集積光回路用の導波路構造体を開示する。本発明
は、光ファイバ通信システム、特にポイントトゥマルチ
ポイント構成を用いたローカル分散ネットワーク用にド
ラゴンルータ，フーリエフィルタ，Ｙ型ブランチ等の様
々な種類の光学素子を機能受動型回路に集積するもので
ある。本発明のプロセスは、コアの厚さは共通で異なる
機能領域（例えば、ファイバ−導波路−ファイバの結合
領域，カプラの結合領域，あるいは曲げ領域）毎にコア
の幅が異なるものである。本発明は、波長が１．２から
１．７μｍ用のＰドープのシリカ性導波路を例にして説
明する。しかし当業者であれば、本発明は、他の導波路
システム、例えばガラス系あるいは有機材料系あるいは
半導体系のいずれにも適応可能であることが分かるであ
ろう。
【００１４】図１において、フーリエフィルタ１０は本
発明の最適化導波路１２，１４を有する。特に同図は、
それぞれ最適化導波路１２，１４のコア１６，１８の平
面上のパターンを表し、これらは基板２０上のフーリエ
フィルタ１０の製造の際のフォトリソグラフマスクを用
いて規定されたものである。このコア１６，１８はほぼ
同一で、同一の高さ（Ｈ）を有するが、以下に説明する
ように最適化導波路１２，１４の性能を最適化するため
に、異なる領域で変化する幅（Ｗ）を有する。
発明の最適化導波路１２，１４を有する。特に同図は、
それぞれ最適化導波路１２，１４のコア１６，１８の平
面上のパターンを表し、これらは基板２０上のフーリエ
フィルタ１０の製造の際のフォトリソグラフマスクを用
いて規定されたものである。このコア１６，１８はほぼ
同一で、同一の高さ（Ｈ）を有するが、以下に説明する
ように最適化導波路１２，１４の性能を最適化するため
に、異なる領域で変化する幅（Ｗ）を有する。
【００１５】２．最適化プロセス Ａ．シングルモード動作 多くの光学素子は、シングルモード導波路上に形成され
るか、あるいはシングルモード領域を有している。例え
ば、フーリエフィルタ１０の領域２２，２４，２６，２
８は、この実施例ではシングルモードである。特に領域
２２，２４，２６は、シングルモードの最適化導波路１
２，１４のカプラであり、領域２８は光ファイバ３２に
結合される導波路端部３０の高次モードを取り除くもの
である。フーリエフィルタ１０の他の導波路領域は、シ
ングルモードではなく、マルチモードを用いることがで
きる。ただし、モード変換は少ないかあるいは変換され
た高次モードは領域２８により除去されるものとする。
るか、あるいはシングルモード領域を有している。例え
ば、フーリエフィルタ１０の領域２２，２４，２６，２
８は、この実施例ではシングルモードである。特に領域
２２，２４，２６は、シングルモードの最適化導波路１
２，１４のカプラであり、領域２８は光ファイバ３２に
結合される導波路端部３０の高次モードを取り除くもの
である。フーリエフィルタ１０の他の導波路領域は、シ
ングルモードではなく、マルチモードを用いることがで
きる。ただし、モード変換は少ないかあるいは変換され
た高次モードは領域２８により除去されるものとする。
【００１６】弱い導波機能の導波路に対しては、（基本
モードの）光強度の空間分布はほぼ対称のガウス分布で
あり、シングルモードの条件は、最低時の近似までコア
の断面積は最大値以下であることが必要である。Δが約
０．６％のＰドープのシリカ製導波路は、導波路に対し
ては、最大コア面積は１．３ないし１．７μｍの波長に
対しては約３０μｍ2 である。そのため様々なコア寸法
を用いることができ、断面積が３０μｍ2 以下となるよ
うな様々なコア寸法、例えば５×５μｍ2 ，３×８μｍ
2 ，６．７×４μｍ2 を用いることができる。しかし、
導波路コアの高さは、製造時のコア層の厚さにより決定
されるために、複数の高さを有する導波路コアを、単一
の基板上に製造することは極めて困難である。したがっ
て、コアの高さは一定で、基板全体に亘りコアの高さが
一定の導波路構造を得ることは極めて望ましい。このコ
アの高さは、導波路の異なる機能領域でも同一であるの
で、コアの幅は、各領域で性能を最適化するために異な
る機能領域で変化させなければならない。
モードの）光強度の空間分布はほぼ対称のガウス分布で
あり、シングルモードの条件は、最低時の近似までコア
の断面積は最大値以下であることが必要である。Δが約
０．６％のＰドープのシリカ製導波路は、導波路に対し
ては、最大コア面積は１．３ないし１．７μｍの波長に
対しては約３０μｍ2 である。そのため様々なコア寸法
を用いることができ、断面積が３０μｍ2 以下となるよ
うな様々なコア寸法、例えば５×５μｍ2 ，３×８μｍ
2 ，６．７×４μｍ2 を用いることができる。しかし、
導波路コアの高さは、製造時のコア層の厚さにより決定
されるために、複数の高さを有する導波路コアを、単一
の基板上に製造することは極めて困難である。したがっ
て、コアの高さは一定で、基板全体に亘りコアの高さが
一定の導波路構造を得ることは極めて望ましい。このコ
アの高さは、導波路の異なる機能領域でも同一であるの
で、コアの幅は、各領域で性能を最適化するために異な
る機能領域で変化させなければならない。
【００１７】Ｈ＝６．７μｍのコア高さが、Ｐドープの
シリカ製導波路に対し最適なものと決定できる。シング
ルモード導波路に対応するコア幅は、Ｗ＝４μｍである
が、このコアの幅は、以下の設計事項を考慮することに
より変化するものである。前述したようにここに開示し
た寸法は、単なる一実施例で本発明の範囲を制限するよ
う解釈されるべきものではない。しかし本明細書に開示
した説明、例えばコアの高さと幅のアスペクト比は、他
の導波路システムにも同様に適応できるものである。し
たがって、本発明による最適化導波路は、そのコア高さ
が約Ｈ＝６．７μｍで、その幅は約４μｍから１０μｍ
の間で、これは以下に述べる設計事項に基づいて決まる
ものである。
シリカ製導波路に対し最適なものと決定できる。シング
ルモード導波路に対応するコア幅は、Ｗ＝４μｍである
が、このコアの幅は、以下の設計事項を考慮することに
より変化するものである。前述したようにここに開示し
た寸法は、単なる一実施例で本発明の範囲を制限するよ
う解釈されるべきものではない。しかし本明細書に開示
した説明、例えばコアの高さと幅のアスペクト比は、他
の導波路システムにも同様に適応できるものである。し
たがって、本発明による最適化導波路は、そのコア高さ
が約Ｈ＝６．７μｍで、その幅は約４μｍから１０μｍ
の間で、これは以下に述べる設計事項に基づいて決まる
ものである。
【００１８】Ｂ．ファイバ結合損失 導波路が光ファイバに結合されると、導波路と光ファイ
バとの間のモードフィールドミスマッチとファイバと導
波路との間の不整合のためにファイバ結合損失が発生す
る。前者のモードフィールドミスマッチは、導波路と光
ファイバとのサイズとΔの差に起因する。例えば、１．
３μｍと１．５５μｍの波長通信用の通常使用されるシ
ングルモードファイバは、ＡＴ＆Ｔ社製の５Ｄファイバ
があり、これはΔが０．３％でコアの直径が約８μｍで
ある。しかし、大部分の平面上導波路のΔは、それ以上
高く例えばＰドープのシリカ製導波路では０．６％であ
る。このことは実際の導波路製造のサイズの制限のた
め、およびより高いΔは、基板上により高い集積密度が
可能となるために好ましい。より高いΔの結果、コアサ
イズとガイドされた光学モードのサイズとは、通常のシ
ングルモード導波路においては、例えばＡＴ＆Ｔ社製の
５Ｄファイバのような通常使用されるファイバのそれよ
りも小さい。
バとの間のモードフィールドミスマッチとファイバと導
波路との間の不整合のためにファイバ結合損失が発生す
る。前者のモードフィールドミスマッチは、導波路と光
ファイバとのサイズとΔの差に起因する。例えば、１．
３μｍと１．５５μｍの波長通信用の通常使用されるシ
ングルモードファイバは、ＡＴ＆Ｔ社製の５Ｄファイバ
があり、これはΔが０．３％でコアの直径が約８μｍで
ある。しかし、大部分の平面上導波路のΔは、それ以上
高く例えばＰドープのシリカ製導波路では０．６％であ
る。このことは実際の導波路製造のサイズの制限のた
め、およびより高いΔは、基板上により高い集積密度が
可能となるために好ましい。より高いΔの結果、コアサ
イズとガイドされた光学モードのサイズとは、通常のシ
ングルモード導波路においては、例えばＡＴ＆Ｔ社製の
５Ｄファイバのような通常使用されるファイバのそれよ
りも小さい。
【００１９】λ＝１．３μｍでＰドープのシリカ製導波
路と、ＡＴ＆Ｔ社製の５Ｄシングルモードファイバとを
用いると、コアの高さ（Ｈ）と幅（Ｗ）に関連する計算
上のファイバ−導波路−ファイバ（２つの接合面）のモ
ードフィールドミスマッチ損失を図２に示す。例えば、
Ｈ＝５μｍ，Ｗ＝５μｍの寸法のコアを有する導波路の
結合損失は約０．８ｄＢで、Ｈ＝３μｍ，Ｗ＝４μｍの
寸法のコアを有する導波路は１．０ｄＢである。
路と、ＡＴ＆Ｔ社製の５Ｄシングルモードファイバとを
用いると、コアの高さ（Ｈ）と幅（Ｗ）に関連する計算
上のファイバ−導波路−ファイバ（２つの接合面）のモ
ードフィールドミスマッチ損失を図２に示す。例えば、
Ｈ＝５μｍ，Ｗ＝５μｍの寸法のコアを有する導波路の
結合損失は約０．８ｄＢで、Ｈ＝３μｍ，Ｗ＝４μｍの
寸法のコアを有する導波路は１．０ｄＢである。
【００２０】コアのサイズが大きくなると、光学モード
も大きくなりファイバのそれにより適合する。正確な整
合（マッチ）が発生するのは、導波路のΔが、光ファイ
バのそれに有効に拡散（diluted） する時にのみ発生
し、このことを達成するのは現在の製造技術では困難で
ある。しかし、図２に示すようにＨ＝６．７μｍ，Ｗ＝
９μｍの寸法のコアを有する導波路に対しては、デルタ
Δを減少させずに、矩形のボックス３４に示すように結
合損失は０．２５ｄＢ以下であることが分かる。この損
失量は多くの応用例においては、満足すべきものであ
り、以前では低Δの導波路を用いた場合のみ達成可能で
あった。またコアの高さが９μｍまで増加すると、結合
損失は０．１ｄＢまでさらに減少する。しかし、シング
ルモードを維持するためには、Ｈ＝９μｍの導波路は現
在の製造技術で信頼性よく製造するためには、コアの幅
が狭くなりすぎる。さらにまた従来の導波路と同様にコ
アの高さを５μｍにした場合には、コアの幅を大きくし
たとしても結合損失は、０．５ｄＢ以上である。ファイ
バ−導波路−ファイバの結合損失が０．３ｄＢ以下で−
５０ｄＢのクロストークの粗波長分割マルチプレクサ
（ＷＤＭ）は、Ｈ＝６．７μｍで達成できる。
も大きくなりファイバのそれにより適合する。正確な整
合（マッチ）が発生するのは、導波路のΔが、光ファイ
バのそれに有効に拡散（diluted） する時にのみ発生
し、このことを達成するのは現在の製造技術では困難で
ある。しかし、図２に示すようにＨ＝６．７μｍ，Ｗ＝
９μｍの寸法のコアを有する導波路に対しては、デルタ
Δを減少させずに、矩形のボックス３４に示すように結
合損失は０．２５ｄＢ以下であることが分かる。この損
失量は多くの応用例においては、満足すべきものであ
り、以前では低Δの導波路を用いた場合のみ達成可能で
あった。またコアの高さが９μｍまで増加すると、結合
損失は０．１ｄＢまでさらに減少する。しかし、シング
ルモードを維持するためには、Ｈ＝９μｍの導波路は現
在の製造技術で信頼性よく製造するためには、コアの幅
が狭くなりすぎる。さらにまた従来の導波路と同様にコ
アの高さを５μｍにした場合には、コアの幅を大きくし
たとしても結合損失は、０．５ｄＢ以上である。ファイ
バ−導波路−ファイバの結合損失が０．３ｄＢ以下で−
５０ｄＢのクロストークの粗波長分割マルチプレクサ
（ＷＤＭ）は、Ｈ＝６．７μｍで達成できる。
【００２１】図１に示すように、ファイバ−導波路−フ
ァイバの結合損失を減少するために導波路端部領域３２
は、Ｗ＝９μｍまで広げられる。その結果、導波路はＨ
＝６．７μｍでＷ＝９μｍの端部領域ではマルチモード
であり、このため不整合がある状態では光は高次モード
となる。そのため領域２８が、高次モードを取り除くた
めにつけ加えられる。通常長さが５００μｍのモード不
変換テーパが遷移領域として用いられ、その領域では、
導波路の幅は徐々に拡張するかあるいは狭くなる。この
遷移領域は、通常、図１の領域２８と導波路端部３０と
の間である。したがって、領域２８と導波路端部３０
は、拡張モードテーパと称する。
ァイバの結合損失を減少するために導波路端部領域３２
は、Ｗ＝９μｍまで広げられる。その結果、導波路はＨ
＝６．７μｍでＷ＝９μｍの端部領域ではマルチモード
であり、このため不整合がある状態では光は高次モード
となる。そのため領域２８が、高次モードを取り除くた
めにつけ加えられる。通常長さが５００μｍのモード不
変換テーパが遷移領域として用いられ、その領域では、
導波路の幅は徐々に拡張するかあるいは狭くなる。この
遷移領域は、通常、図１の領域２８と導波路端部３０と
の間である。したがって、領域２８と導波路端部３０
は、拡張モードテーパと称する。
【００２２】ファイバ−導波路結合損失を減少するため
に、別個のモードテーパが提案されているが、これはそ
の挿入損失により、０．３ｄＢ以下のファイバ−導波路
−ファイバ結合損失を提供するには実際的ではない。こ
の別個のモードテーパに比較して、本発明の拡張モード
テーパ構成は、挿入損失がはるかに低く、アンダーカッ
トとチップダイスの位置の製造誤差に対し、許容度があ
り不利な点はない。
に、別個のモードテーパが提案されているが、これはそ
の挿入損失により、０．３ｄＢ以下のファイバ−導波路
−ファイバ結合損失を提供するには実際的ではない。こ
の別個のモードテーパに比較して、本発明の拡張モード
テーパ構成は、挿入損失がはるかに低く、アンダーカッ
トとチップダイスの位置の製造誤差に対し、許容度があ
り不利な点はない。
【００２３】ファイバと導波路との不整合に起因するフ
ァイバ結合損失に関しては、この結合損失は導波路とフ
ァイバのモードサイズに影響される。より大きなモード
サイズにおいては、結合損失は、横方向の不整合に対し
ては小さくなり、角度的な不整合に対しては大きくな
る。このため横方向の不整合がファイバの取付とウェハ
のテストでは支配的なために、導波路端部３０における
性能を最適化するためには、導波路の寸法を拡大し、し
たがってモードサイズを増加させることは、全体の不整
合損失を減少させることになる。
ァイバ結合損失に関しては、この結合損失は導波路とフ
ァイバのモードサイズに影響される。より大きなモード
サイズにおいては、結合損失は、横方向の不整合に対し
ては小さくなり、角度的な不整合に対しては大きくな
る。このため横方向の不整合がファイバの取付とウェハ
のテストでは支配的なために、導波路端部３０における
性能を最適化するためには、導波路の寸法を拡大し、し
たがってモードサイズを増加させることは、全体の不整
合損失を減少させることになる。
【００２４】したがって、Ｐドープのシリカ製導波路の
端部領域（導波路が光ファイバに結合される領域）にお
いては、コアの幅と高さとのアスペクト比は１．２以上
である。
端部領域（導波路が光ファイバに結合される領域）にお
いては、コアの幅と高さとのアスペクト比は１．２以上
である。
【００２５】Ｃ．結合効率 近接して配置されたシングルモード導波路（図１の領域
２２，２４，２６）を含むカプラの結合効率は、光が導
波路から他の導波路に結合するのに必要な最低カプラ長
さである結合長さにより特徴づけられる。この結合長さ
は、２つの最適化導波路１２，１４のコアの幅とずれ
（separation）に極めて敏感である。その理由は、結合
は２つの導波路の光学フィールドのテールのオーバラッ
プから得られるからである。製造に対しては、中心間の
ずれは、比較的一定であるが、コアの幅と端部間のずれ
は変化する、その理由は光リソグラフの条件とエッチン
グのアンダーカットの変化を制御できないからである。
かくして高い歩留まりを得るためには、この結合長さ
は、製造誤差に対して安定していなければならない。
２２，２４，２６）を含むカプラの結合効率は、光が導
波路から他の導波路に結合するのに必要な最低カプラ長
さである結合長さにより特徴づけられる。この結合長さ
は、２つの最適化導波路１２，１４のコアの幅とずれ
（separation）に極めて敏感である。その理由は、結合
は２つの導波路の光学フィールドのテールのオーバラッ
プから得られるからである。製造に対しては、中心間の
ずれは、比較的一定であるが、コアの幅と端部間のずれ
は変化する、その理由は光リソグラフの条件とエッチン
グのアンダーカットの変化を制御できないからである。
かくして高い歩留まりを得るためには、この結合長さ
は、製造誤差に対して安定していなければならない。
【００２６】次に、図３においてＰドープのシリカ製導
波路に対し、λ＝１．５５μｍに対し中心間のずれＣ＝
９．０μｍとＣ＝９．５μｍのカプラに対し、計算され
た結合長をそれぞれＡ，Ｂとして示す。
波路に対し、λ＝１．５５μｍに対し中心間のずれＣ＝
９．０μｍとＣ＝９．５μｍのカプラに対し、計算され
た結合長をそれぞれＡ，Ｂとして示す。
【００２７】図３Ａにおいては、コアの幅Ｗ＝４μｍの
周辺でのＷ軸に対してカーブは平行になる。このことは
結合長は、この寸法の幅における変動が最も敏感ではな
いことを意味する。隣接するカーブの間の結合長のステ
ップと大きさは、図３のＡ，Ｂ両方とも１００μｍであ
る。しかし、図３のＡの隣接するカーブ間の垂直方向の
スペースは、図３Ｂのそれよりも約２倍以上大きく最適
の導波路に対する結合長さは、矩形の導波路に対してよ
りもコアの高さ方向の変化に対し、より感受性が少ない
ことを意味する。図３Ａの点線の矩形３６に示すよう
に、最適化された導波路のコア高さは６．７μｍで、コ
ア幅は４μｍである。比較のために図３Ｂでは、導波路
のコアの寸法は、５×５μｍ2 を中心にしてこれは、矩
形の箱３８に示すとおりである。
周辺でのＷ軸に対してカーブは平行になる。このことは
結合長は、この寸法の幅における変動が最も敏感ではな
いことを意味する。隣接するカーブの間の結合長のステ
ップと大きさは、図３のＡ，Ｂ両方とも１００μｍであ
る。しかし、図３のＡの隣接するカーブ間の垂直方向の
スペースは、図３Ｂのそれよりも約２倍以上大きく最適
の導波路に対する結合長さは、矩形の導波路に対してよ
りもコアの高さ方向の変化に対し、より感受性が少ない
ことを意味する。図３Ａの点線の矩形３６に示すよう
に、最適化された導波路のコア高さは６．７μｍで、コ
ア幅は４μｍである。比較のために図３Ｂでは、導波路
のコアの寸法は、５×５μｍ2 を中心にしてこれは、矩
形の箱３８に示すとおりである。
【００２８】このような安定した形状が存在することを
次に説明する。一定の中心間のずれに対しては、両方の
導波路の幅が減少した時には、２つの影響がある。その
１つは光学フィールドの閉じ込めが少なくなり拡張して
２つの導波路のギャップ内に拡張し、その結果より強い
結合が得られる結果となる。他の影響は２つの導波路の
間のギャップがさらに大きくなるとこれはより弱い結合
となる。この２つの影響は上記の安定した構成において
は、互いにバンランスしている。結合波長は、この形状
ではコアの高さに敏感ではなくなるが、その理由はモー
ド閉じ込めは、最低時の近似ではコアの領域に依存し、
高さを変化させることは幅を変化させるのと同様な２つ
の相反する影響を有する。
次に説明する。一定の中心間のずれに対しては、両方の
導波路の幅が減少した時には、２つの影響がある。その
１つは光学フィールドの閉じ込めが少なくなり拡張して
２つの導波路のギャップ内に拡張し、その結果より強い
結合が得られる結果となる。他の影響は２つの導波路の
間のギャップがさらに大きくなるとこれはより弱い結合
となる。この２つの影響は上記の安定した構成において
は、互いにバンランスしている。結合波長は、この形状
ではコアの高さに敏感ではなくなるが、その理由はモー
ド閉じ込めは、最低時の近似ではコアの領域に依存し、
高さを変化させることは幅を変化させるのと同様な２つ
の相反する影響を有する。
【００２９】この安定したコアの幅は、中心間のずれ
（Ｃ）の関数であり、コアの高さと波長λには余り依存
しない。この中心間のずれは、カプラの設計の便宜上λ
＝１．５５μｍにおいて結合長が約２０００μｍである
ように選択される。そしてコアの高さは、この安定した
形状において導波路はシングルモードであるが、ほとん
どダブルモードとなるように選択される。一般的にこの
ことはカプラ領域においては、コアの高さはコアの幅以
上であり、これにより四角形の導波路よりもより厚いコ
アの層が必要であり、このことは同時に拡張したテーパ
部を用いてファイバへのよりよい結合が可能となる。好
ましくはＰドープのシリカ製導波路の結合領域において
は、コアの高さ対幅のアスペクト比は１．２以上であ
る。
（Ｃ）の関数であり、コアの高さと波長λには余り依存
しない。この中心間のずれは、カプラの設計の便宜上λ
＝１．５５μｍにおいて結合長が約２０００μｍである
ように選択される。そしてコアの高さは、この安定した
形状において導波路はシングルモードであるが、ほとん
どダブルモードとなるように選択される。一般的にこの
ことはカプラ領域においては、コアの高さはコアの幅以
上であり、これにより四角形の導波路よりもより厚いコ
アの層が必要であり、このことは同時に拡張したテーパ
部を用いてファイバへのよりよい結合が可能となる。好
ましくはＰドープのシリカ製導波路の結合領域において
は、コアの高さ対幅のアスペクト比は１．２以上であ
る。
【００３０】Ｄ．安定な有効屈折率 ある種の素子においては、その素子に含まれる導波路の
有効屈折率が製造上の誤差にも関わらず安定（一定）で
あることが必要である。例えば、図４において、ドラゴ
ンルータ４０は２つの誘電体性のスラブ（スターカプ
ラ）４４の間に配置された位相グレーティング列４２と
１つあるいは複数の入力導波路４６と複数の出力導波路
４８とを有する。ドラゴンルータ４０内のクロストーク
は、フォトリソグラフマスクのデジタルエラーとエッチ
ングのアンダーカットの非規則性に起因する導波路コア
の幅の変動により引き起こされる位相グレーティング列
４２内のランダム位相エラーに敏感である。例えば、１
６００Ｇｈｚ自由スペクトル領域の８×８ルータにおい
ては、各グレーティング導波路の全長は１ｃｍ以上であ
るが、パス長の０．０５μｍに等しい位相エラーがあれ
ば、クロストークの性能を非常に劣化させるのに充分で
ある。そのため各グレーティング導波路のパス長（実際
の長さ×有効屈折率）は、極めて正確に制御しなければ
ならない。したがって、導波路の有効屈折率の変動は、
クロストークの性能を劣化させその結果低歩留まりとな
る。
有効屈折率が製造上の誤差にも関わらず安定（一定）で
あることが必要である。例えば、図４において、ドラゴ
ンルータ４０は２つの誘電体性のスラブ（スターカプ
ラ）４４の間に配置された位相グレーティング列４２と
１つあるいは複数の入力導波路４６と複数の出力導波路
４８とを有する。ドラゴンルータ４０内のクロストーク
は、フォトリソグラフマスクのデジタルエラーとエッチ
ングのアンダーカットの非規則性に起因する導波路コア
の幅の変動により引き起こされる位相グレーティング列
４２内のランダム位相エラーに敏感である。例えば、１
６００Ｇｈｚ自由スペクトル領域の８×８ルータにおい
ては、各グレーティング導波路の全長は１ｃｍ以上であ
るが、パス長の０．０５μｍに等しい位相エラーがあれ
ば、クロストークの性能を非常に劣化させるのに充分で
ある。そのため各グレーティング導波路のパス長（実際
の長さ×有効屈折率）は、極めて正確に制御しなければ
ならない。したがって、導波路の有効屈折率の変動は、
クロストークの性能を劣化させその結果低歩留まりとな
る。
【００３１】λ＝１．５５μｍのＰドープ導波路（クラ
ッド層の屈折率ｎclad＝１．４４５）に対する有効屈折
率ｎeff をコアの幅とコアの高さの関数として計算し図
５に示す。隣接するカーブの間の水平方向のスペース
は、有効屈折率ｎeffを０．００１だけ変えるのに必要
なコアの幅の変化を表す。本発明によれば、図５の矩形
の囲み５０に示されるように、Ｈ＝６．７μｍ，Ｗ＝１
０μｍの寸法を有するコアが、ここでいう安定なカプラ
と低損失ファイバ−導波路カプラ用に得られた高さのコ
アと一致する。好ましくはドラゴンルータ４０の位相グ
レーティング列４２を有する各導波路は、コアの幅対コ
アの高さに対するアスペクト比が１．１５以上である。
ッド層の屈折率ｎclad＝１．４４５）に対する有効屈折
率ｎeff をコアの幅とコアの高さの関数として計算し図
５に示す。隣接するカーブの間の水平方向のスペース
は、有効屈折率ｎeffを０．００１だけ変えるのに必要
なコアの幅の変化を表す。本発明によれば、図５の矩形
の囲み５０に示されるように、Ｈ＝６．７μｍ，Ｗ＝１
０μｍの寸法を有するコアが、ここでいう安定なカプラ
と低損失ファイバ−導波路カプラ用に得られた高さのコ
アと一致する。好ましくはドラゴンルータ４０の位相グ
レーティング列４２を有する各導波路は、コアの幅対コ
アの高さに対するアスペクト比が１．１５以上である。
【００３２】図５から明かなように、６．７×１０μｍ
2 の寸法のコアを有する導波路のｎeff は、ドラゴンル
ータの高さが３μｍで幅が８μｍの寸法のコアを有する
従来の導波路よりも、コアの幅の変化に対し感受性が少
ない。このためこのような導波路構造体は、低クロスト
ークを生成するのに必要なコアの幅に関して、製造誤差
に対しより安定性がある。しかし導波路は、コアの高さ
とコアの幅が増加するためにマルチモードとなるので、
シングルモード領域５２が付加されて高次モードを取り
除く。別の構成としては、各グレーティング導波路を小
さな曲げ半径でもって湾曲させ、その結果全ての高次モ
ードを有効に放射するようにしてシングルモード領域５
２を取り除くこともできる。
2 の寸法のコアを有する導波路のｎeff は、ドラゴンル
ータの高さが３μｍで幅が８μｍの寸法のコアを有する
従来の導波路よりも、コアの幅の変化に対し感受性が少
ない。このためこのような導波路構造体は、低クロスト
ークを生成するのに必要なコアの幅に関して、製造誤差
に対しより安定性がある。しかし導波路は、コアの高さ
とコアの幅が増加するためにマルチモードとなるので、
シングルモード領域５２が付加されて高次モードを取り
除く。別の構成としては、各グレーティング導波路を小
さな曲げ半径でもって湾曲させ、その結果全ての高次モ
ードを有効に放射するようにしてシングルモード領域５
２を取り除くこともできる。
【００３３】図６は２００Ｇｈｚのチャネル間隔の３個
の８×８ドラゴンルータから測定された伝送スペクトラ
ムを表す図である。このスペクトラムは、５番目の入力
から５番目の出力の間で測定され、その際ファイバ−導
波路の結合損失はないものとする。この素子は、同一基
板上でコアの高さＨ＝６．７μｍのＰドープのシリカ製
導波路でもって形成された。この３個の素子は、グレー
ティング導波路のコアの幅が違うだけでそのコアの幅は
それぞれ８．５μｍ，６．５μｍ，５．５μｍである。
この伝送スペクトラムは、ピークのクロストークは、そ
れぞれＷ＝８．５，６．５，５．５μｍの導波路に対
し、−２６ｄＢ，−２２ｄＢ，−１４ｄＢである。上記
のことからコアの幅が広くなればランダム位相エラーが
小さくなり、ここに開示したコア高さの最適化導波路で
もって、高性能のドラゴンルータが形成できる可能性が
あることを示すことになる。
の８×８ドラゴンルータから測定された伝送スペクトラ
ムを表す図である。このスペクトラムは、５番目の入力
から５番目の出力の間で測定され、その際ファイバ−導
波路の結合損失はないものとする。この素子は、同一基
板上でコアの高さＨ＝６．７μｍのＰドープのシリカ製
導波路でもって形成された。この３個の素子は、グレー
ティング導波路のコアの幅が違うだけでそのコアの幅は
それぞれ８．５μｍ，６．５μｍ，５．５μｍである。
この伝送スペクトラムは、ピークのクロストークは、そ
れぞれＷ＝８．５，６．５，５．５μｍの導波路に対
し、−２６ｄＢ，−２２ｄＢ，−１４ｄＢである。上記
のことからコアの幅が広くなればランダム位相エラーが
小さくなり、ここに開示したコア高さの最適化導波路で
もって、高性能のドラゴンルータが形成できる可能性が
あることを示すことになる。
【００３４】Ｅ．曲げ損失 曲げ領域は、多くの導波路素子にとって必要不可欠なも
のである。例えば、図１に示すフーリエフィルタ１０
は、湾曲領域５４，５６を有し、図４のドラゴンルータ
４０は、位相グレーティング列４２内に湾曲領域を有す
る複数の導波路を有する。これらの湾曲部の曲げ半径
は、充分に大きくその結果挿入損失が許される程度のも
のである。多くの場合これらの湾曲領域が素子が組み込
まれる光学回路の大きさを決定するので小さな曲げ半径
程好ましい。
のである。例えば、図１に示すフーリエフィルタ１０
は、湾曲領域５４，５６を有し、図４のドラゴンルータ
４０は、位相グレーティング列４２内に湾曲領域を有す
る複数の導波路を有する。これらの湾曲部の曲げ半径
は、充分に大きくその結果挿入損失が許される程度のも
のである。多くの場合これらの湾曲領域が素子が組み込
まれる光学回路の大きさを決定するので小さな曲げ半径
程好ましい。
【００３５】導波路にシングルモードが必要な場合に
は、より大きなコアの寸法を用いると、より小さな曲げ
半径が可能となる。より大きなコア寸法は、光学フィー
ルドの閉じ込めが強くなり、その結果光学パスはより簡
単に曲げることができる。
は、より大きなコアの寸法を用いると、より小さな曲げ
半径が可能となる。より大きなコア寸法は、光学フィー
ルドの閉じ込めが強くなり、その結果光学パスはより簡
単に曲げることができる。
【００３６】従来の導波路素子においては、１５ｍｍの
最低曲げ半径は、５×５μｍ2 の正方形コアを有するＰ
ドープシリカ製導波路上で達成できた。しかしＨ＝６．
７μｍで、Ｗ＝５μｍの寸法のコアを有する導波路を用
いることによって、カプラのシングルモード動作には影
響を及ぼすことなく、その曲げ半径は約１０ｍｍまで減
少できた。さらに大きなコアの幅を用いることにより、
曲げ半径をさらに減少することもできるが、湾曲部での
モード変換により図４のドラゴンルータ４０のシングル
モード領域５２の高次モードの除去が必要となる。この
ためＰドープのシリカ製導波路の湾曲領域では、コアの
幅対高さのアスペクト比は、０．８以上且つ１．１以下
が好ましい。
最低曲げ半径は、５×５μｍ2 の正方形コアを有するＰ
ドープシリカ製導波路上で達成できた。しかしＨ＝６．
７μｍで、Ｗ＝５μｍの寸法のコアを有する導波路を用
いることによって、カプラのシングルモード動作には影
響を及ぼすことなく、その曲げ半径は約１０ｍｍまで減
少できた。さらに大きなコアの幅を用いることにより、
曲げ半径をさらに減少することもできるが、湾曲部での
モード変換により図４のドラゴンルータ４０のシングル
モード領域５２の高次モードの除去が必要となる。この
ためＰドープのシリカ製導波路の湾曲領域では、コアの
幅対高さのアスペクト比は、０．８以上且つ１．１以下
が好ましい。
【００３７】３．製造 本発明のＰドープシリカ製導波路構造体の製造方法を以
下に示す。
下に示す。
【００３８】先ず、アンドープＳｉＯ2（ＨｉＰＯＸ）
製の第１の１５μｍ厚の下部クラッド層を、高圧スチー
ム下でＳｉを酸化することにより形成する。７％のＰド
ープのＳｉＯ2 （Ｐガラス）を含む所定厚のコア層を、
低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）を用いてその後堆積する。こ
のステップにより、導波路コアが基板全体に亘って均一
の厚さ即ち高さを規定する。その後このコア層をアニー
ルし、約１０００℃で蒸気をかける。
製の第１の１５μｍ厚の下部クラッド層を、高圧スチー
ム下でＳｉを酸化することにより形成する。７％のＰド
ープのＳｉＯ2 （Ｐガラス）を含む所定厚のコア層を、
低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）を用いてその後堆積する。こ
のステップにより、導波路コアが基板全体に亘って均一
の厚さ即ち高さを規定する。その後このコア層をアニー
ルし、約１０００℃で蒸気をかける。
【００３９】その後このコア層を、コンピュータにより
生成されたフォトリソグラフマスクを用いてパターン化
し形成する。かくして、このコアの幅は、導波路の特性
を最適化するために、導波路の異なる機能領域で変化す
る。ＢとＰをドープしたＳｉＯ2（ＢＰＴＥＯＳ）製の
１．５μｍ厚のフロー層をＬＰＣＶＤで堆積し、９００
℃でアニールして、カプラ領域の２つの導波路コアの間
の狭いギャップを充填する。最後に７．５μｍ厚のＢＰ
ＴＥＯＳの２つの層を上部クラッド層として堆積しアニ
ールする。上部クラッド層は、下部クラッド層とほぼ同
一の屈折率を有し、コアは、下部クラッド層と上部クラ
ッド層よりも０．６３％高い屈折率を有する。したがっ
て、コア層は基板全体に亘って均一の厚さを有するため
様々な種類の素子、例えばドラゴンルータ，フーリエフ
ィルタ，Ｙ型ブランチ等を同一の光リソグラフマスク上
に機能回路として集積し、単一基板上に共通のプロセス
で製造できる。
生成されたフォトリソグラフマスクを用いてパターン化
し形成する。かくして、このコアの幅は、導波路の特性
を最適化するために、導波路の異なる機能領域で変化す
る。ＢとＰをドープしたＳｉＯ2（ＢＰＴＥＯＳ）製の
１．５μｍ厚のフロー層をＬＰＣＶＤで堆積し、９００
℃でアニールして、カプラ領域の２つの導波路コアの間
の狭いギャップを充填する。最後に７．５μｍ厚のＢＰ
ＴＥＯＳの２つの層を上部クラッド層として堆積しアニ
ールする。上部クラッド層は、下部クラッド層とほぼ同
一の屈折率を有し、コアは、下部クラッド層と上部クラ
ッド層よりも０．６３％高い屈折率を有する。したがっ
て、コア層は基板全体に亘って均一の厚さを有するため
様々な種類の素子、例えばドラゴンルータ，フーリエフ
ィルタ，Ｙ型ブランチ等を同一の光リソグラフマスク上
に機能回路として集積し、単一基板上に共通のプロセス
で製造できる。
【００４０】
【発明の効果】本発明の平面上光学導波路は、例えばス
パッタリング電子ビーム蒸着，反応性イオンエッチング
等の様々な製造技術を用いて製造することができる。本
発明は、現在の光ファイバと結合することができ、その
低損失，低複屈折のためにドープしたシリカ製導波路で
もって実現できる。
パッタリング電子ビーム蒸着，反応性イオンエッチング
等の様々な製造技術を用いて製造することができる。本
発明は、現在の光ファイバと結合することができ、その
低損失，低複屈折のためにドープしたシリカ製導波路で
もって実現できる。
【図１】本発明による導波路の機能領域を表した最適導
波路の上面図
波路の上面図
【図２】本発明の導波路を用いたファイバ−導波路−フ
ァイバのモードフィールドのミスマッチ損失を表した図
ァイバのモードフィールドのミスマッチ損失を表した図
【図３】Ａ 中心間の距離が９．０μｍの本発明による
カプラ用の結合距離を表した図 Ｂ 中心間の距離が９．５μｍの従来のカプラの結合距
離を表した図
カプラ用の結合距離を表した図 Ｂ 中心間の距離が９．５μｍの従来のカプラの結合距
離を表した図
【図４】本発明によるドラゴンルータの上面図
【図５】コアの幅と高さの関数として有効屈折率を表し
た図
た図
【図６】グレーティング導波路コアの幅がそれぞれ８．
５，６．５，５．５μｍの本発明による３種類のドラゴ
ンルータから測定された伝送スペクトルを表す図
５，６．５，５．５μｍの本発明による３種類のドラゴ
ンルータから測定された伝送スペクトルを表す図
１０ フーリエフィルタ １２，１４ 最適化導波路 １６，１８ コア ２０ 基板 ２２，２４，２６，２８ 領域 ３０ 導波路端部 ３２ 光ファイバ ４０ ドラゴンルータ ４２ 位相グレーティング列 ４４ 誘電体性スラブ（スターカプラ） ４６ 入力導波路 ４８ 出力導波路 ５２ シングルモード領域 ５４，５６ 湾曲領域
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成８年１１月２０日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 平面型光学導波路素子
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は平面上の光学導波路
に関し、特に大量生産に適した単一の基板上に、様々な
種類の受動型光学要素を高性能の機能的集積を行うため
に、導波路の機能領域に応じて変化する均一のコア高さ
とコア幅を有する最適化された導波路構造体に関する。
に関し、特に大量生産に適した単一の基板上に、様々な
種類の受動型光学要素を高性能の機能的集積を行うため
に、導波路の機能領域に応じて変化する均一のコア高さ
とコア幅を有する最適化された導波路構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】光学回路は、通常例えばレーザあるいは
フォトダイオードのような光学的活性素子と、相互接続
と受動型光学要素を提供する光学導波路と、制御された
包囲体と外部素子への通路を提供するパッケージとを有
する。通常ドラゴンルータあるいはフーリエフィルタの
ような受動型光学要素は複数の導波路を有し、例えばカ
プラ領域あるいは位相制御されたアレイ領域のような１
つあるいは複数の機能領域を構成している。市場におい
ては、共通の大量生産技術でもって、単一の基板上に受
動型光学素子と相互接続機能を集積することが望まし
い。
フォトダイオードのような光学的活性素子と、相互接続
と受動型光学要素を提供する光学導波路と、制御された
包囲体と外部素子への通路を提供するパッケージとを有
する。通常ドラゴンルータあるいはフーリエフィルタの
ような受動型光学要素は複数の導波路を有し、例えばカ
プラ領域あるいは位相制御されたアレイ領域のような１
つあるいは複数の機能領域を構成している。市場におい
ては、共通の大量生産技術でもって、単一の基板上に受
動型光学素子と相互接続機能を集積することが望まし
い。
【０００３】現在最新のそして技術的に最も優れた平面
型導波路は、シリコン光学ベンチ（silicon optical be
nch （ＳｉＯＢ））技術を用いて形成したドープしたシ
リカ製導波路である。このドープしたシリカ製導波路
は、低コスト，低損失，低複屈折，安定性，光ファイバ
への結合可能性等の様々な特徴を有しているために通常
最も好ましいものである。さらにまたその製造処理技術
は、シリコン製の集積回路（ＩＣ）技術と適合性があ
り、そして大量生産に適し公知のものである。
型導波路は、シリコン光学ベンチ（silicon optical be
nch （ＳｉＯＢ））技術を用いて形成したドープしたシ
リカ製導波路である。このドープしたシリカ製導波路
は、低コスト，低損失，低複屈折，安定性，光ファイバ
への結合可能性等の様々な特徴を有しているために通常
最も好ましいものである。さらにまたその製造処理技術
は、シリコン製の集積回路（ＩＣ）技術と適合性があ
り、そして大量生産に適し公知のものである。
【０００４】通常、このドープしたシリカ製導波路は、
シリコン製あるいはシリカ製基板上に低屈折率のシリカ
製のベース即ち下部クラッド層を先ず堆積することによ
り形成される。その後、高屈折率のドープしたシリカ層
即ちコア層をこの下部クラッド層の上部表面に堆積す
る。その後このコア層をパターン化して、光リソグラフ
ィ技術（集積回路の製造技術に用いられるものと類似の
ものである）を用いて光学回路に必要とされる構造体を
形成する。最後に上部クラッド層をこのパターン化した
導波路コアをカバーするよう堆積する。この技術は、米
国特許第４，９０２，０８６号に開示されている。
シリコン製あるいはシリカ製基板上に低屈折率のシリカ
製のベース即ち下部クラッド層を先ず堆積することによ
り形成される。その後、高屈折率のドープしたシリカ層
即ちコア層をこの下部クラッド層の上部表面に堆積す
る。その後このコア層をパターン化して、光リソグラフ
ィ技術（集積回路の製造技術に用いられるものと類似の
ものである）を用いて光学回路に必要とされる構造体を
形成する。最後に上部クラッド層をこのパターン化した
導波路コアをカバーするよう堆積する。この技術は、米
国特許第４，９０２，０８６号に開示されている。
【０００５】平面上光学導波路の性能に取って重要な点
は、導波路の寸法、即ち導波路コアの高さと幅および導
波路のコアとクラッド層との間の屈折率差（Δ）であ
る。コアの高さ（Ｈ）即ち厚みはコア層の厚みにより決
定され、コアの幅（Ｗ）は、光リソグラフマスクと化学
エッチングのアンダカットにより決定される。
は、導波路の寸法、即ち導波路コアの高さと幅および導
波路のコアとクラッド層との間の屈折率差（Δ）であ
る。コアの高さ（Ｈ）即ち厚みはコア層の厚みにより決
定され、コアの幅（Ｗ）は、光リソグラフマスクと化学
エッチングのアンダカットにより決定される。
【０００６】先ず標準的なＰドープ導波路は、約５μｍ
幅の対称正方形コア構造体と約１５μｍの下部クラッド
層と約１５μｍの上部クラッド層媒体の０．６％の中間
Δを有する。幅と高さの等しい正方形のコアが選択され
る主な理由は、環状光学ファイバを最もよくエミュレー
ト（近似）し、モデル化とマスクレイアウトが容易とな
るためである。このコアの寸法は、光学閉じ込め効果を
強化し、伝送損失を低下させるためにできるだけ大きい
方が好ましいが、導波路がシングルモードを維持する程
度充分小さくなければならない。しかし、この導波路
は、約０．３％のΔと約８μｍのコア直径を有する標準
のシングルモード光ファイバとは、モードフィールドが
かなりミスマッチする。上記の導波路を用いたファイバ
−導波路−ファイバの結合損失はλ＝１．３μｍの波長
で約０．８ｄＢである。以下の説明においては、低Δと
は０．２％と０．５％の間で、中間Δとは０．５％から
０．８％の間で、高Δとは０．８％から２．５％の間を
表すものとする。
幅の対称正方形コア構造体と約１５μｍの下部クラッド
層と約１５μｍの上部クラッド層媒体の０．６％の中間
Δを有する。幅と高さの等しい正方形のコアが選択され
る主な理由は、環状光学ファイバを最もよくエミュレー
ト（近似）し、モデル化とマスクレイアウトが容易とな
るためである。このコアの寸法は、光学閉じ込め効果を
強化し、伝送損失を低下させるためにできるだけ大きい
方が好ましいが、導波路がシングルモードを維持する程
度充分小さくなければならない。しかし、この導波路
は、約０．３％のΔと約８μｍのコア直径を有する標準
のシングルモード光ファイバとは、モードフィールドが
かなりミスマッチする。上記の導波路を用いたファイバ
−導波路−ファイバの結合損失はλ＝１．３μｍの波長
で約０．８ｄＢである。以下の説明においては、低Δと
は０．２％と０．５％の間で、中間Δとは０．５％から
０．８％の間で、高Δとは０．８％から２．５％の間を
表すものとする。
【０００７】低い挿入損失のアプリケーション用に、モ
ードフィールドのミスマッチを減少するために、低三角
導波路が求められている。しかし、高度に複雑化した光
学回路のチップサイズを低減するためには、高三角導波
路が望ましい。その理由は、より強い光閉じ込め作用が
より小さな曲げ半径を可能にするからである。このため
異なるアプリケーションに対する要件を満足するため
に、異なる導波路構造体用に異なるプロセスが用いられ
ている。例えば、Δが約０．３％，０．７％，１．５％
であり、四角のコアの寸法が８μｍ，６μｍ，４μｍで
ある３種類の異なる導波路構造体を用いて、各機能領域
で性能を最適化するために異なる機能領域を有する光学
回路を実現する。しかしこのような多重導波路構造体
は、単一の基板上に集積することは、極めて困難でさら
にまた共通の製造プロセスを用いることは、ほとんど不
可能である、その理由は、特にコアの高さ即ち厚さは、
機能領域の間で変化しなければならないからである。
ードフィールドのミスマッチを減少するために、低三角
導波路が求められている。しかし、高度に複雑化した光
学回路のチップサイズを低減するためには、高三角導波
路が望ましい。その理由は、より強い光閉じ込め作用が
より小さな曲げ半径を可能にするからである。このため
異なるアプリケーションに対する要件を満足するため
に、異なる導波路構造体用に異なるプロセスが用いられ
ている。例えば、Δが約０．３％，０．７％，１．５％
であり、四角のコアの寸法が８μｍ，６μｍ，４μｍで
ある３種類の異なる導波路構造体を用いて、各機能領域
で性能を最適化するために異なる機能領域を有する光学
回路を実現する。しかしこのような多重導波路構造体
は、単一の基板上に集積することは、極めて困難でさら
にまた共通の製造プロセスを用いることは、ほとんど不
可能である、その理由は、特にコアの高さ即ち厚さは、
機能領域の間で変化しなければならないからである。
【０００８】第２に制御不可能な製造上の誤差に起因す
る結合長さのロット毎、あるいはウェハ毎の結合長さの
変動は、異なる長さのカプラを有する数個のグループに
分けた素子を、単一の光リソグラフマスク上に配置する
事により現在のところ解決している。しかし、このアプ
ローチは、歩留まりが悪く、その理由は、通常グループ
の中の１つのみがウェハの各ロットに対し有効に作用す
る素子を形成するに過ぎないからである。さらにまたこ
のアプローチは、導波路の断面の変動あるいはウェハの
スケールの非均一性に関連する素子の性能問題のいずれ
をも解決していない。
る結合長さのロット毎、あるいはウェハ毎の結合長さの
変動は、異なる長さのカプラを有する数個のグループに
分けた素子を、単一の光リソグラフマスク上に配置する
事により現在のところ解決している。しかし、このアプ
ローチは、歩留まりが悪く、その理由は、通常グループ
の中の１つのみがウェハの各ロットに対し有効に作用す
る素子を形成するに過ぎないからである。さらにまたこ
のアプローチは、導波路の断面の変動あるいはウェハの
スケールの非均一性に関連する素子の性能問題のいずれ
をも解決していない。
【０００９】最後にドラゴンルータのクロストークは、
位相グレーティング導波路のランダム位相エラーに対し
感受性がある。このような導波路の幅の変動に起因する
エラーを低減するためにΔが０．６％で、幅が８μｍ、
高さが３．５μｍの導波路を用いている。しかし、５μ
ｍの矩形の導波路に比較してこの導波路構造体は、標準
の光ファイバとのモードフィールドミスマッチはさらに
大きく、そしてカプラは導波路の高さと幅の制御不能の
変動にさらにまた敏感である。さらにドラゴンルータ，
フーリエフィルタ，他の光学素子等は、コアの厚さが異
なる導波路構造体上に形成されるために、これらの素子
を同一のウェハあるいは構造体上に複数の機能回路とし
て組み込むことは不可能である。
位相グレーティング導波路のランダム位相エラーに対し
感受性がある。このような導波路の幅の変動に起因する
エラーを低減するためにΔが０．６％で、幅が８μｍ、
高さが３．５μｍの導波路を用いている。しかし、５μ
ｍの矩形の導波路に比較してこの導波路構造体は、標準
の光ファイバとのモードフィールドミスマッチはさらに
大きく、そしてカプラは導波路の高さと幅の制御不能の
変動にさらにまた敏感である。さらにドラゴンルータ，
フーリエフィルタ，他の光学素子等は、コアの厚さが異
なる導波路構造体上に形成されるために、これらの素子
を同一のウェハあるいは構造体上に複数の機能回路とし
て組み込むことは不可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、単一の基板上に複数の機能領域を集積できる導波
路構造体を提供することであり、さらにまた高密度の集
積光回路を実現するために大量生産に適した集積回路技
術を用いて上記のような導波路構造体を提供することで
ある。
的は、単一の基板上に複数の機能領域を集積できる導波
路構造体を提供することであり、さらにまた高密度の集
積光回路を実現するために大量生産に適した集積回路技
術を用いて上記のような導波路構造体を提供することで
ある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、ドープしたシ
リカ製の平面状導波路用の最適化構造体を提供すること
である。このような本発明の最適化導波路は、効率的な
導波路−ファイバの結合とカプラと遅延要素の製造誤差
の低減と小さな曲げ半径が可能となる。さらにまた本発
明によれば、共通の製造プロセスが、例えばドラゴンル
ータ，フーリエフィルタのような基本要素を高い歩留ま
りで集積することができる。本発明による最適化は、通
常の矩形コア導波路よりもより厚いコア層と光学回路の
異なる機能領域毎に変化するコアの幅を用いることによ
り（光リソグラフィ製造技術を用いて）達成できる。例
えば、約０．６％のΔを有する最適化したシングルモー
ドＰドープシリカ性導波路は、波長λが１．２から１．
７μｍに対し、Ｈが６．７μｍで幅が４μｍのコア寸法
を有する。光ファイバとの結合領域においては、この導
波路は、その幅Ｗが９μｍに広がり、コアの高さは一定
である。そして曲げ領域においては、導波路は幅Ｗが
５．５μｍに広がり、コアの高さは一定である。さらに
またドラゴンルータの位相列領域においては、各導波路
は幅Ｗが１０μｍに広がり、コアの高さは一定である。
したがって、本発明によればコアの高さは、基板全体に
亘って均一に維持しながら導波路性能を最適化するため
に、光リソグラフィ技術を用いてコアの幅を様々に変化
させることができる。
リカ製の平面状導波路用の最適化構造体を提供すること
である。このような本発明の最適化導波路は、効率的な
導波路−ファイバの結合とカプラと遅延要素の製造誤差
の低減と小さな曲げ半径が可能となる。さらにまた本発
明によれば、共通の製造プロセスが、例えばドラゴンル
ータ，フーリエフィルタのような基本要素を高い歩留ま
りで集積することができる。本発明による最適化は、通
常の矩形コア導波路よりもより厚いコア層と光学回路の
異なる機能領域毎に変化するコアの幅を用いることによ
り（光リソグラフィ製造技術を用いて）達成できる。例
えば、約０．６％のΔを有する最適化したシングルモー
ドＰドープシリカ性導波路は、波長λが１．２から１．
７μｍに対し、Ｈが６．７μｍで幅が４μｍのコア寸法
を有する。光ファイバとの結合領域においては、この導
波路は、その幅Ｗが９μｍに広がり、コアの高さは一定
である。そして曲げ領域においては、導波路は幅Ｗが
５．５μｍに広がり、コアの高さは一定である。さらに
またドラゴンルータの位相列領域においては、各導波路
は幅Ｗが１０μｍに広がり、コアの高さは一定である。
したがって、本発明によればコアの高さは、基板全体に
亘って均一に維持しながら導波路性能を最適化するため
に、光リソグラフィ技術を用いてコアの幅を様々に変化
させることができる。
【００１２】本発明による最適化された導波路は、材料
の堆積、化学プロセスをほとんど複雑にすることがない
マスクデザインを用いることができるために極めて実用
的である。さらにまた本発明の最適化方法は、同様に他
の導波路システムにも適応可能である。
の堆積、化学プロセスをほとんど複雑にすることがない
マスクデザインを用いることができるために極めて実用
的である。さらにまた本発明の最適化方法は、同様に他
の導波路システムにも適応可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】 １．導入 本発明は高い適合性と高い素子効率と高い歩留まりを有
する集積光回路用の導波路構造体を開示する。本発明
は、光ファイバ通信システム、特にポイントトゥマルチ
ポイント構成を用いたローカル分散ネットワーク用にド
ラゴンルータ，フーリエフィルタ，Ｙ型ブランチ等の様
々な種類の光学素子を機能受動型回路に集積するもので
ある。本発明のプロセスは、コアの厚さは共通で異なる
機能領域（例えば、ファイバ−導波路−ファイバの結合
領域，カプラの結合領域，あるいは曲げ領域）毎にコア
の幅が異なるものである。本発明は、波長が１．２から
１．７μｍ用のＰドープのシリカ性導波路を例にして説
明する。しかし当業者であれば、本発明は、他の導波路
システム、例えばガラス系あるいは有機材料系あるいは
半導体系のいずれにも適応可能であることが分かるであ
ろう。
する集積光回路用の導波路構造体を開示する。本発明
は、光ファイバ通信システム、特にポイントトゥマルチ
ポイント構成を用いたローカル分散ネットワーク用にド
ラゴンルータ，フーリエフィルタ，Ｙ型ブランチ等の様
々な種類の光学素子を機能受動型回路に集積するもので
ある。本発明のプロセスは、コアの厚さは共通で異なる
機能領域（例えば、ファイバ−導波路−ファイバの結合
領域，カプラの結合領域，あるいは曲げ領域）毎にコア
の幅が異なるものである。本発明は、波長が１．２から
１．７μｍ用のＰドープのシリカ性導波路を例にして説
明する。しかし当業者であれば、本発明は、他の導波路
システム、例えばガラス系あるいは有機材料系あるいは
半導体系のいずれにも適応可能であることが分かるであ
ろう。
【００１４】図１において、フーリエフィルタ１０は本
発明の最適化導波路１２，１４を有する。特に同図は、
それぞれ最適化導波路１２，１４のコア１６，１８の平
面上のパターンを表し、これらは基板２０上のフーリエ
フィルタ１０の製造の際のフォトリソグラフマスクを用
いて規定されたものである。このコア１６，１８はほぼ
同一で、同一の高さ（Ｈ）を有するが、以下に説明する
ように最適化導波路１２，１４の性能を最適化するため
に、異なる領域で変化する幅（Ｗ）を有する。
発明の最適化導波路１２，１４を有する。特に同図は、
それぞれ最適化導波路１２，１４のコア１６，１８の平
面上のパターンを表し、これらは基板２０上のフーリエ
フィルタ１０の製造の際のフォトリソグラフマスクを用
いて規定されたものである。このコア１６，１８はほぼ
同一で、同一の高さ（Ｈ）を有するが、以下に説明する
ように最適化導波路１２，１４の性能を最適化するため
に、異なる領域で変化する幅（Ｗ）を有する。
【００１５】２．最適化プロセス Ａ．シングルモード動作 多くの光学素子は、シングルモード導波路上に形成され
るか、あるいはシングルモード領域を有している。例え
ば、フーリエフィルタ１０の領域２２，２４，２６，２
８は、この実施例ではシングルモードである。特に領域
２２，２４，２６は、シングルモードの最適化導波路１
２，１４のカプラであり、領域２８は光ファイバ３２に
結合される導波路端部３０の高次モードを取り除くもの
である。フーリエフィルタ１０の他の導波路領域は、シ
ングルモードではなく、マルチモードを用いることがで
きる。ただし、モード変換は少ないかあるいは変換され
た高次モードは領域２８により除去されるものとする。
るか、あるいはシングルモード領域を有している。例え
ば、フーリエフィルタ１０の領域２２，２４，２６，２
８は、この実施例ではシングルモードである。特に領域
２２，２４，２６は、シングルモードの最適化導波路１
２，１４のカプラであり、領域２８は光ファイバ３２に
結合される導波路端部３０の高次モードを取り除くもの
である。フーリエフィルタ１０の他の導波路領域は、シ
ングルモードではなく、マルチモードを用いることがで
きる。ただし、モード変換は少ないかあるいは変換され
た高次モードは領域２８により除去されるものとする。
【００１６】弱い導波機能の導波路に対しては、（基本
モードの）光強度の空間分布はほぼ対称のガウス分布で
あり、シングルモードの条件は、最低時の近似までコア
の断面積は最大値以下であることが必要である。Δが約
０．６％のＰドープのシリカ製導波路は、導波路に対し
ては、最大コア面積は１．３ないし１．７μｍの波長に
対しては約３０μｍ2 である。そのため様々なコア寸法
を用いることができ、断面積が３０μｍ2 以下となるよ
うな様々なコア寸法、例えば５×５μｍ2 ，３×８μｍ
2 ，６．７×４μｍ2 を用いることができる。しかし、
導波路コアの高さは、製造時のコア層の厚さにより決定
されるために、複数の高さを有する導波路コアを、単一
の基板上に製造することは極めて困難である。したがっ
て、コアの高さは一定で、基板全体に亘りコアの高さが
一定の導波路構造を得ることは極めて望ましい。このコ
アの高さは、導波路の異なる機能領域でも同一であるの
で、コアの幅は、各領域で性能を最適化するために異な
る機能領域で変化させなければならない。
モードの）光強度の空間分布はほぼ対称のガウス分布で
あり、シングルモードの条件は、最低時の近似までコア
の断面積は最大値以下であることが必要である。Δが約
０．６％のＰドープのシリカ製導波路は、導波路に対し
ては、最大コア面積は１．３ないし１．７μｍの波長に
対しては約３０μｍ2 である。そのため様々なコア寸法
を用いることができ、断面積が３０μｍ2 以下となるよ
うな様々なコア寸法、例えば５×５μｍ2 ，３×８μｍ
2 ，６．７×４μｍ2 を用いることができる。しかし、
導波路コアの高さは、製造時のコア層の厚さにより決定
されるために、複数の高さを有する導波路コアを、単一
の基板上に製造することは極めて困難である。したがっ
て、コアの高さは一定で、基板全体に亘りコアの高さが
一定の導波路構造を得ることは極めて望ましい。このコ
アの高さは、導波路の異なる機能領域でも同一であるの
で、コアの幅は、各領域で性能を最適化するために異な
る機能領域で変化させなければならない。
【００１７】Ｈ＝６．７μｍのコア高さが、Ｐドープの
シリカ製導波路に対し最適なものと決定できる。シング
ルモード導波路に対応するコア幅は、Ｗ＝４μｍである
が、このコアの幅は、以下の設計事項を考慮することに
より変化するものである。前述したようにここに開示し
た寸法は、単なる一実施例で本発明の範囲を制限するよ
う解釈されるべきものではない。しかし本明細書に開示
した説明、例えばコアの高さと幅のアスペクト比は、他
の導波路システムにも同様に適応できるものである。し
たがって、本発明による最適化導波路は、そのコア高さ
が約Ｈ＝６．７μｍで、その幅は約４μｍから１０μｍ
の間で、これは以下に述べる設計事項に基づいて決まる
ものである。
シリカ製導波路に対し最適なものと決定できる。シング
ルモード導波路に対応するコア幅は、Ｗ＝４μｍである
が、このコアの幅は、以下の設計事項を考慮することに
より変化するものである。前述したようにここに開示し
た寸法は、単なる一実施例で本発明の範囲を制限するよ
う解釈されるべきものではない。しかし本明細書に開示
した説明、例えばコアの高さと幅のアスペクト比は、他
の導波路システムにも同様に適応できるものである。し
たがって、本発明による最適化導波路は、そのコア高さ
が約Ｈ＝６．７μｍで、その幅は約４μｍから１０μｍ
の間で、これは以下に述べる設計事項に基づいて決まる
ものである。
【００１８】Ｂ．ファイバ結合損失 導波路が光ファイバに結合されると、導波路と光ファイ
バとの間のモードフィールドミスマッチとファイバと導
波路との間の不整合のためにファイバ結合損失が発生す
る。前者のモードフィールドミスマッチは、導波路と光
ファイバとのサイズとΔの差に起因する。例えば、１．
３μｍと１．５５μｍの波長通信用の通常使用されるシ
ングルモードファイバは、ＡＴ＆Ｔ社製の５Ｄファイバ
があり、これはΔが０．３％でコアの直径が約８μｍで
ある。しかし、大部分の平面上導波路のΔは、それ以上
高く例えばＰドープのシリカ製導波路では０．６％であ
る。このことは実際の導波路製造のサイズの制限のた
め、およびより高いΔは、基板上により高い集積密度が
可能となるために好ましい。より高いΔの結果、コアサ
イズとガイドされた光学モードのサイズとは、通常のシ
ングルモード導波路においては、例えばＡＴ＆Ｔ社製の
５Ｄファイバのような通常使用されるファイバのそれよ
りも小さい。
バとの間のモードフィールドミスマッチとファイバと導
波路との間の不整合のためにファイバ結合損失が発生す
る。前者のモードフィールドミスマッチは、導波路と光
ファイバとのサイズとΔの差に起因する。例えば、１．
３μｍと１．５５μｍの波長通信用の通常使用されるシ
ングルモードファイバは、ＡＴ＆Ｔ社製の５Ｄファイバ
があり、これはΔが０．３％でコアの直径が約８μｍで
ある。しかし、大部分の平面上導波路のΔは、それ以上
高く例えばＰドープのシリカ製導波路では０．６％であ
る。このことは実際の導波路製造のサイズの制限のた
め、およびより高いΔは、基板上により高い集積密度が
可能となるために好ましい。より高いΔの結果、コアサ
イズとガイドされた光学モードのサイズとは、通常のシ
ングルモード導波路においては、例えばＡＴ＆Ｔ社製の
５Ｄファイバのような通常使用されるファイバのそれよ
りも小さい。
【００１９】λ＝１．３μｍでＰドープのシリカ製導波
路と、ＡＴ＆Ｔ社製の５Ｄシングルモードファイバとを
用いると、コアの高さ（Ｈ）と幅（Ｗ）に関連する計算
上のファイバ−導波路−ファイバ（２つの接合面）のモ
ードフィールドミスマッチ損失を図２に示す。例えば、
Ｈ＝５μｍ，Ｗ＝５μｍの寸法のコアを有する導波路の
結合損失は約０．８ｄＢで、Ｈ＝３μｍ，Ｗ＝４μｍの
寸法のコアを有する導波路は１．０ｄＢである。
路と、ＡＴ＆Ｔ社製の５Ｄシングルモードファイバとを
用いると、コアの高さ（Ｈ）と幅（Ｗ）に関連する計算
上のファイバ−導波路−ファイバ（２つの接合面）のモ
ードフィールドミスマッチ損失を図２に示す。例えば、
Ｈ＝５μｍ，Ｗ＝５μｍの寸法のコアを有する導波路の
結合損失は約０．８ｄＢで、Ｈ＝３μｍ，Ｗ＝４μｍの
寸法のコアを有する導波路は１．０ｄＢである。
【００２０】コアのサイズが大きくなると、光学モード
も大きくなりファイバのそれにより適合する。正確な整
合（マッチ）が発生するのは、導波路のΔが、光ファイ
バのそれに有効に拡散（diluted） する時にのみ発生
し、このことを達成するのは現在の製造技術では困難で
ある。しかし、図２に示すようにＨ＝６．７μｍ，Ｗ＝
９μｍの寸法のコアを有する導波路に対しては、デルタ
Δを減少させずに、矩形のボックス３４に示すように結
合損失は０．２５ｄＢ以下であることが分かる。この損
失量は多くの応用例においては、満足すべきものであ
り、以前では低Δの導波路を用いた場合のみ達成可能で
あった。またコアの高さが９μｍまで増加すると、結合
損失は０．１ｄＢまでさらに減少する。しかし、シング
ルモードを維持するためには、Ｈ＝９μｍの導波路は現
在の製造技術で信頼性よく製造するためには、コアの幅
が狭くなりすぎる。さらにまた従来の導波路と同様にコ
アの高さを５μｍにした場合には、コアの幅を大きくし
たとしても結合損失は、０．５ｄＢ以上である。ファイ
バ−導波路−ファイバの結合損失が０．３ｄＢ以下で−
５０ｄＢのクロストークの粗波長分割マルチプレクサ
（ＷＤＭ）は、Ｈ＝６．７μｍで達成できる。
も大きくなりファイバのそれにより適合する。正確な整
合（マッチ）が発生するのは、導波路のΔが、光ファイ
バのそれに有効に拡散（diluted） する時にのみ発生
し、このことを達成するのは現在の製造技術では困難で
ある。しかし、図２に示すようにＨ＝６．７μｍ，Ｗ＝
９μｍの寸法のコアを有する導波路に対しては、デルタ
Δを減少させずに、矩形のボックス３４に示すように結
合損失は０．２５ｄＢ以下であることが分かる。この損
失量は多くの応用例においては、満足すべきものであ
り、以前では低Δの導波路を用いた場合のみ達成可能で
あった。またコアの高さが９μｍまで増加すると、結合
損失は０．１ｄＢまでさらに減少する。しかし、シング
ルモードを維持するためには、Ｈ＝９μｍの導波路は現
在の製造技術で信頼性よく製造するためには、コアの幅
が狭くなりすぎる。さらにまた従来の導波路と同様にコ
アの高さを５μｍにした場合には、コアの幅を大きくし
たとしても結合損失は、０．５ｄＢ以上である。ファイ
バ−導波路−ファイバの結合損失が０．３ｄＢ以下で−
５０ｄＢのクロストークの粗波長分割マルチプレクサ
（ＷＤＭ）は、Ｈ＝６．７μｍで達成できる。
【００２１】図１に示すように、ファイバ−導波路−フ
ァイバの結合損失を減少するために導波路端部領域３２
は、Ｗ＝９μｍまで広げられる。その結果、導波路はＨ
＝６．７μｍでＷ＝９μｍの端部領域ではマルチモード
であり、このため不整合がある状態では光は高次モード
となる。そのため領域２８が、高次モードを取り除くた
めにつけ加えられる。通常長さが５００μｍのモード不
変換テーパが遷移領域として用いられ、その領域では、
導波路の幅は徐々に拡張するかあるいは狭くなる。この
遷移領域は、通常、図１の領域２８と導波路端部３０と
の間である。したがって、領域２８と導波路端部３０
は、拡張モードテーパと称する。
ァイバの結合損失を減少するために導波路端部領域３２
は、Ｗ＝９μｍまで広げられる。その結果、導波路はＨ
＝６．７μｍでＷ＝９μｍの端部領域ではマルチモード
であり、このため不整合がある状態では光は高次モード
となる。そのため領域２８が、高次モードを取り除くた
めにつけ加えられる。通常長さが５００μｍのモード不
変換テーパが遷移領域として用いられ、その領域では、
導波路の幅は徐々に拡張するかあるいは狭くなる。この
遷移領域は、通常、図１の領域２８と導波路端部３０と
の間である。したがって、領域２８と導波路端部３０
は、拡張モードテーパと称する。
【００２２】ファイバ−導波路結合損失を減少するため
に、別個のモードテーパが提案されているが、これはそ
の挿入損失により、０．３ｄＢ以下のファイバ−導波路
−ファイバ結合損失を提供するには実際的ではない。こ
の別個のモードテーパに比較して、本発明の拡張モード
テーパ構成は、挿入損失がはるかに低く、アンダーカッ
トとチップダイスの位置の製造誤差に対し、許容度があ
り不利な点はない。
に、別個のモードテーパが提案されているが、これはそ
の挿入損失により、０．３ｄＢ以下のファイバ−導波路
−ファイバ結合損失を提供するには実際的ではない。こ
の別個のモードテーパに比較して、本発明の拡張モード
テーパ構成は、挿入損失がはるかに低く、アンダーカッ
トとチップダイスの位置の製造誤差に対し、許容度があ
り不利な点はない。
【００２３】ファイバと導波路との不整合に起因するフ
ァイバ結合損失に関しては、この結合損失は導波路とフ
ァイバのモードサイズに影響される。より大きなモード
サイズにおいては、結合損失は、横方向の不整合に対し
ては小さくなり、角度的な不整合に対しては大きくな
る。このため横方向の不整合がファイバの取付とウェハ
のテストでは支配的なために、導波路端部３０における
性能を最適化するためには、導波路の寸法を拡大し、し
たがってモードサイズを増加させることは、全体の不整
合損失を減少させることになる。
ァイバ結合損失に関しては、この結合損失は導波路とフ
ァイバのモードサイズに影響される。より大きなモード
サイズにおいては、結合損失は、横方向の不整合に対し
ては小さくなり、角度的な不整合に対しては大きくな
る。このため横方向の不整合がファイバの取付とウェハ
のテストでは支配的なために、導波路端部３０における
性能を最適化するためには、導波路の寸法を拡大し、し
たがってモードサイズを増加させることは、全体の不整
合損失を減少させることになる。
【００２４】したがって、Ｐドープのシリカ製導波路の
端部領域３０（導波路が光ファイバに結合される領域）
においては、コアの幅と高さとのアスペクト比は１．２
以上（Ｗ／Ｈ＞１．２）である。
端部領域３０（導波路が光ファイバに結合される領域）
においては、コアの幅と高さとのアスペクト比は１．２
以上（Ｗ／Ｈ＞１．２）である。
【００２５】Ｃ．結合効率 近接して配置されたシングルモード導波路（図１の領域
２２，２４，２６）を含むカプラの結合効率は、光が導
波路から他の導波路に結合するのに必要な最低カプラ長
さである結合長さにより特徴づけられる。この結合長さ
は、２つの最適化導波路１２，１４のコアの幅と間隔
（separation）に極めて敏感である。その理由は、結合
は２つの導波路の光学フィールドのテールのオーバラッ
プから得られるからである。製造に対しては、中心間の
間隔は、比較的一定であるが、コアの幅と端部間の間隔
は変化する、その理由は光リソグラフの条件とエッチン
グのアンダーカットの変化を制御できないからである。
かくして高い歩留まりを得るためには、この結合長さ
は、製造誤差に対して安定していなければならない。
２２，２４，２６）を含むカプラの結合効率は、光が導
波路から他の導波路に結合するのに必要な最低カプラ長
さである結合長さにより特徴づけられる。この結合長さ
は、２つの最適化導波路１２，１４のコアの幅と間隔
（separation）に極めて敏感である。その理由は、結合
は２つの導波路の光学フィールドのテールのオーバラッ
プから得られるからである。製造に対しては、中心間の
間隔は、比較的一定であるが、コアの幅と端部間の間隔
は変化する、その理由は光リソグラフの条件とエッチン
グのアンダーカットの変化を制御できないからである。
かくして高い歩留まりを得るためには、この結合長さ
は、製造誤差に対して安定していなければならない。
【００２６】次に、図３においてＰドープのシリカ製導
波路に対し、λ＝１．５５μｍに対し中心間のずれＣ＝
９．０μｍとＣ＝９．５μｍのカプラに対し、計算され
た結合長をそれぞれＡ，Ｂとして示す。
波路に対し、λ＝１．５５μｍに対し中心間のずれＣ＝
９．０μｍとＣ＝９．５μｍのカプラに対し、計算され
た結合長をそれぞれＡ，Ｂとして示す。
【００２７】図３Ａにおいては、コアの幅Ｗ＝４μｍの
周辺でのＷ軸に対してカーブは平行になる。このことは
結合長は、この寸法の幅における変動が最も敏感ではな
いことを意味する。隣接するカーブの間の結合長のステ
ップと大きさは、図３のＡ，Ｂ両方とも１００μｍであ
る。しかし、図３のＡの隣接するカーブ間の垂直方向の
スペースは、図３Ｂのそれよりも約２倍以上大きく最適
の導波路に対する結合長さは、矩形の導波路に対してよ
りもコアの高さ方向の変化に対し、より感受性が少ない
ことを意味する。図３Ａの点線の矩形３６に示すよう
に、最適化された導波路のコア高さは６．７μｍで、コ
ア幅は４μｍである。比較のために図３Ｂでは、導波路
のコアの寸法は、５×５μｍ2 を中心にしてこれは、矩
形の箱３８に示すとおりである。
周辺でのＷ軸に対してカーブは平行になる。このことは
結合長は、この寸法の幅における変動が最も敏感ではな
いことを意味する。隣接するカーブの間の結合長のステ
ップと大きさは、図３のＡ，Ｂ両方とも１００μｍであ
る。しかし、図３のＡの隣接するカーブ間の垂直方向の
スペースは、図３Ｂのそれよりも約２倍以上大きく最適
の導波路に対する結合長さは、矩形の導波路に対してよ
りもコアの高さ方向の変化に対し、より感受性が少ない
ことを意味する。図３Ａの点線の矩形３６に示すよう
に、最適化された導波路のコア高さは６．７μｍで、コ
ア幅は４μｍである。比較のために図３Ｂでは、導波路
のコアの寸法は、５×５μｍ2 を中心にしてこれは、矩
形の箱３８に示すとおりである。
【００２８】このような安定した形状が存在することを
次に説明する。一定の中心間のずれに対しては、両方の
導波路の幅が減少した時には、２つの影響がある。その
１つは光学フィールドの閉じ込めが少なくなり拡張して
２つの導波路のギャップ内に拡張し、その結果より強い
結合が得られる結果となる。他の影響は２つの導波路の
間のギャップがさらに大きくなるとこれはより弱い結合
となる。この２つの影響は上記の安定した構成において
は、互いにバランスしている。結合波長は、この形状で
はコアの高さに敏感ではなくなるが、その理由はモード
閉じ込めは、最低次の近似ではコアの領域に依存し、高
さを変化させることは幅を変化させるのと同様な２つの
相反する影響を有する。
次に説明する。一定の中心間のずれに対しては、両方の
導波路の幅が減少した時には、２つの影響がある。その
１つは光学フィールドの閉じ込めが少なくなり拡張して
２つの導波路のギャップ内に拡張し、その結果より強い
結合が得られる結果となる。他の影響は２つの導波路の
間のギャップがさらに大きくなるとこれはより弱い結合
となる。この２つの影響は上記の安定した構成において
は、互いにバランスしている。結合波長は、この形状で
はコアの高さに敏感ではなくなるが、その理由はモード
閉じ込めは、最低次の近似ではコアの領域に依存し、高
さを変化させることは幅を変化させるのと同様な２つの
相反する影響を有する。
【００２９】この安定したコアの幅は、中心間のずれ
（Ｃ）の関数であり、コアの高さと波長λには余り依存
しない。この中心間のずれは、カプラの設計の便宜上λ
＝１．５５μｍにおいて結合長が約２０００μｍである
ように選択される。そしてコアの高さは、この安定した
形状において導波路はシングルモードであるが、ほとん
どダブルモードとなるように選択される。一般的にこの
ことはカプラ領域においては、コアの高さはコアの幅以
上であり、これにより四角形の導波路よりもより厚いコ
アの層が必要であり、このことは同時に拡張したテーパ
部を用いてファイバへのよりよい結合が可能となる。好
ましくはＰドープのシリカ製導波路の結合領域２２，２
４，２６においては、コアの高さ対幅のアスペクト比は
１．２以上（言い換えると、Ｗ／Ｈ＜０．８４）であ
る。
（Ｃ）の関数であり、コアの高さと波長λには余り依存
しない。この中心間のずれは、カプラの設計の便宜上λ
＝１．５５μｍにおいて結合長が約２０００μｍである
ように選択される。そしてコアの高さは、この安定した
形状において導波路はシングルモードであるが、ほとん
どダブルモードとなるように選択される。一般的にこの
ことはカプラ領域においては、コアの高さはコアの幅以
上であり、これにより四角形の導波路よりもより厚いコ
アの層が必要であり、このことは同時に拡張したテーパ
部を用いてファイバへのよりよい結合が可能となる。好
ましくはＰドープのシリカ製導波路の結合領域２２，２
４，２６においては、コアの高さ対幅のアスペクト比は
１．２以上（言い換えると、Ｗ／Ｈ＜０．８４）であ
る。
【００３０】Ｄ．安定な有効屈折率 ある種の素子においては、その素子に含まれる導波路の
有効屈折率が製造上の誤差にも関わらず安定（一定）で
あることが必要である。例えば、図４において、ドラゴ
ンルータ４０は２つの誘電体性のスラブ（スターカプ
ラ）４４の間に配置された位相グレーティング列４２と
１つあるいは複数の入力導波路４６と複数の出力導波路
４８とを有する。ドラゴンルータ４０内のクロストーク
は、フォトリソグラフマスクのデジタルエラーとエッチ
ングのアンダーカットの非規則性に起因する導波路コア
の幅の変動により引き起こされる位相グレーティング列
４２内のランダム位相エラーに敏感である。例えば、１
６００Ｇｈｚ自由スペクトル領域の８×８ルータにおい
ては、各グレーティング導波路の全長は１ｃｍ以上であ
るが、パス長の０．０５μｍに等しい位相エラーがあれ
ば、クロストークの性能を非常に劣化させるのに充分で
ある。そのため各グレーティング導波路のパス長（実際
の長さ×有効屈折率）は、極めて正確に制御しなければ
ならない。したがって、導波路の有効屈折率の変動は、
クロストークの性能を劣化させその結果低歩留まりとな
る。
有効屈折率が製造上の誤差にも関わらず安定（一定）で
あることが必要である。例えば、図４において、ドラゴ
ンルータ４０は２つの誘電体性のスラブ（スターカプ
ラ）４４の間に配置された位相グレーティング列４２と
１つあるいは複数の入力導波路４６と複数の出力導波路
４８とを有する。ドラゴンルータ４０内のクロストーク
は、フォトリソグラフマスクのデジタルエラーとエッチ
ングのアンダーカットの非規則性に起因する導波路コア
の幅の変動により引き起こされる位相グレーティング列
４２内のランダム位相エラーに敏感である。例えば、１
６００Ｇｈｚ自由スペクトル領域の８×８ルータにおい
ては、各グレーティング導波路の全長は１ｃｍ以上であ
るが、パス長の０．０５μｍに等しい位相エラーがあれ
ば、クロストークの性能を非常に劣化させるのに充分で
ある。そのため各グレーティング導波路のパス長（実際
の長さ×有効屈折率）は、極めて正確に制御しなければ
ならない。したがって、導波路の有効屈折率の変動は、
クロストークの性能を劣化させその結果低歩留まりとな
る。
【００３１】λ＝１．５５μｍのＰドープ導波路（クラ
ッド層の屈折率ｎclad＝１．４４５）に対する有効屈折
率ｎeff をコアの幅とコアの高さの関数として計算し図
５に示す。隣接するカーブの間の水平方向のスペース
は、有効屈折率ｎeffを０．００１だけ変えるのに必要
なコアの幅の変化を表す。本発明によれば、図５の矩形
の囲み５０に示されるように、Ｈ＝６．７μｍ，Ｗ＝１
０μｍの寸法を有するコアが、ここでいう安定なカプラ
と低損失ファイバ−導波路カプラ用に得られた高さのコ
アと一致する。好ましくはドラゴンルータ４０の位相グ
レーティング列４２を有する各導波路は、コアの幅対コ
アの高さに対するアスペクト比が１．１５以上（Ｗ／Ｈ
＞１．１５）である。
ッド層の屈折率ｎclad＝１．４４５）に対する有効屈折
率ｎeff をコアの幅とコアの高さの関数として計算し図
５に示す。隣接するカーブの間の水平方向のスペース
は、有効屈折率ｎeffを０．００１だけ変えるのに必要
なコアの幅の変化を表す。本発明によれば、図５の矩形
の囲み５０に示されるように、Ｈ＝６．７μｍ，Ｗ＝１
０μｍの寸法を有するコアが、ここでいう安定なカプラ
と低損失ファイバ−導波路カプラ用に得られた高さのコ
アと一致する。好ましくはドラゴンルータ４０の位相グ
レーティング列４２を有する各導波路は、コアの幅対コ
アの高さに対するアスペクト比が１．１５以上（Ｗ／Ｈ
＞１．１５）である。
【００３２】図５から明かなように、６．７×１０μｍ
2 の寸法のコアを有する導波路のｎeff は、ドラゴンル
ータの高さが３μｍで幅が８μｍの寸法のコアを有する
従来の導波路よりも、コアの幅の変化に対し感受性が少
ない。このためこのような導波路構造体は、低クロスト
ークを生成するのに必要なコアの幅に関して、製造誤差
に対しより安定性がある。しかし導波路は、コアの高さ
とコアの幅が増加するためにマルチモードとなるので、
シングルモード領域５２が付加されて高次モードを取り
除く。別の構成としては、各グレーティング導波路を小
さな曲げ半径でもって湾曲させ、その結果全ての高次モ
ードを有効に放射するようにしてシングルモード領域５
２を取り除くこともできる。
2 の寸法のコアを有する導波路のｎeff は、ドラゴンル
ータの高さが３μｍで幅が８μｍの寸法のコアを有する
従来の導波路よりも、コアの幅の変化に対し感受性が少
ない。このためこのような導波路構造体は、低クロスト
ークを生成するのに必要なコアの幅に関して、製造誤差
に対しより安定性がある。しかし導波路は、コアの高さ
とコアの幅が増加するためにマルチモードとなるので、
シングルモード領域５２が付加されて高次モードを取り
除く。別の構成としては、各グレーティング導波路を小
さな曲げ半径でもって湾曲させ、その結果全ての高次モ
ードを有効に放射するようにしてシングルモード領域５
２を取り除くこともできる。
【００３３】図６は２００Ｇｈｚのチャネル間隔の３個
の８×８ドラゴンルータから測定された伝送スペクトラ
ムを表す図である。このスペクトラムは、５番目の入力
から５番目の出力の間で測定され、その際ファイバ−導
波路の結合損失はないものとする。この素子は、同一基
板上でコアの高さＨ＝６．７μｍのＰドープのシリカ製
導波路でもって形成された。この３個の素子は、グレー
ティング導波路のコアの幅が違うだけでそのコアの幅は
それぞれ８．５μｍ，６．５μｍ，５．５μｍである。
この伝送スペクトラムは、ピークのクロストークは、そ
れぞれＷ＝８．５，６．５，５．５μｍの導波路に対
し、−２６ｄＢ，−２２ｄＢ，−１４ｄＢである。上記
のことからコアの幅が広くなればランダム位相エラーが
小さくなり、ここに開示したコア高さの最適化導波路で
もって、高性能のドラゴンルータが形成できる可能性が
あることを示すことになる。
の８×８ドラゴンルータから測定された伝送スペクトラ
ムを表す図である。このスペクトラムは、５番目の入力
から５番目の出力の間で測定され、その際ファイバ−導
波路の結合損失はないものとする。この素子は、同一基
板上でコアの高さＨ＝６．７μｍのＰドープのシリカ製
導波路でもって形成された。この３個の素子は、グレー
ティング導波路のコアの幅が違うだけでそのコアの幅は
それぞれ８．５μｍ，６．５μｍ，５．５μｍである。
この伝送スペクトラムは、ピークのクロストークは、そ
れぞれＷ＝８．５，６．５，５．５μｍの導波路に対
し、−２６ｄＢ，−２２ｄＢ，−１４ｄＢである。上記
のことからコアの幅が広くなればランダム位相エラーが
小さくなり、ここに開示したコア高さの最適化導波路で
もって、高性能のドラゴンルータが形成できる可能性が
あることを示すことになる。
【００３４】Ｅ．曲げ損失 曲げ領域は、多くの導波路素子にとって必要不可欠なも
のである。例えば、図１に示すフーリエフィルタ１０
は、湾曲領域５４，５６を有し、図４のドラゴンルータ
４０は、位相グレーティング列４２内に湾曲領域を有す
る複数の導波路を有する。これらの湾曲部の曲げ半径
は、充分に大きくその結果挿入損失が許される程度のも
のである。多くの場合これらの湾曲領域が素子が組み込
まれる光学回路の大きさを決定するので小さな曲げ半径
程好ましい。
のである。例えば、図１に示すフーリエフィルタ１０
は、湾曲領域５４，５６を有し、図４のドラゴンルータ
４０は、位相グレーティング列４２内に湾曲領域を有す
る複数の導波路を有する。これらの湾曲部の曲げ半径
は、充分に大きくその結果挿入損失が許される程度のも
のである。多くの場合これらの湾曲領域が素子が組み込
まれる光学回路の大きさを決定するので小さな曲げ半径
程好ましい。
【００３５】導波路にシングルモードが必要な場合に
は、より大きなコアの寸法を用いると、より小さな曲げ
半径が可能となる。より大きなコア寸法は、光学フィー
ルドの閉じ込めが強くなり、その結果光学パスはより簡
単に曲げることができる。
は、より大きなコアの寸法を用いると、より小さな曲げ
半径が可能となる。より大きなコア寸法は、光学フィー
ルドの閉じ込めが強くなり、その結果光学パスはより簡
単に曲げることができる。
【００３６】従来の導波路素子においては、１５ｍｍの
最低曲げ半径は、５×５μｍ2 の正方形コアを有するＰ
ドープシリカ製導波路上で達成できた。しかしＨ＝６．
７μｍで、Ｗ＝５μｍの寸法のコアを有する導波路を用
いることによって、カプラのシングルモード動作には影
響を及ぼすことなく、その曲げ半径は約１０ｍｍまで減
少できた。さらに大きなコアの幅を用いることにより、
曲げ半径をさらに減少することもできるが、湾曲部での
モード変換により図４のドラゴンルータ４０のシングル
モード領域５２の高次モードの除去が必要となる。この
ためＰドープのシリカ製導波路の湾曲領域では、コアの
幅対高さのアスペクト比は、０．８以上且つ１．１以下
（０．８＜Ｗ／Ｈ＜１．１）が好ましい。
最低曲げ半径は、５×５μｍ2 の正方形コアを有するＰ
ドープシリカ製導波路上で達成できた。しかしＨ＝６．
７μｍで、Ｗ＝５μｍの寸法のコアを有する導波路を用
いることによって、カプラのシングルモード動作には影
響を及ぼすことなく、その曲げ半径は約１０ｍｍまで減
少できた。さらに大きなコアの幅を用いることにより、
曲げ半径をさらに減少することもできるが、湾曲部での
モード変換により図４のドラゴンルータ４０のシングル
モード領域５２の高次モードの除去が必要となる。この
ためＰドープのシリカ製導波路の湾曲領域では、コアの
幅対高さのアスペクト比は、０．８以上且つ１．１以下
（０．８＜Ｗ／Ｈ＜１．１）が好ましい。
【００３７】３．製造 本発明のＰドープシリカ製導波路構造体の製造方法を以
下に示す。
下に示す。
【００３８】先ず、アンドープＳｉＯ2（ＨｉＰＯＸ）
製の第１の１５μｍ厚の下部クラッド層を、高圧スチー
ム下でＳｉを酸化することにより形成する。７％のＰド
ープのＳｉＯ2 （Ｐガラス）を含む所定厚のコア層を、
低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）を用いてその後堆積する。こ
のステップにより、導波路コアが基板全体に亘って均一
の厚さ即ち高さを規定する。その後このコア層をアニー
ルし、約１０００℃で蒸気をかける。
製の第１の１５μｍ厚の下部クラッド層を、高圧スチー
ム下でＳｉを酸化することにより形成する。７％のＰド
ープのＳｉＯ2 （Ｐガラス）を含む所定厚のコア層を、
低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）を用いてその後堆積する。こ
のステップにより、導波路コアが基板全体に亘って均一
の厚さ即ち高さを規定する。その後このコア層をアニー
ルし、約１０００℃で蒸気をかける。
【００３９】その後このコア層を、コンピュータにより
生成されたフォトリソグラフマスクを用いてパターン化
し形成する。かくして、このコアの幅は、導波路の特性
を最適化するために、導波路の異なる機能領域で変化す
る。ＢとＰをドープしたＳｉＯ2（ＢＰＴＥＯＳ）製の
１．５μｍ厚のフロー層をＬＰＣＶＤで堆積し、９００
℃でアニールして、カプラ領域の２つの導波路コアの間
の狭いギャップを充填する。最後に７．５μｍ厚のＢＰ
ＴＥＯＳの２つの層を上部クラッド層として堆積しアニ
ールする。上部クラッド層は、下部クラッド層とほぼ同
一の屈折率を有し、コアは、下部クラッド層と上部クラ
ッド層よりも０．６３％高い屈折率を有する。したがっ
て、コア層は基板全体に亘って均一の厚さを有するため
様々な種類の素子、例えばドラゴンルータ，フーリエフ
ィルタ，Ｙ型ブランチ等を同一の光リソグラフマスク上
に機能回路として集積し、単一基板上に共通のプロセス
で製造できる。
生成されたフォトリソグラフマスクを用いてパターン化
し形成する。かくして、このコアの幅は、導波路の特性
を最適化するために、導波路の異なる機能領域で変化す
る。ＢとＰをドープしたＳｉＯ2（ＢＰＴＥＯＳ）製の
１．５μｍ厚のフロー層をＬＰＣＶＤで堆積し、９００
℃でアニールして、カプラ領域の２つの導波路コアの間
の狭いギャップを充填する。最後に７．５μｍ厚のＢＰ
ＴＥＯＳの２つの層を上部クラッド層として堆積しアニ
ールする。上部クラッド層は、下部クラッド層とほぼ同
一の屈折率を有し、コアは、下部クラッド層と上部クラ
ッド層よりも０．６３％高い屈折率を有する。したがっ
て、コア層は基板全体に亘って均一の厚さを有するため
様々な種類の素子、例えばドラゴンルータ，フーリエフ
ィルタ，Ｙ型ブランチ等を同一の光リソグラフマスク上
に機能回路として集積し、単一基板上に共通のプロセス
で製造できる。
【００４０】
【発明の効果】本発明の平面上光学導波路は、例えばス
パッタリング電子ビーム蒸着，反応性イオンエッチング
等の様々な製造技術を用いて製造することができる。本
発明は、現在の光ファイバと結合することができ、その
低損失，低複屈折のためにドープしたシリカ製導波路で
もって実現できる。
パッタリング電子ビーム蒸着，反応性イオンエッチング
等の様々な製造技術を用いて製造することができる。本
発明は、現在の光ファイバと結合することができ、その
低損失，低複屈折のためにドープしたシリカ製導波路で
もって実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による導波路の機能領域を表した最適導
波路の上面図
波路の上面図
【図２】本発明の導波路を用いたファイバ−導波路−フ
ァイバのモードフィールドのミスマッチ損失を表した図
ァイバのモードフィールドのミスマッチ損失を表した図
【図３】Ａ 中心間の距離が９．０μｍの本発明による
カプラ用の結合距離を表した図 Ｂ 中心間の距離が９．５μｍの従来のカプラの結合距
離を表した図
カプラ用の結合距離を表した図 Ｂ 中心間の距離が９．５μｍの従来のカプラの結合距
離を表した図
【図４】本発明によるドラゴンルータの上面図
【図５】コアの幅と高さの関数として有効屈折率を表し
た図
た図
【図６】グレーティング導波路コアの幅がそれぞれ８．
５，６．５，５．５μｍの本発明による３種類のドラゴ
ンルータから測定された伝送スペクトルを表す図
５，６．５，５．５μｍの本発明による３種類のドラゴ
ンルータから測定された伝送スペクトルを表す図
【符号の説明】 １０ フーリエフィルタ １２，１４ 最適化導波路 １６，１８ コア ２０ 基板 ２２，２４，２６，２８ 領域 ３０ 導波路端部 ３２ 光ファイバ ４０ ドラゴンルータ ４２ 位相グレーティング列 ４４ 誘電体性スラブ（スターカプラ） ４６ 入力導波路 ４８ 出力導波路 ５２ シングルモード領域 ５４，５６ 湾曲領域
フロントページの続き (72)発明者 エドワード ジョン ラスコウスキー アメリカ合衆国，07076 ニュージャージ ー，スコッチ プレインズ，エヴァーグリ ーン アヴェニュー 2289 (72)発明者 ユアン ピー．リー アメリカ合衆国，30155 ジョージア，ダ ルス，フェアフォード レイン 410 (72)発明者 ヘンリー ハワード ヤッフ アメリカ合衆国，30338 ジョージア，ダ ンウッディー，マーティナ ドライブ 1355
Claims (11)
- 【請求項１】 （Ａ）基板（２０）と、 （Ｂ）前記基板上に形成された、均一の高さと異なる機
能領域で変化する幅とを有する第１導波路（１２）と、 （Ｃ）前記基板（１２）上に形成された均一の高さを有
する第２導波路（１４）と、からなり、前記第１導波路
（１２）と第２導波路（１４）は、光学的に相互作用す
ることを特徴とする平面型光学導波路素子。 - 【請求項２】 前記第２導波路（１４）の幅は、異なる
機能領域で変化することを特徴とする請求項１の素子。 - 【請求項３】 （Ａ）基板（１２）と、 （Ｂ）前記基板上に堆積された下部クラッド層と、 （Ｃ）前記下部クラッド層上に形成された均一高さ
（Ｈ）と可変幅（Ｗ）とを有するコアと、 （Ｄ）前記コアと前記下部クラッド層上に堆積された上
部クラッド層と、前記上部クラッド層は、前記上部クラ
ッド層と前記下部クラッド層との間のコアを包囲し、 シングルモード領域で前記導波路素子は、高さ（Ｈ）／
可変幅（Ｗ）＞１．２のアスペクト比を有し、 湾曲領域では、前記導波路は、０．８＜Ｗ／Ｈ＜１．１
のアスペクト比を有し、 導波路−ファイバの結合領域では、前記導波路は、Ｗ／
Ｈ＞１．２のアスペクト比を有することを特徴とする平
面型光学導波路素子。 - 【請求項４】 前記導波路の高さは、６μｍ以上である
ことを特徴とする請求項３の素子。 - 【請求項５】 前記下部導波路と上部導波路との間に包
囲された第２コアを有する第２導波路をさらに有し、 前記第２導波路は、前記導波路と光学的に相互作用する
よう構成され、 前記第２コアは、前記コアに等しい高さと可変幅とを有
することを特徴とする請求項３の素子。 - 【請求項６】 前記導波路と前記第２導波路とは、結合
領域で光学的に結合され、 前記結合領域は、前記コアと第２コアの幅の製造上の変
動とは無関係の結合長を有することを特徴とする請求項
５の素子。 - 【請求項７】 前記導波路の湾曲領域の導波路の幅は、
所定の均一の幅まで前記湾曲領域の間に増加し、前記導
波路が曲げ損失を減少させるマルチモードを導波するこ
とを特徴とする請求項３の素子。 - 【請求項８】 基板上に様々な領域で光学的に相互作用
する少なくとも２つの導波路を有し、前記各導波路は、
高さと幅を有し、 前記導波路素子は、 前記導波路が光学的に結合される結合領域と、 前記導波路の結合領域における幅は、前記導波路の高さ
対幅の比が１．２以上で、結合効率に関し前記幅の製造
上の変動の影響を最低にし、前記導波路が光ファイバに
接合されるインタフェース領域と、を有し、 前記導波路のインタフェース領域における幅は、前記導
波路と光ファイバとの間のモードフィールドのミスマッ
チを減少させるよう前記導波路に対し、前記高さの１２
０％以上増加していると有することを特徴とする平面型
光学導波路素子。 - 【請求項９】 前記導波路が曲がる湾曲領域を有し、 前記導波路の幅は、曲げ損失を減少するために前記湾曲
領域で所定の幅まで増加することを特徴とする請求項８
の素子。 - 【請求項１０】 （Ａ）入力導波路を有する第１スター
カプラと、 （Ｂ）複数の出力導波路を有する第２スターカプラと、 （Ｃ）前記第１スターカプラと第２スターカプラとを接
続する位相グレーティング列と、を有するドラゴンルー
タにおいて、 前記位相グレーティング列は、前記第１スターカプラの
第一端と、前記第２スターカプラの第二端とに接続され
る複数の不等長導波路を有し、 前記導波路は、コアの幅対高さの比が１．１５以上で、 高次モード信号を除去するために、前記第一端と第二端
のそれぞれに配置されたシングルモード領域とを有し、 前記位相グレーティング列は、コアの幅に関し製造誤差
に対し安定であることを特徴とするドラゴンルータ。 - 【請求項１１】 平面型光学導波路素子の製造方法にお
いて、 （Ａ）シリコン製あるいはシリカ製基板を提供するステ
ップと、 （Ｂ）前記基板上にシリカ製の下部クラッド層を堆積す
るステップと、 （Ｃ）前記下部クラッド層上にドープしたシリカ製のコ
ア層を堆積するステップと、 （Ｄ）前記コア層を光リソグラフ技術を用いて、光学回
路に必要とされる構造にパターン化するステップと、 前記光学回路の異なる機能領域でコアの幅が変化し、 （Ｅ）前記下部クラッド層と上部クラッド層との間のコ
ア層を包囲するために、前記コア層と前記下部クラッド
層上に上部クラッド層を堆積するステップとからなるこ
とを特徴とする平面上光学導波路素子の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/547,767 US5719976A (en) | 1995-10-24 | 1995-10-24 | Optimized waveguide structure |
| US547767 | 1995-10-24 |
Related Child Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001400472A Division JP4004794B2 (ja) | 1995-10-24 | 2001-12-28 | 平面型光学導波路素子 |
| JP2004137379A Division JP2004234031A (ja) | 1995-10-24 | 2004-05-06 | 平面型光学導波路素子 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09166716A true JPH09166716A (ja) | 1997-06-24 |
| JP3581224B2 JP3581224B2 (ja) | 2004-10-27 |
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ID=24186043
Family Applications (3)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28214196A Expired - Fee Related JP3581224B2 (ja) | 1995-10-24 | 1996-10-24 | 平面型光学導波路素子 |
| JP2001400472A Expired - Fee Related JP4004794B2 (ja) | 1995-10-24 | 2001-12-28 | 平面型光学導波路素子 |
| JP2004137379A Pending JP2004234031A (ja) | 1995-10-24 | 2004-05-06 | 平面型光学導波路素子 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001400472A Expired - Fee Related JP4004794B2 (ja) | 1995-10-24 | 2001-12-28 | 平面型光学導波路素子 |
| JP2004137379A Pending JP2004234031A (ja) | 1995-10-24 | 2004-05-06 | 平面型光学導波路素子 |
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|---|---|
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